JP2009088230A - Semiconductor light-emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関し、特に青色よりも長波長の可視域の光(発光波長が480nm以上の光)を出力することが可能な半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device capable of outputting light in the visible region having a wavelength longer than that of blue (light having an emission wavelength of 480 nm or more). About.
従来、青色発光(発光波長480nm以下)の半導体発光素子としてInGaN を用いた半導体発光素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a semiconductor light emitting device using InGaN as a semiconductor light emitting device emitting blue light (emission wavelength of 480 nm or less) is known (for example, see Patent Document 1).
ところで、このInGaN などの窒化物半導体の活性層を用いた半導体発光素子でより長波長の緑色発光(発光波長が480nm以上の光)を得るためには、Inの組成比を大きくすることにより、活性層の禁制帯幅を狭くすることが考えられる。
ところで、InGaN を用いた半導体発光素子でより長波長の緑色発光(発光波長が480nm以上の光)を得るためにInの組成比を大きくすると、相分離が生じ、均一なIn組成を有する活性層を得ることが困難となり、発光効率が低下する。 By the way, when an In composition ratio is increased in order to obtain a longer wavelength green light emission (light having a light emission wavelength of 480 nm or more) in a semiconductor light emitting device using InGaN, phase separation occurs and an active layer having a uniform In composition. It becomes difficult to obtain the light emission efficiency.
また、結晶構造に起因してピエゾ電界が発生すると、発光再結合確率が低下し、さらに発光効率が低下してしまうという問題点が生じる。また、基板との格子定数が大きく異なるために貫通転位が多量に存在し、発光効率の低下や良好な信頼性が得られないという問題がある。 Further, when a piezoelectric field is generated due to the crystal structure, there is a problem that the light emission recombination probability is lowered and the light emission efficiency is further lowered. In addition, since the lattice constant differs greatly from that of the substrate, there are a large number of threading dislocations, and there is a problem that the light emission efficiency is lowered and good reliability cannot be obtained.
これらを抑制するために、InGaNの活性層に格子整合する(格子定数の近い)エピ層を使うことが考えられる。そのエピ層を成長するには、基板が必要となるが、その候補として、サファイア基板がある。 In order to suppress these, it is conceivable to use an epi layer lattice-matched (close to the lattice constant) to the InGaN active layer. In order to grow the epi layer, a substrate is required, and a sapphire substrate is a candidate.
c面サファイア基板を用いて直接ZnOエピ層を成長すると、30°回転したドメインが形成されるために、これを抑制するためにMgOバッファ層を挿入することが効果的であることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 When a ZnO epi layer is directly grown using a c-plane sapphire substrate, a 30 ° rotated domain is formed, and it has been reported that it is effective to insert an MgO buffer layer to suppress this. (For example, refer nonpatent literature 1).
また、結晶性の優れたZnO系化合物結晶層が得られ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などのZnO系化合物を用いる素子を実現する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。この従来技術では、a面サファイア基板を用いると、サファイア基板のc軸方向と直角方向にZnO系化合物層が成長するため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、c軸長(12.991Å)に沿ってZnO系化合物のa軸長(3.25Å)の4個分の結晶が並び、結晶の整合度が0.07%程度と非常によくなり、優れた結晶面が得られるものと考えられる。 Further, there is known a technique for realizing a device using a ZnO-based compound such as a semiconductor light-emitting device in which a ZnO-based compound crystal layer having excellent crystallinity is obtained and having improved device characteristics (see, for example, Patent Document 2). ). In this prior art, when an a-plane sapphire substrate is used, a ZnO-based compound layer grows in a direction perpendicular to the c-axis direction of the sapphire substrate, so that the a-axis of ZnO grows side by side along the c-axis of sapphire. As a result, along the c-axis length (12.991 mm), four crystals of ZnO-based compounds with a-axis length (3.25 mm) are arranged, and the crystal matching degree is very good, about 0.07%, and excellent crystals A surface is considered to be obtained.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現でき、しかも量産性に優れた半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is an element having a high In composition InGaN active layer having a uniform composition distribution, and an emission wavelength of 480 nm or more. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device capable of realizing the above light emission with high luminous efficiency and excellent in mass productivity, and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明に係る半導体発光素子は、サファイア基板と、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と、サファイア基板と前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層との間のバッファ層と、前記バッファ層上に形成された下部コンタクト層と、窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-x N(0<x<1)]からなる活性層と、前記活性層又は前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された上部コンタクト層とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problem, a semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention includes a sapphire substrate, a zinc oxide (ZnO) -based epilayer, a sapphire substrate, and the zinc oxide (ZnO) -based epilayer. A buffer layer therebetween, a lower contact layer formed on the buffer layer, an active layer made of gallium indium nitride [In x Ga 1-x N (0 <x <1)], and the active layer or the oxidation An upper clad layer and a lower clad layer lattice-matched to at least one of the zinc (ZnO) -based epi layers, and an upper contact layer formed on the upper clad layer are provided.
この構成によれば、[In x Ga 1-xN(0<x<1)]からなる活性層を有し、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを備えている。このエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を使っている。酸化亜鉛(ZnO)系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてサファイア基板を用いている。 According to this configuration, it has an active layer made of [In x Ga 1-x N (0 <x <1)], and emits light in a long-wavelength visible region (light having a light emission wavelength of 480 nm or more) such as a green region. An epitaxial wafer for a semiconductor laser diode is provided. In order to form this epitaxial wafer, a zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer lattice-matched to the active layer is used. A sapphire substrate is used as a substrate for epitaxial growth of a zinc oxide (ZnO) -based epi layer.
ZnOの単位格子cに対応する格子定数(=5.1955Å)は、窒化ガリウムGaNの単位格子cに対応する格子定数(=5.186Å)と窒化インジウムInNの単位格子cに対応する格子定数(=5.76Å)との間の値を有しており、In組成20%程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。 The lattice constant (= 5.1955 格子) corresponding to the unit cell c of ZnO is equal to the lattice constant (= 5.186Å) corresponding to the unit cell c of gallium nitride GaN and the lattice constant corresponding to the unit cell c of indium nitride InN ( = 5.76 Å), which is very close to the unit cell c of gallium indium nitride InGaN having an In composition of about 20%.
このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で、高い発光効率での発光が可能となる。 For this reason, the phase separation that occurs when the In composition ratio of the active layer is increased is suppressed, the distortion of the active layer is reduced, the influence of the piezoelectric field is suppressed, and the lattice constant differs greatly from the substrate. Threading dislocation is suppressed. As a result, the band gap energy of the InGaN-based active layer is about 2.2 eV, and light emission with high emission efficiency is possible in a long-wavelength visible region (light having a light emission wavelength of 480 nm or more) such as a green region.
また、サファイア基板と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層との間に、バッファ層が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。 In addition, since a buffer layer is formed between the sapphire substrate and the zinc oxide (ZnO) -based epi layer, this also suppresses threading dislocations, improves the crystallinity of the InGaN-based active layer, and improves the luminous efficiency. Will improve.
