JP3651260B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子に使用される窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)素子に係り、特に、365nm〜390nmの特定の紫外領域に発光するか、若しくは受光感度を有する窒化物半導体素子の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体は1.95eV(InN)〜6.16eV(AlN)までのバンドギャップエネルギーを有する半導体材料として知られており、理論的には約633nm〜201nmまでの発光、受光が可能である。本出願人はこの材料を用い、1993年11月末、世界で初めて1cdを超える青色LEDを発売した。このLEDは、ZnとSiとがドープされた膜厚0.2μm前後のInGaN層を発光層とするダブルへテロ構造を有していた。さらに本出願人はこのLEDの活性層のIn組成比を増加させて信号灯用青緑色LED、ディスプレイ用緑色LEDを発売した。
【0003】
次に、本出願人は発光素子を高出力化させ、発光色の色純度を向上させるために改良を進め、InGaN活性層のバンド間発光を利用した高輝度純緑色発光LED、高輝度青色LEDを開発し、販売している。この新しいLEDは活性層に膜厚50オングストローム以下のInGaNよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造を有している。InGaN量子井戸構造を採用することにより、以前のZn、SiをドープしたInGaN活性層よりも出力は2倍以上に向上し、発光スペクトルの半値幅も40nm以下と非常に色純度を向上させることができた。これはInGaNの膜厚を薄くして量子構造化し、さらにInGaNが弾性臨界膜厚以下となったことにより、井戸層の結晶性が良くなり、出力向上につながったものである。
【0004】
さらに本出願人はLEDのみならず、パルス電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界で初めて発表し(例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等)、さらに室温での連続発振にも成功した(例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056- 等)。これらのレーザ素子も、活性層には膜厚50オングストローム以下のInGaN井戸層を有する多重量子井戸構造を有している。このように、およそ400nm〜550nmまでの可視発光素子に関しては、量子井戸構造のInGaN層を用いることにより、非常に高出力が得られるようになった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一方、400nm以下の紫外発光素子では、活性層にAlGaN、GaN、InAlN等、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体を採用することにより実現できることは理解できる。紫外発光素子が実現できると、紫外光を使用して蛍光体を可視光に変換させ、蛍光灯、白熱灯等の光源をLED、LDに置き換えることが可能となる。また光センサー、太陽電池等に対しても効率のよい素子が実現できる。しかしながら、現在のところ、開発されているのは可視領域のみであって、実用的な紫外の窒化物半導体素子は報告されていない。従って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体を用いた紫外領域で高出力、高感度の素子を作製することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、活性層と、n側及びp側に超格子構造のAlxGa1 −xN(0<X≦0.4)からなるクラッド層を有し、前記活性層と前記クラッド層の間に光ガイド層を備えた窒化物半導体素子であって、前記超格子構造のクラッド層は、バンドギャップエネルギーの大きなAlZGa1 −ZN(0<Z≦1.0)層とバンドギャップエネルギーの小さなGaN層からなり、前記GaN層の不純物濃度は、前記AlZGa1 −ZN(0<Z≦1.0)層の不純物濃度よりも大きいものであり、前記p側の超格子構造のクラッド層の上に、p電極を有すると共に膜厚500オングストローム以下のp側コンタクト層を備えることを特徴とする。前記活性層は、InaGa1−aN(0<a≦0.1)からなる層であることが好ましい。
【0007】
また、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層はAlZGa1-ZN(0<Z≦1)層であることが好ましい。
【0008】
また、前記p側の超格子構造の上に、p電極を有すると共に膜厚500オングストローム以下のp側コンタクト層を備えることが好ましい。
【0009】
また、前記p側の超格子構造と前記p側コンタクト層は接していることが好ましい。
【0010】
また、前記p電極は、Ni、Pt、Pd、Ni/Au、Pt/Au、Pd/Auであることが好ましい
また、前記窒化物半導体素子は、前記活性層と前記p側のクラッド層の間に、p側光ガイド層を備えることが好ましい。
【0011】
また、前記窒化物半導体素子は、前記活性層と前記p側光ガイド層の間に、前記p側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側キャップ層を備えることが好ましい。
【0012】
我々は前記のようにAlGaN、GaN、InAlN等、バンドギャップエネルギーが比較的大きい窒化物半導体を活性層として、数々の構造の発光素子を作製したところ、従来の可視発光素子のように量子井戸構造では高出力が得られず、Inをわずかに含む特定の組成の窒化物半導体を、特定の膜厚で形成することにより、高出力な発光素子が得られることを新規に見い出し本発明を成すに至った。
【0013】
また、第1の態様は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層との間に、n型不純物濃度が5×1017/cm3未満のInaGa1-aN層を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、前記InaGa1-aN層のa値が0より大きく0.1以下であり、かつそのInaGa1-aN層の膜厚が100オングストローム以上、1000オングストローム以下であることを特徴とする。a値は好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.02以下、最も好ましくは0.01以下に調整することが出力を高める上で望ましい。
【0014】
また、第2の態様は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層との間に、n型不純物濃度が5×1017/cm3以上のInbGa1-bN層を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、前記InbGa1-bN層のb値が0より大きく0.1以下であり、かつそのInbGa1-bN層の膜厚が100オングストローム以上であることを特徴とする。b値は好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.02以下、最も好ましくは0.01以下に調整することが出力を高める上で望ましい。
【0015】
本明細書においてInaGa1-aN、InbGa1-bN等の一般式は単に窒化物半導体の組成式を示すものであって、たとえ異なる層が同一の一般式で示されていても、それらの層のa値、b値等が一致していることを示すものではない。また本発明では活性層を挟んだ両側の複数の層において、一方をn型窒化物半導体層側、もう一方をp型窒化物半導体層側といい、仮にp型窒化物半導体層側にi(insulater)型窒化物半導体を含んでいても、それはp型窒化物半導体側の層として請求項に含まれるものとする。
【0016】
また、本発明の第1の態様、及び第2の態様において、前記n型窒化物半導体層、またはp型窒化物半導体層の少なくとも一方には、活性層に接して、AlXGa1-XN(0<X≦0.4)よりなる第1の窒化物半導体層を有することを特徴とする。このAlXGa1-XN層は両方に形成されていることがさらに好ましい。なお、両方にAlXGa1-XN層が形成されている場合、それらAlXGa1-XN層のX値は一致していなくてもよい。つまり、異なるAl組成比のAlGaNで活性層が挟まれていてもよい。
【0017】
前記第1の窒化物半導体層が、n型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層の両方に形成されて場合において、それら第1の窒化物半導体層の膜厚が互いに異なることを特徴とする。この場合、n層側の第1の窒化物半導体層の膜厚を薄くすることが望ましい。
【0018】
さらに本発明において、活性層の少なくとも一方に第1の窒化物半導体層が形成されている場合、その第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた位置にIncGa1-cN(0≦c<0.1、a、b>c)、若しくはAlYGa1-YN(0<Y≦0.4)よりなる第2の窒化物半導体層を有することを特徴とする。なおIncGa1-cN、AlYGa1-YNは第1の窒化物半導体層に接して形成されていなくてもよいが、接して形成されている方が望ましい。
【0019】
本発明の第1の態様、及び第2の態様において、前記n型窒化物半導体層、またはp型窒化物半導体層の少なくとも一方には、GaN層とAlZGa1-ZN(0<Z≦1)層とが積層された超格子構造よりなる第3の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この第3の窒化物半導体層は第1の窒化物半導体層のように活性層に接して形成されていてもよいし、第2の窒化物半導体層のように第1の窒化物半導体層に接して、あるいは第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた位置に形成されていてもよい。
【0020】
第3の窒化物半導体層を形成する場合、その超格子層には導電型を決定する不純物がドープされており、その不純物がAlZGa1-ZN層の方に多くドープされていることを特徴とする。なおGaN層の方はアンドープが最も好ましい。
第3の窒化物半導体層を形成する場合、その超格子層には導電型を決定する不純物がドープされており、その不純物がGaN層の方に多くドープされていることを特徴とする。なおAlZGa1-ZN層の方はアンドープが最も好ましい。
【0021】
また、本発明において、InGaNで示される層のInの量よりも少ない量でAlを含むもの、及び、AlGaNで示される層のAlの量よりも少ない量でInを含むものも本発明の範囲に含まれる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1はn型不純物が5×1017/cm3未満のInGaN層の膜厚と、そのInGaN層を井戸層とした活性層を有する発光素子の出力との関係を示す図であり、Aは本発明の紫外発光素子、Bは従来の450nmの青色発光素子を示している。なお最大出力における従来の青色発光素子の出力と、本発明の紫外発光素子の出力はほぼ同一である。素子の基本構造としては、基板の上にn−GaNコンタクト層、n−AlGaNクラッド層、アンドープInGaN活性層、p−AlGaNクラッド層、p−コンタクト層とが順に積層されたダブルへテロ構造である。
【0023】
従来の可視発光素子ではBに示すように、InGaN井戸層の膜厚を100オングストロームよりも少なく、さらに好ましくは50オングストローム以下とすることにより高い発光出力が得られる。これはInGaN層の膜厚を薄くしたことによる量子効果と、InGaN層の膜厚を弾性臨界膜厚以下としたことによる結晶性の向上と、InGaN層のIn組成不均一によるエキシトン発光、バイエキシトン発光との3つの効果により、発光出力が向上することによる。このため、この膜厚の薄いInGaN層を井戸層として、活性層を単一量子井戸、多重量子井戸とすれば、従来の可視発光素子では高出力が得られることがわかる。一方、本発明の紫外発光素子では、Aに示すように従来の可視発光素子のような傾向は全く見られず、むしろ活性層を構成する井戸層を量子構造としない方が高出力が得られる傾向にある。しかもアンドープのInGaN層を活性層に有する発光素子では、限られたInGaN層の膜厚範囲に発光出力のピークがあることが判明した。従ってInGaN層の膜厚は100オングストローム以上、1000オングストローム以下、さらに好ましくは200オングストローム以上、800オングストローム以下、最も好ましくは250〜700オングストロームの範囲に調整する。なお、Aについては不純物を意図的にドープしていないアンドープInGaNについて示すものであるが、同様にSi、Ge、Se、S等のn型不純物をドープしたInGaN層についても調べた結果、n型不純物濃度が5×1017/cm3未満では同様の傾向があることが確認された。さらに図1(A)に示すような活性層の膜厚による発光素子の出力の傾向は、InaGa1-aN(0<a<0.1)を活性層に有する365nm〜390nmの特定の紫外領域に発光する窒化物半導体発光素子について観察され、他の390nmを超えて、550nm付近の発光を示すものに関しては図1(B)に示すような傾向が見られた。
