JP4034015B2 - Ｉｉｉ族窒化物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、III族窒化物系化合物半導体素子に関する。本発明は特に発光素子として機能するIII族窒化物系化合物半導体素子に特に有効である。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。これは窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)についても同様とする。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物系化合物半導体を積層して素子として用いる場合、通常、III族窒化物系化合物半導体と格子定数の近いサファイアを基板として用いている。この構造を図３及び図４に示す。
【０００３】
サファイアは絶縁体であるため、III族窒化物系化合物半導体を積層したのち、一部ｎ型層までエッチングして負電極を形成し、エッチングしない最上層に正電極を設けている。図３に示す、従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオード(LED)９００においては、サファイア基板９０１上に、AlNから成るバッファ層９０２、n-GaNから成るｎコンタクト層９０３、n-AlxGa1-xNから成るｎクラッド層９０４、単一層又は所望の設計による多重層（単一量子井戸層若しくは多重量子井戸層）から成る活性層（発光層）９０５、p-AlxGa1-xNから成るｐクラッド層９０６、p-GaNから成るｐコンタクト層９０７が順に形成される。ｐコンタクト層９０７上には正電極９０８Ａが、また、エッチングにより露出したｎコンタクト層９０３には負電極９０８Ｂが形成される。
【０００４】
また、図４に示す、従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオード(LD)９５０においては、サファイア基板９１１上に、AlNから成るバッファ層９１２、n-GaNから成るｎコンタクト層９１３、n-AlxGa1-xNから成るｎクラッド層９１４、n-GaNから成るｎガイド層９１５、所望の設計による多重層（多重量子井戸層、ＭＱＷ）から成る発光層９１６、p-GaNから成るｐガイド層９１７、p-AlxGa1-xNから成るｐクラッド層９１８、p-GaNから成るｐコンタクト層９１９が順に形成される。ｐコンタクト層９１９上には正電極９２０Ａが、また、エッチングにより露出したｎコンタクト層９１３には負電極９２０Ｂが形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との弾性定数の差及び熱膨張係数の差により、半導体層にクラック、そりが発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。また、格子定数も近いとはいえミスフィットによる転位を生じやすい。特にAlxGa1-xNから成るクラッド層はアルミニウム(Al)の組成比xが大きいほど弾性定数が高い。このため製造中降温時にクラックが発生しやすく、アルミニウム(Al)の組成比xが大きいクラッド層を容易には厚く形成できないという制約があった。このような構造上の制約は、特にレーザダイオードにおいては問題であった。
【０００６】
また、絶縁体であるサファイアを基板に用いると、III族窒化物系化合物半導体を積層した側に正負の電極を形成しなければならないという素子構造上の制約があった。
【０００７】
そこで本発明は、半導体層にクラック、そり、或いはミスフィットによる転位の発生しないIII族窒化物系化合物半導体素子を提供することを目的とする。また、電気伝導性の基板を用いることにより、基板を介して通電する構造のIII族窒化物系化合物半導体素子を提供することをも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１に記載の手段によれば、基板表面にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードにおいて、基板に窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)を用い、基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式AlxGa1-xN、ただし0≦x≦1で表され、且つ基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)層から成るクラッド層であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の手段によれば、基板表面に III 族窒化物系化合物半導体を積層して形成された III 族窒化物系化合物半導体レーザダイオードにおいて、基板に窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) を用い、基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式 Al x Ga 1-x N 、ただし 0 ≦ x ≦ 1 で表され、且つ基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) 層から成り、厚さが、３〜２０μｍのクラッド層であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の手段によれば、請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードにおいて、クラッド層の厚さが2〜10μmであることを特徴とする。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
