JP2013258275A - Quantum well structure and nitride semiconductor element including quantum well structure - Google Patents

Quantum well structure and nitride semiconductor element including quantum well structure Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel quantum well structure composed of a nitride semiconductor; and provide a nitride semiconductor element including such quantum well structure; and provide a manufacturing method of such quantum well structure.SOLUTION: A quantum well structure includes a well layer of a structure having a corrugated part. Polarized luminescence can be emitted by the well layer having such corrugated part.

Description

本発明は、窒化物半導体で構成された量子井戸構造に関する。   The present invention relates to a quantum well structure composed of a nitride semiconductor.

窒化物半導体は、AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)、(Al,Ga,In)Nなどの一般式で表される化合物半導体であり、窒化物系III−V族化合物半導体、窒化ガリウム(GaN)系半導体などとも呼ばれる。 The nitride semiconductor is represented by a general formula such as Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), (Al, Ga, In) N. Compound semiconductors, also called nitride III-V compound semiconductors, gallium nitride (GaN) semiconductors, and the like.

窒化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有し、六方晶系に属する。窒化物半導体の結晶面のうち、C面(+C面、−C面を含む)は極性面であり、M面およびA面は非極性面である。C面、M面、A面のいずれにも該当しない結晶面は、半極性面と呼ばれている。   Nitride semiconductors have a wurtzite crystal structure and belong to the hexagonal system. Of the crystal planes of the nitride semiconductor, the C plane (including the + C plane and the −C plane) is a polar plane, and the M plane and the A plane are nonpolar planes. A crystal plane that does not correspond to any of the C, M, and A planes is called a semipolar plane.

窒化物半導体を用いて構成されたpn接合型の発光構造を有する発光素子である、窒化物半導体発光素子が公知である。
窒化物半導体発光素子は、通常、量子井戸構造を発光部に有している。窒化物半導体発光素子の製造工程においては、図1に示すように、下地となる窒化物半導体1の表面上に、複数の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて積層することによって、この量子井戸構造10が形成される。下地となる窒化物半導体1は、例えば、GaN基板のような窒化物半導体基板であり得るし、あるいは、GaN基板やサファイア基板のような基板上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層であり得る。この方法で形成される従来の量子井戸構造10は、平坦な井戸層と平坦な障壁層を備えている(非特許文献1の写真2、非特許文献2のFIG.5)。
このような従来技術の量子井戸構造は、図1に示すように、窒化物半導体を含む第一の障壁層3と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層5と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層4とを含む。
A nitride semiconductor light-emitting element, which is a light-emitting element having a pn junction type light-emitting structure formed using a nitride semiconductor, is known.
Nitride semiconductor light emitting devices usually have a quantum well structure in the light emitting portion. In the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device, as shown in FIG. 1, a plurality of nitride semiconductor layers are epitaxially grown and stacked on the surface of the nitride semiconductor 1 as a base, thereby forming the quantum well structure 10. Is formed. The underlying nitride semiconductor 1 may be, for example, a nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate, or may be a nitride semiconductor layer epitaxially grown on a substrate such as a GaN substrate or a sapphire substrate. A conventional quantum well structure 10 formed by this method includes a flat well layer and a flat barrier layer (Photo 2 of Non-Patent Document 1, FIG. 5 of Non-Patent Document 2).
As shown in FIG. 1, such a prior art quantum well structure includes a first barrier layer 3 including a nitride semiconductor and a second barrier including a nitride semiconductor and stacked on the first barrier layer. And a well layer 4 including a nitride semiconductor and sandwiched between the first barrier layer and the second barrier layer.

京野孝史ら、「世界初の新規GaN 基板上純緑色レーザ開発I」、SEIテクニカルレビュー、176号、88−92頁(2010)Takashi Kyono et al. “Development of the world's first pure green laser on a new GaN substrate I”, SEI Technical Review No. 176, pp. 88-92 (2010) F. Wu, et.al, “Misfit dislocation formation at heterointerfaces in (Al,In)GaN heteroepitaxial layers grown on semipolar free-standing GaN substrates”, Journal of Applied Physics, 109 (2011) 033505F. Wu, et.al, “Misfit dislocation formation at heterointerfaces in (Al, In) GaN heteroepitaxial layers grown on semipolar free-standing GaN substrates”, Journal of Applied Physics, 109 (2011) 033505

本発明は、窒化物半導体で構成された新規な量子井戸構造を提供すること、及び、かかる量子井戸構造を含む窒化物半導体素子を提供すること、並びに、かかる量子井戸構造の製造方法を提供すること、を課題とする。   The present invention provides a novel quantum well structure composed of a nitride semiconductor, provides a nitride semiconductor device including such a quantum well structure, and provides a method for manufacturing such a quantum well structure. This is an issue.

