JP2000091631A

JP2000091631A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000091631A
Application number: JP27645598A
Authority: JP
Inventors: Hisayoshi Kato; 久喜加藤; Hiroshi Watanabe; 大志渡辺; Norikatsu Koide; 典克小出; Shinya Asami; 慎也浅見
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光強
度を向上させること。【解決手段】ダブルヘテロ接合の窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子において、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型
層の電子の濃度の比を１に近いものとすることにより、
発光強度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光の効率を向上
させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
本発明は特に紫外線発光の窒化ガリウム系化合物半導体
素子に有効である。

【０００２】

【従来の技術】基板上に窒化ガリウム系化合物半導体か
ら成る層が積層された発光素子の代表的なものとして
は、次のようなものがある。即ち、サファイヤを基板と
し、その上から、窒化アルミニウム(AlN) より成るバッ
ファ層、ｎ型層であるシリコン(Si)ドープのGaN から成
る高キャリア濃度のｎクラッド及びｎコンタクト層、Ga
Nから成るバリア層とInGaN から成る井戸層とが交互に
積層された多重量子井戸(MQW) 構造の発光層、ｐ型層で
あるマグネシウム(Mg)ドープのAlGaN から成るｐクラッ
ド層、及び、ｐ型層であるマグネシウム(Mg)ドープのGa
N から成るｐコンタクト層が順次積層されたものが知ら
れている。また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
紫外線発光素子は、発光層にInGaN 又はAlGaN を用いた
ものが知られている。発光層にInGaN を用いた場合に
は、Inの組成比が 5.5％以下の時、バンド間発光で波長
380nm以下の紫外線が得られている。また、発光層にAl
GaN を用いた場合には、Alの組成比が16％程度で、亜鉛
(Zn)とシリコン(Si)とを添加して、ドナー・アクセプタ
対発光により、波長 380nmの紫外線が得られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、報告されてい
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、必ずしも最
適化されておらず、発光効率がまだ低いという問題があ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガ
リウム系化合物化合物半導体素子の発光効率を向上させ
ることである。

【０００５】上記の課題を解決するための第１の手段
は、ｐ型層とｎ型層とで発光層を挟んだダブルヘテロ接
合の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｐ
型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の比を、0.5
以上2.0 以下とすることである。また、第２の手段は、
上記と同様に、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の
濃度の比を、0.7 以上1.43以下とすることである。ま
た、第３の手段は、上記と同様に、ｐ型層の正孔の濃度
と、ｎ型層の電子の濃度の比を、0.8 以上1.25以下とす
ることである。更に、第４の手段としては、発光波長が
紫外線領域であるよう設計することである。これらの手
段により、上記の課題を解決することができる。

