WO2003103062A1 - Dispositif semi-conducteur a base de nitrure de gallium et son procede de fabrication - Google Patents

Dispositif semi-conducteur a base de nitrure de gallium et son procede de fabrication Download PDF

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WO2003103062A1
WO2003103062A1 PCT/JP2003/007061 JP0307061W WO03103062A1 WO 2003103062 A1 WO2003103062 A1 WO 2003103062A1 JP 0307061 W JP0307061 W JP 0307061W WO 03103062 A1 WO03103062 A1 WO 03103062A1
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layer
gan
less
thickness
type
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PCT/JP2003/007061
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Hisao Sato
Tomoya Sugahara
Shinji Kitazawa
Yoshihiko Muramoto
Shiro Sakai
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Nitride Semiconductors Co.,Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to improvement of luminous efficiency.
  • GaN gallium nitride
  • Light emitting devices in the 370-55 Onm band using nitride semiconductors have been put to practical use. These light-emitting elements mainly use InxGai-xN (0 ⁇ x ⁇ 1) as a light-emitting material.
  • InxGai-xN (0 ⁇ x ⁇ 1)
  • the emission wavelength changes, and specifically, as X increases, the emission wavelength also increases.
  • the In composition ratio X is changed, the luminous efficiency changes along with the emission wavelength. Specifically, if the In composition ratio X becomes too large,
  • the luminous efficiency generally increases in the wavelength range of 400 to 530 nm, but the luminous efficiency decreases again when the wavelength falls below 40 Onm.
  • the decrease in luminous efficiency on the short wavelength side below 400 nm is considered to be due to dislocations in the crystal.
  • the high efficiency of light-emitting devices (LEDs, etc.) with a proper In composition ratio at wavelengths of 400 to 530 nm regardless of dislocation density is due to fluctuations in the In composition in the InGaN layer. That is, when the composition fluctuation of In is present, light is emitted at a site where the In composition is partially large, so that the injected carrier is trapped at that site, and the efficiency cannot be reduced because it cannot reach the dislocation. In order to shorten the emission wavelength, it is necessary to reduce the In composition ratio X, as described above. Ragi is also small. If the composition fluctuation is small, carriers are not sufficiently captured, and the carrier reaches a dislocation, resulting in a decrease in luminous efficiency.
  • the luminous efficiency largely depends on the dislocation density, and the luminous efficiency is reduced by the presence of the dislocation.
  • the dislocation density has been reduced by using, for example, an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method or a method of growing a light-emitting layer on a sapphire substrate with grooves, etc., and these methods use methods such as photolithography.
  • ELO Epiaxial Lateral Overgrowth
  • a method of growing a light-emitting layer on a sapphire substrate with grooves, etc. use methods such as photolithography.
  • An object of the present invention is to obtain a device excellent in luminous efficiency at a short wavelength (especially, a wavelength of 400 nm or less) without using a special technique such as photolithography.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor device of the present invention includes: a substrate; a first superlattice layer formed by alternately stacking an n-type A 1 GaN layer and an n-type GaN layer formed on the substrate; (1) a multiple quantum well layer formed on the superlattice layer and formed by alternately stacking a GaN quantum well layer and a GaN quantum barrier layer; and a p-type AIGaN formed on the multiple quantum well layer. And a second superlattice layer formed by alternately stacking layers and p-type GaN layers.
  • a buffer layer, a first GaN-based layer, and an n-type GaN-based layer are provided between the substrate and the first superlattice device, and a second GaN-based layer is provided on the first superlattice layer. And a p-type GaN-based layer on the second superlattice layer.
  • the A 1 composition ratio of the GaN-based quantum barrier layer in the multiple quantum well layer may be larger than the A 1 composition ratio of the first superlattice layer and the second superlattice layer.
  • the A 1 composition ratio of the A 1 G aN layer in the first super lattice layer and the second super lattice layer is 5% or more and 25% or less, and In G a N or
  • the In composition ratio of the A1InGaN quantum well layer is 3% or more and 20% or less, and the A1 composition ratio of the A1GaN or A1InGaN quantum barrier layer is 1% or more and 30% or less.
  • the well layer has a smaller band gap than the quantum barrier layer. May be.
  • the thicknesses of the A 1 GaN layer and the GaN layer in the first superlattice layer are each 1 nm or more and 1 O nm or less, and the thickness of the quantum well layer in the multiple quantum well layer is
  • the thickness of the quantum barrier layer is 1 nm or more and 5 nm or less
  • the thickness of the AI GaN layer in the second superlattice layer is 0.5 nm or more and 10 nm or less
  • the thickness of the GaN layer is 2 nm or more and 50 nm or less. May be 0.5 nm or more and 5 nm or less.
  • the thickness of the first GaN-based layer is 500 nm or more and 3000 nm or less
  • the thickness of the n-type GaN-based layer is 500 nm or more and 10000 nm or less
  • the first superlattice layer The thicknesses of the A 1 GaN layer and the GaN layer are 1 nm or more and 1 Onm or less, respectively
  • the thickness of the second GaN-based layer is 5 nm or more and 10 Onm or less
  • the thickness of the quantum well layer is 1 nm to 5 nm
  • the thickness of the quantum barrier layer is 2 nm to 50 nm
  • the thickness of the A 1 GaN layer in the second superlattice layer is 0.5 nm to 10 nm.
  • the thickness of the GaN layer is not more than 0.5 nm and not more than 5 nm
  • the thickness of the p-type GaN-based layer may be not less than 5 nm and not more than 50 nm.
  • the thicknesses of the A 1 GaN layer and the GaN layer in the first superlattice layer are each 1.5 nm or more and 5 nm or less, and the thickness of the quantum well layer in the multiple quantum well layer is 1 nm or more.
  • the thickness of the quantum barrier layer is 6 nm or more and 20 nm or less
  • the thickness of the A 1 GaN layer in the second superlattice layer is 1 nm or more and 6 nm or less and the thickness of the GaN layer is 0. It may be 5 nm or more and 3 nm or less.
  • the thickness of the first GaN-based layer is 1500 nm or more and 3000 nm or less, and the thickness of the n-type GaN-based layer is 1000 nm or more and 2000 nm or less.
  • the thickness of the A 1 GaN layer and the GaN layer is 1.5 nm or more and 5 nm or less, respectively, the thickness of the second GaN-based layer is 20 nm or more and 40 nm or less,
  • the thickness of the quantum well layer in the well layer is 1 nm or more and 2 nm or less, the thickness of the quantum barrier layer is 6 nm or more and 20 nm or less, and the thickness of the A 1 GaN layer in the second superlattice layer is 1 nm.
  • the thickness of the GaN layer is not less than 0.5 nm and not more than 3 nm at not less than 6 nm and not more than 6 nm, and the thickness of the p-type GaN-based layer may be not less than 10 nm and not more than 40 nm.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor device of the present invention can be manufactured by the MOCVD method. In this manufacturing method, the buffer layer is formed on the substrate at a temperature of 450 ° C. or more and 600 ° C.
  • the first GaN-based layer, the n-type GaN-based layer, and the first A lattice layer is sequentially formed at a temperature of 1050 ° C or more and 1100 ° C or less
  • the second GaN-based layer and the multiple quantum well layer are sequentially formed on the first superlattice layer at a temperature of 800 ° C or more and 900 ° C or less.
  • forming the second superlattice layer and the P-type GaN-based layer on the multiple quantum well layer sequentially at a temperature of 950 ° C. or more and 1025 ° C. or less.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor device of the present invention includes: a substrate; an n-type AlGaN layer formed on the substrate; and a GaN-based quantum well layer formed on the n-type A 1 GaN layer. And a GaN-based quantum barrier layer alternately stacked thereon, and a p-type A 1 GaN layer formed on the multiple quantum well layer.
  • the A 1 composition ratio of the GaN-based quantum barrier layer in the multiple quantum well layer may be larger than the A 1 composition ratio of the n-type A 1 GaN layer and the p-type A 1 GaN layer.
  • a buffer, a first GaN-based layer, and an n-type GaN-based layer are provided between the substrate and the n-type A1 GaN layer, and the n-type A1 GaN layer and the multiplex A second GaN-based layer may be provided between the quantum well layers, and a p-type GaN-based layer may be provided on the p-type A1GaN layer.
  • the A 1 composition ratio of the n-type A 1 GaN layer and the p-type A 1 GaN layer is 5% or more and 25% or less, and InGaN or A 1 InGaN quantum well layer in the multiple quantum well layer
  • the In composition ratio is 3% or more and 20% or less
  • the Al composition ratio of the Al InGaN or A 1 GaN quantum barrier layer is 1% or more and 30% or less
  • the quantum well layer is more than the quantum barrier layer.
  • the band gap may be reduced.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor device of the present invention can also be manufactured by the MOCVD method. In this manufacturing method, the buffer layer is formed on the substrate at a temperature of 450 ° C. or more and 600 ° C.
  • the first GaN-based layer, the n-type GaN-based layer, and the n -Type AlGaN layer is sequentially formed at a temperature of 1050 ° C or more and 1100 ° C or less
  • the second GaN-based layer and the multiple quantum well layer are sequentially formed at a temperature of 800 ° C or more and 900 ° C or less on the n-type AlGaN layer.
  • Forming the AlGaN layer and the p-type GaN-based layer sequentially at a temperature of 950 ° C. or more and 1025 ° C. or less.
  • an n-electrode connected to the n-type GaN-based layer a p-electrode connected to the p-type GaN-based layer, and a voltage between the n-electrode and the p-electrode And a power source.
  • a device that emits light having a wavelength of 400 nm or less can be obtained by using such a device as a light source.
