WO2007063920A1 - 窒化ガリウム半導体発光素子 - Google Patents

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Definitions

  • a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser device or a light emitting diode emitting blue or violet light
  • a gallium nitride semiconductor light emitting device When manufacturing a GaN-based semiconductor device, it is difficult to manufacture a substrate with GaN power, so a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate with sapphire, SiC, Si, or the like.
  • p— GaN contact layer force n— A part of the GaN contact layer is removed by etching to expose the n— GaN contact layer, and an n electrode is formed on the exposed upper surface of the n— GaN contact layer. A p-electrode is formed on the upper surface of the P-GaN contact layer.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-216497
  • the GaN-based semiconductor layer stacked on the C-plane (0001) of the sapphire substrate has a Ga polar plane in the direction of the growth surface.
  • the GaNZAlG aN heterojunction interface of the grown GaN-based semiconductor layer because of the wurtzite structure in which a C-plane grown epitaxial film with no symmetry in the C-axis direction has two sides, piezo polarization due to spontaneous polarization and interfacial stress occurs, resulting in polarization charge and heterogeneity.
  • An electric field is generated at the bonding interface. The problem is small because this electric field is in the form of drawing electrons into the active layer on the n side.
  • the present invention was devised in order to solve the above-described problem, and reduces carrier depletion due to spontaneous polarization or piezo-polarization generated at the interface between the AlGaN semiconductor layer and the GaN-based semiconductor layer.
  • An object of the present invention is to provide a gallium nitride semiconductor light emitting device capable of stabilizing the driving voltage.
  • the light emitting region comprises a p-type semi-conductive layer in this order, the p-type is formed in a semiconductor layer side 10 19 CM_ 3 following Mg
  • a gallium nitride semiconductor light-emitting device having an interface between an AlGaN semiconductor layer containing GaN and a GaN semiconductor layer located on the n side of the AlGaN semiconductor layer, wherein the A1G Up to the aN semiconductor layer is a gallium nitride semiconductor light emitting device characterized in that the growth surface is formed in a nonpolar direction, which is neither nitrogen polarity nor Ga polarity of GaN.
  • an invention according to claim 2 wherein at least n-type semiconductor layer on a substrate, the light emitting region comprises a p-type semiconductor layer in this order, together with 10 19 CM_ 3 below is formed on the p-type semiconductor layer side
  • a gallium nitride semiconductor light emitting device having an interface between an AlGaN semiconductor layer containing Mg and an InGaN semiconductor layer located on the n side of the AlGaN semiconductor layer, from the n-type semiconductor layer to the AlGaN semiconductor layer Is a gallium nitride semiconductor light emitting device characterized in that the growth surface is formed in a nonpolar or nonpolar direction of GaN.
  • an invention according to claim 3 wherein at least n-type semiconductor layer on a substrate, the light emitting region comprises a p-type semiconductor layer in this order, together with 10 19 CM_ 3 below is formed on the p-type semiconductor layer side Al GaN semiconductor layer containing Mg and Al GaN located on the n side of the p-type Al GaN semiconductor layer
  • the gallium nitride semiconductor light emitting device is characterized by being formed in a nonpolar direction.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a gallium nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing band gap energy in the valence band of the LED of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of an LD structure in a gallium nitride semiconductor light emitting device. is there.
  • FIG. 6 is a diagram showing band gap energy in the valence band of the gallium nitride semiconductor light emitting device of FIG.
  • Figure 7 shows the electric field at the AlGaNZlnGaN interface and the Al GaN / Al GaN (X> Y) interface.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the crystal structure of a gallium nitride semiconductor crystal when the growth surface is a Ga polar surface.
  • FIG. 9 is a unit cell diagram showing the hexagonal plane orientation.
  • FIG. 10 is a diagram showing bandgap energy in the valence band of a conventional gallium nitride semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a gallium nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • a gallium nitride semiconductor crystal 2 including a light emitting region is formed on a sapphire substrate 1.
  • the gallium nitride semiconductor crystal 2 is formed on the R-plane (1-102) of the sapphire substrate 1 by the MOCVD method or the like, and its growth surface grows on the A-plane.
  • the A plane is a nonpolar plane that is not the Ga polar plane or N (nitrogen) polar plane.
  • a GaN-based semiconductor layer is stacked using the A-plane and M-plane of a sapphire substrate, and the growth surface is set to the M-plane or A-plane.
  • the growth direction is the C-axis, so the growth surface of the GaN-based semiconductor layer is the M-plane or A-plane. It is thought that it must not be.
  • a gallium nitride semiconductor crystal 2 including a light emitting region is stacked on a GaN substrate 3.
  • the gallium nitride semiconductor crystal 2 is formed on the A surface (1120) of the GaN substrate 3 by MOCVD or the like, and its growth surface grows on the A surface.
  • the A plane is a nonpolar plane that is not the same as the Ga polar plane or the N (nitrogen) polar plane.
  • a gallium nitride semiconductor crystal 2 including a light emitting region is stacked on a GaN substrate 3.