例えば発光素子等として用いられるIII族窒化物系化合物半導体素子は、各層が各々一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるIII族窒化物に適当な不純物をドープして形成されるが、中でも窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層を厚く形成するとクラックが入りやすい。これは窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層と、弾性定数あるいは熱膨張率の大きく異なる基板、例えばサファイアを基板として用いることが原因である。そこで、素子中に形成すべき窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層と同一または近いアルミニウム組成（上記x）の基板を用いれば、基板との弾性定数及び熱膨張率の差は小さく抑えることができる。これにより、基板が厚さ50μm以上あるいは100μm以上であっても、また、例えばクラッド層として窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層を1μm以上の厚さに形成しても、基板と素子を形成するIII族窒化物半導各層の弾性定数あるいは熱膨張率の小さな差は、クラックを生成する原因とはならない。このクラッド層の厚さとしては、その上に成長される層の結晶性を考慮して、1μm以上が好ましい。上限としては、例えば生産性の点から20μm以下が望ましい。さらには、2〜10μmの範囲が望ましい。
【００１４】
III族窒化物半導各層をAlxGa1-xNただし0≦x≦1の窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム又は窒化アルミニウムで形成するならば、全体として20μm程度の厚膜のIII族窒化物半導多重層構造を形成しても基板との弾性定数及び熱膨張率の差によるクラックの発生を抑えることができる。例えば発光素子の発光層が多重量子井戸構造ならば、この発光層を形成する井戸層並びに障壁層は十分薄いので、これらをAlxGa1-xN(0≦x≦1)で形成する必要はなく、その場合も本願発明に包含される。このようなIII族窒化物系化合物半導体素子は、長い素子寿命を要求される、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード（ＬＤ）のような発光素子として特に有効である。すなわち、例えばレーザダイオード（ＬＤ）において厚膜のクラッド層を窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)で形成する際、基板の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)のアルミニウム組成xをそのクラッド層のアルミニウム組成xと等しいか又は近いものを用いれば、基板との弾性定数及び熱膨張率の差によるクラックの発生を容易に抑えることができる。この際、所望のクラッド層のアルミニウム組成xと同一の窒化アルミニウムガリウム基板を使用することにより、アルミニウム組成xを容易に大きくでき、結果すべてのIII族窒化物半導層をアルミニウム(Al)を含有する層で形成することも可能となる。更に、基板の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)として所望の導電性を有するものを使用すれば、窒化アルミニウムガリウム基板を介して導通する構造のIII族窒化物系化合物半導体発光素子とすることができる。尚、ＬＥＤ、ＬＤ以外の受光素子、パワーデバイスなどにも適用できる。また、基板面側電極を設ける場合、コンタクト抵抗を下げる為にシリコン(Si)をドープしたGaNコンタクト層を形成しても良い。半導体層は、例えばGaNからAlxGa1-xNへの傾斜組成構造でも良い。
【００１５】
【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。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００１６】
〔第１実施例〕
本発明を適用して、図１に示す構造の発光ダイオード１００を製造した。図１において、発光ダイオード１００は膜厚約100μm、電子密度3×1017/cm3のn-Al0.07Ga0.93N基板１を有している。
【００１７】
そのAl0.07Ga0.93N基板１の表面上には、順に、膜厚約0.5μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層２、膜厚約50nｍ、GaNから成る活性層３、膜厚約0.5μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム（Mg)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層４が形成されている。更にｐクラッド層４に接続する金属電極５Ａと、n-Al0.07Ga0.93N基板１の裏面の全面に金属電極５Ｂとが形成されている。
【００１８】
金属電極５Ａは正電極であり、金(Au)を用いたが、金(Au)とコバルト(Co)、ニッケル(Ni)その他の金属の合金或いはそれらの多重層によっても形成することができる。また、金属電極５Ｂは負電極であり、アルミニウム(Al)を用いたが、アルミニウム(Al)とバナジウム(V)、チタン(Ti)その他の金属の合金或いはそれらの多重層によっても形成することができる。
【００１９】
以下、図１の発光ダイオード１００の製造方法について説明する。まず、Al0.07Ga0.93N基板１は、シリコン(Si)基板上に、ハライド法によりエピタキシャル形成したのち、シリコン基板を除去することにより製造された。即ち、シリコン(Si)基板をハロゲン輸送装置のチャンバー内にセットし、真空排気したのち窒素(N2)を系内に導入した。温度1000℃に加熱し、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)を塩化水素(HCl)と反応させて塩化物としてシリコン(Si)基板表面に供給する。このときアンモニア(NH3)を導入して、シリコン(Si)基板上にAl0.07Ga0.93Nを形成した。
【００２０】
次にダイアモンド砥粒を用いた機械研磨、アルカリ性コロイダルシリカ砥粒を用いたメカノケミカルポリッシングにより、シリコン基板を除去し、ｎ型の導電性を示す電子密度3×1017/cm3、膜厚100μmのn-Al0.07Ga0.93N基板１を得た。尚、シリコン基板をウェットエッチングにより除去してn-Al0.07Ga0.93N基板１を得ても良い。
【００２１】
次に、発光ダイオード１００の素子層の形成方法について説明する。発光ダイオード１００は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）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（N2又はH2）、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。
【００２２】
