JP3595276B2

JP3595276B2 - 紫外線発光素子

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Publication number: JP3595276B2
Application number: JP2001080806A
Authority: JP
Inventors: 広明岡川; 一行只友; 洋一郎大内; 高志常川
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002280609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、紫外線を発し得る組成のＩｎＧａＮが発光層として用いられた、ＧａＮ系の紫外線発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＩｎＧａＮを発光層に用いた素子では、Ｉｎ組成揺らぎによるキャリアの局在化のため、発光層に注入されたキャリアの内、非発光中心に捕獲されるものの割合が少なくなり、結果、高効率の発光が得られると説明されている。ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）やＧａＮ系半導体レーザー（ＬＤ）において、４２０ｎｍ以下の紫外線を発光させようとする場合、一般には発光層の材料にはＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成０．１５以下）が用いられ、発光に係る構造は、単一量子井戸構造（所謂ＤＨ構造は活性層が薄いためにこれに含まれる）、多重量子井戸構造とされる。
【０００３】
しかし、高いＩｎ組成の発光層を有する青・緑色発光素子に比べ、紫外線発光素子は短波長である為、発光層のＩｎ組成を低下させる必要がある。この為、上述のＩｎ組成揺らぎによる局在化の効果が低減し、非発光再結合中心に捕獲される割合が増え、結果として高出力化の妨げとなっている。このような状況下、非発光再結合中心の原因となる転位密度の低減が盛んに行われている。転位密度を低減させる方法としては、ＥＬＯ法（ラテラル成長法）が挙げられ、低転位化を図ることにより高出力化・長寿命化が行なわれている（文献（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７）等参照）。
【０００４】
ＧａＮ系発光素子においては、発光層（井戸層）を、それよりも大きなバンドギャップの材料からなるクラッド層（障壁層）で挟む構成とされる。文献（米津宏雄著、工学図書株式会社刊、「光通信素子工学」第７２頁）によると、一般にはバンドギャップ差を「０．３ｅＶ」以上とする指針が出ている。
上記背景から、紫外線を発し得る組成のＩｎＧａＮを発光層（井戸層）に用いる場合、キャリアの閉じ込めを考えると発光層を挟むクラッド層（量子井戸構造ではクラッド層だけでなく障壁層をも含む）にはバンドギャップの大きなＡｌＧａＮが用いられている。
【０００５】
また、量子井戸構造を構成する場合、障壁層はトンネル効果を生じる程度の厚みにする必要があり、一般的には３〜６ｎｍ程度としていた。
【０００６】
例えば図３は、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを発光層の材料とした、従来の発光ダイオードの一例を示す図であって、結晶基板Ｓ１０上に、バッファ層１０１を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１０３、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層（発光層）１０４、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎクラッド層１０５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６が順次結晶成長によって積み重ねられ、これに下部電極（通常はｎ型電極）Ｐ１０、上部電極（通常はｐ型電極）Ｐ２０が設けられた素子構造となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＥＬＯ法では下地となるＧａＮ層を成長し、マスク層の形成、再成長といった方法が必要であり、成長が多数回必要であり、工程が非常に多くなる問題を有していた。また、再成長界面が存在する事から、転位密度低減はするものの、出力がなかなか向上しないという問題を有していた。
