JP2006310488A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】III族窒化物系化合物半導体発光素子の静電耐圧特性の向上。
【解決手段】半導体発光素子１００は、サファイヤ基板１０１の上に、AlNバッファ層１０２、Siをドープしたn-GaN層１０３、アンドープのGaN層１０４、SiをドープしたGaN層１０４ｎが形成されている。ｎ型層１０４ｎの上には、SiをドープしたGaNとInGaNの超格子層から成るｎクラッド層１０５が形成され、アンドープIn_0.2Ga_0.8Nから成る井戸層１０６１とアンドープGaNから成る障壁層１０６２とを６ペア積層した多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。この発光層１０６の上には、MgをドープしたAlGaNとInGaNの超格子層から成るｐクラッド層１０７が形成されている。その上には、ｐ型GaN層１０８とｐ⁺型GaN層１０９が形成されている。多重量子井戸構造の発光層１０６の６枚の障壁層１０６２のうち、最もｎ側に近い層について、Mgを10¹⁸/cm³ドープした。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。

緑色、青色乃至紫色及び紫外線発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子は急速に普及している。III族窒化物系化合物半導体発光素子については、現在、他の特性を犠牲にすることなく、静電耐圧を向上させることが課題の１つである。

静電耐圧の向上については、本願出願人は、下記特許文献１のようにｐ層間にアンドープ層を設ける発明を完成し、出願している。ｎ層／アンドープ層／ｐ層と言う順序にこだわらず、例えば発光層を形成する多重量子井戸構造の障壁層にドーパントを添加する技術については、例えば下記特許文献２、３が挙げられる。
特開２００５−９３５７８号公報 特開平９−８４１２号公報 特開２０００−２０８８７５号公報

有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、多重量子井戸構造の発光層を形成する際、いわゆる「メモリ効果」により、障壁層にドーパントを添加すると井戸層にもドーパントが大量に混入し、発光効率が著しく低下する。しかし下記の通り、本願発明者らはドーパントを導入すべき層を限定し、且つその必要量を検討することで、本願発明を完成した。

本願発明の目的は、他の特性を犠牲にすることなく、III族窒化物系化合物半導体発光素子の静電耐圧を向上させることである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体発光素子において、発光層又は活性層に、マグネシウム(Mg)を1×10¹⁵〜5×10¹⁸/cm³の濃度でドープしたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の手段によれば、発光層又は活性層は多重量子井戸構造であり、その中の最もｎ側に近い障壁層にマグネシウム(Mg)をドープしたことを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、マグネシウム(Mg)のドープが、最もｎ側に近い井戸層の直上の障壁層の、当該井戸層と接する部分にされていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の手段によれば、マグネシウム(Mg)のドープ濃度が、5×10¹⁷〜4×10¹⁸/cm³であることを特徴とする。また、請求項５に記載の手段によれば、マグネシウム(Mg)のドープ濃度が、8×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の手段によれば、多重量子井戸構造を有する発光層又は活性層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、最もｎ側に近い井戸層の直上の障壁層の形成を、マグネシウム(Mg)をドープして形成する前段部分と、マグネシウム(Mg)をドープしないで形成する後段部分との２段階で行うことを特徴とする。

下記に示す通り、上記の構成により、発光特性を損なうことなく、静電耐圧特性を向上させることができた。本願発明の効果が生じる理由としては、次のようなことが考えられる。

まず、発光特性が同等乃至若干向上する点については、最もｎ側に近い障壁層に低濃度にマグネシウム(Mg)をドープすることで、その隣の井戸層にホールを注入しやすくなる点が挙げられる。この効果の点では、最もｎ側に近い方から第１の障壁層と第２の障壁層、或いは最もｎ側に近い方から第１の障壁層と第３の障壁層とにドープすることも好ましい。

静電耐圧特性が向上する点は、障壁層の抵抗率が低下することで静電気放電に伴う熱の発生を小さくできる点が挙げられる。

ドープ量は、5×10¹⁸/cm³以下とすることが好ましい。これはＭＯＶＰＥで形成する際のメモリ効果が直後の井戸層に影響することを考慮したものでもある。一方1×10¹⁵/cm³未満の濃度とすると、ほとんど本願発明の効果がなく、また、ＭＯＶＰＥで形成する際にも困難が伴う。ドープ量はより好ましくは5×10¹⁷〜4×10¹⁸/cm³であり、更に好ましくは8×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³である。これは、複数の障壁層にドープする場合も同様である。最もｎ側に近い方から第１の障壁層と第２の障壁層、或いは最もｎ側に近い方から第１の障壁層と第３の障壁層とにドープする場合も、それぞれの障壁層についてMg濃度を1×10¹⁵/cm³〜5×10¹⁸/cm³とすることが好ましく、より好ましくは5×10¹⁷〜4×10¹⁸/cm³であり、更に好ましくは8×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³である。

