JPH10247744A - 半導体発光素子およびその製法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製法Info
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- JPH10247744A JPH10247744A JP4885497A JP4885497A JPH10247744A JP H10247744 A JPH10247744 A JP H10247744A JP 4885497 A JP4885497 A JP 4885497A JP 4885497 A JP4885497 A JP 4885497A JP H10247744 A JPH10247744 A JP H10247744A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板上に格子定数の異なる半導体層が順次積
層される半導体発光素子において、結晶格子のズレを小
さくし、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。 【解決手段】 基板１上にチッ化ガリウム系化合物半導
体からなるｎ形層３とｐ形層５とが積層されることによ
り発光層を形成する半導体発光素子であって、前記積層
される半導体層の下層と上層との境界部に、該下層の組
成から順次上層の組成に変化する勾配層１３、１４、１
５ａが設けられている。
層される半導体発光素子において、結晶格子のズレを小
さくし、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。 【解決手段】 基板１上にチッ化ガリウム系化合物半導
体からなるｎ形層３とｐ形層５とが積層されることによ
り発光層を形成する半導体発光素子であって、前記積層
される半導体層の下層と上層との境界部に、該下層の組
成から順次上層の組成に変化する勾配層１３、１４、１
５ａが設けられている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は基板上に、格子定数
が異なる半導体層が多層に積層されて発光層を形成する
半導体発光素子およびその製法に関する。さらに詳しく
は、積層される半導体層の結晶格子のズレの影響を小さ
くし、発光特性を向上させる半導体発光素子およびその
製法に関する。
が異なる半導体層が多層に積層されて発光層を形成する
半導体発光素子およびその製法に関する。さらに詳しく
は、積層される半導体層の結晶格子のズレの影響を小さ
くし、発光特性を向上させる半導体発光素子およびその
製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、たとえば青色系（紫外線から黄
色）の光を発光する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は、図４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Ｇ
ａＮがエピタキシャル成長される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
よりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａ
Ｎ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味す
る、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）
２４と、ｐ形の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
２５ａおよびＧａＮ層２５ｂ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、積層される半導体層の一部がエッチングさ
れて露出する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もｐ形層２５と同様に、キャリアの閉じ込め効果を
向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系化合物半
導体層が用いられることもある。
色）の光を発光する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は、図４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Ｇ
ａＮがエピタキシャル成長される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
よりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａ
Ｎ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味す
る、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）
２４と、ｐ形の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
２５ａおよびＧａＮ層２５ｂ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、積層される半導体層の一部がエッチングさ
れて露出する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もｐ形層２５と同様に、キャリアの閉じ込め効果を
向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系化合物半
導体層が用いられることもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体
