JP2010056282A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】主面がa面の基板10を用い、この上に成長させる活性層16を、AlyGa1−yN(0≦y≦1)の組成等の障壁層とAlxGa1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成等の井戸層を備えた量子井戸構造のものとし、当該活性層16の結晶成長の主面の法線方向をc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成すようにして、該活性層16からの発光が、c軸と平行な電界成分E(E//c)が支配的となる偏光特性を有するようにした。また、活性層16の井戸層と障壁層の組成を適正な範囲に設計することとして、井戸層の面内圧縮歪みを低減させ、活性層16から発光する光の更なる効率的光導波を実現することとした。
【選択図】図5
Description
本発明の窒化物半導体発光素子の実施の態様について説明する前に、本発明の技術的思想を理解する上での基礎となる技術的事項について、予め説明しておく。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に用いられる窒化物結晶であるGaNおよびAlNのバンド構造を説明するための図(バンドダイヤグラム)であり、図1(a)はGaNのΓ点におけるバンドダイヤグラム、図1(b)はAlNのΓ点におけるバンドダイヤグラムである。
図4は、窒化物半導体結晶の非極性面および半極性面について説明するための模式図で、図4(a)は、III族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図4(b)は非極性面であるm面{1−100}およびa面{11−20}を説明するための模式図、図4(c)は半極性面{10−11}を説明するための模式図、図4(d)は半極性面{10−12}を説明するための模式図、そして、図4(e)は半極性面{11−22}を説明するための模式図である。
図5は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子(LD)の基本構造を説明するための斜視概念図で、ここに示した例では、a面GaN基板10上に、MQW構成のAlGaN/AlGaN活性層16が形成されている。
図5に示した構造の窒化物半導体発光素子おいては、AlGaNコンタクト層22およびAlGaNクラッド層20の一部分をストライプ形状に反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて除去し、リッジストライプ構造を形成している。すなわち、p型AlGaNクラッド層20の一部およびp型AlGaNコンタクト層22には、横モード制御のため、ドライエッチングにより、a軸に沿ってリッジ構造が形成される。このようなリッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22上には、p側電極26が配置されて、分離閉じ込め型の構造となっている。
図6は、参考例としての窒化物半導体発光素子(LD)の基本構造を説明するための斜視概念図で、ここに示した例でも、a面GaN基板100上に、MQW構成のAlGaN/AlGaN活性層160が形成されている。なお、このLDの発光波長は405nmの青紫色である。
図7は共振器の反射面(鏡面)と導波モードについて説明するための図で、図7(a)はc面を共振器反射面(28a,28b)として用いた場合の導波モードを表す図であり、図7(b)はm面を共振器反射面(30a,30b)として用いた場合の導波モードを表す図である。図7(a)に示した反射面とした場合は、図7(a)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に垂直なE⊥cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。これに対して、図7(b)に示した反射面とした場合には、図7(b)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に平行なE//cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。
図8は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の活性層(AlxGa1−xN井戸層)のAlNモル分率(x)について説明するための図で、図8(a)はレーザ光の発振波長とAlNモル分率との関係を示す図であり、図8(b)はバンドギャップ・エネルギ(Eg)のAlNモル分率依存性を示す図である。
これに対して、AlyGa1−yN障壁層のAlNモル分率yは、AlxGa1−xN井戸層への過大な圧縮歪みを回避するべく、以下の手順で設計する。
本実施の形態において用いられる電極は、n側電極24は、例えば、Ti/Al合金からなり、p側電極26は、例えば、Al金属、Pd/Au合金からなる。当然のことであるが、これらの電極はそれぞれ、n型GaN基板10およびp型AlGaNコンタクト層22にオーミック接触される。
図10は、GaN/InGaN青紫LDの一構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明するための図である(非特許文献9を参照)。また、図11は、GaN/InGaN青紫LDの別の構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明する図である(非特許文献10を参照)。さらに、図12は、GaN/InGaN青紫LDにおける閾値電流密度J(kA/cm2)とInGaN井戸数の関係を示す図である(非特許文献11を参照)。
図13は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に使用されるMOVPE装置の構造例を説明するための概念図である。このMOVPE装置は、反応槽60内にサセプタ56と、サセプタ56上に配置された基板52を備え、反応槽60の外部には、加熱機構50を備えている。なお、加熱機構50は、ヒータ、赤外線(IR)ランプ、高周波誘導などで構成することができる。このような加熱機構50により過熱されるサセプタ56の温度は、例えば、約1050℃以上である。
図14は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に使用されるMBE装置の構造例を説明するための概念図で、このMBE装置は、反応槽内に基板ヒータ74,基板ホルダ72および基板52を備えている。
図5に示した構造の窒化物半導体発光素子を製造するためのプロセスは、主面がa面の基板10の上に第1の導電型(n型)を有する第1の半導体層(AlGaNクラッド層12およびAlGaN導波層14)を結晶成長させる工程と、この第1の半導体層上にAlyGa1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxGa1−xN(0≦x≦1)の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層16を結晶成長させる工程と、該活性層上に前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の第2の半導体層(AlGaN導波層18およびAlGaNクラッド層20)を結晶成長させる工程とを備えており、かつ、量子井戸構造を有する活性層16は、その結晶成長の主面の法線方向がc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成すように実行される。
図5および図13を参照して、MOVPE法の場合の製造プロセス例を具体的に説明する。
図5および図14を参照して、MBE法の場合の製造プロセス例を具体的に説明する。
