JP3336855B2 - ３族窒化物化合物半導体発光素子 - Google Patents
３族窒化物化合物半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３族窒化物半導体を
用いた半導体素子に関する。特に、素子特性や信頼性に
優れた半導体素子に関する。
用いた半導体素子に関する。特に、素子特性や信頼性に
優れた半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、青色や短波長領域の発光素子の材
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及
び緑色を発光色とすること等から注目されている。
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及
び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープ
して電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できる。
この結果、AlGaN のｐ伝導型のクラッド層と、ZnとSiド
ープのInGaN の発光層と、GaN のｎ層とを用いたダブル
ヘテロ構造を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が提案さ
れている。
して電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できる。
この結果、AlGaN のｐ伝導型のクラッド層と、ZnとSiド
ープのInGaN の発光層と、GaN のｎ層とを用いたダブル
ヘテロ構造を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が提案さ
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なInGaN の発光層の上に直接、AlGaN のクラッド層が積
層されている構造では、AlGaN のクラッド層の成長温度
が先に形成されたInGaNの発光層の成長温度よりも高い
ため、クラッド層の形成工程において、発光層がInGaN
の成長温度よりも高い温度にさらされ、発光層が熱的に
劣化する。更に、この高温でのクラッド層の形成工程に
おいて、クラッド層に添加されたマグネシウム（Mg) が
発光層へと拡散したり、発光層の窒素(N) が蒸発する。
その結果、発光層の結晶性が悪化し発光効率が低下す
る。更に、素子の劣化により、素子の寿命は短くなり、
信頼性に欠ける。
なInGaN の発光層の上に直接、AlGaN のクラッド層が積
層されている構造では、AlGaN のクラッド層の成長温度
が先に形成されたInGaNの発光層の成長温度よりも高い
ため、クラッド層の形成工程において、発光層がInGaN
の成長温度よりも高い温度にさらされ、発光層が熱的に
劣化する。更に、この高温でのクラッド層の形成工程に
おいて、クラッド層に添加されたマグネシウム（Mg) が
発光層へと拡散したり、発光層の窒素(N) が蒸発する。
その結果、発光層の結晶性が悪化し発光効率が低下す
る。更に、素子の劣化により、素子の寿命は短くなり、
信頼性に欠ける。
【０００５】そこで本発明の目的は、発光層の結晶性を
向上させることで、発光効率を向上させ、素子寿命の長
期化と信頼性の向上を図ることである。
向上させることで、発光効率を向上させ、素子寿命の長
期化と信頼性の向上を図ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、発光
層とクラッド層との間に、発光層の成長温度とクラッド
層の成長温度との間の成長温度で形成した、発光層のバ
ンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの間のバ
ンドギャップを有する組成比を有する３族窒化物半導体
から成るキャップ層を設けたことを特徴とする。
層とクラッド層との間に、発光層の成長温度とクラッド
層の成長温度との間の成長温度で形成した、発光層のバ
ンドギャップとクラッド層のバンドギャップとの間のバ
ンドギャップを有する組成比を有する３族窒化物半導体
から成るキャップ層を設けたことを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、そのキャップ層を、発
光層からクラッド層にかけて、組成比が連続的又は段階
的に変化する層としたことである。請求項３の発明は、
発光層とクラッド層とキャップ層を４元系のAlxGayIn
1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)とし、キャッ
プ層の組成比を発光層の組成比とクラッド層の組成比と
の間の組成比に選択したことである。請求項４の発明
は、発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1≦1)であり、
クラッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0 ≦y1≦1)であり、
キャップ層は発光層の組成比とクラッド層の組成比との
間の組成比に選択されたAlx2Gay2In1-X2-Y2N (0 ≦x2≦
1, 0≦y2≦1, 0≦x2+y2 ≦1)であることを特徴とする。
請求項５の発明は、キャップ層のインジウム(In)の組成
比が発光層からクラッド層に近づくに連れて減少し、キ
ャップ層のアルミニウム(Al)の組成比が発光層からクラ
ッド層に近づくに連れて増加するように段階的又は連続
的に変化させたことを特徴とする。請求項６の発明は、
発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1≦1)であり、クラ
ッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0 ≦y1≦1)であり、キャ
ップ層は３元系のInx2Ga1-x2N (0≦x2≦x1≦1) である
ことを特徴とする。請求項７の発明は、請求項６におい
て、キャップ層のインジウム(In)の組成比が発光層から