  • the gallium nitride semiconductor crystal 2 is formed on the M plane (10-10) of the Ga N substrate 3 by MOCVD or the like, and its growth surface grows on the M plane.
  • the M plane is a nonpolar plane that is not the Ga polar plane or N (nitrogen) polar plane.
  • the growth surface of the gallium nitride semiconductor crystal 2 becomes a nonpolar plane that is not the Ga polar plane or the N (nitrogen) polar plane.
  • the electric field E generated when the growth surface shown in Fig. 10 is a Ga polar plane. Can do.
  • the growth surface as traditional is a nitrogen-polar surface
  • AlGaN Piezo-polarization occurring at the interface between the semiconductor layer and the GaN-based semiconductor layer suddenly increases and the electric field E rapidly increases.
  • the electric field E is made extremely small. The effect is significant.
  • FIG. 2 shows an example of an LED in a gallium nitride semiconductor light emitting device in which a gallium nitride semiconductor crystal 2 is grown on the R surface of the sapphire substrate 1 and the growth surface is an A surface.
  • a nofer layer 12 On the sapphire substrate 11, a nofer layer 12, an n-type contact layer 13, an n-type superlattice layer 15, an MQW active layer 16, a p-type electron blocking layer 17, and a p-type contact layer 18 are formed. Further, a positive electrode (p electrode) 20 force is formed on the p-type contact layer 18, and a negative electrode (n electrode) 14 is formed on the n-type contact layer 13.
  • the growth surface of the buffer layer 12, the n-type contact layer 13, the n-type superlattice layer 15, the MQW active layer 16, the p-type electron block layer 17, and the p-type contact layer 18 is the A plane.
  • buffer layer 12 is undoped GaN
  • n-type contact layer 13 is n-GaN
  • the lattice layer 15 is a superlattice structure in which n-GaN thin films and n-InGaN thin films are alternately stacked for 5 to 10 periods
  • the MQW active layer 16 is a multiple quantum well composed of a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN or InGaN.
  • p-type electron blocking layer 17 is p-AlGaN doped with Mg as a p-type impurity at a concentration of 1 X 10 19 cm- 3 or less, and p-type contact layer 18 in the valence band when composed of p-GaN.
  • Figure 3 shows the band gap energy.
  • the buffer layer 12 made of undoped GaN is about 1 to 3 m
  • the Si-doped GaN contact layer 13 is about 1 to 5 ⁇ m
  • the Si-doped InGaNZGaN superlattice layer 15 The MQW active layer 16, Mg-doped AlGaN electron blocking layer 17, and Mg-doped GaN contact layer 18 are sequentially stacked to a thickness of about 0.2 to 1 ⁇ m.
  • MQW active layer 16 consists of 1 to 3 nm In Ga
  • Alternating layers were used to form a multilayer structure with 3 to 10 cycles.
  • the p-type contact layer 18 After the p-type contact layer 18 is formed, the p-type contact layer 18, the p-type electron blocking layer 17, the MQW active layer 16, the n-type superlattice layer 15, and a part of the n-type contact layer 13 are reactive. Remove by mesa etching, such as ion etching. Thereafter, a negative electrode 14 is formed on the etched surface of the n-type contact layer 13 by vapor deposition, and a positive electrode 19 is formed on the p-type contact layer 18 by vapor deposition.
  • mesa etching such as ion etching
  • FIG. 4 shows an example of an LD in a gallium nitride semiconductor light emitting device in which a gallium nitride semiconductor crystal 2 is grown on the R surface of the sapphire substrate 1 and the growth surface is an A surface.
  • a manufacturing method it is grown by the well-known MOCVD method.
  • the buffer layer 32 made of undoped GaN is about 1 to 3 / ⁇ ⁇
  • the n-type cladding layer 34 made of Si-doped A1G aNZGaN superlattice layer is about 1 to 5 ⁇ m
  • Mg-doped P The mold cladding layer 38 is sequentially laminated by about 0.2 to about L m.
  • MQW active layer 36 consists of a well layer composed of l ⁇ 3nm InGaN and 10 ⁇ 20nm InGaN (0 ⁇ Z ⁇ 0
  • the side surface force of the ridge portion also covers the flat portion of the p-type cladding layer 38 with the insulating layer 39, and the ridge portion of the p-type cladding layer 38
  • a p-type contact layer 40 having a Mg-doped GaN force is laminated on the top.
  • the p-type contact layer 40 After the p-type contact layer 40 is formed, the p-type contact layer 40, the p-type cladding layer 38, the p-type electron block layer 37, the MQW active layer 36, the n-type superlattice layer 35, the n-type cladding layer 34 Then, a part of the buffer layer 32 is removed by mesa etching by reactive ion etching or the like. Thereafter, an n-electrode 33 is formed on the etched surface of the notch layer 32 by vapor deposition, and a p-electrode 50 is formed on the p-type contact layer 40 by vapor deposition.
  • the LD configured as shown in Fig. 4 also includes a buffer layer 32, an n-type cladding layer 34, an n-type superstoring layer 35, an MQW active layer 36, a p-type electron blocking layer 37, and a p-type cladding layer 38.
