JP4034015B2 - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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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