JP6679767B1 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層におけるIII族元素はAl,Ga,Inからなる群より選択される1種又は2種以上であり、かつ、前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層におけるV族元素はAs,Sb,Pからなる群より選択される1種又は2種以上であり、
前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層はいずれも、前記III族元素及び前記V族元素のうちから選択される3種以上の元素により構成され、
前記第1のIII-V族化合物半導体層の組成波長と、前記第2のIII-V族化合物半導体層の組成波長との組成波長差が50nm以下であり、かつ、前記第1のIII-V族化合物半導体層の格子定数と前記第2のIII-V族化合物半導体層の格子定数との格子定数差の比が0.05%以上0.60%以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記第3のIII-V族化合物半導体層は、前記III族元素及び前記V族元素のうちから選択される4種以上の元素により構成され、
前記第1、第2及び第3のIII-V族化合物半導体層の隣り合う互いの組成波長差がいずれも50nm以下であり、かつ、
前記第1、第2及び第3のIII-V族化合物半導体層の隣り合う互いの格子定数差の比がいずれも0.05%以上0.60%以下である、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記第1のIII-V族化合物半導体層を形成する第1工程と、
前記第2のIII-V族化合物半導体層を形成する第2工程と、
前記第1工程及び前記第2工程を繰り返し行い前記発光層を形成する発光層形成工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
まず、本明細書において単に「III-V族化合物半導体」と称する場合、その組成は一般式:(InaGabAlc)(PxAsySbz)により表される。ここで、各元素の組成比については以下の関係が成立する。
III族元素について、c=1−a−b,0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1
V族元素について、z=1−x−y,0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1
そして後述のとおり、発光層におけるIII-V族化合物半導体層はAl,Ga,Inからなる群より選択される1種又は2種以上と、III族元素及びAs,Sb,Pからなる群より選択されるV族元素のうちから選択される1種又は2種以上からなる3種以上の元素により構成される。3種の元素では、成長用基板との格子定数差の比を1%以下とする組み合わせが限られることから、4種以上の元素を用いて構成されることがより好ましい。上記一般式における各組成比a,b,cのうち1種又は2種以上、x,y,zのうちのうち1種又は2種以上、の合計3種以上が少なくとも0超である。
本明細書において組成に基づく組成波長及び格子定数の計算する際には、文献(永井治男ら、「フォトニクスシリーズ6 III-V族半導体混晶」、初版、コロナ社、1988年10月25日)記載の数値(表2.1より3元混晶の非線形因子の値、表2.2より2元結晶の格子定数、表2.3より2元結晶の弾性スティフネス定数、および表2.7より2元結晶のバンドギャップ、等)を使用した。下記では主にInGaAsP系を用いて説明するものの、AlやSbが含まれる場合についても上記文献に記載の文献値に基づき算出することが可能である。以下、各組成比a,b,c,x,y,zのうち、a,b,cから2種、x,y,zから2種を有する場合を擬4元混晶と称し、a,b,cから3種、x,y,zから1種(またはa,b,cから1種、x,y,zから3種)を有する場合を擬3元混晶と称する。
本明細書におけるIII-V族化合物半導体層の「組成波長」は、III-V族化合物半導体層の組成に基づくエネルギーバンドギャップEgから下記式<1>
Eg=1239.8/λ ・・・<1>
により換算される波長λを意味する。各組成比(固相比)が既知である場合、まず、擬4元混晶の基になる4つの3元混晶のエネルギーバンドギャップEを、3元混晶の非線形因子を用いて求める。InGaAsP系(すなわち一般式:(InaGab)(PxAsy))を例として例示すると、3元混晶の(Ga,In)P、(Ga,In)As、Ga(P,As)、In(P,As)について、非線形因子を考慮したエネルギーバンドギャップEを算出する。それぞれの2元系のバンドギャップE0[eV]として文献値からInP:1.35、GaP:2.74、InAs:0.36、GaAs:1.42、および、非線形因子(ボウイングパラメータE0[eV])の値として文献値から(Ga,In)P:0.7、(Ga,In)As:0.51、Ga(P,As):0.3、In(P,As):0.23を用いて計算を行う。例えばInaGabPのエネルギーバンドギャップEabxは、