図15は、本発明の第2の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC基板等の導電性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され該AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してa面基板10上に配置されa面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図16は、本発明の第3の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の絶縁性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、a面基板10面に対してp側電極26と同一表面側に配置されAlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置されてAlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図17は、本発明の第4の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の導電性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され該AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してa面基板10上配置され該a面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図18は、本発明の第5の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の絶縁性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、a面基板10面に対してp側電極26と同一表面側に配置されAlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置されてAlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図19は、本発明の第6の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の導電性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され該AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してa面基板10上配置され該a面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図20は、本発明の第7の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の絶縁性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、a面基板10面に対してp側電極26と同一表面側に配置されAlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置されてAlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図21は、本発明の第8の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の導電性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたリッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され該AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してa面基板10上配置され該a面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
図22は、本発明の第9の実施の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断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、a面基板10(GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、或いはSiC等の絶縁性基板)と、a面基板10上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置されn型不純物(Si)をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置されたAlyGa1−yN/AlxGa1−xN活性層16と、この活性層16上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置されp型不純物(Mg)をドープされたリッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、a面基板10面に対してp側電極26と同一表面側に配置されAlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置されてAlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備えている。
本発明の第10の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、AlyIn1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxIn1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成の井戸層を積層させた量子井戸構造の活性層(AlyIn1−yN/AlxIn1−xN活性層)を備えている。なお、AlInN混晶の組成を表現するに際しても、AlGaN混晶で用いたものと同様のパラメータ(x、y)を用いることとするが、これは便宜上のものであって、相互の関連はない。
以上、実施の態様により本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法について説明したが、活性層は、AlGaN混晶やAlInN混晶のほかに、4元系のAlGaInN混晶とすることもできる。活性層を4元系のAlGaInN混晶としても、上述したものと同様の構造および製造プロセスとすることができる。
11,22 コンタクト層
12,20 クラッド層
13,17 AlGaN層
14,18 導波層
16 活性層
24 n側電極
26 p側電極
28a,28b,30a,30b 共振反射面
40 水素キャリアガス槽
42 Al供給槽
44 Ga供給槽
45 In供給槽
46 DMHy供給槽
47 Mg供給槽
48 NH3またはN2ガスボンベ
49 Si供給用ガスボンベ
50 加熱機構
54 排気口
56 サセプタ
60 反応槽
62 Gaセル
63 Mgセル
64 Alセル
65 Siセル
66 NH3セルまたはRFプラズマソース
67 Inセル
68 RHEEDスクリーン
70 電子ビーム源
70a,70b 電子ビーム
72 基板ホルダ
74 基板ヒータ
76 液体窒素シュラウド
78 排気バルブ
Claims (25)
- 基板上に、第1の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記基板の主面はa面であり、
前記活性層は、AlyGa1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxGa1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成の井戸層を備えており、
前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成し、
