JP2013149938A - Iii族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発光素子100には、MQW層60の下に、n側超格子層50が形成されている。n側超格子層50は、サファイア基板10の側から、InGaN層、GaN層、n−GaN層の順番に積層したものを単位構造として、その単位構造を繰り返し積層したものである。そして、n側超格子層50におけるInGaN層におけるIn組成は、MQW層に近づくほど大きい。また、MQW層60に最も近いn側超格子層50のInGaN層59AのIn組成は、n側超格子層50に最も近いMQW層60のInGaN層61DのIn組成の70%以上100%以下の範囲内である。
【選択図】図2
Description
本実施例に係る半導体素子の製造方法により製造される発光素子100を図1により説明する。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る半導体素子である。図1に示すように、発光素子100は、サファイア基板10に、低温バッファ層20と、n型コンタクト層30と、n型ESD層40と、n側超格子層50と、発光源であるMQW層(多重量子井戸層)60と、p型クラッド層70と、p型コンタクト層80とがこの順序で形成されたものである。また、n型コンタクト層30には、n電極N1が形成されている。p型コンタクト層80には、p電極P1が形成されている。
2−1.n側超格子層の積層構造
ここで、本形態に係るn側超格子層50およびMQW層60の周辺の積層構造について、図2により説明する。n側超格子層50は、単位積層体51、52、…、59を有する歪緩和層である。図2に示すように、n側超格子層50は、単位積層体51、52、…、59を繰り返し積層したものである。その積層の繰り返し回数を、5回とした。なお、その繰り返し回数を、3回以上20回以下の範囲内で変えてもよい。
C層 n−GaN層 20Å
B層 GaN層 15Å
A層 InGaN層 7Å
という単位積層構造を繰り返し積層した積層構造となっている。そのため、MQW層60と接する層は、n−GaNから成る層である。そして、n型ESD層40と接する層は、InGaNから成る層である。
n側超格子層50は、前述のとおり、MQW層60にかかる応力を緩和するための超格子構造を有する層である。
ここで、n側超格子層50のうちのInGaN層59AのIn組成を、MQW層60のうちのInGaN層61DのIn組成の90%とした。また、InGaN層59AのIn組成は、MQW層60のうちのInGaN層61DのIn組成の70%以上100%以下の範囲内であればよい。InGaN層59AのIn組成は、MQW層60のうちのInGaN層61DのIn組成の80%以上100%以下の範囲内であるとなおよい。n側超格子層50のうち最もMQW層60に近いInGaN層59AのIn組成が、MQW層60のうちのInGaN層61DのIn組成とほとんど変わらない。つまり、MQW層60にかかる歪をより緩和することができる。ここで、InGaN層61DのIn組成と、InGaN層62DのIn組成とは、同じである。このように、MQW層60に含まれているすべてのInGaN層において、これらのInGaN層のIn組成は同じである。
InGaN層59AのIn組成は、InGaN層52AのIn組成よりも大きい。InGaN層52AのIn組成は、InGaN層51AのIn組成よりも大きい。このように、MQW層60の側から1層分、n型ESD層40の側に移るに従って、A層(InGaN層)のIn組成は小さくなっている。
本形態における半導体素子の製造方法では、有機金属気相成長法(MOCVD法)により、上記の各層の結晶をエピタキシャル成長させた。以下、図3および図4を用いて、各工程を説明する。
本形態では、サファイア基板10を用いた。そして、そのサファイア基板10をMOCVD炉に入れた。次に、水素ガス中でサファイア基板10のクリーニングを行い、サファイア基板100の表面に付着している付着物を除去した。そして、基板温度を400℃として、サファイア基板10の上に、AlNから成る低温バッファ層20を形成した。
次に、低温バッファ層20の上にn型コンタクト層30を形成した(図3(a)参照)。ここで、キャリアガスを水素ガスとし、アンモニアガスを流しながら、基板温度を1100℃まで上昇させた。そして、基板温度が1100℃になったところで、TMG、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを供給した。これにより、Si濃度が4.5×1018/cm3 のn−GaNからなるn型コンタクト層30が形成された。
次に、n型コンタクト層30の上にn型ESD層40を形成した。基板温度を900℃まで下げて、Siドープのn−GaNを形成した。このときの成長温度は800〜950℃であればよい。また、このn−GaNにおけるSi原子濃度(atom/cm3 )と膜厚(nm)との積で定義される特性値が0.9×1020〜3.6×1020(atom・nm/cm3 )の範囲内であるとよい。
次に、n型ESD層40の上にn側超格子層50を形成した。n側超格子層50として、厚さ20ÅのA層(InGaN層)と、厚さ15ÅのB層(GaN層)と、厚さ7ÅのC層(n−GaN層)とを、この形成順序で形成した。そして、このA層、B層、C層の順で5回繰り返して形成した。
