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JP2001060720A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JP2001060720A
JP2001060720A JP23300999A JP23300999A JP2001060720A JP 2001060720 A JP2001060720 A JP 2001060720A JP 23300999 A JP23300999 A JP 23300999A JP 23300999 A JP23300999 A JP 23300999A JP 2001060720 A JP2001060720 A JP 2001060720A
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light emitting
emitting device
nitride semiconductor
gan
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木 伸 洋 鈴
Hideto Sugawara
原 秀 人 菅
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Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作電圧を低減し、汎用されている電源電圧
を用いて安定に動作可能な窒化物半導体発光素子を提供
することを目的とする。 【解決手段】 バンドギャップの大きい窒化物半導体層
とバンドギャップの小さい窒化物半導体層とを交互に積
層させた超格子構造を有し、p型ドーパントがバンドギ
ャップの大きい窒化物半導体層に選択的にドープされて
いるコンタクト層を用いる。窒化物半導体においては、
Al組成を上昇させてバンドギャップを大きくした結晶
は硬度が高く、In組成を上昇させてバンドギャップを
小さくした結晶は硬度が低い。硬度の低い窒化物半導体
層は緩衝層としてし結晶の歪みを緩和し結晶性を改善す
る役割を有する。そして、本発明においては、このよう
な軟らかい半導体層をノンドープとすることにより、結
晶性の劣化を防ぎ、緩衝層としての作用を十分に発揮さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に関
し、特に、GaN、AlGaN、InGaN、InGa
AlNなどの窒化物半導体からなり、動作電圧を従来よ
りも低減することができる半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】GaNなどの窒化物半導体は、ほぼすべ
ての混晶比において直接遷移型のバンド構造を有してい
ることが予測され、この材料系を用いた発光ダイオード
(light emitting diode:LED)や半導体レーザ(la
ser diode:LD)などの発光素子は、短波長領域にお
いて高い発光効率が得られることが期待されている。
【0003】なお、本願において「窒化物半導体」と
は、InAlGa(1−y−z)N(0≦y≦1、
0≦z≦1)なる組成式で表現されるすべての組成のII
I−V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素として
は、Nに加えてリン(P)や砒素(As)などを含有す
る混晶も含むものとする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒化物系の発光素子
は、活性層にInGaN又はGaNを用い、活性層から
のキャリアのオーバーフローを抑えるためにAlGa
1−yN(0<y<0.5)のクラッド層を用いる場合
が多い。キャリアのオーバーフローを効果的に抑えるた
めには、少なくとも10%程度のAl組成が必要であ
る。しかし、Al組成を上げると、p側電極とのオーミ
ック接触を確保することが困難になり、動作電圧が上が
るという問題があった。
【0005】動作電圧を低減させる方法として、AlG
aNクラッド層の上にMgをドープしたp型GaNまた
はp型InGaNコンタクト層を形成する方法が特開平
6−268259号公報及び特開平9−289351号
に記載されている。
【0006】図7は、このようなコンタクト層を備えた
LEDを例示した概略断面図である。
【0007】すなわち、同図のLEDにおいては、サフ
ァイア基板111の上にバッファ層112を介して、n
型GaN層113、活性層114、p型AlGaNクラ
ッド層115、p型GaNコンタクト層116が順に積
層されている。
【0008】n型GaN層113の上には、n側電極1
63、ボンディングパッド164が形成され、p型Ga
Nコンタクト層116の上には、p側電極165、ボン
ディングパッド166が形成されている。また、素子の
表面は、保護膜161、162により覆われている。
【0009】図7に表された構成によれば、p型GaN
コンタクト層に電極165を接触させてオーミック接触
を確保することにより、動作電圧をある程度下げること
ができる。
【0010】一方、p型コンタクト層の表面付近のマグ
ネシウム(Mg)濃度を高くして電極との接触抵抗をさ
らに低減しようとする試みが特許第2666237号に
記載されている。
【0011】しかし、これらのいずれの方法によって
も、発光素子の動作電圧は3.5ボルト程度と高いとい
う問題があった。
【0012】さらに素子の動作電圧を下げる別の方法と
して、マグネシウムをドープしたp型InGaNコンタ
クト層を用いる方法が特開平9−289351号公報に
記載されている。すなわち、GaNの代わりにInGa
Nを用いた場合のほうがp側電極との間の価電子帯のポ
テンシャルバリアが下がり、素子の動作電圧を下げるこ
とができるというものである。しかし、実際には、In
