JP6649324B2 - Nitride semiconductor ultraviolet light emitting device and method of manufacturing nitride semiconductor ultraviolet light emitting device - Google Patents

Nitride semiconductor ultraviolet light emitting device and method of manufacturing nitride semiconductor ultraviolet light emitting device Download PDF

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Description

本発明は、サファイアから成る基板の上側にAlGaN系の活性層を形成して成る窒化物半導体発光素子に関し、特に、ピーク発光波長が紫外領域にある窒化物半導体紫外線発光素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having an AlGaN-based active layer formed on a substrate made of sapphire, and more particularly to a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having a peak emission wavelength in an ultraviolet region.

従来、GaN系の窒化物半導体を活性層に用いた窒化物半導体青色発光素子が、広く普及している。しかし、これよりも発光波長が短いAlGaN系の窒化物半導体を活性層に用いた窒化物半導体紫外線発光素子は、依然として十分には普及していない。   Conventionally, a nitride semiconductor blue light-emitting device using a GaN-based nitride semiconductor for an active layer has been widely used. However, a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device using an AlGaN-based nitride semiconductor having an emission wavelength shorter than that for the active layer has not yet been widely used.

この一因として、主にAlN及びGaNの混晶から成るAlGaN系の窒化物半導体では、GaNにおけるGaとNの結合力と比較して、AlNにおけるAlとNの結合力が極めて大きいという特殊な事情があるために、高品質な結晶の成長が難しいということが挙げられる。特に、AlGaN系の窒化物半導体の成長方法として、既に確立しているGaN系の窒化物半導体の成長方法を採用したとしても、GaNと同程度の高品質な結晶を作成することはできないため、問題となる。   One reason for this is that, in an AlGaN-based nitride semiconductor mainly composed of a mixed crystal of AlN and GaN, the bonding force between Al and N in AlN is extremely large as compared with the bonding force between Ga and N in GaN. It is difficult to grow a high-quality crystal due to circumstances. In particular, even if an already established method of growing a GaN-based nitride semiconductor is adopted as a method of growing an AlGaN-based nitride semiconductor, a high-quality crystal comparable to GaN cannot be produced. It becomes a problem.

そこで、AlGaN系の窒化物半導体の結晶性を改善させるための様々な方法が、例えば特許文献1〜4において提案されている。具体的に、特許文献1では、サファイア基板上のバッファ層を、AlNとGaNとが交互に積層された複数のペア層から形成することによって、AlNに生じたクラックが上方に伸びることを抑制するという方法が提案されている。また、特許文献2では、サファイア基板上にAlNから成るバッファ層を形成する際に、Nの原料ガスであるNHをパルス供給する期間を設けることによって、AlN層の成長速度を局所的に低減して貫通転位を減少させる方法が提案されている。また、特許文献3では、サファイア基板上に形成したAlGaNから成る島状の核を、当該核よりもAl組成比が大きいAlGaNバッファ層で覆い尽くすことで、貫通転位を減少させる方法が提案されている。また、特許文献4では、サファイア基板のオフ角を最適化することによって、基板の上方に形成されるAlGaN系の窒化物半導体の結晶性を改善する方法が提案されている。 Therefore, various methods for improving the crystallinity of an AlGaN-based nitride semiconductor have been proposed in Patent Documents 1 to 4, for example. Specifically, in Patent Literature 1, by forming a buffer layer on a sapphire substrate from a plurality of paired layers in which AlN and GaN are alternately stacked, cracks generated in AlN are suppressed from extending upward. Has been proposed. Further, in Patent Document 2, when a buffer layer made of AlN is formed on a sapphire substrate, a period for supplying a pulse of NH 3 as a source gas of N is provided to locally reduce the growth rate of the AlN layer. A method for reducing threading dislocations has been proposed. Patent Document 3 proposes a method of reducing threading dislocations by covering an AlGaN island nucleus formed on a sapphire substrate with an AlGaN buffer layer having a higher Al composition ratio than the nucleus. I have. Patent Document 4 proposes a method for improving the crystallinity of an AlGaN-based nitride semiconductor formed above a sapphire substrate by optimizing the off-angle of the substrate.

特開2006−66641号公報JP 2006-66641 A 特開2009−54780号公報JP 2009-54780 A 特開2013−222746号公報JP 2013-222746 A 国際公開第2013/021464号パンフレットWO 2013/021464 pamphlet

上記の特許文献1〜4で提案されている方法は、いずれも基板または基板表面に形成されるバッファ層を最適化することによって、その上方に形成される窒化物半導体層の結晶性の改善を図るものである。   The methods proposed in Patent Documents 1 to 4 described above all improve the crystallinity of the nitride semiconductor layer formed thereon by optimizing the buffer layer formed on the substrate or the substrate surface. It is intended.

確かに、結晶成長の開始地点である基板やバッファ層を最適化すれば、その上方の窒化物半導体層の結晶性の改善を見込むことができる。しかしながら、このような方法で改善を見込むことができるのは、クラックや貫通転位などの下地から上方の各層に伝搬されるような、素子全体に生じる欠陥のみである。そのため、これらの方法を採用したところで、発光が生じる活性層が必ずしも最適化されるとは限らない。したがって、上記の特許文献1〜4で提案される方法を採用することで得られる窒化物半導体紫外線発光素子では、必ずしも光出力が改善されるとは限らないため、問題となる。   Certainly, by optimizing the substrate and the buffer layer, which are the starting points of the crystal growth, it is possible to expect improvement in the crystallinity of the nitride semiconductor layer thereabove. However, only the defects such as cracks and threading dislocations, which propagate from the base to the respective layers above, such as cracks and threading dislocations, which can be expected to be improved by this method, occur in the entire device. Therefore, when these methods are adopted, the active layer in which light emission occurs is not always optimized. Therefore, in the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device obtained by adopting the methods proposed in Patent Documents 1 to 4, the light output is not always improved, which causes a problem.

そこで、本発明は、光出力が良好な活性層を有する窒化物半導体紫外線発光素子を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having an active layer with good light output.

上記目的を達成するため、本発明は、(0001)面に対して傾斜することで多段状のテラスが形成された表面を有するサファイアから成る基板と、前記基板の表面上に形成されるAlN層と、を含む下地部と、前記下地部の表面上に形成される、AlGaN系半導体層を有する活性層を含む発光部と、を備え、少なくとも、前記下地部の前記AlN層、前記発光部における前記活性層及びその間の各層が、多段状のテラスの側面が成長することで二次元成長するステップフロー成長によって形成されており、前記活性層が、AlGa1−XN(0<X<1)で構成される井戸層を少なくとも1つ含む量子井戸構造を有し、前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、前記井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate made of sapphire having a surface on which a multi-step terrace is formed by being inclined with respect to a (0001) plane, and an AlN layer formed on the surface of the substrate And a light-emitting portion formed on the surface of the base portion and including an active layer having an AlGaN-based semiconductor layer, wherein at least the AlN layer of the base portion and the light-emitting portion The active layer and each layer between them are formed by step flow growth in which two-dimensional growth is performed by growing side surfaces of a multi-stage terrace, and the active layer is formed of Al X Ga 1-X N (0 <X < 1) having a quantum well structure including at least one well layer, wherein the average roughness in a 25 μm square region on the surface of the active layer is not less than the thickness of the well layer and not more than 10 nm. To provide a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device characterized Rukoto.

この窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層の表面における平均粗さが井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になるようなステップフロー成長によって、活性層(特に、井戸層)においてGaの偏析を生じさせることで、活性層の光出力を増大させることができる。   According to this nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, the segregation of Ga in the active layer (particularly, the well layer) is performed by the step flow growth such that the average roughness on the surface of the active layer is not less than the thickness of the well layer and not more than 10 nm. , The light output of the active layer can be increased.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、3nm以上になるようにすると、好ましい。   Further, in the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, it is preferable that the average roughness in a 25 μm square region is 3 nm or more on the surface of the active layer included in the light emitting portion.

この窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層(特に、井戸層)において、Gaの偏析が十分に生じる。そのため、活性層の光出力を十分に増大させることができる。   According to this nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, Ga segregation sufficiently occurs in the active layer (particularly, the well layer). Therefore, the light output of the active layer can be sufficiently increased.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、6nm以下になるようにすると、好ましい。   In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, it is preferable that the average roughness in a 25 μm square region is 6 nm or less on the surface of the active layer included in the light emitting portion.

この窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層の光出力を顕著に増大させることができる。   According to this nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, the light output of the active layer can be significantly increased.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記発光部に含まれる、前記活性層の直前に形成される層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、前記井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になるようにすると、好ましい。また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記活性層と前記発光部に含まれる前記活性層の直前に形成される層とのそれぞれの表面における25μm四方の領域における平均粗さの差分の絶対値を、前記活性層の表面における25μm四方の領域における平均粗さで除した割合が、10%以下になるようにすると、好ましい。   In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, an average roughness in a 25 μm square region on a surface of a layer included in the light emitting portion and formed immediately before the active layer has a thickness of the well layer. It is preferable that the thickness is not less than 10 nm. Further, in the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, the difference between the average roughness in the 25 μm square region on each surface of the active layer and the layer formed immediately before the active layer included in the light emitting part is obtained. It is preferable that the ratio obtained by dividing the absolute value by the average roughness in a 25 μm square area on the surface of the active layer is 10% or less.

これらの窒化物半導体紫外線発光素子によれば、成長表面における平均粗さが維持された一様な成長によって活性層が形成されるため、活性層(特に、井戸層)においてGaの偏析を確実に生じさせることができる。したがって、活性層の光出力を増大させることができる。   According to these nitride semiconductor ultraviolet light emitting devices, the active layer is formed by uniform growth while maintaining the average roughness on the growth surface, so that segregation of Ga in the active layer (particularly, well layer) is ensured. Can be caused. Therefore, the light output of the active layer can be increased.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記下地部に含まれる前記AlN層の表面において、上面視で、前記基板の傾斜方向におけるテラスの平均的な幅が、0.3μm以上かつ1μm以下であると、好ましい。また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記下地部に含まれる前記AlN層の表面において、テラスが形成する段差の平均的な高さが、8nm以上かつ14nm以下であると、好ましい。   In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, an average width of a terrace in a tilt direction of the substrate is 0.3 μm or more and 1 μm on a surface of the AlN layer included in the base portion when viewed from above. The following is preferable. In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, it is preferable that an average height of a step formed by a terrace is 8 nm or more and 14 nm or less on the surface of the AlN layer included in the base portion.

