JP2007150074A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、反射率の低減を防ぐとともに、活性層の品質が低下し輝度が低下することがない光反射層を有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザは、たとえば、基板1上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層された第1光反射層2上に設けられた発光層形成部3とを少なくとも有しており、第1光反射層の低屈折率層21は、AlxGa1-xN層(0≦x≦1)の単層構造で形成されており、第1光反射層の高屈折率層22は、AlyGa1-yN層(0≦y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0<t≦0.5)と、InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )との多層構造で形成されている。また、発光層形成部3上には、第2光反射層4が形成されている。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザは、たとえば、基板1上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層された第1光反射層2上に設けられた発光層形成部3とを少なくとも有しており、第1光反射層の低屈折率層21は、AlxGa1-xN層(0≦x≦1)の単層構造で形成されており、第1光反射層の高屈折率層22は、AlyGa1-yN層(0≦y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0<t≦0.5)と、InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )との多層構造で形成されている。また、発光層形成部3上には、第2光反射層4が形成されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発光層形成部の上下両面に反射層が形成されて共振器とすることにより高効率で発光する光を表面側から取り出す共振器発光ダイオードなど、発光層形成部の少なくとも基板側に光反射層が形成される窒化物半導体発光素子に関するものである。
近年、屈折率が相違する2層を交互に積層することにより、多層膜に入射する波長の光を選択的に反射させることのできる分布型ブラッグ光反射層(Distributed Bragg Reflector、以下、DBRという)を有する半導体発光素子が開発されている。一般にDBRとは、目的とする光の真空中での波長をλとし、材料の屈折率をnとした場合、λ/(4n)の膜厚で屈折率の大きい層と小さい層を交互に積層したものである。これにより、λの光を中心にして、屈折率が大きい層から小さい層への境界で入射する波と同じ位相で反射される波と、屈折率の小さい層から大きい層への境界で入射する波に対して位相が反転して反射される波とが同一の位相となり、高反射率が得られる。この反射率は、屈折率の差が充分にある2つの層を交互に積層する場合には、比較的少ない数の多層膜で高反射率が得られる。
そして、このDBRを利用した半導体発光素子としては、たとえば、窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現する例として、図3に示されるように、サファイア基板1上に、バッファ層9、n−GaNコンタクト層10、n−第1光反射層2、nおよびp−GaNスペーサ層31、33で狭持される活性層32からなる発光層形成部3、p−第2光反射層4、およびp−GaNコンタクト層5が形成されており、p−GaNコンタクト層5上にはp側電極8が、n−GaNコンタクト層10の露出部にはn側電極7がそれぞれ形成されている。n−第1光反射層2およびp−第2光反射層4は、単層構造のn−AlGaN系化合物(AlとGaとの混晶比率が一義的でなく、種々取り得る化合物であることを意味する、以下の「系」も同じ意味で使用する)からなる低屈折率層21と単層構造のn−InGaN系化合物からなる高屈折率層22をそれぞれλ/(4n)(λは発光波長、nは屈折率)の膜厚で交互に積層されている(特許文献1参照)。
特開平8−228048号公報(図3)
活性層の上下方向に光反射層構造を有する半導体発光素子を形成すると上下方向に進んだ光は、光反射層で反射され光が放出される。ところが、上述の素子においては、低屈折率層を構成するAlGaN系化合物層と高屈折率層を構成するInGaN系化合物層とは格子定数および熱膨張率などで大きく相違するため、光反射層内で歪みが生じてしまい、光反射層の結晶性を低下させ反射率が理論値ほど上がらない。そこで本発明者らは、低屈折率層を薄膜のAlGaN系化合物層とGaN層との多層構造にすることを考えた。この構成によれば、光反射層の歪みが緩和されることになり、歪みが生じにくくなり反射率の低下を防ぐことができる。
