JP2003086840A - ＧａＮ系半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａｌ組成が含まれていても、従来よりも高品
質なＧａＮ系結晶層によって構成されたＧａＮ系ＬＥＤ
を提供すること。 【解決手段】 転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ
０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結
晶層（単独の結晶基板であってもよい）上に、ＧａＮ系
結晶層からなる積層構造を形成しＬＥＤとする。このと
き、（ＧａＮ系結晶層のＡｌ組成）≦（前記Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ）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、ＧａＮ系半導体材
料を少なくとも発光部に用いたＧａＮ系半導体発光ダイ
オードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系半導体発光ダイオード（以下、
ＧａＮ系ＬＥＤともいう）は、ＧａＮ系半導体材料を少
なくとも発光部（特に発光層）に用いたＬＥＤであっ
て、発光層に用いられるＧａＮ系半導体材料のバンドギ
ャップによっては、赤色〜緑色〜青色光〜紫外光にいた
る短波長光を発光させることが可能である。ＧａＮ系半
導体とは、式Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０
≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される化合物半導体
であって、その結晶がＧａＮ系結晶である。

【０００３】ＧａＮ系ＬＥＤにおいて、４２０ｎｍ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Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（Ｉｎ組成ｂ≦０．１５）が用
いられ、発光部の構造は、単一または多重の量子井戸構
造とされる。

【０００４】ＩｎＧａＮを発光層に用いた素子では、Ｉ
ｎ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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高いＩｎ組成
の発光層を有する青・緑色発光素子に対し、紫外線発光
素子を構成するには紫外線が短波長であるために発光層
のＩｎ組成を低下させる必要があり、更にはＩｎ組成を
含まないＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ≦１）を発光層として
用いなければならない場合がある。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。

【０００６】一方、従来のＧａＮ系ＬＥＤの一般的な素
子構造は、図３に示すように、サファイア基板１０１上
に、ＡｌＮ、ＧａＮなどの低温成長バッファ層１０２を
介して、一旦ＧａＮ層１０３（同図ではコンタクト層を
兼ねている）を成長させてから、発光部のＧａＮ系結晶
層構造１０４を成長させている。これは、サファイア基
板１０１上に、該基板とは格子定数、熱膨張係数が大き
く異なるＧａＮ系結晶層を成長させる際の、結晶品質改
善の必須の技術となっている。

【０００７】しかし、結晶基板上にバッファ層を介して
先ずＧａＮ層１０３を成長させている為、３８０ｎｍ以
下の発光素子、特に３６２ｎｍに近づくにつれ該ＧａＮ
層１０３での光吸収の影響が出る。これが発光波長を短
波長化する上での高出力化の妨げとなっていた。光吸収
を避けるには上述のＧａＮ層１０３をＡｌＧａＮ層とす
れば回避可能であるが、バッファ層１０２上にＡｌＧａ
Ｎ層を成長させると、Ａｌの組成増加に伴い、Ｘ線ロッ
キングカーブ半値幅の増大や、表面の凹凸の増加による
粗面化といった、結晶品質がＧａＮ膜に比べて劣るとい
う問題があった。この結晶品質劣化の問題は、Ａｌの組
成を増加させると顕著となっていた。

【０００８】本発明の課題は、上記問題を解決し、Ａｌ
組成が含まれていても、従来よりも高品質なＧａＮ系結
晶層によって構成されたＧａＮ系ＬＥＤを提供すること
である。

【０００９】

【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）転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ０．１μ
ｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶層が、
結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に形成され
ているか、または転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚
さ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）
結晶からなる結晶基板が用いられ、前記またはのＡ
ｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構
造が形成され、該積層構造の各層は、Ａｌ_yＩｎ_zＧａ
_1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）
からなり、かつ（各層のＡｌ組成ｙ）≦（前記Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ）とされており、該積層構造
には、ｐ型層とｎ型層とを有して構成される発光部が少
なくとも含まれていることを特徴とするＧａＮ系半導体
発光ダイオード。

【００１０】（２）上記、におけるＡｌ_xＧａ_1-xＮ
が、ＡｌＮである、上記（１）記載のＧａＮ系半導体発
光ダイオード。

【００１１】（３）上記におけるベース基板が、サフ
ァイア基板である、上記（１）または（２）記載のＧａ
Ｎ系半導体発光ダイオード。

【００１２】（４）上記発光部が、ｐ型、ｎ型のクラッ
ド層と、これらクラッド層の間に位置する活性層とを有
するものであり、該活性層と、上記またはのＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶との間に位置する層が、全てＡｌ組成を
含み、かつ該活性層のバンドギャップよりも大きなバン
ドギャップを有するものである、上記（１）記載のＧａ
Ｎ系半導体発光ダイオード。

