JP2000223741A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体から横成される発光素子の発光
特性およぴ電気特性を向上し、高出力動作や低消費電力
動作を実現する。 【解決手段】 GaN,InGaNなど窒化物半導体に
おけるp型伝導体層形成を目的とする手段として、結晶
成長時にアクセプタ型不純物とともにドナー型不純物と
をとして導入することにより形成したホール濃度の高い
成長層を具備した発光素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体を用
いた青色/紫外発光素子に関し、特に高濃度ホール濃度
を得ることにより、優れた発光特性並びに電気的特性を
有する発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】InGaN、GaN、AlGaN、In
AlGaNなどの窒化物半導体は直接遷移であり、か
つ、組成制御により1.95〜6.2eVの範囲でバン
ドギャップを変化させ得ること及び高い熱安定性を有す
る材料であるため、発光素子として、特に、青色/紫外
発光ダイオード、半導体レーザーの材料としての期待が
高まっている。元来、この窒化物半導体材料において
は、p型不純物を主にドープしても低抵抗層が得られ難
く高抵抗層となるので、発光効率が小さく発光素子とし
ての実用化を阻んでいた。
【0003】この原因としては、窒化物化合物半導体、
例えば窒化ガリウム系化合物半導体において、結晶を気
相成長法により成長すると、一般にn型伝導層が形成さ
れ易いことが挙げられる。従って、p型伝導層を形成す
る目的で、アクセプタとなるBe,Mg,Ca,Zn,
Cdなどの不純物をドーパントとしてドープしても十分
に高いキャリヤー濃度が得られないといった問題があ
る。この主なる原因には、1000℃前後と比較的高い
成長温度中に結晶が曝され、しかも雰囲気の窒素分圧が
低いと結晶から窒素の解離が生じ、窒素格子点に空格子
が形成され、この空格子がドナーとして作用することが
挙げられる。その生成される量は、成長条件により変化
が大きいが、およそ1×1017/cm3〜1×1022
cm3であると言われている。発明者らの検討によって
もMO−CVD法における通常の成長条件では、窒素空
格子に起因するドナー濃度が容易に〜4×1016/cm
3台に達し、特にInNでは1018/cm3台にもなる。
このように少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体で
は、結晶成長中における成長ソースガスの窒素分圧の大
小や材料の組成などにより、窒素空格子の生成密度に差
異を生じ、一般に、窒素分圧が低いと窒素空格子の生成
が増加した。
【0004】このドナーはp型ドーパントの添加によっ
てアクセプタにより補償されて、ドナー濃度が小さくな
り、やがて、アクセプタ濃度が大きくなる筈であるが、
実際にはアクセプタ濃度は1018/cm3オーダーで飽
和に達し、その後は次第に減少する。このホール濃度の
高いp型伝導層が得られにくい原因には、結晶中でのア
クセプタ不純物の本来の活性化率が余り大きくないこと
に加えて、成長ソースガスや搬送ガスに含有される水素
が結晶構成原子や不純物と結合して複合物を形成し、そ
の不純物本来の活性化が妨げられることが挙げられる。
ホール濃度の高いp型伝導層を実現するためには、これ
らドナーの形成や複合物の形成を増殖させないように抑
制して、所望のアクセプタ濃度を生成する必要がある。
【0005】このような課題を克服する努力の結果、特
開平2−257679号公報や特開平5−183189
号公報で開示されている低抵抗p型層を実現する技術が
見いだされた。前者において、i型窒化ガリウム系化合
物半導体層に電子線を照射する技術を、又後者において
はi型窒化ガリウム系化合物半導体層を400℃以上で
アニールする技術をもって低抵抗p型層を実現できるこ
とを提案している。これらの技術によって低抵抗p型層
が得られる理由として、窒化ガリウム系化合物半導体結
晶を気相成長法により成長する時、一般に、窒素ソース
としてアンモニアを用い、搬送ガスとして水素または水
素を含有する化合物が用いられるが、ここでの反応時の
イオン化した水素が窒化ガリウム系化合物半導体にドー
プされているp型ドーパントと結合するため、p型ドー
パントがアクセプターとして作用する働きを妨げている
旨が記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この技術により低抵抗
の窒化ガリウム系化合物の形成を実現するに著しい効果
を有するが、結晶中にドープするp型ドーパントの総量
に対してアクセプターとして活性化する割合はp型ドー
パント濃度1017/cm3でせいぜい4%程度、1019
