JPH11330547A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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JPH11330547A
JPH11330547A JP13301098A JP13301098A JPH11330547A JP H11330547 A JPH11330547 A JP H11330547A JP 13301098 A JP13301098 A JP 13301098A JP 13301098 A JP13301098 A JP 13301098A JP H11330547 A JPH11330547 A JP H11330547A
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JP
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layer
light emitting
semiconductor light
buffer layer
emitting device
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JP13301098A
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Kunio Ito
国雄 伊藤
Masahiro Ishida
昌宏 石田
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electronics Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物系半導体発光素子の活性層へ成長する
欠陥の個数を従来よりも少なくする。 【解決手段】 サファイア基板8上にAsを含んだGa
Nよりなるバッファ層9、n型GaNコンタクト層1
0、n型Ga0.9Al0.1Nクラッド層11、活性層1
2、p型Ga0.9Al0.1Nクラッド層13およびp型G
aNコンタクト層14が順次積層された構造を有してい
る。バッファ層9におけるAsの含有量は約1019/c
3である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体発光
素子とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】GaN,InN,AlN等の窒化物半導
体は、青色半導体レーザ装置等の発光素子や、高温で高
速動作するトランジスタ等に用いる材料として好適であ
る。
【0003】従来の半導体発光素子としては、例えば特
開平6−177423号公報に示すようなものが知られ
ており、図4を参照して説明する。
【0004】この構造はサファイア基板1、多結晶また
はアモルファスのGaNよりなるバッファ層2、n型G
aNコンタクト層3、n型Ga1-xAlxN(0≦x≦
1)クラッド層4、InyGa1-yN(0≦y≦1)活性
層5、p型Ga1-zAlzN(0≦z≦1)クラッド層
6、p型GaNコンタクト層7が順次積層された構造を
有したものである。
【0005】このような半導体発光素子においては、n
型GaNコンタクト層3等の結晶性を上げるために必ず
バッファ層2が必要である。バッファ層2の結晶成長の
方法は、例えば特開平7−312350号公報に技術が
開示されており、それは600℃程度の温度で多結晶ま
たはアモルファスのGaNまたはGa1-tAltN(0≦
t<1)よりなるバッファ層を堆積したのちに1,00
0℃の高温で窒化物半導体を成長させる方法である。こ
の方法によれば、バッファ層2の成長後、1,000℃
に昇温する時に多結晶またはアモルファスのGaNまた
はGa1-tAltNが部分的に単結晶化し、単結晶化した
部分を核として単結晶の窒化物半導体層が成長するため
発光が可能になると考えられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらバッファ
層2を用いた場合、600℃の成長温度においては、窒
素原料であるアンモニアとIII族原料との反応が十分で
ないため、バッファ層2中に1019cm-3程度の窒素原
子の空孔ができ、これが種となってクラッド層4および
活性層5へ欠陥が成長し、その結果半導体発光素子の寿
命を短くしていた。またアンモニアとIII族原料との反
応を向上させるために、バッファ層2の成長温度を60
0℃よりも高くすると、サファイア基板1の上にバッフ
ァ層2が均一に積層しなくなるので活性層5に成長する
欠陥の数を少なくすることはできなかった。
【0007】その結果、従来の半導体発光素子は、特に
レーザなどの大きな電流密度を必要とする使用におい
て、その信頼性に問題が生じていた。
【0008】本発明は、以上のような事情を鑑みてなさ
れたものであり、活性層へ成長する欠陥の個数を極めて
少なくし、その結果高い信頼性を有する半導体発光素子