【００１３】（５）上記発光部が、単一量子井戸構造、
または多重量子井戸構造として形成されている、上記
（４）記載のＧａＮ系半導体発光ダイオード。

【００１４】（６）上記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結
晶と、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造との間に、Ｇａ
Ｎ系低温成長バッファ層および／または転位密度低減構
造が存在している、上記（１）記載のＧａＮ系半導体発
光ダイオード。

【００１５】（７）上記転位密度低減構造が、選択成長
法を実施し得るようＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上面に形成され
たマスク層であるか、または、ＧａＮ系結晶がラテラル
成長またはファセット成長をし得るようＡｌ_xＧａ_1-xＮ
結晶上面に形成された凹凸構造である、上記（６）記載
のＧａＮ系半導体発光ダイオード。

【００１６】

【作用】本発明では、上記（１）にまたはで示した
とおり、〔転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ０．１
μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶〕
を、結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に結晶
層として成長させる、または該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５
≦ｘ≦１）結晶を単独の結晶基板として用いている。以
下、このＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶を、該
結晶がベース基板上の結晶層の態様であっても単独の基
板の態様であっても、「上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結
晶層」と呼んで、本発明を説明する。

【００１７】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を用い
ることによって、その上に成長するＡｌＧａＮ層（ただ
しそのＡｌ組成は、前記ｘよりも小さい）は、クラック
が少なく、しかも転位密度の低減された、高品質な結晶
層となる。また、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層と
その上に成長するＡｌＧａＮ層との間に、ＧａＮ結晶層
またはＩｎＧａＮ層を挿入してもよく、これによって転
位密度をさらに減少させることも可能である。

【００１８】これは、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
層よりも、その上に成長させるＡｌＧａＮ層の方が格子
定数が大きくなるので、ＡｌＧａＮの結晶格子は、下層
の結晶格子の影響によって圧縮された状態となるからで
あると考えられる。即ち、該ＡｌＧａＮ層の横方向の結
晶格子には、圧縮応力が残留していることになり、従来
のような引張り応力が残留している状態と比べて、クラ
ックの発生が抑制される状態となる。また、多結晶的な
成長核となる低温成長バッファ層を用いないことから、
ＡｌＧａＮ層の結晶はモザイク性も少なく、クラックが
抑制されかつ転位密度が低減された高品質なＡｌＧａＮ
層を成長させることができるようになる。ただし、低温
成長バッファ層については、必要に応じて上記（１）の
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層と、積層構造との間に介在させて
もよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、素子構造の一例を挙げて
本発明のＧａＮ系ＬＥＤを説明する。当該ＧａＮ系ＬＥ
Ｄは、従来のＧａＮ系ＬＥＤと同様、ｐ型、ｎ型のＧａ
Ｎ系結晶層を含む積層体を有している。ｐ型、ｎ型の層
は、どちらが下側（基板側）であってもよいが、ＧａＮ
系半導体がアンドープにてｎ型の導電性を示すこと、ま
た高品質の結晶を得やすいことなどの製造上の理由か
ら、ｎ型の層を下側とする態様が好ましい。以下、ｎ型
の層を下側として素子構造を説明するがこれに限定され
るものではない。

【００２０】また、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層
は、上記のとおり単独の基板であってもよいが、以下
の説明では、上記のとおり、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層
が、結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に形成
された態様を例に挙げて説明する。

