JPH0897468A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH0897468A JPH0897468A JP23317994A JP23317994A JPH0897468A JP H0897468 A JPH0897468 A JP H0897468A JP 23317994 A JP23317994 A JP 23317994A JP 23317994 A JP23317994 A JP 23317994A JP H0897468 A JPH0897468 A JP H0897468A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ｐ側電極とコンタクト層の接触抵抗を小さく
して、動作電圧の低い半導体発光素子を提供する。 【構成】 基板１上に少なくともｎ型層およびｐ型層を
含み発光部を有するとともに、チッ化ガリウム系化合物
半導体層３、４、５、６が積層され、前記ｎ型層および
ｐ型層にそれぞれ接続されるｎ側電極９およびｐ側電極
８が設けられてなる半導体発光素子であって、前記ｐ側
電極が設けられるコンタクト層７の表面がｐ型Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＰ、
ｐ型ＩｎyＧａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１）またはｐ型Ｉｎ
y Ｇａ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）である。
して、動作電圧の低い半導体発光素子を提供する。 【構成】 基板１上に少なくともｎ型層およびｐ型層を
含み発光部を有するとともに、チッ化ガリウム系化合物
半導体層３、４、５、６が積層され、前記ｎ型層および
ｐ型層にそれぞれ接続されるｎ側電極９およびｐ側電極
８が設けられてなる半導体発光素子であって、前記ｐ側
電極が設けられるコンタクト層７の表面がｐ型Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＰ、
ｐ型ＩｎyＧａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１）またはｐ型Ｉｎ
y Ｇａ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関す
る。さらに詳しくは、青色発光に好適なチッ化ガリウム
系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
る。さらに詳しくは、青色発光に好適なチッ化ガリウム
系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】ここにチッ化ガリウム（ＧａＮ）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など他のＶ族元素と置換した化合物か
らなる半導体をいう。
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など他のＶ族元素と置換した化合物か
らなる半導体をいう。
【０００３】また、半導体発光素子とは、ｐｎ接合また
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（ＬＤ）
などの光を発生する半導体素子をいう。
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（ＬＤ）
などの光を発生する半導体素子をいう。
【０００４】
【従来の技術】従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色に比
べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化
ガリウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントした
低抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向
上し脚光をあびている。
べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化
ガリウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントした
低抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向
上し脚光をあびている。
【０００５】従来のチッ化ガリウム系のＬＥＤの製法は
つぎに示されるような工程で行われ、その完成したチッ
化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤの斜視図を図
４に示す。
つぎに示されるような工程で行われ、その完成したチッ
化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤの斜視図を図
４に示す。
【０００６】まず、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）な
どからなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金
属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）によ
りキャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスである
トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを
供給し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を
０．０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２
００℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａ
Ｎからなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成す
る。
どからなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金
属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）によ
りキャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスである
トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを
供給し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を
０．０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２
００℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａ
Ｎからなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成す
る。
【０００７】ついで前述のガスにさらにトリメチルアル
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを加え、ｎ
型ドーパントのＳｉを含有したｎ型Ａｌr Ｇａ1-r Ｎ
（０＜ｒ＜１）層を成膜し、ダブルヘテロ接合形成のた
めのｎ型クラッド層２４を０．１〜０．３μｍ程度形成
する。
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを加え、ｎ
型ドーパントのＳｉを含有したｎ型Ａｌr Ｇａ1-r Ｎ
（０＜ｒ＜１）層を成膜し、ダブルヘテロ接合形成のた
めのｎ型クラッド層２４を０．１〜０．３μｍ程度形成
する。
【０００８】つぎに前述の原料ガスのＴＭＡに代えてト
リメチルインジウム（以下、ＴＭＩという）を導入し、
バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより小さ
くなる材料、たとえばＩｎs Ｇａ1-s Ｎ（０＜ｓ＜１）
からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形成す
る。
リメチルインジウム（以下、ＴＭＩという）を導入し、
バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより小さ
くなる材料、たとえばＩｎs Ｇａ1-s Ｎ（０＜ｓ＜１）
からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形成す
る。
【０００９】さらに、ｎ型クラッド層２４の形成に用い
たガスと同じ原料のガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に
代えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎのためのビス
シクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2 Ｍｇ
という）またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）
を加えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ
型Ａｌr Ｇａ1-r Ｎ層を気相成長させる。これによりｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
たガスと同じ原料のガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に
代えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎのためのビス
シクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2 Ｍｇ
という）またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）
を加えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ
型Ａｌr Ｇａ1-r Ｎ層を気相成長させる。これによりｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
【００１０】ついでコンタクト層２７形成のため、前述
のバッファ層２３と同様のガスで不純物原料ガスとして
Ｃｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層を
０．３〜２μｍ成長させる。
のバッファ層２３と同様のガスで不純物原料ガスとして
Ｃｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層を
０．３〜２μｍ成長させる。
【００１１】そののちＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 などの保護
膜を半導体層の成長層表面全面に設け、４００〜８００
℃、２０〜６０分間程度のアニールを行い、ｐ型クラッ
ド層２６およびキャップ層２７の活性化を図り、保護膜
を除去したのち、ｎ側の電極を形成するため、レジスト
を塗布してパターニングを行い、成長した各半導体層の
一部をドライエッチングにより除去してｎ型ＧａＮ層で
あるバッファ層２３またはｎ型クラッド層２４を露出さ
せ、ｎ側の電極３０、ｐ側の電極２９をスパッタリング
などにより形成し、ダイシングすることによりＬＥＤチ
ップを形成している。
膜を半導体層の成長層表面全面に設け、４００〜８００
℃、２０〜６０分間程度のアニールを行い、ｐ型クラッ
ド層２６およびキャップ層２７の活性化を図り、保護膜
を除去したのち、ｎ側の電極を形成するため、レジスト
を塗布してパターニングを行い、成長した各半導体層の
一部をドライエッチングにより除去してｎ型ＧａＮ層で
あるバッファ層２３またはｎ型クラッド層２４を露出さ
せ、ｎ側の電極３０、ｐ側の電極２９をスパッタリング
などにより形成し、ダイシングすることによりＬＥＤチ
ップを形成している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来のチッ化ガリウム
系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、ｐ側電極
が設けられるコンタクト層２７としてＧａＮ層が用いら
れているが、表面準位の変動に影響されること、電極と
して用いられるＡｕやＡｕとＺｎの合金などの金属の伝
導帯とＧａＮの価電子帯とのエネルギーギャップが大き
いことなどの理由により、結果的に電極金属とコンタク
ト層との接触抵抗が安定せずかつ、接触抵抗が大きくな
り動作電圧が高くなるという問題がある。この問題はｐ
型層のキャリア濃度を高くできないという基本問題に起
因し、さらに電流注入領域をストライプ状に制限する半
導体レーザで、電極の幅をストライプ形状に形成するタ
イプでは電極の接触面積が小さくなるため、とくに顕著
となる。
