JP2007110049A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device formed by stacking a plurality of semiconductor layers.
半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層及び活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するクラッド層と呼ばれる半導体層から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。 The basic structure of the semiconductor light emitting device is a double heterojunction structure composed of a semiconductor layer called an active layer that generates light by recombination of carriers and a semiconductor layer called a clad layer that sandwiches the active layer from both sides and supplies carriers to the active layer. It is said.
活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。クラッド層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。 Since the wavelength of light to be emitted is determined by the band gap of the active layer, a material and a configuration that can obtain light having a desired wavelength are selected for the active layer. The cladding layer is designed to have a wider band gap than the active layer in order to make it easier to supply carriers to the active layer, and an impurity that controls the polarity of the carrier is added.
さらに、半導体レーザの場合、前記活性層で発生した光を反射して誘導放出を促進させる光閉じ込め機能を有する半導体層が前記クラッド層と前記活性層との間に配置される。前記クラッド層及び前記光閉じ込め機能を有する半導体層を備えた半導体発光素子の構造は分離閉じ込めヘテロ(SCH)と呼ばれることもある。 Further, in the case of a semiconductor laser, a semiconductor layer having a light confinement function that promotes stimulated emission by reflecting light generated in the active layer is disposed between the cladding layer and the active layer. A structure of a semiconductor light emitting device including the cladding layer and the semiconductor layer having the optical confinement function may be referred to as a separate confinement hetero (SCH).
組成式AlmGanIn1−m−nN(0≦m≦1、0≦n≦1、0≦m+n≦1)と表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式AlmGanIn1−m−nN(0≦m≦1、0≦n≦1、0≦m+n≦1)と表されるIII族窒化物系化合物」を「AlmGanIn1−m−nN化合物」と略記する。)は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができ、所望の波長の光を発光することができるため、半導体発光素子はAlmGanIn1−m−nN化合物を積層したSCH構造のものが多い。 A group III nitride compound represented by a composition formula Al m Ga n In 1-mn N (0 ≦ m ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 1, 0 ≦ m + n ≦ 1) (hereinafter, “composition formula Al m “Group III nitride-based compound represented by Ga n In 1-mn N (0 ≦ m ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 1, 0 ≦ m + n ≦ 1)” is referred to as “Al m Ga n In 1-m-”. abbreviated as n n compound ".) can adjust the band gap by changing the composition, it is possible to emit light of the desired wavelength, semiconductor light Al m Ga n in 1-m -n N is often compound by laminating a SCH structure.
近年、半導体発光素子の電気抵抗を低減させ、駆動電圧を低くするため、前記クラッド層を組成式AlxGa1−xN(0≦x≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜とGaNと表されるIII族窒化物系化合物の薄膜との超格子構造とすることが効果的であることが報告されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, in order to reduce the electrical resistance of a semiconductor light emitting device and lower the driving voltage, the cladding layer is made of a group III nitride compound represented by a composition formula Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). It has been reported that a superlattice structure of a thin film and a thin film of a group III nitride compound represented by GaN is effective (see, for example, Patent Document 1).
また、半導体発光素子が発光するためには、活性層に対して数kA/cm2程度の電流密度が要求されることもある。前記電流密度を得るために、半導体発光素子は活性層の陽電極側をリッジ構造として電流狭搾することが多い。 In order for the semiconductor light emitting device to emit light, a current density of about several kA / cm 2 may be required for the active layer. In order to obtain the current density, the semiconductor light emitting device often squeezes the current with the positive electrode side of the active layer as a ridge structure.
なお、半導体発光素子における半導体層の積層方向を垂直方向、半導体層の積層方向に対して垂直な方向を水平方向として説明する。
しかし、前記超格子構造の半導体層において垂直方向の電気抵抗率は水平方向の電気抵抗率より大きいことが知られており、正孔は移動しやすい水平方向へ拡散することになる。従って、超格子構造の一部をリッジ構造とする半導体発光素子では、前記リッジ構造で電流を狭搾しても、前記リッジ構造を通過した正孔は水平方向へ拡散してしまい、前記活性層への電流密度が低下して半導体発光素子のしきい値電流が大きくなるという課題があった。 However, it is known that the electrical resistivity in the vertical direction is larger than the electrical resistivity in the horizontal direction in the semiconductor layer having the superlattice structure, and holes are diffused in the horizontal direction, which is easy to move. Therefore, in the semiconductor light emitting device having a ridge structure as a part of the superlattice structure, even if the current is narrowed by the ridge structure, the holes that have passed through the ridge structure are diffused in the horizontal direction, and the active layer As a result, there is a problem that the current density of the semiconductor light-emitting element decreases and the threshold current of the semiconductor light-emitting element increases.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current by preventing holes from diffusing in the horizontal direction.
