(57)【要約】【課題】高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、前記第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層と、前記ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層上に形成された第１の電極接触層と、前記第１の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、第２のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、前記第２のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成された第２の電極接触層と、を含む窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子である。【選択図】図１
2008182284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された第１のＧａＮ層と、
前記第１のＧａＮ層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２のＧａＮ層を含み、
前記第１のＧａＮ層は第１のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層を含む、
窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項２】
前記第２のＧａＮ層は第２の電極接触層を含み、
前記第２の電極接触層はｎ型である、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項３】
前記第２のＧａＮ層は、
前記活性層上に形成された第２のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、
前記第２のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＧａＮ層を含む、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項４】
前記第１のＧａＮ層は、
前記第１のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層より上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層を含む、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項５】
前記第１のＧａＮ層は、
前記ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層下に形成されたｕｎｄｏｐｅｄＧａＮ層を含む、
請求項４に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項６】
前記基板および前記第１のＧａＮ層の間に形成されたバッファ層を含み、
前記バッファ層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造、又はＡｌxＩｎyＧａ1-x、yＮ／ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造の何れか一つで形成される、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項７】
前記第１のＧａＮ層は前記第１のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成された第１の電極接触層をより含み、
前記第１の電極接触層は、Ｓｉ／Ｉｎ−ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層である、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項８】
前記活性層は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成される、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項９】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ層、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成される、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項１０】
前記ＩｎxＧａ1-xＮ層にドープされるインジウム含量は、前記ＩｎzＧａ1-zＮ障壁層にドープされるインジウム含量よりも小さい値を持つ、
請求項９に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項１１】
前記ＩｎxＧａ1-xＮ層、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層にドープされるインジウム含量は、それぞれ０＜ｘ＜０．０５、０＜ｙ＜０．３、０＜ｚ＜０．１の値を持つ、
請求項９に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項１２】
前記第２のＧａＮ層は第２の電極接触層を含み、
前記第２の電極接触層は、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造で形成される、
請求項１に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子。
【請求項１３】
基板を形成するステップと、
前記基板上に第１のＧａＮ層を形成するステップと、
前記第１のＧａＮ層上に活性層を形成するステップと、
前記活性層上に第２のＧａＮ層を形成するステップを含み、
前記第１のＧａＮ層は第１のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層を含む、
窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１のＧａＮ層は、
前記第１のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層を含む、
請求項１３に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１のＧａＮ層は、
前記ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層上に形成されたｕｎｄｏｐｅｄＧａＮ層を含む、
請求項１４に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２のＧａＮ層は、
