JPH09312416A - ３族窒化物化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】青色発光素子の発光強度の増加及び素子寿命の
長期化 【解決手段】In_0.20Ga_0.80N から成る発光層５の上に、
膜厚約10ｎｍMgドープのp-Al_0.08Ga_0.92N のクラッド層
７１、膜厚約35ｎｍ，Mgドープのp-GaN の第１コンタク
ト層７２、膜厚約5 ｎｍMgドープのp ⁺ -GaNの第２コン
タクト層７３が形成されている。クラッド層７１及びコ
ンタクト層７２、７３は総合厚さが10nm〜150nm と従来
の発光ダイオードのそれらの総合厚さに比べて1/30〜1/
2 に薄く形成されている。発光層５は成長後に発光層５
の成長温度以上の温度にさらされる時間が1.3 〜20分
と、従来の発光ダイオードに比べて1/30〜1/2 と短くす
ることができる。この結果、発光層のインジウムのクラ
ッド層への拡散や、窒素の蒸発が抑制されと共にクラッ
ド層及びコンタクト層中の不純物原子の発光層への拡散
も防止されるために、発光層の結晶性を改善することが
できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３族窒化物半導体を
用いた半導体素子に関する。特に、素子特性や信頼性に
優れた半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、青色や短波長領域の発光素子の材
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及
び緑色を発光色とすること等から注目されている。

【０００３】AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープ
して電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できる。
この結果、AlGaN のｐ伝導型のクラッド層と、ZnとSiド
ープのInGaN の発光層と、GaN のｎ層とを用いたダブル
ヘテロ接合構造を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が提
案されている。この発光ダイオードはサファイア基板の
上にバッファ層、シリコンを高濃度に添加したｎ⁺ 形Ga
N 層、シリコンを添加したｎ形GaN 層からなるクラッド
層、InGaN から成る発光層、ｐ形AlGaN のクラッド層、
ｐ形GaN の第１コンタクト層、ｐ⁺ 形GaN の第２コンタ
クト層を形成したものである。そして、発光層は温度80
0 ℃で厚さ100nm 、ｐ形AlGaN のクラッド層は温度1100
℃で厚さ50nm、ｐ形GaN の第１コンタクト層は温度1100
℃で厚さ200nm 、ｐ⁺ 形GaN の第２コンタクト層は温度
1100℃で厚さ50nmに形成されたものであり、クラッド層
及びコンタクト層の総合成長時間は約40分程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
造の発光ダイオードは、発光強度が未だ小さいという問
題があった。そこで、本発明者らは発光強度の向上につ
いて研究を重ねた結果、次のことが新しく分かった。即
ち、Inを含む発光層を形成した後、発光層の成長温度よ
りも高い温度で、発光層の上に総合厚さ300nm のｐ伝導
形層を形成するために、発光層がその成長温度よりも高
い温度で長い時間さらされる。そのため、発光層のInが
クラッド層に拡散したり発光層中の窒素が蒸発したりし
て、発光層の結晶性が低下し、その結果、発光強度が大
きくならないということが判明した。又、発光層上のク
ラッド層、コンタクト層はマグネシウムを添加してｐ形
半導体とするが、この高温でのクラッド層、コンタクト
層の形成工程において、クラッド層に添加されたマグネ
シウムが発光層へと拡散し、発光層の結晶性を低下させ
ることも判明した。

【０００５】本発明は、上記の知見に基づいて成された
ものであり、本発明の目的は、発光層を形成後に、発光
層が長時間高温にさらされないないようにすることで、
発光層の結晶性を改善し、発光効率を向上させ、素子寿
命の長期化と信頼性の向上を図ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、発光
層を少なくともインジウム(In)を含む３族窒化物半導体
で構成し、発光層の形成後に形成される３族窒化物半導
体から成るクラッド層及びその上に形成されるコンタク
ト層の総合厚さを10〜150nm としたことを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明はクラッド層及びコンタク
ト層はアクセプタ不純物の添加されたｐ形半導体とし、
請求項３の発明はクラッド層を３元系のAl_y1Ga_1-y1N(0
≦y1≦1)とし、コンタクト層をGaN としたことを特徴と
する。又、請求項４の発明はクラッド層及びコンタクト
層にマグネシウム(Mg)を添加してｐ形化し、請求項５の
発明は発光層にアクセプタ不純物とドナー不純物を添加
し、請求項６の発明はそのアクセプタ不純物を亜鉛(Zn)
とし、ドナー不純物をSiとしたことを特徴とする。さら
に、請求項７の発明は発光層を単一又は多重の量子井戸
構造としたことを特徴とする。

