JP3836245B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の熱膨張による活性層の歪みを緩和する歪み緩和層を備えた、高光度、低駆動電圧の窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子の代表的なものとしては、次のようなものがある。即ち、サファイヤを基板とし、その上から、窒化アルミニウム(AlN) より成るバッファ層、シリコン(Si)ドープのGaN から成る高キャリア濃度n+ 層、GaN から成るバリア層とGaInN から成る井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW) の発光層、p型AlGaN から成るpクラッド層、及び、p型GaN から成るpコンタクト層が順次積層されたものが知られている。
しかし、これらの従来技術の発光素子の中には、活性層に対する応力の緩和を目的として設けられた半導体層を持つものはない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記の発光素子を製造する際、活性層は約1000℃〜1200℃の高温下における結晶成長により形成されるため、基板と活性層との熱膨張係数の差異により、発光素子完成後には活性層に歪みが生じる。この歪みにより、発光強度が十分に得られないという問題があった。
【0004】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、上記の活性層の歪みを解消あるいは緩和することにより、高光度、低駆動電圧の窒化ガリウム系化合物半導体素子を実現することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第1の手段は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子において、活性層と基板との間に、基板の熱膨張による活性層への歪みの影響を緩和するInxGa1-xN(0.025≦x≦0.035)より形成された膜厚が600Å以上で、不純物が無添加の歪み緩和層を、活性層の直下に設けることである。
また、第2の手段は、上記の手段において、歪み緩和層の膜厚を1800Å以上とすることである。
更に、第3の手段は、上記の手段において、活性層を多重量子井戸構造とすることである。
これらの手段により、上記の課題を解決することができる。
【0006】
【作用及び発明の効果】
インジウムは、軟らかく延性に富む金属であるため、これを含んでいる歪み緩和層は、上記の歪み緩和の働きを示す。また、この発光素子の発光強度は、Inx Ga1-x Nより成る歪み緩和層のインジウム(In)組成比xと強い相関を持つ。Inx Ga1-x Nより成る歪み緩和層のインジウム(In)組成比xの異なる試料を多数作成し、そのフォトルミネセンスによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図2に示す。この図から判るように、上記の発光素子の発光強度は、インジウム(In)組成比xが、ほぼ0.03の辺りで鋭いピークを持っており、「0.01≦x≦0.05」の範囲において高光度を示し、 0.025 ≦x≦ 0.035 」の範囲において最も高い光度を示す。インジウム組成比xが0.01よりも小さいと、軟らかく延性に富むインジウムが少な過ぎて歪み緩和の働きが弱くなり、発光光度が落ちる。また、インジウム組成比xが0.05よりも大きくなるとインジウムが多過ぎて歪み緩和層の結晶性が劣化するため、それ以降に積層される各半導体層が良質に形成されなくなり、発光光度が落ちる。
また、歪み緩和層の厚さの異なる試料を多数作成し、その発光出力を測定した結果を示すグラフを図3に示す。この図からも判るように、発光出力に対する歪み緩和層の作用効果は、歪み緩和層の厚さを増加させるほど大きくなるものの、いずれは飽和点に達することが判明した。即ち、これらの試料の発光出力は、歪み緩和層の厚さが300Å以上の場合に高光度を示す。また、より望ましくは、歪み緩和層の厚さは、600Å以上が良い。歪み緩和層の厚さが300Åよりも小さい場合に上記の試料が高光度を示さない理由は、歪み緩和層の厚さが300Åよりも小さくなると、膜厚が薄過ぎて、基板と発光層との熱膨張係数の差異により発生する歪みによる応力を歪み緩和層で十分に吸収することができなくなるためである。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図1は、サファイア基板11上に形成されたGaN 系化合物半導体で形成された発光素子100の模式的な断面構成図である。基板11の上には窒化アルミニウム(AlN) から成る膜厚約25nmのバッファ層12が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約4.0 μmの高キャリア濃度n+ 層13が形成されている。この高キャリア濃度n+ 層13の上にノンドープのInx Ga1-X N (0.01 ≦x≦0.05) から成る膜厚約1800Åの歪み緩和層14が形成されている。この歪み緩和層14は、サファイア基板11と発光層15との熱膨張係数の違いにより生じる発光層15に掛かる応力を緩和するためのものである。
