JP2008235803A - Nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、III族窒化物半導体を用いた発光素子(発光ダイオード、レーザダイオード等)に関する。 The present invention relates to a light emitting element (light emitting diode, laser diode, etc.) using a group III nitride semiconductor.
III族窒化物半導体とは、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができる。
c面を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、n型層およびp型層を有するIII族窒化物半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
The group III nitride semiconductor is a semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are typical examples. In general, it can be expressed as Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
A nitride semiconductor manufacturing method is known in which a group III nitride semiconductor is grown on a gallium nitride (GaN) substrate having a c-plane as a main surface by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). By applying this method, a group III nitride semiconductor multilayer structure having an n-type layer and a p-type layer can be formed, and a light-emitting device using this multilayer structure can be manufactured. Such a light emitting device can be used as a light source of a backlight for a liquid crystal panel, for example.
c面を主面とするGaN基板上に再成長されたGaN半導体の主面はc面である。このc面から取り出される光は、ランダム偏光(無偏光)状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い(効率は最大でも50%)という問題がある。 The main surface of the GaN semiconductor regrowth on the GaN substrate having the c-plane as the main surface is the c-plane. The light extracted from the c-plane is in a randomly polarized (non-polarized) state. Therefore, when incident on the liquid crystal panel, other than the specific polarized light corresponding to the incident side polarizing plate is shielded and does not contribute to the luminance toward the emission side. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a display with high luminance (efficiency is 50% at the maximum).
この問題を解決するために、c面以外、すなわち、a面、m面等の非極性(ノンポーラ)面、または半極性(セミポーラ)面を主面とするGaN半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層によってp型層およびn型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、かつ、高輝度な表示を実現できる。
しかし、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体を発光させると、発生する光は、複数のピーク波長を持ち、波長によって異なる偏光方位を持つ。これは、異なるバンド準位からの発光がそれぞれ異なる偏光方位を持つからである。
たとえば、m面を成長主面とするGaN半導体を用い、InGaNで量子井戸を形成した多重量子井戸層によって活性層(発光層)を形成する場合には、発光に寄与する正孔(hole)には、エネルギー準位の高いものから順に、heavy hole、light holeおよびsprit-orbital crystal field hole (SCH)がある。これらの正孔と電子との再結合によって生じる光の偏光方位は、heavy holeについてはc軸に垂直(a軸に平行)、light holeについてはc軸に平行、sprit-orbital crystal field hole (SCH)についてはm軸に平行となる。そのうちエネルギー準位の高いheavy holeに対応する偏光成分が最も強くなるので、a軸に平行(c軸に垂直)な偏光成分の強度が最も強くなる。
However, when a group III nitride semiconductor whose main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane is caused to emit light, the generated light has a plurality of peak wavelengths, and has different polarization directions depending on the wavelengths. This is because light emission from different band levels has different polarization orientations.
For example, when an active layer (light emitting layer) is formed by a multiple quantum well layer in which a quantum well is formed of InGaN using a GaN semiconductor having an m-plane as a growth principal surface, holes that contribute to light emission are formed. There are heavy holes, light holes, and split-orbital crystal field holes (SCH) in descending order of energy level. The polarization direction of light generated by recombination of these holes and electrons is as follows: for heavy holes, perpendicular to the c-axis (parallel to the a-axis), for light holes, parallel to the c-axis, split-orbital crystal field hole (SCH ) Is parallel to the m-axis. Among them, the polarized light component corresponding to the heavy hole having a high energy level becomes the strongest, and therefore the intensity of the polarized light component parallel to the a axis (perpendicular to the c axis) becomes the strongest.
しかし、他の正孔から発光する別の方位の偏光成分も同時に発生するため、これらの偏光成分が、偏光比の向上を阻害している。
そこで、この発明の目的は、偏光比の高い光を取り出すことができる窒化物半導体発光素子を提供することである。
However, since polarized components of different orientations emitted from other holes are also generated at the same time, these polarized components impede improvement of the polarization ratio.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device that can extract light with a high polarization ratio.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、非極性面または半極性面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体からなり、発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造と、前記活性層よりも光取り出し方向側に配置され、波長域に応じて透過率の異なる濾波層とを含む、窒化物半導体発光素子である。
この構成によれば、III族窒化物半導体層の主面が非極性面または半極性面であるので、偏光を有する光が発生する。そして、活性層から複数のピーク波長を持つ光が発生し、それらの光の偏光方向が異なる場合でも、濾波層によって、特定波長域の光を多く透過させて取り出すことができる。これにより、当該特定波長の偏光比の高い光を取り出すことができる。
In order to achieve the above object, the invention according to
According to this configuration, since the main surface of the group III nitride semiconductor layer is a nonpolar surface or a semipolar surface, light having polarization is generated. Even when light having a plurality of peak wavelengths is generated from the active layer and the polarization directions of the light are different, the filter layer can transmit and extract a large amount of light in a specific wavelength region. Thereby, light with a high polarization ratio of the specific wavelength can be extracted.
