JP2995186B1

JP2995186B1 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2995186B1
Application number: JP37346598A
Authority: JP
Inventors: 栄雄山口; 勇赤▲崎▼; 浩天野
Original assignee: 日本学術振興会; 学校法人名城大学
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000196146A

Abstract

【要約】【課題】 III 族窒化物半導体を用いて紫外および可視
短波長領域から赤外領域で発光する発光素子を実現する
ための素子構造を提供することにある。【解決手段】本発明による発光素子は、絶縁性基板を
サファイア基板で構成し、このサファイア基板の層形成
させるべき面を（０００１）ｃ面とし、このサファイア
基板のｃ面上に第１導電型のＡｌＮの緩衝層を介して第
１導電型のＧａＮＳｉ層の第１のクラッド層をエピタキ
シャル成長し、形成された際１のクラッド層上に単結晶
の｛ＩｎＮまたは（およびＧａ_1-xＩｎ_xＮまたはＡｌ
_1-xＩｎ_xＮ）｝の真性活性層ＩｎＮをＭＯＶＰＥ法に
より形成し、また第１のクラッド層上に金属電極を形成
し、この真性活性層上に第２導電型のキャップ層を形成
し、このキャップ層上にＭｇを添加した第２導電型のＡ
ｌＧａＮ層を光閉じ込め層として形成し、この層上にＭ
ｇを添加した第２導電型の第２のクラッド層、ＧａＮ層
を形成し、この半導体層上に金属電極を形成することを
特徴とする。これにより、燐および砒素等の有毒元素を
含まない長波長発光素子が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層としてII
I 族窒化物半導体を用いた高効率発光素子に関するもの
であり、半導体レーザやＬＥＤのようなデバイスに使用
する発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、III 族窒化物半導体を用いた発光
素子は紫色から緑色まで実用化している。長波長の黄色
から橙色までは、効率が不十分であり実用化には至って
いない。さらに長波長の赤色から赤外にかけては、Ｖ族
元素として燐や砒素を用いた例を除けば実現した例はな
い。

【０００３】しかしながら、よく知られているように、
燐や砒素を含む原料ガスは猛毒の物が多く危険であり、
またその処理や廃棄に関しても有害物質が生成され問題
が多い。一方、窒素は空気の主成分であり、窒素を含む
原料ガス、主にアンモニアは燐や砒素を含む原料ガスと
比較すると毒性は極めて低い。さらに処理方法に関して
も、触媒を用いた分解等により、毒性の無い窒素と水素
に分解することができる。即ち、III 族窒化物半導体を
用いた発光素子は、その作成方法まで含めて考えると、
「地球環境にやさしい半導体デバイス」ということがで
きる。その意味において、燐や砒素を含まないIII 族窒
化物半導体だけで構成される発光素子の実現が強く望ま
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、窒化
物半導体材料は人体に対する有害性が他の半導体材料に
比べて低い利点がある。しかしながら、全ての半導体層
を窒化物半導体材料で構成する場合、クラッド層及び活
性層を構成する半導体材料の選択範囲が極めて狭い範囲
に制限される不都合がある。例えば、クラッド層として
窒化ガリウムを用い活性層の材料として窒化インジウム
を用いる発光デバイスは、適切な長波長の発光波長が得
られるが、表１に示すように、窒化ガリウムと窒化イン
ジウムとの間の格子定数差が大きい不具合があった。

【０００５】即ち、例えばＧａＮとＩｎＮは表１に示す
ように格子定数差が１１％存在し、活性層中のＩｎＮ分
率が高くなるほど格子定数の整合性が低くなる。そのた
め転位による欠陥の発生頻度が高くなり、活性層として
必要な高品質結晶の作製は困難になる。また、ＩｎＮの
分解温度が他のＧａＮやＡｌＮと比較して低く、ＩｎＮ
自身の作製が容易でないことも、活性層への応用が困難
な理由の一つであった。

【０００６】

【表１】

【０００７】従って、本発明の目的は、従来のような燐
や砒素の化合物を使用せずに、III族窒化物半導体を用
いて紫外および可視短波長領域から赤外領域で発光する
発光素子を製造するに当たり、活性層とクラッド層との
間の格子定数差が大きくても転位等の欠陥が生じない半
導体発光デバイス及びその製造方法を実現することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、単結晶構造の絶縁性基板と、この
絶縁性基板の上側に形成した第１導電型のＧａＮの第１
のクラッド層と、この第１のクラッド層の上側に形成し
た活性層と、この活性層の上側に形成され、第２導電型
のＧａＮの第２のクラッド層と、前記第１及び第２のク
ラッド層にそれぞれ電気的に結合した第１及び第２の電
極とを具え、前記活性層をＩｎＮで構成し、このＩｎＮ
層の厚さを、５分子のＩｎＮの層の厚さ以下の厚さとし
たことを特徴とする。このように、デバイスを構成する
全ての半導体材料を窒化物で構成することにより、人体
に有害な材料を用いることなく半導体発光素子を実現す
ることができる。

