(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体（ＩｎｘＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなり、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子であって、
ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮ又はＧａＮから成る障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層の上に、
ＡｌＧａＮから成り、前記活性層に接して成長された第１のｐ型層と、
ＧａＮ若しくはＩｎを含む窒化物半導体から成る第２のｐ型層と、
Ａｌを含む窒化物半導体から成る第３のｐ型層とが形成されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のｐ型層の膜厚が、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記井戸層の膜厚が７０Å以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記障壁層の膜厚が、１５０Å以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層の総膜厚が、２００Å以上、０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第３のｐ型層の上に、ＧａＮから成るｐ型コンタクト層が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で示される窒化物半導体はＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線ビーム気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハライド気相成長法）等の気相成長法を用いて基板上にエピタキシャル成長されている。またこの半導体材料は直接遷移型の広ワイドギャップ半導体であるため、紫外から赤色までの発光素子の材料として知られており、最近この材料で高輝度な青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザダイオード（ＬＤ）の実現が望まれている。
【０００３】
窒化物半導体を用いた発光素子として、例えば特開平６−２１５１１号公報にＬＥＤ素子が示されている。この公報ではＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オングストロームの井戸層と、ＧａＮよりなる膜厚１００オングストローム障壁層とを積層した多重量子井戸構造の活性層を備えるＬＥＤ素子が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報によると、ＩｎＧａＮとＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層をＧａＮと、ＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ分離閉じ込め型のダブルへテロ構造を有するＬＥＤ素子が示されている。活性層を多重量子井戸構造とすることにより、発光出力に優れたＬＥＤ素子を得ることができる。しかしながら、ＬＤではＬＥＤよりも、さらに発光出力を高める必要がある。従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなる発光素子の新規な構造を提供することにより、発光出力を高めて半導体レーザを実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、窒化物半導体（ＩｎｘＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなり、ダブルへテロ構造を有する窒化物半導体発光素子であって、
ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＩｎＧａＮ又はＧａＮから成る障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層の上に、ＡｌＧａＮから成り、前記活性層に接して成長された第１のｐ型層と、ＧａＮ若しくはＩｎを含む窒化物半導体から成る第２のｐ型層と、Ａｌを含む窒化物半導体から成る第３のｐ型層とが形成されたことを特徴とする。
【０００６】
本発明において、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体からなる第一のｎ型層と、Ａｌを含むｎ型の窒化物半導体からなる第二のｎ型層と、ＧａＮ若しくはＩｎを含む窒化物半導体からなる第三のｎ型層とを積層した上に活性層を形成することが望ましい。また、多重量子井戸構造を有する活性層では、井戸層の膜厚が７０オングストローム以下であり、障壁層の膜厚が１５０オングストローム以下であることが望ましい。
【０００８】
本発明の発光素子において、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）を構成するＩｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層には、三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X≦１）が好ましく、また障壁層も同様に三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）が好ましい。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。また障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくして、井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層となるように積層して多重量子井戸構造を構成する。このように活性層をＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。
【０００９】
ＬＤを実現する場合、活性層の膜厚、つまり井戸層と障壁層を積層した活性層の総膜厚は２００オングストローム以上に調整することが好ましい。２００オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がらず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、０．５μｍ以下に調整することが望ましい。
【００１０】
さらに井戸層の膜厚は７０オングストローム以下、さらに望ましくは５０オングストローム以下に調整することが好ましい。図２は井戸層の膜厚と発光出力との関係を示す図であり、発光出力はＬＥＤ素子について示している。出力に関してはＬＤでも同様のことが云える。これはこの膜厚がＩｎＧａＮ井戸層の臨界膜厚以下であることを示している。ＩｎＧａＮでは電子のボーア半径が約３０オングストロームであり、このためＩｎＧａＮの量子効果が７０オングストローム以下で現れる。
【００１１】
また障壁層の厚さも１５０オングストローム以下、さらに望ましくは１００オングストローム以下の厚さに調整することが望ましい。図３は障壁層と膜厚と発光出力との関係を示す図であり、発光出力は図２と同様に、ＬＥＤ素子について示すものであるが、ＬＤに関しても同様のことが云える。
【００１２】
次に本発明の発光素子では活性層に接してＡｌＧａＮよりなる第１のｐ型層が形成されている。このＡｌＧａＮは１μｍ以下、さらに好ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下に調整する。この第１のｐ型層を活性層に接して形成することにより、素子の出力が格段に向上する。逆に活性層に接するｐ型層をＧａＮとすると素子の出力が約１／３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすく、またｐ型層成長時に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明である。また第１のｐ型層の膜厚は１μｍよりも厚いと、第１のｐ型層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向にあるからである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
特に活性層について述べると、本発明の発光素子は、先にも述べたように好ましくは、ＩｎＧａＮよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層した多重量子井戸構造である。特開平６−２１５１１号とは障壁層がＧａＮである。これは薄膜の井戸層と障壁層とを積層したＭＱＷでは、各層に係るストレスが違う。井戸層の上にＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮよりなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が柔らかい。そのためクラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現できる。一方、障壁層をＧａＮとすると、活性層の上にＡｌＧａＮよりなるクラッド層を成長させると、そのクラッド層にクラックが発生しやすい傾向にある。
【００１４】
さらにＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成長温度が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは８００より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要がある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得ることは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層もＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長できる。従って、先に形成した井戸層が分解することがないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、ＭＯＶＰＥ法によりＬＤ素子を作成する方法を述べるが、本発明の発光素子はＭＯＶＰＥ法だけではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させることができ、またＬＤだけでなくＬＥＤにも適用可能である。
