(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリア層と井戸層とを交互に積層させた多重量子井戸で構成される発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記バリア層が膜厚3nm以上8nm以下の不純物無添加のAlXGa1-XN(0.06≦X≦0.18)より形成され、
前記井戸層が不純物無添加のInYGa1-YN(0≦Y≦0.1)より形成されたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
発光波長が紫外線領域である、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層に隣接して基板側に窒化インジウムガリウムから成る歪緩和層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光の効率を向上させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。本発明は特に紫外線発光の窒化ガリウム系化合物半導体素子に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子の代表的なものとしては、次のようなものがある。すなわち、サファイヤを基板とし、その上から、窒化アルミニウム(AlN) より成るバッファ層、ｎ型層であるシリコン(Si)ドープのGaN から成る高キャリア濃度のｎクラッド及びｎコンタクト層、GaN から成るバリア層とInGaN から成る井戸層とが交互に積層された多重量子井戸(MQW) 構造の発光層、ｐ型層であるマグネシウム(Mg)ドープのAlGaN から成るｐクラッド層、及び、ｐ型層であるマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るｐコンタクト層が順次積層されたものが知られている。
また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた紫外線発光素子は、発光層にInGaN 又はAlGaN を用いたものが知られている。発光層にInGaN を用いた場合には、Inの組成比が 5.5％以下の時、バンド間発光で波長 380nm以下の紫外線が得られている。また、発光層にAlGaN を用いた場合には、Alの組成比が16％程度で、亜鉛とシリコンとを添加して、ドナー・アクセプタ対発光により、波長 380nmの紫外線が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、報告されている窒化ガリウム系化合物半導体紫外線発光素子は、発光効率が低いという問題がある。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、多重量子井戸(MQW) 構造で構成された発光層を有する窒化ガリウム系化合物化合物半導体素子の紫外線の発光効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第１の手段は、バリア層と井戸層とを交互に積層させた多重量子井戸で構成される発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、バリア層を不純物無添加のAlXGa1-XN(0.06≦X≦0.18)より形成し、井戸層を不純物無添加のInYGa1-YN(0≦Y≦0.1)より形成し、バリア層の膜厚を3nm以上8nm以下とすることである。
また、第２の手段としては、発光波長が紫外線領域であるよう設計することである。
更に、第３の手段としては、発光層に隣接して基板側に窒化インジウムガリウムから成る歪緩和層を有することである。
これらの手段により、上記の課題を解決することができる。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
AlX Ga1-X-Y InY N で示される窒化ガリウム系化合物半導体は、Alの組成比X が大きいほどバンドギャップエネルギーが大きくなり、Inの組成比Y が大きいほどバンドギャップエネルギーが小さくなる。多重量子井戸で構成される発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においてバリア層をAlX Ga1-X N より形成することにより、井戸層とバリア層のエネルギー障壁を大きくすることができる。この発光素子の発光強度は、AlX Ga1-X N より成るバリア層のアルミニウム(Al)組成比X と強い相関を持つ。AlX Ga1-X N より成るバリア層のアルミニウム(Al)組成比X の異なる試料を多数作成し、そのエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）による発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示す。この図から判るように、上記の発光素子の発光強度は、アルミニウム(Al)の存在により強くなり、組成比X が0.13の近辺でピークを持っており、特に0.06≦X ≦0.18の範囲において高光度を示す。アルミニウム(Al)組成比X が0.06よりも小さいと、Alを混晶した効果が小さい。また、アルミニウム(Al)組成比X が0.18よりも大きくなると格子整合が悪くなり、発光光度が落ちると考えられる。
また、井戸層をバンドギャップエネルギーの小さいInY Ga1-Y N で形成し、発光させる。この際、Inの組成比Y が0.1 より大きいと結晶性が悪く、良質な発光素子が得られない。