を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
めに本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に
積層されたバッファ層と、前記バッファ層上に積層され
た窒化物半導体層とを有し、前記バッファ層がV族元素
を含む窒化物半導体層を有するものである。
【0010】この構成によれば、バッファ層中に生じる
窒素原子の空孔が窒素と同じV族元素の原子により埋め
られているので、バッファ層の窒素原子の空孔が種とな
って活性層へ成長する欠陥が生じない。
【0011】また本発明の半導体発光素子の製造方法
は、基板上に窒化物半導体からなるバッファ層および発
光素子形成層を順次積層し、前記バッファ層を形成する
ために用いる原料にアンモニアとV族水素化物とを含む
ものである。
【0012】この構成により、V族水素化物からV族原
子が供給されるので、バッファ層の結晶成長において生
じる窒素原子の空孔をV族原子によって埋めることがで
きる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体発光素子の
実施の形態について図面を用いて説明する。
【0014】本発明の実施の形態における半導体発光素
子は、図1に示すようにサファイア基板8上に層厚が
1,000Åの砒素を含んだGaN[以降、GaN(A
s)と記す]よりなるバッファ層9、層厚が2μmのS
iドープのn型GaNコンタクト層10、層厚が0.5
μmのSiドープのn型Ga0.9Al0.1Nクラッド層1
1、活性層12、層厚が0.5μmのMgドープのp型
Ga0.9Al0.1Nクラッド層13および層厚が1μmの
Mgドープのp型GaNコンタクト層14が順次積層さ
れた構造のものである。バッファ層9における砒素の含
有量は約1019/cm3、すなわち窒素に対する砒素の
量は10-3程度である。
【0015】また、活性層12は、層厚が50ÅのGa
Nバリア層と層厚が50ÅのIn0. 2Ga0.8N井戸層と
を交互に積層した、合計6層の多重量子井戸構造を有し
ている(図示せず)。
【0016】さらにn型GaNコンタクト層10、n型
Ga0.9Al0.1Nクラッド層11、活性層12、p型G
0.9Al0.1Nクラッド層13およびp型GaNコンタ
クト層14の一部は、図示していないがドライエッチン
グにより、n型GaNコンタクト層10の一部を残し厚
みが1.5μmになるまでエッチングされ、n型GaN
コンタクト層10の表面を露出させている。そのn型G
aNコンタクト層10の露出した表面にTiを含む合
金、例えばTi/Auよりなるn型電極15が積層さ
れ、p型GaNコンタクト層14の表面にはNiを含む
合金、例えばNi/Auよりなるp型電極16が積層さ
れている。
【0017】この構成により、バッファ層9中の窒素原
子の空孔が砒素により埋められているので、窒素原子の
空孔が種となって活性層12へ成長する欠陥が生じず、
その結果窒化物半導体発光素子の寿命が従来より長くな
る。
【0018】次に本発明の実施の形態における窒化物半
導体発光素子の製造方法を、図2を用いて説明する。
【0019】まず、サファイア基板8の表面上に、有機
金属気相エピタキシャル成長法により、GaN(As)
からなるバッファ層9を結晶成長させる。バッファ層9
の結晶成長に用いる原料として、トリメチルガリウム、
アンモニア(NH3)およびアルシン(AsH3)を用い
る。アルシンの流量は、アンモニアの流量の0.1%と
する。また、バッファ層9の成長温度は600℃である
[図2(a)]。
【0020】次にアルシンの供給をストップし、成長温
度を1,000℃にしてn型GaNコンタクト層10を
結晶成長させる[図2(b)]。
【0021】さらに、成長温度を1,000℃に保って
n型Ga0.9Al0.1Nクラッド層11、活性層12、p
型Ga0.9Al0.1Nクラッド層13およびp型GaNコ
ンタクト層14を順次積層する[図2(c)]。
【0022】しかる後、p型GaNコンタクト層14の
表面にニッケルマスクをかけ、n型GaNコンタクト層
10、n型Ga0.9Al0.1Nクラッド層11、活性層1
2、p型Ga0.9Al0.1Nクラッド層13およびp型G
aNコンタクト層14の一部をドライエッチングによ
り、n型GaNコンタクト層10の一部を残し厚みが
1.5μmになるまでエッチングし、n型GaNコンタ
クト層10の表面を露出させる。
【0023】しかる後、ニッケルマスクを除去し、n型
GaNコンタクト層10の露出した表面にn型電極15
を蒸着し、p型GaNコンタクト層14の表面にp型電
極16を蒸着する(図1)。
【0024】この製造方法により、アルシンから砒素が
供給されるので、バッファ層9の結晶成長において生じ
る窒素原子の空孔を砒素によって埋めることができ、そ
の結果欠陥の少ない活性層を形成できるため、従来より
寿命の長い窒化物半導体発光素子を製造することができ
る。
【0025】本発明の実施の形態における窒化物半導体
発光素子(以下素子Aという)と従来の窒化物半導体発
