JP3589000B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、青色や緑色の発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体の製造では、半導体膜を成長させるための基板として、一般に絶縁性のサファイアが用いられている。このサファイアのような絶縁性の基板を用いる場合では、窒化ガリウム系以外の例えばＧａＡｓやＩｎＧａＰ等の半導体の基板を利用する発光素子とは異なって、基板側から電極を取り出すことができないため、半導体層に設けるｎ側及びｐ側の電極は基板の半導体膜を形成した一面側に形成されることになる。
【０００４】
一方、サファイアを基板とするものも含めて、発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系半導体薄膜を成長させるのが近来では主流である。この方法は、基板を装入して設置した反応管の中に、ＩＩＩ族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）等）と、Ｖ族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給し、基板温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。そして、この成長形成の後、ｐ型層および発光層の一部の領域をエッチングにより除去してｎ型層を露出させ、露出した部分のｎ型層の表面およびｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極およびｐ側電極を、例えば蒸着法によって接合形成したものとして発光素子を得ることができる。
【０００５】
近来では、このようなサファイアを基板として窒化ガリウム系化合物半導体の薄膜を積層して作製されたダブルヘテロ構造を含む発光素子が主流である。図２に従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。
【０００６】
図２において、サファイアからなる基板１１上に、バッファ層１２と、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型層１３と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｐ型クラッド層１５と、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６とによる積層構造が形成されている。ｐ型コンタクト層１６上にはｐ側電極１７が形成され、ｐ型コンタクト層１６，ｐ型クラッド層１５及び発光層１４の３層の一部を除去してｎ型層１３を露出させ、このｎ型層１３の表面上にｎ側電極１８が形成されている。このｎ側電極１８の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）等の金属が一般に用いられる。このような構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、たとえば特開平６−２６８２５９号公報に開示されている。
【０００７】
このような構造の従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｎ型層１３はシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体で形成される。より具体的には、前述の有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層を成長させる際に、原料ガスとともにＳｉの原料ガスとして、例えば、シランやモノメチルシラン等、あるいはＧｅの原料ガスとして、例えば、ゲルマンやモノメチルゲルマン等を流して成長させることにより形成される。そして、ｎ型層１３のキャリア濃度はこれらのｎ型不純物の原料ガスの流量を調整することにより制御される。
【０００８】
なお、窒化ガリウム系化合物半導体においては、ｎ型不純物をドープしないアンドープとしてもｎ型となる性質があるので、意図的にｎ型不純物をドープせずにｎ型層を形成することも可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、その発光効率を高く維持するためには、動作電圧を低減する必要がある。したがって、動作電圧を小さく抑えるためには、基板１１の上に積層するそれぞれの半導体化合物の層の直列抵抗や電極との接触抵抗を小さくしなければならない。
【００１０】
そこで、ｎ型層１３の直接抵抗やｎ側電極１８との接触抵抗を小さくするために、有機金属気相成長法においてｎ型層１３の成長時にｎ型不純物のドープ量を増やすことが一つの有効な手段として考えられる。ところが、ｎ型不純物のドープ量が増えると、成長したｎ型層１３に歪みが発生してこの歪みの量が大きくなるので、ｎ型層１３でクラックが発生しやすくなるという問題がある。このようにｎ型層１３にクラックが発生すると、均一な面発光が得られなかったり、発光素子の信頼性が低下したりするため好ましくない。
【００１１】
一方、ｎ型層１３のクラックの発生の抑制を優先させる場合では、ｎ型不純物のドープ量を低減してｎ型層１３を成長形成させることが好ましいが、ｎ側電極１８との接触抵抗を低くすることが困難になる。これを補償するために、発光素子の直列抵抗を低減しようとしてｎ型層１３の層厚を数μｍから十数μｍと厚くして形成すると、この場合にも前述と同様なクラックの発生が起きやすくなるという問題がある。また、結晶の成長時間も長くする必要があり、製造上好ましくない。
【００１２】
このように、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、その動作電圧を下げるためにｎ型層のｎ型不純物ドープ量を増やしたり、層厚を厚くするなどの手段を用いると、クラックの発生が避けられない。したがって、素子の発光性能や製造歩留まりが悪くなる。
【００１３】
本発明において解決すべき課題は、絶縁性基板を用いる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、第１に動作電圧を低減して、第２に成長時のクラックの発生を抑制し製造歩留まりを向上させるようにすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁性の基板の上にｎ型層と発光層とｐ型層とを順次形成した積層構造を有し、前記ｐ型層及び発光層の一部を前記基板の積層構造形成面側から除去して露出させたｎ型層の表面上に電極を形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順にＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層とＳｉをドープしたＧａＮからなり第１のｎ型層よりもキャリア濃度が高い第２のｎ型層とを少なくとも含み、前記電極を前記第２のｎ型層に設け、前記第１のｎ型層のキャリア濃度は１×１０ １６ 〜２×１０ １８ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層のキャリア濃度は２×１０ １８ 〜１×１０ １９ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は、前記第１のｎ型層の層厚よりも小さいことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、発光素子の動作電圧が低減され、かつ、製造歩留まりの高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、絶縁性の基板の上にｎ型層と発光層とｐ型層とを順次形成した積層構造を有し、前記ｐ型層及び発光層の一部を前記基板の積層構造形成面側から除去して露出させたｎ型層の表面上に電極を形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順にＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層とＳｉをドープしたＧａＮからなり第１のｎ型層よりもキャリア濃度が高い第２のｎ型層とを少なくとも含み、前記電極を前記第２のｎ型層に設け、前記第１のｎ型層のキャリア濃度は１×１０ １６ 〜２×１０ １８ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層のキャリア濃度は２×１０ １８ 〜１×１０ １９ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は、前記第１のｎ型層の層厚よりも小さいことを特徴とするものであり、ｎ型層とｎ側電極の接触抵抗を低減して発光素子の動作電圧を下げることができ、クラックの発生を抑制することができるという作用を有する。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１のｎ型層の層厚は１〜５μｍの範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は０．１〜０．５μｍの範囲としたものであり、ｎ型層の層厚の範囲を特定することにより、クラックの発生を効果的に抑制することができるとともに、ｐ型層と発光層の一部を除去してｎ型層の表面を露出させるエッチングの深さの精度を高く維持できるという作用を有する。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００２０】
図１において、サファイアからなる基板１上にバッファ層２が形成されている。このバッファ層２としては、ＧａＮやＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等を用いることができる。バッファ層２の上には、下から順にｎ型層３，発光層４，ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６が積層されている。ｎ型層３は、基板１側から順にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２とを形成した積層構造を持つ。なお、ｎ型層３を形成するためのｎ型不純物としては、ＳｉやＧｅ等を用いることができる。
【００２１】
ＩｎＧａＮによって形成される発光層４は亜鉛やＳｉ等をドープして不純物準位を利用した発光層とすることもできるが、アンドープとして層厚を１０ｎｍ以下と薄くし、量子準位を利用した発光層とすることもできる。なお、アンドープとは成長形成時にｐ型不純物、ｎ型不純物が添加されていないということである。
【００２２】
ｐ型クラッド層５としては、ＡｌＧａＮやＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等を用いることができる。また、ｐ型コンタクト層６にはＧａＮやＩｎＧａＮ等を用いることができる。そして、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６にドープされるｐ型不純物としてはＭｇが用いられる。
【００２３】
ｐ型コンタクト層６の上にはｐ側電極７を形成し、一方ｎ型層３のうち第２のｎ型層３２の上にはｎ側電極８を設ける。このｎ側電極８の形成材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。
【００２４】
ここで、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造においては、素子の動作電圧を低減するためにｎ型層のｎ型不純物ドープ量を増やしたり、ｎ型層の層厚を厚くしたりすると、成長時のクラックの発生頻度が高くなり、製造歩留まりが低下することを既に説明した。このようなクラックの発生は、ｎ型不純物を高濃度にドープすることにより成長したｎ型層に歪みが発生し、さらに層厚を厚くすることにより歪みの量が大きくなることが一つの原因と考えられる。
【００２５】
すなわち、ｎ型層のｎ型不純物ドープ量と層厚の適正化による動作電圧の低減は、これらのｎ型不純物ドープ量とｎ型層の層厚との間にクラックの発生についてのトレードオフが存在することにより、制限されているというのが従来の技術であった。換言すると、ｎ型層のｎ型不純物ドープ量と層厚との間には、ｎ型層のクラックの発生についてのトレードオフがあるので、これらを適正化しても動作電圧の低減は制限されてしまう。
【００２６】
これに対し、本実施の形態では、ｎ型層３を基板１側から順にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２とを含む積層構造とし、ｎ側電極８を第２のｎ型層３２の上に設けるというｎ型層３の多層構造化によって、動作電圧の低減化と製造歩留まりを高く維持することが可能となる。以下、このことを説明する。
【００２７】
図１に示した本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型層３は基板１側からキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２を含む積層構造を持つ。すなわち、基板１側にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１を形成した後、この第１のｎ型層３１の上にキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２を形成し、この第２のｎ型層３２の上にｎ側電極８を形成したものである。
【００２８】
このようなキャリア濃度が異なる第１のｎ型層３１及び第２のｎ型層３２を基板１側から順に形成した積層構造とすることによって、第１のｎ型層３１のｎ型不純物ドープ量を小さくしてキャリア濃度を低くしても、第１のｎ型層３１の層厚を厚く形成することができるので、この第１のｎ型層３１における抵抗の増加とクラックの発生を同時に抑制することができる。そして、第１のｎ型層３１の上に、ｎ型不純物のドープ量を第１のｎ型層３１よりも大きくしてキャリア濃度を高くした第２のｎ型層３２にｎ側電極８を形成することで、第２のｎ型層３２とｎ側電極８の間の接触抵抗を低減することができるので、発光素子の動作電圧を下げることができ、消費電力の削減が可能となる。
【００２９】
このように、第１及び第２のｎ型層３１，３２のそれぞれのキャリア濃度の差を持たせることが、動作電圧の低減及びクラック発生防止の両面での最適化を促すことができる。そして、それぞれのキャリア濃度の具体的な数値の特定は、本発明者等の知見によれば、以下のとおりである。
【００３０】
まず、第１のｎ型層３１のキャリア濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲とすることが望ましい。この第１のｎ型層３１キャリア濃度が１×１０１６ｃｍ−３よりも小さくなると、第１のｎ型層３１自身における直列抵抗が大きくなって素子の動作電圧が高くなる傾向があり、キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３よりも大きくなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。
