JP2006032737A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 層構成および製造工程の簡略化が図れるようにした発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子１０は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の（１００）または（８０１）を主面とし、これらの主面に表面再配列によってＧａＮ層１２が形成され、このＧａＮ層１２上にＧａＮ系化合物薄膜を成長させている。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の下面には、ｎ電極１８が設けられ、ｎ電極１８の下面に発光層１４からの発光光を反射する反射層１９が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に関し、特に、層構成および製造工程の簡略化が図れるようにした発光素子に関する。

従来の半導体層は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるＡｌ_２Ｏ_３基板と、Ａｌ_２Ｏ_３基板の表面に形成されたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長して形成されたＧａＮ成長層とを備える（例えば、特許文献１参照。）。

この半導体層によれば、Ａｌ_２Ｏ_３基板とＧａＮ成長層との間にＡｌＮ層を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶品質の劣化を抑えることができる。

基板として用いることのできる材料の１つにβ−Ｇａ_２Ｏ_３がある。この材料は、バルク単結晶が得られ、単相であり、かつ原子スケールで平坦であるため、格子不整合が見られず、安定した成膜が可能になるという特徴がある。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶を基板に用い、この基板上に、ＡｌＧａＮ層、ｎ−ＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層および透明電極を順次形成して構成された発光素子が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、特許文献２には、β−Ｇａ_２Ｏ_３系の基板の（１０１）面上にＧａＮの（００１）面を成長させ、ＧａＮからなる薄膜を形成すると、ミスマッチングを小さくでき、前記ＧａＮからなる薄膜は均一な平面構造を持ったものになるため、格子不整合が生じず、これにより、バッファ層を設けることなく、ＧａＮからなる薄膜を形成しても、格子不整合を生じないことが開示されている。
特公昭５２−３６１１７号公報 特開２００４−５６０９８号公報（図７）

しかし、従来の発光素子によれば、格子不整合を生じない薄膜形成面は、（１０１）面についてのみ開示されており、（１０１）面以外の面に薄膜を形成することは考慮されていない。Ｇａ_２Ｏ_３単結晶の半導体成長面および劈開面との関係については、種々の検討がなされており、例えば、薄膜形成面を（１００）面，（８０１）面にし、また、これらに垂直な面で劈開することで、生産性の向上、Ｇａ_２Ｏ_３基板の上層の結晶性の向上、層構成の簡略化等を期待できるが、これらの面にＧａＮ層を形成することについては、上記特許文献２には開示されていない。

従って、本発明の目的は、層構成および製造工程の簡略化が図れるようにした発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、所定の面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板の前記主面に表面再配列（例えば窒化等）によって形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成された化合物薄膜とを備えたことを特徴とする発光素子を提供する。

本発明に係る発光素子によれば、所定の面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系基板にＧａＮ層を形成したことにより、層構成および製造工程の簡略化を図ることが可能な発光素子を得ることができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図を示す。なお、図１においては、結晶面の構造を理解し易くするため、基板上の半導体部分および基板下側の部分は、分離した状態で示している。

この発光素子１０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるとともにｎ型の導電性を示すＧａ_２Ｏ_３基板１１と、このＧａ_２Ｏ_３基板１１の（１００）面または（８０１）面を主面とし、この主面を窒化して形成されたＧａＮ層１２と、このＧａＮ層１２の上に、ｎ型の導電性を示すｎ−ＧａＮクラッド層１３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ型の導電性を示すｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、ｐ型の導電性を示すｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７とを順次積層したものである。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の下面には、オーミック接続によるｎ電極１８、およびｎ電極の下面に形成されてＩｎＧａＮ発光層１４からの発光光を反射する反射層１９とを積層してある。

Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、透光性を有し、結晶成長に優れる（１００）面または（８０１）面を発光層１４等の層の成長面としている。この（１００）面または（８０１）面を窒化して、ＧａＮ層１２が形成される。なお、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を窒化することにより形成されるＧａＮと格子定数が同一または近似する面であれば、（１００）面または（８０１）面に限らず、他の面であってもよい。

