JP2004247682A - 半導体積層構造及びそれを備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層の結晶性が向上し、最上部層のキャリア濃度が高まり、膜厚が薄くなり、したがって、寿命特性が向上し、動作時の抵抗が小さくなり、消費電力が低下し、素子の小型化が可能な半導体積層構造及びそれを備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体積層構造は、Ｐ型基板１１上に、ＩＩＩ族窒化物系半導体のバッファ層１２、Ｐ型のＧａＮ系半導体のコンタクト層１３、Ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体の下部クラッド層１４、ＩｎＧａＮ系半導体の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１５、Ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体の上部クラッド層１６、Ｎ型のＧａＮ系半導体のコンタクト層１７を順次積層して半導体積層構造２０とし、コンタクト層１７上にＮ型電極１８を、Ｐ型基板１１の下面にＰ型電極１９を、それぞれ設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体積層構造及びそれを備えた半導体装置に関し、特に、積層された半導体層の結晶性を向上させることで、最上部層のキャリア濃度を高め、半導体層の膜厚を薄くすることが可能な半導体積層構造、及び、半導体層の結晶性を向上させることで寿命特性が向上し、最上部層のキャリア濃度を高めることで動作時の抵抗が低下し、その結果、消費電力を低下させることが可能な半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色光〜紫外光を発光するＩＩＩ族窒化物系半導体を活性層に用いた発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が開発されている。この発光ダイオードは、従来のＳｉＣ（炭化珪素）等を用いた青色発光ダイオードと比較して極めて高い発光効率を有することから、盛んに研究が進められ、各種の提案がなされている。一例としてサファイア基板上に活性層を形成した構造の発光ダイオードが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、従来のＩＩＩ族窒化物系半導体を活性層に用いた発光ダイオードの一例を示す断面図であり、図において、符号１はサファイア基板、２はサファイア基板１上に成膜されたＮ型のＧａＮ（Ｎ−ＧａＮ）からなる下部クラッド層、３は下部クラッド層２上の一部に成膜された組成比の異なる２種類のＩｎＧａＮ層を交互に積層してなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層、４は活性層３上に成膜されたＰ型のＧａＮ（Ｐ−ＧａＮ）からなる上部クラッド層、５は上部クラッド層４上に形成されたＰ型電極、６は下部クラッド層２上に形成されたＮ型電極である。
この発光ダイオードでは、これらＰ型電極５とＮ型電極６との間に直流電圧を印加することにより、４０５〜５３５ｎｍの青色・緑色光を発光させることができる。
【０００４】
一方、基板の下側から最下層の電極の取り出しを行うことができる構造の発光ダイオードとしては、Ｎ型のシリコン基板上に活性層を含む複数の半導体層からなる積層構造を形成し、この積層構造の上面にＰ型電極を、Ｎ型のシリコン基板の下面にＮ型電極を、それぞれ形成した構造の発光ダイオードが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２９７４４６号公報
【特許文献２】
特開平１０−２４２５８４号公報
【特許文献３】
特開平１１−０４０８５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のサファイア基板を用いた発光ダイオードにおいては、サファイア基板が絶縁体であるために、このサファイア基板の下側から最下層の電極の取り出しを行うことができない。そこで、下部クラッド層の一部を横に張り出させ、この張り出した部分にＮ型電極を形成した構造としているが、この構造では、素子面積が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００７】
また、下部クラッド層に対しては横方向に電流を流す必要があるが、横方向の直列抵抗を極力小さくするためには、その厚みを４μｍ以上とする必要があり、さらなる薄膜化が難しいという問題点があった。
さらに、最上部層である上部クラッド層４は、Ｐ型のＧａＮにより構成されているために、キャリア濃度をあまり高くすることができず、したがって、上部クラッド層４とＰ型電極５との間の接触抵抗が大きくなってしまい、閾値を低くすることが難しく、低電圧動作が困難であるという問題点があった。
また、Ｎ型のシリコン基板を用いた発光ダイオードにおいても、同様の問題点があり、いずれの発光ダイオードにおいても、さらなる低電圧動作、消費電力の減少、素子面積の小面積化等を図ることは難しい。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、積層された半導体層の結晶性を向上させることができ、最上部層のキャリア濃度を高めることができ、しかも、半導体層の膜厚を薄くすることができる半導体積層構造、及び、半導体層の結晶性を向上させることで寿命特性を向上させることができ、最上部層のキャリア濃度を高めることで動作時の抵抗を小さくすることができ、その結果、消費電力を低下させることができ、さらには素子の小型化を図ることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次の様な半導体積層構造及びそれを備えた半導体装置を提供した。