  • the growth surface is the A plane.
  • an electric field E is generated toward the p-AlGaN electron blocking layer 37 from the GaN NOR layer force as in the case of Fig. 3.
  • FIG. 5 shows an example of a gallium nitride semiconductor light-emitting device in which a gallium nitride semiconductor crystal 2 is grown on the A-plane or M-plane of the GaN substrates 3 and 4, and the growth surface becomes the A-plane or M-plane. Show.
  • Ga On the A or M surface of the N substrate 22 AlGaN doped with Si as the n-type cladding layer 23 is about 0.8 ⁇ m, and undoped GaN or n-doped GaN is used as the n-type light guide layer 24. about ⁇ , MQW active layer 25, [rho type light guide layer 26 as undoped GaN or [rho doped GaN 0.
  • the MQW active layer 25 includes, for example, a well layer made of 30A In GaN, and a 150A
  • a multi-quantum well structure in which a barrier layer (barrier layer) consisting of In GaN is stacked, and a p-type
  • the layer 28 was a superlattice layer in which 20 to 5 ⁇ undoped AlGaN and 20 to 5 ⁇ GaN doped with Mg were alternately stacked. Finally, a positive electrode 30 (p electrode) and a negative electrode 21 (n electrode) are formed by vapor deposition. N-type cladding layer 23, n-type light guide layer 24, MQW active layer 25, p-type light guide layer 26, electron block layer 27, P-type cladding layer 28, p-type contact layer In all 29, the growth surface is A or M.
  • the MQW active layer 25 includes, for example, a well layer made of 30A InGaN,
  • the type cladding layer 23 is a superlattice layer in which 20 to 5 ⁇ undoped AlGaN and Si doped 20 to 5 ⁇ Ga N are alternately stacked, and the p-type cladding layer 28 is 20 to 50 A undoped AlGa N and Mg. A superlattice layer in which doped GaN of 20 to 50 A was alternately laminated was used. Finally, a positive electrode 30 (p electrode) and a negative electrode 21 (n electrode) are formed by vapor deposition. N-type cladding layer 23, n-type light guide layer 24, MQW active layer 25, P-type light guide layer 26, electron block layer 27, p-type cladding layer 28, p-type contact In all layers 29, the growth surface is A-plane or M-plane.
  • Fig. 6 shows the band gap energy in the valence band in the case where the structure of Fig. 5 is composed of LEDs or LDs as described above.
  • an electric field E is generated from the p-type light guide layer 26 toward the electron block layer 27, but the growth surface is nonpolar. Therefore, as shown in Fig. 6, the electric field strength shown in Fig. 10 is much smaller than the conventional one. It becomes easy to inject into the active layer 25 side, and carrier depletion can be avoided.
  • the growth surface is a nonpolar surface, so the intensity of the generated electric field is very small, so the effect is small regardless of the direction of the electric field, and carrier depletion occurs. Can be avoided.
  • the Al GaN semiconductor layer force also generates an electric field E toward the Al GaN semiconductor layer
  • Holes with a P electrode side force receive electrical repulsion and flow into the light emitting region.
  • the barrier layer (Z ⁇ 0) of the MQW active layers 16 and 36 can be made of InGaN in the configuration of FIG. 2 or FIG. 4, and in this configuration, the p-type electron block layer also has AlGaN force.
  • An AlGaNZlnGaN interface is formed between 17 and 37 and the noria layer.
  • an Al GaN / Al GaN (X> Y) interface is formed between the p-type cladding layer 28, which also has the superlattice layer force of A1 GaN and GaN, and the electron blocking layer 27 made of AlGaN.
  • Figure 7 (a) shows A1
  • Fig. 7 (b) shows the state of the GaNZlnGaN interface, and the state of the Al GaN / Al GaN (X ⁇ Y) interface.
  • the state is shown together with the band gap energy in the valence band.
  • the growth surface of the gallium nitride semiconductor crystal is a Ga polar surface
  • the holes from the P electrode side are electrically repelled and injected into the light emitting region.
  • the magnitude of the electric field E generated can be made very small, and holes from the P electrode side can be easily injected into the light emitting region.
  • Al GaN semiconductor is also used at the Al GaN / Al GaN (X> Y) interface.
  • the magnitude of the electric field E generated by the force from the body layer to the Al GaN semiconductor layer is greatly reduced.
  • the growth concentration is 1 X 10 19 cm_ 3 or less
  • the growth surface is Ga polar
  • the growth surface is a nonpolar surface.
  • the magnitude of the electric field at each interface can be significantly reduced, and the positive holes from the ⁇ electrode side can be easily injected into the light emitting region.