  • a device incorporating the gallium nitride-based compound semiconductor device of the present invention in a light source is excellent in luminous efficiency at a short wavelength (wavelength of 40 O nm or less), and thus is suitable for applications requiring a short wavelength light source.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a gallium nitride-based compound semiconductor device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional electron micrograph of the light emitting device.
  • FIG. 3 is a diagram showing another cross-sectional electron micrograph of the light emitting device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a configuration of a light emitting element (LED) as a GaN-based compound semiconductor device according to the present embodiment.
  • Light emitting devices are manufactured by growing multiple layers on a substrate using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Specifically, it is manufactured as follows. Although the MOCVD apparatus itself is publicly known, the outline of the apparatus configuration is that a susceptor and a gas introduction pipe are provided in the reaction tube. The substrate is placed on the susceptor and the source gas is supplied while the substrate is heated in the heater to react on the substrate.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • Gas inlets are provided, for example, on two sides of the reaction tube.One is for introducing a source gas such as trimethylgallium-silane gas from the side of the substrate, and the other is for introducing gas from the upper part of the substrate via a gas-permeable microporous member. Supply a mixed gas of hydrogen and nitrogen.
  • a sapphire c-plane substrate 10 is prepared, set in a susceptor of a normal pressure MOCVD apparatus, and heat-treated at a substrate temperature of 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere for 10 minutes. After that, the temperature of the substrate 10 is reduced to 500 ° C, and the monomethylsilane gas and the ammonia gas are The SiN buffer film 12 is discontinuously formed on the substrate 10 by flowing for 100 seconds. C The discontinuous S ⁇ ] ⁇ 1 film 12 is for surely reducing dislocations in the layer. However, in the present embodiment, it is also possible to omit. Next, while maintaining the temperature at 500 ° C., trimethyl gallium and ammonia gas are allowed to flow to form a 25 nm GaN buffer layer 14.
  • This GaN buffer layer 14 functions as a so-called low-temperature buffer layer.
  • the temperature is raised to 1075 ° C., and trimethyl gallium and ammonia gas are flowed again to form an undoped GaN layer 16 of 2 m.
  • monomethylsilane gas is added to trimethylgallium and ammonia gas to form a Si doped n-GaN layer 18 of 1 ⁇ m.
  • Monomethylsilane gas is used to dope Si into n-type GaN, and the carrier density in the Si-doped n-GaN layer 18 is about 5 ⁇ 10 18 cm— 3 .
  • the Si dopant n-Al. iG ao. 9 N (2 nm) / S i doped n-GaN (2 nm) 50 pairs are formed alternately to form an SLS (Strained Layer Superlattice) layer 20.
  • SLS Silicon Layer Superlattice
  • trimethylaluminum may be supplied in addition to trimethylgallium and ammonia gas (actually, monomethylsilane gas is supplied in order to dope Si).
  • the average carrier density in the SLS layer 20 is 5 10 18 cm- 3 .
  • the substrate temperature is lowered to 830 ° C. to form an undoped GaN layer 22 of 30 nm. Furthermore, and one-flop I n 0. 05 G a 0 . 95 N (1. 5 nm) / and one-flop A 1 o. I I no. 02 G ao. 88 N 7 a (9. 5 nm) alternately
  • the MQW (multiple quantum well) light emitting layer 24 is formed by stacking the pairs. InGaN is formed by supplying trimethylgallium, trimethylindium and ammonia gas, and AlInGaN is formed by further supplying trimethylaluminum. !
  • the light-emitting layer 24 is formed by alternately laminating well layers and a NOR layer.
  • AND-Ip InGaN functions as a well layer
  • undoped Al InGaN functions as a barrier layer.
  • the bad gap of the well layer is set smaller than that of the barrier layer.
  • the well layer is an InGaN layer, but the well layer may be composed of A1InGaN.
  • the composition of A1 is adjusted to The band gap is made smaller than that of the barrier layer.
  • the A1 composition ratio of the well layer is preferably 0% to 20%.
  • the InGaN well layer in FIG. 1 shows the case where the A1 composition ratio is 0%.
  • the A1 composition ratio of the barrier layer is preferably from 1% to 30%.
  • MQW light-emitting layer 24 After forming the MQW light-emitting layer 24, raise the temperature of the substrate 10 to 975 ° C and alternately make 50 pairs of Mg-doped p-AlGaN (1.5 nm) / Mg-doped p_GaN (0.8 nm). Then, a p-SLS layer 26 is formed, and a p-GaN layer 28 is formed to a thickness of 15 nm. p- carrier concentration in the SLS layer 26 and the p- GaN layer 28 is that it 5 10 17 cm- 3, 3 X 10 18 cm- 3.
  • the SLS layer 20 and the SLS layer 26 formed so as to sandwich the light emitting layer 24 function as a cladding layer for confining the carrier.
  • the LED wafer is taken out of the MOCVD apparatus, Ni (10 nm) and Au (10 nm) are sequentially vacuum-deposited and laminated on the surface, containing 5% oxygen.
  • the metal film is heat-treated at 520 ° C. in a nitrogen gas atmosphere to make the p transparent electrode 30.
  • a photoresist is applied to the surface, and etched using the etching mask so as to expose the n-GaN layer 18, and Ti ( 5 nm) and A 1 (5 nm) are vapor-deposited and heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes in nitrogen gas to form an n-electrode 32.
  • the SLS layer 20 corresponds to a first superlattice layer
  • the MQW light emitting layer 24 corresponds to a multiple quantum well layer
  • the SLS layer 26 corresponds to a second superlattice device.
  • the GaN layer 16 corresponds to the first GaN layer
  • the n-GaN layer 18 doped with Si corresponds to the n-type GaN layer
  • the GaN layer 22 corresponds to the second GaN layer.
  • a corresponds to the N-based layer
  • the p-GaN layer 28 corresponds to the p-type GaN-based layer.
  • a 500 nm thick Au pad for wire bonding is formed on part of the p-electrode 30 and the n-electrode 32, and the back surface of the substrate 10 is polished to 100 m and scrubbed.
  • a chip is cut out and mounted to produce a light-emitting device (LED device).
  • Table 1 shows the material and composition ranges and carrier concentration ranges for each layer shown in Figure 1.
  • the MQW light emitting layer 24 is an A 1 InGaN / Al InGaN MQW layer, the former indicating a well layer and the latter indicating a barrier layer. It should be noted in Table 1 that the A1 composition ratio in the SLS layers 20 and 26 is 5% or more and 25% or less, the A1 composition ratio in the well layer in the MQW light emitting layer 24 is 0% or more and 20% or less, and the In composition ratio Is 3% or more and 20% or less, the A1 composition ratio of the barrier layer is 1% or more and 20% or less, and the In composition ratio is 0% or more and 10% or less.
  • the A1 composition ratio of the barrier layer in the MQW light emitting layer 24 may be 1% or more and 30% or less.
  • the A1 composition ratio of the barrier layer be larger than the A1 composition ratio of the SLS layers 20 and 26. It is.
  • the electrons and holes as carriers recombine in the well layer of the MQW light emitting layer 24 to emit light.
  • Increasing the A 1 composition ratio of the paria layer increases the band gap, and can efficiently confine the carrier in the well layer of the MQW light emitting layer 24 to improve the luminous efficiency.
  • the Al composition ratio of the barrier layer increases, the effective bandgap of the well layer of the MQW light emitting layer 24 also increases.
  • a 1 composition ratio of the well layer comprises 0%, since I n composition ratio of Baria layer contains 0%, as the material of the MQW light emitting layer 24, there is a combination of the following four types £ (a) 1110 & ⁇ [well layer / / 10/10 &] ⁇ barrier layer
  • the composition is selected such that the band gap of the well layer is smaller than the band gap of the barrier layer.
  • FIG. 1 shows the case (b).
  • Table 2 shows the preferred film thickness of each layer. Table 2
  • the thickness of the Al InGaN (or InGaN) well layer is 1 nm or more and 5 nm or less
  • the thickness of the Al InGaN (or AIGaN) barrier layer is 2 nm or more and 50 nm. It is as follows.
  • the thickness of A 1 GaN in the SLS layer 20 is 1 nm or more and 1 Onm or less, and the thickness of GaN is 1 nm or more and 1 Onm or less.
  • the thickness of A 1 G aN in the SLS layer 26 is 0.5 nm or more and 10 nm or less, and the thickness of GaN is 0.5 nm or more and 5 nm or less.
  • the thickness of the GaN buffer layer 14 is 1 to 4 Onm, and the thickness of the AND GaN layer 16 is 50 to 300 Onm (preferably).
  • the thickness of the Si-doped n-GaN layer 18 is 500 nm to 10,000 nm, and the thickness of the undoped GaN layer 22 is 5 nm to 100 nm.
  • the thickness of the p-GaN layer 28 is 5 nm or more and 50 nm or less.
  • Table 3 shows more preferable film thickness of each layer.
  • the thickness of the Al InGaN (or InGaN) well layer is 1 nm or more and 2 nm or less, and the thickness of the Al InGaN (or AIGaN) barrier layer is 6 nm or more and 20 nm. It is as follows.
  • the thickness of A 1 GaN in the SLS layer 20 is 1.5 nm or more and 5 nm or less, and the film thickness of GaN is 1.5 nm or more and 5 nm or less.
  • the film thickness of A 1 GaN in the SLS layer 26 is 1 nm or more and 6 nm or less, and the film thickness of 0 & ⁇ [is 0.5 nm or more and 3 nm or less.