本発明の第一の要旨は以下のとおりである。
(a1)窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、
前記井戸層が、当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、
前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得ることを特徴とする量子井戸構造。
(a2)前記井戸層が、Inを含む窒化物半導体を含む、前記(a1)の量子井戸構造。(a3)前記波打ち部分において、In組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、前記(a2)の量子井戸構造。
(a4)前記波打ち部分は、In組成が極大となる領域をボトムに有する、前記(a2)または(a3)の量子井戸構造。
(a5)前記井戸層がInGaN層である、前記(a2)〜(a4)のいずれかの量子井戸構造。
(a6)前記波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の2倍以上の振幅で波打っている部分を含む、前記(a1)〜(a5)のいずれかの量子井戸構造。
(a7)前記波打ち部分が、高低差3nm以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、前記(a1)〜(a6)のいずれかの量子井戸構造。
(a8)前記波打ち部分が、1つのボトムを挟んで30nm以下の間隔で隣り合う2つのトップを有する部分を含む、前記(a1)〜(a7)のいずれかの量子井戸構造。
(a9)前記量子井戸構造が、第一の窒化物半導体の半極性面の上にエピタキシャル成長したものである、前記(a1)〜(a8)のいずれかの量子井戸構造。
(a10)前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のa軸に平行である、前記(a9)の量子井戸構造。
(a11)前記半極性面が(20−2−1)面である、前記(a10)の量子井戸構造。(a12)前記第一の方向が前記第一の窒化物半導体のa軸と直交している、前記(a10)または(a11)の量子井戸構造。
(a13)前記(a1)〜(a12)のいずれかの量子井戸構造が、p型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層との間に配置された、窒化物半導体素子。
(a14)発光素子である、前記(a13)の窒化物半導体素子。
The first gist of the present invention is as follows.
(A1) a first barrier layer including a nitride semiconductor, a second barrier layer including the nitride semiconductor and stacked on the first barrier layer, the first barrier layer including a nitride semiconductor, and the A quantum well structure including a well layer sandwiched between the second barrier layer,
The well layer includes a undulating portion that undulates along the first direction with an amplitude greater than the thickness of the well layer;
A quantum well structure capable of emitting polarized luminescence having a polarization axis perpendicular to the first direction.
(A2) The quantum well structure according to (a1), wherein the well layer includes a nitride semiconductor containing In. (A3) The quantum well structure according to (a2), wherein a region where the In composition is maximum extends one-dimensionally along a direction orthogonal to the first direction in the wavy portion.
(A4) The quantum well structure according to (a2) or (a3), wherein the waved portion has a region where the In composition is maximized at the bottom.
(A5) The quantum well structure according to any one of (a2) to (a4), wherein the well layer is an InGaN layer.
(A6) The quantum well structure according to any one of (a1) to (a5), wherein the waved portion includes a waved portion with an amplitude twice or more the film thickness of the well layer.
(A7) The quantum well structure according to any one of (a1) to (a6), wherein the waved portion includes a portion having a top and a bottom that are adjacent to each other with a height difference of 3 nm or more.
(A8) The quantum well structure according to any one of (a1) to (a7), wherein the waved portion includes a portion having two tops adjacent to each other with an interval of 30 nm or less across one bottom.
(A9) The quantum well structure according to any one of (a1) to (a8), wherein the quantum well structure is epitaxially grown on a semipolar plane of a first nitride semiconductor.
(A10) The quantum well structure according to (a9), wherein the semipolar plane is parallel to the a-axis of the first nitride semiconductor.
(A11) The quantum well structure according to (a10), wherein the semipolar plane is a (20-2-1) plane. (A12) The quantum well structure according to (a10) or (a11), wherein the first direction is orthogonal to the a-axis of the first nitride semiconductor.
(A13) A nitride semiconductor device in which the quantum well structure of any one of (a1) to (a12) is disposed between a p-type nitride semiconductor layer and an n-type nitride semiconductor layer.
(A14) The nitride semiconductor device according to (a13), which is a light-emitting device.

また、本発明の第二の要旨は以下のとおりである。
(b1)窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、該井戸層が当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得る量子井戸構造を製造する方法であって、
半極性面を有する第一の窒化物半導体を準備する工程、及び
該半極性面の上に前記第一の障壁層を成長させる工程、を含むことを特徴とする、量子井戸構造の製造方法。
(b2)前記井戸層が、Inを含む窒化物半導体を含む、前記(b1)の製造方法。
(b3)前記波打ち部分においては、In組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、前記(b2)の製造方法。
(b4)前記波打ち部分は、In組成が極大となる領域をボトムに有する、前記(b2)または(b3)の製造方法。
(b5)前記井戸層がInGaN層である、前記(b2)〜(b4)のいずれかの製造方法。
(b6)前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のa軸に平行である、前記(b1)〜(b5)のいずれかの製造方法。
(b7)前記半極性面が(20−2−1)面である、前記(b6)の製造方法。
(b8)前記半極性面の上に、窒化物半導体を含むベース層を、当該ベース層の表面に前記第一の方向に沿って波打っているベース層波打ち面が形成されるように成長させる第1成長工程と、
前記ベース層と前記井戸層との間に配置する第二の窒化物半導体を、第1成長工程によ
り形成されたベース層波打ち面を平坦に埋め込まないようにして成長させる第2成長工程と、
を含む前記(b1)〜(b7)のいずれかの製造方法。
(b9)前記第1成長工程において、前記ベース層の成長温度を900℃以上とする、前記(b8)の製造方法。
(b10)前記第1成長工程において、前記ベース層の少なくとも一部をケイ素でドープする、前記(b8)または(b9)の製造方法。
(b11)前記第1成長工程において、前記ベース層の厚さを2μm以上とする、前記(b8)〜(b10)のいずれかの製造方法。
(b12)前記第2成長工程において、前記第二の窒化物半導体を成長温度800℃以上で成長させる、前記(b8)〜(b11)のいずれかの製造方法。
(b13)前記第2成長工程において、前記第二の窒化物半導体の少なくとも一部をケイ素でドープする、前記(b8)〜(b12)のいずれかの製造方法。
(b14)前記第2成長工程において、前記第二の窒化物半導体の厚さを80nm以下とする、前記(b8)〜(b13)のいずれかの製造方法。
(b15)前記井戸層の波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の2倍以上の振幅で波打っている部分を含む、前記(b1)〜(b14)のいずれか製造方法。
(b16)前記井戸層の波打ち部分が、高低差3nm以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、前記(b1)〜(b15)のいずれかの製造方法。
(b17)前記井戸層の波打ち部分が、1つのボトムを挟んで30nm以下の間隔で隣り合う2つのトップを有する部分を含む、前記(b1)〜(b16)のいずれかの製造方法。
(b18)前記量子井戸構造がp型窒化物半導体とn型窒化物半導体との間に配置されている、前記(b1)〜(b17)のいずれかの製造方法。
(b19)前記第一の窒化物半導体が、窒化物半導体からなる基板、窒化物半導体からなるエピタキシャル成長層、または、バルク単結晶から切り出された薄い窒化物半導体層のいずれかである、前記(b1)〜(b18)のいずれかの製造方法。
The second gist of the present invention is as follows.
(B1) a first barrier layer including a nitride semiconductor, a second barrier layer including the nitride semiconductor and stacked on the first barrier layer, the first barrier layer including a nitride semiconductor, and the A quantum well structure including a well layer sandwiched between the second barrier layer, the well layer undulating along the first direction with an amplitude larger than the thickness of the well layer A method of manufacturing a quantum well structure that includes a wavy portion and is capable of emitting polarized luminescence having a polarization axis orthogonal to the first direction,
A method of manufacturing a quantum well structure, comprising: preparing a first nitride semiconductor having a semipolar plane; and growing the first barrier layer on the semipolar plane.
(B2) The manufacturing method according to (b1), wherein the well layer includes a nitride semiconductor containing In.
(B3) The manufacturing method according to (b2), wherein a region where the In composition is maximum extends one-dimensionally along a direction orthogonal to the first direction in the wavy portion.
(B4) The method according to (b2) or (b3), wherein the wavy portion has a region where the In composition is maximized at the bottom.
(B5) The method according to any one of (b2) to (b4), wherein the well layer is an InGaN layer.
(B6) The method according to any one of (b1) to (b5), wherein the semipolar plane is parallel to the a-axis of the first nitride semiconductor.
(B7) The production method of (b6), wherein the semipolar plane is a (20-2-1) plane.
(B8) A base layer including a nitride semiconductor is grown on the semipolar surface so that a base layer corrugated surface that undulates along the first direction is formed on the surface of the base layer. A first growth step;
A second growth step of growing a second nitride semiconductor disposed between the base layer and the well layer without flatly embedding the base layer corrugated surface formed by the first growth step;
The manufacturing method in any one of said (b1)-(b7) containing.
(B9) The manufacturing method according to (b8), wherein, in the first growth step, the growth temperature of the base layer is set to 900 ° C. or higher.
(B10) The method according to (b8) or (b9), wherein in the first growth step, at least a part of the base layer is doped with silicon.
(B11) The method according to any one of (b8) to (b10), wherein, in the first growth step, the thickness of the base layer is set to 2 μm or more.
(B12) The method according to any one of (b8) to (b11), wherein, in the second growth step, the second nitride semiconductor is grown at a growth temperature of 800 ° C. or higher.
(B13) The method according to any one of (b8) to (b12), wherein in the second growth step, at least a part of the second nitride semiconductor is doped with silicon.
(B14) The method according to any one of (b8) to (b13), wherein, in the second growth step, the thickness of the second nitride semiconductor is 80 nm or less.
(B15) The manufacturing method according to any one of (b1) to (b14), wherein the waved portion of the well layer includes a waved portion having an amplitude twice or more the film thickness of the well layer.
(B16) The manufacturing method according to any one of (b1) to (b15), wherein the waved portion of the well layer includes a portion having a top and a bottom adjacent to each other with a height difference of 3 nm or more.
(B17) The manufacturing method according to any one of (b1) to (b16), wherein the corrugated portion of the well layer includes a portion having two tops adjacent to each other with an interval of 30 nm or less across one bottom.
(B18) The method according to any one of (b1) to (b17), wherein the quantum well structure is disposed between a p-type nitride semiconductor and an n-type nitride semiconductor.
(B19) The first nitride semiconductor is either a substrate made of a nitride semiconductor, an epitaxially grown layer made of a nitride semiconductor, or a thin nitride semiconductor layer cut from a bulk single crystal (b1) ) To (b18).