すなわち、本発明の半導体積層構造は、Ｐ型の基板上に、Ｐ型のＧａＮ系半導体からなる第１の半導体層が形成され、該第１の半導体層上にＮ型のＧａＮ系半導体からなる第２の半導体層が形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
この半導体積層構造では、Ｐ型の基板上に、Ｐ型のＧａＮ系半導体からなる第１の半導体層、Ｎ型のＧａＮ系半導体からなる第２の半導体層を順次積層したことにより、低抵抗であるＰ型の基板上に同じ導電型の第１の半導体層、キャリア濃度が大きい低抵抗のＮ型の第２の半導体層が積層されることとなり、第１及び第２の半導体層の結晶性が向上し、その厚みを薄くすることが可能になる。さらに、最上層に形成される第２の半導体層上に電極を形成した場合に、電極との間の接触抵抗が小さくなる。
【００１１】
この半導体積層構造では、前記Ｐ型のＧａＮ系半導体を、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）とし、前記Ｎ型のＧａＮ系半導体を、Ａｌ_ｚＧａ_{１−ｚ−ｗ}Ｉｎ_ｗＮ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）とするのが好ましい。
【００１２】
また、本発明の半導体積層構造は、前記基板と、前記第１の半導体層との間に、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなるバッファ層を形成したことを特徴とする。
また、本発明の半導体積層構造は、前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層との間に、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなる活性層を形成したことを特徴とする。
前記活性層のＩＩＩ族窒化物系半導体としては、アンドープまたはドープされたＡｌ_ｕＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｉｎ_ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｕ＋ｖ≦１）が好ましい。
前記基板としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の群から選択された１種を主成分としたものが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体積層構造を備えてなることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体積層構造の前記基板の一主面及び前記第２の半導体層の一主面各々に電極を設けてなることを特徴とする。
【００１４】
この半導体装置では、本発明の半導体積層構造を備えたことにより、半導体積層構造における半導体層の結晶性を向上させることで、その寿命特性が向上し、最上部層のキャリア濃度を高めることで動作時の抵抗が低下する。その結果、消費電力を低下させることが可能になる。また、半導体層の結晶性が向上することで、その厚みを薄くすることが可能になり、素子の小型化が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体積層構造及びそれを備えた半導体装置の各実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１６】
「第１の実施形態」
図１は本発明の第１の実施形態の発光ダイオード（半導体装置）を示す断面図であり、ＩｎＧａＮ活性層を、この活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＧａＡｌＮクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造である。
【００１７】
図において、符号１１はＰ型基板、１２はＩＩＩ族窒化物系半導体からなるバッファ層、１３はＰ型のＧａＮ系半導体からなるコンタクト層（第１の半導体層）、１４はＰ型のＡｌＧａＮ系半導体からなる下部クラッド層、１５はＩｎＧａＮ系半導体の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層、１６はＮ型のＡｌＧａＮ系半導体からなる上部クラッド層、１７はＮ型のＧａＮ系半導体からなるコンタクト層（第２の半導体層）、１８はコンタクト層１７上に形成されたＮ型電極、１９はＰ型基板１１の下面に形成されたＰ型電極であり、バッファ層１２〜コンタクト層１７により半導体積層構造２０が構成されている。
【００１８】
Ｐ型基板１１は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４（酸化アルミニウムマグネシウム）の群から選択された１種を主成分としたＰ型の基板で、キャリア濃度は１０^１８／ｃｍ^３以上の高濃度である。
このＰ型基板１１としては、ボロン（Ｂ）をドープしたＰ^＋（高濃度Ｐ型）−Ｓｉ基板の他、ボロン（Ｂ）をドープしたＰ^＋−ＳｉＣ基板、亜鉛（Ｚｎ）をドープしたＰ^＋−ＧａＰ基板、ＺｎをドープしたＰ^＋−ＧａＡｓ基板が好適に用いられ、他にＰ^＋−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４基板等を用いてもよい。
