JP4048662B2

JP4048662B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP4048662B2
Application number: JP29963999A
Authority: JP
Inventors: 信之大塚; 雄三郎伴; 雅博粂; 勲木戸口; 歩辻村; 明彦石橋; 義晃長谷川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: JP2001119068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線発光用半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線発光用窒化ガリウム系半導体発光素子の従来の構造について説明する。図７は断面図を示す（西田ら、応用物理学会１９９９年春期講演集31a-N-8）。
【０００３】
図７の構造を説明する。ＳｉＣ基板上に、ＡｌＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成ｘ＝１２％、膜厚ｄ＝４００ｎｍ、Ｓｉドープ）、ＡｌＧａＮ量子井戸層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｘ＝１２％、ｄ＝４００ｎｍ、Ｍｇドープ）、ｐ型ＧａＮ層（ｄ＝１０ｎｍ、Ｍｇドープ）が積層されており、ｐ側電極であるＰｔ２２とＡｕ２１がが蒸着されている。活性層は５層のＡｌＧａＮ井戸層２５（ｘ＝８％、ｄ＝２ｎｍ）とＡｌＧａＮバリア層２６（ｘ＝１２％、ｄ＝２ｎｍ）が交互に積層されている。ｐ側電極から電流を注入することにより、ＡｌＧａＮ量子井戸層から波長３４６ｎｍの発光を確認している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造の発光素子は３４６ｎｍより長い波長にも発光が存在する問題点を有していた。
【０００５】
この長波長の発光の原因を図８を用いて説明する。この発光素子の動作時は、電子とホールは図８に示した矢印の経路を流れて活性層内に注入される。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層中のＳｉのドナーレベルは浅いためΔＥｄは小さいが、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層中のＭｇのアクセプタレベルは深いためΔＥａは大きくなる。その結果、井戸層中で電子とホールが発光再結合する波長がΔＥｇ１のみの発光を期待していても、井戸層中の電子と、よりエネルギーの低いｐ型ＡｌＧａＮクラッド層中のホールが発光再結合してしまい波長がΔＥｇ２の発光も同時に観測してしまうと考えられる。ΔＥｇ２はΔＥｇ１より小さいために、ΔＥｇ１に対応した波長３４６ｎｍより長波長側（約３８０ｎｍ）の発光が観測されることになる。
【０００６】
特に、ＡｌＧａＮ層の場合、Ａｌ濃度を増加してバンドギャップ(Ｅｇ)を大きくしても、真空準位からのＭｇのレベルは変化しないことがわかった。バンドギャップが大きい材料としても、Ｍｇをドーピングしている限り、ΔＥｇ２は増加しないことになる。従って、Ａｌ濃度を増加しても長波長側の発光は消失しなかった。
【０００７】
ところで、井戸層の両側にもバリア層を設ける構造も考えられるが、この場合に於いても井戸層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に厚みが２ｎｍの薄いＡｌＧａＮバリア層しかなく、このバリア層をトンネルしてホールが井戸層に注入されるために長波長側の発光が観測されると考えられる。従って、井戸層にエネルギーの低いホールが注入されないように井戸層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間はホールがドンネルできない距離離す必要があった。
【０００８】
また、従来の発光素子は基板にＳｉＣを用いているためにサファイア基板に対して高価であり、かつＳｉＣ上に成長した結晶の品質が悪いために、サファイア基板上に成長した発光素子よりリーク電流が大きい問題があった。
【０００９】
本発明は以上のような従来の課題を解決し、活性層の発光波長で発光し、安価なサファイア基板を用いた発光素子の構造とその製造方法を提供するためのものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明による発光素子は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とＡｌＧａＮ活性層の間に、クラッド層と同程度のバンドギャップを有し、十分な厚みのアンドープのＡｌＧａＮ層を形成することを特長とする。