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、前記超格子構造のクラッド層の前記活性層側にバルク構造の半導体層を隣接して、垂直方向において前記超格子構造のクラッド層又は前記超格子構造のクラッド層から前記バルク構造の半導体層の一部までをリッジ構造とすることとした。 In order to achieve the above object, a semiconductor light emitting device according to the present invention includes a superlattice structure cladding layer in a vertical direction, with a bulk structure semiconductor layer adjacent to the active layer side of the superlattice structure cladding layer. Alternatively, a ridge structure is formed from the cladding layer having the superlattice structure to a part of the semiconductor layer having the bulk structure.
具体的には、本発明は、電子と正孔とが再結合して光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式がAlxGa1−xN(0≦x≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物の薄膜と組成式がAlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子である。 Specifically, according to the present invention, an active layer in which electrons and holes are recombined to generate light, and a layer having a polarity of p-type with respect to the active layer are stacked, and the composition formula is Al x Ga 1. A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −xN (0 ≦ x ≦ 1) and a layer adjacent to the side of the first semiconductor layer opposite to the side of the active layer. A group III nitride compound thin film whose composition formula is expressed as GaN in the direction and a group III nitride compound thin film whose composition formula is expressed as Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). And a second semiconductor layer having a superlattice structure alternately arranged, wherein the second semiconductor layer or the second semiconductor layer to a part of the first semiconductor layer in a stacking direction is a ridge structure. It is a semiconductor light emitting element characterized by being.
バルク構造の半導体層の垂直方向と水平方向との電気抵抗率との差は、超格子構造の半導体層の垂直方向と水平方向との電気抵抗率との差より小さい。前記半導体発光素子の前記第二半導体層に隣接する前記第一半導体層はバルク構造であり、前記リッジ構造を通過した正孔は前記第一半導体層においても垂直方向に容易に移動できるため、水平方向に拡散せずに活性層へ到達し、活性層への電流密度が増加する。 The difference between the electrical resistivity in the vertical direction and the horizontal direction of the semiconductor layer having the bulk structure is smaller than the difference between the electrical resistivity in the vertical direction and the horizontal direction of the semiconductor layer having the superlattice structure. The first semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer of the semiconductor light emitting device has a bulk structure, and holes that have passed through the ridge structure can easily move in the vertical direction also in the first semiconductor layer. It reaches the active layer without diffusing in the direction, and the current density to the active layer increases.
従って、本発明はリッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention can prevent the holes after passing through the ridge structure from diffusing in the horizontal direction and provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current.
本発明に係る半導体発光素子は、前記活性層と前記第一半導体層との間にあって、前記活性層のp型の側に隣接して積層され、活性層からの電子が前記第一半導体層へ拡散することを防止する電子バリア層と、前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、をさらに備える。 The semiconductor light emitting device according to the present invention is stacked between the active layer and the first semiconductor layer and adjacent to the p-type side of the active layer, and electrons from the active layer are transferred to the first semiconductor layer. An electron barrier layer for preventing diffusion; and between the electron barrier layer and the first semiconductor layer, on the first semiconductor layer side of the electron barrier layer and on the electron barrier layer side of the first semiconductor layer And a third semiconductor layer that is laminated adjacently and that guides light generated in the active layer.
前記第三半導体層は前記活性層で発生した光を導波させ、活性層における誘導放出を促す。前記電子バリア層は前記活性層の発光による熱エネルギーを得た電子がp型側の半導体層へ移動し、p型側半導体層で正孔と再結合して発光効率を低下させることを防止する。 The third semiconductor layer guides light generated in the active layer and promotes stimulated emission in the active layer. The electron barrier layer prevents electrons that have obtained thermal energy from light emission of the active layer from moving to the p-type semiconductor layer and recombining with holes in the p-type semiconductor layer to lower the light emission efficiency. .
従って、本発明は正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流が小さく、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention can prevent a hole from diffusing in the horizontal direction, and can provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current and a high luminous efficiency.
本発明に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層のAlの含有率は、前記第一半導体層の前記活性層側から前記第二半導体層側へ向けて、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する半導体層のAlの含有率以上の値から前記第二半導体層のうち組成式AlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜のAlの含有率以下の値へ単調増加することが好ましい。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the Al content of the first semiconductor layer is increased from the active layer side of the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer side. Of the group III nitride compound represented by the composition formula Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) in the second semiconductor layer from a value equal to or higher than the Al content of the semiconductor layer adjacent to the layer side It is preferable to monotonously increase to a value below the Al content of the thin film.
