(57)【要約】【課題】  発光強度を改善することが可能な発光ダイオード及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ＡｌＧａＮ層の表面には、深さ７〜１５ｎｍの溝が形成されているので、この上に成長するＩｎＧａＮ層の表面モフォロジーが改善された。なお、活性層の平坦性が低い場合には発光強度が低下する。すなわち、本発明では、活性層を構成するＩｎＧａＮ層の平坦性が改善するため、発光強度を改善することができる。すなわち、ＡｌＧａＮ層自体の表面モフォロジーは低い方が、発光強度が高くなるという特異な現象が観察された。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得る発光ダイオードにおいて、
前記活性層はＩｎＧａＮ層を含み、
前記ｎ型半導体層はｎ型のＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＡｌＧａＮ層の表面には、深さ３〜２５ｎｍの溝が形成されており、前記活性層は前記ＡｌＧａＮ層の表面上に成長してなることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記活性層と前記ＡｌＧａＮ層との間に、Ｉｎを含むクラッド層が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記ｎ型半導体層は前記ＡｌＧａＮ層と前記基板との間に、前記ＡｌＧａＮ層よりも大きな格子定数を有する半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記半導体層は、ｎ型のＧａＮ層であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は１０〜２０％であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
請求項１に記載の前記ＡｌＧａＮ層を、少なくとも窒素ガスを含むキャリアガスを用いてＡｌ及びＧａを含む原材料を用いたＭＯＣＶＤ法によって形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項７】
前記窒素ガスのモル分率は１０〜３０％であることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオードは、基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得ている。発光出力向上を目的としてｎ型クラッド層の改善が種々行われており、このような発光ダイオードは、例えば、下記特許文献１〜４に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００４】
特許文献２に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、アンドープＩｎＧａＮ中間層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００５】
特許文献３に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、アンドープＩｎＧａＮ中間層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【０００６】
特許文献４に記載の発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ層上に、ｎ型ＩｎＧａＮ中間層、ＡｌＧａＮスペーサ層、ＩｎＧａＮ活性層を備えている。
【特許文献１】特開平８−２２８０２５号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６４４８号公報
【特許文献３】特開２０００−９１６２９号公報
【特許文献４】米国特許６，４８９，６３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなＧａＮ系の発光ダイオードにおいては、発光強度の改善が求められている。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、発光強度を改善することが可能な発光ダイオード及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係る発光ダイオードは、基板上にｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得る発光ダイオードにおいて、前記活性層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ｎ型半導体層はｎ型のＡｌＧａＮ層を含み、前記ＡｌＧａＮ層の表面には、深さ３〜２５ｎｍの溝が形成されており、前記活性層は前記ＡｌＧａＮ層の表面上に成長してなることを特徴とする。
【０００９】
本発明による発光ダイオードによれば、ＡｌＧａＮ層の表面には、深さ３〜２５ｎｍの溝が形成されているので、この上に成長するＩｎＧａＮ層の表面モフォロジーが改善された。なお、活性層の平坦性が低い場合には発光強度が低下する。すなわち、本発明では、活性層を構成するＩｎＧａＮ層の平坦性が改善するため、発光強度を改善することができる。
