JP2007088270A - 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、前記発光層を、量子井戸が深く、多くの電子を蓄積できるＩｎＧａＮ（井戸層）／ＡｌＩｎＧａＮ（障壁層）の多重量子井戸構造で形成し、それに適応したエレクトロン・ストッパー層１５を設ける。
【解決手段】 発光層１４の内、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇがＡｌ_０．３Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．５８Ｎ層から成り、井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃがＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層から成り、エレクトロン・ブロッキング層１５をＡｌ_０．４Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．５Ｎ層で形成する。したがって、エレクトロン・ブロッキング層１５をＡｌＧａＮで作成する場合に比べて格段に低温で形成することができ、ＩｎＧａＮから成る井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃと成膜温度を近付け、良好な膜質が得られ、更なる発光効率の向上を実現できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子、およびそれを用いる照明装置ならびにその半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ。）を用いて、その中に発光層（活性層）として多重量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この多重量子井戸で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体固体発光素子の発展が目覚しい。

そのような半導体発光素子の代表例として、非特許文献１が挙げられる。その従来技術によれば、紫色から青色で発光する半導体発光素子において、前記発光層の構成を、井戸層をＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、障壁層をＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８１Ｎとして、深い量子井戸を形成するものの試作が報告されている。この文献による従来例を図３および図４に示す。図３はその従来技術による半導体発光素子の断面図であり、図４は半導体層におけるエネルギーバンド図である。図４では、簡単のために、バンドオフセットは省略してある。この従来技術では、すべての条件が記載されていないために、不明な箇所は推測することとする。

ＭＯＣＶＤを用いて、サファイア基板１上にバッファ層２を形成し、その後、Ｓｉドープした厚み３μｍのｎ型ＧａＮ層３を形成し、その上に発光層４、エレクトロン・ブロッキング層５を形成し、その上にｐ型ＧａＮ層６を形成してエピタキシャル層を完成させている。その後は、公知となっている技術を用いて、ｐ型電極７およびｎ型電極８を形成して該半導体発光素子を完成する。ただし、この従来技術には、電極形成までは記載していないので、従来例の姿として妥当な形を推測により補っている。

そして、この従来技術では、発光層４は、３つの井戸層４ａ，４ｂ，４ｃおよびそれを挟み込む障壁層４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇから構成されており、上述のように、井戸層４ａ，４ｂ，４ｃはＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、障壁層４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇはＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８１Ｎによって形成されている。また、発光層４からｐ型ＧａＮ層６への電子のリークを防ぐエレクトロン・ブロッキング層５は、ＡｌＧａＮから形成されている。

このように発光層４をＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮで形成することで、ＩｎＧａＮの井戸層４ａ，４ｂ，４ｃの室温でのバンドギャップは２．７〜３．０ｅＶ、ＡｌＩｎＧａＮの障壁層４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇの室温でのバンドギャップは３．４〜３．５ｅＶと、従来のＩｎＧａＮ／ＧａＮの発光層よりも深い量子井戸を形成し（ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶ）、電子を多く蓄積して発光量を向上させている。
M.Shatalov etal, Appl. Phys. Lett. 78, 817 (2001)

しかしながら、上述の従来技術では、電子移動度が大きいことに起因するｐ型ＧａＮ層６への電子のリークを防止するために設けるエレクトロン・ブロッキング層５として、ＡｌＩｎＧａＮの障壁層４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇより大きなバンドギャップが必要であり、明確には言明されてはいないが、同文献では、ＡｌＧａＮを用いていると考えられる（ＡｌＧａＮのバンドギャップは３．８ｅＶ）。これは、同文献のｐ８１７の右下から１１行目に、”without top p-GaN and the AlGaN electron-blocking layers.”との技術があるからである。

しかしながら、同文献のｐ８１７の左下から１２行目にあるように、ＡｌＧａＮはＩｎＧａＮを井戸層に用いる限り、ＩｎＧａＮの解離を防止するために、７５０〜８５０℃で形成しなければならず、これがヘテロ接合の品質を落とし、発光効率を劣化させるという問題がある。すなわち、ＡｌＩｎＧａＮに比べてＡｌが多いＡｌＧａＮでは、好ましい成膜温度が１０００℃以上と高く、それでＡｌＩｎＧａＮのバンドギャップ、たとえば前記３．５ｅＶに対して大きな、たとえば３．８ｅＶのバンドギャップを得ることができるのに対して、上記のように成膜温度を低下すると、バンドギャップは、たとえば３．６ｅＶ程度しか得ることができなくなってしまう。

