JP3335974B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード、
レーザーダイオード等に利用される窒化ガリウム系半導
体発光素子及びその製造方法に関する。
レーザーダイオード等に利用される窒化ガリウム系半導
体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム系半導体（ＧａＮ系半導
体）は、かねてから困難であった青色発光を実現して発
光ダイオード素子に用いられるものである。この種の窒
化ガリウム系半導体では、活性層を形成した後にＰ型Ａ
ｌＧａＮ半導体層からなるキャップ層を形成し、その上
にＰ型ＧａＮ半導体層を形成していた。Ｐ型ＡｌＧａＮ
半導体層からなるキャップ層を形成することは、発光効
率の向上に資するものである。
体）は、かねてから困難であった青色発光を実現して発
光ダイオード素子に用いられるものである。この種の窒
化ガリウム系半導体では、活性層を形成した後にＰ型Ａ
ｌＧａＮ半導体層からなるキャップ層を形成し、その上
にＰ型ＧａＮ半導体層を形成していた。Ｐ型ＡｌＧａＮ
半導体層からなるキャップ層を形成することは、発光効
率の向上に資するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ半導体層中のＡｌ濃度を小さくするとリーク電流が増
加し、Ａｌ濃度を大きくするとく動作電圧が増大すると
いう傾向がある。
Ｎ半導体層中のＡｌ濃度を小さくするとリーク電流が増
加し、Ａｌ濃度を大きくするとく動作電圧が増大すると
いう傾向がある。
【０００４】また、活性層は通常Ｉｎ（インジウム）を
含み、７００〜８００℃の比較的低い温度で結晶成長す
る。このため、活性層は、自身の上に形成される半導体
層の結晶成長の温度が９００〜９５０℃以上の高温にな
ると変質したり、発光効率が低下する等の弊害が生じる
ことが確認されている。
含み、７００〜８００℃の比較的低い温度で結晶成長す
る。このため、活性層は、自身の上に形成される半導体
層の結晶成長の温度が９００〜９５０℃以上の高温にな
ると変質したり、発光効率が低下する等の弊害が生じる
ことが確認されている。
【０００５】しかし、Ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層は、本来
は１０００℃以上の高温での結晶成長が好ましいので、
それよりも低温で成長させると、キャリア濃度や移動度
等の基本的物性値も結晶成長のたびに変わり、再現性に
乏しくなる。再現性を確保する方策としては、成長速度
を極端に遅くする等があるが、量産には不向きである。
は１０００℃以上の高温での結晶成長が好ましいので、
それよりも低温で成長させると、キャリア濃度や移動度
等の基本的物性値も結晶成長のたびに変わり、再現性に
乏しくなる。再現性を確保する方策としては、成長速度
を極端に遅くする等があるが、量産には不向きである。
【０００６】本発明は、上記事情に鑑みて創案されたも
ので、リーク電流が小さく動作電圧が低く、かつ発光効
率に優れ、再現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子
及びその製造方法を提供することを目的としている。
ので、リーク電流が小さく動作電圧が低く、かつ発光効
率に優れ、再現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子
及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化ガリウ
ム系半導体発光素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及
びＰ型ＧａＮ半導体層が順次積層された窒化ガリウム系
半導体発光素子であって、前記活性層とＰ型ＧａＮ半導
体層との間にドーピングが施されていないキャップ層が
形成されており、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮと
からなる超格子層である。
ム系半導体発光素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及
びＰ型ＧａＮ半導体層が順次積層された窒化ガリウム系
半導体発光素子であって、前記活性層とＰ型ＧａＮ半導
体層との間にドーピングが施されていないキャップ層が
形成されており、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮと
からなる超格子層である。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態に係る
窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図、図２は
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の要部の概
略的拡大断面図である。
窒化ガリウム系半導体発光素子の概略的断面図、図２は
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の要部の概
略的拡大断面図である。
【０００９】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系
半導体発光素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層としてのＳｉド
ープＧａＮ半導体層３００、活性層４００及びＰ型Ｇａ
Ｎ半導体層としてのＭｇドープＧａＮ半導体層６００が
順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子であっ
て、前記活性層４００とＭｇドープＧａＮ半導体層６０
０との間にドーピングが施されていないキャップ層５０
０が形成されており、前記キャップ層５００は、ＡｌＮ
とＧａＮとからなる超格子層である。
半導体発光素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層としてのＳｉド
ープＧａＮ半導体層３００、活性層４００及びＰ型Ｇａ
Ｎ半導体層としてのＭｇドープＧａＮ半導体層６００が
順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子であっ
て、前記活性層４００とＭｇドープＧａＮ半導体層６０
