JP2017034036A - Iii族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のIII族窒化物半導体発光素子100は、n型III族窒化物半導体層30と、障壁層40aおよび、障壁層40aよりもバンドギャップの小さい井戸層40bをこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体40と、AlNガイド層60と、p型III族窒化物半導体層70と、をこの順に有し、AlNガイド層60の厚さが0.5nm以上2.0nm以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)n型III族窒化物半導体層と、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、AlNガイド層と、p型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、前記AlNガイド層の厚さが0.5nm以上2.0nm以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記III族窒化物半導体積層体における前記n層目の井戸層と、前記AlNガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記AlNガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが1.5nm以下である、前記(1)または(2)に記載のIII族窒化物発光素子。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
以上、本実施形態により、従来よりも優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。
次に、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子100の製造方法の第1実施形態を説明する。第1実施形態に係る製造方法は、n型III族窒化物半導体層30(以下、n層30)を形成する第1工程(図4(E))と、n層30上に、障壁層40aおよび、障壁層40aよりもバンドギャップの小さい井戸層40bをこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体40(以下、積層体40)を形成する第2工程(図4(F))と、積層体40上に、厚さ0.5nm以上2.0nm以下のAlNガイド層60を形成する第3工程(図4(G))と、AlNガイド層60上に、p型III族窒化物半導体層70(以下、p層70)を形成する第4工程(図4(H))と、を含む。第1実施形態では、上記第3工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いてAlNガイド層60をエピタキシャル成長させることを特に特徴とする。以下、第1実施形態の好適な実施形態に従うフローチャートを示す図4を用いて各工程を順次説明するが、既述の実施形態と重複する説明については省略する。
次に、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子100の製造方法の第2実施形態を説明する。第2実施形態に係る製造方法は、n層30を形成する第1工程と、n層30上に、障壁層40aおよび、障壁層40aよりもバンドギャップの小さい井戸層40bをこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなる積層体40を形成する第2工程と、積層体40上に、厚さ0.5nm以上2.0nm以下のAlNガイド層60を形成する第3工程と、AlNガイド層60上に、p層70を形成する第4工程と、を含む。前述の第1実施形態と重複する内容については説明を省略する。
図4に示したフローチャートに従って、実験例1におけるIII族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板(直径2インチ、厚さ:430μm、面方位:(0001)、m軸方向オフ角θ:0.5度、テラス幅:100nm、ステップ高さ:0.20nm)を用意した(図4(A))。次いで、MOCVD法により、上記サファイア基板上に中心膜厚0.60μm(平均膜厚0.61μm)のAlN層を成長させ、AlNテンプレート基板とした(図4(B))。その際、AlN層の成長温度は1300℃、チャンバ内の成長圧力は10Torrであり、V/III比が163となるようにアンモニアガスとTMAガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス(NH3)の流量は200sccm、III族元素ガス(TMA)の流量は53sccmである。なお、AlN層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機(ナノスペックM6100A;ナノメトリックス社製)を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計25箇所の膜厚を測定した。
なお、十分な厚さがあればSEM−EDSを用いて同定することができ、AlNガイド層や井戸層、障壁層のように各層の厚さが薄い場合にはTEM−EDSを用いて同定することができる。
(試料1)
AlNガイド層の形成を下記のとおりとした以外は、実験例1と同じ条件で試料1に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。AlNガイド層の形成にあたり、III族元素の原料ガスはTMAガスとし、厚さを1nmとした。また、ドーパントは添加せず、i型のAlNガイド層とした。なお、キャリアガスおよび成長圧力は実験例1と同じであり、p型電子ブロック層へのキャリアガスの切り替えに際しても、同一条件とした。
AlNガイド層を厚さ0.5nmで形成した以外は、試料1と同様にして試料2に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlNガイド層を厚さ2.0nmで形成した以外は、試料1と同様にして試料3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを2.0nmとし、実験例1と同じ条件で試料4に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを1.0nmとした以外は、試料4と同様にして試料5に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを3.0nmとした以外は、試料4と同様にして試料6に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを4.0nmとした以外は、試料4と同様にして試料7に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを5.0nmとした以外は、試料4と同様にして試料8に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の組成をAl0.55Ga0.45Nとした以外は、試料8と同様にして試料9に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlGaN変質層の設計厚さを20.0nmとした以外は、試料9と同様にして試料10に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlNガイド層およびAlGaN変質層のいずれも形成しなかった以外は、試料1と同様にして試料12に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
p型電子ブロック層形成時のキャリアガスを窒素ガスにした以外は、試料1と同様にして試料12に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
成長中断を行なわず、また、p型電子ブロック層形成時のキャリアガスを窒素ガスにした以外は、試料4と同様にして試料13に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
AlNガイド層を厚さ3.0nmで形成した以外は、試料1と同様にして試料14に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
作製した試料1〜14に係るIII族窒化物半導体発光素子のTEM断面写真を取得し、AlNガイド層およびファイナルバリア層のそれぞれの厚さを測定しつつ、AlNガイド層への変質の有無を確認した。厚さの測定にあたり、試料1〜14の各作製条件によって形成したウェーハから3〜10個のIII族窒化物半導体発光素子を切り出して観察した。変質の有無およびAlNガイド層の厚さおよびファイナルバリア層の厚さの平均値を表2に示す。
