JP2007158101A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｉｎを含む窒化物半導体層にキャリアを閉じ込め易い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子１は、サファイア基板２上に形成された半導体積層構造を有する。半導体積層構造は、サファイア基板２側から順に、ｎ−ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１％）４、傾斜層５、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１５％）６ａ〜６ｅ、ＧａＮ層７ａ〜７ｅ、ｐ−ＡｌＧａＮ層８、ｐ−ＧａＮ層９からなる。ＩｎＧａＮ層４の近傍の傾斜層５では、Ｉｎの組成比がゆっくりと変化するのに対し、ＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５では、Ｉｎの組成比が急激に変化するように、傾斜層５が構成されている。これによって、Ｉｎを１％含むＩｎＧａＮ層４の近傍の傾斜層５では、エネルギーバンドがゆっくりと変化するのに対し、Ｉｎを１５％含むＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５では、エネルギーバンドが急激に変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｉｎの組成比が異なる２つの窒化物半導体層を有する半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。

従来、Ｉｎの組成比が異なる２つの窒化物半導体層の格子定数の違いを緩和するために、Ｉｎの組成比を徐々に変化させた傾斜層を、２つの窒化物半導体層の間に設ける技術が開示されている。このように傾斜層を設けることによって、窒化物半導体層内部の欠陥を減少させて、発光効率を向上させることができる。

例えば、特許文献１には、ＧａＮ層とＩｎを１０％含むＩｎＧａＮ層との間に傾斜層を設けた半導体素子が開示されている。特許文献１の半導体素子の傾斜層は、ＧａＮ層と傾斜層との界面から傾斜層とＩｎＧａＮ層との界面に亘ってＩｎの組成が０％から１０％へと徐々に直線的に変化するＩｎＧａＮ層によって構成されている。
特開２００３−５９９３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の傾斜層では、Ｉｎの組成を直線的に変化させているので、Ｉｎの組成の変化量が一定になる。従って、図５に示すように、傾斜層のエネルギーバンドの変化も直線的に形成される。このため、通常、エネルギーが低くなるＩｎの組成比の大きいＩｎＧａＮ層で活性層を構成すると、活性層の近傍の傾斜層のエネルギーバンドの傾きを大きくすることができないため、活性層中にキャリアを閉じ込めにくいといった問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、Ｉｎを含む窒化物半導体層にキャリアを閉じ込め易い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、閉じ込め層である第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層よりもＩｎの組成比が大きく、且つ、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、活性層の井戸層を構成する第２窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間にＩｎの組成比が徐々に変化する傾斜層とを備えた半導体発光素子において、前記第２窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量は、前記第１窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量に比べて大きいことを特徴とする半導体発光素子である。

また、請求項２記載の発明は、前記第１窒化物半導体層と前記傾斜層は、前記活性層に含まれることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子である。

また、請求項３記載の発明は、前記第２窒化物半導体層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子である。

また、請求項４記載の発明は、第１窒化物半導体層を成長させる第１窒化物半導体層成長工程と、Ｉｎの組成比を変化させて傾斜層を成長させる傾斜層成長工程と、前記第１窒化物半導体層よりもＩｎの組成比が大きい第２窒化物半導体層を成長させる第２窒化物半導体層成長工程とを備えた半導体発光素子の製造方法において、前記傾斜層成長工程では、前記第２窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量が、前記第１窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量に比べて大きくなるように、成長温度を変化させて前記傾斜層を成長させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、活性層の井戸層を構成する第２窒化物半導体層の近傍の傾斜層のＩｎの組成比の変化量を、第１窒化物半導体層の近傍の傾斜層のＩｎの組成比の変化量に比べて大きくすることによって、第１窒化物半導体層の近傍の傾斜層のエネルギーバンドの変化量よりも、第２窒化物半導体層の近傍の傾斜層のエネルギーバンドの変化量を大きくすることができる。即ち、第２窒化物半導体層の近傍の傾斜層のエネルギーバンドの傾きを大きくすることができる。従って、Ｉｎの組成比が小さい第２窒化物半導体層によって活性層を構成した場合、第２窒化物半導体層にキャリアを閉じ込め易くなる。これによって、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明による半導体発光素子の断面構造を示す図である。図２は、半導体発光素子のエネルギーバンドを示す図である。図３は、傾斜層及びその近傍のＩｎの組成比を示すグラフである。