【００３１】
第１のｎ型層３１よりもキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることが望ましい。この第２のｎ型層３２のキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３よりも小さくなると、ｎ側電極８との間の接触抵抗を十分に低減することは困難になり、１×１０１９ｃｍ−３よりも大きくなると、この層の結晶性が悪くなる傾向があり、この上に成長させる発光層やｐ型層の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００３２】
また、第２のｎ型層３２は第１のｎ型層３１の層厚よりも小さくし、特に０．１〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。０．１μｍよりも薄くなると、ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とによるｐ型層及び発光層４の一部を除去してｎ型層３の表面を露出させるエッチングの深さを制御することが困難になる。また、０．５μｍよりも厚くなると、第２のｎ型層３２の結晶性が悪くなり、この第２のｎ型層３２の上に成長させる発光層４やｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００３３】
第１のｎ型層３１の層厚は、１〜５μｍの範囲とすることが好ましい。１μｍよりも薄くなると、素子の直列抵抗が大きくなって動作電圧が高くなる傾向があり、５μｍより厚くなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の半導体発光素子をその具体的な製造方法に基づいて説明する。
【００３５】
本実施例は、有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものである。
【００３６】
（実施例１）
本実施例を図１を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、表面を鏡面に仕上げたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。
【００３８】
次に、基板１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニアを５リットル／分、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と記す）を含むＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さとなるように成長させる。
【００３９】
次いで、ＴＭＡのキャリアガスの供給を止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で流しながら、新たにトリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と記す）用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ４（モノシラン）ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を２μｍの厚さで成長させる。このとき、第１のｎ型層３１のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００４０】
第１のｎ型層３１の成長形成後、引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを５０ｃｃ／分に変更して６分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．２μｍの厚さで成長させる。このとき、第２のｎ型層３２キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であった。
【００４１】
第２のｎ型層３２を成長形成後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ４ガスを止め、基板１の表面温度を７５０℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と記す）用のキャリアガスを２００ｃｃ／分で流しながら３０秒間成長させて、アンドープのＩｎＧａＮからなる発光層４を３ｎｍの厚さで成長させる。
【００４２】
更に、発光層４の成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止め、基板１の表面温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９４リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分、Ｍｇ源であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ２Ｍｇ」と記す）用のキャリアガスを５０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００４３】
引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ２Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させる。そして、ｐ型コンタクト層６の成長後には、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００４４】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４の一部を約０．２５μｍの深さで除去して、第１のｎ型層３１の表面を露出させる。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により露出させた第２のｎ型層３１の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層６の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成する。
【００４５】
この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離する。このチップを電極形成面側を上向きにしてステムに接着した後、チップのｎ側電極８とｐ側電極７をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．４Ｖであった。
【００４６】
これに対し、比較例１として、実施例１の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６６分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３を単一の層で成長させる以外は、実施例１と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００４７】
この比較例１による製造方法で得られたものでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例１と同様に波長４３０ｎｍの青紫色に発光したが、このときの順方向動作電圧は４．０Ｖであって、実施例１のものに比べて０．６Ｖ高かった。
