JP2002280609A

JP2002280609A - 紫外線発光素子

Info

Publication number: JP2002280609A
Application number: JP2001080806A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Takashi Tsunekawa; 高志常川
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP3595276B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発光層の材料をＩｎＧａＮとした紫外線発光
素子の構造を最適化することによって、より高出力で長
寿命の紫外線発光素子を提供すること。【解決手段】結晶基板Ｓの表面に凹凸１Ｓを加工し、
該凹凸に、ＧａＮ系半導体低温バッファ層１を介してま
たは直接的に、ＧａＮ系結晶層２を気相成長させる。該
ＧａＮ系結晶層は、前記凹凸の凹部内を実質的に充填し
かつ該凹凸を埋め込んで平坦化するまで成長させ、その
上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ結晶層を発
光層として成長させて、紫外線発光素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関し、特に、紫外線を発し得る組成のＩｎＧａＮが発光
層として用いられた、ＧａＮ系の紫外線発光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にＩｎＧａＮを発光層に用いた素子
では、Ｉｎ組成揺らぎによるキャリアの局在化のため、
発光層に注入されたキャリアの内、非発光中心に捕獲さ
れるものの割合が少なくなり、結果、高効率の発光が得
られると説明されている。ＧａＮ系発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）やＧａＮ系半導体レーザー（ＬＤ）において、４
２０ｎｍ以下の紫外線を発光させようとする場合、一般
には発光層の材料にはＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成０．１５以
下）が用いられ、発光に係る構造は、単一量子井戸構造
（所謂ＤＨ構造は活性層が薄いためにこれに含まれ
る）、多重量子井戸構造とされる。

【０００３】しかし、高いＩｎ組成の発光層を有する青
・緑色発光素子に比べ、紫外線発光素子は短波長である
為、発光層のＩｎ組成を低下させる必要がある。この
為、上述のＩｎ組成揺らぎによる局在化の効果が低減
し、非発光再結合中心に捕獲される割合が増え、結果と
して高出力化の妨げとなっている。このような状況下、
非発光再結合中心の原因となる転位密度の低減が盛んに
行われている。転位密度を低減させる方法としては、Ｅ
ＬＯ法（ラテラル成長法）が挙げられ、低転位化を図る
ことにより高出力化・長寿命化が行なわれている（文献
（Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)pp.L647）等参照）。

【０００４】ＧａＮ系発光素子においては、発光層（井
戸層）を、それよりも大きなバンドギャップの材料から
なるクラッド層（障壁層）で挟む構成とされる。文献
（米津宏雄著、工学図書株式会社刊、「光通信素子工
学」第７２頁）によると、一般にはバンドギャップ差を
「０．３ｅＶ」以上とする指針が出ている。上記背景か
ら、紫外線を発し得る組成のＩｎＧａＮを発光層（井戸
層）に用いる場合、キャリアの閉じ込めを考えると発光
層を挟むクラッド層（量子井戸構造ではクラッド層だけ
でなく障壁層をも含む）にはバンドギャップの大きなＡ
ｌＧａＮが用いられている。

【０００５】また、量子井戸構造を構成する場合、障壁
層はトンネル効果を生じる程度の厚みにする必要があ
り、一般的には３〜６ｎｍ程度としていた。

【０００６】例えば図３は、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを発光
層の材料とした、従来の発光ダイオードの一例を示す図
であって、結晶基板Ｓ１０上に、バッファ層１０１を介
して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層１０３、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ井戸層
（発光層）１０４、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層１
０５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６が順次結晶成長に
よって積み重ねられ、これに下部電極（通常はｎ型電
極）Ｐ１０、上部電極（通常はｐ型電極）Ｐ２０が設け
られた素子構造となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＥＬＯ法では
下地となるＧａＮ層を成長し、マスク層の形成、再成長
といった方法が必要であり、成長が多数回必要であり、
工程が非常に多くなる問題を有していた。また、再成長
界面が存在する事から、転位密度低減はするものの、出
力がなかなか向上しないという問題を有していた。

【０００８】また、発光層の材料をＩｎＧａＮとした紫
外線発光素子をより高出力化すべく、本発明者等が従来
の素子構造を検討したところ、ＡｌＧａＮ層はＩｎＧａ
Ｎ発光層に対し格子定数差から生じる歪みを与える基と
なっている事がわかった。また、量子井戸構造において
障壁層厚みを薄くすると、その上に設けるｐ型層からＭ
ｇが発光層まで拡散し、非発光中心を形成する為、高出
力の紫外発光素子が得られないという問題があった。

