(57)【要約】【課題】窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置において、高い発光効率や光吸収係数の光学的特性を維持したまま、短波長化を実現する。【解決手段】ＡｌＧａＮからなる量子井戸構造の発光層を有するＬＥＤにおいて、前記量子井戸構造を構成する障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差が１５％以内であり、かつ前記量子井戸層のＡｌ組成が２％以上であり、かつ、前記量子井戸層の厚さが４ｎｍ以下である。【選択図】　　図１
2004006957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ＡｌＧａＮからなる量子井戸構造の発光層を有する光半導体装置において、前記量子井戸構造を構成する障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差が１５％以内であり、かつ前記量子井戸層のＡｌ組成が２％以上であり、かつ前記量子井戸層の厚さが４ｎｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
　前記量子井戸層が１％未満のＩｎを含むことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、窒化物半導体、例えば、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　例えば、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有する従来の光半導体装置では、発光層を形成するために、ＩｎＧａＮ混晶薄膜を量子井戸層とし、ＩｎＧａＮもしくはＧａＮを主たる障壁層とする量子井戸構造を使用してきた。　
　このような構造により、約４００ｎｍと比較的発光波長の短い発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）が実現されてきた。　
　前記ＬＥＤやＬＤにおいて、光学的分解能や化学的な活性度の高い光源を得ることを目的として、さらに短い波長域を実現しようとする場合、（１）量子井戸層を１〜２分子層程度と極端に薄くしたり、（２）障壁層としてＡｌ組成の高い材料を利用することが検討されてきた。　
　また、前記ＬＥＤやＬＤにおいて、発光層を挟むｎ型並びにｐ型のキャリアを供給するキャリア供給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮ混晶（下記非特許文献１）やＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造（下記非特許文献２）が使用されてきた。さらに、出願人は、Ａｌを含む発光層（光学的活性層）を有するＬＥＤによって、従来のＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造を発光層とするＬＥＤよりも短波長化が可能であることを示した（下記非特許文献３）。
【０００３】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., 35 (1996) L74
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 211
【非特許文献３】Phys. stat. Sol. (a) 176, 45 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　前記（１）の場合、量子井戸層の膜厚の制御が困難であるという問題があった。　
　前記（２）の場合、窒化物量子井戸構造においてはピエゾ電界効果が顕著なため、発光効率や光吸収の光学特性が貧弱で、有効な光半導体装置を実現することが不可能であった。　
　図６は、本発明および従来の原理を説明する概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する図である。（ａ）は本発明におけるピエゾ効果が小さい場合、（ｂ）は従来におけるピエゾ効果が大きい場合を示す。　
　光学的分解能や化学的な活性度の高い光源を目的として、さらにより短い波長域を実現しようとする場合、Ａｌを含む光学的に活性な発光層が必要となるが、このような発光層を挟むｎ型並びにｐ型のキャリア供給層には、発光波長に比較してバンドギャップエネルギーがより大きく、電気抵抗の小さい層が必要となる。しかしながら、Ａｌ組成を増加させてバンドギャップエネルギーを大きくすると、前記ＡｌＧａＮ混晶においては、キャリア濃度と移動度が低下し、電気抵抗が高くなる課題があった。また、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造を用いると、膜厚方向の通電に対して電気的な障壁が形成され、抵抗となること、および、キャリアの有効質量が大きく、量子効果によって実効的なバンドギャップエネルギーを大きくすることが困難であることなどの課題があった。　
　また、これまで窒化物半導体の研究は、発光効率が比較的高いとされるＩｎＧａＮ発光層の発光波長である長い波長領域で検討が進められており、ＧａＮのバンド端発光波長である３６０ｎｍよりも短い波長の発光素子のキャリア供給層に関しては、Ａｌ組成増大による結晶品質の劣化が過大に評価され、系統的な検討は行われていない。しかしながら、我々は成長技術を向上することにより、ＧａＮを含まない超格子構造でも、例えばｐ型導電層を実現できる程度に良好に作製することを可能としたことから、このような先入観を排除しうるものと結論した。　
　従来行われてきたような量子井戸構造では、量子井戸層がＧａＮやＩｎＧａＮにより構成されるため、障壁層と量子井戸層の格子定数の差に起因して両層の歪みが大きく、図６（ｂ）に示すように、ピエゾ効果が大きく、ピエゾ電界が増大する。　
