JP5361925B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5361925B2
JP5361925B2 JP2011050011A JP2011050011A JP5361925B2 JP 5361925 B2 JP5361925 B2 JP 5361925B2 JP 2011050011 A JP2011050011 A JP 2011050011A JP 2011050011 A JP2011050011 A JP 2011050011A JP 5361925 B2 JP5361925 B2 JP 5361925B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gallium nitride
nitride layer
layer
aluminum gallium
light emitting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2011050011A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2012186413A (ja
Inventor
鐘日 黄
洪 洪
靖 服部
玲 橋本
真司 斎藤
政樹 遠山
真也 布上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2011050011A priority Critical patent/JP5361925B2/ja
Priority to US13/215,628 priority patent/US8729575B2/en
Publication of JP2012186413A publication Critical patent/JP2012186413A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5361925B2 publication Critical patent/JP5361925B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3054—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
    • H01S5/3063—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping using Mg
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
    • H01S2304/04—MOCVD or MOVPE
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0201—Separation of the wafer into individual elements, e.g. by dicing, cleaving, etching or directly during growth
    • H01S5/0202—Cleaving
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Description

本発明の実施の形態は、半導体発光素子およびその製造方法に関する。
レーザダイオード（ＬＤ）や、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子の材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が用いられる。ＩＩＩ族窒化物半導体は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされる。
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いる半導体発光素子では、素子の発光効率の向上が要求されている。このため、発光効率を向上させる素子構造および製造方法が模索されている。
特開２００３−３０９０７４号公報
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、発光効率の高い半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
実施の形態の半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上の窒化物半導体の活性層と、活性層上のｐ型窒化物半導体層と、を備える。そして、ｐ型窒素化物半導体層が窒化アルミニウムガリウム層を含み、窒化アルミニウムガリウム層中のインジウム濃度が１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、炭素濃度が６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、マグネシウム濃度をＸ、アクセプタ濃度をＹとした場合に、
Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９
である。
実施の形態の半導体発光素子の断面図である。 実施の形態の半導体発光素子の作用を説明する図である。 実施の形態の半導体発光素子の作用を説明する図である。 実施の形態の半導体発光素子のデバイス特性を示す図である。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。
実施の形態の半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の窒化物半導体の活性層と、前記活性層上のｐ型窒化物半導体層と、を備え、前記ｐ型窒素化物半導体層が第１の窒化アルミニウムガリウム層を含み、前記第１の窒化アルミニウムガリウム層中のインジウム濃度が１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、炭素濃度が６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、マグネシウム濃度が５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下であり、マグネシウム濃度をＸ、アクセプタ濃度をＹとした場合に、Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９であることを特徴とする半導体発光素子である。
