JP4884699B2 - 化合物半導体積層構造及びそれを用いた発光素子 - Google Patents
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従って、従来技術では、III−V族化合物半導体層とBP結晶層との結晶性に優れたヘテロ接合を充分に安定して形成するに至らず、このような結晶欠陥密度の大きなヘテロ接合構造を含む積層構造を利用しても、性能の良い半導体素子は得られない。例えば、逆方向の耐電圧性に優れる化合物半導体発光素子を安定して得られない問題があった。
この方法はGaAs基板上にGaAs結晶からGaAsP結晶まで組成変化させた組成勾配層を形成し、この組成勾配層表面にInGaAlPからなる下クラッド層、InGaPからなる活性層及びInGaAlPからなる上クラッド層を順次エピタキシャル成長させて、ダブルヘテロ接合構造の発光素子を得るものである。この方法によればGaAs基板とダブルヘテロ接合部との格子整合が達成されるので、発光効率が高く電気伝導率も高くすることができるとされている。
また、非晶質の低温バッファ層を利用する方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
この方法は例えばGaAs基板上に460℃以下の低温でBPからなる低温バッファ層を形成し、この低温バッファ層の表面にpn接合を含む発光構造を形成するものである。
この方法によれば低温バッファ層が非晶質となるため、結晶の格子ミスマッチが避けられるので発光効率の高い発光素子が得られるとされている。
すなわち、III−V族化合物半導体結晶とBP結晶とのヘテロ接合界面の近傍領域に於ける結晶組織の構成を開示するものである。
さらに、III−V族化合物半導体結晶層とBP結晶層とのヘテロ接合を含む、電気的及び光学的特性に優れた化合物半導体素子を提供することを目的とする。
ある狭いスパン内での格子定数の小さなBP結晶面を1面多くすることにより、格子ミスマッチを大幅に緩和することができる。このような構造の化合物半導体積層体とすれば、GaAs結晶と単量体のリン化硼素結晶との格子ミスマッチが緩和されて、ミスフィット転位等が少なく結晶性に優れたBP結晶とすることができる。
また、前記ヘテロ接合をなすGaAs結晶面とBP結晶面のミラー指数が同一であることが好ましい。
閃亜鉛鉱結晶型のIII−V族化合物半導体結晶であるGaAs結晶は立方晶であるので、上記のどの面を利用しても効果的なヘテロ接合を形成することが可能である。また、同じ結晶面を接合させた方がミスフィット転位等が発生しにくいからである。
III−V族化合物半導体積層構造のBP層は電流拡散層として含まれていても良いし、窓層として含まれていても良い。
本発明のBP層はミスフィット転位等が少なく結晶性に優れており、しかも禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よりも大きくできるので、電気的及び光学的特性に優れた発光素子を得ることができる。
本発明の積層構造をGaPやGaAs等のIII−V族化合物半導体に適用すれば、格子ミスマッチに因る結晶性の悪化が回避された良質なBP結晶とのヘテロ接合を提供できるので、このヘテロ接合を使用して化合物半導体発光素子を構成すれば、例えば逆方向の耐電圧性に優れ高発光効率を有する高性能の発光素子を提供できる。
本発明で好適に利用できるのは、構成元素数が少なくて形成が容易な、例えばリン化アルミニウム・インジウム混晶(組成式:AlαInδP)や砒化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式:AlαGaβAs)である。また特に、混晶比を制御する必要のない2元III−V族化合物半導体のリン化ガリウム(GaP)や砒化ガリウム(GaAs)である。
単量体のリン化硼素(BP)は、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型を有し、結晶の格子定数は4.538Åである(寺元 巌著、「半導体デバイス概論」、(株)培風館、1995年3月30日発行、初版、28頁参照)。また、間接遷移型であり、旧来から室温での禁制帯幅は2.0eVとされている(特開平2−275682号公報参照)。また、他のIII−V族化合物半導体であるGaPやGaAsと比較して共有結合性が高く、高い融点を有する半導体の一つとなっている。以下、この単量体のリン化硼素を単にリン化硼素(BP)と記載することがある。
State Chem.,133(1997)、269〜272頁参照)。例えば、トリエチル硼素((C2H5)3B)とホスフィン(PH3)を原料とする常圧(略大気圧)或いは減圧MOCVD法で形成する。
