JP2004006970A - ３族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】　紫外線領域の光を発光する３族窒化物半導体発光素子の発光強度を向上させること。
【解決手段】　３族窒化物半導体から成る紫及び紫外線領域の光を発光する発光層４を有する発光素子において、発光層４の上部に形成されるｐ−クラッド層５のAlGaN のアルミニウム組成率を８％以上３０％以下とし、かつ、ｐ−クラッド層５厚さを７０ｎｍ以下にした。さらに、ｐ−クラッド層５の上部に形成されるｐ−コンタクト層６を薄膜化すること、及び発光層４の下部に形成されるｎ−クラッド層３をAlGaN で形成すること、及び基板であるサファイア層１の裏面に反射膜１０を取り付けることにより、紫及び紫外線領域の光の発光強度が向上した。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、発光効率を向上させた紫あるいは紫外線領域（４３０ｎｍ以下の波長）の光を発光する３族窒化物半導体発光素子に関する。

　従来より、紫あるいは紫外線領域の光を発光する３族窒化物半導体にて構成された発光層を有する発光素子が知られている。そしてこの発光素子は、発光層の下部のシリコン(Si)がドーピングされたｎ⁺ −GaN のｎ−クラッド層、発光層の上部のマグネシウム(Mg)がドーピングされたｐ−Al_x1Ga_1-x1N のｐ−クラッド層、ただしｘ１＜０．０８、ｐ−クラッド層の上部のｐ−GaN のコンタクト層によって構成されている。

　しかし、ｐ−コンタクト層及びｐ−クラッド層では、マグネシウム(Mg)は深い準位のアクセプタレベルを形成している。その深い準位と伝導帯とのバンドギャップにより４３０ｎｍ以下の波長の光を吸収する。そのため上記の構造では発光層から４３０ｎｍ以下の波長の光を発光させる場合、上部から発光する光の一部がｐ−コンタクト層及びｐ−クラッド層で吸収されてしまい、発光出力が弱くなるという問題がある。

　そこで、発光層より上部の層での光の吸収を最小限にすることにより、発光強度を増大させることが本発明の課題である。

　上記の課題を解決するために請求項１の発明は、３族窒化物半導体発光素子において、波長が４３０ｎｍ以下である光を発光する発光層と、マグネシウム(Mg)が添加され、０．０８≦ｘ１≦０．３であるｐ型のAl_x1Ga_1-x1N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層と、シリコン(Si)が添加され、０＜ｘ２≦０．３であるｎ型のAl_x2Ga_1-x2N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層とを有することを特徴とする３族窒化物半導体発光素子である。

　請求項２の発明は、請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子のｐ−クラッド層の上部に形成されるマグネシウム(Mg)ドープGaN から成るｐ−コンタクト層の厚さを１０〜１００ｎｍ以下としたことを特徴とする。

　請求項１に示すように、３族窒化物半導体発光素子において、波長が４３０ｎｍ以下である光を発光する発光層と、マグネシウム(Mg)が添加され、０．０８≦ｘ１≦０．３であるｐ型のAl_x1Ga_1-x1N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層と、シリコン(Si)が添加され、０＜ｘ２≦０．３であるｎ型のAl_x2Ga_1-x2N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層とを有する。これにより、従来のｘ１＜０．０８のAl_x1Ga_1-x1N に比べてバンドギャップが拡がり、深い準位であるマグネシウム(Mg)の準位とAl_x1Ga_1-x1N の伝導帯とのバンドギャップも拡がるので、吸収する光の波長が短くなる。また、シリコン(Si)ドープn ⁺ -GaNに比べてバンドギャップが広がることにより、４３０ｎｍ以下の波長の光を吸収することがなくなる。よって、発光強度が増大することになる。

　また、請求項２に示すように請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子のｐ−コンタクト層の厚さを１０〜１００ｎｍ以下としたことにより、４３０ｎｍ以下の光を吸収する層が薄くなったので吸収される光の量が減少して、発光強度が増大する。

