JP2000174340A - ＧａＮ系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外線のみならず、どのような発光波長であ
っても、より高効率に発光させ得る好ましい電流狭窄構
造を備え、その電流狭窄構造の有用性をより顕著にする
ための構造を備えたＧａＮ系発光素子を提供すること。
さらに、そのＧａＮ系発光素子の好ましい製造方法を提
供すること。 【解決手段】 電流狭窄構造における電流抑制部分ａ
を、電流通過部分ｂのＧａＮ系材料よりも高抵抗なＧａ
Ｎ系材料によって形成し、電流狭窄構造をＧａＮ系材料
のみによって形成する。電流抑制部分には、アンドープ
でＡｌ組成比の高いものや、改質によって高抵抗とした
ものが好ましく、これによって、電流狭窄構造をｐ型層
内にも形成できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系材料を用
いた半導体発光素子の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系半導体発光素子（以下、「Ｇａ
Ｎ系発光素子」とも呼ぶ）は、ＧａＮ系材料を用いた発
光素子であって、近年高輝度の発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）が実現されたのを機会に研究が活発に行われてお
り、半導体レーザの室温連続発振の報告も聞かれる様に
なっている。実現されているものは、高輝度ＬＥＤとし
ては青・緑色のＬＥＤ、レーザとしては紫色である。

【０００３】ＧａＮ系発光素子のなかでも、緑色〜青色
の発光が得られ、しかも高い発光効率が得られるものと
して、ＩｎＧａＮを活性層に用いたものがある。ＩｎＧ
ａＮは、その熱力学的な不安定性から、発光層全体が均
一な組成比のＩｎＧａＮとはならず、局所的にＩｎ組成
比の異なった部分が発生し、それらが数ｎｍオーダーの
ドット状となって発光層内に分散する。このドット状の
部分でキャリアの再結合発光が起きると言われており、
これがＩｎＧａＮ発光層が高い発光効率で発光し得る要
因の１つとされている。

【０００４】ＧａＮ系発光素子には、情報の高密度化な
どに対応するため、青色光〜紫外線の発光が求められて
いる。上記ＩｎＧａＮ発光層から紫外線を発光させるに
は、バンドギャップを大きくするために、ＩｎＧａＮか
らＩｎ組成比を小さくしてＧａＮに近づけるか、Ｉｎ組
成比を小さくしていくと同時にＡｌ組成を加え、ＩｎＧ
ａＡｌＮやＡｌＧａＮとすることが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｉｎ組成比が
小さくなると、上述のようなドット状の部分は形成され
なくなり、発光効率が低下するという問題がある。ま
た、発光層材料にＡｌ組成を加えてＩｎＡｌＧａＮとす
る場合も同様であって、Ｉｎ組成比を小さくすれば発光
効率が低く、特に、Ｉｎ組成比を０としたＡｌＧａＮ発
光層は、実用には至っていない。

【０００６】本発明の課題は、青色から紫外線に至る短
い波長の光を、より強く発光させ、より高効率に外界に
放出させ得る構造を備えたＧａＮ系発光素子を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の特徴を有
するものである。 （１）ＧａＮ系材料からなる発光層を含む積層構造を有
するＧａＮ系半導体発光素子であって、積層構造内に
は、電流が発光層に部分的に集中して流れるように電流
狭窄構造が形成され、該電流狭窄構造はＧａＮ系材料か
らなり、該電流狭窄構造における電流通過を抑制する部
分が、電流を通過させる部分のＧａＮ系材料よりも高抵
抗なＧａＮ系材料によって形成されていることを特徴と
するＧａＮ系半導体発光素子。

【０００８】（２）発光層の材料が、紫外線を発し得る
組成とされたＧａＮ系材料である上記（１）記載のＧａ
Ｎ系半導体発光素子。

【０００９】（３）〔発光層から発せられる光のエネル
ギー〕＜〔電流狭窄構造を構成するＧａＮ系材料のバン
ドギャップ〕である上記（１）記載のＧａＮ系半導体発
光素子。

【００１０】（４）〔電流狭窄構造における電流を通過
させる部分のＧａＮ系材料のＡｌ組成比〕＜〔電流狭窄
構造における電流通過を抑制する部分のＧａＮ系材料の
Ａｌ組成比〕である上記（１）記載のＧａＮ系半導体発
光素子。

【００１１】（５）電流狭窄構造における電流通過を抑
制する部分が、ＧａＮ系結晶層の表面を改質し高抵抗化
して形成されたものである上記（１）に記載のＧａＮ系
半導体発光素子。

【００１２】（６）電流狭窄構造における電流通過を抑
制する部分が、電流を通過させる部分に比べて低抵抗化
が進まないようにｐ型化アニールを行うことで形成され
たものである上記（１）に記載のＧａＮ系半導体発光素
子。

