JP3371830B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、レーザダイオード（ＬＤ）等に使用される窒化物
半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y
≦１）よりなる発光素子に関する。
Ｄ）、レーザダイオード（ＬＤ）等に使用される窒化物
半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y
≦１）よりなる発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）で示される窒化物半導体はＭＯＶＰＥ
（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線ビーム気相成
長法）、ＨＤＶＰＥ（ハライド気相成長法）等の気相成
長法を用いて基板上にエピタキシャル成長されている。
また、この半導体材料は直接遷移型の広ワイドギャップ
半導体であるため、紫外から赤色までの発光素子の材料
として知られており、最近この材料で高輝度な青色ＬＥ
Ｄ、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザダイ
オード（ＬＤ）の実現が望まれている。
Y、X＋Y≦１）で示される窒化物半導体はＭＯＶＰＥ
（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線ビーム気相成
長法）、ＨＤＶＰＥ（ハライド気相成長法）等の気相成
長法を用いて基板上にエピタキシャル成長されている。
また、この半導体材料は直接遷移型の広ワイドギャップ
半導体であるため、紫外から赤色までの発光素子の材料
として知られており、最近この材料で高輝度な青色ＬＥ
Ｄ、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザダイ
オード（ＬＤ）の実現が望まれている。
【０００３】窒化物半導体を用いた発光素子として、例
えば特開平６−２１５１１号公報にＬＥＤ素子が示され
ている。この公報ではＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オ
ングストロームの井戸層と、ＧａＮよりなる膜厚１００
オングストローム障壁層とを積層した多重量子井戸構造
の活性層を備えるＬＥＤ素子が示されている。
えば特開平６−２１５１１号公報にＬＥＤ素子が示され
ている。この公報ではＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オ
ングストロームの井戸層と、ＧａＮよりなる膜厚１００
オングストローム障壁層とを積層した多重量子井戸構造
の活性層を備えるＬＥＤ素子が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記公報によると、Ｉ
ｎＧａＮとＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層を
ＧａＮと、ＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ分離
閉じ込め型のダブルへテロ構造を有するＬＥＤ素子が示
されている。活性層を多重量子井戸構造とすることによ
り、発光出力に優れたＬＥＤ素子を得ることができる。
しかしながら、さらに発光出力を高める必要がある。従
って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたもので
あって、その目的とするところは、窒化物半導体よりな
る発光素子の新規な構造を提供することにより、発光出
力を高めることにある。
ｎＧａＮとＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層を
ＧａＮと、ＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ分離
閉じ込め型のダブルへテロ構造を有するＬＥＤ素子が示
されている。活性層を多重量子井戸構造とすることによ
り、発光出力に優れたＬＥＤ素子を得ることができる。
しかしながら、さらに発光出力を高める必要がある。従
って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたもので
あって、その目的とするところは、窒化物半導体よりな
る発光素子の新規な構造を提供することにより、発光出
力を高めることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の発光素子は、窒
化物半導体（ＩｎｘＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、
０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる発光素子であって、Ｇａ
Ｎからなるｎ型コンタクト層の上に、Ｉｎを含むｎ型の
窒化物半導体からなり、膜厚１００Å以上、０．５μｍ
以下の第１のｎ型エピタキシャル成長層と、ＡｌＧａＮ
から成る第２のｎ型エピタキシャル成長層と、Ｉｎを含
む窒化物半導体からなる井戸層を有し、膜多重量子井戸
構造を有する活性層とが積層され、ダブルへテロ構造を
有することを特徴とする。
化物半導体（ＩｎｘＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、
０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる発光素子であって、Ｇａ
Ｎからなるｎ型コンタクト層の上に、Ｉｎを含むｎ型の
窒化物半導体からなり、膜厚１００Å以上、０．５μｍ
以下の第１のｎ型エピタキシャル成長層と、ＡｌＧａＮ
から成る第２のｎ型エピタキシャル成長層と、Ｉｎを含
む窒化物半導体からなる井戸層を有し、膜多重量子井戸
構造を有する活性層とが積層され、ダブルへテロ構造を
有することを特徴とする。
【０００６】第１のｎ型エピタキシャル層を成長させる
ことにより、次に成長させるｎ型ＡｌＧａＮ層を厚膜で
成長させることが可能となる。ＬＤのように出力を高め
る必要がある場合は、光閉じ込め層、光ガイド層となる
層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要が
ある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜の
ＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａ
Ｎにクラックが入るので素子作製が困難であったが、第
１のｎ型エピタキシャル層がバッファ層として作用す
る。つまり、この層がバッファ層となり次に成長させる
ｎ型ＡｌＧａＮ層にクラックが入るのを防止することが
できる。しかも次に成長させるｎ型ＡｌＧａＮ層を厚膜
で成長させても膜質良く成長できる。なお第１のｎ型エ
ピタキシャル層は１００オングストローム以上、０．５
μｍ以下の膜厚で成長させる。１００オングストローム
よりも薄いと前記のようにバッファ層として作用しにく
