JP3763701B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関し、特に窒化ガリウム系半導体発光素子構造中のｎ型半導体層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体は直接遷移型の光学遷移を行うため高効率発光再結合を可能とし、半導体レーザあるいは高輝度ＬＥＤなどの高効率発光素子材料として開発されている。窒化ガリウム系半導体発光素子を用いた青色から緑色までのＬＥＤは、実用化されている。図２は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。従来の窒化ガリウム系半導体発光素子は、サファイア基板２１上にバッファ層２２、ｎ⁻ＧａＮコンタクト層２３、ＩｎＧａＮ活性層２４、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層２５、ｐ⁻ＧａＮコンタクト層２６を順次形成している。そしてｐ⁻ＧａＮコンタクト層２６上にｐ⁻側電極２７を有し、ｎ⁻ＧａＮコンタクト層２３上の一部にｎ⁻側電極２８を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示す従来の窒化ガリウム系半導体発光素子において、その動作電圧は低く、青色発光ＬＥＤ（４５０ｎｍ）を例にとれば、活性層のエネルギーギャップ（約２．７Ｖ）と素子構造内部の抵抗成分から約３Ｖ程度と見積もられる。しかしながら実用化されている素子は３．６〜４．０Ｖ程度の高い動作電圧を示す。この原因はｐ型半導体層の電流注入用金属電極との高コンタクト抵抗や、ｎ型半導体層における高抵抗率である。ｎ⁻ＧａＮコンタクト層２３中の電圧は動作電圧の増加の一因である。図２に示したような表面コンタクト型（素子表面からｐ、ｎの電極を取る）の素子は、上下コンタクト型（基板裏面に一方の電極を取る）の素子に比べｎ型コンタクト層２３中におけるキャリアの移動距離が数百倍にもなり、ｎ⁻ＧａＮコンタクト層２３中での電圧降下が比較的大きくなる。形状と結晶特性から見積もられる抵抗成分は約３０Ωであり２０ｍＡでの電圧降下は０．６Ｖと大きな値になる。ｎ型コンタクト層２３には主にＧａＮやＡｌＧａＮが用いられている。これらの材料へ不純物をドーピングして抵抗率を低減することができる。通常ｎ型の不純物にはＳｉが用いられる。しかしながら高濃度のドーピングは欠陥結晶の発生の原因となる。濃度約５Ｅ１８ｃｍ^−３を超えると、結晶に六角錐状のピットがあらわれ平坦性を損なう原因となる。従って不純物をｎ型コンタクト層中へ高濃度ドーピングできないため、ｎ型コンタクト層における電圧降下は動作電圧を高める原因となる。
【０００４】
また、従来構造では発光の均一性が低いという問題がある。一般に窒化ガリウム系半導体はＧａＡｓ、ＧａＰ等の３、４族化合物半導体に比べて電流を流しにくい性質を持つ。従ってｎ⁻側電極から供給される電子はｎ⁻ＧａＮコンタクト層２３内において横方向へ広がりにくく、ｎ⁻側電極からの最短距離を通って達する活性層の一部分に集中してしまうからである。そこでｎ型半導体中にＩｎを有する高キャリア濃度半導体層を設けて、活性層へのキャリア注入を均一にすることにより発光を均一に行う化合物半導体発光素子が考案されている（特開平８−２３１２４）。図３はその窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図である。サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｎ⁻ＧａＮコンタクト層３３を順次有し、ｎ⁻ＧａＮコンタクト層３３上に、ｎ⁻ＩｎＡｌＧａＮ層３４を有している。ｎ⁻ＩｎＡｌＧａＮ層３４上にはｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３５、ＩｎＧａＮ活性層３６、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３７、ｐ⁻ＧａＮコンタクト層３８を順次形成している。ｐ⁻ＧａＮコンタクト層３８上にｐ⁻側電極３９を有し、ｐ⁻ＧａＮコンタクト層３８、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３７、ＩｎＧａＮ活性層３６、ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３５、ｎ⁻ＩｎＡｌＧａＮ層３４およびｎ⁻ＧａＮコンタクト層３３の一部をエッチングし露出したｎ⁻ＧａＮコンタクト層３３上にｎ⁻側電極４０を有している。なお、この窒化ガリウム系半導体発光素子の層厚はｎ⁻ＧａＮコンタクト層３３が１μｍ〜５μｍ、ｎ⁻ＩｎＡｌＧａＮ層３４が１０Å〜１μｍ、ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３５及びｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層３７及びｐ⁻ＧａＮコンタクト層３８が５０Å〜１μｍ、ＩｎＧａＮ活性層３６が５０Å〜０．５μｍである。この構造ではｎ型コンタクト層から供給された電子がキャリア濃度の高いｎ型ＩｎＡｌＧａＮ中を通って均一に広がり、活性層での発光の均一性を向上することができている。しかしながら、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層３４は１μｍ以下の薄膜であるため、この層中における抵抗成分も比較的大きく、この素子の２０ｍＡにおける動作電圧は３．３Ｖである。従ってこの構造においても動作電圧に対する改善効果はまだ不充分である。
【０００５】
また図２及び図３に示した従来構造では、活性層のＩｎＧａＮ５及び３６は膜厚が薄いために比較的厚いｎ⁻ＧａＮコンタクト層３及び３３に格子整合して成長しており、結晶中に歪を含んで形成されている。ＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大きいために、ＧａＮコンタクト層に格子整合したＩｎＧａＮ活性層の結晶中には圧縮歪が生じる。これによりＩｎＧａＮ内にはピエゾ電界が発生し、結晶内に存在するキャリア（電子と正孔）を空間的に分離するため、再結合確率の低下を伴う。これはＬＥＤ内の内部量子効率を低下させるものであり、望ましくない。以上において従来の窒化ガリウム系発光素子ではいくつかの問題を含んでいた。本発明は上記事情に顧みてなされたものであり、その目的は動作電圧が低く発光が均一で、且つ発光効率の高い窒化ガリウム系発光素子並びにこれらの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子は、基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第一のｎ型半導体層と、前記第一のｎ型半導体層上に形成された第二のｎ型半導体層と、前記第二のｎ型半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、前記第一のｎ型半導体層上に形成された電極とを具備し、前記第一のｎ型半導体層はインジウムを含み、且つ前記第二のｎ型半導体層より電子キャリア濃度及び層厚が大きいことを特徴とする。
