JP5143171B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子10は、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層131と、p形AlGaNを含む第2層151と、第1層131と第2層151との間に設けられた発光部140と、を有する。
第1層131、発光部140及び第2層151は、Z軸方向に沿って積層されている。第1層131は、例えばSiを含み、第2層151は、例えば、Mgを含む。
なお、第1障壁層141、井戸層143及び第2障壁層142は、Z軸方向に沿って積層されている。
第2障壁層142は、Alx2Ga1−x2−y2Iny2N(0<x2、0≦y2、x2+y2<1)を含む。なお、x2はx1と同じでも良く、異なっても良い。また、y2は、y1と同じでも良く、異なっても良い。特に、x2<x1であると特に望ましい。
井戸層143は、4.5ナノメートル(nm)以上9nm以下の厚さ(Z軸方向に沿った長さ)を有する。
第1バッファ層121の厚さは、例えば、約2マイクロメートル(μm)とすることができる。第1AlNバッファ層121aの厚さは、例えば3nm以上20nm以下であり、第2AlNバッファ層121bの厚さは、例えば約2μm程度である。
また、第2バッファ層122(格子緩和層)の厚さは、例えば2μmとすることができる。
本願発明者は以下に説明する実験結果と考察とに基づき、高効率に近紫外光を発光できる半導体発光素子の構成を構築した。
すなわち、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、キャリアの閉じ込め効果が高くなる場合があり、これによって発光効率が向上する場合がある。さらに、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、障壁層及び井戸層のうちの一部が、結晶の品質を向上するバッファ層として機能することで、効率が向上する場合もあることが分かった。
これにより、複数の井戸層における不均一性、及び、ある井戸層で発光した光が別の井戸層によって吸収されることによって効率が低下することがない。これにより、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
本願発明者の検討によれば、井戸層143の厚さが4.5nmよりも薄い場合には、発光強度が顕著に低く、9nmよりも大きいと、発光スペクトルのブロードニングと、発光強度の顕著な低下と、が起こる。井戸層143の厚さが4.5nm以上9nm以下とすることで、高い発光効率と、良好なスペクトル特性が得られる。
まず、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアc面からなる基板110の上に、第1バッファ層121となるAlN膜を厚さ約2μmで形成する。具体的には、高炭素濃度の第1AlNバッファ層121a(炭素濃度が例えば3×1018cm−3以上5×1020cm−3以下)を3nm以上20nm以下で形成し、その上に高純度の第2AlNバッファ層121b(炭素濃度が1×1016cm−3以上3×1018cm−3以下)を2μmで形成する。その後、その上に、第2バッファ層122(格子緩和層)となるノンドープGaN膜を厚さ2μmで形成する。その後、n形コンタクト層130となるSi濃度が1×1019cm−3以上2×1019cm−3以下のSiドープn形GaN膜を厚さ6μmで、n形閉じ込め層(第1層131)となるSi濃度が2×1018cm−3のSiドープn形GaN層を厚さ0.5μmで、積層して成膜する。さらに、その上に、第1障壁層141となる厚さ13.5nmのSi濃度が0.5×1019cm−3以上2×1019cm−3以下のSiドープn形Al0.065Ga0.93In0.005N膜と、井戸層143となる厚さ6nmのGaInN膜と、を成膜し、さらに、第2障壁層142となるAl0.065Ga0.93In0.005N膜を厚さ6nmで形成する。さらに、その上に、p形閉じ込め層(第2層151)となるMgドープp形Al0.25Ga0.75N膜(第2障壁層142の側のMg濃度が1.8×1019cm−3で、第2障壁層142とは反対の側のMg濃度が1×1019cm−3)を厚さ24nmで、p形コンタクト層150となるMgドープp形GaN膜(第2層151の側のMg濃度が1×1019cm−3で、第2層151とは反対の側のMg濃度が5×1019cm−3以上9×1019cm−3以下)を順次積層して成膜する。
すなわち、まず、図1に表したように、半導体層積層体の一部の領域において、n形コンタクト層130が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってp形の半導体層と発光部140を取り除く。そして、n形の半導体層の露出した面を含む半導体層積層体の全体に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いて図示していないSiO2膜を400nmの厚さで成膜する。
最初に、第1障壁層141及び第2障壁層142におけるSiの濃度分布と、井戸層143にかかるピエゾ電界と、の関係について説明する。
井戸層143には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層143と第2障壁層142との界面では、正のチャージが井戸層143から第2障壁層142へ染み出す。一方、井戸層143と第1障壁層141との界面では、負のチャージが井戸層143から第1障壁層141へ染み出す。