前記活性層上に形成された第２のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、
前記第２のＩｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＧａＮ層を含む、
請求項１３に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記基板および前記第１のＧａＮ層の間に形成されたバッファ層を含み、
前記バッファ層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造、又はＡｌxＩｎyＧａ1-x、yＮ／ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造の何れか一つで形成される、
請求項１３に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ層、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で構成される、
請求項１３に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ＩｎxＧａ1-xＮ層は、その表面形状が螺旋状で成長される、
請求項１８に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の製造方法。
【請求項２０】
前記ＩｎxＧａ1-xＮ層は、その表面形状が螺旋状で成長され、その螺旋状は前記ＩｎzＧａ1-zＮ障壁層の表面まで延長されて成長される、
請求項１８に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の製造方法。
【請求項２１】
前記第２のＧａＮ層は第２の電極接触層を含み、
前記第２の電極接触層は、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造で形成される、
請求項１３に記載の窒化物系３−５族化合物半導体の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系３-５族化合物半導体に関する。より詳しくは、基板上に成長されるＧａＮ系単結晶層と基板の熱膨張係数との格子定数の差により発生する結晶欠陥を低減し、ＧａＮ系単結晶層の結晶性を向上することにより、発光素子の高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＧａＮ系半導体は、その応用分野として、青色/緑色ＬＥＤのようなフォトダイオード及びＭＥＳＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)、ＨＥＭＴ(ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)等の高速スイッチング、高出力素子である電子素子に応用されている。特に、青色/緑色ＬＥＤ素子は、既に量産化した状態であり、その需要は全世界的に指数関数的に増加しつつある。
このようなＧａＮ系半導体の発光素子は、主にサファイア基板またはＳｉＣ基板上で成長される。そして、サファイア基板またはＳｉＣ基板上に、低温の成長温度でＡｌyＧａ1-yＮの多結晶薄膜をバッファ層(ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ)で成長させる。そして、高温でバッファ層上にｕｎｄｏｐｅｄＧａＮ層、シリコン(Ｓｉ)がドープされるＧａＮ層またはその混合構造で成長させ、ｎ型ＧａＮ層を第１の電極接触層とする。そして、その上部にマグネシウム(Ｍｇ)がドープされるｐ型ＧａＮ層を第２の電極接触層として、窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子が製造される。また、発光層(多重量子井戸構造の活性層)は、ｎ型ＧａＮ第１の電極接触層と、ｐ型ＧａＮ第２の電極接触層との間に介在する構造で形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような構造を持つ窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、基板とバッファ層との界面で発生する結晶欠陥が約１０8/ｃｍ3程度で非常に高い値を持つ。このため、窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の電気的な特性、特に、逆バイアス条件下でリーク電流が増加することにより、素子の信頼性が劣化するという問題点がある。
また、このようなバッファ層と基板との界面で発生する結晶欠陥は、発光層の結晶性を低下させるため、窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の発光効率が低減するという問題点がある。
【０００４】
一方、ＧａＮ系半導体の性能を向上させ、高信頼性を確保するために、最近、新たなバッファ層に関するサーチ、及びＧａＮ系半導体の製造方法に関する研究が進行されている。
よって、本発明の目的は、結晶欠陥を低減し、ＧａＮ系単結晶層の結晶性を向上させることにより、高性能かつ高信頼性を確保できる窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、単一量子井戸構造の活性層だけでも実用的な高輝度の性能を具現できる窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、前記第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層と、前記ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層上に形成された第１の電極接触層と、前記第１の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、第２のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、前記第２のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成された第２の電極接触層と、を含む。
他の側面に係る本発明の窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層と、前記第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に形成された第１の電極接触層と、前記第１の電極接触層上に形成され、光を放出する活性層と、前記活性層上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成された第２の電極接触層と、を含む。
