JP6159796B2 - 窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子 - Google Patents
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Description
III族窒化物半導体より成る第1半導体層と、第2半導体層と、第1組成傾斜層と、第2組成傾斜層とを備えており、前記第1半導体層と第2半導体層とを複数組交互に積層して作製した窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
前記第1半導体層のAl組成は前記第2半導体層のAl組成よりも高く、
前記第1半導体層と第2半導体層との間であって、前記第1半導体層のIII族元素面側に、前記第2半導体層に近づくにつれてAl組成が低くなるように調整された第1組成傾斜層が介在しており、
前記第1半導体層と第2半導体層との間であって、前記第1半導体層の窒素面側に、前記第2半導体層に近づくにつれてAl組成が低くなるように調整された第2組成傾斜層が介在しており、
前記第1半導体層、第2半導体層、前記第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがなく連続しており、
前記第1組成傾斜層におけるn型不純物濃度は5×1019cm-3以上であることを特徴とする。
第1発明の窒化物半導体多層膜反射鏡を有していることを特徴とする。
図1に示すように、第2組成傾斜AlGaN層(第2組成傾斜層)103/Al0.5Ga0.5N層(第1半導体層)104/第1組成傾斜AlGaN層(第1組成傾斜層)105/GaN層(第2半導体層)106の順に積層した積層構造を1ペアとする窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第1半導体層104はAl0.5Ga0.5Nを選択した。そして、第2半導体層106はGaNを選択した。第1半導体層104のAl組成値が高すぎると、第2半導体層106であるGaNとの格子不整合が大きくなりすぎるため、結晶性が劣化し、それに伴って反射率が低下する。逆に、第1半導体層104のAl組成値が低すぎると、第1半導体層104、及び第2半導体層106の屈折率段差が小さくなるため、反射率が低下する。このため、第1半導体層104のAl組成値は0.4〜0.6とすることが望ましい。本実施例1においては、第1半導体層104はAl組成値を0.5にした。第2組成傾斜AlGaN層103はGaNからAl0.5Ga0.5Nへと徐々にAl組成値が単調増加するAlGaNを用いた。また、第1組成傾斜AlGaN層105はAl0.5Ga0.5NからGaNへと徐々にAl組成値が単調減少するAlGaNを用いた。そして、多層膜反射鏡の中心反射波長は400nmとし、それに基づいて、第2組成傾斜AlGaN層103の膜厚を10nm、Al0.5Ga0.5N層104の膜厚を34nm、第1組成傾斜AlGaN層105の膜厚を10nm、及びGaN層106の膜厚を30nmと設定した。
図7に示すように、第2組成傾斜AlInN層(第2組成傾斜層)501/Al0.85In0.15N層(第1半導体層)502/第1組成傾斜AlInN層(第1組成傾斜層)503/GaN層(第2半導体層)106の積層構造を1ペアとする窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第1半導体層502、第1組成傾斜層503、及び第2組成傾斜層501のAlGaNに替えて、AlInNを用いている点が実施例1と異なっている。第1半導体層502として、Al0.85In0.15Nを選択した。そして、第2半導体層106として、実施例1と同様にGaNを選択した。GaNと格子整合させるために、第1半導体層502のAl組成値を0.83としても良いが、第1組成傾斜AlInN層503、及び第2組成傾斜AlInN層501は圧縮歪が内在する。よって、第1半導体層502のAl組成値を0.85にすることで引張歪を内在させ、多層膜全体での累積歪をできるだけ低減させた。第2組成傾斜AlInN層501は、GaNの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位と略一致するAlInNのAl組成値0.6から第1半導体層502のAl組成値0.85へと徐々にAl組成が単調増加するAlInNを用いた。また、第1組成傾斜AlGaN層503は、0.85から0.6へと徐々にAl組成値が単調減少するAlInNを用いた。これによって、第1半導体層502、第2半導体層106、第1組成傾斜層503、及び第2組成傾斜層501の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位の変化はなだらかになり、電子に対するエネルギー障壁を低減することができる。また、多層膜反射鏡の中心反射波長は400nmとし、それに基づいて第2組成傾斜AlInN層501の膜厚を10nm、Al0.85In0.15N層502の膜厚を32nm、第1組成傾斜AlInN層503の膜厚を10nm、及びGaN層106の膜厚を30nmと設定した。
図9に示すように、第2組成傾斜AlGaN層(第2組成傾斜層)601/Al0.82In0.18N層(第1半導体層)602/第1組成傾斜AlGaN層(第1組成傾斜層)603/GaN層(第2半導体層)106の積層構造を1ペアとする49.5ペア積層の窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第1組成傾斜層603、及び第2組成傾斜層601にAlInNに替えて、AlGaNを用いている点が実施例2と異なっている。第1半導体層602として、Al0.82In0.18Nを選択した。そして、第2半導体層106として、実施例1及び2と同様にGaNを選択した。GaNと格子整合させるために、第1半導体層602のAl組成値を0.83としても良いが、第1組成傾斜AlGaN層603、及び第2組成傾斜AlGaN層601は引張歪が内在する。このため、第1半導体層602のAl組成値を0.82にすることで圧縮歪を内在させ、多層膜全体での累積歪をできるだけ低減させた。第2組成傾斜AlGaN層601は、Al組成が0から第1半導体層602であるAl0.82In0.18Nの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位に一致する0.5へと徐々にAl組成値が単調増加するAlGaNを用いた。また、第1組成傾斜AlGaN層603は、0.5から0へと徐々にAl組成値が単調減少するAlGaNを用いた。これによって、第1半導体層602、第2半導体層106、第1組成傾斜層603、及び第2組成傾斜層601の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位の変化はなだらかになり、電子に対するエネルギー障壁を低減することができる。また、多層膜反射鏡の中心反射波長は400nmにし、これに基づいて第2組成傾斜AlGaN層601の膜厚を10nm、Al0.82In0.18N層602の膜厚を32nm、第1組成傾斜AlGaN層603の膜厚を10nm、GaN層106の膜厚を30nmに設定した。窒化物半導体反射鏡の作製手順については実施例1及び2と同様であり、詳細な説明は割愛する。
