JP5515575B2 - Iii族窒化物半導体光素子、エピタキシャル基板、及びiii族窒化物半導体光素子を作製する方法 - Google Patents
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Description
光ガイド層に必要な組成を見積もるために、図3に示されるプレーナ光導波路構造で電界分布計算を行った。図4は、この計算結果から見積もられた光閉じ込め係数(Γ)の評価を示す図面である。光閉じ込め係数(Γ)は全ての光の電界強度に対する井戸層内での電界強度の比率として表される。また、電子ブロック層の組成が与える影響を見積もった。
光ガイド層のInGaNにおけるIn組成xが0.03であるとき、発光波長が緑(520nm)から赤(650nm)へ変化することによって、InGaN井戸層での光閉じ込め係数(Γ)は0.67から0.47に低下した。一方、光ガイド層のInGaN層のIn組成を増加させることにより、光閉じ込め係数を増加させることができる。光ガイド層のInGaN層のIn組成に関して、レーザ発振波長520nmに必要なIn組成は最低0.02であるので、波長600nmにおけるレーザ発振に必要なIn組成は0.07〜0.08以上と見積もられる。
波長520nm、650nmいずれの波長においても、光閉じ込め係数を増加させることができる。これは電子ブロック層のAl組成が高いとき、電界分布がn側とp側で非対称になるためと考えられる。650nm帯の発光では光ガイド層のIn組成が高くなるので、電子ブロック層のバンドギャップが低くても電子のオーバーフローを防ぐことができる。これ故に、電子ブロック層の材料としてGaNを用いても良い。その場合、電子ブロック層が基板に格子整合するので、結晶性も良くなる。
InAlNは大きなバンドギャップボウイングを示すIII族窒化物半導体である。InAlNの使用について検討した。InAlNがGaNに格子整合するとき(格子整合条件:In組成が0.177〜0.261)、この組成のInAlN(例えば、a軸方向の格子定数が一致するときは、In組成が0.177である)におけるバンドギャップは2.8eVであり、この値はGaNのバンドギャップより低い。これ故に、InAlNがGaNに格子整合又は格子整合に近い組成であるとき、InAlNを高屈折率の光ガイド層として使用可能である。
図6に示される工程フローを参照しながら、図7に示されるレーザダイオードを作製した。工程S101では、c面に対してm軸方向に75度の角度で傾斜した半極性面を有するGaN基板71を準備した。この面方位は、{20−21}面である。まず、工程S102では、GaN基板71を成長炉内に設置した。工程S103では、摂氏1050度の温度及び27kPaの炉内圧力において、NH3とH2を流しながら10分間熱処理を行った。この熱処理による表面改質によって、基板表面に、オフ角によって規定されるテラス構造が形成された。この熱処理の後に、工程S104では、III族窒化物半導体領域が成長される。工程S104では、厚さ1.2μmのn型InAlGaN層72を半極性GaN面上に摂氏920度の温度で成長した。そのIn組成は0.03であり、Al組成は0.14であった。次の工程S105では、摂氏1050度の温度に基板温度を変更した後に、厚さ0.4μmのn型GaN層73aをn型InAlGaN層72上に成長した。続けて、摂氏750度の基板温度で厚さ0.15μmのn型InGaN層73bを成長した。このInGaNのIn組成は0.07であった。
図8に示されるレーザダイオードを作製した。c面に対してm軸方向に75度の角度で傾斜した半極性面を有するGaN基板81を準備した。この面方位は、{20−21}面である。まず、GaN基板81を成長炉内に設置した。摂氏1050度の温度及び27kPaの炉内圧力において、NH3とH2を流しながら10分間熱処理を行った。この熱処理の後に、厚さ1.2μmのn型InAlGaN層82を半極性GaN面上に摂氏920度の温度で成長した。そのIn組成は0.03であり、Al組成は0.14であった。次に、摂氏1050度の温度に基板温度を変更した後に、厚さ0.4μmのn型GaN層83aをn型InAlGaN層82上に成長した。続けて、摂氏750度の基板温度で厚さ0.15μmのn型InAlN層83bを成長した。このInAlNのIn組成は0,27であった。
図9に示される発光ダイオードを作製した。c面に対してm軸方向に75度の角度で傾斜した半極性面を有するGaN基板91を準備した。この面方位は、{20−21}面である。まず、GaN基板91を成長炉内に設置した。摂氏1050度の温度及び27kPaの炉内圧力において、NH3とH2を流しながら10分間熱処理を行った。この熱処理の後に、厚さ2μmのn型GaN層92を半極性GaN面上に摂氏1050度の温度で成長した。次に、摂氏750度の温度に基板温度を変更した後に、厚さ0.10μmのn型InGaNバッファ層93aをn型GaN層92上に成長した。
図10に示される発光ダイオードを作製した。c面に対してm軸方向に75度の角度で傾斜した半極性面を有するGaN基板91を準備した。この面方位は、{20−21}面である。まず、GaN基板91を成長炉内に設置した。摂氏1050度の温度及び27kPaの炉内圧力において、NH3とH2を流しながら10分間熱処理を行った。この熱処理の後に、厚さ2μmのn型GaN層92を半極性GaN面上に摂氏1050度の温度で成長した。次に、摂氏750度の温度に基板温度を変更した後に、厚さ0.10μmのn型InAlNバッファ層93bをn型GaN層92上に成長した。
Claims (17)
- III族窒化物半導体発光素子であって、
III族窒化物半導体からなる基板と、
前記基板の主面上に設けられた第1のIII族窒化物半導体領域と、
前記基板の前記主面上に設けられた第2のIII族窒化物半導体領域と、
