JP2000058916A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Abstract
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 基板と、窒化ガリウム系化合物半導体か
らなるn型コンタクト層および活性層とを備え、前記n
型コンタクト層と前記基板との間と、前記活性層と前記
n型コンタクト層との間とのいずれか一方またはその両
方に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体積層
構造を備えており、前記半導体積層構造は、アンドープ
のGaNからなる第一のn型層と、前記第一のn型層に
接して形成され、かつn型不純物がドープされたAlx
Ga1-xN(但し、0≦x≦1)からなる第二のn型層
と、を少なくとも含む構成とした。
Description
ーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子に関する。
発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料と
して多用されるようになっており、青色や緑色の発光ダ
イオードの分野での実用化や青紫色のレーザダイオード
の分野での展開が進んでいる。特に、発光ダイオードの
分野においては、従来用いられていたSiCからなる青
色の発光素子よりも数十倍から約100倍の発光効率の
向上が達成されており、高効率の発光が必要とされてい
た屋外用のディスプレイ装置にも好適に用いることがで
きるため、多くの注目を集めている。
られるものを含め、可視光で発光可能な窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、基本的には、InGaNから
なる活性層を、活性層よりもバンドギャップの大きなG
aNやAlGaN等からなるp型およびn型のクラッド
層で挟んだダブルヘテロ構造を含むものが主流である。
p型クラッド層には、これに接してGaNからなるp型
コンタクト層が接合形成され、n型クラッド層には、こ
れに接してGaNからなるn型コンタクト層が接合形成
される。これらの積層構造は、サファイアやSiC等か
らなる基板上に、有機金属気相成長法や分子線エピタキ
シー法等の結晶成長方法により成長形成される窒化ガリ
ウム系化合物半導体の薄膜をもって作製されるのが近来
では主流である。
ダイオードに用いられる窒化ガリウム系化合物半導体も
上記の積層構造を基本的に有しており、基板にはサファ
イアが用いられ、基板上にn型コンタクト層、n型クラ
ッド層、活性層、p型クラッド層、p型コンタクト層を
順次積層させた構成とされている。(以下、活性層に対
し、n型コンタクト層およびn型クラッド層が形成され
た側をn側、p型クラッド層およびp型コンタクト層が
形成された側をp側ということがある。)さらに、p型
コンタクト層にはその表面にp側電極が形成され、n型
コンタクト層には、p型コンタクト層の側から積層方向
と逆の方向にp型コンタクト層、p型クラッド層、活性
層およびn型コンタクト層の一部を除去して露出させた
表面にn側電極が形成されている。そして、p側電極と
n側電極とに電圧を印加させて、活性層に対してp型コ
ンタクト層の側から正孔を、n型コンタクト層の側から
電子を注入させるようになっている。活性層において
は、注入された正孔と電子の再結合により、基本的には
活性層のバンドギャップエネルギーに対応する発光が得
られる。
いた場合に代表されるように、p側電極とn側電極を基
板の同一面側に設ける構成とした発光素子においては、
電圧を印加した際に、n側電極からn型コンタクト層に
注入された電子が、n型コンタクト層やn型クラッド層
の中で積層方向とほぼ垂直な方向、すなわち面方向に移
動する過程を含むこととなる。
合、他の3−5族化合物半導体に比して抵抗率が高いた
め電流が流れにくく、電子が移動しにくいという特徴が
ある。したがって、電極からn型コンタクト層へ注入さ
れた電子は、n型コンタクト層から活性層へかけて抵抗
が小さくなるように移動することとなり、活性層の下で
電極に近い領域に集中する傾向にある。このため、活性
層においては、n型コンタクト層に近い領域に発光が集
中してしまい、活性層から面内均一な発光が得られにく
いという問題があった。
コンタクト層と活性層との間に、n型コンタクト層より
も電子濃度の高い層を形成し、この層において電子を面
内均一に広げて活性層へ面内均一に電子を注入し得る構
造が提案された。このような構造は、例えば特開平8−
23124号公報に示されている。
の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断
面図を示している。図8において、基板41の上に、バ
ッファ層42を介してn型コンタクト層43が形成され
ている。n型コンタクト層43の上には、n型コンタク
ト層43よりも電子濃度の高いn型高濃度層403が形
成されている。そして、n型高濃度層403の上には、
n型クラッド層44、活性層45、p型クラッド層4
6、p型コンタクト層47が形成されている。p型コン
タクト層47の表面にはp側電極49が形成され、p型
コンタクト層47、p型クラッド層46、活性層45、
n型クラッド層44、およびn型高濃度層403の一部
を積層方向と反対の方向に除去して露出されたn型コン
タクト層43の表面には、n側電極48が形成されてい
る。このように、n型コンタクト層43とn型クラッド
層44の間に、n型コンタクト層43よりも電子濃度の
高いn型高濃度層403を設けることで、n側電極48
からn型コンタクト層43に注入された電子が、n型高
濃度層403の中で均一に広がりやすくなるため、活性
層45から均一な面発光が得られるとされている。
含め、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において
は、発光出力を高め、動作電圧の低減を図るための種々
の改善が行われた結果、従来のSiCからなる青色の発
光素子に比して、約100倍の発光効率の向上が達成さ
れ、実用化されるに至った。しかしながら、屋外用の大
型ディスプレイ装置や各種光源等、多くの応用分野での
展開が進むにつれ、視認性の向上や消費電力の低減を図
るために、さらなる発光効率の向上および動作電圧の低
減が望まれるようになってきた。
る発光効率の向上と動作電圧の低減を実現し得る窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子の構造を提供することで