そして、上記組成の窒化アルミニウムガリウム層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）による成長雰囲気中に、インジウム原料、キャリアガスとして、窒素（Ｎ２）ガスを供給することで形成可能であることを見出した。
マグネシウムをｐ型不純物として含有する窒化アルミニウムガリウム層の形成において、発明者らは、まず成長雰囲気中に、キャリアガスとして、窒素（Ｎ２）ガスを導入することにより、アクセプタ濃度が高くなることを見出した。
もっとも、窒素ガスを導入することで、特に１０００℃以下の低温での膜成長では、炭素（Ｃ）濃度が上がり、窒化アルミニウムガリウムの結晶性の劣化や、ホールの移動度の劣化に起因する発光効率の低下が生ずることが明らかになった。また、炭素濃度が上がることにより、マグネシウムによるアクセプタ濃度の制御性が低下する。
これに対し、発明者らは、キャリアガスの窒素ガスに加えて、更に、インジウム原料を雰囲気中に加えることで、窒化アルミニウムガリウム層の炭素濃度が低下するとともに、マグネシウム濃度に対するアクセプタ濃度の割合が一層高くなり、その結果、発光効率が向上することを明らかにした。
以下の実施の形態は、発明者らによって見出された上記知見に基づくものである。
実施の形態の半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上の窒化物半導体の活性層と、活性層上のｐ型窒化物半導体層と、を備える。そして、ｐ型窒素化物半導体層が窒化アルミニウムガリウム層を含み、窒化アルミニウムガリウム層中のインジウム（原子）濃度が１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、炭素（原子）濃度が６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、マグネシウム（原子）濃度をＸ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）、アクセプタ濃度をＹ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）とした場合に、
Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９
である。
本実施の形態の半導体発光素子によれば、窒化アルミニウムガリウム層中のｐ型不純物であるマグネシウム濃度に対するアクセプタ濃度の割合が高く、かつ、炭素濃度が低いことで、高い発光効率が実現される。
以下、半導体発光素子として、リッジストライプ型のレーザダイオード（ＬＤ）を例に説明する。
図１は、本実施の形態の半導体発光素子の断面図である。図１（ａ）がリッジストライプの伸長方向に平行な断面図、図１（ｂ）が図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、である。
本実施の形態の半導体発光素子である半導体レーザダイオードは、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて形成される。ｎ型のＧａＮ（窒化ガリウム）半導体の基板１０上に、ＧａＮ系のｎ型窒化物半導体層１２として、例えば、厚さ１２００ｎｍのＳｉドープされたｎ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｎ型クラッド層１２ａ、厚さ１００ｎｍのＳｉドープされたｎ型のＧａＮのｎ型ガイド層１２ｂが形成されている。
ｎ型窒化物半導体層１２上には、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のＧａＮ系半導体の、例えば、厚さ３ｎｍのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ／厚さ１０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎの多重構造の活性層１４が形成されている。
活性層１４上には、ＧａＮ系のｐ型窒化物半導体層１６として、例えば、厚さ１００ｎｍのＭｇドープされたｐ型のＧａＮのｐ型ガイド層１６ａ、厚さ６００ｎｍのＭｇドープされたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層１６ｂ、厚さ１０ｎｍのＭｇドープされたｐ型のＧａＮのｐ型コンタクト層１６ｃが形成されている。
図示しない、例えば厚さ１０ｎｍのＭｇドープされたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎのオーバーフロー防止層が、ｐ型ガイド層１６ａとｐ型クラッド層１６ｂとの間に形成されていてもかまわない。また、ｐ型ガイド層１６ａはアンドープであってもかまわない。
ｐ型窒化物半導体層１６には、レーザ光の導波路領域を形成するためのリッジストライプ１８が設けられている。リッジストライプ１８の側面、および、ｐ型クラッド層１６ｂの表面は、例えば、シリコン酸化膜の絶縁膜２０で覆われている。
基板１０の下面にはｎ側電極２４、ｐ型コンタクト層１６ｃ上にはｐ側電極２６が設けられている。
Ｍｇドープされたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層１６ｂは、１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のインジウムを含有している。このように、インジウムを含有することにより、インジウムがサーファクタントとして機能し、結晶性を向上させる。上記範囲を下回ると、十分なサーファクタントが得られない。また、上記範囲を上回ると、４元混晶が形成され、素子特性が大きく変化するおそれがある。この観点から、インジウムの濃度は、３Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがより望ましく、８Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがさらにより望ましい。
また、ｐ型クラッド層１６ｂにおいて、マグネシウム（原子）濃度をＸ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）、アクセプタ濃度をＹ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）とした場合に、
Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９
である。マグネシウム濃度は、１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
