JPWO2015001692A1 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
本開示の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるn型クラッド層と、n型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるp型クラッド層とを有する。n型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層と第2のn型窒化物半導体層が交互に積層された多層膜からなり、かつn型クラッド層の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。A semiconductor light emitting device of the present disclosure includes a substrate, an n-type cladding layer made of a nitride semiconductor formed on the substrate, an active layer made of a nitride semiconductor formed on the n-type cladding layer, And a p-type cladding layer made of a nitride semiconductor and formed on the active layer. The n-type cladding layer is composed of a multilayer film in which at least first n-type nitride semiconductor layers and second n-type nitride semiconductor layers having different compositions are alternately stacked, and an average lattice constant of the n-type cladding layer Is larger than the lattice constant of GaN.
Description
本開示は、窒化物半導体素子に関し、特に青紫〜赤色の可視域の発光を伴う半導体レーザおよびスーパールミネッセントダイオードに関する。 The present disclosure relates to a nitride semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor laser and a superluminescent diode with light emission in the visible range of violet to red.
まず、図14を参照して、特許文献1に記載された従来の半導体発光素子の構造について説明する。従来の半導体発光素子は半導体基板1上にGaNバッファ層2、n型GaN層3、n型InGaN層4、n型AlGaN層5、n型GaN層6、活性層7、p型AlGaN層8、p型GaN層9、p型AlGaN層10、p型GaN層11が順に積層されている。そして、n型GaN層3には負電極が、p型GaN層11には正電極がそれぞれ電気的に接続されている。従来の半導体発光素子の構造では、n型GaN層3とクラッド層であるn型AlGaN層5の間に、GaNよりも格子定数の大きいn型InGaN層4が挿入されている。
First, the structure of the conventional semiconductor light emitting device described in
次に、図15を参照して、非特許文献1に記載された従来の半導体発光素子の構造について説明する。非特許文献1に記載された半導体発光素子は、サファイア基板21上にバッファ層22、AlInN層23、n型AlGaN層24、n型GaN層25、活性層26、p型GaN層27、p型AlGaN層28、p型GaN層29が順に積層されている。そして、n型AlGaN層24にはn電極31が、p型GaN層27にはp電極30が電気的に接続されている。
Next, the structure of the conventional semiconductor light emitting element described in Non-Patent
しかしながら、先行文献に記載された構造を用いて半導体発光素子を高効率化する場合、以下のような課題を有する。 However, when the semiconductor light emitting device is made highly efficient using the structure described in the prior art, the following problems are encountered.
まず特許文献1に記載された半導体発光素子の場合、歪発生を抑制するために設けられたn型InGaN層4は歪キャンセル量と結晶性とのトレードオフ関係を有する。つまり、n型InGaN層4のIn組成が低い場合、歪のキャンセル量が小さくなり、高Al組成のクラッド層を積層するとピエゾ電界が大きくり、クラックが発生する可能性がある。一方、n型InGaN層4のIn組成が高くなると、InNとGaNの非混和性のため、InとGaの分離が生じ、結晶性が悪くなる。結果として、特許文献1に記載された半導体発光素子ではその効率を十分高くすることができないという課題がある。
First, in the case of the semiconductor light emitting device described in
次に非特許文献1に記載された半導体発光素子の場合、GaNと格子整合するAlInNはバンドギャップが5.2eVと大きく、電流を流すために大きな障壁が発生する。そのため、AlInN層23の積層方向に電流を流すには大きなバイアス電圧が必要となり、縦方向に電流を流せないか、流したとしても半導体発光素子の効率が低下する。また、AlInN層23に電流を流さず、n型AlGaN層24に横方向に電流を流そうとしても、光閉じ込めの観点からはn型AlGaN層24は厚くすることができない。その結果、n型AlGaN層24の抵抗が高くなり、窒化物半導体レーザの効率が低下してしまう。また、GaNと格子整合するAlInNの例えば波長が530nmの光に対する屈折率は2.2程度と低い。AlInNをn型クラッド層として用いる場合、光分布の対称性を維持するためにはp型クラッド層のAl組成をさらに高める必要がある。その結果、非特許文献1に記載された半導体発光素子には、n型AlGaN層24で発生する歪を抑制することができても、p型AlGaN層28で発生する歪によってクラックが生じてしまうという課題がある。
Next, in the case of the semiconductor light-emitting device described in Non-Patent
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることで、高効率な縦伝導半導体発光素子を実現するものである。 The present disclosure has been made in order to solve the above-described problems, and by confining light in the active layer with high symmetry without generating cracks / dislocations due to strain and separation of electrons and holes, highly efficient longitudinal A conductive semiconductor light emitting device is realized.
