(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層とｐ形層とが積層されることにより発光層を形成する半導体発光素子であって、前記ｎ形層が、５０〜１００ｎｍ厚のＡｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（０＜ｙ１≦０.５）層と３００〜４００ｎｍ厚のＡｌu1Ｇａ1-u1Ｎ（０≦ｕ１＜ｙ１）層とが交互に積層される積層体のみからなり、前記ｐ形層が、１０〜２０ｎｍ厚のＡｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２≦０.５）層と５０〜８０ｎｍ厚のＡｌu2Ｇａ1-u2Ｎ（０≦ｕ２＜ｙ２）層とが交互に積層される積層体のみからなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層が、ｎ形層とｐ形層とにより挟持される活性層からなり、該活性層が発光波長を定める第１の半導体層と、該第１の半導体層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する第２の半導体層との積層体からなる請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に、基板と格子定数が異なる半導体層が積層されて発光層を形成する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、積層される半導体層の結晶格子のズレの影響を小さくする半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば青色系の光を発光する半導体発光素子は、図３に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばＧａＮからなる低温バッファ層２２と、高温でｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子は、サファイア基板上にＧａＮまたはＡｌＧａＮ系化合物半導体がｎ形層およびｐ形層として積層されている。しかし、サファイアの格子定数は、４.７６Åであるのに対して、ＧａＮは３.１９Å、たとえばＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎは３.１３Åであり、これらの間の格子定数は一致していない。さらにｎ形層とｐ形層とで挟持される発光層のＩｎＧａＮ系化合物半導体とも格子定数が異なる。そのため、ｎ形層やｐ形層に結晶格子のズレが生じやすく、電流が流れ難くなったり、結晶間に生じるクラックが発光層にも延びて、発光効率が低下するという問題がある。とくにｎ形層は４〜５μｍ程度と厚く形成されることが多く、結晶歪みが蓄積されるため、一層結晶格子ズレが生じやすい。
【０００４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、基板上に基板と格子定数の異なる半導体層が積層される半導体発光素子において、結晶格子のズレなどが生じることなく、電子の移動度を向上させて発光効率の優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ形層とｐ形層とが積層されることにより発光層を形成する半導体発光素子であって、前記ｎ形層が、５０〜１００ｎｍ厚のＡｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（０＜ｙ１≦０.５）層と３００〜４００ｎｍ厚のＡｌu1Ｇａ1-u1Ｎ（０≦ｕ１＜ｙ）層とが交互に積層される積層体のみからなり、前記ｐ形層が、１０〜２０ｎｍ厚のＡｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２≦０.５）層と５０〜８０ｎｍ厚のＡｌu2Ｇａ1-u2Ｎ（０≦ｕ２＜ｙ２）層とが交互に積層される積層体のみからなっている。この構造にすることにより、各層を薄くすることができるため、格子定数の差に基づく歪みの蓄積がされず、結晶格子のズレが生じ難くなる。
【０００６】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【０００７】
前記発光層が、ｎ形層とｐ形層とにより挟持される活性層からなり、該活性層が発光波長を定める第１の半導体層と、該第１の半導体層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する第２の半導体層との積層体からなれば、ｎ形層およびｐ形層と共に、発光層も歪みの生じにくい積層体となるため、発光層近傍全体の半導体層に結晶格子のズレが生じないで発光特性が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１の（ａ）には、たとえば青色系の発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層がサファイア基板上に積層される本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図が示され、そのｎ形層３の一例の部分拡大図が（ｂ）に示されている。
