JP2010114418A - 窒化ガリウム系半導体発光素子、窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法、窒化ガリウム系発光ダイオード、エピタキシャルウエハ、及び窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光ダイオード11aは、半導体領域13と、InGaN層15と、活性層17とを備える。半導体領域13は半極性を示す主面13aを有し、GaNまたはAlGaNからなる。半導体領域13の主面13aは、該主面13aにおける[0001]軸方向の基準軸Cxに直交する平面Scに対して角度αで傾斜する。半導体領域13の厚さD13はInGaN層17の厚さDInGaNより大きく、InGaN層15の厚さDInGaNは150nm以上を有する。InGaN層15は半導体領域13の主面13aの直上に設けられて、主面13aに接している。活性層17は、InGaN層15の主面15a上に設けられ、この主面15aに接触している。活性層17は、InGaN井戸層21を含む。
【選択図】図1
Description
GaN基板を準備した。このGaN基板の主面は、c面からa軸方向へのオフ角16.3度〜16.7度の範囲で傾斜している。
下地InGaN
格子緩和層 :100nm、300nm、1000nm
発光波長(nm):500nm、502nm、503nm
光出力(mW) :1.1 、2.1 、2.0
動作電圧(V) :3.9 、3.8 、3.7
偏光度 :0.33 、0.40 、0.50。
P=(IMAX−IMIN)/(IMAX+IMIN) (1)
IMAX:発光強度の最大値
IMIN:発光強度の最小値
によって規定される。
InGaN格子緩和層を150nm以上に厚くすることによって、偏光度が0.33から0.4に増加し、InGaN格子緩和層を300nm以上に厚くすることによって、偏光度が0.33から0.5に増加する。これは、格子緩和によってオフ方向の格子定数が無歪み時の値に近づき、光学異方性が高まったことによって偏光度が増加した。なお、本実施例では、LED構造について説明するけれども、LED構造の実験から得られるInGaN層に関する知見は、レーザ(LD)構造における活性層とInGaN光ガイド層との関係にも適用される。
図16は、実施例2において作製したレーザダイオード構造70を示す図面である。以下の通り、図16に示されるレーザダイオードのためのエピタキシャル基板EPLDを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に75度の角度でGaN基板のためのGaN片を切り出した。切り出されたGaN片の表面研磨をして、半極性{20−21}GaN基板71を作製した。
ρ=(I1−I2)/(I1+I2)。
求めた偏光度ρとしきい値電流密度の最小値の関係を調べた。図17は、InGaN層の厚さとしきい値及び偏光度との関係を示す図面である。
InGaN厚み、 偏光度P、閾値Jth
50、 0.2、 15;
80、 0.22、 12;
115、 0.25、 7;
150、 0.28、 6.5;
200、 0.32、 6.2;
300、 0.33、 6.5;
500、 0.34、 6.5;
700、 0.35、 8;
1000、 0.34、 10。
図17は、InGaN層の膜厚が100nm以上600nm以下の範囲において閾値電圧が低いことを示している。また、図17は、偏光度の変化に関して、InGaN層の厚さが100nm以上であるとき、偏光度が増加していることを示す。このことから、InGaN層を厚く成長して偏光度を増加させることで、閾値を低減させることができる。本実施例では、発光層からの発光における偏光度が0より大きく、このレーザダイオードによれば、非負値の偏光度を提供できる。
Claims (31)
- 窒化ガリウム系半導体発光素子であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域と、
前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたInGaN層と、
InGaNからなる井戸層を含み、前記InGaN層の主面上に設けられた活性層と、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して10度以上80度以下で傾斜した主面を有する支持基体と
を備え、
前記InGaN層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における[0001]軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層は、GaN、AlGaN、InGaNまたはInAlGaNからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記InGaN層と異なっており、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きく、
前記InGaN層は100nm以上の厚さを有し、
前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、
前記InGaN層は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のInGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のInGaN格子定数とを有しており、
前記第1の方向は前記第2の方向に直交しており、
前記支持基体は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のGaN格子定数とを有しており、
前記第1のInGaN格子定数は前記第1のGaN格子定数と等しく、
前記第2のInGaN格子定数は前記第2のGaN格子定数と異なる、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 前記InGaN層は150nm以上の厚さを有する、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、半導体レーザを含み、
前記半導体レーザの光ガイド層は、前記InGaN層を含み、
当該窒化ガリウム系半導体発光素子は、前記活性層の主面上に設けられ別のInGaN層を含む別の光ガイド層を更に備える、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 前記半導体領域の前記主面はGaNからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記基板の前記主面の傾斜角は63度以上80度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記半導体領域と前記InGaN層との界面にミスフィット転位が発生して、前記InGaN層に格子緩和が生じている、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 該ミスフィット転位により、前記InGaN層には異方的な格子緩和が生じており、前記基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない、ことを特徴とする請求項6に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記InGaN層のインジウム組成は0.02以上0.10以下であり、
前記InGaN層のインジウム組成は前記井戸層のインジウム組成より小さい、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザを含み、
該半導体レーザにおける光導波路は前記c軸の傾斜方向に延在する、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。 - 前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの<1−100>方向を基準に−15度以上+15度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの<11−20>方向を基準に−15度以上+15度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記支持基体の貫通転位密度は、c面において1×107cm−2以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記InGaN層の厚さは300nm以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記InGaN層の厚さは1000nm以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 前記発光層からの発光における偏光度が0より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体発光素子。
- 窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハであって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、
前記半導体領域の主面の直上に設けられたInGaN層と、
InGaNからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層と、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して10度以上80度以下で傾斜した主面を有する支持基体と
を備え、
前記InGaN層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における[0001]軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層は、GaN、AlGaN、InGaNまたはInAlGaNからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記InGaN層と異なっており、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きく、