また他の側面に係る本発明の窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１の電極接触層と、前記第１の電極接触層上に形成され、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層を含む活性層と、前記活性層上に形成されたＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成された第２の電極接触層と、を含む。
本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層を形成するステップと、前記第１のＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層上に第１の電極接触層を形成するステップと、前記第１の電極接触層上に、光を放出する活性層を形成するステップと、前記活性層上にＧａＮ層を形成するステップと、前記ＧａＮ層上に第２の電極接触層を形成するステップと、を含む。
【０００７】
本発明によれば、窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の結晶欠陥を低減し、ＧａＮ系単結晶層の結晶性を向上できる。これにより、発光素子の高性能かつ高信頼性を確保できるという利点がある。
また、本発明によれば、単一量子井戸構造の活性層だけでも実用的な高輝度の性能を具現できるという利点がある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子及びその製造方法によれば、多重のバッファ層によってサファイア基板上に成長されるＧａＮ系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制して、高品質のＧａＮ系半導体を成長できる。特に、第１の電極接触層として用いるＳｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層の下側にＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造が挿入されることにより、結晶欠陥を一層抑制できる。
【０００９】
また、活性層の内部量子効率を高めるために、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層を挿入して、量子井戸の成長モードを均一に制御できる。そして、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を第２の電極接触層として用いることにより、動作電圧を減少できる。結局、窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の結晶欠陥を低減し、ＧａＮ系単結晶層の結晶性を向上させることにより、高性能かつ高信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る実施例を詳細に説明する。
なお、本発明は後述する実施例に限定されるものではなく、構成要素の付加、変更、削除等によって他の実施例を容易に提案できる。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の第１実施例に係る発光素子の積層構造である。
図１は、基板１０２上にバッファ層(ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ)１０４を成長させ、ｎ型ＧａＮ(Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄ)層を第１の電極接触層１０８とし、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造(ｓｕｐｅｒ ｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ)を持つ層を第２の電極接触層１２０として成長させた窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の断面構造である。ここで、第１の電極接触層１０８及び第２の電極接触層１２０には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、第１の電極接触層１０８と第２の電極接触層１２０との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層１１６を持つ。活性層１１６は、インジウム(Ｉｎ)が少量添加されたＧａＮ層１１０、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層１１２及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４を含む。
【００１３】
そして、バッファ層１０４と第１の電極接触層１０８との間にはＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層１０６がさらに形成され、ＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４と第２の電極接触層１２０との間にはｐ型ＧａＮ層１１８がさらに形成される。
【００１４】
本実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の製造方法を説明する。
まず、サファイア基板１０２上に低温の成長温度でＧａＮ系バッファ層１０４薄膜を成長させる。ここで、低温の成長温度でＧａＮ系バッファ層１０４薄膜を成長させる際、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造及びＩｎxＧａ1-xＮ/ＧａＮ、ＡｌxＩｎyＧａ1-x、yＮ/ＩｎxＧａ1-xＮ/ＧａＮの積層構造で成長できる。
【００１５】
このように、基板１０２上にバッファ層１０４が形成されることにより、基板１０２上に成長されるＧａＮ系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制できるため、高品質のＧａＮ系半導体を成長できる。
【００１６】
詳しくは、ＧａＮ系バッファ層１０４を成長させるステップにおいて、成長温度を５００℃〜７００℃とし、Ｈ2、Ｎ2キャリアガスを供給しながら、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌソース(ｓｏｕｒｃｅ)ガスを流入させ、ＮＨ3ガスを流入させて、窒化物系バッファ層を成長させる。
【００１７】
そして、成長されたバッファ層１０４上に高温の成長温度でＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層１０６及びＳｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層１０８を成長させる。ここで、Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層１０８は第１の電極接触層として用いる。
