JP3576743B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子、特に発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より発光素子の実用的な材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が知られている。
【０００３】
これらの材料を用いて製造された発光デバイスの一例として以下、図３および４を用いて従来の発光ダイオードの構造及びその製造方法、問題点について説明する。
【０００４】
図３（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成した異種ヘテロ接合を有する発光ダイオードの断面図である。また図３（ｂ）は図３（ａ）に示した発光ダイオードにおけるＮ型不純物のプロファイルを示しており、その横軸はＮ型不純物の不純物濃度を示し、その縦軸は図３（ａ）に対応し、基板の下面からの距離を示している。
【０００５】
図３（ａ）に示すように従来の発光ダイオードは、サファイア、ＳｉＣ等よりなる基板１１１表面上に、非結晶のＧａＮよりなるバッファ層１１２（第一ＧａＮ層）、単結晶のＧａＮよりなるスペーサ層１１３（第二ＧａＮ層）、高濃度にＮ型不純物がドープされた高濃度Ｎ型層１１４（第三ＧａＮ層）、ＩｎＧａＮよりなる活性層１１５（ＩｎＧａＮ層）、Ｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層１１６、高濃度にＰ型不純物がドープされたＧａＮよりなるコンタクト層（第四ＧａＮ層）１１７の各成長層が積層に構成されている。
【０００６】
Ｎ型不純物の不純物濃度は、第三ＧａＮ層においては、１〜５×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度であり、その他の層においてはＮ型不純物の不純物濃度はバックグラウンドレベルである１×１０１５ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度である。またこれらの各成長層は、導入する気体の種類及び温度を変化させることによりＭＯ−ＣＶＤ（Ｍａｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の気相成長法により形成されている。上記の構成において第三ＧａＮ層１１４は、摂氏１０００〜１１００度程度の反応室内にて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３ ）及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を導入することにより第二ＧａＮ層１１３を形成した後、これに連続して上記のガスを導入したままＳｉＨ４ （シランガス）をさらに供給することにより、Ｎ型不純物を高濃度にドープして形成する。尚、第二ＧａＮ層の膜厚は０．０１μｍ以上、第三ＧａＮ層の膜厚は０．１μｍで形成するのが望ましい。
【０００７】
ところで第二ＧａＮ層１１３は本来、機能的に必要な層ではない。すなわち機能的にはバッファ層として形成する第一ＧａＮ層上に、Ｎ型不純物が高濃度にドープされた第三ＧａＮ層が形成されていれば、発光素子として所望の動作を果たす。しかしながら非結晶で形成されるＧａＮ層表面上に、高濃度の単結晶ＧａＮ層を形成しようとする場合には、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第一ＧａＮ層１１２表面上には、ピンホール２１１が生じたり、ドーパンドを核としたＧａＮ層の異常成長２１２が生じる場合がある。従って従来の発光ダイオードにおいては、第一ＧａＮ層１１２表面上には単結晶の第二ＧａＮ層１１３をスペーサ層として形成し、続いてＮ型不純物が高濃度にドープされた第四ＧａＮ層１１４を形成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体デバイスでは、発光層として機能する活性層下の高濃度Ｎ型層を形成する際には、その結晶性を向上させるために、予めその下面にスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成している。これらの各成長層の形成にはＭＯ−ＣＶＤ法等の気相成長法が用いられるが、成長速度が遅く、本来、機能的に必要の無い層を形成するために、スループットが低下することとなる。また機能的に必要の無い層を形成することにより、発光素子の全体の膜厚も増加することになる。膜厚が厚くなると、格子不接合によって、各成長層の歪量が増加することにもなり、機能的に必要な成長層の劣化を招くことにもなる。
【０００９】
従って本発明は上記のような問題点を踏まえ、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光デバイスを製造する際のスループットの向上と品質を向上できる発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光素子によれば、基板と、第一のＮ型不純物濃度から第二のＮ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＮ型不純物濃度を有し前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系半導体層とを有する。
【００１１】
第一窒化ガリウム系化合物半導体層のＮ型不純物濃度の変化は膜厚に応じて指数関数的、直線的、飽和曲線的、ステップ状のいずれかの態様で変化することが好ましい。
【００１２】
第一及び第二のＮ型不純物濃度は、１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３乃至１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３の範囲内にあり、また、第一窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は０．０１乃至２．００μｍの範囲内であると良い。
【００１３】
また、本発明にかかる発光素子は、基板と、前記基板表面上に形成され第一の不純物濃度を有する第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、膜厚に応じて前記第一の不純物濃度から第二の不純物濃度まで増加する第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、前記第二の不純物濃度を有する第三窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第三窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明にかかる発光素子は、基板と、第一のＰ型不純物濃度から第二のＰ型不純物濃度まで増加して前記第二のＰ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一のＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＰ型不純物の不純物濃度を有し前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１５】
前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のＰ型不純物濃度は膜厚に応じて直線的、指数関数的、飽和曲線的、ステップ状に変化していることが好ましい。
