JP2006032738A - Light emitting element - Google Patents
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Abstract
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、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting element such as a light emitting diode and a laser diode, and more particularly to a light emitting element capable of improving yield and mass productivity.
従来の発光素子として、例えば、Ａｌ2Ｏ３からなるＡｌ2Ｏ３基板と、Ａｌ2Ｏ３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成長層とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。 As a conventional light emitting device, for example, Al and the Al 2 O 3 substrate made of 2 O 3, and AlN layer formed on the Al 2 O 3 surface of the substrate, MOCVD on the AlN layer (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method And a GaN growth layer formed by epitaxial growth according to the above (for example, see Patent Document 1).
この発光素子によれば、Ａｌ2Ｏ３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。
しかし、従来の半導体素子によれば、半導体基板を大型化、高品質化しようとすると、双晶化やクラッキングを生じさせないことが重要になるが、方位の定まっていないβ−Ｇａ2Ｏ３単結晶で基板を作製する場合、クラッキングが生じるため、劈開面（１００）以外の方位で切断することが難しい。β−Ｇａ2Ｏ３単結晶において半導体を成長させやすいのは、（００１）、（８０１）、（０１０）等の面であるが、上記したように、劈開面が（１００）面に限定されてしまうと、基板の外形を構成する面として利用できない面が生じる。また、劈開面が１つに限定されると、歩留りや量産性に限界が生じる。 However, according to the conventional semiconductor element, it is important not to cause twinning or cracking when trying to increase the size and quality of the semiconductor substrate, but β-Ga 2 O 3 single unit with no fixed orientation. When a substrate is made of crystals, cracking occurs, so that it is difficult to cut in a direction other than the cleavage plane (100). In the β-Ga 2 O 3 single crystal, it is easy to grow a semiconductor on the planes such as (001), (801), and (010). However, as described above, the cleavage plane is limited to the (100) plane. As a result, a surface that cannot be used as a surface constituting the outer shape of the substrate is generated. Further, when the cleavage plane is limited to one, the yield and mass productivity are limited.
従って、本発明の目的は、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light-emitting element capable of improving yield and mass productivity.
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate, wherein the substrate is a surface on which the compound thin film is grown. Is a (100) plane or a (801) plane, and is formed by cleaving or cutting along the (001) plane.
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate, wherein the substrate is a surface on which the compound thin film is grown. Is a (100) plane, and is formed by cleaving or cutting along the (100) plane, the (001) plane, or the (100) plane and the (001) plane.
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate, wherein the substrate is a surface on which the compound thin film is grown. Is a (001) and is formed by cleaving or cutting along the (100) plane.
本発明に係る発光素子によれば、化合物薄膜を成長させるのに適した複数の面に対し、それぞれの劈開面および切断面を広く選定できるようにしたため、歩留りや量産性の向上を可能にした発光素子を得ることができる。 According to the light emitting device of the present invention, it is possible to select a wide variety of cleavage planes and cut planes for a plurality of planes suitable for growing a compound thin film, thereby improving yield and mass productivity. A light emitting element can be obtained.
［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は分離した状態で示している。この発光素子１０は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなるｎ型導電性を示すＧａ２Ｏ３基板１１の上に、ＧａＮからなる低温（ＬＴ）バッファ層としてのＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４（ただし、０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌｙＧａｘＮからなるｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を順次積層したものである。Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面は、Ｇａ２Ｏ３基板１１に接してｎ電極１８が設けられ、最下層には、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ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。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the semiconductor portion on the substrate is shown in a separated state for easy understanding of the structure of the crystal plane. This light-emitting element 10 includes a GaN buffer layer 12 as a low-temperature (LT) buffer layer made of GaN, an n-type, on a Ga 2 O 3 substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 single crystal and showing n-type conductivity. n-GaN cladding layer 13 made of GaN exhibiting conductivity, In (1-x) Ga x n a layer comprising a multiple quantum well structure (MQW) In (1-x ) Ga x n light-emitting layer 14 ( However, 0 ≦ x ≦ 1), p-Al y Ga x N cladding layer 15 made of Al y Ga x N exhibiting p-type conductivity (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y) ≦ 1), a p-GaN contact layer 16 made of GaN exhibiting p-type conductivity, and a p-electrode 17 are sequentially stacked. The lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11, n electrode 18 is provided in contact with the Ga 2 O 3 substrate 11, the bottom layer, and reflects the light emitted from the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 A reflective layer 19 is provided.
