JP2008311579A - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】多層膜構造を含む窒化物半導体発光素子の内部量子効率を改善することができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】基板(101)上においてn型窒化物半導体層(103、104)とp型窒化物半導体層(106−108)との間にはさまれた窒化物半導体活性層(105)を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、そのn型層、活性層、およびp型層の少なくともいずれかは多層膜構造を含み、この多層膜構造を構成する層を結晶成長させる直前、成長中、および成長後のいずれかの時点において、結晶成長表面にサーファクタント材料を供給することを特徴としている。
【選択図】図1
【解決手段】基板(101)上においてn型窒化物半導体層(103、104)とp型窒化物半導体層(106−108)との間にはさまれた窒化物半導体活性層(105)を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、そのn型層、活性層、およびp型層の少なくともいずれかは多層膜構造を含み、この多層膜構造を構成する層を結晶成長させる直前、成長中、および成長後のいずれかの時点において、結晶成長表面にサーファクタント材料を供給することを特徴としている。
【選択図】図1
Description
本発明は窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特にその発光素子に含まれる活性層の結晶品質を改善して発光効率を向上させ得る製造方法に関する。
発光素子においては、発光作用を生じる活性層における転位などの結晶欠陥を減らすことが、発光効率を向上させるために重要である(例えば、特開平10−335757号公報、特開平11−177175号公報、特開2001−168385号公報参照)。
それらの結晶欠陥の発生を抑制するために、窒化物半導体発光素子中の活性層に近接してその活性層中の量子井戸層と異なる組成を有する層、例えばAl組成の高いクラッド層を配置する場合に、そのクラッド層内にAl組成が変化している多層膜構造を導入することが提案されている。
また、n型GaN層またはp型GaN層と井戸層との格子定数差を緩和するために、それらのn型GaN層またはp型GaN層内において、活性層に近づくにつれて徐々にIn組成が高められている多層膜構造を導入することも提案されている。
特開平10−335757号公報
特開平11−177175号公報
特開2001−168385号公報
しかしながら、多層膜構造内において互いに接する層は互いに組成が異なり、それらの結晶成長表面の表面エネルギが異なるので、多層膜構造中の層界面を急峻(明確)に形成することが容易ではない。
多層膜構造中の層界面が急峻でなければ、その層界面から転位が発生したり、多層膜構造上に形成される活性層中の井戸層の境界面が急峻でなくなる原因となり得る。
転位を含んだり境界面が急峻でない井戸層においては、その井戸層の厚さが空間的に不均一である。一般的に、内部量子効率は、井戸層の厚さに対する依存性が高い。すなわち、井戸層の厚さが不均一の場合には、井戸層内で内部量子効率の低い部分が散在することになり、井戸層全体としての内部量子効率が低くなる。なお、内部量子効率とは、発光素子の外部から注入された電流によって生じる電荷キャリアである電子と正孔が結合してフォトン(光子)が生じる効率を意味する。
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、多層膜構造を含む窒化物半導体発光素子の内部量子効率を改善し得る窒化物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。
本発明は、基板上においてn型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間にはさまれた窒化物半導体活性層を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、それらのn型層、活性層、およびp型層の少なくともいずれかは多層膜構造を含み、この多層膜構造を構成する層を結晶成長させる直前、成長中、および成長後のいずれかの時点において、結晶成長表面にサーファクタント材料を供給することを特徴としている。そのサーファクタント材料は、In、Al、Ga、Mg、Zn、Si、Ge、およびOの1種類以上を含むことが好ましい。
なお、多層膜構造は、互いにバンドギャップが異なる2種以上の層を含み得る。この場合、サーファクタント材料の供給のタイミングは、直下の層に比べて大きなバンドギャップを有する層を成長させる前または成長中であることが好ましい。
また、多層膜構造は、互いにキャリア濃度が異なる2種以上の層を含むこともできる。この場合、サーファクタント材料の供給のタイミングは、直下の層に比べて小さいキャリア濃度を有する層を成長させる前であることが好ましい。
サーファクタント材料としてIII族元素以外の元素を供給する時には、III族元素を含む原料の供給を停止することが好ましい。他方、サーファクタント材料としてIII族元素元素を供給する時には、窒素を含む原料の供給を停止することが好ましい。そして、結晶成長には、有機金属気相成長を好ましく利用することができる。
