JP2004207763A - 窒化ガリウム系化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【目的】 ｎ型コンタクト層へのｎ型不純物のドープ量を多くして、Ｖ_fおよび閾値を低下させ、さらに発光効率の高い窒化物半導体素子を提供する。
【構成】 単層または多層からなる量子井戸構造の活性層に接してｎ側に、アンドープの窒化物半導体を５０００オングストローム以下で形成し、同じく活性層に接してｐ側に、アンドープの窒化物半導体を１０００オングストローム以下の膜厚で形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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。

窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、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ｎ型コンタクト層と、単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を包含する活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、２０ｍＡ、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで、活性層が単一量子井戸構造の場合、２．５ｍＷ、外部量子効率５パーセント、活性層が多重量子井戸構造の場合、５ｍＷ、外部量子効率９．１パーセント、また発光波長５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで、単一量子井戸構造の場合、２．２ｍＷ、外部量子効率４．３パーセント、多重量子井戸構造の場合、３ｍＷ、外部量子効率６．３パーセントと非常に優れた特性を示す。

しかしながら、上記従来の窒化物半導体素子は、近年では屋外用の大型ディスプレイ等にも使用されるようになり、今後種々の応用製品への適用を考えると、さらなる発光出力の向上が求められる。発光出力を高くする方法として、ｎ型コンタクト層をｎ型不純物をドープしたＧａＮとすると、低抵抗構造の素子が得られる。しかし、このｎ型不純物のドープ量を多くしていくと、ｎ型コンタクト層の結晶性が悪くなってしまう。ｎ型コンタクト層の結晶性が悪くなってしまうと、さらにその上に積層する活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層のすべての層の結晶性も悪くなってしまい、発光出力を高くするという効果が打ち消されてしまう。

そこで本発明では、Ｉｎ、Ｇａを含むアンドープの窒化物半導体よりなる井戸層を有する単一または多重の量子井戸構造よりなる活性層と、該活性層のｎ側に接するアンドープのＩｎ _ｇ Ａｌ _ｈ Ｇａ _{１−ｇ−ｈ} Ｎ層（０≦ｇ、０≦ｈ、ｇ＋ｈ≦１）と、該活性層にｐ側に接するアンドープのＩｎ _ｉ Ａｌ _ｊ Ｇａ _{１−ｉ−ｊ} Ｎ層（０≦ｉ、０≦ｊ、ｉ＋ｊ≦１）とを有する半導体積層構造が、ｎ型不純物を含むＧａＮ層もしくはｍ値が０．２以下のＡｌ _ｍ Ｇａ _１−ｍ Ｎ層とｐ型不純物を含むp型クラッド層とに挟まれてなる窒化物半導体素子において、前記ｎ側のＩｎ _ｇ Ａｌ _ｈ Ｇａ _{１−ｇ−ｈ} Ｎ層は、ＡｌＧａＮからなり、膜厚が１０オングストロームから０．５μｍの範囲であることを特徴とする。

本発明によると、ｎ型不純物を含むＧａＮ層もしくはｍ値が０．２以下のＡｌ _ｍ Ｇａ _１−ｍ Ｎ層と活性層との間にアンドープのＡｌＧａＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で設け、さらにｐ型クラッド層と活性層との間にアンドープのＩｎ _ｉ Ａｌ _ｊ Ｇａ _{１−ｉ−ｊ} Ｎ層を設けたことによって、Ｖ _f および閾値が低下し、高い発光出力の素子が得られる。アンドープＡｌＧａＮ層の下にあるｎ型不純物を含む層を、ＧａＮもしくはｍ値が０．２以下のＡｌ _ｍ Ｇａ _１−ｍ Ｎとすることにより、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られ易い。

以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図１を用いて、本発明を詳細に説明する。
図１は基板１上に、バッファ層２、アンドープのＧａＮ層３、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４、アンドープからなる第１の窒化物半導体層５、単一量子井戸構造の活性層６、アンドープからなる第２の窒化物半導体層７、ｐ型不純物を含むｐ型クラッド層８、ｐ型不純物を含むｐ型コンタクト層９が順に積層された構造を有する。さらに、ｎ型クラッド層４上にｎ電極１０、ｐ型コンタクト層９上にｐ電極１１がそれぞれ形成されている。

本発明において、基板１としては、サファイアＣ面、Ｒ面またはＡ面を主面とするサファイア、その他スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。