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断されている。なお、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（０１０）面である場合、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断してもよい。また、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（００１）面である場合、（１００）面に沿って劈開または切断してもよい。ここで、切断は、ダイシングまたはスクライビングにより行なう。 In the Ga 2 O 3 substrate 11, the growth surface of the GaN buffer layer 12 is the (100) plane or the (801) plane, and is cleaved or cut along the (001) plane. When the growth surface of the GaN buffer layer 12 is the (010) plane, it may be cleaved or cut along the (100) plane, the (001) plane, or the (100) plane and the (001) plane. Further, when the growth surface of the GaN buffer layer 12 is the (001) plane, it may be cleaved or cut along the (100) plane. Here, the cutting is performed by dicing or scribing.
ＧａＮバッファ層１２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いてＧａ２Ｏ３基板１１上に形成する。 The GaN buffer layer 12 is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11 using an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus.
Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ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、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ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。 The In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 is formed of, for example, a semiconductor made of non-doped InGaN to which no impurity is added, and has a single quantum well or multiple quantum well structure (MQW). The emission wavelength can be changed by changing the band gap of the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 by adjusting the composition ratio of In and Ga or by using p-type or n-type conductivity. it can.
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。このｐ電極１７は、透明であることが好ましい。 The p electrode 17 is formed on the p-GaN contact layer 16 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material of the p-electrode 17, a simple metal such as Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn, or at least two kinds of alloys thereof (for example, Au—Zn alloy, Au—Be) Alloys), those forming these in a two-layer structure (for example, Ni / Au), ITO, or the like can be used. The p electrode 17 is preferably transparent.
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。 As a material for the n-electrode 18, a simple metal such as Au, Al, Co, Ge, Ti, Sn, In, Ni, Pt, W, Mo, Cr, Cu, Pb, or at least two kinds of these alloys (for example, (Au—Ge alloy), those formed in a two-layer structure (for example, Al / Ti, Au / Ni, Au / Co), ITO, or the like can be used.
＜基板の形成方法＞
次に、Ｇａ２Ｏ３基板１１の形成方法について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３基板１１の素材となるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶を作成する。このβ−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材を準備する。
<Substrate formation method>
Next, a method for forming the Ga 2 O 3 substrate 11 will be described. First, a β-Ga 2 O 3 single crystal serving as a material for the Ga 2 O 3 substrate 11 is prepared. This β-Ga 2 O 3 single crystal is manufactured by the FZ (floating zone) method. First, a β-Ga 2 O 3 seed crystal and a β-Ga 2 O 3 polycrystalline material are prepared.
β−Ｇａ２Ｏ３種結晶は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、ａ軸＜１００＞方位、ｂ軸＜０１０＞方位、あるいはｃ軸＜００１＞方位にある。 The β-Ga 2 O 3 seed crystal has a prismatic shape with a square section cut out from the β-Ga 2 O 3 single crystal by use of a cleavage plane or the like, and its axial direction is the a-axis <100> orientation, the b-axis It is in the <010> orientation or the c-axis <001> orientation.
β−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ２Ｏ３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。 The β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is obtained, for example, by filling a rubber tube with 4N purity Ga 2 O 3 powder, cold-compressing it at 500 MPa, and sintering at 1500 ° C. for 10 hours. .
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−Ｇａ２Ｏ３種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶を冷却していき、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶を得る。 Next, in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen and oxygen (changed between 100% nitrogen and 100% oxygen) having a total pressure of 1 to 2 atm in a quartz tube, β-Ga 2 O 3 seed crystal and β The tips of the —Ga 2 O 3 polycrystalline material are brought into contact with each other, and the contact portions are heated and melted. When the melted β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is cooled, the β-Ga 2 O 3 single crystal is converted into the same direction as the axial direction of the β-Ga 2 O 3 seed crystal (a-axis, b-axis, or c direction). Furthermore, we intend to dissolve the β-Ga 2 O 3 polycrystalline away from the seed crystal, dissolved β-Ga 2 O 3 polycrystal gradually cooled to obtain a β-Ga 2 O 3 single crystal.