【０００９】本発明の課題は、上記問題を解決し、発光
層の材料をＩｎＧａＮとした紫外線発光素子の構造を最
適化することによって、より高出力で長寿命の紫外線発
光素子を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の特徴を有
するものである。（１）表面に凹凸が加工された結晶基板上に、ＧａＮ系
半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的
に、ＧａＮ系結晶層が気相成長しており、該ＧａＮ系結
晶の上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ結晶層
が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有す
ることを特徴とする紫外線発光素子。

【００１１】（２）結晶基板上に上記低温バッファ層を
介して成長しているＧａＮ系結晶層が、上記凹凸の凹部
底面および凸部上面からファセット構造を形成しながら
成長したものである上記（１）記載の紫外線発光素子。

【００１２】（３）結晶基板の表面に加工された凹凸
が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該スト
ライプの長手方向が、この上に成長するＧａＮ結晶の
〈１１−２０〉方向、または〈１−１００〉方向である
上記（１）または（２）記載の紫外線発光素子。

【００１３】（４）発光層が、ＩｎＧａＮからなる井戸
層とＧａＮからなる障壁層とによって構成された量子井
戸構造である、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の
紫外線発光素子。

【００１４】（５）量子井戸構造と低温バッファ層との
間の層が全てＧａＮ結晶からなるものである、上記
（１）〜（４）のいずれかに記載の紫外線発光素子。

【００１５】（６）障壁層の厚さが６ｎｍ〜３０ｎｍで
ある上記（１）〜（５）のいずれかに記載の紫外線発光
素子。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による紫外線発光素子は、
ＬＥＤ、ＬＤなどであってよいが、以下では、ＬＥＤの
構成を例として挙げて、本発明を説明する。また、発光
に係る部分の構造は、量子井戸構造など、発光可能な構
造であればよい。本明細書において、量子井戸構造と
は、ＳＱＷ（単一量子井戸）構造、ＭＱＷ（多重量子井
戸）構造をさし、また、ＳＱＷ構造が積層されたもので
もよい。

【００１７】ＧａＮ系半導体とは、Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_ZＮ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝
１）で示される化合物半導体であって、例えば、Ａｌ
Ｎ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な化合
物として挙げられる。

【００１８】発光に係る構造部分が、ＭＱＷ構造である
場合を例として説明する。図１は、本発明による発光素
子の構造の一例を示す図であって、結晶基板Ｓの表面に
凹凸Ｓ１が加工され、該凹凸Ｓ１に、ＧａＮ系半導体か
らなる低温バッファ層１を介してまたは直接的に、Ｇａ
Ｎ系結晶層２が気相成長している。同図の例では、Ｇａ
Ｎ系結晶層２は、ＧａＮ結晶からなる層であって、先
ず、アンドープのＧａＮ結晶層２ａが、基板表面の凹凸
Ｓ１の凹部内を充填しかつ該凹凸を埋め込んで平坦化す
るまで成長し、その上に、ｎ型ＧａＮ層２ｂが成長して
なる態様である。また、同図の例では、ｎ型ＧａＮ層２
ｂは、ｎ型コンタクト層でありかつＭＱＷ構造の障壁層
をも兼ねている。ＭＱＷ構造は、ＩｎＧａＮ井戸層、Ｇ
ａＮ障壁層、ＩｎＧａＮ井戸層、ＧａＮ障壁層の順に成
長してなり、続いてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ型
ＧａＮコンタクト層５となっている。さらに、ｎ型電極
Ｐ１、ｐ型電極Ｐ２が形成されて、本発明による紫外線
発光が可能なＧａＮ系ＬＥＤとなっている。

【００１９】上記の構成によって、結晶基板上に成長す
るＧａＮ系結晶を好ましく低転位化することが可能とな
る。この構成では、ＥＬＯ用のマスク層を用いずに一回
の成長で低転位化が達成されている。即ち、マスクを用
いたＥＬＯ法では、下地にＧａＮ膜を成長させた後、い
ったん成長装置から外部に取出してマスクを形成し、再
び成長装置に戻して再成長を行っている。これに対し
て、結晶基板に凹凸を形成して行う成長法では、凹凸加
工された結晶基板を成長装置内にセットしたあとは成長
を止める必要がなく、これにより再成長界面が存在せず
に良好な結晶性のものが作製できる。またさらに、本発
明による上記の構成では、マスクを用いずにＧａＮ系結
晶層を成長させているため、マスクの分解による結晶品
質低下の問題が無い。これらの作用効果によって転位が
少なく良好な結晶のものが出来る結果、発光出力が格段
に向上する。また、劣化の原因となる転位密度が低減す
る結果、長寿命化が図れる。

