JPH09129931A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 発光出力を大きくする。 【構成】 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基
板の上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３と、ｐ
型ドーパントをドープしてｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層４ａを設けている。ｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層に、アニーリング処理してｐ型電極５を電気的に
接続している。ｐ型電極を電気接続するアニーリング処
理で、ｐ型電極５によって、ｐ型窒化ガリウム系化合物
半導体層から水素の除去されにくい部分にあるｐ型電極
の位置に対応する発光部の発光を弱くして、水素の除去
されやすい部分にあるｐ型電極の位置に対応する発光部
の発光を強くしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として、青色発光ダ
イオード、青色発光レーザーダイオード等の発光デバイ
スに使用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】青色発光ダイオード、青色レーザーダイ
オード等に使用される実用的な半導体材料として、窒化
ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧ
ａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）、窒
化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）
等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。

【０００３】例えば、ＧａＮを用いた青色発光素子はＭ
ＩＳ（Metal-Insulater-Semiconductor）構造のものが
よく知られており、この構造を図１の断面図、および図
２の平面図を用いて説明する。これは基本的に、透光性
基板であるサファイア基板１の上に、ＡｌＮよりなるバ
ッファ層２と、ｎ型ＧａＮ層３と、ｐ型ドーパントをド
ープしたＧａＮ層４よりなる構造を有している。ｐ型ド
ーパントをドープしたＧａＮ層４は、低抵抗の半導体で
はなく、実際は抵抗率が１０⁶Ω・cm以上の高抵抗な半
絶縁体（ｉ型）となっている。

【０００４】さらにｎ型ＧａＮ層３には、例えばＡｌ、
Ｉｎよりなるｎ型電極６（本明細書では、ｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体に形成される電極を全てｎ型電極と
いう。）が形成されている。一方、ｐ型ドーパントをド
ープしたｉ型ＧａＮ層４にも、例えばＡｕ、Ｉｎよりな
るｐ型電極５（同じく、本明細書では、ｐ型ドーパント
がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体に形成され
る電極を全てｐ型電極という。）が形成されている。ｐ
型電極を接続する層は、正確にはｐ型でなくｉ型のＧａ
Ｎ層４である。ただ、このｉ型ＧａＮ層４は、ｐ型ドー
パントをドープしたＧａＮ層４であるので、ここに接続
する電極はｐ型電極という。

【０００５】この構造の青色発光素子は、図２の平面図
に示すように、ｐ型電極５をｉ型ＧａＮ層４の全面に形
成することにより電界を均一に広げ、ＧａＮ層４を全面
発光させて、光をサファイア基板側１から取り出す構造
としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この構造の発光ダイオ
ードは、ｉ型ＧａＮ層４を発光層とし、この発光層にｐ
型電極５を形成している。ところがこの構造の発光ダイ
オードは、順方向電圧が高く、しかも発光出力が低い欠
点がある。順方向電圧が高いのは、ｉ型ＧａＮ層４がほ
ぼ絶縁体だからである。このような高抵抗なｉ型窒化ガ
リウム系化合物半導体を有する発光素子は、順方向電圧
が高く、発光出力は極めて悪い。

【０００７】従って、本発明は、従来の青色発光素子の
発光出力を増大させるという難しい問題を解決すること
を目的に開発されたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は従来技術では
想像もできないような特異な発光状態によって、上記問
題が解決できることを見いだした。即ち、本発明の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板の上に、少な
くともｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型ドー
パントをドープして水素を含むｐ型窒化ガリウム系化合
物半導体層とを成長させている。ｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体層には、アニーリング処理してｐ型電極を電
気的に接続している。さらに、本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、ｐ型電極を電気接続するアニ
ーリング処理で、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の
表面に電気接続されるｐ型電極によって、ｐ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層から水素の除去されにくい部分に
あるｐ型電極の位置に対応する発光部の発光を弱くし
て、水素の除去されやすい部分にあるｐ型電極の位置に
対応する発光部の発光を強くしている。

