JP5383876B1 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光効率の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、発光層と、を備える。前記発光層は、第1井戸層と、第2井戸層と、第1障壁層と、を有する。第1障壁層は、前記第2井戸層と前記第1井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層及び前記第1井戸層と接し、前記第1井戸層及び前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する。前記第1障壁層は、第1部分と、第2部分と、を有する。第1部分は、前記第1井戸層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接する。第2部分は、前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1井戸層とのあいだに設けられ前記第1井戸層に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、発光層と、を備える。前記発光層は、第1井戸層と、第2井戸層と、第1障壁層と、を有する。第1障壁層は、前記第2井戸層と前記第1井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層及び前記第1井戸層と接し、前記第1井戸層及び前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する。前記第1障壁層は、第1部分と、第2部分と、を有する。第1部分は、前記第1井戸層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接する。第2部分は、前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1井戸層とのあいだに設けられ前記第1井戸層に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム(GaN)などの窒化物系III−V族化合物半導体は、ワイドバンドギャップというその特徴を活かし、高輝度の発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)や、レーザダイオード(LD:Laser Diode)などに応用されている。このような半導体発光素子において、高い発光効率を実現することが望まれている。
本発明の実施形態は、発光効率の高い半導体発光素子を提供する。
実施形態に係る半導体発光素子は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、発光層と、を備える。第1半導体層は、窒化物半導体を含む。第2半導体層は、前記第1半導体層の[0001]方向の側に設けられ、窒化物半導体を含む。発光層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とのあいだに設けられ、窒化物半導体を含む。
前記発光層は、第1井戸層と、第2井戸層と、第1障壁層と、を有する。第1井戸層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とのあいだに設けられる。第2井戸層は、前記第1井戸層と前記第1半導体層とのあいだに設けられる。第1障壁層は、前記第2井戸層と前記第1井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層及び前記第1井戸層と接し、前記第1井戸層及び前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する。
前記第1障壁層は、第1部分と、第2部分と、を有する。第1部分は、前記第1井戸層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接する。第2部分は、前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1井戸層とのあいだに設けられ前記第1井戸層に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有する。第2部分のIn組成比は、第1半導体層から第2半導体層に向かう方向に傾斜して減少する。
前記発光層は、第1井戸層と、第2井戸層と、第1障壁層と、を有する。第1井戸層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とのあいだに設けられる。第2井戸層は、前記第1井戸層と前記第1半導体層とのあいだに設けられる。第1障壁層は、前記第2井戸層と前記第1井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層及び前記第1井戸層と接し、前記第1井戸層及び前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する。
前記第1障壁層は、第1部分と、第2部分と、を有する。第1部分は、前記第1井戸層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接する。第2部分は、前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1井戸層とのあいだに設けられ前記第1井戸層に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有する。第2部分のIn組成比は、第1半導体層から第2半導体層に向かう方向に傾斜して減少する。
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図2は、第1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、第1の実施形態に係る半導体発光素子110は、第1導電形の第1半導体層20と、第2導電形の第2半導体層50と、発光層40と、を備える。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図2は、第1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、第1の実施形態に係る半導体発光素子110は、第1導電形の第1半導体層20と、第2導電形の第2半導体層50と、発光層40と、を備える。
第1導電形は、例えばn形である。第2導電形は、例えばp形である。なお、第1導電形はp形、第2導電形はn形であってもよい。本実施形態では、第1導電形がn形、第2導電形がp形である場合を例として説明する。
第1半導体層20、第2半導体層50及び発光層40は、窒化物半導体を含む。第2半導体層50は、第1半導体層20の[0001]方向の側に設けられている。発光層40は、第1半導体層20と第2半導体層50とのあいだに設けられている。半導体発光素子110においては、発光層40と、第1半導体層20と、の間に積層体30が設けられていてもよい。
ここで、第1半導体層20から第2半導体層50に向かう方向を、D1方向とする。第2半導体層50は、第1半導体層20のD1方向の側に配置されている。
半導体発光素子110においては、基板10は、例えば、(0001)面(c面)のサファイア基板である。c面は、いわゆる極性面である。例えば、基板10の主面には、バッファ層11が設けられている。バッファ層11の上には、第1半導体層20が設けられている。
第1半導体層20のD1方向の側の面は、(0001)面である。ただし、第1半導体層20のD1方向の側の面は、(0001)面から傾斜した面であってもよい。(0001)面から傾斜したオフセット角度が0度以上40度未満である場合、第1半導体層20のD1方向の側の面が(0001)面である場合と同じピエゾ分極が生じる。一方、(0001)面から傾斜した角度が40度以上である場合、ピエゾ分極の方向が上記分極に対して逆転する。したがって、第1の実施形態では、(0001)面から傾斜したオフセット角度は、例えば0度以上40度未満であることが好ましい。
上記した「第2半導体層50が第1半導体層20の[0001]方向の側に設けられている」状態とは、上記のように、第2半導体層50が第1半導体層20の(0001)面から傾斜した方向に設けられている場合を含む。また、第1半導体層20のD1方向の面はGa面である。
第1半導体層20は、例えば、アンドープのGaN下地層21と、n形GaNコンタクト層22と、を有する。
n形GaNコンタクト層22の上には、積層体30が設けられている。積層体30は、例えば、超格子層である。積層体30においては、例えば、第1結晶層と、第2結晶層と、が交互に積層されている。