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。しかも、サファイア基板は、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオードを得ることができる。 Therefore, an element having an InGaN active layer with a high In composition having a uniform composition distribution, and a semiconductor laser diode capable of realizing light emission with a light emission wavelength of 480 nm or more with high light emission efficiency can be obtained. In addition, since a large sapphire substrate is available at low cost, a semiconductor laser diode excellent in mass productivity can be obtained using the sapphire substrate.
請求項2に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちc面上に形成されていることを特徴とする。 The semiconductor light emitting element according to the invention of claim 2 is characterized in that the buffer layer is formed on the c-plane in the plane orientation of the sapphire substrate.
この構成によれば、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を使っている。この酸化亜鉛(ZnO)系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてc面(0001) を主面とするサファイア基板を用いている。また、ZnOの単位格子cに対応する格子定数(=5.1955Å)はIn組成20%程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、緑色域等の長波長の可視域で、高い発光効率での発光が可能となる。 According to this configuration, a zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer lattice-matched to the active layer is used to form an epitaxial wafer for a semiconductor laser diode that emits light in a long wavelength visible region such as a green region. A sapphire substrate having a c-plane (0001) as a main surface is used as a substrate for epitaxial growth of this zinc oxide (ZnO) -based epilayer. Further, the lattice constant (= 5.1955) corresponding to the unit cell c of ZnO is very close to the unit cell c of gallium indium nitride InGaN having an In composition of about 20%. For this reason, the phase separation that occurs when the In composition ratio of the active layer is increased is suppressed, the distortion of the active layer is reduced, the influence of the piezoelectric field is suppressed, and the lattice constant differs greatly from the substrate. Threading dislocation is suppressed. Thereby, it is possible to emit light with high luminous efficiency in a long wavelength visible region such as a green region.
請求項3に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちa面上に形成されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device, the buffer layer is formed on the a-plane in the plane orientation of the sapphire substrate.
この構成によれば、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を使っている。この酸化亜鉛(ZnO)系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてa面(11−20)を主面とするサファイア基板を用いている。サファイア基板のa面(11−20)上に、ZnOからなるバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層が得られる。また、ZnOの単位格子cに対応する格子定数(=5.1955Å)はIn組成20%程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、緑色域等の長波長の可視域で、高い発光効率での発光が可能となる。 According to this configuration, a zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer lattice-matched to the active layer is used to form an epitaxial wafer for a semiconductor laser diode that emits light in a long wavelength visible region such as a green region. And a sapphire substrate a - (20 11) as a principal a surface as a substrate for epitaxial growth of zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer. A surface of the sapphire substrate (11 - 20) on, because it is grown a buffer layer and a zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer made of ZnO in order, along the a-axis of the ZnO along the c-axis of the sapphire growth To do. As a result, an excellent crystal plane buffer layer and zinc oxide (ZnO) -based epi layer are obtained. Further, the lattice constant (= 5.1955) corresponding to the unit cell c of ZnO is very close to the unit cell c of gallium indium nitride InGaN having an In composition of about 20%. For this reason, the phase separation that occurs when the In composition ratio of the active layer is increased is suppressed, the distortion of the active layer is reduced, the influence of the piezoelectric field is suppressed, and the lattice constant differs greatly from the substrate. Threading dislocation is suppressed. Thereby, it is possible to emit light with high luminous efficiency in a long wavelength visible region such as a green region.
請求項4に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層が酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the buffer layer is made of magnesium oxide (MgO).
この構成によれば、c面(0001) を主面とするサファイア基板と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層の間に、MgOからなる バッファ層を挿入してあるため、30°回転したドメインが形成されるのが抑制される。つまり、ZnOのa軸がサファイアのa軸に対して30°回転して成長されるのが抑制される。これにより、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてc面サファイア基板を用いる場合でも、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。 According to this configuration, the buffer layer made of MgO is inserted between the sapphire substrate having the c-plane (0001) as the main surface and the zinc oxide (ZnO) -based epi layer, so that a domain rotated by 30 ° is formed. Is suppressed. That is, the growth of the ZnO a-axis rotated by 30 ° with respect to the sapphire a-axis is suppressed. Thereby, even when a c-plane sapphire substrate is used as a substrate on which a zinc oxide (ZnO) -based epi layer is epitaxially grown, the strain of the active layer is reduced and an active layer with good crystallinity is obtained.
従って、c面サファイア基板を用いる場合でも、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子で発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。 Therefore, even when a c-plane sapphire substrate is used, it is possible to obtain a semiconductor laser diode capable of realizing light emission with a light emission wavelength of 480 nm or more with high light emission efficiency with an element having a high In composition active layer having a uniform composition distribution. it can.
請求項5に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層が酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする。 The semiconductor light-emitting device according to the invention of claim 5 is characterized in that the buffer layer is zinc oxide (ZnO).
この構成によれば、サファイア基板のa面(11−20)上に、酸化亜鉛(ZnO)からなるバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のZnOバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層が得られる。これにより、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。 According to this configuration, a surface of the sapphire substrate - on (11 20), since the grown buffer layer and the zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer made of zinc oxide (ZnO) in order, the c-axis of sapphire The ZnO a axis grows along. As a result, an excellent crystal plane ZnO buffer layer and zinc oxide (ZnO) -based epi layer are obtained. Thereby, the distortion of the active layer is reduced, and an active layer with good crystallinity is obtained.
請求項6に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層との間にGaNまたはInNからなり、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNからなる擬似格子整合層を備えたことを特徴とする。 The semiconductor light-emitting device according to the invention of claim 6 is made of GaN or InN between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, and has a film thickness of 1 ML or more and the zinc oxide (ZnO) -based epi. A pseudo-lattice matching layer made of GaN having a critical thickness or less with respect to the layer is provided.
この構成によれば、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層を形成することで、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。 According to this configuration, since the pseudo-lattice matching layer is formed between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, the oxide layer / between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer / A steep interface is obtained between the nitride layers, and a good crystal of the active layer made of InGaN is obtained. As a result, it is possible to obtain a semiconductor laser diode as a highly reliable semiconductor light emitting element with high luminous efficiency. Also, by forming a pseudo-lattice matching layer between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, the half-value width is narrower than when there is no pseudo-lattice matching layer, and the emission characteristics are good (the emission intensity is strong). ) A semiconductor laser diode can be obtained.
請求項7に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記擬似格子整合層は、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した超格子層からなることを特徴とする。 In the semiconductor light emitting device according to claim 7, the pseudo lattice matching layer is formed by stacking GaN and InN having a film thickness of 1ML or more and a critical film thickness or less with respect to the zinc oxide (ZnO) -based epilayer. It consists of a superlattice layer.
この構成によれば、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間に超格子層からなる擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間に超格子層からなる擬似格子整合層を形成することで、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。 According to this configuration, a pseudo lattice matching layer composed of a superlattice layer is formed between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, so that the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer are between A steep interface is obtained between a certain oxide layer / nitride layer, and a good crystal of an active layer made of InGaN is obtained. As a result, it is possible to obtain a semiconductor laser diode as a highly reliable semiconductor light emitting element with high luminous efficiency. Also, by forming a pseudo-lattice matching layer consisting of a superlattice layer between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, the half-value width is narrower than when there is no pseudo-lattice matching layer, and the emission characteristics are good A semiconductor laser diode (with high emission intensity) can be obtained.