前記第一半導体層のAlの含有率を前記活性層側から前記第二半導体層側へ前記範囲の値で単調増加させることで、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する前記第三半導体層等の半導体層の結晶格子と前記第一半導体層の前記活性層側の結晶格子とは近似するため、前記第三半導体層等の半導体層と前記第一半導体層との界面で生ずる結晶欠陥を低減することができる。さらに、前記界面において格子定数差に起因したピエゾ電界の発生も抑制することができる。 The third semiconductor layer adjacent to the active layer side of the first semiconductor layer by monotonically increasing the Al content of the first semiconductor layer from the active layer side to the second semiconductor layer side by a value in the range. A crystal formed at the interface between the semiconductor layer such as the third semiconductor layer and the first semiconductor layer in order to approximate the crystal lattice of the semiconductor layer such as the semiconductor layer and the crystal lattice on the active layer side of the first semiconductor layer. Defects can be reduced. Furthermore, the generation of a piezo electric field due to the lattice constant difference at the interface can also be suppressed.
同様に、前記第二半導体層と前記第一半導体層との界面においても結晶欠陥を低減でき、ピエゾ電界の発生も抑制することができる。 Similarly, crystal defects can be reduced at the interface between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, and generation of a piezoelectric field can be suppressed.
従って、本発明は、結晶欠陥の低減及びピエゾ電界の抑制は電気抵抗を低減できるため、駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, since the reduction of crystal defects and the suppression of the piezo electric field can reduce the electric resistance, the driving voltage can be reduced, the holes are prevented from diffusing in the horizontal direction, and the semiconductor having a small threshold current is obtained. A light-emitting element can be provided.
本発明に係る半導体発光素子は、前記第一半導体層のAlの平均含有率と前記第二半導体層のAlの平均含有率とは略等しいことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, it is preferable that the average content of Al in the first semiconductor layer and the average content of Al in the second semiconductor layer are substantially equal.
前記第一半導体層のAlの平均含有率と前記第二半導体層のAlの平均含有率とを同等の値とすることで、前記第一半導体層の平均のバンドギャップと前記第二半導体層の平均のバンドギャップとが同程度となるため、正孔は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ容易に移動することができる。 By setting the average Al content of the first semiconductor layer and the average Al content of the second semiconductor layer to the same value, the average band gap of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer Since the average band gap is comparable, holes can easily move from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer.
従って、電気抵抗を低減できるため、本発明は駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, since the electrical resistance can be reduced, the present invention can reduce the driving voltage, prevent the holes from diffusing in the horizontal direction, and provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current.
本発明に係る半導体発光素子は、前記第二半導体層の積層方向の厚さは前記第一半導体層の積層方向の厚さより大きいことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the thickness of the second semiconductor layer in the stacking direction is preferably larger than the thickness of the first semiconductor layer in the stacking direction.
超格子構造の前記第二半導体層の積層方向の厚さ(以下、「半導体層の積層方向の厚さ」を「半導体層の膜厚」と略記する。)を前記第一半導体層の膜厚より厚くすることで、前記半導体発光素子の電気抵抗を低減することができる。 The thickness of the second semiconductor layer in the superlattice structure in the stacking direction (hereinafter, “thickness in the stacking direction of the semiconductor layer” is abbreviated as “film thickness of the semiconductor layer”). By making it thicker, the electrical resistance of the semiconductor light emitting element can be reduced.
従って、本発明は駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention can reduce the driving voltage, prevent holes from diffusing in the horizontal direction, and provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current.
本願発明により、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having a small threshold current by preventing holes from diffusing in the horizontal direction.
以下、本願発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below.
(実施の形態1)
本実施形態は、電子と正孔とが再結合して光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式がAlxGa1−xN(0≦x≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物の薄膜と組成式がAlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子である。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, an active layer in which electrons and holes are recombined to generate light, and the active layer is stacked on the p-type side, and the composition formula is Al x Ga 1-x N ( The first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x ≦ 1) is laminated adjacent to the side of the first semiconductor layer opposite to the active layer side, and the composition formula is Group III nitride-based compound thin film represented by GaN and Group III nitride-based compound thin film represented by the compositional formula Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) are alternately arranged. A second semiconductor layer having a superlattice structure, wherein the second semiconductor layer or the second semiconductor layer to a part of the first semiconductor layer in the stacking direction has a ridge structure. The semiconductor light emitting device is characterized.