０との間にドーピングが施されていないキャップ層５０
０が形成されており、前記キャップ層５００は、ＡｌＮ
とＧａＮとからなる超格子層である。
【００１０】かかる窒化ガリウム系半導体発光素子は、
以下のような製造工程で製造される。
以下のような製造工程で製造される。
【００１１】まず、サファイア基板１００にサーマルク
リーニングを施す。すなわち、減圧ＭＯＣＶＤ装置（減
圧気相成長装置）内で水素を供給しながら、サファイア
基板１００を１０５０℃に加熱することでクリーニング
するのである。
リーニングを施す。すなわち、減圧ＭＯＣＶＤ装置（減
圧気相成長装置）内で水素を供給しながら、サファイア
基板１００を１０５０℃に加熱することでクリーニング
するのである。
【００１２】次に、サファイア基板１００の温度を５１
０℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとして
アンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファ
イア基板１００の表面に低温ＡｌＮバッファ層２００を
形成する。このＡｌＮバッファ層２００は約２００Åで
ある。
０℃にまで低下させ、窒素、水素をキャリアガスとして
アンモニア、トリメチルアルミニウムを供給してサファ
イア基板１００の表面に低温ＡｌＮバッファ層２００を
形成する。このＡｌＮバッファ層２００は約２００Åで
ある。
【００１３】次に、サファイア基板１００の温度を１０
００℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモ
ニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にＮ型
不純物としてのシリコンを用いてＮ型ＧａＮ半導体層と
してのＳｉドープＧａＮ半導体層３００を約１．２μｍ
成長させる。
００℃に上昇させて、前記キャリアガスを用いてアンモ
ニア、トリメチルガリウムを流す。この時、同時にＮ型
不純物としてのシリコンを用いてＮ型ＧａＮ半導体層と
してのＳｉドープＧａＮ半導体層３００を約１．２μｍ
成長させる。
【００１４】次に、サファイア基板１００の温度を約７
３０℃に下降させ、トリメチルインジウムを断続的に流
しつつ、Ｎ型ＧａＮとＮ型ＩｎＧａＮの多重量子井戸
（ＭＱＷ）からなる活性層４００をＳｉドープＧａＮ層
３００の上に約４００Å成長させる。
３０℃に下降させ、トリメチルインジウムを断続的に流
しつつ、Ｎ型ＧａＮとＮ型ＩｎＧａＮの多重量子井戸
（ＭＱＷ）からなる活性層４００をＳｉドープＧａＮ層
３００の上に約４００Å成長させる。
【００１５】さらに、サファイア基板１００の温度を８
５０℃に上昇させ、マグネシウムをドーピングしないＧ
ａＮ半導体層であるキャップ層５００を前記活性層４０
０の上に成長させる。このキャップ層５００は、マグネ
シウムをドーピングしないＡｌＮ５１０とＧａＮ５２０
とからなる超格子層であり、ＡｌＮの膜厚を１０Å、Ｇ
ａＮの膜厚を９０Åとし、ＡｌＮとＧａＮとの４層（膜
厚合計４００Å）となっている。
５０℃に上昇させ、マグネシウムをドーピングしないＧ
ａＮ半導体層であるキャップ層５００を前記活性層４０
０の上に成長させる。このキャップ層５００は、マグネ
シウムをドーピングしないＡｌＮ５１０とＧａＮ５２０
とからなる超格子層であり、ＡｌＮの膜厚を１０Å、Ｇ
ａＮの膜厚を９０Åとし、ＡｌＮとＧａＮとの４層（膜
厚合計４００Å）となっている。
【００１６】次に、キャリアガスに不純物としてマグネ
シウムを加え、Ｐ型ＧａＮ半導体層としてのＭｇドープ
ＧａＮ半導体層６００を約０．２μｍ成長させる。
シウムを加え、Ｐ型ＧａＮ半導体層としてのＭｇドープ
ＧａＮ半導体層６００を約０．２μｍ成長させる。
【００１７】なお、上述の工程では、ＳｉドープＧａＮ
半導体層３００の結晶成長時のサファイア基板１００の
温度が１０００℃、活性層４００の結晶成長時のサファ
イア基板１００の温度が７３０℃、キャップ層５００Ａ
の結晶成長時のサファイア基板１００の温度が８５０℃
になっている。すなわち、キャップ層５００Ａの上に形
成されるＰ型ＧａＮ半導体層であるキャップ層５００Ａ
の結晶成長時の温度（８５０℃）が、活性層４００の結
晶成長時の温度（７３０℃）よりも高くかつ、Ｎ型Ｇａ
Ｎ半導体層であるＳｉドープＧａＮ半導体層３００の結
晶成長時の温度（１０００℃）より低くなっている。
半導体層３００の結晶成長時のサファイア基板１００の
温度が１０００℃、活性層４００の結晶成長時のサファ
イア基板１００の温度が７３０℃、キャップ層５００Ａ
の結晶成長時のサファイア基板１００の温度が８５０℃
になっている。すなわち、キャップ層５００Ａの上に形
成されるＰ型ＧａＮ半導体層であるキャップ層５００Ａ
の結晶成長時の温度（８５０℃）が、活性層４００の結
晶成長時の温度（７３０℃）よりも高くかつ、Ｎ型Ｇａ
Ｎ半導体層であるＳｉドープＧａＮ半導体層３００の結
晶成長時の温度（１０００℃）より低くなっている。
【００１８】次に、サファイア基板１００の温度を８０
０℃にし、減圧ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を６６５０Ｐａ
（５０ｔｏｒｒ）とする。これと同時に、アンモニア等
の水素を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧ＭＯ
ＣＶＤ装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガスに切
り替える。
０℃にし、減圧ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を６６５０Ｐａ
（５０ｔｏｒｒ）とする。これと同時に、アンモニア等
の水素を含む混合ガスの雰囲気から、速やかに減圧ＭＯ
ＣＶＤ装置内の雰囲気を不活性ガスである窒素ガスに切
り替える。
【００１９】そして、キャリアガスとして窒素ガスを用
い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのＺｎ膜
７００を形成する。そして、このままの状態、すなわち
窒素雰囲気下でサファイア基板１００の温度を約１００
℃以下にまで低下させる。
い、トリメチルジンクを流して、膜厚が数十ÅのＺｎ膜
７００を形成する。そして、このままの状態、すなわち
窒素雰囲気下でサファイア基板１００の温度を約１００
℃以下にまで低下させる。
【００２０】この後、真空蒸着装置にＺｎ膜７００まで
