JP2016048776A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
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を例示する模式的断面図である。
図1に示すように、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、第1中間部40と、を含む。
第2層42の厚さt2は、例えば、0.9ナノメートル以上1.1ナノメートル以下である。
第3層43の厚さt3は、例えば、1.8ナノメートル以上2.2ナノメートル以下である。
図2は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。 図2に示すように、シリコン基板80の上に、バッファ層50が設けられ、その上に、第1半導体層10(または低不純物濃度層10i)が設けられる。
図3は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。 図3に示すように、発光層30は、井戸層32に加えて、障壁層31をさらに含む。2つの障壁層31の間に、井戸層32が配置される。この例では、発光層30は、多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構成を有する。すなわち、発光層30は、複数の井戸層32と、複数の障壁層31と、を含む。障壁層31どうしのそれぞれの間に、複数の井戸層32のそれぞれが配置される。実施形態において、発光層30は、単一量子井戸(SQW:Single Quantum Well)構成を有しても良い。このとき、井戸層32の数は1である。
実験では、シリコン基板80の上に、バッファ層50、低不純物濃度層10i、第1半導体層10、第1中間部40、発光層30及び第2半導体層20が順次エピタキシャル成長される。これらの層の形成の条件は、以下である。
これらの図は、第1参考例の半導体発光素子119の原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)像である。第1参考例において、発光層30には、InGaN層/GaN層の2層の積層構造が形成される。図4(a)は、第1半導体層10の表面のAFM像である。図4(b)は、中間部40x(InGaN層/GaN層)の表面のAFM像である。図4(c)は、発光層30(InGaN層/GaN層)の表面のAFM像である。
これらの図は、蛍光顕微鏡像である。図5(a)は、実施形態に係る半導体発光素子110に対応する。図5(b)は、実施形態に係る半導体発光素子111に対応する。図5(c)は、第1参考例の半導体発光素子119に対応する。図5(d)は、第2参考例の半導体発光素子119aに対応する。
これらの図は、顕微フォトルミネッセンス像である。図5(a)〜図5(d)のそれぞれは、半導体発光素子110、111、119及び119aのそれぞれに対応する。
図8(a)〜図8(e)は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図8(a)〜図8(e)は、(0002)面、(0004)面、(10−11)面、(20−22)面及び(10−12)面のX線ロッキングカーブをそれぞれ示している。これらの図の横軸は、X線回折解析における角度θ(度)である。縦軸は、検出強度counts(arcsec)である。
Dscrewは、らせん転位密度(1/cm2)である。
βm(tilt)は、らせん成分に対応するGaNのチルト角度(°、度)である。
bscrewは、GaNのらせん転位のバーガースベクトルであり、例えば、0.519nmである。
βm(0002)は、(0002)面における半値全幅(°)である。
βm(0004)は、(0004)面における半値全幅(°)である。
d0002は、GaNの(0002)面における格子面間隔であり、例えば、2.597オングストロームである。
d0004は、GaNの(0004)面における格子面間隔であり、例えば、1.299オングストロームである。
2π/d0002は、GaNの(0002)面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、2.4192(1/オングストローム)である。
Dedgeは、刃状転位密度(1/cm2)である。
βm(twist)は、刃状成分に対応するGaNのツイスト角度(°、度)である。 bedgeは、GaNの刃状転位のバーガースベクトルであり、例えば、0.319nmである。
βm(10−11)は、(10−11)面における半値全幅(°)である。
βm(20−22)は、(20−22)面における半値全幅(°)である。
d10−11は、GaNの(10−11)面における格子面間隔であり、例えば、2.437オングストロームである。
d20−22は、GaNの(20−22)面における格子面間隔であり、例えば、1.218オングストロームである。
2π/d10−11は、GaNの(10−11)面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、2.5785(1/オングストローム)である。
図9は、第2の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図9に示すように、実施形態に係る半導体発光素子120は、第1半導体層10、第2半導体層20、発光層30及び第1中間部40に加えて、第2中間部70をさらに含む。これ以外は、半導体発光素子110と同様なので、説明を省略する。例えば、半導体発光素子120においても、発光層30は、上記の第1障壁領域31a及び第2障壁領域31bを含んでも良い。半導体発光素子120においても、1つの障壁層31において、組成は実質的に一定でも良い。
本実施形態は、半導体発光素子の製造方法に係る。
図10は、第3の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図10に示すように、シリコン基板80の上に第1導電形の第1半導体層10を形成する(ステップS110)。第1半導体層10の上に、第1中間部40を形成する(ステップS120)。第1中間部40の上に、Inを含む窒化物半導体を含む井戸層32を含む発光層30を形成する(ステップS130)。発光層30の上に第2導電形の第2半導体層20を形成する(ステップS140)。
本実施形態によれば、高発光効率の半導体発光素子の製造方法が提供できる。
Claims (20)
- 第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層と第1方向において離間した第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層であって、Inを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層と、
前記第1半導体層と前記発光層との間に設けられた第1中間部と、
を備え、
前記第1中間部は、複数の積層体を含み、
前記複数の積層体は、前記第1方向に並び、
前記複数の積層体のそれぞれは、
Inx1Ga1−x1N(0<x1<1)の第1層と、
前記第1層と前記発光層との間に設けられ前記第1層に接しAly1Ga1−y1N(0<y1<1)の第2層と、
前記第2層と前記発光層との間に設けられ前記第2層に接しAly2Ga1−y2N(0≦y2<y1)の第3層と、
を含み、
