(57)【要約】【課題】GaN層を用いない紫外線発光のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。【解決手段】半導体発光素子1000は、サファイヤ基板100の上に、0.5μm厚のAlN単結晶層101、Al0.12Ga0.88Nから成るｎ層102、多重層から成るｎクラッド層103、膜厚約2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層を障壁層で挟んだ単一量子井戸構造(SQW)の発光層104、Al0.16Ga0.84Nから成るブロック層105、多重層から成るｐクラッド層106、AlGaNから成るｐ型コンタクト層107と電極110、120、140、保護膜130及び反射膜150から成る。AlN単結晶層101を用いているので、GaN層を形成しなくても結晶性の良い半導体層を順次積層することができる。n側層にGaN:Si層を用いていないので、発光層104の下方に発せられた紫外線が各層に吸収されることなく反射膜150で反射されて透光性の電極110から取り出すことができる。これにより紫外線発光素子の発光効率が向上する。【選択図】図１
2005203604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層したIII族窒化物系化合物半導体光素子において、
少なくともｎ型の層は、悉くその組成にアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体であり、
基板上に形成された窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層を有し、他の層は当該窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の上層としてエピタキシャル成長により形成されたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体光素子。
【請求項２】
前記窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の上に、ｎ電極を形成する層として、膜厚が1〜2μm、アルミニウム組成x1が0.07≦x1≦1であるｎ型のAlx1Ga1-x1Nを形成したことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体光素子。
【請求項３】
前記ｎ型のAlx1Ga1-x1Nのアルミニウム組成x1が0.12≦x1≦0.25であることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層したIII族窒化物系化合物半導体光素子に関する。本発明は特に発光波長又は受光波長が紫外線領域であるIII族窒化物系化合物半導体光素子に有用である。
【背景技術】
【０００２】
サファイア等の基板上にエピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層する際、まず基板に窒化アルミニウム(AlN)から成る単結晶層を有し、当該窒化アルミニウム(AlN)から成る単結晶層の上に順次III族窒化物系化合物半導体層を積層していく技術がある。
【特許文献１】２００１−１３５８５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非晶質又は多結晶のバッファ層を用いても、２乃至５μｍの窒化ガリウム(GaN)等の単結晶層をその上に形成しなければ、上層の発光層の結晶性を良くできないことは良く知られている。ところで、窒化ガリウム(GaN)は、ｎ型の層とするためにシリコン(Si)をドープすると、より多く紫外線領域の光を吸収してしまう。例えばシリコン(Si)を3×1019/cm3の濃度でドープした窒化ガリウム(GaN:Si)を、波長が354.3nmの紫外線が1μmの厚さを通過する際、強度が1/e40程度にまで落ち込む。このことからも、発光波長が紫外線領域であるIII族窒化物系化合物半導体発光素子のｎ側の層に窒化ガリウム(GaN)を用いることは適当でないことが理解できる。同様に、ｐ側の層に窒化ガリウム(GaN)を用いることも適当でない。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、発光層の発する或いは受光層が受光すべき紫外線領域の光を吸収する他の層を有しないIII族窒化物系化合物半導体光素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため請求項１に記載の手段によれば、基板上にIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層したIII族窒化物系化合物半導体光素子において、少なくともｎ型の層は、悉くその組成にアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体であり、基板上に形成された窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層を有し、他の層は当該窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の上層としてエピタキシャル成長により形成されたことを特徴とする。また、請求項２に記載の手段によれば、窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の上に、ｎ電極を形成する層として、膜厚が1〜2μm、アルミニウム組成x1が0.07≦x1≦1であるｎ型のAlx1Ga1-x1Nを形成したことを特徴とする。更に請求項３に記載の手段によれば、ｎ型のAlx1Ga1-x1Nのアルミニウム組成x1が0.12≦x1≦0.25であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
基板の上に単結晶の窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)層を形成するので、その上に厚い窒化ガリウム(GaN)を形成しなくても発光層の結晶性が保障される。よって、単結晶の窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)層の上の層は窒化ガリウム(GaN)でなくて良いので、少なくともｎ型の層は、悉くその組成にアルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体で形成できる。これにより、ｎ側の層に窒化ガリウム(GaN)を用いないので、発光層が近紫外線領域の光を発する、又は、受光層が近紫外線領域の光を受けるものであっても、光素子の他の層が当該近紫外線領域の光を吸収してしまうことが無くなり、発光効率及び受光効率が向上する。ｎ電極を形成する層としては、膜厚が1〜2μm、アルミニウム組成x1が0.07≦x1≦1であるｎ型のAlx1Ga1-x1Nを形成すると良い。更には、紫外線領域の光吸収低減及びｎ伝導性向上、クラックの低減を考慮すると、ｎ電極を形成するｎ型のAlx1Ga1-x1N層のアルミニウム組成x1は0.12≦x1≦0.25が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
