JP4553583B2 - Group III nitride compound semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線発光のIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a group III nitride compound semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light.
紫外線発光の半導体発光素子における半導体積層方法としては、例えば下記の特許文献1に記載されているものなどが公知である。特に、この特許文献1の発明は、一定の有用性を示すものであり、この発明の目的は、GaNやAlGaNに転位が存在しても、発光特性を確保することができる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を提供することであった。 As a semiconductor lamination method in an ultraviolet light emitting semiconductor light emitting device, for example, a method described in Patent Document 1 below is known. In particular, the invention of Patent Document 1 shows certain utility, and the object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor that can ensure light emission characteristics even when dislocations exist in GaN or AlGaN. It was to provide a manufacturing method.
この発明は、強い紫外線発光を得るために量子井戸層をAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成し、量子井戸層の直下に積層する下地層として、例えばSiNなどから成る層を離散的に形成することにより、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ(キャリアの局在準位)を積極的に生成しようとするものであった。バンドギャップの空間的ゆらぎの生成が素子の発光強度に大きく寄与することは、従来より広く知られている。
しかしながら、例えば上記の特許文献1などの様に紫外線発光の半導体発光素子の量子井戸層にインジウム(In)を用いない場合、上記の下地層の形成だけでは、量子井戸層中にバンドギャップの空間的ゆらぎ(キャリアの局在準位)を適度に生成することは必ずしも容易でなく、このため上記の従来技術の範疇では、必ずしも十分な発光強度が得られない。
また、半導体層のインジウムの混晶比を下げると、応力に対するその半導体層の柔軟性が低下するので、その半導体層には転位やクラックが生じ易くなる。特に、活性層や量子井戸層に転位やクラックが生じた場合には、内部量子効率や或いは素子の寿命にその悪影響が及ぶ。
However, in the case where indium (In) is not used in the quantum well layer of an ultraviolet light emitting semiconductor light emitting device as in, for example, the above-mentioned Patent Document 1, a band gap space is formed in the quantum well layer only by forming the base layer. It is not always easy to appropriately generate the target fluctuation (localized level of carriers), and therefore, sufficient light emission intensity is not always obtained in the above-described prior art category.
Further, when the mixed crystal ratio of indium in the semiconductor layer is lowered, the flexibility of the semiconductor layer with respect to stress is reduced, so that dislocations and cracks are likely to occur in the semiconductor layer. In particular, when dislocations or cracks occur in the active layer or the quantum well layer, the internal quantum efficiency or the lifetime of the device is adversely affected.
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、紫外線発光のIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、内部量子効率を向上させると共に、素子内部の応力を緩和して転位やクラックの発生を防止又は抑制することである。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to improve the internal quantum efficiency and reduce the stress inside the element in an ultraviolet-emitting Group III nitride compound semiconductor light-emitting device. It is to relax or prevent or suppress the occurrence of dislocations and cracks.
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、結晶成長基板と、低温成長バッファ層と、下地層とを有し、低温成長バッファ層は、結晶成長基板の結晶成長面上に積層された窒化ケイ素から成る第1バッファ層と、第1バッファ層の上に積層されたGaN層とから成り、下地層は、III族窒化物系化合物半導体から成る層と、窒化ケイ素から成る第2バッファ層と、III族窒化物系化合物半導体から成る層とが積層されており、これらの第1バッファ層と第2バッファ層をそれぞれ何れも、離散的に斑状または島状に積層し、活性層を構成する量子井戸層をAlzInyGa1-z-yN(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成し、この量子井戸層にはそれぞれ何れもその直下に窒化ケイ素から成る堆積層を設け、かつ、少なくとも量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い間隔又は周期で、この堆積層を離散的に斑状または島状に堆積することである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is a semiconductor light emitting device having an active layer having a multiple quantum well structure formed by laminating a plurality of Group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and a crystal growth substrate; has a low-temperature growth buffer layer, and an underlying layer, the low-temperature growth buffer layer, a first buffer layer made of is silicon nitride stacked on the crystal growth surface of the crystal growth substrate, the product layer on the first buffer layer The underlayer is composed of a layer made of a group III nitride compound semiconductor, a second buffer layer made of silicon nitride, and a layer made of a group III nitride compound semiconductor. , none of these a first buffer layer and second buffer layer, respectively, discrete manner stacked in patchy or islands, the quantum well layer constituting the active layer Al z in y Ga 1-zy N (0 ≦ z <1, 0 <y <1, 0 < + Y ≦ 1) formed from, both each of the quantum well layer formed deposition layer made of silicon nitride immediately below, and at short intervals or period than the average generation period of dislocation occurring in at least a quantum well layer, This deposition layer is discretely deposited in the form of spots or islands .