発光素子は、サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＧａＮ系
化合物半導体、およびＩｎＧａＮ系化合物半導体がそれ
ぞれ積み重なって積層されている。しかし、サファイア
の格子定数は、４.７６Åで、ＧａＮは３.１８Åで、た
とえばＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎは３.１２Åで、たとえばＩ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎは３.１９８Åであり、これらの間の
格子定数は一致していない。これらの格子定数の異なる
半導体層が順次積層されると、それぞれの半導体層にお
いて、結晶格子のズレが生じやすく、電流が流れ難くな
ったり、結晶間に生じるクラックが発光層（活性層）に
も延びて、発光効率が低下するという問題がある。とく
にｎ形層は２〜５μｍ程度と厚く形成され、しかも格子
定数の差が大きいサファイア基板上に薄い低温バッファ
層を介して設けられているため、結晶歪みが蓄積されや
すく、一層結晶格子のズレが生じやすい。
チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体
発光素子は、サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＧａＮ系
化合物半導体、およびＩｎＧａＮ系化合物半導体がそれ
ぞれ積み重なって積層されている。しかし、サファイア
の格子定数は、４.７６Åで、ＧａＮは３.１８Åで、た
とえばＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎは３.１２Åで、たとえばＩ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎは３.１９８Åであり、これらの間の
格子定数は一致していない。これらの格子定数の異なる
半導体層が順次積層されると、それぞれの半導体層にお
いて、結晶格子のズレが生じやすく、電流が流れ難くな
ったり、結晶間に生じるクラックが発光層（活性層）に
も延びて、発光効率が低下するという問題がある。とく
にｎ形層は２〜５μｍ程度と厚く形成され、しかも格子
定数の差が大きいサファイア基板上に薄い低温バッファ
層を介して設けられているため、結晶歪みが蓄積されや
すく、一層結晶格子のズレが生じやすい。
【０００４】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、基板上に格子定数の異なる半導体層が
順次積層される半導体発光素子において、結晶格子のズ
レを小さくし、キャリア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。
なされたもので、基板上に格子定数の異なる半導体層が
順次積層される半導体発光素子において、結晶格子のズ
レを小さくし、キャリア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。
【０００５】本発明の他の目的は、半導体と異なる基板
上にその基板と格子定数が異なる半導体層を積層する場
合に、結晶格子のズレを小さくし、発光効率の優れた半
導体発光素子を得るための製法を提供することにある。
上にその基板と格子定数が異なる半導体層を積層する場
合に、結晶格子のズレを小さくし、発光効率の優れた半
導体発光素子を得るための製法を提供することにある。
【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、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からな
るｎ形層とｐ形層とが積層されることにより発光層を形
成する半導体発光素子であって、前記積層される半導体
層の下層と上層との境界部に、該下層の組成から順次上
層の組成に変化する勾配層が設けられている。
素子は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からな
るｎ形層とｐ形層とが積層されることにより発光層を形
成する半導体発光素子であって、前記積層される半導体
層の下層と上層との境界部に、該下層の組成から順次上
層の組成に変化する勾配層が設けられている。
【０００７】この勾配層は、その組成が連続的に変化す
る半導体層、またはその組成が段階的に変化する薄層の
積層体で構成することができる。この構造にすることに
より、格子定数の異なる半導体層が直接接触しないで、
または僅かづつ変化する薄層の積層体となり、その組成
が順次変化して格子定数も順次変化するため、結晶格子
のズレが生じ難くなる。この結晶格子のズレを生じ難く
するには、前記勾配層が１〜７００ｎｍ程度、さらに好
ましくは１〜３００ｎｍ程度の厚さに設けられていれば
充分である。この程度の厚さでは、クラッド層と活性層
との間のバンドギャップエネルギーの差に影響を与えな
いため、発光特性を低下させない。
る半導体層、またはその組成が段階的に変化する薄層の
積層体で構成することができる。この構造にすることに
より、格子定数の異なる半導体層が直接接触しないで、
または僅かづつ変化する薄層の積層体となり、その組成
が順次変化して格子定数も順次変化するため、結晶格子
のズレが生じ難くなる。この結晶格子のズレを生じ難く
するには、前記勾配層が１〜７００ｎｍ程度、さらに好
ましくは１〜３００ｎｍ程度の厚さに設けられていれば
充分である。この程度の厚さでは、クラッド層と活性層
との間のバンドギャップエネルギーの差に影響を与えな
いため、発光特性を低下させない。
【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。