以上のような本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、多層膜構造を含む窒化物半導体発光素子において活性層中の結晶欠陥を低減させて内部量子効率を改善することができる。
上述のように、本発明は、基板上においてn型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間にはさまれた窒化物半導体活性層を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、それらのn型層、活性層、およびp型層の少なくともいずれかが多層膜構造を含み、その多層膜構造を構成する層を結晶成長させる直前、成長中、および成長後のいずれかの時点において、その結晶成長表面にサーファクタント材料を供給することを特徴としている。
すなわち、通常では多層膜構造中の層界面が急峻にならない結晶成長が生じる場合であっても、結晶成長表面にサーファクタントを供給してその表面エネルギを調整することによって、多層膜構造中の層界面を急峻にすることができる。その結果、多層膜構造を含むn型層またはp型層に近接して形成される活性層および自身が多層膜構造の活性層の平坦性と急峻性を確保でき、活性層中の内部量子効率の不均一性を是正して、その活性層全体としての内部量子効率を改善することができる。
窒化物半導体発光素子中の多層膜構造を結晶成長させる場合のサーファクタント材料としては、In、Al、Ga、Mg、Zn、Si、Ge、およびOのうち1種類以上を含むことが好ましい。
サーファクタント材料に求められる条件は、2次元結晶成長モード(FM(Frank-van der Merwe)モード)を生じさせる性質を有することである。すなわち、FMモードでは、アイランド(島)状や凹凸状の結晶成長が生じなくて、2次元的に均一な層状結晶成長が生じる。このようなFMモードを生じさせるサーファクタント材料としては、小さな表面エネルギを有する物質であることが望まれ、窒化物半導体発光素子の主要成分であるGaNの一般的な表面エネルギ値(約2.0J/m2)よりも小さい表面エネルギ値を有することが望まれる。そして、上述のIn、Al、Ga、Mg、Zn、Si、Ge、およびOのいずれの物質も、GaNに比べて小さな表面エネルギ値を有している。
また、サーファクタント材料は一般に結晶成長表面上に薄い原子層として浮いて存在する性質を有しているが、その原子の一部が結晶内に取り込まれるので、窒化物半導体素子の作製に一般的に使用される3族元素、n型不純物元素、およびp型不純物元素であることが好ましい。上述のサーファクタント材料のうちで、Al、Ga、およびInは3族元素であり、Si、Ge、およびOはn型不純物元素に相当し、そしてZnとMgはp型不純物元素に相当する。
n型層、活性層、またはp型層に含まれる多層膜構造は、互いにバンドギャップが異なる2種以上の層の組合せで構成され得る。このことによって、活性層に生じる格子歪を抑制し得る多層膜構造を選択でき、さらにその多層膜構造の結晶成長においてサーファクタントを利用して層界面を急峻にすることができる。その結果、多層膜構造に近接して形成される活性層および自身が多層膜構造の活性層の平坦性と急峻性を確保でき、活性層中の内部量子効率の不均一性を低減して、活性層全体としての内部量子効率の向上を図ることができる。
バンドギャップの異なる2種以上の層の組合せで多層膜構造が形成される場合、サーファクタントの供給のタイミングは、下層よりもバンドギャップが大きい層を成長させる前または成長中であることが好ましい。これは、次の理由による。
すなわち、窒化物半導体においては、バンドギャップが大きければ、表面エネルギも大きい傾向にある。したがって、バンドギャップの小さい窒化物半導体層上にバンドギャップの大きな窒化物半導体層を成長させる場合、表面エネルギが小さな層上に表面エネルギが大きな層を成長させることになり、その表面エネルギの大きな層がアイランド(島)状または凹凸状に結晶成長しやすくなる。この傾向への対策として、下層に比べてバンドギャップが大きい層を成長させる前にサーファクタントを供給すれば、そのバンドギャップの大きな層の結晶成長表面を平坦にすることができ、すなわち多層膜構造中の層界面を急峻にすることができる。
n型層またはp型層に含まれる多層膜構造は、互いにキャリア濃度が異なる2種以上の層の組合せで構成されてもよい。この場合、キャリア濃度が高い層内では低抵抗であってキャリアが広がりやすいので、その多層膜構造に近接配置されている活性層中のキャリアの広がりにつながり、活性層中の内部量子効率を改善することができる。そして、多層膜構造の結晶層成長においてサーファクタントを活用して層界面を平坦にすることによって、その多層膜構造に近接する活性層の平坦性と急峻性も確保されて、さらに内部量子効率を向上させることができる。
キャリア濃度が異なる2種以上の層の組合せで多層膜構造が構成される場合、下層に比べてキャリア濃度が小さい層の結晶成長開始前にサーファクタントを供給することが好ましい。なぜならば、キャリア濃度の低い層の結晶成長においては、低濃度のドーパントがサーファクタントに与える影響が小さいので、サーファクタントの効果が発揮されやすいと考えられるからである。