しかしながら、光反射層の低屈折率層を、AlGaN系化合物層とGaN層とが交互に積層された多層構造とした素子を作製してみたところ、反射率は確かに改善されたものの、活性層の品質が低下し輝度が低下してしまうという問題が生じた。
そこで、本発明はこのような問題を解決し、反射率の低減を防ぐとともに、活性層の品質が低下し輝度が低下することがない光反射層を有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、活性層の品質が低下する原因を鋭意検討して調べたところ、活性層の品質の低下は、基板と活性層の間にある第1光反射層の平坦性の悪化が原因であることが見出した。さらに詳細に検討したところ、その原因が低屈折率層をGaN層とAlGaN系化合物層の多層構造としたため、AlGaN系化合物層の厚みが従来の単層構造よりも薄くなっている点に原因があることを見出した。すなわち、第1光反射層の低屈折率層を多層構造にすると、低屈折率層にはAlGaN系化合物層以外のGaN層が設けられることにもなるため、低屈折率層中のAlGaN系化合物層の合計膜厚は従来の単層構造よりも薄くなっている。そして、この低屈折率層でのAlGaN系化合物層の薄膜化は、InGaN系化合物層からなる高屈折率層で生じるVディフェクトと呼ばれる欠陥を防止する効果を減少させているということに想到し得たのである。なお、Vディフェクトとは、半導体発光素子内にInGaN系化合物層を積層した際、当該InGaN系化合物層の平坦性を妨げるV字状の欠陥をいう。この欠陥が発生すると、InGaN系化合物層表面の平坦性を妨げInGaN系化合物層上に積層された層もまた平坦性を失い、結晶性が悪化する。
すなわち、上述のように本発明者らが創意した低屈折率層をAlGaN系化合物層とGaN層の多層構造とすると、InGaN系化合物層からなる高屈折率層上に、AlGaN系化合物層とGaN層とが交互に積層された低屈折率層が形成されることになり、低屈折率層を構成するAlGaN系化合物層の合計膜厚が従来の単層構造のAlGaN系化合物層よりも薄くなってしまい、高屈折率層のInGaN系化合物層で生じるVディフェクトを吸収する効果が減少してしまい、活性層の品質が低下していることが原因であることを本発明者らは見出したのである。
そこで、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された光反射層と、該光反射層上に設けられた発光層形成部とを少なくとも有する窒化物半導体発光素子であって、前記光反射層の低屈折率層は、AlxGa1-xN層(0<x<1)の単層構造からなり、前記光反射層の高屈折率層は、AlyGa1-yN層(0<y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0≦t≦0.5)と、InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )とが交互に積層された多層構造からなることを特徴とする。
さらに、前記光反射層の高屈折率層がAlyGa1-yN層(0<y≦0.5、y<x)と、InuGa1-uN(0<u≦1、t<u )層とが交互に積層された多層構造とすることが好ましい。
さらに、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された第2光反射層が前記発光層形成部上に設けられ、前記第2光反射層の低屈折率層および高屈折率層が共に多層構造からなることが、第2光反射層の反射率も向上させる点で好ましい。
本発明によれば、基板と活性層との間にある光反射層の低屈折率層には単層構造のAlGaN系化合物層が採用されており、このAlGaN低屈折率層は、InGaN系化合物層を含む高屈折率層で発生するVディフェクトを吸収平坦化し、光反射層上に積層される活性層も平坦化され、活性層の結晶性は悪化しない。他方、高屈折率層がInGaN系化合物層を含む多層構造で形成されているため、従来に比べて、光反射層の歪みが緩和されることになり、歪みが生じにくくなり反射率の低下を防ぐことができる。
さらに、高屈折率層がAlzGa1-zN層(0<z≦0.5、z<x)と、InuGa1-uN(0<u≦1、t<u )層とが交互に積層された多層構造とすることにより、高屈折率層中のInGaN系化合物層の膜厚も従来の多層構造を用いない単層構造のInGaN系化合物層からなる場合に比べて薄くなっている。そのため、Vディフェクトの発生による平坦性の悪化も従来に比べて抑えることもできる。したがって、Vディフェクトによる平坦性の悪化を完全に抑えつつ、さらに格子整合および熱膨張率の相違による結晶性の悪化も抑えた半導体発光素子が得られる。
つぎに、本発明の窒化物半導体発光素子について、添付図面を参照して説明する。
