JP2001250982A - 化合物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

化合物半導体発光素子およびその製造方法

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JP2001250982A JP2000062667A JP2000062667A JP2001250982A JP 2001250982 A JP2001250982 A JP 2001250982A JP 2000062667 A JP2000062667 A JP 2000062667A JP 2000062667 A JP2000062667 A JP 2000062667A JP 2001250982 A JP2001250982 A JP 2001250982A
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semiconductor light
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Keizo Yasutomi
敬三 安富
Nobuhiko Noto
宣彦 能登
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Abstract

(57)【要約】 【課題】厚いエピタキシャル層を形成せず、かつ、p型
の窒化ガリウム系エピタキシャル層を形成せずに、青色
系の発光をすることができる化合物半導体発光素子およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】p型半導体基板上にn型あるいはi型の正
孔注入層を備え、前記p型半導体基板から正孔が注入さ
れうる距離に、少なくともインジウムとガリウムとを含
む窒化物半導体量子構造を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系の
化合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】窒化ガリウム(GaN)は、室温におけ
るバンドギャップが約3.4eVであるとともに化学的
にも安定であることから、青色あるいは青紫色等の青色
系を発光する発光素子の材料として用いられている。窒
化ガリウムを発光素子の材料として用いる為には、ごく
最近まで窒化ガリウム単結晶基板の入手が困難であった
ことから、窒化ガリウムに対して熱的および結晶的な一
致を示すサファイア(Al)基板が主に用いられ
てきた。
【0003】しかしながら、サファイアは、ドープして
導電性の結晶を製造することが非常に困難な絶縁性材料
であるため、発光素子に対する電気的な接続をサファイ
ア基板以外に対して行わなければならず、サファイア基
板を用いる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子には、
その片面に正極と負極の両極が形成されている必要があ
るという大きな欠点を有している。
【0004】そこで、サファイアの代りに炭化珪素(S
iC)を基板として用いることが、特表平9−5087
51号公報あるいは特開平10−75018号公報に開
示されている。炭化珪素はサファイアと異なり導電性を
有するため、炭化珪素を用いた基板には、その裏面に電
極を形成することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ただし、炭化珪素と窒
化ガリウムは約3%の格子不整合率を有するため、これ
らの公報において開示された窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子を製造するためには、炭化珪素基板上に格子
不整合を緩和するためのエピタキシャル層をまず形成
し、その上に、n型とp型の窒化ガリウム系エピタキシ
ャル層を形成する必要がある。その結果、炭化珪素基板
上に形成するエピタキシャル層が必然的に2μm〜3μ
m程度と厚くなり、エピタキシャル層にクラック等の欠
陥がしばしば発生するという問題があった。
【0006】また、p型の窒化ガリウム系エピタキシャ
ル層を形成するためには、特開平5−183189号公
報に開示されるように、p型不純物がドープされた窒化
ガリウム系エピタキシャル層を成長させた後、400℃
以上の温度でアニーリングを行う必要がある。
【0007】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、厚いエピタキシャル層を形成せず、か
つ、p型の窒化ガリウム系エピタキシャル層を形成せず
に、青色系の発光をすることができる化合物半導体発光
素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体発
光素子は、p型半導体基板上にn型あるいはi型の正孔
注入層を備え、前記p型半導体基板から正孔が注入され
うる距離に、少なくともインジウムとガリウムとを含む
窒化物半導体量子構造を有することを主な特徴とする。
【0009】本発明によると、p型の半導体基板上にi
型あるいはn型のエピタキシャル層を形成することによ
り化合物半導体発光素子を製造するので、改めてp型の
窒化ガリウム系エピタキシャル層を形成する必要が無
く、また、n型の半導体基板上に格子不整合を緩和する
ための緩衝層を形成しさらにn型とp型の窒化ガリウム
系エピタキシャル層を形成する従来の構造と比べ、エピ
タキシャル層の厚さを薄くすることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態について、図面
を参照しながら説明する。
【0011】図1は、本発明の化合物半導体発光素子1
0の断面構造を示している。まず、6H型(Hは結晶形
が六方晶形であることを示し、6は結晶c軸方向への原
子積層が6層で一周期である結晶構造を表す。)あるい
は4H型のポリタイプ(結晶多形)を有し、アルミニウ
ムをドープしたp型の炭化珪素(SiC)単結晶基板1
1上に、1000℃以上の温度で単層以上10nm未満
の厚さの窒化アルミニウム(AlN)層12をMOCV
D(metalorganic chemical vapor deposition:有機金