【００１３】（７）発光層よりも上層側に設けられる上
部電極が、電流狭窄構造によって電流が集中する発光層
部分の垂直上方の領域での光吸収を避ける形成パターン
として設けられている上記（１）記載のＧａＮ系半導体
発光素子。

【００１４】（８）発光層よりも上層側に設けられる上
部電極をオーミック電極とするためのコンタクト層が、
上部電極と同じ形成パターンとして上部電極の直下にの
み設けられている上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光
素子。

【００１５】本発明でいうＧａＮ系材料、ＧａＮ系結晶
とは、Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦
１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で示される化合物半
導体材料およびその結晶である。

【００１６】本明細書では、ＧａＮ系結晶やサファイア
基板などの六方格子結晶の格子面を４つのミラー指数
（ｈｋｉｌ）によって指定する場合があれば、記載の便
宜上、指数が負のときには、その指数の前にマイナス記
号を付けて表記するものとし、この負の指数に関する表
記方法以外は、一般的なミラー指数の表記方法に準じ
る。従って、ＧａＮ系結晶の場合では、Ｃ軸に平行なプ
リズム面（特異面）は６面あるが、例えば、その１つの
面は（１−１００）と表記し、６面を等価な面としてま
とめる場合には｛１−１００｝と表記する。また、前記
｛１−１００｝面に垂直でかつＣ軸に平行な面を等価的
にまとめて｛１１−２０｝と表記する。また、（１−１
００）面に垂直な方向は〔１−１００〕、それと等価な
方向の集合を〈１−１００〉とし、（１１−２０）面に
垂直な方向は〔１１−２０〕、それと等価な方向の集合
を〈１１−２０〉と表記する。本発明でいう結晶方位
は、全て、成長したＧａＮ系結晶を基準とする方位であ
る。

【００１７】本明細書では、ＧａＮ系発光素子の構造を
説明するために、便宜上、ベース基板が下層側に位置し
これにＧａＮ系結晶層が上方へ積み重ねられるものとし
て、素子の積層構造に上下方向の区別を設け、「上層」
「上面」「上方」などの語句を用いる。また、ＧａＮ系
発光素子におけるｐ型、ｎ型の上下の位置関係は限定さ
れないが、ベース基板側（下層側）をｎ型とする場合が
一般的であり、下層側をｎ型とする態様で説明する。こ
れと関連して、電極の配置については、ベース基板に絶
縁体（例えば、サファイア結晶基板）を用いた態様で説
明している。発光層よりも上層側に設けられる上部電極
はｐ型電極であり、他方の下部電極はｎ型電極である。
しかし、これらの例に限定されず、ｐ型、ｎ型の上下が
逆の態様や、導電性を有するベース基板を用いてベース
基板に下部電極を設ける態様なども自由に選択してよ
い。

【００１８】また、説明におけるｐ型、ｎ型の上下位置
関係は、一般的な例と同様、結晶基板側をｎ型とし上層
側をｐ型としている。また、サファイア結晶基板が絶縁
体であることから、ｎ型コンタクト層の上面を露出させ
てｎ型電極Ｐ２を設けるという、一般的な電極の配置と
なっている。しかし、ｐ型、ｎ型の上下が逆の態様や、
結晶基板が導電性を有するものである場合には、ベース
基板に電極を設ける態様なども自由に選択してよい。

【００１９】以下、電流狭窄構造における、電流通過を
抑制する部分を「電流抑制部」とも呼び、電流を通過さ
せる部分を「電流通過部」とも呼んで説明する。

【００２０】

【作用】電流狭窄構造は、図７に示すように、ＧａＮ系
結晶からなる電流通過部ａと、ＧａＮ系結晶からなる電
流通過部ｂとをＧａＮ系発光素子内に設けた構造であ
る。電流は、破線で示すように、部分ｂを集中的に通過
するため、隣接する発光層Ｓ３に対しても一部を集中的
に通過するようになる。それによって、発光層Ｓ３は部
分的に強く発光する。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の発光素子の構造を、発光
ダイオード（ＬＥＤ）の典型的な構造例を用いて説明す
る。図１の例は、電流狭窄構造ｃを、発光層Ｓ３の上方
のｐ型の領域に設けた例である。素子構造は、サファイ
ア結晶基板Ｂ１上に、バッファ層Ｂ２を介して、ＧａＮ
系結晶層（ｎ型コンタクト層Ｓ１、ｎ型クラッド層Ｓ
２、発光層（活性層）Ｓ３、ｐ型クラッド層Ｓ４、電流
狭窄構造ｃ、ｐ型コンタクト層Ｓ５）が積層され、ｐ型
電極Ｐ１、ｎ型電極Ｐ２が設けられたものである。コン
タクト層は、オーミック電極を形成するために設けられ
る低抵抗な結晶層である。