本発明において、バッファ層２としては、ＡｌＧａＮからなる窒化物半導体であり、好ましくはＡｌの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましくはＧａＮからなるバッファ層２が挙げられる。

次に本発明において、アンドープＧａＮ層３は、成長する際にｎ型不純物を添加せずに成長してなる層を示す。バッファ層２上にアンドープのＧａＮ層３を成長させるとアンドープＧａＮ層の結晶性が良好となり、アンドープＧａＮ層３上に成長させるｎ型コンタクト層４などの結晶性も良好となる。

次に本発明において、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４は、ｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮとし、不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上、１×１０²¹／ｃｍ³以下、好ましくは５×１０¹⁸／ｃｍ³以上、５×１０²⁰／ｃｍ³以下に調整する。このようにｎ型不純物を多くドープし、この層をｎ型コンタクト層とすると、Ｖ_fおよ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Ｖ_fが低下しにくくなる傾向にある。また、ｎ型コンタクト層４は、結晶性の良好なアンドープのＧａＮ３上に形成されると、高濃度のｎ型不純物を有しているにもかかわらず結晶性を良好にすることができる。

またｎ型コンタクト層４の組成は、Ｉｎ_kＡｌ_mＧａ_1-k-mＮ（０≦ｋ、０≦ｍ、ｋ＋ｍ≦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、ｍ値０．２以下のＡｌ_mＧａ_1-mＮとすると結晶性の少ない窒化物半導体層が得られやすい。

次に本発明においてｎ側の第１の窒化物半導体層５は、アンドープのＩｎ_gＡｌ_hＧａ_1-g-hＮ（０≦ｇ、０≦ｈ、ｇ＋ｈ≦１）とし、１０オングストロームから０．５μｍの範囲で、好ましくは１０オングストロームから０．２μｍの範囲で、活性層に接して形成する。ｎ側にはキャリア濃度が高濃度で存在するが、第１の窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍを越えてしまうとキャリアの注入効率が悪くなってしまい、充分な発光出力が得られない。また、１０オングストロームより小さいとその上に形成する層の結晶性が悪くなってしまい、同様に充分な発光出力が得られない。

また本発明において活性層６は、Ｉｎ、Ｇａ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または多重の量子井戸構造とすることが望ましい。また本発明における低抵抗構造の窒化物半導体発光素子は、特に単一量子井戸構造の時に顕著な効果がある。

次に本発明においてｐ側の第２の窒化物半導体層７は、アンドープのＩｎ_iＡｌ_jＧａ_1-i-jＮ（０≦ｉ、０≦ｊ、ｉ＋ｊ≦１）とし、１０オングストロームから、０．１μｍの範囲で、好ましくは１０オングストロームから１００オングストロームの範囲で、活性層に接して形成する。

次に本発明においてｐ型クラッド層８は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）の単層からなる層でも良いが、好ましくはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）とＭｇドープのＩｎ_cＧａ_1-cＮ（０≦ｃ＜１）との超格子構造とすることが望ましい。ｐ型クラッド層を超格子構造とすると抵抗率が低下するため、Ｖ_fおよび閾値が低下できると共に発光出力の高い素子を得ることができる。またこの層を超格子構造とする場合、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、さらに最も好ましくは５０オングストローム以下に調整する。

次に本発明においてｐ型コンタクト層９は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮとし、不純物濃度を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³、より好ましくは５×１０¹⁸〜５×１０²⁰／ｃｍ³、より好ましくは５×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³とすることで良好なｐ型膜ができ好ましい。

以下に、本発明の一実施の形態である実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。

図１を元に実施例１について説明する。サファイア（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、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。

（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１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
（アンドープＧａＮ層３）バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで昇温させる。続いて１０５０℃で、同じく原料ガスに、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。

（ｎ型コンタクト層４）続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。

（ｎ側窒化物半導体層５）次にシランガスを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープＡｌＧａＮ層５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
（活性層６）次に、温度を８００℃まで下げ、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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる活性層６を３０オングストロームの膜厚で成長させる。

（ｐ側窒化物半導体層７）次に窒素、ＴＭＩを止め、温度を１０５０℃まで昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープＡｌＧａＮ層７を１０オングストロームの膜厚で成長させる。

（ｐ型クラッド層８）続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＡｌＧａＮよりなる層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＡを止めＴＭＩを流し、同じくＭｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＩｎＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を交互に繰り返し、５層ずつ積層させた、超格子からなるｐ型クラッド層８を成長させる。

