JP2002190621A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｓｉ基板を用いて窒化物半導体発光素子を作
製する際、基板と第１導電型の窒化物半導体層との間の
中間層として、従来用いているＡｌＮ層では高抵抗のた
めＳｉ基板側からの電流注入を行うことができない。 【解決手段】 中間層としてＡｌＧａＩｎＮ層を用い
て、低温で成長することによって、平坦性もよく、基板
側からの電流注入が可能な窒化物半導体発光素子を得る
ことができる。
製する際、基板と第１導電型の窒化物半導体層との間の
中間層として、従来用いているＡｌＮ層では高抵抗のた
めＳｉ基板側からの電流注入を行うことができない。 【解決手段】 中間層としてＡｌＧａＩｎＮ層を用い
て、低温で成長することによって、平坦性もよく、基板
側からの電流注入が可能な窒化物半導体発光素子を得る
ことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体発光素
子に係わり、特にＳｉ基板上に形成された窒化物半導体
発光素子に関する。
子に係わり、特にＳｉ基板上に形成された窒化物半導体
発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの
混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いて、これま
で、サファイア基板、ＧａＮ基板もしくはＳｉＣ基板上
にＩｎ xＧａ1-xＮ結晶を発光層として用いた発光素子が
作製されている。
混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いて、これま
で、サファイア基板、ＧａＮ基板もしくはＳｉＣ基板上
にＩｎ xＧａ1-xＮ結晶を発光層として用いた発光素子が
作製されている。
【０００３】ところで、Ｓｉ基板は安価、高品質でしか
も大面積な基板が得られるため、このＳｉ基板を窒化物
半導体発光素子へ応用することにより、従来の基板を用
いた場合に比べ、より安価な半導体発光素子を作製する
ことが可能となる。
も大面積な基板が得られるため、このＳｉ基板を窒化物
半導体発光素子へ応用することにより、従来の基板を用
いた場合に比べ、より安価な半導体発光素子を作製する
ことが可能となる。
【０００４】Ｓｉ基板上に窒化物半導体を作製する技術
として、特願平５−３４３７４１号公報にＡｌＮを中間
層として用いて、その上に窒化物半導体を成長する技術
が開示されている。
として、特願平５−３４３７４１号公報にＡｌＮを中間
層として用いて、その上に窒化物半導体を成長する技術
が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡｌＮ
中間層は高抵抗であるため、導電性のＳｉ基板を用いた
にもかかわらず、基板下部から中間層を通じて窒化物半
導体に電流を注入することができなかった。
中間層は高抵抗であるため、導電性のＳｉ基板を用いた
にもかかわらず、基板下部から中間層を通じて窒化物半
導体に電流を注入することができなかった。
【０００６】そこで、本発明者は、ＡｌＮに比べ低抵抗
な膜として、ＡｌＧａＮ中間層を用いることを試みた。
この場合、ＡｌＧａＮ層にＳｉドーピングし１０００℃
以上の高温で成長することにより、低抵抗の中間層を成
長することが可能となった。しかしながら、１０００℃
以上の高い成長温度のため、Ｓｉ基板の表面に窒化膜が
形成されてしまい、これが、高抵抗であるため、依然と
してＳｉ基板下部から窒化物半導体に電流を注入するこ
とは困難であった。
な膜として、ＡｌＧａＮ中間層を用いることを試みた。
この場合、ＡｌＧａＮ層にＳｉドーピングし１０００℃
以上の高温で成長することにより、低抵抗の中間層を成
長することが可能となった。しかしながら、１０００℃
以上の高い成長温度のため、Ｓｉ基板の表面に窒化膜が
形成されてしまい、これが、高抵抗であるため、依然と
してＳｉ基板下部から窒化物半導体に電流を注入するこ
とは困難であった。
【０００７】また、このＡｌＧａＮ層をより低抵抗化す
るためには、よりＧａの組成が高いＡｌＧａＮ層を用い
る必要があるが、Ｓｉ基板直上にＧａ元素を多く含んだ
ＡｌＧａＮを形成した場合、高温において、ＳｉとＧａ
が反応し、Ｓｉ基板が界面でエッチングされるため、平
坦で良好な膜を得ることが困難であった。
るためには、よりＧａの組成が高いＡｌＧａＮ層を用い
る必要があるが、Ｓｉ基板直上にＧａ元素を多く含んだ
ＡｌＧａＮを形成した場合、高温において、ＳｉとＧａ
が反応し、Ｓｉ基板が界面でエッチングされるため、平
坦で良好な膜を得ることが困難であった。
【０００８】よって、本発明者は界面が窒化されること
を防止する、ＡｌＧａＮ中間層の低温成長を試みた。し
かし９５０℃以下の低温で形成したＡｌＧａＮ中間層を
介し形成した窒化物半導体膜において平坦な半導体膜は
得られにくかった。
を防止する、ＡｌＧａＮ中間層の低温成長を試みた。し
かし９５０℃以下の低温で形成したＡｌＧａＮ中間層を
介し形成した窒化物半導体膜において平坦な半導体膜は
得られにくかった。
【０００９】この様にＡｌＧａＮ層を中間層とした場合
においても、高温成長ではＳｉ基板の界面における窒
化、低温では平坦性、の問題が発生した。
においても、高温成長ではＳｉ基板の界面における窒
化、低温では平坦性、の問題が発生した。
【００１０】本発明は、上記の課題を解決するものであ
る。すなわち、本発明は、Ｓｉ基板上に高品質でＳｉ基
板からの電気伝導を可能とする窒化物系半導体素子を提
供することを目的とするものである。
る。すなわち、本発明は、Ｓｉ基板上に高品質でＳｉ基
板からの電気伝導を可能とする窒化物系半導体素子を提
供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本願の半導体発光素子
は、Ｓｉ基板と、その上に順次形成された第１導電型窒