【００２１】当該ＧａＮ系ＬＥＤは、図１に素子構造の
一例を模式的に示すように、ベース基板Ｂ上に、上記
（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層１が直接的に形成され、
その上に、ＧａＮ系結晶層（Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ、
０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなる積
層構造Ｓが結晶成長によって形成され、該積層構造Ｓに
は、ｐ型層とｎ型層とを有して構成される発光部Ｓ１が
含まれている。図１の積層構造を具体的に挙げると、ベ
ース基板Ｂ上に、順に、上記（１）のＡｌ_xＧａ_{1 -x}Ｎ結
晶層１、ｎ型Ａｌ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ（０≦ｙ１≦０．３）か
らなるコンタクト層２、ｎ型Ａｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（０≦ｙ
２≦０．４）からなるクラッド層３、（ＩｎＧａＮ／Ｇ
ａＮ）をペアとして構成されたＭＱＷ構造４、ｐ型Ａｌ
_y4Ｇａ_1-y4Ｎ（０≦ｙ４≦０．４）からなるクラッド層
５、ｐ型Ａｌ_y5Ｇａ_1-y5Ｎ（０≦ｙ５≦０．３）からな
るコンタクト層６を成長させて積層した構造となってい
る。また、ｎ型コンタクト層２が部分的に露出するまで
積層構造がエッチングされ、該露出部分にｎ型電極が設
けられ、ｐ型コンタクト層上にはｐ型電極が設けられて
いる。

【００２２】ここで重要な特徴は、上記（１）のＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶層を用いている点、および、該Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ（０．５≦ｘ≦１）に対して、
その上に成長させる各ＧａＮ系結晶層、特に最初に成長
させる層のＡｌ組成ｙを、ｙ≦ｘとしている点である。

【００２３】上記構成とすることによって、上記作用の
説明で述べたとおり、素子構造を構成するＧａＮ系結晶
層は、Ａｌ組成を含んでいてもクラックの発生が抑制さ
れ、かつ転位密度が低減された層となって、好ましいＧ
ａＮ系ＬＥＤとなる。

【００２４】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層は、厚
さ０．１μｍ以上であり、かつ転位密度が１×１０¹¹ｃ
ｍ^-2以下であって、これは、格子不整合を目的とするＡ
ｌＮ低温成長バッファ層（通常厚さ３０ｎｍ程度で多結
晶状態）とは全く異なる、厚く高品質な結晶層である。

【００２５】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層の厚さ
は、０．１μｍ以上であればよいが、成長界面で発生し
た転位を低減させる点からは０．３μｍ以上、特に０．
５μｍ以上が好ましい。また、該結晶層を単独の基板と
して用いる場合には、取扱い上の機械的強度を考慮して
適宜決定すればよい。

【００２６】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層（０．
５≦ｘ≦１）の中でも、より好ましい結晶品質が得られ
る態様は、そのＡｌ組成ｘが０．７以上、特にｘ＝１
（即ち、ＡｌＮ）の場合である。また、ＡｌＮのＡｌ組
成ｘが１であることによって、その上に成長させるＧａ
Ｎ系結晶のＡｌ組成ｙに対して加えられる制限（ｙ≦
ｘ）は、実質的に無くなる。

【００２７】また、ベース基板としては、ＧａＮ系結晶
が成長可能なものであればよく、ＳｉＣ、サファイア、
Ｓｉ、ＧａＡｓなどが挙げられるが、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
結晶層の品質を顕著に向上させる好ましいものとしてサ
ファイア基板が挙げられる。また、上記（１）のＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶からなる単独の
基板である場合、その好ましい形態は、該Ａｌ_xＧａ_1-x
ＮがＡｌＮの場合であり、基板の厚みとしては８０μｍ
以上であることが好ましい。

【００２８】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層の形成
方法は限定されないが、サファイア基板上にＡｌＮ結晶
層を形成する場合の一例として、次の成長プロセスが挙
げられる。表面平坦性の良好なＣ面サファイア基板（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）を気相成長装置に装填し、１２００℃に昇温
し、サーマルクリーニングを行った後、３族元素を流し
始める前に、アンモニアを先行して流す。この時にＡｌ
₂Ｏ₃の表面が窒化され、表面（少なくとも表面の原子配
列）はＡｌＮに変化する。この後に、１２００℃以上の
高温でアルミニウムの原材料としてのトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡ）を流してＡｌＮを成長させると、単結
晶のＡｌＮ膜（結晶層）が得られる。得られたＡｌＮ結
晶層は、表面が窒化されＡｌＮに変換されたサファイア
基板から成長するのであって、低温成長バッファ層によ
って供給される成長核から結晶成長が始まっていないか
ら、柱状結晶構造を持っていない。

【００２９】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層は、結
晶成長用装置内において、ベース基板上にその場で順次
形成積層されていく中の最初の一層としてだけでなく、
ベース基板上に該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成した状態
のものを、独立したＧａＮ系結晶成長用基板として扱っ
てもよい。また、基板の表層となるＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
層上に、さらにＧａＮ系結晶成長を良好に行うための表
面加工を施してもよい。

