JP2017139247A - Epitaxial wafer, semiconductor light-emitting element, light-emitting device, and method of producing epitaxial wafer - Google Patents

Epitaxial wafer, semiconductor light-emitting element, light-emitting device, and method of producing epitaxial wafer Download PDF

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Ko Kurihara
香 栗原
哲 長尾
Satoru Nagao
哲 長尾
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial wafer capable of substantially increasing emission output.SOLUTION: An epitaxial wafer of the present invention includes: a GaN substrate having, as a main surface, a surface with an off-angle of 0° or more and 10° or less against an m-plane; an n-type conductive layer formed on a main surface on one side of the GaN substrate; and a light emitting layer formed on a main surface on one side of the n-type conductive layer. The PL peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the PL half-value width of the light emitting layer satisfies a conditional expression (1). Δl≤L×0.4-150 (1) L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)SELECTED DRAWING: Figure 17

Description

本発明は、エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法に関する。   The present invention relates to an epitaxial wafer, a semiconductor light emitting element, a light emitting device, and an epitaxial wafer manufacturing method.

窒化ガリウム(GaN)系材料は、半導体発光素子(LED)や半導体レーザ(LD)などの発光素子を作製するために現在広く用いられている。従来の青色発光素子では、主としてサファイア基板を用いてc(+)方向([0001]軸方向)にn型層、p型層を形成し、当該n型層及びp型層間にInGaN系量子井戸発光層を作製したものが用いられてきた。このようにして作製された発光素子は、例えば、白色光源に応用されており、より高効率な光源を実現するために以下のような課題を解決することが求められている。   Gallium nitride (GaN) -based materials are currently widely used to produce light-emitting elements such as semiconductor light-emitting elements (LEDs) and semiconductor lasers (LDs). In a conventional blue light emitting device, an n-type layer and a p-type layer are formed mainly in a c (+) direction ([0001] axis direction) using a sapphire substrate, and an InGaN-based quantum well is formed between the n-type layer and the p-type layer. What produced the light emitting layer has been used. The light-emitting element thus manufactured is applied to, for example, a white light source, and it is required to solve the following problems in order to realize a more efficient light source.

サファイア基板を用いた発光素子は、基板とGaN系材料との格子定数のミスマッチのために貫通転位の発生が避けられないという課題と、もう一つは材料の特性として、c軸方向に沿って内部電界が発生するために、発光に寄与する電子と正孔の波動関数の重なりが小さく、発光効率が低下するという課題を有している。このため、サファイア基板を用いた発光素子は、量子井戸層の厚みを2nm程度と極めて薄く作製せざるを得ないという事情を有している(非特許文献1)。   In the light emitting device using the sapphire substrate, the generation of threading dislocations is unavoidable due to the mismatch of the lattice constant between the substrate and the GaN-based material, and the other is the property of the material along the c-axis direction. Since an internal electric field is generated, there is a problem that the overlapping of wave functions of electrons and holes contributing to light emission is small, and the light emission efficiency is lowered. For this reason, the light emitting element using a sapphire substrate has the situation that the thickness of a quantum well layer must be produced as thin as about 2 nm (nonpatent literature 1).

内部電界の影響は、In組成が高いほど大きく、そのために青以上の長波領域では特に発光効率が低下する。さらに、ドループ現象も深刻な問題であり高注入領域での効率低下の原因となっている。ドループ現象の原因については盛んに議論されているが、「キャリア密度の増加によるオージェ再結合」、「キャリアが量子井戸に捕獲されずに通過するスピルオーバー現象」、「MQW領域外へのキャリアのオーバーフロー」などが主な原因として考えられている(非特許文献2)。   The effect of the internal electric field is larger as the In composition is higher, and therefore the luminous efficiency is lowered particularly in the long wave region above blue. Furthermore, the droop phenomenon is also a serious problem and causes a decrease in efficiency in the high implantation region. Although the cause of the droop phenomenon is actively discussed, “Auger recombination due to increased carrier density”, “spillover phenomenon in which carriers pass through without being trapped in quantum well”, “overflow of carriers outside MQW region” "Is considered as the main cause (Non-Patent Document 2).

以上のような課題を解決するためには、基板として格子定数差のないGaN基板を用いることと、ピエゾ電界が発生しない面方位、またその結果として厚膜の量子井戸層の形成が可能なm面(10−10)面を用いることが有効と考えられてきた。   In order to solve the above problems, a GaN substrate having no lattice constant difference is used as a substrate, a plane orientation in which no piezoelectric field is generated, and as a result, a thick quantum well layer can be formed. It has been considered effective to use the plane (10-10) plane.

例えば、特許文献1によれば、m面において10nmを越える厚膜のInGaN量子井戸層を作製することが可能で、実際に低ドループ特性のLEDも報告されている。   For example, according to Patent Document 1, an InGaN quantum well layer having a thickness exceeding 10 nm on the m-plane can be produced, and an LED having a low droop characteristic is actually reported.

また、紫波長(407nm)のm面GaN基板上におけるInGaN量子井戸層の高発光効率化については、特許文献2に検討結果がある。そこでは、m面において発光効率の低下の原因となっているのは、結晶のすべり面に存在する酸素とIII族(ガリウム)の複合体であり、発光効率の向上のためには、結晶すべり面近傍を低In組成領域とすることが効果的と述べられている。そのための成長条件の導出は複雑である。重要なポイントとしては、InGaN量子井戸層の成長条件を超高V/III比(10000〜30000)とすることが望ましいとされている(特許文献2段落0101欄参照)。   Further, Patent Document 2 has a study result on increasing the light emission efficiency of the InGaN quantum well layer on the m-plane GaN substrate having a purple wavelength (407 nm). In this case, it is the complex of oxygen and group III (gallium) present on the slip surface of the crystal that causes the decrease in the light emission efficiency in the m-plane. It is said that it is effective to make the vicinity of the surface a low In composition region. The derivation of growth conditions for this purpose is complicated. An important point is that it is desirable that the growth condition of the InGaN quantum well layer is an ultra-high V / III ratio (10000 to 30000) (see paragraph 0101 of Patent Document 2).

他方、特許文献1では、400nmといった短波長(紫)での発光特性はc面と比較してm面では120%以上の良好な発光出力が得られ、ドループも極めて小さいことが分かっている。すなわち、m面での高発光効率のポテンシャルは高く、従来では実現できなかった高効率、低ドループ特性のLEDが得られる期待がある。   On the other hand, in Patent Document 1, it is known that the light emission characteristics at a short wavelength (purple) of 400 nm can be obtained as a good light emission output of 120% or more on the m-plane as compared with the c-plane, and the droop is very small. That is, the potential of high luminous efficiency on the m-plane is high, and there is an expectation that an LED having high efficiency and low droop characteristics that could not be realized in the past can be obtained.

以上から、紫から青波長、さらにそれ以上の長波領域で、m面GaN基板を利用した高効率発光のLEDを作製する試みが広く行われている。   From the above, attempts have been widely made to produce high-efficiency light emitting LEDs using m-plane GaN substrates in the long wave region from purple to blue wavelengths and beyond.

しかしながら、ピエゾ電界の影響を排除でき、自立基板により貫通転位を低減できるm面GaN基板上では、長波領域の発光効率が向上するはずが、期待に反して逆に長波長化に伴って出力が急激に低下する問題が報告されている(非特許文献3)。非特許文献3では、発光波長が400nmで発光出力が最大となり、420nm程度まで急激に発光出力が低下し、440nmでは400nmでの半分以下の発光出力しか得られていない。この現象は量子井戸層厚みを変えても同様である。   However, on an m-plane GaN substrate that can eliminate the influence of the piezoelectric field and reduce threading dislocations by a self-supporting substrate, the light emission efficiency in the long wave region should improve, but contrary to expectations, the output increases as the wavelength increases. A problem of abrupt reduction has been reported (Non-Patent Document 3). In Non-Patent Document 3, the light emission output becomes maximum when the light emission wavelength is 400 nm, and the light emission output sharply decreases to about 420 nm. At 440 nm, only light output less than half of that at 400 nm is obtained. This phenomenon is the same even if the quantum well layer thickness is changed.

特開2010−123803号公報JP 2010-123803 A 国際公開第2013/042297号International Publication No. 2013/042297

A. Chakraborty et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44, No. 5, 2005, pp. L 173-L 175.A. Chakraborty et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44, No. 5, 2005, pp. L 173-L 175. J. Piprek, Phys. Status Solidi A 207, No. 10, 2010, pp.2217-2225.J. Piprek, Phys.Status Solidi A 207, No. 10, 2010, pp.2217-2225. H. Yamada et al., Appl. Phys. Express 1, 2008, 041101.H. Yamada et al., Appl. Phys. Express 1, 2008, 041101.

非特許文献2に記載の通り、InGaN量子井戸層を有するm面GaN上LEDにおいては、発光波長が400nmで発光出力が最大となり、その後、InGaN量子井戸層中のIn組成が増加するにつれて急激に発光出力が低下するという課題があった。   As described in Non-Patent Document 2, in an LED on an m-plane GaN having an InGaN quantum well layer, the emission output is maximized at an emission wavelength of 400 nm, and then rapidly increases as the In composition in the InGaN quantum well layer increases. There was a problem that the light emission output decreased.

本発明者らも、m面GaN自立基板を用いたLEDについて、オフ角などの基板の仕様及びInGaN多重量子井戸層を含む各層構造を形成したときの成長温度、成長圧力や成長速度などの成長条件依存性及びInGaN量子井戸層の厚み、多重量子井戸層を形成した場合の障壁層の厚み、障壁層の組成などの構造依存性を調査した。しかしながら、非特許文献2と同様に、発光波長が400nmで発光出力が最大となり、その後、急激に発光出力が低下し、結果として青領域(波長450nm付近)では極性基板に比較しても低い発光出力しか得られなかった。   The present inventors have also developed a growth temperature, a growth pressure, a growth rate, and the like when an LED using an m-plane GaN free-standing substrate is formed, such as a substrate specification such as an off-angle, and each layer structure including an InGaN multiple quantum well layer. We investigated the structural dependency such as the condition dependency, the thickness of the InGaN quantum well layer, the thickness of the barrier layer when the multiple quantum well layer was formed, and the composition of the barrier layer. However, as in Non-Patent Document 2, the light emission output becomes maximum at a light emission wavelength of 400 nm, and then the light emission output rapidly decreases. As a result, in the blue region (near the wavelength of 450 nm), the light emission is lower than that of the polar substrate. Only output was obtained.

また、m面GaN基板のオフ角については、各軸方向に±5°程度のオフ角の基板を調査した。その結果、0°の基板からc軸(−)方向に徐々に−5°程度に傾斜させたオフ角の基板までは、同様の発光効率の波長依存性を示した。また、それ以外のオフ角を有するm面GaN基板(例えばa軸方向に傾斜した基板や、c軸(+)方向に傾斜した基板、またはその両方に傾斜した基板)では、紫波長を含め、さらに低い発光特性しか得られなかった。   As for the off-angle of the m-plane GaN substrate, a substrate having an off-angle of about ± 5 ° in each axial direction was investigated. As a result, the same wavelength dependence of light emission efficiency was exhibited from the 0 ° substrate to the off-angle substrate gradually inclined by about −5 ° in the c-axis (−) direction. In addition, in m-plane GaN substrates having other off-angles (for example, a substrate inclined in the a-axis direction, a substrate inclined in the c-axis (+) direction, or a substrate inclined in both), a violet wavelength is included, Only lower emission characteristics were obtained.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、発光出力を大幅に向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object of the present invention is to provide an epitaxial wafer, a semiconductor light emitting element, a light emitting device, and a method for manufacturing the epitaxial wafer that can greatly improve the light emission output.

なお、これ以降、本明細書でオフ角について言及する場合は、c(+)方向への傾斜角を示す。また、オフ角の数値の精度としては、小数点以下は結晶品質への影響は実質上小さく、面内でもばらつきがあるため、有効数字を一桁とした。例えば、c(+)方向に−5.2°、a軸方向に0.1°のオフ角を有する場合には、−5°のオフ角基板と記載している。同様に、オフ角が小さい場合、例えば、c方向に+0.24°、a軸方向に+0.13°のオフ角を有する場合には、0°の基板と記載している。   Hereinafter, when the off angle is referred to in this specification, the inclination angle in the c (+) direction is indicated. Further, as the accuracy of the off-angle numerical value, since the influence on the crystal quality is substantially small after the decimal point and there is a variation in the plane, the effective number is set to one digit. For example, when it has an off angle of −5.2 ° in the c (+) direction and 0.1 ° in the a-axis direction, it is described as a −5 ° off angle substrate. Similarly, when the off angle is small, for example, when the off angle is + 0.24 ° in the c direction and + 0.13 ° in the a-axis direction, the substrate is described as a 0 ° substrate.

上記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハは、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板と、前記GaN基板の一方側の主表面上に形成されたn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
In order to achieve the above object, an epitaxial wafer of the present invention includes a GaN substrate having a main surface having an off angle of 0 ° or more and 10 ° or less with respect to an m-plane, and a main surface on one side of the GaN substrate. An n-type conductive layer formed thereon, and a light-emitting layer formed on a main surface on one side of the n-type conductive layer, and a PL peak wavelength of the light-emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, The PL half width of the light emitting layer satisfies the conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)

また、本発明のエピタキシャルウエハは、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板と、前記GaN基板の一方側の主表面上に形成されたn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の室温25℃における前記発光層のPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である。   The epitaxial wafer of the present invention includes a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° or more and 10 ° or less with respect to the m-plane, and an n formed on the main surface on one side of the GaN substrate. A light emitting layer formed on a main surface on one side of the n-type conductive layer, and the PL peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the room temperature of the light emitting layer is 25. The PL lifetime of the light emitting layer at ° C. is 1.3 nsec or more and 20 nsec or less.

さらに、本発明のエピタキシャルウエハは、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板と、前記GaN基板の一方側の主表面上に形成されたn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、を備え、前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の励起光強度を1000倍変化させた場合の前記PLピーク波長の変動は、0nm以上10nm以下である。   Furthermore, the epitaxial wafer of the present invention includes a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° or more and 10 ° or less with respect to the m-plane, and an n formed on the main surface on one side of the GaN substrate. A light emitting layer formed on a main surface on one side of the n-type conductive layer, and a PL peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and excitation light of the light emitting layer The fluctuation of the PL peak wavelength when the intensity is changed 1000 times is from 0 nm to 10 nm.

さらに、本発明のエピタキシャルウエハは、発光層が量子井戸構造であり、量子井戸層と隣接する障壁層の間の少なくとも片側に界面歪緩衝層を形成する。   Further, in the epitaxial wafer of the present invention, the light emitting layer has a quantum well structure, and an interfacial strain buffer layer is formed on at least one side between the quantum well layer and the adjacent barrier layer.

また、上記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
In order to achieve the above object, the semiconductor light-emitting device of the present invention is formed on a main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. An n-type conductive layer made of the formed GaN-based semiconductor layer, a light emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p formed on one main surface of the light emitting layer A light emitting peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and a PL half width of the light emitting layer satisfies the conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)

また、本発明の半導体発光素子は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の室温25℃における前記発光層のPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である。   The semiconductor light-emitting device of the present invention includes a GaN-based semiconductor layer formed on a main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. An n-type conductive layer, a light-emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type conductive layer formed on one main surface of the light-emitting layer, The emission peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm to 460 nm, and the PL life of the light emitting layer at room temperature of 25 ° C. is 1.3 nsec to 20 nsec.

さらに、本発明の半導体発光素子は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を備え、前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の1mA以上350mA以下の発光ピーク波長の変動は、6nm以下である。   Furthermore, the semiconductor light emitting device of the present invention includes a GaN-based semiconductor layer formed on a main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. An n-type conductive layer, a light-emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type conductive layer formed on one main surface of the light-emitting layer, The emission peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the fluctuation of the emission peak wavelength of 1 mA or more and 350 mA or less of the light emitting layer is 6 nm or less.

さらに、上記の目的を達成するべく、本発明の発光装置は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を有し、前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
Furthermore, in order to achieve the above object, the light emitting device of the present invention is formed on the main surface on one side of the GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. An n-type conductive layer made of a GaN-based semiconductor layer, a light emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type formed on one main surface of the light emitting layer A PL peak wavelength of the light emitting layer is not less than 410 nm and not more than 460 nm, and a PL half value width of the light emitting layer is a semiconductor light emitting element that satisfies the conditional expression (1), and the semiconductor light emitting element is A wavelength converting substance that absorbs at least part of the emitted light and converts it into light having a longer wavelength.
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)

また、本発明の発光装置は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を有し、前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の室温25℃における前記発光層のPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。   The light-emitting device of the present invention comprises a GaN-based semiconductor layer formed on the main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. an n-type conductive layer, a light-emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type conductive layer formed on one main surface of the light-emitting layer, The emission peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the PL life of the light emitting layer at room temperature of 25 ° C. of the light emitting layer is 1.3 nsec or more and 20 nsec or less, and the semiconductor light emitting element A wavelength converting substance that absorbs at least part of the emitted light and converts it into light having a longer wavelength.

さらに、本発明の発光装置は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、を有し、前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、前記発光層の1mA以上350mA以下の発光ピーク波長の変動は、6nm以下である半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。   Furthermore, the light-emitting device of the present invention comprises a GaN-based semiconductor layer formed on the main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. an n-type conductive layer, a light-emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type conductive layer formed on one main surface of the light-emitting layer, The emission peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the fluctuation of the emission peak wavelength of 1 mA or more and 350 mA or less of the light emitting layer is 6 nm or less, and at least light emitted from the semiconductor light emitting element A wavelength converting substance that absorbs part of the light and converts it into light having a longer wavelength.

さらに、上記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上にGaN系半導体層からなるn型導電層を成長させる第1ステップと、前記第1ステップにおいて成長させた前記n型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第2ステップと、を備え、前記第2ステップでは、V族原料のモル供給量とIII族原料のモル供給量との比であるV/III比が500以上4000以下となるように、V族原料及びIII族原料を供給する。   Furthermore, in order to achieve the above-mentioned object, the epitaxial wafer manufacturing method of the present invention includes a main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. A first step of growing an n-type conductive layer made of a GaN-based semiconductor layer thereon; a second step of growing a light emitting layer on a main surface on one side of the n-type conductive layer grown in the first step; In the second step, the group V source and the group III are set so that the V / III ratio, which is the ratio of the mole supply amount of the group V raw material to the group feed amount of the group III raw material, is 500 or more and 4000 or less. Supply raw materials.

本発明によれば、発光出力を大幅に向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the epitaxial wafer, semiconductor light-emitting device, light-emitting device, and epitaxial wafer which can improve the light emission output significantly is realizable.