請求項8に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記活性層のインジウム(In)の組成比は、20%以上とされていることを特徴とする。 The semiconductor light emitting device according to the invention of claim 8 is characterized in that a composition ratio of indium (In) in the active layer is 20% or more.
請求項9に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を形成するZnO層形成工程と、前記ZnO層上に下部コンタクト層を形成する下部コンタクト層形成工程と、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を形成する下部クラッド層形成工程と、前記クラッド層上に窒化ガリウムインジウム[Inx Ga1-x N(0<x<1)]からなる活性層を形成する活性層形成工程と、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と前記活性層との間に擬似格子整合層を形成する擬似格子整合層形成工程と、前記酸化亜鉛(ZnO)系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を前記活性層上に形成する上部クラッド層形成工程と、前記上部クラッド層上にコンタクト層を形成する上部コンタクト層形成工程とを備えたことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 9 includes a buffer layer forming step of forming a buffer layer on a sapphire substrate, and a ZnO layer of forming a zinc oxide (ZnO) based epi layer on the buffer layer A lower contact layer forming step for forming a lower contact layer on the ZnO layer, and a lower clad layer for forming a clad layer lattice-matched to at least one of the zinc oxide (ZnO) -based epi layer or the active layer Forming step, forming an active layer made of gallium indium nitride [In x Ga 1-x N (0 <x <1)] on the cladding layer, and the zinc oxide (ZnO) -based epi layer A pseudo lattice matching layer forming step of forming a pseudo lattice matching layer between the active layer and the active layer, and a cladding layer lattice-matched to at least one of the zinc oxide (ZnO) -based epi layer or the active layer on the active layer To form A Department clad layer forming step, characterized in that an upper contact layer formation step of forming a contact layer on the upper cladding layer.
この構成によれば、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で、高い発光効率での発光が可能となる。また、サファイア基板と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層との間に、バッファ層が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。 According to this configuration, the phase separation that occurs when the In composition ratio of the active layer is increased is suppressed, the strain of the active layer is reduced, the influence of the piezoelectric field is suppressed, and the lattice constant of the substrate is greatly different. Therefore, the threading dislocation that occurs is suppressed. As a result, the band gap energy of the InGaN-based active layer is about 2.2 eV, and light emission with high emission efficiency is possible in a long-wavelength visible region (light having a light emission wavelength of 480 nm or more) such as a green region. In addition, since a buffer layer is formed between the sapphire substrate and the zinc oxide (ZnO) -based epi layer, this also suppresses threading dislocations, improves the crystallinity of the InGaN-based active layer, and improves the luminous efficiency. Will improve.
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。しかも、サファイア基板は、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオードを得ることができる。 Therefore, an element having an InGaN active layer with a high In composition having a uniform composition distribution, and a semiconductor laser diode capable of realizing light emission with a light emission wavelength of 480 nm or more with high light emission efficiency can be obtained. In addition, since a large sapphire substrate is available at low cost, a semiconductor laser diode excellent in mass productivity can be obtained using the sapphire substrate.
さらに、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。 Furthermore, since a pseudo lattice matching layer is formed between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, the oxide layer / nitride layer between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer is formed. A steep interface is obtained, and a good crystal of the active layer made of InGaN is obtained. As a result, it is possible to obtain a semiconductor laser diode as a highly reliable semiconductor light emitting element with high luminous efficiency. In addition, a semiconductor laser diode having a narrower half-value width and better light emission characteristics (higher light emission intensity) than in the case where there is no pseudo lattice matching layer can be obtained.
請求項10に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記サファイア基板の面方位はc面であり、前記バッファ層は酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein the sapphire substrate has a c-plane orientation, and the buffer layer is magnesium oxide (MgO).
この構成によれば、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてc面サファイア基板を用いる場合でも、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。 According to this configuration, even when a c-plane sapphire substrate is used as a substrate on which a zinc oxide (ZnO) -based epilayer is epitaxially grown, distortion of the active layer is reduced and an active layer with good crystallinity can be obtained.
請求項11に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記サファイア基板の面方位はa面であり、前記バッファ層は酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to an eleventh aspect is characterized in that the surface orientation of the sapphire substrate is a-plane and the buffer layer is zinc oxide (ZnO).
この構成によれば、サファイア基板のa面(11−20)上に、酸化亜鉛(ZnO)からなるバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のZnOバッファ層と酸化亜鉛(ZnO)系エピ層が得られる。これにより、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。 According to this configuration, a surface of the sapphire substrate - on (11 20), since the grown buffer layer and the zinc oxide (ZnO) based epitaxial layer made of zinc oxide (ZnO) in order, the c-axis of sapphire The ZnO a axis grows along. As a result, an excellent crystal plane ZnO buffer layer and zinc oxide (ZnO) -based epi layer are obtained. Thereby, the distortion of the active layer is reduced, and an active layer with good crystallinity is obtained.
請求項12に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記擬似格子整合層の形成工程は、GaNまたはInNからなる前記擬似格子整合層を、1ML以上、ZnO層に対して臨界膜厚以下の膜厚に形成することを特徴とする。
In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the invention of
この構成によれば、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。 According to this configuration, a steep interface is obtained between the oxide layer / nitride layer between the zinc oxide (ZnO) -based epi layer and the active layer, and a good crystal of the active layer made of InGaN is obtained. As a result, it is possible to obtain a semiconductor laser diode as a highly reliable semiconductor light emitting element with high luminous efficiency.
本発明によれば、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現でき、しかも量産性に優れた半導体発光素子を得ることができる。 According to the present invention, a device having an InGaN active layer with a high In composition having a uniform composition distribution, and capable of realizing light emission with a light emission wavelength of 480 nm or more with high light emission efficiency and excellent mass productivity. An element can be obtained.
