JP2000332288A - 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】動作電圧が均一で発光効率の高い窒化ガリウム
系半導体発光素子を提供することを目的とする。 【解決手段】ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３はバッファ
層２を介してサファイア基板１上に形成され、上面にｎ
−側電極９を有することを特徴とする窒化ガリウム系半
導体発光素子。
系半導体発光素子を提供することを目的とする。 【解決手段】ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３はバッファ
層２を介してサファイア基板１上に形成され、上面にｎ
−側電極９を有することを特徴とする窒化ガリウム系半
導体発光素子。
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。
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。
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２
０ｍＡ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。
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２
０ｍＡ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ＧａＡ
ｓ、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−Ｉｎ
ＡｌＧａＮ層３４上にはｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３
５、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−ＡｌＧ
ａＮ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、Ｉ
ｎＧａＮ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。
いう問題がある。一般に窒化ガリウム系半導体はＧａＡ
ｓ、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−Ｉｎ
ＡｌＧａＮ層３４上にはｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３
５、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−ＡｌＧ
ａＮ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、Ｉ
ｎＧａＮ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、Ｇ
ａＮ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。
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、Ｇ
ａＮ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。
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−Ｇ
ａＮコンタクト層７上にアノード電極８を有し、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層７、ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ−Ａｌ
ＧａＮ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、 Ｉ
ｎＧａＮ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。
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−Ｇ
ａＮコンタクト層７上にアノード電極８を有し、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層７、ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ−Ａｌ
ＧａＮ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、 Ｉ
ｎＧａＮ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、
ＮＨ３、ＳｉＨ４を窒素キャリアガスで供給してｎ−Ｉ
ｎＧａＮコンタクト層３を形成する。なおｎ−ＩｎＧａ
Ｎ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５ｘ１
０１９ｃｍ−３である。次に基板温度を１０５０℃に昇
温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４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、ＴＭ
Ｉ、ＮＨ３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、Ｔ
ＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ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、 ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ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。
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、
ＮＨ３、ＳｉＨ４を窒素キャリアガスで供給してｎ−Ｉ
ｎＧａＮコンタクト層３を形成する。なおｎ−ＩｎＧａ
Ｎ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５ｘ１
０１９ｃｍ−３である。次に基板温度を１０５０℃に昇
温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４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、ＴＭ
Ｉ、ＮＨ３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、Ｔ
ＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ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、 ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ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−Ｉ
ｎＧａＮ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５ｘ１０１９ｃｍ−３で抵抗率が０．００１
Ωｃｍ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：５ｘ１０１８ｃｍ
−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−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層４の積層構造も抵抗を低減している。Ｉｎ
ＧａＮ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。
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−Ｉ
ｎＧａＮ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５ｘ１０１９ｃｍ−３で抵抗率が０．００１
Ωｃｍ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：５ｘ１０１８ｃｍ
−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−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層４の積層構造も抵抗を低減している。Ｉｎ
ＧａＮ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−ＩｎＧ
ａＮ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。
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−ＩｎＧ
ａＮ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５ｘ１０−１９ｃｍ３と
したが、１ｘ１０１９ｃｍ−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−Ｉｎ
ＧａＮ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。
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５ｘ１０−１９ｃｍ３と
したが、１ｘ１０１９ｃｍ−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−Ｉｎ
ＧａＮ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。
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、
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、
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。
示す断面図。
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 (3)
- 【請求項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
とを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項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。 - 【請求項３】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窒化ガリウム系半導体発光素子の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13535499A JP3763701B2 (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13535499A JP3763701B2 (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005157556A Division JP2005252309A (ja) | 2005-05-30 | 2005-05-30 | 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000332288A true JP2000332288A (ja) | 2000-11-30 |
| JP3763701B2 JP3763701B2 (ja) | 2006-04-05 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13535499A Expired - Fee Related JP3763701B2 (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | 窒化ガリウム系半導体発光素子 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3763701B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003527745A (ja) * | 1999-12-02 | 2003-09-16 | クリー・ライティング・カンパニー | 分極誘導電荷を低減させた高効率光エミッタ |
| JP2006510234A (ja) * | 2003-06-25 | 2006-03-23 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 窒化物半導体の発光素子及びその製造方法 |
| JP2009016467A (ja) * | 2007-07-03 | 2009-01-22 | Sony Corp | 窒化ガリウム系半導体素子及びこれを用いた光学装置並びにこれを用いた画像表示装置 |
| JP2009026956A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 発光素子、発光素子のための基板生産物、および発光素子を作製する方法 |
| JP2012500489A (ja) * | 2008-08-20 | 2012-01-05 | ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド | 変調ドーピング層を有する発光ダイオード |
| CN105185880A (zh) * | 2015-08-12 | 2015-12-23 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 一种验证电流阻挡层效果的外延结构 |
| DE10213358B4 (de) * | 2001-03-29 | 2021-05-27 | Lumileds Holding B.V. | Licht emittierende III-Nitrid-Anordnung und Verfahren zu deren Herstellung |
-
1999
- 1999-05-17 JP JP13535499A patent/JP3763701B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003527745A (ja) * | 1999-12-02 | 2003-09-16 | クリー・ライティング・カンパニー | 分極誘導電荷を低減させた高効率光エミッタ |
| DE10213358B4 (de) * | 2001-03-29 | 2021-05-27 | Lumileds Holding B.V. | Licht emittierende III-Nitrid-Anordnung und Verfahren zu deren Herstellung |
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| US7691657B2 (en) | 2003-06-25 | 2010-04-06 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device using nitride semiconductor and fabrication method of the same |
| JP2009016467A (ja) * | 2007-07-03 | 2009-01-22 | Sony Corp | 窒化ガリウム系半導体素子及びこれを用いた光学装置並びにこれを用いた画像表示装置 |
| US8946764B2 (en) | 2007-07-03 | 2015-02-03 | Sony Corporation | Gallium nitride-based semiconductor element, optical device using the same, and image display apparatus using optical device |
| JP2009026956A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 発光素子、発光素子のための基板生産物、および発光素子を作製する方法 |
| JP2012500489A (ja) * | 2008-08-20 | 2012-01-05 | ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド | 変調ドーピング層を有する発光ダイオード |
| CN105185880A (zh) * | 2015-08-12 | 2015-12-23 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 一种验证电流阻挡层效果的外延结构 |
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|---|---|
| JP3763701B2 (ja) | 2006-04-05 |
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