図1は、従来条件で作製した半導体発光素子の光出力の波長依存性を評価した結果を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the results of evaluating the wavelength dependence of the light output of a semiconductor light emitting device fabricated under conventional conditions. 図2は、従来条件で作製したMQW構造の基板面内のPLマッピング結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the PL mapping result in the substrate surface of the MQW structure manufactured under the conventional conditions. 図3は、図2で示した位置におけるPLスペクトルを、全偏光成分を受光した場合と偏光分離した場合とに分けてそれぞれ重ね書きした結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the result of overwriting the PL spectrum at the position shown in FIG. 2 separately for the case where all the polarization components are received and the case where the polarization is separated. 図4は、図3で偏光分離したPLスペクトルを2成分のガウシアンピークでフィッティングした結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a result of fitting the PL spectrum separated by polarization in FIG. 3 with a two-component Gaussian peak. 図5は、図4で得られたそれぞれのPLピーク波長を、図3のXの位置を横軸にしてプロットした結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of plotting the PL peak wavelengths obtained in FIG. 4 with the position of X in FIG. 3 as the horizontal axis. 図6は、図2の各位置でのXRD回折結果であり、その0次サテライトピークの角度の位置依存性を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the XRD diffraction results at each position in FIG. 2 and the position dependency of the angle of the 0th-order satellite peak. 図7は、従来条件で作製したMQW構造の断面TEM像を示す写真である。FIG. 7 is a photograph showing a cross-sectional TEM image of an MQW structure fabricated under conventional conditions. 図8は、従来条件で作製したm面上半導体発光素子への注入電流の電流値を変えたときの、EL発光スペクトルを重ね書きした結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the result of overwriting the EL emission spectrum when the current value of the injection current to the m-plane semiconductor light emitting device fabricated under the conventional conditions is changed. 図9は、図8のEL発光スペクトルを2成分のガウシアンピークでフィッティングした結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the result of fitting the EL emission spectrum of FIG. 8 with a two-component Gaussian peak. 図10は、陽電子消滅実験で用いたサンプルB及びサンプルCのPL発光スペクトルの結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of PL emission spectra of Sample B and Sample C used in the positron annihilation experiment. 図11は、陽電子消滅実験で得られたサンプルB及びサンプルCのS−Wプロットを示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing SW plots of Sample B and Sample C obtained in the positron annihilation experiment. 図12は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of the epitaxial wafer according to the present embodiment. 図13は、本実施形態に係る発光層の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the light emitting layer according to this embodiment. 図14は、本実施形態に係る半導体発光素子の模式図であり、図14(a)は上面図であり、図14(b)は図14(a)のX−X線の位置における断面図である。FIG. 14 is a schematic view of the semiconductor light emitting device according to this embodiment, FIG. 14 (a) is a top view, and FIG. 14 (b) is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 14 (a). It is. 図15は、本実施形態に係る発光装置の模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram of a light emitting device according to this embodiment. 図16は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart of an epitaxial wafer manufacturing method according to this embodiment. 図17は、実施例1、実施例2及び比較例1の半導体発光素子に350mAを通電した場合の全放射束の波長依存性を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing the wavelength dependence of the total radiant flux when 350 mA is applied to the semiconductor light emitting devices of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. 図18は、実施例1、実施例2及び比較例1の半導体発光素子から得られるPL半値幅のPLピーク波長依存性及びPL寿命を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing the PL peak wavelength dependence and PL lifetime of the PL half-value width obtained from the semiconductor light emitting devices of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. 図19は、実施例1及び比較例1の半導体発光素子におけるEL発光スペクトル、EL発光ピーク波長の電流値依存性及び全放射束の電流値依存性を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the EL emission spectra, the current value dependency of the EL emission peak wavelength, and the current value dependency of the total radiant flux in the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Comparative Example 1. 図20は、LED構造及びMQW構造の成長条件を変えて測定したPLピーク波長とPL半値幅の関係を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing the relationship between the PL peak wavelength and the PL half width measured by changing the growth conditions of the LED structure and the MQW structure. 図21は、LED構造及びMQW構造の成長条件を変えて測定したPLピーク波長とPL寿命の関係を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the relationship between the PL peak wavelength and the PL lifetime measured by changing the growth conditions of the LED structure and the MQW structure. 図22は、PLピーク波長の励起光強度(相対値)依存性である。FIG. 22 shows the dependency of the PL peak wavelength on the excitation light intensity (relative value). 図23は、実施例6のMQW構造の励起光強度を変化させたときの室温における励起光強度とPL寿命の関係を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing the relationship between the excitation light intensity at room temperature and the PL lifetime when the excitation light intensity of the MQW structure of Example 6 is changed. 図24は、実施例7−1のMQW構造から得られるCLスペクトル半値幅のマッピングデータである。FIG. 24 is CL spectrum half-value width mapping data obtained from the MQW structure of Example 7-1. 図25は、実施例7−1のMQW構造から得られるCLスペクトル波長のマッピングデータである。FIG. 25 is CL spectral wavelength mapping data obtained from the MQW structure of Example 7-1. 図26は、比較例7−1のMQW構造から得られるCLスペクトル半値幅のマッピングデータである。FIG. 26 is mapping data of the CL spectrum half width obtained from the MQW structure of Comparative Example 7-1. 図27は、比較例7−1のMQW構造から得られるCLスペクトル波長のマッピングデータである。FIG. 27 is CL spectral wavelength mapping data obtained from the MQW structure of Comparative Example 7-1. 図28は、図26で1、2、3と図示した部分におけるCL発光スペクトルである。FIG. 28 is a CL emission spectrum in the portions shown as 1, 2, and 3 in FIG. 図28は、図24で1、2、3と図示した部分におけるCL発光スペクトルである。FIG. 28 is a CL emission spectrum in the portions shown as 1, 2, and 3 in FIG. 図30は、実施例8−1のInGaN単層上のAFMによる表面モホロジーであり、左側は表面形状像で、右側は位相像である。FIG. 30 shows the surface morphology by AFM on the InGaN single layer of Example 8-1, where the left side is a surface shape image and the right side is a phase image. 図31は、比較例8−1のInGaN単層上のAFMによる表面モホロジーであり、左側は表面形状像で、右側は位相像である。FIG. 31 shows the surface morphology by AFM on the InGaN single layer of Comparative Example 8-1, where the left side is a surface shape image and the right side is a phase image. 図32は、実施例9のMQW構造のPL寿命の温度依存性を示すグラフである。FIG. 32 is a graph showing the temperature dependence of the PL lifetime of the MQW structure of Example 9.

(経緯)
本発明者らが本開示に至った主要な動機として、非極性面であるm面GaN基板上のInGaN量子井戸層からの発光スペクトルが複数のピークを有することに注目した点を以下に説明する。ここで対象にしているInGaN量子井戸層は波長が400nmから460nmの発光が得られるもので、In組成としては概ね5%から20%の範囲となっている。
(Background)
As a main motivation for the present inventors to reach the present disclosure, the following points will be described in which the emission spectrum from the InGaN quantum well layer on the non-polar m-plane GaN substrate has a plurality of peaks. . The target InGaN quantum well layer can emit light with a wavelength of 400 nm to 460 nm, and the In composition is generally in the range of 5% to 20%.

まず、本発明者らがm面GaN基板上のInGaN量子井戸層を従来条件、すなわち、通常用いられる高V/III比条件を用いて半導体発光素子を作製し、光出力の波長依存性を評価した結果を図1に示す。ここでは、InGaN量子井戸層の成長時におけるV/III比として8340から15480といった高V/III比条件を用いている。層構造、成長条件は、表1及び表2に示したとおりである。なお、InGaN量子井戸層とGaN障壁層は、3周期繰り返して積層した。基板、チップ構造、実装形態、評価条件は、後述する実施例1と同様とした。   First, the present inventors fabricated a semiconductor light emitting device using an InGaN quantum well layer on an m-plane GaN substrate under conventional conditions, that is, normally used high V / III ratio conditions, and evaluated the wavelength dependence of optical output. The results are shown in FIG. Here, a high V / III ratio condition of 8340 to 15480 is used as the V / III ratio during the growth of the InGaN quantum well layer. The layer structure and growth conditions are as shown in Tables 1 and 2. The InGaN quantum well layer and the GaN barrier layer were laminated by repeating three periods. The substrate, chip structure, mounting form, and evaluation conditions were the same as in Example 1 described later.

InGaN量子井戸層からの発光波長を制御するためには種々の方法があるが、ここでは、InGaN量子井戸層成長時のIII族中のInモル供給量比((TMIの1分当たりのモル供給量)/(TMIの1分当たりのモル供給量+TMGの1分当たりのモル供給量))を変化させること及び発光層の成長温度の調整により制御した。   There are various methods for controlling the emission wavelength from the InGaN quantum well layer. Here, the In mole supply ratio in the group III during the growth of the InGaN quantum well layer ((mol supply per minute of TMI) Amount) / (mol supply amount of TMI per minute + mol supply amount of TMG per minute)) and controlling the growth temperature of the light emitting layer.

本明細書に示した実施例及び比較例は、本発明者らが行った全体の実験結果のうちの一部であるが、どの条件でも成長温度の低下及びInモル供給量比の増加のどちらの条件を用いても発光波長を長波化させることができた。つまり、ある波長を実現するための成長温度とInモル供給量比の組み合わせは複数存在する。しかし、Inモル供給量比が50%以上の範囲では、これから述べる発光効率や発光層品質は波長によって支配されていた。すなわち、どのような成長温度とInモル供給量比の組み合わせを用いても、それ以外の条件と波長が同じであれば特性、品質は同等であることを確かめている。   The examples and comparative examples shown in this specification are a part of the results of the entire experiment conducted by the present inventors. However, under either condition, the growth temperature is decreased and the In molar supply ratio is increased. The emission wavelength could be lengthened even using the above conditions. That is, there are a plurality of combinations of the growth temperature and the In mole supply ratio for realizing a certain wavelength. However, when the In mole supply ratio is in the range of 50% or more, the light emission efficiency and the light emitting layer quality described below are governed by the wavelength. That is, no matter what combination of growth temperature and In mole supply ratio is used, it is confirmed that the characteristics and quality are the same as long as the other conditions and wavelengths are the same.

ここで、図1からわかるように、発光出力は長波化するに従い急激に低下する。この傾向は、上述した非特許文献3とまったく同様であった。   Here, as can be seen from FIG. 1, the light emission output decreases rapidly as the wave length increases. This tendency was exactly the same as that of Non-Patent Document 3 described above.

課題で述べたように、今まで成長条件の変更やオフ角などの基板種類の変更では、m面上LED発光出力の改善は見られなかった。そこで、本発明者らは、In組成が高くなるにつれて発光層自体の品質が低下していると考え、発光層の品質を直接、正確に観測するために、p型導電層の手前で成長を止めたMQW構造により、品質低下の原因及び改善手法の検討を行った。   As described in the problem, the improvement of the LED light emission output on the m-plane has not been observed so far by changing the growth conditions or changing the substrate type such as the off angle. Therefore, the present inventors consider that the quality of the light-emitting layer itself decreases as the In composition increases, and in order to observe the quality of the light-emitting layer directly and accurately, the growth is performed before the p-type conductive layer. Based on the stopped MQW structure, the cause of quality deterioration and improvement methods were examined.

m面GaN基板のオフ角については0°から5°付近まで検討したが、品質低下状況はほぼ同様であった。ここではオフ角が0°のm面GaN基板上のLEDについて説明する。ここで検討した層構造を表3に示す。なお、InGaN量子井戸層とGaN障壁層は、3周期繰り返して積層した。InGaN量子井戸層でのV/III比は8340と高い値を用いた。   Although the off-angle of the m-plane GaN substrate was examined from 0 ° to around 5 °, the quality deterioration situation was almost the same. Here, an LED on an m-plane GaN substrate having an off angle of 0 ° will be described. The layer structure examined here is shown in Table 3. The InGaN quantum well layer and the GaN barrier layer were laminated by repeating three periods. The V / III ratio in the InGaN quantum well layer was as high as 8340.

成長終了後、基板全体に対してPLマッピング測定を実施した。PLマッピング測定は、励起光源として325nmのHe−Cdレーザを用い、基板全面を0.5mmピッチで評価した。図2にPLピーク波長、PLピーク強度、PL半値幅のマッピング結果を示す。   After the growth was completed, PL mapping measurement was performed on the entire substrate. In the PL mapping measurement, a 325 nm He—Cd laser was used as an excitation light source, and the entire surface of the substrate was evaluated at a pitch of 0.5 mm. FIG. 2 shows a mapping result of the PL peak wavelength, the PL peak intensity, and the PL half width.

図2からわかるように、図面の左下から右上にかけてPLピーク波長が長波化し、同時にPLピーク強度も低下している。PL半値幅は、長波化につれて一旦広がり、440nm付近で最も広く、さらに図面の右上の端付近では再度狭くなっている。   As can be seen from FIG. 2, the PL peak wavelength becomes longer from the lower left to the upper right of the drawing, and at the same time, the PL peak intensity also decreases. The PL half-value width once spreads as the wave length increases, and is the widest in the vicinity of 440 nm and further narrowed in the vicinity of the upper right end of the drawing.

また、ここで得られたPL発光スペクトルは、強度ピークが2つある場合や、強度ピークは一つであっても、スペクトル形状が左右対称ではなく、片側にふくらみ(肩と呼ぶこともある)がみられるいびつな形状の場合などがみられた。
これらのスペクトル形状の異常は強度ピークが少なくとも2つあるためであり、2種類以上の発光の重ね合わせであることからきている。ここでは、この現象を指して発光のマルチピークという。
In addition, the PL emission spectrum obtained here has two intensity peaks, or even if there is only one intensity peak, the spectrum shape is not bilaterally symmetric and bulges on one side (sometimes called a shoulder). There were cases of distorted shapes that could be seen.
These abnormal spectral shapes are due to the fact that there are at least two intensity peaks, and this is due to the superposition of two or more types of light emission. Here, this phenomenon is referred to as multi-peak of light emission.

上記マッピング結果の詳細を調査するために基板上に「X」で示したポイントで、再度、別の光学系を用いてPL発光スペクトルを評価した。ここでの励起光としては、385nm波長のピコ秒パルスレーザを用い、スポット径は100μmφとした。励起光の詳細条件は、PL寿命測定で使用したものと同様である。測定ポイントの表示は、基板上の短波側(図2の下側から)順に、X1、X2・・・X10とした。   In order to investigate the details of the mapping result, the PL emission spectrum was evaluated again using another optical system at the point indicated by “X” on the substrate. As the excitation light here, a picosecond pulse laser with a wavelength of 385 nm was used, and the spot diameter was 100 μmφ. The detailed conditions of the excitation light are the same as those used in the PL lifetime measurement. The measurement points are displayed in the order of X1, X2,..., X10 on the short wave side (from the lower side in FIG. 2) on the substrate.

上記のPL発光スペクトルの評価は、発光をすべて受光した場合(偏光なし)、PL発光スペクトルの受光側に偏光フィルターを挿入して電界ベクトルがa軸方向に偏光している成分(E//a)のみを受光した場合、及び電界ベクトルがc軸方向に偏光している成分(E//c)のみを受光した場合の3条件でスペクトルを測定した。   The evaluation of the PL emission spectrum described above is based on the component (E // a) in which the electric field vector is polarized in the a-axis direction by inserting a polarizing filter on the light receiving side of the PL emission spectrum when all the emission is received (no polarization). ), And the spectrum was measured under three conditions: only the component (E // c) whose electric field vector is polarized in the c-axis direction.

偏光分離して評価した目的は、PL発光スペクトルのマルチピークがバンド構造起因かどうかを調べるためである。m面GaN基板上のInGaN量子井戸層の価電子帯は、面内異方性歪の影響で分裂しており、基底準位である最も低エネルギー準位のAバンドに由来する発光(長波側の発光)ではE//a偏光であり、高次準位に由来する発光(Bバンド)ではE//c偏光であることが分かっている。そこで、マルチピークがバンド構造起因であるならば、それは偏光の異なる二つのシングルピークの重ね合わせであり、偏光分離することでシングルピークに分離できるはずである。   The purpose of the evaluation by polarization separation is to examine whether the multi-peak of the PL emission spectrum is due to the band structure. The valence band of the InGaN quantum well layer on the m-plane GaN substrate is split by the influence of in-plane anisotropic strain, and the light emission derived from the A band of the lowest energy level, which is the ground level (long wave side) E // a-polarized light, and light (B-band) derived from a higher level is known to be E // c-polarized light. Therefore, if the multi-peak is due to the band structure, it is a superposition of two single peaks having different polarizations, and can be separated into single peaks by polarization separation.

これら3種類の条件で測定したPL発光スペクトルを偏光条件ごとにわけて、各位置でのPL発光スペクトルを重ね書きしたものを図3に示す。   FIG. 3 shows a PL emission spectrum measured under these three conditions for each polarization condition, and the PL emission spectrum at each position is overwritten.

図3からわかるように、E//a成分及びE//c成分は、両方とも、シングルピークではなくマルチピークになっている。つまり、これらのマルチピークの原因は、価電子帯のバンド構造起因ではないと考えられる。なお、縦軸のスケールは、見やすくするために適宜拡大、縮小しており、グラフごとに異なる。   As can be seen from FIG. 3, both the E // a component and the E // c component are not single peaks but multi-peaks. That is, the cause of these multi-peaks is not due to the band structure of the valence band. Note that the scale of the vertical axis is appropriately enlarged and reduced for easy viewing, and is different for each graph.

次に、これらのマルチピークがどのような成分から構成されているか調べるために、サンプルAのE//a成分及びE//c成分のそれぞれのPLスペクトルについて、2成分のガウシアンピークの重ね合わせを仮定して、各PLピーク強度をフィッティングした。結果を図4に示す。縦軸はPLピーク強度、横軸はエネルギー表示(フォトンエネルギー(eV))である。   Next, in order to examine what component these multi-peaks are composed of, the superposition of the two-component Gaussian peaks on the PL spectra of the E // a component and E // c component of sample A, respectively. Was used to fit each PL peak intensity. The results are shown in FIG. The vertical axis is PL peak intensity, and the horizontal axis is energy display (photon energy (eV)).

図4からわかるように、PL発光スペクトルが2成分の重ね合わせとすると、E//a成分及びE//c成分のそれぞれのピークの形状を精度よく再現できる。すなわち、これらのPL発光スペクトルは、短波側の発光モード(Ehigh)と長波側の発光モード(Elow)の重ね合わせになっている。 As can be seen from FIG. 4, when the PL emission spectrum is composed of two components, the shapes of the peaks of the E // a component and the E // c component can be accurately reproduced. That is, these PL emission spectra are a superposition of the light emission mode (E high ) on the short wave side and the light emission mode (E low ) on the long wave side.

さらに、図4でピーク分離したそれぞれのPL発光スペクトルのピークを位置ごとにプロットしたものを図5に示す。   Furthermore, what plotted the peak of each PL emission spectrum which carried out peak separation in FIG. 4 for every position is shown in FIG.

図5からわかるように、E//a成分及びE//c成分の両方とも、元のPL発光スペクトルのピーク(白抜き□及び△)は、紫波長に近い側では短波側のPL発光スペクトルとピークが近く(短波側のピークがメインとなっていることを意味する)、長波化するにつれてより長波側のスペクトルとピークが近くなっている(長波側発光がメインとなっている)。   As can be seen from FIG. 5, both the E // a component and the E // c component show the peaks of the original PL emission spectrum (open squares □ and Δ) on the short wavelength side of the PL emission spectrum. And the peak is close (meaning that the peak on the short wave side is the main), and the spectrum and the peak on the long wave side are closer as the wave length increases (the light emission on the long wave side is the main).

短波側から長波側にピーク位置が移るポイントは、E//a成分とE//c成分とで異なるが、どちらも430nm付近である。   The point at which the peak position moves from the short wave side to the long wave side differs between the E // a component and the E // c component, but both are around 430 nm.

さらに元のPL発光スペクトルのピーク波長は、X6からX7にかけてPLピーク波長のとびがみられているが、In組成がそれらに対応して変化しているか調査するために、各位置での(300)反射XRD回折評価を行った。   Furthermore, the peak wavelength of the original PL emission spectrum shows a jump in the PL peak wavelength from X6 to X7. In order to investigate whether the In composition changes correspondingly, (300 ) Reflective XRD diffraction evaluation was performed.

ここでは、X2、X4、X6、X7、X8、X9及びX10の位置について測定した。その結果を図6に示す。また、図6中に0次ピークの角度の位置依存性を示した。図6からわかるように、X6からX7、X8にかけてIn組成を反映するサテライトピークの変化は緩やかである。すなわち、PLピーク波長のとびは、In組成の変動によるものではない。   Here, the positions of X2, X4, X6, X7, X8, X9 and X10 were measured. The result is shown in FIG. Further, FIG. 6 shows the position dependency of the angle of the zeroth-order peak. As can be seen from FIG. 6, the change of the satellite peak reflecting the In composition from X6 to X7 and X8 is gradual. That is, the jump in the PL peak wavelength is not due to a change in the In composition.

さらに、このような波長変動やマルチピークの発生が、特許文献2にみられるような結晶のすべり面や積層欠陥、貫通転位などの結晶欠陥によるものが調査するために、断面HAADF−TEM評価を実施した。結果を図7に示す。図7からわかるように、InGaN量子井戸層の断面には欠陥がみられず、量子井戸構造の境界面も平坦、In揺らぎも目立たず大きな問題は見当たらなかった。   Furthermore, in order to investigate the occurrence of such wavelength fluctuations and multi-peaks due to crystal defects such as slip planes, stacking faults, and threading dislocations as seen in Patent Document 2, cross-sectional HAADF-TEM evaluation was performed. Carried out. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, no defects were observed in the cross section of the InGaN quantum well layer, the interface of the quantum well structure was flat, the In fluctuation was not noticeable, and no major problem was found.

さらに、本発明者らは、実際の発光素子に電流注入したときの発光特性ではどのような発光スペクトルが得られるかを調査した。電流注入による発光スペクトルをEL発光スペクトルと呼ぶ。ここでは、PLピーク波長変動(後述)で使用した素子構造と同様のものに、p型導電層を形成した基板を作製し、半導体発光素子を作製して評価した。結果を図8及び図9に示す。   Furthermore, the present inventors investigated what kind of emission spectrum can be obtained with the emission characteristics when current is injected into an actual light emitting element. An emission spectrum by current injection is called an EL emission spectrum. Here, a substrate on which a p-type conductive layer was formed in the same structure as that used in PL peak wavelength fluctuation (described later) was fabricated, and a semiconductor light emitting device was fabricated and evaluated. The results are shown in FIGS.