上記の課題解決のために、本開示に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるn型クラッド層と、n型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるp型クラッド層とを有する。n型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層と第2のn型窒化物半導体層とを備え、かつn型クラッド層の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。 In order to solve the above problems, a semiconductor light emitting device according to the present disclosure is formed on a substrate, an n-type cladding layer made of a nitride semiconductor formed on the substrate, and an n-type cladding layer. An active layer made of a nitride semiconductor and a p-type cladding layer made of a nitride semiconductor formed on the active layer. The n-type cladding layer includes at least a first n-type nitride semiconductor layer and a second n-type nitride semiconductor layer having different compositions, and an average lattice constant of the n-type cladding layer is larger than a lattice constant of GaN. large.
本開示に係る半導体発光素子によれば、n型クラッド層の平均格子定数がGaNの格子定数よりも大きいため、p型クラッド層の積層時に発生する歪を緩和することができる。それにより光を活性層に閉じ込めながらクラック・転位や電子と正孔の分離を抑制することが可能となる。 According to the semiconductor light emitting device according to the present disclosure, since the average lattice constant of the n-type cladding layer is larger than the lattice constant of GaN, the strain generated when the p-type cladding layer is stacked can be reduced. This makes it possible to suppress cracks / dislocations and separation of electrons and holes while confining light in the active layer.
以下に、本開示の実施形態に係る半導体発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
(構造)
まず、本開示の実施形態1に係る半導体発光素子の構造について、図1を用いて説明する。図1は本開示の実施形態1に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子110は、基板111と、n型クラッド層112と、活性層114と、p型クラッド層116と、を備える。n型クラッド層112は、基板111の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層114は、n型クラッド層112の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。p型クラッド層116は、活性層114の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。n型クラッド層112は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層112aと第2のn型窒化物半導体層112bが交互に積層された多層膜からなる。n型クラッド層112の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。(Embodiment 1)
(Construction)
First, the structure of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層114に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
With such a configuration, a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting element that can confine light in the
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板111は、例えばn型GaN基板である。基板111の上方にはn型クラッド層112が設けられる。n型クラッド層112の上方には、例えばn型GaNであるn型ガイド層113が設けられる。n型ガイド層113の上方には、活性層114が設けられる。活性層114は、例えば、InGaN量子井戸層とGaN量子障壁層が交互に3層積層されて構成されている。活性層114の上方には、p型ガイド層115が設けられる。p型ガイド層115は、例えばMgがドープされたp型GaNからなる。p型ガイド層115の上方には、p型クラッド層116が設けられる。p型クラッド層116は、例えばp型AlGaNからなる。p型クラッド層116の上方には、p型コンタクト層117が設けられる。p型コンタクト層117は、例えばp型GaNからなる。
Hereinafter, more specific description including an optional configuration that is not essential will be given. The
n型クラッド層112は、例えばAlInNである第1のn型窒化物半導体層112aと、例えばn型GaNである第2のn型窒化物半導体層112bを含む多層膜で構成される。AlInNのIn組成は17%よりも高く、GaNの格子定数よりも大きい。そのため、n型クラッド層112の平均の格子定数はGaNの格子定数よりも大きい。第1のn型窒化物半導体層112aの膜厚は2nm以下であることが望ましい。また、p型クラッド層116のAl組成は5%以上が好ましく、7%以上であるときに顕著に効果が現れる。さらに、第1のn型窒化物半導体層112aと第2のn型窒化物半導体層112bに用いる材料の組み合わせは、平均格子定数がGaNの格子定数よりも大きいという条件を満たせば、上述の組み合わせに限らない。例えば、第1のn型窒化物半導体層112aのAlInNのIn組成が17%より低くても、第2のn型窒化物半導体層112bをInGaNとすることにより、平均格子定数をGaNの格子定数よりも大きくすることができる。あるいは、第1のn型窒化物半導体層112aのAlInNのIn組成を17%よりも高め、かつ第2のn型窒化物半導体層112bをInGaNとすることにより、平均格子定数をよりGaNの格子定数よりも大きくすることができるため、効果が顕著になる。また、第1のn型窒化物半導体層112aのAlInNのIn組成を17%よりも高め、第2のn型窒化物半導体層112bをAlGaNとすることも可能である。この場合は、結晶成長が容易になる。