【００１９】
バッファ層１２は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系半導体により構成され、その膜厚は０．０１〜０．１μｍである。
コンタクト層１３は、例えば、Ｍｇをドープした高キャリア濃度のＰ型のＧａＮ（ＧａＮ：Ｍｇ）により構成され、その膜厚は０．３〜１．０μｍである。
下部クラッド層１４は、例えば、ＭｇをドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ：Ｍｇ）で表されるＰ型のＡｌＧａＮ系半導体により構成され、その膜厚は０．３〜０．５μｍである。
【００２０】
活性層１５は、組成比の異なるＩｎＧａＮを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で、例えば、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる井戸層と、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる障壁層とを、交互に積層した２〜１０層の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）である。この井戸層の膜厚は５〜１００Å、障壁層の膜厚は５〜１００Åである。
【００２１】
上部クラッド層１６は、例えば、ＳｉをドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ：Ｓｉ）で表されるＮ型のＡｌＧａＮ系半導体により構成され、その膜厚は０．３〜０．５μｍである。
コンタクト層１７は、例えば、Ｓｉをドープした高キャリア濃度のＮ型のＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）により構成され、その膜厚は０．３〜１．０μｍである。
【００２２】
Ｎ型電極１８は、コンタクト層１７を構成するＮ型ＧａＮとの接触抵抗が小さい金属を用いた積層構造で、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層を積層した２層構造である。
Ｐ型電極１９は、Ｐ型基板１１を構成するＰ^＋−Ｓｉ等との接触抵抗が小さい金属を用いた積層構造で、例えば、Ｎｉ層とＡｕ層を積層した２層構造である。
【００２３】
この発光ダイオードの製造方法について説明する。
Ｐ型基板１１としてＰ^＋−Ｓｉ基板を用いる場合、（１１１）面または（１００）面のＰ^＋−Ｓｉ基板の表面を、フッ酸系溶液を用いて洗浄し、その後高純度の純水を用いて洗浄し、その後、乾燥させる。
次いで、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）等により、Ｐ型基板１１上にバッファ層１２〜コンタクト層１７を順次成長させ、半導体積層構造２０を形成する。
【００２４】
例えば、ＭＯＣＶＤによりＰ^＋−Ｓｉ基板上にＡｌＧａＮ系半導体層を成長させる場合、Ｇａ源として金属ＧａまたはＴＭＧ（トリメチルガリウム）を、Ａｌ源として金属ＡｌまたはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を、Ｎ源としてアンモニアガス（ＮＨ_３）を用いて成膜する。このとき、Ｐ^＋−Ｓｉ基板を９００〜１０００℃に保持した状態で、ＡｌＧａＮ系半導体層を成長させる。
その後、例えば、真空蒸着法等により、コンタクト層１７上に、Ｔｉ層、Ａｌ層を順次積層し、２層構造のＮ型電極１８とする。また、Ｐ^＋−Ｓｉ基板の下面にＮｉ層、Ａｕ層を順次積層し、２層構造のＰ型電極１９とする。
以上により、本実施形態の発光ダイオードを製造することができる。
【００２５】
この発光ダイオードでは、順方向にバイアスを印加した状態、すなわち、Ｐ型電極１９に正の電圧を、Ｎ型電極１８に負の電圧を、印加した状態では、Ｐ型電極１９からホール（正孔）が、Ｎ型電極１８から電子がそれぞれ注入され、Ｐ型電極１９からＮ型電極１８に向かって電流が流れる。活性層１５内では、注入されたホール及び電子の双方のキャリアが存在することになるが、ホールと電子は活性層１５内で再結合し、この再結合により所定の波長、例えば４０５〜４８０ｎｍの波長の光が誘導放出される。
【００２６】
この発光ダイオードによれば、Ｐ型基板１１上に、Ｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体のバッファ層１２〜Ｎ型のＧａＮのコンタクト層１７を順次積層して半導体積層構造２０としたので、この半導体積層構造２０の各層における結晶性を向上させることができる。したがって、寿命特性を向上させることができる。また、最上部層であるコンタクト層１７のキャリア濃度を高めることができるので、動作時の抵抗を低下させることができる。
【００２７】
また、キャリア濃度が高くかつ低抵抗のＮ型のＧａＮからなるコンタクト層１７上にＮ型電極１８を形成したので、コンタクト層１７とＮ型電極１８との間の接触抵抗が無視できるほどに小さなものとなる。また、キャリア濃度が高くかつ低抵抗のＰ型基板１１の下面にＰ型電極１９を形成したので、Ｎ型電極１８と同様、Ｐ型基板１１とＰ型電極１９との間の接触抵抗も無視できるほどに小さなものとなる。
以上により、素子の主要部である半導体積層構造の個々の層の膜厚を薄くすることができ、素子全体の抵抗を低減することができる。したがって、素子の閾値電流を小さくすることができ、消費電力を低下させることができる。
【００２８】
「第２の実施形態」
