JP2007150312A - 半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光出力パワーを増大させることができる半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法を提供することにある。
【解決手段】窒化物材料系で製造される半導体発光デバイスは、複数の量子井戸層（１２・１４・１６）を含む発光のための活性領域（７）を備え、上記複数の量子井戸層（１２・１４・１６）は、隣接する量子井戸層が、バリア層（１３・１５）を介して離間するように設けられており、上記各バリア層（１３・１５）が、上記各量子井戸層（１２・１４・１６）の少なくとも１３倍の厚さに形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、窒化物材料系、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などで製造される半導体発光デバイスに関する。本発明は、また、半導体発光デバイスの製造方法に関し、より詳細には、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系等のような窒化物材料系による半導体発光デバイスの製造方法に関する。本発明は、発光ダイオード（以下、適宜「ＬＥＤ」と略記する）やレーザーダイオード（以下、適宜「ＬＤ」と略記する）等に、あるいは、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような半導体発光デバイスの製造に、適用できる。
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１）で表される材料を含んでいる。本出願においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうち、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムのモル分率が０でないものをＡｌＧａＩｎＮ、アルミニウムのモル分率が０であり、ガリウムおよびインジウムのモル分率が０でないものをＩｎＧａＮ、インジウムのモル分率が０であり、ガリウムおよびアルミニウムのモル分率が０でないものをＡｌＧａＮ、…などと記す。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造されるデバイスは、青紫色波長領域（およそ３８０〜４５０ｎｍの範囲内の波長に対応）の光を発することができるので、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による半導体発光デバイスの製造には、現在、相当な関心が寄せられている。
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される半導体発光デバイスは、例えば、非特許文献１に記載されている。さらに、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される半導体発光デバイスは、特許文献１にも記載されている。特許文献１は、有機金属気相成長（以下、「ＭＯＣＶＤ」と略記する）の成長技術を用いて、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による発光デバイスを製造する方法を開示している。ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシーあるいはＭＯＶＰＥとも呼ばれる）は、一般的には、大気圧の装置内で行われるものであるが、僅かな減圧（典型的には約１０ｋＰａ）の装置内で行われる場合もある。エピタキシャル成長に使用されるアンモニアと少なくとも１つのIII族元素を提供する化学種とが、エピタキシャル成長が起こる基板表面に対して実質的に平行な方向に供給され、これによって、基板表面に隣接し、かつ基板表面を横切って流れる境界層が形成される。このガス状の境界層内において、エピタキシーによって堆積されるべき窒素および他の元素を生成する分解が起こり、その結果、気相平衡によってエピタキシャル成長が促進される。
他の公知の半導体成長技術は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）である。ＭＢＥは、ＭＯＣＶＤとは対照的に、高真空環境下で実行される。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系に適用されるＭＢＥの場合には、超高真空（ＵＨＶ）環境、典型的には約１×１０−３Ｐａの環境が使用される。窒素前駆体は、供給導管によってＭＢＥ成長室に供給され、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムの少なくとも１つを供給する化学種が、場合によっては適切なドーパントと共に、加熱されたエフュージョンセル(effusion cell)内の適切なソースから供給される。エフュージョンセルには、エピタキシャル成長期間にＭＢＥ成長室へ供給される化学種の量を制御するための、制御可能なシャッターが取り付けられている。エフュージョンセルからの、シャッターで制御された出口および窒素供給導管は、エピタキシャル成長が起こる基板表面に対向している。エフュージョンセルから供給された窒素前駆体および化学種は、ＭＢＥ成長室を端から端まで移動し、基板に到達する。基板では、エピタキシャル成長が、堆積速度によって促進される形で起こる。
現在、高品質の窒化物半導体層の成長は、大部分がＭＯＣＶＤ処理を用いて行われている。このＭＯＣＶＤ処理によって成長させると、１０００：１をはるかに超えるＶ／III比で成長させることができる。ここで、Ｖ／III比は、成長工程におけるIII族元素に対するＶ族元素のモル比を示している。窒化物半導体材料の成長工程では、上記Ｖ／III比は、高いことが望ましい。これは、基板を高温で処理することができ、ひいては高品質の半導体層を実現できるからである。
