ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子
【課題】III族窒化物系化合物半導体発光素子の静電耐圧を向上させること。
【解決手段】スパッタリングによって形成したＡｌＮバッファ層の上に、ＧａＮ層を２μｍ厚程形成すると、その表面は平均約０．９ｎｍ程の凹凸が生じる。ＧａＮ層にドナーをドープした場合は、この凹凸が余り改善されない。一方、ＧａＮ層にアクセプタをドープした場合は、凹凸が１／２程度に改善されることが見出された。この改善により、静電耐圧も向上する。
【解決手段】スパッタリングによって形成したＡｌＮバッファ層の上に、ＧａＮ層を２μｍ厚程形成すると、その表面は平均約０．９ｎｍ程の凹凸が生じる。ＧａＮ層にドナーをドープした場合は、この凹凸が余り改善されない。一方、ＧａＮ層にアクセプタをドープした場合は、凹凸が１／２程度に改善されることが見出された。この改善により、静電耐圧も向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体発光素子は、現在その静電耐圧の向上が求められている。一方、サファイア基板にIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成する際、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成し、その後にエピタキシャル成長させる技術が検討されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サファイア基板に、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成し、その後にドーパント無しでＧａＮ層を形成した場合に、フォトルミネッセンスにより強い蛍光現象がおきることを本願発明者らは見出した。一方、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥにより形成した場合は、その上にドーパント無しでＧａＮ層を形成しても、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成した場合と比較するとほとんどフォトルミネッセンスによる蛍光現象は生じなかった。
【０００４】
本発明者らは、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成したのちに形成するＧａＮ層の表面モホロジーを改善すべく検討を重ね、本願発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、サファイア基板と、その上に形成されたバッファ層と、ドナーをドープされたIII族窒化物系化合物半導体から成り、ｎ電極が形成されたｎ型層とを有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、バッファ層とｎ型層との間に、アクセプタをドープされたIII族窒化物系化合物半導体層を有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である。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、バッファ層はスパッタリングにより形成されたＡｌＮ層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
スパッタリングによって形成したＡｌＮバッファ層の上にＧａＮ層を２μｍ厚程形成すると、その表面は平均約０．９ｎｍ程の凹凸が生じる。ＧａＮ層にドナーをドープした場合はこの凹凸が余り改善されない。一方、ＧａＮ層にアクセプタをドープした場合は凹凸が１／２程度に改善されることが見出された。この改善により静電耐圧も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の適用される半導体発光素子の半導体材料は限定されるものではないが、半導体発光素子をIII族窒化物半導体で構成した場合には、形成する各半導体層は、少なくともAlxGayＩIn1-x-y（N（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体等で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（B）、タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒素（N）の一部をリン（P）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えても良い。
【０００９】
更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００１０】
また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。
【００１１】
また、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が有効である。
【００１２】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
まず、ドーパントの影響を次のように調べた。厚さ３００μｍのサファイア基板のＡ面に、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料とし、基板温度４３０℃にてリアクティブスパッタ法を実行して膜厚３〜３５ｎｍのＡｌＮバッファ層を形成した。次に、窒化ガリウム層を、ＭＯＶＰＥにより２μｍの厚さに形成した。この際、トリメチルガリウムは成長速度〜７０ｎｍ／分で形成した。
【００１４】
