JP2008270275A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、動作電圧を抑制した窒化物半導体発光素子に関し、低い電圧での
利用に適した、窒化物系半導体からなる半導体レーザーや発光ダイオード等の発光素子を提供する事を目的とする。
【解決手段】p型コンタクト層28と、p型コンタクト層28の下層に形成されたp型中間層26と、p型中間層の下層に形成されたp型クラッド層24とを備える。p型コンタクト層28と前記p型中間層26間および、p型中間層26と前記p型クラッド層24間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下となるように構成する。
【選択図】図２
利用に適した、窒化物系半導体からなる半導体レーザーや発光ダイオード等の発光素子を提供する事を目的とする。
【解決手段】p型コンタクト層28と、p型コンタクト層28の下層に形成されたp型中間層26と、p型中間層の下層に形成されたp型クラッド層24とを備える。p型コンタクト層28と前記p型中間層26間および、p型中間層26と前記p型クラッド層24間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下となるように構成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に係り、特に低い電圧での利用に適した窒化物半導体発光素子に関するものである。
窒化物系半導体は発光素子や電子デバイス用材料としてさまざまな製品に実用化されている。特開2000-307149号公報に開示される窒化物半導体素子は、動作電圧低減のためにp型コンタクト層とp型クラッド層の中間に高濃度ドープ層と低濃度ドープ層を備える。該窒化物半導体素子はこのような構成により、p型層の不純物濃度を最適化する事により動作電圧を低減させている。
窒化物半導体素子の動作電圧を決める要素として、ヘテロ接合におけるバンドギャップ不連続量が挙げられる。キャリアを輸送すべきヘテロ接合においてバンドギャップ不連続量が大きいとキャリアの輸送の際の障壁となるため、低動作電圧の観点から好ましくない。しかしながら、前述の従来の窒化物半導体発光素子においては、バンド不連続量を考慮した設計となっていないため、発光出力を維持した低動作電圧化が困難であるという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、動作電圧を抑制した窒化物半導体素子を提供する事を目的とする。
p型コンタクト層と、
前述のp型コンタクト層の下層に形成されたp型中間層と、
前述のp型中間層の下層に形成されたp型クラッド層とを備え、
前述のp型コンタクト層と前述p型中間層および、前述のp型中間層と前述のp型クラッド層間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下である事を特徴とする。
前述のp型コンタクト層の下層に形成されたp型中間層と、
前述のp型中間層の下層に形成されたp型クラッド層とを備え、
前述のp型コンタクト層と前述p型中間層および、前述のp型中間層と前述のp型クラッド層間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下である事を特徴とする。
本発明により窒化物半導体発光素子の動作電圧を低減できる。
実施の形態１
本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造には、III族原料としてトリメチルガリウム（以後、TMGと称する）、トリメチルアルミニウム（以後、TMAと称する）、トリメチルインジウム（以後、TMIと称する）を使用する。V族原料としては、アンモニア(NH3)ガスを使用する。n型不純物原料にはモノシラン(以後、SiH4と称する)を用いる。p型不純物原料には、シクロペンタジエニルマグネシウム (以後、CP2Mgと称する)を用いる。これらの原料ガスのキャリアガスには水素(H2)ガス及び窒素(N2)ガスが用いられる。但し、上述した各原料は例示であって、これらに限定されない。
本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造には、III族原料としてトリメチルガリウム（以後、TMGと称する）、トリメチルアルミニウム（以後、TMAと称する）、トリメチルインジウム（以後、TMIと称する）を使用する。V族原料としては、アンモニア(NH3)ガスを使用する。n型不純物原料にはモノシラン(以後、SiH4と称する)を用いる。p型不純物原料には、シクロペンタジエニルマグネシウム (以後、CP2Mgと称する)を用いる。これらの原料ガスのキャリアガスには水素(H2)ガス及び窒素(N2)ガスが用いられる。但し、上述した各原料は例示であって、これらに限定されない。