n-Al0.07Ga0.93N基板１をMOVPE装置の反応室のサセプタに装着し、温度を1000℃に保ち、キャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、水素で0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を5nmol/min供給して膜厚約0.5μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層２を形成した。次にキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを20μmol/min供給して膜厚約50nmの、GaNから成る活性層３を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して膜厚約0.5μmのマグネシウム(Mg)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層４を形成した。
この後ｐクラッド層４に電子線を照射してｐクラッド層４を低抵抗化し、ホール密度5×1017/cm3のｐクラッド層４とした。ｐクラッド層４に金(Au)を蒸着して正電極を形成し、n-Al0.07Ga0.93N基板１の裏面にアルミニウム(Al)を蒸着して負電極を形成した。
【００２３】
このようにして製造された発光ダイオード１００は、ピーク波長365nmを示した。
【００２４】
図１の発光ダイオード１００は、正電極５Ａと負電極５Ｂとが発光層３を直接はさむ位置にある。また、図１と図３とを比較すると明らかに、従来の発光ダイオード９００で必要だったｎコンタクト層９０３を露出させるためのエッチング工程が不要であり、且つ形成すべき層の数も減らすことができる。これはｎコンタクト層９０３を露出させることが不要であることから正電極及び負電極の金属電極接触面積（オーミック接触面積）を大きくできるからである。
【００２５】
〔第２実施例〕
本発明を適用して、図２に示す構造のレーザダイオード２００を製造した。図２において、レーザダイオード２００は、膜厚約100μm、電子密度3×1017/cm3のn-Al0.07Ga0.93N基板１１を有している。
【００２６】
そのAl0.07Ga0.93N基板１１の表面上には、順に、膜厚約3μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層１２、膜厚約0.5μm、電子密度5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｎガイド層１３、膜厚2nmのGaNから成る井戸層を５層と、膜厚5nmのAl0.01Ga0.99Nから成る障壁層を６層交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で形成した発光層１４、膜厚約0.5μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｐガイド層１５、膜厚約1μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層１６、膜厚約0.2μm、ホール密度7×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１７が形成されている。更にｐコンタクト層１７に接続する金属電極１８Ａと、n-Al0.07Ga0.93N基板１１の裏面には全面に金属電極１８Ｂとが形成されている。
【００２７】
本実施例のレーザダイオード２００は、実施例１と同様にn-Al0.07Ga0.93N基板１１上に有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）による気相成長により製造された。n-Al0.07Ga0.93N基板１をMOVPE装置の反応室のサセプタに装着し、温度を1000℃に保ち、キャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、水素で0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を5nmol/min供給して膜厚約3μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層１２を形成した。次にキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを1μmol/min供給して膜厚0.5μmの、電子密度5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｎガイド層１３を形成した。続いてアンモニア(NH3)、TMGを供給して膜厚2nmのGaNから成る井戸層と、アンモニア(NH3)、TMG、TMAを供給して膜厚5nmのAl0.01Ga0.99Nから成る障壁層とを交互に積層して多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１４を形成した。
【００２８】
続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを1μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約0.5μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｐガイド層１５を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを5μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約1μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層１６を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約0.2μmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１７を形成した。この後電子線を照射してｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６、ｐガイド層を低抵抗化し、各々ホール密度7×1017/cm3、5×1017/cm3、5×1017/cm3とした。ｐコンタクト層１７に金(Au)を蒸着して正電極１８Ａを形成し、n-Al0.07Ga0.93N基板１１の裏面にアルミニウム(Al)を蒸着して負電極１８Ｂを形成した。
【００２９】