化物半導体と、発光層と、第２導電型窒化物半導体とを
備えた半導体発光素子において、前記Ｓｉ基板と前記第
１導電型窒化物半導体との間に、ＡｌxＧａyＩｎ zＮ
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｙ≦０．５，５／９５≦ｚ／ｘ
≦４０／６０）からなる中間層を具備することを特徴と
する。
は、Ｓｉ基板と、その上に順次形成された第１導電型窒
化物半導体と、発光層と、第２導電型窒化物半導体とを
備えた半導体発光素子において、前記Ｓｉ基板と前記第
１導電型窒化物半導体との間に、ＡｌxＧａyＩｎ zＮ
（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｙ≦０．５，５／９５≦ｚ／ｘ
≦４０／６０）からなる中間層を具備することを特徴と
する。
【００１２】本願の半導体発光素子は、前記中間層がｎ
型導電性であることを特徴とする。
型導電性であることを特徴とする。
【００１３】本願の半導体発光素子は、前記中間層には
Ｓｉがドーピングされることを特徴とする。
Ｓｉがドーピングされることを特徴とする。
【００１４】本願の半導体発光素子は、前記中間層がＳ
ｉ基板側に向かってＡｌ組成ｘが高くなっていることを
特徴とする。
ｉ基板側に向かってＡｌ組成ｘが高くなっていることを
特徴とする。
【００１５】本願の半導体発光素子は、前記Ｓｉからな
る基板に第１の電極を有し、該第１の電極から注入され
た電流が、前記中間層を通じて、発光層に注入されるこ
とによって発光することを特徴とする。
る基板に第１の電極を有し、該第１の電極から注入され
た電流が、前記中間層を通じて、発光層に注入されるこ
とによって発光することを特徴とする。
【００１６】本願の半導体発光素子は、前記中間層の膜
厚が５ｎｍから２６ｎｍの範囲であることを特徴とす
る。
厚が５ｎｍから２６ｎｍの範囲であることを特徴とす
る。
【００１７】本願の半導体発光素子の製造方法は、Ｓｉ
基板上に、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦
ｙ≦０．５，５／９５≦ｚ／ｘ≦４０／６０）からなる
中間層を成長する工程と、該中間層上に、窒化物半導体
を成長する工程とを有することを特徴とする。
基板上に、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦
ｙ≦０．５，５／９５≦ｚ／ｘ≦４０／６０）からなる
中間層を成長する工程と、該中間層上に、窒化物半導体
を成長する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】本願の半導体発光素子の製造方法は、前記
中間層の形成温度が、４００℃以上９５０℃以下である
ことを特徴とする。
中間層の形成温度が、４００℃以上９５０℃以下である
ことを特徴とする。
【００１９】本願の半導体発光素子の製造方法は、前記
中間層の成長の際に、Ｓｉをドーピングすることを特徴
とする。
中間層の成長の際に、Ｓｉをドーピングすることを特徴
とする。
【００２０】本願の半導体発光素子の製造方法は、前記
中間層の成長速度が、１０ｎｍ／時間から１０００ｎｍ
／時間の範囲であることを特徴とする。
中間層の成長速度が、１０ｎｍ／時間から１０００ｎｍ
／時間の範囲であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明について、以下に実施の形
態を示しつつ説明する。
態を示しつつ説明する。
【００２２】図１は、本窒化物半導体発光素子の構造を
示す概略断面図である。本実施の形態の窒化物半導体発
光素子は、Ｓｉ基板１上に、順次積層された、Ｓｉのド
ーピングを行ったｎ−ＡｌＩｎＮからなる中間層１０、
ｎ−ＧａＩｎＮからなる第一のクラッド層２、多重反射
層６、ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａ
ＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮ
からなる第二のクラッド層５が順に積層された構造を有
する。さらに、Ｓｉ基板下面には電極１５が、第二のク
ラッド層５の上面には透明電極１６が設けられ、透明電
極の上面の一部には、ボンディング電極１７が設けられ
ている。
示す概略断面図である。本実施の形態の窒化物半導体発
光素子は、Ｓｉ基板１上に、順次積層された、Ｓｉのド
ーピングを行ったｎ−ＡｌＩｎＮからなる中間層１０、
ｎ−ＧａＩｎＮからなる第一のクラッド層２、多重反射
層６、ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａ
ＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮ
からなる第二のクラッド層５が順に積層された構造を有
する。さらに、Ｓｉ基板下面には電極１５が、第二のク
ラッド層５の上面には透明電極１６が設けられ、透明電
極の上面の一部には、ボンディング電極１７が設けられ
ている。
【００２３】ＩｎxＧａ1-xＮ発光層３は、ＩｎxＧａ1-x
Ｎの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を
紫外から赤色まで発光させることができるが、本実施の
形態では、上述の波長帯内における青色で発光するもの
としたマグネシウムがドープされたｐ伝導型の第二のク
ラッド層５は抵抗が大きい。従って、第二のクラッド層
５の一端へボンディング電極１７のみから電流、即ち正
孔を注入しても、電流密度がＩｎxＧａ1-xＮ発光層３の
全域において均一とならないおそれがある。そこで、ボ
ンディング電極１７と第二のクラッド層５との間に、第
二のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極１
６が設けられ、この部分より多くの発光を取り出すこと