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Abstract

　ＡｌＧａＮ半導体層とＧａＮ系半導体層との界面に発生する自発分極やピエゾ分極によるキャリア空乏化を低減させて、駆動電圧を安定させることができる窒化ガリウム半導体発光素子を提供する。 　サファイア基板１のＲ面上に、発光領域を含む窒化ガリウム半導体結晶２が形成されている。また、他の構成では、ＧａＮ基板３、４のＡ面又はＭ面に窒化ガリウム半導体結晶２が形成される。これらの窒化ガリウム半導体結晶２は、その成長表面がＮ（窒素）極性面やＧａ極性面ではなく、無極性面となるので、ｐ側のＧａＮ／ＡｌＧａＮの界面で発生する自発分極やピエゾ分極による電界の大きさを小さくすることができ、キャリア空乏化を回避することができる。

Description

明 細 書
窒化ガリウム半導体発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、 GaNを用いた窒化ガリウム半導体発光素子に関する。
背景技術
[0002] 青色、又は紫色の光を発する半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光 素子として、窒化ガリウム半導体発光素子がある。 GaN系半導体素子の製造の際に は、 GaN力もなる基板の製造が困難であるため、サファイア、 SiC、 Si等力もなる基板 上に GaN系半導体層をェピタキシャル成長させて 、る。
[0003] 例えば、サファイア基板の（0001)面上に MOCVD (有機金属気相成長法)を用い て、アンドープの GaNバッファ層、 n— GaNコンタクト層、 n— AlGaNクラッド層、 n— GaN光ガイド層、 InGaN多重量子井戸 (MQW)活性層等が順に形成され、活性層 上には、 p— GaN光ガイド層、 p— AlGaNクラッド層、 p— GaNコンタクト層等が順に 形成される。
[0004] p— GaNコンタクト層力 n— GaNコンタクト層の一部領域までがエッチングにより除 去され、 n— GaNコンタクト層を露出させ、 n— GaNコンタクト層の露出した上面に n 電極が形成され、 P— GaNコンタクト層の上面に p電極が形成される。
[0005] 図 9は、サファイア単結晶の面方位を示すユニットセル図を表しており、サファイア の結晶構造は、図のように六方晶系で近似できる。サファイア基板上に GaN系半導 体層を積層する場合には、サファイア基板の C面 (0001)が用いられ、（0001)方位 のサファイア基板上に積層した GaN系半導体は、（0001)方位のウルッ鉱型の結晶 構造を持ち、図 7に示すように Gaのカチオン元素が成長表面方向になる結晶極性 ( C軸方向に成長）を有している。すなわち、サファイア基板に垂直方向が C軸 [0001] で積層されている。
[0006] 図 10は、前述のサファイア基板上に GaN系半導体層を積層した窒化ガリウム半導 体発光素子において、 n— AlGaNクラッド層 41、 n— GaN光ガイド層 42、 MQW活 性層 43、 p— GaN光ガイド層 44、 p— AlGaNクラッド層 45の積層領域の価電子帯に おけるバンドギャップエネルギーを示す。
特許文献 1：特開 2000— 216497号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 上記従来技術のように、サファイア基板の C面 (0001)に積層された GaN系半導体 層は、 Ga極性面が成長表面方向となる力 成長した GaN系半導体層の GaNZAlG aNヘテロ結合界面では、 C軸方向に対称性がなぐ C面成長のェピタキシャル膜に は表裏が生じるというウルッ鉱構造のため、自発分極と界面応力に起因するピエゾ分 極が起こり、分極電荷が発生し、ヘテロ結合界面に電界が発生する。この電界は、 n 側では活性層に電子を引き込む形になるので問題は小さ 、。
[0008] し力し、 p側では、図 10に示すように p— GaN光ガイド層 44から p—AlGaNクラッド 層 45に向かって電界 Eが発生するので、発生した電界 Eによって、 p—AlGaNクラッ ド層 45から p— GaN光ガイド層 44に流れ込む正孔が電気的な反発を受けて MQW 活性層 43に流れ込めなくなり、キャリア空乏化が発生して駆動電圧が上昇する。駆 動電圧の上昇は、窒化ガリウム半導体発光素子の寿命を短くすることになる。
[0009] 特に、 p— AlGaNクラッド層 45に p型不純物として Mgが含まれており、この Mg濃 度が 1 X 1019cm_3以下になると、 p— GaN光ガイド層 44と p— AlGaNクラッド層 45 の界面で起きるピエゾ分極が急激に増大し、図 10に示される電界 Eが非常に大きく なってしまうので、問題となっていた。
[0010] 本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、 AlGaN半導体 層と GaN系半導体層との界面に発生する自発分極やピエゾ分極によるキャリア空乏 化を低減させて、駆動電圧を安定させることができる窒化ガリウム半導体発光素子を 提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成するために、基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型半 導体層を順に備え、前記 p型半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の Mg を含む AlGaN半導体層と、該 AlGaN半導体層よりも n側に位置する GaN半導体層 との界面を有する窒化ガリウム半導体発光素子であって、前記 n型半導体層から A1G aN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも Ga極性でもな ヽ無極性方向 で形成されていることを特徴とする窒化ガリウム半導体発光素子である。
