JP2008112820A

JP2008112820A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2008112820A
Application number: JP2006294101A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tamai; 慎一玉井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ系活性層におけるＩｎの取り込みを増加させて長波長化し、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有する発光素子を形成する場合に、電気特性や発光特性が良く、発光スペクトルも鋭い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有し、ＩｎＧａＮ系の活性層を備えた半導体発光素子について、活性層の成長時の成長温度が７７０℃以上、トリメチルインジウム流量が９４μｍｏｌ／分以下で、窒素キャリア流量が０．３３ｍｏｌ／分よりも大きくなるように成長条件を設定して作製すると、図のＣのような発光スペクトルが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性層にＩｎＧａＮ系の半導体を用いた半導体発光素子に関する。

半導体レーザやＬＥＤ等の半導体発光素子の材料には、様々なものが使用されているが、その中で、活性層（発光層）に、ＩｎＧａＮ系半導体を用いた半導体発光素子が開発されている。特に、窒化物半導体による青色発光素子が有名である。

上記、半導体発光素子の結晶成長方法としては、ハイドライド気相成長方法（ＨＣＶＤ）や有機金属化学気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）が用いられている。これらの方法を用いて結晶成長を行う場合には、通常、成長用基板上にｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層等を積層した後、発光層となる活性層を成長させ、その後ｐ型クラッド層やｐ型コンタクト層を積層し、最後に電極を形成している。

ところで、特許文献１等にも記載されているように、ＩｎＧａＮ系活性層の成長を行う場合には、この中のＩｎの蒸気圧が高いために、活性層の成長温度は、７００℃〜８００℃程度に下げる必要がある。

また、ＩｎＧａＮ系半導体の発光波長を長波長化して、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の半導体発光素子が求められる場合には、ＩｎＧａＮ系活性層のＩｎ組成比率を上げる必要がある。活性層へのＩｎの取り込み量を増やす手段として、成長温度をさらに低下させることと、Ｉｎ原子材料ガスの流量を増やすことが考えられるが、Ｉｎ原子材料ガスの流量を増やすことではＩｎ組成はあまり増加せず、成長温度を下げる方が大きな効果があるので、成長温度を下げることによりＩｎ組成を増加させている。
特開平１１−５４７９４号公報

しかし、上記従来技術では、発光波長を長波長化するために、例えば成長温度７００度付近までＩｎＧａＮ系活性層の成長温度を下げて、活性層へのＩｎの取り込みを増加させているので、活性層の結晶性が悪くなり、電流−電圧特性や電流−光出力特性が悪化し、発光スペクトルもブロードになるという問題があった。一般に、成長温度が高い方が、半導体層の結晶性や膜質が良くなることは知られているが、Ｉｎの取り込み量を増やすためには、成長温度を下げざるを得ない。

図８は、ＩｎＧａＮ系活性層を低温で結晶成長させてＩｎの取り込みを増加させ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有するようにし、この活性層をｎ型窒素化物半導体層とｐ型窒素化物半導体層でサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を有する発光素子の電流（ｍＡ）−電圧（Ｖ）特性を破線で示す。また、ＩｎＧａＮ系活性層を設けずに、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有するように、ｎ型窒素化物半導体層とｐ型窒素化物半導体層を直接接合した（ＰＮ接合）場合の発光素子の電流（ｍＡ）−電圧（Ｖ）特性を実線で示した。

この図からわかるように、活性層無（ＰＮ接合）の方が活性層有よりも良好な電流−電圧特性を示している。したがって、電流−電圧特性の悪化は、活性層に起因することがわかり、活性層の結晶性が改善されれば、良好な電気特性や発光特性を有する４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の半導体発光素子が得られると考えられる。

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、ＩｎＧａＮ系活性層におけるＩｎの取り込みを増加させて長波長化し、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有する発光素子を形成する場合に、電気特性や発光特性が良く、発光スペクトルも鋭い半導体発光素子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、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有し、ＩｎＧａＮ系の活性層を備えた半導体発光素子であって、前記活性層の成長時の成長温度が７７０℃以上、トリメチルインジウム流量が９４μｍｏｌ／分以下で、窒素キャリア流量が０．３３ｍｏｌ／分よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子である。

本発明によれば、ＩｎＧａＮ系活性層を備え、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有する半導体発光素子を得る場合に、ＩｎＧａＮ系活性層の結晶性を向上させるために、成長温度を７７０℃以上とする一方で、Ｉｎの取り込み量を増加させるために、Ｉｎ原子材料ガスであるＴＭＩ流量を９４μｍｏｌ／分以下、窒素キャリア流量を０．３３ｍｏｌ／分よりも大きくしたので、Ｉｎの取り込み量を増やすと同時に結晶性も良くすることができ、発光スペクトルの半値幅を小さくするとともに、電気特性等についても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。ＩｎＧａＮ系活性層を有する半導体発光素子構造の一例を、図７に示す。サファイア基板１１の上に、例えば、有機金属化学気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型超格子層１５、活性層１６、ｐ型電子ブロック層１７、ｐ型コンタクト層１８が順次積層されて形成される。

