(57)【要約】【課題】動作電圧が均一で発光効率の高い窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】有機金属気相成長法により、成長速度０．５μｍ/ｈ以上、温度８００℃以上１０００℃以下の範囲において窒化インジウムガリウムからなる層を形成する。【選択図】  図１
2005252309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機金属気相成長法により、成長速度０．５μｍ/ｈ以上、温度８００℃以上１０００
℃以下の範囲において窒化インジウムガリウムからなる層を形成する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。
【請求項２】
前記成長速度は、１μｍ/ｈ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム
系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記窒化インジウムガリウムからなる層は１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする
請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記窒化インジウムガリウムからなる層上にｎ型半導体層を形成する工程と、前記ｎ型
半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、
を更に有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方
法。
【請求項５】
前記窒化インジウムガリウムからなる層はコンタクト層であり、前記ｎ型半導体層はク
ラッド層であり、前記活性層はインジウムを含むことを特徴とする請求項４に記載の窒化
ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関し、特に窒化ガリウム系半導体
発光素子構造中のｎ型半導体層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体は直接遷移型の光学遷移を行うため高効率発光再結合を可能とし
、半導体レーザあるいは高輝度ＬＥＤなどの高効率発光素子材料として開発されている。
窒化ガリウム系半導体発光素子を用いた青色から緑色までのＬＥＤは、実用化されている
。図２は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示した断面図である。従来の窒化
ガリウム系半導体発光素子は、サファイア基板２１上にバッファ層２２、ｎ−ＧａＮコン
タクト層２３、ＩｎＧａＮ活性層２４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５、ｐ−ＧａＮコン
タクト層２６を順次形成している。そしてｐ−ＧａＮコンタクト層２６上にｐ−側電極２
７を有し、ｎ−ＧａＮコンタクト層２３上の一部にｎ−側電極２８を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図２に示す従来の窒化ガリウム系半導体発光素子において、その動作電圧は低く、青色
発光ＬＥＤ（４５０ｎｍ）を例にとれば、活性層のエネルギーギャップ（約２．７Ｖ）と
素子構造内部の抵抗成分から約３Ｖ程度と見積もられる。しかしながら実用化されている
素子は３．６〜４．０Ｖ程度の高い動作電圧を示す。この原因はｐ型半導体層の電流注入
用金属電極との高コンタクト抵抗や、ｎ型半導体層における高抵抗率である。ｎ−ＧａＮ
コンタクト層２３中の電圧は動作電圧の増加の一因である。図２に示したような表面コン
タクト型（素子表面からｐ、ｎの電極を取る）の素子は、上下コンタクト型（基板裏面に
一方の電極を取る）の素子に比べｎ型コンタクト層２３中におけるキャリアの移動距離が
数百倍にもなり、ｎ−ＧａＮコンタクト層２３中での電圧降下が比較的大きくなる。形状
と結晶特性から見積もられる抵抗成分は約３０Ωであり２０ｍＡでの電圧降下は０．６Ｖ
と大きな値になる。ｎ型コンタクト層２３には主にＧａＮやＡｌＧａＮが用いられている
。これらの材料へ不純物をドーピングして抵抗率を低減することができる。通常ｎ型の不
純物にはＳｉが用いられる。しかしながら高濃度のドーピングは欠陥結晶の発生の原因と
なる。濃度約５Ｅ１８ｃｍ−３を超えると、結晶に六角錐状のピットがあらわれ平坦性を
損なう原因となる。従って不純物をｎ型コンタクト層中へ高濃度ドーピングできないため
、ｎ型コンタクト層における電圧降下は動作電圧を高める原因となる。
【０００４】
また、従来構造では発光の均一性が低いという問題がある。一般に窒化ガリウム系半導
体はＧａＡｓ、ＧａＰ等の３、４族化合物半導体に比べて電流を流しにくい性質を持つ。
従ってｎ−側電極から供給される電子はｎ−ＧａＮコンタクト層２３内において横方向へ
広がりにくく、ｎ−側電極からの最短距離を通って達する活性層の一部分に集中してしま
うからである。そこでｎ型半導体中にＩｎを有する高キャリア濃度半導体層を設けて、活
性層へのキャリア注入を均一にすることにより発光を均一に行う化合物半導体発光素子が
考案されている（特開平８−２３１２４）。図３はその窒化ガリウム系半導体発光素子の
構造を示す断面図である。サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｎ−ＧａＮコンタク
ト層３３を順次有し、ｎ−ＧａＮコンタクト層３３上に、ｎ−ＩｎＡｌＧａＮ層３４を有
している。ｎ−ＩｎＡｌＧａＮ層３４上にはｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３５、ＩｎＧａＮ
活性層３６、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３７、ｐ−ＧａＮコンタクト層３８を順次形成し
ている。ｐ−ＧａＮコンタクト層３８上にｐ−側電極３９を有し、ｐ−ＧａＮコンタクト
層３８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３７、ＩｎＧａＮ活性層３６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層３５、ｎ−ＩｎＡｌＧａＮ層３４およびｎ−ＧａＮコンタクト層３３の一部をエッチ
ングし露出したｎ−ＧａＮコンタクト層３３上にｎ−側電極４０を有している。なお、こ
の窒化ガリウム系半導体発光素子の層厚はｎ−ＧａＮコンタクト層３３が１μｍ〜５μｍ
、ｎ−ＩｎＡｌＧａＮ層３４が１０Å〜１μｍ、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３５及びｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層３７及びｐ−ＧａＮコンタクト層３８が５０Å〜１μｍ、ＩｎＧａ