/cm3で0.1%程度であり、得られるホールキャリ
ヤー濃度はせいぜい〜5×1018/cm3どまりであ
る。通常の成長条件では成長後3〜8×1017/cm3
のホールキャリヤー濃度であり、p−n接合、オーミッ
ク性電極などの形成が不十分となるので、十分な素子特
性が得られない問題がある。このホールキャリア濃度十
分に挙げられない理由として、上述したように不純物と
水素との結合から生成される複合物による活性化阻害
と、窒素空格子によるドナーの形成が挙げられている。
【0007】この不純物と水素との結合による活性化阻
害の問題は、特開平5−183189号公報に示される
400〜500℃以上の窒素中アニーリング処理により
水素との結合が切れてアクセプタとしての機能が回復す
ることがよく知られている通り、少なくともアニーリン
グ処理によればある程度まで解決できる。例えば、Ga
N、AlGaNおよびInGaNなどでは、一般にp型
伝導層を成長するに際して、より浅いアクセプタ準位を
形成する目的でもって160meVの準位をもつMgを
不純物としてドープするが、このアクセプ(Mg+)は
結晶成長中に結晶に入り込んだプロトン(H+)と会合
すると電気的に結合してMg−H複合物を形成する。特
開平5−183189号公報では、結晶成長後にMg−
H複合物が分解する温度400℃以上でアニールするこ
とにより解決できる旨開陳している。しかしながらこの
手法では、Mg−H複合物を十分には分解除去できず、
十分にはMgはアクセプタとして活性化しないため活性
化率もよくて1%程度であり、低抵抗化に対する課題と
なっている。また、高い電流注入機構を必要とする半導
体レーザーなどの素子構築ではいまだ不十分であり、さ
らなる高濃度化が要望される。
【0008】従って、本発明は、以上述べたような事情
に鑑みて成されたものであり、目的とするところは、窒
化物化合物半導体における高濃度p型伝導層の実現に伴
うp−n接合、オーミック電極の形成に係わるもので、
それらの技術で構築される青色を主とする可視発光ダイ
オード、可視半導体レーザーなどの発光素子の光出力特
性や電気特性などの性能向上を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明によれ
ば、p型ドーパントとn型ドーパントを含有するp型伝
導層を有して構成されることを特徴とする。p型伝導層
が容易に形成されるため、この層をもって構成される半
導体素子の性能は著しく改善される。発光ダイオードで
は、素子構造の最適化を計らずとも従来大きかった駆動
電力を30〜40%ほど低減できた。
【0010】また請求項2の発明によれば、p型伝導層
の形成手段をp型AlGaN層あるいはInGaN層の
形成に適用することにより従来にないホールキャリヤー
濃度を有する層が得られ、より輝度の高い発光ダイオー
ドあるいは高出力動作に耐える半導体レーザーなどの優
れた発光素子を実現できる。
【0011】請求項3の発明によれば、従来法では直列
抵抗が大きくならざるを得なかったInGaN層とAl
GaN層との株層横成からなる半導体素子の構築を容易
とすることができた。即ち、従来法に比べ低い温度で高
ホールキャリヤー濃度AlGaN層が形成できた。
【0012】請求項4によれば、それぞれの半導体素子
に対して適当なホールキャリヤー濃度は比較的広い範囲
に亘っているが、ドナー準位とアクセプタ準位とが電気
的に対をなして静電エネルギーが安定化し、アクセプタ
原子が格子点から変位し難くなる。この原子対における
ドナーを介して対称な位置にさらにアクセプタとして作
用する原子が配置される構成が安定と考えられるため、
ドナーとして作用する原子の量を所望するホールキャリ
ヤー濃度の約半分量を同時にドープすることにより、広
い範囲に亘ってホールキャリヤー濃度を殆ど補償される
ことなく制御できる。従って、電界効果型トランジスタ
・バイポーラトランジスタ、半導体レーザーなど各種半
導体素子の実用化が現実のものとなった。
【0013】請求項5の発明によれば、ドナー準位を形
成する原子としてVI族元素O,S,Se,Teなどを
使用することにより両性の不純物と異なり、ドナー準位
の形成に限定されるため、さらには窒素空格子点を置換
する可能性が高いため、ホール濃度の制御が容易となっ
た。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。ただし、以下に説明する実施例は、本発明の技
術思想を具体化する手段を例示するものであり、本発明
の方法は、材料結晶の組成・結晶成長条件、気相成長ガ
スの種類など実施例に特定するものではない。
【0015】本発明の窒化物半導体発光素子において、
一実施例の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面
