(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系半導体を用いた半導体発光素子において、シリコン基板を用いても高い発光効率を有する発光ダイオードなどの半導体発光素子を得ることにある。【解決手段】窒化ガリウム系半導体からなる活性層６の表面がピラミッド状の凹凸構造となっており、この凹凸構造の凹部がｐ型窒化ガリウム系半導体からなる第１クラッド層７で埋められた構造を有する半導体発光素子とする。活性層６の下地層の一部をなすｎ型窒化ガリウム系半導体からなる第２クラッド層５の転位欠陥密度が１０９〜１０１１／ｃｍ２であることが好ましく、第２クラッド層５における転位欠陥の間隔が１２０〜１７０ｎｍであることが好ましい。また、下地層の全厚さが３μｍ以下であることも好ましい。活性層６を有機金属気相成長法により形成し、その製膜圧力条件を大気圧また大気圧よりもやや低い圧力とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体からなる活性層の表面がピラミッド状の凹凸構造となっており、この凹凸構造の凹部がｐ型窒化ガリウム系半導体からなる第１クラッド層で埋められた構造を有する半導体発光素子。
【請求項２】
活性層の下地層の一部をなすｎ型窒化ガリウム系半導体からなる第２クラッド層の転位欠陥密度が１０９〜１０１１／ｃｍ２である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
第２クラッド層における転位欠陥の間隔が１２０〜１７０ｎｍである請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
下地層の全厚さが３μｍ以下である請求項２または３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
活性層が有機金属気相成長法により形成され、その製膜圧力条件が大気圧また大気圧よりもやや低い圧力である請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化ガリウムインジュウム（ＩｎＧａＮ）などの窒化ガリウム系半導体を用いた発光ダイオードなどの半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムインジュウムを代表とする窒化ガリウム系半導体は、紫外域から可視域にわたる広い発光領域を持つ発光ダイオードなどの半導体発光素子に用いられている。
このような窒化ガリウム系半導体を用いた半導体発光素子として、その基板にシリコン基板を用いることが、近時検討されている。これは、従来基板として多用されてきたサファイア基板に比較して、導電性であるため電極の形成が容易であること、基板自体が安価であること、基板が比較的軟らかくダイシングソーで容易に切断できるなどの理由による。
【０００３】
しかしながら、このようなシリコン基板を用いた半導体発光素子にあっても、以下の解決すべき問題点が残されている。
シリコン基板を使用した発光素子においても、シリコン基板上に、ＡｌＮ、ＧａＮなどからなるバッファー層をまず形成し、このバッファー層上にクラッド層となるｎ型ＧａＮ層を積層することが行われるが、ＧａＮとシリコンとの熱膨張係数の差に起因する残留応力が、室温付近でＧａＮ層に引張力として作用し、これによりＧａＮ層を厚さ１μｍ以上に成長させると、このＧａＮ層が割れる現象が生じる。
【０００４】
一方、ＧａＮとシリコンとの格子定数の差により発生する転位欠陥を低減させ、結晶性の良いＧａＮ層を形成するには、例えばマスク材料を堆積させて転位欠陥を終端させるなどの方策をとる必要があり、必然的に厚いＧａＮ層が必要となってくる。
しかし、厚さ１μｍ以上のＧａＮ層では、上述のように割れが発生するため、厚いＧａＮ層を成長させることができず、転位欠陥密度を十分に低下させることができない。
このため、クラッド層となるＧａＮ層に転位欠陥が多く存在し、ＧａＮ層上のＩｎＧａＮなどからなる量子井戸構造の活性層においても転位欠陥が生じ、発光素子としたときの発光効率が低いレベルに留まっている。
【特許文献１】特開２００２−３６８２６９号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、本発明における課題は、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体発光素子において、シリコン基板を用いても高い発光効率を有する発光ダイオードなどの半導体発光素子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、窒化ガリウム系半導体からなる活性層の表面がピラミッド状の凹凸構造となっており、この凹凸構造の凹部がｐ型窒化ガリウム系半導体からなる第１クラッド層で埋められた構造を有する半導体発光素子である。