前記第一及び第二のＰ型不純物濃度は、１×１０１３〜１×１０２３の範囲内にあり、前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は、０．０１乃至２．００μｍの範囲であると良い。
【００１６】
以上の構成により、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができ、発光素子における格子不接合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
はじめに図１を参照して本発明の発光デバイスの構造について説明する。図１（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成したヘテロ接合を有する発光ダイオードの断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示した発光ダイオードにおけるＮ型不純物のプロファイルを示しており、その横軸はＮ型不純物の不純物濃度を示し、その横軸は図１（ａ）に対応して、基板の下面からの距離を示している。
【００１８】
本発明の発光ダイオードではサファイアよりなる基板１１表面上に、膜厚０．０１μｍ〜２．００μｍ程度の非結晶のＧａＮよりなるバッファ層１２（第一ＧａＮ層）、膜厚０．０１μｍ〜０．０５μｍ程度、Ｎ型不純物の不純物濃度がバックグラウンドレベルから所望の不純物濃度、例えば１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度から１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３まで増加するＮ型変調ドープ層１３（便宜上、これを第二ＧａＮ層と称する。）、膜厚０．０１μｍ以上、Ｎ型不純物の不純物濃度が所望の不純物濃度、例えば１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度の高濃度Ｎ型層１４（第三ＧａＮ層）、膜厚０．０１μｍ〜０．０３μｍのＩｎＧａＮよりなる活性層１５（ＩｎＧａＮ層）、膜厚０．１μｍ〜０．３μｍのＰ型不純物のドープされたＡｌＧａＮ層１６、膜厚０．０５μｍ以上の高濃度にＰ型不純物がドープされたＧａＮよりなるコンタクト層（第四ＧａＮ層）１７よりなる積層が形成されている。
【００１９】
尚、上記に示した各膜の膜厚、不純物濃度は上記の数値のみに限定されることはなく、特に第三ＧａＮ層の不純物濃度は１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度以上から１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３以下の範囲であればよく、これと共に第三ＧａＮ層の不純物濃度は、第一ＧａＮ層の不純物濃度から第三ＧａＮ層の不純物濃度に変化していればよい。
【００２０】
ここで従来の発光デバイスと異なる構成は、従来形成していたスペーサ層（第二ＧａＮ層）の代わりに、Ｎ型変調ドープ層１３を形成し、さらにこれに連続して高濃度Ｎ型層１４を形成した点にある。すなわち本発明によれば、本来機能的に必要の無い層を形成すること無く、バッファ層表面上より動作に必要なＮ型層をその表面上より徐々にＮ型不純物の不純物濃度を上昇するように形成する。
【００２１】
Ｎ型不純物の不純物濃度は、第三ＧａＮ層において１×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度であり、第二ＧａＮ層では基板側でバックグラウンドレベル、第三ＧａＮ層側では不純物濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度となるように増加している。このＮ型不純物の不純物濃度の変化については種々の態様が考えられる。これらの態様について図２を参照して説明する。尚、図２において横軸は主に第二ＧａＮ層基板側からの距離（図中１４で示す範囲。）、縦軸は不純物濃度を示している。
【００２２】
不純物濃度の変化は曲線（Ａ）で示すように基板側で緩やかに、第三ＧａＮ層側で大きく変化するような指数関数的な変化により形成するのが望ましい。これは第一ＧａＮ層表面上に成長するＮ型変調ドープ層が、ピンホールを発生しない有限の厚さを必要とし、このピンホールを発生しない程度の膜厚まで形成されたＮ型変調ドープ層は、その後、徐々に不純物濃度を上昇させても、安定して結晶成長するからである。
実施例２
図２の線（Ｂ）を参照して本発明の第二の実施例について説明する。線（Ｂ）で示されるようにＮ型変調ドープ層が、基板側から直線的に増加して第三Ｎ型ＧａＮ層の不純物濃度まで形成している。この様な変調ドープ方法を行うことで、成長レートやドーピング効率の変動を少なくすることが可能となる。
【００２３】
例えば、ドーピングガスを供給する際に生じるガス供給系・ガス種の変化が、基板に到達する直前、或いは基板上の雰囲気ガスを冷却する等の微少な揺らぎを発生する。ここで、ドーピングガスを線形に変化させると、温度制御が追いつくことで成長温度が一定に保たれる。よって、温度に起因する成長レートや、ドーピング効率の変動が減少する。
実施例３
図２の線（Ｃ）を参照して本発明の第三の実施例について説明する。線（Ｃ）で示されるように、Ｎ型変調ドープ層を、基板側からステップ状に増加して第三Ｎ型ＧａＮ層の不純物濃度まで形成している。この様な変調ドープを行うと、成長表面の復元をしながら成長することになるので比較的短成長時間、或いは比較的薄層とした変調ドープ層上に高濃度にドーピングしたＮ層を形成することが可能となる。
【００２４】
また、結晶の回復を図りながら成長するために、成長表面の平坦性が良い。この効果を実現するために極端な場合には周期的にアンドープ層を挟んでもよい。
【００２５】
更に、このステップは程度によるが１段でもその効果は得られる。
実施例４
図２の曲線（Ｄ）を参照して本発明の第四の実施例について説明する。線（Ｄ）で示されるようにＮ型変調ドープ層を、基板側から飽和曲線的に増加するように形成する。この様な変調ドープ層を形成すると、変調ドープ層中の低濃度領域を極小に設定できる。このため、全体の成長厚みを減らして成長時間の短縮が可能となる。よって量産を行うにあたってスループットの高い工程を形成できる。
実施例５
図５を参照しながら本発明の第五の実施例について説明する。図５（ａ）は、本実施例を用いて形成した窒化ガリウム系化合物半導体を素子化したものの断面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の素子を上部からみた図（上面図）である。図中の５１，５２で現した部分はそれぞれｎ側電極、ｐ側電極である。これまで述べてきた実施例１〜４の手法を用いて結晶成長したウェーハを用いた。これに、パターニングを施し、ＲＩＥ（reactive ion etching）、ＲＩＢＥ（reactive ion beam etching)、ＣＤＥ（chemical dry etching）等のドライエッチングを行った。エッチング後の表面５３は、高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の中で得ている。
【００２６】
ここで、高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の厚みは横方向に電流を流すために一定の規格（キャリア濃度と移動度とで決定される）値を必要とする。
【００２７】