Ｎ活性層３６が５０Å〜０．５μｍである。この構造ではｎ型コンタクト層から供給され
た電子がキャリア濃度の高いｎ型ＩｎＡｌＧａＮ中を通って均一に広がり、活性層での発
光の均一性を向上することができている。しかしながら、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層３４は１
μｍ以下の薄膜であるため、この層中における抵抗成分も比較的大きく、この素子の２０
ｍＡにおける動作電圧は３．３Ｖである。従ってこの構造においても動作電圧に対する改
善効果はまだ不充分である。
【０００５】
また図２及び図３に示した従来構造では、活性層のＩｎＧａＮ５及び３６は膜厚が薄い
ために比較的厚いｎ−ＧａＮコンタクト層３及び３３に格子整合して成長しており、結晶
中に歪を含んで形成されている。ＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大きいために、Ｇ
ａＮコンタクト層に格子整合したＩｎＧａＮ活性層の結晶中には圧縮歪が生じる。これに
よりＩｎＧａＮ内にはピエゾ電界が発生し、結晶内に存在するキャリア（電子と正孔）を
空間的に分離するため、再結合確率の低下を伴う。これはＬＥＤ内の内部量子効率を低下
させるものであり、望ましくない。以上において従来の窒化ガリウム系発光素子ではいく
つかの問題を含んでいた。本発明は上記事情に顧みてなされたものであり、その目的は動
作電圧が低く発光が均一で、且つ発光効率の高い窒化ガリウム系発光素子並びにこれらの
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】
本願発明の一態様によれば、有機金属気相成長法により、成長速度０．５μｍ/ｈ以上
、温度８００℃以上１０００℃以下の範囲において窒化インジウムガリウムからなる層を
形成する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が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造により動作電圧が低く、活性層の
均一発光が得られ、かつ発光出力の向上した素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明における実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は本発明における窒化ガリ
ウム系半導体発光素子の構造を示す断面図である。本実施例はＩｎを含有したｎ−コンタ
クト層を有し、そのｎ−コンタクト層上にｎ−側電極を有している点で従来例と異なる。
構造について詳しく説明する。サファイア基板１上にバッファ層２を有し、バッファ層２
上にＩｎを含むｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成している。ｎ−ＩｎＧａＮコンタク
ト層３上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド４層を有している。ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４上
にはＩｎＧａＮ活性層５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６、ｐ−ＧａＮコンタクト層７を順
次形成している。ｐ−ＧａＮコンタクト層７上にアノード電極８を有し、ｐ−ＡｌＧａＮ
クラッド層７、ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４およびｎ−ＩｎＧａＮ
コンタクト層３の一部をエッチングし露出したｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３上にｎ−側
電極９を有している。なお層厚について、  ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３は４μｍ、  
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６及びｐ−ＧａＮコンタクト
層７は０．１μｍ、  ＩｎＧａＮ活性層５は２０Åである。ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層
３の組成比はＧａが０．９、Ｉｎは０．１である。
【０００９】
次に本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明する。本
実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に
より形成した。詳しくは以下のプロセスにより結晶成長を行っている。まずサファイア基
板１を水素雰囲気中、１１００℃で１０分間クリーニングする。サファイア基板１を５０
０℃に降温し、成長原料を水素キャリアガスで供給してバッファ層２を形成する。基板温
度を１０００℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を窒素キャリアガスで供給
してｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成する。なおｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３を４
μｍの層厚に形成するために、成長速度を通常よりも大きくする必要がある。ＩｎＧａＮ
層の成長においてＴＭＧの供給量がほぼ成長速度を決めるため、本実施例において１μｍ
／ｈの成長速度に対し８．３ｘ１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎとしている。形成されるＩｎＧａ
Ｎコンタクト層の電子キャリア濃度は５ｘ１０１９ｃｍ−３である。次に基板温度を１０
５０℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を水素キャリアガスで供給してｎ−
ＡｌＧａＮクラッド層４を形成する。その後基板温度を７５０℃に降温し、ＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ、ＮＨ３を窒素キャリアガスで供給してＩｎＧａＮ活性層５を形成する。基板温度を１
０５０℃に昇温し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを水素キャリアガスで供給して
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６を形成する。基板温度を変えずにＴＭＧ、  ＮＨ３、Ｃｐ２
Ｍｇを水素キャリアガスで供給してｐ−ＧａＮコンタクト層７を形成する。次に得られた