【００２２】図１に示すように、電流狭窄構造ｃは、電
流抑制部ａと、電流通過部ｂとからなる。電流通過部ｂ
には、素子の積層を構成する通常のＧａＮ系材料が用い
られ、電流抑制部ａには、電流通過部の材料よりも高抵
抗なＧａＮ系材料が用いられている。即ち、素子内に設
けられる電流狭窄構造ｃは、ＧａＮ系材料だけからな
り、ＳｉＯ₂ 等の材料で電流狭窄構造の電流抑制部を形
成する場合などに比べて、他のＧａＮ系結晶層への意図
せぬ不純物の拡散が無い。特に、電流通過部にアンドー
プのＧａＮ系結晶を用いることで、ｐ型層にも電流狭窄
構造を設けることができる。

【００２３】電流狭窄構造は、図１に示すように発光層
よりも上方（ｐ型領域内）に設けても、図６に示すよう
に、発光層よりも下方（ｎ型領域内）に設けてもよい。
電流狭窄構造を発光層の上方に設ける場合、〔発光した
光のエネルギー〕＜〔電流狭窄構造を構成するＧａＮ系
材料のバンドギャップ〕とすることによって、発光層か
ら発せられた光を吸収することなく通過させ、外界へ放
出させることが好ましい。電流狭窄構造が発光層の下方
であっても、基板を通過させた発光を利用する場合は、
同様である。

【００２４】電流狭窄構造は、電流の流れやすさに差を
付けて構成すればよい。具体的には、抵抗の大きさに差
をもたせた構造が挙げられる。この構造を形成する方法
としては、次のものが挙げられる。 抵抗の違う二層の形成を、エッチングにより段差を形
成してそこを埋め込んで得る方法。 部分的に表面を改質することで、上記のような段差
を形成することなく抵抗の違いを形成する方法。

【００２５】上記の方法の具体的なものとして、次の
（ａ）〜（ｃ）が挙げられる。 （ａ）ＧａＮ系結晶ではＡｌ組成比を上げると高抵抗な
ものができるということを、抑制部形成に利用する。
（ｂ）ドーピング量を変化させて、キャリア濃度を変化
させ、抵抗の大きさに差をもたせる。（ｃ）異なる導電
型を組み合わせて、電流の流れ易い部分と流れ難い部分
とする。

【００２６】上記（ａ）のように電流抑制部を高いＡｌ
組成比とすれば、大きなバンドギャップとなり、発光層
から発せられた光が青色光〜紫外線であっても通過させ
ることも可能である。従って、この電流狭窄構造は、発
光効率を高くすることが望まれているＧａＮ系の紫外線
発光素子に特に有用であり、発光層よりも上方のｐ型側
に設けた場合でも、紫外線を吸収することがない。

【００２７】上記の方法の具体的なものとして、次の
（ｄ）、（ｅ）が挙げられる。 （ｄ）素子を構成する各ＧａＮ系結晶層を積層成長させ
る際に、電流通過部とすべき部分の層上面をマスクなど
で保護しておき、保護していない層上面をスパッタリン
グ、イオン注入、または、高温中での保持等により改質
して、その部分を高抵抗化し、電流通過部と電流抑制部
との抵抗に差異を設ける。 （ｅ）電流狭窄構造を構成すべきＧａＮ系結晶層を、先
ず全体をＭｇドープ層とする。次に、電流抑制部とすべ
き部分をマスクで覆い、電流通過部とすべき部分を露出
させた状態でｐ型化アニールを行う。これにより、電流
通過部では、ｐ型化を阻害するＨが脱離してｐ型化する
が、電流抑制部はマスクがあるためＨが脱離でき難くｐ
型化があまり進行せず、両者間に抵抗の差異が生じる。

【００２８】上記の方法には、〔電流狭窄構造とすべ
きＧａＮ系結晶層を部分的に除去し、この除去部に別の
ＧａＮ系結晶を成長させて該除去部を埋める〕という工
程が無い。除去部を再度埋め込むような成長では、もと
のＧａＮ系結晶層の上面全体が平坦になるまでに、もと
の上面から相当な厚さとなるまで成長させねばならなく
なる。これに対して上記の方法では、電流狭窄構造と
すべきＧａＮ系結晶層は機械的にはそのままの状態とし
て、電流の通過に関する性質を変化させるだけであるか
ら、層の厚さが無用に増加することはない。また、上記
のように電流狭窄構造をエッチング等で形成する場
合、そのエッチング面にはダメージが形成される。この
ダメージを受けた部位に再成長させ電流狭窄構造を作り
込むわけであるが、この部分を電流通過部とし発光素子
を形成した場合、このダメージ層での非発光再結合の影
響が大きく、発光効率低下の原因となる。これに対し
て、上記の方法は、電流通過部とする部分の結晶の除
去と再成長を行わず、結晶層をそのまま用いるために、
電流通過部の結晶性の低下がに比べて少ない、等の利
点がある。