【００２０】結晶基板上にＧａＮ系結晶を成長させる方
法について説明する。この方法では、結晶基板の表面に
凹凸を加工し、ＧａＮ系低温バッファ層を介して、該凹
凸の凸部および／または凹部からＧａＮ系結晶を気相成
長させる。このとき、凹部は空洞として残しても、Ｇａ
Ｎ結晶によって充填してもよいが、後述のように、好ま
しい低転位化のためには、凸部、凹部の両方からファセ
ット構造を形成しながら成長し、実質的に凹部が充填さ
れる態様が好ましい。上記のようなファセット構造を形
成しながらの凹凸埋め込み法によれば、ファセット構造
部分において転位線の伝搬方向が制御され、結晶基板上
に転位密度の低いＧａＮ系結晶を成長させることが可能
であり、本発明に独自の成長法である。この本発明に独
自の成長法を、「当該埋め込み成長法」と呼んで、以下
に説明する。また、凹凸を埋め込む材料は、ＧａＮ系結
晶であってよいが、後述のように、素子として最も好ま
しいＧａＮで埋め込む場合を例として説明する。

【００２１】当該埋め込み成長法は、図２（ａ）に示す
ように、結晶基板Ｓの表面に凹凸Ｓ１を加工し、図２
（ｂ）に示すように、その凹部及び凸部にＧａＮ系低温
バッファ層１を形成し、図２（ｃ）に示すように、その
凹部、凸部からＧａＮ結晶２１、２２を成長させ、図２
（ｄ）に示すように、凹部を空洞とすることなくＧａＮ
結晶で充填し、該凹凸を埋め込んで成長成させる方法で
ある。このときのＧａＮ結晶の成長は、凹部、凸部の両
方から同時にファセット構造を形成させながら成長する
ことが好ましいが、それに限らず、ＧａＮ結晶が凸面か
ら専ら成長するようなものであってもよい。凸部上方部
から専ら結晶成長が行われるような形状とすると有効で
ある。「上方部から専ら結晶成長が行われる」とは、凸
部の頂点ないし頂面及びその近傍での結晶成長が優勢に
行い得る状態をいい、成長初期には凹部での成長が生じ
てもよいが最終的には凸部の結晶成長が優勢となること
を指す。凸部上方部を起点としたラテラル成長により低
転位領域が形成されれば、従来のマスクを要するＥＬＯ
と同様の効果がある。

【００２２】また、凹凸の形状や成長条件を選択するこ
とによって、結果として凹部を空洞として残さずＧａＮ
結晶によって充填するものであってもよい。以下の説明
では、低転位化のために最も好ましい態様として、凹
面、凸面の両方からＧａＮ結晶のファセット構造成長を
生じさせる場合について説明する。

【００２３】当該埋め込み成長法では、図２（ａ）に示
すように、バッファ層等すら形成していない状態の結晶
基板Ｓの表面に凹凸Ｓ１を加工することで、結晶成長当
初からファセット面が形成され得る素地面を予め提供し
ておく。結晶基板に凹凸を設けることで、この面にＧａ
Ｎ結晶の気相成長を行うに際し、相互の段差にて区画さ
れた凹面と凸面が、ファセット構造成長が生成される単
位基準面となる。

【００２４】当該埋め込み成長法に用いられる結晶基板
は、ＧａＮ系結晶を成長させるためのベースとなる基板
であって、格子整合のためのバッファ層等も未だ形成さ
れていない状態のものを言う。好ましい結晶基板として
は、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、
４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、Ｚｎ
Ｏ，ＧａＡｓ、ＮＧＯなどを用いることができるが、発
明の目的に対応するならばこのほかの材料を用いてもよ
い。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャ
スト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良
い。

【００２５】結晶基板の表面に加工される凹凸とは、そ
の表面自体がなす凹凸である。これは、従来公知のラテ
ラル成長法に用いられているＳｉＯ₂などからなるマス
ク層が、フラットな表面に付与されて形成された凹凸と
は異なる。