クラッド層に近づくに連れて段階的又は連続的に減少さ
せたことを特徴とする。
光層からクラッド層にかけて、組成比が連続的又は段階
的に変化する層としたことである。請求項３の発明は、
発光層とクラッド層とキャップ層を４元系のAlxGayIn
1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)とし、キャッ
プ層の組成比を発光層の組成比とクラッド層の組成比と
の間の組成比に選択したことである。請求項４の発明
は、発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1≦1)であり、
クラッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0 ≦y1≦1)であり、
キャップ層は発光層の組成比とクラッド層の組成比との
間の組成比に選択されたAlx2Gay2In1-X2-Y2N (0 ≦x2≦
1, 0≦y2≦1, 0≦x2+y2 ≦1)であることを特徴とする。
請求項５の発明は、キャップ層のインジウム(In)の組成
比が発光層からクラッド層に近づくに連れて減少し、キ
ャップ層のアルミニウム(Al)の組成比が発光層からクラ
ッド層に近づくに連れて増加するように段階的又は連続
的に変化させたことを特徴とする。請求項６の発明は、
発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1≦1)であり、クラ
ッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0 ≦y1≦1)であり、キャ
ップ層は３元系のInx2Ga1-x2N (0≦x2≦x1≦1) である
ことを特徴とする。請求項７の発明は、請求項６におい
て、キャップ層のインジウム(In)の組成比が発光層から
クラッド層に近づくに連れて段階的又は連続的に減少さ
せたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の作用及び効果】上記の構成のキャップ層を発光
層とクラッド層との間に、それらの成長温度間の温度で
形成したので、発光層を形成した後に、より高温でクラ
ッド層が形成される時に、発光層の結晶性への悪影響を
防止できる。具体的には、発光層の窒素の抜けやインジ
ウムの発光層からの拡散、マグネシウムウの発光層への
拡散が、このキャップ層で阻止される。又、キャップ層
の形成は、クラッド層よりも低温で形成されるために、
キャップ層形成時における発光層の結晶性への悪影響は
キャップ層を直接形成する場合に比べて低減される。こ
の結果、発光効率が向上し、阻止寿命が長期化した。
層とクラッド層との間に、それらの成長温度間の温度で
形成したので、発光層を形成した後に、より高温でクラ
ッド層が形成される時に、発光層の結晶性への悪影響を
防止できる。具体的には、発光層の窒素の抜けやインジ
ウムの発光層からの拡散、マグネシウムウの発光層への
拡散が、このキャップ層で阻止される。又、キャップ層
の形成は、クラッド層よりも低温で形成されるために、
キャップ層形成時における発光層の結晶性への悪影響は
キャップ層を直接形成する場合に比べて低減される。こ
の結果、発光効率が向上し、阻止寿命が長期化した。
【０００９】ヘテロ接合により発光層でキャリア閉じ込
め効果を発生させるためには、発光層のバンドギャップ
よりもキャップ層、クラッド層のバンドギャップの方を
大きくする必要がある。４元系のAlGaInN 半導体の場合
には、Alが多い程バンドギャップは広くなり成長温度が
高くなり、Inが多い程バンドギャップは小さくなり成長
温度は低くなる。よって、キャップ層の各元素の組成比
を発光層とキャップ層の各元素の組成比の間の組成比と
することで、キャップ層のバンドギャップと成長温度を
発光層とクラッド層のバンドギャップと成長温度の中間
とすることができる。このような組成比は連続的変化さ
せても、段階的に変化させても良い。特に、発光層がIn
GaN 、クラッド層がAlGaN の３元系で構成されている場
合には、キャップ層に、発光層よりもインジウム組成比
が小さいか、クラッド層よりもアルミニウム組成比が小
さい３元系のInGaN 又はAlGaN 又は４元系のAlGaInN を
用いることで、バンドギャップと成長温度の条件を満た
すことができる。
め効果を発生させるためには、発光層のバンドギャップ
よりもキャップ層、クラッド層のバンドギャップの方を
大きくする必要がある。４元系のAlGaInN 半導体の場合
には、Alが多い程バンドギャップは広くなり成長温度が
高くなり、Inが多い程バンドギャップは小さくなり成長
温度は低くなる。よって、キャップ層の各元素の組成比
を発光層とキャップ層の各元素の組成比の間の組成比と
することで、キャップ層のバンドギャップと成長温度を
発光層とクラッド層のバンドギャップと成長温度の中間
とすることができる。このような組成比は連続的変化さ
せても、段階的に変化させても良い。特に、発光層がIn
GaN 、クラッド層がAlGaN の３元系で構成されている場
合には、キャップ層に、発光層よりもインジウム組成比
が小さいか、クラッド層よりもアルミニウム組成比が小
さい３元系のInGaN 又はAlGaN 又は４元系のAlGaInN を
用いることで、バンドギャップと成長温度の条件を満た
すことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。第１実施例 図１は本願実施例の発光素子100 全体図を示す。発光素
子100 は、サファイア基板１を有しており、そのサファ
イア基板１上に0.05μｍのAlN バッファ層２が形成され
ている。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。第１実施例 図１は本願実施例の発光素子100 全体図を示す。発光素
子100 は、サファイア基板１を有しており、そのサファ
イア基板１上に0.05μｍのAlN バッファ層２が形成され
ている。
【００１１】そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約