本発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子101の断面の概念図を図1に示す。半導体発光素子101は電極11、基板12、n型下地層13、n型第四半導体層27、活性層14、p型第一半導体層15、p型第二半導体層17、p型コンタクト層18、電極19及び絶縁膜20を備える。
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor
半導体発光素子101は基板12上に各半導体層を積層しており、活性層14に対して電極19の側の半導体層、すなわちp型第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18をp型としている。
In the semiconductor
一方、活性層14に対して基板12の側の半導体層、すなわちn型第四半導体層27、及びn型下地層13をn型としている。半導体発光素子101は陽電極及び陰電極が基板に対して同一の方向にある表面電極型の半導体発光素子である。
On the other hand, the semiconductor layer on the
電極11及び電極19は半導体発光素子101に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体発光素子としての効率を損なうため、電極11及び電極19は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、n型半導体と接触する電極11の素材としては、Ti/Al/Ti/AuやAl/Auが例示される。p型半導体と接触する電極19の素材としては、Ni/Au、Pd/Au、Pt/Au及びPd/Pt/Auが例示される。
The
基板12は半導体薄膜で構成される半導体発光素子101を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子101の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、AlmGanIn1−m−nN化合物を積層させる場合はサファイヤが例示される。
The
活性層14は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層14に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層14に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。例えば、AlmGanIn1−m−nN化合物を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。
The
また、活性層14はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造(MQW)とすることもできる。活性層14を前記MQWとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。MQWとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。
Further, the
MQWは、障壁層として前記組成式においてm=0、n=d(0.95≦d≦1、好ましくは0.97≦d≦1)のIII族窒化物系化合物と量子井戸として前記組成式においてm=0、n=e(e<d且つ0.80≦e≦0.95、好ましくはe<d且つ0.85≦e≦0.9)のIII族窒化物系化合物との組み合わせが例示される。また、MQWの障壁層として5nm以上20nm以下、MQWの井戸層として1nm以上10nm以下の膜厚が例示される。MQWを構成する前記障壁層と前記井戸層との組は2組以上3組以下であることが例示される。 MQW is a group III nitride compound of m = 0 and n = d (0.95 ≦ d ≦ 1, preferably 0.97 ≦ d ≦ 1) in the composition formula as a barrier layer and the composition formula as a quantum well. And a group III nitride compound of m = 0, n = e (e <d and 0.80 ≦ e ≦ 0.95, preferably e <d and 0.85 ≦ e ≦ 0.9) Illustrated. Further, the MQW barrier layer is exemplified by a thickness of 5 nm to 20 nm, and the MQW well layer is exemplified by a thickness of 1 nm to 10 nm. It is exemplified that the number of pairs of the barrier layer and the well layer constituting the MQW is 2 or more and 3 or less.
n型第四半導体層27はAlmGanIn1−m−nN化合物の半導体層である。n型第四半導体層27は前記組成式においてm=a(0.01≦a≦0.15、好ましくは0.05≦a≦0.1)、m+n=1の関係のIII族窒化物系化合物が例示される。n型第四半導体層27の膜厚は300nm以上2000nm以下、好ましくは400nm以上1200nm以下が例示される。
The n-type
また、n型第四半導体層27はキャリア密度を高めるためn型不純物、例えばSi又はOが添加される。不純物濃度は5×1017cm−3以上1×1019cm−3以下、好ましくは3×1018cm−3が例示される。
The n-type
p型第二半導体層17は、積層方向に組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物の薄膜と組成式がAlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造を有する。p型第二半導体層17の膜厚は電気抵抗及び正孔供給の観点から100nm以上2000nm以下、好ましくは、200nm以上500nm以下が例示される。また、p型第二半導体層17のAlの平均含有率は4%以上10%以下、好ましくは6%以上8%以下が例示される。
The p-type
p型第二半導体層17はキャリア密度を高めるためp型不純物、例えばMgが添加される。p型第二半導体層17の平均のp型不純物濃度は5×1018cm−3以上1×1020cm−3以下、好ましくは3×1019cm−3が例示される。
The p-type
p型第一半導体層15は、組成式がAlxGa1−xN(0≦x≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の半導体層である。p型第一半導体層15はp型第二半導体層17より電気抵抗が高いため、p型第一半導体層15の膜厚はp型第二半導体層17の膜厚より小さいことが好ましい。例えば、p型第一半導体層15の膜厚はp型第二半導体層17の膜厚の1/4の値であることが例示される。電気抵抗を下げるためにはp型第一半導体層15の膜厚は50nm以上100nm以下であることが好ましい。
The p-type
また、p型第一半導体層15のAlの平均含有率は4%以上10%以下、好ましくは6%以上8%以下が例示される。なお、p型第一半導体層15のAlの平均含有率はp型第二半導体層17のAlの平均含有率と略等しいことが望ましい。
Moreover, the average content of Al in the p-type
p型コンタクト層18は電極19とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が10nm以上100nm以下のGaN化合物が例示できる。p型コンタクト層18がGaN化合物の場合、添加する不純物としてMgが例示される。
The p-
n型下地層13はn型下地層13上に積層する半導体の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚1μm以上5μm以下のSiを不純物としてn型としたGaN化合物が例示できる。不純物濃度は5×1017cm−3以上1×1019cm−3以下であることが例示される。
The n-
絶縁膜20は電極と各半導体層とを電気的に分離する。例えば、ZrO2もしくはSiO2が例示できる。
The insulating
半導体発光素子101は以下に説明するように形成する。
The semiconductor
(半導体層積層工程)
基板12上にn型下地層13、n型第四半導体層27、活性層14、p型第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。
(Semiconductor layer lamination process)
On the
半導体発光素子101の各半導体層は有機金属気相成長法(以下、「有機金属気相成長法」を「MOCVD法」と略記する。)を利用して積層される。MOCVD法は原料ガスを反応炉(チャンバ)に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏600度から摂氏1100度に維持された基板上で原料ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。原料ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。
Each semiconductor layer of the semiconductor
n型下地層13、n型第四半導体層27、活性層14、p型第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18がAlmGanIn1−m−nN化合物の場合、MOCVD法はIII族元素としてGa(CH3)3(トリメチルガリウム、以下「TMG」と略記する。)、In(C2H5)3(トリエチルインジウム、以下「TMI」と略記する。)及びAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム、以下「TMA」と略記する。)をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニアガスを使用する。原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。
The n-
また、不純物はp型ドーパントとしてCP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)又はn型ドーパントとしてSiH4(シラン)も同様に蒸気としてチャンバに導き入れることができる。 Further, as impurities, CP 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) as a p-type dopant and SiH 4 (silane) as an n-type dopant can be introduced into the chamber as vapor as well.