請求項2に記載されているように、前記濾波層は、誘電体薄膜の多層膜からなっていてもよい。 According to a second aspect of the present invention, the filtering layer may be composed of a multilayer film of dielectric thin films.
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、GaN(窒化ガリウム)単結晶基板1上にIII族窒化物半導体積層構造を形成するIII族窒化物半導体層2を再成長させて構成されている。III族窒化物半導体層2は、GaN単結晶基板1側から順に、n型コンタクト層21、活性層(発光層)としての多重量子井戸(MQW:Multiple-Quantum Well)層22、GaNファイナルバリア層25、p型電子阻止層23、およびp型コンタクト層24を積層した積層構造を有している。p型コンタクト層24層の表面には、透明電極としてのアノード電極3が形成されており、さらに、このアノード電極3の一部には、配線接続のための接続部4が接合されている。また、n型コンタクト層21には、カソード電極5が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. This light emitting diode is constituted by re-growing a group III
さらに、アノード電極3を覆うように、誘電体薄膜の多層膜からなる濾波層8が形成されている。
GaN単結晶基板1は、支持基板(配線基板)10に接合されている。支持基板10の表面には、配線11,12が形成されている。そして、接続部4と配線11とがボンディングワイヤ13で接続されており、カソード電極5と配線12とがボンディングワイヤ14で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ13,14とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、窒化物半導体発光素子としての発光ダイオード素子が構成されている。
Further, a filtering
The GaN
n型コンタクト層21は、シリコンをn型ドーパントとして添加したn型GaN層からなる。層厚は3μm以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、1018cm-3とされる。
多重量子井戸層22は、シリコンをドープしたInGaN層(量子井戸層。たとえば3nm厚)とGaN層(障壁層。たとえば9nm厚)とを交互に所定周期(たとえば5周期)積層したものである。この多重量子井戸層22と、p型電子阻止層23との間に、GaNファイナルバリア層25(たとえば40nm厚)が積層されている。
The n-
The multiple
p型電子阻止層23は、p型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したAlGaN層からなる。層厚は、たとえば、28nmである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、3×1019cm-3とされる。
p型コンタクト層24は、p型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は、たとえば、70nmである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、1020cm-3とされる。p型コンタクト層24の表面はIII族窒化物半導体層2の表面2aをなし、この表面2aは鏡面となっている。より具体的には、表面2aの凹凸は、100nm以下である。GaNの屈折率をn2(n2≒2.5)とし、発光波長をλとすると、表面2aの凹凸がλ/n2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面2aは、多重量子井戸層22で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
The p-type
The p-
アノード電極3は、Ni(屈折率1.8)とAu(屈折率は1.6)とから構成される透明な薄い金属層(たとえば、200Å以下)で構成される。III族窒化物半導体層2の表面2aが鏡面であるので、この表面2aに接して形成されるアノード電極3の表面3a(光取り出し側表面)も鏡面となる。すなわち、この表面3aの凹凸は、たとえば100nm以下である。アノード電極3の屈折率をn1(n1は1.6〜1.8)とし、発光波長をλとすると、表面3aの凹凸がλ/n1以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。このように、III族窒化物半導体層2の光取り出し側表面2aおよびアノード電極3の光取り出し側表面3aがいずれも鏡面であるので、多重量子井戸層22から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、アノード電極3側へと取り出されることになる。
The
カソード電極5は、TiとAl層とから構成される膜である。
濾波層8は、波長域に応じて透過率の異なるものであり、特定波長域の光を減衰(反射または吸収)させる一方で、別の特定波長域の光を選択的に透過させる働きを有するものである。たとえば、図2に図解的に示すように、屈折率が互いに異なる第1誘電体膜81および第2誘電体膜82を交互に複数回(図2の例では5回)繰り返し積層した多重反射膜で濾波層8を構成することができる。この多重反射膜は、減衰させようとする光の波長をλdとすると、膜厚λd/4n81(ただしn81は第1誘電体膜81の屈折率)の第1誘電体膜81と、膜厚λd/4n82(ただしn82は第2誘電体膜82の屈折率)の第2誘電体膜82膜とを交互に積層した構造となっている。たとえば、第1誘電体膜81としてSiO2膜を用い、第2誘電体膜82としてZrO2膜を用いることができる。
The
The
GaN単結晶基板1は、c面以外の主面を有するGaN単結晶からなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、GaN単結晶基板1の主面は、非極性面の面方位から±1°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の面方位から±1°以内のオフ角を有する面である。
図3は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して4つの窒素原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。
The GaN
FIG. 3 is an illustrative view showing a unit cell of a crystal structure of a group III nitride semiconductor. The crystal structure of a group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system, and four nitrogen atoms are bonded to one group III atom. The four nitrogen atoms are located at the four vertices of a regular tetrahedron having a group III atom arranged at the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is positioned in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are positioned on the −c axis side with respect to the group III atom. Due to such a structure, in the group III nitride semiconductor, the polarization direction is along the c-axis.