積層体30の上には、活性層である発光層40が設けられている。発光層40は、例えば、多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有する。すなわち、発光層40は、複数の障壁層41及び複数の井戸層42が、交互に繰り返し積層された構造を含んでいる。障壁層41及び井戸層42の詳しい構成については後述する。
第2半導体層50は、発光層40のD1方向の側に設けられている。第2半導体層50は、例えば、中間層51、マグネシウム(Mg)ドープGaN層52、及びp形GaNコンタクト層53を有する。例えば、発光層40の上には、中間層51、MgドープGaN層52、及びp形GaN層53が、この順に設けられている。
中間層51は、第2半導体層50のうち最も発光層40の側に設けられ、アルミニウム(Al)を含む窒化物半導体を含む。具体的には、中間層51は、p形AlGaN層である。中間層51のバンドギャップは、発光層40のバンドギャップよりも大きい。これにより、中間層51は、電子オーバーフロー抑制層として機能する。
p形GaNコンタクト層53の上には、透明電極60が設けられている。
そして、第1半導体層20であるn形GaNコンタクト層22の一部、その一部に対応する積層体30、発光層40及び第2半導体層50が除去され、n形GaNコンタクト層22の上にn側電極70が設けられる。n側電極70には、例えばTi/Pt/Auの積層構造が用いられる。一方、透明電極60の上には、p側電極80が設けられる。
このように、本実施形態に係る本具体例の半導体発光素子110は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。
そして、第1半導体層20であるn形GaNコンタクト層22の一部、その一部に対応する積層体30、発光層40及び第2半導体層50が除去され、n形GaNコンタクト層22の上にn側電極70が設けられる。n側電極70には、例えばTi/Pt/Auの積層構造が用いられる。一方、透明電極60の上には、p側電極80が設けられる。
このように、本実施形態に係る本具体例の半導体発光素子110は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。
次に、発光層40の多重量子井戸構造について説明する。
図1に表したように、発光層40は、第1井戸層42aと、第1障壁層41aと、第2井戸層42bと、を有している。
図1に表したように、発光層40は、第1井戸層42aと、第1障壁層41aと、第2井戸層42bと、を有している。
第1井戸層42aは、第1半導体層20と第2半導体層50とのあいだに設けられている。第2井戸層42bは、第1井戸層42aと第1半導体層20とのあいだに設けられている。第1障壁層41aは、第2井戸層42bと第1井戸層42aとのあいだに設けられ、第2井戸層42b及び第1井戸層42aと接している。第1障壁層41aは、第1井戸層42a及び第2井戸層42bのIn組成比よりも小さいIn組成比を有している。
なお、ここでいう「In組成比」とは、膜中の構成元素に占めるインジウム(In)の割合のことをいう。
なお、ここでいう「In組成比」とは、膜中の構成元素に占めるインジウム(In)の割合のことをいう。
本実施形態においては、例えば、発光層40は、複数の井戸層42と、複数の障壁層41と、を有している。この場合、井戸層42の数を井戸層数N(Nは2以上の整数)とする。
図1中において、カッコ内の数字は、第2半導体層50側からの井戸層の順番を意味する。第2半導体層50側から、第1井戸層42a〜第N井戸層42とする。なお、障壁層41もN層設けられている。同様に、第2半導体層50側から、第1障壁層41a〜第N障壁層41とする。
図1中において、カッコ内の数字は、第2半導体層50側からの井戸層の順番を意味する。第2半導体層50側から、第1井戸層42a〜第N井戸層42とする。なお、障壁層41もN層設けられている。同様に、第2半導体層50側から、第1障壁層41a〜第N障壁層41とする。
このうち、第1井戸層42aは、例えば、発光層40のうち最も第2半導体層50に近い側に位置する井戸層42のことである。第1障壁層41aは、例えば、発光層40のうち最も第2半導体層50に近い側に位置する障壁層41のことである。
発光層40は、例えば、第2障壁層41bと、第3井戸層42cと、をさらに有していてもよい。第2障壁層41bは、第1半導体層20と第2井戸層42bとのあいだに設けられ、第2井戸層42bに接している。第2障壁層41bは、第2井戸層42bのIn組成比よりも小さいIn組成比を有している。
第3井戸層42cは、第1半導体層20と第2障壁層41bとのあいだに設けられ、第2障壁層41bに接している。第3井戸層42cは、第2障壁層41bより高いIn組成比を有している。
第N井戸層42は、第(N−1)障壁層41と第1半導体層20とのあいだに設けられ、第(N−1)障壁層41に接している。第N井戸層42は、第(N−1)障壁層41より高いIn組成比を有している。
第N障壁層41は、第N井戸層42と第1半導体層20とのあいだに設けられ、第N井戸層42に接している。第N障壁層41は、第N井戸層42のIn組成比よりも小さいIn組成比を有している。
以下、第1井戸層42aから第N井戸層を総称して、井戸層42という。また、第1障壁層41aから第N障壁層を総称して、障壁層41という。
発光層40における障壁層41及び井戸層42は、III族元素を含む。少なくとも井戸層42には、例えばInを含む窒化物半導体が用いられる。発光層40の結晶構造は、ウルツ鉱構造である。また、障壁層41のバンドギャップエネルギは、井戸層42のバンドギャップエネルギよりも大きい。なお、障壁層41及び井戸層42には、微量のAl等が含まれていてもよい。
例えば、障壁層41は、InbGa1−bN(b≧0)を含む。井戸層42は、InwGa1−wN(0<w<1)を含む。障壁層41は、井戸層42のIn組成比よりも小さいIn組成比を有していることから、b<wである。
次に、図3を用い、発光層40における各構成の詳細について説明する。
図3は、第1の実施形態に係るIn組成比のプロファイルを例示する図である。
図3において、横軸はD1方向の位置(厚さ方向の位置)を表し、縦軸はIn組成比を表している。なお、第1の実施形態に係るIn組成比のプロファイルを110pとする。
図3は、第1の実施形態に係るIn組成比のプロファイルを例示する図である。
図3において、横軸はD1方向の位置(厚さ方向の位置)を表し、縦軸はIn組成比を表している。なお、第1の実施形態に係るIn組成比のプロファイルを110pとする。
図3に表したように、第1井戸層42a及び第2井戸層42bのIn組成比は、例えば、Cwである。第1障壁層41a内のIn組成比(Cb21〜Cb22)は、第1井戸層42a及び第2井戸層42bのIn組成比Cwよりも小さい。
ここで、第1障壁層41aは、第1部分411と、第2部分412と、を有している。
第1部分411は、第1井戸層42aと第2井戸層42bとのあいだに設けられ、第2井戸層42bに接している。第1部分411のIn組成比をCb1とする。第1部分411のIn組成比Cb1は、第2井戸層42bのIn組成比Cwよりも低く、後述する第2部分412の第1領域412aの第1In組成比Cb21よりも低い。また、第1部分411のIn組成比Cb1は、後述する第2部分412の第2領域412bの第2In組成比Cb22と同等かそれよりも低い。このようにIn組成比が低い第1部分411が第1井戸層42aと第2井戸層42bとのあいだに設けられていることにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。少なくとも第1井戸層42aの結晶性が向上する。
第1部分411は、第1井戸層42aと第2井戸層42bとのあいだに設けられ、第2井戸層42bに接している。第1部分411のIn組成比をCb1とする。第1部分411のIn組成比Cb1は、第2井戸層42bのIn組成比Cwよりも低く、後述する第2部分412の第1領域412aの第1In組成比Cb21よりも低い。また、第1部分411のIn組成比Cb1は、後述する第2部分412の第2領域412bの第2In組成比Cb22と同等かそれよりも低い。このようにIn組成比が低い第1部分411が第1井戸層42aと第2井戸層42bとのあいだに設けられていることにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。少なくとも第1井戸層42aの結晶性が向上する。
第2部分412は、第1領域412aと、第2領域412bと、を有している。
第1領域412aは、第1部分411に接し、第1部分411のIn組成比Cb1よりも高い「第1In組成比Cb21」を有している。
第1領域412aは、第1部分411に接し、第1部分411のIn組成比Cb1よりも高い「第1In組成比Cb21」を有している。
