JP2000058918A

JP2000058918A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000058918A
Application number: JP22506398A
Authority: JP
Inventors: Michio Kadota; 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2000-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板の上に金属電極を設けて発光素子の
下部電極として使用できる、下部電極の構造を提案す
る。【解決手段】絶縁基板２２の上に櫛歯状や格子状の電
極膜２３を設ける。電極膜２３を介して絶縁基板２２の
上にＧａＮ層（発光層）２４を形成すると、絶縁基板２
２の露出領域を下地結晶としてＧａＮ層２４がエピタキ
シャル成長する。ＧａＮ層２４の上面に上部電極２６を
設け、電極膜２３と上部電極２６の間に直流電圧を印加
して発光させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は半導体発光素子に関する。特に、
III−Ｖ族化合物のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、
ＩｎＧａＡｌＮ等を用いた半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色光ないし紫外線を発生する発光ダイ
オード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の半
導体発光素子の材料としては、一般式ＩｎxＧａyＡｌz
Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表わされるIII−Ｖ族化合物半導体
が知られている。この化合物半導体は、直接遷移型であ
ることから発光効率が高く、また、Ｉｎ濃度によって発
光波長を制御できることから、発光素子用材料として注
目されている。

【０００３】このＩｎxＧａyＡｌzＮは大型の単結晶を
作製することが困難であるため、その結晶膜の製作にあ
たっては、異なる材料の基板上に成長させる、いわゆる
ヘテロエピタキシャル成長法が用いられており、一般に
はＣ面サファイア基板の上で成長させられている。

【０００４】しかし、サファイア基板は絶縁体であるた
め、一般的な構造の発光ダイオードのように発光素子の
上面と基板下面とにそれぞれ上面電極と下面電極を設け
ることができなかった。

【０００５】そのため、サファイア基板上に形成された
従来の半導体発光素子（レーザーダイオード）では、図
１に示すような構造が用いられている。この半導体発光
素子１にあっては、サファイア基板２の上にＡｌを高濃
度にドープしたＺｎＯバッファ層３を形成し、その上に
ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）４、ｎ型ＡｌＧａＮ層
（クラッド層）５、ｎ型ＧａＮ層（光ガイド層）６、Ｉ
ｎＧａＮ（発光層）７、ｐ型ＧａＮ層（光ガイド層）
８、ｐ型ＡｌＧａＮ層（クラッド層）９、ｐ型ＧａＮ層
（コンタクト層）１０、ＳｉＯ₂層１１を順次成長させ
ている。このｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ｎ
型ＧａＮ層６、ＩｎＧａＮ層７、ｐ型ＧａＮ層８、ｐ型
ＡｌＧａＮ層９、ｐ型ＧａＮ層１０によって発光素子１
の主要部をなすダブルへテロ接合構造が構成されてい
る。また、サファイア基板２は絶縁体であってサファイ
ア基板２の下面に下部電極を設けることはできないの
で、ｎ型ＧａＮ層４〜ＳｉＯ₂層１１をエッチングする
ことによってＺｎＯバッファ層３を一部露出させ、Ｚｎ
Ｏ層３の露出部分に下部電極１２を設けている。一方、
ＳｉＯ₂層１１を一部開口し、この開口１３を通してｐ
型ＧａＮ層１０と接合させるようにしてＳｉＯ₂層１１
の上に上部電極１４を設けている。上部電極１４は、Ａ
ｌを多量にドープしたＺｎＯ層１５とＡｕ層１６とから
なり、絶縁体であるＳｉＯ₂膜１１の開口１３を通して
上部電極１４からｐ型ＧａＮ層１０へ電流を注入する電
流狭窄構造としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような構造の半導
体発光素子１においては、ＺｎＯバッファ層３は、格子
不整合を緩和してサファイア基板２の上方に結晶性の良
好なｎ型ＧａＮ層４等を成長させるためのバッファ層と
しての機能と同時に、下部電極１２を設けるためのコン
タクト層の機能も有しており、低抵抗化するためにＡｌ
を高濃度にドープされている。

【０００７】そのため、ＺｎＯバッファ層３にドープさ
れているＡｌがｎ型ＧａＮ層４やｎ型ＡｌＧａＮ層５な
どへ拡散し、これらの化合物半導体層における組成を変
化させ、発光素子の物性や光学的特性を変化させる問題
があった。さらには、低抵抗化したＺｎＯバッファ層３
では、一般に用いられている金属電極ほど低抵抗化する
ことも困難であった。

