JP2004535687A - 窒化ガリウムをベースとしたｌｅｄおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

窒化ガリウムをベースとした化合物半導体から形成されている、第１および第２の主表面を備えている発光層（２）を備え、発光層（２）の第１の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｎ型の化合物半導体から形成されている第１の被覆層（３）を備え、該被覆層の組成は発光層の化合物半導体の組成とは異なっており、かつ発光層（２）の第２の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｐ型の化合物半導体から形成されている第２の被覆層（４）を備え、該被覆層の組成は発光層の化合物半導体の組成とは異なっている、窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置を製造するための方法が提案される。装置（１）の発光効率を改善するために、発光層（２）の厚さは転位の近傍において他の領域よりも僅かに実現されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置の製造方法および窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置。
【０００２】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置の製造方法および請求項１８の上位概念に記載の窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置に関する。
【０００３】
発光装置または層に属するのは以下の関係において、紫外線または赤外線のみを発光するまたはとりわけ紫外線または赤外線を発光する装置または層でもある。
【０００４】
窒化ガリウムをベースにした化合物半導体材料−これはとりわけ、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）および窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）のようなＧａおよびＮを含んでいるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体である−は１．９５ないし６ｅＶの領域にある直接バンドギャップを有しておりかつそれ故に例えば発光ダイオードまたはレーザダイオードのような発光装置に申し分なく適している。
【０００５】
窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとした発光装置は本発明の意味において、装置の発光するストラクチャが窒化ガリウムベースの化合物半導体から成る少なくとも１つの層を含んでいればよい。
【０００６】
例えば活性、すなわちＩｎＧａＮから成る１つまたは複数の所謂量子膜の形の発光層によって、緑色（５００ｎｍ）、青色（４５０ｎｍ）または紫色（４０５ｎｍ）のスペクトル領域において比較的狭い波長領域（すなわち比較的小さなＦＷＨＭ）において非常に高い発光効率で放射する発光ダイオードが製造可能であることが確かめられた。この形式の発光ダイオードは例えば、ＧａＮバッファ層、シリコンがドープされたＧａＮ層、シリコンがドープされたＡｌＧａＮ層と活性の、例えばドープされていないＩｎＧａＮ層とから成る第１の被覆層、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮとマグネシウムがドープされたＧａＮ層とから成る第２の被覆層の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成される。青色発光ダイオードに対して活性層として例えばＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎが選択され、紫色発光ダイオードに対して活性層として例えばＩｎ_０．０９Ｇａ_０．９Ｎが選択される。この種の発光装置は例えば、S. Nakamura et al. ：“High-Power InGaN Single-Quantum-Well-Structure Blue and Violet Light-Emitting Diodes”, Appl. Phys. Lett. 67(1995), P. 1868 - 1870 に記載されている。
【０００７】
更に、ＥＰ０５９９２２４Ｂ１から、請求項１の上位概念が基礎としている発光装置が公知である。窒化ガリウムをベースとした化合物半導体をベースとしたこの発光装置は、○ ０＜ｘ＜１を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ化合物半導体から形成されている、第１および第２の主表面を備えている発光層を備え、
○ 発光層の第１の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｎ型の化合物半導体から形成されている第１の被覆層を備え、該被覆層の組成は発光層の化合物半導体の組成とは異なっており、かつ