[0012] また、請求項 2記載の発明は、基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型 半導体層を順に備え、前記 p型半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の M gを含む AlGaN半導体層と、該 AlGaN半導体層よりも n側に位置する InGaN半導 体層との界面を有する窒化ガリウム半導体発光素子であって、前記 n型半導体層か ら AlGaN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも Ga極性でもな!/ヽ無極 性方向で形成されていることを特徴とする窒化ガリウム半導体発光素子である。
[0013] また、請求項 3記載の発明は、基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型 半導体層を順に備え、前記 p型半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の M gを含む Al GaN半導体層と該 p型 Al GaN半導体層よりも n側に位置する Al GaN
X X Y
半導体層 (χ> γ)との界面を有する窒化ガリウム半導体発光素子であって、前記 n型 半導体層から Al GaN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも Ga極性で
X
もない無極性方向で形成されていることを特徴とする窒化ガリウム半導体発光素子で ある。
発明の効果
[0014] 本発明によれば、基板上に積層された窒化ガリウム半導体の成長方向（基板に対 して垂直方向）が、 GaNの N (窒素）極性や Ga極性とは異なる無極性面、すなわち A 面や M面で形成されて ヽるので、 p側の AlGaN半導体層と GaN系半導体層との界 面に、自発分極やピエゾ分極により発生する電界を非常に小さくすることができ、キヤ リア空乏化を回避して駆動電圧を安定させることができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は、本発明の窒化ガリウム半導体発光素子の概略構成を示す図である。
[図 2]図 2は、窒化ガリウム半導体発光素子における LED構造の一例を示す断面図 である。
[図 3]図 3は、図 2の LEDの価電子帯におけるバンドギャップエネルギーを示す図で ある。
[図 4]図 4は、窒化ガリウム半導体発光素子における LD構造の一例を示す断面図で ある。
[図 5]図 5は、窒化ガリウム半導体発光素子構造の一例を示す断面図である。
[図 6]図 6は、図 5の窒化ガリウム半導体発光素子の価電子帯におけるバンドギャップ エネルギーを示す図である。
[図 7]図 7は、 AlGaNZlnGaN界面及び Al GaN/Al GaN (X>Y)界面の電界の
X Y
状態を示す図である。
[図 8]図 8は、成長表面が Ga極性面の場合の窒化ガリウム半導体結晶の結晶構造を 模式的に示す図である。
[図 9]図 9は、六方晶系の面方位を示すユニットセル図である。
[図 10]図 10は、従来の窒化ガリウム半導体発光素子の価電子帯におけるバンドギヤ ップエネノレギーを示す図である。
符号の説明
[0016] 1 サファイア基板
2 窒化ガリウム半導体結晶
3 GaN基板
4 GaN基板
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図 1は本発明の窒化ガリ ゥム半導体発光素子の概略構成を示す。図 1 (a)の窒化ガリウム半導体発光素子は 、サファイア基板 1上に、発光領域を含む窒化ガリウム半導体結晶 2が形成されてい る。窒化ガリウム半導体結晶 2は、サファイア基板 1の R面（1— 102)上に、 MOCVD 法等によって形成され、その成長表面が A面で成長する。 A面は、図 8、 9を参照して ゎカゝるように、 Ga極性面や N (窒素)極性面ではなぐ無極性面となる。
[0018] なお、特許文献 1で示した特開 2000— 216497には、サファイア基板の A面や M 面を用いて GaN系半導体層を積層させて、成長表面を M面又は A面とすることがき ることが記載されているが、通常、サファイア基板の A面や M面を用いた場合は、成 長方向が C軸となるので、 GaN系半導体層の成長表面が M面又は A面にならないと 考えられる。 [0019] また、図 1 (b)の窒化ガリウム半導体発光素子は、 GaN基板 3上に、発光領域を含 む窒化ガリウム半導体結晶 2が積層されている。窒化ガリウム半導体結晶 2は、 GaN 基板 3の A面（11 20)に、 MOCVD法等によって形成され、その成長表面が A面 で成長する。 A面は、上述じたように、 Ga極性面や N (窒素)極性面ではなぐ無極性 面となる。
[0020] さらに、図 1 (c)の窒化ガリウム半導体発光素子は、 GaN基板 3上に、発光領域を 含む窒化ガリウム半導体結晶 2が積層されている。窒化ガリウム半導体結晶 2は、 Ga N基板 3の M面（10— 10)に、 MOCVD法等によって形成され、その成長表面が M 面で成長する。 M面は、図 8、 9からもわ力るように、 Ga極性面や N (窒素）極性面で はなぐ無極性面となる。