図１に示すように、半導体発光素子１は、サファイア基板２上に形成された半導体積層構造を有する。半導体積層構造は、サファイア基板２側から順に、ｎ−ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１％：第１窒化物半導体層）４、傾斜層５、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１５％）６ａ〜６ｅ、ＧａＮ層７ａ〜７ｅ、ｐ−ＡｌＧａＮ層８、ｐ−ＧａＮ層９からなる。尚、ＩｎＧａＮ層６ａが、本発明の第２窒化物半導体層に相当する。

ｎ−ＧａＮ層３は、Ｓｉがドープされている。ｎ−ＧａＮ層３は、図２に示すように、後述するＭＱＷ活性層１２に比べて、バンドギャップが大きい。ｎ−ＧａＮ層３の上面は、一部が露出するようにエッチングされ、その露出した上面の一部にｎ側電極１０が形成されている。

ＩｎＧａＮ層４は、ＭＱＷ活性層１２の閉じ込め層であり、Ｉｎを約１％含むように構成されている。また、ＩｎＧａＮ層４は、ｎ−ＧａＮ層３に比べて、バンドギャップが小さい。

５つのＩｎＧａＮ層６ａ〜６ｅはＩｎを１５％含むように構成されている。この５つのＩｎＧａＮ層６ａ〜６ｅは、ｎ−ＧａＮ層３及びＩｎを１％含むＩｎＧａＮ層４よりもバンドギャップが小さく、ＭＱＷ活性層１２の井戸層を構成している。

ＩｎＧａＮ層４の格子定数とＩｎＧａＮ層６ａの格子定数は異なるので、ＩｎＧａＮ層４とＩｎＧａＮ層６ａの間には、格子定数の変化を緩和するための傾斜層５が設けられている。この傾斜層５は、ＩｎＧａＮ層からなり、ＩｎＧａＮ層４からＩｎＧａＮ層６ａに亘ってＩｎの組成比が徐々に変化するように構成されているが、Ｉｎの組成比の変化量は一定ではない。

具体的には、ＩｎＧａＮ層４の近傍の傾斜層５では、Ｉｎの組成比がゆっくりと変化するのに対し、ＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５では、Ｉｎの組成比が急激に変化するように、傾斜層５が構成されている。

例えば、図３に示すように、傾斜層５を７ｎｍに構成する場合、Ｉｎを１％含むＩｎＧａＮ層４側の５ｎｍの傾斜層５の領域でＩｎの組成比を４％変化させ、Ｉｎを１５％含むＩｎＧａＮ層６ａ側の２ｎｍの傾斜層５の領域でＩｎの組成比が１０％変化するように、傾斜層５におけるＩｎの組成比の変化量を変えている。

これによって、図２に示すように、Ｉｎを１％含むＩｎＧａＮ層４の近傍の傾斜層５では、エネルギーバンドがゆっくりと変化するのに対し、Ｉｎを１５％含むＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５では、エネルギーバンドが急激に変化するように構成される。

ＧａＮ層７ａ〜７ｅは、Ｓｉがドープされ、ＭＱＷ活性層１２の井戸層である各ＩｎＧａＮ層６ａ〜６ｅを挟むように配置され、ＭＱＷ活性層１２のバリア層を構成している。尚、ＩｎＧａＮ層４からＧａＮ層７ｅによってＭＱＷ活性層１２が構成されている。

ＭＱＷ活性層１２上には、Ｍｇがドープされたｐ−ＡｌＧａＮ層８及びｐ−ＧａＮ層９が形成されている。図２に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮ層８のバンドギャップは、ＭＱＷ活性層１２に比べて大きい。これにより、ｎ−ＧａＮ層３及びｐ−ＡｌＧａＮ層８によって、ＭＱＷ活性層１２にキャリアを閉じ込めることができる。ｐ−ＧａＮ層９の上面の所定の領域には、ｐ側電極１１が形成されている。