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of each embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10を、図1乃至図3に基づいて説明する。図1は、第1実施形態に係る半導体レーザダイオード10の概略構成を示す断面図、図2はサファイア基板の面方位を表すユニットセル図である。図3は酸化亜鉛(ZnO)、窒化ガリウム(GaN)などの物理特性を示す説明図である。
(First embodiment)
A
半導体レーザダイオード10は、図1に示すように、サファイア基板11Aと、サファイア基板11Aのa面(11−20)(図2参照)上に形成されたZnOからなるバッファ層12と、バッファ層12上に形成された酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13と、を備えている。
The
また、半導体レーザダイオード10は、ZnO層13上に形成された下部コンタクト層14と、窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-xN(0<x<1)]からなる活性層16と、活性層16又は酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13の少なくとも一方にそれぞれ格子整合された下部クラッド層15および上部クラッド層17と、上部クラッド層17上に形成された上部コンタクト層18と、を備えている。
The
緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハが、下部コンタクト層14、下部クラッド層15、活性層16、上部クラッド層17および上部コンタクト層18により構成されている。このエピタキシャルウェハが、ZnO層13上に形成されている。また、その半導体層の上部がリッジ構造に形成されている。
An epitaxial wafer for a semiconductor laser diode that emits light in a long-wavelength visible region (light having a light emission wavelength of 480 nm or more) such as a green region includes a
さらに、半導体レーザダイオード10は、そのエピタキシャルウェハの一部をエッチングすることで一部が露出した下部コンタクト層14の露出部上に形成された下部電極20と、上部コンタクト層18上に形成された上部電極21と、パッシベーション膜19とを備えている。
Further, the
この半導体レーザダイオード10では、下部コンタクト層14および下部クラッド層15の導電型はn型であり、上部クラッド層17および上部コンタクト層18の導電型はp型である。
In this
バッファ層12は、サファイア基板11Aと格子整合を行うために設けられた層である。このバッファ層12は、a面(11−20)を主面とするサファイア基板11A上にZnOを低温成長させて形成されている。
The
ZnO層13は、バッファ層12上に、結晶性を上げるためにZnOを高温成長させて形成されている。
The
n型の下部コンタクト層14は、下部コンタクト層14の露出部上に形成された下部電極20とオーム性接触を実現するための層である。この下部コンタクト層14は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム[Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO(0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c≦1)](酸化物系化合物半導体層:酸化物)又は窒化アルミニウムガリウムインジウム[Al 1-p-q Ga p In q N (0≦p<1、0≦q<1、p+q≦1)](窒化物系化合物半導体層:窒化物)で構成される。例えば、下部コンタクト層14は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。
The n-type
n型の下部クラッド層15は、InGaN系活性層16の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合される格子整合系クラッド層であり、コアとして機能するInGaN系の活性層16よりも屈折率が小さく、活性層16内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。この下部クラッド層16は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム[Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO(0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c≦1)](酸化物)又は窒化アルミニウムガリウムインジウム[Al 1-p-q Ga p In q N (0≦p<1、0≦q<1、p+q≦1)](窒化物)で構成される。例えば、下部クラッド層15は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。なお、この下部クラッド層15は、InGaN系の活性層16に格子整合される場合に限らず、活性層16又はZnO層13の少なくとも一方に格子整合される層であれば良い。
The n-type
活性層16は、InGaNの井戸層とInGaNの障壁層、またはInGaNの井戸層とAlInNの障壁層を積層した量子井戸構造(単一又は多重量子井戸)に形成されたInGaN系活性層である。この活性層16において、InGaNからなる井戸層のインジウム(In)の組成比は、発光波長が480nm以上(緑色域での発光波長)となるように設定されている。具体的には、インジウム(In)の組成比は20%以上とされている。
The
この活性層16は、下部クラッド層15および上部クラッド層17に挟まれたダブルヘテロ接合構造をとっており、外部電極により順方向に電圧がかけられると、下部クラッド層15から電子が注入され、上部クラッド層17から正孔が注入される。この結果、活性層16は、反転分布の状態となり、誘導放射が起こることになる。さらに活性層16の両端面は反射鏡となって共振器を構成しており、誘導放射を繰り返すうちに光が増幅され、レーザ光として外部に放射される。そして、反射ループが平衡状態に至り、レーザ光が連続発振状態に至ることとなる。なお、活性層16は、量子井戸構造に限らず、窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-x N(0<x<1)]から構成される活性層であれば良い。
The
p型の上部クラッド層17は、InGaN系の活性層16の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合される格子整合系クラッド層であり、コアとして機能するInGaN系の活性層16よりも屈折率が小さく、活性層16内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。この上部クラッド層17は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム[Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO(0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c≦1)](酸化物)又は窒化アルミニウムガリウムインジウム[Al 1-p-q Ga p In q N (0≦p<1、0≦q<1、p+q≦1)](窒化物)で構成される。例えば、上部クラッド層17は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。なお、上部クラッド層17は、InGaN系活性層16に格子整合される場合に限らず、活性層16又は酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13の少なくとも一方に格子整合される層であれば良い。
The p-type upper clad
p型の上部コンタクト層18は、上部電極層21とオーミック性接触を実現するための層である。パッシベーション膜21は、保護膜として機能する。
The p-type
下部電極20は、例えば、Au/Ti電極で構成されている。
上部電極層21は、例えば、Ni/AuあるいはPd/Pt/Au電極で構成されている。
The
The
次に、上記構成を有する半導体レーザダイオード10を製造する方法について説明する。(工程1)
まず、a面(11−20)を主面とするサファイア基板(サファイアのウェハ)11Aを洗浄する。
Next, a method for manufacturing the
First, a surface - washing (11 20) to (sapphire wafer) sapphire substrate having a
この洗浄は、例えば、有機洗浄あるいは化学エッチングにより行う。有機洗浄は、ジクロロベンゼンとアセトンで超音波洗浄し、あるいはアセトンとエタノールで超音波洗浄する。化学エッチングは、H3PO4とH2SO4が1:3の割合の溶液で110℃, 30min、あるいは5% のHF溶液で、あるいはH3PO4とH2SO4が1:3の割合の溶液で160℃, 30min行う。 This cleaning is performed by, for example, organic cleaning or chemical etching. The organic cleaning is ultrasonic cleaning with dichlorobenzene and acetone, or ultrasonic cleaning with acetone and ethanol. Chemical etching, H 3 PO 4 and H 2 SO 4 of 1: 110 ° C. with a solution of a rate of 3, 30min or 5% HF solution, or H 3 PO 4 and H 2 SO 4, 1: 3 Perform at 160 ° C for 30 min with the solution of the ratio.
(工程2)
次に、洗浄したサファイア基板11Aのサーマルクリーニング処理を行う。
(Process 2)
Next, a thermal cleaning process is performed on the cleaned
このサーマルクリーニング処理は、例えば、成長チャンバー内で真空中あるいは原子状水素照射中で、800℃の温度で30min加熱し、有機物などを除去する。あるいは、真空中で650℃の温度で、酸素中で550℃の温度で、あるいは真空中で750℃の温度で10min加熱する。 In this thermal cleaning process, for example, heating is performed at a temperature of 800 ° C. for 30 minutes in vacuum or in an atomic hydrogen irradiation in a growth chamber to remove organic substances and the like. Alternatively, heating is performed at a temperature of 650 ° C. in a vacuum, at a temperature of 550 ° C. in oxygen, or at a temperature of 750 ° C. in a vacuum for 10 minutes.
(工程3)
次に、サファイア基板11Aのa面(11−20)上にZnOからなるバッファ層12を、RFMBE(radio-frequency molecular beam epitaxy)法により低温で成長させる(バッファ層形成工程)。この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=400〜500℃、プラズマ電力(RF電力)P=300W、O2流量3sccm(standard cc/min)とする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
(Process 3)
Then, a surface of the
なお、バッファ層12の厚さは、10-200nm程度で、成長温度Tgは、250-650℃程度の低温で成長する。
The
(工程4)
次に、表面改善と格子緩和のために、高温アニールを行う。
この高温アニールは、例えば、真空中で800-1000℃、3-5min、あるいは真空中で1000℃、2h、あるいはZn照射下で750℃、10min行う。
(Process 4)
Next, high-temperature annealing is performed for surface improvement and lattice relaxation.
This high-temperature annealing is performed, for example, at 800-1000 ° C. for 3-5 min in vacuum, or 1000 ° C., 2 h in vacuum, or 750 ° C. for 10 min under Zn irradiation.