[0021] 以上のように、窒化ガリウム半導体結晶 2を成長させることによって、窒化ガリウム半 導体結晶 2の成長表面が、 Ga極性面や N (窒素)極性面ではなぐ無極性面となるの で、成長した窒化ガリウム半導体結晶 2の GaNZAlGaN界面では、従来の図 10に 示された成長表面が Ga極性面の場合に発生する電界 Eの強さよりも非常に弱くなる ので、キャリア空乏化を回避することができる。特に、 AlGaN半導体層中に不純物と して Mgがドーピングされており、この Mg濃度が 1 X 1019cm_3以下の場合には、従 来のように成長表面が窒素極性面であると、 AlGaN半導体層と GaN系半導体層と の界面で起きるピエゾ分極が急激に増大して電界 Eが急激に大きくなるが、本発明 のように無極性面とすることで、その電界 Eを非常に小さくすることができるので、効果 は顕著になる。
[0022] サファイア基板 1の R面上に窒化ガリウム半導体結晶 2を成長させて、成長表面が A 面となった窒化ガリウム半導体発光素子における LEDの一例を図 2に示す。サフアイ ァ基板 11上に、ノ ッファ層 12、 n型コンタクト層 13、 n型超格子層 15、 MQW活性層 16、 p型電子ブロック層 17、 p型コンタクト層 18が形成される。さらに、 p型コンタクト層 18の上に正電極（p電極） 20力 n型コンタクト層 13上に負電極（n電極） 14が形成さ れている。バッファ層 12、 n型コンタクト層 13、 n型超格子層 15、 MQW活性層 16、 p 型電子ブロック層 17、 p型コンタクト層 18は、すべて成長表面が A面となる。
[0023] ここで、バッファ層 12はアンドープの GaN、 n型コンタクト層 13は n—GaN、 n型超 格子層 15は n— GaN薄膜と n— InGaN薄膜を交互に 5〜 10周期積層した超格子構 造、 MQW活性層 16は InGaNからなる井戸層と GaN又は InGaNからなるバリア層と の多重量子井戸構造、 p型電子ブロック層 17は p型不純物として Mgを濃度 1 X 1019 cm—3以下でドーピングした p—AlGaN、 p型コンタクト層 18は p— GaNで構成した場 合の価電子帯におけるバンドギャップエネルギーを図 3に示す。
[0024] 図 10に示すように、従来 Ga極性面が成長表面として窒化ガリウム半導体結晶が形 成されて!/、た場合には、 p— GaN光ガイド層と p— AlGaNクラッド層との界面にお ヽ て、 GaN半導体層力も AlGaN半導体層に向かって電界 Eが発生していた力 成長 表面が無極性面となった場合には、図 3に示すように、 MQW活性層 16の GaNバリ ァ層カも p— AlGaN電子ブロック層 17に向力つて電界 Eが発生するものの、この電 界の大きさは、従来の図 10で示された電界の強さよりも非常に小さくなるので、正電 極 19側カゝら注入された正孔は、発光領域である MQW活性層 16側に注入されやす くなり、キャリア空乏化を回避することができる。
[0025] 製造方法としては、良く知られた MOCVD法等で成長させる。例えば、サファイア 基板 11の R面上に、アンドープ GaNからなるバッファ層 12を 1〜3 m程度、 Siドー プの GaNコンタクト層 13を 1〜5 μ m程度、 Siドープの InGaNZGaN超格子層 15、 MQW活性層 16、 Mgドープの AlGaN電子ブロック層 17、 Mgドープの GaNコンタク ト層 18を 0. 2〜1 μ m程度順次積層する。 MQW活性層 16は、 l〜3nmの In Ga
0. 17
Nからなる井戸層と 10〜20nmの In GaN (0≤X≤0. 05)からなるバリア層とを
0. 83 X
交互に積層して 3〜10周期の多層構造とした。
[0026] p型コンタクト層 18を形成した後、 p型コンタクト層 18、 p型電子ブロック層 17、 MQ W活性層 16、 n型超格子層 15、 n型コンタクト層 13の一部を反応性イオンエッチング 等によりメサエッチングして除去する。その後、 n型コンタクト層 13のエッチングされた 面に負電極 14を蒸着により形成し、 p型コンタクト層 18の上に正電極 19を蒸着により 形成する。
[0027] 次に、サファイア基板 1の R面上に窒化ガリウム半導体結晶 2を成長させて、成長表 面が A面となった窒化ガリウム半導体発光素子における LDの一例を図 4示す。製造 方法としては、良く知られた MOCVD法等で成長させる。例えば、サファイア基板 31 の R面上に、アンドープ GaNからなるバッファ層 32を 1〜3 /ζ πι程度、 Siドープの A1G aNZGaN超格子層力 なる n型クラッド層 34を 1〜5 μ m程度、 Siドープの InGaN /GaNカゝらなる n型超格子層 35、 MQW活性層 36、 Mgを濃度 1 X 1019cm_3以下 でドーピングした AlGaNからなる p型電子ブロック層 37、 Mgドープの AlGaNZGaN 超格子層からなる P型クラッド層 38を 0. 2〜： L m程度順次積層する。 MQW活性層 36は、 l〜3nmの In Ga Nからなる井戸層と 10〜20nmの In GaN (0≤Z≤0
0. 17 0. 83 Z
. 05)力もなるノ リア層とを交互に積層して 3〜： LO周期の多層構造とした。
[0028] p型クラッド層 38をエッチングによりパターユングしてリッジ部を形成した後、リッジ部 側面力も p型クラッド層 38の平坦部までを絶縁層 39で覆い、 p型クラッド層 38のリッジ 部上には Mgドープの GaN力もなる p型コンタクト層 40を積層する。