続いて、n側超格子層50の上にMQW層60を形成した。MQW層60は、InGaN層(D層)とAlGaN層(E層)との繰り返し構造をしている。InGaN層を、成長温度750〜850℃の範囲内の温度で成長させた。そのために、TMI、TMG、アンモニアの原料ガスを供給した。
次に、MQW層60の上にp型クラッド層70を形成した。p型クラッド層70は、p−InGaN層と、p−AlGaN層との繰り返し構造とした。p−InGaN層を形成する際には、基板温度を855℃として、CP2 Mg、TMI、TMG、アンモニアを供給した。そして、p−In0.05Ga0.95N層を、厚さ1.7nmに形成した。
続いて、p型クラッド層70の上にp型コンタクト層80を形成した(図4参照)。p型コンタクト層80は、p−GaNである。キャリアガスとして、窒素と水素の混合気体を用いた。そして、原料ガスとして、CP2 Mg、TMG、アンモニアを用いた。ここで、結晶を成長させる温度は、900℃以上1050℃以下の範囲内であった。そして、Mgのドープ量は、1×1019/cm3 以上1×1022/cm3 以下であった。
次に、窒素ガス雰囲気中で、MOCVD炉を常温まで冷却した。図4に示した積層体90を窒素ガス雰囲気中で冷却することで、離脱させた水素が再び積層体90に取り込まれるのを防止するためである。
次に、p型コンタクト層80の表面側からドライエッチングを行って、n型コンタクト層30の途中まで達する溝を形成した。そして、p型コンタクト層80の上にp電極P1を形成した。p電極P1として、p型コンタクト層80の上に、Ni層、Au層、Al層をこの順番で形成した。また、露出させたn型コンタクト層30の上にn電極N1を形成した。n電極N1として、n型コンタクト層30の上に、Ni層、Au層をこの順番で形成した。
次に、窒素雰囲気中で積層体90に熱処理(アニール処理)を施した。ドーピングしたMgを活性化するためである。なお、このアニール処理工程については、電極形成工程の前に行ってもよい。また、冷却工程の前に行うこともできる。以上により、図1に示した発光素子100が製造された。
以上の製造工程により製造された発光素子100では、n側超格子層50の単位積層体に含まれているInGaN層のIn組成が、n型ESD層40からMQW層60にかけて徐々に大きくなっている。つまり、InGaN層(A層)の格子定数は、n型ESD層40からMQW層60にかけて徐々に大きくなっている。
4−1.n側超格子層のA層(InGaN層)
本実施例では、n側超格子層50のA層として、7ÅのInGaN層を形成した。そして、その範囲を5Å以上10Å以下とした。しかし、A層(InGaN層)の厚みを10Å以上50Å以下の範囲としてもよい。つまり、A層(InGaN層)の厚みは、5Å以上50Å以下の範囲内であればよい。
本実施例では、n側超格子層50のC層を、Siドープのn−GaN層であるとした。しかし、ノンドープのGaN層としてもよい。
本実施例では、n側超格子層50の下側から順番に、A層、B層、C層とした。しかし、C層、B層、A層、の順に積層してもよい。
n側超格子層にAlGaN層を形成することとしてもよい。その際に、GaN層もしくはn−GaN層の代わりに、AlGaN層を形成することとしてもよい。また、AlGaN層をさらに加わることとしてもよい。その場合には、単位積層体の層数を4層以上としてもよい。
本実施例では、n型ESD層40の上にn側超格子層50を形成することとした。つまり、n型ESD層40は、n側超格子層50の下に形成される下地層である。しかし、n側超格子層50の下地層は、もちろん、n型ESD層40に限らない。n型コンタクト層30やその他の層でもよい。ただし、III 族窒化物半導体から成る層である。また、n型ESD層形成工程は、n側超格子層50の下地層(n型ESD層40)を形成する下地層形成工程である。
以上、詳細に説明したように、本実施例に係る発光素子100では、n側超格子層50におけるInGaN層(A層)のIn組成を、MQW層60に近くなるほど、高くなるようにした。MQW層60に最も近いn側超格子層50のInGaN層59AのIn組成は、n側超格子層に最も近いMQW層60のInGaN層61DのIn組成の70%以上100%以下の範囲内にある。これにより、MQW層60にかかる応力の緩和を図った発光素子が実現されている。
実施例2における発光素子の構成は、実施例1とほぼ同様である。実施例1と異なる点は、n側超格子層の単位積層体である。また、発光素子の製造方法もほとんど同じである。したがって、その異なっているn側超格子層の単位積層体を中心に、以下に説明する。
2−1.n側超格子層の積層構造
実施例2の発光素子におけるn側超格子層の周辺を図5に示す。図5に示すように、実施例2の発光素子には、n側超格子層150が形成されている。n側超格子層150は、実施例1の場合と同様に、単位積層体151、152、…、159を繰り返し積層したものである。
t1 < t2 < t3
そして実施例1と同様に、n側超格子層150においてA層において、最もMQW層60に近いInGaN層159Aが、n側超格子層150におけるA層のうちで最もIn組成が高い。
本実施例では、n側超格子層150のC層を、Siドープのn−GaN層であるとした。しかし、ノンドープのGaN層としてもよい。本実施例では、n側超格子層150の下側から順番に、A層、B層、C層とした。しかし、C層、B層、A層、の順に積層してもよい。