【０００８】

【発明の作用及び効果】発光層の上に形成されるクラッ
ド層及びコンタクト層は総合厚さが10nm〜150nm と従来
の発光ダイオードのそれらの総合厚さに比べて1/30〜1/
2 に薄く形成されている。したがって、発光層の形成後
に発光層の成長温度以上の温度にさらされる時間が1.3
〜20分と、従来の発光ダイオードに比べて1/30〜1/2 と
短くすることができた。この結果、発光層のインジウム
のクラッド層への拡散や、発光層中の窒素の蒸発が抑制
されると共にクラッド層及びコンタクト層中の不純物原
子の発光層への拡散も防止されるために、発光層の結晶
性を改善することができた。又、発光層の結晶性が改善
できたために、発光強度及び素子寿命を増加させること
ができた。

【０００９】さらに、発光層にアクセプタ不純物やドナ
ー不純物を添加した場合には、その不純物が発光層から
クラッド層へ熱拡散することも抑制され、発光強度を向
上させることができる。

【００１０】

【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。図１は本願実施例の発光素子100 全体
図を示す。発光素子100 は、サファイア基板１を有して
おり、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN バッフ
ァ層２が形成されている。

【００１１】そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約
4.0 μｍ、電子濃度2 ×10¹⁸/cm³のシリコン(Si)ドープ
GaN から成る高キャリア濃度ｎ⁺ 層３、膜厚約0.5 μｍ
の電子濃度5 ×10¹⁷/cm³のシリコン(Si)ドープのGaN か
ら成るｎ層４、膜厚約100 ｎｍ，亜鉛(Zn)とシリコン(S
i)ドープがそれぞれ、 5×10¹⁸/cm³にドープされたIn
_0.20Ga_0.80N から成る発光層５，膜厚約10ｎｍ，ホール
濃度 2×10¹⁷/cm³, マグネシウム（Mg) 濃度 5×10¹⁹/c
m³ドープのAl_0.08Ga_0.92N から成るｐ伝導型のクラッド
層７１、膜厚約35ｎｍ，ホール濃度 3×10¹⁷/cm³のマグ
ネシウム（Mg) 濃度 5×10¹⁹/cm³ドープのGaN から成る
第１コンタクト層７２、膜厚約5 ｎｍ，ホール濃度 6×
10¹⁷/cm³のマグネシウム（Mg) 濃度 1×10²⁰/cm³ドープ
のGaN から成るｐ⁺ の第２コンタクト層７３が形成され
ている。そして、第２コンタクト層７３の上面全体にNi
/Au の２重層からなる透明電極９が形成されその透明電
極９の隅の部分にNi/Au の２重層からなるボンディング
のためのパッド１０が形成されている。又、ｎ⁺ 層３上
にはAlから成る電極８が形成されている。

【００１２】次に、この構造の半導体素子の製造方法に
ついて説明する。上記発光素子100 は、有機金属気相成
長法（以下ＭＯＶＰＥ）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（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)、ジエチル亜鉛
(Zn(C₂H₅)₂) （以下、「DEZ 」と記す）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。

【００１３】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH₂を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。

【００１４】次に、温度を 400℃まで低下させて、H₂を
20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMA を 1.8×10^-5
モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.
05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1150℃に保持し、H₂を20liter／分、NH₃ を10 lite
r／分、TMG を 1.7×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10^-8モル／分で40分導入
し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×10¹⁸/cm³、シリコン
濃度 4×10¹⁸/cm³のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度ｎ⁺ 層３を形成した。