また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、活性層における量子井戸層の積層数を3層以上10層以下にすることである。
より望ましくは、活性層における量子井戸層の積層数は3層又は4層が良い。
The second means of the present invention is to make the number of stacked quantum well layers in the active layer from 3 to 10 in the first means.
More preferably, the number of quantum well layers in the active layer is three or four.
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。 By means of the present invention on the following, the above problems effectively, or can be reasonably resolved.
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1の手段によれば、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ(キャリアの局在準位)を適度、かつ、確実に得ることができるため、発光素子の出力を大きく向上させることができる。
これは、量子井戸層の直下に形成した堆積層の上では、インジウム(In)やガリウム(Ga)は拡散長(マイグレーション長)がアルミニウム(Al)よりも大幅に長いので、量子井戸層の結晶成長時に、インジウム(In)やガリウム(Ga)がアルミニウム(Al)よりも堆積層の谷部又は孔部に入り込み易くなり、その結果、量子井戸層の内部では、組成の空間的均一性が積極的に乱されて、組成の空間的なゆらぎが良好に形成されるためである。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first means of the present invention, the spatial fluctuation of the band gap (carrier localized level) in the quantum well layer can be obtained moderately and reliably, so that the output of the light emitting element is increased. Can be improved.
This is because the diffusion length (migration length) of indium (In) and gallium (Ga) is significantly longer than that of aluminum (Al) on the deposited layer formed immediately below the quantum well layer. During growth, indium (In) and gallium (Ga) are more likely to enter the valley or hole of the deposited layer than aluminum (Al), and as a result, the spatial uniformity of the composition is positive in the quantum well layer. This is because the spatial fluctuation of the composition is well formed.
また、上記の第1バッファ層は結晶成長を阻害する作用を奏するので、この第1バッファ層の積層により、このバッファ層の凹凸表面の谷部又は孔部の、まだ結晶成長基板が露出している部分から、次の結晶成長が開始されるが、その結晶成長はやがて横方向に進み、第1バッファ層の上方にまで回り込む。ここで、第1バッファ層は非晶質の状態であるので、第1バッファ層の上方にまで回り込んで形成される半導体結晶は、結晶成長基板及び第1バッファ層の影響を受けにくく、単結晶化し易い。したがって、第1バッファ層の上方にまで回り込んで形成される半導体層は、良質で転位密度の小さなものになる。 In addition, since the first buffer layer acts to inhibit crystal growth, the stacking of the first buffer layer still exposes the crystal growth substrate in the valley or hole of the uneven surface of the buffer layer. The next crystal growth starts from the portion where the crystal growth is present, but the crystal growth eventually proceeds in the lateral direction and reaches the upper portion of the first buffer layer. Here, since the first buffer layer is in an amorphous state, the semiconductor crystal formed so as to extend above the first buffer layer is not easily influenced by the crystal growth substrate and the first buffer layer, and is simply Easy to crystallize. Therefore, the semiconductor layer formed so as to wrap around above the first buffer layer has a high quality and a low dislocation density.
更に、上記の第2バッファ層によっても、半導体結晶の横方向の結晶成長が促される。これらの相乗効果のため、上記の構成に従えば、下地層の転位密度を大幅に低減することができる。この第2バッファ層や上記の第1バッファ層の材料は、結晶成長を阻害する作用を奏するものであれば任意で良く、結晶状態は不問である。即ち、非晶質の材料でも結晶状態の材料でも良い。アルミニウム混晶比や或いはガリウム混晶比が高い量子井戸層を形成する場合にも、それらの量子井戸層にはクラックが生じ難くなる。
即ち、本発明によれば、下地層やそれ以降に積層される半導体層の転位が効果的に低減されるため、紫外線発光の固い量子井戸層を積層しても、高い発光強度の紫外線発光を得ることができる。
また、量子井戸層の組成成分にインジウム(In)を含めることにより、量子井戸層の応力に対する柔軟性が向上するので、これらの相乗効果によっても、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。
Further, the second buffer layer also promotes the lateral crystal growth of the semiconductor crystal. Because of these synergistic effects, according to the above configuration, the dislocation density of the underlayer can be greatly reduced. Any material may be used for the second buffer layer and the first buffer layer as long as they have an effect of inhibiting crystal growth, and the crystal state is not limited. That is, an amorphous material or a crystalline material may be used. Even when quantum well layers having a high aluminum mixed crystal ratio or a gallium mixed crystal ratio are formed, cracks are unlikely to occur in these quantum well layers.