そして、歪み緩和層14の上に膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層151と膜厚約35ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層152とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW) の発光層15が形成されている。バリア層151は6層、井戸層152は5層である。発光層15の上にはp型Al0.12Ga0.88N から成る膜厚約300Åのpクラッド層16が形成されている。さらに、pクラッド層16の上にはp型GaN から成る膜厚約100nm のpコンタクト層17が形成されている。
【0008】
又、pコンタクト層17の上には金属蒸着による透光性の電極18Aが、n+ 層13上には電極18Bが形成されている。透光性の電極18Aは、pコンタクト層17に接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)と、Coに接合する膜厚約60Åの金(Au)とで構成されている。電極18Bは膜厚約 200Åのバナジウム(V) と、膜厚約1.8 μmのアルミニウム(Al)又はAl合金で構成されている。電極18A上の一部には、CoもしくはNiとAu、Al、又は、それらの合金から成る膜厚約1.5 μmの電極パッド20が形成されている。
【0009】
次に、この発光素子100の製造方法について説明する。
上記発光素子100は、有機金属気相成長法(以下「MOVPE 」と略す)による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2,N2) 、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG 」と記す)、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA 」と記す)、トリメチルインジウム(In(CH3)3)(以下「TMI 」と記す)、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2) (以下「CP2Mg 」と記す)である。
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したa面を主面とした単結晶の基板11をMOVPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度1100℃で基板11をベーキングした。
次に、基板11の温度を400 ℃まで低下させて、H2、NH3 及びTMA を供給してAlN のバッファ層12を約25nmの膜厚に形成した。
【0010】
次に、基板11の温度を1150℃に保持し、H2、NH3 、TMG 及びシランを供給し、膜厚約4.0 μm、電子濃度2 ×1018/cm3のGaN から成る高キャリア濃度n+ 層13を形成した。
次に、基板11の温度を850℃にまで低下させて、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約1800ÅのノンドープのInx Ga1-X N (0.01 ≦x≦0.05) から成る歪み緩和層14を形成した。
上記の歪み緩和層14を形成した後、再び基板11の温度を1150℃にまで昇温し、N2又はH2、NH3 及びTMG を供給して、膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層151を形成した。次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約35ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層152を形成した。さらに、バリア層151と井戸層152を同一条件で4周期形成し、その上にGaN から成るバリア層151を形成した。このようにして5周期のMQW 構造の発光層15を形成した。
【0011】
次に、基板11の温度を1150℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA 及びCP2Mg を供給して、膜厚約300Å、マグネシウム(Mg)をドープしたp型Al0.12Ga0.88N から成るpクラッド層16を形成した。
次に、基板11の温度を1100℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 及びCP2Mg を供給して、膜厚約100nm 、Mgをドープしたp型GaN から成るpコンタクト層17を形成した。
次に、pコンタクト層17の上にエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のpコンタクト層17、pクラッド層16、発光層15、歪み緩和層14、n+ 層13の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、n+ 層13の表面を露出させた。
次に、以下の手順で、n+ 層13に対する電極18Bと、pコンタクト層17に対する透光性の電極18Aとを形成した。
【0012】
(1) フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりn+ 層13の露出面上の所定領域に窓を形成して、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約 200Åのバナジウム(V) と膜厚約 1.8μmのAlを蒸着した。次に、フォトレジストを除去する。これによりn+ 層13の露出面上に電極18Bが形成される。
(2) 次に、表面上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、pコンタクト層17の上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、窓部を形成する。
