JP2003258302A

JP2003258302A - ＧａＮ系半導体発光素子

Info

Publication number: JP2003258302A
Application number: JP2002058733A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-12
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP3756831B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発光層のＩｎ組成比が小さくとも、従来より
高出力の紫外線発光が可能なＧａＮ系発光素子を提供す
ること。【解決手段】結晶基板Ｂ１上にバッファ層Ｂ２を介し
てまたは直接的にＧａＮ系結晶層からなる積層構造Ｓを
形成し、ＧａＮ系半導体発光素子とするに際し、発光層
（図１では、量子井戸構造２に含まれる井戸層）と結晶
基板Ｂ１との間に位置するＧａＮ系結晶層１のキャリア
濃度が、該層の面拡張方向に不均一となるように、該層
１を形成する。これによって、発光層のＩｎ組成揺らぎ
が増長し、Ｉｎ組成比が低くとも、より高出力が得られ
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系半導体発
光素子（以下、ＧａＮ系発光素子）に関し、特に、紫外
線を発し得る組成比のＩｎＧａＮ系材料が発光層の材料
として用いられた紫外線発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）やＧ
ａＮ系半導体レーザー（ＬＤ）などのＧａＮ発光素子の
なかでも、ＩｎＧａＮを発光層に用いたもの（なかで
も、高いＩｎ組成比の発光層を有する青・緑色発光素
子）は、一般に高効率の発光が得られることが知られて
いる。これは、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
発光が得られるからであると説明されている。Ｉｎ組成
揺らぎは、ＩｎＧａＮの熱力学的な不安定さによって、
または、転移の周りでＩｎの取り込みが増えること（Ｉ
ｎ組成比が高くなること）によって、または、臨界膜厚
に近づき歪が蓄積することなどに起因して自然発生的に
生じると考えられている。

【０００３】上記青・緑色発光の場合のみならず、４２
０ｎｍ以下の紫外線を発光させようとする場合にも、一
般には発光層の材料としてＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成比０．
１５以下）が用いられる。

【０００４】しかし、青・緑色発光素子における発光層
の比較的高いＩｎ組成比に比べて、紫外線発光素子にお
ける発光層のＩｎ組成比は、上記のとおり０．１５以下
に抑える必要がある。紫外線発光素子では、Ｉｎ組成比
がこのように小さい為に、上述のＩｎ組成揺らぎによる
キャリア局在化の効果が低減し、非発光再結合中心に捕
獲されるキャリアの割合が増え、結果として高出力化の
妨げとなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
問題を解決し、発光層のＩｎ組成比が小さくとも、従来
より高出力の紫外線発光が可能なＧａＮ系発光素子を提
供することにある。

【０００６】

【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）結晶基板上にバッファ層を介してまたは直接的に
ＧａＮ系結晶層からなる積層構造が形成された素子構造
を有するＧａＮ系半導体発光素子であって、該積層構造
にはＩｎＧａＮ系発光層が含まれており、該発光層と結
晶基板との間にはＧａＮ系結晶層が存在し、該結晶層の
キャリア濃度が該層の面拡張方向に不均一となっている
ことを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子。

【０００７】（２）上記不均一なキャリア濃度となって
いる層が、高いキャリア濃度領域を含む部位と、低いキ
ャリア濃度領域を含む部位とが、面拡張方向に交互に存
在する層であって、高いキャリア濃度領域のカソードル
ミネッセンス発光強度が、低いキャリア濃度領域のカソ
ードルミネッセンス発光強度の１．５倍以上である、上
記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。

【０００８】（３）発光層の材料がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０
＜ｘ≦０．１５）である、上記（１）または（２）記載
のＧａＮ系半導体発光素子。

【０００９】（４）結晶基板が表面に凹凸を加工された
ものであり、バッファ層を介してまたは直接的に、Ｇａ
Ｎ系結晶層が該凹凸を覆って気相成長し上記積層構造と
なっている上記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａ
Ｎ系半導体発光素子。

【００１０】（５）キャリア濃度の不均一が、上記凹凸
を覆う結晶成長に起因して生じるものであって、生じた
不均一なキャリア濃度が均一化しないように、該凹凸を
覆って成長した結晶層の上面が平坦化した時点の該層上
面から発光層下面までの厚さが３μｍ以下とされてい
る、上記（４）記載のＧａＮ系半導体発光素子。