【０００８】
また、発光層の材料をＩｎＧａＮとした紫外線発光素子をより高出力化すべく、本発明者等が従来の素子構造を検討したところ、ＡｌＧａＮ層はＩｎＧａＮ発光層に対し格子定数差から生じる歪みを与える基となっている事がわかった。
また、量子井戸構造において障壁層厚みを薄くすると、その上に設けるｐ型層からＭｇが発光層まで拡散し、非発光中心を形成する為、高出力の紫外発光素子が得られないという問題があった。
【０００９】
本発明の課題は、上記問題を解決し、発光層の材料をＩｎＧａＮとした紫外線発光素子の構造を最適化することによって、より高出力で長寿命の紫外線発光素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）段差にて区画された凹部底面および凸部上面を単位基準面として有する凹凸が結晶基板に形成され、
該凹部底面および凸部上面に、ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層が気相成長しており、
該ＧａＮ系結晶層の上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有する紫外線発光素子であって、
該ＧａＮ系結晶層は、結晶基板の凹凸によって横方向成長が抑えられることによりファセット構造を形成しながら成長したものであり、かつ、凹部底面、凸部上面の両方の単位基準面から、結晶単位が、それぞれの頂部に平坦部を有すること無く両ファセット面が頂部で交差する山形の態様として成長した後、成長面が平坦化されてＧａＮ系結晶層となったものであり、これによって、結晶基板からＣ軸方向に伸びた転位線が前記ファセット面で横方向に曲げられていることを特徴とする、紫外線発光素子。
（２）結晶基板の表面に形成された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、この上に成長するＧａＮ結晶の〈１１−２０〉方向、または〈１−１００〉方向である上記（１）記載の紫外線発光素子。
（３）ＧａＮ系結晶層がＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介して成長したものであり、発光層と低温バッファ層との間の層が全てＧａＮ結晶からなるものである、上記（１）または（２）記載の紫外線発光素子。
（４）発光層が、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とによって構成された量子井戸構造である、上記（１）または（２）記載の紫外線発光素子。
（５）ＧａＮ系結晶層がＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介して成長したものであり、量子井戸構造と低温バッファ層との間の層が全てＧａＮ結晶からなるものである、上記（４）記載の紫外線発光素子。
（６）障壁層の厚さが８ｎｍ〜３０ｎｍである上記（４）または（５）記載の紫外線発光素子。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による紫外線発光素子は、ＬＥＤ、ＬＤなどであってよいが、以下では、ＬＥＤの構成を例として挙げて、本発明を説明する。また、発光に係る部分の構造は、量子井戸構造など、発光可能な構造であればよい。本明細書において、量子井戸構造とは、ＳＱＷ（単一量子井戸）構造、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造をさし、また、ＳＱＷ構造が積層されたものでもよい。
【００１７】
ＧａＮ系半導体とは、Ｉｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_ＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で示される化合物半導体であって、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な化合物として挙げられる。
【００１８】
発光に係る構造部分が、ＭＱＷ構造である場合を例として説明する。
図１は、本発明による発光素子の構造の一例を示す図であって、