  • the thickness of the GaN buffer layer 14 is 25 nm or more and 35 nm or less
  • the thickness of the AND GaN layer 16 is 1500 nm or more and 3000 nm or less (preferably 150 Onm or more and 200 Onm or less).
  • the thickness of the doped n-GaN layer 18 is 1000 nm or more and 2000 nm or less
  • the thickness of the AND-GaN layer 22 is 20 nm or more and 40 nm or less
  • the thickness of the p-GaN layer 28 is 10 nm or more and 40 nm. It is as follows.
  • Table 4 shows the growth temperature when each layer is grown by MOCVD equipment.
  • the GaN buffer layer 14 is grown at 450 ° C to 600 ° C
  • the undoped GaN layer 16 is grown at 1050 ° C to 1100 ° C
  • the Si-doped n-GaN layer 18 is 1050 ° C.
  • SLS layer 20 or AlGaN single layer 20 is grown at 1050 ° C to 1100 ° C
  • undoped GaN layer 22 is grown at 800 ° C to 900 ° C
  • MQW emission Layer 24 is grown above 800 ° C and below 900 ° C
  • SLS layer 26 or AlGaN single layer 26 is grown above 950 ° C and below 1025 ° C
  • p-GaN layer 28 is above 950 ° C and above 1025 ° C. Grow below ° C.
  • the light emitting device fabricated as described above was placed in an integrating sphere, a power supply was connected to the P electrode 30 and the n electrode 32, and a current was injected to measure the total light output emitted from the chip.
  • the output was about 2 mW at an injection current of 20 mA.
  • the emission wavelength has been confirmed to be in the range of 372 ⁇ m ⁇ 5 nm, although there is some variation in the wafer surface with a diameter of 2 inches. External quantum efficiency is about 3% o
  • the applicant of the present application formed a large number of wafers in which the materials and thicknesses of the layers in FIG. 1 were changed and performed similar evaluations. As a result, they found that the constraint conditions of each layer were different depending on the emission wavelength band. That is, when the emission peak wavelength was 380 to 40 Onm, an optical output of 1 mW or more was obtained if the thickness of each layer was within the preferred thickness range shown in Table 2.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a cross-sectional electron micrograph of the light emitting device manufactured in the present embodiment.
  • dislocations are reduced at the interface between the n-GaN / AlGaN SLS layer 20 and the undoped GaN layer 22. Due to the strain contained in the SLS layer 20 and the change in the growth temperature at this interface, the dislocations propagated from the underlayer are bent in the lateral direction (lateral direction), and It is considered that the dislocations in the MQW light emitting layer 24 formed in the above were reduced.c That is, it is considered that the dislocations in the MQW light emitting layer 24 can be suppressed by adjusting the composition and the thickness of each layer to the above ranges. .
  • the composition fluctuation of the luminescent layer 24 can be considered.
  • the In composition is low and the composition fluctuation of the InGaN hardly occurs.
  • the composition fluctuation occurs, light is emitted at a site where the In composition is partially large, so that the injected carrier is captured at the site and cannot reach the dislocation, so that the efficiency does not decrease.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a cross-sectional electron micrograph.
  • the well layer of the light emitting layer 24 is not uniform.
  • the composition fluctuation can be increased and the decrease in the light emission efficiency due to dislocation can be suppressed.
  • high luminous efficiency can be obtained by using the layer structure shown in FIG. 1 and setting the thickness of each layer to the range shown in Table 2 or Table 3.
  • A1 GaN with an A1 composition of 5 to 25% is formed in an area of 5 Onm or more and 50 Onm or less, more preferably 70 nm or more and 300 nm or less.
  • a 1 GaN with an AL composition of 5 to 25% is formed in a range of 50 nm to 500 nm, more preferably, 70 nm to 200 nm.
  • the overall configuration when using the A 1 G aN single layer is as follows.
  • the A1 composition ratio is selected so as to be smaller than the band gap of the well layer and the barrier layer of the MQW 24.
  • the Al composition ratio of the barrier layer of MQW24 is preferably selected to be larger than the Al composition ratio of the AlGaN layers 20 and 26. Specifically, the A1 composition ratio of the barrier layer of MQW24 can be about 30%.
  • the applicant of the present invention did not form the SiN film 12 in FIG. 1, and instead of the undoped GaN layer 16, the structure of a GaN layer ZSiN layer / GaN layer in which SiN was inserted into a GaN layer was used.
  • an AlGaN layer (26 ⁇ m) and an MQW light emitting layer 24 are formed by alternately forming three pairs of InGaN well layers (1.7 nm) / A 1 GaN barrier layers (13 nm).
  • a light emitting device was also fabricated as an SLS layer 26 by alternately forming a 50 nm AlGaN (1.1 nm) / GaN (0.5 nm) layer as the SLS layer 26.
  • SiN By inserting SiN into the GaN layer, dislocations in the GaN layer formed on the SiN layer are reduced, and thereby dislocations in the MQW light emitting layer 24 are suppressed.
  • Table 5 shows the range of material and composition of each layer and the range of carrier concentration.
  • the A1 composition ratio of the A1 GaN barrier layer in the MQW light emitting layer 24 is 30%, which is larger than the A1 composition ratio of the SLS layer 20 of about 18%, and the A1 composition ratio of the SLS layer 26 is 5%. Greater than ⁇ 25%. As the A1 composition in A1GaN increases, the crystal quality deteriorates. Therefore, the upper limit of the A1 composition of the A1GaN barrier layer of the MQW light emitting layer 24 is preferably about 30%.
  • the light emitting device in this embodiment has high luminous efficiency at a wavelength of 400 nm or less, various products can be manufactured by exclusively utilizing this characteristic.
  • some examples of devices using the light emitting device shown in FIG. 1 as a light source will be described.
  • the light-emitting device (LED) shown in Fig. 1 is used as a light source for figure reproduction, it will be compact and can be driven by batteries.
  • the figure drawn with a black pen was irradiated with LEDs with peak wavelengths of 400 nm, 385 nm, and 372 nm to try to reproduce the figure.
  • the irradiation light intensity is about 5 mW (400 nm), 3 mW (385 nm), and 1 mW (372 nm).
  • the LED in the wavelength band of 365 to 380 nm is very suitable as a light source for reproducing figures drawn with a commercially available black pen (highlighter pen).
  • a system for drawing invisible characters and figures which can be easily reproduced by incorporating the LED of this embodiment together with a battery in a key holder, a black pen, an eraser or other products can be obtained.
  • the light from the LED was irradiated on the human skin for a short time to examine the effect.
  • the skin was irradiated with LED light having peak wavelengths of 400 nm (5 mW), 385 nm (3 mW), and 372 nm (lmW) for 10 minutes to examine changes in the skin (so-called sunburn).
  • peak wavelengths of 400 nm (5 mW) 385 nm (3 mW)
  • 372 nm (lmW) 372 nmW)
  • a tanning device was manufactured using this LED as a light source.
  • a tanning device was fabricated on the strip and an experiment was conducted. All devices were tanned by irradiation for 10 minutes. In addition, skin damage was observed after irradiation for more than 30 minutes.Conventionally, the sunburn device used an ultraviolet lamp, so it was suitable for applications with a large irradiation area.
  • a tanning device in which an LED with a peak wavelength of 372 nm (1 mW) is incorporated in the light source for skin coated with UV cut cosmetics (SPF 50 + PA + + +), which are commercially available. For 10 minutes. As a result, it was confirmed that the degree of sunburn was extremely small as compared with the case where UV cut cosmetics were not applied. Thus, the LED of the present embodiment can be used as an apparatus for evaluating the performance of UV cut cosmetics.
  • the inspection apparatus of the present embodiment can make a tan on an arbitrary shape or part such as a dot or a line, so that the degree of tan can be checked for each part of the human body, Or you can carry it and check the irradiation effect over a long period of time.
  • Luminescent materials are used for signs such as clock faces and evacuation guidance. This uses a mechanism that makes it possible to read characters and the like even in darkness by utilizing the fact that when light is applied to the luminous agent, fluorescence continues even if the light is turned off. In recent years, the luminous time has become longer and three primary colors can be produced. For example, a short afterglow type in which copper is bonded to zinc sulfide and a long afterglow type in which a rare earth metal is bonded to strontium aluminum are generally known. The sensitivity of such a phosphorescent agent is generally 40 nm or less in wavelength. It is in.
  • a display device with extremely low power consumption can be manufactured by repeating the operation of irradiating light for a short time and extinguishing the light.
  • Emergency display devices that do not disappear even when the power is turned off are also acceptable.
  • Display devices were fabricated by combining LEDs with peak wavelengths of 400 nm (5 mW), 385 nm (3 mW), and 372 nm (1 mW) with luminescent agents of three primary colors. The phosphorescent agent was processed into a plate shape, and the light of the LED of the embodiment was irradiated from the back surface to observe the light emission from the front surface.
  • the display device using the LED in the wavelength band of 365 to 400 nm and the luminous agent can significantly reduce the power consumption as compared with the conventional display device.
  • LEDs with peak wavelengths of 40 Onm (5 mW) and 385 nm (3 mW) appear blue to purple to the naked eye, so if red light is emitted with a luminous agent, both will mix and cannot reproduce pure red. The same is true for green.
  • LEDs with a peak wavelength of 372 nm (1 mW) are barely visible to the naked eye, and can faithfully reproduce the three primary colors. Therefore, a display device that uses LEDs in the 365-38 Onm wavelength band as a light source and that uses a luminous agent can reproduce low power consumption and full color.
  • the compound eyes of insects such as moths have peak sensitivity at a wavelength of 360 nm.
  • insect control devices using ultraviolet lamps are commercially available.