The n-
このような半導体発光素子110の表面に形成される光導波路は、p型クラッド層116の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、リッジ構造を覆うように電流ブロック層121が形成されている。さらに、電流ブロック層121にはp型コンタクト層117が露出するような開口が設けられ、p型コンタクト層117に接するように、p電極122が形成されている。p電極122は、例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなる。また、基板111の裏面にはn電極123が形成されている。n電極123は、例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなる。半導体発光素子110は、p電極122とn電極123の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作する。
The optical waveguide formed on the surface of the semiconductor
上記の構成において、活性層114は、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施形態においては、基板111が導電性を有するn型GaNである例を説明したが、基板111の材料はこれに限定されない。基板111には、例えばn型SiCやn型Siなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板111には、サファイア基板等の絶縁基板を用いることも可能である。この場合、光導波路外部の、n型クラッド層112が露出された表面に、p電極122と電気的に絶縁されたn電極が形成されることで半導体発光素子に電力を供給することができる。
In the above configuration, the
なお本実施形態においては、活性層114は、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする光を発光する例を示したがこの限りではない。例えば、活性層114は、活性層114のインジウムの組成を変化させることで波長400nm〜650nmの間の特定の波長を中心に発光することができる。
In the present embodiment, the
(動作および効果)
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について図2A、図2B、図3A、図3B、図3C、図4、図5を用いて説明する。(Operation and effect)
Next, the effect of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 4, and 5. FIG.
まず、図2A、図2Bを用いて、クラッド層に加えられる歪について説明する。図2A、図Bは、p型クラッド層936、n型クラッド層932に加えられている歪の大きさと方向を示している。矢印の大きさは歪の大きさを表す。図2Aに示した比較例の半導体発光素子では、n型クラッド層932はGaNと格子整合したAlInNからなり、p型クラッド層936はAlGaNからなる。このとき、AlInNの屈折率が低いため、光分布の対称性を維持するにはAlGaNのAl組成を高める必要がある。AlGaNは低屈折率化のためpクラッド層936として用いられる。その場合、n型クラッド層932に加えられる歪は格子整合しているためほぼ0になるが、p型クラッド層936に加えられる歪が大きくなってしまう。そのため、p型クラッド層936の積層時にクラックや転位が発生する。さらに、n型クラッド層932はAlInN単層であるため、積層方向に電流を流すには大きなバイアス電圧が必要で、効率のよい縦伝導半導体発光素子を作製することができない。 First, the strain applied to the cladding layer will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. 2A and 2B show the magnitude and direction of strain applied to the p-type cladding layer 936 and the n-type cladding layer 932. FIG. The size of the arrow represents the magnitude of distortion. In the semiconductor light emitting device of the comparative example shown in FIG. 2A, the n-type cladding layer 932 is made of AlInN lattice-matched with GaN, and the p-type cladding layer 936 is made of AlGaN. At this time, since the refractive index of AlInN is low, it is necessary to increase the Al composition of AlGaN in order to maintain the symmetry of the light distribution. AlGaN is used as the p-cladding layer 936 to reduce the refractive index. In this case, the strain applied to the n-type cladding layer 932 is almost zero because of lattice matching, but the strain applied to the p-type cladding layer 936 becomes large. Therefore, cracks and dislocations are generated when the p-type cladding layer 936 is stacked. Furthermore, since the n-type cladding layer 932 is an AlInN single layer, a large bias voltage is required to flow current in the stacking direction, and an efficient vertical conduction semiconductor light emitting device cannot be manufactured.