【００２９】上記の（ａ）のように、Ａｌ組成比の差
によって抵抗に差を設ける場合、電流通過部、電流抑制
部ともに、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）を用いると
して、好ましい電流狭窄構造とするには、Ａｌ組成比の
差を０．２程度以上とすることが好ましい。例えば、電
流通過部Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ、電流抑制部Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎなどが挙げられる。

【００３０】また、Ａｌ組成に差をもたせることにさら
に加え、上記の（ｂ）のように、両者間のキャリア濃
度に差をつけると、電流通過と電流抑制の差をより顕著
にでき好ましい。特に、電流抑制部をアンドープにすれ
ばその差は極めて大きくなる。

【００３１】電流狭窄構造の形成方法は限定されない
が、本発明では、次の２つの好ましい形成方法を提供す
る。図２は、そのうちの１つの方法を示す図である。こ
の方法では、上記の（ａ）、（ｂ）を組み合わせてい
る。先ず、図２（ａ）に示すように、電流狭窄構造の直
下とすべき層Ｓ２０（例えば、ｎ型コンタクト層やｐ型
クラッド層）の上面に、上記のように高Ａｌ組成比でア
ンドープのＧａＮ系材料にて、高抵抗なＧａＮ系結晶層
ｄを成長させる。次に、層ｄのうちの、電流抑制部とす
べき部分の上面にレジスト膜Ｒを形成する。さらに、図
２（ｂ）に示すように、レジスト膜Ｒに覆われていない
層ｄの部分Ｒ１をエッチングにて除去し、開口Ｒ２の内
部底面に層Ｓ２０を露出させる。これによって、電流抑
制部ａが残る。最後に、図２（ｃ）に示すように、レジ
スト膜Ｒを除去し、電流通過部に用いる低抵抗な材料
（Ａｌ組成比の低い材料）を用いて、開口内が充填され
て全体が埋まるまで、好ましくは略平坦になるまで成長
させて、電流狭窄構造を完成させる。このときの開口内
の部分が電流通過部ｂである。

【００３２】図２（ｃ）の工程において形成する開口部
の開口形状（即ち、電流通過部のパターン）は限定され
ず、素子構造や電流狭窄構造の形状に応じて、丸、楕
円、星、六角形、帯状等、種々の形状であってよい。帯
状に形成する場合、その帯の長手方向は特に限定されな
いが、〈１−１００〉方向や〈１１−２０〉方向とする
のが好ましい。特に、〈１１−２０〉方向とすると、電
流通過部の材料を成長させて、開口部を埋め込む際に、
該材料によって電流狭窄構造全体を覆って成長する結晶
層の上面が平坦となるまでに要する厚みが少なくてす
む。

【００３３】図３は、電流狭窄構造を形成するための他
の方法を示す図であって、ｐ型領域内に形成する場合の
好ましい方法を示している。先ず、図３（ａ）に示すよ
うに、電流狭窄構造の直下とすべきｐ型ＧａＮ系結晶層
Ｓ２１の上面にｐ型ＧａＮ系結晶層ｅを成長させる。次
に、前記ｐ型層ｅのうち、電流を通過させる部分とすべ
き部分の上面に保護膜Ｍ１を形成する。ただし、この保
護膜Ｍ１は、次工程のスパッタリングで受けるダメージ
からｐ型ＧａＮ系結晶層ｅの表面を保護し得るものであ
り、該保護膜Ｍ１の形成によってｐ型層ｅがダメージを
受けることはない。

【００３４】次に、図３（ｂ）に示すように、保護膜Ｍ
１を覆いながらｐ型ＧａＮ系結晶層ｅの上面全体に、Ｓ
ｉＯ₂ 膜Ｍ２をスパッタリングによって堆積させる。こ
れによって、電流抑制部だけにスパッタされたＳｉＯ₂
が持つエネルギーにより表面の結晶が乱され、特に構成
元素のＮが抜けるなどのダメージが与えられ、このダメ
ージを受けた部分だけにｎ型性の欠陥が導入される。こ
こで、ＳｉＯ₂ 膜のスパッタリングによる堆積の代わり
に、メタルのスパッタリングによる堆積を用いてもよ
く。また、スパッタリング以外のイオン注入など、Ｇａ
Ｎ系結晶層の表面に同様のダメージ効果を与え得る方法
であれば、どのような方法を用いてもよい。