後段の井戸層にメモリ効果が生じないよう、障壁層の形成を、マグネシウム(Mg)をドープして形成する前段部分と、マグネシウム(Mg)をドープしないで形成する後段部分との２段階で行う方法としても良い。この場合には、以下に示す通り、ドープ量を10¹⁸/cm³として効果があることが確かめられている。当該前段と後段の厚さの比は任意である。

本発明はｐ側層でない、発光層又は活性層部分に低濃度マグネシウム(Mg)ドープ層を設ける点に特徴がある。量子井戸構造の最もｎ側の障壁層を当該低濃度マグネシウム(Mg)ドープ層とすると良いが、最もｎ側の井戸層の直上層を当該低濃度マグネシウム(Mg)ドープ層としても良い。当該層は、低濃度マグネシウム(Mg)ドープ部分と、アンドープ部分とで形成しても、またドープ量が減少するように形成しても良い。また、低濃度マグネシウム(Mg)ドープ層である障壁層を量子井戸構造のｎ側に近い側に２層以上設けても良い。その場合、それらの間にアンドープの井戸層や障壁層を何層挟んでも良い。量子井戸構造の各井戸層が均一に発光する、即ち各井戸層に均一にホールが供給されるべき点からは、最もｎ側の井戸層の直上層にマグネシウム(Mg)をドープすることが好ましい。最もｐ側の井戸層にはｐ層からマグネシウム(Mg)が拡散しうるからである。また、電子はその拡散長がホールよりも長いので、障壁層の低濃度マグネシウム(Mg)に関係なく各井戸層にほぼ均一に電子が供給されうる。

発光層を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体Al_yGa_1-y-zIn_zN(0≦y＜1, 0＜z≦1)から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、アンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。

本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子は任意の素子構成をとることができる。特に発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）その他の任意の発光素子として良い。当該III族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては、上記本願発明の本質となるドーピング部分を除いて、任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）から選択でき、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が特に有効である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

図１に、本発明の実施例に係る半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図１に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNから成る膜厚約4μmのｎ型コンタクト層１０３（高キャリヤ濃度ｎ⁺層）が形成され、その上にアンドープのGaNから成る膜厚約300nmの層１０４が形成され、その上にシリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNから成る膜厚約30nmのｎ型層１０４ｎが形成されている。アンドープのGaNから成る層１０４は、静電耐圧特性を向上させるために設けたものである。

また、このｎ型層１０４ｎの上には、膜厚2nm、Siを1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNと、膜厚2nm、Siを1×10¹⁸/cm³ドープしたIn_0.1Ga_0.9Nを６ペア積層させた超格子層から成るｎクラッド層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのアンドープIn_0.2Ga_0.8Nから成る井戸層１０６１と膜厚20nmのアンドープGaNから成る障壁層１０６２とを６ペア積層した多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。尚、障壁層１０６２のうち、最もｎ側に近い層については下記の通りMgをドープした。

更に、この発光層１０６の上には、膜厚3nm、Mgを1×10¹⁹/cm³ドープしたAl_0.2Ga_0.8Nと、膜厚2nm、Mgを1×10¹⁹/cm³ドープしたIn_0.05Ga_0.95Nを７ペア積層させた超格子層から成るｐクラッド層１０７が形成されている。ｐクラッド層１０７の上には、Mgを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚100nmのｐ型GaNから成るｐ型層１０８が形成されている。その上には、Mgを8×10¹⁹ドープした膜厚25nmのｐ⁺型GaNから成るｐ型コンタクト層１０９が形成されている。

又、ｐ型コンタクト層１０９の上には金属蒸着による透光性薄膜ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０３上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０９に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金(Au)より成る第２層１１２とで構成されている。

厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１２１と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性薄膜ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０３の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。

また、最上部には、SiO₂膜より成る保護膜１３０が形成されている。サファイヤ基板１０１の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム(Al)より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。

ここにおいて、多重量子井戸構造の発光層１０６の６枚の障壁層１０６２のうち、最もｎ側に近い層について、Mgを以下のようにドープした。尚、最もｎ側に近い障壁層１０６２のｎ側には井戸層１０６１が存在する。