図8に示すように、EL発光スペクトルの形状は、注入電流に応じて変化する。また、その形状は、PL発光スペクトルと同様に、2つのガウシアンピークの重ね合わせで良好にフィッティングすることができる。図9に示すように、長波側発光は、低キャリア密度(低電流値)ではメインであるが、キャリア密度が上がるとともに短波側発光がメインとなる。すなわち、キャリア密度が高い場合には、長波側発光の相対的な発光効率は低い。   As shown in FIG. 8, the shape of the EL emission spectrum changes according to the injection current. Moreover, the shape can be fitted well by superimposing two Gaussian peaks, like the PL emission spectrum. As shown in FIG. 9, long wave side light emission is main at low carrier density (low current value), but short wave side light emission becomes main as the carrier density increases. That is, when the carrier density is high, the relative light emission efficiency of long wave side light emission is low.

InGaN量子井戸層の品質低下の原因を追及する試みの中で、さらに本発明者らは発光波長の異なるサンプルを用いて、陽電子消滅実験により、点欠陥の状況及びその種類を評価した。陽電子消滅実験による点欠陥の評価とS−Wプロットを用いた欠陥種の推定については、例えば、Uedono et al., Journal of Crystal Growth 311, 2009, pp.3075-3079.に説明されている。   In an attempt to investigate the cause of the quality deterioration of the InGaN quantum well layer, the present inventors further evaluated the state and type of point defects by positron annihilation experiments using samples having different emission wavelengths. Evaluation of point defects by positron annihilation experiments and estimation of defect species using SW plots are described in, for example, Uedono et al., Journal of Crystal Growth 311, 2009, pp. 3075-3079.

点欠陥評価については、評価の感度を上げるために全体の膜厚を厚くする必要があった。今回、そのために作製したサンプルは、m面GaN自立基板上にInGaN量子井戸層4nmとGaN障壁層4nmとを交互に25周期積層した。サンプルは、サンプルBとサンプルCの2種類を作成した。サンプルBとサンプルCは、In組成のみが異なり、サンプルBではIn組成は約10%、サンプルCでは約20%となっている。   For the point defect evaluation, it was necessary to increase the overall film thickness in order to increase the sensitivity of the evaluation. This time, the sample produced for this purpose was formed by alternately laminating 25 cycles of InGaN quantum well layers 4 nm and GaN barrier layers 4 nm on an m-plane GaN free-standing substrate. Two types of samples, sample B and sample C, were prepared. Sample B and sample C differ only in the In composition. In the sample B, the In composition is about 10%, and in the sample C, it is about 20%.

ここでの成長条件は、表2に示したものと類似であり、表2との相違点は、上記のInGaN量子井戸層とGaN障壁層の厚み及び周期数を変えたものである。InGaN量子井戸層の成長時のV/III比は、8340〜18080といった高V/III条件を用いている。   The growth conditions here are similar to those shown in Table 2, and the difference from Table 2 is that the thickness and period number of the InGaN quantum well layer and the GaN barrier layer are changed. The V / III ratio during the growth of the InGaN quantum well layer uses a high V / III condition of 8340 to 18080.

サンプルBは発光波長が393nmであり、サンプルCは発光波長が420nmである。サンプルB及びサンプルCをHe−Cdレーザ励起光を用いて評価したときのPL発光スペクトルを図10に示す。マルチピークを検討した前述のサンプルAと構造は異なるが、サンプルBのPLは単峰性で半値幅が狭く、サンプルCではPLスペクトルいびつで、マルチピークが発生している。サンプルBはIn組成が低い場合の良好な品質を、サンプルCはIn組成が高い場合にマルチピークが発生し、品質が低下した場合の状況を再現している。   Sample B has an emission wavelength of 393 nm, and Sample C has an emission wavelength of 420 nm. FIG. 10 shows PL emission spectra when sample B and sample C are evaluated using He—Cd laser excitation light. Although the structure of the sample A is different from that of the sample A described above, the PL of the sample B is unimodal and has a narrow half-value width, and the sample C has a multi-peak due to the PL spectrum. Sample B reproduces the good quality when the In composition is low, and sample C reproduces the situation when the multi-peak occurs when the In composition is high and the quality is lowered.

図11に陽電子消滅実験によって得られたS−Wプロットを示す。S−Wプロットでは、点欠陥の大小及び欠陥種を示すことができる。図11からわかるように、サンプルBでは、点欠陥がほぼ見られない良好な品質であり、一方、サンプルCでは、点欠陥が発生しており、その欠陥の種類としてはVGa−(VN3 、すなわち、Ga空孔とN空孔の複合体の可能性が示唆されている。 FIG. 11 shows the SW plot obtained by the positron annihilation experiment. In the SW plot, the size of the point defect and the defect type can be shown. As can be seen from FIG. 11, sample B has good quality with almost no point defects, while sample C has point defects, and the type of defects is V Ga − (V N 3 , that is, the possibility of a complex of Ga vacancies and N vacancies has been suggested.

また、図11には酸素と関連する欠陥種のポイントも同時に表示されているが、(例えば、VGANなど)サンプルCのプロット位置から、酸素関連の欠陥とは関係が小さいことがわかる。 Further, although in FIG. 11 being displayed simultaneously defect type point associated with the oxygen, (e.g., V GA O N, etc.) from the plot position of the sample C, it can be seen that the relationship is smaller than the oxygen-related defects .

m面GaN基板のエピタキシャル成長膜中には、一般に、酸素の含有量が多いことが分かっているが、波長がわずかに異なるサンプルBとサンプルCで極端に酸素濃度が異なるとは考えられず、このことからも欠陥は酸素起因でないと考えられる。   In general, it is known that the content of oxygen is large in the epitaxially grown film of the m-plane GaN substrate, but it is not considered that the oxygen concentration is extremely different between sample B and sample C having slightly different wavelengths. Therefore, it is considered that the defects are not caused by oxygen.

以上をまとめると、m面GaN基板上のInGaN量子井戸層からの発光は、PL、ELともに2成分の発光スペクトルの重なりとなっており、バンド構造、In組成変動や格子欠陥や酸素不純物の影響では説明できない。   In summary, the emission from the InGaN quantum well layer on the m-plane GaN substrate is an overlap of the emission spectra of two components for both PL and EL, and the influence of band structure, In composition variation, lattice defects and oxygen impurities. I can't explain that.

EL発光スペクトルの電流値依存性から、長波側の発光は低キャリア密度条件では、メインの発光となっているが、キャリア密度が増加した場合には効率低下が顕著となる。   From the dependence of the EL emission spectrum on the current value, the light emission on the long wave side is the main light emission under the low carrier density condition. However, when the carrier density is increased, the efficiency is significantly reduced.

また、長波側発光が発生する状況では、点欠陥密度が増大している。この長波側発光を抑制することが、発光特性改善に必須である。紫から青紫の波長では、長波側発光の存在によりPL発光スペクトルの半値幅が広がってしまうことから、成長条件および構造の改善でPL半値幅を狭化することが品質改善の指標になることがわかる。   In addition, in the situation where long-wave side light emission occurs, the point defect density increases. Suppressing the long-wave side light emission is essential for improving the light emission characteristics. At wavelengths from violet to blue-violet, the half-value width of the PL emission spectrum broadens due to the presence of long-wave side emission, so narrowing the PL half-value width by improving growth conditions and structure can be an indicator of quality improvement. Recognize.

さらに、PL寿命も同様に発光層の品質の指標となる。室温でのPL寿命は非輻射再結合によって支配されており、結晶中のキャリア(電子及びホール)が欠陥による消滅しやすさを表している。PL寿命は、結晶の極性によっても大きく変動するが、m面GaN基板上では極性の影響は排除できるため、同種基板の比較ではPL寿命が長い方が発光層の品質が良いといえる。   Furthermore, the PL lifetime is also an indicator of the quality of the light emitting layer. The PL lifetime at room temperature is governed by non-radiative recombination and represents the ease with which the carriers (electrons and holes) in the crystal disappear due to defects. Although the PL lifetime varies greatly depending on the polarity of the crystal, the influence of the polarity can be eliminated on the m-plane GaN substrate. Therefore, it can be said that the longer the PL lifetime is, the better the quality of the light emitting layer is.

上記に加えて、PLピーク波長の励起光強度依存性も発光品質の指標となる。EL発光特性から見られたように、長波側発光は高注入側で発光効率が低いため、電流値が増加するにつれて、長波側発光から短波側のピークに移行し、結果としてピーク波長の励起光強度依存性が大きくなる。PL発光スペクトル測定でも同様の現象が起きており、このような波長とびが観測されるキャリア密度は、概ね1×1016cm-3から5×1020cm-3程度の範囲である。励起光強度をこの範囲で相対値で1000倍変化させた場合のPLピーク波長の変化量を抑制することは、発光層品質の改善の良い指標となる。 In addition to the above, the dependency of the PL peak wavelength on the excitation light intensity is also an indicator of the emission quality. As can be seen from the EL emission characteristics, since the emission efficiency of the long wave side is low on the high injection side, as the current value increases, the emission shifts from the long wave side emission to the short wave side peak. Strength dependency is increased. The same phenomenon occurs in the PL emission spectrum measurement, and the carrier density at which such a wavelength jump is observed is approximately in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . Suppressing the change amount of the PL peak wavelength when the excitation light intensity is changed 1000 times as a relative value within this range is a good index for improving the light emitting layer quality.

上述したPL半値幅、PL寿命、PLピーク波長の励起光強度依存性についての検討は、発光素子の構造でも可能であるが、p型導電層のないMQW構造でも可能である。そこで、発光素子の発光特性以外の検討については、本発明者らは主にMQW構造で上記の検討を行った。   The above-described examination of the PL half-width, PL lifetime, and PL peak wavelength dependence on the excitation light intensity is possible with the structure of the light emitting element, but also with the MQW structure without the p-type conductive layer. In view of the above, the inventors of the present invention mainly performed the above-described investigation on the MQW structure, except for the light emission characteristics of the light emitting element.

量子井戸層の光学品質を改善するために、以下の観点で検討した。従来、主に用いられているc面GaN基板では、窒素抜けによる結晶性劣化を懸念して高V/III比条件が通常用いられる。実際に、原子モデルから、c(+)面ではN原子が結晶表面に付着した場合には、Gaの1本のダングリングボンドに付着しており、不安定で抜けやすいことが予想される。それ故、高V/III比条件が有効に機能していると考えられる。   In order to improve the optical quality of the quantum well layer, the following viewpoints were studied. Conventionally, in a c-plane GaN substrate mainly used, a high V / III ratio condition is usually used because of concern about crystallinity deterioration due to nitrogen loss. Actually, from the atomic model, when N atoms are attached to the crystal surface in the c (+) plane, it is expected that they are attached to one dangling bond of Ga, and are unstable and easily removed. Therefore, it is considered that the high V / III ratio condition is functioning effectively.

逆に、c(−)面では、逆の原子の結合構造を示す。すなわち、窒素原子は、表面のGaからの3本のダングリングボンドで結合しており、より安定である。一方、表面に付着したIII族原子は、1本のダングリングボンドで付着しており、より不安定と考えられる。m面GaN基板について同様の検討を行う場合、オフ角によって状況は異なる。例えば、c(−)側に傾斜した面を持つ場合、表面にはc(−)面からなるステップが存在し、ステップ端の窒素原子は3本のダングリングボンドでGa原子と結合している。そのため、窒素原子の安定性はよく、逆に、III族原子の安定性が悪いと考えられる。   On the other hand, the c (−) plane shows a reverse atom bond structure. That is, the nitrogen atoms are bonded by three dangling bonds from the surface Ga, and are more stable. On the other hand, the group III atom attached to the surface is attached by one dangling bond, and is considered to be more unstable. When a similar study is performed on an m-plane GaN substrate, the situation varies depending on the off angle. For example, when the surface has an inclined surface on the c (−) side, there is a step consisting of the c (−) surface on the surface, and the nitrogen atoms at the step ends are bonded to Ga atoms by three dangling bonds. . Therefore, it is considered that the stability of the nitrogen atom is good, and conversely, the stability of the group III atom is poor.

オフ角が0°のm面GaN基板もしくはc(+)側のオフ角を有するm面GaN基板の場合には、表面にファセットが発生しやすく、その結果、c(+)側のステップ端に加えて、c(−)側のステップ端も表面に現れる。結果的に、c(−)側のオフ角を有する場合と同様の現象がみられている。   In the case of an m-plane GaN substrate having an off angle of 0 ° or an m-plane GaN substrate having an off angle on the c (+) side, facets are likely to be generated on the surface, and as a result, at the step end on the c (+) side. In addition, the step end on the c (−) side also appears on the surface. As a result, the same phenomenon as in the case of having an off angle on the c (−) side is observed.

このような観点から、m面GaN基板では、従来、c面GaN基板で行われてきたように、V/III比を上げる必要はなく、逆に下げた方が結晶性が向上すると考えた。V/III比を下げることで、III族原子のマイグレーションが向上して良好なステップフロー成長が期待できる。その結果、空孔などの非輻射再結合中心となり得る結晶欠陥や、長波側の発光ピークを抑制できると考えられる。   From this point of view, the m-plane GaN substrate does not need to increase the V / III ratio as conventionally performed with the c-plane GaN substrate, and conversely, it is considered that the crystallinity is improved by lowering the V / III ratio. By lowering the V / III ratio, the migration of group III atoms is improved and good step flow growth can be expected. As a result, it is considered that crystal defects that can be non-radiative recombination centers such as vacancies and emission peaks on the long wave side can be suppressed.

ただし、ステップフロー成長では、成長表面は平坦になって、結果的に界面が極めて急峻となる。そのため、InGaN量子井戸層とGaN障壁層との界面では、組成が急激に変化し、互いに格子定数が異なるために、局所的に歪が蓄積する。その結果、InGaN量子井戸層の成長時に、表面原子のマイグレーションが局所歪の影響を受けて阻害される懸念がある。   However, in step flow growth, the growth surface becomes flat, and as a result, the interface becomes extremely steep. Therefore, at the interface between the InGaN quantum well layer and the GaN barrier layer, the composition changes abruptly and the lattice constants differ from each other, so that strain accumulates locally. As a result, there is a concern that the migration of surface atoms is hindered by the influence of local strain during the growth of the InGaN quantum well layer.

局所歪の影響を避けるには、量子井戸層と障壁層の間に界面歪緩衝層を設けることが効果的である。界面歪制御層は、量子井戸層と障壁層の中間の格子定数を有する層によって実現することができる。   In order to avoid the influence of local strain, it is effective to provide an interface strain buffer layer between the quantum well layer and the barrier layer. The interface strain control layer can be realized by a layer having a lattice constant intermediate between the quantum well layer and the barrier layer.

以上より、V/III比を下げてステップフロー成長を実現し、さらに、界面歪緩衝層を導入することで、より表面平坦性に優れ、局所歪の小さい構造を実現することができる。その結果、PL半値幅が狭く、非発光再結合中心の少ない良好な発光層を実現することができる。   As described above, step flow growth can be realized by lowering the V / III ratio, and further, by introducing an interfacial strain buffer layer, it is possible to realize a structure with better surface flatness and small local strain. As a result, it is possible to realize a good light emitting layer with a narrow PL half-value width and few non-radiative recombination centers.

(本実施形態に係るエピタキシャルウエハの構成)
以下、図面及び表を参照し、本発明の実施形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態及び実施例は、本発明を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施形態及び実施例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
(Configuration of epitaxial wafer according to this embodiment)
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings and tables. In addition, this invention is not limited to the content demonstrated below, In the range which does not change the summary, it can change arbitrarily and can implement. The embodiments and examples schematically illustrate the present invention, and are partially emphasized, enlarged, reduced, or omitted to deepen the understanding. May not be an accurate representation of. Further, various numerical values and quantities used in the embodiments and examples are only examples, and can be variously changed as necessary.

図12は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。エピタキシャルウエハ1は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板(m面GaN基板)と、上記GaN基板の一方側の主表面上に形成されているn型導電層と、上記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、上記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層とを有する。なお、主表面上とは、必ずしも直上という意味でなく、当該主表面の上側に位置していれば良いという意味である。   FIG. 12 is a cross-sectional view of the epitaxial wafer according to the present embodiment. Epitaxial wafer 1 is formed on a GaN substrate (m-plane GaN substrate) whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° or more and 10 ° or less with respect to the m-plane, and a main surface on one side of the GaN substrate. An n-type conductive layer, a light emitting layer formed on one main surface of the n-type conductive layer, and a p-type conductive layer formed on one main surface of the light emitting layer. Note that “on the main surface” does not necessarily mean that it is directly above, but it means that it may be positioned above the main surface.

具体的に、エピタキシャルウエハ1は、図12に示すように、m面GaN基板2、第1のアンドープGaN層3、n型GaNコンタクト層(n型導電層)4、AlGaN層5、第2のアンドープGaN層6、発光層7、p型AlGaNクラッド層8、p型GaNコンタクト層9及びp型InGaNコンタクト層10を有している。m面GaN基板2及び各層3〜10は上記に記載されている順に積層されている。   Specifically, as shown in FIG. 12, the epitaxial wafer 1 includes an m-plane GaN substrate 2, a first undoped GaN layer 3, an n-type GaN contact layer (n-type conductive layer) 4, an AlGaN layer 5, a second It has an undoped GaN layer 6, a light emitting layer 7, a p-type AlGaN cladding layer 8, a p-type GaN contact layer 9 and a p-type InGaN contact layer 10. The m-plane GaN substrate 2 and the layers 3 to 10 are stacked in the order described above.

m面GaN基板2は、0°のGaN基板であってもよいし、オフ角が付与されたGaN基板であってもよい。オフ角は、通常10°以内、好ましくは6°以内である。m面GaN基板2上に形成された各層の厚さ方向と、各層を構成するGaN系半導体のm軸との間でなす角度は、m面GaN基板2のオフ角に等しい。また、m面GaN基板2は、一般に結晶性が良好な自立基板がより望ましい。   The m-plane GaN substrate 2 may be a 0 ° GaN substrate or a GaN substrate with an off angle. The off angle is usually within 10 °, preferably within 6 °. The angle formed between the thickness direction of each layer formed on the m-plane GaN substrate 2 and the m-axis of the GaN-based semiconductor constituting each layer is equal to the off-angle of the m-plane GaN substrate 2. In addition, the m-plane GaN substrate 2 is more preferably a self-standing substrate generally having good crystallinity.

第1のアンドープGaN層3は、例えば、TMG(トリメチルガリウム)、NH3(アンモニア)を原料として作製される。第1のアンドープGaN層3の厚さは、例えば、1〜1000nm、好ましくは2〜20nmである。第1のアンドープGaN層3の成長温度は、通常900℃〜1100℃程度である。第1のアンドープGaN層3は、m面GaN基板2の表面を安定化し、その上面の各層の品質を良好にする働きがある。 The first undoped GaN layer 3 is produced, for example, using TMG (trimethyl gallium) or NH 3 (ammonia) as a raw material. The thickness of the first undoped GaN layer 3 is, for example, 1 to 1000 nm, preferably 2 to 20 nm. The growth temperature of the first undoped GaN layer 3 is usually about 900 ° C. to 1100 ° C. The first undoped GaN layer 3 functions to stabilize the surface of the m-plane GaN substrate 2 and improve the quality of each layer on the upper surface.

n型GaNコンタクト層4は、例えば、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)のようなn型不純物でドープされている。n型GaNコンタクト層4は、例えば、SiH4(シラン)、TMG、NH3を原料として作製される。n型GaNコンタクト層4の厚さは、例えば、1〜6μm、好ましくは2〜4μmであり、成長温度は第1のアンドープGaN層3と同様である。n型不純物濃度は、例えば、2×1018〜2×1019cm-3、好ましくは5×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。 The n-type GaN contact layer 4 is doped with n-type impurities such as Si (silicon) and Ge (germanium), for example. The n-type GaN contact layer 4 is produced using, for example, SiH 4 (silane), TMG, and NH 3 as raw materials. The thickness of the n-type GaN contact layer 4 is, for example, 1 to 6 μm, preferably 2 to 4 μm, and the growth temperature is the same as that of the first undoped GaN layer 3. The n-type impurity concentration is, for example, 2 × 10 18 to 2 × 10 19 cm −3 , preferably 5 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

AlGaN層5は、例えば、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)NH3を原料として作製される。AlGaN層5の厚さは、例えば、5〜100nm、好ましくは5〜20nmである。 The AlGaN layer 5 is produced, for example, using TMG, TMA (trimethylaluminum) NH 3 as a raw material. The thickness of the AlGaN layer 5 is, for example, 5 to 100 nm, preferably 5 to 20 nm.

AlGaN層5は、特にオフ角が2°以上のm面GaN基板上のMOCVD成長で発生しやすい、結晶欠陥を低減する効果があり、その上部に作製する発光層の品質を良好にする働きがある。   The AlGaN layer 5 has an effect of reducing crystal defects that are likely to be generated particularly by MOCVD growth on an m-plane GaN substrate having an off angle of 2 ° or more, and works to improve the quality of the light emitting layer formed thereon. is there.