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。
【０００９】本発明の半導体発光素子の製法は、基板上
にチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層をＭ
ＯＣＶＤ法により順次積層して発光層を形成する半導体
発光素子の製法であって、前記積層される半導体層の下
層と上層との境界部に、該下層の組成から順次上層の組
成に近づくように上層の組成の反応ガスの流量を連続的
に、または段階的に多くしながら前記下層の組成から上
層の組成に近い組成となる勾配層を形成するものであ
る。
にチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層をＭ
ＯＣＶＤ法により順次積層して発光層を形成する半導体
発光素子の製法であって、前記積層される半導体層の下
層と上層との境界部に、該下層の組成から順次上層の組
成に近づくように上層の組成の反応ガスの流量を連続的
に、または段階的に多くしながら前記下層の組成から上
層の組成に近い組成となる勾配層を形成するものであ
る。
【００１０】前記勾配層を形成するのに、前記上層の組
成の反応ガスの流量を順次多くすると共に、または該流
量を変化させないで、反応温度を変化させることもでき
る。Ｉｎの場合、流量より温度の変化の方が敏感である
ため、温度変化の方がコントロールをしやすい。
成の反応ガスの流量を順次多くすると共に、または該流
量を変化させないで、反応温度を変化させることもでき
る。Ｉｎの場合、流量より温度の変化の方が敏感である
ため、温度変化の方がコントロールをしやすい。
【００１１】本発明の半導体発光素子の製法の他の形態
は、基板上に該基板と接して低温バッファ層を設け、該
低温バッファ層上に該低温バッファ層と接して第１導電
形半導体層を成長し、該第１導電形の半導体層上に第２
導電形の半導体層を含む半導体層を積層する半導体発光
素子の製法であって、前記積層する半導体層の少なくと
も低温バッファ層または第１導電形半導体層の成長をそ
の成長初期に起伏部を形成してから該半導体層の成長を
するものである。このような起伏部を形成することによ
り、格子定数の差に基づく結晶格子のズレを吸収し、積
層される半導体層の結晶性が向上する。
は、基板上に該基板と接して低温バッファ層を設け、該
低温バッファ層上に該低温バッファ層と接して第１導電
形半導体層を成長し、該第１導電形の半導体層上に第２
導電形の半導体層を含む半導体層を積層する半導体発光
素子の製法であって、前記積層する半導体層の少なくと
も低温バッファ層または第１導電形半導体層の成長をそ
の成長初期に起伏部を形成してから該半導体層の成長を
するものである。このような起伏部を形成することによ
り、格子定数の差に基づく結晶格子のズレを吸収し、積
層される半導体層の結晶性が向上する。
【００１２】
【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ている。
明の半導体発光素子について説明をする。図１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ている。
【００１３】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が積層されると共に、組成の異なる各半導体層の
間にその組成が徐々に上層の組成に近づくように変化す
る勾配層１３、１４、１５ａがそれぞれ設けられてい
る。そして、積層される半導体層の表面に拡散メタル層
７を介してｐ側電極（上部電極）８が形成されると共
に、積層される半導体層３〜５、１３〜１５ｂの一部が
除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極（下部電極）９
が形成されている。
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が積層されると共に、組成の異なる各半導体層の
間にその組成が徐々に上層の組成に近づくように変化す
る勾配層１３、１４、１５ａがそれぞれ設けられてい
る。そして、積層される半導体層の表面に拡散メタル層
７を介してｐ側電極（上部電極）８が形成されると共
に、積層される半導体層３〜５、１３〜１５ｂの一部が
除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極（下部電極）９
が形成されている。
【００１４】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０.０１〜０.２μ
ｍ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。こ
のｎ形層３の表面に徐々にＩｎの混晶比率が増えてつぎ
の活性層の組成に近くなるように変化させた勾配層１３
が１〜７００ｎｍ程度設けられている。この組成を徐々
に変化させる勾配層１３の成長法については、後で詳述
する。
ばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μ
ｍ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。こ
のｎ形層３の表面に徐々にＩｎの混晶比率が増えてつぎ
の活性層の組成に近くなるように変化させた勾配層１３
が１〜７００ｎｍ程度設けられている。この組成を徐々
に変化させる勾配層１３の成長法については、後で詳述
する。
【００１５】勾配層１３上に、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り、所望の発光波
長により定まる材料、たとえばＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０≦
ｘ＜１、たとえばｘ＝０.０５）からなる活性層４が０.