ができる。ｎ伝導型のＳｉ基板上に接続される電極１５
には金属を用いればよく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂのいずれかを含むことが望ましい。ｐ−ＧａＩ
ｎＮ第二のクラッド層５に接続される透明電極１６に
は、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよく、Ｔａ、
Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのい
ずれかを含むことが望ましい。ボンディング電極には、
ＡｕもしくはＡｌを用いることが好ましい。
Ｎの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を
紫外から赤色まで発光させることができるが、本実施の
形態では、上述の波長帯内における青色で発光するもの
としたマグネシウムがドープされたｐ伝導型の第二のク
ラッド層５は抵抗が大きい。従って、第二のクラッド層
５の一端へボンディング電極１７のみから電流、即ち正
孔を注入しても、電流密度がＩｎxＧａ1-xＮ発光層３の
全域において均一とならないおそれがある。そこで、ボ
ンディング電極１７と第二のクラッド層５との間に、第
二のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極１
６が設けられ、この部分より多くの発光を取り出すこと
ができる。ｎ伝導型のＳｉ基板上に接続される電極１５
には金属を用いればよく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂのいずれかを含むことが望ましい。ｐ−ＧａＩ
ｎＮ第二のクラッド層５に接続される透明電極１６に
は、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよく、Ｔａ、
Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのい
ずれかを含むことが望ましい。ボンディング電極には、
ＡｕもしくはＡｌを用いることが好ましい。
【００２４】次に、本実施形態の発光素子の製造方法に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００２５】洗浄したＳｉ基板１をＭＯＣＶＤ装置内に
導入し、水素（Ｈ2）雰囲気の中で、約１１００℃の高
温でクリーニングを行う。
導入し、水素（Ｈ2）雰囲気の中で、約１１００℃の高
温でクリーニングを行う。
【００２６】その後、キャリアガスとしてＮ2を１０ｌ
／ｍｉｎ．流しながら、８００℃でＮＨ3とトリメチル
アルミニュウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジュウム
（ＴＭＩ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１０μｍｏｌ／
ｍｉｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．さらにＳｉＨ4ガス
を導入して、約２０ｎｍの厚みのＳｉ−ドーピングを行
ったＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎの中間層１０を成長する。
／ｍｉｎ．流しながら、８００℃でＮＨ3とトリメチル
アルミニュウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジュウム
（ＴＭＩ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１０μｍｏｌ／
ｍｉｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．さらにＳｉＨ4ガス
を導入して、約２０ｎｍの厚みのＳｉ−ドーピングを行
ったＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎの中間層１０を成長する。
【００２７】また、上記ＡｌＩｎＮ中間層１０はＳｉ基
板１上に同じＩｎ組成を保ちつつ作製を行ったが、Ｓｉ
基板との界面付近においてＡｌ組成の高い領域があって
も良い。例えば、上記Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ中間層の下部
にＡｌの混晶比がより高い厚さ２０ｎｍのＡｌ0.95Ｉｎ
0.05Ｎ層を設けたところ、表面状態がさらに良好な面積
が広い素子構造を有するウエハーが得られた。また、上
記のような段階的な濃度変化ではなく、連続的な濃度変
化を持たせても同様の効果が得られた。
板１上に同じＩｎ組成を保ちつつ作製を行ったが、Ｓｉ
基板との界面付近においてＡｌ組成の高い領域があって
も良い。例えば、上記Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ中間層の下部
にＡｌの混晶比がより高い厚さ２０ｎｍのＡｌ0.95Ｉｎ
0.05Ｎ層を設けたところ、表面状態がさらに良好な面積
が広い素子構造を有するウエハーが得られた。また、上
記のような段階的な濃度変化ではなく、連続的な濃度変
化を持たせても同様の効果が得られた。
【００２８】続いて、同じ温度で、ＴＭＡの供給を停止
し、トリメチルガリュウム（ＴＭＧ）、ＴＭＩを約２０
μｍｏｌ／ｍｉｎ．、１００μｍｏｌ／ｍｉｎ．それぞ
れ導入し、約３００ｎｍの厚さのＳｉドープのＧａ0.92
Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２を成長する。
し、トリメチルガリュウム（ＴＭＧ）、ＴＭＩを約２０
μｍｏｌ／ｍｉｎ．、１００μｍｏｌ／ｍｉｎ．それぞ
れ導入し、約３００ｎｍの厚さのＳｉドープのＧａ0.92
Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２を成長する。
【００２９】前記ＡｌＩｎＮ中間層１０を堆積した後、
その成長温度を高温に上げ、第一のクラッド層２とし
て、ＧａＮを用いても構わなかったが、本願のようにＩ
ｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮの第一のクラッド層
を用いることで、高温に成長温度を上げることなく低温
成長が可能となり、クラックの発生を従来の約半分と少
なくすることが可能となった。
その成長温度を高温に上げ、第一のクラッド層２とし
て、ＧａＮを用いても構わなかったが、本願のようにＩ
ｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮの第一のクラッド層
を用いることで、高温に成長温度を上げることなく低温
成長が可能となり、クラックの発生を従来の約半分と少
なくすることが可能となった。
【００３０】次に、同じ８００℃の成長温度において、
ＮＨ3、ＴＭＡ、ＴＭＩをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１
０μｍｏｌ／ｍｉｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．導入し
てＡｌＩｎＮ層を３８ｎｍ成長した後、原料ガスとして
ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．同時にリアクター内に
導入することで、ＡｌＧａＩｎＮ層を４５ｎｍ成長させ
る。再度ＴＭＧの導入を止めることで、ＡｌＩｎＮ層を
３８ｎｍ成長させる。
ＮＨ3、ＴＭＡ、ＴＭＩをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１
０μｍｏｌ／ｍｉｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．導入し
てＡｌＩｎＮ層を３８ｎｍ成長した後、原料ガスとして
ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．同時にリアクター内に
導入することで、ＡｌＧａＩｎＮ層を４５ｎｍ成長させ
る。再度ＴＭＧの導入を止めることで、ＡｌＩｎＮ層を
３８ｎｍ成長させる。
【００３１】この様なガスの切り替えを繰り返すこと
で、（ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎＮ）の周期構造を１０
ペアーの多重反射層６を作製した。
で、（ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎＮ）の周期構造を１０
ペアーの多重反射層６を作製した。
【００３２】その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を
停止して、基板温度を７６０℃までまで降温し、インジ
ウム原料であるＴＭＩを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ．、Ｔ
ＭＧを２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ．導入し、Ｉｎ0.18Ｇａ
0.72Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層を成長する。その後再
び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井
戸層、障壁層の成長を繰り返し、井戸層は合計５層、井
戸層と井戸層の間及び上層には合計５層の障壁層が存在
するような多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を
成長する。
停止して、基板温度を７６０℃までまで降温し、インジ
ウム原料であるＴＭＩを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ．、Ｔ
ＭＧを２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ．導入し、Ｉｎ0.18Ｇａ
0.72Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層を成長する。その後再
び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井
戸層、障壁層の成長を繰り返し、井戸層は合計５層、井
戸層と井戸層の間及び上層には合計５層の障壁層が存在
するような多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を
成長する。
【００３３】上記発光層の成長が終了した後、最後の障
壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、
ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＩを４０μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ．ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシク
ロペンタジエニルマグネシウムを（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０
ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇ
ａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層４を成長する。キ
ャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度
において、ＴＭＡの供給を停止し、８０ｎｍ厚のｐ型Ｇ
ａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二のクラッド層５の成長を行う。
壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、
ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＩを４０μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ．ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシク
ロペンタジエニルマグネシウムを（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０
ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇ
ａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層４を成長する。キ
ャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度
において、ＴＭＡの供給を停止し、８０ｎｍ厚のｐ型Ｇ
ａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二のクラッド層５の成長を行う。
【００３４】この様にして発光素子構造の成長が終了す
ると、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ2Ｍｇの供給を停止した
後、室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。そ
の後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる第二のクラッド
層の上面に透明電極１６を、さらにその上の一部にボン
ディング電極１７を、Ｓｉ基板下面に電極１５を形成
し、本実施の形態の発光素子が完成する。
ると、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ2Ｍｇの供給を停止した
後、室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。そ
の後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる第二のクラッド
層の上面に透明電極１６を、さらにその上の一部にボン
ディング電極１７を、Ｓｉ基板下面に電極１５を形成
し、本実施の形態の発光素子が完成する。
【００３５】この様にしてできた半導体発光素子の電気
的特性であるが、導電性の高いＳｉ基板を用いているた
め、順方向電流２０ｍＡ流したときの駆動電圧は４．０
Ｖと従来の発光素子の駆動電圧６．０Ｖに比べ低い素子
を作製することが可能となった。
的特性であるが、導電性の高いＳｉ基板を用いているた
め、順方向電流２０ｍＡ流したときの駆動電圧は４．０
Ｖと従来の発光素子の駆動電圧６．０Ｖに比べ低い素子
を作製することが可能となった。
【００３６】このように、ＡｌＮ膜にＩｎを含んだ窒化
物半導体膜（ＡｌＩｎＮ膜）を、中間層としてＳｉ基板
上に直接成長を行った場合、ＡｌＧａＮ中間層の成長温
度に比べ、低温において、低抵抗の層の成長が可能とな
り、その中間層を介してＧａＮ窒化物半導体膜をＳｉ基
板上に形成した場合、界面において窒化膜もなく、か
つ、平坦性の良好な窒化物半導体発光素子が得ることが
可能となった。
物半導体膜（ＡｌＩｎＮ膜）を、中間層としてＳｉ基板
上に直接成長を行った場合、ＡｌＧａＮ中間層の成長温
度に比べ、低温において、低抵抗の層の成長が可能とな
り、その中間層を介してＧａＮ窒化物半導体膜をＳｉ基
板上に形成した場合、界面において窒化膜もなく、か
つ、平坦性の良好な窒化物半導体発光素子が得ることが
可能となった。
【００３７】さらに、中間層とにＳｉのドーピングを行
い、Ｓｉ基板下部とＧａＮ膜上部において電極を形成
し、その電気的特性を測定したが駆動電圧３．０Ｖと更
に低い半導体発光素子が得られた。一方、他のｎ型のド
ーパントであるＧｅ、Ｏを用いた場合は、Ｓｉを用いた
場合ほどの効果は得られず、駆動電圧４．０Ｖとなり、
中間層に不純物をドーピングしない場合と同様の値であ
った。
い、Ｓｉ基板下部とＧａＮ膜上部において電極を形成
し、その電気的特性を測定したが駆動電圧３．０Ｖと更
に低い半導体発光素子が得られた。一方、他のｎ型のド
ーパントであるＧｅ、Ｏを用いた場合は、Ｓｉを用いた
場合ほどの効果は得られず、駆動電圧４．０Ｖとなり、
中間層に不純物をドーピングしない場合と同様の値であ
った。
【００３８】さらに、この中間層の成長条件に関して言
及する。
及する。
【００３９】本発明者は、従来のＡｌＮを中間層とした
場合に比べ、ＴＭＩを導入することでＳｉ上へ良好なエ
ピタキシャル膜を得る中間層の成長温度を飛躍的に下げ
ることができた。
場合に比べ、ＴＭＩを導入することでＳｉ上へ良好なエ
ピタキシャル膜を得る中間層の成長温度を飛躍的に下げ
ることができた。
【００４０】そしてこのＡｌＩｎＮ中間層におけるＩｎ
とＡｌの組成の関係であるが、ｘ：Ｚ＝９５：５（ｘは
Ａｌの組成比、ｚはＩｎの組成比）の関係よりＡｌの組
成が高い場合、Ｉｎの量が少なくバンドギャプが大きい
ため、Ｓｉをドーピングした場合も、ｎ型の導電性を示
す低抵抗な膜を得ることが困難であり、Ｓｉから電流を
流すことは困難であった。またｘ：Ｚ＝６０：４０の関
係よりＡｌの組成が低い場合には、その膜の結晶性が悪
くなるためか、その中間層を用いて窒化物半導体膜を作
製した場合、平坦な膜が得られなかった。そのため、半
導体素子構造を作製した場合も、良好な特性を示さなか
った。これよりＡｌとＩｎの組成の関係に関しては、４