系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、ｐ側電極
が設けられるコンタクト層２７としてＧａＮ層が用いら
れているが、表面準位の変動に影響されること、電極と
して用いられるＡｕやＡｕとＺｎの合金などの金属の伝
導帯とＧａＮの価電子帯とのエネルギーギャップが大き
いことなどの理由により、結果的に電極金属とコンタク
ト層との接触抵抗が安定せずかつ、接触抵抗が大きくな
り動作電圧が高くなるという問題がある。この問題はｐ
型層のキャリア濃度を高くできないという基本問題に起
因し、さらに電流注入領域をストライプ状に制限する半
導体レーザで、電極の幅をストライプ形状に形成するタ
イプでは電極の接触面積が小さくなるため、とくに顕著
となる。
【００１３】本発明はこのような問題を解決し、ｐ側電
極とコンタクト層との接触抵抗が小さく、低い動作電圧
で、大きな出力がえられる半導体発光素子を提供するこ
とを目的とする。
極とコンタクト層との接触抵抗が小さく、低い動作電圧
で、大きな出力がえられる半導体発光素子を提供するこ
とを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層を含み発光
部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層され
るとともに、前記ｎ型層およびｐ型層にそれぞれ接続さ
れるｎ側電極およびｐ側電極が設けられてなる半導体発
光素子であって、前記ｐ側電極が設けられる半導体層の
少なくとも電極側表面にｐ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ
＜１）またはｐ型ＧａＡｓもしくはｐ型ＧａＰまたはｐ
型Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１）もしくはＩｎy Ｇ
ａ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）が設けられている。
は、基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層を含み発光
部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層され
るとともに、前記ｎ型層およびｐ型層にそれぞれ接続さ
れるｎ側電極およびｐ側電極が設けられてなる半導体発
光素子であって、前記ｐ側電極が設けられる半導体層の
少なくとも電極側表面にｐ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ
＜１）またはｐ型ＧａＡｓもしくはｐ型ＧａＰまたはｐ
型Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１）もしくはＩｎy Ｇ
ａ1-y Ｐ（０＜ｙ＜１）が設けられている。
【００１５】前記Ｉｎx Ｇａ1-x ＮのＩｎの組成比ｘが
０＜ｘ≦０．５であることが、格子不整の問題が現われ
ることがなく、接触抵抗を下げることができるため好ま
しい。
０＜ｘ≦０．５であることが、格子不整の問題が現われ
ることがなく、接触抵抗を下げることができるため好ま
しい。
【００１６】
【作用】本発明の半導体発光素子によれば、ｐ側電極が
設けられるコンタクト層の表面にＩｎx Ｇａ1-x Ｎまた
はＧａＡｓもしくはＧａＰまたはＩｎy Ｇａ1-y Ａｓも
しくはＩｎy Ｇａ1-y Ｐが用いられているため、半導体
層と電極との接触抵抗が小さくなる。すなわち、Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｎなどのこれらの半導体層はＧａＮよりバンド
ギャップエネルギー（禁制帯幅）が小さく酸化されにく
いため、表面準位が発生しにくく、表面準位による電子
や正孔のトラップによる電流の流れにくさ（接触抵抗）
が小さくなる。またＩｎx Ｇａ1-x Ｎなどの半導体層は
ＧａＮに比べてバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）
が小さく、電極としての金属の伝導帯のエネルギー準位
と半導体層の価電子帯とのエネルギーギャップが小さく
正孔が流れ易い。Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層とＧａＮ層とのあ
いだには価電子帯のエネルギー準位にギャップが生じて
いるが、電極金属とＧａＮ層とのエネルギーギャップＥ
ｖは金属とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層とのエネルギーギャップ
Ｅｖ1 とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層とＧａＮ層とのエネルギー
ギャップＥｖ2 とに分割されているため、小さいエネル
ギーギャップＥｖ1 を乗り越えた正孔または電子は小さ
いエネルギーギャップＥｖ2 をさらに乗り越えればよ
く、直接大きなエネルギーギャップＥｖを乗り越えなく
てもよいため、見掛け上接触抵抗が小さくなる。
設けられるコンタクト層の表面にＩｎx Ｇａ1-x Ｎまた
はＧａＡｓもしくはＧａＰまたはＩｎy Ｇａ1-y Ａｓも
しくはＩｎy Ｇａ1-y Ｐが用いられているため、半導体
層と電極との接触抵抗が小さくなる。すなわち、Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｎなどのこれらの半導体層はＧａＮよりバンド
ギャップエネルギー（禁制帯幅）が小さく酸化されにく
いため、表面準位が発生しにくく、表面準位による電子
や正孔のトラップによる電流の流れにくさ（接触抵抗）
が小さくなる。またＩｎx Ｇａ1-x Ｎなどの半導体層は
ＧａＮに比べてバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）
が小さく、電極としての金属の伝導帯のエネルギー準位
と半導体層の価電子帯とのエネルギーギャップが小さく
正孔が流れ易い。Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層とＧａＮ層とのあ
いだには価電子帯のエネルギー準位にギャップが生じて
いるが、電極金属とＧａＮ層とのエネルギーギャップＥ
ｖは金属とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層とのエネルギーギャップ
Ｅｖ1 とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層とＧａＮ層とのエネルギー
ギャップＥｖ2 とに分割されているため、小さいエネル
ギーギャップＥｖ1 を乗り越えた正孔または電子は小さ
