JP2021005639A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
前記GaN基板の前記主面の上層に形成され、n型窒化物半導体からなる第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成され、窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上層に形成され、p型窒化物半導体からなる第二半導体層と、
前記第二半導体層の上層に形成され、前記第一半導体層よりも高濃度のn型不純物と、前記第二半導体層よりも高濃度のp型不純物とが含有された窒化物半導体からなる第三半導体層と、
前記第三半導体層の上層に形成され、Inを含むn型窒化物半導体からなる第四半導体層とを備えたことを特徴とする。
前記内部欠陥の密度は、前記GaN基板に含まれる結晶欠陥の密度よりも高いものとしても構わない。
前記活性層は、前記GaN基板の前記主面に非平行な平面であって、前記活性層で生成された光を出射する光出射面を有し、
前記第二半導体層、前記第三半導体層、及び前記第四半導体層を含む積層体を、前記光出射面に平行な平面で切断したときの、前記GaN基板の前記主面に平行な方向に係る幅は、前記第五半導体層を前記光出射面に平行な平面で切断したときの前記幅の最大値よりも小さいものとしても構わない。
本明細書内において、「AlGaN」という記述は、GaNとAlNの混晶であることを意味し、各組成比率が省略されたものである。「AlInN」、「AlGaInN」などの他の記載も同様の趣旨である。
図1は、半導体発光素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図1に示すように、半導体発光素子1は、GaN基板3と、GaN基板3の上層に形成された、第一半導体層10、活性層5、第二半導体層20、第三半導体層30、及び第四半導体層40を備える。なお、図1に示す例では、半導体発光素子1は、更に、活性層5と第二半導体層20との間に、第五半導体層50を備える。
第一半導体層10は、n型窒化物半導体からなる。第一半導体層10は、例えばSi、Ge、S、Se、Sn、又はTeなどのn型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがSiである。図1に示す例では、第一半導体層10は、n型AlGaN層11と、n型GaN層12とを有する。
活性層5は、窒化物半導体からなり、第一半導体層10の上層に形成されている。活性層5は、量子井戸構造を有し、多重量子井戸構造でも単一量子井戸構造でも構わないが、好ましくは多重量子井戸構造である。
図1に示す半導体発光素子1においては、活性層5と後述する第二半導体層20との間に、第五半導体層50を備える。この第五半導体層50は、活性層5に対してGaN基板3から遠い側におけるガイド層を構成する。
半導体発光素子1は、活性層5の上層に第二半導体層20を有する。第二半導体層20は、p型窒化物半導体からなる。第二半導体層20は、例えばMg、Be、Zn、又はCなどのp型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがMgである。図1に示す例では、第二半導体層20は、電子ブロック層を形成するp型AlGaN層21と、クラッド層の一部を形成するp型AlGaN層22とを有する。
図1に示すように、半導体発光素子1は、第二半導体層20の上層に第三半導体層30を有する。第三半導体層30は、第一半導体層10よりも高濃度のn型不純物と、第二半導体層20よりも高濃度のp型不純物とが含有された、窒化物半導体からなり、好ましくはGaN、Al組成比率が0.1%以上、5%以下のAlGaN、又はIn組成比率が0%より大きく1%以下のInGaNである。なお、第三半導体層30がGaN又はAlGaNで構成される場合において、組成には現れない程度(不純物程度)にInが含まれていても構わない。具体的には、Inが1×1018/cm3以上、1×1021/cm3以下程度に含まれていても構わない。n型不純物としては、Si、Ge、S、Se、Sn、又はTeなどが利用可能であり、好ましくはSiである。p型不純物としては、Mg、Be、Zn、又はCなどが利用可能であり、好ましくはMgである。
図1に示すように、半導体発光素子1は、第三半導体層30の上層に第四半導体層40を有する。第四半導体層40は、n型窒化物半導体からなる。第四半導体層40は、例えばSi、Ge、S、Se、Sn、又はTeなどのn型不純物がドープされており、好ましくは、ドーパントがSiである。図1に示す例では、第四半導体層40は、n型AlInN層41と、n型AlGaN層42とを有する。
半導体発光素子1は、第一半導体層10に連絡された第一電極61、第四半導体層40に連絡された第二電極62を有する。より詳細には、第一電極61は、n型AlGaN層11の面上に形成され、Cr/Pt/Au、Cr/Au、Ti/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ni/Au、Ni/Al/Ni/Ti/Pt/Auなどで構成される。また、第二電極62は、n型AlGaN層42の面上に形成され、好ましくは、ITOで構成される。
第一電極61の上面には、パッド電極71が形成されている。第二電極62の上面には、パッド電極72が形成されている。パッド電極(71,72)は、ボンディングワイヤを接続するための領域を形成し、例えばTi/Au、Ti/Pt/Auなどで構成される。
上述した半導体発光素子1の製造方法の一例について、図3〜図10を参照しながら説明する。
図3に示すように、GaN基板3を準備する。
図4に示すように、GaN基板3の主面上に、各半導体層(10,5,50,20,30,40)をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長時には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にGaN基板3を配置し、窒素ガスや水素ガスといったキャリアガスを流しつつ、温度及び圧力を所定の値にしながら、各層に対応した原料ガスを流すことで実行される。また、材料ガスの導入時間によって膜厚が制御される。
ステップS2まで完了したウェハ(エピタキシャルウェハ)をMOCVD装置から取り出し、第五半導体層50の表面が露出するまで、一部領域に位置する各半導体層(40,30,20)をエッチングする。これにより、図7に示すように、高さ方向(Z方向:図1参照)に突出した、各半導体層(20,30,40)の積層体で構成されるリッジ部9が形成される。なお、エッチング方法は、ドライエッチングでもウェットエッチングでも構わない。
