JP2006108585A

JP2006108585A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2006108585A
Application number: JP2004296706A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Kamimura; 俊也上村; Katsuhisa Sawazaki; 勝久澤崎; Masahito Nakai; 真仁中井; Yoshihei Ikemoto; 由平池本
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20
Also published as: US20060108603A1; US7576363B2; TWI283935B; TW200625694A

Abstract

【課題】ｐ型半導体層に超格子構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の発光効率の向上を図る。
【解決手段】ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層が挟まれる構成のIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型半導体層は少なくともＡｌを含む第1の層及び該第1の層と組成の異なる第2の層が繰り返し積層される超格子構造を備え、活性層に最も近い第1の層のＡｌ組成を他の第1の層のＡｌ組成よりも低くし、かつ活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ量を他の第1の層のｐ型不純物ドープ量よりも低くするか若しくはノンドープとする。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。

III族窒化物系化合物半導体発光素子はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層が挟まれる構成である。かかる発光素子において発光効率の増大を図るため、活性層を多重量子井戸構造とすることがある。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層においても超格子構造が採用されることがある。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層に超格子構造を採用することにより各層の抵抗が低下して、活性層に対するそれぞれの電子注入効率及びホール注入効率が向上する。
本発明に関連する文献として特許文献１〜特許文献５を参照されたい。

特開平１０−３２６９４３号公報特開平１１−３４０５０９号公報特開２００２−１９８３１４号公報特開２００２−３１９７４３号公報特開２００３−１７７４６号公報

本発明者らはかかる発光素子の発光効率の向上を図るべく鋭意検討を重ねてきた。本発明者らの検討によれば、例えばp型半導体層をＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との繰り返しからなる超格子構造とした場合であっても、ホール注入効率の顕著な向上はみられなかった。その原因として、ｐ型半導体層にドーピングされているＭｇ等のｐ型不純物が活性層へ拡散することが考えられる。活性層へｐ型不純物が拡散すると、活性層の結晶品質が低下するので発光効率低下の一因となる。
また、活性層はＧａＮ層若しくはＩｎＧａＮ層等のＡｌを含まない化合物半導体組成とされることが一般的であるのに対し、超格子構造を含むｐ型半導体層においてはＡｌを含む層が用いられるため、組成変化に伴う格子不整合の生じるおそれがある。

本発明者らにより今回新たに見出された上記課題を解決するために本発明はなされた。即ち、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層が挟まれる構成のIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記ｐ型半導体層は少なくともＡｌを含む第1の層及び該第1の層と組成の異なる第2の層が繰り返し積層される超格子構造を備え、
前記活性層に最も近い前記第1の層のＡｌ組成を他の前記第1の層のＡｌ組成よりも低くし、かつ前記活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ量を他の前記第1の層のｐ型不純物ドープ量よりも低くするか若しくはノンドープとする、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。

このように構成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子によれば、活性層に最も近い第1の層のＡｌ組成を低減したため、活性層との組成上の相違が小さくなる。従って、当該第1の層と活性層との間の格子不整合が小さくなり当該第1の層の結晶性が向上する。よって、その上に形成される他の超格子構造構成層の結晶性も向上する。これにより、ｐ型半導体層から活性層へのホール注入効率が向上する。
また、活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ量を低減し若しくはノンドープとしたので、当該第1の層から活性層へのｐ型不純物の拡散が抑制される。よって、活性層の結晶品質の低下ひいては発光効率の低下が防止される。

この発明の他の局面によれば、活性層に最も近い第1の層の成長温度を他の第1の層の成長温度より高くする。
Ａｌを含むIII族窒化物系化合物半導体層の好適な成長温度は一般的にＡｌを含まない活性層より高い。従って、Ａｌを含む第1の層を結晶性良く成長させるには比較的高い成長温度が必要となる。しかしながら、超格子構造を構成する全ての第1の層（Ａｌを含む）を高い成長温度で形成すると、その温度の影響が活性層にまで及ぶ。特に、活性層を多重量子井戸構造とした場合、一般的にＩｎを含む井戸層の結晶品質にダメージが生じるおそれがある。
そこで、この発明の第2の局面のように、活性層に最も近い第1の層の成長温度のみを比較的高温としこれを高品質な層とする。土台となる活性層に最も近い第1の層の結晶性が高品質なため、その後に形成される第1の層の成長温度を比較的低温にしても、これらに充分な結晶性を確保できる。そして、超格子構造のｐ型半導体層を形成するときに活性層にかかるトータルの温度履歴が低減されるので、活性層の結晶品質に与えるダメージが抑制される。