【００１０】
すなわち、ＡｌＧａＮ層自体の表面モフォロジーは低い方が、発光強度が高くなるという特異な現象が観察された。
【００１１】
また、本発明に係る発光ダイオードは、活性層とＡｌＧａＮ層との間に、Ｉｎを含むクラッド層が挿入されていることとしてもよい。この場合においても、発光強度を改善することができる。
【００１２】
また、本発明に係る発光ダイオードは、ｎ型半導体層はＡｌＧａＮ層と基板との間に、ＡｌＧａＮ層よりも大きな格子定数を有する半導体層を有することを特徴とする。この場合、ＡｌＧａＮ層内に、半導体層による応力歪によって貫通転移が存在する箇所に溝が形成されることとなる。
【００１３】
また、このような大きな格子定数を有する半導体層としては、ｎ型のＧａＮ層が好適であり、ＧａＮ層は、歪を導入しつつもＡｌＧａＮ層を、その上に成長させることができる。
【００１４】
また、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は１０〜２０％であることが望ましい。Ａｌ組成がかかる下限値を下回る場合には、ＧａＮ層に特性が近づくため、効率的に溝を形成することができず、また、上限値を超える場合には活性層にかかる応力が大きくなり、発光強度が低下するからである。
【００１５】
また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法は、上述のＡｌＧａＮ層を、少なくとも窒素ガスを含むキャリアガスを用いてＡｌ及びＧａを含む原材料を用いたＭＯＣＶＤ法によって形成することを特徴とする。窒素ガスをキャリアガスとした場合、これを用いない場合と比較して、有効な溝を表面に形成することができる。
【００１６】
この窒素ガスのモル分率は１０〜３０％であることが好ましく、窒素ガスのモル分率がかかる下限値を下回る場合には、ＡｌＧａＮ層の成長速度が速くなりすぎて溝が形成し難くなり、また、上限値を超える場合には成長速度が遅くなり過ぎて製造のスループットが低下するからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の発光ダイオード及びその製造方法によれば、その発光強度を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）及びその製造方法について説明する。
【００１９】
図１は発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【００２０】
基板１上に、エピタキシャル層２、下部クラッド層３、多重量子井戸構造の活性層４、上部クラッド層５、コンタクト層６が順次積層されている。
【００２１】
コンタクト層６の露出表面上にはｐ側の上部電極７が設けられ、エピタキシャル層８の露出表面上にはｎ側の下部電極８が設けられている。
【００２２】
上部電極７と下部電極８との間に順方向バイアスを印加すると、上部電極７から下部電極８に向けて、半導体層の積層方向に沿って電流が流れる。活性層４では、注入された電子と正孔が再結合することで、遷移エネルギーに相当する波長の発光が生じる。
【００２３】
各半導体層の材料、導電型、添加物、組成、厚み、形成温度、各数値の大小関係は、以下に示す通りである。
【表１】
2005150631.tif 000003
【００２４】
なお、活性層４は、Ｉｎ組成の異なるInX1Ga1-X1N（井戸層）とInX2Ga1-X2N（バリア層）を交互に積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有しており、この井戸層の数は５層であり、バリア層の数は４層である。上述の発光ダイオードは、基板１上にｎ型半導体層２，３、ＩｎＧａＮの上部クラッド層３’、活性層４、ＩｎＧａＮの上部クラッド層５’、ｐ型半導体層５，６を順次積層し、積層方向に電流を流して発光を得ている。
【００２５】
ここで、活性層４と下地アンドープクラッド層３’は、ＩｎＧａＮ層を含み、ｎ型半導体層２，３はｎ型のＡｌＧａＮ層（下部クラッド層）を含み、ＡｌＧａＮ層３の表面には、深さ３〜２５ｎｍの溝が形成されている。この溝の深さは７〜１５ｎｍであることが更に好ましい。活性層４と下地アンドープクラッド層３’におけるＩｎＧａＮ層は、ＡｌＧａＮ層３の表面上に成長してなる。また、この溝の幅は３０ｎｍ〜８０ｎｍである。
【００２６】
この発光ダイオードによれば、ＡｌＧａＮ層３の表面には、深さ３〜２５ｎｍの溝が形成されているので、この上に成長するＩｎＧａＮ層の表面モフォロジーが改善された。なお、活性層の平坦性が低い場合には発光強度が低下する。すなわち、この発光ダイオードでは、活性層４を構成するＩｎＧａＮ層の平坦性が改善するため、発光強度を改善することができる。
【００２７】
すなわち、ＡｌＧａＮ層３の表面モフォロジーは低い方が、発光強度が高くなるという特異な現象が観察された。
【００２８】
また、この発光ダイオードは、ｎ型半導体層２，３はＡｌＧａＮ層３と基板１との間に、ＡｌＧａＮ層よりも大きな格子定数を有する半導体層（エピタキシャル層２）を有している。この場合、ＡｌＧａＮ層３内に、半導体層２による応力歪によって貫通転移が存在する箇所に溝が形成されることとなる。