構造を図1に示す。基板1にはサファイア、SiC、M
gAl24、GaN、MgO、Si、ZnOなどの材料
が使用され得るが、通常はサファイアが用いられる。M
O−CVD法によれば、この基板の上に、搬送ガスを水
素として原料ガスであるアンモニア(NH4)とトリメ
チルガリウム(TMG)とを用いて、GaNバッファ層
2を成長させたうえ、さらに続いてn+型GaN層3、
n型GaAlN層4、n型InGaN層5、p型GaA
lN層6、p+型GaN層7とそれぞれ発光素子に適し
たキャリヤ濃度と厚さをもった層として連続的に成長す
る。本発明では、p型伝導層であるp型GaAlN層6
およびp+型GaN層7のキャリヤー濃度制御に係わる
方法で、高濃度p型伝導層を形成するために、アクセプ
タとして働く不純物に加えてドナーとして働く不純物を
併せて成長層に添加することを特徴とする。
【0016】窒化ガリウム系化合物半導体では、結晶成
長時の窒素平衝蒸気圧が高いため、窒素空格子が形成さ
れ易い。その量は凡そ1×1017/cm3〜1×1020
/cm3と言われ、特定の不純物を添加しなければ一般
的にn型伝導を呈する。この窒素空格子の生成数を極力
低減するには、窒素源とするNH4の蒸気圧を制御して
平衝蒸気圧とすることが必要であり、通常この手段が採
られている。このような性質を有する成長層の伝導型を
p型に変換するには、アクセプタとなる不純物を添加し
てドナーを補償すればよいが、結晶成長雰囲気から成長
層中にドープされるアクセプタ用原子はその周囲に存在
するH+と結合して、ドーパントの活性化を阻害する。
またアクセプタ(A+)が電気的に単独で存在すると、
静電エネルギーは不安定であり、アクセプタは変位や複
合物の形成により自由エネルギーの最小化に向かい、補
償効果が現れてくる。これによりアクセプタ濃度が増大
することが妨げられる。しかし、本発明ではp型Ga
1-zAlzN層6、P型GaN層7へのドーピングにおい
て、TMGとTMAとアンモニアあるいはTMGとアン
モニアとの原料ガスにドーパントガスとして、例えば、
Cp2Mg(シクロペンタジェニルマグネシュウム)と
SiH4(シラン)とを流量比で凡そ3:1の割合で供
給することによって、p型伝導層のキャリヤー濃度を6
×1020/cm3まで制御することが容易となった。こ
のような効果が得られた理由は、ドープされた一部のS
iが窒素格子位置に置換して浅いアクセプタを形成し、
かつ大部分がIII族原子位置に置換して浅いドナーを
形成したうえ、同じくIII族元素位置に置換したMg
が浅いアクセプタとなり、このアクセプタ(Mg+)と
ドナー(Si-)とが対をなすため静電エネルギーが安
定となる。この原子対のまわりに配位した一個のMgが
アクセプタとして働く結果として、高濃度まで活性化す
るものと考えられる。また、アクセプタと静電結合せず
孤立しているドナーは結晶中のH+を中性化する作用を
有し、p型導電層の導電率を高める効果をもった。
【0017】[実施例1]本発明の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子を通常のMOCVD法によって製造す
る方法について述べる。
【0018】十分に洗浄したサファイア基板1を反応容
器中に設置し、水素を搬送ガスとして、1100℃まで
加熱してサファイア基板の熱クリーニングを行う。この
処理の後、500℃まで温度を下げ、搬送ガスには水
素、原料ガスとしてTMG(トリメチルガリウム)とア
ンモニアとを用いてサファイア基板表面に200ÅのG
aNバッファ層2を成長する。その後にTMGガスを止
めて、基板温度を1030℃に高め、原料ガスをTMG
およびアンモニアとし、かつSiをドープする目的でド
ーパントガスにシランガスを用いて、陰極コンタクト用
にキャリヤー濃度1×1019/cm3のn+GaN層を
3.5μm厚成長する。
【0019】続いて、Siのドープを低減するためにシ
ランガスの流量を下げ、キャリヤー濃度を1×1018
cm3としたn型のGaN層0.5μmを成長して、二
層構造のGaNクラッド層3を形成した。n型GaNク
ラッド層3の成長後、原料ガス及びドーパントガスを共
に止めて、基板温度を850℃に下げ、搬送ガスを窒素
に切り替えるとともに、原料ガスをTMG、TMI(ト
リメチルインジュウム)およびアンモニア、ドーパント
ガスにシランガスを用いて、100Å厚のn型In0.15
Ga0.85N層5を成長する。続いて、原料ガスおよびド
ーパントガスを中断して基板温度を1030℃に昇温す
るとともに、原料ガスTMGおよびアンモニアさらにT
MA(トリメチルアルミニュウム)、ドーパントガスと
してCp2Mg(シクロペンタジェニルマグネシュウ
ム)とシランガスとを約3:1の割合で用い、MgとS
iとをドープしたp型Al0.1Ga0.9N層6を0.2μ
