JP2006032738A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子１０は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の（１００）、（８０１）または（０１０）の面にＧａＮバッファ層１２が形成され、このＧａＮバッファ層１２上にＧａＮ系化合物薄膜を成長され、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の下面にはｎ電極１８が設けられ、この下面に発光層１４からの発光光を反射する反射層１９が設けられている。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（１００），（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断され、成長面が（０１０）面であれば（０１０）面であれば（１００）面または（００１）面に沿って劈開または切断される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に関し、特に、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子に関する。

従来の発光素子として、例えば、Ａｌ₂Ｏ_３からなるＡｌ₂Ｏ_３基板と、Ａｌ₂Ｏ_３基板の表面に形成されたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によりエピタキシャル成長して形成されたＧａＮ成長層とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この発光素子によれば、Ａｌ₂Ｏ_３基板とＧａＮ成長層との間にＡｌＮ層を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶品質の劣化を抑えることができる。
特公昭５２−３６１１７号公報

しかし、従来の半導体素子によれば、半導体基板を大型化、高品質化しようとすると、双晶化やクラッキングを生じさせないことが重要になるが、方位の定まっていないβ−Ｇａ₂Ｏ_３単結晶で基板を作製する場合、クラッキングが生じるため、劈開面（１００）以外の方位で切断することが難しい。β−Ｇａ₂Ｏ_３単結晶において半導体を成長させやすいのは、（００１）、（８０１）、（０１０）等の面であるが、上記したように、劈開面が（１００）面に限定されてしまうと、基板の外形を構成する面として利用できない面が生じる。また、劈開面が１つに限定されると、歩留りや量産性に限界が生じる。

従って、本発明の目的は、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。

本発明に係る発光素子によれば、化合物薄膜を成長させるのに適した複数の面に対し、それぞれの劈開面および切断面を広く選定できるようにしたため、歩留りや量産性の向上を可能にした発光素子を得ることができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図を示す。なお、図１においては、結晶面の構造を理解し易くするため、基板上の半導体部分は分離した状態で示している。この発光素子１０は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなるｎ型導電性を示すＧａ_２Ｏ_３基板１１の上に、ＧａＮからなる低温（ＬＴ）バッファ層としてのＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４（ただし、０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌ_ｙＧａ_ｘＮからなるｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮクラッド層１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を順次積層したものである。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の下面は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１に接してｎ電極１８が設けられ、最下層には、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４からの発光光を反射する反射層１９が設けられている。

Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断されている。なお、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（０１０）面である場合、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断してもよい。また、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（００１）面である場合、（１００）面に沿って劈開または切断してもよい。ここで、切断は、ダイシングまたはスクライビングにより行なう。

ＧａＮバッファ層１２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いてＧａ_２Ｏ_３基板１１上に形成する。

Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４は、例えば、不純物を添加していないノンドープＩｎＧａＮからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をなしている。ＩｎとＧａの組成比を調節したり、ｐ型あるいはｎ型の導電性とすることにより、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。

ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。ｐ電極１７の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。このｐ電極１７は、透明であることが好ましい。

ｎ電極１８の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。

＜基板の形成方法＞
次に、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の形成方法について説明する。まず、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の素材となるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を作成する。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶は、ＦＺ（フローティングゾーン）法により製造される。最初に、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材を準備する。

β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、ａ軸＜１００＞方位、ｂ軸＜０１０＞方位、あるいはｃ軸＜００１＞方位にある。

β−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ_２Ｏ_３粉末をゴム管に充填し、それを５００ＭＰａで冷間圧縮した後、１５００℃で１０時間焼結することにより得られる。

次に、石英管中において、全圧が１〜２気圧の窒素と酸素の混合気体（１００％窒素から１００％酸素の間で変化）の雰囲気の下、β−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶とβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶をβ−Ｇａ_２Ｏ_３種結晶の軸方向と同じ方向（ａ軸、ｂ軸、あるいはｃ軸の方向）に成長させる。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ｇａ_２Ｏ_３多結晶を冷却していき、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を得る。

β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶は、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させる場合は、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面、例えば、（００１）面に沿った面で劈開または切断してβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板を作製する。これにより、クラック等の発生を低減することが可能になる。

このようにして作製したＧａ_２Ｏ_３基板１１の比抵抗を測定した結果、室温で０．１Ω・ｃｍ以下の値が得られた。

なお、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３からなることを基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分とした酸化物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるガリウム酸化物基板を得ることができる。

＜バッファ層の形成方法＞
次にＧａＮからなるＧａＮバッファ層１２の形成方法を説明する。まず、化合物薄膜を形成する面が上になるようにして、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を反応容器内に保持する。そして、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の表面の温度が５８０℃±５０℃となるように反応容器内の温度を調節する。反応容器内を１００ｔｏｒｒまで減圧し、反応容器内にＧａ供給原料としてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）と窒素源としてのＮＨ_３を供給して、ＧａＮバッファ層１２を形成する。ＧａＮバッファ層１２が形成されるＧａ_２Ｏ_３基板１１の面方位は、（１００）面に対して±２０°である。なお、ＧａＮバッファ層１２は、低温バッファ層であるため、平坦性のあるバッファ層１２の形成が期待できる。また、ＧａＮバッファ層１２の代わりに、ＡｌＮからなるバッファ層１２を形成してもよい。また、成長面は、（１００）面以外の面であってもよい。