請求項２にかかる発明は、活性層の下地層の一部をなすｎ型窒化ガリウム系半導体からなる第２クラッド層の転位欠陥密度が１０９〜１０１１／ｃｍ２である請求項１記載の半導体発光素子である。
【０００７】
請求項３にかかる発明は、第２クラッド層における転位欠陥の間隔が１２０〜１７０ｎｍである請求項２記載の半導体発光素子である。
請求項４にかかる発明は、下地層の全厚さが３μｍ以下である請求項２または３記載の半導体発光素子である。
請求項５にかかる発明は、活性層が有機金属気相成長法により形成され、その製膜圧力条件が大気圧また大気圧よりもやや低い圧力である請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体発光素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発光素子に印加される電流の大部分が活性層のピラミッド構造の凸部の頂点に流れ、活性層に存在する転位欠陥を避けるようにして流れることになる。このため、非発光中心として働く転位欠陥に電流がほとんど流れず、発光効率が高くなる。
また、活性層の多重量子井戸構造が活性層のｃ軸から傾斜した斜面上に形成されるため、応力による活性層の分極がｃ面上に比較して小さくなる。このため、量子シュタルク効果による電子と正孔との空間的な距離が小さくなって、再結合効率が増加することになり、これによっても発光効率が向上する。
したがって、多くの転位欠陥が存在する第２クラッド層上に活性層を形成したにもかかわらず、高い発光効率の半導体発光素子を得ることができる。
【０００９】
さらに、第２クラッド層に許容される転位欠陥密度が大きいので、第２クラッド層として転位欠陥密度を減少させるために厚膜のものを使用する必要がなく、薄い第２クラッド層でよく、第２クラッド層の形成のためのコストを低減できる。また、第２クラッド層において許容される転位欠陥密度が大きいので、シリコン基板を用いることができ、さらにはサファイア基板も使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を示すもので、図中符号１はシリコン基板を示す。
このシリコン基板１は、ｎ型シリコンの結晶からなるもので、（１１１）面が表面となっている。
このシリコン基板１は、予めアンモニアガス中で加熱処理されたものが用いられ、このアンモニア雰囲気での加熱処理により、基板１上に形成されるＡｌＮからなる遮蔽層２との界面での接触抵抗が小さくなる効果が得られる。
【００１１】
このシリコン基板１上には、ＡｌＮからなる厚さ２〜３ｎｍの遮蔽層２が設けられている。この遮蔽層２は、この遮蔽層２上に形成されるＡｌＧａＮからなる導電層３のガリウムがシリコン基板１のシリコンと反応することを防止するためのものである。
遮蔽層２上には、ｎ型ＡｌＧａＮからなる厚さ２０ｎｍ程度の導電層３が設けられている。さらに、この導電層３上には厚さ２０ｎｍ程度のＧａＮ層と厚さ５０ｎｍ程度のＡｌＮ層とを交互に２０〜３０層積層してなる多重層４が形成されている。この多重層４は、シリコン基板１と、この多重層４上に積層されるｎ型ＧａＮからなる第２クラッド層５との間で生じる熱応力を緩和するためのものである。
【００１２】
多重層４上には、厚さ２００ｎｍ程度のｎ型ＧａＮからなる第２クラッド層５が設けられている。この第２クラッド層５は後述する第１クラッド層７ともに活性層６を挟むダブルへテロ構造をなすものである。第２クラッド層５の厚さは、厚くする必要はなく、２００ｎｍで十分である。
第２クラッド層５上には、厚さ１００〜２００ｎｍのＩｎＧａＮからなる活性層（発光層）６が形成されている。この活性層６は、厚さ３ｎｍ程度の井戸層と厚さ５ｎｍ程度の障壁層とを交互に１０〜２０周期積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となっている。
【００１３】
さらに、活性層６上には、厚さ２０ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層７が積層されている。この第１クラッド層７は、第２クラッド層５とともに活性層６を挟み込むダブルへテロ接合構造をなすものである。