そして、ｐ型コンタクト層１８からｎ型コンタクト層１３が露出するまでエッチングし、エッチングされた面に負電極（ｎ電極）１４を形成し、ｐ型コンタクト層１８上に正電極（ｐ電極）１９を形成している。

ここで、活性層１６は、ＩｎＧａＮ単層で構成しても良いが、一般に良く用いられるのは、量子井戸構造（Quantum Well）を有する活性層であり、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（バリア層）でサンドイッチ状に挟んだ構造である。この量子井戸構造は、１つではなく、多重化しても良く、この場合は、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）、すなわち多重量子井戸構造となる。この場合、井戸層はＩｎＧａＮにより構成されている。

産業上有用な半導体として、窒素を含む六方晶化合物半導体があるが、中でもIII−Ｖ族窒化物半導体が良く知られているので、これを図７の構成に適用した一例を形成方法とともに以下に示す。上記III−Ｖ族窒化物半導体（以下、単に窒化物半導体という）は、４元混晶系のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される。

まず、成長温度を１０００℃程度に上げて、サファイア基板１１上に、アンドープＧａＮからなるバッファ層１２、ＳｉドープのＧａＮコンタクト層１３を積層する。次に、基板温度を７００℃〜８００℃に下げて、ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層１５、活性層１６を成長させる。活性層１６は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層と、アンドープＧａＮからなる障壁層を交互に繰り返して３〜１０周期程度積層した多重量子井戸構造で構成される。その後、成長温度を１０００℃程度に上げて、ＭｇドープのＡｌＧａＮ電子ブロック層１７、ＭｇドープのＧａＮコンタクト層１８を順次積層する。

ｐ型コンタクト層１８を形成した後、ｐ型コンタクト層１８からｎ型コンタクト層１３までの一部を反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去する。その後、ｎ型コンタクト層１３のエッチングされた面に負電極１４を蒸着により形成し、ｐ型コンタクト層１８の上に正電極１９を蒸着により形成する。

ところで、上記ＩｎＧａＮ系活性層１６のＩｎの取り込みを増加させて長波長化を行うためには、７００℃〜８００℃の範囲の低温域で成長させなければならない。一方、結晶性を高めて発光スペクトルを鋭くするためには、成長温度を上げなければならないという相反する問題があった。そこで、ＴＭＩとキャリアガスの窒素の流量を制御して、成長温度と組み合わせることにより、上記問題を解決したのを示すのが図１である。

図１は、ＩｎＧａＮ系活性層の成長温度、窒素キャリアガス流量、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス流量の成長条件を図２のように各々変化させて作製したＩｎＧａＮ系活性層の発光波長とＰＬ強度との関係を示したものであり、図２の成長条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと、図１の曲線に付されたＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、各々対応している。

例えば、図７のサファイア基板１１〜ｎ型超格子層１５までを作製し、その上に成長条件を変えたＩｎＧａＮ系活性層１６を形成し、その状態でＨｅ−Ｃｄレーザによる励起を行い、絶対温度１２Ｋ（ケルビン）で発光スペクトル（ＰＬ強度分布）を測定し、各活性層でのＰＬ強度分布の積分値を求めた。縦軸は任意単位のＰＬ強度（積分強度）を表し、横軸は波長（ｎｍ）を表す。また、ＩｎＧａＮ系活性層には、ＩｎＧａＮ単層を用いた。

ＩｎＧａＮ半導体層を作製する場合には、通常、Ｉｎ原子の原料ガスであるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｇａ原子の原料ガスであるトリエチルガリウム（ＴＥＧ）又はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）、キャリアガスとしてＮ_２を用いるが、図１の各曲線は、図２に示すように、ＩｎＧａＮ系活性層の成長温度、キャリアガスとしてのＮ_２（窒素）流量、ＩｎＧａＮ系活性層のＩｎ原子材料ガスであるＴＭＩ（トリメチルインジウム）をパラメータとして測定されたものである。

成長条件Ａは、図２からもわかるように、活性層を成長温度７６０℃、Ｎ_２流量０．３３ｍｏｌ／分、ＴＭＩ流量６７μｍｏｌ／分で成長させたものである。図１に示されるように、活性層の成長温度のみを上げた成長条件Ｂ（成長温度７７０℃）は、成長条件Ａよりも成長温度が上がることにより活性層へのＩｎの取り込みが減少するために、成長条件Ａよりも発光波長（発光スペクトルのピーク）が短波長化している。