００５〜０.３μｍ程度形成されている。さらにその表
面に、その組成のＩｎの混晶比率が減ってＡｌの混晶比
率が徐々に増加し、ｐ形層として使用されるＡｌＧａＮ
系化合物半導体の組成に近くなる組成に変化させた勾配
層１４が１〜７００ｎｍ程度形成されている。
ーがクラッド層のそれよりも小さくなり、所望の発光波
長により定まる材料、たとえばＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０≦
ｘ＜１、たとえばｘ＝０.０５）からなる活性層４が０.
００５〜０.３μｍ程度形成されている。さらにその表
面に、その組成のＩｎの混晶比率が減ってＡｌの混晶比
率が徐々に増加し、ｐ形層として使用されるＡｌＧａＮ
系化合物半導体の組成に近くなる組成に変化させた勾配
層１４が１〜７００ｎｍ程度形成されている。
【００１６】勾配層１４上に、ＡｌＧａＮ系化合物半導
体層５ａが０.１〜０.５μｍ程度設けられ、その上に、
Ａｌの混晶比率が徐々に減ってＧａＮとなる勾配層１５
ａが１〜７００ｎｍ程度と、ＧａＮ層５ｂが０.１〜０.
５μｍ程度とが、それぞれ順次積層されている。なお、
前述の各勾配層の厚さは薄い方が好ましく、１〜３００
ｎｍ程度、さらに好ましくは１〜１００ｎｍ程度がよ
い。
体層５ａが０.１〜０.５μｍ程度設けられ、その上に、
Ａｌの混晶比率が徐々に減ってＧａＮとなる勾配層１５
ａが１〜７００ｎｍ程度と、ＧａＮ層５ｂが０.１〜０.
５μｍ程度とが、それぞれ順次積層されている。なお、
前述の各勾配層の厚さは薄い方が好ましく、１〜３００
ｎｍ程度、さらに好ましくは１〜１００ｎｍ程度がよ
い。
【００１７】なお、ｐ形層５はＧａＮ層５ｂとＡｌＧａ
Ｎ系化合物半導体層５ａ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を含む層が活性層４側
に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。ま
た、活性層４としてＩｎ x Ｇａ1-x Ｎを用いたが、活性
層４も所望の発光波長に応じて一般にＩｎp Ａｌ q Ｇａ
1-p-q Ｎ（０≦ｐ＜１、０≦ｑ＜１、０≦ｐ＋ｑ＜１）
で表されるチッ化ガリウム系化合物半導体を用いること
ができる。
Ｎ系化合物半導体層５ａ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を含む層が活性層４側
に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。ま
た、活性層４としてＩｎ x Ｇａ1-x Ｎを用いたが、活性
層４も所望の発光波長に応じて一般にＩｎp Ａｌ q Ｇａ
1-p-q Ｎ（０≦ｐ＜１、０≦ｑ＜１、０≦ｐ＋ｑ＜１）
で表されるチッ化ガリウム系化合物半導体を用いること
ができる。
【００１８】本発明の半導体発光素子では、以上のよう
に、組成の異なる半導体層が積層されるヘテロ接合構造
の接合部に、両者の組成間で順次組成が連続的に変化す
る勾配層が設けられていることに特徴がある。そのた
め、格子定数が大きく異なる半導体層が直接接触するこ
とがなく、格子定数が徐々に変化する層が重なる。その
結果、急激な格子定数の変化を伴う半導体層の積層がな
くなり、結晶格子のズレが生じ難く、結晶性の優れた半
導体層が得られる。一方、たとえば活性層４とｎ形層３
との間には、その中間のバンドギャップエネルギーを有
する勾配層１３が介在されることになるが、この層は１
〜７００ｎｍ程度と薄く、キャリアの閉じ込め効果に影
響を及ぼすものではない。他の半導体層の間に設けられ
る勾配層についても同様であり、結晶格子の急激な変化
を生ずる半導体層の積層はなく、結晶性の優れた半導体
層が順次積層される。しかも、これらの勾配層は前述の
ように、光学特性的には何等の支障もなく、輝度が向上
する半導体発光素子が得られる。
に、組成の異なる半導体層が積層されるヘテロ接合構造
の接合部に、両者の組成間で順次組成が連続的に変化す
る勾配層が設けられていることに特徴がある。そのた
め、格子定数が大きく異なる半導体層が直接接触するこ
とがなく、格子定数が徐々に変化する層が重なる。その
結果、急激な格子定数の変化を伴う半導体層の積層がな
くなり、結晶格子のズレが生じ難く、結晶性の優れた半
導体層が得られる。一方、たとえば活性層４とｎ形層３
との間には、その中間のバンドギャップエネルギーを有
する勾配層１３が介在されることになるが、この層は１