  • An ultraviolet lamp was attached to the street and an insect control device was installed around the street.
  • Ultraviolet lamps generally appear bright because they also emit visible light. There is also the problem of high power consumption.
  • the LED of the embodiment was used as a light source for collecting insects.
  • the beak wavelength is 372 nm.
  • the LED was placed in the dark, at the same time c was confirmed a collection status of the insect, 2 W mercury lamp was also installed in a different location for the purpose of comparison.
  • pulse driving was performed with a peak current of 200 mA, a peak output of about 10 mW, a pulse width of 10 mS, and a repetition frequency of 10 Hz (average output of 1 mW).
  • the light output was smaller for the LED, it was observed that more insects gathered on the LED.
  • Mercury lamps are blue to purple to the naked eye Although it looked like a color, the LED was hardly visible to the naked eye. This indicates that 365-38 Onm wavelength LED can be used as a light source for insect collection o
  • the insect control apparatus using the LED of the present embodiment as a light source has the advantage that the power consumption is small and the LED has a small size, so that the degree of freedom of the light source layout is increased. Furthermore, since it is almost invisible to the naked eye, it can be used in environments where lighting is disliked.
  • the embodiments of the present invention have been described above, these are merely examples, and other devices can be manufactured using the LED of the present invention.
  • it can be used for a device for judging banknotes and discriminating the authenticity of the banknotes, and for washing air and water using a photocatalytic reaction obtained by irradiating titanium oxide.
  • an AlGaN layer can be used instead of the GaN layer 16, and an n-type A 1 GaN layer can be used instead of the n-type GaN layer 18 c .
  • An InGaN layer can be used instead, and a p-type InGaN layer can be used instead of the p-type GaN layer 28.
  • the GaN-based layer includes a GaN layer, an A1 GaN layer in which Ga of GaN is replaced with A1 and In, and an InGaN layer.

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Description

明 細 書 窒化ガリウム系化合物半導体装置及び製造方法 技術分野
本発明は窒化ガリウム （GaN)系化合物半導体装置及びその製造方法に関し- 特に発光効率の改善に関する。 背景技
窒化物半導体を用いた波長 370-55 Onm帯の発光素子が実用化されてい る。 これらの発光素子では、 主に I nxG a i— xN (0<x< 1) を発光材料とし て使用している。 I
Figure imgf000003_0001
における I n組成比 xを変化させることで発光 波長が変化し、 具体的には Xが大きくなるほど発光波長も長くなる。 また、 In 組成比 Xを変化させると発光波長とともに発光効率も変化する。 具体的には、 I n組成比 Xがあまりに大きくなると、
(1) 1 nGaNを挟む層である GaNや A 1 GaNとの格子定数差が大きくな る
(2)高い I n組成を持つ I nGaNを結晶成長するために結晶成長温度を低く する必要がある
等の理由により I nGaNの結晶品質が劣化し、 波長が 53 Onmより長くなる と発光効率が低下してしまう。 波長 400〜530 nmの範囲では一般に発光効 率は高くなるが、 波長が 40 Onm以下になると再び発光効率が低下する。
波長 400 nm以下の短波長側で発光効率が低下するのは、 結晶中に存在する 転位に起因すると考えられる。 適当な I n組成比を有する波長 400〜530 n mの発光素子 （LED等） の効率が転位密度によらず高いのは、 I nGaN層中 の I n組成の揺らぎによるものである。 すなわち、 I nの組成揺らぎが存在する と、 I n組成が部分的に大きい部位で発光するので注入されたキヤリアはその部 位で捕獲され、 転位に到達できずに効率が低下しない。 発光波長を短くするため には上述したように I n組成比 Xを小さくする必要があり、 必然的に I n組成揺 らぎも小さくなる。 組成揺らぎが小さいとキャリアの捕獲が十分に行われず、 キ ャリアは転位に到達してしま 、発光効率が低下することになる。
このように、 発光波長が 400 nm以下では、 発光効率は転位密度に大きく依 存し、 転位の存在により発光効率が低下してしまう。
波長 400 nm以下における発光効率の低下を防止するためには転位密度を抑 制することが必要である。 従来においては、 例えば ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) 法や溝を形成したサファイア基板等の上に発光層を成長させる方法 を用いて転位密度を低減しており、 これらの手法ではフォトリソグラフィなどの 手法を伴うため手間が掛かり、 結果として発光素子としてのコストが増大してし まう問題があった。 発明の開示
本発明の目的は、 フォトリソグラフィ等の特殊な手法を用いることなく、 短波 長 （特に波長 400 nm以下） における発光効率に優れた装置を得ることにある。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、 基板と、 前記基板上に形成され た n型 A 1 GaN層と n型 G a N層を交互に積層してなる第 1超格子層と、 前記 第 1超格子層上に形成された、 GaN系量子井戸層と GaN系量子バリア層を交 互に積層してなる多重量子井戸層と、 前記多重量子井戸層上に形成された、 p型 A IGaN層と p型 GaN層を交互に積層してなる第 2超格子層とを有する。 本発明において、 前記基板と前記第 1超格子装置との間にバッファ層、 第 1G aN系層、 及び n型 GaN系層を有し、 前記第 1超格子層上に第 2 G a N系層を 有し、 前記第 2超格子層上に p型 GaN系層を有してもよい。
本発明において、 多重量子井戸層内の G a N系量子バリァ層の A 1組成比は第 1超格子層及び第 2超格子層の A 1組成比より大きくしてもよい。
本発明において、 前記第 1超格子層及び第 2超格子層における A 1 G a N層の A 1組成比は 5 %以上 25 %以下であり、 前記多重量子井戸層における I n G a Nあるいは A 1 I nGaN量子井戸層の I n組成比は 3 %以上 20%以下で、 A 1 GaNあるいは A 1 I nGaN量子バリァ層の A 1組成比は 1 %以上 30 %以 下であり、 前記量子井戸層は前記量子バリァ層よりもそのバンドギヤップを小さ くしてもよい。
本発明において、 前記第 1超格子層における A 1 G a N層及び G a N層の厚さ はそれぞれ 1 nm以上 1 O nm以下であり、 前記多重量子井戸層における量子 井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm以下で量子バリア層の厚さは 2 nm以上 50 n m以下であり、 前記第 2超格子層における A I GaN層の厚さは 0. 5nm以上 10 nm以下で GaN層の厚さは 0. 5 nm以上 5 nm以下としてもよい。
本発明において、 前記第 1 GaN系層の厚さは 500 nm以上 3000 nm以 下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 500 nm以上 10000 nm以下であ り、 前記第 1超格子層における A 1 GaN層及び GaN層の厚さはそれそれ 1 n m以上 1 Onm以下であり、 前記第 2 G a N系層の厚さは 5 nm以上 10 Onm 以下であり、 前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm 以下で量子バリア層の厚さは 2 nm以上 50 nm以下であり、 前記第 2超格子層 における A 1 GaN層の厚さは 0. 5nm以上 10 nm以下で G a N層の厚さは 0. 5 nm以上 5 nm以下であり、 前記 p型 G a N系層の厚さは 5 nm以上 50 nm以下としてもよい。
本発明において、 前記第 1超格子層における A 1 GaN層及び GaN層の厚さ はそれぞれ 1. 5 nm以上 5 nm以下であり、 前記多重量子井戸層における量子 井戸層の厚さは 1 nm以上 2 nm以下で量子バリア層の厚さは 6 nm以上 20 n m以下であり、 前記第 2超格子層における A 1 GaN層の厚さは 1 nm以上 6 n m以下で GaN層の厚さは 0. 5 nm以上 3 nm以下としてもよい。
