JP2004134787A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【目的】　短波長の光を高い出力で発光できるIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
【構成】　ＡｌとＩｎを必須構成元素としたＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、Ａｌを必須構成元素としたＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とを有する量子井戸構造を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、井戸層のＡｌ組成に比べて障壁層のＡｌ組成を同じか若しくは小さくする。
【選択図】　　　図２

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。更に詳しくは、量子井戸構造を有し紫外領域の光を発光するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の改良に関する。

技術背景

　短波長化を実現するためバンドギャップエネルギーの大きいＡｌを井戸層に含ませた発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光素子では、井戸層と障壁層とが共にＡｌを含み、かつ障壁層のＡｌ組成を井戸層のＡｌ組成より大きくしている。これにより、井戸層と障壁層との間の格子定数の差を低減し、ピエゾ電界を抑制して高い発光効率を達成しようとするものである。特許文献１の実施例の井戸層はＡｌＧａＮの３元混晶である。

　他方、高出力の短波長の発光素子を構成するIII族窒化物系化合物半導体としてＡｌＧａＩｎＮの４元混晶を用いることが提案されている（非特許文献１参照）。
この非特許文献１の図８には、ＡｌＧａＩｎＮの活性層をＡｌＧａＮの層で挟み、前者のＡｌ組成に比べて後者のＡｌ組成が小さいものが開示されている。しかし、図８の発光素子は量子井戸構造ではないので、本発明とは異なるタイプである。

特開２０００−２９４８８４号公報 「ＩｎＡｌＧａＮ　４元混晶を用いた３００ｎｍ帯高輝度紫外ＬＥＤ」、　月間ディスプレイ２００１年８月号別冊、２００１年８月号、図８

　上記特許文献１に記載の発光素子によれば、井戸層と障壁層へ共にＡｌを導入することにより両者の格子定数の差が低減されることとなる。しかしながら、本発明者らの検討によれば下記の解決すべき課題があった。
　短波長の光を高い出力で発光するときにＡｌＧａＩｎＮの４元混晶を用いることが好ましいことは既述の非特許文献１に記載の通りである。これは、ＡｌＧａＩｎＮの４元混晶としてＡｌとＩｎとのバランスをとることにより、その格子定数の制御が可能となって量子井戸構造の下地層と井戸層との格子定数のマッチングをとることができるからである。通常はＧａＮから構成される下地層は厚膜に形成されるため、この下地層と井戸層との間の格子定数にミスマッチがあるとピエゾ電界の影響が生じてしまう。ところが、特許文献１ではかかる下地層と井戸層との格子定数のミスマッチについて何ら考慮されていない。

　また、特許文献１に記載の発明では井戸層のＡｌ組成に比べて障壁層のＡｌ組成を大きくするものであるから、短波長化に伴い井戸層のＡｌ組成が大きくなったときには障壁層のＡｌ組成はそれ以上に大きくなる。このような障壁層ではそこに結晶欠陥が生じたり、また電気抵抗が増大するという課題が生じてしまう。

　この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
　Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１，０≦ｙ１，ｘ１＋ｙ１＜１）からなる井戸層と、Ａｌを必須構成元素としたＡｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２，０≦ｙ２，ｘ２＋ｙ２＜１）からなる障壁層とを有する量子井戸構造を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
　前記井戸層のＡｌ組成に比べて前記障壁層のＡｌ組成が同じか若しくは小さい、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発光素子によれば、井戸層にＡｌＩｎＮの３元混晶又はＡｌＧａＩｎＮの４元混晶が採用されることより短波長の光を高い出力で発光することができる。また、井戸層に比べて障壁層のＡｌ組成を同じか若しくは小さくしたので、井戸層のＡｌ組成が大きくなっても障壁層のＡｌ組成がそれ以上に大きくなることを防止できる。よって、障壁層に格子欠陥が生じたりまた障壁層の電気抵抗が不必要に大きくなることを防止できる。

