JP2005294794A - 窒化ガリウム系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関するものである。
【解決手段】窒素化処理された上面を有するサファイア基板（１１）と、上記基板（１１）上に形成され、ＭｇＮ系単結晶から成る極性変換層（１３）と、上記極性変換層（１３）上に形成された第１導電型窒化ガリウム系半導体層（１４）と、上記第１導電型窒化ガリウム系半導体層（１４）上に形成された活性層（１６）と、上記活性層（１６）上に形成された第２導電型窒化ガリウム系半導体層（１８）とを含む窒化ガリウム系半導体発光素子（１０）を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に関するもので、より詳しくは窒化ガリウム系半導体の結晶性を向上させた窒化ガリウム系半導体発光素子とその製造方法に関するものである。

一般に、窒化ガリウム系半導体発光素子は青色または緑色波長帯の光を得るために使用される発光素子として、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する半導体物質から成る。窒化ガリウム系半導体結晶層（以下、窒化ガリウム系半導体層という）はサファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板またはＳｉＣ基板等の異種基板上に成長させることができる。とりわけ、サファイア基板は窒化ガリウムと同じ六方晶系構造を有し、ＳｉＣ基板より安価ながら高温において安定しているので主に使用されている。

しかしながら、サファイア基板もやはり窒化ガリウムと約１３％の格子定数差を有し、熱膨張係数差（−３４％）も大きいので、サファイア基板と窒化ガリウム単結晶との界面にストレインが発生し、これにより結晶内に格子欠陥及びクラックが生じかねない。

こうした問題を解決しより優れた単結晶を得るための従来の一方案として、サファイア基板上にバッファ層を形成するヘテロエピタキシ（ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｙ）法が挙げられる。主に、上記バッファ層にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのような物質から成る低温核成長層が使用される。しかし、上記低温核成長層は多結晶層なので、その上に形成される窒化ガリウム系半導体層は少なからず結晶欠陥密度（１０^９〜１０^１０／ｃｍ^２レベル）を有することが分かっている。また、サファイア基板上に熱洗浄（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ）工程が必需的に要求され、低温核成長層の成長温度と厚さの工程条件が大変敏感なので適切な範囲に制御することが困難であり、結局工程制御が複雑となり、多くの工程時間がかかる問題がある。

これと異なり、サファイア基板上面に窒素化処理（ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）を施した後に窒化ガリウム系半導体層を成長させる方法がある。こうした方法においては、サファイア基板の粗い表面状態を改善し表面エネルギーを減少させることにより優れた結晶の窒化ガリウム系半導体層を成長させることができる。

上記窒素化処理方法はバッファ層方式より比較的簡単な工程であるが、優れた半導体結晶の成長に大きな欠点がある。こうした欠点は窒素化処理されたサファイア表面に成長させる窒化ガリウム系半導体層が窒素の豊富な（ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｒｉｃｈ）表面を有する事実に起因する。こうした窒素の豊富な表面を有する窒化ガリウム系半導体層の主要極性（ｍａｊｏｒ ｐｏｌａｒｉｔｙ）はＮ極性であらわれ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ ３６、Ｌ７３ ２０００参照）。Ｎ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体層はガリウムの豊富な（Ｇａｌｌｉｕｍ−ｒｉｃｈ）表面を有するＧａ極性より不純物として作用する物質がはるかに結合しやすくなる。これによりＮ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体の結晶性がＧａ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体層より結晶性が低くなることが分かっている。したがって、当技術分野においては、発光構造物のための高品質半導体結晶層を成長させる最適条件を満足する結晶膜を採用できる窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法が要求されてきた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためのもので、窒化ガリウム系半導体層の結晶性と表面特性を改善すべく、Ｇａ極性の表面を有する窒化ガリウム系半導体層を成長させられる極性変換層（ｐｏｌａｒｉｔｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を導入した窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することにある。

上記した技術的課題を解決すべく、本発明は、窒素化処理された上面を有するサファイア基板と、上記基板の上面に形成され、ＭｇＮ系単結晶から成る極性変換層と、上記極性変換層上に形成された第１導電型窒化ガリウム系半導体層と、上記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に形成された活性層と、上記活性層上に形成された第２導電型窒化ガリウム系半導体層とを含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供する。

