JP3718329B2

JP3718329B2 - GaN compound semiconductor light emitting device

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Publication number: JP3718329B2
Application number: JP23439097A
Authority: JP
Inventors: 川博規石; 本建次磯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: JPH1174560A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧａＮ系化合物半導体に関し、特にＧａＮ系化合物半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体の単結晶は直接遷移型バンド構造を有するため、高効率の発光が期待される。ここで、本明細書において「ＧａＮ系化合物半導体」とは、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。例えば、ＩｎＡｌＮ（ｘ＝０．４、ｙ＝０．６）も「ＧａＮ系化合物半導体」に含まれるものとする。さらに、本明細書における「ＧａＮ系化合物半導体」とは、上述した化学式により表される化合物に対して、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、およびドーパントとなる不純物元素のいずれかを添加した化合物半導体も含むものとする。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体は、室温でのバンドギャップが６．２ｅＶから２．０ｅＶまで変化可能であるため、可視領域で発光する発光素子を製作する上で極めて有望な材料である。しかしながら、ＧａＮ単結晶は融点が高く、また、成長温度近傍での窒素の平衡蒸気圧が高いため、融点からバルク単結晶を成長させることは困難であり、格子整合する基板が存在しなかった。このため、ＧａＮ系化合物半導体発光素子、例えばｎ型ＧａＮ層、発光層のＩｎＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を順次積層した素子を製造するにあたり、従来はサファイア基板やＧａＮ基板などが主に用いられていた。
【０００４】
これらの基板のうちで、サファイア基板は融点が約２０２０℃と高く、耐熱性が良好であるが、ＧａＮとの間で格子不整合が生ずる。そこで、この格子不整合による結晶性の劣化を防ぐために、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を低温成長したバッファ層を形成し、その上に所定の素子構造が積層されていた。
【０００５】
一方、ＧａＮ基板は、特開平７−９４７８４号公報に開示されているように、サファイア基板の上にＧａＮ単結晶を成長した後に、サファイア基板を除去することによって得られ、この上に所定の素子構造が積層されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来、これらの基板を用いた場合には、以下に説明するような問題があった。まず、サファイア基板を用いた場合の問題について説明する。
ＧａＮ層は導電性が低いために、発光素子全体に電流を拡散させるためには、バッファ層の上に厚さ４ミクロン以上のｎ型ＧａＮ層を成長する必要がある。しかし、上述したようにサファイア基板とＧａＮとの格子不整合は非常に大きいために、バッファ層による結晶性の改善には限度がある。すなわち、ｎ型ＧａＮ層を厚く成長するほどその結晶性は劣化し、その上に積層する発光層の結晶性も劣化する。その結果として、高効率の発光素子が得られにくく、その電気的特性の信頼性も低下しやすいという問題があった。
【０００７】
また、サファイア基板は絶縁体であるために、サファイア上に作製した発光素子では、積層した半導体層の側にｐ側、ｎ側双方の電極コンタクトをとる必要がある。このため、成長層の一部分をｐ型ＧａＮ層までエッチングし、同一面側から、ｎ型ＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層に電極を形成することによって発光素子を構成するということが行われている。しかし、この方法では光の取り出し面側に電極が２カ所形成されるため、光取り出し部の面積を縮小せざるを得ないという問題もある。このため、リードフレームへの載置の上下を逆にし、透光性基板であるサファイア面を光の取り出し面とする構成も発光装置も提案されている。しかしながら、このような構成の発光装置においては、電極をとるためのリードフレーム間の間隔を狭くすることが困難であるため、チップサイズが大きくなり、１枚当たりのウエハから取れるチップの数が少なくなるという新たな問題が生じる。さらに、リードフレーム間の細かい位置設定が必要であるために量産性が低下するとともに、半田のはみ出しなどにより短絡が生じやすくなるなどの問題もあった。
【０００８】
次に、ＧａＮ基板を用いた場合の問題について説明する。
表１は、種々のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層について、そのバンド端波長、格子定数、およびＧａＮ基板との格子不整合率をそれぞれ示したものである。
【０００９】
【表１】

同表から分かるように、Ｉｎ組成を１０％以上とすると、ＩｎＧａＮ層との格子不整合率は１％を超え、ＩｎＧａＮ層の結晶性が大幅に劣化するために、高効率の発光素子を得ることができないという問題があった。
【００１０】
一方、前述したサファイア基板やＧａＮ基板は、いずれも結晶の硬度が高いために、へき開が困難で、チップの切り出し工程における歩留まりは高々７０％程度と低いものであるという問題もあった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、結晶性が極めて優れたＧａＮ系化合物半導体層を形成することにより、発光特性や電気的特性の向上が図られたＧａＮ系化合物半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明によるＧａＮ系化合物半導体発光素子は、
サファイアからなる基板と、
前記基板上に設けられ、組成式ＧａＮ_1-x1-y1 Ｐ_x1Ａｓ_y1（ここで、０＜ｘ1＋ｙ1＜１、０≦ｘ1、０≦ｙ1）により表される多結晶状の化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、組成式ＧａＮ_1-x2-y2Ｐ_x2Ａｓ_y2（ここで、０＜ｘ2＋ｙ2＜１、０≦ｘ2、０≦ｙ2）により表される化合物半導体からなる単結晶層と、
前記単結晶層の上に設けられ、前記バッファ層と格子整合するＩｎ_zＧａ_1-zＮ（ここで、０＜ｚ＜１）からなる発光層と、
を備え、
前記バッファ層は、組成式ＧａＮ_1-xＰ_x（ここで、０＜ｘ≦１）及びＧａＮ_1-yＡｓ_y（ここで、０＜ｙ≦１）のうちのいずれかにより表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成ｘまたは組成ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
または
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体、あるいは組成式ＧａＮ_1-wx-(1-w)yＰ_wxＡｓ_(1-w)y（ここで、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、および０≦ｙ≦１）により表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成比ｘまたは組成比ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
および
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体からなり、
前記単結晶層は、組成式ＧａＮ_1-xＰ_x（ここで、０＜ｘ≦１）及びＧａＮ_1-yＡｓ_y（ここで、０＜ｙ≦１）のうちのいずれかにより表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成ｘまたは組成ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
または
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体、あるいは組成式ＧａＮ_1-wx-(1-w)yＰ_wxＡｓ_(1-w)y（ここで、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、および０≦ｙ≦１）により表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成比ｘまたは組成比ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
および
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体からなり、
前記バッファ層と前記発光層との間に積層させるＧａＮ系化合物半導体の厚さが０．２μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、基板とＧａＮ系化合物半導体層の間で生ずる格子不整合に起因する歪みを緩和して、結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体層からなる発光素子を提供することができる。
【００２１】
この発光素子は、発光領域がｐ−ｎ接合、または、少なくとも１重のヘテロ接合、または、１つあるいは多重の量子井戸構造からなるものとして構成することが望ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系化合物半導体発光素子の構成を例示する概略断面図である。この例においては、サファイアなどからなる基板１上にｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）低温バッファ層２、ｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x(あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層３、ｎ型ＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ活性層５、ｐ型ＧａＮ層６がこの順序で形成されている。さらに、エッチングにより一部露出されたｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓy）層３上にｎ型電極７が形成され、一方、ｐ型ＧａＮ層６上にｐ型電極８が形成されて一対の電極が構成される。
【００２９】
すなわち、本実施形態においては、サファイアなどの基板上に比較的低温で成長されたＧａＮ_1-xＰ_xまたはＧａＮ_1-yＡｓ_y（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）バッファ層２が堆積されている。このようなバッファ層の成長温度は、例えば、５５０〜８００℃の範囲内において選択することができる。このような温度で基板上に堆積された半導体層は、堆積直後には、非晶質状あるいは極めて微細な結晶粒からなる多結晶状である。そして、このバッファ層の上にさらに他の結晶層を成長するために、例えば１０００℃以上に昇温されると、結晶化が進行して多結晶状となる。本明細書においては、このように比較的低温で成長されたバッファ層を「低温バッファ層」と称する。
【００３０】
以下に本発明におけるバッファ層の効果について詳しく説明する。
図２は、従来のバッファ層と、本発明によるバッファ層と、発光層であるＩｎＧａＮ層の組成比ｘに対する格子定数の関係を表したグラフ図である。発光層として用いられるＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成ｘの増加に伴って、格子定数も増加する傾向を有する。しかし、従来のバッファ層であるＧａＡｌＮ層においては、Ａｌの組成比ｘを増加するほど格子定数は減少し、ＩｎＧａＮ層の格子定数との差は拡がる傾向にある。これに対して、本発明によれば、バッファ層として用いるＧａＮ_1-xＰ_xあるいはＧａＮ_1-xＡｓ_xのいずれの場合であっても、組成ｘの増加に伴って格子定数は増加し、ＩｎＧａＮ層との格子定数の差を縮小することができる。さらに、図２においてＡ−Ａ線で例示したように、ＧａＮ_1-xＰ_xあるいはＧａＮ_1-xＡｓ_x層の組成を調節することにより、ＩｎＧａＮ層と格子定数を一致させることもできる。
【００３１】
ここで、一例として、同図にＢ−Ｂ線で示した組成ｘ＝０．１におけるバッファ層とＩｎＧａＮ層との格子不整合率（Δａ／ａ）について説明すると、本発明によれば、約０．２％であり、従来バッファ層を用いた場合は約２．１％である。すなわち、本発明によれば格子不整合率を従来の約１／１０に低減することができる。
【００３２】
つまり、本発明によれば、特にＩｎ組成を青色領域まで増加した場合において、従来よりも格子歪みの少ない発光層を、ＰまたはＡｓの組成を選択することによって容易に形成することができる。
【００３３】
このような組成の好ましい組み合わせを表２に示す。
【００３４】
【表２】