一般に、窒化物系半導体を成長するための結晶成長の方法としては、有機金属気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)で行う事が多い。本実施形態では、素子層の結晶成長方法には有機金属気相成長法（MOCVD）が用いられる。ただし本実施形態の窒化物半導体発光素子を製造するための結晶成長の方法は有機金属気相成長法(MOCVD)に限定されず、分子線エピタキシー(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いても良い。
図１は本実施形態における窒化物半導体発光素子の構成を説明するための図である。基板10はGaNからなる。本実施形態では基板10の主面は(0001)面である。この基板10がMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)装置内に設置される。そして、NH3ガスを供給しながら温度が1000℃まで上昇される。その後、TMGとSiH4の供給を開始し、n型半導体層12が成長される。n型半導体層12は基板10の主面上に形成される膜厚1μmのGaNを主成分とする層である。次いで、TMAの供給を開始し、ｎ型クラッド層14が成長される。n型クラッド層14はn型窒化アルミニウムガリウム（Al0.07Ga0.93N）からなる膜厚1.0μmの層である。n型クラッド層は主に後述の活性層の電子密度を高めるための層である。次にTMAの供給を停止して、n型GaNからなる厚さ1.0μmのn型光ガイド層16が成長される。N型光ガイド層16は主に、後述する活性層に光を閉じ込める層であり活性層内の光密度を調整する。その後、TMGとSiH4の供給を停止して温度が700℃まで降温される。上述したように、ｎ型半導体層12からｎ型ガイド層16までがｎ型の導電型を有する層である。
次に、窒化インジウムガリウム(InGaN)を成分とする多重量子井戸(以後、MQWと称する)で構成される活性層18が成長される。活性層18は井戸層と障壁層を交互に積層した３対の構造で形成される。ここで、井戸層はTMI、TMG、アンモニア(以後NH3と称する)の供給により形成される。その組成はIn0.12Ga0.88Nである。また、膜厚は3.5nmである。一方、障壁層はTMGとNH3の供給により形成される。その組成はGaNである。また、膜厚は7.0nmである。このようにして活性層18がMQW構造を有する事により、活性層18から発光される光の高出力化が達成される。
続いて、TMGの供給を停止し、NH3を供給しながら温度を1000℃にまで昇温する。その後、TMG、TMA、CP2Mgの供給を開始し、p型電子障壁層20が形成される。P型電子障壁層20の組成はAl0.2Ga0.8Nである。その膜厚は0.02μmである。次いで、TMAの供給を停止する。その後、p型光ガイド層22が形成される。p型光ガイド層22はGaNであり、膜厚は0.1μmである。P型ガイド層22は主に活性層18内の光密度を調整する役割を担う。次いでTMAの供給を開始し、p型クラッド層24が形成される。p型クラッド層24はAl0.07Ga0.93Nで表される組成を有し、その膜厚は0.4,μmである。p型クラッド層24は主に活性層18の正孔密度を高めるために形成される。次にp型中間層26が形成される。p型中間層26はAl0.03Ga0.97Nで表される組成を有し、その膜厚は、0.1μmである。この層を形成する意義は本実施形態の窒化物系半導体レーザーの動作電圧低減であるが、詳細は後述する。その後p型コンタクト層28が形成される。p型コンタクト層28の組成はGaNであり、その膜厚は0.1μmである。その後、TMG、CP2Mgの供給を停止して、温度を室温にまで冷却する。ここで、p型の各層には不純物がドープされているが、p型クラッド層24、p型中間層26、p型コンタクト層28の不純物Mgの密度はそれぞれ、2E19cm-3、5E18cm-3、1E20cm-3である。本実施形態のp型層は上述のような構成となっている。
上述してきた結晶成長が終了した後、ウェーハの全面にレジストが塗布される。次いでリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定の形状のレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとしてレジストで覆われていない部分についてp型クラッド層24までのエッチングを行う。このエッチングには一例として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などが用いられる。そしてＲＩＥ法のエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスが用いられる。このように、エッチングにより光導波構造となるリッジ３２が作成される。次にエッチングでマスクとして用いたレジストを残したまま、基板全面に厚さ0.2μmのSiO2膜36が形成される。SiO2膜36の形成はCVD(Chemical Vapor Deposition)法、真空蒸着法、スパッタリング法などが用いられる。次いで、レジスト除去と同時にリッジ上のSiO2膜が除去される。これはリフトオフと呼ばれる処理である。リフトオフの結果、リッジ32上の開口部34が形成される。