【００３０】ＧａＮ系結晶層からなる積層構造は、Ａｌ
_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ
＋ｚ≦１）からなりかつｙ≦ｘであればよく、目的の波
長の光を生じさせる発光部となるよう層構造および各層
の組成を決定してよい。

【００３１】ＧａＮ系結晶層がＡｌ組成を必須に含む場
合（特に、積層構造のうち、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-x
Ｎ結晶層に隣接するＧａＮ系結晶層がＡｌ組成を含む場
合）、または、発光部の構造がｐ型、ｎ型のクラッド層
と、これらクラッド層の間に位置する活性層とを有する
ものであって、該活性層と、上記（１）のＡｌ_xＧａ_{1 -x}
Ｎ結晶層との間に位置する層が、全てＡｌ組成を含む場
合、上記（１）のＡｌ _xＧａ_1-xＮ結晶層を形成したこと
によるクラック抑制の効果が顕著となる。また、従来で
は、Ａｌ組成０．０７以上のＡｌＧａＮを高品質な結晶
層として結晶基板上に成長させることは困難であった
が、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上に形成したこ
とによって、Ａｌ組成０．０７以上のＡｌＧａＮであっ
ても高品質な結晶層として成長させることができる。

【００３２】ｎ型コンタクト層は、ＧａＮ系結晶からな
る層であればよいが、ＧａＮや、ＡｌＮなどであっても
良い。発光波長が３８０ｎｍ以下になると、ＧａＮ層に
よる光吸収が生じるため、Ａｌ組成を必須に有するＡｌ
ＧａＮ層とする事が望ましい。Ａｌ組成は、光吸収が生
じなければよく、発光波長に応じて選択すればよい。ま
た、ＡｌＧａＮ層に微量のＩｎ組成を加えた層としても
良い。

【００３３】ｎ型、ｐ型の両クラッド層は、正孔、電子
の閉じ込めを行う事ができるバンドギャップを有する層
であればよく、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど種々の
組成を選択してよい。

【００３４】本明細書でいう発光部とは、電流注入によ
って光を発生し得るようにｐ型層とｎ型層とを有して構
成された部分である。また、発光層は、発光部中にあっ
て光が発生する層である。例えば、発光部の最も単純な
構造はｐｎ接合（２層）であって、この場合の発光層は
空乏層である。好ましい発光部の構造としては、量子井
戸構造（単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸
（ＭＱＷ）構造、ＳＱＷ構造が積層されたものなど）が
挙げられる。所謂ＤＨ構造は活性層が薄いためにＳＱＷ
構造に含めてよい。

【００３５】ＭＱＷ構造は、ｎ型、ｐ型クラッド層の間
に、障壁層／井戸層／障壁層というように、量子井戸構
造が多重に積層された構造であって、通常、（障壁層／
井戸層）のペア数は、２〜２０ペア程度である。（障壁
層／井戸層）の材料の組合せとしては（ＩｎＧａＮ／Ｇ
ａＮ）、（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ）、（ＧａＮ／Ａｌ
ＧａＮ）、（ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＮ）、（ＡｌＩｎＧ
ａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ）などが挙げられる。

【００３６】量子井戸構造へのＳｉなどの不純物添加
は、井戸層のみ、障壁層のみ、両方へ添加、両方とも無
添加など様々な組み合わせとすることができる。なかで
も、井戸層を無添加とし、障壁層へ添加する形態が好ま
しく、これによって不純物添加による品質劣化を生じさ
せずに、発光強度を増大させる事が可能となる。

【００３７】障壁層の厚さは、従来一般的に採用されて
いる３ｎｍ〜７ｎｍ程度の厚さとしてもよいが、本発明
では、６ｎｍ〜３０ｎｍ、特に９ｎｍ〜１５ｎｍとする
ことを推奨する。障壁層をこのように厚くすることによ
って、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。また、障壁層をこ
のように厚くすることによって、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。障壁層が３０ｎｍを超えると、ｐ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。

【００３８】ｐ型コンタクト層は、種々の形態、材料を
取り得るが、接触抵抗を低減する点では、ＧａＮ、望ま
しくはＩｎＧａＮが挙げられる。一方、光吸収の低減を
重視する場合は発光波長よりもバンドギャップの大きな
ものを選択すれば良い。