上記半導体発光素子１では、ｎ側電極１０及びｐ側電極１１との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極１０からは電子が注入され、ｐ側電極１１からは正孔が注入される。これら注入された電子及び正孔が、バンドギャップの小さいＩｎＧａＮ層（井戸層）６ａ〜６ｅのいずれかに閉じ込められて再結合することにより、光を発光する。

このように、本発明による半導体発光素子１は、傾斜層５のＩｎの組成比の変化量を、ＩｎＧａＮ層４の近傍では小さくして、ＩｎＧａＮ層６ａの近傍では大きくしている。これにより、ＩｎＧａＮ層４の近傍の傾斜層５のエネルギーバンドはゆっくりと変化するのに対し、ＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５のエネルギーバンドは急激に変化する。このように、ＭＱＷ活性層１２の井戸層を構成するＩｎＧａＮ層６ａの近傍の傾斜層５のエネルギーバンドを急速に変化させることによって、ＩｎＧａＮ層６ａ〜６ｅにキャリアを閉じ込めることが容易になる。この結果、半導体発光素子１の発光効率を向上させることができる。

次に、上記半導体発光素子の製造方法について、図４を参照して説明する。図４は、半導体発光素子の製造工程における時間と成長室の温度（以下、成長温度）の関係を示す図である。

まず、サファイア基板２を成長室に導入した状態で、成長温度を約１１００℃まで上昇させる。次に、Ｈ_２と少量のＮ_２とを成長室に流して、サファイア基板２をクリーニングする。次に、成長温度を約５００℃まで下げた後、サファイア基板２上にバッファ層（図示せず）を形成する。

次に、成長温度を約１０６０℃まで上げた後、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＭＧを成長室に供給してｎ−ＧａＮ層３を形成する。また、ｎ−ＧａＮ層３を形成する際には、ｎ型のドーパントであるＳｉをドープするためにＳｉＨ_４も同時に供給する。

次に、成長温度を約１０１０℃まで下げた後、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＥＧ、ＴＭＩｎを成長室に供給して、Ｉｎを１％含むＩｎＧａＮ層４を形成する（第１窒化物半導体層成長工程）。ここで、Ｉｎを１％含むＩｎＧａＮ層４を形成する際には、ｎ型のドーパントであるＳｉをドープするためにＳｉＨ_４も同時に供給する。

次に、成長温度を約１０１０℃から約７６０℃まで徐々に下げながら、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＥＧ、ＴＭＩｎを成長室に供給して傾斜層５を形成する（傾斜層成長工程）。ここで、傾斜層５を形成する際には、ｎ型のドーパントであるＳｉをドープするためにＳｉＨ_４も同時に供給する。ここで成長温度は、一定の割合で変化させるのではなく、最初はゆっくりと温度を下降させて、後の方になると急速に温度を下降させている。一般に、ＩｎＧａＮ層を成長させる場合、成長温度が低い方がＩｎＧａＮ層のＩｎの組成比が大きくなり、成長温度が高い方がＩｎの組成比が小さくなる。これにより、最初に形成されるＩｎを１％含むＩｎＧａＮ層４側の傾斜層５は、Ｉｎの組成比が大きくなる方にゆっくりと変化していくのに対し、後に形成される上層の方の傾斜層５は、Ｉｎの組成比が大きくなる方に急激に変化する。

次に、成長温度を約７６０℃に保った状態で、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＥＧ、ＴＭＩｎを成長室に供給して井戸層であるＩｎを１５％含むＩｎＧａＮ層６ａを形成する（第２窒化物半導体層成長工程）。ここで、ＩｎＧａＮ層６ａを形成する際には、ｎ型のドーパントであるＳｉをドープするためにＳｉＨ_４も同時に供給する。