一方、図2Bに示す本開示の構造の場合、n型クラッド層112の平均格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。そのため、同様にp型クラッド層116のAl組成を高めたとしても、そこに加えられる歪は一部がn型クラッド層112のために打ち消される。その結果、高Al組成のAlGaNを積層した場合でも、クラックや転位の発生を抑制することができる。さらに、n型クラッド層112は、格子定数がGaNの格子定数よりも大きいAlInNからなる第1のn型窒化物半導体層112aとGaNからなる第2のn型窒化物半導体層112bの薄膜を交互に積層させた超格子であるため、この超格子構造によっても歪の発生が軽減される。
On the other hand, in the structure of the present disclosure shown in FIG. 2B, the average lattice constant of the n-
次に、図3A、図3B、図3Cを用いて、半導体発光素子の中の光分布について説明する。レーザやスーパールミネッセントダイオードのような誘導放出光を用いるデバイスでは、p、n型クラッド層とガイド層の屈折率差により活性層近傍に光を閉じ込めることが高効率化のために重要である。図3A、図3B、図3Cのそれぞれにおいて、左側の図は半導体発光素子の断面を示し、右側の図は半導体発光素子の層構造に対応した屈折率の分布および光強度分布を表す。 Next, the light distribution in the semiconductor light-emitting element will be described with reference to FIGS. 3A, 3B, and 3C. In devices using stimulated emission light, such as lasers and superluminescent diodes, it is important to confine light near the active layer due to the refractive index difference between the p-type and n-type cladding layers and the guide layer. . In each of FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C, the left figure shows the cross section of a semiconductor light emitting element, and the right figure shows the refractive index distribution and light intensity distribution corresponding to the layer structure of the semiconductor light emitting element.
図3Aは比較例の半導体発光素子(非特許文献1)における積層方向の屈折率分布と光強度分布を示したものである。この比較例の半導体発光素子の場合、n型クラッド層912はGaNと格子整合したAlInNを用いており、通常用いられるAlGaNと比較して屈折率が低い。そのため、屈折率差はn型側の方が大きく、光分布はp型側へと偏った分布となってしまう。このとき、光の分布が一部p型クラッド層916に設けられているリッジ構造やp型コンタクト層にかかってしまうと、そこで光の吸収が生じ、効率の低下が発生してしまう。偏った光分布を改善するために、p型クラッド層916を低屈折率化、すなわちAl組成を高めると、先述したようにクラックや転位が発生してしまう。 FIG. 3A shows a refractive index distribution and a light intensity distribution in the stacking direction in the semiconductor light emitting device of the comparative example (Non-patent Document 1). In the semiconductor light emitting device of this comparative example, the n-type cladding layer 912 uses AlInN lattice-matched with GaN, and has a lower refractive index than that of normally used AlGaN. Therefore, the refractive index difference is larger on the n-type side, and the light distribution becomes a distribution that is biased toward the p-type side. At this time, if the light distribution is partially applied to the ridge structure or the p-type contact layer provided in the p-type cladding layer 916, light absorption occurs there, resulting in a decrease in efficiency. If the p-type cladding layer 916 has a low refractive index, that is, an Al composition is increased in order to improve the uneven light distribution, cracks and dislocations will occur as described above.