マグネシウム濃度が上記範囲を下回ると、マグネシウム濃度に対するアクセプタ濃度の割合が低くなり、ｐ型窒化物半導体層に十分な導電性が確保されなくなるおそれがある。また、上記範囲を上回る場合も、マグネシウムのアクセプタ濃度が低くなり、ｐ型窒化物半導体層に十分な導電性が確保されなくなるおそれがある。
そして、ｐ型クラッド層１６ｂは、炭素濃度が６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。このように、炭素濃度が抑制されることにより、正孔（ホール）の移動度が向上し、ｐ型窒化物半導体層の導電性が向上する。したがって、発光効率の向上が期待できる。また、炭素濃度が抑制されることにより、マグネシウム添加によるアクセプタ濃度の制御性が向上し、半導体発光素子の特性が安定し、製造歩留まりの向上が期待できる。炭素濃度は、１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることがより望ましい。
なお、インジウム、マグネシウム、炭素の濃度はＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法で評価することが可能である。また、アクセプタ濃度は、ＥＣＶ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖｏｌｔａｍｅｔｒｙ）法で評価することが可能である。
次に、本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について、図１を参照しつつ説明する。
ｎ型のＧａＮ基板１０上に有機金属化学気相法（ＭＯＣＶＤ）法により、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｎ型クラッド層１２ａ、ＧａＮのｎ型ガイド層１２ｂ、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎの多重構造の活性層１４、ＧａＮのｐ型ガイド層１６ａ、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層１６ｂ、ＧａＮのｐ型コンタクト層１６ｃを順次形成する。
次に、ｐ型コンタクト層１６ｃの上面にＳｉＯ２膜を堆積する。レジストを用いたパターニングとフッ化アンモニウムによるエッチングによりリッジストライプ形成のために幅１０μｍ程度のマスクを形成する。ドライエッチング装置により、上記マスクを用いて、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのｐ型クラッド層１６ｂの途中までエッチングを行い、リッジストライプ１８を形成する。
マスクを除去した後、例えばＳｉＯ２膜の堆積と、レジストを用いたパターニングによりリッジストライプ１８側面、および、ｐ型クラッド層１６ｂの表面に絶縁膜２０を形成する。
その後、ｐ側電極用の電極金属を堆積してパターニングし、ｐ側電極２６を形成する。さらに、リッジストライプ１８と反対側のＧａＮ基板１０を研磨して薄膜化した後、ｎ側電極用の電極金属を堆積してパターニングし、ｎ側電極２４を形成する。
そして、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面にリッジストライプと直交する方向の劈開方向に沿ってスクライブラインを入れる。このスクライブラインを起点として、劈開面に沿って、バー状にｎ型ＧａＮ基板１０を分離する。
さらにバー状にしたｎ型ＧａＮ基板を短手方向でスクライブとブレーキングを行い、図１に示すような１つの半導体発光素子を製造する。
本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ法による窒化アルミニウムガリウムのｐ型クラッド層１６ｂの成長中に、成長雰囲気中に、マグネシウム原料、インジウム原料、および、キャリアガスとして、窒素ガスを供給する。すなわち、ｐ型クラッド層１６ｂの成長中に、成長雰囲気中にアルミニウム原料、ガリウム原料、マグネシウム原料、インジウム原料、および窒素原料を供給する。これらの原料のキャリアガスとして、窒素ガスを供給する。
アルミニウム原料は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）である。また、ガリウム原料は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）である。また、マグネシウム原料は、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）である。窒素原料は、例えば、アンモニア（ＮＨ３）である。
また、インジウム原料は、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）である。そして、窒化アルミニウムガリウムの成長中に成長雰囲気中に供給されるインジウム原料の供給量は、アルミニウム原料とガリウム原料の供給量の和に対し、５０％以上であることが望ましく、１００％より大きいことがより望ましい。キャリアガスに水素が含まれる場合などキャリアガスの成分によっては、上記範囲を下回ると十分なＩｎ濃度が得にくくなり、従って十分な炭素低減効果を得られない。
なお、ここで、原料の供給量とは、単位時間当たりの原子数で表わした原子数で表わした原料の供給量である。例えば、ｍｏｌ／ｍｉｎで表わされる。
窒素ガスは、必ずしも１００％窒素に限らず、窒素ガスと水素（Ｈ２）ガス、またはその他のガスとの混合ガスであってもかまわない。ただし、窒素ガスの流量が、キャリアガスの総流量の１０％以上であることが望ましく、５０％以上であることがより望ましく、９０％以上であることがさらに望ましく、９９％以上であることが一層望ましい。これは、窒素ガスの流量が大きいほど、マグネシウム濃度に対するアクセプタ濃度の割合が高くなるからである。
また、窒化アルミニウムガリウムの成長温度は、７００℃以上１１００℃以下、より望ましくは、８００℃以上１０００℃以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、窒化アルミニウムガリウムの結晶性が劣化するおそれがある。また、上記範囲を上回ると、成長時の熱ストレスが、活性層など下層の半導体層に印加されることにより発光素子の特性が劣化するおそれがある。
図２は、実施の形態の半導体発光素子の作用を説明する図である。ＭＯＣＶＤ法により、窒化アルミニウムガリウムの単層膜を形成する際の、成長条件を変化させた。そして、形成された窒化アルミニウムガリウムのインジウム濃度と炭素濃度の関係を示している。各成長条件は以下の通りである。