【００４８】
（実施例２）
実施例１における第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを２０ｃｃ／分で流しながら３０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を１μｍの厚さで成長させ、この第１のｎ型層３１の成長形成後に引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを１００ｃｃ／分に変更して３分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．１μｍの厚さで成長させる以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
【００４９】
本実施例２における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ２×１０１８ｃｍ−３及び１×１０１９ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．３Ｖであった。
【００５０】
これに対し、比較例２として、実施例２の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１００ｃｃ／分で流しながら３３分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層を単一の層で成長させる以外は、実施例２と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００５１】
この比較例２による製造方法で得られたものでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例２とは異なり青白色の発光を呈した。発光状態を顕微鏡で観察したところ、ｎ側電極の周辺部の一部でのみ発光しているのが確認されたが、これはｎ型層でクラックが発生したためと考えられる。また、比較例２における発光ダイオードでは、２０ｍＡの順方向電流で駆動したときの順方向動作電圧は４．８Ｖであり、実施例２により得られたものよりも１．５Ｖ高かった。
【００５２】
（実施例３）
実施例１の第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１ｃｃ／分で流しながら１５０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を５μｍ成長させ、第１のｎ型層３１の成長形成後、引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを２０ｃｃ／分に変更して１５分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．５μｍの厚さで成長させる以外は実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
【００５３】
本実施例における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ１×１０１６ｃｍ−３及び２×１０１８ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．６Ｖであった。
【００５４】
これに対し、比較例３として、実施例３の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１ｃｃ／分で流しながら１６５分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３を単一の層で成長させる以外は実施例３と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００５５】
この比較例３として得られた発光ダイオードでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例３と同様に波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は４．７Ｖであり実施例３で得られたものに比較して１．１Ｖ高かった。
【００５６】
（実施例４）
実施例１における第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを１リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分でそれぞれ流しながら１２０分間成長させて、アンドープのＧａＮからなる第１のｎ型層３１を４μｍの厚さで成長させ、この第１のｎ型層３１の成長後に引き続いて主キャリアガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、そして新たにＳｉＨ４ガスを１００ｃｃ／分でそれぞれ流しながら９分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．３μｍの厚さで成長させる以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作成した。
【００５７】
本実施例における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ２×１０１６ｃｍ−３及び１×１０１９ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．６Ｖであった。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明では、基板の上に積層するｎ型層を、キャリア濃度が小さい第１のｎ型層とこの上に積層されたキャリア濃度が大きい第２のｎ型層の２層構造とすることによって、ｎ型層とこの上に形成するｎ側電極の接触抵抗を低減することができるので、発光素子の動作電圧を下げることができ、消費電力の削減が可能となる。
【００５９】
また、第１及び第２のｎ型層のそれぞれのキャリア濃度を特定することによって、消費電力の削減に加えて、発光素子のクラックの発生を抑制することができる。
【００６０】
また、第１及び第２のｎ型層のそれぞれの層厚の大きさの関係を特定することにより、発光素子のクラックの発生を抑制することができる。
【００６１】
請求項２の発明では、第１及び第２のｎ型層のそれぞれの層厚の値の範囲を特定することにより、クラックの発生を効果的に抑制することができるとともに、ｐ型層と発光層の一部を除去してｎ型層の表面を露出させるエッチングの深さの精度を高く維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型層
４ 発光層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ ｐ側電極
８ ｎ側電極
３１ 第１のｎ型層
３２ 第２のｎ型層
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、青色や緑色の発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体の製造では、半導体膜を成長させるための基板として、一般に絶縁性のサファイアが用いられている。このサファイアのような絶縁性の基板を用いる場合では、窒化ガリウム系以外の例えばＧａＡｓやＩｎＧａＰ等の半導体の基板を利用する発光素子とは異なって、基板側から電極を取り出すことができないため、半導体層に設けるｎ側及びｐ側の電極は基板の半導体膜を形成した一面側に形成されることになる。
