JP2015149342A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ピーク発光波長が530nm以上の半導体発光素子であって、n型半導体層と、n型半導体層の上層に形成された異なるバンドギャップを持つ複数の窒化物半導体の積層体からなる超格子層と、超格子層の上層に形成された活性層と、活性層の上層に形成されたp型半導体層とを有する。活性層は、InX1Ga1−X1N(0≦X1≦0.01)で構成された第一層、InX2Ga1−X2N(0.2<X2<1)で構成された第二層、及びAlY1Ga1−Y1N(0<Y1<1)で構成された第三層が積層され、少なくとも第一層及び第二層が周期的に形成されている。
【選択図】 図1
Description
n型半導体層と、
前記n型半導体層の上層に形成された、異なるバンドギャップを持つ複数の窒化物半導体の積層体からなる超格子層と、
前記超格子層の上層に形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成されたp型半導体層とを有し、
前記活性層は、InX1Ga1−X1N(0≦X1≦0.01)で構成された第一層、InX2Ga1−X2N(0.2<X2<1)で構成された第二層、及びAlY1Ga1−Y1N(0<Y1<1)で構成された第三層が積層され、少なくとも前記第一層及び前記第二層が周期的に形成されていることを特徴とする。
前記超格子層が第四層と第五層の積層体で構成され、
前記第五層はInGaN層であり、
前記第四層は、GaN層、又は前記第五層よりIn組成の低いInGaN層であるものとしても構わない。
本発明の半導体発光素子の第一実施形態につき、説明する。
図1は、本発明の半導体発光素子の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図1において(a)は半導体発光素子1の構成を模式的に示した断面図である。半導体発光素子1は、n型半導体層15、n型半導体層15の上面に形成されたGaN/InGaNの超格子層20、超格子層20の上面に形成された活性層30、及び活性層30の上層に形成されたp型半導体層43を有する(アンドープのGaN層41については後述される。)。図1(b)は超格子層20の構成を模式的に示した断面図であり、図1(c)は活性層30の構成を模式的に示した断面図である。
上述した構成を示す半導体発光素子1による効果について検証する。なお、上述した数値条件で形成された半導体発光素子1を以下では「実施例」として説明する。
比較例の半導体発光素子60が備えるように、n型半導体層55としては従来GaNが用いられていた。GaNをn型化するためにSiを高濃度でドープする場合、Si濃度を1×1019/cm3以上にすると、原子結合の状態が悪化するなどの原因により、膜荒れが発生してしまうという現象が知られている。図3Aは、Si濃度を1.5×1019/cm3としたときのGaNの層表面をSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)で撮影したものであるが、表面に荒れが生じていることが確認される。なお、不純物濃度を1.3×1019/cm3、2.0×1019/cm3としても同様に表面の荒れが確認できた。
比較例の半導体発光素子60は、電子ブロック層57を備えている。これは、「課題を解決するための手段」の項で上述したように、n型半導体層55から活性層50へ注入される電子が活性層50を越えてp型半導体層43内に入るのを防止する目的で設けられており、活性層50における再結合確率の低下を抑制する狙いがある。電子ブロック層57は、活性層50からp形半導体層43へ流れる電子に対する障壁を構成すべく、活性層50やp型半導体層43よりもエネルギーバンドギャップの高いAlGaNで構成される。
図9は、第一層31の膜厚T1を変化させて半導体発光素子1を複数作製し、各半導体発光素子1の光出力と膜厚T1との関係をプロットしたグラフである。ここで、横軸は第一層31の膜厚T1の、第二層32の膜厚T2に対する相対値(すなわち、T1/T2)で規定している。なお、以下では、第一層31の膜厚T1を単に「膜厚T1」と記載し、第二層32の膜厚T2を単に「膜厚T2」と記載する。
図10A及び図10Bは、第二層32の膜厚T2を変化させて半導体発光素子1を複数作製し、各半導体発光素子1の光出力と膜厚T2との関係をプロットしたグラフである。図10Aは、半導体発光素子1に対して供給する電流密度を25A/cm2とした場合、図10Bは、半導体発光素子1に対して供給する電流密度を50A/cm2とした場合にそれぞれ対応する。なお、プロットされた各点の近くに併記されている数値は、第二層32のIn組成の値を示している。
「課題を解決するための手段」の項において上述したように、従来の半導体発光素子においては、活性層へのキャリア注入効率を高めるために、活性層の障壁層にSiドーピングが行われる場合がある。ここでいう活性層の障壁層とは、半導体発光素子1においては第一層31に対応する。しかし、半導体発光素子1の場合、Siをドープして第一層31を形成した場合よりも、アンドープで第一層31を形成した場合の方が、光出力が向上することが分かった。
以下において、半導体発光素子1の製造方法につき説明する。なお、以下の製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
基板11の上層にアンドープのGaN層13を成長させる。具体的な方法の一例は以下の通りである。
次に、アンドープのGaN層13の上面にn型半導体層15を形成する。具体的な方法の一例は以下の通りである。
次に、n型半導体層15の上面にGaN/InGaNで構成された超格子層20を形成する。具体的な方法の一例は以下の通りである。
次に、超格子層20の上面に、InX1Ga1−X1N(0≦X1≦0.01)で構成された第一層31、InX2Ga1−X2N(0.2<X2<1)で構成された第二層32、及びAlY1Ga1−Y1N(0<Y1<1)で構成された第三層33を形成する。
炉内温度を700℃として上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が27.2μmol/minのTMI、及び流量が15.2μmol/minのTMGを54秒間供給する。これによりIn組成28%のアンドープInGaNで構成された、膜厚2.6nmの第二層32が形成される。