が形成されたサファイア基板１００を入れ、ＳｎＯ2 が
１０％のＩＴＯを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約
０．５μｍの電流拡散層としてのＩＴＯ膜８００をＺｎ
膜７００の上に形成する。この際のサファイア基板１０
０の温度は２００℃にした。
が形成されたサファイア基板１００を入れ、ＳｎＯ2 が
１０％のＩＴＯを電子銃で加熱、蒸発させて膜厚が約
０．５μｍの電流拡散層としてのＩＴＯ膜８００をＺｎ
膜７００の上に形成する。この際のサファイア基板１０
０の温度は２００℃にした。
【００２１】次に、ＩＴＯ膜８００の一部をドライエッ
チングし、ＳｉドープＧａＮ層３００の一部を露出させ
る。この露出したＳｉドープＧａＮ半導体層３００にＮ
型電極９１０を、前記ＩＴＯ膜８００の一部にＰ型電極
９２０を形成する。この両電極９１０、９２０は、Ｔｉ
／Ａｕ薄膜を約５００Å／５０００Å程度蒸着したもの
である。
チングし、ＳｉドープＧａＮ層３００の一部を露出させ
る。この露出したＳｉドープＧａＮ半導体層３００にＮ
型電極９１０を、前記ＩＴＯ膜８００の一部にＰ型電極
９２０を形成する。この両電極９１０、９２０は、Ｔｉ
／Ａｕ薄膜を約５００Å／５０００Å程度蒸着したもの
である。
【００２２】このようにして製造された窒化ガリウム系
半導体発光素子は、２０ｍＡの電流で動作電圧が３．４
Ｖと非常に低く、発光効率もＭｇドープＰ型ＡｌＧａＮ
半導体層をキャップ層として使用した従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子と遜色がないことが確認された。ま
た、リーク電流も５Ｖで１０μＡ以下と実用上問題がな
いレベルになっていることが確認された。
半導体発光素子は、２０ｍＡの電流で動作電圧が３．４
Ｖと非常に低く、発光効率もＭｇドープＰ型ＡｌＧａＮ
半導体層をキャップ層として使用した従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子と遜色がないことが確認された。ま
た、リーク電流も５Ｖで１０μＡ以下と実用上問題がな
いレベルになっていることが確認された。
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【発明の効果】本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光
素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及びＰ型ＧａＮ半
導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子
であって、前記活性層とＰ型ＧａＮ半導体層との間にド
ーピングが施されていないキャップ層が形成されてお
り、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮとからなる超格
子層である。
素子は、Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及びＰ型ＧａＮ半
導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発光素子
であって、前記活性層とＰ型ＧａＮ半導体層との間にド
ーピングが施されていないキャップ層が形成されてお
り、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮとからなる超格
子層である。
【００３３】上述したように、キャップ層がＡｌＮとＧ
ａＮとからなる超格子層である場合には、リーク電流が
小さく動作電圧が低く、かつ発光効率に優れ、再現性の
高い窒化ガリウム系半導体発光素子とすることができ
た。
ａＮとからなる超格子層である場合には、リーク電流が
小さく動作電圧が低く、かつ発光効率に優れ、再現性の
高い窒化ガリウム系半導体発光素子とすることができ
た。
【００３４】特に、前記キャップ層の上に形成されるＰ
型ＧａＮ半導体層の結晶成長時の温度が、前記活性層の
結晶成長時の温度よりも高くかつ、Ｎ型ＧａＮ半導体層
の結晶成長時の温度より低いと、リーク電流が小さく動
作電圧が低く、しかも発光効率が低下することなく、再
現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子とすることが
確認できた。
型ＧａＮ半導体層の結晶成長時の温度が、前記活性層の
結晶成長時の温度よりも高くかつ、Ｎ型ＧａＮ半導体層
の結晶成長時の温度より低いと、リーク電流が小さく動
作電圧が低く、しかも発光効率が低下することなく、再
現性の高い窒化ガリウム系半導体発光素子とすることが
確認できた。
【００３５】また、前記キャップ層の厚さが、１００Å
以上１０００Å以下であると、リーク電流が小さく、動
作電圧が低い窒化ガリウム系半導体発光素子を再現性よ
く製造できた。
以上１０００Å以下であると、リーク電流が小さく、動
作電圧が低い窒化ガリウム系半導体発光素子を再現性よ
く製造できた。
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導
体発光素子の概略的断面図である。
体発光素子の概略的断面図である。
【図２】本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の
要部の概略的拡大断面図である。
要部の概略的拡大断面図である。
１００ サファイア基板 ２００ ＡｌＮバッファ層 ３００ ＳｉドープＧａＮ層 ４００ 活性層 ５００ キャップ層 ６００ ＭｇドープＧａＮ層 ７００ Ｚｎ層 ８００ Ｎ型電極 ９００ Ｐ型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−129926（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−330554（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−54847（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−68159（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−200214（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−354846（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−64419（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−12923（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/323 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及びＰ型Ｇ