第2のアンドープGaN層6は、例えば、TMG、NH3を原料として作製される。第2のアンドープGaN層6の厚さは、例えば、20〜1000nm、好ましくは50〜200nmである。 The second undoped GaN layer 6 is produced using, for example, TMG and NH 3 as raw materials. The thickness of the second undoped GaN layer 6 is, for example, 20 to 1000 nm, preferably 50 to 200 nm.

なお、第1のアンドープGaN層3、AlGaN層5、第2のアンドープGaN層6は、場合によっては省略しても良い。すなわち、m面GaN基板2の直上にn型GaNコンタクト層4を設けることが可能であり、n型GaNコンタクト層4の直上に発光層7を設けることが可能である。またAlGaN層5はアンドープであってもよいし、ドーピングされていてもよい。   The first undoped GaN layer 3, the AlGaN layer 5, and the second undoped GaN layer 6 may be omitted depending on circumstances. That is, the n-type GaN contact layer 4 can be provided immediately above the m-plane GaN substrate 2, and the light emitting layer 7 can be provided directly above the n-type GaN contact layer 4. The AlGaN layer 5 may be undoped or doped.

発光層7は、InGaNまたはInAlGaNからなる単層であってもよいが、好ましくは、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された構造を有する多重量子井戸層(MQW)が良い。量子井戸層は、好ましくは、InGaN、InAlGaNのような、Inを含むGaN系半導体で形成される。発光層7をInGaN量子井戸層/GaN障壁層とした場合、InGaN量子井戸層は、例えば、TMI(トリメチルインジウム)、TMG、NH3を原料として作製される。GaN障壁層は、例えば、TMG、NH3を原料として作製される。量子井戸層の厚さは、例えば、2〜15nm、好ましくは3〜10nmである。障壁層の厚さは、例えば、2〜30nm、好ましくは4〜20nmである。また、量子井戸層と障壁層の繰り返し周期数は通常2周期から12周期までの範囲が用いられる。 The light emitting layer 7 may be a single layer made of InGaN or InAlGaN, but is preferably a multiple quantum well layer (MQW) having a structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked. The quantum well layer is preferably formed of a GaN-based semiconductor containing In, such as InGaN or InAlGaN. In the case where the light emitting layer 7 is an InGaN quantum well layer / GaN barrier layer, the InGaN quantum well layer is produced using, for example, TMI (trimethylindium), TMG, and NH 3 as raw materials. The GaN barrier layer is produced using TMG and NH 3 as raw materials, for example. The thickness of the quantum well layer is, for example, 2 to 15 nm, preferably 3 to 10 nm. The thickness of the barrier layer is, for example, 2 to 30 nm, preferably 4 to 20 nm. In addition, the number of repetition periods of the quantum well layer and the barrier layer is usually in a range from 2 periods to 12 periods.

発光層7の量子井戸層と障壁層の作製時には、ガリウム原料として、TMGの替わりにTEG(トリエチルガリウム)、もしくはTMGとTEGの混合ガスを用いてもよい。
また、障壁層は量子井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きなGaN系半導体であればよく、GaN層あるいは、In組成が量子井戸層より小さいInGaN層などを用いることができる。
When producing the quantum well layer and the barrier layer of the light emitting layer 7, TEG (triethyl gallium) or a mixed gas of TMG and TEG may be used as a gallium raw material instead of TMG.
The barrier layer may be a GaN-based semiconductor having a band gap energy larger than that of the quantum well layer, and a GaN layer or an InGaN layer having an In composition smaller than the quantum well layer can be used.

p型AlGaNクラッド層8は、例えば、発光層7とp型GaNコンタクト層9のいずれに対してもより大きなバンドギャップエネルギーを有するAlyGa1-yN(好ましくは0.04≦y≦0.2)で形成される。p型AlGaNクラッド層8は、例えば、Mg(マグネシウム)、Zn(亜鉛)のようなp型不純物でドープされている。p型AlGaNクラッド層8の厚さは、例えば、10〜200nm、好ましくは10nm以上50nm以下である。p型不純物濃度は、例えば、1×1019〜5×1020cm-3である。 The p-type AlGaN cladding layer 8 is made of, for example, Al y Ga 1-y N (preferably 0.04 ≦ y ≦ 0) having a larger band gap energy than both the light emitting layer 7 and the p-type GaN contact layer 9. .2). The p-type AlGaN cladding layer 8 is doped with p-type impurities such as Mg (magnesium) and Zn (zinc), for example. The thickness of the p-type AlGaN cladding layer 8 is, for example, 10 to 200 nm, preferably 10 nm to 50 nm. The p-type impurity concentration is, for example, 1 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 .

なお、p型AlGaNクラッド層8は省略することができる。すなわち、発光層7の直上にp型GaNコンタクト層9を設けることが可能である。   The p-type AlGaN cladding layer 8 can be omitted. That is, it is possible to provide the p-type GaN contact layer 9 immediately above the light emitting layer 7.

p型GaNコンタクト層9は、Mg、Znのようなp型不純物でドープされている。p型GaNコンタクト層9の厚さは、例えば、40〜200nmである。p型不純物濃度は、例えば、1×1019〜5×1020cm-3であり、内部で不純物濃度を意図的に変化させることも行われる。p型GaNコンタクト層9にAlを混入させて、p型AlxGa1-xN(好ましくは0.01≦x≦0.05)コンタクト層とすることも可能である。 The p-type GaN contact layer 9 is doped with p-type impurities such as Mg and Zn. The thickness of the p-type GaN contact layer 9 is, for example, 40 to 200 nm. The p-type impurity concentration is, for example, 1 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 , and the impurity concentration is intentionally changed inside. Al may be mixed into the p-type GaN contact layer 9 to form a p-type Al x Ga 1-x N (preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.05) contact layer.

p型InGaNコンタクト層10は、例えば、InxGa1-xN(好ましくは0.01≦x≦0.05)で形成され、Mg、Znのようなp型不純物でドープされている。p型InGaNコンタクト層10の厚さは、例えば、1〜20nm、好ましくは10nm以下、特に好ましくは5nm以下である。p型InGaNコンタクト層10の組成は、好ましくは、そのバンドギャップエネルギーが発光層7のバンドギャップエネルギー(活性層がMQWの場合には、井戸層のバンドギャップエネルギー)よりも大きくなるように定められる。 The p-type InGaN contact layer 10 is formed of, for example, In x Ga 1-x N (preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.05) and is doped with a p-type impurity such as Mg or Zn. The thickness of the p-type InGaN contact layer 10 is, for example, 1 to 20 nm, preferably 10 nm or less, and particularly preferably 5 nm or less. The composition of the p-type InGaN contact layer 10 is preferably determined such that its band gap energy is larger than the band gap energy of the light emitting layer 7 (the band gap energy of the well layer when the active layer is MQW). .

なお、p型InGaNコンタクト層10は省略することができる。すなわち、p型GaNコンタクト層9でエピタキシャル成長を終了させることが可能である。   The p-type InGaN contact layer 10 can be omitted. That is, the epitaxial growth can be terminated at the p-type GaN contact layer 9.

また、上記に記載されていない層を追加してもよい。具体的には、第2のアンドープGaN層6と発光層7の間にn型層を追加してもよい。あるいは発光層とp型AlGaNクラッド層8の間にアンドープまたはMg濃度の低いp型層を追加してもよい。これらのような層を入れることで信頼性を向上させることができる場合がある。   Moreover, you may add the layer which is not described above. Specifically, an n-type layer may be added between the second undoped GaN layer 6 and the light emitting layer 7. Alternatively, an undoped or p-type layer with a low Mg concentration may be added between the light emitting layer and the p-type AlGaN cladding layer 8. In some cases, reliability can be improved by adding such a layer.

上記に記載したように、p型導電層、n型導電層及び発光層の構成はLED素子やレーザ素子を作製するためには不可欠であるが、本特許で問題にしている発光層の品質を改善する、あるいは品質の確認をするためには、p型導電層がない方がより望ましい。なぜなら、p型導電層がある場合にはフォトルミネッセンス測定(以下、PL測定という。)を行うときに励起光をp型導電層を通して照射する必要があり、p型導電層の構造に依存して励起光が減衰してしまうからである。また、発光層から発生したフォトルミネッセンス光(以下、PL光という。)もp型導電層を通して受光することになるため、p型導電層の構造に依存して減衰してしまうことになるからである。   As described above, the configuration of the p-type conductive layer, the n-type conductive layer, and the light-emitting layer is indispensable for manufacturing LED elements and laser elements. In order to improve or confirm the quality, it is more desirable that there is no p-type conductive layer. This is because when there is a p-type conductive layer, it is necessary to irradiate excitation light through the p-type conductive layer when performing photoluminescence measurement (hereinafter referred to as PL measurement), depending on the structure of the p-type conductive layer. This is because the excitation light is attenuated. Also, since photoluminescence light (hereinafter referred to as PL light) generated from the light emitting layer is received through the p-type conductive layer, it is attenuated depending on the structure of the p-type conductive layer. is there.

本明細書では、上記のことに鑑み、実験検討は主にp型導電層のない構造で検討を行っている。そこでは、多重量子井戸層(MQW層)で結晶成長を終了させている。以降、p型導電層を形成していない構造をMQW構造と呼び、p型導電層まで形成した構造をLED構造と呼ぶ。   In the present specification, in view of the above, the experimental study is mainly conducted with a structure without a p-type conductive layer. There, the crystal growth is terminated in the multiple quantum well layer (MQW layer). Hereinafter, a structure in which the p-type conductive layer is not formed is referred to as an MQW structure, and a structure in which the p-type conductive layer is formed is referred to as an LED structure.

ただし、本明細書では、p型導電層での減衰の影響を受けるPL光の強度は問題にせず、PL発光スペクトルの形状のみを問題にするため、MQW構造とLED構造は互いに比較可能である。   However, in this specification, the intensity of PL light affected by attenuation in the p-type conductive layer is not a problem, and only the shape of the PL emission spectrum is a problem, so that the MQW structure and the LED structure can be compared with each other. .

かかる構成に加えて、発光層7のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、発光層7のPL半値幅Δlは、以下の条件式(1)を満たす。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
In addition to this configuration, the PL peak wavelength of the light emitting layer 7 is not less than 410 nm and not more than 460 nm, and the PL half width Δl of the light emitting layer 7 satisfies the following conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)

PL発光スペクトルの形状は、励起光強度に依存するため、光学品質をより敏感に反映する弱励起条件を用いることが必要である。ここでは、使用方法が簡便なHe−Cdレーザ(波長325nm)を用い、基板上での放射束を毎秒0.7ミリジュール/秒(0.7mW)に調整し、照射サイズを約0.1mmφとして評価した。面積当たりでは8.9W/cm2となっており、発光層中のInGaN量子井戸層中に生成されるキャリア密度は、概ね5×1017cm-3以下と考えられるため、弱励起条件となり望ましい。 Since the shape of the PL emission spectrum depends on the excitation light intensity, it is necessary to use weak excitation conditions that reflect the optical quality more sensitively. Here, a He—Cd laser (wavelength: 325 nm) that is easy to use is used, the radiant flux on the substrate is adjusted to 0.7 millijoule / second (0.7 mW), and the irradiation size is about 0.1 mmφ. As evaluated. Since it is 8.9 W / cm 2 per area and the carrier density generated in the InGaN quantum well layer in the light emitting layer is considered to be approximately 5 × 10 17 cm −3 or less, it is desirable because it is a weak excitation condition. .

PL発光スペクトルの評価は、上記励起光強度と同等以下の励起光強度で評価することが必要である。また、PL発光スペクトルは、PL光を分光器で分散したのち受光装置により測定することにより得られた。発光層7のPL半値幅とは、上記PL発光スペクトルの半値全幅のことをいう。   It is necessary to evaluate the PL emission spectrum with an excitation light intensity equal to or lower than the excitation light intensity. The PL emission spectrum was obtained by dispersing PL light with a spectroscope and measuring with a light receiving device. The PL half width of the light emitting layer 7 refers to the full width at half maximum of the PL emission spectrum.

参考のために、条件式(1)を満たすPLピーク波長とPL半値幅の関係の一例を示す。例えば、PLピーク波長が420nmの場合には、式(1)を満たすPL半値幅は18nm以下である。また、PLピーク波長が430nmの場合には、式(1)を満たすPL半値幅は22nm以下である。さらに、PLピーク波長が440nmの場合には、式(1)を満たすPL半値幅は26nm以下である。   For reference, an example of the relationship between the PL peak wavelength satisfying the conditional expression (1) and the PL half width is shown. For example, when the PL peak wavelength is 420 nm, the PL half-value width that satisfies Equation (1) is 18 nm or less. When the PL peak wavelength is 430 nm, the PL half-value width satisfying the expression (1) is 22 nm or less. Furthermore, when the PL peak wavelength is 440 nm, the PL half width satisfying the expression (1) is 26 nm or less.

また、発光層7のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、室温における発光層7の時間分解PL測定によるPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である。なお、PL寿命は、好ましくは1.5nsec以上15nsec以下、より好ましくは1.7nsec以上10nsec以下である。   Moreover, the PL peak wavelength of the light emitting layer 7 is 410 nm or more and 460 nm or less, and the PL lifetime by the time-resolved PL measurement of the light emitting layer 7 at room temperature is 1.3 nsec or more and 20 nsec or less. The PL life is preferably 1.5 nsec or more and 15 nsec or less, more preferably 1.7 nsec or more and 10 nsec or less.

ここでは、時間分解PL測定は、時間相関単一光子係数法を用い、室温において測定を行った。光源は、モードロックTi:サファイアレーザーおよび高調波発生結晶により構成した波長可変パルスレーザを用いた。パルスの繰り返し周波数は80MHz、パルス幅は2psとした。   Here, the time-resolved PL measurement was performed at room temperature using a time-correlated single photon coefficient method. As the light source, a tunable pulse laser constituted by a mode-locked Ti: sapphire laser and a harmonic generation crystal was used. The pulse repetition frequency was 80 MHz and the pulse width was 2 ps.

活性層構造に内在する単層又は複数の層を有する量子井戸層の光学的品質を直接評価するためには、選択励起による時間分解PL測定が有効である。量子井戸層を選択励起するためには、本実施例の構造では、InGaN量子井戸層のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有し、なおかつ、その他の層を構成する材料(ここではGaNとAlGaN)のバンドギャップよりも小さいエネルギーを有する励起光を選ぶ必要がある。そこで、波長可変パルスレーザの波長は、385nmとした。   In order to directly evaluate the optical quality of a quantum well layer having a single layer or a plurality of layers inherent in the active layer structure, time-resolved PL measurement by selective excitation is effective. In order to selectively excite the quantum well layer, in the structure of the present embodiment, the energy of the band gap of the InGaN quantum well layer is larger, and the other layers (here, GaN and AlGaN) are used. It is necessary to select excitation light having energy smaller than the band gap. Therefore, the wavelength of the tunable pulse laser was set to 385 nm.

続いて、パルスエネルギーを紫外用NDフィルタにより調整した後、ステージに取り付けられた試料に照射した。試料からのPL光を、集光レンズを通して分光器で分散した後にフォトマルチプライヤーに導いた。   Subsequently, after the pulse energy was adjusted by the ultraviolet ND filter, the sample attached to the stage was irradiated. PL light from the sample was guided to a photomultiplier after being dispersed by a spectroscope through a condenser lens.

試料に照射されるパルスエネルギーは、パワーメータによりパワー測定し、繰り返し周波数で除算することにより求めた。レーザーのビーム径は試料位置でφ0.1mmであった。これにより、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は、1.6μJ/cm2であり、励起される過剰キャリア密度は、おおよそ1×1017cm-3と見積もられる。 The pulse energy applied to the sample was determined by measuring the power with a power meter and dividing by the repetition frequency. The laser beam diameter was φ0.1 mm at the sample position. Thereby, the pulse energy density per unit area is 1.6 μJ / cm 2 , and the excess carrier density to be excited is estimated to be approximately 1 × 10 17 cm −3 .

本条件は、量子井戸層の発光品質を評価するためには十分な低励起条件であり、発光品質を評価するには、これと同等以下の励起条件を用いることが必要である。   This condition is a sufficiently low excitation condition for evaluating the light emission quality of the quantum well layer, and in order to evaluate the light emission quality, it is necessary to use an excitation condition equal to or less than this.

ここではまず、PL発光スペクトルの測定を行い、次にPL発光スペクトルのピーク波長を分光器により選択し、時間分解PL測定を行った。続いて、パルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めた。PL強度の減衰曲線において最大強度から最大強度の1/eの強度となるまでの時間をPL寿命と定義する。一般に時間分解PL測定における減衰曲線は、単一指数関数形とならない場合が多いが、ここではPL寿命を上記のように定義する。実際に、本実施例で得られた減衰曲線は、単一指数関数に近い曲線を示した。   Here, first, the PL emission spectrum was measured, and then the peak wavelength of the PL emission spectrum was selected with a spectroscope to perform time-resolved PL measurement. Subsequently, the PL life was obtained from the transient response (decay curve) with respect to time of the PL intensity after pulse excitation. The time from the maximum intensity to 1 / e of the maximum intensity in the PL intensity decay curve is defined as the PL life. In general, the decay curve in the time-resolved PL measurement often does not have a single exponential function, but here, the PL life is defined as described above. Actually, the attenuation curve obtained in this example showed a curve close to a single exponential function.

さらに、発光層7のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、発光層7は、励起密度依存性により励起強度を変更した場合の波長変動が0nm以上10nm以下である。なお、励起密度依存性により励起強度を変更した場合の波長変動は、好ましくは0nm以上8nm以下、より好ましくは0nm以上6nm以下である。ここでの波長変動は、InGaN量子井戸層の中に生成されるキャリア密度が概ね1×1016cm-3から5×1020cm-3程度の範囲で励起光強度を1倍から1000倍まで変動させた時のPLピーク波長の変化分を指す。測定にあたっては励起光を対物レンズで集光させ高いエネルギー密度とした上で、NDフィルターを用いてエネルギー密度(相対値)を1〜1000の大きさに変化させる。 Furthermore, the PL peak wavelength of the light emitting layer 7 is 410 nm or more and 460 nm or less, and the light emitting layer 7 has a wavelength variation of 0 nm or more and 10 nm or less when the excitation intensity is changed due to the excitation density dependency. Note that the wavelength variation when the excitation intensity is changed due to the excitation density dependency is preferably 0 nm to 8 nm, more preferably 0 nm to 6 nm. The wavelength variation here is that the excitation light intensity is increased from 1 to 1000 times when the carrier density generated in the InGaN quantum well layer is in the range of approximately 1 × 10 16 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3. This refers to the change in the PL peak wavelength when it is varied. In the measurement, the excitation light is condensed with an objective lens to obtain a high energy density, and the energy density (relative value) is changed to a value of 1 to 1000 using an ND filter.

図13は、本実施形態に係る発光層7の断面図である。発光層7は、好ましくはInGaN層を含む。また、発光層7は、図2に示すように、好ましくは量子井戸層7Aと障壁層7Bとが交互に積層された多重量子井戸層からなり、量子井戸層7A及び障壁層7B間の少なくとも一方側の界面に、量子井戸層7Aと障壁層7Bとの中間の格子定数を有し、量子井戸層7A及び障壁層7B間の歪を制御する界面歪緩衝層7Cを有する。界面歪緩衝層7Cは、好ましくは、InGaN、InAlGaNのような、Inを含むGaN系半導体で形成される。界面歪緩衝層7CのIn組成は量子井戸層7Aと障壁層7Bの間の組成とし、厚さは、例えば、0.1〜3nm、好ましくは0.5nm以上2nm以下である。また、単一の組成の層であっても、組成が段階的に変化してもよい。   FIG. 13 is a cross-sectional view of the light emitting layer 7 according to this embodiment. The light emitting layer 7 preferably includes an InGaN layer. As shown in FIG. 2, the light emitting layer 7 is preferably composed of a multiple quantum well layer in which quantum well layers 7A and barrier layers 7B are alternately stacked, and at least one of the quantum well layers 7A and the barrier layers 7B. An interfacial strain buffer layer 7C that has an intermediate lattice constant between the quantum well layer 7A and the barrier layer 7B and controls strain between the quantum well layer 7A and the barrier layer 7B is provided at the side interface. The interfacial strain buffer layer 7C is preferably formed of a GaN-based semiconductor containing In, such as InGaN or InAlGaN. The In composition of the interfacial strain buffer layer 7C is a composition between the quantum well layer 7A and the barrier layer 7B, and the thickness is, for example, 0.1 to 3 nm, preferably 0.5 nm to 2 nm. Moreover, even if it is a layer of a single composition, a composition may change in steps.

