JP2001077413A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウムを含むものと同等の発光効率を
有する半導体発光素子を、アルミニウムを含まないＧａ
Ｎ系半導体物質のみで実現したIII 族窒化物半導体発光
素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 バッファ層、ｎ型半導体層、発光層、キ
ャップ層およびｐ型コンタクト層とを有するIII 族窒化
物半導体発光素子で、上記バッファ層は、基板上に形成
された非晶質あるいは多結晶のＧａＮ第１バッファ層
と、この第１バッファ層上に形成されたアンドープのＧ
ａＮ第２バッファ層とからなり、上記発光層は、多重量
子井戸構造で、かつ、上記各層のアルミニウムの原子密
度を１０¹⁷個／ｃｍ³ 以下としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、III 族窒化物半
導体からなる発光層を有するIII 族窒化物半導体発光素
子およびその製造方法に関し、特に青色から紫外光の領
域で発光するIII族窒化物半導体発光素子およびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】青色から紫外光の領域で発光するＧａＮ
系半導体発光素子は最近実現されるに至ったが、赤色発
光素子等の長波長の発光素子に比べまだ製造が困難で、
早急な対策が望まれている。

【０００３】青色領域において最も効率の高い素子構造
のひとつに多重量子井戸構造の半導体発光素子があり、
その製造方法として分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や有
機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等が知られてい
る。この中で最も量産性に富むのは、ＭＯＶＰＥ法であ
るが、ＧａＮ系半導体発光素子については、製造時の製
品品質の安定化という点で、まだ改善点すべき点があ
り、その解決が期待されている。

【０００４】従来のＧａＮ系半導体発光素子の特性改善
策の一つとして、発光効率の改善のために、ガリウムア
ルミニウムナイトライド（ＧａＡｌＮ）などアルミニウ
ムを含む半導体物質が使われてきた（特開平９−１５３
６４２号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、アルミニウムを含む半導体物質を採用する事によ
り、ＧａＮ系半導体発光素子の発光効率は改善される
が、次のような問題が発生するに至った。

【０００６】すなわち、ＧａＡｌＮなどアルミニウムを
含む半導体物質を採用したＧａＮ系半導体発光素子を、
よく知られた有機金属ガスを材料とする気相成長法（Ｍ
ＯＶＰＥ法）を用いて製造すると、素子製造の繰り返し
に悪影響を与え、例えば２回目以降に製造される発光素
子の発光強度が低下するなど製造歩留まりが悪化すると
いう問題が生じた。

【０００７】これは、前に行う素子製造に使用したアル
ミニウム原料から生じたアルミニウムを含む生成物が製
造装置内に残留し、後に行う素子製造時に汚染源となる
ためである。このため、アルミニウムを含む半導体物質
を採用した半導体発光素子の特性バラツキを低減し、製
造歩留まりを向上せしめるためには、製造装置をアルミ
ニウム原料を使用する毎に清浄化してアルミニウムを含
む生成物を除去する必要があり、製造プロセスが煩雑な
ものとなっていた。

【０００８】一方でこのような事態を避けるため、アル
ミニウムを含まない半導体物質で発光素子を製造する
と、半導体発光素子の発光特性が悪化するという問題が
あった。

【０００９】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
アルミニウムを含む半導体物質を採用した半導体発光素
子と同等の輝度を有する発光素子を、アルミニウムを含
まないＧａＮ系半導体物質のみを用いて製造すること
で、例えば２回目以降に製造される発光素子の発光強度
の低下を防止し、製造歩留まりを向上せしめ、かつ頻繁
な清浄化作業が必要なくなることから製造プロセスを簡
略化することができるようにしたものである。

【００１０】また、本発明は、アルミニウムを含む半導
体物質からなる半導体発光素子と同等の発光効率を有す
る半導体発光素子を、アルミニウムを含まないＧａＮ系
半導体物質のみで実現したIII 族窒化物半導体発光素子
およびその製造方法を提供することを目的とする。な
お、本発明でアルミニウムを含まないＧａＮ系半導体物
質とは、具体的には該半導体物質内のアルミニウムの原
子密度が１立方センチメートル当たり１０¹⁷個以下であ
ることをいう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、基板と、該基板上に順次
形成されたIII 族窒化物半導体からなるバッファ層、ｎ
型半導体層、発光層、キャップ層およびｐ型コンタクト
層とを有するIII 族窒化物半導体発光素子において、上
記バッファ層は、基板に接して形成された非晶質あるい
は多結晶のガリウムナイトライド（ＧａＮ）からなる第
１バッファ層と、この第１バッファ層に接して形成され
たアンドープのＧａＮからなる第２バッファ層とからな
り、かつ該第１および第２バッファ層内のアルミニウム
の原子密度を１立方センチメートル当たり１０¹⁷個以下
とし、上記発光層は、多重量子井戸構造からなり、上記
ｎ型半導体層、発光層、キャップ層およびｐ型コンタク
ト層は、各々の層内のアルミニウムの原子密度を１立方
センチメートル当たり１０¹⁷個以下としたことを特徴と
する。