結晶基板Ｓの表面に凹凸Ｓ１が加工され、該凹凸Ｓ１に、ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層１を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層２が気相成長している。同図の例では、ＧａＮ系結晶層２は、ＧａＮ結晶からなる層であって、先ず、アンドープのＧａＮ結晶層２ａが、基板表面の凹凸Ｓ１の凹部内を充填しかつ該凹凸を埋め込んで平坦化するまで成長し、その上に、ｎ型ＧａＮ層２ｂが成長してなる態様である。また、同図の例では、ｎ型ＧａＮ層２ｂは、ｎ型コンタクト層でありかつＭＱＷ構造の障壁層をも兼ねている。ＭＱＷ構造は、ＩｎＧａＮ井戸層、ＧａＮ障壁層、ＩｎＧａＮ井戸層、ＧａＮ障壁層の順に成長してなり、続いてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５となっている。さらに、ｎ型電極Ｐ１、ｐ型電極Ｐ２が形成されて、本発明による紫外線発光が可能なＧａＮ系ＬＥＤとなっている。
【００１９】
上記の構成によって、結晶基板上に成長するＧａＮ系結晶を好ましく低転位化することが可能となる。この構成では、ＥＬＯ用のマスク層を用いずに一回の成長で低転位化が達成されている。
即ち、マスクを用いたＥＬＯ法では、下地にＧａＮ膜を成長させた後、いったん成長装置から外部に取出してマスクを形成し、再び成長装置に戻して再成長を行っている。これに対して、結晶基板に凹凸を形成して行う成長法では、凹凸加工された結晶基板を成長装置内にセットしたあとは成長を止める必要がなく、これにより再成長界面が存在せずに良好な結晶性のものが作製できる。
またさらに、本発明による上記の構成では、マスクを用いずにＧａＮ系結晶層を成長させているため、マスクの分解による結晶品質低下の問題が無い。
これらの作用効果によって転位が少なく良好な結晶のものが出来る結果、発光出力が格段に向上する。また、劣化の原因となる転位密度が低減する結果、長寿命化が図れる。
【００２０】
結晶基板上にＧａＮ系結晶を成長させる方法について説明する。
この方法では、結晶基板の表面に凹凸を加工し、ＧａＮ系低温バッファ層を介して、該凹凸の凸部および／または凹部からＧａＮ系結晶を気相成長させる。このとき、凹部は空洞として残しても、ＧａＮ結晶によって充填してもよいが、後述のように、好ましい低転位化のためには、凸部、凹部の両方からファセット構造を形成しながら成長し、実質的に凹部が充填される態様が好ましい。
上記のようなファセット構造を形成しながらの凹凸埋め込み法によれば、ファセット構造部分において転位線の伝搬方向が制御され、結晶基板上に転位密度の低いＧａＮ系結晶を成長させることが可能であり、本発明に独自の成長法である。この本発明に独自の成長法を、「当該埋め込み成長法」と呼んで、以下に説明する。また、凹凸を埋め込む材料は、ＧａＮ系結晶であってよいが、後述のように、素子として最も好ましいＧａＮで埋め込む場合を例として説明する。
【００２１】
当該埋め込み成長法は、図２（ａ）に示すように、結晶基板Ｓの表面に凹凸Ｓ１を加工し、図２（ｂ）に示すように、その凹部及び凸部にＧａＮ系低温バッファ層１を形成し、図２（ｃ）に示すように、その凹部、凸部からＧａＮ結晶２１、２２を成長させ、図２（ｄ）に示すように、凹部を空洞とすることなくＧａＮ結晶で充填し、該凹凸を埋め込んで成長成させる方法である。このときのＧａＮ結晶の成長は、凹部、凸部の両方から同時にファセット構造を形成させながら成長することが好ましいが、それに限らず、ＧａＮ結晶が凸面から専ら成長するようなものであってもよい。凸部上方部から専ら結晶成長が行われるような形状とすると有効である。「上方部から専ら結晶成長が行われる」とは、凸部の頂点ないし頂面及びその近傍での結晶成長が優勢に行い得る状態をいい、成長初期には凹部での成長が生じてもよいが最終的には凸部の結晶成長が優勢となることを指す。凸部上方部を起点としたラテラル成長により低転位領域が形成されれば、従来のマスクを要するＥＬＯと同様の効果がある。
【００２２】
また、凹凸の形状や成長条件を選択することによって、結果として凹部を空洞として残さずＧａＮ結晶によって充填するものであってもよい。
以下の説明では、低転位化のために最も好ましい態様として、凹面、凸面の両方からＧａＮ結晶のファセット構造成長を生じさせる場合について説明する。
【００２３】
当該埋め込み成長法では、図２（ａ）に示すように、バッファ層等すら形成していない状態の結晶基板Ｓの表面に凹凸Ｓ１を加工することで、結晶成長当初からファセット面が形成され得る素地面を予め提供しておく。結晶基板に凹凸を設けることで、この面にＧａＮ結晶の気相成長を行うに際し、相互の段差にて区画された凹面と凸面が、ファセット構造成長が生成される単位基準面となる。
【００２４】