【００２６】凹凸の加工方法としては、例えば、通常の
フォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に
応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング
加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。

【００２７】当該埋め込み成長法で用いられる凹凸の配
置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列さ
れたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸尾
根）が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ
状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸尾根が格子
状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が
規則的に配列されたパターンとみることができる。ま
た、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角
波状、サインカーブ状などが挙げられる。これら種々の
凹凸の態様の中でも、直線状の凹溝（または凸尾根）が
一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン
（断面矩形波状）は、その作製工程を簡略化できると共
に、パターンの作製が容易であり好ましい。

【００２８】凹凸のパターンをストライプ状とする場
合、そのストライプの長手方向は任意であってよいが、
これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１
−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１
−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くな
る。この結果、基板側からＣ軸方向に伝搬した転位がこ
のファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難く
なり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。

【００２９】一方、ストライプの長手方向を〈１−１０
０〉方向にした場合であっても、ファセット面が形成さ
れやすい成長条件を選ぶ事により前述と同様の効果を得
ることができる。

【００３０】凹凸の断面を図２（ａ）に示すような矩形
波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹
溝の幅Ｗ１は、０．１μｍ〜２０μｍ、特に０．５μｍ
〜１０μｍが好ましい。凸部の幅Ｗ２は、０．１μｍ〜
２０μｍ、特に０．５μｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸
の振幅（凹溝の深さ）ｄは、凹部、凸部の内、広い方の
２０％以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこか
ら計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸において
も同様である。

【００３１】次に、図２（ｂ）に示すように、上記凹部
及び凸部にＧａＮ系低温バッファ層１を形成する。Ｇａ
Ｎ系低温バッファ層の材料、形成条件は、公知技術を参
照すればよいが、例えば、バッファ層材料としては、Ｇ
ａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどが例示され、成長温度として
は、３００℃〜６００℃が挙げられる。バッファ層の厚
さは１０ｎｍ〜５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜４０ｎｍが好
ましく、基板の凹凸断面が矩形波状である場合には、図
２（ｂ）に示すように、主として、凹部の底面、凸部の
上面に形成することが好ましい。成長装置は、その上の
ＧａＮ結晶層を成長させるための装置を用いてよい。な
お、結晶基板としてＧａＮ結晶からなる基板を用いる場
合には、低温バッファ層は必須では無い。

【００３２】次に、図２（ｃ）に示すように、ＧａＮ結
晶を高温成長させる。凹面、凸面をファセット構造成長
可能な面とすることによって、同図に示すように、成長
初期には凹面・凸面の両方から凸状を呈するＧａＮ結晶
２１、２２が成長する。この結果、結晶基板からＣ軸方
向に伸びる転位線がファセット面（図２（ｃ）に示すＧ
ａＮ系結晶２１、２２の斜面）で横方向に曲げられ、上
方に伝搬しなくなる。その後、成長を続け、各凸状を呈
する結晶２１、２２は、図２（ｃ）に一点鎖線で示すよ
うに互いに合体し、さらに、図２（ｄ）に示すように、
成長面を平坦化してＧａＮ結晶層２ａ（＝図１の素子に
おける層２ａ）が得られる。該ＧａＮ結晶層の表面近傍
は基板からの転位の伝搬が低減された低転位密度領域と
なっている。

【００３３】結晶基板Ｓの凹凸Ｓ１をＧａＮ結晶で埋め
込む際には、結晶成長状態を制御する点からは、図１に
示すように、不純物を添加しないアンドープのＧａＮ結
晶層２ａで凹凸を埋め込んだ上に、ｎ型ＧａＮ結晶層２
ｂを成長させることが好ましいが、バッファ層上に最初
からｎ型ＧａＮ層を成長させてもよい。また、ｎ型Ｇａ
Ｎ層は、キャリア濃度を変えて、ｎ型ＧａＮコンタクト
層、ｎ型ＧａＮクラッド層に区別して設けてもよい。

