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発明の名称 半導体発光素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−64870
公開日 平成8年(1996)3月8日
出願番号 特願平6−202477
出願日 平成6年(1994)8月26日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】朝日奈 宗太 (外2名)
発明者 尺田 幸男
要約 目的
Inの混晶比にかかわらず発光波長の変化の幅が広い半導体発光素子を提供することを目的とする。

構成
基板上に少なくともn型層4およびp型層6を含み発光層5を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されてなる半導体発光素子であって、前記少なくとも発光層のチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換されている。
特許請求の範囲
【請求項1】 基板上に少なくともn型層およびp型層を含み発光部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されてなる半導体発光素子であって、前記少なくとも発光部のチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体である半導体発光素子。
【請求項2】 前記基板上に積層されたチッ化ガリウム系化合物半導体層がn型およびp型の両クラッド層と、該両クラッド層のあいだに挟まれ該両クラッド層の材料よりバンドギャップエネルギーが小さい材料からなる活性層とを有し、該活性層はチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体である請求項1記載の半導体発光素子。
【請求項3】 前記活性層が、チッ化ガリウム系化合物半導体のガリウムの一部がInと置換した化合物半導体である請求項2記載の半導体発光素子。
【請求項4】 前記活性層にMg、Zn、Cd、Be、Ca、Mn、Si、Se、S、GeおよびTeよりなる群から選ばれた少なくとも1種のドーパントがドーピングされてなる請求項2または3記載の半導体発光素子。
【請求項5】 前記活性層にn型ドーパントとp型ドーパントとが同量添加されてなる請求項4記載の半導体発光素子。
【請求項6】 前記基板上に積層されたチッ化ガリウム系化合物半導体層がn型層およびp型層の接合層を有し、該n型層および/またはp型層はチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体である請求項1記載の半導体発光素子。
【請求項7】 前記n型層およびp型層チッ化ガリウム系化合物半導体のガリウムの一部がインジウムと置換した化合物半導体である請求項6記載の半導体発光素子。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、青色発光に好適なチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【0002】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など他のV族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【0003】また、半導体発光素子とは、pn接合またはpinなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード(以下、LEDという)、スーパルミネッセントダイオード(SLD)または半導体レーザダイオード(LD)などの光を発生する半導体素子をいう。
【0004】
【従来の技術】従来青色のLEDは赤色や緑色に比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリウム系化合物半導体を用い、Mgをドーパントした低抵抗のp型半導体層がえられたことにより、輝度が向上し脚光をあびている。
【0005】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いたLEDは図4に示されるような構造になっている。
【0006】図4において、サファイア(Al2 3 単結晶)基板21上にSiなどをドーピングしたn型のGaNなどからなる低温バッファ層22、同じくn型のGaNなどからなる高温バッファ層23、n型のAlx Ga1-x N(0<x<1)などからなるダブルヘテロ接合形成のためのn型クラッド層24、ノンドープのGay In1-y N(0<y<1)などからなる活性層25、Mgなどをドーピングしたp型Alx Ga1-x Nなどからなるp型クラッド層26、p型GaNなどからなるキャップ層27が有機金属化合物気相成長法(以下、MOCVD法という)により順次積層され、n型クラッド層24と、活性層25とp型クラッド層26とでダブルヘテロ接合が形成されている。