JP2001210861A - 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
光効率に優れ、再現性の高い窒化ガリウム系半導体発光
素子とする。 【構成】 N型GaN半導体層としてのSiドープGa
N半導体層300、活性層400及びP型GaN半導体
層としてのMgドープGaN半導体層600が順次積層
された窒化ガリウム系半導体発光素子であって、前記活
性層400とMgドープGaN半導体層600との間に
ドーピングが施されていないキャップ層500Aが形成
されており、前記キャップ層500Aは、GaN半導体
層である。
Description
レーザーダイオード等に利用される窒化ガリウム系半導
体発光素子及びその製造方法に関する。
体)は、かねてから困難であった青色発光を実現して発
光ダイオード素子に用いられるものである。この種の窒
化ガリウム系半導体では、活性層を形成した後にP型A
lGaN半導体層からなるキャップ層を形成し、その上
にP型GaN半導体層を形成していた。P型AlGaN
半導体層からなるキャップ層を形成することは、発光効
率の向上に資するものである。
N半導体層中のAl濃度を小さくするとリーク電流が増
加し、Al濃度を大きくするとく動作電圧が増大すると
いう傾向がある。
含み、700〜800℃の比較的低い温度で結晶成長す
る。このため、活性層は、自身の上に形成される半導体
層の結晶成長の温度が900〜950℃以上の高温にな
ると変質したり、発光効率が低下する等の弊害が生じる
ことが確認されている。
は1000℃以上の高温での結晶成長が好ましいので、
それよりも低温で成長させると、キャリア濃度や移動度
等の基本的物性値も結晶成長のたびに変わり、再現性に
乏しくなる。再現性を確保する方策としては、成長速度
を極端に遅くする等があるが、量産には不向きである。
ので、リーク電流が小さく動作電圧が低く、かつ発光効
率に優れ、再現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子
及びその製造方法を提供することを目的としている。
ム系半導体発光素子は、N型GaN半導体層、活性層及
びP型GaN半導体層が順次積層された窒化ガリウム系
半導体発光素子であって、前記活性層とP型GaN半導
体層との間にドーピングが施されていないキャップ層が
形成されており、前記キャップ層は、AlX Ga(1-X)
N半導体層(但し、0<X≦1)、GaN半導体層又は
AlX Ga(1-X) N(但し、0<X≦1)とGaNとか
らなる超格子層のいずれかである。
に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図、
図2は本発明の第2の実施の形態に係る窒化ガリウム系
半導体発光素子の概略的断面図、図3は本発明の第3の
実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の要部
の概略的拡大断面図である。なお、各図では作図の都合
上、厚さの表現は正確には記載されていない。
ウム系半導体発光素子は、N型GaN半導体層としての
SiドープGaN半導体層300、活性層400及びP
型GaN半導体層としてのMgドープGaN半導体層6
00が順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子で
あって、前記活性層400とMgドープGaN半導体層
600との間にドーピングが施されていないキャップ層
500Aが形成されており、前記キャップ層500A
は、GaN半導体層である。
以下のような製造工程で製造される。
リーニングを施す。すなわち、減圧MOCVD装置(減
圧気相成長装置)内で水素を供給しながら、サファイア
基板100を1050℃に加熱することでクリーニング
するのである。
0℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとして
アンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファ
イア基板100の表面に低温AlNバッファ層200を
形成する。このAlNバッファ層200は約200Åで
ある。
00℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモ
ニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にN型
不純物としてのシリコンを用いてN型GaN半導体層と
してのSiドープGaN半導体層300を約1.2μm
成長させる。
30℃に下降させ、トリメチルインジウムを断続的に流
しつつ、N型GaNとN型InGaNの多重量子井戸
(MQW)からなる活性層400をSiドープGaN層
300の上に約400Å成長させる。
50℃に上昇させ、マグネシウムをドーピングしないG
aN半導体層であるキャップ層500Aを前記活性層4
00の上に成長させる。このキャップ層500Aは約4
00Åの厚さである。
シウムを加え、P型GaN半導体層としてのMgドープ
GaN半導体層600を約0.2μm成長させる。