次に基板全面にPt層、Au層が順次形成される。Pt層、Au層の形成には、例えば真空蒸着法が用いられる。その後、レジスト塗布、リソグラフィーさらにエッチングが行われる。エッチングはウェットエッチングあるいはドライエッチングが用いられる。このようにしてp型電極30のパタン形成が行われる。次に基板の裏面全面に真空蒸着法によりTi、Pt、Au膜がそれぞれ形成され、n電極38をオーミック接触させるためのアロイ処理が行われる。
次に、このようにして作成された基板が劈開などによりバー状に加工される。これにより両共振器端面が形成される。さらに、これらの共振器端面に端面コーティング
が施される。端面コーティングはレーザー素子の閾値電流密度を下げる等の目的のためになされる。次に、このバー状に形成されたものを劈開などによりチップ化する。本実施形態の窒化物半導体発光素子は上述した構成からなる。
が施される。端面コーティングはレーザー素子の閾値電流密度を下げる等の目的のためになされる。次に、このバー状に形成されたものを劈開などによりチップ化する。本実施形態の窒化物半導体発光素子は上述した構成からなる。
図２は本実施形態の窒化物半導体発光素子における、p型クラッド層24、p型中間層26、p型コンタクト層28の組成等をまとめた表である。本発明の特徴はこれら３層の有する構成にある。以後、本発明の三つの特徴を順次説明していく。
第一の特徴は図２に示されている通り、p型クラッド層24とp型中間層26の間のバンドギャップ差（以後、第1バンドギャップ差と称する）及び、p型中間層26とp型コンタクト層28の間のバンドギャップ差（以後、第２バンドギャップ差と称する）がそれぞれ70meV、90meVに抑えられている点である。窒化物半導体発光素子において、省エネ等の要請から発光出力を維持しつつ動作電圧を低減する事が必要となってきている。そして動作電圧を決める要素の一つが層間のバンド不連続量、すなわちバンドギャップ差である。バンドギャップ差が大きいと動作電圧を高くする事により所望の発光出力を得なければならない。従って低動作電圧化が困難である。ここで、一般にAlxGa1-xN(0≦X≦1)混晶のバンドギャップEg[eV]は以下の式１で与えられる。
Eg[eV]=(1-X)×(EGaN)＋X×(EAlN)−b×X(1−X) ‥式１
ここに、
EGaN＝GaNのバンドギャップ＝3.39eV、
EAlN＝AlNのバンドギャップ＝6.2eV、
b(ボーイングパラメータ)＝0.6である。
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、第1バンドギャップ差及び第２バンドギャップ差を抑制するために、上述の式１と後述の考察に基づきp型クラッド層24、p型中間層26の組成を決定している。ここでp型クラッド層24、p型中間層26の組成は個別に定められるものであり、p型クラッド層24が用いるパラメータXとp型中間層26が用いるパラメータXは一致しない。
Eg[eV]=(1-X)×(EGaN)＋X×(EAlN)−b×X(1−X) ‥式１
ここに、
EGaN＝GaNのバンドギャップ＝3.39eV、
EAlN＝AlNのバンドギャップ＝6.2eV、
b(ボーイングパラメータ)＝0.6である。
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、第1バンドギャップ差及び第２バンドギャップ差を抑制するために、上述の式１と後述の考察に基づきp型クラッド層24、p型中間層26の組成を決定している。ここでp型クラッド層24、p型中間層26の組成は個別に定められるものであり、p型クラッド層24が用いるパラメータXとp型中間層26が用いるパラメータXは一致しない。
第1バンドギャップ差と第２バンドギャップ差の値として好ましい値は、以下のような理論的な考察により決められる。
一般にバンドギャップの異なる２種類の半導体が接合すると、その界面では伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖでバンドギャップ差が生じる。バンドギャップ差は、半導体の電子親和力、すなわち真空準位から伝導体下端までのエネルギー差が保存されるように決定される。GaN(Eg=3.39eV)とAlN(Eg=6.2eV)の場合、両者の伝導帯間のエネルギー差（以後、△Ｅｃと称する）はおよそ1.96eVであり、価電子帯間のエネルギー差（以後△Ｅｖと称する）はおよそ0.84eVである。ここで、動作電圧の上昇を防止するためには△Ｅｖを低い値にしておく事が望ましい。前述したGaNとAlNの場合△Ｅｖと△Ｅｃの和をバンドギャップ差とすると、その値は2.81eV程度である。従って△Ｅｖはバンドギャップ差の30％程度を占める事になる。
ところで、本実施形態のp型クラッド層２４、p型中間層２６、p型コンタクト層２８は図２に表されるような組成を有し、第1バンドギャップ差及び第２バンドギャップ差はそれぞれ70meV、90meVである。第1バンドギャップ差70meVのうち30％程度が、第1バンドギャップ差の△Ｅｖ成分（以後△Ｅｖ１と称する）である。△Ｅｖ１は21meV程度である。一方、第２バンドギャップ差90meVのうち30％程度が、第２バンドギャップ差の△Ｅｖ成分（以後△Ｅｖ２と称する）である。△Ｅｖ２は27meV程度である。△Ｅｖ１、△Ｅｖ２共に、室温における熱エネルギー（約26meV）と同程度である。従ってp型キャリアであるホールは容易に△Ｅｖ１と△Ｅｖ２の障壁を乗り越える。故に△Ｅｖ１と△Ｅｖ２は実質的に動作電圧を上昇させるものではない。つまり第1バンドギャップ差、第２バンドギャップ差ともに100meV以下である事が好ましいと言える。