窒化ガリウム層に、Ｍｇを２×１０18／ｃｍ3ドープした場合、Ｓｉを２×１０18／ｃｍ3ドープした場合、何もドープしなかった場合の表面の凹凸を観察したところ、Ｍｇドープの場合は平均０．４９ｎｍ、Ｓｉドープの場合は平均０．６７ｎｍ、何もドープしなかった場合は平均０．８６ｎｍ，の凹凸が観察された。これより、スパッタＡｌＮバッファ層の上にＧａＮ層を形成する場合、アクセプタであるＭｇをドープした場合に最も表面の凹凸が抑制された。
【実施例２】
【００１５】
図１の構成の発光ダイオードを形成して、静電耐圧を測定した。サファイア基板１０１上に、スパッタＡｌＮバッファ層１０２、Ｍｇが２×１０18／ｃｍ3ドープされた膜厚２μｍのｉ−ＧａＮ層１０３、膜厚２．５μｍのシリコン(Si)が５×１０18／ｃｍ3ドープされたＧａＮから成るｎ型コンタクト層１０４（高キャリヤ濃度ｎ+層）が形成されている。
【００１６】
このｎ型コンタクト層１０４の上には、膜厚０．３μｍのアンドープＧａＮ層１０５ａと膜厚３０ｎｍのシリコン(Si)が３×１０18／ｃｍ3ドープされたｎ型ＧａＮ層１０５ｂが形成されている。この上にはｎ側超格子層１０６、発光層１０７、ｐ側超格子層１０８が形成されている。更にその上には、膜厚０．３μｍのアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る層１０９、膜厚８０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０20／ｃｍ3ドープされたｐ−ＧａＮ層１１０、マグネシウム（Ｍｇ）が２×１０20／ｃｍ3ドープされた膜厚２０ｎｍのｐ+−ＧａＮ層１１１が形成されている。
【００１７】
ｎ側超格子層１０６は、厚さ２〜５ｎｍのＩｎxＧａ1-xＮ層（０．０６≦ｘ≦０．１４）と厚さ３〜６ｎｍのｎ−ＧａＮ層とを繰り返しにより１０周期の超格子層としたものである。
【００１８】
発光層１０７は、いずれもアンドープ層で形成されており、膜厚３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎと低温成長された膜厚２ｎｍのＧａＮと、高温成長された膜厚４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとを５周期、更に膜厚３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎと低温成長された膜厚２ｎｍのＧａＮと、高温成長された膜厚２．５ｎｍのＧａＮとから形成された。
【００１９】
ｐ側超格子層１０８は、アンドープのＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０５≦ｘ≦０．４）を２．５ｎｍ厚で形成したのち、８４０℃以下の低温成長でマグネシウム（Ｍｇ）が２×１０19／ｃｍ3ドープされた膜厚２ｎｍのＩｎxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．１２）の形成と、マグネシウム（Ｍｇ）が２×１０19／ｃｍ3ドープされたＡｌxＧａ1-xＮ層（０．２５≦ｘ≦０．４）を２．５ｎｍ形成とを５回繰り返して、総膜厚２５ｎｍの超格子層とした。
【００２０】
尚、ｐ電極はｐ＋層１１１の上に膜厚〜３００ｎｍのＩＴＯ電極１２０で構成し、ｎ電極１４０はｎ＋層の上に膜厚約２０ｎｍのバナジウム層１４１と膜厚約２μｍのアルミニウム層１４２とで構成した。また、接続部分を除いて二酸化ケイ素絶縁膜１３０で素子上部を覆った。
【００２１】
このような構成の、発光素子１００を１枚のウエハに多数形成して個々のチップとして分離し、−１０００Ｖの静電耐圧を印加したところ８５％が生存した。
【００２２】
〔比較例〕
上記実施例で、膜厚２μｍのｉ−ＧａＮ層１０３、膜厚２．５μｍのＧａＮから成るｎ型コンタクト層１０４の構成から、ｉ−ＧａＮ層１０３を除き、ｎ型コンタクト層１０４の膜厚を４．５μｍとしたほかは全く同様に形成した発光素子を比較のために静電耐圧を測定した。−１０００Ｖの印加で生存率は２５％であった。
【００２３】
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、III族窒化物系化合物半導体素子として、GaN系の半導体層を用いたが、勿論GaxIn1-xN等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「AlxGayIn1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例２に係る発光素子１００の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０１：サファイア基板
１０２：スパッタＡｌＮバッファ
１０３：ｉ−ＧａＮ：Ｍｇ層
１０４：ｎ+−ＧａＮ層
１０５ａ：アンドープＧａＮ層
１０５ｂ：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層
１０６：ｎ側超格子層
１０７：ＭＱＷ発光層
１０８：ｐ側超格子層
１０９：アンドープＡｌＧａＮ層
１１０：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層
１１１：ｐ+−ＧａＮ：Ｍｇ層