本発明の第一、及び第二の要旨に表わされる量子井戸構造は、偏光したルミネッセンスを発生させることができるので、低損失の偏光光源素子用の発光構造として使用することができる。
また、本発明の第一、及び第二の要旨に表わされる量子井戸構造では、発光する領域が量子細線を構成する。量子細線ではキャリア閉じ込めが強くなる(一次元の閉じ込めとなる)ので、状態密度関数がδ関数に近くなり、たとえば半導体レーザに適用した場合、発振閾密度を低減させることができる。すなわち、低いキャリア注入密度でレーザ発振に必要な反転分布が達成される。よって、発光部にこの量子井戸構造を採用したレーザ光源は低電圧駆動できるものとなると考えられる。
Since the quantum well structure represented by the first and second aspects of the present invention can generate polarized luminescence, it can be used as a light-emitting structure for a low-loss polarized light source element.
In the quantum well structure represented by the first and second aspects of the present invention, the light emitting region constitutes a quantum wire. In the quantum wire, carrier confinement becomes strong (becomes one-dimensional confinement), so that the state density function is close to a δ function. For example, when applied to a semiconductor laser, the oscillation threshold density can be reduced. That is, the inversion distribution necessary for laser oscillation is achieved with a low carrier injection density. Therefore, it is considered that a laser light source employing this quantum well structure in the light emitting part can be driven at a low voltage.

従来技術の量子井戸構造を含む半導体積層体の層構成を示す斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram which shows the layer structure of the semiconductor laminated body containing the quantum well structure of a prior art. 本発明の量子井戸構造を含む半導体積層体の層構成を示す斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram which shows the layer structure of the semiconductor laminated body containing the quantum well structure of this invention. 図2における波打ち形状を拡大した模式図である。It is the schematic diagram which expanded the wave shape in FIG. 本発明の量子井戸構造が形成される様子を経時的に表した模式図である。It is the schematic diagram which represented a mode that the quantum well structure of this invention was formed over time. 実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of an experiment example (drawing substitute photograph). 実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of an experiment example (drawing substitute photograph). 実験例の半導体積層体のTEM観察に用いたサンプルの斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of the sample used for TEM observation of the semiconductor laminated body of an experiment example. 実験例の半導体積層体のTEM観察に用いたサンプルの正面模式図である。It is the front schematic diagram of the sample used for TEM observation of the semiconductor laminated body of an experiment example. 実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of an experiment example (drawing substitute photograph). 偏光フォトルミネッセンス測定系を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows a polarization photoluminescence measuring system. 偏光フォトルミネッセンス測定結果を示すグラフであり、図11(a)は実験例の結果を、図11(b)は比較実験例の結果を、それぞれ示している。It is a graph which shows a polarization photoluminescence measurement result, Fig.11 (a) has shown the result of the experimental example, FIG.11 (b) has shown the result of the comparative experimental example, respectively. 比較実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of the comparative experiment example (drawing substitute photograph). 比較実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of the comparative experiment example (drawing substitute photograph). 比較実験例の半導体積層体の断面TEM像である(図面代用写真)。It is a cross-sectional TEM image of the semiconductor laminated body of the comparative experiment example (drawing substitute photograph).

以下、量子井戸構造および量子井戸構造の製造方法を実施形態に即して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, although the quantum well structure and the manufacturing method of the quantum well structure will be described in detail according to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.

図2は、本発明の実施形態に係る量子井戸構造を備えた半導体積層体を示す図である。半導体積層体100は、基板1上にn型半導体層2、p型半導体層6を有し、n型半導体層2とp型半導体層6の間には、発光層10が形成されている。発光層10は、第一の障壁層3および第二の障壁層5の間に井戸層4を含む構造を有する。n型半導体層2、第一の障壁層3、井戸層4、第二の障壁層5およびp型半導体層6は、いずれも窒化物半導体層である。特に井戸層4は、Inを含む窒化物半導体層である。井戸層4は、図中一点鎖線7で示すように、矢印8で示す方向に沿って波打っている。   FIG. 2 is a diagram showing a semiconductor stacked body having a quantum well structure according to an embodiment of the present invention. The semiconductor stacked body 100 has an n-type semiconductor layer 2 and a p-type semiconductor layer 6 on a substrate 1, and a light emitting layer 10 is formed between the n-type semiconductor layer 2 and the p-type semiconductor layer 6. The light emitting layer 10 has a structure including the well layer 4 between the first barrier layer 3 and the second barrier layer 5. The n-type semiconductor layer 2, the first barrier layer 3, the well layer 4, the second barrier layer 5, and the p-type semiconductor layer 6 are all nitride semiconductor layers. In particular, the well layer 4 is a nitride semiconductor layer containing In. The well layer 4 undulates along the direction indicated by the arrow 8 as indicated by the alternate long and short dash line 7 in the figure.