【００１１】（６）上記凹凸が、成長するＧａＮ系結晶
にとって〈１１−２０〉方向の凹溝を一定間隔で配置し
てなるストライプ状の凹凸であって、凹部および凸部の
幅のうち大きい方の幅をＷ〔μｍ〕、凹部の深さをｄ１
〔μｍ〕とするときに、該凹凸の凹部底面から発光層下
面までの厚さｔ〔μｍ〕が、ｔ≦（（３^1/2）×Ｗ／２）＋ｄ１＋２〔μｍ〕を満たすように決定されている、上記（４）または
（５）記載のＧａＮ系半導体発光素子。

【００１２】本発明でいうＧａＮ系とは、Ｉｎ_XＧａ_YＡ
ｌ_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、
ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な
化合物として挙げられる。また、ＩｎＧａＮ系とは、上
記ＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成を必須に含
む化合物半導体である。Ａｌ組成は必要に応じて加えら
れてもよい。ＩｎＧａＮ系のなかでも重要な化合物とし
ては、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ＜１、特に、波長４２０
ｎｍ以下の紫外線を発し得るものとして０＜ｘ≦０．１
５）が挙げられるが、なかでもＩｎ組成比ｘが０．０１
５≦ｘ≦０．１０のものは、蛍光体と組み合わせた照明
器具や表示装置などにおける紫外線光源としての用途が
期待され、重要である。

【００１３】当該発光素子は、ＬＥＤ、ＬＤなどであっ
てよいが、以下に、ＬＥＤを例として挙げて本発明を説
明する。また、本明細書では、当該発光素子の構造を明
確に説明するために、「結晶基板上」や「下層」などの
上下方向を示す語句を用い、結晶基板を下側としている
が、素子構造の絶対的な上下方向を限定するものではな
く、また素子の実装方向（実装時の姿勢）を限定するも
のでもない。

【００１４】ＧａＮ系結晶層からなる積層構造には、通
常の発光素子構造では、ｐ型、ｎ型の層が含まれ、どち
らが下側（結晶基板側）であってもよいが、ｐ型層を上
側にする方が高いキャリア濃度が得られ、また、ｎ型層
を下側にする方が発光層の結晶性が良い事から、ｎ型層
を下側とする態様が好ましい。以下、ｎ型層を下側とし
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。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の発光素子は、図１に素子
構造の一例を示すように、結晶基板Ｂ１上に、ＧａＮ系
結晶層からなる積層構造が形成された素子構造を有す
る。該積層構造には、ＩｎＧａＮ系発光層が含まれてい
る。図１の素子構造例を具体的に示すと、結晶基板Ｂ１
上面に後述の転位密度低減化のための凹凸が加工され、
該凹凸上にＧａＮ低温成長バッファ層Ｂ２を介して、ｎ
型ＧａＮコンタクト層（ｎ型クラッド層を兼ねている）
１、（ＩｎＧａＮ系井戸層／ＧａＮ障壁層）ペアの多重
量子井戸（ＭＱＷ）構造２、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラ
ッド層３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４が、順に気相成長
し積層構造となっている。該積層構造は、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層１が部分的に露出するようエッチングされ、
該露出部分にｎ型電極Ｐ１が設けられ、ｐ型コンタクト
層上にはｐ型電極Ｐ２が設けられている。

【００１６】ここで、当該発光素子の重要な特徴は、発
光層（図ではＭＱＷ構造２中の井戸層）と結晶基板との
間に位置するＧａＮ系結晶層（図では、ｎ型ＧａＮコン
タクト層１）のキャリア濃度が、同図中にハッチングを
施して示すように、該層の面拡張方向に不均一となって
いる点である。

【００１７】発光層と結晶基板との間に位置する層、特
に、発光層に隣接する直下の層のキャリア濃度を面拡張
方向に不均一とすることによって、その上に成長させた
ＩｎＧａＮ系発光層（ＭＱＷ構造では井戸層）中のＩｎ
組成は、下層のキャリア濃度の不均一に応じて面拡張方
向に変調を受けることになる。即ち、ＩｎＧａＮ系発光
層には人工的にＩｎ組成揺らぎが導入（増長）されるこ
とになる。これによって、Ｉｎ組成比の小さい材料から
なる発光層であっても、Ｉｎ組成揺らぎを人工的に増長
させることによって、キャリアの局在化も増長され、従
来よりも高い紫外線発光出力を得ることができるように
なる。