【００１５】上記の高キャリア濃度ｎ⁺ 層３を形成した
後、続いて温度を1100°C に保持し、H₂を20 liter／
分、NH₃ を10 liter／分、TMG を 1.12 ×10^-4モル／
分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10
^-9モル／分で30分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5
×10¹⁷/cm³、シリコン濃度 1×10¹⁸/cm³のシリコン(Si)
ドープGaN から成るｎ層４を形成した。

【００１６】続いて、温度を800 ℃に保持し、N₂又はH₂
を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を0.2 ×10
^-4モル／分、TMI を1.6 ×10^-4モル／分、H₂ガスにより
0.86ppm に希釈されたシランを0.15×10^-8mol/分で、DE
Z を0.2 ×10^-6モル/ 分で、30分間供給して厚さ100nm
のシリコンと亜鉛が、それぞれ、 5×10¹⁸/cm³にドープ
さたIn_0.20Ga_0.80N から成る発光層５を形成した。

【００１７】続いて、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂
を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を0.5 ×10
^-4モル／分、TMA を0.47×10^-5モル／分、及び、CP₂Mg
を2×10^-7モル／分で２分間導入し、膜厚約10ｎｍのマ
グネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92N から成るクラッ
ド層７１を形成した。クラッド層７１のマグネシウム濃
度は 5×10¹⁹/cm³である。この状態では、クラッド層７
１は、まだ、抵抗率10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。

【００１８】次に、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂を
20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を0.5 ×10^-4
モル／分、及び、CP₂Mg を 2×10^-8モル／分で４分間導
入し、膜厚約35ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN か
ら成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタク
ト層７２のマグネシウム濃度は 5×10¹⁹/cm³である。こ
の状態では、第１コンタクト層７２は、まだ、抵抗率10
⁸ Ωcm以上の絶縁体である。

【００１９】次に、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂を
20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を0.5 ×10^-4
モル／分、及び、CP₂Mg を 4×10^-8モル／分で１分間導
入し、膜厚約5 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN か
ら成るｐ⁺ の第２コンタクト層７３を形成した。第２コ
ンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×10²⁰/cm³であ
る。この状態では、第２コンタクト層７３は、まだ、抵
抗率10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。

【００２０】次に、電子線照射装置を用いて、第２コン
タクト層７３，第１コンタクト層７２及びクラッド層７
１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加
速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビームの移動速度0.2m
m/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10^-5Torrであ
る。この電子線の照射により、第２コンタクト層７３，
第１コンタクト層７２及びクラッド層７１は、それぞ
れ、ホール濃度 6×10¹⁷/cm³,3×10¹⁷/cm³,2×10¹⁷/c
m³、抵抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcmのｐ伝導型半導体と
なった。このようにして多層構造のウエハが得られた。

【００２１】次に、図２に示すように、第２コンタクト
層７３の上に、スパッタリングによりSiO₂層１１を2000
Åの厚さに形成し、そのSiO₂層１１上にフォトレジスト
１２を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図
２に示すように、第２コンタクト層７３上において、高
キャリア濃度ｎ⁺ 層３に対する電極形成部位Ａ^' のフォ
トレジスト１２を除去した。次に、図３に示すように、
フォトレジスト１２によって覆われていないSiO₂層１１
をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。

【００２２】次に、フォトレジスト１２及びSiO₂層１１
によって覆われていない部位の第２コンタクト層７３、
第１コンタクト層７２、クラッド層７１、発光層５、ｎ
層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm² 、BCl₃
ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした
後、Arでドライエッチングした。この工程で、図４に示
すように、高キャリア濃度ｎ⁺ 層３に対する電極取出し
のための孔Ａが形成された。その後、フォトレジスト１
２及びSiO₂層１１を除去した。

【００２３】次に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォ
トレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチ
ング工程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極
９を形成した。そして、その透明電極９の一部にNi/Au
の２層を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ⁺ 層
３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成し
た。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子
毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得
た。この発光素子は駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長43
0 ｎｍ、発光強度2000mCd であった。従来構造のＬＥＤ
に比べて発光強度は２倍になった。