〜７００ｎｍ程度と薄く、キャリアの閉じ込め効果に影
響を及ぼすものではない。他の半導体層の間に設けられ
る勾配層についても同様であり、結晶格子の急激な変化
を生ずる半導体層の積層はなく、結晶性の優れた半導体
層が順次積層される。しかも、これらの勾配層は前述の
ように、光学特性的には何等の支障もなく、輝度が向上
する半導体発光素子が得られる。
【００１９】図１に示される例では、勾配層１３、１
４、１５ａが、その組成が下層の組成から上層の組成に
連続的に変化する層であったが、隣接する層間の組成変
化がそれ程大きくなければ結晶格子のズレは生じ難いた
め、図２に勾配層１３の変形例が示されるように、その
組成が段階的に変化する薄層の積層体により構成するこ
ともできる。この例では、ＧａＮからなるｎ形層３から
Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎへの変化をＩｎの組成が０.００５
づつ増加する薄層１３ａ、１３ｂ・・・、１３ｉをそれ
ぞれ１０ｎｍ程度づつ９層程度積層された積層体からな
っている。なお、ｎ形層３がＡｌＧａＮ系化合物半導体
である場合は、前述のＩｎの量を徐々に増やすと共に、
Ａｌの量を徐々に減らすことにより組成を順次変更す
る。活性層４とＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとの間
の勾配層１４についても前述の逆の組成変化にすればよ
く、他の勾配層についてもも同様である。
４、１５ａが、その組成が下層の組成から上層の組成に
連続的に変化する層であったが、隣接する層間の組成変
化がそれ程大きくなければ結晶格子のズレは生じ難いた
め、図２に勾配層１３の変形例が示されるように、その
組成が段階的に変化する薄層の積層体により構成するこ
ともできる。この例では、ＧａＮからなるｎ形層３から
Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎへの変化をＩｎの組成が０.００５
づつ増加する薄層１３ａ、１３ｂ・・・、１３ｉをそれ
ぞれ１０ｎｍ程度づつ９層程度積層された積層体からな
っている。なお、ｎ形層３がＡｌＧａＮ系化合物半導体
である場合は、前述のＩｎの量を徐々に増やすと共に、
Ａｌの量を徐々に減らすことにより組成を順次変更す
る。活性層４とＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとの間
の勾配層１４についても前述の逆の組成変化にすればよ
く、他の勾配層についてもも同様である。
【００２０】また、図１に示される例では、各ヘテロ接
合の半導体層間に勾配層が設けられたが、すべてのヘテ
ロ接合部に前述の勾配層が設けられる必要はなく、とく
に格子定数の差が大きい半導体層間や、結晶特性がとく
に問題となる活性層近傍の半導体層間に用いれば効果的
である。
合の半導体層間に勾配層が設けられたが、すべてのヘテ
ロ接合部に前述の勾配層が設けられる必要はなく、とく
に格子定数の差が大きい半導体層間や、結晶特性がとく
に問題となる活性層近傍の半導体層間に用いれば効果的
である。
【００２１】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。
製法について説明をする。
【００２２】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（ＮＨ3 ）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、まず、たとえばサファイアからなる基板
１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、Ｇａ
Ｎ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程
度程度成膜する。
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（ＮＨ3 ）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、まず、たとえばサファイアからなる基板
１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、Ｇａ
Ｎ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程
度程度成膜する。
【００２３】ついで、たとえば６００〜１２００℃程度