ａＮ半導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発
光素子において、前記活性層とＰ型ＧａＮ半導体層との
間にドーピングが施されていないキャップ層が形成され
ており、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮとからなる
超格子層であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体
発光素子。 - 【請求項２】 前記キャップ層の厚さが、１００Å以上
１０００Å以下であることを特徴とする請求項１記載の
窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記キャップ層の上に形成されるＰ型Ｇ
ａＮ半導体層の結晶成長時の温度が、前記活性層の結晶
成長時の温度よりも高くかつ、Ｎ型ＧａＮ半導体層の結
晶成長時の温度より低いことを特徴とする請求項１又は
２記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 【請求項４】 Ｎ型ＧａＮ半導体層、活性層及びＰ型Ｇ
ａＮ半導体層が順次積層された窒化ガリウム系半導体発
光素子の製造方法において、前記活性層とＰ型ＧａＮ半
導体層との間にドーピングが施されていないキャップ層
が形成されており、前記キャップ層は、ＡｌＮとＧａＮ
とからなる超格子層であり、前記キャップ層の上に形成
されるＰ型ＧａＮ半導体層の結晶成長時の温度が、前記
活性層の結晶成長時の温度よりも高くかつ、Ｎ型ＧａＮ
半導体層の結晶成長時の温度より低いことを特徴とする
窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000014392A JP3335974B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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| JP2000014392A JP3335974B2 (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001210861A JP2001210861A (ja) | 2001-08-03 |
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ID=18541855
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|
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| WO2003036771A1 (fr) | 2001-10-26 | 2003-05-01 | Ammono Sp.Zo.O. | Laser a semi-conducteurs a base de nitrure et procede de production de ce laser |
| US20060138431A1 (en) | 2002-05-17 | 2006-06-29 | Robert Dwilinski | Light emitting device structure having nitride bulk single crystal layer |
| WO2004004085A2 (en) * | 2002-06-26 | 2004-01-08 | Ammono Sp.Zo.O. | Nitride semiconductor laser device and a method for improving its performance |
| AU2003285769A1 (en) | 2002-12-11 | 2004-06-30 | Ammono Sp. Z O.O. | A substrate for epitaxy and a method of preparing the same |
| WO2005121415A1 (en) | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Ammono Sp. Z O.O. | Bulk mono-crystalline gallium-containing nitride and its application |
| PL371405A1 (pl) | 2004-11-26 | 2006-05-29 | Ammono Sp.Z O.O. | Sposób wytwarzania objętościowych monokryształów metodą wzrostu na zarodku |
| US7998761B2 (en) | 2006-01-09 | 2011-08-16 | Seoul Opto Device Co., Ltd. | Light emitting diode with ITO layer and method for fabricating the same |
| KR101936312B1 (ko) | 2012-10-09 | 2019-01-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
| KR102042181B1 (ko) | 2012-10-22 | 2019-11-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
-
2000
- 2000-01-24 JP JP2000014392A patent/JP3335974B2/ja not_active Expired - Fee Related
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