JP2005109283A - ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｓｉ基板等の導電性基板上にＧａＮ系半導体層を形成しても、ＧａＮ系半導体層及び導電性基板に反りが発生しないＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【構成】 Ｓｉ基板１上に光反射層２，３を介して複数のドット状のｎ型クラッド層４及びＩｎＧａＮ発光層５を形成し、その上に凹凸のｐ型クラッド層６及びｐ型コンタクト層７を形成した。このことにより、成長後に熱膨張収縮差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、ホトリソグラフィ工程において焦点が合わなくなったりすることもない。また、半導体層にクラックが入る不具合も低減できる。

【選択図】 図１

Description

本発明はＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、基板及び基板上に形成されるＧａＮ系半導体層の反りをなくしたＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法に関する。

従来のＧａＮ系半導体発光素子として、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

特許文献１に記載されているＧａＮ系半導体発光素子は、例えば、ｎ型光ガイド層の表面をエッチング等によって凹凸にし、その凹凸にした表面にＩｎＧａＮ活性層を凹凸に形成することによって構成されている。

この構成によれば、活性層を凹凸に形成することによって活性層にＩｎプアー領域とＩｎリッチ領域を形成し、その結果、活性層に量子ドット効果、量子箱効果を付与することによって発光効率を増大させることができると記載している。
特開平１０−２１５０２９号公報

しかし、従来のＧａＮ系半導体発光素子によれば、絶縁体であるサファイア基板上にＧａＮ系半導体層が形成されているため、サファイア基板から電極を取り出すことができない。基板から電極を取り出すためには、基板を導電性を有するＳｉ基板あるいはＳｉＣ基板等の導電性基板によって構成しなければならない。

しかし、例えば、Ｓｉ基板上にＧａＮ系半導体層を形成すると、ＧａＮ系半導体の熱膨張係数がＳｉのそれよりも顕著に大きいため、成長後に常温に戻るとＧａＮ系半導体層を内側にして反りが発生するという不都合が生じる。ＧａＮ系半導体層に反りが発生すると、発光素子形成工程においてホトリソグラフィーの焦点が合わなくなる等の不都合が生じる。また、反りが大きいとＧａＮ結晶層にクラックが入るという不具合も生じる。

従って、本発明の目的は、Ｓｉ基板等の導電性基板上にＧａＮ系半導体層を形成しても、ＧａＮ系半導体層及び導電性基板に反りが発生しないＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明によると、１導電型の第１半導体層と他の導電型の第２半導体層の間に発光層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
前記発光層は、複数のドット状に成長したＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）層によって形成されることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子を提供する。

また、前記第１半導体層は、ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板によって形成され、
前記発光層は、複数のドット状に成長したＩｎＧａＮ発光層によって形成され、
前記第２半導体層は、ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層によって形成される。

また、前記ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板は、その表面にｎ型あるいはｐ型のクラッド層が形成されており、
前記ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層は、ｐ型あるいはｎ型のＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型あるいはｎ型のＧａＮコンタクト層によって形成される。

また、前記ｎ型あるいはｐ型のクラッド層は、前記ＩｎＧａＮ発光層に対応して複数のドット状に成長したｎ型あるいはｐ型のＧａＮクラッド層によって形成される。

また、前記ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板は、前記ｎ型あるいはｐ型のラッド層の間に光反射層を有する。

また、本発明によると、１導電型の第１半導体層上に複数のドット状のＩｎＡｌＧａＮ発光層を成長させる発光層成長段階と、
前記ドット状のＩｎＡｌＧａＮ発光層上に他の導電型の第２半導体層を成長させる半導体層成長段階を含むことを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を提供する。

また、前記発光層成長段階は、前記第１半導体層としてのｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板上に複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層をＭＯＣＶＤによって成長させるＩｎＧａＮ発光層成長段階を含み、
前記半導体層成長段階は、ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層を成長させるＧａＮ系半導体層成長段階を含む。

