JP3602856B2 - 半導体発光素子およびその製法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して発光ダイオードや半導体レーザを形成する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、基板とチッ化ガリウム系化合物半導体との間の結晶格子のズレの影響を小さくし、発光特性を向上させ得る半導体発光素子に関する。
背景技術
従来、たとえば青色系（紫外線から黄色）の光を発光するチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、図７に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板21上にたとえばGaNからなる低温バッファ層22と、高温でｎ形のGaNがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）23と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばInGaN系（InとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層24と、ｐ形のAlGaN系（AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層25aおよびGaN層25bからなるｐ形層（クラッド層）25とからなり、その表面にｐ側電極28が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層23の表面にｎ側電極29が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層23もｐ形層25と同様に、キャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層23側にAlGaN系化合物半導体層が用いられることもある。
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子は、サファイア基板上に発光層を形成するGaN、InGaN系、AlGaN系などのチッ化ガリウム系化合物半導体が積層されることにより形成されている。しかし、サファイア基板とチッ化ガリウム系化合物半導体との間では、その格子定数が16％程度も異なっており、結晶性の優れたチッ化ガリウム系化合物半導体層が得られない。この問題を解決するために、前述のように、発光層を形成するチッ化ガリウム系化合物半導体の単結晶層と基板との間に低温で成膜したGaNやAlNなどのバッファ層を介在させることにより、チッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を向上させることが行われている。
前述の低温で成膜するバッファ層を介在させることにより、発光層の結晶性が改善されて青色系の半導体発光素子の実用化の階段に至っているが、チッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶欠陥の問題は完全には解決されておらず、リーク電流が大きくなって充分に輝度を向上させることができなかったり、製造工程の僅かな変化により輝度が充分でなく歩留りが向上しないという問題がある。
本発明の目的は、前述の問題を解決し、チッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体発光素子において、格子定数の差に基づく結晶欠陥を少なくして、リーク電流を小さくし、発光効率の優れた半導体発光素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、チッ化ガリウム系化合物半導体層を積層する際に、格子定数の差に基づく結晶欠陥を少なくすることができる半導体発光素子の製法を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、チッ化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層形成部を積層する際に、半導体層の結晶欠陥を少なくしてリーク電流を減らし、輝度を向上させるため、鋭意検討を重ねた結果、発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層の少なくとも１層に酸素を含有させることにより、結晶欠陥密度を減少させることができ、輝度を向上させることができることを見出した。１層の半導体層に酸素を含有させる場合、できるだけ下層側に設けられることにより、その上に設けられる半導体層の結晶欠陥が少なくなって輝度が向上し、また、基板と発光層形成部との間にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層が介在される場合、そのバッファ層に酸素が含まれてもその上に積層される半導体層の結晶欠陥が改善されることを見出した。さらに、バッファ層がAlNからなる場合に、そのAlNに酸素を含ませても結晶性の改善が見られ、複数層に酸素を含有させることにより一層の改善が得られることを見出した。
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられるチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される発光層形成部とを有し、前記バッファ層または前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する元素として酸素を含有する化合物半導体層で形成されている。
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III族元素のGaとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Asなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
前記酸素を含有する化合物半導体は、たとえばGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）により構成される。この酸素を含有する化合物半導体には、ｎ形不純物および／またはｐ形不純物が含有されていてもよい。ここに、ｎ形不純物とは、Si、Se、Teなどの少なくとも１種を意味し、ｐ形不純物とは、Mg、Zn、Beなどの少なくとも１種を意味する。
また、前記酸素を含有する化合物半導体は、前記バッファ層に用いられたり、前記発光層形成部の少なくともバッファ層側の半導体層に用いられたり、前記発光層形成部を構成するｎ形層およびｐ形層により挟持される活性層に用いられたり、前記バッファ層および該バッファ層に接する発光層形成部の半導体層などの２層以上に用いられる。
さらに具体的には、前記基板がサファイア基板からなり、前記バッファ層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）により構成され、さらに具体的には、前記発光層形成部がｎ形半導体層およびｐ形半導体層により活性層が挟持されるダブルヘテロ接合構造からなり、該発光層形成部の少なくとも前記バッファ層に接する半導体層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）単結晶層により構成される。
前記バッファ層は、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、バッファ層の有無またはその材料に拘らず、基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されることにより発光層形成部が設けられる場合に、前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する元素として酸素を含有する化合物半導体層で構成されることにより、半導体層の結晶欠陥が少なくなり、輝度を向上させることができる。