That is, according to the present invention, dislocations in the underlying layer and the semiconductor layer stacked thereafter are effectively reduced. Therefore, even when a hard quantum well layer that emits ultraviolet light is laminated, ultraviolet light emission with high emission intensity can be obtained. Obtainable.
In addition, by including indium (In) in the composition component of the quantum well layer, the flexibility of the quantum well layer with respect to stress is improved, so that dislocations and cracks are less likely to occur in the quantum well layer due to these synergistic effects.
なお、上記のインジウム組成比yは、0.01以上であることがより望ましい。また、上記のインジウム組成比yは、0.03以上であることが更に望ましいが、この値としては、発光波長などの素子の各種の仕様、特性などに応じて好適或いは最適な値を選択することができる。この値が小さすぎると、揺らぎを十分に確保することが難しくなり、また、この値を大きくし過ぎると、紫外線発光の半導体発光素子を製造することができなくなる。 Incidentally, the indium composition ratio y of the above, is more preferable and this is 0.01 or more. In addition, the indium composition ratio y is more preferably 0.03 or more. However, as this value, a suitable or optimal value is selected according to various specifications and characteristics of the element such as the emission wavelength. be able to. If this value is too small, it will be difficult to ensure sufficient fluctuations, and if this value is too large, a semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light cannot be produced.
また、局在準位の極近傍に転位が存在すると、そこでは発光が起こり難いので、このゆらぎの密度(周期)は、少なくとも量子井戸層に生じる転位密度よりも高くする必要がある。この周期は、堆積層を離散的に堆積する際の、その離散的度合い(密度)を表しており、望ましくは、1nm〜100nm程度が望ましいと考えられるが、少なくとも、転位密度の平均周期よりも短ければ、上記の作用・効果を得ることができる。なお、量子井戸層の組成の空間的なゆらぎの密度(周期)は、理論的には数nm程度が最も理想的であると考えられる。 Further, when dislocations are present in the very vicinity of the localized level, light emission is unlikely to occur there. Therefore, the density (period) of this fluctuation needs to be higher than at least the dislocation density generated in the quantum well layer. This period, when discretely deposited deposition layer, represents the discrete degree (density), preferably is believed 1nm~100nm extent is desired, at least, than the average period of the dislocation density If it is too short, the above-mentioned actions and effects can be obtained. The density (period) of the spatial fluctuation of the composition of the quantum well layer is theoretically considered to be about several nm.
また、上記の本発明の紫外線発光の半導体発光素子の発光強度に関するその他の最適化パラメータとしては、n型クラッド層のキャリア濃度や、活性層の量子井戸層の積層数(本発明の第2の手段)や、活性層の量子障壁層の膜厚などがあり、これらのパラメータをそれぞれ、上記の様に好適化或いは最適化することにより、従来よりも高い発光強度の紫外線発光の半導体発光素子を得ることができる。 As the other optimization parameters related to the emission intensity of the semiconductor light-emitting device of the ultraviolet light emission of the invention described above, n-type cladding layer carrier concentration and number of stacked quantum well layer of the active layer (of the present invention the second means) and has etc. Do thickness of the active layer quantum barrier layer, these parameters respectively, by suitable reduction or optimized as described above, the semiconductor light-emitting of ultraviolet light of high luminous intensity than conventional An element can be obtained.
また、半導体発光素子の内部応力を緩和する手段としては、n型/p型クラッド層を超格子構造にするなどの構成も有効である。
また、第2バッファ層は、500℃程度の低温で形成しても、1000℃以上の高温で形成しても良い。第2バッファ層の結晶成長温度を1050℃以上1100℃以下とし、第2バッファ層の結晶性長時間を6秒以上18秒以下とすると、下地層の転位密度を効果的に低減できると共に、第2バッファ層の積層時間を効果的に削減することができる。
As a means to alleviate the internal stress of the semiconductor light emitting element, Ru configuration also effective der, such as the n-type / p-type cladding layer in super lattice structure.