4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープ
GaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍ
の電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのGaN か
ら成るｎ層４、膜厚約100 ｎｍ，亜鉛(Zn)とシリコン(S
i)ドープがそれぞれ、 5×1018/cm3にドープされたIn
0.20Ga0.80N から成る発光層５，膜厚約10ｎｍ，ホール
濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/c
m3ドープのIn0.08Ga0.92N から成るｐ伝導型のキャップ
層６、膜厚約100 ｎｍ，ホール濃度 2×1017/cm3, マグ
ネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのAl0.09Ga0.92
N から成るｐ伝導型のクラッド層７１、膜厚約200 ｎ
ｍ，ホール濃度 3×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度
5×1019/cm3ドープのGaN から成る第１コンタクト層７
２、膜厚約50ｎｍ，ホール濃度 6×1017/cm3のマグネシ
ウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3ドープのGaN から成るｐ+
の第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第
２コンタクト層７３の上面全体にNi/Au の２重層からな
る透明電極９が形成されその透明電極９の隅の部分にNi
/Au の２重層からなるボンディングのためのパッド１０
が形成されている。又、ｎ+ 層３上にはAlから成る電極
８が形成されている。
4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープ
GaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍ
の電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのGaN か
ら成るｎ層４、膜厚約100 ｎｍ，亜鉛(Zn)とシリコン(S
i)ドープがそれぞれ、 5×1018/cm3にドープされたIn
0.20Ga0.80N から成る発光層５，膜厚約10ｎｍ，ホール
濃度 2×1017/cm3, マグネシウム（Mg) 濃度 5×1019/c
m3ドープのIn0.08Ga0.92N から成るｐ伝導型のキャップ
層６、膜厚約100 ｎｍ，ホール濃度 2×1017/cm3, マグ
ネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3ドープのAl0.09Ga0.92
N から成るｐ伝導型のクラッド層７１、膜厚約200 ｎ
ｍ，ホール濃度 3×1017/cm3のマグネシウム（Mg) 濃度
5×1019/cm3ドープのGaN から成る第１コンタクト層７
２、膜厚約50ｎｍ，ホール濃度 6×1017/cm3のマグネシ
ウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3ドープのGaN から成るｐ+
の第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第
２コンタクト層７３の上面全体にNi/Au の２重層からな
る透明電極９が形成されその透明電極９の隅の部分にNi
/Au の２重層からなるボンディングのためのパッド１０
が形成されている。又、ｎ+ 層３上にはAlから成る電極
８が形成されている。
【００１２】次に、この構造の半導体素子の製造方法に
ついて説明する。上記発光素子100 は、有機金属気相成
長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造され
た。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガ
ス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG
」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以
下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)
（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)とシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記
す）である。
ついて説明する。上記発光素子100 は、有機金属気相成
長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造され
た。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガ
ス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG
」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以
下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)
（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)とシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記
す）である。
【００１３】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
ａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１４】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.