【０００４】
一方、サファイアを基板とするものも含めて、発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系半導体薄膜を成長させるのが近来では主流である。この方法は、基板を装入して設置した反応管の中に、ＩＩＩ族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）等）と、Ｖ族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給し、基板温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。そして、この成長形成の後、ｐ型層および発光層の一部の領域をエッチングにより除去してｎ型層を露出させ、露出した部分のｎ型層の表面およびｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極およびｐ側電極を、例えば蒸着法によって接合形成したものとして発光素子を得ることができる。
【０００５】
近来では、このようなサファイアを基板として窒化ガリウム系化合物半導体の薄膜を積層して作製されたダブルヘテロ構造を含む発光素子が主流である。図２に従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。
【０００６】
図２において、サファイアからなる基板１１上に、バッファ層１２と、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型層１３と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｐ型クラッド層１５と、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６とによる積層構造が形成されている。ｐ型コンタクト層１６上にはｐ側電極１７が形成され、ｐ型コンタクト層１６，ｐ型クラッド層１５及び発光層１４の３層の一部を除去してｎ型層１３を露出させ、このｎ型層１３の表面上にｎ側電極１８が形成されている。このｎ側電極１８の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）等の金属が一般に用いられる。このような構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、たとえば特開平６−２６８２５９号公報に開示されている。
【０００７】
このような構造の従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｎ型層１３はシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体で形成される。より具体的には、前述の有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層を成長させる際に、原料ガスとともにＳｉの原料ガスとして、例えば、シランやモノメチルシラン等、あるいはＧｅの原料ガスとして、例えば、ゲルマンやモノメチルゲルマン等を流して成長させることにより形成される。そして、ｎ型層１３のキャリア濃度はこれらのｎ型不純物の原料ガスの流量を調整することにより制御される。
【０００８】
なお、窒化ガリウム系化合物半導体においては、ｎ型不純物をドープしないアンドープとしてもｎ型となる性質があるので、意図的にｎ型不純物をドープせずにｎ型層を形成することも可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、その発光効率を高く維持するためには、動作電圧を低減する必要がある。したがって、動作電圧を小さく抑えるためには、基板１１の上に積層するそれぞれの半導体化合物の層の直列抵抗や電極との接触抵抗を小さくしなければならない。
【００１０】
そこで、ｎ型層１３の直接抵抗やｎ側電極１８との接触抵抗を小さくするために、有機金属気相成長法においてｎ型層１３の成長時にｎ型不純物のドープ量を増やすことが一つの有効な手段として考えられる。ところが、ｎ型不純物のドープ量が増えると、成長したｎ型層１３に歪みが発生してこの歪みの量が大きくなるので、ｎ型層１３でクラックが発生しやすくなるという問題がある。このようにｎ型層１３にクラックが発生すると、均一な面発光が得られなかったり、発光素子の信頼性が低下したりするため好ましくない。
【００１１】
一方、ｎ型層１３のクラックの発生の抑制を優先させる場合では、ｎ型不純物のドープ量を低減してｎ型層１３を成長形成させることが好ましいが、ｎ側電極１８との接触抵抗を低くすることが困難になる。これを補償するために、発光素子の直列抵抗を低減しようとしてｎ型層１３の層厚を数μｍから十数μｍと厚くして形成すると、この場合にも前述と同様なクラックの発生が起きやすくなるという問題がある。また、結晶の成長時間も長くする必要があり、製造上好ましくない。
【００１２】
このように、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、その動作電圧を下げるためにｎ型層のｎ型不純物ドープ量を増やしたり、層厚を厚くするなどの手段を用いると、クラックの発生が避けられない。したがって、素子の発光性能や製造歩留まりが悪くなる。
【００１３】
本発明において解決すべき課題は、絶縁性基板を用いる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、第１に動作電圧を低減して、第２に成長時のクラックの発生を抑制し製造歩留まりを向上させるようにすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁性の基板の上にｎ型層と発光層とｐ型層とを順次形成した積層構造を有し、前記ｐ型層及び発光層の一部を前記基板の積層構造形成面側から除去して露出させたｎ型層の表面上に電極を形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順にＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層とＳｉをドープしたＧａＮからなり第１のｎ型層よりもキャリア濃度が高い第２のｎ型層とを少なくとも含み、前記電極を前記第２のｎ型層に設け、前記第１のｎ型層のキャリア濃度は１×１０ １６ 〜２×１０ １８ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層のキャリア濃度は２×１０ １８ 〜１×１０ １９ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は、前記第１のｎ型層の層厚よりも小さいことを特徴とする。
【００１５】
