JP4234101B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体装置、特に約３７５ｎｍ以下の波長帯で主に発光する発光素子の構造に関する。

従来より、ＩｎＧａＮを発光層とした波長３７５ｎｍ〜６００ｎｍ帯のＬＥＤが開発されている。Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮは、Ｉｎ組成ｘを変化させることで発光波長が変化する。すなわち、Ｉｎ組成ｘが増大するほど発光波長が長波長側にシフトし、ｘ＝０の場合（ＧａＮ）の３６３ｎｍからｘ＝１の場合（ＩｎＮ）の６００ｎｍまで変化する。
一方、最近においては波長３７５ｎｍ以下の短波長あるいは紫外線（ＵＶ）ＬＥＤの開発が盛んに行われている。このような短波長ＬＥＤは、例えば蛍光体と組み合わせた白色光源や殺菌作用を利用した応用が可能となる等、その需要は極めて大きい。しかしながら、ＩｎＧａＮを発光層としたＬＥＤでは、発光波長が３７５ｎｍ以下になるとＩｎ組成ｘが非常に小さくなり、Ｉｎ組成揺らぎが減少して発光効率が著しく低下してしまう。さらに、波長３６３ｎｍ以下の発光は、ＩｎＧａＮを発光層とする限り原理的に不可能である。

本発明は、主に波長３７５ｎｍ以下においても発光効率の優れるＧａＮ系化合物半導体装置を提供する。
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、前記発光層は、ＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＩｎＧａＮバリア層を積層した多層量子井戸層（ＭＱＷ）を含むことを特徴とする。ＡｌＩｎＧａＮバリア層のバンドギャップはＩｎＧａＮのバンドギャップより広く、ＩｎＧａＮ井戸層の実効的バンドギャップが拡大して発光波長が短波長化する。また、ＡｌＩｎＧａＮをバリア層として用いることで、ＩｎＧａＮ井戸層との格子不整合が小さくなり、歪みを低減して発光効率を向上させる。
前記ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は、例えば５％以上１５％以下とすることができる。前記ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは、例えば１ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることができる。
また、前記ＡｌＩｎＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、例えば１４％以上４０％以下とすることができる。ＡｌＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成比は、例えば０．１％以上５％以下とすることができる。
本発明において、さらに、前記発光層に隣接したＡｌＩｎＧａＮバッファ層を有してもよい。発光層に隣接してＡｌＩｎＧａＮバッファ層を設けることで、キャリアを効率的に発光層に注入して発光効率を向上させる。
前記ＡｌＩｎＧａＮバッファ層のＡｌ組成比は、例えば０．５％以上４０％以下とすることができる。ＡｌＩｎＧａＮバッファ層のＩｎ組成比は、例えば０．１％以上５％以下とすることができる。

図１は、実施形態にかかるＬＥＤの構成図である。
図２は、図１における発光層の詳細構成図である。
図３は、バリア層中に流すＴＭＡの流量と出力パワーとの関係を示すグラフ図である。
図４は、バッファ層中に流すＴＭＡの流量と出力パワーとの関係を示すグラフ図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について、半導体装置として発光素子、特にＬＥＤを例にとり説明する。
図１には、本実施形態におけるＬＥＤの構成が示されている。サファイアなどの基板１０上に順次、ＳｉＮバッファ層１２、低温（ＬＴ）成長バッファ層１４、アンドープＧａＮ層１６が形成される。これらは、転位を低減するための層である。アンドープＧａＮ層１６上に動作電圧を低くするためのｎ−ＧａＮ層１８が形成される。ｎ−ＧａＮ層１８上に、ｎ−クラッド層２０としてＧａＮとＡｌＧａＮを交互に積層した（ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ）のＳＬＳ（Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｌａｙｅｒ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ：歪み超格子）層が形成される。そして、ｎ−クラッド層２０上に、ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２及び発光層２４が形成される。発光層２４は後述のごとく、ＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＩｎＧａＮバリア層を積層した多層量子井戸ＭＱＷからなる。