【０００９】本発明者が、クラッド層としてＧａＮを用
い活性層の材料としてＩｎＮを用いた発光素子につい
て、活性層の厚さと発光効率の関係について種々の実験
及び解析を行った結果、活性層の膜厚を薄くする程格子
定数差の影響が小さくなり、実験によれば活性層の層厚
が２〜５分子の場合良好な発光効率を得ることができる
ことが判明した。特に、５分子層の場合極めて良好な発
光効率を得ることができ、５分子層を超えると急激に発
光効率が低下することが判明した。このような観点よ
り、本発明では活性層の厚さを５分子層のＩｎＮＮの厚
さ以下の厚さとし、格子定数差の課題を解決する。

【００１０】さらに、本発明者が活性層の成長温度と発
光効率との間の関係について種々の実験を行った結果、
重要な関係があることが判明した。すなわち、３００°
Ｃ以下の温度でＩｎＮを成長させると、発光効率が著し
く低下してしま。一方、７００°Ｃ以上の温度でＩｎＮ
を成長させると、良質なＩｎＮ膜を成長させることがで
きないことが判明した。この実験結果より、本発明では
活性層を３００〜７００°Ｃの温度域で成長させる。

【００１１】尚、ＩｎＮの分解温度が比較的低いことに
起因する課題については、ＩｎＮの活性層を成長させた
後、その上にＧａＮのキャップ層を堆積することにより
活性層の分解を抑制することができる。

【００１２】本発明は、半導体レーザやＬＥＤのような
光放出半導体デバイスだけではなく、太陽電池や光セン
サのように絶縁性基板に金属層又は半導体層を積層して
構成される種々の半導体デバイスにも適用することがで
きる。半導体層をエピタキシャル成長させる方法として
は、有機金属気相成長法、液相エピタキシャル成長法、
気相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル製造
法等の種々のエピタキシャル成長法を用いることができ
る。

【００１３】また、電極形成については、反応性イオン
エッチングによりｐ型層および活性層の一部を除去して
ｎ型層を表面に出し、Ｔｉ、Ａｌのような低仕事関数の
金属を蒸着してｎ型用の電極を作製し、正極用の電極
は、ｐ型層にＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉ等の高仕事関数金属を蒸
着して作製することができる。

【００１４】また、上述した２つの電極は各々スパッタ
リング処理により堆積させたが、電極となる金属の堆積
方法としては、液相エピタキシーのような平衡で一層熱
的に安定な状態でエピタキシャル成長が行われる堆積方
法も利用することができる。

【００１５】単結晶基板としてサファイア基板を用いる
ことができ、このサファイア基板とＳｉを添加した第１
導電型の（この場合はｎ型の）ＧａＮ層との間に、第１
導電型の緩衝層を介在させることが有益である。この緩
衝層としては、例えば基板を１０００℃付近まで昇温し
てＳｉを微量添加した第１導電型（本例ではｎ型）のＡ
ｌＮを５ nｍ成長させることができる。この緩衝層の材
料としては上側に堆積されるＧａＮ層と格子定数差が小
さい材料が好ましい。

【００１６】本発明による方法の好適な実施例では、有
機金属気相成長工程において、｛ＩｎＮまたは（Ｇａ
_1-xＩｎ_xＮまたはＡｌ_1-xＩｎ_xＮ）｝層を数分子層
ｎ型ＧａＮ上に成長させた。この成長工程について種々
の実験を行った結果、二元系ＩｎＮを成長させた場合に
は３００℃から７００℃の温度範囲に基板を維持しなが
ら有機金属気相成長法により堆積を行った場合、良好に
エピタキシャル成長した真性の活性層が形成できること
を見いだした。基板温度がそれより低いと発光効率の低
いＩｎＮが成長し、基板温度がそれより高いとＩｎＮが
成長しなかったからである。二元系ＩｎＮを堆積させる
場合には、膜厚は、２〜３分子層で最も効率が高くなっ
た。