く、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向
にある。
ことにより、次に成長させるｎ型ＡｌＧａＮ層を厚膜で
成長させることが可能となる。ＬＤのように出力を高め
る必要がある場合は、光閉じ込め層、光ガイド層となる
層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要が
ある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜の
ＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａ
Ｎにクラックが入るので素子作製が困難であったが、第
１のｎ型エピタキシャル層がバッファ層として作用す
る。つまり、この層がバッファ層となり次に成長させる
ｎ型ＡｌＧａＮ層にクラックが入るのを防止することが
できる。しかも次に成長させるｎ型ＡｌＧａＮ層を厚膜
で成長させても膜質良く成長できる。なお第１のｎ型エ
ピタキシャル層は１００オングストローム以上、０．５
μｍ以下の膜厚で成長させる。１００オングストローム
よりも薄いと前記のようにバッファ層として作用しにく
く、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向
にある。
【０００７】また、本発明において、前記第２のｎ型エ
ピタキシャル成長層と前記活性層の間に、ＧａＮから成
る第３のｎ型エピタキシャル成長層を有することが好ま
しい。この第３のｎ型エピタキシャル層はＬＤの場合、
光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム
〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
ピタキシャル成長層と前記活性層の間に、ＧａＮから成
る第３のｎ型エピタキシャル成長層を有することが好ま
しい。この第３のｎ型エピタキシャル層はＬＤの場合、
光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム
〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
【０００８】さらに、前記活性層に接して、膜厚１０オ
ングストローム以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌＧａＮ
層を形成することが好ましい。このｐ型ＡｌＧａＮ層を
活性層に接して形成することにより、素子の出力が格段
に向上する。逆に活性層に接するクラッド層をＧａＮと
すると素子の出力が約１／３に低下してしまう。これは
ＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすく、またｐ
型ＡｌＧａＮ層成長時に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑
える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明
である。
ングストローム以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌＧａＮ
層を形成することが好ましい。このｐ型ＡｌＧａＮ層を
活性層に接して形成することにより、素子の出力が格段
に向上する。逆に活性層に接するクラッド層をＧａＮと
すると素子の出力が約１／３に低下してしまう。これは
ＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすく、またｐ
型ＡｌＧａＮ層成長時に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑
える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明
である。
【０００９】
【実施例】以下、ＭＯＶＰＥ法によりＬＤ素子を作成す
る方法を述べるが、本発明の発光素子はＭＯＶＰＥ法だ
けではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られ
ている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させるこ
とができ、またＬＤだけでなくＬＥＤにも適用可能であ
る。
る方法を述べるが、本発明の発光素子はＭＯＶＰＥ法だ
けではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られ
ている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させるこ
とができ、またＬＤだけでなくＬＥＤにも適用可能であ
る。
【００１０】［実施例１］
（バッファ層）
よく洗浄されたサファイア基板１（０００１面）をＭＯ
ＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度
５００℃でサファイア基板の表面にＧａＮよりなるバッ
ファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ
た。
ＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度
５００℃でサファイア基板の表面にＧａＮよりなるバッ
ファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ
た。
【００１１】このバッファ層は基板と窒化物半導体との
格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧ
ａＮ等を成長させることも可能である。また基板にはサ
ファイアの他にスピネル１１１面（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、
ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりなる従来
より知られている基板が用いられる。このバッファ層を
成長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化
物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成
長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない
場合もある。
格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧ
ａＮ等を成長させることも可能である。また基板にはサ
ファイアの他にスピネル１１１面（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、
ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりなる従来
より知られている基板が用いられる。このバッファ層を
