JP2006093744A - 紫外線発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 結晶基板Sの表面に凹凸1Sを加工し、該凹凸に、GaN系半導体低温バッファ層1を介してまたは直接的に、GaN系結晶層2を気相成長させる。該GaN系結晶層は、前記凹凸の凹部内を実質的に充填しかつ該凹凸を埋め込んで平坦化するまで成長させ、その上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層を発光層として成長させて、紫外線発光素子とする。
【選択図】図1
Description
上記背景から、紫外線を発し得る組成のInGaNを発光層(井戸層)に用いる場合、キャリアの閉じ込めを考えると発光層を挟むクラッド層(量子井戸構造ではクラッド層だけでなく障壁層をも含む)にはバンドギャップの大きなAlGaNが用いられている。
者等が従来の素子構造を検討したところ、AlGaN層はInGaN発光層に対し格子定数差から生じる歪みを与える基となっている事がわかった。
また、量子井戸構造において障壁層厚みを薄くすると、その上に設けるp型層からMgが発光層まで拡散し、非発光中心を形成する為、高出力の紫外発光素子が得られないという問題があった。
(1)表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が気相成長しており、該GaN系結晶の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有することを特徴とする紫外線発光素子。
+Y+Z=1)で示される化合物半導体であって、例えば、AlN、GaN、AlGaN
、InGaNなどが重要な化合物として挙げられる。
図1は、本発明による発光素子の構造の一例を示す図であって、
結晶基板Sの表面に凹凸S1が加工され、該凹凸S1に、GaN系半導体からなる低温バッファ層1を介してまたは直接的に、GaN系結晶層2が気相成長している。同図の例では、GaN系結晶層2は、GaN結晶からなる層であって、先ず、アンドープのGaN結晶層2aが、基板表面の凹凸S1の凹部内を充填しかつ該凹凸を埋め込んで平坦化するまで成長し、その上に、n型GaN層2bが成長してなる態様である。また、同図の例では、n型GaN層2bは、n型コンタクト層でありかつMQW構造の障壁層をも兼ねている。MQW構造は、InGaN井戸層、GaN障壁層、InGaN井戸層、GaN障壁層の順に成長してなり、続いてp型AlGaNクラッド層4、p型GaNコンタクト層5となっている。さらに、n型電極P1、p型電極P2が形成されて、本発明による紫外線発光が可能なGaN系LEDとなっている。
即ち、マスクを用いたELO法では、下地にGaN膜を成長させた後、いったん成長装置から外部に取出してマスクを形成し、再び成長装置に戻して再成長を行っている。これに対して、結晶基板に凹凸を形成して行う成長法では、凹凸加工された結晶基板を成長装置内にセットしたあとは成長を止める必要がなく、これにより再成長界面が存在せずに良好な結晶性のものが作製できる。
またさらに、本発明による上記の構成では、マスクを用いずにGaN系結晶層を成長させているため、マスクの分解による結晶品質低下の問題が無い。
これらの作用効果によって転位が少なく良好な結晶のものが出来る結果、発光出力が格段に向上する。また、劣化の原因となる転位密度が低減する結果、長寿命化が図れる。
この方法では、結晶基板の表面に凹凸を加工し、GaN系低温バッファ層を介して、該凹凸の凸部および/または凹部からGaN系結晶を気相成長させる。このとき、凹部は空洞として残しても、GaN結晶によって充填してもよいが、後述のように、好ましい低転位化のためには、凸部、凹部の両方からファセット構造を形成しながら成長し、実質的に凹部が充填される態様が好ましい。
上記のようなファセット構造を形成しながらの凹凸埋め込み法によれば、ファセット構造部分において転位線の伝搬方向が制御され、結晶基板上に転位密度の低いGaN系結晶を成長させることが可能であり、本発明に独自の成長法である。この本発明に独自の成長法を、「当該埋め込み成長法」と呼んで、以下に説明する。また、凹凸を埋め込む材料は、GaN系結晶であってよいが、後述のように、素子として最も好ましいGaNで埋め込む場合を例として説明する。
凹部での成長が生じてもよいが最終的には凸部の結晶成長が優勢となることを指す。凸部上方部を起点としたラテラル成長により低転位領域が形成されれば、従来のマスクを要するELOと同様の効果がある。