図3Bは比較例の半導体発光素子(特許文献1)における積層方向の屈折率分布と光強度分布を示したものである。この比較例の半導体発光素子の場合、上部n型クラッド層942b、p型クラッド層946にはAlGaNが積層されているが、下部n型クラッド層942aとしてInGaNが挿入されている。このInGaNによって歪の一部がキャンセルされるが、一般的にInGaNのIn組成が高くなると、結晶性の低下が発生する。そのため、InGaNのIn組成を高めることは難しく、キャンセルされる歪の量はそれほど大きくない。その結果、上部n型クラッド層942bやp型クラッド層946に用いられるAlGaNのAl組成を高めることが困難となる。このため、クラッド層とガイド層との屈折率差をそれほど大きくできず、全体的に広がった光分布となってしまい、半導体発光素子の効率が低下する。 FIG. 3B shows a refractive index distribution and a light intensity distribution in the stacking direction in the semiconductor light emitting device of the comparative example (Patent Document 1). In the semiconductor light emitting device of this comparative example, AlGaN is stacked on the upper n-type cladding layer 942b and the p-type cladding layer 946, but InGaN is inserted as the lower n-type cladding layer 942a. Although a part of the strain is canceled by this InGaN, generally, when the In composition of InGaN increases, the crystallinity decreases. Therefore, it is difficult to increase the In composition of InGaN, and the amount of strain to be canceled is not so large. As a result, it is difficult to increase the Al composition of AlGaN used for the upper n-type cladding layer 942b and the p-type cladding layer 946. For this reason, the refractive index difference between the clad layer and the guide layer cannot be increased so much, resulting in an overall light distribution, and the efficiency of the semiconductor light emitting device is lowered.
図3Cは本開示の半導体発光素子にかかる積層方向の屈折率分布と光強度分布を示した図である。本開示の半導体発光素子の場合、GaNよりも格子定数の大きいn型クラッド層112により歪がキャンセルされるため、p型クラッド層116のAl組成を高めることが可能となる。そのため、p側、n側ともに対称性高く大きな屈折率差を得ることができ、効果的に光を活性層近傍へ閉じ込めることができる。これにより、高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
FIG. 3C is a diagram illustrating a refractive index distribution and a light intensity distribution in the stacking direction according to the semiconductor light emitting device of the present disclosure. In the case of the semiconductor light emitting device of the present disclosure, since the strain is canceled by the n-
なお、ここで、本開示のn型クラッド層112を構成する第1のn型窒化物半導体層112aと第2のn型窒化物半導体層112bに用いる材料の組み合わせは、これら2つの平均格子定数がGaNの格子定数よりも大きければよい。例えば、第1のn型窒化物半導体層112aにGaNよりも格子定数の大きなAlGaInNを用いた場合、第2のn型窒化物半導体層112bにはGaNを用いることも可能である。また例えば、第1のn型窒化物半導体層112aにGaNよりも格子定数の小さなAlInNを用いた場合は、第2のn型窒化物半導体層112bにGaNよりも格子定数の大きなInGaNを用いることも可能である。また例えば、第1のn型窒化物半導体層112aにGaNよりも格子定数の小さなAlGaInNを用い、第2のn型窒化物半導体層112bにGaNよりも格子定数の大きなAlGaNを用いることも可能である。
Here, the combination of materials used for the first n-type
図4、図5は本発明者等が実際に作製したn型クラッド層112の電気特性を表す図である。まず、本発明者等は、n型クラッド層112の電気特性のみを評価するために、導電性材料からなる基板111の上にn型クラッド層112を成長させた。このとき、第1のn型窒化物半導体層112aはIn組成が18%のAlInN、第2のn型窒化物半導体層112bはSiを1×1019cm−3ドープしたGaNである。この縦方向の電気特性を測定したものが図4になるが、AlInN層の膜厚が3.5nm(破線)から1.5nm(実線)へと薄くなることにより、直接トンネリングの確率が上がり、電気特性が向上したことがわかる。さらに、本発明者等はAlInN層の膜厚のみが異なるサンプルを3種類用意し、その縦方向の導電率を評価した。その結果が図5である。図5に示す結果から、薄膜化により直接トンネリング確率が増大し、導電率が向上していることが確認できた。さらに、AlInN層の膜厚が2nm以下であれば一般的にn型クラッド層として用いられるAlGaNよりも導電率が高いことが確認できた。4 and 5 are diagrams showing the electrical characteristics of the n-
このようにして、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。 In this way, it is possible to realize a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting device that can confine light in the active layer with high symmetry without causing cracks / dislocations and separation of electrons and holes due to strain. .