○ 発光層の第２の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｐ型の化合物半導体から形成されている第２の被覆層を備え、該被覆層の組成は発光層の化合物半導体の組成とは異なっている、
というダブルヘテロ構造を有している。輝度ないし光放出出力パワーを改善するために、発光層はｐ型の不純物でおよび／またはｎ型の不純物でドープされている。
【０００８】
この従来技術から出発して、本発明の課題は、一層改善された発光効率を有している、窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層をベースにした発光装置を開発することである。
【０００９】
この課題は請求項１の特徴部分を有する方法および請求項１８の特徴部分を有する発光装置によって解決される。本発明の有利な実施形態および発展形態は請求項２ないし１７および１９ないし３２の対象である。
【００１０】
本発明の窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層をベースとした発光装置は、窒化ガリウムをベースとした化合物半導体から形成されている、第１および第２の主表面を備えている発光層を有し、発光層の第１の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｎ型の化合物半導体から形成されている第１の被覆層を有し、かつ発光層の第２の主表面に接続されておりかつ窒化ガリウムをベースとしたｐ型の化合物半導体から形成されている第２の被覆層を有し、ここで発光層の化合物半導体の組成は第１および第２の被覆層の化合物の組成とは異なっている。発光層および第１および第２の被覆層は順次、有利にはＭＯＣＶＤ法を用いて基板上に実現される。本発明の発光装置は、発光層の厚さが転位の近傍において他の領域よりも僅かであるということによって特徴付けられている。
【００１１】
殊にサファイアまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）のような異種基板上では、窒化ガリウムをベースとした公知の化合物半導体は非常に高い転位密度を有している。
【００１２】
転位の近傍で発光層の厚さを低減することによって、転位をシールドするエネルギーバリヤが形成され、これがキャリアが転位にまで拡散するのを阻止し、従ってこれら転位での電子−ホール対の有り得る放射しない再結合が生じないようにする（転位のパシベーション化）。窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層の場合に存在している転位は、リン化ガリウムまたはヒ化ガリウムをベースとした化合物半導体層の場合とは異なって、非放射再結合センターとして用いられずかつそれ故に転位の密度がこのように構成された発光装置の発光効率に対した影響を及ぼされないと一部では推測されているにしても（S. D. Lester et al. ：“High Dislocation Densities in High Efficiency GaN-Based Light-Emitting Diodes”, Appl. Phys. Lett. 66(1995), P. 1249 - 1251 および T. Mukai et al. ：“InGaN-Based Blue Light-Emiting Diodes Grown on Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrates”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37(1998), P. L839-L841）、本発明の発光装置では匹敵する従来の発光装置の場合よりも高い発光効率を確認することができた。それ故に、転位での遮蔽するエネルギーバリヤの形成は発光効率に好都合に影響することから出発する。というのは、キャリアの再結合は比較的僅かなバンドギャップの領域、すなわち光学的な活性領域においては非常に多く行われるからである。
【００１３】
有利にも発光層の厚さは転位の近傍において他の領域における発光層の厚さの１／２より薄くにまで低減される。
【００１４】
本発明の有利な実施例において、発光層は０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ化合物半導体から形成されている。その際本発明は殊に、インジウムフリーの発光装置に対しても、すなわちｘ＝０に対しても有利に使用可能である。
【００１５】
発光層はｐ型の不純物および／またはｎ型の不純物によってドープされていてよい。有利には発光層は量子膜構造、有利には（有利には真性の）少なくとも１つのＧａＮ量子膜を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子膜構造の真性量子膜である。
【００１６】
転位の近傍にエネルギーバリヤを形成するために転位近傍の層厚を低減して、これにより量子効率を高めるようにするという本発明の基本構想はインジウムフリーな放射放出層において特別有利に使用される。