【００１２】また、請求項２に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記ｎ型半導体
層、キャップ層およびｐ型コンタクト層は、いずれもＧ
ａＮからなり、上記多重量子井戸構造の発光層は、Ｇａ
Ｎからなる障壁層とガリウムインジウムナイトライド
（ＧａＩｎＮ）からなる井戸層とを交互に積層してな
り、かつ発光層の障壁層をｎ型半導体層に接して形成し
てあることを特徴とする。

【００１３】また、請求項３に記載の発明は、上記した
請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記キャップ層
はアンドープのＧａＮからなり、このアンドープのキャ
ップ層は、上記発光層の井戸層に接して形成されている
ことを特徴とする。

【００１４】さらに、請求項４に記載の発明は、有機金
属化合物気相成長法を用いるIII 族窒化物半導体発光素
子の製造方法において、基板上に非晶質あるいは多結晶
のＧａＮからなる第１バッファ層を形成し、上記第１バ
ッファ層上にＧａＮからなるアンドープの第２バッファ
層を形成し、上記第２バッファ層上にＧａＮからなるｎ
型半導体層を形成し、上記ｎ型半導体層上にＧａＮから
なる障壁層とＧａＩｎＮからなる井戸層とを交互に積層
してなる多重量子井戸構造の発光層を、障壁層を最下層
とし井戸層を最上層として形成し、上記多重量子井戸構
造の発光層の最上層の井戸層上にＧａＮからなるアンド
ープのキャップ層を形成し、上記アンドープのキャップ
層上にＧａＮからなるｐ型コンタクト層を形成し、か
つ、上記第１バッファ層、第２バッファ層、ｎ型半導体
層、発光層、アンドープのキャップ層およびｐ型コンタ
クト層の各々の層内でのアルミニウムの原子密度を１立
方センチメートル当たり１０¹⁷個以下としたことを特徴
とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
１に基づいて詳細に説明する。

【００１６】図１はこの発明の実施形態に係るIII 族窒
化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図であ
る。この図において、III 族窒化物半導体発光素子は、
サファイア基板１上に、よく知られたＭＯＶＰＥ法で各
層を順次積層して形成した。サファイア基板１は、厚さ
３３０μｍ、直径５０ｍｍの円形のものである。

【００１７】このサファイア基板１上に、まず温度５５
０℃で厚さ２００ÅのＧａＮからなる第１バッファ層２
を形成した。この第１バッファ層２は、非晶質あるいは
多結晶のＧａＮ半導体からなる。

【００１８】次に温度１１００℃の条件で厚さ０．５μ
ｍのアンドープのＧａＮからなる第２バッファ層３を形
成した。

【００１９】第１バッファ層２は、非晶質かそれに近い
多結晶からなる層とするため、６００℃以下の雰囲気で
成長させるのが望ましい。この第１バッファ層２の働き
は、サファイア基板１とその上に形成するＧａＮ層との
格子ミスマッチを緩和することにある。また、第１バッ
ファ層２と第２バッファ層３との違いは、結晶性の違い
であり、これはその成長温度に由来している。

【００２０】また、第２バッファ層３を設ける目的は、
第２バッファ層３の上に形成するｎ型ＧａＮ層４の結晶
性を良くするためである。すなわち、この第２バッファ
層３は、第１バッファ層２の結晶欠陥がｎ型ＧａＮ層４
に悪影響を与えるのを緩和する。この第２バッファ層３
の結晶性を良好にするためには、１０００℃以上の温度
で不純物をドーピングせずに（アンドープで）成長させ
るのが望ましい。

【００２１】このバッファ層３上に温度１１００℃の条
件で、ｎ型半導体層である厚さ２．５μｍのＳｉドープ
のｎ型ＧａＮ層４を形成した。Ｓｉのドーピングは結晶
成長と共に行っている。

【００２２】その後、上記のｎ型ＧａＮ層４上に多重量
子井戸構造の発光層６を８００℃で形成するが、この発
光層６は、厚さ７ｎｍでアンドープのＧａＮからなる障
壁層１１と、その障壁層１１上に厚さ３ｎｍでアンドー
プのＧａＩｎＮ(Ｇａ_XＩｎ_{1- X}Ｎ、ここでＸ＝０．１５)
からなる井戸層１０とからなる対を複数対、例えば５対
積層して構成し多重量子井戸構造としている。

【００２３】この発光層６の最上層をなす井戸層１０上
に、厚さ１０ｎｍでアンドープのＧａＮからなるキャッ
プ層７を８００℃で形成した。さらにこのキャップ層７
の上にＭｇドープのｐ型のＧａＮからなるコンタクト層
８を温度１１００℃の条件で形成した。

