JP2001135892A - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents
窒化物半導体発光装置Info
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Abstract
有する窒化物半導体発光装置を提供する。 【解決手段】 窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体
厚膜基板102と、その基板上に積層された複数の窒化
物半導体層103〜110を含む発光素子構造とを含
み、窒化物半導体基板102は不純物濃度の高い第1層
領域102aとその第1層領域より不純物濃度の低い第
2層領域102bとの少なくとも2層領域を含み、発光
素子構造103〜110は基板102の第1層領域10
2a上に設けられていることを特徴としている。
Description
とその上に積層された複数の窒化物半導体層を含む発光
素子構造とを含む窒化物半導体発光装置に関するもので
ある。
鑑みて発光装置やハイパワー装置のために利用または研
究されている。たとえば、窒化物半導体を利用して発光
装置を作製する場合、その半導体の組成を調整すること
によって、紫色から橙色までの広い色範囲内で任意の単
色光を射出し得る発光装置を得ることができる。近年で
は、窒化物半導体の特性を利用して、青色発光ダイオー
ドや緑色発光ダイオードの実用化がなされ、また半導体
レーザ装置として青紫色半導体レーザが開発されてい
る。窒化物半導体膜を形成する際には、基板としてサフ
ァイア、SiC、スピネル、Si、またはGaAsなど
の基板が使用される。
場合には、GaN膜をエピタキシャル成長させる前に、
予め500〜600℃の比較的低温でGaNまたはAl
Nのバッファ層を形成し、その後に基板を1000〜1
100℃の高温に加熱してGaN膜のエピタキシャル成
長を行なえば、表面が良好でかつ構造的および電気的に
良好な結晶からなるGaN膜の得られることが知られて
いる。また、SiCを基板として使用する場合には、G
aN膜のエピタキシャル成長を行なう際に薄いAlN膜
をバッファ層として使用すればよいことが知られてい
る。
化物半導体以外の基板を使用する場合には、その上に成
長させられる窒化物半導体膜との熱膨張係数や格子定数
の違いによって、得られる窒化物半導体膜中には多数の
結晶欠陥が存在する。それらの欠陥は刃状転位と螺旋転
位に分類されるが、合計転位密度は1×109〜1×1
010cm-2程度にもなる。これらの欠陥はキャリアをト
ラップするので膜の電気的特性を損ねることが知られて
いるほか、大電流を流すようなレーザ装置においてはそ
の寿命特性の劣化を招くことが知られている。
特性の良好な窒化物半導体膜を得るためには、ハイドラ
イド気相成長法(H−VPE)、高圧合成法、または昇
華法などを用いてGaNなどの厚膜を形成し、これを窒
化物半導体基板として使用することが試みられている。
窒化物半導体厚膜を基板として使用する場合には、その
厚膜における欠陥密度の減少と残留キャリア濃度の低下
によって電気抵抗が高くなるので、不純物をドーピング
して抵抗を下げることが行なわれている。
ようにH−VPE法などでGaN厚膜を成長させる際に
所定濃度の不純物をドープするだけでは、得られるGa
N厚膜の結晶の質と電気的特性に問題がある(以後、特
に断りのない限り厚膜とは20μm以上の厚さを有する
膜を意味するものとする)。たとえば、所定の高濃度の
不純物をドープして形成したGaN厚膜基板を窒化物半
導体レーザ装置に使用する場合、そのレーザ装置のしき
い値電圧は低下するものの、しきい値電流密度は逆に増
加する傾向にある。またGaN厚膜基板の表面モホロジ
ーも非常に悪くなり、その結晶の質も良好ではない。
形成したGaN厚膜基板を窒化物半導体レーザ装置に使
用する場合、GaN厚膜基板の表面モホロジーは良好で
レーザ装置のしきい値電流密度も低くなるが、逆にしき
い値電圧が増加する傾向になる。このことから、窒化物
半導体発光装置の電気的特性を損なわない窒化物半導体
基板(たとえば、GaN厚膜基板)が望まれている。こ
のような従来の技術における状況に鑑み、本発明は、窒
化物半導体厚膜基板を用いて優れた特性を有する窒化物
半導体発光装置を提供することを目的としている。
めには、基板として使用する窒化物半導体厚膜の表面が
エピタキシャル成長によって形成される発光素子構造と
電気的に良好な状態でコンタクトすることが必要であ
り、そのエピタキシャル成長の連続性が良好になるよう
に成長条件を適切に制御することが重要である。
は、窒化物半導体基板と、その基板上に積層された複数
の窒化物半導体層を含む発光素子構造とを含み、窒化物
半導体基板は高不純物濃度の第1の層領域とその第1層
領域より低い不純物濃度の第2の層領域との少なくとも
2層領域を含み、発光素子構造は基板の第1層領域上に
形成されていることを特徴としている。
ているのが好ましい。すなわち、窒化物半導体基板の第
1層領域はn型のための導電型決定不純物を含んでいる
ことが好ましい。窒化物半導体基板に含まれる不純物と
しては、シリコン、ゲルマニウム、酸素、炭素、硫黄、
セレンまたはテルルを用いることができる。
度は、1×1018cm-3以上であることが好ましい。他
方、窒化物半導体基板内には、8×1018cm-3以下の
最も低い不純物濃度を有する層領域が含まれていること
が好ましい。また、窒化物半導体基板の第1層領域は1
0μm以下の厚さを有することが好ましい。
を成長させる方法としては、H−VPE法、高圧合成
法、または昇華法が考えられるが、大面積にわたって膜
厚変動なく膜成長させる方法としては、H−VPE法が
最も好ましい。本実施例ではサファイア基板上にH−V
PE法を用いて成長させたGaNの厚膜を窒化物半導体
基板として用いた窒化物半導体発光装置について説明す