【００３９】ＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶ
ＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。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】ＧａＮ系結晶層の転位密度をさらに低減さ
せるために、ＥＬＯ法など、公知の低転位密度化の手法
を適宜導入してよい。ＧａＮ系結晶層からなる積層構造
中には、ＥＬＯ法の実施に伴いＳｉＯ₂などの異種材料
からなる部分が含まれてもよい。

【００４１】ＧａＮ系結晶層の転位密度をさらに低減さ
せるために、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶と、Ｇａ
Ｎ系結晶層からなる積層構造との間に、転位密度低減構
造を存在させてもよい。該転位密度低減構造としては、
例えば、次のものが挙げられる。 （い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得る
ように、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上に、マス
ク層（ＳｉＯ₂などが用いられる）をストライプパター
ンなどとして形成した構造。 （ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長を
し得るように、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上面
に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上面への凹凸加工によって、その
凹部にベース基板が露出してもよい。 上記ストライプの方向は、成長させるＧａＮ系結晶の
〈１−１００〉方向、〈１１−２０〉方向が主として選
ばれ、これに、ＭＯＶＰＥ、ＨＶＰＥなどの結晶成長
法、結晶成長時の雰囲気ガスなど、主要な成長条件が組
合せられることによって、横方向への高速成長、ファセ
ット構造を形成しながらの成長など、転位密度低減に有
効な成長を行わせることができる。これらの種々の転位
密度低減構造は、公知技術を参照してよく、例えば、特
開平１１−１３０５９７号公報、国際公開公報ＷＯ００
／５５８９３等に詳細に記載されている。

【００４２】

【実施例】実施例１ 直径２インチのＣ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に
装填し、１２００℃に昇温した後、サーマルクリーニン
グを５分間行った。３族元素を流し始める前に、アンモ
ニアを先行して５分間流し、サファイア表面の窒化処理
を行った。これによりサファイア表面がＡｌＮに変換さ
れたと考えられる。その後、１２００℃以上の高温でＴ
ＭＡを流し、厚さ１μｍのＡｌＮ単結晶層１を成長させ
た。このＡｌＮ単結晶層の表面のモフォロジーは、同一
条件にて形成した他のサンプルについて観察したとこ
ろ、鏡面であった。これに対して、従来技術のように、
サファイア基板上にＡｌＮ低温成長バッファ層を介して
ＡｌＮ単結晶層を成長させた場合は、表面に多数の凹凸
が発生して、荒れた表面となる。

【００４３】（ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２）続い
て、水素、アンモニア雰囲気下で１１００℃にて、Ａｌ
原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａ原
料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ドーパント材
料としてシラン（ＳｉＨ₄）を流し、Ｓｉドープのｎ型
ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．０５）コンタクト層２を、厚
さ３μｍまで成長させた。

【００４４】（発光部；ｎ型クラッド層３／ＭＱＷ構造
４／ｐ型クラッド層５）続いて、図１に示すように、ｎ
型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成０．１５、厚さ０．
１μｍ）３を成長させた。さらに、ＩｎＧａＮ井戸層
（発光波長３８０ｎｍ、Ｉｎ組成は略ゼロ（計測不
能）、厚さ３ｎｍ）とＧａＮ障壁層（厚さ１２ｎｍ）と
からなる６周期のＭＱＷ構造４を成長させた。さらに、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層(Ａｌ組成０．２、厚さ３０
ｎｍ)４を成長させた。

【００４５】（ｐ型コンタクト層、電極形成、素子分
離）ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層(Ａｌ組成０．０２、
厚さ５０ｎｍ)を成長させて、サファイア基板／上記
（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上に、ＧａＮ系結晶層か
らなる積層構造が形成されたウエハを得た。該ウエハに
対して、フォトリソグラフィ技術、電子ビーム蒸着技
術、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）技術など
を用いて、ｎ型コンタクト層２を部分的に露出させ、該
露出面にｎ型電極Ｐ１を形成し、ｐ型コンタクト層上に
はｐ型電極Ｐ２を形成し、さらに、素子分離を行い、Ｇ
ａＮ系ＬＥＤ（発光波長３８０ｎｍのベアチップを得
た。