【００２９】
本例では、大きな格子定数を有する半導体層として、ｎ型のＧａＮ層２を採用しており、ＧａＮ層２は、歪を導入しつつもＡｌＧａＮ層３を、その上に成長させることができる。
【００３０】
また、ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成は本例では１４％であるが、これは１０〜２０％であることが望ましい。Ａｌ組成がかかる下限値を下回る場合には、ＧａＮ層に特性が近づくため、効率的に溝を形成することができず、また、上限値を超える場合には活性層にかかる応力が大きくなり、発光強度が低下するからである。
【００３１】
なお、各半導体層において適用可能な組成と、厚みの範囲については、以下の表に記載の通りである。
【表２】
2005150631.tif 000004
【００３２】
次に、上述の発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００３３】
以下の半導体層の成長に用いられるのは、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法であり、基板をＭＯＣＶＤ装置内にいれて形成温度を設定する。成長時の圧力は大気圧である。
【００３４】
以下の半導体層の成長においては、Ｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌが用いられるが、Ｎの原料としてはアンモニア、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌの原料としては、それぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いる。ｎ型添加物としては水素ベースのモノシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型添加物としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００３５】
各層形成時のガスのモル分率は、以下の通りである。
【表３】
2005150631.tif 000005
【００３６】
但し、各表記は以下の規定を示す。
・ＴＭＡ分率＝ＴＭＡのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＡのモル流量）。
・ＴＭＩ分率＝ＴＭＩのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＩのモル流量）。
・ＬＶ／ＬＩＩＩ＝５族元素（Ｎ）と３族元素（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）のモル流量の比率。
・工程（１）
【００３７】
まず、サファイア基板１を用意する。
・工程（２）
【００３８】
このサファイア基板１上に、ＧａＮからなるバッファ層を温度５００℃で厚さ２５ｎｍ成長させ、このバッファ層上に、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるエピタキシャル層２を、同一方法で厚さ５μｍ成長させる。形成温度は１１５０℃である。
・工程（３）
【００３９】
次に、エピタキシャル層２上に、Ｓｉドープしたｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０８６Ｎからなる下部クラッド層３を厚さ３０ｎｍ成長させる。形成温度は１１６０℃であり、キャリアガスには少なくとも窒素ガスを含んだものを用いる。
【００４０】
このように、本例の発光ダイオードの製造方法では、上述のＡｌＧａＮ層３を、窒素ガスをキャリアガスとしＡｌ及びＧａを含む原材料を用いたＭＯＣＶＤ法によって形成している。窒素ガスをキャリアガスとした場合、これを用いない場合と比較して、有効な溝を表面に形成することができる。
【００４１】
この窒素ガスのモル分率は１０〜３０％であることが好ましく、窒素ガスのモル分率がかかる下限値を下回る場合には、ＡｌＧａＮ層の成長速度が速くなりすぎて溝が形成し難くなり、また、上限値を超える場合には成長速度が遅くなり過ぎて製造のスループットが低下するからである。
・工程（４）
【００４２】
次に、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる下部クラッド層３’を８００℃で１５ｎｍ成長させ、しかる後、下部クラッド層３上に、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる厚さ２．２ｎｍの井戸層と、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる厚さ１５ｎｍのバリア層を、交互に成長させ、活性層４を形成する。井戸層の数は５層、バリア層の数は４層である。これらの層の形成温度は８００℃である。
・工程（５）
【００４３】
アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎからなる上部クラッド層５’を８００℃で１５ｎｍ成長させ、しかる後、上部クラッド層５’上に、Ｍｇをドープしたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる上部クラッド層５を２０ｎｍ成長させる。形成温度は１１００℃である。