[0029] p型コンタクト層 40を形成した後、 p型コンタクト層 40、 p型クラッド層 38、 p型電子ブ ロック層 37、 MQW活性層 36、 n型超格子層 35、 n型クラッド層 34、バッファ層 32の 一部を反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去する。その後、ノ ッフ ァ層 32のエッチングされた面に n電極 33を蒸着により形成し、 p型コンタクト層 40の 上に p電極 50を蒸着により形成する。
[0030] 図 4のように構成された LDについても、バッファ層 32、 n型クラッド層 34、 n型超格 子層 35、 MQW活性層 36、 p型電子ブロック層 37、 p型クラッド層 38、 p型コンタクト 層 40は、すべて成長表面が A面となる。ここで、 p側の AlGaN電子ブロック層 37と M QW活性層 36の GaNバリア層（Z=0)との界面で、電界が発生する。し力し、成長表 面が無極性面となった場合には、図 3の場合と同様、 GaNノ リア層力ら p— AlGaN 電子ブロック層 37に向かって電界 Eが発生するものの、この電界の大きさは、従来の 図 10で示された電界の強さよりも非常に小さくなるので、 p電極 41側力も注入された 正孔は、発光領域である MQW活性層 36側に注入されやすくなり、キャリア空乏化を 回避することができる。
[0031] 一方、 GaN基板 3、 4の A面又は M面上に窒化ガリウム半導体結晶 2を成長させて 、成長表面が A面又は M面となった窒化ガリウム半導体発光素子の一例を図 5に示 す。
[0032] 図 5の構造で LEDを形成する場合には、既知の MOCVD法等により、例えば、 Ga N基板 22の A面又は M面上に、 n型クラッド層 23として Siがドープされた AlGaNを 0 . 8 μ m程度、 n型光ガイド層 24としてアンドープ GaN又は nドープ GaNを 0. Ι μ ηι 程度、 MQW活性層 25、 ρ型光ガイド層 26としてアンドープ GaN又は ρドープ GaNを 0. 1 m程度、電子ブロック層 27として Mgが濃度 1 X 1019cm_3以下でドーピングさ れた AlGaNを 200 A程度、 p型クラッド層 28、 p型コンタクト層 29として Mgがドープさ れた GaNを順に積層する。
[0033] なお、 MQW活性層 25は、例えば、 30Aの In GaNからなる井戸層と、 150Aの
0. 08
In GaN力 なるバリア層（障壁層）とを積層した多重量子井戸構造とし、 p型クラッ
0. 01
ド層 28は、 20〜5θΑのアンドープ AlGaNと、 Mgがドープされた 20〜5θΑの GaN とが交互に積層された超格子層とした。最後に正電極 30 (p電極）と負電極 21 (n電 極)を蒸着により形成する。このように積層した窒化ガリウム半導体 LEDの n型クラッド 層 23、 n型光ガイド層 24、 MQW活性層 25、 p型光ガイド層 26、電子ブロック層 27、 P型クラッド層 28、 p型コンタクト層 29はすべて成長表面が A面又は M面となる。
[0034] 他方、図 5の構造で LDを形成する場合には、既知の MOCVD法等により、例えば 、 GaN基板 22の A面又は M面上に、 n型クラッド層 23、 n型光ガイド層 24としてアン ドープ GaN又は nドープ GaNを 0. 1 μ m程度、 MQW活性層 25、 p型光ガイド層 26 としてアンドープ GaN又は pドープ GaNを 0. 1 m程度、電子ブロック層 27として M gが濃度 1 X 1019cm_3以下でドーピングされた AlGaNを 200 A程度、 p型クラッド層 28、 p型コンタクト層 29として Mgがドープされた GaNを順に積層する。
[0035] そして、 MQW活性層 25は、例えば、 30Aの In Ga Nからなる井戸層と、 15
0. 08 0. 92
OAの In GaN力もなるバリア層（障壁層）とを積層した多重量子井戸構造とし、 n
0. 01
型クラッド層 23は 20〜5θΑのアンドープ AlGaNと Siがドープされた 20〜5θΑの Ga Nとが交互に積層された超格子層、 p型クラッド層 28は 20〜50Aのアンドープ AlGa Nと Mgがドープされた 20〜50Aの GaNとが交互に積層された超格子層とした。最 後に正電極 30 (p電極）と負電極 21 (n電極)を蒸着により形成する。このように積層し た窒化ガリウム半導体 LDの n型クラッド層 23、 n型光ガイド層 24、 MQW活性層 25、 P型光ガイド層 26、電子ブロック層 27、 p型クラッド層 28、 p型コンタクト層 29はすべて 成長表面が A面又は M面となる。 [0036] 図 5の構造を上記のように LED又は LDで構成した場合の価電子帯におけるバンド ギャップエネルギーを図 6に示す。 GaNからなる p型光ガイド層 26と AlGaNからなる 電子ブロック層 27との界面で、 p型光ガイド層 26から電子ブロック層 27に向力つて電 界 Eが発生するが、成長表面が無極性面となっているので、図 6に示すように、従来 の図 10で示された電界の強さよりも非常に小さくなるので、正電極 30側力も注入され た正孔は、発光領域である MQW活性層 25側に注入されやすくなり、キャリア空乏化 を回避することができる。