【００３４】従来の、低温バッファ層を介したＧａＮ結
晶成長法では、平坦なサファイアＣ面基板上に、ＭＯＶ
ＰＥ法などにより、ＧａＮなどの低温バッファ層を介
し、高温ＧａＮ膜を成長させている。低温バッファ層上
に高温ＧａＮを成長させると、バッファ層の密に集合し
た結晶を成長の核として、ＧａＮは横方向成長しながら
合体し、やがて平坦になるというものである。しかしな
がら、従来の方法では、基板面に凹凸が加工されていな
い為、安定であるＣ面が出るように成長が進むため平坦
化される。これは安定であるＣ面の成長速度に比べ横方
向の成長速度が速い為である。

【００３５】一方、当該埋め込み成長法では、基板面の
成長面に凹凸を加工することで、横方向成長を抑えてお
り、加えてＣ軸方向の成長速度を上げることによって、
｛１−１０１｝などの斜めのファセットが形成し得る。

【００３６】成長するＧａＮ結晶にファセット面がどの
ように形成されるかは、凹部の幅と凸部の幅との組み合
せによっても、色々と変化し得るが、このファセット面
は転位の伝搬を折曲させ得る程度のものであれば良く、
好ましい態様は、図２（ｃ）に示すように、各々の単位
基準面から成長した結晶単位２１、２２が、それぞれの
頂部に平坦部を有すること無く完全に両ファセット面が
頂部で交差する山形（三角錐や山脈状に長く連なった屋
根形）の態様である。このようなファセット面であれ
ば、前記ベース面から承継された転位線を概ね全て曲げ
ることができ、その直上の転位密度をより低減できる。
なお、凹凸の幅の組み合せだけでなく、凹部の深さ（凸
部の高さ）を変化させる事でもファセット面形成領域の
制御が可能である。

【００３７】また、ファセット面の形成は結晶成長を行
う時の成長条件（ガス種、成長圧力、成長温度、など）
により制御する事ができる。減圧成長ではＮＨ₃分圧が
低い場合｛１−１０１｝面のファセットが出易く、常圧
成長では減圧に比べファセット面が出易い。また成長温
度を上げると横方向成長が促進されるが、低温成長する
と横方向成長よりもＣ軸方向の成長が速くなり、ファセ
ット面が形成されやすくなる。以上成長条件によってフ
ァセット形状の制御が可能である事を示したが、本発明
の効果が出る範囲内であれば、目的に応じ使い分ければ
よい。

【００３８】本発明では上記説明した当該埋め込み成長
法だけでなく、凹部を空洞として残す成長法を用いても
よい。例えば、特開２０００−１０６４５５号公報で
は、結晶基板に凹凸を設け、凹部を空洞として残すよう
に窒化ガリウム系半導体を成長させる方法が開示されて
いる。ただし、このような成長法では、凹部を充填せず
空洞部として残しているため、該空洞部の存在が、発光
層で生じた熱を基板側に逃がす上で不利であり、熱劣化
を助長する問題がある。また、転位の伝搬を積極的に制
御しておらず、もっぱら凹部の上方領域だけを低転位化
させるラテラル成長の技術思想そのものあって、凸部の
上方領域には転位が伝搬している。よって、上記のよう
な問題点を解消しながらより好ましい転位密度の低減効
果が得られる点からは、当該埋め込み成長法を用いるこ
とがより好ましい。

【００３９】基板上にＧａＮ系結晶層の成長を行う方法
はＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などがよい。厚膜を
作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成す
る場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

【００４０】次に、本発明による好ましい態様を説明す
る。先ず、本発明の好ましい第１の態様では、基板の凹
凸上に形成されるＧａＮ系結晶層２の材料をＧａＮ結晶
に限定する。このＧａＮ結晶層の上に、紫外線を発生し
得る組成のＩｎＧａＮ結晶層を井戸層とするＭＱＷ構造
を構成し発光層とする。付言すると、ｎ型クラッド層は
ＧａＮからなり、発光層と低温バッファ層との間にはＡ
ｌＧａＮ層が存在しない構成となる。

【００４１】この態様では、紫外線を発生し得るような
組成のＩｎＧａＮを発光層に用いながらも、ｎ型クラッ
ド層材料としては、従来必須とされているＡｌＧａＮを
用いず、ＧａＮを用いている。本発明では、紫外線発光
層に対して、ｎ型クラッド層がＧａＮであっても、正孔
の閉じ込めは充分に達成できることを見出している。こ
れは、ｐ型層から注入される正孔の有効質量が重いた
め、拡散長が短く、ｎ型クラッド層まで充分には到達し
ないからであると考えられる。よって、本発明の構成に
おいてＩｎＧａＮ発光層の下層として存在するｎ型Ｇａ
Ｎ層は、厳密には、従来でいうクラッド層に相当するも
のではないと言える。結晶基板と発光層との間にクラッ
ド層として存在していたＡｌＧａＮを排除し、ＧａＮ層
としたことによって、ＩｎＧａＮ発光層の歪みが低減さ
れている。