【0024】
次に、図2はn型不純物が5×1017/cm3以上のInGaN層の膜厚と、そのInGaN層を活性層とする発光素子の出力との関係を示す図である。なお、100%の相対出力はアンドープの発光素子であり、出力はアンドープのものと比較して示している。素子の基本構造は、先に述べた素子のInGaN層にSiをドープしているだけで後は同一である。
【0025】
InGaN活性層に5×1017/cm3以上のn型不純物をドープした場合、活性層を構成するInGaN層の膜厚は100オングストローム以上、さらに好ましくは200オングストローム以上に調整する。出力は膜厚を厚くしても、アンドープの時のように、低下することが無く、ほとんど一定である。但し、相対的な出力はアンドープのものと比較して10%程低下する。なお、この図はn型不純物としてSiについて示すものであるが、他のn型不純物S、Ge、Se等についてもその濃度が5×1017/cm3以上であれば、同様の傾向があることを確認した。
【0026】
ここで活性層を構成する窒化物半導体(InaAlbGa1-a-bN(0≦a、0≦b、a+b≦1)について説明する。400nm以下の発光を得るために、活性層はバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体、即ちAlを含む窒化物半導体で構成することが望ましい。そのためにはAlGaN、InAlN等で構成することが理想的であるが、本発明ではあえてAlを含まないInaGa1-aN(0<a≦0.1)、InbGa1-bN(0<b≦0.1)を選択している。例えば活性層をGaNとすると、およそ365nmの発光が得られるが、出力は非常に低い。これにAlを含有させると、さらに出力が低下する傾向にある。これはAlGaN、InAlNの結晶性によるものと推察される。またAlGaN、InAlN等を活性層にすると、バンドギャップエネルギーの関係からAl混晶比の高いクラッド層を形成する必要がある。Al混晶比の高いクラッド層は結晶性の良い物が得られにくい傾向にあるため、総合的にAlを含む窒化物半導体を活性層とすると素子の寿命が短くなる傾向にある。ところが、本発明のようにGaN活性層に微量のInを含有させるだけで素子の出力は飛躍的に向上し、例えばInをわずかに含むGaNを活性層とすると、GaNよりも10倍以上出力が向上する。従ってInaGa1-aN、InbGa1-bNのa値、b値とも0.1以下、好ましくは0.05以下、さらに好ましくは0.02以下、最も好ましくは0.01以下に調整する。但し、本発明においてAlを含まないInGaNとは、Alを全く含まない状態を指すのではなく、不純物レベル(例えばInよりもAl含有量が少ない状態)でAlを含むものは本発明の範囲に含まれるものとする。
【0027】
さらに、本発明の発光素子の好ましい態様では、InaGa1-aN、InbGa1-bNを含有する活性層に接して、AlXGa1-XN(0<X≦0.4)よりなる第1の窒化物半導体層を有する。このAlGaN層は活性層の2つの主面の内、いずれか一方に接していれば良く、必ずしも両方に接している必要はない。つまりシングルへテロ構造でもよい。但しAlXGa1-XNのX値は0<X≦0.4の範囲、さらに好ましくは0<X≦0.2、最も好ましくは0<X≦0.1に調整する。0.4よりも大きいとAlGaN層中にクラックが入りやすくなる傾向にあり、クラックが入ると、その上に他の半導体を積層して素子構造を形成することが難しくなる傾向にある。第1の窒化物半導体層の膜厚は0.5μm以下、さらに好ましくは0.3μm以下、最も好ましくは0.1μm以下の膜厚で形成する。0.5μmを超えるとAl混晶比が少なくても、膜中にクラックが入りやすくなる傾向にあるからである。
【0028】
Al混晶比が特定の範囲にある第1の窒化物半導体層を活性層の両主面側に接して形成した場合、それらの第1の窒化物半導体層の膜厚が互いに異なるようにすることが望ましい。我々の実験ではn層側のAlGaN層を薄くした方が出力が向上しやすい傾向にあった。なお前にも述べたようにn層側、p層側のAlXGa1-XNよりなる第1の窒化物半導体層は異なるAl混晶比を有していても良い。
【0029】
さらにまた、本発明の素子ではAlXGa1-XN(0<X≦0.4)よりなる第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた位置にIncGa1-cN(0≦c<0.1、a>c、b>c)若しくはAlYGa1-YN(0<Y≦0.4)よりなる第2の窒化物半導体層を有している。第2の窒化物半導体層は好ましくはGaNとする。LEDの場合には、第2の窒化物半導体層は電極を形成するためのコンタクト層として作用させることが望ましい。なお第2の窒化物半導体層も第1の窒化物半導体層と同様に、n層内、p層内のいずれか一方に形成されていれば良く、必ずしも両方に形成されている必要はない。この第2の窒化物半導体層の膜厚は特に限定するものではないが、n層側に形成する場合には10μm以下、さらに好ましくは8μm以下に調整する。一方、p層側に形成する場合にはn層側よりも薄く形成することが望ましく、2μm以下、さらに好ましくは1μm以下の膜厚で形成する。なお、この第2の窒化物半導体層は同一導電側の層に複数あっても良い。
【0030】
また、本発明の別の態様では、n層側、またはp層側の少なくとも一方に、バンドギャップエネルギーの小さなGaN層とバンドギャップエネルギーの大きなAlZGa1-ZN(0<Z≦1)層とが積層された超格子構造よりなる第3の窒化物半導体層を有している。第3の窒化物半導体層は活性層に接して形成しても良いし、また活性層から離れた位置に形成しても良い。好ましくは活性層から離れた位置に形成して、キャリア閉じ込めとしてのクラッド層、若しくは電極を形成するためのコンタクト層として形成することが望ましい。この第3の窒化物半導体層は同じく同一導電側の層に複数あっても良い。さらにこの第3の窒化物半導体層を活性層に接した層、つまり第1の窒化物半導体層にすることもできる。
【0031】
超格子構造とする場合、GaN層、及びAlZGa1-ZN層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは50オングストローム以下に調整する。100オングストロームより厚いと、超格子層を構成する各層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にあり、また膜厚の下限は特に限定せず、1原子以上であればよい。AlZGa1-ZNを超格子の構成層とすると、膜厚の厚いものに比較して、Al混晶比の高いものでもクラックが入りにくい。これはAlGaN層を弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させていることによる。さらに、AlGaNとGaNとは同一温度で成長できるため、超格子としやすい。一方が、InGaNであると成長雰囲気も変えなければならず、AlGaNとInGaNとで超格子を構成することは、AlGaNとGaNとで超格子層を作る場合に比較して難しい。
【0032】
超格子層からなる第3の窒化物半導体が光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちAl混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではAl混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のように超格子層にすると、超格子層を構成する単一層をAl混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、Al混晶比の高い層を結晶性良く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高くなり、レーザ素子では閾値電圧、LED素子ではVf(順方向電圧)を低下させることができる。
【0033】
更に、超格子層にはその超格子層の導電型を決定する不純物がドープされており、AlZGa1-ZN層とGaN層とのn型不純物濃度が異なる。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のn型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層が形成されるため、閾値電圧、Vfが低下すると推察される。
【0034】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、n型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、n型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子(二次元電子ガス)が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおp側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響によると推察される。またp層の場合、AlGaNはGaNに比較して抵抗率が高い。そこでAlGaNの方にp型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【0035】
また、抵抗率が下がることにより、電極とのオーミックが得やすくなり、かつ膜中のシリーズ抵抗も小さくなるので、閾値電圧、Vfの低い窒化物半導体素子が得られる。
【0036】
一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばAlGaN層とGaN層にMgを同量でドープした場合、AlGaN層ではMgのアクセプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、GaN層のアクセプター準位の深さはAlGaN層に比べて浅く、Mgの活性化率は高い。例えばMgを1×1020/cm3ドープしてもGaNでは1×1018/cm3程度のキャリア濃度であるのに対し、AlGaNでは1×1017/cm3程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではAlGaN/GaNとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるGaN層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないAlGaN層を移動するため、実質的にキャリアはAlGaN層の作用は受けず、AlGaN層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、LED素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はp型層側に超格子を形成する例について説明したが、n層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【0037】
バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1×1017/cm3〜1×1020/cm3、さらに好ましくは1×1018/cm3〜5×1019/cm3の範囲に調整する。1×1017/cm3よりも少ないと、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1020/cm3よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層のn型不純物濃度はバンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体側から拡散してくるn型不純物があり、その量は1×1019/cm3以下が望ましい。n型不純物としてはSi、Ge、Se、S、O等の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくはSi、Ge、Sをn型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合も同様である。
【0038】
以上、超格子層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
【0039】
