JP2010010300A - Gallium nitride semiconductor light-emitting element and epitaxial wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハに関する。 The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor light emitting device and an epitaxial wafer.
特許文献１には、窒化ガリウム系半導体からなる半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ＦＩＥＬＯ法で（０００１）面サファイア基板上に作製されたＧａＮ基板を用いて作製されており、そのしきい値電流密度は低減されている。 Patent Document 1 describes a semiconductor laser made of a gallium nitride based semiconductor. This semiconductor laser is fabricated using a GaN substrate fabricated on a (0001) plane sapphire substrate by the FIELO method, and its threshold current density is reduced.
非特許文献１〜３には、窒化ガリウム系半導体の発光ダイオードが記載されている。非特許文献１の発光ダイオードは、オフ角５８度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献２の発光ダイオードは、オフ角３２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献３の発光ダイオードは、オフ角６２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献４には、窒化ガリウム系半導体のレーザダイオードが記載されており、このレーザダイオードは、オフ角６２度のＧａＮ基板上に作製されている。非特許文献５には、Ｉｎ組成の揺らぎを評価する方法が説明されている。
ＩｎＧａＮは強い非混和性を示し、このため、ＩｎＧａＮ成長においては自発的にＩｎ組成の揺らぎが生じる。特許文献１における半導体レーザ特性はＩｎ組成の揺らぎに関係している。特許文献１の半導体レーザは（０００１）面ＧａＮ基板上に作製されたものである。また、特許文献１には、半導体レーザに関して量子井戸一個あたりのしきい値モード利得が１２ｃｍ−２以下であること、及びバンドギャップエネルギの微視的揺らぎの標準偏差が７５−２００ｍｅＶであることが記載されている。一方、ＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成の揺らぎは、特許文献１にも記載されているように高い発光効率に寄与していると考えられている。例えば、非特許文献１や非特許文献３に記載された発光ダイオード（ＬＥＤ）のＬＥＤ特性は、これらのＬＥＤの出力が大きいを示している。 InGaN exhibits strong immiscibility, and therefore, the In composition fluctuates spontaneously during InGaN growth. The semiconductor laser characteristics in Patent Document 1 are related to fluctuations in the In composition. The semiconductor laser of Patent Document 1 is fabricated on a (0001) plane GaN substrate. Further, in Patent Document 1, the threshold mode gain per quantum well for a semiconductor laser is 12 cm −2 or less, and the standard deviation of microscopic fluctuations in band gap energy is 75-200 meV. Are listed. On the other hand, the fluctuation of the In composition in InGaN is considered to contribute to high luminous efficiency as described in Patent Document 1. For example, the LED characteristics of the light emitting diodes (LEDs) described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 3 indicate that the output of these LEDs is large.
この組成揺らぎにより局在準位がＩｎＧａＮ井戸層に形成される。局在準位はキャリアトラップを形成するので、多数の局在準位によって理想的なバンド構造に対してバンドテイルが生じる。また、発光に関係するバンドギャップの温度特性は様々な原因で理論値からずれるが、バンドテイルは、このバンドギャップの理論上の温度特性に追加の寄与を生じさせる。つまり、その温度特性は理論値と異なる振る舞いをする。 Localized levels are formed in the InGaN well layer by this composition fluctuation. Since the localized levels form carrier traps, a band tail occurs with respect to an ideal band structure due to a large number of localized levels. In addition, although the temperature characteristics of the band gap related to light emission deviate from the theoretical values for various reasons, the band tail causes an additional contribution to the theoretical temperature characteristics of the band gap. In other words, the temperature characteristics behave differently from the theoretical values.
ＩｎＧａＮ井戸層におけるＩｎ組成の揺らぎは、半導体レーザにおいてはしきい値電流を増加させる。また、この揺らぎは、発光ダイオードにおいてはピーク波長の電流依存性の一因となる。故に、いずれの発光素子においても、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の揺らぎを低減することが望ましい。 The fluctuation of the In composition in the InGaN well layer increases the threshold current in the semiconductor laser. In addition, this fluctuation contributes to the current dependency of the peak wavelength in the light emitting diode. Therefore, in any light emitting device, it is desirable to reduce fluctuations in the In composition of the InGaN well layer.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、低いＩｎ組成揺らぎのＩｎＧａＮ井戸層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを目的とし、またこの窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a gallium nitride based semiconductor light emitting device including an InGaN well layer having a low In composition fluctuation, and this gallium nitride based semiconductor light emitting device. An object of the present invention is to provide an epitaxial wafer.
本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体発光素子に係る。窒化ガリウム系半導体発光素子は、（ａ）ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、（ｃ）前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域とを備える。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されている。前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなる。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以下３０度以下の角度で傾斜すると共に、該主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの光は、単一のピーク波長において極大値を有するスペクトルを示している。 One aspect of the present invention relates to a gallium nitride based semiconductor light emitting device. The gallium nitride based semiconductor light emitting device includes: (a) an n-type gallium nitride based semiconductor region; (b) an active layer provided on the n-type gallium nitride based semiconductor region; and (c) provided on the active layer. And a p-type semiconductor region made of a gallium nitride based semiconductor. The n-type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the p-type semiconductor region are arranged in a predetermined axis direction. The active layer has a quantum well structure including a well layer and a barrier layer. The well layer is made of InGaN, and the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor. The main surface of the n-type gallium nitride semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees or less and 30 degrees or less with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the n-type gallium nitride semiconductor region, and the surface of the main surface The morphology has a plurality of microsteps arranged in a predetermined direction defined by the direction of inclination. The well layer and the barrier layer are formed on the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region, and the light from the gallium nitride based semiconductor light emitting element has a maximum value at a single peak wavelength. Is shown.
この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜するので、その主面は、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。これらのマイクロステップは、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、該主面が、ｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。 According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the c-axis and is inclined at an angle of 30 degrees or less. The main surface has a plurality of microsteps arranged in a predetermined direction defined by the inclination direction. These microsteps weaken the immiscibility of InGaN and reduce In fluctuations in the InGaN well layer. At an inclination angle of 10 degrees or more, the step density on the main surface becomes high, and as a result, InGaN having a small fluctuation in the In composition is formed. At an inclination angle exceeding 30 degrees, the main surface approaches a crystal plane having a property different from that of the c-plane, so that the step density of the main surface becomes low, and as a result, InGaN with large fluctuations in the In composition is formed. .
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β） （１）
で近似されることが好ましい。ここで、符号α、βは定数である。この窒化ガリウム系半導体発光素子では、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、井戸層のエネルギＥ（Ｔ）が、ＩｎＧａＮ中の局在準位の作用を示す項を無視した式（１）で実質的に近似される。
In the gallium nitride based semiconductor light-emitting device of the present invention, the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the spectrum is expressed by using the absolute temperature T in the range of the absolute temperature of 70K to 400K. = E (0) -αT 2 / (T + β) (1)
Is preferably approximated by Here, the symbols α and β are constants. In this gallium nitride based semiconductor light-emitting device, due to the reduction of fluctuations in the In composition, the energy E (T) of the well layer is substantially approximated by the expression (1) ignoring the term indicating the action of the localized level in InGaN. Is done.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ以下であることができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子では、井戸層の下地となるｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面をｃ面に対して傾斜させることによって、その主面にマイクロステップが構築されるようになる。 In the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention, the width of the microstep may be 25 nm or less. In this gallium nitride based semiconductor light-emitting device, the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region serving as the base of the well layer is inclined with respect to the c plane, whereby a microstep is constructed on the main surface.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる基板を更に備えることができる。前記基板の主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有することができる。 The gallium nitride semiconductor light emitting device of the present invention can further include a substrate made of a hexagonal gallium nitride semiconductor. The main surface of the substrate may have a plurality of microsteps arranged at an angle of 10 degrees or more and 30 degrees or less with respect to the c-plane of the gallium nitride semiconductor and arranged in the predetermined direction.