【００１１】
また、安価なサファイア基板上にＡｌＧａＮ層を成長するために必要となるｎ型ＧａＮ層をアンドープＧａＮ層とするかあるいはＧａＮ層を用いずにすべての層を活性層よりバンドギャップの広いＡｌＧａＮ結晶とすることにより、ＧａＮ層からの発光強度を低減して長波長の発光を抑制することを特長とする。
【００１２】
さらに、従来は導電性のあるＳｉＣ基板を用いていたために、ＳｉＣ基板裏面にｎ側電極を形成できたが、本発明では絶縁体のサファイア基板を用いているために裏面に電極を形成できないという問題があったが、酸化膜が形成されていないへき界面を利用することにより、簡便にｎ―ＡｌＧａＮ層にｎ側電極を形成することを特長とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の半導体発光素子の第一の実施の形態として、図１に、サファイア基板上の窒化ガリウム系化合物半導体による発光素子を例として示す。
【００１５】
以下、この素子構造について説明する。サファイア（０００１）面基板１１上にＭＯＶＰＥ法等により、各半導体層２〜６、８〜１０をエピタキシャル成長する。ここで、サファイア基板上には、膜厚が２ｎｍのＧａＮバッファ層１０が低温で成長される。その後、成長温度を１０００℃として成長したアンドープのＧａＮ層９（膜厚ｄ＝２００ｎｍ）、Ｓｉをドーピングしたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８（ｘ＝１６％、ｎ＝３ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3、ｄ＝２μｍ）、アンドープＡｌＧａＮクラッド層７（ｘ＝１６％、ｄ＝２０ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮ活性層６（ｘ＝１１％、ｄ＝２０ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮクラッド層５（ｘ＝１６％、ｄ＝２０ｎｍ）、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３（ｘ＝１６％、ｐ＝５ｘ１０¹⁷ｃｍ^-3、ｄ＝２００ｎｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層２が順次積層されている。次に、半導体結晶表面の右側の長方形領域を除く左側の長方形領域をSiO₂等でマスクし、ｎ型ＡｌＧａＮ層８が露出するまでエッチングしてｎ型電極７を堆積する。
【００１６】
このような発光素子においては、図２に示したように、活性層５の両側にアンドープ層が存在するためにホールは価電子帯に電子は導電帯に放出される。その結果、活性層中の電子とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層のホールとは接近しないため発光再結合による長波長発光は認められず、井戸層のバンドギャップに対応するΔＥｇ１のみの発光が得られる。本実施例では、ホールがアンドープＡｌＧａＮクラッド層をトンネルしないようにアンドープクラッド層の厚みを２０ｎｍと厚くしている。ホールのトンネルを抑制するには少なくとも１０ｎｍ以上のアンドープクラッド層の厚みが必要となる。
【００１７】
（実施の形態２）
本発明による発光素子の第二の実施の形態を図３に構造図を示す。本実施の形態では、ＧａＮ層をなくすためにサファイア基板上にＡｌＮバッファ層１２を低温で堆積した後、直接ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８を堆積している。その結果、活性層からの発光により励起されたＧａＮ層からの発光がなくなり、長波長の発光はほとんど認められなくなる。
【００１８】
（実施の形態３）
本発明による発光素子の第三の実施の形態を図４に示す。本実施例は活性層を３層のアンドープＡｌＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮバリア層で構成している。それぞれＡｌＧａＮ井戸層１３（ｘ＝１０％、膜厚ｄ＝３ｎｍ）とＡｌＧａＮバリア層１４（ｘ＝１４％、膜厚ｄ＝３ｎｍ）とした。クラッド層のＡｌＧａＮの組成ｘは１８％とした。バリア層はアンドープとしても発光が得られるが、ＳｉやＩｎやＭｇなどの不純物を添加することによりより強い発光が得られる。活性層を量子井戸構造とすることにより、活性層からの発光が極めて強くなり、長波長の発光の影響が著しく軽減される。
【００１９】
（実施の形態４）