これらの窒化物半導体紫外線発光素子によれば、このAlN層を有する下地部の表面上に発光部を形成することで、上述のようなステップフロー成長によってGaの偏析が生じることから光出力が良好である活性層を得ることができる。   According to these nitride semiconductor ultraviolet light emitting devices, by forming the light emitting portion on the surface of the underlying portion having the AlN layer, Ga segregation occurs due to the step flow growth as described above, so that the light output is good. Can be obtained.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における高さの度数分布が、高さが0から増大するにつれて、下に凸の曲線から上に凸の曲線に変曲しつつ単調増加して極大値をとった後、上に凸の曲線から下に凸の曲線に変曲しつつ単調減少する曲線状になると、好ましい。   In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, the frequency distribution of the height in a 25 μm square region on the surface of the active layer included in the light emitting portion is convex downward as the height increases from 0. It is preferable that the curve becomes monotonically increasing while taking a maximum value while changing from the curve to an upwardly convex curve, and then becomes monotonically decreasing while changing from an upwardly convex curve to a downwardly convex curve.

この窒化物半導体紫外線発光素子によれば、ヒロックの影響が小さくステップフロー成長が支配的であることからGaの偏析が生じて光出力が良好である活性層を得ることができる。   According to this nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, since the influence of hillocks is small and the step flow growth is dominant, Ga segregation occurs and an active layer with good light output can be obtained.

また、上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子において、ピーク発光波長が、230nm以上かつ340nm以下であると、好ましい。   In the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, it is preferable that the peak emission wavelength is 230 nm or more and 340 nm or less.

この窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層(特に、井戸層)においてGaの偏析を十分に生じさせて光出力を増大させるとともに、発光スペクトルの形状が崩れたり発光強度が低下したりするなどの問題を生じさせ難くすることができる。   According to this nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, Ga segregation is sufficiently generated in the active layer (particularly, the well layer) to increase the light output, and at the same time, the shape of the light emission spectrum is broken or the light emission intensity is reduced. And other problems can be prevented.

上記特徴の窒化物半導体紫外線発光素子によれば、活性層の表面における平均粗さが井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になるようなステップフロー成長によって、活性層(特に、井戸層)においてGaの偏析を生じさせることで、活性層の光出力を増大させることができる。したがって、光出力が良好な活性層を有する窒化物半導体紫外線発光素子を得ることが可能になる。   According to the nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having the above characteristics, Ga in the active layer (particularly, the well layer) is formed by the step flow growth such that the average roughness on the surface of the active layer is not less than the thickness of the well layer and not more than 10 nm. By causing the segregation, the light output of the active layer can be increased. Therefore, it is possible to obtain a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device having an active layer with a good light output.

本発明の実施形態に係る発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part schematically showing an example of a structure of a light emitting device according to an embodiment of the present invention. 原子レベルまで拡大したオフ基板の表面の状態を模式的に示した斜視図。The perspective view which showed typically the state of the surface of the off-substrate expanded to the atomic level. p電極及びn電極側から見た発光素子を模式的に示した平面図。FIG. 4 is a plan view schematically showing a light emitting element viewed from a p-electrode and an n-electrode side. 試料1〜5の活性層の表面の状態を示すAFM像。9 is an AFM image showing the state of the surface of the active layer of Samples 1 to 5. 試料1〜5の活性層の表面における高さの度数分布を示すヒストグラム。9 is a histogram showing a frequency distribution of heights on the surfaces of the active layers of Samples 1 to 5. 試料1におけるn型クラッド層及び活性層のそれぞれの表面の状態を比較して示す図。FIG. 4 is a diagram showing a comparison between respective surface states of an n-type cladding layer and an active layer in Sample 1. 試料3におけるn型クラッド層及び活性層のそれぞれの表面の状態を比較して示す図。FIG. 9 is a diagram showing a comparison between respective surface states of an n-type cladding layer and an active layer in Sample 3. 試料4におけるn型クラッド層及び活性層のそれぞれの表面の状態を比較して示す図。FIG. 9 is a diagram showing a comparison between respective surface states of an n-type cladding layer and an active layer in Sample 4. 試料1〜5の発光特性(光出力)を示すグラフ。7 is a graph showing light emission characteristics (light output) of Samples 1 to 5. 試料1〜5の発光特性(ピーク発光波長、半値幅)を示すグラフ。7 is a graph showing emission characteristics (peak emission wavelength, half width) of Samples 1 to 5. 試料1の下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。6 is an AFM image showing a state of a surface of an AlN layer in a base portion of Sample 1; 試料Aの下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。6 is an AFM image showing a state of a surface of an AlN layer in a base portion of a sample A. 試料2の下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。7 is an AFM image showing a state of a surface of an AlN layer in a base portion of Sample 2. 試料3の下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。9 is an AFM image showing a state of a surface of an AlN layer in a base portion of Sample 3. 試料4の下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。9 is an AFM image showing the state of the surface of the AlN layer in the base portion of Sample 4. 試料5の下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像。9 is an AFM image showing a state of a surface of an AlN layer in a base portion of Sample 5. 井戸層のAlNモル分率(ピーク発光波長)が異なる複数の試料の発光スペクトルを示すスペクトル図。FIG. 4 is a spectrum diagram showing emission spectra of a plurality of samples having different AlN mole fractions (peak emission wavelengths) of well layers. 各試料のピーク発光波長と半値幅との関係を示すグラフ。5 is a graph showing the relationship between the peak emission wavelength and the half width of each sample.

本発明に係る窒化物半導体紫外線発光素子(以下、単に「発光素子」と略称する)の実施形態につき、図面に基づいて説明する。以下において説明する実施形態は、本発明に係る発光素子を発光ダイオードとして実施した場合の一つの形態に過ぎず、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係る発光素子は、半導体レーザなど他の発光素子として実施することも可能であるし、下記の実施形態とは異なる構成の発光ダイオードとして実施することも可能である。   An embodiment of a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device (hereinafter, simply referred to as “light emitting device”) according to the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is merely one embodiment in which the light emitting element according to the present invention is implemented as a light emitting diode, and the present invention is not limited to the following embodiment. For example, the light-emitting device according to the present invention can be implemented as another light-emitting device such as a semiconductor laser, or can be implemented as a light-emitting diode having a different configuration from the following embodiments.

<発光素子の構造例>
最初に、本発明の実施形態に係る発光素子の構造の一例について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。なお、図1では、説明の理解を容易にするために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。
<Structural example of light emitting element>
First, an example of a structure of a light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a main part of an example of the structure of a light emitting device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, in order to facilitate understanding of the description, the main part is emphasized and the invention is schematically shown, and thus the dimensional ratio of each part is not always the same as the actual element. Absent.

図1に示すように、本発明の実施形態に係る発光素子1は、下地部10と、当該下地部10の表面(図1中の上側の面。なお、図1中の下側の面は「裏面」と称する。以下同じ。)に形成される発光部20と、発光素子1(特に、発光部20)に電力を供給するためのp電極30及びn電極40と、を備える。下地部10は、発光部20を形成するための土台に相当する部分である。発光部20は、発光に必要な各種の層によって構成される部分である。   As shown in FIG. 1, the light emitting element 1 according to the embodiment of the present invention includes a base portion 10 and a surface of the base portion 10 (an upper surface in FIG. 1. A lower surface in FIG. The light-emitting portion 20 is formed on the “back surface”; the same applies hereinafter), and the p-electrode 30 and the n-electrode 40 for supplying power to the light-emitting element 1 (particularly, the light-emitting portion 20). The base part 10 is a part corresponding to a base for forming the light emitting part 20. The light emitting section 20 is a portion configured by various layers necessary for light emission.

下地部10は、サファイアから成る基板11と、当該基板11の表面上に形成されたAlNで構成されるAlN層12と、を備える。このAlN層12は、約1150〜1300℃となる高い温度で、基板11の表面に対してAlNをエピタキシャル成長させたものである。なお、図1に示す発光素子1では、下地部10が、基板11上にAlN層12のみを備えているかのように図示しているが、必要に応じてAlN層12以外の層を備えてもよい。例えば、AlN層12の上(発光部20の下)に、AlGaNまたはn型AlGaNで構成されるAlGaN層などを追加してもよい。   The underlayer 10 includes a substrate 11 made of sapphire, and an AlN layer 12 made of AlN formed on the surface of the substrate 11. The AlN layer 12 is obtained by epitaxially growing AlN on the surface of the substrate 11 at a high temperature of about 1150 to 1300 ° C. In the light-emitting element 1 shown in FIG. 1, the underlayer 10 is illustrated as if only the AlN layer 12 was provided on the substrate 11, but if necessary, layers other than the AlN layer 12 may be provided. Is also good. For example, an AlGaN layer made of AlGaN or n-type AlGaN may be added on the AlN layer 12 (below the light emitting unit 20).

発光部20は、下地部10側から順番に、n型AlGaNで構成されるn型クラッド層21と、活性層22と、p型AlGaNで構成されるp型クラッド層23と、p型GaNで構成されるp型コンタクト層24と、を備える。n型クラッド層21の上側に形成される活性層22、p型クラッド層23及びp型コンタクト層24は、それぞれの一部が反応性イオンエッチング等により除去されることで、n型クラッド層21の一部の表面が露出している。したがって、n型クラッド層21上の一部の領域(第1領域R1)の上側に、活性層22からp型コンタクト層24までが形成されていることになる。   The light emitting section 20 includes an n-type cladding layer 21 made of n-type AlGaN, an active layer 22, a p-type cladding layer 23 made of p-type AlGaN, and a p-type GaN And a p-type contact layer 24 configured. The active layer 22, the p-type cladding layer 23, and the p-type contact layer 24 formed above the n-type cladding layer 21 are partially removed by reactive ion etching or the like, so that the n-type cladding layer 21 is removed. Some surfaces are exposed. Therefore, above the partial region (first region R1) on the n-type cladding layer 21, the region from the active layer 22 to the p-type contact layer 24 is formed.

p電極30は、例えばNi/Auで構成され、p型コンタクト層24の表面に形成される。n電極40は、例えばTi/Al/Ti/Auで構成され、n型クラッド層21の第1領域R1以外の領域(第2領域R2)の表面の一部に形成される。   The p-electrode 30 is made of, for example, Ni / Au and is formed on the surface of the p-type contact layer 24. The n-electrode 40 is made of, for example, Ti / Al / Ti / Au, and is formed on a part of the surface of a region other than the first region R1 (the second region R2) of the n-type cladding layer 21.

