JP2836687B2

JP2836687B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2836687B2
Application number: JP10021593A
Authority: JP
Inventors: 元量山田; 修二中村; 政信田中
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1993-04-03
Filing date: 1993-04-03
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH06291368A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサファイア基板上に一般
式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で
表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変
化し、その発光色は紫外から赤色にまで及ぶため、発光
ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料とし
て有望視されている。その窒化ガリウム系化合物半導体
よりなる発光素子は、一般にＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法等の
気相成長法を用いてサファイア基板上にｎ型及びｐ型、
あるいはｎ型及びｉ型に成長して積層し、それぞれの層
から電極を取り出した後、チップ状としてリードフレー
ムに固定し、最後にエポキシ等の樹脂で封止することに
よって得られる。

【０００３】しかしながら、その窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子は、前記のようにサファイア基板の上
に、窒化ガリウム系化合物半導体という全く異なる材料
を積層するいわゆるヘテロエピタキシャル構造であるた
め、他のＧａＡｓ、ＧａＰ等、同一材料の上に積層され
る発光素子に比して、基板とエピタキシャル膜との屈折
率の違いにより外部量子効率が悪くなるいう欠点を有し
ている。具体的にはサファイア基板と窒化ガリウム系化
合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化
合物半導体素子とそれを封止する樹脂との屈折率の違い
により、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの
界面で多重反射されて干渉し、反射光は窒化ガリウム系
化合物半導体内部で吸収されてしまい、発光を効率よく
外部に取り出せないという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
半導体と基板、および封止樹脂との多重反射を抑制し、
干渉を少なくすることができれば、外部量子効率を向上
させて、発光効率を向上させることができる。従って、
本発明はこのような事情を鑑み成されたものであり、そ
の目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体内
部の光の多重反射により起こる干渉を抑えることによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の外部量子効
率を向上させることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】我々は窒化ガリウム系化
合物半導体内部の多重反射を抑制し、外部量子効率を上
げるため数々の実験を行ったところ、内部で反射する光
を最上層の窒化ガリウム系化合物半導体の界面で乱反射
させることにより、上記問題が解決できることを新たに
見いだした。即ち、本発明の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子は、サファイア基板Ｃ面（０００１）のオフ
基板の上に発光素子となる窒化ガリウム系化合物半導体
層が成長され、その窒化ガリウム系化合物半導体の最上
層の表面が非鏡面とされていることを特徴とする。前記
オフ基板の角度はサファイアＣ面に対し、０．２゜以
上、１５゜以下であることが望ましい。

【０００６】本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子の模式断面図を図１に示す。この発
光素子はサファイア基板１の上に、ｎ型ＧａＮ層２と、
ｐ型あるいは高抵抗なｉ型ＧａＮ層３（以下ｐ型ＧａＮ
層という）とを順に積層してなり、ｐ型ＧａＮ層の一部
をエッチングしてｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｎ型ＧａＮ
層およびｐ型ＧａＮ層に電極を形成している。さらに電
極を形成する最上層のｐ型ＧａＮ層表面を非鏡面として
いる。この構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
において発光観測面はサファイア基板１側である。

【０００７】また図２に本発明の他の実施例に係る窒化
ガリウム系化合物半導体素子の模式断面図を示す。これ
も構造的には図１と同様であって、同じく電極を形成す
る最上層のｐ型ＧａＮ層３を非鏡面としているが、この
発光素子は発光観測面がｐ型ＧａＮ層３側となってい
る。