ここで、上述した表２を一般式により表現すると、発光層をＩｎ_zＧａ_1-zＮと表し、バッファ層をＧａＮ_1-xＰ_xあるいはＧａＮ_1-yＡｓ_yと表した場合には、ｘ、ｙ、およびｚの好ましい組み合わせの条件は、以下の如く表現することができる。
【００３５】
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
（351／400）ｚ−0.04 ≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
なお、この場合に、バッファ層とＩｎＧａＮ発光層との間に積層されるＧａＮ系化合物半導体層、例えばＧａＮクラッド層の厚さは、０．０５〜０．２ミクロンの範囲内とすることが望ましい。この理由は、これ以上の厚さにすると、格子不整合による歪みにより、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が劣化する傾向がみられるからである。
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、発光層の歪みを従来に比べて小さくすることにより、高品質の発光層を得ることができるために、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００３７】
また、図１に示した実施形態においては、このような低温バッファ層２の上に、さらに、ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層３が積層されている。この層３は比較的高温で成長され、単結晶状のものとして構成されている。低温バッファ層２の上に、このようなＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層３を積層することによって、その上に成長される発光素子の各層４〜６の結晶性をさらに改善することができる。
【００３８】
しかし、本発明においては、このような単結晶状のＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層３を積層することなく、低温バッファ層２の上に、発光素子の各層４〜６を直接積層しても良い。このような簡略化された構成においても、従来のＡｌＧａＮバッファ層を用いた場合に比べて、ＩｎＧａＮ活性層５の結晶性は改善され、発光特性も向上するという効果を得ることができる。
【００３９】
さらに、ＧａＮ_1-xＰ_x層やＧａＮ_1-yＡｓ_y層は、ＧａＮ層に比べて導電性が良好である。従って、ｎ型ＧａＮ層４の膜厚を薄くしても、ｎ側電極から注入された電流を素子全体に拡散させることができるという利点も生ずる。
【００４０】
ここで、本実施形態においては、バッファ層として、ＧａＮ_1-xＰ_x層やＧａＮ_1-yＡｓ_y層が採用されている。しかし、これらの代わりに、ＧａＮＰＡｓで表される４元混晶を用いても良い。このような４元混晶もＩｎＧａＮ層と容易に格子整合をとることができる。
【００４１】
さらに、このような４元低温バッファ層の上にエピタキシャル成長させた単結晶状のＧａＮ_1-xＰ_x層、ＧａＮ_1-yＡｓ_y層、あるいはＧａＮＰＡｓ層を積層させても良い。この場合に、低温バッファ層の組成とその上の単結晶状の４元混晶層の組成とは、異なるようにしても良く、同一にしても良い。組成を同一にした場合には、格子定数が一致するために、格子の不整合が低減するという効果を得ることができる。
【００４２】
次に、本発明による第２の実施の形態について説明する。
【００４３】
図３は、本発明による第２の発光素子の構成を例示する概略断面図である。この例においては、ｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓy）層１１上にｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４がこの順序で形成されている。さらにｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層１１の裏面側にｎ側電極１５が形成され、ｐ型ＧａＮ層１４上にｐ側電極１６が形成されて一対の電極を構成している。
【００４４】
本実施形態の発光素子は、例えば、図示しないサファイアなどの基板上に、ｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（ＧａＮ_1-yＡｓ_y）層１１を成長し、サファイアなどの基板を除して得られる層１１を新たな基板として、層１２〜１４を順次成長することにより形成することができる。
【００４５】
あるいは、図示しないサファイアなどの基板上に、層１１および１２を成長した後に基板を除去し、この上にさらに層１３および１４を成長することによっても形成することができる。
【００４６】
あるいは、図示しないサファイアなどの基板上に、層１１〜１４を順次形成し、しかる後に基板を除去しても良い。
【００４７】
ここで、ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層１１は、低温バッファ層とその上に積層された単結晶状の層との積層構造としても良い。すなわち、図示しないサファイアなどの基板上に、まず比較的低温でＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層を堆積し、その上に比較的高温で単結晶状のＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-yＡｓ_y）層を積層し、しかる後に基板を除去することにより、層１１を形成することができる。また、ＧａＮ_1-xＰ_xあるいはＧａＮ_1-yＡｓ_yの代わりに４元混晶であるＧａＮＰＡｓにより層１１を用いても良い。
【００４８】
本実施形態においても、ｎ型ＧａＮ_1-xＰ_x（あるいはＧａＮ_1-y Ａｓ_y）層１１をバッファ層あるいは基板として利用し、その上に各層１２〜１４を成長しているので、図２に関して前述したように、ＩｎＧａＮ発光層１３の格子歪みを従来よりも低減して発光特性の良好な発光素子を実現することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、サファイア基板を除去した構成としているので、発光面側に一対の電極の一方のみ（ｐ型電極）を形成することが可能となる。したがって、発光面側に双方の電極を設けた場合に比べて発光部の割合を大きくすることができるという利点を有する。
【００５０】
図４は、発光素子を発光面側から眺めた概略平面図である。すなわち、同図（ａ）は本発明による発光素子であり、同図（ｂ）は従来の発光素子の平面図である。同図において斜線で示した部分が光を取り出すことができる領域に該当する。従来の発光素子においては、同図（ｂ）に示したように発光面積の割合は５０％程度に過ぎないのに対して、本発明による発光素子では、同図（ａ）に示したように発光面積の割合を約８５％程度まで拡大することができる。この理由は、従来のＧａＮ系発光素子においては、発光面側にｎ型およびｐ型の双方の電極を形成する必要があったのに対して、本発明による発光素子では発光面側にいずれか一方の電極のみを形成すれば良いからである。したがって、本発明による発光素子においては、光出力も発光部の割合に応じて増大させることが可能となる。さらに、本実施形態においては、前述したようにサファイアなどの基板を除去することによって、チップ化の際のスクライブ工程の歩留まりを従来の約７０％から９５％以上に大幅に向上することができる。
【００５１】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図５は、本発明による第３の発光素子の構成を例示する概略断面図である。
【００５２】
同図に示す例においては、ｎ型ＧａＮ層３１、ＩｎＧａＮ層３２、ｐ型ＧａＮ層３３およびｐ型ＧａＮ_1-xＰ_x（ＧａＮ_1-y Ａｓ_y）層３４が積層され、層３１に隣接してｎ側電極３５が形成され、一方、層３４上にｐ側電極３６が形成され一対の電極を構成している。同図に示した発光素子は、後に詳述するように、例えば、サファイアなどの基板上にＺｎＯなどの層を介して、層３１〜３４を順次成長し、しかる後に基板を除去することに形成することができる。
【００５３】
この発光素子においても、サファイアなどの基板を除去した構成としているので、図３に示した発光素子と同様に、光の取り出し面積を拡大して光出力を増大することができる。
【００５４】
また、ＧａＮ_1-xＰ_x層またはＧａＮ_1-y Ａｓ_y層は、ＧａＮ層に比べて導電性が良好である。この効果はｐ型の導電型において特に顕著である。例えば、ｐ型でホール濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合を例に挙げると、ＧａＮ_1-xＰ_x層またはＧａＮ_1-y Ａｓ_y層の抵抗率は０．０１Ωｃｍであり、一方ＧａＮの抵抗率は０．１７Ωｃｍである。すなわち、ＧａＮ_1-xＰ_x層やＧａＮ_1-y Ａｓ_y層の抵抗率は、ＧａＮ層の１／１０以下である。従って、ｐ側電極３６との接触におけるオーミック性を顕著に改善することができる。
【００５５】
また、ＧａＮ_1-xＰ_x層やＧａＮ_1-y Ａｓ_y層は、組成によっては半金属性を示すために、ｐ側電極３６との接触におけるオーミック性をさらに改善することもできる。その結果として、ｐ型ＧａＮ層に電極をコンタクトさせる場合と比較して、動作電圧を低減することができる。つまり、発光素子の消費電力を低減して、寿命をのばすことができる。
【００５６】
さらに、本実施形態においても、サファイアなどの基板を除去することによって、チップ化の際のスクライブ工程の歩留まりを従来の約７０％から９５％以上に大幅に向上することができる。
【００５７】
また、本実施形態においても、ｐ側電極とｎ側電極とをそれぞれ、発光素子の反対面上に形成することができるようになる。従って、発光素子の面積を従来と同一とした場合に、本発明によれば、電極によって遮蔽される光の割合を低下することができ、発光部の面積を増加させて発光量を増加することができる。
【００５８】
以上説明した具体例においては、ダブルヘテロ型の構造を有する発光素子を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、ダブルヘテロ型の構造以外にも、例えば、シングルヘテロ接合を有するものや、ｐｎ接合を有するもの、あるいは単数または複数の量子井戸構造を有するものなどについて同様に適用することができ、上述した効果を同様に得ることができる。
【００５９】
また、本発明において基板として用いることの出来る材料は、一例として挙げたサファイアに限定されない。すなわち、その他にも、例えば、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉなどを用いて、同様の効果を得ることができる。
【００６０】
さらに、前述した実施形態においては、発光層としてＩｎＧａＮ層を用いた例示したが本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、この他にも、例えば、ＧａＮ層からなる発光層をＡｌＧａＮ層からなるクラッド層で挟んだ構造の発光素子についても、同様に適用することができる。さらに、このような構造の発光素子から得られる紫外線領域の波長を有する発光を、所定の蛍光体により波長変換して所望の波長の光を得ることができるようにした発光素子についても、本発明は同様に適用して、上述した種々の効果を得ることができる。
【００６１】
【実施例】
次に、本発明における発光素子の製造方法とそれによって得られる発光素子について具体的に説明する。
【００６２】
（実施例１）
図６は、本発明の第１の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【００６３】
本実施例においては、まず、サファイアを基板として用い、ＭＯＣＶＤ法により、該サファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体層を成長させた。III 族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｖ族原料には、アンモニア（ＮＨ₃ ）、ホスフィン（ＰＨ₃ ）を用いた。ドーパント原料にはモノシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、シクロペンタジエニルマグネシュウム（ｃｐ2 Ｍｇ）を用いた。
【００６４】
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤの装置内に導入し、基板を１０００℃まで加熱する。１０分間保持した後、基板温度を５００℃に設定する。ここで、ＮＨ₃ ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＰＨ₃ ０．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、およびＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎを流し、ＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065バッファ層２を５分間成長させる。この後、基板温度を９００℃にし、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄ ０．００８μｍｏｌ／ｍｉｎを流し、ＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065 単結晶層３を成長させる。３０分間成長後、ＴＭＧとＳｉＨ₄ の供給を停止し、基板温度を１０００℃にし、ここで、ＰＨ₃ を反応管に流すのをやめ、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄ ０．００８μｍｏｌ／ｍｉｎを流しＧａＮ層４の成長を始める。３分間成長後、ＴＭＧとＳｉＨ₄ の供給を停止し、基板の温度を８５０℃に設定する。基板の温度が８５０℃になったところで、ＴＭＧ１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ１２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ ０．０００８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＤＭＺｎ０．０５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＩｎＧａＮ層５を１時間成長させる。成長後のＩｎＧａＮ層５のＩｎの組成は約６％であった。一時間成長後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄ 、ＤＭＺｎの供給を停止し、基板の温度を１０００℃に設定する。基板の温度が１０００℃になったところで、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｃｐ2 Ｍｇ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＧａＮ層６を２０分間成長し、ＴＭＧ、ｃｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに、加熱系の電源を切り、基板の加熱を停止する。基板の温度が室温に戻ったところでＮＨ3 の供給を停止し、基板を反応炉から取り出す。このようにして得られた半導体層の一部を表面側からエッチングしてＧａＮＰ層３を露出させる。さらに、ＧａＮＰ層３の上にｎ側電極７を形成し、ＧａＮ層６の上にｐ側電極８を形成して、発光素子が完成する。
（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【００６５】
本実施例においては、まず、気相成長法（ＶＧ）等により、サファイアなどの基板上にｎ型のＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065 を１０μｍ〜５００μｍの厚さに成長させる。この後、サファイアなどの基板を除去し、ＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065の単結晶層を得る。このＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065 単結晶１１を基板として用い、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ系化合物半導体層を成長させた。III 族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｖ族原料には、アンモニア（ＮＨ₃ ）、ホスフィン（ＰＨ₃ ）を用いた。ドーパント原料にはモノシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、シクロペンタジエニルマグネシュウム（ｃｐ2 Ｍｇ）を用いた。
【００６６】
あらかじめ作製しておいたＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065 単結晶層１１をＭＯＣＶＤの装置内に導入し、ＮＨ₃ ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＰＨ3 ０．２μｍｏｌ／ｍｉｎを流しながら、基板を１０００℃まで加熱する。ここで、ＰＨ₃ を反応管に流すのをやめ、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ4 ０．００８μｍｏｌ／ｍｉｎを流してＧａＮ層１２の成長を始める。３分間成長後、ＴＭＧとＳｉＨ₄ の供給を停止し、基板の温度を８５０℃に設定する。基板の温度が８５０℃になったところで、ＴＭＧ１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ１２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ ０．０００８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＤＭＺｎ０．０５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＩｎＧａＮ層１３を１時間成長させる。成長後のＩｎＧａＮ層１３のＩｎの組成は約６％であった。一時間成長後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄ 、ＤＭＺｎの供給を停止し、基板の温度を１０００℃に設定する。基板の温度が１０００℃になったところで、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｃｐ2 Ｍｇ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、ＧａＮ層１４を２０分間成長し、ＴＭＧ、ｃｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに、加熱系の電源を切り、基板の加熱を停止する。基板の温度が室温に戻ったところで、ＮＨ3 の供給を停止し、基板を反応炉から取り出す。さらに、ｎ側電極１５とｐ側電極１６とをそれぞれ形成して発光素子が完成する。
図８は、このようにして得られた発光素子の光出力を表すグラフ図である。すなわち、電流値２０ｍＡ時の光出力は、本発明の素子の方が従来の素子に比べ、１．５倍高かった。基板１１としてＧａＮＰ層の代わりに、ＧａＮ_1-y Ａｓ_y層を用いた場合も同様の高い光出力が得られた。
【００６７】
（実施例３）
図９は、本発明の第３の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【００６８】
本実施例においては、まず、サファイア基板２０上にｎ型のＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065を１０μｍ〜５００μｍの厚さに成長させ、それをＭＯＣＶＤ用の基板として用いた。ここで、ＧａＮＰ層２１の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法の他に、例えば、ハライド気相成長法などの気相成長法（ＶＧ）、化学ビームエピタキシャル法（ＣＢＥ）、有機金属分子線エピタキシャル法（ＭＯＭＢＥ）など種々の方法を挙げることができる。
【００６９】
ＧａＮ系化合物半導体層を成長させるＭＯＣＶＤ法においては、III 族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｖ族原料には、アンモニア（ＮＨ₃ ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）を用いた。ドーパント原料にはモノシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、シクロペンタジエニルマグネシュウム（ｃｐ2 Ｍｇ）を用いた。