多層膜構造の結晶層成長において、サーファクタント材料としてIII族元素以外の元素を供給する時には、一時的にIII族元素の原料の供給を停止して層の結晶成長を停止させることが好ましい。このことによって、結晶成長表面上にサーファクタントの原子層が充分に広がり、表面エネルギを下げる効果を確実にすることが可能となる。他方、サーファクタント材料としてIII族元素を供給する時には、一時的に窒素の原料の供給を停止して層の結晶成長を停止させることが好ましい。これによっても、結晶成長表面上にサーファクタントの原子層が充分に広がり、表面エネルギを下げる効果を確実にすることが可能となる。本発明における種々の窒化物系半導体層の結晶成長方法としては、もちろん有機金属気相成長法を好ましく利用することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態をより具体的に説明する。なお、本願の図面において、厚さや幅などの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、図面における同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表している。
(発光ダイオードの作製)
図1は、本発明の一実施形態として作製される窒化物半導体発光ダイオードに含まれる半導体積層構造を模式的な断面図で示している。この半導体積層構造の作製においては、結晶成長用のサファイア基板101上にバッファ層102、n型窒化物半導体層103、n側の多層膜構造104、活性層105、蒸発防止層106、p側の多層膜構造107、およびp型窒化物半導体層108が順次積層される。
図1は、本発明の一実施形態として作製される窒化物半導体発光ダイオードに含まれる半導体積層構造を模式的な断面図で示している。この半導体積層構造の作製においては、結晶成長用のサファイア基板101上にバッファ層102、n型窒化物半導体層103、n側の多層膜構造104、活性層105、蒸発防止層106、p側の多層膜構造107、およびp型窒化物半導体層108が順次積層される。
なお、結晶成長用基板101としては、はサファイヤ以外に、SiC、Si、ZnOなどを使用することもできる。バッファ層102としては、GaNバッファ層が好ましく形成され得るが、これ以外にAlNバッファ層、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)バッファ層なども形成可能である。
(活性層)
活性層105はその多層膜構造として量子井戸層と障壁層を含むことができ、たとえば6つの井戸層を含むことができる。もちろん、井戸層と障壁層は交互に積層される。たとえば、井戸層はIn0.15Ga0.85Nで形成することができ、障壁層はAl0.01In0.02Ga0.97Nで形成することができる。しかし、井戸層としてInaGa1-aN(0<a<1)を利用し、障壁層としてAlbIncGa1-b-cN(0≦b≦1、0≦c≦1)を利用することも可能である。
活性層105はその多層膜構造として量子井戸層と障壁層を含むことができ、たとえば6つの井戸層を含むことができる。もちろん、井戸層と障壁層は交互に積層される。たとえば、井戸層はIn0.15Ga0.85Nで形成することができ、障壁層はAl0.01In0.02Ga0.97Nで形成することができる。しかし、井戸層としてInaGa1-aN(0<a<1)を利用し、障壁層としてAlbIncGa1-b-cN(0≦b≦1、0≦c≦1)を利用することも可能である。
(n側とp側の多層膜構造)
図2はn側の多層膜構造104を表す模式的断面図であり、図3はp側の多層膜構造106を表す模式的断面図である。具体的には、n側多層膜構造104はn型Al0.2Ga0.8N層201とアンドープGaN層202の交互繰返しの多層膜構造であり、p側多層膜構造106はp型Al0.2Ga0.8N層203とアンドープGaN層204の交互繰返しの多層膜構造である。
図2はn側の多層膜構造104を表す模式的断面図であり、図3はp側の多層膜構造106を表す模式的断面図である。具体的には、n側多層膜構造104はn型Al0.2Ga0.8N層201とアンドープGaN層202の交互繰返しの多層膜構造であり、p側多層膜構造106はp型Al0.2Ga0.8N層203とアンドープGaN層204の交互繰返しの多層膜構造である。
ただし、n側とp側の多層膜構造は、図2と図3に示された例に限定されず、Al、In、Gaなどの組成比および/またはドーピング濃度の異なる2種以上の層の組合せで構成することができる。
(結晶成長)
まず、サファイア基板101が、MOCVD(有機金属化学気相堆積)装置の反応炉内に設置される。その反応炉内に水素を流しながら、サファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、基板1の主表面(C面)のクリーニングを行なう。
まず、サファイア基板101が、MOCVD(有機金属化学気相堆積)装置の反応炉内に設置される。その反応炉内に水素を流しながら、サファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、基板1の主表面(C面)のクリーニングを行なう。
次に、サファイア基板101の温度を510℃まで低下させ、原料ガスとしてのアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とともにキャリアガスとしての水素を反応炉内に流して、MOCVD法によって基板1の主表面(C面)上にGaNバッファ層102を約20nmの厚さに堆積する。