なお、界面歪緩衝層7Cは省略することができる。すなわち、発光層7は、量子井戸層7Aと障壁層7Bとが交互に積層された多重量子井戸層のみであっても良い。   The interfacial strain buffer layer 7C can be omitted. That is, the light emitting layer 7 may be only a multiple quantum well layer in which the quantum well layers 7A and the barrier layers 7B are alternately stacked.

さらに、m面GaN基板2の暗点密度は、2×108cm-2以下である。より好ましくは2×107cm-2以下であり、さらに好ましくは2×106cm-2以下である。ここで、m面GaN基板2の暗点密度とは、結晶中のミスフィット転位などの格子欠陥がカソードルミネッセンス像で暗点状に観察されるときの密度をいう。このような低い暗点密度を実現するためには異種基板ではなく、GaN自立基板を使用することで実現できる。 Furthermore, the dark spot density of the m-plane GaN substrate 2 is 2 × 10 8 cm −2 or less. More preferably, it is 2 × 10 7 cm −2 or less, and further preferably 2 × 10 6 cm −2 or less. Here, the dark spot density of the m-plane GaN substrate 2 refers to the density at which lattice defects such as misfit dislocations in the crystal are observed as dark spots in the cathodoluminescence image. Such a low dark spot density can be realized by using a GaN free-standing substrate instead of a heterogeneous substrate.

さらに、m面GaN基板2の他方側の主表面は、粗面化されている。ここで、m面GaN基板2の粗面化とは、光取出し効率を向上させることのできる表面の凹凸形状であり、基板の表面処理やドライエッチングを用いてその形状を付与することができる。m面GaN基板2の表面粗さは、本来の面方位を持つ平坦面の比率が50%以下であることが好ましい。   Furthermore, the main surface on the other side of the m-plane GaN substrate 2 is roughened. Here, the roughening of the m-plane GaN substrate 2 is an uneven surface shape that can improve the light extraction efficiency, and the shape can be imparted using surface treatment or dry etching of the substrate. The surface roughness of the m-plane GaN substrate 2 is preferably such that the ratio of the flat surface having the original plane orientation is 50% or less.

(本実施形態に係る半導体発光素子の構成)
図14は、本実施形態に係る半導体発光素子20の模式図である。図14(a)は上面図であり、図14(b)は図14(a)のX−X線の位置における断面図である。
(Configuration of Semiconductor Light-Emitting Element According to this Embodiment)
FIG. 14 is a schematic diagram of the semiconductor light emitting device 20 according to this embodiment. 14A is a top view, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 14A.

半導体発光素子20は、上述したエピタキシャルウエハ1に対して、エッチング、電極形成、素子分離等の処理を行って作成したものである。半導体発光素子20は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN系半導体層からなるn型導電層と、上記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、上記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層とを有している。   The semiconductor light emitting element 20 is formed by performing processes such as etching, electrode formation, element separation, etc. on the epitaxial wafer 1 described above. The semiconductor light emitting device 20 includes an n-type conductive layer composed of a GaN-based semiconductor layer whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° or more and 10 ° or less with respect to the m-plane, and a main surface on one side of the n-type conductive layer. A light emitting layer formed on the surface and a p-type conductive layer formed on the main surface on one side of the light emitting layer.

そして、上記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、上記発光層のPL半値幅は、以下の条件式(1)を満たす範囲である。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
And the light emission peak wavelength of the said light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less, and the PL half value width of the said light emitting layer is the range which satisfy | fills the following conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)

また、発光層7の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、室温における発光層7の時間分解PL測定によるPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である。   Moreover, the emission peak wavelength of the light emitting layer 7 is 410 nm or more and 460 nm or less, and PL lifetime by the time-resolved PL measurement of the light emitting layer 7 at room temperature is 1.3 nsec or more and 20 nsec or less.

さらに、本実施形態に係る半導体発光素子20は、電流注入による波長変動が小さい。例えば、発光ピーク波長が420nmで350mAまでの電流注入による波長変動は、6nm以下であり、好ましくは測定系の分解能(約1nm)以下である。   Furthermore, the semiconductor light emitting device 20 according to this embodiment has a small wavelength variation due to current injection. For example, the wavelength fluctuation due to current injection up to 350 mA at an emission peak wavelength of 420 nm is 6 nm or less, preferably less than the resolution (about 1 nm) of the measurement system.

具体的に、半導体発光素子20は、図14(b)に示すように、m面GaN基板2、第1のアンドープGaN層3、n型GaNコンタクト層(n型導電層)4、AlGaN層5、第2のアンドープGaN層6、発光層7、p型AlGaNクラッド層8、p型GaNコンタクト層(p型導電層)9、p型InGaNコンタクト層10、n側メタル電極11、p側コンタクト電極12及びp側メタル電極13を有している。なお、m面GaN基板2は、剥離等により除去されていても良い。   Specifically, as shown in FIG. 14B, the semiconductor light emitting device 20 includes an m-plane GaN substrate 2, a first undoped GaN layer 3, an n-type GaN contact layer (n-type conductive layer) 4, and an AlGaN layer 5. , Second undoped GaN layer 6, light-emitting layer 7, p-type AlGaN cladding layer 8, p-type GaN contact layer (p-type conductive layer) 9, p-type InGaN contact layer 10, n-side metal electrode 11, p-side contact electrode 12 and a p-side metal electrode 13. The m-plane GaN substrate 2 may be removed by peeling or the like.

n側メタル電極11は、図14(b)に示すように、n型GaNコンタクト層4の一部露出した表面に形成されている。また、p側コンタクト電極12は、図14(b)に示すように、p型InGaNコンタクト層10の上面に形成されている。p側コンタクト電極12は、例えば、ITO、ニッケル、プラチナ、チタン、銀、タングステン、クロム、或いはこれら金属が含まれる合金であってもよい。また、p側メタル電極13は、パッド電極として、p側コンタクト電極12上の一部に形成されている。   As shown in FIG. 14B, the n-side metal electrode 11 is formed on a partly exposed surface of the n-type GaN contact layer 4. The p-side contact electrode 12 is formed on the upper surface of the p-type InGaN contact layer 10 as shown in FIG. The p-side contact electrode 12 may be, for example, ITO, nickel, platinum, titanium, silver, tungsten, chromium, or an alloy containing these metals. The p-side metal electrode 13 is formed as a pad electrode on a part of the p-side contact electrode 12.

本実施形態に係る半導体発光素子20は、電流注入により410nm以上で高出力性を示すことができる。350mAを注入したときの発光ピーク波長と発光出力の関係は以下のとおりである。例えば、発光ピーク波長が約420nmの場合には、発光出力は490mW以上である。また、発光ピーク波長が約430nmの場合には、発光出力は370mW以上である。さらに、発光ピーク波長が約440nmの場合には、発光出力は350mW以上である。   The semiconductor light emitting device 20 according to the present embodiment can exhibit high output performance at 410 nm or more by current injection. The relationship between the emission peak wavelength and the emission output when 350 mA is injected is as follows. For example, when the emission peak wavelength is about 420 nm, the emission output is 490 mW or more. When the emission peak wavelength is about 430 nm, the emission output is 370 mW or more. Furthermore, when the emission peak wavelength is about 440 nm, the emission output is 350 mW or more.

なお、本実施形態に係る半導体発光素子20は、n型GaNコンタクト層4の一部露出した表面にn側コンタクト電極11を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、m面GaN基板2の他方側の主表面にn側コンタクト電極11を形成しても良く、この他種々の半導体発光素子に適用することができる。   In the semiconductor light emitting device 20 according to the present embodiment, the case where the n-side contact electrode 11 is formed on the partially exposed surface of the n-type GaN contact layer 4 has been described. However, the present invention is not limited to this, for example, The n-side contact electrode 11 may be formed on the other main surface of the m-plane GaN substrate 2 and can be applied to various other semiconductor light emitting devices.

(本実施形態に係る発光装置の構成)
図15は、本実施形態に係る発光装置30の断面図である。発光装置30は、上述した半導体発光素子20と、当該半導体発光素子20が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質とを有する。具体的に、発光装置30は、半導体発光素子20と、半導体発光素子20を収容するパッケージ21、透光性材料22及び波長変換部23を有する。
(Configuration of Light-Emitting Device According to this Embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view of the light emitting device 30 according to the present embodiment. The light emitting device 30 includes the semiconductor light emitting element 20 described above and a wavelength conversion material that absorbs at least part of the light emitted from the semiconductor light emitting element 20 and converts it into light having a longer wavelength. Specifically, the light emitting device 30 includes a semiconductor light emitting element 20, a package 21 that houses the semiconductor light emitting element 20, a translucent material 22, and a wavelength conversion unit 23.

半導体発光素子20は、本実施形態に係る半導体発光素子20と同様の構成であり、例えば、発光ピーク波長が410nm以上460nm以下の青紫光〜青色光を発する半導体発光素子である。   The semiconductor light emitting element 20 has the same configuration as the semiconductor light emitting element 20 according to the present embodiment, and is, for example, a semiconductor light emitting element that emits blue-violet light to blue light having an emission peak wavelength of 410 nm or more and 460 nm or less.

パッケージ21は、公知のパッケージであり、例えば、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の耐熱性樹脂をリードフレームと一体成形したタイプの他、種々のタイプのパッケージを適用することができる。透光性材料22は、例えば、シリコーン樹脂やガラスなどを用いることができる。また、透光性材料22は、省略しても良く、半導体発光素子20及び波長変換部23間は空洞であって良い。   The package 21 is a known package. For example, various types of packages other than a type in which a heat-resistant resin such as polyamide resin, epoxy resin, or silicone resin is integrally formed with a lead frame can be applied. As the translucent material 22, for example, a silicone resin or glass can be used. Further, the translucent material 22 may be omitted, and the space between the semiconductor light emitting element 20 and the wavelength conversion unit 23 may be a cavity.

波長変換部23は、例えば、黄色蛍光体を含有しており、半導体発光素子20が発する青紫光〜青色光の一部を黄色光に変換する。そして、波長変換部23は、表面青色光と黄色光が混成して生じる白色光を外部に向けて放出する。   The wavelength conversion unit 23 contains, for example, a yellow phosphor, and converts a part of blue-violet light to blue light emitted from the semiconductor light emitting element 20 into yellow light. And the wavelength conversion part 23 discharge | releases toward the exterior white light which a surface blue light and yellow light mix.

本実施形態に係る発光装置30の用途は、照明、ディスプレイ、液晶表示装置のバックライト、インジケータ等を含むが、これらに限定されるものではない。   Applications of the light emitting device 30 according to the present embodiment include illumination, a display, a backlight of a liquid crystal display device, an indicator, and the like, but are not limited thereto.

(本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法)
図16は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ1の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係るエピタキシャルウエハ1の製造方法は、m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上にn型導電層を成長させる第1ステップと、上記第1ステップにおいて成長させた前記n型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第2ステップとを有する。
(Epitaxial wafer manufacturing method according to this embodiment)
FIG. 16 is a flowchart of the method for manufacturing the epitaxial wafer 1 according to this embodiment. In the manufacturing method of epitaxial wafer 1 according to the present embodiment, an n-type conductive layer is formed on one main surface of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane. A first step of growing, and a second step of growing a light emitting layer on a main surface on one side of the n-type conductive layer grown in the first step.

具体的に、エピタキシャルウエハ1の製造方法では、まず、m面GaN基板2の一方側の主表面上に第1のアンドープGaN層3、n型GaNコンタクト層4、AlGaN層5、第2のアンドープGaN層6を、有機金属気相成長法(MOCVD)によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる(ステップSP1)。   Specifically, in the manufacturing method of the epitaxial wafer 1, first, the first undoped GaN layer 3, the n-type GaN contact layer 4, the AlGaN layer 5, and the second undoped are formed on the main surface on one side of the m-plane GaN substrate 2. The GaN layer 6 is laminated and grown under a predetermined condition by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) (step SP1).

続いて、エピタキシャルウエハ1の製造方法では、第2のアンドープGaN層6の一方側の主表面上にV/III比が500以上4000以下となるようにV族原料及びIII族原料を供給して成長させた量子井戸層7Aと、障壁層7B界面歪緩衝層7Cの繰り返し構造を有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させて、発光層7を形成する(ステップSP2)。   Subsequently, in the manufacturing method of the epitaxial wafer 1, the group V material and the group III material are supplied on the main surface on one side of the second undoped GaN layer 6 so that the V / III ratio is 500 or more and 4000 or less. The repetitive structure of the grown quantum well layer 7A and barrier layer 7B interfacial strain buffer layer 7C is laminated and grown under a predetermined condition by metal organic vapor phase epitaxy to form the light emitting layer 7 (step SP2). ).

ここで、エピタキシャルウエハ1の製造方法では、量子井戸層7Aとして、InGaN層からなる量子井戸層を成長させることが好ましい。さらに、InGaN層からなる量子井戸層の成長時に、III族原料の総供給量におけるインジウム原料の供給量の比が50%以上90%以下となるように、III族原料を供給することが好ましい。ここでのインジウム原料の供給量の比は、好ましくは70%以上90%以下であり、より好ましくは80%以上90%以下である。   Here, in the manufacturing method of the epitaxial wafer 1, it is preferable to grow a quantum well layer made of an InGaN layer as the quantum well layer 7A. Furthermore, it is preferable to supply the group III raw material so that the ratio of the supply amount of the indium raw material to the total supply amount of the group III raw material is 50% or more and 90% or less during the growth of the quantum well layer composed of the InGaN layer. The ratio of the supply amount of the indium raw material here is preferably 70% or more and 90% or less, and more preferably 80% or more and 90% or less.

さらに、発光層7の成長条件としては、成長速度を1nm/min以上8nm/min以下の比較的低速で成長することが望ましい。ここでの成長速度は、好ましくは1nm/min以上7nm/min以下である。   Furthermore, as a growth condition of the light emitting layer 7, it is desirable to grow at a relatively low growth rate of 1 nm / min to 8 nm / min. The growth rate here is preferably 1 nm / min or more and 7 nm / min or less.

続いて、エピタキシャルウエハ1の製造方法では、発光層7の一方側の主表面上にp型AlGaNクラッド層8、p型GaNコンタクト層9、p型InGaNコンタクト層10を、有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる(ステップSP3)。   Subsequently, in the method for manufacturing the epitaxial wafer 1, the p-type AlGaN cladding layer 8, the p-type GaN contact layer 9, and the p-type InGaN contact layer 10 are formed on the main surface on one side of the light emitting layer 7 by the metal organic chemical vapor deposition method. Are stacked and grown under predetermined conditions (step SP3).

以下に、本発明者等が行った実験の結果を記す。ただし、これらの実験で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。   The results of experiments conducted by the present inventors will be described below. However, the present invention is not limited by the method used in these experiments and the structure of the sample.

(実施例1)
実施例1のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、図13〜図15に示したエピタキシャルウエハ1及び半導体発光素子20と同じ構成である。実施例1のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、次の手順に従い作製した。
Example 1
The epitaxial wafer and semiconductor light emitting device of Example 1 have the same configuration as the epitaxial wafer 1 and semiconductor light emitting device 20 shown in FIGS. The epitaxial wafer and semiconductor light emitting device of Example 1 were produced according to the following procedure.

(エピタキシャル成長)
まず、縦×横×厚さが8mm×20mm×330μmのm面GaN基板をMOVPE装置内に準備した。このm面GaN基板はキャリア濃度が1.0×1017cm-3〜5.0×1017cm-3の範囲内であり、+c方向へのオフ角は−5°であった。上記準備したm面GaN基板のポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧MOVPE法を用いて半導体積層体をエピタキシャル成長させた。すなわち、m面GaN基板の一方側の主表面上に、第1のアンドープGaN層、n型GaNコンタクト層、AlGaN層、第2のアンドープGaN層、発光層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層及びp型InGaNコンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
(Epitaxial growth)
First, an m-plane GaN substrate having a length × width × thickness of 8 mm × 20 mm × 330 μm was prepared in the MOVPE apparatus. This m-plane GaN substrate had a carrier concentration in the range of 1.0 × 10 17 cm −3 to 5.0 × 10 17 cm −3 and an off angle in the + c direction of −5 °. A semiconductor laminate was epitaxially grown on the polished front surface of the prepared m-plane GaN substrate using the atmospheric pressure MOVPE method. That is, on the main surface on one side of the m-plane GaN substrate, the first undoped GaN layer, the n-type GaN contact layer, the AlGaN layer, the second undoped GaN layer, the light emitting layer, the p-type AlGaN cladding layer, and the p-type GaN A contact layer and a p-type InGaN contact layer were sequentially epitaxially grown.

第1のアンドープGaN層は、基板温度を900℃とし、原料にTMG、NH3を用いて、10nmの厚さに成長させた。このときの成長速度は、15nm/分である。さらにn型GaNコンタクト層は、基板温度を900℃とし、原料にTMG、NH3、シランを用いて、Si濃度が約7×1018cm-3、かつ、1500nmの厚さに成長させた。この時の成長速度は17nm/分であった。AlGaN層は基板温度を900℃とし、原料にTMG、TMA、NH3を用いて、6nmの厚さに成長させた。第2のアンドープGaN層は、基板温度を815℃とし、原料にTMG、NH3を用いて、100nmの厚さに成長させた。 The first undoped GaN layer was grown to a thickness of 10 nm using a substrate temperature of 900 ° C. and TMG and NH 3 as raw materials. The growth rate at this time is 15 nm / min. Further, the n-type GaN contact layer was grown at a substrate temperature of 900 ° C., using TMG, NH 3 , and silane as raw materials to a Si concentration of about 7 × 10 18 cm −3 and a thickness of 1500 nm. The growth rate at this time was 17 nm / min. The AlGaN layer was grown to a thickness of 6 nm using a substrate temperature of 900 ° C. and using TMG, TMA, and NH 3 as raw materials. The second undoped GaN layer was grown to a thickness of 100 nm using a substrate temperature of 815 ° C. and TMG and NH 3 as raw materials.

発光層は、原料にTMG、TMI、NH3を用いて、最下層および最上層が障壁層となるように、4層のGaN障壁層と、3層のInGaN量子井戸層とを交互に成長させることにより形成した。また、GaN障壁層とInGaN井戸層の間には、界面歪緩衝層を挿入した。量子井戸層と界面歪緩衝層の成長の間には5秒間の待機時間を設けた。成長温度は、界面歪緩衝層とInGaN量子井戸層では成長温度一定で、750℃〜770℃の範囲とした。GaN障壁層の成長温度は、790℃〜810℃の範囲とし、InGaN量子井戸層の成長温度に対して40℃高い温度を採用した。界面歪制御層と障壁層の間で成長温度を変えるときには2分間の待機時間を設けた。ここでは温度を調整することで波長の異なる複数の構造を作製した。InGaN量子井戸層の厚さは3.6nm、GaN障壁層の厚さは18nm、界面歪緩衝層の厚さは1nmとし、そのIn組成は約4%とした。発光層には不純物を添加しなかった。 For the light emitting layer, TMG, TMI, and NH 3 are used as raw materials, and four GaN barrier layers and three InGaN quantum well layers are alternately grown so that the lowermost layer and the uppermost layer are barrier layers. Was formed. An interfacial strain buffer layer was inserted between the GaN barrier layer and the InGaN well layer. A waiting time of 5 seconds was provided between the growth of the quantum well layer and the interface strain buffer layer. The growth temperature was constant between the interface strain buffer layer and the InGaN quantum well layer, and was in the range of 750 ° C. to 770 ° C. The growth temperature of the GaN barrier layer was in the range of 790 ° C. to 810 ° C., and a temperature 40 ° C. higher than the growth temperature of the InGaN quantum well layer was adopted. When changing the growth temperature between the interface strain control layer and the barrier layer, a waiting time of 2 minutes was provided. Here, a plurality of structures having different wavelengths were prepared by adjusting the temperature. The thickness of the InGaN quantum well layer was 3.6 nm, the thickness of the GaN barrier layer was 18 nm, the thickness of the interface strain buffer layer was 1 nm, and the In composition was about 4%. No impurities were added to the light emitting layer.