図１は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される一般的な半導体レーザーデバイス（レーザーダイオード（ＬＤ）とも記す）１８の概略図である。上記半導体レーザーデバイス１８は、青波長領域（３８０〜４５０ｎｍの範囲内の波長に対応）の光を発することができる。上記の半導体レーザーデバイスは、例えば、特許文献２に開示されている。
図１に示す半導体レーザーデバイス１８は、基板１上に成長されている。図１の半導体レーザーデバイス（レーザーダイオード）１８では、基板１は、サファイア基板２上にｎ型ドープＧａＮ層３を成長させてなるテンプレート基板である。この基板１上に、バッファ層４、第１クラッド層５および第１光ガイド層６を、この順に成長させている。図１に示す実施例では、バッファ層４としてｎ型ＧａＮ層、第１クラッド層５としてｎ型ＡｌＧａＮ層であり、第１光ガイド層６としてｎ型ＧａＮ層を用いている。
光発光のための活性領域７は、第１光ガイド層６上に成長されている。
この活性領域７上に、第２光ガイド層８、第２クラッド層９およびキャップ層１０を、この順に成長されている。第２光ガイド層８および第２クラッド層９と、第１光ガイド層６および第１クラッド層５とは、それぞれ逆の導電型を持つ。図１の半導体レーザーデバイス１８おいて、第１光ガイド層６および第１クラッド層５は、ｎ型層である。したがって、第２光ガイド層８および第２クラッド層９は、ｐ型層である。図１の半導体レーザーデバイス１８は、第２光ガイド層８がｐ型ＧａＮ層であり、第２クラッド層９がｐ型のＡｌＧａＮ層であり、キャップ層１０がｐ型ＧａＮ層である。
図１に示す半導体レーザーデバイス１８の活性領域７は、多量子井戸（ＭＱＷ）活性領域であり、隣接する２つの量子井戸層（１２・１４・１６）がバリア層（１１・１３・１５・１７）を介して離間するように形成されている。図１に示す半導体レーザーデバイス１８では、最下バリア層１１および最上バリア層１７がＡｌＧａＮ層である。第１・第２中間バリア層１３・１５としては、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦ｘ≦０．４）または、ＡｌＧａIｎＮが用いられる。第１ないし第３量子井戸層１２・１４・１６には、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦ｘ≦０．１）または、ＡｌＧａIｎＮが用いられる。
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される半導体レーザーデバイスおよびその製造方法が、例えば、特許文献３ないし特許文献６、非特許文献２ないし非特許文献５に開示されている。
特許文献７には、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ材料系で製造される半導体レーザーデバイスが開示されている。この半導体レーザーデバイスの活性層は、多量子井戸活性構造を有し、量子井戸層とバリア層とが交互に形成されている。特許文献７は、各量子井戸層の厚さの各バリア層の厚さに対する比が、１：３から１：１０、より好ましくは、１：４から１：７の範囲内にあることが開示されている。
特許文献８は、（Ａｌ，Ｉｎ, Ｇａ）Ｎ材料系で製造される発光ダイオードを開示している。上記発光ダイオードの活性層は、量子層が、バリア層を挟むように形成されており、各量子層が、２ｎｍの厚さに形成されており、各バリア層が１８ｎｍの厚さに形成されている。すなわち、特許文献８の活性層は、各量子層の厚さの各バリア層の厚さに対する比が、１：９となっている。
特許文献９および特許文献１０は、（Ａｌ，Ｉｎ, Ｇａ）Ｎ材料系で製造されるレーザーデバイスを開示している。上記レーザーデバイス、７つのバリア層と６つの量子層とが積層されてなり、各バリア層の厚さが、２５０Å（オングストローム）であり、各量子層の厚さが、３０Åである活性領域を備えている。すなわち、特許文献９および１０の活性領域は、各量子層の厚さの各バリア層の厚さに対する比が、１：8.3となっている。
特許文献１１および特許文献１２は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される光発光ダイオードを開示している。上記光発光ダイオードは、複数のＩｎＧａＮ量子層と、複数のバリア層とが積層されてなり、各ＩｎＧａＮ量子層の厚さが、１．５ｎｍであり、各バリア層の厚さが１２ｎｍである活性領域を備えている。すなわち、特許文献１１および１２の活性領域は、各量子層の厚さの各バリア層の厚さに対する比が、１：８となっている。
米国特許第５，７７７，３５０号（１９９８年７月７日公開） 英国特許出願公開第２４０７７０１号（２００５年０５月０４日公開） 英国特許出願公開第２３７２６３２号（２００２年０８月２８日公開） 英国特許出願公開第２３９２１７０号（２００４年０２月２５日公開） 英国特許出願公開第２４０７７００号（２００５年０５月０４日公開） 英国特許出願公開第２４０７７０２号（２００５年０５月０４日公開） 日本特許公開第２００１／２２５７０号公報（２００１年０２月１６日公開） 国際公開第２００５／０１１００７号公報（２００５年０２月０３日公開） 欧州特許公開第１３１３１８７号（２００３年０５月２１日公開） 国際公開第０２／０５３９９号公報（２００２年０１月１７日公開） 米国特許出願公開第２００５／０２３６６４２号（２００５年１０月２７日公開） 国際公開第２００４／００８５５１号公報（２００４年０１月２２日公開） S. Nakamura et al., Jap. J. Appl. Phys., Vol. 35, pp.L74-L76 (1996) （１９９５年１２月１３日公開用論文受理） Electronics Letters Vol. 40, No.1, p.33 (2004) Electronics Letters Vol. 41, No.13, p.739 (2005) J.Cryst. Growth Vol. 278 p.361 (2005) Applied Physics Letters Vol. 86 p.192105-3(2005)
