(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子において、
活性層と前記基板との間に、前記基板の熱膨張による前記活性層への歪みの影響を緩和する歪み緩和層を備え、
前記歪み緩和層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（0.025≦ｘ≦0.035）より形成されており、
前記歪み緩和層の膜厚は600Å以上であり、
前記歪み緩和層は、前記活性層の直下に形成されており、
前記歪み緩和層は、不純物が無添加である
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項２】
前記歪み緩和層の膜厚は、1800Å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化合物半導体素子。
【請求項３】
前記活性層は、多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の熱膨張による活性層の歪みを緩和する歪み緩和層を備えた、高光度、低駆動電圧の窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子の代表的なものとしては、次のようなものがある。即ち、サファイヤを基板とし、その上から、窒化アルミニウム(AlN) より成るバッファ層、シリコン(Si)ドープのGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層、GaN から成るバリア層とGaInN から成る井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW) の発光層、ｐ型AlGaN から成るｐクラッド層、及び、ｐ型GaN から成るｐコンタクト層が順次積層されたものが知られている。
しかし、これらの従来技術の発光素子の中には、活性層に対する応力の緩和を目的として設けられた半導体層を持つものはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の発光素子を製造する際、活性層は約1000℃〜1200℃の高温下における結晶成長により形成されるため、基板と活性層との熱膨張係数の差異により、発光素子完成後には活性層に歪みが生じる。この歪みにより、発光強度が十分に得られないという問題があった。
【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、その目的は、上記の活性層の歪みを解消あるいは緩和することにより、高光度、低駆動電圧の窒化ガリウム系化合物半導体素子を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第１の手段は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る層が積層された発光素子において、活性層と基板との間に、基板の熱膨張による活性層への歪みの影響を緩和するＩｎxＧａ1-xＮ（0.025≦ｘ≦0.035）より形成された膜厚が600Å以上で、不純物が無添加の歪み緩和層を、活性層の直下に設けることである。
また、第２の手段は、上記の手段において、歪み緩和層の膜厚を1800Å以上とすることである。
更に、第３の手段は、上記の手段において、活性層を多重量子井戸構造とすることである。
これらの手段により、上記の課題を解決することができる。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
インジウムは、軟らかく延性に富む金属であるため、これを含んでいる歪み緩和層は、上記の歪み緩和の働きを示す。また、この発光素子の発光強度は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎより成る歪み緩和層のインジウム（Ｉｎ）組成比ｘと強い相関を持つ。Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎより成る歪み緩和層のインジウム（Ｉｎ）組成比ｘの異なる試料を多数作成し、そのフォトルミネセンスによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示す。この図から判るように、上記の発光素子の発光強度は、インジウム（Ｉｎ）組成比ｘが、ほぼ0.03の辺りで鋭いピークを持っており、「0.01≦ｘ≦0.05」の範囲において高光度を示し、0.025 ≦ｘ≦0.035 」の範囲において最も高い光度を示す。インジウム組成比ｘが0.01よりも小さいと、軟らかく延性に富むインジウムが少な過ぎて歪み緩和の働きが弱くなり、発光光度が落ちる。また、インジウム組成比ｘが0.05よりも大きくなるとインジウムが多過ぎて歪み緩和層の結晶性が劣化するため、それ以降に積層される各半導体層が良質に形成されなくなり、発光光度が落ちる。