05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 lite
r／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入
し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン
濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.
05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 lite
r／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入
し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン
濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１５】上記の高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した
後、続いて温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／
分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10
-9モル／分で30分導入し、膜厚約5.0 μｍ、電子濃度 5
×1017/cm3、シリコン濃度 1×1018/cm3のシリコン(Si)
ドープGaN から成るｎ層４を形成した。
後、続いて温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／
分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10
-9モル／分で30分導入し、膜厚約5.0 μｍ、電子濃度 5
×1017/cm3、シリコン濃度 1×1018/cm3のシリコン(Si)
ドープGaN から成るｎ層４を形成した。
【００１６】続いて、温度を800 ℃に保持し、N2又はH2
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.2 ×10
-4モル／分、TMI を1.6 ×10-4モル／分、H2ガスにより
0.86ppm に希釈されたシランを10×10-8mol/分で、DEZ
を 2×10-4モル/ 分で、30分間供給して厚さ100nm のシ
リコンと亜鉛が、それぞれ、 5×1018/cm3にドープさた
In0.20Ga0.80N から成る発光層５を形成した。
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.2 ×10
-4モル／分、TMI を1.6 ×10-4モル／分、H2ガスにより
0.86ppm に希釈されたシランを10×10-8mol/分で、DEZ
を 2×10-4モル/ 分で、30分間供給して厚さ100nm のシ
リコンと亜鉛が、それぞれ、 5×1018/cm3にドープさた
In0.20Ga0.80N から成る発光層５を形成した。
【００１７】続いて、温度を900 ℃に保持し、N2又はH2
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.2 ×10
-4モル／分、TMI を1.2 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×
10-5モル／分で、3 分間供給して厚さ10nmの濃度 5×10
19/cm3にマグネシウムのドープされたキャップ層６を形
成した。この状態で、キャップ層６は、まだ、抵抗率10
8 Ωcm以上の絶縁体である。
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を0.2 ×10
-4モル／分、TMI を1.2 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×
10-5モル／分で、3 分間供給して厚さ10nmの濃度 5×10
19/cm3にマグネシウムのドープされたキャップ層６を形
成した。この状態で、キャップ層６は、まだ、抵抗率10
8 Ωcm以上の絶縁体である。
【００１８】続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10
-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mg
を2×10-5モル／分で 6分間導入し、膜厚約100 ｎｍの
マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラ
ッド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム
濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層
７１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10
-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mg
を2×10-5モル／分で 6分間導入し、膜厚約100 ｎｍの
マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラ
ッド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム
濃度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層
７１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００１９】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-5モル／分で 1分間導
入し、膜厚約200 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタ
クト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。
この状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率
108 Ωcm以上の絶縁体である。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-5モル／分で 1分間導
入し、膜厚約200 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタ
クト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。
この状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率