前記基板と前記発光層形成部との間にAlNからなるバッファ層が設けられたり、AlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層が設けられてもよい。
さらに本発明の半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられるAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光層形成部とを有する構造にすることができる。
前記バッファ層のAlの一部がInと置換されてもよく、前記バッファ層が、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有していてもよい。
前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層がGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる場合には、さらに輝度が向上する。さらに具体的には、前記基板がサファイア基板からなり、前記発光層形成部が活性層をｎ形層およびｐ形層により挟持するダブルヘテロ接合構造により構成される。
本発明の半導体発光素子の製法は、基板上に有機金属化学気相成長法（MOVPE法:Metal Organic Vapor Phased Epitaxy）、ハイドライド気相成長法（HVPE法:Hydride Vapor Phased Epitaxy）または分子線エピタキシャル成長法（MBE法:Molecular Beam Epitaxy）により、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次積層する半導体発光素子の製法であって、前記バッファ層および／または前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層で、化合物を構成する元素として酸素を含有する半導体層を成長する際に、酸化源を供給し、または供給しながら該半導体層の成長をすることを特徴とする。
ここに酸化源とは、酸素、オゾン、N2O、H2Oなどの酸素を供給し得るものを意味し、石英ガラスからなるチャンバなどの成長炉内の酸化物の酸素を遊離し得るものも含む意味である。
さらに別の製法は、基板上にMOVPE法、HVPE法またはMBE法により、酸化源を供給し、または供給しながらAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次エピタキシャル成長することを特徴とする。この場合、前記発光層形成部の少なくとも１種を形成する際に酸化源を供給し、または供給しながら成長し、Ga1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる半導体層を成長してもよい。
前記酸化源の供給は、前記半導体層を成長する成長炉内への酸化源の導入により行ってもよく、また、前記半導体層を成長する成長炉内の酸化物の酸素を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
図２は、図１の構成でｎ形層のGaOzN1-zのｚの量を変化させたときのｎ形層の結晶欠陥密度および発光素子としたときの輝度の変化を示す図である。
図３は、図１の構成でｎ形層のGaOzN1-zのｚの量を変化させたときのリーク電流を示す、電圧を増加させたときに電流値が一定の値になるときの電圧を示す図である。
図４は、バッファ層にGaOzN1-zを用い、そのｚの量を変化させたときのｎ形層の結晶欠陥密度および発光素子としたときの輝度の変化を示す図である。
図５は、バッファ層にGaOzN1-zを用い、そのｚの量を変化させたときのリーク電流を示す、電圧を増加させたときに電流値が一定の値になるときの電圧を示す図である。
図６は、半導体発光素子のリーク電流を説明するための、電圧を印加し始めたときの立上り部分の電圧−電流特性を示す図である。
図７は、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に一実施形態の断面説明図が示されるように、たとえばサファイア（Al2O3単結晶）などからなる基板１の表面にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２と、バッファ層２上に発光層を形成すべくｎ形層３およびｐ形層５を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される発光層形成部10とを有している。そして図１に示される例では、発光層形成部10を構成するｎ形層３の半導体層がチッ化ガリウム系化合物に酸素を含有する化合物半導体で形成されていることに特徴がある。
図１に示される例では、サファイア基板１上に積層される半導体層は、たとえばGaNからなる低温バッファ層２が500℃程度の低温で0.01〜0.2μｍ程度堆積され、ついで1000℃程度の高温でｎ形のGaOzN1-zからなるｎ形層（クラッド層）３が１〜５μｍ程度、ノンドープのInGaN系化合物半導体（青色を発光させる場合、ノンドープでInの割合が0.3〜0.5で、Gaの割合が0.7〜0.5であるが、たとえばSiおよびZnをドープしてInの割合を0.05程度として不純物発光をさせることができる）からなる活性層４が0.002〜0.3μｍ程度、ｐ形のAlGaN系化合物半導体層5aおよびGaN層5bがそれぞれ0.05〜0.5μｍ程度づつ積層されるｐ形層５が、それぞれ順次成長されて発光層形成部10が積層されている。そして、積層された半導体層の表面に、たとえばNiとAuの合金層からなる２〜100nm程度の電流拡散層７を介してｐ側電流８が形成されると共に、積層された半導体層３〜５の一部が除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極９が形成されている。
前述のｎ形層３のGaOzN1-zのＯの割合、すなわちｚの範囲は、後述するように、0.2以上が好ましいが、0.1でも顕著な効果が現れ、僅かでもよく、０＜ｚ＜１の範囲で、他の層との関係などにより選定される。
なお、図１に示される例では、ｐ形層５はGaN層5bとAlGaN系化合物半導体層5aとの複層で形成されているが、キャリアの閉じ込め効果の点からAlを含む層が活性層４側に設けられることが好ましいためで、GaN層だけでもよい。また、ｎ形層３にもAlGaN系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、バッファ層２もGaN層により形成されているが、たとえばAlN層や、AlGaN系化合物半導体層、さらにInが添加された層など他の半導体層で形成されていてもよい。
つぎに、図１に示される構造の半導体発光素子の輝度の向上について説明をする。前述のように、本発明者は、たとえばサファイア基板上に積層される発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層に発生する格子欠陥をできるだけ少なくして輝度を向上させるため、鋭意検討を重ねた結果、たとえば図１に示されるように、基板上に積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層に酸素を含有せしめることにより、結晶欠陥密度が大幅に減少し、輝度も大幅に向上することを見出したものである。