前記第1のIII族窒化物半導体領域と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた第1の光ガイド層と、
前記活性層と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた第2の光ガイド層と、
を備え、
前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のc軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該III族窒化物半導体のm軸の方向に63度以上80度未満の範囲の傾斜角で傾斜し、
前記第1のIII族窒化物半導体領域は第1導電型半導体層を含み、
前記第2のIII族窒化物半導体領域は第2導電型半導体層を含み、
前記第1のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第2のIII族窒化物半導体領域は、前記基板の前記主面の法線軸の方向に配列されており、
前記活性層は、580nm以上800nm以下の波長範囲の光を生成するように設けられており、
前記活性層は半導体エピタキシャル層を含み、
前記半導体エピタキシャル層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記窒化ガリウム系半導体はIII族構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は0.35以上0.65以下であり、
前記窒化ガリウム系半導体のc軸は前記法線軸に対して傾斜しており、
前記基準軸の向きは前記III族窒化物半導体の[0001]軸及び[000−1]軸のいずれかの方向であり、
前記第1の光ガイド層及び前記第2の光ガイド層の総厚は0.7μm以上であり、
前記第1の光ガイド層は、第1光ガイド部及び第2光ガイド部を含み、
前記第2光ガイド部の屈折率は前記第1光ガイド部の屈折率より大きく、
前記第1光ガイド部は前記第2光ガイド部と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記第2光ガイド部は前記第1光ガイド部と前記活性層との間に設けられ、
前記第2光ガイド部はInAlN層を含み、
前記第1光ガイド部は、InGaN層、InAlGaN層、InAlN層、及びGaN層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。 - 前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のm軸の方向に前記基準軸に直交する面から70度以上の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項1に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のm軸の方向に前記基準軸に直交する面から71度以上79度以下の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記III族窒化物半導体のa軸方向のオフ角は有限の値であり、
また−3度以上+3度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。 - 前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体の{20−21}面及び{20−2−1}面のいずれかから該III族窒化物半導体のm軸の方向に−3度以上+3度以下の範囲の角度で傾斜した半導体面である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記活性層は単一量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記活性層は、650nmより大きく800nm以下の波長範囲の光を生成するように設けられている、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記第1の光ガイド層及び前記第2の光ガイド層の総厚は、0.9μm以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記第1の光ガイド層は、インジウム組成0.07以上の第1のInGaN層を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記第1の光ガイド層は第1のInAlN層を含み、
前記第1のInAlN層の屈折率はGaNの屈折率より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。 - 前記第1のInAlN層の格子定数はGaNに格子整合する、ことを特徴とする請求項10に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記第2の光ガイド層は、インジウム組成0.07以上の第2のInGaN層を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。
- 前記第2の光ガイド層は第2のInAlN層を含み、
前記第2のInAlN層の屈折率はGaNの屈折率より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。 - 前記基板はGaNからなり、
前記第1の光ガイド層は、InX1AlY1Ga1−X1−Y1N層(0≦X1≦1、0≦Y1≦1)及びGaN層を含み、
前記第2の光ガイド層は、InX2AlY2Ga1−X2−Y2N層(0≦X2≦1、0≦Y2≦1)及びGaN層を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。 - 前記第2導電型はp型であり、