井戸層は通常、1nm以上10nm以下の膜厚を有している。井戸層4の波打ちの振幅は、井戸層4の膜厚よりも大きい。
波打ちに起因して、井戸層4が放射するルミネッセンスは矢印9に平行な方向(矢印8に直交する方向である)に偏光したものとなる。その詳細な理由は明らかではないが、In組成が極大となる領域が矢印9に平行な方向に沿って一次元的に延びる構造が形成されることが関係していると推定される。
放射するルミネッセンスの偏光度が十分なものとなるよう、井戸層4は、それ自体の膜厚の2倍以上の振幅で波打っている部分を含むことが好ましく、3倍以上の振幅で波打っている部分を含むことがより好ましい。
井戸層4は、高低差3nm以上で隣り合うトップおよびボトムを有し得る。また、1つのボトムを挟んで30nm以下の間隔で隣り合う2つのトップを有し得る。これらについて、図3を用いて説明する。
The well layer usually has a thickness of 1 nm to 10 nm. The amplitude of the corrugation of the well layer 4 is larger than the film thickness of the well layer 4.
Due to the undulation, the luminescence emitted from the well layer 4 is polarized in a direction parallel to the arrow 9 (a direction perpendicular to the arrow 8). Although the detailed reason is not clear, it is presumed that the region in which the In composition is maximized is related to the formation of a structure extending one-dimensionally along the direction parallel to the arrow 9.
The well layer 4 preferably includes a portion that undulates with an amplitude twice or more of its own thickness so that the degree of polarization of emitted luminescence is sufficient. It is more preferable to include the part which is.
The well layer 4 may have a top and a bottom adjacent to each other with a height difference of 3 nm or more. Moreover, it may have two tops adjacent to each other with an interval of 30 nm or less across one bottom. These will be described with reference to FIG.

図3は、図2におけるn型半導体層2、第一の障壁層3、井戸層4および第二の障壁層5を拡大した模式図である。井戸層4の振幅とは、井戸層4の波打ち1周期における最大変位の量を意味し、矢印46で表わされる。また、井戸層4の膜厚は矢印45で表わされる。井戸層4のトップ及びボトムはそれぞれ41及び42で表わされる。また、井戸層4の1つのボトムを挟んで隣り合うトップの間隔とは、隣り合うトップ間の距離を意味し、矢印44で表わされる。   FIG. 3 is an enlarged schematic diagram of the n-type semiconductor layer 2, the first barrier layer 3, the well layer 4, and the second barrier layer 5 in FIG. The amplitude of the well layer 4 means the maximum displacement amount in one cycle of the waviness of the well layer 4 and is represented by an arrow 46. The film thickness of the well layer 4 is represented by an arrow 45. The top and bottom of the well layer 4 are represented by 41 and 42, respectively. Further, the interval between the tops adjacent to each other with one bottom of the well layer 4 means the distance between the adjacent tops, and is represented by an arrow 44.

基板1は、好ましくは窒化物半導体基板であり、中でもGaN基板である。基板1は、あるいは、窒化物半導体基板とは異なる基板(例えば、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、LGO、NGO、LAO、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどからなる結晶基板)の表面に、窒化物半導体のエピタキシャル成長層が設けられたものであってもよい。更に、基板1は、バルク単結晶から切り出された薄い窒化物半導体層がシリコン基板などの表面に貼り合せられたものであってもよい。いずれの基板の場合も、半導体積層体100のエピタキシャル成長に用いる主面が、窒化物半導体の(20−2−1)面であることが好ましい。   The substrate 1 is preferably a nitride semiconductor substrate, especially a GaN substrate. The substrate 1 or a substrate different from the nitride semiconductor substrate (for example, sapphire, spinel, silicon carbide, silicon, gallium arsenide, gallium phosphide, gallium oxide, zinc oxide, LGO, NGO, LAO, zirconium boride, A nitride semiconductor epitaxial growth layer may be provided on the surface of a crystal substrate made of titanium boride or the like. Further, the substrate 1 may be one in which a thin nitride semiconductor layer cut out from a bulk single crystal is bonded to the surface of a silicon substrate or the like. In any of the substrates, the main surface used for epitaxial growth of the semiconductor stacked body 100 is preferably a (20-2-1) plane of a nitride semiconductor.

n型半導体層2は、例えば、SiドープGaN層である。あるいは、n型半導体層2は多層膜構造を有していてもよく、例えば、基板1と接する部分と第一の障壁層3と接する部分にそれぞれアンドープ層を含み、この2つのアンドープ層の間にSiドープ層が挟まれた三層構造とすることができる。
図2の例では、発光層10が2つの障壁層(第一の障壁層3、第二の障壁層5)とひと
つの量子井戸層4を備える単一量子井戸層であるが、2以上の量子井戸層を含む多重量子井戸層とすることもできる。
p型半導体層6は、例えば、MgドープAlGaN層と、その上に積層したMgドープGaN層とを含む多層膜である。
The n-type semiconductor layer 2 is, for example, a Si-doped GaN layer. Alternatively, the n-type semiconductor layer 2 may have a multilayer film structure. For example, the n-type semiconductor layer 2 includes an undoped layer in a portion in contact with the substrate 1 and a portion in contact with the first barrier layer 3, and between the two undoped layers. A three-layer structure in which a Si-doped layer is sandwiched between two layers can be obtained.
In the example of FIG. 2, the light-emitting layer 10 is a single quantum well layer including two barrier layers (first barrier layer 3 and second barrier layer 5) and one quantum well layer 4. It can also be set as the multiple quantum well layer containing a quantum well layer.
The p-type semiconductor layer 6 is a multilayer film including, for example, an Mg-doped AlGaN layer and an Mg-doped GaN layer stacked thereon.

このような半導体積層体は、電極を形成することで、窒化物半導体素子として適用することが可能となり、発光素子として適用することも可能である。   Such a semiconductor stacked body can be applied as a nitride semiconductor element by forming an electrode, and can also be applied as a light emitting element.

次に、図2に示す半導体積層体100の製造方法について説明する。
図4は、半導体積層体100が形成される様子を経時的に示した模式図である。
最初に、図4(a)に示すように、半導体積層体100をエピタキシャル成長させるべき主面がGaNの(20−2−1)面である基板1を準備する。基板1は、典型的には、半極性(20−2−1)GaN基板である。
Next, the manufacturing method of the semiconductor laminated body 100 shown in FIG. 2 is demonstrated.
FIG. 4 is a schematic view showing how the semiconductor stacked body 100 is formed over time.
First, as shown in FIG. 4A, a substrate 1 whose main surface on which a semiconductor stacked body 100 is to be epitaxially grown is a (20-2-1) plane of GaN is prepared. The substrate 1 is typically a semipolar (20-2-1) GaN substrate.