すなわち、図１に示される構造の青色系の半導体発光素子において、GaOzN1-zからなるｎ形層３の酸素の量（ｚ）を変化させたときのｎ形層３の表面の結晶欠陥の密度、および発光素子にした状態での輝度のそれぞれの変化を調べた結果、図２に示されるように、ｚが0.1程度の割合で酸素が含まれるだけで、結晶欠陥密度および輝度が大幅に向上し、ｚの値が0.2以上になれば結晶欠陥密度は２桁程度、輝度は３倍以上に向上した。図２において、Ａが結晶欠陥密度、Ｂが輝度をそれぞれ示す。なお、ｎ形層３の厚さを５μｍとし、それ以外のバッファ層２はGaNで0.03μｍ程度、活性層４はSiおよびZnドープのIn0.05Ga0.95Ｎで0.2μｍ程度、ｐ形層５はAl0.15Ga0.85Ｎ層5aが0.2μｍとGaN層5bが0.3μｍ程度の積層構造で一定とし、ｚの値のみを変化させて製造した。ここで、結晶欠陥密度は、ｎ形層３を積層した状態で、つぎの活性層などの半導体層を積層しないで、その表面をエッチングして、エッチングにより生じる窪みであるピットの数を測定するエッチピット法により測定したもので、輝度はｎ形層３を積層した後、その上に連続的に活性層４やｐ形層５などを積層して半導体発光素子とした状態で測定し、従来のｎ形層をGaNで構成したときの輝度を１とした相対的な輝度で表した結果である。
この結晶欠陥が少ないという現象は、半導体発光素子としてのリーク電流を測定することによっても確認することができた。すなわち、半導体発光素子の電圧（Ｖ）と電流（logI（対数目盛））の特性は、図６のＣに示されるような特性を一般に示す。このＶ−logI特性の電圧を高くしても電流が飽和して増えない領域は電極の接触部の抵抗によるものでほぼ一定になるが、リーク電流の大きい半導体発光素子のＶ−logI特性はＤにより示されるように、立上りが早くなる。そのため、一定の電流値（たとえば１μＡ）logI1のときの電圧V1、V2を測定することにより、電圧の小さいもの（V1を示すカーブＤ）程リーク電流が大きいことがわかる。前述のGaOzN1-zのｚをパラメータとして一定電流のときの電圧をプロットすると図３に示されるようになり、図３からもｚが０のときのGaN層に比べ、酸素を含有することにより、明らかにリーク電流が少ない（一定電流のときの電圧が高い）ことがわかる。
図２〜３から明らかなように、ｎ形層３に酸素を含有することにより、結晶欠陥の数が大幅に減少し、輝度も向上する。これは、GaOzN1-zの成長は、GaNに比べて縦方向より横方向の成長が早くて支配的になるため、横方向につながって平坦な膜となってから縦方向に成長していくため欠陥の少ない膜を成長させることができるものと思われる。そして、欠陥の少ない平坦な膜が成膜されると、その上に成長される膜も欠陥の少ない平坦な膜になり、活性層やｐ形層についても欠陥の少ない平坦な膜が成膜され、高輝度の半導体発光素子が得られる。そのため、１層のみに酸素を添加する場合には、できるだけ下（基板に近い側）の層に添加することが好ましいことが推察される。
この観点から、高温でエピタキシャル成長されるｎ形層ではなく、低温で成膜されるバッファ層２が酸素を含有することによるｎ形層の結晶欠陥の状態および輝度の変化を同様に調べた。すなわち、バッファ層２にGaOzN1-zを用いて0.03μｍ程度を500℃程度で成膜し、そのほかのｎ形層３はｎ形のGaNを５μｍ程度で、活性層４、およびｐ形層５については前述の例と同様にしてバッファ層２のｚの値を種々変化させた。このバッファ層２にGaOzN1-zを用いたときの結晶欠陥の密度および発光素子の輝度を調べ、その結果を図４に示す。なお、図４においてもＡが結晶欠陥密度を示し、Ｂが輝度を示し、結晶の欠陥密度は、バッファ層２上にｎ形層３をエピタキシャル成長した状態で、前述と同様にエッチングをしてピット数を調べるエッチピット法を用い、輝度については前述と同様に発光素子にした状態で、バッファ層にGaNを用いたときの輝度を基準として相対的な値で調べた。また、前述と同様に、発光素子としたときのリーク電流を示す一定電流のときの電圧の関係を図５に示す。
図４〜５から明らかなように、バッファ層に酸素を添加したGaOzN1-zを用いることによっても、前述のｎ形層に用いる場合よりは結晶欠陥密度および輝度共に低下するものの、従来の構造よりは明らかな向上が見られる。これはつぎのように考えられる。すなわち、バッファ層２の成長は低温であるため、成長時には単結晶にはならずアモルファスの状態であり、酸素が含有されていても、前述のGaOzN1-zの単結晶層のように緻密な膜で結晶欠陥の少ない層は得られにくいと考えられる。しかし、つぎのｎ形層３の高温による成長時に少なくともバッファ層２の表面は単結晶化される。そして、その単結晶化された層は酸素を含有することにより、緻密で結晶欠陥の少ない層となり、その上に成膜される単結晶層もそのバッファ層表面の結晶欠陥の少ない層に揃って積層されるため結晶欠陥の少ない半導体層が得られるものと考えられる。その結果、バッファ層に酸素を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられることにより、その上に積層される半導体層が酸素を含まないチッ化ガリウム系化合物半導体層であっても、結晶欠陥が少なく、輝度の大きい半導体発光素子が得られる。
もちろんバッファ層および発光層形成部の半導体層共に酸素を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられることにより、一層結晶欠陥を少なくすることができ、輝度を向上させることができる。さらに、前述の構造の発光層形成部の活性層にも酸素を添加することにより、一層の輝度の向上を得ることができた。
本発明者は、さらにバッファ層としてAlNが用いられる場合に、AlNを成膜する際に酸化源を供給するころにより、酸素を含ませたAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）の組成で形成する場合の結晶性についても調べた。このとき発光層形成部10は前述のバッファ層２にGaOzN1-zを用いた場合と同様の構成にし、バッファ層２は500℃程度の低温で0.03μｍ程度成膜した。この場合も、前述のGaOzN1-zをバッファ層２とする場合と同様に酸素を含ませる割合、すなわちｕの値が0.2程度で欠陥密度が２桁程度低下し、輝度が顕著に上昇し、ｕの他の値でも同様の効果が得られるものと考えられる。これは、前述のGaOzN1-zの場合と同様に、バッファ層２の成長は低温であるため、成長時には単結晶にはならずアモルファスの状態でAlOuN1-uが形成され、単結晶層のように緻密な膜で結晶欠陥の少ない層は得られにくいと考えられるが、つぎのｎ形層３の高温による成長時に少なくともバッファ層２の表面は単結晶化されて緻密となり、前述と同様に、結晶欠陥の少ない半導体層が積層されるためと考えられる。その結果、バッファ層２に酸素を含むAlOuN1-uが用いられることにより、その上に積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層は結晶欠陥が少なく、輝度の大きい半導体発光素子が得られる。ここで、バッファ層２の厚さは、バッファ機能をもたせる点からも、前述と同様に0.01〜0.2μｍ程度設けられることが好ましい。
なお、サファイア基板の表面を平坦化することにより、結晶欠陥の少ないチッ化ガリウム系化合物半導体層を得るために、サファイア基板の表面をチッ化させてAl2（ON）３とし、その上にGaNからなる低温のバッファ層を成膜し、その上にチッ化ガリウム系化合物半導体を積層する方法が知られている。しかし、この場合も、サファイア基板の表面をチッ化させてAl2（ON）３とするだけで、バッファ層は低温で成長されたGaN層であり、たとえサファイア基板表面の平坦化が図られていても、サファイア基板上にGaN層が直接成膜されるのと同様に、緻密な膜が成膜されず、また、本発明のようにその上に高温で成長されるチッ化ガリウム系化合物半導体層を緻密な膜にする作用もしない。
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。
MOVPE法により、キャリアガスH2と共にトリメチリガリウム（TMG）、アンモニア（NH3）などの反応ガスを供給して、まず、たとえばサファイアからなる基板１上に、たとえば400〜600℃程度の低温で、GaN層からなる低温バッファ層２を0.01〜0.2μｍ程度程度成膜する。