発光素子1では、基板11として、表面がサファイアの(0001)面に対して微小な角度だけ傾斜したオフ基板を用いる。ここで、オフ基板の表面の状態について、図面を参照して説明する。図2は、原子レベルまで拡大したオフ基板の表面の状態を模式的に示した斜視図である。なお、図2では、説明の理解を容易にするために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。   In the light emitting element 1, an off-substrate whose surface is inclined at a small angle with respect to the (0001) plane of sapphire is used as the substrate 11. Here, the state of the surface of the off-substrate will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a perspective view schematically showing the state of the surface of the off-substrate enlarged to the atomic level. In FIG. 2, in order to facilitate understanding of the description, the essential parts are emphasized and the invention is schematically illustrated, and the dimensional ratio of each part is not always the same as the actual element. Absent.

図2に示すように、オフ基板である基板11の表面には多段状のテラスTが形成される。これは、サファイアのバルク単結晶を、(0001)面に対して微小に傾斜した角度(即ち、オフ角θ)で切り出した場合、切り出し方向に沿って(0001)面が表出するからである。なお、オフ角θの大きさや、オフ角を設ける方向(具体的には、(0001)面を傾ける方向であり、例えばm軸方向やa軸方向など)は、基板11上の各層において所望の成長が実現される限りにおいて、任意に決定してもよい。   As shown in FIG. 2, a multi-stage terrace T is formed on the surface of the substrate 11 which is an off-substrate. This is because, when a bulk single crystal of sapphire is cut out at an angle slightly inclined with respect to the (0001) plane (that is, off angle θ), the (0001) plane appears along the cutting direction. . Note that the magnitude of the off angle θ and the direction in which the off angle is provided (specifically, the direction in which the (0001) plane is inclined, for example, the m-axis direction or the a-axis direction) are determined as desired in each layer on the substrate 11. It may be arbitrarily determined as long as growth is realized.

活性層22は、AlGa1−XN(0<X<1)で構成される井戸層22aを少なくとも1つ含む量子井戸構造を備えている。井戸層22aの膜厚は、量子サイズ効果(量子閉じ込め効果)が発現する大きさであり、例えば10nm以下である。また、典型的な量子井戸構造では、井戸層22aが、当該井戸層22aよりもバンドギャップが大きいバリア層22bによって挟持される。例えば、井戸層22aがAlGaNで構成される場合、バリア層22bは、井戸層22aよりもAlNモル分率が大きいAlGaNやn型AlGaNで構成される。なお、活性層22が備える量子井戸構造は、1つの量子井戸構造のみで構成される単一量子井戸構造であってもよいし、複数の量子井戸構造を重ねた多重量子井戸構造であってもよい。また、例えば、井戸層22aの膜厚は2nm以上3nm以下であり、バリア層22bの膜厚は6nm以上8nm以下である。 The active layer 22 has a Al X Ga 1-X N comprising at least one quantum well structure of the well layer 22a composed of (0 <X <1). The thickness of the well layer 22a is such that a quantum size effect (quantum confinement effect) is exhibited, and is, for example, 10 nm or less. In a typical quantum well structure, the well layer 22a is sandwiched between barrier layers 22b having a larger band gap than the well layer 22a. For example, when the well layer 22a is made of AlGaN, the barrier layer 22b is made of AlGaN or n-type AlGaN having an AlN mole fraction larger than that of the well layer 22a. The quantum well structure provided in the active layer 22 may be a single quantum well structure composed of only one quantum well structure, or a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well structures are stacked. Good. Further, for example, the thickness of the well layer 22a is 2 nm or more and 3 nm or less, and the thickness of the barrier layer 22b is 6 nm or more and 8 nm or less.

さらに、活性層22は、p型クラッド層23と接触する界面(最表面)において、AlNモル分率が井戸層22a及びバリア層22bよりも大きいp型AlGaNで構成される電子ブロック層22cを備える。電子ブロック層22cは、活性層22に注入された電子がp型クラッド層23に入り込むことを抑制する層である。例えば、電子ブロック層22cの膜厚は15nm以上30nm以下であり、典型的には20nmである。   Further, the active layer 22 includes an electron block layer 22c made of p-type AlGaN having an AlN mole fraction larger than that of the well layer 22a and the barrier layer 22b at an interface (outermost surface) in contact with the p-type cladding layer 23. . The electron blocking layer 22 c is a layer that suppresses electrons injected into the active layer 22 from entering the p-type cladding layer 23. For example, the film thickness of the electron block layer 22c is 15 nm or more and 30 nm or less, and is typically 20 nm.

活性層22において、バリア層22b及び電子ブロック層22cは必須の構成ではない。ただし、バリア層22b及び電子ブロック層22cを設けることで、井戸層22a内に多数の電子及び正孔を閉じ込めて、電子及び正孔を効率良く再結合させる(即ち、発光させる)ことが可能になるため、好ましい。   In the active layer 22, the barrier layer 22b and the electron block layer 22c are not essential components. However, by providing the barrier layer 22b and the electron blocking layer 22c, many electrons and holes can be confined in the well layer 22a, and the electrons and holes can be efficiently recombined (that is, emitted light). Is preferred.

上述した各層を構成するAlGaNは、有機金属化合物気相成長(MOVPE)法、あるいは、分子線エピタキシ(MBE)法等の周知のエピタキシャル成長法により形成されている。また、上述した各層において、n型の層は、ドナー不純物として、例えばSiが添加されている。また、上述した各層において、p型の層は、アクセプタ不純物として、例えばMgが添加されている。なお、上述した各層において、導電型を明記していないAlN及びAlGaNで構成される層は、不純物が添加されていないアンドープ層である。また、上述した各層を構成するAlGaN、AlN及びGaNは、性質が大きく変動しない限り、その一部または全部に他の元素を含んでいてもよい(例えば、AlGaNが微量のInを含んでいてもよいし、AlNが微量のGaを含んでいてもよい)。   AlGaN constituting each layer described above is formed by a well-known epitaxial growth method such as a metal organic compound vapor phase epitaxy (MOVPE) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. In each of the above-described layers, the n-type layer is doped with, for example, Si as a donor impurity. In each of the above-mentioned layers, for example, Mg is added to the p-type layer as an acceptor impurity. In each of the above-described layers, a layer composed of AlN and AlGaN whose conductivity type is not specified is an undoped layer to which no impurity is added. Further, AlGaN, AlN and GaN constituting each layer described above may partially or entirely contain other elements as long as their properties do not greatly change (for example, even if AlGaN contains a trace amount of In). Or AlN may contain a small amount of Ga).

n型クラッド層21、バリア層22b及びp型クラッド層23におけるAlNモル分率は、例えば30%以上80%以下(より好ましくは50%以上80%以下、さらに好ましくは55%以上80%以下)であり、井戸層22aのAlNモル分率は、例えば5%以上80%以下(より好ましくは、5%以上60%以下)である。ただし、井戸層22aのAlNモル分率は、n型クラッド層21、バリア層22b及びp型クラッド層23におけるAlNモル分率よりも小さくなっている(反対に、井戸層22aのGaNモル分率は、これらの層よりも大きくなっている)。なお、下地部10にAlGaN層を追加する場合、当該AlGaN層におけるAlNモル分率は、n型クラッド層21、バリア層22b及びp型クラッド層23と同様の範囲内の大きさにすればよい。   The AlN molar fraction in the n-type cladding layer 21, the barrier layer 22b, and the p-type cladding layer 23 is, for example, 30% or more and 80% or less (more preferably 50% or more and 80% or less, and still more preferably 55% or more and 80% or less). The AlN molar fraction of the well layer 22a is, for example, 5% or more and 80% or less (more preferably, 5% or more and 60% or less). However, the AlN mole fraction of the well layer 22a is smaller than the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 21, the barrier layer 22b, and the p-type cladding layer 23 (conversely, the GaN mole fraction of the well layer 22a). Are larger than these layers). When an AlGaN layer is added to the underlayer 10, the AlN mole fraction in the AlGaN layer may be set to a size within the same range as the n-type cladding layer 21, the barrier layer 22b, and the p-type cladding layer 23. .

例えば、発光素子1のピーク発光波長は、230nm以上350nm以下である。また、例えば、発光素子1は、活性層22からの発光が基板11側から取り出される裏面出射型の発光素子である。なお、下地部10にAlGaN層を追加する場合、当該AlGaN層におけるAlNモル分率は、井戸層22aのAlNモル分率よりも大きくなるように設定される。この場合、当該AlGaN層のAlNモル分率は、n型クラッド層21のAlNモル分率と同じになるように設定してもよいし、n型クラッド層21のAlNモル分率よりも大きくなるように設定してもよい。   For example, the light emitting element 1 has a peak emission wavelength of 230 nm or more and 350 nm or less. Further, for example, the light emitting element 1 is a back emission type light emitting element in which light emitted from the active layer 22 is extracted from the substrate 11 side. When an AlGaN layer is added to the underlayer 10, the AlN mole fraction of the AlGaN layer is set to be larger than the AlN mole fraction of the well layer 22a. In this case, the AlN mole fraction of the AlGaN layer may be set to be the same as the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 21, or may be larger than the AlN mole fraction of the n-type cladding layer 21. May be set as follows.

発光部20における活性層22を除いた各層を構成する各AlGaNの膜厚は、例えば、n型クラッド層21が2000nm以上4000nm以下、p型クラッド層23が500nm以上600nm以下、p型コンタクト層24が100nm以上300nm以下である。また、下地部10は、例えば、AlN層12の膜厚は1500nm以上4000nm以下である。また、下地部10にAlGaN層を追加する場合、当該AlGaN層の膜厚は、例えば200nm以上300nm以下である。   The thickness of each AlGaN constituting each layer except the active layer 22 in the light emitting section 20 is, for example, 2000 nm or more and 4000 nm or less for the n-type cladding layer 21, 500 nm or more and 600 nm or less for the p-type cladding layer 23, and the p-type contact layer 24. Is 100 nm or more and 300 nm or less. In the underlayer 10, for example, the thickness of the AlN layer 12 is 1500 nm or more and 4000 nm or less. In addition, when an AlGaN layer is added to the underlayer 10, the thickness of the AlGaN layer is, for example, 200 nm or more and 300 nm or less.

