JP2010263161A - 窒化物半導体発光素子、及びエピタキシャル基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】支持基体13の六方晶系GaNのc軸ベクトルVCは主面13aの法線軸Nxに対してX軸方向に傾斜する。半導体領域15において、活性層19、第1の窒化ガリウム系半導体層21、電子ブロック層23及び第2の窒化ガリウム系半導体層25は支持基体13の主面13a上で法線軸Nxに沿って配列されている。p型クラッド層17はAlGaNからなり、電子ブロック層23はAlGaNからなる。電子ブロック層23はX軸方向の引っ張り歪みを受ける。第1の窒化ガリウム系半導体層21はX軸方向の圧縮歪みを受ける。界面27aにおけるミスフィット転位密度は界面27bにおけるミスフィット転位密度より低い。ピエゾ分極により界面27aにおける電子へのバリアが高くなる。
【選択図】図1
Description
図9を参照しながら、窒化物レーザダイオードを作製する方法を説明する。この窒化物レーザダイオードは図10(a)に示されるLD構造を有する。工程S101では、半極性面を有するGaN基板51を準備した。このGaN基板51の主面51aは、m軸方向に75度で傾斜している。引き続く説明では、この半極性GaN基板の(20−21)面上に、450nm帯で発光するレーザダイオード(LD)構造を作製した。図9(a)を参照すると、主面51aの法線軸Nx及びc軸Cxと共に、法線ベクトルVN及びc軸ベクトルが示されている。引き続き有機金属気相成長法を用いて、GaN基板51上に複数の窒化ガリウム系半導体層を成長して、エピタキシャル基板を作製する。原料にはトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)を用いた。ドーパントガスとして、シラン(SiH4)及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を用いた。
この実施例では、図11(a)に示されるLD2を作製する。n型クラッド層55上に、引き続き同じ温度で、n型GaN光ガイド層(厚さ100nm)56aを成長する。次いで、摂氏840度の温度で、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ100nm)56bを成長する。光ガイド層56上に、量子井戸構造の活性層59を成長する。最後の障壁層の成長が終了した後に、引き続き同じ温度で、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ100nm)66aを成長する。次いで、光ガイド層66a上にp型Al0.12Ga0.88N電子ブロック層(厚さ20nm)63を成長する。同じ温度で、電子ブロック層63上にp型GaN光ガイド層(厚さ100nm)66bを成長する。成長炉10において、摂氏1000度の温度で、光ガイド層66b上に、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層(厚さ400nm)65及びp型GaNコンタクト層(厚さ50nm)67を成長する。これによって、エピタキシャル基板E2が作製された。エピタキシャル基板E2では、GaN光ガイド層の厚さがInGaN光ガイド層の厚さと等しい。
この実施例では、図11(b)に示されるLD3を作製する。工程S101の後に、工程S104では、図12(a)に示されるように、成長炉10にGaN基板51を配置する。GaN基板51のサーマルクリーニングを成長炉10を用いて行う。摂氏1050度の温度で、NH3とH2を含むガスを成長炉10に流しながら、10分間の熱処理を行う。サーマルクリーニング後の成長工程では、原料ガスを成長炉10に供給して、摂氏1100度において、GaN基板51の主面51a上にn型Al0.06Ga0.94Nクラッド層(厚さ2μm)52aを成長する。半極性面においては格子緩和の有無は、成長するAlGaN半導体の組成、膜厚及び格子定数差によって制御でき、本実施例でAlGaN半導体は緩和している。
この実施例では、図13に示されるエピタキシャル基板E4を作製する。75度オフ角の主面を有するGaN基板51を準備する。このGaN基板51上に以下の窒化ガリウム系半導体膜を成長した:n型Al0.04Ga0.96Nクラッド層(厚さ2300nm)73、n型GaN光ガイド層(厚さ50nm)75a、アンドープIn0.01Ga0.99N層(厚さ50nm)75b、InGaN/GaN活性層(井戸層3nm、障壁層15nm)77、アンドープIn0.01Ga0.99N光ガイド層(厚さ50nm)79a、p型GaN光ガイド層(厚さ50nm)79b、p型Al0.12Ga0.88N電子ブロック層(厚さ20nm)81、p型GaN光ガイド層(厚さ50nm)79c、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層(厚さ400nm)83、p型GaNコンタクト層(厚さ50nm)85。これらの成長によって、エピタキシャル基板E4が作製された。
Claims (20)
- 窒化物半導体発光素子であって、
六方晶系窒化ガリウム半導体からなる支持基体と、
活性層、第1の窒化ガリウム系半導体層、電子ブロック層及び第2の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の主面上に設けられた半導体領域と、
前記半導体領域の主面上に位置するp型クラッド層と
を備え、
前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸は前記支持基体の前記主面の法線軸に対して所定の方向に傾斜しており、
前記p型クラッド層はAlGaNからなり、
前記電子ブロック層はAlGaNからなり、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層は前記活性層と前記電子ブロック層との間に設けられ、
前記第2の窒化ガリウム系半導体層は前記p型クラッド層と前記電子ブロック層との間に設けられ、
前記第2の窒化ガリウム系半導体層の材料は前記電子ブロック層の材料と異なり、
前記第2の窒化ガリウム系半導体層の材料は前記p型クラッド層の材料と異なり、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記電子ブロック層のバンドギャップより小さく、
前記電子ブロック層は前記所定の方向の引っ張り歪みを受け、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層は前記所定の方向の圧縮歪みを受け、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層と前記電子ブロック層との界面におけるミスフィット転位密度は、前記第2の窒化ガリウム系半導体層と前記p型クラッド層との界面におけるミスフィット転位密度より低い、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記第2の窒化ガリウム系半導体層の屈折率は前記電子ブロック層の屈折率よりも大きく、