この高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の表面５３にＮ型電極を形成する。次いで、コンタクト層１７の表面５４にｐ型電極５２を形成する。なお、これらｐ表面、ｎ表面は、ｐ／ｎ界面を含めて絶縁膜や誘電体薄膜等で保持されている。この後、ダイシングおよびスクライビングにより素子形状に分離を行う。
【００２８】
これら分離された素子はマウントされ、図７に示すように組立てが行われる。チップの電極パッドには図７（ａ）に示すボールボンディングあるいは図７（ｂ）に示すウェッジボンディングが行われる。図７（ａ）のボールボンディングよりも図７（ｂ）の様にウェッジボンディングを用いる方がボンディングパッドを小さくできるのでより好ましい。また、図７（ｃ）の様にフリップチップマウントを行う方法もある。図７（ｄ）に図７（ｂ）のウェッジボンディングを適用した場合の上面図を示す。図７（ｄ）から分かるように、ボールボンドを行う場合のパッド７５より小さいパッド７６となっている。これは、ボールボンディングを行う場合のパッドはボール径＋αで１００ｕｍ〜１２０ｕｍが必要であるが、ウェッジの場合にはワイア径の２５ｕｍ〜５０ｕｍで済むからである。図７（ｅ）に、図７（ｃ）のフリップチップマウントを適用した場合の上面図を示す。図７（ｅ）から分かるように、ボール用パッド７５と比較して、更にパッド７７，７８が縮小されている。これは、フリップチップマウントを行うための半田バンプの形成には数〜数十ｕｍのパッドで十分であるためである。また、電極は通常２個所（７７或いは７８の片側或いは両方）あれば十分であるが、図７（ｅ）の様に固定のため４点全てを設ける方がより良い。これらの電極を接続した後、樹脂でモールドする等で固定し完成する。
実施例６
本発明の第六の実施例について、例としてこれまで述べてきた窒化ガリウム系化合物半導体を使って説明する。図２及び図６を参照しながら説明する。図６は本実施例を説明するために模式化したＭＯ−ＣＶＤ装置の断面図である。成長室５１には、キャリアガス供給用の配管５７、アンモニア等Ｖ族を供給する配管、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）等のIII 族原子を供給する配管５８、ｎ型ドーパント５９を供給する配管５６、及び、バックグラウンド補償ガス６０（以下補償ガスと略）を供給する配管５５が接続されており、成長に寄与するガスはここから供給される。そして、反応後、及び成長に寄与しなかった残ガスは排気５４を通って排ガス処理装置へと排出される。この成長室の内部には、ヒータ５２上に基板５３が配置され、上述の成長ガスを供給することで窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する。
【００２９】
ところで、本発明の趣旨は、基板側から不純物濃度が増加して形成された成長層を有することである。よって、基板側のバックグラウンド不純物濃度を下げ、成長方向に増加させることで得られた図２の（Ａ）〜（Ｄ）の不純物プロファイルも当然含まれる。
【００３０】
以下に、図６の装置を用いてこの形成方法を説明する。装置内にキャリアガス、成長ガスの他に例えば総流量の１ｐｐｍ以下（例えば１ｐｐｂ程度）のＯ２等の補償ガス６０を供給する。この補償ガスの供給量を下限から始めてバックグラウンドレベルまで減らす。または、補償ガスでバックグラウンドレベルを下げたまま、ＳｉＨ４等のドーピングガスを例えば順次増加して供給する。これらの方法で、図２の（Ａ）〜（Ｄ）の所望の不純物濃度プロファイルを持たせることが容易にできる。
実施例７
図８を参照しながら、本発明の第七の実施例について説明する。図８（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成した異種ヘテロ接合を有する発光素子の断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に対応した発光素子のｐ型不純物のプロファイルを示している。図中、横軸はｐ型不純物の不純物濃度を示し、縦軸は図８（ａ）に対応して基板からの距離を示している。
【００３１】
なお異種ヘテロ接合としてはＧａＡｓ／Ｓｉ・Ｉｎｐ／ＧａＡｓ・ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３・ＧａＮ／Ｓｉ・ＧａＮ／ＳｉＣのような種々のヘテロ接合を含む。
【００３２】
本実施例の発光素子では、サファイアよりなる基板８１表面上に膜厚０．０１〜２．００ｕｍ程度の非晶質ＧａＮよりなるバッファ層８２と、膜厚０．０１〜０．５ｕｍ程度で、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ等のｐ型不純物濃度がバックグラウンドレベルから所望の不純物濃度、例えば１×１０１３ｃｍ−３程度から１×１０２３ｃｍ−３程度まで増加するｐ型変調ドープ層８４と、膜厚０．０１μｍ以上でｐ型不純物の不純物濃度が所望の不純物濃度、例えば１×１０１８ｃｍ−３程度から１×１０２３ｃｍ−３程度の高濃度ｐ型層８５と、膜厚０．０１〜０．０３μｍ程度で、ＩｎＧａＮよりなる活性層８６と、膜厚０．０１〜２．０μｍ程度で、ｎ型不純物濃度がドープされたＡｌＧａＮ層８７よりなる。
【００３３】
なお、上記の膜厚、不純物濃度は実施例１で述べたのと同じ理由で上記数値のみに限定されるものでは無い。
【００３４】
尚、各層の構成については上記の種類に限定されることはなく、各種の窒化ガリウム系化合物半導体を用いて形成することが可能である。例えば基板１１はサファイアの他、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、また第一ＧａＮ層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−（ｘ＋ｙ） Ｎ、また第二、第三ＧａＮはＡｌｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、またＩｎＧａＮ層はＩｎｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、またＡｌＧａＮ層はＡｌｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、また第四ＧａＮ層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−（ｘ＋ｙ） Ｎ（上記の各ｘ、ｙは、０または１である。）によりそれぞれ形成することができる。
【００３５】
続いて図１における本発明の発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００３６】
はじめにサファイア基板１１を反応室に載置し、摂氏５００度〜６００程度に加熱する。次にこの反応室内にキャリアガスとして水素、窒素あるいはこれらの混合ガス、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を導入することにより非結晶の第一ＧａＮ層１２を形成する。次に反応室内の温度を１０００度〜１１００度程度に上昇させ、上記同様のガスを導入しさらに、これと共にＮ型不純物のドーピングのためＳｉＨ４（シランガス）を導入する。
【００３７】