Eabx=1.35×a + 2.74×b‐0.7×a×b
として計算される。他の3元混晶についても同様に計算する。
4つの3元混晶のエネルギーバンドギャップを算出した後、ベガードの法則に基づき、擬4元混晶(InaGab)(PxAsy)の物性値Egabxy(擬4元混晶のバンドギャップ)は、4つの3元混晶の物性値Eabx, Eaby, Eaxy, Ebxy(上記により求めた非線形因子を考慮したエネルギーバンドギャップ)を用いると下記式<2>に基づき求めることができる。
次に、本明細書における混晶の格子定数の算出について説明する。格子定数には基板平面に対して垂直方向(成長方向)と水平方向(面内方向)の2種があるところ、本明細書においては垂直方向の値を用いる。まずベガート則に従い混晶の単純な格子定数を計算する。InGaAsP系(すなわち一般式:(InaGab)(PxAsy))を例として例示すると、物性定数Aabxy(ベガート則による格子定数)は、各組成比(固相比)が既知である場合、擬4元混晶の基になる4つの2元混晶の物性定数Bax, Bbx, Bay, Bby(下記表1の文献値の格子定数)をもとに下記式<3>により計算される。
Aabxy=a×x×Bax+b×x×Bbx+a×y×Bay+b×y×Bby ・・・<3>
そして、成長用基板の格子定数をasとすると、半導体結晶の弾性的性質に基づく格子変形を考慮して下記式<4>を適用し、格子変形を考慮した(垂直方向の)格子定数aabxy求めることができる。
aabxy=Aabxy‐2×(as-Aabxy)×C12abxy/C11abxy ・・・<4>
ここで、本実施形態においては、InPを成長用基板としていることから、成長用基板の格子定数をasにはInPの格子定数を用いればよい。
なお、III-V族化合物半導体が3元系、5元系又は6元系の場合で前述と同様の考えに従って式を変形し、組成波長及び格子定数を求めることができる。また、2元系については上記文献に記載の値を用いることができる。
本明細書において、電気的にp型として機能する層をp型層と称し、電気的にn型として機能する層をn型層と称する。一方、Si、Zn、S、Sn、Mg等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にp型又はn型として機能しない場合、「i型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのIII-V族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあって良い。具体的には、ドーパント濃度が低い(例えば7.6×1015atoms/cm3未満)場合、「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Si、Zn、S、Sn、Mg等の不純物濃度の値は、SIMS分析によるものとする。同様に、活性層のn型ドーパント(例えばSi、S、Te、Sn、Ge、O等の)不純物濃度(「ドーパント濃度」)の値もSIMS分析によるものとする。なお、各半導体層の境界付近においてドーパント濃度の値は大きく変移するため、活性層の厚さ方向の中央におけるドーパント濃度の値をドーパント濃度の値とする。
また、形成される各層の厚さ全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚さのそれぞれは、光干渉式膜厚測定器及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、超格子構造に類する程度に各層の厚さが数nm程度で小さい場合にはTEM−EDSを用いて厚さを測定することができ、本明細書における発光層の各層の組成比(固相比)については、発光層を露出させた後、SIMS分析により得られた値を用いることとする。なお、各層の断面図において、所定の層が傾斜面を有する場合、その層の厚さは、当該層の直下層の平坦面からの最大高さを用いるものとする。
本発明の一態様を示す図1を参照する。本発明に従う半導体発光素子は、組成比が互いに異なる第1のIII-V族化合物半導体層51及び第2のIII-V族化合物半導体層52を繰り返し積層した積層構造を有する発光層50を備える。以下、第1のIII-V族化合物半導体層51及び第2のIII-V族化合物半導体層52をそれぞれ第1層51及び第2層52とそれぞれ略記する。そして、本発明に従う半導体発光素子において、第1層51及び第2層52におけるIII族元素はAl,Ga,Inからなる群より選択される1種又は2種以上であり、かつ、第1層51及び第2層52におけるV族元素はAs,Sb,Pからなる群より選択される1種又は2種以上である。