【００１８】層の面拡張方向とは、層の下面（または上
面）が拡張する方向、即ち、層厚方向に垂直な方向（所
謂、ラテラル方向、横方向）である。キャリア濃度が層
の面拡張方向に不均一であるとは、図１の層１に模式的
に示すように、高いキャリア濃度となっている領域を含
む高キャリア濃度部位（ハッチングを施した部位）と、
低いキャリア濃度となっている領域を含む低キャリア濃
度部位とが、面拡張方向に交互に存在することを意味す
る。ここでいうキャリア濃度の高低は、互いに相手の部
位に対する相対的な表現である。両部位の境界は明確で
なくともよく、高いキャリア濃度の領域から無段階的に
低いキャリア濃度の領域へと変化していてもよい。

【００１９】キャリア濃度の不均一さは、ＩｎＧａＮ系
発光層にＩｎ組成揺らぎを新たに導入し得るものであれ
ばよいが、発光層のＩｎ組成比が低くとも従来に無い強
いＩｎ組成揺らぎを生じさせ得る好ましい不均一さとし
ては、高いキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-2以上、２×
１０¹⁹ｃｍ^-2以下であり、また、低いキャリア濃度が５
×１０¹⁶ｃｍ^-2以上、２×１０¹⁹ｃｍ^-2以下であること
が望ましい。ただし、Ｉｎ組成ゆらぎを効果的に誘起さ
せるためにはキャリア濃度に相対的な差異があることが
重要であり、これらの高低の値に絶対的に限定されるも
のではない。また、高キャリア濃度部位と、低キャリア
濃度部位とが、面拡張方向に交互に存在する際の周期
（１つの高キャリア濃度部位の中心部分と、それに隣接
する低キャリア濃度部位の中心部分との間の距離）は、
０．２μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましい。発光
素子、とくにＬＥＤのチップサイズは、通常３００μｍ
角程度である為、５μｍ程度の周期が好ましい値であ
る。

【００２０】このキャリア濃度の不均一さは、例えば図
１に示す素子断面が見えるようにチップを縦に切断し、
その断面をカソードルミネッセンス法（ＣＬ法）によっ
て測定することによって容易に判定する事ができる。Ｃ
Ｌ法により断面を観察すると、キャリア濃度の高低が発
光強度の強弱となって現われる。高いキャリア濃度領域
のＣＬ発光強度が、低いキャリア濃度領域のＣＬ発光強
度の１．５倍以上、より好ましくは３倍以上であること
が、良好な不均一さである。下層にこのような不均一さ
を形成できた場合には、発光層のＩｎ組成に不均一なゆ
らぎを生じさせる事ができる。また、キャリア濃度の差
異（ＣＬ発光強度の差異）は取り込まれた不純物の量に
起因するが、不純物の種類によっても生じる。このよう
な場合もＩｎ組成ゆらぎが生じることとなる。

【００２１】ＣＬ法によるキャリア濃度の測定には、カ
ソードルミネッセンス装置を用いる。切断した試料をサ
ンプルホルダーに設置し、例えば、加速電圧３ＫＶ、波
長３６５ｎｍで断面観察すると、キャリア濃度の量に応
じて発光強度の強弱が観測できる。また、不純物の種類
が異なる場合、測定波長を変化させると発光強度分布の
変化が観測できる。

【００２２】発光に係る通常の構造としては、電流注入
によって光を発生し得るようにｎ型層とｐ型層とが設け
られる構造が挙げられる。好ましい発光構造としては、
量子井戸構造（単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、ＭＱＷ構
造、ＳＱＷ構造が積層されたものなど）や、ＤＨ構造が
挙げられる。ＤＨ構造にはＳＱＷ構造に含まれるものも
ある。量子井戸構造では井戸層が発光層であり、ＤＨ構
造（ｎ型クラッド層／活性層／ｐ型クラッド層）では、
活性層が発光層である。紫外線高出力化のための好まし
い発光部の構造としては、量子井戸構造、特にＭＱＷ構
造が挙げられる。量子井戸構造の場合、ｎ型クラッド層
上に直接井戸層を形成せず、先ず障壁層を形成してもよ
い。また、図１に示すように、ｎ型クラッド層とｎ型コ
ンタクト層とを別個に形成してもよいが、後述のよう
に、キャリア濃度の均一化を避けるために、両者を兼ね
る構造が好ましい。