基板の上に形成される単結晶の窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)層は、膜厚が0.5〜3μmでその表面が実質的に平坦であって、例えばＸ線ロッキングカーブの半値幅が50秒以下とする。この上にIII族窒化物系化合物半導体からなる素子機能層を形成した場合、当該素子機能層の結晶性は汎用的な低温成長バッファ層の上に形成されたものと同等若しくはそれ以上となる。
【０００８】
窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の膜厚は、0.5μm未満であると、素子機能を形成するのに不充分である。他方、3μmを超えて膜厚を厚くする必要はない。膜厚が比較的厚い理由は、それら窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)が本来持っている結晶性がでてくるからである。薄い膜だと基板の影響を受けてしまい結晶が歪みを受ける。しかし厚くすると結晶そのものの性質を利用できる。
【０００９】
窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶の、結晶性の指標となるＸ線ロッキングカーブの半値幅は、50秒以下の半値幅でないと、半導体デバイスとして充分な結晶性が確保できていない。また、窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を成長させる場合、窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の表面を実質的に平坦にしてIII族窒化物系化合物半導体層の安定した結晶成長を確保する見地からも、窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層の半値幅は50秒以下とすることが好ましい。
【００１０】
窒化アルミニウム(AlN)又はAlx0Gay0In1-x0-y0N(0＜x0＜1, 0≦y0＜1, x0+y0＜1)から成る単結晶層は、窒化物系化合物半導体層と同様の方法により形成することができる。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によるときは次のようにする。有機洗浄及び熱処理により洗浄したサファイア基板のＣ面を主面として、サファイア基板を汎用のＭＯＶＰＥ装置にセットする。基板温度を1000〜1200℃、好ましくは1050〜1150℃として、アルミニウムの材料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を7×10-5〜4×10-4μmol/cm3 と窒素の材料ガスとしてのアンモニアを0.02〜0.08μmol/cm3の供給量でほぼ同時に反応容器内へ導入する。キャリアガスとしては水素を用いる。反応容器内の圧力は、例えば4.0×103〜1.3×104Pa(30〜100Torr)、好ましくは6.7×103〜1.2×104Pa(50〜90Torr)とし、キャリアガスの流速は、例えば2〜4m/sec、好ましくは2.5〜3.5m/secとする。各材料ガスの濃度は上記のガス流量において基板表面での衝突確立が最も高くなるように調整する。例えば、ＴＭＡを１×10-4μmol/cm3、アンモニアを0.05μmol/cm3とする。なお、アンモニアの濃度は、成長初期の基板の窒化を避けるため、小さくすることが好ましい。
【００１１】
AlN単結晶層の成長レートは20nm(200Å)/min以上とすることが好ましい。成長レートの上限は特に限定されないが、例えば成長レートは60nm(600Å)/min以下とすることが好ましい。成長レートが60nm(600Å)/minを超えると膜が平坦にするのが困難になる。更に好ましくは30〜50nm(300〜500Å)/minである。
【００１２】
本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトダイーオード、フォトカプラその他の任意の光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。
【００１３】
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面等任意）、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が好ましいが、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いても良い。
【００１４】
電極形成層その他のIII族窒化物半導体層は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。
【００１５】
更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００１６】
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【実施例】
【００１７】
図１に本発明の具体的な実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子（ＬＥＤ）１０００の断面図である。半導体光素子（ＬＥＤ）１０００では、図１に示す様に、厚さ約100μmのサファイヤ基板１００の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約0.5μmのAlN単結晶層１０１が成膜され、その上にシリコン(Si)をドープして電子濃度5×1018/cm3としたAl0.12Ga0.88Nから成る膜厚約1.5μmのn型AlGaN層（ｎ型コンタクト層）１０２が形成されている。
【００１８】
また、このｎ型コンタクト層１０２の上には、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nから成る層１０３１と膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nから成る層１０３２とを38周期積層した、シリコン(Si)をドープして電子濃度5×1019/cm3とした総膜厚約100nmの多重層から成るｎクラッド層１０３が形成されている。
【００１９】
ｎクラッド層１０３の上には、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４が形成されている。単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４は、膜厚約25nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４１と、膜厚約2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層１０４２と、膜厚約15nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４３とを積層して形成される。
【００２０】