　以下、この発明の各構成要素について説明をする。
　　（III族窒化物系化合物半導体発光素子）
　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族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（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は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（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ができるが必須ではない。
　III族窒化物系化合物半導体は、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）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法などによっても形成することができる。

　III族窒化物系化合物半導体層を成長させる基板の材質はIII族窒化物系化合物半導体層を成長させられるものであれば特に限定されないが、例えば、サファイア、窒化ガリウム、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶などを基板の材料として挙げることができる。中でも、サファイア基板を用いることが好ましく、サファイア基板のａ面あるいはｃ面を利用することが更に好ましい。

　発光素子はかかるIII族窒化物系化合物半導体層を積層して構成される。発光のために層構成としてこの発明ではIII族窒化物系化合物半導体の量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を採用する。
　ここにおいて井戸層はＡｌとＩｎを必須構成元素としたＡｌＧａＩｎＮからなる。即ち、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１，０≦ｙ１，ｘ１＋ｙ１＜１）の４元混晶又はＡｌＩｎＮの３元混晶から井戸層は形成される。ｘ１、ｙ１は下地層の格子定数及び発光素子に要求される波長に応じて適宜選択される。下地層がＧａＮからなるときはｘ１をｙ１のほぼ２．５倍にすることが好ましい。
　量子井戸構造を形成するためには井戸層の膜厚を１０ｎｍ以下とすることが好ましく、更に好ましくは１〜８ｎｍ、更に更に好ましくは２〜４ｎｍである。

　障壁層はＡｌを必須構成元素としたＡｌＧａＩｎＮからなる。即ち、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２，０≦ｙ２，ｘ２＋ｙ２＜１）の４元混晶若しくはＡｌＩｎＮの３元混晶から障壁層は形成される。
　ここにおいて、障壁層のＡｌ組成ｘ２は井戸層のＡｌ組成ｘ１に比べて同じか若しくは小さい。より具体的には、ｘ２≦ｘ１≦１．５×ｘ２の関係を満足することが好ましい。
　量子井戸構造を構成する障壁層の膜厚は１００ｎｍ以下とすることが好ましく、更に好ましくは３〜３０ｎｍ、更に更に好ましくは５〜２０ｎｍである。

　上記井戸層にはＩｎが含まれ、また障壁層にも必要に応じてＩｎが含まれている。このＩｎはバンドギャップエネルギーが小さいのでこの配合量と本発明の必須要件元素であるＡｌの配合量を調整することにより、井戸層及び障壁層の夫々のバンドギャップエネルギーを調整することができる。

　次ぎに、この発明の実施例について説明する。
（実施例１）
　図１には実施例の発光素子１０の模式断面図が示される。発光素子１０の各層のスペックは次の通りである。
　　　　　層　　　　　　：　組成
ｐ型層１５　　　　　　　：　ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ
量子井戸構造１４（２ペア）　：　Ａｌ_0.15Ｇａ_0.79Ｉｎ_0.06Ｎ（井戸層）
　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（障壁層）
ｎ型層１３　　　　　　　：　ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ
バッファ層１２　　　　　：　ＡｌＮ
基板１１　　　　　　　　：　サファイア

　基板１１の上にはバッファ層１２を介してｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層１３を形成する。ここで、基板１１にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、窒化ガリウム、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
　さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。

　ここでｎ型層１３はＧａＮで形成したが、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ若しくはＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。
　また、ｎ型層１３はｎ型不純物としてＳｉをドープしたが、このほかにｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
　量子井戸構造１４には多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造を採用することができる。多重量子井戸構造を採用した場合の繰り返し数は特に限定されるものではないが、２〜１５とすることが好ましい。
　井戸層（複数存在する場合は最もｎ型層１３に近い井戸層）とｎ型層１３との間にＡｌＧａＮ障壁層が存在するかどうかは限定されない。同様に、井戸層（複数存在する場合は最もｐ型層１５に近い井戸層）とｐ型層１５との間にＡｌＧａＮ障壁層が存在するかどうかも限定されない。
　量子井戸構造１４はｐ型層１５の側にＭｇ等をドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは量子井戸構造１４中に注入された電子がｐ型層１５に拡散するのを効果的に防止するためである。
　量子井戸構造１４の上にｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型層１５を形成する。このｐ型層はＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＡｌＧａＩｎＮとすることもできる、また、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。ｐ型不純物の導入後に、電子線照射、炉による加熱、プラズマ照射等の周知の方法により低抵抗化することも可能であるが必須ではない。
　上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶＤを実行して形成するか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等の方法で形成することもできる。