ここで成長させようとする膜はＮ型不純物の不純物濃度が徐々に増加するように形成するが、この制御はシランガスの流量を制御することにより容易に制御することができる。すなわちここでＧａＮ層の成長と共に、シランガスの流量を指数関数的に増加させれば、それに対応して形成されるＮ型変調ドープ層の不純物濃度も指数関数的に増加させることができる。また不純物濃度を直線的に増加させて形成する場合には、シランガスの流量も直線的に、不純物濃度を飽和曲線的に増加させて形成する場合には、シランガスの流量も飽和曲線的に、また不純物濃度をステップ状に増加させて形成する場合には、シランガスの流量もステップ状に増加させればよい。
【００３８】
尚、本発明での一例としてはシランガスの濃度を１ｐｐｍ程度、流量を０〜２００ｓｃｃｍ程度まで変化させて形成することにより、第二ＧａＮ層の不純物濃度を所望の値に変化させて形成することができる。
【００３９】
次に反応室内の温度を保ったまま、或いは若干低下させＴＭＩ（トリメチルインジウム）を導入することによりＩｎＧａＮ層を形成する。さらにＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）とＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を導入することによりＰ型不純物が導入されたＡｌＧａＮ層を形成する。さらにＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを導入することによりＧａＮコンタクト層をそれぞれ形成する。以上の工程により本発明の発光ダイオードの製造工程の一例が終了する。
【００４０】
尚、上記の実施の形態においては主に発光ダイオードの構成及びその製造方法について示しているが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、半導体レーザ等の発光デバイスについても本発明を適用できる。
【００４１】
本発明によれば、従来の発光デバイスにおいて形成していたスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成することなく、バッファ層表面上にＮ型変調ドープ層と高濃度Ｎ型層とを連続的にシランガスの流量を変化させることのみにより、異常成長無く結晶性を安定して形成することができる。すなわち機能的には必要の無いスペーサ層を形成することなく、バッファ層表面上に直接動作に寄与するＮ型層を形成することができるため、スペーサ層を形成するために生じていたスループットの低下を防ぐことができる。また、スペーサ層を形成することがないため、発光素子全体の膜厚も多少減少するため、格子不整合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明にかかる発光素子によれば、基板と、第一のＮ型不純物濃度から第二のＮ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＮ型不純物濃度を有し前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系半導体層と、を有しているので、異常成長無く結晶性を安定して形成することができるため、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができる。
【００４３】
また、本発明にかかる発光素子の製造方法によれば、従来の発光デバイスにおいて形成していたスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成することなく、バッファ層表面上にＮ型変調ドープ層と高濃度Ｎ型層とを連続的にシランガスの流量を変化させることのみにより、異常成長無く結晶性を安定して形成することができるため、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができる。さらに発光素子全体の膜厚も多少減少させることができるため、格子不整合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態を説明する発光ダイオードの断面図及び（ｂ）はＮ型不純物の不純物プロファイルを示すグラフ。
【図２】本発明のＮ型変調ドープ層の不純物プロファイル。
【図３】（ａ）は従来の発光ダイオードを示す断面図、（ｂ）はそのＮ型不純物のプロファイルを示すグラフ。
【図４】従来技術に固有の問題を示す模式図。
【図５】（ａ）は窒化ガリウム系化合物半導体の断面図、（ｂ）はその上面図。
【図６】ＭＯ−ＣＶＤ装置を示す構成図。
【図７】本発明の発光ダイオードの組立を説明する図であって、（ａ）および（ｂ）は電極にワイヤが接合される様子を示す説明図、（ｃ）はウェッジボンディング従来の問題点を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）のウェッジボンディングが行われた様子を示す上面図、（ｅ）は（ｃ）のボンディングが行われた様子を示す上面図。
【図８】（ａ）は異種ヘテロ接合を含む発光素子の断面図、（ｂ）はそのＰ型不純物のプロファイルを示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子、特に発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より発光素子の実用的な材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が知られている。
【０００３】
これらの材料を用いて製造された発光デバイスの一例として以下、図３および４を用いて従来の発光ダイオードの構造及びその製造方法、問題点について説明する。
【０００４】
図３（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成した異種ヘテロ接合を有する発光ダイオードの断面図である。また図３（ｂ）は図３（ａ）に示した発光ダイオードにおけるＮ型不純物のプロファイルを示しており、その横軸はＮ型不純物の不純物濃度を示し、その縦軸は図３（ａ）に対応し、基板の下面からの距離を示している。
【０００５】
図３（ａ）に示すように従来の発光ダイオードは、サファイア、ＳｉＣ等よりなる基板１１１表面上に、非結晶のＧａＮよりなるバッファ層１１２（第一ＧａＮ層）、単結晶のＧａＮよりなるスペーサ層１１３（第二ＧａＮ層）、高濃度にＮ型不純物がドープされた高濃度Ｎ型層１１４（第三ＧａＮ層）、ＩｎＧａＮよりなる活性層１１５（ＩｎＧａＮ層）、Ｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層１１６、高濃度にＰ型不純物がドープされたＧａＮよりなるコンタクト層（第四ＧａＮ層）１１７の各成長層が積層に構成されている。
【０００６】
Ｎ型不純物の不純物濃度は、第三ＧａＮ層においては、１〜５×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度であり、その他の層においてはＮ型不純物の不純物濃度はバックグラウンドレベルである１×１０１５ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度である。またこれらの各成長層は、導入する気体の種類及び温度を変化させることによりＭＯ−ＣＶＤ（Ｍａｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の気相成長法により形成されている。上記の構成において第三ＧａＮ層１１４は、摂氏１０００〜１１００度程度の反応室内にて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３ ）及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を導入することにより第二ＧａＮ層１１３を形成した後、これに連続して上記のガスを導入したままＳｉＨ４ （シランガス）をさらに供給することにより、Ｎ型不純物を高濃度にドープして形成する。尚、第二ＧａＮ層の膜厚は０．０１μｍ以上、第三ＧａＮ層の膜厚は０．１μｍで形成するのが望ましい。
