JP2010206092A

JP2010206092A - 窒化物半導体発光装置

Info

Publication number: JP2010206092A
Application number: JP2009052258A
Authority: JP
Inventors: Akio Ueda; 章雄上田; Masahiro Ishida; 昌宏石田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】超格子構造のｐ型窒化物半導体層における積層方向のバンドオフセットによる高抵抗化を抑制し、また、二次元ホールガス層の影響による横方向への大きな電流広がりを抑制して、抵抗率の方向依存性を小さくし、動作特性の良好な信頼性の高い窒化物半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１上に設けられた、ｎ型窒化物半導体層３と、ｎ型窒化物半導体層の上部に配置された活性層５と、活性層の上部に配置されたｐ型窒化物半導体層８とを備える。ｐ型窒化物半導体層は、三次元島構造を有する第１窒化物半導体層８ｂと、第１窒化物半導体層を覆って形成された第２窒化物半導体層８ａとの積層構造が、複数周期繰り返し形成された積層体構造を有する。積層方向に段切れ状態である三次元島構造を用いることで、積層方向の抵抗が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光装置に関し、特に、発光層に隣接して設けられるｐ型層について、抵抗を低減するための改良に関する。

窒化物半導体（GaN、AlN、InNおよびそれらの混晶）は、発光ダイオードデバイス（LED）、レーザダイオード（LD）等の発光デバイス、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられている。これらの窒化物半導体は、シリコン（Si）やマグネシウム（Mg）をドーパントとして用いることによりｎ型やｐ型の伝導度制御が可能である。

ところで、レーザダイオードを低動作電流で安定動作させるためには、活性層を挟み込むｐ層及びｎ層の低抵抗化が必要である。通常、特にAlを含んだ窒化物半導体においては低抵抗のｐ層を得ることが困難である。

図６は、特許文献１に記載されたレーザダイオードの断面図である。このレーザダイオードでは、異種基板１０１上に、単結晶のAlGaN系バッファ層１０２、ｎ型GaN半導体層１０３、ｎ型半導体超格子１０４Ｇ（障壁層１０４Ｂと井戸層１０４Ｗの積層構造）からなる光閉じ込め層１０４、InGaN層からなる発光層１０５、及びｐ型半導体超格子１０６Ｇ（障壁層１０６Ｂと井戸層１０６Ｗの積層構造）からなる光閉じ込め層１０６が順次積層され、積層体１０７を形成している。そして、ｎ型GaN層１０３を外部に臨ませる溝または切り欠き１０８が形成されて、その部分のｎ型GaN層１０３上に電極１０９が形成され、ｐ型半導体超格子１０６Ｇの上面に電極１１０が形成されている。

ｐ型層を得るために、ｐ型半導体超格子層１０６ＧにはAlGaN超格子構造を採用し、Mgをドーピングすることで低抵抗なｐ型層を得ている。これは、図７に示す様な超格子層に掛かる分極電界(ピエゾ電界)を利用するものである。すなわち、GaN/AlGaN界面である第１領域Ａと、AlGaN/GaN界面である第２領域Ｂとを有する超格子層に掛かる分極電界を利用することで、Mgアクセプタの活性化エネルギーを低下させ、高キャリア濃度を持つｐ型層が得られる（非特許文献１を参照）。

また、特許文献２には、同様に低抵抗のｐ型層を得るために、AlGaN/GaN超格子構造のAlGaN領域のみにMgを変調ドープさせることが記載されている。それにより、図７に示されている第２領域ＢのAlGaN/GaN界面に存在する正孔活性化領域に効率的にMgがドーピングされて、低抵抗なｐ層を得ることができる。
特開２００１−０５７４６４号公報特開２０００−３０７１４９号公報ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS）、第39巻、ｐ2428（２０００年）ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース（JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH）、第287巻、ｐ554（2006年）フィジカル・レビュー（PHYSICAL REVIEW）Ｂ、第61巻、ｐ10330（2000年）

しかしながら、従来の窒化物半導体超格子のｐ型層では、以下のような問題点がある。

（１）窒化物半導体を用いた発光素子においてｐ型層を超格子構造にした場合、電流を流す積層方向はバンドオフセットが存在するため、積層方向の抵抗率が高くなってしまう。

（２）窒化物半導体超格子構造の異なる材料間の格子定数の違いから生じるピエゾ効果により、超格子構造界面にて活性化したキャリアが二次元ホールガス層を形成し、横方向への電流広がりの影響が懸念される。