詳しくは、ＧａＮ系単結晶薄膜を成長させるステップは、ＭＯＣＶＤ装備を用いて９００℃〜１１００℃で、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌソースガスを供給して単結晶ＧａＮ系半導体薄膜を成長させ、ドーピングソースとしては、ＳｉドーピングソースとしてＳｉＨ4ガス、ＩｎドーピングソースとしてＴＭＩｎソースが用いられる。
【００１８】
以後、所望の波長帯域の光を放出する活性層１１６には、単一量子井戸層(ｓｉｎｇｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ)が含まれる。詳しくは、活性層１１６は、活性層の内部量子効率を向上させるために、まず、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-XＮ(０<ｘ≦０.２)層１１０を１０〜５００Åの範囲内で成長させる。好ましくは５０〜３００Åの範囲内で成長させる。そして、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-XＮ層１１０上に、インジウム含量が互いに異なるＩｎyＧａ1-yＮ井戸層１１２とＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４とからなる一つの量子井戸層が成長されて活性層として用いられる。
【００１９】
このとき、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層１１０、ＩｎyＧａ1-yＮ(０<ｙ≦０.３５)井戸層１１２及びＩｎzＧａ1-zＮ(０<ｚ≦０.２)障壁層１１４で形成される一つの量子井戸構造の活性層１１６の成長段階において、Ｎ2、Ｈ2+Ｎ2キャリアガス及びＮＨ3雰囲気で、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌソースを流入させて成長させる。また、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層１１０の厚さは１０〜５００Åであり、表面形状は均一な螺旋状(ｓｐｉｒａｌ ｍｏｄｅ)で成長される。また、光を放出するＩｎＧａＮ井戸層１１２とＩｎＧａＮ障壁層１１４の厚さは、それぞれ５〜３０Å及び５０〜５００Å程度であり、成長温度は７００〜８００℃程度である。
【００２０】
また、高輝度の発光ダイオードを具現するには、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層１１０の表面に均一に成長された螺旋状がＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４までその形態を維持しなければならない。このような成長条件を満足させると、多重量子井戸構造の活性層でない単一量子井戸構造の活性層の形成によっても実用的な高輝度の発光素子を製造できる。勿論、他の部分が同じ状態で多重量子井戸構造が適用されることもできる。
【００２１】
一方、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層１１０、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層１１２及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４にドープされる含量分布は、次のように調節可能である。即ち、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層１１０のインジウム含量はＩｎzＧａ1-zＮ障壁層１１４より低く調節し、各ドープされるインジウムの含量は０<ｘ<０.０５、０<ｙ<０.３、０<ｚ<０.１に調節できる。
【００２２】
このような過程により光を放出する活性層を成長させた後、温度を増加させてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ単結晶層１１８をＨ2、Ｎ2、Ｈ2+Ｎ2、ＮＨ3のガス雰囲気で成長させる。ｐ型ＧａＮ層１１８の厚さは５００〜５０００Åであり、このとき、成長温度は９００〜１０２０℃範囲で行われる。
【００２３】
次いで、ｐ型ＧａＮ層１１８を成長させた後、その上に、ＩｎxＧａ1-xＮ(０<ｘ≦０.２)/ＩｎyＧａ1-yＮ(０<ｙ≦０.２)超格子構造を持つ第２の電極接触層１２０を成長させる。ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造は、第２の電極接触層１２０への電流の拡散を效果的に行い、第１の電極接触層１０８と同じ電極金属を用いて形成できるという長所がある。
【００２４】
本実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子によれば、第１の電極接触層１０８と第２の電極接触層１２０は、ｎ型/ｎ型の電極接触層で形成される。よって、従来の窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子において、第１の電極接触層と第２の電極接触層がｎ型/ｐ型で形成されることにより、第２の電極接触層として用いるｐ型ＧａＮ層の低いマグネシウム(Ｍｇ)ドーピング効率により発生した高い接触抵抗と、それに伴う電流拡散層(ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ)とを除去できる。そして、ｐ型ＧａＮ層１１８との関係を考慮すれば、第１の電極接触層１０８、ｐ型ＧａＮ層１１８、第２の電極接触層１２０はｎ型/ｐ型/ｎ型の接合関係を持つこともできる。
【００２５】
ここで、第２の電極接触層１２０の厚さは、各々２〜５０Åで交互に構成され、最大２００Å未満で構成される。また、成長温度は７００〜８５０℃範囲内であり、Ｎ2、Ｎ2+Ｈ2、ＮＨ3のガス及びＴＭＧａ、ＴＭＩｎのソースを流入して成長させることにより、内部量子効率及び動作電圧の特性が優秀なヘテロ構造の高輝度の発光ダイオードを成長させることができる。
【実施例２】
【００２６】
図２は本発明の第２実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子のの積層構造である。
図２に示す窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の基本的な積層構造は、図１に示す第１実施例と類似している。但し、本実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、基板２０２とＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ単結晶層２１２との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層２１０が第１の電極接触層２１２の下に追加して挿入されたヘテロ構造を持つ。