以上、詳細に説明したように、本実施例に係る発光素子では、n側超格子層150におけるInGaN層(A層)のIn組成を、MQW層60に近くなるほど、高くなるようにした。MQW層60に最も近いn側超格子層150のInGaN層159AのIn組成は、n側超格子層に最も近いMQW層60のInGaN層61DのIn組成の70%以上100%以下の範囲内にある。さらに、n側超格子層150におけるInGaN層(A層)の厚みを、MQW層60に近くなるほど、厚くなるようにした。これにより、MQW層60にかかる応力の緩和を図った発光素子が実現されている。
本実施例では、n側超格子層50の形成方法に特徴がある。そのため、実施例1と異なる特徴点のみについて説明する。本実施例は、n側超格子層形成工程のみ、実施例1と異なる。
n型ESD層40の上にn側超格子層50を形成した。n側超格子層50として、厚さ20ÅのA層(InGaN層)と、厚さ15ÅのB層(GaN層)と、厚さ7ÅのC層(n−GaN層)とを、この形成順序で形成した。そして、このA層、B層、C層の順で5回繰り返して形成した。
2−1.温度プロファイル
本実施例では、n側超格子層50のInGaN層を形成する度に基板温度を5℃ずつ低い温度にした。もちろん、この温度差(TA1−TA2)を5℃以上としてもよい。
本実施例では、InGaN層形成する際に、発光層に近いInGaN層ほど低い基板温度でInGaN層を成長させることとした。しかし、基板温度を下げる代わりに、または、基板温度を下げるとともに、基板110に供給するInの流量を多くしてもよい。これにより、InGaN層におけるIn組成比を、発光層に近づくほど大きい値にすることができる。これにより、歪を緩和することができる。つまり、製造された半導体素子の発光効率は改善される。
20…低温バッファ層
30…n型コンタクト層
40…n型ESD層
50、150…n側超格子層
51A、52A、59A、151A、152A、159A…InGaN層
51B、52B、59B…GaN層
51C、52C、59C…n−GaN層
60…MQW層
61D、62D…InGaN層
61E、62E…AlGaN層
70…p型クラッド層
80…p型コンタクト層
90…積層体
100…発光素子
P1…p電極
N1…n電極
Claims (9)
- III 族窒化物半導体から成る下地層と、
前記下地層の上に形成された歪緩和層と、
前記歪緩和層の上に形成された発光層と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は、
障壁層とInを含む井戸層とを積層したものであり、
前記歪緩和層は、
少なくともInGaN層およびGaN層を含む積層を1単位とした単位積層体を3層以上繰り返し積層した超格子層から成り、
前記単位積層体のうち前記発光層に近い位置に位置している単位積層体ほど、
前記InGaN層のIn組成比が大きく、
前記単位積層体のうち前記発光層から最も近い位置に位置している単位積層体のInGaN層のIn組成比は、
前記発光層における前記井戸層のIn組成比の70%以上100%以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記単位積層体のInGaN層の厚みは、
前記発光層に近い位置に位置している層ほど大きいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記単位積層体のGaN層の厚みは、
すべての前記単位積層体で一定であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記単位積層体のうち前記発光層に接している層が、n−GaN層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記単位積層体のうち前記下地層に接している層が、InGaN層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記単位積層体は、AlGaN層を含むこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記下地層が、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - III 族窒化物半導体から成る下地層を形成する下地層形成工程と、
前記下地層の上に超格子層を形成する超格子層形成工程と、
前記超格子層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
少なくともInGaN層およびGaN層を含む積層を1単位とした単位積層体を3層以上繰り返し積層した超格子層を形成するとともに、
前記単位積層体におけるInGaN層を、前記発光層に近いものほど高いIn組成比で形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項8に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
前記単位積層体におけるInGaN層を形成する際の基板温度を、前記下地層から前記発光層にいくにしたがって低い温度とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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