レーザダイオード２００は、従来のレーザダイオード（例えば図４のレーザダイオード９５０）と違い、膜厚約3μmと厚いｎクラッド層１２を有しているがクラックは生じなかった。また、閾値電流が200mAから100mAへ低下した。これはクラックが入らず光閉じ込めが向上したためと考えられる。また、劈開によりミラー面も容易に作成できた。更にp-GaNから成るｐコンタクト層１７から基板１１を介して電流を通すことができ、n-GaN層の形成を省略でき、負電極の金属電極面積（オーミック接触面積）を大きくすることができた。
【００３０】
上記実施例ではAl0.07Ga0.93N基板のハライド法によるエピタキシャル製造の際の基板としてシリコン基板を用いたが、シリコン基板の代わりに炭化ケイ素(SiC)、ガリウムリン(GaP)、サファイアなども用いることができる。上記実施例では有機金属気相成長法（MOCVD）を用いてAl0.07Ga0.93N基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成したが、半導体層を形成する方法としては、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を適用しても良い。
【００３１】
また、発光素子の構造としては、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のいずれでも良く、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合、或いは、ｐｎ接合のいずれにより形成しても良い。発光層（活性層）の構造としては、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）のものであっても、井戸層と井戸層よりもバンドギャップの大きい障壁層を形成した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のものであっても良く、任意の設計であって良い。
【００３２】
III族窒化物系化合物半導体のIII族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００３３】
上記実施例では、裏面は単層の金属正電極５Ａ、１８Ａの構成としたが、これらをより多層の構成としても良い。例えば発光ダイオードにおいては発光素子の光の取り出し効率を高めるために、裏面に金属の反射層を形成しても良い。反射層を形成する金属としては、Al、In、Cu、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti、又はNi等が好ましい。これらの金属の１により単体金属層を形成しても良く、またはこれらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金金属層を形成しても良い。これらは例えば発光ダイオードにおいて正電極側に形成するよう設計しても良い。
【００３４】
上記実施例では、不純物をドープせずに導電性のAl0.07Ga0.93N基板を得たが、例えばシラン(SiH4)を導入してシリコン(Si)ドープの所望の導電性を有するｎ型のAlxGa1-xN基板を製造し、この上にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成しても良い。また、上記実施例において、基板１又は１１、クラッド層２、４、１２又は１６、ガイド層１３又は１５、ＭＱＷの障壁層におけるアルミニウム(Al)組成比は各々が一例であって、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても良い。その場合は各層においてアルミニウム組成xが異なっても良い。
【００３５】
また、上記実施例では、AlxGa1-xN基板を介して導通する構造の発光素子を製造したが、正電極、負電極ともに発光層を形成した側に形成しても良い。本発明の要部は、基板として、素子層中のアルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体層と近いアルミニウム組成のAlxGa1-xN基板を用いることであり、電極の形成位置については限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図。
【図２】 本発明の具体的な第２の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図。
【図３】 従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオードの構造を示す模式的断面図。
【図４】 従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオードの構造を示す模式的断面図。
【符号の説明】
１００ 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子（ＬＥＤ）
２００ 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子（ＬＤ）
１、１１ ｎ型窒化アルミニウムガリウム基板（n-Al0.07Ga0.93N基板）
２、１２ ｎクラッド層
３ 活性層（発光層）
４、１６ ｐクラッド層
１３ ｎガイド層
１４ 発光層（ＭＱＷ）
１５ ｐガイド層
１７ ｐコンタクト層
５Ａ、１８Ａ 正電極
５Ｂ、１８Ｂ 負電極
９００ 従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオード
９５０ 従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオード
９０１、９１１ サファイア基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体素子に関する。本発明は特に発光素子として機能するIII族窒化物系化合物半導体素子に特に有効である。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。これは窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)についても同様とする。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物系化合物半導体を積層して素子として用いる場合、通常、III族窒化物系化合物半導体と格子定数の近いサファイアを基板として用いている。この構造を図３及び図４に示す。
【０００３】