図２は本発明の第２の実施形態の発光ダイオード（半導体装置）を示す断面図であり、ＩｎＧａＮ活性層を、この活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＧａＮクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造である。
【００２９】
図において、符号３１はＰ型のＧａＮ系半導体からなる下部クラッド層（第１の半導体層）、３２はＮ型のＧａＮ系半導体からなる上部クラッド層（第２の半導体層）であり、バッファ層１２〜上部クラッド層３２により半導体積層構造３３が構成されている。
【００３０】
下部クラッド層３１は、例えば、Ｍｇをドープした高キャリア濃度のＰ型のＧａＮ（ＧａＮ：Ｍｇ）により構成され、その膜厚は０．３〜０．５μｍである。
上部クラッド層３２は、例えば、Ｓｉをドープした高キャリア濃度のＮ型のＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）により構成され、その膜厚は０．３〜０．５μｍである。
本実施形態の発光ダイオードにおいても、第１の実施形態の発光ダイオードと全く同様の効果を奏することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の半導体積層構造によれば、Ｐ型の基板上に、Ｐ型のＧａＮ系半導体からなる第１の半導体層、Ｎ型のＧａＮ系半導体からなる第２の半導体層を順次積層したので、低抵抗であるＰ型の基板上に同じ導電型の第１の半導体層、キャリア濃度が大きい低抵抗のＮ型の第２の半導体層が順次積層されることとなり、第１及び第２の半導体層の結晶性を向上させることができる。したがって、第１及び第２の半導体層の厚みを薄くすることができ、積層構造の薄膜化を図ることができる。
【００３２】
本発明の半導体装置によれば、本発明の半導体積層構造を備えたので、この半導体積層構造における各半導体層の結晶性を向上させることで、寿命特性を向上させることができる。また、最上部層の第２の半導体層をＮ型のＧａＮ系半導体としたので、キャリア濃度を高めることができ、動作時の抵抗を低下させることができる。その結果、消費電力を低下させることができる。また、上記の各半導体層の結晶性が向上したことにより、各層の厚みを薄くすることができ、素子の小型化、省面積化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。
【図３】従来の発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
１１…Ｐ型基板、１２…バッファ層、１３…コンタクト層（第１の半導体層）、１４…下部クラッド層、１５…活性層、１６…上部クラッド層、１７…コンタクト層（第２の半導体層）、１８…Ｎ型電極、１９…Ｐ型電極、２０…半導体積層構造、３１…下部クラッド層（第１の半導体層）、３２…上部クラッド層（第２の半導体層）、３３…半導体積層構造。

Claims (8)

1. Ｐ型の基板上に、Ｐ型のＧａＮ系半導体からなる第１の半導体層が形成され、該第１の半導体層上にＮ型のＧａＮ系半導体からなる第２の半導体層が形成されてなることを特徴とする半導体積層構造。
2. 前記Ｐ型のＧａＮ系半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）であり、前記Ｎ型のＧａＮ系半導体は、Ａｌ_ｚＧａ_{１−ｚ−ｗ}Ｉｎ_ｗＮ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）であることを特徴とする請求項１記載の半導体積層構造。
3. 前記基板と、前記第１の半導体層との間には、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなるバッファ層が形成されてなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体積層構造。
4. 前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層との間には、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなる活性層が形成されてなることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体積層構造。
5. 前記ＩＩＩ族窒化物系半導体は、アンドープまたはドープされたＡｌ_ｕＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｉｎ_ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｕ＋ｖ≦１）であることを特徴とする請求項４記載の半導体積層構造。
6. 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の群から選択された１種を主成分としてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体積層構造。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載の半導体積層構造を備えてなることを特徴とする半導体装置。
8. 前記半導体積層構造の前記基板の一主面及び前記第２の半導体層の一主面各々に電極を設けてなることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。

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