108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２０】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-5モル／分で3 分間導
入し、膜厚約50ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN か
ら成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コ
ンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3であ
る。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵
抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-5モル／分で3 分間導
入し、膜厚約50ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN か
ら成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コ
ンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3であ
る。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵
抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２１】次に、反射電子線回折装置を用いて、第２
コンタクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド層
７１，及びキャップ層６に一様に電子線を照射した。電
子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、
ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μｍφ、真空
度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、第
２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド
層７１，及びキャップ層６は、それぞれ、ホール濃度 6
×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/cm3,2×1017/cm3、抵
抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcm, 0.7 Ωcmのｐ伝導型半導
体となった。このようにして多層構造のウエハが得られ
た。
コンタクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド層
７１，及びキャップ層６に一様に電子線を照射した。電
子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、
ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μｍφ、真空
度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、第
２コンタクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド
層７１，及びキャップ層６は、それぞれ、ホール濃度 6
×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/cm3,2×1017/cm3、抵
抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcm, 0.7 Ωcmのｐ伝導型半導
体となった。このようにして多層構造のウエハが得られ
た。
【００２２】続いて、図２〜図４に示すように、ｎ+ 層
３の電極８を形成するために、第２コンタクト層７３、
第１コンタクト層７２、クラッド層７１、キャップ層
６、発光層５、ｎ層４の一部を、エッチングにより除去
した。次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジ
ストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工
程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形
成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au の２層
を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ+ 層３に対
しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。そ
の後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切
断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この
発光素子は駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長430 ｎｍ、
発光強度2000mCd であった。従来構造のＬＥＤに比べて
発光強度は２倍になった。
３の電極８を形成するために、第２コンタクト層７３、
第１コンタクト層７２、クラッド層７１、キャップ層
６、発光層５、ｎ層４の一部を、エッチングにより除去
した。次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジ
ストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工
程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形
成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au の２層
を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ+ 層３に対
しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。そ
の後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切
断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この
発光素子は駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長430 ｎｍ、
発光強度2000mCd であった。従来構造のＬＥＤに比べて