る。
基板を洗浄し、MOCVD(有機金属気相堆積)法を用
いて、以下の手順で厚さ約2μmのノンドープGaN膜
を下地層として成長させた。すなわち、洗浄されたサフ
ァイア基板がMOCVD装置内に導入され、水素
(H2)雰囲気中で約1100℃の高温においてクリー
ニングが行なわれた。その後、比較的低温の600℃に
おいて、キャリアガスとしてH2を10l/minの流
量で導入しながら、5l/minのNH3と20μmo
l/minのトリメチルガリウム(TMG)を導入し
て、厚さ約20nmのGaNバッファ層を成長させた。
その後、一旦TMGの供給を停止して再び約1050℃
まで昇温した後に、約100μmol/minのTMG
を導入して1時間で厚さ約3μmのノンドープGaN膜
を成長させた。その後、TMGとNH3の供給を停止し
て室温まで冷却し、ノンドープのGaN下地層が成長さ
せられたサファイア基板をMOCVD装置から取出し
た。バッファ層としては、GaNに限られず、トリメチ
ルアルミニウム(TMA)、TMG、およびNH3を選
択的に利用してAlN膜またはGaAlN膜が形成され
てもよい。
されたノンドープGaN下地層上に厚膜を形成する際
に、その厚膜中にクラックが生じないようにするため
に、約0.2μmの厚さと7μmの幅と10μmの間隔
を有するストライプ状の成長抑制膜を形成し、その上に
H−VPE法で選択成長(横方向エピタキシャル成長を
伴う)を行なって平坦なGaN厚膜が成長させられた。
本実施例では、成長抑制膜として、電子ビーム蒸着法
(EB法)によって堆積されたSiO2膜をフォトリソ
グラフィを用いてエッチングしたものが用いられた。
GaN厚膜102のH−VPE法による成長方法を説明
する。上述の方法で形成されたストライプ状の成長抑制
膜を含むノンドープGaN下地層が成長させられたサフ
ァイア基板が、H−VPE装置内へ導入された。N2キ
ャリアガスとNH3をそれぞれ5l/minの流量で導
入しながら、基板が約1050℃まで昇温された。その
後、基板上に100cc/minのGaClを導入して
GaN厚膜102の成長を開始した。GaClは約80
0℃に保持された金属GaにHClガスを反応させるこ
とによって生成された。基板近傍まで単独で配管されて
いるドーピングラインを通して不純物ガスを供給するこ
とによって、膜成長中に任意に不純物ドーピングを行な
うことができた。本実施例では、膜成長を開始すると同
時に200nmol/minのモノシラン(SiH4)
を供給(SiH4不純物濃度:約3.8×1018c
m-3)して低SiドープGaN層領域102bを成長さ
せ、膜成長が終了する3分前にSiH4の流量を500
nmol/min(SiH4不純物濃度:約8.0×1
018cm-3)に増大させて高SiドープGaN層領域1
02aを約5μmの厚さに成長させた。
4に限られず、モノクロロシラン(SiH3Cl)、ジク
ロロシラン(SiH2Cl2)、またはトリクロロシラン
(SiHCl3)などの他の原料を使用してもよい。上
記方法で3時間の膜成長が行なわれ、合計厚さが約35
0μmのGaN厚膜が成長させられた。その後、研磨に
よってサファイア基板を除去し、GaN厚膜基板102
が得られた。
102上に、MOCVD法によって発光素子構造が形成
された。以下、GaN厚膜基板102上に青紫色レーザ
素子構造を形成した例について説明する。
装置内に導入され、N2とNH3をそれぞれ5l/min
の流量で導入しながら温度が約1050℃まで上げられ
た。温度が約1050℃に達すれば、H2のキャリアガ
スの下で、100μmol/minのTMGと10nm
ol/minのSiH4を導入して、n型GaNバッフ
ァ層103を約4μmの厚さに成長させた。その後、T
MGの流量を50μmol/minに調整し、40μm
ol/minのTMAを導入して、n型Al0. 1Ga0.9
Nクラッド層104を0.5μmの厚さに成長させた。
その後、TMAの供給を停止し、TMGの流量を100
μmol/minに調整して、n型GaN光伝播層10
5を0.1μmの厚さに成長させた。
アガスとしてのH2をN2に代えて、700℃まで降温
し、インジウム原料として10μmol/minのトリ
メチルインジウム(TMI)を導入するとともに、15
μmol/minのTMGを導入し、厚さ4nmのIn
0.05Ga0.95N障壁層(図示せず)を成長させた。その
後、TMIの供給量を50μmol/minに増大さ
せ、厚さ2nmのIn0.2Ga0.8N量子井戸層(図示せ
ず)を成長させた。このような障壁層と井戸層の形成が
交互に繰返され、4層の障壁層と3層の井戸層を含む多
重量子井戸(MQW)層106を形成した。MQW層1
06の形成が終了すれば、TMIとTMGの供給を停止
し、再び温度が1050℃まで上げられ、キャリアガス
を再びN2からH2に代えて、50μmol/minのT
MG、30μmol/minのTMA、およびp型ドー
ピング原料としての10nmol/minのビスシクロ
ペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を供給し、
厚さ20nmのp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック
層107を成長させた。その後、TMAの供給を停止
し、TMGの供給量を100μmol/minに調整
し、厚さ0.1μmのp型光伝播層108を成長させ
た。その後、TMGの供給量を50μmol/minに
調整し、40μmol/minのTMAを導入し、厚さ
0.4μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層109を
成長させ、最後にTMGの供給量を100μmol/m
inに調整してTMAの供給を停止し、厚さ0.1μm
のp型GaNコンタクト層110の成長を行なって発光