【０００６】

【作用及び発明の効果】ダブルヘテロ接合の窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子においては、ｐ型層の形成よ
りもｎ型層の形成のほうが容易で、ｐ型層の正孔の濃度
は、ｎ型層の電子の濃度の電子の濃度よりも低いもので
あった。これをｐ型層（ｐクラッド層、ｐコンタクト
層）の正孔の濃度と、ｎ型層（ｎクラッド層及びｎコン
タクト層）の電子の濃度の比が１に近くなるよう、ｎク
ラッド層及びｎコンタクト層の電子の濃度を変化させた
結果を図２、図３に示す。なお、ｐクラッド層、ｐコン
タクト層の正孔濃度は 2×10¹⁷/cm³、 7×10¹⁷/cm³であ
る。この発光素子の発光強度は、Al_0.05Ga_0.95N より成
るｎクラッド層の電子濃度と強い相関を持つ。Al_0.05Ga
_0.95N より成るｎクラッド層の電子濃度の異なる試料を
多数作成し、そのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）によ
る発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示す。
この図から判るように、上記の発光素子の発光強度は、
ｎクラッド層の電子濃度が、 8×10¹⁷/cm³の辺りでピー
クを持っている。一方、この発光素子の発光強度は、Ga
N より成るｎコンタクト層の電子濃度とも強い相関を持
つ。GaN より成るｎコンタクト層の電子濃度の異なる試
料を多数作成し、そのＥＬによる発光強度を測定した結
果を示すグラフを図３に示す。この図から判るように、
上記の発光素子の発光強度は、GaN より成るｎコンタク
ト層が、 1.1×10¹⁸/cm³、 8×10¹⁷/cm³、 4×10¹⁷/cm³
と電子濃度が低くなるにつれて発光強度が大きくなって
いる。これらの結果は、電子と正孔の再結合が発光層の
中央部で起こるようになったとして説明できる。すなわ
ち、ｎクラッド層及びｎコンタクト層の電子濃度がｐク
ラッド層、ｐコンタクト層の正孔濃度よりも高いと、電
子が発光層の中央部からｐコンタクト層側（ｐクラッド
層）寄りで正孔と再結合することが多く、電子と正孔の
非発光再結合が多くなると仮定すれば、それを解消する
ためには、ｐクラッド層、ｐコンタクト層の正孔の濃度
と、ｎクラッド層及びｎコンタクト層の電子の濃度のバ
ランスをとれば良いと理解できる。もっとも、電極を通
して電子を注入し発光素子を駆動させるためにはGaN よ
り成るｎコンタクト層の電子濃度は少なくとも 1×10¹⁷
/cm³は必要である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図１は、サファイア基板１１上に形
成されたGaN 系化合物半導体で形成された発光素子１０
０の模式的な断面構成図である。基板１１の上には窒化
アルミニウム(AlN) から成る膜厚約25nmのバッファ層１
２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaN から
成る膜厚約3000nmのｎコンタクト層１３が形成されてい
る。このｎコンタクト層１３の上にノンドープのIn_0.03
Ga_0.87 Nから成る膜厚約 180nmの歪み緩和層１４Ａが形
成されている。この歪み緩和層１４Ａは、サファイア基
板１１と発光層１５との熱膨張係数の違いにより生じる
発光層１５に掛かる応力を緩和するためのものである。
そして、歪み緩和層１４Ａの上に、シリコン(Si)ドープ
のAl_0.05Ga_0.5Nから成る膜厚約 200nmのｎクラッド層１
４Ｂが形成されている。

【０００８】そしてｎクラッド層１４Ｂの上に膜厚約
3.5nmのAl_0.13Ga_0.87N から成るバリア層１５１と膜厚
約 3nmのIn_0.05Ga_0.95N から成る井戸層１５２とが交互
に積層された多重量子井戸(MQW) 構造の発光層１５が形
成されている。バリア層１５１は６層、井戸層１５２は
５層である。発光層１５の上にはｐ型Al_0.15Ga_0.85N か
ら成る膜厚約25nmのｐクラッド層１６が形成されてい
る。更に、ｐクラッド層１６の上にはｐ型GaN から成る
膜厚約 100nmのｐコンタクト層１７が形成されている。

【０００９】また、ｐコンタクト層１７の上には金属蒸
着による透光性の電極１８Ａが、ｎコンタクト層１３上
には電極１８Ｂが形成されている。透光性の電極１８Ａ
は、ｐコンタクト層１７に接合する膜厚約 1.5nmのコバ
ルト(Co)と、Coに接合する膜厚約 6nmの金(Au)とで構成
されている。電極１８Ｂは膜厚約20nmのバナジウム(V)
と、膜厚約1800nmのアルミニウム(Al)又はAl合金で構成
されている。電極１８Ａ上の一部には、Co若しくはNi又
はV とAu、Al、又は、それらの合金から成る膜厚約1500
nmの電極パッド２０が形成されている。

【００１０】次に、この発光素子１００の製造方法につ
いて説明する。上記発光素子１００は、有機金属気相成
長法（以下「MOVPE 」と略す）による気相成長により製
造された。用いられたガスは、アンモニア(NH₃) 、キャ
リアガス(H₂,N₂) 、トリメチルガリウム(Ga(CH₃)₃)（以
下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH₃)
₃)（以下「TMA 」と記す）、トリメチルインジウム(In
(CH₃)₃)（以下「TMI 」と記す）、シラン(SiH₄)とシク
ロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C₅H₅)₂) （以下「CP
₂Mg 」と記す）である。まず、有機洗浄及び熱処理によ
り洗浄したａ面を主面とした単結晶の基板１１をMOVPE
装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、
常圧でH₂を反応室に流しながら温度1100℃で基板１１を
ベーキングした。次に、基板１１の温度を 400℃まで低
下させて、H₂、NH₃及びTMA を供給してAlN のバッファ
層１２を約25nmの膜厚に形成した。

