JPH03211888A

JPH03211888A - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03211888A
Application number: JP2006364A
Authority: JP
Inventors: Gokou Hatano; 波多野　吾紅; Toshihide Izumitani; 敏英泉谷; Yasuo Oba; 康夫大場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1991-09-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は半導体素子及びその製造方法に関する。

（従来の技術）近年、高速度、高密度情報処理システムの発展に伴い、
短波長発光素子の実現が望まれている。

特に小型、軽量、省電力という応用上の要求から半導体
素子による実現が不可欠である。

本発明は先に短波長半導体発光素子用材料として、ＢＰ
とＧａＡｆｌＮの超格子層またはＢＰとＧａＡｊ７Ｎの
混晶を用いたものを出願した。しかし、この材料に格子
整合する良質な基板が見当らなかった。例えば、基板作
成技術の習熟しているＧａＰを基板に使用した場合には
１５％程度の大きな格子不整合により、多量の欠陥が生
じること、発光層に大きな応力が集中することにより、
信頼性の点で不安がある。また、ＭＯ＋、／Ｄ法により
窒素を含む化学物を成長する際には、原料であるＮＨの
分解濃度が高く高温成長が必要であるが、ＧａＰは融点
が１４６７℃と低く、基板の損傷を避けるために成長温
度を上げられないという問題があった。不整合が小さ（
、融点も高いという基板としてはＳｉＣが考えられるが
、従来の基板と同様、不透明であるために基板の吸収が
避けがたく、外部発光効率が十分に大きくならない。吸
収を回避するために基板を取り除くことも考えられるが
、そのためには十分に厚い層を形成しなければならず、
成長速度の遅いこの材料には不向きである。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記事情を考慮し、ＢＰと閃亜鉛鉱型結晶構造
を有するＧａｘＡｌ１−ｘＮの超格子層またはＢＰとＧ
ａｘＡｌ１−ｘＮの混晶を、正方品型結晶構造を有する
透明基板上に構成することにより、高温成長を可能にし
、基板とダブルへテロ接合構造部との間の格子整合性を
高め活性層における応力を軽減すると同時に、基板の透
明度により吸収を回避することにより、高品質で長寿命
の高効率半導体発生素子を得ることを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）窒素をＶ族元素として持つ材料は、原料であるＮＨ３の
分解温度が高いため高温成長が必要である。スだ、この
材料は広いバンドギヤ・ノブを有する一方、格子定数が
ＢＰとほぼ等しく閃亜鉛鉱型であり、従来のｍ−Ｖ族基
板では格子不整の悪影響が避けがたい。さらに、従来の
基板は青色域では不透明であったために基板の吸収によ
り高効率の青色発光素子を得ることが困難であった。従
来、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する材料の基板としては通
常同じ閃亜鉛鉱型の結晶を用いていた。特に本発明者ら
の考案であるＢＰとＧａＡＪ７Ｎの超格子層またはＢＰ
とＧａＡｆＩＮの混晶は、自然界には存在しない結晶で
あるため成長が困難であり、基板には閃亜鉛鉱型の結晶
を用いなければならないと考えていた。ところが、エピ
タキシャル成長を行う場合の格子整合には、結晶構造す
なわち結晶型の一致ではなく、成長平面での構造の一致
が重要であるとの観点から、本発明者らの行った研究に
よれば、成長平面での格子定数がＢＰと同程度である材
料であれば、結晶型が異なる材料であっても良好な成長
が行えることが判明した。

本発明の骨子は、基板として発光波長に対して透明であ
り、融点が高く成長平面での格子定数がＢＰと同程度で
ある正方品型構造のルチル（Ｔ　ｉＯ２）あるいは食塩
型構造のＭ　ｎ　Ｏ基板を用いることにより、高温成長
を可能にし商品質の結晶を得るとともに、格子整合性を
高め活性層に掛かる応力を軽減するものである。さらに
、これらの基板は発光波長に対して透明であるために基
板への吸収をも回避することができる。また、これらの
基板は市販されており、大面積の成長も可能であるので
量産にも有利である。このような方法により、活性層の
応力を取り除き、高効率で量産性、機能設計に優れる長
寿命の短波長発光素子を実現する。