超格子層の第3の窒化物半導体層がp側層に形成されていると、超格子構造が発光素子に与える作用は、超格子にn側層の作用と同じであるが、さらにn層側に形成した場合に加えて次のような作用がある。即ち、p型窒化物半導体はn型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が2桁以上高い。そのため超格子層をp層側に形成することにより、Vfの低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半導体はp型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。p型結晶を得るためp型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去する技術が知られている(特許第2540791号)。しかしp型が得られたといってもその抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このp型層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が1桁以上低下するためVfの低下が現れやすい。
【0040】
超格子の第3の窒化物半導体層がp側層に形成されている場合、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層とのp型不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。超格子のn側層と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層のp型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層のp型不純物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとおりである。
【0041】
第3の窒化物半導体層を超格子層とする場合、第3の窒化物半導体へのp型不純物の好ましいドープ量としては1×1018/cm3〜1×1021/cm3、さらに好ましくは5×1018/cm3〜5×1020/cm3の範囲に調整する。1×1018/cm3よりも少ないと、同様に第4の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1021/cm3よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層のp型不純物濃度はバンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体側から拡散してくるp型不純物があり、その量は1×1020/cm3以下が望ましい。p型不純物としてはMg、Zn、Ca、Be等の周期律表第IIA族、IIB族元素を選択し、好ましくはMg、Ca等をp型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合も同様である。
【0042】
さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアンドープ)とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばn型不純物としてSiをドープしたAlGaNと、アンドープのGaN層とで超格子層を形成した場合、AlGaNはSiをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いGaNの伝導帯に落ちる。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にGaN結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいAlGaNの中心領域にn型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちGaN中を移動する電子によっては、AlGaN中に含まれるn型不純物イオン(この場合Si)の散乱を多少とも受ける。しかしAlGaN層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとSiの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープGaN層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、p層側のバンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さな窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層の中心領域に、p型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできる。
【0043】
超格子層は、少なくともp側層にあることが好ましく、p側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。
【0044】
【実施例】
[実施例1]
図3は本発明の一実施例に係るLED素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【0045】
サファイア(C面)よりなる基板1を、反応容器内において水素雰囲気中、1050℃で表面のクリーニングを行う。基板にはサファイアC面の他、R面、A面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN(GaN基板については後に述べる。)等の半導体基板を用いることができる。
(低温成長バッファ層2)
続いて、水素雰囲気中、510℃で、アンモニアとTMG(トリメチルガリウム)を用い、基板1上にGaNよりなる低温成長バッファ層2を約200オングストロームの膜厚で成長させる。
(第2のバッファ層3)
バッファ層2成長後、1050℃で、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaN層よりなる第2のバッファ層3を1μmの膜厚で成長させる。低温成長バッファ層2の上に接して成長させる第2のバッファ層3はアンドープの窒化物半導体、特に好ましくはアンドープのGaNとすることが望ましい。アンドープGaNとするとその上に成長させるn型不純物をドープした窒化物半導体層を結晶性良く成長させることができる。この第2のバッファ層3の膜厚は100オングストローム以上、10μm以下、さらに好ましくは0.1μm以上、5μm以下の膜厚で成長させることが望ましい。またこの第2のバッファ層にSi、Ge等のn型不純物をドープしても良い。
(n側コンタクト層4=n側の第2の窒化物半導体層)
次に1050℃でTMG、アンモニア、シラン(SiH4)を用い、Siを1×1018/cm3以上ドープしたn型GaNよりなるn側コンタクト層4を2μmの膜厚で成長させる。このn側コンタクト層は、n電極を形成するための層であり、n型不純物をドープしたGaNとすると高キャリア濃度、低抵抗率の層が得られやすくn電極と好ましいオーミックが得られやすい。また後に述べるようにこの層を不純物を変調ドープした超格子層としても良い。
(n側クラッド層5=n側の第1の窒化物半導体層)
次に1050℃でTMG、TMA(トリメチルアルミニウム)アンモニア、シランを用い、Siを1×1018/cm3ドープしたn型Al0.05Ga0.95Nよりなるn側クラッド層5を300オングストロームの膜厚で形成する。
(活性層6)
次に窒素雰囲気中、700℃でTMI、TMG、アンモニアを用い、アンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる活性層を400オングストロームの膜厚で成長させる。なおこの活性層InaGa1-aNのバンドギャップエネルギー(Eg)は式
Eg=1.96・a+3.4(1-a)−a・(1-a)
により算出できる。発光波長λは1240/Egに相当する。
(p側クラッド層7=p側の第1の窒化物半導体層)
次に水素雰囲気中、1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.05Ga0.95Nよりなるp側クラッド層7を600オングストロームの膜厚で成長させる。なお窒化物半導体にドープするp型不純物としてはMgの他にCa、Be、Zn、Cd等のII族元素が挙げられるが、Mgが最も一般的に使用されている。
(p側コンタクト層8=p側の第2の窒化物半導体層)
続いて、TMG、アンモニア、Cp2Mgで、Mgを1×1020/cm3ドープしたGaNよりなるp側コンタクト層8を0.12μmの膜厚で成長させる。このp側コンタクト層8はp電極を形成するための層であって、p型不純物をドープしたGaNとすると、p電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。このp側コンタクト層の膜厚は通常100オングストローム〜1μmの範囲に調整することが望ましい。
【0046】
成長終了後、窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層8の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、図1に示すようにn側コンタクト層4の表面を露出させる。
【0047】
エッチング後、最上層にあるp側コンタクト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極9と、そのp電極9の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極10を0.2μmの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させた第2の窒化物半導体層4の表面にはWとAlを含むn電極11を形成する。最後にp電極9の表面を保護するためにSiO2よりなる絶縁膜12を図1に示すように形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して350μm角のLED素子とする。
【0048】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、およそ368nmの発光を示し、Vfは3.4V、出力は5mWと、従来の活性層が量子井戸構造を有する450nmに発光する青色LEDとほぼ同一の出力を示した。なお、このLED素子において、活性層の膜厚を変化させた場合、図1(A)に示す実線と同一の傾向が見られた。
[実施例2]
実施例1において、n側の第1の窒化物半導体層5を成長させない他は同様にしてLED素子を作製したところ、20mAにおける発光波長、Vfは実施例1と同一であったが、出力は実施例1のものに比較しておよそ10%低下した。
[実施例3]
実施例1において、n側クラッド層5をアンドープのGaN層、50オングストロームと、Siを1×1018/cm3ドープしたAl0.1Ga0.9N層50オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚300オングストロームの超格子構造とし、さらにp側クラッド層6をアンドープのGaN層50オングストロームと、Mgを1×1019/cm3ドープしたAl0.1Ga0.9N層50オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚600オングストロームの超格子構造とする他は実施例1と同様にしてLED素子を作製したところ、20mAにおけるVfは約0.1V低下し、発光波長は実施例1と同一で、出力は実施例1のものに比較しておよそ20%向上した。さらに、クラッド層を超格子層層とすることによって、静電耐圧が従来の可視LED素子に比較して倍以上に向上した。なおこの超格子層は本願の請求項では第3の窒化物半導体層と表記している。
[実施例4]
実施例1において活性層6のIn0.01Ga0.99N層にSiを1×1018/cm3ドープし、その膜厚を500オングストロームとする他は実施例1と同様にしてLED素子を作製したところ、20mAにおける発光波長、Vfは実施例1と同一であったが、出力は実施例1のものに比較しておよそ10%低下した。なお、このLED素子において、活性層のSi濃度を変化させずに、膜厚のみを変化させた場合、図2に示す実線と同一の傾向が見られた。
[実施例5]
実施例1において活性層6の組成をIn0.05Ga0.95N層とする他は同様にしてLED素子を得たところ、順方向電圧20mAにおいて、およそ378nmの発光を示し、Vfは3.4V、出力は5mWと、実施例1と同一の出力を示した。
[実施例6]
図4は本発明に係るレーザ素子の構造を示す斜視図であり、ストライプ状の電極に垂直な方向で切断した際の断面も同時に示している。以下この図を元に実施例4について説明する。
【0049】
実施例1と同じく、2インチφ、C面を主面とするサファイア基板1の上に、GaNよりなる低温成長バッファ層2を200オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を1050℃にしてアンドープGaN層よりなる第2のバッファ層3を5μm膜厚で成長させる。この第2のバッファ層3はクラッド層ではなく、GaN基板を作製するための下地層とする場合、Al混晶比X値が0.5以下のAlXGa1-XN(0≦X≦0.5)を成長させることが望ましい。0.5を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚は10μm以下に調整することが望ましい。