成長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化
物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成
長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない
場合もある。
【００１２】（ｎ型ＧａＮコンタクト層）
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ア
ンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ４（シラン）ガス
を用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層
３を４μｍの膜厚で成長させた。ｎ型コンタクト層３は
ＧａＮとすることによりキャリア濃度の高い層が得ら
れ、電極材料と好ましいオーミック接触が得られる。
ンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ４（シラン）ガス
を用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層
３を４μｍの膜厚で成長させた。ｎ型コンタクト層３は
ＧａＮとすることによりキャリア濃度の高い層が得ら
れ、電極材料と好ましいオーミック接触が得られる。
【００１３】（Ｉｎを含むｎ型窒化物半導体層：第１の
ｎ型エピタキシャル層） 次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガス
にシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９
Ｎよりなる第１のｎ型エピタキシャル層４を５００オン
グストロームの膜厚で成長させた。
ｎ型エピタキシャル層） 次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガス
にシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９
Ｎよりなる第１のｎ型エピタキシャル層４を５００オン
グストロームの膜厚で成長させた。
【００１４】この第１のｎ型エピタキシャル層４はＩｎ
を含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成
長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物
半導体を厚膜で成長させることが可能となる。ＬＤのよ
うに出力を高める必要がある場合は、光閉じ込め層、光
ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成
長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の
上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長
させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困難
であったが、第１のｎ型エピタキシャル層がバッファ層
として作用する。つまり、この層がバッファ層となり次
に成長させるＡｌを含む窒化物半導体層にクラックが入
るのを防止することができる。しかも次に成長させるＡ
ｌを含む窒化物半導体層を厚膜で成長させても膜質良く
成長できる。なお第１のｎ型エピタキシャル層は１００
オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長さ
せる。１００オングストロームよりも薄いと前記のよう
にバッファ層として作用しにくく、０．５μｍよりも厚
いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
を含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成
長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物
半導体を厚膜で成長させることが可能となる。ＬＤのよ
うに出力を高める必要がある場合は、光閉じ込め層、光
ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成
長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の
上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長
させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困難
であったが、第１のｎ型エピタキシャル層がバッファ層
として作用する。つまり、この層がバッファ層となり次
に成長させるＡｌを含む窒化物半導体層にクラックが入
るのを防止することができる。しかも次に成長させるＡ
ｌを含む窒化物半導体層を厚膜で成長させても膜質良く
成長できる。なお第１のｎ型エピタキシャル層は１００
オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長さ
せる。１００オングストロームよりも薄いと前記のよう
にバッファ層として作用しにくく、０．５μｍよりも厚
いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
【００１５】（ｎ型ＡｌＧａＮ層：第２のｎ型エピタキ
シャル層） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、Ｔ
ＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物
ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇ
ａ0.7Ｎよりなる第２のｎ型エピタキシャル層５を０．
５μｍの膜厚で成長させた。この第２のｎ型エピタキシ
ャル層は例えば光閉じ込め層として作用し、通常０．１
μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
シャル層） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、Ｔ
ＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物
ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇ
ａ0.7Ｎよりなる第２のｎ型エピタキシャル層５を０．
５μｍの膜厚で成長させた。この第２のｎ型エピタキシ
ャル層は例えば光閉じ込め層として作用し、通常０．１
μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
【００１６】（ｎ型ＧａＮ層：第３のｎ型エピタキシャ
ル層） 続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスに
シランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第３
のｎ型エピタキシャル層６を５００オングストロームの
膜厚で成長させた。この第三のｎ型層６はＬＤの場合、
光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム
〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの
他にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｎ型窒化物半導体で成長
させることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすること
により次の活性層を量子井戸構造とすることが可能にな
る。
ル層） 続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスに
シランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第３
のｎ型エピタキシャル層６を５００オングストロームの
膜厚で成長させた。この第三のｎ型層６はＬＤの場合、
光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム
〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの
他にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｎ型窒化物半導体で成長
させることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすること
により次の活性層を量子井戸構造とすることが可能にな
る。
【００１７】（活性層）
次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活
性層７を成長させた。活性層７は温度を７５０℃に保持
して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層
を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭ
Ｉのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープ
Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロ
ームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、
最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μｍの膜厚の多重
量子井戸構造よりなる活性層７を成長させた。井戸層の
好ましい膜厚は１００オングストローム以下、障壁層は
１５０オングストローム以下の膜厚で成長することによ
り、井戸層、障壁層が弾性的に変形して結晶欠陥が少な
くなり、素子の出力が飛躍的に向上するので、レーザ発
振が可能となる。さらに井戸層はＩｎＧａＮ等のＩｎＧ
ａＮを含む窒化物半導体、障壁層はＧａＮ、ＩｎＧａＮ
等で構成することが望ましく、特に井戸層、障壁層とも
ＩｎＧａＮとすると、成長温度が一定に保持できるので
生産技術上非常に好ましい。
性層７を成長させた。活性層７は温度を７５０℃に保持
して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層
を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭ
Ｉのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープ
Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロ
ームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、
最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μｍの膜厚の多重
量子井戸構造よりなる活性層７を成長させた。井戸層の
好ましい膜厚は１００オングストローム以下、障壁層は
１５０オングストローム以下の膜厚で成長することによ
り、井戸層、障壁層が弾性的に変形して結晶欠陥が少な
くなり、素子の出力が飛躍的に向上するので、レーザ発
振が可能となる。さらに井戸層はＩｎＧａＮ等のＩｎＧ
ａＮを含む窒化物半導体、障壁層はＧａＮ、ＩｎＧａＮ
等で構成することが望ましく、特に井戸層、障壁層とも
ＩｎＧａＮとすると、成長温度が一定に保持できるので
生産技術上非常に好ましい。
【００１８】活性層について、さらに詳細に説明する。
本発明の発光素子において、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ：Multi-quantum-well）を構成するＩｎを含む窒化物
半導体よりなる井戸層には、三元混晶のＩｎXＧａ１−X
Ｎ（０＜X≦１）が好ましく、また障壁層も同様に三元
混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）が好ましい。三元
混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良
い物が得られるので、発光出力が向上する。また障壁層
は井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし
て、多重量子井戸構造を構成する。このように活性層を
ＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光
で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力な発光素子を
実現することができる。
本発明の発光素子において、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ：Multi-quantum-well）を構成するＩｎを含む窒化物
半導体よりなる井戸層には、三元混晶のＩｎXＧａ１−X
Ｎ（０＜X≦１）が好ましく、また障壁層も同様に三元
混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）が好ましい。三元
混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良
い物が得られるので、発光出力が向上する。また障壁層
は井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし
て、多重量子井戸構造を構成する。このように活性層を
ＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光
で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力な発光素子を