（作　　用）本発明によれば、基板への吸収が回避できるので高効率
の発光素子が実現できる。また、基板面からの光の取り
出しも可能となるので、基板を除去する必要がなく、発
光層を保持するための厚いコンタクト層形成の必要がな
くなり、成長時間の大幅な削誠に繁がる。さらに、高温
成長が可能となり商品質の結晶を得ることができる上、
基板とダブルへテロ接合構造部との間の格子整合性が良
好になり、活性層に掛かる応力を軽減できる。

すなわち、ルチルを基板として用いれば、活性層に掛か
る応力を軽減できるので長寿命が期待できる。このよう
に、本発明による方法であれば高効率で量産性、機能設
計性に優れる長寿命の半導体発光素子が得られ産業上の
要求に十分応えられる。

（実施例）本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に関わるＬＥＤの概略構造を
示す断面図である。Ｔ　１０２は透明であるため、基板
面を上側にして光取り出し面とするように基台にマウン
トすることが望ましい。図は、結晶成長後のＬＥＤチッ
プがそのように基台にマウントされている様子を示して
いる。これを製造工程にしたがって説明すると、まず、
Ｔ　ｉｏ　２基板７１上にｐ−ＧａＡｉ）Ｎ／ＢＰ長格
子層８１（Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０１７／ｃ
Ｉ１１３厚さ２．ｃｚｍ）、アンドープＧａＡｉ）Ｎ／
ＢＰ超格０　　３多層８２（キャリア濃度２Ｘ１０　　／ｃｍ　　、厚さ
０．５μｍ）、及びｎ−ＧａｘＡｌ１−ｘＮ／ＢＰ超格
子層８３（Ｓドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１７１
０１１３厚さ２μｍ）からなるダブルへテロ接合部が形
成される。この七に、大部分がＷＺ型であるＧａＮコン
タクトＭ７５（厚さ１μｍ）が形成される。

次に、各半導体層の形成方法であるＭＯＣＶＤ法につい
て説明する。第２図は、素子の製造に用いたマルチチャ
ンバ一方式のＭＯＣＶＤ装置の構造の概略図である。図
において１１，１２．１３は石英製反応管であり、それ
ぞれの上部に位置するガス導入口から必要な原料ガスが
取り入れられる。これらの反応管はひとつのチャンバー
１４に取り付けられている。基板１５グラフアイト製サ
セプター１６上に設置され、反応管１１，１２゜１３の
いずれかに対向する位置にあり、外部の高周波コイル１
７により高温に加熱される。サセプター１６は、石英製
のホルダー１８に取り付けられ、磁性流体シールを介し
た駆動軸１９により各反応管の下を（１，１秒程度の高
速度で移動できるようになっている。駆動は外部に設置
したコンピューター制御されたモーターにより行われる
。サセプター中央部には熱雷対２０が置かれ、基板直下
の温度をモニターする。そのコード部分は回転による捩
れを抑えるためスリップリングが用いられている。反応
ガスは、上部噴出し口２１からの水素ガスのダウンフロ
ーの速い流れにより押出され、瓦いの混合が極力抑えら
れながら排気口２２からロータリーポンプにより排気さ
れる。

このようなＭＯＣＶＤ装置により、各反応管１．１．１
２．１３を通して所望の原料ガスを流し、基板１５をコ
ンピューター制御されたモーターで移動させることによ
り任意の積層周期、任意の組成をもって多層構造を作製
することができる。この方式では、ガス切換え方式では
得られない鋭い濃度変化が容易に実現できる。またこの
方式では、急峻なヘテロ界面を作るために反応ガスを高
速で切換える必要がないため、原料ガスであるＮＨ３や
ＰＨの分解速度が遅いという問題をガス流速を低く設定
することにより解決することができる。