次にウェーハを反応容器から取り出し、この第2のバッファ層3の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅20μm、ストライプ間隔(窓部)5μmのSiO2よりなる保護膜201を0.1μmの膜厚で、ストライプがGaNの(11−00)方向に平行になるように形成する。図4はストライプの長軸方向に垂直な方向で切断した際の断面を示している。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、第2のバッファ層3の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分(窓部)よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ないGaN基板20が成長しやすい。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXNY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。
【0050】
保護膜201形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、1050℃で、アンドープGaNよりなるGaN基板20を10μmの膜厚で成長させる。GaN基板20好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜201の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜201の表面を覆うように保護膜上部に横方向にGaN基板20を成長させる。このように窒化物半導体が表面に成長しにくい性質を有する保護膜201の上に、横方向にGaN基板20を成長させる手法では、最初は、保護膜201の上にはGaN基板20が成長せず、窓部の第2のバッファ層3の表面にGaN基板20が選択成長される。続いてGaN基板20の成長を続けると、GaN基板20が横方向に成長して、保護膜201の上に覆いかぶさって行き、隣接したGaN基板20同士でつながって、保護膜201の上にGaN基板20が成長したかのような状態となる。つまり、保護膜201を介してGaN層を横方向に成長させる。重要なことは、窓部上に成長されているGaN基板20の結晶欠陥と、保護膜201の上に成長されているGaN基板20との結晶欠陥の数である。異種基板と窒化物半導体との格子定数のミスマッチにより、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥は窒化物半導体成長中、表面まで伝わる。一方、保護膜201上に横方向に成長されたGaN基板20は、サファイア基板1から成長したものではなく、隣接するGaN基板20が成長中につながったものであるため、結晶欠陥の数は基板から成長したものに比べて非常に少なくなる。従って、異種基板上に成長された窒化物半導体層の上に、部分的に形成された保護膜を形成して、その保護膜上に横方向に成長されてなるGaN層を基板とすると、実施例1のサファイア基板上に成長させた半導体に比較して、はるかに結晶欠陥の少ない積層半導体層が得られる。実際、第2のバッファ層3の結晶欠陥は1010/cm2以上あるが、この方法によるGaN基板10の結晶欠陥は106/cm2以下に減少する。
【0051】
以上のようにしてGaN基板20を成長させた後、実施例1と同様にして、そのGaN基板1の上にSiを1×1018/cm3以上ドープしたn型GaNよりなるn側コンタクト層4(n側の第2の窒化物半導体層)を2μmの膜厚で成長させる。なおまたこの層をアンドープのGaNと、SiをドープしたAlXGa1-XN(0<X≦0.4)からなる超格子層としても良い。
(クラック防止層21=n側の第2の窒化物半導体層)
n側コンタクト層4成長後、温度を800℃にして、窒素雰囲気中、TMG、TMI、アンモニア、シランガスで、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層21を500オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層21はInを含むn型の窒化物半導体、好ましくはInGaNで成長させることにより、後に成長させるAlを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
(n側クラッド層22=第3の窒化物半導体層)
続いて、1050℃でTMA、TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1019/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる層を40オングストロームと、アンドープのGaN層を40オングストロームの膜厚で成長させ、これらの層を交互に、それぞれ100層ずつ積層した、総膜厚0.8μmの超格子よりなるn側クラッド層22を成長させる。
(n側光ガイド層23=n側の第1の窒化物半導体層)
続いて、アンドープAl0.05Ga0.95Nよりなるn側光ガイド層13を0.1μmの膜厚で成長させる。この層には活性層の光を導波する光ガイド層として作用し、アンドープの他、n型不純物をドープしても良い。またこの層をGaNとAlGaNからなる超格子層とすることもできる。
(活性層6)
次に、実施例1と同様にして、アンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる活性層を400オングストロームの膜厚で成長させる。
(p側キャップ層24=p側の第1の窒化物半導体層)
次に、p側光ガイド層25よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1019/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなるp側キャップ層24を300オングストロームの膜厚で成長させる。
(p側光ガイド層25=p側の第2の窒化物半導体層)
次に、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層15よりも小さい、Al0.01Ga0.99Nよりなるp側光ガイド層25を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用しする。なお、このp側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーの大きな方の層(障壁層)のバンドギャップエネルギーは活性層より大きく、p側クラッド層よりも小さくする。
(p側クラッド層26=p側の第3の窒化物半導体層)
続いてMgを1×1019/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8N層を40オングストロームと、アンドープGaNを40オングストロームとを交互に積層成長した総膜厚0.8μmの超格子構造よりなるp側クラッド層26を成長させる。このように活性層からp層側に対して、バンドギャップエネルギーの大きなAlGaNよりなる第1の窒化物半導体層、次に第1の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さいGaN、AlGaNよりなる第2の窒化物半導体層、次に、第2の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きな障壁層を有する超格子構造の第3の窒化物半導体層を設けることは、レーザ素子の閾値を低下させる上で非常に好ましい。
(p側コンタクト層27=p側の第2の窒化物半導体層)
最後に、p側クラッド層26の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層26を150オングストロームの膜厚で成長させる。特にレーザ素子の場合、AlGaNを含む超格子構造のp側クラッド層26に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をp側コンタクト層として、その膜厚を500オングストローム以下と薄くしているために、実質的にp側コンタクト層27のキャリア濃度が高くなりp電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する傾向にある。
【0052】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを実施例1と同様にしてアニーリングを行いp型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させた後、ウェーハを反応容器から取り出し、図4に示すように、RIE装置により最上層のp側コンタクト層27と、p側クラッド層26とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。このように、活性層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下し、特に超格子層よりなるp側クラッド層26以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【0053】
次にリッジ表面にマスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n側コンタクト層4の表面を露出させ、TiとAlよりなるn電極30をストライプ状に形成する。一方p側コンタクト層27のリッジ最表面にはNiとAuよりなるp電極31をストライプ状に形成する。p型GaN層と好ましいオーミックが得られる電極材料としては、例えばNi、Pt、Pd、Ni/Au、Pt/Au、Pd/Au等を挙げることができる。n型GaNと好ましいオーミックが得られる電極材料としてはAl、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の金属若しくは合金等を挙げることができる。
【0054】
次に、図4に示すようにp電極31と、n電極30との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiO2よりなる絶縁膜32を形成し、この絶縁膜32を介してp電極31と電気的に接続したpパッド電極33を形成する。このpパッド電極33は実質的なp電極31の表面積を広げて、p電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにしている。
【0055】
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを70μmとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μmポリシングして基板表面を鏡面状とし、Au/Snで全面をメタライズする。
【0056】
その後、Au/Sn側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとする。次にチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振波長368nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示した。
[実施例7]
実施例6において、活性層6のIn0.01Ga0.99N層にSiを6×1017/cm3ドープし、その膜厚を1000オングストロームとする他は実施例6と同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値における電流密度、電圧は実施例6のものに比較しておよそ10%程上昇し、寿命はおよそ20%短くなった。
[実施例8]
実施例6において、n側コンタクト層4をアンドープのGaN層、50オングストロームと、Siを1×1018/cm3ドープしたAl0.05Ga0.95N層、50オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚2μmの超格子構造とする他は実施例6と同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値における電流密度、電圧は実施例6のものに比較しておよそ5%程低下し、寿命も1000時間以上を示した。
[実施例9]
実施例3において、n側クラッド層5をアンドープのAl0.1Ga0.9N層50オングストロームと、Siを1×1018/cm3ドープしたGaN層50オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚300オングストロームの超格子構造とし、さらにp側クラッド層6をアンドープのAl0.1Ga0.9N層50オングストロームと、Mgを1×1019/cm3ドープしたGaN層50オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚600オングストロームの超格子構造とする他は実施例3と同様にしてLED素子を作製したところ、実施例3とほぼ同様に良好な結果を得ることができた。
[実施例10]
