JP2002164573A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子

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Shuji Nakamura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 LED、LD等の窒化物半導体素子の出力を
向上させると共に、Vf及び閾値を低下させて素子の信
頼性を向上させる。 【解決手段】 基板と活性層との間に、基板側から順に
n型不純物が1×1017/cm3以下の第1の窒化物半
導体層と、n型不純物が3×1018/cm3以上の第2
の窒化物半導体層と、n型不純物が1×1017/cm3
以下の第3の窒化物半導体層とを形成し、前記第2の窒
化物半導体層にn電極を形成し、前記第1の窒化物半導
体層をAlGaNとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体(In
XAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりな
り、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発
光素子に用いられる窒化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化物半導体は高輝度純緑色発光LE
D、青色LEDとして、既にフルカラーLEDディスプ
レイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光
源で実用化されている。これらのLED素子は基本的
に、サファイア基板上にGaNよりなるバッファ層と、
SiドープGaNよりなるn側コンタクト層と、単一量
子井戸構造のInGaNよりなる活性層と、Mgドープ
AlGaNよりなるp側クラッド層と、MgドープGa
Nよりなるp側コンタクト層とが順に積層された構造を
有しており、20mAにおいて、発光波長450nmの
青色LEDで5mW、外部量子効率9.1%、520n
mの緑色LEDで3mW、外部量子効率6.3%と非常
に優れた特性を示す。
【0003】また、本出願人はこの材料を用いてパルス
電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界で初め
て発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jp
n.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、
InGaNを用いた多重量子井戸構造(MQW:Multi-
Quantum- Well)の活性層を有するダブルへテロ構造を
有し、パルス幅2μs、パルス周期2msの条件で、閾
値電流610mA、閾値電流密度8.7kA/cm2、4
10nmの発振を示す。また、本出願人は室温での連続
発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレ
クトロニクス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.L
ett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056-
等}、このレーザ素子は20℃において、閾値電流密度
3.6kA/cm2、閾値電圧5.5V、1.5mW出力
において、27時間の連続発振を示す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように窒化物半導
体はLEDで既に実用化され、LDでは数十時間ながら
連続発振にまで至っているが、LEDを例えば照明用光
源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等にするために
はさらに出力の向上が求められている。またLDでは閾
値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ等の光源に
実用化するためには、よりいっそうの改良が必要であ
る。また前記LED素子は20mAにおいてVfが3.
6V近くある。Vfをさらに下げることにより、素子の
発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ
素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の
寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこの
ような事情を鑑みて成されたものであって、その目的と
するところは、主としてLED、LD等の窒化物半導体
素子の出力を向上させると共に、Vf及び閾値を低下さ
せて素子の信頼性を向上させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、次の
(1)〜(10)の構成により本発明の目的を達成する
ものである。 (1)基板と活性層との間に、基板側から順にn型不純
物が1×1017/cm 3以下の第1の窒化物半導体層
と、n型不純物が3×1018/cm3以上の第2の窒化
物半導体層と、n型不純物が1×1017/cm3以下の
第3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の窒化物半導
体層にn電極が形成され、前記第1の窒化物半導体層が
AlGaNであることを特徴とする窒化物半導体発光素
子。 (2)前記第1の窒化物半導体層、前記第2の窒化物半