発光層の成長中は、NH3流量を毎分2.8Lと一定にした。InGaN量子井戸層でのTMI、TMGの供給モル流量はそれぞれ、毎分61μモル、毎分14μモルであり、V族原料とIII族原料との供給モル流量の比であるV/III比は1670であった。InGaN界面歪緩衝層でのTMI、TMGの供給モル流量はそれぞれ、毎分10μモル、毎分14μモルであり、V/III比は5160であった。GaN障壁層でのTMGの供給モル流量は毎分14μモルであり、V/III比は8930であった。 During the growth of the light emitting layer, the NH 3 flow rate was kept constant at 2.8 L / min. The supply molar flow rates of TMI and TMG in the InGaN quantum well layer are 61 μmol / min and 14 μmol / min, respectively, and the V / III ratio, which is the ratio of the supply molar flow rate of the group V raw material and the group III raw material, is 1670. Met. The supply molar flow rates of TMI and TMG in the InGaN interfacial strain buffer layer were 10 μmol / min and 14 μmol / min, respectively, and the V / III ratio was 5160. The feed molar flow rate of TMG at the GaN barrier layer was 14 μmol / min and the V / III ratio was 8930.

p型AlGaNクラッド層は、基板温度を900℃とし、原料にTMG、TMA、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、NH3を用いて、40nmの厚さに成長させた。p型AlGaNクラッド層は、Mgでドープされており、Mg濃度が約2×1019cm-3である。TMGとTMAの流量は、結晶組成がAl0.1Ga0.9Nとなるように調節した。 The p-type AlGaN cladding layer was grown to a thickness of 40 nm using TMG, TMA, biscyclopentadienyl magnesium and NH 3 as raw materials at a substrate temperature of 900 ° C. The p-type AlGaN cladding layer is doped with Mg, and the Mg concentration is about 2 × 10 19 cm −3 . The flow rates of TMG and TMA were adjusted so that the crystal composition was Al 0.1 Ga 0.9 N.

p型GaNコンタクト層は、基板温度を900℃とし、原料にTMG、TMA、NH3、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、40nmの厚さに成長させた。p型GaNコンタクト層は、Mgでドープされており、Mg濃度が約7×1019cm-3である。p型GaNコンタクト層の成長が完了したら、直ちに、NH3の供給を停止し、基板加熱も停止して820℃まで冷却した。 The p-type GaN contact layer was grown to a thickness of 40 nm using a substrate temperature of 900 ° C. and using TMG, TMA, NH 3 , and biscyclopentadienyl magnesium as raw materials. The p-type GaN contact layer is doped with Mg, and the Mg concentration is about 7 × 10 19 cm −3 . Immediately after the growth of the p-type GaN contact layer was completed, the supply of NH 3 was stopped, the substrate heating was also stopped, and the substrate was cooled to 820 ° C.

p型InGaNコンタクト層は、基板温度を820℃とし、原料にTMG、TMI、NH3、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、1nmの厚さに成長させた。p型InGaNコンタクト層は、MgでドープされているがMg濃度は表面層のため不明である。 The p-type InGaN contact layer was grown to a thickness of 1 nm using a substrate temperature of 820 ° C. and using TMG, TMI, NH 3 , and biscyclopentadienyl magnesium as raw materials. The p-type InGaN contact layer is doped with Mg, but the Mg concentration is unknown because of the surface layer.

以上の結晶成長は、すべてキャリアガスとして窒素を用いて成長させた。これにより実施例1のエピタキシャルウエハを作成した。   All of the above crystal growth was performed using nitrogen as a carrier gas. As a result, the epitaxial wafer of Example 1 was prepared.

結晶成長が終了すると、直ちに、エピタキシャルウエハの加熱を停止して冷却し、エピタキシャルウエハが冷却するまで、キャリアガスとして窒素のフローを継続させた。   Immediately after crystal growth was completed, the heating of the epitaxial wafer was stopped and cooled, and the flow of nitrogen as a carrier gas was continued until the epitaxial wafer was cooled.

表4は、実施例1のエピタキシャルウエハの各層の構成、アンモニアの供給量、原料の供給量、V/III比、基板温度、厚さ及びドーパントを示している。   Table 4 shows the structure of each layer of the epitaxial wafer of Example 1, the supply amount of ammonia, the supply amount of raw materials, the V / III ratio, the substrate temperature, the thickness, and the dopant.

(メサ及びp側電極の形成)
上記手順により得たエピタキシャルウエハのp型InGaNコンタクト層上の全面に、p型コンタクト層として厚さ210nmのITO層を形成した。その後、石英加熱炉を用いて大気雰囲気中において520℃で20分間熱処理を行った。その後、RIEドライエッチング装置により、n型GaNコンタクト層に達するまでエッチングして、メサを形成した。
(Formation of mesa and p-side electrode)
An ITO layer having a thickness of 210 nm was formed as a p-type contact layer on the entire surface of the epitaxial wafer obtained by the above procedure on the p-type InGaN contact layer. Thereafter, heat treatment was performed at 520 ° C. for 20 minutes in an air atmosphere using a quartz heating furnace. Thereafter, etching was performed by an RIE dry etching apparatus until the n-type GaN contact layer was reached to form a mesa.

(n側電極の形成)
次に、メサ形成により部分的に露出させたn型GaNコンタクト層2の表面に、n側メタル電極を形成した。n側メタル電極は、Al層(厚さ100nm)、Au層(厚さ300nm)をこの順に含む積層膜とした。n側メタル電極のパターニングは、通常のリフトオフ法により行った。
(Formation of n-side electrode)
Next, an n-side metal electrode was formed on the surface of the n-type GaN contact layer 2 partially exposed by mesa formation. The n-side metal electrode was a laminated film including an Al layer (thickness 100 nm) and an Au layer (thickness 300 nm) in this order. The n-side metal electrode was patterned by a normal lift-off method.

(p側電極の形成)
次に、パッド電極として、n側コンタクト電極とp側コンタクト電極上にTi−W層(厚さ108nm)、Au層(厚さ300nm)をこの順に含むp側メタル電極を形成し、その後、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中において500℃で1分間熱処理(アロイ処理)した。
(Formation of p-side electrode)
Next, a p-side metal electrode including a Ti—W layer (thickness: 108 nm) and an Au layer (thickness: 300 nm) in this order is formed as a pad electrode on the n-side contact electrode and the p-side contact electrode, and then heat treatment is performed. Using a furnace, heat treatment (alloy treatment) was performed at 500 ° C. for 1 minute in a nitrogen atmosphere.

(基板の他方側の主表面の粗面化)
m面GaN基板の他方側の主表面の粗面化のために、厚さ1.0umで直径2.0umの円形のSiO2製マスクを、隣り合うマスク同士の中心間距離を6.0umとして三角格子状に作製した。その後、塩素ガスを用いてドライエッチングを行い、高さ4.0umの突起を形成した。
(Roughening of the main surface on the other side of the substrate)
In order to roughen the main surface on the other side of the m-plane GaN substrate, a circular SiO 2 mask having a thickness of 1.0 μm and a diameter of 2.0 μm is used, and the distance between centers of adjacent masks is set to 6.0 μm. A triangular lattice was produced. Thereafter, dry etching was performed using chlorine gas to form a protrusion having a height of 4.0 μm.

最後に、ダイヤモンドスクライバを用いてエピタキシャルウエハを550μm×550μm角に分断することにより、実施例1の半導体発光素子を作成した。   Finally, the epitaxial wafer was divided into 550 μm × 550 μm squares using a diamond scriber to produce the semiconductor light emitting device of Example 1.

(実施例2)
実施例2のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、GaN障壁層とInGaN井戸層の間にInGaN界面歪緩衝層を挿入していない点を除いて、実施例1の半導体発光素子と同様に作成した。
(Example 2)
The epitaxial wafer and semiconductor light emitting device of Example 2 were prepared in the same manner as the semiconductor light emitting device of Example 1 except that an InGaN interface strain buffer layer was not inserted between the GaN barrier layer and the InGaN well layer.

(比較例1)
比較例1のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、主に、InGaN量子井戸層の成長時にアンモニア流量を多くし発光層のV/III比を高くした点、GaN障壁層とInGaN井戸層の間にInGaN界面歪制御層を挿入していない点を除いて、実施例1の半導体発光素子と同様に作成した。
(Comparative Example 1)
The epitaxial wafer and the semiconductor light emitting device of Comparative Example 1 mainly have a higher ammonia flow rate during the growth of the InGaN quantum well layer to increase the V / III ratio of the light emitting layer, and the InGaN between the GaN barrier layer and the InGaN well layer. It was produced in the same manner as the semiconductor light emitting device of Example 1 except that no interfacial strain control layer was inserted.

比較例1の発光層は、原料にTMG、TMI、NH3を用いて、最下層および最上層が障壁層となるように、4層のGaN障壁層と、3層のInGaN量子井戸層とを交互に成長させることにより形成した。成長温度は、GaN障壁層では790℃〜810℃、InGaN量子井戸層では750℃〜770℃とした。GaN障壁層の成長温度は、InGaN量子井戸層の成長温度に対して40℃高い温度を採用した。InGaN量子井戸層の厚さは3.6nm、GaN障壁層の厚さは18nmとした。発光層には不純物を添加しなかった。 The light emitting layer of Comparative Example 1 is composed of four layers of GaN barrier layers and three layers of InGaN quantum well layers, using TMG, TMI, and NH 3 as raw materials so that the lowermost layer and the uppermost layer are barrier layers. It was formed by growing alternately. The growth temperature was 790 to 810 ° C. for the GaN barrier layer and 750 to 770 ° C. for the InGaN quantum well layer. The growth temperature of the GaN barrier layer was 40 ° C. higher than the growth temperature of the InGaN quantum well layer. The thickness of the InGaN quantum well layer was 3.6 nm, and the thickness of the GaN barrier layer was 18 nm. No impurities were added to the light emitting layer.

発光層の成長中は、NH3流量を毎分14Lと一定にした。InGaN量子井戸層でのTMI、TMGの供給モル流量はそれぞれ、毎分61μモル、毎分14μモルであり、V/III比は8340であった。GaN障壁層でのTMGの供給モル流量は毎分14μモルであり、V/III比は43520であった。 During the growth of the light emitting layer, the NH 3 flow rate was kept constant at 14 L / min. The supply molar flow rates of TMI and TMG in the InGaN quantum well layer were 61 μmol / min and 14 μmol / min, respectively, and the V / III ratio was 8340. The feed molar flow rate of TMG in the GaN barrier layer was 14 μmol / min and the V / III ratio was 43520.

実施例1及び実施例2でのエピ終了後のエピタキシャルウエハについては光学顕微鏡の観察では表面は平坦であった。また、水銀ランプを用いた蛍光顕微鏡による評価でも視野内は均一で特別な構造は見られなかった。上記の結果から、実施例1及び実施例2においては、結晶欠陥がみられず、面内のInの濃度は比較的均一であると考えられる。   The surface of the epitaxial wafer after completion of the epitaxy in Example 1 and Example 2 was flat as observed with an optical microscope. Moreover, even in the evaluation with a fluorescent microscope using a mercury lamp, the field of view was uniform and no special structure was found. From the above results, in Example 1 and Example 2, no crystal defects are observed, and the in-plane In concentration is considered to be relatively uniform.

(評価)
図17は、実施例1、実施例2及び比較例1の半導体発光素子に350mAを通電した場合の全放射束の波長依存性を示す。
(Evaluation)
FIG. 17 shows the wavelength dependence of the total radiant flux when 350 mA is applied to the semiconductor light emitting devices of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1.

図17からわかるように、実施例1及び実施例2の量子井戸層のV/III比は共通で1670であり、III族原料中のTMIモル供給量比は81%である。実施例1及び実施例2の半導体発光素子の発光出力は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例1の半導体発光素子の発光出力に比して、100mW以上も高い。   As can be seen from FIG. 17, the V / III ratio of the quantum well layers of Example 1 and Example 2 is 1670 in common, and the TMI molar supply amount ratio in the group III raw material is 81%. The light emission output of the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Example 2 is higher than the light emission output of the semiconductor light emitting device of Comparative Example 1 by 100 mW or more when the emission peak wavelength is the same.

図18は実施例1、実施例2及び比較例1の半導体発光素子から得られるPL半値幅のPLピーク依存性を示す。   FIG. 18 shows the PL peak dependence of the PL half-value width obtained from the semiconductor light emitting devices of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1.

図18からわかるように、実施例1及び実施例2の半導体発光素子のPL半値幅は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例1の半導体発光素子のPL半値幅に比して、著しく小さい。また、実施例1及び実施例2の半導体発光素子のPL寿命は、発光ピーク波長が同様の場合には、比較例1の半導体発光素子のPL寿命に比して、著しく長い。   As can be seen from FIG. 18, the PL half-value widths of the semiconductor light-emitting elements of Example 1 and Example 2 are similar to the PL half-value width of the semiconductor light-emitting element of Comparative Example 1 when the emission peak wavelength is the same. Remarkably small. In addition, the PL lifetime of the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Example 2 is significantly longer than the PL lifetime of the semiconductor light emitting device of Comparative Example 1 when the emission peak wavelength is the same.

図19は、実施例1及び比較例1の半導体発光素子におけるEL発光スペクトル、EL発光ピーク波長の電流値依存性、及び全放射束の電流値依存性を示す。   FIG. 19 shows the EL emission spectrum, the current value dependency of the EL emission peak wavelength, and the current value dependency of the total radiant flux in the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Comparative Example 1.

実施例1及び実施例2の量子井戸層のV/III比は共通で1670であり、III族原料中のTMIモル供給量比は81%である。図19からわかるように、実施例1ではEL発光スペクトルが単峰性であるのに対し、比較例1では短波側に肩を持つマルチピーク発光を示している。また、実施例1では1mW〜350mWまでの電流注入で発光ピーク波長が変化していないのに対し、比較例1では電流注入が増加するにつれて10nm以上短波化した。   The V / III ratio of the quantum well layers of Example 1 and Example 2 is 1670 in common, and the TMI molar supply ratio in the Group III raw material is 81%. As can be seen from FIG. 19, in Example 1, the EL emission spectrum is unimodal, while in Comparative Example 1, multi-peak emission having a shoulder on the short wave side is shown. In Example 1, the emission peak wavelength was not changed by current injection from 1 mW to 350 mW, whereas in Comparative Example 1, the wavelength was shortened by 10 nm or more as current injection increased.

効率の低い長波側発光が発生している比較例1では、低電流域ではEL発光ピークが長波側発光の影響を強く受けるが、注入電流値が大きくなると、相対的に短波側発光が強くなり、EL発光ピークが短波側発光の影響を強く受ける。電流注入により波長が急激に短波化する。   In Comparative Example 1 in which long-wave side light emission with low efficiency occurs, the EL light emission peak is strongly influenced by long-wave side light emission in the low current region, but as the injection current value increases, the short-wave side light emission becomes relatively strong. The EL emission peak is strongly influenced by short-wave side emission. The wavelength is rapidly shortened by current injection.

比較例1のEL発光スペクトルは、発光ピークが長波側から短波側に移り変わる途中の状況であり、スペクトル形状の短波側にふくらみがみられる。ところが、結晶性が良好となった実施例1は長波側発光が低減されているため、ELスペクトル形状はほぼ単峰性を示しており、発光モードは電流値を変えても単一のままである。その結果波長の電流密度依存性が極めて小さくなる。   The EL emission spectrum of Comparative Example 1 is a situation where the emission peak is changing from the long wave side to the short wave side, and a bulge is seen on the short wave side of the spectrum shape. However, since the long-wave side light emission is reduced in Example 1 with improved crystallinity, the EL spectrum shape is almost unimodal, and the light emission mode remains single even if the current value is changed. is there. As a result, the current density dependency of the wavelength becomes extremely small.

(実施例3)
実施例3では、LED構造及びMQW構造の成長条件を変えて測定したPLピーク波長とPL半値幅の関係を図20にプロットした。
(Example 3)
In Example 3, the relationship between the PL peak wavelength and the PL half width measured by changing the growth conditions of the LED structure and the MQW structure is plotted in FIG.

実施例3−1は、実施例1の半導体発光素子であり、実施例3−2は、実施例2の半導体発光素子である。実施例3−3は、実施例1の半導体発光素子の類似構造で、p型導電層まで形成したLED構造であり、実施例3−4は、実施例1の半導体発光素子の類似構造で、p型導電層を形成せず多重量子井戸層まで形成したMQW構造である。   Example 3-1 is the semiconductor light emitting device of Example 1, and Example 3-2 is the semiconductor light emitting device of Example 2. Example 3-3 is a similar structure of the semiconductor light emitting device of Example 1 and is an LED structure formed up to the p-type conductive layer, and Example 3-4 is a similar structure of the semiconductor light emitting device of Example 1, It is an MQW structure in which a p-type conductive layer is not formed and a multiple quantum well layer is formed.

実施例3−3のLED構造及び実施例3−4のMQW構造で用いたm面GaN基板は、2インチのm面GaN基板上に作成されており、実施例1の小片長方形のm面GaN基板とは基板の作成方法が異なっている(後述)。実施例3−3のLED構造及び実施例3−4のMQW構造のInGaN量子井戸層成長時のV/III比は、実施例1と同様に1670である。   The m-plane GaN substrate used in the LED structure of Example 3-3 and the MQW structure of Example 3-4 is formed on a 2-inch m-plane GaN substrate, and the small rectangular m-plane GaN of Example 1 is used. The method of creating the substrate is different from that of the substrate (described later). The V / III ratio during the growth of the InGaN quantum well layer of the LED structure of Example 3-3 and the MQW structure of Example 3-4 is 1670 as in Example 1.

実施例3−5は、実施例1の半導体発光素子の構造から発光層成長時のNH3流量を変更したMQW構造であり、流量は5.6LでV/III比は3340である。実施例3−6は、実施例2の半導体発光素子の類似構造で、MQW構造であり、さらにTMIモル供給量を減らして74%としたものであり、InGaN量子井戸層成長時V/III比は、2280である。 Example 3-5 is an MQW structure in which the NH 3 flow rate during the growth of the light emitting layer is changed from the structure of the semiconductor light emitting device of Example 1, the flow rate is 5.6 L, and the V / III ratio is 3340. Example 3-6 is a similar structure of the semiconductor light emitting device of Example 2, has an MQW structure, further reduces the TMI molar supply amount to 74%, and has a V / III ratio during the growth of the InGaN quantum well layer. Is 2280.

実施例3−3〜実施例3−6のMQW構造のPL半値幅は、実施例1及び実施例2の半導体発光素子のPL半値幅に比して、全て、波長に応じて増加しているものの、全体に狭い。   The PL half-value widths of the MQW structures of Example 3-3 and Example 3-6 are all increased according to the wavelength as compared with the PL half-value widths of the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Example 2. Although it is narrow overall.

比較例3−1は、比較例1の半導体発光素子の類似構造で、MQW構造とし、InGaN量子井戸層成長時のNH3流量は14Lであり、V/III比は15480である。比較例3−2は、上述の経緯の表2で示したMQW構造である。InGaN量子井戸層成長時のNH3流量は14Lであり、V/III比は8340である。比較例3−2で使用したm面GaN基板のオフ角は0°であり、それに伴って、−5°のオフ角を有する基板とは下地の成長条件が異なっている。 Comparative Example 3-1 is a similar structure of the semiconductor light emitting device of Comparative Example 1, has an MQW structure, NH 3 flow rate during growth of the InGaN quantum well layer is 14 L, and V / III ratio is 15480. Comparative Example 3-2 is the MQW structure shown in Table 2 above. The NH 3 flow rate during the growth of the InGaN quantum well layer is 14 L, and the V / III ratio is 8340. The off-angle of the m-plane GaN substrate used in Comparative Example 3-2 is 0 °, and accordingly, the substrate growth conditions are different from those of the substrate having an off-angle of −5 °.

比較例3−3は、実施例1の半導体発光素子の類似構造で、MQW構造とし、InGaN量子井戸層成長時のTMI供給量を実施例1の1/4に低減し、V/III比を4240に増加させたものである   Comparative Example 3-3 has a similar structure to the semiconductor light emitting device of Example 1, has an MQW structure, reduces the TMI supply amount during the growth of the InGaN quantum well layer to ¼ that of Example 1, and increases the V / III ratio. Increased to 4240

比較例3−1〜比較例3−3のMQW構造のPL半値幅は、実施例1及び実施例2の半導体発光素子のPL半値幅に比して、全て、明らかに広い値を示している。   The PL half-value widths of the MQW structures of Comparative Examples 3-1 to 3-3 are all clearly wider than the PL half-value widths of the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Example 2. .

実施例1及び実施例2(表4)の半導体発光素子からの構造または成長条件の変更点を表5に示す。   Table 5 shows changes in structure or growth conditions from the semiconductor light emitting devices of Example 1 and Example 2 (Table 4).

図20からわかるように、実施例と比較例両方とも波長が長くなる程半値幅も広くなっているが、実施例と比較例とでは明らかに異なった分布をしており、条件式(1)のラインを境界にして2分割されている。   As can be seen from FIG. 20, both the example and the comparative example have wider half-value widths as the wavelength becomes longer, but the examples and the comparative example have clearly different distributions, and conditional expression (1) It is divided into two with the line of.

実施例3−1〜実施例3−6では、PL半値幅の波長依存性はほぼ同等であった。   In Example 3-1 to Example 3-6, the wavelength dependence of the PL half-value width was almost the same.