本発明の目的は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの利点を活かしながら、膜質の良いエレクトロン・ブロッキング層を有する半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、前記発光層とｐ型窒化物半導体層との間にエレクトロン・ブロッキング層を備え、多重量子井戸構造から成る前記発光層の井戸層がＩｎＧａＮ、障壁層および前記エレクトロン・ブロッキング層がＡｌＩｎＧａＮから成り、前記障壁層のバンドギャップはＧａＮのバンドギャップよりも大きく、かつ前記エレクトロン・ブロッキング層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子の製造方法において、１０００±ｚ１℃で前記基板上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、温度を低下し、８００±ｚ２℃で、多重量子井戸構造から成る前記発光層の障壁層をＡｌＩｎＧａＮで形成し、８００±ｚ３℃の温度で、井戸層をＩｎＧａＮで形成する工程を前記障壁層と井戸層との組数回繰返す工程と、前記８００±ｚ２℃の温度で、エレクトロン・ブロッキング層をＡｌＩｎＧａＮで形成する工程と、温度を上昇し、前記１０００±ｚ１℃で前記ｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、前記発光層とｐ型窒化物半導体層との間に、電子のｐ型窒化物半導体層への流入を阻止することで発光効率を高めるためのエレクトロン・ブロッキング層を設け、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から成る発光層の井戸層をＩｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１＜１）で形成し、発光層の障壁層をＡｌ_ｙ２Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｎ（０＜ｘ２＜１，０＜ｙ２＜１）の４元元素で形成し、同様に前記エレクトロン・ブロッキング層をＡｌ_ｙ３Ｉｎ_ｘ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０＜ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）の４元元素で形成する。そして、前記障壁層のバンドギャップはＧａＮのバンドギャップよりも大きく、かつ前記エレクトロン・ブロッキング層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップよりも大きい。

そして、そのようなバンドギャップを実現するにあたって、ＡｌＩｎＧａＮのＡｌの量でバンドギャップを調整でき（Ａｌを多くすることでバンドギャップを大きくできる）、またＧａＮよりもＩｎＧａＮの方が低温でＡｌを加えることができる。

したがって、エレクトロン・ブロッキング層は、ＡｌＧａＮに近い高さのバンドギャップを有し、発光層からｐ層への電子のリークを防止して注入効率を高めることができる。また、前記エレクトロン・ブロッキング層はＡｌＧａＮより格段に低温で形成することができ、ＩｎＧａＮから成る井戸層と成膜温度を近付け、界面や層内部に欠陥もしくは不純物準位の少ない膜質の良いエレクトロン・ブロッキング層を形成することができ、更なる発光効率の向上を実現することができる。すなわち、量子井戸が深く、多くの電子を蓄積できるというＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ発光層（活性層）の利点を活かしながら、膜質の良いエレクトロン・ブロッキング層を提供して、発光効率の更なる向上を実現できる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記井戸層がＩｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１＜１）から成り、前記障壁層がＡｌ_ｙ２Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｎ（０＜ｘ２＜１，０＜ｙ２＜１）から成り、前記エレクトロン・ブロッキング層がＡｌ_ｙ３Ｉｎ_ｘ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０＜ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）から成り、ｘ１＝０．１５、ｘ２＝０．１２、ｙ２＝０．３、ｘ３＝０．１、ｙ３＝０．４であることを特徴とする。

上記の構成によれば、量子井戸を深くして大きな注入電流を得ることができ、かつエレクトロン・ブロッキング層のバンドギャップも大きくしてリーク電流を抑えることができるとともに、成膜温度を８００℃前後の比較的近い値に設定することができ、良好な膜質を得ることもできる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記発光層による中心発光波長が、３８０ｎｍ以上、４７０ｎｍ以下であることを特徴とする。

上記の構成によれば、上記の波長域はＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの発光層（活性層）の発光効率が高い波長域であり、その波長域内で、所望とするバンドギャップを得ることができる組成とすることが望ましい。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、照明装置では、蛍光体を調整することで所望の演色性を得ることができ、効率のよい励起光が要求されるので、上述のような発光効率の高い半導体発光素子を用いることは、特に照明装置に好適である。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、前記発光層とｐ型窒化物半導体層との間に、電子のｐ型窒化物半導体層への流入を阻止することで発光効率を高めるためのエレクトロン・ブロッキング層を設け、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から成る発光層の井戸層をＩｎＧａＮで形成し、発光層の障壁層をＡｌＩｎＧａＮの４元元素で形成し、同様に前記エレクトロン・ブロッキング層をＡｌＩｎＧａＮの４元元素で形成する。