(製造方法)
続いて本開示の半導体発光素子の製造方法を、図6A、図6B、図6C、図7A、図7B、図7C、図8、図9を用いて説明する。(Production method)
Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 6A, 6B, 6C, 7A, 7B, 7C, 8, and 9.
(a)まず、MOCVDを用いて、n型伝導性を有するGaNからなる基板111上に、AlInNからなる第1のn型窒化物半導体層112aとGaNからなる第2のn型窒化物半導体層112bとを交互に積層してn型クラッド層112を形成する。
(A) First, using MOCVD, a first n-type
続いて、n型ガイド層113、活性層114、p型ガイド層115、p型クラッド層116、p型コンタクト層117を形成する(図6A)。
Subsequently, an n-
(b)次に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによりp型コンタクト層117上に、SiO2マスク(図示せず)を形成する。その後、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、SiO2マスクにストライプ状のパターンを作製し、p型コンタクト層117を露出させる。(B) Next, a SiO 2 mask (not shown) is formed on the p-
次に、例えば塩素(Cl2)ガスによるドライエッチングを施し、p型コンタクト層117を貫通し、p型クラッド層116の一部までをエッチングする。Next, dry etching using, for example, chlorine (Cl 2 ) gas is performed, and the p-
次に、フッ酸(HF)などのウェットエッチングにより、SiO2マスクを除去する(図6B)。Next, the SiO 2 mask is removed by wet etching such as hydrofluoric acid (HF) (FIG. 6B).
(c)次に、プラズマCVD法などにより、例えばSiO2からなる電流ブロック層121をp型クラッド層116およびp型コンタクト層117上に形成する。続いてフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、p型コンタクト層117が露出するように、電流ブロック層121をエッチングする。(C) Next, a
次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、p型コンタクト層117と電気的に接するように、p電極122を形成する。
Next, the p-
次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、基板111の裏面にTi、Al、Ni、Au等の多層膜からなるn電極123を形成する。
Next, an n-
最後に、図示しない、ブレードを用いたダイシング、またはへき開によりチップ分離を行うことで、半導体発光素子を形成する(図6C)。 Finally, a semiconductor light emitting element is formed by performing chip separation by dicing using a blade (not shown) or cleavage (FIG. 6C).
ここで、工程(a)においてAlInNの結晶成長速度(成長レート)と表面モフォロジについて述べる。図7A、図7B、図7Cに示すように、AlInNの表面モフォロジの成長レートを低下させることで表面モフォロジが平坦化し、より結晶性が高いn型クラッド層112を形成できる。成長レートの低いn型クラッド層112においては、図8に示すように断面TEM像で明瞭なコントラストが得られる。
Here, the crystal growth rate (growth rate) and surface morphology of AlInN in the step (a) will be described. As shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, by reducing the growth rate of the surface morphology of AlInN, the surface morphology is flattened, and the n-
なお、実際に本発明者等が作製したデバイス特性を評価した結果を図9に示す。図9の実線は、n型クラッド層112としてInAlN超格子バッファ層を用いた結果を示す。図9の破線は、n型クラッド層112としてAlGaNを用いた結果を示す。この図9に示す結果より、n型クラッド層112として、InAlN超格子バッファ層を用いた方が、n型クラッド層112としてAlGaNを用いるよりも半導体発光素子が低抵抗となることがわかる。
FIG. 9 shows the results of evaluating the device characteristics actually produced by the present inventors. The solid line in FIG. 9 shows the result of using an InAlN superlattice buffer layer as the n-
以上のような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。 With the configuration as described above, a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting device capable of confining light in the active layer with high symmetry without generating cracks, dislocations and separation of electrons and holes due to strain. realizable.