本発明において、 前記第 1 GaN系層の厚さは 1 500 nm以上 3000 nm 以下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 1000 nm以上 2000 nm以下で あり、 前記第 1超格子層における A 1 G a N層及び G a N層の厚さはそれそれ 1. 5 nm以上 5 nm以下であり、 前記第 2 GaN系層の厚さは 20 nm以上 40 n m以下であり、 前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 n m以上 2 n m以下で量子バリア層の厚さは 6 nm以上 20 nm以下であり、 前記第 2超格子 層における A 1 GaN層の厚さは 1 nm以上 6 nm以下で GaN層の厚さは 0. 5 nm以上 3 nm以下であり、 前記 p型 G a N系層の厚さは 10 nm以上 40 n m以下としてもよい。 本発明の窒化ガリゥム系化合物半導体装置は、 MOCVD法で製造することが できる。 この製造方法は、 前記基板上に前記バッファ層を 450°C以上 600°C 以下の温度で形成し、 前記バッファ層上に前記第 1 GaN系層、 前記 n型 GaN 系層、 前記第 1超格子層を順次 1050°C以上 1100°C以下の温度で形成し、 前記第 1超格子層上に前記第 2 GaN系層、 前記多重量子井戸層を順次 800 °C 以上 900°C以下の温度で形成し、 前記多重量子井戸層上に前記第 2超格子層、 前記 P型 GaN系層を順次 950°C以上 1025 °C以下の温度で形成する、 各ス テツプを含む。
また、 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体装置は、 基板と、 前記基板上に形 成された n型 AlGaN層と、 前記 n型 A 1 G a N層上に形成された、 GaN系 量子井戸層と G a N系量子バリア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、 前 記多重量子井戸層上に形成された p型 A 1 GaN層とを有する。
本発明において、 多重量子井戸層内の GaN系量子バリア層の A 1組成比は前 記 n型 A 1 GaN層と前記 p型 A 1 G a N層の A 1組成比より大きくしてもよい c 本発明において、 前記基板と前記 n型 A 1 GaN層との間にバッファ、 第 1 G aN系層、 及び n型 GaN系層を有し、 前記 n型 A 1 G a N層と前記多重量子井 戸層の間に第 2 GaN系層を有し、 前記 p型 A 1 G a N層上に p型 G a N系層を 有してもよい。
本発明において、 前記 n型 A 1 GaN層及び p型 A 1 GaN層の A 1組成比は 5%以上 25%以下であり、 前記多重量子井戸層における I nGaNあるいは A 1 I nGaN量子井戸層の I n組成比は 3%以上 20%以下で、 Al InGaN あるいは A 1 GaN量子バリア層の A 1組成比は 1 %以上 30%以下であり、 前 記量子井戸層は前記量子バリア層よりもそのバンドギヤップを小さくしてもよい。 本発明の窒化ガリゥム系化合物半導体装置も、 MOCVD法により製造するこ とができる。 この製造方法は、 前記基板上に前記バッファ層を 450°C以上 60 0°C以下の温度で形成し、 前記バッファ層上に前記第 1 GaN系層、 前記 n型 G aN系層、 前記 n型 AlGaN層を順次 1050°C以上 1100°C以下の温度で 形成し、 前記 n型 AlGaN層上に前記第 2 GaN系層、 前記多重量子井戸層を 順次 800°C以上 900°C以下の温度で形成し、 前記多重量子井戸層上に前記 p 型 AlGaN層、 前記 p型 G a N系層を順次 950 °C以上 1025 °C以下の温度 で形成する、 各ステップを含む。
本発明の装置において、 さらに、 前記 n型 GaN系層に接続された n電極と、 前記 P型 G a N系層に接続された p電極と、 前記 n電極と p電極間に電圧を印加 する電源とを有することもできる。 また、 このような装置を光源に用い、 波長 4 00 nm以下の光を照射する装置を得ることもできる。 本発明の窒化ガリウム系 化合物半導体装置を光源に組み込んだ装置は、 短波長.（波長 40 O nm以下） に おける発光効率に優れるため、 短波長の光源を必要とする用途に適する。 図面の簡単な説明
図 1は、 窒化ガリゥム系化合物半導体装置の構成図である。
図 2は、 発光素子の断面電子顕微鏡写真を示す図である。
図 3は、 発光素子の他の断面電子顕微鏡写真を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
<第 1実施形態 >
図 1には、 本実施形態に係る GaN系化合物半導体装置として発光素子 （LE D) の構成が示されている。 発光素子は基板上に複数の層を MOCVD法 （金属 有機化学気相成長法） を用いて成長させることで作製される。 具体的には、 以下 のように製造される。 なお、 MOCVD装置自体は公知であるが、 その装置構成 について概説すると、 反応管内にサセプ夕及びガス導入管を設ける。 サセプ夕に 基板を載置し、 ヒー夕で基板を加熱しながら原料ガスを供給して基板上で反応さ せる。 ガス導入部は例えば反応管の 2方に設け、 一つは基板の側方からトリメチ ルガリウムゃシランガスなどの原料ガスを導入し、 他方は基板の上部から通気性 を有する微多孔質部材を介して水素と窒素の混合ガス等を供給する。
まず、 サファイア c面基板 10を用意し、 常圧 MOCVD装置のサセプ夕にセ ッ 卜して基板温度 1100°Cにて水素雰囲気中で 10分間熱処理する。 その後、 基板 10の温度を 500°Cまで下げ、 モノメチルシランガスとアンモニアガスを 100秒間流すことで基板 10上に不連続的に S iNバッファ膜 12を形成する c なお、 この不連続 S丄]\1膜12は層中の転位を確実に低減するためのものである が、 本実施形態においては省略することも可能である。 次に、 温度を 500°Cに 維持しつつトリメチルガリゥム及びアンモニアガスを流して G a Nバッファ層 1 4を 25 nm形成する。 この G a Nバッファ層 14は、 いわゆる低温バヅファ層 として機能するものである。 次に、 温度を 1075°Cまで昇温して、 再びトリメ チルガリウム及びアンモニアガスを流してアンドープ GaN層 16を 2 m形成 する。 さらに、 トリメチルガリウム及びアンモニアガスにモノメチルシランガス を加えて、 S i ド一プ n— GaN層 18を 1〃m形成する。 モノメチルシランガ スは GaNに S iをドープして n型にするためであり、 S i ドープ n— GaN層 18内のキャリア密度はおよそ 5 X 1018 c m—3である。
次に、 基板 1 0の温度を 10 Ί 5°Cのまま維持して S i ド一プ n— Al。. iG ao.9N ( 2 nm) /S i ド一プ n— GaN (2 nm) を交互に 50ペア形成し て S L S (Strained Layer Superlattice：歪超格子）層 20を形成する。 A 1 G aNを形成するには、 トリメチルガリウム及びアンモニアガスに加えてトリメチ ルアルミニウムを供給すればよい （S iをド一プするため、 実際にはさらにモノ メチルシランガスを供給する） 。 S L S層 20内の平均キヤリア密度は 5 10 18cm— 3である。
その後、 基板温度を 830°Cまで下げてアンドープ GaN層 22を 30 nm形 成する。 さらに、 アンド一プ I n0.05G a0.95N ( 1. 5 nm) /アンド一プ A 1 o. i I no.02G ao.88N (9. 5 nm) を交互に 7ペア積層して MQW (多重 量子井戸） 発光層 24を形成する。 I nGaNはトリメチルガリウム、 トリメチ ルインジウム及びアンモニアガスを供給して形成され、 Al I nGaNはさらに トリメチルアルミニウムを供給して形成される。 ！ <3 発光層24は、 井戸 （ゥ エル） 層とノ リァ層を交互に積層してなり、 アンド一プ I nGaNが井戸層とし て機能し、 アンドープ Al I nGaNがバリア層として機能する。 井戸層のバッ ドギャップはバリア層よりも小さく設定される。 本実施形態では、 井戸層は I n GaN層であるが、 A 1 I nGaNで井戸層を構成することもできる。 井戸層及 びバリア層ともに A 1 I n G a Nで構成する場合、 A 1組成を調整して井戸層の バンドギャップをバリア層よりも小さくする。 井戸層の A 1組成比としては、 0 %〜20%が好適である。 図 1における InGaN井戸層は、 A1組成比が 0% の場合を示したものである。 バリア層の A 1組成比としては、 1%〜30%が好 適である。
MQW発光層 24形成後、 基板 10の温度を 975°Cまで上昇させて Mgドー プ p— AlGaN (1. 5 nm) /Mgド一プ p _G aN ( 0. 8 nm) を交互 に 50ペア形成して p— SLS層 26を形成し、 さらに、 p— GaN層 28を 1 5 nmだけ形成する。 p— SLS層 26及び p— GaN層 28内のキャリア濃度 はそれそれ 5 1017 c m— 3、 3 X 1018 cm— 3である。
なお、 発光層 24を挾むように形成される SLS層 20及び SLS層 26は、 キヤリァを閉じ込めるクラヅド層として機能する。
以上のようにして LEDウェハを作製した後、 LEDゥェハをMOCVD装置 から取り出し、 N i ( 10 nm)、 Au ( 10 nm) を順次、 真空蒸着して表面 に積層し、 5%の酸素を含む窒素ガス雰囲気中 520°Cで熱処理して金属膜を p 透明電極 30とする。 p電極 30を形成した後、 表面にフォトレジストを塗布し、 エッチングマスクとして用いて n— G a N層 18を露出するようにエッチングし、 露出した n— G a N層 18上に T i (5 nm) 、 A 1 (5 nm) を蒸着して窒素 ガス中 450°Cで 30分間熱処理して n電極 32を形成する。
図 1において、 SLS層 20が第 1超格子層に対応し、 MQW発光層24が多 重量子井戸層に対応し、 SLS層 26が第 2超格子装置に対応する。 また、 アン ド一プ GaN層 16が第 1 GaN系層に対応し、 S iドープの n— G a N層 18 が n型 GaN系層に対応し、 アンド一プ GaN層 22が第 2 G a N系層に対応し、 p— GaN層 28が p型 GaN系層に対応する。
また、 図には示していないが、 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 500 nmの Auパッ ドを形成し、 基板 10の裏面を 100 mまで研磨してスクラブによりチップを切り出し、 マウントして発光素子デバィ ス （LEDデバイス） が作製される。
表 1に、 図 1に示された各層の材料と組成の範囲及びキヤリァ濃度の範囲を示 す。 表 1
Figure imgf000010_0001