この構成により、発光素子の動作電圧が低減され、かつ、製造歩留まりの高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、絶縁性の基板の上にｎ型層と発光層とｐ型層とを順次形成した積層構造を有し、前記ｐ型層及び発光層の一部を前記基板の積層構造形成面側から除去して露出させたｎ型層の表面上に電極を形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順にＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層とＳｉをドープしたＧａＮからなり第１のｎ型層よりもキャリア濃度が高い第２のｎ型層とを少なくとも含み、前記電極を前記第２のｎ型層に設け、前記第１のｎ型層のキャリア濃度は１×１０ １６ 〜２×１０ １８ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層のキャリア濃度は２×１０ １８ 〜１×１０ １９ ｃｍ −３ の範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は、前記第１のｎ型層の層厚よりも小さいことを特徴とするものであり、ｎ型層とｎ側電極の接触抵抗を低減して発光素子の動作電圧を下げることができ、クラックの発生を抑制することができるという作用を有する。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１のｎ型層の層厚は１〜５μｍの範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は０．１〜０．５μｍの範囲としたものであり、ｎ型層の層厚の範囲を特定することにより、クラックの発生を効果的に抑制することができるとともに、ｐ型層と発光層の一部を除去してｎ型層の表面を露出させるエッチングの深さの精度を高く維持できるという作用を有する。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００２０】
図１において、サファイアからなる基板１上にバッファ層２が形成されている。このバッファ層２としては、ＧａＮやＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等を用いることができる。バッファ層２の上には、下から順にｎ型層３，発光層４，ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６が積層されている。ｎ型層３は、基板１側から順にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２とを形成した積層構造を持つ。なお、ｎ型層３を形成するためのｎ型不純物としては、ＳｉやＧｅ等を用いることができる。
【００２１】
ＩｎＧａＮによって形成される発光層４は亜鉛やＳｉ等をドープして不純物準位を利用した発光層とすることもできるが、アンドープとして層厚を１０ｎｍ以下と薄くし、量子準位を利用した発光層とすることもできる。なお、アンドープとは成長形成時にｐ型不純物、ｎ型不純物が添加されていないということである。
【００２２】
ｐ型クラッド層５としては、ＡｌＧａＮやＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等を用いることができる。また、ｐ型コンタクト層６にはＧａＮやＩｎＧａＮ等を用いることができる。そして、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６にドープされるｐ型不純物としてはＭｇが用いられる。
【００２３】
ｐ型コンタクト層６の上にはｐ側電極７を形成し、一方ｎ型層３のうち第２のｎ型層３２の上にはｎ側電極８を設ける。このｎ側電極８の形成材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。
【００２４】
ここで、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造においては、素子の動作電圧を低減するためにｎ型層のｎ型不純物ドープ量を増やしたり、ｎ型層の層厚を厚くしたりすると、成長時のクラックの発生頻度が高くなり、製造歩留まりが低下することを既に説明した。このようなクラックの発生は、ｎ型不純物を高濃度にドープすることにより成長したｎ型層に歪みが発生し、さらに層厚を厚くすることにより歪みの量が大きくなることが一つの原因と考えられる。
【００２５】
すなわち、ｎ型層のｎ型不純物ドープ量と層厚の適正化による動作電圧の低減は、これらのｎ型不純物ドープ量とｎ型層の層厚との間にクラックの発生についてのトレードオフが存在することにより、制限されているというのが従来の技術であった。換言すると、ｎ型層のｎ型不純物ドープ量と層厚との間には、ｎ型層のクラックの発生についてのトレードオフがあるので、これらを適正化しても動作電圧の低減は制限されてしまう。
【００２６】
これに対し、本実施の形態では、ｎ型層３を基板１側から順にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２とを含む積層構造とし、ｎ側電極８を第２のｎ型層３２の上に設けるというｎ型層３の多層構造化によって、動作電圧の低減化と製造歩留まりを高く維持することが可能となる。以下、このことを説明する。
【００２７】
図１に示した本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型層３は基板１側からキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２を含む積層構造を持つ。すなわち、基板１側にキャリア濃度の低い第１のｎ型層３１を形成した後、この第１のｎ型層３１の上にキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２を形成し、この第２のｎ型層３２の上にｎ側電極８を形成したものである。
【００２８】
このようなキャリア濃度が異なる第１のｎ型層３１及び第２のｎ型層３２を基板１側から順に形成した積層構造とすることによって、第１のｎ型層３１のｎ型不純物ドープ量を小さくしてキャリア濃度を低くしても、第１のｎ型層３１の層厚を厚く形成することができるので、この第１のｎ型層３１における抵抗の増加とクラックの発生を同時に抑制することができる。そして、第１のｎ型層３１の上に、ｎ型不純物のドープ量を第１のｎ型層３１よりも大きくしてキャリア濃度を高くした第２のｎ型層３２にｎ側電極８を形成することで、第２のｎ型層３２とｎ側電極８の間の接触抵抗を低減することができるので、発光素子の動作電圧を下げることができ、消費電力の削減が可能となる。
【００２９】
このように、第１及び第２のｎ型層３１，３２のそれぞれのキャリア濃度の差を持たせることが、動作電圧の低減及びクラック発生防止の両面での最適化を促すことができる。そして、それぞれのキャリア濃度の具体的な数値の特定は、本発明者等の知見によれば、以下のとおりである。
【００３０】
まず、第１のｎ型層３１のキャリア濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲とすることが望ましい。この第１のｎ型層３１キャリア濃度が１×１０１６ｃｍ−３よりも小さくなると、第１のｎ型層３１自身における直列抵抗が大きくなって素子の動作電圧が高くなる傾向があり、キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３よりも大きくなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。
【００３１】
第１のｎ型層３１よりもキャリア濃度の高い第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることが望ましい。この第２のｎ型層３２のキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３よりも小さくなると、ｎ側電極８との間の接触抵抗を十分に低減することは困難になり、１×１０１９ｃｍ−３よりも大きくなると、この層の結晶性が悪くなる傾向があり、この上に成長させる発光層やｐ型層の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００３２】