【０００９】
本発明の半導体発光素子は、図１に示されるように、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板１の表面に発光領域を形成する半導体層２〜５が積層されて、その表面に拡散メタル層７を介して上部電極（ｐ側電極）８が形成されている。また、積層された半導体層３〜５の一部が除去されて露出したｎ形層３に下部電極（ｎ側電極）９が形成されている。この積層される半導体層のｎ形層３および／またはｐ形層５は、図１（ｂ）にｎ形層３の例が示されるように、第１のＡｌＧａＮ系化合物半導体層（Ａｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦０.５、たとえばｙ＝０.１５）層）３ａと第２のＡｌＧａＮ系化合物半導体層（Ａｌu Ｇａ1-u Ｎ（０≦ｕ＜ｙ、たとえばｕ＝０）層）３ｂとが交互に積層される積層体により形成されている。
【００１０】
基板１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μｍ程度堆積され、ついでｎ形のＧａＮからなる第２のクラッド層３ｂが３００〜４００ｎｍ程度と、ｎ形のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる第１のクラッド層３ａが５０〜１００ｎｍ程度との１０組程度の繰返しによる積層体からなるｎ形層（クラッド層）３が１〜５μｍ程度堆積されている。さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦０.５、たとえばｘ＝０.０５）からなる発光層４が０.０５〜０.３μｍ程度形成され、さらにｐ形のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる第３のクラッド層（図示せず）が１０〜２０ｎｍ程度と、ＧａＮからなる第４のクラッド層（図示せず）が５０〜８０ｎｍ程度との５組程度の繰返しによる積層体からなるｐ形層（クラッド層）５が全体で０.３〜０.６μｍ程度それぞれ順次積層されている。なお、ｎ形層３およびｐ形層５はこれらの材料に限定されず、ＡｌＧａＮ系化合物半導体でＡｌの比率を０から０.５の範囲で変えた２種以上の積層体により構成することができる。しかし、低温バッファ層２に接する部分には同種のＧａＮが好ましく、活性層に接する部分にはＡｌＧａＮ系化合物半導体のＡｌの比率の大きいものを使用することがキャリア閉込めの効果の点から好ましい。
【００１１】
本発明の半導体発光素子では、前述のように、ｎ形層３およびｐ形層５がそれぞれ活性層４の材料よりバンドギャップが大きくキャリアを閉じ込める半導体層で、異なる組成の第１および第２のクラッド層３ａ、３ｂまたは第３および第４のクラッド層の積層体からなっていることに特徴がある。この第１および第２または第３および第４のクラッド層による積層体にするのは、同じ組成の半導体材料が厚くなると歪みの蓄積が大きくなり、電子の移動度が悪くなったり、クラックが入りやすくなるのを防止するためである。したがって、各々の層は薄い程好ましいが、あまり薄い層の積層にするとエピタキシャル成長工程が複雑になるため、第１クラッド層は５０〜１００ｎｍ程度、第２クラッド層は３００〜４００ｎｍ程度、第３クラッド層は１０〜２０ｎｍ程度、第４クラッド層は、５０〜８０ｎｍ程度の厚さにそれぞれ成膜される。その結果、ｎ形層３およびｐ形層５はそれぞれ３層以上の積層体により形成される。なお、ｎ形層３およびｐ形層５はそれぞれ３種以上の異なる組成の積層体でもよい。
【００１２】
つぎに、本発明の半導体発光素子のｎ形層およびｐ形層の作用について説明をする。ｎ形層およびｐ形層は、その間に挟持される活性層でキャリアの再結合により発光させる場合に、キャリアの閉込め効果を大きくするため、活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料が用いられる。この場合、ｎ形層およびｐ形層がそれぞれ異なる材料の積層体で形成されていると、バンドギャップエネルギーの大きい方の材料の特性によりキャリア閉込めの作用をする。したがって、第１または第３のクラッド層のＡｌの組成比の大きい材料がクラッド層として作用する。一方、ｎ形層およびｐ形層が積層体により構成されているため、層厚が厚くなって結晶格子の歪みが蓄積され出すときに組成が変わった別の層となり、歪みの蓄積は止り、新たな膜で歪みの蓄積が始まる。これが繰り返されるため、大きな歪みの蓄積がなく、ｎ形層およびｐ形層全体として厚くなっても問題になる歪みの蓄積は生じない。そのため、格子定数の異なる半導体層が積層されても結晶格子のズレが生じない。なお、ｎ形層３およびｐ形層５の両方を積層体にしなくても、いずれか一方でも効果がある。しかし、ｎ形層３は層厚が厚く、サファイア基板と近いため、積層構造にすることがとくに効果的である。