（条件１）：図２中、菱形印
・成長温度：１０３０℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝０％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝４８．８％
（条件２）：図２中、白丸（○）印
・成長温度：１０００℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝０％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝９８．６％
（条件３）：図２中、白三角（△）印
・成長温度：１０００℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ ４．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝５．９％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝９８．６％
（条件４）：図２中、白四角（□）印
・成長温度：１０００℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ １５．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝１９．８％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝９８．６％
（条件５）：図２中、黒丸（●）印
・成長温度：９４０℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝０％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝４８．８％
（条件６）：図２中、黒四角（■）印
・成長温度：９４０℃
・原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ ４７．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３
・ＴＭＩ供給量／（ＴＭＡ供給量＋ＴＭＧ供給量）＝５９．１％
・キャリアガス：窒素ガス、水素ガス
・窒素ガス流量／キャリアガス総流量＝４８．８％
上述のように、キャリアガスに窒素ガスを用いると、窒化アルミニウムガリウム中のアクセプタ濃度は上がるが、同時に炭素濃度も上がる。この傾向は、窒素ガス流量／キャリアガス総流量が上がると顕著になる。また、成長温度が下がると顕著になる。この傾向は、図２中、ＴＭＩを供給しない条件１（菱形印）、条件２（○印）、条件５（●印）を比較することでも読み取れる。
しかし、図２に示すようにインジウム原料を供給することで、キャリアガスに窒素ガスを用いても、窒化アルミニウムガリウム中の炭素濃度を低減することが可能となる。
図３は、実施の形態の半導体発光素子の作用を説明する図である。上記、条件２（○印）、条件３（△印）、条件４（□印）で成膜された窒化アルミニウムガリウム中のマグネシウムの原子濃度とアクセプタ濃度との関係を示す。濃度はＳＩＭＳで、アクセプタ濃度はＥＣＶで測定している。
図３に示すように、ＴＭＩの流量が増大するほど、おなじマグネシウムの原子濃度であっても、アクセプタ濃度が大きくなる。すなわち、マグネシウムの活性化率が向上する。そして、インジウム原料の導入により、マグネシウム濃度をＸ、アクセプタ濃度をＹとした場合に、
Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９
が成立する。
図４は、実施の形態の半導体発光素子のデバイス特性を示す図である。図１の構造のレーザダイオードの、窒化アルミニウムガリウムのｐ型クラッド層１６ｂの成長条件に、ＴＭＩを供給しない上記条件２（図２、図３中○印、図４中点線）と、ＴＭＩを供給する条件４（図２、図３中□印、図４中実線）とを適用し、デバイス特性を評価した。
図４から明らかなように、インジウム原料を供給することで、動作電圧が低減し、発光効率も向上することがわかる。これは、窒素ガスをキャリアガスとして用い、インジウム原料を供給することにより、マグネシウムの活性化率が向上するともに、炭素濃度の低減によりホールの移動度も向上し、ｐ型クラッド層１６ｂの導電性が向上したことによると考えられる。
実施の形態の製造方法によれば、ｐ型の窒化アルミニウムガリウム中のマグネシウムのアクセプタ濃度が向上するとともに炭素濃度が低減する。したがって、ｐ型窒化物半導体層の導電性が上がり、発光効率の高い半導体発光素子を提供することが可能となる。
そして、実施の形態の製造方法によれば、１０００℃以下、あるいは、９５０℃以下の低温でも効果が生ずる。したがって、窒化アルミニウムガリウム成長時の下地層への熱ストレスも抑制される。この観点からも、発光効率の高く特性の優れた半導体発光素子を提供することが可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
そして、実施の形態の説明においては、半導体発光素子およびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体発光素子およびその製造方法に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
例えば、実施の形態では、半導体発光素子としてレーザダイオード（ＬＤ）を例に説明したが、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）にも適用することが可能である。
また、本発明は半導体発光素子に用いられるｐ型の窒化アルミニウムガリウム層であれば、ＬＤのｐ型クラッド層に限らず、あらゆる層に適用することが可能である。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体発光素子およびその製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 基板
１２ ｎ型窒化物半導体層
１４ 活性層
１６ ｐ型窒化物半導体層
１６ｂ ｐ型クラッド層（窒化アルミニウムガリウム層）

Claims (7)

  1. ｎ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上の窒化物半導体の活性層と、
    前記活性層上のｐ型窒化物半導体層と、を備え、