実現することができる。
【００１９】尚、特開平６−２１５１１号は障壁層がＧ
ａＮであり、各層に係るストレスが違う。井戸層の上に
ＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮよ
りなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が
柔らかい。そのためクラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚
くできるのでレーザ発振が実現できる。一方、障壁層を
ＧａＮとすると、活性層の上にＡｌＧａＮよりなるクラ
ッド層を成長させると、そのクラッド層にクラックが発
生しやすい傾向にある。
ａＮであり、各層に係るストレスが違う。井戸層の上に
ＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮよ
りなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が
柔らかい。そのためクラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚
くできるのでレーザ発振が実現できる。一方、障壁層を
ＧａＮとすると、活性層の上にＡｌＧａＮよりなるクラ
ッド層を成長させると、そのクラッド層にクラックが発
生しやすい傾向にある。
【００２０】さらにＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成
長温度が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは
６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは
８００より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮ
よりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層
を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要が
ある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ
井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得る
ことは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロ
ームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製
するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層も
ＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成
長できる。従って、先に形成した井戸層が分解すること
がないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができ
る。
長温度が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは
６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは
８００より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮ
よりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層
を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要が
ある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ
井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得る
ことは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロ
ームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製
するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層も
ＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成
長できる。従って、先に形成した井戸層が分解すること
がないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができ
る。
【００２１】ＬＤを実現する場合、活性層の膜厚、つま
り井戸層と障壁層を積層した活性層の総膜厚は２００オ
ングストローム以上に調整することが好ましい。２００
オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がら
ず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚
も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、０．５μｍ以
下に調整することが望ましい。
り井戸層と障壁層を積層した活性層の総膜厚は２００オ
ングストローム以上に調整することが好ましい。２００
オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がら
ず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚
も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、０．５μｍ以
下に調整することが望ましい。
【００２２】さらに井戸層の膜厚は７０オングストロー
ム以下、さらに望ましくは５０オングストローム以下に
調整することが好ましい。図２は井戸層の膜厚と発光出
力との関係を示す図であり、発光出力はＬＥＤ素子につ
いて示している。出力に関してはＬＤでも同様のことが
云える。これはこの膜厚がＩｎＧａＮ井戸層の臨界膜厚
以下であることを示している。ＩｎＧａＮでは電子のボ
ーア半径が約３０オングストロームであり、このためＩ
ｎＧａＮの量子効果が７０オングストローム以下で現れ
る。
ム以下、さらに望ましくは５０オングストローム以下に
調整することが好ましい。図２は井戸層の膜厚と発光出
力との関係を示す図であり、発光出力はＬＥＤ素子につ
いて示している。出力に関してはＬＤでも同様のことが
云える。これはこの膜厚がＩｎＧａＮ井戸層の臨界膜厚
以下であることを示している。ＩｎＧａＮでは電子のボ
ーア半径が約３０オングストロームであり、このためＩ
ｎＧａＮの量子効果が７０オングストローム以下で現れ
る。
【００２３】また障壁層の厚さも１５０オングストロー
ム以下、さらに望ましくは１００オングストローム以下
の厚さに調整することが望ましい。図３は障壁層と膜厚