の高温で前述の反応ガスにより、ｎ形層３を１〜５μｍ
程度成長する。ついで、トリメチルインジウム（以下、
ＴＭＩｎという）の流量を徐々に増やしてＩｎの組成が
徐々に活性層４の組成に近づくような勾配層１３を１〜
３００ｎｍ程度成長する。この場合、ＴＭＩｎの流量が
一定でも反応温度が下がるとＩｎの混晶比率が増加する
ため、流量を一定にしておいて、または流量の変化と共
に反応温度を下げてＩｎの組成を徐々に増加させてもよ
い。その後、ドーパントガスを止めてＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度形成する。
ついで、ＴＭＩｎの流量を徐々に減らし（またはＴＭＩ
ｎの流量はそのままで、反応温度を徐々に上昇させ
て）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）
の流量を増やしながらｐ形層５のＡｌＧａＮ系化合物半
導体の組成に近づくようにＴＭＡの流量を増やして勾配
層１４を１〜３００ｎｍ程度成長する。
の高温で前述の反応ガスにより、ｎ形層３を１〜５μｍ
程度成長する。ついで、トリメチルインジウム（以下、
ＴＭＩｎという）の流量を徐々に増やしてＩｎの組成が
徐々に活性層４の組成に近づくような勾配層１３を１〜
３００ｎｍ程度成長する。この場合、ＴＭＩｎの流量が
一定でも反応温度が下がるとＩｎの混晶比率が増加する
ため、流量を一定にしておいて、または流量の変化と共
に反応温度を下げてＩｎの組成を徐々に増加させてもよ
い。その後、ドーパントガスを止めてＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度形成する。
ついで、ＴＭＩｎの流量を徐々に減らし（またはＴＭＩ
ｎの流量はそのままで、反応温度を徐々に上昇させ
て）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）
の流量を増やしながらｐ形層５のＡｌＧａＮ系化合物半
導体の組成に近づくようにＴＭＡの流量を増やして勾配
層１４を１〜３００ｎｍ程度成長する。
【００２４】その後、ドーパントガスをシクロペンタジ
エニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛
（ＤＭＺｎ）にして、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａ
を０.１〜０.５μｍ程度成長し、ついでＴＭＡの流量を
徐々に減らして最終的にＴＭＡの流量を０にして勾配層
１５ａを１〜３００ｎｍ程度成長する。反応ガスをその
ままにして成長を続け、ＧａＮを０.１〜０.５μｍ程度
成長し、ｐ形層５を全体として０.２〜１μｍ程度形成
する。
エニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛
（ＤＭＺｎ）にして、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａ
を０.１〜０.５μｍ程度成長し、ついでＴＭＡの流量を
徐々に減らして最終的にＴＭＡの流量を０にして勾配層
１５ａを１〜３００ｎｍ程度成長する。反応ガスをその
ままにして成長を続け、ＧａＮを０.１〜０.５μｍ程度
成長し、ｐ形層５を全体として０.２〜１μｍ程度形成
する。
【００２５】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５ｎｍ程度
形成する。ついで、ｎ側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アルゴン
ガスなどの不活性ガスに塩素ガスなどの反応性ガスを混
ぜて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、ｐ側電極８およびｎ側電
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。
てシンターすることにより拡散メタル層７を５ｎｍ程度
形成する。ついで、ｎ側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アルゴン
ガスなどの不活性ガスに塩素ガスなどの反応性ガスを混
ぜて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、ｐ側電極８およびｎ側電