【００１７】
次に本発明を有利な実施例に基づいて添付図面を参照して詳細に説明する。その際：
図１には本発明の発光装置の実施例の基本構造が略示されており、
図２には図１の発光装置の部分がバンドギャップの対応するエネルギー経過と一緒に拡大されて示されている。
【００１８】
図１に図示の基本構造は発光ダイオード１を示している。しかし本発明は発光装置としてのレーザダイオードにも同様に適用される。
【００１９】
発光ダイオード１は、活性層、すなわと発光層２と、第１のｎ導電型被覆層３およびｐ導電性の第２の被覆層４から成るダブルへテロ構造９を有している。発光層２は０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ化合物半導体から形成されておりかつ殊に、０＜ｙ≦１を有する（すなわちｘ＝０）Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ化合物半導体というＩｎフリー発光ダイオードにも適用される。第１の被覆層３は０＜ｕ≦１を有するＧａ_ｕＡｌ_１−ｕＮ化合物半導体から形成されておりかつ第２の被覆層４は０＜ｖ≦１を有するＧａ_ｖＡｌ_１−ｖＮ化合物半導体から形成されている。化合物半導体の組成は第１の被覆層３においても第２の被覆層４においても発光層２における化合物半導体の組成とは相異している。その際２つの被覆層３および４における化合物半導体の組成は互いに同じであってもいいし、異なっていてもよい。
【００２０】
発光ダイオード１は、ｘが０に近いとき紫外光を放出し、ｘが１に近いとき長波の赤色光まで放出する。０＜ｘ＜０．５の領域において発光ダイオード１は約４５０ないし５５０ｎｍの波長領域の青色ないし黄色光を放出する。
【００２１】
第１および第２の被覆層３および４をｎ型ないしｐ型の不純物でドーピングすることの他に、発光ダイオードの発光効率を改善するために発光層２に対してもｎ型の不純物および／またはｐ型の不純物をドーピングすることができる。ｐ型の不純物として例えば、周期表中の第ＩＩ族のベリリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウムが使用され、その際発光層２に対して亜鉛または殊にマグネシウムが推奨される。ｎ型の不純物として例えば、周表中の第ＩＶ族のシリコン、ゲルマニウムおよび錫または周期表中の第ＶＩ族のイオウ、セレンおよびテルルを使用することができる。
【００２２】
第１の、ｎ導電型の被覆層３は約０，０５ないし１０μｍの層厚を有しておりかつ第２の、ｐ導電型の被覆層４は約０，０５ないし１．５μｍの層厚を有している。発光層２の層厚は有利には約１０オングウトロームないし０．５μｍの領域にある。
【００２３】
図１に示されているように、ダブルへテロ構造９は通例、バッファ層６を介して基板５上に実現されている。基板６として例えばサファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用することができる。約０．００２ないし０．５μｍの層厚を有するバッファ層６に対して例えばＡｌＮ、ＧａＮまたは０＜ｍ＜１であるＧａ_ｍＡｌ_１−ｍＮが利用される。
【００２４】
バッファ層６も第１および第２の被覆層３および４も有利には有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて基板５にデポジットされる。図１に図示されているように、ダブルヘテロ構造９の形成後、第２の被覆層４および発光層２が部分的に腐食除去されて、図１の発光ダイオード１の右半分から読み取ることができるように、第１の被覆層３が露出されるようになる。第１の被覆層３の露出した表面にｎ型電極７が形成され、一方第２の被覆層４の表面にはｐ型の電極８が形成される。
【００２５】
ここで断っておくが本発明は図１に基づいて説明した層形成を有する発光装置のみに適用されるのではない。殊に、バッファ層６と第１の被覆層３との間および／または第２の被覆層４の上に別の化合物半導体層を有して、種々異なっている化合物半導体の個々の接合間の応力を低減できるようにしている発光装置もある。
【００２６】
図１に基づいて説明した発光装置１の構成は基本的には既に公知であるが、本発明の発光装置１は、図２の拡大された部分に示されている特殊性によって特徴付けられている。
【００２７】
上で既に説明したように、発光装置は窒化ガリウムをベースとした化合物半導体に基づいて非常に高い転位密度を有している。この形式の転位は殊に、装置の個々の層２ないし６の異なっている格子定数に基づいて生じる。図２には、転位１０がほぼ垂直に延在している破線によって例示されている。これは２つの被覆層３および４と発光層２を通って延びている。
【００２８】
図２に明らかに示されているように、発光層２の厚さはこの転位１０の近傍においてその他の領域における発光層２の厚さより著しく僅かである、有利には、転位１０の近傍の厚さはその他の領域における発光層２の厚さの１／２より僅かである。図２に示されている例において、発光層２の層厚は約３ｎｍに選択されており、かつ層厚は転位１０の近傍では１ｎｍまで低減されている。
【００２９】