また、歪み緩和層の厚さの異なる試料を多数作成し、その発光出力を測定した結果を示すグラフを図３に示す。この図からも判るように、発光出力に対する歪み緩和層の作用効果は、歪み緩和層の厚さを増加させるほど大きくなるものの、いずれは飽和点に達することが判明した。即ち、これらの試料の発光出力は、歪み緩和層の厚さが３００Å以上の場合に高光度を示す。また、より望ましくは、歪み緩和層の厚さは、６００Å以上が良い。歪み緩和層の厚さが３００Åよりも小さい場合に上記の試料が高光度を示さない理由は、歪み緩和層の厚さが３００Åよりも小さくなると、膜厚が薄過ぎて、基板と発光層との熱膨張係数の差異により発生する歪みによる応力を歪み緩和層で十分に吸収することができなくなるためである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、サファイア基板１１上に形成されたGaN 系化合物半導体で形成された発光素子１００の模式的な断面構成図である。基板１１の上には窒化アルミニウム(AlN) から成る膜厚約25nmのバッファ層１２が設けられ、その上にシリコン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約4.0 μｍの高キャリア濃度ｎ+ 層１３が形成されている。この高キャリア濃度ｎ+ 層１３の上にノンドープのInx Ga1-X N (0.01 ≦ｘ≦0.05) から成る膜厚約１８００Åの歪み緩和層１４が形成されている。この歪み緩和層１４は、サファイア基板１１と発光層１５との熱膨張係数の違いにより生じる発光層１５に掛かる応力を緩和するためのものである。
そして、歪み緩和層１４の上に膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層１５１と膜厚約35ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層１５２とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW) の発光層１５が形成されている。バリア層１５１は６層、井戸層１５２は５層である。発光層１５の上にはｐ型Al0.12Ga0.88N から成る膜厚約３００Åのｐクラッド層１６が形成されている。さらに、ｐクラッド層１６の上にはｐ型GaN から成る膜厚約100nm のｐコンタクト層１７が形成されている。
【０００８】
又、ｐコンタクト層１７の上には金属蒸着による透光性の電極１８Ａが、ｎ+ 層１３上には電極１８Ｂが形成されている。透光性の電極１８Ａは、ｐコンタクト層１７に接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)と、Coに接合する膜厚約60Åの金(Au)とで構成されている。電極１８Ｂは膜厚約 200Åのバナジウム(V) と、膜厚約1.8 μｍのアルミニウム(Al)又はAl合金で構成されている。電極１８Ａ上の一部には、CoもしくはNiとAu、Al、又は、それらの合金から成る膜厚約1.5 μｍの電極パッド２０が形成されている。
【０００９】
次に、この発光素子１００の製造方法について説明する。
上記発光素子１００は、有機金属気相成長法（以下「MOVPE 」と略す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2,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。
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶の基板１１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１１をベーキングした。
次に、基板１１の温度を400 ℃まで低下させて、H2、NH3 及びTMA を供給してAlN のバッファ層１２を約25nmの膜厚に形成した。
【００１０】
次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、H2、NH3 、TMG 及びシランを供給し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層１３を形成した。
次に、基板１１の温度を８５０℃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１８００ÅのノンドープのInx Ga1-X N (0.01 ≦ｘ≦0.05) から成る歪み緩和層１４を形成した。
上記の歪み緩和層１４を形成した後、再び基板１１の温度を1150℃にまで昇温し、N2又はH2、NH3 及びTMG を供給して、膜厚約35ÅのGaN から成るバリア層１５１を形成した。次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約35ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層１５２を形成した。さらに、バリア層１５１と井戸層１５２を同一条件で４周期形成し、その上にGaN から成るバリア層１５１を形成した。このようにして５周期のMQW 構造の発光層１５を形成した。
【００１１】
次に、基板１１の温度を1150℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA 及びCP2Mg を供給して、膜厚約３００Å、マグネシウム(Mg)をドープしたｐ型Al0.12Ga0.88N から成るｐクラッド層１６を形成した。
次に、基板１１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2、NH3 、TMG 及びCP2Mg を供給して、膜厚約100nm 、Mgをドープしたｐ型GaN から成るｐコンタクト層１７を形成した。
次に、ｐコンタクト層１７の上にエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６、発光層１５、歪み緩和層１４、ｎ+ 層１３の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ+ 層１３の表面を露出させた。
次に、以下の手順で、ｎ+ 層１３に対する電極１８Ｂと、ｐコンタクト層１７に対する透光性の電極１８Ａとを形成した。
【００１２】