(実施形態2)
(構造)
まず、本開示の実施形態2に係る半導体発光素子の構造について、図10を用いて説明する。図10は本開示の実施形態2に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子210は、基板211と、n型クラッド層212と、活性層214と、p型クラッド層216と、を備える。n型クラッド層212は、基板211の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層214は、n型クラッド層212の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。p型クラッド層216は、活性層214の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。n型クラッド層212は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層である下部n型クラッド層212aと第2のn型窒化物半導体層である上部n型クラッド層212bが積層された多層膜からなる。n型クラッド層112の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。(Embodiment 2)
(Construction)
First, the structure of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層214に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
With such a configuration, a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting device that can confine light in the
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板211は、例えばn型GaN基板からなる。基板211の上方には、下部n型クラッド層212aと上部n型クラッド層212bからなるn型クラッド層212が設けられる。n型ガイド層213は、n型クラッド層212の上方に設けられる。n型ガイド層213は、例えばn型GaNからなる。活性層214は、n型ガイド層213の上方に設けられる。活性層214は、例えば、InGaN量子井戸層とGaN量子障壁層が交互に3層積層されて構成されている。p型ガイド層215は、活性層214の上方に設けられる。p型ガイド層215は、例えばMgがドープされたp型GaNからなる。p型クラッド層216は、p型ガイド層215の上方に設けられる。p型クラッド層216は、例えばp型AlGaNからなる。p型コンタクト層217は、p型クラッド層216の上方に設けられる。p型コンタクト層217は、例えばp型GaNからなる。
Hereinafter, more specific description including an optional configuration that is not essential will be given. The
ここで、下部n型クラッド層212aは例えばAlInNである第1の下部n型窒化物半導体層212a1と、例えばn型GaNである第2の下部n型窒化物半導体層212a2を含む多層膜で構成される。また、上部n型クラッド層212bは例えばAlInNである第1の上部n型窒化物半導体層212b1と、例えばn型GaNである第2の上部n型窒化物半導体層212b2を含む多層膜で構成される。このとき、第1の下部n型窒化物半導体層212a1におけるAlInNのIn組成は17%よりも高く、GaNの格子定数よりも大きい。また、n型クラッド層212の平均の格子定数はGaNの格子定数よりも大きい。第1の下部n型窒化物半導体層212a1および第1の上部n型窒化物半導体層212b1の膜厚はそれぞれ2nm以下であることが望ましい。また、p型クラッド層のAl組成は5%以上が好ましく、7%以上であるときに顕著に効果が現れる。
Here, the lower n-
また、上部n型クラッド層212bの平均格子定数はGaNの格子定数より小さくてもよい。さらに、本実施形態では上部n型クラッド層212bと下部n型クラッド層212aの2層に分けて記載しているが、n型クラッド層212内での平均格子定数が、基板211側から表面側に向かって連続的に変化してもよい。その場合は、基板211側の平均格子定数が表面側の平均格子定数よりも大きいことが望ましい。
The average lattice constant of the upper n-
このような半導体発光素子210の表面に形成される光導波路は、p型クラッド層216の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、リッジ構造を覆うように電流ブロック層221が形成されている。さらに、電流ブロック層221にはp型コンタクト層217が露出するような開口が設けられ、p電極222がp型コンタクト層217に接するように形成されている。p電極222は、例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層/多層膜からなる。また、基板211の裏面には例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層/多層膜からなるn電極223が形成されている。半導体発光素子210は、p電極222とn電極223の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作をする。
The optical waveguide formed on the surface of the semiconductor
上記の構成において、活性層214は、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施の形態においては、基板211が導電性を有するn型GaNである例を示したが、基板211を構成する材料はこれに限定されない。基板211を構成する材料には、例えばn型SiCやn型Siなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板211を構成する材料にはサファイア基板等の絶縁基板を用いることができる。この場合、光導波路外部の、n型クラッド層212が露出した表面に、p電極222と電気的に絶縁されたn電極223を形成することで半導体発光素子に電力を供給することができる。
In the above configuration, the
なお本実施形態においては、活性層214が、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする光を発光する例を示したがこの限りではない。例えば活性層214のインジウムの組成を変化させることで、活性層214は波長400nm〜650nmの間の特定の波長を中心に発光することができる。
In the present embodiment, an example in which the
(動作および効果)
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について図11A、図11B、図11C、図12を用いて説明する。(Operation and effect)
Next, the effect of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 11A, 11B, 11C, and 12. FIG.