このような構造は、基板２０２及び低温のバッファ層２０４から伝播される電位密度を減少させることにより、発光素子の逆方向破壊電圧(ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｂｒ)を改善して発光素子の信頼性を向上できる。
【００２７】
本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の第２実施例の構造を、以下に簡略に説明する。
基板２０２上にバッファ層２０４を成長させ、ｎ型ＧａＮ(Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄ)層を第１の電極接触層２１２とし、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層を第２の電極接触層２２４として成長させる。ここで、第１の電極接触層２１２及び第２の電極接触層２２４には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
【００２８】
また、本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、第１の電極接触層２１２と第２の電極接触層２２４との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層２２０を持つ。活性層２２０は、インジウム(Ｉｎ)が少量添加されたＩｎxＧａ1-xＮ層２１４、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層２１６及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層２１８を含む。
【００２９】
そして、バッファ層２０４と第１の電極接触層２１２との間には、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層２０６とｕｎｄｏｐｅｄＧａＮ層２０８とが形成される。そして、ＩｎzＧａ1-zＮ障壁層２１８と第２の電極接触層２２４との間には、ｐ型ＧａＮ層２２２がさらに具備される。
【００３０】
以上のような構造を持つ窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の製造方法は、第１実施例と類似しているので、ここではその説明は省略する。
本実施例により、基板２０２及びバッファ層２０４から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善でき、発光素子の信頼性を向上できる。
【実施例３】
【００３１】
一方、図３は本発明の第３実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の積層構造である。
図３を参照すれば、本実施例は殆んど第１実施例と類似している。但し、ｐ型ＧａＮ層３２０とＩｎzＧａ1-zＮ障壁層３１４との間に、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３１８が追加して挿入されるヘテロ構造を持つ。
このように、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３１８がさらに形成されることにより、ｐ型ＧａＮ層３２０でドーピングソースとして使用されたマグネシウム(Ｍｇ)原子の内部拡散(Ｉｎ-ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ)現状を抑制させ、特性を向上できる。ここで、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３１８はその厚さを１００Å以下で成長させるようにする。
【００３２】
第３実施例に係る半導体の発光素子の製造方法を説明する。基板３０２上にバッファ層３０４を成長させ、ｎ型ＧａＮ(Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄ)層を第１の電極接触層３０８とし、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層を第２の電極接触層３２２として成長させる。ここで、第１の電極接触層３０８及び第２の電極接触層３２２には、以後の工程で各々電極(図示せず)が形成され、これを介して電圧が印加される。
【００３３】
また、本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子は、第１の電極接触層３０８と第２の電極接触層３２２との間に介在されてヘテロ構造で形成される活性層３１６を持つ。活性層３１６は、インジウム(Ｉｎ)が少量添加されたＩｎxＧａ1-xＮ層３１０、ＩｎyＧａ1-yＮ井戸層３１２及びＩｎzＧａ1-zＮ障壁層３１４を含む。
【００３４】
そして、バッファ層３０４と第１の電極接触層３０８との間には、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３０６が含まれ、ＩｎzＧａ1-zＮ障壁層３１４と第２の電極接触層３２２との間には、ｐ型ＧａＮ層３２０とＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３１８とがさらに含まれる。
【００３５】
本実施例のように、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層３１８がさらに形成されることにより、ｐ型ＧａＮ層３２０でドーピングソースとして用いるマグネシウム(Ｍｇ)原子の内部拡散現状を抑制できる。よって、発光素子の特性を向上できる。
【実施例４】
【００３６】
図４は本発明の第４実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の積層構造である。
第４実施例は殆んど第３実施例と同様であり、但し、基板４０４とＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層４０６との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層４０８と、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層４１２と、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層４１４をさらに形成させることに特徴がある。また、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層４０８は、基板４０２及び低温のバッファ層４０４から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善する効果が得られる。
【００３７】
以下では、図４を参照して、本実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の製造方法を詳細に説明する。