実施例6において、n側クラッド層22をSiを1×1019/cm3ドープしたGaN層を40オングストロームと、アンドープのAl0.2Ga0.8N層を40オングストロームとを交互にそれぞれ100層ずつ積層してなる総膜厚0.8μmの超格子構造とし、さらにp側クラッド層26をMgを1×1019/cm3ドープしたGaN層を40オングストロームと、アンドープのAl0.2Ga0.8N層を40オングストロームとを交互に積層成長してなる総膜厚0.8μmの超格子構造とする他は実施例6と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例6とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体素子によると、360nm〜390nmまでの高出力な紫外発光素子が実現できる。短波長の発光素子は例えば白色LEDを作製する際の蛍光体の励起光源となる。現在の白色LEDはおよそ430nm付近の可視光に励起されて、オレンジ色に発光するものが使用されており、青色とオレンジ色の混色により白色が観測されている。このような蛍光体の種類は限定されている。しかしながら、短波長光源が実現すると、その光源に励起されて発光する蛍光体の種類も多くなるため、例えば異なる発光色の蛍光体の混合により白色光源ができるようになり、その用途が非常に増える。またDVD等の読みとり光源として紫外光源を用いると、DVD容量を飛躍的に向上させることができる。さらに、紫外光に感度のあるセンサーのように受光素子にも本発明は適用でき、その産業上の利用価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の態様に係る窒化物半導体発光素子のInGaN活性層の膜厚と、その発光素子の出力との関係を、従来の窒化物半導体発光素子と比較して示す図。
【図2】 本発明の第2の態様に係る窒化物半導体発光素子のInGaN活性層の膜厚と、その発光素子の出力との関係を示す図。
【図3】 本発明の一実施例に係るLED素子の構造を示す模式断面図。
【図4】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
1・・・・サファイア基板
2・・・・低温成長バッファ層
3・・・・第2のバッファ層
4・・・・n側コンタクト層(n側の第2の窒化物半導体層)
5・・・・n側クラッド層(n側の第1の窒化物半導体層)
6・・・・活性層
7・・・・p側クラッド層(p側の第1の窒化物半導体層)
8・・・・p側コンタクト層(p側の第2の窒化物半導体層)[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (InXAlYGa1-X-YN, 0≤X, 0≤Y, X + Y) used in light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LD), solar cells, photosensors, etc. ≦ 1) In particular, the present invention relates to a structure of a nitride semiconductor device that emits light in a specific ultraviolet region of 365 nm to 390 nm or has light receiving sensitivity.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors are known as semiconductor materials having a band gap energy of 1.95 eV (InN) to 6.16 eV (AlN), and can theoretically emit and receive light from about 633 nm to 201 nm. The applicant used this material and released the world's first blue LED exceeding 1 cd at the end of November 1993. This LED had a double hetero structure in which an InGaN layer having a thickness of about 0.2 μm doped with Zn and Si was used as a light emitting layer. Further, the present applicant has released a blue-green LED for a signal lamp and a green LED for a display by increasing the In composition ratio of the active layer of the LED.
[0003]
Next, the present applicant has made progress in improving the output of the light-emitting element and improving the color purity of the light-emitting color, and the high-brightness pure green light-emitting LED and the high-brightness blue LED using the inter-band light emission of the InGaN active layer Develop and sell. This new LED has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which an active layer has a well layer made of InGaN having a thickness of 50 angstroms or less. By adopting an InGaN quantum well structure, the output can be improved more than twice as compared to the InGaN active layer doped with Zn and Si, and the half width of the emission spectrum can be greatly improved to 40 nm or less. did it. This is because the film thickness of InGaN is reduced to form a quantum structure, and the InGaN is less than the elastic critical film thickness, so that the crystallinity of the well layer is improved and the output is improved.
[0004]
Furthermore, the present applicant has announced the world's first laser oscillation of 410 nm at room temperature under pulse current as well as LED (for example, Jpn.J.Appl.Phys.35 (1996) L74, Jpn.J.Appl. Phys. 35 (1996) L217, etc.) and also succeeded in continuous oscillation at room temperature (for example, Nikkei Electronics December 2, 1996, Technical Bulletin, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3034-, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4056- etc.). These laser elements also have a multiple quantum well structure in which the active layer has an InGaN well layer having a thickness of 50 angstroms or less. As described above, for a visible light emitting device having a wavelength of approximately 400 nm to 550 nm, an extremely high output can be obtained by using an InGaN layer having a quantum well structure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, it can be understood that an ultraviolet light emitting device having a wavelength of 400 nm or less can be realized by employing a nitride semiconductor having a large band gap energy such as AlGaN, GaN, InAlN, or the like for the active layer. If an ultraviolet light emitting element can be realized, it becomes possible to convert a phosphor into visible light using ultraviolet light, and to replace a light source such as a fluorescent lamp or an incandescent lamp with an LED or LD. Also, an efficient element can be realized for an optical sensor, a solar cell, and the like. However, at present, only the visible region has been developed, and no practical ultraviolet nitride semiconductor device has been reported. Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to produce a high-output and high-sensitivity element in the ultraviolet region using a nitride semiconductor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an active layer and Al having a superlattice structure on the n side and the p side.xGa1 -XA nitride semiconductor device having a cladding layer made of N (0 <X ≦ 0.4) and having a light guide layer between the active layer and the cladding layer, wherein the cladding layer having the superlattice structure is , Al with large band gap energyZGa1 -ZN (0 <Z ≦ 1.0) layer and a GaN layer having a small band gap energy, and the impurity concentration of the GaN layer is the Al concentration.ZGa1 -ZLarger than impurity concentration of N (0 <Z ≦ 1.0) layerA p-side contact layer having a p-electrode and a film thickness of 500 angstroms or less is provided on the p-side superlattice clad layer.It is characterized by that. The active layer is made of In.aGa1-aA layer made of N (0 <a ≦ 0.1) is preferred.