ある。
ウム系化合物半導体発光素子において、特に基板と活性
層の間に設けるn型の窒化ガリウム系化合物半導体から
なる半導体積層構造について鋭意研究を行った。その結
果、活性層と基板との間に、電子を注入するための電極
を形成するn型コンタクト層における電子の移動度より
も高い移動度を有する半導体積層構造を設けることによ
り、発光効率の向上と動作電圧の低減が図れることを見
いだした。
ム系化合物半導体からなるn型コンタクト層および活性
層と、を少なくとも有する窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子であって、前記n型コンタクト層と前記基板と
の間と、前記活性層と前記n型コンタクト層との間との
いずれか一方またはその両方に、窒化ガリウム系化合物
半導体からなる半導体積層構造を備えており、前記半導
体積層構造の中における電子の面方向の移動度が、前記
n型コンタクト層の中における電子の面方向の移動度よ
りも高いことを特徴とするものである。そして、前記半
導体積層構造は、アンドープのGaNからなる第一のn
型層と、前記第一のn型層に接して形成され、かつn型
不純物がドープされたAlxGa1-xN(但し、0≦x≦
1)からなる第二のn型層と、を少なくとも含むことを
特徴とする(以下、本明細書において、AlxGa1-xN
または同様に添字を伴った表現により示される窒化ガリ
ウム系化合物半導体を単にAlGaNということがあ
る。)。
構造は、アンドープのGaNからなる第一のn型層とn
型不純物がドープされた第二のn型層とからなる対が2
以上積層された多層構造を含むこととすることもでき
る。
型コンタクト層へ注入された電子がn側の層構造の中で
容易に移動しやすくなり、n側の層構造の面内の全体に
広がりやすくなるため、活性層への電子の注入の均一性
を改善させることが可能となる。
と、窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型コンタク
ト層および活性層と、を少なくとも有する窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子であって、前記n型コンタクト
層と前記基板との間と、前記活性層と前記n型コンタク
ト層との間とのいずれか一方またはその両方に、窒化ガ
リウム系化合物半導体からなる半導体積層構造を備えて
おり、前記半導体積層構造の中における電子の面方向の
移動度が、前記n型コンタクト層の中における電子の面
方向の移動度よりも高いことを特徴とするものであり、
n型コンタクト層における面方向の移動度よりも高い電
子の移動度を有する半導体積層構造をn側の層構造の中
に設けることにより、n側の層構造の中における電子の
広がりを向上させることができるという作用を有する。
ここで、n型コンタクト層とは、発光素子へ電気的に接
続されて電子を注入するためのn側電極が形成された層
を意味する。
リウム系化合物半導体からなるn型コンタクト層および
活性層と、を少なくとも有する窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子であって、前記n型コンタクト層と前記基
板との間と、前記活性層と前記n型コンタクト層との間
とのいずれか一方またはその両方に、窒化ガリウム系化
合物半導体からなる半導体積層構造を備えており、前記
半導体積層構造は、アンドープのGaNからなる第一の
n型層と、前記第一のn型層に接して形成され、かつn
型不純物がドープされたAlxGa1-xN(但し、0≦x
≦1)からなる第二のn型層と、を少なくとも含むこと
を特徴とするものであり、アンドープのGaNからなる
第一のn型層とn型不純物がドープされたAlGaNか
らなる第二のn型層との接合により、これらの半導体積
層構造の中で電子が移動しやすくなるという作用を有す
る。
の発明において、前記半導体積層構造は、アンドープの
GaNからなる第一のn型層とn型不純物がドープされ
た第二のn型層とからなる対が2以上積層された多層構
造を含むことを特徴とするものであり、第一のn型層と
第二のn型層との接合を多層化することにより、これら
の半導体積層構造の中で電子がより一層移動しやすくな
るという作用を有する。
3に記載の発明において、前記半導体積層構造は、前記
第二のn型層に接して形成されたアンドープのGaNか
らなる第三のn型層をさらに含むことを特徴とする、第
二のn型層に接してさらにアンドープのGaNからなる
第三のn型層と形成することにより、これらの半導体積
層構造の中で電子がより一層移動しやすくなるという作
用を有する。
のいずれかに記載の発明において、前記第二のn型層
は、電子濃度が4×1018/cm3以上1×1020/c
m3以下の範囲となるように調整されていることを特徴
とするものであり、第二のn型層における電子濃度を特
定することで、第二のn型層と前記第一のn型層または
/および第三のn型層との接合により形成される半導体
積層構造の中で電子が移動しやすくなるとともに、半導
体積層構造の結晶性を良好に保持することができるとい
う作用を有する。
のいずれかに記載の発明において、前記第二のn型層
は、膜厚を10nm〜100nmの範囲に調整されてい
ることを特徴とするものであり、第二のn型層の膜厚を
特定することで、第一のn型層への電子の供給量を適当
に確保することができるという作用を有する。
のいずれかに記載の発明において、前記第二のn型層
は、膜厚を1nm〜100nmの範囲に調整されている
ことを特徴とするものであり、第一のn型層の膜厚を特
定することで、半導体積層構造の中での電子の移動のし
やすさを確保するとともに、半導体積層構造の直列抵抗
が過度に増大するのを防止することができるという作用
を有する。
のいずれかに記載の発明において、前記第二のn型層
は、前記第一のn型層または/および前記第三のn型層
と接する側に、アンドープのAlxGa1-xN(但し、0
≦x≦1)からなる不純物拡散防止領域を層状に備えて
いることを特徴とするものであり、前記第二のn型層か
らn型不純物が前記第一のn型層へ拡散して第一のn型
層における電子の移動度が低下するのを防止することが
できるという作用を有する。
の発明において、前記不純物拡散防止領域の層厚は、1
nm〜10nmの範囲に調整されていること特徴とする
ものであり、不純物拡散防止領域の層厚を特定の範囲に
調整することで、n型不純物の第一のn型層への拡散を
適切に防止するとともに、第二のn型層における直列抵
抗の増大を防止することができるという作用を有する。