GaNはGaNと比べてp型化しにくいという問題があ
る。その結果として、この方法を用いた発光素子は全く
実用化されていない。
【0013】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、動作電圧を
低減し、汎用されている電源電圧において安定に動作可
能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の半導
体発光素子は、窒化物半導体からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層の表面に接触して設けられたp側電極
と、を備えた半導体発光素子であって、前記コンタクト
層は、バンドギャップの大きい窒化物半導体層とバンド
ギャップの小さい窒化物半導体層とを交互に積層させた
超格子構造を有し、p型ドーパントが前記バンドギャッ
プの大きい窒化物半導体層に選択的にドープされている
ことを特徴とする。
【0015】超格子構造に選択的にドーピングを施す場
合には、バンドギャップの小さい方の結晶層に選択的に
ドーピングを行うことが通常である。しかし、窒化物半
導体においては、Al(アルミニウム)組成を上昇させ
てバンドギャップを大きくした結晶は硬度が高く、In
(インジウム)組成を上昇させてバンドギャップを小さ
くした結晶は硬度が低いという特徴を有する。このた
め、この材料系においては、バンドギャップの大きい結
晶すなわち硬度の高い結晶の方にドーピングを行うこと
が効果的となる。
【0016】すなわち、硬度の低い窒化物半導体層は緩
衝層としてし結晶の歪みを緩和し結晶性を改善する役割
を有する。そして、本発明においては、このような軟ら
かい半導体層をノンドープとすることにより、結晶性の
劣化を防ぎ、緩衝層としての作用を十分に発揮させるこ
とができる。
【0017】具体的には、例えば、前記硬度の高い窒化
物半導体層としてGaNを採用し、前記硬度の低い窒化
物半導体層としてInGaNを採用することができる。
この場合には、p型ドーパントはGaN層に選択的にド
ープする。
【0018】従って、軟らかいInGaN層をノンドー
プとすることにより、緩衝層として十分に作用させるこ
とができ、半導体発光素子の動作電圧を効果的に低下さ
せることが可能となる。
【0019】また、この具体例においては、前記InG
aNにおいてInがIII族元素全体に占める割合は、0
原子%よりも大きく20原子%よりも小さいものとする
ことが望ましい。Inの添加により緩衝層としての作用
が得られるのであるが、添加量が多すぎると、逆に結晶
性が劣化するからである。
【0020】また、超格子構造の他の具体例としては、
前記バンドギャップの大きいすなわち硬度の高い窒化物
半導体層として、AlGaNを採用し、前記バンドギャ
ップの小さいすなわち硬度の低い窒化物半導体層とし
て、GaNを採用しても良い。この場合には、p型ドー
パントは前記AlGaNに選択的にドープする。
【0021】従って、相対的に軟らかいGaN層をノン
ドープとすることにより、緩衝層として十分に作用させ
ることができ、半導体発光素子の動作電圧を効果的に低
下させることが可能となる。
【0022】また、他の具体例としては、互いに組成の
異なるInGaN層同士により超格子構造を形成しても
良く、AlGaN層とInGaN層により超格子構造を
形成しても良い。いずれの場合にも、相対的に軟らかい
結晶層にp型ドーパントをドープする。
【0023】一方、前記p型ドーパントとしては、Mg
(マグネシウム)、Zn(亜鉛)またはC(炭素)を用
いることができる。
【0024】p型ドーパントがMg(マグネシウム)の
場合には、そのドープ濃度は1×1019cm−3以上
で1×1020cm−3以下であることが望ましい。
【0025】一方、p側電極は、ITOなどの酸化物を
含むものでも良い。特に、AlGaN層とGaN層との
超格子によりコンタクト層を形成した場合には、ITO
層を有するp側電極に対して良好な結果が得られる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。
【0027】(第1の実施の形態)図1は、本発明の第
1の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中31はサファイア基板、32はGaNバッ
ファ層、33はn型GaN(Siドープ)層、34は5
層MQW型InGaN活性層、35はp型Al0.10
Ga0.90N(Mgドープ)層、36は、超格子コン
タクト層である。
【0028】ここで、超格子コンタクト層は、p側電極
165に対して接触する半導体層であり、硬度の高い窒
化物半導体層と硬度の低い窒化物半導体層とを交互に積
層させた超格子構造を有し、p型ドーパントが前記硬度
の高い窒化物半導体層に選択的にドープされている。超
格子コンタクト層36は、具体的には、例えば、In
0.01Ga0.99N/GaN(Mgドープ)変調ド
ープ超格子構造とすることができる。
【0029】図1のLEDの構成をその製造方法に沿っ
て概説すると以下の如くである。
【0030】まず、水素ガスを流しながらサファイア基
板11を1100℃で10分間加熱し、基板表面の酸化
物を除去する。次に、基板11を550℃まで冷却し、
TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア及びキャリ
アガスを流して膜厚100nmのGaNバッファ層12
を成長させる。
【0031】次に、基板の温度を1100℃に加熱し、
TMG、SiH4、アンモニア及びキャリアガスを流し
て膜厚4nmのn型GaN(Siドープ)層13を成長
させる。
【0032】次に、基板の温度を750℃まで冷却し、
TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニア
及びキャリアガスを流して、5層MQW型活性層14を
成長させる。ここで、活性層14は、膜厚3nmのIn
GaNウエル層と膜厚6nmのGaNバリア層を5層ず
つ交互に積層させた構造を有する。また、ここで活性層
にドーピングを行っても良い。
【0033】次に、基板を950℃に加熱し、TMG、
TMA(トリメチルアルミニウム)、Cp2Mg、アン
モニア及びキャリアガスを流して膜厚200nmのp型
Al 0.10Ga0.90N(Mgドープ)クラッド層
15を成長させる。なお、このクラッド層のMg濃度
は、例えば5.0×1019cm−3とすることができ
る。
【0034】次に、基板の温度を950℃に保ったま
ま、超格子コンタクト層16を成長させる。具体的に
は、TMG、TMI、アンモニア及びキャリアガスを流
して膜厚3nmのlnGaN層を成長させ、TMG、ア
ンモニア、Cp2Mg及びキャリアガスを流して膜厚3
nmのp型GaN(Mgドープ)層を成長させる。これ
らの層を例えば50層ずつ交互に成長させることにより
超格子コンタクト層16を形成することができる。ここ
で、GaN層のMg濃度は、例えば1.0×10
−3とすることができる。
【0035】次に、基板を室温まで冷却して取り出し、
図1に示したように積層構造の一部を表面からn型コン
タクト層13までエッチングして、n側電極163を形
成する。また、p型コンタクト層16の上には透光性を
有するp側電極165を形成する。さらに、素子の表面
を保護膜161で覆い、電極にボンディングパッド16
4、166を接続し、さらに素子の表面を保護膜162
で覆うことにより、LEDが完成する。
【0036】なお、透光性を有するp側電極165とし
ては、例えば、金属系のNi(ニッケル)/Au(金)
/Ni積層膜や、酸化物/金属系のITO(indium tin
oxide)/Niなどを採用することできる。
【0037】このようにして試作したLEDは、順方向
電流If=20mAの条件において、順方向電圧Vf=
3.2ボルト、発光ピーク波長450nmの青色発光を
示し、発光出力は3.3mWであった。
【0038】これに対して、本発明者は、比較例とし
て、図1の構成においてコンタクト層16としてMg濃
度が1.0×1020cm−3で厚さが0.30μmの
p型GaN(Mgドープ)層とする以外は前述した本発
明の素子と同様の構成を有するLEDを試作してその特
性を評価した。
【0039】その結果、比較例の素子は、If=20m
Aにおいて、Vf=3.7ボルト、発光ピーク波長45
0nmの青色発光を示し、発光出力は3.1mWであっ
た。
【0040】すなわち、本発明の発光素子は、比較例の
発光素子よりも動作電圧を低減し、発光出力も改善する
ことができた。
【0041】本発明において、超格子コンタクトを用い
ることにより動作電圧を低減することができた理由とし
ては、大きく分けて以下の3つが考えられる。
【0042】第1の理由として、p側電極とp型コンタ
クト層との間の価電子帯のポテンシャルバリアの低減が
考えられる。単純にこれを利用しようとした発明として
は、前述したように、InGaNからなる単層をコンタ
クト層とする方法が特開平9−289351号に記載さ
れている。しかし、実際にはInGaMはGaNに比べ
てp型化しづらいために十分な効果は得られていなかっ
た。これに対して、本発明のように高濃度pドープのG
aN層とノンドープのInGaN層とを交互に成長させ
ることにより、p型化が比較的容易なGaNのメリット
と、電極との間の価電子帯のポテンシャルバリアが低減
するInGaNのメリットの両方を生かすことが出来た
と考えられる。
【0043】第2の理由として、結晶性の向上が考えら
れる。すなわち、InGaNはGaNに比べて結晶が軟
らかいため、GaN層との超格子構造においては緩衝層
として作用し、貫通転位やクラックなどの結晶欠陥を減
少させて結晶性を向上させる効果があると考えられる。
但し、InGaNの結晶自体は劣化しやすく、高濃度の
ドーピングを行うと結晶が顕著に劣化する。従って、I
nGaN層にMgをドープすると結晶性が劣化して緩衝
層としての効果がなくなってしまう。また、前述した特
開平9−289351号のようにp型ドーパントを高濃
度にドープするとInGaNの結晶性が悪化してしま
い、電圧低下効果は発揮できないし、p側電極の形成も
困難となる。
【0044】これに対して、本発明においてはGaNバ
リア層にMgを選択的にドーピングしてInGaN層と
の超格子構造を形成することにより、InGaNの緩衝
層としての効果を十分に発揮させることができたと考え
られる。
【0045】第3の理由として、有効キャリア濃度とキ
ャリア移動度の上昇が考えられる。すなわち、InGa
Nにp型ドーパントをドーピングしても十分にp型化さ
せることは困難である。これに対して、本発明において
は、GaNへの変調ドープによりp型ドーパントを十分
に活性化させ、有効キャリア濃度を十分に高くすること
ができる。さらに、変調ドープにより不純物散乱を十分
に抑えることが可能になり、高い移動度を持つ正孔キャ
リアを得ることができたと考えられる。
【0046】ここで、本発明の超格子コンタクト層にお
いては、InGaNウエル層のIn組成が高すぎると結
晶が悪化してしまうので、In組成は20%未満とする
ことが望ましく10%未満とすることがさらに望まし
い。但し、原理的には、少しでもInが入っていれば、
前記した結晶性向上効果が現れると考えられる。
【0047】また、超格子コンタクト層の形成に際し
て、最後に成長させる層をInGaN層とGaN(Mg
ドープ)層のどちらにしても素子特性に違いは見られな
かった。、つまり、p側電極165に接触する超格子コ
ンタクト層16の最上層は、InGaN層でもGaN層
でも良い。これは、超格子構造の場合には、ウエル層と
バリア層との平均的なポテンシャルを全体として有する
ためであると考えられる。
【0048】一方、GaNバリア層に対するMgのドー