また、AlX Ga1-X N より成るバリア層の膜厚の異なる試料を多数作成し、そのＥＬによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図３に示す。この図からも判るように、発光強度に対するバリア層の作用効果は、バリア層の厚さが 2nm以上10nm以下の範囲において大きく、 3nm以上 8nm以下で特に大きい。
また歪み緩和層を設けることで、基板と発光層との熱膨張係数の違いにより生じる発光層に掛かる応力を緩和することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、サファイア基板１１上に形成されたGaN 系化合物半導体で形成された発光素子１００の模式的な断面構成図である。基板１１の上には窒化アルミニウム(AlN) から成る膜厚約25nmのバッファ層１２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約3000nmのｎクラッド及びｎコンタクト層（ｎ+ 層）１３が形成されている。このｎクラッド及びｎコンタクト層（ｎ+ 層）１３の上にノンドープのIn0.03Ga0.97N から成る膜厚約 180nmの歪み緩和層１４が形成されている。この歪み緩和層１４は、サファイア基板１１と発光層１５との熱膨張係数の違いにより生じる発光層１５に掛かる応力を緩和するためのものである。
【０００８】
そして、歪み緩和層１４の上に膜厚約 3.5nmのAl0.13Ga0.87N から成るバリア層１５１と膜厚約 3nmのIn0.05Ga0.95N から成る井戸層１５２とが交互に積層された多重量子井戸(MQW) 構造の発光層１５が形成されている。バリア層１５１は６層、井戸層１５２は５層である。発光層１５の上にはｐ型Al0.15Ga0.85N から成る膜厚約25nmのｐクラッド層１６が形成されている。更に、ｐクラッド層１６の上にはｐ型GaN から成る膜厚約 100nmのｐコンタクト層１７が形成されている。
【０００９】
また、ｐコンタクト層１７の上には金属蒸着による透光性の電極１８Ａが、ｎ+ 層１３上には電極１８Ｂが形成されている。透光性の電極１８Ａは、ｐコンタクト層１７に接合する膜厚約 1.5nmのコバルト(Co)と、Coに接合する膜厚約 6nmの金(Au)とで構成されている。電極１８Ｂは膜厚約20nmのバナジウム(V) と、膜厚約1800nmのアルミニウム(Al)又はAl合金で構成されている。電極１８Ａ上の一部には、Co若しくはNi又はV とAu、Al、又は、それらの合金から成る膜厚約1500nmの電極パッド２０が形成されている。
【００１０】
次に、この発光素子１００の製造方法について説明する。
上記発光素子１００は、有機金属気相成長法（以下「MOVPE 」と略す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2,N2) 、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す）、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2) （以下「CP2Mg 」と記す）である。
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶の基板１１をMOVPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度1100℃で基板１１をベーキングした。
次に、基板１１の温度を 400℃まで低下させて、H2、NH3 及びTMA を供給してAlN のバッファ層１２を約25nmの膜厚に形成した。
【００１１】
次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、H2、NH3 、TMG 及びシランを供給し、膜厚約3000nm、電子濃度 2×1018/cm3のGaN から成るｎクラッド及びｎコンタクト層（ｎ+ 層）１３を形成した。
次に、基板１１の温度を 850℃にまで低下させて、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約 180nmのノンドープのIn0.03Ga0.97 Nから成る歪み緩和層１４を形成した。
【００１２】
上記の歪み緩和層１４を形成した後、再び基板１１の温度を1150℃にまで昇温し、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMA を供給して、Al0.13Ga0.87N から成るバリア層１５１を形成した。次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約 3nmのIn0.05Ga0.95N から成る井戸層１５２を形成した。更に、バリア層１５１と井戸層１５２を同一条件で４周期形成し、その上にAlX Ga1-X N から成るバリア層１５１を形成した。このようにしてMQW 構造の発光層１５を形成した。
【００１３】
次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA 及びCP2Mg を供給して、膜厚約25nm、マグネシウム(Mg)をドープしたｐ型Al0.15Ga0.85N から成るｐクラッド層１６を形成した。
次に、基板１１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 及びCP2Mg を供給して、膜厚約 100nm、Mgをドープしたｐ型GaN から成るｐコンタクト層１７を形成した。
次に、ｐコンタクト層１７の上にエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６、発光層１５、歪み緩和層１４、ｎ+ 層１３の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ+ 層１３の表面を露出させた。