構造に対しエッチングによりｐ−ＧａＮコンタクト層７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６、
ＩｎＧａＮ活性層５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４、及びｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３
の一部を除去して露出したｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３上にｎ−側電極を形成する。ｐ
−ＧａＮコンタクト層７上にはｐ−側電極を形成して素子構造とした。
【００１０】
本実施例における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造が従来例と異なる点はｎ−コン
タクト層３にＩｎを含んだＩｎＧａＮ混晶を用いており、４μｍの層厚を有することであ
る。図３に示した従来例ではＩｎ含有ｎ型層３４の結晶品質の観点からその膜厚を１μｍ
以下に制限しているため、動作電圧の十分な低減を図れないことは上述の通りである。本
実施例におけるｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層において、その電気的特性はキャリア濃度が
５ｘ１０１９ｃｍ−３で抵抗率が０．００１Ωｃｍであり、従来用いられていたＧａＮコ
ンタクト層の０．００８Ωｃｍ（キャリア濃度：５ｘ１０１８ｃｍ−３）より良好である
。従ってｎ−コンタクト層３における電圧降下を低減でき、素子の動作電圧を低減できる
。
【００１１】
更にｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４の積層構造も抵抗を
低減している。ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの大きなエネルギーギャップの差により、界面
方向へのキャリアの移動が促進されるためである。界面方向、すなわち横方向への電流の
広がりが容易になるため、活性層への均一なキャリア注入が行われる。この結果素子の均
一発光が実現できる。
【００１２】
ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３（Ｉｎ組成０．１）上に格子整合して成長したＩｎＧａ
Ｎ活性層５（Ｉｎ組成０．２５）はそのＩｎ組成差分だけ圧縮歪が生じている。しかしな
がら、ＧａＮを下地とした従来例の構造と比べると活性層中の歪量は小さい。ｎ−ＩｎＧ
ａＮコンタクト層３はインジウムを含有するため柔らかい結晶を有し、ＩｎＧａＮ活性層
５に生じる圧縮歪を緩和するためである。従って活性層内に発生するピエゾ電界は小さく
なり、電子と正孔の再結合確率が高くなり、効率の高い発光が可能となる。
【００１３】
本実施例における発光素子に対しバイアスを印加して電流を注入したところ、活性層か
らの主発光波長４５０ｎｍの均一な発光が観察された。順方向電流２０ｍＡにおいて動作
電圧は３．０Ｖであり、発光出力は８ｍＷであった。
【００１４】
本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において従来例と異なる点は
１μｍ／ｈの成長速度と高い成長温度でインジウムを含むコンタクト層を結晶成長してい
ることである。これにより膜の厚い高品質なＩｎＧａＮ結晶を形成することができる。膜
の厚いｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３を形成することによりｎ側電極９を形成するための
エッチングの遊度が大きくなり、ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層への電極形成が可能になる
。
【００１５】
本発明における実施の形態は以上に示したものに限定されない。ｎ−ＩｎＧａＮコンタ
クト層３の不純物はＳｉを用いたが、代わりにＧｅ、Ｏ、Ｃ等を用いても同様の効果を得
られる。  ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３の電子キャリア濃度は５ｘ１０−１９ｃｍ３と
したが、１ｘ１０１９ｃｍ−３乃至１ｘ１０−２２ｃｍ３の範囲で変更可能である。本実
施例における窒化ガリウム系半導体発光素子はｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４を有している
が、ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３上に直接ＩｎＧａＮ活性層５を形成することも可能で
ある。しかしこの場合、ＩｎＧａＮ活性層５のＩｎ組成はｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３
よりも大きくする必要がある。本発明はＩｎを含有し１μｍ以上の層厚を有するｎ型半導
体層と、その上面にｎ−側電極を有する窒化ガリウム系半導体発光素子に関するものであ
り、この構造を満たすものであれば素子形成上問題のない範囲で構造の変更は可能である
。ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３の成長速度は１μｍ／ｈとしたがこれに限るものではな
く、素子形成上問題のない範囲で変更可能である。ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層３の成長
温度は１０００℃としたが、同様に素子形成上問題のない範囲で変更可能である。本実施
例は窒化ガリウム系ＬＥＤに関するものであるが、窒化ガリウム系ＬＤへの適用も可能で
ある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明における窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図、
【図２】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図、
【図３】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００１７】
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…ｎ−ＩｎＧａＮコンタクト層
４…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５…ＩｎＧａＮ活性層
６…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
７…ｐ−ＧａＮコンタクト層
８、 ９…電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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