【００４２】発光層（井戸層）に歪みがかかっている場
合、歪みによるピエゾ電界の発生により井戸構造が傾斜
し、電子と正孔の波動関数の重なりが少なくなる。この
結果、電子と正孔の再結合確率が減少し発光出力が弱く
なる。これを回避する為に、ＭＱＷ構造へＳｉをドーピ
ングする事によりピエゾ電界をキャンセルする試みも行
われているが、ドーピングによる結晶性の低下を引き起
こす為、好ましい方法では無い。上記のように、ｎ型Ａ
ｌＧａＮ層を排除する事でこのような危惧も無く、高出
力化が得られる。

【００４３】上記で説明した基板の凹凸を用いた低転位
化と、ＡｌＧａＮを排除した上記作用効果とがあいまっ
て、ＩｎＧａＮ発光層は低転位化されると共に歪みが低
減され、発光出力、素子寿命が十分に向上する。

【００４４】また、本発明の好ましい第２の態様では、
発光層の量子井戸構造における障壁層の材料をＧａＮに
限定する。これによって、井戸層と低温バッファ層との
間からＡｌＧａＮ層が排除され、井戸層の歪みが抑制さ
れ、高出力化、長寿命化が達成される。従来の量子井戸
構造では、井戸層内へのキャリアの閉じ込めを配慮し、
障壁層やクラッド層にはＡｌＧａＮが用いられていた。
しかしこれらの組み合せでは、結晶成長条件の最適値が
ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとでは大きく異なる事から次の
問題がある。ＡｌＮはＧａＮに比べ高融点であり、Ｉｎ
ＮはＧａＮに比べ低融点である。その為、最適温度はＧ
ａＮを１０００℃とすると、ＩｎＧａＮは１０００℃以
下、好ましくは６００〜８００℃程度、ＡｌＧａＮはＧ
ａＮ以上である。ＡｌＧａＮを障壁層に用いた場合、Ａ
ｌＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の成長温度を変化さ
せないとそれぞれの最適結晶成長条件とはならず、結晶
品質が低下する問題がある。一方、成長温度を変化させ
ることは成長中断を設ける事となり、３ｎｍ程度の薄膜
である井戸層では、この成長中断中にエッチング作用に
より厚みが変動する、表面に結晶欠陥が入る等の問題が
生じる。これらトレードオフの関係が有る為、ＡｌＧａ
Ｎ障壁層、ＩｎＧａＮ井戸層のくみ合わせで高品質な物
を得るのは困難である。また、障壁層をＡｌＧａＮとす
る事で井戸層へ歪みがかかる問題もあり、高出力化の妨
げになる。そこで、本発明では、障壁層の材料としてＧ
ａＮを用い、上記トレードオフの問題を軽減する試みを
行ったところ、結晶品質が改善された。また、歪みを軽
減する為にｎ型クラッド層としてＧａＮを用いた所、歪
みの軽減により高出力化が可能となった。ＧａＮをクラ
ッド層にするとキャリアの閉じ込めが、紫外線発光可能
な組成のＩｎＧａＮに対して、不充分となることが懸念
されたが、キャリア（特に正孔）の閉じ込めはできてい
ることが判明した。

【００４５】さらに、本発明の好ましい第３の態様で
は、ＭＱＷ構造における障壁層の厚さを６ｎｍ〜３０ｎ
ｍ、好ましくは８ｎｍ〜３０ｎｍ、特に好ましくは９ｎ
ｍ〜１５ｎｍに限定する。従来のＭＱＷ構造における障
壁層の厚さは３ｎｍ〜７ｎｍである。障壁層をこのよう
に厚くすると、波動関数の重なりが無くなり、ＭＱＷ構
造というよりも、ＳＱＷ構造を多重に積み重ねたような
状態となるが、充分に高出力化が達成される。障壁層が
３０ｎｍを超えると、ｐ型層から注入された正孔が井戸
層へ到達するまでにＧａＮ障壁層中に存在する非発光中
心となる転位欠陥などにトラップされ、発光効率が低下
するので好ましくない。