サファイアは絶縁体であるため、III族窒化物系化合物半導体を積層したのち、一部ｎ型層までエッチングして負電極を形成し、エッチングしない最上層に正電極を設けている。図３に示す、従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオード(LED)９００においては、サファイア基板９０１上に、AlNから成るバッファ層９０２、n-GaNから成るｎコンタクト層９０３、n-AlxGa1-xNから成るｎクラッド層９０４、単一層又は所望の設計による多重層（単一量子井戸層若しくは多重量子井戸層）から成る活性層（発光層）９０５、p-AlxGa1-xNから成るｐクラッド層９０６、p-GaNから成るｐコンタクト層９０７が順に形成される。ｐコンタクト層９０７上には正電極９０８Ａが、また、エッチングにより露出したｎコンタクト層９０３には負電極９０８Ｂが形成される。
【０００４】
また、図４に示す、従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオード(LD)９５０においては、サファイア基板９１１上に、AlNから成るバッファ層９１２、n-GaNから成るｎコンタクト層９１３、n-AlxGa1-xNから成るｎクラッド層９１４、n-GaNから成るｎガイド層９１５、所望の設計による多重層（多重量子井戸層、ＭＱＷ）から成る発光層９１６、p-GaNから成るｐガイド層９１７、p-AlxGa1-xNから成るｐクラッド層９１８、p-GaNから成るｐコンタクト層９１９が順に形成される。ｐコンタクト層９１９上には正電極９２０Ａが、また、エッチングにより露出したｎコンタクト層９１３には負電極９２０Ｂが形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との弾性定数の差及び熱膨張係数の差により、半導体層にクラック、そりが発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。また、格子定数も近いとはいえミスフィットによる転位を生じやすい。特にAlxGa1-xNから成るクラッド層はアルミニウム(Al)の組成比xが大きいほど弾性定数が高い。このため製造中降温時にクラックが発生しやすく、アルミニウム(Al)の組成比xが大きいクラッド層を容易には厚く形成できないという制約があった。このような構造上の制約は、特にレーザダイオードにおいては問題であった。
【０００６】
また、絶縁体であるサファイアを基板に用いると、III族窒化物系化合物半導体を積層した側に正負の電極を形成しなければならないという素子構造上の制約があった。
【０００７】
そこで本発明は、半導体層にクラック、そり、或いはミスフィットによる転位の発生しないIII族窒化物系化合物半導体素子を提供することを目的とする。また、電気伝導性の基板を用いることにより、基板を介して通電する構造のIII族窒化物系化合物半導体素子を提供することをも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１に記載の手段によれば、基板表面にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードにおいて、基板に窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)を用い、基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式AlxGa1-xN、ただし0≦x≦1で表され、且つ基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)層から成るクラッド層であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の手段によれば、基板表面に III 族窒化物系化合物半導体を積層して形成された III 族窒化物系化合物半導体レーザダイオードにおいて、基板に窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) を用い、基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式 Al x Ga 1-x N 、ただし 0 ≦ x ≦ 1 で表され、且つ基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) 層から成り、厚さが、３〜２０μｍのクラッド層であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の手段によれば、請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードにおいて、クラッド層の厚さが2〜10μmであることを特徴とする。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
例えば発光素子等として用いられるIII族窒化物系化合物半導体素子は、各層が各々一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるIII族窒化物に適当な不純物をドープして形成されるが、中でも窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層を厚く形成するとクラックが入りやすい。これは窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層と、弾性定数あるいは熱膨張率の大きく異なる基板、例えばサファイアを基板として用いることが原因である。そこで、素子中に形成すべき窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層と同一または近いアルミニウム組成（上記x）の基板を用いれば、基板との弾性定数及び熱膨張率の差は小さく抑えることができる。これにより、基板が厚さ50μm以上あるいは100μm以上であっても、また、例えばクラッド層として窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)の層を1μm以上の厚さに形成しても、基板と素子を形成するIII族窒化物半導各層の弾性定数あるいは熱膨張率の小さな差は、クラックを生成する原因とはならない。このクラッド層の厚さとしては、その上に成長される層の結晶性を考慮して、1μm以上が好ましい。上限としては、例えば生産性の点から20μm以下が望ましい。さらには、2〜10μmの範囲が望ましい。
【００１４】
