JPH10284802A - 窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物系化合物半導体発光素子Info
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- JPH10284802A JPH10284802A JP8793597A JP8793597A JPH10284802A JP H10284802 A JPH10284802 A JP H10284802A JP 8793597 A JP8793597 A JP 8793597A JP 8793597 A JP8793597 A JP 8793597A JP H10284802 A JPH10284802 A JP H10284802A
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- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims 4
- 240000002329 Inga feuillei Species 0.000 abstract 1
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 結晶基板上に形成した窒化物系化合物半導体
膜中で生じる欠陥成長およびクラック発生を抑制する。 【解決手段】 サファイア基板１上にｎ型ＧａＮクラッ
ド層２、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３、ｐ型ＧａＮクラッド
層４、ｐ型電極５を順次に積層形成する。また、ｎ型Ｇ
ａＮクラッド層２にｎ型電極６を形成する。サファイア
基板１の膜厚を５０μｍとし、ｎ型ＧａＮクラッド層２
の膜厚を６０μｍとすることにより、サファイア基板１
の膜厚をｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚より小さくす
る。
膜中で生じる欠陥成長およびクラック発生を抑制する。 【解決手段】 サファイア基板１上にｎ型ＧａＮクラッ
ド層２、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３、ｐ型ＧａＮクラッド
層４、ｐ型電極５を順次に積層形成する。また、ｎ型Ｇ
ａＮクラッド層２にｎ型電極６を形成する。サファイア
基板１の膜厚を５０μｍとし、ｎ型ＧａＮクラッド層２
の膜厚を６０μｍとすることにより、サファイア基板１
の膜厚をｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚より小さくす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、短波長光源などに
用いる窒化物系化合物半導体発光素子に関するものであ
る。
用いる窒化物系化合物半導体発光素子に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＮ（窒化ガリウム）、Ｉｎ
Ｎ、ＡｌＮなどの窒化物系化合物半導体は、伝導帯の最
小点と価電子帯の最大点とが互いに近い波数位置にある
直接遷移型であり、かつ広いエネルギーギャップを有す
ることから、短波長光源や耐環境デバイスの材料として
脚光を浴びている。例えば、ＧａＮは室温で約３．４ｅ
Ｖの広いエネルギーギャップを有し、青色領域から紫外
領域の発光素子の有望な材料である。
Ｎ、ＡｌＮなどの窒化物系化合物半導体は、伝導帯の最
小点と価電子帯の最大点とが互いに近い波数位置にある
直接遷移型であり、かつ広いエネルギーギャップを有す
ることから、短波長光源や耐環境デバイスの材料として
脚光を浴びている。例えば、ＧａＮは室温で約３．４ｅ
Ｖの広いエネルギーギャップを有し、青色領域から紫外
領域の発光素子の有望な材料である。
【０００３】窒化物系化合物半導体結晶の成膜には、一
般的に有機金属気相蒸着法（以下、ＭＯＣＶＤ法とい
う）を用いる。例えばＧａＮ結晶の成膜の場合には、原
料としてトリメチルガリウムとアンモニアとを用い、高
温に加熱された基板上にトリメチルガリウムが分解して
得られるＧａと、アンモニアが分解して得られるＮとを
付着させ、ＧａＮの単結晶膜を成長させる。
般的に有機金属気相蒸着法（以下、ＭＯＣＶＤ法とい
う）を用いる。例えばＧａＮ結晶の成膜の場合には、原
料としてトリメチルガリウムとアンモニアとを用い、高
温に加熱された基板上にトリメチルガリウムが分解して
得られるＧａと、アンモニアが分解して得られるＮとを
付着させ、ＧａＮの単結晶膜を成長させる。
【０００４】現在、ＧａＮ系化合物半導体結晶を成膜さ
せる基板として、サファイア基板が一般的に利用されて
いる。しかしながら、サファイア基板の格子定数がａ＝
４．７６Å、ｃ＝１２．９９Åであるのに対し、ＧａＮ
結晶の格子定数はａ＝３．１９Å、ｃ＝５．１９Åであ