また、前記ＩｎＧａＮ発光層成長段階は、前記Ｓｉ基板上に複数のドット状開口を有するマスクを形成するマスク形成段階と、前記マスクの開口を介して前記Ｓｉ基板上に複数のドット状のＧａＮクラッド層を成長させるクラッド層成長段階とを含み、前記ＧａＮクラッド層上に前記ＩｎＧａＮ発光層を形成する。

また、前記ＩｎＧａＮ発光層成長段階では、前記Ｓｉ基板上にＩｎＧａＮの核をＭＯＣＶＤによって成長させる段階を含む。

本発明では、基板としてＳｉ基板を使用しているが、これを限定されることはなく、例えばＳｉＣ基板、あるいは他の導電性基板を使用することもできる。しかし、ＳｉＣ基板を使用すると、透光性を有しているので光反射層を設ける必要はない。

また、発光層はＩｎＧａＮによって形成されるが、四元系のＩｎＡｌＧａＮあるいは二元系のＧａＮによって形成されても良い。また、本発明でいう「ドット状」とは、不連続な形態をいい、その形状については特に限定されない。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子によると、発光層が複数のドット状のパターンで形成されているので、成長後に熱膨張収縮差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、ホトリソグラフィ工程において焦点が合わなくなったりすることもない。また、半導体層にクラックが入る不具合も低減できる。

また、ＩｎＧａＮ発光層が複数のドット状のパターンで形成されるので、熱膨張係数差が大きいＳｉ基板を使用したとしても反りの発生を抑えることができる。

また、複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層がクラッド層によって挟まれるので、キャリアの閉じ込め効果によって高い発光効率で動作させることができる。

また、Ｓｉ基板上に形成されるクラッド層を複数のドット状のパターンで形成したので、熱膨張収縮差に基づく反りを更に抑えることができる。

また、Ｓｉ基板は光吸収特性を有するが、その表面に光反射層を設けたので、Ｓｉ基板に吸収される光量を低減することができ、光出射効率の低減を抑えることができる。反射層はＴｉ_XＡｌ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）を用いることができる。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法によると、複数のドット状の発光層を成長させるので、成長後に熱膨張係数差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、後工程においてホトリソグラフィの合焦点化が容易になり、製造プロセスの容易性を高めることができる。

また、複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層をＭＯＣＶＤによって成長させることができるので、既に確立されている製造プロセスを利用することができる。

また、複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層を複数のドット状の開口を有するマスクを使用して成長させることができるので、すでに確立されている製造プロセスを利用しながら高い寸法精度で発光層を形成することができる。

また、複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層をＩｎＧａＮ膜に成長する前の核に基づいて形成することができるので、既に確立されているＭＯＣＶＤプロセスを利用することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系半導体発光素子を示す。このＧａＮ系半導体発光素子は、ｎ型Ｓｉ基板１上にＴｉＮ光反射層２を形成し、その上にＡｌＮ光反射層３を形成する。次に、複数のドット状の開口を有するＳｉＯ₂マスク１１を形成し、このマスク１１を介して複数のｎ型ＧａＮクラッド層４をドット状に形成し、この上に複数のドット状のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ発光層５を形成し、その上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６及びｐ型ＧａＮコンタクト層７を形成する。この後、その上に透光性電極８を形成し、その上の一部にｐ型パッド電極９を形成する。一方、ｎ型Ｓｉ基板１の裏面にｎ型電極９が設けられている。

以上の構成において、パッド電極１０にボンディングされた図示しないボンディングワイヤとｎ型電極９を介して順方向の電圧を印加すると、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ発光層５においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透光性電極８を介して外部へ放射される。このとき、ｎ型Ｓｉ基板１の方向へ出射される光は、ＡｌＮ光反射層３及びＴｉＡｌＮ反射層２によって反射されるので、ｎ型Ｓｉ基板１に吸収される光量を減少することができる。

図１において、ｎ型をｐ型として、ｐ型をｎ型として読み替えた構成にすることもできる。また、Ｓｉ基板１をＳｉＣ基板に変えることもできる。その場合、光反射層２、３を省略しても良い。