【０００８】本発明は上述の技術的問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、絶
縁基板上に形成された半導体発光素子において、基板側
に金属電極を使用可能にすることにある。

【０００９】

【発明の開示】本発明の半導体発光素子は、絶縁基板の
上に部分的に金属膜を形成し、この金属膜を介して絶縁
基板の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝
１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わされ
る化合物半導体層を形成したものである。部分的に金属
膜を形成するとは、典型的には、金属膜を櫛歯状に形成
したり、格子状に形成したりすることである。

【００１０】この発光素子にあっては、絶縁基板の上に
金属膜を形成しているので、この金属膜を基板側の電極
として用いることができる。しかも、金属膜は絶縁基板
上に部分的にしか形成されていないので、絶縁基板の表
面が金属膜から露出している。従って、金属膜を介して
絶縁基板上に化合物半導体層を形成する際、絶縁基板の
露出領域から化合物半導体層が結晶成長し、結晶性の良
好な化合物半導体層を得ることができる。

【００１１】また、金属膜を電極として使用できるの
で、低抵抗化した半導体層を用いる場合のように低抵抗
化するための不純物によって化合物半導体層に悪影響を
与えたり、充分に低抵抗化できないといった問題も解消
される。

【００１２】また、請求項２に記載の半導体発光素子
は、絶縁基板の上にＺｎＯバッファ層を設け、このＺｎ
Ｏバッファ層の上に部分的に金属膜を形成し、この金属
膜を介してＺｎＯバッファ層の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ
（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、
０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体層を形成したも
のである。

【００１３】この半導体発光素子では、絶縁基板の上に
ＺｎＯバッファ層を設けているので、請求項１の半導体
発光素子の作用効果に加えて、絶縁基板と化合物半導体
層との格子不整合を緩和して結晶性の良好な化合物半導
体層を成長させることができる。また、種々の絶縁基板
の上方に化合物半導体層を形成することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図２は本発明の一実施形態による
半導体発光素子２１を示す断面図であって、発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）や面発光型レーザーダイオード（ＬＤ）
等の上面出射型の半導体発光素子２１である。この半導
体発光素子２１においては、絶縁基板２２としてＣ面サ
ファイア基板やＲ面サファイア基板等が用いられてい
る。この絶縁基板２２の上には、比抵抗の小さなＡｌや
Ａｕ等の金属によって部分的に電極膜２３が形成されて
いる。この電極膜２３は、例えばＡｌやＡｕ等の蒸着膜
を絶縁基板２２上に形成した後、フォトリソグラフィ工
程によってパターニングすることにより得られる。電極
膜２３は、例えば図３（ａ）（ｂ）に示すように、櫛歯
状（すだれ状）のものや格子状のものを用いることがで
きる。

【００１５】また、電極指の幅Ａとギャップの幅Ｂとの
比Ａ／（Ａ＋Ｂ）は、０.３〜０.７の間が好ましい。こ
のギャップ比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を大きくしすぎると、絶縁
基板の露出領域が狭くなりすぎるので、上に成膜する半
導体発光層の結晶成長の結晶性が悪化する。逆に、ギャ
ップ比Ａ／（Ａ＋Ｂ）を小さくしすぎると、電極領域が
小さくなるので、電極が高抵抗化してしまう。これらの
観点から好ましい数値の範囲を検討した結果、０.３〜
０.７の範囲が好ましいことが発明者による検討の結果
判明した。例えば、電極の幅Ａとギャップの幅Ｂをいず
れも６μｍとしたり、電極の幅Ａを８μｍ、ギャップの
幅Ｂを４μｍとしたりすればよい。

【００１６】この後、電極膜２３を介して絶縁基板２２
の上にＧａＮ層（発光層）２４をエピタキシャル成長さ
せる。電極膜２３を櫛歯状や格子状等にして絶縁基板２
２の上に部分的に形成していると、ＧａＮ層２４は絶縁
基板２２の露出領域２５を下地結晶として成長するの
で、良好な結晶性のＧａＮ層２４がエピタキシャル成長
する。

【００１７】この後、ＧａＮ層２４の上面には、金属膜
からなる上部電極２６を形成する。電極膜２３を下部電
極として用い、ＧａＮ層２４の上下面に設けられた上部
電極２６と下部電極（電極膜２３）との間に直流電圧を
印加すると、ＧａＮ層２４に電流が注入されて発光し、
ＧａＮ層２４から出た光はＧａＮ層２４の上面の上部電
極２６が設けられていない領域から外部へ出射される。