　なお、ｐ型のAl_x1Ga_1-x1N からなるクラッド層の膜厚を７０ｎｍ以下にした場合には、光の吸収量がより少なくなり、これにより発光層より４３０ｎｍ以下の光が発光された場合に吸収される光をさらに小さくすることができ、発光出力を増大することができる。

　以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。

　図１は本願実施例の発光素子１００の全体図を示す。発光素子１００は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に５０ｎｍのAlN バッファ層２が形成されている。また、サファイア基板１の下部には厚さが２００ｎｍのアルミニウム反射膜１０が形成されている。

　そのバッファ層２の上には、順に、膜厚５．０μｍ、電子濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、シリコン濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³ のシリコン(Si)ドープn ⁺ −Al_0.08Ga_0.92N から成る高キャリア濃度ｎ−クラッド層３、全膜厚約４１０ｎｍでGaN から成るバリア層とシリコン(Si)が５×１０¹⁸／ｃｍ³ の濃度で添加されているIn_0.07Ga_0.93N から成る井戸層から成る多重量子井戸構造の発光層４、膜厚５０ｎｍ、ホール濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度５×１０²⁰／ｃｍ³ のマグネシウム(Mg)ドープAl_0.08Ga_0.92N からなるｐ−クラッド層５、膜厚３０ｎｍ、ホール濃度７×１０¹⁸／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度５×１０²¹／ｃｍ³ のマグネシウム(Mg)ドープGaN からなるｐ−コンタクト層６が形成されている。そして、ｐ−コンタクト層６の上面全体にNi/Au の２重層から成る透明電極８が形成され、その透明電極８の隅の部分にNi/Au の２重層から成るボンディングのためのパッド９が形成されている。また、ｎ−クラッド層３上にはAlから成る電極７が形成されている。

　発光層５の詳細な構成は、図２に示すように膜厚１０ｎｍのGaN から成る２１層のバリア層４１と膜厚１０ｎｍのシリコン(Si)が５×１０¹⁸／ｃｍ³ の濃度で添加されているIn_0.07Ga_0.93N から成る２０層の井戸層４２とが交互に積層された多重量子井戸構造であり、全膜厚は約４１０ｎｍである。

　次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。

　上記発光素子１００は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。

　用いられたガスは、アンモニア(NH ₃ ) 、キャリアガスH ₂ 又はN ₂ 、トリメチルガリウム(Ga(CH₃ ) ₃ ) （以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH₃ ) ₃ ) （以下「TMA 」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH₃ ) ₃ ) （以下「TMI 」と記す）、シラン(SiH₄ ) 、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C ₅ H ₅ ) ₂ ) （以下「CP₂ Mg」と記す）である。

　まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH ₂ を流速２liter/分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板をベーキングした。

　次に、温度を４００℃まで低下させて、H ₂ 又はN ₂ を１０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMA を１．８×１０^-5モル／分で約９０秒間供給してAlN のバッファ層２を約５０ｎｍの厚さに形成した。

　次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、H ₂ を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMA を０．４７×１０^-4モル／分、TMG を１．１２×１０^-4モル／分、H ₂ ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン(SiH₄ ) を２×１０^-7モル／分で１００分導入し、膜厚５．０μｍ、電子濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、シリコン濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³ のシリコン(Si)ドープAl_0.08Ga_0.92N からなる高キャリア濃度ｎ−クラッド層３を形成した。

　その後、サファイア基板１の温度を８５０℃に保持し、H ₂ を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を１．７×１０^-4モル／分で３分間導入してGaN から成る厚さ１０ｎｍのバリア層４１を形成した。次に、H ₂ を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を２．１×１０^-4モル／分、TMI を０．０２×１０^-4モル／分、H ₂ ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン(SiH₄ ) を１０×１０^-8モル／分で３分間導入して、シリコン(Si)が５×１０¹⁸／ｃｍ³ の濃度で添加されているIn_0.07Ga_0.93N から成る厚さ１０ｎｍの井戸層４２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すようにバリア層４１と井戸層４２とを交互に、２１層と２０層だけ積層した多重量子井戸構造で、全膜厚が４１０ｎｍの発光層４を形成した。