本発明による発光素子の製造方法の第一の実施を図５に示す。サファイア（０００１）面基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法等により半導体層２〜6,8,12をエピタキシャル成長する（図５ａ）。各層の説明は、実施の形態２と同じであるので省略する。次に、コンタクト層２上にｐ側電極１を堆積した後（図５ｂ）、適当なマスク１３を用いて電極１、コンタクト層２およびクラッド層４の中心部以外の領域をエッチングしてリッジ形状を得る（図５ｃ）。その後、絶縁膜ＳｉＯ₂１４を全面に堆積して、適当なマスクを用いてリッジ以外の部分をエッチングする（図５ｄ）。この時、絶縁膜およびクラッド層4、6、活性層5がエッチングされｎ型ＡｌＧａＮクラッド層8が露出する。露出部分にｎ側電極7を形成する（図５ｅ）。
【００２０】
図５の電極構造を持つ素子においては、広い範囲にｎ側電極を形成することができるために、素子の抵抗を低減できる。
【００２１】
（実施の形態５）
本発明による発光素子の製造方法の第一の実施を図6に示す。実施例４に従って半導体層を成長した後、窒素雰囲気中で基板を７５０℃で２０分間アニールする（図6ａ）。その後、基板を中心からへき開し（図6ｂ）、すぐにへき界面にＳｎを混合したＩｎ合金を塗布して、ｎ側電極とする。基板裏面にも上記合金を塗布し、へき界面に塗布したＩｎ合金と導通を確保する（図6ｃ）。結晶表面にＺｎを混合したＩｎのパターンを形成して、ｐ側電極とする（図6ｄ）。ｎ−ＡｌＧａＮ層はｎ−ＧａＮ層に比べてアニール中に酸化されやすく、結晶側面からの導通が取れない問題があったが、アニール後にへき開を行って、酸化されていない面を形成し、そこに電極を形成することにより接触抵抗の低いｎ側電極が形成される。図６の電極構造を持つ素子においては、簡便に作製することができるために、素子構造検討時のフィードバックが速やかに行える。
【００２２】
なお、実施の形態１から５いずれの場合も、サファイア基板上の窒化ガリウム系化合物半導体による発光素子を例として説明したが、本発明の効果は無論これに限られるものではなく、ＳｉＣ基板やMgZnO基板を用いても同様の効果を得ることができる。低温バッファ層はＧａＮやＡｌＮとしたが、何れの場合も最適な結晶成長条件を得ることにより同様の効果が得られる。バンドギャップの大きい材料として、ホウ素を含んだ窒素化合物でも同様な効果が得られる。また、窒化ガリウム系化合物半導体以外の材料にも適用できることは明らかである。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、ＡｌＧａＮ層を用いた半導体紫外線発光素子において、活性層とｐ−ＡｌＧａＮ層の間にアンドープでかつクラッド層とバンドギャップが同じかあるいはより大きいＡｌＧａＮ層を挿入することにより、活性層を形成する半導体のバンドギャップから計算される波長の強い発光を得ることができる。また、簡便に低抵抗な電極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体発光素子のバンド構造を示す図
【図３】本発明の実施の形態２における半導体発光素子の構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態３における半導体発光素子の構造を示す図
【図５】本発明の実施の形態４における半導体発光素子の製造方法を示す工程図
【図６】本発明の実施の形態５における半導体発光素子の製造方法を示す工程図
【図７】従来の半導体発光素子の構造を示す図
【図８】従来の半導体発光素子のバンド構造を示す図
【符号の説明】
１ｐ側電極
２ｐ型ＧａＮ層
３ｐ型ＡｌＧａＮ層
４アンドープＡｌＧａＮ層
５ＡｌＧａＮ活性層
６アンドープＡｌＧａＮ層
７ｎ側電極
８ｎ型ＡｌＧａＮ層
９ＧａＮ層
１０ＧａＮバッファ層
１１サファイア基板
１２ＡｌＮバッファ層
１３井戸層
１４バリア層
１５マスク
１６絶縁膜
１７へき開面
１８ＩｎＳｎｎ側電極
１９ＩｎＺｎｐ側電極

Claims

基板上に、Ｓｉを含有するバンドギャップが3.4eV以上のAlGaNからなるｎ型クラッド層、バンドギャップが3.4eV以上のAlGaNを含む活性層、Mgを含有するバンドギャップが3.4eV以上のAlGaNからなるｐ型クラッド層をこの順に有する発光波長が３４６ｎｍ以下の窒化物からなる半導体発光素子であって、前記ｐ型クラッド層と活性層の間に、前記ｐ型クラッド層とバンドギャップが等しいか大きいアンドープのAlGaN層を有することを特徴とする半導体発光素子。
ｎ型クラッド層と活性層の間に、前記ｎ型クラッド層とバンドギャップが等しいか大きいアンドープのAlGaN層を有する請求項１記載の半導体発光素子。
基板がサファイアよりなる請求項１または２に記載の半導体発光素子。
アンドープの層の膜厚が１０ｎｍ以上である請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。