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。
【００２６】なお、前述の製法において、勾配層１３、
１４、１５ａをそれぞれ薄層で形成する場合には、反応
ガスの流量または反応温度を連続的に変化させないで、
階段的に変化させることにより、組成が少しづつ変化す
る薄層の積層体を得ることができる。
１４、１５ａをそれぞれ薄層で形成する場合には、反応
ガスの流量または反応温度を連続的に変化させないで、
階段的に変化させることにより、組成が少しづつ変化す
る薄層の積層体を得ることができる。
【００２７】図３は本発明の半導体発光素子の他の実施
形態を示す断面説明図である。この例は、異なる半導体
層を積層する新たな半導体層の成長初期に、表面状態の
粗い起伏部を形成し、その上に半導体層を成長するもの
である。そうすることにより、その起伏部により結晶格
子のズレが吸収されて、歪みが生じ難くなることが本発
明者らにより見出された。この起伏部を設ける方法は、
サファイア基板１と低温バッファ層２のように半導体層
によりサファイア基板１の格子定数に合せることができ
ない場合や、低温バッファ層２とｎ形層３のように、同
じ組成の半導体層間でも成長温度が相当異なることによ
る結晶格子のズレが生じるような場合などに、とくに効
果がある。しかし、他の半導体層間においても同様であ
る。
形態を示す断面説明図である。この例は、異なる半導体
層を積層する新たな半導体層の成長初期に、表面状態の
粗い起伏部を形成し、その上に半導体層を成長するもの
である。そうすることにより、その起伏部により結晶格
子のズレが吸収されて、歪みが生じ難くなることが本発
明者らにより見出された。この起伏部を設ける方法は、
サファイア基板１と低温バッファ層２のように半導体層
によりサファイア基板１の格子定数に合せることができ
ない場合や、低温バッファ層２とｎ形層３のように、同
じ組成の半導体層間でも成長温度が相当異なることによ
る結晶格子のズレが生じるような場合などに、とくに効
果がある。しかし、他の半導体層間においても同様であ
る。
【００２８】図３に示される例では低温バッファ層２ま
たはｎ形層３を成長し始めるときに、まず表面粗さが大
きい起伏部２ａ、３ａを形成する。この起伏部２ａ、３
ａは、たとえばその高さＨが４０〜５０ｎｍで、ピッチ
Ｐが７０〜８０μｍ程度に形成される。このような起伏
部２ａ、３ａを形成するには、その半導体層の通常の成
長温度より高い温度で成長し始めることにより、前述の
ような起伏部２ａ、３ａを形成することができる。たと
えばサファイア基板１の表面に低温バッファ層２を形成
する場合、通常４００〜６００℃程度で成長するが、そ
の成長の最初にまず６００〜１０００℃程度で成膜する
ことにより、前述の起伏部２ａが形成される。その後、
ＭＯＣＶＤ装置内の温度を４００〜６００℃程度に下げ
ることにより、起伏部２ａの窪んだ部分にも成膜され、
その表面が平坦化される。また、ｎ形層３の成長の始め
に起伏部３ａを形成するには、８００〜１０００℃程度
で成長し始めることにより、前述の起伏部３ａが形成さ
れる。この後、成長温度を６００〜８００℃程度に下げ
るか、再度低温バッファ層の成長温度で低温バッファ層
を成膜することにより、窪んだ部分にも成膜され、平坦
な膜が成膜される。これらの起伏部２ａ、３ａは、この
後の通常のｎ形層３を積層する際に結晶化し、その起伏
も解消されてくるが、結晶格子のズレの防止に寄与す
る。
たはｎ形層３を成長し始めるときに、まず表面粗さが大
きい起伏部２ａ、３ａを形成する。この起伏部２ａ、３
ａは、たとえばその高さＨが４０〜５０ｎｍで、ピッチ
Ｐが７０〜８０μｍ程度に形成される。このような起伏
部２ａ、３ａを形成するには、その半導体層の通常の成
長温度より高い温度で成長し始めることにより、前述の
ような起伏部２ａ、３ａを形成することができる。たと
えばサファイア基板１の表面に低温バッファ層２を形成
する場合、通常４００〜６００℃程度で成長するが、そ
の成長の最初にまず６００〜１０００℃程度で成膜する
ことにより、前述の起伏部２ａが形成される。その後、
ＭＯＣＶＤ装置内の温度を４００〜６００℃程度に下げ
ることにより、起伏部２ａの窪んだ部分にも成膜され、
その表面が平坦化される。また、ｎ形層３の成長の始め
に起伏部３ａを形成するには、８００〜１０００℃程度
で成長し始めることにより、前述の起伏部３ａが形成さ
れる。この後、成長温度を６００〜８００℃程度に下げ
るか、再度低温バッファ層の成長温度で低温バッファ層