導体層、前記第3の窒化物半導体層が、同一組成である
ことを特徴とする(1)に記載の窒化物半導体素子。 (3)前記第1の窒化物半導体層が、X値が0.2以下
のAlGa1−XNであることを特徴とする前記
(1)又は(2)に記載の窒化物半導体発光素子。
【0006】(4)基板と活性層との間に、基板側から
順にn型不純物が1×1017/cm 3以下の第1の窒化
物半導体層と、n型不純物が3×1018/cm3以上の
第2の窒化物半導体層と、n型不純物が1×1017/c
3以下の第3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の
窒化物半導体層にn電極が形成され、前記第3の窒化物
半導体層がInGaNであり、前記第1の窒化物半導体
層、前記第2の窒化物半導体層、前記第3の窒化物半導
体層が、同一組成であることを特徴とする窒化物半導体
素子。 (5)前記第3の窒化物半導体層が、In混晶比yが
0.1以下であるInGa1−yNであることを特徴
とする前記(4)に記載の窒化物半導体発光素子。 (6)前記第2の窒化物半導体層にn型不純物が5×1
18/cm3以上ドープされていることを特徴とする前
記(1)〜(5)のうちのいずれか1つに記載の窒化物
半導体発光素子。 (7)前記第3の窒化物半導体層の膜厚が0.5μm以
下であることを特徴とする前記(1)〜(6)のうちの
いずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。 (8)前記基板と前記第1の窒化物半導体層との間に、
第1の窒化物半導体層よりも低温で成長されたバッファ
層を有することを特徴とする前記(1)〜(7)のうち
のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。 (9)前記第2の窒化物半導体層が、超格子構造である
ことを特徴とする前記(1)〜(8)のうちのいずれか
1つに記載の窒化物半導体発光素子。 (10)前記超格子構造の第2の窒化物半導体層に、n
型不純物が変調ドープされていることを特徴とする請求
項9記載の窒化物半導体発光素子。
【0007】つまり、本発明は上記の如く、特定の第
1、第2及び第3の窒化物半導体層のn型不純物濃度を
特定の範囲に規定することにより、著しく順方向電圧
(Vf)及び閾値を低下させることができる。また、本
発明は、第3の窒化物半導体層の膜厚を0.5μm以下
とすることで順方向電圧の低下をより良好に行うことが
できる。
【0008】
【発明の実施の形態】第1の窒化物半導体層は、n型不
純物濃度を1×1017/cm3以下、好ましくは 5×
1016/cm3以下としアンドープでもよい。このよう
にn型不純物濃度を小さくすると、n型不純物濃度の高
い第2の窒化物半導体層を第1の窒化物半導体層上に形
成しても結晶性よく形成することができる。上記不純物
濃度の範囲を逸脱すると、結晶性のよい第2の窒化物半
導体層を形成しにくくなり、素子のリーク電流が発生し
易い傾向にある。
【0009】第1の窒化物半導体層は、後述するバッフ
ァ層より高温、例えば900℃〜1100℃で成長さ
せ、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦
1)で構成でき、その組成は特に問うものではないが、
好ましくはGaN、X値が0.2以下のAlXGa1-XN
とすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやす
い。また膜厚は特に問うものではなく、バッファ層より
も厚膜で成長させ、通常0.1μm以上20μm以下の
膜厚で成長させることが好ましい。
【0010】第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度
は、3×1018/cm3以上、好ましくは5×1018
cm3以上、より好ましくは8×1019/cm3以上にす
る。このようにn型不純物を多くドープし、この層をコ
ンタクト層とすると、Vf及び閾値を低下させることが
できる。不純物濃度が上記範囲を逸脱するとVfが低下
しにくくなる傾向がある。また、n型不純物が高濃度に
ドープされている窒化物半導体は、一般に結晶性を良好
に形成されることが困難な傾向があるが、本発明の第2
の窒化物半導体層は、n型不純物濃度が小さい結晶性の
良好な第1の窒化物半導体層上に形成されるので、高濃
度のn型不純物を有しているにも関わらず結晶性を良好
に形成することができる。第2の窒化物半導体層のn型
不純物濃度の上限は特に限定しないが、コンタクト層と
して結晶性が悪くなりすぎる限界としては5×1021
cm3以下が望ましい。
【0011】また第2の窒化物半導体層は、互いにバン
ドギャップエネルギーが異なる2種類の窒化物半導体層
が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半導体
層が積層されてなる超格子構造としても良い。超格子層
にすると第2の窒化物半導体層の移動度が大きくなって
抵抗率がさらに低下するため、Vf及び閾値が低下でき
ると共に、特に発光効率の高い素子が実現できる。超格
子構造とする場合には超格子を構成する窒化物半導体層
の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましく
は70オングストローム以下、最も好ましくは50オン
グストローム以下に調整する。さらに超格子構造の場
合、超格子を構成する窒化物半導体層にSi、Ge等の
n型不純物を変調ドープしても良い。変調ドープとは、
超格子層を構成する窒化物半導体層の互いに不純物濃度
が異なることを指し、この場合、一方の層は不純物をド
ープしない状態、つまりアンドープでもよい。好ましく