当該埋め込み成長法に用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶を成長させるためのベースとなる基板であって、格子整合のためのバッファ層等も未だ形成されていない状態のものを言う。好ましい結晶基板としては、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ，ＧａＡｓ、ＮＧＯなどを用いることができるが、発明の目的に対応するならばこのほかの材料を用いてもよい。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００２５】
結晶基板の表面に加工される凹凸とは、その表面自体がなす凹凸である。これは、従来公知のラテラル成長法に用いられているＳｉＯ_２などからなるマスク層が、フラットな表面に付与されて形成された凹凸とは異なる。
【００２６】
凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。
【００２７】
当該埋め込み成長法で用いられる凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。
これら種々の凹凸の態様の中でも、直線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
【００２８】
凹凸のパターンをストライプ状とする場合、そのストライプの長手方向は任意であってよいが、これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くなる。この結果、基板側からＣ軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。
【００２９】
一方、ストライプの長手方向を〈１−１００〉方向にした場合であっても、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により前述と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
凹凸の断面を図２（ａ）に示すような矩形波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅Ｗ１は、０．１μｍ〜２０μｍ、特に０．５μｍ〜１０μｍが好ましい。凸部の幅Ｗ２は、０．１μｍ〜２０μｍ、特に０．５μｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸の振幅（凹溝の深さ）ｄは、凹部、凸部の内、広い方の２０％以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、上記凹部及び凸部にＧａＮ系低温バッファ層１を形成する。
ＧａＮ系低温バッファ層の材料、形成条件は、公知技術を参照すればよいが、例えば、バッファ層材料としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどが例示され、成長温度としては、３００℃〜６００℃が挙げられる。バッファ層の厚さは１０ｎｍ〜５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜４０ｎｍが好ましく、基板の凹凸断面が矩形波状である場合には、図２（ｂ）に示すように、主として、凹部の底面、凸部の上面に形成することが好ましい。成長装置は、その上のＧａＮ結晶層を成長させるための装置を用いてよい。
なお、結晶基板としてＧａＮ結晶からなる基板を用いる場合には、低温バッファ層は必須では無い。
【００３２】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＧａＮ結晶を高温成長させる。凹面、凸面をファセット構造成長可能な面とすることによって、同図に示すように、成長初期には凹面・凸面の両方から凸状を呈するＧａＮ結晶２１、２２が成長する。
この結果、結晶基板からＣ軸方向に伸びる転位線がファセット面（図２（ｃ）に示すＧａＮ系結晶２１、２２の斜面）で横方向に曲げられ、上方に伝搬しなくなる。その後、成長を続け、各凸状を呈する結晶２１、２２は、図２（ｃ）に一点鎖線で示すように互いに合体し、さらに、図２（ｄ）に示すように、成長面を平坦化してＧａＮ結晶層２ａ（＝図１の素子における層２ａ）が得られる。該ＧａＮ結晶層の表面近傍は基板からの転位の伝搬が低減された低転位密度領域となっている。
【００３３】
