JP2006156891A

JP2006156891A - 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2006156891A
Application number: JP2004348745A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Komada; 聡駒田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子とその製造方法とを提供する。
【解決手段】半導体基板上に形成された、ｐ型窒化物半導体層と、量子井戸構造を含む活性層と、ｎ型窒化物半導体層と、を含み、活性層は、互いに組成の異なる、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、を含んでいる窒化物半導体発光素子とその窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体発光素子と窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。

窒化物半導体結晶を用いた半導体レーザや発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子において、たとえば緑色の光を発光する発光層として機能する図３の模式的断面図に示す活性層１０６は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる井戸層２と、この井戸層よりもＩｎの含有比率が低いＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２、ｘ１＞ｘ３）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる障壁層４の２層からなる積層体を複数含んでおり、井戸層２と障壁層４の気相成長温度は同一である。

たとえば、特許文献１においては、井戸層として厚さ３ｎｍのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層と、障壁層として厚さ６ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の２層からなる積層体を複数含む窒化物半導体発光素子が開示されており、井戸層と障壁層の気相成長温度はともに８００℃である。
特開平９−１５３６４２号公報

しかしながら、互いに組成の異なるＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる井戸層と、Ｉｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２、ｘ１＞ｘ３）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる障壁層とを積層する場合、ＩｎとＧａの蒸気圧の違いから、高品質な窒化物半導体結晶を得るためには、障壁層の気相成長温度を井戸層の気相成長温度よりも高くすることが好ましい。

それにもかかわらず障壁層の気相成長温度を井戸層の気相成長温度よりも高くすることができないのは、井戸層の気相成長温度から障壁層の気相成長温度への切り替え時の昇温中および障壁層の気相成長中に、井戸層中のＩｎが蒸発してしまい、結果として窒化物半導体発光素子の発光強度の低下を招いてしまうためである。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子とその製造方法とを提供することにある。

本発明は、半導体基板上に形成された、ｐ型窒化物半導体層と、量子井戸構造を含む活性層と、ｎ型窒化物半導体層と、を含み、活性層は、互いに組成の異なる、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、を含んでいる窒化物半導体発光素子である。

ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１の窒化物半導体層と接して第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層が形成され、第２の窒化物半導体層と接して第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が形成され得る。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１の窒化物半導体層はＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなり、第２の窒化物半導体層はＡｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなり、第３の窒化物半導体層はＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなっており、第１の窒化物半導体層中のＩｎの含有比率を示すｘ１が第３の窒化物半導体層中のＩｎの含有比率を示すｘ３よりも大きくてもよい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第２の窒化物半導体層の厚さが４ｎｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、活性層中の第１の窒化物半導体層および第３の窒化物半導体層はいずれも気相成長により形成され、第３の窒化物半導体層の気相成長温度が第１の窒化物半導体層の気相成長温度よりも５０℃以上高い窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、井戸層中のＩｎの蒸発を抑制しながら井戸層の気相成長温度よりも高い温度で障壁層を形成することができるため、高品質の井戸層および障壁層を形成することができる。したがって、本発明によれば、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子とその製造方法とを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１の模式的断面図に、本発明の窒化物半導体発光素子の活性層の好ましい一例を示す。本発明の窒化物半導体発光素子の活性層１０６は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる井戸層２と、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる中間層３と、井戸層２よりもＩｎの含有率が低いＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２、ｘ１＞ｘ３）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる障壁層４とを含んでいる。ここで、中間層３は気相成長により井戸層２上に形成されており、障壁層４は気相成長により中間層３上に形成されている。そして、中間層３と井戸層２とは接しており、障壁層４と中間層３とは接している。

このように、井戸層２と障壁層４との間にＡｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる中間層３を設置することによって、井戸層２よりもＩｎの含有比率の低い障壁層４の気相成長温度を井戸層２の気相成長温度よりも高くした場合でも、障壁層４の気相成長温度への切り替え時の昇温中および障壁層４の気相成長中において、井戸層２中のＩｎの蒸発を中間層３によって抑制することができる。これにより、井戸層２中のＩｎの蒸発を抑制しながら、より高温で障壁層４を気相成長することができるため、井戸層２および障壁層４の結晶性を向上させることができ、結果として活性層から出射される光の発光強度を向上させることができる。