【００３５】最後に、図３（ｃ）に示すように、保護膜
Ｍ１とＳｉＯ₂ 膜Ｍ２を除去し、ｎ型性の欠陥が導入さ
れて高抵抗となった電流抑制部ａと、ｐ型の電流通過部
ｂとからなる電流狭窄構造を得る。なお、以上の工程に
おいて、Ｓ２１の層は必ずしも必要でなく、この層を形
成しなくてもよい。電流抑制部ａと、電流通過部ｂと
は、Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｎの組成の点では同じ材料から
なる。保護膜Ｍ１の形成パターン（即ち、電流通過部の
パターン）は図２の場合と同様に限定されず、素子構造
や電流狭窄構造の形状に応じて決定すればよい。

【００３６】発光素子を構成するための結晶基板として
はサファイア結晶基板の他、ＳｉＣ、水晶などの基板を
用いることができる。バッファ層は、ＺｎＯ、ＭｇＯな
どの他、低温成長させたＡｌＮ、ＧａＮなどが挙げられ
る。

【００３７】発光層の形態としては、単純なｐｎ接合で
発生する空乏層、ダブルヘテロ接合によってクラッド層
に挟まれた活性層、ＳＱＷ (Single Quantum well)、Ｍ
ＱＷ(Multi Quantum well) 、量子ドットを含む構造な
どが挙げられる。発光層の材料は、ＧａＮ系材料であれ
ばよいが、紫外線を発し得る組成のものが好ましい。上
記のように、従来では、ＧａＮ系発光素子では高効率で
の発光が得られておらず、これを改善し得る本発明の有
用性が顕著となるからである。

【００３８】紫外線とは、一般的には、波長の上限を４
００ｎｍ〜３８０ｎｍとし、下限を１ｎｍ前後と定義し
ているが、本発明では、紫外線の波長の上限を４００ｎ
ｍとする。Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｎのなかでも紫外線を発
し得る組成は、図８のグラフに示すように、ＩｎＮとＧ
ａＮとＡｌＮとを結ぶ略三角形の領域のうち、特に、波
長４００ｎｍに相当するバンドギャップエネルギー約
３．１〔ｅＶ〕以上の領域（図では斜線を施している）
で表される組成である。この斜線を施した領域は、該領
域の外周の境界線を全て含むものである。このなかでも
代表的な材料として、Ａｌ_x Ｇａ_(1-x) Ｎ（０≦ｘ＜
１）が挙げられる。

【００３９】電流狭窄構造の付与に加えて、発光層を低
転位化することによって、青色〜紫外線を発生させるた
めにＩｎ組成を少なくした場合でも、発光効率をより高
めることができる。その低転位化の程度は、転位密度１
０⁷ ｃｍ^-2程度以下とすべきである。特に、転位密度を
１０⁴ ｃｍ^-2以下にまで低下させることによって、素子
寿命が長く、高い発光効率、高出力な発光素子が得られ
る。

【００４０】発光層を低転位化するには、現在報告され
ているＥＬＯ（Epitaxytial Lateral Over Growth ）技
術を用いればよい。この技術は、ＧａＮ系結晶が成長し
得ない材料（ＳｉＯ₂ など）からなるマスク層を、特定
のパターンを描いて形成し、マスク層が形成されていな
い非マスク領域を結晶成長の出発面として、マスク層を
埋め込んで覆うまでＧａＮ系結晶を成長させる技術であ
る。得られたＧａＮ系結晶層中には、例えばマスク層の
上方の部分など特定の部分に、転位線の伝搬の少ない低
転位な部分が形成されている。

【００４１】本発明の発光素子の好ましい態様として、
図１に示すように、電流狭窄構造によって電流が集中す
る発光層部分Ｓ３１の垂直上方の領域での光吸収を避け
る形成パターンとして、ｐ型電極Ｐ１を設ける態様が挙
げられる。この態様によって、発光層からの光を好まし
く外界へ放出することができる。

【００４２】また、上部電極を図１に示す態様とする場
合、ｐ型コンタクト層の好ましい態様として、図４に示
すように、ｐ型コンタクト層を、ｐ型電極Ｐ１と同じ形
成パターンとしてｐ型電極の直下にのみ設ける態様が挙
げられる。一般に、ｐ型コンタクト層の材料としては、
ＧａＮがより低抵抗な層が得られ、オーミック特性の良
好な電極を形成することができる。しかし、ＧａＮを用
いると、発光層から発せられる紫外線の波長によっては
光吸収層になる場合もある。図４に示す上部電極の態様
とすることによって、コンタクト層の材料として好まし
いＧａＮを用いながらも、該ＧａＮコンタクト層が発光
を吸収することがなくなる。しかも、それと同時に、ｐ
型電極直下の部分の厚みを充分厚くできるために、電極
材料が下層へ拡散することによる素子寿命の低下が抑制
できる。