また、第１クラッド層７上には、厚さ２００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮからなる電極層８が設けられ、この電極層８上にはＮｉ膜／Ａｕ膜からなる透明電極９が形成され、この透明電極９上にはＮｉ膜／Ａｕ膜からなるｐ型オーミック電極１０が形成されている。
【００１４】
また、シリコン基板１の裏面には、ＡｕＳｂ膜／Ａｕ膜からなるｎ型オーミック電極１１が形成されており、この例の発光ダイオードが構成されている。
この発光ダイオードでは、ｐ型オーミック電極１０とｎ型オーミック電極１１との間に、直流電流を印加することで、活性層６において発光が行われ、発光素子として機能する。
このような発光ダイオードのシリコン基板１上の各層の形成は、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって行われる。
【００１５】
図２は、図１に示した積層構造における要部を拡大して模式的に描いたものである。
図２において、ｎ型ＧａＮからなる第２クラッド層５内には、層の厚さ方向に延びる多数の転位欠陥Ａが１００〜１５０ｎｍの間隔で、かつ密度１０９〜１０１１／ｃｍ２の割合で存在している。これらの転位欠陥Ａは、シリコン基板１のシリコンとこの基板１上の各層をなす半導体との格子定数のミスフィットによって遮蔽層２から延びるようにして、各層に伝搬、形成されたものである。
【００１６】
また、活性層６は、その第１クラッド層７と接する側の表面形状が四角錐のピラミッドが多数隣接して形成された状態のピラミッド構造となっている。このピラミッド構造は、活性層６をなす多重量子構造の井戸層６１と障壁層６２のｃ面が上方に行くにつれて徐々に小さくなり、Ｃ軸に対して傾斜した傾斜面が形成され、この傾斜面にも井戸層６１と障壁層６２とからなる多重量子構造が形成されたものである。そして、このピラミッド構造は、図示のように、第２クラッド層５の転位間隔がその基底の底辺とほぼ等しくなっており、隣接する転位欠陥の間に１個のピラミッドが形成されている。
【００１７】
また、第２クラッド層５内の転位欠陥は、このピラミッド構造の底部付近において、その一部が終端されており、活性層６を通過して第１クラッド層７にまで達する転位欠陥はかなり減少している。
【００１８】
本発明は、このような活性層６のピラミッド構造に特長を有するもので、上述の優れた効果を発揮する。すなわち、第１クラッド層７をなすｐ型ＡｌＧａＮは、ｐ型ＧａＮからなる電極層８よりもバンドギャップが大きく、抵抗率が高いので、ダイオードに注入される電流は、その大部分が活性層６のピラミッド構造の頂点を目指して流れ、転位欠陥に流れ込む電流は大幅に減少する。
【００１９】
また、活性層６の多重量子井戸構造の大部分がｃ軸から傾斜している傾斜面に形成されているので、応力による活性層６の分極がｃ面上の多重量子井戸構造に比較して小さい。このため、量子シュタルク効果による電子と正孔との空間的な距離が小さくなり、再結合確率が増す。この結果、このようなピラミッド構造を採用することで、非発光中心として働く転位欠陥を電流の大部分が避けて流れると同時に傾斜面上に形成された多重量子井戸構造における再結合確率を増すことができる。
したがって、転位欠陥が多く残る第２クラッド層５上に活性層６を形成しても高い発光効率を実現できる。
【００２０】
次に、このような活性層６におけるピラミッド構造の発現に要する要件について説明する。
第１に、活性層６に適切な歪が入っている、換言すれば適切な応力が作用している必要がある。一般に、結晶成長の際に、大きな応力が加わると、結晶は横方向に成長するよりも縦方向に成長する方が、歪エネルギーが小さくなるために、支配的になる。そして、このようなときに、第２クラッド層５に一定密度の転位欠陥が存在すると、横方向の連続性が分断されて、図２に示すようなピラミッド構造が形成される。
【００２１】
活性層６に適切な歪を加えるためには、第２クラッド層５に適切な歪が存在することが必要であり、第２クラッド層５に適切な歪を存在させるには、第２クラッド層５とシリコン基板１との間の熱膨張係数差による室温での応力を適切に調整する必要があり、このために多重層４を設けているのである。
【００２２】
第２に、第２クラッド層５における転位欠陥密度が適切な範囲であることが必要である。先の例では、透過型電子顕微鏡観察によると約１０１０／ｃｍ２となっている。好適な転位欠陥密度の範囲としては、１０９〜１０１１／ｃｍ２とされるが、必ずしもこの範囲であることが必要条件とされない。