り、これらに大きな格子不整が存在するため、ＭＯＣＶ
Ｄ法での膜成長中に、サファイア基板とＧａＮ結晶との
界面からＧａＮ内に１０10ｃｍ-3以上の積層欠陥が発生
する。また、サファイア基板とＧａＮ結晶とは熱膨張係
数が異なるため、ＭＯＣＶＤ法での室温と１０００℃以
上の高温との間での昇温・降温ルーチン中に、ＧａＮ結
晶内で欠陥が成長したり、クラックが発生したりする。
つまり、サファイア基板に成長させたＧａＮ結晶はその
結晶性が良くない。
せる基板として、サファイア基板が一般的に利用されて
いる。しかしながら、サファイア基板の格子定数がａ＝
４．７６Å、ｃ＝１２．９９Åであるのに対し、ＧａＮ
結晶の格子定数はａ＝３．１９Å、ｃ＝５．１９Åであ
り、これらに大きな格子不整が存在するため、ＭＯＣＶ
Ｄ法での膜成長中に、サファイア基板とＧａＮ結晶との
界面からＧａＮ内に１０10ｃｍ-3以上の積層欠陥が発生
する。また、サファイア基板とＧａＮ結晶とは熱膨張係
数が異なるため、ＭＯＣＶＤ法での室温と１０００℃以
上の高温との間での昇温・降温ルーチン中に、ＧａＮ結
晶内で欠陥が成長したり、クラックが発生したりする。
つまり、サファイア基板に成長させたＧａＮ結晶はその
結晶性が良くない。
【０００５】そこで、現在広く採用されている技術とし
て、サファイア基板とＧａＮ結晶との間にバッファ層を
導入する方法がある。この方法により、サファイア基板
とＧａＮ結晶との格子不整によるストレスが緩和され、
積層欠陥の発生が抑制される。また、昇降温時の熱膨張
係数の相違によるストレスも緩和され、ＧａＮ結晶内の
欠陥成長やクラック発生が抑制される。
て、サファイア基板とＧａＮ結晶との間にバッファ層を
導入する方法がある。この方法により、サファイア基板
とＧａＮ結晶との格子不整によるストレスが緩和され、
積層欠陥の発生が抑制される。また、昇降温時の熱膨張
係数の相違によるストレスも緩和され、ＧａＮ結晶内の
欠陥成長やクラック発生が抑制される。
【０００６】バッファ層として、特開平４−２９７０２
３号公報に記載されているように、ＧａＮ膜を使用する
ことが非常に効果的であり、また、この技術を用いて発
光ダイオードを作製した場合に、従来の発光ダイオード
の１０倍以上の輝度が得られることが確認されている。
３号公報に記載されているように、ＧａＮ膜を使用する
ことが非常に効果的であり、また、この技術を用いて発
光ダイオードを作製した場合に、従来の発光ダイオード
の１０倍以上の輝度が得られることが確認されている。
【０００７】図４に、従来の技術を用いて作製した窒化
物系化合物半導体発光素子の一例である発光ダイオード
の構造例を示す。
物系化合物半導体発光素子の一例である発光ダイオード
の構造例を示す。
【０００８】この発光ダイオードの作製方法は、サファ
イア基板１１上にｎ型ＧａＮクラッド層１２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層１３、ｐ型ＧａＮクラッド層１４を順に積
層形成し、ダブルヘテロ接合（ＤＨ）構造を完成させ
る。次にｐ型電極１５を形成し、マスク合わせ、エッチ
ングを行い、最後にｎ型ＧａＮクラッド層１２の被エッ
チ部分にｎ型電極１６を形成する。ここでサファイア基
板１１の膜厚は１５０μｍ、ｎ型ＧａＮクラッド層１２
の膜厚は５０μｍである。
イア基板１１上にｎ型ＧａＮクラッド層１２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層１３、ｐ型ＧａＮクラッド層１４を順に積
層形成し、ダブルヘテロ接合（ＤＨ）構造を完成させ
る。次にｐ型電極１５を形成し、マスク合わせ、エッチ
ングを行い、最後にｎ型ＧａＮクラッド層１２の被エッ
チ部分にｎ型電極１６を形成する。ここでサファイア基
板１１の膜厚は１５０μｍ、ｎ型ＧａＮクラッド層１２
の膜厚は５０μｍである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の窒化物系化合物半導体発光素子には、以下のような
問題があった。
来の窒化物系化合物半導体発光素子には、以下のような
問題があった。
【００１０】すなわち、結晶基板と窒化物系化合物半導
体膜との間にバッファ層を導入することにより積層欠陥
やクラックの発生は抑制されるが、それでも窒化物系化
合物半導体膜形成後に膜中に１０10ｃｍ-3程度の積層欠
陥が存在する。例えば、この状態で素子を作製した場合
にはリーク電流が発生し、量子効率の低下による発光不
良や素子破壊が起こる。特に発光部に積層欠陥が導入さ
れた場合には、加速度的に素子破壊が進行し素子寿命の
著しい低下が起こる。
体膜との間にバッファ層を導入することにより積層欠陥
やクラックの発生は抑制されるが、それでも窒化物系化
合物半導体膜形成後に膜中に１０10ｃｍ-3程度の積層欠
陥が存在する。例えば、この状態で素子を作製した場合
にはリーク電流が発生し、量子効率の低下による発光不