　ｎ電極１９はＡｌとＶの２層で構成され、ｐ型層１５を形成した後、ｐ型層１５、量子井戸構造１４、及びｎ型層１３の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりｎ型層１３上に形成される。
　透光性電極１７は金を含む薄膜であり、ｐ型層１５の上に積層される。ｐ電極１８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１７の上に形成される。

　図２に、実施例の発光ダイオード１０の量子井戸構造１４におけるＡｌとＩｎの組成分布をチャート化した。図からわかるように、本実施例では井戸層と障壁層においてＡｌの組成が同じである。井戸層においてはＩｎの組成を大きくして層全体としてのバンドギャップエネルギーを小さくしている。
比較のために、特許文献１に記載の発光ダイオードのＡｌとＩｎの組成分布を図３に示した。

　上記実施例の発光ダイオードは２０ｍＡの順方向電流を印加したときに３５０ｎｍ付近に発光ピークを有し、その発光出力は０．５ｍＷであった。これは図３に示す従来技術における同じ波長帯の発光ピーク有する発光素子の約２倍の発光出力であった。

（実施例２）
　次のこの発明の第２の実施例の発光ダイオードについて説明をする。この発光ダイオードは図１に示した層構造を有し、各層のスペックは次の通りである。なお、実施例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。
　　　　　層　　　　　　：　組成
ｐ型層１５　　　　　　　：　ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ
量子井戸構造２４（３ペア）　：　Ａｌ_0.15Ｇａ_0.79Ｉｎ_0.06Ｎ（井戸層）
　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.01Ｎ（障壁層）
ｎ型層１３　　　　　　　：　ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ
バッファ層１２　　　　　：　ＡｌＮ
基板１１　　　　　　　　：　サファイア

　図４にこの実施例の発光ダイオードの量子井戸構造２４におけるＡｌとＩｎの組成分布をチャート化した。図からわかるように、この実施例では、井戸層のＡｌ組成より障壁層のＡｌ組成の方が小さくなっている。
　上記実施例の発光ダイオードは２０ｍＡの順方向電流を印加したときに３５０ｎｍ付近に発光ピークを有し、その発光出力は０．５ｍＷであった。これは図３に示す従来技術における同じ波長帯の発光ピーク有する発光素子の約２倍の発光出力であった。

　この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、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層構成を模式的に示した断面図である。 図２は実施例の発光素子の量子井戸構造におけるＡｌとＩｎの組成を示すチャートである。 図３は従来例の発光素子の量子井戸構造におけるＡｌとＩｎの組成を示すチャートである。 図４は他の実施例の発光素子の量子井戸構造におけるＡｌとＩｎの組成を示すチャートである。

符号の説明

１０　発光ダイオード
１１　基板
１２　バッファ層
１３　ｎ型層
１４　量子井戸構造
１５　ｐ型層

Claims (4)

1. Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１，０≦ｙ１，ｘ１＋ｙ１＜１）からなる井戸層と、Ａｌを必須構成元素としたＡｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２，０≦ｙ２，ｘ２＋ｙ２＜１）からなる障壁層とを有する量子井戸構造を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   　前記井戸層のＡｌ組成に比べて前記障壁層のＡｌ組成が同じか若しくは小さい、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記障壁層はＡｌとＩｎを必須構成元素としたＡｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２，０＜ｙ２，ｘ２＋ｙ２＜１）からなる、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。
3. 前記井戸層と前記障壁層において、ｘ２≦ｘ１≦１．５×ｘ２の関係を満足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。
4. 前記井戸層は前記量子井戸構造の下地となるＧａＮ層と実質的に等しい格子定数を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。

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