（１００−１）Mgを１×１０¹⁸/cm³ドープ
（１００−２）Mgを１×１０¹⁹/cm³ドープ
（１００−３）下層の10nmについてMgを１×１０¹⁸/cm³ドープ、上層の10nmについてアンドープ
（１００−４）下層の10nmについてMgを１×１０¹⁹/cm³ドープ、上層の10nmについてアンドープ

尚、井戸層の形成温度は７７０℃とし、障壁層の形成温度は形成開始時は７７０℃として、下層の10nmを形成する間に８４０℃まで上昇させて、上層の１０nmの形成温度は８４０℃で一定とした。

このような構造の図１の半導体発光素子１００を、１００−１、１００−２、１００−３、１００−４のそれぞれについて30個ずつ作成した。比較のため、多重量子井戸構造の発光層１０６の６枚の障壁層１０６２を全てアンドープとした半導体発光素子も30個作成した。これらの発光素子の全放射束を測定したところ、大きな違いは無かった。これらを静電耐圧を次のように測定した。ＪＥＩＴＡ規格、ＥＩＡＪ ＥＤ−４７０１試験方法３０４を適用し、６００Ｖのパルス電圧を印加した。破壊されなかった素子の個数は次の通りであった。

（１００−１）１３個（生存率４３．３％）
（１００−２）０個（生存率０％）
（１００−３）２０個（生存率６６．７％）
（１００−４）１４個（生存率４６．６％）
（比較例）２個（生存率６．７％）

これらの結果から、多重量子井戸構造の発光層１０６の６枚の障壁層１０６２を全てアンドープとしたものと比較して、最もｎ側に近い障壁層１０６２にMgをドープすることで、発光特性を損なわずに、静電耐圧特性を向上させることができた。

図１の半導体発光素子１００の、多重量子井戸構造の発光層１０６の６枚の障壁層１０６２のうち、ｎ側からみて１層目と３層目とにMgを１×１０¹⁸/cm³ドープした発光素子１００−５を作成した。この発光素子の全放射束は６％向上し、上記の条件での６００Ｖのパルス電圧に対し、生存率は７６．７％であった。このように障壁層１０６２のうち、ｎ側からみて１層目と３層目とにMgをドープする場合、発光効率も向上し、静電耐圧特性も向上した。これは１周期目の井戸層にはその上の層である１周期目の障壁層の効果が、２周期目の井戸層にはその下の層である１周期目の障壁層の効果が、３周期目の井戸層にはその上の層である３周期目の障壁層の効果がそれぞれ表れたものと考えることができる。或いは、２周期目の障壁層にもMgが拡散することも考えられる。

上記実施例では第１の井戸層の直上層をMgドープの障壁層としているが、第１の井戸層の直下層としてMgドープの障壁層を形成しても、同様の効果が期待できる。

上記実施例では静電耐圧特性を向上させるためにアンドープのＧａＮ層１０４を設けているが、本願発明によりこの厚さを薄くすることも可能である。

上記実施例ではいわゆるフェイスアップタイプの素子を用いたが、透光性のｐ電極としてはＩＴＯその他の任意の材料を用いることもできる。また、いわゆるフリップチップタイプとして反射性の高い金属をｐ電極として用いても良い。この場合、ロジウム、銀、アルミニウムその他の金属の単層、多重層、或いは合金を用いることができる。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す断面図。

符号の説明

１００：半導体発光素子
１０１：サファイヤ基板
１０２：バッファ層
１０３：高キャリア濃度ｎ⁺層
１０４：アンドープＧａＮ層
１０４ｎ：ｎ型層
１０５：超格子層から成るｎクラッド層
１０６：発光層
１０７：超格子層から成るｐクラッド層
１０８：ｐ型層
１０９：ｐ型コンタクト層
１１０：透光性薄膜ｐ電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：反射金属層

Claims (6)

1. III族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   発光層又は活性層に、マグネシウム(Mg)を1×10¹⁵〜5×10¹⁸/cm³の濃度でドープしたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記発光層又は活性層は多重量子井戸構造であり、その中の最もｎ側に近い障壁層にマグネシウム(Mg)をドープしたことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. マグネシウム(Mg)のドープが、最もｎ側に近い井戸層の直上の障壁層の、当該井戸層と接する部分にされていることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
4. マグネシウム(Mg)のドープ濃度が、5×10¹⁷〜4×10¹⁸/cm³であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
5. マグネシウム(Mg)のドープ濃度が、8×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
6. 多重量子井戸構造を有する発光層又は活性層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
   最もｎ側に近い井戸層の直上の障壁層の形成を、
   マグネシウム(Mg)をドープして形成する前段部分と、
   マグネシウム(Mg)をドープしないで形成する後段部分との２段階で行うことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

Images