を成膜することにより、窪んだ部分にも成膜され、平坦
な膜が成膜される。これらの起伏部２ａ、３ａは、この
後の通常のｎ形層３を積層する際に結晶化し、その起伏
も解消されてくるが、結晶格子のズレの防止に寄与す
る。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、格子定数がそれぞれ異
なる半導体層が積層される半導体発光素子においても、
その間に組成が順次変化する勾配層が設けられたり、起
伏部が設けられることにより、各半導体層に格子歪みが
生じなくて、キャリア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。
なる半導体層が積層される半導体発光素子においても、
その間に組成が順次変化する勾配層が設けられたり、起
伏部が設けられることにより、各半導体層に格子歪みが
生じなくて、キャリア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。
明図である。
【図２】図１の勾配層部分の変形例を示す図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の製法の他の実施形態
を説明する図である。
を説明する図である。
【図４】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図であ
る。
る。
１ 基板 ２ａ 起伏部 ３ ｎ形層 ３ａ 起伏部 ４ 活性層 ５ ｐ形層 １３ 勾配層 １４ 勾配層 １５ａ 勾配層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園部 雅之 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 (72)発明者 伊藤 範和 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内
Claims (7)
- 【請求項１】 基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体
からなるｎ形層とｐ形層とが積層されることにより発光
層を形成する半導体発光素子であって、前記積層される
半導体層の下層と上層との境界部に、該下層の組成から
順次上層の組成に変化する勾配層が設けられてなる半導
体発光素子。 - 【請求項２】 前記勾配層が、１〜７００ｎｍ程度の厚
さに設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記勾配層は、その組成が連続的に変化
する半導体層である請求項１または２記載の半導体発光
素子。 - 【請求項４】 前記勾配層は、その組成が段階的に変化
する薄層の積層体である請求項１または２記載の半導体
発光素子。 - 【請求項５】 基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体
からなる半導体層をＭＯＣＶＤ法により順次積層して発
光層を形成する半導体発光素子の製法であって、前記積
層される半導体層の下層と上層との境界部に、該下層の
組成から順次上層の組成に近づくように上層の組成の反
応ガスの流量を連続的にまたは段階的に多くしながら前
記下層の組成から上層の組成に近い組成となる勾配層を
形成する半導体発光素子の製法。 - 【請求項６】 前記上層の組成の反応ガスの流量を順次
多くすると共に、または該流量を変化させないで、反応
温度を変化させることにより前記勾配層を形成する請求
項５記載の半導体発光素子の製法。 - 【請求項７】 基板上に該基板と接して低温バッファ層
を設け、該低温バッファ層上に該低温バッファ層と接し
て第１導電形半導体層を成長し、該第１導電形の半導体
層上に第２導電形の半導体層を含む半導体層を積層する
半導体発光素子の製法であって、前記積層する半導体層
のうち少なくとも前記低温バッファ層または第１導電形
半導体層の成長を、その成長初期に起伏部を形成してか
ら該半導体層の成長をする半導体発光素子の製法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4885497A JP3713118B2 (ja) | 1997-03-04 | 1997-03-04 | 半導体発光素子の製法 |
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