図1から図7を参照しながら説明する。これらの図にお
いて、同一要素および同一部材は、同一符号で示されて
いる。
実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
の構造を示す断面図を示す。
2を介して、n型コンタクト層3aと、半導体積層構造
300と、n型コンタクト層3bと、n型クラッド層4
と、活性層5と、p型コンタクト層6と、p型コンタク
ト層7と、が順次積層されている。p型コンタクト層7
の表面上にはp側電極9が形成されており、p型コンタ
クト層9の表面側から、p型コンタクト層7とp型クラ
ッド層6と活性層5とn型クラッド層4の一部をエッチ
ングにより除去して露出されたn型コンタクト層3bの
表面上には、n側電極8が形成されている。
C、スピネル(MgAl2O)等を使用することができ
る。
GaN、AlInN等を用いることができ、例えば、9
00℃以下の温度で、数nmから数十nmの厚さで形成
されたものを好ましく用いることができる。ここで、バ
ッファ層2は、基板1とその上に形成される窒化ガリウ
ム系化合物半導体からなる積層構造との間の格子不整合
を緩和する作用を有するものであるため、GaNのよう
に、その上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体と
の格子定数が近い基板を用いる場合には、成長方法や成
長条件にもよるが、バッファ層2の形成を省略すること
も可能である。
ト層3bは、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、
特にGaNやAlGaNで形成されることが好ましい。
窒化ガリウム系化合物半導体は、n型不純物をドープし
ないアンドープの状態でもn型導電型を示す傾向がある
が、特にn側電極8を設けるためのn型コンタクト層と
して用いる場合には、SiやGe等のn型不純物をドー
プしたGaNを用いると、電子濃度の高いn型層が得ら
れ、n側電極8との接触抵抗を小さくすることが可能で
ある。
るn側電極8には、n型コンタクト層3bとのオーミッ
ク性の良いAl、Ti、Au等の金属を単層、複層また
は合金の状態で用いることができる。
物半導体で形成され、SiやGe等のn型不純物がドー
プされたAlaGa1-aN(但し、0≦a≦1)で形成さ
れることが好ましいが、発光ダイオードに用いる発光素
子の場合には、n型クラッド層4の形成を省略すること
も可能である。
5は、n型クラッド層4のバンドギャップよりも小さい
バンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体で
形成される。特に、インジウムを含む窒化ガリウム系化
合物半導体、すなわちInpAlqGa1-p-qN(但し、
0<p≦1、0≦q≦1、0<p+q≦0)で形成さ
れ、その中でもInrGa1-rN(但し、0<r<1)で
形成されることが好ましい。(以下、本明細書におい
て、InrGa1-rNまたは同様に添字を伴った表現によ
り示される窒化ガリウム系化合物半導体を単にInGa
Nということがある。)活性層5は、n型不純物とp型
不純物を同時に、またはそれらのいずれか一方のみをド
ープすることにより所望の発光波長を得る構成とするこ
ともできるが、膜厚を約10nm以下と薄くした層を用
いて量子井戸構造とした構成とすることにより、色純度
が良くかつ発光効率の高い活性層5とすることが発光効
率の向上の点で特に好ましい。活性層5を量子井戸構造
とする場合、InGaNからなる井戸層を、井戸層より
もバンドギャップの大きな障壁層で挟んだ単一量子井戸
構造としても良く、この場合には、障壁層を活性層の両
側に形成されるp型およびn型クラッド層で兼用するこ
とが可能である。また、井戸層と障壁層とを交互に積層
させた多重量子井戸構造としても良い。
成されている。p型クラッド層6は、活性層5のバンド
ギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体で形成され、特にMg等のp型不純
物がドープされたAlbGa1 -bN(但し、0≦b≦1)
で形成されることが好ましい。通常、p型クラッド層6
は、結晶性良く形成させるために、活性層5の成長に適
した温度よりも高い成長温度で形成されることが多く、
このため、活性層5の成長後、p型クラッド層6の成長
温度にまで昇温させる間において、活性層5を構成する
インジウムや窒素等の構成元素の解離等により活性層5
の結晶性の劣化が生じることがある。そこで、p型クラ
ッド層6の活性層5に接する側の一部を、活性層5を成
長後に昇温させながら連続して成長形成し、p型クラッ
ド層6の成長温度において、引き続いて残りのp型クラ
ッド層6を成長させると、活性層5の結晶性の劣化を効
果的に防止することが可能となる。このとき、昇温させ
ながら成長させるp型クラッド層6の一部は、AlcG
a1-cN(但し、0≦c<1、c<b)、特にGaNで
形成されることが好ましい。活性層5に接して形成され
クラッド層としての作用を十分達成することができると
同時に、活性層5の構成元素の解離等による結晶性の劣
化を防止する効果を高めることができるからである。
ト層7が形成されている。p型コンタクト層7は、p型
不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体で形成
される。特に、p型コンタクト層7の表面上に形成され
るp側電極9との接触抵抗を低減させるために、Mg等
のp型不純物をドープしたIndGa1-dN(0≦d≦
0)で形成することが好ましい。
5と基板1との間のn側の積層構造の中に形成されてお
り、特に本実施の形態においては、n側電極8が表面に
形成されたn型コンタクト層3aと基板1との間に形成
された構成とされている。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の概略を示
す断面図であり、n型コンタクト層3aから活性層5ま
での層構造を示している。本実施の形態においては、半
導体積層構造300は、n型コンタクト層3aと基板1
との間に形成されている。
aNからなる第一のn型層31と、第一のn型層32に
接して形成され、かつn型不純物がドープされたAlG
aNからなる第二のn型層とを含む構成とされている。
本発明においては、第一のn型層31はアンドープのG
aNからなり、第二のn型層はSiやGe等のn型不純
物をドープしたAlGaNからなることを必須とする。
31とn型不純物をドープしたAlGaNと積層させた
半導体積層構造300をn側の層構造の中に形成するこ