【００７０】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内に、前記基板、すなわち、サファイア基板１０上にＧａＮＰ層２１が成長された基板を導入し、ＮＨ3 ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＡｓＨ₃ ０．１μｍｏｌ／ｍｉｎを流しながら、基板を９００℃まで加熱する。基板の温度が９００℃になったところで、ＴＭＧ２００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4 ０．０２μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ｎ型のＧａＮ_0.945 Ａｓ_0.055層２２を１０μｍ程度成長させる。ＴＭＧ、ＳｉＨ₄ の供給を停止し、ｎ型のＧａＮ_0.945 Ａｓ_0.055層２２の成長を停止した後、ＮＨ₃ ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＰＨ₃ ０．２μｍｏｌ／ｍｉｎを流しながら、基板を１０００℃まで加熱する。ここで、ＡｓＨ₃ を反応管に流すのをやめ、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄ ０．００８μｍｏｌ／ｍｉｎを流し、ｎ型のＧａＮ２３の成長を始める。３分間成長後、ＴＭＧとＳｉＨ4 の供給を停止し、基板の温度を８５０℃に設定する。基板の温度が８５０℃になったところで、ＴＭＧ１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ１２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ ０．０００８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＤＭＺｎ０．０５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＩｎＧａＮ層２４を１時間成長させる。成長後のＩｎＧａＮ層２４のＩｎの組成は約６％であった。１時間成長後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄ 、ＤＭＺｎの供給を停止し、基板の温度を１０００℃に設定する。基板の温度が１０００℃になったところで、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｃｐ2 Ｍｇ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＧａＮ層２５を２０分間成長させ、ＴＭＧ、ｃｐ2 Ｍｇの供給を停止するとともに、加熱系の電源を切り、基板の加熱を停止する。基板の温度が室温に戻ったところでＮＨ₃ の供給を停止し、基板を反応炉から取り出す。
【００７１】
取り出したサンプルのサファイア基板２０を研磨等で除去し、ｎ側電極２６およびｐ側電極２７を形成して発光素子を作製した。このようにして作製した素子の特性は、実施例２に示したものと同様の良好な特性を示した。
【００７２】
（実施例４）
図１０は、本発明の第４の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【００７３】
本実施例においては、まず、スパッタ等により、サファイア基板３０Ａ上にＺｎＯなどのＧａＮ系の化合物半導体の格子定数に近い材料からなる層３０Ｂを０．１μｍ〜１０μｍの厚さで形成する。これを、ＭＯＣＶＤ用の基板として用い、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ系化合物半導体層を成長させた。III 族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、Ｖ族原料には、アンモニア（ＮＨ₃ ）、ホスフィン（ＰＨ₃ ）を用いた。ドーパント原料にはモノシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（ｃｐ2 Ｍｇ）を用いた。
【００７４】
上に示した基板をＭＯＣＶＤの装置内に導入し、Ｎ₂ 雰囲気中で基板を１０００℃まで加熱する。ここで、ＮＨ₃ ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎを流しはじめ、ついで、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄ ０．００８μｍｏｌ／ｍｉｎを流し始め、ｎ型のＧａＮ３１の成長を始める。３分間成長後、ＴＭＧとＳｉＨ₄ の供給を停止し、基板の温度を８５０℃に設定する。基板の温度が８５０℃になったところで、ＴＭＧ１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ１２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ ０．０００８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＤＭＺｎ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＩｎＧａＮ層３２を１時間成長させる。成長後のＩｎＧａＮ層３２のＩｎの組成は約６％であった。一時間成長後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄ 、ＤＭＺｎの供給を停止し、基板の温度を１０００℃に設定する。基板の温度が１０００℃になったところで、ＴＭＧ８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｃｐ2 Ｍｇ０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、２０分間成長し、ＴＭＧ、ｃｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ｐ型ＧａＮ３３の成長を終了し、加熱系の電源を切り、基板の加熱を停止する。基板の温度が室温に戻ったところで、ＮＨ3 の供給を停止し、基板を反応炉から取り出す。
この上に気相成長法などにより、ｐ型ＧａＮ_0.935Ｐ_0.065層３４を１０μｍ〜１００μｍ成長させ、そのサンプルを酸などにつけ、ＺｎＯ層３０Ｂを溶かすことにより、サファイア基板３０Ａを化合物半導体結晶相から分離した。このようにして得られた積層体にｎ側電極３５およびｐ側電極３６を形成して作製した発光素子の特性は、実施例２における素子と同等の良好な特性を示した。
【００７５】
なお、上記実施例では、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのダブルヘテロ構造の発光素子を例として取り上げたが、ダブルヘテロ構造に限定されるものではなく、他の構造にも同様に適用することができる。
【００７６】
また、基板もＧａＮ_0.935 Ｐ_0.065 を一例として取り上げたが、発光層となる層の格子定数に合うようにする限りにおいて、他の組成でも同様に適用することができる。また、ＧａＮ_1-yＡｓ_yを用いる場合も同様であり、発光層となる層の格子定数に合うようにしておくことが好ましい。成長温度や原料の供給量も、所望の結晶が得られる条件に応じて適宜選択することが可能である。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【００７８】
まず、発明によれば、燐または砒素を含んだバッファ層を設けることにより、サファイアなどの格子定数が異なる基板上に結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体層を成長することができるようになる。その結果として、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の発光特性や電気的特性を改善することができるようになる。
【００７９】
また、本発明によれば、ＧａＮ_1-x Ｐ_x やＧａＮ_1-yＡｓ_yなどの燐または砒素を含んだ材料からなる結晶基板として用いること、あるいは、サファイア基板上にＧａＮ_1-xＰ_xまたはＧａＮ_1-yＡｓ_yを成長させた上にＧａＮ系の発光層を成長させ、その後にサファイア基板を除去し、素子を作製すること、あるいは、サファイア基板上にＧａＮ系の発光層を成長させ、その上にＧａＮ_1-xＰ_xまたはＧａＮ_1-yＡｓ_yを成長させた後、サファイア基板を除去し、素子を作製することにより、発光取り出し面に形成する電極部の面積を小さくすることができるため、光の取り出し効率を上げることができ、高効率の発光素子を得ることができる上、チップサイズを小さくすることができる。
【００８０】
また、燐または砒素を含んだ層の格子定数を、発光層の格子定数にあわせることにより、発光層にかかる歪みを少なくし、結晶性の良い発光層を得ることができ、高効率の発光素子を得ることが可能となる。
【００８１】
さらに、本発明によれば、結晶の硬度が高いサファイア基板やＧａＮ基板を除去することにより、発光素子のへき開を容易として、チップの切り出し工程における歩留まりを改善することができる。
【００８２】
以上説明したように、本発明によれば、簡素な構成により発光特性が優れたＧａＮ系化合物半導体発光素子を得ることができるようになり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系化合物半導体発光素子の構成を例示する概略断面図である。
【図２】従来のバッファ層と、本発明によるバッファ層と、発光層であるＩｎＧａＮ層の組成比ｘに対する格子定数の関係を表したグラフ図である。
【図３】本発明による第２の発光素子の構成を例示する概略断面図である。
【図４】発光素子を発光面側から眺めた概略平面図である。すなわち、同図（ａ）は本発明による発光素子であり、同図（ｂ）は従来の発光素子の平面図である。
【図５】本発明による第３の発光素子の構成を例示する概略断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【図８】第２実施例にかかる発光素子の光出力を表すグラフ図である。
【図９】本発明の第３の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例にかかる発光素子の製造工程を表す概略工程断面図である。
【符号の説明】
１サファイア基板
２ｎ型ＧａＮ_1-x Ｐ_x （ＧａＮ_1-y Ａｓ_y ）バッファ層
３ｎ型ＧａＮ_1-x Ｐ_x （ＧａＮ_1-y Ａｓ_y ）層
４ｎ型ＧａＮ層
５ＩｎＧａＮ活性層
６ｐ型ＧａＮ層
７ｎ型電極
８ｐ型電極
１１ｎ型ＧａＮ_1-x Ｐ_x （ＧａＮ_1-y Ａｓ_y）基板
１２ｎ型ＧａＮ層
１３ＩｎＧａＮ層
１４ｐ型ＧａＮ層
１５ｎ型電極
１６ｐ型電極
２１ＧａＮＰ層
２２ＧａＮＡｓ層
２３ｎ型ＧａＮ層
２４ＩｎＧａＮ活性層
２５ｐ型ＧａＮ層
２６ｎ型電極
２７ｐ型電極
３１ｎ型ＧａＮ層
３２ＩｎＧａＮ層
３３ｐ型ＧａＮ層
３４ｐ型ＧａＮ_1-xＰ_x （ＧａＮ_1-y Ａｓ_y ）層
３５ｎ型電極
３６ｐ型電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a GaN-based compound semiconductor, and more particularly to a GaN-based compound semiconductor light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Since single crystals of GaN-based compound semiconductors have a direct transition band structure, highly efficient light emission is expected. Here, in this specification, “GaN-based compound semiconductor” means In _x Al _y Ga _1-xy Semiconductors of all compositions in which the composition ratios x and y are changed within the respective ranges in the chemical formula N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) are included. For example, InAlN (x = 0.4, y = 0.6) is also included in the “GaN compound semiconductor”. Furthermore, the “GaN-based compound semiconductor” in this specification refers to a compound obtained by adding any of phosphorus (P), arsenic (As), and an impurity element serving as a dopant to the compound represented by the above chemical formula. Including semiconductors.
[0003]
Since the band gap at room temperature can be changed from 6.2 eV to 2.0 eV, a GaN-based compound semiconductor is a very promising material for manufacturing a light-emitting element that emits light in the visible region. However, since the GaN single crystal has a high melting point and the equilibrium vapor pressure of nitrogen near the growth temperature is high, it is difficult to grow the bulk single crystal from the melting point, and there is no lattice-matching substrate. For this reason, sapphire substrates, GaN substrates and the like have been mainly used in the past for manufacturing GaN-based compound semiconductor light-emitting devices, for example, devices in which an n-type GaN layer, a light-emitting InGaN layer, and a p-type GaN layer are sequentially stacked. It was.
[0004]
Among these substrates, the sapphire substrate has a high melting point of about 2020 ° C. and good heat resistance, but lattice mismatch occurs with GaN. Therefore, in order to prevent the deterioration of crystallinity due to this lattice mismatch, Al _x Ga _1-x A buffer layer obtained by growing N (0 ≦ x ≦ 1) at a low temperature was formed, and a predetermined element structure was laminated thereon.
[0005]
On the other hand, a GaN substrate is obtained by growing a GaN single crystal on a sapphire substrate and then removing the sapphire substrate as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94784. The structure was laminated.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventionally, when these substrates are used, there are problems as described below. First, the problem when using a sapphire substrate will be described.
Since the GaN layer has low conductivity, it is necessary to grow an n-type GaN layer having a thickness of 4 microns or more on the buffer layer in order to diffuse the current throughout the light emitting element. However, since the lattice mismatch between the sapphire substrate and GaN is very large as described above, there is a limit to the improvement in crystallinity by the buffer layer. That is, as the n-type GaN layer grows thicker, its crystallinity deteriorates, and the crystallinity of the light emitting layer laminated thereon also deteriorates. As a result, there is a problem that it is difficult to obtain a highly efficient light-emitting element and the reliability of its electrical characteristics is likely to be lowered.
[0007]
In addition, since the sapphire substrate is an insulator, it is necessary for the light emitting element fabricated on sapphire to have both p-side and n-side electrode contacts on the laminated semiconductor layer side. For this reason, a part of the growth layer is etched down to the p-type GaN layer, and an electrode is formed on the n-type GaN layer and the p-type GaN layer from the same surface side to constitute a light emitting element. However, in this method, since two electrodes are formed on the light extraction surface side, there is a problem that the area of the light extraction portion has to be reduced. For this reason, a configuration and a light emitting device have been proposed in which the mounting on the lead frame is reversed upside down and the sapphire surface, which is a translucent substrate, is used as a light extraction surface. However, in the light emitting device having such a configuration, it is difficult to reduce the interval between the lead frames for taking electrodes, so that the chip size increases and the number of chips that can be taken from one wafer is small. A new problem arises. Further, since it is necessary to set a fine position between the lead frames, there is a problem that the mass productivity is lowered and a short circuit is likely to occur due to the protrusion of the solder.
[0008]
Next, problems when using a GaN substrate will be described.
Table 1 shows the band edge wavelength, the lattice constant, and the lattice mismatch ratio with the GaN substrate for InGaN layers having various In compositions.
[0009]
[Table 1]