以下の説明では、低転位化のために最も好ましい態様として、凹面、凸面の両方からGaN結晶のファセット構造成長を生じさせる場合について説明する。
面に付与されて形成された凹凸とは異なる。
これら種々の凹凸の態様の中でも、直線状の凹溝(または凸尾根)が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン(断面矩形波状)は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
GaN系低温バッファ層の材料、形成条件は、公知技術を参照すればよいが、例えば、バッファ層材料としては、GaN、AlN、InNなどが例示され、成長温度としては、300℃〜600℃が挙げられる。バッファ層の厚さは10nm〜50nm、特に20nm〜40nmが好ましく、基板の凹凸断面が矩形波状である場合には、図2(b)に示すように、主として、凹部の底面、凸部の上面に形成することが好ましい。成長装置は、その上のGaN結晶層を成長させるための装置を用いてよい。
なお、結晶基板としてGaN結晶からなる基板を用いる場合には、低温バッファ層は必須では無い。
この結果、結晶基板からC軸方向に伸びる転位線がファセット面(図2(c)に示すGaN系結晶21、22の斜面)で横方向に曲げられ、上方に伝搬しなくなる。その後、成長を続け、各凸状を呈する結晶21、22は、図2(c)に一点鎖線で示すように互いに合体し、さらに、図2(d)に示すように、成長面を平坦化してGaN結晶層2a(=図1の素子における層2a)が得られる。該GaN結晶層の表面近傍は基板からの転位の伝搬が低減された低転位密度領域となっている。
全に両ファセット面が頂部で交差する山形(三角錐や山脈状に長く連なった屋根形)の態様である。このようなファセット面であれば、前記ベース面から承継された転位線を概ね全て曲げることができ、その直上の転位密度をより低減できる。
なお、凹凸の幅の組み合せだけでなく、凹部の深さ(凸部の高さ)を変化させる事でもファセット面形成領域の制御が可能である。
}面のファセットが出易く、常圧成長では減圧に比べファセット面が出易い。
また成長温度を上げると横方向成長が促進されるが、低温成長すると横方向成長よりもC軸方向の成長が速くなり、ファセット面が形成されやすくなる。
以上成長条件によってファセット形状の制御が可能である事を示したが、本発明の効果が出る範囲内であれば、目的に応じ使い分ければよい。
先ず、本発明の好ましい第1の態様では、基板の凹凸上に形成されるGaN系結晶層2の材料をGaN結晶に限定する。このGaN結晶層の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層を井戸層とするMQW構造を構成し発光層とする。付言すると、n型クラッド層はGaNからなり、発光層と低温バッファ層との間にはAlGaN層が存在しない構成となる。
を排除する事でこのような危惧も無く、高出力化が得られる。
しかしこれらの組み合せでは、結晶成長条件の最適値がAlGaNとInGaNとでは大きく異なる事から次の問題がある。AlNはGaNに比べ高融点であり、InNはGaNに比べ低融点である。その為、最適温度はGaNを1000℃とすると、InGaNは1000℃以下、好ましくは600〜800℃程度、AlGaNはGaN以上である。AlGaNを障壁層に用いた場合、AlGaN障壁層とInGaN井戸層の成長温度を変化させないとそれぞれの最適結晶成長条件とはならず、結晶品質が低下する問題がある。一方、成長温度を変化させることは成長中断を設ける事となり、3nm程度の薄膜である井戸層では、この成長中断中にエッチング作用により厚みが変動する、表面に結晶欠陥が入る等の問題が生じる。これらトレードオフの関係が有る為、AlGaN障壁層、InGaN井戸層のくみ合わせで高品質な物を得るのは困難である。また、障壁層をAlGaNとする事で井戸層へ歪みがかかる問題もあり、高出力化の妨げになる。そこで、本発明では、障壁層の材料としてGaNを用い、上記トレードオフの問題を軽減する試みを行ったところ、結晶品質が改善された。また、歪みを軽減する為にn型クラッド層としてGaNを用いた所、歪みの軽減により高出力化が可能となった。GaNをクラッド層にするとキャリアの閉じ込めが、紫外線発光可能な組成のInGaNに対して、不充分となることが懸念されたが、キャリア(特に正孔)の閉じ込めはできていることが判明した。