前記第2の窒化ガリウム系半導体層の屈折率は前記p型クラッド層の屈折率よりも大きい、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記第2の窒化ガリウム系半導体層はGaNまたはInGaNである、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記第2の窒化ガリウム系半導体層の膜厚は30nm以上1μm以下である、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物半導体発光素子。
- 前記電子ブロック層の膜厚は5nm以上50nm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物半導体発光素子。
- 前記p型クラッド層の膜厚は300nm以上1.5μm以下である、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物半導体発光素子。
- 前記電子ブロック層のAl組成は0.05以上0.3以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記p型クラッド層のAl組成は0.03以上0.2以下である、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物半導体発光素子。
- 前記第2の窒化ガリウム系半導体層と前記p型クラッド層との前記界面におけるミスフィット転位密度は1×104cm−1以上であり、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層と前記電子ブロック層との前記界面におけるミスフィット転位密度は1×104cm−1未満である、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物半導体発光素子。 - 前記p型クラッド層は前記半導体領域上において少なくとも前記所定の方向に格子緩和している、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸と前記支持基体の前記法線軸との成す角度は50度以上80度以下又は100度以上130度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸と前記支持基体の前記法線軸との成す角度は63度以上80度以下又は100度以上117度以下である、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物半導体発光素子。
- 前記p型クラッド層の膜厚は該p型クラッド層のAlGaNのAl組成における臨界膜厚を越える、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物半導体発光素子。
- 前記支持基体と前記半導体領域との間に設けられたn型クラッド層を更に備え、
前記n型クラッド層はAlGaN層を含み、
前記n型クラッド層は前記支持基体の前記主面において引っ張り歪みを受ける、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記支持基体と前記半導体領域との間に設けられたn型クラッド層を更に備え、
前記n型クラッド層はAlGaN層を含み、
前記n型クラッド層の膜厚は該n型クラッド層のAlGaNのAl組成における臨界膜厚を越える、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記支持基体と前記半導体領域との間に設けられたn型クラッド層を更に備え、
前記n型クラッド層はInAlGaN層を含み、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層はInGaNからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板であって、
六方晶系窒化ガリウム半導体からなる基板と、
活性層、第1の窒化ガリウム系半導体層、電子ブロック層及び第2の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の主面上に設けられた半導体領域と、
前記半導体領域の主面上に位置するp型クラッド層と
を備え、
前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸は前記基板の前記主面の法線軸に対して所定の方向に傾斜しており、
前記p型クラッド層はAlGaNからなり、
前記電子ブロック層はAlGaNからなり、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層は前記活性層と前記電子ブロック層との間に設けられ、
前記第2の窒化ガリウム系半導体層は前記p型クラッド層と前記電子ブロック層との間に設けられ、
前記電子ブロック層は前記所定の方向の引っ張り歪みを受け、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層は前記所定の方向の圧縮歪みを受け、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層と前記電子ブロック層との界面におけるミスフィット転位密度は、前記第2の窒化ガリウム系半導体層と前記p型クラッド層との界面におけるミスフィット転位密度より低い、ことを特徴とするエピタキシャル基板。 - 前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸と前記基板の前記法線軸との成す角度は50度以上80度以下又は100度以上130度以下である、ことを特徴とする請求項17に記載されたエピタキシャル基板。
- 前記基板と前記半導体領域との間に設けられたn型クラッド層を更に備え、
前記n型クラッド層はAlGaN層を含み、
前記n型クラッド層は前記基板の前記主面において引っ張り歪みを受ける、ことを特徴とする請求項17又は請求項18に記載されたエピタキシャル基板。 - 前記支持基体と前記半導体領域との間に設けられたn型クラッド層を更に備え、
前記n型クラッド層はAlGaN層を含み、前記n型クラッド層の膜厚は該n型クラッド層のAlGaNのAl組成における臨界膜厚を越える、ことを特徴とする請求項17又は請求項18に記載されたエピタキシャル基板。
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