サファイア基板４０２上に低温の成長温度でＧａＮ系バッファ層４０４を成長させる。ここで、低温の成長温度でＧａＮ系バッファ層４０４は、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造及びＩｎxＧａ1-xＮ/ＧａＮ、ＡｌxＩｎyＧａ1-x、yＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ/ＧａＮの積層構造などで形成させることができる。
このように、基板４０２上にバッファ層４０４が形成されることにより、基板４０２上に成長されるＧａＮ系単結晶薄膜との熱膨張係数及び格子定数の不一致によって発生する結晶欠陥を效果的に抑制できるため、高品質のＧａＮ系半導体を成長できる。
そして、成長されたバッファ層４０４上に高温の成長温度でＩｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層４０６を成長させる。そして、基板４０４との格子定数及び熱膨張係数の差により発生する結晶欠陥を最小化するために、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造を持つ層４０８をさらに形成させる。
このような構造は、基板４０２及び低温のバッファ層４０４から伝播される電位密度を減少させ、発光素子の逆方向破壊電圧を改善し、信頼性を向上できる。
【００３８】
そして、結晶欠陥を最小化するために、ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層４０８上に、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層４１２とＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造層４１４とをさらに形成させる。
【００３９】
以後、Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層４１６を成長させる。ここで、Ｓｉ/Ｉｎ-ｃｏｄｏｐｅｄＧａＮ層４１６は第１の電極接触層として用いられる。
【００４０】
以後、所望の波長帯域の光を放出する活性層４２４には、単一量子井戸層が形成される。詳しくは、活性層４２４は、活性層の内部量子効率を向上させるために、まず、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-XＮ(０<ｘ≦０.２)層４１８を成長させる。そして、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-XＮ層４１８上に、インジウム含量が互いに異なるＩｎyＧａ1-yＮ井戸層４２０とＩｎzＧａ1-zＮ障壁層４２６とからなる一つの量子井戸層が成長されて活性層として用いられる。
【００４１】
このとき、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層４１８、ＩｎyＧａ1-yＮ(０<ｙ≦０.３５)井戸層４２０及びＩｎzＧａ1-zＮ(０<ｚ≦０.２)障壁層４２２で形成される一つの量子井戸構造の活性層４２４の成長段階において、Ｎ2、Ｈ2+Ｎ2キャリアガス及びＮＨ3雰囲気で、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌソースを流入させて成長させる。また、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層４１８の厚さは１０〜５００Åであり、表面形状は均一な螺旋状で成長される。
【００４２】
また、光を放出するＩｎＧａＮ井戸層４２０とＩｎＧａＮ障壁層４２２の厚さは、それぞれ１０〜４０Å及び５０〜５００Å程度であり、成長温度は７００〜８００℃程度である。また、高輝度の発光ダイオードを具現するには、インジウム含量が低いＩｎxＧａ1-xＮ層４１８の表面に均一に成長された螺旋状がＩｎzＧａ1-zＮ障壁層４２２までその形態を維持しなければならない。このような成長条件を満足させると、多重量子井戸構造の活性層でない単一量子井戸構造の活性層の形成によっても実用的な高輝度の発光素子を製造できる。
【００４３】
そして、光を放出する活性層を成長させた後、Ｉｎ-ｄｏｐｅｄＧａＮ層４２６及びＭｇ原子がドープされたｐ型ＧａＮ単結晶層４２８を成長させる。ここで、ｐ型ＧａＮ層４２８の厚さは５００〜５０００Åであり、このとき、成長温度は９００〜１０２０℃範囲で行われる。
【００４４】
次いで、ｐ型ＧａＮ層４２８を成長させた後、その上に、第２の電極接触層４３０として用いるＩｎxＧａ1-xＮ(０<ｘ≦０.２)/ＩｎyＧａ1-yＮ(０<ｙ≦０.２)超格子構造層を成長させてトンネルリング効果を持つ。ＩｎxＧａ1-xＮ/ＩｎyＧａ1-yＮ超格子構造は、第２の電極接触層４３０への電流拡散を效果的に行い、第１の電極接触層４１６と同じ電極金属を用いて形成できる。
【００４５】
本実施例に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子によれば、第１の電極接触層４１６と第２の電極接触層４３０は、ｎ型/ｎ型の電極接触層として形成される。よって、従来の窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子において、第１の電極接触層と第２の電極接触層がｎ型/ｐ型で形成されることにより、第２の電極接触層として用いるｐ型ＧａＮ層の低いＭｇドーピング効率により発生した高い接触抵抗と、それに伴う電流拡張層とを除去できる。
【００４６】
そして、ｐ型ＧａＮ層４２８との関係を考慮すれば、第１の電極接触層４１６、ｐ型ＧａＮ層４２８、第２の電極接触層４３０はｎ型/ｐ型/ｎ型の接合関係を持つこともできる。ここで、第２の電極接触層４３０の厚さは、各々２〜５０Åで交互に構成され、最大２００Å未満で構成される。また、成長温度は７００〜８５０℃範囲内であり、Ｎ2、Ｎ2+Ｈ2、ＮＨ3のガス及びＴＭＧａ、ＴＭＩｎのソースを流入して成長させることにより、内部量子効率及び動作電圧の特性が優秀なヘテロ構造の高輝度の発光ダイオードを成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の第１実施例の積層構造を示す図である。
【図２】本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の第２実施例の積層構造を示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の第３実施例の積層構造を示す図である。
【図４】本発明に係る窒化物系３-５族化合物半導体の発光素子の第４実施例の積層構造を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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