半導体層構造の製造では、層構造に、１または２以上の高温アニール工程を施すことが望ましい。各中間バリア層の成長工程の直後にアニール工程を施す窒化物半導体発光デバイスの製造方法は、例えば、特許文献２に開示されている。
しかしながら、従来の半導体発光デバイスの構成では、アニール工程を伴う半導体層の成長工程において、半導体材料によっては高温下で変質する可能性があった。このため、所望の温度よりも低い温度でアニール工程を行なうか、アニール時間を短縮する必要があった。半導体材料として用いる窒化物材料の中でもＩｎＧａＮは、特にアニール工程で変質し易い。このため、半導体材料としてＩｎＧａＮを用いた場合、上記の問題は顕著となる。さらに、従来の半導体発光デバイスの構成では、十分な光出力パワーが得らないといった問題もあった。
そこで、光出力パワーの向上を図ることができ、かつ高温下でアニール工程を施しても半導体材料の変質等の問題を生じることなく、高品質の窒化物半導体層の成長を実現することができる半導体発光デバイスの製造方法が求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体材料の変質等の問題を生じることなく、光出力パワーの向上を実現できる半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法を提供することにある。
本発明の半導体発光デバイスは、上記の課題を解決するために、窒化物材料系で製造される半導体発光デバイスであって、複数の量子井戸層を含む発光のための活性領域を含み、上記複数の量子井戸層は、隣接する量子井戸層が、バリア層を介して離間するように設けられており、上記各バリア層が、上記各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴としている。
本発明者は、発光のための活性領域を構成する各量子井戸層の厚さに対する各バリア層の厚さの比と、光出力パワーとの関係に着目し、鋭意研究を重ねた結果、各バリア層の厚さを、各量子井戸層の厚さの１３倍以上とした場合、良好な光出力パワーが得られることを見出した。
さらに、上記の構成によれば、上記各バリア層を、上記各量子井戸層の１３倍以上とかなり厚く形成している。このため、高温下でのアニール工程を伴う成長方法を用いた場合であっても、厚いバリア層によって、各量子井戸層を好適に保護することができる。これにより、高温下で変質し易い窒化物材料を半導体材料として用いた場合であっても、変質等も問題を生じることがない。この結果、高品質の半導体発光デバイスを実現することができる。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記窒化物材料系が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系であり、上記各量子井戸層が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層であり、上記各バリア層が（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層である構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各量子井戸層が、ＩｎＧａＮ層である構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリア層が、ＩｎＧａＮ層である構成としてもよい。
窒化物材料の中でもＩｎＧａＮは、特に高温下でのアニール工程で変質し易い。このため、半導体材料としてＩｎＧａＮを用いた場合、本発明の上記の構成、すなわち、量子井戸層に対しバリア層を厚く形成した構成による効果は顕著となる。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリア層が、ＩｎＧａＮ層であり、上記各バリア層のインジウムのモル分率が、上記各量子井戸層のインジウムのモル分率よりも小さい構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリアが、ＧａＮ層である構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリア層が、上記各量子井戸層の少なくとも３０倍の厚さに形成されている構成としてもよい。
バリア層の厚さをさらに厚くすれば、バリア層の成長時間が長くなり、成長にかなりの時間を要するため、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比としては、３０：１が上限と考えられる。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各量子井戸層が、１ｎｍよりも厚く形成されている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各量子井戸層が、２０ｎｍよりも薄く形成されている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリア層が、１３ｎｍよりも厚く形成されている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリア層が、５０ｎｍよりも薄く形成されている構成としてもよい。