この積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出したn型クラッド層24または高温バッファ層23および積層された半導体層の表層であるキャップ層27にそれぞれn側電極29およびp側電極28が設けられることによりLEDが形成されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、前述のようにクラッド層4、6にSiまたはMgなどをドーピングしたAlx Ga1-x N層を、活性層25にノンドーピングのGay In1-y N層などを用いて活性層25のバンドギャップエネルギーをクラッド層24、26のバンドギャップエネルギーより小さくして光の閉じ込め効果を利用している。この活性層25にInを添加することにより、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、発光波長はGay In1-y N層中のInの組成比が多くなるほど発光波長を長くすることができるが、Inの組成比が余り多くなると格子定数がバッファ層であるGaNと大きく異なり、発光効率が低下するため、Inの組成比(1−y)は0.2が限度で、発光波長は480nm程度より長くすることができない。
【0008】そのため、青色発光LEDや緑色発光LEDの目的で480nmより長い波長の490〜520nm程度の光が求められるが、そのような波長の半導体発光素子がえられないという問題がある。またInの組成比を増やして発光波長を長くするばあい、格子不整が顕者になり、組成比0.2でも活性層の厚さを厚くすることができず、発光量を増やせないという問題がある。
【0009】本発明はこのような問題を解決し、Inの混晶比にかかわらず発光波長の変化の幅が広い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子は、基板上に少なくともn型層およびp型層を含み発光部を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されてなる半導体発光素子であって、前記少なくとも発光部のチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体からなっている。
【0011】ここに発光部とは、クラッド層に挟まれた活性層や、pn接合のLEDなどで、電子と正孔の結合により光を発生するpn接合近傍を意味する。
【0012】前記基板上に積層されたチッ化ガリウム系化合物半導体層がn型およびp型の両クラッド層と、該両クラッド層のあいだに挟まれ該両クラッド層の材料よりバンドギャップエネルギーが小さい材料からなる活性層とを有し、該活性層はチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体であってもよい。
【0013】前記活性層がチッ化ガリウム系化合物半導体のガリウムの一部がInと置換した化合物半導体であることが、発光波長を長くするうえで好ましい。
【0014】前記活性層にMg、Zn、Cd、Be、Ca、Mn、Si、Se、S、GeおよびTeよりなる群から選ばれた少なくとも1種のドーパントがドーピングされていることが、さらに発光波長を長くするうえで好ましい。
【0015】前記活性層にn型ドーパントとp型ドーパントとが同量添加されていることが、発光波長を制御できるため好ましい。
【0016】前記基板上に積層されたチッ化ガリウム系化合物半導体層がn型層およびp型層の接合層を有し、該n型層および/またはp型層はチッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素の一部がリンおよび/またはヒ素と置換した化合物半導体であってもよい。
【0017】前記n型層およびp型層チッ化ガリウム系化合物半導体のガリウムの一部がインジウムと置換した化合物半導体であることが、発光波長を長くするうえで好ましい。
【0018】
【作用】本発明の半導体発光素子によれば、発光部、すなわちダブルヘテロ接合の発光素子であれば活性層、pn接合の発光素子であればn型層および/またはp型層をチッ化ガリウム系化合物半導体のNの一部をPおよび/またはAsと置換した化合物半導体としているため、PまたはAsはNよりガリウム化合物のエネルギーバンドが小さい原子であり、長い波長の光を発光する。
【0019】またNの一部がPまたはAsと置換した化合物半導体はGaの一部がInと置換した化合物半導体より格子定数の変化のわりに、エネルギーバンド幅の縮小率が大きいため、GaNやAlx Ga1-x Nなどとの格子整合がとり易く発光部(活性層)の膜厚を厚くすることができ、発光量を増やすことができる。
【0020】さらに前記活性層にドーパントを添加することにより、異なる発光準位が結晶のエネルギーバンドの中にできるため、一層発光波長を長くすることができる。さらにドーパントの組合せにより発光波長に対する発光強度のスペクトルの半値幅を変えることができ、たとえばZnとSeをドーパントとして添加すると、個々のドーパントZn、Seの発光準位と異なる(ZnとSeの足し算ではなく)ZnSeとしての発光準位が定まり発光波長を変えることができる。
【0021】
【実施例】つぎに添付図面を参照しながら本発明の半導体発光素子を説明する。