次いで、サファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、原料ガスとしてのアンモニアとTMG、不純物ガスとしてのSiH4(シラン)、およびキャリアガスとしての水素を反応炉内に流して、MOCVD法によってバッファ層102上にキャリア濃度が1×1018/cm3になるようにSiドーピングされたn型GaNn下地層を6μmの厚さに堆積する。続いて、キャリア濃度が5×1018/cm3になるようにSiをドーピングしたこと以外はn型GaNn下地層と同様にして、厚さ0.5μmのn型GaNコンタクト層がMOCVD法によってn型GaNn下地層上に堆積される。こうして、n型GaNn下地層とその上のn型GaNコンタクト層が、n型窒化物半導体層103として堆積される。
(n側多層膜構造の成長)
その後、SiH4、TMG、およびNH3の供給を停止し、その10秒後にTMI(トリメチルインジウム)を15秒間供給して、結晶成長表面をサーファクタントであるInで被覆した後に、SiH4、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、およびNH3を供給して、厚さ10nmのn型Al0.2Ga0.8N層201を形成する。その後、TMGとNH3を供給して、厚さ10nmのアンドープGaN層202を形成する。同様の工程を繰返して、n型Al0.2Ga0.8N層とアンドープGaN層の繰返し積層からなるn側多層膜構造104を形成する。
その後、SiH4、TMG、およびNH3の供給を停止し、その10秒後にTMI(トリメチルインジウム)を15秒間供給して、結晶成長表面をサーファクタントであるInで被覆した後に、SiH4、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、およびNH3を供給して、厚さ10nmのn型Al0.2Ga0.8N層201を形成する。その後、TMGとNH3を供給して、厚さ10nmのアンドープGaN層202を形成する。同様の工程を繰返して、n型Al0.2Ga0.8N層とアンドープGaN層の繰返し積層からなるn側多層膜構造104を形成する。
(活性層の成長)
次に、サファイア基板101の温度を700℃に低下させ、原料ガスとしてのアンモニア、TMG、およびTMIとともにキャリアガスとしての窒素を反応炉内に供給して、n側多層膜構造104上に厚さ2.5nmのIn0.15Ga0.85N井戸層を堆積する。
次に、サファイア基板101の温度を700℃に低下させ、原料ガスとしてのアンモニア、TMG、およびTMIとともにキャリアガスとしての窒素を反応炉内に供給して、n側多層膜構造104上に厚さ2.5nmのIn0.15Ga0.85N井戸層を堆積する。
続いて、基板1の温度を700℃に維持し、サーファクタントを供給してから、原料ガスとしてのアンモニアとTMGとともにキャリアガスとしての窒素を反応炉内に流して、GaN障壁層を18nmの厚さに堆積する。
そして、井戸層の堆積、サーファクタントの供給、および障壁層の堆積を1周期として、これを6周期繰返して活性層105を形成する。
(蒸発防止層の成長)
次いで、サファイア基板101の温度を950℃に上昇させ、原料ガスとしてのアンモニア、TMG、およびTMAとともに不純物ガスとしてのCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)とキャリアガスとしての水素を反応炉内に導入して、MOCVD法によってMgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.15Ga0.85N蒸発防止層106を活性層105上に約30nmの厚さに堆積する。なお、この蒸発防止層は、以後のMOCVDプロセス中に活性層が蒸発することを防止するためのものである。
次いで、サファイア基板101の温度を950℃に上昇させ、原料ガスとしてのアンモニア、TMG、およびTMAとともに不純物ガスとしてのCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)とキャリアガスとしての水素を反応炉内に導入して、MOCVD法によってMgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.15Ga0.85N蒸発防止層106を活性層105上に約30nmの厚さに堆積する。なお、この蒸発防止層は、以後のMOCVDプロセス中に活性層が蒸発することを防止するためのものである。
(p側の多層膜構造の成長)
次に、Cp2Mg、TMG、およびNH3の供給を停止し、その10秒後にTMIを15秒間流して結晶成長表面をサーファクタントとしてのInで被覆した後、Cp2Mg、TMG、TMA、およびNH3を供給してp型Al0.2Ga0.8N層203を厚さ10nmに形成する。その後にTMGとNH3を供給して、アンドープGaN層204を厚さ10nmに形成する。そして、同様の工程の繰返して、p型Al0.2Ga0.8N層とアンドープGaN層の交互繰返しによるp側多層膜構造107を形成する。