【００２３】発光層と結晶基板との間に位置するＧａＮ
系結晶層のキャリア濃度を、面拡張方向に不均一とする
方法に限定は無く、例えば、後述の転位密度低減手法の
１つとしてストライプ状のＳｉＯ₂マスク層を用いた選
択成長法を実施することによって、成長層中へＳｉを部
分的にドープさせる方法や、ＧａＮ系結晶層にＳｉを部
分的に接触させる方法などであってもよい。

【００２４】キャリア濃度を面拡張方向に不均一とする
方法の中でも、特に好ましい方法としては、結晶基板面
に凹凸を形成し、該凹凸上に、バッファ層を介してまた
は直接的に、ＧａＮ系結晶層を気相成長させる方法が挙
げられる。より詳しい凹凸の構成、作用効果については
後述するが、該凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層を成長
させることによって、ＧａＮ系結晶中に取り込まれるド
ーパントの量は、下地の凹凸の影響を受けて異なる。こ
れによって、成長するＧａＮ系結晶層のキャリア濃度を
面拡張方向に不均一となる。また、凹凸を覆うようにＧ
ａＮ系結晶層を成長させることによって、転位密度を局
所的に低減させる効果も得られ、該効果もキャリア濃度
の不均一に寄与する。

【００２５】キャリア濃度を不均一とし得、かつ転位密
度を好ましく低減し得る凹凸としては、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、結晶基板上にマスク層（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、アデ
ィティブな凹凸構造。（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、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状
の凹部（凹状溝）加工を施すことによって形成した、サ
ブトラクティブな凹凸構造。これらの構造とバッファ層
とは、適宜組合せてよい。

【００２６】これらの凹凸構造のなかでも、上記（ろ）
は、複雑なマスク層の形成工程が不要な好ましい構造で
ある。以下、これについて説明する。結晶基板面への凹
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】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。

【００２８】これら種々の凹凸態様の中でも、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は、図２、図３に示すように凹凸
の断面が矩形波状を呈するものであって、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。

【００２９】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系結晶にとってストラ
イプの長手方向を〈１−１００〉方向にした場合、図２
（ａ）に示すように、凸部の上部から成長を開始したＧ
ａＮ系結晶１ａは、横方向成長をエンハンスさせ、図２
（ｂ）に示すように、凹部を空洞として残した状態でＧ
ａＮ系結晶層１となる。ただし、ストライプの長手方向
を〈１−１００〉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、後述の
〈１１−２０〉方向の場合と同様の効果を得ることがで
きる。

【００３０】上記〈１−１００〉方向のストライプの場
合、凸部上の結晶はＣ軸方向（層厚方向）に成長したも
のであるのに対し、凹部を空洞としてその上を覆う結晶
は凸部から横方向に成長したものである。このため、両
者は結晶中に取り込まれる不純物（Ｓｉ、Ｃ、Ｏなど）
の量が互いに異なる。また、結晶基板と接しているか否
かによって、凸部上と凹部上とでは、結晶層中に残存す
る応力が異なる。さらに、凸部上と凹部上とでは転位密
度が異なり、凹部上に転位密度が低減された部位が存在
する。これらの違いがあるため、凹凸を覆って成長した
ＧａＮ系結晶層は、横方向（面拡張方向）にキャリア濃
度が不均一となり、図２（ｂ）にハッチングで示すよう
に、凸部の上方に高キャリア濃度が現われる。

【００３１】一方、ストライプの長手方向を、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り、図３（ａ）に示すよう
に、凸部上面・凹部底面に、断面三角形の結晶が成長す
る。この時点で、以降の成長で平坦化が促進するような
条件を選び（例えば成長温度を高くする）、さらに成長
を継続させると、図３（ｂ）に示すように、各結晶同士
がつながって一体化し、さらに、図３（ｃ）に示すよう
に、上面が平坦化した結晶層１が得られる。基板側から
Ｃ軸方向に伝搬した転位は、図３（ａ）に示す三角形の
斜面（ファセット面）で横方向に曲げられ、上方に伝搬
し難くなる。よって、図３（ｃ）に示す結晶層中には、
低転位密度領域が形成されることになる。