いエネルギーギャップＥｖ2 をさらに乗り越えればよ
く、直接大きなエネルギーギャップＥｖを乗り越えなく
てもよいため、見掛け上接触抵抗が小さくなる。
【００１７】ＧａＡｓやＧａＰについてもＩｎx Ｇａ
1-x Ｎと同様にバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）
が小さく酸化されにくいため、表面準位が生じにくく、
またバンドギャップエネルギーはＩｎx Ｇａ1-x Ｎより
も小さく、一層接触抵抗が小さくなる。
1-x Ｎと同様にバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）
が小さく酸化されにくいため、表面準位が生じにくく、
またバンドギャップエネルギーはＩｎx Ｇａ1-x Ｎより
も小さく、一層接触抵抗が小さくなる。
【００１８】またＩｎy Ｇａ1-y ＡｓもしくはＩｎy Ｇ
ａ1-y Ｐは前述のＩｎx Ｇａ1-x Ｎと同様にＩｎがさら
にバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）を小さくする
役割をし、一層接触抵抗を小さくする作用をする。この
ばあい、格子整合についてはＩｎx Ｇａ1-x Ｎよりも大
きくずれるが、バンドギャップエネルギー減少の効果の
方が大きい。またｐ型キャリア濃度もより上げられる。
ａ1-y Ｐは前述のＩｎx Ｇａ1-x Ｎと同様にＩｎがさら
にバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）を小さくする
役割をし、一層接触抵抗を小さくする作用をする。この
ばあい、格子整合についてはＩｎx Ｇａ1-x Ｎよりも大
きくずれるが、バンドギャップエネルギー減少の効果の
方が大きい。またｐ型キャリア濃度もより上げられる。
【００１９】
【実施例】つぎに添付図面を参照しながら本発明の半導
体発光素子を説明する。
体発光素子を説明する。
【００２０】図１は本発明の半導体発光素子の一実施例
の断面説明図、図２はその工程説明図、図３は図１の半
導体発光素子のコンタクト層とｐ側電極のエネルギーバ
ンドを示す図である。
の断面説明図、図２はその工程説明図、図３は図１の半
導体発光素子のコンタクト層とｐ側電極のエネルギーバ
ンドを示す図である。
【００２１】図１に示されるように、本発明の半導体発
光素子の一実施例は、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3
単結晶）などの基板１上にｎ型のＧａＮなどからなる
０．０１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、２〜５
μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型のＡｌr Ｇａ1-r Ｎ
（０＜ｒ＜１）からなる０．１〜０．３μｍ程度の下部
クラッド層４、ノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩ
ｎs Ｇａ1-s Ｎ（０＜ｓ＜１）からなり、下部クラッド
層４よりバンドギャップエネルギーが小さく、屈折率の
大きい０．０５〜０．１μｍ程度の活性層５、下部クラ
ッド層４と同じ組成でｐ型である０．１〜０．３μｍ程
度の上部クラッド層６、バッファ層２、３と同じ組成で
低抵抗層である０．３〜２μｍ程度のｐ型のＧａＮ層１
１およびその表面側に設けられた０．０５〜０．２μｍ
程度のｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層１２か
らなるコンタクト層７が順次積層され、コンタクト層７
の表面のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２にｐ側電極８、積層さ
れた半導体層の一部をエッチングして露出したｎ型クラ
ッド層４または高温バッファ層３にｎ側電極９が設けら
れて、本発明の半導体レーザのチップが形成されてい
る。
光素子の一実施例は、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3
単結晶）などの基板１上にｎ型のＧａＮなどからなる
０．０１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、２〜５
μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型のＡｌr Ｇａ1-r Ｎ
（０＜ｒ＜１）からなる０．１〜０．３μｍ程度の下部
クラッド層４、ノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩ
ｎs Ｇａ1-s Ｎ（０＜ｓ＜１）からなり、下部クラッド
層４よりバンドギャップエネルギーが小さく、屈折率の
大きい０．０５〜０．１μｍ程度の活性層５、下部クラ
ッド層４と同じ組成でｐ型である０．１〜０．３μｍ程
度の上部クラッド層６、バッファ層２、３と同じ組成で
低抵抗層である０．３〜２μｍ程度のｐ型のＧａＮ層１
１およびその表面側に設けられた０．０５〜０．２μｍ
程度のｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層１２か
らなるコンタクト層７が順次積層され、コンタクト層７
の表面のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２にｐ側電極８、積層さ
れた半導体層の一部をエッチングして露出したｎ型クラ
ッド層４または高温バッファ層３にｎ側電極９が設けら
れて、本発明の半導体レーザのチップが形成されてい
る。
【００２２】本発明の半導体発光素子はチッ化ガリウム
系化合物半導体層が積層され、ｐ側電極８が設けられる
ｐ型のコンタクト層７がＧａＮよりもバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、表面準位の発生しにくい材料
である、たとえばｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２がＧａ
Ｎ層１１の表面に設けられ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２上
にｐ側電極８が設けられていることに特徴がある。Ｇａ
ＮにＩｎを混晶させると格子不整合になるため、活性層
のようにバンドギャップエネルギーの小さい材料が不可
欠な層以外には使用されず、コンタクト層７にＩｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ層を用いることは全然発想もされていない。し
かしチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光
素子ではｐ型層のキャリア濃度を一定値以上に上げるこ
とができず、ｐ型層とｐ側電極との接触抵抗の増大が動
作電圧を上げ発光効率を低下させる原因となっていた。
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、少々の格子不整合が
生じても成膜される半導体層の厚さを０．０５〜０．２
μｍ程度にすることにより格子不整合の問題を克服し、
金属との接触抵抗の低下を達成できることを見出し、本
発明を完成するに至った。
系化合物半導体層が積層され、ｐ側電極８が設けられる
ｐ型のコンタクト層７がＧａＮよりもバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、表面準位の発生しにくい材料
である、たとえばｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２がＧａ
Ｎ層１１の表面に設けられ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２上
にｐ側電極８が設けられていることに特徴がある。Ｇａ
ＮにＩｎを混晶させると格子不整合になるため、活性層
のようにバンドギャップエネルギーの小さい材料が不可
欠な層以外には使用されず、コンタクト層７にＩｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ層を用いることは全然発想もされていない。し
かしチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光
素子ではｐ型層のキャリア濃度を一定値以上に上げるこ
とができず、ｐ型層とｐ側電極との接触抵抗の増大が動
作電圧を上げ発光効率を低下させる原因となっていた。
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、少々の格子不整合が
生じても成膜される半導体層の厚さを０．０５〜０．２
μｍ程度にすることにより格子不整合の問題を克服し、
金属との接触抵抗の低下を達成できることを見出し、本
発明を完成するに至った。
【００２３】バンドギャップエネルギーの小さい材料と
してＩｎを含有させたＩｎx Ｇａ1-x Ｎを用いるばあ
い、Ｉｎの組成比が大きくなると、前述の半導層の厚さ
にしても転位発生などの現象が現われ好ましくなかった
が、Ｉｎの組成比ｘを０＜ｘ≦０．５、好ましくは０．
０５≦ｘ≦０．３、さらに好ましくは０．０５≦ｘ≦
０．２にすることにより転位発生の問題が生じることも
なく、金属との接触抵抗を小さくすることができた。
してＩｎを含有させたＩｎx Ｇａ1-x Ｎを用いるばあ
い、Ｉｎの組成比が大きくなると、前述の半導層の厚さ
にしても転位発生などの現象が現われ好ましくなかった
が、Ｉｎの組成比ｘを０＜ｘ≦０．５、好ましくは０．
０５≦ｘ≦０．３、さらに好ましくは０．０５≦ｘ≦
０．２にすることにより転位発生の問題が生じることも
なく、金属との接触抵抗を小さくすることができた。
【００２４】バンドギャップエネルギーの小さい材料と
してＩｎx Ｇａ1-x Ｎの代りにＧａＡｓまたはＧａＰを
用いても同様に金属との接触抵抗が小さく、しかも半導
体層表面の表面準位も発生しにくく、低い動作電圧での
動作がえられた。ＧａＡｓやＧａＰはＧａＮ系と成長温
度が異なるが、ＧａＮ系を成膜したのち、ＭＯＣＶＤ装
置内の温度を５００〜８００℃に下げて成長させること
によりえられる。またＧａＡｓやＧａＰもＧａＮと格子
不整合になるが、前述の厚さ０．０５〜０．２μｍ程度
にすることにより格子不整による影響はある程度小さく
なる。
してＩｎx Ｇａ1-x Ｎの代りにＧａＡｓまたはＧａＰを
用いても同様に金属との接触抵抗が小さく、しかも半導
体層表面の表面準位も発生しにくく、低い動作電圧での
動作がえられた。ＧａＡｓやＧａＰはＧａＮ系と成長温
度が異なるが、ＧａＮ系を成膜したのち、ＭＯＣＶＤ装
置内の温度を５００〜８００℃に下げて成長させること
によりえられる。またＧａＡｓやＧａＰもＧａＮと格子
不整合になるが、前述の厚さ０．０５〜０．２μｍ程度
にすることにより格子不整による影響はある程度小さく
なる。
【００２５】ＧａＡｓやＧａＰにさらにＩｎを混晶させ
ることにより、ＡｌやＧａよりも酸化されにくい金属と
合金化しやすいという特性を利用することができ、一層
接触抵抗を低減させることができた。このばあい、Ｉｎ
の組成比を０〜０．５程度と増やすことができる。
ることにより、ＡｌやＧａよりも酸化されにくい金属と
合金化しやすいという特性を利用することができ、一層
接触抵抗を低減させることができた。このばあい、Ｉｎ
の組成比を０〜０．５程度と増やすことができる。
【００２６】つぎに、図３を参照しながらバンドギャッ
プエネルギーの小さい半導体層をコンタクト層７の表面
に設けることにより、ｐ側電極との接触抵抗が小さくな
る原理について説明する。
プエネルギーの小さい半導体層をコンタクト層７の表面
に設けることにより、ｐ側電極との接触抵抗が小さくな
る原理について説明する。
【００２７】図３はコンタクト層７とｐ側電極８のエネ
ルギーバンドを示した図で、図の左側がコンタクト層７
のｐ型クラッド層６側、右側がｐ側電極８側を示し、Ａ
がＧａＮ層１１、ＢがＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２、Ｇがｐ
側電極８の一部のそれぞれのエネルギーバンドを示す。
図３（ａ）、（ｂ）は半導体層の組成や半導体層表面に
設けられる電極用金属の種類などによってＧａＮ層１１
やＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２の表面でエネルギー準位が上
がったり下がったりする状況を模式的に示したもので、
いずれの状態でも同様の現象を示す。図３において、Ｐ
1 、Ｐ2 はそれぞれＧａＮおよびＩｎx Ｇａ1-x Ｎの価
電子帯、Ｑ1 、Ｑ2 はそれぞれ伝導帯、Ｒは電極金属の
電子が最も多いエネルギー準位を示す。またＰ1 とＱ1
のギャップＦ1 およびＰ2 とＱ2 のギャップＦ2 はそれ
ぞれＧａＮおよびＩｎx Ｇａ1-xＮのバンドギャップエ
ネルギー（禁制帯幅）を示す。
ルギーバンドを示した図で、図の左側がコンタクト層７
のｐ型クラッド層６側、右側がｐ側電極８側を示し、Ａ
がＧａＮ層１１、ＢがＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２、Ｇがｐ
側電極８の一部のそれぞれのエネルギーバンドを示す。
図３（ａ）、（ｂ）は半導体層の組成や半導体層表面に
設けられる電極用金属の種類などによってＧａＮ層１１
やＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２の表面でエネルギー準位が上
がったり下がったりする状況を模式的に示したもので、
いずれの状態でも同様の現象を示す。図３において、Ｐ
1 、Ｐ2 はそれぞれＧａＮおよびＩｎx Ｇａ1-x Ｎの価
電子帯、Ｑ1 、Ｑ2 はそれぞれ伝導帯、Ｒは電極金属の
電子が最も多いエネルギー準位を示す。またＰ1 とＱ1
のギャップＦ1 およびＰ2 とＱ2 のギャップＦ2 はそれ
ぞれＧａＮおよびＩｎx Ｇａ1-xＮのバンドギャップエ
ネルギー（禁制帯幅）を示す。
【００２８】ｐ側電極からコンタクト層への電流の流れ
は電極金属のエネルギー準位ＲからＧａＮの価電子帯Ｐ
1 へ正孔が移動することを意味するが、本発明によれば
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２が設けられているため、一旦Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２の価電子帯Ｐ2 にギャップエネル
ギーＥｖ1 を乗り越えて正孔が流れ、ついでＰ2 からＰ
1 へのギャップエネルギーＥｖ2 を乗り越えて流れれば
よく、Ｉｎx Ｇａ1-xＮがないばあいのギャップエネル
ギーＥｖを一度に乗り越える必要がないため流れ易い。
このばあいの電流は温度の項も含んだ定数をそれぞれｋ
1 、ｋ2 とすると、ｅｘｐ｛−（ｋ1 Ｅｖ1 ＋ｋ2 Ｅ
ｖ2 ）｝で表わせる。このようにエネルギー障壁が２段
に分割されるのはＩｎx Ｇａ1-x Ｎの禁制帯幅Ｆ2 がＧ
ａＮの禁制帯幅Ｆ1 より小さいためであり、理想的には
ＧａＮの禁制帯幅Ｆ1 の１／２程度の禁制帯幅の材料を
用いることが望ましい。
は電極金属のエネルギー準位ＲからＧａＮの価電子帯Ｐ
1 へ正孔が移動することを意味するが、本発明によれば
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２が設けられているため、一旦Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｎ層１２の価電子帯Ｐ2 にギャップエネル
ギーＥｖ1 を乗り越えて正孔が流れ、ついでＰ2 からＰ
1 へのギャップエネルギーＥｖ2 を乗り越えて流れれば
よく、Ｉｎx Ｇａ1-xＮがないばあいのギャップエネル
ギーＥｖを一度に乗り越える必要がないため流れ易い。
このばあいの電流は温度の項も含んだ定数をそれぞれｋ
1 、ｋ2 とすると、ｅｘｐ｛−（ｋ1 Ｅｖ1 ＋ｋ2 Ｅ
ｖ2 ）｝で表わせる。このようにエネルギー障壁が２段
に分割されるのはＩｎx Ｇａ1-x Ｎの禁制帯幅Ｆ2 がＧ
ａＮの禁制帯幅Ｆ1 より小さいためであり、理想的には
ＧａＮの禁制帯幅Ｆ1 の１／２程度の禁制帯幅の材料を
用いることが望ましい。
【００２９】ＧａＡｓもしくはＧａＰまたはＩｎy Ｇａ
1-y ＡｓもしくはＩｎy Ｇａ1-y Ｐも禁制帯幅が同様の
関係にあり、同じように接触抵抗が小さくなる。
1-y ＡｓもしくはＩｎy Ｇａ1-y Ｐも禁制帯幅が同様の
関係にあり、同じように接触抵抗が小さくなる。
【００３０】つぎに図１の半導体レーザの製法について
図２を参照しながら説明する。
図２を参照しながら説明する。
【００３１】まず、図２（ａ）に示されるように、サフ
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりキャ
リアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスであるＴＭ
Ｇ、ＮＨ3 およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを供
給し、ｎ型ＧａＮ層などのチッ化ガリウム系半導体層か
らなる低温バッファ層２および高温バッファ層３をそれ
ぞれ０．０１〜０．２μｍ、２〜５μｍ程度成長する。
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりキャ
リアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスであるＴＭ
Ｇ、ＮＨ3 およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを供
給し、ｎ型ＧａＮ層などのチッ化ガリウム系半導体層か
らなる低温バッファ層２および高温バッファ層３をそれ
ぞれ０．０１〜０．２μｍ、２〜５μｍ程度成長する。
【００３２】ついで前述のガスにさらにＴＭＡを加え、
ｎ型ドーパントのＳｉなどをＳｉＨ4 ガスなどとして含
有したｎ型クラッド層４を１〜２μｍ程度形成する。
ｎ型ドーパントのＳｉなどをＳｉＨ4 ガスなどとして含
有したｎ型クラッド層４を１〜２μｍ程度形成する。
【００３３】つぎに、バンドギャップエネルギーがクラ
ッド層のそれより小さくなる材料として、たとえば前述
の原料ガスに代えてＴＭＩを導入し、活性層５を０．０
５〜０．１μｍ程度形成し、さらに、ｎ型クラッド層４
の形成に用いたガスと同じ原料のガスでドーパントガス
をＳｉＨ4 に代えてｐ型不純物としてＣｐ2 Ｍｇまたは
ＤＭＺｎとして反応管に導入し、ｐ型クラッド層６であ
るｐ型ＧａＮ層を気相成長させる。
ッド層のそれより小さくなる材料として、たとえば前述
の原料ガスに代えてＴＭＩを導入し、活性層５を０．０
５〜０．１μｍ程度形成し、さらに、ｎ型クラッド層４
の形成に用いたガスと同じ原料のガスでドーパントガス
をＳｉＨ4 に代えてｐ型不純物としてＣｐ2 Ｍｇまたは
ＤＭＺｎとして反応管に導入し、ｐ型クラッド層６であ
るｐ型ＧａＮ層を気相成長させる。
【００３４】ついで図２（ｂ）に示されるように、コン
タクト層形成のため、前述のバッファ層３と同様のガス
でドーパントガスとしてＣｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供
給してｐ型のＧａＮ層１１を０．３〜２μｍ程度の厚さ
に成長させる。
タクト層形成のため、前述のバッファ層３と同様のガス
でドーパントガスとしてＣｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供
給してｐ型のＧａＮ層１１を０．３〜２μｍ程度の厚さ
に成長させる。
【００３５】さらに、ｐ側電極との接触抵抗を小さくす
るために前述のＧａＮ層１１と同様の原料ガスにＴＭＩ
を加えてＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１、たとえばｘ＝
０．１）層１２を０．０５〜０．２μｍ程度に形成す
る。あまりＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層が厚いとこの膜自体の抵
