JP4104686B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、格子定数の異なる半導体層により発光層が挟持されても発光層に歪みが生じない構造の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2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なる材料、たとえばInx Ga1-x N(0<x≦0.5)からなる発光層(活性層)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、発光層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】
この構造で、発光層24に用いられる材料のバンドギャップエネルギーにより、その発光波長が定まる。すなわち発光層24として、Inx Ga1-x Nを用いれば、Inの混晶比率xが大きくなれば(バンドギャップエネルギーが小さくなる)発光波長が長くなり、xが小さくなる(バンドギャップエネルギーが大きくなる)と発光波長が短くなる。したがって、発光波長が450nm程度の青色(Inの混晶比率xが0.4程度で青色になるが、0.2程度でZnをドープしてもよい)から緑色程度(xが0.5程度)までを発光させる場合にInGaN系の化合物半導体が用いられる。またそれより波長の短い光を発光させる場合には、発光層としてGaNや、AlGaN系化合物半導体なども使用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ダブルヘテロ接合構造では、発光層が格子定数の異なる半導体層により挟持される。とくにInGaN系化合物半導体層は、層厚が大きくなるほど結晶構造が不安定となりやすく、格子定数の異なる半導体層により挟持されていると、結晶格子のズレが生じやすく、クラックが入ったり、電流が流れにくくなったりする。そのため、発光効率が低下するという問題がある。
【0005】
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、ダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子において、発光層の結晶構造を損なわない構造とすることにより、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。
【0006】
【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n形層とp形層とにより挟持される発光層を有する半導体発光素子であって、前記n形層およびp形層が、GaNおよび/またはAlGaN系化合物半導体からなり、前記発光層が、発光波長を定めるInxGa1-xN(0<x≦0.5)からなる第1の半導体層と、該第1の半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記n形層およびp形層より格子定数が小さいAlNからなる第2の半導体層とがそれぞれ複数層づつ繰り返して積層された積層体からなり、前記発光層全体の格子定数が、前記GaNおよび/またはAlGaN系化合物半導体である前記n形層およびp形層の格子定数に平均化されるように形成されている。この構造にすることにより、たとえば第1および第2の半導体層の積層をそれぞれ10層程度にすれば1層当たり5〜10nm以下とすることができ、歪みの蓄積が生じない。すなわち、歪みの蓄積が生じないうちに別の組成の半導体層になるため、全体的に歪みの少ない発光層となる。この積層される半導体層のそれぞれの厚さは、10nm以下程度の厚さであれば歪みの蓄積が生じ難く、第1の半導体層が2層でも効果が生じる。一方、発光層の発光波長を支配するのは、発光層のバンドギャップエネルギーの一番小さい半導体層であるため、第1の半導体層により発光波長が定まり、それよりバンドギャップの大きい第2の半導体層は、発光波長に何等の影響を及ぼさない。また、格子定数がAlN<GaN<InGaNの関係にあるため、格子定数の小さいAlNと格子定数の大きいInGaNとが積層されることにより、n形層およびp形層のGaNおよび/またはAlGaN系化合物の格子定数に平均化されるため、とくに格子歪みの防止に効果がある。
【0008】
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。
【0010】
【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、その発光層4の部分拡大図が(b)に示されている。
【0011】
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発光層4は、図1(b)に示されるように、第1の半導体層4aと第2の半導体層4bの薄膜が交互に積層される積層体により形成されている。
【0012】
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)からなる第1の半導体層4aが5〜10nm程度と、AlNからなる第2の半導体層4bが0.5〜5nm程度、それぞれ10層づつ繰り返して積層された薄膜積層体からなる発光層4が全体で55〜150nm程度形成され、さらにp形のAlGaN系化合物半導体層5aおよびGaN層5bからなるp形層(クラッド層)5が全体で0.5〜1μm程度それぞれ順次積層されている。なお、p形層5はAlGaN系化合物半導体層5aとGaN層5bとの複層になっているが、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。
【0013】
本発明の半導体発光素子では、前述のように、発光層4がクラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さく、発光波長を定める第1の半導体層4aと、それよりバンドギャップエネルギーの大きい第2の半導体層4bとが交互に積層される積層体からなっていることに特徴がある。この第1の半導体層4aは、キャリアの再結合により光を発生させる層で、この半導体層のバンドギャップエネルギーにより定まる発光波長の光を発生する。したがって、所望の発光波長に応じて半導体材料が定まり、たとえば青色(波長が450nm)の光を発光させるためには、ZnをドープしたIn0.2 Ga0.8 N(またはノンドープのIn0.4 Ga0.6 N)が用いられる。
【0014】
第2の半導体層4bは、第1の半導体層4aが余り厚くならないように挿入されるもので、発光波長に影響を及ぼさないように、第1の半導体層4aよりバンドギャップエネルギーが大きい半導体材料が選ばれる。たとえばAlNや、AlGaN系化合物半導体や、InGaN系化合物半導体でInの混晶比率が第1の半導体層のバンドギャップエネルギーより小さくなる半導体材料を使用することができる。この第1の半導体層4aは、薄い程歪みが蓄積されなくて好ましく、5〜10nm程度の厚さに成膜される。第2の半導体層4bは同一層の膜厚化を阻止するもので、第1の半導体層と組成の変化が生じる程度の厚さに形成されればよい。したがって、0.5〜5nm程度に形成される。