前記第1半導体層におけるらせん転位密度は、1×108/cm2以上である半導体発光素子。 - 前記らせん転位密度は、前記第1半導体層における刃状転位密度の0.2倍以上0.4倍以下である請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記らせん転位密度は、前記第1半導体層のX線回折のロッキングカーブ半値幅から得られる値である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記刃状転位密度は、前記第1半導体層における前記X線回折の前記ロッキングカーブ半値幅から得られ、6.0×108/cm2以下である請求項2または3に記載の半導体発光素子。
- シリコン基板の上に形成された第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられた第1中間部と、
前記第1中間部の上に設けられた発光層であって、Inを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層と、
前記発光層の上に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
を備え、
前記第1中間部は、複数の積層体を含み、
前記複数の積層体は、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう第1方向に並び、
前記複数の積層体のそれぞれは、
Inx1Ga1−x1N(0<x1<1)の第1層と、
前記第1層と前記発光層との間に設けられ前記第1層に接しAly1Ga1−y1N(0<y1<1)の第2層と、
前記第2層と前記発光層との間に設けられ前記第2層に接しAly2Ga1−y2N(0≦y2<y1)の第3層と、
を含む半導体発光素子。 - 前記第2層の厚さは、前記第1層の厚さ以下であり、
前記第2層の前記厚さは、前記第3層の厚さよりも薄い請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第1層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下であり、
前記第2層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第2層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下であり、
前記第3層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第3層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項6記載の半導体発光素子。 - 前記第1層の前記厚さは、0.9ナノメートル以上1.1ナノメートル以下であり、
前記第2層の前記厚さは、0.9ナノメートル以上1.1ナノメートル以下であり、
前記第3層の前記厚さは、1.8ナノメートル以上2.2ナノメートル以下である請求項6または7に記載の半導体発光素子。 - 前記第1層におけるIn組成比x1の前記複数の積層体の間における変動は、前記x1の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2層におけるAl組成比y1の前記複数の積層体の間における変動は、前記y1の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記複数の積層体の数は、16以上である請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記井戸層は、Inw1Ga1−w1N(0<w1<1)を含み、
前記発光層は、
前記井戸層と前記第2半導体層との間に設けられ前記井戸層に接しAlb1Ga1−b1N(0<b1≦1)の第1障壁領域と、
前記第1障壁領域と前記第2半導体層との間に設けられ前記第1障壁領域に接しAlb2Ga1−b2N(0≦b2<b1)の第2障壁領域と、
を含む請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 第2中間部をさらに備え、
前記第2中間部と前記第1中間部との間に前記第1半導体層が配置され、
前記第2中間部は、シリコン、マグネシウム及びボロンのいずれかを含む窒化物を含む請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2中間部の厚さは、3ナノメートル以下である請求項13記載の半導体発光素子。
- シリコン基板の上に第1導電形の第1半導体層を形成し、
前記第1半導体層の上に第1中間部を形成し、
前記第1中間部の上に、Inを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層を形成し、
前記発光層の上に第2導電形の第2半導体層を形成し、
を備え、
前記第1中間部の形成は、複数の積層体を形成することを含み、
前記複数の積層体は、前記シリコン基板に対して交差する方向に並び、
前記複数の積層体のそれぞれは、
Inx1Ga1−x1N(0<x1<1)の第1層と、
前記第1層の上において前記第1層に接して設けられたAly1Ga1−y1N(0<y1<1)の第2層と、
前記第2層の上において前記第2層に接して設けられたAly2Ga1−y2N(0≦y2<y1)の第3層と、
を含む半導体発光素子の製造方法。 - 前記第2層の厚さは、前記第1層の厚さ以下であり、
前記第2層の前記厚さは、前記第3層の厚さよりも薄い請求項15記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第1層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下であり、
前記第2層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第2層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下であり、
前記第3層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第3層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項16記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1層の前記厚さは、0.9ナノメートル以上1.1ナノメートル以下であり、
前記第2層の前記厚さは、0.9ナノメートル以上1.1ナノメートル以下であり、
前記第3層の前記厚さは、1.8ナノメートル以上2.2ナノメートル以下である請求項16または17に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1層におけるIn組成比x1の前記複数の積層体の間における変動は、前記x1の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項15〜18のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第2層におけるAl組成比y1の前記複数の積層体の間における変動は、前記y1の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス15%以下である請求項15〜19のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
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