＜ＧａＮ系化合物薄膜の形成方法＞
ＧａＮ系化合物からなるＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、ＧａＮバッファ層１２の形成と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。ＩｎＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＮＨ_３を用い、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ_３を用いる。キャリアガスは、バッファの形成方法と同様にＨｅを用いる。なお、ＧａＮ薄膜を形成するためには、前述したバッファ層１２の形成方法と同様の原料ガスおよびキャリアガスを用いる。

なお、ＧａＮ系化合物は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ等のIII族元素等の添加物を含むものである。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、一般式Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａＮ系化合物薄膜を得ることができる。

＜キャリア濃度が異なる薄膜の形成＞
ＭＯＣＶＤ装置により、ｎ−ＧａＮクラッド層１３およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６のように、ＧａＮのキャリア濃度を変えるには、ＧａＮに添加するｎ型ドーパントあるいはｐ型ドーパントの量を変えることにより行う。

ＭＯＣＶＤ装置によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、ｎ−ＧａＮクラッド層１３，ｐ−ＧａＮコンタクト層１６を形成するには、以下のように行う。まず、反応容器内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてＧａ_２Ｏ_３基板１１を保持する。そして、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０^−６モル/ｍｉｎ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を６×１０^−６モル／ｍｉｎ、モノシラン（ＳｉＨ_４）を２２×１０^−１１モル／ｍｉｎで流して、６０分問成長させ、ＳｉドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ（ｎ−ＧａＮクラッド層１３）を３μｍの膜厚で成長させる。

また、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０^―６モル／ｍｉｎでビスジクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）とともに流して、ＭｇドープＧａＮ（ｐ−ＧａＮコンタクト層１６）を１μｍの膜厚で成長させる。

この実施の形態に係る発光素子１０において、一般式Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるｐ型およびｎ型の導電性を有する物質からなる薄膜は、それぞれ１層以上形成される。

なお、ｎ−ＧａＮクラッド層１３の代わりに、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＡｌＮからなる層を成長させてもよい。ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮバッファ層１２との格子定数をほぼ一致させることができ、ＩｎＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮバッファ層１２との格子定数を一致させることが可能である。

＜第１の実施の形態の効果＞
この第１の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面または（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラック等の発生が抑制され、歩留りおよび量産性を向上させることができる。
（ロ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
（ハ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１上に結晶品質の良好なＧａＮ系化合物からなる薄膜を成長させることができるため、４１０ｎｍ付近をピークとして強く発光する。
（ニ）β−Ｇａ_２Ｏ_３による基板１１は、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子１０全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができるので、発光素子１０の寿命を長くすることができる。
（ホ）反射層１９は、ｎ電極１８に到達した発光光をｐ電極１７側に反射させて、発光光をｐ電極１７側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
（へ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１がβ−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなるため、結晶性の高いｎ型導電性を示す基板１１を形成することができる。
（ト）この発光素子１０は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎ_{（ｌ−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光光率が大幅に向上する。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１０は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の一部の上に、ＧａＮからなる低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４（ただし０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌ_ｙＧａ_ｘＮからなるｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮ層クラッド１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、ｐ電極１７、および反射層１９を順次積層し、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１のＧａＮバッファ層１２が形成されていない上面には、ｎ電極１８が形成されている。

ＧａＮバッファ層１２のＧａ_２Ｏ_３基板１１の成長面、およびＧａ_２Ｏ_３基板１１の劈開面は、第１の実施の形態と同じである。

この発光素子１０は、フリップチップ型であって、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１のＧａＮバッファ層１２の成長していない面から発光光を出射するように実装される。

ＧａＮバッファ層１２、およびＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、第１の実施の形態と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。

この発光素子１０の動作について説明する。Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４による発光光の一部は、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮクラッド層１５、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を通して反射層１９の表面に到達し、この反射層１９の表面で反射してＩｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４側へ戻される。Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４側へ戻された発光光は、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＧａＮバッファ層１２、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１を順次通過して外部に出射される。

＜第２の実施の形態の効果＞
この第２の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラックの発生が抑制され、歩留りを向上させることができる。
（ロ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
（ハ）反射層１９は、ｐ電極１７に到達した発光光をＧａ_２Ｏ_３基板１１側に反射させて、基板１１側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
（ニ）この発光素子は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。

［他の実施の形態］
なお、本発明に係る発光素子１０は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。

また、本発明に係る発光素子１０においては、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、Ｇａ_２Ｏ_３系化合物から構成されていてもよい。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１上に形成される半導体は、ＧａＮ系またはＧａ_２Ｏ_３系の半導体素子や発光素子であってもよい。半導体の形成面および劈開面を上記したように選定することにより、クラック等が低減され、歩留りや量産性に優れる半導体素子や発光素子を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図である。

符号の説明

１０ 発光素子
１１ Ｇａ_２Ｏ_３基板
１２ ＧａＮバッファ層
１３ ｎ−ＧａＮクラッド層
１４ Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＮ発光層
１５ ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_ｘＮクラッド層
１６ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１７ ｎ電極
１８ ｐ電極
１９ 反射層

Claims (5)

1. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
   前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
2. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
   前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
3. Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
   前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
4. 前記化合物薄膜は、ＧａＮ系であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子。
5. 前記化合物薄膜は、Ｇａ_２Ｏ_３系であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子。