【００２４】上記実施例において、コンタクト層は２層
構造としたが１層構造でも良い。又、上記実施例におい
て、クラッド層７１、第１コンタクト層７２、第２コン
タクト層７３の総合厚さは、50nmとし、これらの成長温
度を1100℃とし、総合成長時間を7 分としたが、総合厚
さは10ｎｍ〜150 ｎｍの範囲とすることが可能である。
この場合には、こられの層の総合成長時間は１〜20分で
ある。10ｎｍよりも薄いとクラッド層７１のキャリアの
閉じ込め効果が低下すると共に第１コンタクト層７２、
第２コンタクト層７３が薄くなり、オーミック性が悪化
し、接触抵抗が増大するので望ましくない。又、150 ｎ
ｍよりも厚いと、成長に時間がかかり、発光層５がその
成長温度以上の温度にさらされる時間が長くなり、結晶
性の改善効果が低下するので望ましくない。

【００２５】又、クラッド層７１の厚さは２nm〜70nm、
第１コンタクト層７２の厚さは２nm〜100nm 、第２コン
タクト層７３の厚さは２nm〜50nmが望ましい。クラッド
層７１の厚さが２nmよりも薄いと、キャリアの閉じ込め
効果が低下するため発光効率が低下するので望ましくな
い。第１コンタクト層７２の厚さが２nmよりも薄いと、
注入されるホール数が減少するので発光効率が低下する
ので望ましくない。第２コンタクト層７３が２nmよりも
薄いと、オーミック性が悪くなり接触抵抗が増大するの
で望ましくない。又、各層が上記の上限厚さを越える
と、発光層がその成長温度以上に曝される時間が長くな
り発光層の結晶性の改善効果が低下するので望ましくな
い。

【００２６】又、クラッド層７１のホール濃度は1 ×10
¹⁷〜 1×10¹⁸／cm³ が望ましい。ホール濃度が 1×10¹⁸
／cm³ 以上となると、不純物濃度が高くなり結晶性が低
下し発光効率が低下するので望ましくなく、 1×10¹⁷／
cm³ 以下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ま
しくない。

【００２７】第１コンタクト層７２は、マグネシウム(M
g)が１×１０¹⁹〜５×１０²⁰／cm³の範囲で第２コンタ
クト層７３のマグネシウム(Mg)濃度より低濃度に添加さ
れｐ伝導型を示す層とすることで、その層のホール濃度
を３×10¹⁷〜８×10¹⁷／cm³と最大値を含む領域とする
ことができる。これにより、発光効率を低下させること
がない。

【００２８】第２コンタクト層７３は、マグネシウム(M
g)濃度を１×１０²⁰〜１×１０²¹／cm³ とする場合が望
ましい。マグネシウム(Mg)が１×１０²⁰〜１×１０²¹／
cm³に添加されたｐ伝導型を示す層は、金属電極に対し
てオーミック性を向上させることができるが、ホール濃
度が１×10¹⁷〜８×10¹⁷／cm³ とやや低下する。（駆動
電圧５Ｖ以下にできる範囲を含む、オーミック性の改善
からMg濃度が上記の範囲が良い。)

【００２９】発光層５は、低温成長が要求されるインジ
ウムが少なくとも含まれている２元、３元、４元の３族
窒化物半導体であれば構成元素の組成比は任意のものが
使用できる。又、クラッド層７１、第１コンタクト層７
２、第２コンタクト層７３に関しては、発光層５よりも
バンドギャップの広い半導体が要求される。こられの層
も２元、３元、４元の３族窒化物半導体を用いることが
できる。発光層５よりもバンドギャップを広くするため
には、そられの層は、発光層に比べてインジウムの組成
比が少なくなり、アルミニウムの組成比が多くなる。こ
のため、クラッド層７１、第１コンタクト層７２、第２
コンタクト層７３の成長温度は発光層の成長温度よりも
高くなる。