ピング濃度は、1×1019〜1×1021cm−3
良い。ドーピング濃度が高すぎると結晶が劣化し、低す
ぎるとp型化が十分でないからである。
【0049】(第2の実施の形態)図2は、本発明の第
2の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中21はGaN基板、22はGaNバッファ
層、23はn型GaN(Siドープ)層、24は5層M
QW型InGaN活性層、25はp型Al0.10Ga
0.90N(Mgドープ)層、26はIn0.01Ga
0.99N/GaN(Mgドープ)変調ドープ超格子コ
ンタクト層である。
【0050】図2のLEDの構成をその製造方法に沿っ
て概説すると以下の如くである。
【0051】まず、水素ガスを流しながらGaN基板2
1を1100℃で10分間加熱し、基板表面の酸化物を
除去する。次に、基板21を550℃まで冷却し、TM
G、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚100n
mのGaNバッファ層22を成長させる。
【0052】次に、基板の温度を1100℃に加熱し、
TMG、SiH4、アンモニア及びキャリアガスを流し
て膜厚4nmのn型GaN(Siドープ)層23を成長
させる。
【0053】次に、基板の温度を750℃まで冷却し、
TMG、TMI、アンモニア及びキャリアガスを流し
て、5層MQW型活性層24を成長させる。ここで、活
性層24は、膜厚3nmのInGaNウエル層と膜厚6
nmのGaNバリア層を5層ずつ交互に積層させた構造
を有する。また、ここで活性層にドーピングを行っても
良い。
【0054】次に、基板を950℃に加熱し、TMG、
TMA、Cp2Mg、アンモニア及びキャリアガスを流
して膜厚200nmのp型Al0.10Ga0.90
(Mgドープ)クラッド層25を成長させる。なお、こ
のクラッド層のMg濃度は、例えば5.0×1019
−3とすることができる。
【0055】次に、基板の温度を950℃に保ったま
ま、超格子コンタクト層26を成長させる。具体的に
は、TMG、TMI、アンモニア及びキャリアガスを流
して膜厚3nmのlnGaNウエル層を成長させ、TM
G、アンモニア、Cp2Mg及びキャリアガスを流して
膜厚3nmのp型GaN(Mgドープ)層を成長させ
る。これらの層を例えば50層ずつ交互に成長させるこ
とにより超格子コンタクト層36を形成することができ
る。ここで、GaN層のMg濃度は、例えば1.0×1
20cm−3とすることができる。
【0056】次に、基板を室温まで冷却して取り出し、
電極形成工程を実施する。図2に例示した発光素子は、
p型コンタクト層26の上の全面にp側電極175が形
成されている。そして、GaN基板21の裏面側には透
光性を有するn側電極173が形成され、ボンディング
パッド174が接続されている。さらに、素子の裏面は
保護膜171、172により覆われている。
【0057】基板としてサファイアを用いた場合には導
電性がないが、GaN基板21は導電性を有するため、
本実施形態のように基板の裏面側に電極を設けることが
可能となる。さらに、本実施形態のように、基板の裏面
側の電極を透光性の電極として、裏面側から光を取り出
すこともできる。
【0058】このようにして試作したLEDは、If=
20mAでVf=2.9ボルト、発光ピーク波長450
nmの青色発光を示し、発光出力は3.5mWであっ
た。
【0059】比較例として、図2の構成においてコンタ
クト層をMg濃度1.0×1020cm−3で厚さが
0.30μmのp型GaN層とした素子を試作して評価
した。この比較例の素子の特性は、If=20mAでV
f=3.7ボルト、発光ピーク波長450nmの青色発
光を示し、発光出力は3.3mWであった。
【0060】本実施形態おいては、順方向電圧Vfが
2.9ボルトと顕著に低減した。特に、順方向電圧が3
ボルトを下回ることにより、汎用の電池を電源とした動
作が可能となり、各種の携帯機器に搭載が容易となる点
でこの電圧低減効果は、劇的である。
【0061】本実施形態において電圧低減効果が特に顕
著に現れた理由としては、主に以下の2つが考えられ
る。
【0062】第1の理由として、p側電極175を全面
電極としたことが挙げられる。すなわち、窒化物半導体
素子の場合には、n側と比較して、特にp側のコンタク
ト抵抗を下げることが難しい。これに対して、本実施形
態においては、p型コンタクト層26とp側電極175
とを全面で接触させることができる。しかも、p側から
は光を取り出さない構造であるので、接触抵抗が低くな
るような電極材料を十分に厚く形成することができる。
前述したように、サファイア基板ではこのような構造を
とることは困難である。
【0063】第2の理由として、結晶性の向上に伴うp
型キャリアの移動度の向上や活性化率の向上を挙げるこ
とができる。すなわち、サファイア基板の上にエピタキ
シャル成長させた場合と比べてGaN基板の上に窒化物
半導体層を成長させた場合のほうが貫通転位などの結晶
欠陥が少ない。その結果として、エピタキシャル層の結
晶性が改善され、キャリアの移動度や活性化率が上昇し
て素子抵抗が低下したことが考えられる。
【0064】(第3の実施の形態)図3は、本発明の第
3の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中31はSiC基板、32はAlNバッファ
層、33はn型GaN(Siドープ)層、34はn型A
0.10Ga0.90N(Siドープ)層、35はG
aN(Si、Znドープ)活性層、36はp型Al
0.15Ga0.85N(Mgドープ)層、37はIn
0.02Ga0.98N/GaN(Mgドープ)変調ド
ープ超格子コンタクト層である。
【0065】図3のLEDの構成をその製造方法に沿っ
て概説すると以下の如くである。
【0066】まず、水素ガスを流しながらSiC基板3