結晶基板Ｓの凹凸Ｓ１をＧａＮ結晶で埋め込む際には、結晶成長状態を制御する点からは、図１に示すように、不純物を添加しないアンドープのＧａＮ結晶層２ａで凹凸を埋め込んだ上に、ｎ型ＧａＮ結晶層２ｂを成長させることが好ましいが、バッファ層上に最初からｎ型ＧａＮ層を成長させてもよい。また、ｎ型ＧａＮ層は、キャリア濃度を変えて、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＧａＮクラッド層に区別して設けてもよい。
【００３４】
従来の、低温バッファ層を介したＧａＮ結晶成長法では、平坦なサファイアＣ面基板上に、ＭＯＶＰＥ法などにより、ＧａＮなどの低温バッファ層を介し、高温ＧａＮ膜を成長させている。低温バッファ層上に高温ＧａＮを成長させると、バッファ層の密に集合した結晶を成長の核として、ＧａＮは横方向成長しながら合体し、やがて平坦になるというものである。しかしながら、従来の方法では、基板面に凹凸が加工されていない為、安定であるＣ面が出るように成長が進むため平坦化される。これは安定であるＣ面の成長速度に比べ横方向の成長速度が速い為である。
【００３５】
一方、当該埋め込み成長法では、基板面の成長面に凹凸を加工することで、横方向成長を抑えており、加えてＣ軸方向の成長速度を上げることによって、｛１−１０１｝などの斜めのファセットが形成し得る。
【００３６】
成長するＧａＮ結晶にファセット面がどのように形成されるかは、凹部の幅と凸部の幅との組み合せによっても、色々と変化し得るが、このファセット面は転位の伝搬を折曲させ得る程度のものであれば良く、好ましい態様は、図２（ｃ）に示すように、各々の単位基準面から成長した結晶単位２１、２２が、それぞれの頂部に平坦部を有すること無く完全に両ファセット面が頂部で交差する山形（三角錐や山脈状に長く連なった屋根形）の態様である。このようなファセット面であれば、前記ベース面から承継された転位線を概ね全て曲げることができ、その直上の転位密度をより低減できる。
なお、凹凸の幅の組み合せだけでなく、凹部の深さ（凸部の高さ）を変化させる事でもファセット面形成領域の制御が可能である。
【００３７】
また、ファセット面の形成は結晶成長を行う時の成長条件（ガス種、成長圧力、成長温度、など）により制御する事ができる。減圧成長ではＮＨ_３分圧が低い場合｛１−１０１｝面のファセットが出易く、常圧成長では減圧に比べファセット面が出易い。
また成長温度を上げると横方向成長が促進されるが、低温成長すると横方向成長よりもＣ軸方向の成長が速くなり、ファセット面が形成されやすくなる。
以上成長条件によってファセット形状の制御が可能である事を示したが、本発明の効果が出る範囲内であれば、目的に応じ使い分ければよい。
【００３８】
本発明では上記説明した当該埋め込み成長法だけでなく、凹部を空洞として残す成長法を用いてもよい。例えば、特開２０００−１０６４５５号公報では、結晶基板に凹凸を設け、凹部を空洞として残すように窒化ガリウム系半導体を成長させる方法が開示されている。ただし、このような成長法では、凹部を充填せず空洞部として残しているため、該空洞部の存在が、発光層で生じた熱を基板側に逃がす上で不利であり、熱劣化を助長する問題がある。また、転位の伝搬を積極的に制御しておらず、もっぱら凹部の上方領域だけを低転位化させるラテラル成長の技術思想そのものあって、凸部の上方領域には転位が伝搬している。よって、上記のような問題点を解消しながらより好ましい転位密度の低減効果が得られる点からは、当該埋め込み成長法を用いることがより好ましい。
【００３９】
基板上にＧａＮ系結晶層の成長を行う方法はＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法などがよい。厚膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。
【００４０】
次に、本発明による好ましい態様を説明する。
先ず、本発明の好ましい第１の態様では、基板の凹凸上に形成されるＧａＮ系結晶層２の材料をＧａＮ結晶に限定する。このＧａＮ結晶層の上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ結晶層を井戸層とするＭＱＷ構造を構成し発光層とする。付言すると、ｎ型クラッド層はＧａＮからなり、発光層と低温バッファ層との間にはＡｌＧａＮ層が存在しない構成となる。
【００４１】