β−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させる場合は、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面、例えば、（００１）面に沿った面で劈開または切断してβ−Ｇａ２Ｏ３基板を作製する。これにより、クラック等の発生を低減することが可能になる。 When the β-Ga 2 O 3 single crystal is grown in the b-axis <010> orientation, the cleavage of the (100) plane becomes strong, so a plane perpendicular to the plane parallel to the (100) plane, for example, A β-Ga 2 O 3 substrate is produced by cleaving or cutting along a plane along the (001) plane. Thereby, generation | occurrence | production of a crack etc. can be reduced.
このようにして作製したＧａ２Ｏ３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。 As a result of measuring the specific resistance of the Ga 2 O 3 substrate 11 thus produced, a value of 0.1 Ω · cm or less was obtained at room temperature.
なお、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３から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を主成分とした酸化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、（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるガリウム酸化物基板を得ることができる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is basically composed of β-Ga 2 O 3, but one type selected from the group consisting of Cu, Ag, Zn, Cd, Al, In, Si, Ge, and Sn. You may comprise with the oxide which made Ga the main component which added the above. By adding these elements, the lattice constant or band gap energy can be controlled. For example, by adding elements of Al and In, (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) ) Can be obtained.
＜バッファ層の形成方法＞
次にＧａＮからなるＧａＮバッファ層１２の形成方法を説明する。まず、化合物薄膜を形成する面が上になるようにして、Ｇａ２Ｏ３基板１１を反応容器内に保持する。そして、Ｇａ２Ｏ３基板１１の表面の温度が５８０℃±５０℃となるように反応容器内の温度を調節する。反応容器内を１００ｔｏｒｒまで減圧し、反応容器内にＧａ供給原料としてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）と窒素源としてのＮＨ３を供給して、ＧａＮバッファ層１２を形成する。ＧａＮバッファ層１２が形成されるＧａ２Ｏ３基板１１の面方位は、（１００）面に対して±２０°である。なお、ＧａＮバッファ層１２は、低温バッファ層であるため、平坦性のあるバッファ層１２の形成が期待できる。また、ＧａＮバッファ層１２の代わりに、ＡｌＮからなるバッファ層１２を形成してもよい。また、成長面は、（１００）面以外の面であってもよい。
<Method for forming buffer layer>
Next, a method for forming the GaN buffer layer 12 made of GaN will be described. First, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held in the reaction vessel with the surface on which the compound thin film is formed facing up. Then, the temperature in the reaction vessel is adjusted so that the temperature of the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 becomes 580 ° C. ± 50 ° C. The inside of the reaction vessel is depressurized to 100 torr, and TMG (trimethylgallium) as a Ga feedstock and NH 3 as a nitrogen source are supplied into the reaction vessel to form the GaN buffer layer 12. The plane orientation of the Ga 2 O 3 substrate 11 on which the GaN buffer layer 12 is formed is ± 20 ° with respect to the (100) plane. In addition, since the GaN buffer layer 12 is a low-temperature buffer layer, formation of the buffer layer 12 with flatness can be expected. Further, instead of the GaN buffer layer 12, a buffer layer 12 made of AlN may be formed. The growth surface may be a surface other than the (100) surface.
＜ＧａＮ系化合物薄膜の形成方法＞
ＧａＮ系化合物からなるＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、ＧａＮバッファ層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およびＮＨ３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ＮＨ３を用いる。キャリアガスは、バッファの形成方法と同様にＨｅを用いる。なお、ＧａＮ薄膜を形成するためには、前述したバッファ層１２の形成方法と同様の原料ガスおよびキャリアガスを用いる。
<Method for forming GaN-based compound thin film>
An n-GaN clad layer 13, an In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14, a p-Al y Ga x N clad layer 15, and a p-GaN contact layer 16 that are GaN-based compound thin films made of a GaN-based compound. Is formed by MOCVD as in the formation of the GaN buffer layer 12. In order to form an InGaN thin film, TMI (trimethylindium), TMG, and NH 3 are used as source gases, and in order to form an AlGaN thin film, TMA, TMG, and NH 3 are used as source gases. As the carrier gas, He is used as in the buffer formation method. In order to form the GaN thin film, the same raw material gas and carrier gas as those used in the method for forming the buffer layer 12 described above are used.