本発明は、基本的に各量子井戸層が、１ｎｍから２０ｎｍまでの厚さの範囲に形成されている活性領域に適応することが望ましい。各量子井戸層が２０ｎｍよりも厚く形成した場合、各バリア層の厚さが２６０ｎｍに達することとなり、望ましくない場合もあり得る。また、各バリア層の厚さは、１３ｎｍから５０ｎｍの厚さの範囲内に形成することが望ましい。これにより、各量子井戸層が最大３．８５ｎｍの厚さに形成されている活性領域に適応することができる。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各量子井戸層が、ドープされている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの構成において、上記各バリアが、ドープされている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスが、半導体レーザーデバイスである構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスが、半導体発光ダイオードを備えた構成としてもよい。
本発明の半導体発光デバイスの製造方法は、窒化物材料系からなる半導体発光デバイスの製造方法であって、上記の課題を解決するために、第１量子井戸層を成長させる工程（ａ）と、上記第１量子井戸層上に第１バリア層を成長させる工程（ｂ）と、上記第１バリア層上に第２量子井戸層を成長させる工程（ｃ）とを含み、上記第１バリア層が、上記第１量子井戸層および第２量子井戸層の各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴としている。
上記半導体発光デバイスの製造方法は、さらに、上記第２量子井戸層上に第２バリア層を成長させる工程（ｄ）と、上記第２バリア層上に第２量子井戸層を成長させる工程（ｅ）とを含み 上記第２バリア層が、上記第１ないし第３量子井戸層の各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されている構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの製造方法は、さらに、上記第２量子井戸層を成長させる工程（ｃ）の前に、上記第１バリア層をアニールする工程を含む構成としてもよい。
上記半導体発光デバイスの製造方法は、さらに、上記第３量子井戸層を成長させる工程（ｅ）の前に、上記第２バリア層をアニールする工程を含む構成としてもよい。
上記の構成によれば、各バリア層を、各量子井戸層の厚さの１３倍以上に形成している。これにより、光出力パワーの向上を図ることができる半導体発光デバイスを製造することができる。さらに、上記の構成によれば、上記各バリア層を、上記各量子井戸層の１３倍以上とかなり厚く形成している。このため、高温下でのアニール工程を伴う成長方法を用いた場合であっても、厚いバリア層によって、各量子井戸層を好適に保護することができる。これにより、高温下で変質し易い窒化物材料を半導体材料として用いた場合であっても、変質等も問題を生じることがない。この結果、高品質の半導体発光デバイスを製造することができる。
本発明の半導体発光デバイスは、以上のように、窒化物材料系で製造される半導体発光デバイスであって、上記各バリア層が、上記各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴としている。
これにより、出力光パワーの増加が図れると共に、高品質の半導体発光デバイスを実現することができる。
本発明の実施形態について、一例として図面を参照しながら以下に説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る半導体発光デバイスの活性領域７の 概略構成を示す断面図である。活性領域７は、複数の量子井戸層１９を有している。図２の構成では、活性領域７が、３つの量子井戸層１９を有している。しかしながら、本発明における活性領域はこれに限らず、２つの量子井戸層１９を備えた構成としてもよく、また、４つ以上の量子井戸層１９を備えた構成としてもよい。
各隣接する２つの量子井戸層１９は、中間バリア層２０を介して離間するように積層されている。これらの量子井戸層１９は、中間層であり、図２の最下層バリア層２１および最上層バリア層２２と区別すべきものである。
最下層バリア層２１は、半導体発光デバイスの完成品では、活性領域７の最下量子井戸層１２と下層クラッド層５または光ガイド層６との間に位置するように設けられる。最上層バリア層２２は、半導体発光デバイスの完成品では、活性領域７の最上量子井戸層１６と上層クラッド層９または光ガイド層８との間に位置するように設けられる。また、最下層バリア層２１および最上層バリア層２２を活性領域７から省く構成としてもよい。
本発明の活性領域７は、例えば、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などの窒化物材料系で形成される。図２に示すデバイス(あるいはデバイスの一部)を、特定の材料系で製造するように指定することは、デバイス(またはその一部)のそれぞれのエピタキシーに成長している半導体層が指定された材料系に属する材料で製造されることを意味する。その結果、図２の活性領域７が実施例としての（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で形成することを指定する際に、図２に示す量子井戸層１９と中間バリア層２０が、（Ａｌ, Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系の材料で形成されることになる。
図２に示す実施例のように、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で活性領域７が形成される構成では、量子井戸層１９を、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）から形成してもよい。また、量子井戸層１９として、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。中間バリア層２０としては、ＧａＮ、またはＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＜ｘ、例えば、０＜ｘ＜０．０５）を用いてもよい。また、中間バリア層２０として、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。