As can be seen from the table, when the In composition is 10% or more, the lattice mismatch ratio with the InGaN layer exceeds 1%, and the crystallinity of the InGaN layer is greatly deteriorated, so that a highly efficient light emitting device is obtained. There was a problem that I could not.
[0010]
On the other hand, the above-described sapphire substrate and GaN substrate both have a problem that cleavage is difficult due to high crystal hardness, and the yield in the chip cutting process is as low as about 70%.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a GaN-based compound semiconductor light-emitting device in which emission characteristics and electrical characteristics are improved by forming a GaN-based compound semiconductor layer having extremely excellent crystallinity.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a GaN-based compound semiconductor light-emitting device according to the present invention includes:
A substrate made of sapphire,
The composition formula GaN provided on the substrate _1-x1-y1 P _x1 As _y1 (Where 0 <x1 + y1 <1, 0 ≦ x1, 0 ≦ y1), a buffer layer made of a polycrystalline compound semiconductor,
The composition formula GaN is provided on the buffer layer. _1-x2-y2 P _x2 As _y2 (Where 0 <x2 + y2 <1, 0 ≦ x2, 0 ≦ y2), a single crystal layer made of a compound semiconductor,
In provided on the single crystal layer and lattice-matched with the buffer layer _z Ga _1-z A light emitting layer composed of N (where 0 <z <1);
With
The buffer layer has a composition formula GaN _1-x P _x (Where 0 <x ≦ 1) and GaN _1-y As _y (Here, 0 <y ≦ 1), which is a compound semiconductor represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
Or
(351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
A compound semiconductor that satisfies the relationship expressed by _{1-wx- (1-w) y} P _wx As _{(1-w) y} (Where 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, and 0 ≦ y ≦ 1), wherein the composition z and the composition ratio x or the composition ratio y are expressed by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
and
(351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Consisting of compound semiconductors that satisfy the relationship represented by
The single crystal layer has a composition formula GaN _1-x P _x (Where 0 <x ≦ 1) and GaN _1-y As _y (Here, 0 <y ≦ 1), which is a compound semiconductor represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
Or
(351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
A compound semiconductor that satisfies the relationship represented by _{1-wx- (1-w) y} P _wx As _{(1-w) y} (Where 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, and 0 ≦ y ≦ 1), wherein the composition z and the composition ratio x or the composition ratio y are expressed by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
and
(351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Consisting of compound semiconductors that satisfy the relationship represented by
A thickness of the GaN-based compound semiconductor laminated between the buffer layer and the light emitting layer is 0.2 μm or less.
[0013]
According to the above-described configuration, it is possible to provide a light-emitting element including a GaN-based compound semiconductor layer with good crystallinity by reducing strain caused by lattice mismatch generated between the substrate and the GaN-based compound semiconductor layer.
[0021]
This light-emitting element is preferably configured such that the light-emitting region has a pn junction, at least a single heterojunction, or one or multiple quantum well structures.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a GaN-based compound semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the invention. In this example, n-type GaN is formed on a substrate 1 made of sapphire or the like. _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) Low temperature buffer layer 2, n-type GaN _1-x P _{x (} Or GaN _1-y As _y ) Layer 3, n-type GaN layer 4, InGaN active layer 5, and p-type GaN layer 6 are formed in this order. Further, n-type GaN partially exposed by etching _1-x P _x (Or GaN _1-y The n-type electrode 7 is formed on the (Asy) layer 3, while the p-type electrode 8 is formed on the p-type GaN layer 6 to form a pair of electrodes.
[0029]
That is, in this embodiment, GaN grown at a relatively low temperature on a substrate such as sapphire. _1-x P _x Or GaN _1-y As _y (0 <x <1, 0 <y <1) where the buffer layer 2 is deposited. The growth temperature of such a buffer layer can be selected within a range of 550 to 800 ° C., for example. The semiconductor layer deposited on the substrate at such a temperature is amorphous or polycrystalline composed of extremely fine crystal grains immediately after deposition. And in order to grow another crystal layer on this buffer layer, when it heats up, for example to 1000 degreeC or more, crystallization will advance and it will become a polycrystalline form. In this specification, the buffer layer grown at such a relatively low temperature is referred to as a “low temperature buffer layer”.
[0030]
Hereinafter, the effect of the buffer layer in the present invention will be described in detail.
FIG. 2 is a graph showing the relationship of the lattice constant with respect to the composition ratio x of the conventional buffer layer, the buffer layer according to the present invention, and the InGaN layer as the light emitting layer. The InGaN layer used as the light emitting layer has a tendency that the lattice constant increases as the In composition x increases. However, in the GaAlN layer, which is a conventional buffer layer, the lattice constant decreases as the Al composition ratio x increases, and the difference from the lattice constant of the InGaN layer tends to increase. On the other hand, according to the present invention, GaN used as a buffer layer _1-x P _x Or GaN _1-x As _x In either case, the lattice constant increases as the composition x increases, and the difference in lattice constant from the InGaN layer can be reduced. Further, as illustrated by the AA line in FIG. _1-x P _x Or GaN _1-x As _x By adjusting the composition of the layer, the lattice constant of the InGaN layer can be matched.
[0031]
Here, as an example, the lattice mismatch rate (Δa / a) between the buffer layer and the InGaN layer at the composition x = 0.1 shown by the BB line in FIG. 0.2%, and about 2.1% when a conventional buffer layer is used. That is, according to the present invention, the lattice mismatch rate can be reduced to about 1/10 of the conventional one.
[0032]
That is, according to the present invention, particularly when the In composition is increased to the blue region, a light emitting layer with less lattice distortion than in the prior art can be easily formed by selecting the P or As composition.
[0033]
Table 2 shows preferable combinations of such compositions.
[0034]
[Table 2]