The second buffer layer may be formed at a low temperature of about 500 ° C. or at a high temperature of 1000 ° C. or higher. When the crystal growth temperature of the second buffer layer is 1050 ° C. or more and 1100 ° C. or less and the crystallinity long time of the second buffer layer is 6 seconds or more and 18 seconds or less, the dislocation density of the underlayer can be effectively reduced, The stacking time of the two buffer layers can be effectively reduced.
尚、上記の本発明の紫外線発光の半導体発光素子の発光強度に関するその他の最適化パラメータとしては、p型クラッド層をも超格子構造とした場合のアルミニウム(Al)組成比や、p型クラッド層の結晶成長温度などがあり、これらのパラメータをそれぞれ、上記の様に好適化或いは最適化することにより、従来よりも高い発光強度の紫外線発光の半導体発光素子を得ることができる。 Other optimization parameters related to the emission intensity of the above-described ultraviolet light emitting semiconductor light emitting device of the present invention include an aluminum (Al) composition ratio when the p-type cladding layer also has a superlattice structure, and a p-type cladding layer. There is a crystal growth temperature, etc., these parameters respectively, by suitable reduction or optimized as described above, it is possible to obtain a semiconductor light-emitting element of ultraviolet emission with high luminous intensity than before.
また、堆積層、第1バッファ層、第2バッファ層等は何れも、SiNの他にも、SiN2,多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物や、また、所謂ELOマスクなどとして一般にも利用されている周知の適当な窒化物などからも形成することでき、或いはチタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属や、更には、これらの多層膜などをも用いることが可能である。また、これらの成膜方法は、蒸着、スパッタ、VPE等の気相成長法の他、任意である。 The deposited layer, the first buffer layer, the second buffer layer, etc. are all SiN 2 , polycrystalline semiconductors such as polycrystalline silicon and polycrystalline nitride semiconductor, silicon oxide (SiO x ), It is also formed from an oxide such as silicon nitride (SiN x ), titanium oxide (TiO x ), zirconium oxide (ZrO x ), or a well-known appropriate nitride that is generally used as a so-called ELO mask. Alternatively, a refractory metal such as titanium (Ti) or tungsten (W), or a multilayer film of these can also be used. In addition to these vapor deposition methods such as vapor deposition, sputtering, and VPE, these film forming methods are arbitrary.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
図1に本実施例1の短波長発光LED100の断面図を示す。この短波長発光LED100は、MOVPE法を用いて製造したものである。
サファイア基板10の上には、窒化シリコンを500℃で100秒間積層した第1バッファ層21と、同温で結晶成長させた膜厚25nmのGaN層22との2層から成る低温成長バッファ層20が形成されている。その上の下地層30は3層から成り、無添加のGaNを1075℃で約0.7μm結晶成長させたGaN層31と、窒化シリコン(SiN)を1075℃で12秒間結晶成長させた第2バッファ層32と、無添加のGaNを1075℃で約3μm結晶成長させたGaN層33とから成る。
ただし、SiNから成る第2バッファ層32を斑状或いは島状に離散的に形成する際には、シラン(SiH4)の10ppm希釈ガスを10sccmの割合で、アンモニア(NH3)ガスを10slmの割合でそれぞれ供給し、かつ、この第2バッファ層32の積層時間は12秒とした。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the short wavelength
On the
However, when the second buffer layer 32 made of SiN is discretely formed in spots or islands, a 10 ppm diluted gas of silane (SiH 4 ) is used at a rate of 10 sccm, and an ammonia (NH 3 ) gas is used at a rate of 10 slm. And the stacking time of the second buffer layer 32 was 12 seconds.