単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3としたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚約40nmのブロック層１０５が形成されている。ブロック層１０５の上には、膜厚約1.5nmのAl0.12Ga0.88Nから成る層１０６１と膜厚約1.5nmのAl0.03Ga0.97Nから成る層１０６２とを30周期積層した、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3とした総膜厚約90nmの多重層から成るｐクラッド層１０６が形成されている。ｐクラッド層１０６の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度1×1018/cm3としたAlGaNから成る膜厚約30nmのｐ型コンタクト層１０７を形成した。
【００２１】
又、ｐ型コンタクト層１０７の上には金属蒸着による透光性薄膜ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０２上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０７に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金（Au）より成る第２層１１２とで構成されている。
【００２２】
厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１２１と、膜厚約15μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性薄膜ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。
【００２３】
多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０２の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。
【００２４】
また、最上部には、SiO2膜より成る保護膜１３０が形成されている。一方、サファイヤ基板１００の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム（Al）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。
【００２５】
上記の構成の光素子（ＬＥＤ）１０００は次のように製造された。光素子（ＬＥＤ）１０００は、有機金属気相成長法（以下「MOVPE」と略す）にり製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)、キャリアガス(H2及びN2)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI」と記す）、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)（以下「CP2Mg」と記す）である。
【００２６】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したＣ面を主面とした単結晶の基板１００をMOVPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度1100℃で基板１００をベーキングした。
次に、基板１００の温度を1075℃に保持し、H2、NH3及びTMAを供給してAlN単結晶層１０１を約0.5μmの膜厚に形成した。この時、成長速度は50nm/minとした。
【００２７】
次に、H2、NH3、TMG、TMA、シランを供給して、その上に電子濃度5×1018/cm3のAl0.12Ga0.88Nから成るｎ型コンタクト層１０２を形成した。この後、H2、NH3、TMG、TMA、シランの供給量を制御しながら、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nから成る層１０３１と膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nから成る層１０３２とを38周期積層した、シリコン(Si)をドープして電子濃度5×1019/cm3とした総膜厚約100nmの多重層から成るｎクラッド層１０３を形成した。
【００２８】
次に、基板１００の温度を825℃にまで低下させて、N2又はH2、NH3、TMG及びTMIを供給して、膜厚約25nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４１と、膜厚約2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層１０４２と、膜厚約15nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０６３とを順次積層し、単一量子井戸構造の発光層１０４を形成した。
【００２９】
次に、基板１００の温度を1025℃に保持し、N2又はH2、NH3、TMG、TMA及びCP2Mgを制御しながら供給して、マグネシウム(Mg)をドープしたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚約40nmのブロック層１０５、膜厚約1.5nmのAl0.12Ga0.88Nから成る層１０６１と膜厚約1.5nmのAl0.03Ga0.97Nから成る層１０６２とを30周期積層した、マグネシウム(Mg)をドープした総膜厚約90nmの多重層から成るｐクラッド層１０６、マグネシウム(Mg)をドープしたAlGaNから成る膜厚約30nmのｐ型コンタクト層１０７を順次形成した。
【００３０】
この後、ｐ側層であるブロック層１０５、ｐクラッド層１０６及びｐ型コンタクト層１０７をｐ型化して、各々ホール濃度を5×1017/cm3、5×1017/cm3、5×1018/cm3のｐ型層としたのち、各電極（１１０、１２０、１４０）及び保護膜１３０及び反射金属層１５０を形成した。
【００３１】
上記構成により、発光層から下に向かった波長350nmの光がｎ型のGaN層で吸収されることが無くなり、ｎコンタクト層としてｎ型のGaNを用いたときと比較して、発光強度が２倍となった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、紫外線領域に発光波長が存在するような短波長の光素子に好適である。短波長の光素子の用途としては、光励起触媒を用いる光化学分野、蛍光体を励起させるために用いる照明分野、誘蛾灯に代表されるバイオ関連分野の他、蛍光ランプに用いてブラックライトに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例に係る半導体光素子（ＬＥＤ）１０００の断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１０００：半導体光素子（ＬＥＤ）
１００：サファイヤ基板
１０１：AlN単結晶層
１０２：n型AlGaN層
１０３：ｎクラッド層（多重層）
１０４：単一量子井戸発光層（ＳＱＷ）
１０５：ブロック層
１０６：ｐクラッド層（多重層）
１０７：ｐ型コンタクト層
１１０：透光性薄膜ｐ電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：反射金属層
【図１】
2005203604.tif 000003