続いて、図4(b)に示すように、表面が波打ったn型半導体層2を基板1上に成長させる。表面が波打ち面となるようにするための好ましい条件としては、V/III比(基板上に供給するV族原料とIII族原料のモル比)を低くすること、基板温度を高くすること、成長速度を高くすること、キャリアガスを窒素ガスとすること、などが挙げられる。Siドーピングは、少なくともn型半導体層2の表面が波打つことを阻害するものではない。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, the n-type semiconductor layer 2 having a wavy surface is grown on the substrate 1. Preferred conditions for the surface to be a wavy surface include lowering the V / III ratio (molar ratio of the V group raw material and the III group raw material supplied onto the substrate), increasing the substrate temperature, and growth. Increasing the speed, changing the carrier gas to nitrogen gas, and the like can be mentioned. Si doping does not inhibit at least the surface of the n-type semiconductor layer 2 from undulating.

より具体的には、n型半導体層2の成長温度は900℃以上、好ましくは950℃以上、より好ましくは1020℃以上とする。この層の成長温度の上限は通常1150℃である。
表面が十分な振幅を持った波打ち面となるように、n型窒化物半導体層2の膜厚は好ましくは2μm以上、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは4μm以上とする。n型窒化物半導体層2の膜厚が小さ過ぎる場合には、その表面の波打ちの振幅が不十分となる。n型窒化物半導体層2の膜厚に特に上限はないが、通常は20μm以下とする。
More specifically, the growth temperature of the n-type semiconductor layer 2 is 900 ° C. or higher, preferably 950 ° C. or higher, more preferably 1020 ° C. or higher. The upper limit of the growth temperature of this layer is usually 1150 ° C.
The film thickness of the n-type nitride semiconductor layer 2 is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, and even more preferably 4 μm or more so that the surface has a corrugated surface with sufficient amplitude. When the film thickness of the n-type nitride semiconductor layer 2 is too small, the amplitude of the corrugation on the surface becomes insufficient. There is no particular upper limit to the film thickness of n-type nitride semiconductor layer 2, but it is usually 20 μm or less.

続いて、図4(c)に示すように、n型半導体層2上に第一の障壁層3を積層する。この工程で重要なことは、n型窒化物半導体層2の表面の波打ちが第一の障壁層3の表面に引き継がれるようにすること、換言すれば、第一の障壁層3の表面が、n型窒化物半導体層2の表面形状を反映した波打ち面となるようにすることである。
そのために、第一の障壁層3は膜厚を大きくし過ぎないことが望ましい。具体的には、第一の障壁層3の膜厚は好ましくは80nm以下とし、より好ましくは50nm以下、更に好ましくは20nm以下である。下限は特に限定されないが、例えば、4nm以上である。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, the first barrier layer 3 is stacked on the n-type semiconductor layer 2. What is important in this step is that the surface of the n-type nitride semiconductor layer 2 is handed over to the surface of the first barrier layer 3, in other words, the surface of the first barrier layer 3 is In other words, the undulating surface reflects the surface shape of the n-type nitride semiconductor layer 2.
Therefore, it is desirable that the first barrier layer 3 is not too thick. Specifically, the film thickness of the first barrier layer 3 is preferably 80 nm or less, more preferably 50 nm or less, and still more preferably 20 nm or less. Although a minimum is not specifically limited, For example, it is 4 nm or more.

第一の障壁層3の成長温度を、n型窒化物半導体層2の成長温度よりも低くする場合には、第一の障壁層3を厚くし過ぎないことが特に重要となる。成長温度を低くすると、層の表面が平坦となる傾向が生じるからである。
第一の障壁層3の下に成長させるn型窒化物半導体層2の成長温度と、上に成長させる井戸層4の成長温度(後述する)との差が大きいことから、第一の障壁層3の成長温度は、これらの温度の中間とするか、あるいは井戸層4の成長温度と同じとすることが好ましい。それによって、熱的な作用により井戸層4が受ける歪が緩和されると考えられるからである。
具体的には、第一の障壁層3の成長温度は通常700℃〜880℃、好ましくは740℃〜860℃、更に好ましくは780℃〜840℃である。第一の障壁層3はSiでドープしてもよい。
When the growth temperature of the first barrier layer 3 is lower than the growth temperature of the n-type nitride semiconductor layer 2, it is particularly important that the first barrier layer 3 is not too thick. This is because if the growth temperature is lowered, the surface of the layer tends to be flat.
Since the difference between the growth temperature of the n-type nitride semiconductor layer 2 grown under the first barrier layer 3 and the growth temperature (described later) of the well layer 4 grown thereon is large, the first barrier layer The growth temperature of 3 is preferably set to the middle of these temperatures or the same as the growth temperature of the well layer 4. This is because the strain that the well layer 4 receives due to the thermal action is considered to be relaxed.
Specifically, the growth temperature of the first barrier layer 3 is usually 700 ° C. to 880 ° C., preferably 740 ° C. to 860 ° C., more preferably 780 ° C. to 840 ° C. The first barrier layer 3 may be doped with Si.

続いて、図4(d)に示すように、第一の障壁層3の表面上に井戸層4をコンフォーマルに成長させると、第一の障壁層3の表面が波打っているために、井戸層4も波打った形状に形成される。井戸層4をこのように成長させるためには、井戸層4の成長条件を第一の障壁層3の成長条件に近付ける、あるいは、同じとすればよい。   Subsequently, as shown in FIG. 4D, when the well layer 4 is grown conformally on the surface of the first barrier layer 3, the surface of the first barrier layer 3 is undulated. The well layer 4 is also formed in a wavy shape. In order to grow the well layer 4 in this way, the growth conditions of the well layer 4 may be brought close to or the same as the growth conditions of the first barrier layer 3.

続いて、図4(e)に示すように、井戸層4上に第二の障壁層5を成長させる。図4(e)の例では、第二の障壁層5を、表面が平坦化するように成長させている。
表面が平坦面となるようにするための好ましい条件としては、V/III比を高くすること、基板温度を低くすること、成長速度を低くすること、キャリアガスを水素ガスとすること、などが挙げられる。Mgドーピングは、少なくとも第二の障壁層5の表面が平坦化することを阻害するものではない。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, a second barrier layer 5 is grown on the well layer 4. In the example of FIG. 4E, the second barrier layer 5 is grown so that the surface is flattened.
Preferred conditions for making the surface flat are that the V / III ratio is high, the substrate temperature is low, the growth rate is low, the carrier gas is hydrogen gas, etc. Can be mentioned. Mg doping does not inhibit at least the surface of the second barrier layer 5 from being flattened.