    前記ｐ型窒素化物半導体層が第１の窒化アルミニウムガリウム層を含み、前記第１の窒化アルミニウムガリウム層中のインジウム濃度が１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、炭素濃度が６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、マグネシウム濃度が５Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下であり、マグネシウム濃度をＸ、アクセプタ濃度をＹとした場合に、
    Ｙ＞｛（−５．３５ｅ１９）２−（Ｘ−２．７０ｅ１９）２｝１／２−４．６３ｅ１９
    であることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記インジウム濃度が３Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、前記炭素濃度が１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ 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。
  3. 前記ｐ型窒化物半導体層が、前記活性層上の窒化ガリウム層と、前記窒化ガリウム層上のｐ型の第２の窒化アルミニウムガリウム層と、前記第２の窒化アルミニウムガリウム層上の前記第１の窒化アルミニウムガリウム層を含み、
    前記窒化ガリウム層の膜厚が前記第２の窒化アルミニウムガリウム層の膜厚よりも厚く、前記第１の窒化アルミニウムガリウム層の膜厚が前記窒化ガリウム層の膜厚よりも厚く、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップが前記窒化ガリウム層のバンドギャップよりも大きく、前記２の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップが前記第１の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
  4. 基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体の活性層、マグネシウムを含有する第１の窒化アルミニウムガリウム層を含むｐ型窒化物半導体層を順次形成する半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層の成長中に、成長雰囲気中にマグネシウム原料、インジウム原料、および、キャリアガスとして窒素ガス、水素ガスを供給し、
    前記窒素ガスの流量が前記キャリアガス総流量の９８．６％以下であり、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層の成長温度が８００℃以上１０００℃以下であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記窒素ガスの流量が前記キャリアガスの総流量の１０％以上であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記第１の窒化アルミニウムガリウム層の成長中に供給される前記インジウム原料の供給量は、アルミニウム原料とガリウム原料の供給量の和に対し、５０％以上であることを特徴とする請求項４または請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記ｐ型窒化物半導体層が、前記活性層上の窒化ガリウム層と、前記窒化ガリウム層上のｐ型の第２の窒化アルミニウムガリウム層と、前記第２の窒化アルミニウムガリウム層上の前記第１の窒化アルミニウムガリウム層を含み、
    前記窒化ガリウム層の膜厚が前記第２の窒化アルミニウムガリウム層の膜厚よりも厚く、前記第１の窒化アルミニウムガリウム層の膜厚が前記窒化ガリウム層の膜厚よりも厚く、
    前記第１の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップが前記窒化ガリウム層のバンドギャップよりも大きく、前記２の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップが前記第１の窒化アルミニウムガリウム層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項４ないし請求項６いずれか一項記載の半導体発光素子の製造方法。
JP2011050011A 2011-03-08 2011-03-08 半導体発光素子およびその製造方法 Expired - Fee Related JP5361925B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011050011A JP5361925B2 (ja) 2011-03-08 2011-03-08 半導体発光素子およびその製造方法
US13/215,628 US8729575B2 (en) 2011-03-08 2011-08-23 Semiconductor light emitting device and manufacturing method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011050011A JP5361925B2 (ja) 2011-03-08 2011-03-08 半導体発光素子およびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012186413A JP2012186413A (ja) 2012-09-27
JP5361925B2 true JP5361925B2 (ja) 2013-12-04

Family

ID=46794702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011050011A Expired - Fee Related JP5361925B2 (ja) 2011-03-08 2011-03-08 半導体発光素子およびその製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8729575B2 (ja)
JP (1) JP5361925B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021090849A1 (ja) * 2019-11-08 2021-05-14 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法