【００４６】また、障壁層を厚くしたことによって、そ
の上の層を成長させるときの熱や、ガスによる損傷を井
戸層が受け難くなるのでダメージが軽減され、また、ｐ
型層からのドーパント材料（Ｍｇなど）が井戸層に拡散
することが低減され、さらには井戸層にかかる歪みも低
減されるという作用効果が得られる。

【００４７】

【実施例】実施例１本実施例では、図１に示すように、ＤＨ構造を有するＧ
ａＮ系ＬＥＤを製作し、発光層と結晶基板との間の層を
ＧａＮだけからなる態様とした。Ｃ面サファイア基板上
にフォトレジストによるストライプ状のパターニング
（幅２μｍ、周期４μｍ、ストライプ方位：ストライプ
の長手方向が、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって
〈１１−２０〉方向）を行い、ＲＩＥ装置で２μｍの深
さまで断面方形となるようエッチングし、図２（ａ）に
示すように、表面がストライプ状パターンの凹凸となっ
た基板を得た。この時のストライプ溝断面のアスペクト
比は１であった。

【００４８】フォトレジストを除去後、ＭＯＶＰＥ装置
に基板を装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温
し、サーマルエッチングを行った。温度を５００℃まで
下げ、III 族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭ
Ｇ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍ
のＧａＮ低温バッファ層を成長させた。該ＧａＮ低温バ
ッファ層は、図２（ｂ）に示すように、凸部の上面、凹
部の底面にのみ形成された。

【００４９】続いて温度を１０００℃に昇温し、原料と
してＴＭＧ、アンモニアを流し、アンドープのＧａＮ層
２ａを、平坦な基板で２μｍに相当する時間成長させた
後、成長温度を１０５０℃に上げ、平坦な基板で４μｍ
に相当する時間成長させた。この条件で成長を行った場
合、このときのＧａＮ層２ａの成長は、図２（ｃ）に示
すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でフ
ァセット面を含む尾根状となる。その後の成長温度変更
により２次元成長が促進され、平坦化する。

【００５０】続いて、図１に示すように、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層（クラッド層）２ｂ、厚さ３ｎｍのＩｎＧａ
Ｎ井戸層（発光波長３８０ｎｍ、Ｉｎ組成はゼロに近い
為測定が困難）、厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３
周期の多重量子井戸層３、厚さ３０ｎｍのｐ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層４、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト
層を順に形成し、発光波長３８０ｎｍの紫外線ＬＥＤウ
エハとし、さらに、電極形成、素子分離を行い、ＬＥＤ
素子とした。

【００５１】ウエハ全体で採取されたＬＥＤ素子（ベア
チップ状態）、波長３８０ｎｍ、通電２０ｍＡにて）の
各出力を測定した。

【００５２】比較のために、凹凸加工をしていないサフ
ァイア基板上に、上記と同様の条件にて、紫外線ＬＥＤ
チップ（比較例１）を形成し、その出力を測定した。ま
た、通常のＥＬＯ用基材（平坦なサファイア基板上に一
旦ＧａＮ層を形成した後、マスク層を形成したもの）の
上に、上記と同様の条件にて、紫外線ＬＥＤチップ（比
較例２）を形成し、その出力を測定した。

【００５３】カソードルミネッセンスによりＬＥＤウエ
ハ中の転位密度の平均値を測定した結果、および出力の
平均値、８０℃、２０ｍＡによる加速試験における寿命
（初期出力の８０％まで低下する時間）を表１に示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】表１から明らかなように、本実施例では転
位密度が低減し、長寿命化、高出力化が図れている。比
較例２の結果から明らかなように、転位密度低減法の１
つであるＥＬＯ法によって、同様に転位密度の低減は図
れているが、出力が本実施例に比較し低かった。これは
再成長界面の存在による結晶性の違いと考えられる。ま
た、通常基板上では転位密度も多いため、出力寿命とも
本実施例に比較し悪かった。

