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公開番号2024043805
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-02
出願番号2022149001
出願日2022-09-20
発明の名称半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
出願人東ソー株式会社,学校法人名城大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01L 33/04 20100101AFI20240326BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】Mgを高濃度に含む該p+GaN層の高抵抗化を防止でき、駆動電圧が低減された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】GaN基板110上の半導体発光素子100であって、ナノワイヤ構造の第1のn型GaN層131上に、発光層132、p型GaN層133、トンネル接合層134、及び第2のn型GaN層140が、この順で積層しており、第1のn型GaN層は、Si含有GaN層からなり、発光層は、InGaN層とGaN層とを有する層からなり、p型GaN層は、Mg含有GaN層からなり、トンネル接合層は、p+型GaN層135上にn+型GaN層136が積層した積層体からなり、n+型GaN層は、n+型GaNスパッタ膜であり、第2のn型GaN層は、Si含有GaN層からなる、半導体発光素子である。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
ＧａＮ基板、第１のｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層、及び第２のｎ型ＧａＮ層を有する半導体発光素子であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、ナノワイヤ構造からなり、
前記ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、前記発光層、前記ｐ型ＧａＮ層、前記トンネル接合層、及び前記第２のｎ型ＧａＮ層が、この順で積層しており、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記トンネル接合層は、ｐ＋型ＧａＮ層上にｎ＋型ＧａＮ層が積層した積層体からなり、
前記ｎ＋型ＧａＮ層は、ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜であり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、半導体発光素子。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記トンネル接合層において、前記ｐ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｍｇ含有ＧａＮ層であり、前記ｎ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｓｉ含有ＧａＮ層である、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とからなる層が５層積層された積層体からなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層を形成するためのｐ＋型ＧａＮ層をこの順で、ＭＯＶＰＥ法により積層する工程と、
前記ｐ＋型ＧａＮ層上に、スパッタ法によりトンネル接合層を形成するためのｎ＋型ＧａＮ層を積層し、ｎ＋ＧａＮスパッタ膜を形成する工程と、
前記ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜上に第２のｎ型ＧａＮ層を、ＭＯＶＰＥ法またはスパッタ法により積層する工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
ＧａＮ基板上に、誘電体からなり複数の開口部を有したマスクを形成する第１工程と、
前記第１工程後、前記開口部にナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層を、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により選択成長させる第２工程と、
前記第２工程後、前記ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層を形成するためのｐ＋型ＧａＮ層をこの順で、ＭＯＶＰＥ法により積層する第３工程と、
前記第３工程後、前記ｐ型ＧａＮ層および前記ｐ＋型ＧａＮ層の活性化アニールを行う第４工程と、
前記第４工程後、前記ｐ＋型ＧａＮ層上に、スパッタ法によりトンネル接合層を形成するためのｎ＋型ＧａＮ層を積層し、ｎ＋ＧａＮスパッタ膜を形成する第５工程と、
前記第５工程後、前記ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜上に第２のｎ型ＧａＮ層を、ＭＯＶＰＥ法またはスパッタ法により積層する第６工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｍｇ含有ＧａＮ層であり、前記ｎ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｓｉ含有ＧａＮ層である、請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、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。