前記第1導電型はn型であり、
当該III族窒化物半導体光素子は、前記活性層と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた電子ブロック層を更に備え、
前記電子ブロック層は前記基板の材料と同じである、ことを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体光素子。 - III族窒化物半導体光素子のためのエピタキシャル基板であって、
III族窒化物半導体からなる基板と、
前記基板の主面上に設けられた第1のIII族窒化物半導体領域と、
前記基板の前記主面上に設けられた第2のIII族窒化物半導体領域と、
前記第1のIII族窒化物半導体領域と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた第1の光ガイド層と、
前記活性層と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられた第2の光ガイド層と、
を備え、
前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のc軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該III族窒化物半導体のm軸の方向に63度以上80度未満の範囲の傾斜角で傾斜し、
前記第1のIII族窒化物半導体領域は第1導電型半導体層を含み、
前記第2のIII族窒化物半導体領域は第2導電型半導体層を含み、
前記活性層は、580nm以上800nm以下の波長範囲の光を生成するように設けられており、
前記活性層は半導体エピタキシャル層を含み、
前記半導体エピタキシャル層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記窒化ガリウム系半導体はIII族構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は0.35以上0.65以下であり、
前記III族窒化物半導体のc軸は前記基準軸に対して傾斜しており、
前記基準軸の向きは前記III族窒化物半導体の[0001]軸及び[000−1]軸のいずれかの方向であり、
前記第1の光ガイド層及び前記第2の光ガイド層の総厚は0.7μm以上であり、
前記第1の光ガイド層は、第1光ガイド部及び第2光ガイド部を含み、
前記第2光ガイド部の屈折率は前記第1光ガイド部の屈折率より大きく、
前記第1光ガイド部は前記第2光ガイド部と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記第2光ガイド部は前記第1光ガイド部と前記活性層との間に設けられ、
前記第2光ガイド部はInAlN層を含み、
前記第1光ガイド部は、InGaN層、InAlGaN層、InAlN層、及びGaN層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とするエピタキシャル基板。 - III族窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
III族窒化物半導体からなる基板を準備する工程と、
前記基板の主面上に第1のIII族窒化物半導体領域を成長する工程と、
第1の光ガイド層を成長する工程と、
580nm以上800nm以下の波長範囲の光を前記基板の前記主面上に生成する活性層を成長する工程と、
第2の光ガイド層を成長する工程と、
前記基板の前記主面上に第2のIII族窒化物半導体領域を成長する工程と、
を備え、
前記第1の光ガイド層は前記活性層と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記第2の光ガイド層は前記活性層と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記活性層は、前記第1のIII族窒化物半導体領域と前記第2のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のc軸に沿って延びる基準軸に直交する面から該III族窒化物半導体のm軸の方向に63度以上80度未満の範囲の傾斜角で傾斜し、
前記第1のIII族窒化物半導体領域は第1導電型半導体層を含み、
前記第2のIII族窒化物半導体領域は第2導電型半導体層を含み、
前記活性層は半導体エピタキシャル層を含み、
前記半導体エピタキシャル層は窒化ガリウム系半導体からなり、
前記窒化ガリウム系半導体はIII族構成元素としてインジウムを含み、
前記半導体エピタキシャル層のインジウム組成は0.35以上0.65以下であり、
前記III族窒化物半導体のc軸は前記基準軸に対して傾斜しており、
前記基準軸の向きは、前記III族窒化物半導体の[0001]軸及び[000−1]軸のいずれかの方向であり、
前記第1の光ガイド層及び前記第2の光ガイド層の総厚は0.7μm以上であり、
前記第1の光ガイド層は、第1光ガイド部及び第2光ガイド部を含み、
前記第2光ガイド部の屈折率は前記第1光ガイド部の屈折率より大きく、
前記第1光ガイド部は前記第2光ガイド部と前記第1のIII族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記第2光ガイド部は前記第1光ガイド部と前記活性層との間に設けられ、
前記第2光ガイド部はInAlN層を含み、
前記第1光ガイド部は、InGaN層、InAlGaN層、InAlN層、及びGaN層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする方法。
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