抗が全体に影響し、薄すぎると接触抵抗を下げることが
できないからである。
るために前述のＧａＮ層１１と同様の原料ガスにＴＭＩ
を加えてＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１、たとえばｘ＝
０．１）層１２を０．０５〜０．２μｍ程度に形成す
る。あまりＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層が厚いとこの膜自体の抵
抗が全体に影響し、薄すぎると接触抵抗を下げることが
できないからである。
【００３６】前述の説明では、コンタクト層の一部とし
てｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を用いたが、ｐ型のＩｎx
Ｇａ1-x Ｎにかえて、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＰ、ｐ型
Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１、たとえばｙ＝０．
２）またはｐ型Ｉｎy Ｇａ1-yＰ（０＜ｙ＜１、たとえ
ばｙ＝０．５）をｐ側電極に接触する側のコンタクト層
として形成することによっても同様の効果をうることが
できる。このばあいＭＯＣＶＤ装置内の温度を５００〜
８００℃に下げ、前述のＴＭＩに代えて、またはＴＭＩ
とともにターシャリブチルアルシン（ＴＢＡ）またはタ
ーシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）を導入することに
よりえられる。
てｐ型のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を用いたが、ｐ型のＩｎx
Ｇａ1-x Ｎにかえて、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＰ、ｐ型
Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０＜ｙ＜１、たとえばｙ＝０．
２）またはｐ型Ｉｎy Ｇａ1-yＰ（０＜ｙ＜１、たとえ
ばｙ＝０．５）をｐ側電極に接触する側のコンタクト層
として形成することによっても同様の効果をうることが
できる。このばあいＭＯＣＶＤ装置内の温度を５００〜
８００℃に下げ、前述のＴＭＩに代えて、またはＴＭＩ
とともにターシャリブチルアルシン（ＴＢＡ）またはタ
ーシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）を導入することに
よりえられる。
【００３７】そののちＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 などの保護
膜を半導体層の成長層の表面全面に設け、４００〜８０
０℃、２０〜６０分間程度のアニールまたは電子線照射
を行い、ｐ型クラッド層６およびコンタクト層７の活性
化を図る。アニールが完了すると、保護膜をウエットエ
ッチングすることにより除去する。
膜を半導体層の成長層の表面全面に設け、４００〜８０
０℃、２０〜６０分間程度のアニールまたは電子線照射
を行い、ｐ型クラッド層６およびコンタクト層７の活性
化を図る。アニールが完了すると、保護膜をウエットエ
ッチングすることにより除去する。
【００３８】ついで、ｎ側の電極を形成するため、レジ
ストを塗布してパターニングを行い、図２（ｃ）に示さ
れるように保護膜の除去されたチッ化ガリウム系化合物
半導体層の表面にレジスト膜を設け、半導体層の一部を
ドライエッチングにより除去し、ｎ型層である高温バッ
ファ層３またはｎ型クラッド層４を露出させ、露出した
高温バッファ層３（またはｎ型クラッド層４）表面でｎ
型層に電気的に接続されるＡｌなどの金属膜からなるｎ
側電極９、積層された化合物半導体層のコンタクト層７
の表面にＡｕ、ＡｕとＺｎの合金などの金属膜からなる
ｐ側電極８を、それぞれスパッタリングなどにより形成
する。つぎに、ｐ側電極８に合わせてコンタクト層７お
よびｐ型クラッド層の一部をエッチングしてメサ型形状
にし各チップにダイシングすることにより半導体レーザ
チップが形成される。
ストを塗布してパターニングを行い、図２（ｃ）に示さ
れるように保護膜の除去されたチッ化ガリウム系化合物
半導体層の表面にレジスト膜を設け、半導体層の一部を
ドライエッチングにより除去し、ｎ型層である高温バッ
ファ層３またはｎ型クラッド層４を露出させ、露出した
高温バッファ層３（またはｎ型クラッド層４）表面でｎ
型層に電気的に接続されるＡｌなどの金属膜からなるｎ
側電極９、積層された化合物半導体層のコンタクト層７
の表面にＡｕ、ＡｕとＺｎの合金などの金属膜からなる
ｐ側電極８を、それぞれスパッタリングなどにより形成
する。つぎに、ｐ側電極８に合わせてコンタクト層７お
よびｐ型クラッド層の一部をエッチングしてメサ型形状
にし各チップにダイシングすることにより半導体レーザ
チップが形成される。
【００３９】また、前記実施例では半導体レーザであっ
たが、ダブルヘテロ接合のＬＥＤやｐｎ接合のＬＥＤな
ど種々の構造の半導体発光素子について適用できる。ま
たチッ化ガリウム系化合物半導体についても、前述の例
に限定されず、一般にＡｌuＧａv Ｉｎ1-u-v Ｎ（０≦
ｕ＜１、０＜ｖ≦１、０＜ｕ＋ｖ≦１）で目的の半導体
発光素子に応じて各半導体層のバンドギャップエネルギ
ーや屈折率を満たすように組成比を変えたものを用いる
ことができる。さらにＡｌu Ｇａv Ｉｎ1-u-vＮのＮの
一部または全部をＡｓおよび／またはＰで置換したもの
でも同様である。
たが、ダブルヘテロ接合のＬＥＤやｐｎ接合のＬＥＤな
ど種々の構造の半導体発光素子について適用できる。ま
たチッ化ガリウム系化合物半導体についても、前述の例
に限定されず、一般にＡｌuＧａv Ｉｎ1-u-v Ｎ（０≦
ｕ＜１、０＜ｖ≦１、０＜ｕ＋ｖ≦１）で目的の半導体
発光素子に応じて各半導体層のバンドギャップエネルギ
ーや屈折率を満たすように組成比を変えたものを用いる
ことができる。さらにＡｌu Ｇａv Ｉｎ1-u-vＮのＮの
一部または全部をＡｓおよび／またはＰで置換したもの
でも同様である。
【００４０】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、ｐ側
電極のコンタクト層の少なくともｐ側電極に接触する部
分をｐ型ＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの小さ
い半導体材料で形成しているので、表面準位の影響を小
さくすることができるとともにｐ側電極との接触抵抗を
小さくすることができる。したがって、動作電圧を低く