良や素子破壊が起こる。特に発光部に積層欠陥が導入さ
れた場合には、加速度的に素子破壊が進行し素子寿命の
著しい低下が起こる。
【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の問題を解
消し、窒化物系化合物半導体膜中で生じる欠陥成長、ク
ラック発生を抑制することのできる窒化物系化合物半導
体発光素子を提供することにある。
消し、窒化物系化合物半導体膜中で生じる欠陥成長、ク
ラック発生を抑制することのできる窒化物系化合物半導
体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物系化合物
半導体発光素子は、結晶基板上またはこの結晶基板上に
形成したバッファ層上に、Ａｌ(1-X)ＧａXＮ（０≦Ｘ≦
１）で表される窒化物系化合物半導体膜を形成した窒化
物系化合物半導体発光素子であって、前記結晶基板の膜
厚が前記窒化物系化合物半導体膜の膜厚より小さいこと
を特徴とする。
半導体発光素子は、結晶基板上またはこの結晶基板上に
形成したバッファ層上に、Ａｌ(1-X)ＧａXＮ（０≦Ｘ≦
１）で表される窒化物系化合物半導体膜を形成した窒化
物系化合物半導体発光素子であって、前記結晶基板の膜
厚が前記窒化物系化合物半導体膜の膜厚より小さいこと
を特徴とする。
【００１３】この構成により、窒化物系化合物半導体膜
形成時の昇降温に伴う歪みを選択的に結晶基板側に発生
させ、窒化物系化合物半導体膜内での欠陥成長、クラッ
ク発生を抑制することが可能となる。
形成時の昇降温に伴う歪みを選択的に結晶基板側に発生
させ、窒化物系化合物半導体膜内での欠陥成長、クラッ
ク発生を抑制することが可能となる。
【００１４】また、本発明においては前記結晶基板の膜
厚を前記窒化物系化合物半導体膜の膜厚より１０μｍ以
上小さくすることが好ましい。
厚を前記窒化物系化合物半導体膜の膜厚より１０μｍ以
上小さくすることが好ましい。
【００１５】この構成により、窒化物系化合物半導体膜
形成時の昇降温に伴う歪みを選択的に結晶基板側に発生
させ、窒化物系化合物半導体膜内での欠陥成長、クラッ
ク発生を防止することが可能となる。特にＭＯＣＶＤ法
で１０００℃以上の高温成膜処理をする必要があるプロ
セスにおいて有効である。
形成時の昇降温に伴う歪みを選択的に結晶基板側に発生
させ、窒化物系化合物半導体膜内での欠陥成長、クラッ
ク発生を防止することが可能となる。特にＭＯＣＶＤ法
で１０００℃以上の高温成膜処理をする必要があるプロ
セスにおいて有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。
て、図面を用いて説明する。
【００１７】図１は、本発明にかかる発光ダイオードの
構造図である。サファイア基板１上にｎ型ＧａＮクラッ
ド層２、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３、ｐ型ＧａＮクラッド
層４、ｐ型電極５を順次に積層形成してある。また、ｎ
型ＧａＮクラッド層２にはｎ型電極６も形成してある。
作製方法は従来の手順通りであるが、サファイア基板１
の膜厚は５０μｍ、ｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚は６
０μｍである。サファイア基板１の膜厚は従来例に比べ
１／３になり、またｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚に比
べ１０μｍ小さくなっている。この構成により、熱膨張
係数の相違による歪みを選択的に結晶基板側に発生さ
せ、結晶基板上に形成した窒化物系化合物半導体膜の結
晶性を向上させることができる。
構造図である。サファイア基板１上にｎ型ＧａＮクラッ
ド層２、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３、ｐ型ＧａＮクラッド
層４、ｐ型電極５を順次に積層形成してある。また、ｎ
型ＧａＮクラッド層２にはｎ型電極６も形成してある。
作製方法は従来の手順通りであるが、サファイア基板１
の膜厚は５０μｍ、ｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚は６
０μｍである。サファイア基板１の膜厚は従来例に比べ
１／３になり、またｎ型ＧａＮクラッド層２の膜厚に比
べ１０μｍ小さくなっている。この構成により、熱膨張
係数の相違による歪みを選択的に結晶基板側に発生さ
せ、結晶基板上に形成した窒化物系化合物半導体膜の結
晶性を向上させることができる。
【００１８】図２は、サファイア基板（膜厚１５０μ
ｍ）上に形成したアンドープＧａＮ結晶（膜厚５０μ
ｍ、試料１とする）のキャリア濃度と、サファイア基板
（膜厚５０μｍ）上に形成したアンドープＧａＮ結晶
（膜厚６０μｍ、試料２とする）のキャリア濃度とを比
較した図である。試料１のキャリア濃度が１０18ｃｍ-3