素子構造の成長を終了した。その後、TMGとCp2M
gの供給を停止して室温まで冷却し、厚膜基板102上
に形成された発光素子構造をMOCVD装置から取出し
た。
表面粗さの平均値Raは約8nmであり、良好な平坦性
を示していた。その後、ドライエッチング装置を用い
て、p型GaNコンタクト層110を幅5μmのストラ
イプ状に残してp型Al0.1Ga0.9Nガイド層109ま
でエッチングを行なって、光導波路を形成した。その
後、p型GaNコンタクト部110上にAu/Pd電極
111を形成し、GaN厚膜基板102の裏面上にAl
/Ti電極101を形成した。最後に、劈開またはドラ
イエッチング法を用いて共振器長が約1mmになるよう
に加工し、ミラー端面を形成した。
うに青紫色の発光波長を有するレーザ装置が窒化物半導
体を利用して作製することができる。本実施例によって
作製されたレーザ装置は、発振のために必要とされる約
5Vのしきい値電圧と1kA/cm2のしきい値電流密
度を有し、それらのしきい値近傍の条件の下における約
1000時間の寿命試験の結果では特性劣化は見られな
かった。なお、実施例1ではサファイア基板上にGaN
厚膜102を成長させた後に、そのサファイア基板を剥
離してからGaN厚膜基板102上に窒化物半導体発光
素子構造が形成されたが、サファイア基板を剥離するこ
となくGaN厚膜102上に窒化物半導体発光素子構造
を形成した後にそのサファイア基板を剥離してもよいこ
とは言うまでもない。また、GaN厚膜基板だけでな
く、他の窒化物半導体(AlxGayIn1-x-yN:0≦
x≦1、0≦y≦1)からなる厚膜基板を用いても本実
施例1と同様の効果が得られる。さらに、窒化物半導体
構成元素のうちで窒素元素の一部(10%程度以下)
を、P、As、またはSbで置換した材料を厚膜基板に
用いても実施例1と同様の効果が得られる。
装置においては、GaN厚膜基板をH−VPEで形成す
る際のSiH4ドーピング濃度が装置ごとに種々に変え
れたが、その他の製造条件は実施例1の場合と同様であ
った。
ライプ状の成長抑制膜を含むノンドープGaN下地層が
形成されたサファイア基板をH−VPE装置内に導入
し、N 2キャリアガスとNH3をそれぞれ5l/minの
流量で導入しながら、基板を約1050℃まで昇温し
た。その後、基板上に100cc/minのGaClを
導入してGaN厚膜102の成長を開始した。この膜成
長開始時において、不純物のドーピング濃度が5×10
17cm-3、1×1018cm-3、3×1018cm-3、5×
1018cm-3、および8×1018cm-3になるようにS
iH4ガスを供給してSiドープGaN膜を成長させ、
全厚が350μmのGaN膜成長が終了する3分前から
SiH4流量を種々の割合で増大させて成長終端領域1
02aにおけるドーピング濃度が高められた。ただし、
いずれの場合も、成長終端領域102aにおける濃度は
ほぼ2×1019cm-3以下になるように設定された。そ
の後、実施例1と同様の方法によってレーザ装置が作製
された。
れた種々レーザ装置のしきい値電圧の値が示されてい
る。すなわち、このグラフにおいて縦軸はしきい値電圧
を示し、横軸はGaN厚膜基板の成長終端領域102a
における不純物濃度を示している。また、参照番号20
1;202;203;204;および205はGaN厚
膜基板の成長開始時にSiH4ドーピング濃度がそれぞ
れ5×1017cm-3、1×1018cm-3、3×1018c
m-3、5×1018cm-3、および8×1018cm -3に設
定された場合に対応している。
板102の成長終端領域102aの不純物濃度が1×1
018cm-3以上の場合に、しきい値電圧の低下が観測さ
れる。ただし、この効果が顕著に表われるのは、成長終
端領域102aの不純物濃度が3×1018cm-3以上の
範囲である。他方、厚膜基板に過剰の不純物濃度をドー
ピングすれば、その上に成長させられるエピタキシャル
層内で結晶欠陥が増加するので、好ましくは厚膜基板の
成長終端領域102aにおける不純物濃度は3×1018
cm-3以上で1×1019cm-3以下の範囲内にあること
が好ましい。
領域102aを除いた他の領域102bが8×1018c
m-3以下の不純物濃度を有する場合に、高不純物濃度の
成長終端領域102aによるしきい値電圧の低下割合の
効果が顕著になる。ただし、成長終端領域102aを除
いたGaN厚膜基板内の不純物濃度が3×1018cm -3
を超えればしきい値電流密度の増加する傾向が表われ
(図5参照)、逆に1×1017cm-3以下であれば基板
自体の抵抗が大きくなりすぎるので、GaN厚膜基板1
02の成長端領域102aを除く他の領域102bの不
純物濃度は3×1018cm-3以下で1×1017cm-3以
上の範囲にあることが好ましい。
をドーピングした例について説明されたが、n型導電性
を生じさせる他の不純物を用いてもSiの場合と同様の
傾向を示すことがわかっている。
装置においても、GaN厚膜基板をH−VPEで形成す
る際のSiH4ドーピング濃度が装置ごとに種々に変え
られた。しかし、比較例1は、GaN厚膜基板の成長開
始時に設定されたドーピング濃度がその成長終了時まで
一定に維持されたことにおいて実施例1および2と異な
っている。
基板の成長中に、SiH4流量が10nmol/min
から1000nmol/minの範囲内で種々の一定値
に維持された。こうして、不純物濃度の異なる複数種類
のGaN厚膜基板が形成され、その基板上に作製された
レーザ素子構造の特性が測定された。図3に示されてい
るように、SiH4供給量とGaN厚膜基板中の不純物
濃度は比例関係にあり、SiH4供給量が1000nm
ol/minのときの不純物濃度は、1.6×1019c
m-3であった。こうして形成されたGaN厚膜基板内の
不純物濃度とその上に形成されたレーザ素子構造のしき
い値電圧との関係が図4に示され、基板内の不純物濃度