n型コンタクト層40とn型中間層51とn型クラッド層52とを順次積層して形成されたn型層においては、何れの半導体層も不純物としてシリコン(Si)を添加して、成長温度1075℃で結晶成長した。このn型層の下から一層目のn型コンタクト層40は、膜厚1.1μmのGaNから成り、そのキャリア濃度は5×1018cm-3である。次層の膜厚約100nmのn型中間層51は、Al0.12Ga0.88Nから成り、そのキャリア濃度は5×1018cm-3である。
また、n型クラッド層52は、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nと膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nとを交互に合計38ペア(38周期)積層した超格子構造を有し、このn型クラッド層52の総膜厚は約100nm、キャリア濃度は1×1019cm-3である。
In the n-type layer formed by sequentially laminating the n-
The n-
無添加の各半導体層から成る活性層60は、量子井戸層6bを3層有する多重量子井戸構造の活性層であり、中間層61と多重層62,63,64を何れも結晶成長温度825℃で順次積層して形成したものである。中間層61は膜厚35nmのAl0.12Ga0.88Nから形成されている。
また、多重層(62,63,64)はそれぞれ何れも、堆積層6aと量子井戸層6bと量子障壁層6cとを順次積層して形成されている。更に、堆積層6aはそれぞれ何れも、SiNから成る層で、堆積時間は12秒とした。ただし、SiNから成る堆積層6aを斑状或いは島状に離散的に形成する際に、シラン(SiH4)の10ppm希釈ガスを15sccmの割合で、アンモニア(NH3)ガスを12slmの割合で、それぞれ供給した。
また、量子井戸層6bはそれぞれ何れも、膜厚約2nmのAl0.005In0.045Ga0.95Nから形成されている。量子障壁層6cはそれぞれ何れも、膜厚17.5nmのAl0.12Ga0.88Nから形成されている。
The
Each of the multi-layers (62, 63, 64) is formed by sequentially laminating a
Each of the
活性層60の上には、p型ブロック層71とp型クラッド層72とp型コンタクト層80とを順次積層して形成されたp型層があり、このp型層においては、何れの半導体層も、成長温度を1025℃とし、不純物としてマグネシウム(Mg)を添加して結晶成長したものである。このp型層の下から一層目のp型ブロック層71は、膜厚40nmのAl0.16Ga0.84Nから成る。このp型ブロック層71のキャリア濃度は5×1017cm-3に設定されている。
On the
また、p型クラッド層72は、膜厚約1.5nmのAl0.12Ga0.88Nと膜厚約1.5nmのAl0.03Ga0.97Nとを交互に合計30ペア(30周期)積層した超格子構造を有し、このp型クラッド層72の総膜厚は約90nm、キャリア濃度は5×1017cm-3である。また、膜厚約30nmのGaNから成るp型コンタクト層80のキャリア濃度は1×1018cm-3である。
The p-
以上の積層構成を有する短波長発光LED100の発光ピーク波長は、351nmであった。
更に、SiNから形成され、活性層60の中に堆積される堆積層6aの堆積時間を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図2は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)と堆積層6aの積層時間との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、LEDの正負両電極(91,92)間に電圧を印加した時の発光強度(EL)を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ(堆積層6aの堆積時間)である。ただし、SiNから成る堆積層6aを斑状或いは島状に離散的に形成する際に、シラン(SiH4)の10ppm希釈ガスを15sccmの割合で、アンモニア(NH3)ガスを12slmの割合で、それぞれ供給した。
The light emission peak wavelength of the short wavelength
Further, with the deposition time of the
堆積層6aは、量子井戸層6bにおけるバンドギャップの空間的ゆらぎを形成するために堆積させるものであるので、この堆積層6aを堆積させる面における堆積層6aの面積占有率は、小さ過ぎても大きすぎても、そのゆらぎ生成効果は得難くなる。図2のグラフからも判る様に、その堆積時間は、望ましくは、6秒以上14秒以下である。また、更に望ましくは、9秒から13秒の間が理想的である。この様な条件設定によれば、堆積層6aの形成状態(離散状態)を最適にすることができるので、高い発光強度を得ることができる。
The deposited
なお、堆積層6a、第1バッファ層21、第2バッファ層32は何れも、SiNの他にも、SiN2,多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物や、また、所謂ELOマスクなどとして一般にも利用されている周知の適当な窒化物などからも形成することができ、或いはチタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属や、更には、これらの多層膜などをも用いることが可能である。また、これらの成膜方法は、蒸着、スパッタ、VPE等の気相成長法の他、任意である。
The deposited
また、SiNから成る第2バッファ層32の有無を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図3は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)とSiNから成る第2バッファ層32の有無との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、LEDの正負両電極(91,92)間に電圧を印加した時の発光強度(EL)を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ(SiNから成る第2バッファ層32の有無)である。
このグラフより、SiNから成る第2バッファ層32を設けた方が高い発光強度が得られることが判る。
Further, using the presence or absence of the second buffer layer 32 made of SiN as a comparison parameter, all other configurations are the same as those of the short wavelength
From this graph, it can be seen that higher emission intensity can be obtained by providing the second buffer layer 32 made of SiN.