この態様では、紫外線を発生し得るような組成のＩｎＧａＮを発光層に用いながらも、ｎ型クラッド層材料としては、従来必須とされているＡｌＧａＮを用いず、ＧａＮを用いている。本発明では、紫外線発光層に対して、ｎ型クラッド層がＧａＮであっても、正孔の閉じ込めは充分に達成できることを見出している。これは、ｐ型層から注入される正孔の有効質量が重いため、拡散長が短く、ｎ型クラッド層まで充分には到達しないからであると考えられる。よって、本発明の構成においてＩｎＧａＮ発光層の下層として存在するｎ型ＧａＮ層は、厳密には、従来でいうクラッド層に相当するものではないと言える。結晶基板と発光層との間にクラッド層として存在していたＡｌＧａＮを排除し、ＧａＮ層としたことによって、ＩｎＧａＮ発光層の歪みが低減されている。
【００４２】
発光層（井戸層）に歪みがかかっている場合、歪みによるピエゾ電界の発生により井戸構造が傾斜し、電子と正孔の波動関数の重なりが少なくなる。この結果、電子と正孔の再結合確率が減少し発光出力が弱くなる。これを回避する為に、ＭＱＷ構造へＳｉをドーピングする事によりピエゾ電界をキャンセルする試みも行われているが、ドーピングによる結晶性の低下を引き起こす為、好ましい方法では無い。上記のように、ｎ型ＡｌＧａＮ層を排除する事でこのような危惧も無く、高出力化が得られる。
【００４３】
上記で説明した基板の凹凸を用いた低転位化と、ＡｌＧａＮを排除した上記作用効果とがあいまって、ＩｎＧａＮ発光層は低転位化されると共に歪みが低減され、発光出力、素子寿命が十分に向上する。
【００４４】
また、本発明の好ましい第２の態様では、発光層の量子井戸構造における障壁層の材料をＧａＮに限定する。これによって、井戸層と低温バッファ層との間からＡｌＧａＮ層が排除され、井戸層の歪みが抑制され、高出力化、長寿命化が達成される。従来の量子井戸構造では、井戸層内へのキャリアの閉じ込めを配慮し、障壁層やクラッド層にはＡｌＧａＮが用いられていた。
しかしこれらの組み合せでは、結晶成長条件の最適値がＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとでは大きく異なる事から次の問題がある。ＡｌＮはＧａＮに比べ高融点であり、ＩｎＮはＧａＮに比べ低融点である。その為、最適温度はＧａＮを１０００℃とすると、ＩｎＧａＮは１０００℃以下、好ましくは６００〜８００℃程度、ＡｌＧａＮはＧａＮ以上である。ＡｌＧａＮを障壁層に用いた場合、ＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の成長温度を変化させないとそれぞれの最適結晶成長条件とはならず、結晶品質が低下する問題がある。一方、成長温度を変化させることは成長中断を設ける事となり、３ｎｍ程度の薄膜である井戸層では、この成長中断中にエッチング作用により厚みが変動する、表面に結晶欠陥が入る等の問題が生じる。これらトレードオフの関係が有る為、ＡｌＧａＮ障壁層、ＩｎＧａＮ井戸層のくみ合わせで高品質な物を得るのは困難である。また、障壁層をＡｌＧａＮとする事で井戸層へ歪みがかかる問題もあり、高出力化の妨げになる。そこで、本発明では、障壁層の材料としてＧａＮを用い、上記トレードオフの問題を軽減する試みを行ったところ、結晶品質が改善された。また、歪みを軽減する為にｎ型クラッド層としてＧａＮを用いた所、歪みの軽減により高出力化が可能となった。ＧａＮをクラッド層にするとキャリアの閉じ込めが、紫外線発光可能な組成のＩｎＧａＮに対して、不充分となることが懸念されたが、キャリア（特に正孔）の閉じ込めはできていることが判明した。
【００４５】
さらに、本発明の好ましい第３の態様では、ＭＱＷ構造における障壁層の厚さを６ｎｍ〜３０ｎｍ、好ましくは８ｎｍ〜３０ｎｍ、特に好ましくは９ｎｍ〜１５ｎｍに限定する。従来のＭＱＷ構造における障壁層の厚さは３ｎｍ〜７ｎｍである。
障壁層をこのように厚くすると、波動関数の重なりが無くなり、ＭＱＷ構造というよりも、ＳＱＷ構造を多重に積み重ねたような状態となるが、充分に高出力化が達成される。障壁層が３０ｎｍを超えると、ｐ型層から注入された正孔が井戸層へ到達するまでにＧａＮ障壁層中に存在する非発光中心となる転位欠陥などにトラップされ、発光効率が低下するので好ましくない。
【００４６】
また、障壁層を厚くしたことによって、その上の層を成長させるときの熱や、ガスによる損傷を井戸層が受け難くなるのでダメージが軽減され、また、ｐ型層からのドーパント材料（Ｍｇなど）が井戸層に拡散することが低減され、さらには井戸層にかかる歪みも低減されるという作用効果が得られる。
【００４７】
【実施例】
実施例１
本実施例では、図１に示すように、ＤＨ構造を有するＧａＮ系ＬＥＤを製作し、発光層と結晶基板との間の層をＧａＮだけからなる態様とした。
Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニング（幅２μｍ、周期４μｍ、ストライプ方位：ストライプの長手方向が、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向）を行い、ＲＩＥ装置で２μｍの深さまで断面方形となるようエッチングし、図２（ａ）に示すように、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。この時のストライプ溝断面のアスペクト比は１であった。
【００４８】
フォトレジストを除去後、ＭＯＶＰＥ装置に基板を装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。温度を５００℃まで下げ、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層を成長させた。該ＧａＮ低温バッファ層は、図２（ｂ）に示すように、凸部の上面、凹部の底面にのみ形成された。
【００４９】
続いて温度を１０００℃に昇温し、原料としてＴＭＧ、アンモニアを流し、アンドープのＧａＮ層２ａを、平坦な基板で２μｍに相当する時間成長させた後、成長温度を１０５０℃に上げ、平坦な基板で４μｍに相当する時間成長させた。この条件で成長を行った場合、このときのＧａＮ層２ａの成長は、図２（ｃ）に示すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状となる。その後の成長温度変更により２次元成長が促進され、平坦化する。
【００５０】
続いて、図１に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層（クラッド層）２ｂ、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層（発光波長３８０ｎｍ、Ｉｎ組成はゼロに近い為測定が困難）、厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期の多重量子井戸層３、厚さ３０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発光波長３８０ｎｍの紫外線ＬＥＤウエハとし、さらに、電極形成、素子分離を行い、ＬＥＤ素子とした。
【００５１】
ウエハ全体で採取されたＬＥＤ素子（ベアチップ状態）、波長３８０ｎｍ、通電２０ｍＡにて）の各出力を測定した。
【００５２】
比較のために、凹凸加工をしていないサファイア基板上に、上記と同様の条件にて、紫外線ＬＥＤチップ（比較例１）を形成し、その出力を測定した。
また、通常のＥＬＯ用基材（平坦なサファイア基板上に一旦ＧａＮ層を形成した後、マスク層を形成したもの）の上に、上記と同様の条件にて、紫外線ＬＥＤチップ（比較例２）を形成し、その出力を測定した。
【００５３】
カソードルミネッセンスによりＬＥＤウエハ中の転位密度の平均値を測定した結果、および出力の平均値、８０℃、２０ｍＡによる加速試験における寿命（初期出力の８０％まで低下する時間）を表１に示す。
【００５４】
【表１】

【００５５】
表１から明らかなように、本実施例では転位密度が低減し、長寿命化、高出力化が図れている。比較例２の結果から明らかなように、転位密度低減法の１つであるＥＬＯ法によって、同様に転位密度の低減は図れているが、出力が本実施例に比較し低かった。これは再成長界面の存在による結晶性の違いと考えられる。また、通常基板上では転位密度も多いため、出力寿命とも本実施例に比較し悪かった。
【００５６】
実施例２
本実施例では、実施例１におけるｎ型ＧａＮコンタクト層２ｂと、ＩｎＧａＮ井戸層との間に、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層を設けたこと以外は、実施例１と同様の条件にて、紫外線ＬＥＤチップを形成し、その出力を測定した。
上記表１のとおり、実施例１の素子の出力は１０ｍＷであったのに対して、本実施例の素子の出力は７ｍＷであった。この結果から、本実施例の素子は比較例１、２に比べて出力は向上しているが、実施例１のように、ＩｎＧａＮ井戸層と結晶基板との間からＡｌＧａＮ層を排除することによって、出力がさらに向上することが明らかになった。
【００５７】
実施例３
本実施例では、ＭＱＷ構造の障壁層の厚さに関する限定の作用効果を調べる実験を行った。