Here, when Table 2 described above is expressed by a general formula, the light emitting layer is represented by In. _z Ga _1-z N and the buffer layer is GaN _1-x P _x Or GaN _1-y As _y , The preferable combination conditions of x, y, and z can be expressed as follows.
[0035]
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
(351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
In this case, the thickness of the GaN-based compound semiconductor layer, for example, the GaN clad layer, laminated between the buffer layer and the InGaN light emitting layer is preferably in the range of 0.05 to 0.2 microns. . This is because if the thickness is larger than this, the crystallinity of the InGaN light-emitting layer tends to deteriorate due to distortion due to lattice mismatch.
[0036]
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a high-quality light-emitting layer by reducing the distortion of the light-emitting layer as compared with the conventional case, so that the light-emitting efficiency of the light-emitting element can be improved. .
[0037]
In the embodiment shown in FIG. 1, GaN is further formed on the low-temperature buffer layer 2. _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) Layer 3 is laminated. This layer 3 is grown at a relatively high temperature and is configured as a single crystal. On the low temperature buffer layer 2, such GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) By laminating the layer 3, the crystallinity of each of the layers 4 to 6 of the light emitting device grown thereon can be further improved.
[0038]
However, in the present invention, such single crystal GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) The layers 4 to 6 of the light emitting element may be directly laminated on the low temperature buffer layer 2 without laminating the layer 3. Even in such a simplified configuration, the crystallinity of the InGaN active layer 5 can be improved and the light emission characteristics can be improved as compared with the case where a conventional AlGaN buffer layer is used.
[0039]
In addition, GaN _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y The layer has better conductivity than the GaN layer. Therefore, even if the thickness of the n-type GaN layer 4 is reduced, there is an advantage that the current injected from the n-side electrode can be diffused throughout the device.
[0040]
Here, in this embodiment, GaN is used as the buffer layer. _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y Layers are adopted. However, instead of these, a quaternary mixed crystal represented by GaNPAs may be used. Such a quaternary mixed crystal can be easily lattice-matched with the InGaN layer.
[0041]
Furthermore, single crystal GaN epitaxially grown on such a quaternary low-temperature buffer layer. _1-x P _x Layer, GaN _1-y As _y A layer or a GaNPAs layer may be laminated. In this case, the composition of the low-temperature buffer layer and the composition of the single-crystal quaternary mixed crystal layer thereon may be different or the same. When the composition is the same, since the lattice constants coincide with each other, an effect of reducing lattice mismatch can be obtained.
[0042]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.
[0043]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the second light-emitting element according to the present invention. In this example, n-type GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y On the (Asy) layer 11, an n-type GaN layer 12, an InGaN layer 13, and a p-type GaN layer 14 are formed in this order. N-type GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) An n-side electrode 15 is formed on the back side of the layer 11, and a p-side electrode 16 is formed on the p-type GaN layer 14 to constitute a pair of electrodes.
[0044]
For example, the light-emitting element of the present embodiment has an n-type GaN on a substrate such as sapphire (not shown). _1-x P _x (GaN _1-y As _y ) The layer 11 is grown, and the layer 11 obtained by removing the substrate such as sapphire is used as a new substrate to sequentially form the layers 12 to 14.
[0045]
Alternatively, it can be formed by growing the