第1領域412aは、例えば、第2部分412のうちD1方向の中心から第1部分411側の領域のことをいう。「第1In組成比Cb21」とは、例えば、第1領域412aにおけるIn組成比の極大値である。「第1In組成比Cb21」とは、例えば、第1領域412aにおけるIn組成比を厚さで平均化した値であってもよい。
第2領域412bは、例えば、第2部分412のうちD1方向の中心から第1井戸層42a側の領域のことをいう。第2領域412bは、第1領域412aと第1井戸層42aとのあいだに設けられ、第1井戸層42aに接している。第2領域412bは、第1領域412aの第1In組成比Cb21よりも低い「第2In組成比Cb22」を有している。
「第2In組成比Cb22」とは、例えば、第2領域412bにおけるIn組成比の極小値である。この例では、第2領域412bの第2In組成比Cb21は、第1部分411のIn組成比Cb1と等しい。なお、「第2In組成比Cb22」とは、例えば、第2領域412bにおけるIn組成比を厚さで平均化した値であってもよい。
このように、第2部分412は、D1方向に漸減したIn組成比を有している。言い換えれば、第2部分412のIn組成比は、D1方向に単調減少している。これにより、第1障壁層41aにおけるピエゾ電界による価電子帯の湾曲が緩和される。第2半導体層50側から第1障壁層41aに向けて、ホールの注入効率が向上する。
障壁層41の厚さtbは、例えば、10ナノメートル(nm)以下である。これにより、第2半導体層50から発光層40に効率的にホールが供給される。半導体発光素子110の発光効率が向上するとともに、動作電圧も実用上要求される程度に低下する。
障壁層41の各部分における厚さ及びIn組成比については詳細を後述する。
障壁層41の各部分における厚さ及びIn組成比については詳細を後述する。
井戸層42(第1井戸層42a及び第2井戸層42b)の厚さtwは、例えば、2.5nm以上であり、4nm以上であることがさらに好ましい。これにより、キャリアが井戸層42に閉じ込められ、発光効率が向上する。また、井戸層42の厚さtwは、例えば、6nm以下であることが好ましい。これにより、In組成比が高い井戸層42によって、結晶性が悪化することを抑制することができる。
最も第2半導体層50に近い側に位置する第1井戸層42aの厚さは、他の井戸層42よりも厚くても良い。第1井戸層42aの厚さが厚いことにより、当該部分の体積が増大する。これにより、半導体発光素子110を高電流領域で駆動した場合であっても、キャリア密度が低下することにより、発光効率が向上する。
井戸層42のIn組成比Cwは、半導体発光素子110の発光波長に合わせて調整される。発光光が青色である場合、井戸層42のIn組成比Cwは、例えば、0.12以上0.15未満である。
次に、第1部分411及び第2部分412における厚さ及びIn組成比について説明する。
図4は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
図4(a)は、第1部分411の厚さtb1に対する半導体発光素子110の内部量子効率IQEをシミュレーションした結果を示している。
図4(b)は、第2部分412の厚さtb2に対する半導体発光素子110の内部量子効率IQEをシミュレーションした結果を示している。
縦軸は任意単位である。
図4は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
図4(a)は、第1部分411の厚さtb1に対する半導体発光素子110の内部量子効率IQEをシミュレーションした結果を示している。
図4(b)は、第2部分412の厚さtb2に対する半導体発光素子110の内部量子効率IQEをシミュレーションした結果を示している。
縦軸は任意単位である。
まず、第1部分411について説明する。
上述のように、第1障壁層41の第1部分411が第2井戸層42bと第2部分412とのあいだに挿入されている。すなわち、第1部分411の厚さは、0nmより厚い。第1部分411の厚さが厚いほど、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。
上述のように、第1障壁層41の第1部分411が第2井戸層42bと第2部分412とのあいだに挿入されている。すなわち、第1部分411の厚さは、0nmより厚い。第1部分411の厚さが厚いほど、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。
一方で、図4(a)に表したように、第1部分411の厚さが厚いほど、内部量子効率IQEは減少する傾向を示す。第1部分411の厚さが厚いほど、第1部分411はホールにとって障壁となる。このため、ホールの注入効率が減少するため、内部量子効率IQEが減少する。
以上の2つの観点から、第1部分411の厚さは、0nmより厚く、2nmよりも薄いことが好ましい。第1部分411の厚さが0nmよりも大きいことにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。一方、第1部分411の厚さが2nmよりも薄いことにより、ホールは、トンネル効果により第1部分411を通過する。したがって、半導体発光素子110の内部量子効率IQEが向上する。
図4(a)のように、さらに、第1部分411の厚さは、1nm以下であることが好ましい。これにより、ホールのトンネル確率が上昇し、さらに内部量子効率IQEが向上する。
また、図3に表したように、第1部分411は、第2井戸層42bに接して設けられている。第1部分411のIn組成比が高い場合、結晶性が悪化する可能性がある。
例えば、第1部分411のIn組成比Cb1は、0.02より小さいことが好ましい。さらに、第1部分411のIn組成比Cb1は、0.01より小さいことが好ましい。これにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。
例えば、第1部分411のIn組成比Cb1は、0.02より小さいことが好ましい。さらに、第1部分411のIn組成比Cb1は、0.01より小さいことが好ましい。これにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。
例えば、第1部分411のうちのIn組成比の極小値は0.02以下である。言い換えれば、第1部分411はGaNのみからなる部分を含む。第1部分411にInを含まない層が形成されている。例えば、第1部分411の全体は、実質的にGaNからなる。これにより、結晶性が顕著に向上する。
また、第1部分411は、Alを含んでいても良い。なお、第1部分411におけるAl組成比の極小値は0.02以下であることが好ましい。第1部分411がAlを含み、第1部分411のバンドギャップが大きい場合、ホールに対して障壁となってしまう可能性があるためである。
次に、第2部分412について説明する。
第2部分412の厚さtb2は、2nm以上であり、4nm以上であることがさらに好ましい。上記のように、第1部分411ではトンネル効果によりキャリアが通過する。第2部分412の厚さtb2が上記下限値以上であることにより、実質的に第2部分412がMQWにおける障壁層として機能する。
第2部分412の厚さtb2は、2nm以上であり、4nm以上であることがさらに好ましい。上記のように、第1部分411ではトンネル効果によりキャリアが通過する。第2部分412の厚さtb2が上記下限値以上であることにより、実質的に第2部分412がMQWにおける障壁層として機能する。
一方、図4(b)に表したように、第2部分412の厚さが厚いほど、内部量子効率IQEは減少する傾向を示す。
第2部分412の厚さtb2は、9nm以下であり、7nm以下であることがさらに好ましい。これにより、内部量子効率IQEが向上する。
第2部分412の厚さtb2は、9nm以下であり、7nm以下であることがさらに好ましい。これにより、内部量子効率IQEが向上する。
また、図3に表したように、第2部分412の第1領域412aにおける第1In組成比Cb21は、第1部分411におけるIn組成比Cb1よりも高い。第1領域412aにおける第1In組成比Cb21が高いほど、ホールの注入効率が高くなる傾向にある。一方、第1領域412aにおける第1In組成比Cb21が高いほど、第1井戸層42aの結晶性は悪化する傾向にある。
第2部分412の第1領域412aにおける第1In組成比Cb21は、0.02よりも高く、0.04以上であることがさらに好ましい。第1領域412aにおける第1In組成比Cb21が上記下限値以上であることにより、ホール注入効率が向上する。
第1領域412aにおける第1In組成比Cb21は、0.08以下であり、0.06以下であることがさらに好ましい。第1領域412aにおける第1In組成比Cb21が上記上限値以下であることにより、第1井戸層42aの結晶性が悪化することが抑制される。