ＩｎＧａＮ発光層１４は、例えば、不純物を添加していないノンドープＩｎＧａＮからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をなしている。ＩｎとＧａの組成比を調節したり、ｐ型あるいはｎ型の導電性とすることにより、ＩｎＧａＮ発光層１４のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。

ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。ｐ電極１７の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。

ｎ電極１８の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。

＜基板の形成方法＞
次に、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の形成方法について説明する。まず、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の素材となるβ−Ｇａ₂Ｏ_３単結晶を作成する。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶は、ＦＺ（フローティングゾーン）法により製造される。最初に、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材を準備する。

β−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ_２Ｏ_３粉末をゴム管に充填し、それを５００ＭＰａで冷間圧縮した後、１５００℃で１０時間焼結することにより得られる。

次に、石英管中において、全圧が１〜２気圧の窒素と酸素の混合気体（１００％窒素から１００％酸素の間で変化）の雰囲気の下、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶をβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶の軸方向と同じ方向（ａ軸、ｂ軸、あるいはｃ軸の方向）に成長させる。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶を冷却していき、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を得る。このようにして作製したＧａ_２Ｏ_３基板１１の比抵抗を測定した結果、室温で０．１Ω・ｃｍ以下の値が得られた。

なお、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるなることを基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分としたＧａ_２Ｏ_３系化合物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるガリウム系酸化物基板を得ることができる。

＜ＧａＮ層の形成方法＞
次に、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を窒化して、ＧａＮ層１２を形成する方法について説明する。（１００）面または（８０１）面が上になるようにして、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１をＭＯＣＶＤ装置の成長炉内に設置し、気圧を含む雰囲気、加熱温度および加熱時間を適宜選択し、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を所定時間加熱することにより、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の酸素原子が、窒素原子によって置換され、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の表面にＧａＮ層１２が形成される。例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を７６０ｔｏｒｒのＮＨ_３雰囲気中で１０５０℃、５分加熱することにより、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の表面にＧａＮ層１２が形成される。

＜ＧａＮ系化合物薄膜の形成方法＞
ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、ＧａＮ系化合物からなるＧａＮ系化合物薄膜であり、ＧａＮ層１２の形成と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。ＩｎＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３を用い、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ_３を用いる。また、キャリアガスは、Ｈｅを用いる。なお、ＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとして、ＴＭＧおよびＮＨ_３を用いてもよい。

なお、ＧａＮ系化合物は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ等のIII族元素等の添加物を含むものである。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、一般式Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａＮ系化合物薄膜を用いることができる。

また、前述した窒化とこのＧａＮ系化合物薄膜の形成とを同時に行ってもよい。

＜キャリア濃度が異なる薄膜の形成＞
ＭＯＣＶＤ装置により、ｎ−ＧａＮクラッド層１３およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６のように、ＧａＮのキャリア濃度を変えるには、ＧａＮに添加するｎ型ドーパントあるいはｐ型ドーパントの量を変えることにより行う。

ＭＯＣＶＤ装置によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、ｎ−ＧａＮクラッド層１３，ｐ−ＧａＮコンタクト層１６を形成するには、以下のように行う。まず、反応容器内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてＧａ_２Ｏ_３基板１１を保持する。そして、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０^−６モル/ｍｉｎ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を６×１０^−６モル／ｍｉｎ、モノシラン（ＳｉＨ_４）を２２×１０^−１１モル／ｍｉｎで流して、６０分問成長させ、ＳｉドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ（ｎ−ＧａＮクラッド層１３）を３μｍの膜厚で成長させる。

また、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０^―６モル／ｍｉｎでビスジクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）とともに流して、ＭｇドープＧａＮ（ｐ−ＧａＮコンタクト層１６）を１μｍの膜厚で成長させる。

この実施の形態に係る発光素子１０において、一般式Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるｐ型およびｎ型の導電性を有する物質からなる薄膜は、それぞれ１層以上形成される。

なお、ｎ−ＧａＮクラッド層１３の代わりに、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＡｌＮを成長させてもよい。ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮ層１２との格子定数をほぼ一致させることができ、ＩｎＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮ層１２との格子定数を一致させることが可能である。