ついで、たとえば600〜1200℃程度の高温で前述の反応ガスに、ｎ形のドーパントガスとしてのSiH4など、さらに酸化源としてのO2を追加し、ｎ形のGaOzN1-zからなるｎ形層３を１〜５μｍ程度成長する。ついで、反応ガスにトリメチルインジウム（以下、TMInという）を加え、ドーパントガスのSiH4にさらにジメチル亜鉛（DMZn）を加え、SiおよびZnドープのInGaN系化合物半導体からなる活性層４を0.002〜0.3μｍ程度形成する。ついで、TMInに代えてトリメチルアルミニウム（以下、TMAという）を導入し、さらにドーパントガスをシクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）またはジメチル亜鉛（DMZn）にして、ｐ形のAlGaN系化合物半導体層5aを0.05〜0.5μｍ程度成長し、ついでTMAを止めてｐ形のGaNを0.05〜0.5μｍ程度成長し、ｐ形層５を全体として0.1〜１μｍ程度形成する。
その後、たとえばNiおよびAuを真空蒸着などにより積層してシンターすることにより合金化し、電流拡散層７を、２〜100nm程度形成する。ついで、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を除去してｎ形層３を露出させ、たとえばリフトオフ法により、ｐ形層５と電気的に接続されるようにTiとAuとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ｎ形層３と電気的に接続されるように、TiとAlをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。その結果、図１に示される半導体発光素子が得られる。
この例では、MOVPE法により半導体層を成長させたが、HVPE法、またはMBE法によっても同様に半導体層を成長させることができる。また、酸化源としてO2を用いたが、これに限定されることなく、酸化させ得るものであればよい。したがって、N2O、H2O、または成長炉内の石英ガラスなどの酸化物から遊離する酸素または還元剤を導入することにより遊離させ得る酸素などを利用することもできる。
前述の各例では、酸素を含有するチッ化ガリウム系化合物半導体層として、GaN層の場合の例であったが、AlGaN系化合物半導体層や、InGaN系化合物半導体層など、他のIII族元素が加えられた混晶のチッ化ガリウム系化合物半導体でも同様の結果が得られた。
さらに前述の例では、バッファ層をノンドープで製造したが、Si、Se、Teなどのｎ形不純物を導入してｎ形としてもよく、また、Mg、Zn、Beなどのｐ形不純物を導入してｐ形とし、発光層形成部のｐ形層を先に成長させてもよい。また、前述の例では、発光層形成部のｎ形層に酸素を含有させたが、ｐ形層やノンドープ層に含有させてもよい。とくに、基板側にｐ形層が形成され、その上に活性層やｎ形層が積層されることにより発光層形成部が設けられる構造の場合には、ｐ形層が下層になるためｐ形層に酸素が含まれることが好ましい。要は、GaおよびＮを含む化合物半導体層に本発明を適用することができる。
また、バッファ層として、GaN、GaOzN1-z、AlOzN1-zの例であったが、発光層形成部に酸素を含有するチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる場合は、バッファ層はAlNなどの他の組成でも効果が現れる。また、AlOzN1-zをバッファ層とする場合でも、Alの一部がInなど他のIII族元素と置換される構造の者や，前述のｎ形および／またはｐ形の不純物が添加される構造のものでも同様である。
さらに、前述の例では、基板としてサファイア基板が用いられたが、サファイア基板に限定されるものではなく、SiC基板や、Si基板、GaAs基板など他の半導体基板でも、チッ化ガリウム系化合物半導体を積層する場合に本発明を適用することができる。
また、前述の各例では、活性層をSiおよびZnドープで形成したが、ノンドープで形成してもよい。さらに、発光層形成部として、ｎ形層とｐ形層とで活性層を挟持するダブルヘテロ接合構造の例であったが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するpn接合構造でも同様である。
本発明によれば、チッ化ガリウム系化合物半導体層を格子定数が異なる基板上に成長する場合でも、チッ化ガリウム系化合物半導体層の少なくとも１層、および／またはバッファ層のGaN系もしくはAlN系化合物半導体に酸素が含有さていることにより、発光層形成部の半導体層の結晶性が大幅に向上する。その結果、輝度が大きくなり、また製造上のバラツキが小さくなり、高輝度で安価な青色系の半導体発光素子が得られる。
産業上の利用性
本発明の半導体発光素子によれば、輝度の大きい青色（Ｂ）系の光が得られ、青色系の種々の光源として利用することができると共に、他の赤色（Ｒ）や緑色（Ｇ）の発光素子と共に用いることにより、その混色のあらゆる色の光源とすることができ、信号機や、大型ディスプレーなどの表示器などの幅広い分野で利用することができる。
本発明は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して発光ダイオードや半導体レーザを形成する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、基板とチッ化ガリウム系化合物半導体との間の結晶格子のズレの影響を小さくし、発光特性を向上させ得る半導体発光素子に関する。
背景技術
従来、たとえば青色系（紫外線から黄色）の光を発光するチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、図７に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板21上にたとえばGaNからなる低温バッファ層22と、高温でｎ形のGaNがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）23と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばInGaN系（InとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層24と、ｐ形のAlGaN系（AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層25aおよびGaN層25bからなるｐ形層（クラッド層）25とからなり、その表面にｐ側電極28が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層23の表面にｎ側電極29が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層23もｐ形層25と同様に、キャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層23側にAlGaN系化合物半導体層が用いられることもある。
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子は、サファイア基板上に発光層を形成するGaN、InGaN系、AlGaN系などのチッ化ガリウム系化合物半導体が積層されることにより形成されている。しかし、サファイア基板とチッ化ガリウム系化合物半導体との間では、その格子定数が16％程度も異なっており、結晶性の優れたチッ化ガリウム系化合物半導体層が得られない。この問題を解決するために、前述のように、発光層を形成するチッ化ガリウム系化合物半導体の単結晶層と基板との間に低温で成膜したGaNやAlNなどのバッファ層を介在させることにより、チッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を向上させることが行われている。