US11499245B2 (en) * 2020-12-30 2022-11-15 Globalwafers Co., Ltd. Additive feed systems, ingot puller apparatus and methods for forming a single crystal silicon ingot with use of such additive feed systems

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3688843B2 (ja) * 1996-09-06 2005-08-31 株式会社東芝 窒化物系半導体素子の製造方法
JP3433075B2 (ja) * 1997-11-19 2003-08-04 株式会社東芝 窒化物系半導体素子の製造方法
US6841800B2 (en) * 1997-12-26 2005-01-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Light-emitting device comprising a gallium-nitride-group compound-semiconductor
US6445127B1 (en) * 1998-02-17 2002-09-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Light-emitting device comprising gallium-nitride-group compound-semiconductor and method of manufacturing the same
JP2001053336A (ja) * 1999-08-05 2001-02-23 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子
JP2002026456A (ja) * 2000-06-30 2002-01-25 Toshiba Corp 半導体装置、半導体レーザ及びその製造方法並びにエッチング方法
US6936357B2 (en) * 2001-07-06 2005-08-30 Technologies And Devices International, Inc. Bulk GaN and ALGaN single crystals
US7919791B2 (en) * 2002-03-25 2011-04-05 Cree, Inc. Doped group III-V nitride materials, and microelectronic devices and device precursor structures comprising same
JP4609917B2 (ja) 2002-04-18 2011-01-12 昭和電工株式会社 窒化アルミニウムガリウム層の製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法およびｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
JP2004063537A (ja) * 2002-07-25 2004-02-26 Sony Corp 半導体発光素子およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法
US7138648B2 (en) * 2003-12-17 2006-11-21 Palo Alto Research Center Incorporated Ultraviolet group III-nitride-based quantum well laser diodes
WO2006112167A1 (ja) * 2005-04-01 2006-10-26 Sharp Kabushiki Kaisha ｐ型窒化物半導体の製造方法及びその方法を用いて作製された半導体装置
US7606276B2 (en) * 2005-05-19 2009-10-20 Panasonic Corporation Nitride semiconductor device and method for fabricating the same
EP2019437B1 (en) * 2006-05-10 2018-07-11 Toyoda Gosei Co., Ltd. Iii nitride compound semiconductor laminated structure
JP4984119B2 (ja) * 2006-08-28 2012-07-25 スタンレー電気株式会社 窒化物半導体結晶ないしそれを用いた発光素子及びその製造方法
JP2008124060A (ja) * 2006-11-08 2008-05-29 Showa Denko Kk Ｉｉｉ族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法、及びｉｉｉ族窒化物化合物半導体発光素子、並びにランプ
JP2008159806A (ja) * 2006-12-22 2008-07-10 Sharp Corp 半導体発光装置およびその製造方法
JP2008258503A (ja) * 2007-04-06 2008-10-23 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法
JP5049659B2 (ja) * 2007-06-11 2012-10-17 昭和電工株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びｉｉｉ族窒化物半導体発光素子、並びにランプ
JP2009021361A (ja) * 2007-07-11 2009-01-29 Sumitomo Electric Ind Ltd 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法
WO2009147822A1 (ja) * 2008-06-06 2009-12-10 パナソニック株式会社 発光素子
JP2010040867A (ja) * 2008-08-06 2010-02-18 Showa Denko Kk Ｉｉｉ族窒化物半導体積層構造体およびその製造方法
WO2010029720A1 (ja) * 2008-09-09 2010-03-18 パナソニック株式会社 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法