【０００９】以下、本発明の発光素子を図３を参照して
説明する。この発光素子は、サファイア基板１の上に、
バッファ層２と、ｎ型ＧａＮ層３と、ｐ型ドーパントを
ドープしたｐ型ＧａＮ層４Ａを積層して、ｐ型ＧａＮ層
４Ａに、オーミックコンタクトさせる目的で、アニーリ
ングしたｐ型電極５を接続している。アニーリングする
ときに、ｐ型ＧａＮ層４Ａに含まれる水素が除去されて
ｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗は減少する。ただ、ｐ型ＧａＮ
層４Ａの全体から均一に水素は除去されない。ｐ型Ｇａ
Ｎ層４Ａにｐ型電極５を形成してアニーリングを行う
と、ｐ型電極５の真下の部分からは水素が結晶中から出
ることができず、水素の除去されにくい部分となってｐ
型電極５の下に残ったままとなる。したがって、ｐ型電
極５を形成してアニーリングすることによって、ｐ型電
極５が形成されたｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗を大きく、形
成されない水素の除去されやすい部分の抵抗を小さくで
きる。つまり、ｐ型ＧａＮ層４Ａの電気抵抗の分布を調
整することができる。この状態でｐ型ＧａＮ層４Ａに接
続されたｐ型電極５に通電すると、電流がｐ型電極５の
周縁部に集中して流れ、ｐ型電極５の周縁近傍を他の部
分よりも強く発光させる。即ち、本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子は、図１のｉ型層ＧａＮ層４を
均一に発光させる従来の発光素子とは逆に、ｐ型ＧａＮ
層４Ａと接触抵抗の小さいｐ型電極５の周縁近傍で局部
的に強く発光させることによって、総合的な発光出力を
著しく増大させるのである。以上、図３のホモ接合ＬＥ
Ｄについて説明したが、例えばダブルへテロ構造ＬＥＤ
の場合も同様に、ｐ型電極の周縁近傍で強く発光させる
ことができる。

【００１０】ｐ型電極５、およびｎ型電極６には、例え
ばＡｕ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉまたはこ
れらの金属の合金を使用することができる。ｐ型電極５
の形状はドット、ストライプ、碁盤格子状等任意の形状
で形成することができる。また図４に示すように、互い
に独立してｐ型電極５を形成した後、これらの電極を電
気的に接続するために、導電性材料８でオーバーコート
することもできる。

【００１１】

【作用】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
は、ｐ型ＧａＮ層４Ａ上のｐ型電極５の周縁近傍に電流
が集中して流れるようにして、この部分の発光出力を大
きくできる。例えば、図３に示すように、ｐ型電極５を
設けた発光素子は、電極５によって、ｐ型ＧａＮ層４Ａ
の電気抵抗を変化させることによって電流の流れ方を調
整できる。つまり、ｐ型電極５が形成されたｐ型ＧａＮ
層の電気抵抗がアニーリングにより変化される。この結
果、ｐ型電極５を形成した下部であって、ｐ型電極５で
水素が除去されにくい部分となるｐ型ＧａＮ層４Ａの電
気抵抗を、ｐ型電極５の形成されない、水素が除去され
やすいｐ型ＧａＮ層４Ａに比較して大きくしている。こ
の構造の発光素子は、ｐ型電極５が形成された直下部で
ある、水素の除去されにく部分のｐ型ＧａＮ層は抵抗が
大きいので、電流が流れにくく、ｐ型電極５周縁下部の
ｐ型ＧａＮ層は抵抗が小さいので電流が流れやすい。従
って、ｐ型電極５の周縁部に電流が集中しやすいので、
この部分に相当する発光部の発光出力を大きくすること
ができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。但し、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具
体化するための発光素子を例示するものであって、本発
明の発光素子は、構成部品の化学組成、全体の構造や配
置等を下記のものに特定するものではない。本発明の発
光素子は特許請求の範囲の要旨に含まれる範囲で変更す
ことができる。