MOCVD法はCP2Mg又はSiH4、TMG、TMI、TMA及びアンモニアを所定の混合比で混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望の組成のAlmGanIn1−m−nN化合物を成長させることができ、反応時間で膜厚を制御することができる。従って、MOCVD法で、基板12上にn型下地層13、n型第四半導体層27、活性層14、p型第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を連続して積層することができる。
The MOCVD method uses a flow rate of a mixed gas in which CP 2 Mg or SiH 4 , TMG, TMI, TMA, and ammonia are mixed at a predetermined mixing ratio and a manufacturing parameter of a substrate temperature and an Al m Ga n In 1- mn having a desired composition. N compounds can be grown, and the film thickness can be controlled by reaction time. Therefore, the n-
(リッジ構造エッチング工程)
次にリッジ構造の半導体層を以下のように形成する。まず、p型コンタクト層18の上面にエッチングマスク層を積層する。前記エッチングマスク層はスパッタリングで形成するSiO2層や回転塗布後に加熱固化若しくは紫外線硬化して形成するSiO2層が例示できる。前記エッチングマスク層形成後、前記エッチングマスク層の上面にリソグラフィ技術でリッジ構造を形成する部分にレジストパターンを形成する。前記レジストパターン形成後、形成したレジストパターンをマスクとして、前記エッチングマスク層をエッチングする。その後、エッチングされなかった前記エッチングマスク層上のレジストパターンを剥離することでエッチングマスクパターンが形成される。
(Ridge structure etching process)
Next, a semiconductor layer having a ridge structure is formed as follows. First, an etching mask layer is stacked on the upper surface of the p-
次いで、上記エッチングマスクパターンをマスクとしてp型コンタクト層18、p型第二半導体層17及びp型第一半導体層15の一部をエッチングする。エッチングとしてCl系プラズマを利用したドライエッチングが例示できる。本工程で、図1のようにp型コンタクト層18、p型第二半導体層17及びp型第一半導体層15の一部がリッジ構造となる。なお、p型第一半導体層15はエッチングせず、p型コンタクト層18及びp型第二半導体層17をリッジ構造としてもよい。
Next, the p-
(絶縁膜形成工程)
前記エッチングマスクパターン、前記リッジ構造エッチング工程で露出したp型第一半導体層15、前記リッジ構造の側面を覆うように絶縁膜20を形成する。絶縁膜20を形成する手段としてはスパッタリングが例示できる。
(Insulating film formation process)
An insulating
(エッチングマスクパターン除去工程)
前記絶縁膜形成工程後、p型コンタクト層18上の前記エッチングマスクパターンを除去する。前記エッチングマスクパターンを除去する手段として、1−水素2−フッ化アンモニウム溶液であるバッファドフッ酸に所定の時間浸してウェットエッチングすることが例示できる。前記エッチングマスクパターンを除去することで、前記エッチングマスクパターン上に積層している絶縁膜20もリフトオフされ、p型コンタクト層18が露出する。
(Etching mask pattern removal process)
After the insulating film forming step, the etching mask pattern on the p-
(電極19形成工程)
前記エッチングマスクパターン除去工程後、露出したp型コンタクト層18及びリフトオフされなかった絶縁膜20の全面を覆うように電極19を形成する。電極19の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
(
After the etching mask pattern removing step, an
(電極11形成工程)
電極19形成工程後、電極11を形成する箇所の陰電極部Mを形成するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Pの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Mの電極19、絶縁膜20及びp型半導体層15からn型下地層13の一部までの半導体層を除去する。前記ドライエッチングで露出したn型下地層13の上面に電極11を形成する。電極11の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
(
After forming the
前記半導体層積層工程から前記電極11形成工程までを経て半導体発光素子101が得られる。
The semiconductor