【００４３】

【実施例】実施例１ 本実施例では、図６に示す態様のＧａＮ系ＬＥＤを実際
に製作した。 〔結晶基板およびバッファ層の形成〕最も基礎の結晶基
板Ｂ１としてはサファイアＣ面基板を用いた。まずこの
サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲
気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行
った。その後温度を５００℃まで下げＡｌ原料としてト
リメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、Ｇａ原料として
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料としてアンモニ
アを流し、ＡｌＧａＮ低温バッファ層Ｂ２を形成した。

【００４４】〔ｎ型コンタクト層の形成〕温度を１００
０℃に昇温し、原料としてのＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニ
アと、ドーパントとしてのシランとを流し、ｎ型コンタ
クト層Ｓ１として、ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を２μｍ
成長させた。

【００４５】〔電流狭窄構造の形成１〕図２（ａ）の工
程に示すように、ＴＭＡの供給量を増やし、シランの供
給を止めて、高抵抗のアンドープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｎ層
ｄを０．１μｍ成長させた。この試料を成長装置から取
出し、アンドープＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｎ層ｄの上面に、フ
ォトリソグラフィーによって露出領域Ｒ１を有するレジ
スト層Ｒを形成した。露出領域Ｒ１の形状は、〈１１−
２０〉方向に延びる幅１００μｍの帯状とした。図２
（ａ）では、露出領域Ｒ１は、紙面に垂直に長く延びる
溝となっている。

【００４６】〔電流狭窄構造の形成２〕アンドープＡｌ
_0.5 Ｇａ_0.5 Ｎ層ｄのうちの露出領域Ｒ１直下の部分
を、ＲＩＥ装置にてエッチング除去し、図２（ｂ）の工
程に示すように、深さ０．１μｍ、幅１００μｍの溝状
の開口Ｒ２を有する電流抑制部ａを形成した。さらに、
レジスト層Ｒを除去した。

【００４７】〔電流狭窄構造の形成３〕この試料をＭＯ
ＣＶＤ装置内に配置し、１０００℃にてＴＭＡ、ＴＭ
Ｇ、アンモニア、シランを流し、ｎ型コンタクト層上面
を基準として、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ _0.95Ｎ層を厚さ０．５
μｍまで成長させた。これによって、溝状の開口Ｒ２
は、図２（ｃ）の工程に示すように、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ結晶で充填されて電流通過部ｂとなった後、さら
に、図６に示すように、電流狭窄構造ｃ上に、ｎ−Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎ結晶層Ｓ６となった。

【００４８】〔ダブルヘテロ接合構造の形成〕次に、Ｔ
ＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを流し、ｎ−Ａｌ
_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層Ｓ２を０．１μｍ形成し、更
に、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを流し、Ｉｎ
_0.057 Ｇａ_0.943 Ｎ活性層Ｓ３（発光波長３８０ｎｍ）
を５０ｎｍ形成した。次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニ
ア及びドーパント原料としてビスシクロペンタジエニル
マグネシウム（以下Ｃｐ２Ｍｇ）を流し、ｐ型Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層Ｓ４を０．１μｍ形成し、ダブル
ヘテロ接合構造とした。

【００４９】次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ
２Ｍｇを流しｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎコンタクト層Ｓ５
を０．３μｍ形成した後、雰囲気ガスを窒素に切り換え
室温まで徐冷した。

【００５０】〔電極の形成〕上記で得られた積層体にド
ライエッチングを施し、図６に示すように、ｎ型コンタ
クト層Ｓ１を部分的に露出させてｎ側電極Ｐ２を形成
し、ｐ型コンタクト層上面には、電流通過部の上方に対
応する領域を避けてｐ側電極Ｐ１を形成し、ＧａＮ系Ｌ
ＥＤを得た。

【００５１】〔評価〕上記ＧａＮ系ＬＥＤを、Ｔｏ−１
８ステム台にマウントし、出力の測定を行ったところ、
波長３８０ｎｍ、２０ｍＡで３ｍＷのものが得られた。
また、２０ｍＡを流すのに必要な駆動電圧Ｖｆは、３．
８Ｖであった。

【００５２】実施例２ 本実施例では、ｐ型コンタクト層Ｓ５の材料にＧａＮを
用い、その形状を変更したこと以外は、実施例１、図６
の態様と全く同様にＬＥＤを製作した。ｐ型コンタクト
層Ｓ５の形状変更点は、図６において上部電極Ｐ１に覆
われていない部分を除去し、ｐ型クラッド層Ｓ４を露出
させたことである。この態様によって、電流狭窄によっ
て強く発光する部分Ｓ３１の上方には、ｐ型ＡｌＧａＮ
クラッド層Ｓ４があるだけの構造となった。この構造の
ＬＥＤをＴｏ−１８ステム台にマウントし、出力の測定
を行ったところ、波長３８０ｎｍ、２０ｍＡで５ｍＷの
ものが得られた。また、Ｖｆは、３．６Ｖであった。