と発光出力との関係を示す図であり、発光出力は図２と
同様に、ＬＥＤ素子について示すものであるが、ＬＤに
関しても同様のことが云える。
ム以下、さらに望ましくは１００オングストローム以下
の厚さに調整することが望ましい。図３は障壁層と膜厚
と発光出力との関係を示す図であり、発光出力は図２と
同様に、ＬＥＤ素子について示すものであるが、ＬＤに
関しても同様のことが云える。
【００２４】（第１のｐ型層）
活性層７成長後、温度を１０５０℃にしてＴＭＧ、ＴＭ
Ａ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇ
ドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一のｐ型層８を
１００オングストロームの膜厚で成長させた。この第１
のｐ型層８は１μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ
以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりな
る活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作
用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導
体よりなる第１のｐ型層８を成長させることにより、発
光出力が向上する。またｐ型窒化物半導体層はＺｎ、Ｍ
ｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプター不純物を成
長中にドープすることにより得られるが、その中でもＭ
ｇが最も好ましいｐ型特性を示す。さらに、アクセプタ
ー不純物をドープした後、不活性ガス雰囲気中で４００
℃以上のアニーリングを行うとさらに好ましいｐ型が得
られる。
Ａ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇ
ドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一のｐ型層８を
１００オングストロームの膜厚で成長させた。この第１
のｐ型層８は１μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ
以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりな
る活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作
用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導
体よりなる第１のｐ型層８を成長させることにより、発
光出力が向上する。またｐ型窒化物半導体層はＺｎ、Ｍ
ｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプター不純物を成
長中にドープすることにより得られるが、その中でもＭ
ｇが最も好ましいｐ型特性を示す。さらに、アクセプタ
ー不純物をドープした後、不活性ガス雰囲気中で４００
℃以上のアニーリングを行うとさらに好ましいｐ型が得
られる。
【００２５】このように本発明の発光素子では活性層に
接して少なくともＡｌを含むｐ型の窒化物半導体、好ま
しくは三元混晶若しくは二元混晶のＡｌZＧａ1-ZＮ（０
＜Z≦１）よりなるｐ型層が形成されていることが望ま
しい。さらにこのＡｌＧａＮは１μｍ以下、さらに好ま
しくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下に調
整する。このｐ型層を活性層に接して形成することによ
り、素子の出力が格段に向上する。逆に活性層に接する
ｐ型層をＧａＮとすると素子の出力が約１／３に低下し
てしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型にな
りやすく、またｐ型層成長時に、ＩｎＧａＮが分解する
のを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいこと
は不明である。またｐ型層の膜厚は１μｍよりも厚い
と、ｐ型層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が
困難となる傾向にあるからである。
接して少なくともＡｌを含むｐ型の窒化物半導体、好ま
しくは三元混晶若しくは二元混晶のＡｌZＧａ1-ZＮ（０
＜Z≦１）よりなるｐ型層が形成されていることが望ま
しい。さらにこのＡｌＧａＮは１μｍ以下、さらに好ま
しくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下に調
整する。このｐ型層を活性層に接して形成することによ
り、素子の出力が格段に向上する。逆に活性層に接する
ｐ型層をＧａＮとすると素子の出力が約１／３に低下し
てしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型にな
りやすく、またｐ型層成長時に、ＩｎＧａＮが分解する
のを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいこと
は不明である。またｐ型層の膜厚は１μｍよりも厚い
と、ｐ型層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が
困難となる傾向にあるからである。
【００２６】（第２のｐ型層）
次に温度を１０５０℃に保持しながら、ＴＭＧ、アンモ
ニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなる
第２のｐ型層９を５００オングストロームの膜厚で成長
させた。この第２のｐ型層９はＬＤの場合、光ガイド層
として作用し、通常１００オングストローム〜１μｍの
膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの他にＩｎＧ
ａＮ等のＩｎを含むｐ型窒化物半導体で成長させること
もでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の
Ａｌを含む第３のｐ型層１０を結晶性良く成長できる。
ニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなる
第２のｐ型層９を５００オングストロームの膜厚で成長
させた。この第２のｐ型層９はＬＤの場合、光ガイド層
として作用し、通常１００オングストローム〜１μｍの
膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの他にＩｎＧ
ａＮ等のＩｎを含むｐ型窒化物半導体で成長させること
もでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の
Ａｌを含む第３のｐ型層１０を結晶性良く成長できる。
【００２７】（第３のｐ型層）
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用
いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第３のｐ型層
１０を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第３のｐ型
層１０はＬＤの場合、光閉じ込め層として作用し、０．
１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、Ａ
ｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とするこ
とにより、好ましく光閉じ込め層として作用する。
いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第３のｐ型層
１０を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第３のｐ型
層１０はＬＤの場合、光閉じ込め層として作用し、０．
１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、Ａ
ｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とするこ
とにより、好ましく光閉じ込め層として作用する。
【００２８】（ｐ型コンタクト層）
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇ
ドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１を０．
５μｍの膜厚で成長させた。このｐ型コンタクト層はＭ
ｇを含むＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型
層が得られて、正電極の材料と良好なオーミック接触が
得られる。
ドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１を０．
５μｍの膜厚で成長させた。このｐ型コンタクト層はＭ
ｇを含むＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型
層が得られて、正電極の材料と良好なオーミック接触が
得られる。
【００２９】（電極形成）
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反
応容器から取り出し、図１に示すように最上層のｐ型コ
ンタクト層１１より選択エッチングを行い、ｎ型コンタ
クト層３の表面を露出させ、露出したｎ型コンタクト層
３と、ｐ型コンタクト層１１の表面にそれぞれストライ
プ状の電極を形成した後、ストライプ状の電極に直交す
る方向から、さらにエッチングを行い垂直なエッチング
端面を形成して、そのエッチング面に常法に従って反射
鏡を形成して共振面とした。共振面側から見たレーザ素
子の断面図が図１に示す断面図である。このレーザ素子
をヒートシンクに設置し、ＬＤとしたところ、非常に優
れた結晶が積層できていたため、常温において、しきい
値電流密度４．０ｋＡ／cm2で発光波長４１０ｎｍ、半
値幅２ｎｍのレーザ発振を示した。
応容器から取り出し、図１に示すように最上層のｐ型コ
ンタクト層１１より選択エッチングを行い、ｎ型コンタ
クト層３の表面を露出させ、露出したｎ型コンタクト層
３と、ｐ型コンタクト層１１の表面にそれぞれストライ
プ状の電極を形成した後、ストライプ状の電極に直交す
る方向から、さらにエッチングを行い垂直なエッチング
端面を形成して、そのエッチング面に常法に従って反射
鏡を形成して共振面とした。共振面側から見たレーザ素
子の断面図が図１に示す断面図である。このレーザ素子
をヒートシンクに設置し、ＬＤとしたところ、非常に優
れた結晶が積層できていたため、常温において、しきい
値電流密度４．０ｋＡ／cm2で発光波長４１０ｎｍ、半
値幅２ｎｍのレーザ発振を示した。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の発光素子
は、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層の上に、Ｉｎを含
むｎ型の窒化物半導体からなり、膜厚１００Å以上、
０．５μｍ以下の第１のｎ型エピタキシャル成長層と、
ＡｌＧａＮから成る第２のｎ型エピタキシャル成長層
と、Ｉｎを含み、多重量子井戸構造を有する活性層とが
積層されたダブルへテロ構造を有することを特徴とす
る。このように本発明の新規な構造により、高出力の窒
化物半導体発光素子が実現できる。
は、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層の上に、Ｉｎを含
むｎ型の窒化物半導体からなり、膜厚１００Å以上、
０．５μｍ以下の第１のｎ型エピタキシャル成長層と、
ＡｌＧａＮから成る第２のｎ型エピタキシャル成長層
と、Ｉｎを含み、多重量子井戸構造を有する活性層とが
積層されたダブルへテロ構造を有することを特徴とす
る。このように本発明の新規な構造により、高出力の窒
化物半導体発光素子が実現できる。
【図１】 本発明の一実施例に係るＬＤの構造を示す模
式断面図。
式断面図。
【図２】 本発明の一実施例に係る素子の活性層の井戸
層と発光出力との関係を示す図。
層と発光出力との関係を示す図。
【図３】 本発明の一実施例に係る素子の活性層の障壁
層と発光出力との関係を示す図。
層と発光出力との関係を示す図。
１・・・基板
２・・・ＧａＮバッファ層
３・・・ｎ型ＧａＮ（ｎ型コンタクト層）
４・・・ｎ型ＩｎＧａＮ（第１のｎ型エピタキシャル
層） ５・・・ｎ型ＡｌＧａＮ（第２のｎ型エピタキシャル
層） ６・・・ｎ型ＧａＮ（第３のｎ型エピタキシャル層） ７・・・活性層 ８・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第１のｐ型層） ９・・・ｐ型ＧａＮ（第２のｐ型層） １０・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第３のｐ型層） １１・・・ｐ型ＧａＮ（ｐ型コンタクト層）
層） ５・・・ｎ型ＡｌＧａＮ（第２のｎ型エピタキシャル
層） ６・・・ｎ型ＧａＮ（第３のｎ型エピタキシャル層） ７・・・活性層 ８・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第１のｐ型層） ９・・・ｐ型ＧａＮ（第２のｐ型層） １０・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第３のｐ型層） １１・・・ｐ型ＧａＮ（ｐ型コンタクト層）
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(56)参考文献 特開 平６−268259（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−21511（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−249795（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−268257（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−164055（ＪＰ，Ａ)