半導体層300の結晶成長時のサファイア基板100の
温度が1000℃、活性層400の結晶成長時のサファ
イア基板100の温度が730℃、キャップ層500A
の結晶成長時のサファイア基板100の温度が850℃
になっている。すなわち、キャップ層500Aの上に形
成されるP型GaN半導体層であるキャップ層500A
の結晶成長時の温度(850℃)が、活性層400の結
晶成長時の温度(730℃)よりも高くかつ、N型Ga
N半導体層であるSiドープGaN半導体層300の結
晶成長時の温度(1000℃)より低くなっている。
0℃にし、減圧MOCVD装置内の圧力を6650Pa
(50torr)とする。これと同時に、アンモニア等
の水素を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧MO
CVD装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガスに切
り替える。
い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのZn膜
700を形成する。そして、このままの状態、すなわち
窒素雰囲気下でサファイア基板100の温度を約100
℃以下にまで低下させる。
が形成されたサファイア基板100を入れ、SnO2 が
10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約
0.5μmの電流拡散層としてのITO膜800をZn
膜700の上に形成する。この際のサファイア基板10
0の温度は200℃にした。
チングし、SiドープGaN層300の一部を露出させ
る。この露出したSiドープGaN半導体層300にN
型電極910を、前記ITO膜800の一部にP型電極
920を形成する。この両電極910、920は、Ti
/Au薄膜を約500Å/5000Å程度蒸着したもの
である。
半導体発光素子は、20mAの電流で動作電圧が3.2
Vと非常に低く、発光効率もMgドープP型AlGaN
半導体層をキャップ層として使用した従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子と遜色がないことが確認された。ま
た、リーク電流も5Vで10μA以下と実用上問題のな
いレベルになっていることが確認された。
導体発光素子が上述した第1の実施の形態に係る窒化ガ
リウム系半導体発光素子と相違する点は、第1の実施の
形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子おけるキャッ
プ層500AがマグネシウムをドーピングしないGaN
半導体層であったのに対し、図2に示すように、第2の
実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子おける
キャップ層500Bがマグネシウムをドーピングしない
Al0.1 Ga0.9 N半導体層である点である。
系半導体発光素子は、サファイア基板100の上に順
次、低温AlNバッファ層200、N型GaN半導体層
としてのSiドープGaN半導体層300、活性層40
0としてのN型GaNとN型InGaNの多重量子井戸
(MQW)を形成する点は、第1の実施の形態に係る窒
化ガリウム系半導体発光素子と同一である。
プ層500Bは、マグネシウムをドーピングしないAl
0.1 Ga0.9 N半導体層である。このキャップ層500
Bは、サファイア基板100の温度を900℃にして4
00Åの厚さに形成されている。
るMgドープGaN半導体層600、Zn膜700、I
TO膜800や、ITO膜800の上に形成されるP型
電極920、エッチングで露出されたSiドープGaN
半導体層300に形成されるN型電極910は、上述し
た第1の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素
子と同一である。
半導体発光素子は、20mAの電流で動作電圧が3.4
Vと非常に低く、発光効率もMgドープP型AlGaN
半導体層をキャップ層として使用した従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子と遜色がないことが確認された。ま
た、リーク電流も5Vで10μA以下と実用上問題のな
いレベルになっていることが確認された。
ム系半導体発光素子が上述した第1の実施の形態に係る
窒化ガリウム系半導体発光素子と相違する点は、第1の
実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子おける
キャップ層500Aがマグネシウムをドーピングしない
GaN半導体層であったのに対し、第3の実施の形態に
係る窒化ガリウム系半導体発光素子おけるキャップ層5
00CがマグネシウムをドーピングしないAlN510
C〔AlX Ga(1-X) NにおいてX=1としたもの〕
と、GaN520Cとからなる超格子層である点であ
る。しかも、このキャップ層500Cでは、AlNの膜
厚を10Å、GaNの膜厚を90Åとし、AlNとGa
Nとの4層(膜厚合計400Å)にしている。