第2領域412bにおける第2In組成比Cb22は、0.04以下であり、0.02以下であることがさらに好ましい。第2領域412bにおける第2In組成比Cb22が当該領域内の極小値である場合、第2In組成比Cb22は0.00であることが好ましい。このように、結晶性の観点から、第2領域412bにおける第2In組成比Cb22は低いほど好ましい。
第1領域412aにおける第1In組成比Cb21と、第2領域412bにおける第2In組成比Cb22と、の差(Cb21−Cb22)は、0.02以上であり、0.04以上であることがさらに好ましい。これにより、ピエゾ電界による価電子帯の湾曲が緩和される。
次に、2つの参考例と対比しながら、第1の実施形態に係る半導体発光素子110のエネルギーバンド図及び半導体発光素子110の特性について説明する。
図5(a)及び(b)は、参考例に係るIn組成比のプロファイルを例示する図である。
図5(a)には、第1参考例に係る半導体発光素子191におけるIn組成比のプロファイル191pが示されている。
図5(a)に表したように、第1参考例の半導体発光素子191において、第1障壁層41a内全体のIn組成比が一定の値(例えば0)である点が、第1の実施形態の半導体発光素子110と異なる。言い換えれば、第1参考例の半導体発光素子191の第1障壁層41aは、傾斜組成を有する第2部分412を有していない。
図5(a)には、第1参考例に係る半導体発光素子191におけるIn組成比のプロファイル191pが示されている。
図5(a)に表したように、第1参考例の半導体発光素子191において、第1障壁層41a内全体のIn組成比が一定の値(例えば0)である点が、第1の実施形態の半導体発光素子110と異なる。言い換えれば、第1参考例の半導体発光素子191の第1障壁層41aは、傾斜組成を有する第2部分412を有していない。
図5(b)には、第2参考例に係る半導体発光素子192におけるIn組成比のプロファイル192pが示されている。
図5(b)に表したように、第2参考例の半導体発光素子192において、第1障壁層41aが第1部分411を有していない点が、第1の実施形態の半導体発光素子110と異なる。第2参考例において、第1障壁層41aの第2井戸層42b側のIn組成比Cb1は、第1障壁層41aの第1井戸層42a側のIn組成比Cb2よりも高い。第1障壁層41aのIn組成比は、第1の実施形態の第2部分412のIn組成比と同様に、D1方向に漸減している。
図5(b)に表したように、第2参考例の半導体発光素子192において、第1障壁層41aが第1部分411を有していない点が、第1の実施形態の半導体発光素子110と異なる。第2参考例において、第1障壁層41aの第2井戸層42b側のIn組成比Cb1は、第1障壁層41aの第1井戸層42a側のIn組成比Cb2よりも高い。第1障壁層41aのIn組成比は、第1の実施形態の第2部分412のIn組成比と同様に、D1方向に漸減している。
次に、図6(a)から図8(b)を用い、第1の実施形態におけるエネルギーバンド図、及び2つの参考例のエネルギーバンド図について説明する。
以下の図におけるエネルギーバンド図は、以下の仮定においてシミュレーションを行った結果である。
第1参考例では、第1障壁層41aはGaNからなり、第1障壁層41aの厚さは5nmであるとした。
第2参考例では、第1障壁層41aの第2井戸層42b側のIn組成比Cb1は0.04であり、第1障壁層41aの第1井戸層42a側のIn組成比Cb2は0.00であるとした。
第1の実施形態においては、第1部分411の厚さtb1は1nmとした。また、第1In組成比Nb21は0.04であり、第2In組成比Cb22は0.00であるとした。
以下の図におけるエネルギーバンド図は、以下の仮定においてシミュレーションを行った結果である。
第1参考例では、第1障壁層41aはGaNからなり、第1障壁層41aの厚さは5nmであるとした。
第2参考例では、第1障壁層41aの第2井戸層42b側のIn組成比Cb1は0.04であり、第1障壁層41aの第1井戸層42a側のIn組成比Cb2は0.00であるとした。
第1の実施形態においては、第1部分411の厚さtb1は1nmとした。また、第1In組成比Nb21は0.04であり、第2In組成比Cb22は0.00であるとした。
図6(a)及び(b)は、第1参考例に係るエネルギーバンド図である。
図6(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図6(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図6(a)における実線が伝導帯CBにおけるエネルギーバンドであり、点線が電子の量子ポテンシャルPeであり、また破線が電子の擬フェルミ準位Efeである。
図6(b)における実線が価電子帯VBにおけるエネルギーバンドであり、点線がホールの量子ポテンシャルPhであり、また破線がホールの擬フェルミ準位Efhである。
なお、横軸はD1方向の位置(厚さ方向の位置)を表している。
図6(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図6(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図6(a)における実線が伝導帯CBにおけるエネルギーバンドであり、点線が電子の量子ポテンシャルPeであり、また破線が電子の擬フェルミ準位Efeである。
図6(b)における実線が価電子帯VBにおけるエネルギーバンドであり、点線がホールの量子ポテンシャルPhであり、また破線がホールの擬フェルミ準位Efhである。
なお、横軸はD1方向の位置(厚さ方向の位置)を表している。
図6(a)及び(b)に表したように、ピエゾ電界によって、発光層40のバンド構造が変調されている。第1障壁層41aにおいて、伝導帯CBのエネルギー準位は、第1半導体層20から第2半導体層50に向かう方向(D1方向)に上昇している。これに対して、第1井戸層42aにおいて、伝導帯CBのエネルギー準位は、D1方向に減少している。価電子帯VBのエネルギー準位も、伝導帯CBと同様に湾曲したプロファイルとなっている。
ここで、井戸層42を構成する結晶の格子定数は、障壁層41を構成する結晶の格子定数よりも大きい。井戸層42と障壁層41とのあいだに、格子歪みが生じる。障壁層41には引張応力が加わるのに対して、障壁層41よりも格子定数が大きい井戸層42には圧縮応力が加わる。このため、これらの層には、ピエゾ電界が発生する。井戸層42には、障壁層41のピエゾ電界に対して、逆向きのピエゾ電界が形成される。このピエゾ電界によって、第1参考例のように、発光層40のバンド構造が変調される。第1参考例では、発光層40のバンド構造が変調により、発光効率が低下する可能性がある。
図7(a)及び(b)は、第2参考例に係るエネルギーバンド図である。
図7(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図7(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図7(a)及び(b)における量子ポテンシャルの符号等は、図6(a)及び(b)と同様である。
図7(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図7(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図7(a)及び(b)における量子ポテンシャルの符号等は、図6(a)及び(b)と同様である。
図7(a)及び(b)に表したように、第1障壁層41aのIn組成比がD1方向に漸減しているため、第1障壁層41aにおける価電子帯VBの湾曲は緩和している。これにより、ホールの注入効率が向上する。
しかし、第1障壁層41aの第2井戸層42bに接する側のIn組成比Cb1が高い場合、ピエゾ電界によるエネルギー準位の変調が抑制される一方で、第1井戸層41aの結晶性が悪化する可能性がある。
これに対して、第1の実施形態の半導体発光素子110は、以下のような特徴を有している。
図8(a)及び(b)は、第1の実施形態に係るエネルギーバンド図である。
図8(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図8(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図8(a)及び(b)における量子ポテンシャルの符号等は、図6(a)及び(b)と同様である。
図8(a)及び(b)は、第1の実施形態に係るエネルギーバンド図である。
図8(a)は伝導帯CBにおけるエネルギーバンド図であり、図8(b)は価電子帯VBにおけるエネルギーバンド図である。いずれの図においても、縦軸はエネルギー(eV)、横軸はD1方向を表している。
図8(a)及び(b)における量子ポテンシャルの符号等は、図6(a)及び(b)と同様である。
図8(a)及び(b)に表したように、第1の実施形態においても、第1障壁層41aにおける価電子帯VBの湾曲は緩和している。第1障壁層41a内に第2部分412が設けられていることにより、この部分におけるピエゾ電界が緩和している。