発光層２４上にｐ−クラッド層２６としてＧａＮとＡｌＧａＮを積層した（ｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮ）のＳＬＳ層が形成される。すなわち、本実施形態のＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２とＭＱＷ発光層２４をｎ−クラッド層２０及びｐ−クラッド層２６で挟んだ構成である。ｐ−クラッド層２６上に動作電圧を低くするためのｐ−ＧａＮ層２８が形成され、さらにｐ−ＧａＮ層２８上にｐ電極３０が形成される。一方、ｎ−ＧａＮ層１８の一部を露出させ、その上にｎ電極３２が形成される。各層は、ＭＯＣＶＤ装置を用い、ＭＯＣＶＤ法で成長される。
従来においては、発光層２４としてＩｎＧａＮ等が用いられているが、本実施形態においては発光層２４としてＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＩｎＧａＮバリア層を交互に積層した多層量子井戸ＭＱＷが用いられており、さらに発光層２４をｎ−クラッド層２０及びｐ−クラッド層２６で挟む際に、発光層２４に隣接させてＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２が形成されている。
以下、発光層２４及びバッファ層２２について説明する。
図２には、図１における発光層２４の構成が示されている。発光層２４は、ＩｎＧａＮ井戸層２４ｂとＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎバリア層２４ａを交互に積層して構成される。ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１である。ＩｎＧａＮ井戸層２４ｂの厚さは例えば１．５ｎｍであり、ＡｌＩｎＧａＮバリア層２４ａの厚さは例えば１２ｎｍである。繰り返し数は例えば７ペア（１４層）である。ＡｌＩｎＧａＮバリア層２４ａのバンドギャップはＩｎＧａＮ井戸層２４ｂのバンドギャップよりも広い。ｐ電極３０及びｎ電極３２に順方向バイアスを印加すると、ＩｎＧａＮ井戸層２４ｂにて電子と正孔が結合して発光する。ＩｎＧａＮ単層では原理的に波長３６３ｎｍ以下での発光は不可能であるが、井戸層とバリア層を交互に積層したＭＱＷとすることで、ＩｎＧａＮ井戸層２４ｂの実効的バンドギャップが拡大される。実効バンドギャップの拡大により、波長３６３ｎｍ以下での発光が可能となる。発光領域であるＩｎＧａＮ井戸層２４ｂはＩｎ組成が比較的大きく（例えば、Ｉｎ組成ｘ＝１０％）、Ｉｎ組成揺らぎも大きいため発光効率が高い。すなわち、組成に空間的な揺らぎがあるとキャリアの局在化が起こり、たとえＩｎＧａＮ内に転位が生じていても発光効率は低下しにくい。
また、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎバリア層２４ａもＩｎを含むため（ｙ＞０）、Ｉｎの組成揺らぎが生じ、井戸層２４ｂと同様の理由でキャリアの局在化が生じ転位の存在によらず発光効率の低下が抑制される。バリア層２４ａとしてＩｎを含まないＡｌＧａＮバリア層を用いた場合と比較すると、ＡｌＩｎＧａＮではＩｎＧａＮ井戸層２４ｂとの格子不整合が小さく、格子不整合転位が生じにくく結晶性が高いというメリットがある。また、転位が発生しない場合であっても、ＡｌＩｎＧａＮでは井戸層２４ｂとバリア層２４ａに生じる歪みが小さくなる。これらの層をｃ面成長させ、面内に圧縮あるいは引張応力が印加された場合、六方晶窒化物半導体は圧電性によりｃ軸方向に電界が発生する。この電界は、井戸層２４ｂ中に注入された電子正孔対を逆方向に移動させ、それらの波動関数の空間重なりを小さくして再結合率を小さくしてしまう。すなわち、井戸層２４ｂに歪みがあると発光効率は低下する。このような効果（量子閉じ込めシュタルク効果）は、特に井戸層２４ｂが広い場合に顕著に生じるが、井戸層２４ｂが狭い場合であっても多少の影響はあり得る。本実施形態においては、バリア層２４ａとしてＡｌＩｎＧａＮを用いて格子不整合を小さくし、井戸層２４ｂの歪みを抑制しているため、量子閉じこめシュタルク効果による発光効率の低下も抑制される。
このように、発光層２４においてＩｎＧａＮ井戸層２４ｂを薄く、ＡｌＩｎＧａＮバリア層２４ａのバンドギャップを広くすることで、量子効果によりＩｎＧａＮ井戸層２４ｂの実効的なバンドギャップを広げて発光波長３６０ｎｍ以下を達成できる。この点で、例えばＩｎＧａＮではなくＡｌＩｎＧａＮを発光層として用いる波長３８０ｎｍ以下のＬＥＤと本質的に異なる。
ＩｎＧａＮを発光層とするＬＥＤの場合、ＩｎＧａＮ層の厚さが２ｎｍ以下になると発光効率が低下してしまう。これは、井戸層に閉じ込められた電子と正孔の波動関数がバリアの中（井戸の外）に滲み出し、バリア中での再結合の寄与が大きくなってしまうためである。本実施形態でも量子効果を生じさせるためにＩｎＧａＮ井戸層２４ｂは２ｎｍ以下（例えば１．５ｎｍ）と薄くすることが必要であるが、本実施形態の発光層２４はＩｎＧａＮ薄膜を発光層とした場合に生じる発光効率の低下は生じない。その理由は、バリア層２４ａとしてＡｌＩｎＧａＮを用いているため、上述したようにＩｎＧａＮ井戸層２４ｂのバンドギャップが実効的に拡大し、波動関数のバリア層２４ａへの滲み出しが小さくなっているためである。