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体発光素子は、現在その静電耐圧の向上が求められている。一方、サファイア基板にIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成する際、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成し、その後にエピタキシャル成長させる技術が検討されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サファイア基板に、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成し、その後にドーパント無しでＧａＮ層を形成した場合に、フォトルミネッセンスにより強い蛍光現象がおきることを本願発明者らは見出した。一方、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥにより形成した場合は、その上にドーパント無しでＧａＮ層を形成しても、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成した場合と比較するとほとんどフォトルミネッセンスによる蛍光現象は生じなかった。
【０００４】
本発明者らは、スパッタリングによってＡｌＮバッファ層を形成したのちに形成するＧａＮ層の表面モホロジーを改善すべく検討を重ね、本願発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、サファイア基板と、その上に形成されたバッファ層と、ドナーをドープされたIII族窒化物系化合物半導体から成り、ｎ電極が形成されたｎ型層とを有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、バッファ層とｎ型層との間に、アクセプタをドープされたIII族窒化物系化合物半導体層を有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である。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、バッファ層はスパッタリングにより形成されたＡｌＮ層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
スパッタリングによって形成したＡｌＮバッファ層の上にＧａＮ層を２μｍ厚程形成すると、その表面は平均約０．９ｎｍ程の凹凸が生じる。ＧａＮ層にドナーをドープした場合はこの凹凸が余り改善されない。一方、ＧａＮ層にアクセプタをドープした場合は凹凸が１／２程度に改善されることが見出された。この改善により静電耐圧も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の適用される半導体発光素子の半導体材料は限定されるものではないが、半導体発光素子をIII族窒化物半導体で構成した場合には、形成する各半導体層は、少なくともAlxGayＩIn1-x-y（N（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体等で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（B）、タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒素（N）の一部をリン（P）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えても良い。
【０００９】
更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００１０】
また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。
【００１１】
また、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が有効である。
【００１２】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
まず、ドーパントの影響を次のように調べた。厚さ３００μｍのサファイア基板のＡ面に、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料とし、基板温度４３０℃にてリアクティブスパッタ法を実行して膜厚３〜３５ｎｍのＡｌＮバッファ層を形成した。次に、窒化ガリウム層を、ＭＯＶＰＥにより２μｍの厚さに形成した。この際、トリメチルガリウムは成長速度〜７０ｎｍ／分で形成した。
【００１４】
窒化ガリウム層に、Ｍｇを２×１０18／ｃｍ3ドープした場合、Ｓｉを２×１０18／ｃｍ3ドープした場合、何もドープしなかった場合の表面の凹凸を観察したところ、Ｍｇドープの場合は平均０．４９ｎｍ、Ｓｉドープの場合は平均０．６７ｎｍ、何もドープしなかった場合は平均０．８６ｎｍ，の凹凸が観察された。これより、スパッタＡｌＮバッファ層の上にＧａＮ層を形成する場合、アクセプタであるＭｇをドープした場合に最も表面の凹凸が抑制された。
【実施例２】
【００１５】
図１の構成の発光ダイオードを形成して、静電耐圧を測定した。サファイア基板１０１上に、スパッタＡｌＮバッファ層１０２、Ｍｇが２×１０18／ｃｍ3ドープされた膜厚２μｍのｉ−ＧａＮ層１０３、膜厚２．５μｍのシリコン(Si)が５×１０18／ｃｍ3ドープされたＧａＮから成るｎ型コンタクト層１０４（高キャリヤ濃度ｎ+層）が形成されている。
【００１６】
このｎ型コンタクト層１０４の上には、膜厚０．３μｍのアンドープＧａＮ層１０５ａと膜厚３０ｎｍのシリコン(Si)が３×１０18／ｃｍ3ドープされたｎ型ＧａＮ層１０５ｂが形成されている。この上にはｎ側超格子層１０６、発光層１０７、ｐ側超格子層１０８が形成されている。更にその上には、膜厚０．３μｍのアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る層１０９、膜厚８０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０20／ｃｍ3ドープされたｐ−ＧａＮ層１１０、マグネシウム（Ｍｇ）が２×１０20／ｃｍ3ドープされた膜厚２０ｎｍのｐ+−ＧａＮ層１１１が形成されている。