このとき、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる中間層３を井戸層２中のＩｎの蒸発をより効率的に抑制するためには、中間層３の厚さを４ｍｍ以下とすることが好ましい。また、井戸層２中のＩｎの蒸発をより効率的に抑制する観点からは、中間層３の気相成長温度を井戸層２の気相成長温度以下とすることが好ましい。また、活性層から出射される光の発光強度をより向上させる観点からは、障壁層４の気相成長温度が井戸層２の気相成長温度よりも５０℃以上高いことが好ましい。

また、上記のＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式において、ｘ１は井戸層２を構成する窒化物半導体結晶中のＩｎの含有比率を示している。したがって、井戸層２を構成する窒化物半導体結晶としては、ＩｎとＧａとＮとからなる窒化物半導体結晶が用いられる。

また、上記のＡｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２≦１）の式において、ｘ２は中間層３を構成する窒化物半導体結晶中のＡｌの含有比率を示し、ｙ２は中間層３を構成する窒化物半導体結晶中のＩｎの含有比率を示している。したがって、中間層３を構成する窒化物半導体結晶としては、Ａｌを含む窒化物半導体結晶が用いられ、Ｇａおよび／またはＩｎは中間層３を構成する窒化物半導体結晶中に含まれていても含まれていなくてもよい。

また、上記のＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２、ｘ１＞ｘ３）の式において、ｘ３は障壁層４を構成する窒化物半導体結晶中のＩｎの含有比率を示している。したがって、障壁層４を構成する窒化物半導体結晶としては、ＩｎとＧａとＮとからなる窒化物半導体結晶またはＧａとＮとからなる窒化物半導体結晶が用いられる。

また、本発明において、窒化物半導体結晶の成長方法としては、種々の気相成長法を用いることができる。たとえば、有機金属気相結晶成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法、ハイドライド気相結晶成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法などを用いることができる。

ＭＯＣＶＤ法において、Ｉｎ源としてはたとえばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）などを用いることができ、Ｇａ源としてはたとえばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）などを用いることができ、Ａｌ源としてはたとえばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などを用いることができる。また、窒素源としては、たとえばアンモニアまたはトリメチルアミンなどを用いることができる。

なお、本明細書において、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｎは窒素を示す。

（実施例１）
図２に、実施例１における窒化物半導体発光素子の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光素子は、以下のようにして作製された。まず、サファイア基板１０１を反応炉内に設置し、サファイア基板１０１上に厚さ３０ｎｍのＧａＮバッファ層１０２、厚さ１μｍのＧａＮ層１０３および厚さ４μｍのｎ型ＧａＮ層１０４を順次、ＭＯＣＶＤ法を用いて気相成長させた。

次に、ｎ型ＧａＮ層１０４上に、井戸層として厚さ３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、中間層として厚さ１ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、障壁層として厚さ１８ｎｍのＧａＮ層をこの順序で気相成長させた３層の積層体を５つ重ねた活性層１０６を形成した。ここで、各層の気相成長温度（反応炉内のサファイア基板の温度）は、井戸層および中間層が７００℃、障壁層が８００℃に設定された。

次いで、活性層１０６上に、厚さ３０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０７、厚さ７０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０８をＭＯＣＶＤ法を用いて順次気相成長させた。そして、複数の窒化物半導体層が積層されたサファイア基板１０１を反応炉内から取り出した後、ｐ型ＧａＮ層１０８上に厚さ１０ｎｍのＰｄ層からなるｐ側透光性電極１０９、厚さ２００ｎｍのＡｕ層からなるｐ側パット電極１１０を順次形成した。ここで、ｐ側透光性電極１０９およびｐ側パット電極１１０は真空蒸着法により形成した。

続いて、活性層１０６、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０７、ｐ型ＧａＮ層１０８、ｐ側透光性電極１０９およびｐ側パット電極１１０の一部をエッチングにより除去して、ｎ型ＧａＮ層１０４の表面の一部を露出させた。そして、このｎ型ＧａＮ層１０４の露出面上に真空蒸着法により厚さ１５０ｎｍのＮｉ層からなるｎ側電極１０５を形成した。

このようにして作製された窒化物半導体発光素子の活性層から出射した光の発光波長および発光強度を測定した。その結果を表１に示す。ここで、発光波長は分光器により測定され、発光強度は全光束積分球により測定された。

なお、表１における発光波長の欄の数値は、後述する比較例１の窒化物半導体発光素子の発光波長との差で表わされており、発光波長の欄の数値において「−」が付されている数値は比較例１の発光波長よりも短波長であったことを示している。また、表１において発光強度は、後述する比較例１の窒化物半導体発光素子の発光強度を１００としたときの相対値で表わされている。