引き続き、炉内温度を700℃として、上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が15.2μmol/minのTMGと流量が17.3μmol/minのTMAを30秒間連続的に供給する。これにより、Al組成45%のアンドープAlGaNで構成された、膜厚1.5nmの第三層33が形成される。
引き続き、炉内温度を700℃として、上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が15.2μmol/minのTMGを60秒間連続的に供給し、膜厚3nmのGaN層を形成する。次に炉内温度を830℃までに昇温させる。この昇温過程並びに当該温度に保持された状態で、同様のガス流量でTMGを340秒間連続的に供給し、膜厚17nmのGaN層を形成する。これによって、第一層31としての膜厚20nmのGaN層が形成される。
活性層30の上面に、アンドープのGaN層41を例えば膜厚20nmで形成する。なお、このアンドープのGaN層41は、活性層30の第一層31をGaNで構成する場合には、ステップS4において活性層30を形成する際、最後にステップS4cを実行してステップS4を終了することで、このステップS4cで形成されるGaN層をアンドープのGaN層41とすることができる。また、第一層31を低In組成のInGaNで構成する場合には、最後にTMIの供給を停止させた状態でステップS4cを実行してステップS4を終了することで、このステップS4cで形成されるGaN層をアンドープのGaN層41とすることができる。
アンドープのGaN層41の上面にp型半導体層43を形成する。具体的な方法は以下の通りである。
その後のプロセスは、以下の通りである。
本発明の半導体発光素子の第二実施形態につき、説明する。なお、第一実施形態と共通の部分についてはその旨を記載して説明を割愛する。
第一実施形態と同様にステップS1〜S3を実行後、炉内温度を引き続き820℃とした状態で、流量が15.2μmol/minのTMG、流量が1μmol/minのTMA、流量が0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が375000μmol/minのアンモニアを処理炉内に400秒間供給するステップを行う。これにより、Si濃度が3×1019/cm3、厚みが20nm、Al組成6%の、正孔障壁層17としてのAlGaN層が超格子層20の上面に形成される。
本発明の半導体発光素子の第三実施形態につき、説明する。なお、第三実施形態は、活性層30の構成のみが異なるものであり、他は第一実施形態又は第二実施形態と共通である。
2 : 伝導帯
3 : 価電子帯
11 : 基板
13 : アンドープのGaN層
15 : n型半導体層
17 : 正孔障壁層
20 : 超格子層
21 : 超格子層を構成するGaN層
23 : 超格子層を構成するInGaN層
30 : 活性層
31 : 活性層を構成する第一層
32 : 活性層を構成する第二層
33 : 活性層を構成する第三層
41 : アンドープのGaN層
43 : p型半導体層
50 : 比較例の半導体発光素子が備える活性層
51 : 比較例の半導体発光素子が備える活性層を構成するGaN層
52 : 比較例の半導体発光素子が備える活性層を構成するInGaN層
55 : 比較例の半導体発光素子が備えるn型半導体層
57 : 比較例の半導体発光素子が備える電子ブロック層
60 : 比較例の半導体発光素子
62 : 伝導帯
63 : 価電子帯
71 : アンドープGaN層由来の欠陥
72 : 活性層由来の欠陥
Claims (9)
- ピーク発光波長が530nm以上の半導体発光素子であって、
n型半導体層と、
前記n型半導体層の上層に形成された、異なるバンドギャップを持つ複数の窒化物半導体の積層体からなる超格子層と、
前記超格子層の上層に形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成されたp型半導体層とを有し、
前記活性層は、InX1Ga1−X1N(0≦X1≦0.01)で構成された第一層、InX2Ga1−X2N(0.2<X2<1)で構成された第二層、及びAlY1Ga1−Y1N(0<Y1<1)で構成された第三層が積層され、少なくとも前記第一層及び前記第二層が周期的に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第二層は、膜厚が2.4nm以上2.8nm以下のInX2Ga1−X2N(0.28≦X2≦0.33)で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第一層の膜厚をT1、前記第二層の膜厚をT2、前記第三層の膜厚をT3としたときに、5T2≦T1≦10T2、且つ、T3<T2の関係を満たすことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層は、前記p型半導体層に近い位置において、前記第一層、前記第二層及び前記第三層が周期的に形成されてなり、前記n型半導体層に近い位置において前記第一層及び前記第二層が周期的に形成されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記超格子層と前記活性層の間に、窒化物半導体層で構成された正孔障壁層を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記正孔障壁層は、Si濃度が5×1018/cm3以上、5×1019/cm3以下の窒化物半導体層で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。
- 前記第三層がAlY1Ga1−Y1N(0.2≦Y1≦0.5)で構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記n型半導体層は、Si濃度が3×1019cm3以上のAlGaNで構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記超格子層が第四層と第五層の積層体で構成され、
前記第五層はInGaN層であり、
前記第四層は、GaN層、又は前記第五層よりIn組成の低いInGaN層であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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