本発明では、各量子井戸層１９および各中間バリア層２０の厚さは、それぞれ、各中間バリア層２０を、各量子井戸層１９の厚さの少なくとも１３倍厚くなるように構成されている。
また、中間バリア層２０および量子井戸層１９として、それぞれＩｎＧａＮ層を用いた場合、各中間バリア層２０のインジウムのモル分率を、各量子井戸層１９のインジウムのモル分率よりも小さくすることが望ましい。
図２に示す最下層バリア層２１および最上層バリア層２２、それぞれ、量子井戸層１９の厚さより、少なくとも１３倍厚く形成されていることが望ましい。これらの最下層バリア層２１および最上層バリア層２２は、中間バリア層２０と同じ組成で形成されていてもよく、また特許文献２に記載されているように、異なる組成で形成されていてもよい。なお、図２に示す活性領域７が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で形成されている場合、最下層バリア層２１および最上層バリア層２２としては、ＡｌＧａＮを用いるのが一般的である。
実用的な半導体発光デバイスでは、活性領域７における各量子井戸層１９は、互いに等しい厚さに成長させている。各量子井戸層１９間での厚さのバラツキがある場合、量子井戸層１９間の光学的性質のバラツキを生じるからである。また、２つ以上の中間バリア層２０を備えた実用的な半導体発光デバイスでは、実際のところ、各中間バリア層２０の厚さに多少のバラツキがあるように成長するが、等しい厚さに成長させることが好ましい。
現在利用可能な窒化物光発光デバイスでは、各中間バリア層の厚さと各量子井戸層の厚さの比は、一般に、２：１から３：１である。なお、現在報告されている中間バリア層の厚さと量子井戸層の厚さの最も高い比は、５：１である（非特許文献５）。したがって、本発明における量子井戸層の厚さに対する中間バリア層の厚さの比（少なくも１３倍）は、従来の構成に比べ極めて高いと言える。
図３は、活性領域を構成する各バリア層の厚さの各量子井戸層の厚さに対する比の関数として、窒化物半導体発光デバイスの出力光パワーを示すグラフである。図３のグラフに示す結果は、複数の量子井戸活動層を備えた窒化物ＬＥＤから得られた結果であるが、窒化物材料系からなるレーザーダイオードを用いた場合でも、同様の結果が得られると考えられる。このグラフに示す実験結果から明らかなように、各中間バリア層２０の厚さの各量子井戸層１０の厚さに対する比を増加させると、半導体発光デバイスの出力光パワーを大幅に増加させることができる。現在用いられている窒化物半導体レーザーダイオードでの中間バリア層と量子井戸層との厚さの比（２：１〜３：１）では、光出力パワーが略０．３ｍＷである。これに対し、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比を、１３：１またはそれ以上とした場合、光出力パワーは、略２ｍＷにまで増加する。各中間バリア層の厚さの各量子井戸層の厚さに対する比を、１３：１よりさらに高くした場合、さらなる光出力パワーの増加が期待でき、少なくとも略２ｍＷの光出力パワーを維持することができる。
図３のグラフに示す結果は、一連の半導体構造から得られたものである。実験で用いた各半導体構造は、図１に示す構造と同様の構造を有するものであるが、クラッド層５・９および光ガイド層６・８が省略されたものである。第１ないし第３量子井戸層１２・１４・１６としては、インジウムのモル分率が略１０％のＩｎＧａＮを用いた。第１および第２中間バリア層１３・１５には、ＧａＮを用いた。さらに、最下バリア層１１および最上バリア層１７には、アルミニウムのモル分率が略１２％のＡｌＧａＮを用いた。ＬＥＤの駆動電流は、２０ｍＡ d.c.とした。各半導体層構造において、量子井戸層の厚さは、２ｎｍとしたが、バリア層の厚さを変えて図３に示すバリア層の厚さの量子井戸層の厚さに対する比とした。
さらに、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比を、３０：１かそれ以上とすることが望ましい。バリア層の厚さをさらに厚くすれば、バリア層の成長時間が長くなり、５０ｎｍの厚さのバリア層では、ＭＢＥで、一時間以上となる。すなわち、バリア層をこれ以上厚くすれば、成長にかなりの時間を要するため、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比としては、３０：１が上限と考えられる。
さらに、図３のグラフから明らかなように、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比に対する出力パワーの曲線は、厚さの比が、１５：１に近づくと平坦となり、１５：１よりかなり高い比では、むしろ出力パワーが減少する可能性もある。したがって、中間バリア層と量子井戸層との厚さの比を１５：１よりもはるかに高くしても、僅かな出力パワーの上昇しか期待できない。このような状況下では、上記厚さの比は、１５：１を超えないことが望ましい。一般的には、中間バリア層と量子井戸層との厚さの所定の比において、出力パワーが最大に達した場合、該比を最大出力パワーが得られる比または最大出力パワーに近い出力パワーが得られる厚さの比として設定する。
本発明は、基本的に各量子井戸層が、１ｎｍから２０ｎｍまでの厚さの範囲に形成されている活性領域に適応されるものである。量子井戸層１９が２０ｎｍよりも厚く形成されている活性領域７の場合、中間バリア層２０の厚さが少なくとも２６０ｎｍに達することとなり、望ましくない場合もあり得る。したがって、本発明の好適な実施の形態としては、各中間バリア層２０を、１３ｎｍから５０ｎｍの厚さの範囲内に形成している。この構成によれば、各量子井戸層１９が最大３．８５ｎｍの厚さに形成されている活性領域７に適応することができる。
本発明の活性領域７は、窒化物材料系、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などで製造される半導体レーザーダイオードに用いることができる。例えば、図１に示す半導体レーザーダイオードの活性領域７として、本発明の活性領域を用いることができる。