(工程5)
次に、バッファ層12上にZnO層13を、RFMBE法により高温で成長させる(ZnO層形成工程)。この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=800℃、プラズマ電力P=300W、O2流量3sccm、250-500nm/h、あるいはTg=650℃、プラズマ電力P=350W、O2流量1sccm、200nm/h、あるいはTg=500℃、プラズマ電力P=300W、O2流量3sccm、400nm/hとする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
(Process 5)
Next, the
(工程6)
次に、酸素供給を停止して徐冷する。例えば、350℃まで、5-10℃/minで降温する。
この後、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13上に、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード10用のエピタキシャルウェハを、以下の工程により、RFMBE法を用いて形成する。
(Step 6)
Next, the oxygen supply is stopped and cooling is performed slowly. For example, the temperature is lowered to 350 ° C at 5-10 ° C / min.
Thereafter, an epitaxial wafer for the
(工程7)
ZnO層13上に下部コンタクト層14を形成する(下部コンタクト層形成工程)。
下部コンタクト層14形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
(Step 7)
A
The growth temperature when the
具体的には、下部コンタクト層14を、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス(N2)流量1〜5sccmとする。また、下部コンタクト層14を、V族原料としてアンモニア(NH3)を用いるGSMBE(gas source molecular beam epitaxy)法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス(NH3)流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハに供給する。
Specifically, the conditions for forming the
また、下部コンタクト層14を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnO等の酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス(O2)流量1〜5sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハに供給する。
The conditions for forming the
なお、下部コンタクト層14は、シリコン(Si)をドーピングすることにより、n型の導電性を有している。
The
(工程8)
次に、下部コンタクト層14上に、活性層16又はZnO層13の少なくとも一方に格子整合された下部クラッド層15を形成する(下部クラッド層形成工程)。
(Process 8)
Next, a lower
下部クラッド層15は、InGaNの活性層16に比較して屈折率が低く設定されている。
The
下部クラッド層15形成の際の成長温度は、750℃未満とする。また、下部クラッド層15として格子整合系材料を堆積させることにより、ZnO層13の結晶情報(面方位、格子定数など)を活性層16に伝達し、均一なIn組成を有するInGaNの活性層16を実現している。
The growth temperature when forming the
具体的には、下部クラッド層15を、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス(N2)流量1〜5sccmとする。また、下部クラッド層15を、GSMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス(NH3)流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
Specifically, when the
また、下部クラッド層15を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnOなどの酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス(O2)流量1〜5sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。下部クラッド層15は、シリコン(Si)をドーピングすることにより、n型の導電性を有している。
The lower
(工程9)
次に、下部クラッド層15上に、窒化ガリウムインジウム[Inx Ga1-x N(0<x<1)]からなる活性層16を形成する(活性層形成工程)。
(Step 9)
Next, an
この場合において、InGaN系の活性層16の成長温度は、750℃未満とする。
具体的には、例えば、RFMBE法あるいはGSMBE法により、InGaN井戸層/InGaN障壁層またはInGaN井戸層/AlInN障壁層を堆積する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス(N2)流量1〜5sccmとする。GSMBE法ではTg=400〜750℃、アンモニアガス(NH3)流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
In this case, the growth temperature of the InGaN-based
Specifically, for example, an InGaN well layer / InGaN barrier layer or an InGaN well layer / AlInN barrier layer is deposited by RFMBE or GSMBE. The conditions in this case are a growth temperature Tg = 400 to 750 ° C., a plasma power P = 300 to 500 W, and a nitrogen gas (N 2 ) flow rate of 1 to 5 sccm. In the GSMBE method, Tg = 400 to 750 ° C., and the ammonia gas (NH 3 ) flow rate is 10 to 100 sccm. Group III material is a high-purity metal material evaporated in a Knudsen cell and supplied to the substrate. Group III raw material is a high-purity metal raw material evaporated in a Knudsen cell and supplied to the epitaxial wafer surface.
(工程10)
次に、活性層16上に、活性層16又はZnO層13の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層17を形成する(上部クラッド層形成工程)。
(Process 10)
Next, an upper clad
上部クラッド層17は、InGaNの活性層16に比較して屈折率が低く設定されている。
この場合において、上部クラッド層17形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
The
In this case, the growth temperature when the upper clad
具体的には、例えば、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス(N2)流量1〜5sccmとする。また、上部クラッド層17を、GSMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス(NH3)流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
Specifically, for example, the conditions for depositing and forming nitrides such as AlGaInN and InGaN by RFMBE are as follows: growth temperature Tg = 400 to 750 ° C., plasma power P = 300 to 500 W, nitrogen gas (N 2 ) The flow rate is 1 to 5 sccm. The
また、上部クラッド層17を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnOなどの酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス(O2)流量1〜5sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
The upper clad
p型の上部クラッド層17は、p型ドーパントとしては、マグネシウムMg、ベリリウムBeや、マグネシウムMgとシリコンSiの(コドープ)などを用いる
The p-type upper clad
(工程11)
次に、上部クラッド層17上に上部コンタクト層18を形成する(上部コンタクト層形成工程)。
この場合において、上部コンタクト層17形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
(Step 11)
Next, the
In this case, the growth temperature when the
具体的には、例えば、RFMBE法あるいはGSMBE法により、GaN、InGaNなどの窒化物を堆積してp型コンタクト層を形成する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス(N2)流量1〜5sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。 Specifically, for example, nitrides such as GaN and InGaN are deposited by RFMBE or GSMBE to form a p-type contact layer. The conditions in this case are a growth temperature Tg = 400 to 750 ° C., a plasma power P = 300 to 500 W, and a nitrogen gas (N 2 ) flow rate of 1 to 5 sccm. Group III material is a high-purity metal material evaporated in a Knudsen cell and supplied to the substrate.
また、p型ドーパントとしては、マグネシウムMg、ベリリウムBeや、マグネシウムMgとシリコンSiの(コドープ)などを用いる。 As the p-type dopant, magnesium Mg, beryllium Be, magnesium Mg and silicon Si (co-doped), or the like is used.
また、AlGaInNなどの窒化物とZnMgBeCdOなどの酸化物の堆積は、別々の成長装置を用いることが好ましく、その場合、それぞれの装置は真空配管で接続されており、堆積途中でエピタキシャルウェハが大気に触れることはない。 In addition, it is preferable to use separate growth apparatuses for depositing nitrides such as AlGaInN and oxides such as ZnMgBeCdO. In this case, each apparatus is connected by vacuum piping, and the epitaxial wafer is brought into the atmosphere during the deposition. There is no touch.
以上の手順により緑色域等の長波長の可視域レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを高歩留まりで製造することが可能となる。
この後、以下の工程をさらに実施する。
By the above procedure, an epitaxial wafer for a long wavelength visible laser diode such as a green region can be manufactured with a high yield.
Thereafter, the following steps are further performed.
(工程12)
次に、エピタキシャルウェハの一部をエッチングして、下部コンタクト層14の一部を露出させる。
(Step 12)
Next, a part of the epitaxial wafer is etched to expose a part of the
(工程13)
次に、リッジ構造を形成する。
リッジ構造は、半導体レーザの構造の一種で、光導波路(レーザ光の通り道)での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。比較的単純な構造ではあるが、レーザ光の発振状態を安定に保つためには加工技術の精密制御が必要となる。
(Step 13)
Next, a ridge structure is formed.