なお、バリア層２４ａであるＡｌＩｎＧａＮはＡｌを含むためにその成長温度はＩｎＧａＮの成長温度（６５０℃〜７５０℃）より高い温度（例えば８００℃）とする必要がある。このように７５０℃以上の温度で成長させることで、バリア層２４ａの結晶性も高くなる。
一方、バッファ層２２はＡｌＩｎＧａＮで構成される。バッファ層２２はＡｌを含むため、バンドギャップが広くなり、ＩｎＧａＮである井戸層２４ｂよりも広くなる。この層２２により井戸層２４ｂへの電子の注入効率が向上し、逆に正孔がバッファ層２２に流れこむ量を小さくして、電子・正孔を効率的に井戸層２４ｂ内に閉じ込める。バッファ層２２のＡｌ組成は、例えば４０％程度に設定できる。
以下、図１及び図２に示されたＬＥＤの製造方法について具体的に説明する。本実施形態のＬＥＤは以下のプロセスを経て製造される。すなわち、常圧ＭＯＣＶＤ装置にて、サファイアｃ面基板１０を反応管内のサセプタに載置し、１１００℃にて水素雰囲気中で１０分間熱処理する。その後、温度を５００℃まで下げる。モノメチルシランガスとアンモニアガスをガス導入管から１００秒間流し、基板１０上に不連続的に（或いは島状に）ＳｉＮバッファ層１２を成長させる。次に、同じ温度で厚さ２５ｎｍのＧａＮバッファ層（ＬＴバッファ層）１４をトリメチルガリウム及びアンモニアガスをガス導入管から供給して成長させる。そして、温度を１０７５℃まで上げ、再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを供給して厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層１６を成長させ、次にモノメチルシランガスを加えたＳｉドープのｎ−ＧａＮ層（ｎ電極層）１８を１．０μｍ成長させる。ｎ−ＧａＮ層１８中のキャリア密度はおよそ５×１０^１８ｃｍ^−３である。
次に、同一温度でＳｉドープのｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（２ｎｍ）／Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ（２ｎｍ）を５０ペア成長させてＳＬＳ構造としｎ−クラッド層２０を成長させる。Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が用いられる。ｎ−クラッド層２０の平均電子密度は５×１０^１８ｃｍ^−３である。その後、温度を８００℃程度まで下げてアンドープＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９４Ｎバッファ層２２を成長させる。バッファ層２２の厚さは３６ｎｍである。成長温度が８００℃と低いため、その抵抗率は高くなる。ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２を成長させた後、同じ８００℃でアンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（１．５ｎｍ）／アンドープＡｌ_０．２Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．７Ｎ（９５ｎｍ）を７ペア成長させてＭＱＷ発光層２４を成長させる。発光層２４の合計厚さは９５ｎｍである。
その後、温度を９７５℃まで上げてＭｇドープのｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（２ｎｍ）／Ｍｇドープのｐ−ＧａＮ（１ｎｍ）を５０周期成長させてＳＬＳ構造のｐ−クラッド層２６を成長させ、さらに厚さ２０ｎｍのｐ−ＧａＮ層（ｐ電極層）２８を成長させる。ＳＬＳのｐ−クラッド層２６及びｐ−ＧａＮ層２８中の正孔濃度はそれぞれ５×１０^１７ｃｍ^−３、３×１０^１８ｃｍ^−３である。
表１に、各層の構造、組成、膜厚、成長温度を示す。

なお、上記の表における各数値は例示であり、他の組み合わせも可能である。例えば、ｎ−クラッド層２０としてＳｉドープのｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（１．６ｎｍ）／Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ（１．６ｎｍ）を５０ペア成長させてＳＬＳ構造とし、バッファ層２２としてＡｌ_０．４Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．５９Ｎを２０ｎｍ形成し、発光層２４としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ量子井戸層（１．５ｎｍ）／Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．５９Ｎバリア層（１０ｎｍ）を３ペア成長させ、ｐ−クラッド層２６としてＭｇドープのＧａＮ（０．７６ｎｍ）／Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ（１．５ｎｍ）を５０ペア形成してもよい。また、各層を成長させるときの成長温度も例示であり、例えばバッファ層２２や発光層２４を８４０℃で成長させてもよい。