次に、Cp2Mg、TMG、およびNH3の供給を停止し、その10秒後にTMIを15秒間流して結晶成長表面をサーファクタントとしてのInで被覆した後、Cp2Mg、TMG、TMA、およびNH3を供給してp型Al0.2Ga0.8N層203を厚さ10nmに形成する。その後にTMGとNH3を供給して、アンドープGaN層204を厚さ10nmに形成する。そして、同様の工程の繰返して、p型Al0.2Ga0.8N層とアンドープGaN層の交互繰返しによるp側多層膜構造107を形成する。
サーファクタントとしてのInを供給のタイミングとしては、多層膜構造中の各層成長開始前、成長後、または成長中のいずれにおいて添加してもその効果が得られるが、表面エネルギが高いp型Al0.2Ga0.8N層の成長の前に供給することがより好ましい。
(p型コンタクト層の成長)
次に、サファイア基板101の温度を950℃に保持し、原料ガスとしてのアンモニアおよびTMGとともに不純物ガスとしてのCp2Mgとキャリアガスとしての水素を反応炉内に流して、MOCVD法によってMgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたp型GaNコンタクト層108をp側多層膜構造107上に0.1μmの厚さに堆積する。
次に、サファイア基板101の温度を950℃に保持し、原料ガスとしてのアンモニアおよびTMGとともに不純物ガスとしてのCp2Mgとキャリアガスとしての水素を反応炉内に流して、MOCVD法によってMgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたp型GaNコンタクト層108をp側多層膜構造107上に0.1μmの厚さに堆積する。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に低下させ、雰囲気としての窒素を反応炉内に流しながら、その基板101上に形成された半導体積層構造102−108を含むウエハ全体のアニーリングを行なう。
(発光ダイオードへの加工)
図4は、以上のようにして得られる半導体積層構造を加工して作製される発光ダイオード素子を示す模式的断面図である。この図に示された発光ダイオードは、以下のようにして作製され得る。
図4は、以上のようにして得られる半導体積層構造を加工して作製される発光ダイオード素子を示す模式的断面図である。この図に示された発光ダイオードは、以下のようにして作製され得る。
まず、ウエハを反応炉から取り出し、p型コンタクト層108上において所定の形状にパターニングされたマスク層(図示せず)を形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でそのp型コンタクト層108側からエッチングを行って、n型窒化物半導体層103に含まれるコンタクト層の表面を部分的に露出させる。
エッチング後にマスク層を除去して、p型コンタクト層108のほぼ全面上にPdを含む透光性電極301を厚さ7nmに形成し、その上の所定領域内にAuよりなるp側パッド電極302を厚さ0.5μmに形成する。他方、エッチングによって露出させたn型コンタクト層の表面上にはTiとAlを含むn側パッド電極303を形成する。
以上のようにして、本発明によるLED素子が製造され得る。本実施形態において作製された30個のLED素子に関して、注入電流20mAにおいて平均的な全光束光出力は22.5mW(波長455nm)であった。
他方、比較例として多層膜構造の形成時にサーファクタントを供給することなく作製されたLED素子に関しては、注入電流20mAにおいて平均的な全光束光出力は18.9mW(波長455nm)であった。
本実施形態のLED素子と比較例としてサーファクタント供給を行なわずに作製されたLED素子とに関して、それらの多層膜構造をTEM(透過型電子顕微鏡)によって比較観察した。その結果、本実施形態のLED素子における多層膜構造の層界面の急峻性は、サーファクタント供給が行われなかった比較例の場合に比べて高くなっていることが確認された。
以上から明らかなように、通常では層界面が急峻でなくなる多層の結晶成長の場合においても、サーファクタントを利用することによって、結晶成長表面の表面エネルギを低下させて多層膜構造の層界面を急峻にすることができる。すなわち、サーファクタントを利用することによって、多層膜構造に近接して存在する活性層および自身が多層膜構造を含む活性層の平坦性と急峻性を確保できる。その結果として、活性層内の内部量子効率の不均一性を是正してその量子効率の向上を図ることができ、全光束光出力が向上すると考えられる。
なお、以上の実施形態では多層膜構造が2種の層を含む例を説明したが、本発明は多層膜構造が3種以上の層を含む場合にも適用し得ることは言うまでもない。
また、電極形成に関しては、電流拡散層およびp型窒化物半導体用電極としてPd、Ni、ITO、またはn型GaNなどが選択され得る。そして、パッド電極としては、Au、Ti/Alなどが選択され得る。
さらに、上述の実施形態の他にも、別途に用意した導電性の支持基板にp型コンタクト層108側を貼付けることによって、n型窒化物半導体層103側の電極を光取り出し側とし、p型コンタクト層108側電極を支持基板側として、p型コンタクト層108の支持基板側に反射率の高いAl、Pt、Agなどの金属層を形成する上下電極構造を採用することもできる。
最後に、上述の実施形態は、言うまでもなくすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、例えば青色発光する窒化物半導体発光ダイオード素子などの窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