この装置を用いて、第１図に示す多層構造を有するウェ
ハーをＭＯＣＶＤ法により作製した。原料としては、■
族有機金属（トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルホウ素（ＴＥＢ
））とＶ族水素化物（ホスフィン（ＰＨ３）、アンモニ
ア（ＮＨ３））とを使用し、ドーピング用原料としては
、シラン（ＳｆＨ）、シクロペンタジェニルマグネシラ
ム（Ｃｐ２Ｍｇ）を使用した。基板温度は８５０〜１１
５０℃、圧力は０．３気圧、原料ガスの総流Ｑ　ハ１１
　／　ｓｌｎであり、成長速度が１μｍ　／　ｈ　トな
るようにガス流量を設定した。具体的な各原料ガスの流
量は、Ｔ　Ｅ　Ｂ　Ｉ　Ｘ　１０　＝ｗｏｌ／ｗｉｎ、
ＴＭＡ　　５　　Ｘ　　１　０−７ｇｏｆ／ｓｉｎ　　
、　　ＴＥＧ５ｘ　　１　０−７ＢＰ多層膜を作成する
際の代表的な積層周期は２ＯＡ、窒化物層と硼化物層の
厚さの比は１：１であり、以下の実施例では全てこの値
に設定した。

他の組成でも実施可能であるが、発光層のＢＰに対する
ＧａＡ９Ｎの層厚の比が１より小さくなると、バンド構
造が直接遷移型から間接遷移型に変化し、発光効率は低
下する。また、積層周期についてもこの値に限るもので
はないが、５０Ａを越えると電子、正孔の局在が顕著に
なり導電性の低下が生じるので、５０Ａ以下の周期に設
定されることが望ましい。

こうして得られたＬＥＤチップは、Ｔ　ｉｏ　２基板が
オーミック電極を取り出すべくメサエッチングされ、オ
ーミック電極７６が形成され、ＧａＮコンタクト層７５
を下にして、基台１７８上にｎ型のオーミック電極７７
を介して取り付けられる。

このＬＥＤを樹脂レンズに埋め込むことにより、約２０
ｍｃｄの青色発光が確認された。

第３〜６図は本発明によるＬＥＤの他の実施例である。

第３図は、Ｍ　ｎ　Ｏ基板を用いた例である。

第４図は、ＧａＡｊＪＮＢＰ混晶でＬＥＤを作成した例
である。第５図は、電極の取りだし方を変更し、Ｔ　ｉ
　０２基板への金属拡散により導電性を高め、電極を取
りだした例である。これらの例では、基板面を上側にし
てマウントしているが、下側にしてマウントしても購わ
ない。第６図はその様なＬＥＤである。以）二は光取出
し面がｐＱＯ例であるが、ｎ型でも構わない。第７図は
そのようなＬＥＤである。また、これらの例では発光層
はダブルへテロ構造であるが、シングルへテロ構造でも
構わない。第８図はそのようなＬＥＤである。

なお、第１．３〜５図のＧａＮ層は、ＧａＡｊ）Ｎでも
Ｂ　Ｐ、　Ｇ　ａ　ＡｇＮ　Ｂ　Ｐ混晶、ＧａｘＡｌ１
−ｘＮ／ＢＰ超格子層でも構わない【７、第８図の実施
例のように無くても良い。

第９，１０図は本発明を半導体レーザ装置に応用した例
である。得られたウエノ１をへき関して共振器長３００
［μｍ］のレーザ素子を作成したところ、液体窒素でパ
ルス幅１００［μ５ｅｃｌのパルス動作にて緑色光レー
ザ発振を確認した。その際、しきい値電流密度は約７０
　ｋ　Ａ　／　ｃ−を示した。しきい値電流密度は高め
であるが、単一峰の遠視野像が確認され、良好な横モー
ド制御が行われていることが判明した。室温では、レー
ザ発振は確認できなかったが、ＬＥＤモードの動作にお
いて１００ｈ以−Ｌの安定した発光が確認できた。

この安定動作は、活性層への応力の軽減効果と考えられ
る。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。ダブルへテロ接合部は、クラ・ソド層および活性層
に前記第１．３．５〜９図に示したようなＧａＡ［Ｎ／
ＢＰ超格子層のみを用いた場合、前記第４図に示したよ
うなＧａＡＮＢＮＰ混晶のみを用いた場合だけでなく、
ＧａＡｆｌＮ／ＢＰ超格子層とＧａＡｆｌＢＮＰ混晶の
すべての組合せについて実施できる。以上の実施例では
、ダブルへテロ構造を作成するためにＧ　ａ　　Ａ　Ｄ
　ｔ−。