The ridge structure is a kind of semiconductor laser structure, and can realize an actual refractive index waveguide structure that can reduce light loss in the optical waveguide (laser beam path). Although it is a relatively simple structure, precise control of the processing technique is required to keep the oscillation state of the laser light stable.
具体的には、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング技術によりリッジ構造を形成することとなる。 Specifically, the ridge structure is formed by photolithography and dry etching techniques.
(工程14)
次に、パッシベーション膜19を形成する。
パッシベーション膜19は、保護層として機能しており、SiO2、ZrO2をPCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition )法により堆積させて形成する。
(Step 14)
Next, a
The
(工程15)
次に、下部コンタクト層14の露出部上に下部電極20を形成する(下部電極形成工程)。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜19を除去した後、抵抗加熱、EB(電子ビーム)あるいはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング(焼結)処理により、例えば、Au/Ti電極をp型上部電極層19として形成する。この場合に、形成されたn型の下部電極20は、n型の下部コンタクト層14に対してオーム性接触することとなる。
(Step 15)
Next, the
Specifically, an electrode pattern is formed by photolithography, the
(工程16)
次に、p型の上部電極21を形成する。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜19を除去した後、抵抗加熱、EB(電子ビーム)あるいはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング(焼結)処理により、例えば、Ni/AuあるいはPd/Pt/Au電極をp型の上部電極21として形成する。この場合に、形成されたp型の上部電極層21は、p型の上部コンタクト層18に対してオーム性接触することとなる。
(Step 16)
Next, the p-type
Specifically, an electrode pattern is formed by photolithography, the
(工程17)
次に、レーザダイオード端面形成を行う。
具体的には、ドライエッチング技術もしくは劈開によりレーザダイオード端面形成を行う。そして、形成されたレーザダイオード端面にコーティングを行って、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード10の製造を完了する。
(Step 17)
Next, the laser diode end face is formed.
Specifically, the laser diode end face is formed by a dry etching technique or cleavage. Then, coating is performed on the end face of the formed laser diode, and the manufacture of the
具体的にはAR(減反射)コーティング膜およびHR(高反射)コーティング膜をPCVD法により堆積させて形成する。 以上のように構成された第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 Specifically, an AR (reduced reflection) coating film and an HR (high reflection) coating film are deposited by the PCVD method. According to 1st Embodiment comprised as mentioned above, there exist the following effects.
○ 図1に示す半導体レーザダイオード10の主な特徴は、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現するために、以下の構成を有する点にある。
The main feature of the
・窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-xN(0<x<1)]からなる活性層16を有し、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード10用のエピタキシャルウェハを備えている。
It has an
・そのエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層16に格子整合する(格子定数の近い)酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13を使っている。
In order to form the epitaxial wafer, the
・ZnO層13をエピタキシャル成長させる基板としてa面サファイア基板11Aを用いる。つまり、サファイア基板11Aのa面(11−20)(図2参照)上にZnO層13をエピタキシャル成長させている。
An
このような構成により、a面(11−20)を主面とするサファイア基板11A上に、ZnOからなるバッファ層12とZnO層13を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、サファイアのc軸長(13.001Å)に沿ってZnOのa軸長(3.2407Å)の4個分の結晶が並び、結晶の整合度が0.07%程度と非常によくなり、優れた結晶面のバッファ層12とZnO層13が得られる。これにより、活性層16の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
With this configuration, a surface (11 - 20) to on the
また、図3に示すように、ZnOの単位格子cに対応する格子定数(=5.1955Å)は、窒化ガリウムGaNの単位格子cに対応する格子定数(=5.186Å)と窒化インジウムInNの単位格子cに対応する格子定数(=5.76Å)との間の値を有しており、In組成20%程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。
このように、優れた結晶面を有するZnO層13の格子定数は、InGaNからなる井戸層のインジウム(In)の組成比を、発光波長が480nm以上(緑色域での発光波長)となるように20%以上に設定したInGaN系の活性層16の格子定数に近い。
Further, as shown in FIG. 3, the lattice constant (= 5.1955 Å) corresponding to the unit lattice c of ZnO is equal to the lattice constant (= 5.186 Å) corresponding to the unit lattice c of gallium nitride GaN and the indium nitride InN. It has a value between the lattice constant (= 5.76 Å) corresponding to the unit cell c, and is very close to the unit cell c of gallium indium nitride InGaN having an In composition of about 20%.
Thus, the lattice constant of the
このため、活性層16のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層16の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層16のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で、高い発光効率での発光が可能となる。
Therefore, phase separation that occurs when the In composition ratio of the
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層16を有する素子であって、発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。
Therefore, an element having an InGaN
○ サファイア基板11Aは、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオード10を得ることができる。
Since the
○ サファイア基板11AとZnO層13の間に、ZnOを低温成長させたバッファ層12が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層16の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。
○ Since the
(第2実施形態)
図4は本発明の第2実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10Aを示している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a
この半導体レーザダイオード10Aの主な特徴は、以下の構成を有する点にある。
・上記第1実施形態では、ZnO層13をエピタキシャル成長させる基板としてa面サファイア基板11Aを用いているのに対して、c面サファイア基板11Cを用いている。つまり、サファイア基板11Cのc面(0001)(図2参照)上にZnO層13をエピタキシャル成長させている。
・サファイア基板11CとZnO層13の間に、MgOからなる バッファ層22と、ZnOからなるバッファ層12の2つのバッファ層を形成している。
その他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
The main feature of this
In the first embodiment, the c-
Between the
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
次に、半導体レーザダイオード10Aを製造する方法について説明する。
(工程1a)
まず、c面(0001) を主面とするサファイア基板(サファイアのウェハ)11cを洗浄する。
この洗浄は、上記(工程1)で説明した有機洗浄あるいは化学エッチングにより行う。
Next, a method for manufacturing the
(Step 1a)
First, the sapphire substrate (sapphire wafer) 11c whose principal surface is the c-plane (0001) is cleaned.
This cleaning is performed by the organic cleaning or chemical etching described in the above (Step 1).
(工程2a)
次に、洗浄したサファイア基板11Cのサーマルクリーニング処理を行う。
このサーマルクリーニング処理は、上記(工程2)で説明したサーマルクリーニング処理と同様である。
(Step 2a)
Next, a thermal cleaning process is performed on the cleaned
This thermal cleaning process is the same as the thermal cleaning process described in (Step 2) above.
(工程3a)
次に、サファイア基板11Cのc面(0001) 上にMgOからなるバッファ層22を、RFMBE法により成長させる(バッファ層形成工程)。
(Step 3a)
Next, the
この場合の条件は、例えば、バッファ層22の膜厚は1-20nm、成長温度Tg=600℃、プラズマ電力(RF電力)P=300W、O2流量3sccm(standard cc/min)とする。高純度のMg金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
The conditions in this case are, for example, that the thickness of the
(工程3b)
次に、MgOからなるバッファ層22上に、ZnOからなるバッファ層12をRFMBE法により低温で成長させる(バッファ層形成工程)。
(Step 3b)
Next, the
この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=400〜500℃、プラズマ電力(RF電力)P=300W、O2流量3sccm(standard cc/min)とする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。 The conditions in this case are, for example, growth temperature Tg = 400 to 500 ° C., plasma power (RF power) P = 300 W, and O 2 flow rate 3 sccm (standard cc / min). A high-purity Zn metal material is evaporated in a Knudsen cell and supplied to the substrate surface.