最後に、図4(f)に示すように、第二の障壁層5上にp型半導体層6を成長させて半導体積層体100を完成させる。
発光素子を構成する方法については公知技術を適宜参照することができる。例えば、n電極は、基板1の裏面か、あるいは、エッチングにより露出させたn型半導体層2の表面に形成することができる。p電極はp型層6の表面に形成することができる。
この例では第二の障壁層5の表面を平坦化させているが、必須ではない。表面が平坦化しない条件で成長させることによって、第二の障壁層5の表面を波打ち面としてもよいし、更には、p型半導体層6の表面を波打ち面としてもよい。
Finally, as shown in FIG. 4F, the p-type semiconductor layer 6 is grown on the second barrier layer 5 to complete the semiconductor stacked body 100.
Known methods can be referred to as appropriate for the method for forming the light-emitting element. For example, the n-electrode can be formed on the back surface of the substrate 1 or on the surface of the n-type semiconductor layer 2 exposed by etching. The p electrode can be formed on the surface of the p-type layer 6.
In this example, the surface of the second barrier layer 5 is flattened, but this is not essential. By growing under the condition that the surface is not flattened, the surface of the second barrier layer 5 may be a corrugated surface, and the surface of the p-type semiconductor layer 6 may be a corrugated surface.

以下には、本発明者等が行った実験の結果を記す。
<実験例>
1.半導体積層体の形成
半極性(20−2−1)GaN基板を準備し、その(20−2−1)面上に通常のMOVPE法を用いて以下の層を順にエピタキシャル成長させ、半導体積層体を製造した。使用した原料は、III族原料がTMG(トリメチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)およびTMA(トリメチルアルミニウム)、V族原料はアンモニアである。
1)アンドープGaN層(組成 GaN、厚さ10nm)
(成長条件)基板温度:1040℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:0.8μm/h、アンドープ、V/III比:3300
2)GaN:Si層(組成GaN、厚さ 2000nm)
(成長条件)基板温度:1040℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:1.3μm/h、Siドープ、V/III比:2200
3)アンドープGaN層(組成 GaN、厚さ120nm)
(成長条件)基板温度:840℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:0.14μm/h、アンドープ、V/III比:28000、TMI/TMGモル供給比:0.83
4)InGaN障壁層(組成InGaN、厚さ18nm)
(成長条件)基板温度:840℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:0.14μm/h、アンドープ、V/III比:28000、TMI/TMGモル供給比:3.3
5)InGaN井戸層(組成InGaN、厚さ(平均)3nm)
(成長条件)基板温度:800℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:0.14μm/h、アンドープ、V/III比:28000、TMI/TMGモル供給比:0.83
6)InGaN障壁層(組成InGaN、厚さ18nm)
(成長条件)基板温度:840℃、キャリアガス:窒素ガス、成長速度:0.14μm/h、アンドープ、V/III比:28000
7)AlGaN:Mg層(組成Al0.10Ga0.90N 、厚さ160nm)
(成長条件)基板温度:1030℃、キャリアガス:水素ガス、成長速度:1.2μm/h、Mgドープ、V/III比:4800
8)AlGaN:Mg層(組成Al0.03Ga0.97N 、厚さ40nm)
(成長条件)基板温度:1070℃、キャリアガス:水素ガス、成長速度:0.4μm/h、Mgドープ、V/III比:5000
The results of experiments conducted by the present inventors will be described below.
<Experimental example>
1. Formation of Semiconductor Laminate A semipolar (20-2-1) GaN substrate is prepared, and the following layers are epitaxially grown in order on the (20-2-1) plane by using a normal MOVPE method. Manufactured. The raw materials used are group III materials TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium) and TMA (trimethylaluminum), and group V materials ammonia.
1) Undoped GaN layer (composition GaN, thickness 10 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 1040 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 0.8 μm / h, undoped, V / III ratio: 3300
2) GaN: Si layer (composition GaN, thickness 2000 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 1040 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 1.3 μm / h, Si dope, V / III ratio: 2200
3) Undoped GaN layer (composition GaN, thickness 120 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 840 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 0.14 μm / h, undoped, V / III ratio: 28000, TMI / TMG molar supply ratio: 0.83
4) InGaN barrier layer (composition InGaN, thickness 18 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 840 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 0.14 μm / h, undoped, V / III ratio: 28000, TMI / TMG molar supply ratio: 3.3
5) InGaN well layer (composition InGaN, thickness (average) 3 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 800 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 0.14 μm / h, undoped, V / III ratio: 28000, TMI / TMG molar supply ratio: 0.83
6) InGaN barrier layer (composition InGaN, thickness 18 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 840 ° C., carrier gas: nitrogen gas, growth rate: 0.14 μm / h, undoped, V / III ratio: 28000
7) AlGaN: Mg layer (composition Al 0.10 Ga 0.90 N, thickness 160 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 1030 ° C., carrier gas: hydrogen gas, growth rate: 1.2 μm / h, Mg dope, V / III ratio: 4800
8) AlGaN: Mg layer (composition Al 0.03 Ga 0.97 N, thickness 40 nm)
(Growth conditions) Substrate temperature: 1070 ° C., carrier gas: hydrogen gas, growth rate: 0.4 μm / h, Mg dope, V / III ratio: 5000

上記において、5)InGaN井戸層および6)InGaN障壁層の成長は3回繰り返した。それによって、3層の井戸層を含む多重量子井戸構造の発光層を形成した。   In the above, growth of 5) InGaN well layer and 6) InGaN barrier layer was repeated three times. Thereby, a light emitting layer having a multiple quantum well structure including three well layers was formed.