属化学気相堆積)法で成長させる。以下のエピタキシャ
ル層は、全てMOCVD法により成長させる。
【0012】上記AlN層12は、SiC基板11との
格子不整合率が約1%と小さい。また、AlN層12は
i型であり、その厚さが10nm以上になると正孔の注
入効率が低くなるので好ましくない。
【0013】次に、AlN層12の上に、n型窒化ガリ
ウムアルミニウム(AlGa1− N)とn型窒化ガ
リウムアルミニウムインジウム(InAlGa
1−x− N)のいずれか又は両方よりなる組成傾斜層
13を、1000℃以上の温度で30nm未満の厚さに
成長させる。AlN層12と組成傾斜層13は、組み合
わされて正孔注入層として作用する。すると、内部電界
の作用によりp型SiC基板11からAlN層12を通
して組成傾斜層13中に注入された正孔は、発光領域と
なる窒化物半導体量子構造(MQW)14へと効率よく
導かれるようになる。
【0014】p型SiC基板11から正孔を効率よく注
入するためには、正孔注入層であるAlN層12と組成
傾斜層13の厚さを合わせて30nm未満とし、p型S
iC基板11から正孔が注入されうる距離に窒化物半導
体量子構造(MQW)14を配置する必要がある。参考
のために、本発明の化合物半導体発光素子10のバンド
構造を示す概念図を図2に示す。
【0015】なお、正孔注入層は、厚さが10nm未満
の窒化アルミニウム層、厚さが30nm未満の窒化ガリ
ウムアルミニウム層、あるいは、厚さが30nm未満の
窒化ガリウムアルミニウムインジウム層のいずれかのみ
で形成することもできる。また、窒化ガリウムアルミニ
ウム層と窒化ガリウムアルミニウムインジウム層は、そ
の組成を必ずしも傾斜させる必要はなく、格子不整合が
あまり大きくない場合には均一組成にしてもよい。
【0016】ところで、例えば組成傾斜層13がAl
Ga1−xNよりなる場合、該組成傾斜層13における
AlNの組成比xをx=0.3からx=0に向けて徐々
に減少させることにより、エピタキシャル層の格子定数
を窒化ガリウム(GaN)のものに近づけていくが、組
成傾斜層13の成長温度や膜厚等によっては、格子不整
合を十分に緩和できない場合がある。
【0017】その場合、該組成傾斜層13の成長中ある
いは成長終了後に、アンモニア及びキャリアガスである
水素を流した状態で、エピタキシャル層を形成したSi
C単結晶基板11に対し、1000℃以上の高温から例
えば500℃程度の低温までの昇降温を一度以上繰り返
す。
【0018】すると、SiC単結晶基板11と組成傾斜
層13との熱膨張係数の差を利用して、該組成傾斜層1
3を効率的に格子緩和させることができ、さらに、その
後に成長されて発光領域となる窒化物半導体量子構造
(MQW)14にかかる応力を予め低減しておくことが
できる。
【0019】組成傾斜層13を形成した後、キャリアガ
スを窒素に切り替えるとともに成長温度を700℃ない
し800℃程度に下げ、n型窒化ガリウムインジウム
(InGaN)よりなる量子構造、例えばInGaN井
戸層とGaN障壁層とを交互に積層してなる多重量子井
戸構造14、を成長する。
【0020】続いて、MQW層14の上に、例えば厚さ
300nm程度の比較的厚いn型窒化ガリウムアルミニ
ウム(AlGa1−yN)層15を成長する。この層
は、電極17を形成するためのコンタクト層として機能
する。このAlGa1−yN層15におけるAlNの
組成比yを調整することにより、MQW層14にかかる
応力を低減し、AlGa1−yN層15の成長に起因
するMQW層14の結晶性悪化を抑止することができ
る。
【0021】AlGa1−yN層15は均一組成であ
る必要はなく、最表面側をy=0すなわちGaNとして
電極17とのコンタクトを容易にすることもできること
は言うまでもない。
【0022】図3に、本発明の化合物半導体発光素子1
0における各エピタキシャル層のa軸方向の格子定数を
概念的に示す。実線は実際の格子定数を示し、点線は本
来の格子定数を示す。
【0023】最後に、p型SiC単結晶基板11の裏面
側とn型AlGa1−yN層15の主表面側にp側電
極16とn側電極17とを形成することにより、化合物
半導体発光素子10を製造することができる。
【0024】InGaN井戸層におけるInNの組成
を、青緑色発光が得られる範囲として前記化合物半導体
発光素子10を製造したところ、ピーク波長480n
m、半値幅100nmの発光が確認された。また、コン
タクト層であるAlGa1−yN層15の電導性が高
いことにより、透光性電極を形成しなくても、素子の広
い領域で発光が認められた。
【0025】また、SiC単結晶基板11の上に形成し
たAlN層12からAlGa1− N層15までの全
エピタキシャル層の厚さは約0.3μmであり、従来S
iC単結晶基板を用いて青色系の化合物半導体発光素子
を製造するために成長していたエピタキシャル層の厚さ
2μm〜3μmと比較すると、約十分の一程度の厚さに
まで薄くすることができた。エピタキシャル層には、ク
ラックは発生していなかった。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
p型のSiC単結晶基板上に極めて薄いエピタキシャル
層を成長することにより青色系の発光をする化合物半導
体発光素子を製造することができるので、エピタキシャ
ル層に歪が生じにくくなり、エピタキシャル層にクラッ
ク等の欠陥が発生することを防止できる。
【0027】また、この化合物半導体発光素子を製造す
る際には、p型のGaN系エピタキシャル層を形成する
必要がないので、エピタキシャル層をp型化するための
アニールや電子線照射等の処理は必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の化合物半導体発光素子の断面構造を示
した説明図である。
【図2】本発明の化合物半導体発光素子のバンド構造を
示す概念図である。
【図3】本発明の化合物半導体発光素子における各エピ
タキシャル層の格子定数を示す概念図である。
【符号の説明】
10 化合物半導体発光素子 11 p型炭化珪素単結晶基板 12 i型あるいはn型の窒化アルミニウム層 13 n型窒化ガリウムアルミニウム組成傾斜層 14 窒化物半導体量子構造 15 n型窒化ガリウムアルミニウム層 16 p側電極 17 n側電極