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ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａＮ系化合物薄膜を得ることができる。 The GaN-based compound includes an additive such as a group III element such as B, Al, In, or Tl. For example, by adding elements of Al and In, the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The expressed GaN-based compound thin film can be obtained.
＜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。
<Formation of thin films with different carrier concentrations>
In order to change the carrier concentration of GaN as in the case of the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the amount of n-type dopant or p-type dopant added to GaN is changed.
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Ｇａ２Ｏ３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（ＳｉＨ４）を２２×１０−１１モル／ｍｉｎで流して、６０分問成長させ、ＳｉドープＧａ０．９Ａｌ０．１Ｎ（ｎ−ＧａＮクラッド層１３）を３μｍの膜厚で成長させる。 In order to form thin films having different carrier concentrations, for example, the n-GaN clad layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the following process is performed. First, in the reaction vessel, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held so that the surface on which the thin film is formed is up. Then, the temperature in the reaction vessel is set to 1080 ° C., TMG is 54 × 10 −6 mol / min, TMA (trimethylaluminum) is 6 × 10 −6 mol / min, and monosilane (SiH 4 ) is 22 × 10 −11 mol. The Si-doped Ga 0.9 Al 0.1 N (n-GaN cladding layer 13) is grown to a thickness of 3 μm.
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（Ｃｐ２Ｍｇ）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。 Further, the temperature in the reaction vessel was set to 1080 ° C., TMG was flowed at 54 × 10 −6 mol / min together with bisdiclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), and Mg-doped GaN (p-GaN contact layer 16) was flown. Growing with a film thickness of 1 μm.
この実施の形態に係る発光素子１０において、一般式ＧａｘＡｌｙＩｎ（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。 In the light emitting element 10 according to this embodiment, it is represented by the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). One or more thin films each made of a p-type and n-type conductive material are formed.
なお、ｎ−ＧａＮクラッド層１３の代わりに、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＡｌＮからなる層を成長させてもよい。ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮバッファ層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バッファ層１２との格子定数を一致させることが可能である。 Instead of the n-GaN cladding layer 13, a layer made of InGaN, AlGaN or InGaAlN may be grown. In the case of InGaN and AlGaN, the lattice constant with the GaN buffer layer 12 can be substantially matched, and in the case of InAlGaN, the lattice constant with the GaN buffer layer 12 can be matched.
＜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）Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面または（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラック等の発生が抑制され、歩留りおよび量産性を向上させることができる。
（ロ）Ｇａ２Ｏ３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層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るので、発光効率を高めることができる。
（ハ）Ｇａ２Ｏ３基板１１上に結晶品質の良好なＧａＮ系化合物からなる薄膜を成長させることができるため、４１０ｎｍ付近をピークとして強く発光する。
（ニ）β−Ｇａ２Ｏ３による基板１１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るので、発光素子１０の寿命を長くすることができる。
（ホ）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。
（へ）Ｇａ２Ｏ３基板１１がβ−Ｇａ２Ｏ３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。
（ト）この発光素子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Ｉｎ（ｌ−ｘ）ＧａｘＮ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。
<Effect of the first embodiment>
The light emitting device 10 according to the first embodiment has the following effects.
(A) The Ga 2 O 3 substrate 11 is cleaved or cut along the (001) plane if the formation surface of the GaN buffer layer 12 is the (100) plane or the (801) plane. If the formation surface is the (010) plane, cleaving or cutting along the (100) plane or the (001) plane can suppress the occurrence of cracks and the like, thereby improving yield and mass productivity.
(B) Since the GaN buffer layer 12, which is a low-temperature buffer layer, is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11, the flatness is good. Therefore, deterioration of the crystal quality of the thin film made of the GaN-based compound laminated on the GaN buffer layer 12 can be suppressed, so that the light emission efficiency can be increased.