図2に半導体発光素子101の活性層14からp型コンタクト層18までの各半導体層におけるAlの含有率201の推移の一例を示す。図2において縦軸はAlの含有率を示している。図2において横軸の14aは活性層14の領域、15aはp型第一半導体層15の領域、17aはp型第二半導体層17の領域、18aはp型コンタクト層18の領域、17cはp型第二半導体層17のうちAlyGa1−yN化合物の層の領域及び17bはp型第二半導体層17のうちGaN化合物の領域を示している。図2の例ではp型第一半導体層15のAlの含有率は6%であり、p型第二半導体層17のうちAlyGa1−yN化合物のAlの含有率は10%である。また、p型コンタクト層18のAlの含有率は0%である。
FIG. 2 shows an example of the transition of the
p型第一半導体層15のAlの平均含有率とp型第二半導体層17のAlの平均含有率とは略等しいことが例示される。略等しいとは、例えば、p型第一半導体層15のAlの含有率が6%の場合、p型第二半導体層の平均のAlの含有率は5%以上7%以下の範囲にあることを意味する。
It is exemplified that the average Al content of the p-type
半導体発光素子101のバンドダイヤグラムの概念図を図3に示す。図3において、図2で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。図3において11aは電極11の領域、13aはn型下地層13の領域、27aはn型第四半導体層27の領域及び19aは電極19の領域を示している。301は価電子帯のトップ準位、302は伝導帯の底部準位である。半導体発光素子101の活性層14はMQW構造である。活性層14の領域14aにおいて14bは井戸層の領域、14cは障壁層の領域を示している。なお、図3において電極11からn型下地層13まで及びp型コンタクト層18から電極19までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor
電極19を陽極として、電極11を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、電極19から正孔が半導体発光素子101に注入される。注入された電子はn型下地層13及びn型第四半導体層27を順に移動して活性層14に、注入された正孔はp型コンタクト層18、p型第二半導体層17及びp型第一半導体層15を順に移動して活性層14に注入される。
By applying a voltage with the
p型第二半導体層17は超格子構造であるが、リッジ構造であるため正孔は拡散することはない。さらに、p型第一半導体層15はバルク構造であるため、正孔は水平方向に拡散し難く、リッジ構造の下の活性層14に集中することになる。
Although the p-type
活性層14は活性層14の各井戸層に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することにより量子井戸の価電子帯のトップ準位301と伝導帯の底部準位302との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
The
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention adopts a superlattice structure, prevents the holes after passing through the ridge structure from diffusing in the horizontal direction, increases the current density to the active layer, and has a low resistance and a small threshold current. A semiconductor light emitting device can be provided.
(実施の形態2)
本実施形態に係る半導体発光素子は、前記活性層と前記第一半導体層との間にあって、前記活性層のp型の側に隣接して積層され、活性層からの電子が前記第一半導体層へ拡散することを防止する電子バリア層と、前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、をさらに備える。
(Embodiment 2)
The semiconductor light emitting device according to this embodiment is stacked between the active layer and the first semiconductor layer and adjacent to the p-type side of the active layer, and electrons from the active layer are accumulated in the first semiconductor layer. An electron barrier layer that prevents diffusion to the surface, and between the electron barrier layer and the first semiconductor layer, the electron barrier layer side of the electron barrier layer and the electron barrier layer side of the first semiconductor layer And a third semiconductor layer that is laminated adjacent to and guides light generated in the active layer.