としきい値電流密度との関係が図5に示され、そして不
純物濃度と基板の平均表面粗さとの関係が図6に示され
ている。
板中の不純物濃度が増大するに従って、得られるレーザ
装置の発振しきい値電圧が低下している。この理由の1
つは、GaN厚膜基板の抵抗が不純物の影響で低下する
ことによる。しかし、さらに重要な理由として、GaN
厚膜基板とその上にMOCVDで形成されるレーザ素子
構造の最下層とのコンタクト領域で生じるショットキ障
壁が低減することによってしきい値電圧が低くなること
が、本発明者たちの電子線励起電流法(EBIC法)に
よる観測から明らかになっている。レーザ発振しきい値
電圧は、GaN厚膜基板の不純物濃度が約5×1018c
m-3以上の範囲においてほぼ5V程度の値に収束してい
る。他方、図5を参照すれば、GaN厚膜基板の不純物
濃度が約3×1018cm-3以上になれば、レーザ発振し
きい値電流密度が増大する傾向を示す。これは、図6に
示されているようにGaN厚膜基板中の不純物濃度が約
3.2×1018cm-3を超えるに伴って、基板の平均表
面粗さRaが増大し始めることに起因していると考えら
れる。すなわち、基板表面粗さが増大すれば、その上に
形成されるレーザ素子構造に含まれる各層界面の凹凸が
増大し、レーザ光を伝播する伝播層105内での光の分
散が増大し、このことがしきい値電流密度の増大を生じ
させると考えられる。なお、実施例1および2では、G
aN厚膜基板102の成長終端領域102aのみにおい
て不純物濃度を高めることによって、上記問題を回避で
きている。
で、破線は実施例1で作製されたレーザ装置における特
性値を示している(すなわち図1において、高Siドー
プGaN領域102aの不純物濃度が約8.0×1018
cm-3で、低SiドープGaN領域102bの不純物濃
度が約3.8×1018cm-3の場合)。比較例1のよう
に全厚にわたって一定の不純物濃度を有するGaN厚膜
基板を用いたレーザ装置においては、実施例1のレーザ
装置に比べて同等以上の特性を実現し得るような基板中
の適切な一定不純物量が存在しないことがわかる。
ける各層の導電型が反転されたレーザ装置が作製され
た。すなわち、本実施例では実施例1に類似してH−V
PE法によってGaN厚膜基板が形成されたが、不純物
としては有機金属のビスシクロペンタジエニルマグネシ
ウム(Cp2Mg)が導入された。その膜成長終了の3
分前から不純物Mgの導入量を増大させ、全厚350μ
mでp型導電性を示すGaN厚膜が形成された。得られ
たGaN厚膜基板はMOCVD装置内に導入され、p型
GaNバッファ層、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、
p型伝播層、InGaN−MQW活性層、キャリアブロ
ック層、n型伝播層、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド
層、およびn型コンタクト層を順次に成長させた。その
後、実施例1と同様のプロセスを経てレーザ装置が作製
された。
は、p型厚膜基板の成長終端領域の不純物濃度を増大さ
せることにより、3〜5Vのしきい値電圧の低下が確認
された。しかし、p型基板を用いた場合には、その不純
物濃度をどのように変えてもしきい値電圧は20V以上
であり、実施例1のようにn型GaN厚膜基板を使用し
た場合ほど好ましい効果は表われなかった。これは、p
型基板自体の抵抗値がn型基板に比べて高いので、良好
なコンタクト界面が形成されにくいからであると考えら
れる。
様に、H−VPE法でGaN厚膜成長を開始すると同時
に所定流量のSiH4を導入してn型のGaN厚膜を成
長させた。ただし、その膜成長終了の3分前から不純物
をSiH4からゲルマニウム(Ge)または酸素(O)
に変えるとともに成長終端領域の不純物濃度を増大さ
せ、厚さ350μmで不純物濃度変化を含むn型GaN
厚膜が形成された。得られたGaN厚膜基板をMOCV
D装置に導入し、以後は実施例1と同様の方法によって
レーザ装置が作製された。
おいては、基板中の不純物濃度を変化させない比較例1
の方法で作製したレーザ装置と比べて、しきい値電圧に
おける1〜20V程度の低減が確認された。また、基板
中の不純物濃度を適切に制御することによって、しきい
値電圧としきい値電流密度も、それぞれ5V程度と1k
A/cm2程度の低い値まで低減させることができた。
いるように厚膜基板102の成長開始領域102cと成
長終端領域102aの2ヶ所に高不純物濃度領域が設け
られたことのみにおいて実施例1と異なっている。
02中の不純物濃度を適正化することによって、約5V
のしきい値電圧と約1kA/cm2のしきい値電流密度
で発振し、長寿命の特性を示した。なお、電極101が
接合される高SiドープGaN領域102cの不純物濃
度は、エピタキシャル成長の下地となる高SiドープG
aN領域102aの不純物濃度以下であることが好まし
い。図11において、この実施例5に使用された窒化物
半導体基板の厚さ方向における不純物濃度分布の一例が
示されている。
2aとの両方の不純物濃度を高めることによって、電極
101から発光部分106までのキャリアの流れがスム
ースになって、しきい値電圧が低減されると考えられ
る。
るレーザ装置を模式的な断面図で示している。この実施
例6によるレーザ装置も基本的には実施例1と同様のプ
ロセスで作製されるが、実施例1に比べて電極101の
位置が変更されている点において異なっている。すなわ
ち、図8のレーザ装置では、厚膜基板102上にレーザ
素子構造が形成された後に、反応性イオンエッチングに
よって厚膜基板102中の高不純物濃度領域102aの
一部が露出され、その露出部上にn型用のAl/Ti電
極101が形成されている。他方、図9のレーザ装置で
は、厚膜基板102中の低不純物濃度領域102bの一