【０００８】これらの図に示すように窒化ガリウム系化
合物半導体の最上層を非鏡面、即ち微細な凹凸が形成さ
れた状態とするには、第一に成長中より最上層を非鏡面
とする方法と、第二に成長後最上層を化学的または物理
的方法によって非鏡面とする方法とがある。第一の方法
は、窒化ガリウム系化合物半導体をサファイア基板のＣ
面（０００１）からのオフ基板上に積層する方法であ
る。窒化ガリウム系化合物半導体は通常サファイア基板
のＣ面に成長されて積層されることが多く、Ｃ面上に成
長することにより最上層を鏡面とする窒化ガリウム系化
合物半導体を得ている。しかし本発明の方法では、Ｃ面
からのオフ基板、つまりＣ面から角度を数度ずらしたサ
ファイア基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体をｎ
型、およびｐ型あるいはｉ型にステップ成長させて積層
することにより、最上層の窒化ガリウム系化合物半導体
を非鏡面とすることができる。オフ基板の角度（ずらし
た角度）はサファイアのＣ面に対し、０．２゜以上、１
５゜以下が好ましい。０．２゜より小さいと非鏡面とな
りにくく、また１５゜よりも大きいと窒化ガリウム系化
合物半導体の結晶性が悪くなり発光素子の出力が低下す
る傾向にある。

【０００９】一方、第二の方法は、鏡面を有する最上層
の窒化ガリウム系化合物半導体表面をエッチングする
か、または研磨することにより、微細な凹凸を設けて非
鏡面とする方法である。エッチングには例えばリン酸＋
硫酸の混酸を用いるウエットエッチングと、ＲＩＥ（反
応性イオンエッチング）等の装置を用いるドライエッチ
ングとの二種類の方法があるがいずれの方法でもよい。
研磨は適当な研磨剤を選択することにより、モース硬度
がほぼ９と非常に硬い窒化ガリウム系化合物半導体でも
研磨してその表面を非鏡面とすることができる。以上、
第一の方法と第二の方法とでは、好ましくは第一の方法
で非鏡面とする方がよい。なぜなら、第二の方法は物理
的または化学的に強制的に結晶に傷をつける方法である
のに対し、第一の方法は成長中より自然に最上層を非鏡
面とできるため、結晶を傷めることがない。従って発光
素子とした場合においても、第二の方法では発光強度が
低下する恐れがあるが、第一の方法では全くその心配が
ない。また第一の方法では窒化ガリウム系化合物半導体
を最初からオフ基板の上に成長しているため、第二の方
法のように余分な工程を省略でき、生産性に優れてい
る。

【００１０】

【作用】図３および図４は、発光状態における従来の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子と、本発明の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子との光路を比較して示す
模式断面図である。これらの図に付された符号は図１お
よび図２の符号と同一物質を指している。なおこの構造
の発光素子において、発光層はｐ型ＧａＮ層３にあた
る。ここで、サファイアの屈折率がおよそ１．６、窒化
ガリウム系化合物半導体の屈折率がおよそ２である場
合、図３に示すように従来の発光素子は、サファイア基
板１、窒化ガリウム系化合物半導体２、３それぞれの材
料において屈折率が異なるため、ｐ型ＧａＮ層３の発光
の一部がｐ型ＧａＮ層４と外界（発光ダイオードの場
合、エポキシ樹脂が用いられることが多い。）との界面
で反射され、さらに反射光はサファイア基板１とｎ型Ｇ
ａＮ層２との界面で反射されることにより多重反射とな
り、次第に窒化ガリウム系化合物半導体層２、３中に吸
収されて減衰する。ｎ型ＧａＮ層２、ｐ型ＧａＮ層３に
関しては同一材料であり、それらの屈折率はほとんど同
一と見なしてもよいため、互いの半導体層界面での多重
反射は零（０）と見なしてよい。一方、図４の本発明の
ように、最上層であるｐ型ＧａＮ層３を非鏡面とした場
合、サファイア基板１とｎ型ＧａＮ層２との界面で反射
した光は、非鏡面なｐ型ＧａＮ層で散乱するため、窒化
ガリウム系化合物半導体内部での多重反射を抑制し、光
の干渉を少なくすることができる。