c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面(0001)である。c面に平行な2つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。 The c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the surface (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal is the c-plane (0001). When a group III nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c-plane, the + c-axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the −c-axis side plane (−c plane) ) Is a crystal plane with nitrogen atoms. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.
一方、六角柱の側面がそれぞれm面(10-10)であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面(11-20)である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面などの面である。 On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes (10-10), respectively, and the plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is the a-plane (11-20). Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, since the crystal plane inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) intersects the polarization direction obliquely, it has a slightly polar plane, that is, a semipolar plane (Semipolar plane). Plane). Specific examples of the semipolar plane include planes such as the (10-1-1) plane, the (10-1-3) plane, and the (11-22) plane.
非特許文献1に、c面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献1から、(11-24)面、(10-12)面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、(0001)方向および(11−20)方向の両方に関する方位誤差が、±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないGaN単結晶基板が得られる。このようなGaN単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
For example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface can be produced by cutting from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and an orientation error with respect to both the (0001) direction and the (11-20) direction is within ± 1 ° (preferably ± 0.3). (Within °). In this way, a GaN single crystal substrate having the m-plane as the main surface and free from crystal defects such as dislocations and stacking faults can be obtained. There is only an atomic level step on the surface of such a GaN single crystal substrate.
このようにして得られるGaN単結晶基板上に、MOCVD法によって、発光ダイオード(LED)構造が成長させられる。
m面を主面とするGaN単結晶基板1上にm面を成長主面とするIII族窒化物半導体層2を成長させてa面に沿う断面を電子顕微鏡(STEM:走査透過電子顕微鏡)で観察すると、III族窒化物半導体層2には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、c軸方向への平坦性(最後部と最低部との高さの差)は10Å以下であることが分かる。このことは、多重量子井戸層22、とくに量子井戸層のc軸方向への平坦性が10Å以下であることを意味する。これにより、発光スペクトルの半値幅を小さくできる。
On the GaN single crystal substrate thus obtained, a light emitting diode (LED) structure is grown by MOCVD.
A group III
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なm面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、GaN単結晶基板1の主面のオフ角は±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とすることが好ましく、たとえば、オフ角を2°としたm面GaN単結晶基板上にIII族窒化物半導体層を成長させると、III族窒化物半導体結晶がテラス状に成長し、オフ角を±1°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
Thus, an m-plane group III nitride semiconductor having no dislocation and a flat stacked interface can be grown. However, the off angle of the main surface of the GaN
m面を主面としたGaN単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、m面を成長主面として成長する。c面を主面として結晶成長した場合には、c軸方向の分極の影響で、量子井戸層での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、m面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発光波長を実現できる。 A group III nitride semiconductor crystal grown on a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface grows with the m-plane as a main growth surface. When the crystal growth is performed with the c-plane as the main surface, the light emission efficiency in the quantum well layer may deteriorate due to the influence of polarization in the c-axis direction. On the other hand, if the m-plane is used as the crystal growth main surface, polarization in the quantum well layer is suppressed, and luminous efficiency is increased. In addition, since the polarization is small, the current dependency of the emission wavelength is suppressed, and a stable emission wavelength can be realized.