部が同様なエッチングによって露出され、その露出部上
にAl/Ti電極101が形成されている。図8と図9
に示されているようないずれのレーザ装置も、実施例1
のレーザ装置と同等のしきい値電圧およびしきい値電流
密度を有するとともに良好な寿命特性を有していた。特
に、図8のレーザ装置においては、低SiドープGaN
領域102bに必ずしも不純物をドーピングする必要が
なく、このことに起因して厚膜基板102の表面平坦性
が良好になってしきい値電流密度の低減が容易であっ
た。
ーザ装置を模式的な断面図で示している。この実施例7
のレーザ装置は実施例6のものに類似しているが、レー
ザ素子構造に含まれるn型GaNバッファ層103の一
部をエッチングによって露出させ、その露出部上にAl
/Ti電極101が形成されている点において異なって
いる。図10においては、GaN厚膜基板102とその
上のレーザ素子構造との電気的コンタクトはレーザ装置
の電気的特性に直接には関係しないが、GaN厚膜基板
102内に高不純物濃度領域102aを設けているの
で、しきい値電圧が約1〜5Vだけ低減された。これ
は、高不純物濃度領域102aを設けたことによって、
GaN厚膜基板102とその上のレーザ素子構造との間
の格子歪みが緩和されるので、エピタキシャル成長させ
られたレーザ素子構造中の結晶欠陥に起因するキャリア
トラップが減少して良好な電気的特性のレーザ素子構造
が得られたと考えられる。
方法としてH−VPE法およびMOCVD法が利用され
たが、他の厚膜成長法が用いられてもよいし、レーザ素
子構造はMBE(分子線エピタキシ)法などで形成され
てもよい。しかし、H−VPE法によって形成された窒
化物厚膜基板を使用した場合には、上述の実施例で述べ
られた効果が特に顕著に確認された。この理由として
は、H−VPEによって膜成長する際に窒化物半導体厚
膜基板中に取込まれる塩素(Cl)が本発明の効果に寄
与しているのであろうと考えられる。
MI、NH3、およびCp2Mgに限られず、所望の化合
物層を成長させ得るどのような原料をも用いることがで
きる。さらに、n型GaN厚膜基板のための不純物もS
i、O、またはGeに限られず、炭素(C)、セレン
(Se)、硫黄(S)、またはテルル(Te)などをも
用いることができる。
域102aの厚さは約5μmにされたが、厚膜基板表面
の不所望な凹凸を生じない程度の厚膜であればよい。適
切な高不純物濃度領域102aの厚さは、不純物濃度に
依存して変化するが、本発明の効果を得るためには50
μm以下であることが望ましく、10μm以下で2nm
の範囲内にあるのがさらに望ましいことが実験結果から
明らかになっている。また、窒化物厚膜基板を成長させ
る際に、その表面領域(約50nm以下の厚さ)に高ド
ープ(δドープ)する方法も効果的であった。
れた他の窒化物半導体基板の厚さ方向における不純物濃
度プロファイルを示している。図12においては、Ga
N厚膜基板102中に不純物濃度勾配の異なる3つの領
域が存在し、エピタキシャル成長でレーザ素子構造が形
成される面に向かって不純物濃度が高くなっている場合
が示されている。エピタキシャル成長が行なわれる面側
の不純物濃度領域を第1の領域とすれば、その第1領域
の不純物濃度はその下方に位置する第2の領域の不純物
濃度よりも高い関係にある。
シャル成長が行なわれる側から順にA領域、B領域、C
領域、およびD領域の4つの不純物濃度領域を含み、C
領域が最も高い不純物濃度を有している。エピタキシャ
ル成長が行なわれる面側のA領域は、その下方に位置す
るB領域とD領域に比べて高い不純物濃度を有してい
る。
度プロファイルを有する窒化物半導体基板の場合であっ
ても、エピタキシャル成長の行なわれる面側から順にA
領域、B領域、C領域などとするときに、A領域の下方
に、より不純物濃度の低い領域が存在する場合に本発明
の効果が得られた。
ーザ装置について説明されたが、本発明は発光ダイオー
ド(LED)装置を作製する場合においてもその駆動電
圧の低減と装置表面の平坦性の向上を図ることができ
る。
ついての考察)前述の実施例1と2および比較例1から
認識された本発明の効果と不純物濃度範囲との関係につ
いて、図14を参照しつつ説明する。図14において、
第I領域と第II領域の不純物濃度範囲が示されてい
る。ここで、第I領域は、しきい値電圧の減少効果が得
られる不純物濃度範囲を表わしている。比較例1で述べ
られたように、しきい値電圧の減少効果は、不純物の添
加によって基板と発光素子構造との間のコンタクト領域
で生じるショットキ障壁が減少したことによる。この効
果が表われる不純物濃度は、1×1018/cm3以上で
あった。特に、不純物濃度が3×1018/cm3以上で
1×1019/cm3以下の範囲内にある場合に、しきい
値電圧減少効果が顕著に表われた。ただし、不純物濃度
が1×1019/cm3を超えれば、結晶欠陥が増大する
ので好ましくなかった。
減少効果が得られる不純物濃度範囲を表わしている。比
較例1で述べられたように、しきい値電流密度の減少効
果は、不純物濃度を適正化することによって窒化物半導
体基板の表面粗さが改善され、発光素子構造の光伝播層
105内での光分散が減少したことによる。この効果が
表われる不純物濃度は、8×1018/cm3以下であっ
た。特に、不純物濃度が1×1017/cm3以上で3×
1018/cm3以下の範囲内にある場合に、しきい値電
流密度減少効果が顕著に表われた。ただし、不純物濃度
が1×1017/cm3未満になれば、電気抵抗が増大す
るので好ましくなかった。
I領域と第II領域に該当する互いに異なる不純物濃度
を有する2以上の層領域を含む場合に、その基板を用い
て作製された発光装置(レーザ装置)は、低しきい値電
圧と低しきい値電流密度の効果を容易に満足することが
わかる。ただし、低しきい値電圧の効果を得るために
は、第I領域に接して発光素子構造が形成されなければ