【００１３】図３に示す窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子は、透光性基板であるサファイア基板１のＣ面
に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮバッファ層２を２
００オングストロームの膜厚で成長させている。ＧａＮ
バッファ層２の上にＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層３を
４μｍの膜厚で成長させている。さらにｎ型ＧａＮ層の
上に、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層４Ａを設け、ｐ型
ＧａＮ層４Ａの上にはｐ型電極５をｎ型ＧａＮ層の上に
はｎ型電極６を設けている。

【００１４】図３に示す発光素子は、ｐ型ＧａＮ層４Ａ
と、ｎ型ＧａＮ層３の上にそれぞれｐ型電極５と、ｎ型
電極６を設けている。電極５、６は下記のようにして形
成される。 ｐ型ＧａＮ層４Ａの上にフォトレジストで所定のパ
ターンを作成する。 ｐ型ＧａＮ層４Ａの一部をｎ型ＧａＮ層３が露出す
るまでエッチングする。 エッチング終了後レジストを剥離し、再度フォトレ
ジストで電極５、６のパターンを作成する。 ｎ型ＧａＮ層３にはＡｌを蒸着し、ｐ型ＧａＮ層４
ＡにはＮｉを蒸着して、それぞれｎ型電極６、ｐ型電極
５とする。なおｐ型電極は幅３０μｍのストライプと
し、ストライプ間隔も１０μｍとして１チップに１５本
設ける。両電極形成後、７００℃でウエハーをアニーリ
ングする。 ｐ型ＧａＮ層４Ａに設けたストライプ状のｐ型電極
５を電気的に接続するために、図４に示すように、ｐ型
電極５の上にＡｕ、Ｉｎ等の導電性材料８を蒸着する。

【００１５】図３に示す発光素子は、ｐ型電極５が形成
されたｐ型ＧａＮ層４Ａと、形成されないｐ型ＧａＮ層
４Ａとの電気抵抗をアニーリングにより変化させて調整
する。この結果、アニーリング処理において水素の除去
されにくい部分となるｐ型電極５を形成した下部のｐ型
ＧａＮ層４Ａの電気抵抗を、水素の除去されやすい部分
であるｐ型電極の形成されないｐ型ＧａＮ層４Ａに比較
して大きくしている。この構造の発光素子は、ｐ型電極
５が形成された下部のｐ型ＧａＮ層は抵抗が大きいので
電流が流れにくく、ｐ型電極５の周縁下部のｐ型ＧａＮ
層４Ａの抵抗は小さいので、電流が流れやすい。したが
ってｐ型電極５の周縁部に集中して電流が流れ、この部
分の発光出力を大きくすることができる。

【００１６】本発明の発光素子は、アニーリング処理し
てｐ型電極５を形成した下部のｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗
を大きくし、形成しないｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗を小さ
くする。ｐ型ＧａＮ層４Ａにｐ型電極５を形成した後、
ｐ型電極５が形成されないｐ型ＧａＮ層中に含まれる水
素を除去することでこの状態を実現できる。ｐ型ＧａＮ
層４Ａの電気抵抗は、ｐ型ＧａＮ層４Ａ中に含まれる水
素によって高くなっている。ＧａＮ層を成長させる時
に、ＧａＮ層に水素が含まれる。ＧａＮ層を成長させる
時に水素を完全に除くことは極めて難しい。それはＧａ
Ｎ層成長時に窒素源としてアンモニア等の水素と窒素を
含む化合物ガスを使用し、このアンモニアが成長時に分
解して、原子状水素ができ、この水素原子がどうしても
アクセプターとしてドープされているｐ型ドーパント
（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ）と結合して、ｐ型ドーパントを
不活性化してしまうためである。したがって原子状水素
がｐ型ＧａＮ層中に入ると、水素はアクセプタードーパ
ントを不活性化して、ｐ型ＧａＮを高抵抗化してしま
う。