また、SiNから成る第2バッファ層の積層条件(:積層温度と積層時間)を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図4は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)とSiNから成る第2バッファ層の積層条件(:積層温度と積層時間)との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、LEDの正負両電極(91,92)間に電圧を印加した時の発光強度(EL)を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ(積層温度と積層時間)であり、記号LTは500℃の低温を示しており、記号HTは1075℃の高温を示している。その下の括弧内の数値は、積層時間(秒)である。
Further, with the stacking conditions (: stacking temperature and stacking time) of the second buffer layer made of SiN as the comparison parameters, all other configurations are the same as those of the short wavelength
このグラフからも判る様に、第2バッファ層の積層温度は、1075℃程度(1050℃〜1100℃程度)が望ましく、その時の積層時間は12秒程度(6秒〜18秒程度)が良い。また、上記の短波長発光LED100の様に第2バッファ層の積層温度を1075℃程度にすれば、下地層(GaN層31,33)と略同温で積層できるので、積層条件を一定にしたまま第2バッファ層を積層できる。したがって、製造時間を短くすることができ、非常に都合がよい。
なお、同時に、500℃程度の低温でも、積層時間の設定によっては、上記の高温条件より高い発光強度が得られる場合もあることも、図4のグラフから判る。
As can be seen from this graph, the lamination temperature of the second buffer layer is desirably about 1075 ° C. (about 1050 ° C. to 1100 ° C.), and the lamination time at that time is preferably about 12 seconds (about 6 seconds to 18 seconds). Further, if the stacking temperature of the second buffer layer is set to about 1075 ° C. as in the short wavelength
At the same time, it can be seen from the graph of FIG. 4 that even at a low temperature of about 500 ° C., the emission intensity higher than the above high temperature condition may be obtained depending on the setting of the lamination time.
また、n型クラッド層52のキャリア濃度を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図5は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)と、n型クラッド層52のキャリア濃度との関係を例示するグラフである。図5のグラフからも判る様に、n型クラッド層52のキャリア濃度は、5.0×1018cm-3以上1.2×1019cm-3以下にすると良い。より望ましくは、n型クラッド層52のキャリア濃度は8.0×1018cm-3以上1.0×1019cm-3以下が良い。
Further, with the carrier concentration of the n-
また、活性層60の量子井戸層6bの積層数を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図6は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)と活性層60の量子井戸層6bの積層数との関係を例示するグラフである。
Further, by using the number of stacked quantum well layers 6b of the
本図6より、多重量子井戸構造(MQW構造)を採用すると、SQW構造の場合よりも発光強度が高くなり、特に、量子井戸層の積層数を2層以上10層以下にした場合に、高い発光強度が得られることが判る。より望ましくは、MQW活性層における量子井戸層の積層数は3層又は4層が良い。 As shown in FIG. 6, when the multiple quantum well structure (MQW structure) is adopted, the emission intensity is higher than that in the case of the SQW structure, and is particularly high when the number of stacked quantum well layers is 2 or more and 10 or less. It can be seen that the emission intensity can be obtained. More preferably, the number of quantum well layers in the MQW active layer is three or four.
また、活性層60の量子障壁層6cの成長時間(∝膜厚)を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図7は、それらの短波長発光LEDの発光強度(PL:フォト・ルミネッセンス)と活性層60の量子障壁層6cの成長時間との関係を例示するグラフである。
Further, with the growth time (thickness) of the
ここでは、140秒の結晶成長時間が、Al0.12Ga0.88Nから成る量子障壁層6cを膜厚17.5nm成長させる時間に相当している。一方、量子障壁層6cを24nm以上にすると、LEDの駆動電圧が高くなる。これらの結果から、MQW活性層における量子障壁層6cの膜厚は、12nm以上24nm以下にすると良い。より望ましくは、MQW活性層における量子障壁層の膜厚は15nm以上20nm以下が良い。
Here, the crystal growth time of 140 seconds corresponds to the time for growing the
また、p型クラッド層72中の井戸層の結晶成長工程におけるAl(CH3)3供給量(∝Al混晶比)を比較パラメータとし、pクラッド層中のAl0.12Ga0.88Nから成る量子障壁層の厚さを約1.5nmとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図8は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)と、p型クラッド層72中の井戸層の結晶成長工程におけるAl(CH3)3供給量との関係を例示するグラフである。
Further, a quantum barrier composed of Al 0.12 Ga 0.88 N in the p-cladding layer, using the Al (CH 3 ) 3 supply amount (∝Al mixed crystal ratio) in the crystal growth process of the well layer in the p-
ここでは、図1のp型クラッド層72の井戸層に相当する膜厚約1.4nmのAl0.03Ga0.97NのAl混晶比0.03を実現する条件が、図8のグラフでAl(CH3)3の供給量を5sccmにした場合に相当する。p型クラッド層72中の各半導体層のアルミニウム(Al)組成比を何れも0.01以上とし、かつ、p型クラッド層のアルミニウム(Al)組成比の平均値を0.07以上0.08以下にすることで、キャリアの閉じ込め効果と、超格子構造による応力緩和効果の双方を同時に適度に得ることができ、LEDの発光強度が向上する。