本発明の窒化物半導体発光素子は、その一実施形態である共振器発光ダイオードの断面説明図が図1に示されるように、基板1上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層された第1光反射層2上に設けられた発光層形成部3とを少なくとも有しており、第1光反射層2の低屈折率層21は、AlxGa1-xN層(0≦x≦1)の単層構造で形成されており、第1光反射層2の高屈折率層22は、AlyGa1-yN層(0≦y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0<t≦0.5)と、InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )との多層構造で形成されている。また、発光層形成部3上には、第2光反射層4が形成されている。
第1光反射層2は、基板1上に設けられており、屈折率の異なる低屈折率層21と高屈折率層22とが交互にλ/(4n)の膜厚で交互に積層されることにより、反射率の高い光反射層として機能するものである。図1に示される例では、SiC基板1上に形成されたAl0.2Ga0.8Nバッファ層9上に、低屈折率層21と高屈折率層22とが、10〜50周期程度積層され第1光反射層2が形成されている。なお、バッファ層9は、AlaGabIn1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)の一般式で表される窒化物材料からなることが好ましいがこれに限定されない。また、バッファ層の厚さなども適宜用途に応じて調整することができる。
第1光反射層2の低屈折率層21は、AlxGa1-xN層(0<x<1)21bの単層構造からなっている。AlxGa1-xN低屈折率層21は、実際に屈折率を小さくするための調整層であり、λ/(4n)の厚さになるよう形成される。AlxGa1-xN低屈折率層21は、後述する高屈折率層22に含まれるInGaN系化合物で発生するVディフェクトを吸収平坦化し、第1光反射層2上に積層される活性層3も平坦化され活性層3の結晶性は悪化しない。図1に示される例では、Al0.3Ga0.7N低屈折率層21が460nm程度(発光波長が450nm)の厚さで形成されている。
第1光反射層2の高屈折率層22は、AlyGa1-yN層(0<y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0≦t≦0.5)と、InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )との多層構造で形成されている。InuGa1-uN層(0<u≦1、t<u )は、実際に屈折率を大きくするための調整層22aである。それに対して、AlyGa1-yN層(0<y≦0.5、y<x)またはIntGa1-tN層(0≦t≦0.5)は、調整層22aおよびAlxGa1-xN低屈折率層21との格子不整合、熱膨張率を緩和するための緩和層22bである。このように高屈折率層は多層構造で形成されているため、熱膨張率および格子定数の相違から生じる結晶性の悪化も従来の多層構造を用いない場合に比べて格段に減少する。
また、光反射層2の緩和層22bは、AlyGa1-yN層(0≦y≦0.5、y<x)からなることがVディフェクトの発生による平坦性の悪化も従来に比べて抑えることもできる点で好ましい。すなわち、Inを含まないAlyGa1-yN層(0≦y≦0.5、y<x)を緩和層22bに用いることによって、高屈折率層中には、Inを含まない層が存在することになり、高屈折率層全体のInGaN系化合物層の膜厚も従来の単層構造のInGaN系化合物層の場合に比べて薄くなっている。したがって、Vディフェクトによる平坦性の悪化を抑えつつ、さらに格子整合および熱膨張係数の相違による結晶性の悪化も抑えた半導体発光素子が得られる。
たとえば、図1に示される例では、InuGa1-uN調整層22a(たとえばu=0.02)を0.5〜2nm程度、好ましくは1nm程度、AlyGa1-yN緩和層22b(たとえば、y=0、すなわちGaN層)を1〜3nm程度、好ましくは2nm程度で、15周期程度積層されている。
この第1光反射層2を上述のような構成とする以外の部分は、従来の窒化物半導体発光素子の構造と同様に形成することができる。ただし、図1に示される例は共振器型発光ダイオードの例で、発光層形成部3の両側に第1および第2の反射層2、4が設けられている。基板1は、炭化ケイ素(SiC)基板が用いられているが、これに限定されず、サファイア(Al2O3単結晶)基板などの絶縁性基板や、GaN、GaAs、Si、ZnOなどの半導体基板を用いることもできる。絶縁性基板を用いる場合には、基板の裏面から電極を取り出すことができないため、半導体積層部の一部をエッチング除去して下層の導電形層(図1の例ではn形層31または図示しないコンタクト層)を露出させる必要がある。