実施例１におけるＭＱＷ構造の各障壁層の厚さを、サンプル１；３ｎｍ、サンプル２；６ｎｍ、サンプル３；１０ｎｍ、サンプル４；１５ｎｍ、サンプル５；３０ｎｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にＧａＮ系ＬＥＤを製作した。これらは、全て本発明による発光素子に属する。
上記と同様の条件にて、紫外ＬＥＤチップの出力を測定した。
【００５８】
これらの測定結果の平均値は次のとおりである。
サンプル１；２ｍＷ、
サンプル２；７ｍＷ、
サンプル３；１０ｍＷ、
サンプル４；８ｍＷ、
サンプル５；５ｍＷ
【００５９】
また、これらサンプルを４Ｋの低温においてフォトルミネッセンス測定を行った結果、サンプル１において３．２ｅＶ付近にＭｇからの発光が観測された。これは障壁層が薄い為、ｐ型層からＭｇが拡散してきた結果と考えられる。
上記の結果から明らかなとおり、障壁層の厚さが６ｎｍ〜３０ｎｍにおいて、高出力化がより改善されることがわかった。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、ＧａＮ系紫外線発光素子において，凹凸加工した基板上に一回の成長で結晶構造を作製する事により転位低減を図り、かつ、ｎ型クラッド層（量子井戸構造では障壁層も）の材料をＧａＮとすることによって歪みを低減を図り、更に、ＭＱＷ構造における好ましい態様として、障壁層の厚さを限定することで、素子の発光出力を向上させ、長寿命化させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による紫外線発光素子の構造例を示す模式図である。ハッチングは、領域の境界を示す目的で施している（以下の図も同様）。
【図２】本発明において、基板の凹凸を埋め込んでＧａＮ結晶層を成長させる方法を示す模式図である。
【図３】Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを発光層の材料とした、従来の発光ダイオードの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
Ｓ結晶基板
Ｓ１凹凸
１ＧａＮ系半導体低温バッファ層
２ＧａＮ系結晶層（特にＧａＮ結晶層）
３紫外線発光可能な組成のＩｎＧａＮ結晶層
４ｐ型クラッド層
５ｐ型コンタクト層

Claims

段差にて区画された凹部底面および凸部上面を単位基準面として有する凹凸が結晶基板に形成され、
該凹部底面および凸部上面に、ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層が気相成長しており、
該ＧａＮ系結晶層の上に、紫外線を発生し得る組成のＩｎＧａＮ結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有する紫外線発光素子であって、
該ＧａＮ系結晶層は、結晶基板の凹凸によって横方向成長が抑えられることによりファセット構造を形成しながら成長したものであり、かつ、凹部底面、凸部上面の両方の単位基準面から、結晶単位が、それぞれの頂部に平坦部を有すること無く両ファセット面が頂部で交差する山形の態様として成長した後、成長面が平坦化されてＧａＮ系結晶層となったものであり、これによって、結晶基板からＣ軸方向に伸びた転位線が前記ファセット面で横方向に曲げられていることを特徴とする、紫外線発光素子。
結晶基板の表面に形成された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、この上に成長するＧａＮ結晶の〈１１−２０〉方向、または〈１−１００〉方向である請求項１記載の紫外線発光素子。
ＧａＮ系結晶層がＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介して成長したものであり、発光層と低温バッファ層との間の層が全てＧａＮ結晶からなるものである、請求項１または２記載の紫外線発光素子。
発光層が、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とによって構成された量子井戸構造である、請求項１または２記載の紫外線発光素子。
ＧａＮ系結晶層がＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介して成長したものであり、量子井戸構造と低温バッファ層との間の層が全てＧａＮ結晶からなるものである、請求項４記載の紫外線発光素子。
障壁層の厚さが８ｎｍ〜３０ｎｍである請求項４または５記載の紫外線発光素子。