layers

11 and 12 on a substrate such as sapphire (not shown), removing the substrate, and further growing the

layers

13 and 14 thereon.
[0046]
Alternatively, the layers 11 to 14 may be sequentially formed on a substrate such as sapphire (not shown), and then the substrate may be removed.
[0047]
Where GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y The layer 11 may have a laminated structure of a low-temperature buffer layer and a single crystal layer laminated thereon. That is, on a substrate such as sapphire (not shown) _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) Depositing a layer on it, at a relatively high temperature, monocrystalline GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y The layer 11 can be formed by stacking layers and then removing the substrate. GaN _1-x P _x Or GaN _1-y As _y Alternatively, the layer 11 may be made of GaNPAs that are quaternary mixed crystals.
[0048]
Also in this embodiment, n-type GaN _1-x P _x (Or GaN _1-y As _y ) Since the layer 11 is used as a buffer layer or a substrate, and the layers 12 to 14 are grown thereon, as described above with reference to FIG. A good light emitting element can be realized.
[0049]
In this embodiment, since the sapphire substrate is removed, only one of the pair of electrodes (p-type electrode) can be formed on the light emitting surface side. Therefore, there is an advantage that the ratio of the light emitting portion can be increased as compared with the case where both electrodes are provided on the light emitting surface side.
[0050]
FIG. 4 is a schematic plan view of the light emitting element as viewed from the light emitting surface side. 1A is a light emitting device according to the present invention, and FIG. 1B is a plan view of a conventional light emitting device. In the figure, the hatched portion corresponds to a region where light can be extracted. In the conventional light emitting device, the ratio of the light emitting area is only about 50% as shown in FIG. 4B, whereas in the light emitting device according to the present invention, as shown in FIG. The ratio of the light emitting area can be expanded to about 85%. This is because, in the conventional GaN-based light emitting device, it is necessary to form both n-type and p-type electrodes on the light emitting surface side, whereas in the light emitting device according to the present invention, either one on the light emitting surface side. This is because only one electrode needs to be formed. Therefore, in the light emitting device according to the present invention, the light output can be increased according to the ratio of the light emitting portion. Furthermore, in the present embodiment, by removing the substrate such as sapphire as described above, the yield of the scribe process at the time of chip formation can be significantly improved from about 70% to 95% or more.
[0051]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the third light-emitting element according to the present invention.
[0052]
In the example shown in the figure, the n-type GaN layer 31, the InGaN layer 32, the p-type GaN layer 33, and the p-type GaN. _1-x P _x (GaN _1-y As _y ) Layer 34 is stacked, and n-side electrode 35 is formed adjacent to layer 31, while p-side electrode 36 is formed on layer 34 to form a pair of electrodes. The light emitting device shown in the figure is formed by sequentially growing layers 31 to 34 on a substrate such as sapphire via a layer such as ZnO and then removing the substrate, as will be described in detail later. can do.
[0053]
Since this light-emitting element also has a configuration in which a substrate such as sapphire is removed, similarly to the light-emitting element shown in FIG. 3, it is possible to increase the light extraction area and increase the light output.
[0054]
GaN _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y The layer has better conductivity than the GaN layer. This effect is particularly remarkable in the p-type conductivity type. For example, the p-type hole concentration is 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 For example, GaN _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y The resistivity of the layer is 0.01 Ωcm, while the resistivity of GaN is 0.17 Ωcm. That is, GaN _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y The resistivity of the layer is 1/10 or less of the GaN layer. Therefore, the ohmic property in contact with the p-side electrode 36 can be remarkably improved.
[0055]
GaN _1-x P _x Layer or GaN _1-y As _y The layer can be further improved in ohmic contact with the p-side electrode 36 because it is semi-metallic depending on the composition. As a result, the operating voltage can be reduced compared to the case where the electrode is brought into contact with the p-type GaN layer. That is, the power consumption of the light emitting element can be reduced and the lifetime can be extended.
[0056]
Furthermore, also in this embodiment, by removing a substrate such as sapphire, the yield of the scribing process at the time of chip formation can be significantly improved from about 70% to 95% or more.
[0057]
Also in this embodiment, the p-side electrode and the n-side electrode can be formed on the opposite surfaces of the light emitting element. Therefore, when the area of the light emitting element is the same as the conventional one, according to the present invention, the ratio of the light shielded by the electrode can be reduced, and the area of the light emitting portion can be increased to increase the light emission amount. Can do.
[0058]
In the specific examples described above, the light-emitting element having a double hetero structure is described as an example. However, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be similarly applied to, for example, one having a single heterojunction, one having a pn junction, one having a single or a plurality of quantum well structures, etc. in addition to a double hetero structure. It is possible to obtain the same effect as described above.
[0059]
In addition, the material that can be used as the substrate in the present invention is not limited to sapphire mentioned as an example. In other words, the same effect can be obtained by using, for example, ZnO, GaAs, spinel, SiC, Si, or the like.
[0060]
Further, in the above-described embodiment, the InGaN layer is exemplified as the light emitting layer, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be similarly applied to, for example, a light-emitting element having a structure in which a light-emitting layer made of a GaN layer is sandwiched between clad layers made of an AlGaN layer. Further, the present invention also relates to a light-emitting element in which light having a wavelength in the ultraviolet region obtained from the light-emitting element having such a structure can be converted by a predetermined phosphor to obtain light having a desired wavelength. Can be similarly applied to obtain the various effects described above.
[0061]
【Example】
Next, a method for manufacturing a light emitting device and a light emitting device obtained thereby will be described in detail.
[0062]
(Example 1)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the light-emitting device according to the first example of the present invention.
[0063]
In this example, first, sapphire was used as a substrate, and a GaN-based compound semiconductor layer was grown on the sapphire substrate by MOCVD. Group III materials include trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI), and Group V materials include ammonia (NH _Three ), Phosphine (PH _Three ) Was used. Monosilane (SiH) is used as the dopant raw material. _Four ), Dimethylzinc (DMZn), and cyclopentadienylmagnesium (cp2 Mg).
[0064]
First, the sapphire substrate 1 is introduced into an MOCVD apparatus, and the substrate is heated to 1000 ° C. After holding for 10 minutes, the substrate temperature is set to 500 ° C. Where NH _Three 0.5 μmol / min and PH _Three 0.2 μmol / min and TMG 80 μmol / min flowed, GaN _0.935 P _0.065 The buffer layer 2 is grown for 5 minutes. Thereafter, the substrate temperature is set to 900 ° C., TMG 80 μmol / min and SiH _Four Flowing 0.008 μmol / min, GaN _0.935 P _0.065 The single crystal layer 3 is grown. After growth for 30 minutes, TMG and SiH _Four Is stopped and the substrate temperature is set to 1000 ° C., where PH _Three In the reaction tube, TMG 80 μmol / min and SiH _Four The growth of the GaN layer 4 is started by flowing 0.008 μmol / min. After growth for 3 minutes, TMG and SiH _Four Is stopped, and the temperature of the substrate is set to 850 ° C. When the substrate temperature reached 850 ° C., TMG 12 μmol / min, TMI 120 μmol / min, SiH _Four The InGaN layer 5 is grown for 1 hour by supplying 0.0008 μmol / min and DMZn 0.05 μmol / min. The composition of In in the grown InGaN layer 5 was about 6%. After 1 hour growth, TMG, TMI, SiH _Four The supply of DMZn is stopped, and the temperature of the substrate is set to 1000 ° C. When the substrate temperature reaches 1000 ° C., TMG 80 μmol / min and cp 2 Mg 0.5 μmol / min are supplied, the GaN layer 6 is grown for 20 minutes, the supply of TMG and cp 2 Mg is stopped, and the heating system is turned off. Stop heating the substrate. When the temperature of the substrate returns to room temperature, the supply of NH3 is stopped and the substrate is taken out of the reaction furnace. A part of the semiconductor layer thus obtained is etched from the surface side to expose the GaNP layer 3. Further, the n-side electrode 7 is formed on the GaNP layer 3 and the p-side electrode 8 is formed on the GaN layer 6 to complete the light emitting device.
(Example 2)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
[0065]
In this embodiment, first, n-type GaN is formed on a substrate such as sapphire by vapor phase growth (VG) or the like. _0.935 P _0.065 Is grown to a thickness of 10 μm to 500 μm. After this, the substrate such as sapphire is removed and GaN _0.935 P _0.065 A single crystal layer is obtained. This GaN _0.935 P _0.065 Using the single crystal 11 as a substrate, a GaN-based compound semiconductor layer was grown by MOCVD. Group III materials include trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI), and Group V materials include ammonia (NH _Three ), Phosphine (PH _Three ) Was used. Monosilane (SiH) is used as the dopant raw material. _Four ), Dimethylzinc (DMZn), and cyclopentadienylmagnesium (cp2 Mg).
[0066]
GaN prepared in advance _0.935 P _0.065 The single crystal layer 11 is introduced into the MOCVD apparatus, and NH _Three The substrate is heated to 1000 ° C. while flowing 0.5 μmol / min and PH3 0.2 μmol / min. Where PH _Three Is stopped from flowing into the reaction tube, and TMG 80 .mu.mol / min and SiH4 0.008 .mu.mol / min are flown to start the growth of the GaN layer 12. After growth for 3 minutes, TMG and SiH _Four Is stopped, and the temperature of the substrate is set to 850 ° C. When the substrate temperature reached 850 ° C., TMG 12 μmol / min, TMI 120 μmol / min, SiH _Four The InGaN layer 13 is grown for 1 hour by supplying 0.0008 μmol / min and DMZn 0.05 μmol / min. The composition of In in the grown InGaN layer 13 was about 6%. After 1 hour growth, TMG, TMI, SiH _Four The supply of DMZn is stopped, and the temperature of the substrate is set to 1000 ° C. When the substrate temperature reaches 1000 ° C., TMG 80 μmol / min and cp 2 Mg 0.5 μmol / min are supplied, the GaN layer 14 is grown for 20 minutes, the supply of TMG and cp 2 Mg is stopped, and the heating system power supply is turned on. And stop heating the substrate. When the temperature of the substrate returns to room temperature, the supply of NH3 is stopped and the substrate is taken out of the reactor. Further, the n-side electrode 15 and the p-side electrode 16 are formed to complete the light emitting element.