とで、半導体積層構造300の中で電子が移動しやすく
なる理由については明らかではないが、以下のように推
測することができる。
リウム系化合物半導体においては、他の3−5族化合物
半導体と同様に、n型層中での電子の移動度は、電子を
生じてイオン化したn型不純物による散乱により大きく
影響されることが多いと考えられる。
ープしないでアンドープとしたGaNからなる第一のn
型層31とn型不純物をドープしたAlGaNからなる
第二のn型層32とを接合させて形成した構成として半
導体積層構造300を形成すると、n型不純物をドープ
した第二のn型層32においてn型不純物のイオン化に
よって生じた電子が、第二のn型層32よりもバンドギ
ャップの小さい第一のn型層31の中にも蓄積されて存
在するようになると考えられる。アンドープのGaNに
おいては、電子の移動度に影響を及ぼすイオン化した不
純物の数がn型不純物をドープしたn型層に比べ非常に
少ないため、通常、電子の移動度はn型不純物をドープ
したn型層に比べ非常に高くなる。
れ、電子濃度の低い第一のn型層31に、これに接合し
て形成され、かつn型不純物がドープされ電子濃度の高
い第二のn型層32から電子が供給されて、移動度が高
められた電子の数が非常に多くなるため、結局、全体と
してこの半導体積層構造300中で電子が移動しやすく
なるものと考えられる。
コンタクト層3bに注入された電子は、n側電極8の直
下のn型コンタクト層3bを介して半導体積層構造30
0に供給され、電子の移動度が高められた第一のn型層
31とn型不純物がドープされた第二のn型層32との
積層構造の中で、層構造の面内の全体に均一に広げら
れ、半導体積層構造300からn型コンタクト層3bお
よびn型クラッド層4を介して、活性層5へ注入され
る。この結果、活性層5から面内均一な発光が得られ、
発光効率が向上するとともに、半導体積層構造300を
含むn側の層構造の中で電子が移動しやすくなることに
よりn側の層構造における直列抵抗が低減されて、動作
電圧を低減することが可能となる。
グにより除去させて露出されたn型コンタクト層にn側
電極を形成する構成とする場合、n側電極から注入され
た後活性層へ注入されるまでの電子の流れは、n側電極
の近傍の狭い領域に集中する傾向にあり、電子はn側電
極の直下から、比較的抵抗の高いn型コンタクト層の中
を面内で積層方向と垂直な方向に進み、エッチングで除
去されていない活性層の下部に到達する。このためn型
コンタクト層における面方向における直列抵抗が高くな
る傾向にあった。また、n側電極から注入された電子が
面方向に移動する際の直列抵抗を低減することも困難な
傾向にあった。
体積層構造300をn型コンタクト層3bの下方、すな
わち、n型コンタクト層3bと基板1との間に形成する
ことにより、n側電極8から注入された電子がこの半導
体積層構造300の中で層構造の面内の全体に広がりや
すくなることで、面方向における直列抵抗を低減できる
ことができる。この場合、p側からのエッチングの深さ
を適宜調整して、n側電極8が形成されるn型コンタク
ト層3aの表面と半導体層構造300との距離を0.0
1μm〜0.3μmの範囲になるようにすると、n側電
極8から半導体層構造300への電子の供給がされやす
くなるので上述の効果を奏しやすくなる。
300を、n型コンタクト層3aと接する側から順に、
第一のn型層31と第二のn型層32とを2回繰り返し
て積層させた構成としたが、この繰り返しの回数は、第
一のn型層31および第二のn型層32の膜厚にもよる
が、1回以上300回以下の範囲とすることが好まし
い。繰り返しの回数を多くして多層化するする場合には
膜厚を適宜薄くして、層構造に欠陥やクラックが発生す
るのを防止することが、製造歩留まりを高くできるとい
う点で好ましい。
近い側から第二のn型層32と第一のn型層31との対
を2回積層させており、この積層の繰り返しの最初の層
は、n型不純物をドープした第二のn型層32とされて
いるが、さらに第二のn型層32に接してアンドープの
GaNからなる第三のn型層を形成する、すなわち、基
板1に近い側の第二のn型層32とn型コンタクト層3
aとに接して第三のn型層を形成する構成としても良
い。積層の最初の第二のn型層32で生じた電子が、こ
れに接して形成された第三のn型層にも存在するように
なり、上述と同様の効果により、この半導体積層構造の
中で電子がさらに移動しやすくなるからである。
タクト層3aをn型コンタクト層3bと同じ窒化ガリウ
ム系化合物半導体、すなわちSiをドープして電子濃度
を高めたGaNとすることが好ましいとしたが、n型コ
ンタクト層3aにn側電極8が接することがない構成と
する場合には、n型コンタクト層3aをアンドープのG
aNやAlGaNで形成し、その上に形成する窒化ガリ
ウム系化合物半導体の積層構造の下地層として用いるこ
とも可能である。
実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
の構造を示す断面図を示しており、図1と同一の符号
は、同一の部材を示している。
2を介して、n型コンタクト層3aと、半導体積層構造
300と、n型コンタクト層3bと、n型クラッド層4
と、活性層5と、p型クラッド層6と、p型コンタクト
層7と、が実施の形態1における図1に示す窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子と同様に順次積層されてい
る。p型コンタクト層7の表面上にはp側電極9が、n
型コンタクト層3aの露出された表面上にはn側電極8
が形成されている。
ンタクト層3a、半導体積層構造300、n型コンタク
ト層3b、n型クラッド層4、活性層5、p型クラッド
層6、p型コンタクト層7、p側電極9およびn側電極
8の構成については、上記実施の形態1における図1に
関して説明したものと同様であるが、本実施の形態の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子が、上記実施の形態
1のものと異なるのは、半導体積層構造300が、n側
電極8が形成されたn型コンタクト層3aと活性層5と
の間に形成されている点である。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示
す断面図であり、n型コンタクト層3aから活性層5ま
での層構造を示している。上述したように、半導体積層
構造300は、n型コンタクト層3aと活性層5との間
に形成されている。
層3aに近い側から、アンドープのGaNからなる第一