発光強度は２倍になった。
【００２３】上記実施例ではキャップ層６のインジウム
(In)の組成比を0.08としたが、発光層５からクラッド層
７１に近づくに連れて、キャップ層６のインジウム(In)
の組成比を0.2 から0 へ順次、減少させても良い。さら
に、アルミニウム(Al)の組成比を0 から0.08へ順次、増
加させても良い。さらに、４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦
x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)化合物半導体を用いて、
発光層５からクラッド層７１にかけて、インジウム(In)
の組成比を減少させると共にアルミニウム(Al)の組成比
を増加させても良い。これらのキャップ層６の組成比を
変化させる時、２段以上で段階的に変化させても、連続
的に組成比を変化させても良い。
(In)の組成比を0.08としたが、発光層５からクラッド層
７１に近づくに連れて、キャップ層６のインジウム(In)
の組成比を0.2 から0 へ順次、減少させても良い。さら
に、アルミニウム(Al)の組成比を0 から0.08へ順次、増
加させても良い。さらに、４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦
x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)化合物半導体を用いて、
発光層５からクラッド層７１にかけて、インジウム(In)
の組成比を減少させると共にアルミニウム(Al)の組成比
を増加させても良い。これらのキャップ層６の組成比を
変化させる時、２段以上で段階的に変化させても、連続
的に組成比を変化させても良い。
【００２４】又、発光層５とキャップ層７１に、４元系
のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y ≦1)半
導体を用いた場合も、キャップ層に４元系の半導体を用
いて、In、Al、Gaの組成比が発光層５とクラッド層７１
の間の値となるように、発光層からクラッド層７１にか
けて、連続的に又は段階的に変化するようにしても良
い。又、上記実施例では発光層５に単一層を用いたが、
単一量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）を用いても良い。
のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y ≦1)半
導体を用いた場合も、キャップ層に４元系の半導体を用
いて、In、Al、Gaの組成比が発光層５とクラッド層７１
の間の値となるように、発光層からクラッド層７１にか
けて、連続的に又は段階的に変化するようにしても良
い。又、上記実施例では発光層５に単一層を用いたが、
単一量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）を用いても良い。
【００２５】第２実施例 次に、第２実施例の発光素子２００について説明する。
図５において、ｎ層４を高キャリア濃度ｎ+ 層３と発光
層５との間の格子定数の変化を緩和する組成比のｎ伝導
型の中間層４１、４２を設けた。これにより、発光５の
結晶性を向上させることができる。
図５において、ｎ層４を高キャリア濃度ｎ+ 層３と発光
層５との間の格子定数の変化を緩和する組成比のｎ伝導
型の中間層４１、４２を設けた。これにより、発光５の
結晶性を向上させることができる。
【００２６】図５において、ｎ+ 層３の上に、膜厚約10
ｎｍ，電子濃度 5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのIn
0.08Ga0.92N から成る第１中間層４１、膜厚約10ｎｍ，
電子濃度 5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのIn0.15Ga
0.85N から成る第２中間層４２を形成した。他の層につ
いては、第１実施例と全く同様である。
ｎｍ，電子濃度 5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのIn
0.08Ga0.92N から成る第１中間層４１、膜厚約10ｎｍ，
電子濃度 5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのIn0.15Ga
0.85N から成る第２中間層４２を形成した。他の層につ
いては、第１実施例と全く同様である。
【００２７】第２実施例では第１中間層４１のインジウ
ム(In)の組成比を0.08とし、第２中間層４２のインジウ
ム(In)の組成比を0.15としたが、ｎ+ 層３から発光層５
に近づくに連れて、発光層５のインジウム(In)の組成比
を0 から0.20に順次、増加させても良い。この時、２段
以上の複層でも、連続的に組成比を変化させても良い。
さらに、４元系の化合物半導体を用いると、バンドギャ
ップと格子定数とをそれぞれ独立に変化させることがで
きる。よって、InGaN の発光層５に対して、InGaN より
もバンドギャップが広く、格子定数を発光層５の格子定
数にほぼ一致させた組成比のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1,
0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)を中間層４として用いても良
い。又、この中間層４を、ｎ+ 層３の格子定数に等しい
格子定数とする組成比のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦
y ≦1, 0≦x+y ≦1)から成る第１中間層と、発光層５の
格子定数に等しい格子定数とする組成比のAlxGayIn
1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)から成る第２
中間層との２層構造としても良い。さらに、第１中間層
から第２中間層の間に、格子定数を第２中間層に順次接
近させる１層以上の層を介在させても良い。又、ｎ+ 層
３から発光層５に向けて、格子定数が連続的に変化する
ように４元系化合物の組成比を連続的に変化させても良
い。発光層５はInGaN 、ｎ+ 層３はGaN としたが、これ
らの層も、４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦
1, 0≦x+y ≦1)とし、それらの層の間に上述した構成の
４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y
≦1)から成る中間層を設けても良い。
ム(In)の組成比を0.08とし、第２中間層４２のインジウ
ム(In)の組成比を0.15としたが、ｎ+ 層３から発光層５
に近づくに連れて、発光層５のインジウム(In)の組成比
を0 から0.20に順次、増加させても良い。この時、２段