【００５３】実施例３ 本実施例では、図４に示すように、電流狭窄構造を活性
層の上層側に設ける態様のＧａＮ系ＬＥＤを製作した。
また、電流抑制層にはアンドープ層を用いたものを実際
に製作した。結晶基板からｎ型コンタクト層の形成まで
は実施例１と同様である。また、ＤＨ構造は、ｐ型Ａｌ
_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層の厚みを０．０５μｍとした
こと以外は、実施例１と同様のＤＨ構造を形成した。

【００５４】〔電流狭窄構造の形成１〕ＤＨ構造のｐ型
クラッド層Ｓ４の上に、図４に示すように、電流狭窄構
造ｃおよびその電流通過部ｂと共に形成される層Ｓ６を
形成した。導電型をｐ型とし、電流通過部ｂ、層Ｓ６の
材料をＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎとしたこと以外
は、電流狭窄構造ｃと層Ｓ６の形成工程、組成比、寸法
仕様は、実施例１と同様である。

【００５５】〔コンタクト層の形成〕ＴＭＧ、アンモニ
ア、Ｃｐ２Ｍｇを流し、ホールキャリア濃度５×１０¹⁷
ｃｍ ^-3のｐ型ＧａＮ層（コンタクト層Ｓ５となる層）を
層Ｓ６上に全面に厚さ０．１μｍまで形成した。次に、
リフトオフ工程を用いて、このｐ型ＧａＮ層上に、ｐ型
電極となるＡｕ／Ｎｉ層を形成した。Ａｕ／Ｎｉ層のパ
ターンは、電流通過部ｂの上方に対応する部分が開口
し、ｐ型ＧａＮ層が開口内に露出したパターンである。
このＡｕ／Ｎｉ層をマスクとして用い、ｐ型ＧａＮ層の
うち露出した部分をＲＩＥによりエッチング除去して、
図４に示す形状のｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ５を形成し
た。

【００５６】〔電極の形成〕実施例１と同様に積層体に
ドライエッチングを施して露出させたｎ型コンタクト層
Ｓ１の上にｎ側電極Ｐ２を形成し、また、上記のＡｕ／
Ｎｉ層をそのままｐ側電極Ｐ１とし、ＧａＮ系ＬＥＤを
得た。

【００５７】〔評価〕上記ＧａＮ系ＬＥＤを、Ｔｏ−１
８ステム台にマウントし、出力の測定を行ったところ、
波長３８０ｎｍ、２０ｍＡで５ｍＷのものが得られた。
また、Ｖｆは、３．６Ｖであった。

【００５８】実施例４ 本実施例では、電流狭窄構造の電流抑制部として、Ｇａ
Ｎ系結晶層の表面を改質し、高抵抗化したものを用いた
こと以外は、実施例３と同様のＧａＮ系ＬＥＤを製作し
た。電流狭窄構造の工程のみ説明する。

【００５９】図５に示すように、ｐ型クラッド層Ｓ４を
形成した後、その上に全面に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモ
ニア、及び、ドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを流し、
ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層ｅを０．０５μｍ成長させ
た。

【００６０】前記ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層ｅの上に、
図３（ａ）に示すように、改質のダメージから保護する
ためのレジスト膜Ｍ１を形成し、さらに図３（ｂ）に示
すように、スパッタリングによってＳｉＯ₂ 膜Ｍ２を形
成した。レジスト膜Ｍ１の形状は〈１１−２０〉方向に
延びる幅１００μｍの帯状とした。図３（ａ）では、レ
ジスト膜Ｍ１は紙面に垂直に長く延びる帯状のパターン
となっている。この工程によって、図５に示すように、
ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層ｅのうちの両側の部分ａだけ
にダメージが与えられ、この部分が改質され、高抵抗な
電流抑制部ａとなり、中央部がもとのｐ型の性質のまま
電流通過部ｂとなった。

【００６１】図３（ｃ）に示すように、保護膜Ｍ１、Ｓ
ｉＯ₂ 膜Ｍ２を除去し、本来の導電性を示す電流通過部
ｂと、両側の高抵抗な電流抑制部ａとに、層ｅの内部で
区分された、ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる、０．０
５μｍ厚の電流狭窄構造を得た。

【００６２】電流狭窄構造の上に、図５に示すように、
層方向の電流経路となるｐ型Ａｌ_{0. 05}Ｇａ_0.95Ｎ層Ｓ
６、厚さ０．０５μｍを成長させ、さらに、実施例３と
同様にして、ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ５とｐ型電極Ｐ
１を形成した。このｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ５は、図
４、図５ともに同様であって、ＧａＮ層による光吸収を
抑制し得るよう溝状の凹部を中央に有し、しかも、電極
Ｐ１の直下部分には充分な厚みが確保されたものであ
る。