作製した試料1〜14に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した直後の発光出力を確認するため、マルチチャネル型分光器(C10082CAH,浜松ホトニクス社製)を用いて、電流10mA出力でのEL出力を測定した。試料1〜10,12,14について、測定結果を図7Aおよび図7Bに示す。なお、図7Bは、上記評価1を基に図7Aの測定結果をAlNガイド層の厚さに対するEL出力としたものである。なお、試料11,13は非発光であったため、図示しない。
評価2においてEL出力が高く安定していた試料1について、作製したフリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子を、積分球により電流20mAのときの発光出力Po(mW)を測定し、さらに1000時間通電後の残存出力(1000時間通電後の出力/初期発光出力)を測定したところ、初期の出力に対して85%であった。他に、評価2においてEL出力が試料1と同程度に大きかった試料4、および試料10についても同様に残存出力を測定したところ、それぞれ83〜88%、60であった。
まず、評価1の結果から、Al組成比100%のAlNガイド層を最後の井戸層上に直接形成した場合、実験例1で確認されたAlGaN変質層の変質および薄化は発生せず、また厚さの変化も生じないことが確認された。一方、試料4〜11では、AlGaN変質層の表層部1.0nm(平均値)がAlNに変質して、AlNガイド層が形成されることが確認された。このとき、AlGaN変質層の全体の厚さは平均値で1.0nm薄くなり、残部はAlGaN変質層のAl組成を維持したまま、ファイナルバリア層となることも確認された。
(試料21)
試料4において、p型電子ブロック層と、p型コンタクト層との間に、MgをドープしたAl0.35Ga0.65Nからなるp型クラッド層(厚み:50nm)を形成した以外は、試料4と同様にして試料21に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
試料10において、p型電子ブロック層と、p型コンタクト層との間に、試料21と同じ条件でp型クラッド層(厚み:50nm)を形成した以外は、試料10と同様にして試料22に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
10A 基板の主面
20 AlN層
30 n型半導体層
40 積層体
40a 障壁層
40b 井戸層
50 ファイナルバリア層
50’ AlGaN変質層
60 AlNガイド層
70 p型半導体層
71 p型電子ブロック層
72 p型クラッド層
73 p型コンタクト層
80 n型電極
90 p型電極
100 III族窒化物半導体素子
(1)n型III族窒化物半導体層と、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、AlNガイド層と、p型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、前記AlNガイド層の厚さが0.5nm超2.0nm未満であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記III族窒化物半導体積層体における前記N層目の井戸層と、前記AlNガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記AlNガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが1.5nm以下である、前記(1)または(2)に記載のIII族窒化物発光素子。
以上、本実施形態により、従来よりも優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。
Claims (11)
- n型III族窒化物半導体層と、
障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、
AlNガイド層と、
p型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、
前記AlNガイド層の厚さが0.5nm以上2.0nm以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記AlNガイド層がi型である、請求項1に記載のIII族窒化物発光素子。
- 前記III族窒化物半導体積層体における前記n層目の井戸層と、前記AlNガイド層とが接する、または、
前記III族窒化物半導体積層体における前記n層目の井戸層と、前記AlNガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記AlNガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが1.5nm以下である、請求項1または2に記載のIII族窒化物発光素子。 - 前記ファイナルバリア層の厚みが0.1nm以上1.0nm以下である、請求項3に記載のIII族窒化物発光素子。
- 前記AlNガイド層の厚さが0.5nm超2.0nm未満である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物発光素子。
- 前記p型III族窒化物半導体層は、第1p型III族窒化物半導体層および第2p型III族窒化物半導体層をこの順に有し、
前記第1p型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、前記AlNガイド層よりも小さく、かつ、前記障壁層よりも大きく、
前記第2p型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、前記第1p型III族窒化物半導体層よりも小さい、請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物発光素子。 - 前記第1p型III族窒化物半導体層と前記第2p型III族窒化物半導体層とが接し、前記第2p型III族窒化物半導体層がp型コンタクト層のみからなる、請求項6に記載のIII族窒化物発光素子。
- n型III族窒化物半導体層を形成する第1工程と、
前記n型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第2工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ0.5nm以上2.0nm以下のAlNガイド層を形成する第3工程と、
前記AlNガイド層上に、p型III族窒化物半導体層を形成する第4工程と、を含み、
前記第3工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いて前記AlNガイド層をエピタキシャル成長させ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。 - n型III族窒化物半導体層を形成する第1工程と、
前記n型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にN層ずつ(但し、Nは整数である)積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第2工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ0.5nm以上2.0nm以下のAlNガイド層を形成する第3工程と、
前記AlNガイド層上に、p型III族窒化物半導体層を形成する第4工程と、を含み、
前記第3工程において、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてAlGaN変質層をエピタキシャル成長させ、次いで前記トリメチルアルミニウムガスおよび前記トリメチルガリウムガスの供給を止めて前記エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気で前記AlGaN変質層を曝すことにより、前記AlGaN変質層の少なくとも一部を除去すると共に前記AlNガイド層に変質させ、前記AlGaN変質層の残部をファイナルバリア層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。 - 前記第3工程において、前記AlGaN変質層の全部を前記AlNガイド層に変質させる、請求項9に記載の製造方法。
- 前記AlNガイド層はi型である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の製造方法。
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