発光層50の全体の膜厚は制限されないものの、例えば1μm〜8μmとすることができる。また、発光層50の積層構造における第1層51、第2層52及び第3層53の各層の膜厚も制限されないものの、例えば1〜15nm程度とすることができる。各層の膜厚は互いに同じでもよいし、異なってもよい。また、第1層51同士の膜厚に関し、積層構造内で同じでもよいし異なっていてもよい。第2層52同士の膜厚及び第3層53の膜厚同士についても同様である。ただし、第1層51同士の膜厚及び第2層52同士の膜厚(第3層53が設けられる場合は第3層同士の膜厚についても)を同一にして発光層50を超格子構造とすることは、本発明における好ましい態様の一つである。
図1を参照する。第1層51及び第2層52の両者の組数は制限されないものの、例えば3〜50組とすることができる。積層構造の一端を第1層51とし、他端を第2層52とすることができる。この場合、第1層51及び第2層52の組数はn組(nは自然数である)であると表記する。
組成波長差及び格子定数差の条件を満足する限りは、第1層51、第2層52及び第3層53の各層のIII-V族化合物半導体の組成比a,b,c,x,y,zは制限されない。ただし、発光層の結晶性の悪化を抑制するために、組成比の選択範囲は、成長用基板と発光層(第1層と第2層)との間の格子定数差の比をいずれも1%以下とすることが好ましい。すなわち、成長用基板と第1層の格子定数差の絶対値を成長用基板と第1層の平均値で割った値と、成長用基板と第2層の格子定数差の絶対値を成長用基板と第2層の平均値で割った値がいずれも1%以下であることが好ましい。例えば発光中心波長を1000〜1900nmとする場合、成長用基板をInP基板とすれば、各層におけるInの組成比aを0.0〜1.0、Gaの組成比bを0.0〜1.0、Alの組成比cを0.0〜0.35、Pの組成比xを0.0〜0.95、Asの組成比yを0.15〜1.0、Sbの組成比zを0.0〜0.7とすることができる。これらの範囲内から組成波長差及び格子定数差の比の条件を満足するよう、適宜設定すればよい。上記発光中心波長は一例に過ぎず、例えばInGaAsPの4元系化合物半導体(以下、InGaAsP系半導体)である場合には発光中心波長を1000nm以上2200nm以下の範囲内とすることができ、Sbを含む場合にはさらに長波長(11μm以下)の赤外線とすることができる。
発光層50における各層のドーパントは制限されないものの、第1層51、第2層52及び第3層53のいずれもi型とすることが本発明効果を確実に得るためには好ましい。ただし、各層についてn型又はp型ドーパントをドープしてもよい。
成長用基板は発光層50の組成に応じて、InP基板、InAs基板、GaAs基板、GaSb基板、InSb基板などの化合物半導体基板から適宜選択すればよい。各基板の導電型については成長用基板上の半導体層の導電型に対応させることが好ましく、本実施形態に適用可能な化合物半導体基板としてn型InP基板及びn型GaAs基板を例示することができる。
支持基板10としては、当該支持基板10上に発光層50を成長させる成長用基板を用いることができる。後述する接合法を用いる場合は、成長用基板とは異種の種々の基板を支持基板10として使用してもよい。
支持基板10上に介在層20を設けてもよい。介在層20をIII-V族化合物半導体層とすることができる。成長用基板としての支持基板10上に半導体層をエピタキシャル成長させるための初期成長層として用いることができる。また、例えば、成長用基板としての支持基板10と、n型半導体層30との間の格子歪みを緩衝させるためのバッファ層として用いることもできる。また、成長用基板と介在層20を格子整合させつつ、半導体組成を変えることで、エッチングストップ層としても用いることができる。例えば支持基板がn型のInP基板である場合は、介在層20をn型InGaAs層とすることが好ましい。この場合、介在層20をInP成長用基板と格子整合させるため、III族元素におけるIn組成比を0.3〜0.7とすることが好ましく、0.5〜0.6とすることがより好ましい。また上記のInGaAsと同程度にInP基板と格子定数が近くなる組成比とするならば、AlInAsやAlInGaAs、InGaAsPとしてもよい。介在層20は、単層であってもよいし、あるいは、他層との複合層(例えば超格子層)であっても良い。
支持基板10及び必要に応じて介在層20上に、n型半導体層30を設けることができ、当該n型半導体層30をn型クラッド層として用いることができる。発光層50のIII-V族化合物半導体の組成に応じてn型半導体層30のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層50がInGaAsP系半導体で構成される場合には、例えばn型InP層を用いることができる。n型半導体層30は単層構造であってもよいし、複数層が積層された複合層であっても構わない。n型クラッド層の厚さとして1μm〜5μmを例示することができる。