ならない。なぜならば、基板と発光素子構造との間のコ
ンタクト領域に生じるショットキ障壁が減少したことに
よるしきい値電圧の減少効果だからである。
純物濃度を有する複数の層領域を含んでいない場合(す
なわち、一定の均一な不純物濃度を有する場合)、その
基板を用いて作製された発光装置(レーザ装置)は、低
しきい値電圧と低しきい値電流密度の効果を同時に満た
すことができない(比較例1参照)。
効果としきい値電流密度の減少効果の説明のみに留まっ
ている。しかしながら、本発明者らによるさらなる検討
の結果、窒化物半導体基板が異なる2以上の不純物濃度
層領域を含むことによって、前述の効果のみならずその
基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和させる働き
のあることが新たにわかった。この格子歪みの緩和効果
について、図1、図4、および図5を参照して説明す
る。ここで説明の簡略化のために、窒化物半導体基板が
不純物濃度の高いA層領域とそれよりも不純物濃度の低
いB層領域との2層領域のみを含むと仮定する。なお、
窒化物半導体基板が異なる3以上の不純物濃度層領域を
含む場合にも下記と同様に説明することができる。
は、A領域としての高SiドープGaN領域102a
(SiH4不純物濃度:8.0×1018/cm3)とB領
域としての低SiドープGaN領域102b(SiH4
不純物濃度:3.8×1018/cm3)からなる窒化物
半導体基板102上に、発光素子構造103〜111が
形成されている。
板中の均一な不純物濃度と、その基板を含んで作製され
た発光装置(レーザ装置)のしきい値電圧との関係を示
している。図5は、比較例1における窒化物半導体基板
中の均一不純物濃度と、その基板を含んで作製された発
光装置(レーザ装置)のしきい値電流密度との関係を示
している。
ーザ装置で得られた電気特性を示している。図4中の破
線が示すしきい値電圧値は、全体がA領域とおなじ不純
物濃度(8.0×1018/cm3)を有する基板を含む
発光装置(レーザ装置)のそれと比較して少し低くなっ
ている。また、図5中の破線が示すしきい値電流密度
も、全体がB領域と同じ不純物濃度(3.8×1018/
cm3)を有する基板を含む発光装置と比較して低くな
っている。これらのことから、A領域とB領域の異なる
不純物濃度領域を有する窒化物半導体基板を用いた発光
装置(レーザ装置)は、A領域による低しきい値電圧効
果とB領域による低しきい値電流密度効果の単なる足し
合わせでないことがわかる。
る不純物濃度領域が含まれることによって、窒化物半導
体基板と発光素子構造との間の格子歪みが緩和されたこ
とによると考えられる。この格子歪みを緩和させる効果
は、不純物濃度に比例して表われ、不純物濃度が1×1
018/cm3以上で顕著になることが本発明者らによっ
て明らかにされた。ただし、不純物濃度が1×1019/
cm3を超えれば基板の結晶性が低下するので、格子歪
みの緩和効果が得られる好ましい不純物濃度は1×10
18/cm3以上で1×1019/cm3以下の範囲内にあ
る。
としきい値電流密度がさらに低減できた理由について、
以下において説明する。
/A領域/発光素子構造の順で積層されている。基板1
02に含まれるA領域102aとB領域102bは、互
いに異なる不純物濃度を有しているが、これらのいずれ
もが主にGaNからなっている。他方、発光素子構造は
同様に窒化物半導体で構成されているが、GaN以外に
それより格子定数の小さいAlGaNや格子定数の大き
いInGaNなどからなる層をも含んでいる。したがっ
て、基板(A領域とB領域を含む)と発光素子構造との
間には、格子不整合による格子歪みが発生することが考
えられる。
bよりも高い不純物濃度を有しているので、前述のよう
に格子歪みを緩和させる働きが強く、発光素子構造とB
領域との間の格子歪みがA領域を介して緩和される。こ
の格子歪みの緩和は、発光素子構造中の結晶欠陥減少に
伴う低しきい値電流密度の効果と、結晶欠陥に起因する
キャリアトラップ減少に伴う低しきい値電圧の効果とを
与える。
うに、A領域のみまたはB領域のみからなる窒化物半導
体基板を用いた発光装置に比べて、異なる2つの不純物
濃度のA領域とB領域の両方を含む窒化物半導体基板を
用いた発光装置の方が、そのしきい値電圧としきい値電
流密度の値が低くなる。
2以上の異なる不純物濃度領域を含むことによって、そ
の基板上と発光素子構造との格子歪みが緩和され、しき
い値電圧としきい値電流密度が低くなることがわかる。
格子歪みの緩和効果を説明する。図13においては、窒
化物半導体基板102が4つの異なる不純物濃度領域か
ら構成されている。これら4つの異なる不純物濃度領域
について、エピタキシャル成長が行なわれる面側から順
にA領域、B領域、C領域、およびD領域とする。すな
わち、A領域に接するように発光素子構造(レーザ素子
構造)が形成される。ここで、A領域とC領域は図14
の第I領域に相当し、かつB領域とD領域は第II領域
に相当すると仮定する。この仮定の下で、図13の窒化
物半導体基板に含まれる複数の不純物濃度領域が発光装
置(レーザ装置)に与える効果について説明する。
に属するので、発光素子構造との間のコンタクト領域で
生じるショットキ障壁を減少させ、発光装置に対して低
しきい値電圧の効果をもたらす。また、A領域は、B領
域やD領域に比べて高い不純物濃度を有するので、窒化
物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和す
る緩衝層として作用する。B領域とD領域は、これらの
不純物濃度範囲が第II領域に属するので、発光装置に
対して低しきい値電流密度の効果をもたらす。C領域
は、その不純物濃度範囲が第I領域に属するけれども発
光素子構造と直接接触していないので、発光装置に対し
て低しきい値電圧の効果をほとんどもたらさない。しか