＜第１の実施の形態の効果＞
この第１の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の（１００）面または（８０１）面を窒化してＧａＮ層１２を形成したことにより、個別にバッファ層を設ける必要がなくなり、層構成および製造工程の簡略化を図ることができる。
（ロ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１にＧａＮ層１２を形成しているため、高い結晶品質が得られるとともに、良好な平坦性を得ることができる。そのため、ＧａＮ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができ、発光効率を高めることができる。
（ハ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１およびＧａＮ層１２は、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子１０の全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができ、発光素子１０の寿命を長くすることができる。
（ニ）反射層１９は、ｎ電極１８に到達した発光光をｐ電極１７側に反射させて、発光光をｐ電極１７側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
（ホ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１がβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるため、結晶性の高いｎ型導電性を示す基板１１を形成することができる。
（ヘ）発光素子１０は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎＧａＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光光率が大幅に向上する。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１０は、第１の実施の形態において、ＧａＮ層１２の下側にＧａ_２Ｏ_３層２０を形成した構成に特徴があり、他の構成は第１の実施の形態と同様である。

Ｇａ_２Ｏ_３層２０は、例えば、ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長することにより形成され、このＧａ_２Ｏ_３層２０の表面を第１の実施の形態で説明したようにして窒化することにより、ＧａＮ層１２が形成される。

この第２の実施の形態に係る発光素子１０によれば、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の（１００）面または（８０１）面を主面とし、これらの主面にＧａ_２Ｏ_３層２０をエピタキシャル成長させ、このＧａ_２Ｏ_３層２０を窒化してＧａＮ層１２を形成したことにより、Ｇａ_２Ｏ_３層２０とＧａ_２Ｏ_３基板１１の間の格子定数を同等にでき、結晶品質の高いＧａ_２Ｏ_３層２０およびＧａＮ層１２が得られ、（１００）面または（８０１）面に半導体層を形成できる。また、ＧａＮ層１２がバッファ層として機能するので、バッファ層を別途設ける必要がないため、層構成および製造工程の簡略化を図ることができる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１０は、第２の実施の形態において、ｎ−ＧａＮクラッド層１３を除去し、ＩｎＧａＮ発光層１４をＧａＮ層１２上に成長させるようにした構成であり、他の構成は第２の実施の形態と同様である。

この第３の実施の形態に係る発光素子１０によれば、ＧａＮ層１２上にＩｎＧａＮ発光層１４を成長させているため、短い波長まで発光させることができる。また、Ｇａ_２Ｏ_３層２０がバッファ層として機能し、ＧａＮ層１２がクラッド層として機能するため、層相互間の格子定数を同等にでき、結晶品質の高い層構成を得ることができる。更に、バッファ層およびクラッド層を別途設ける必要がないため、層構成および製造工程の簡略化を図ることができる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。

［他の実施の形態］
なお、本発明に係る発光素子１０は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。

［変形例］
本発明の実施の形態において、基板は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるものとして説明したが、各種の元素を添加したＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなるものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１０ 発光素子
１１ Ｇａ_２Ｏ_３基板
１２ ＧａＮ層
１３ ｎ−ＧａＮクラッド層
１４ ＩｎＧａＮ発光層
１５ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１７ ｎ電極
１８ ｐ電極
１９ 反射層
２０ Ｇａ_２Ｏ_３層

Claims (6)

1. 所定の面を主面とするＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、
   前記基板の前記主面に表面再配列によって形成されたＧａＮ層と、
   前記ＧａＮ層上に形成された化合物薄膜とを備えたことを特徴とする発光素子。
2. 前記ＧａＮ層は、前記主面にエピタキシャル成長により形成されたＧａ_２Ｏ_３系層上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記基板は（１００）面または（８０１）面を前記主面とすることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の発光素子。
4. 前記化合物薄膜は、ＧａＮ系であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
5. 前記ＧａＮ層は、表面に発光層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
6. 前記発光層は、ＡｌＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。