なお、バッファ層12の厚さは、10-200nm程度で、成長温度Tgは、250-650℃程度の低温で成長する。
この後、上記(工程4)〜(工程6)を行う。
The
Thereafter, the above (Step 4) to (Step 6) are performed.
このようにして形成された酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13上に、緑色域等の長波長の可視域(発光波長が480nm以上の光)で発光する半導体レーザダイオード10A用のエピタキシャルウェハを、上記(工程7)〜(工程11)を実施して形成する。この後さらに、上記(工程12)〜(工程17)を実施して、半導体レーザダイオード10Aの製造を完了する。
On the
以上のように構成された第2実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。 According to 2nd Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○ c面(0001) を主面とするサファイア基板11CとZnO層13の間に、MgOからなる バッファ層22を挿入してあるため、30°回転したドメインが形成されるのが抑制される。つまり、ZnOのa軸がサファイアのa軸に対して30°回転して成長されるのが抑制される。これにより、ZnO層13をエピタキシャル成長させる基板としてc面サファイア基板11Cを用いる場合でも、活性層16の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
○ Since the
従って、c面サファイア基板を用いる場合でも、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層16を有する素子で発光波長が480nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。
Therefore, even when a c-plane sapphire substrate is used, a semiconductor laser diode capable of realizing light emission with a light emission wavelength of 480 nm or more with high light emission efficiency by an element having a high In composition InGaN
○ MgOからなるバッファ層22の膜厚を制御することで、ZnO層13の極性を制御することができる。例えば、バッファ層22の膜厚が2nm未満の場合、ZnO層13は酸素(O)極性で成長し、その膜厚が3nm未満の場合、ZnO層13は亜鉛(Zn)極性で成長する。
The polarity of the
なお、下部コンタクト層14の導電型がn型の場合には、ZnO層13の極性は酸素(O)極性と亜鉛(Zn)極性のいずれであっても良い。一方、下部コンタクト層14の導電型がp型の場合には、ZnO層13の極性は亜鉛(Zn)極性で成長させる必要がある。
When the conductivity type of the
(第3実施形態)
図5は本発明の第3実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10Bを示している。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a
この半導体レーザダイオード10Bの特徴は、図1に示す上記第1実施形態に係る半導体レーザダイオード10において、ZnO層13とInGaN系の活性層16の間に擬似格子整合層30を設けている点にある。
The
擬似格子整合層30は、ZnOなどの酸化物層とInGaNなどの窒化物層の間に挿入される。本実施形態では、下部コンタクト層14がInGaNなどの窒化物で構成されているので、擬似格子整合層30がZnO層13と下部コンタクト層14の間に設けられている。
その他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
The pseudo
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
擬似格子整合層30は、膜厚が1ML(分子層)以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以のGaNからなる。ここにいう「臨界膜厚」は、下のZnO層13に対して、その上にどれだけの膜厚の層を成長できるかを計算して求めたものである。GaNからなる擬似格整合層30の臨界膜厚は、最大で約20nm程度である。なお、この臨界膜厚は、上にInGaNからなる活性層16等を形成するので、擬似格子整合層30の上に形成する層も考慮すると、GaNからなる擬似格子整合層30の臨界膜厚は50nm程度まで厚くすることが可能である。このように、GaNからなる擬似格子整合層30の臨界膜厚は、1ML以上、50nm以下の範囲内に設定可能であり、好ましくは、1ML以上、約20nm以下の範囲内に設定される。
The pseudo
擬似格子整合層30は、第1実施形態において、上記(工程5)でバッファ層12上にZnO層13を形成した後に形成する。このとき、750℃より低い温度、例えば500℃程度の低温でGaと窒素ラジカル(N)をZnO層13表面に同時に供給することにより、ZnO層13の酸素(O)極性のc面(0001)上あるいは亜鉛(Zn)極性のc面(0001)上にGaN結晶を4ML成長させて擬似格子整合層30を形成する。
In the first embodiment, the pseudo
GaN結晶の成長温度を低温で行うのは、ZnO層13とGaNからなる擬似格子整合層30との界面反応を抑制するためである。ここで、GaNを4ML成長した後にInNを1ML成長したり、InNを1ML成長した後にGaNを4ML成長したり、或いは、GaN層とInN層を交互に積層させた層を成長して、擬似格子整合層130を形成しても良い。
The reason why the growth temperature of the GaN crystal is performed at a low temperature is to suppress the interface reaction between the
ZnOとGaNとの格子定数差はa軸で1.8%程度、ZnOとInNとの格子定数差はa軸でそれぞれ8.8%程度存在するが、擬似格子整合層30を構成するGaN層とInN層の合計の膜厚を、GaN層とInN層の平均組成をとったInGaNの臨界膜厚以下にすることにより、ZnOの格子定数を維持させることができる。ここで、擬似格子整合層30にシリコン(Si)をドーピングすることにより、n型導電性を有する擬似格子整合層30が形成される。
The lattice constant difference between ZnO and GaN is about 1.8% on the a-axis, and the lattice constant difference between ZnO and InN is about 8.8% on the a-axis, respectively, but the GaN layer and InN layer constituting the pseudo
また、500℃程度の低温でGaN結晶を成長した後で、700-1000℃程度で30分から2時間の熱処理を施すことにより、低温で堆積されたGaN薄膜からなる擬似格子整合層30の結晶化が進み、次第にストリークパターンが現れてくる。これにより、GaNからなる擬似格子整合層30の上部に形成する層の結晶性を向上させることもできる。GaN結晶を成長させる温度があまりに高いとGaがZnOに拡散してGa2ZnO4が形成されてしまうので、最適な温度にする必要がある(擬似格子整合層30の結晶化)。
In addition, after growing a GaN crystal at a low temperature of about 500 ° C., heat treatment is performed at a temperature of about 700-1000 ° C. for 30 minutes to 2 hours to crystallize the
以上のように構成された第3実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。 According to 3rd Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○ ZnO層13と下部コンタクト層14の間に擬似格子整合層30が形成されているので、ZnO層13と活性層16の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層であるZnO層13と窒化物層である下部コンタクト層14間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層16の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
○ Since the pseudo
○ ZnO層13と活性層16との間に擬似格子整合層30を形成することで、擬似格子整合層30が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。
○ By forming the
○ 擬似格子整合層30を、膜厚が1ML以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以下のGaNで構成することにより、下地のZnO層13の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層13と格子整合したInGaNからなる活性層16を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
○ The
(第4実施形態)
図6は本発明の第4実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10Bを示している。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a
この半導体レーザダイオード10Cの特徴は、図1に示す上記第1実施形態に係る半導体レーザダイオード10において、ZnO層13とInGaN系の活性層16の間に擬似格子整合層30を設けている点にある。
The
本実施形態では、下部コンタクト層14がZnMgOなどの酸化物で構成され、下部クラッド層15がInGaNなどの窒化物で構成されているので、擬似格子整合層31が下部コンタクト層14と下部クラッド層15の間に設けられている。
In this embodiment, since the
この擬似格子整合層31は、図5に示す擬似格子整合層30と同様の構成である。その他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
This pseudo
以上のように構成された第4実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。 According to 4th Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○ 下部コンタクト層14と下部クラッド層15の間に擬似格子整合層31が形成されているので、ZnO層13と活性層16の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層である下部コンタクト層14と窒化物層である下部クラッド層15間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層16の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
○ Since the pseudo
○ ZnO層13と活性層16との間に擬似格子整合層31を形成することで、擬似格子整合層31が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。
○ By forming the
○ 擬似格子整合層31を、膜厚が1ML以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以下のGaNで構成することにより、下地のZnO層13の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層13と格子整合したInGaNからなる活性層16を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
○ The
(第5実施形態)