III族窒化物半導各層をAlxGa1-xNただし0≦x≦1の窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム又は窒化アルミニウムで形成するならば、全体として20μm程度の厚膜のIII族窒化物半導多重層構造を形成しても基板との弾性定数及び熱膨張率の差によるクラックの発生を抑えることができる。例えば発光素子の発光層が多重量子井戸構造ならば、この発光層を形成する井戸層並びに障壁層は十分薄いので、これらをAlxGa1-xN(0≦x≦1)で形成する必要はなく、その場合も本願発明に包含される。このようなIII族窒化物系化合物半導体素子は、長い素子寿命を要求される、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード（ＬＤ）のような発光素子として特に有効である。すなわち、例えばレーザダイオード（ＬＤ）において厚膜のクラッド層を窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)で形成する際、基板の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)のアルミニウム組成xをそのクラッド層のアルミニウム組成xと等しいか又は近いものを用いれば、基板との弾性定数及び熱膨張率の差によるクラックの発生を容易に抑えることができる。この際、所望のクラッド層のアルミニウム組成xと同一の窒化アルミニウムガリウム基板を使用することにより、アルミニウム組成xを容易に大きくでき、結果すべてのIII族窒化物半導層をアルミニウム(Al)を含有する層で形成することも可能となる。更に、基板の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)として所望の導電性を有するものを使用すれば、窒化アルミニウムガリウム基板を介して導通する構造のIII族窒化物系化合物半導体発光素子とすることができる。尚、ＬＥＤ、ＬＤ以外の受光素子、パワーデバイスなどにも適用できる。また、基板面側電極を設ける場合、コンタクト抵抗を下げる為にシリコン(Si)をドープしたGaNコンタクト層を形成しても良い。半導体層は、例えばGaNからAlxGa1-xNへの傾斜組成構造でも良い。
【００１５】
【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。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００１６】
〔第１実施例〕
本発明を適用して、図１に示す構造の発光ダイオード１００を製造した。図１において、発光ダイオード１００は膜厚約100μm、電子密度3×1017/cm3のn-Al0.07Ga0.93N基板１を有している。
【００１７】
そのAl0.07Ga0.93N基板１の表面上には、順に、膜厚約0.5μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層２、膜厚約50nｍ、GaNから成る活性層３、膜厚約0.5μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム（Mg)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層４が形成されている。更にｐクラッド層４に接続する金属電極５Ａと、n-Al0.07Ga0.93N基板１の裏面の全面に金属電極５Ｂとが形成されている。
【００１８】
金属電極５Ａは正電極であり、金(Au)を用いたが、金(Au)とコバルト(Co)、ニッケル(Ni)その他の金属の合金或いはそれらの多重層によっても形成することができる。また、金属電極５Ｂは負電極であり、アルミニウム(Al)を用いたが、アルミニウム(Al)とバナジウム(V)、チタン(Ti)その他の金属の合金或いはそれらの多重層によっても形成することができる。
【００１９】
以下、図１の発光ダイオード１００の製造方法について説明する。まず、Al0.07Ga0.93N基板１は、シリコン(Si)基板上に、ハライド法によりエピタキシャル形成したのち、シリコン基板を除去することにより製造された。即ち、シリコン(Si)基板をハロゲン輸送装置のチャンバー内にセットし、真空排気したのち窒素(N2)を系内に導入した。温度1000℃に加熱し、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)を塩化水素(HCl)と反応させて塩化物としてシリコン(Si)基板表面に供給する。このときアンモニア(NH3)を導入して、シリコン(Si)基板上にAl0.07Ga0.93Nを形成した。
【００２０】
次にダイアモンド砥粒を用いた機械研磨、アルカリ性コロイダルシリカ砥粒を用いたメカノケミカルポリッシングにより、シリコン基板を除去し、ｎ型の導電性を示す電子密度3×1017/cm3、膜厚100μmのn-Al0.07Ga0.93N基板１を得た。尚、シリコン基板をウェットエッチングにより除去してn-Al0.07Ga0.93N基板１を得ても良い。
【００２１】
次に、発光ダイオード１００の素子層の形成方法について説明する。発光ダイオード１００は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）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（N2又はH2）、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。
【００２２】
n-Al0.07Ga0.93N基板１をMOVPE装置の反応室のサセプタに装着し、温度を1000℃に保ち、キャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、水素で0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を5nmol/min供給して膜厚約0.5μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層２を形成した。次にキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを20μmol/min供給して膜厚約50nmの、GaNから成る活性層３を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して膜厚約0.5μmのマグネシウム(Mg)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層４を形成した。