【０００７】
ところで第二ＧａＮ層１１３は本来、機能的に必要な層ではない。すなわち機能的にはバッファ層として形成する第一ＧａＮ層上に、Ｎ型不純物が高濃度にドープされた第三ＧａＮ層が形成されていれば、発光素子として所望の動作を果たす。しかしながら非結晶で形成されるＧａＮ層表面上に、高濃度の単結晶ＧａＮ層を形成しようとする場合には、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第一ＧａＮ層１１２表面上には、ピンホール２１１が生じたり、ドーパンドを核としたＧａＮ層の異常成長２１２が生じる場合がある。従って従来の発光ダイオードにおいては、第一ＧａＮ層１１２表面上には単結晶の第二ＧａＮ層１１３をスペーサ層として形成し、続いてＮ型不純物が高濃度にドープされた第四ＧａＮ層１１４を形成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体デバイスでは、発光層として機能する活性層下の高濃度Ｎ型層を形成する際には、その結晶性を向上させるために、予めその下面にスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成している。これらの各成長層の形成にはＭＯ−ＣＶＤ法等の気相成長法が用いられるが、成長速度が遅く、本来、機能的に必要の無い層を形成するために、スループットが低下することとなる。また機能的に必要の無い層を形成することにより、発光素子の全体の膜厚も増加することになる。膜厚が厚くなると、格子不接合によって、各成長層の歪量が増加することにもなり、機能的に必要な成長層の劣化を招くことにもなる。
【０００９】
従って本発明は上記のような問題点を踏まえ、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光デバイスを製造する際のスループットの向上と品質を向上できる発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光素子によれば、基板と、第一のＮ型不純物濃度から第二のＮ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＮ型不純物濃度を有し前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系半導体層とを有する。
【００１１】
第一窒化ガリウム系化合物半導体層のＮ型不純物濃度の変化は膜厚に応じて指数関数的、直線的、飽和曲線的、ステップ状のいずれかの態様で変化することが好ましい。
【００１２】
第一及び第二のＮ型不純物濃度は、１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３乃至１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３の範囲内にあり、また、第一窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は０．０１乃至２．００μｍの範囲内であると良い。
【００１３】
また、本発明にかかる発光素子は、基板と、前記基板表面上に形成され第一の不純物濃度を有する第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、膜厚に応じて前記第一の不純物濃度から第二の不純物濃度まで増加する第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、前記第二の不純物濃度を有する第三窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第三窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明にかかる発光素子は、基板と、第一のＰ型不純物濃度から第二のＰ型不純物濃度まで増加して前記第二のＰ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一のＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＰ型不純物の不純物濃度を有し前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１５】
前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のＰ型不純物濃度は膜厚に応じて直線的、指数関数的、飽和曲線的、ステップ状に変化していることが好ましい。
前記第一及び第二のＰ型不純物濃度は、１×１０１３〜１×１０２３の範囲内にあり、前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は、０．０１乃至２．００μｍの範囲であると良い。
【００１６】
以上の構成により、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができ、発光素子における格子不接合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
はじめに図１を参照して本発明の発光デバイスの構造について説明する。図１（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成したヘテロ接合を有する発光ダイオードの断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示した発光ダイオードにおけるＮ型不純物のプロファイルを示しており、その横軸はＮ型不純物の不純物濃度を示し、その横軸は図１（ａ）に対応して、基板の下面からの距離を示している。
【００１８】
本発明の発光ダイオードではサファイアよりなる基板１１表面上に、膜厚０．０１μｍ〜２．００μｍ程度の非結晶のＧａＮよりなるバッファ層１２（第一ＧａＮ層）、膜厚０．０１μｍ〜０．０５μｍ程度、Ｎ型不純物の不純物濃度がバックグラウンドレベルから所望の不純物濃度、例えば１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度から１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３まで増加するＮ型変調ドープ層１３（便宜上、これを第二ＧａＮ層と称する。）、膜厚０．０１μｍ以上、Ｎ型不純物の不純物濃度が所望の不純物濃度、例えば１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度の高濃度Ｎ型層１４（第三ＧａＮ層）、膜厚０．０１μｍ〜０．０３μｍのＩｎＧａＮよりなる活性層１５（ＩｎＧａＮ層）、膜厚０．１μｍ〜０．３μｍのＰ型不純物のドープされたＡｌＧａＮ層１６、膜厚０．０５μｍ以上の高濃度にＰ型不純物がドープされたＧａＮよりなるコンタクト層（第四ＧａＮ層）１７よりなる積層が形成されている。
【００１９】
尚、上記に示した各膜の膜厚、不純物濃度は上記の数値のみに限定されることはなく、特に第三ＧａＮ層の不純物濃度は１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度以上から１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３以下の範囲であればよく、これと共に第三ＧａＮ層の不純物濃度は、第一ＧａＮ層の不純物濃度から第三ＧａＮ層の不純物濃度に変化していればよい。