前述の低温で成膜するバッファ層を介在させることにより、発光層の結晶性が改善されて青色系の半導体発光素子の実用化の階段に至っているが、チッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶欠陥の問題は完全には解決されておらず、リーク電流が大きくなって充分に輝度を向上させることができなかったり、製造工程の僅かな変化により輝度が充分でなく歩留りが向上しないという問題がある。
本発明の目的は、前述の問題を解決し、チッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体発光素子において、格子定数の差に基づく結晶欠陥を少なくして、リーク電流を小さくし、発光効率の優れた半導体発光素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、チッ化ガリウム系化合物半導体層を積層する際に、格子定数の差に基づく結晶欠陥を少なくすることができる半導体発光素子の製法を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、チッ化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層形成部を積層する際に、半導体層の結晶欠陥を少なくしてリーク電流を減らし、輝度を向上させるため、鋭意検討を重ねた結果、発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層の少なくとも１層に酸素を含有させることにより、結晶欠陥密度を減少させることができ、輝度を向上させることができることを見出した。１層の半導体層に酸素を含有させる場合、できるだけ下層側に設けられることにより、その上に設けられる半導体層の結晶欠陥が少なくなって輝度が向上し、また、基板と発光層形成部との間にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層が介在される場合、そのバッファ層に酸素が含まれてもその上に積層される半導体層の結晶欠陥が改善されることを見出した。さらに、バッファ層がAlNからなる場合に、そのAlNに酸素を含ませても結晶性の改善が見られ、複数層に酸素を含有させることにより一層の改善が得られることを見出した。
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられるチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される発光層形成部とを有し、前記バッファ層または前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する元素として酸素を含有する化合物半導体層で形成されている。
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III族元素のGaとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Asなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
前記酸素を含有する化合物半導体は、たとえばGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）により構成される。この酸素を含有する化合物半導体には、ｎ形不純物および／またはｐ形不純物が含有されていてもよい。ここに、ｎ形不純物とは、Si、Se、Teなどの少なくとも１種を意味し、ｐ形不純物とは、Mg、Zn、Beなどの少なくとも１種を意味する。
また、前記酸素を含有する化合物半導体は、前記バッファ層に用いられたり、前記発光層形成部の少なくともバッファ層側の半導体層に用いられたり、前記発光層形成部を構成するｎ形層およびｐ形層により挟持される活性層に用いられたり、前記バッファ層および該バッファ層に接する発光層形成部の半導体層などの２層以上に用いられる。
さらに具体的には、前記基板がサファイア基板からなり、前記バッファ層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）により構成され、さらに具体的には、前記発光層形成部がｎ形半導体層およびｐ形半導体層により活性層が挟持されるダブルヘテロ接合構造からなり、該発光層形成部の少なくとも前記バッファ層に接する半導体層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）単結晶層により構成される。
前記バッファ層は、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、バッファ層の有無またはその材料に拘らず、基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されることにより発光層形成部が設けられる場合に、前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する元素として酸素を含有する化合物半導体層で構成されることにより、半導体層の結晶欠陥が少なくなり、輝度を向上させることができる。
前記基板と前記発光層形成部との間にAlNからなるバッファ層が設けられたり、AlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層が設けられてもよい。
さらに本発明の半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられるAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光層形成部とを有する構造にすることができる。
前記バッファ層のAlの一部がInと置換されてもよく、前記バッファ層が、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有していてもよい。
前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層がGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる場合には、さらに輝度が向上する。さらに具体的には、前記基板がサファイア基板からなり、前記発光層形成部が活性層をｎ形層およびｐ形層により挟持するダブルヘテロ接合構造により構成される。
本発明の半導体発光素子の製法は、基板上に有機金属化学気相成長法（MOVPE法:Metal Organic Vapor Phased Epitaxy）、ハイドライド気相成長法（HVPE法:Hydride Vapor Phased Epitaxy）または分子線エピタキシャル成長法（MBE法:Molecular Beam Epitaxy）により、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次積層する半導体発光素子の製法であって、前記バッファ層および／または前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層で、化合物を構成する元素として酸素を含有する半導体層を成長する際に、酸化源を供給し、または供給しながら該半導体層の成長をすることを特徴とする。
ここに酸化源とは、酸素、オゾン、N2O、H2Oなどの酸素を供給し得るものを意味し、石英ガラスからなるチャンバなどの成長炉内の酸化物の酸素を遊離し得るものも含む意味である。
さらに別の製法は、基板上にMOVPE法、HVPE法またはMBE法により、酸化源を供給し、または供給しながらAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次エピタキシャル成長することを特徴とする。この場合、前記発光層形成部の少なくとも１種を形成する際に酸化源を供給し、または供給しながら成長し、Ga1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる半導体層を成長してもよい。
