JP3776536B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に、基板と格子定数が異なる半導体層が積層されて発光層を形成する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、積層される半導体層の結晶格子のズレの影響を小さくする半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、たとえば青色系の光を発光する半導体発光素子は、図3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(発光層)24と、p形のGaN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(上部)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したn形層23の表面にn側(下部)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およびp形層25は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(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)化合物半導体層が用いられることが多い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
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GaNまたはAlGaN系化合物半導体がn形層およびp形層として積層されている。しかし、サファイアの格子定数は、4.76Åであるのに対して、GaNは3.19Å、たとえばAl0.3Ga0.7Nは3.13Åであり、これらの間の格子定数は一致していない。さらにn形層とp形層とで挟持される発光層のInGaN系化合物半導体とも格子定数が異なる。そのため、n形層やp形層に結晶格子のズレが生じやすく、電流が流れ難くなったり、結晶間に生じるクラックが発光層にも延びて、発光効率が低下するという問題がある。とくにn形層は4〜5μm程度と厚く形成されることが多く、結晶歪みが蓄積されるため、一層結晶格子ズレが生じやすい。
【0004】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、基板上に基板と格子定数の異なる半導体層が積層される半導体発光素子において、結晶格子のズレなどが生じることなく、電子の移動度を向上させて発光効率の優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるn形層とp形層とが積層されることにより発光層を形成する半導体発光素子であって、前記n形層が、50〜100nm厚のAl y1 Ga 1-y1 N(0<y1≦0 . 5)層と300〜400nm厚のAl u1 Ga 1-u1 N(0≦u1<y)層とが交互に積層される積層体のみからなり、前記p形層が、10〜20nm厚のAl y2 Ga 1-y2 N(0<y2≦0 . 5)層と50〜80nm厚のAl u2 Ga 1-u2 N(0≦u2<y2)層とが交互に積層される積層体のみからなっている。この構造にすることにより、各層を薄くすることができるため、格子定数の差に基づく歪みの蓄積がされず、結晶格子のズレが生じ難くなる。
【0006】
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。
【0007】
前記発光層が、n形層とp形層とにより挟持される活性層からなり、該活性層が発光波長を定める第1の半導体層と、該第1の半導体層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体層との積層体からなれば、n形層およびp形層と共に、発光層も歪みの生じにくい積層体となるため、発光層近傍全体の半導体層に結晶格子のズレが生じないで発光特性が向上する。
【0008】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図1の(a)には、たとえば青色系の発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図が示され、そのn形層3の一例の部分拡大図が(b)に示されている。
【0009】
本発明の半導体発光素子は、図1に示されるように、たとえばサファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる基板1の表面に発光領域を形成する半導体層2〜5が積層されて、その表面に拡散メタル層7を介して上部電極(p側電極)8が形成されている。また、積層された半導体層3〜5の一部が除去されて露出したn形層3に下部電極(n側電極)9が形成されている。この積層される半導体層のn形層3および/またはp形層5は、図1(b)にn形層3の例が示されるように、第1のAlGaN系化合物半導体層(Aly Ga1-y N(0<y≦0.5、たとえばy=0.15)層)3aと第2のAlGaN系化合物半導体層(Alu Ga1-u N(0≦u<y、たとえばu=0)層)3bとが交互に積層される積層体により形成されている。
【0010】
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0.01〜0.2μm程度堆積され、ついでn形のGaNからなる第2のクラッド層3bが300〜400nm程度と、n形のAl0.15Ga0.85Nからなる第1のクラッド層3aが50〜100nm程度との10組程度の繰返しによる積層体からなるn形層(クラッド層)3が1〜5μm程度堆積されている。さらに、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なる材料、たとえばInx Ga1-x N(0<x≦0.5、たとえばx=0.05)からなる発光層4が0.05〜0.3μm程度形成され、さらにp形のAl0.15Ga0.85Nからなる第3のクラッド層(図示せず)が10〜20nm程度と、GaNからなる第4のクラッド層(図示せず)が50〜80nm程度との5組程度の繰返しによる積層体からなるp形層(クラッド層)5が全体で0.3〜0.6μm程度それぞれ順次積層されている。なお、n形層3およびp形層5はこれらの材料に限定されず、AlGaN系化合物半導体でAlの比率を0から0.5の範囲で変えた2種以上の積層体により構成することができる。しかし、低温バッファ層2に接する部分には同種のGaNが好ましく、活性層に接する部分にはAlGaN系化合物半導体のAlの比率の大きいものを使用することがキャリア閉込めの効果の点から好ましい。
【0011】
本発明の半導体発光素子では、前述のように、n形層3およびp形層5がそれぞれ活性層4の材料よりバンドギャップが大きくキャリアを閉じ込める半導体層で、異なる組成の第1および第2のクラッド層3a、3bまたは第3および第4のクラッド層の積層体からなっていることに特徴がある。この第1および第2または第3および第4のクラッド層による積層体にするのは、同じ組成の半導体材料が厚くなると歪みの蓄積が大きくなり、電子の移動度が悪くなったり、クラックが入りやすくなるのを防止するためである。したがって、各々の層は薄い程好ましいが、あまり薄い層の積層にするとエピタキシャル成長工程が複雑になるため、第1クラッド層は50〜100nm程度、第2クラッド層は300〜400nm程度、第3クラッド層は10〜20nm程度、第4クラッド層は、50〜80nm程度の厚さにそれぞれ成膜される。その結果、n形層3およびp形層5はそれぞれ3層以上の積層体により形成される。なお、n形層3およびp形層5はそれぞれ3種以上の異なる組成の積層体でもよい。