光素子(以下素子Bという)との寿命特性を比較した結
果を図3に示す。
【0026】寿命特性を調べる実験を、周囲の温度を7
0℃、素子からの波長が420nmのレーザ光を用い、
5mWの一定の出力条件のもとで行った。素子Aおよび
素子Bに関する、動作時間と動作電流の変化率との関係
を図3に示す。図3において、曲線Aおよび曲線Bはそ
れぞれ素子Aおよび素子Bに対応する。なお、動作電流
の変化率とは、素子をある時間動作させたときの5mW
出力の電流値の素子を動作させた直後の5mW出力の電
流値に対する比を表し、それが1に近いほど素子の劣化
が少ないことを示す。
【0027】図3に示すように、素子Aの動作電流の変
化率は動作時間が10,000時間経過してもほとんど
1であり、素子Aが10,000時間の動作後もほとん
ど劣化しないことがわかる。一方、素子Bの動作電流の
変化率は動作時間が5,000時間経過した後急激に増
加する。これは、素子Aにおいてバッファ層9中の窒素
原子の空孔が砒素により埋められ、空孔が種となって活
性層12へ成長する欠陥が生じず、結果として素子Bに
比べて劣化が小さいと考えられる。
【0028】上記実施の形態において、以下に示す置き
換えを行っても同様の効果が得られる。
【0029】バッファ層9として、砒素もしくはリンあ
るいは両方とも含んだGa1-v-wAlvInwN(0≦v
≦1、0≦w≦1、v+w=1)を用いても同様の効果
が得られる。
【0030】バッファ層9を結晶成長する際に用いる、
砒素以外のV族原料としてアルシンの代わりにターチャ
ルブチルアルシン(TBAs)等の有機V族化合物を用
いてもよい。
【0031】バッファ層9を結晶成長する際に用いる、
アンモニア以外のV族原料の流量は、バッファ層9にお
ける窒素原子の空孔を埋めることができる程度以上であ
ればよい。
【0032】サファイア基板8の代わりにスピネル(M
gAl24)、MgO、LiNbO 3,LiGaO2等の
絶縁性基板、あるいはSiC、Si、GaAs等の導電
性基板を用いてもよい。
【0033】
【発明の効果】本発明の窒化物半導体発光素子およびそ
の製造方法によれば、窒化物半導体で形成されたバッフ
ァ層にV族の元素を含ませることにより、窒素原子の空
孔をV族元素の原子により埋めることができるので、種
となって活性層へ成長する欠陥が生じず、結果として窒
化物半導体発光素子の寿命を従来よりも長くすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における窒化物半導体発光
素子の断面図
【図2】本発明の実施の形態における窒化物半導体発光
素子の製造方法を示す図
【図3】本発明の実施の形態における窒化物半導体発光
素子と従来の窒化物半導体発光素子との寿命特性を比較
した図
【図4】従来の窒化物半導体発光素子の断面図
【符号の説明】
8 サファイア基板 9 バッファ層 10 n型GaNコンタクト層 11 n型Ga0.9Al0.1Nクラッド層 12 活性層 13 p型Ga0.9Al0.1Nクラッド層 14 p型GaNコンタクト層 15 n型電極 16 p型電極

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、前記基板上に積層されたバッフ
    ァ層と、前記バッファ層上に積層された窒化物半導体層
    とを有し、前記バッファ層がV族元素を含む窒化物半導
    体層であることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記V族元素が砒素またはリンであるこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 前記基板が絶縁性基板であることを特徴
    とする請求項1記載の半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 前記絶縁性基板がサファイア、スピネ
    ル、MgO、LiNbO 3またはLiGaO2よりなるこ
    とを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 基板上に窒化物半導体層からなるバッフ
    ァ層および発光素子形成層を順次積層し、前記バッファ
    層を形成するために用いる原料にアンモニアとV族水素
    化物とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 前記V族水素化物の流量は前記アンモニ
    アの流量の1%以下であることを特徴とする請求項5記
    載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記V族水素化物の代わりに有機V族化
    合物を用いることを特徴とする請求項5または6記載の
    半導体発光素子の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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