JP2013084957A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、シリコン基板の上に形成された窒化物半導体を含むバッファ層の上に形成された第1導電形の窒化物半導体の第1半導体層と、前記第1半導体層の上に設けられ、440ナノメートル以上のピーク波長の光を放出し平均In組成比が、0.05以上である窒化物半導体の発光層と、前記発光層の上に設けられ第2導電形の窒化物半導体の第2半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第1半導体層には、引っ張り歪が印加されている。前記第1半導体層における刃状転位密度は、5×109/cm2以下である。前記第1半導体層と前記発光層との間の格子不整合率は、0.11パーセント以下である。前記シリコン基板が除去されている。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図1に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子110は、第1半導体層10と、第2半導体層20と、発光層30と、を含む。発光層30は、第1半導体層10と第2半導体層20との間に設けられる。
図2に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子111は、第1半導体層10、発光層30及び第2半導体層20に加え、シリコン基板50と、バッファ層60と、をさらに含む。
図3は、発光層30の構成の例を示している。図3に表したように、発光層30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31の間に設けられた井戸層32と、を含む。障壁層31と井戸層32とは、Z軸方向に沿って積層される。
すなわち、第(i+1)障壁層BL(i+1)(iは1以上M以下の整数)は、第i障壁層BLiと第2半導体層20との間に配置される。
これらの値に基づいて、発光層30の平均In組成比αを以下の第1式で定める。
なお、発光層30の全体の厚さを発光層厚tLEとする。
図4は、多層構造体40の構成の例を示している。図4に表したように、多層構造体40は、Z軸方向に沿って交互に積層された、複数の第1層41と、複数の第2層42と、を含む。第1層41には、例えばGaNが用いられ、第2層42には、例えばInGaNが用いられる。第1層41の厚さは、例えば2.7nmである。第2層42の厚さは、例えば1.0nmである。第1層41の数及び第2層42の数(すなわちペア数)は、例えば10以上40以下である。例えば、多層構造体40は、超格子層である。既に説明したように、多層構造体40は必要に応じて設けられ、省略しても良い。
図5は、第4下地層64の構成の1つの例(第4下地層64a)の構成を示している。図5に表したように、この例では第4下地層64aは、Z軸方向に沿って交互に積層された、複数のAlN層65と、複数のGaN層66と、を含む。AlN層65は、例えば低温成長のAlN層である。AlN層65の厚さは、例えば、約18nmである。GaN層66の厚さは、例えば、約240nmである。複数のAlN層65の数及び複数のGaN層66の数(すなわちペア数)は、例えば、2以上10以下である。
図6は、第4下地層64の別の構成の別の例(第4下地層64b)の構成を示している。図6に表したように、第4下地層64bは、複数のAlN層65及び複数のGaN層66に加え、複数のAlGaN層67をさらに含む。AlGaN層67は、複数のGaN層66のそれぞれと、それぞれのGaN層66のシリコン基板50側のAlN層65と、の間に設けられる。すなわち、シリコン基板50の上(具体的には、第3下地層63の上に)に、AlN層65が設けられ、AlN層65の上にAlGaN層67が設けられ、AlGaN層67の上にGaN層66が設けられる。AlN層65、AlGaN層67及びGaN層66を含むの積層体が、Z軸方向に沿って繰り返して積層される。AlN層65の数、AlGaN層67の数及びGaN層66の数(積層数)は、例えば2以上10以下である。
図7は、GaN層のラマン分光測定の結果を例示している。この測定では、シリコン基板50上に形成したGaN層の試料SP1と、サファイア基板上に形成したGaN層の試料SP2と、の測定結果が示されている。横軸は、波数K(cm−1)である。縦軸は、強度Int(任意目盛り)である。図7には、試料SP3として、応力が加えられていない状態に対応するGaN基板の波数Kが示されている。
LM1=(WLE−W1)/W1 ×100(%) …(2)
ここで、W1は、第1半導体層10のa軸方向の格子長である。WLEは、発光層30のa軸方向の格子長である。格子不整合率LM1は、X線回折測定により求められる。例えば、逆格子空間マッピングから格子不整合率LM1を求めることができる。
図8は、第1試料S01〜第9試料S09の評価結果を示している。横軸は、第1半導体層10と発光層30との間の格子不整合率LM1(%)である。縦軸は、第1半導体層10における刃状転位密度EDD(×109/cm2)である。
図9は、上記の第1〜第9試料S01〜S09を含む半導体発光素子の試料の光出力の測定結果を示している。横軸は、格子不整合率LM1である。縦軸は、光出力OP(ミリワット:mW)である。
図9から分かるように、格子不整合率LM1が小さいと光出力OPが大きくなる。例えば、格子不整合率LM1が約0.15%と大きい試料においては、光出力OPは、0.1mW〜0.5mWである。格子不整合率LM1が約0.11%の試料においては、光出力OPは、1mW〜2mWである。格子不整合率LM1が約0.05%の試料においては、光出力OPは、3.2mW〜7.1mWである。
図10には、例として、第1試料S01、第7試料S07、第9試料S09、及び、以下に説明する第10試料S10の、第1半導体層10のa軸方向の格子長W1(GaNの格子長)の測定結果を示している。格子長W1は、ラマン分光測定から求めている。第10試料S10においては、シリコン基板50の上に、厚さが30nmの第1下地層61(AlN層)、厚さが40nmの第2下地層62(AlGaN層)、厚さが300nmの第3下地層63(GaN層)が設けられている。そして、第3下地層63の上に、厚さが12nmの低温成長AlNが設けられ、その上に、第1半導体層10(厚さが2μmのn形GaN層)が設けられている。図10の縦軸は、第1半導体層10のa軸方向の格子長W1である。第1半導体層10のGaNのa軸方向の格子定数(歪が加えられていない状態の格子長)は、0.31891nmである。