０／６０≧Ｚ／Ｘ≧５／９５の関係を満たすＡｌＩｎＮ
層を中間層に用いた素子構造においてＳｉ基板からの電
流注入が可能な良好な素子が得られれた。
とＡｌの組成の関係であるが、ｘ：Ｚ＝９５：５（ｘは
Ａｌの組成比、ｚはＩｎの組成比）の関係よりＡｌの組
成が高い場合、Ｉｎの量が少なくバンドギャプが大きい
ため、Ｓｉをドーピングした場合も、ｎ型の導電性を示
す低抵抗な膜を得ることが困難であり、Ｓｉから電流を
流すことは困難であった。またｘ：Ｚ＝６０：４０の関
係よりＡｌの組成が低い場合には、その膜の結晶性が悪
くなるためか、その中間層を用いて窒化物半導体膜を作
製した場合、平坦な膜が得られなかった。そのため、半
導体素子構造を作製した場合も、良好な特性を示さなか
った。これよりＡｌとＩｎの組成の関係に関しては、４
０／６０≧Ｚ／Ｘ≧５／９５の関係を満たすＡｌＩｎＮ
層を中間層に用いた素子構造においてＳｉ基板からの電
流注入が可能な良好な素子が得られれた。
【００４１】さらに、より導電性を上げることを可能と
するため、ＧａをそのＡｌＩｎＮ層中間層に添加するこ
とを試みたが、Ｇａの組成が、５０％（ｙ＝０．５）を
超え、多く含んだ場合、Ｓｉとの界面でエッチングによ
る反応が起こり、平坦な窒化物半導体膜が得られなかっ
た。そのため、この条件で半導体発光素子を作製した場
合も、平坦な膜でないため、良好な特性を示さなかっ
た。
するため、ＧａをそのＡｌＩｎＮ層中間層に添加するこ
とを試みたが、Ｇａの組成が、５０％（ｙ＝０．５）を
超え、多く含んだ場合、Ｓｉとの界面でエッチングによ
る反応が起こり、平坦な窒化物半導体膜が得られなかっ
た。そのため、この条件で半導体発光素子を作製した場
合も、平坦な膜でないため、良好な特性を示さなかっ
た。
【００４２】以上のＡｌＧａＩｎＮ中間層の関係を図３
に示す。斜線部分が特性の良好な素子を得られる組成で
ある。図中の３本の実線は、それぞれ、Ｇａ組成が５０
％（ｙ＝０．５）の線、Ｘ：Ｚが６０：４０の線、Ｘ：
Ｚが９５：５の線である。破線は、Ｇａ組成が２０％
（ｙ＝０．２）の線である。また、●は歩留まり非常に
良かった点、▲は歩留まりが少し落ちる点である。
に示す。斜線部分が特性の良好な素子を得られる組成で
ある。図中の３本の実線は、それぞれ、Ｇａ組成が５０
％（ｙ＝０．５）の線、Ｘ：Ｚが６０：４０の線、Ｘ：
Ｚが９５：５の線である。破線は、Ｇａ組成が２０％
（ｙ＝０．２）の線である。また、●は歩留まり非常に
良かった点、▲は歩留まりが少し落ちる点である。
【００４３】ところで、その成長温度に関してである
が、９５０℃以上に成長温度が高いとＩｎを添加するこ
とが困難であり、Ａｌ組成が高く高抵抗な膜であった。
が、９５０℃以上に成長温度が高いとＩｎを添加するこ
とが困難であり、Ａｌ組成が高く高抵抗な膜であった。
【００４４】また４００℃以下においては、その中間層
の結晶性が悪いため、その上のエピタキシャル膜として
の窒化物半導体層も鏡面の膜を得られなかった。
の結晶性が悪いため、その上のエピタキシャル膜として
の窒化物半導体層も鏡面の膜を得られなかった。
【００４５】次に本発明の他の実施例について説明す
る。
る。
【００４６】上記実施の形態においては、活性層と上部
透明電極の間には、多重反射層を設けなかったが、図２
に示すように、下記の通りの反射膜をキャリアブロック
層と第二のクラッド層の間に設けることで、光が上下方
向に多重反射を容易に起こし、さらに取り出し効率を上
げることが可能となった。ただし、上部半導体反射膜は
第二のクラッド層と透明電極の間に設けても同じ結果が
得られた。
透明電極の間には、多重反射層を設けなかったが、図２
に示すように、下記の通りの反射膜をキャリアブロック
層と第二のクラッド層の間に設けることで、光が上下方
向に多重反射を容易に起こし、さらに取り出し効率を上
げることが可能となった。ただし、上部半導体反射膜は
第二のクラッド層と透明電極の間に設けても同じ結果が
得られた。
【００４７】作製方法としては、前述の本実施例の発明
の形態に記す発光層上部のｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリア
ブロック層４を成長させた後、続いてＮＨ3、ＴＭＡ、
ＴＭＩをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１０μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．をＣｐ2Ｍｇと同時に導
入してＭｇドープのＡｌＩｎＮ層を３８ｎｍ成長した
後、原料ガスとしてＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．同
時にリアクター内に導入することで、Ｍｇドープを行っ
たＡｌＧａＩｎＮ層を４５ｎｍ成長させる。
の形態に記す発光層上部のｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリア
ブロック層４を成長させた後、続いてＮＨ3、ＴＭＡ、
ＴＭＩをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、１０μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．、１７μｍｏｌ／ｍｉｎ．をＣｐ2Ｍｇと同時に導
入してＭｇドープのＡｌＩｎＮ層を３８ｎｍ成長した
後、原料ガスとしてＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．同
時にリアクター内に導入することで、Ｍｇドープを行っ
たＡｌＧａＩｎＮ層を４５ｎｍ成長させる。
【００４８】この様なガスの切り替えを繰り返すこと
で、Ｍｇドープを行った（ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎ
Ｎ）の周期構造となる５ペアーの多重反射層７を作製