上記問題について、以下に、より詳細に説明する。通常のAlを含む高バンドギャップを持つ混晶にｐドーピングを行った場合、キャリアの活性化エネルギーが高く、十分なキャリア濃度、抵抗率を得ることが困難である。この様な問題を改善するため、Alを含むｐ型窒化物半導体として、Mgをドーピングした超格子構造が特許文献１に報告されている。

超格子構造を用いた場合、二つの材料の違いによって生じる分極電界を利用することで、混晶層に比べて高いキャリア濃度、低抵抗率を得ることが可能である。しかしながら、超格子構造を用いたｐ型クラッド層を用いた場合においても、積層方向の抵抗が高抵抗化してしまう問題が存在する。

これは、超格子構造の積層方向に存在するヘテロ界面がAlGaN/GaN等の異なるバンドギャップを持つ材料で構成されており、積層方向にバンドオフセットが存在するためである。発光素子などのデバイスを考えた場合、超格子構造内にて活性化されたキャリアは、これらのバンドオフセットを越えて活性層領域へ流れなければならず、デバイスの動作電圧が高くなってしまう。

この様な超格子積層方向の抵抗は、超格子構造の周期に大きく依存しないことが非特許文献２にも示されており、問題として残ってしまうのが現状である。更に、超格子構造では積層方向に対して平行方向には分極電界が存在するため、二次元ホールガス層が形成される。二次元ホールガス層は横方向には低い抵抗値を示し、デバイス動作下で電流広がりを引き起こす可能性もあり、抵抗の方向依存性のなるべく小さなｐ型層の形成が望まれる。

従って、本発明は、超格子構造のｐ型窒化物半導体層における積層方向のバンドオフセットによる高抵抗化を抑制し、また、二次元ホールガス層の影響による横方向への大きな電流広がりを抑制して、抵抗率の方向依存性を小さくし、動作特性の良好な信頼性の高い窒化物半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため本発明の窒化物半導体発光装置は、半導体基板上に設けられた、ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上部に配置された活性層と、前記活性層の上部に配置されたｐ型窒化物半導体層とを備え、前記ｐ型窒化物半導体層は、三次元島構造を有する第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層とは組成が異なる材料により前記第１窒化物半導体層を覆って形成された第２窒化物半導体層との積層構造を含み、前記積層構造が複数周期繰り返し形成されていることを特徴とする。

上記構成の窒化物半導体発光装置によれば、ｐ型窒化物半導体層が、窒化物半導体の三次元島構造とその三次元島構造を覆うように形成された窒化物半導体層の積層構造によって形成されていることで、ホールを三次元島構造内にて効率的に活性化させることができる。これにより、一次元的な層構造である超格子構造では存在してしまう積層方向のバンドオフセットによる高抵抗化を抑制し、積層方向の低抵抗化が可能となる。

しかも、二次元ホールガス層の影響による横方向への大きな電流広がりも、三次元島構造を用いることで抑制でき、抵抗率の方向依存性を小さくすることが可能である。

これらの効果により、動作特性の良好な信頼性の高い窒化物半導体発光装置が得られる。

本発明の窒化物半導体発光装置は、上記構成を基本として、以下のような形態を採ることができる。

すなわち、前記ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一部は、Ａｌを含む窒化物半導体層により構成することができる。Ａｌを含む窒化物半導体をｐ型層として用いることにより、活性層内に効率的に光、キャリアを閉じ込めるレーザ構造を実現することが可能となる。

また、前記第１窒化物半導体層の持つバンドギャップが、前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さいことが好ましい。これにより、低バンドギャップ窒化物半導体で構成される三次元島構造内で効率的にホールを活性化させることが出来、低抵抗なｐ型層を得ることが容易になる。

また、前記ｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物はＭｇであることが好ましい。Mgは窒化物半導体中では有効なアクセプタ不純物であり、三次元島構造内でアクセプタを効率的に活性化させ、良好なｐ型伝導を得ることが可能である。

また、前記第２窒化物半導体層の上に前記第１窒化物半導体層が積層された界面に、ｐ型不純物が偏析している構成とすることができる。

以下に、本発明の実施の形態における窒化物半導体発光装置について、図面を参照してより具体的に説明する。

（実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態における窒化物半導体発光装置である、リッジ型半導体レーザダイオードの断面図を示す。

