JP6654596B2 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、深紫外光を出力する半導体発光素子の開発が進められている。深紫外光用の発光素子は、基板上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する。光出力向上のため、活性層とｐ型半導体層の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の電子ブロック層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２０５７６７号公報

深紫外光用の半導体発光素子では、さらなる光出力の向上が求められている。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、半導体発光素子の光出力を向上させる技術を提供することにある。

本発明のある態様の半導体発光素子は、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられ、ｎ型クラッド層より酸素（Ｏ）濃度が高い中間層と、中間層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。

この態様によると、ｎ型クラッド層と活性層との間に高酸素濃度の中間層を挿入することで、ｎ型クラッド層の結晶構造の不均一性や揺らぎが活性層に伝播して活性層の結晶品質が低下するのを抑制できる。その結果、活性層の結晶構造を安定化させて発光素子の光出力を高めることができる。

中間層は、少なくとも酸素（Ｏ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含んでもよい。

中間層のピークの酸素濃度は、２×１０^１７／ｃｍ^３以上であってもよい。

中間層のピークの酸素濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であってもよい。

中間層の厚さは、１０ｎｍ以下であってもよい。

活性層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有してもよい。

本発明の別の態様は、半導体発光素子の製造方法である。この方法は、基板上にｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層を形成する工程と、ｎ型クラッド層の表面にｎ型クラッド層より酸素（Ｏ）濃度が高い中間層を形成する工程と、中間層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層を形成する工程と、活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備える。

この態様によると、ｎ型クラッド層と活性層との間に高酸素濃度の中間層を設けることで、ｎ型クラッド層の結晶構造の不均一性や揺らぎが活性層に伝播して活性層の結晶品質が低下するのを抑制できる。その結果、活性層の結晶構造を安定化させて発光素子の光出力を高めることができる。

中間層は、ｎ型クラッド層の表面を酸化させることにより形成されてもよい。

中間層は、酸素ガス（Ｏ_２）を含む雰囲気ガス下において０℃以上９００℃未満の温度で形成されてもよい。

本発明によれば、半導体発光素子の光出力を向上させることができる。

実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子の酸素濃度分布を模式的に示すグラフである。 半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。

図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、半導体発光素子１０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。

本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。

また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。

半導体発光素子１０は、基板２０と、バッファ層２２と、ｎ型クラッド層２４と、中間層２５と、活性層２６と、電子ブロック層２８と、ｐ型クラッド層３０と、ｎ側電極３２と、ｐ側電極３４とを備える。

基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の第２主面２０ｂを有する。第１主面２０ａは、バッファ層２２より上の各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出面となる一主面である。変形例において、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であってもよいし、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板であってもよい。

バッファ層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に形成される。バッファ層２２は、ｎ型クラッド層２４より上の各層を形成するための下地層（テンプレート層）である。バッファ層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ；High Temparature AlN）層である。バッファ層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。変形例において、基板２０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみで構成されてもよい。

ｎ型クラッド層２４は、バッファ層２２の上に形成される。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２０％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが４．３ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型クラッド層２４は、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有する。

中間層２５は、ｎ型クラッド層２４の上に形成される。中間層２５は、ｎ型クラッド層２４よりも酸素（Ｏ）濃度の高い層であり、例えば、２×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下の酸素濃度を有する。中間層２５は、少なくとも酸素（Ｏ）とアルミニウム（Ａｌ）を含み、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＯＮ）などで構成される。中間層２５は、シリコン（Ｓｉ）を含んでもよい。中間層２５は、活性層２６へのキャリア注入を阻害しないように薄く形成されることが好ましく、１０ｎｍ以下の厚さを有し、例えば、５ｎｍ、３ｎｍ、２ｍｍ、１ｎｍまたは１ｎｍ未満の厚さを有する。中間層２５は、原子１層〜１０層程度の厚さを有してもよい。

活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型クラッド層２４と電子ブロック層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、単層または多層の量子井戸構造を有し、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される障壁層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層の積層体で構成される。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３１０ｎｍ以下の深紫外光を発するようにＡｌＮ組成比が選択される。

電子ブロック層２８は、活性層２６の上に形成される。電子ブロック層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。電子ブロック層２８は、ｐ型ではなく、アンドープの半導体層であってもよい。

ｐ型クラッド層３０は、電子ブロック層２８の上に形成されるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層３０は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。ｐ型クラッド層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。

ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の一部領域上に形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型クラッド層２４の上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。

図２は、半導体発光素子１０の酸素濃度分布を模式的に示すグラフである。図示されるように、中間層２５は、隣接するｎ型クラッド層２４や活性層２６と比べて高い酸素濃度を有し、２×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下のピーク濃度を有する。ｎ型クラッド層２４の酸素濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３未満であることから、中間層２５の酸素濃度はｎ型クラッド層２４よりも高い。活性層２６は、１×１０^１７／ｃｍ^３前後の酸素濃度を有し、ｎ型クラッド層２４よりも酸素濃度が高く、中間層２５よりも酸素濃度が低い。なお、変形例において、ｎ型クラッド層２４の酸素濃度が活性層２６の酸素濃度より高くてもよい。

つづいて、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図３は、半導体発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、基板２０を用意し、基板２０の第１主面２０ａの上にバッファ層２２およびｎ型クラッド層２４を順に形成する（Ｓ１０）。