本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子102の断面の概念図を図4に示す。図4において、図1で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子102と図1の半導体発光素子101との違いは、半導体発光素子102には半導体発光素子101のp型第一半導体層15と活性層14との間にp型第三半導体層23及び電子バリア層24ならびに活性層14とn型第四半導体層27との間にn側第五半導体層25を有することである。
FIG. 4 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor
半導体発光素子において、発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてp型側の半導体層へ移動して、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体発光素子の発光効率を低下させるキャリアオーバーフローという現象が生ずる。電子バリア層24はキャリアオーバーフローを防止するAlmGanIn1−m−nN化合物である。電子バリア層24はバンドギャップが広く、伝導帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても電子バリア層24を通過してp型側の半導体層へ移動することができない。
In a semiconductor light emitting device, electrons receiving thermal energy due to heat generated by light emission move to the p-type semiconductor layer beyond the barrier of the quantum well and become ineffective carriers that do not participate in light emission. This causes a phenomenon of carrier overflow that lowers. The
例えば、電子バリア層24として組成式がAl1−sGasN(0≦s≦1)と表されるp型のIII族窒化物系化合物が例示される。電子バリア24のAlの含有率は10%以上30%以下、好ましくは15%以上25%以下が例示される。
For example, the
また、電子バリア層24の膜厚は10nm以上30nm以下、好ましくは15nm以上25nm以下が例示される。
The film thickness of the
p側第三半導体層23は、AlmGanIn1−m−nN化合物の半導体層である。活性層14に不純物が拡散しないようにp側第三半導体層23には不純物はp型第二半導体層17及びp型第一半導体層15に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、p側第三半導体層23のバンドギャップは活性層14のバンドギャップより広く設計される。活性層14が前記MQWである場合、p側第三半導体層23のバンドギャップは前記MQWを構成する障壁層のバンドギャップより広く、p型第一半導体層15のバンドギャップより狭い。
The p-side
具体的には、p側第三半導体層23の組成を前記組成式においてm=0及びn=1とする、すなわちGaN化合物とすることが例示される。前記組成式においてm=0及び0.95≦n≦1とする、すなわちGaInN化合物としてもよい。
Specifically, the composition of the p-side
また、p側第三半導体層23の膜厚は20nm以上200nm以下、好ましくは50nm以上150nm以下が例示される。
Further, the film thickness of the p-side
n側第五半導体層25はAlmGanIn1−m−nN化合物の半導体層である。活性層14に不純物が拡散しないようにn側第五半導体層25の不純物はn型第四半導体層27に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、n側第五半導体層25のバンドギャップはp側第三半導体層23で説明した範囲に設計される。
The n-side
また、n側第五半導体層25の組成及び膜厚の範囲はp側第三半導体層23の組成及び膜厚の範囲と同様である。
The range of the composition and film thickness of the n-side
半導体発光素子102は基板12上にn型下地層13、n型第四半導体層27、n側第五半導体層25、活性層14、電子バリア層24、p側第三半導体層23、p型第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。
The semiconductor
半導体発光素子102は図1の半導体発光素子101で説明したように製造することができる。
The semiconductor
図5に半導体発光素子102の活性層14からp型コンタクト層18までの各半導体層におけるAlの含有率201の推移の一例を示す。図5において縦軸及び横軸は図2と同じものを示し、図2で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域である。図5において、23aはp側第三半導体層23の領域及び24aは電子バリア層24の領域を示している。図5の例ではp側第三半導体層23のAlの含有率は0%、電子バリア層24のAlの含有率は20%である。
FIG. 5 shows an example of the transition of the
半導体発光素子102のバンドダイヤグラムの概念図を図6に示す。図6において、図2、図3及び図5で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。
A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor
電極19を陽極として、電極11を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、電極19から正孔が半導体発光素子102に注入される。注入された電子はn型下地層13、n型第四半導体層27及びn側第五半導体層25を順に移動して活性層14に、注入された正孔はp型コンタクト層18、p型第二半導体層17、p型第一半導体層15、p側第三半導体層23及び電子バリア層24を順に移動して活性層14に注入される。
By applying a voltage with the
半導体発光素子102もp型第一半導体層15が存在するため、図1から3で説明した半導体発光素子101と同様に、正孔はリッジ構造の下の活性層14に集中することになる。
Since the p-type
半導体発光素子102は図1から3で説明した半導体発光素子101と同様に活性層14の各量子井戸のバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
The semiconductor
さらに、半導体発光素子102のp側第三半導体層23、n側第五半導体層25は活性層14で生じた光を導波させ、活性層14において誘導放出を促すため、半導体発光素子102は全体として半導体レーザとして機能する。また、半導体発光素子102は電子バリア層24を備えるため、電子のキャリアオーバーフローを防止できるため発光効率を高くすることができる。
Furthermore, the p-side
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention adopts a superlattice structure, prevents the holes after passing through the ridge structure from diffusing in the horizontal direction, increases the current density to the active layer, and has a low resistance and a small threshold current. A semiconductor light emitting device can be provided.
(実施の形態3)
本実施形態に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層のAlの含有率は、前記第一半導体層の前記活性層側から前記第二半導体層側へ向けて、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する半導体層のAlの含有率以上の値から前記第二半導体層のうち組成式AlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜のAlの含有率以下の値へ単調増加することが好ましい。
(Embodiment 3)
In the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, the Al content of the first semiconductor layer is increased from the active layer side of the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer side. Group III nitride compound represented by the composition formula Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) in the second semiconductor layer from a value equal to or higher than the Al content of the semiconductor layer adjacent to the active layer side It is preferable to monotonously increase to a value equal to or less than the Al content of the thin film.