のn型層31と、第一のn型層32に接して形成され、
かつn型不純物がドープされたAlGaNからなる第二
のn型層とを含む構成とされている。本発明において、
第一のn型層31はアンドープのGaNからなり、第二
のn型層はSiやGe等のn型不純物をドープしたAl
GaNからなることを必須とすることは、実施の形態1
の構成と同様である。
aNからなる第一のn型層31とn型不純物をドープし
たAlGaNと積層させた半導体積層構造300をn側
の層構造の中に形成することで、半導体積層構造300
の中で電子が移動しやすくなる理由については、上記実
施の形態1において説明した推測とほぼ同様の理由によ
るものと考えられる。
側電極8からn型コンタクト層3aに注入された電子
は、n型コンタクト層3aの上に形成された半導体積層
構造300に供給され、電子の移動度が高められた第一
のn型層31とn型不純物がドープされた第二のn型層
32との積層構造の中で、層構造の面内の全体に均一に
広げられ、半導体積層構造300からn型コンタクト層
3bおよびn型クラッド層4を介して、活性層5へ注入
される。この結果、活性層5から面内均一な発光が得ら
れ、発光効率が向上するとともに、半導体積層構造30
0を含むn型層の中で電子が移動しやすくなることによ
りn型層における直接抵抗が低減されて、動作電圧を低
減することが可能となる。
2の積層の繰り返しの回数、膜厚に関しては、実施の形
態1の構成と同様とすることができる。
型層31と第二のn型層32の積層の繰り返しの最後の
層、すなわち、n型コンタクト層3bに接する側の層
は、n型不純物をドープした第二のn型層32とされて
いるが、さらに第二のn型層32に接してアンドープの
GaNからなる第三のn型層を形成しても良い。
実施の形態1における図1と同様に、n型コンタクト層
3aをn型コンタクト層3bと同じ窒化ガリウム系化合
物半導体、すなわちSiをドープして電子濃度を高めた
GaNとすることとしたが、n型コンタクト層3bにn
側電極8が接することがない構成とする場合には、n型
コンタクト層3bの形成を省略することも可能である。
実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
の構造を示す断面図を示しており、図1と同一の符号
は、同一の部材を示している。
2を介して、n型コンタクト層3aと、半導体積層構造
300と、n型コンタクト層3bと、半導体積層構造3
01と、n型コンタクト層3cと、n型クラッド層4
と、活性層5と、p型クラッド層6と、p型コンタクト
層7と、が順次積層されている。p型コンタクト層7の
表面上にはp側電極9が、n型コンタクト層3bの露出
された表面上にはn側電極8が形成されている。ここ
で、n型コンタクト層3bの上に形成される半導体積層
構造301は、上記実施の形態2においてn型コンタク
ト層3bの下に形成される半導体積層構造300と同様
の構成とされる。
ンタクト層3a、半導体積層構造300および301、
n型コンタクト層3b、n型クラッド層4、活性層5、
p型クラッド層6、p型コンタクト層7、p側電極9お
よびn側電極8の構成については、上記実施の形態1ま
たは実施の形態2における図1または図2に関して説明
したものと同様であるが、本実施の形態の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子が、上記実施の形態1または実
施の形態2のものと異なるのは、半導体積層構造300
および301が、n側電極8が形成されたn型コンタク
ト層3bと基板1との間およびn型コンタクト層3bと
活性層5との間にそれぞれ形成されている点である。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示
す断面図であり、n型コンタクト層3aから活性層5ま
での層構造を示している。上述したように、半導体積層
構造300および301は、それぞれn型コンタクト層
3bと基板1の間およびn型コンタクト層3bと活性層
5との間に形成されている。
れも、n型コンタクト層3bに近い側から、アンドープ
のGaNからなる第一のn型層31と、第一のn型層3
2に接して形成され、かつn型不純物がドープされたA
lGaNからなる第二のn型層とを含む構成とされてい
る。本発明においても、第一のn型層31はアンドープ
のGaNからなり、第二のn型層はSiやGe等のn型
不純物をドープしたAlGaNからなることを必須とす
ることは、上記実施の形態1の構成と同様である。
aNからなる第一のn型層31とn型不純物をドープし
たAlGaNと積層させた半導体積層構造300および
301をn側の層構造の中に形成することで、半導体積
層構造300および301の中で電子が移動しやすくな
る理由については、上記実施の形態1において説明した
推測とほぼ同様の理由によるものと思われる。
側電極8からn型コンタクト層3bに注入された電子の
うち、n型コンタクト層3bを介して下方へ向かう電子
は、n型コンタクト層3bの下に形成された半導体積層
構造300に供給され、層構造の面内の全体に均一に広
げられ、半導体積層構造300からn型コンタクト層3
bを介して、半導体積層構造301へ注入され、n型コ
ンタクト層3bを介して上方へ向かい半導体積層構造3
01へ注入された電子とともに、この半導体積層構造3
01でさらに面内全体に広げられ、n型コンタクト層3
cおよびn型クラッド層4を介して活性層5へ注入され
ることとなる。この結果、活性層5から面内均一な発光
が得られ、発光効率が向上するとともに、半導体積層構
造300および301を含むn型層の中で電子が移動し
やすくなることによりn側の層構造における直列抵抗が
低減されて、動作電圧を低減することが可能となる。
2の積層の繰り返しの回数、膜厚に関しては、実施の形
態1の構成と同様とすることができる。
タクト層3bに近い側からの第一のn型層31と第二の
n型層32の積層の繰り返しにおける最後の層は、n型
不純物をドープした第二のn型層32とされているが、
さらに第二のn型層32に接してアンドープのGaNか
らなる第三のn型層を形成しても良い。
コンタクト層3aおよびn型コンタクト層3cは、n型
コンタクト層3bと同じ窒化ガリウム系化合物半導体、
すなわちSiをドープして電子濃度を高めたGaNとす
ることとしたが、n型コンタクト層3aにn側電極8が
接することがない構成とする場合には、上記実施の形態
1で説明したように、n型コンタクト層3aをアンドー
プのGaNやAlGaNで形成し、その上に形成する窒
化ガリウム系化合物半導体の積層構造の下地層として用