この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の下地となる基板の主面がｃ面に対して傾斜することによって、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面にマイクロステップが引き継がれる。上記の傾斜角範囲の基板主面によって、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面のマイクロステップが、Ｉｎ組成の揺らぎ低減に好適なステップ密度になる。 According to this gallium nitride based semiconductor light-emitting device, the main surface of the substrate serving as the base of the n-type gallium nitride based semiconductor region is inclined with respect to the c-plane, so that the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region is microstepped. Is taken over. With the substrate main surface in the above-mentioned tilt angle range, the microstep of the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region has a step density suitable for reducing fluctuations in the In composition.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記井戸層の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の膜厚範囲のＩｎＧａＮ薄膜でＩｎ組成の揺らぎの影響が顕著である。 In the gallium nitride based semiconductor light-emitting device of the present invention, the thickness of the well layer is preferably 1 nm or more and 10 nm or less. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the influence of fluctuation of the In composition is significant in the InGaN thin film having the above-mentioned film thickness range.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記井戸層のインジウム組成は０．０５以上であり、０．３０以下であることができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の組成範囲のＩｎＧａＮ薄膜でＩｎ組成の揺らぎの影響が顕著である。 In the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention, the indium composition of the well layer may be 0.05 or more and 0.30 or less. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the influence of fluctuation of the In composition is significant in the InGaN thin film having the above composition range.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層を有する半導体レーザを含む。当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの前記光は、前記半導体レーザのＬＥＤモードにおける光である。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、半導体レーザのしきい値電流が低減される。 The gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention includes a semiconductor laser having the active layer. The light from the gallium nitride based semiconductor light emitting device is light in the LED mode of the semiconductor laser. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the threshold current of the semiconductor laser is reduced.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記ｃ面は、前記窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜していることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、Ｉｎ組成の揺らぎ低減に好適なマイクロステップが得られると共に、半導体レーザの共振面が劈開により形成可能である。 In the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the c-plane is inclined in the a-axis direction of the gallium nitride based semiconductor. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, microsteps suitable for reducing fluctuations in the In composition can be obtained, and the resonant surface of the semiconductor laser can be formed by cleavage.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度３００Ｋから３８０Ｋの範囲において０．０１５ｅＶ以上であることができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、局在準位の数の低減により、室温から高温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。 In the gallium nitride based semiconductor light-emitting device of the present invention, the maximum red shift of the spectrum may be 0.015 eV or more in the range of an absolute temperature of 300K to 380K. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the amount of red shift in the temperature range from room temperature to high temperature increases due to the reduction in the number of localized levels.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記スペクトルの前記極大値のレッドシフトは、絶対温度１００Ｋから３００Ｋの範囲において０．０３ｅＶ以上であることができる。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、局在準位の数の低減により、低温から室温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。 In the gallium nitride based semiconductor light-emitting device of the present invention, the red shift of the maximum value of the spectrum may be 0.03 eV or more in an absolute temperature range of 100K to 300K. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the amount of red shift in the temperature range from low temperature to room temperature increases due to the reduction in the number of localized levels.
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子では、前記基板はＧａＮからなることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子のＧａＮ基板によれば、マイクロステップの制御が容易である。 In the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention, the substrate is preferably made of GaN. According to the GaN substrate of the gallium nitride based semiconductor light emitting device, the microstep can be easily controlled.
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハに係る。このエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなるウエハと、（ｂ）前記ウエハ上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、（ｄ）前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域とを備える。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されている。前記ウエハの主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以下３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ウエハの主面の表面モフォロジは、所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなる。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に順に形成されている。当該エピタキシャルウエハの前記活性層からのフォトルミネッセンススペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する。 Another aspect of the present invention relates to an epitaxial wafer for a gallium nitride based semiconductor light emitting device. The epitaxial wafer includes: (a) a wafer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor; (b) an n-type gallium nitride semiconductor region provided on the wafer; and (c) the n-type gallium nitride semiconductor. An active layer provided on the region; and (d) a p-type semiconductor region formed on the active layer and made of a gallium nitride-based semiconductor. The n-type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the p-type semiconductor region are arranged in a predetermined axis direction. The main surface of the wafer is inclined at an angle of 10 degrees or less and 30 degrees or less with respect to the c-plane of the gallium nitride based semiconductor, and the surface morphology of the main surface of the wafer is a plurality of elements arranged in a predetermined direction. Has microsteps. The active layer has a quantum well structure including a well layer and a barrier layer. The well layer is made of InGaN, and the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor. The main surface of the n-type gallium nitride semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the n-type gallium nitride semiconductor area, and the n-type gallium nitride semiconductor The surface morphology of the main surface of the system semiconductor region has a plurality of microsteps arranged in a predetermined direction defined by the direction of inclination. The well layer and the barrier layer are sequentially formed on the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region. The photoluminescence spectrum from the active layer of the epitaxial wafer has a maximum at a single peak wavelength.
このエピタキシャルウエハによれば、ウエハの主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜するので、ウエハ主面は、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。ウエハ主面のマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜する。これ故に、その主面は、上記の傾斜方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。マイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性が発現し難い成長を可能にしてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、該主面が、ｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎ低減の作用が低下する。 According to this epitaxial wafer, the main surface of the wafer is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the c-axis, and is inclined at an angle of 30 degrees or less. Therefore, the wafer main surface is defined by the above inclination direction. A plurality of microsteps arranged in a predetermined direction. Taking over the microstep structure of the wafer main surface, the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the c-axis and at an angle of 30 degrees or less. Therefore, the main surface has a plurality of microsteps arranged in the direction defined by the inclination direction. The micro-step structure enables the growth in which the immiscibility of InGaN hardly occurs and reduces the In fluctuation of the InGaN well layer. At an inclination angle of 10 degrees or more, the step density on the main surface becomes high. As a result, InGaN with a small fluctuation in the In composition is formed. At an inclination angle exceeding 30 degrees, the main surface approaches a crystal plane having a property different from that of the c-plane, so that the step density on the main surface becomes low. As a result, the effect of reducing fluctuations in the In composition is reduced.
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ＰＬスペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表された式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似される。ここで、符号α、βは定数である。このエピタキシャルウエハでは、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、ＰＬスペクトルの前記ピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）が、局在準位の影響を示す項を含まない式を実質的に満すことができる。
In the epitaxial wafer of the present invention, the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the PL spectrum is expressed by using the absolute temperature T in the range of the absolute temperature of 70K or more and 400K or less. 0) −αT 2 / (T + β)
Is approximated by Here, the symbols α and β are constants. In this epitaxial wafer, the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the PL spectrum can substantially satisfy the expression that does not include a term indicating the influence of the localized level due to the reduction in fluctuation of the In composition. .
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハの主面の前記マイクロステップの幅は２５ｎｍ以下であることができる。このエピタキシャルウエハでは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の下地となる基板主面の主面がｃ面に対して傾斜することによって、その主面にマイクロステップが構築されるようになる。 In the epitaxial wafer of the present invention, the width of the microstep on the main surface of the wafer may be 25 nm or less. In this epitaxial wafer, the main surface of the substrate main surface serving as the base of the n-type gallium nitride based semiconductor region is inclined with respect to the c-plane, whereby a microstep is constructed on the main surface.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明の一側面によれば、低いＩｎ組成揺らぎのＩｎＧａＮ井戸層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子が提供される。また、本発明の別の側面によればこの窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。 As described above, according to one aspect of the present invention, a gallium nitride based semiconductor light emitting device including an InGaN well layer with low In composition fluctuation is provided. According to another aspect of the present invention, an epitaxial wafer for the gallium nitride based semiconductor light emitting device is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the gallium nitride based semiconductor light emitting device and the epitaxial wafer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。図１を参照すると、窒化ガリウム系半導体発光素子１１（以下、「ＧａＮ系発光素子１１」と記す）に加えて、ＧａＮ系発光素子１１の構造を示すための直交座標系Ｓ及び結晶系を示すための結晶座標系ＳＣが示されている。結晶座標系ＳＣは、六法晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸、ａ軸及びｍ軸を表すために描かれている。ＧａＮ系発光素子１１は例えば半導体レーザであることができる。ＧａＮ系発光素子１１はＸ軸方向に交差する一対の端面１１ａ、１１ｂを含む。ＧａＮ系発光素子１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３と、活性層１５と、ｐ型半導体領域１７とを備える。 FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, in addition to a gallium nitride based semiconductor light emitting device 11 (hereinafter referred to as “GaN based light emitting device 11”), an orthogonal coordinate system S and a crystal system for showing the structure of the GaN based light emitting device 11 are shown. A crystal coordinate system SC is shown. The crystal coordinate system SC is drawn to represent the c-axis, a-axis, and m-axis of a hexagonal gallium nitride semiconductor. The GaN-based light emitting element 11 can be, for example, a semiconductor laser. The GaN-based light emitting element 11 includes a pair of end faces 11a and 11b that intersect in the X-axis direction. The GaN-based light emitting device 11 includes an n-type gallium nitride semiconductor region 13, an active layer 15, and a p-type semiconductor region 17.
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の窒化ガリウム系半導体のｃ軸（ベクトルＣＶ１）に対して１０度以上の角度で傾斜しており、また３０度以下の角度で傾斜しており、この傾斜は、主面１３ａの法線ベクトルＶＮとベクトルＣＶ１との交差角によって表される。傾斜の方向は、例えば、本実施例ではａ軸方向である。図１を参照すると、該主面１３ａの表面モフォロジＭ１は、傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有している。本実施例では、配列方向は例えばａ軸方向であり、各ステップは例えばｍ軸方向に沿っている。 The main surface 13a of the n-type gallium nitride semiconductor region 13 is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the c-axis (vector CV1) of the gallium nitride semiconductor of the n-type gallium nitride semiconductor region 13, and 30 It is inclined at an angle of less than or equal to degrees, and this inclination is represented by the intersection angle between the normal vector VN and the vector CV1 of the principal surface 13a. The direction of inclination is, for example, the a-axis direction in this embodiment. Referring to FIG. 1, the surface morphology M1 of the main surface 13a has a plurality of microsteps arranged in a direction defined by the direction of inclination. In this embodiment, the arrangement direction is, for example, the a-axis direction, and each step is, for example, along the m-axis direction.
ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ１の幅は２５ｎｍ以下であることができ、また０．５ｎｍ以上であることができる。井戸層の下地となるｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａがｃ面に対して傾斜するので、その主面１３ａにマイクロステップを構築できる。 In the GaN-based light emitting device 11, the width of the microstep M1 can be 25 nm or less, and can be 0.5 nm or more. Since the main surface 13a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13 serving as the base of the well layer is inclined with respect to the c-plane, a microstep can be constructed on the main surface 13a.
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３、活性層１５及びｐ型半導体領域１７は、座標系ＳのＺ軸方向に配列されている。活性層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３上に設けられている。ｐ型半導体領域１７は、活性層１５上に設けられており、また窒化ガリウム系半導体からなる。活性層１５は量子井戸構造１９を有する。量子井戸構造１９は障壁層１９ａ及び井戸層１９ｂを含んでおり、障壁層１９ａ及び井戸層１９ｂは交互に配列されている。井戸層１９ｂ及び障壁層１９ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａのマイクロステップ上に順に形成されている。井戸層１９ｂはＩｎＧａＮからなると共に、障壁層１９ａは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。当該ＧａＮ系発光素子１１からの光は、単一のピーク波長において極大値を有するスペクトルを示す。本実施例のようにＧａＮ系発光素子１１が半導体レーザであるとき、窒化ガリウム系半導体発光素子からの光Ｌは、半導体レーザのＬＥＤモードにおける光（レーザ発振に先立つ発光）である。 The n-type gallium nitride semiconductor region 13, the active layer 15, and the p-type semiconductor region 17 are arranged in the Z-axis direction of the coordinate system S. The active layer 15 is provided on the n-type gallium nitride based semiconductor region 13. The p-type semiconductor region 17 is provided on the active layer 15 and is made of a gallium nitride based semiconductor. The active layer 15 has a quantum well structure 19. The quantum well structure 19 includes a barrier layer 19a and a well layer 19b, and the barrier layers 19a and the well layers 19b are alternately arranged. The well layer 19b and the barrier layer 19a are sequentially formed on the microstep of the main surface 13a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13. The well layer 19b is made of InGaN, and the barrier layer 19a is made of a gallium nitride based semiconductor such as GaN or InGaN. The light from the GaN-based light emitting element 11 shows a spectrum having a maximum value at a single peak wavelength. When the GaN-based light-emitting element 11 is a semiconductor laser as in this embodiment, the light L from the gallium nitride-based semiconductor light-emitting element is light in the LED mode of the semiconductor laser (light emission prior to laser oscillation).
このＧａＮ系発光素子１１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａは、そのｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜するので、その主面１３ａはマイクロステップ構造を有する。上記の傾斜角範囲におけるマイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層１９ｂのＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面１３ａの表面のステップ密度が高くなり、この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮが形成される。３０度を越える傾斜角では、主面１３ａがｃ面とは異なる性質の結晶面に近づき、主面１３ａの表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。 According to the GaN-based light emitting device 11, the main surface 13a of the n-type gallium nitride semiconductor region 13 is inclined at an angle of 10 degrees or more and 30 degrees or less with respect to the c-axis. It has a structure. The microstep structure in the above tilt angle range weakens the immiscibility of InGaN and reduces the In fluctuation of the InGaN well layer 19b. At an inclination angle of 10 degrees or more, the step density on the surface of the main surface 13a is increased, and as a result, InGaN with a small fluctuation in the In composition is formed. At an inclination angle exceeding 30 degrees, the main surface 13a approaches a crystal plane having a property different from that of the c-plane, and the step density of the surface of the main surface 13a is lowered. As a result, InGaN having a large In composition fluctuation is formed.
図２は、ＩｎＧａＮの電子状態密度及びバンドエネルギを示す図面である。図２（ａ）を参照すると、局在準位の影響を無視できるＩｎＧａＮにおける理想的な関係ＢＩＤＥＡＬを示しており、図２（ｂ）を参照すると、局在準位の影響を無視できないＩｎＧａＮにおける関係を示している。バンドテイルＢＴＡＩＬは、低い状態密度の領域で、理想的な関係で示されるバンドエネルギよりも低い多数の局在準位により形成される。 FIG. 2 is a drawing showing the electronic state density and band energy of InGaN. Referring to FIG. 2 (a), it shows an ideal relationship B IDEAL in InGaN negligible the influence of the localized level, referring to FIG. 2 (b), not negligible the effects of localized states InGaN Shows the relationship. The band tail B TAIL is formed by a large number of localized levels lower than the band energy indicated by an ideal relationship in a region of a low density of states.
Ｉｎ組成の揺らぎはＩｎＧａＮ成長中に形成されるものであり、本実施の形態では、マイクロステップ構造の働きより、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の空間的な均一性が高められて、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成揺らぎが低減されている。バンドテイルＢＴＡＩＬの状態密度を構成する局在準位は、室温における発光特性に影響するだけでなく、発光特性の温度特性にも影響する。実施例を参照しながら後ほど説明されるが、ＧａＮ系発光素子１１では、スペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は、絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表される式、
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β） （１）
を満すことが好ましい。ここで、符号α、βは定数である。これは、バンドギャップの温度依存性を表す経験式のひとつでＶａｒｓｈｎｉ式と呼ばれている。このＧａＮ系発光素子１１では、Ｉｎ組成の揺らぎ低減により、エネルギＥ（Ｔ）が、理論値を示す関係式（１）を実質的に満すことができる。一方、局在準位の影響が大きいＩｎＧａＮ井戸層の発光では、スペクトルのピーク波長は
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）−σ２／ｋＢＴ （２）
で良く表されることが、例えば非特許文献５に記載されている。式（２）は、局在準位の深さに対応する第３項が式（１）に追加されている。局在準位が主要な発光源であるとき、スペクトルのピーク波長の温度特性は式（２）に従う。ここで、符号σは定数である。
The fluctuation of the In composition is formed during the growth of InGaN. In this embodiment, the spatial uniformity of the In composition of the InGaN well layer is enhanced by the action of the microstep structure, and the InGaN well layer In composition fluctuation is reduced. The localized levels constituting the density of states of the band tail B TAIL not only affect the light emission characteristics at room temperature, but also affect the temperature characteristics of the light emission characteristics. As will be described later with reference to examples, in the GaN-based light emitting device 11, the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the spectrum is expressed using the absolute temperature T in the range of the absolute temperature of 70K to 400K. Expression,
E (T) = E (0) −αT 2 / (T + β) (1)
It is preferable to satisfy Here, the symbols α and β are constants. This is one of empirical expressions representing the temperature dependence of the band gap and is called the Varshni expression. In the GaN-based light emitting device 11, the energy E (T) can substantially satisfy the relational expression (1) indicating the theoretical value by reducing the fluctuation of the In composition. On the other hand, localized in the emission level of the high impact InGaN well layer, the peak wavelength of the spectrum E (T) = E (0 ) -αT 2 / (T + β) -σ 2 / k B T (2)
It is described in Non-Patent Document 5, for example. In the expression (2), a third term corresponding to the depth of the localized level is added to the expression (1). When the localized level is the main light emission source, the temperature characteristic of the peak wavelength of the spectrum follows equation (2). Here, the sign σ is a constant.
井戸層のようなＩｎＧａＮ薄膜は、バルクのＩｎＧａＮ膜よりも局在準位の影響を受けやすい。ＧａＮ系発光素子１１では、井戸層１９ｂの厚さＤＷは、１ｎｍ以上であることが好ましく、また１０ｎｍ以下であることが好ましい。この窒化ガリウム系半導体発光素子によれば、上記の膜厚範囲においてＩｎ組成揺らぎの影響が顕著である。 InGaN thin films such as well layers are more susceptible to localized levels than bulk InGaN films. In the GaN-based light emitting device 11, the thickness DW of the well layer 19b is preferably 1 nm or more, and preferably 10 nm or less. According to this gallium nitride based semiconductor light emitting device, the influence of the In composition fluctuation is remarkable in the above film thickness range.
井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．０５以上であることができ、０．０５以上のＩｎ組成では、局在準位の影響が無視できない程度に現れる。故に、ｃ面から傾斜したオフ面上にＩｎＧａＮを成長することによって、Ｉｎ組成の揺らぎが低減される。また、Ｉｎ組成は０．３０以下であることができる。ｃ面から傾斜したオフ面上にＩｎＧａＮを成長する際にミスフィット転位が導入されやすく、０．３０以下のＩｎ組成の範囲ではミスフィット転位の発生が抑制される。更には、井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．１５以上であることが好ましい。また、井戸層１９ｂのＩｎ組成は０．２５以下であることが好ましい。このＧａＮ系発光素子１１によれば、上記の組成範囲においてＩｎ組成の揺らぎの影響が特に顕著である。 The In composition of the well layer 19b can be 0.05 or more. When the In composition is 0.05 or more, the influence of the localized level appears to the extent that it cannot be ignored. Therefore, by growing InGaN on the off-plane inclined from the c-plane, fluctuations in the In composition are reduced. The In composition can be 0.30 or less. Misfit dislocations are easily introduced when growing InGaN on the off-plane inclined from the c-plane, and the occurrence of misfit dislocations is suppressed in the range of In composition of 0.30 or less. Furthermore, the In composition of the well layer 19b is preferably 0.15 or more. The In composition of the well layer 19b is preferably 0.25 or less. According to the GaN-based light emitting device 11, the influence of the fluctuation of the In composition is particularly remarkable in the above composition range.
図１を再び参照すると、ＧａＮ系発光素子１１は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなる基板２３を更に備えることができる。基板２３は、例えばｎ型ＧａＮ等からなることができる。基板２３の代表的なＣ面ＣＳは一点鎖線で示されている。基板２３の主面２３ａは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。この主面２３ａも、図１に示されるように、該傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップＭ２を有する。このＧａＮ系発光素子１１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の主面１３ａのマイクロステップ構造は、基板２３のｃ軸の傾斜によって提供される。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の下地となる基板２３の主面２３ａがｃ面に対して傾斜することによって、その主面にマイクロステップが構築される。 Referring again to FIG. 1, the GaN-based light emitting device 11 may further include a substrate 23 made of a hexagonal gallium nitride semiconductor. The substrate 23 can be made of, for example, n-type GaN. Typical C face C S of the substrate 23 is indicated by a dashed line. The main surface 23a of the substrate 23 is inclined at an angle of 10 ° to 30 ° with respect to the c-plane of the gallium nitride semiconductor. As shown in FIG. 1, the main surface 23a also has a plurality of microsteps M2 arranged in a direction defined by the direction of the inclination. According to the GaN-based light emitting device 11, the microstep structure of the main surface 13 a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13 is provided by the inclination of the c-axis of the substrate 23. When the main surface 23a of the substrate 23 serving as the base of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13 is inclined with respect to the c-plane, a microstep is constructed on the main surface.
ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ２の幅は２５ｎｍ以下であることができ、また０．５ｎｍ以上であることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の下地となる基板主面２３ａがｃ面に対して傾斜するので、その主面２３ａのマイクロステップは、揺らぎ低減に好適なステップ密度になる。また、ＧａＮ系発光素子１１では、マイクロステップＭ２の高さは０．２ｎｍ以上であることができ、また１．５ｎｍ以下であることができる。マイクロステップＭ１、Ｍ２の形状は、例えば原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡等によって観測される。 In the GaN-based light emitting device 11, the width of the microstep M2 can be 25 nm or less, and can be 0.5 nm or more. Since the substrate main surface 23a serving as the base of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13 is inclined with respect to the c-plane, the microstep of the main surface 23a has a step density suitable for reducing fluctuations. Further, in the GaN-based light emitting device 11, the height of the microstep M2 can be 0.2 nm or more, and can be 1.5 nm or less. The shapes of the microsteps M1 and M2 are observed by, for example, an atomic force microscope or a scanning tunneling microscope.
ＧａＮ系発光素子１１は、光ガイド層２５ａ、２５ｂを更に備えることができる。光ガイド層２５ａはｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３と活性層１９との間に設けられている。光ガイド層２５ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮからなる。光ガイド層２５ｂはｐ型半導体領域１３と活性層１９との間に設けられている。光ガイド層２５ｂは窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮからなる。 The GaN-based light emitting device 11 can further include light guide layers 25a and 25b. The light guide layer 25 a is provided between the n-type gallium nitride semiconductor region 13 and the active layer 19. The light guide layer 25a is made of a gallium nitride semiconductor, for example, GaN or InGaN. The light guide layer 25 b is provided between the p-type semiconductor region 13 and the active layer 19. The light guide layer 25b is made of a gallium nitride semiconductor, for example, GaN or InGaN.
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３が基板２３のオフ角主面上に成長される。その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、主面１３ａにも複数のマイクロステップが形成される。また、光ガイド層２５ａが形成されるときには、光ガイド層２５ａがｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の傾斜主面上に成長される。その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、同様に、光ガイド層２５ａの主面にも複数のマイクロステップが形成される。また、障壁層１９ａが、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の傾斜主面上に成長されるときは、その成長においてマイクロステップ構造が引き継がれて、同様に、障壁層１９ａの主面にも複数のマイクロステップが形成される。井戸層１９ｂは障壁層１９ａの主面上に形成されて、そのマイクロステップ構造により、井戸層１９ｂにおけるＩｎ組成の揺らぎが低減される。 An n-type gallium nitride based semiconductor region 13 is grown on the off-angle main surface of the substrate 23. In the growth, the microstep structure is taken over, and a plurality of microsteps are also formed on the main surface 13a. When the light guide layer 25 a is formed, the light guide layer 25 a is grown on the inclined main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13. In the growth, the microstep structure is taken over, and similarly, a plurality of microsteps are formed also on the main surface of the light guide layer 25a. Further, when the barrier layer 19a is grown on the inclined main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region 13, the microstep structure is inherited in the growth, and similarly, a plurality of barrier layers 19a are also formed on the main surface of the barrier layer 19a. Microsteps are formed. The well layer 19b is formed on the main surface of the barrier layer 19a, and the fluctuation of the In composition in the well layer 19b is reduced by the microstep structure.
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３は、例えばｎ型クラッド層を含むことができ、ｎ型クラッド層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができる。ｐ型半導体領域１９は、例えばｐ型クラッド層２９、ｐ型コンタクト層３１を含むことができる。ｐ型クラッド層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができ、ｐ型コンタクト層は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができる。ＧａＮ系発光素子１１は、ｐ型クラッド層２９と活性層１９（光ガイド層２５ｂが成長されるときには光ガイド層２５ｂ）との間に設けられた電子ブロック層２７を含むことができる。 The n-type gallium nitride based semiconductor region 13 can include, for example, an n-type cladding layer, and the n-type cladding layer can be made of, for example, AlGaN or GaN. The p-type semiconductor region 19 can include, for example, a p-type cladding layer 29 and a p-type contact layer 31. The p-type cladding layer can be made of, for example, AlGaN or GaN, and the p-type contact layer can be made of, for example, AlGaN or GaN. The GaN-based light emitting device 11 can include an electron block layer 27 provided between the p-type cladding layer 29 and the active layer 19 (the light guide layer 25b when the light guide layer 25b is grown).
ｐ型半導体領域１９の表面は絶縁膜３３で覆われている。絶縁膜３３は、Ｘ軸方向に延びる開口を有している。第１の電極３７ａは、絶縁膜３３の開口を会してｐ型半導体領域１９に接続される。基板１３の裏面１３ｂには、第２の電極３７ｂが形成されて、ｎ型半導体に接続される。これらの接続はオーミック接触である。例えば、第１及び第２の電極３７ａ、３７ｂは、それぞれ、アノード及びカソードであることができる。 The surface of the p-type semiconductor region 19 is covered with an insulating film 33. The insulating film 33 has an opening extending in the X-axis direction. The first electrode 37 a meets the opening of the insulating film 33 and is connected to the p-type semiconductor region 19. A second electrode 37b is formed on the back surface 13b of the substrate 13 and connected to the n-type semiconductor. These connections are ohmic contacts. For example, the first and second electrodes 37a and 37b can be an anode and a cathode, respectively.
（実施例１）
図３及び図４は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。ＬＤ構造を有するエピタキシャルウエハを作製する。まず、図３（ａ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１を準備する。ＧａＮウエハ４１の主面４１ａは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。本実施例では、傾斜の方向はａ軸方向であり、傾斜角は１８度である。図３（ａ）には、ベクトルＶＣ２及びベクトルＶＮが示されており、これらのベクトルの交差角度が上記の傾斜角を示している。
Example 1
3 and 4 are drawings showing main steps in the method of manufacturing the gallium nitride based semiconductor light emitting device and the epitaxial wafer according to the present embodiment. An epitaxial wafer having an LD structure is produced. First, as shown in FIG. 3A, a GaN wafer 41 is prepared. The main surface 41a of the GaN wafer 41 is inclined at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-plane of the gallium nitride based semiconductor. In this embodiment, the inclination direction is the a-axis direction, and the inclination angle is 18 degrees. FIG. 3A shows a vector VC2 and a vector VN, and the crossing angle of these vectors indicates the tilt angle.
図３（ｂ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１を成長炉１０に配置する。成長炉１０は、例えば有機金属気相成長炉であることができる。成長炉１０を用いてＧａＮウエハ４１の熱処理を行う。熱処理の雰囲気は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含むことができる。熱処理の温度は、例えば摂氏１０５０度であることができる。熱処理温度として、例えば摂氏９５０度以上摂氏１１５０度以下の温度を用いることが好ましい。この熱処理を、上記の傾斜角の範囲のＧａＮ主面に施すことによって、ウエハ４１の主面４１ａを改質して、主面４１ｂを生成する。この主面４１ｂに、図１に示されるようなマイクロステップ構造が構築されている。複数のマイクロステップは、該傾斜方向（例えばａ軸）により規定される方向（例えばａ軸）に配列されている。ウエハ主面の傾斜角の範囲とマイクとステップの形成は重要な関連を有しており、上記角度範囲では、Ｉｎ組成揺らぎの低減に好適なステップ密度のマイクロステップが形成される。このステップ密度は、例えば４０μｍ−１以上であることができる。また、このステップ密度は、例えば２０００μｍ−１以下であることができる。
る。
As shown in FIG. 3B, the GaN wafer 41 is placed in the growth furnace 10. The growth furnace 10 can be, for example, a metal organic vapor phase growth furnace. The GaN wafer 41 is heat-treated using the growth furnace 10. The atmosphere of the heat treatment can include ammonia (NH 3 ) and hydrogen (H 2 ). The temperature of the heat treatment can be, for example, 1050 degrees Celsius. As the heat treatment temperature, for example, a temperature of 950 degrees Celsius or higher and 1150 degrees Celsius or lower is preferably used. By applying this heat treatment to the GaN main surface within the above-mentioned tilt angle range, the main surface 41a of the wafer 41 is modified to generate the main surface 41b. A microstep structure as shown in FIG. 1 is constructed on the main surface 41b. The plurality of microsteps are arranged in a direction (for example, a axis) defined by the tilt direction (for example, a axis). The range of the inclination angle of the wafer main surface and the formation of the microphone and the step have an important relationship. In the angle range, a microstep having a step density suitable for reducing the In composition fluctuation is formed. This step density can be, for example, 40 μm −1 or more. The step density can be, for example, 2000 μm −1 or less.
The
図３（ｃ）に示されるように、ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂ上にｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３を成長する。この成長は成長炉１０を用いて行われる。基板主面４１ｂのマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面にもマイクロステップが形成される。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３は、例えばｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層を含む。ＡｌＧａＮは、例えばクラッドのために成長される。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１５０度である。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さは、例えば２０００ｎｍである。 As shown in FIG. 3C, an n-type gallium nitride based semiconductor region 43 is grown on the main surface 41 b of the GaN wafer 41. This growth is performed using the growth furnace 10. By taking over the microstep structure of the substrate main surface 41b, microsteps are also formed on the main surface of the n-type gallium nitride semiconductor region 43. The n-type gallium nitride based semiconductor region 43 includes, for example, an n-type Al 0.04 Ga 0.96 N layer. AlGaN is grown for cladding, for example. The growth temperature of AlGaN is 1150 degrees Celsius. The thickness of the n-type AlGaN cladding layer is, for example, 2000 nm.
次いで、図３（ｄ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａ上に第１の光ガイド層４５を成長する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａのマイクロステップ構造を引き継いで、第１の光ガイド層４５主面にもマイクロステップが形成される。第１の光ガイド層４５はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。第１の光ガイド層４５は、例えばアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるとき、ＩｎＧａＮの成長温度は摂氏８３０度であり、アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。 Next, as shown in FIG. 3D, the first light guide layer 45 is grown on the main surface 43 a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 43. By taking over the microstep structure of the main surface 43a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 43, microsteps are also formed on the main surface of the first light guide layer 45. The first light guide layer 45 can be made of GaN or InGaN. When the first light guide layer 45 is made of, for example, undoped In 0.02 Ga 0.98 N, the growth temperature of InGaN is 830 degrees Celsius, and the thickness of the undoped InGaN layer is, for example, 100 nm.
図４（ａ）に示されるように、第１の光ガイド層４５上に障壁層４７ａを成長する。障壁層４７ａの主面のマイクロステップ構造を引き継いで、障壁層４７ａの主面にもマイクロステップが形成される。障壁層４７ａはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。また、障壁層４７ａは、例えばアンドープＧａＮからなることができる。ＧａＮの成長温度は摂氏８３０度である。アンドープＧａＮ層の厚さは、例えば１５ｎｍである。 As shown in FIG. 4A, a barrier layer 47 a is grown on the first light guide layer 45. By taking over the microstep structure of the main surface of the barrier layer 47a, microsteps are also formed on the main surface of the barrier layer 47a. The barrier layer 47a can be made of GaN or InGaN. The barrier layer 47a can be made of undoped GaN, for example. The growth temperature of GaN is 830 degrees Celsius. The undoped GaN layer has a thickness of 15 nm, for example.
図４（ｂ）に示されるように、障壁層４７ａ上にＩｎＧａＮ井戸層４９ａを成長する。ＩｎＧａＮ井戸層４９ａは例えばアンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなることができる。Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層の成長温度は摂氏８３０度である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば３ｎｍである。次いで、井戸層４９ａ上に障壁層４７ｂを障壁層４７ａと同様に成長する。井戸層４９ｂ〜４９ｆ、障壁層４７ｃ〜４７ｇの成長を交互に所望の回数だけ繰り返して、活性層５１を成長する。 As shown in FIG. 4B, an InGaN well layer 49a is grown on the barrier layer 47a. The InGaN well layer 49a can be made of, for example, undoped In 0.08 Ga 0.92 N. The growth temperature of the In 0.08 Ga 0.92 N layer is 830 degrees Celsius. The thickness of the InGaN layer is 3 nm, for example. Next, the barrier layer 47b is grown on the well layer 49a in the same manner as the barrier layer 47a. The growth of the well layers 49b to 49f and the barrier layers 47c to 47g is alternately repeated a desired number of times to grow the active layer 51.
図４（ｃ）に示されるように、障壁層４７ａ上に第２の光ガイド層５３を成長する。第２の光ガイド層５３はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることができる。また、第２の光ガイド層５３は、例えばアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなることができる。ＩｎＧａＮの成長温度は摂氏８３０度である。アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。 As shown in FIG. 4C, the second light guide layer 53 is grown on the barrier layer 47a. The second light guide layer 53 can be made of GaN or InGaN. The second light guide layer 53 can be made of, for example, undoped In 0.02 Ga 0.98 N. The growth temperature of InGaN is 830 degrees Celsius. The thickness of the undoped InGaN layer is, for example, 100 nm.
図４（ｄ）に示されるように、第２の光ガイド層５３上にｐ型窒化ガリウム系半導体領域５５を成長する。この成長は成長炉１０を用いて行われる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５５は、例えば電子ブロック層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことができる。電子ブロック層は例えばＭｇドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなる。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＡｌＧａＮク電子ブロック層の厚さは、例えば２０ｎｍである。ｐ型クラッド層は例えばＭｇドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる。ＡｌＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さは、例えば４００ｎｍである。ｐ型コンタクト層は例えばＭｇドープＧａＮからなる。ＧａＮの成長温度は摂氏１１００度である。ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは、例えば５０ｎｍである。 As shown in FIG. 4D, a p-type gallium nitride semiconductor region 55 is grown on the second light guide layer 53. This growth is performed using the growth furnace 10. The p-type gallium nitride based semiconductor region 55 can include, for example, an electron block layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer. The electron blocking layer is made of, for example, Mg-doped Al 0.12 Ga 0.88 N. The growth temperature of AlGaN is 1100 degrees Celsius. The thickness of the p-type AlGaN quantum block layer is, for example, 20 nm. The p-type cladding layer is made of, for example, Mg-doped Al 0.06 Ga 0.94 N. The growth temperature of AlGaN is 1100 degrees Celsius. The thickness of the p-type AlGaN cladding layer is, for example, 400 nm. The p-type contact layer is made of, for example, Mg-doped GaN. The growth temperature of GaN is 1100 degrees Celsius. The thickness of the p-type GaN contact layer is, for example, 50 nm.
これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハＥ１が作製された。このエピタキシャルウエハＥ１は、六方晶系のＧａＮウエハ４１と、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３と、活性層５１とを備えることができる。ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂは、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で所定の方向（例えばａ軸方向）に傾斜する。ＧａＮウエハ４１の主面４１ｂの表面モフォロジは、該傾斜の方向により規定される方向（例えばａ軸方向）に配列された複数のマイクロステップを有する。活性層５１は、井戸層４９ａ〜４９ｆ及び障壁層４７ａ〜４７ｇを含む量子井戸構造を有する。井戸層４９ａ〜４９ｆはＩｎＧａＮからなると共に、障壁層４７ａ〜４７ｇはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａは、ＧａＮウエハ４１の傾斜を引き継いで、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜する。このため、主面４３ａの表面モフォロジも、傾斜の方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。井戸層４９ａ〜４９ｆ及び障壁層４７ａ〜４７ｇは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａのマイクロステップ構造上に形成されている。エピタキシャルウエハＥ１の活性層５１からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する。 Through these steps, an epitaxial wafer E1 for a gallium nitride based semiconductor light emitting device was produced. The epitaxial wafer E1 can include a hexagonal GaN wafer 41, an n-type gallium nitride semiconductor region 43, and an active layer 51. The main surface 41b of the GaN wafer 41 is inclined in a predetermined direction (for example, a-axis direction) at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-plane of the gallium nitride semiconductor. The surface morphology of the main surface 41b of the GaN wafer 41 has a plurality of microsteps arranged in a direction (for example, a-axis direction) defined by the direction of the inclination. The active layer 51 has a quantum well structure including well layers 49a to 49f and barrier layers 47a to 47g. The well layers 49a to 49f are made of InGaN, and the barrier layers 47a to 47g are made of GaN or InGaN. The main surface 43a of the n-type gallium nitride semiconductor region 43 takes over the inclination of the GaN wafer 41 and is inclined at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor. For this reason, the surface morphology of the main surface 43a also has a plurality of microsteps arranged in the direction defined by the direction of inclination. The well layers 49 a to 49 f and the barrier layers 47 a to 47 g are formed on the microstep structure of the main surface 43 a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 43. The spectrum of photoluminescence (PL) from the active layer 51 of the epitaxial wafer E1 has a maximum value at a single peak wavelength.
このエピタキシャルウエハによれば、ウエハ４１の主面４１ｂは、そのｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜するので、その主面４１ｂは、上記の傾斜方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する。ウエハ主面４１ｂのマイクロステップ構造を引き継いで、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３の主面４３ａは、そのｃ軸に対して１０度以上の角度で傾斜すると共に、３０度以下の角度で傾斜する。これ故に、その主面４３ａは、上記の傾斜方向により規定される方向に配列された複数のマイクロステップを有する。マイクロステップ構造は、ＩｎＧａＮの非混和性を弱めてＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ揺らぎを低減する。１０度以上の傾斜角では、主面表面のステップ密度が高くなるので、Ｉｎ組成の揺らぎの小さいＩｎＧａＮがエピタキシャル成長される。３０度を越える傾斜角では、該主面がｃ面とは異なる性質の結晶面に近づくので、主面表面のステップ密度が低くなる。この結果、Ｉｎ組成の揺らぎの大きいＩｎＧａＮが形成される。したがって、このエピタキシャルウエハＥ１において、ＰＬスペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）は絶対温度７０Ｋ以上４００Ｋ以下の範囲において絶対温度Ｔを用いて表された式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β） （１）
で近似される。ここで、符号α、βは定数である。ＰＬスペクトルのピーク波長に対応するエネルギＥ（Ｔ）に関して、局在準位が主要な発光源でないとき、は式（２）ではなく、式（１）がエネルギＥ（Ｔ）の良好に近似式となる。そして、マイクロステップを用いたＩｎ組成揺らぎの低減により、局在準位の発光への寄与が小さくできる。局在準位の発光への寄与が小さい発光素子では、発光スペクトルの温度依存性は、式（２）よりも式（１）に近い振る舞いをする。
According to this epitaxial wafer, the main surface 41b of the wafer 41 is inclined at an angle of 10 degrees or more and 30 degrees or less with respect to the c-axis, so that the main surface 41b is a predetermined prescribed by the inclination direction described above. It has a plurality of microsteps arranged in the direction. Taking over the microstep structure of the wafer main surface 41b, the main surface 43a of the n-type gallium nitride based semiconductor region 43 is inclined at an angle of 10 degrees or more with respect to the c-axis and at an angle of 30 degrees or less. . Therefore, the main surface 43a has a plurality of microsteps arranged in the direction defined by the tilt direction. The microstep structure weakens the immiscibility of InGaN and reduces the In fluctuation of the InGaN well layer. When the tilt angle is 10 degrees or more, the step density on the surface of the main surface becomes high, so that InGaN with a small fluctuation in the In composition is epitaxially grown. At an inclination angle exceeding 30 degrees, the main surface approaches a crystal plane having a property different from that of the c-plane, so that the step density on the main surface becomes low. As a result, InGaN having a large fluctuation of the In composition is formed. Therefore, in this epitaxial wafer E1, the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the PL spectrum is expressed by the equation E (T) = E (0) expressed using the absolute temperature T in the absolute temperature range of 70K to 400K. -ΑT 2 / (T + β) (1)
Is approximated by Here, the symbols α and β are constants. Regarding the energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the PL spectrum, when the localized level is not the main light emission source, not the equation (2) but the equation (1) is a good approximation of the energy E (T). It becomes. The contribution of localized levels to light emission can be reduced by reducing the In composition fluctuation using microsteps. In a light-emitting element in which the contribution of localized levels to light emission is small, the temperature dependence of the emission spectrum behaves closer to Equation (1) than Equation (2).
絶縁膜をエピタキシャルウエハＥ１上に形成した後に、幅１０マイクロメートル幅のストライプ窓を絶縁膜にウェットエッチングにより形成した。絶縁膜は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。絶縁膜及びｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成した。アノード電極は例えばＮｉ／Ａｕから成る。また、パッド電極を形成した。アノード電極のためのパッド電極は例えばＴｉ／Ａｕから成る。ウエハの裏面にカソード電極を形成した。カソード電極は例えばＴｉ／Ａｌから成る。カソード電極のためのパッド電極は例えばＴｉ／Ａｕから成る。これらの工程により、基板生産物が作製された。この半導体レーザでは、ｃ面は、窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜しているので、好適なマイクロステップが得られると共に、半導体レーザの共振面がへき開により形成可能である。例えば共振器長８００マイクロメートルになるように基板生産物をｍ面でへき開して、ゲインガイド型半導体レーザを作製した。ゲインガイド型半導体レーザに電流を印加したとき、しきい値電流２６０ｍＡにおいて発振波長４０５ｎｍで発振した。 After the insulating film was formed on the epitaxial wafer E1, a stripe window having a width of 10 micrometers was formed in the insulating film by wet etching. The insulating film is, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film. An anode electrode was formed on the insulating film and the p-type contact layer. The anode electrode is made of, for example, Ni / Au. A pad electrode was also formed. The pad electrode for the anode electrode is made of, for example, Ti / Au. A cathode electrode was formed on the back surface of the wafer. The cathode electrode is made of, for example, Ti / Al. The pad electrode for the cathode electrode is made of, for example, Ti / Au. Through these steps, a substrate product was produced. In this semiconductor laser, the c-plane is inclined in the direction of the a-axis of the gallium nitride semiconductor, so that a suitable microstep can be obtained and the resonant surface of the semiconductor laser can be formed by cleavage. For example, the substrate product was cleaved on the m-plane so as to have a resonator length of 800 micrometers, and a gain guide type semiconductor laser was manufactured. When a current was applied to the gain guide type semiconductor laser, it oscillated at an oscillation wavelength of 405 nm at a threshold current of 260 mA.
（実施例２）
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるようなエピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２を作製した。エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２は、以下のように作製された。有機金属成長炉を用いて、ｃ面ＧａＮウエハ６１の熱処理を行った。熱処理の条件は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の温度で、熱処理時間１０分であった。エピタキシャルウエハＣ１の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に、２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した。この後に、ＧａＮ層６３上に、厚さ１００ｎｍの単層のＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層６５を摂氏８３０度の成膜温度で成長した。エピタキシャルウエハＣ２の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した後に、ＧａＮ層６３上に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層６７ａを摂氏８３０度の成膜温度で成長した。厚さ３ｎｍのアンドープＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層６７ｂを摂氏８３０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層６７ｂを含む量子井戸（ＱＷ）構造６７を作製した。
(Example 2)
Epitaxial wafers C1 and C2 as shown in FIGS. 5A and 5B were produced. Epitaxial wafers C1 and C2 were produced as follows. The c-plane GaN wafer 61 was heat-treated using an organic metal growth furnace. The heat treatment conditions were a heat treatment time of 10 minutes at a temperature of 1050 degrees Celsius in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ) and hydrogen (H 2 ). In the growth of the epitaxial wafer C1, a 2000 nm Si-doped n-type GaN layer 63 was grown on the c-plane GaN wafer 61. Thereafter, a single-layer In 0.04 Ga 0.96 N layer 65 having a thickness of 100 nm was grown on the GaN layer 63 at a deposition temperature of 830 degrees Celsius. In the growth of the epitaxial wafer C2, after a 2000-nm Si-doped n-type GaN layer 63 is grown on the c-plane GaN wafer 61, an undoped GaN layer 67a having a thickness of 15 nm is formed on the GaN layer 63 at a deposition temperature of 830 degrees Celsius. I grew up. An undoped In 0.06 Ga 0.94 N layer 67b having a thickness of 3 nm was grown at a deposition temperature of 830 degrees Celsius. By these growths, a quantum well (QW) structure 67 including six InGaN well layers 67b was produced.