このように、実施形態によれば、欠陥を抑制した高効率の半導体発光素子が提供できる。
図11は、結晶の格子不整合と臨界膜厚との関係を概念的に示す図である。横軸は格子不整合LM0であり、図11中の左側では格子不整合LM0が小さく、右側では格子不整合LM0が大きい。図11において、左側から右側に向かうほど、発光層30におけるIn組成比が上昇することに対応する。縦軸は臨界膜厚ctであり、図11中の下側では臨界膜厚ctが薄く、上側では臨界膜厚ctが厚い。図11には、欠陥のない場合の特性p0と、貫通転位がある場合の特性p1と、がモデル的に図示されている。
LM2=LM1/{(WLEa−W1a)/W1a} ×100(%) …(3)
ここで、W1aは、第1半導体層10のa軸方向の格子定数(歪が加えられていない状態の格子長)である。WLEaは、発光層30のa軸方向の格子定数(歪が加えられていない状態の格子長)である。発光層30のa軸方向の格子定数WLEaは、発光層30の平均In組成比αのInαGa1−αNの格子定数である。
LM3=LM2/tLE ×100(%) …(4)
tLEは、発光層30の厚さである。
図12は、第1〜第8試料S01〜S08に関し、第1規格化格子不整合率LM2と刃状転位密度EDDとの関係を示している。図12から分かるように、刃状転位密度EDDを5×109/cm2以下に制御することで、発光層30の平均In組成比αが0.05以上の場合においても、第1規格化格子不整合率LM2を0.17%以下にすることができる。
図13は、第1〜第8試料S01〜S08に関し、第2規格化格子不整合率LM3と刃状転位密度EDDとの関係を示している。図13から分かるように、刃状転位密度EDDを5×109/cm2以下に制御することで、発光層30の平均In組成比αが0.05以上の場合においても、第2規格化格子不整合率LM3を0.0022%以下にすることができる。
図14に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子120においては、第1半導体層10の一部の上に発光層30が設けられ、発光層30の上に第2半導体層20が設けられている。第1半導体層10の上に第1電極71が設けられ、第2半導体層20の上に第2電極72が設けられている。半導体発光素子120は、例えば、フリップチップ型の半導体発光素子である。
図15に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子121においては、結晶成長に用いられたシリコン基板50が、結晶成長の後に除去されている。そして、支持基板75が設けられている。支持基板75には、例えばシリコン基板が用いられる。支持基板75は導電性を有することができる。第1半導体層10の上に第1電極71が設けられ、第2半導体層20に接して第2電極72が設けられている。第2電極72と支持基板75との間に第1接合層73が設けられ、第1接合層73と支持基板75との間に第2接合層74が設けられている。半導体発光素子121は、例えばThin Film型の半導体発光素子である。
図16は、第2の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図16に表したように、本実施形態に係る半導体ウェーハ210は、シリコン基板50と、シリコン基板50の上に設けられたバッファ層60と、バッファ層60の上に設けられ第1導電形の第1半導体層10と、第1半導体層10の上に設けられ、440nm以上のピーク波長の光を放出する発光層30と、発光層30の上に設けられ第2導電形の第2半導体層20と、を含む。発光層30の平均In組成比は、例えば、0.05以上である。第1半導体層10には、引っ張り歪が印加されている。第1半導体層10における刃状転位密度EDDは、5×109/cm2以下である。第1半導体層10と発光層30との間の格子不整合率LM1は、0.11%以下である。
これにより、欠陥を抑制した高効率の半導体ウェーハが提供できる。
図17は、半導体発光素子の具体例を示している。図17に表したように、本実施形態に係る半導体ウェーハ211において、バッファ層60は、シリコン基板50と第1半導体層10との間に設けられAlNを含む第1下地層61と、第1下地層61と第1半導体層10との間に設けられAlx1Ga1−x1N(0≦x1≦1)を含む第2下地層62と、第2下地層62と第1半導体層10との間に設けられGaNを含む第3下地層63と、第3下地層63と第1半導体層10との間に設けられた第4下地層64と、含む。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (3)
- シリコン基板の上に形成された窒化物半導体を含むバッファ層の上に形成された第1導電形の窒化物半導体の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられ、440ナノメートル以上のピーク波長の光を放出し平均In組成比が、0.05以上である窒化物半導体の発光層と、
前記発光層の上に設けられ第2導電形の窒化物半導体の第2半導体層と、
を備え、
前記第1半導体層には、引っ張り歪が印加されており、
前記第1半導体層における刃状転位密度は、5×109/cm2以下であり、
前記第1半導体層と前記発光層との間の格子不整合率は、0.11パーセント以下であり、
前記シリコン基板が除去されている半導体発光素子。 - 前記バッファ層は、
前記シリコン基板と前記第1半導体層との間に設けられAlNを含む第1下地層と、
前記第1下地層と前記第1半導体層との間に設けられAlx1Ga1−x1N(0≦x1≦1)を含む第2下地層と、
前記第2下地層と前記第1半導体層との間に設けられGaNを含む第3下地層と、
前記第3下地層と前記第1半導体層との間に設けられ、交互に積層された、複数のAlN層と、複数のGaN層と、前記複数のGaN層のそれぞれと、前記それぞれのGaN層の前記シリコン基板側の前記AlN層と、の間に設けられたAlGaN層と、を含む第4下地層と、
を含み、
前記第4下地層と前記第1半導体層との間に設けられ前記第1半導体層よりも不純物濃度が低く窒化物半導体の低不純物濃度層をさらに備えた請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層はGaNからなり、前記第1半導体層のa軸方向の格子長は、0.31945nmよりも小さい請求項1または2に記載の半導体発光素子。
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