このレーザダイオードは、ｎ型GaNからなる基板１の上に、ｎ型Al_0.0025Ga_0.9975N層からなるバッファ層２、ｎ型Al_0.03 Ga_0.97Nからなるｎ型クラッド層３、ｎ型Al_0.0025Ga_0.9975Nからなるｎ型光ガイド層４、InGaNからなるＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５、ｐ型GaNからなるｐ型光ガイド層６、ｐ型Al_0.2Ga_0.8Nからなるオーバーフロー抑制層７、厚さ480ｎｍのMgドープAl_0.06Ga_0.94N/GaN からなる三次元島構造ｐ型クラッド層８、及びｐ型GaNからなるｐ型コンタクト層９が、エピタキシャル成長により順次積層された構造を備えている。

更に、ｐ型コンタクト層９の上にはｐ側電極１０が設けられ、基板１の裏面にはｎ側電極１１が設けられている。

上記構成における窒化物半導体のエピタキシャル層は、ＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy:有機金属気相成長装置）を用いて形成される。III族源であるGa原料にはトリメチルガリウム(TMA)を用い、Al原料にはトリメチルアルミニウム(TMA)を用い、In原料にはトリメチルインジウム(TMI)を用いる。Ｖ族源であるＮ原料にはアンモニア(NH₃)を用いる。ドナー不純物であるSi原料にはモノシラン(SiH₄)を用い、アクセプタ不純物であるMg原料にはシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp₂Mg)を用いる。

三次元島構造ｐ型クラッド層８は、図１（ｂ）に示すように、MgドープAlGaN領域８ａとMgドープGaN三次元島構造領域８ｂの積層構造で構成されている。図１（ｂ）は、（ａ）における三次元島構造ｐ型クラッド層８の一部を拡大して示す図である。（ｃ）に更に拡大した図を示す。AlGaN領域８ａ及びGaN三次元島構造領域８ｂの１周期の各堆積量は1.5ｎｍ相当であり、160周期積層されている。ｐ型クラッド層８内のSIMS分析による平均Mg濃度は1.6 x 10¹⁹cm^-3である。

本実施形態の上記構成におけるｐ型クラッド層８の形成方法を、図２に示す。まず、図２（ａ）に示すように、高濃度でMgをドープしたMgドープAlGaN領域８ａを成長させる。1.0 x 10¹⁹cm^-3以上の高濃度でMgをドープしたAlGaN領域８ａを成長させた場合、Mg原子１２は過剰供給による表面偏析の効果により、AlGaN領域８ａの最表面に多数存在する。

次に、図２（ｂ）に示すように、MgドープGaN三次元島構造領域８ｂを形成する。これは、N-richな条件でGaN:Mg成長を行うと、AlGaN領域８ａの表面に存在するMg原子１２を取り込む様に三次元クラスタ状に成長することで得られる。すなわち、表面にMg原子が存在しGaNをN-richな条件にて成長させた場合に、MgとGaの化学ポテンシャルの違いにより、Mg原子を起点としてGaN膜の三次元成長が促進されるためである(非特許文献３参照)。

本実施形態では、AlGaN領域８ａ成長中にMgを高濃度でドーピングすることにより、Mg原子１２が表面に存在する状態を故意に作り出し、更にV/III(N/Ga)比が54000程度以上というN-richな条件にてMgドープGaNを成長させることで、GaN三次元島構造領域８ｂを形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、GaN三次元島構造領域８ｂの上に、再度、MgドープAlGaN領域８ａを成長させる。更に、図２（ｂ）および（ｃ）の工程を、例えば160周期繰り返すことにより、図２（ｄ）に示すように、MgドープAl_0.06Ga_0.94N/GaNからなる三次元島構造ｐ型クラッド層８が形成される。なお、図２（ｄ）では、図２（ｃ）等と比べて、厚さ方向の寸法を縮尺して図示されている。

本実施形態で形成されるGaN三次元島構造領域８ｂは、円錐台状もしくは六角錐台状の形態を採る。その横方向のサイズの平均値は、一例としては15nm程度であり、8nm〜25nmであれば問題はない。高さの平均値は、一例としては2nm程度であり、1.2nm〜2.2nmであれば問題はない。だだし、形状については上記以外であっても、三次元島構造であれば、同様の効果を得ることが可能である。

以上のように本実施形態におけるｐ型クラッド層８の形成方法は、積層方向において、図７に示したGaN/AlGaN界面である第１領域ＡにMg原子を存在させ、N-richな条件でGaN三次元島構造領域８ｂを形成することを特徴とする。この様な方法を用いることで、通常は平坦で超格子状に形成されてしまうGaN/AlGaNの積層構造を、AlGaN/GaN 三次元島構造とすることが可能となる。