図7に本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子103の断面の概念図を示す。図7において、図1及び図4で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子103と図4の半導体発光素子102との違いは、半導体発光素子103は図4の半導体発光素子102のp型第一半導体層15を備えず、p型第一半導体層75を備えていることである。
FIG. 7 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor
p型第一半導体層75は、図1のp型第一半導体層15と同様のIII族窒化物系化合物であるが、Alの含有率がp側第三半導体層23側からp型第二半導体層17側に向けて、p側第三半導体層23のAlの含有率以上の値からp型第二半導体層17におけるAlyGa1−yN化合物のAlの含有率以下の値へ単調増加している。
The p-type
図8に半導体発光素子103の活性層14からp型コンタクト層18までのAlの含有率の推移の一例を示す。図8において図2及び図5で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。75aはp型第一半導体層75の領域を示す。図8において、p型第一半導体層75のAlの含有率はp側第三半導体層23側からp型第二半導体層17側に向けて、2%から8%へ単調増加している。
FIG. 8 shows an example of the transition of the Al content from the
半導体発光素子103のバンドダイヤグラムの概念図を図9に示す。図9において、図2、図3、図5、図6及び図8で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。図9の半導体発光素子103のバンドダイヤグラムと図6の半導体発光素子102のバンドダイヤグラムとの違いは、図9には図6の領域15aの代替として領域75aがあることである。p型第一半導体層75のAlの含有率が変化しているため、領域75aにおいてバンドギャップもAlの含有率に応じて変化している。
A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor
半導体発光素子103は図4から図6で説明した半導体発光素子102と同様にキャリアが活性層14に移動して光を発光する。半導体発光素子103は図4から図6で説明した半導体発光素子102と同様に全体として半導体レーザとして機能する。
In the semiconductor
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。 Therefore, the present invention adopts a superlattice structure, prevents the holes after passing through the ridge structure from diffusing in the horizontal direction, increases the current density to the active layer, and has a low resistance and a small threshold current. A semiconductor light emitting device can be provided.
さらに、半導体発光素子103はp型第一半導体層75を備えたことで、p型第一半導体層75とp型第二半導体層17との界面及びp側第三半導体層23とp型第二半導体層17との界面で生ずる結晶欠陥及びピエゾ電界の発生を低減でき、駆動電圧を下げることができる。
Furthermore, since the semiconductor
本発明の半導体発光素子の構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、HEMTに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。 The configuration of the semiconductor light emitting device of the present invention can be used as a light receiving device. Moreover, it can utilize also for electronic devices, such as a transistor and a diode, and a compound high frequency electronic device represented by HEMT.
101、102、103 半導体発光素子
11、19 電極
12 基板
13 n型下地層
14 活性層
15、75 p型第一半導体層
17 p型第二半導体層
18 p型コンタクト層
20 絶縁膜
23 p側第三半導体層
24 電子バリア層
25 n側第五半導体層
27 n型第四半導体層
11a 電極11の領域
13a n型下地層13の領域
14a 活性層14の領域
14b 活性層14の井戸層の領域
14c 活性層14の障壁層の領域
15a p型第一半導体層15の領域
17a p型第二半導体層17の領域
17b p型第二半導体層17のうちGaN化合物の層の領域
17c p型第二半導体層17のうちAlyGa1−yN化合物の層の領域
18a p型コンタクト層18の領域
19a 電極19の領域
23a p側第三半導体層23の領域
24a 電子バリア層の領域
25a n側第五半導体層の領域
27a n型第四半導体層の領域
75a p型第一半導体層75の領域
201 Alの含有率推移
301 価電子帯のトップ準位
302 伝導帯の底部準位
M 陰電極部
P 陽電極部
101, 102, 103 Semiconductor
13 n-
Claims (5)
前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式がAlxGa1−xN(0≦x≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物の薄膜と組成式がAlyGa1−yN(0<y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子。 An active layer in which electrons and holes recombine to generate light;
A first semiconductor layer of a group III nitride-based compound that is laminated on the p-type side with respect to the active layer and whose composition formula is represented by Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1);
A thin film of a group III nitride compound having a composition formula of GaN in the stacking direction and a composition formula of Al y Ga 1− is laminated adjacent to the opposite side of the first semiconductor layer to the active layer side. a second semiconductor layer having a superlattice structure in which thin films of a group III nitride compound represented by y N (0 <y ≦ 1) are alternately arranged;
A semiconductor light emitting device comprising:
A semiconductor light emitting element characterized in that the second semiconductor layer or the second semiconductor layer to a part of the first semiconductor layer in the stacking direction has a ridge structure.
前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 An electron barrier layer between the active layer and the first semiconductor layer, stacked adjacent to the p-type side of the active layer, and preventing diffusion of electrons from the active layer into the first semiconductor layer When,
Between the electron barrier layer and the first semiconductor layer, stacked adjacent to the first semiconductor layer side of the electron barrier layer and the electron barrier layer side of the first semiconductor layer, and generated in the active layer A third semiconductor layer for guiding the transmitted light;
The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising:
5. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a thickness of the second semiconductor layer in the stacking direction is larger than a thickness of the first semiconductor layer in the stacking direction.
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