【００１７】ｐ型ＧａＮ層４Ａ中の水素は、例えば４０
０℃以上でアニーリングすることにより除去できる。つ
まり、ＧａＮ層中で、Ｍ−Ｈの状態で結合しているｐ型
ドーパント（Ｍ）と水素（Ｈ）から、水素のみが出てい
くことによりアクセプタードーパントが活性化し正孔が
できる。正孔の発生はｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗をさらに
低下させる。ｐ型ＧａＮ層４Ａにｐ型電極５を形成した
状態で、例えば、７００℃でアニーリングを行うと、ｐ
型電極５の真下は、水素の除去されにくい部分となっ
て、この部分からは水素が結晶中から出ることができ
ず、ｐ型電極５の下に残ったままとなる。したがって、
ｐ型電極５を形成してアニーリングすることによって、
ｐ型電極５が形成されたｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗を大き
く、形成されない部分の抵抗を小さくできる。つまり、
ｐ型ＧａＮ層４Ａの電気抵抗の分布を調整することがで
きる。以上のように、ｐ型電極５は、ｐ型ＧａＮ層４Ａ
から水素が除去されるのを抑制する。ｐ型ＧａＮ層４Ａ
は、ｐ型電極のない部分では速やかに水素が除去される
が、ｐ型電極４Ａで覆われる部分は、ｐ型電極４Ａによ
って水素の除去が阻害される。したがって、ｐ型ＧａＮ
層にｐ型電極を積層する窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子は、ｐ型電極をアニーリング処理して電気接続す
るときに、ｐ型電極によって、ｐ型ＧａＮ層を、水素の
除去されやすい部分と水素の除去されにくい部分とす
る。アニーリングを行う場合、水素を含まない雰囲気中
で行うことが望ましく、アンモニア、ヒドラジン等の水
素を含む雰囲気中で行うと、ｐ型ＧａＮ層に再吸蔵され
る恐れがある。

【００１８】以上のようにして得られた発光素子は、通
電すると、図３の矢印Ａで示すｐ型電極５の周縁部分で
電流が多く流れる。それは、ｐ型電極５を形成した下部
のｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗が大きく、形成されない部分
の抵抗が小さいからである。従って、矢印Ａで示すｐ型
電極５の周縁部に集中して電流が流れ、この部分が高い
発光出力で発光する。

【００１９】最後にウエハーを１×０．８ｍｍ角のチッ
プ状にカットして発光ダイオードに組み込んで発光させ
ると順方向電流２０ｍＡにおいて、順方向電圧５Ｖで４
３０ｎｍの発光を示し、発光出力は１０μＷであった。

【００２０】図５は異なる構造のｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体の発光素子を示している。この発光素子も、
ＭＯＣＶＤ装置を用いて、サファイア基板１のＣ面にＧ
ａＮバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長
させている。ＧａＮバッファ層２の上に、Ｓｉをドープ
したｎ型ＧａＮ層３を４μｍの膜厚で成長させ、さらに
ｎ型ＧａＮ層３の上に、ｐ型またはｎ型のＩｎＧａＮ層
９を１００オングストロームの膜厚で成長させ、このＩ
ｎＧａＮ層９の上にＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層４Ａ
を設け、ｎ型ＧａＮ層３とｐ型ＧａＮ層４Ａの上にｎ型
電極６とｐ型電極５とを形成している。

【００２１】この構造の発光素子においても、ｐ型電極
５が形成された部分のｐ型ＧａＮ層４Ａの抵抗を、形成
されない部分よりも大きくしている。この構造の発光素
子はｐ型電極５とｎ型電極６とに通電すると、ＩｎＧａ
Ｎ層９が発光し、ｐ型電極周縁近傍のＩｎＧａＮ層９の
強い発光をサファイア基板側から観測できる。同じくこ
の発光素子を発光ダイオードとしたところ、順方向電圧
２０ｍＡにおいて、順方向電圧５Ｖで４２０ｎｍの発光
を示し、発光出力は３００μＷであった。