この発明の他の局面によれば前記活性層が多重量子井戸構造を備え、該多重量子井戸構造において最も前記ｐ型半導体層に近いバリア層の膜厚を他のバリア層の膜厚より薄くする。
これにより活性層に対するｐ型半導体層からのホール注入効率が向上する。よって、発光素子の発光効率が向上することとなる。
なお、一般的にはｐ型半導体層に最も近いバリア層を薄膜にするとｐ型半導体層のｐ型不純物が活性層へ拡散しやすくなるので好ましくない。しかしながら、この発明によれば、ｐ型半導体層の超格子構造における活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物のドープ量を低くするか、若しくはこれをノンドープとしたので、ｐ型半導体層から活性層へのｐ型不純物の拡散が抑制されている。従って、活性層におけるｐ型半導体層に最も近いバリア層を薄膜にしても、活性層へｐ型不純物が拡散してその結晶品質にダメージを与えることがない。

以下、この発明を構成する各要素について詳細に説明する。
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層はＡｌを含む第1の層と該第1の層と組成の異なる第2の層とを繰り返し積層してなる超格子構造である。
超格子構造とすることによりｐ型半導体層の抵抗が小さくなり、また結晶性も向上するので発光素子の発光効率増大に寄与する。
超格子構造とするためには第1の層及び第2の層の膜厚は１〜６ｍｍとすることが好ましい。第1の層と第2の層との膜厚は同じであっても異なっていても良い。また、第1の層と第2の層との繰り返し回数は４〜８回とすることが好ましい。
第1の層は少なくともIII族元素としてＡｌを含む。第2の層は一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
この第2の層は第1の層と組成が異なるものとする。第1の層と第2の層とのバンドギャップエネルギーは同一であっても異なっていてもよい。

ｐ型半導体層の超格子構造において、活性層に最も近い第1の層（好ましくは活性層に接している）のＡｌ組成を他の第1の層のそれに比べて低くする。前者のＡｌ組成は後者のそれの１０〜８０％とすることが好ましい。より好ましくは３０〜６０％である。
また、活性層の最上層がＧａＮからなり、このＧａＮ層に既述の第1の層（活性層に最も近い層）が接するとき、第1の層のＡｌ組成は５〜２５％とすることが好ましい。これにより活性層と当該活性層に最も近い第1の層との間の格子不整合が実質的無くなり、当該第1の層を高い結晶性で形成可能となる。

活性層に最も近い第1の層におけるｐ型不純物のドープ量は活性層に対するｐ型不純物の拡散防止の見地から、ゼロ、即ちノンドープとすることが好ましい。なお、当該第1の層をノンドープで形成したとしても、これに接する他のｐ型半導体層からｐ型不純物が拡散するおそれがあり、その結果、当該活性層に最も近い第1の層がドープ状態になることがある。この場合においても当該活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ濃度は他の第1の層のそれに比べて低くなる。勿論、意図的に当該活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ濃度を他の第1の層のそれに比べて低くするようにしてもよい。
ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。

活性層に最も近い第1の層の成長温度を他の第1の層の成長温度より高くする。これにより、この第1の層が結晶性良く成長する結果として、その後に形成される他の第1の層を比較的低い温度で形成してもその結晶品質が充分なものとなる。また、他の第1の層を比較的低い温度で形成することにより、活性層にあたえる熱ダメージが小さくなる。

実施例では第1の層としてＡｌＧａＮが採用され、第2の層としてＩｎＧａＮが採用されている。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。

（活性層）
活性層の構造は特に限定されないが、発光効率の見地から多重量子井戸構造を採用することが好ましい。勿論活性層は多重量子井戸構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。また、単一量子井戸構造を採用することもできる。
活性層はIII族窒化物系化合物半導体層から形成することができる。III族窒化物系化合物半導体は一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
活性層を多重量子井戸構造とした場合、その井戸層をＩｎＧａＮとし、そのバリア層をＧａＮとすることが好ましい。即ち、活性層にはＡｌが含まれなくなる。その結果、当該活性層の上に形成されるｐ型の超格子構造において最初のＡｌを含む層（第1の層）におけるＡｌ組成を小さくすることにより、半導体組成を出来る限り近似させて当該半導体層間の格子不整合を出来る限り小さくする。