101 結晶成長用サファイア基板、102 バッファ層、103 n型窒化物半導体層、104 n側多層膜構造、105 活性層、106 蒸発防止層、107 p側多層膜構造、108 p型コンタクト層、201 n型Al0.2Ga0.8N層(厚さ10nm)、202 アンドープGaN層(厚さ10nm)、203 p型Al0.2Ga0.8N層(厚さ10nm)、204 アンドープGaN層(厚さ10nm)、301 透光性電極、302 p側パッド電極、303 n側パッド電極。
Claims (9)
- 基板上においてn型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間にはさまれた窒化物半導体活性層を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記n型層、前記活性層、および前記p型層の少なくともいずれかは多層膜構造を含み、この多層膜構造を構成する層を結晶成長させる直前、成長中、および成長後のいずれかの時点において、結晶成長表面にサーファクタント材料を供給することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記サーファクタント材料は、In、Al、Ga、Mg、Zn、Si、Ge、およびOの1種類以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記多層膜構造は、互いにバンドギャップが異なる2種以上の層を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記サーファクタント材料の供給のタイミングは、直下の層に比べて大きなバンドギャップを有する層を成長させる前または成長中であることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記多層膜構造は、互いにキャリア濃度が異なる2種以上の層を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記サーファクタント材料の供給のタイミングは、直下の層に比べて小さいキャリア濃度を有する層を成長させる前であることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記サーファクタント材料としてIII族元素以外の元素を供給する時には、III族元素を含む原料の供給を停止することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記サーファクタント材料としてIII族元素を供給する時には、窒素を含む原料の供給を停止することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記結晶成長は、有機金属気相成長であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011040784A (ja) * | 2010-10-21 | 2011-02-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子 |
JP2012248763A (ja) * | 2011-05-30 | 2012-12-13 | Toyoda Gosei Co Ltd | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008226906A (ja) * | 2007-03-08 | 2008-09-25 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子 |
JP5287406B2 (ja) * | 2009-03-24 | 2013-09-11 | 豊田合成株式会社 | Iii族窒化物半導体の製造方法 |
US8318515B2 (en) * | 2009-12-08 | 2012-11-27 | Corning Incorporated | Growth methodology for light emitting semiconductor devices |
US8524581B2 (en) * | 2011-12-29 | 2013-09-03 | Intermolecular, Inc. | GaN epitaxy with migration enhancement and surface energy modification |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11354843A (ja) * | 1998-06-04 | 1999-12-24 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Iii族窒化物系量子ドット構造の製造方法およびその用途 |
JP2003309074A (ja) * | 2002-04-18 | 2003-10-31 | Showa Denko Kk | 窒化アルミニウムガリウム層の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法およびiii族窒化物半導体発光素子 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62119196A (ja) * | 1985-11-18 | 1987-05-30 | Univ Nagoya | 化合物半導体の成長方法 |