発光層形成部3は、活性層32を有し、第1光反射層2上に形成される。発光層形成部3はAlaGabIn1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)の一般式で表される窒化物材料からなる。図1に示される例では活性層32を挟むように0.5μm程度のn形GaNスペーサ層31と0.5μm程度のp形GaNスペーサ層33が設けられている。これらの層は発光層形成部3の膜厚、すなわち垂直方向の共振器の長さを調整する働きを有する層であり、発光層形成部3全体でλ/nになるように調整されていることにより、第1および第2の光反射層2、4間に共振器が形成され、共振器内で増幅して反射率が若干小さくされた第2光反射層4側から光が出射される。また、通常の発光ダイオードであれば、このスペーサ層31、33がなくてもよいし、スペーサ層31、33の代りに電子バリア層や正孔バリア層などが設けられてもよく、それらの組成や膜厚も適宜調整される。活性層32は、発光させる光の波長に応じたバンドギャップエネルギーを有する材料が選択され、たとえば波長が440〜470nmの青色発光をさせる場合、0.01〜0.2μm程度のIn0.15Ga0.85Nからなるバルク構造のもの、または1〜20nm程度のIn0.1Ga0.9N井戸層と1〜20nm程度のGaN障壁層との単一もしくは多重の量子井戸構造に形成され、全体で0.01〜0.1μm程度に形成される。活性層32はノンドープで形成されるが、p形層もしくはn形層でも構わない。
発光層形成部3上には、第2光反射層4が反射率を第1光反射層2より小さくして設けられていることにより共振器が形成されて、効率的に上面発射型の素子または、側面発光の素子が形成できる点で好ましい。図1に示される例では、第2光反射層4は、第1光反射層2と同じように低屈折率層41と高屈折率層42が設けられ、第1光反射層2よりも反射率を僅かに低下させる構成となっている。第2光反射層4の低屈折率層41および高屈折率層42は、それぞれ多層構造であることが第2光反射層4の反射率改善の観点から望ましい。すなわち、第2光反射層4の形成は活性層32を形成した後であることから、第1光反射層2の場合とは異なり高屈折率層の全部または一部を形成するInGaN系化合物層によってVディフェクトが発生したとしても活性層32の結晶性には影響を与えず、第2光反射層4の低屈折率層をAlGaN系化合物の単層とする必要がない。そのため、低屈折率層41も高屈折率層42も多層構造とすることができ、反射率の悪化を防止することができる。
たとえば、図2に示される例では、高屈折率層42は、In0.02Ga0.98N調整層42aを1nm程度、GaN緩和層42bを2nm程度で、15周期程度積層されている。低屈折率層41は、Al0.3Ga0.7N調整層41aを、1nm程度、GaN緩和層42bを2nm程度で、15周期程度積層されている。そして、この低屈折率層41と高屈折率層42とが交互に10〜50周期程度形成されている。なお、バルク構造の低屈折率層41および高屈折率層42を交互に積層することや、一方を多層構造にすることも可能である。また、それぞれの層の組成や膜厚も適宜変更し得る。
第2光反射層4上には、透光性導電層6が設けられている。たとえばNiとAuとを積層して合金化し2〜100nm程度の厚さに形成されたものや、ZnO層、またはITO層などの光を透過しながら、チップの全面に電流を拡散しやすいように導電性で、かつオーミックコンタクトを得やすい材料により形成される。ZnOやITOは厚くても透光性があるため、たとえば0.1〜2μm程度の厚さに形成される。図1に示される例では、ZnO層が0.3μm程度の厚さで透光性導電層6として形成されている。なお、第2光反射層4と透光性導電層6との間にたとえばp形GaNコンタクト層5などが設けられてもよい。コンタクト層5は、一般的には、キャリア濃度を大きくしやすいGaN層で形成するがInGaN系化合物層やAlGaN系化合物層で形成されていてもよい。
第2電極8は、図1に示される例では半導体積層部の上面側がp形からなる層であるため、p側電極として形成されており、たとえばTi/Au、Pd/AuまたはNi-Auなどの積層構造で、全体として0.1〜1μm程度の厚さに形成され、第1電極7(n側電極)は、図1に示される例では基板の裏面側にたとえばTi-AlまたはTi/Auなどの合金層または積層構造で、全体と0.1〜1μm程度の厚さに形成される。また、サファイア基板を用いる場合には、基板裏面からオーミックコンタクトをとることができないので、たとえばCl2およびBCl3の混合ガスの雰囲気の下で反応性イオンエッチングなどのドライエッチングなどを行うことでバッファ層などに露出面を形成し、露出面上に形成する。