以下に、第１の実施の形態のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。

図１において、４３０μｍの厚さのｎ型Ｓｉ基板１を洗浄の後、スパッタリング装置へ設置する。

次に、約１００ｎｍのＴｉＮ光反射層２をスパッタによってｎ型Ｓｉ基板１上に形成する。

次に、ｎ型Ｓｉ基板１をＭＯＣＶＤ装置内のサセプタ上に設置し、基板温度を１０００℃まで上げ、ＮＨ₃、及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を供給して約５ｎｍの厚さのＡｌＮ光反射層３を形成する。

次に、従来の方法で複数のドット状の開口を有するＳｉＯ₂マスク１１を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置において、基板温度を１０００℃とし、ＮＨ₃、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、及びＳｉＨ₄（シラン）を供給して約２０ｎｍの厚さの複数のシリコンドープｎ型ＧａＮクラッド層４（キャリア濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）をＳｉＯマスク１１の開口を介してドット状に形成する。

次に、ｎ型Ｓｉ基板１の温度７３０℃まで降温し、ＮＨ₃、ＴＭＧ、及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給して厚さ３ｎｍの複数のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ発光層５をｎ型ＧａＮクラッド層４上にドット状に形成する。

次に、ｎ型Ｓｉ基板１の温度１０００℃まで上げ、ＮＨ₃、ＴＭＡ、ＴＭＧ、及びＣｐＭｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給して約２００ｎｍの厚さのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）を形成する。

次に、ｎ型Ｓｉ基板１の温度を１０００℃に維持し、ＴＭＧ、ＮＨ₃、及びＣｐ₂Ｍｇを供給して５〜１０ｎｍの厚さのマグネシウムドープのｐ型ＧａＮコンタクト層７（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）を形成する。

次に、コンタクト層７の上に透光性電極８とパッド電極１０を形成し、ｎ型Ｓｉ基板１の裏面にｎ型電極９を形成する。

以上の成長プロセスを経て製造されたＧａＮ系半導体発光素子は、ＩｎＧａＮ発光層５がドット状に形成されるため、前述したように、ｎ型Ｓｉ基板含む素子全体の反りを抑えることができる。

図２は、第２の実施の形態のＧａＮ系半導体発光素子を示す。このＧａＮ系半導体発光素子は、図１のものと比較してＳｉＯ₂マスク１１を有しない構成において相違し、それ以外の構成は図１のものと共通する。

このＧａＮ系半導体発光素子のｎ型ＧａＮクラッド層４は、ＭＯＣＶＤ装置において、ｎ型Ｓｉ基板１の温度を１０００℃とし、ＮＨ₃、ＴＭＧ、及びＳｉＨ₄を供給し、ＧａＮ膜が成長する前の核の状態で成長プロセスを停止する。核の形状は１辺が約３ｎｍの立法形状を有し、ＡｌＮ光反射層３上に複数のドット状のシリコンドープのｎ型ＧａＮクラッド層４（キャリア濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）として形成される。

次に、ｎ型Ｓｉ基板１の温度を７３０℃まで降温し、ＮＨ₃、ＴＭＧ、及びＴＭＩを供給して約３ｎｍの厚さのドット状の複数のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ発光層５を複数のドット状のｎ型ＧａＮクラッド層４上に形成する。

以降は、図１の実施の形態と同じプロセスが繰り返され、図２に示したＧａＮ系半導体発光素子が製造される。

図１及び図２の実施の形態において、複数のｎ型クラッド層４及び複数の発光層５がドット状に形成され、また、ｐ型クラッド層６及びｐ型コンタクト層７が若干凹凸に形成される傾向があり、また薄く形成されているため、半導体層の成長後に常温に戻っても、ｎ型クラッド層４及び発光層５の熱収縮がｎ型基板１に反りを与えることにはならず、また、ｐ型クラッド層６及びｐ型コンタクト層７がその凹凸形状により熱収縮を緩和する。その結果、従来の技術で問題とされた半導体層の反りを効果的に抑えることができる。