本実施形態の特徴を明確にするために、図３（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ、MgドーピングしたAlGaN膜上、及びアンドープAlGaN膜上に、V/III比54000としたN-richな条件によりGaNを成長させた後の原子間力顕微鏡(AFM)の図を示す。図３（ａ）では、MgドーピングしたAlGaN膜上では表面が凸凹形状を成しており、GaNが三次元状に形成されていることが確認できる。一方、図３（ｂ）に示されるように、Mgをドーピングしない場合は、平坦なステップを持つ、三次元状ではない表面が確認されている。以上のとおり、AlGaN成長中に供給したMgの表面への偏析の影響により、GaNが三次元成長していることを確認できる。

但し、本実施形態のｐ型クラッド層８におけるGaN三次元島構造を形成する方法は、上述の例のように、MgドープAlGaN成長後にMg原子が表面に偏析する状態を作り出し、その後に続くGaNの三次元島成長を促進する方法に限られない。例えば、成長条件の改善、及びAlGaN領域の高Al組成化によるAlGaNとGaNの格子不整合を利用したStranski-Krastanov成長モード(Ｓ−Ｋモード成長)により三次元島成長領域８ｂを形成することもできる。

Ｓ−Ｋモード成長とは、格子不整合の大きな材料（ここではGaN-AlGaNを指す）を用い、二次元的構造から三次元島構造へと成長形態を変化させる成長モードの事である。Ｓ−Ｋモード成長では、２つの材料間に存在する格子不整合を用いている。すなわち、AlGaN膜上にGaNを成長した場合、数原子層程度の初期の段階では二次元構造の形態である平坦な成長が起こる。GaNの成長(膜厚)が進むに連れ、二次元構造内で膜厚に応じてGaN膜内の歪エネルギー増大する。

この蓄積された歪エネルギーは、ある臨界膜厚に達すると蓄積した歪エネルギーを緩和させるためにGaNの成長モードが二次元的構造から三次元島構造へと変化する。Ｓ−Ｋモード成長は、このような作用を用いた三次元島成長方法である。Ｓ−Ｋモード成長はIII-V族半導体の量子ドット構造などの形成に広く用いられている。

図４Ａに、本発明に係る窒化物半導体装置におけるMgドープAl_0.06Ga_0.94N/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８のＸＲＤ（Ｘ線回折）測定結果（曲線Ｘ１）を示す。図４Ａには比較例として、同一条件により作製したノンドープのAlGaN/GaN超格子構造のＸＲＤ測定結果（曲線Ｘ２）を同時に示す。図４ＡにおけるサテライトピークＳの部分を、図４Ｂに拡大して示す。

図４Ｂに明確に示されるように、MgドープAlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８から観測される積層周期構造に起因したＸＲＤサテライトピーク（曲線Ｘ１参照）は、同一堆積量にて作製したAlGaN/GaN超格子構造で観測されるサテライトピーク（曲線Ｘ２参照）と、ピーク位置はほぼ同じである。これは、平均堆積量がMgドーピングの有無に関わらないことを示している。一方、サテライトピークの強度は大きく異なり、MgドープAlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８から観測されているサテライトピーク強度は、AlGaN/GaN超格子構造のサテライトピークに比べて弱くなっていることが確認できる。

周期に対応したサテライトピーク強度の２つサンプル間の違いは、積層方向におけるAlGaN/GaN界面の平坦性の違いによるものであると考えられる。すなわち、曲線Ｘ１の場合は、ｐ型クラッド層８内でGaN 三次元島構造が形成されていることを意味している。

なお、上述の実施形態ではMg濃度を膜内で1.6 x 10¹⁹cm^-3としているが、Mg量を制御することで、すなわち表面に存在するMg原子１２の密度を制御することで、GaN三次元島構造領域８ｂのGaN 三次元島構造のサイズ、密度の制御が可能である。膜中の平均濃度で1.0ｘ10¹⁹ｃｍ^-3以上のMg濃度であれば、ＸＲＤ測定によるサテライトピーク強度の低減が確認できた。これにより、GaN三次元島構造が形成されていることが示唆されており、Mg平均濃度が1.0ｘ10¹⁹ｃｍ^-3以上であれば、本発明の効果を得るために十分である。

GaNの結晶性を高品質に保つため、及び密度を確保するためには、Mg濃度が膜内で1.2 x 10¹⁹cm^-3〜2.0 x 10¹⁹cm^-3となるように制御することが望ましい。