本発明の活性領域７は、窒化物材料系、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などで製造される半導体発光デバイスに用いることができる。例えば、図１に示すレーザーダイオードの活性領域７として、本発明の活性領域７を用いることができる。本発明に好適なＬＥＤ構造は、図１に示す構造から、クラッド層５・９および光ガイド層６・８を省いた構造である。
本発明の活性領域における、量子井戸層１９、中間バリア層２０、最下層バリア層２１、最上層バリア層２２は、何れもドープされていないものであってもよい。また、量子井戸層１９および／または中間バリア層２０は、強くドープされているものであってもよい。活性領域７が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系その他の窒化物材料系で形成された構成において、好適なｎ型ドーパントはシリコンであり、好適なｐ型ドーパントはマグネシウムである。最下層バリア層２１および最上層バリア層２２についても、ドープされていてもよい。
一好適な実施例として、インジウムのモル分率が略１０％のＩｎＧａＮからなる量子井戸層１９を２ｎｍの厚さに形成してもよい。また、ＧｎＮからなる中間バリア層２０を２６ｎｍまたは２８ｎｍの厚さに形成してもよい。上記の構成により、中間バリア層２０と、量子井戸層１９との厚さの比を、１３：１または１４：１とすることができる。
本発明は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）などによって製造される半導体発光デバイスに用いることができる。例えば、本発明の半導体発光デバイスは、特許文献２に開示されている製造方法により製造することができる。
上記の通り、本発明の半導体発光デバイスは、各中間バリア層の厚さの各量子井戸層の厚さに対する比が小さい従来の半導体発光デバイスの構成に比べ、光出力パワーを増大させることができる。さらに、本発明の上記の構成によれば、活性領域における、各量子井戸層の厚さに対する各中間バリア層の厚さを従来の構成よりもかなり厚く形成している。このため、高温下でのアニール工程を伴う成長方法を用いて製造した場合であっても、厚い中間バリア層によって各量子井戸層を好適に保護することができる。
一般に、半導体層構造の製造では、層構造に、１または２以上の高温アニール工程を施すことが望ましい。例えば、特許文献２は、各中間バリア層の成長工程の直後にアニール工程を施す窒化物半導体デバイスの製造方法を開示している。
アニール工程を伴う成長方法においては、半導体材料によっては高温下で変質する可能性があり、このため、所望の温度よりも低い温度でアニール工程を行なうか、アニール時間を短縮する必要がある。ＩｎＧａＮは、特にアニール工程で変質し易い。これに対し、本発明によれば、バリア層が厚く形成されているため、アニール工程において量子井戸層を良好に保護することができる。したがって、従来の方法のように、所望の温度よりも低温で実施したり、アニール時間を短縮することなく、アニール工程を施すことができる。
アニール工程を２分間９２０℃で行なった実験では、２６ｎｍの厚いＧａＮバリア層で挟まれた、厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層に悪影響は見られなかった。さらに、上記アニール工程を、継続して１５分まで実施しても２６ｎｍの厚いＧａＮバリア層で挟まれた、厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層に悪影響は見られなかった。また、アニール工程を９５０℃で行なった実験でも、２６ｎｍの厚いＧａＮバリア層で挟まれた、厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層に悪影響は見られなかった。さらに、上記アニール工程を、継続して１５分まで実施しても２６ｎｍの厚いＧａＮバリア層で挟まれた、厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層に悪影響は見られなかった。もっとも、アニール工程における温度を、９２０℃から９５０℃に上げても、レーザー構造の出力パワーの目立った増加は見られなかった。
本発明の半導体発光デバイスの製造方法は、図１に示す構造を有するレーザーデバイスの製造方法に適している。本発明の製造方法は、半導体成長技術として、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）を用いた場合について説明するが、他の半導体成長技術を用いることもできる。本発明の半導体発光デバイスの製造方法として、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のレーザーデバイスの製造方法を説明する。
まず、適切な基板を任意の適切な方法で洗浄したものを用意する。図１に示す実施例では、サファイア基板２上に成長させたｎ型ドープされたＧａＮエピタキシー層３からなるテンプレート基板を備えているが、本発明の半導体発光デバイスは、上記の特定の基板に限定されるものではない。上記成長させ準備した半導体発光デバイスは、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）を用いた成長装置の成長室内に導入される。
少なくとも第１バリア層１１を含む半導体層が、第１クラッド層５上に形成し、成長させる。図１に示す特定の半導体発光デバイスを成長させるためには、基板１上に、バッファ層４（本実施例では、ｎ型ドープされたＧａＮ層）、第１クラッド層５（本実施例では、ｎ型ドープされたＡｌＧａＮ層）および第１光ガイド層６（本実施例では、ｎ型ドープされたＧａＮ層）をこの順に成長させる。しかしながら、本発明は、上記の層構造に限定されるものではない。これらの層の成長方法には、従来の方法を用い、成長温度は、略９００℃とする。