前記第一のｎ型半導体層は１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする。
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、有機金属気相成長法により成長速度０．５μｍ/ｈ以上、温度８００℃以上１０００℃以下の範囲において窒化インジウムガリウムからなる層を形成することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明における実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図である。本実施例はＩｎを含有したｎ⁻コンタクト層を有し、そのｎ⁻コンタクト層上にｎ⁻側電極を有している点で従来例と異なる。構造について詳しく説明する。サファイア基板１上にバッファ層２を有し、バッファ層２上にＩｎを含むｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成している。ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３上に、ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド４層を有している。ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４上にはＩｎＧａＮ活性層５、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層６、ｐ⁻ＧａＮコンタクト層７を順次形成している。ｐ⁻ＧａＮコンタクト層７上にアノード電極８を有し、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層７、ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４およびｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の一部をエッチングし露出したｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３上にｎ⁻側電極９を有している。なお層厚について、 ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３は４μｍ、 ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４及びｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層６及びｐ⁻ＧａＮコンタクト層７は０．１μｍ、 ＩｎＧａＮ活性層５は２０Åである。ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３の組成比はＧａが０．９、Ｉｎは０．１である。
【０００８】
次に本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成した。詳しくは以下のプロセスにより結晶成長を行っている。まずサファイア基板１を水素雰囲気中、１１００℃で１０分間クリーニングする。サファイア基板１を５００℃に降温し、成長原料を水素キャリアガスで供給してバッファ層２を形成する。基板温度を１０００℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を窒素キャリアガスで供給してｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成する。なおｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３を４μｍの層厚に形成するために、成長速度を通常よりも大きくする必要がある。ＩｎＧａＮ層の成長においてＴＭＧの供給量がほぼ成長速度を決めるため、本実施例において１μｍ／ｈの成長速度に対し８．３ｘ１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｎとしている。形成されるＩｎＧａＮコンタクト層の電子キャリア濃度は５ｘ１０^１９ｃｍ^−３である。次に基板温度を１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を水素キャリアガスで供給してｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４を形成する。その後基板温度を７５０℃に降温し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を窒素キャリアガスで供給してＩｎＧａＮ活性層５を形成する。基板温度を１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを水素キャリアガスで供給してｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層６を形成する。基板温度を変えずにＴＭＧ、 ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを水素キャリアガスで供給してｐ⁻ＧａＮコンタクト層７を形成する。次に得られた構造に対しエッチングによりｐ⁻ＧａＮコンタクト層７、ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層６、ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４、及びｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の一部を除去して露出したｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３上にｎ⁻側電極を形成する。ｐ⁻ＧａＮコンタクト層７上にはｐ⁻側電極を形成して素子構造とした。
【０００９】
本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造が従来例と異なる点はｎ⁻コンタクト層３にＩｎを含んだＩｎＧａＮ混晶を用いており、４μｍの層厚を有することである。
