JP4048662B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【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】
1 p側電極
2 p型GaN層
3 p型AlGaN層
4 アンドープAlGaN層
5 AlGaN活性層
6 アンドープAlGaN層
7 n側電極
8 n型AlGaN層
9 GaN層
10 GaNバッファ層
11 サファイア基板
12 AlN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
18 InSn n側電極
19 InZn p側電極
Claims (4)
- 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。
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