【００２０】
ここで従来の発光デバイスと異なる構成は、従来形成していたスペーサ層（第二ＧａＮ層）の代わりに、Ｎ型変調ドープ層１３を形成し、さらにこれに連続して高濃度Ｎ型層１４を形成した点にある。すなわち本発明によれば、本来機能的に必要の無い層を形成すること無く、バッファ層表面上より動作に必要なＮ型層をその表面上より徐々にＮ型不純物の不純物濃度を上昇するように形成する。
【００２１】
Ｎ型不純物の不純物濃度は、第三ＧａＮ層において１×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度であり、第二ＧａＮ層では基板側でバックグラウンドレベル、第三ＧａＮ層側では不純物濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３程度となるように増加している。このＮ型不純物の不純物濃度の変化については種々の態様が考えられる。これらの態様について図２を参照して説明する。尚、図２において横軸は主に第二ＧａＮ層基板側からの距離（図中１４で示す範囲。）、縦軸は不純物濃度を示している。
【００２２】
不純物濃度の変化は曲線（Ａ）で示すように基板側で緩やかに、第三ＧａＮ層側で大きく変化するような指数関数的な変化により形成するのが望ましい。これは第一ＧａＮ層表面上に成長するＮ型変調ドープ層が、ピンホールを発生しない有限の厚さを必要とし、このピンホールを発生しない程度の膜厚まで形成されたＮ型変調ドープ層は、その後、徐々に不純物濃度を上昇させても、安定して結晶成長するからである。
実施例２
図２の線（Ｂ）を参照して本発明の第二の実施例について説明する。線（Ｂ）で示されるようにＮ型変調ドープ層が、基板側から直線的に増加して第三Ｎ型ＧａＮ層の不純物濃度まで形成している。この様な変調ドープ方法を行うことで、成長レートやドーピング効率の変動を少なくすることが可能となる。
【００２３】
例えば、ドーピングガスを供給する際に生じるガス供給系・ガス種の変化が、基板に到達する直前、或いは基板上の雰囲気ガスを冷却する等の微少な揺らぎを発生する。ここで、ドーピングガスを線形に変化させると、温度制御が追いつくことで成長温度が一定に保たれる。よって、温度に起因する成長レートや、ドーピング効率の変動が減少する。
実施例３
図２の線（Ｃ）を参照して本発明の第三の実施例について説明する。線（Ｃ）で示されるように、Ｎ型変調ドープ層を、基板側からステップ状に増加して第三Ｎ型ＧａＮ層の不純物濃度まで形成している。この様な変調ドープを行うと、成長表面の復元をしながら成長することになるので比較的短成長時間、或いは比較的薄層とした変調ドープ層上に高濃度にドーピングしたＮ層を形成することが可能となる。
【００２４】
また、結晶の回復を図りながら成長するために、成長表面の平坦性が良い。この効果を実現するために極端な場合には周期的にアンドープ層を挟んでもよい。
【００２５】
更に、このステップは程度によるが１段でもその効果は得られる。
実施例４
図２の曲線（Ｄ）を参照して本発明の第四の実施例について説明する。線（Ｄ）で示されるようにＮ型変調ドープ層を、基板側から飽和曲線的に増加するように形成する。この様な変調ドープ層を形成すると、変調ドープ層中の低濃度領域を極小に設定できる。このため、全体の成長厚みを減らして成長時間の短縮が可能となる。よって量産を行うにあたってスループットの高い工程を形成できる。
実施例５
図５を参照しながら本発明の第五の実施例について説明する。図５（ａ）は、本実施例を用いて形成した窒化ガリウム系化合物半導体を素子化したものの断面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の素子を上部からみた図（上面図）である。図中の５１，５２で現した部分はそれぞれｎ側電極、ｐ側電極である。これまで述べてきた実施例１〜４の手法を用いて結晶成長したウェーハを用いた。これに、パターニングを施し、ＲＩＥ（reactive ion etching）、ＲＩＢＥ（reactive ion beam etching)、ＣＤＥ（chemical dry etching）等のドライエッチングを行った。エッチング後の表面５３は、高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の中で得ている。
【００２６】
ここで、高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の厚みは横方向に電流を流すために一定の規格（キャリア濃度と移動度とで決定される）値を必要とする。
【００２７】
この高濃度Ｎ型ＧａＮ層１４の表面５３にＮ型電極を形成する。次いで、コンタクト層１７の表面５４にｐ型電極５２を形成する。なお、これらｐ表面、ｎ表面は、ｐ／ｎ界面を含めて絶縁膜や誘電体薄膜等で保持されている。この後、ダイシングおよびスクライビングにより素子形状に分離を行う。
【００２８】
これら分離された素子はマウントされ、図７に示すように組立てが行われる。チップの電極パッドには図７（ａ）に示すボールボンディングあるいは図７（ｂ）に示すウェッジボンディングが行われる。図７（ａ）のボールボンディングよりも図７（ｂ）の様にウェッジボンディングを用いる方がボンディングパッドを小さくできるのでより好ましい。また、図７（ｃ）の様にフリップチップマウントを行う方法もある。図７（ｄ）に図７（ｂ）のウェッジボンディングを適用した場合の上面図を示す。図７（ｄ）から分かるように、ボールボンドを行う場合のパッド７５より小さいパッド７６となっている。これは、ボールボンディングを行う場合のパッドはボール径＋αで１００ｕｍ〜１２０ｕｍが必要であるが、ウェッジの場合にはワイア径の２５ｕｍ〜５０ｕｍで済むからである。図７（ｅ）に、図７（ｃ）のフリップチップマウントを適用した場合の上面図を示す。図７（ｅ）から分かるように、ボール用パッド７５と比較して、更にパッド７７，７８が縮小されている。これは、フリップチップマウントを行うための半田バンプの形成には数〜数十ｕｍのパッドで十分であるためである。また、電極は通常２個所（７７或いは７８の片側或いは両方）あれば十分であるが、図７（ｅ）の様に固定のため４点全てを設ける方がより良い。これらの電極を接続した後、樹脂でモールドする等で固定し完成する。
実施例６
本発明の第六の実施例について、例としてこれまで述べてきた窒化ガリウム系化合物半導体を使って説明する。図２及び図６を参照しながら説明する。図６は本実施例を説明するために模式化したＭＯ−ＣＶＤ装置の断面図である。成長室５１には、キャリアガス供給用の配管５７、アンモニア等Ｖ族を供給する配管、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）等のIII 族原子を供給する配管５８、ｎ型ドーパント５９を供給する配管５６、及び、バックグラウンド補償ガス６０（以下補償ガスと略）を供給する配管５５が接続されており、成長に寄与するガスはここから供給される。そして、反応後、及び成長に寄与しなかった残ガスは排気５４を通って排ガス処理装置へと排出される。この成長室の内部には、ヒータ５２上に基板５３が配置され、上述の成長ガスを供給することで窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する。
【００２９】