【0022】図1は本発明の半導体発光素子の断面説明図、図2はその製造工程を示す図、図3は本発明の半導体発光素子の他の実施例の断面説明図である。
【0023】実施例1図1において、1はサファイアなどからなる基板で、その上にn型GaNからなる低温バッファ層2が0.01〜0.2μm程度、n型GaNからなる高温バッファ層3が2〜5μm程度、n型Alx Ga1-x N(0≦x<1)からなるn型クラッド層4を0.1〜0.3μm程度、ノンドープのGaN1-u u (0<u<0.2)からなる活性層5を0.05〜0.1μm程度、p型Alx Ga1-x Nからなるp型クラッド層6を0.1〜0.3μm程度およびp型GaNからなるキャップ層7が0.3〜2μm程度順次積層されている。n型層にするにはSiやGeがドーピングされ、p型層にするにはMgまたはZnがドーピングされる。そして積層された化合物半導体層の少なくともキャップ層7、p型クラッド層6および活性層5の一部がエッチングにより除去されて露出したn型層である高温バッファ層3および積層された最表面のp型層であるキャップ層7にそれぞれn側電極9およびp側電極8が形成されている。
【0024】本発明では活性層5の化合物半導体をGaN1-u u にして、クラッド層4、6の材料よりバンドギャップエネルギーを小さくするだけでなく、Nの一部をPと置換したGaN1-u u にしたことに特徴がある。このPの割合は好ましくはuの値が0.01〜0.1、さらに好ましくは0.02〜0.05に選ばれる。Pの割合が多すぎると発光波長が長くなりすぎること、深い準位からの発光が大きくなることとなり、少なすぎると目標とする波長まで長くならないからである。
【0025】Nの一部がPと置換されることによりエネルギーバンド幅が小さくなり、発光波長を長くすることができる。Pの組成比を多くする程発光波長を長くすることができるが、格子定数や、結晶としての膜質の理由から前述の範囲で選定され、発光波長として490〜520nmの発光をすることができる。
【0026】Nの一部をPと置換するのと同じ理由により、Pの代りにまたはPとともにAsをNの一部と置換しても同様に長波長の発光がえられる。Pの代りにAsを使用したばあい、Asの割合としては0.5〜5原子%、さらに好ましくは1〜3原子%に選定される。余り多すぎると発光波長が長くなりすぎること、深い準位からの発光が大きくなることとなり、少なすぎると目標とする波長がえられないからである。またPとAsの両元素をNの一部と置換するばあいにはPとAsの割合は各々前述の範囲内にすることが好ましい。
【0027】前述の実施例では活性層5としてGaN1-u u の例で説明したが、Nの一部の置換のみならず、Gaの一部をInにより置換して、Gay In1-y 1-u u (0<y≦1、0<u<0.2)の組成の半導体としてもさらにバンドギャップエネルギーが小さくなり、また発光波長を長くすることができる。
【0028】さらに前述の実施例では活性層5としてノンドープの例で説明したが、Mg、Zn、Cd、Be、CaまたはMnなどの不純物をドーピングしてp型層にしたり、Si、Se、S、GeまたはTeなどの不純物をドーピングしてn型層にすることにより、エネルギーバンドギャップ中にその不純物特有のエネルギー準位ができこの準位を介しての発光再結合がおこるという理由で発光波長を長くすることができる。これらの不純物の中でも、とくにBe、Mn、Sc、Teなどが比較的深いレベルの準位ができるため発光波長を長くすることができて好ましい。さらに不純物として、たとえばZnとBe、MgとMn、SiとTeとZnなどのように、2種類以上の不純物を混入することにより、足し算以上の長波長発光に寄与する。これはある程度以上、原子濃度が増えると、組み合わせた原子同士の相互作用によって準位ができるためである。
【0029】また、本発明によりチッ化ガリウム系化合物半導体のNの一部をPおよび/またはAsで置換して長波長化を達成しており、Inを添加するのと同様の効果がえられるが、PやAsを添加する方がInを添加するよりも格子整合がなされるため、活性層の膜厚を厚くすることができ、発光効率の増大に寄与する。
【0030】さらに前記実施例では活性層5以外のバッファ層2、3やキャップ層7をGaNで、クラッド層4、6をAlx Ga1-x Nの例で説明したが、クラッド層4、6のバンドギャップエネルギーが活性層のそれより大きくなれば他の組成でもよく、バッファ層2、3などもGaN以外の他の組成のチッ化ガリウム系化合物半導体でもよい。
【0031】つぎに図2を参照しながら、図1のLEDの製法について説明する。
【0032】図2(a)に示されるように、サファイアなどからなる基板1に、MOCVD法によりキャリアガスH2 とともに有機金属化合物ガスであるトリメチルガリウム(以下、TMGという)、NH3 およびドーパントとしてのSiH4 、GeH4 、TeH4 などを供給し、400〜700℃でn型GaN層などのチッ化ガリウム系半導体層からなる低温バッファ層2および700〜1200℃で高温バッファ層3をそれぞれ0.01〜0.2μm、2〜5μm程度づつ成長する。
【0033】ついで前述のガスにさらにトリメチルアルミニウム(以下、TMAという)を加え、n型ドーパントのSi、Ge、Teなどを含有したn型クラッド層4を0.1〜0.3μm程度形成する。