[0007]
The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is preferably an AlZGa1-ZN (0 <Z ≦ 1) layer.
[0008]
It is preferable that a p-side contact layer having a p-electrode and a thickness of 500 angstroms or less is provided on the p-side superlattice structure.
[0009]
The p-side superlattice structure and the p-side contact layer are preferably in contact with each other.
[0010]
The p-electrode is preferably Ni, Pt, Pd, Ni / Au, Pt / Au, or Pd / Au.
The nitride semiconductor device preferably includes a p-side light guide layer between the active layer and the p-side cladding layer.
[0011]
The nitride semiconductor element preferably includes a p-side cap layer having a band gap energy larger than that of the p-side light guide layer between the active layer and the p-side light guide layer.
[0012]
As described above, we fabricated light emitting devices with a number of structures using nitride semiconductors with relatively large band gap energy, such as AlGaN, GaN, InAlN, etc., as the active layer. Thus, a high output light-emitting element can be obtained by forming a nitride semiconductor having a specific composition containing a small amount of In with a specific film thickness. It came.
[0013]
In the first aspect, an active layer including an InaGa1-aN layer having an n-type impurity concentration of less than 5 × 10 17 /
[0014]
In the second embodiment, an active layer including an InbGa1-bN layer having an n-type impurity concentration of 5 × 10 17 /
[0015]
In this specification, general formulas such as InaGa1-aN and InbGa1-bN merely indicate the composition formula of the nitride semiconductor, and even if different layers are indicated by the same general formula, It does not indicate that the value, b value, etc. match. In the present invention, among the plurality of layers on both sides of the active layer, one is called the n-type nitride semiconductor layer side and the other is called the p-type nitride semiconductor layer side. Insulater) type nitride semiconductor is included in the claims as a layer on the p-type nitride semiconductor side.
[0016]
In the first aspect and the second aspect of the present invention, at least one of the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer is in contact with the active layer and AlXGa1-XN (0 < A first nitride semiconductor layer having X ≦ 0.4) is provided. More preferably, the AlxGa1-XN layer is formed on both. In addition, when the AlxGa1-XN layers are formed on both, the X values of the AlxGa1-XN layers do not need to match. That is, the active layer may be sandwiched between AlGaN having different Al composition ratios.
[0017]
When the first nitride semiconductor layer is formed on both the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, the film thicknesses of the first nitride semiconductor layers are different from each other. To do. In this case, it is desirable to reduce the thickness of the first nitride semiconductor layer on the n-layer side.
[0018]
Furthermore, in the present invention, when the first nitride semiconductor layer is formed in at least one of the active layers, IncGa1-cN (0 ≦ c <) is located at a position farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer. 0.1, a, b> c), or a second nitride semiconductor layer made of AlYGa1-YN (0 <Y ≦ 0.4). Note that IncGa1-cN and AlYGa1-YN need not be formed in contact with the first nitride semiconductor layer, but are preferably formed in contact.
[0019]
In the first and second embodiments of the present invention, at least one of the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer includes a GaN layer and an AlZGa1-ZN (0 <Z ≦ 1) layer. And a third nitride semiconductor layer having a superlattice structure in which are stacked. The third nitride semiconductor layer may be formed in contact with the active layer like the first nitride semiconductor layer, or may be formed on the first nitride semiconductor layer like the second nitride semiconductor layer. It may be formed in contact with or at a position farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer.
[0020]
When the third nitride semiconductor layer is formed, the superlattice layer is doped with an impurity that determines the conductivity type, and the impurity is more doped in the AlZGa1-ZN layer. . The GaN layer is most preferably undoped.
When the third nitride semiconductor layer is formed, the superlattice layer is doped with an impurity that determines the conductivity type, and the impurity is more doped in the GaN layer. The AlZGa1-ZN layer is most preferably undoped.
[0021]
Further, in the present invention, those containing Al in an amount smaller than the amount of In in the layer represented by InGaN and those containing In in an amount smaller than the amount of Al in the layer represented by AlGaN are also within the scope of the present invention. include.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the thickness of an InGaN layer having an n-type impurity of less than 5 × 10 17 /
[0023]
In the conventional visible light emitting device, as shown in B, a high light emission output can be obtained by setting the thickness of the InGaN well layer to less than 100 angstroms, more preferably to 50 angstroms or less. This is because the quantum effect by reducing the thickness of the InGaN layer, the improvement of crystallinity by making the thickness of the InGaN layer below the elastic critical thickness, the exciton light emission due to the non-uniform composition of the InGaN layer, and bi-exitons. This is because the light emission output is improved by the three effects of light emission. For this reason, it can be seen that if the thin InGaN layer is a well layer and the active layer is a single quantum well and a multiple quantum well, a high output can be obtained in a conventional visible light emitting device. On the other hand, in the ultraviolet light emitting device of the present invention, as shown in A, there is no tendency as in the case of the conventional visible light emitting device. Rather, a higher output can be obtained if the well layer constituting the active layer is not a quantum structure. There is a tendency. In addition, it has been found that a light emitting element having an undoped InGaN layer as an active layer has a light emission output peak in a limited thickness range of the InGaN layer. Accordingly, the thickness of the InGaN layer is adjusted to a range of 100 angstroms or more and 1000 angstroms or less, more preferably 200 angstroms or more and 800 angstroms or less, and most preferably 250 to 700 angstroms. As for A, undoped InGaN not intentionally doped with impurities is shown. Similarly, as a result of examining an InGaN layer doped with n-type impurities such as Si, Ge, Se, and S, n-type It was confirmed that the same tendency was observed when the impurity concentration was less than 5 × 10 17 /
[0024]
Next, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of an InGaN layer having an n-type impurity of 5 × 10 17 /
[0025]
When the InGaN active layer is doped with an n-type impurity of 5 × 10 17 /
[0026]
Here, the nitride semiconductor (InaAlbGa1-a-bN (0.ltoreq.a, 0.ltoreq.b, a + b.ltoreq.1) constituting the active layer will be described. In order to obtain light emission of 400 nm or less, the active layer has a large band gap energy. It is desirable to use a nitride semiconductor, that is, a nitride semiconductor containing Al. For this purpose, it is ideal to use AlGaN, InAlN, or the like, but in the present invention, InaGa1-aN (0 < a ≦ 0.1) and InbGa1-bN (0 <b ≦ 0.1) For example, if the active layer is GaN, light emission of about 365 nm can be obtained, but the output is very low. When Al is included, the output tends to further decrease, which is presumably due to the crystallinity of AlGaN and InAlN. It is necessary to form a cladding layer having a high Al mixed crystal ratio because of the gap energy, because a cladding layer having a high Al mixed crystal ratio tends to make it difficult to obtain a product with good crystallinity. If the semiconductor layer is used as the active layer, the device life tends to be shortened, but the output of the device is drastically improved only by adding a small amount of In to the GaN active layer as in the present invention. When the GaN contained in the active layer is used as an active layer, the output is improved by a factor of 10 or more compared to GaN, so both the a and b values of InaGa1-aN and InbGa1-bN are 0.1 or less, preferably 0.05 or less, more preferably It is adjusted to 0.02 or less, and most preferably 0.01 or less, but in the present invention, InGaN not containing Al does not mean a state containing no Al but an impurity level (example) If those containing Al is with less) Al content than In are intended to be included within the scope of the present invention.
[0027]
Furthermore, in a preferred embodiment of the light emitting device of the present invention, the first nitride semiconductor layer made of AlxGa1-XN (0 <X≤0.4) is in contact with the active layer containing InaGa1-aN and InbGa1-bN. Have. The AlGaN layer only needs to be in contact with one of the two main surfaces of the active layer, and is not necessarily in contact with both. In other words, a single heterostructure may be used. However, the X value of AlXGa1-XN is adjusted in the range of 0 <X ≦ 0.4, more preferably 0 <X ≦ 0.2, and most preferably 0 <X ≦ 0.1. If it is larger than 0.4, cracks tend to easily occur in the AlGaN layer, and if cracks occur, it tends to be difficult to form an element structure by laminating another semiconductor thereon. The film thickness of the first nitride semiconductor layer is 0.5 μm or less, more preferably 0.3 μm or less, and most preferably 0.1 μm or less. This is because if the thickness exceeds 0.5 μm, cracks tend to easily occur in the film even if the Al mixed crystal ratio is small.
