JPH09148678A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化物半導体よりなる発光素子の発光出力を
高めて半導体レーザを実現することにあり、特に活性層
の構造を改良することで高出力な発光素子を実現する。 【構成】 Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、
Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる障壁層とが積層された
多重量子井戸構造の活性層を備えることにより同一温度
で活性層を成長でき、活性層の膜質が向上するのでレー
ザ発振可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、レーザダイオード（ＬＤ）等に使用される窒化物
半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y
≦１）よりなる発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）で示される窒化物半導体はＭＯＶＰＥ
（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線ビーム気相成
長法）、ＨＤＶＰＥ（ハライド気相成長法）等の気相成
長法を用いて基板上にエピタキシャル成長されている。
またこの半導体材料は直接遷移型の広ワイドギャップ半
導体であるため、紫外から赤色までの発光素子の材料と
して知られており、最近この材料で高輝度な青色ＬＥ
Ｄ、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザダイ
オード（ＬＤ）の実現が望まれている。

【０００３】窒化物半導体を用いた発光素子として、例
えば特開平６−２１５１１号公報にＬＥＤ素子が示され
ている。この公報ではＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オ
ングストロームの井戸層と、ＧａＮよりなる膜厚１００
オングストローム障壁層とを積層した多重量子井戸構造
の活性層を備えるＬＥＤ素子が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記公報によると、Ｉ
ｎＧａＮとＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層を
ＧａＮと、ＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ分離
閉じ込め型のダブルへテロ構造を有するＬＥＤ素子が示
されている。活性層を多重量子井戸構造とすることによ
り、発光出力に優れたＬＥＤ素子を得ることができる。
しかしながら、ＬＤではＬＥＤよりも、さらに発光出力
を高める必要がある。従って本発明はこのような事情を
鑑みて成されたものであって、その目的とするところ
は、窒化物半導体よりなる発光素子の発光出力を高めて
半導体レーザを実現することにあり、特に活性層の構造
を改良することで高出力な発光素子を実現するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の発光素子は、Ｉ
ｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、Ｉｎを含む窒
化物半導体よりなる障壁層とが積層された多重量子井戸
構造の活性層を備えることを特徴とする。

【０００６】多重量子井戸構造を有する活性層では、井
戸層の膜厚が７０オングストローム以下であり、障壁層
の膜厚が１５０オングストローム以下であることを特徴
とする。

【０００７】さらに、本発明の発光素子は、活性層に少
なくともＡｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる膜厚１μ
ｍ以下のｐ型クラッド層が接していることを特徴とす
る。

【０００８】本発明の発光素子において、多重量子井戸
構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）を構成するＩｎを
含む窒化物半導体よりなる井戸層には、三元混晶のＩｎ
XＧａ1-XＮ（０＜X≦１）が好ましく、また障壁層も同
様に三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）が好まし
い。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結
晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。ま
た障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大
きくして、井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層と
なるように積層して多重量子井戸構造を構成する。この
ように活性層をＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、
量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出
力なＬＤを実現することができる。

【０００９】ＬＤを実現する場合、活性層の膜厚、つま
り井戸層と障壁層を積層した活性層の総膜厚は２００オ
ングストローム以上に調整することが好ましい。２００
オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がら
ず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚
も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、０．５μｍ以
下に調整することが望ましい。

【００１０】さらに井戸層の膜厚は７０オングストロー
ム以下、さらに望ましくは５０オングストローム以下に
調整することが好ましい。図２は井戸層の膜厚と発光出
力との関係を示す図であり、発光出力はＬＥＤ素子につ
いて示している。出力に関してはＬＤでも同様のことが
云える。これはこの膜厚がＩｎＧａＮ井戸層の臨界膜厚
以下であることを示している。ＩｎＧａＮでは電子のボ
ーア半径が約３０オングストロームであり、このためＩ
ｎＧａＮの量子効果が７０オングストローム以下で現れ
る。

【００１１】また障壁層の厚さも１５０オングストロー
ム以下、さらに望ましくは１００オングストローム以下
の厚さに調整することが望ましい。図３は障壁層と膜厚
と発光出力との関係を示す図であり、発光出力は図２と
同様に、ＬＥＤ素子について示すものであるが、ＬＤに
関しても同様のことが云える。