この後ｐクラッド層４に電子線を照射してｐクラッド層４を低抵抗化し、ホール密度5×1017/cm3のｐクラッド層４とした。ｐクラッド層４に金(Au)を蒸着して正電極を形成し、n-Al0.07Ga0.93N基板１の裏面にアルミニウム(Al)を蒸着して負電極を形成した。
【００２３】
このようにして製造された発光ダイオード１００は、ピーク波長365nmを示した。
【００２４】
図１の発光ダイオード１００は、正電極５Ａと負電極５Ｂとが発光層３を直接はさむ位置にある。また、図１と図３とを比較すると明らかに、従来の発光ダイオード９００で必要だったｎコンタクト層９０３を露出させるためのエッチング工程が不要であり、且つ形成すべき層の数も減らすことができる。これはｎコンタクト層９０３を露出させることが不要であることから正電極及び負電極の金属電極接触面積（オーミック接触面積）を大きくできるからである。
【００２５】
〔第２実施例〕
本発明を適用して、図２に示す構造のレーザダイオード２００を製造した。図２において、レーザダイオード２００は、膜厚約100μm、電子密度3×1017/cm3のn-Al0.07Ga0.93N基板１１を有している。
【００２６】
そのAl0.07Ga0.93N基板１１の表面上には、順に、膜厚約3μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層１２、膜厚約0.5μm、電子密度5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｎガイド層１３、膜厚2nmのGaNから成る井戸層を５層と、膜厚5nmのAl0.01Ga0.99Nから成る障壁層を６層交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で形成した発光層１４、膜厚約0.5μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｐガイド層１５、膜厚約1μm、ホール密度5×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層１６、膜厚約0.2μm、ホール密度7×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１７が形成されている。更にｐコンタクト層１７に接続する金属電極１８Ａと、n-Al0.07Ga0.93N基板１１の裏面には全面に金属電極１８Ｂとが形成されている。
【００２７】
本実施例のレーザダイオード２００は、実施例１と同様にn-Al0.07Ga0.93N基板１１上に有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）による気相成長により製造された。n-Al0.07Ga0.93N基板１をMOVPE装置の反応室のサセプタに装着し、温度を1000℃に保ち、キャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを5μmol/min、水素で0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を5nmol/min供給して膜厚約3μm、電子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93Nから成るｎクラッド層１２を形成した。次にキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを1μmol/min供給して膜厚0.5μmの、電子密度5×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｎガイド層１３を形成した。続いてアンモニア(NH3)、TMGを供給して膜厚2nmのGaNから成る井戸層と、アンモニア(NH3)、TMG、TMAを供給して膜厚5nmのAl0.01Ga0.99Nから成る障壁層とを交互に積層して多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１４を形成した。
【００２８】
続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを1μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約0.5μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るｐガイド層１５を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを50μmol/min、TMAを5μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約1μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93Nから成るｐクラッド層１６を形成した。続いてキャリアガスを10L/min、アンモニア(NH3)を10L/min、TMGを100μmol/min、Cp2Mgを2μmol/min供給して、膜厚約0.2μmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１７を形成した。この後電子線を照射してｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６、ｐガイド層を低抵抗化し、各々ホール密度7×1017/cm3、5×1017/cm3、5×1017/cm3とした。ｐコンタクト層１７に金(Au)を蒸着して正電極１８Ａを形成し、n-Al0.07Ga0.93N基板１１の裏面にアルミニウム(Al)を蒸着して負電極１８Ｂを形成した。
【００２９】
レーザダイオード２００は、従来のレーザダイオード（例えば図４のレーザダイオード９５０）と違い、膜厚約3μmと厚いｎクラッド層１２を有しているがクラックは生じなかった。また、閾値電流が200mAから100mAへ低下した。これはクラックが入らず光閉じ込めが向上したためと考えられる。また、劈開によりミラー面も容易に作成できた。更にp-GaNから成るｐコンタクト層１７から基板１１を介して電流を通すことができ、n-GaN層の形成を省略でき、負電極の金属電極面積（オーミック接触面積）を大きくすることができた。
【００３０】
上記実施例ではAl0.07Ga0.93N基板のハライド法によるエピタキシャル製造の際の基板としてシリコン基板を用いたが、シリコン基板の代わりに炭化ケイ素(SiC)、ガリウムリン(GaP)、サファイアなども用いることができる。上記実施例では有機金属気相成長法（MOCVD）を用いてAl0.07Ga0.93N基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成したが、半導体層を形成する方法としては、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を適用しても良い。