(C) Since a thin film made of a GaN-based compound with good crystal quality can be grown on the Ga 2 O 3 substrate 11, it emits intensely with a peak at around 410 nm.
(D) Since the substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 has conductivity, a light emitting diode having a vertical electrode structure can be formed, and as a result, the entire light emitting element 10 can be used as a current path. Since the current density can be lowered, the life of the light emitting element 10 can be extended.
(E) The reflection layer 19 reflects the emitted light reaching the n-electrode 18 to the p-electrode 17 side and emits the emitted light from the p-electrode 17 side, so that the emitted light can be emitted efficiently.
(F) Since the Ga 2 O 3 substrate 11 is composed of a β-Ga 2 O 3 single crystal, the substrate 11 exhibiting high crystallinity and n-type conductivity can be formed.
(G) Since the light-emitting element 10 has a multiple quantum well structure, there is a probability that electrons and holes serving as carriers are confined in the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 and recombined. Since it becomes high, the light emission rate is greatly improved.
［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、Ｇａ２Ｏ３基板１１の一部の上に、ＧａＮからなる低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４（ただし０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌｙＧａｘＮからなるｐ−ＡｌｙＧａｘＮ層クラッド１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、ｐ電極１７、および反射層１９を順次積層し、Ｇａ２Ｏ３基板１１のＧａＮバッファ層１２が形成されていない上面には、ｎ電極１８が形成されている。
[Second Embodiment]
FIG. 2 shows a light emitting device according to the second embodiment of the present invention. The light-emitting element 10 includes a GaN buffer layer 12 that is a low-temperature buffer layer made of GaN, an n-GaN clad layer 13 made of GaN that exhibits n-type conductivity, and an In (2) layer on a part of a Ga 2 O 3 substrate 11. 1-x) In (1-x) Ga x N light emitting layer 14 (where 0 ≦ x ≦ 1) having a multiple quantum well structure (MQW) composed of a layer containing Ga x N, Al y showing p-type conductivity Ga x N composed of p-Al y Ga x N layer cladding 15 (where, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1), p-GaN contact of GaN having p-type conductivity The layer 16, the p-electrode 17, and the reflective layer 19 are sequentially stacked, and an n-electrode 18 is formed on the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 where the GaN buffer layer 12 is not formed.
ＧａＮバッファ層１２のＧａ２Ｏ３基板１１の成長面、およびＧａ２Ｏ３基板１１の劈開面は、第１の実施の形態と同じである。 The growth surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 of the GaN buffer layer 12 and the cleavage surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 are the same as those in the first embodiment.
この発光素子１０は、フリップチップ型であって、Ｇａ２Ｏ３基板１１のＧａＮバッファ層１２の成長していない面から発光光を出射するように実装される。 This light emitting element 10 is of a flip chip type and is mounted so as to emit emitted light from the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 where the GaN buffer layer 12 is not grown.
ＧａＮバッファ層１２、およびＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、第１の実施の形態と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。 GaN buffer layer 12, and a GaN-based compound thin film, n-GaN cladding layer 13, In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14, p-Al y Ga x N cladding layer 15, and p-GaN contact layer 16 is formed by MOCVD as in the first embodiment.
この発光素子１０の動作について説明する。Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４による発光光の一部は、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を通して反射層１９の表面に到達し、この反射層１９の表面で反射してＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４側へ戻される。Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４側へ戻された発光光は、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＧａＮバッファ層１２、Ｇａ２Ｏ３基板１１を順次通過して外部に出射される。 The operation of the light emitting element 10 will be described. Part of the light emitted by the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 reaches the surface of the reflective layer 19 through the p-Al y Ga x N cladding layer 15, the p-GaN contact layer 16, and the p-electrode 17. Then, the light is reflected by the surface of the reflective layer 19 and returned to the In (1-x) Ga x N light emitting layer 14 side. The emitted light returned to the In (1-x) Ga x N light emitting layer 14 side sequentially passes through the n-GaN cladding layer 13, the GaN buffer layer 12, and the Ga 2 O 3 substrate 11 and is emitted to the outside.