多重量子井戸構造からなる活性層においてｐ型半導体層に近いバリア層を他のバリア層に比べて薄膜にする。好ましくは前者の膜厚を後者のそれの１０〜８０％とする。更に好ましくは２０〜６０％とする。なお、バリア層がその機能を奏するためには３ｎｍ程度の膜厚が必要である。
これによりｐ型半導体層からのホール注入効率が向上する。なお、このようにバリア層の薄膜化が可能になったのは、活性層に最も近い第1の層（好ましくは活性層に接している）のｐ型不純物ドープ量を低減若しくはゼロとすることによりｐ型半導体層から活性層に対するｐ型不純物の拡散が無くなるからである。

（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層も超格子構造とすることが好ましいが、単層若しくは複数の半導体層からなるものとしてもよい。
ｎ型半導体層を超格子構造とした場合、その第1の層及び第2の層の膜厚は１〜６ｎｍとすることが好ましい。第1の層と第2の層との膜厚は同じであっても異なっていても良い。また、第1の層と第2の層との繰り返し回数は６〜３０回とすることが好ましい。
第1の層及び第2の層は一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換してもよい。
この第2の層は第1の層と組成が異なるものとする。第1の層と第2の層とのバンドギャップエネルギーは同一であっても異なっていてもよい。
ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。

以下、この発明の実施例について説明をする。

この実施例は発光ダイオード１であり、その構成を図１に示す。
基板２にはサファイアを採用し、そのａ面へIII族窒化物系化合物半導体層を積層させた。基板材料としてサファイアの他、ＳｉＣ（炭化シリコン）及びＧａＮ（窒化ガリウム）等の六方晶材料、Ｓｉ（シリコン）やＧａＰ（リン化ガリウム）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）などの立方晶材料を用いることが出来る。

サファイア基板２の上へスパッタによりＡｌＮバッファ層３が形成されている。このバッファ層３をＭＯＣＶＤ法等の他の方法で形成することもできる。また、ＡｌＮの他ＧａＮ等の他のIII族窒化物系化合物半導体材料でバッファ層を形成することもできる。
このバッファ層３の上に、図１に示すIII族窒化物系化合物半導体層を常法（ＭＯＣＶＤ法）に従い形成する。この成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ)、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。

ｎ型半導体層はｎ型コンタクト層４とｎ型クラッド層５とからなる。
ｎ型コンタクト層４は厚膜のｎ+ＧａＮ層４１の上にＧａＮ層４２とｎ-ＧａＮ層４３を順次積層したものである。
ｎクラッド層５はＩｎＧａＮ層５１とｎ-ＧａＮ層５２を繰り返し積層した構成である。

活性層６はＩｎＧａＮからなる井戸層６１とＧａＮからなるバリア層とを繰り返し積層した構成である。なお、活性層６においてｐ型半導体層に接するバリア層６３（膜厚：４ｎｍ）は他のバリア層６１（１３ｎｍ）より薄膜に形成されている。これにより、ｐ型層からのホール注入効率が向上し、活性層における発光効率が向上する。

ｐ型半導体層はｐ型クラッド層７とｐ型コンタクト層８とからなる。
ｐ型クラッド層７において活性層６に接する層はノンドープのＡｌＧａＮ層７１とされ、その上にｐ-ＩｎＧａＮ層７２及びｐ-ＡｌＧａＮ層７３が繰り返し積層される。ＡｌＧａＮ層７１、７３が本発明の第1の層に対応し、その中でもノンドープのＡｌＧａＮ層７１が最も活性層に近い第1の層に対応する。ｐ-ＩｎＧａＮ層７２は第2の層に対応する。活性層６に接するＡｌＧａＮ層７１をノンドープとすることにより、ｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物（Ｍｇ）が活性層６内へ拡散しなくなる。よって、活性層６の結晶品質が安定する。

ｐクラッド層７においてノンドープのＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成（１５％）は他のＡｌＧａＮ層７３のＡｌ組成（３０％）に比べて小さい。活性層６の最上層はＧａＮ層６３であるので、これに接するＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成を小さくすることにより、ＧａＮ層６３とＡｌＧａＮ層７１との格子不整合が緩和される。もってＡｌＧａＮ層７１の結晶性が向上し、その結果その上に形成される半導体層の結晶性も向上する。

また、ｐ型クラッド層７においてノンドープのＡｌＧａＮ層７１の成長温度温度を９２０℃として、他のＡｌＧａＮ層７３の成長温度（８４０℃）よりも高くした。比較的高温成長されるノンドープのＡｌＧａＮ層７１には良質な結晶性が確保される。つまり、ｐ型クラッド層７の土台となる層の結晶性が向上する結果、その上に形成されるＡｌＧａＮ層７３の成長温度を低くしても、ｐ型クラッド層７全体として十分な結晶性が得られることとなる。

ｐ型クラッド層７の上にはｐ型コンタクト層８が積層される。この実施例のｐ型コンタクト層８はｐ-ＧａＮ層８１とｐ+ＧａＮ層８２の2層構造とした。符号９は透光性電極であり金を含む透明な導電性金属からなる。この透光性電極９はｐ型クラッド層８のほぼ全面を被覆して積層される。ｐ型電極１０も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極９の上に形成される。
ｎ電極１１はエッチングにより露出されたｎ+ＧａＮ層４１の面へ蒸着により形成される。

図２は図１に示す発光素子１のｐ型クラッド層７において活性層６に最も近いノンドープのＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成を変化させたときの発光素子１の光出力を示す。
図２の結果から、当該ＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成が小さくなるほど光出力、即ち発光効率が向上することがわかる。

図３は図１に示す発光素子１のｐ型クラッド層７において活性層６に最も近いＡｌＧａＮ層７１に対するｐ型不純物（Ｍｇ）のドープ量を変化させたときの当該ドープ量と発光素子１の光出力との関係を示す。
図３の結果から、当該ＡｌＧａＮ層７１においてｐ型不純物のドープ量が小さくなるほど光出力、即ち発光効率が向上することがわかる。

図４は図１に示す発光素子１のｐ型クラッド層７において活性層６に最も近いＡｌＧａＮ層７１の成長温度を変化させたときの当該成長温度と発光素子１の光出力との関係を示す。
図４の結果から、当該ＡｌＧａＮ層７１の成長温度が高くなるほど光出力、即ち発光効率が向上することがわかる。

図５は図１に示す発光素子１において活性層６の最終バリア層６３の膜厚を変化させたときの当該膜厚と発光素子１の光出力との関係を示す。
図５の結果から、当該ＡｌＧａＮ層７１の膜厚が薄くなるほど光出力、即ち発光効率が向上することがわかる。

図６はこの図１の実施例と比較例（図７参照）との光出力との比較を示す。なお、図７において、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、図７に示す比較例の発光素子１０１においては、活性層１０６においてｐ型クラッド層１０７に接する最終バリア層の膜厚を１３ｎｍとして他のバリア層６２と同一構成とした。また、ｐ型クラッド層１０７において活性層１０６に接するＡｌＧａＮ層も他のＡｌＧａＮ層７３と同一構成及び同一成長温度とした。
図６の結果から、本発明の実施例の発光素子１が優れた発光効率を奏することがわかる。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明の実施例の発光素子の構成を示す模式図である。図２は超格子構造のｐ型クラッド層において活性層と接するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させたときの当該Ａｌ組成と発光素子の光出力との関係を示すグラフ図である。図３は超格子構造のｐ型クラッド層において活性層と接するＡｌＧａＮ層のｐ型不純物ドープ量を変化させたときの当該ドープ量と発光素子の光出力との関係を示すグラフ図である。図４は超格子構造のｐ型クラッド層において活性層と接するＡｌＧａＮ層の成長温度を変化させたときの当該成長温度と発光素子の光出力との関係を示すグラフ図である。図５は多重量子井戸構造の活性層においてｐ型クラッド層に接する最終バリア層の膜厚を変化させたときの当該膜厚と発光素子の光出力との関係を示すグラフ図である。図６は実施例の発光素子と比較例の発光素子の光出力を比較するグラフ図である。図７は比較例の発光素子の構成を示す模式図である。

符号の説明

１、１０１発光素子
２サファイア基板
３バッファ層
４ｎ型コンタクト層
５ｎ型クラッド層
６、１０６活性層
７、１０７ｐ型クラッド層
８ｐ型コンタクト層

Claims

ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層が挟まれる構成のIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記ｐ型半導体層は少なくともＡｌを含む第1の層及び該第1の層と組成の異なる第2の層が繰り返し積層される超格子構造を備え、
前記活性層に最も近い前記第1の層のＡｌ組成を他の前記第1の層のＡｌ組成よりも低くし、かつ前記活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ量を他の前記第1の層のｐ型不純物ドープ量よりも低くするか若しくはノンドープとする、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
前記第1の層はＡｌＧａＮからなり、前記第２の層はＩｎＧａＮからなり、前記活性層はＡｌを含まない、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発光素子。
前記活性層に最も近い第1の層の成長温度を他の第1の層の成長温度より高くする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
前記活性層が多重量子井戸構造を備え、該多重量子井戸構造において最も前記ｐ型半導体層に近いバリア層の膜厚を他のバリア層の膜厚より薄くする、ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。