いることも可能であり、n型コンタクト層3cにn側電
極8が接することがない構成とする場合には、上記実施
の形態2で説明したように、n型コンタクト層3cの形
成を省略することも可能である。
は、n側電極8を形成するn型コンタクト層の表面は、
層の面方向とほぼ平行となるような構成とされている
が、n型コンタクト層の表面が、例えば、上記実施の形
態3において、n型コンタクト層3cからn型コンタク
ト層3aにかけて傾斜する面となるように、p側からの
p型層のエッチングによる除去を行い、露出したn型コ
ンタクト層3cからn型コンタクト層3aにかけてn側
電極8を形成すると、n型コンタクト層3c、半導体積
層構造301、n型コンタクト層3b、半導体積層構造
300およびn型コンタクト層3aにn側電極8から直
接電子が注入されることとなり、これらn側の層構造の
中での電子の広がりやすさをさらに高めることが可能と
なる。
造300および301を構成する第二のn型層32は、
電子濃度が4×1018/cm3以上1×1020/cm3以
下の範囲となるように調整されていることが望ましいこ
とがわかった。電子濃度が4×1018/cm3よりも小
さいと、半導体積層構造300および301の中での十
分な電子の広がりが得られにくくなる傾向にある。これ
は、第二のn型層32に接して形成される第一のn型層
31に蓄積される電子の量が小さくなるからであると考
えられる。一方、1×1020/cm3よりも大きくなる
と、第二のn型層32の結晶性が悪くなる傾向にあり、
この上に形成される積層構造の結晶性も悪くなる傾向に
ある。
nm〜100nmの範囲に調整されていることが好まし
い。第二のn型層32の膜厚が10nmよりも小さくな
ると、第一のn型層31に供給することができる電子の
量が減少するからである。一方、第一のn型層31への
電子の供給に寄与する第二のn型層32の膜厚は、通
常、100nmまでと考えられるので、100nmより
も厚くなると、第一のn型層31への電子の供給に寄与
しない部分が増大することとなるので好ましくない。
m〜100nmの範囲に調整されていることが好まし
い。第一のn型層31の膜厚が1nmよりも小さくなる
と、半導体積層構造300および301の中での十分な
電子の広がりが得られにくくなる傾向にある。これは、
第二のn型層32から供給される電子を蓄積することが
困難になるためであると考えられる。一方、第二のn型
層32から供給される電子は、第一のn型層31におい
て第二のn型層32と接する近傍に集中して存在すると
考えられるため、第一のn型層31の膜厚をむやみに厚
くしても電子の広がりやすさには寄与しないと考えられ
る。本発明者らの知見によれば、100nmよりも厚く
なると、電子の移動度が高まって層構造の中で電子が広
がりやすくなることによるn側の層構造における面内の
直列抵抗の低減の効果よりも、電子が第一のn型層31
を垂直に横切って移動する際の直列抵抗の増大のほうが
大きくなる傾向にある。
化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造は、上記実施
の形態1において示した図1のものとほぼ同様である。
本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が
上記実施の形態のものと異なる点は、半導体積層構造3
00において、n型不純物をドープした第二のn型層3
2が、第一のn型層31と接する側に、n型不純物をド
ープしないでアンドープとした不純物拡散防止領域を層
状に備えている点である。以下、図7を用いて本実施の
形態を説明する。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一部の構造を示
す断面図を示しており、図1と同一の符号は、同一の部
材を示している。
AlxGa1-xNからなる第二のn型層32の片側または
両側にアンドープのGaNからなる第一のn型層31が
形成されているとともに、第二のn型層32において、
第一のn型層31と接する側の一部に、アンドープのA
lxGa1-xNからなる不純物拡散防止領域34が設けら
れている。
型層32においてn型不純物のイオン化によって生じた
電子が、第二のn型層32に接して形成された第一のn
型層31の中にも蓄積されて存在するようになり、電子
の移動度に影響を及ぼすイオン化した不純物の数が非常
に少ない第一のn型層31においては、電子の移動度は
n型不純物をドープしたn型層に比べ非常に高くなるこ
とは、上記実施の形態1において説明したとおりであ
る。
子の移動度を高く保持するためには、第二のn型層32
にドープされたn型不純物が第一のn型層31に拡散等
により混入するのを防止することが重要となる。
ドープされた第二のn型層32において、第一のn型層
31と接する側の一部に、n型不純物をドープしない不
純物拡散防止領域34を設けると、第一のn型層31へ
のn型不純物の混入による移動度の低下が防止され、第
一のn型層31における電子の移動度を高く保持するこ
とができるようになる。この構成は、第二のn型層32
にn型不純物を高濃度にドープする場合に特に有用であ
る。
〜5nmの範囲に調整されていることが好ましい。1n
mよりも薄いと、第一のn型層31へのn型不純物の混
入を防止する効果が低減するからであり、5nmよりも
厚いと、第二のn型層32から第一のn型層31への電
子の供給が困難となる傾向にあるからである。
形態1ないし3おける半導体積層構造300および30
1にも適用することが可能である。
発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しなが
ら説明する。以下の実施例は、主として有機金属気相成
長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を
示すものであるが、成長方法はこれに限定されるもので
はなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタ
キシー法等を用いることも可能である。
示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
アの基板1を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基
板1の表面温度を1100℃に10分間保ち、水素ガス
を流しながら基板を加熱することにより、基板1の表面
に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くための