前記InGaN層は100nm以上の厚さを有し、
前記半導体領域は前記基板の前記主面上に搭載されており、
前記InGaN層は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のInGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のInGaN格子定数とを有しており、
前記第1の方向は前記第2の方向に直交しており、
前記基板は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のGaN格子定数とを有しており、
前記第1のInGaN格子定数は前記第1のGaN格子定数と等しく、
前記第2のInGaN格子定数は前記第2のGaN格子定数と異なる、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 - 窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法であって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して10度以上80度以下で傾斜した主面を有する基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなり半極性を示す主面を有する半導体領域を前記基板上に成長する工程と、
異方的な格子緩和を内包する100nm以上の厚さのInGaN層を前記半導体領域の前記主面の直上に成長する工程と、
前記InGaN層の主面上に活性層を成長する工程と
を備え、
前記活性層はInGaNからなる井戸層を含み、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における[0001]軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、
前記半導体領域は、GaN、AlGaN、InGaNまたはInAlGaNからなり、
前記半導体領域の前記主面の材料は、前記InGaN層と異なっており、
前記InGaN層は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のInGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のInGaN格子定数とを有しており、
前記第1の方向は前記第2の方向に直交しており、
前記基板は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のGaN格子定数とを有しており、
前記第1のInGaN格子定数は前記第1のGaN格子定数と等しく、
前記第2のInGaN格子定数は前記第2のGaN格子定数と異なり、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きい、ことを特徴とする方法。 - 窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域と、
前記半導体領域の前記主面の直上に設けられたInGaN層と、
InGaNからなる井戸層を含み、前記InGaN層の主面上に設けられた活性層と
を備え、
前記InGaN層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における[0001]軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜して半極性を示し、
前記半導体領域は一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、
各窒化ガリウム系半導体層はGaNまたはAlGaNからなり、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きく、
前記InGaN層は150nm以上の厚さを有する、ことを特徴とする窒化ガリウム系発光ダイオード。 - 前記半導体領域の前記主面はGaNからなり、
前記傾斜の角度は10度以上80度以下である、ことを特徴とする請求項18に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。 - 六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する支持基体を更に備え、
前記半導体領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、
前記InGaN層は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のInGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のInGaN格子定数とを有しており、
前記第1の方向は前記第2の方向に直交しており、
前記支持基体は、前記基準軸に直交する第1の方向における第1のGaN格子定数と前記基準軸に直交する第2の方向における第2のGaN格子定数とを有しており、
前記第1のInGaN格子定数は前記第1のGaN格子定数と等しく、
前記第2のInGaN格子定数は前記第2のGaN格子定数と異なる、ことを特徴とする請求項18又は請求項19に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。 - 前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの<1−100>方向を基準に−15度以上+15度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項18〜請求項20のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 前記基準軸は、前記支持基体の窒化ガリウムの<11−20>方向を基準に−15度以上+15度以下の範囲の向きに傾斜している、ことを特徴とする請求項18〜請求項21のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 前記InGaN層のインジウム組成は0.02以上0.10以下であり
前記InGaN層のインジウム組成は前記井戸層のインジウム組成より小さい、ことを特徴とする請求項18〜請求項22のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。 - 前記半導体領域と前記InGaN層との界面にミスフィット転位が発生して、前記InGaN層に格子緩和が生じている、ことを特徴とする請求項18〜請求項23のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 該ミスフィット転位により、前記InGaN層には異方的な格子緩和が生じており、前記基準軸の傾斜する方向に関して格子緩和が生じ、該方向と前記基準軸とに直交する向きに関して格子緩和がない、ことを特徴とする請求項24に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 前記支持基体の貫通転位密度は、c面において1×107cm−2以下である、ことを特徴とする請求項24又は請求項25に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 前記InGaN層の厚さは300nm以上である、ことを特徴とする請求項18〜請求項26のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 前記InGaN層の厚さは1000nm以上である、ことを特徴とする請求項18〜請求項26のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系発光ダイオード。
- 窒化ガリウム系発光ダイオードのためのエピタキシャルウエハであって、
六方晶系の窒化ガリウムからなり、該窒化ガリウムの[0001]軸方向の基準軸に直交する平面に対して傾斜した主面を有する基板と、
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる半導体領域と、
前記半導体領域の主面の直上に設けられたInGaN層と、
InGaNからなる井戸層を含み、前記支持基体の前記主面上に設けられた活性層と
を備え、
前記半導体領域は前記支持基体と前記InGaN層との間に設けられ、
前記InGaN層は前記活性層と前記半導体領域との間に設けられ、
各窒化ガリウム系半導体層はGaNまたはAlGaNからなり、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きく、
前記InGaN層は150nm以上の厚さを有する、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 - 窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の半極性を示す主面の直上に、150nm以上の厚さを有するInGaN層を成長する工程と、
前記InGaN層の主面上に活性層を成長する工程と
を備え、
前記InGaN層は異方的な格子緩和を内包し、
前記活性層はInGaNからなる井戸層を含み、
前記半導体領域の前記主面は、該主面における[0001]軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して傾斜し、
前記半導体領域の前記GaNまたはAlGaNからなり、
前記半導体領域の厚さは前記InGaN層の厚さより大きい、ことを特徴とする方法。 - 前記InGaN層の主面は、前記基準軸の傾斜方向に交差する方向に延びる筋状のモフォロジを有する、ことを特徴とする請求項30に記載された方法。
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