MOCVD法に依り、III−V族化合物半導体結晶上に、750℃以上で950℃以下の温度に於いて、V族原料ガスとIII族原料ガスとの混合比率を故意に大にして成長を開始すると、III−V族化合物半導体結晶との接合界面に、特有の結晶格子配列を有するBP結晶層を成長させることができる。形成時の原料ガス供給比率(V/III比率)、例えば、PH3/(C2H5)3Bの濃度比率を、200以上とするのが適する。
n形BP結晶層を成長させる場合には、200以上のV/III比率で成長を継続する。
例えば、GaP層上に成長の初期段階からV/III比率を200と一定として、所望の層厚に到達する迄原料ガスを供給して成長を継続する。また、別の例では、ヘテロ接合界面の近傍領域をV/III比率を400として形成し、その後、V/III比率を600として、所望の層厚に到達する迄原料ガスを供給して成長を継続する。一般にV/III比率を高値に設定するほど、キャリア濃度の高いn形BP結晶層が得られる。
V/III比率を高比率のままで成長を続行した場合、十分に低抵抗のp形BP層を安定して形成できないことがあるからである。GaP層或いはGaAs層にヘテロ接合する低抵抗のp形BP層のBPを安定して形成するには、気相成長後期のV/III比率を5以上で50以下とするのが適する。
特に、室温での禁止帯幅を2.8eV以上で5.0eV以下とするn形またはp形の低抵抗のBP半導体層は、例えば、化合物半導体発光素子を構成するための電流拡散層として有用である。また、この様な高い禁止帯幅のBP半導体層は、発光層から放射される紫外帯光や短波長可視光を外部へ透過するための窓(window)層として有効に利用できる。しかし、禁止帯幅が5.0eVを超えるBP半導体層では、GaP或いはGaAs結晶との禁止帯幅の差異が顕著に大となり、順方向電圧或いは閾値電圧の低い化合物半導体発光素子を得るに不利となる。
一方、同じこの区域SのBP層5には1〜6の6個のリン化硼素結晶格子面が存在している。すなわち、(n+1)個のリン化硼素結晶格子面が存在している。この場合リン化硼素結晶格子面の数は、先のIII−V族化合物半導体結晶面の数5に対して1つ多い5+1=6となっている。従って区域S内のヘテロ接合面12の結晶格子面の数は、n対(n+1)の関係になっているのが特徴である。
本発明においてはヘテロ接合面のある狭いスパン内(結晶格子面で10面以内)で見ると、格子定数の小さなBP結晶面を1面多くすることにより、格子ミスマッチを大幅に緩和するようにしている。
本発明においては、このような構造のヘテロ接合が少なくとの1箇所含まれていればよい。本発明のヘテロ接合の形成方法によれば、通常はこのような構造が繰り返し連続して得られる場合が多い。
例えば、III−V族化合物半導体結晶がGaPである場合、GaPの(100)結晶格子面とBP層の(100)結晶格子面との数的比率が6:7(n=6、n+1=7)となっていれば、6個の結晶格子面の範囲の格子ミスマッチ度は、(4.5383×7−5.449×6)/5.4495×6=0.02840となり、2.84%である。通常の6個の6個の(100)−GaP結晶面と6個の(100)−BP結晶面との接合では、格子ミスマッチ度は(4.5383×6−5.4495×6)/5.4495×6=−0.1671となり、16.7%にも達する。従って本発明においては格子ミスマッチ度は大幅に縮小されることになる。
また、III−V族化合物半導体結晶がGaAsである場合、GaAsの(100)結晶格子面とBP層の(100)結晶格子面との数的比率が5:6(n=5、n+1=6)となっていれば、図1の領域Sの5個の結晶格子面の範囲の格子ミスマッチ度は、(4.5383×6−5.6543×5)/5.6543×5=0.03684となり、3.68%である。通常の5個のIII−V族化合物半導体結晶面と5個のBP結晶面との接合では、格子ミスマッチ度は(5.6543×5−4.5383×5)/5.6543×5=0.1973となり、19.73%にも達する。従って本発明においては格子ミスマッチ度は大幅に縮小されることになる。
閃亜鉛鉱結晶型のIII−V族化合物半導体結晶面と、その表面に接合させて設けたBP半導体結晶面とからなるヘテロ接合に於いてIII−V族化合物半導体結晶のn個の(HKL)結晶格子面に対して、1面多い(n+1)個のBP結晶面を配列することにより、GaP結晶やGaAs結晶とBP結晶との格子ミスマッチを緩和して、結晶性に優れるBP層をもたらす作用を有する。このようにしてIII−V族化合物半導体結晶よりも格子定数の小さなBP結晶をヘテロ接合させても、格子ミスマッチの弊害を実質的に排除することを可能にした。