前記酸化源の供給は、前記半導体層を成長する成長炉内への酸化源の導入により行ってもよく、また、前記半導体層を成長する成長炉内の酸化物の酸素を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
図２は、図１の構成でｎ形層のGaOzN1-zのｚの量を変化させたときのｎ形層の結晶欠陥密度および発光素子としたときの輝度の変化を示す図である。
図３は、図１の構成でｎ形層のGaOzN1-zのｚの量を変化させたときのリーク電流を示す、電圧を増加させたときに電流値が一定の値になるときの電圧を示す図である。
図４は、バッファ層にGaOzN1-zを用い、そのｚの量を変化させたときのｎ形層の結晶欠陥密度および発光素子としたときの輝度の変化を示す図である。
図５は、バッファ層にGaOzN1-zを用い、そのｚの量を変化させたときのリーク電流を示す、電圧を増加させたときに電流値が一定の値になるときの電圧を示す図である。
図６は、半導体発光素子のリーク電流を説明するための、電圧を印加し始めたときの立上り部分の電圧−電流特性を示す図である。
図７は、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に一実施形態の断面説明図が示されるように、たとえばサファイア（Al2O3単結晶）などからなる基板１の表面にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層２と、バッファ層２上に発光層を形成すべくｎ形層３およびｐ形層５を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される発光層形成部10とを有している。そして図１に示される例では、発光層形成部10を構成するｎ形層３の半導体層がチッ化ガリウム系化合物に酸素を含有する化合物半導体で形成されていることに特徴がある。
図１に示される例では、サファイア基板１上に積層される半導体層は、たとえばGaNからなる低温バッファ層２が500℃程度の低温で0.01〜0.2μｍ程度堆積され、ついで1000℃程度の高温でｎ形のGaOzN1-zからなるｎ形層（クラッド層）３が１〜５μｍ程度、ノンドープのInGaN系化合物半導体（青色を発光させる場合、ノンドープでInの割合が0.3〜0.5で、Gaの割合が0.7〜0.5であるが、たとえばSiおよびZnをドープしてInの割合を0.05程度として不純物発光をさせることができる）からなる活性層４が0.002〜0.3μｍ程度、ｐ形のAlGaN系化合物半導体層5aおよびGaN層5bがそれぞれ0.05〜0.5μｍ程度づつ積層されるｐ形層５が、それぞれ順次成長されて発光層形成部10が積層されている。そして、積層された半導体層の表面に、たとえばNiとAuの合金層からなる２〜100nm程度の電流拡散層７を介してｐ側電流８が形成されると共に、積層された半導体層３〜５の一部が除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極９が形成されている。
前述のｎ形層３のGaOzN1-zのＯの割合、すなわちｚの範囲は、後述するように、0.2以上が好ましいが、0.1でも顕著な効果が現れ、僅かでもよく、０＜ｚ＜１の範囲で、他の層との関係などにより選定される。
なお、図１に示される例では、ｐ形層５はGaN層5bとAlGaN系化合物半導体層5aとの複層で形成されているが、キャリアの閉じ込め効果の点からAlを含む層が活性層４側に設けられることが好ましいためで、GaN層だけでもよい。また、ｎ形層３にもAlGaN系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、バッファ層２もGaN層により形成されているが、たとえばAlN層や、AlGaN系化合物半導体層、さらにInが添加された層など他の半導体層で形成されていてもよい。
つぎに、図１に示される構造の半導体発光素子の輝度の向上について説明をする。前述のように、本発明者は、たとえばサファイア基板上に積層される発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層に発生する格子欠陥をできるだけ少なくして輝度を向上させるため、鋭意検討を重ねた結果、たとえば図１に示されるように、基板上に積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層に酸素を含有せしめることにより、結晶欠陥密度が大幅に減少し、輝度も大幅に向上することを見出したものである。
すなわち、図１に示される構造の青色系の半導体発光素子において、GaOzN1-zからなるｎ形層３の酸素の量（ｚ）を変化させたときのｎ形層３の表面の結晶欠陥の密度、および発光素子にした状態での輝度のそれぞれの変化を調べた結果、図２に示されるように、ｚが0.1程度の割合で酸素が含まれるだけで、結晶欠陥密度および輝度が大幅に向上し、ｚの値が0.2以上になれば結晶欠陥密度は２桁程度、輝度は３倍以上に向上した。図２において、Ａが結晶欠陥密度、Ｂが輝度をそれぞれ示す。なお、ｎ形層３の厚さを５μｍとし、それ以外のバッファ層２はGaNで0.03μｍ程度、活性層４はSiおよびZnドープのIn0.05Ga0.95Ｎで0.2μｍ程度、ｐ形層５はAl0.15Ga0.85Ｎ層5aが0.2μｍとGaN層5bが0.3μｍ程度の積層構造で一定とし、ｚの値のみを変化させて製造した。ここで、結晶欠陥密度は、ｎ形層３を積層した状態で、つぎの活性層などの半導体層を積層しないで、その表面をエッチングして、エッチングにより生じる窪みであるピットの数を測定するエッチピット法により測定したもので、輝度はｎ形層３を積層した後、その上に連続的に活性層４やｐ形層５などを積層して半導体発光素子とした状態で測定し、従来のｎ形層をGaNで構成したときの輝度を１とした相対的な輝度で表した結果である。
この結晶欠陥が少ないという現象は、半導体発光素子としてのリーク電流を測定することによっても確認することができた。すなわち、半導体発光素子の電圧（Ｖ）と電流（logI（対数目盛））の特性は、図６のＣに示されるような特性を一般に示す。このＶ−logI特性の電圧を高くしても電流が飽和して増えない領域は電極の接触部の抵抗によるものでほぼ一定になるが、リーク電流の大きい半導体発光素子のＶ−logI特性はＤにより示されるように、立上りが早くなる。そのため、一定の電流値（たとえば１μＡ）logI1のときの電圧V1、V2を測定することにより、電圧の小さいもの（V1を示すカーブＤ）程リーク電流が大きいことがわかる。前述のGaOzN1-zのｚをパラメータとして一定電流のときの電圧をプロットすると図３に示されるようになり、図３からもｚが０のときのGaN層に比べ、酸素を含有することにより、明らかにリーク電流が少ない（一定電流のときの電圧が高い）ことがわかる。
図２〜３から明らかなように、ｎ形層３に酸素を含有することにより、結晶欠陥の数が大幅に減少し、輝度も向上する。これは、GaOzN1-zの成長は、GaNに比べて縦方向より横方向の成長が早くて支配的になるため、横方向につながって平坦な膜となってから縦方向に成長していくため欠陥の少ない膜を成長させることができるものと思われる。そして、欠陥の少ない平坦な膜が成膜されると、その上に成長される膜も欠陥の少ない平坦な膜になり、活性層やｐ形層についても欠陥の少ない平坦な膜が成膜され、高輝度の半導体発光素子が得られる。そのため、１層のみに酸素を添加する場合には、できるだけ下（基板に近い側）の層に添加することが好ましいことが推察される。