【００１７】
ｎ側超格子層１０６は、厚さ２〜５ｎｍのＩｎxＧａ1-xＮ層（０．０６≦ｘ≦０．１４）と厚さ３〜６ｎｍのｎ−ＧａＮ層とを繰り返しにより１０周期の超格子層としたものである。
【００１８】
発光層１０７は、いずれもアンドープ層で形成されており、膜厚３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎと低温成長された膜厚２ｎｍのＧａＮと、高温成長された膜厚４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとを５周期、更に膜厚３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎと低温成長された膜厚２ｎｍのＧａＮと、高温成長された膜厚２．５ｎｍのＧａＮとから形成された。
【００１９】
ｐ側超格子層１０８は、アンドープのＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０５≦ｘ≦０．４）を２．５ｎｍ厚で形成したのち、８４０℃以下の低温成長でマグネシウム（Ｍｇ）が２×１０19／ｃｍ3ドープされた膜厚２ｎｍのＩｎxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．１２）の形成と、マグネシウム（Ｍｇ）が２×１０19／ｃｍ3ドープされたＡｌxＧａ1-xＮ層（０．２５≦ｘ≦０．４）を２．５ｎｍ形成とを５回繰り返して、総膜厚２５ｎｍの超格子層とした。
【００２０】
尚、ｐ電極はｐ＋層１１１の上に膜厚〜３００ｎｍのＩＴＯ電極１２０で構成し、ｎ電極１４０はｎ＋層の上に膜厚約２０ｎｍのバナジウム層１４１と膜厚約２μｍのアルミニウム層１４２とで構成した。また、接続部分を除いて二酸化ケイ素絶縁膜１３０で素子上部を覆った。
【００２１】
このような構成の、発光素子１００を１枚のウエハに多数形成して個々のチップとして分離し、−１０００Ｖの静電耐圧を印加したところ８５％が生存した。
【００２２】
〔比較例〕
上記実施例で、膜厚２μｍのｉ−ＧａＮ層１０３、膜厚２．５μｍのＧａＮから成るｎ型コンタクト層１０４の構成から、ｉ−ＧａＮ層１０３を除き、ｎ型コンタクト層１０４の膜厚を４．５μｍとしたほかは全く同様に形成した発光素子を比較のために静電耐圧を測定した。−１０００Ｖの印加で生存率は２５％であった。
【００２３】
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、III族窒化物系化合物半導体素子として、GaN系の半導体層を用いたが、勿論GaxIn1-xN等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「AlxGayIn1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例２に係る発光素子１００の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０１：サファイア基板
１０２：スパッタＡｌＮバッファ
１０３：ｉ−ＧａＮ：Ｍｇ層
１０４：ｎ+−ＧａＮ層
１０５ａ：アンドープＧａＮ層
１０５ｂ：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層
１０６：ｎ側超格子層
１０７：ＭＱＷ発光層
１０８：ｐ側超格子層
１０９：アンドープＡｌＧａＮ層
１１０：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層
１１１：ｐ+−ＧａＮ：Ｍｇ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、その上に形成されたバッファ層と、ドナーをドープされたIII族窒化物系化合物半導体から成り、ｎ電極が形成されたｎ型層とを有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記バッファ層と前記ｎ型層との間に、アクセプタをドープされたIII族窒化物系化合物半導体層を有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。
【請求項２】
前記バッファ層はスパッタリングにより形成されたＡｌＮ層であ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。
【請求項１】
サファイア基板と、その上に形成されたバッファ層と、ドナーをドープされたIII族窒化物系化合物半導体から成り、ｎ電極が形成されたｎ型層とを有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記バッファ層と前記ｎ型層との間に、アクセプタをドープされたIII族窒化物系化合物半導体層を有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。
【請求項２】
前記バッファ層はスパッタリングにより形成されたＡｌＮ層であ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。
【図１】
【公開番号】特開２００７−９５７８６（Ｐ２００７−９５７８６Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８００５２（Ｐ２００５−２８００５２）
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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