このような転位欠陥密度を形成するには、遮蔽層２、導電層３、多重層４の各層の構成、すなわち各層を構成する元素の構成比、厚さ、成膜条件等を制御することで可能となる。
【００２３】
また、第２クラッド層５における転位欠陥密度が小さく、転位欠陥間隔が広い場合には、活性層６の厚さを厚くすることがピラミッド構造を得るうえで必要であり、この場合に活性層６が薄いと、ピラミッド構造の上部に平坦な部分が発現し、電流の流れが頂部に集中しなくなる。
さらに、第２クラッド層５における転位欠陥密度が大きく、転位欠陥間隔が狭い場合には、活性層６の厚さを薄くすることにより、形状の整ったピラミッド構造を得ることができる。ただし、この場合でも、活性層６に十分な歪みを発生させるためには、井戸層６１と障壁層６２におけるＩｎ量を適切に調整する必要がある。井戸層６１でのＩｎ量と厚さは発光波長を変動させるので、障壁層６２のＩｎ量と厚さで活性層６全体と第２クラッド層５との格子定数差を調節して歪み量を適切な値とすることが望ましい。
【００２４】
次に、第２クラッド層５と活性層６をなす多重量子井戸構造の井戸層６１との格子定数差による歪み量が関係する。この歪み量は、井戸層６１の厚さと活性層６全体の厚さおよびその成長条件の関数である。先の例では、３ｎｍの井戸層６１と５ｎｍの障壁層６２からなる１５周期の多重量子井戸構造であり、成膜温度は７８０℃である。ただし、井戸層６１および障壁層６２の厚さは、発光波長に影響を与えるので、これらを勘案して定める必要がある。
【００２５】
また、活性層６の成膜時の圧力もピラミッド構造の発現に関与する。通常、シリコン基板１上の各層の成膜は有機金属気相成長法によって行われ、成膜圧力は７６０〜７６トールの減圧下で行われる。本例では、その活性層６の成膜のみを、大気圧または大気圧付近の圧力において成膜することで、傾斜面がフラットな形状が整ったピラミッド構造が形成できる。しかし、成膜時の圧力による影響は、使用する有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）にも依存するので、活性層６の成膜時の圧力条件のみで一義的に決めることはできない。
【００２６】
さらに、第２クラッド層５、多重層４、導電層３および遮蔽層２からなる下地層の厚さも関与する。この下地層の厚さが３μｍを越えると、活性層６に加わる応力が緩和するので、好ましくなく、通常は１μｍ前後とすることが好ましい。
【００２７】
以上のように、活性層６にピラミッド構造を発現させるための要件は、多岐にわたっており、これらの要件をそれぞれ最適化することで実現可能になる。
【００２８】
本発明においては、活性層６をなすＧａＮ系半導体として、上で挙げたＩｎＧａＮ以外にＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられる。
具体的には、活性層６をなす多重量子井戸構造の井戸層として、厚さ２ｎｍ程度のＡｌ０．０１Ｉｎ〜０．０５Ｇａ〜０．９４Ｎなどが、障壁層として、厚さ１５ｎｍ程度のＡｌ０．２Ｉｎ〜０．０１Ｇａ〜０．７９Ｎなどがそれぞれ５層程度交互に積層したものが用いられる。
【００２９】
この場合、活性層６とｎ型ＧａＮからなる第２クラッド層７との間に、厚さ５０ｎｍ程度のｎ型ＡｌＧａＮなどの中間層を設けることが必要である。この場合には、ｎ型ＧａＮからなる第２クラッド層７を省略して、上記中間層を第２クラッド層としても良い。
【００３０】
活性層６をなすＧａＮ系半導体として、Ａｌを含むものを用いた場合には、活性層６が平坦に成長する傾向が強くなり、ピラミッド構造をとりにくくなるが、活性層６の成膜条件を選択することでピラミッド構造を実現することができる。
一方、活性層６をなすＧａＮ系半導体として、Ｉｎを含まないものでは、ピラミッド構造を形成することは困難である。この点から、活性層６をなすＧａＮ系半導体としては、ＩｎＧａＮ系半導体が好ましいことになる。
【００３１】
以下、具体例を示すが、本発明はこの具体例に限定されるものではない。
（例１）
ｎ型シリコン（１１１）基板をＭＯＣＶＤ装置に搬入後、水素雰囲気中で１１３０℃、１０分間熱処理を行い、シリコン基板表面の酸化膜を除去し、アンモニアガス雰囲気中で１１３０℃、６０秒間の熱処理を行った。ついで、１１８０℃で遮蔽層となるＡｌＮ層（厚さ３ｎｍ）、導電層となるｎ型Ａｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ２０ｎｍ）、２０層からなるＧａＮ（２０ｎｍ）／ＡｌＮ（５ｎｍ）の多層層、第２クラッド層となるｎ型ＧａＮ層（厚さ２００ｎｍ）、ＩｎＧａＮの活性層、第１クラッド層となるｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層、電極層となるｐ型ＧａＮ層（２００ｎｍ）を順次成膜した。