第１光ガイド層６上にアルミニウムのモル分率が略１２％のＡｌＧａＮからなる第１バリア層（下層バリア層）１１を成長させた。第１バリア層１１は、第１ないし第３量子井戸層１２・１４・１６の厚さの１３倍の厚さに形成されている。すなわち、例えば、量子井戸層１２・１４・１６の厚さが２ｎｍの場合、第１バリア層１１は、少なくとも２６ｎｍの厚さに形成されている。第１バリア層１１の成長工程での、成長温度は、略６５０℃とする。
成長工程を停止し、成長室内の温度を第１バリア層１１の成長温度よりも高いアニール適した温度まで上昇させる。ＭＢＥを用いた成長装置の成長温度は、基板１が搭載される加熱された前駆体の温度で決まる。一方、上記基板は、成長装置に設けられた加熱素子からの放熱により直接的に加熱される。したがって、基板の温度は、加熱素子の温度を上げたり下げたりすることで調整することができる。
アニール継続時間は、アニール温度に依存する。すなわち、アニール温度が低い場合、アニール継続時間は、概しては長くなる。一方、アニール温度が高い場合、アニール継続時間は、概しては短くなる。バリア層のアニール温度は、該バリア層の成長温度よりも少なくとも５０℃高く設定される。実際、バリア層のアニール温度を、該バリア層の成長温度よりも２００℃かそれ以上高く設定した場合に、最も理想的な結果が得られる。成長温度略６５０℃で、バリア層１１を成長させた場合、第１バリア層１１を略９００℃で２０秒間アニールすると良好な結果を得ることができる。なお、アニール時間は、２０秒よりも長くしてもよい。
注意すべきは、基板中、あるいは基板の上に成長された層中に、顕著な熱応力が発生することを避けるために、基板温度を望ましいアニール温度まで上昇する速度、およびアニールステップの後に基板温度を低下させる速度は、低くするべきである、ということである。具体的には、４０℃／分以下の温度変更（上昇または下降）速度が望ましい。上記実施例におけるアニール継続時間は、２０秒であるが、基板温度が成長温度の６５０℃からアニール温度の９００℃に上昇するのに略１０秒かかる。さらに、アニール工程後、次層の好適な成長温度に基板温度を降下させるのにも略１０秒かかる。
第１バリア層１のアニールが完了すると、材料の堆積を再開する。第２成長工程では、第１量子井戸層１２を第１バリア層１１上に成長させる。次に、第１量子井戸層１２上に、第１中間バリア層１３を成長させる。本実施例では、第１量子井戸層１２として、インジウムのモル分率が略１０％のＩｎＧａＮ層を２ｎｍの厚さに形成した。第１中間バリア層１３としては、ＧｎＮ層を２６ｎｍの厚さに形成した。第１中間バリア層１３は、完成品では、２つの量子井戸層間に位置するため、中間バリア層と称す。通常、第１バリア層１１のアニールが完成した後、成長装置の温度を、第１量子井戸層１２の成長が始まるまでに降下させる。本実施例では、第１量子井戸層１２および第１中間バリア層１３の望ましい成長温度は６５０℃である。
次に、材料の堆積を止め、成長装置の温度を、第１中間バリア層１３の成長温度よりも高いアニール温度にまで上昇させる。上記アニール工程における温度およびアニール継続時間は、ＡｌＧａＮ層である下層バリア層１１のアニール工程に対応している。もっとも、本実施の形態の構成では、アニール工程において、厚い第１中間バリア層１３により、第１量子井戸層１２が保護されているため、アニール温度を高くあるいはアニール継続時間を長くしても、第１量子井戸層１２に悪影響を及ぼすことはない。
第１中間バリア層１３のアニールが完了すると、材料の堆積を再開する（通常、成長装置の温度をアニール後次層の成長工程が始まる前に降下させる）。第３成長工程では、ＩｎＧａＮ層である第２量子井戸層１４を第１中間バリア層１３上に成長させる。さらに、ＧａＮ層である第２中間バリア層１５を第２量子井戸層１４上に成長させる。上記第２量子井戸層１４および第２中間バリア層１５の構造および成長条件は、第１量子井戸層１２および第１中間バリア層１３の構造および成長条件に対応している。
次に、材料の堆積を止め、成長装置の温度を、第２中間バリア層１５の成長温度よりも高いアニール温度にまで上昇させる。上記アニール工程における温度およびアニール継続時間は、上述のＡｌＧａＮ層である下層バリア層１１のアニール工程に対応している。
第１中間バリア層１３のアニールが完了すると、材料の堆積を再開する（通常、成長装置の温度をアニール後次層の成長工程が始まる前に降下させる）。第４成長工程では、ＩｎＧａＮ層である第３量子井戸層１６を第２中間バリア層１５上に成長させる。さらに、ＡｌＧａＮ層である第３バリア層１７を第３量子井戸層１６上に成長させ活性領域７が完成する。上記第３量子井戸層１６および第３中間バリア層１７の構造および成長条件は、第１量子井戸層１２および下層バリア層（第１バリア層）１１の構造および成長条件に対応している。
本実施の形態では、第１および第２中間バリア層１３・１５および好ましくは第１および第３バリア層１１・１７を、第１ないし第３量子井戸層１２・１４・１６の少なくとも１３倍の厚さに成長させている。例えば、各量子井戸層１２・１４・１６の厚さが２ｎｍの場合、第１および第２中間バリア層１３・１５および好ましくは第１および第３バリア層１１・１７を、２６ｎｍ以上の厚さに形成する。
次に、材料の堆積を止め、成長装置の温度を、第３中間バリア層１７の成長温度よりも高いアニール温度にまで上昇させる。上記第２中間バリア層１７のアニール工程における温度およびアニール継続時間は、上述のＡｌＧａＮ層である下層バリア層１１のアニール工程に対応している。
最後に、材料の堆積を再開する。第３バリア層１７上に、第２光ガイド層（本実施例では、ｐ型ドープされたＧａＮ層）、第２クラッド層９（本実施例では、ｐ型ドープされたＡｌＧａＮ層）およびキャップ層１０（本実施例では、ｐ型ドープされたＧａＮ層）をこの順に成長させる。これにより、図１に示すレーザー層構造が得られる。しかしながら、本発明は、上記の層構造に限定されるものではない。なお、これらのｐ型層８・９・１０の成長温度としては、略９７０℃が適している。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような半導体発光デバイスおよびその製造方法に適用できる。