(3) 蒸着装置にて、フォトレジスト及び露出させたpコンタクト層17上に、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約15ÅのCoを成膜し、このCo上に膜厚約60ÅのAuを成膜する。
【0013】
(4) 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCo、Auを除去し、pコンタクト層17上に透光性の電極18Aを形成する。
(5) 次に、透光性の電極18A上の一部にボンディング用の電極パッド20を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、その電極パッド20の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。次に、CoもしくはNiとAu、Al、又は、それらの合金を膜厚1.5 μm程度に、蒸着により成膜させ、(4) の工程と同様に、リフトオフ法により、フォトレジスト上に堆積したCoもしくはNiとAu、Al、又はそれらの合金から成る膜を除去して、電極パッド20を形成する。
(6) その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O2ガスを供給して圧力 3Paとし、その状態で雰囲気温度を約 550℃にして、3 分程度、加熱し、pコンタクト層17、pクラッド層16をp型低抵抗化すると共にpコンタクト層17と電極18Aとの合金化処理、n+ 層13と電極18Bとの合金化処理を行った。
このようにして、発光素子100を形成した。
【0014】
Inx Ga1-x Nより成る歪み緩和層のインジウム(In)組成比xの異なる試料を多数作成し、そのフォトルミネセンスによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図2に示す。この図から判るように、発光素子100の発光強度は、インジウム(In)組成比xが、「0.01≦x≦0.05」の範囲において高光度を示すが、より望ましくは、「0.025 ≦x≦0.035 」の範囲において最も高い光度を示す。
また、歪み緩和層の厚さの異なる試料を多数作成し、その駆動電圧を測定した結果を示すグラフを図4に示す。この図から判るように、歪み緩和層の厚さは、駆動電圧の点をも鑑みれば、1800Å以上であれば尚良い。
また、上記の試料に関し、その発光出力における主波長を測定した結果を示すグラフを図5に示す。この図から判るように、歪み緩和層の厚さは、主波長に対しては殆ど影響しないものと思われる。
【0015】
また、Inx Ga1-X N より成る歪み緩和層14のインジウム(In)組成比xを「0.01≦x≦0.05」とするためには、上記の実施例において、高キャリア濃度n+ 層13を形成した後に、基板11の温度を850℃にまで低下させて、N2又はH2を30〜40L/分、NH3 を10〜20L/分、TMG を6〜10×10-5モル/分、TMI を2〜40μモル/分の割合で供給すればよい。
【0016】
なお、上記の実施例では、発光素子100の発光層15はMQW構造としたが、発光層の構造は、SQW構造でもよい。また、バリア層、井戸層、クラッド層、コンタクト層、その他の層は、任意の混晶比の4元、3元、2元系のAlx Gay In1-x-y N (0≦x≦1,0≦y≦1)としても良い。
又、p型不純物としてMgを用いたがベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の2族元素を用いることができる。
又、本発明は発光素子のみならず受光素子にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的な実施例に係わるGaN 系化合物半導体発光素子100の構造を示した模式的断面図。
【図2】歪み緩和層14(Inx Ga1-x N )のインジウム組成比xと発光強度との相関を示すグラフ。
【図3】歪み緩和層14(Inx Ga1-x N )の厚さと発光出力との相関を示すグラフ。
【図4】歪み緩和層14(Inx Ga1-x N )の厚さと駆動電圧との相関を示すグラフ。
【図5】歪み緩和層14(Inx Ga1-x N )の厚さと主波長との相関を示すグラフ。
【符号の説明】
11 サファイア基板
12 バッファ層
13 高キャリア濃度n+ 層
14 歪み緩和層
15 発光層
16 pクラッド層
17 pコンタクト層
18A p電極
18B n電極
20 電極パッド
100 発光素子
Claims (3)
- 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子において、
活性層と前記基板との間に、前記基板の熱膨張による前記活性層への歪みの影響を緩和する歪み緩和層を備え、
前記歪み緩和層は、InxGa1-xN(0.025≦x≦0.035)より形成されており、
前記歪み緩和層の膜厚は600Å以上であり、
前記歪み緩和層は、前記活性層の直下に形成されており、
前記歪み緩和層は、不純物が無添加である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。 - 前記歪み緩和層の膜厚は、1800Å以上であることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記活性層は、多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
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