以上のようにして各層を順次成長させた後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、Ｎｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（１０ｎｍ）を順次真空蒸着して表面に形成し、５％の酸素を含む窒素ガス雰囲気中、５２０℃で熱処理して蒸着金属膜をｐ透明電極３０とする。その後、全面にフォオトレジストを塗布し、ｎ電極形成のためのエッチングをフォトレジストをマスクとして用いる。エッチングにより露出したｎ−ＧａＮ層１８上にＴｉ（５ｎｍ）、Ａｌ（５ｎｍ）を真空蒸着し、窒素ガス中、４５０℃で３０分間熱処理してｎ電極３２を形成する。ｐ電極３０及びｎ電極３２の一部にワイヤボンディング用の厚さ５００ｎｍの金パッドを形成し、基板１０の裏面を１００μｍまで研磨してスクラブによりチップを切り出し、マウントしてＬＥＤデバイスが得られる。
以上のようにして作成されたＬＥＤデバイスを積分球の中に入れ、電流を注入してＬＥＤデバイスから出射した全光出力を測定した。光出力は注入電流２０ｍＡ時におよそ１．６ｍＷであった。発光波長は、２インチ直径のウエハ面内で多少のばらつきはあるものの、３６０ｎｍ±５ｎｍの範囲であった。
次に、発光層２４におけるＡｌＩｎＧａＮバリア層２４ａのバンドギャップの影響を確認すべく、バリア層２４ａの成長中に流す各種ガスのうち、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の流量のみを変化させてＬＥＤデバイスを作成し、作成したＬＥＤの発光効率を調べた。
図３にその結果が示されている。横軸はバリア層２４ａ成長中のＴＭＡ流量（フローレート：ｓｃｃｍ）であり、容器に流し込むガスの流量を相対値で示したものである。縦軸は発光強度の相対値で、積分球を使って測定した値のおよそ１／４である。ＴＭＡ流量を７ｓｃｃｍから１０ｓｃｃｍに増加させると、発光効率は２．６倍になる。この状態で成長させたバリア層２４ａの組成は、Ｉｎ組成比が約１％、Ａｌ組成比が約２０％である。Ａｌ組成比はＴＭＡ流量にほぼ比例するため、バリア層２４ａのＡｌ組成比は１４％（２０×７ｓｃｃｍ／１０ｓｃｃｍ）より大きいことが発光効率の観点から望ましい。一方、あまりにＡｌ組成比が大きいと電流注入が行われにくくなり、動作電圧も高くなる。したがって、バリア層２４ａのＡｌ組成比はその下限が発光効率から規定され、上限は動作電圧から規定されることとなり、具体的には１４％以上４０％以下が望ましく、１６％以上４０％以下がより望ましい。
また、バリア層２４ａのＩｎ組成比については、Ｉｎ組成比が増大するとともにバンドギャップが狭くなるので、Ｉｎ組成比は小さい方が望ましいが、Ｉｎ組成比がゼロの場合には発光効率が激減する。これは、Ｉｎ組成揺らぎがバリア層２４ａ中で生じ、発光効率改善に寄与しているためと考えられる。したがって、バリア層２４ａのＩｎ組成比はその下限が組成揺らぎ量から規定され、上限がバンドギャップから規定されることとなり、具体的には０．１％以上５％以下が望ましく、０．１％以上３％以下がより望ましい。バリア層２４ａの組成の一例は、Ａｌの組成比を４０％、Ｉｎの組成比を１％としたＡｌ_０．４Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．５９Ｎである。
一方、井戸層２４ｂのＩｎ組成比は、小さすぎるとＩｎ組成揺らぎが小さくなって発光効率が低下し、Ｉｎ組成比が大きすぎると発光波長が長波長側にシフトしてしまう。したがって、最適なＩｎ組成比は要求される発光波長と井戸層２４ｂの厚さに依存して決定される。例えば、発光波長が３６０ｎｍの場合には、５％以上１５％以下が望ましく、５％以上１３％以下がより望ましい。井戸層２４ｂの組成の一例は、Ｉｎの組成比を５％としたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎである。厚さに関しては、量子効果を出現させるべく１ｎｍ以上２ｎｍ以下が望ましく、１．３ｎｍ以上１．８ｎｍ以下がより望ましい。井戸層２４ｂの厚さを３ｎｍ以上とすると、発光波長は４００ｎｍとなることを確認している。井戸層２４ｂ及びバリア層２４ａの成長温度は、上述したように７５０℃以上が望ましく、７７０℃以上（例えば８００℃）がより望ましい。