することができ、発光効率を向上させることができる。
電極のコンタクト層の少なくともｐ側電極に接触する部
分をｐ型ＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの小さ
い半導体材料で形成しているので、表面準位の影響を小
さくすることができるとともにｐ側電極との接触抵抗を
小さくすることができる。したがって、動作電圧を低く
することができ、発光効率を向上させることができる。
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施例を示す断面
説明図である。
説明図である。
【図２】図１の半導体発光素子の製造工程を示す図であ
る。
る。
【図３】図１の半導体発光素子のコンタクト層と電極金
属とのエネルギーバンドの説明図である。
属とのエネルギーバンドの説明図である。
【図４】従来の半導体発光素子の一例を示す斜視図であ
る。
る。
４ ｎ型クラッド層 ５ 活性層 ６ ｐ型クラッド層 ７ コンタクト層 １１ ＧａＮ層 １２ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層
Claims (4)
- 【請求項１】 基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層
を含み発光部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層
が積層されるとともに、前記ｎ型層およびｐ型層にそれ
ぞれ接続されるｎ側電極およびｐ側電極が設けられてな
る半導体発光素子であって、前記ｐ側電極が設けられる
半導体層の少なくとも電極側表面がｐ型Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ＜１）である半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記Ｉｎの組成比ｘが０＜ｘ≦０．５で
ある請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層
を含み発光部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層
が積層されるとともに、前記ｎ型層およびｐ型層にそれ
ぞれ接続されるｎ側電極およびｐ側電極が設けられてな
る半導体発光素子であって、前記ｐ側電極が設けられる
半導体層の少なくとも電極側表面がｐ型ＧａＡｓまたは
ｐ型ＧａＰである半導体発光素子。 - 【請求項４】 基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層
を含み発光部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層
が積層されるとともに、前記ｎ型層およびｐ型層にそれ
ぞれ接続されるｎ側電極およびｐ側電極が設けられてな
る半導体発光素子であって、前記ｐ側電極が設けられる
半導体層の少なくとも電極側表面がｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y
Ａｓ（０＜ｙ＜１）またはｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｐ（０＜
ｙ＜１）である半導体発光素子。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23317994A JPH0897468A (ja) | 1994-09-28 | 1994-09-28 | 半導体発光素子 |
| US08/528,308 US5751752A (en) | 1994-09-14 | 1995-09-14 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US09/012,790 US6115399A (en) | 1994-09-14 | 1998-01-23 | Semiconductor light emitting device |
| US09/166,071 US6084899A (en) | 1994-09-14 | 1998-10-05 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method |
| US09/604,097 US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2000-06-27 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US11/146,236 US7616672B2 (en) | 1994-09-14 | 2005-06-07 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US12/579,130 US7899101B2 (en) | 1994-09-14 | 2009-10-14 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US13/010,154 US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2011-01-20 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23317994A JPH0897468A (ja) | 1994-09-28 | 1994-09-28 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0897468A true JPH0897468A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16950975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23317994A Pending JPH0897468A (ja) | 1994-09-14 | 1994-09-28 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0897468A (ja) |
Cited By (23)
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-
1994
- 1994-09-28 JP JP23317994A patent/JPH0897468A/ja active Pending
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