この観点から、高温でエピタキシャル成長されるｎ形層ではなく、低温で成膜されるバッファ層２が酸素を含有することによるｎ形層の結晶欠陥の状態および輝度の変化を同様に調べた。すなわち、バッファ層２にGaOzN1-zを用いて0.03μｍ程度を500℃程度で成膜し、そのほかのｎ形層３はｎ形のGaNを５μｍ程度で、活性層４、およびｐ形層５については前述の例と同様にしてバッファ層２のｚの値を種々変化させた。このバッファ層２にGaOzN1-zを用いたときの結晶欠陥の密度および発光素子の輝度を調べ、その結果を図４に示す。なお、図４においてもＡが結晶欠陥密度を示し、Ｂが輝度を示し、結晶の欠陥密度は、バッファ層２上にｎ形層３をエピタキシャル成長した状態で、前述と同様にエッチングをしてピット数を調べるエッチピット法を用い、輝度については前述と同様に発光素子にした状態で、バッファ層にGaNを用いたときの輝度を基準として相対的な値で調べた。また、前述と同様に、発光素子としたときのリーク電流を示す一定電流のときの電圧の関係を図５に示す。
図４〜５から明らかなように、バッファ層に酸素を添加したGaOzN1-zを用いることによっても、前述のｎ形層に用いる場合よりは結晶欠陥密度および輝度共に低下するものの、従来の構造よりは明らかな向上が見られる。これはつぎのように考えられる。すなわち、バッファ層２の成長は低温であるため、成長時には単結晶にはならずアモルファスの状態であり、酸素が含有されていても、前述のGaOzN1-zの単結晶層のように緻密な膜で結晶欠陥の少ない層は得られにくいと考えられる。しかし、つぎのｎ形層３の高温による成長時に少なくともバッファ層２の表面は単結晶化される。そして、その単結晶化された層は酸素を含有することにより、緻密で結晶欠陥の少ない層となり、その上に成膜される単結晶層もそのバッファ層表面の結晶欠陥の少ない層に揃って積層されるため結晶欠陥の少ない半導体層が得られるものと考えられる。その結果、バッファ層に酸素を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられることにより、その上に積層される半導体層が酸素を含まないチッ化ガリウム系化合物半導体層であっても、結晶欠陥が少なく、輝度の大きい半導体発光素子が得られる。
もちろんバッファ層および発光層形成部の半導体層共に酸素を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられることにより、一層結晶欠陥を少なくすることができ、輝度を向上させることができる。さらに、前述の構造の発光層形成部の活性層にも酸素を添加することにより、一層の輝度の向上を得ることができた。
本発明者は、さらにバッファ層としてAlNが用いられる場合に、AlNを成膜する際に酸化源を供給するころにより、酸素を含ませたAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）の組成で形成する場合の結晶性についても調べた。このとき発光層形成部10は前述のバッファ層２にGaOzN1-zを用いた場合と同様の構成にし、バッファ層２は500℃程度の低温で0.03μｍ程度成膜した。この場合も、前述のGaOzN1-zをバッファ層２とする場合と同様に酸素を含ませる割合、すなわちｕの値が0.2程度で欠陥密度が２桁程度低下し、輝度が顕著に上昇し、ｕの他の値でも同様の効果が得られるものと考えられる。これは、前述のGaOzN1-zの場合と同様に、バッファ層２の成長は低温であるため、成長時には単結晶にはならずアモルファスの状態でAlOuN1-uが形成され、単結晶層のように緻密な膜で結晶欠陥の少ない層は得られにくいと考えられるが、つぎのｎ形層３の高温による成長時に少なくともバッファ層２の表面は単結晶化されて緻密となり、前述と同様に、結晶欠陥の少ない半導体層が積層されるためと考えられる。その結果、バッファ層２に酸素を含むAlOuN1-uが用いられることにより、その上に積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層は結晶欠陥が少なく、輝度の大きい半導体発光素子が得られる。ここで、バッファ層２の厚さは、バッファ機能をもたせる点からも、前述と同様に0.01〜0.2μｍ程度設けられることが好ましい。
なお、サファイア基板の表面を平坦化することにより、結晶欠陥の少ないチッ化ガリウム系化合物半導体層を得るために、サファイア基板の表面をチッ化させてAl2（ON）３とし、その上にGaNからなる低温のバッファ層を成膜し、その上にチッ化ガリウム系化合物半導体を積層する方法が知られている。しかし、この場合も、サファイア基板の表面をチッ化させてAl2（ON）３とするだけで、バッファ層は低温で成長されたGaN層であり、たとえサファイア基板表面の平坦化が図られていても、サファイア基板上にGaN層が直接成膜されるのと同様に、緻密な膜が成膜されず、また、本発明のようにその上に高温で成長されるチッ化ガリウム系化合物半導体層を緻密な膜にする作用もしない。
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。
MOVPE法により、キャリアガスH2と共にトリメチリガリウム（TMG）、アンモニア（NH3）などの反応ガスを供給して、まず、たとえばサファイアからなる基板１上に、たとえば400〜600℃程度の低温で、GaN層からなる低温バッファ層２を0.01〜0.2μｍ程度程度成膜する。
ついで、たとえば600〜1200℃程度の高温で前述の反応ガスに、ｎ形のドーパントガスとしてのSiH4など、さらに酸化源としてのO2を追加し、ｎ形のGaOzN1-zからなるｎ形層３を１〜５μｍ程度成長する。ついで、反応ガスにトリメチルインジウム（以下、TMInという）を加え、ドーパントガスのSiH4にさらにジメチル亜鉛（DMZn）を加え、SiおよびZnドープのInGaN系化合物半導体からなる活性層４を0.002〜0.3μｍ程度形成する。ついで、TMInに代えてトリメチルアルミニウム（以下、TMAという）を導入し、さらにドーパントガスをシクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）またはジメチル亜鉛（DMZn）にして、ｐ形のAlGaN系化合物半導体層5aを0.05〜0.5μｍ程度成長し、ついでTMAを止めてｐ形のGaNを0.05〜0.5μｍ程度成長し、ｐ形層５を全体として0.1〜１μｍ程度形成する。
その後、たとえばNiおよびAuを真空蒸着などにより積層してシンターすることにより合金化し、電流拡散層７を、２〜100nm程度形成する。ついで、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を除去してｎ形層３を露出させ、たとえばリフトオフ法により、ｐ形層５と電気的に接続されるようにTiとAuとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ｎ形層３と電気的に接続されるように、TiとAlをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。その結果、図１に示される半導体発光素子が得られる。
この例では、MOVPE法により半導体層を成長させたが、HVPE法、またはMBE法によっても同様に半導体層を成長させることができる。また、酸化源としてO2を用いたが、これに限定されることなく、酸化させ得るものであればよい。したがって、N2O、H2O、または成長炉内の石英ガラスなどの酸化物から遊離する酸素または還元剤を導入することにより遊離させ得る酸素などを利用することもできる。
前述の各例では、酸素を含有するチッ化ガリウム系化合物半導体層として、GaN層の場合の例であったが、AlGaN系化合物半導体層や、InGaN系化合物半導体層など、他のIII族元素が加えられた混晶のチッ化ガリウム系化合物半導体でも同様の結果が得られた。
さらに前述の例では、バッファ層をノンドープで製造したが、Si、Se、Teなどのｎ形不純物を導入してｎ形としてもよく、また、Mg、Zn、Beなどのｐ形不純物を導入してｐ形とし、発光層形成部のｐ形層を先に成長させてもよい。また、前述の例では、発光層形成部のｎ形層に酸素を含有させたが、ｐ形層やノンドープ層に含有させてもよい。とくに、基板側にｐ形層が形成され、その上に活性層やｎ形層が積層されることにより発光層形成部が設けられる構造の場合には、ｐ形層が下層になるためｐ形層に酸素が含まれることが好ましい。要は、GaおよびＮを含む化合物半導体層に本発明を適用することができる。