【００１２】次に本発明の発光素子では活性層に接して
少なくともＡｌを含むｐ型の窒化物半導体、好ましくは
三元混晶若しくは二元混晶のＡｌZＧａ1-ZＮ（０＜Z≦
１）よりなるｐ型クラッド層が形成されていることが望
ましい。さらにこのＡｌＧａＮは１μｍ以下、さらに好
ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下に
調整する。このｐ型クラッド層を活性層に接して形成す
ることにより、素子の出力が格段に向上する。逆に活性
層に接するクラッド層をＧａＮとすると素子の出力が約
１／３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに
比べてｐ型になりやすく、またｐ型クラッド層成長時
に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと
推察されるが、詳しいことは不明である。またｐ型クラ
ッド層の膜厚は１μｍよりも厚いと、クラッド層自体に
クラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向に
あるからである。

【００１３】

【作用】本発明の発光素子は活性層がＩｎＧａＮよりな
る井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎ
ＧａＮよりなる障壁層を積層した多重量子井戸構造であ
る。特開平６−２１５１１号とは障壁層がＧａＮである
点が異なる。これは薄膜の井戸層と障壁層とを積層した
ＭＱＷでは、各層に係るストレスが違う。本発明のよう
に井戸層の上にＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層する
と、ＩｎＧａＮよりなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ結
晶に比べて結晶が柔らかい。そのためクラッド層のＡｌ
ＧａＮの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現でき
る。一方障壁層をＧａＮとすると、活性層の上にＡｌＧ
ａＮよりなるクラッド層を成長させると、そのクラッド
層にクラックが発生しやすい傾向にある。

【００１４】さらにＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成
長温度が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは
６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは
８００より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮ
よりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層
を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要が
ある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ
井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得る
ことは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロ
ームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製
するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層も
ＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成
長できる。従って、先に形成した井戸層が分解すること
がないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、ＭＯＶＰＥ法によりＬＤ素子を作成す
る方法を述べるが、本発明の発光素子はＭＯＶＰＥ法だ
けではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られ
ている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させるこ
とができ、またＬＤだけでなくＬＥＤにも適用可能であ
る。

【００１６】［実施例１］よく洗浄されたサファイア基
板１（０００１面）をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設
置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）
と、アンモニアを用い、温度５００℃でサファイア基板
の表面にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングス
トロームの膜厚で成長させた。

【００１７】このバッファ層は基板と窒化物半導体との
格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧ
ａＮ等を成長させることも可能である。また基板にはサ
ファイアの他にスピネル１１１面（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、Ｓ
ｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりなる従来よ
り知られている基板が用いられる。このバッファ層を成
長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化物
半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成長
方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない場
合もある。

【００１８】続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガス
にＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ
₄（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなる
ｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させた。ｎ型
コンタクト層３はＧａＮとすることによりキャリア濃度
の高い層が得られ、電極材料と好ましいオーミック接触
が得られる。

【００１９】次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.
1Ｇａ0.9Ｎよりなる第一のｎ型層４を５００オングスト
ロームの膜厚で成長させた。

【００２０】この第一のｎ型層４はＩｎを含むｎ型の窒
化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることに
より、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体を厚膜で
成長させることが可能となる。ＬＤの場合は、光閉じ込
め層、光ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の
膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧ
ａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後
から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作
製が困難であったが、第一のｎ型層がバッファ層として
作用する。つまり、この層がバッファ層となり次に成長
させるＡｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを
防止することができる。しかも次に成長させるＡｌを含
む窒化物半導体層を厚膜で成長させても膜質良く成長で
きる。なお第一のｎ型層は１００オングストローム以
上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好まし
い。１００オングストロームよりも薄いと前記のように
バッファ層として作用しにくく、０．５μｍよりも厚い
と、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、この第一の
ｎ型層４は省略することもできる。

【００２１】次に、温度を１０５０℃にして、原料ガス
にＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモ
ニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ
型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型層５を０．５μ
ｍの膜厚で成長させた。この第二のｎ型層はＬＤの場合
光閉じ込め層として作用し、通常０．１μｍ〜１μｍの
膜厚で成長させることが望ましい。

【００２２】続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、
不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなる第三のｎ型層６を５００オングストロームの膜
厚で成長させた。この第三のｎ型層６はＬＤの場合、光
ガイド層として作用し、通常１００オングストローム〜
１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの他
にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｎ型窒化物半導体で成長さ
せることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることに
より次の活性層を量子井戸構造とすることが可能にな
る。

【００２３】次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニ
アを用いて活性層７を成長させた。活性層７は温度を７
５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよ
りなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５
０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１
３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μ
ｍの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長さ
せた。井戸層の好ましい膜厚は１００オングストローム
以下、障壁層は１５０オングストローム以下の膜厚で成
長することにより、井戸層、障壁層が弾性的に変形して
結晶欠陥が少なくなり、素子の出力が飛躍的に向上する
ので、レーザ発振が可能となる。さらに井戸層はＩｎＧ
ａＮ等のＩｎＧａＮを含む窒化物半導体、障壁層はＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ等で構成することが望ましく、特に井戸
層、障壁層ともＩｎＧａＮとすると、成長温度が一定に
保持できるので生産技術上非常に好ましい。