は第2の窒化物半導体層を互いにバンドギャップエネル
ギーの異なる層を積層した超格子構造として、いずれか
一方の窒化物半導体にn型不純物を多くドープし、例え
ば5×1018/cm3以上ドープすることが望ましく、
もう一方の窒化物半導体層をアンドープとすることが好
ましい。なお変調ドープする場合には、不純物濃度差は
1桁以上とすることが望ましい。
【0012】第2の窒化物半導体層も第1の窒化物半導
体層と同様に、InXAlYGa1-X- YN(0≦X、0≦
Y、X+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問うもので
はないが、好ましくはGaN、X値が0.2以下のAlX
Ga1-XNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が
得られやすい。膜厚は特に問うものではないが、n電極
を形成する層であるので1μm以上20μm以下の膜厚
で成長させことが望ましい。
【0013】第3の窒化物半導体層のn型不純物濃度
は、1×1017/cm3以下、好ましくは 5×1016
/cm3以下とし、アンドープでもよい。このようにn
型不純物濃度を小さくすると、第3の窒化物半導体層の
結晶性が良好となり、この結晶性のよい第3の窒化物半
導体層上に活性層を形成すると結晶性よく形成すること
ができる。上記不純物濃度の範囲を逸脱すると、第3の
窒化物半導体層を結晶性よく形成しにくくなり、第3の
窒化物半導体層上に形成される活性層の結晶性が低下し
て出力が低下するか、あるいは素子のリーク電流が発生
し易い傾向がある。
【0014】第3の窒化物半導体層の膜厚は、0.5μ
m以下、好ましい膜厚は0.2μm以下、さらに好まし
くは0.15μm以下である。下限は特に限定しないが
10オングストローム以上、好ましくは50オングスト
ローム以上、より好ましくは100オングストローム以
上に調整することが望ましい。第3の窒化物半導体層は
上記のようにn型不純物のドープ量が1×1017/cm
3以下であるので、抵抗率が第2の窒化物半導体層に比
較して高く、第3の窒化物半導体層を厚膜の層で成長す
ると逆にVf及び閾値等が低下しにくい傾向にあり、上
記範囲の膜厚であると良好にVf及び閾値を低下させる
ことができ好ましい。
【0015】更に第3の窒化物半導体層は第1の窒化物
半導体層よりも薄くするのが好ましい。第1の窒化物半
導体層は第2の窒化物半導体層を厚膜で成長させるため
のバッファ層(高温成長)として作用する。第3の窒化
物半導体層も活性層成長時のバッファ層として作用する
が、第3の窒化物半導体層を厚膜で成長させると縦方向
の抵抗が高くなるため、第1の窒化物半導体層より薄い
0.5μm以下の膜厚にすることが望ましい。
【0016】第3の窒化物半導体層5も第1及び第2の
窒化物半導体層と同様にInXAlYGa1-X-YN(0≦
X、0≦Y、X+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問う
ものではないが、好ましくはGaN、X値が0.2以下
のAlXGa1-XN、またはY値が0.1以下のInYGa
1-YNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得ら
れやすい。InGaNを成長させると、その上にAlを
含む窒化物半導体を成長させる場合に、Alを含む窒化
物半導体層にクラックが入るのを防止することができ
る。
【0017】また本発明において、第1の窒化物半導体
層と、第2の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層
とは同一組成の窒化物半導体を成長させることが、格子
整合系であるため望ましい。
【0018】本発明において、第1〜第3の窒化物半導
体層等にドープされるn型不純物としては、第4族元素
が挙げられ、例えばSi、Ge、Sn、S等が挙げら
れ、好ましくはSi若しくはGe、さらに好ましくはS
iである。
【0019】本発明でアンドープの窒化物半導体層とは
意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、
例えば原料に含まれる不純物、反応装置内のコンタミネ
ーション、意図的に不純物をドープした他の層からの意
図しない拡散により不純物が混入した層も本発明ではア
ンドープと定義する。
【0020】また本発明において、基板と前記第1の窒
化物半導体層との間に、第1の窒化物半導体層よりも低
温で成長されるバッファ層を有してもよい。このバッフ
ァ層は例えばAlN、GaN、AlGaN等を400℃
〜900℃において、0.5μm以下の膜厚で成長させ
ることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩
和、あるいは第1の窒化物半導体層を結晶性よく成長さ
せるための下地層として作用する。
【0021】本発明の発光素子では、活性層と基板との
間に少なくとも3層構造を有する窒化物半導体層を有し
ている。まず第1の窒化物半導体層はn型不純物を含む
第2の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるためにア
ンドープもしくはn型不純物を少なくドープしている。
次に第2の窒化物半導体層はn型不純物を多くドープし
て、抵抗率が低く、キャリア濃度が高いn電極を形成す
るためのコンタクト層として作用している。
【0022】次に第3の窒化物半導体層は第1の窒化物
半導体層と同様にアンドープもしくはn型不純物を少な
くドープする。n型不純物濃度の大きい第2の窒化物半
導体層はn型不純物濃度の小さい窒化物半導体層に比べ