【００３２】上記〈１１−２０〉方向のストライプの場
合、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、成長初期に三角
形を呈するファセットを形成し平坦化させるという成長
プロセスは、転位密度低減効果のみならず、キャリア濃
度を不均一化する手法としても、極めて重要である。こ
れは、ファセット形成の成長条件と平坦化の成長条件と
が異なることに起因して、ファセット部と平坦化部のキ
ャリア濃度が互いに異なり、その結果、次に述べるよう
に、ファセット部から平坦化表面（層上面）までの距離
の影響によって、平坦化表面のキャリア濃度を不均一に
することが可能となるからである。例えば、ファセット
形成をアンドープで成長し、平坦化させる時にＳｉなど
不純物を添加した場合、図３（ｃ）に示すように、平坦
化した結果の結晶層１の断面をみると、成長初期のファ
セット部分（破線で示した三角形部分）はキャリア濃度
が低く、該ファセット部分よりもそれを覆う平坦化部分
の方がキャリア濃度が高くなる。よって、ファセット部
分から層上面までの距離の長短の差がキャリア濃度の高
低に強く影響し、ファセット部分の谷の上方に相当する
部分が高キャリア濃度領域（図３（ｃ）にハッチングで
示す部分）として現われ、ピーク部分の上方が低キャリ
ア濃度領域として現われる。さらに、図３（ｃ）から明
らかなとおり、ファセット上部であっても結晶基板の凹
部上と凸部上とでは平坦化表面までの距離が異なる。こ
のこともキャリア濃度の不均一化のためには重要な要素
である。即ち、結晶基板表面に設ける凹凸の凹部深さを
変化させることによっても、キャリア濃度の不均一さを
制御することが可能である。なお、不純物添加量を変化
させることで、高キャリア濃度領域を自由に形成するこ
とが可能である。

【００３３】凹凸を図４に示すような断面矩形波状を呈
するストライプ状とする場合、転位密度を低減させ、か
つキャリア濃度の不均一さをより増長させ得る寸法範囲
は、次に示すとおりである。上記〈１−１００〉方向の
ストライプの場合では、凹溝の幅Ｗ１は、０．２μｍ〜
５０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１５μｍで
あり、凸部の幅Ｗ２は、０．２μｍ〜５０μｍ程度、よ
り好ましくは０．５μｍ〜１５μｍであり、凹凸の振幅
（凹溝の深さ）ｄは、０．２μｍ〜１０μｍ程度、より
好ましくは０．５μｍ〜５μｍである。また、上記〈１
１−２０〉方向のストライプの場合では、凹溝の幅Ｗ１
は、０．２μｍ〜２０μｍ程度、より好ましくは０．５
μｍ〜１０μｍであり、凸部の幅Ｗ２は、０．２μｍ〜
２０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１０μｍで
あり、凹凸の振幅ｄは、０．１μｍ〜５μｍ程度、より
好ましくは０．１μｍ〜３μｍである。

【００３４】上記凹凸上へ層上面が平坦化するまで結晶
成長させて、キャリア濃度が不均一な結晶層を得た後、
さらに結晶成長を不必要に継続して厚膜化すると、先に
得られた不均一なキャリア濃度が厚膜化部分で均一化し
てしまう可能性がある。従って、これを避けるため、凹
凸を覆って成長する結晶層の上面が平坦化した時点から
後は、できる限り厚膜化や他の層の形成は行わず、発光
層を形成することが好ましい。上記凹凸を覆って成長し
た結晶層の上面が平坦化した時点の該層上面から発光層
下面までの厚さは、概ね５μｍ以下とすればよいが、３
μｍ以下が好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。本発
明では、この制限を実際の素子構造に適用するために、
ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とを兼用することを
推奨している。これによって、凹凸から発光層までの層
厚が減少し、キャリア濃度の不均一さを維持することが
できる。