US6677619B1 (en) * | 1997-01-09 | 2004-01-13 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
JP3374737B2 (ja) | 1997-01-09 | 2003-02-10 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
CN1297016C (zh) * | 1997-01-09 | 2007-01-24 | 日亚化学工业株式会社 | 氮化物半导体元器件 |
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JP2001168385A (ja) * | 1999-12-06 | 2001-06-22 | Toyoda Gosei Co Ltd | Iii族窒化物系化合物半導体素子及びiii族窒化物系化合物半導体発光素子 |
JP3929008B2 (ja) * | 2000-01-14 | 2007-06-13 | シャープ株式会社 | 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法 |
US6906352B2 (en) * | 2001-01-16 | 2005-06-14 | Cree, Inc. | Group III nitride LED with undoped cladding layer and multiple quantum well |
TWI271877B (en) * | 2002-06-04 | 2007-01-21 | Nitride Semiconductors Co Ltd | Gallium nitride compound semiconductor device and manufacturing method |
US6876686B2 (en) * | 2003-02-24 | 2005-04-05 | Agilent Technologies, Inc. | Method of fabricating active layers in a laser utilizing InP-based active regions |
TWI237402B (en) * | 2004-03-24 | 2005-08-01 | Epistar Corp | High luminant device |
JP2007080996A (ja) * | 2005-09-13 | 2007-03-29 | Sony Corp | GaN系半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2007081180A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体発光素子 |
WO2008060349A2 (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-22 | The Regents Of The University Of California | Method for heteroepitaxial growth of high-quality n-face gan, inn, and ain and their alloys by metal organic chemical vapor deposition |
JP4668225B2 (ja) * | 2007-03-27 | 2011-04-13 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11354843A (ja) * | 1998-06-04 | 1999-12-24 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Iii族窒化物系量子ドット構造の製造方法およびその用途 |
JP2003309074A (ja) * | 2002-04-18 | 2003-10-31 | Showa Denko Kk | 窒化アルミニウムガリウム層の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法およびiii族窒化物半導体発光素子 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011040784A (ja) * | 2010-10-21 | 2011-02-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子 |
JP2012248763A (ja) * | 2011-05-30 | 2012-12-13 | Toyoda Gosei Co Ltd | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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US7968360B2 (en) | 2011-06-28 |
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