次に、p電極30及びn電極40について、図面を参照して説明する。図3は、p電極及びn電極側から見た発光素子を模式的に示した平面図である。   Next, the p-electrode 30 and the n-electrode 40 will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a plan view schematically showing the light emitting element viewed from the p-electrode and n-electrode sides.

図3に示すように、p電極30は第1領域R1のほぼ全面に、n電極40は第2領域R2のほぼ全面に、それぞれ形成される。また、発光素子1のチップサイズは縦横それぞれ800μmであり、p電極30が形成される第1領域R1の面積は約168000μmである。 As shown in FIG. 3, the p-electrode 30 is formed on almost the entire surface of the first region R1, and the n-electrode 40 is formed on almost the entire surface of the second region R2. The chip size of the light emitting element 1 is 800 μm in each of the vertical and horizontal directions, and the area of the first region R1 in which the p-electrode 30 is formed is about 168000 μm 2 .

p電極30及びn電極40のそれぞれは、例えば、電極の反転パターン(電極の形成位置以外の表面を覆うパターン)となるフォトレジストを形成した後に、電子ビーム蒸着法等により電極を構成する多層金属膜を蒸着し、当該フォトレジスト及び当該フォトレジスト上の多層金属膜をリフトオフにより除去することで形成される。なお、p電極30及びn電極40の一方または両方の形成後に、RTA(瞬間熱アニール)等により必要に応じて熱処理を行ってもよい。   Each of the p-electrode 30 and the n-electrode 40 is formed, for example, by forming a photoresist to be an inverted pattern of the electrode (a pattern covering a surface other than the position where the electrode is formed) and then forming a multilayer metal by an electron beam evaporation method or the like. It is formed by depositing a film and removing the photoresist and the multilayer metal film on the photoresist by lift-off. After forming one or both of the p-electrode 30 and the n-electrode 40, a heat treatment may be performed as necessary by RTA (instantaneous thermal annealing) or the like.

<光出力が良好な活性層を得るための条件>
[活性層の表面粗さ]
半導体発光素子の分野における通常の知識に従えば、光出力が良好な活性層22を得るためには、活性層22の結晶成長時において、発光の妨げとなる転位やクラックなどの欠陥の導入を抑制した成長、即ち、成長表面の平坦性を維持した二次元成長(一層ずつ丁寧に積層する成長)を行うべきである。特に、厚さが数nm程度という極めて薄い井戸層22aを、欠陥の導入を抑制しながら均一に成長させるためには、成長表面における粗さが、少なくとも井戸層22aの厚さよりも小さくなるように抑制するべきである。
<Conditions for Obtaining Active Layer with Good Light Output>
[Surface roughness of active layer]
According to ordinary knowledge in the field of semiconductor light emitting devices, in order to obtain an active layer 22 having a good light output, it is necessary to introduce defects such as dislocations and cracks that hinder light emission during crystal growth of the active layer 22. Suppressed growth, that is, two-dimensional growth (growth in which layers are carefully stacked one by one) while maintaining the flatness of the growth surface should be performed. In particular, in order to uniformly grow the extremely thin well layer 22a having a thickness of about several nm while suppressing the introduction of defects, the roughness on the growth surface should be at least smaller than the thickness of the well layer 22a. Should be suppressed.

しかしながら、本願出願人は、鋭意研究の結果、活性層22(特に、井戸層22a)の結晶成長時において、敢えて成長表面の粗さが大きい状態を維持した成長を行うことで、光出力が良好な活性層22が得られることを見出した。以下、この点について図面を参照して説明する。   However, as a result of intensive studies, the applicant of the present application has found that, during the crystal growth of the active layer 22 (particularly, the well layer 22a), the light output is good by performing the growth while maintaining the growth surface with a large roughness. Active layer 22 was obtained. Hereinafter, this point will be described with reference to the drawings.

活性層22の結晶成長時における成長表面の粗さは、成長後の活性層22の表面における平均粗さを用いて表現することができる。平均粗さとは、例えば、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)によって計測される高さ(被測定物における測定領域内の所定の高さを0とした相対的な高さ)を用いて、下記式(1)によって算出することができる。なお、下記式(1)において、Z(i)はAFMで計測される各点の高さであり、Zeは高さZ(i)の平均値であり、Raは平均粗さである。   The roughness of the growth surface during crystal growth of the active layer 22 can be expressed using the average roughness of the surface of the active layer 22 after growth. The average roughness is, for example, a height measured by an atomic force microscope (AFM: Atomic Force Microscope) (relative height with a predetermined height in a measurement region of an object to be measured being 0). , Can be calculated by the following equation (1). In the following formula (1), Z (i) is the height of each point measured by AFM, Ze is the average value of height Z (i), and Ra is the average roughness.

図4は、試料1〜5の活性層の表面の状態を示すAFM像である。なお、図4及びその他の図面に記載しているAFM像では、明るい(白い)領域ほど高さが大きい領域であることを表している。また、図4には、図示する25μm四方の領域における平均粗さ(以下、単に「平均粗さ」という)を併記している。また、図5は、試料1〜5の活性層の表面における高さの度数分布を示すヒストグラムであり、図4に示した試料1〜5の25μm四方の領域のそれぞれについて求めた高さの度数分布を示している。   FIG. 4 is an AFM image showing the state of the surface of the active layer of Samples 1 to 5. In the AFM images shown in FIG. 4 and other drawings, a brighter (whiter) area indicates a higher area. FIG. 4 also shows the average roughness (hereinafter simply referred to as “average roughness”) in the illustrated 25 μm square area. FIG. 5 is a histogram showing the frequency distribution of the height on the surface of the active layer of Samples 1 to 5, and the frequency of the height obtained for each of the 25 μm square regions of Samples 1 to 5 shown in FIG. The distribution is shown.

ここで、平均粗さや度数分布を算出する25μm四方の領域とは、AFMを用いて平均粗さや高さを算出することができる上限の大きさであって、チップ内の場所に依らずおよそ一定の値が得られる程度に大きい領域である。なお、25μmという数値には特別な意義はなく、例えば30μmや20μmなど、同程度に広い領域であれば他の数値であってもよい。   Here, the 25 μm square area for calculating the average roughness and the frequency distribution is the upper limit size at which the average roughness and the height can be calculated using the AFM, and is approximately constant regardless of the location in the chip. Is an area large enough to obtain the value of. Note that the numerical value of 25 μm has no special significance, and any other numerical value may be used as long as the region is as wide as 30 μm or 20 μm.

図4及び図5に示す試料1〜5では、オフ基板である基板11の表面に形成されていたテラスT(図2参照)の影響が、活性層22の表面まで引き継がれている。具体的には、少なくとも、下地部10のAlN層12、発光部20における活性層22及びその間の各層(本例の場合、n型クラッド層21)が、多段状のテラスの側面が成長することで二次元成長するステップフロー成長によって形成されている。なお、参考までに、後述する図11〜図16には、下地部10のAlN層12における表面の状態を図示している。また、後述する図6〜図8には、発光部20のn型クラッド層21における表面の状態を図示している。   In samples 1 to 5 shown in FIGS. 4 and 5, the influence of the terrace T (see FIG. 2) formed on the surface of the substrate 11, which is an off-substrate, is passed down to the surface of the active layer 22. Specifically, at least the AlN layer 12 of the underlayer 10, the active layer 22 of the light emitting section 20, and each of the layers (in this case, the n-type cladding layer 21) are formed on the side surfaces of the multi-step terrace. And two-dimensionally grown by step flow growth. For reference, FIGS. 11 to 16, which will be described later, show the state of the surface of the AlN layer 12 of the underlayer 10. 6 to 8, which will be described later, show the state of the surface of the n-type cladding layer 21 of the light emitting unit 20.

また、試料1〜5は、試料1、試料2、試料3、試料4、試料5の順番で、テラスの側面が選択成長し易い条件で作製されている。即ち、試料1〜5の中で、試料1が最もテラスの側面が選択成長し難い条件で作製されており、試料5が最もテラスの側面が選択成長し易い条件で作製されている。なお、テラスの側面が選択成長し易い条件とは、例えば、基板11のオフ角が一定の範囲内(例えば、0°から数度程度まで)で大きいことや、テラスが表出し易い状態となる成長速度(具体的に例えば、成長温度、原料やキャリアガスの供給量や流速などの諸条件を適宜設定することで、当該成長速度を達成する)などである。   Further, Samples 1 to 5 are manufactured in the order of Sample 1, Sample 2, Sample 3, Sample 4, and Sample 5 under conditions where the side surface of the terrace is easy to grow selectively. That is, among Samples 1 to 5, Sample 1 is manufactured under the condition that the side surface of the terrace is most difficult to grow selectively, and Sample 5 is manufactured under the condition that the side surface of the terrace is most likely to grow selectively. The conditions under which the side surface of the terrace is likely to be selectively grown include, for example, a condition in which the off angle of the substrate 11 is large within a certain range (for example, from 0 ° to several degrees), or a condition in which the terrace is easily exposed. Growth rate (specifically, for example, the growth rate is achieved by appropriately setting various conditions such as a growth temperature, a supply amount of a raw material and a carrier gas, and a flow rate).

テラスの側面が選択成長し易い条件は、成膜装置の種類や構造によって異なり得る。そのため、成膜装置において現実にいくつかの試料を作製することで、この条件を特定すればよい。重要なのは、成膜装置に応じて無数の組み合わせが存在し得る諸条件ではなく、活性層22がステップフロー成長で形成されるようにすることである。   Conditions under which the side surface of the terrace is likely to be selectively grown may differ depending on the type and structure of the film forming apparatus. Therefore, the conditions may be specified by actually preparing some samples in the film forming apparatus. What is important is that the active layer 22 is formed by the step flow growth, not the conditions under which there are countless combinations depending on the film forming apparatus.

試料1〜5は、上述のように異なる条件で作製されたものであり、活性層22の表面の状態、特に平均粗さが異なっている。具体的に、試料1〜5のそれぞれの活性層22の表面における平均粗さは、試料1が10.9nm、試料2が5.08nm、試料3が3.66nm、試料4が3.94nm、試料5が5.94nmである。   Samples 1 to 5 were produced under different conditions as described above, and the surface state of the active layer 22, particularly the average roughness, was different. Specifically, the average roughness of the surface of each active layer 22 of Samples 1 to 5 was 10.9 nm for Sample 1, 5.08 nm for Sample 2, 3.66 nm for Sample 3, 3.94 nm for Sample 4, and Sample 5 is 5.94 nm.