p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を上げ過ぎると、超格子構造が明確或いは急峻には維持しにくくなり、応力の緩和効果が下がるものと思われる。また、p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を下げ過ぎると、キャリアの閉じ込め効果が低下する。
Here, the condition for realizing the Al mixed crystal ratio 0.03 of Al 0.03 Ga 0.97 N having a film thickness of about 1.4 nm corresponding to the well layer of the p-
If the Al mixed crystal ratio of the well layer of the p-
また、p型クラッド層72の結晶成長温度を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、短波長発光LED100と同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図9はそれらの短波長発光LEDの発光強度(EL)とp型クラッド層72の結晶成長温度との関係を例示するグラフである。
Further, by using the crystal growth temperature of the p-
p型クラッド層の結晶成長温度を1015℃以上1060℃以下にすることで、高い発光強度が得られる。より望ましくは、1020℃以上1050℃以下にすると良い。この温度が高すぎると、活性層60などの900℃以下で先に結晶成長させた半導体層に熱的ダメージが及ぶので、素子の寿命や静電耐圧の面で望ましくない。
By setting the crystal growth temperature of the p-type cladding layer to 1015 ° C. or more and 1060 ° C. or less, high emission intensity can be obtained. More desirably, the temperature is set to 1020 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. If this temperature is too high, the semiconductor layer, such as the
〔その他の最適化条件〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも幾つかの最適化条件が存在する。即ち、この様な変形或いは最適化などによっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
[Other optimization conditions]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described form, and there are some other optimization conditions. That is, the effects of the present invention can be obtained based on the operation of the present invention even by such deformation or optimization.
(n型クラッド層52)
上記の様に、超格子構造のn型クラッド層(n型クラッド層52)を設け、その超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の1単位を組成比が相異なる2層のIII族窒化物系化合物半導体から構成する場合、この1単位を上記のn型クラッド層において、20周期以上45周期以下の範囲で繰り返し積層すると良い。この様な超格子構造のn型クラッド層には、n型コンタクト層などから上記の量子井戸層に転位やクラックが伝播するのを抑制する効果があり、また、超格子構造は、素子内部の応力を緩和する作用をも奏するので、量子井戸層自身が柔軟になったこととの相乗効果によって、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。より望ましくは、30周期以上38周期以下の範囲で繰り返すと良い。
(N-type cladding layer 52)
As described above, an n-type clad layer (n-type clad layer 52) having a superlattice structure is provided, and one unit of a periodic structure constituting a substantially periodic laminated structure in the superlattice structure is divided into two layers having different composition ratios. In the case where the group III nitride compound semiconductor is used, one unit is preferably stacked repeatedly in the range of 20 cycles or more and 45 cycles or less in the n-type cladding layer. The n-type clad layer having such a superlattice structure has an effect of suppressing dislocations and cracks from the n-type contact layer and the like to the quantum well layer. Since it also acts to relieve stress, dislocations and cracks are less likely to occur in the quantum well layer due to a synergistic effect with the flexibility of the quantum well layer itself. More preferably, it may be repeated within a range of 30 cycles or more and 38 cycles or less.
その理由は、上記のn型クラッド層の超格子構造の周期構造の1単位の繰り返し数に付いては、20〜60周期程度までの間で、発光強度が繰り返し数と共に徐々に増加する傾向があるが、一方、積層数が38を超える辺りから、転位やクラックの発生密度も徐々に高くなる傾向があるためである。転位やクラックの発生密度が高くなると、素子の素子寿命や静電耐圧の点で不利であるので、これらの事情を総合的に考慮すると、より望ましくは、30周期以上38周期以下の範囲で繰り返すと良いと考えられる。 The reason is that the emission intensity tends to gradually increase with the number of repetitions between about 20 to 60 periods for the number of repetitions of one unit of the periodic structure of the superlattice structure of the n-type cladding layer. On the other hand, it is because the generation density of dislocations and cracks tends to gradually increase from the number of stacked layers exceeding 38. Higher dislocation and crack generation density is disadvantageous in terms of element lifetime and electrostatic withstand voltage, and in view of these circumstances, it is more desirable to repeat within a range of 30 cycles or more and 38 cycles or less. It is considered good.