結晶性があまり良くなく、この第2の窒化物半導体層上
に直接、活性層やクラッド層等を成長させると、活性層
など結晶性が悪化する傾向がある。このため、第2の窒
化物半導体層と活性層の間にn型不純物を少なくドープ
した結晶性の良い第3の窒化物半導体を介在させること
により、活性層を成長させる前のバッファ層として作用
し、活性層などを結晶性よく成長させることができる。
また更に、n型不純物を少なくドープした抵抗率が比較
的高い第3の窒化物半導体層を、活性層と第2の窒化物
半導体層との間に介在させることにより、素子のリーク
電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。
【0023】本発明において、活性層はInを含むアン
ドープの窒化物半導体、好ましくはInGaNよりなる
井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井
戸構造とすることが望ましい。
【0024】本発明の発光素子を構成するその他の層
は、特に限定されず、例えば好ましい素子構成として
は、下記の実施例で示すような層構成が挙げられる。し
かし本発明はこれに限定されない。
【0025】
【実施例】[実施例1]図1は本発明の一実施例に係る
LED素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下こ
の図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【0026】サファイア(C面)よりなる基板1を反応
容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水
素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇さ
せ、基板のクリーニングを行う。基板1にはサファイア
C面の他、R面、A面を主面とするサファイア、その
他、スピネル(MgA124)のような絶縁性の基板の
他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、Zn
O、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることがで
きる。
【0027】(バッファ層2)続いて、温度を510℃
まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板1上に
GaNよりなるバッファ層2を約200オングストロー
ムの膜厚で成長させる。
【0028】(第1の窒化物半導体層3)バッファ層2
成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇
させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにTM
G、アンモニアガスを用い、アンドープGaNよりなる
第1の窒化物半導体層3を1.5μmの膜厚で成長させ
る。
【0029】(第2の窒化物半導体層4)続いて105
0℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不
純物ガスにシランガスを用い、Siを5×1018/cm
3ドープしたGaNよりなる第2の窒化物半導体層3を
3μmの膜厚で成長させる。
【0030】(第3の窒化物半導体層5)次にシランガ
スのみを止め、1050℃で同様にしてアンドープGa
Nよりなる第3の窒化物半導体層5を0.15μmの膜
厚で成長させる。
【0031】(活性層6)次に、温度を800℃にし
て、キャリアガスを窒素に切り替え、TMG、TMI
(トリメチルインジウム)、アンモニアを用いアンドー
プIn0.15Ga0.85N層を30オングストロームの膜厚
で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層6を成長
させる。
【0032】(p側クラッド層7)次に、温度を105
0℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg
(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを
1×1020/cm3ドープしたp型Al0.1Ga0.9Nより
なるp側クラッド層7を0.1μmの膜厚で成長させ
る。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Alを
含む窒化物半導体、好ましくはAlYGa1-YN(0<Y
<1)を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を
成長させるためにはY値が0.3以下のAlYGa1-Y
層を0.5μm以下の膜厚で成長させることが望まし
い。
【0033】(p側コンタクト層8)続いて1050℃
で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1
×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コン
タクト層8を0.1μmの膜厚で成長させる。p側コン
タクト層8もInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X
+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではな
いが、好ましくはGaNとすると結晶欠陥の少ない窒化
物半導体層が得られやすく、またp電極材料と好ましい
オーミック接触が得られやすい。
【0034】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700
℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化す
る。
【0035】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のp側コンタクト層8の表面に所定の
形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチン
グ)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、
図1に示すように第2の窒化物半導体層4の表面を露出
させる。
【0036】エッチング後、最上層にあるp側コンタク
ト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiと
Auを含む透光性のp電極9と、そのp電極9の上にボ
ンディング用のAuよりなるpパッド電極10を0.5
μmの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させ
た第2の窒化物半導体層4の表面にはWとAlを含むn
電極11を形成する。最後にp電極9の表面を保護する
ためにSiO2よりなる絶縁膜12を図1に示すように
形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して35
0μm角のLED素子とする。
【0037】この得られたLED素子の順方向電圧(V
f)と順方向電流(If)の関係と、従来のLED素子
のVfとIfの関係を比較するため、図3にその関係を
示した。従来のLED素子としては、20mAにおい
て、450nmの青色発光を示し、サファイア基板上に
GaNよりなるバッファ層と、Siを2×1018/cm
3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層と、単一
量子井戸構造のInGaNよりなる活性層と、Mgドー
プAlGaNよりなるp側クラッド層と、MgドープG
aNよりなるp側コンタクト層とが順に積層された従来
の青色発光LEDを用いた。
【0038】その結果、実施例1のLED素子(図3の
ラインa)は、従来のLED素子(図3のラインb)に
比べ、20mAにおけるVfで0.4〜0.5V、出力
で5%〜10%向上し、Ifが上昇してもVfの上昇は
従来のものに比べて極めて少ない。このように実施例1
のLED素子では、従来のものに比べ電流の上昇に対し
てVfが著しく低下していることがわかる。また、−5
Vにおけるリーク電流は、0.1μA未満しかなかっ
た。
【0039】[実施例2]実施例1において、第1の窒
化物半導体層3にSiを1×1017/cm3ドープし、
第2の窒化物半導体層4にSiを8×1018/cm3
ープし、第3の窒化物半導体層5はアンドープとした他
は同様にして素子を得た。その結果、Vfは実施例1と
ほぼ同様ではあったが、実施例1に比べSiを第1の窒
化物半導体層3に多くドープしたため、素子からわずか
にリーク電流が発生するようになった。出力は実施例1
に比べて若干低下した。
【0040】[実施例3]実施例1において、第3の窒
化物半導体層5にSiを1×1017/cm3ドープし、
第2の窒化物半導体層4にSiを8×1018/cm3
ープし、第1の窒化物半導体層3はアンドープとした他
は同様にして素子を得た。その結果、Vfは実施例1と
ほぼ同様ではあったが、実施例1に比べSiを第3の窒
化物半導体層5に多くドープしたため、素子からわずか
にリーク電流が発生するようになった。出力は実施例1
に比べて若干低下した。
【0041】[実施例4]実施例1において、第1の窒
化物半導体層3及び第3の窒化物半導体層5にそれぞれ
Siを8×1016/cm3ドープした他は同様にして素
子を得た。その結果、Vfは実施例1とほぼ同様であ
り、第1及び第3の窒化物半導体層のn型不純物濃度を
少なくしたためリーク電流も実施例1と同様にほとんど
発生していなかった。出力は実施例1に比べて若干低下
した。
【0042】[実施例5]実施例1において、第3の窒
化物半導体層5成長時に、温度を800℃にしてTM
G、TMI、アンモニアを用い、アンドープIn0.05
0.95N層を200オングストロームの膜厚で成長させ
る他は実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、
実施例1とほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
【0043】[実施例6]図2は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レ
ーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の構
造を示すものである。以下この図面を元に実施例6につ
いて説明する。
【0044】サファイア(C面)よりなる基板20の上
に、実施例1と同様にしてバッファ層21を200オン
グストロームの膜厚で成長させる。
【0045】(第1の窒化物半導体層22)バッファ層
20成長後、温度を1020℃まで上昇させ、1020
℃において、アンドープGaNよりなる第1の窒化物半
導体層22を5μmの膜厚で成長させる。
【0046】(第2の窒化物半導体層23)続いて、1
020℃で不純物ガスにシランガスを用い、Siを5×
1018/cm3ドープしたn型GaNよりなる第2の窒
化物半導体層22を3μmの膜厚で成長させる。
【0047】(第3の窒化物半導体層24)次に、温度
を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用