(1)実施例1〜3では、基板としてGaN自立基板を用いたが、これに限らず、発振波長に対して高い透過性を有しているサファイア基板やZnO(酸化亜鉛)基板等を用いてもよい。
(2)実施例1〜3では、MOCVD法(有機金属気相成長法)によって、窒化物半導体多層膜を成膜したが、これに限らず、HVPE法(ハイドライド気相成長法)やMBE法(分子線エピタキシー法)、スパッタリング法やレーザアブレーション法を用いて成膜してもよい。
(3)実施例1〜3では、窒化物多層膜反射鏡を作製する原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)を用いたが、これに限らず、トリエチルガリウム(TEGa)、トリエチルインジウム(TEIn)、トリエチルアルミニウム(TEAl)などを用いてもよい。
(4)実施例1〜3では、キャリアガスに水素や窒素を用いたが、これに限らず、他の活性ガスやアルゴンなどの他の不活性ガスを用いても良く、それらを混合して用いてもよい。
(5)実施例1〜3では、n型、p型不純物にそれぞれSi、Mgを用いたが、これに限らず、GeやZn、Be等であってもよい。
(6)実施例1〜3では、第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層のAl組成を制御するために、原料供給量を変化させたが、これに限らず、基板温度等を変化させてもよい。
(7)実施例1〜3では、第1半導体層、第2半導体層、第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層にGaN、AlGaN、AlInNを用いたが、これに限らず、AlNやAlGaInNを用いてもよい。
(8)実施例1〜3では、窒化物多層膜反射鏡を構成する第1半導体層、及び第2半導体層のペア数を49.5ペアとしたが、ペア数に制限はない。
(9)実施例1〜3では、発光素子に一波長共振器構造を採用したが、これに限らず、二波長以上の共振器構造を用いてもよい。
(10)実施例1〜3では、発光素子のn側電極を基板の表面側に形成したが、導電性を有する基板であれば、裏面側に形成してもよい。
(11)実施例1〜3では、発光素子として面発光レーザを例示したが、その他の多層膜反射鏡を有する発光素子であってもよい。
104…Al0.5Ga0.5N層(第1半導体層)
105、603…第1組成傾斜AlGaN層(第1組成傾斜層)
106…GaN層(第2半導体層)
501…第2組成傾斜AlInN層(第2組成傾斜層)
502…Al0.85In0.15N層(第1半導体層)
503…第1組成傾斜AlInN層(第1組成傾斜層)
602…Al0.82In0.18N層(第1半導体層)
Claims (5)
- III族窒化物半導体より成る第1半導体層と、第2半導体層と、第1組成傾斜層と、第2組成傾斜層とを備えており、前記第1半導体層と第2半導体層とをGa面上に複数組交互に積層して作製した窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
前記第1半導体層のAl組成は前記第2半導体層のAl組成よりも高く、
前記第1半導体層と第2半導体層との間であって、前記第1半導体層のIII族元素面側に、前記第2半導体層に近づくにつれてAl組成が低くなるように調整された第1組成傾斜層が介在しており、
前記第1半導体層と第2半導体層との間であって、前記第1半導体層の窒素面側に、前記第2半導体層に近づくにつれてAl組成が低くなるように調整された第2組成傾斜層が介在しており、
前記第1半導体層、第2半導体層、前記第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがなく連続しており、
光定在波の腹が形成される前記第1組成傾斜層におけるn型不純物濃度は5×1019cm−3以上であり、光定在波の節が形成される前記第2組成傾斜層を含む他の領域におけるn型不純物濃度は1×1019cm−3未満であることを特徴とする窒化物半導体多層膜反射鏡。 - 前記第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層の膜厚は、それぞれ20nm以下であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
- 前記第1半導体層と第2半導体層はそれぞれ、AlGaN層とGaN層であって、前記AlGaN層のAl組成値は0.4から0.6であり、
前記第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層は、AlGaN層であって、そのAl組成は0から前記Al組成値まで組成傾斜していることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。 - 前記第1半導体層、及び前記第2半導体層は、それぞれ、AlInN層とGaN層であって、前記AlInN層のAl組成値は0.82から0.85であり、
前記第1組成傾斜層、及び第2組成傾斜層は、AlInN層であって、そのAl組成は0.6から前記Al組成値まで組成傾斜していることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。 - 請求項1乃至4のいずれか1項記載の窒化物半導体多層膜反射鏡を有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
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