【００４６】比較例１ 上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成するかわり
に、Ｃ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に装着し、温
度４５０℃、ＴＭＡ、アンモニアを流してＡｌＮ低温成
長バッファ層を成長させたこと以外は、該バッファ層上
に、上記実施例１と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト
層２〜ｐ型コンタクト層６、電極Ｐ１、Ｐ２を形成し、
従来のＧａＮ系ＬＥＤ（発光波長３８０ｎｍ）のベアチ
ップを得た。

【００４７】実施例２ 本実施例では、ｎ型、ｐ型コンタクト層の組成をＧａＮ
としたこと以外は、上記実施例１と同様にしてＧａＮ系
ＬＥＤを製作し、発光層から発せられる光に対する光吸
収の度合いを実施例１のＬＥＤと比較した。

【００４８】実施例３ 本実施例では、井戸層をＧａＮ（発光波長３５６ｎ
ｍ）、障壁層をＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．１）としたこ
と以外は、上記実施例１と同様にＧａＮ系ＬＥＤのチッ
プを製作した。

【００４９】実施例４ 本実施例では、ｎ型、ｐ型コンタクト層の組成をＧａＮ
としたこと以外は、上記実施例３と同様にしてＧａＮ系
ＬＥＤを製作し、発光層から発せられる光に対する光吸
収の度合いを実施例３のＬＥＤと比較した。

【００５０】比較例２ 本比較例では、比較例１で行ったと同様、上記（１）の
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成するかわりにＣ面サファイ
ア基板をＭＯＶＰＥ装置内に装着し、温度４５０℃、Ｔ
ＭＡ、アンモニアを流してＡｌＮ低温成長バッファ層を
成長させたこと以外は、該バッファ層上に、上記実施例
３と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２〜ｐ型コン
タクト層６、電極Ｐ１、Ｐ２を形成し、従来のＧａＮ系
ＬＥＤチップを得た。

【００５１】実施例５ 本実施例では、実施例１と同様にして、サファイア基板
上にＡｌＮ結晶層を形成した後、該ＡｌＮ結晶層表面
に、転位密度低減構造の１つとして凹凸構造（図２）を
形成し、その上にＧａＮ系結晶層を成長させることによ
って、素子構造中の転位密度低下を図った。

【００５２】実施例１と同様にして、直径２インチのＣ
面サファイア基板上に、厚さ１μｍのＡｌＮ単結晶層を
上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層として成長させた。
該ＡｌＮ単結晶層上に、ストライプ状のフォトレジスト
パターン（幅：３μｍ、周期：６μｍ、ストライプ方
位：ストライプ延伸方向は該ＡｌＮ単結晶層の〈１−１
００〉方向）を形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etchin
g）装置で３μｍの深さまで断面方形型にエッチングし
た。これによって、図２に示すように、凹部底にサファ
イア基板の露出した凹凸構造（凸部の幅３μｍ、凹部の
幅３μｍ、凹部断面のアスペクト比（深さ／凹部の幅）
１を得た。

【００５３】フォトレジスト除去後、ＭＯＶＰＥ装置に
上記基板を装着し、１１００℃まで昇温し、ＴＭＡ、Ｔ
ＭＧ、シランを流し、ｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．０
５）コンタクト層２を成長させた。その時の成長時間
は、実施例１において凹凸の施していないＡｌ_xＧａ_1-x
Ｎ結晶層上にｎ型ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．０５）を４
μｍ成長させるのに要する時間と同じとした。成長後の
凹凸構造を観察すると、基板凹部に若干の成長の痕跡は
見られるものの、図２に示すように、凹部に空洞部ｍを
残したまま凹凸部を覆い、平坦になったｎ型ＡｌＧａＮ
コンタクト層２が得られた。

【００５４】ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２上に、実施
例１と同様にして、ｎ型クラッド層〜ｐ型コンタクト
層、電極を有する素子構造を形成し、ＧａＮ系ＬＥＤを
得た。

【００５５】（評価）上記実施例１〜５におけるＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶層１の表面モフォロジー、および比較例
１、２においてＡｌＮ低温成長バッファ層上に形成した
ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層上面のモフォロジーを観察
したところ、下記表１に示すとおりであった。また、上
記実施例１〜５、および比較例１、２において、各々ウ
エハ全体から採取されたＬＥＤ（ベアチップ状態）を用
い、それぞれの発光波長３８０ｎｍ、３５６ｎｍについ
ての出力（通電２０ｍＡ）を測定した。また、８０℃、
通電２０ｍＡによる加速試験を行い、寿命（初期出力の
８０％まで低下する時間）を測定した。この測定結果の
平均値を下表１に示す。