JP4375497B1 (ja) * 2009-03-11 2009-12-02 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びｉｉｉ族窒化物半導体素子を作製する方法
JP5641506B2 (ja) * 2009-04-03 2014-12-17 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 窒化物半導体の結晶成長方法および半導体装置の製造方法
JP5635246B2 (ja) * 2009-07-15 2014-12-03 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板
WO2011024385A1 (ja) * 2009-08-24 2011-03-03 パナソニック株式会社 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
EP2461376A4 (en) * 2009-11-12 2013-03-13 Panasonic Corp Light-emitting semiconducting element based on a gallium nitride compound
EP2507820B1 (en) * 2009-12-04 2016-06-01 Sensor Electronic Technology, Inc. Semiconductor material doping
JP4940317B2 (ja) * 2010-02-25 2012-05-30 株式会社東芝 半導体発光素子及びその製造方法
JP5842324B2 (ja) * 2010-11-05 2016-01-13 住友電気工業株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体素子、ｉｉｉ族窒化物半導体素子を作製する方法、及びエピタキシャル基板
JP5143214B2 (ja) * 2010-11-29 2013-02-13 株式会社東芝 半導体発光素子

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012186413A (ja) 2012-09-27
US20120228581A1 (en) 2012-09-13
US8729575B2 (en) 2014-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8586965B2 (en) Group III nitride semiconductor light-emitting device
US8044430B2 (en) Nitride semiconductor light-emitting device comprising multiple semiconductor layers having substantially uniform N-type dopant concentration
CN102097747B (zh) Ⅲ族氮化物半导体激光器
US6541798B2 (en) Group III nitride compound semiconductor device and group III nitride compound semiconductor light-emitting device
KR20120081249A (ko) 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
US8816366B2 (en) Nitride semiconductor device
JP2009158893A (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
US9064996B2 (en) Group III nitride-based compound semiconductor light-emitting device and production method therefor
JP2011151074A (ja) 窒化物半導体装置の製造方法
KR20090021849A (ko) 반도체 발광소자 및 그 제조방법
JP2001119102A (ja) Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード
WO2013001856A1 (ja) 窒化ガリウム系半導体レーザ素子、及び、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法
CN102239574A (zh) 制造发光元件的方法和发光元件
JP4261592B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
CN101425658B (zh) 激光二极管用外延晶片及其制造方法
JP5361925B2 (ja) 半導体発光素子およびその製造方法
JP3543628B2 (ja) 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法
JP6633813B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体
JP5306873B2 (ja) 窒化物半導体発光ダイオードおよびその製造方法
JP5337862B2 (ja) 半導体発光素子
JP7526915B2 (ja) 発光素子
JP7526916B2 (ja) 発光素子
JP5182104B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP2010027708A (ja) 窒化物半導体装置
JP2000174336A (ja) ＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130314

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130319

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130520

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130806

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130903

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees