JP2005093682A - GaN系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したGaN系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【構成】 n型GaNクラッド層3の上にAlN凹凸層4を形成し、AlN凹凸層4の上に活性層(InGaN井戸層5)を形成することにより活性層を凹凸の形状にする。Al凹凸層4は、n型GaNクラッド層3の上に10Å程度の膜厚のAlN層を形成し、830℃程度の熱処理を施すことによりAlN層を凝集させて形成する。その結果、活性層の面積が増大し、活性層に組成不均一が生ずる。
【選択図】 図1
【構成】 n型GaNクラッド層3の上にAlN凹凸層4を形成し、AlN凹凸層4の上に活性層(InGaN井戸層5)を形成することにより活性層を凹凸の形状にする。Al凹凸層4は、n型GaNクラッド層3の上に10Å程度の膜厚のAlN層を形成し、830℃程度の熱処理を施すことによりAlN層を凝集させて形成する。その結果、活性層の面積が増大し、活性層に組成不均一が生ずる。
【選択図】 図1
Description
本発明はGaN系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したGaN系半導体発光素子及びその製造方法に関する。
従来のGaN系半導体発光素子として、例えば、特許文献1に記載されているものがある。
特許文献1に記載されているGaN系半導体発光素子は、例えば、n型光ガイド層の表面をエッチング等によって凹凸にし、その凹凸にした表面にInGaN活性層を凹凸に形成することによって構成されている。
この構成によれば、活性層を凹凸に形成することによって活性層にInプアー領域とInリッチ領域を形成し、その結果、活性層に量子ドット効果、量子箱効果を付与することによって発光効率を増大させることができると記載している。
特開平10−215029号公報
しかし、従来のGaN系半導体発光素子によれば、各半導体層の成長過程、例えば、気相成長中にn型光ガイド層をエッチングするエッチング工程を挿入しなければならないため、成長プロセスが複雑化するという不都合がある。
従って、本発明の目的は、成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したGaN系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明によると、n型層とp型層の間に活性層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記n型層と前記活性層の間に配置されたAlN凹凸層を備え、
前記活性層は、前記AlN凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
前記n型層と前記活性層の間に配置されたAlN凹凸層を備え、
前記活性層は、前記AlN凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
また、本発明によると、n型層とp型層の間に活性層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記n型層と前記活性層の間に配置され、所定の温度で形成されたGaN系半導体層を前記所定の温度より大なる温度で熱処理することによって形成されたGaN系半導体凹凸層を備え、
前記活性層は前記GaN系半導体凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
前記n型層と前記活性層の間に配置され、所定の温度で形成されたGaN系半導体層を前記所定の温度より大なる温度で熱処理することによって形成されたGaN系半導体凹凸層を備え、
前記活性層は前記GaN系半導体凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
本発明のGaN系半導体発光素子において、前記GaN系半導体凹凸層は、AlN凹凸層のよって形成され、
前記活性層は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造を有することが好ましい。
前記活性層は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造を有することが好ましい。
更に、本発明によると、
基板上にn型GaN系半導体層を形成し、
前記n型GaN系半導体層上に所定の温度でアモルファス状のGaN系半導体層を形成し、
前記GaN系半導体層に前記所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、前記GaN系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のGaN系半導体凹凸層を形成し、
前記GaN系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成し、
前記凹凸状活性層上にp型GaN系半導体層を形成することを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法を提供する。
基板上にn型GaN系半導体層を形成し、
前記n型GaN系半導体層上に所定の温度でアモルファス状のGaN系半導体層を形成し、
前記GaN系半導体層に前記所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、前記GaN系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のGaN系半導体凹凸層を形成し、
前記GaN系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成し、
前記凹凸状活性層上にp型GaN系半導体層を形成することを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法を提供する。
本発明のGaN系半導体発光素子の製造方法において、
前記GaN系半導体凹凸層の形成は、AlN凹凸層の形成であり、
前記凹凸状活性層の形成は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であることが好ましい。
前記GaN系半導体凹凸層の形成は、AlN凹凸層の形成であり、
前記凹凸状活性層の形成は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であることが好ましい。
本発明のGaN系半導体発光素子によると、活性層はAlN凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されているため、活性層の面積を大にし、活性層の組成を不均一にし、それによって発光効率を増大することができる。
また、本発明のGaN系半導体発光素子によると、活性層はGaN系半導体凹凸層形状に基づいて凹凸に形成されているため、活性層の面積を大にし、活性層の組成を不均一にし、それによって発光効率を増大することができる。
また、本発明のGaN系半導体発光素子によると、GaN系半導体凹凸層は、AlN凹凸層によって形成され、
活性層は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造であるため、凝集による凹凸の形成が容易になり、また、制御されたピーク波長において発光出力を大にすることができる。
活性層は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造であるため、凝集による凹凸の形成が容易になり、また、制御されたピーク波長において発光出力を大にすることができる。
更に、本発明によると、
GaN系半導体層に所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、
前記GaN系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のGaN系半導体層凹凸層を形成し、
前記GaN系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成するため、成長プロセスの複雑化を抑えながら、面積が大きく、組成の不均一な活性層を提供することができる。
GaN系半導体層に所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、
前記GaN系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のGaN系半導体層凹凸層を形成し、
前記GaN系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成するため、成長プロセスの複雑化を抑えながら、面積が大きく、組成の不均一な活性層を提供することができる。
本発明の好ましい実施形態によると、GaN系半導体凹凸層の形成は、AlN凹凸層の形成であり、
凹凸状活性層の形成は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であるため、凹凸の形成が容易になり、ピーク波長の制御と発光出力の向上の実現が容易になるGaN系半導体発光素子を製造することができる。
凹凸状活性層の形成は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であるため、凹凸の形成が容易になり、ピーク波長の制御と発光出力の向上の実現が容易になるGaN系半導体発光素子を製造することができる。
図1は、本発明のGaN系半導体発光素子を示す。このGaN系半導体発光素子は、サファイア基板1上に低温成長のAlNバッファ層2を形成し、その上にSiドープのn型GaN:Siクラッド層(コンタクト層)3を形成する。次に、n型GaN:Siクラッド層3の上にAlN凹凸層4を形成し、この上に凹凸の形状を有する3層のIn0.25Ga0.85N井戸層5と凹凸の形状を有する2層のGaN障壁層6を交互に配置したMQW7を形成する。更に、その上にMgドープのp型Al0.12Ga0.88Nクラッド層8を形成し、その上にMgドープのp型GaNコンタクト層9を形成する。次に、p型GaNコンタクト層9、p型Al0.12Ga0.88Nクラッド層8、MQW7、及びn型GaNクラッド層3の一部をエッチングしてn型GaNクラッド層3を露出し、露出した表面にn型電極12を形成し、更に、p型コンタクト層9の表面に透明電極10及びパッド電極11を形成する。
以上の構成において、パッド電極11及びn型電極12にボンディングされた図示しないボンディングワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、In0.25Ga0.85N井戸層5においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透明電極10を介して外部へ放射される。
ここで、In0.25Ga0.85N井戸層5が凹凸に形成されているので、In0.25Ga0.85N井戸層5の組成の不均一化と面積の増加が実現され、その結果、発光効率が増加する。
以下に、本発明のGaN系半導体発光素子の製造方法を説明する。
図1及び図2(a)において、(0001)面を結晶成長面とするサファイア基板1を有機洗浄の後、サファイア基板1をMOCVD装置内の成長炉のサセプタ上に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給して1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板上1の表面に付着していた炭化水素ガスがある程度取り除かれる。
次に、サファイア基板1の温度を600℃程度まで降温し、TMA(トリメチルアルミニウム)及びNH3(アンモニア)を供給してサファイア基板1上に50nm程度の膜厚の低温AlNバッファ層2を形成する。
次に、TMAの供給を止め、基板温度を1000℃まで上げ、NH3、TMG(トリメチルガリウム)、SiH4(シラン)を供給してキャリア濃度5×1018/cm3のn型GaN:Siクラッド層(コンタクト層)3を形成する。
次に、サファイア基板1の温度を400℃程度まで降温し、TMA及びNH3を10秒程度供給してn型GaNクラッド層3の上に10Å程度の膜厚のAlN層40を形成する(図2(a))。
次に、原料ガスの供給を止めながらサファイア基板1の温度を830℃程度まで上げると、AlN層40は熱処理を受けて凝集し、その結果、AlN凹凸層4が形成される(図2(b))。
次に、サファイア基板1の温度を730℃まで降温し、NH3、TMG、及びTMI(トリメチルインジウム)を供給して膜厚30ÅのIn0.25Ga0.85N井戸層5を形成する。このIn0.25Ga0.85N井戸層5は、Al凹凸層4の形状に基づいて凹凸に形成される。
次に、サファイア基板1の温度880℃まで上げ、NH3及びTMGを供給して170Åの膜厚のGaN障壁層6を形成する。このGaN障壁層6は、その下のIn0.25Ga0.85N井戸層5の凹凸形状に基づいて凹凸に形成される。
次に、上記したIn0.25Ga0.85N井戸層5及びGaN障壁層6の成長条件に基づいて2層のIn0.25Ga0.85N井戸層5及び1層のGaN障壁層6を形成して合計3層のIn0.25Ga0.85N井戸層5と合計2層のGaN障壁層6より成るMQW7を形成する。このMQW7は、図1に示すように、全体として凹凸の形状を有している。
次に、サファイア基板1の温度を1000℃まで上げ、TMA,TMG、NH3、及びCp2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム)を供給して200Åの膜厚のマグネシウムドープのp型Al0.12Ga0.88Nクラッド層8を形成する。
次に、サファイア基板1の温度を1000℃に維持したまま、NH3、TMG、及びCp2Mgを供給してマグネシウムドープのp型GaNコンタクト層9を形成する。
次に、所定のエッチャントを使用してp型GaNコンタクト層9、p型AlGaNクラッド層8、MQW7、及びn型GaN:Siクラッド層3の一部を除去してn型GaN:Siクラッド層3を露出させる。
次に、p型GaNコンタクト層9の上に透明電極10とパッド電極11を形成し、露出したn型GaN:Siクラッド層3の上にn型電極12を形成する。
以上の成長プロセスを経て製造されたGaN系半導体発光素子は、In0.25Ga0.85N井戸層5の形状が凹凸にされるため、In0.25Ga0.85N井戸層5の面積が増大し、また、In0.25Ga0.85N井戸層5に組成不均一が生ずる。その結果、発光効率の増大が図れる。
図3は、本発明のGaN系半導体発光素子と従来のものとの波長対輝度特性の対比を示す。
図3において、曲線(1)はAlN層40を成長温度400℃、成長時間10秒で成長させた後、830℃の熱処理を施してAlN凹凸層4を形成した前記実施例のGaN系半導体発光素子の波長対輝度特性である。
曲線(2)はAlN層40を成長温度400℃、成長時間15秒で成長させた後、830℃の熱処理を施してAlN凹凸層4を形成した本発明の別のGaN系半導体発光素子の波長対輝度特性である。
曲線(3)はAlN凹凸層4を有しない従来のGaN系半導体発光素子の波長対輝度特性であり、輝度は10倍にして表示されている。
図3の曲線(1)、(2)及び(3)の対比から明らかなように、本発明のGaN系半導体発光素子は発光効率が増大している。
また、これを実現するために形成されるAlN凹凸層4は、通常の成長プロセスに熱処理を付加するだけで形成されるので、成長プロセスの複雑化を抑えることができる。
図4は、本発明の成長プロセスによって製造されたGaN系半導体発光素子において、AlN層40の熱処理時間に対する輝度変化を示す曲線(1)と、AlN層40の熱処理時間に対するピーク波長変化を示す曲線(2)を表わす。
図4より明らかな通り、AlN層40に熱処理を施してAlN凹凸層4にする熱処理時間は10秒前後が好ましく、20秒を超える必要はない。
尚、凹凸層4は、AlNによって限定されるものではなく、AlGaN、GaN、InGaN、InNによって置換されても良い。
また、AlN凹凸層4はドット状に分散的に配置して形成されるものとして説明したが、これに限定されることはなく、底部において相互に連結された形状であっても良い。
1:サファイア基板
2:AlNバッファ層
3:シリコンドープのn型GaNクラッド層(コンタクト層)
4:AlN凹凸層
5:InGaN井戸層
6:GaN障壁層
7:MQW
8:マグネシウムドープのp型AlGaNクラッド層
9:マグネシウムドープのp型GaNコンタクト層
10:透明電極
11:パッド電極
12:n型電極
40:熱処理前のAlN層
2:AlNバッファ層
3:シリコンドープのn型GaNクラッド層(コンタクト層)
4:AlN凹凸層
5:InGaN井戸層
6:GaN障壁層
7:MQW
8:マグネシウムドープのp型AlGaNクラッド層
9:マグネシウムドープのp型GaNコンタクト層
10:透明電極
11:パッド電極
12:n型電極
40:熱処理前のAlN層
Claims (5)
- n型層とp型層の間に活性層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記n型層と前記活性層の間に配置されたAlN凹凸層を備え、
前記活性層は、前記AlN凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子。 - n型層とp型層の間に活性層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記n型層と前記活性層の間に配置され、所定の温度で形成されたGaN系半導体層を前記所定の温度より大なる温度で熱処理することによって形成されたGaN系半導体凹凸層を備え、
前記活性層は、前記GaN系半導体凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするGaN系半導体発光素子。 - 前記GaN系半導体凹凸層は、AlN凹凸層によって形成され、
前記活性層は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項2記載のGaN系半導体発光素子。 - 基板上にn型GaN系半導体層を形成し、
前記n型GaN系半導体層上に所定の温度でアモルファス状のGaN系半導体層を形成し、
前記GaN系半導体層に前記所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより前記GaN系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のGaN系半導体凹凸層を形成し、
前記GaN系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成し、
前記凹凸状活性層上にp型GaN系半導体層を形成することを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法。 - 前記GaN系半導体凹凸層の形成は、AlN凹凸層の形成であり、
前記凹凸状活性層の形成は、複数のInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であることを特徴とする請求項4記載のGaN系半導体発光素子の製造方法。
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