【００１１】

【実施例】［実施例１］Ｃ面から１゜ずらしたサファイ
アのオフ基板を用意し、その上にＭＯＣＶＤ法を用い
て、ＧａＮバッファ層と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層と、
Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層とを順に成長させる。このよう
にして成長したｐ型ＧａＮ層の表面には微細な凹凸が無
数に形成されていた。次にこのｐ型ＧａＮ層にフォトリ
ソグラフィー技術により所定のパターンを形成して、ｐ
型ＧａＮ層を一部エッチングし、電極を形成させるだけ
のｎ型ＧａＮ層を露出させた後、ｐ型ＧａＮ層、および
ｎ型ＧａＮ層にオーミック電極を付ける。両電極に通電
して、この窒化ガリウム系化合物半導体の発光スペクト
ルを測定したところ、図５（ａ）に示すようなスペクト
ルであり、４００ｎｍにピークを有していた。

【００１２】一方、比較のためサファイア基板のＣ面上
に同様にして成長した従来の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子を同様にして作製し、そのスペクトルを測定
したところ、同じく４００ｎｍにピークを有していた
が、図５（ｂ）の破線に示すようなスペクトルであっ
た。

【００１３】図５（ａ）と（ｂ）を比較すると、（ｂ）
の方は４００ｎｍのピーク以外にも４１０ｎｍ付近と、
４３０ｎｍ付近と、４６０ｎｍ付近に多重反射による弱
いピークが見られる。一方、本発明の発光素子のスペク
トルである（ａ）の方では、それらのピークが見られ
ず、ブロードな曲線となっており、多重反射が緩和され
ていることがわかる。しかも発光強度は（ａ）の方が１
０％以上向上している。

【００１４】［実施例２］Ｃ面から１０゜ずらしたサフ
ァイアのオフ基板を使用する他は、実施例１と同様にし
て、発光素子としたところ実施例１と同一スペクトル、
ほぼ同一強度の発光が観測された。

【００１５】［実施例３］サファイア基板のＣ面上に成
長させる他は実施例１と同様にして、ＧａＮバッファ
層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、およびＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮ層を積層した。さらに前記窒化ガリウム系化合物半
導体を積層したウエハーをリン酸と硫酸の混酸に浸漬
し、ｐ型ＧａＮ層表面を非鏡面とする他は実施例１と同
様にして電極を設け、発光スペクトルを測定したとこ
ろ、実施例１と同一のブロードな曲線が得られ、強度は
実施例１に比して約１０％低下していた。

【００１６】［実施例４］実施例２と同様にサファイア
のＣ面上にＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮ層、ｐ型Ｇａ
Ｎ層を成長させたウエハーのｐ型ＧａＮ層をＲＩＥでエ
ッチングし、その表面を非鏡面とする他は、実施例１と
同様にして発光素子の発光スペクトルを測定したとこ
ろ、実施例１と同一のブロードな曲線が得られ、強度は
実施例１に比して約５％低下していた。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリ
ウム系化合物半導体素子はその最上層の窒化ガリウム系
化合物半導体表面を非鏡面としていることにより、窒化
ガリウム系化合物半導体層内の多重反射による光の干渉
を抑えることができる。従って、窒化ガリウム系化合物
半導体の発光を有効に外部に取り出すことができ、発光
素子の外部量子効率が向上する。また、発光スペクトル
に、目的とする発光ピーク以外の干渉によるピークが出
現してこないため、窒化ガリウム系化合物半導体を用い
て青色発光ダイオードを作製した場合にその色純度を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子の構造を示す模式断面図。

【図２】本発明の他の実施例に係る窒化ガリウム系化
合物半導体素子の構造を示す模式断面図。

【図３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
の光路を示す模式断面図。

【図４】本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子の光路を示す模式断面図。

【図５】本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子と従来の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の発光スペクトルを比較して示す図。

【符号の説明】

１・・・・・サファイア基板２・・・・・ｎ型Ｇ
ａＮ層３・・・・・ｐ型ＧａＮ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−163883（ＪＰ，Ａ) 特開平４−354382（ＪＰ，Ａ) 特開平４−42582（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−23868（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サファイア基板Ｃ面（０００１）のオフ
基板の上に発光素子となる窒化ガリウム系化合物半導体
層が成長され、その窒化ガリウム系化合物半導体の最上
層の表面が非鏡面とされていることを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】前記オフ基板の角度はサファイアＣ面に
対し、０．２゜以上、１５゜以下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発光素
子。