1を1100℃で10分間加熱し、基板表面の酸化物を
除去する。次に、基板31を600℃まで冷却し、TM
A、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚30nm
のAlNバッファ層32を成長させる。
【0067】次に、基板の温度を1100℃に加熱し、
TMG、SiH4、アンモニア及びキャリアガスを流し
て膜厚4nmのn型GaN(Siドープ)層33を成長
させる。
【0068】次に、基板の温度を1100℃に保ったま
ま、TMG、TMA、アンモニア及びキャリアガスを流
して、膜厚30nmのn型Al0.10Ga0.90
(Siドープ)層34を成長させる。
【0069】次に、基板の温度を1100℃に保ったま
ま、TMG、アンモニア、Zn(CH3)2、SiH4
及びキャリアガスを流して、膜厚40nmのGaN(S
i、Znドープ)活性層35を成長させる。
【0070】次に、基板を1100℃に保ったまま、T
MG、TMA、Cp2Mg、アンモニア及びキャリアガ
スを流して膜厚60nmのp型Al0.15Ga
0.85N(Mgドープ)クラッド層36を成長させ
る。なお、このクラッド層のMg濃度は、例えば5.0
×1019cm−3とすることができる。
【0071】次に、基板の温度を900℃に冷却し、超
格子コンタクト層36を成長させる。具体的には、TM
G、TMI、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚
3nmのln0.02Ga0.98N層を成長させ、T
MG、アンモニア、Cp2Mg及びキャリアガスを流し
て膜厚3nmのp型GaN(Mgドープ)層を成長させ
る。これらの層を例えば50層ずつ交互に成長させるこ
とにより超格子コンタクト層57を形成することができ
る。ここで、GaN層のMg濃度は、例えば2.0×1
20cm−3とすることができる。
【0072】次に、基板を室温まで冷却して取り出し、
電極形成工程を実施する。図3に例示した発光素子は、
基板31の裏面全面にn側電極83が設けられ、p型コ
ンタクト層37の上に透光性を有するp側電極185が
形成されている。さらに、p側電極185にはボンディ
ングパッド186が接続されて、素子の表面は、保護膜
181、182により覆われている。p側電極185と
しては、金属系のNi/Au/Ni、酸化物/金属系の
ITO/Niなどを用いることができる。
【0073】このようして試作したLED素子は、If
=20mAでVf=3.3ボルト、発光ピーク波長43
0nmの青紫色発光を示し、発光出力は1.5mWであ
った。
【0074】比較例として、図3の構成において、コン
タクト層をMg濃度が2.0×10 20cm−3のp型
GaN(Mgドープ)層とした素子を試作した。この比
較例の素子の特性は、If=20mAでVf=4.0ボ
ルト、発光ピーク波長430nmの青紫色発光を示し、
発光出力は1.5mWであった。
【0075】図3に例示したように、活性層にInを含
ませず、クラッド層のAl組成を高くしたような素子の
場合には、比較例の評価結果からも分かるように、動作
電圧が高くなりやすい。しかし、このような構造の素子
においても、InGaN/GaN(Mgドープ)変調ド
ープ超格子コンタクト層を用いることによって動作電圧
を大幅に下げることができた。
【0076】一方、SiC基板の場合にはサファイア基
板の場合と比べて貫通転位の減少はそれほど認められな
い。つまり、エピタキシャル成長層は、一定の結晶欠陥
を有するのであるが、本実施形態においては、素子ごと
の動作電圧のバラツキは少なかった。これは、第1実施
形態に関して前述した第2の理由によるものと推測され
る。つまり、超格子コンタクト層を用いると、InGa
N層が軟らかいために結晶歪みを緩和してコンタクト層
の結晶性が改善され、接触抵抗が低下して動作電圧のバ
ラツキも少なくなることが考えられる。
【0077】(第4の実施の形態)図4は、本発明の第
4の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中41はサファイア基板、42はGaNバッ
ファ層、43はn型GaN(Siドープ)層、44は5
層MQW型InGaN活性層、45はp型Al0.10
Ga0.90N(Mgドープ)層、46はIn0.01
Ga0.99N/GaN(Znドープ)変調ドープ超格
子コンタクト層である。
【0078】図4のLEDの構成及びその製造方法は、
第1実施形態に関して前述したものと同様とすることが
できるので、詳細な説明は省略する。但し、本実施形態
においては、超格子コンタクト層46のGaN層に対し
て、Mg(マグネシウム)の代わりにZn(亜鉛)をド
ープする。すなわち、GaN層の成長に際して、ドーパ
ントガスとして例えばZn(CH3)2を供給すること
によりZnをドープすることができる。また、GaN層
におけるZnの濃度は例えば、1.0×10 cm
−3とすることができる。
【0079】本実施形態のLEDは、順方向電流If=
20mAの条件において、順方向電圧Vf=3.4ボル
ト、発光ピーク波長450nmの青色発光を示し、発光
出力は3.0mWであった。
【0080】これに対して、比較例として、図1の構成
においてコンタクト層46としてZn濃度が1.0×1
20cm−3で厚さが0.30μmのp型GaN(Z
nドープ)層とする以外は前述した本発明の素子と同様
の構成を有するLEDを試作してその特性を評価した。
この比較例の素子の特性は、If=20mAでVf=
4.0ボルト、発光ピーク波長450nmの青色発光を
示し、発光出力は2.8mWであった。
【0081】本実施形態においても、Znを変調ドープ
した超格子コンタクト層を採用することにより、素子の
動作電圧を効果的に低減することができた。
【0082】(第5の実施の形態)図5は、本発明の第