以下、Si濃度と発光スペクトルとの関係について説明する。
第1障壁層141の井戸層143に接する界面に注目すると、その界面では、高濃度にドープされたSiから多量の電子が井戸層143に流れ込み、第1障壁層141の側にチャージを持ったSiが多量に残る。この界面での電子濃度及びSi濃度の分布は、ピエゾ電界を打ち消す働きがあり、その結果、ピエゾ電界が弱まる。ピエゾ電界が弱まると、ピエゾ電界により曲げられていた発光部140のエネルギーバンドが平らになり、それによって、発光効率が向上する。そして、発光スペクトルの半値幅は狭くなる。
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子10において、第2障壁層142におけるSi濃度を、第1障壁層141におけるSi濃度よりも低く設定することにより、信頼性の向上、及び、半導体発光素子10の駆動電圧の低減が実現できる。
高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aは、基板110との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度の第2AlNバッファ層121bにより、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープのGaNバッファ層(第2バッファ層122)の結晶欠陥が低減されるが、そのためには、高純度第2AlNバッファ層121bの膜厚は、1μmよりも厚いことが望ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第2AlNバッファ層121bの厚みが4μm以下であることが望ましい。
GaNの吸収端が約365nmであるため、発光波長は、GaNの吸収が大きくない380nm以上に設定される。GaN層において吸収が抑制され、発光効率を増大させるには、発光波長が380nm以上400nm以下であることが望ましい。
発光波長が390nm以上400nm以下である場合は、井戸層143の厚さを5.5nm以上にすることができ、発光効率が増加すると共に、光出力の増加に伴う効率の低下や動作温度の上昇に伴う効率の低下が抑制され、さらに望ましい。
結晶品質の良い4元混晶AlGaInN層を成長することは難しく、さらにSiを高濃度にドープすると結晶は劣化しやすい。本願発明者は、LED素子構造の検討や成長条件を最適化することにより、結晶品質を落とすことなく、AlGaInNからなる障壁層141のIn組成比を高くすることに成功している。
図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子20は、第1層131と、第2層151と、発光部140と、に加え、第1層131と発光部140との間に設けられた第1積層構造体210をさらに備える。
複数の第3層203及び複数の第4層204は、Z軸方向に沿って積層されている。
第3層203は、例えば低歪層である。第4層204は、例えば第3層203よりも歪みの程度が高い高歪層である。
例えば、第3層203の数は30であり、第4層204の数は30である。すなわち、第3層203と第4層204の組み(ペア)が、30ペア積層される。
これ以外の構成は、半導体発光素子10と同様とすることができるので説明を省略する。
特に、複数の第4層204の合計の厚さと、井戸層143の厚さと、の合計が、30nm以上35nm以下の場合には、特に良好な結晶が得られる。
高効率な半導体発光素子を実現するためには、発光する井戸層143と、その両側の第1障壁層141と第2障壁層142と、を略連続成長することが望ましい。これは、成長を中断することによって発生する界面の欠陥を減らすためである。なお、少なくとも第1障壁層141と井戸層143との間、及び、井戸層143と第2障壁層142との間にはヘテロ接合界面があるため、原料供給条件を整えるための成長中断を行う。この時間を除いて連続成長をおこなうことを、略連続成長とする。
図3に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子21においては、第1障壁層141が3層構造を有している。これ以外は、半導体発光素子20と同様とすることができるので説明を省略する。
第2サブ層141bにおけるAl組成比は、例えば7%とされる。第2サブ層141bの厚さは、例えば5nmとされる。
第3サブ層141cにおけるAl組成比は、例えば第1積層構造体210の第3層203におけるAl組成比と同じに設定される。第3サブ層141cの厚さは、例えば2nmとされる。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図4に表したように、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子30は、第1層131と、第2層151と、発光部140と、に加え、第1層131と発光部140との間に設けられた第2積層構造体220をさらに備える。
複数の第5層205及び複数の第6層206は、Z軸方向に沿って積層されている。
第5層205には、例えば、Siが、例えば約5×1018cm−3で添加されたGaNが用いられている。第5層205の厚さは、例えば2nmとされる。
これ以外の構成は、半導体発光素子10と同様とすることができるので説明を省略する。