以下に、実施例3−3及び実施例3−4で用いた2インチm面GaN基板の作成方法を示す。2インチm面GaN基板は、下記手順によって製造した。
(i)主表面にマスクパターンを形成したC面サファイア上GaNテンプレートをシードに用いて、HVPE法により一次GaN結晶を成長させ、その一次GaN結晶から−c面基板(一次基板)を切り出した。
(ii)一次基板をシードに用いて、アモノサーマル法により二次GaN結晶を成長させ、その二次GaN結晶からm面GaN基板(二次基板)を切り出した。
(iii)二次基板をシードに用いて、アモノサーマル法により三次GaN結晶を成長させ、その三次GaN結晶からm面GaN基板(三次基板)を切り出した。
(iv)三次基板をシードに用いて、HVPE法により目的の2インチm面GaN基板(四次基板)を作成した。
The method for producing the 2-inch m-plane GaN substrate used in Example 3-3 and Example 3-4 is described below. A 2-inch m-plane GaN substrate was manufactured by the following procedure.
(I) A primary GaN crystal was grown by HVPE using a GaN template on C-plane sapphire with a mask pattern formed on the main surface as a seed, and a -c plane substrate (primary substrate) was cut out from the primary GaN crystal.
(Ii) A secondary GaN crystal was grown by an ammonothermal method using the primary substrate as a seed, and an m-plane GaN substrate (secondary substrate) was cut out from the secondary GaN crystal.
(Iii) Using the secondary substrate as a seed, a tertiary GaN crystal was grown by an ammonothermal method, and an m-plane GaN substrate (tertiary substrate) was cut out from the tertiary GaN crystal.
(Iv) A target 2 inch m-plane GaN substrate (quaternary substrate) was prepared by the HVPE method using the tertiary substrate as a seed.

(実施例4)
実施例4では、LED構造及びMQW構造の成長条件を変えて測定したPLピーク波長とPL寿命の関係を図21にプロットした。
Example 4
In Example 4, the relationship between the PL peak wavelength and the PL lifetime measured by changing the growth conditions of the LED structure and the MQW structure is plotted in FIG.

実施例4−1は、実施例1の半導体発光素子であり、実施例4−2は、実施例2の半導体発光素子の類似構造で、MQW構造とした。実施例4−3〜実施例4−6は、実施例3−3〜実施例3−6のLED構造及びMQW構造と同じである。比較例4−1及び比較例4−2は、比較例3−1及び比較例3−2のMQW構造と同じである。   Example 4-1 is the semiconductor light emitting device of Example 1, and Example 4-2 has a similar structure to the semiconductor light emitting device of Example 2 and has an MQW structure. Example 4-3 and Example 4-6 are the same as the LED structure and MQW structure of Example 3-3 to Example 3-6. Comparative example 4-1 and comparative example 4-2 are the same as the MQW structure of comparative example 3-1 and comparative example 3-2.

比較例4−3は、実施例2の半導体発光素子の類似構造で、MQW構造であり、InGaN量子井戸層成長時のTMG流量を増加させて成長速度8.4nm/minに増加させるとともに、成長時間を調整して、量子井戸層の厚みを同等としたものであり、V/III比は2740、TMIモル供給比は2740である。   Comparative Example 4-3 is a similar structure of the semiconductor light emitting device of Example 2 and has an MQW structure. The TMG flow rate during the growth of the InGaN quantum well layer is increased to increase the growth rate to 8.4 nm / min. By adjusting the time, the thicknesses of the quantum well layers are made equal, the V / III ratio is 2740, and the TMI molar supply ratio is 2740.

図21からわかるように、実施例4−1〜実施例4−6は、全てPL寿命が1.3nsecよりも十分に長く、光学品質が良好であることを示している。一方、比較例4−3は、PL半値幅は狭いもののPL寿命は短くなっており、TMIモル供給量比が低い場合、光学品質が低下する。比較例4−1〜比較例4−3は、PL寿命が短く、光学品質が悪い   As can be seen from FIG. 21, Examples 4-1 to 4-6 all show that the PL life is sufficiently longer than 1.3 nsec and the optical quality is good. On the other hand, Comparative Example 4-3 has a narrow PL half-value width, but has a short PL life. When the TMI molar supply ratio is low, the optical quality deteriorates. Comparative Example 4-1 to Comparative Example 4-3 have a short PL life and poor optical quality.

(実施例5)
実施例5では、LED構造及びMQW構造の成長条件を変えて測定したPLピーク波長の励起強度依存性を図22にプロットした。
(Example 5)
In Example 5, the excitation intensity dependence of the PL peak wavelength measured by changing the growth conditions of the LED structure and the MQW structure is plotted in FIG.

実施例5−1及び実施例5−2は、実施例3−6のMQW構造と同じであり、面内のPLピーク波長の異なる部分を採用している。実施例5−3は、実施例3−4のMQW構造と同じである。比較例5−1は、比較例3−2のMQW構造と同じである。   Example 5-1 and Example 5-2 are the same as the MQW structure of Example 3-6, and adopt different portions of the in-plane PL peak wavelength. Example 5-3 is the same as the MQW structure of Example 3-4. Comparative Example 5-1 is the same as the MQW structure of Comparative Example 3-2.

図22からわかるように、実施例5−1〜実施例5−3ではPLピーク波長の励起強度依存性がほとんどないのに対し、比較例5−1ではPLピーク強度が高くなるにつれて、PLピーク波長が大きく変動している。   As can be seen from FIG. 22, in Example 5-1 to Example 5-3, the PL peak wavelength has almost no excitation intensity dependency, whereas in Comparative Example 5-1, as the PL peak intensity increases, the PL peak increases. The wavelength fluctuates greatly.

(実施例6)
実施例6では、MQW構造の励起光強度を変化させたときの室温における励起光強度とPL寿命の関係をを図23にプロットした。
(Example 6)
In Example 6, the relationship between the excitation light intensity at room temperature and the PL lifetime when the excitation light intensity of the MQW structure is changed is plotted in FIG.

実施例6−1は、実施例4−4のMQW構造と同じである。比較例6−1は、比較例4−2のMQW構造と同じである。   Example 6-1 is the same as the MQW structure of Example 4-4. Comparative Example 6-1 is the same as the MQW structure of Comparative Example 4-2.

測定は、上述した時間分解PL測定と実質的に同じ条件及び方法を用いて行い、広範囲の弱励起強度でのPL寿命の挙動を調べるために、NDフィルターを用い、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を1.6nJ/cm2から1.6μJ/cm2まで変化させた。 The measurement is performed using substantially the same conditions and method as the time-resolved PL measurement described above, and an ND filter is used to investigate the behavior of the PL lifetime in a wide range of weak excitation intensity, and the pulse energy density per unit area is measured. Was changed from 1.6 nJ / cm 2 to 1.6 μJ / cm 2 .

比較例6−1では、全測定範囲で1nsec程度と短いPL寿命を示すのに対し、実施例6−1では、0.16μJ/cm2で最大値を有しそれより励起光強度が小さい場合、若干PL寿命が減少する傾向が認められる。しかしながら、実施例6−1では、それでもなお、2nsec以上の長いPL寿命を示した。励起された過剰キャリアに対し、非発光再結合過程の影響が強い弱励起条件においても、このような長いPL寿命を示すことから実施例6−1の光学品質が良好であることが示された。 Comparative Example 6-1 shows a short PL life of about 1 nsec over the entire measurement range, whereas Example 6-1 has a maximum value of 0.16 μJ / cm 2 and lower excitation light intensity. There is a tendency for the PL life to slightly decrease. However, Example 6-1 still showed a long PL life of 2 nsec or longer. It was shown that the optical quality of Example 6-1 was good because it exhibited such a long PL lifetime even under weak excitation conditions where the influence of the non-radiative recombination process was strong against the excited excess carriers. .

(実施例7)
実施例7−1では、実施例3−4と類似の低V/III比のMQW構造であり、最上部の障壁層がGaN障壁層であるMQW構造のカソードルミネッセンス(CL)スペクトルマッピングを図24及び図25にプロットした。
(Example 7)
In Example 7-1, the cathode luminescence (CL) spectrum mapping of the MQW structure having the MQW structure of the low V / III ratio similar to that of Example 3-4 and the uppermost barrier layer being a GaN barrier layer is shown in FIG. And plotted in FIG.

図24は、面内の各ポイントで得られたCLスペクトルの半値幅を示す図であり、図25は、面内の各ポイントで得られたCLスペクトルのピーク波長を示す図である。測定は、SEM−CL装置を用いて室温で行い、加速電圧は5kV、ビーム電流値は1nA、SEM観察倍率は20000倍、測定間隔は50nmピッチで、80×80点測定した。   FIG. 24 is a diagram showing the half width of the CL spectrum obtained at each point in the plane, and FIG. 25 is a diagram showing the peak wavelength of the CL spectrum obtained at each point in the plane. The measurement was performed at room temperature using an SEM-CL apparatus, the acceleration voltage was 5 kV, the beam current value was 1 nA, the SEM observation magnification was 20000 times, the measurement interval was 50 nm pitch, and 80 × 80 points were measured.

比較例7−1では、比較例3−1と類似の高V/III比の構造であるが、基板は0°のOFF角のものを用いている、量子井戸層が単一層である構造のCLマッピングを図26及び図27にプロットした。   Comparative Example 7-1 has a structure with a high V / III ratio similar to that of Comparative Example 3-1, but uses a substrate with a 0 ° OFF angle and a structure in which the quantum well layer is a single layer. CL mapping was plotted in FIGS. 26 and 27.

図26は、面内の各ポイントで得られたCLスペクトルの半値幅を示す図であり、図27は、面内の各ポイントで得られたCLスペクトルのピーク波長を示す図である。測定は、実施例6と同じ条件及び方法を用いて行った。   FIG. 26 is a diagram showing the half width of the CL spectrum obtained at each point in the plane, and FIG. 27 is a diagram showing the peak wavelength of the CL spectrum obtained at each point in the plane. The measurement was performed using the same conditions and method as in Example 6.

図24〜図27からわかるように、実施例7−1では、面内のピーク波長は均一で、CL半値幅も狭く均一であるのに対し、比較例7−1では、ピーク波長の分布が大きく、半値幅も全体に広く、さらに一部に極めて広い半値幅の領域がある。また、半値幅の分布は波長分布と相関しているが、半値幅の分布の方が大きい。以上より、実施例6−1では微小領域であっても全体に均一でシャープなスペクトルが得られているのに対し、比較例6−2では、波長も不均一であるが、それ以上に半値幅がサブミクロンのスケールで不均一で、一部に極めて広い領域がある。   As can be seen from FIGS. 24 to 27, in Example 7-1, the in-plane peak wavelength is uniform and the CL half-value width is narrow and uniform, whereas in Comparative Example 7-1, the peak wavelength distribution is uniform. Large, full width at half maximum, and partly has a very wide half width. Further, the half-value width distribution correlates with the wavelength distribution, but the half-value width distribution is larger. From the above, in Example 6-1 a uniform and sharp spectrum was obtained even in a very small region, whereas in Comparative Example 6-2, the wavelength was also non-uniform, but more than half of that. The value range is non-uniform on a submicron scale, and there is a very wide area in some areas.

図28は、図26で図示した1〜3のポイントで得られたCL発光スペクトルである。図28からわかるように、比較例7−1では、半値幅が狭いポイントではほぼ左右対称のガウシアン形状の発光スペクトルを示しているのに対し、半値幅が広いポイントではスペクトル上の長波側に肩がみられ、そのために半値幅が広がっていることがわかった。以上より、比較例7−1で半値幅が広がっている原因は、局所的に低エネルギー(長波)の発光ピークが現れたからであることがわかった。   FIG. 28 is a CL emission spectrum obtained at points 1 to 3 illustrated in FIG. As can be seen from FIG. 28, Comparative Example 7-1 shows a substantially symmetrical Gaussian emission spectrum at the point where the half-value width is narrow, whereas the point where the half-value width is wide shows a shoulder on the long wave side on the spectrum. It was found that the full width at half maximum was widened. From the above, it was found that the reason why the full width at half maximum was increased in Comparative Example 7-1 was that a low energy (long wave) emission peak appeared locally.

図29は、図24で図示した1〜3のポイントで得られたCL発光スペクトルである。図29からわかるように、実施例7−1ではどのポイントでも比較例7−1の最も狭いスペクトルよりもさらに狭いガウシアン形状の発光スペクトルを示す、高均一な発光特性が得られていることがわかった。   FIG. 29 is a CL emission spectrum obtained at points 1 to 3 illustrated in FIG. As can be seen from FIG. 29, in Example 7-1, a highly uniform emission characteristic showing a Gaussian-shaped emission spectrum that is narrower than the narrowest spectrum of Comparative Example 7-1 at any point is obtained. It was.

(実施例8)
実施例8−1では、実施例3−4と類似の低V/III比のMQW構造であり、1層目のInGaN量子井戸層を成長させた後に、続くGaN障壁層を成長せず、そのまま温度を下げたものを用いている。この表面像を図30に示した。測定は、AFM装置を用い2μm四方について行った。図中の左側はAFM像であり、右側は位相像である。
(Example 8)
Example 8-1 has a low V / III ratio MQW structure similar to that of Example 3-4, and after the first InGaN quantum well layer was grown, the subsequent GaN barrier layer was not grown, and was left as it was. The one with lowered temperature is used. This surface image is shown in FIG. The measurement was performed on 2 μm square using an AFM apparatus. The left side in the figure is an AFM image, and the right side is a phase image.

比較例8−1では、比較例3−1と類似の高V/III比のMQW構造であり、実施例7−1と同様InGaN量子井戸層を成長させた後に、続くGaN障壁層を成長せず、そのまま温度を下げたときの表面像を図31に示した。測定は、AFM装置を用い2μm四方について行った。図中の左側はAFM像であり、右側は位相像である。   Comparative Example 8-1 has a high V / III ratio MQW structure similar to Comparative Example 3-1, and after growing an InGaN quantum well layer as in Example 7-1, a subsequent GaN barrier layer was grown. FIG. 31 shows a surface image when the temperature is lowered as it is. The measurement was performed on 2 μm square using an AFM apparatus. The left side in the figure is an AFM image, and the right side is a phase image.

図30及び図31からわかるように、実施例8−1では表面に凸部が多数発生しており、その下地はステップがバンチングしているのに対し、比較例8−1では表面が平坦で原子レベルで平坦であった。   As can be seen from FIG. 30 and FIG. 31, in Example 8-1, a large number of convex portions were generated on the surface, and the base was bunched in steps, whereas in Comparative Example 8-1, the surface was flat. It was flat at the atomic level.

実施例7−1の凸部はInを主体としたIII族金属のドロップレットが固化したものと考えられる。V/III比が低いために、Inの取り込みが低下し、表面に金属として残っていたものが基板温度の低下とともに固化したものとみられるが、成長中にドロップレットとなっていたか、それとも表面全体を覆っていたかは不明である。これらのドロップレットは障壁層成長時に基板温度を上げること及び成長待機時間を設けることによって、再蒸発し、消滅することが分かっている。そのため実際のデバイス特性にこれらのドロップレットが影響を及ぼすことはほとんどない。   The convex portion of Example 7-1 is considered to be a solidified group III metal droplet mainly composed of In. Since the V / III ratio is low, the incorporation of In is reduced, and what remains as metal on the surface seems to have solidified as the substrate temperature decreases, but was it a droplet during growth or the entire surface? It is unclear whether it was covered. It has been found that these droplets re-evaporate and disappear by raising the substrate temperature during the growth of the barrier layer and providing a growth waiting time. Therefore, these droplets have little influence on actual device characteristics.

(実施例9)
実施例9では、MQW構造のPL寿命の温度依存性を図32にプロットした。
Example 9
In Example 9, the temperature dependence of the PL lifetime of the MQW structure is plotted in FIG.

実施例9−1では、実施例3−4と類似の低V/III比のMQW構造であり、この基板をクライオスタットに投入して、PL寿命のサンプル温度依存性を測定した。温度調整は冷凍機とヒーターを用い、2.3Kから300Kまで変化させた。PL寿命測定条件は上述したものと同じである。   Example 9-1 has an MQW structure with a low V / III ratio similar to that of Example 3-4, and this substrate was put into a cryostat, and the sample temperature dependence of the PL lifetime was measured. The temperature was adjusted from 2.3K to 300K using a refrigerator and a heater. The PL life measurement conditions are the same as described above.

比較例9−2では、比較例3−1と類似の高V/III比のMQW構造であり、実施例8−1と同様の測定を行った。   Comparative Example 9-2 had an MQW structure with a high V / III ratio similar to that of Comparative Example 3-1, and the same measurement as in Example 8-1 was performed.

図32からわかるように、実施例8−1では、極低温(2.3K)でPL寿命は0.77nsecと短いがサンプル温度の上昇とともにPL寿命が増加し、300K(室温)でPL寿命は1.87nsecとなっている。   As can be seen from FIG. 32, in Example 8-1, the PL life was 0.77 nsec at a very low temperature (2.3 K), but the PL life increased as the sample temperature increased, and the PL life was 300 K (room temperature). 1.87 nsec.

一方、比較例9−1では、極低温でのPL寿命も実施例8−1に比較して短く0.62nsecであるが、温度上昇に対してPL寿命はほとんど変化せず、室温でもPL寿命は0.79nsecと極めて短い。   On the other hand, in Comparative Example 9-1, the PL life at a very low temperature is 0.62 nsec, which is shorter than that in Example 8-1, but the PL life hardly changes with increasing temperature, and the PL life is also at room temperature. Is as short as 0.79 nsec.

以上より考察すると、極低温では非発光再結合過程による影響は小さく、PL寿命は主に発光再結合寿命で決まっていると考えられる。そのため、PL寿命は極めて短いが、温度上昇とともに、フォノン散乱の影響でk空間でのΓ点の底における過剰キャリアの存在確率が減少するため、発光寿命が長寿命化する。   Considering the above, it is considered that the influence of the non-radiative recombination process is small at extremely low temperatures, and the PL lifetime is mainly determined by the radiative recombination lifetime. Therefore, although the PL lifetime is extremely short, the probability of excess carriers at the bottom of the Γ point in the k space decreases due to the influence of phonon scattering as the temperature rises, so that the emission lifetime is prolonged.

一方、極低温では影響の小さかった非発光再結合過程は温度上昇とともにその影響度合いが大きくなる。結果的にサンプル温度上昇とともに、徐々にPL寿命の支配要因は非発光再結合過程に移っていく。   On the other hand, the influence of the non-radiative recombination process, which had a small effect at extremely low temperatures, increases with increasing temperature. As a result, as the sample temperature rises, the dominant factor of PL lifetime gradually shifts to the non-radiative recombination process.

実施例8−1では、非発光再結合過程の影響が小さかったために、温度上昇とともに発光再結合過程の影響を主に受けてPL寿命が延びたと考えられ、一方、比較例8−2では、温度上昇とともに非発光再結合過程の影響が増大し、PL寿命が短いまま一定となったと考えられる。   In Example 8-1, since the influence of the non-radiative recombination process was small, it was considered that the PL life was extended mainly due to the influence of the luminescent recombination process with an increase in temperature, whereas in Comparative Example 8-2, It is thought that the influence of the non-radiative recombination process increases with the temperature rise, and the PL lifetime becomes short and constant.

(考察)
実施例1及び実施例2が比較例1に対して出力が向上した原因は、InGaN量子井戸層の成長時に低V/III比条件に変更したことでInGaN量子井戸層の品質が向上したためである。低V/III比成長条件により長波側の発光が抑制され、発光スペクトルにみられるマルチピークが単峰化し、発光効率が劇的に向上した。
(Discussion)
The reason why the output of Example 1 and Example 2 was higher than that of Comparative Example 1 was that the quality of the InGaN quantum well layer was improved by changing to a low V / III ratio condition during the growth of the InGaN quantum well layer. . The light emission on the long wave side was suppressed by the low V / III ratio growth condition, the multi-peaks seen in the emission spectrum became a single peak, and the luminous efficiency was dramatically improved.

特に、従来の発光出力の波長依存性では、紫波長(405nm)を越えたところで急激に発光出力が低下していたが、実施例1の420nmの結果からわかるように、本発明では405nmから420nm程度までまったく出力低下がみられないことが特筆的である。   In particular, in the wavelength dependence of the conventional light emission output, the light emission output suddenly decreased when the wavelength exceeded the purple wavelength (405 nm). As can be seen from the result of 420 nm in Example 1, in the present invention, the light emission output is 405 nm to 420 nm. It is noteworthy that there is no reduction in output at all.

界面緩衝層のない実施例2からも十分高い発光出力を得ることができているが、実施例1の発光出力の波長依存性を内挿して実施例2と同波長で比較すると、実施例1の方がさらに高出力が得られていると推定される。これは界面歪緩衝層があることで、より高出力化に適した構造となっているといえる。   Although a sufficiently high light emission output can be obtained from Example 2 without the interface buffer layer, the wavelength dependency of the light emission output of Example 1 is interpolated and compared with Example 2 at the same wavelength. It is estimated that the higher output is obtained. This can be said to be a structure suitable for higher output due to the presence of the interface strain buffer layer.