本発明の一実施形態においては。上記極性変換層として組成式（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚ）Ｍｇ_{３−（ｘ＋ｙ＋ｚ）}Ｎ_２を満足する物質を使用でき、上記組成式において、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜３である。他の実施形態においては、上記極性変換層として、組成式Ｓｉ_ａＭｇ_３−ａＮ_２を満足する物質を使用でき、上記組成式において０≦ａ≦１である。本発明に用いる極性変換層はＭＢＥまたはＭＯＣＶＤ法により形成することができる。また、本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子は上記サファイア基板と上記極性変換層との間に形成されるバッファ層をさらに含むことができる。本発明において、極性変換層（ｐｏｌａｒｉｔｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）という用語は、その層上に形成される窒化ガリウム系半導体層が窒素の豊富な（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｒｉｃｈ）Ｎ極性表面を有する条件においてもガリウムの豊富な（Ｇａｌｌｉｕｍ−ｒｉｃｈ）Ｇａ極性表面（即ち、上面）を有することができるよう設けられる結晶層のことをいう。本発明は、こうした極性変換層を窒素化処理されたサファイア表面に提供することにより後続成長させられる窒化ガリウム系半導体層の結晶性と表面特性を向上させることができる。

上述したように、本発明によると、窒素化処理されたサファイア基板上にＭｇＮ系極性変換層を設けることにより後続成長させる窒化ガリウム系半導体層がＧａ極性表面を有するよう成長させることができる。したがって、従来のＮ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体層より優れた結晶性と表面特性を有する窒化ガリウム系半導体層で発光構造物を形成することにより最終的な窒化ガリウム系発光素子の特性を向上させることができる。

以下、添付された図面に基づいて本発明をより詳しく説明する。

図１は本発明の一実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子を示す側断面図である。図１によると、上記窒化ガリウム系半導体発光素子（１０）はサファイア基板（１１）上に形成されたＭｇＮ系極性変換層（１３）を含み、上記極性変換層（１３）上には第１導電型窒化ガリウム系半導体層（１４）、アンドープ活性層（１６）及びｐ型クラッド層（１８）が順次形成される。また、上記窒化ガリウム系半導体発光素子（１０）は上記第１導電型窒化ガリウム系半導体層（１４）と上記第２導電型窒化ガリウム系半導体層（１８）に各々接続された第１及び第２電極（１９ａ、１９ｂ）を含む。上記活性層（１６）はＧａＮの量子障壁層とＩｎＧａＮの量子井戸層とを複数回交互積層した多重量子井戸構造である。

本発明による極性変換層（１３）はサファイア基板（１１）の窒素化処理された表面（１１ａ）上に設けられる。上記サファイア基板（１１）の表面（１１ａ）は窒素化処理され複数の窒素ダングリングボンディング（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄｉｎｇ）を含み、その上に直接成長させられる窒化ガリウム系半導体層も窒素の豊富なｎ極性表面を有する。このように後続工程において成長させる窒化ガリウム系半導体層の表面極性を変換させるために、本発明においては極性変換層が用いられる。

上記極性変換層（１３）はＭｇＮ系結晶から成り、上記極性変換層のＭｇはサファイア基板表面の窒素ダングリングボンディングと結合することにより、後続工程において成長させられる窒化ガリウム系半導体層がＧａ極性表面を有するよう成長させることができる。

好ましくは、本発明に用いられる極性変換層としては組成式（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚ）Ｍｇ_{３−（ｘ＋ｙ＋ｚ）}Ｎ_２を満足する物質（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜３）、またはＳｉ_ａＭｇ_３−ａＮ_２を満足する物質（ここで、０＜ａ＜３）が使用されることができる。また、上記極性変換層は０．００１〜０．５μｍの厚さで成長させることが好ましい。

このように本発明においては、窒素化処理されたサファイア基板上にＭｇＮ系極性変換層を形成することによりガリウムの豊富な面を有する窒化ガリウム半導体層を形成することができる。

こうしたガリウムの豊富なＧａ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体層は窒素の豊富な表面を有する表面より不純物として作用する物質と結合し難く、結晶成長を妨げるヘキサゴナル（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）面形状を有していないので、高品質の結晶性を有する窒化ガリウム系半導体層で発光構造物を形成することができる。

本発明による発光素子はさらに窒素化処理されたサファイア基板上に追加的なバッファ層として低温核成長層のような他の半導体層を形成することができる。こうした実施形態において、上記ＭｇＮ系極性変換層はバッファ層上に設けられ、図１に示す形態のように、後続工程において成長させられる窒化ガリウム系半導体層の表面極性を変化させることができる。

（実施例）
本発明に用いるＭｇＮ系極性変換層の効果を確認するために、サファイア基板上に窒素化処理を施した。次いで、サファイア基板の窒素化処理した表面に極性変換層として（ＡｌＧａＮ）ＭｇＮ結晶をＭＯＣＶＤ工程を利用して形成した後、連続的にＧａＮ層を形成した。

図２（Ａ）は本実施例から得られた、極性変換層上に形成されたＧａＮ層の表面を走査顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真である。ＧａＮ層の表面極性を確認するために、８５℃において１０分間ＫＯＨを利用してエッチングした。その結果得られたＧａＮ層の表面は図２（Ｂ）に示してある。

図２（Ｂ）のように、エッチング後にも、ＧａＮ層の表面モルホロジーはほぼ変化しないことがわかる。これは、ＧａＮ層の表面が、ＫＯＨとほぼ反応しないガリウムが豊富な表面であるからである。このように、ＭｇＮ系極性変換層を用いることにより所望のＧａ極性表面を有するＧａＮ層を成長させることができる。

（比較例）
本比較例においては、従来と同一の方式によりサファイア基板上にＧａＮ層を形成した。即ち、サファイア基板上に上記実施例と同一な条件で窒素化処理を施した後、その表面上にＭＯＣＶＤ工程によりＧａＮ層を直接形成した。

図３（Ａ）は本比較例から得られた、サファイア基板の窒素化処理した表面上に形成されたＧａＮ層表面のＳＥＭ写真である。次いで、ＧａＮ層の表面極性を確認するために、上記実施例のエッチング条件と同一に、８５℃において１０分間ＫＯＨを利用してエッチングした。その結果得られたＧａＮ層の表面は図３（Ｂ）に示してある。

図３（Ｂ）に示すように、本比較例から得られたＧａＮ層の表面モルホロジーは相当な変化が見られた。より詳しくは、上記ＧａＮ層は上記実施例によるＧａＮ層の表面と異なり、ＫＯＨにより多くの部分エッチングされ、結果としてヘキサゴナル面形状を有することが分かった。これはＧａＮ層のエッチングされた表面が窒素の豊富な面であるので、ＫＯＨに対して高いエッチング率を示すためである。したがって、ＭｇＮ系極性変換層を用いずに、窒素化処理されたサファイア基板上に直接形成されたＧａＮ層は窒素の豊富なｎ極性表面であることが分かる。

本発明においてはＭｇＮ系極性変換層を窒素化処理されたサファイア基板上に設けることにより後続工程において成長させる窒化ガリウム系半導体層がガリウムの豊富なＧａ極性表面を有するようにさせることができる。こうしたガリウムの豊富なＧａ極性表面を有する窒化ガリウム系半導体層は窒素の豊富な表面を有する表面に比べて不純物として作用する物質との結合を起こし難く、結晶成長を妨げるヘキサゴナル面形状を有していないので、高品質の結晶性を有する窒化ガリウム系半導体層から成る発光構造物を提供することができる。

このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるわけではなく、添付の請求の範囲により限定される。したがって、請求の範囲に記載される本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては明らかであろう。

本発明の一実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の側断面図である。 本発明の一実施例から得られた窒化ガリウム単結晶層の表面状態をエッチング前後に撮影した走査顕微鏡写真である。 従来の方式により得られた窒化ガリウム単結晶層の表面状態をエッチング前後に撮影した走査顕微鏡写真である。

符号の説明

１１ サファイア基板
１３ ＭｇＮ系極性変換層
１４ 第１導電型窒化ガリウム系半導体層
１６ 活性層
１８ 第２導電型窒化ガリウム系半導体層
１９ａ、１９ｂ 第１及び第２電極

Claims (6)

1. 窒素化処理された上面を有するサファイア基板と、
   上記基板上に形成され、ＭｇＮ系単結晶から成る極性変換層と、
   上記極性変換層上に形成された第１導電型窒化ガリウム系半導体層と、
   上記第１導電型窒化ガリウム系半導体層上に形成された活性層と、
   上記活性層上に形成された第２導電型窒化ガリウム系半導体層と、
   を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
2. 上記極性変換層は組成式（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚ）Ｍｇ_{３−（ｘ＋ｙ＋ｚ）}Ｎ_２を満足する物質から成り、上記組成式において０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜３であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
3. 上記極性変換層は組成式Ｓｉ_ａＭｇ_３−ａＮ_２を満足する物質から成り、上記組成式において０＜ａ＜３であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
4. 上記極性変換層はＭＢＥまたはＭＯＣＶＤ法により形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
5. 上記サファイア基板と上記極性変換層との間に形成されたバッファ層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
6. 上記極性変換層は０．００１〜０．５μｍの厚さであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。