図5は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図5に表したように、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子40は、第1層131と、第2層151と、発光部140と、に加え、第1層131と発光部140との間に設けられた第1積層構造体210及び第2積層構造体220をさらに備える。
第1積層構造体210及び第2積層構造体220は、それぞれ第2及び第3の実施形態に関して説明したものを用いることができる。
図6は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図6に表したように、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子50においては、導電性基板460の上に、第1層131、発光部140及び第2層151が設けられている。導電性基板460には、例えばGeが用いられる。
例えば、サファイアからなる基板110の上へ、第1バッファ層121、第2バッファ層122(低不純物濃度半導体層135となる)、n形コンタクト層130、第1層131(n形閉じ込め層)、第1積層構造体210、第2積層構造体220、発光部140、第2層151(p形閉じ込め層)、及び、p形コンタクト層150、の各結晶層を形成して結晶積層体180を形成する。
例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアc面からなる基板110の上に、AlNを含む第1バッファ層121が例えば2μmで、第2バッファ層122となるノンドープGaN層が例えば2μmで形成される。
この後、既に説明した第2積層構造体220と第1積層構造体210とが形成される。 その後、第1障壁層141となるSiドープn形Al0.07Ga0.925In0.005N層(Si濃度は例えば1.0×1019cm−3以上1.5×1019cm−3以下)と、井戸層143となるGaInN層(波長が380nm以上400nm以下)と、第2障壁層142となるAl0.07Ga0.925In0.005N層(Si濃度は例えば1×1018cm−3以下。例えばSiを添加しなくても良い)と、が順次形成される。
まず、p側電極160を形成するために、真空蒸着装置を用いて、例えば、Agを200nmの厚さで、Ptを2nmの厚さで連続形成する。リフトオフ後に、酸素雰囲気中で400℃、1min(分)のシンター処理を行う。
図7は、本発明の第6の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図7に表したように、本実施形態に係るウェーハ560は、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層131と、p形AlGaNを含む第2層151と、第1層131と第2層151との間に設けられ、Alx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1、0≦y1、x1+y1<1)を含む第1障壁層141と、第1障壁層141と第2層151との間に設けられ、Alx2Ga1−x2−y2Iny2N(0<x2、0≦y2、x2+y2<1)を含む第2障壁層142と、第1障壁層141と第2障壁層142との間に設けられ、Alx0Ga1−x0−y0Iny0N(0≦x0、0<y0、x0+y0<1、y1<y0、y2<y0)を含む井戸層143と、からなる単一量子井戸構造を有する発光部140と、を備える。
図8に表したように、本実施形態に係るウェーハ570は、第1層131と発光部140との間に設けられ、AlGaInNを含み、それぞれの厚さが第1障壁層141及び第2障壁層142の厚さよりも薄い複数の第3層203と、複数の第3層203と交互に積層され、それぞれの厚さが井戸層143の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層204と、を含む第1積層構造体210をさらに備えている。
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば第5の実施形態に関して説明した半導体発光素子50の製造方法である。
図9に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイア層のc面を主面とした基板110上に、Alx3Ga1−x3N(0.8≦x3≦1)を含む単結晶バッファ層を形成する(ステップS101)。例えば、高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aと、第1AlNバッファ層121aの上に形成された高純度の第2AlNバッファ層121bと、を順次形成する。
そして、n形半導体層の上に、Alx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1、0≦y1、x1+y1<1)を含む第1障壁層141を形成する(ステップS104)。
図10は、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図10に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイアからなる基板110上に、有機金属気相成長法によりAlN層(第1バッファ層121)を形成する(ステップS201)。例えば、高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aと、第1AlNバッファ層121aの上に形成された高純度の第2AlNバッファ層121bと、を順次形成する。