殊にIII族の窒化物のウルツ鉱型構造およびＧａ／Ｉｎ／Ａｌ−窒素結合の強い極性の性質によって生じる、ダブルヘテロ構造９における強い圧電フィールドに基づいて、有効バンドギャップの、発光層２の厚さに対する強い依存性が生じる。場所に関するバンドギャップのこのエネルギー経過は図２においてダブルヘテロ構造９の構成に関連して示されている。ここに図示の例において、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから成る発光層における４２０ｎｍの放出波長において有効バンドギャップの、２５０ｍｅＶだけの拡大によって相応のエネルギーバリヤが形成され、これにより転位が遮蔽される。
【００３０】
このようにして形成されたエネルギーバリヤは、キャリヤが転位の近傍に拡散するのを妨げ、これにより効果的にも転位における電子−ホール対の非放射再結合が阻まれるようにすることができる。キャリアは強制的に、発光層の別の領域、有利には最小のバンドギャップを有する領域において再結合される。キャリアの拡散は室温以上の温度においてすら一層効果的に遮断される。
【００３１】
上で述べたエネルギーバリヤを実現するために、基板５ないしバッファ層６にダブルヘテロ構造９を形成する際に、発光層２の成長が意図して制御される。成長温度、Ｖ／III比、Ｖ／Ｖ、成長速度、キャリアーガス組成、種々異なった種類の表面活性剤（例えばＩｎ，Ｓｉ）の添加等々のような成長条件の変更によって、発光層２の下方に位置している層列３，６から発光層２の領域に続いている転位１０のために、この種の転位１０の周囲において成長変化が生じることになる。この成長変化は例えば、所謂Ｖ欠陥で分かる。これは欠陥個所における低減される成長速度に対する明確な間接証拠である。このような低減された成長速度のために、上に説明したように、転位１０の近傍において発光層２の低減すべき層厚が得られることになる。
【００３２】
発光装置を窒化ガリウムをベースとした化合物半導体のベースに製造するための本発明の方法によって、改善された発光効率を有する発光装置が実現されるので、本発明によれば有利にも、満足できる発光効率を有するインジウムフリー装置も製造することができる。
【００３３】
これまでの研究の結果では、インジウムフリー発光ダイオードはインジウム含有発光ダイオードより著しく僅かな発光効率を有していることが分かっている。このための原因として、圧電フィールドが比較的小さいということと、成長メカニズムが異なっているということが考えられる。この場合、ＩｎＧａＮから成る発光層２は通例７００〜８００℃で製造され、一方ＧａＮおよびＡｌＧａＮから成る発光層２に対して１０００℃を上回る温度が必要であることに注目すべきである。インジウムを含有していない発光ダイオードでは意図的に応力および圧電フィールドが組み込まれるので、他方において本発明による転位１０の近傍の発光層２の比較的僅かな厚さを考慮した成長の意図した制御によって、十分な発光効率を有する発光ダイオードを実現することができる。
【００３４】
図２との関連において具体的に説明したダブルヘテロ構造９の代わりに、有利には、１つまたは場合によっては複数の有利な真性ＧａＮ膜が発光層として設けられておりかつ転位の近傍に比較的僅かな厚さの本発明の領域を有している形式の、シングルまたはマルチのＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子膜構造（有利には真性）が設けられている。ここまでダブルヘテロ構造９に基づいて説明してきたが簡単にするために選ばれた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発光装置の実施例の基本構造の略図
【図２】図１の発光装置の部分をバンドギャップの対応するエネルギー経過と一緒に拡大して示す略図

Claims (32)

1. 発光装置の活性層または活性層列に窒化ガリウムをベースとした少なくとも１つの化合物半導体層（２）を備えているという発光装置を製造するための方法において、
   化合物半導体層（２）の製造の際の成長パラメータを、該化合物半導体層（２）における転位の近傍において少なくとも部分的に、該化合物半導体層中に該化合物半導体層の他の領域よりも僅かな厚さを有している領域が生成されるように調整設定することを特徴とする方法。
2. 次のステップ：
   基板（５）の上に第１の導電型の窒化ガリウムをベースとした化合物半導体から第１の被覆層（３）を形成し、
   該第１の被覆層（３）の上に、化合物半導体層（２）、例えば発光層（２）を有する活性層または活性層列を形成し、
   該発光層（２）の上に第２の導電型の窒化ガリウムをベースとした化合物半導体から成る第２の被覆層（４）を形成し、
   ここで窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層（２）の組成は第１および第２の被覆層（３，４）の化合物半導体の組成とは異なっているを有している請求項１記載の方法。
3. 前記比較的僅かな厚さを有する領域は少なくとも部分的に、化合物半導体層（２）のその他の領域の１／２よりも薄い請求項１または２記載の方法。