　続いて、温度を１１００℃に保持し、H ₂ 又はN ₂ を１０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMA を０．４７×１０^-4モル／分、TMG を１．１２×１０^-4モル／分、Cp₂ Mgを２×１０^-5モル／分で０．５分間導入し、膜厚約５０ｎｍ、マグネシウム(Mg)濃度が５×１０²⁰／ｃｍ³ のマグネシウム(Mg)ドープAl_0.08Ga_0.92N からなるｐ−クラッド層５を形成した。なおこの状態では、ｐ−クラッド層５は抵抗率１０⁸ Ωｃｍ以上の絶縁体である。

　次に、温度を１１００℃に保持し、H ₂ 又はN ₂ を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を１．１２×１０^-4モル／分、Cp₂ Mgを２×１０^-5モル／分で０．５分間導入し、膜厚３０ｎｍ、マグネシウム(Mg)濃度が５×１０²¹／ｃｍ³ のマグネシウム(Mg)ドープGaN からなるｐ−コンタクト層６を形成した。なおこの状態では、ｐ−コンタクト層６は抵抗率１０⁸ Ωｃｍ以上の絶縁体である。

　次に、電子線照射装置を用いて、ｐ−コンタクト層６及びｐ−クラッド層５に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０×１０^-5Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、ｐ−コンタクト層６及びｐ−クラッド層５は、それぞれ、ホール濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ 、７×１０¹⁸／ｃｍ³ 、抵抗率１Ωｃｍ、０．７Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。

　次に、図３に示すように、ｐ−コンタクト層６の上に、スパッタリングによりSiO ₂ 層１１を２００ｎｍの厚さに形成し、そのSiO ₂ 層１１の上にフォトレジスト１２を塗布した。そして、フォトリソグラフにより図３に示すように、ｐ−コンタクト層６上において、ｎ−クラッド層３に対する電極形成部位Ａ’のフォトレジスト１２を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１２によって覆われていないSiO ₂ 層１１をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。

　次に、フォトレジスト１２及びSiO ₂ 層１１によって覆われていない部位のｐ−コンタクト層６、ｐ−クラッド層５、発光層４、ｎ−クラッド層３を、真空度０．０４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ｃｍ² 、BCl ₃ ガスを１０ｍｌ／分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図５に示すように、ｎ−クラッド層３に対する電極取り出しのための孔Ａが形成された。その後、フォトレジスト１２及びSiO ₂ 層１１を除去した。

　次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ−工程、エッチング工程を経て、ｐ−コンタクト層６の上に透明電極８を形成した。そして、その透明電極８の一部にNi/Au の２層を蒸着してパッド９を形成した。一方、ｎ−クラッド層３に対してはアルミニウムを蒸着して電極７を形成した。

　次に、サファイア基板１の裏面全体にアルミニウムを厚さ２００ｎｍ蒸着して反射層１０を形成した。

　その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発光素子は駆動電流２０ｍＡで発光ピーク波長３８０ｎｍであり、従来構造のＬＥＤに比べて発光強度は１０倍になった。

　このように、本発明は紫及び紫外線領域の光を発光する３族窒化物半導体発光素子の紫及び紫外線領域の光を吸収するマグネシウム(Mg)が添加されているｐ−クラッド層およびｐ−コンタクト層を薄膜化することにより、紫及び紫外線領域の光が吸収される確率が減少することにより発光効率が増大した。また、ｐ−クラッド層のアルミニウムの混晶比を増加させることによりバンドギャップを大きくして紫及び紫外線領域の光が吸収されないようにしたことにより発光効率が増大した。

　また、ｎ−クラッド層をGaN でなくAlGaN にすることによりバンドギャップを大きくして紫及び紫外線領域の光が吸収されないようにし、さらに、サファイア基板の下部に反射膜を形成することにより発光層より下部に発光した光も上部から発光するようにした結果、発光強度が増大した。

　上記の実施例において発光層は多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造あるいはバルク構造でもよい。

　また、発光層はGaN 、InGaN でなくても４３０ｎｍ以下の紫及び紫外線領域の光が発光できるならばどの３族窒化物半導体を用いてもよい。また、上記実施例では井戸層にのみシリコンがドーピングされているが、４３０ｎｍ以下の紫及び紫外線領域の光が発光できるならば他のドナー不純物あるいはアクセプタ不純物を井戸層又は／及びバリア層に添加してもよい。