続きを表示（約 4,400 文字）【背景技術】
【０００２】
柱状のＧａＮナノワイヤに対して、そのナノワイヤを覆うように活性層を形成した半導体発光素子、具体的な構造として、柱状のＧａＮナノワイヤに対して、ＧａＩｎＮ系量子殻層、ｐ－ＧａＮ殻層、ｐ＋ＧａＮ層、及びｎ＋ＧａＮ層を積層させたコアシェル型構造の半導体発光素子、が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、ナノワイヤの周囲を活性層が覆うコアシェル型の半導体素子の製造方法として、従来より有機金属化合物気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥ法、またはＭＯＣＶＤ法ともいう）が用いられている。
例えば、ＧａＮナノワイヤをＭＯＶＰＥ法により成長させ、該ＧａＮナノワイヤの外周にＧａＩｎＮ／ＧａＮ－ＭＱＳ及びｐ型ＧａＮ殻をＭＯＶＰＥ法を用いて積層させたことが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。
また例えば、Ｍｇを高濃度に含むｐ層とＳｉを高濃度に含むｎ層とを積層させてなるトンネル接合層をＭＯＶＰＥ法を用いて作製したことが開示されている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
上山智、外３名、“量子殻特異構造の作製と光デバイス応用”、2021年3月18日、第68回応用物理学会春季学術講演会、講演予稿集、(2021オンライン開催) 18p-Z04-3
上山智、外３名、“GaN系量子殻構造の成長と光学特性評価”、日本結晶成長学会誌、Vol.45、No.1 (2018) 45-1-06
竹内哲也、“低抵抗・低コストGaNトンネル接合を実現～高効率GaNレーザー実現のための基板技術のひとつを確立～”、2018年5月1日、名城大学プレスリリース、https://www.meijo-u.ac.jp/news/detail_16299.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、上記ナノワイヤの周囲を活性層が覆うコアシェル型の半導体素子、つまり、柱状のナノワイヤ構造のｎ型ＧａＮ層に対して、ＩｎＧａＮ層を含む発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層を形成するためのｐ＋ＧａＮ層、及びトンネル接合層を形成するためのｎ＋ＧａＮ層を積層させたコアシェル型構造の半導体発光素子に対し、さらなる改良を進めていたところ、このようなコアシェル型構造の半導体発光素子において、ＭＯＶＰＥ法を用いて、トンネル接合層を形成するためにＭｇを高濃度に含むｐ＋ＧａＮ層とＳｉを高濃度に含むｎ＋ＧａＮ層からなる積層体を作製すると、以下の課題が生じることがわかった。
すなわち、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＧａＮ層上にＭｇを高濃度に含むｐ＋ＧａＮ層を積層させた後、該Ｍｇを高濃度に含むｐ＋ＧａＮ層上にＳｉを高濃度に含むｎ＋ＧａＮ層を積層させると、該ｎ＋ＧａＮ層の成膜中に生成する水素によって、下層の該ｐ＋ＧａＮ層が高抵抗化し、駆動電圧の高い半導体発光素子となってしまう。
そこで、本開示の目的は、柱状のナノワイヤ構造のｎ型ＧａＮ層に対して、ＩｎＧａＮ層を含む発光層、ｐ型ＧａＮ層、ｐ＋ＧａＮ層とｎ＋ＧａＮ層からなるトンネル接合層を積層させたコアシェル型構造の半導体発光素子において、Ｍｇを高濃度に含む該ｐ＋ＧａＮ層の高抵抗化を防止でき、駆動電圧が低減された半導体発光素子及びその製造方法の少なくともいずれかを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、柱状のナノワイヤ構造のｎ型ＧａＮ層に対して、ＩｎＧａＮ層を含む発光層、ｐ型ＧａＮ層、ｐ＋ＧａＮ層とｎ＋ＧａＮ層からなるトンネル接合層を積層させたコアシェル型構造の半導体発光素子において、トンネル接合層を形成するための該ｎ＋型ＧａＮ層をスパッタ法で作製し、トンネル接合層を形成するための該ｐ＋ＧａＮ層上にｎ＋型ＧａＮスパッタ膜が積層された半導体発光素子とすることで、上記課題を解決できる半導体発光素子が得ることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は特許請求の範囲の記載のとおりであり、また、本開示は以下の形態を包含するものである。
［１］ＧａＮ基板、第１のｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層、及び第２のｎ型ＧａＮ層を有する半導体発光素子であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、ナノワイヤ構造からなり、
前記ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、前記発光層、前記ｐ型ＧａＮ層、前記トンネル接合層、及び前記第２のｎ型ＧａＮ層が、この順で積層しており、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記トンネル接合層は、ｐ＋型ＧａＮ層上にｎ＋型ＧａＮ層が積層した積層体からなり、
前記ｎ＋型ＧａＮ層は、ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜であり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、半導体発光素子。
