JP2009224370A

JP2009224370A - 窒化物半導体デバイス

Info

Publication number: JP2009224370A
Application number: JP2008064071A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Ito; 範和伊藤; 真也 ▲高▼堂; Masaya Takado; Toshio Nishida; 敏夫西田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】結晶性の優れた活性層を有し、発光効率の高い窒化物半導体デバイスを提供する。
【解決手段】基板１０と、基板１０上に設けられたｎ型の第１半導体層２と、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層３２、井戸層３２を挟むように設けられた障壁層３４、井戸層３２と接している面と対向する障壁層３４の面側で障壁層３４によって挟まれて設けられ、不純物がドープされたＡｌＧａＮバリア層３６を備える活性層３０と、活性層３０上に設けられたｐ型の第２半導体層５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体デバイスに関し、特に発光ダイオード等の半導体発光デバイスである窒化物半導体デバイスに関する。

従来より発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光デバイスの材料として、窒化物半導体は注目されている。従来のダブルへテロ構造のＬＤデバイスとしては、例えば、サファイア等の基板と、基板上に設けられた窒化ガリウム（ＧａＮ）のｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に設けられたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられたＧａＮ又は窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）のｎ型ガイド層と、ｎ型ガイド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型電子ブロック層と、ｐ型電子ブロック層上に設けられたＧａＮ又はＩｎＧａＮのｐ型ガイド層と、ｐ型ガイド層上に設けられたｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上に設けられたＡｌＧａＮのｐ型コンタクト層とを備えるものがある。従来のＬＤの構造としては、光とキャリアとを別々に閉じこめる分離閉じ込め型構造が用いられることが多い（例えば、特許文献１，２参照）。

従来のＬＤデバイスにおいては、活性層の上下には層厚の厚いＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層が配置されているので、インジウム（Ｉｎ）を含む活性層の井戸層との格子定数差に起因する歪みが入ってしまい、結晶性の優れた活性層を作製するための障害となっている。

また、Ｉｎ組成比の高い井戸層とＡｌＧａＮ層が接していると局所的に引っ張り応力と圧縮応力が発生して、それらの相乗効果で結晶格子結合を崩す応力として働いて結晶性が悪くなってしまう。

また、長波長発光の活性層を作製する際にはＩｎＧａＮの井戸層のＩｎ組成比を上げる必要があるが、Ｉｎ組成比を上げると格子定数差が更に大きくなり、歪みが増大し、結晶性が悪くなる傾向がある。
特開平９−１４８６７８号公報特開２００２−３７４０４４号公報

本発明は、結晶性の優れた活性層を有し、発光効率の高い窒化物半導体デバイスを提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、インジウムを含む窒化物半導体の井戸層、井戸層を挟むように設けられた障壁層、井戸層と接している面と対向する障壁層の面側で障壁層によって挟まれて設けられ、不純物がドープされたＡｌＧａＮバリア層を備える活性層と、活性層上に設けられた第２導電型の第２半導体層とを備えることを特徴とする窒化物半導体デバイスであることを要旨とする。

本発明によれば、結晶性の優れた活性層を有し、発光効率の高い窒化物半導体デバイスを提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスはＬＤデバイスであり、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に設けられたｎ型（第１導電型）の第１半導体層２と、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層３２、井戸層３２を挟むように設けられた障壁層３４、井戸層３２と接している面と対向する障壁層３４の面側で障壁層３４によって挟まれて設けられ、不純物がドープされたＡｌＧａＮバリア層３６を備える活性層３０と、活性層３０上に設けられたｐ型（第２導電型）の第２半導体層５とを備える。実施の形態に係る窒化物半導体デバイスは、更に、第１半導体層２に電圧を印加する第１電極（カソード電極）６０と、第２半導体層５に電圧を印加する第２電極（アノード電極）６２を備える。

基板１０は、基板１０上にエピタキシャル成長させる第１半導体層２、活性層３０及び第２半導体層５等の半導体層をエピタキシャル成長させるための機械的支持基板としての機能を有する。基板１０としては、エピタキシャル成長させる半導体層を欠陥のない晶癖で形成することができるものであればよく、例えば、サファイヤ基板及びＧａＮ基板等を用いることができる。

第１半導体層２は、第１コンタクト層２０と、第１クラッド層２２と、第１ガイド層２４とが基板１０上に順に積層されている。

第１コンタクト層２０は、例えば、ｎ型のドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ型ＧａＮ層等の窒化物半導体で形成される。第１コンタクト層２０は、一部領域がメサエッチングにより露出され、露出された箇所に第１電極６０が配置されている。

第１クラッド層２２は、例えば、ｎ型のドーパントとしてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層及びｎ型ＡｌＧａN層等の窒化物半導体で形成される。第１クラッド層２２は、活性層３０から発せられる光を閉じこめる機能を有し、第１ガイド層２４のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。

第１ガイド層２４は、例えば、ｎ型のドーパントとしてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層及びｎ型ＩｎＧａN層等の窒化物半導体で形成される。第１ガイド層２４は、活性層３０内の光密度を調整する機能を有し、活性層３０のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。