（実施例２）
活性層中のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層からなる中間層の厚さを２ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。そして、実施例２において作製した窒化物半導体発光素子の活性層から出射した光の発光波長および発光強度を実施例１と同様にして測定した。その結果を表１に示す。

（比較例１）
活性層として、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層からなる井戸層と、厚さ１８ｎｍのＧａＮ層からなる障壁層とをこの順序で気相成長させた２層の積層体を５つ重ねた活性層を形成し、井戸層および中間層の気相成長温度をともに７００℃に設定したこと以外は実施例１と同様にして、窒化物半導体発光素子を作製した。

そして、比較例１において作製した窒化物半導体発光素子の活性層から出射した光の発光波長および発光強度を実施例１と同様にして測定した。その結果を表１に示す。

（比較例２）
井戸層の気相成長温度を７００℃、中間層の気相成長温度を８００℃に設定したこと以外は比較例１と同様にして、窒化物半導体発光素子を作製した。

そして、比較例２において作製した窒化物半導体発光素子の活性層から出射した光の発光波長および発光強度を実施例１と同様にして測定した。その結果を表１に示す。

表１からわかるように、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層からなる井戸層とＧａＮ層からなる障壁層との間にＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層からなる中間層が形成された実施例１および実施例２の窒化物半導体発光素子は、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層からなる中間層を有しない比較例１および比較例２の窒化物半導体発光素子よりも発光強度が向上していた。

また、表１からわかるように、障壁層の気相成長温度が井戸層の気相成長温度よりも高く設定された比較例２の窒化物半導体発光素子の発光波長は、障壁層と井戸層の気相成長温度が同一に設定された比較例１の窒化物半導体発光素子の発光波長に比べて４０ｎｍ短波長になっていた。しかし、厚さ１ｎｍの中間層が形成された実施例１の窒化物半導体発光素子の発光波長は比較例１の窒化物半導体発光素子の発光波長に比べて１０ｎｍしか短波長になっておらず、実施例１よりも中間層が厚い実施例２の窒化物半導体発光素子の発光波長は比較例１の窒化物半導体発光素子の発光波長と同一であった。

上記の結果は、井戸層と障壁層との間に中間層を形成することによって、障壁層を高温で気相成長させた場合でも井戸層中のＩｎの蒸発を抑制できたことを示している。

また、表１からもわかるように、中間層の厚さが２ｎｍである実施例２の窒化物半導体発光素子の方が中間層の厚さが１ｎｍである実施例１の窒化物半導体発光素子よりも発光強度が向上しており、実施例２の窒化物半導体発光素子の発光強度は比較例１の１．５倍であった。

なお、上記においては、発光ダイオード構造を例に挙げて説明したが、本発明は半導体レーザ構造にも適用可能である。

また、上記においては、活性層の量子井戸構造として複数の井戸層を含む多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）構造の場合について説明したが、本発明の活性層の量子井戸構造は単一の井戸層を含む単一量子井戸（Single Quantum Well；ＳＱＷ）構造であってもよい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば発光強度を向上させた半導体レーザや発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の活性層の好ましい一例の模式的な断面図である。本発明の実施例１における窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。従来の窒化物半導体発光素子の活性層の一例の模式的な断面図である。

符号の説明

２井戸層、３中間層、４障壁層、１０１サファイア基板、１０２ＧａＮバッファ層、１０３ＧａＮ層、１０４ｎ型ＧａＮ層、１０５ｎ側電極、１０６活性層、１０７ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、１０８ｐ型ＧａＮ層、１０９ｐ側透光性電極、１１０ｐ側パット電極。

Claims

半導体基板上に形成された、ｐ型窒化物半導体層と、量子井戸構造を含む活性層と、ｎ型窒化物半導体層と、を含み、前記活性層は、互いに組成の異なる、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、を含んでいることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
前記第１の窒化物半導体層に接して前記第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層が形成されており、前記第２の窒化物半導体層と接して前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１の窒化物半導体層はＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなり、前記第２の窒化物半導体層はＡｌ_x2Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなり、前記第３の窒化物半導体層はＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなっており、前記第１の窒化物半導体層中のＩｎの含有比率を示すｘ１は前記第３の窒化物半導体層中のＩｎの含有比率を示すｘ３よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第２の窒化物半導体層の厚さが４ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、前記活性層中の前記第１の窒化物半導体層および前記第３の窒化物半導体層はいずれも気相成長により形成され、前記第３の窒化物半導体層の気相成長温度が前記第１の窒化物半導体層の気相成長温度よりも５０℃以上高いことを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。