ところで、本発明の趣旨は、基板側から不純物濃度が増加して形成された成長層を有することである。よって、基板側のバックグラウンド不純物濃度を下げ、成長方向に増加させることで得られた図２の（Ａ）〜（Ｄ）の不純物プロファイルも当然含まれる。
【００３０】
以下に、図６の装置を用いてこの形成方法を説明する。装置内にキャリアガス、成長ガスの他に例えば総流量の１ｐｐｍ以下（例えば１ｐｐｂ程度）のＯ２等の補償ガス６０を供給する。この補償ガスの供給量を下限から始めてバックグラウンドレベルまで減らす。または、補償ガスでバックグラウンドレベルを下げたまま、ＳｉＨ４等のドーピングガスを例えば順次増加して供給する。これらの方法で、図２の（Ａ）〜（Ｄ）の所望の不純物濃度プロファイルを持たせることが容易にできる。
実施例７
図８を参照しながら、本発明の第七の実施例について説明する。図８（ａ）はエピタキシャル成長によって複数の成長層を形成した異種ヘテロ接合を有する発光素子の断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に対応した発光素子のｐ型不純物のプロファイルを示している。図中、横軸はｐ型不純物の不純物濃度を示し、縦軸は図８（ａ）に対応して基板からの距離を示している。
【００３１】
なお異種ヘテロ接合としてはＧａＡｓ／Ｓｉ・Ｉｎｐ／ＧａＡｓ・ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３・ＧａＮ／Ｓｉ・ＧａＮ／ＳｉＣのような種々のヘテロ接合を含む。
【００３２】
本実施例の発光素子では、サファイアよりなる基板８１表面上に膜厚０．０１〜２．００ｕｍ程度の非晶質ＧａＮよりなるバッファ層８２と、膜厚０．０１〜０．５ｕｍ程度で、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ等のｐ型不純物濃度がバックグラウンドレベルから所望の不純物濃度、例えば１×１０１３ｃｍ−３程度から１×１０２３ｃｍ−３程度まで増加するｐ型変調ドープ層８４と、膜厚０．０１μｍ以上でｐ型不純物の不純物濃度が所望の不純物濃度、例えば１×１０１８ｃｍ−３程度から１×１０２３ｃｍ−３程度の高濃度ｐ型層８５と、膜厚０．０１〜０．０３μｍ程度で、ＩｎＧａＮよりなる活性層８６と、膜厚０．０１〜２．０μｍ程度で、ｎ型不純物濃度がドープされたＡｌＧａＮ層８７よりなる。
【００３３】
なお、上記の膜厚、不純物濃度は実施例１で述べたのと同じ理由で上記数値のみに限定されるものでは無い。
【００３４】
尚、各層の構成については上記の種類に限定されることはなく、各種の窒化ガリウム系化合物半導体を用いて形成することが可能である。例えば基板１１はサファイアの他、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、また第一ＧａＮ層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−（ｘ＋ｙ） Ｎ、また第二、第三ＧａＮはＡｌｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、またＩｎＧａＮ層はＩｎｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、またＡｌＧａＮ層はＡｌｘＧａ（１−ｘ） Ｎ、また第四ＧａＮ層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−（ｘ＋ｙ） Ｎ（上記の各ｘ、ｙは、０または１である。）によりそれぞれ形成することができる。
【００３５】
続いて図１における本発明の発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００３６】
はじめにサファイア基板１１を反応室に載置し、摂氏５００度〜６００程度に加熱する。次にこの反応室内にキャリアガスとして水素、窒素あるいはこれらの混合ガス、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を導入することにより非結晶の第一ＧａＮ層１２を形成する。次に反応室内の温度を１０００度〜１１００度程度に上昇させ、上記同様のガスを導入しさらに、これと共にＮ型不純物のドーピングのためＳｉＨ４（シランガス）を導入する。
【００３７】
ここで成長させようとする膜はＮ型不純物の不純物濃度が徐々に増加するように形成するが、この制御はシランガスの流量を制御することにより容易に制御することができる。すなわちここでＧａＮ層の成長と共に、シランガスの流量を指数関数的に増加させれば、それに対応して形成されるＮ型変調ドープ層の不純物濃度も指数関数的に増加させることができる。また不純物濃度を直線的に増加させて形成する場合には、シランガスの流量も直線的に、不純物濃度を飽和曲線的に増加させて形成する場合には、シランガスの流量も飽和曲線的に、また不純物濃度をステップ状に増加させて形成する場合には、シランガスの流量もステップ状に増加させればよい。
【００３８】
尚、本発明での一例としてはシランガスの濃度を１ｐｐｍ程度、流量を０〜２００ｓｃｃｍ程度まで変化させて形成することにより、第二ＧａＮ層の不純物濃度を所望の値に変化させて形成することができる。
【００３９】
次に反応室内の温度を保ったまま、或いは若干低下させＴＭＩ（トリメチルインジウム）を導入することによりＩｎＧａＮ層を形成する。さらにＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）とＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を導入することによりＰ型不純物が導入されたＡｌＧａＮ層を形成する。さらにＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを導入することによりＧａＮコンタクト層をそれぞれ形成する。以上の工程により本発明の発光ダイオードの製造工程の一例が終了する。
【００４０】
尚、上記の実施の形態においては主に発光ダイオードの構成及びその製造方法について示しているが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、半導体レーザ等の発光デバイスについても本発明を適用できる。
【００４１】
本発明によれば、従来の発光デバイスにおいて形成していたスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成することなく、バッファ層表面上にＮ型変調ドープ層と高濃度Ｎ型層とを連続的にシランガスの流量を変化させることのみにより、異常成長無く結晶性を安定して形成することができる。すなわち機能的には必要の無いスペーサ層を形成することなく、バッファ層表面上に直接動作に寄与するＮ型層を形成することができるため、スペーサ層を形成するために生じていたスループットの低下を防ぐことができる。また、スペーサ層を形成することがないため、発光素子全体の膜厚も多少減少するため、格子不整合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明にかかる発光素子によれば、基板と、第一のＮ型不純物濃度から第二のＮ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＮ型不純物濃度を有し前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系半導体層と、を有しているので、異常成長無く結晶性を安定して形成することができるため、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができる。