経緯の項でもマルチピークの特徴を説明したが、本来の発光は短波側の発光であり、長波側の発光は派生的なものである。しかし励起密度が小さい場合には、バンドギャップが小さい長波側の発光準位にキャリアが流れ込み、長波側の発光がメインとなる。   Although the multi-peak feature has been described in the background section, the original light emission is light emission on the short wave side, and light emission on the long wave side is derivative. However, when the excitation density is low, carriers flow into the emission level on the long wave side with a small band gap, and the emission on the long wave side becomes the main.

長波側発光は、基板のオフ角などに対応して、本来の発光波長からの波長差が決まっている。また両方のモードで発光してしまうことにより、PL及びEL発光スペクトルの半値幅が増加する。   In the long wave side light emission, the wavelength difference from the original light emission wavelength is determined corresponding to the off angle of the substrate. Moreover, by emitting light in both modes, the full width at half maximum of the PL and EL emission spectra increases.

また、長波側発光は、キャリア密度(電流)の増加で本来のInGaN量子井戸からの発光に対して相対的に発光効率が低下するため、電流注入により、本来の発光波長の影響が大きくなりその結果発光波長が短波化する。   In addition, since the emission efficiency of the long wave side light emission is relatively lowered with respect to the light emission from the original InGaN quantum well due to the increase of the carrier density (current), the influence of the original light emission wavelength is increased by the current injection. As a result, the emission wavelength is shortened.

比較例1の発光波長に関しては短波側の肩として見えているものが本来のInGaN量子井戸からの発光であり、実施例1のスペクトルのピーク波長とほぼ同じ波長である。そのため、高電流注入時に比較例1と実施例1が同じピーク波長となっている。   Regarding the emission wavelength of Comparative Example 1, what is seen as the shoulder on the short wave side is the emission from the original InGaN quantum well, which is substantially the same as the peak wavelength of the spectrum of Example 1. Therefore, Comparative Example 1 and Example 1 have the same peak wavelength when high current is injected.

このような特異的な長波側の発光スペクトルが発生している状況では、点欠陥密度の増加、非発光再結合中心の増加に対応したPL寿命が減少し、発光効率が低下する。   In such a situation where a specific long-wave side emission spectrum is generated, the PL lifetime corresponding to the increase of the point defect density and the increase of the non-radiative recombination centers is decreased, and the light emission efficiency is decreased.

まとめると、長波側発光の発生が、発光スペクトルの半値幅の増加、発光効率の低下、点欠陥密度と非発光再結合中心の増加とPL寿命の減少、キャリア密度を変えた時のピーク波長変動のすべてと関係している。   In summary, the generation of long-wave side light emission increases the half-value width of the emission spectrum, decreases the emission efficiency, increases the point defect density and non-radiative recombination centers and decreases the PL lifetime, and changes in peak wavelength when the carrier density is changed. It has to do with everything.

これらの種々の物性は、一つの本質を別の角度からあらわしているだけである。従って、どの指標をとっても発光品質を反映させることができる。   These various physical properties only represent one essence from another angle. Accordingly, the light emission quality can be reflected by any index.

実施例3の結果では、比較例3−1及び3−2のPL半値幅が広い。中でも比較例3−1の方がより半値幅が広い。これは、上述した通り長波側発光が発生すると半値幅が広がるが、基板のオフ角によって、本来の発光スペクトルのピーク波長とのエネルギー差が異なるためである。比較例3−1の0°OFF基板では長波側発光はInGaN量子井戸本来の発光から大きく離れており、比較例3−2の−5°OFF基板では長波側発光は本来の発光により近い。   In the results of Example 3, the PL half-value widths of Comparative Examples 3-1 and 3-2 are wide. Among them, Comparative Example 3-1 has a wider half width. This is because, as described above, when half-wave side light emission occurs, the full width at half maximum widens, but the energy difference from the peak wavelength of the original light emission spectrum differs depending on the off angle of the substrate. In the 0 ° OFF substrate of Comparative Example 3-1, the long wave side light emission is far from the original light emission of the InGaN quantum well, and in the Comparative Example 3-2, the long wave side light emission is closer to the original light emission.

しかしながら、どちらにしても図中直線よりも半値幅が広い場合、マルチピークが発生していると言え、それ以上で大小の差があっても発光効率低下の状況に変わりはない。PL評価時に、例えば、波長分解能を低く設定するなどして、測定の条件によってはマルチピークが分離して見えないこともありうるが、この直線以上の半値幅であれば、マルチピークが発生していることを示し、特性は低下する。   However, in any case, when the half-value width is wider than the straight line in the figure, it can be said that multi-peaks have occurred. During PL evaluation, for example, by setting the wavelength resolution low, depending on the measurement conditions, the multi-peaks may not be seen separately. However, if the half-value width is greater than this straight line, multi-peaks will occur. And the characteristics deteriorate.

実施例3−1及び実施例3−2から、InGaN量子井戸層成長時のV/III比を下げることでPL半値幅を狭めることができることが明白である。実施例3−3及び実施例3−4では、基板としては製法が異なる2”基板を用いているが、半値幅の波長依存性に変化はない、言い換えると、m面であれば基板の製法には依存しないといえる。   From Example 3-1 and Example 3-2, it is clear that the PL half-value width can be narrowed by lowering the V / III ratio during the growth of the InGaN quantum well layer. In Example 3-3 and Example 3-4, a 2 ″ substrate having a different manufacturing method is used as the substrate. However, there is no change in the wavelength dependency of the half width, in other words, the manufacturing method of the substrate as long as it is an m-plane. It can be said that it does not depend on.

さらに、実施例3−5については、NH3をやや増加させて3340とやや高いV/III比を採用しているが、そこではごくわずかPL半値幅は増加しているものの、十分狭いスペクトルが得られている。しかし、さらにV/III比を上げていくと、長波側発光が急激に発生して、PLスペクトルの半値幅が増大することが分かっている。 Further, in Example 3-5, NH 3 is slightly increased and a slightly higher V / III ratio of 3340 is adopted. However, although the PL half-value width is slightly increased there, a sufficiently narrow spectrum is obtained. Has been obtained. However, it is known that when the V / III ratio is further increased, long-wave side light emission occurs rapidly, and the half-value width of the PL spectrum increases.

逆に、NH3を減らしてV/III比を低下した下限についても実験を行っている。この場合は、Inの結晶中への取り込みが悪くなり、長波化が難しいことと、基板表面にInドロップレットができやすくなることが問題である。ただし、Inドロップレットが発生したとしても、それはHCl溶液で容易に除去できるものであり、全体の結晶性は良好であった。 On the contrary, an experiment was conducted on the lower limit where NH 3 was reduced to lower the V / III ratio. In this case, the incorporation of In into the crystal deteriorates, and it is difficult to increase the wave length and In droplets are easily formed on the substrate surface. However, even if In droplets were generated, they could be easily removed with an HCl solution, and the overall crystallinity was good.

また、実施例3−6ではInモル供給量比を下げているがこの範囲(74−81%)では大きな差は見られず、半値幅は狭いままであった。   Further, in Example 3-6, the In mole supply ratio was lowered, but a large difference was not seen in this range (74-81%), and the half width remained narrow.

実施例4の結果については、V/III比の低い実施例4−1から4−6のすべてで長いPL寿命が得られている。室温のPL寿命は非発光再結合に支配されており、PL寿命が長いほど欠陥の影響が小さいことを意味する。比較例1及び比較例2と同構造の比較例4−1及び比較例4−2については、マルチピークの発生がみられており、このような状況では例外なく品質が低下するため、PL寿命も短くなる。   As for the results of Example 4, a long PL life was obtained in all of Examples 4-1 to 4-6 having a low V / III ratio. The PL lifetime at room temperature is governed by non-radiative recombination, and the longer the PL lifetime, the smaller the effect of defects. In Comparative Example 4-1 and Comparative Example 4-2 having the same structure as Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the occurrence of multi-peaks is observed. In such a situation, the quality deteriorates without exception. Is also shortened.

一方、比較例4−3は、V/III比だけをみれば2740と低いが成長速度を速くしている。m面のInGaN品質を最も大きく支配するのはV/III比であるが、それさえクリアすればほかの条件は全て許容されるという訳ではなく、成長速度やInモル供給量比もある範囲の適切な値を用いる必要があるといえる。   On the other hand, Comparative Example 4-3 increases the growth rate although it is as low as 2740 when only the V / III ratio is observed. The V / III ratio dominates the In-plane quality of the m-plane, but if it is cleared, all other conditions are not allowed, and the growth rate and In mole supply ratio are within a certain range. It can be said that it is necessary to use an appropriate value.

実施例5の示す内容は、実施例1で述べたEL発光スペクトルのピーク波長の電流値依存性とメカニズムは同様である。ここで問題にしているm面の品質低下は、長波側発光の発生を伴っており、この発光が発生する場合には、低キャリア濃度ではこの長波側発光がメインとなる。高キャリア密度となると、本来の発光中心である短波側の発光にメインのピーク波長が移っていくため、発光ピーク波長のキャリア密度依存性が大きくなる。   The contents shown in Example 5 are the same as the current value dependency and mechanism of the peak wavelength of the EL emission spectrum described in Example 1. The deterioration in the quality of the m-plane which is a problem here is accompanied by the generation of long-wave side light emission. When this light emission occurs, this long-wave side light emission becomes the main at a low carrier concentration. When the carrier density becomes high, the main peak wavelength shifts to the light emission on the short wave side, which is the original emission center, so that the dependency of the emission peak wavelength on the carrier density increases.

品質が良くInGaN量子井戸からの本来の発光のみがみられている実施例5−1及び実施例5−2では、PL励起強度を変えても発光波長は単一で波長変化も小さいが、長波側発光が発生している比較例5−1では、低励起側では長波側発光がメインとなり、励起強度を上げることで本来の短波側発光に移行していくため、波長が変動する。   In Example 5-1 and Example 5-2, in which only the original light emission from the InGaN quantum well is seen with good quality, the emission wavelength is single and the wavelength change is small even if the PL excitation intensity is changed. In Comparative Example 5-1, in which side light emission occurs, the long wave side light emission becomes main on the low excitation side, and shifts to the original short wave side light emission by increasing the excitation intensity, so the wavelength varies.

品質が良くInGaN量子井戸からの本来の発光のみがみられている実施例7−1ででは、面内全域で、本来のInGaNからの発光スペクトルが得られており、波長、半値幅ともに均一であるが、長波側発光が発生している比較例7−1では、部分的に長波側ピークが発生していた。そのため、半値幅の広い領域が局所的にみられている。これらの良く書的な長波発光の起源は明らかではないが、この状況と光学品質が低下している状況が密接に関連しているのは明らかである。   In Example 7-1 in which only the original light emission from the InGaN quantum well was observed with good quality, the emission spectrum from the original InGaN was obtained in the entire in-plane region, and both the wavelength and the half width were uniform. However, in Comparative Example 7-1 in which long-wave side light emission occurred, long-wave side peaks were partially generated. For this reason, a region having a wide half-value width is locally observed. The origin of these well-written long-wave emissions is not clear, but it is clear that this situation is closely related to the situation where optical quality is degraded.

実施例8−1、比較例8−1からは、光学的品質の低下した比較例8−1の方が、表面モホロジーが平坦であることが判明した。すなわち、長波ピークの発生は表面あれとは関係なく原子レベルでの何らかの異常であり、AFMにより検知できないものであると考えられる。   From Example 8-1 and Comparative Example 8-1, it was found that the surface morphology was flatter in Comparative Example 8-1 in which the optical quality was lowered. That is, the occurrence of the long wave peak is considered to be an abnormality at the atomic level regardless of the surface roughness and cannot be detected by the AFM.

実施例9−1、比較例9−1からは光学的品質を反映したPL寿命の温度特性が得られている。一般的にはサンプル温度の上昇とともにキャリアの面内拡散が生じやすくなり、非発光再結合中心の影響が大きくなると考えられている。比較例8−1では、非発光再結合中心の影響が強く見られており、一方、実施例8−1では、理想的な物理現象である、温度上昇とともにフォノン散乱の影響を受けてPL寿命が長くなるという状況がみられた。   From Example 9-1 and Comparative Example 9-1, the temperature characteristics of the PL life reflecting the optical quality are obtained. In general, it is thought that in-plane diffusion of carriers is likely to occur as the sample temperature increases, and the influence of non-radiative recombination centers increases. In Comparative Example 8-1, the influence of the non-radiative recombination center is strongly observed. On the other hand, in Example 8-1, the PL lifetime is affected by the influence of phonon scattering as the temperature rises, which is an ideal physical phenomenon. There was a situation that became longer.

1……エピタキシャルウエハ、2……m面GaN基板、3……第1のアンドープGaN層、4……n型GaNコンタクト層、5……AlGaN層、6……第2のアンドープGaN層、7……発光層、7A……量子井戸層、7B……障壁層、7C……界面歪緩衝層、8……p型AlGaNクラッド層、9……p型GaNコンタクト層、10……p型InGaNコンタクト層、11……n側メタル電極、12……p側コンタクト電極、13……p側メタル電極、20……半導体発光素子、21……パッケージ、22……透光性材料、23……波長変換部、30……発光装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Epitaxial wafer, 2 ... m-plane GaN substrate, 3 ... 1st undoped GaN layer, 4 ... n-type GaN contact layer, 5 ... AlGaN layer, 6 ... 2nd undoped GaN layer, 7 ...... Light emitting layer, 7A.Quantum well layer, 7B..Barrier layer, 7C..Interfacial strain buffer layer, 8 .... p-type AlGaN cladding layer, 9 .... p-type GaN contact layer, 10 .... p-type InGaN Contact layer, 11 ... n-side metal electrode, 12 ... p-side contact electrode, 13 ... p-side metal electrode, 20 ... semiconductor light emitting element, 21 ... package, 22 ... translucent material, 23 ... Wavelength converter, 30 ... Light emitting device

Claims (16)

m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板と、
前記GaN基板の一方側の主表面上に形成されたn型導電層と、
前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
を備え、
前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、
前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす
ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane;
An n-type conductive layer formed on the main surface on one side of the GaN substrate;
A light emitting layer formed on the main surface on one side of the n-type conductive layer;
With
The PL peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less,
An epitaxial wafer characterized in that a PL half-value width of the light emitting layer satisfies a conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)
前記発光層の室温25℃における前記発光層のPL寿命は、1.3nsec以上20nsec以下である
ことを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルウエハ。
2. The epitaxial wafer according to claim 1, wherein a PL lifetime of the light emitting layer at a room temperature of 25 ° C. is 1.3 nsec or more and 20 nsec or less.
前記発光層の励起光強度を1000倍変化させた場合の前記PLピーク波長の変動は、0nm以上10nm以下である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のエピタキシャルウエハ。
3. The epitaxial wafer according to claim 1, wherein a fluctuation in the PL peak wavelength when the excitation light intensity of the light emitting layer is changed 1000 times is 0 nm or more and 10 nm or less.
前記発光層は、InGaN層を含む
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハ。
The epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 3, wherein the light emitting layer includes an InGaN layer.
前記発光層は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなり、
前記量子井戸層及び前記障壁層間の少なくとも一方側の界面に、前記量子井戸層と前記障壁層との中間の格子定数を有し、前記量子井戸層及び前記障壁層間の歪を緩衝する界面歪緩衝層、を備える
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハ。
The light emitting layer comprises a multiple quantum well layer in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked,
An interface strain buffer that has an intermediate lattice constant between the quantum well layer and the barrier layer at an interface on at least one side between the quantum well layer and the barrier layer, and buffers strain between the quantum well layer and the barrier layer. The epitaxial wafer according to claim 1, further comprising: a layer.
前記GaN基板の暗点密度は、2×108cm-2以下である
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハ。
The epitaxial wafer according to claim 1, wherein a dark spot density of the GaN substrate is 2 × 10 8 cm −2 or less.
前記GaN基板の他方側の主表面は、粗面化されている
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハ。
The epitaxial wafer according to claim 1, wherein a main surface on the other side of the GaN substrate is roughened.
m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、
前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、
を備え、
前記発光層の発光ピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、
前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
an n-type conductive layer made of a GaN-based semiconductor layer formed on one main surface of a GaN substrate having a main surface with an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane;
A light emitting layer formed on the main surface on one side of the n-type conductive layer;
A p-type conductive layer formed on the main surface on one side of the light emitting layer;
With
The emission peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less,
The PL half width of the light emitting layer satisfies the conditional expression (1).
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)
m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上に形成されたGaN系半導体層からなるn型導電層と、
前記n型導電層の一方側の主表面上に形成された発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたp型導電層と、
を有し、
前記発光層のPLピーク波長は、410nm以上460nm以下であり、
前記発光層のPL半値幅は、条件式(1)を満たす半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、
を備えることを特徴とする発光装置。
Δl ≦ L×0.4 − 150 (1)
L:PLピーク波長(単位:nm) Δl:PL半値幅(単位:nm)
an n-type conductive layer made of a GaN-based semiconductor layer formed on one main surface of a GaN substrate having a main surface with an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane;
A light emitting layer formed on the main surface on one side of the n-type conductive layer;
A p-type conductive layer formed on the main surface on one side of the light emitting layer;
Have
The PL peak wavelength of the light emitting layer is 410 nm or more and 460 nm or less,
The PL half width of the light emitting layer is a semiconductor light emitting element that satisfies the conditional expression (1),
A wavelength converting substance that absorbs at least part of the light emitted by the semiconductor light emitting element and converts it into light having a longer wavelength;
A light emitting device comprising:
Δl ≦ L × 0.4−150 (1)
L: PL peak wavelength (unit: nm) Δl: PL half-value width (unit: nm)
m面に対して0°以上10°以下のオフ角を有する面を主表面とするGaN基板の一方側の主表面上にGaN系半導体層からなるn型導電層を成長させる第1ステップと、
前記第1ステップにおいて成長させた前記n型導電層の一方側の主表面上に発光層を成長させる第2ステップと、
を備え、
前記第2ステップでは、V族原料のモル供給量とIII族原料のモル供給量との比であるV/III比が500以上4000以下となるように、V族原料及びIII族原料を供給する
ことを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
a first step of growing an n-type conductive layer made of a GaN-based semiconductor layer on a main surface on one side of a GaN substrate whose main surface is a surface having an off angle of 0 ° to 10 ° with respect to the m-plane;
A second step of growing a light emitting layer on a main surface on one side of the n-type conductive layer grown in the first step;
With
In the second step, the Group V material and the Group III material are supplied so that the V / III ratio, which is the ratio of the mole supply amount of the Group V material to the mole supply amount of the Group III material, is 500 or more and 4000 or less. An epitaxial wafer manufacturing method characterized by the above.
前記第2ステップでは、前記発光層として、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を成長させ、前記量子井戸層の成長時に、前記V/III比が500以上4000以下となるように、V族原料及びIII族原料を供給する
ことを特徴とする請求項10に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
In the second step, a multiple quantum well layer in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked is grown as the light emitting layer, and the V / III ratio is 500 or more and 4000 or less when the quantum well layer is grown. The method for producing an epitaxial wafer according to claim 10, wherein the Group V raw material and the Group III raw material are supplied so that
前記第2ステップでは、前記量子井戸層として、InGaN層からなる量子井戸層を成長させる
ことを特徴とする請求項11に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
The epitaxial wafer manufacturing method according to claim 11, wherein in the second step, a quantum well layer made of an InGaN layer is grown as the quantum well layer.
前記第2ステップでは、前記InGaN層からなる量子井戸層の成長時に、前記III族原料の総供給量におけるインジウム原料の供給量の比が50%以上90%以下となるように、III族原料を供給する
ことを特徴とする請求項12に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
In the second step, when the quantum well layer composed of the InGaN layer is grown, the group III material is added such that the ratio of the supply amount of the indium material to the total supply amount of the group III material is 50% or more and 90% or less. The method for producing an epitaxial wafer according to claim 12, wherein the epitaxial wafer is supplied.
前記第2ステップでは、前記量子井戸層を1nm/min以上8nm/minの成長速
度で成長させる
ことを特徴とする請求項10乃至13のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハの
製造方法。
The epitaxial wafer manufacturing method according to claim 10, wherein, in the second step, the quantum well layer is grown at a growth rate of 1 nm / min or more and 8 nm / min.
前記発光層を大気中で熱処理する第3ステップ、をさらに備える
ことを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
The epitaxial wafer manufacturing method according to any one of claims 10 to 14, further comprising a third step of heat-treating the light emitting layer in the atmosphere.
前記第1及び第2ステップでは、MOCVDによって、前記n型導電層及び前記発光層を成長させる
ことを特徴とする請求項10乃至15のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
The epitaxial wafer manufacturing method according to claim 10, wherein, in the first and second steps, the n-type conductive layer and the light emitting layer are grown by MOCVD.
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