本実施形態の特徴による効果を証明するために、MgドープAlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８を用いた場合と、Mgドープｐ型AlGaN/GaN超格子層をｐ型クラッド層として用いた場合の、ＬＤ構造の電圧−電流特性の比較を図５に示す。図５により、AlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８をｐ型クラッド層とすることで、ｐ型AlGaN/GaN超格子層に比べて低い立ち上がり電圧、良好な電圧-電流特性が得られることが示される。従って、Alを含むｐ型窒化物半導体の低抵抗化に、本実施の形態のAlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層が有効であることがわかる。

上述の例では、AlGaN/GaN三次元島構造ｐ型クラッド層８の各領域の堆積量を1.5nmとしているが、MgドープGaN三次元島構造領域８ｂとして低バンドギャップの窒化物半導体領域が三次元的に構成される範囲である1.0 nm 以上7.0 nm以下、望ましくは5.0nm以下の堆積量範囲内とすることが、本発明の効果を得るための条件である。

また、上述の例では、AlGaN/GaN 三次元島構造ｐ型クラッド層８の１周期の各層の比率を１としているが、GaN三次元島構造領域８ｂを覆うMgドープAlGaN領域８ａの堆積量が、GaN三次元島構造領域８ｂの堆積量よりも多ければ、すなわちGaN三次元島構造領域８ｂを覆うことが可能な堆積量であれば、非対称としても良い。１周期の堆積量は、10nm以下が望ましい。

また、上述の例では三次元島構造領域８ｂをGaNで形成した場合を示したが、三次元島構造領域を構成する材料のバンドギャップがAlGaN領域８ａよりも小さい範囲となるAl濃度が１％以下の微量であれば、Alを含んでも良い。

なお、本発明はレーザダイオードに限定されず、ＬＥＤなどの窒化物半導体発光装置に対しても有用である。

本発明に係る窒化物半導体発光装置によれば、ｐ型層の低抵抗化及びデバイスの動作電圧を低減させることが可能であり、レーザダイオードなどのデバイスの信頼性向上に有効である。

本発明の一実施の形態におけるリッジ型半導体レーザダイオードを示す断面図同レーザダイオードの要部であるAlGaN/GaN 三次元島構造ｐ型クラッド層の形成方法を示す工程の断面図同AlGaN/GaN 三次元島構造ｐ型クラッド層の形成工程に関し、MgドープAlGaN上及びアンドープAlGaN上にN-richな条件にてGaN成長を行った場合の表面原子間力顕微鏡写真を示す図同AlGaN/GaN 三次元島構造ｐ型クラッド層のＸ線回折測定結果を示す図図４Ａに示されるサテライトピークＳの部分を拡大して示す図同AlGaN/GaN 三次元島構造ｐ型クラッド層を用いたレーザダイオードの電圧-電流特性を示す図従来のｐ型AlGaN系超格子クラッド構造を用いたレーザダイオードを示す断面図従来のｐ型AlGaN系超格子構造内で分極電界が印加されていることによるアクセプタ活性化を表すバンド図

１基板
２バッファ層
３ｎ型クラッド層
４ｎ型光ガイド層
５ＭＱＷ活性層
６ｐ型光ガイド層
７オーバーフロー抑制層
８三次元島構造ｐ型クラッド層
８ａ MgドープAlGaN領域
８ｂ MgドープGaN三次元島構造領域
９ｐ型コンタクト層
１０ｐ側電極
１１ｎ側電極
１２Ｍｇ原子
１０１半導体基板
１０２バッファ層
１０３半導体層
１０４光閉じ込め層
１０４Ｂ障壁層
１０４Ｇ半導体超格子
１０４Ｗ井戸層
１０５発光層
１０６光閉じ込め層
１０６Ｂ障壁層
１０６Ｇ半導体超格子
１０６Ｗ井戸層
１０７積層体
１０８溝または切欠
１０９、１１０電極
Ａ第１領域
Ｂ第２領域

Claims

半導体基板上に設けられた、ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上部に配置された活性層と、前記活性層の上部に配置されたｐ型窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体発光装置において、
前記ｐ型窒化物半導体層は、三次元島構造を有する第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層とは組成が異なる材料により前記第１窒化物半導体層を覆って形成された第２窒化物半導体層との積層構造を含み、前記積層構造が複数周期繰り返し形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
前記ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一部は、Ａｌを含む窒化物半導体層により構成されている請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
前記第１窒化物半導体層の持つバンドギャップが、前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さい請求項１または２に記載の窒化物半導体発光装置。
前記ｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物はＭｇである請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
前記第２窒化物半導体層の上に前記第１窒化物半導体層が積層された界面に、ｐ型不純物が偏析している請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。