2.TEM観察
上記1.で得た本実験例の半導体積層体の断面TEM観察を行った。
実験例の半導体積層体のa軸に直交する断面のTEM像を図5および図6に示す。図6は、図5の一部を拡大したものである。これらのTEM像が示すように、量子井戸層の断面は直線的ではなく、波形を呈している。
ここで、量子井戸層は厚さが約3nmとなるように成長させたものであること、および、断面TEM像に厚さ約3nmの量子井戸層が明瞭に表れていることに注目されたい。このことに、TEMサンプルが100nm程度の厚みを有していること(図7)を考え合わせると、量子井戸層の三次元形状は、図5および図6における左右方向に波打った形状であるものと推定される。
図示していないが、実験例の量子井戸構造の、a軸に平行な断面をTEM観察した場合には、量子井戸層の断面が波形を呈していなかったこと、かつ、当該層の厚さ方向に広がって見えたことも、この推定を裏付けるものである。図8に模式的に示すように、TEMサンプルの厚さが井戸層の波打ちの周期より大きいために、波打ち方向に直交する断面を見た場合には、量子井戸層が波打ちの振幅と同程度に広がって見えることになるのである。
2. TEM observation The cross-sectional TEM observation of the semiconductor laminated body of this experiment example obtained by (1) was performed.
A TEM image of a cross section orthogonal to the a-axis of the semiconductor stacked body of the experimental example is shown in FIGS. FIG. 6 is an enlarged view of a part of FIG. As these TEM images show, the cross section of the quantum well layer is not linear but has a waveform.
Here, it should be noted that the quantum well layer is grown so as to have a thickness of about 3 nm, and that the quantum well layer having a thickness of about 3 nm appears clearly in the cross-sectional TEM image. Considering that the TEM sample has a thickness of about 100 nm (FIG. 7), the three-dimensional shape of the quantum well layer is a wavy shape in the left-right direction in FIGS. Estimated.
Although not shown, when the cross section parallel to the a axis of the quantum well structure of the experimental example is observed with a TEM, the cross section of the quantum well layer does not exhibit a waveform, and the thickness direction of the layer The fact that it seemed to spread out also supports this presumption. As schematically shown in FIG. 8, since the thickness of the TEM sample is larger than the undulation period of the well layer, the quantum well layer has the same amplitude as the undulation amplitude when the cross section perpendicular to the undulation direction is viewed. It will spread out.

図9は、図6のTEM像のコントラストを強調したものである。
図9において、明るく見えているところはIn濃度の高い部分である。図9によれば、量子井戸層内のIn濃度は一様ではなく、局所的にIn濃度が高くなった領域が形成されていることが分かる。
このような高In領域の量子井戸層内における分布は一様ではないと考えられる。なぜなら、仮に高In領域が一様に分布していたならば、断面TEM像にInの濃淡は現れないと考えられるからである。
かかる考察によれば、高In領域は波打った量子井戸層のボトムに形成される傾向があるものと考えられる。
更に、量子井戸層のボトムがa軸に平行に延びていることからいって、該領域もまたa軸に平行な線状に形成されている可能性が推定される。後述する偏光フォトルミネッセンス測定の結果は、この推定が恐らく正しいことを示している。
線状になった高In領域は、周囲よりバンドギャップが小さいことから、キャリア閉じ込め機能を有する量子細線となることが期待される。
FIG. 9 emphasizes the contrast of the TEM image of FIG.
In FIG. 9, the portion that appears bright is a portion with a high In concentration. According to FIG. 9, it can be seen that the In concentration in the quantum well layer is not uniform, and a region where the In concentration is locally increased is formed.
It is considered that the distribution in the quantum well layer in such a high In region is not uniform. This is because if the high In region is uniformly distributed, it is considered that the density of In does not appear in the cross-sectional TEM image.
According to such consideration, it is considered that the high In region tends to be formed at the bottom of the wavy quantum well layer.
Furthermore, since the bottom of the quantum well layer extends parallel to the a-axis, it is estimated that the region is also formed in a linear shape parallel to the a-axis. The results of polarized photoluminescence measurements described below indicate that this estimate is probably correct.
Since the linear high In region has a smaller band gap than the surrounding area, it is expected to be a quantum wire having a carrier confinement function.

3.偏光フォトルミネッセンス測定
次に、実験例の半導体積層体について、量子井戸層のフォトルミネッセンスの偏光特性を測定した。
使用した測定系の概念図を図10に示す。励起光源21には発振波長375nmの半導体レーザを用い、量子井戸層の選択励起を行った。偏光解消子22は、励起光の直線偏光を解消することを目的としている。偏光フィルター24は、サンプル23から発生するルミネッセンスのうち、特定方向の偏光成分のみを透過させる。偏光フィルター24を透過した偏光はλ/4波長板25によって直線偏光から円偏光に変換されたうえで、分光器26に入射する。かかる構成によって、分光器26の偏光感度特性の影響が取り除かれる。分光器26により分光された光はPM(光電子増倍管)27により検出され、ロックインアンプで増幅される。
3. Polarized Photoluminescence Measurement Next, the polarization characteristics of the photoluminescence of the quantum well layer were measured for the semiconductor stack of the experimental example.
A conceptual diagram of the measurement system used is shown in FIG. A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 375 nm was used as the excitation light source 21, and the quantum well layer was selectively excited. The depolarizer 22 is intended to cancel the linear polarization of the excitation light. The polarizing filter 24 transmits only the polarized light component in a specific direction out of the luminescence generated from the sample 23. The polarized light that has passed through the polarizing filter 24 is converted from linearly polarized light into circularly polarized light by the λ / 4 wavelength plate 25 and then enters the spectroscope 26. With this configuration, the influence of the polarization sensitivity characteristic of the spectroscope 26 is removed. The light split by the spectroscope 26 is detected by a PM (photomultiplier tube) 27 and amplified by a lock-in amplifier.

このような測定系を用い、量子井戸層のフォトルミネッセンスに含まれる2つの偏光成分のスペクトルを測定し、偏光度Pを求めた。2つ偏光成分のひとつは、半導体積層体のa軸に平行な電場ベクトルを有する偏光成分(E//aと略す)であり、他のひとつはa軸に直交しかつ半導体積層体の表面に平行な電場ベクトルを有する偏光成分(E⊥aと略す)である。
偏光度Pは次の式により算出した。
P=(( E//a)−( E⊥a))/ (( E//a)+( E⊥a))
結果を図11(a)に示す。図11(a)においては、E//a成分のスペクトルを破線で、また、E⊥a成分のスペクトルを、曲線状の実線で示している。また、実線であって、鋸刃形を示すのが偏光度Pである。
Using such a measurement system, the spectra of two polarization components contained in the photoluminescence of the quantum well layer were measured, and the degree of polarization P was determined. One of the two polarization components is a polarization component (abbreviated as E // a) having an electric field vector parallel to the a-axis of the semiconductor laminate, and the other is orthogonal to the a-axis and on the surface of the semiconductor laminate. A polarization component having a parallel electric field vector (abbreviated as E⊥a).
The degree of polarization P was calculated by the following formula.
P = ((E // a)-(E⊥a)) / ((E // a) + (E⊥a))
The results are shown in FIG. In FIG. 11A, the spectrum of the E // a component is indicated by a broken line, and the spectrum of the E⊥a component is indicated by a curved solid line. The degree of polarization P is a solid line and shows a saw blade shape.