【0015】
つぎに、本発明の半導体発光素子の発光層の作用について説明をする。発光層として用いられるたとえばIn0.2 Ga0.8 Nと、クラッド層として用いられるたとえばAl0.1 Ga0.9 Nとでは、格子定数がそれぞれ3.47Åと3.12Åで大きく異なり、In0.2 Ga0.8 Nのみを50nm以上堆積すると、歪みが蓄積されて電流が流れ難くなったり、活性層などの半導体層にクラックが入ったりする。しかし、本発明ではこのInx Ga1-x N層を5〜10nm堆積した後に、AlN層に変えられるため、歪みが大きく蓄積されないうちに結晶構造が全く変わり、歪みの蓄積は進まなくなる。
【0016】
AlN層もInGaN系化合物半導体やAlGaN系化合物半導体とは格子定数が異なり、厚くなると歪みが蓄積されるが、この層も0.5〜5nm程度であるため、歪みは蓄積されず、再度Inx Ga1-x Nが堆積される。これが繰り返されるため、各薄膜には歪みの蓄積は生ぜず、発光層4が全体として歪みのない層として55〜150nm程度の厚さに形成される。一方、キャリアの再結合による光の発生は、前述のように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。
【0017】
第2の半導体層4bとして前述のAlNを使用すれば、発光層として用いられるInGaN系化合物半導体と、積層されるn形層およびp形層の大部分を占めるGaNとの間の格子定数は、AlN<GaN<InGaNの関係にあり、格子定数の小さいAlNと格子定数の大きいInGaNとが積層されることになり、平均的に一番多く用いられているGaNの格子定数に平均化されるため好ましい。なお、発光層4として格子定数の離れた半導体材料が積層されることになるが、薄膜積層体では前述のように、歪みの蓄積が行われないため、歪みの問題は生じない。さらに、AlNの薄層が設けられることにより、量子効果が生じて発光効率が向上するという利点もある。
【0018】
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。
【0019】
まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板1上に、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(以下、NH3 という)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、GaN層からなる低温バッファ層2を、たとえば400〜600℃程度の低温で0.01〜0.2μm程度、同じ組成のn形層(クラッド層)3を600〜1200℃程度の高温で1〜5μm程度成膜する。
【0020】
ついで、反応ガスとしてトリメチルインジウム(以下、TMInという)を追加して、たとえばIn0.05Ga0.95Nからなる発光層4の第1の半導体層4aを5〜10nm程度成膜し、たとえば反応ガスをNH3 とトリメチルアルミニウム(以下、TMAという)に変更し、AlNからなる第2の半導体層4bを0.5〜5nm程度成膜する。この反応ガスの変更をそれぞれ9回程度行うことにより、両層が交互に積層される積層体からなる発光層4が形成される。
【0021】
ここで、第2の半導体層4bとしてAlGaN系化合物半導体を積層する場合は、前述のNH3 とTMAにさらにTMGを追加することにより形成することができ、Inz Ga1-z Nを積層する場合は、第1の半導体層4aの成膜に続いてTMInのガス量を少なくするか、または反応温度を通常の800℃程度から高くすることによりInの組成の小さい膜を積層することができ、TMInの流量または反応温度を制御するだけで積層体を形成することができる。さらに、第1の半導体層4aとしてGaNを用い、第2の半導体層4bとしてAlGaN系化合物半導体を用いるときも、それぞれ前述の反応ガスに変更すればよく、また、AlGaN系化合物半導体のAlの比率を変えて両層を積層する場合は、前述のように、反応ガスTMAの流量を変化させることにより、組成の異なる薄膜の積層体を形成することができる。
【0022】
ついで、反応ガスをNH3 とTMGとTMAに変更し、p形のドーパントガスとして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)を導入して、p形のAlGaN系化合物半導体層5aを0.1〜0.5μm程度、さらに反応ガスのTMAを止めてp形のGaN層5bを0.1〜0.5μm程度それぞれ積層し、p形層5を形成する。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、電極金属を蒸着することにより、上部電極8および下部電極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。
【0023】
前述の各例では、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色の半導体発光素子であったが、青色発光素子の場合に限らず、格子定数の差が大きい半導体からなるダブルヘテロ接合構造で、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。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、発光層が、異なる格子定数の半導体層により挟持されるダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子においても、発光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】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
4 発光層
4a 第1の半導体層
4b 第2の半導体層
5 p形層
Claims (1)
- 基板上にn形層とp形層とにより挟持される発光層を有する半導体発光素子であって、前記n形層およびp形層が、GaNおよび/またはAlGaN系化合物半導体からなり、前記発光層が、発光波長を定めるInxGa1-xN(0<x≦0.5)からなる第1の半導体層と、該第1の半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記n形層およびp形層より格子定数が小さいAlNからなる第2の半導体層とがそれぞれ複数層づつ繰り返して積層された積層体からなり、前記発光層全体の格子定数が、前記GaNおよび/またはAlGaN系化合物半導体である前記n形層およびp形層の格子定数に平均化されるように形成されてなる半導体発光素子。
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