【００１３】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。
【００１４】
有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3 ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程度程度成膜する。
【００１５】
ついで、たとえば６００〜１２００℃程度の高温で前述の反応ガスと、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）の導入をスイッチングさせながら３００〜４００ｎｍ程度のｎ形のＧａＮからなる第２のクラッド層３ｂと、５０〜１００ｎｍ程度のｎ形のＡｌy Ｇａ1-y Ｎからなる第１のクラッド層３ａとを交互に１０層づつ程度積層し、ｎ形層３を全体として４〜５μｍ程度形成する。ついで、ドーパントガスおよび反応ガスとしてのＴＭＡを止め、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を追加して、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎからなる活性層４を０.１〜０.２μｍ程度形成する。その後、ドーパントガスをシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｎ形層と同様に第３および第４のクラッド層の積層体からなるｐ形層５を全体として０.３〜０.６μｍ程度形成する。
【００１６】
その後、たとえばＮｉおよびＡｕを蒸着してシンターすることにより拡散メタル層７を２〜１００ｎｍ程度形成する。ついで、下部電極を形成するためｎ形層３が露出するように、積層された半導体層の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをして、電極金属を蒸着し、上部電極８および下部電極９を形成することにより、図１に示される半導体発光素子が得られる。
【００１７】
前述の例では、活性層４をＩｎx Ｇａ1-x Ｎの一層により形成したが、この活性層４を図２にその拡大図が示されるように、たとえばＩｎx Ｇａ1-x Ｎからなる第１の半導体層４ａが５〜１０ｎｍ程度と、たとえばＡｌＮからなる第２の半導体層４ｂが０.５〜５ｎｍ程度、それぞれ１０層程度づつ繰り返して積層された積層体構造とすることもできる。活性層４は全体としては薄いが、Ｉｎが混晶する半導体層はとくに結晶格子のズレが生じやすく、薄膜にして積層構造にすることにより、同様に歪みの蓄積を防止することができ、結晶構造の優れた活性層になる。この場合、キャリアの再結合による光の発生は、バンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層４ａで行われ、バンドギャップエネルギーの大きい第２の半導体層４ｂは何等の作用をしない。すなわち、第１の半導体層４ａの厚さの合計が発光層として寄与し、第２の半導体層４ｂは、歪みの蓄積を止める緩衝層としてのみ機能している。したがって、第１の半導体層４ａに所望の発光波長の材料を用いて積層構造にすることにより、歪みの蓄積されない活性層（発光層）が得られる。
【００１８】
この第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂは上述の例に限定されず、第１の半導体層４ａに所望の発光波長を定める材料を選定し、第２の半導体層としてはそれよりバンドギャップエネルギーの大きい材料を選定すれば他の半導体材料でもよい。なお、活性層の積層構造を形成するには、前述のｎ形層と同様に、導入ガスを交互に切り替えることにより順次成膜することができる。
【００１９】
前述の各例では、ダブルヘテロ接合構造の例であったが、ｐｎ接合構造でも同様である。また、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の発光素子の場合に限らず、格子定数の差が大きい半導体が積層され、結晶構造に歪みが入りやすい発光層を有する半導体発光素子に本発明を適用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、格子定数がそれぞれ異なる材料の基板上に半導体層が積層される半導体発光素子においても、各半導体層に格子歪みが生じなくて、電子移動度を向上させることができる。その結果、発光効率が向上し高特性の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の形態の活性層部の拡大図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
３ａ  第１のクラッド層
３ｂ  第２のクラッド層
４    活性層
４ａ  第１の半導体層
４ｂ  第２の半導体層
５    ｐ形層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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