また、第２のｎ型層３２は第１のｎ型層３１の層厚よりも小さくし、特に０．１〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。０．１μｍよりも薄くなると、ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とによるｐ型層及び発光層４の一部を除去してｎ型層３の表面を露出させるエッチングの深さを制御することが困難になる。また、０．５μｍよりも厚くなると、第２のｎ型層３２の結晶性が悪くなり、この第２のｎ型層３２の上に成長させる発光層４やｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００３３】
第１のｎ型層３１の層厚は、１〜５μｍの範囲とすることが好ましい。１μｍよりも薄くなると、素子の直列抵抗が大きくなって動作電圧が高くなる傾向があり、５μｍより厚くなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の半導体発光素子をその具体的な製造方法に基づいて説明する。
【００３５】
本実施例は、有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものである。
【００３６】
（実施例１）
本実施例を図１を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、表面を鏡面に仕上げたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。
【００３８】
次に、基板１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニアを５リットル／分、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と記す）を含むＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さとなるように成長させる。
【００３９】
次いで、ＴＭＡのキャリアガスの供給を止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で流しながら、新たにトリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と記す）用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ４（モノシラン）ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を２μｍの厚さで成長させる。このとき、第１のｎ型層３１のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００４０】
第１のｎ型層３１の成長形成後、引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを５０ｃｃ／分に変更して６分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．２μｍの厚さで成長させる。このとき、第２のｎ型層３２キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であった。
【００４１】
第２のｎ型層３２を成長形成後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ４ガスを止め、基板１の表面温度を７５０℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と記す）用のキャリアガスを２００ｃｃ／分で流しながら３０秒間成長させて、アンドープのＩｎＧａＮからなる発光層４を３ｎｍの厚さで成長させる。
【００４２】
更に、発光層４の成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止め、基板１の表面温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９４リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分、Ｍｇ源であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ２Ｍｇ」と記す）用のキャリアガスを５０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００４３】
引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ２Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させる。そして、ｐ型コンタクト層６の成長後には、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００４４】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４の一部を約０．２５μｍの深さで除去して、第１のｎ型層３１の表面を露出させる。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により露出させた第２のｎ型層３１の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層６の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成する。
【００４５】
この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離する。このチップを電極形成面側を上向きにしてステムに接着した後、チップのｎ側電極８とｐ側電極７をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．４Ｖであった。
【００４６】
これに対し、比較例１として、実施例１の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６６分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３を単一の層で成長させる以外は、実施例１と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００４７】
この比較例１による製造方法で得られたものでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例１と同様に波長４３０ｎｍの青紫色に発光したが、このときの順方向動作電圧は４．０Ｖであって、実施例１のものに比べて０．６Ｖ高かった。
【００４８】
（実施例２）
実施例１における第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを２０ｃｃ／分で流しながら３０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を１μｍの厚さで成長させ、この第１のｎ型層３１の成長形成後に引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを１００ｃｃ／分に変更して３分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．１μｍの厚さで成長させる以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