それゆえ、エレクトロン・ブロッキング層は、ＡｌＧａＮに近い高さのバンドギャップを有し、発光層からｐ層への電子のリークを防止して注入効率を高めることができる。また、前記エレクトロン・ブロッキング層はＡｌＧａＮより格段に低温で形成することができ、ＩｎＧａＮから成る井戸層と成膜温度を近付け、界面や層内部に欠陥もしくは不純物準位の少ない膜質の良いエレクトロン・ブロッキング層を形成することができ、更なる発光効率の向上を実現することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。

それゆえ、効率のよい励起光が要求される照明装置に、上述の半導体発光素子を用いることは、特に好適である。

図１は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の断面図である。本発明の半導体発光素子の基本構造は、前述の図３で示す半導体発光素子と同様であり、以下にその構造を説明する。サファイア基板１１上には、バッファ層１２、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１４、エレクトロン・ブロッキング層１５およびｐ型ＧａＮ層１６が順に積層され、エピタキシャル層が完成される。その後、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８が形成される。前記発光層１４は、３つの井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃおよびそれを挟み込む障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇから構成されている。

注目すべきは、本発明では、前記エレクトロン・ブロッキング層１５の組成が図３で示す半導体発光素子と異なり、その成膜温度も異なることである。具体的には、井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃはＩｎＧａＮから成り、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇはＡｌＩｎＧａＮから成り、エレクトロン・ブロッキング層１５が、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇと同様のＡｌＩｎＧａＮから成ることである。たとえば、前記井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃはＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎから成り、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇはＡｌ_０．３Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．５８Ｎから成り、エレクトロン・ブロッキング層１５はＡｌ_０．４Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．５Ｎから成る。これは、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇとエレクトロン・ブロッキング層１５とにおいて、所望のバンドギャップを実現するにあたって、それらをＡｌＩｎＧａＮで作成すると、Ａｌの量でバンドギャップを調整でき（Ａｌを多くすることでバンドギャップを大きくできる）、またＧａＮよりもＩｎＧａＮの方が低温でＡｌを加えることができるためである。

以下に、上述のように構成される半導体発光素子の結晶成長方法を説明する。成長に用いるガスは、キャリアガスとして、水素ガス（Ｈ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、成長に係わるガスとして、アンモニア（ＮＨ_３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）、トリメチルインジウム、（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）、シラン（ＳｉＨ_４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ_５Ｈ_５）_２）である。

先ず、サファイア基板１１を有機および酸溶液にて洗浄を行う。そして、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、７６Ｔｏｒｒの減圧雰囲気下で、５５０℃で３０ｎｍのＧａＮバッファ層１２を形成し、その後、１０００±ｚ１℃、たとえばｚ１＝＋２０の１０２０℃に昇温して、Ｓｉをドープしながらｎ型ＧａＮ層１３を３μｍ堆積する。これらの技術はすでに周知の事柄であり、詳細は省略する。

その後、温度を８００±ｚ２℃、たとえばｚ２＝＋４０の８４０℃に降温し、材料ガスとして、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびトリメチルアルミニウムを、それぞれインジウムの組成比が１２％、アルミニウムの組成比が３０％、ガリウムの組成比が５８％になるように流量比を選んで流し、発光層１４内の１番目の障壁層１４ｄとなる前記Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．５８Ｎ層を厚さ約５ｎｍ形成する。続いて、温度を８００±ｚ３℃、たとえばｚ３＝−５０の７５０℃に降温し、障壁層形成の場合と同様に、それぞれのガス流量比を選んで、インジウムの組成比が１５％、ガリウムの組成比が８５％になる条件で、発光層１４内の１番目の井戸層１４ａとなる前記Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層を厚さ約３ｎｍ形成する。以下同様に、２番目の障壁層１４ｅおよび井戸層１４ｂ、３番目の障壁層１４ｆおよび井戸層１４ｃ、ならびに４番目の障壁層１４ｇを形成する。

この後に、障壁層１４ｇの温度８００±ｚ２℃の８４０℃に保ったまま、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびトリメチルアルミニウムのそれぞれのガス流量比を変えて、インジウムの組成比が１０％、アルミニウムの組成比が４０％、ガリウムの組成比が５０％になるようにし、前記エレクトロン・ブロッキング層１５となる前記Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．５Ｎ層を厚さ約２０ｎｍ形成する。

その後は、前記１０００±ｚ１℃の１０２０℃に昇温して、Ｍｇをドープしながら、ｐ型ＧａＮ層１６を形成してエピウェハの作成を終了し、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８を形成するのであるが、これも従来から周知の手法であるので、詳細は省略する。こうして、本発明の半導体発光素子が完成する。