FIG. 8 is a graph showing the light output of the light-emitting element obtained as described above. That is, the light output at a current value of 20 mA was 1.5 times higher in the device of the present invention than in the conventional device. Instead of the GaNP layer as the substrate 11, GaN _1-y As _y The same high light output was obtained when the layers were used.
[0067]
(Example 3)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
[0068]
In this embodiment, first, n-type GaN is formed on the sapphire substrate 20. _0.935 P _0.065 Was grown to a thickness of 10 μm to 500 μm and used as a substrate for MOCVD. Here, as a growth method of the GaNP layer 21, in addition to the MOCVD method, for example, a vapor phase growth method (VG) such as a halide vapor phase growth method, a chemical beam epitaxial method (CBE), or a metal organic molecular beam epitaxial method ( Various methods such as MOMBE).
[0069]
In the MOCVD method for growing a GaN-based compound semiconductor layer, trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI) are used as group III materials, and ammonia (NH) is used as group V materials. _Three ), Arsine (AsH _Three ) Was used. Monosilane (SiH) is used as the dopant raw material. _Four ), Dimethylzinc (DMZn), and cyclopentadienylmagnesium (cp2 Mg).
[0070]
First, the substrate, that is, the substrate on which the GaNP layer 21 is grown on the sapphire substrate 10 is introduced into the MOCVD apparatus, NH3 0.5 μmol / min and AsH. _Three The substrate is heated to 900 ° C. while flowing 0.1 μmol / min. When the substrate temperature reached 900 ° C., TMG 200 μmol / min, SiH 4 0.02 μmol / min were supplied, and n-type GaN _0.945 As _0.055 The layer 22 is grown about 10 μm. TMG, SiH _Four The supply of n-type GaN _0.945 As _0.055 After stopping the growth of layer 22, NH _Three 0.5 μmol / min and PH _Three The substrate is heated to 1000 ° C. while flowing 0.2 μmol / min. Where AsH _Three In the reaction tube, TMG 80 μmol / min and SiH _Four Flow of 0.008 μmol / min is started and growth of n-type GaN 23 is started. After growing for 3 minutes, the supply of TMG and SiH4 is stopped, and the temperature of the substrate is set to 850 ° C. When the substrate temperature reached 850 ° C., TMG 12 μmol / min, TMI 120 μmol / min, SiH _Four The InGaN layer 24 is grown for 1 hour by supplying 0.0008 μmol / min and DMZn 0.05 μmol / min. The In composition of the grown InGaN layer 24 was about 6%. After 1 hour growth, TMG, TMI, SiH _Four The supply of DMZn is stopped, and the temperature of the substrate is set to 1000 ° C. When the substrate temperature reaches 1000 ° C., TMG 80 μmol / min and cp 2 Mg 0.5 μmol / min are supplied, the GaN layer 25 is grown for 20 minutes, the supply of TMG and cp 2 Mg is stopped, and the heating system is turned off. Stop heating the substrate. When the substrate temperature returns to room temperature, NH _Three Is stopped and the substrate is taken out of the reactor.
[0071]
The sample sapphire substrate 20 taken out was removed by polishing or the like, and an n-side electrode 26 and a p-side electrode 27 were formed to produce a light emitting device. The characteristics of the device thus fabricated showed good characteristics similar to those shown in Example 2.
[0072]
(Example 4)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of a light emitting device according to the fourth example of the present invention.
[0073]
In this embodiment, first, a layer 30B made of a material close to the lattice constant of a GaN-based compound semiconductor such as ZnO is formed on the sapphire substrate 30A with a thickness of 0.1 μm to 10 μm by sputtering or the like. This was used as a substrate for MOCVD, and a GaN-based compound semiconductor layer was grown by MOCVD. Group III materials include trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI), and Group V materials include ammonia (NH _Three ), Phosphine (PH _Three ) Was used. Monosilane (SiH) is used as the dopant raw material. _Four ), Dimethylzinc (DMZn), and cyclopentadienylmagnesium (cp2 Mg).
[0074]
The above substrate is introduced into the MOCVD apparatus, and N ₂ The substrate is heated to 1000 ° C. in an atmosphere. Where NH _Three Start flowing 0.5 μmol / min, then TMG 80 μmol / min and SiH _Four Flow of 0.008 μmol / min is started, and growth of n-type GaN 31 is started. After growth for 3 minutes, TMG and SiH _Four Is stopped, and the temperature of the substrate is set to 850 ° C. When the substrate temperature reached 850 ° C., TMG 12 μmol / min, TMI 120 μmol / min, SiH _Four The InGaN layer 32 is grown for 1 hour by supplying 0.0008 μmol / min and DMZn 0.5 μmol / min. The In composition of the grown InGaN layer 32 was about 6%. After 1 hour growth, TMG, TMI, SiH _Four The supply of DMZn is stopped, and the temperature of the substrate is set to 1000 ° C. When the substrate temperature reaches 1000 ° C., TMG 80 μmol / min and cp 2 Mg 0.5 μmol / min are supplied, grown for 20 minutes, the supply of TMG and cp 2 Mg is stopped, the growth of p-type GaN 33 is completed, and the heating system Turn off the power to stop heating the substrate. When the temperature of the substrate returns to room temperature, the supply of NH3 is stopped and the substrate is taken out of the reactor.
On top of this, p-type GaN is formed by vapor deposition or the like. _0.935 P _0.065 The layer 34 was grown from 10 μm to 100 μm, the sample was attached to acid or the like, and the ZnO layer 30B was dissolved to separate the sapphire substrate 30A from the compound semiconductor crystal phase. The characteristics of the light-emitting element manufactured by forming the n-side electrode 35 and the p-side electrode 36 on the thus obtained laminate were as good as those of the element in Example 2.
[0075]
In the above embodiment, a light emitting element having a double hetero structure of GaN / InGaN / GaN is taken as an example. However, the light emitting element is not limited to the double hetero structure, and can be similarly applied to other structures.
[0076]
The substrate is also GaN _0.935 P _0.065 However, as long as it matches the lattice constant of the light emitting layer, other compositions can be similarly applied. GaN _1-y As _y The same applies to the case where is used, and it is preferable to match the lattice constant of the layer to be the light emitting layer. The growth temperature and raw material supply amount can also be appropriately selected according to the conditions under which the desired crystal is obtained.
[0077]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form described in detail above, and has the effects described below.
[0078]
First, according to the invention, by providing a buffer layer containing phosphorus or arsenic, a GaN-based compound semiconductor layer with good crystallinity can be grown on a substrate having a different lattice constant such as sapphire. As a result, the light emission characteristics and electrical characteristics of the GaN-based compound semiconductor light emitting device can be improved.
[0079]
Also, according to the present invention, GaN _1-x P _x And GaN _1-y As _y Use as a crystal substrate made of a material containing phosphorus or arsenic such as GaN on a sapphire substrate _1-x P _x Or GaN _1-y As _y A GaN-based light emitting layer is grown on the sapphire, and then the sapphire substrate is removed to produce a device. Alternatively, a GaN-based light emitting layer is grown on the sapphire substrate, and GaN is grown thereon. _1-x P _x Or GaN _1-y As _y After the sapphire is grown, the sapphire substrate is removed and the element is manufactured, so that the area of the electrode portion formed on the light emission extraction surface can be reduced, so that the light extraction efficiency can be increased and the high efficiency can be achieved. In addition to obtaining a light emitting element, the chip size can be reduced.
[0080]
In addition, by adjusting the lattice constant of the layer containing phosphorus or arsenic to the lattice constant of the light emitting layer, distortion applied to the light emitting layer can be reduced, and a light emitting layer with good crystallinity can be obtained. Can be obtained.
[0081]
Furthermore, according to the present invention, by removing a sapphire substrate or a GaN substrate having a high crystal hardness, the light emitting element can be easily cleaved, and the yield in the chip cutting process can be improved.
[0082]
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a GaN-based compound semiconductor light-emitting device having excellent light emission characteristics with a simple configuration, and there are great industrial advantages.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a GaN-based compound semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship of a lattice constant with respect to a composition ratio x of a conventional buffer layer, a buffer layer according to the present invention, and an InGaN layer which is a light emitting layer.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a second light-emitting element according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view of the light emitting element as viewed from the light emitting surface side. 1A is a light emitting device according to the present invention, and FIG. 1B is a plan view of a conventional light emitting device.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a third light-emitting element according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the light emitting device according to the first example of the invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of a light-emitting device according to a second example of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the light output of the light emitting device according to the second example.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of a light-emitting device according to a third example of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of a light-emitting device according to a fourth example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sapphire substrate
2 n-type GaN _1-x P _x (GaN _1-y As _y ) Buffer layer
3 n-type GaN _1-x P _x (GaN _1-y As _y )layer
4 n-type GaN layer
5 InGaN active layer
6 p-type GaN layer
7 n-type electrode
8 p-type electrode
11 n-type GaN _1-x P _x (GaN _1-y As _y )substrate
12 n-type GaN layer
13 InGaN layer
14 p-type GaN layer
15 n-type electrode
16 p-type electrode
21 GaNP layer
22 GaNAs layer
23 n-type GaN layer
24 InGaN active layer
25 p-type GaN layer
26 n-type electrode
27 p-type electrode
31 n-type GaN layer
32 InGaN layer
33 p-type GaN layer
34 p-type GaN _1-x P _x (GaN _1-y As _y )layer
35 n-type electrode
36 p-type electrode