(堆積層6aの堆積時間)
また、上記の堆積層の厚さ又は面積占有率は、その堆積時間に換算して、1秒以上16秒以下にすると良い。また、望ましくは、その堆積時間は、6秒以上14秒以下である。また、更に望ましくは、9秒から13秒の間が理想的である。
堆積層6aは、量子井戸層6bにおけるバンドギャップの空間的ゆらぎを形成するために堆積させるものであるので、この堆積層6aを堆積させる面における堆積層6aの面積占有率は、小さ過ぎても大きすぎても、そのゆらぎ生成効果は得難くなる。上記の適正範囲はこれらの事情を踏まえたものであり、この様な条件設定によれば、堆積層6aの形成状態(離散状態)を最適にすることができるので、高い発光強度を得ることができる。
(Deposition time of the
In addition, the thickness or area occupancy of the deposited layer is preferably 1 second to 16 seconds in terms of the deposition time. Desirably, the deposition time is 6 seconds or longer and 14 seconds or shorter. More desirably, the time is between 9 seconds and 13 seconds.
The deposited
上記の実施例においては、紫外線発光の発光ダイオード(LED)の例を示したが、本発明は、紫外線発光の半導体レーザについても本発明を適用することができる。 In the above embodiment, an example of a light emitting diode (LED) emitting ultraviolet light is shown, but the present invention can also be applied to a semiconductor laser emitting ultraviolet light.
100 : 短波長発光LED
10 : サファイア基板
20 : 低温成長バッファ層
30 : 下地層
40 : n型コンタクト層
51 : n型中間層
52 : n型クラッド層(超格子構造)
60 : 活性層
71 : p型ブロック層
72 : p型クラッド層(超格子構造)
80 : p型コンタクト層
100: Short wavelength light emitting LED
10: Sapphire substrate 20: Low temperature growth buffer layer 30: Underlayer 40: n-type contact layer 51: n-type intermediate layer 52: n-type cladding layer (superlattice structure)
60: Active layer 71: p-type block layer 72: p-type cladding layer (superlattice structure)
80: p-type contact layer
Claims (2)
結晶成長基板と、
低温成長バッファ層と、
下地層とを有し、
前記低温成長バッファ層は、前記結晶成長基板の結晶成長面上に積層された窒化ケイ素から成る第1バッファ層と、前記第1バッファ層の上に積層されたGaN層とから成り、
前記下地層は、III族窒化物系化合物半導体から成る層と、窒化ケイ素から成る第2バッファ層と、III族窒化物系化合物半導体から成る層とが積層されており、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層はそれぞれ何れも、離散的に、斑状または島状に積層されており、
前記活性層を構成する量子井戸層は、AlzInyGa1-z-yN(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成されており、
前記量子井戸層はそれぞれ何れも、その直下に窒化ケイ素から成る堆積層を有し、
前記堆積層は、少なくとも前記量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い間隔又は周期で、離散的に斑状または島状に堆積されていることを特徴とする半導体発光素子。 In a semiconductor light emitting device having an active layer of a multiple quantum well structure formed by laminating a plurality of layers of a group III nitride compound semiconductor by crystal growth,
A crystal growth substrate;
A low temperature growth buffer layer;
An underlayer,
The low temperature growth buffer layer is composed of a first buffer layer made of is silicon nitride stacked on the crystal growth surface of the crystal growth substrate, the GaN layer which is the product layer on the first buffer layer,
The underlayer includes a layer made of a group III nitride compound semiconductor, a second buffer layer made of silicon nitride, and a layer made of a group III nitride compound semiconductor,
Both each said first buffer layer is the second buffer layer, a discrete manner, is stacked patchy or islands,
The quantum well layer constituting the active layer is formed of Al z In y Ga 1-zy N (0 ≦ z <1, 0 <y <1, 0 <z + y ≦ 1),
Each of the quantum well layers has a deposited layer made of silicon nitride immediately below it.
The semiconductor light emitting device, wherein the deposited layer is discretely deposited in spots or islands at intervals or periods shorter than an average generation period of dislocations generated in the quantum well layer.
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