(1) フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ+ 層１３の露出面上の所定領域に窓を形成して、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約 200Åのバナジウム(V) と膜厚約 1.8μｍのAlを蒸着した。次に、フォトレジストを除去する。これによりｎ+ 層１３の露出面上に電極１８Ｂが形成される。
(2) 次に、表面上にフォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐコンタクト層１７の上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、窓部を形成する。
(3) 蒸着装置にて、フォトレジスト及び露出させたｐコンタクト層１７上に、10-6Torrオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約15ÅのCoを成膜し、このCo上に膜厚約60ÅのAuを成膜する。
【００１３】
(4) 次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したCo、Auを除去し、ｐコンタクト層１７上に透光性の電極１８Ａを形成する。
(5) 次に、透光性の電極１８Ａ上の一部にボンディング用の電極パッド２０を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、その電極パッド２０の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。次に、CoもしくはNiとAu、Al、又は、それらの合金を膜厚1.5 μｍ程度に、蒸着により成膜させ、(4) の工程と同様に、リフトオフ法により、フォトレジスト上に堆積したCoもしくはNiとAu、Al、又はそれらの合金から成る膜を除去して、電極パッド２０を形成する。
(6) その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、O2ガスを供給して圧力 3Paとし、その状態で雰囲気温度を約 550℃にして、3 分程度、加熱し、ｐコンタクト層１７、ｐクラッド層１６をｐ型低抵抗化すると共にｐコンタクト層１７と電極１８Ａとの合金化処理、ｎ+ 層１３と電極１８Ｂとの合金化処理を行った。
このようにして、発光素子１００を形成した。
【００１４】
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎより成る歪み緩和層のインジウム（Ｉｎ）組成比ｘの異なる試料を多数作成し、そのフォトルミネセンスによる発光強度を測定した結果を示すグラフを図２に示す。この図から判るように、発光素子１００の発光強度は、インジウム（Ｉｎ）組成比ｘが、「0.01≦ｘ≦0.05」の範囲において高光度を示すが、より望ましくは、「0.025 ≦ｘ≦0.035 」の範囲において最も高い光度を示す。
また、歪み緩和層の厚さの異なる試料を多数作成し、その駆動電圧を測定した結果を示すグラフを図４に示す。この図から判るように、歪み緩和層の厚さは、駆動電圧の点をも鑑みれば、１８００Å以上であれば尚良い。
また、上記の試料に関し、その発光出力における主波長を測定した結果を示すグラフを図５に示す。この図から判るように、歪み緩和層の厚さは、主波長に対しては殆ど影響しないものと思われる。
【００１５】
また、Inx Ga1-X N より成る歪み緩和層１４のインジウム（Ｉｎ）組成比ｘを「0.01≦ｘ≦0.05」とするためには、上記の実施例において、高キャリア濃度ｎ+ 層１３を形成した後に、基板１１の温度を８５０℃にまで低下させて、N2又はH2を３０〜４０Ｌ／分、NH3 を１０〜２０Ｌ／分、TMG を６〜１０×10-5モル／分、TMI を２〜４０μモル／分の割合で供給すればよい。
【００１６】
なお、上記の実施例では、発光素子１００の発光層１５はＭＱＷ構造としたが、発光層の構造は、ＳＱＷ構造でもよい。また、バリア層、井戸層、クラッド層、コンタクト層、その他の層は、任意の混晶比の４元、３元、２元系のAlx Gay In1-x-y N （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）としても良い。
又、ｐ型不純物としてMgを用いたがベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の２族元素を用いることができる。
又、本発明は発光素子のみならず受光素子にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係わるGaN 系化合物半導体発光素子１００の構造を示した模式的断面図。
【図２】歪み緩和層１４（Inx Ga1-x N ）のインジウム組成比ｘと発光強度との相関を示すグラフ。
【図３】歪み緩和層１４（Inx Ga1-x N ）の厚さと発光出力との相関を示すグラフ。
【図４】歪み緩和層１４（Inx Ga1-x N ）の厚さと駆動電圧との相関を示すグラフ。
【図５】歪み緩和層１４（Inx Ga1-x N ）の厚さと主波長との相関を示すグラフ。
【符号の説明】
１１            サファイア基板
１２            バッファ層
１３            高キャリア濃度ｎ+ 層
１４            歪み緩和層
１５            発光層
１６            ｐクラッド層
１７            ｐコンタクト層
１８Ａ          ｐ電極
１８Ｂ          ｎ電極
２０            電極パッド
１００          発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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