半導体レーザーデバイスの概略断面図である。 本発明に係る半導体発光デバイスの活性領域の概略断面図である。 量子井戸層の厚さとバリア層の厚さとの比に対する出力パワーの依存性を示すグラフである。
符号の説明
１ 基板
２ サファイア基板
３ ｎ型ドープＧａＮ層
４ バッファ層
５ 第１クラッド層
６ 第１光ガイド層
７ 活性領域
８ 第２光ガイド層
９ 第２グラッド層
１０ キャップ層
１１ 最下バリア層(第１バリア層)
１２ 第１量子井戸層（量子井戸層）
１３ 第１中間バリア層（バリア層）
１４ 第２量子井戸層（量子井戸層）
１５ 第２中間バリア層(バリア層)
１６ 第３量子井戸層（量子井戸層）
１７ 最上バリア層（第３バリア層）
１８ 半導体レーザーデバイス
２１ 最下層バリア層
２２ 最上層バリア層

Claims (19)

  1. 窒化物材料系で製造される半導体発光デバイスであって、
    複数の量子井戸層を含む発光のための活性領域を含み、
    上記複数の量子井戸層は、隣接する量子井戸層が、バリア層を介して離間するように設けられており、
    上記各バリア層が、上記各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴とする半導体発光デバイス。
  2. 上記窒化物材料系が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系であり、上記各量子井戸層が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層であり、上記各バリア層が（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
  3. 上記各量子井戸層が、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光デバイス。
  4. 上記各バリア層が、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光デバイス。
  5. 上記各バリア層が、ＩｎＧａＮ層であり、
    上記各バリア層のインジウムのモル分率が、上記各量子井戸層のインジウムのモル分率よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光デバイス。
  6. 上記各バリアが、ＧａＮ層であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光デバイス。
  7. 上記各バリア層が、上記各量子井戸層の少なくとも３０倍の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  8. 上記各量子井戸層が、１ｎｍよりも厚く形成されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  9. 上記各量子井戸層が、２０ｎｍよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  10. 上記各バリア層が、１３ｎｍよりも厚く形成されていることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  11. 上記各バリア層が、５０ｎｍよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  12. 上記各量子井戸層が、ドープされていることを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  13. 上記各バリアが、ドープされていることを特徴とする請求項１ないし１２の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  14. 上記半導体発光デバイスが、半導体レーザーデバイスであることを特徴とする請求項１ないし１３の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  15. 半導体発光ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１ないし１４の何れかに記載の半導体発光デバイス。
  16. 窒化物材料系からなる半導体発光デバイスの製造方法であって、
    第１量子井戸層を成長させる工程（ａ）と、
    上記第１量子井戸層上に第１バリア層を成長させる工程（ｂ）と、
    上記第１バリア層上に第２量子井戸層を成長させる工程（ｃ）とを含み、
    上記第１バリア層が、上記第１量子井戸層および第２量子井戸層の各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴とする半導体発光デバイスの製造方法。
  17. さらに、上記第２量子井戸層上に第２バリア層を成長させる工程（ｄ）と、
    上記第２バリア層上に第２量子井戸層を成長させる工程（ｅ）とを含み、
    上記第２バリア層が、上記第１ないし第３量子井戸層の各量子井戸層の少なくとも１３倍の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイスの製造方法。
  18. 上記第２量子井戸層を成長させる工程（ｃ）の前に、上記第１バリア層をアニールする工程を含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体発光デバイスの製造方法。
  19. 上記第３量子井戸層を成長させる工程（ｅ）の前に、上記第２バリア層をアニールする工程を含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体発光デバイスの製造方法。
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