Claims

サファイアからなる基板と、
前記基板上に設けられ、組成式ＧａＮ_1-x1-y1 Ｐ_x1Ａｓ_y1（ここで、０＜ｘ1＋ｙ1＜１、０≦ｘ1、０≦ｙ1）により表される多結晶状の化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、組成式ＧａＮ_1-x2-y2Ｐ_x2Ａｓ_y2（ここで、０＜ｘ2＋ｙ2＜１、０≦ｘ2、０≦ｙ2）により表される化合物半導体からなる単結晶層と、
前記単結晶層の上に設けられ、前記バッファ層と格子整合するＩｎ_zＧａ_1-zＮ（ここで、０＜ｚ＜１）からなる発光層と、
を備え、
前記バッファ層は、組成式ＧａＮ_1-xＰ_x（ここで、０＜ｘ≦１）及びＧａＮ_1-yＡｓ_y（ここで、０＜ｙ≦１）のうちのいずれかにより表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成ｘまたは組成ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
または
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体、あるいは組成式ＧａＮ_1-wx-(1-w)yＰ_wxＡｓ_(1-w)y（ここで、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、および０≦ｙ≦１）により表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成比ｘまたは組成比ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
および
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体からなり、
前記単結晶層は、組成式ＧａＮ_1-xＰ_x（ここで、０＜ｘ≦１）及びＧａＮ_1-yＡｓ_y（ここで、０＜ｙ≦１）のうちのいずれかにより表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成ｘまたは組成ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
または
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体、あるいは組成式ＧａＮ_1-wx-(1-w)yＰ_wxＡｓ_(1-w)y（ここで、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、および０≦ｙ≦１）により表される化合物半導体であって、組成ｚと、組成比ｘまたは組成比ｙとが次式：
（351／317）ｚ−0.0317≦ｘ≦（351／317）ｚ＋0.0317
および
（351／400）ｚ−0.04≦ｙ≦（351／400）ｚ＋0.04
で表される関係を満足する化合物半導体からなり、
前記バッファ層と前記発光層との間に積層させるＧａＮ系化合物半導体の厚さが０．２μｍ以下であることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体発光素子。A substrate made of sapphire,
A buffer comprising a polycrystalline compound semiconductor provided on the substrate and represented by the composition formula GaN _1-x1-y1 P _x1 As _y1 (where 0 <x1 + y1 <1, 0 ≦ x1, 0 ≦ y1) Layers,
A single crystal layer formed on the buffer layer and made of a compound semiconductor represented by a composition formula GaN _1-x2-y2 P _x2 As _y2 (where 0 <x2 + y2 <1, 0 ≦ x2, 0 ≦ y2); ,
A light emitting layer made of In _z Ga _1-z N (where 0 <z <1) provided on the single crystal layer and lattice-matched with the buffer layer;
With
The buffer layer is a compound represented by any one of the composition formula GaN _1-x P _x (where 0 <x ≦ 1) and GaN _1-y As _y (where 0 <y ≦ 1). It is a semiconductor, and the composition z and the composition x or the composition y are represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
Or (351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Or a compound semiconductor satisfying the relationship represented by the formula: GaN _{1-wx- (1-w) y} P _wx As _{(1-w) y} (where 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, And 0 ≦ y ≦ 1), wherein the composition z and the composition ratio x or the composition ratio y are represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
And (351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Consisting of compound semiconductors that satisfy the relationship represented by
The single crystal layer is represented by any one of a composition formula GaN _1-x P _x (where 0 <x ≦ 1) and GaN _1-y As _y (where 0 <y ≦ 1). A compound semiconductor, wherein the composition z and the composition x or the composition y are represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
Or (351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Or a compound semiconductor satisfying the relationship represented by the formula: GaN _{1-wx- (1-w) y} P _wx As _{(1-w) y} (where 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, And 0 ≦ y ≦ 1), wherein the composition z and the composition ratio x or the composition ratio y are represented by the following formula:
(351/317) z−0.0317 ≦ x ≦ (351/317) z + 0.0317
And (351/400) z−0.04 ≦ y ≦ (351/400) z + 0.04
Consisting of compound semiconductors that satisfy the relationship represented by
A GaN-based compound semiconductor light-emitting element, wherein a thickness of a GaN-based compound semiconductor laminated between the buffer layer and the light-emitting layer is 0.2 μm or less.

発光素子の発光領域がｐ−ｎ接合からなる、請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子。 The GaN-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a light-emitting region of the light-emitting element is formed of a pn junction.

発光素子の発光領域が少なくとも１重のヘテロ接合からなる、請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子。 The GaN-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the light-emitting region of the light-emitting device is composed of at least a single heterojunction.

発光素子の発光領域が１つあるいは多重の量子井戸構造からなる、請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子。 The GaN-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the light-emitting region of the light-emitting device has one or multiple quantum well structures.