【００３１】
また、発光素子の構造としては、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のいずれでも良く、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合、或いは、ｐｎ接合のいずれにより形成しても良い。発光層（活性層）の構造としては、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）のものであっても、井戸層と井戸層よりもバンドギャップの大きい障壁層を形成した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のものであっても良く、任意の設計であって良い。
【００３２】
III族窒化物系化合物半導体のIII族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００３３】
上記実施例では、裏面は単層の金属正電極５Ａ、１８Ａの構成としたが、これらをより多層の構成としても良い。例えば発光ダイオードにおいては発光素子の光の取り出し効率を高めるために、裏面に金属の反射層を形成しても良い。反射層を形成する金属としては、Al、In、Cu、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti、又はNi等が好ましい。これらの金属の１により単体金属層を形成しても良く、またはこれらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金金属層を形成しても良い。これらは例えば発光ダイオードにおいて正電極側に形成するよう設計しても良い。
【００３４】
上記実施例では、不純物をドープせずに導電性のAl0.07Ga0.93N基板を得たが、例えばシラン(SiH4)を導入してシリコン(Si)ドープの所望の導電性を有するｎ型のAlxGa1-xN基板を製造し、この上にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成しても良い。また、上記実施例において、基板１又は１１、クラッド層２、４、１２又は１６、ガイド層１３又は１５、ＭＱＷの障壁層におけるアルミニウム(Al)組成比は各々が一例であって、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても良い。その場合は各層においてアルミニウム組成xが異なっても良い。
【００３５】
また、上記実施例では、AlxGa1-xN基板を介して導通する構造の発光素子を製造したが、正電極、負電極ともに発光層を形成した側に形成しても良い。本発明の要部は、基板として、素子層中のアルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体層と近いアルミニウム組成のAlxGa1-xN基板を用いることであり、電極の形成位置については限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図。
【図２】 本発明の具体的な第２の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図。
【図３】 従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオードの構造を示す模式的断面図。
【図４】 従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオードの構造を示す模式的断面図。
【符号の説明】
１００ 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子（ＬＥＤ）
２００ 本発明の具体的な第１の実施例にかかるIII族窒化物系化合物半導体素子（ＬＤ）
１、１１ ｎ型窒化アルミニウムガリウム基板（n-Al0.07Ga0.93N基板）
２、１２ ｎクラッド層
３ 活性層（発光層）
４、１６ ｐクラッド層
１３ ｎガイド層
１４ 発光層（ＭＱＷ）
１５ ｐガイド層
１７ ｐコンタクト層
５Ａ、１８Ａ 正電極
５Ｂ、１８Ｂ 負電極
９００ 従来のIII族窒化物系化合物半導体による発光ダイオード
９５０ 従来のIII族窒化物系化合物半導体によるレーザダイオード
９０１、９１１ サファイア基板
Claims (3)
- 基板表面にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードにおいて、
基板に窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)を用い、
前記基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式AlxGa1-xN、ただし0≦x≦1で表され、且つ前記基板表面に積層したIII族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)層から成るクラッド層であること
を特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオード。 - 基板表面に III 族窒化物系化合物半導体を積層して形成された III 族窒化物系化合物半導体レーザダイオードにおいて、
基板に窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) を用い、
前記基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の全層が、各々一般式 Al x Ga 1-x N 、ただし 0 ≦ x ≦ 1 で表され、且つ前記基板表面に積層した III 族窒化物系化合物半導体の第１層が基板と同一の組成の窒化アルミニウムガリウム (Al x Ga 1-x N, 0 ＜ x ＜ 1) 層から成り、厚さが、３〜２０μｍのクラッド層であること
を特徴とする III 族窒化物系化合物半導体レーザダイオード。 - 前記クラッド層の厚さが1〜20μmであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオード。
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