<比較実験例>
半極性(20−21)GaN基板を用いて、その(20−21)面上に実験例と同様にして半導体積層体を成長させた。
得られた半導体積層体の、a軸に直交する断面のTEM像を図12および図13に示す。図13は図12の一部を拡大したものである。これらのTEM像は井戸層が平坦に形成されていることを示している。
図14は図12のTEM像のコントラストを強調したものである。実験例の半導体積層体とは異なり、比較実験例では量子井戸層内のIn濃度は略均一である。
<Comparative experiment example>
Using a semipolar (20-21) GaN substrate, a semiconductor laminate was grown on the (20-21) plane in the same manner as in the experimental example.
FIGS. 12 and 13 show TEM images of a cross section orthogonal to the a-axis of the obtained semiconductor stacked body. FIG. 13 is an enlarged view of a part of FIG. These TEM images indicate that the well layer is formed flat.
FIG. 14 emphasizes the contrast of the TEM image of FIG. Unlike the semiconductor stacked body of the experimental example, the In concentration in the quantum well layer is substantially uniform in the comparative experimental example.

実験例と同様にして測定した、比較実験例の半導体積層体に含まれる量子井戸層のフォトルミネッセンスの偏光度を図11(b)に示す。図11(b)においては、E//a成分のスペクトルを破線で、また、E⊥a成分のスペクトルを曲線状の実線で示している。また、実線であって、鋸刃形を示すのが偏光度Pである。
(20−2−1)面と(20−21)面は、m面からの傾斜が等しいことからいって、量子井戸層の構造が同じであれば実験例と比較実験例の半導体積層体からのフォトルミネッセンスの偏光度は同等となるはずであるが、図11(a)(b)に示すように両者の偏光度は大きく異なっており、実験例ではE//a成分がE⊥a成分に対して顕著に大きくなった。この結果は、実験例の量子井戸構造内には量子細線構造が形成されていることを強く示唆している。
FIG. 11B shows the degree of polarization of the photoluminescence of the quantum well layer included in the semiconductor stacked body of the comparative experimental example, measured in the same manner as in the experimental example. In FIG. 11B, the spectrum of the E // a component is indicated by a broken line, and the spectrum of the E⊥a component is indicated by a curved solid line. The degree of polarization P is a solid line and shows a saw blade shape.
Since the (20-2-1) plane and the (20-21) plane have the same inclination from the m-plane, if the structure of the quantum well layer is the same, the semiconductor stacked body of the experimental example and the comparative experimental example The degree of polarization of the photoluminescence should be the same, but the degree of polarization of both is greatly different as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). In the experimental example, the E // a component is the E⊥a component. In contrast, it became significantly larger. This result strongly suggests that a quantum wire structure is formed in the quantum well structure of the experimental example.

100 半導体積層体
1 基板
10 発光層(量子井戸構造)
2 n型半導体層
3 第一の障壁層
4 量子井戸層
5 第二の障壁層
6 p型半導体層
20 偏光フォトルミネッセンス測定系
21 励起光源
22 偏光解消子
23 サンプル
24 偏光フィルター
25 λ/4波長板
26 分光器
27 光電子増倍管
41 トップ
42 ボトム
100 Semiconductor laminated body 1 Substrate 10 Light emitting layer (quantum well structure)
2 n-type semiconductor layer 3 first barrier layer 4 quantum well layer 5 second barrier layer 6 p-type semiconductor layer 20 polarized photoluminescence measurement system 21 excitation light source 22 depolarizer 23 sample 24 polarizing filter 25 λ / 4 wavelength plate 26 Spectrometer 27 Photomultiplier tube 41 Top 42 Bottom

Claims (14)

窒化物半導体を含む第一の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層に積層された第二の障壁層と、窒化物半導体を含み該第一の障壁層と該第二の障壁層との間に挟まれた井戸層とを含む量子井戸構造であって、
前記井戸層が、当該井戸層の膜厚よりも大きな振幅で第一の方向に沿って波打っている波打ち部分を含み、
前記第一の方向に直交する偏光軸を有する偏光したルミネッセンスを放射し得ることを特徴とする量子井戸構造。
A first barrier layer including a nitride semiconductor; a second barrier layer including the nitride semiconductor and stacked on the first barrier layer; and the first barrier layer including the nitride semiconductor and the second barrier layer. A quantum well structure including a well layer sandwiched between barrier layers,
The well layer includes a undulating portion that undulates along the first direction with an amplitude greater than the thickness of the well layer;
A quantum well structure capable of emitting polarized luminescence having a polarization axis perpendicular to the first direction.
前記井戸層が、Inを含む窒化物半導体を含む、請求項1に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 1, wherein the well layer includes a nitride semiconductor containing In. 前記波打ち部分において、In組成が極大となる領域が前記第一の方向に直交する方向に沿って一次元的に延びている、請求項2に記載の量子井戸構造。   3. The quantum well structure according to claim 2, wherein a region where the In composition is maximum extends one-dimensionally along a direction orthogonal to the first direction in the wavy portion. 前記波打ち部分は、In組成が極大となる領域をボトムに有する、請求項2又は3に記載の量子井戸構造。   4. The quantum well structure according to claim 2, wherein the undulating portion has a region having a maximum In composition at the bottom. 5. 前記井戸層がInGaN層である、請求項2〜4のいずれか1項に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 2, wherein the well layer is an InGaN layer. 前記波打ち部分が、前記井戸層の膜厚の2倍以上の振幅で波打っている部分を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 1, wherein the waved portion includes a waved portion having an amplitude that is twice or more the film thickness of the well layer. 前記波打ち部分が、高低差3nm以上で隣り合うトップおよびボトムを有する部分を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 1, wherein the wavy portion includes a portion having a top and a bottom that are adjacent to each other with a height difference of 3 nm or more. 前記波打ち部分が、1つのボトムを挟んで30nm以下の間隔で隣り合う2つのトップを有する部分を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 1, wherein the wavy portion includes a portion having two tops adjacent to each other with an interval of 30 nm or less across one bottom. 前記量子井戸構造が、第一の窒化物半導体の半極性面の上にエピタキシャル成長したものである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the quantum well structure is epitaxially grown on a semipolar plane of a first nitride semiconductor. 前記半極性面が前記第一の窒化物半導体のa軸に平行である、請求項9に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 9, wherein the semipolar plane is parallel to the a-axis of the first nitride semiconductor. 前記半極性面が(20−2−1)面である、請求項10に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 10, wherein the semipolar plane is a (20-2-1) plane. 前記第一の方向が前記第一の窒化物半導体のa軸と直交している、請求項10または11に記載の量子井戸構造。   The quantum well structure according to claim 10 or 11, wherein the first direction is orthogonal to the a-axis of the first nitride semiconductor. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の量子井戸構造が、p型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層との間に配置された、窒化物半導体素子。   A nitride semiconductor device, wherein the quantum well structure according to claim 1 is disposed between a p-type nitride semiconductor layer and an n-type nitride semiconductor layer. 発光素子である、請求項13に記載の窒化物半導体素子。   The nitride semiconductor device according to claim 13, which is a light emitting device.
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