[0028]
When the first nitride semiconductor layer having an Al mixed crystal ratio in a specific range is formed in contact with both main surface sides of the active layer, the thicknesses of the first nitride semiconductor layers are made different from each other. It is desirable. In our experiment, the output tends to be improved more easily when the AlGaN layer on the n-layer side is made thinner. As described above, the first nitride semiconductor layer made of AlxGa1-XN on the n-layer side and the p-layer side may have different Al mixed crystal ratios.
[0029]
Furthermore, in the device of the present invention, IncGa1-cN (0≤c <0.1, 0≤c <0.1, at a position farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer made of AlXGa1-XN (0 <X≤0.4). a> c, b> c) or a second nitride semiconductor layer made of AlYGa1-YN (0 <Y ≦ 0.4). The second nitride semiconductor layer is preferably GaN. In the case of an LED, it is desirable that the second nitride semiconductor layer acts as a contact layer for forming an electrode. Similar to the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer may be formed in either the n layer or the p layer, and is not necessarily formed in both. The thickness of the second nitride semiconductor layer is not particularly limited, but when it is formed on the n layer side, it is adjusted to 10 μm or less, more preferably 8 μm or less. On the other hand, when it is formed on the p-layer side, it is preferably formed thinner than the n-layer side, and is formed with a film thickness of 2 μm or less, more preferably 1 μm or less. A plurality of the second nitride semiconductor layers may be provided on the same conductive layer.
[0030]
In another aspect of the present invention, a GaN layer having a small band gap energy and an AlZGa1-ZN (0 <Z ≦ 1) layer having a large band gap energy are stacked on at least one of the n layer side and the p layer side. And a third nitride semiconductor layer having a superlattice structure. The third nitride semiconductor layer may be formed in contact with the active layer or may be formed at a position away from the active layer. Preferably, it is formed at a position away from the active layer, and is formed as a clad layer for confining carriers or a contact layer for forming an electrode. There may be a plurality of the third nitride semiconductor layers in the same conductive layer. Further, the third nitride semiconductor layer can be a layer in contact with the active layer, that is, the first nitride semiconductor layer.
[0031]
In the case of a superlattice structure, the thickness of the GaN layer and the AlZGa1-ZN layer is adjusted to 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. If it is thicker than 100 angstroms, each layer constituting the superlattice layer has a film thickness exceeding the elastic strain limit, and there is a tendency for minute cracks or crystal defects to easily enter the film, and the lower limit of the film thickness is not particularly limited. One atom or more is sufficient. When AlZGa1-ZN is used as the superlattice constituent layer, cracks are less likely to occur even when the Al mixed crystal ratio is higher than that of the thicker one. This is because the AlGaN layer is grown with a film thickness equal to or less than the elastic critical film thickness. Furthermore, since AlGaN and GaN can be grown at the same temperature, it is easy to form a superlattice. On the other hand, if it is InGaN, the growth atmosphere must also be changed, and it is more difficult to construct a superlattice with AlGaN and InGaN than when a superlattice layer is formed with AlGaN and GaN.
[0032]
When the third nitride semiconductor composed of a superlattice layer forms a clad layer as an optical confinement layer and a carrier confinement layer, it is necessary to grow a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer of the active layer. The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio. Conventionally, when a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio is grown as a thick film, cracks are easily generated, and thus crystal growth is very difficult. However, when a superlattice layer is formed as in the present invention, even if the single layer constituting the superlattice layer is a layer having a slightly higher Al mixed crystal ratio, it is grown with a film thickness less than the elastic critical film thickness, so that cracks are not easily generated. . Therefore, since a layer having a high Al mixed crystal ratio can be grown with good crystallinity, the optical confinement effect and the carrier confinement effect are enhanced, and the threshold voltage in the laser element and Vf (forward voltage) in the LED element can be lowered.
[0033]
Further, the superlattice layer is doped with an impurity that determines the conductivity type of the superlattice layer, and the n-type impurity concentrations of the AlZGa1-ZN layer and the GaN layer are different. This is called so-called modulation doping. When the n-type impurity concentration of one layer is low, preferably when the impurity is not doped (undoped) and the other is highly doped, the threshold voltage, Vf, etc. are lowered. be able to. This is because when a layer having a low impurity concentration is present in the superlattice layer, the mobility of the layer is increased, and a layer having a high impurity concentration is also present at the same time. By being able to form a layer. A layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration and a layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration are present at the same time, so that a layer having a high carrier concentration and a high mobility is formed. I guess that.
[0034]
When a nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a high concentration of impurities, this modulation doping generates a two-dimensional electron gas between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer. It is presumed that the resistivity decreases due to the influence. For example, in a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer having a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped nitride semiconductor layer having a small band gap are stacked, a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer The barrier layer side is depleted at the heterojunction interface, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the thickness of the layer side having a small band gap. Since the two-dimensional electron gas can be generated on the side having a small band gap, the electrons are not scattered by impurities when they travel, so that the mobility of electrons in the superlattice increases and the resistivity decreases. It is presumed that the modulation doping on the p side is also influenced by the two-dimensional hole gas. In the case of the p layer, AlGaN has a higher resistivity than GaN. Therefore, since the resistivity is lowered by doping a large amount of p-type impurities into AlGaN, the substantial resistivity of the superlattice layer is lowered. Therefore, when an element is manufactured, the threshold tends to be lowered. Inferred.
[0035]
Moreover, since the ohmic resistance with the electrode is easily obtained due to the lowering of the resistivity, and the series resistance in the film is also reduced, a nitride semiconductor element having a low threshold voltage and Vf can be obtained.
[0036]
On the other hand, it is presumed that when the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, the following effects are obtained. For example, when the AlGaN layer and the GaN layer are doped with the same amount of Mg, the AlGaN layer has a large Mg acceptor level depth and a low activation rate. On the other hand, the acceptor level of the GaN layer is shallower than the AlGaN layer, and the activation rate of Mg is high. For example, even if Mg is doped 1 × 10 20 /
[0037]
When doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of n-type impurities, a preferable doping amount to the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is preferably 1 × 10 17 /
[0038]
Although the case where the impurity is preferably modulation-doped in the superlattice layer has been described above, the impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and that of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy can be made equal.
[0039]
When the third nitride semiconductor layer of the superlattice layer is formed in the p-side layer, the action of the superlattice structure on the light emitting element is the same as the action of the n-side layer on the superlattice, but the n-layer In addition to the case where it is formed on the side, there are the following effects. That is, the resistivity of the p-type nitride semiconductor is usually two orders of magnitude higher than that of the n-type nitride semiconductor. Therefore, when the superlattice layer is formed on the p layer side, the decrease in Vf appears remarkably. More specifically, it is known that a nitride semiconductor is a semiconductor in which p-type crystals are very difficult to obtain. A technique for removing hydrogen by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity to obtain a p-type crystal is known (Japanese Patent No. 2540791). However, even if p-type is obtained, the resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by using this p-type layer as a superlattice layer, the crystallinity is improved and the resistivity is decreased by one digit or more, so that a decrease in Vf tends to appear.
[0040]
When the third nitride semiconductor layer of the superlattice is formed in the p-side layer, the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is different from that of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy. The impurity concentration of one layer is increased, and the impurity concentration of the other layer is decreased. Similar to the n-side layer of the superlattice, the p-type impurity concentration in the nitride semiconductor layer having a larger band gap energy is increased, and the p-type impurity concentration in the nitride semiconductor layer having a smaller band gap energy is decreased. When preferably undoped, the threshold voltage, Vf, and the like can be reduced. The reverse is also possible. That is, the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy may be reduced and the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a low band gap energy may be increased. The reason is as described above.