図7は本発明の第5実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10Dを示している。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 shows a
この半導体レーザダイオード10Dの特徴は、図1に示す上記第1実施形態に係る半導体レーザダイオード10において、ZnO層13とInGaN系の活性層16の間に超格子層からなる擬似格子整合層32を設けている点にある。
The
本実施形態では、下部クラッド層15がZnMgOなどの酸化物で構成されているので、超格子から擬似格子整合層32が下部クラッド層15とInGaNからなる活性層16の間に設けられている。
In the present embodiment, since the
この超格子層からなる擬似格子整合層32は、膜厚が1ML以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した層である。その他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
The pseudo
以上のように構成された第5実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。 According to 5th Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○ 下部クラッド層15とInGaNからなる活性層16の間に超格子層からなる擬似格子整合層32が形成されているので、ZnO層13と活性層16の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層である下部クラッド層15と窒化物層である活性層16間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層16の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
Since a pseudo
○ ZnO層13と活性層16との間に超格子層からなる擬似格子整合層32を形成することで、擬似格子整合層32が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い(発光強度の強い)半導体レーザダイオードを得ることができる。
○ By forming a pseudo
○ 超格子層からなる擬似格子整合層32を、膜厚が1ML以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層して構成することにより、下地のZnO層13の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層13と格子整合したInGaNからなる活性層16を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
○ The lattice constant of the
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記各実施形態において、下部クラッド層と活性層の間、および活性層と上部クラッド層の間に、光ガイド層をそれぞれ設けた構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。これにより、半導体レーザダイオードが分離閉じ込めヘテロ構造(Separate Confinement heterostructure:SCH)を有する構成となり、発光効率の高い半導体レーザダイオードが得られる。
In addition, this invention can also be changed and embodied as follows.
In each of the above embodiments, the present invention is also applicable to a semiconductor laser diode having a structure in which a light guide layer is provided between the lower cladding layer and the active layer and between the active layer and the upper cladding layer. Accordingly, the semiconductor laser diode has a configuration having a separate confinement heterostructure (SCH), and a semiconductor laser diode with high emission efficiency can be obtained.
・上記各実施形態では、活性層16より下側をn型、上側をp型としているが、活性層16より下側をp型、上側をn型とした構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。
In each of the above embodiments, the lower side from the
・図5および図6に示す上記第3および第4実施形態において、擬似格子整合層30,31は、成長初期にGaNの2元系材料を成長させ、そのGaN層上に、In組成が次第に増やした層(InGaN傾斜組成層)を形成した擬似格子整合層であっても良い。この構成では、擬似格子整合層30,31の成長初期にGaNの2元系材料を成長させることにより、急峻な酸化物層と窒化物層の界面が得られる。 In the third and fourth embodiments shown in FIGS. 5 and 6, the pseudo lattice matching layers 30 and 31 grow a binary material of GaN at the initial growth stage, and the In composition gradually increases on the GaN layer. It may be a pseudo-lattice matching layer in which an increased layer (InGaN gradient composition layer) is formed. In this configuration, a sharp interface between the oxide layer and the nitride layer can be obtained by growing a binary material of GaN at the initial stage of growth of the pseudo lattice matching layers 30 and 31.
・上記第3および第4実施形態において、擬似格子整合層30,31を形成するのに、膜厚が1ML(分子層)以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以のGaN、例えば4MLのGaNに代えて、4ML のInNを成長しても良い。
・上記第5実施形態において、超格子層からなる擬似格子整合層32を、膜厚が1ML以上、ZnO層13に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した層で構成しても良い。例えば、擬似格子整合層32を、4MLのGaNと1ML のInNを交互に積層した層、あるいは、1MLのGaNと4ML のInNを交互に積層した層で構成しても良い。このような積層構造の超格子層からなる擬似格子整合層32の場合、擬似格子整合層32Aの臨界膜厚は、GaNとInNの平均組成をとった場合のInGaNに対応する臨界膜厚で定義される。
In the third and fourth embodiments, the pseudo-lattice matching layers 30 and 31 are formed of GaN having a thickness of 1 ML (molecular layer) or more and a critical thickness with respect to the
In the fifth embodiment, the
そして、このような構成のいずれの場合においても、超格子層からなる擬似格子整合層32は、その膜厚を、1ML以上、基板に対して臨界膜厚以下にすることにより、下地のZnO層13の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層13と格子整合したInGaNからなる活性層16を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層16が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子を得ることができる。
And in any case of such a configuration, the
・上記第3乃至第5実施形態で説明した擬似格子整合層30,31,32を、図4に示す第2実施形態に係る半導体レーザダイオードに設けた構成にも本発明は適用可能である。
・上記第1実施形態では、サファイア基板11Aのa面(11−20)(図2参照)上にZnOからなるバッファ層12と、酸化亜鉛(ZnO)系エピ層としてのZnO層13とを形成してあるが、a面(11−20)に限らず、c面(0001)に直交するa面(11−20)と等価な面上に、バッファ層12とZnO層13とを形成した構成にも本発明は適用可能である。
The present invention is also applicable to a configuration in which the pseudo-lattice matching layers 30, 31, and 32 described in the third to fifth embodiments are provided in the semiconductor laser diode according to the second embodiment shown in FIG.
In the first embodiment, a surface of the
・上記各実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、pn接合部を有する発光ダイオード(LED)などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。 In each of the above embodiments, the semiconductor light emitting element configured as a semiconductor laser diode has been described. However, the present invention can also be applied to a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED) having a pn junction.
・上記各実施形態では、活性層16はInGaNで構成されているが、活性層16をAlGaInNなどの他のIII-V族窒化物系化合物半導体で構成した半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
In each of the above embodiments, the
10,10A,10B,10C、10D…半導体発光素子としての半導体レーザダイオード、12…ZnOバッファ層、13…ZnO層、14…下部コンタクト層、15…下部クラッド層、16…活性層、17…上部クラッド層、18…上部コンタクト層、19…パッシベーション膜、20…下部電極、21…上部電極、30,31,32…擬似格子整合層。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
The step of forming the pseudo lattice matching layer is characterized in that the pseudo lattice matching layer made of GaN or InN is formed to a thickness not less than 1 ML and not more than a critical thickness with respect to a ZnO layer. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of description.
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