以上の複層でも、連続的に組成比を変化させても良い。
さらに、４元系の化合物半導体を用いると、バンドギャ
ップと格子定数とをそれぞれ独立に変化させることがで
きる。よって、InGaN の発光層５に対して、InGaN より
もバンドギャップが広く、格子定数を発光層５の格子定
数にほぼ一致させた組成比のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1,
0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)を中間層４として用いても良
い。又、この中間層４を、ｎ+ 層３の格子定数に等しい
格子定数とする組成比のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦
y ≦1, 0≦x+y ≦1)から成る第１中間層と、発光層５の
格子定数に等しい格子定数とする組成比のAlxGayIn
1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y ≦1)から成る第２
中間層との２層構造としても良い。さらに、第１中間層
から第２中間層の間に、格子定数を第２中間層に順次接
近させる１層以上の層を介在させても良い。又、ｎ+ 層
３から発光層５に向けて、格子定数が連続的に変化する
ように４元系化合物の組成比を連続的に変化させても良
い。発光層５はInGaN 、ｎ+ 層３はGaN としたが、これ
らの層も、４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦
1, 0≦x+y ≦1)とし、それらの層の間に上述した構成の
４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0≦x+y
≦1)から成る中間層を設けても良い。
【００２８】このように中間層４を形成することで、発
光層５の結晶性が改善され、その結果、発光効率が向上
した。さらに、発光層５は中間層４とキャップ層６で挟
まれているので、結晶成長時における発光層５の熱的劣
化が防止され、この第２実施例の構造にすることで、よ
り発光効率と素子寿命を改善することができた。
光層５の結晶性が改善され、その結果、発光効率が向上
した。さらに、発光層５は中間層４とキャップ層６で挟
まれているので、結晶成長時における発光層５の熱的劣
化が防止され、この第２実施例の構造にすることで、よ
り発光効率と素子寿命を改善することができた。
【００２９】又、中間層４、ｎ+ 層３のシリコン濃度
は、1 ×1017/cm3〜1 ×1020/cm3が望ましい。1 ×1017
/cm3以下であると高抵抗となり、1 ×1020/cm3以上であ
ると結晶性が低下し望ましくない。中間層４の厚さは0.
5nm 〜50nmが望ましい。0.5nm 以下であると層を均一に
形成できなくなり、50nm以上であると発光効率が低下し
望ましくない。又、ｎ+ 層３の厚さは、0.5 μｍ〜10μ
ｍが望ましい。0.5 μｍ以下であると、エッチングして
ｎ+ 層３を露出させて、ｎ+ 層３に対する電極の形成が
困難となり、10μｍ以上であるとクラックが入り望まし
くない。又、発光層５のシリコン濃度及び亜鉛濃度は、
それぞれ、1 ×1017〜1 ×1020/cm3が望ましい。濃度が
1 ×1017/cm3より低下すると発光強度が低下し、濃度が
1 ×1020/cm3以上となると結晶性が低下するために望ま
しくない。
は、1 ×1017/cm3〜1 ×1020/cm3が望ましい。1 ×1017
/cm3以下であると高抵抗となり、1 ×1020/cm3以上であ
ると結晶性が低下し望ましくない。中間層４の厚さは0.
5nm 〜50nmが望ましい。0.5nm 以下であると層を均一に
形成できなくなり、50nm以上であると発光効率が低下し
望ましくない。又、ｎ+ 層３の厚さは、0.5 μｍ〜10μ
ｍが望ましい。0.5 μｍ以下であると、エッチングして
ｎ+ 層３を露出させて、ｎ+ 層３に対する電極の形成が
困難となり、10μｍ以上であるとクラックが入り望まし
くない。又、発光層５のシリコン濃度及び亜鉛濃度は、
それぞれ、1 ×1017〜1 ×1020/cm3が望ましい。濃度が
1 ×1017/cm3より低下すると発光強度が低下し、濃度が
1 ×1020/cm3以上となると結晶性が低下するために望ま
しくない。
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
ードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図５】本発明の具体的な第２実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
ードの構成を示した構成図。
100 …半導体素子 １…サファイア基板 ２…バッファ層 ３…高キャリア濃度ｎ+ 層 ４…ｎ層 ５…発光層 ６…キャップ層 ７１…クラッド層 ７２…第１コンタクト層 ７３…第２コンタクト層 ８…電極 ９…透明電極 １０…パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 誠二 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−21511（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−56051（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−32172（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−30199（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (7)
- 【請求項１】３族窒化物半導体から成る発光層と発光層
の上に形成されるクラッド層とを有する発光素子におい
て、 前記発光層と前記クラッド層との間に、前記発光層の成
長温度と前記クラッド層の成長温度との間の成長温度で
形成した、前記発光層のバンドギャップと前記クラッド
層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する組
成比を有する３族窒化物半導体から成るキャップ層を設
けたことを特徴とする３族窒化物化合物半導体発光素
子。 - 【請求項２】前記キャップ層は、前記発光層から前記ク
ラッド層にかけて、組成比が連続的又は段階的に変化す
る層であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化
物化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】前記発光層と前記クラッド層と前記キャッ
プ層は４元系のAlxGayIn1-X-YN(0≦x ≦1, 0≦y ≦1, 0
≦x+y ≦1)であり、前記キャップ層の組成比は前記発光