また、第2井戸層42bに接して、第1部分411が設けられている。第1部分411と第2部分412とのあいだにおけるホールの量子ポテンシャルPhは、緩やかな勾配を有している。第1部分411はホールの注入障壁とならない。上述のように、第1部分411では、ホールがトンネル効果により通過する。少なくとも第1障壁層41aから第2井戸層42bに向けて、安定的にホールが注入される。
また、第1部分411と第2部分412とのあいだにおけるホールの擬フェルミ準位Efhは緩やかな勾配を有する。第1部分411はトンネル効果が生じる程度に薄いため、ホールの分布が乱れることはない。第1部分411と第2部分412とのあいだに、ホールは閉じ込められない。
第1部分411及び第2部分412を有する第1障壁層41aは、発光層40のうち最もp側半導体層50に近い側に設けられている。これにより、上記したように、効率よくホールがMQWに注入される。
次に、図9(a)及び(b)を用い、半導体発光素子の特性について説明する。
図9(a)及び(b)は、第1の実施形態の半導体発光素子及び参考例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
図9(a)の横軸は電流J(ミリアンペア:mA)であり、縦軸は外部量子効率EQE(任意単位)である。
図9(b)は、横軸が対数である点を除いて、図9(a)と同一である。
図9(a)及び(b)は、第1の実施形態の半導体発光素子及び参考例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
図9(a)の横軸は電流J(ミリアンペア:mA)であり、縦軸は外部量子効率EQE(任意単位)である。
図9(b)は、横軸が対数である点を除いて、図9(a)と同一である。
なお、それぞれの第1井戸層42aは、後述する図11(a)の第1井戸層42aと同様にD1方向に漸増したIn組成比を有する半導体発光素子を測定に用いた。第1井戸層42aが一定のIn組成比を有する場合等でも、図9(a)及び(b)と同様の結果となると考えられる。
図9(a)及び(b)に表したように、第1参考例の半導体発光素子191に比べ、第2参考例の半導体発光素子192は、高電流領域において高い外部量子効率EQEを示す。さらに、第1の実施形態の半導体発光素子110は、第1参考例の半導体発光素子191及び第2参考例の半導体発光素子192に比べて、電流領域によらず高い外部量子効率EQEを示す。
このように第1の実施形態では、第2部分412が設けられていることにより、ピエゾ電界による価電子帯の湾曲が緩和される。これにより、発光層40へのホール注入効率が向上する。また、第1部分411が設けられていることにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。これにより、半導体発光素子110の発光効率が向上する。
次に、第1の実施形態の変形例について説明する。
図10(a)〜図11(c)、図12(b)及び図12(c)は、第1の実施形態の変形例に係るIn組成比のプロファイルを例示する図である。
図10(a)〜図11(c)、図12(b)及び図12(c)は、第1の実施形態の変形例に係るIn組成比のプロファイルを例示する図である。
図10(a)に表したように、例えば、第1部分411及び第2部分412を有する第1障壁層41aは、最も第2半導体層50に近い側にのみ設けられている。第1障壁層41a以外の障壁層41におけるIn組成比は一定であってもよい。例えば、第1障壁層41a以外の障壁層41はGaNからなる。
ここで、MQWである発光層40に最初にホールが注入される障壁層41は、最も第2半導体層50に近い側に設けられた第1障壁層41aである。この第1障壁層41aへのホール注入効率が高いことが好ましい。少なくとも最も第2半導体層50に近い側に設けられた第1障壁層41aが第1部分411及び第2部分412を有していることにより、発光層40へのホール注入効率が安定的に向上する。
図10(b)に表したように、例えば、第2井戸層42bに接する第2障壁層41bは、第1部分411及び第2部分412を有している。同様に、第N井戸層42に接する第N障壁層41も、第1部分411及び第2部分412を有している。このように、複数の障壁層41のそれぞれが第1部分411及び第2部分412を有していてもよい。これにより、それぞれの井戸層42へのホール注入効率が向上する。
図10(c)に表したように、例えば、中間層51は、第1障壁層41aと同様に、第1部分511及び第2部分512を有していてもよい。第1部分511は、第2半導体層50内のうち第1井戸層42a側に設けられ、第1井戸層42aに接している。第2部分512は、第1部分511に接している。また、第2部分512は、第1部分511のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、第1領域よりも上に設けられ第1組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有する。これにより、中間層51の価電子帯の湾曲が緩和する。これにより、中間層51へのホール注入効率が向上することにより、発光層40へのホール注入効率が向上する。
図10(d)に表したように、例えば、第1部分411及び第2部分412を有する障壁層41は、発光層のうち最も第2半導体層50に近い側に配置されていなくてもよい。すなわち、第1部分411及び第2部分412を有する障壁層41は、第2障壁層41b〜第N障壁層41のうち少なくとも1つあればよい。
図10(d)に表した例では、第2障壁層41bに、第1部分411及び第2部分412が設けられている。一方、第1障壁層41aにおけるIn組成比は一定である。この変形例においても、第2障壁層41bにおけるホール注入効率は向上することにより、発光層40の発光効率は向上する。
図10(d)に表した例では、第2障壁層41bに、第1部分411及び第2部分412が設けられている。一方、第1障壁層41aにおけるIn組成比は一定である。この変形例においても、第2障壁層41bにおけるホール注入効率は向上することにより、発光層40の発光効率は向上する。
なお、図10(d)に表したように、第2部分412のIn組成比に対して反対に傾斜したIn組成比を有する障壁層41が設けられていてもよい。
図10(d)に表した例では、第3障壁層41cのIn組成比の傾斜が、第2部分412のIn組成比の傾斜と反対になっている。第3障壁層41cのうち第3井戸層42c側のIn組成比は、第1半導体層20側のIn組成比よりも高い。
図10(d)に表した例では、第3障壁層41cのIn組成比の傾斜が、第2部分412のIn組成比の傾斜と反対になっている。第3障壁層41cのうち第3井戸層42c側のIn組成比は、第1半導体層20側のIn組成比よりも高い。
図11(a)に表したように、例えば、第1井戸層42aのうち第2半導体層50側のIn組成比Cwpは、第1障壁層41a側のIn組成比Cwnよりも高くてもよい。例えば、第1井戸層42aは、D1方向に漸増したIn組成比を有している。
ここで、上述のように第1障壁層41aの格子定数と第1井戸層42aの格子定数との差により、第1井戸層42aには、第1障壁層41aのピエゾ電界に対して、逆向きのピエゾ電界が形成される。第1井戸層42aがD1方向に漸増したIn組成比を有していることにより、第1井戸層42a内のピエゾ電界が緩和する。これにより、第1井戸層42aにおけるホール注入効率が向上する。
半導体発光素子110の発光色が青色である場合、第1井戸層42aのうち第1障壁層41a側のIn組成比Cwnは、0.08より大きく、0.1以下であることが好ましい。また、第1井戸層42aのうち第2半導体層50側のIn組成比Cwpは、0.12以上であることが好ましい。例えば、In組成比Cwpは0.14であることがさらに好ましい。第1井戸層42aのうち第2半導体層50側のIn組成比Cwpと、第1障壁層41a側のIn組成比Cwnとの差(Cwp−Cwn)は、0.06以上であることが好ましい。第1井戸層42aのIn組成比がこれらの数値範囲内であることにより、第1井戸層42aの結晶性が悪化することを抑制することができる。なお、第1井戸層42aのIn組成比はD1方向に漸増していればよく、非線形に変化していてもよい。例えば、第1井戸層42aのIn組成比はD1方向に階段状に増加していてもよい。
図11(b)に表したように、第1障壁層41aの第2部分412における第2領域412bの第2In組成比Cb22は、第1部分411のIn組成比Cb1よりも高くてもよい。上述のように、第1障壁層41aの第2部分412における第1領域412aの第1In組成比Cb21は、当該部分における第2領域412bの第2In組成比Cb22よりも高ければ、ピエゾ電界が緩和される。