表 1において、 MQW発光層 24は A 1 I nGaN/Al I nGaN MQW 層としているが、 前者が井戸層を示し後者がバリア層を示す。 表 1において着目 すべきは、 SLS層 20、 26における A1組成比は 5%以上 25%以下、 MQ W発光層 24における井戸層の A 1組成比は 0%以上 20%以下、 I n組成比は 3 %以上 20 %以下、 バリァ層の A 1組成比は 1 %以上 20 %以下、 I n組成比 は 0%以上 10%以下となることである。 MQW発光層 24におけるバリア層の A 1組成比は 1 %以上 30%以下としてもよい。 バリア層の A 1組成と S L S層 20及び S L S層 26の A 1組成との関係については、 パリア層の A 1組成比が SLS層 20， 26の A 1組成比よりも大となるのが好適である。 キャリアであ る電子と正孔は MQW発光層 24の井戸層において再結合して発光する。 パリア 層の A 1組成比を増大させるとバンドギヤヅプが増大し、 キヤリアを効率的に M QW発光層 24の井戸層に閉じ込めて発光効率を向上させることができる。 バリ ァ層の A 1組成比が増大すると、 MQW発光層 24の井戸層の実効的パンドギヤ ヅプも増大する。
井戸層の A 1組成比が 0 %を含み、 バリァ層の I n組成比が 0 %を含んでいる ため、 MQW発光層 24の材料としては、 以下の 4種類の組み合わせが存在する £ (a) 1110&^[井戸層//八10&]^バリァ層
(b) I n.GaN井戸層 ZA 1 I nGaNバリア層
(c) A 1 I n G a N井戸層/ A 1 G a Nバリァ層
(d) Al I nGaN井戸層/ A 1 I nGaNバリア層
いずれの組み合わせにおいても、 井戸層のバンドギャップはバリア層のバンド ギャップよりも小さくなるように組成が選択される。 図 1は （b) の場合である, また、 表 2には各層の好ましい膜厚を示す。 表 2
Figure imgf000011_0001
表 2において、 MQW発光層 24としては、 Al InGaN (あるいは InG aN)井戸層の膜厚は 1 nm以上 5 nm以下であり、 Al InGaN (あるいは AIGaN) バリア層の膜厚は 2 nm以上 50 nm以下である。 また、 SLS層 20における A 1 GaNの膜厚は 1 nm以上 1 Onm以下であり、 GaNの膜厚 も lnm以上 1 Onm以下である。 SLS層 26における A 1 G a Nの膜厚は 0. 5 nm以上 10 nm以下であり、 GaNの膜厚は0. 5nm以上 5nm以下であ る
他の層については、 GaNパヅファ層 14の膜厚は 1 Onm以上 4 Onm以下 であり、 アンド一プ GaN層 16の膜厚は 50 Onm以上 300 Onm以下 （好 ましくは 500 nm以上 2000 nm以下） であり、 S iド一プ n— GaN層 1 8の膜厚は 500 nm以上 10000 nm以下であり、 アンドープ GaN層 22 の膜厚は 5 nm以上 100 nm以下であり、 p— GaN層 28の膜厚は 5 nm以 上 50 nm以下である。
表 3には、 各層のより好ましい膜厚を示す。 表 3
Figure imgf000012_0001
表 3において、 MQW発光層 24としては、 Al InGaN (あるいは InG aN) 井戸層の膜厚は 1 nm以上 2 nm以下であり、 Al InGaN (あるいは AIGaN) バリア層の膜厚は 6 nm以上 20 nm以下である。 また、 SLS層 20における A 1 GaNの膜厚は 1. 5 nm以上 5 nm以下であり、 GaNの膜 厚は 1. 5 nm以上 5 nm以下である。 S L S層 26における A 1 G aNの膜厚 は 1 nm以上 6 nm以下であり、 0&^[の膜厚は0. 5nm以上 3nm以下であ る。 その他の層については、 GaNバッファ層 14の膜厚は 25 nm以上 35 n m以下、 アンド一プ GaN層 16の膜厚は 1500 nm以上 3000 nm以下 (好ましくは 150 Onm以上 200 Onm以下） 、 S iドープ n— GaN層 1 8の膜厚は 1000 nm以上 2000 nm以下、 アンド一プ GaN層 22の膜厚 は 20 nm以上 40 nm以下、 p-GaN層 28の膜厚は 10 nm以上 40 nm 以下である。
表 4には、 各層を MO CVD装置で成長する際の成長温度を示す。 表 4
Figure imgf000013_0001
表 4において、 GaNバッファ層 14は 450 C以上 600°C以下で成長させ、 アンドープ GaN層 16は 1050°C以上 1100°C以下で成長させ、 S iドー プ n— GaN層 18は 1050°C以上 1100°C以下で成長させ、 SLS層 20 あるいは AlGaN単層 20は 1050°C以上 1100°C以下で成長させ、 アン ドープ GaN層 22は 800°C以上 900°C以下で成長させ、 MQW発光層 24 は 800°C以上 900°C以下で成長させ、 SLS層 26あるいは AlGaN単層 26は 950°C以上 1025 °C以下で成長させ、 p— G a N層 28は 950 °C以 上 1025 °C以下で成長させる。
以上のようにして作製された発光素子を積分球の中に入れ、 P電極 30及び n 電極 32に電源を接続し、 電流を注入してチップから射出した全光出力を測定し たところ、 光出力は注入電流 20mAのときにおよそ 2mWが得られた。 発光波 長は、 2インチ直径のウェハ面内で多少のバラヅキはあるものの、 波長 372 η m±5nmの範囲であることを確認している。 外部量子効率は、 およそ 3%であ る o 本願出願人は、 図 1における層の材料や厚さを変化させたウェハを多数形成し て同様の評価を行ったところ、 発光波長帯により各層の制約条件が異なることを 見い出した。 すなわち、 発光ピーク波長が 380〜40 Onmの場合、 各層の厚 さが表 2に示された好ましい膜厚の範囲内であれば光出力は 1 mW以上が得られ た。
一方、 発光ピーク波長が 365〜380 nmの場合は、 各層の膜厚が表 2に示 された好ましい厚さの範囲からずれると光出力は 0. 1 mW以下に急激に減少し、 各層の厚さが表 3に示されたより好ましい厚さの範囲からずれると光出力は 1 m W以下となった。 これらより、 表 2あるいは表 3に示された範囲に設定すること で、 短波長 （波長 40 Onm以下） の発光効率を向上できることが確認された。 このように発光効率が改善される原因は、 以下のように考えられる。 図 2には、 本実施形態で作製された発光素子の断面電子顕微鏡写真を示す説明図が示されて いる。 この断面電子顕微鏡写真説明図を詳細に観察すると、 n—GaN/AlG aN SLS層 20とアンドープ G a N層 22の界面で転位が低減していること がわかる。 SLS層 20中に包含される歪みと、 この境界面で成長温度を変化さ せたことが相俟って下地層から伝搬してきた転位が横方向 （ラテラル方向） に曲 げられ、 この真上に形成された MQW発光層 24中の転位が低減したと考えれる c すなわち、 各層の組成及び厚さを上記の範囲に調整することで、 MQW発光層 2 4中の転位を抑制できると考えられる。
さらに、 発光効率改善がなされたもう一つの原因として、 発光層 24の組成揺 らぎが考えられる。 Al I nGaN (あるいは I nGaN) 井戸層/ A 1 I nG aN (あるいは Al GaN)ノ リア層を積層した M QW発光層 24においては、 I n組成が低く I nGaNの組成揺らぎは起こり難い。 組成揺らぎが生じると I n組成が部分的に大きい部位で発光するので注入されたキヤリアはその部位で捕 獲され、 転位に到達できずに効率が低下しない。 しかしながら、 バリア層中には A 1が添加されているので、 I nと A1の組成を同時に増やすことで、 発光波長 を短く保ちつつ I nと A 1の組成を増やし、 結果として組成揺らぎが大きくなる ことが考えられる。 図 3には、 断面電子顕微鏡写真を示す説明図が示されており、 この説明図では発光層 24の井戸層が不均一になっていることが確認される。 す なわち、 MQW発光層 24の材料及び組成比を上記の範囲に調整することで、 組 成揺らぎを増大させて転位による発光効率の低下を抑制できると考えられる。 このように、 図 1に示された層構造とし、 各層の厚さを表 2あるいは表 3に示 された範囲に設定することで高い発光効率が得られる。
なお、 本願出願人は、 SLS層 20の代わりに AlGaNの単層とし、 SLS 層 26の代わりに A 1 GaNの単層としても同様に波長 40 Onm以下での発光 効率が高いことを見い出している。 具体的には、 SLS層 20の代わりに、 A1 組成を 5〜25 %とした A 1 GaNを 5 Onm以上 50 Onm以下、 より好適に は 70 nm以上 300 nm以下形成し、 3 3層26の代ゎりに、 A L組成を 5 〜25%とした A 1 GaNを 50 nm以上 500 nm以下、 より好適には 70 n m以上 200 nm以下形成する。 A 1 G a N単層を用いた場合の全体の構成は以 下のようになる。
サファイア基板 10/S iN不連続膜 12/GaNバッファ層 14/アンドー プ GaN層 16 /S iド一プ n— GaN層 18/A 1 G aN層 20/アンド一プ GaN層 22/MQW発光層 24/AlGaN層26/p— GaN層28 この構造においても、 MQW24の井戸層のバンドギヤップゃバリァ層のバン ドギャップよりも小さくなるように A 1組成比が選択される。 また、 MQW24 のバリア層の A 1組成比は、 AlGaN層 20、 26の A 1組成比よりも大きく なるように選択されるのが好適である。 具体的には、 MQW24のバリア層の A 1組成比は 30%程度とすることができる。
また、 本願出願人は、 図 1において S iN膜 12を形成せず、 アンドープ G a N層 16の代わりに、 GaN層にS i Nを挿入した G a N層 ZS iN層/ GaN 層の構造を有する GaN系層 16とし、 SLS層 20としてアンドープ A 1 Ga N ( 1. 7 nm) /S iドープ GaN (1. 7 nm) を交互に 50ペア形成して S L S層 20とし、 アンドープ GaN層 22の代わりに AlGaN層 （26η m) とし、 MQW発光層 24として I nGaN井戸層 （ 1. 7 nm) /A 1 Ga Nバリア層 （ 13 nm) を交互に 3ペア形成して MQW発光層 24とし、 S L S 層 26として AlGaN ( 1. 1 nm) /GaN (0. 5nm) を交互に 50ぺ ァ形成して SL S層 26とした発光素子も製造し、 同様に波長 400 nm以下で の発光効率が高いことを見い出している。 GaN層に S iNを挿入することで、 S iN層上に形成される GaN層の転位が低減し、 これにより MQW発光層 24 の転位が抑制される。
表 5に、 各層の材料と組成の範囲及びキヤリア濃度の範囲を示す。 表 5
Figure imgf000016_0001