【００２２】図３と図５に示す発光素子は、ｐ型ＧａＮ
層４Ａの上に、図６に示すようにストライプ状のｐ型電
極５を設けている。この図に示すｐ型電極はｐ型窒化ガ
リウム系化合物半導体のほぼ全面に設けられている。ｐ
型電極５は図７ないし図９に示すように形成することも
できる。図７に示すｐ型電極５は碁盤格子状に、図８に
示すｐ型電極５は点状に、図９に示すｐ型電極５は同心
円の線状に形成されている。つまり、ｐ型電極５の形状
は特に問うものではない。

【００２３】

【発明の効果】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子は、ｐ型電極を電気接続するアニーリング処理
で、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を、水素の除去
されにくい部分の発光を弱くして、水素の除去されやす
い部分の発光を強くしている。アニーリング処理で、ｐ
型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を、水素の除去
されにくい部分とするｐ型電極は、光も透過させ難くす
る。いいかえると、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
を被覆して、光を透過させ難いｐ型電極は、アニーリン
グ処理のときには水素も透過させ難くする。それは、光
も透過させない状態で、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導
体層を被覆するｐ型電極は、アニーリング処理において
も、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層から除去される
水素も透過させ難いからである。本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子は、水素の除去されにくい部分
の発光、すなわち、光を透過させて難い部分の発光を弱
くして、水素の除去されやすい部分、すなわち、光を透
過させやすい部分の発光を強くする。このため、発光を
有効に出力として取り出しできる部分を強く発光させ
て、全体としての発光出力を大きくできる。

【００２４】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子は、アニーリングにより、ｐ型ＧａＮ層から水素が
追い出されて低抵抗化される。低抵抗化される部分は、
ｐ型ＧａＮ層表面に形成されているｐ型電極による。ｐ
型電極が形成されていない部分のｐ型ＧａＮ層は水素が
抜けやすく、ｐ型電極が形成された部分のｐ型ＧａＮ層
からは水素が抜けにくい。従って、例えば電極周縁部に
電流が流れやすくなって、その周縁部が電極の中心部よ
りも強く発光するようになる。このため、細い線状のｐ
型電極を長く設けることにより、あるいは点状のｐ型電
極を多く設けることによって、ｐ型層の低抵抗部分を多
くして発光出力を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の発光素子の一例を示す断面図。

【図２】 図１に示す発光素子の平面図。

【図３】 本発明の一実施例を示す発光素子の断面図。

【図４】 図３に示すｐ型電極の上に導電性材料をオー
バーコートした状態を示す断面図。

【図５】 本発明の他の実施例に係る発光素子の断面
図。

【図６】 ｐ型電極の形状の他の具体例を示す平面図。

【図７】 ｐ型電極の形状の他の具体例を示す平面図。

【図８】 ｐ型電極の形状の他の具体例を示す平面図。

【図９】 ｐ型電極の形状の他の具体例を示す平面図。

【符号の説明】

１・・サファイア基板 ２・・バッファ層 ３・・ｎ型ＧａＮ層 ４・・ｉ型ＧａＮ層 ４Ａ・ｐ型ＧａＮ層 ５・・ｐ型電極 ６・・ｎ型電極 ８・・導電性材料 ９・・ＩｎＧａＮ層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に、少なくともｎ型窒化ガリウ
   ム系化合物半導体層と、ｐ型ドーパントをドープして水
   素を含むｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが成長さ
   れており、 前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に、アニーリン
   グ処理してｐ型電極を電気的に接続しており、 さらに、ｐ型電極を電気接続するアニーリング処理で、
   ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に電気接続さ
   れるｐ型電極によって、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導
   体層から水素の除去されにくい部分にあるｐ型電極の位
   置に対応する発光部の発光を弱くして、水素の除去され
   やすい部分にあるｐ型電極の位置に対応する発光部の発
   光を強くしてな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。