[0037] また、 AlGaNと GaNの超格子層力もなる p型クラッド層 28と AlGaNからなる電子ブ ロック層 27との界面で、 p型クラッド層 28と GaN力もなる p型コンタクト層との界面でも 、電界が発生するが、成長表面が無極性面となっているので、発生した電界の強さ は非常に小さくなつているので、電界の向きにかかわらず、その影響は小さくなり、キ ャリア空乏化を回避できる。
[0038] ところで、自発分極と界面応力に起因するピエゾ分極による電界 Eの発生は、 AlGa NZGaNの界面だけではなぐ AlGaNと他の GaN系半導体層との界面でも見られる 。特に、 AlGaNZlnGaNの界面、 Al GaN/Al GaN (X>Y)の界面において、同
X Υ
様の電界が発生する。すなわち、基板上の窒化ガリウム半導体結晶のェピタキシャ ル成長方向が Ga極性面であると、図 10と同様に、 AlGaNZlnGaNの界面では InG aN半導体層力も AlGaN半導体層の方に向かって、 Al GaN/Al GaN (X>Y)界
X Υ
面では、 Al GaN半導体層力も Al GaN半導体層の方に向かって電界 Eが発生し、
Y X
P電極側力もの正孔が電気的な反発を受けて発光領域に流れ込みに《なる。
[0039] 例えば、図 2又は図 4の構成で MQW活性層 16、 36のバリア層（Z≠0)を InGaNと することができ、このように構成すれば、 AlGaN力もなる p型電子ブロック層 17、 37と ノリア層との間で AlGaNZlnGaNの界面が形成される。また、図 5の構成では、 A1 GaNと GaNの超格子層力もなる p型クラッド層 28と AlGaNからなる電子ブロック層 2 7との間で、 Al GaN/Al GaN (X>Y)界面を形成する場合がある。図 7 (a)は、 A1
X Υ
GaNZlnGaNの界面の状態を、図 7 (b)は Al GaN/Al GaN (X〉Y)の界面の状
X Y
態を価電子帯におけるバンドギャップエネルギーとともに示したものである。
[0040] 窒化ガリウム半導体結晶の成長面が Ga極性面であると、上記の各界面においても 、 P電極側からの正孔が電気的な反発を受けて発光領域に注入されに《なるが、図
1に示す構成のように、窒化ガリゥム半導体結晶の半導体層の成長方向を無極性面 とすれば、図 7 (a)に示すように、 AlGaNZlnGaNの界面では InGaN半導体層から AlGaN半導体層に向力つて発生する電界 Eの大きさを非常に小さくすることができ、 P電極側からの正孔を発光領域に注入させやすくすることができる。
[0041] また、図 7 (b)に示すように、 Al GaN/Al GaN (X> Y)界面でも、 Al GaN半導
X Υ Υ
体層から Al GaN半導体層に向力つて発生する電界 Eの大きさを非常に小さくするこ
X
とができ、 p電極側力 の正孔を発光領域に注入させやすくすることができる。このよ うにして、キャリア空乏化を防ぎ、駆動電圧を安定させることができる。
[0042] 特に、 AlGaN半導体層や上述の Al GaN半導体層における不純物 Mgのドーピン γ
グ濃度が、 1 X 1019cm_3以下になると、成長面が Ga極性面の場合、 AlGaN/lnGa N界面、 AlGaNZGaN界面、 Al GaN/Al GaN (X>Y)の各界面において非常
X Υ
に強い電界が発生する力 本発明の場合には、成長表面を無極性面としているので
、上記各界面における電界の大きさを著しく低減させることができ、 ρ電極側からの正 孔を発光領域に注入させやすくすることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型半導体層を順に備え、前記 p型 半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の Mgを含む AlGaN半導体層と、該 AlGaN半導体層よりも n側に位置する GaN半導体層との界面を有する窒化ガリウム 半導体発光素子であって、
前記 n型半導体層から AlGaN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも Ga極性でもな 、無極性方向で形成されて 、ることを特徴とする窒化ガリウム半導体 発光素子。
[2] 基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型半導体層を順に備え、前記 p型 半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の Mgを含む AlGaN半導体層と、該 AlGaN半導体層よりも n側に位置する InGaN半導体層との界面を有する窒化ガリウ ム半導体発光素子であって、
前記 n型半導体層から AlGaN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも Ga極性でもな 、無極性方向で形成されて 、ることを特徴とする窒化ガリウム半導体 発光素子。
[3] 基板上に少なくとも n型半導体層、発光領域、 p型半導体層を順に備え、前記 p型 半導体層側に形成されるとともに 1019cm_3以下の Mgを含む Al GaN半導体層と該
X
p型 Al GaN半導体層よりも n側に位置する Al GaN半導体層（X>Y)との界面を有
X Υ
する窒化ガリウム半導体発光素子であって、
前記 η型半導体層から Al GaN半導体層までは、成長表面が GaNの窒素極性でも
X
Ga極性でもな 、無極性方向で形成されて 、ることを特徴とする窒化ガリウム半導体 発光素子。
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