4. 化合物半導体層（２）を０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ化合物半導体から形成する請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ｘ＝０である請求項４記載の方法。
6. 発光層（２）はｐ型の不純物および／またはｎ型の不純物によってドーピングされている請求項２から５までの少なくともいずれか１項記載の方法。
7. 第１の被覆層（３）を０＜ｕ≦１を有するＧａ_ｕＡｌ_１−ｕＮ化合物半導体から形成する請求項２から６までの少なくともいずれか１項記載の方法。
8. 第２の被覆層（４）を０＜ｖ≦１を有するＧａ_ｖＡｌ_１−ｖＮ化合物半導体から形成する請求項２から７までの少なくともいずれか１項記載の方法。
9. 第１の被覆層（３）、化合物半導体層（２）および第２の被覆層（４）を基板（５）上にＭＯＣＶＤ法を用いて順次形成する請求項２から８までの少なくともいずれか１項記載の方法。
10. 第１の被覆層（３）の形成の前に基板（５）上にバッファ層（６）を形成する請求項２から９までの少なくともいずれか１項記載の方法。
11. バッファ層（６）を０≦ｍ≦１を有するＧａ_ｍＡｌ_１−ｍＮ化合物半導体から形成する請求項１０記載の方法。
12. 基板（５）は、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛および窒化ガリウムから成る族から選択されている材料から形成されている請求項２から１１までの少なくともいずれか１項記載の方法。
13. 活性の層列は量子膜構造を有している請求項１から１２までの少なくともいずれか１項記載の方法。
14. 量子膜構造は少なくとも１つのＧａＮ量子膜を有している請求項１３記載の方法。
15. 量子膜構造はＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子膜構造である請求項１４記載の方法。
16. 量子膜構造は少なくとも１つのドープされていないＧａＮ量子膜を含んでいる
    請求項１３から１５までの少なくともいずれか１項記載の方法。
17. 化合物半導体層（２）はＧａＮ量子膜によってないし真性のＧａＮ量子膜によって形成されている請求項１３から１６までの少なくともいずれか１項記載の方法。
18. 窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層（２）を有している活性層または層列を備えている窒化ガリウムをベースとした化合物半導体層をベースとした発光装置において、
    装置の量子効率を高めるために、化合物半導体層は転位の近傍において他の領域よりも僅かな厚さを有している領域を有していることを特徴とする装置。
19. 化合物半導体層（２）は、例えば第１の導電型の第１の被覆層（３）と第２の導電型の第２の被覆層（４）との間に配置されている発光層（２）である請求項１８記載の発光装置。
20. 第１の被覆層（３）は窒化ガリウムをベースとしたｎ型の化合物半導体から形成されており、該窒化ガリウムベースの組成は、発光層の化合物半導体の組成とは異なっており、かつ
    第２の被覆層（４）は窒化ガリウムをベースとしたｐ型の化合物半導体から形成されており、該窒化ガリウムベースの組成は、発光層の化合物半導体の組成とは異なっている
    請求項１９記載の発光装置。
21. 前記比較的僅かな厚さを有する領域は少なくとも部分的に、化合物半導体層（２）の他の領域の１／２よりも薄い請求項１８から２０までの少なくともいずれか１項記載の装置。
22. 化合物半導体層（２）は０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ化合物半導体から形成されている請求項１８から２１までのいずれか１項記載の装置。
23. ｘ＝０である請求項２２記載の装置。
24. ０＜ｘ＜０．５およびｙ＝０である請求項２２記載の装置。
25. 化合物半導体層（２）はｐ型の不純物および／またはｎ型の不純物によってドーピングされている請求項１８から２４までの少なくともいずれか１項記載の装置。
26. 第１の被覆層（３）は０＜ｕ≦１を有するＧａ_ｕＡｌ_１−ｕＮ化合物半導体から形成されている請求項１８から２４までの少なくともいずれか１項記載の装置。
27. 第２の被覆層（４）は０＜ｖ≦１を有するＧａ_ｖＡｌ_１−ｖＮ化合物半導体から形成されている請求項１９から２５までの少なくともいずれか１項記載の装置。
28. 活性の層列は量子膜構造を有している請求項１８から２７までの少なくともいずれか１項記載の装置。
29. 量子膜構造は少なくとも１つのＧａＮ量子膜を有している請求項２８記載の装置。
30. 量子膜構造はＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子膜構造である請求項２８記載の装置。
31. 量子膜構造は少なくとも１つの真性のＧａＮ量子膜を有している請求項２８から３０までの少なくともいずれか１項記載の装置。
32. 化合物半導体層（２）はＧａＮ量子膜ないし真性ＧａＮ量子膜によって形成されている請求項２８から３１までの少なくともいずれか１項記載の装置。

Images