さらに、試料1〜5は、上述のように下地部10のAlN層12から発光部20の活性層22までの各層を継続的にステップフロー成長で形成したものであるため、活性層22の表面における平均粗さが大きくなる。具体的に、試料1〜5の活性層22の表面における平均粗さは、井戸層22aの厚さ以上であり、さらには3nm以上である。なお、上述のように、活性層22の表面における平均粗さが井戸層22aの厚さを超えるように活性層22を成長させることは、半導体発光素子の分野における通常の知識に反することである。   Further, in Samples 1 to 5, since the layers from the AlN layer 12 of the underlayer 10 to the active layer 22 of the light emitting unit 20 are continuously formed by the step flow growth as described above, the surface of the active layer 22 is formed. The average roughness at Specifically, the average roughness of the surface of the active layer 22 of each of the samples 1 to 5 is equal to or greater than the thickness of the well layer 22a, and is equal to or greater than 3 nm. As described above, growing the active layer 22 so that the average roughness on the surface of the active layer 22 exceeds the thickness of the well layer 22a is contrary to ordinary knowledge in the field of semiconductor light emitting devices. .

図4に示すように、試料1では、ステップフロー成長と同時に、テラス上のランダムな位置に発生した核が成長して六角柱状のヒロック(hillock)Hが形成される三次元成長も生じている。さらに、図5に示すように、試料1の活性層22の表面における高さの度数分布は、正規分布様(高さが0から増大するにつれて、下に凸の曲線から上に凸の曲線に変曲しつつ単調増加して極大値をとった後、上に凸の曲線から下に凸の曲線に変曲しつつ単調減少する曲線状)になっていないことから、高さの変動が不規則的である。したがって、試料1では、高さが不規則的に変動する要因であるヒロックHの影響が大きく、高さが規則的に変動する要因であるテラスの影響が小さいため、ステップフロー成長よりも三次元成長の方が支配的であると言える。   As shown in FIG. 4, in sample 1, simultaneously with the step flow growth, three-dimensional growth in which nuclei generated at random positions on the terrace grow to form hexagonal hillocks (hillocks) H has occurred. . Further, as shown in FIG. 5, the frequency distribution of the height of the surface of the active layer 22 of the sample 1 is like a normal distribution (from a downwardly convex curve to an upwardly convex curve as the height increases from 0). Since the curve does not monotonically increase while taking inflections and takes a maximum value, and then changes from an upwardly convex curve to a downwardly convex curve and monotonically decreases, the height does not fluctuate. Be regular. Therefore, in the sample 1, the influence of the hillock H, which causes the height to fluctuate irregularly, is large, and the influence of the terrace, which causes the height to fluctuate irregularly, is small. Growth can be said to be dominant.

また、図4に示すように、試料2の活性層22の表面にも、試料1と同様にヒロックHが混在している。ただし、試料2では、試料1と比較して、ヒロックHが占める領域が大幅に減少している。さらに、図5に示すように、試料2の活性層22の表面における高さの度数分布は、試料1とは異なり正規分布様であることから、高さの変動がある程度は規則的になっている。したがって、試料2では、高さが不規則的に変動する要因であるヒロックHの影響が小さく、高さが規則的に変動する要因であるテラスの影響が大きいため、三次元成長よりもステップフロー成長の方が支配的であると言える。   As shown in FIG. 4, hillocks H are also present on the surface of the active layer 22 of the sample 2 as in the case of the sample 1. However, in the sample 2, the area occupied by the hillocks H is significantly reduced as compared with the sample 1. Further, as shown in FIG. 5, since the frequency distribution of the height on the surface of the active layer 22 of the sample 2 is different from the sample 1 in a normal distribution, the height variation becomes somewhat regular. I have. Therefore, in the sample 2, the influence of the hillock H, which causes the height to fluctuate irregularly, is small, and the influence of the terrace, which causes the height to fluctuate irregularly, is large. Growth can be said to be dominant.

また、図4に示すように、試料3〜5では、大きなヒロックHは生じておらず、全面的にステップフロー成長の痕跡(多段状となる三角形状のファセット)が認められる。また、図5に示すように、試料3〜5の活性層22の表面における高さの度数分布は正規分布様であることから、高さの変動は規則的である。したがって、試料3〜5では、高さが不規則的に変動する要因であるヒロックHの影響が極めて小さく、高さが規則的に変動する要因であるテラスの影響が極めて大きいため、三次元成長よりもステップフロー成長の方が極めて支配的であると言える。   Further, as shown in FIG. 4, in Samples 3 to 5, no large hillock H was generated, and traces of step flow growth (triangular facets having a multi-stage shape) were observed over the entire surface. Further, as shown in FIG. 5, the frequency distribution of the height on the surface of the active layer 22 of the samples 3 to 5 is like a normal distribution, and the fluctuation of the height is regular. Therefore, in Samples 3 to 5, the influence of hillock H, which is a cause of irregularly varying height, is extremely small, and the influence of terrace, which is a cause of irregularly varying height, is extremely large. It can be said that step flow growth is much more dominant than step flow growth.

ところで、試料1の活性層22の表面における平均粗さは10.9nmであり、他の試料2〜5と比較すると突出して大きくなっている。これは、試料1では三次元成長が支配的であり、ヒロックHの影響が大きいからである。このように、三次元成長が支配的な試料では、活性層22の表面に設定する平均粗さを求めるための25μm四方の領域内にヒロックHが不可避的に含まれるため、活性層22の表面における平均粗さが10nmよりも大きくなり得る。   Incidentally, the average roughness of the surface of the active layer 22 of the sample 1 is 10.9 nm, which is significantly larger than those of the other samples 2 to 5. This is because in Sample 1, three-dimensional growth is dominant, and the effect of hillock H is large. As described above, in the sample in which three-dimensional growth is dominant, hillocks H are inevitably included in a 25 μm square area for obtaining the average roughness set on the surface of the active layer 22. Can be greater than 10 nm.

また、試料2の活性層22の表面における平均粗さは5.08nmであり、試料3及び4と比較して大きくなっている。これは、試料2ではステップフロー成長が支配的ではあるものの、ヒロックHの影響を少なからず受けているからである。   The average roughness of the surface of the active layer 22 of Sample 2 is 5.08 nm, which is larger than that of Samples 3 and 4. This is because although the sample 2 is dominated by the step flow growth, it is affected by the hillock H to some extent.

また、試料5の活性層22の表面における平均粗さは5.94nmであり、試料3及び4と比較して大きくなっている。これは、ヒロックHの影響ではなく、試料5ではテラスの段差が大きいため、これによって活性層22の表面における平均粗さが大きくなっているからである。   The average roughness of the surface of the active layer 22 of Sample 5 is 5.94 nm, which is larger than that of Samples 3 and 4. This is not due to the effect of the hillock H, but because the step of the terrace is large in the sample 5, the average roughness on the surface of the active layer 22 is thereby increased.

図6〜図8は、試料1、試料3及び試料4のそれぞれにおけるn型クラッド層及び活性層のそれぞれの表面の状態を比較して示す図である。図1に示したように、n型クラッド層21は、活性層22の直前に形成される層である。即ち、図6〜図8は、活性層22の表面及び裏面の状態を比較して示した図である。   FIG. 6 to FIG. 8 are diagrams showing the states of the surfaces of the n-type cladding layer and the active layer in each of Sample 1, Sample 3, and Sample 4 in comparison. As shown in FIG. 1, the n-type cladding layer 21 is a layer formed immediately before the active layer 22. That is, FIGS. 6 to 8 are diagrams showing the states of the front surface and the back surface of the active layer 22 in comparison.

図6(a)〜図8(a)は、n型クラッド層21及び活性層22のそれぞれの表面の25μm四方の領域における状態を表すAFM像である。また、図6(b)〜図8(b)は、図6(a)〜図8(a)に示したn型クラッド層21及び活性層22のそれぞれの表面における高さの度数分布を示すヒストグラムである。また、図6(c)〜図8(c)は、図6(a)〜図8(a)に示したn型クラッド層21及び活性層22のそれぞれの領域よりも狭い領域を三次元の鳥瞰図として表示したAFM像である。また、図6(a)〜図8(a)では、試料1、試料3及び試料4のn型クラッド層21及び活性層22のそれぞれの表面における平均粗さを併記している。   FIGS. 6A to 8A are AFM images showing a state in a 25 μm square region on each surface of the n-type cladding layer 21 and the active layer 22. FIGS. 6B to 8B show the frequency distribution of the height on the surface of each of the n-type cladding layer 21 and the active layer 22 shown in FIGS. 6A to 8A. It is a histogram. FIGS. 6C to 8C show three-dimensional regions smaller than the respective regions of the n-type cladding layer 21 and the active layer 22 shown in FIGS. 6A to 8A. It is an AFM image displayed as a bird's eye view. FIGS. 6A to 8A also show the average roughness of each surface of the n-type cladding layer 21 and the active layer 22 of the samples 1, 3, and 4.

図6(a)に示すように、試料1において、nクラッド層21の表面における平均粗さは10.3nmであり、活性層22の表面における平均粗さは10.9nmである。また、図7(a)に示すように、試料3において、nクラッド層21の表面における平均粗さは3.78nmであり、活性層22の表面における平均粗さは3.66nmである。また、図8(a)に示すように、試料4において、nクラッド層21の表面における平均粗さは3.83nmであり、活性層22の表面における平均粗さは3.94nmである。   As shown in FIG. 6A, in Sample 1, the average roughness on the surface of the n-cladding layer 21 is 10.3 nm, and the average roughness on the surface of the active layer 22 is 10.9 nm. Further, as shown in FIG. 7A, in Sample 3, the average roughness on the surface of the n-cladding layer 21 is 3.78 nm, and the average roughness on the surface of the active layer 22 is 3.66 nm. Further, as shown in FIG. 8A, in Sample 4, the average roughness on the surface of the n-cladding layer 21 is 3.83 nm, and the average roughness on the surface of the active layer 22 is 3.94 nm.