図２は、上述のように作成された本発明の半導体発光素子の半導体層におけるエネルギーバンド図である。簡単のため、バンドオフセットは省略している。ｎ型ＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１６のバンドギャップは、室温で３．４ｅＶである。前記発光層１４の内、障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇは前記Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．５８Ｎ層から成り、バンドギャップは室温で３．５ｅＶと、ＧａＮ層１３，１６より高い障壁を実現しており、したがって量子井戸の深さは従来例のＩｎＧａＮ／ＧａＮよりも深く、キャリアの蓄積量も多くできる。

一方、井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃは前記Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層から成り、室温でのバンドギャップは３．０ｅＶで、該井戸層１４ａ，１４ｂ，１４ｃで発光再結合により発光される光の波長は、４１０ｎｍの紫色である。エレクトロン・ブロッキング層１５は、前記Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．５Ｎ層から成り、室温でのバンドギャップは３．８ｅＶと障壁層１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇよりも高く、電子のｐ型ＧａＮ層１６へのリークを止めるには充分な高さである。

ここで、従来例のＡｌＧａＮで同様な高さのバンドギャップを有するエレクトロン・ブロッキング層５を形成するためには、Ａｌ組成１４％、Ｇａ組成８６％のＡｌ_０．１４Ｇａ_０８６Ｎを１１００℃で堆積する必要があり、発光層４の解離を防ぐためには、前述したように、この最適なＡｌ_０．１４Ｇａ_０８６Ｎ形成条件よりかなり低温で形成しなければならない。（７５０〜８５０℃）。

したがって、本発明のエレクトロン・ブロッキング層１５は、格段に低温で形成でき、発光層１４の膜質も該エレクトロン・ブロッキング層１５の膜質も共に高品質に保ちながら、素子の形成が可能なことが理解される。このようにして、量子井戸が深く、多くの電子を蓄積できるというＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの発光層１４の利点を活かしながら、膜質の良いエレクトロン・ブロッキング層１５を提供して、発光効率の更なる向上を実現できる。

また、ＡｌとＩｎとの２つのパラメータｘ，ｙを調整することで、前記発光層１４の中心発光波長およびバンドギャップを容易に変化させることができ、前記中心発光波長を３８０ｎｍ以上、４７０ｎｍ以下とすることで、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮから成る発光層１４の発光効率を高くすることができる。

さらにまた、半導体発光素子を用いる照明装置では、蛍光体を調整することで所望の演色性を得ることができ、効率のよい励起光が要求されるので、上述のような発光効率の高い半導体発光素子を用いることは、特に照明装置に好適である。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の断面図である。 本発明の半導体発光素子によるエネルギーバンド図である。 従来技術の半導体発光素子の断面図である。 従来技術の半導体発光素子によるエネルギーバンド図である。

符号の説明

１１ サファイア基板
１２ バッファ層
１３ ｎ型ＧａＮ層
１４ 発光層
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 井戸層
１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ 障壁層
１５ エレクトロン・ブロッキング層
１６ ｐ型ＧａＮ層
１７ ｐ型電極
１８ ｎ型電極

Claims (5)

1. 基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、
   前記発光層とｐ型窒化物半導体層との間にエレクトロン・ブロッキング層を備え、
   多重量子井戸構造から成る前記発光層の井戸層がＩｎＧａＮ、障壁層および前記エレクトロン・ブロッキング層がＡｌＩｎＧａＮから成り、前記障壁層のバンドギャップはＧａＮのバンドギャップよりも大きく、かつ前記エレクトロン・ブロッキング層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記井戸層がＩｎ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１＜１）から成り、前記障壁層がＡｌ_ｙ２Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｎ（０＜ｘ２＜１，０＜ｙ２＜１）から成り、前記エレクトロン・ブロッキング層がＡｌ_ｙ３Ｉｎ_ｘ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０＜ｘ３＜１，０＜ｙ３＜１）から成り、ｘ１＝０．１５、ｘ２＝０．１２、ｙ２＝０．３、ｘ３＝０．１、ｙ３＝０．４であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記発光層による中心発光波長が、３８０ｎｍ以上、４７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記請求項２または３記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
5. 基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層して成る半導体発光素子の製造方法において、
   １０００±ｚ１℃で前記基板上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
   温度を低下し、８００±ｚ２℃で、多重量子井戸構造から成る前記発光層の障壁層をＡｌＩｎＧａＮで形成し、８００±ｚ３℃の温度で、井戸層をＩｎＧａＮで形成する工程を前記障壁層と井戸層との組数回繰返す工程と、
   前記８００±ｚ２℃の温度で、エレクトロン・ブロッキング層をＡｌＩｎＧａＮで形成する工程と、
   温度を上昇し、前記１０００±ｚ１℃で前記ｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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