リウム系半導体発光素子と同様にまったく第1の実施の
形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子と同一であ
る。
半導体発光素子は、20mAの電流で動作電圧が3.4
Vと非常に低く、発光効率もMgドープP型AlGaN
半導体層をキャップ層として使用した従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子と遜色がないことが確認された。ま
た、リーク電流も5Vで10μA以下と実用上問題のな
いレベルになっていることが確認された。
流拡散層としてのITO膜800を真空蒸着法で形成し
ているが、このITO膜800を形成しなくとも、Ni
/Au薄膜又はAuGe/Au薄膜を半透明補助電極と
して用いれば、光の外部取り出し効率は多少は落ちるが
従来と同等の窒化ガリウム系半導体発光素子を形成すこ
とが可能である。
素子は、N型GaN半導体層、活性層及びP型GaN半
導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子
であって、前記活性層とP型GaN半導体層との間にド
ーピングが施されていないキャップ層が形成されてお
り、前記キャップ層は、AlX Ga(1-X) N半導体層
(但し、0<X≦1)、GaN半導体層又はAlX Ga
(1-X) N(但し、0<X≦1)とGaNとからなる超格
子層のいずれかである。
(1-X) N半導体層(但し、0<X≦1)である場合(第
1の実施の形態)、GaN半導体層である場合(第2の
実施の形態)、AlX Ga(1-X) N(但し、0<X≦
1)とGaNとからなる超格子層である場合(第3の実
施の形態)とも、リーク電流が小さく動作電圧が低く、
かつ発光効率に優れ、再現性の高い窒化ガリウム系半導
体発光素子とすることができた。
型GaN半導体層の結晶成長時の温度が、前記活性層の
結晶成長時の温度よりも高くかつ、N型GaN半導体層
の結晶成長時の温度より低いと、リーク電流が小さく動
作電圧が低く、しかも発光効率が低下することなく、再
現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子とすることが
確認できた。
以上1000Å以下であると、リーク電流が小さく、動
作電圧が低い窒化ガリウム系半導体発光素子を再現性よ
く製造できた。
系半導体発光素子の概略的断面図である。
系半導体発光素子の概略的断面図である。
系半導体発光素子の要部の概略的拡大断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 N型GaN半導体層、活性層及びP型G
aN半導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発
光素子において、前記活性層とP型GaN半導体層との
間にドーピングが施されていないキャップ層が形成され
ており、前記キャップ層は、AlX Ga(1-X) N半導体
層(但し、0<X≦1)、GaN半導体層又はAlX G
a(1-X) N(但し、0<X≦1)とGaNとからなる超
格子層のいずれかである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】 前記キャップ層の厚さが、100Å以上
1000Å以下であることを特徴とする請求項1記載の
窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項3】 前記キャップ層の上に形成されるP型G
aN半導体層の結晶成長時の温度が、前記活性層の結晶
成長時の温度よりも高くかつ、N型GaN半導体層の結
晶成長時の温度より低いことを特徴とする請求項1又は
2記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項4】 N型GaN半導体層、活性層及びP型G
aN半導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発
光素子の製造方法において、前記活性層とP型GaN半
導体層との間にドーピングが施されていないキャップ層
が形成されており、前記キャップ層は、AlX Ga
(1-X) N半導体層(但し、0<X≦1)、GaN半導体
層又はAlX Ga(1-X) N(但し、0<X≦1)とGa
Nとからなる超格子層のいずれかであり、前記キャップ
層の上に形成されるP型GaN半導体層の結晶成長時の
温度が、前記活性層の結晶成長時の温度よりも高くか
つ、N型GaN半導体層の結晶成長時の温度より低いこ
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。
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KR101936312B1 (ko) | 2012-10-09 | 2019-01-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
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