クリーニングを行った。
降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスと、アンモ
ニアと、トリメチルアルミニウム(TMA)を含むTM
A用のキャリアガスを流しながら、AlNからなるバッ
ファ層2を25nmの厚さで成長させた。
1050℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして窒
素ガスと水素ガスを流しながら、新たにトリメチルガリ
ウム(TMG)を含むTMG用のキャリアガスと、Si
源であるSiH4(モノシラン)ガスと、を流しながら
成長させて、SiをドープしたGaNからなるn型コン
タクト層3aを1.5μmの厚さで成長させた。
続き基板温度を1050℃に保持して、半導体積層構造
300を成長させた。半導体積層構造300の形成にお
いては、まず、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガ
スを流しながら、新たにTMG用のキャリアガスと、T
MA用のキャリアガスと、SiH4ガスと、を流しなが
ら成長させて、SiをドープしたAl0.1Ga0.9Nから
なる第二のn型層32を30nmの厚さで成長させた。
この第二のn型層32の電子濃度は約6×10 18/cm
3であった。次に、同一の基板温度において、新たにT
MG用のキャリアガスを流しながら成長させて、アンド
ープのGaNからなる第一のn型層31を20nmの厚
さで成長させた。そして、この後、同様にして第二のn
型層32と第一のn型層31を繰り返し積層させた。こ
のようにして、第二のn型層32と第一のn型層31と
からなる対が2回積層された半導体積層構造300を形
成させた。
A用のキャリアガスを止め、引き続き基板温度を105
0℃に保持して、新たにTMG用のキャリアガスと、S
iH4ガスと、を流しながら成長させて、Siをドープ
したGaNからなるn型コンタクト層3bを0.5μm
の厚さで成長させた。
のキャリアガスを止め、引き続き基板温度を1050℃
に保持して、新たにTMG用のキャリアガスと、TMA
用のキャリアガスと、SiH4ガスと、を流しながら成
長させて、SiをドープしたAl0.01Ga0.99Nからな
るn型クラッド層4を0.05μmの厚さで成長させ
た。
ャリアガスとTMA用のキャリアガスとSiH4ガスと
を止め、基板温度を750℃にまで降下させ、750℃
において、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、新た
にTMG用のキャリアガスと、TMI用のキャリアガス
と、を流しながらアンドープのIn0.4Ga0.6Nからな
る単一量子井戸構造の活性層5を5nmの厚さで成長さ
せた。
スを止め、TMG用のキャリアガスを流しながら基板温
度を1050℃に向けて昇温させながら、引き続きアン
ドープのGaNを4nmの厚さで成長させ、基板温度が
1050℃に達したら、新たに主キャリアガスとしての
窒素ガスと水素ガスと、TMA用のキャリアガスと、M
g源であるCp2Mg用のキャリアガスと、を流しなが
ら成長させて、MgをドープさせたAl0.15Ga0.85N
を0.1μmの厚さで成長させた。この後、TMG用の
キャリアガスとTMG用のキャリアガスとを止め、基板
温度を1050℃に保持し、MgをドープさせたAl
0.15Ga0.85Nからアンドープで形成したGaNにMg
を拡散させた。このようにして、MgをドープさせたG
aNとMgをドープさせたAlGaNとからなるp型ク
ラッド層6を約0.1μmの厚さで形成させた。
050℃に保持し、新たにTMG用のキャリアガスと、
Cp2Mg用のキャリアガスと、を流しながら成長させ
て、MgをドープさせたGaNからなるp型コンタクト
層7を0.1μmの厚さで成長させた。
キャリアガスとCp2Mg用のキャリアガスとを止め、
主キャリアガスとアンモニアをそのまま流しながら室温
程度にまで冷却させて、ウェハーを反応管から取り出し
た。
D法によりSiO2膜を堆積させた後、フォトリソグラ
フィにより所定の形状にパターンニングしてエッチング
用のマスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチ
ング法により、p型コンタクト層7とp型クラッド層6
と活性層5とn型クラッド層4の一部を約0.55μm
の深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、n
型コンタクト層3bの表面を露出させた。そして、フォ
トリソグラフィーと蒸着法により露出させたn型コンタ
クト層3bの表面上にAlからなるn側電極8を蒸着形
成させた。さらに、同様にしてp型コンタクト層7の表
面上にNiとAuとからなるp側電極9を蒸着形成させ
た。
して100μm程度にまで薄くし、スクライブによりチ
ップ状に分離した。このようにして、図1に示す窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子が得られた。
ステムの接着した後、チップのn側電極とp側電極をそ
れぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モ
ールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオ
ードを20mAの順方向電流で駆動したところ、ピーク
発光波長480nmの青色で発光した。このときの発光
出力は1210μWであり、順方向動作電圧は3.4V
であった。
ンタクト層3aを1.95μm、n型コンタクト層3b
を0.05μmの厚さで形成し、半導体積層構造300
における第一のn型層31と第二のn型層32の積層の
順序を逆にして形成した以外は上記実施例1と同様にし
て、図3に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を
作製した。さらに、この後、上記実施例1と同様にして
発光ダイオードを作製し、20mAの順方向電流で駆動
したところ、ピーク波長480nmの青色で発光した。
このときの発光出力は1180μWであり、順方向動作
電圧は3.5Vであった。
タクト層3aを1.50μm、n型コンタクト層3bを
0.35μm、n型コンタクト層3cを0.05の厚さ
で形成し、半導体積層構造300を上記実施例1と同じ
条件で、半導体積層構造301を上記実施例2の半導体
積層構造300と同じ条件で、かつ、それぞれn型コン
タクト層3aとnコンタクト層3bの間およびn型コン
タクト層3bとn型コンタクト層3cの間に形成した以