前述の発光層形成部、光反射層などをn形に形成するためには、Se、Si、Ge、TeをH2Se、SiH4、GeH4、TeH4などを不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られる。p形にするためには、MgやZnをCp2MgやDMZnの有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしn形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にNが蒸発し易く自然にn形になるため、その性質を利用してもよい。
つぎに、具体例で本発明の半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、SiC基板1を、たとえばMOCVD(有機金属化学気相成長)装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニアガス、n形ドーパントガスとしてのH2Se、SiH4、GeH4、TeH4のいずれか、また、p形ドーパントガスとしてジメチル亜鉛もしくはシクロペンタジエニルマグネシウムのうちの必要なガスをキャリアガスのH2またはN2と共に導入し、たとえば700〜1200℃程度の温度で、n形のAl0.2Ga0.8Nバッファ層9、1nm程度のInGaN系化合物からなる調整層22aと2nm程度GaN緩和層22bとを交互に15周期積層し、約45nm程度高屈折率層22を形成し、ついで、46nm程度のAl0.3Ga0.7N低屈折率層を形成する。そして、この高屈折率層と低屈折率層の組み合わせを交互に20周期程度積層し、第1光反射層を形成する。
ついで、0.5μm厚のn形のGaNスペーサ層31、In0.1Ga0.9Nからなる井戸層とGaNからなる障壁層を5周期程度交互に積層した量子井戸活性層32、および、0.5μm厚のp形のGaNスペーサ層33とを順次積層することにより、発光層形成部3を成長する。ついで、第2光反射層4を設ける場合にはp形のGaNスペーサ層を成長後、1nm程度のIn0.02Ga0.98N調整層42aと2nm程度のGaN緩和層42bを交互に15周期程度成長し、約46nm程度の高屈折率層42を形成し、ついで、2nm程度のAl0.3Ga0.7N調整層41aと1nm程度のGaN緩和層42bを交互に15周期積層し、約45nm程度の低屈折率層を形成する。そして、この低屈折率層41と高屈折率層42とが交互に20周期程度形成する。第2反射層形成後、0.05〜2μmの厚のp形GaNコンタクト層5をそれぞれ順次エピタキシャル成長する。
その後SiO2 保護膜をコンタクト層5表面全面に設け、400〜800℃、20〜60分間程度のアニールを行う。ついで、第1電極7を基板1の裏面に、Ti、Auなどの金属膜をスパッタリングや真空蒸着することなどにより形成し、p形コンタクト層5上に、ZnOからなる透明電極6を0.3μm程度形成し、さらにTi、Alなどの金属膜をスパッタリングや蒸着などにより形成し第2電極8を形成する。その後、基板の裏面側をラッピングすることにより、基板を薄くする。最後に、スクライブしチップ化し半導体発光素子が形成される。
1 基板
2 第1光反射層
3 発光層形成部
4 第2光反射層
21 第1光反射層低屈折率層
22 第1光反射層高屈折率層
2 第1光反射層
3 発光層形成部
4 第2光反射層
21 第1光反射層低屈折率層
22 第1光反射層高屈折率層
Claims (3)
- 基板と、該基板上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された光反射層と、該光反射層上に設けられる発光層形成部とを少なくとも有する窒化物半導体発光素子であって、前記光反射層の低屈折率層がAlxGa1-xN(0<x<1)層の単層構造からなり、前記光反射層の高屈折率層がAlyGa1-yN(0≦y≦0.5、y<x)層またはIntGa1-tN(0<t≦0.5)層と、InuGa1-uN(0<u≦1、t<u )層とが交互に積層された多層構造からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
- 前記光反射層の高屈折率層がAlyGa1-yN(0≦y≦0.5、y<x)と、InuGa1-uN(0<u≦1、t<u )層とが交互に積層された多層構造からなる請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
- 屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された第2の光反射層が前記発光層形成部の上面側にさらに設けられ、前記第2光反射層の低屈折率層および高屈折率層が共に多層構造からなる請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
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