MQW発光層 24における A 1 GaNバリア層の A 1組成比は 30%であり、 SLS層 20の A1組成比である約 18%より大きく、 かつ、 SLS層 26の A 1組成比である 5%〜25%よりも大きい。 A 1 GaNにおける A1組成が大き くなると結晶品質が劣化するので、 MQW発光層 24の A 1 GaNバリア層の A 1組成の上限は 30%程度が好適である。
本実施形態における発光素子は、 波長 400 nm以下で高い発光効率を有する ため、 この特性を専ら利用して種々の製品を作製することが可能である。 以下で は、 図 1に示された発光素子を光源として用いるいくつかの装置例を示す。 <第 2実施形態 >
市販のブラックペン （蛍光ペン） は可視照明下で文字や図形等を描いても見え ないが、 そこに紫外線を照射すると描いた文字や図形が現れる。 カラ一のブラッ クペン （紫外線を照射するとカラーの図形が現れる） も市販されているが、 カラ 一を再現するためには照射する紫外線の波長が 40 Onm以下、 より正確には波 長 380 nm以下でなければならない。 従来においては、 蛍光灯ブラックライ ト や水銀ランプ等の光源が使用されているが、 大型で消費電力も大きく、 電源も大 掛かりになる欠点がある。
そこで、 図形再現用光源として図 1に示された発光素子デバイス （LED) を 用いると、 小型で電池駆動も可能となる。 ブラックペンで描いた図形を、 ピーク 波長 400 nm、 385 nm、 372 nmの L E Dで照射して図形の再現を試み た。 照射光強度はおよそ 5mW (400 nm) 、 3mW ( 385 nm) 、 1 mW ( 372 nm) である。
400 nmLEDの場合、 図形が現れるものの色は再現されず、 蛍光の強度も かろうじて見える程度の非常に低いレベルであった。 385 nmLEDで照射す ると、 図形の形ははつきり見える程度に強い蛍光強度は得られたが、 色は再現さ れなかった。 特に、 赤色の再現性が悪かった。 一方、 波長 372 nmLEDの場 合、 照射強度が lmWと弱いにもかかわらず、 蛍光は明るい室内でも全く問題な く見える程度に強く、 かつ 3原色を忠実に再現できた。
これらより、 波長 365〜380 nm帯の LEDは、 安価に市販されているブ ラックペン （蛍光ペン） で描いた図形の再現用光源として非常に適していること が確認された。 本実施形態の LEDを電池と共にキーホルダやブラックペン、 消 しゴムその他の製品に組み込んで簡単に再現できる、 見えない文字や図形を描画 するシステムが得られる。
<第 3実施形態 >
本実施形態における LEDからの光を人体の皮膚に短時間照射してその影響を 調べた。 ピーク波長 400 nm (5 mW) 、 385 nm (3 mW)、 372 nm ( lmW) の LED光をそれそれ 10分間皮膚に照射して皮膚の変化 （いわゆる 日焼け） を調べた。 その結果、 ピーク波長 400 nm ( 5 mW) の場合はほとん ど影響が見られなかったのに対し、 385 nm (3mW) の場合は少し変化が見 られた。 一方、 372 nm ( 1 mW) の場合には、 はっきりした跡が見られた。 このことは、 波長 365〜380 nm帯の LEDが人体の日焼けを起こすことを 示している。 この LEDを光源として用いて日焼け装置を製作した。 直径 5mm のスポッ トだけを日焼けする装置及び LEDを長さ 3 cmの直線上に配置して線 条に日焼けする装置を作製し、 実験を行った。 いずれの装置も 1 0分間照射する ことで日焼けが得られた。 なお、 3 0分以上照射すると皮膚の損傷が認められた 従来、 日焼け装置は紫外線のランプを使用しているため、 照射面積が大きい用 途には適当であつたが、 小さな領域だけの日焼けを作ることはできず、 例えば日 焼けしたい部位以外を夕オルなどで覆うなどの工夫が必要であるところ、 本実施 形態の日焼け装置では、 点や線などの日焼けを任意に作ることが可能である。 <第 4実施形態 >
市販されている U Vカツ ト化粧品 （S P F 5 0 + P A + + +) を塗った皮膚に 対し、 ピーク波長 3 7 2 n m ( 1 mW) の L E Dを光源に組み込んだ第 3実施形 態の日焼け装置で 1 0分間照射した。 その結果、 U Vカット化粧品を塗らない場 合と比べて日焼けの程度が非常に小さいことを確認した。 このように、 本実施形 態の L E Dは、 U Vカツト化粧品の性能を評価する装置として用いることもでき る
従来、 この種の検査装置は大型であり、 効果を調べるために広い皮膚表面が必 要である。 本実施形態の検査装置は、 上述した実施形態で述べたように点あるい は線等の任意の形状あるいは部位に日焼けを作ることができるので、 人体の部位 毎の日焼けの程度を調べたり、 あるいは携帯して長時間にわたる照射効果を調べ ることもできる。
く第 5実施形態 >
時計の文字盤や避難誘導等の標識類には蓄光材料が使用されている。 これは、 蓄光剤に光が当たると、 光を消しても蛍光が続くことを利用して暗闇でも字等が 読める仕組みを利用したものである。 近年、 蓄光時間も長くなり 3原色も出せる ようになつている。 例えば、 硫化亜鉛に銅を結合させた短残光タイプやストロン チウムアルミネィ 卜に希土類金属を結合させた長残光タイプなどが知られている このような蓄光剤の感度は一般に波長 4 0 O n m以下にある。 したがって、 蓄光 剤と本実施形態の L E Dとを組み合わせることで、 短時間のみ光を照射して光を 消すという操作を繰り返すことで消費電力の非常に小さい表示装置を作製するこ とができる。 また、 電源が切れても表示は消えない （不揮発な） 非常用表示装置 も可會 となる。 ピーク波長 400 nm ( 5mW)、 385 nm (3mW) 、 372 nm ( 1 m W) の LEDと 3原色の蓄光剤を組み合わせて表示装置を作製した。 蓄光剤を板 状に加工し、 その裏面から実施形態の LEDの光を照射して表面からの発光を観 測した。 10分間照射し、 決められた時間だけ照射を切るサイクルを繰り返した c 30分程度照射を切っても、 事務室程度の明るさの部屋で蓄光剤からの発光が確 認された。 なお、 暗闇中では 1時間程度切っても蓄光剤からの発光が確認された 全ての波長で同様の効果が得られたが、 ピーク波長 400 nm ( 5 mW) を光源 として使用した場合に最も残光が強かった。
このように、 波長 365〜400 nm帯の LEDと蓄光剤を使用した表示装置 により、 従来の表示装置と比べて消費電力を著しく低減することができる。
さらに、 色の再現性についても観測した。 ピーク波長 40 Onm (5mW) 、 385 nm ( 3 mW) の LEDは、 肉眼には青色〜紫色に見えるため、 蓄光剤で 赤色を出すと両者が混じり合い純粋な赤の再現はできない。 緑も同様である。 一 方、 ピーク波長 372 nm ( 1 mW) の L E Dは肉眼ではほとんど見えないため、 3原色を忠実に再現することができる。 したがって、 波長 365〜38 Onm帯 の LEDを光源として用い、 蓄光剤を使用した表示装置は低消費電力で、 かつ、 フルカラーを再現することができる。
<第 6実施形態 >
蛾等の昆虫の複眼は、 波長 360 nmにピーク感度を有する。 その性質を利用 して、 紫外線ランプを使った昆虫の駆除装置が市販されている。 紫外線ランプを 街頭に付け、 その周辺に昆虫駆除装置を取り付けたものである。 紫外線ランプは、 可視光も射出するので一般的には明るく見える。 また、 消費電力が大きいという 問題がある。 この昆虫収集用の光源として実施形態の LEDを使用した。 ビーク 波長は 372 nmである。 暗闇に LEDを設置し、 昆虫の集まり状況を確認した c 同時に、 2 Wの水銀ランプも比較のため別の場所に設置した。 LEDの消費電力 を節約するため及び発光ピーク強度を増すため、 ピーク電流 200mA、 ピーク 出力約 10 mW、 パルス幅 10 mS、 繰り返し周波数 10 H z (平均出力 1 m W) のパルス駆動を行った。 光出力は、 L EDの方が小さいにもかかわらずより 多くの昆虫が L E Dに集まることが観測された。 水銀ランプは肉眼には青色〜紫 色に見えたが、 LEDはほとんど肉眼では確認できなかった。 このことから、 昆 虫収集用の光源として、 波長 365 ~38 Onm帯の LEDが使えることがわか る o
そこで、 市販の昆虫駆除装置のランプを LEDに取り替えて装置を作製した。 波長 372 nmの LEDを 200個使用して、 上述した実験と同様にパルス駆動 して動作させた。 その結果、 一晩で改造前と同程度の昆虫を駆除することができ た。 本実施形態の LEDを光源に用いた昆虫駆除装置は、 消費電力が小さく、 L EDが小型であるため光源のレイァゥトに自由度が増すというメリッ 卜がある。 さらに、 肉眼ではほとんど見えないので、 照明を嫌う環境にも用いることが可能 である。
以上、 本発明の実施形態について説明したが、 これらは例示に過ぎず、 本発明 の LEDを用いて他の装置も作製可能である。 例えば、 紙幣の判定や紙幣の真偽 を見分けるための装置や酸化チタンを照射することで得られる光触媒反応を利用 した空気や水の洗浄にも使用することができる。
また、 本実施形態において、 GaN層 16の代わりに AlGaN層を用いるこ とができ、 n型 GaN層 18の代わりに n型 A 1 G a N層を用いることができる c さらに、 GaN層 22の代わりに I nGaN層を用いることができ、 p型 GaN 層 28の代わりに p型 I nGaN層を用いることもできる。 GaN系層には、 G aN層の他、 GaNの Gaを A1や I nで置換した A 1 G a N層や I nGaN層 も含まれる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 基板と、
前記基板上に形成された、 n型 A 1 GaN層と n型 GaN層を交互に積層して なる第 1超格子層と、
前記第 1超格子層上に形成された、 G a N系量子井戸層と G a N系量子バリァ 層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に形成された、 p型 A 1 GaN層と p型 GaN層を交互 に積層してなる第 2超格子層と、
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。
2. 請求項 1記載の装置において、
前記基板と前記第 1超格子層との間に、
バッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第 1 GaN系層と、
前記第 1 G a N系層上に形成された n型 G a N系層と
を有し、
前記第 1超格子層と前記多重量子井戸層との間に、
第 2 GaN系層
を有し、
前記第 2超格子層上に、
p型 GaN層
を有することを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
3. 請求項 2記載の装置において、
前記第 1 GaN系層は GaN層内に S iN層が挿入された構造をなし、 前記第 2 GaN系層は A 1 GaN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。
4. 請求項 1記載の装置において、