［２］前記トンネル接合層において、前記ｐ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｍｇ含有ＧａＮ層であり、前記ｎ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｓｉ含有ＧａＮ層である、［１］に記載の半導体発光素子。
［３］前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とからなる層が５層積層された積層体からなる、［１］または［２］に記載の半導体発光素子。
［４］ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層を形成するためのｐ＋型ＧａＮ層をこの順で、ＭＯＶＰＥ法により積層する工程と、
前記ｐ＋型ＧａＮ層上に、スパッタ法によりトンネル接合層を形成するためのｎ＋型ＧａＮ層を積層し、ｎ＋ＧａＮスパッタ膜を形成する工程と、
前記ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜上に第２のｎ型ＧａＮ層を、ＭＯＶＰＥ法またはスパッタ法により積層する工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、半導体発光素子の製造方法。
［５］ＧａＮ基板上に、誘電体からなり複数の開口部を有したマスクを形成する第１工程と、
前記第１工程後、前記開口部にナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層を、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により選択成長させる第２工程と、
前記第２工程後、前記ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層を形成するためのｐ＋型ＧａＮ層をこの順で、ＭＯＶＰＥ法により積層する第３工程と、
前記第３工程後、前記ｐ型ＧａＮ層および前記ｐ＋型ＧａＮ層の活性化アニールを行う第４工程と、
前記第４工程後、前記ｐ＋型ＧａＮ層上に、スパッタ法によりトンネル接合層を形成するためのｎ＋型ＧａＮ層を積層し、ｎ＋ＧａＮスパッタ膜を形成する第５工程と、
前記第５工程後、前記ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜上に第２のｎ型ＧａＮ層を、ＭＯＶＰＥ法またはスパッタ法により積層する第６工程と、を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる、［４］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［６］前記ｐ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｍｇ含有ＧａＮ層であり、前記ｎ＋型ＧａＮ層は、高濃度Ｓｉ含有ＧａＮ層である、［４］または［５］に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本開示により、柱状のナノワイヤ構造のｎ型ＧａＮ層に対して、ＩｎＧａＮ層を含む発光層、ｐ型ＧａＮ層、ｐ＋ＧａＮ層とｎ＋ＧａＮ層からなるトンネル接合層を積層させたコアシェル型構造の半導体発光素子において、Ｍｇを高濃度に含む該ｐ＋ＧａＮ層の高抵抗化を防止でき、駆動電圧が低減された半導体発光素子及びその製造方法の少なくともいずれかを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本開示に係る半導体発光素子１００の概略構成の一例を示した斜視図である。
図１の半導体発光素子１００の断面を示した図である。
本開示に係る半導体発光素子１００を構成する柱状半導体１３０の概略構成の一例を示した図である。
本開示に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
本開示に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
本開示に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
本開示に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
本開示に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
本開示に係る半導体発光素子の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（半導体発光素子）
本開示の半導体発光素子は、ＧａＮ基板、第１のｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層、トンネル接合層、及び第２のｎ型ＧａＮ層を有する。
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、ナノワイヤ構造からなり、
前記ナノワイヤ構造の第１のｎ型ＧａＮ層上に、前記発光層、前記ｐ型ＧａＮ層、前記トンネル接合層、及び前記第２のｎ型ＧａＮ層が、この順で積層しており、
前記第１のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する層からなり、
前記ｐ型ＧａＮ層は、Ｍｇ含有ＧａＮ層からなり、
前記トンネル接合層は、ｐ＋型ＧａＮ層上にｎ＋型ＧａＮ層が積層した積層体からなり、
前記ｎ＋型ＧａＮ層は、ｎ＋型ＧａＮスパッタ膜であり、
前記第２のｎ型ＧａＮ層は、Ｓｉ含有ＧａＮ層からなる。
（【００１１】以降は省略されています）

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