【００２４】活性層７成長後、温度を１０５０℃にして
ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源と
してＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）
を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一
のｐ型層８を１００オングストロームの膜厚で成長させ
た。この第一のｐ型層８は１μｍ以下、さらに好ましく
は０．１μｍ以下の膜厚で成長させることにより、Ｉｎ
ＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ
層としての作用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ
型窒化物半導体よりなる第一のｐ型層８を成長させるこ
とにより、発光出力が向上する。またｐ型窒化物半導体
層はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプタ
ー不純物を成長中にドープすることにより得られるが、
その中でもＭｇが最も好ましいｐ型特性を示す。さら
に、アクセプター不純物をドープした後、不活性ガス雰
囲気中で４００℃以上のアニーリングを行うとさらに好
ましいｐ型が得られる。

【００２５】次に温度を１０５０℃に保持しながら、Ｔ
ＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮよりなる第二のｐ型層９を５００オングストローム
の膜厚で成長させた。この第二のｐ型層９はＬＤの場
合、光ガイド層として作用し、通常１００オングストロ
ーム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、Ｇａ
Ｎの他にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｐ型窒化物半導体で
成長させることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとする
ことにより次のＡｌを含む第三のｐ型層１０を結晶性良
く成長できる。

【００２６】続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃ
ｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる
第三のｐ型層１０を０．５μｍの膜厚で成長させた。こ
の第三のｐ型層１０はＬＤの場合、光閉じ込め層として
作用し、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが
望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半
導体とすることにより、好ましく光閉じ込め層として作
用する。

【００２７】続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ
を用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１１を０．５μｍの膜厚で成長させた。このｐ型コン
タクト層はＭｇを含むＧａＮとすると、最もキャリア濃
度の高いｐ型層が得られて、正電極の材料と良好なオー
ミック接触が得られる。

【００２８】以上のようにして窒化物半導体を積層した
ウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように最
上層のｐ型コンタクト層１１より選択エッチングを行
い、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ、露出したｎ
型コンタクト層３と、ｐ型コンタクト層１１の表面にそ
れぞれストライプ状の電極を形成した後、ストライプ状
の電極に直交する方向から、さらにエッチングを行い垂
直なエッチング端面を形成して、そのエッチング面に常
法に従って反射鏡を形成して共振面とした。共振面側か
ら見たレーザ素子の断面図が図１に示す断面図である。
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、ＬＤとしたと
ころ、非常に優れた結晶が積層できていたため、常温に
おいて、しきい値電流密度４．０ｋＡ／cm²で発光波長
４１０ｎｍ、半値幅２ｎｍのレーザ発振を示した。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の発光素子は
Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、Ｉｎを含む
窒化物半導体よりなる障壁層とを積層したＭＱＷの活性
層を有しているため、発光素子の出力が向上してレーザ
ダイオードが実現できた。これは膜質の良い活性層が成
長できていることによる。このように本発明で短波長Ｌ
Ｄが実現できたことにより、書き込み光源、読みとり光
源としての容量が従来に比べて飛躍的に向上し、その産
業上の利用価値は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るＬＤの構造を示す模
式断面図。

【図２】 本発明の一実施例に係る素子の活性層の井戸
層と発光出力との関係を示す図。

【図３】 本発明の一実施例に係る素子の活性層の障壁
層と発光出力との関係を示す図。

【符号の説明】

１・・・基板 ２・・・ＧａＮバッファ層 ３・・・ｎ型ＧａＮ（ｎ型コンタクト層） ４・・・ｎ型ＩｎＧａＮ（第一のｎ型層） ５・・・ｎ型ＡｌＧａＮ（第二のｎ型層） ６・・・ｎ型ＧａＮ（第三のｎ型層） ７・・・活性層 ８・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第一のｐ型層） ９・・・ｐ型ＧａＮ（第二のｐ型層） １０・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第三のｐ型層） １１・・・ｐ型ＧａＮ（ｐ型コンタクト層）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層
   と、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる障壁層とが積層さ
   れた多重量子井戸構造の活性層を備えることを特徴とす
   る窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記井戸層の膜厚が７０オングストロー
   ム以下であり、前記障壁層の膜厚が１５０オングストロ
   ーム以下であることを特徴とする請求項１または請求項
   １に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記活性層に少なくともＡｌを含むｐ型
   窒化物半導体よりなる膜厚１μｍ以下のｐ型クラッド層
   が接していることを特徴とする請求項１または請求項２
   に記載の窒化物半導体レーザ素子。