し、さらに、８０ｎｍ厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二の
クラッド層５の成長を行い発光素子構造の成長を終了す
る。
で、Ｍｇドープを行った（ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎ
Ｎ）の周期構造となる５ペアーの多重反射層７を作製
し、さらに、８０ｎｍ厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二の
クラッド層５の成長を行い発光素子構造の成長を終了す
る。
【００４９】ただしこの場合、この上部に形成される多
重反射層７は上部に光を取り出すと同時に、ｐ型膜とし
ての役割を果たす。しかしこの多重反射層７は高抵抗で
あり、周期構造を増すとその分素子の抵抗を上げるた
め、下部に形成される多重反射層６と違い、その周期構
造のペアー数を減らすことによって、従来より明るく、
かつ、駆動電圧上げることない素子を作製することが可
能となった。
重反射層７は上部に光を取り出すと同時に、ｐ型膜とし
ての役割を果たす。しかしこの多重反射層７は高抵抗で
あり、周期構造を増すとその分素子の抵抗を上げるた
め、下部に形成される多重反射層６と違い、その周期構
造のペアー数を減らすことによって、従来より明るく、
かつ、駆動電圧上げることない素子を作製することが可
能となった。
【００５０】上記実施の形態においては、ＡｌＧａＩｎ
Ｎ中間層の厚さを２００ｎｍとして行ったが、本発明者
の数々の実験によって、さらに、この中間層の厚さを変
えることによって、結晶性を上げ、膜に入るクラックの
量を減らすことが可能になった。
Ｎ中間層の厚さを２００ｎｍとして行ったが、本発明者
の数々の実験によって、さらに、この中間層の厚さを変
えることによって、結晶性を上げ、膜に入るクラックの
量を減らすことが可能になった。
【００５１】図４にＡｌＩｎＮ中間層の厚さと単位長さ
あたりに生じるクラック量の関係を示す。この図に示す
とおり、中間層の膜厚が５ｎｍから２６ｎｍの範囲にお
いては、単位長さあたりに生じるクラックの量が２００
本／ｃｍと従来に比べ飛躍的に減った。窒化物系半導体
発光素子においては、クラックの量が２００本／ｃｍ以
下すなわち、クラック間平均距離が５０μｍ以上であれ
ば、通常発光領域のサイズが２００μｍ角程度以下であ
ることから、発光領域に形成されるクラックの数が数本
以下とすることができ、この程度のクラックの量であれ
ば、素子の寿命に悪影響がないことが本発明者らの検討
により明らかである。したがって、中間層の膜厚をこの
範囲に限定することで、半導体発光素子の寿命を上げる
ことができた。
あたりに生じるクラック量の関係を示す。この図に示す
とおり、中間層の膜厚が５ｎｍから２６ｎｍの範囲にお
いては、単位長さあたりに生じるクラックの量が２００
本／ｃｍと従来に比べ飛躍的に減った。窒化物系半導体
発光素子においては、クラックの量が２００本／ｃｍ以
下すなわち、クラック間平均距離が５０μｍ以上であれ
ば、通常発光領域のサイズが２００μｍ角程度以下であ
ることから、発光領域に形成されるクラックの数が数本
以下とすることができ、この程度のクラックの量であれ
ば、素子の寿命に悪影響がないことが本発明者らの検討
により明らかである。したがって、中間層の膜厚をこの
範囲に限定することで、半導体発光素子の寿命を上げる
ことができた。
【００５２】さらに、この中間層の成長条件についても
検討を行った。図５にＡｌＩｎＮ中間層の成長速度と単
位長さあたりに生じるクラック量の関係を示す。この図
に示すとおり、そのＡｌＩｎＮ中間層の成長速度が１０
ｎｍ／時間から１０００ｎｍ／時間の範囲においてはそ
のクラック量も単位長さあたりに２００本／ｃｍと従来
に比べ飛躍的に減った。これより成長速度が低い場合
は、Ｓｉ表面が成長中に窒化されるため、良好なエピタ
キシャル窒化膜を得ることはできなかった。また、１０
００ｎｍ／時間以上に、成長速度を上げた場合も、クラ
ック量が増えると同時に、次第に良好なエピタキシャル
成長が行われず、平坦な膜は得られなかった。
検討を行った。図５にＡｌＩｎＮ中間層の成長速度と単
位長さあたりに生じるクラック量の関係を示す。この図
に示すとおり、そのＡｌＩｎＮ中間層の成長速度が１０
ｎｍ／時間から１０００ｎｍ／時間の範囲においてはそ
のクラック量も単位長さあたりに２００本／ｃｍと従来
に比べ飛躍的に減った。これより成長速度が低い場合
は、Ｓｉ表面が成長中に窒化されるため、良好なエピタ
キシャル窒化膜を得ることはできなかった。また、１０
００ｎｍ／時間以上に、成長速度を上げた場合も、クラ
ック量が増えると同時に、次第に良好なエピタキシャル
成長が行われず、平坦な膜は得られなかった。
【００５３】そして成長速度がこの１０ｎｍ／時間から
１０００ｎｍ／時間の範囲においては、図４の結果と同
様な効果によって、寿命の長い半導体発光素子を得るこ
とが可能になった。
１０００ｎｍ／時間の範囲においては、図４の結果と同
様な効果によって、寿命の長い半導体発光素子を得るこ
とが可能になった。
【００５４】上記の実施例では、中間層のドーピングに
はＳｉを用いているが、Ｇｅを用いても同様の結果を得
ることができた。
はＳｉを用いているが、Ｇｅを用いても同様の結果を得
ることができた。
【００５５】さらに、上記の実施例では、ｎ型基板の上
に作製した発光素子を示しているが、ｐ型基板を用いる
こともできる。この場合、中間層にはＭｇをドーピング
するとよい。
に作製した発光素子を示しているが、ｐ型基板を用いる
こともできる。この場合、中間層にはＭｇをドーピング
するとよい。
【００５６】
【発明の効果】本発明によれば、Ｓｉ基板上に作製した
窒化物半導体発光素子に関し、少なくともＡｌ、Ｉｎを
それぞれ含み、Ｓｉのドーピングを行ったＡｌＧａＩｎ
Ｎ中間層を用いることで、その中間層の成長が低温で可
能となり、Ｓｉ基板から直接電流を流すことができる窒