【００５６】実施例２本実施例では、実施例１におけるｎ型ＧａＮコンタクト
層２ｂと、ＩｎＧａＮ井戸層との間に、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層を設けたこと以外は、実施例１と同
様の条件にて、紫外線ＬＥＤチップを形成し、その出力
を測定した。上記表１のとおり、実施例１の素子の出力
は１０ｍＷであったのに対して、本実施例の素子の出力
は７ｍＷであった。この結果から、本実施例の素子は比
較例１、２に比べて出力は向上しているが、実施例１の
ように、ＩｎＧａＮ井戸層と結晶基板との間からＡｌＧ
ａＮ層を排除することによって、出力がさらに向上する
ことが明らかになった。

【００５７】実施例３本実施例では、ＭＱＷ構造の障壁層の厚さに関する限定
の作用効果を調べる実験を行った。実施例１におけるＭ
ＱＷ構造の各障壁層の厚さを、サンプル１；３ｎｍ、サ
ンプル２；６ｎｍ、サンプル３；１０ｎｍ、サンプル
４；１５ｎｍ、サンプル５；３０ｎｍとしたこと以外
は、上記実施例１と同様にＧａＮ系ＬＥＤを製作した。
これらは、全て本発明による発光素子に属する。上記と
同様の条件にて、紫外ＬＥＤチップの出力を測定した。

【００５８】これらの測定結果の平均値は次のとおりで
ある。サンプル１；２ｍＷ、サンプル２；７ｍＷ、サンプル３；１０ｍＷ、サンプル４；８ｍＷ、サンプル５；５ｍＷ

【００５９】また、これらサンプルを４Ｋの低温におい
てフォトルミネッセンス測定を行った結果、サンプル１
において３．２ｅＶ付近にＭgからの発光が観測され
た。これは障壁層が薄い為、ｐ型層からＭｇが拡散して
きた結果と考えられる。上記の結果から明らかなとお
り、障壁層の厚さが６ｎｍ〜３０ｎｍにおいて、高出力
化がより改善されることがわかった。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、ＧａＮ系紫外線発光素子
において，凹凸加工した基板上に一回の成長で結晶構造
を作製する事により転位低減を図り、かつ、ｎ型クラッ
ド層（量子井戸構造では障壁層も）の材料をＧａＮとす
ることによって歪みを低減を図り、更に、ＭＱＷ構造に
おける好ましい態様として、障壁層の厚さを限定するこ
とで、素子の発光出力を向上させ、長寿命化させること
ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による紫外線発光素子の構造例を示す模
式図である。ハッチングは、領域の境界を示す目的で施
している（以下の図も同様）。

【図２】本発明において、基板の凹凸を埋め込んでＧａ
Ｎ結晶層を成長させる方法を示す模式図である。

【図３】Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを発光層の材料とした、従
来の発光ダイオードの一例を示す模式図である。

【符号の説明】

Ｓ結晶基板Ｓ１凹凸１ＧａＮ系半導体低温バッファ層２ＧａＮ系結晶層（特にＧａＮ結晶層）３紫外線発光可能な組成のＩｎＧａＮ結晶層４ｐ型クラッド層５ｐ型コンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内洋一郎兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者常川高志兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F041 AA04 AA40 AA44 CA05 CA22 CA34 CA40 CA67 CA74 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AD07 AD08 AD09 AD10 AD14 AF02 AF03 AF04 AF06 AF09 AF12 AF13 BB12 CA10 CA12 DA53 DA55 EB15 HA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹凸が加工された結晶基板上に、
ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは
直接的に、ＧａＮ系結晶層が気相成長しており、該Ｇａ
Ｎ系結晶の上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ
結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造
を有することを特徴とする紫外線発光素子。
【請求項２】結晶基板上に上記低温バッファ層を介し
て成長しているＧａＮ系結晶層が、上記凹凸の凹部底面
および凸部上面からファセット構造を形成しながら成長
したものである請求項１記載の紫外線発光素子。
【請求項３】結晶基板の表面に加工された凹凸が、ス
トライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプ
の長手方向が、この上に成長するＧａＮ結晶の〈１１−
２０〉方向、または〈１−１００〉方向である請求項１
または２記載の紫外線発光素子。
【請求項４】発光層が、ＩｎＧａＮからなる井戸層と
ＧａＮからなる障壁層とによって構成された量子井戸構
造である、請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線発光
素子。
【請求項５】量子井戸構造と低温バッファ層との間の
層が全てＧａＮ結晶からなるものである、請求項１〜４
のいずれかに記載の紫外線発光素子。
【請求項６】障壁層の厚さが６ｎｍ〜３０ｎｍである
請求項１〜５のいずれかに記載の紫外線発光素子。