【００５６】

【表１】

【００５７】上記表１から明らかなとおり、上記（１）
のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成しその上に構成したＧａ
Ｎ系ＬＥＤ（実施例１〜５のもの）は、それぞれ、サフ
ァイア基板／ＡｌＮ低温成長バッファ層を用いた比較例
１、２のものと比べて転位密度が低減され、長寿命化、
高出力化が図れていることがわかった。なかでも、Ａｌ
組成を含むコンタクト層、クラッド層としたものは、光
吸収が少なく、高い出力となることが分かった。また、
上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上に、転位密度低減
構造を付与してＧａＮ系結晶を成長させることによっ
て、さらなる長寿命化、高出力化が可能であることが分
かった。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明では上記
（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶を、単独の結晶基板とし
て、または、ベース基板上の層として形成し、その上に
組成条件ｙ＜ｘにて、Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ層からな
る素子構造を形成しているので、各層（特にＡｌ_yＧａ
_1-yＮ）結晶層の結晶品質が向上し、高出力・長寿命の
発光素子が形成できるようになった。また、高品質なＡ
ｌ_yＧａ_1-yＮ結晶層が形成できることによって、光吸収
のない素子構造が作製可能となるという点からも、高出
力の発光素子が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＧａＮ系ＬＥＤの素子構造の一例
を模式的に示す図である。電極にのみハッチングを施し
ている。

【図２】本発明において、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ
結晶層と、積層構造との間に、転位密度低減構造を付与
した例を模式的に示す図である。ハッチングは、領域を
区別するために施している。

【図３】従来のＧａＮ系ＬＥＤの素子構造の一例を模式
的に示す図である。電極にのみハッチングを施してい
る。

【符号の説明】

Ｂ ベース基板 １ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層 ２〜６ ＧａＮ系結晶層 Ｐ１ ｎ型電極 ｐ２ ｐ型電極

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆターム(参考） 5F041 AA04 AA11 AA40 AA44 CA05 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CA74 5F045 AA04 AA20 AB09 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AD15 AD16 AD17 AD18 AF09 BB12 CA11 DA55 EB13

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ
   ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結
   晶層が、結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に
   形成されているか、または転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2
   以下、厚さ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦
   ｘ≦１）結晶からなる結晶基板が用いられ、 前記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上に、ＧａＮ系結
   晶層からなる積層構造が形成され、該積層構造の各層
   は、Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦
   １、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなり、かつ（各層のＡｌ組成
   ｙ）≦（前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ）とされ
   ており、該積層構造には、ｐ型層とｎ型層とを有して構
   成される発光部が少なくとも含まれていることを特徴と
   するＧａＮ系半導体発光ダイオード。
2. 【請求項２】 上記、におけるＡｌ_xＧａ_1-xＮが、
   ＡｌＮである、請求項１記載のＧａＮ系半導体発光ダイ
   オード。
3. 【請求項３】 上記におけるベース基板が、サファイ
   ア基板である、請求項１または２記載のＧａＮ系半導体
   発光ダイオード。
4. 【請求項４】 上記発光部が、ｐ型、ｎ型のクラッド層
   と、これらクラッド層の間に位置する活性層とを有する
   ものであり、該活性層と、上記またはのＡｌ_xＧａ
   _1-xＮ結晶との間に位置する層が、全てＡｌ組成を含
   み、かつ該活性層のバンドギャップよりも大きなバンド
   ギャップを有するものである、請求項１記載のＧａＮ系
   半導体発光ダイオード。
5. 【請求項５】 上記発光部が、単一量子井戸構造、また
   は多重量子井戸構造として形成されている、請求項４記
   載のＧａＮ系半導体発光ダイオード。
6. 【請求項６】 上記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
   と、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造との間に、ＧａＮ
   系低温成長バッファ層および／または転位密度低減構造
   が存在している、請求項１記載のＧａＮ系半導体発光ダ
   イオード。
7. 【請求項７】 上記転位密度低減構造が、選択成長法を
   実施し得るようＡｌ _xＧａ_1-xＮ結晶上面に形成されたマ
   スク層であるか、または、ＧａＮ系結晶がラテラル成長
   またはファセット成長をし得るようＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
   上面に形成された凹凸構造である、請求項６記載のＧａ
   Ｎ系半導体発光ダイオード。