化物半導体素子の作製が可能となる。
窒化物半導体発光素子に関し、少なくともＡｌ、Ｉｎを
それぞれ含み、Ｓｉのドーピングを行ったＡｌＧａＩｎ
Ｎ中間層を用いることで、その中間層の成長が低温で可
能となり、Ｓｉ基板から直接電流を流すことができる窒
化物半導体素子の作製が可能となる。
【図１】本発明の実施の形態の発光素子をしめす断面図
である。
である。
【図２】実施例１の形態の発光素子をしめす断面図であ
る。
る。
【図３】ＡｌxＧａyＩｎzＮ中間層の組成の関係をしめ
す図である。
す図である。
【図４】中間層の厚さとクラック量の関係を示す図であ
る。
る。
【図５】中間層の成長速度とクラック量の関係を示す図
である。
である。
１…Ｓｉ基板 ２…第一のクラッド層 ３…ノンドープＩｎＧａＮ発光層 ４…キャリアブロック層 ５…第二のクラッド層 ６、７…多重反射層 １０…ＡｌＩｎＮ層 １５…電極 １６…透明電極 １７…ボンディング電極
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA04 CA05 CA33 CA34 CA40 CA65 CA74 CA83 CB15 5F045 AA04 AB14 AB18 AC08 AC09 AC12 AD11 AD12 AF03 BB12 BB13 CA09 DA53
Claims (10)
- 【請求項１】 Ｓｉ基板と、その上に順次形成された第
１導電型窒化物半導体と、発光層と、第２導電型窒化物
半導体とを備えた半導体発光素子において、前記Ｓｉ基
板と前記第１導電型窒化物半導体との間に、ＡｌxＧａy
ＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｙ≦０．５，５／９５
≦ｚ／ｘ≦４０／６０）からなる中間層を具備すること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記中間層は、ｎ型導電性であることを
特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記中間層には、Ｓｉがドーピングされ
ることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載
の半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記中間層は、Ｓｉ基板側に向かってＡ
ｌ組成ｘが高くなっていることを特徴とする請求項１な
いし３のいずれかに記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記Ｓｉからなる基板に第１の電極を有
し、該第１の電極から注入された電流が、前記中間層を
通じて、発光層に注入されることによって発光すること
を特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の半
導体発光素子。 - 【請求項６】 前記中間層の膜厚が５ｎｍから２６ｎｍ
の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の半導体
発光素子。 - 【請求項７】 Ｓｉ基板上に、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｙ≦０．５，５／９５≦ｚ／ｘ≦４
０／６０）からなる中間層を成長する工程と、該中間層
上に、窒化物半導体を成長する工程とを有することを特
徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項８】 前記中間層の形成温度が、４００℃以上
９５０℃以下であることを特徴とする請求項７に記載の
半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項９】 前記中間層の成長の際に、Ｓｉをドーピ
ングすることを特徴とする請求項７または８に記載の半
導体発光素子の製造方法。 - 【請求項１０】 前記中間層の成長速度が、１０ｎｍ／
時間から１０００ｎｍ／時間の範囲であることを特徴と
する請求項７から９のいずれかに記載の半導体発光素子
の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001107963A JP2002190621A (ja) | 2000-10-12 | 2001-04-06 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| US09/976,390 US6410939B1 (en) | 2000-10-12 | 2001-10-12 | Semiconductor light-emitting device and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000311613 | 2000-10-12 | ||
| JP2000-311613 | 2000-10-12 | ||
| JP2001107963A JP2002190621A (ja) | 2000-10-12 | 2001-04-06 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002190621A true JP2002190621A (ja) | 2002-07-05 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| US (1) | US6410939B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002190621A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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