＜第２の実施の形態の効果＞
この第２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）Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラックの発生が抑制され、歩留りを向上させることができる。
（ロ）Ｇａ２Ｏ３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層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るので、発光効率を高めることができる。
（ハ）反射層１９は、ｐ電極１７に到達した発光光をＧａ２Ｏ３基板１１側に反射させて、基板１１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。
（ニ）この発光素子は、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Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ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、発光効率が大幅に向上する。
<Effects of Second Embodiment>
The light emitting device 10 according to the second embodiment has the following effects.
(A) The Ga 2 O 3 substrate 11 is cleaved or cut along the (001) plane if the formation surface of the GaN buffer layer 12 is the (100) plane or the (801) plane. If the formation surface is the (010) plane, cleaving or cutting along the (100) plane, the (001) plane, or the (100) plane and the (001) plane suppresses the generation of cracks and improves the yield. Can be made.
(B) Since the GaN buffer layer 12, which is a low-temperature buffer layer, is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11, the flatness is good. Therefore, deterioration of the crystal quality of the thin film made of the GaN-based compound stacked on the GaN buffer layer 12 can be suppressed, so that the light emission efficiency can be increased.
(C) Since the reflection layer 19 reflects the emitted light reaching the p-electrode 17 to the Ga 2 O 3 substrate 11 side and emits it from the substrate 11 side, the emitted light can be emitted efficiently.
(D) Since this light emitting device has a multiple quantum well structure, there is a high probability that electrons and holes serving as carriers are confined in the In (1-x) Ga x N light emitting layer 14 and recombined. As a result, the luminous efficiency is greatly improved.
［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。
[Other embodiments]
Note that the light-emitting element 10 according to the present invention is not limited to a light-emitting diode and a laser diode, but can also be applied to semiconductors such as transistors, thyristors, and diodes. Specifically, a field effect transistor, a photodiode, a solar cell, etc. are mentioned, for example.
また、本発明に係る発光素子１０においては、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｇａ２Ｏ３系化合物から構成されていてもよい。Ｇａ２Ｏ３基板１１上に形成される半導体は、ＧａＮ系またはＧａ２Ｏ３系の半導体素子や発光素子であってもよい。半導体の形成面および劈開面を上記したように選定することにより、クラック等が低減され、歩留りや量産性に優れる半導体素子や発光素子を得ることができる。 In the light-emitting element 10 according to the present invention, Ga 2 O 3 substrate 11 may be composed of Ga 2 O 3 system compound. The semiconductor formed on the Ga 2 O 3 substrate 11 may be a GaN-based or Ga 2 O 3 -based semiconductor element or light emitting element. By selecting the formation surface and the cleavage surface of the semiconductor as described above, cracks and the like are reduced, and a semiconductor element and a light-emitting element that are excellent in yield and mass productivity can be obtained.
１０ 発光素子
１１ Ｇａ２Ｏ３基板
１２ ＧａＮバッファ層
１３ ｎ−ＧａＮクラッド層
１４ Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層
１５ ｐ−ＡｌｙＧａｘＮ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
10 light-emitting element 11 Ga 2 O 3 substrate 12 GaN buffer layer 13 n-GaN cladding layer 14 In (1-x) Ga x N light-emitting layer 15 p-Al y Ga x N cladding layer 16 p-GaN contact layer 17 n electrode 18 p-electrode 19 reflective layer
Claims (5)
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。 In a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate,
The light-emitting element, wherein the substrate is formed by cleaving or cutting along a (001) plane, and a surface on which the compound thin film is grown is a (100) plane or a (801) plane.
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。 In a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate,
The surface on which the compound thin film is grown is (010), and the substrate is formed by cleaving or cutting along the (100) plane, the (001) plane, or the (100) plane and the (001) plane. A light emitting element characterized by the above.
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。 In a light emitting device having a substrate made of a Ga 2 O 3 based single crystal and a compound thin film formed on the substrate,
The light-emitting element, wherein the substrate has a (001) surface on which the compound thin film is grown and is cleaved or cut along the (100) surface.
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