尚、ＡｌＮ反射層は光反射の機能に加えて、Ｓｉ基板１とその上に成長するＧａＮ系半導体層の格子不整を緩和する機能を有する。また、基板は絶縁性基板であっても、反りが発生する恐れがあるものについては、本発明を適用することができる。

図３は、第３の実施の形態のＧａＮ系半導体発光素子を示す。このＧａＮ系半導体発光素子は、図１のｎ型Ｓｉ基板１上に直接ＩｎＧａＮ発光層５を形成したものであり、ＴｉＡｌＮ光反射層２、ＡｌＮ光反射層３、およびｎ型ＧａＮクラッド層４を有しない構成としている、その他の部分については図１のものと共通する。

第３の実施の形態において、低温（７３０℃）でＩｎＧａＮ発光層５をドット状に成長させると、同時にｎ型Ｓｉ基板１の表面（露出部分）はＳｉＮ絶縁層１２に改質される。このような構成によれば、熱膨張係数差に基づく反りの発生を抑えることができるとともに、製造プロセスの容易性をより高めることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の断面状模式図。 本発明の第２の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の断面状模式図。 本発明の第３の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の断面状模式図。

符号の説明

１：ｎ型Ｓｉ基板
２：ＴｉＮ光反射層
３：ＡｌＮ光反射層
４：ｎ型ＧａＮクラッド層
５：ＩｎＧａＮ発光層
６：ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７：ｐ型ＧａＮコンタクト層
８：透光性電極
９：ｎ型電極
１０：ｐ型パッド電極

Claims (9)

1. １導電型の第１半導体層と他の導電型の第２半導体層の間に発光層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
   前記発光層は、複数のドット状に成長したＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）層によって形成されることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
2. 前記第１半導体層は、ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板によって形成され、
   前記発光層は、複数のドット状に成長したＩｎＧａＮ発光層によって形成され、
   前記第２半導体層は、ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層によって形成されることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
3. 前記ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板は、その表面にｎ型あるいはｐ型のクラッド層が形成されており、
   前記ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層は、ｐ型あるいはｎ型のＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型あるいはｎ型のＧａＮコンタクト層によって形成されていることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
4. 前記ｎ型あるいはｐ型のクラッド層は、前記ＩｎＧａＮ発光層に対応して複数のドット状に成長したｎ型あるいはｐ型のＧａＮクラッド層によって形成されることを特徴とする請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
5. 前記ｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板は、前記ｎ型あるいはｐ型のクラッド層の間に光反射層を有する請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
6. １導電型の第１半導体層上に複数のドット状のＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１）発光層を成長させる発光層成長段階と、
   前記ドット状のＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＮ発光層上に他の導電型の第２半導体層を成長させる半導体成長段階を含むことを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
7. 前記発光層成長段階は、前記第１半導体層としてのｎ型あるいはｐ型のＳｉ基板上に複数のドット状のＩｎＧａＮ発光層をＭＯＣＶＤによって成長させるＩｎＧａＮ発光層成長段階を含み、
   前記半導体層成長段階は、ｐ型あるいはｎ型のＧａＮ系半導体層を成長させるＧａＮ系半導体層成長段階を含むことを特徴とする請求項６記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
8. 前記ＩｎＧａＮ発光層成長段階は、前記Ｓｉ基板上に複数のドット状の開口を有するマスクを形成するマスク形成段階と、前記マスクの開口を介して前記Ｓｉ基板上に複数のドット状のＧａＮクラッド層を成長させるクラッド成長段階とを含み、前記ＧａＮクラッド層上に前記ＩｎＧａＮ発光層を形成することを特徴とする請求項７記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
9. 前記ＩｎＧａＮ発光層成長段階は、前記Ｓｉ基板上にＩｎＧａＮの核をＭＯＣＶＤによって成長させる核成長段階を含む請求項７記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。

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