・工程（６）
【００４４】
上部クラッド層５上に、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなる厚さ５０ｎｍのコンタクト層６を成長させる。形成温度は１１００℃である。
・工程（７）
【００４５】
コンタクト層６上に上部電極７を形成する。
・工程（８）
【００４６】
エピタキシャル層２の表面が露出するようドライエッチングを行い、エピタキシャル層２の露出表面上に下部電極８を形成し、図１に示した発光ダイオードが完成する。上部電極７にはＮｉ／Ａｕを用い、下部電極８にはＴｉ／Ａｌを用いる。
【００４７】
また、本発光ダイオードは、活性層４とＡｌＧａＮ層３との間に、Ｉｎを含むクラッド層３’が挿入されているが、本発明では、クラッド層３’の有無に拘らず、発光強度を改善することができる。
【実施例１】
【００４８】
表面モフォロジーの改善効果について検証した。
（実施例）
【００４９】
まず、図２に示す構造において、ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層３の表面を形成した時点で下部クラッド層３の表面２の観察を行い、次に、活性層４の代用としての単層のＩｎＧａＮ層を下部クラッド層３上に５０ｎｍ形成した時点で、このＩｎＧａＮ層の表面Ｂの観察を行った。これらの製造方法は、上述の通りである。
（比較例）
【００５０】
また、比較例として、下部クラッド層３の形成時のキャリアガスとして、Ｈ２を用いたものを使用し、同様に表面Ａ、表面Ｂの観察を行った。
（評価及び結果）
【００５１】
なお、表面観察には原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた。
【００５２】
図３は、実施例に係る下部クラッド層３の表面Ａの顕微鏡写真である。この表面には複数の溝が形成されている。
【００５３】
図４は、実施例に係る上記単層のＩｎＧａＮ層の表面Ｂの顕微鏡写真である。この表面は比較的平坦であり、ＲＭＳは０．６１２ｎｍであった。
【００５４】
図５は、比較例に係る下部クラッド層３の表面Ａの顕微鏡写真である。この表面には平坦であってモフォロジーに優れている。
【００５５】
図６は、比較例に係る上記単層のＩｎＧａＮ層の表面Ｂの顕微鏡写真である。比較例によれば、下地側が平坦であるにも拘らず、上記単層のＩｎＧａＮ層の表面には複数のアイランドが形成されている。ＲＭＳは０．９０７ｎｍであった。
【００５６】
このように、実施例の場合、表面粗さが比較例のものよりも改善されたことがわかる。
【００５７】
図７は、実施例に係る下部クラッド層３の表面Ａの顕微鏡写真の拡大図であり、測定ラインＬ上の起伏をＡＦＭの出力から調べた。
【００５８】
図８は、測定ラインＬ上の表面起伏を示すグラフである。基準位置を０とすると、基準位置に近い地点Ｐ１の高さから地点Ｐ２における１つの溝の最深部までの厚み方向距離は１４．４９６（＝１５）ｎｍであった。また、基準位置に近い地点Ｐ４の高さから地点Ｐ３における別の溝の最深部までの厚み方向距離は６．９７８（＝７）ｎｍであった。
【００５９】
このように、上述の下部クラッド層３では、深さが７〜１５ｎｍの溝が表面に形成されていることが判明した。
【００６０】
実施例に係る層構造を用いて発光ダイオードを作製したところ、比較例の発光ダイオードよりも発光強度が改善した。実施例の発光ダイオードのピーク波長は、４４０ｎｍであり、その出力は比較例よりも１３％向上した。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は発光ダイオード及びその製造方法に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】発光ダイオードの縦断面構成を示す説明図である。
【図２】実施例に係る層構造を示す説明図である。
【図３】実施例に係る下部クラッド層３の表面Ａの原子間力顕微鏡写真の図である。
【図４】実施例に係るＩｎＧａＮ層４の表面Ｂの原子間力顕微鏡写真の図である。
【図５】比較例に係る下部クラッド層３の表面Ａの原子間力顕微鏡写真の図である。
【図６】比較例に係るＩｎＧａＮ層の表面Ｂの原子間力顕微鏡写真の図である。
【図７】実施例に係る下部クラッド層３の表面Ａの原子間力顕微鏡写真の拡大図である。
【図８】測定ラインＬ上の表面起伏を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・基板、３・・・下部クラッド層、４・・・活性層、５・・・上部クラッド層。
【図１】
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【図２】
2005150631.tif 000007
【図３】
2005150631.tif 000008
【図４】
2005150631.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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