5の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中51はサファイア基板、52はGaNバッ
ファ層、53はn型GaN(Siドープ)層、54はn
型Al0.10Ga0.90N(Siドープ)層、55
はGaN(Si、Znドープ)活性層、56はp型Al
0.15Ga0.85N(Mgドープ)層、57はIn
0.01Ga0.99N/GaN(Cドープ)変調ドー
プ超格子コンタクト層である。
【0083】図5のLEDの構成及びその製造方法は、
第1実施形態あるいは第3実施形態に関して前述したも
のと同様とすることができる。すなわち、n型GaN層
53までの成長手順は、第1実施形態に関して前述した
ものと概略同様であり、これ以降は、第3実施形態に関
して前述したものと概略同様とすることができる。従っ
て、これらの詳細な説明は省略する。
【0084】但し、本実施形態においては、超格子コン
タクト層57のGaN層に対して、C(炭素)をドープ
する。この際の成長温度は、例えば900℃とし、ドー
ピングガスとしては、例えばCBr4を用いることがで
きる。また、C(炭素)をドープする方法としては、V
族原料ガスとIII族原料ガスの流量比を調節することに
よって、「オートドーピング」現象を利用または併用と
しても良い。また、超格子コンタクト層を構成するGa
N層のC濃度は、例えば2.0×1020cm −3とす
ることができる。
【0085】本実施形態のLEDは、順方向電流If=
20mAの条件において、順方向電圧Vf=3.4ボル
ト、発光ピーク波長430nmの青色発光を示し、発光
出力は1.4mWであった。
【0086】これに対して、比較例として、図1の構成
においてコンタクト層46としてC濃度が2.0×10
20cm−3で厚さが0.30μmのp型GaN(Cド
ープ)層とする以外は前述した本発明の素子と同様の構
成を有するLEDを試作してその特性を評価した。この
比較例の素子の特性は、If=20mAでVf=4.0
ボルト、発光ピーク波長430nmの青色発光を示し、
発光出力は1.4mWであった。
【0087】以上説明したように、C(炭素)を変調ド
ープした超格子コンタクト層を採用することによって
も、発光素子の動作電圧を効果的に低減することができ
た。
【0088】(第6の実施の形態)図6は、本発明の第
6の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図はLEDの断面構造を
例示し、図中61はサファイア基板、62はGaNバッ
ファ層、63はn型GaN(Siドープ)層、64は5
層MQW型InGaN活性層、65はp型Al0.10
Ga0.90N(Mgドープ)層、66はGaN/Al
0.01Ga0.99N(Mgドープ)変調ドープ超格
子コンタクト層である。
【0089】図6のLEDの構成をその製造方法に沿っ
て概説すると以下の如くである。
【0090】まず、水素ガスを流しながらサファイア基
板61を1100℃で10分間加熱し、基板表面の酸化
物を除去する。次に、基板61を550℃まで冷却し、
TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア及びキャリ
アガスを流して膜厚100nmのGaNバッファ層62
を成長させる。
【0091】次に、基板の温度を1100℃に加熱し、
TMG、SiH4、アンモニア及びキャリアガスを流し
て膜厚4nmのn型GaN(Siドープ)層63を成長
させる。
【0092】次に、基板の温度を700℃まで冷却し、
TMG、TMI、アンモニア及びキャリアガスを流し
て、5層MQW型活性層64を成長させる。ここで、活
性層14は、膜厚3nmのInGaNウエル層と膜厚6
nmのGaNバリア層を5層ずつ交互に積層させた構造
を有する。また、ここで活性層にドーピングを行っても
良い。
【0093】次に、基板を1000℃に加熱し、TM
G、TMA、Cp2Mg、アンモニア及びキャリアガス
を流して膜厚200nmのp型Al0.10Ga
0.90N(Mgドープ)クラッド層65を成長させ
る。なお、このクラッド層のMg濃度は、例えば5.0
×1019cm−3とすることができる。
【0094】次に、基板の温度を1000℃に保ったま
ま、超格子コンタクト層66を成長させる。具体的に
は、TMG、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚
2nmのGaN層を成長させ、TMG、TMA、アンモ
ニア、Cp2Mg及びキャリアガスを流して膜厚2nm
のp型Al0.01Ga0.99N(Mgドープ)層を
成長させる。これらの層を例えば50層ずつ交互に成長
させることにより超格子コンタクト層66を形成するこ
とができる。ここで、GaN層のMg濃度は、例えば
1.0×1020cm−3とすることができる。
【0095】次に、基板を室温まで冷却して取り出し、
図6に示したように積層構造の一部を表面からn型層6
3までエッチングして、n側電極163を形成する。ま
た、p型コンタクト層66の上には透光性を有するp側
電極165を形成する。さらに、素子の表面を保護膜1
61で覆い、電極にボンディングパッド164、166
を接続し、さらに素子の表面を保護膜162で覆うこと
により、LEDが完成する。
【0096】p側電極165としてNi/Au/Niの
金属系電極を用いた場合には、このLEDは、順方向電
流If=20mAの条件において、順方向電圧Vf=
3.5ボルト、発光ピーク波長450nmの青色発光を
示し、発光出力は3.2mWであった。
【0097】一方、p側電極165としてITO/Ni
の酸化物系電極を用いた場合には、このLEDは、順方
向電流If=20mAの条件において、順方向電圧Vf
=3.3ボルト、発光ピーク波長450nmの青色発光
を示し、発光出力は3.2mWであった。さらに、この
ような酸化物系電極を用いた場合でも、素子ごとの特性
のバラツキはみられなかった。