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型半導体基板上にn型あるいはi型の
    正孔注入層を備え、前記p型半導体基板から正孔が注入
    されうる距離に、少なくともインジウムとガリウムとを
    含む窒化物半導体量子構造を有することを特徴とする化
    合物半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記p型半導体基板は、炭化珪素単結晶
    であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体発
    光素子。
  3. 【請求項3】 前記炭化珪素単結晶は、6Hまたは4H
    のポリタイプを有することを特徴とする請求項2記載の
    化合物半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 前記正孔注入層は、厚さが10nm未満
    の窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項1
    記載の化合物半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 前記正孔注入層は、厚さが30nm未満
    の窒化ガリウムアルミニウム層であることを特徴とする
    請求項1記載の化合物半導体発光素子。
  6. 【請求項6】 前記正孔注入層は、厚さが30nm未満
    の窒化ガリウムアルミニウムインジウム層であることを
    特徴とする請求項1記載の化合物半導体発光素子。
  7. 【請求項7】 前記正孔注入層は、組成傾斜層であるこ
    とを特徴とする請求項5または請求項6記載の化合物半
    導体発光素子。
  8. 【請求項8】 前記正孔注入層は、厚さが10nm未満
    の窒化アルミニウム層、厚さが30nm未満の窒化ガリ
    ウムアルミニウム層、厚さが30nm未満の窒化ガリウ
    ムアルミニウムインジウム層のうち、少なくとも2層以
    上が組み合わされてなり、かつ、厚さが30nm未満で
    あることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体発光
    素子。
  9. 【請求項9】 前記窒化ガリウムアルミニウム層あるい
    は窒化ガリウムアルミニウムインジウム層は、組成傾斜
    層であることを特徴とする請求項8記載の化合物半導体
    発光素子。
  10. 【請求項10】 前記窒化物半導体量子構造の上部に、
    n型窒化ガリウム層を備えることを特徴とする請求項1
    記載の化合物半導体発光素子。
  11. 【請求項11】 前記窒化物半導体量子構造の上部に、
    n型窒化ガリウムアルミニウム層を備えることを特徴と
    する請求項1記載の化合物半導体発光素子。
  12. 【請求項12】 p型炭化珪素単結晶からなる半導体基
    板と、該半導体基板上に形成され、i型窒化アルミニウ
    ム層とn型窒化ガリウムアルミニウム組成傾斜層とを有
    する正孔注入層と、該正孔注入層上に形成され少なくと
    もインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体量子構造
    と、該窒化物半導体量子構造上に形成されたn型窒化ガ
    リウム層またはn型窒化ガリウムアルミニウム層とを有
    することを特徴とする化合物半導体発光素子。
  13. 【請求項13】 前記正孔注入層の厚さは30nm未満
    であることを特徴とする請求項12記載の化合物半導体
    発光素子。
  14. 【請求項14】 p型半導体基板上にn型あるいはi型
    の正孔注入層を備え、前記p型半導体基板から正孔が注
    入されうる距離に、少なくともインジウムとガリウムと
    を含む窒化物半導体量子構造を有する化合物半導体発光
    素子の製造方法において、前記正孔注入層の成長中ある
    いは成長後に昇降温を一度以上繰り返すことにより、格
    子歪を緩和させることを特徴とする化合物半導体発光素
    子の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011222804A (ja) * 2010-04-12 2011-11-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体装置およびその製造方法
CN112313805A (zh) * 2018-04-05 2021-02-02 威斯康星州男校友研究基金会 用于氮化物基发光器件中的空穴注入的异质隧穿结

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