図11(c)に表したように、第1部分411のIn組成比Cb1は0より大きくてもよい。なお、上述のように、第1部分411の厚さが厚いほど、第1部分411はホールにとって障壁となる。このため、第1部分411の厚さは2nmよりも小さいことが好ましい。
図12(a)には、参考例に係るIn組成比のプロファイルが表される。図12(a)に表したように、第2部分412のIn組成比は、D1方向に漸減している。第2部分412のIn組成比は、D1方向に非線形に減少する。この場合では、例えば、第2部分412のIn組成比は、第1In組成比Cb21から第2In組成比Cb22まで階段状に減少している。
図12(b)に表したように、第2部分412のIn組成比は、変曲点412cを有していてもよい。第2部分412のうち変曲点412cよりも第2井戸層42b側におけるD1方向のIn組成比の変化量は、当該変曲点412cよりも第1井戸層42a側の変化量よりも小さい。
図12(c)に表したように、例えば、発光層40におけるIn組成比は連続的に変化していてもよい。例えば、結晶中において、各層の界面の微少領域において、Inはマイグレーションする可能性がある。また、二次イオン質量分析法(SIMS)により発光層40のIn組成を分析した場合、In組成比が連続的に変化している場合も考えられる。したがって、発光層40は、以下のように定義されるIn組成比を有していてもよい。
例えば、第2部分412におけるIn組成比の厚さ方向(D1方向)における変化率の絶対値は、第2井戸層42bのうちの第1部分411側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値よりも小さい。「第2部分412におけるIn組成比の厚さ方向(D1方向)における変化率」とは、第2部分412における単位厚さ当たりのIn組成比の変化量と言い換えることもできる。具体的には、例えば、「第2部分412におけるIn組成比の厚さ方向(D1方向)における変化率」とは、第2部分412における第1領域412aの第1In組成比Cb21から第2領域412bの第2In組成比Cb22までの変化率のことである。例えば、「第2井戸層42bのうちの第1部分411側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率」とは、第2井戸層42bのIn組成比の極大点から、第2井戸層42bと第1部分411との境界におけるIn組成比までの変化率のことである。第2井戸層42bのIn組成比の極大点が複数ある場合は、上記In組成比の変化率は、当該極大点のうち第1部分411に近い側の極大点からの変化率である。
また、例えば、第2部分412におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値は、第1部分411のうちの第2部分412側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値よりも大きい。具体的には、例えば、「第1部分411のうちの第2部分412側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率」とは、第1部分411のIn組成比の極小点から、第1部分411と第2部分412との境界におけるIn組成比までの変化率のことである。第1部分411のIn組成比の極小点が複数ある場合は、上記In組成比の変化率は、当該極小点のうち第2部分412に近い側の極小点からの変化率である。
なお、各層間の境界が明確でない場合、各層間の境界は、厚さに対するIn組成比の変化量における変曲点の位置であるとする。
発光層40におけるIn組成比は連続的に変化している場合において、厚さに対するIn組成比の変化量が上記条件を満たすことにより、第1の実施形態によれば、第2部分412によりピエゾ電界による価電子帯の湾曲が緩和されるとともに、第1部分411により結晶性が向上する。
上記図10(a)から図12(c)に表したいずれの例でも、第1の実施形態の効果を得ることができる。
なお、In組成比の増減のプロファイルは上記以外であってもよい。また、図10(a)から図12(c)のプロファイルを適宜組み合わせたものであってもよい。
なお、In組成比の増減のプロファイルは上記以外であってもよい。また、図10(a)から図12(c)のプロファイルを適宜組み合わせたものであってもよい。
(第2の実施形態)
図13は、第2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である。
図13に表したように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、n型半導体層の形成(ステップS101)、発光層の形成(ステップS102)、p型半導体層の形成(ステップS103)、を備える。以下、各ステップの具体例を説明する。
図13は、第2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である。
図13に表したように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、n型半導体層の形成(ステップS101)、発光層の形成(ステップS102)、p型半導体層の形成(ステップS103)、を備える。以下、各ステップの具体例を説明する。
先ず、ステップS101に表したn型半導体層の形成では、窒化物半導体を含む第1半導体層20を形成する。
次に、ステップS102に表した発光層の形成では、第1半導体層20の上に発光層40を形成する。このステップS102については詳細を後述する。
次に、ステップS103に表した第2半導体層の形成では、発光層40の上に、窒化物半導体を含む第2半導体層を形成する。
次に、ステップS102に表した発光層の形成では、第1半導体層20の上に発光層40を形成する。このステップS102については詳細を後述する。
次に、ステップS103に表した第2半導体層の形成では、発光層40の上に、窒化物半導体を含む第2半導体層を形成する。
このうち、ステップS102に表した発光層の形成は、第1半導体層20の上に第2井戸層42bを形成する工程と、第2井戸層42bに接し第2井戸層42bのIn組成比よりも低いIn組成比を有する第1障壁層41aを形成する工程と、第1障壁層41aに接し第1障壁層41aのIn組成比よりも高いIn組成比を有する第1井戸層42aを形成する工程と、を有する。
第1障壁層41aを形成する工程は、第2井戸層42bに接する第1部分411を形成する工程と、第1部分411に接し第1部分411のIn組成比Cb1よりも高い第1In組成比Cb21を有する第1領域412aと、第1領域412aに接し第1In組成比Cb21よりも低い第2In組成比Cb22を有する第2領域412bと、を有する第2部分412を形成する工程と、を有する。
上記ステップS101〜ステップS103に表した工程により、発光層40の発光効率が向上する。
次に、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法のより詳細な具体例について説明する。
まず、有機洗浄、酸洗浄した例えばc面サファイアの基板10を、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置の反応炉に導入し、反応炉のサセプタ上で約1100℃に加熱する。これにより、基板10の表面の酸化膜が除去される。
次に、第1半導体層の形成(ステップS101)を行う。
基板10の主面(c面)の上に、30nmの厚さでバッファ層11を成長させる。さらに、バッファ層11の上に、3マイクロメートル(μm)の厚さでアンドープのGaN下地層21を成長させる。さらに、GaN下地層21の上に、2μmの厚さで、SiドープのGaNによるn形GaNコンタクト層22を成長させる。Ga原料ガスは例えばトリメチルガリウム(TMGa)である。V族原料ガスは、アンモニア(NH3)である。
基板10の主面(c面)の上に、30nmの厚さでバッファ層11を成長させる。さらに、バッファ層11の上に、3マイクロメートル(μm)の厚さでアンドープのGaN下地層21を成長させる。さらに、GaN下地層21の上に、2μmの厚さで、SiドープのGaNによるn形GaNコンタクト層22を成長させる。Ga原料ガスは例えばトリメチルガリウム(TMGa)である。V族原料ガスは、アンモニア(NH3)である。
次に、n形GaNコンタクト層22の上に、InxGa1−xNである第1結晶層31と、InyGa1−yNである第2結晶層32と、を交互に30周期積層し、積層体30を形成する。In原料ガスは例えばトリメチルインジウム(TMI)である。
次に、発光層40の形成(ステップS102)を行う。
例えば、以下のようにして、積層体30の上に、障壁層41と井戸層42とを交互に、N周期で積層する。Nは2以上の整数である。先に積層する側の障壁層41及び井戸層42をそれぞれ第N障壁層41及び第N井戸層42とする。例えば、Nは8である。