　また、ｎ−クラッド層は１層で形成されているが、ｎ層とｎ⁺ 層の２層で形成されていてもよい。さらに、ｐ−コンタクト層も１層で形成されているが、２層で形成されていてもよい。

　また、ｐ型化する際に上記実施例では電子線照射を行っているが、熱アニーリング、N ₂ プラズマガス中での熱処理、レーザ照射によっ行ってもよい。

　上記実施例において、反射膜はアルミニウムで形成されているが紫及び紫外線領域の光である４３０ｎｍ以下の波長の光を吸収せずに反射する材料ならばアルミニウムでなくてもよい。

　ｎ−クラッド層３のシリコン濃度は１×１０¹⁷〜１×１０²⁰／ｃｍ³ が望ましく、電子濃度は１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ が望ましい。また、膜厚は０．５〜１０μｍが望ましい。

　シリコン濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下であると高抵抗となり、１×１０²⁰／ｃｍ³ 以上であると結晶性が低下するので望ましくない。また、電子濃度が１×１０¹⁶／ｃｍ³ 以下であると発光素子の直列抵抗が高くなり、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上になると結晶性が悪化するので望ましくない。又、膜厚が１０μｍ以上となると基板が湾曲し、０．５μｍ以下になるとエッチングしてｎ−クラッド層３を露出させて、ｎ−クラッド層３に対する電極の形成が困難になるので望ましくない。

　ｎ−クラッド層３のAlGaN のAlの混晶比は０〜３０％が望ましく、より望ましい範囲は０〜１５％の範囲である。１５％以下であると結晶性がより良好な状態となるので望ましい。

　ｐ−クラッド層５のホール濃度は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ が望ましい。ホール濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上になると結晶性が悪化するために望ましくなく、１×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下になると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎて望ましくない。

　また、ｐ−クラッド層５の膜厚は１〜７０ｎｍが望ましい。７０ｎｍ以上では効果があまりなく、１ｎｍ以下ではキャリア閉じ込め効果が低下するために発光効率が低下するので望ましくない。

　ｐ−クラッド層５のAlGaN のAlの混晶比は８〜３０％が望ましい。８％以下であるとバンドギャップが小さいために不純物のマグネシウム(Mg)レベルで紫及び紫外線領域の光を吸収が大きいために望ましくなく、３０％以上では結晶性が悪化し、さらにホール濃度が低下するために望ましくない。

　ｐ−コンタクト層６の膜厚は１０〜１００ｎｍの範囲が望ましく、さらには１０〜２０ｎｍの範囲が望ましい。１０〜２０ｎｍの範囲では光の吸収が少なくなるので望ましい。また、１００ｎｍ以上では効果があまりなく、１０ｎｍ以下では金属電極に対してオーミック性を低下させることになるために望ましくない。

　紫外線領域（４３０ｎｍ以下の波長）の光を発光する素子に用いることができる。

本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。 同実施例に係る発光ダイオードの発光層の構成を示した構成図。 同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。 同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。 同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。

符号の説明

　１００…発光ダイオード
　１…サファイア基板
　２…バッファ層
　３…高キャリア濃度ｎ⁺ 層
　４…発光層
　５…ｐ−クラッド層
　６…ｐ−コンタクト層
　７…電極
　８…透明電極
　９…パッド
　１０…反射膜

Claims (2)

1. ３族窒化物半導体発光素子において、
   　波長が４３０ｎｍ以下である光を発光する発光層と、
   　マグネシウム(Mg)が添加され、０．０８≦ｘ１≦０．３であるｐ型のAl_x1Ga_1-x1N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層と、
   　シリコン(Si)が添加され、０＜ｘ２≦０．３であるｎ型のAl_x2Ga_1-x2N から成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層と
   　を有することを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｐ−クラッド層の上部に形成されるマグネシウム(Mg)ドープGaN から成るｐ−コンタクト層の厚さを１０〜１００ｎｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。

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