（ｐ型コンタクト層９）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型コンタクト層９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。

反応終了後、温度を室温まで下げ、更に窒素雰囲気中、ウエハーを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型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ｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。

エッチング後、最上層にあるｐ型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、Ａｕを含む透光性のｐ電極１０を０．５μｍの膜厚で形成し、一方エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成してＬＥＤ素子とした。このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、順方向電圧３．４Ｖ、４６８ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３ｍＷであった。

実施例１において活性層６を以下のようにした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層６）１０５０℃でアンドープのＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして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Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層交互に積層して総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層６を成長させる。その結果、このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、順方向電圧３．６Ｖ、４７０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６．０ｍＷであった。

実施例１において活性層６を以下のようにした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層６）８００℃で、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Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎよりなる活性層６を３０オングストロームの膜厚で成長させる。その結果、このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、順方向電圧３．４Ｖ、５００ｎｍの青緑色発光を示し、発光出力は２．５ｍＷであった。

実施例１において、ｐ側の第２の窒化物半導体層７を除いた他は同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１よりは少し劣るが同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。

実施例１において、ｐ型クラッド層８を以下のようにした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
（ｐ型クラッド層８）１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層８を２５０オングストロームの膜厚で成長させた。その他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、実施例１よりは少し劣るが同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。

このように本発明の発光素子は、例えばｎ型コンタクト層をＳｉ濃度が１×１０ ¹⁸ ／ｃｍ ³ 以上の高濃度の不純物がドープされた低抵抗構造の窒化物半導体において、活性層に接してｎ側にアンドープのＡｌＧａＮを０．５μｍ以下で形成し、さらに活性層に接してｐ側にもアンドープのＩｎ _i Ａｌ _j Ｇａ _1-i-j Ｎ（０≦ｉ、０≦ｊ、ｉ＋ｊ≦１）を形成し、それらの両側をＧａＮ層又はＡｌ _ｍ Ｇａ _１−ｍ Ｎ層（０＜ｍ≦０．２）とｐ型クラッド層とで挟んだことで高い発光出力で結晶性の良い素子を得ることができる。さらにｐ型クラッド層をＭｇドープのＡｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ（０≦ｂ＜１）とＭｇドープのＩｎ _c Ｇａ _1-c Ｎ（０≦ｃ＜１）との超格子構造とすることで、高い発光出力を維持できる。また、第１および第２の窒化物半導体の膜厚は、大きくすればするほど、その上に形成する層の結晶性は良くなるが、厚くしすぎるとキャリアの注入効率が悪くなってしまい、発光しなくなってしまう。そこで、ｎ側の第１の窒化物半導体の膜厚を０．５μｍ以下に、ｐ側の第２の窒化物半導体の膜厚を０．１μｍ以下にすることによって、ｎ型コンタクト層にｎ型不純物としてＳｉを１×１０ ²¹ ／ｃｍ ³ と高ドープにしても２０ｍＡにおいて２．５ｍＷを維持したＬＥＤ素子ができる。

本発明の一実施例にかかるＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。

符号の説明

１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・ＧａＮ層
４・・・ｎ型コンタクト層
５・・・ｎ側窒化物半導体層
６・・・活性層
７・・・ｐ側窒化物半導体層
８・・・ｐ型クラッド層
９・・・ｐ型コンタクト層
１０・・・ｐ電極
１１・・・ｎ電極

Claims (5)

1. ｎ型ＧａＮを含んでなるｎ型コンタクト層と、Ｉｎ、Ｇａを含み量子井戸を有する活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮを含んでなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮを含んでなるｐ型コンタクト層とを順に有する窒化物半導体素子において、
   前記ｎ型コンタクト層と活性層との間にアンドープの第１の窒化物半導体層が形成され、さらに前記ｐ型クラッド層と活性層との間にアンドープの第２の窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ型コンタクト層はｎ型不純物として、Ｓｉが１×１０¹⁸／ｃｍ³以上、１×１０²¹／ｃｍ³以下でドープされていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｎ側のアンドープからなる第１の窒化物半導体層の膜厚は、０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｐ側のアンドープからなる第２の窒化物半導体層の膜厚は、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｐ型クラッド層はＭｇドープのＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜１）とＭｇドープのＩｎ_cＧａ_1-cＮ（０≦ｃ＜１）との超格子からなる層であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
   
   

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