【0034】つぎに前述の原料ガスTMAに代えてターシャリブチルホスフィン(以下、TBPという)を導入し、バンドギャップエネルギーがクラッド層4のそれより小さくなる材料、たとえばGaN1-u u からなる発光部である活性層5を0.05〜0.1μm程度形成する。活性層を変化させることで、発光波長λは495〜520nmまで変化できるようになった。
【0035】さらに、n型クラッド層4の形成に用いたガスと同じ原料のガスで不純物原料ガスをSiH4 に代えてp型不純物としてのMgまたはZnをビスシクロペンタジエニルマグネシウム(以下、Cp2 Mgという)またはジメチル亜鉛(以下、DMZnという)として反応管に導入し、p型クラッド層6であるp型Alx Ga1-x N層を気相成長させる。
【0036】ついでキャップ層7形成のため、前述のバッファ層3と同様のガスで不純物原料ガスとしてCp2 MgまたはDMZnを供給してp型のGaN層を0.3〜1μm程度の厚さに成長させる。キャップ層7は電極と半導体層との接触抵抗を減少させるためのものである。
【0037】そののち図2(b)に示されるように、SiO2 などの保護膜10を半導体層の成長層表面全面に設け、400〜800℃、20〜60分間程度のアニールを行い、p型クラッド層6およびキャップ層7の活性化を図る。
【0038】アニールが完了すると、温度を室温まで下げて、保護膜10をウエットエッチングすることにより除去する。
【0039】ついで、n側の電極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを行い、図2(c)に示されるように保護膜10の除去されたチッ化ガリウム系化合物半導体層の表面のレジストの一部をドライエッチングにより除去し、n型GaN層であるバッファ層3を露出させる。ついで積層された化合物半導体層の表面でp型層に電気的に接続されるAuなどの金属膜からなるp側電極8を、露出した高温バッファ層3表面でn型層に電気的に接続されるAlなどの金属膜からなるn側電極9をそれぞれスパッタリングなどにより形成する(図2(d)参照)。
【0040】つぎに、各チップにダイシングして、LEDチップが形成される。
【0041】前述の活性層5を成長する際にGaN1-v Asv (0<v<1)を成長するばあいは前述のTBPに代えてターシャリブチルアルシン(以下、TBAという)のガスを導入することにより、Gay In1-y 1-u u (0<y<1、0<u<1)を成長するばあいは前述の原料ガスにさらにTMIを導入することにより、Gay In1-y 1-v Asv (0<y<1、0<v<1)を成長するばあいは前記GaN1-v Asv の原料ガスにTMIを導入することによりえられる。
【0042】また活性層5に不純物をドーピングするばあいは、前述の活性層5の成長のための原料ガスにさらに不純物の原料ガスを導入することによりえられる。
【0043】実施例2図3は本発明の半導体発光素子の第2の実施例の断面説明図である。本実施例は前記実施例1のダブルヘテロ接合に代えてホモpn接合のLEDとしたものでチッ化ガリウム系化合物半導体層の成長法や組成の変化は前述の実施例1と同様である。
【0044】図3において、サファイア(Al2 3 単結晶)基板11上に、たとえばn型のGaNなどからなる低温バッファ層12が400〜700℃の低温で、0.01〜0.2μm程度に形成され、その上に700〜1200℃の高温でSiなどをドーピングしたn型のGaN1-u u などからなるn型層13が形成され、さらにその上にMgなどをドーピングしたp型のGaN1-u u などからなるp型層14が形成されてGaN1-u u 層からなるホモpn接合が形成されている。p型層14上には、Au、Alなどからなるp側電極15が設けられ、p型層14の一部がエッチング除去されて露出したn型層13にn側電極16が設けられてpn接合のLEDが形成されている。
【0045】本実施例においてもGaN1-u u の代りにGaN1-v Asv 、Gay In1-y 1-u u 、Gay In1-y 1-v Asv などの他の組成の化合物半導体層を使用することができる。要は発光層として寄与する半導体層のチッ化ガリウム系半導体のNの一部をPおよび/またはAsで置換した組成とすることにより長い波長の発光をする半導体発光素子がえられる。
【0046】また、前記各実施例ではLEDで説明したがLEDのほかに半導体レーザなど種々の半導体発光素子についても本発明を適用できる。
【0047】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、チッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子の発光層にPやAsを加えることにより発光波長の幅の広い発光素子をうることができ、製品価値の高い発光素子をうることができる。また、Inを添加するばあいに比べて格子不整が小さいので、発光層の膜厚を大きくすることができ発光効率を増大することが可能になり、輝度も大きくなる。




 

 


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