　このため、電子と正孔の存在位置の上下方向への分離が増大し、その結果、光学的遷移確率が減少し、発光効率や光吸収係数の低下が生じ、良好な光半導体装置を実現することが困難となる。　
　本発明は、前述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置において、高い発光効率や光吸収係数の光学的特性を維持したまま、短波長化を実現することにある。　
　また、本発明の別の目的は、窒化物III-Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、光透過効率の光学的特性を維持したまま、低抵抗化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　上記課題を達成するために、本発明は、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有する光半導体装置において、量子井戸構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使用し、つまり、障壁層と量子井戸層が共にＡｌを含み、前記障壁層のＡｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成よりも大きいことを特徴とするもので、これにより、短波長化を実現するため、障壁層のＡｌ組成を高くしても、量子井戸層にもＡｌを合ませることにより、格子定数の差を低滅し、ピエゾ電界を抑制することが可能となる。　
　特に、障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差を１５％以下、かつ、量子井戸層のＡｌ組成を２％以上とする（量子井戸層が２％以上のＡｌを含む）量子井戸構造をもって光半導体装置を構成するのが好ましい。これにより、短波長化は効果的で、かつ、量子井戸層と障壁層の格子定数の違いが０．５％以下となり、量子井戸層中に誘起され、形成されるピエゾ電界をｌＭＶ／ｃｍ以下程度に抑制することが可能となる。　
　このため、例えば２ｎｍ程度の量子井戸層を形成した場合、図６（ａ）に示すように、ビエゾ電界を小さく保ち、電子と正孔の存在位置の上下方向への分離を減少させることにより、光学的遷移確率が増加し、高い発光効率や光吸収係数を有する光半導体装置を実現することが可能となる。　
　さらに、本発明は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる発光層を有する光半導体装置において、障壁層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以上１５％以内、前記障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下のＡｌＧａＮ超格子構造をキャリア供給層とするのが望ましい。　
　この構造により、窒化物III-Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、光透過効率の光学的特性を維持したまま、低抵抗化を実現できる。　
　すなわち、本発明は、ＡｌＧａＮからなる量子井戸構造の発光層を有する光半導体装置において、前記量子井戸構造を構成する障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差が１５％以内であり、かつ前記量子井戸層のＡｌ組成が２％以上であり、かつ前記量子井戸層の厚さが４ｎｍ以下であることを特徴とする。　
　また、前記量子井戸層が１％未満のＩｎを含むことを特徴とする。　
　なお、ここに示した、本発明のピエゾ電界抑制の効果は、ＬＥＤやＬＤ等の発光器だけでなく、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光器や光変調器に適用できることは言うまでもない。
【発明の効果】
【０００６】
　本発明によれば、量子井戸構造として、量子井戸層の構成要素にＡｌを使用し、障壁層のＡｌ組成を量子井戸層のＡｌ組成よりも大きくすることにより、短波長における窒化物III−Ｖ族化合物を用いた光半導体素子の動作効率、例えばＬＥＤの場合の発光効率を向上することを可能とした。この構造を利用することにより、窒化物光半導体素子の動作波長を従来の３７０ｎｍ程度から大きく短波長化することが可能となった。また、障壁層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以上１５％以内、前記障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下のＡｌＧａＮ超格子構造をキャリア供給層とすることにより、窒化物III-Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、光透過効率の光学的特性を維持したまま、低抵抗化を実現することができた。　
　このような効果は、ＬＥＤやＬＤ等の発光器に留まらず、ＰＤ等の受光器や光変調器など、広く窒化物光半導体装置における光学的空間分解能等の特性を向上でき、さらに、これらの素子を利用して化学物質を光励起する場合や検出する場合の感度向上にも極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
　実施の形態１
　図１は本発明の一実施の形態のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。　