【００１７】三元系｛ＩｎＮまたは（Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ
またはＡｌ_1-xＩｎ_xＮ（但しＸは０．５以上））｝の
場合には、ＧａＮおよびＩｎＮの分率が高いほど、より
多い分子層数で発光効率が最大となる傾向があり、Ｇａ
_0.5Ｉｎ_0.5ＮまたはＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎでは共に分子
層数５で発光効率が最大となり、これよりも厚くすると
発光効率は急激に低下した。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による発光素子の
構造を示す線図的な断面図である。本例では、ＩｎＮを
活性層のベース材料とする発光素子を製造するための層
構造を形成する場合について説明する。絶縁性基板とし
て単結晶構造を有するサファイア基板１０を用いる。こ
のサファイア基板１０は、層構造体を形成すべき表面１
０ａを有し、この表面１０ａ上にＧａＮの第１導電型
（この場合はｎ型）の第１のクラッド層、活性層および
第２の導電型（この場合はｐ型の）第２のクラッド層を
順次形成する。本例では、層構造を形成すべき表面１０
ａとして（０００１）ｃ面を用いる。尚、サファイア基
板１０の層形成すべき面１０ａは、通常の鏡面研磨した
表面でもよく、又は高温アニール処理により超平坦化処
理をした平面でもよく、いずれの表面でも上側に半導体
層をエピタキシャル成長させることができる。

【００１９】先ず、サファイア基板を反応管内のサセプ
タにセットした後、水素気流中で基板温度を約１０００
℃にて数分間保持し、基板表面の洗浄化を行った。次に
基板を降温し、サファイア基板のｃ面を層構造を形成す
べき面とし、この面上にＡｌＮの緩衝層１１を数十nm堆
積する。本例では、ＭＯＣＶＤ法により緩衝層を堆積さ
せ、結晶方位の揃ったＡｌＮ層１１を形成する。

【００２０】次に、緩衝層１１の上側に、Ｓｉを添加し
た第１導電型のＧａＮの第１のクラッド層１２をエピタ
キシャル成長させる。この場合には基板１０を１０００
℃付近まで昇温するのが好適である。このＳｉを添加し
たｎ型のＧａＮの第１のクラッド層１２は、３×１０¹⁸
（原子／cm³)で5 μｍ成長させた。

【００２１】次に、基板温度を降温して｛ＩｎＮまたは
（Ｇａ_1-xＩｎ_xＮまたはＡｌ_1-xＩｎ_xＮ）｝の活性
層１３を数分子層第１導電型( この場合はｎ型) のＧａ
Ｎ半導体１２の上に有機金属化合物気相成長装置よって
堆積させた。図２は、本発明による半導体発光素子の作
製に用いた結晶成長装置の概略図である。この工程に
は、原料ガスとしては、加熱により分解し易いという観
点から、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）トリメチルアル
ミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）
およびアンモニアを用いた。

【００２２】活性層の作製に関し、本発明による実施例
においては、活性層材料を二元系（ＩｎＮ）および三元
系（Ｇａ_1-xＩｎ_xＮまたはＡｌ_1-xＩｎ_xＮ）｝の場
合について実験を行った。

【００２３】第１に、２元系のＩｎＮを成長させる場合
には、基板温度を３００℃から７００℃の範囲に維持し
ながら，ＩｎＮ層を数分子層第１導電型( 本例の場合に
はｎ型) のＧａＮ上に成長させた。この成長工程につい
て種々の実験を行った結果、３００℃から７００℃の温
度範囲に基板を維持しながら有機金属気相成長法により
堆積を行った場合、良好にエピタキシャル成長した活性
層が形成できることを見いだした。基板温度がそれより
低いと発光効率の低いＩｎＮが成長し、基板温度がそれ
より高いとＩｎＮが成長しなかったからである。また、
二元系ＩｎＮを堆積させる場合には、膜厚は、２〜３分
子層で最も効率が高くなった。

【００２４】第２に、三元系（Ｇａ_1-xＩｎ_xＮまたは
Ａｌ_1-xＩｎ_xＮ（但しＸは０．５以上））を成長させ
る場合には、（Ｇａ_1-xＩｎ_xＮまたはＡｌ_1-xＩｎ_x
Ｎ（但しＸは０．５以上））の層を有機金属気相法によ
り堆積させ、ＧａＮおよびＡｌＮの分率が高いほど、基
板温度は高くすることができた。これは、ＩｎＮの分解
温度に比べてＧａＮおよびＡｌＮの分解温度が高いから
である。また、層厚はＧａＮおよびＡｌＮの分率が高い
ほど、より多い分子層数で発光効率が最大となる傾向が
があり、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5ＮまたはＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎ
では共に分子層数５で発光効率が最大となった。