【００４３】
また、本発明にかかる発光素子の製造方法によれば、従来の発光デバイスにおいて形成していたスペーサ層としてアンドープの単結晶ＧａＮ層を形成することなく、バッファ層表面上にＮ型変調ドープ層と高濃度Ｎ型層とを連続的にシランガスの流量を変化させることのみにより、異常成長無く結晶性を安定して形成することができるため、発光素子の製造にかかるスループットを向上させることができる。さらに発光素子全体の膜厚も多少減少させることができるため、格子不整合による歪量の増加を防ぐことができ、成長層の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態を説明する発光ダイオードの断面図及び（ｂ）はＮ型不純物の不純物プロファイルを示すグラフ。
【図２】本発明のＮ型変調ドープ層の不純物プロファイル。
【図３】（ａ）は従来の発光ダイオードを示す断面図、（ｂ）はそのＮ型不純物のプロファイルを示すグラフ。
【図４】従来技術に固有の問題を示す模式図。
【図５】（ａ）は窒化ガリウム系化合物半導体の断面図、（ｂ）はその上面図。
【図６】ＭＯ−ＣＶＤ装置を示す構成図。
【図７】本発明の発光ダイオードの組立を説明する図であって、（ａ）および（ｂ）は電極にワイヤが接合される様子を示す説明図、（ｃ）はウェッジボンディング従来の問題点を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）のウェッジボンディングが行われた様子を示す上面図、（ｅ）は（ｃ）のボンディングが行われた様子を示す上面図。
【図８】（ａ）は異種ヘテロ接合を含む発光素子の断面図、（ｂ）はそのＰ型不純物のプロファイルを示すグラフ。
Claims (20)
- 基板と、
第一のＮ型不純物濃度から第二のＮ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、
前記第二のＮ型不純物濃度を有し前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、
前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系半導体層と、
を有することを特徴とする発光素子。 - 前記第一のＮ型不純物濃度から前記第二のＮ型不純物濃度までの前記増加は指数関数的に変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第一のＮ型不純物濃度から前記第二のＮ型不純物濃度までの前記増加は
膜厚に応じて直線的に変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第一のＮ型不純物濃度から前記第二のＮ型不純物濃度までの前記増加は
膜厚に応じて飽和曲線的に変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第一のＮ型不純物濃度から前記第二のＮ型不純物濃度までの前記増加は
膜厚に応じてステップ状に変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記第一及び第二のＮ型不純物濃度は、１×１０１３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３乃至１×１０２３ａｔｏｍｓ ・ｃｍ−３の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は０．０１乃至２．００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記不純物はシリコンであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第一のＮ型不純物濃度は、バックグラウンドレベルであることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第二の窒化ガリウム系化合物半導体層は、前記第一の窒化ガリウム系化合物半導体層に連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記基板上に形成されたバッファ層を有し、第一窒化ガリウム系化合物半導体層は前記バッファ層上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 基板がサファイアであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 基板と、
前記基板表面上に形成され第一の不純物濃度を有する第一窒化ガリウム系化合物半導体層と、
前記第一窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、膜厚に応じて前記第一の不純物濃度から第二の不純物濃度まで増加する第二窒化ガリウム系化合物半導体層と、
前記第二窒化ガリウム系化合物半導体層表面上に形成され、前記第二の不純物濃度を有する第三窒化ガリウム系化合物半導体層と、
前記第三窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層と
を有することを特徴とする発光素子。 - 基板と、第一のＰ型不純物濃度から第二のＰ型不純物濃度まで増加して前記基板上に形成された第一のＰ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第二のＰ型不純物濃度を有し前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された第二Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とを有することを特徴とする発光素子。
- 前記第一のＰ型不純物濃度から前記第二のＰ型不純物濃度までの前記増加は指数関数的に変化するものであることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
- 前記第一のＰ型不純物濃度から前記第二のＰ型不純物濃度までの前記増加は
膜厚に応じて直線的に変化するものであることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。 - 前記第一のＰ型不純物濃度から前記第二のＰ型不純物濃度までの前記増加は
膜厚に応じて飽和曲線的に変化するものであることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。 - 前記第一のＰ型不純物濃度から前記第二のＰ型不純物濃度までの前記増加は膜厚に応じてステップ状に変化するものであることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
- 前記第一及び第二のＰ型不純物濃度は、１×１０１３〜１×１０２３の範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
- 前記第一Ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚は、０．０１乃至２．００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10480497A JP3576743B2 (ja) | 1996-04-22 | 1997-04-22 | 発光素子 |
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