【００２４】なお、上記のようにこの実施形態では、サ
ファイア基板１上に積層した第１バッファ層２、第２バ
ッファ層３、ｎ型ＧａＮ層４、発光層６、キャップ層７
およびｐ型コンタクト層８のいずれの層も、アルミニウ
ムを含まないＧａＮ系半導体物質、すなわち含有するア
ルミニウムの原子密度を１立方センチメートル当たり１
０¹⁷個以下とするＧａＮ系半導体物質から構成してい
る。

【００２５】さらに、上記のｎ型ＧａＮ層４にｎ型電極
５を形成するために、よく知られたフォトリソグラフィ
と気相エッチングの手法を用いて、当該ｎ型電極５の形
成領域の近傍のみをｐ型コンタクト層８からｎ型ＧａＮ
層４まで除去し、その露出したｎ型ＧａＮ層４にｎ型電
極５を形成した。またｐ型コンタクト層８上にも、同様
にｐ型電極９を形成した。

【００２６】この実施形態に係るIII 族窒化物半導体発
光素子１００では、上記のように第１および第２バッフ
ァ層２、３を用いることにより、その上に形成したｎ型
ＧａＮ層４の結晶性を改善することができた。

【００２７】すなわち、このようにバッファ層を２層構
造とすることにより、サファイア基板１とその上に積層
される半導体各層との間の格子間隔のミスマッチによる
影響は、第１バッファ層２と第２バッファ層３とで十分
に低減され、その上のｎ型ＧａＮ層４では結晶性が向上
した。例えば、ｎ型ＧａＮ層４における転位密度は１平
方センチメートル当たり１０⁸ 個程度となり、第２バッ
ファ層３を設けない場合の概略１０分の１となった。ま
た、ｎ型ＧａＮ層４での電気特性も改善された。

【００２８】その結果、III 族窒化物半導体発光素子１
００を構成する各層４，６，７，８はいずれも良好で安
定した結晶を持った構造となり、上記のようにアルミニ
ウムを含まないＧａＮ系半導体物質のみで作製した半導
体発光素子からは、従来のアルミニウムを含むＧａＮ系
半導体物質を採用した半導体発光素子と比べて同等の発
光輝度を得ることができた。

【００２９】またこの実施形態に係るIII 族窒化物半導
体発光素子１００では、ｎ型ＧａＮ層４上に発光層６を
形成する際には、先ずＧａＮからなる障壁層１１がｎ型
ＧａＮ層４に接するように形成し、発光層６を下から順
にＧａＮ障壁層→Ｇａ_XＩｎ_{1 -X}Ｎ井戸層となるように積
層して構成した。この順で積層することにより、Ｇａ _X
Ｉｎ_1-XＮ井戸層→ＧａＮ障壁層の順に積層させた場合
と比較して、発光素子の発光輝度が２倍程度増加するこ
とも分かった。その理由は発光層を構成する多重量子井
戸構造の界面の急峻性が向上することによるものと考え
られる。

【００３０】さらにこのIII 族窒化物半導体発光素子１
００では、アンドープのキャップ層７を発光層６最上段
のＧａ_XＩｎ_1-XＮ井戸層１０上に８００℃で形成した
が、このアンドープのキャップ層７を設けることで、引
き続き行われるｐ型コンタクト層８の形成時の熱プロセ
スから、発光層６の組成を保護することができた。

【００３１】上記のように、この実施形態では第１およ
び第２バッファ層を用いた構造により、III 族窒化物半
導体発光素子１００を構成する各層４，６，７，８はい
ずれも良好で安定した結晶を持った構造となり、アルミ
ニウムを含まない半導体物質で半導体発光素子を作製し
たにも拘わらず、その良好で安定した結晶構造等の要因
が機能して、従来のアルミニウムを含むＧａＮ系半導体
物質を採用した半導体発光素子と同等の発光特性を発揮
させることができた。

【００３２】一方で発光素子の製造にアルミニウム原料
を使用しないことで、例えば２回目以降に製造される発
光素子の発光強度が低下するなどのアルミニウム原料使
用による悪影響を防止することができ、製造歩留まりを
向上せしめることができた。さらに、製造装置の頻繁な
清浄化作業が必要なくなることから半導体発光素子の製
造プロセスをも簡略化することができ、これらにより、
発光素子としてのコストも大幅に低減させることができ
た。

【００３３】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００３４】本発明では、上記のようにバッファ層を２
層構造とすることで、サファイア基板とその上に積層さ
れる半導体各層との間の格子間隔のミスマッチによる影
響は、第１バッファ層と第２バッファ層とで十分に低減
され、その上のｎ型半導体層では結晶性が向上した。ま
たその上の発光層、キャップ層およびｐ型コンタクト層
の各層の結晶性も改善することができた。その結果アル
ミニウムを含まない半導体物質から半導体発光素子を作
製したにも拘わらず、従来のアルミニウムを含む半導体
発光素子に比べて同等の発光特性を発揮させることがで
きた。