一方、成長条件Ｄは、成長温度を成長条件Ａよりも２０℃上げて７８０℃とするとともに、ＴＭＩ流量を増加させて９４μｍｏｌ／分としたが、成長条件Ａよりも発光波長は短波長化しており、ＴＭＩ流量増加の効果はそれほど現われていない。一般に、活性層へのＩｎ取り込みは、ＴＭＩ流量よりも成長温度の方が影響力が大きいためである。

ところが、成長条件Ｃに示すように、成長条件Ｄの活性層の成長条件の中でＮ_２流量を０．３３ｍｏｌ／分から１．２３ｍｏｌ／分に増加させると、成長条件Ａよりも活性層の成長温度が高いにもかかわらず、成長条件Ａの発光波長よりも長波長化している。

一方、成長条件Ｅのように、成長条件Ｃよりも活性層成長時のＮ_２流量を０．３３ｍｏｌ／分に下げて、ＴＭＩ流量を１５１μｍｏｌ／分と大幅に上げると、確かに発光スペクトルのピークは波長の大きい方へ移動し、発光波長はさらに長波長化するが、発光スペクトルがブロードになり、半値幅は大きくなって発光特性は低下する。

したがって、成長温度７７０℃以上にして、ＴＭＩ流量９４μｍｏｌ／分以下、Ｎ_２キャリア流量０．３３ｍｏｌ／分を超えるようにすると、好ましい結果が得られると考えられる。

図１の各発光スペクトルをさらに詳しく検討したデータを図３、４に示す。図３は、図２の成長条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに対応する発光スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）と活性層の成長温度との関係を示す。特に、Ｅの半値幅が極端に悪いことがわかり、Ａ、ＢよりもＣの方が半値幅が狭くなり、発光特性が良くなっている。

他方、図４は、活性層成長温度と発光波長（発光スペクトルのピーク値）との関係を示す。発光波長は、Ｅが最も長波長化しているのであるが、図３からわかるように、発光スペクトルがブロード化しているために、実用的ではない。活性層成長温度が上がると、発光波長は短波長化するが、ＣとＤでは成長温度とＴＭＩ流量が同じでも、Ｎ_２流量を増加させると、発光波長が長波長化し、Ａ、Ｂ、Ｃよりも長波長化している。

図５に、Ｃの成長条件（本発明の成長条件）でＩｎＧａＮ系活性層を成長させて長波長化を行った場合と、従来の成長条件、例えば、成長温度を７６０℃以下としてＣと同じ発光波長が得られるように活性層を形成した成長場合（従来の成長条件）とで、電流（ｍＡ）−光出力（ｍＷ）特性を比較した。

本発明の成長条件を用いた場合がＸ１、従来の成長条件を用いた場合がＸ２である。Ｘ１の方が、発振の閾値電流が大きく低下し、また、電流−光出力曲線の傾きは、Ｘ１の方が大きくなっているので、スロープ効率が増加していることがわかる。

また、図６に電流（ｍＡ）−電圧（Ｖ）特性の比較を示す。図５と同様、本発明の成長条件を用いた場合がＹ１、従来の成長条件を用いた場合がＹ２である。図からもわかるように、Ｙ１の方が駆動電圧が低下している。

以上のように、Ｉｎの取り込みを増加させて長波長化するために、ＩｎＧａＮ系活性層を、成長温度７７０℃以上、ＴＭＩ流量９４μｍｏｌ／分以下、Ｎ_２キャリア流量０．３３ｍｏｌ／分よりも大きくして作製した本発明の半導体発光素子によると、従来のＩｎＧａＮ系活性層と比較して、発光スペクトルの半値幅の減少、発信の閾値電流の低下、スロープ効率の増加、駆動電圧の低下等、発光特性、電気特性が改善された。

ＩｎＧａＮ系活性層の成長条件を変化させたときの各発光スペクトルを示す図である。図１の各発光スペクトルに対応する活性層の成長条件を示す図である。図２の成長条件に対応する活性層の成長温度とＦＷＨＭとの関係を示す図である。図２の成長条件に対応する活性層の成長温度と発光波長との関係を示す図である。電流−光出力特性について、本発明の成長条件と従来の成長条件との比較を示す図である。電流−電圧特性について、本発明の成長条件と従来の成長条件との比較を示す図である。本発明を適用する半導体発光素子の一例を示す図である。活性層の有無による電流−電圧特性の比較を示す図である。

符号の説明

１１基板
１２バッファ層
１３ｎ型コンタクト層
１４負電極
１５ｎ型超格子層
１６活性層
１７ｐ型電子ブロック層
１８ｐ型コンタクト層
１９正電極

Claims

４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の発光波長を有し、ＩｎＧａＮ系の活性層を備えた半導体発光素子であって、
前記活性層の成長時の成長温度が７７０℃以上、トリメチルインジウム流量が９４μｍｏｌ／分以下で、窒素キャリア流量が０．３３ｍｏｌ／分よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。