次に、以下の手順で、ｎ+ 層１３に対する電極１８Ｂと、ｐコンタクト層１７に対する透光性の電極１８Ａとを形成した。
【００１４】
(1) フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ+ 層１３の露出面上の所定領域に窓を形成して、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約20nmのバナジウム(V) と膜厚約1800nmのAlを蒸着した。次に、フォトレジストを除去する。これによりｎ+ 層１３の露出面上に電極１８Ｂが形成される。
(2) 次に、表面上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐコンタクト層１７の上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、窓部を形成する。
(3) 蒸着装置にて、フォトレジスト及び露出させたｐコンタクト層１７上に、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約 1.5nmのCoを成膜し、このCo上に膜厚約 6nmのAuを成膜する。
【００１５】
(4) 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCo、Auを除去し、ｐコンタクト層１７上に透光性の電極１８Ａを形成する。
(5) 次に、透光性の電極１８Ａ上の一部にボンディング用の電極パッド２０を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、その電極パッド２０の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。次に、Co若しくはNi又はV とAu、Al、又は、それらの合金を膜厚1500nm程度に、蒸着により成膜させ、(4) の工程と同様に、リフトオフ法により、フォトレジスト上に堆積したCo若しくはNi又はV とAu、Al、又はそれらの合金から成る膜を除去して、電極パッド２０を形成する。
(6) その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O2ガスを供給して圧力 3Paとし、その状態で雰囲気温度を約 550℃にして、3 分程度加熱し、ｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６をｐ型低抵抗化すると共にｐコンタクト層１７と電極１８Ａとの合金化処理、ｎ+ 層１３と電極１８Ｂとの合金化処理を行った。
このようにして、発光素子１００を形成した。
【００１６】
次に、上記と同様にして、AlX Ga1-X N より成るバリア層のアルミニウム(Al)組成比X の異なる試料を多数作成し、そのＥＬによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示す。この図から判るように、発光素子１００の発光強度は、アルミニウム(Al)の存在によって強くなり、特に組成比X が0.06≦X ≦0.18の範囲において高光度を示し、更に望ましくは0.1 ≦X ≦0.14である。
また、AlX Ga1-X N より成るバリア層の厚さの異なる試料を多数作成し、そのＥＬによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図３に示す。この図から判るように、AlX Ga1-X N より成るバリア層の厚さは、2nm 以上10nm以下、より好ましくは 3nm以上 8nm以下であればよい。
【００１７】
上記実施例では、発光素子１００として歪み緩和層１４を持ったものを示したが、本発明はそれに限定されない。また、歪み緩和層１４に代えてｎクラッド層を持ったものとしても良い。
なお、発光素子１００のバリア層以外の層である、井戸層、ｐクラッド層、ｎ及びｐコンタクト層は、任意の混晶比の４元、３元、２元系のAlX Ga1-X-Y InY N （０≦X ≦１，０≦Y ≦１）としても良い。
また、歪み緩和層が無いと効果が低減するが、無くとも従来の発光素子よりは出力は大きくなる。
また、ｐ型不純物としてMgを用いたがベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の２族元素を用いることができる。
また、本発明は発光素子のみならず受光素子にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係わるGaN 系化合物半導体発光素子１００の構造を示した模式的断面図。
【図２】バリア層１５１（AlX Ga1-X N ）のアルミニウム(Al)組成比X と発光強度との相関を示すグラフ。
【図３】バリア層１５１（AlX Ga1-X N ）の膜厚と発光強度との相関を示すグラフ。
【符号の説明】
１１            サファイア基板
１２            バッファ層
１３            ｎクラッド及びｎコンタクト層（ｎ+ 層）
１４            歪み緩和層
１５            発光層
１５１          バリア層
１５２          井戸層
１６            ｐクラッド層
１７            ｐコンタクト層
１８Ａ          ｐ電極
１８Ｂ          ｎ電極
２０            電極パッド
１００          発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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