層の組成比と前記クラッド層の組成比との間の組成比に
選択されていることを特徴とする請求項１に記載の３族
窒化物化合物半導体発光素子。 - 【請求項４】前記発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1
≦1)であり、前記クラッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0
≦y1≦1)であり、前記キャップ層は前記発光層の組成比
と前記クラッド層の組成比との間の組成比に選択された
Alx2Gay2In1-X2-Y2N (0 ≦x2≦1, 0≦y2≦1, 0≦x2+y2
≦1)であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化
物化合物半導体発光素子。 - 【請求項５】前記キャップ層のインジウム(In)の組成比
が前記発光層から前記クラッド層に近づくに連れて減少
し、前記キャップ層のアルミニウム(Al)の組成比が前記
発光層から前記クラッド層に近づくに連れて増加するよ
うに段階的又は連続的に変化させたことを特徴とする請
求項４に記載の３族窒化物化合物半導体発光素子。 - 【請求項６】前記発光層は３元系のInx1Ga1-x1N (0≦x1
≦1)であり、前記クラッド層は３元系のAly1Ga1-y1N(0
≦y1≦1)であり、前記キャップ層は３元系のInx2Ga1-x2
N (0≦x2≦x1≦1) であることを特徴とする請求項１に
記載の３族窒化物化合物半導体発光素子。 - 【請求項７】前記キャップ層のインジウム(In)の組成比
が前記発光層から前記クラッド層に近づくに連れて段階
的又は連続的に減少させたことを特徴とする請求項６に
記載の３族窒化物化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9909696A JP3336855B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | ３族窒化物化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9909696A JP3336855B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | ３族窒化物化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09266326A JPH09266326A (ja) | 1997-10-07 |
| JP3336855B2 true JP3336855B2 (ja) | 2002-10-21 |
Family
ID=14238350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9909696A Expired - Lifetime JP3336855B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | ３族窒化物化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3336855B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3461112B2 (ja) * | 1997-12-19 | 2003-10-27 | 昭和電工株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 |
| US6586762B2 (en) | 2000-07-07 | 2003-07-01 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device with improved lifetime and high output power |
| JP3864735B2 (ja) | 2000-12-28 | 2007-01-10 | ソニー株式会社 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| WO2002084831A1 (en) * | 2001-04-12 | 2002-10-24 | Nichia Corporation | Gallium nitride compound semiconductor element |
| US6958497B2 (en) | 2001-05-30 | 2005-10-25 | Cree, Inc. | Group III nitride based light emitting diode structures with a quantum well and superlattice, group III nitride based quantum well structures and group III nitride based superlattice structures |
| US7692182B2 (en) * | 2001-05-30 | 2010-04-06 | Cree, Inc. | Group III nitride based quantum well light emitting device structures with an indium containing capping structure |
| MY139533A (en) | 2001-11-05 | 2009-10-30 | Nichia Corp | Nitride semiconductor device |
| US8053794B2 (en) * | 2004-08-26 | 2011-11-08 | Lg Innotek Co., Ltd | Nitride semiconductor light emitting device and fabrication method thereof |
| US8575592B2 (en) | 2010-02-03 | 2013-11-05 | Cree, Inc. | Group III nitride based light emitting diode structures with multiple quantum well structures having varying well thicknesses |
| JP2014067893A (ja) | 2012-09-26 | 2014-04-17 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 |
-
1996
- 1996-03-27 JP JP9909696A patent/JP3336855B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09266326A (ja) | 1997-10-07 |
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