該活性層からの発光は、前記c軸と平行な電界成分E(E//c)が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記結晶成長の主面は、非極性面または半極性面である請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記非極性面は、m面またはa面である請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記半極性面は、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面である請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記結晶成長の主面が非極性面のa面または半極性面の{11−22}面であり、m面を反射面とする共振器を備えていることを特徴とする請求項3又は4に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記m面は劈開面である請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記AlxGa1−xN井戸層のAlNモル分率(x)は20%以上90%以下であり、該井戸層のAlNモル分率(x)と前記AlyGa1−yN障壁層のAlNモル分率(y)との比(r=x/y)は0.7以上であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1の導電型の半導体層及び前記第2の導電型の半導体層の少なくとも一方はAlGaN混晶の窒化物半導体層である請求項1乃至7の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型である請求項1乃至8の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記主面がa面の基板は、GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、又はSiC基板である請求項1乃至9の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板上に、第1の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記基板の主面はa面であり、
前記活性層は、AlyIn1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxIn1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成の井戸層を備えており、
前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成し、
該活性層からの発光は、前記c軸と平行な電界成分E(E//c)が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記AlxIn1−xN井戸層のInNモル分率(x)は5%以下であることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1の導電型の半導体層及び前記第2の導電型の半導体層の少なくとも一方はAlInN混晶の窒化物半導体層である請求項11又は12に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型である請求項11乃至13の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記主面がa面の基板は、GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、又はSiC基板である請求項11乃至14の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板上に、第1の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記基板の主面はa面であり、
前記活性層は、Aly(GaβIn1−β)1−yN(0≦y≦1、0≦β≦1)の組成の障壁層とAlx(GaαIn1−α)1−xN(0≦x≦1、0≦α≦1)の組成の井戸層を備えており、
前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成し、
該活性層からの発光は、前記c軸と平行な電界成分E(E//c)が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記第1の導電型の半導体層及び前記第2の導電型の半導体層の少なくとも一方はAlGaInN混晶の窒化物半導体層である請求項16に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型である請求項16又は17に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記主面がa面の基板は、GaN基板、AlN基板、AlGaN基板、ZnO基板、GaO基板、又はSiC基板である請求項16乃至18の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 主面がa面の基板上に第1の導電型を有する第1の半導体層を結晶成長させる工程Aと、
該第1の半導体層上に、AlyGa1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxGa1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程Bと、
該活性層上に、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の第2の半導体層を結晶成長させる工程Cとを備え、
前記工程Bは、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向がc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成すように実行されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 主面がa面の基板上に第1の導電型を有する第1の半導体層を結晶成長させる工程Dと、
該第1の半導体層上に、AlyIn1−yN(0≦y≦1)の組成の障壁層とAlxIn1−xN(0≦x≦1、x<y)の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程Eと、
該活性層上に、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の第2の半導体層を結晶成長させる工程Fとを備え、
前記工程Eは、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向がc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成すように実行されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 主面がa面の基板上に第1の導電型を有する第1の半導体層を結晶成長させる工程Gと、
該第1の半導体層上に、Aly(GaβIn1−β)1−yN(0≦y≦1、0≦β≦1)の組成の障壁層とAlx(GaαIn1−α)1−xN(0≦x≦1、0≦α≦1)の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程Hと、
該活性層上に、前記第1の導電型とは逆の第2の導電型の第2の半導体層を結晶成長させる工程Iとを備え、
前記工程Hは、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向がc軸方向と40°〜90°の範囲内の角度を成すように実行されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - m面を反射面とする共振器を形成する工程Jをさらに備えている請求項20乃至22の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記共振器の反射面を前記m面に沿う劈開により得る請求項23に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1及び第2の半導体層は窒化物半導体層であり、前記第1の半導体層にはn型不純物としてのSiがドーピングされ、及び/又は、前記第2の半導体層にはp型不純物としてのMgがドーピングされる請求項20乃至24の何れか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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