【００１１】次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、
H₂、NH₃、TMG 及びシランを供給し、膜厚約3000nm、ｎ
型GaN から成るｎコンタクト層１３を形成した。次に、
基板１１の温度を 850℃にまで低下させて、N₂又はH₂、
NH₃、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約 180nmのノンド
ープのIn_0.03Ga_0.97 Nから成る歪み緩和層１４Ａを形成
した。上記の歪み緩和層１４Ａを形成した後、再び基板
１１の温度を1150℃にまで昇温し、N₂又はH₂、NH₃、TM
G 、TMA 及びシランを供給して、ｎ型Al_0.05Ga_0.95Nか
ら成る膜厚 200nmのｎクラッド層１４Ｂを形成した。

【００１２】次に、N₂又はH₂、NH₃、TMG 及びTMA を供
給して、膜厚約 3.5nmのAl_0.13Ga_0.87N から成るバリア
層１５１を形成した。次に、N₂又はH₂、NH₃、TMG 及び
TMIを供給して、膜厚約 3nmのIn_0.05Ga_0.95N から成る
井戸層１５２を形成した。更に、バリア層１５１と井戸
層１５２を同一条件で４周期形成し、その上にAl_0.13Ga
_0.87N から成るバリア層１５１を形成した。このように
してMQW 構造の発光層１５を形成した。

【００１３】次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、
N₂又はH₂、NH₃、TMG 、TMA 及びCP₂Mg を供給して、膜
厚約25nm、マグネシウム(Mg)をドープしたｐ型Al_0.15Ga
_0.85N から成るｐクラッド層１６を形成した。次に、基
板１１の温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂、NH₃、TMG
及びCP₂Mg を供給して、膜厚約 100nm、Mgをドープした
ｐ型GaN から成るｐコンタクト層１７を形成した。次
に、ｐコンタクト層１７の上にエッチングマスクを形成
し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われてい
ない部分のｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６、発
光層１５、歪み緩和層１４、ｎコンタクト層１３の一部
を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングにより
エッチングして、ｎコンタクト層１３の表面を露出させ
た。次に、以下の手順で、ｎコンタクト層１３に対する
電極１８Ｂと、ｐコンタクト層１７に対する透光性の電
極１８Ａとを形成した。

【００１４】(1) フォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフィによりｎコンタクト層１３の露出面上の所定領
域に窓を形成して、10^-6Torrオーダ以下の高真空に排気
した後、膜厚約20nmのバナジウム(V) と膜厚約1800nmの
Alを蒸着した。次に、フォトレジストを除去する。これ
によりｎコンタクト層１３の露出面上に電極１８Ｂが形
成される。 (2) 次に、表面上にフォトレジストを一様に塗布して、
フォトリソグラフィにより、ｐコンタクト層１７の上の
電極形成部分のフォトレジストを除去して、窓部を形成
する。 (3) 蒸着装置にて、フォトレジスト及び露出させたｐコ
ンタクト層１７上に、10^-6Torrオーダ以下の高真空に排
気した後、膜厚約 1.5nmのCoを成膜し、このCo上に膜厚
約 6nmのAuを成膜する。