このように、試料1、試料3及び試料4のそれぞれにおいて、nクラッド層21及び活性層22のそれぞれの表面における平均粗さは、略等しくなる。特に、活性層22及びnクラッド層21のそれぞれの表面における平均粗さの差分の絶対値を、活性層22の表面における平均粗さで除した割合が、10%以内になっている。これは、活性層22が、表面における平均粗さが維持された一様な成長によって形成されているからである。なお、ここでは試料1、試料3及び試料4についてのみ例示しているが、試料2及び試料5についても同様である。   As described above, in each of Sample 1, Sample 3, and Sample 4, the average roughness of each surface of the n-cladding layer 21 and the active layer 22 is substantially equal. In particular, the ratio obtained by dividing the absolute value of the difference in the average roughness on the respective surfaces of the active layer 22 and the n-cladding layer 21 by the average roughness on the surface of the active layer 22 is within 10%. This is because the active layer 22 is formed by uniform growth while maintaining the average roughness on the surface. Although only the sample 1, the sample 3 and the sample 4 are illustrated here, the same applies to the sample 2 and the sample 5.

また、図7(b)及び図8(b)に示すように、試料3及び4のそれぞれにおいて、nクラッド層21及び活性層22のそれぞれの表面における高さの度数分布は、共に正規分布様である。これは、活性層22が、最初から最後までステップフロー成長を維持して形成されたことを示している。なお、ここでは試料3及び試料4についてのみ例示しているが、試料2及び試料5についても同様である。これに対して、三次元成長が支配的である試料1については、このような傾向が認められない。   As shown in FIGS. 7B and 8B, in each of Samples 3 and 4, the frequency distribution of the height on each surface of the n-cladding layer 21 and the active layer 22 is both normal distribution. It is. This indicates that the active layer 22 was formed while maintaining step flow growth from the beginning to the end. Although only the samples 3 and 4 are illustrated here, the same applies to the samples 2 and 5. On the other hand, such a tendency is not observed in Sample 1 in which three-dimensional growth is dominant.

一方、図7(c)及び図8(c)に示すように、試料3及び4のそれぞれにおいて、活性層22の表面におけるテラス(多段状となる三角形状のファセット)は、nクラッド層21の表面におけるテラスと比較して、角が丸みを帯びている。なお、この現象については、後述する図9及び図10と併せて説明する。また、ここでは試料3及び試料4についてのみ例示しているが、試料2及び試料5についても同様である。これに対して、三次元成長が支配的である試料1については、このような傾向が明確には認められない。   On the other hand, as shown in FIGS. 7C and 8C, in each of Samples 3 and 4, the terrace (the multi-stage triangular facet) on the surface of the active layer 22 is formed by the n-cladding layer 21. The corners are rounded compared to the terrace on the surface. This phenomenon will be described with reference to FIGS. 9 and 10 described later. Although only the samples 3 and 4 are illustrated here, the same applies to the samples 2 and 5. On the other hand, such a tendency is not clearly observed in Sample 1 in which three-dimensional growth is dominant.

図9及び図10は、試料1〜5の発光特性を示すグラフである。具体的に、図9は試料1〜5のピーク発光波長及び半値幅を示すグラフであり、図10は試料1〜5の光出力を示すグラフである。なお、図9(a)及び図10(a)は、縦軸を発光特性、横軸を試料番号としたグラフである。また、図9(b)及び図10(b)は、縦軸を発光特性、横軸を活性層22の表面における平均粗さとしたグラフである。   9 and 10 are graphs showing the light emission characteristics of Samples 1 to 5. Specifically, FIG. 9 is a graph showing peak emission wavelengths and half widths of Samples 1 to 5, and FIG. 10 is a graph showing optical outputs of Samples 1 to 5. Note that FIGS. 9A and 10A are graphs in which the vertical axis represents light emission characteristics and the horizontal axis represents sample numbers. FIGS. 9B and 10B are graphs in which the vertical axis represents the light emission characteristics and the horizontal axis represents the average roughness on the surface of the active layer 22.

図9に示すように、三次元成長が支配的である試料1と比較して、ステップフロー成長が支配的である試料2〜5では、ピーク発光波長が長波長側にシフトするとともに、半値幅が大きくなる。   As shown in FIG. 9, in Samples 2 to 5 in which the step flow growth is dominant as compared with Sample 1 in which the three-dimensional growth is dominant, the peak emission wavelength shifts to the longer wavelength side, and the half width is increased. Becomes larger.

この結果について、活性層22(特に、井戸層22a)を構成するAlGaNがAlNとGaNの混晶であり、GaNはAlNよりも発光波長が長いことを踏まえると、活性層22(特に、井戸層22a)を構成するAlGaNに含まれるGaが偏析し、その偏析している領域にも電流が流れて発光が生じていると推測される。即ち、活性層22の表面における平均粗さが井戸層22aの厚さを超えるようなステップフロー成長を行うことによって、活性層22(特に、井戸層22a)においてGaの偏析が生じていると推測される。   Regarding this result, considering that AlGaN constituting the active layer 22 (particularly the well layer 22a) is a mixed crystal of AlN and GaN, and GaN has a longer emission wavelength than AlN, the active layer 22 (particularly the well layer 22a) It is presumed that Ga contained in AlGaN constituting 22a) segregates, and a current also flows through the segregated region to emit light. That is, it is presumed that Ga is segregated in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a) by performing the step flow growth such that the average roughness on the surface of the active layer 22 exceeds the thickness of the well layer 22a. Is done.

さらに、上述したように、図7(c)及び図8(c)に示した活性層22の表面におけるテラスが丸みを帯びていることも、Gaの偏析を示唆している。具体的には、活性層22(特に、GaNモル分率が大きい井戸層22a)がステップフロー成長で形成される際に、Alと比較してマイグレーションし易いGaが、テラスの側面と次段のテラスの表面との境界に集まって段差を滑らかにすることで、テラスが丸みを帯びたと推測される。   Further, as described above, the rounded terrace on the surface of the active layer 22 shown in FIGS. 7C and 8C also indicates the segregation of Ga. Specifically, when the active layer 22 (particularly, the well layer 22a having a large GaN mole fraction) is formed by step flow growth, Ga that is easily migrated as compared with Al is placed on the side surface of the terrace and in the next stage. It is presumed that the terrace was rounded by gathering at the boundary with the surface of the terrace to smooth the steps.

そして、図10に示すように、ステップフロー成長よりも三次元成長が支配的である(活性層22の表面における平均粗さが10nmよりも大きい)試料1と比較して、ステップフロー成長が支配的である試料2〜5の方が、光出力が大きくなっている。このことから、活性層22(特に、井戸層22a)においてGaを偏析させることによって、活性層22の光出力を増大させることができることが分かる。   Then, as shown in FIG. 10, the three-dimensional growth is more dominant than the step flow growth (the average roughness on the surface of the active layer 22 is larger than 10 nm). The target samples 2 to 5 have higher light outputs. This indicates that the light output of the active layer 22 can be increased by segregating Ga in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a).

以上のように、活性層22の表面における平均粗さが井戸層22aの厚さ以上かつ10nm以下になるようなステップフロー成長によって、活性層22(特に、井戸層22a)においてGaの偏析を生じさせることで、活性層22の光出力を増大させることができる。したがって、光出力が良好な活性層22を有する発光素子1を得ることが可能になる。   As described above, Ga segregation occurs in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a) by the step flow growth such that the average roughness on the surface of the active layer 22 is equal to or more than the thickness of the well layer 22a and equal to or less than 10 nm. By doing so, the light output of the active layer 22 can be increased. Therefore, it is possible to obtain the light emitting element 1 having the active layer 22 having a good light output.

また、図10に示すように、活性層22の表面における平均粗さが3nm以上である試料2〜5では、活性層22(特に、井戸層22a)において、Gaの偏析が十分に生じる。そのため、活性層22の光出力を十分に増大させることができる。   Further, as shown in FIG. 10, in Samples 2 to 5 in which the average roughness on the surface of the active layer 22 is 3 nm or more, the segregation of Ga sufficiently occurs in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a). Therefore, the light output of the active layer 22 can be sufficiently increased.

また、図10に示すように、活性層22の表面における平均粗さが約6nmとなる試料5と比較して、活性層22の表面における平均粗さがそれ以下である試料2〜4は、光出力が顕著(例えば、1.5倍以上)に大きくなる。したがって、活性層22の表面における平均粗さを6nm以下(好ましくは5.5nm以下)にすることで、活性層22の光出力を顕著に増大させることができる。   As shown in FIG. 10, as compared to Sample 5 in which the average roughness on the surface of the active layer 22 is about 6 nm, Samples 2 to 4 in which the average roughness on the surface of the active layer 22 is less than The light output increases remarkably (for example, 1.5 times or more). Therefore, by setting the average roughness on the surface of the active layer 22 to 6 nm or less (preferably 5.5 nm or less), the light output of the active layer 22 can be significantly increased.

また、図7及び図8に示したように、発光部20において、活性層22とその直前に形成されるn型クラッド層21とのそれぞれの表面における平均粗さは、略等しくなる。したがって、活性層22だけでなく、n型クラッド層21も、表面における平均粗さが、井戸層22aの厚さ以上(さらには、3nm以上)かつ10nm以下(さらには、6nm以下)になる。この場合、成長表面における平均粗さが維持された一様な成長によって活性層22が形成されるため、活性層22(特に、井戸層22a)においてGaの偏析を確実に生じさせることができる。したがって、活性層22の光出力を増大させることができる。   As shown in FIGS. 7 and 8, in the light emitting section 20, the average roughness of each surface of the active layer 22 and the n-type cladding layer 21 formed immediately before the active layer 22 is substantially equal. Therefore, not only the active layer 22 but also the n-type cladding layer 21 has an average surface roughness equal to or more than the thickness of the well layer 22a (more preferably, 3 nm or more) and 10 nm or less (further, 6 nm or less). In this case, since the active layer 22 is formed by uniform growth while maintaining the average roughness on the growth surface, Ga segregation can be reliably generated in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a). Therefore, the light output of the active layer 22 can be increased.

[下地部のAlN層]
次に、下地部10におけるAlN層12の表面の状態について、図面を参照して説明する。図11〜図16は、試料1〜5及び試料Aの下地部におけるAlN層の表面の状態を示すAFM像である。なお、試料Aは、試料1及び試料2の中間の条件で作製された試料である。
[AlN layer of base part]
Next, the state of the surface of the AlN layer 12 in the underlayer 10 will be described with reference to the drawings. 11 to 16 are AFM images showing the state of the surface of the AlN layer in the base portions of Samples 1 to 5 and Sample A. Note that Sample A is a sample manufactured under conditions intermediate between Sample 1 and Sample 2.