い、アンドープIn0.05Ga0.95Nよりなる第3の窒化
物半導体層24を500オングストロームの膜厚で成長
させる。
【0048】(n側クラッド層25)次に温度を102
0℃にして、原料ガスにTMA、TMG、NH3、Si
4を用い、Siを1×1017/cm3ドープしたn型Al
0.25Ga0.75N層40オングストロームと、アンドープ
GaN層40オングストロームとを交互に40層ずつ積
層した超格子構造よりなるn側クラッド層を成長させ
る。このn側クラッド層はキャリア閉じ込め層及び光閉
じ込め層して作用する。
【0049】(n側光ガイド層26)続いて、1020
℃でSiを1×1019/cm3ドープしたn型GaNより
なるn側光ガイド層26を0.2μmの膜厚で成長させ
る。このn側光ガイド層26は、活性層の光ガイド層と
して作用し、GaN、InGaNを成長させることが望
ましく、通常100オングストローム〜5μm、さらに
好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成
長させることが望ましい。このn側光ガイド層はアンド
ープでも良い。
【0050】(活性層27)温度を800℃にして、ま
ずSiドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オ
ングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモル
比を変化させるのみで同一温度で、SiドープIn0.01
Ga0.99Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜
厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に井戸
層を積層した多重量子井戸構造とする。
【0051】(p側キャップ層28)次に、温度を10
20℃にして、TMG、TMA、アンモニア、Cp2
gを用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大
きい、Mgを1×1020/cm 3ドープしたAl0.3Ga
0.7Nよりなるp側キャップ層28を300オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このp側キャップ層28は
好ましくはp型とするが、膜厚が薄いため、n型不純物
をドープしてキャリアが補償されたi型としても良い。
p側キャップ層28の膜厚は0.1μm以下、さらに好
ましくは500オングストローム以下、最も好ましくは
300オングストローム以下に調整する。0.1μmよ
り厚い膜厚で成長させると、p側キャップ層28中にク
ラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層
が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネル
ギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。A
lの組成比が大きいAlGaN程薄く形成するとLD素
子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.2以上のA
lYGa1-YNであれば500オングストローム以下に調
整することが望ましい。p側キャップ層28の膜厚の下
限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜
厚で形成することが望ましい。
【0052】(p側光ガイド層29)続いて、1020
℃で、Mgを1×1018/cm3ドープしたGaNよりな
るp側光ガイド層26を0.2μmの膜厚で成長させ
る。このp側光ガイド層29は、n側光ガイド層26と
同じく、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、I
nGaNを成長させることが望ましく、通常100オン
グストローム〜5μm、さらに好ましくは200オング
ストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望まし
い。なおこのp側光ガイド層は、p型不純物をドープし
たが、アンドープの窒化物半導体で構成することもでき
る。
【0053】(p側クラッド層30)続いて、1020
℃においてMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al
0.25Ga0.75N層40オングストロームと、アンドープ
GaN層40オングストロームとを交互に40層ずつ積
層した超格子構造よりなるp側クラッド層30を成長さ
せる。このp側クラッド層はn側クラッド層と同じくキ
ャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層して作用し、特にp
側クラッド層側を超格子とすることにより、p層の抵抗
が下がり閾値がより低下しやすい傾向にある。
【0054】(p側コンタクト層31)最後に、p側ク
ラッド層30の上に、1050℃でMgを2×1020
cm3ドープしたGaNよりなるp側コンタクト層31を
150オングストロームの膜厚で成長させる。
【0055】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700
℃でアニーリングを行い、p型不純物がドープされた層
をさらに低抵抗化する。
【0056】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図2に示すように、RIE装置で最上層のp