次に、成長温度を約７６０℃に保った状態で、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＭＧを供給して、バリア層であるＧａＮ層７ａを形成する。ここで、ＧａＮ層７ａを形成する際には、ｎ型のドーパントであるＳｉをドープするためにＳｉＨ_４も同時に供給する。

この後、井戸層であるＩｎＧａＮ層６ｂ〜６ｅ及びバリア層であるＧａＮ層７ｂ〜７ｅを上記製造方法によって、交互に４回ずつ形成して、合計５層ずつＩｎＧａＮ層６ａ〜６ｅ及びＧａＮ層７ａ〜７ｅを形成する。

次に、成長温度を約１０１０℃に上げた後、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＭＧ、ＴＭＡｌを供給して、ｐ−ＡｌＧａＮ層８を形成する。ここで、ｐ−ＡｌＧａＮ層８を形成する際には、ｐ型のドーパントであるＭｇをドープするためにＣｐ_２Ｍｇも同時に供給する。

次に、成長温度を約１０１０℃に保った状態で、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴＭＧを供給して、ｐ−ＧａＮ層９を形成する。ここで、ｐ−ＧａＮ層９を形成する際には、ｐ型のドーパントであるＭｇをドープするためにＣｐ_２Ｍｇも同時に供給する。

この後、ｎ−ＧａＮ層３から上層の一部をエッチングして、ｎ側電極１０及びｐ側電極１１を形成して、半導体発光素子１が完成する。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、ｐ型半導体層に最も近いＭＱＷ活性層のＩｎＧａＮ層とｐ型半導体層との間に傾斜層を設けてもよい。この場合には、ＩｎＧａＮ層の近傍の傾斜層のＩｎの組成比の変化量を大きくするとともに、ｐ型半導体層の近傍の傾斜層のＩｎの組成比の変化量を小さくして形成すればよい。

また、上記実施形態では、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１％）とＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１５％）との間の傾斜層に関して説明したが、ＩｎＧａＮ層以外の窒化物半導体層と他の窒化物半導体層（例えば、ＩｎＧａＡｌＮ層）との間の傾斜層に本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、ＩｎＧａＮ層４及び傾斜層５が、ＭＱＷ活性層１２に含まれるように定義したが、ＩｎＧａＮ層４や傾斜層５がＭＱＷ活性層１２に含まれないように定義してもよい。

本発明による半導体発光素子の断面構造を示す図である。 半導体発光素子のエネルギーバンドを示す図である。 傾斜層及びその近傍のＩｎの組成比を示すグラフである。 半導体発光素子の製造工程における時間と成長室の温度の関係を示す図である。 従来の傾斜層及びその近傍のエネルギーバンドを示す図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ サファイア基板
３ ｎ−ＧａＮ層
４ ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１％）
５ 傾斜層
６ａ〜６ｅ ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ１５％）
７ａ〜７ｅ ＧａＮ層
８ ｐ−ＡｌＧａＮ層
９ ｐ−ＧａＮ層
１０ ｎ側電極
１１ ｐ側電極
１２ ＭＱＷ活性層

Claims (4)

1. 閉じ込め層である第１窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層よりもＩｎの組成比が大きく、且つ、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、活性層の井戸層を構成する第２窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間にＩｎの組成比が徐々に変化する傾斜層とを備えた半導体発光素子において、
   前記第２窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量は、前記第１窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量に比べて大きいことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１窒化物半導体層と前記傾斜層は、前記活性層に含まれることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２窒化物半導体層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 第１窒化物半導体層を成長させる第１窒化物半導体層成長工程と、
   Ｉｎの組成比を変化させて傾斜層を成長させる傾斜層成長工程と、
   前記第１窒化物半導体層よりもＩｎの組成比が大きい第２窒化物半導体層を成長させる第２窒化物半導体層成長工程とを備えた半導体発光素子の製造方法において、
   前記傾斜層成長工程では、
   前記第２窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量が、前記第１窒化物半導体層の近傍の前記傾斜層のＩｎの組成比の変化量に比べて大きくなるように、成長温度を変化させて前記傾斜層を成長させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
   
   
   
   
   

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