中村修二，ＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族
ＬＥＤの進展と半導体レーザー，光学,
1995年11月15日，24／11，673−678
岸野克巳，可視光半導体レーザの物
理，光学，1995年11月15日，24／11,
660−665
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
H01L 33/00
Claims (3)
- 【請求項１】 窒化物半導体（ＩｎｘＡｌＹＧａ
１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる
発光素子であって、 ＧａＮからなるｎ型コンタクト層の上に、 Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体からなり、膜厚１００Å
以上、０．５μｍ以下の第１のｎ型エピタキシャル成長
層と、 ＡｌＧａＮから成る第２のｎ型エピタキシャル成長層
と、 Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、多重量
子井戸構造を有する活性層とが積層され、 ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記第２のｎ型エピタキシャル成長層と
前記活性層の間に、ＧａＮから成る第３のｎ型エピタキ
シャル成長層を有することを特徴とする請求項１記載の
窒化物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記活性層に接して、膜厚１０オングス
トローム以上、０．５μｍ以下のｐ型ＡｌＧａＮ層を形
成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物
半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33719798A JP3371830B2 (ja) | 1995-11-24 | 1998-11-27 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30527995A JP3235440B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 窒化物半導体レーザ素子とその製造方法 |
| JP33719798A JP3371830B2 (ja) | 1995-11-24 | 1998-11-27 | 窒化物半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30528195A Division JP2900990B2 (ja) | 1995-11-06 | 1995-11-24 | 窒化物半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002170623A Division JP3867625B2 (ja) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | 窒化物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11224972A JPH11224972A (ja) | 1999-08-17 |
| JP3371830B2 true JP3371830B2 (ja) | 2003-01-27 |
Family
ID=26564233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33719798A Expired - Fee Related JP3371830B2 (ja) | 1995-11-24 | 1998-11-27 | 窒化物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3371830B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| WO2005034301A1 (ja) * | 2003-09-25 | 2005-04-14 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 窒化物半導体素子およびその製造方法 |
| US7769066B2 (en) | 2006-11-15 | 2010-08-03 | Cree, Inc. | Laser diode and method for fabricating same |
| US7834367B2 (en) | 2007-01-19 | 2010-11-16 | Cree, Inc. | Low voltage diode with reduced parasitic resistance and method for fabricating |
| US8519437B2 (en) | 2007-09-14 | 2013-08-27 | Cree, Inc. | Polarization doping in nitride based diodes |
| US9012937B2 (en) | 2007-10-10 | 2015-04-21 | Cree, Inc. | Multiple conversion material light emitting diode package and method of fabricating same |
| JP4917585B2 (ja) | 2008-08-26 | 2012-04-18 | 住友電気工業株式会社 | 窒化物系半導体光素子を製造する方法、及びエピタキシャルウエハを製造する方法 |
-
1998
- 1998-11-27 JP JP33719798A patent/JP3371830B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 中村修二，ＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族ＬＥＤの進展と半導体レーザー，光学，１９９５年１１月１５日，２４／１１，６７３−６７８ |
| 岸野克巳，可視光半導体レーザの物理，光学，１９９５年１１月１５日，２４／１１，６６０−６６５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11224972A (ja) | 1999-08-17 |
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| JP2000307193A (ja) | 半導体レーザおよびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法 |
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