【００２５】活性層１３を形成した後に、活性層の分解
を防止するために、第２導電型（本例ではｐ型）のＧａ
Ｎのキャップ層１４を活性層１３上に形成し、このキャ
ップ層１４上に光閉じ込め層としてＭｇを添加した第２
導電型のＡｌＧａＮ層１５を１×１０¹⁸（原子／cm³)で
０．１nmの厚さにエピタキシャル成長し、さらにこのＡ
ｌＧａＮ層１５上にＭｇを添加した第２導電型のＧａＮ
層の第２のクラッド層１６を5 ×10¹⁷（原子／cm³)で
０．５nmエピタキシャル成長法により形成した。

【００２６】最後に反応性イオンエッチングにより第２
のクラッド層１６、光閉じ込め層１５、キャップ層１
４、活性層１３、及び第１のクラッド層１２の一部を除
去して第１のクラッド層１２の一部を露出させ、この第
１のクラッド層１２上に負極用お電極１８としてをＴ
ｉ、Ａｌのような低仕事関数金属を蒸着して作製し、正
極用の電極１７として第２のクラッド層上にＡｕ、Ｐ
ｔ、Ｎｉ等の高仕事関数金属を蒸着して作製した。これ
ら２つの電極１７，１８はスパッタリング処理により堆
積させた。

【００２７】次に、このようにして製造した半導体発光
素子の特性について説明する。本発明による発光素子を
Ｐ型層を正、Ｎ型層を負となるように直流電流を印加し
て駆動させたところ、2.5 Ｖ付近から発光が観測され、
電圧3 Ｖ及び電流２０mAでＰＬと同様の強い発光が観測
された。これにより、従来III 族窒化物半導体では困難
であった紫外もしくは可視短波長および赤外の発光が可
能であることが実証された。

【００２８】図３は、活性層としてＩｎＮを２分子層
（下図）および３分子層（上図）用いた場合の室温での
フォトルミネッセンススペクトル（ＰＬ）を示したもの
である。分子数２では紫色、分子数３では青緑色の強い
ＰＬが観測された。ＩｎＮのバンドギャップは赤色の
１．９ｅＶであるが、実際の発光はそれより光子のエネ
ルギーが大きかった。これは、量子サイズ効果又は変形
ポテンシャルによる影響であると考えられる。

【００２９】この発明により燐および砒素等の有毒元素
を含まない発光素子が可能となる。また本発明の実施例
は、あくまで具体例を示したものであり、本発明の請求
範囲を限定するものではなく、明らかに当業者によって
好適に改良等がなされるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により作製した発光素子の断面概略図
である。

【図２】本発明による半導体発光素子作製に用いた結
晶成長装置の概略図である。

【図３】本発明により作製する活性層としてＩｎＮを
２分子層（下図）および３分子層（上図）用いた場合の
室温でのフォトルミネッセンススペクトル（ＰＬ）を示
したものである。

【符号の説明】

１０サファイア（０００１）基板１０ａ層形成されるべき（０００１）ｃ面１１ＡｌＮ緩衝層１２Ｓｉを添加したｎ型のＧａＮ層１３本発明による活性層１４キャップ層１５Ｍｇを添加したｐ型のＡｌＧａＮ層１６Ｍｇを添加したｐ型のＧａＮ層１７ｐ電極１８ｎ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者天野浩愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104 宝マンション山の手508 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶構造の絶縁性基板と、この絶縁性
基板の上側に形成した第１導電型のＧａＮの第１のクラ
ッド層と、この第１のクラッド層の上側に形成した活性
層と、この活性層の上側に形成され、第２導電型のＧａ
Ｎの第２のクラッド層と、前記第１及び第２のクラッド
層にそれぞれ電気的に結合した第１及び第２の電極とを
具え、前記活性層をＩｎＮで構成し、このＩｎＮ層の厚
さを、５分子のＩｎＮの層の厚さ以下の厚さとしたこと
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記活性層と第２のクラッド層との間
に、活性層のＩｎＮの分解を抑制するための第２導電型
のＧａＮのキャップ層が介在することを特徴とする請求
項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記キャップ層と第２のクラッド層との
間にＡｌＧａＡｓの光閉じ込め層が介在することを特徴
とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】単結晶構造の絶縁性基板と、この絶縁性
基板の上側に形成した第１導電型のＧａＮの第１のクラ
ッド層と、この第１のクラッド層の上側に形成したＩｎ
Ｎの活性層と、この活性層の上側に形成され、第２導電
型のＧａＮの第２のクラッド層と、前記第１及び第２の
クラッド層にそれぞれ電気的に結合した第１及び第２の
電極とを具える半導体発光素子を製造するに際し、前記
活性層を、有機金属気相成長法により３００〜７００°
Ｃの温度範囲で成長させることを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。
【請求項５】前記活性層の厚さを、５分子のＩｎＮの
層の厚さ以下の厚さとしたことを特徴とする請求項４に
記載の半導体発光素子の製造方法。