本実施例において用いられたエピタキシャルウエハの構造は、発光素子のための活性層を含んでいるけれども、レーザ発振が生じることはない。故に、半導体レーザのＬＥＤモードにおける光或いは発光ダイオードからの光である。 Although the structure of the epitaxial wafer used in this example includes an active layer for the light emitting element, no laser oscillation occurs. Therefore, the light in the LED mode of the semiconductor laser or the light from the light emitting diode.
エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性を測定した。ＰＬ励起光源として３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。図６は、エピタキシャルウエハＣ１、Ｃ２のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルの温度依存性Ｅ１（Ｔ）、Ｅ２（Ｔ）並びにＧａＮ理論値の温度依存性を示す図面である。
温度依存性、 レッドシフト１、レッドシフト２
Ｅ０（Ｔ）（理論）：０．０３６ｅＶ、０．０３６ｅＶ
Ｅ１（Ｔ）（単層）：０．０３７ｅＶ、０．０５５ｅＶ
Ｅ２（Ｔ）（ＱＷ）：０．０１０ｅＶ、０ｅＶ。
レッドシフト１は、絶対温度３００Ｋと３８０Ｋとの間のレッドシフトを示しており、レッドシフト２は、絶対温度１００Ｋと３００Ｋとの間のレッドシフトを示している。図６を参照すると、温度上昇に伴うレッドシフト量に関しては、多重量井戸構造のエピタキシャルウエハＣ２に比べて、バルクＩｎＧａＮ単層のエピタキシャルウエハＣ１におけるレッドシフト量が大きいことを示している。ＩｎＧａＮ単層はＧａＮの理論計算と同様な温度依存性を示している。これによれば、ＩｎＧａＮ単層では局在準位の寄与が小さいと考えられる。しかしながら、ＩｎＧａＮ単層では発光層内のキャリア密度を上げることが難しい。
The temperature dependence of the photoluminescence (PL) spectra of the epitaxial wafers C1 and C2 was measured. A 325 nm He—Cd laser was used as a PL excitation light source. FIG. 6 is a drawing showing the temperature dependence E1 (T) and E2 (T) of the photoluminescence (PL) spectra of the epitaxial wafers C1 and C2 and the temperature dependence of the GaN theoretical value.
Temperature dependence, Red shift 1, Red shift 2
E0 (T) (theory): 0.036 eV, 0.036 eV
E1 (T) (single layer): 0.037 eV, 0.055 eV
E2 (T) (QW): 0.010 eV, 0 eV.
Red shift 1 indicates a red shift between the absolute temperatures of 300K and 380K, and red shift 2 indicates a red shift between the absolute temperatures of 100K and 300K. Referring to FIG. 6, the red shift amount accompanying the temperature rise shows that the red shift amount in the bulk InGaN single-layer epitaxial wafer C <b> 1 is larger than that in the multi-well epitaxial wafer C <b> 2. The InGaN single layer shows temperature dependence similar to the theoretical calculation of GaN. According to this, it is considered that the contribution of the localized level is small in the InGaN single layer. However, it is difficult to increase the carrier density in the light emitting layer with an InGaN single layer.
また、図７に示されるようなエピタキシャルウエハＣ３、Ｅ２を作製した。エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３は、以下のように作製された。有機金属成長炉を用いて、ｃ面に対して１８度傾斜の主面を有するＧａＮウエハ７１の熱処理を行った。熱処理の条件は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｎ２）を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の温度で、熱処理時間１０分であった。エピタキシャルウエハＥ２の成長では、ＧａＮウエハ７１上に２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層７３を成長した後に、ＧａＮ層７３上に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層７７ａを摂氏８５０度の成膜温度で成長した。厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層７７ｂを摂氏７５０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層７７ｂを含む量子井戸構造７７を作製した。
エピタキシャルウエハＣ３の成長では、ｃ面ＧａＮウエハ６１上に、２０００ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層６３を成長した後に、厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ層７９ａを摂氏８５０度の成膜温度で成長した。厚さ３ｎｍのアンドープＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層７９ｂを摂氏７５０度の成膜温度で成長した。これらの成長により、６層のＩｎＧａＮ井戸層７９ｂを含む量子井戸構造７９を作製した。
Further, epitaxial wafers C3 and E2 as shown in FIG. 7 were produced. Epitaxial wafers E2 and C3 were produced as follows. Using a metal organic growth furnace, the GaN wafer 71 having a main surface inclined at 18 degrees with respect to the c-plane was heat-treated. The heat treatment conditions were a heat treatment time of 10 minutes at a temperature of 1050 degrees Celsius in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ) and hydrogen (N 2 ). In the growth of the epitaxial wafer E2, after a 2000-nm Si-doped n-type GaN layer 73 is grown on the GaN wafer 71, an undoped GaN layer 77a having a thickness of 15 nm is grown on the GaN layer 73 at a deposition temperature of 850 degrees Celsius. did. An undoped In 0.25 Ga 0.75 N layer 77b having a thickness of 5 nm was grown at a deposition temperature of 750 degrees Celsius. By these growths, a quantum well structure 77 including six InGaN well layers 77b was produced.
In the growth of the epitaxial wafer C3, a 2000 nm Si-doped n-type GaN layer 63 was grown on the c-plane GaN wafer 61, and then an undoped GaN layer 79a having a thickness of 15 nm was grown at a film forming temperature of 850 degrees Celsius. An undoped In 0.20 Ga 0.80 N layer 79b having a thickness of 3 nm was grown at a deposition temperature of 750 degrees Celsius. By these growths, a quantum well structure 79 including six InGaN well layers 79b was produced.
エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のＰＬスペクトルの温度依存性を測定した。ＰＬ励起光源として３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。図８は、エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のＰＬスペクトルの温度依存性Ｅ３（Ｔ）、Ｅ２（Ｅ）の温度依存性を示す図面である。Ｅ３（Ｔ）に対してＶａｒｓｈｎｉ式
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β） （１）
を当てはめると、定数αは例えば０．７ｍｅＶ程度であり、定数βは６１７Ｋ程度である。
温度依存性、 レッドシフト１、レッドシフト２
Ｅ３（Ｔ）（オフ）：０．０１７ｅＶ、０．０６０ｅＶ
Ｅ４（Ｔ）（ｃ面）：０．０１０ｅＶ、０．００１ｅＶ
図８を参照すると、温度上昇に伴うレッドシフト量に関しては、オフ角ウエハを用いたエピタキシャルウエハＥ２に比べて、ｃ面ウエハを用いたエピタキシャルウエハＣ３におけるレッドシフト量が小さいことを示している。オフ角ウエハの使用によれば局在準位を低減できると考えられる。また、本実施例では、ＧａＮウエハを用いたので、マイクロステップの制御が容易である。
The temperature dependence of the PL spectrum of the epitaxial wafers E2 and C3 was measured. A 325 nm He—Cd laser was used as a PL excitation light source. FIG. 8 is a drawing showing the temperature dependence of the PL spectra of the epitaxial wafers E2 and C3, E3 (T) and E2 (E). For E3 (T), the Varshni equation E (T) = E (0) −αT 2 / (T + β) (1)
Is applied, the constant α is about 0.7 meV, for example, and the constant β is about 617K.
Temperature dependence, Red shift 1, Red shift 2
E3 (T) (off): 0.017 eV, 0.060 eV
E4 (T) (c surface): 0.010 eV, 0.001 eV
Referring to FIG. 8, regarding the red shift amount accompanying the temperature rise, the red shift amount in the epitaxial wafer C3 using the c-plane wafer is smaller than that in the epitaxial wafer E2 using the off-angle wafer. It is considered that the localized level can be reduced by using an off-angle wafer. In this embodiment, since a GaN wafer is used, the microstep can be easily controlled.
発光において、バンドテイル内の局在準位のエネルギが低いので、活性層に注入されたキャリアはバンドテイルの局在準位を満たす。さらにキャリア注入量が増加するとき、バンドフィリング効果により発光波長が長波長にシフトする。 In light emission, since the energy of the localized level in the band tail is low, the carriers injected into the active layer satisfy the localized level of the band tail. Further, when the carrier injection amount increases, the emission wavelength shifts to a long wavelength due to the band filling effect.