【0098】これに対して、本発明者は、比較例とし
て、図1の構成においてコンタクト層16としてMg濃
度が1.0×1020cm−3で厚さが0.05μmの
p型GaN(Mgドープ)層としたLEDを試作してそ
の特性を評価した。その結果、比較例の素子の特性は、
p側電極の種類にはあまり依存せず、If=20mAに
おいて、Vf=3.7ボルト、発光ピーク波長450n
mの青色発光を示し、発光出力は3.1mWであった。
【0099】すなわち、本発明によれば、AlGaN層
とGaN層との変調ドープ超格子をコンタクト層に用い
ても、比較例の発光素子よりも動作電圧を低減すること
ができる。この理由としては、以下の2つが挙げられ
る。
【0100】第1の理由として、InGaN/GaN
(Mg)超格子コンタクト層の場合と同様に結晶性の向
上が考えられる。すなわち、GaNはAlGaNに比べ
て結晶が軟らかいため、AlGaN層との超格子におい
ては緩衝層として作用して貫通転位やクラックなどの結
晶欠陥を減少させ、結晶性を向上させる効果があると考
えられる。しかし、GaNにMgをドープすると、結晶
性が劣化して緩衝層としての効果が少なくなってしま
う。
【0101】これに対して、本発明においては、AlG
aN層のみに選択的にドーパントをドープすることによ
って、GaN層の緩衝層としての効果を発揮させ、結晶
性が向上したと考えられる。このように、窒化物半導体
の場合には、硬度の高い結晶層と硬度の低い結晶層との
変調ドープ超格子において、硬度の高い結晶層にドーピ
ングを行うことにより結晶性を向上させることができる
と考えられる。
【0102】すなわち、InGaN/AlGaN(Mg
ドープ)の変調ドープ超格子やIn Ga1−xN/I
Ga1−yN(Mgドープ)(x>y)の変調ドー
プ超格子においても同様に本発明の効果が得られる。
【0103】第2の理由として、変調ドープにより不純
物散乱を極度に抑えることが可能になり、高い移動度を
持つ正孔を得ることができたことが考えられる。
【0104】本実施形態の超格子コンタクト層において
は、AlGaN層のAl組成を20%未満とすることが
望ましく、5%未満とすることがさらに望ましい。Al
GaN層のAl組成が高すぎると動作電圧が高くなった
り結晶が悪化するからである。また、Al組成の下限に
ついては、少しでもAlが入っていれば効果はあるが、
Al組成が少ないと障壁層としての効果が少なくなって
しまうので、0.5%以上であることが望ましい。
【0105】本実施形態においては、ITO/Ni電極
の場合に特に効果が表れる点も特徴的である。この理由
は、必ずしも明らかではないが、Niの厚さが100n
m程度と非常に薄く、AlGaNバリア層を有する超格
子コンタクト層とITOとの間でトンネル電流が発生し
やすくなるためであると推測される。
【0106】なお、本実施形態においても、GaN/A
lGaN変調ドープ超格子コンタクト層の成長に際して
最後に成長させる層をGaN層にしてもAlGaN層に
しても、素子の特性に有意な違いは見られなかった。つ
まり、p側電極165と接触する層がGaN層であって
も、AlGaN層であっても良いことが分かった。この
理由は、超格子構造は、2つの異なる層の中間的特性を
示すからであると考えられる。
【0107】また、本発明者は、超格子コンタクト層6
7において、AlGaN層の代わりにGaN層にMgを
選択ドープした素子も試作した。しかし、この素子にお
いては、AlGaN層に選択ドープした素子ほどの動作
電圧の低下はみられなかった。ドーパントの活性化率や
バンドエネルギを考えた場合には、GaN層にドープし
たほうが有利であるとも考えられる。しかし、実際に試
作した結果によれば、AlGaN層に選択ドーピングし
た方が良好な特性が得られたところから、これらの要因
よりも、前述したような結晶性の維持、改善の効果の方
が影響が大きいことが分かった。
【0108】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。
【0109】例えば、本発明は、LEDだけでなく、L
Dにも同様に適用して同様の効果を得ることができる。
さらに、これらのLEDやLDなどの半導体発光素子の
具体的な構造についても、当業者が実施しうるあらゆる
構造の半導体発光素子に対して本発明は同様に適用して
同様の効果を得ることができる。
【0110】一方、本発明においては、超格子コンタク
ト層において、硬度の高い層に選択ドープするが、ドー
パントは半導体層内を拡散するので、ある程度は、硬度
の低い層にも侵入する。特に、Mgは拡散が顕著である
ので、硬度の低い層にも多少は侵入する傾向がある。し
かし、このようにして得られた発光素子においても本本
発明の効果は十分に得られる。
【0111】一方、超格子コンタクト層にドープするp
型不純物としては、前述したMg、Zn、Cの他にもB
e、Cd、Hgなど各種の元素を用いることが可能であ
る。
【0112】
【発明の効果】本発明によれば、窒化物半導体からなる
半導体発光素子の動作電圧を低下させ、発光特性を改善
することが可能となる。
【0113】すなわち、p側電極とのコンタクト抵抗を
低下させることにより、コンタクト部での発熱を抑制
し、素子の温度特性を改善するとともに寿命も改善する
ことができる。
【0114】特に、LDの場合には、注入する電流量が
多いため、電極とのコンタクト部における発熱が問題と
なる。本発明によれば、p側電極との接触抵抗を低下さ
せ、素子の動作電圧を下げるとともに、コンタクト部で
の発熱も抑制し、発光素子の温度特性を改善すると共
に、素子寿命などの信頼性も大幅に改善することが可能
となる。
【0115】また、半導体発光素子の動作電圧を低下さ
せることにより、汎用の電池などを電源として半導体発
光素子を容易に駆動することができるようになる。例え
ば、本発明によれば、発光素子の動作電圧を3ボルト以
下とすることも可能である。その結果として、電池を電