また、非極性面を結晶成長の主面とすることによって、III族窒化物半導体の結晶成長を極めて安定に行うことができるので、c面を結晶成長の主面とする場合に比較して、III族窒化物半導体層2の結晶性を向上することができる。これにより、高効率での発光が可能になる。とくに、m面を結晶成長主面とすることにより、a面を結晶成長主面とする場合よりもIII族窒化物半導体層2の結晶性を向上できる。
In addition, since the non-polar plane is the main surface for crystal growth, the group III nitride semiconductor crystal can be grown very stably. Compared with the case where the c-plane is the main surface for crystal growth, The crystallinity of the group III
また、この実施形態では、基板1としてGaN単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体層2は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能の発光素子を実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないGaN単結晶基板上にIII族窒化物半導体層2を成長させることにより、このIII族窒化物半導体層2は基板1の再成長面(m面)からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
In this embodiment, since the GaN single crystal substrate is used as the
Furthermore, by growing a group III
前述のとおり、InGaNで量子井戸を形成した多重量子井戸層22によって活性層(発光層)を形成する場合、発光に寄与する正孔(hole)には、エネルギー準位の高いものから順に、heavy hole、light holeおよびsprit-orbital crystal field hole (SCH)がある。これらの正孔と電子との再結合によって生じる光の偏光方位は、heavy holeについてはc軸に垂直(a軸に平行)、light holeについてはc軸に平行、sprit-orbital crystal field hole (SCH)についてはm軸に平行となる。そのうちエネルギー準位の高いheavy holeに対応する偏光成分が最も強くなるので、a軸に平行(c軸に垂直)な偏光成分の強度が最も強くなる。
As described above, when the active layer (light emitting layer) is formed by the multiple
図4は、多重量子井戸層22からの発光スペクトルの一例を示す特性図である。曲線L1は、a軸に平行な偏光成分(電界Eがc軸に垂直な偏光成分)の波長スペクトルを示し、曲線L2は、c軸に平行な偏光成分(電界Eがc軸に平行な偏光成分)の波長スペクトルを示す。a軸平行(c軸垂直)の偏光成分は、この例では、波長450nmにピークを持ち、c軸平行の偏光成分は、この例では波長440nmにピークを持つ。この場合、濾波層8を構成する多重反射膜は、たとえば、440nm以下の波長の光を遮断するように設計される。これにより、c軸平行の偏光成分が濾波層8で減衰させられ、a軸平行の偏光成分は濾波層8を通過する。その結果、a軸平行の偏光成分の偏光比を高めることができ、偏光比の高い偏光を取り出すことができる。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an example of an emission spectrum from the multiple
図5は、III族窒化物半導体層2を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室30内に、ヒータ31を内蔵したサセプタ32が配置されている。サセプタ32は、回転軸33に結合されており、この回転軸33は、処理室30外に配置された回転駆動機構34によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ32に処理対象のウエハ35を保持させることにより、処理室30内でウエハ35を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ35は、前述のGaN単結晶基板1を構成するGaN単結晶ウエハである。
FIG. 5 is an illustrative view for illustrating a configuration of a processing apparatus for growing each layer constituting group III
処理室30には、排気配管36が接続されている。排気配管36はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室30内の圧力は、1/10気圧〜常圧(好ましくは1/5気圧程度)とされ、処理室30内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室30には、サセプタ32に保持されたウエハ35の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路40が導入されている。この原料ガス供給路40には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管41と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)を供給するガリウム原料配管42と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給するアルミニウム原料配管43と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム(TMIn)を供給するインジウム原料配管44と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を供給するマグネシウム原料配管45と、シリコンの原料ガスとしてのシラン(SiH4)を供給するシリコン原料配管46とが接続されている。これらの原料配管41〜46には、それぞれバルブ51〜56が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
An
On the other hand, a raw material
たとえば、m面を主面とするGaN単結晶ウエハをウエハ35としてサセプタ32に保持させる。この状態で、バルブ52〜56は閉じておき、窒素原料バルブ51を開いて、処理室30内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス(窒素原料ガス)が供給される。さらに、ヒータ31への通電が行われ、ウエハ温度が1000℃〜1100℃(たとえば、1050℃)まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくGaN半導体を成長させることができるようになる。
For example, a GaN single crystal wafer having an m-plane as a main surface is held on the