【００３５】また、上記〈１１−２０〉方向のストライ
プとしてＧａＮ系結晶をファセット成長させる場合に
は、凹部および凸部の幅のうち大きい方の幅（等しい場
合はどちらでもよい）をＷ〔μｍ〕とし、凹部の深さを
ｄ１〔μｍ〕として、該凹凸の凹部底面から発光層下面
までの厚さｔ〔μｍ〕を、式ｔ≦（（３^1/2）×Ｗ／
２）＋ｄ１＋２〔μｍ〕を満たすように決定することに
よって、過度の厚膜化が抑制されキャリア濃度の均一化
を未然に防ぐことができるようになる。前記式中、３
^1/2は、３の平方根である。例えば、下記実施例のよう
に、凹凸の寸法がＷ＝５μｍ、ｄ１＝２とした場合に
は、凹部底面から発光層下面までの厚さｔは、約８．３
μｍ以下とすることが好ましい。

【００３６】当該発光素子の形成に用いられる結晶基板
は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ま
しい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ
面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、Ａ
ｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなど
が挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する
基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定さ
れず、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。

【００３７】結晶基板とＧａＮ系結晶層との間には、必
要に応じてバッファ層を介在させてよい。好ましいバッ
ファ層としては、ＧａＮ系低温成長バッファ層が挙げら
れる。バッファ層の材料、形成方法、形成条件は、公知
技術を参照すればよいが、ＧａＮ系低温成長バッファ層
材料としては、ＧａＮ、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２０
ｎｍ〜４０ｎｍが好ましい。なお、結晶基板としてＧａ
Ｎや、ＡｌＮ結晶などからなる基板を用いる場合には、
バッファ層は必須では無い。

【００３８】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法が好ましく、薄膜を形成
する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

【００３９】

【実施例】実施例１本実施例では、Ｃ面サファイア基板上に、成長するＧａ
Ｎ系結晶に関して〈１−１００〉方向のストライプ状の
凹凸を形成してその上にＧａＮ系結晶層を成長させて、
ｎ型クラッド層（コンタクト層と兼用）のキャリア濃度
を不均一とし、かつ該ｎ型クラッド層の厚さを制限して
キャリア濃度の不均一さを維持させ、発光部を（Ｉｎ
_0.03Ｇａ_0.97Ｎ井戸層、ＧａＮ障壁層）ペアを有するＭ
ＱＷ構造として、発光波長３８０ｎｍの紫外線発光素子
を製作した。素子形成プロセスは次のとおりである。

【００４０】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（凸部幅となる）
５μｍ、周期（凸部幅＋凹部幅となる）１０μｍ、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〈１−１００〉方向）を行い、
ＲＩＥ装置で深さｄ１＝２μｍまで断面方形となるよう
エッチングし、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。

【００４１】フォトレジストを除去後、ＭＯＶＰＥ装置
に該基板を装着し、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族原料トリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）
と、Ｎ原料アンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低
温成長バッファ層を成長させた後ＴＭＧ供給を停止し
た。該ＧａＮ低温成長バッファ層は、図１に示すよう
に、凸部の上面、凹部の底面にのみ形成された。

【００４２】続いて温度を１０００℃に昇温し、ＴＭ
Ｇ、ｎ型ドーパントとなるＳｉＨ₄を流し、凸部上面か
ら測定した厚さが３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層（コン
タクト層）を成長させた。この厚さは専ら凸部から成長
したＧａＮが横方向に成長し、凹部中央部で合体し、上
面が平坦化する厚さである。

【００４３】上記ｎ型ＧａＮクラッド層成長後、温度を
７５０℃に下げトリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）、
ＴＭＧ、ＮＨ₃を供給し、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.03Ｇａ
_0.97Ｎ井戸層、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を６周期重
積し、ＭＱＷ構造とした。ＴＭＩ、ＴＭＧ供給を止めた
後、温度を１０００℃に上げ、トリメチルアルミニウム
（以下ＴＭＡ）、ＴＭＧを供給し、厚さ５０ｎｍのｐ型
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層を形成した。

【００４４】さらに、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタ
クト層を順に形成して、紫外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。

【００４５】ウエハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベ
アチップ状態）の出力（波長３８２ｎｍ、通電２０ｍ
Ａ）を測定したところ、１０ｍＷであった。また、発光
のスペクトルを測定したところ、発光波長３８２ｎｍ、
半値幅１１ｎｍであった。