【００３５】さらに、ｎ型半導体層上に発光層を形成す
る際には、先ず障壁層がｎ型半導体層に接するように形
成したので、発光輝度を充分に確保することができた。

【００３６】また、キャップ層を発光層最上段の井戸層
上に設けたので、引き続き行われるｐ型コンタクト層の
形成時の熱プロセスから、発光層の組成を保護すること
ができた。

【００３７】このように本発明では、III 族窒化物半導
体発光素子を構成する各層のいずれにおいても、アルミ
ニウムの含有量を極力抑えるようにしたにも拘わらず、
その良好で安定した結晶構造等の要因が機能して、従来
品と同等の発光特性を発揮させることができた。一方で
アルミニウム原料を使用しないことで、発光素子の製造
歩留まりを向上せしめることができ、さらに製造装置の
頻繁な清浄化作業が必要なくなることから製造プロセス
をも簡略化することができた。これらにより、発光素子
のコストも大幅に低減させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係るIII 族窒化物半導体
発光素子の断面構造を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ サファイア基板 ２ 第１バッファ層 ３ 第２バッファ層 ４ ｎ型ＧａＮ層 ５ ｎ型電極 ６ 発光層 ７ キャップ層 ８ ｐ型コンタクト層 ９ ｐ型電極 １０ 井戸層 １１ 障壁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浦島 泰人 千葉県千葉市緑区大野台１−１−１ 昭和 電工株式会社総合研究所内 (72)発明者 安田 剛規 千葉県千葉市緑区大野台１−１−１ 昭和 電工株式会社総合研究所内 (72)発明者 奥山 峰夫 千葉県千葉市緑区大野台１−１−１ 昭和 電工株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA11 AA40 AA41 AA42 CA05 CA24 CA25 CA34 CA40 CA46 CA65 CA66

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に順次形成されたIII
   族窒化物半導体からなるバッファ層、ｎ型半導体層、発
   光層、キャップ層およびｐ型コンタクト層とを有するII
   I 族窒化物半導体発光素子において、 上記バッファ層は、基板に接して形成された非晶質ある
   いは多結晶のガリウムナイトライド（ＧａＮ）からなる
   第１バッファ層と、この第１バッファ層に接して形成さ
   れたアンドープのＧａＮからなる第２バッファ層とから
   なり、かつ該第１および第２バッファ層内のアルミニウ
   ムの原子密度を１立方センチメートル当たり１０¹⁷個以
   下とし、 上記発光層は、多重量子井戸構造からなり、 上記ｎ型半導体層、発光層、キャップ層およびｐ型コン
   タクト層は、各々の層内のアルミニウムの原子密度を１
   立方センチメートル当たり１０¹⁷個以下としたことを特
   徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 上記ｎ型半導体層、キャップ層およびｐ
   型コンタクト層は、いずれもＧａＮからなり、 上記多重量子井戸構造の発光層は、ＧａＮからなる障壁
   層とガリウムインジウムナイトライド（ＧａＩｎＮ）か
   らなる井戸層とを交互に積層してなり、 かつ、発光層の障壁層をｎ型半導体層に接して形成して
   ある、 ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体
   発光素子。
3. 【請求項３】 上記キャップ層はアンドープのＧａＮか
   らなり、このアンドープのキャップ層は、上記発光層の
   井戸層に接して形成されている、 ことを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体
   発光素子。
4. 【請求項４】 有機金属化合物気相成長法を用いるIII
   族窒化物半導体発光素子の製造方法において、 基板上に非晶質あるいは多結晶のＧａＮからなる第１バ
   ッファ層を形成し、 上記第１バッファ層上にＧａＮからなるアンドープの第
   ２バッファ層を形成し、 上記第２バッファ層上にＧａＮからなるｎ型半導体層を
   形成し、 上記ｎ型半導体層上にＧａＮからなる障壁層とＧａＩｎ
   Ｎからなる井戸層とを交互に積層してなる多重量子井戸
   構造の発光層を、障壁層を最下層とし井戸層を最上層と
   して形成し、 上記多重量子井戸構造の発光層の最上層の井戸層上にＧ
   ａＮからなるアンドープのキャップ層を形成し、 上記アンドープのキャップ層上にＧａＮからなるｐ型コ
   ンタクト層を形成し、 かつ、上記第１バッファ層、第２バッファ層、ｎ型半導
   体層、発光層、アンドープのキャップ層およびｐ型コン
   タクト層の各々の層内でのアルミニウムの原子密度を１
   立方センチメートル当たり１０¹⁷個以下とした、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方
   法。