源とした各種の携帯機器などに窒化物半導体からなる半
導体発光素子を搭載することができるようになる。
【0116】すなわち、フルカラー表示やマルチカラー
表示機能を有する各種の携帯機器を実現することが可能
となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図5】本発明の第5の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図6】本発明の第6の実施の形態に係わる窒化物半導
体発光素子を表す概略断面図である。
【図7】従来のコンタクト層を備えたLEDを例示した
概略断面図である。
【符号の説明】
11、21、31、41、51、61、111 基板 12、22、32、42、52、62、112 バッフ
ァ層 13、23、33、43、53、63、113 n型G
aN層 34、54、64 n型クラッド層 14、24、35、44、55、65、114 活性層 15、25、36、45、56、66、115 p型ク
ラッド層 16、26、37、46、57、67 変調ドープ超格
子コンタクト層 116 p型GaNコンタクト層 141、142、161、162、171、172、1
81、182 保護膜 143、163、173、183 n側電極 145、165、175、185 p側電極 144、146、164、166、174、186 ボ
ンディングパッド
フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA21 AA40 AA43 AA44 CA05 CA33 CA34 CA40 CA46 CA53 CA57 CA65 CA74 CA82 CA92 CA99 FF01 5F073 BA09 CA07 CB05 CB07 CB14 CB19 CB22 DA05 DA21 EA07 EA28 EA29

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化物半導体からなるコンタクト層と、 前記コンタクト層の表面に接触して設けられたp側電極
    と、 を備えた半導体発光素子であって、 前記コンタクト層は、バンドギャップの大きい窒化物半
    導体層とバンドギャップの小さい窒化物半導体層とを交
    互に積層させた超格子構造を有し、p型ドーパントが前
    記バンドギャップの大きい窒化物半導体層に選択的にド
    ープされていることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】前記バンドギャップの大きい窒化物半導体
    層は、GaNからなり、 前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、InG
    aNからなり、 p型ドーパントが前記GaN層に選択的にドープされて
    いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】前記InGaNにおいてInがIII族元素
    全体に占める割合は、0原子%よりも大きく20原子%
    よりも小さいことを特徴とする請求項2記載の半導体発
    光素子。
  4. 【請求項4】前記バンドギャップの大きい窒化物半導体
    層は、AlGaNからなり、 前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、GaN
    からなり、 p型ドーパントが前記AlGaNに選択的にドープされ
    ていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素
    子。
  5. 【請求項5】前記AlGaN層においてAlがIII族元
    素全体に占める割合は、0原子%よりも大きく20原子
    %よりも小さいことを特徴とする請求項4記載の半導体
    発光素子。
  6. 【請求項6】前記バンドギャップの大きい窒化物半導体
    層は、InGa1−xNからなり、 前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、In
    Ga1−yN(但し、x<y)からなり、 p型ドーパントが前記InGa1−xNに選択的にド
    ープされていることを特徴とする請求項1記載の半導体
    発光素子。
  7. 【請求項7】前記バンドギャップの大きい窒化物半導体
    層は、AlGaNからなり、 前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、InG
    aNからなり、 p型ドーパントが前記AlGaNに選択的にドープされ
    ていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素
    子。
  8. 【請求項8】前記p型ドーパントは、Mg(マグネシウ
    ム)、Zn(亜鉛)及びC(炭素)からなる群から選ば
    れたいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のい
    ずれか1つに記載の半導体発光素子。
  9. 【請求項9】前記p型ドーパントはMg(マグネシウ
    ム)であり、そのドープ濃度は1×1019cm−3
    上で1×1020cm−3以下であることを特徴とする
    請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
  10. 【請求項10】前記p側電極は、酸化物を含むことを特
    徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発
    光素子。
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