し、C領域はその他の領域に比べて最も高い不純物濃度
を有しているので、窒化物半導体基板と発光素子構造と
の間の格子歪みを緩和する緩衝層として大きく寄与し得
る。このようにして、図13の窒化物半導体基板を用い
た発光装置においては、その電気的特性が向上させられ
得る。
異なる不純物濃度領域が図14に示された第III領域
(不純物濃度が1×1018/cm3以上で8×1018/
cm3以下の範囲内)に属する場合について説明する。
図14に示されているように、第III領域は、第I領
域と第II領域の両方の効果が得られる不純物濃度範囲
を表わしている。厳密に言えば、第III領域のうちで
3×1018/cm3以上で8×1018/cm3以下の範囲
内では第I領域による効果が優勢であり、1×1018/
cm3以上で3×1018/cm3以下の範囲内では第II
領域による効果が優勢である。なお、基板全体が一定の
均一な不純物濃度を有する場合(不純物濃度領域が1つ
の場合)、しきい値電圧としきい値電流密度の効果が最
も効率よく得られる不純物濃度は3×1018/cm3で
ある。しかしながら、この場合には基板が複数の異なる
不純物濃度領域を有しないので、上述の格子歪みの緩和
効果が得られない。また、前述のように、高不純物濃度
領域の厚さは50μm以下であることが望ましく、さら
に望ましくは10μm以下であるので、均一不純物濃度
の基板自体の厚さも制約を受けて50μm以下または1
0μm以下でなければならなくなる。
異なる不純物濃度領域のいずれもが第III領域に属す
る場合について、図15を参照しつつ説明する。図15
は、窒化物半導体基板中の不純物濃度分布を表わしてい
る。複数の不純物濃度の領域について、エピタキシャル
成長が行なわれる面側から順に、A領域およびB領域と
する。すなわち、A領域に接するように発光素子構造
(レーザ素子構造)が形成される。図14と図15から
わかるように、A領域もB領域も第III領域に相当し
ている。
複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下の
とおりである。まず、A領域はその不純物濃度が第II
I領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果とし
きい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しか
し、A領域は発光素子構造と接していることと、B領域
よりも高い不純物濃度を有していることから、主にしき
い値電圧の減少効果を生じるように作用する。また、A
領域はB領域よりも高い不純物濃度を有していることか
ら、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪み
を緩和する緩衝層としても寄与し得る。他方、B領域
も、その不純物濃度範囲が第III領域に属しているの
で、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少
効果の両方が期待される。しかし、B領域はA領域より
も低い不純物濃度を有しているので、主にしきい値電流
密度の減少効果を生じるように作用する。
純物濃度領域から構成されている場合について、図16
を参照しつつ説明する。図16は、窒化物半導体基板中
の不純物濃度分布を表わしている。複数の不純物濃度の
領域について、エピタキシャル成長が行なわれる面側か
ら順に、A領域、B領域、C領域、およびD領域とす
る。すなわち、A領域に接するように発光素子構造(レ
ーザ素子構造)が形成される。ここで、A領域は第II
I領域に相当し、B領域とD領域は第II領域に相当
し、そしてC領域は第I領域に相当している。
複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下の
とおりである。まず、A領域は、その不純物濃度が第I
II領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果と
しきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しか
し、A領域は発光素子構造と接しているので、主にしき
い値電圧の減少効果を生じるように作用する。また、A
領域はB領域よりも高い不純物濃度を有しているので、
窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩
和する緩衝層としても寄与し得る。他方、B領域とD領
域は、これらの不純物濃度が第II領域に属しているの
で、発光装置に対してしきい値電流密度の減少効果を生
じるように作用する。また、C領域はその不純物濃度範
囲が第I領域に属しているが、発光素子構造と直接接触
していないので、発光素子構造との間のショットキ障壁
の減少による低しきい値電圧の効果よりも、その他の不
純物領域に比べて最も高い不純物濃度を有することに起
因して窒化物半導体と発光素子構造との間の格子歪みを
緩和する緩衝層として大きく寄与し得る。このようにし
て、図16の窒化物半導体基板を用いた発光装置におい
ては、その電気的特性が向上させられ得る。
る不純物濃度分布を有する場合について、図17を参照
しつつ説明する。ここで、図17で示された連続的な不
純物濃度のプロファイルを適当な4つの領域に分割して
説明する。複数の不純物濃度の領域について、エピタキ
シャル成長が行なわれる面側から順に、A領域、B領
域、C領域、およびD領域とする。すなわち、A領域に
接するように発光素子構造(レーザ素子構造)が形成さ
れる。ここで、A領域とC領域は第III領域に相当
し、B領域は第I領域に相当し、そしてD領域は第II
領域に相当する。
複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下の