n型半導体層30及びp型半導体層70と発光層50との間に第1スペーサ層41及び第2スペーサ層42をそれぞれ設けることも好ましい。第1スペーサ層41はアンドープ又はn型のIII-V族化合物半導体層とすることができ、例えばi型InPスペーサ層を用いることが好ましい。一方p側の第2スペーサ層42はアンドープのIII-V族化合物半導体層とすることが好ましく、例えばi型InPスペーサ層を用いることができる。アンドープのスペーサ層42を設けることで、発光層50とp型層との間の不要なドーパントの拡散を防止することができる。各スペーサ層41,42の厚さは制限されないが、例えば5〜500nmとすればよい。
発光層50及び必要に応じて第2スペーサ層42上にp型半導体層70を設けることができる。p型半導体層70は発光層50の側から順に、p型クラッド層71及びp型コンタクト層73を備えることができる。p型クラッド層71及びp型コンタクト層73の間に中間層72を設けることも好ましい。中間層72を設けることで、p型クラッド層71及びp型コンタクト層73の格子不整合を緩和することができる。発光層50のIII-V族化合物半導体の組成に応じてp型半導体層70のIII-V族化合物半導体の組成を適宜定めればよい。発光層50がInGaAsP系半導体で構成される場合には、p型クラッド層としてp型InPを、中間層としてp型InGaAsPを、p型コンタクト層73としてPを含まないp型InGaAsを例示することができる。p型半導体層70の各層の膜厚は特に制限されないものの、p型クラッド層71の膜厚として1μm〜5μmを例示することができ、中間層72の膜厚として50〜200nmを例示することができ、p型コンタクト層73の膜厚として50nm〜200nmを例示することができる。
p型半導体層70上及び支持基板10の裏面にそれぞれ第1電極80及び第2電極90を設けることができ、各電極を構成するための金属材料は、Ti、Pt、Auなどの金属や、金と共晶合金を形成する金属(Snなど)などの一般的なものを用いることができる。さらに、各電極の電極パターンは任意であり、何ら制限されない。
本発明による前述の半導体発光素子の製造方法は、第1層51を形成する第1工程と、第2層52を形成する第2工程と、これら第1工程及び第2工程を繰り返し行い発光層50を形成する発光層形成工程と、を少なくとも含む。第3層53を形成する第3工程をさらに含んでもよい。この場合、発光層形成工程においては、第1層51を形成する第1工程、第3層53を形成する第3工程、及び第2層52を形成する第2工程を繰り返し行うことができる。
狙いの発光中心波長を1300nmとして、以下の発明例1及び比較例1〜3に係る半導体発光素子を接合法により作製した。
発明例1による半導体発光素子100のIII-V族化合物半導体層の各構成については図3の符号を参照する。Sドープのn型InP基板を成長用基板として用いた。n型InP基板(Sドープ、ドーパント濃度2×1018atoms/cm3)の(100)面上に、厚さ100nmのn型InP層及び厚さ20nmのn型In0.57Ga0.43As層(それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層)、厚さ2000nmのn型InP層(n型クラッド層としてのn型半導体層30)、厚さ100nmのi型InP層(第1スペーサ層41)、詳細を後述する発光層50、厚さ320nmのi型InP層(第2スペーサ層42)、厚さ4800nmのp型InP層(p型クラッド層71)、厚さ50nmのp型In0.8Ga0.2As0.5P0.5層(中間層72)、厚さ100nmのp型In0.57Ga0.43As層(p型コンタクト層73)をMOCVD法により順次形成した。n型InP層及びn型InGaAs層(それぞれを初期成長層及びエッチングストップ層)、n型InP層(n型クラッド層としてのn型半導体層30)はSiドープを行い、ドーパント濃度は7×1017 atoms/cm3とした。p型InP層(p型クラッド層71)はZnドープを行い、ドーパント濃度は1×1018 atoms/cm3とした。p型InGaAsP層(中間層72)、p型InGaAs層(p型コンタクト層73)はZnドープを行い、ドーパント濃度は1×1019 atoms/cm3とした。
発明例1における第1層51及び第2層52の組成比を表2に記載のとおりに変えた以外は、発明例1と同様として半導体発光素子を接合法に従い形成した。表2に、発明例1を含めて、第1層51及び第2層52の組成比及びこれらより換算させる組成波長及び格子定数を示す。さらに、表2に組成波長差及び格子定数差の比を絶対値で示す。なお、比較例1の第2層52はi型InP層であり、その他の発光層を構成する層はi型InGaAsP層である。
狙いの発光中心波長を1460nmとして、以下の発明例2及び比較例4〜8に係る半導体発光素子を接合法により作製した。
発明例1における第1層51及び第2層52の組成比を表3に記載のとおりに変えた以外は、発明例1と同様として発明例2及び比較例4〜8に係る半導体発光素子を接合法に従い形成した。なお、比較例4の第2層52はi型InP層である。また、表3にこれらの組成波長差及び格子定数差の比を表2と同様に示す。