外は上記実施例1と同様にして、図5に示す窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子を作製した。さらに、この
後、上記実施例1と同様にして発光ダイオードを作製
し、20mAの順方向電流で駆動したところ、ピーク波
長480nmの青色で発光した。このときの発光出力は
1290μWであり、順方向動作電圧は3.3Vであっ
た。
ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
実施例1のn型コンタクト層3aと同じ条件で、2.0
μmの厚さで形成し、n型高濃度層403を、n型コン
タクト層43よりも高い電子濃度となるようにSiをド
ープしたGaNで形成し、n型クラッド層44を、上記
実施例1のn型クラッド層4と同じ条件で形成した。そ
して、バッファ層42、活性層45、p型クラッド層4
6、p型コンタクト層47、n側電極48およびp側電
極49の形成を、上記実施例1におけるバッファ層2、
活性層5、p型クラッド層6、p型コンタクト層7、n
側電極8およびp側電極9の形成と同じ条件で行った。
このようにして得られた窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子を用いて、上記実施例1と同様にして発光ダイオ
ードを作製し、20mAの順方向電流で駆動したとこ
ろ、ピーク発光波長480nmの青色で発光したが、こ
のときの発光出力は1020μWと低下する傾向が見ら
れ、順方向動作電圧は3.7Vと、上記実施例の発光ダ
イオードよりも高かった。
造による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に比べて
さらなる発光効率の向上と動作電圧の低減を実現し得る
ため、発光ダイオードに用いる場合においては、視認性
の向上や消費電力の低減が望まれる屋外用のディスプレ
イ装置や各種光源等にも好適に適用することが可能とな
るという有利な効果が得られる。また、レーザダイオー
ドに用いる場合においても、活性層への電子の注入の効
率が向上するため、発光効率を高め、動作電圧を低減す
ることができるという有利な効果が得られる。
系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図
系化合物半導体発光素子の一部の構造を示す断面図
構造を示す断面図
Claims (9)
- 【請求項1】基板と、窒化ガリウム系化合物半導体から
なるn型コンタクト層および活性層と、を少なくとも有
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前
記n型コンタクト層と前記基板との間と、前記活性層と
前記n型コンタクト層との間とのいずれか一方またはそ
の両方に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体
積層構造を備えており、前記半導体積層構造の中におけ
る電子の面方向の移動度が、前記n型コンタクト層の中
における電子の面方向の移動度よりも高いことを特徴と
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項2】基板と、窒化ガリウム系化合物半導体から
なるn型コンタクト層および活性層と、を少なくとも有
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前
記n型コンタクト層と前記基板との間と、前記活性層と
前記n型コンタクト層との間とのいずれか一方またはそ
の両方に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体
積層構造を備えており、前記半導体積層構造は、アンド
ープのGaNからなる第一のn型層と、前記第一のn型
層に接して形成され、かつn型不純物がドープされたA
lxGa1-xN(但し、0≦x≦1)からなる第二のn型
層と、を少なくとも含むことを特徴とする窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子。 - 【請求項3】前記半導体積層構造は、アンドープのGa
Nからなる第一のn型層とn型不純物がドープされた第
二のn型層とからなる対が2以上積層された多層構造を
含むことを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子。 - 【請求項4】前記半導体積層構造は、前記第二のn型層
に接して形成されたアンドープのGaNからなる第三の
n型層をさらに含むことを特徴とする請求項2または3
記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項5】前記第二のn型層は、電子濃度が4×10
18/cm3以上1×1020/cm3以下の範囲となるよう
に調整されていることを特徴とする請求項2から4のい
ずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項6】前記第二のn型層は、膜厚を10nm〜1
00nmの範囲に調整されていることを特徴とする請求
項2から5のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子。 - 【請求項7】前記第一のn型層は、膜厚を1nm〜10
0nmの範囲に調整されていることを特徴とする請求項
2から6のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子。 - 【請求項8】前記第二のn型層は、前記第一のn型層ま
たは/および前記第三のn型層と接する側に、アンドー
プのAlxGa1-xN(但し、0≦x≦1)からなる不純
物拡散防止領域を層状に備えていることを特徴とする請
求項2から7のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子。 - 【請求項9】前記不純物拡散防止領域の厚さは、1nm
〜5nmの範囲に調整されていること特徴とする請求項
9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
JP22137298A JP3724213B2 (ja) | 1998-08-05 | 1998-08-05 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
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