活性層３０は、第１半導体層２から供給される電子と第２半導体層５から供給される正孔が再結合し光を発生する。活性層３０は、図１（ｂ）に示すように、井戸層３２を障壁層３４でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造をしている。なお、図１（ｂ）で示した量子井戸構造は、井戸層３２が多重化された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）である。ＭＱＷである活性層３０は、井戸層３２と障壁層３４が交互に２〜１０ペア積層された構造とすることができる。そして、多重化された井戸層３２と隣接する障壁層３４は、井戸層３２と接している面と対向する面側でＡｌＧａＮバリア層３６を挟む構造となっている。

ＭＱＷの活性層３０は、図２に示すような、エネルギーバンド図となる。図２において、縦軸がエネルギーレベルを示し、横軸が基板１０からの成長方向を示す。井戸層３２は、Ｉｎを含むＩｎＧａＮ等の窒化物半導体で形成される。障壁層３４は、図２に示すように、井戸層３２よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。障壁層３４は、ＩｎＧａＮ又はＧａＮ等の窒化物半導体で形成される。また、ＡｌＧａＮバリア層３６は、ＡｌＧａＮで形成される。ＡｌＧａＮバリア層３６は、図２に示すように、障壁層３４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。ＡｌＧａＮバリア層３６は、Ｓｉ等の不純物をドープした材料又は不純物がドープされていないノンドープの材料で形成される。ＡｌＧａＮバリア層３６の膜厚は、３０〜１００オングストロームであることが好ましい。

第２半導体層５は、キャリアブロック層５０と、第２ガイド層５２と、第２クラッド層５４と、第２コンタクト層５６とが活性層３０上に順に積層されている。

キャリアブロック層５０は、第１半導体層２から電子が活性層３０を通り抜けて第２ガイド層５２及び第２クラッド層５４まで到達するのを防ぐものである。電子が第２ガイド層５２及び第２クラッド層５４まで到達すると、電子は第２ガイド層５２及び第２クラッド層５４での欠陥準位に捕捉されて、第２ガイド層５２及び第２クラッド層５４の結晶に過剰にエネルギーが与えられて欠陥の増殖を招いてしまうので好ましくない。キャリアブロック層５０は、活性層３０の井戸層３２よりもバンドキャップが大きく、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層等の窒化物半導体で形成される。

第２ガイド層５２は、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ等により形成される。第２ガイド層５２は、活性層３０内の光密度を調整する機能を有し、活性層３０のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。

第２クラッド層５４は、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＩｎＧａN層等の窒化物半導体で形成される。第２クラッド層５４は、活性層３０から発せられる光を閉じこめる機能を有し、第２ガイド層５２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。

第２コンタクト層５６は、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層等の窒化物半導体で形成される。第２コンタクト層５６上には、電流狭窄層５８を設けることが好ましい。電流狭窄層５８は、電流を閉じ込める機能により、活性層３０に注入される電流を狭窄し、活性層３０での電流密度を上昇させることができる。電流狭窄層５８に用いる材料としては、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）等の絶縁性材料を用いることができる。

第１電極６０は、例えばＡｌ等の金属からなり、第２電極６２は、例えばパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金からなる。そして、第１電極６０は第１コンタクト層２０に、第２電極６２は第２コンタクト層５６に、それぞれオーミック接続される。

以下に、実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を説明する。

まず、ＧａＮの単結晶からなり、約３００μｍの厚みの基板１０を用意する。そして、用意した基板１０の表面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、第１半導体層２、活性層３０及び第２半導体層５等の半導体層をエピタキシャル成長させていく。具体的には、基板１０をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室に導入し、加熱及び回転可能なサセプタ上に配置する。尚、処理室内は、１／１０気圧〜常圧になるように、処理室内の雰囲気が排気されている。

次に、基板１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃に設定した後、キャリアガスによりアンモニアガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びシランを処理室に供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮ層からなる第１コンタクト層２０を基板１０の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、アンモニアガス、ＴＭＧガス、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びシランを処理室に供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１クラッド層２２を第１コンタクト層２０の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、シランガスの濃度を調整して、アンモニアガス、ＴＭＧガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス及びシランを処理室に供給することで、Ｓｉがドープされたｎ型ＩｎＧａＮ層からなる第１ガイド層２４を第１クラッド層２２の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、基板１０の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、第１ガイド層２４上に活性層３０を形成する。具体的には、キャリアガスによりアンモニアガス及びＴＭＧガスを処理室内に供給して、ノンドープのＧａＮ層からなる障壁層３４をエピタキシャル成長させる。そして、キャリアガスによってアンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス及びＳｉＨ₄ガスを処理室に供給して、障壁層３４上にＳｉがドープされたＡｌＧａＮバリア層３６を成長させる。また、キャリアガスによってアンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩガスを供給して、ノンドープのＩｎＧａＮ層からなる井戸層３２をエピタキシャル成長させる。そして、上述した方法により障壁層３４、井戸層３２、ＡｌＧａＮバリア層３６を規則に従って所望の回数形成することによって、活性層３０を形成する。