例えば、以下のようにして、積層体30の上に、障壁層41と井戸層42とを交互に、N周期で積層する。Nは2以上の整数である。先に積層する側の障壁層41及び井戸層42をそれぞれ第N障壁層41及び第N井戸層42とする。例えば、Nは8である。
例えば、積層体30の上に、第1温度Tg1で第N障壁層41を形成する。第N障壁層41は、少なくとも後述する第N井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する。例えば、第N障壁層41の形成では、In原料ガスの流量FTMIは0で一定である。言い換えれば、In原料ガスを供給しない。
次に、第1温度Tg1よりも低い第2温度Tg2で、第N井戸層42を形成する。第N井戸層42の形成では、In原料の流量FTMIは、第N障壁層41の形成における流量よりも高い。例えば、第N井戸層42の形成では、In原料ガスの流量FTMIは、FWで一定である。例えば、第N井戸層42のIn組成比を0.13とする。
次に、第N井戸層42の上に、第N障壁層41と同様にして、第(N−1)障壁層41を形成する。さらに、第(N−1)障壁層41の上に、第N井戸層42と同様にして、第(N−1)井戸層42を形成する。これらの工程を繰り返して、第3井戸層42までを形成する。
次に、図14を用い、第2障壁層41bから第1井戸層42までを形成する工程を説明する。
図14(a)及び(b)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図14(a)は、MOCVDによって発光層40を形成する際の温度プロファイル及び反応ガスの導入タイミングを例示している。同図において、横軸は時間tを示す。縦軸は、温度Tgを示している。また、横軸に合わせて、各原料ガスの導入の状態を示している。
図14(a)及び(b)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図14(a)は、MOCVDによって発光層40を形成する際の温度プロファイル及び反応ガスの導入タイミングを例示している。同図において、横軸は時間tを示す。縦軸は、温度Tgを示している。また、横軸に合わせて、各原料ガスの導入の状態を示している。
第3障壁層41を形成した後、時刻t2のとき、Ga原料ガスの導入を停止する。時刻t1から時刻t2において、温度Tgを第1温度Tg1から第2温度Tg2に下降させる。
ここで、第2温度Tg2は、800℃以上が好ましい。また、第1温度Tg1と第2温度Tg2との差は、20℃以上100℃未満が好ましく、40℃以上80℃未満がより好ましい。これにより、障壁層41及び井戸層42の界面におけるIn組成比の面内ばらつきが低減されるとともに、当該界面における表面粗さが低減される。
次に、時刻t2のとき、Ga原料ガス及びIn原料ガスの導入を開始する。In原料ガスの流量FTMIを、FWで一定にする。時刻t2から時刻t3において、第2温度Tg2で、第3障壁層41の上に第3井戸層42を形成する。例えば、第3井戸層42のIn組成比を0.13とする。
次に、時刻t3のとき、Ga原料ガス及びIn原料ガスの導入を停止する。時刻t3から時刻t4において、温度Tgを第2温度Tg2から第1温度Tg1に上昇させる。
次に、時刻t4のとき、例えば、Ga原料ガスのみの導入を開始する。In原料ガスを供給しない。時刻t4から時刻t5において、第1温度Tg1で、第3井戸層42の上に第2障壁層41bを形成する。これにより、後述する第2井戸層42bのIn組成比Cwよりも低いIn組成比を有する第2障壁層41bが形成される。
このように、第N障壁層41から第2障壁層41bまでの障壁層41は、第2温度Tg2よりも高い第1温度Tg1で形成される。第N障壁層41から第2障壁層41bまでの障壁層41の結晶性は向上する。これにより、これらの障壁層41に隣接する井戸層42の結晶性も向上する。
次に、時刻t5のとき、Ga原料ガスの導入を停止する。時刻t5から時刻t6において、温度Tgを第1温度Tg1から第2温度Tg2に下降させる。
次に、時刻t6のとき、Ga原料ガス及びIn原料ガスの導入を開始する。In原料ガスの流量FTMIを、FWで一定にする。時刻t6から時刻t7において、第2温度Tg2で、第2障壁層41の上に第2井戸層42を形成する。例えば、第2井戸層42のIn組成比を0.13とする。
次に、時刻t7のとき、例えば、In原料ガスのみの導入を停止する。これにより、Ga原料のみを供給する。時刻t7から時刻t8において、温度Tgを第2温度Tg2のまま一定とし、第2井戸層42に接する第1障壁層41aの第1部分411を形成する。時刻t7から時刻t8までの時間を、第1部分411の厚さが0nmより大きく2nmよりも小さい範囲となるように、制御する。例えば、第1部分411の厚さを1nmとする。
次に、時刻t8のとき、例えば、In原料ガスの導入を再開する。時刻t8のとき、In原料ガスの流量FTMIを、例えば、第1部分411の形成のときのIn原料ガス流量よりも大きいFb2にする。この場合では、0<Fb2<Fwである。これにより、第1部分411に接し第1部分411のIn組成比Cb1よりも高い第1In組成比Cb21を有する第1領域412aを形成する。
次に、時刻t8から時刻t9において、温度Tgを第2温度Tg2のまま一定とし、In原料ガスの流量FTMIを漸減させる。時刻t9において、In原料ガスの流量FTMIを、第1領域412aの形成のときのIn原料ガスの流量よりも低いIn原料ガスの流量に減少させる。例えば、In原料ガスの流量FTMIを0にする。これにより、第1領域412aに接し第1In組成比Cb21よりも低い第2In組成比Cb22を有する第2領域412bを形成する。例えば、第1障壁層41aの厚さを5nmとする。
このように、時刻t7から時刻t9において、第1領域412a及び第2領域412bを有する第2部分412を形成する。第1障壁層41aの形成において、第2温度Tg2で第1部分411及び第2部分412を形成する。温度を変化させることなく第1障壁層41aを形成することにより、結晶性を悪化させることなく、急峻に変化したIn組成比プロファイルを形成することができる。
時刻t9のとき、In原料ガスの流量FTMIを、例えば、第1部分411の形成のときのIn原料ガス流量よりも大きいFwにする。時刻t9から時刻t10において、温度Tgを第2温度Tg2のまま一定とする。これにより、第1障壁層41aに接し第1障壁層41aのIn組成比よりも高いIn組成比を有する第1井戸層42aを形成する。例えば、第1井戸層42aの厚さを5nmとする。
なお、図11(a)に表したように、D1方向に漸増したIn組成比を有している第1井戸層42aを形成してもよい。この場合、時刻t9から時刻t10において、In原料ガスの流量FTMIを漸減させてもよい。
次に、時刻t10のとき、例えば、In原料ガスのみの導入を停止する。時刻t10から時刻t11において、温度Tgを第2温度Tg2から第1温度Tg1に上昇させる。時刻t11以後において、発光層40の上に第2半導体層50を形成する。
次に、第2半導体層の形成(ステップS103)を行う。
さらに、最も上の障壁層41の上に、Alの組成比が0.003で5nmの厚さのAlGaN層を成長させ、この後、Alの組成比が0.1で10nmの厚さのMgドープAlGaN層51と、80nmの厚さのMgドープp形GaN層52(Mg濃度は2×1019/cm3)、及び、10nm程度の厚さの高濃度MgドープGaN層53(Mg濃度は1×1021/cm3)をそれぞれ積層させる。この後、上記の結晶が成長した基板10を、MOCVD装置の反応炉から取り出す。
さらに、最も上の障壁層41の上に、Alの組成比が0.003で5nmの厚さのAlGaN層を成長させ、この後、Alの組成比が0.1で10nmの厚さのMgドープAlGaN層51と、80nmの厚さのMgドープp形GaN層52(Mg濃度は2×1019/cm3)、及び、10nm程度の厚さの高濃度MgドープGaN層53(Mg濃度は1×1021/cm3)をそれぞれ積層させる。この後、上記の結晶が成長した基板10を、MOCVD装置の反応炉から取り出す。
次に、上記の多層膜構造の一部をn形GaNコンタクト層22の途中までドライエッチングして露出させ、この上に、Ti/Pt/Auのn側電極70を形成する。また、高濃度MgドープGaN層53の表面上に、ITO(Indium Tin Oxide)である透明電極60を形成し、その一部に、例えば直径80μmのNi/Auによるp側電極80を形成する。これにより、半導体発光素子110が作製される。
第2の実施形態では、発光効率が向上した半導体発光素子を提供することができる。具体的には、第2部分412を形成することにより、ピエゾ電界による価電子帯の湾曲が緩和される。これにより、発光層40へのホール注入効率が向上する。また、第1部分411を形成することにより、第1部分411よりもD1方向に積層される層の結晶性が向上する。これにより、半導体発光素子110の発光効率が向上する。