Ｎの組成ｘ（０≦ｘ≦１）を変化させたが、Ｇａ　　Ａ
Ｎ　　　ＮとＢＰの層厚比もしくは混晶比　　　Ｌｘを変化させても同様に実施できる。すなわち、各半導体
層の平均組成（超格子層を含む）で表現すれば、Ｇａ　
　ＡＲ，ｓ、−、−、Ｎ２ｐｌ−、においてｘ＋ｙ−０
，５としたが他の組成にしても良い。ただし、発光層の
場合、ｘ　−１−ｙが０．５より小さくなると直接遷移
型から間接遷移型にバンド構造が変化するため動作電流
が増加するので好ましくない。

ＧａＡｇＮ中もしくはＧａＡｇＮ中にＩｎを添加し、Ｂ
ＰとＧａＡ、ＱＮの格子整合を良好にすることも可能で
ある。

ＭＯＣＶＤ原料としては、Ｇａ原料としてトリメチルガ
リウム（ＴＭＧ）　、Ａ１！原料と　し　てトリエチル
アルミニウム（ＴＥＡ）　、Ｂの原料としてトリメチル
ホウ素（ＴＭＢ）　、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を使用して
も全く同様に実施できる。また、Ｎ原料としてもヒドラ
ジン（Ｎ　　Ｈ）のほかにＧａ（Ｃ２Ｈ５）３４ＮＨ、Ｇａ（ＣＤ　　）　　’Ｎ’（ＣＨ３）３な３　
　　　　３３どの既にＮを含むアダクトと言われる有機金属化合物も
利用できる。

その他・本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、高効率で量産性、
機能設計性に優れる長寿命の半導体発光素子が得られ産
業上の要求に十分応えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に関わる発光素子（ＬＥＤ）
を示す断面図、第２図は素子を製造するために用いたＭ
ＯＣＶＤ装置の概略図である。第３図〜第８図はそれぞれ発光素子の変形例を示す断面
図、また、第９図、第１０図は本発明に関わる半導体レ
ーザを示す断面図である。１１〜１３・・・反応管、１４・・・チャンバ、１５・
・・基板、１６・・・サセプタ、１７・・・高周波コイ
ル、１８・・・ホルダ、１９・・・駆動軸、２０・・・
熱電対、２１・・・チャンバ、２２・・・ガス導入口。７１　；　Ｔ　１０２基板、７５　：　Ｇａｌ’Ｊ：ｌ
ンタクト層、７６．７７：電極、８１　：　ｐ−ＧａＡ
１！Ｎ／ＢＰ超格子層、８２：アンドーブＧａｘＡｌ１
−ｘＮ／ＢＰ超格子層、８３　：　ｎ−ＧａＡＮ　Ｎ／
ＢＰ超格子層、８４　：　ｐ−ＧａＡｆｌＮＢＰ層、８
５：アンドーブＧａｘＡｌ１−ｘＮＢＰ層、８６：ｎ−
ＧａＡ、ＱＮＢＰ層、３７：ｎ−ＢＰ層、８８：ｎＢＰ
層。１、２１　：　Ｔ　ｉｏ　２基板、１２２：ｎ−ＢＰバ
ッファ層、１２３　：　ｎ−ＧａＡｆｉ　Ｎ／ＢＰクラ
ッド層、１２４：アンドーブＧａＡＪ７Ｎ／ＢＰ活性層
、１２５　：　ｐ−ＧａＡ１）　Ｎ　／　Ｂ　ｐクラッ
ド層、１２６−　ｎ−Ｂ　Ｐ電流阻止層、１２７−ｐ　
−Ｂ　Ｐコンタクト層、１．２８．１２９：金属電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）正方晶系あるいは食塩型結晶構造を有する基板上
に閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体材料を構成したこ
とを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体材料が、
ＢＰとＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）の超
格子層あるいはそれらの混晶であることを特徴とする請
求項１記載の半導体発光素子。
（３）前記基板がルチル（ＴｉＯ＿２）であることを特
徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
（４）前記基板がＭｎＯであることを特徴とする請求項
２記載の半導体発光素子。
（５）ＴｉＯ＿２あるいはＭｎＯ基板上にＢＰとＧａ＿
ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）の超格子層あるい
はそれらの混晶を有機金属熱分解気相成長法により形成
することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。