次に、基板１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温した後、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）ガスを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるキャリアブロック層５０を活性層３０上にエピタキシャル成長させる。

次に、基板１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保った状態で、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス及びＣｐ₂Ｍｇガスを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層からなる第２ガイド層５２をキャリアブロック層５０上にエピタキシャル成長させる。

次に、アンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩガス及びＣｐ₂Ｍｇガスを処理室に供給して、Ｍｇがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層からなる第２クラッド層５４を第２ガイド層５２の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、Ｃｐ₂Ｍｇガスの濃度を調整して、アンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩガス及びＣｐ₂Ｍｇガスを処理室に供給することで、Ｍｇがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層からなる第２コンタクト層５６を第２クラッド層５４の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、第２半導体層５上にレジストを所望のパターンに形成して、第１半導体層２、活性層３０及び第２半導体層５をエッチングすることにより、第１半導体層２０一部領域がメサエッチングされて電極面が露出する。そして、露出された電極面において、抵抗加熱法または電子ビーム法等の真空蒸着法によりＴｉ層及びＡｌ層を順に積層して第１電極６０を形成する。また、第２コンタクト層５６上には、電流狭窄層５８を所望の形状に配置した後に、Ａｌよりなる第２電極６２を形成する。

本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスによれば、ＡｌＧａＮバリア層３６が障壁層３４に挟まれて配置される構造となっているので、Ｉｎを含む活性層３０の平均の格子定数を、活性層３０の上下に配置されるＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層の格子定数に近づけることができる。つまり、Ｉｎを含む活性層３０は、ＡｌＧａＮバリア層３６を有することによって、上下に配置される層との格子定数差に起因する歪みを抑制することができるので、結晶性の優れた活性層３０となり、発光効率の高い窒化物半導体デバイスとすることができる。

更に、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスによれば、ＡｌＧａＮバリア層３６が障壁層３４に挟まれて配置される構造となっているので、ＡｌＧａＮバリア層３６は井戸層３２と直接接触しない。よって、ＡｌＧａＮバリア層３６とＩｎ組成比の高い井戸層３２との間において、局所的に引っ張り応力と圧縮応力が発生することない。したがって、結晶格子結合を崩す応力が井戸層３２で発生しないので、結晶性の優れた活性層３０となり、発光効率の高い窒化物半導体デバイスとすることができる。

更に、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスによれば、ＡｌＧａＮバリア層３６が障壁層３４に挟まれて配置される構造となっているので、ＡｌＧａＮバリア層３６は井戸層３２と直接接触しない。よって、ＡｌＧａＮバリア層３６は井戸層３２と直接接触しないので、ＡｌＧａＮバリア層３６と井戸層３２との間において、井戸層３２のＩｎ組成比を上げても格子定数差が影響を与えることはない。したがって、結晶格子結合を崩す応力が井戸層３２で発生しないので、結晶性の優れた活性層３０となり、発光効率の高い窒化物半導体デバイスとすることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施の形態においては、ＬＤデバイスの一例を参照しながら説明したが、ＬＥＤデバイスも基本的にはＬＤデバイスと実質的に同様な構造をしているので、ＬＥＤデバイスであっても構わない。

また、実施の形態において、図２で示した量子井戸構造は、井戸層３２が多重化されたＭＱＷであるが、井戸層３２が多重化してなく１つの単一量子井戸構造（ＳＱＷ）であってもよい。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの模式的断面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの活性層の模式的断面図である。本発明の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの活性層のエネルギーバンド概略図である。

符号の説明

２…第１半導体層
５…第２半導体層
１０…基板
２０…第１コンタクト層
２２…第１クラッド層
２４…第１ガイド層
３０…活性層
３２…井戸層
３４…障壁層
３６…ＡｌＧａＮバリア層
５０…キャリアブロック層
５２…第２ガイド層
５４…第２クラッド層
５６…第２コンタクト層
５８…電流狭窄層
６０…第１電極
６２…第２電極

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、
インジウムを含む窒化物半導体の井戸層、前記井戸層を挟むように設けられた障壁層、前記井戸層と接している面と対向する前記障壁層の面側で前記障壁層によって挟まれて設けられ、不純物がドープされたＡｌＧａＮバリア層を備える活性層と、
前記活性層上に設けられた第２導電型の第２半導体層
とを備えることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
前記第１半導体層は、第１コンタクト層と、第１クラッド層と、第１ガイド層とが前記基板上に順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
前記第２半導体層は、キャリアブロック層と、第２ガイド層と、第２クラッド層と、第２コンタクト層とが前記活性層上に順に積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイス。
前記ＡｌＧａＮバリア層の膜厚は、３０〜１００オングストロームであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
前記ＡｌＧａＮバリア層にドープした不純物は、シリコンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。