【００４６】このＬＥＤ素子を縦に切断したところ、基
板の凹部にもｎ型ＧａＮ結晶が充填されており、空洞は
形成されていなかった。該断面をＣＬ法にて観察したと
ころ、凸部から横方向成長した膜が優先となる為、凹部
上に横方向成長した部位には転位に関係するダークライ
ン等は観測されなかったが、ＣＬの発光強度は弱かっ
た。これはこの領域の不純物濃度が少ない為である。一
方、凸部の上方ではＣＬ発光強度は強く、凹部上方での
ＣＬ発光強度の３倍であった。次にＣＬ観察を表面から
行い発光層の状態を見た所、発光強度の分布が観測され
た。一方、観測時の波長を３８２ｎｍから３８０ｎｍへ
変えると、発光強度の強かった場所が逆に弱くなり、発
光強度の弱かった場所が強くなった。これは発光層下部
のキャリア濃度分布により、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ組
成にゆらぎが生じた結果と考えられる。このため、Ｉｎ
組成の多い場所が３８２ｎｍの発光に相当し、Ｉｎ組成
の少ない所が３８０ｎｍとなったため、発光強度の分布
変化となって現われたものと考えられる。

【００４７】実施例２本実施例では、Ｃ面サファイア基板上に加工するストラ
イプ状の凹凸の方向を、成長するＧａＮ系結晶に関して
〈１１−２０〉方向とし、ＧａＮクラッド層を成長させ
たこと意外は、上記実施例と同様に、紫外線発光素子を
製作した。凹凸の寸法仕様は、凸部幅５μｍ、周期１０
μｍ、凹部深さ１μｍである。

【００４８】凹凸上へのＧａＮ結晶成長プロセスについ
ては、ＧａＮ低温成長バッファ層の形成後、温度を１０
００℃とし、原料としてＴＭＧ、アンモニア、ドーパン
トＳｉＨ₄を流し、ｎ型ＧａＮクラッド（コンタクト）
層を、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。このときのＧａＮ層の成長
は、図３（ａ）に示すように、凸部の上面、凹部の底面
から、断面三角形でファセット面を含む尾根状となり、
その後の成長温度変更により２次元成長が促進され、図
３（ｃ）に示すように平坦化した。凹部底面からｎ型Ｇ
ａＮクラッド層の上面までの厚さｔは、３．５μｍであ
り、式ｔ≦（（３^1/2）×５／２）＋１＋２〔μｍ〕を
満たしていた。

【００４９】その後、実施例１同様の手順を行った。ｎ
型ＧａＮ結晶層（クラッド層）の成長は、上面が平坦化
した時点で停止し、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ井戸層の形成を
開始し、素子構造の完成までのプロセスを行った。

【００５０】ウエハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベ
アチップ状態）の出力を測定したところ、実施例１と同
様、１０ｍＷであり、発光のスペクトルは、発光波長３
８２ｎｍ、半値幅１１ｎｍであった。

【００５１】このＬＥＤ素子を、縦に切断し、該断面を
ＣＬ法にて観察したところ、成長過程で観察されるファ
セット（断面三角形状に成長する部分）に対応した領域
のＣＬの発光強度は弱く、ファセットの谷に当たる場所
のＣＬ発光強度は強かった。その強度比は３倍であっ
た。凸部上では、ファセットから層上面までの厚みが薄
く、一方凹部上では厚い。このため、凹部上の方がＣＬ
発光強度の強い領域の割合が多かった。

【００５２】比較例本比較例では、実施例１におけるｎ型ＧａＮクラッド層
（凸部上面から測定した厚さが３μｍであり、コンタク
ト層と兼用する層）を、ｎ型コンタクト層専用とし、該
層と発光層との間に、専用のｎ型ＧａＮクラッド層を
３．５μｍ形成した以外は実施例２と同じとした。ウエ
ハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベアチップ状態）の
出力（波長３８２ｎｍ、通電２０ｍＡ）を測定したとこ
ろ、８ｍＷであった。スペクトルを測定した所、発光波
長３８０ｎｍ、半値幅９ｎｍであった。発光波長が２ｎ
ｍ短くなったこと及び、半値幅が狭くなったことからＩ
ｎ組成ゆらぎが抑制されたものと考えられる。このた
め、非発光再結合中心で、再結合を起こすキャリアの割
合が増えた結果、発光出力が若干低下したと考えられ
る。