【００６３】〔評価〕実施例３と同様にｎ型電極を形成
し、ＧａＮ系ＬＥＤを完成させ、Ｔｏ−１８ステム台に
マウントし、出力の測定を行ったところ、波長３８０ｎ
ｍ、２０ｍＡで７ｍＷのものが得られた。また、Ｖｆ
は、３．６Ｖであった。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明の発光素子は、高抵抗のＧａＮ系材料によって電流抑
制部が設けられている。これによって、他のＧａＮ系結
晶層への不純物の拡散の心配が無く、発光層への部分的
な電流集中が効果的になされる素子となっている。特
に、高効率の発光が求められている紫外線を発光させる
場合に、好ましい発光素子となる。また、電流狭窄層を
ｐ型、ｎ型のいずれの層に接触させて設けてもよいの
で、素子設計の自由度を拡大できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＧａＮ系発光素子の一例として、ＬＥ
Ｄの構造を示す図である。説明の為に各層の厚み・幅の
比などを誇張して示しており、実際の比率とは異なる。
また、他の層と区別するために、電極、発光層、電流狭
窄層にハッチングを施している。

【図２】本発明の製造方法において、電流狭窄構造を形
成する工程を示す図である。

【図３】本発明の製造方法において、電流狭窄構造を形
成する工程の他の例を示す図である。

【図４】本発明の発光素子における、電流狭窄構造、ｐ
型コンタクト層の好ましい態様を示す図である。

【図５】本発明の発光素子における、電流狭窄構造、ｐ
型コンタクト層の好ましい他の態様を示す図である。

【図６】本発明のＧａＮ系発光素子（ＬＥＤ）の他の構
造を示す図である。

【図７】電流狭窄構造を説明するための図である。

【図８】Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｎの組成比を変化させたと
きの、格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を
示すグラフを用いて、Ｉｎ_a Ｇａ_b Ａｌ_c Ｎのうち、紫
外線を発し得る組成比を該グラフ内に示した図である。

【符号の説明】

Ｂ１ 結晶基板 Ｂ２ バッファ層 Ｓ１ ｎ型コンタクト層 Ｓ２ ｎ型クラッド層 Ｓ３ 発光層 Ｓ４ ｐ型クラッド層 Ｓ５ ｐ型コンタクト層 Ｐ１ 上部電極 Ｐ２ 下部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 洋一郎 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 只友 一行 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 4H001 XA07 XA31 5F041 AA03 CA04 CA34 CA40 CA65 CA74 CA75 CB06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＮ系材料からなる発光層を含む積層
   構造を有するＧａＮ系半導体発光素子であって、 積層構造内には、電流が発光層に部分的に集中して流れ
   るように電流狭窄構造が形成され、該電流狭窄構造はＧ
   ａＮ系材料からなり、該電流狭窄構造における電流通過
   を抑制する部分が、電流を通過させる部分のＧａＮ系材
   料よりも高抵抗なＧａＮ系材料によって形成されている
   ことを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
2. 【請求項２】 発光層の材料が、紫外線を発し得る組成
   とされたＧａＮ系材料である請求項１記載のＧａＮ系半
   導体発光素子。
3. 【請求項３】 〔発光層から発せられる光のエネルギ
   ー〕＜〔電流狭窄構造を構成するＧａＮ系材料のバンド
   ギャップ〕である請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光
   素子。
4. 【請求項４】 〔電流狭窄構造における電流を通過させ
   る部分のＧａＮ系材料のＡｌ組成比〕＜〔電流狭窄構造
   における電流通過を抑制する部分のＧａＮ系材料のＡｌ
   組成比〕である請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素
   子。
5. 【請求項５】 電流狭窄構造における電流通過を抑制す
   る部分が、ＧａＮ系結晶層の表面を改質し高抵抗化して
   形成されたものである請求項１に記載のＧａＮ系半導体
   発光素子。
6. 【請求項６】 電流狭窄構造における電流通過を抑制す
   る部分が、電流を通過させる部分に比べて低抵抗化が進
   まないようにｐ型化アニールを行うことで形成されたも
   のである請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
7. 【請求項７】 発光層よりも上層側に設けられる上部電
   極が、電流狭窄構造によって電流が集中する発光層部分
   の垂直上方の領域での光吸収を避ける形成パターンとし
   て設けられている請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素
   子。
8. 【請求項８】 発光層よりも上層側に設けられる上部電
   極をオーミック電極とするためのコンタクト層が、上部
   電極と同じ形成パターンとして上部電極の直下にのみ設
   けられている請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。