図11(a)〜図16(a)は、AlN層12の表面の25μm四方の領域における状態を表すAFM像である。また、図11(b)〜図16(b)は、図11(a)〜図16(a)に示したAlN層12の領域よりも狭い領域を表示したAFM像である。また、図11(c)〜図16(c)は、図11(b)〜図16(b)に示したAlN層12の領域を三次元の鳥瞰図として表示したAFM像である。さらに、図11(a)〜図16(a)には、上面視における基板11の傾斜方向に対するテラスの平均的な幅(以下、単に「テラス幅」という)を併記している。また、図11(b)〜図16(b)には、テラスの平均的な高さ(以下、「テラス高さ」という)を併記している。   FIGS. 11A to 16A are AFM images showing states in a 25 μm square area on the surface of the AlN layer 12. FIGS. 11B to 16B are AFM images displaying an area smaller than the area of the AlN layer 12 shown in FIGS. 11A to 16A. FIGS. 11C to 16C are AFM images in which the area of the AlN layer 12 shown in FIGS. 11B to 16B is displayed as a three-dimensional bird's-eye view. Further, FIGS. 11A to 16A also show the average width of the terraces (hereinafter, simply referred to as “terrace width”) with respect to the tilt direction of the substrate 11 when viewed from above. FIGS. 11B to 16B also show the average height of the terrace (hereinafter, referred to as “terrace height”).

例えば、テラス幅は、図11(a)〜図16(a)のそれぞれに示す領域内で、基板11の傾斜方向(図中の左右方向)に対して所定の距離(例えば、25μm)となる範囲をランダムに選択するとともに当該範囲に含まれるテラスの本数を計測し、計測した本数で当該距離を除することで算出することができる。なお、この演算を複数回(例えば、10回程度)繰り返し、得られた値を平均化することによって、テラス幅を算出してもよい。   For example, the terrace width is a predetermined distance (for example, 25 μm) with respect to the tilt direction (the left-right direction in the figure) of the substrate 11 in each of the regions shown in FIGS. 11A to 16A. It can be calculated by randomly selecting a range, measuring the number of terraces included in the range, and dividing the distance by the measured number. Note that the terrace width may be calculated by repeating this calculation a plurality of times (for example, about 10 times) and averaging the obtained values.

また例えば、テラス高さは、図11(b)〜図16(b)のそれぞれに示す領域をAFMで測定する際に、テラスの先端の位置で計測される高さと、当該端部に隣接する位置である次段のテラスの高さと、の差分を算出し、当該差分を複数点(例えば、50点程度)にわたって平均化することで、算出することができる。   For example, the terrace height is a height measured at the position of the tip of the terrace when measuring the area shown in each of FIGS. 11B to 16B by AFM, and is adjacent to the end. The difference can be calculated by calculating the difference between the height of the next terrace, which is the position, and averaging the difference over a plurality of points (for example, about 50 points).

図11(a)〜図16(b)に示すように、試料1、試料A、試料2、試料3、試料4,試料5の順番で、テラス幅が小さくなる傾向がある。また、図11(b)及び図11(c)〜図16(b)及び図16(c)に示すように、試料1、試料A、試料2、試料3、試料4,試料5の順番で、テラス高さが大きくなる傾向がある。   As shown in FIGS. 11A to 16B, the terrace width tends to decrease in the order of Sample 1, Sample A, Sample 2, Sample 3, Sample 4, and Sample 5. Also, as shown in FIGS. 11B and 11C to 16B and 16C, sample 1, sample A, sample 2, sample 3, sample 4, and sample 5 are arranged in this order. , Terrace height tends to be large.

そして、上述のように活性層22の光出力が良好な試料2〜5(図10参照)は、試料1及び試料Aと比較して、テラス幅が小さいとともに、テラス高さが大きくなっている。具体的に、試料2〜5では、テラス幅が0.3μm以上かつ1μm以下になり、テラス高さが8nm以上かつ14nm以下になる。   Then, as described above, Samples 2 to 5 (see FIG. 10) having a good optical output of the active layer 22 have a smaller terrace width and a larger terrace height as compared with Sample 1 and Sample A. . Specifically, in samples 2 to 5, the terrace width is 0.3 μm or more and 1 μm or less, and the terrace height is 8 nm or more and 14 nm or less.

したがって、このAlN層12を有する下地部10の表面上に発光部20を形成することで、上述のようなステップフロー成長によってGaの偏析を生じる光出力が良好な活性層22を得ることができる。   Therefore, by forming the light emitting portion 20 on the surface of the base portion 10 having the AlN layer 12, it is possible to obtain the active layer 22 having good optical output that causes Ga segregation by the step flow growth as described above. .

[井戸層のAlNモル分率]
これまでの説明において例示した試料1〜5は、図9に示すピーク発光波長が265nm±3nmの範囲内に収まっていることから明らかなように、井戸層22aにおけるAlNのモル分率が同程度の大きさである。しかしながら、試料1〜5とはAlNモル分率が大きく異なる井戸層22aを有する発光素子1であっても、試料1〜5と同様にGaの偏析は生じ得る。
[AlN mole fraction of well layer]
In Samples 1 to 5 exemplified in the above description, as apparent from the fact that the peak emission wavelength shown in FIG. 9 falls within the range of 265 nm ± 3 nm, the mole fraction of AlN in the well layer 22a is substantially the same. Is the size of However, even in the light-emitting element 1 having the well layer 22a whose AlN molar fraction is significantly different from that of the samples 1 to 5, Ga segregation may occur similarly to the samples 1 to 5.

以下、井戸層22aのAlNモル分率(ピーク発光波長)とGaの偏析との関係について、図面を参照して説明する。図17は、井戸層のAlNモル分率(ピーク発光波長)が異なる複数の試料の発光スペクトルを示すスペクトル図である。また、図18は、各試料のピーク発光波長と半値幅との関係を示すグラフである。なお、図17及び図18では、比較のために、井戸層22aがGaNによって構成されている試料についても併せて示している。また、図17では、発光スペクトルの概形の見易さや比較などの便宜上、図18に示す各試料の中から代表的な試料を選択するとともに、当該試料のそれぞれにおけるピーク発光波長の強度が1となるように規格化している。また、図18では、各試料のピーク発光波長及び半値幅の測定結果に対する近似直線も併せて示している。   Hereinafter, the relationship between the AlN mole fraction (peak emission wavelength) of the well layer 22a and the segregation of Ga will be described with reference to the drawings. FIG. 17 is a spectrum diagram showing emission spectra of a plurality of samples in which the AlN mole fraction (peak emission wavelength) of the well layer is different. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the peak emission wavelength and the half width of each sample. 17 and 18 also show, for comparison, a sample in which the well layer 22a is made of GaN. In addition, in FIG. 17, a representative sample is selected from the samples shown in FIG. 18 for the sake of easy viewing of the outline of the emission spectrum and convenience of comparison, and the intensity of the peak emission wavelength in each of the samples is 1 It is standardized so that FIG. 18 also shows an approximate straight line for the measurement results of the peak emission wavelength and the half width of each sample.

図17では、ピーク発光波長が265nm、285nm、320nm、335nm及び354nmであるそれぞれの試料の発光スペクトルを示している。なお、ピーク発光波長が265nmの試料とは、上述した試料1〜5と同程度のピーク発光波長を有する試料である。また、ピーク発光波長が354nmの試料(図中の細い曲線)とは、井戸層22aがGaNで構成されている試料である。   FIG. 17 shows the emission spectrum of each sample having peak emission wavelengths of 265 nm, 285 nm, 320 nm, 335 nm, and 354 nm. Note that the sample having a peak emission wavelength of 265 nm is a sample having the same peak emission wavelength as the above-described samples 1 to 5. A sample having a peak emission wavelength of 354 nm (a thin curve in the figure) is a sample in which the well layer 22a is made of GaN.

井戸層22aがGaNで構成されている試料(ピーク発光波長が354nmの試料)では、井戸層22aが単一のGaNの結晶で構成されていることから、Gaの偏析は生じない。この場合、井戸層22aに閉じ込められる電子及び正孔のそれぞれが有するエネルギーのばらつきが小さくなることで、再結合する電子及び正孔のエネルギー差のばらつきが小さくなる(即ち、発光波長のばらつきが小さくなる)ため、半値幅が小さい発光スペクトルになる。以下、この試料の発光スペクトルにおける半値幅を、Gaの偏析が生じない場合における発光スペクトルの半値幅として、Gaの偏析の有無や程度を判断するための基準(以下、「基準半値幅」と称する)とする。   In a sample in which the well layer 22a is made of GaN (a sample having a peak emission wavelength of 354 nm), Ga is not segregated because the well layer 22a is made of a single GaN crystal. In this case, since the variation in the energy of each of the electrons and holes confined in the well layer 22a is reduced, the variation in the energy difference between the recombination electrons and the holes is reduced (that is, the variation in the emission wavelength is reduced). Therefore, the emission spectrum has a small half width. Hereinafter, the half-value width in the emission spectrum of this sample is defined as a half-value width of the emission spectrum when Ga segregation does not occur, and is a reference for determining the presence or absence and degree of Ga segregation (hereinafter, referred to as “reference half-value width”) ).

一方、井戸層22aがAlGa1−XNで構成されている各試料(ピーク発光波長が265nm、285nm、335nm及び320nmである各試料)では、井戸層22aがAlN及びGaNの混晶で構成されるため、上述したようにGaの偏析が生じ得る。そして、これらの試料の発光スペクトルは、いずれも半値幅が基準半値幅よりも大きくなっている。これは、Gaの偏析によって、井戸層22aに閉じ込められる電子及び正孔のそれぞれが有するエネルギーのばらつきが大きくなることで、再結合する電子及び正孔のエネルギー差のばらつきが大きくなる(即ち、発光波長のばらつきが大きくなる)ためである。 On the other hand, in each sample in which the well layer 22a is made of Al X Ga 1-X N (each sample having a peak emission wavelength of 265 nm, 285 nm, 335 nm, and 320 nm), the well layer 22a is a mixed crystal of AlN and GaN. As a result, Ga segregation may occur as described above. In each of the emission spectra of these samples, the half width is larger than the reference half width. This is because the variation in the energy of each of the electrons and the holes confined in the well layer 22a increases due to the segregation of Ga, and the variation in the energy difference between the recombination electrons and the holes increases (that is, light emission). This is because the wavelength variation becomes large).