次に、発光層２４におけるバリア層２４ａの成長中に流すＴＭＡの流量を１０ｓｃｃｍに固定し、ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２成長中に流すＴＭＡを変化させて発光効率の変化を測定した。
図４にその結果が示されている。図において、横軸はＴＭＡ流量（フローレート）であり相対値である。縦軸は出力パワーの相対値である。ＴＭＡ流量を増大させるとバッファ層２２におけるＡｌ組成比が増大する。ＴＭＡ流量をゼロから３ｓｃｃｍに増加すると発光強度が２．７倍になる。さらにＴＭＡ流量を１０ｓｃｃｍまで増加すると発光強度は逆に低下する。ＴＭＡがゼロの場合に発光強度が弱いのは、バッファ層２２のバンドギャップが狭いため（Ａｌ組成比が０であるため）電子がバッファ層２２から発光層２４に有効に注入されないため、あるいは正孔がバッファ層２２中に流れ出して正孔の井戸層２４ｂ中の閉じこめが不十分であるため、と考えられる。一方、Ａｌ組成比が大きすぎると発光効率が低下するのは、結晶性が低下するため、及びこの層のバンドギャップが広くなり過ぎ、ｎ−クラッド層２０から電子が注入されにくくなるためと考えられる。
したがって、ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２のＡｌ組成比は０．５％以上４００％以下が望ましく、１％以上４０％以下がより望ましい。ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２のＩｎ組成比については、Ｉｎ組成比がゼロの場合に発光効率が激減することを確認している。これは、Ｉｎ組成の揺らぎがバッファ層２２内で起き、発光効率の改善に寄与しているためと考えられる。したがって、ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２のＩｎ組成比は０．１％以上５％以下が望ましく、０．１％以上３％以下がより望ましい。ＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２の組成の一例は、Ａｌ組成比を４０％、Ｉｎ組成比を１％としたＡｌ_０．４Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．５９Ｎである。
このように、本実施形態では、発光層２４として所定の組成範囲のＩｎＧａＮ井戸とＡｌＩｎＧａＮバリア層を交互に積層してなる多層量子井戸構造を用いてＩｎＧａＮの実効的バンドギャップを拡大して３４０ｎｍ〜３７５ｎｍの発光を可能とし、また、バリア層としてＡｌＩｎＧａＮを用いることで発光効率を向上させ、さらに発光層に隣接して所定の組成範囲のＡｌＩｎＧａＮバッファ層２２を設けることでキャリアを効率的に注入して発光効率を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。
例えば、本実施形態ではＳｉＮバッファ層１２を形成しているが、転位を抑制するためのものであり、必要に応じてＳｉＮバッファ層１２を形成しなくてもよい。
また、ＳｉＮバッファ層１２と低温（ＬＴ）成長バッファ層１４を低温成長のＧａＮＰバッファ層で置き換えることも可能である。

Claims (4)

1. 基板上に形成されたＧａＮ系発光層を有する波長３７５ｎｍ以下の紫外光を発光する窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、
   前記発光層は、ＩｎＧａＮ井戸層とＡｌＩｎＧａＮバリア層を積層した多層量子井戸層を含み、
   前記ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は５％以上１５％以下であり、
   前記ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは１ｎｍ以上２ｎｍ以下であり、
   前記ＡｌＩｎＧａＮバリア層のＡｌ組成比は１４％以上４０％以下であり、Ｉｎ組成比は０．１％以上５％以下である
   ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
2. 請求項１記載の装置において、さらに、
   前記発光層に隣接したＡｌＩｎＧａＮバッファ層
   を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
3. 請求項２記載の装置において、
   前記ＡｌＩｎＧａＮバッファ層のＡｌ組成比は０．５％以上４０％以下であり、Ｉｎ組成比は０．１％以上５％以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
4. 請求項１記載の装置において、
   前記ＩｎＧａＮ井戸層及びＡｌＩｎＧａＮバリア層は、７５０℃以上で形成されたものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。

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