【００１８】（第２の実施形態）図５は本発明の別な実
施形態による半導体発光素子２７を示す断面図である。
この半導体発光素子２７においても、絶縁基板２２とし
てＣ面サファイア基板やＳｉ基板、ガラス基板、アルミ
ナ基板等が用いられている。この絶縁基板２２の上にｃ
軸配向したＺｎＯバッファ層２８を設け、ＺｎＯバッフ
ァ層２８の上に比抵抗の小さなＡｌやＡｕ等の金属によ
って部分的に電極膜２３を形成し、櫛歯状（すだれ状）
や格子状にパターニングしている。ついで、電極膜２３
を介してＺｎＯバッファ層２８の上にＧａＮ層２４（発
光層）をエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層２４の上面
に上部電極２６を形成する。

【００１９】この実施形態では、絶縁基板２２と電極膜
２３の間にＺｎＯバッファ層２８を設けているので、Ｚ
ｎＯバッファ層２８の露出領域２９からＧａＮ層２４が
成長する。ＺｎＯ単結晶のａ軸方向の格子定数は、サフ
ァイア基板等の絶縁基板２２よりもいっそう、ＧａＮの
ａ軸方向の格子定数に近い（一般的には、ＩｎxＧａyＡ
ｌzＮも同様である。）ので、絶縁基板２２上にＺｎＯ
バッファ層２８を置くことにより、より結晶性の良好な
ＧａＮ層２４を成長させることができ、特性の良好な半
導体素子２７を得ることができる。また、絶縁基板２２
の上にＺｎＯバッファ層２８を設けることにより、種々
の絶縁基板２２を用いることが可能になる。

【００２０】（第３の実施形態）図６は本発明のさらに
別な実施形態による半導体発光素子３０を示す斜視図で
あって、端面出射型の発光ダイオードやレーザーダイオ
ード等の端面出射型の半導体発光素子３０を示してい
る。この発光素子３０にあっては、絶縁基板２２の上に
櫛歯状や格子状等の電極膜２３を形成し、ｎ型ＧａＮク
ラッド層３１、ｐ型ＧａＮ活性層３２、ｐ型ＧａＮクラ
ッド層３３を積層し、ミラー面をダイシングによって形
成し、ｐ型ＧａＮクラッド層３３の上面の中央部を除く
領域にＳｉＯ ₂膜３４を成膜している。そして、ｎ型Ｇ
ａＮクラッド層３１〜ＳｉＯ₂膜３４を一部除去し、電
極膜２３を一部露出させて下部電極とし、ＳｉＯ₂膜３
４の上からｐ型ＧａＮクラッド層３３の上に上部電極３
５を設けている。そして、上部電極３５と電極膜２３の
間に電圧を印加して発光させるようになっている。

【００２１】（その他）上記実施形態においては、発光
機構をＧａＮ単層で構成したものを説明したが、ｎ型Ｇ
ａＮ層及びｐ型ＧａＮ層からなるヘテロ接合構造からな
る発光機構を用いてもよい（図示せず）。あるいは、ｎ
型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層（発光
層）、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層からなるダブル
ヘテロ接合構造からなる発光機構をもちいてもよい（図
示せず）。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例による半導体発光素子の構造を示す断面
図である。

【図２】本発明の一実施形態による半導体発光素子の構
造を示す断面図である。

【図３】同上の実施形態における電極膜の形状を示す平
面図である。

【図４】電極膜の別な形状を示す平面図である。

【図５】本発明の別な実施形態による半導体発光素子の
構造を示す断面図である。

【図６】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す斜視図である。

【符号の説明】

２２絶縁基板２３電極膜２４ＧａＮ層２６上部電極２８ＺｎＯバッファ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板の上に部分的に金属膜を形成
し、この金属膜を介して絶縁基板の上にＩｎxＧａyＡｌ
zＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体層を形成し
たことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】絶縁基板の上にＺｎＯバッファ層を設
け、このＺｎＯバッファ層の上に部分的に金属膜を形成
し、この金属膜を介してＺｎＯバッファ層の上にＩｎx
ＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体層
を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】前記金属膜は、櫛歯状に形成されている
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光
素子。
【請求項４】前記金属膜は、格子状に形成されている
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光
素子。