【００３２】
ＩｎＧａＮからなる活性層は、３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎの井戸層と、５ｎｍのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎの障壁層とからなる１５周期の多重量子井戸構造とし、成長温度は７８０℃、成長圧力は大気圧とした。キャリアガスには水素と窒素を用いた。ｎ型ＧａＮ層からなる第２クラッド層の転位欠陥密度は、透過型電子顕微鏡観察により、１０１０／ｃｍ２であつた。また、ｐ型ドーパントにはシクロペンタジエニルマグネシウムを、ｎ型ドーパントにはシランを用いた。
【００３３】
さらに、電極層のｐ型ＧａＮ層上に透明電極となるＮｉ膜／Ａｕ膜と、ｐ型オーミック電極となるＮｉ膜／Ａｕ膜（１２／１００ｎｍ）を真空中で蒸着し、６１０℃で３分間、窒素中で熱処理し、ｐ型オーミック電極を形成した。そして、ｎ型シリコン基板の裏面にＡｕＳｂ膜／Ａｕ膜（１８／１００ｎｍ）を真空中で蒸着し、３８０℃で１分間、窒素雰囲気中で熱処理し、ｎ型オーミック電極を形成して、発光ダイオードを作成した。
【００３４】
得られた発光ダイオードの電流−電圧特性を図３に、光出力特性を図４に示す。注入電流が２０ｍＡでは、動作電圧が４．１Ｖ、光出力が１８μＷ、ピーク発光波長が４７８ｎｍであった。光出力は、ｐ型オーミック電極から１０ｍｍ離れた位置に置かれた光検出器により測定した値である。この発光ダイオードの光出力は、従来のサファイア基板を用いた同様の構造のＧａＮ系発光ダイオードと同等の値である。
【００３５】
この発光ダイオードについて、注入電流一定（２０ｍＡ）での２７℃と８０℃における寿命試験を行ったところ、２７℃と８０℃における１０００時間経過後の光出力の初期値に対する減少率はそれぞれ−２％と−６％であった。
また、この発光ダイオードの活性層付近の透過型電子顕微鏡写真を、図５に示す。この写真から活性層におけるピラミッド構造がはっきりと確認できる。
【００３６】
（例２）
例１において、活性層の成長温度を７４０℃とし、成長圧力を大気圧とした以外は、同様にして発光ダイオードを得た。
得られた発光ダイオードの発光波長は５０５ｎｍの緑色発光ダイオードであり、その電流−電圧特性、光出力特性、寿命試験における光出力の減少率は、例１の発光ダイオードと同様であった。
【００３７】
（例３）
例１において、第２クラッド層のｎ型ＧａＮ層の厚さを１５０ｎｍとし、この第２クラッド層上に、厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる中間層を設けた。また、活性層として、井戸層が厚さ２ｎｍのＡｌ０．０１Ｉｎ〜０．０５Ｇａ〜０．９４Ｎを、障壁層として、厚さ１５ｎｍのＡｌ０．２Ｉｎ〜０．０１Ｇａ〜０．７９Ｎをそれぞれ５層程度交互に積層したものを用いた。活性層の成膜温度は８２０℃、圧力は大気圧とした。
得られた発光ダイオードは、波長３７５ｎｍで発光し、活性層にはピラミッド構造が透過型電子顕微鏡観察で確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明の半導体発光素子は、例えば、青色発光ダイオードなどとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の半導体発光素子の構造の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１における要部を拡大して模式的に示した概略断面図である。
【図３】具体例で得られた発光ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】具体例で得られた発光ダイオードの光出力特性を示すグラフである。
【図５】具体例で得られた発光ダイオードの要部の透過型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４０】
５・・・第２クラッド層、６・・・活性層、７・・・第１クラッド層
【図１】
2005251922.tif 000003
【図２】
2005251922.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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