[0041]
When the third nitride semiconductor layer is a superlattice layer, the preferred doping amount of the p-type impurity to the third nitride semiconductor is 1 × 10 18 /
[0042]
Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the superlattice, the layer doped with impurities at a high concentration has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction ( Preferably, it is undoped. More specifically, for example, when a superlattice layer is formed of AlGaN doped with Si as an n-type impurity and an undoped GaN layer, since AlGaN is doped with Si, electrons are emitted to the conduction band as donors. Electrons fall into the low-potential GaN conduction band. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, it is not subject to carrier scattering by the impurity. Therefore, the electrons can easily move in the GaN crystal, and the substantial mobility of electrons increases. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas described above, and the substantial mobility in the lateral direction of the electron increases and the resistivity decreases. Further, the effect is further enhanced when the n-type impurity is doped at a high concentration in the central region of AlGaN having a large band gap energy. That is, depending on the electrons moving in GaN, the n-type impurity ions (Si in this case) contained in AlGaN are somewhat scattered. However, if both ends are undoped with respect to the thickness direction of the AlGaN layer, it is difficult to receive Si scattering, and the mobility of the undoped GaN layer is further improved. Although the operation is slightly different, there is a similar effect when a superlattice is composed of a nitride semiconductor layer having a large band gap energy on the p-layer side and a nitride semiconductor layer having a small band gap energy. It is desirable that the central region of the physical semiconductor layer is doped with a large amount of p-type impurities and the both end portions are decreased or undoped. On the other hand, a layer in which a large amount of n-type impurities are doped in a nitride semiconductor layer having a small band gap energy may be configured to have the impurity concentration.
[0043]
The superlattice layer is preferably at least in the p-side layer, and a superlattice layer in the p-side layer is preferable because the threshold value is further lowered.
[0044]
【Example】
[Example 1]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing the device of the present invention will be described based on this drawing.
[0045]
The surface of the substrate 1 made of sapphire (C surface) is cleaned at 1050 ° C. in a hydrogen atmosphere in a reaction vessel. In addition to sapphire C surface, sapphire whose main surface is R surface and A surface, other insulating substrates such as spinel (MgA12O4), SiC (including 6H, 4H, 3C), Si, A semiconductor substrate such as ZnO, GaAs, or GaN (a GaN substrate will be described later) can be used.
(Low temperature growth buffer layer 2)
Subsequently, a low temperature
(Second buffer layer 3)
After the growth of the
(N-
Next, an n-
(N-
Next, an n-
(Active layer 6)
Next, an active layer made of undoped In0.01Ga0.99N is grown to a thickness of 400 angstroms using TMI, TMG, and ammonia at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere. The band gap energy (Eg) of the active layer InaGa1-aN is expressed by the equation
Eg = 1.96.a + 3.4 (1-a) -a. (1-a)
Can be calculated. The emission wavelength λ corresponds to 1240 / Eg.
(P-side cladding layer 7 = p-side first nitride semiconductor layer)
Next, a p-side cladding layer 7 made of Al0.05Ga0.95N doped with 1 × 10 20 /
(P-side contact layer 8 = p-side second nitride semiconductor layer)
Subsequently, a p-side contact layer 8 made of GaN doped with 1 × 10 20 /
[0046]
After completion of the growth, the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer. Then, the wafer is taken out of the reaction container and the surface of the uppermost p-side contact layer 8 is removed. Then, a mask having a predetermined shape is formed, and etching is performed from the p-side contact layer side by an RIE (reactive ion etching) apparatus to expose the surface of the n-
[0047]
After the etching, a translucent p-electrode 9 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed almost on the entire surface of the p-side contact layer on the uppermost layer, and a p-pad electrode made of Au for bonding on the p-electrode 9 10 is formed with a film thickness of 0.2 μm. On the other hand, an n-
[0048]
This LED element emits light of approximately 368 nm at a forward voltage of 20 mA, Vf is 3.4 V, and the output is 5 mW, which is almost the same output as a blue LED emitting light at 450 nm where the conventional active layer has a quantum well structure. Indicated. In this LED element, when the thickness of the active layer was changed, the same tendency as the solid line shown in FIG.
[Example 2]
In Example 1, an LED element was manufactured in the same manner except that the n-side first
[Example 3]
In Example 1, the n-
[Example 4]
An LED device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the In0.01Ga0.99N layer of the
[Example 5]
An LED element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the
[Example 6]
FIG. 4 is a perspective view showing the structure of the laser device according to the present invention, and also shows a cross section when cut in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrode.
[0049]
As in Example 1, a low-temperature
Next, the wafer is taken out of the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the
[0050]
After forming the
[0051]
After the
(
After the growth of the n-
(N-
Subsequently, using TMA, TMG, ammonia, and silane gas at 1050 ° C., the layer made of n-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with Si 1 × 10 19 /
(N-side
Subsequently, an n-side light guide layer 13 made of undoped Al0.05Ga0.95N is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer for guiding the light of the active layer, and may be doped with n-type impurities in addition to undoped. This layer can also be a superlattice layer made of GaN and AlGaN.
(Active layer 6)
Next, as in Example 1, an active layer made of undoped In0.01Ga0.99N is grown to a thickness of 400 angstroms.
(P-
Next, a p-
(P-side
Next, a p-side
(P-
Subsequently, p-type Al0.2Ga0.8N layer doped with 1 × 10 19 /
(P-
Finally, a p-
[0052]
After annealing the nitride semiconductor grown wafer as described above in the same manner as in Example 1 to further reduce the resistance of the p-type impurity doped layer, the wafer was taken out of the reaction vessel and shown in FIG. As shown, the uppermost p-
[0053]
Next, a mask is formed on the ridge surface and etching is performed by RIE to expose the surface of the n-
[0054]
Next, as shown in FIG. 4, an insulating
[0055]
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped using a diamond abrasive, The thickness is 70 μm. After lapping, the substrate surface is mirror-finished by polishing with 1 μm with a finer abrasive and the entire surface is metallized with Au / Sn.
[0056]
Thereafter, the Au / Sn side is scribed and cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrode, and a resonator is formed on the cleavage plane. A dielectric multilayer film made of SiO2 and TiO2 is formed on the resonator surface, and finally a bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, each electrode was wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.0 kA / Continuous oscillation at an oscillation wavelength of 368 nm was confirmed at
[Example 7]
In Example 6, a laser device was fabricated in the same manner as in Example 6 except that the In0.01Ga0.99N layer of the
[Example 8]
In Example 6, the n-
[Example 9]
In Example 3, the n-
[Example 10]
In Example 6, the n-
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the nitride semiconductor device of the present invention, an ultraviolet light emitting device having a high output from 360 nm to 390 nm can be realized. The short-wavelength light-emitting element serves as an excitation light source for a phosphor when a white LED is manufactured, for example. The current white LED is excited by visible light around 430 nm and emits orange light, and white is observed due to a mixture of blue and orange. The types of such phosphors are limited. However, if a short-wavelength light source is realized, the number of phosphors that emit light when excited by the light source increases, so that, for example, a white light source can be created by mixing phosphors of different emission colors, and the number of uses increases greatly. . Further, when an ultraviolet light source is used as a reading light source such as a DVD, the DVD capacity can be dramatically improved. Furthermore, the present invention can be applied to a light receiving element such as a sensor sensitive to ultraviolet light, and its industrial utility value is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the thickness of an InGaN active layer of a nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention and the output of the light emitting device, as compared with a conventional nitride semiconductor light emitting device. .
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the InGaN active layer of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention and the output of the light emitting device.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 .... Sapphire substrate
2. Low temperature growth buffer layer
3... Second buffer layer
4... N-side contact layer (n-side second nitride semiconductor layer)
5... N-side cladding layer (n-side first nitride semiconductor layer)
6. Active layer
7... P-side cladding layer (p-side first nitride semiconductor layer)
8... P-side contact layer (p-side second nitride semiconductor layer)
Claims (5)
前記超格子構造のクラッド層は、バンドギャップエネルギーの大きなAlZGa1 −ZN(0<Z≦1.0)層とバンドギャップエネルギーの小さなGaN層からなり、前記GaN層の不純物濃度は、前記AlZGa1 −ZN(0<Z≦1.0)層の不純物濃度よりも大きいものであり、
前記p側の超格子構造のクラッド層の上に、p電極を有すると共に膜厚500オングストローム以下のp側コンタクト層を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。Has an active layer, the Al x Ga 1 -x N cladding layer made of (0 <X ≦ 0.4) of the superlattice structure in the n-side and p-side optical guide between the active layer and the cladding layer A nitride semiconductor device comprising a layer,
The cladding layer of super lattice structure is made small GaN layer of large Al Z Ga 1 -Z N (0 <Z ≦ 1.0) layer and the band gap energy, the impurity concentration of the GaN layer, Greater than the impurity concentration of the Al Z Ga 1 -ZN (0 <Z ≦ 1.0) layer ,
A nitride semiconductor device comprising a p-side contact layer having a p-electrode and a thickness of 500 angstroms or less on a cladding layer having a superlattice structure on the p-side .
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