リン化ガリウム(GaP)結晶層と、リン化硼素(BP)結晶層とのヘテロ接合構造を備えた化合物半導体積層構造体を使用して発光素子を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
化合物半導体積層構造体11は、亜鉛(Zn)をドーピングしたp形の砒化ガリウム(GaAs)単結晶を基板100として形成した。基板100の表面には、亜鉛(Zn)をドープしたp形のGaAsからなる緩衝層101、亜鉛(Zn)をドープしたリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム((Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P)混晶からなる下部クラッド層102、アンドープでn形の(Al0.14Ga0.86)0.50In0.50Pからなる発光層103、及びセレン(Se)をドープしたn形の(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50Pからなる上部クラッド層104を順次堆積して形成した。
緩衝層101のキャリア濃度は1×1018cm−3、層厚は500nmとし、下部クラッド層102のキャリア濃度は1×1017cm−3、層厚は1000nmとし、発光層103のキャリア濃度は1×1016cm−3、層厚は500nmとし、上部クラッド層104のキャリア濃度は2×1018cm−3、層厚は5000nmとして形成した。
これらの101〜104の各層は一般的な減圧MOCVD法に依り気相成長させた。
BP層106は、トリエチル硼素((C2H5)3B)を硼素(B)源とし、ホスフィン(PH3)をリン源とする常圧(略大気圧)MOCVD法を利用して形成した。BP層106は、775℃で成長初期よりPH3/(C2H5)3B比率を450と一定にして形成した。BP層106の層厚は650nmとし、キャリア濃度は3×1019cm−3とした。
これはGaPとの格子のミスマッチを緩和するのに有効に作用するBP結晶を利用した結果であり、特にn形オーミック電極107を設ける半導体層を格子ミスフィットに起因する欠陥の少ないBP層106としたため、局所的な耐電圧不良(ローカルブレークダウン)の少ない発光素子をもたらすのに効果的となった。
砒化ガリウム(GaAs)結晶層とリン化硼素(BP)層とのヘテロ接合を備えた化合物半導体積層構造体を使用してpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光素子を構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
また、ヘテロ接合界面近傍の領域の断面TEM像から(111)双晶が存在する領域は、上記の同一領域に於いてn:n+1の数量比率でGaAsとBPとの結晶格子面が存在してなる結晶組織が存在するのとは異なる領域であった。断面TEM像内に認められる(111)双晶の粒界の面密度は約1×106cm−2であった。
これはGaAsとの格子のミスマッチを緩和するに有効に作用するBP層を利用したためであり、特に、オーミック電極を格子ミスフィットに起因する欠陥の少ないBP層上に設けたため、局所的な耐電圧不良(local breakdown)の少ない発光素子をもたらすのに効果的となった。
Claims (6)
- GaAs結晶面と単量体のリン化硼素結晶面とからなるヘテロ接合を含む化合物半導体積層構造であって、前記ヘテロ接合はGaAs結晶面とリン化硼素結晶面との面数の比率が5対6である領域を含むことを特徴とするIII−V族化合物半導体積層構造。
- 前記ヘテロ接合をなすGaAs結晶面が、面指数(HKL)をミラー指数で表したときに{100}、{110}もしくは{111}で表される結晶面であることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族化合物半導体積層構造。
- 前記ヘテロ接合をなすGaAs結晶面とBP結晶面のミラー指数が同一であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII−V族化合物半導体積層構造。
- 前記請求項1から請求項3に記載のIII−V族化合物半導体積層構造を含む発光素子。
- 前記III−V族化合物半導体積層構造のBP層を電流拡散層として含むことを特徴とする請求項4に記載の発光素子。
- 前記III−V族化合物半導体積層構造のBP層を窓層として含むことを特徴とする請求項4に記載の発光素子。
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