図３に示した従来例ではＩｎ含有ｎ型層３４の結晶品質の観点からその膜厚を１μｍ以下に制限しているため、動作電圧の十分な低減を図れないことは上述の通りである。本実施例におけるｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層において、その電気的特性はキャリア濃度が５ｘ１０^１９ｃｍ^−３で抵抗率が０．００１Ωｃｍであり、従来用いられていたＧａＮコンタクト層の０．００８Ωｃｍ（キャリア濃度：５ｘ１０^１８ｃｍ^−３）より良好である。従ってｎ⁻コンタクト層３における電圧降下を低減でき、素子の動作電圧を低減できる。
更にｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３とｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４の積層構造も抵抗を低減している。ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの大きなエネルギーギャップの差により、界面方向へのキャリアの移動が促進されるためである。界面方向、すなわち横方向への電流の広がりが容易になるため、活性層への均一なキャリア注入が行われる。この結果素子の均一発光が実現できる。
【００１０】
ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３（Ｉｎ組成０．１）上に格子整合して成長したＩｎＧａＮ活性層５（Ｉｎ組成０．２５）はそのＩｎ組成差分だけ圧縮歪が生じている。しかしながら、ＧａＮを下地とした従来例の構造と比べると活性層中の歪量は小さい。ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３はインジウムを含有するため柔らかい結晶を有し、ＩｎＧａＮ活性層５に生じる圧縮歪を緩和するためである。従って活性層内に発生するピエゾ電界は小さくなり、電子と正孔の再結合確率が高くなり、効率の高い発光が可能となる。
本実施例における発光素子に対しバイアスを印加して電流を注入したところ、活性層からの主発光波長４５０ｎｍの均一な発光が観察された。順方向電流２０ｍＡにおいて動作電圧は３．０Ｖであり、発光出力は８ｍＷであった。
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において従来例と異なる点は１μｍ／ｈの成長速度と高い成長温度でインジウムを含むコンタクト層を結晶成長していることである。これにより膜の厚い高品質なＩｎＧａＮ結晶を形成することができる。膜の厚いｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成することによりｎ側電極９を形成するためのエッチングの遊度が大きくなり、ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層への電極形成が可能になる。
【００１１】
本発明における実施の形態は以上に示したものに限定されない。ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の不純物はＳｉを用いたが、代わりにＧｅ、Ｏ、Ｃ等を用いても同様の効果を得られる。 ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の電子キャリア濃度は５ｘ１０^−１９ｃｍ^３としたが、１ｘ１０^１９ｃｍ^−３乃至１ｘ１０^−２２ｃｍ^３の範囲で変更可能である。本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子はｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層４を有しているが、ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３上に直接ＩｎＧａＮ活性層５を形成することも可能である。しかしこの場合、ＩｎＧａＮ活性層５のＩｎ組成はｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３よりも大きくする必要がある。本発明はＩｎを含有し１μｍ以上の層厚を有するｎ型半導体層と、その上面にｎ⁻側電極を有する窒化ガリウム系半導体発光素子に関するものであり、この構造を満たすものであれば素子形成上問題のない範囲で構造の変更は可能である。ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の成長速度は１μｍ／ｈとしたがこれに限るものではなく、素子形成上問題のない範囲で変更可能である。ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層３の成長温度は１０００℃としたが、同様に素子形成上問題のない範囲で変更可能である。本実施例は窒化ガリウム系ＬＥＤに関するものであるが、窒化ガリウム系ＬＤへの適用も可能である。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施可能である。
【００１２】
【発明の効果】
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造により動作電圧が低く、活性層の均一発光が得られ、かつ発光出力の向上した素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図、
【図２】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図、
【図３】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…バッファ層
３… ｎ⁻ＩｎＧａＮコンタクト層
４… ｎ⁻ＡｌＧａＮクラッド層
５… ＩｎＧａＮ活性層
６… ｐ⁻ＡｌＧａＮクラッド層
７… ｐ⁻ＧａＮコンタクト層
８、 ９…電極

Claims (2)

1. 基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第一のｎ型半導体層と、前記第一のｎ型半導体層上面に接して形成された第二のｎ型半導体層と、前記第二のｎ型半導体層上面に接して形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、前記第一のｎ型半導体層上に形成された電極と、を具備し、前記第一のｎ型半導体層及び前記活性層はインジウムを含み、前記第二のｎ型半導体層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
2. 前記第一のｎ型半導体層は１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。

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