上記の実験を含む様々な実験結果から、ＰＬスペクトルの極大値のレッドシフト１は、絶対温度３００Ｋから３８０Ｋの範囲において０．０１５ｅＶ以上であることができる。局在準位の数の低減により、室温から高温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。また、ＰＬスペクトルの極大値のレッドシフト２は、絶対温度１００Ｋから３００Ｋの範囲において０．０３ｅＶ以上であることができる。局在準位の数の低減により、低温から室温の温度領域においてのレッドシフト量が大きくなる。 From various experimental results including the above-described experiment, the maximum red shift 1 of the PL spectrum can be 0.015 eV or more in the absolute temperature range of 300K to 380K. By reducing the number of localized levels, the amount of red shift in the temperature range from room temperature to high temperature increases. Further, the maximum red shift 2 of the PL spectrum can be 0.03 eV or more in the range of the absolute temperature from 100K to 300K. By reducing the number of localized levels, the amount of red shift in the temperature range from low temperature to room temperature increases.
図９は、エピタキシャルウエハＥ２、Ｃ３のカソードルミネセンス（ＣＬ）像を示す図面である。ＣＬ像の比較によれば、１８度オフ角のＧａＮウエハを用いたエピタキシャル構造のエピタキシャルウエハＥ２が均一に発光しており、Ｉｎ組成揺らぎが小さいことと考えられる。故に、活性層への注入電流の大きさによらず活性層が、均一に発光可能な構造を有している。また、エピタキシャルウエハＥ２では、局在準位の数が少なく、また局在準位のレベルが浅い。したがって、オフ角基板の表面のマイクロステップの働きにより、ＩｎＧａＮ成長においてインジウム原子が不均一に分布することが抑制されていると考えられる。これらの作用は、量子井戸構造を有する発光素子に適用される。 FIG. 9 is a drawing showing cathodoluminescence (CL) images of the epitaxial wafers E2 and C3. According to the comparison of CL images, it is considered that the epitaxial wafer E2 having an epitaxial structure using a GaN wafer having an 18-degree off angle emits light uniformly, and the In composition fluctuation is small. Therefore, the active layer has a structure capable of emitting light uniformly regardless of the magnitude of the current injected into the active layer. In the epitaxial wafer E2, the number of localized levels is small, and the level of localized levels is shallow. Accordingly, it is considered that the inhomogeneous distribution of indium atoms during InGaN growth is suppressed by the action of the microstep on the surface of the off-angle substrate. These actions are applied to a light emitting device having a quantum well structure.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
ＶＮ…法線ベクトル、ＣＶ１、ＶＣ２…ｃ軸ベクトル、Ｍ１、Ｍ２…表面モフォロジ、１０…成長炉、１１…窒化ガリウム系半導体発光素子（ＧａＮ系発光素子）、１３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１３ａ…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域主面、１５…活性層、１７…ｐ型半導体領域、１９…量子井戸構造、１９ａ…障壁層、１９ｂ…井戸層、２３…基板、２３ａ…基板主面、２５ａ、２５ｂ…光ガイド層、２７…電子ブロック層、２９…ｐ型クラッド層、３１…ｐ型コンタクト層、３３…絶縁膜、３７ａ、３７ｂ…第１及び第２の電極、４１…ＧａＮウエハ、４１ａ、４１ｂ…ウエハ主面、４３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、４５…第１の光ガイド層、４９ａ〜４９ｆ…井戸層、４７ａ〜４７ｇ…障壁層、５１…活性層、５３…第２の光ガイド層、５５…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域 VN: normal vector, CV1, VC2: c-axis vector, M1, M2: surface morphology, 10: growth reactor, 11: gallium nitride based semiconductor light emitting device (GaN based light emitting device), 13: n-type gallium nitride based semiconductor region , 13a ... n-type gallium nitride semiconductor region main surface, 15 ... active layer, 17 ... p-type semiconductor region, 19 ... quantum well structure, 19a ... barrier layer, 19b ... well layer, 23 ... substrate, 23a ... substrate main surface 25a, 25b ... light guide layer, 27 ... electron blocking layer, 29 ... p-type cladding layer, 31 ... p-type contact layer, 33 ... insulating film, 37a, 37b ... first and second electrodes, 41 ... GaN wafer 41a, 41b ... wafer main surface, 43 ... n-type gallium nitride based semiconductor region, 45 ... first light guide layer, 49a-49f ... well layer, 47a-47g ... barrier layer, 51 ... active layer, 53 ... 2 of the light guide layer, 55 ... p-type gallium nitride based semiconductor region
Claims (13)
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域と
を備え、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されており、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、該主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、
当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの光のスペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。 A gallium nitride based semiconductor light emitting device,
an n-type gallium nitride based semiconductor region;
An active layer provided on the n-type gallium nitride based semiconductor region;
A p-type semiconductor region formed on the active layer and made of a gallium nitride based semiconductor,
The n-type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the p-type semiconductor region are arranged in a predetermined axis direction,
The active layer has a quantum well structure including a well layer and a barrier layer,
The well layer is made of InGaN, and the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor,
The main surface of the n-type gallium nitride semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the n-type gallium nitride semiconductor region, and the surface of the main surface The morphology has a plurality of microsteps arranged in a predetermined direction defined by the direction of inclination,
The well layer and the barrier layer are formed on the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region,
The gallium nitride based semiconductor light emitting element, wherein the spectrum of light from the gallium nitride based semiconductor light emitting element has a maximum value at a single peak wavelength.
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似され、ここで符号α、βは定数である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 Energy E corresponding to the peak wavelength of the spectrum (T) has the formula E (T) = E (0) be represented using any of a absolute temperature T in the range absolute temperature 70K or more 400K -αT 2 / (T + β )
The gallium nitride based semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the symbols α and β are constants.
前記基板の主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 It further comprises a substrate made of a hexagonal gallium nitride semiconductor,
The main surface of the substrate is inclined at an angle of not less than 10 degrees and not more than 30 degrees with respect to the c-plane of the gallium nitride based semiconductor, and has a plurality of microsteps arranged in the predetermined direction. The gallium nitride based semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 3.
当該窒化ガリウム系半導体発光素子からの前記光は、前記半導体レーザのＬＥＤモードにおける光である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 The gallium nitride based semiconductor light emitting device includes a semiconductor laser having the active layer,
The gallium nitride based semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the light from the gallium nitride based semiconductor light emitting device is light in an LED mode of the semiconductor laser. element.
六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなるウエハと、
前記ウエハ上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ窒化ガリウム系半導体からなるｐ型半導体領域と
を備え、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型半導体領域は所定の軸の方向に配列されており、
前記ウエハの主面は、該窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ウエハの主面の表面モフォロジは、所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなると共に、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１０度以上３０度以下の角度で傾斜すると共に、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の主面の表面モフォロジは、傾斜の方向により規定される所定の方向に配列された複数のマイクロステップを有しており、
前記井戸層及び障壁層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に形成されており、
当該エピタキシャルウエハの前記活性層からのフォトルミネッセンススペクトルは、単一のピーク波長において極大値を有する、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 An epitaxial wafer for a gallium nitride based semiconductor light emitting device,
A wafer made of a hexagonal gallium nitride semiconductor;
An n-type gallium nitride based semiconductor region provided on the wafer;
An active layer provided on the n-type gallium nitride based semiconductor region;
A p-type semiconductor region formed on the active layer and made of a gallium nitride based semiconductor,
The n-type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the p-type semiconductor region are arranged in a predetermined axis direction,
The main surface of the wafer is inclined at an angle of not less than 10 degrees and not more than 30 degrees with respect to the c-plane of the gallium nitride based semiconductor, and the surface morphology of the main surface of the wafer is a plurality of elements arranged in a predetermined direction. Has microsteps,
The active layer has a quantum well structure including a well layer and a barrier layer,
The well layer is made of InGaN, and the barrier layer is made of a gallium nitride based semiconductor,
The main surface of the n-type gallium nitride semiconductor region is inclined at an angle of 10 degrees to 30 degrees with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the n-type gallium nitride semiconductor area, and the n-type gallium nitride semiconductor The surface morphology of the main surface of the system semiconductor region has a plurality of microsteps arranged in a predetermined direction defined by the direction of inclination,
The well layer and the barrier layer are formed on the main surface of the n-type gallium nitride based semiconductor region,
An epitaxial wafer characterized in that a photoluminescence spectrum from the active layer of the epitaxial wafer has a maximum value at a single peak wavelength.
Ｅ（Ｔ）＝Ｅ（０）−αＴ２／（Ｔ＋β）
で近似され、ここで符号α、βは定数である、ことを特徴とする請求項１１に記載されたエピタキシャルウエハ。 The energy E (T) corresponding to the peak wavelength of the spectrum is expressed by the formula E (T) = E (0) −αT 2 / (T + β) expressed using the absolute temperature T in the range of the absolute temperature of 70K to 400K. )
The epitaxial wafer according to claim 11, wherein the symbols α and β are constants.
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