側コンタクト層31と、p側クラッド層30とをエッチ
ングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状と
する。特に活性層よりも上にあるAlを含む窒化物半導
体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の
発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやす
く、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面に
マスクを形成し、図2に示すように、ストライプ状のリ
ッジに対して左右対称にして、n電極34を形成すべき
第2の窒化物半導体層23の表面を露出させる。
【0057】次にp側コンタクト層31のリッジ最上層
のほぼ全面にNiとAuよりなるp電極32を形成す
る。一方、TiとAlよりなるn電極34をストライプ
状の第2の窒化物半導体層23のほぼ全面に形成する。
なおほぼ全面とは80%以上の面積をいう。このように
p電極32に対して左右対称に第2の窒化物半導体層2
3を露出させて、その第2の層23のほぼ全面にn電極
を設けることも、閾値を低下させる上で非常に有利であ
る。さらに、p電極とn電極との間にSiO2よりなる
絶縁膜35を形成した後、その絶縁膜35を介してp電
極32と電気的に接続したAuよりなるpパッド電極3
3を形成する。
【0058】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板20をラッピングし、基板の厚さを50μmと
する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μmポリ
シングして基板表面を鏡面状とする。
【0059】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極32に平
行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。この素
子をヒートシンクに設置して室温でレーザ発振を試みた
ところ、室温において、閾値電流密度2.5kA/c
m2、閾値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発
振が確認され、500時間以上の寿命を示し、従来の窒
化物半導体レーザ素子に比較して10倍以上寿命が向上
した。
【0060】[実施例7]実施例6において、第1の窒
化物半導体層22にSiを1×1017/cm3ドープし
た他は同様にしてLD素子を得た。その結果、実施例5
とほぼ良好な結果が得られたが、実施例6の方がやや良
好であった。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の素子で
は、活性層と基板との間にあるn型不純物を1×1017
/cm3以下の第1の窒化物半導体層で、n型不純物が
ドープされた第2の窒化物半導体の結晶性を維持するよ
うに成長できるので、次にn型不純物を3×1018/c
3以上の第2の窒化物半導体層が結晶性よく厚膜で成
長できる。さらにn型不純物を1×1017/cm3以下
の第3の窒化物半導体がその層の上に成長させる窒化物
半導体層のための結晶性の良い下地層となる。そのため
第2の窒化物半導体層の抵抗率を低下できて、キャリア
濃度が上がるために、非常に効率の良い窒化物半導体素
子を実現することができる。このように本発明によれ
ば、出力を向上させると共に、Vf、閾値の低い発光素
子が実現できるため、素子の発熱量も少なくなり、信頼
性が向上した素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るLED素子の構造を
示す模式断面図である。
【図2】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図である。
【図3】 本発明のLED素子と従来のLED素子の順
電圧と順電流の関係を比較した図である。
【符号の説明】
1、20・・・基板 2、21・・・バッファ層 3、22・・・第1の窒化物半導体層 4、23・・・第2の窒化物半導体層 5、24・・・第3の窒化物半導体層 6、27・・・活性層 7、30・・・p側クラッド層 8、31・・・p側コンタクト層 25・・・n側光ガイド層 26・・・n側クラッド層 28・・・p側キャップ層 29・・・p側光ガイド層 9、32・・・p電極 10、33・・・pパッド電極 11、34・・・n電極 35、12・・・絶縁膜
フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA24 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F073 AA13 AA45 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA35 EA23

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と活性層との間に、基板側から順に
    n型不純物が1×1017/cm3以下の第1の窒化物半
    導体層と、n型不純物が3×1018/cm3以上の第2
    の窒化物半導体層と、n型不純物が1×1017/cm3
    以下の第3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の窒化
    物半導体層にn電極が形成され、前記第1の窒化物半導
    体層がAlGaNであることを特徴とする窒化物半導体
    発光素子。
  2. 【請求項2】 前記第1の窒化物半導体層、前記第2の