基板２０は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上にバッファ層２２が形成される。バッファ層２２は、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層と、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層とを含む。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

つづいて、ｎ型クラッド層２４の上に高酸素濃度の中間層２５を形成する（Ｓ１２）。中間層２５は、ｎ型クラッド層２４の表面を酸化させることにより形成できる。例えば、ｎ型クラッド層２４の表面が露出した状態で、空気などの酸素ガス（Ｏ_２）を含む雰囲気ガス下に置くことで、ｎ型クラッド層２４の表面を酸化させることができる。

中間層２５の厚さを１０ｎｍ以下にするため、ｎ型クラッド層２４などのＡｌＧａＮ系半導体材料層の形成時よりも低い温度でｎ型クラッド層２４の酸化処理を行うことが望ましい。ｎ型クラッド層２４の酸化処理は、９００℃未満とすることが好ましく、例えば１００℃以下の温度や、０℃〜３０℃程度の室温下であってもよい。中間層２５を１００℃以下の低温で酸化させる場合、空気などの酸素を含む雰囲気中で１時間以上、例えば、２時間、４時間、８時間、１２時間または２４時間程度、酸化処理を進めればよい。

中間層２５は、ｎ型クラッド層２４とは別の層として形成されてもよく、ｎ型クラッド層２４の上に少なくとも酸素（Ｏ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む層を成長させて形成してもよい。中間層２５は、例えば、酸素（Ｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）などを供給するための原料ガスを用いて形成されてもよい。この場合、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

次に、中間層２５の上に活性層２６を形成する（Ｓ１４）。例えば、中間層２５の上に障壁層と井戸層とを交互に積層させることにより、量子井戸構造を有する活性層２６が形成される。活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

次に、活性層２６の上にｐ型半導体層を形成する（Ｓ１６）。例えば、活性層２６の上に電子ブロック層２８を形成し、つづいて、ｐ型クラッド層３０を形成する。電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０は、ＡｌＮ系半導体材料またはＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

つづいて、ｎ側電極３２およびｐ側電極３４を形成する（Ｓ１８）。まず、ｐ型クラッド層３０の上にマスクを形成し、マスクが形成されていない露出領域の活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０を除去する。活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０の除去は、プラズマエッチングにより行うことができる。ｎ型クラッド層２４の露出面上にｎ側電極３２を形成し、マスクを除去したｐ型クラッド層３０の上にｐ側電極３４を形成する。ｎ側電極３２およびｐ側電極３４は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。これにより、図１に示す半導体発光素子１０ができあがる。

本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層２４と活性層２６の間に高酸素濃度の中間層２５を設けることで、活性層２６の結晶品質を高めて半導体発光素子１０の光出力を高めることができる。例えば、出力波長２７０ｎｍの発光素子の場合、中間層２５を設けた実施例では、中間層２５を設けていない比較例に対して、１．５倍〜２．５倍程度の光出力を得ることができる。本実施の形態に係る一実施例によれば、１００ｍＡの通電時において、２６０ｎｍ〜２７０ｎｍの出力波長、３．４ｍＷ〜３．７ｍＷの発光出力が得られた。また、９００℃未満での酸化処理をして中間層２５の厚さを１０ｎｍ以下にすることにより、９００℃以上での酸化処理をして比較的厚い高酸素濃度領域を設ける場合と比べて１．２倍〜２．８倍程度の光出力を得ることができた。

本実施の形態によれば、ｎ型クラッド層２４の結晶構造の不均一性やゆらぎを中間層２５にて遮断し、活性層２６における結晶構造の不均一性やゆらぎの発生を抑制することができる。その結果、活性層２６のＡｌＮ組成や厚さを均一化することができ、半導体発光素子１０の発光特性を安定化させることができる。特に、活性層２６が多重量子井戸構造で構成される場合、複数の井戸層のそれぞれのＡｌＮ組成や厚さのばらつきを抑制し、半導体発光素子１０の全体としての発光特性を改善させることができる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１０…半導体発光素子、２２…バッファ層、２４…ｎ型クラッド層、２５…中間層、２６…活性層。

Claims (9)

1. 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されるベース層と、
   前記ベース層上に設けられ、ＡｌＮ組成比が２０％以上であるｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層上に設けられ、前記ｎ型クラッド層より酸素（Ｏ）濃度が高い中間層と、
   前記中間層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
   前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記中間層は、前記ｎ型クラッド層の表面を酸化させた酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記中間層は、インジウム（Ｉｎ）を含まないことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記中間層の酸素濃度は、２×１０^１７／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記中間層の酸素濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記中間層の厚さは、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層は、ＡｌＧａＮ系半導体材料の障壁層と、ＡｌＧａＮ系半導体材料の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
8. 基板上にｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料のｎ型クラッド層を形成する工程と、
   前記ｎ型クラッド層の表面を酸化させて前記ｎ型クラッド層より酸素（Ｏ）濃度が高い中間層を形成する工程と、
   前記中間層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層を形成する工程と、
   前記活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
9. 前記中間層は、酸素ガス（Ｏ_２）を含む雰囲気ガス下において０℃以上９００℃未満の温度で形成されることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。

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