JP2008112820A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008112820A JP2008112820A JP2006294101A JP2006294101A JP2008112820A JP 2008112820 A JP2008112820 A JP 2008112820A JP 2006294101 A JP2006294101 A JP 2006294101A JP 2006294101 A JP2006294101 A JP 2006294101A JP 2008112820 A JP2008112820 A JP 2008112820A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- active layer
- growth
- layer
- semiconductor light
- ingan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
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
【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AlxGayInzN(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(NH3)、キャリアガスとしてN2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N2(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℃、N2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N2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N2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、N2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、N2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、N2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。
11 基板
12 バッファ層
13 n型コンタクト層
14 負電極
15 n型超格子層
16 活性層
17 p型電子ブロック層
18 p型コンタクト層
19 正電極
12 バッファ層
13 n型コンタクト層
14 負電極
15 n型超格子層
16 活性層
17 p型電子ブロック層
18 p型コンタクト層
19 正電極
Claims (1)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006294101A JP2008112820A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006294101A JP2008112820A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008112820A true JP2008112820A (ja) | 2008-05-15 |
Family
ID=39445186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006294101A Withdrawn JP2008112820A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008112820A (ja) |
-
2006
- 2006-10-30 JP JP2006294101A patent/JP2008112820A/ja not_active Withdrawn
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100902109B1 (ko) | 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자 | |
JP5306254B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
US9263632B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
JP5048236B2 (ja) | 半導体発光素子、および半導体発光素子を作製する方法 | |
US9362719B2 (en) | GaN-based quantum dot visible laser | |
JP4631884B2 (ja) | 閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板、閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板の製造方法、及び閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板を用いた発光装置 | |
JP2008109092A (ja) | 半導体発光素子 | |
JP5322523B2 (ja) | 発光素子及びその製造方法 | |
JP2007305851A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
US8728237B2 (en) | Crystal growth method for nitride semiconductor having a multiquantum well structure | |
JP2004087908A (ja) | 窒化物半導体発光素子、その製造方法、それを搭載した光学装置 | |
JP2008288397A (ja) | 半導体発光装置 | |
JP2001352098A (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法 | |
JPH10229217A (ja) | 半導体発光素子 | |
JP2008118049A (ja) | GaN系半導体発光素子 | |
WO2018163824A1 (ja) | 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 | |
WO2011101929A1 (ja) | 半導体発光装置及びその製造方法 | |
JP2007200933A (ja) | 窒化物系半導体素子の製造方法 | |
JP2019033284A (ja) | 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 | |
JP2005191306A (ja) | 窒化物半導体積層基板およびそれを用いた窒化物半導体デバイス、窒化物半導体レーザ素子 | |
JP2008118048A (ja) | GaN系半導体発光素子 | |
JP2009038408A (ja) | 半導体発光素子 | |
WO2008056632A1 (fr) | Élément électroluminescent semi-conducteur gan | |
JP2008177438A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
KR100742989B1 (ko) | 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100105 |