ステップS3の処理が完了した後、エピタキシャルウェハに対して活性化処理が行われる。具体的な一例としては、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、酸素雰囲気又は空気雰囲気下中720℃で30分間の活性化処理が行われる。この処理は、第二半導体層20を構成するp型不純物を活性化する目的で行われる。
図9に示すように、第四半導体層40の上面に第二電極62を形成する。具体的な一例としては、ITOを所定の膜厚だけ蒸着又は塗布した後、低抵抗化のためのアニール処理を行う。なお、このアニール処理を、ステップS4のアニール処理と兼ねても構わない。
露出したn型AlGaN層11の一部上面に第一電極61が形成される。例えば、より詳細な一例としては、真空蒸着装置を用いて第一電極61の形成材料(例えばCr/Pt/Au)を成膜した後、例えば、450℃、10分間の加熱処理によってアロイ処理(アニール処理)が施されることで、第一電極61が形成される。
第一電極61の上面にパッド電極71が形成され、第二電極62の上面にパッド電極72が形成される。例えば、パッド電極(71,72)の形成には、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法が用いられる。
実施例を参照して、半導体発光素子1の性能を検証した。
上記ステップS1〜S7を経て製造された、図1に示す半導体発光素子1を実施例1−1とした。これに対し、ステップS2において、第四半導体層40に替えて、Inを含まないn型AlGaN層を成長させた点を除いて、他を同一条件で製造した半導体発光素子を比較例1−1とした。
上記の検証1によれば、第四半導体層40として、a軸方向の格子定数がGaN基板3よりも大きくなるように、InNを含むn型AlInN層41を備えたことで、第四半導体層40内にピット7が形成され、これにより、第二半導体層20内の水素を充分に離脱できたことが確認された。この点に鑑みれば、第四半導体層40として、n型AlInN層41に替えて、AlGaInN層を備える構成としても、Inの組成比率によっては同様の効果が得られるものと推察される。
下記表2は、第四半導体層40を構成するn型AlInN層41の膜厚を300nmで固定して、n型AlInN層41のIn組成比率を5パターンで異ならせてステップS2までを実行し(参考例3−1,実施例3−1,実施例3−2,実施例3−3,参考例3−2)、エピタキシャル層の表面状態を比較した結果である。最も好ましい表面状態を「A」評価とし、好ましい表面状態を「B」評価とし、好ましくない表面状態を「C」評価とした。
下記表3は、第四半導体層40を構成するn型AlInN層41のIn組成比率を18%で固定して、n型AlInN層41の膜厚を6パターン(参考例4−1,実施例4−1,実施例4−2,実施例4−3,実施例4−4,参考例4−2)で異ならせたときの、ステップS2完了後のエピタキシャル層の表面状態、及びステップS7完了後のLD素子としてのレーザ特性を比較した結果である。ここで、レーザ特性が好ましい状態とは発振閾値電流が低く、且つ動作電圧が低いことを指す。表面状態については、最も好ましい表面状態を「A」評価とし、好ましい表面状態を「B」評価とし、好ましくない表面状態を「C」評価とした。また、レーザ特性としては、発振閾値電流と動作電圧の双方が低い順に、「A」評価、「B」評価、「C」評価として判定した。
以下、別実施形態につき説明する。
3 : GaN基板
5 : 活性層
7 : ピット
10 : 第一半導体層
11 : n型AlGaN層
12 : n型GaN層
20 : 第二半導体層
21 : p型AlGaN層(電子ブロック層)
22 : p型AlGaN層(クラッド層)
30 : 第三半導体層
40 : 第四半導体層
41 : n型AlInN層
42 : n型AlGaN層
50 : 第五半導体層
51 : 第一領域
52 : 第二領域
61 : 第一電極
62 : 第二電極
71 : パッド電極
72 : パッド電極
81 : 絶縁層
Claims (5)
- GaN基板の主面上に窒化物半導体層が形成されてなる、半導体発光素子であって、
前記GaN基板の前記主面の上層に形成され、n型窒化物半導体からなる第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成され、窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上層に形成され、p型窒化物半導体からなる第二半導体層と、
前記第二半導体層の上層に形成され、前記第一半導体層よりも高濃度のn型不純物と、前記第二半導体層よりも高濃度のp型不純物とが含有された、窒化物半導体からなる第三半導体層と、
前記第三半導体層の上層に形成され、Inを含むn型窒化物半導体からなる第四半導体層とを備えたことを特徴とする、半導体発光素子。 - 前記第三半導体層から前記第四半導体層の上面に達する内部欠陥を有し、
前記内部欠陥の密度は、前記GaN基板に含まれる結晶欠陥の密度よりも高いことを特徴とする、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記第四半導体層は、Inの組成比率が15%以上、21%以下のAlInN、又は、Inの組成比率が15%以上、18%以下で、且つAlの組成比率y1が70%以上、82%以下であるAlGaInN(ただし、x1+y1≦100%)で構成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層と前記第二半導体層との間に形成され、前記第二半導体層よりも屈折率の高い窒化物半導体からなる第五半導体層を備え、
前記活性層は、前記GaN基板の前記主面に非平行な平面であって、前記活性層で生成された光を出射する光出射面を有し、
前記第二半導体層、前記第三半導体層、及び前記第四半導体層を含む積層体を、前記光出射面に平行な平面で切断したときの、前記GaN基板の前記主面に平行な方向に係る幅は、前記第五半導体層を前記光出射面に平行な平面で切断したときの前記幅の最大値よりも小さいことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記第五半導体層は、第一領域と、前記第一領域よりも前記第二半導体層に近い位置に配置され前記光出射面に平行な平面で切断したときの前記幅が前記第一領域よりも狭い第二領域とを有することを特徴とする、請求項4に記載の半導体発光素子。
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