さらに、バンドギャップ差が200meVの場合を想定すると、△Ｅｖは60meV程度である。△Ｅｖが60meVであっても、前述した室温における熱エネルギーの２倍程度のため動作電圧を上昇させる影響は軽微である。従ってバンドギャップ差が200meVであっても実用上許容範囲であると言える。しかしながら、バンドギャップ差が300meVを超える場合は、△Ｅｖは90meVを超えるため動作電圧を上昇させる影響を無視する事ができない。
このような理論的な考察により第1バンドギャップ差と第２バンドギャップ差の値として好ましい値が決定される。前述した考察によると第1バンドギャップ差と第２バンドギャップ差はそれぞれ200meV以下、より望ましくは100meV以下である事が好ましい。本実施形態の第1バンドギャップ差と第２バンドギャップ差はそれぞれ70meV、90meVでありこの条件を満たす。本実施形態のように第1バンドギャップ差と第２バンドギャップ差を低く抑える事により、キャリアの障壁が低減されるから発光出力を維持したまま動作電圧を低減する事ができる。
また、p型中間層26のバンドギャップは、p型クラッド層24のバンドギャップより小さい事が好ましい。p型中間層26のバンドギャップが小さいとp型中間層26のドーパントであるMgの活性化エネルギーを低減できる。これによりp型中間層26は高キャリア濃度を得られる。従ってp型中間層26の上層に形成されるp型コンタクト層28により多くのキャリアを供給できるため、窒化物半導体発光素子の出力を維持して動作電圧の低減ができる。そして、前述した通り、p型中間層26のバンドギャップをp型クラッド層24のバンドギャップより小さくすれば前述した動作電圧低減の効果が得られる。
一般に、Alを含むp型の窒化物半導体はAl組成が小さいほどバンドギャップエネルギーが小さくなり、Mgのアクセプタ準位も小さくなる。そこで、本実施形態では図２に示される通りp型中間層26のAl組成比をp型クラッド層24のAl組成比より低くしている。これにより、p型中間層26のバンドギャップをp型クラッド層24のバンドギャップより低くでき、動作電圧の低減ができる。
第二の特徴はp型中間層26のドーパント濃度が、動作電圧と微分効率の観点から最適化されている点である。この特徴を図３と図４を用いて説明する。図３においては、本実施形態における窒化物半導体発光素子のp型中間層26のドーパント濃度と動作電圧の関係を表すグラフを示す。図３のグラフの横軸はp型中間層26のMg濃度であり、縦軸は本実施形態における窒化物半導体発光素子の100mA動作時の動作電圧である。図３から動作電圧が最小となるp型中間層26のMg濃度は3E18[cm-3]から3E19[cm-3]の範囲である事が分かる。この範囲内のMg濃度であれば、最小の6V程度の動作電圧を得られる。p型中間層26のMg濃度変化による窒化物半導体発光素子の動作電圧の変動は、p型中間層26のキャリア濃度で説明できる。すなわちp型中間層26のキャリア濃度は、p型中間層26のMg濃度が3E18[cm-3]から3E19[cm-3]程度で極大値をとる。キャリア濃度が高い事により、p型コンタクト層へのホール注入効率が向上する。従って動作電圧の抑制が可能である。
図４はp型中間層26のドーパント濃度と微分効率の関係を表すグラフである。図４のグラフの横軸はp型中間層26のMg濃度であり、縦軸は本実施形態における窒化物半導体発光素子の発振時の微分効率である。p型中間層26のMg濃度が1E19[cm-3]以下の領域においては、Mgが光を吸収する効果をもつため、Mg濃度が低いほど微分効率は高い値を示す。一方Mg濃度が2E19[cm-3]以上の場合、微分効率は1.28W/Aで飽和する。従って微分効率を向上させるためにはp型中間層のMg濃度は1E19[cm-3]以下であって可能な限り低濃度である事が好ましい。しかしながら微分効率を高めるためにMg濃度を低下させていくと図3で説明した動作電圧が上昇してしまう。動作電圧はMg濃度が1E18[cm-3]を下回ると急激に増加するから、この値以上のMgをドープする事が好ましい。従って、動作電圧と微分効率の両者を良好な値とするp型中間層26のMg濃度は1E18[cm-3]以上1E19[cm-3]以下である。本実施形態のp型中間層26のMg濃度は5E18[cm-3]となっており、低い動作電圧と高い微分効率を両立する構成となっている。
第三の特徴はp型中間層26のドーパント濃度が、p型コンタクト層28およびp型クラッド層24よりも低い事である。前述した通りp型中間層26内のMgが光を吸収する事による吸収損失は、微分効率を悪化させる要因である。本実施形態では、pコンタクト層28、p型中間層26、p型クラッド層24の内、p型中間層26のMg濃度を最小とする事によりMgに起因する光の吸収を抑制できる。
上述してきた３つの特徴を有する本実施形態の構成によれば、発光出力を維持した上で動作電圧の低減を行う事が出来る。