ウエハ温度が1000℃〜1100℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびシリコン原料バルブ56が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ35の表面に、シリコンがドープされたGaN層からなるn型コンタクト層21が成長する。
After waiting until the wafer temperature reaches 1000 ° C. to 1100 ° C., the
次に、シリコン原料バルブ56が閉じられ、多重量子井戸層22の成長が行われる。多重量子井戸層22の成長は、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ35へと供給することによりInGaN層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ35へと供給することにより、無添加のGaN層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、GaN層を始めに形成し、その上にInGaN層を形成する。これを5回に渡って繰り返し行った後、最後に、InGaN層上にGaNファイナルバリア層25が形成される。多重量子井戸層22およびGaNファイナルバリア層25の形成時には、ウエハ35の温度は、たとえば、700℃〜800℃(たとえば730℃)とされることが好ましい。
Next, the
次いで、p型電子阻止層23が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52、アルミニウム原料バルブ53およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ54,56が閉じられる。これにより、ウエハ35に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたAlGaN層からなるp型電子阻止層23が形成されることになる。このp型電子阻止層23の形成時には、ウエハ35の温度は、1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, the p-type
次に、p型コンタクト層24が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ53,54,56が閉じられる。これにより、ウエハ35に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたGaN層からなるp型コンタクト層24が形成されることになる。p型コンタクト層24の形成時には、ウエハ35の温度は、1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, the p-
こうして、ウエハ35上にIII族窒化物半導体層2が成長させられると、このウエハ35は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図1に示すように、n型コンタクト層21を露出させるための凹部7が形成される。凹部7は、多重量子井戸層22、p型電子阻止層23およびp型コンタクト層24を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、多重量子井戸層22、p型電子阻止層23およびp型コンタクト層24をメサ形に整形するものであってもよい。
When the group III
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極3、接続部4、カソード電極5が形成される。
その後、平行平板間でのプラズマによるマグネトロンスパッタ法や、ECR(電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法によって、アノード電極3上に濾波層8が形成される。これにより、図1に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
Furthermore, the
Thereafter, the
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ35の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、窒化物半導体発光素子が作製される。
ウエハ35(GaN単結晶基板1)上にIII族窒化物半導体層2の構成層21〜24の成長に際しては、いずれの層の成長の際も、処理室30内のウエハ35に供給されるガリウム原料(トリメチルガリウム)のモル分率に対する窒素原料(アンモニア)のモル分率の比であるV/III比は、3000以上の高い値に維持される。このような高いV/III比を用い、かつ、GaN単結晶基板1とIII族窒化物半導体層2との間にバッファ層を介在することなく、m面等を主面とするIII族窒化物半導体層2が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。
After such a wafer process, the individual elements are cut out by cleaving the
When the
図6は、この発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解図である。この図6において、前述の図1に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、GaN単結晶基板1上にIII族窒化物半導体層2が成長させられた後、GaN単結晶基板1が研削処理等によって除去される。これにより、n型コンタクト層21が露出している。このn型コンタクト層21の表面21aに対して、化学的機械的研磨等の研磨処理(鏡面処理)が施され、これにより、この表面21aが鏡面とされる。すなわち、この表面21aは、その凹凸が100nm以下とされる。GaNの屈折率をn2(n2≒2.5)とし、発光波長をλとすると、表面21aの凹凸がλ/n2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面21aは、支持基板10とは反対側に向けられ、光取り出し面となる。そしてこの表面21aを覆うように濾波層8が形成されている。
FIG. 6 is an illustrative view for illustrating the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, parts corresponding to those shown in FIG. 1 are given the same reference numerals. In this embodiment, after the group III
p型コンタクト層24の表面に形成されたアノード電極3は、支持基板10上の配線11に接合(ダイボンディング)されている。これにより、発光ダイオード構造は、図1の場合とは反転した姿勢で支持基板10に固定されている。この場合、アノード電極3は、透明電極である必要はない。
一方、III族窒化物半導体層2は、支持基板10側からn型コンタクト層21が露出するまでエッチング(たとえばプラズマエッチング)されていて、凹部17が形成されている。この凹部17に、n型コンタクト層21に接するカソード電極5が形成されている。このカソード電極5と、支持基板10上の配線12とが、導電材料18によって接続されている。