すなわち、本発明の実施形態に係るウェーハの製造方法は、上記のステップS201〜ステップS207を含むことができる。これにより、特に高効率に近紫外光を発光するウェーハを生産性良く製造できる。また、このウェーハの製造方法においても、第1積層構造体210及び第2積層構造体220の少なくともいずれかを形成する工程をさらに実施しても良い。これにより、発光効率がさらに効果的に向上できる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (7)
- n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層と、
p形AlGaNを含む第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に設けられ、Alx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1、0≦y1、x1+y1<1)を含む第1障壁層と、
前記第1障壁層と前記第2層との間に設けられ、Alx2Ga1−x2−y2Iny2N(0<x2、0≦y2、x2+y2<1)を含む第2障壁層と、
前記第1障壁層と前記第2障壁層との間に設けられ、Alx0Ga1−x0−y0Iny0N(0≦x0、0<y0、x0+y0<1、y1<y0、y2<y0)を含み、厚さが5ナノメートル以上7ナノメートル以下であり、近紫外光を放出する井戸層と、
からなる単一量子井戸構造を有する発光部と、
前記第1層と前記発光部との間に設けられ、
AlGaInNを含み、それぞれの厚さが前記第1障壁層及び前記第2障壁層の厚さよりも薄い複数の第3層と、
前記複数の第3層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、
を含む第1積層構造体と、
を備え、
前記第1層、前記第1積層構造体、前記発光部及び前記第2層は、基板上に順次形成され、前記基板が除去されてなることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記複数の第4層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、25ナノメートル以上45ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1層と前記発光部との間に設けられ、
GaNを含み、それぞれの厚さが前記第1障壁層及び前記第2障壁層の厚さよりも薄い複数の第5層と、
前記複数の第5層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む第6層と、
を含む第2積層構造体をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1層と前記第1積層構造体との間に設けられ、
GaNを含み、それぞれの厚さが前記第1障壁層及び前記第2障壁層の厚さよりも薄い複数の第5層と、
前記複数の第5層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む第6層と、
を含む第2積層構造体をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1障壁層におけるSi濃度は、前記第1積層構造体におけるSi濃度よりも高く、
前記第2積層構造体におけるSi濃度は、第1積層構造体におけるSi濃度よりも低く、
前記第2層におけるSi濃度は、前記第2積層構造体におけるSi濃度よりも低いことを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。 - 前記基板は、サファイアを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 基板上に、Alx3Ga1−x3N(0.8≦x3≦1)を含む単結晶バッファ層を形成し、
前記単結晶バッファ層の上にGaN層を形成し、
前記GaN層の上に、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層を含むn形半導体層を形成し、
前記n形半導体層の上に、AlGaInNを含む複数の第3層と、前記複数の第3層と交互に積層され、GaInNを含む複数の第4層と、を含む第1積層構造体を形成し、
前記第1積層構造体の上に、Alx1Ga1−x1−y1Iny1N(0<x1、0≦y1、x1+y1<1)を含み、前記第3層の厚さよりも厚い第1障壁層を形成し、
前記第1障壁層の上に、Alx0Ga1−x0−y0Iny0N(0≦x0、0<y0、x0+y0<1、y1<y0、y2<y0)を含み、前記第4層の厚さよりも厚く、近紫外光を放出する井戸層を5ナノメートル以上7ナノメートル以下で形成し、
前記井戸層の上に、Alx2Ga1−x2−y2Iny2N(0<x2、0≦y2、x2+y2<1)を含み、前記第3層の厚さよりも厚い第2障壁層を形成し、
前記第2障壁層の上に、p形AlGaNを含む第2層を含むp形半導体層を形成し、
前記p形半導体層の形成の後に、前記基板を除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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