また、バッファ層として、GaN、GaOzN1-z、AlOzN1-zの例であったが、発光層形成部に酸素を含有するチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる場合は、バッファ層はAlNなどの他の組成でも効果が現れる。また、AlOzN1-zをバッファ層とする場合でも、Alの一部がInなど他のIII族元素と置換される構造の者や，前述のｎ形および／またはｐ形の不純物が添加される構造のものでも同様である。
さらに、前述の例では、基板としてサファイア基板が用いられたが、サファイア基板に限定されるものではなく、SiC基板や、Si基板、GaAs基板など他の半導体基板でも、チッ化ガリウム系化合物半導体を積層する場合に本発明を適用することができる。
また、前述の各例では、活性層をSiおよびZnドープで形成したが、ノンドープで形成してもよい。さらに、発光層形成部として、ｎ形層とｐ形層とで活性層を挟持するダブルヘテロ接合構造の例であったが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するpn接合構造でも同様である。
本発明によれば、チッ化ガリウム系化合物半導体層を格子定数が異なる基板上に成長する場合でも、チッ化ガリウム系化合物半導体層の少なくとも１層、および／またはバッファ層のGaN系もしくはAlN系化合物半導体に酸素が含有さていることにより、発光層形成部の半導体層の結晶性が大幅に向上する。その結果、輝度が大きくなり、また製造上のバラツキが小さくなり、高輝度で安価な青色系の半導体発光素子が得られる。
産業上の利用性
本発明の半導体発光素子によれば、輝度の大きい青色（Ｂ）系の光が得られ、青色系の種々の光源として利用することができると共に、他の赤色（Ｒ）や緑色（Ｇ）の発光素子と共に用いることにより、その混色のあらゆる色の光源とすることができ、信号機や、大型ディスプレーなどの表示器などの幅広い分野で利用することができる。
Claims (22)
- 基板と、該基板上に設けられるチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される発光層形成部とを有し、前記バッファ層または前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する元素として酸素を含有する化合物半導体層である半導体発光素子。
- 前記酸素を含有する化合物半導体がGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる請求の範囲第１項記載の半導体発光素子。
- 前記酸素を含有する化合物半導体に、ｎ形不純物および／またはｐ形不純物が含有されてなる請求の範囲第２項記載の半導体発光素子。
- 前記酸素を含有する化合物半導体が前記バッファ層に用いられてなる請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の半導体発光素子。
- 前記酸素を含有する化合物半導体が前記発光層形成部の少なくとも前記バッファ層側の半導体層に用いられてなる請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層形成部が活性層をｎ形層およびｐ形層により挟持するダブルヘテロ接合構造からなり、前記酸素を含有する化合物半導体が前記活性層に用いられてなる請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項または第５項記載の半導体発光素子。
- 前記基板がサファイア基板からなり、前記バッファ層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）からなる請求の範囲第２項または第３項記載の半導体発光素子。
- 前記バッファ層が、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有する請求の範囲第７項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層形成部がｎ形半導体層およびｐ形半導体層により活性層が挟持されるダブルへテロ接合構造からなり、該発光層形成部の少なくとも前記バッファ層に接する半導体層がGaOzN1-z（０＜ｚ＜１）単結晶層からなる請求の範囲第２項、第３項、第７項または第８項記載の半導体発光素子。
- 基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されることにより発光層形成部が設けられる半導体発光素子であって、前記発光層形成部を構成する各半導体層の少なくとも１層がチッ化ガリウム系化合物を構成する 元素として酸素を含有する化合物半導体層である半導体発光素子。
- 前記基板と前記発光層形成部との間にAlNからなるバッファ層が設けられてなる請求の範囲第10項記載の半導体発光素子。
- 前記基板と前記発光層形成部との間にAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層が設けられてなる請求の範囲第10項記載の半導体発光素子。
- 基板と、該基板上に設けられるAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層と、該バッファ層上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光層形成部とを有する半導体発光素子。
- 前記バッファ層のAlの一部がInと置換されてなる請求の範囲第13項記載の半導体発光素子。
- 前記バッファ層が、Si、Se、Te、Mg、ZnおよびBeよりなる群れから選ばれた少なくとも１種を含有する請求の範囲第13項または第14項記載の半導体発光素子。
- 前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層がGa1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる請求の範囲第13項、第14項または第15項記載の半導体発光素子。
- 前記基板がサファイア基板からなり、前記発光層形成部が活性層をｎ形層およびｐ形層により挟持するダブルヘテロ接合構造からなる請求の範囲第13項または第16項記載の半導体発光素子。
- 基板上にMOVPE法、HVPE法またはMBE法により、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次積層する半導体発光素子の製法であって、前記バッファ層および／または前記発光層形成部を構成する半導体層の少なくとも１層で、化合物を構成する元素として酸素を含有する半導体層を成長する際に、酸化源を供給し、または供給しながら該半導体層の成長をする半導体発光素子の製法。
- 基板上にMOVPE法、HVPE法またはMBE法により、酸化源を供給し、または供給しながらAlOuN1-u（０＜ｕ＜１）からなるバッファ層を設け、さらにチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層形成部を構成する半導体層を順次エピタキシャル成長する半導体発光素子の製法。
- 前記発光層形成部の少なくとも１層を形成する際に酸化源を供給し、または供給しながら成長し、Ga1-x-yAlxInyOzN1-z（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる半導体層を成長する請求の範囲第19項記載の製法。
- 前記酸化源の供給を、前記半導体層を成長する成長炉内への酸化源の導入により行う請求の範囲第18項または第19項記載の製法。
- 前記酸化源の供給を、前記半導体層を成長する成長炉内の酸化物の酸素を用いることにより行う請求の範囲第18項または第19項記載の製法。
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