    窒化物半導体層、前記第3の窒化物半導体層が、同一組
    成であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体
    素子。
  3. 【請求項3】 前記第1の窒化物半導体層が、X値が
    0.2以下のAlGa1−XNであることを特徴とす
    る請求項1又は2記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 基板と活性層との間に、基板側から順に
    n型不純物が1×1017/cm3以下の第1の窒化物半
    導体層と、n型不純物が3×1018/cm3以上の第2
    の窒化物半導体層と、n型不純物が1×1017/cm3
    以下の第3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の窒化
    物半導体層にn電極が形成され、前記第3の窒化物半導
    体層がInGaNであり、前記第1の窒化物半導体層、
    前記第2の窒化物半導体層、前記第3の窒化物半導体層
    が、同一組成であることを特徴とする窒化物半導体素
    子。
  5. 【請求項5】 前記第3の窒化物半導体層が、In混晶
    比yが0.1以下であるInGa1−yNであること
    を特徴とする請求項4記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 【請求項6】 前記第2の窒化物半導体層にn型不純物
    が5×1018/cm 3以上ドープされていることを特徴
    とする請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の窒化
    物半導体発光素子。
  7. 【請求項7】 前記第3の窒化物半導体層の膜厚が0.
    5μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のうち
    のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 【請求項8】 前記基板と前記第1の窒化物半導体層と
    の間に、第1の窒化物半導体層よりも低温で成長された
    バッファ層を有することを特徴とする請求項1〜7のう
    ちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 【請求項9】 前記第2の窒化物半導体層が、超格子構
    造であることを特徴とする請求項1〜8のうちのいずれ
    か1つに記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 【請求項10】 前記超格子構造の第2の窒化物半導体
    層に、n型不純物が変調ドープされていることを特徴と
    する請求項9記載の窒化物半導体発光素子。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049848A (ja) * 2004-06-30 2006-02-16 Showa Denko Kk n型III族窒化物半導体積層構造体
KR101745996B1 (ko) * 2011-01-03 2017-06-12 엘지이노텍 주식회사 발광소자

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08255932A (ja) * 1995-01-19 1996-10-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
JPH0936426A (ja) * 1995-07-17 1997-02-07 Sumitomo Chem Co Ltd 3−5族化合物半導体の製造方法
JPH0997921A (ja) * 1995-07-21 1997-04-08 Sumitomo Chem Co Ltd 3−5族化合物半導体の製造方法
JPH09148678A (ja) * 1995-11-24 1997-06-06 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体発光素子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08255932A (ja) * 1995-01-19 1996-10-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
JPH0936426A (ja) * 1995-07-17 1997-02-07 Sumitomo Chem Co Ltd 3−5族化合物半導体の製造方法
JPH0997921A (ja) * 1995-07-21 1997-04-08 Sumitomo Chem Co Ltd 3−5族化合物半導体の製造方法
JPH09148678A (ja) * 1995-11-24 1997-06-06 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体発光素子

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049848A (ja) * 2004-06-30 2006-02-16 Showa Denko Kk n型III族窒化物半導体積層構造体
KR101745996B1 (ko) * 2011-01-03 2017-06-12 엘지이노텍 주식회사 발광소자

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