前記多重量子井戸層における前記 GaN系量子バリア層の A 1組成比は、 前記 第 1超格子層及び前記第 2超格子層の A 1組成比よりも大きいことを特徴とする 窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
5. 請求項 1記載の装置において、
前記第 1超格子層及び第 2超格子層における A 1 G a N層の A 1組成比は 5 % 以上 25%以下であり、
前記多重量子井戸層における I nGaNあるいは A 1 I nGaN量子井戸層の I n組成比は 3%以上 20%以下で、 A 1 GaNあるいは A 1 I nGaN量子バ リア層の A 1組成比は 1%以上 30%以下であり、 前記量子井戸層は前記量子バ リア層よりもバンドギヤップが小さい
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
6. 請求項 1記載の装置において、
前記第 1超格子層における A 1 GaN層及び GaN層の厚さはそれそれ 1 nm 以上 10 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm以下で量子 バリァ層の厚さは 2 nm以上 50 nm以下であり、
前記第 2超格子層における A 1 GaN層の厚さは 0. 5nm以上 1 Onm以下 で GaN層の厚さは 0. 5 nm以上 5 nm以下である
ことを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
7. 請求項 2記載の装置において、
前記第 1 GaN系層の厚さは 500 nm以上 3000 nm以下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 500 nm以上 10000 nm以下であり、 前記第 1超格子層における A 1 G aN層及び GaN層の厚さはそれそれ 1 nm 以上 10 nm以下であり、
前記第 2 GaN系層の厚さは 5 nm以上 100 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm以下で量子 バリァ層の厚さは 2 nm以上 50 nm以下であり、
前記第 2超格子層における AlGaN層の厚さは 0. 5 nm以上 10 nm以下 で GaN層の厚さは 0. 5 nm以上 5 nm以下であり、
前記 P型 GaN系層の厚さは 5 nm以上 50 nm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。
8. 請求項 1記載の装置において、
前記第 1超格子層における A 1 GaN層及び GaN層の厚さはそれそれ 1. 5 nm以上 5 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 2 nm以下で量子 バリア層の厚さは 6 nm以上 20 nm以下であり
前記第 2超格子層における A 1 GaN層の厚さは 1 nm以上 6 nm以下で Ga N層の厚さは 0. 5 nm以上 3 nm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。
9. 請求項 2記載の装置において、
前記第 10& 系層の厚さは150 Onm以上 300 Onm以下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 1000 nm以上 2000 nm以下であり、 前記第 1超格子層における A 1 GaN層及び GaN層の厚さはそれそれ 1. 5 nm以上 5 nm以下であり、
前記第 2 GaN系層の厚さは 20 nm以上 40 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 2 nm以下で量子 バリア層の厚さは 6 nm以上 20 nm以下であり、
前記第 2超格子層における A 1 GaN層の厚さは 1 nm以上 6 nm以下で Ga
N層の厚さは 0. 5 nm以上 3 nm以下であり、
前記 P型 GaN系層の厚さは 10 nm以上 40 nm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。
10. 基板と、
前記基板上に形成された n型 A 1 GaN層と、
前記 n型 A 1 GaN層上に形成された、 G a N系量子井戸層と G a N系量子バ リア層を交互に積層してなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に形成された P型 A 1 G a N層と、
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。
1 1. 請求項 10記載の装置において、
前記基板と前記 n型 A 1 G a N層との間に、
ノ、'ッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第 1 G a N系層と、
前記第 1 G a N系層上に形成された n型 G a N系層と、
を有し、
前記 n型 A 1 G a N層と前記多重量子井戸層との間に、
第 2 GaN系層と、
を有し、
前記 P型 A 1 GaN層上に形成された p型 GaN系層と、
を有することを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
12. 請求項 10記載の装置において、
前記多重量子井戸層における前記 G a N系量子バリァ層の A 1組成比は、 前記 n型 A 1 GaN層及び前記 p型 A 1 GaN層の A 1組成比よりも大きいことを特 徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
13. 請求項 10記載の装置において、
前記 n型 A IGa N層及び p型 A IGa N層の A 1組成比は 5 %以上 25 %以 下であり、
前記多重量子井戸層における I nGaNあるいは Al I nGaN量子井戸層の I n組成比は 3%以上 20%以下で、 Al l n G a Nあるいは A 1 G a N量子バ リァ層の A 1組成比は 1 %以上 30 %以下であり、 前記量子井戸層は前記量子バ リア層よりもバンドギヤップが小さい
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
14. 請求項 10記載の装置において、
前記 n型 A 1 GaN層の厚さは 5 O nm以上 50 Onm以下であり、 前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm以下で量子 バリア層の厚さは 2 nm以上 50 nm以下であり、
前記 P型 A 1 GaN層の厚さは 50 nm以上 500 nm以下である
ことを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
15. 請求項 1 1記載の装置において、
前記第 1 GaN系層の厚さは 500 nm以上 3000 nm以下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 500 nm以上 10000 nm以下であり、 前記 n型 A 1 GaN層の厚さは 50 nm以上 500 nm以下であり、 前記第 2 GaN系層の厚さは 5 nm以上 100 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 5 nm以下で量子 バリア層の厚さは 2 nm以上 50 nm以下であり、
前記 P型 A 1 GaN層の厚さは 50 nm以上 500 nm以下であり、 前記 P型 GaN系層の厚さは 5 nm以上 50 nm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。
16. 請求項 10記載の装置において、
前記 n型 A 1 GaN層の厚さは 70 nm以上 300 nm以下であり
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 2 nm以下で量子 バリア層の厚さは 6 nm以上 20 nm以下であり、
前記 P型 A 1 GaN層の厚さは 70 nm以上 200 nm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。
17. 請求項 1 1記載の装置において、
前記第 1 GaN系層の厚さは 1 500 nm以上 3000 nm以下であり、 前記 n型 GaN系層の厚さは 1000 nm以上 2000 nm以下であり、 前記 n型 A 1 GaN層の厚さは 70 nm以上 300 nm以下であり、 前記第 2 GaN系層の厚さは 20 nm以上 40 nm以下であり、
前記多重量子井戸層における量子井戸層の厚さは 1 nm以上 2 nm以下で量子 バリァ層の厚さは 6 nm以上 20 nm以下であり、
前記 P型 A 1 GaN層の厚さは 70 nm以上 200 nm以下であり、 前記 P型 GaN系層の厚さは 10 nm以上 40 nm以下である
ことを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
18. 請求項 2に記載の装置を MOCVD法で製造する方法であって、
前記基板上に前記バッファ層を 450°C以上 600°C以下の温度で形成し、 前記バッファ層上に前記第 1 GaN系層、 前記 n型 GaN系層、 前記第 1超格 子層を順次 1050°C以上 1 100°C以下の温度で形成し、
前記第 1超格子層上に前記第 2 GaN系層、 前記多重量子井戸層を順次 800 °C以上 900°C以下の温度で形成し、
前記多重量子井戸層上に前記第 2超格子層、 前記 p型 GaN系層を順次 950 °C以上 1025 °C以下の温度で形成する
ことを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置の製造方法。
19. 請求項 11記載の装置を MOCVD法で製造する方法であって、 前記基板上に前記バッファ層を 450°C以上 600°C以下の温度で形成し、 前記バッファ層上に前記第 1 GaN系層、 前記 n型 GaN系層、 前記 n型 A 1
GaN層を順次l 050°C以上 1100 °C以下の温度で形成し、
前記 n型 A 1 GaN層上に前記第 2 GaN系層、 前記多重量子井戸層を順次 8
00°C以上 900°C以下の温度で形成し、
前記多重量子井戸層上に前記 P型 A 1 G aN層、 前記 p型 G a N系層を順次 9
50°C以上 1025 °C以下の温度で形成する
ことを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置の製造方法。
20. 請求項 2あるいは請求項 11のいずれかに記載の装置において、
前記 n型 GaN系層に接続された n電極と、
前記 P型 GaN系層に接続された p電極と、
前記 n電極と p電極との間に電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする窒化ガリゥム系化合物半導体装置。
21. 請求項 20記載の装置を光源に用い、 波長 400 nm以下の光を照射する
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