　図１において、１は負電極（Ａｕ）、２は負電極（Ｔｉ）、３はｎ型ＳｉＣ基板、４はｎ型ＡｌＧａＮ層、５はＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層（ＭＱＷ(Multi Quantum Well)層）、６はｐ型ＡｌＧａＮ層、７はｐ型ＧａＮコンタクト層、８は正電極（Ｎｉ）、９は正電極（Ａｕ）である。　
　すなわち、本実施の形態のＬＥＤを形成する基板としては、面方位精度±０．２°以内で（０００１）Ｓｉ面正方位に配向したキャリア濃度１０１８ｃｍ−３でｎ型の６Ｈ−ＳｉＣ基板３を用いた。　
　結晶成長には縦型のＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）炉を用い、成長圧力３９９９７Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）、結晶成長の原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を使用し、Ｖ族／III族比は約１００００で成長を行った。　
　図１に示すＬＥＤにおいて、ｎ型ＳｉＣ基板３上への厚さ４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層４の成長にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用い、ＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５の成長にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＥＧ、ＮＨ３を用い、厚さ４００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層６の成長にはＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用い、厚さ１５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７のＧａＮ成長にはＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いている。量子井戸部分であるＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層５は、５組の厚さ２ｎｍでＡｌ組成５％（０．０５）の量子井戸層と、厚さ５ｎｍでＡｌ組成１５％（０．１５）の障壁層から成っている。すなわち、本実施の形態では、障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差は１０％以内であり、量子井戸層は５％のＡｌを含む。成長温度は１０３０℃である。正電極（陽極）８、９としてＮｉ層とＡｕ層を積層し、負電極（陰極）２、１として基板３の裏面にＴｉ層とＡｕ層を蒸着してＬＥＤ素子を形成した。
【０００８】
　図２は、上記のように作製したＬＥＤの室温における発光スペクトルを示す図である。横軸に波長λ（ｎｍ）、縦軸に発光強度が取ってある。　
　図２から明らかなように、本実施の形態のＬＥＤでは、発光ピーク波長約３４５ｎｍが得られた。これはこれまで通常報告されているＬＤやＬＥＤの発光波長（３６０ｎｍ以上）や、最近報告されたＧａＮ／ＡｌＧａＮ系で量子井戸層を薄くしたＬＥＤ（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７３，ｐ．１６６８，１９９８）の発光波長に比較しても最も発光波長が短く、本発明の効果は明らかである。すなわち、窒化物III−Ｖ族化合物半導体を用いた量子井戸構造を有するＬＥＤにおいて、高い発光効率や光吸収係数の光学的特性を維持しながら、短波長化を実現することができた。
【０００９】
　実施の形態２
　図１に示した実施の形態１とほぼ同様な素子構造で、量子井戸層５に１％未満のＩｎを添加したところ、ピーク発光波長が３５０ｎｍと、実施の形態１の場合の３４５ｎｍに比較してやや長波長化したものの、実施の形態１の場合に比較して約１０倍の発光強度を得た。
【００１０】
　実施の形態３
　図３（ａ）は本発明の別の実施の形態の半導体ヘテロ構造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す窒化物半導体発光ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組成を示すグラフである。　
　図に示すように、６Ｈ−ＳｉＣからなり（０００１）Ｓｉ面に配向したキャリア濃度１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＳｉＣ基板１１上に、厚さが３００ｎｍで、Ａｌ組成が１５％の組成一定領域からなるｎ型ＡｌＧａＮ層１２が形成されている。　
　また、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２上に、２種類のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｎ型超格子構造（キャリア供給層）１３が形成されている。ｎ型超格子構造１３を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％（バルクのバンドギャップ波長は３４０ｎｍ以下）、障壁層のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各障壁層の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成は１６％である。　
　また、ｎ型超格子構造１３上に、ＡｌＧａＮからなる多重量子井戸発光層１４が形成されている。多重量子井戸発光層１４は５組の、厚さが２ｎｍでＡｌ組成が１０％の量子井戸層、および厚さが２ｎｍでＡｌ組成が１４％の障壁層からなる。　