ただし、図17及び図18に示すように、各試料の発光スペクトルにおける半値幅の大きさ(即ち、Gaの偏析の程度)は、一様ではない。具体的に、ピーク発光波長が小さくなるほど、半値幅は小さくなる。これは、井戸層22aを構成するAlGa1−XNのAlNのモル分率Xが1(即ち、単一のAlNの結晶)に近づくほど、Gaの量が少なくなり偏析し難くなるからである。 However, as shown in FIG. 17 and FIG. 18, the magnitude of the half width (ie, the degree of segregation of Ga) in the emission spectrum of each sample is not uniform. Specifically, the half width becomes smaller as the peak emission wavelength becomes smaller. This is the mole fraction X of AlN of Al X Ga 1-X N constituting the well layer 22a is 1 (i.e., crystals of a single AlN) closer to, because the amount of Ga is less likely to less and less segregated It is.

この点、図18に示すように、ピーク発光波長が230nm以上(好ましくは240nm以上、さらに好ましくは250nm以上)になるように、井戸層22aをAlGa1−XNで構成すれば、発光スペクトルの半値幅を基準半値幅(図中の破線)よりも十分に大きくする(即ち、Gaの偏析を生じさせて光出力を増大させる)ことが可能になる。 In this regard, as shown in FIG. 18, if the well layer 22 a is made of Al X Ga 1 -XN so that the peak emission wavelength becomes 230 nm or more (preferably 240 nm or more, more preferably 250 nm or more), light emission can be obtained. It is possible to make the half width of the spectrum sufficiently larger than the reference half width (broken line in the figure) (that is, to increase the optical output by causing Ga segregation).

一方、図17及び図18に示すように、ピーク発光波長が大きくなるほど、半値幅は大きくなる。しかし、井戸層22aを構成するAlGa1−XNのAlNのモル分率Xが0(即ち、単一のGaNの結晶)に近づくと、Gaの量が多くなり過度に偏析することで、発光スペクトルの形状が崩れたり(例えば、ピークが分離して2つ以上できる)、発光強度が低下したりするなどの問題が生じる。 On the other hand, as shown in FIGS. 17 and 18, the half width increases as the peak emission wavelength increases. However, Al X Ga 1-X mole fraction X of AlN of N is 0 constituting the well layer 22a (i.e., a single GaN crystal) approaches the, by segregation excessively becomes large amounts of Ga In addition, problems such as the shape of the emission spectrum being collapsed (for example, two or more peaks can be separated) or the emission intensity decreasing.

この点、図17及び図18に示すように、ピーク発光波長が340nm以下(好ましくは335nm以下)になるように、井戸層22aをAlGa1−XN(0<X<1)で構成すれば、上記の問題を発生し難くすることが可能になる。 In this regard, as shown in FIGS. 17 and 18, the well layer 22a is formed of Al X Ga 1 -XN (0 <X <1) so that the peak emission wavelength is 340 nm or less (preferably 335 nm or less). Then, it becomes possible to make the above-mentioned problem hard to occur.

このように、ピーク発光波長を230nm以上かつ340nm以下にすることで、活性層22(特に、井戸層22a)においてGaの偏析を十分に生じさせて光出力を増大させるとともに、発光スペクトルの形状が崩れたり発光強度が低下したりするなどの問題を生じさせ難くすることが可能になる。   As described above, by setting the peak emission wavelength to be 230 nm or more and 340 nm or less, Ga segregation is sufficiently generated in the active layer 22 (particularly, the well layer 22a) to increase the light output, and the shape of the emission spectrum is changed. It is possible to make it difficult to cause a problem such as collapse or a decrease in emission intensity.

本発明は、サファイアから成る基板の上側にAlGaN系の活性層を形成して成る窒化物半導体発光素子に対して利用することが可能であり、特に、ピーク発光波長が紫外領域にある窒化物半導体紫外線発光素子に利用すると好適である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a nitride semiconductor light emitting device in which an AlGaN-based active layer is formed on a substrate made of sapphire, and particularly, a nitride semiconductor having a peak emission wavelength in an ultraviolet region. It is suitable for use in an ultraviolet light emitting element.

1 発光素子(窒化物半導体紫外線発光素子)
10 下地部
11 基板
12 AlN層
20 発光部
21 n型クラッド層
22 活性層
22a 井戸層
22b バリア層
22c 電子ブロック層
23 p型クラッド層
24 p型コンタクト層
30 p電極
40 n電極
1. Light emitting device (nitride semiconductor ultraviolet light emitting device)
Reference Signs List 10 base part 11 substrate 12 AlN layer 20 light emitting part 21 n-type cladding layer 22 active layer 22a well layer 22b barrier layer 22c electron blocking layer 23 p-type cladding layer 24 p-type contact layer 30 p-electrode 40 n-electrode

Claims (10)

(0001)面に対して傾斜することで多段状のテラスが形成された表面を有するサファイアから成る基板と、前記基板の表面上に形成されるAlN層と、を含む下地部と、
前記下地部の表面上に形成される、AlGaN系半導体層を有する活性層を含む発光部と、を備え、
少なくとも、前記下地部の前記AlN層、前記発光部における前記活性層及びその間の各層が、多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であり、
前記活性層が、AlGa1−XN(0<X<1)で構成される厚さが2nm以上3nm以下の井戸層を少なくとも1つ含む量子井戸構造を有し、
前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、前記井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
A base portion including a substrate made of sapphire having a surface on which a multi-step terrace is formed by being inclined with respect to the (0001) plane; and an AlN layer formed on the surface of the substrate;
A light-emitting unit including an active layer having an AlGaN-based semiconductor layer formed on the surface of the underlayer,
At least the AlN layer of the base portion, the active layer in the light emitting portion and each layer therebetween are epitaxial growth layers having a surface on which a multi-step terrace is formed,
The active layer has a quantum well structure including at least one well layer composed of Al X Ga 1-X N (0 <X <1) and having a thickness of 2 nm or more and 3 nm or less;
A nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, wherein an average roughness in a 25 μm square region on the surface of the active layer is not less than the thickness of the well layer and not more than 10 nm.
前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、3nm以上になることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。  2. The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to claim 1, wherein an average roughness in a 25 μm square area on the surface of the active layer included in the light emitting unit is 3 nm or more. 3. 前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、6nm以下になることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。  The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to claim 1, wherein an average roughness in a 25 μm square area on the surface of the active layer included in the light emitting unit is 6 nm or less. 前記発光部に含まれる、前記活性層の直前に形成される層の表面において、25μm四方の領域における平均粗さが、前記井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。 The average roughness in a 25 μm square region on the surface of a layer formed immediately before the active layer included in the light emitting section is equal to or more than the thickness of the well layer and equal to or less than 10 nm. The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to any one of claims 1 to 3 . 前記活性層と前記発光部に含まれる前記活性層の直前に形成される層とのそれぞれの表面における25μm四方の領域における平均粗さの差分の絶対値を、前記活性層の表面における25μm四方の領域における平均粗さで除した割合が、10%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。 The absolute value of the difference between the average roughness in the 25 μm square region on the surface of each of the active layer and the layer formed immediately before the active layer included in the light emitting portion is calculated by calculating the absolute value of the difference between the 25 μm square The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein a ratio divided by an average roughness in the region is 10% or less. 前記下地部に含まれる前記AlN層の表面において、上面視で、前記基板の傾斜方向におけるテラスの平均的な幅が、0.3μm以上かつ1μm以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。 The surface of the AlN layer included in the base portion, in a top view, according to claim 1 to 5 in which the average width of the terraces in the inclination direction of the substrate, characterized in that at 0.3μm or more and 1μm or less The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to any one of the above items. 前記下地部に含まれる前記AlN層の表面において、テラスが形成する段差の平均的な高さが、8nm以上かつ14nm以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。 The surface of the AlN layer included in the base unit, the average height of the step terrace is formed, according to any one of claims 1 to 6, characterized in that at 8nm or more and 14nm or less Nitride semiconductor ultraviolet light emitting device. 前記発光部に含まれる前記活性層の表面において、25μm四方の領域における高さの度数分布が、高さが0から増大するにつれて、下に凸の曲線から上に凸の曲線に変曲しつつ単調増加して極大値をとった後、上に凸の曲線から下に凸の曲線に変曲しつつ単調減少する曲線状になることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。  On the surface of the active layer included in the light emitting portion, the frequency distribution of the height in a 25 μm square region is changing from a downward convex curve to an upward convex curve as the height increases from 0. The curve according to any one of claims 1 to 7, wherein the curve is monotonically increased and has a maximum value, and then has a curved shape that monotonically decreases while inflection from an upwardly convex curve to a downwardly convex curve. The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to the above. ピーク発光波長が、230nm以上かつ340nm以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体紫外線発光素子。 The nitride semiconductor ultraviolet light emitting device according to any one of claims 1 to 8, wherein a peak emission wavelength is 230 nm or more and 340 nm or less. (0001)面に対して傾斜することで多段状のテラスが形成された表面を有するサファイアから成る基板と、前記基板の表面上に形成されるAlN層と、を含む下地部を形成する工程と、
前記下地部の表面上に形成される、AlGaN系半導体層を有する活性層を含む発光部を形成する工程と、を備え、
AlGa1−XN(0<X<1)で構成される厚さが2nm以上3nm以下の井戸層を少なくとも1つ含む量子井戸構造を有する前記活性層の表面における、25μm四方の領域における平均粗さが、前記井戸層の厚さ以上かつ10nm以下になる条件で、少なくとも、前記下地部の前記AlN層、前記発光部における前記活性層及びその間の各層を、多段状のテラスの側面が成長することで二次元成長するステップフロー成長によって形成することを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子の製造方法。
Forming a base portion including a substrate made of sapphire having a surface on which a multi-stage terrace is formed by being inclined with respect to a (0001) plane; and an AlN layer formed on the surface of the substrate. ,
Forming a light-emitting portion including an active layer having an AlGaN-based semiconductor layer formed on the surface of the base portion,
25 μm square region on the surface of the active layer having a quantum well structure including at least one well layer having a thickness of 2 nm or more and 3 nm or less composed of Al X Ga 1-X N (0 <X <1) Under the condition that the average roughness of the AlN layer of the base layer, the active layer of the light emitting section, and each layer therebetween is at least equal to the thickness of the well layer and not more than 10 nm, A method for manufacturing a nitride semiconductor ultraviolet light emitting device, characterized in that it is formed by two-dimensional growth by step flow growth.
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