以上であるのに対し、試料２のキャリア濃度は１０15ｃ
ｍ-3以下である。これは、試料２ではドナーとして作用
する結晶欠陥が大幅に減少していることを示す。つま
り、試料２ではＧａＮの結晶性が改善されていることが
わかる。このことはアンドープＧａＮ結晶を本発明にか
かるｎ型ＧａＮ結晶に替えても同様の結果が得られる。
ｍ）上に形成したアンドープＧａＮ結晶（膜厚５０μ
ｍ、試料１とする）のキャリア濃度と、サファイア基板
（膜厚５０μｍ）上に形成したアンドープＧａＮ結晶
（膜厚６０μｍ、試料２とする）のキャリア濃度とを比
較した図である。試料１のキャリア濃度が１０18ｃｍ-3
以上であるのに対し、試料２のキャリア濃度は１０15ｃ
ｍ-3以下である。これは、試料２ではドナーとして作用
する結晶欠陥が大幅に減少していることを示す。つま
り、試料２ではＧａＮの結晶性が改善されていることが
わかる。このことはアンドープＧａＮ結晶を本発明にか
かるｎ型ＧａＮ結晶に替えても同様の結果が得られる。
【００１９】図３は、図２の各試料の発光スペクトルを
比較した図である。試料１のスペクトル（曲線Ａ）に
は、バンド端発光（３５０〜４２５ｎｍ）以外に、４５
０〜７００ｎｍの波長においてブロードな発光が出現す
るのに対し、試料２の発光スペクトル（曲線Ｂ）にはこ
のようなブロードな発光は出現しない。このブロードな
発光は結晶欠陥によるものであり、アンドープＧａＮの
結晶性が悪いことを示す。試料２の発光スペクトルで
は、このようなブロードな発光が消失していることか
ら、試料２ではＧａＮの結晶性が改善されていることが
わかる。このこともアンドープＧａＮ結晶をｎ型ＧａＮ
結晶に替えても同様の結果が得られる。
比較した図である。試料１のスペクトル（曲線Ａ）に
は、バンド端発光（３５０〜４２５ｎｍ）以外に、４５
０〜７００ｎｍの波長においてブロードな発光が出現す
るのに対し、試料２の発光スペクトル（曲線Ｂ）にはこ
のようなブロードな発光は出現しない。このブロードな
発光は結晶欠陥によるものであり、アンドープＧａＮの
結晶性が悪いことを示す。試料２の発光スペクトルで
は、このようなブロードな発光が消失していることか
ら、試料２ではＧａＮの結晶性が改善されていることが
わかる。このこともアンドープＧａＮ結晶をｎ型ＧａＮ
結晶に替えても同様の結果が得られる。
【００２０】以上、図２、図３に示した評価結果からも
明らかな通り、本発明の一実施の形態の発光ダイオード
において、結晶基板の膜厚を窒化物系化合物半導体膜の
膜厚より小さくしたことにより、窒化物系化合物半導体
の膜中での結晶欠陥の成長およびクラックの発生が大幅
に抑制されていることがわかる。
明らかな通り、本発明の一実施の形態の発光ダイオード
において、結晶基板の膜厚を窒化物系化合物半導体膜の
膜厚より小さくしたことにより、窒化物系化合物半導体
の膜中での結晶欠陥の成長およびクラックの発生が大幅
に抑制されていることがわかる。
【００２１】なお、本発明においては、結晶基板として
サファイア基板以外の導電性結晶基板や絶縁性結晶基板
を用いることもできる。
サファイア基板以外の導電性結晶基板や絶縁性結晶基板
を用いることもできる。
【００２２】また、窒化物系化合物半導体膜やバッファ
層を形成するのに、ＭＯＣＶＤ法以外の液相エピタキシ
ャル成長法、気相蒸着法、分子線エピタキシャル成長法
などのエピタキシャル成長法を用いることもできる。
層を形成するのに、ＭＯＣＶＤ法以外の液相エピタキシ
ャル成長法、気相蒸着法、分子線エピタキシャル成長法
などのエピタキシャル成長法を用いることもできる。
【００２３】また、バッファ層としてＧａＡｓ以外のII
I／V族化合物半導体薄膜やII／VI族化合物半導体薄膜や
酸化物薄膜や金属薄膜を単層、または複数層で用いるこ
とができる。
I／V族化合物半導体薄膜やII／VI族化合物半導体薄膜や
酸化物薄膜や金属薄膜を単層、または複数層で用いるこ
とができる。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結晶基板上またはこの結晶基板上に形成したバッファ層
上に形成したＡｌ(1-X)ＧａXＮ（０≦Ｘ≦１）で表され
る窒化物系化合物半導体膜の結晶性が優れ、発光不良や
素子破壊のない窒化物系化合物半導体発光素子を提供す
ることができる。
結晶基板上またはこの結晶基板上に形成したバッファ層
上に形成したＡｌ(1-X)ＧａXＮ（０≦Ｘ≦１）で表され
る窒化物系化合物半導体膜の結晶性が優れ、発光不良や
素子破壊のない窒化物系化合物半導体発光素子を提供す
ることができる。
【図１】本発明の一実施の形態である発光ダイオードの
断面図
断面図
【図２】サファイア基板およびＧａＮ結晶の膜厚による
キャリア濃度の比較図
キャリア濃度の比較図
【図３】サファイア基板およびＧａＮ結晶の膜厚による
発光スペクトルの比較図
発光スペクトルの比較図
【図４】従来の発光ダイオードの断面図