【００４９】
本実施例２における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ２×１０１８ｃｍ−３及び１×１０１９ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．３Ｖであった。
【００５０】
これに対し、比較例２として、実施例２の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１００ｃｃ／分で流しながら３３分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層を単一の層で成長させる以外は、実施例２と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００５１】
この比較例２による製造方法で得られたものでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例２とは異なり青白色の発光を呈した。発光状態を顕微鏡で観察したところ、ｎ側電極の周辺部の一部でのみ発光しているのが確認されたが、これはｎ型層でクラックが発生したためと考えられる。また、比較例２における発光ダイオードでは、２０ｍＡの順方向電流で駆動したときの順方向動作電圧は４．８Ｖであり、実施例２により得られたものよりも１．５Ｖ高かった。
【００５２】
（実施例３）
実施例１の第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１ｃｃ／分で流しながら１５０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層３１を５μｍ成長させ、第１のｎ型層３１の成長形成後、引き続いて主キャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスとをそのままの流量で流しながら、ＳｉＨ４ガスの流量のみを２０ｃｃ／分に変更して１５分間流して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．５μｍの厚さで成長させる以外は実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
【００５３】
本実施例における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ１×１０１６ｃｍ−３及び２×１０１８ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．６Ｖであった。
【００５４】
これに対し、比較例３として、実施例３の第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＳｉＨ４ガスを１ｃｃ／分で流しながら１６５分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３を単一の層で成長させる以外は実施例３と同様にして、発光ダイオードを作製した。
【００５５】
この比較例３として得られた発光ダイオードでは、ｎ型層のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３であった。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実施例３と同様に波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は４．７Ｖであり実施例３で得られたものに比較して１．１Ｖ高かった。
【００５６】
（実施例４）
実施例１における第１のｎ型層３１を成長させる工程において、１０５０℃にて、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを１リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分でそれぞれ流しながら１２０分間成長させて、アンドープのＧａＮからなる第１のｎ型層３１を４μｍの厚さで成長させ、この第１のｎ型層３１の成長後に引き続いて主キャリアガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、そして新たにＳｉＨ４ガスを１００ｃｃ／分でそれぞれ流しながら９分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第２のｎ型層３２を０．３μｍの厚さで成長させる以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを作成した。
【００５７】
本実施例における第１のｎ型層３１と第２のｎ型層３２のキャリア濃度は、それぞれ２×１０１６ｃｍ−３及び１×１０１９ｃｍ−３であった。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４３０ｎｍの青紫色に発光し、このときの順方向動作電圧は３．６Ｖであった。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明では、基板の上に積層するｎ型層を、キャリア濃度が小さい第１のｎ型層とこの上に積層されたキャリア濃度が大きい第２のｎ型層の２層構造とすることによって、ｎ型層とこの上に形成するｎ側電極の接触抵抗を低減することができるので、発光素子の動作電圧を下げることができ、消費電力の削減が可能となる。
【００５９】
また、第１及び第２のｎ型層のそれぞれのキャリア濃度を特定することによって、消費電力の削減に加えて、発光素子のクラックの発生を抑制することができる。
【００６０】
また、第１及び第２のｎ型層のそれぞれの層厚の大きさの関係を特定することにより、発光素子のクラックの発生を抑制することができる。
【００６１】
請求項２の発明では、第１及び第２のｎ型層のそれぞれの層厚の値の範囲を特定することにより、クラックの発生を効果的に抑制することができるとともに、ｐ型層と発光層の一部を除去してｎ型層の表面を露出させるエッチングの深さの精度を高く維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型層
４ 発光層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ ｐ側電極
８ ｎ側電極
３１ 第１のｎ型層
３２ 第２のｎ型層
Claims (1)
- 絶縁性の基板の上にｎ型層と発光層とｐ型層とを順次形成した積層構造を有し、前記ｐ型層及び発光層の一部を前記基板の積層構造形成面側から除去して露出させたｎ型層の表面上に電極を形成する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順にＳｉをドープしたＧａＮからなる第１のｎ型層とＳｉをドープしたＧａＮからなり第１のｎ型層よりもキャリア濃度が高い第２のｎ型層とを少なくとも含み、前記電極を前記第２のｎ型層に設け、
前記第１のｎ型層のキャリア濃度は１×１０16〜２×１０18ｃｍ-3の範囲であり、前記第２のｎ型層のキャリア濃度は２×１０18〜１×１０19ｃｍ-3の範囲であり、
前記第２のｎ型層の層厚は、前記第１のｎ型層の層厚よりも小さく、
前記第１のｎ型層の層厚は１〜５μｍの範囲であり、前記第２のｎ型層の層厚は０．１〜０．５μｍの範囲であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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