The
On the other hand, the group III
図7は、この発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解図である。この図7において、前述の図1に示された各部に対応する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、前述の第1の実施形態における濾波層8の代わりに、p型電子阻止層23とp型コンタクト層24との間に、濾波層8Aが積層されている。この濾波層8Aは、たとえば、p型AlGaN層とp型GaN層とを交互に複数周期(たとえば10周期)繰り返し積層した超格子層で構成されている。この場合に、減衰させようとする光の波長をλdとすると、p型AlGaN層の膜厚をλd/4nAlGaN(ただしnAlGaNはp型AlGaNの屈折率)とし、p型GaN層の膜厚をλd/4nGaN(ただしnGaNはp型GaNの屈折率)とすればよい。
FIG. 7 is an illustrative view for illustrating the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the invention. In FIG. 7, portions corresponding to the respective portions shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG. In this embodiment, a
この構成においても、多重量子井戸層22よりも光取り出し方向側に濾波層8Aが配置されているので、所望の偏光方位を持つ波長成分を選択して取り出すことができ、偏光比を高めることができる。
以上、この発明の3つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の第3の実施形態の構成を図6に示された実施形態に対して適用することもできる。すなわち、この場合には、濾波層8を設ける代わりに、たとえば、図6に二点鎖線で示すように、n型コンタクト層21と多重量子井戸層22との間(すなわち、多重量子井戸層22よりも光取り出し方向側)に濾波層8Aを積層しておけばよい。この場合、濾波層8Aを構成する超格子層は、n型AlGaN層とn型GaN層とで構成すればよい。
Also in this configuration, since the
Although three embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be implemented in other forms. For example, the configuration of the third embodiment described above can also be applied to the embodiment shown in FIG. That is, in this case, instead of providing the
また、前述の実施形態では、透明電極としてのアノード電極3をNi/Au膜で構成した例について説明したが、ZnOやITOのような金属酸化物膜からなる透明電極をアノード電極3に適用してもよい。
さらに、前述の実施形態では、III族窒化物半導体としてGaN半導体を用いた例を説明したが、AlxInyGa1-x-yNで表されるIII族窒化物半導体を用いた発光素子に対して、この発明を同様に適用することができる。
In the above-described embodiment, the example in which the
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the GaN semiconductor is used as the group III nitride semiconductor has been described. However, the light emitting device using the group III nitride semiconductor represented by Al x In y Ga 1-xy N is used. Thus, the present invention can be similarly applied.
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
1 GaN単結晶基板
2 III族窒化物半導体層
2a III族窒化物半導体層の表面(鏡面)
3 アノード電極(透明電極)
3a アノード電極の表面(鏡面)
4 接続部
5 カソード電極
7 凹部
8,8B 濾波層
81,82 誘電体膜
10 支持基板
11,12 配線
13,14 ボンディングワイヤ
18 導電材料
21 n型コンタクト層
21a n型コンタクト層の表面(III族窒化物半導体層の表面:鏡面)
22 多重量子井戸層
23 p型電子阻止層
24 p型コンタクト層
25 ファイナルバリア層
30 処理室
31 ヒータ
32 サセプタ
33 回転軸
34 回転駆動機構
35 ウエハ
36 排気配管
40 原料ガス供給路
41 窒素原料配管
42 ガリウム原料配管
43 アルミニウム原料配管
44 インジウム原料配管
45 マグネシウム原料配管
46 シリコン原料配管
51 窒素原料バルブ
52 ガリウム原料バルブ
53 アルミニウム原料バルブ
54 インジウム原料バルブ
55 マグネシウム原料バルブ
56 シリコン原料バルブ
1 GaN
3 Anode electrode (transparent electrode)
3a Anode electrode surface (mirror surface)
4 Connecting
22 multiple quantum well layers 23 p-type electron blocking layer 24 p-
Claims (2)
前記活性層よりも光取り出し方向側に配置され、波長域に応じて透過率の異なる濾波層とを含む、窒化物半導体発光素子。 A nitride semiconductor multilayer structure comprising a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a principal plane for crystal growth, and including an active layer capable of emitting light,
A nitride semiconductor light emitting device including a filtering layer disposed on the light extraction direction side with respect to the active layer and having different transmittance according to a wavelength range.
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- 2007-03-23 JP JP2007077036A patent/JP2008235803A/en active Pending
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