【００５３】このＬＥＤ素子の断面ＣＬ観察をするとｎ
型ＧａＮ層の凹部の発光強度は弱く、凸部は強かった。
一方、ｎ型ＧａＮ層の途中から発光強度分布は観測され
なかった。次にＣＬ観察を表面から行い発光層の状態を
見た所、発光強度の分布は観測されるものの、実施例２
にくらべ、強度差が弱かった。これはＩｎＧａＮ発光層
のＩｎ組成にゆらぎの程度が実施例２よりも少なくなっ
た為と考えられる。

【００５４】

【発明の効果】以上のとおり、発光層の下層のキャリア
濃度を不均一とすることによって、発光層のＩｎ組成比
が小さくとも、従来より高出力の紫外線発光が可能なＧ
ａＮ系発光素子を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子の構成を示す模式図である。
ハッチングは、領域の区別を目的としている（他の図も
同様である）。同図では、電極、高キャリア濃度部分に
のみハッチングを施している。

【図２】ストライプの長手方向を、ＧａＮ系結晶にとっ
て〈１−１００〉方向とした場合の、凹凸上でのＧａＮ
系結晶の成長の状態を示す模式図である。

【図３】ストライプの長手方向を、ＧａＮ系結晶にとっ
て〈１１−２０〉方向とした場合の、凹凸上でのＧａＮ
系結晶の成長の状態を示す模式図である。

【図４】結晶基板に形成した凹凸の各部の寸法を説明す
る図である。

【符号の説明】

Ｂ１結晶基板１ｎ型コンタクト層２発光に係る構造（図１では多重量子井戸構造）３ｐ型クラッド層４ｐ型コンタクト層Ｐ１ｎ型電極Ｐ２ｐ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 AA03 AA11 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 CA67 CA74 5F073 AA74 CA07 CB05 DA05 DA07 DA25 DA35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板上にバッファ層を介してまたは
直接的にＧａＮ系結晶層からなる積層構造が形成された
素子構造を有するＧａＮ系半導体発光素子であって、該積層構造にはＩｎＧａＮ系発光層が含まれており、該
発光層と結晶基板との間にはＧａＮ系結晶層が存在し、
該結晶層のキャリア濃度が該層の面拡張方向に不均一と
なっていることを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素
子。
【請求項２】上記不均一なキャリア濃度となっている
層が、高いキャリア濃度領域を含む部位と、低いキャリ
ア濃度領域を含む部位とが、面拡張方向に交互に存在す
る層であって、高いキャリア濃度領域のカソードルミネ
ッセンス発光強度が、低いキャリア濃度領域のカソード
ルミネッセンス発光強度の１．５倍以上である、請求項
１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】発光層の材料がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ
≦０．１５）である、請求項１または２記載のＧａＮ系
半導体発光素子。
【請求項４】結晶基板が表面に凹凸を加工されたもの
であり、バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系
結晶層が該凹凸を覆って気相成長し上記積層構造となっ
ている請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系半導体
発光素子。
【請求項５】キャリア濃度の不均一が、上記凹凸を覆
う結晶成長に起因して生じるものであって、生じた不均
一なキャリア濃度が均一化しないように、該凹凸を覆っ
て成長した結晶層の上面が平坦化した時点の該層上面か
ら発光層下面までの厚さが３μｍ以下とされている、請
求項４記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項６】上記凹凸が、成長するＧａＮ系結晶にと
って〈１１−２０〉方向の凹溝を一定間隔で配置してな
るストライプ状の凹凸であって、凹部および凸部の幅のうち大きい方の幅をＷ〔μｍ〕、
凹部の深さをｄ１〔μｍ〕とするときに、該凹凸の凹部
底面から発光層下面までの厚さｔ〔μｍ〕が、ｔ≦（（３^1/2）×Ｗ／２）＋ｄ１＋２〔μｍ〕を満たすように決定されている、請求項４または５記載
のＧａＮ系半導体発光素子。