　また、多重量子井戸発光層１４上に、２種類のＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる７５周期のｐ型超格子構造（キャリア供給層）１５が形成されている。ｐ型超格子構造１５を構成する井戸層のＡｌ組成は１４％、障壁層のＡｌ組成は１８％である。各井戸層、および各障壁層の厚さは、ともに２ｎｍであり、障壁層と前記井戸層の平均Ａｌ組成は１６％である。　
　また、ｐ型超格子構造１５上には、ＧａＮからなるｐ型のコンタクト層１６が形成され、コンタクト層１６上にＮｉからなる正電極１７、Ａｕからなる正電極１８が積層されている。　
　また、ｎ型ＳｉＣ基板１１の裏面には、Ｔｉからなる負電極１９、Ａｕからなる負電極２０が積層されている。　
　ここで、ｎ型ＳｉＣ基板１１に負電極１９、２０を作製する前に、発光層のフォトルミネッセンススペクトルを測定したところ、電導性ｐ型窒化物に特有な青色発光を示した。
【００１１】
　図４は、前記のように作製したＡｌＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を示す図である。　
　バイアス電圧４Ｖにおいて、電流密度２１Ａ／ｃｍ２、電極単位面積あたりの微分抵抗２２ｍΩ／ｃｍ２が得られた。　
　この結果を、同じ装置で作製したＬＥＤ素子で、キャリア供給層のＡｌ組成の平均値が７％と低く、発光波長が４００ｎｍと長い波長のＩｎＧａＮ系ＬＥＤと比較したところ、本実施の形態のＡｌＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの通電特性はＩｎＧａＮ系ＬＥＤと比較して遜色無いものであった。
【００１２】
　また、図５は上記のＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。　
　発光主ピークが３４３ｎｍであり、これまでの窒化物ＬＥＤの中で最短波長が可能であった。　
　発光層のエネルギーバンド端が発光スペクトルの主ピークとなって、窒化物ＬＥＤでは最短波長でありながら、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤと遜色無い低抵抗性を示したことから本実施の形態の効果は明らかである。また、このような効果を得るには、以下の（１）〜（３）の条件を満たすことが望ましい。（１）分極による内部電界の影響が少ない４ｎｍ以下の井戸層を用いる。（２）分極の生じにくい１５％以下の小さい組成差にする。（３）不純物の活性化が効果的となる２％以上の組成差にする。（４）障壁層と井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上とする。　
　すなわち、本実施の形態では、キャリア供給層の構造として、障壁層と井戸層のＡｌ組成の差を２％以上１５％以内、平均Ａｌ組成を７％以上、井戸層の厚さを４ｎｍ以下とすることにより、発光層にＡｌを含む短波長窒化物光半導体素子の動作効率の向上、ここではＬＥＤの場合の素子抵抗の低減を可能とした。このような構造を利用することにより、窒化物III−Ｖ族半導体の動作波長を従来の３６０ｎｍ程度から大きく短波長化することが可能となる。　
　なお、本発明は、特許請求の範囲に記載した要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。すなわち、図１に示した上記実施の形態の構成はあくまで１つの例示であり、細かな構成は種々の態様を取り得ることはいうまでもない。さらに、図１に示したＬＥＤ素子では、障壁層と量子井戸層のＡｌ組成の差が１５％以内であり、量子井戸層が２％以上のＡｌを含むのが好ましいのであり、本発明はこれに限定されないことはいうまでもない。また、図３に示したＬＥＤ素子では、キャリア供給層であるＡｌＧａＮ超格子構造を構成する障壁層と井戸層のＡｌ組成の差が２％以上１５％以内、障壁層と井戸層の平均Ａｌ組成が７％以上、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以下であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】図１に示したＬＥＤ素子の発光スペクトルを示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の別の実施の形態の半導体ヘテロ構造を有する窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す窒化物半導体発光ダイオードの各層のＧａとＡｌの合計量に対するＡｌ組成を示すグラフである。
【図４】図３のＡｌＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）曲線を示す図である。
【図５】図３のＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。
【図６】（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の原理を説明する概念図で、ピエゾ効果による発光強度変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００１４】
　１…負電極（Ａｕ）、２…負電極（Ｔｉ）、３…ｎ型ＳｉＣ基板、４…ｎ型ＡｌＧａＮ層、５…ＡｌＧａＮ多重量子井戸発光層、６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、７…ｐ型ＧａＮコンタクト層、８…正電極（Ｎｉ）、９…正電極（Ａｕ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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