本実施形態ではp型コンタクト層28の組成はGaNであるが、本発明はこれに限定されない。すなわち、p型コンタクト層の組成がInyAlzGa1-y-zN（0≦y、0≦z、y+z＜1）を満たし、かつp型コンタクト層−p型中間層間のバンドギャップ差が200meV以下に抑制されている限り本発明の効果は得られる。
本実施形態のp型コンタクト層28のドーパント濃度は1E20cm-3であるが、本発明はそれに限定されない。すなわち、Mg濃度が1E20cm-3以上1E21cm-3以下でドープされている事で良好なオーミック接触が可能であるため、この範囲内のMg濃度であれば良い。
実施の形態２
本実施形態はp型中間層にGaNを用い、動作電圧の低減を行った窒化物半導体発光素子に関する。本実施形態の窒化物半導体発光素子は図１で表される実施形態１の窒化物半導体発光素子と、p型中間層の組成が異なる点を除き同様である。本実施形態のp型中間層40の組成はGaNである。その膜厚は0.1μmである。図６には、本実施形態の窒化物半導体発光素子の組成等をまとめた表を示す。このような構成にする事により、p型中間層のMgのアクセプタ準位を低下させる事が出来るため高キャリア濃度が得られやすくなる。従ってキャリアの注入効率が増加する。その結果、動作電圧を低減できる。
本実施形態はp型中間層にGaNを用い、動作電圧の低減を行った窒化物半導体発光素子に関する。本実施形態の窒化物半導体発光素子は図１で表される実施形態１の窒化物半導体発光素子と、p型中間層の組成が異なる点を除き同様である。本実施形態のp型中間層40の組成はGaNである。その膜厚は0.1μmである。図６には、本実施形態の窒化物半導体発光素子の組成等をまとめた表を示す。このような構成にする事により、p型中間層のMgのアクセプタ準位を低下させる事が出来るため高キャリア濃度が得られやすくなる。従ってキャリアの注入効率が増加する。その結果、動作電圧を低減できる。
そして、本実施形態の窒化物半導体発光素子は上述のようにキャリアの注入効率を増加させると共に、p型コンタクト層28−p型中間層40間およびp型中間層40―p型クラッド層24間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下に抑制されている。これにより、実施形態１で説明した効果である、動作電圧低減が可能である。
本実施形態ではp型コンタクト層28の組成はGaNであるが、本発明はこれに限定されない。すなわち、p型コンタクト層の組成がInyAlzGa1-y-zN（0≦y、0≦z、y+z＜1）を満たし、かつp型コンタクト層−p型中間層間のバンドギャップ差が200meV以下に抑制されている限り本発明の効果は得られる。
本実施形態のp型コンタクト層28のドーパント濃度は1E20cm-3であるが、本発明はそれに限定されない。すなわち、Mg濃度が1E20cm-3以上1E21cm-3以下でドープされている事で良好なオーミック接触が可能であるため、この範囲内のMg濃度であれば良い。
２４ p型クラッド層
２６ p型中間層
２８ p型コンタクト層
２６ p型中間層
２８ p型コンタクト層
Claims (6)
- p型コンタクト層と、
前記p型コンタクト層の下層に形成されたp型中間層と、
前記p型中間層の下層に形成されたp型クラッド層と、
前記p型コンタクト層と前記p型中間層間および、前記p型中間層と前記p型クラッド層間のバンドギャップ差がそれぞれ200meV以下である事、
を特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記p型コンタクト層はMgがドープされたInyAlzGa1-y-zN（0≦y、0≦z、y+z＜1）であり、
前記p型中間層はMgがドープされた、Alx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)であり、
前記p型クラッド層はMgがドープされた、Alx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)である事、
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記p型コンタクト層はGaNであり、
前記p型コンタクト層のMg濃度は1×1020cm-3〜1×1021cm-3である事、
を特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記p型中間層のMg濃度が1×1018cm-3〜1×1019cm-3である事を特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p型中間層のMg濃度は、前記p型コンタクト層および前記p型クラッド層のMg濃度より低い事を特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p型中間層の組成がGaNである事を特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
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