【００１５】(4) 次に、試料を蒸着装置から取り出し、
リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCo、Au
を除去し、ｐコンタクト層１７上に透光性の電極１８Ａ
を形成する。 (5) 次に、透光性の電極１８Ａ上の一部にボンディング
用の電極パッド２０を形成するために、フォトレジスト
を一様に塗布して、その電極パッド２０の形成部分のフ
ォトレジストに窓を開ける。次に、Co若しくはNi又はV
とAu、Al、又は、それらの合金を膜厚1500nm程度に、蒸
着により成膜させ、(4) の工程と同様に、リフフトオフ
法により、フォトレジスト上に堆積したCo若しくはNi又
はV とAu、Al、又はそれらの合金から成る膜を除去し
て、電極パッド２０を形成する。 (6) その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O₂ガス
を供給して圧力 3Paとし、その状態で雰囲気温度を約 5
50℃にして、3 分程度、加熱し、ｐコンタクト層１７、
ｐクラッド層１６をｐ型低抵抗化すると共にｐコンタク
ト層１７と電極１８Ａとの合金化処理、ｎコンタクト層
１３と電極１８Ｂとの合金化処理を行った。このように
して、発光素子１００を形成した。

【００１６】ｎ型Al_0.05Ga_0.95N から成るｎクラッド層
１４Ｂの電子濃度の異なる試料を多数作成し、そのＥＬ
による発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示
す。この図から判るように、発光素子１００の発光強度
は、ｎクラッド層の電子濃度が、 8×10¹⁷/cm³近辺で高
光度を示す。また、ｎ型GaN から成るｎコンタクト層１
３の電子濃度の異なる試料を多数作成し、そのＥＬによ
る発光強度を測定した結果を示すグラフを図３に示す。
この図から判るように、発光素子１００の発光強度は、
ｎコンタクト層の電子濃度が、 1.1×10¹⁸/cm³、 8×10
¹⁷/cm³、 4×10¹⁷/cm³と低くなるにつれて発光強度が大
きくなっている。いずれの場合もｐ型層（ｐクラッド層
及びｐコンタクト層）の電子濃度は 7×10¹⁷/cm³である
から、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の比
が、0.5以上2.0 以下の範囲で効果が認められる。好ま
しくは、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の
比が0.7 以上1.43以下、より好ましくは0.8 以上1.25以
下で効果が高い。

【００１７】なお、上記の実施例では、発光素子１００
の発光層１５は多重量子井戸構造としたが、発光層の構
造は、単一量子井戸構造でもよい。また、ｐ型層の正孔
の濃度とｎ型層の電子の濃度の比が本発明のとおりであ
る限りにおいて、バリア層、井戸層、ｎ及びｐクラッド
層、ｎ及びｐコンタクト層は、任意の混晶比の４元、３
元、２元系のAl_XGa_1-X-YIn_YN （０≦X ≦１，０≦Y
≦１）としても良い。また、ｎクラッド層や歪み緩和層
が無いと効果が低減するが、無くとも従来の発光素子よ
りは出力は大きくなる。また、ｐ型不純物としてMgを用
いたがベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の２族元素を用いる
ことができる。また、本発明は発光素子のみならず受光
素子にも利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な実施例に係わるGaN 系化合物
半導体発光素子１００の構造を示した模式的断面図。

【図２】ｎクラッド層の電子濃度と、発光強度の相関を
示すグラフ。

【図３】ｎコンタクト層の電子濃度と、発光強度の相関
を示すグラフ。

【符号の説明】

１１サファイア基板１２バッファ層１３ｎコンタクト層１４Ａ歪み緩和層１４Ｂｎクラッド層１５発光層１５１バリア層１５２井戸層１６ｐクラッド層１７ｐコンタクト層１８Ａｐ電極１８Ｂｎ電極２０電極パッド１００発光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小出典克愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内 (72)発明者浅見慎也愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA03 CA04 CA05 CA12 CA34 CA49 CA53 CA57 CA64 CA67 CA82 CA84 CA88 CB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型層とｎ型層とで発光層を挟んだダブ
ルヘテロ接合の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に
おいて、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の
比が、0.5 以上2.0 以下であることを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】ｐ型層とｎ型層とで発光層を挟んだダブ
ルヘテロ接合の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に
おいて、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の
比が、0.7 以上1.43以下であることを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】ｐ型層とｎ型層とで発光層を挟んだダブ
ルヘテロ接合の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に
おいて、ｐ型層の正孔の濃度と、ｎ型層の電子の濃度の
比が、0.8 以上1.25以下であることを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】発光波長が紫外線領域である、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子。