m成長した。
【0020】得られた層のキャリヤー濃度は1×1018
/cm3であった。p型AlGaN層6成長の後に、T
MAを止めた上、Cp2Mgとシランとの流量比を同じ
割合で増加させ、MgとSiを同時にドープしたp+
GaN層7を0.3μm厚に成長させた。
【0021】p+型GaN層成長後、反応容器から取り
出した成長基板を窒素雰囲気中で700℃、20分の熱
処理を行ってp型伝導層の低抵抗化を促進した。得られ
たp型伝導層の抵抗率は0.040−cmであり、ホー
ルキャリヤー濃度は8×1019/cm3であった。
【0022】以上の工程を経て得られた成長層をよく知
られた方法で、P+型クラツド層へ陽極、n+型クラッド
層へ陰極をそれぞれ形成し、500μm角の発光ダイオ
ードを作成した。
【0023】順方向電流を20mA流したところ、順電
圧3.8V、発光出力1.5mW、発光波長410nm
で均一発光が得られた。
【0024】[実施例2]実施例1のp型AlGaN層
6の成長において、P型ドーパントとしてCp2Mg
(シクロペンタジェニルマグネシュウム)ガス、n型ド
ーパントとして硫化水素(H2S)を用い、それらの流
量比を3:1の割合で流して、MgとSとをドープした
p型Al0.1Ga0.9N層6を0.2μm厚に成長した。
得られた層のキャリヤー濃度は2×1019/cm3であ
った。p型AlGaN層6を成長した後、TMAガスを
中断し、ドーパントガスであるCp2MgとH2Sとを、
割合を維持したまま・増量してp+型GaN層7を0.
3μm厚に成長した。この層のキャリヤー濃度は5×1
20/cm3であった。
【0025】他の工程は同様にして発光ダイオードを作
成したところ、順電流20mAで、発光出力は1.9m
W、順電圧は3.1V、発光波長は410nmの均−な
特性が得られた。
【0026】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、窒化物
化合物半導体のp−n接合、オーミック電極等における
高濃度p型伝導層の実現によって、青色を主とする可視
発光ダイオード、可視半導体レーザーなどの発光素子の
光出力特性や電気特性などの性能を向上した有用な窒化
物半導体素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的一実施例に係わる発光素子の瑞
成を示した断面図である。
【符号の説明】
1 基板 2 バッファ層 3 n+型GaN層 4 n型AlGaN層 5 n型InGaN層 6 p型AlGaN層 7 P+型GaN層 8 陰極 9 陽極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA03 AA04 CA03 CA12 CA34 CA40 CA46 CA49 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CB13 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AC19 AD09 AD12 AD14 AF02 AF03 AF04 AF09 BB16 CA11 CA12 DA53 EB15 EE15 5F073 CA07 CA17 CB05 CB19 DA05 DA35 EA24

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型ドーパントとn型ドーパントを含有
    するp型伝導層を有して構成されることを特徴とする窒
    化物半導体素子。
  2. 【請求項2】 前記p型伝導層は、Alを含む窒化ガリ
    ウム半導体層及び/又はInを含む窒化ガリウム半導体
    層を発光層もしくはクラッド層であることを特徴とする
    請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 InGaNからなる発光層の上に、さら
    にクラッド層としてAlGaNからなる前記p型伝導層
    を有することを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導
    体発光素子。
  4. 【請求項4】 前記p型ドーパントとn型ドーパントと
    を、略3:1となるように同時にドープして形成した前
    記p型伝導層であることを特徴とする請求項1乃至3の
    いずれかに記載の窒化物半導体素子。
  5. 【請求項5】 p型ドーパントと同時に添加するn型ド
    ーパントとしてVI族元素を用いて形成したp型伝導層
    をもって構成される請求項1乃至4のいずれかに記載の
    窒化物半導体素子。
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