【0012】
つぎに、本発明の半導体発光素子のn形層およびp形層の作用について説明をする。n形層およびp形層は、その間に挟持される活性層でキャリアの再結合により発光させる場合に、キャリアの閉込め効果を大きくするため、活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料が用いられる。この場合、n形層およびp形層がそれぞれ異なる材料の積層体で形成されていると、バンドギャップエネルギーの大きい方の材料の特性によりキャリア閉込めの作用をする。したがって、第1または第3のクラッド層のAlの組成比の大きい材料がクラッド層として作用する。一方、n形層およびp形層が積層体により構成されているため、層厚が厚くなって結晶格子の歪みが蓄積され出すときに組成が変わった別の層となり、歪みの蓄積は止り、新たな膜で歪みの蓄積が始まる。これが繰り返されるため、大きな歪みの蓄積がなく、n形層およびp形層全体として厚くなっても問題になる歪みの蓄積は生じない。そのため、格子定数の異なる半導体層が積層されても結晶格子のズレが生じない。なお、n形層3およびp形層5の両方を積層体にしなくても、いずれか一方でも効果がある。しかし、n形層3は層厚が厚く、サファイア基板と近いため、積層構造にすることがとくに効果的である。
【0013】
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。
【0014】
有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、キャリアガスのH2 と共にトリメチリガリウム(TMG)、アンモニア(NH3 )などの反応ガスおよびn形にする場合のドーパントガスとしてのSiH4 などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板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。
【0015】
ついで、たとえば600〜1200℃程度の高温で前述の反応ガスと、トリメチルアルミニウム(以下、TMAという)の導入をスイッチングさせながら300〜400nm程度のn形のGaNからなる第2のクラッド層3bと、50〜100nm程度のn形のAly Ga1-y Nからなる第1のクラッド層3aとを交互に10層づつ程度積層し、n形層3を全体として4〜5μm程度形成する。ついで、ドーパントガスおよび反応ガスとしてのTMAを止め、トリメチルインジウム(TMIn)を追加して、Inx Ga1-x Nからなる活性層4を0.1〜0.2μm程度形成する。その後、ドーパントガスをシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)またはジメチル亜鉛(DMZn)にして、n形層と同様に第3および第4のクラッド層の積層体からなるp形層5を全体として0.3〜0.6μm程度形成する。
【0016】
その後、たとえばNiおよびAuを蒸着してシンターすることにより拡散メタル層7を2〜100nm程度形成する。ついで、下部電極を形成するためn形層3が露出するように、積層された半導体層の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをして、電極金属を蒸着し、上部電極8および下部電極9を形成することにより、図1に示される半導体発光素子が得られる。
【0017】
前述の例では、活性層4をInx Ga1-x Nの一層により形成したが、この活性層4を図2にその拡大図が示されるように、たとえばInx Ga1-x Nからなる第1の半導体層4aが5〜10nm程度と、たとえばAlNからなる第2の半導体層4bが0.5〜5nm程度、それぞれ10層程度づつ繰り返して積層された積層体構造とすることもできる。活性層4は全体としては薄いが、Inが混晶する半導体層はとくに結晶格子のズレが生じやすく、薄膜にして積層構造にすることにより、同様に歪みの蓄積を防止することができ、結晶構造の優れた活性層になる。この場合、キャリアの再結合による光の発生は、バンドギャップエネルギーの小さい第1の半導体層4aで行われ、バンドギャップエネルギーの大きい第2の半導体層4bは何等の作用をしない。すなわち、第1の半導体層4aの厚さの合計が発光層として寄与し、第2の半導体層4bは、歪みの蓄積を止める緩衝層としてのみ機能している。したがって、第1の半導体層4aに所望の発光波長の材料を用いて積層構造にすることにより、歪みの蓄積されない活性層(発光層)が得られる。
【0018】
この第1の半導体層4aと第2の半導体層4bは上述の例に限定されず、第1の半導体層4aに所望の発光波長を定める材料を選定し、第2の半導体層としてはそれよりバンドギャップエネルギーの大きい材料を選定すれば他の半導体材料でもよい。なお、活性層の積層構造を形成するには、前述のn形層と同様に、導入ガスを交互に切り替えることにより順次成膜することができる。
【0019】
前述の各例では、ダブルヘテロ接合構造の例であったが、pn接合構造でも同様である。また、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の発光素子の場合に限らず、格子定数の差が大きい半導体が積層され、結晶構造に歪みが入りやすい発光層を有する半導体発光素子に本発明を適用することができる。
【0020】
【発明の効果】
本発明によれば、格子定数がそれぞれ異なる材料の基板上に半導体層が積層される半導体発光素子においても、各半導体層に格子歪みが生じなくて、電子移動度を向上させることができる。その結果、発光効率が向上し高特性の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】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】本発明の半導体発光素子の他の形態の活性層部の拡大図である。
【図3】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
1 基板
3 n形層
3a 第1のクラッド層
3b 第2のクラッド層
4 活性層
4a 第1の半導体層
4b 第2の半導体層
5 p形層
Claims (2)
- 基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるn形層とp形層とが積層されることにより発光層を形成する半導体発光素子であって、前記n形層が、50〜100nm厚のAl y1 Ga 1-y1 N(0<y1≦0 . 5)層と300〜400nm厚のAl u1 Ga 1-u1 N(0≦u1<y1)層とが交互に積層される積層体のみからなり、前記p形層が、10〜20nm厚のAl y2 Ga 1-y2 N(0<y2≦0 . 5)層と50〜80nm厚のAl u2 Ga 1-u2 N(0≦u2<y2)層とが交互に積層される積層体のみからなる半導体発光素子。
- 前記発光層が、n形層とp形層とにより挟持される活性層からなり、該活性層が発光波長を定める第1の半導体層と、該第1の半導体層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する第2の半導体層との積層体からなる請求項1記載の半導体発光素子。
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