【００３０】又、発光層５のシリコン濃度及び亜鉛濃度
は、それぞれ、1 ×10¹⁷〜1 ×10²⁰/cm³が望ましい。１
×１０¹⁷／cm³ 以下であると、発光中心不足により発光
効率が低下し、１×１０²⁰／cm³ 以上となると、結晶性
が悪くなり、又、オージェ効果が発生するので望ましく
ない。さらに好ましくは1 ×10¹⁸〜1 ×10¹⁹／cm³ の範
囲が良い。又、シリコン(Si)の濃度は、亜鉛(Zn)に比べ
て、10倍〜1/10が好ましく、さらに好ましくは 1 〜1/
10の間程度か、少ないほうがより望ましい。

【００３１】又、上記の実施例では、発光層５にシリコ
ンと亜鉛とを添加しているが、発光層５を不純物無添加
としても良い。さらに、上記の実施例では、発光層５は
単層で構成したが、一般式Al_x1Ga_y1In_1-x1-y1N(0≦x1≦
1 _, 0 ≦y1≦1,0 ≦x1+y1 ＜1)の井戸層と一般式Al_x2Ga
_y2In_1-x2-y2N(0≦x2≦1 _, 0 ≦y2≦1,0 ≦x2+y2 ≦1)の
バリア層とから成る単一又は多重量子井戸構造に構成し
ても良い。その場合に、井戸層又はバリア層にドナー不
純物とアクセプタ不純物を同時に添加しても良いし、井
戸層にドナー不純物又はアクセプタ不純物を添加し、バ
リア層に、逆に、アクセプタ不純物又はドナー不純物を
添加しても良い。さらに、井戸層もバリア層も不純物無
添加であっても良い。又、本発明は発光ダイオードの
他、レーザダイオードにも用いることができる。

【００３２】アクセプタ不純物は、２族元素のベリリウ
ム(Be)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(C
d)、水銀(Hg)を用いても良い。２族元素をアクセプタ不
純物とした場合には、ドナー不純物として、４族元素で
ある炭素(C) 、シリコン(Si)、ゲルマニウユ(Ge)、錫(S
n)、鉛(Pb)を用いることができる。又、４族元素をアク
セプタ不純物とした場合には、ドナー不純物として、６
族元素のイオウ(S) 、セレン(Se)、テルル(Te)を用いる
こともできる。ｐ型化は、電子線照射の他、熱アニーリ
ング、N₂プラズマガス中での熱処理、レーザ照射により
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオード
の構成を示した構成図。

【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。

【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。

【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。

【符号の説明】

100 …半導体素子 １…サファイア基板 ２…バッファ層 ３…高キャリア濃度ｎ⁺ 層 ４…ｎ層 ５…発光層 ７１…クラッド層 ７２…第１コンタクト層 ７３…第２コンタクト層 ８…電極 ９…透明電極 １０…パッド

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３族窒化物半導体から成る発光層と発光層
   の上に形成されるクラッド層とを有する発光素子におい
   て、 前記発光層を少なくともインジウム(In)を含む３族窒化
   物半導体で構成し、 前記発光層の形成後に形成される３族窒化物半導体から
   成るクラッド層及びその上に形成されるコンタクト層の
   総合厚さを10〜150nm としたことを特徴とする３族窒化
   物半導体発光素子。
2. 【請求項２】前記クラッド層及び前記コンタクト層はア
   クセプタ不純物の添加されたｐ形半導体であることを特
   徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
3. 【請求項３】前記クラッド層は３元系のAl_y1Ga_1-y1N(0
   ≦y1≦1)であり、前記コンタクト層はGaN であることを
   特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素
   子。
4. 【請求項４】前記クラッド層及び前記コンタクト層はマ
   グネシウム(Mg)が添加されていることを特徴とする請求
   項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
5. 【請求項５】前記発光層はアクセプタ不純物とドナー不
   純物が添加されていることを特徴とする請求項１に記載
   の３族窒化物半導体発光素子。
6. 【請求項６】前記アクセプタ不純物は亜鉛(Zn)であり、
   前記ドナー不純物はSiであることを特徴とする請求項５
   に記載の３族窒化物半導体発光素子。
7. 【請求項７】前記発光層は単一又は多重の量子井戸構造
   であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半
   導体発光素子。