１ サファイア基板 ２ ｎ型ＧａＮクラッド層 ３ ｎ型ＩｎＧａＰ活性層 ４ ｐ型ＧａＮクラッド層 ５ ｐ型電極 ６ ｎ型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 忠朗 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内 (72)発明者 石田 昌宏 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内 (72)発明者 杉野 隆 大阪府豊中市上新田３丁目４番１号322号 室
Claims (2)
- 【請求項１】 結晶基板上またはこの結晶基板上に形成
したバッファ層上に、Ａｌ(1-X)ＧａXＮ（０≦Ｘ≦１）
で表される窒化物系化合物半導体膜を形成した窒化物系
化合物半導体発光素子であって、前記結晶基板の膜厚が
前記窒化物系化合物半導体膜の膜厚より小さいことを特
徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記結晶基板の膜厚が前記窒化物系化合
物半導体膜の膜厚より１０μｍ以上小さいことを特徴と
する請求項１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8793597A JPH10284802A (ja) | 1997-04-07 | 1997-04-07 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8793597A JPH10284802A (ja) | 1997-04-07 | 1997-04-07 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10284802A true JPH10284802A (ja) | 1998-10-23 |
Family
ID=13928774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8793597A Pending JPH10284802A (ja) | 1997-04-07 | 1997-04-07 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10284802A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001253800A (ja) * | 2000-03-13 | 2001-09-18 | Namiki Precision Jewel Co Ltd | 薄型サファイヤ基板 |
| WO2008153130A1 (ja) | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体の製造方法 |
| JP2011093803A (ja) * | 2011-02-02 | 2011-05-12 | Jx Nippon Mining & Metals Corp | 窒化ガリウム系化合物半導体単結晶の製造方法 |
| US8115222B2 (en) | 2008-01-16 | 2012-02-14 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and fabrication method for the semiconductor light emitting device |
| US8144743B2 (en) | 2008-03-05 | 2012-03-27 | Rohm Co., Ltd. | Nitride based semiconductor device and fabrication method for the same |
| US8415682B2 (en) | 2007-12-28 | 2013-04-09 | Rohm Co., Ltd. | Light emitting semiconductor device having an improved outward luminosity efficiency and fabrication method for the light emitting semiconductor device |
| JP2018110172A (ja) * | 2016-12-28 | 2018-07-12 | 豊田合成株式会社 | 半導体構造体の製造方法および半導体素子の製造方法 |
| JP2018110171A (ja) * | 2016-12-28 | 2018-07-12 | 豊田合成株式会社 | 半導体配列体およびマイクロデバイスの製造方法 |
-
1997
- 1997-04-07 JP JP8793597A patent/JPH10284802A/ja active Pending
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