とおりである。まず、A領域は、その不純物濃度範囲が
第III領域に属しているので、しきい値電圧の減少効
果としきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。
しかし、A領域は発光素子構造と接しているので、主に
しきい値電圧の減少効果を生じるように作用する。ま
た、A領域は、B領域との境界から発光素子構造との界
面に向けて不純物濃度が減少しているので、不純物添加
による基板と発光素子構造との界面近傍における結晶性
の劣化を軽減するようにも作用し得る。さらに、不純物
濃度を連続的に変化させることによって、たとえば図1
5や図16に示されているように不純物濃度を不連続
(急峻)に変化させた場合に比べて、A領域とB領域と
の間の境界領域における抵抗を低く抑えることができ
る。
I領域に属しているが、発光素子構造と直接接触してい
ないので、しきい値電圧の減少効果よりも、その他の不
純物領域に比べて最も高い不純物濃度を有していること
に起因して、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の
格子歪みを緩和する緩衝層として寄与する。また、不純
物濃度を連続的に変化させることによって格子歪みを連
続的に分散させることができるので、その格子歪み緩和
効果が効率よく発揮され得る。
域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい
値電流密度の減少効果の双方が期待される。しかし、C
領域は発光素子構造と直接接触していないので、しきい
値電圧の減少効果よりもしきい値電流密度の減少効果を
生じるように作用する。また、不純物濃度を連続的に変
化させることによって、B領域とC領域との間の境界領
域における抵抗を低く抑えることができる。D領域は、
その不純物濃度範囲が第II領域に属しているので、発
光装置に対してしきい値電流密度の減少効果を生じるよ
うに作用する。このようにして、図17の窒化物半導体
基板を用いた発光装置においては、その電気的特性が向
上させられ得る。
物半導体厚膜基板上に発光素子構造を形成する場合に、
その基板の表面が研磨された後に用いられてもよいこと
は言うまでもない。
半導体厚膜基板を用いて優れた特性を有する窒化物半導
体発光装置を提供することができる。
装置を示す模式的な断面図である。
物濃度とその基板を含むレーザ装置のしきい値電圧との
関係を示すグラフである。
入量とその基板中に含まれる不純物濃度との関係を示す
グラフである。
含むレーザ装置のしきい値電圧との関係を示すグラフで
ある。
含むレーザ装置のしきい値電流密度との関係を示すグラ
フである。
表面粗さとの関係を示すグラフである。
ザ装置を示す模式的な断面図である。
ザ装置を示す模式的な断面図である。
ザ装置を示す模式的な断面図である。
ーザ装置を示す模式的な断面図である。
物半導体基板中の不純物濃度分布の一例を示す図であ
る。
物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図であ
る。
物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図であ
る。
囲との関係を示す図である。
濃度分布の他の例を示す図である。
濃度分布の他の例を示す図である。
濃度分布の他の例を示す図である。
02a 高SiドープGaN領域、102b 低Siド
ープGaN領域、102c 高SiドープGaN領域、
103 n型GaNバッファ層、104 n型Al0.1
Ga0.9Nクラッド層、105 n型GaN光伝播層、
106 多重量子井戸層、107 p型Al0.2Ga0.8
Nキャリアブロック層、108 p型光伝播層、109
p型Al 0.1Ga0.9Nクラッド層、110 p型Ga
Nコンタクト層、111 Au/Pd電極。
Claims (7)
- 【請求項1】 窒化物半導体厚膜基板と、 前記基板上に積層された複数の窒化物半導体層を含む発
光素子構造とを含み、 前記窒化物半導体基板は、高不純物濃度の第1の層領域
とその第1層領域より低い不純物濃度の第2の層領域と
の少なくとも2層領域を含み、 前記発光素子構造は、前記基板の前記第1層領域上に形
成されていることを特徴とする窒化物半導体発光装置。 - 【請求項2】 前記窒化物半導体基板はn型の導電性を
有していることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半
導体発光装置。 - 【請求項3】 前記窒化物半導体基板の前記第1層領域
はn型のための導電型決定不純物を含んでいることを特
徴とする請求項2に記載の窒化物半導体発光装置。 - 【請求項4】 前記窒化物半導体基板が含む不純物は、
シリコン、ゲルマニウム、酸素、炭素、硫黄、セレンお
よびテルルからなるグループから選択されたものである
ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光装
置。 - 【請求項5】 前記窒化物半導体基板の前記第1層領域
の不純物濃度は、1×1018cm-3以上であることを特
徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光装置。 - 【請求項6】 前記窒化物半導体基板内には、8×10
18cm-3以下の最も低い不純物濃度を有する層領域が含
まれていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半
導体発光装置。 - 【請求項7】 前記窒化物半導体基板の前記第1層領域
は10μm以下の厚さを有す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装置。
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