なお、上記実施形態においては、成膜法としてMOCVD(有機金属気相)法を用いる例について説明したが、例えば分子線エピタキシ(MBE)法やハライド気相成長(HVPE)法などの他の方法も適用可能である。
以上の実施形態によれば、発光効率の高い半導体発光素子が提供される。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BαInβAlγGa1−α−β−γN(0≦α≦1,0≦β≦1,0≦γ≦1,α+β+γ≦1)なる化学式において組成比α、β及びγをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成比の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むものや、導電形などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる第1半導体層、第2半導体層、活性層、井戸層、障壁層、電極、基板、バッファ層各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
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。
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。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…基板、11…バッファ層、20…第1半導体層、21…下地層、22…n形GaNコンタクト層、30…積層体、40…発光層、41…障壁層、41P…p側障壁層、41a…第1障壁層、41b…第2障壁層、42…井戸層、42P…p側井戸層、42a…第1井戸層、42b…第2井戸層、50…第2半導体層、51…中間層、52…MgドープGaN層、53…p形GaNコンタクト層、60…透明電極、70…n側電極、80…p側電極、110、191、192…半導体発光素子、110p、191p、192p…プロファイル、411…第1部分、412…第2部分、412a…第1領域、412b…第2領域、412c…変曲点
Claims (17)
- 窒化物半導体を含む第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層の[0001]方向の側に設けられ、窒化物半導体を含む第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とのあいだに設けられ、窒化物半導体を含む発光層と、
を備え、
前記発光層は、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とのあいだに設けられた第1井戸層と、
前記第1井戸層と前記第1半導体層とのあいだに設けられた第2井戸層と、
前記第2井戸層と前記第1井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層及び前記第1井戸層と接し、前記第1井戸層及び前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する第1障壁層と、
を含み、
前記第1障壁層は、
前記第1井戸層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接する第1部分と、
前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1井戸層とのあいだに設けられ前記第1井戸層に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有し、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向にIn組成比が傾斜して減少する第2部分と、
を有する半導体発光素子。 - 前記第1部分の厚さは、2ナノメートルよりも小さい請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分の厚さは、1ナノメートル以下である請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分のIn組成比は、0.02よりも低い請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分のIn組成比は、0.01よりも低い請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1In組成比は、0.02よりも高い請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1In組成比は、0.04以上である請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1障壁層の厚さは、10ナノメートル以下である請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1井戸層の厚さは、2.5ナノメートル以上6ナノメートル以下である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分のIn組成比の極小値は、0.05以下である請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2部分におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値は、前記第2井戸層のうちの前記第1部分側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値よりも小さい請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2部分におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値は、前記第1部分のうちの前記第2部分側におけるIn組成比の厚さ方向における変化率の絶対値よりも大きい請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、第2障壁層をさらに含み、
前記第2障壁層は、前記第1半導体層と前記第2井戸層とのあいだに設けられ、前記第2井戸層に接し、前記第2井戸層のIn組成比よりも小さいIn組成比を有する請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記発光層は、第3井戸層をさらに含み、
前記第3井戸層は、前記第1半導体層と前記第2障壁層とのあいだに設けられ、前記第2障壁層に接し、前記第2障壁層よりも高いIn組成比を有する請求項13記載の半導体発光素子。 - 前記第2半導体層は、Alを含む窒化物半導体を含む中間層を含み、
前記中間層は、前記第2半導体層のうち最も前記発光層の側に設けられる請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 窒化物半導体を含む第1導電形の第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の上に発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に、窒化物半導体を含む第2導電形の第2半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記発光層を形成する工程は、
前記第1半導体層の上に第2井戸層を形成する工程と、
前記第2井戸層に接し、前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する第1障壁層を形成する工程と、
前記第1障壁層に接し、前記第1障壁層のIn組成比よりも高いIn組成比を有する第1井戸層を形成する工程と、
を有し、
前記第1障壁層を形成する工程は、
前記第2井戸層に接する第1部分を形成する工程と、
前記第1部分に接し前記第1部分のIn組成比よりも高い第1In組成比を有する第1領域と、前記第1領域に接し前記第1In組成比よりも低い第2In組成比を有する第2領域と、を有し、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向にIn組成比が傾斜して減少する第2部分を形成する工程と、
を有する半導体発光素子の製造方法。 - 前記第2井戸層を形成する工程の前に、前記第2井戸層のIn組成比よりも低いIn組成比を有する第2障壁層を第1温度で形成する工程をさらに備え、
前記第2井戸層を形成する工程は、
前記第1温度よりも低い第2温度で行うことを含み、
前記第1障壁層を形成する工程は、
前記第2温度で前記第1部分及び前記第2部分を形成することを含む請求項16記載の半導体発光素子の製造方法。
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