発明例1,2、比較例1〜8のそれぞれにかかる半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vf、積分球による発光出力Po、及び発光中心波長λpを測定し、それぞれ3個の試料の測定結果の平均値を求めた。結果を表4に示す。また、組成波長差と発光出力Poとの関係を示すグラフを図4に示す。さらに、組成波長差と順方向電圧Vfとの関係を示すグラフを図5に示す。
半導体発光素子作製直後の積分球による初期の発光出力を測定し(3個の試料の平均)、その後、半導体発光素子に室温で20mAを1000時間連続して通電した後に積分球による発光出力を測定した(3個の試料の平均)。結果を表4に示す。
20 介在層
30 第1導電型半導体層(n型半導体層)
41 第1スペーサ層
42 第2スペーサ層
50 発光層
51 第1のIII-V族化合物半導体層(第1層)
52 第2のIII-V族化合物半導体層(第2層)
53 第3のIII-V族化合物半導体層(第3層)
70 第2導電型半導体層(p型半導体層)
80 第1電極
90 第2電極
100 半導体発光素子
Claims (9)
- 組成比が互いに異なる第1のIII-V族化合物半導体層及び第2のIII-V族化合物半導体層を繰り返し積層した積層構造を有する発光層を備える半導体発光素子であって、
前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層におけるIII族元素はAl,Ga,Inからなる群より選択される1種又は2種以上であり、かつ、前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層におけるV族元素はAs,Sb,Pからなる群より選択される1種又は2種以上であり、
前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層はいずれも、前記III族元素及び前記V族元素のうちから選択される3種以上の元素により構成され、
前記第1のIII-V族化合物半導体層の組成波長と、前記第2のIII-V族化合物半導体層の組成波長との組成波長差が50nm以下であり、かつ、前記第1のIII-V族化合物半導体層の格子定数と前記第2のIII-V族化合物半導体層の格子定数との格子定数差の比が0.05%以上0.60%以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記格子定数差の比が0.3%以上である、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層の組成波長差が30nm以下である、請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層はいずれも、前記III族元素及び前記V族元素のうちから選択される4種以上の元素により構成される請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記4種以上の元素を構成する元素のうち、前記III族元素はGa,Inであり、前記V族元素はAs,Sb,Pからなる群より選択される2種以上である、請求項4に記載の半導体発光素子。
- 前記第1及び前記第2のIII-V族化合物半導体層はいずれもInGaAsPの4元系化合物半導体である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層の前記積層構造において、前記第1及び第2のIII-V族化合物半導体層の間に第3のIII-V族化合物半導体層がさらに設けられ、
前記第3のIII-V族化合物半導体層は、前記III族元素及び前記V族元素のうちから選択される4種以上の元素により構成され、
前記第1、第2及び第3のIII-V族化合物半導体層の隣り合う互いの組成波長差がいずれも50nm以下であり、かつ、
前記第1、第2及び第3のIII-V族化合物半導体層の隣り合う互いの格子定数差の比がいずれも0.05%以上0.60%以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記第3のIII-V族化合物半導体層はInGaAsPの4元系化合物半導体である、請求項7に記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造する方法であって、
前記第1のIII-V族化合物半導体層を形成する第1工程と、
前記第2のIII-V族化合物半導体層を形成する第2工程と、
前記第1工程及び前記第2工程を繰り返し行い前記発光層を形成する発光層形成工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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