【００１６】
［実施例１］
よく洗浄されたサファイア基板１（０００１面）をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃でサファイア基板の表面にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００１７】
このバッファ層は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等を成長させることも可能である。また基板にはサファイアの他にスピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりなる従来より知られている基板が用いられる。このバッファ層を成長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない場合もある。
【００１８】
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させた。ｎ型コンタクト層３はＧａＮとすることによりキャリア濃度の高い層が得られ、電極材料と好ましいオーミック接触が得られる。
【００１９】
次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる第一のｎ型層４を５００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００２０】
この第一のｎ型層４はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体を厚膜で成長させることが可能となる。ＬＤの場合は、光閉じ込め層、光ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困難であったが、第一のｎ型層がバッファ層として作用する。つまり、この層がバッファ層となり次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。しかも次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体層を厚膜で成長させても膜質良く成長できる。なお第一のｎ型層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにバッファ層として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、この第一のｎ型層４は省略することもできる。
【００２１】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型層５を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第二のｎ型層はＬＤの場合光閉じ込め層として作用し、通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
【００２２】
続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第三のｎ型層６を５００オングストロームの膜厚で成長させた。この第三のｎ型層６はＬＤの場合、光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの他にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｎ型窒化物半導体で成長させることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層を量子井戸構造とすることが可能になる。
【００２３】
次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活性層７を成長させた。活性層７は温度を７５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μｍの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させた。井戸層の好ましい膜厚は１００オングストローム以下、障壁層は１５０オングストローム以下の膜厚で成長することにより、井戸層、障壁層が弾性的に変形して結晶欠陥が少なくなり、素子の出力が飛躍的に向上するので、レーザ発振が可能となる。さらに井戸層はＩｎＧａＮ等のＩｎＧａＮを含む窒化物半導体、障壁層はＧａＮ、ＩｎＧａＮ等で構成することが望ましく、特に井戸層、障壁層ともＩｎＧａＮとすると、成長温度が一定に保持できるので生産技術上非常に好ましい。
【００２４】
活性層７成長後、温度を１０５０℃にしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一のｐ型層８を１００オングストロームの膜厚で成長させた。この第一のｐ型層８は１μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる第一のｐ型層８を成長させることにより、発光出力が向上する。またｐ型窒化物半導体層はＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプター不純物を成長中にドープすることにより得られるが、その中でもＭｇが最も好ましいｐ型特性を示す。さらに、アクセプター不純物をドープした後、不活性ガス雰囲気中で４００℃以上のアニーリングを行うとさらに好ましいｐ型が得られる。
【００２５】
次に温度を１０５０℃に保持しながら、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなる第二のｐ型層９を５００オングストロームの膜厚で成長させた。この第二のｐ型層９はＬＤの場合、光ガイド層として作用し、通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＧａＮの他にＩｎＧａＮ等のＩｎを含むｐ型窒化物半導体で成長させることもでき、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次のＡｌを含む第三のｐ型層１０を結晶性良く成長できる。
【００２６】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第三のｐ型層１０を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第三のｐ型層１０はＬＤの場合、光閉じ込め層として作用し、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、好ましく光閉じ込め層として作用する。
【００２７】
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１を０．５μｍの膜厚で成長させた。このｐ型コンタクト層はＭｇを含むＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正電極の材料と良好なオーミック接触が得られる。
【００２８】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように最上層のｐ型コンタクト層１１より選択エッチングを行い、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ、露出したｎ型コンタクト層３と、ｐ型コンタクト層１１の表面にそれぞれストライプ状の電極を形成した後、ストライプ状の電極に直交する方向から、さらにエッチングを行い垂直なエッチング端面を形成して、そのエッチング面に常法に従って反射鏡を形成して共振面とした。共振面側から見たレーザ素子の断面図が図１に示す断面図である。このレーザ素子をヒートシンクに設置し、ＬＤとしたところ、非常に優れた結晶が積層できていたため、常温において、しきい値電流密度４．０ｋＡ／cm2で発光波長４１０ｎｍ、半値幅２ｎｍのレーザ発振を示した。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の発光素子は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮ又はＧａＮから成る障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層の上に、ＡｌＧａＮから成る第１のｐ型層と、ＧａＮ若しくはＩｎを含む窒化物半導体から成る第２のｐ型層と、Ａｌを含む窒化物半導体から成る第３のｐ型層とが形成されたため、発光素子の出力が著しく向上した。これは膜質の良い活性層が成長できていることによる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係るＬＤの構造を示す模式断面図。
【図２】  本発明の一実施例に係る素子の活性層の井戸層と発光出力との関係を示す図。
【図３】  本発明の一実施例に係る素子の活性層の障壁層と発光出力との関係を示す図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・ＧａＮバッファ層
３・・・ｎ型ＧａＮ（ｎ型コンタクト層）
４・・・ｎ型ＩｎＧａＮ（第一のｎ型層）
５・・・ｎ型ＡｌＧａＮ（第二のｎ型層）
６・・・ｎ型ＧａＮ（第三のｎ型層）
７・・・活性層
８・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第一のｐ型層）
９・・・ｐ型ＧａＮ（第二のｐ型層）
１０・・・ｐ型ＡｌＧａＮ（第三のｐ型層）
１１・・・ｐ型ＧａＮ（ｐ型コンタクト層）
【図１】
0003867625.tif 000002
【図２】
0003867625.tif 000003
【図３】
0003867625.tif 000004