障壁層をこのように厚くすると、波動関数の重なりが無くなり、MQW構造というよりも、SQW構造を多重に積み重ねたような状態となるが、充分に高出力化が達成される。障壁層が30nmを超えると、p型層から注入された正孔が井戸層へ到達するまでにGaN障壁層中に存在する非発光中心となる転位欠陥などにトラップされ、発光効率が低下するので好ましくない。
本実施例では、図1に示すように、DH構造を有するGaN系LEDを製作し、発光層と結晶基板との間の層をGaNだけからなる態様とした。
C面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニング(幅2μm、周期4μm、ストライプ方位:ストライプの長手方向が、基板上に成長するGaN系結晶にとって〈11−20〉方向)を行い、RIE装置で2μmの深さまで断面方形となるようエッチングし、図2(a)に示すように、表面がストライプ状パターンの凹凸となっ
た基板を得た。この時のストライプ溝断面のアスペクト比は1であった。
また、通常のELO用基材(平坦なサファイア基板上に一旦GaN層を形成した後、マスク層を形成したもの)の上に、上記と同様の条件にて、紫外線LEDチップ(比較例2)を形成し、その出力を測定した。
って、同様に転位密度の低減は図れているが、出力が本実施例に比較し低かった。これは再成長界面の存在による結晶性の違いと考えられる。また、通常基板上では転位密度も多いため、出力寿命とも本実施例に比較し悪かった。
本実施例では、実施例1におけるn型GaNコンタクト層2bと、InGaN井戸層との間に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層を設けたこと以外は、実施例1と同様の条件にて、紫外線LEDチップを形成し、その出力を測定した。
上記表1のとおり、実施例1の素子の出力は10mWであったのに対して、本実施例の素子の出力は7mWであった。この結果から、本実施例の素子は比較例1、2に比べて出力は向上しているが、実施例1のように、InGaN井戸層と結晶基板との間からAlGaN層を排除することによって、出力がさらに向上することが明らかになった。
本実施例では、MQW構造の障壁層の厚さに関する限定の作用効果を調べる実験を行った。
実施例1におけるMQW構造の各障壁層の厚さを、サンプル1;3nm、サンプル2;6nm、サンプル3;10nm、サンプル4;15nm、サンプル5;30nmとしたこと以外は、上記実施例1と同様にGaN系LEDを製作した。これらは、全て本発明による発光素子に属する。
上記と同様の条件にて、紫外LEDチップの出力を測定した。
サンプル1;2mW、
サンプル2;7mW、
サンプル3;10mW、
サンプル4;8mW、
サンプル5;5mW
為、p型層からMgが拡散してきた結果と考えられる。
上記の結果から明らかなとおり、障壁層の厚さが6nm〜30nmにおいて、高出力化がより改善されることがわかった。
S1 凹凸
1 GaN系半導体低温バッファ層
2 GaN系結晶層(特にGaN結晶層)
3 紫外線発光可能な組成のInGaN結晶層
4 p型クラッド層
5 p型コンタクト層
Claims (6)
- 表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が気相成長しており、該GaN系結晶の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有することを特徴とする紫外線発光素子。
- 結晶基板上に上記低温バッファ層を介して成長しているGaN系結晶層が、上記凹凸の凹部底面および凸部上面からファセット構造を形成しながら成長したものである請求項1記載の紫外線発光素子。
- 結晶基板の表面に加工された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、この上に成長するGaN結晶の〈11−20〉方向、または〈1−100〉方向である請求項1または2記載の紫外線発光素子。
- 発光層が、InGaNからなる井戸層とGaNからなる障壁層とによって構成された量子井戸構造である、請求項1〜3のいずれかに記載の紫外線発光素子。
- 量子井戸構造と低温バッファ層との間の層が全てGaN結晶からなるものである、請求項1〜4のいずれかに記載の紫外線発光素子。
- 障壁層の厚さが6nm〜30nmである請求項1〜5のいずれかに記載の紫外線発光素子。
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