まず、図11A,図11B、図11Cを用いて、p型クラッド層216、n型クラッド層212に加えられる歪について説明する。図11A,図11B、図11Cは、p型クラッド層216、n型クラッド層212に加えられている歪の大きさと方向を示している。矢印の大きさは歪の大きさを表す。ここで、半導体発光素子210において、過剰な歪エネルギーは、表面から基板方向に、引っ張り歪を受けている層において蓄積される。そして、その蓄積されたエネルギーが一定以上になると、転位やクラックの起点となる。したがって、転位やクラックを抑制するためには、過剰歪エネルギーが最大となる基板211とn型クラッド層212との界面に加わる歪を低減することが重要である。したがって、本開示の構成のように下部n型クラッド層212aの格子定数がGaNの格子定数よりも大きい場合、歪の発生を抑制しつつ上部n型クラッド層212bやp型クラッド層216を形成することができる(図11A、図11B)。また、n型クラッド層212内での平均格子定数が、基板211側から表面側に向かって連続的に変化する場合、多層膜の界面に生じる歪の発生が抑制される(図11C)。さらに、n型クラッド層212は、薄膜を交互に積層させた超格子であるため、この超格子構造によっても歪を軽減できる。
First, the strain applied to the p-
次に、本実施形態に係る半導体発光素子の光分布について図12に示す。本開示においては上部n型クラッド層212bの屈折率を低くできるため、効果的に光を活性層214近傍に閉じ込めることができる。
Next, the light distribution of the semiconductor light emitting device according to this embodiment is shown in FIG. In the present disclosure, since the refractive index of the upper n-
このようにして、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。 In this way, it is possible to realize a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting device that can confine light in the active layer with high symmetry without causing cracks / dislocations and separation of electrons and holes due to strain. .
(実施形態3)
(構造)
まず、本開示の実施形態3に係る半導体発光素子の構造について、図13を用いて説明する。図13は本開示の実施形態3に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子310は、基板311と、n型クラッド層312と、活性層314と、p型クラッド層316と、を備える。n型クラッド層312は、基板311の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層314は、n型クラッド層312の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。p型クラッド層316は、活性層314の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。n型クラッド層312は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層312aと第2のn型窒化物半導体層312bが積層された多層膜からなる。n型クラッド層312の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。(Embodiment 3)
(Construction)
First, the structure of the semiconductor light emitting element according to the third embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層314に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
With such a configuration, a low-resistance and high-efficiency vertical conduction semiconductor light-emitting device that can confine light in the
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板311は、n型GaN基板からなる。n型クラッド層312は、基板311の上方に設けられる。n型ガイド層313は、n型クラッド層312の上方に設けられる。n型ガイド層313は、例えばn型GaNからなる。活性層314は、n型ガイド層313の上方に設けられる。活性層314は、例えば、InGaN量子井戸層とGaN量子障壁層が交互に3層積層されて構成されている。p型ガイド層315は、活性層314の上方に設けられる。p型ガイド層315は、例えばMgがドープされたp型GaNからなる。p型クラッド層316は、p型ガイド層315の上方に設けられる。p型コンタクト層317は、p型クラッド層316の上方に設けられる。p型コンタクト層317は、例えばp型GaNからなる。
Hereinafter, more specific description including an optional configuration that is not essential will be given. The
n型クラッド層312は例えばAlInNである第1のn型窒化物半導体層312aと、例えばn型GaNである第2のn型窒化物半導体層312bを含む多層膜で構成される。また、p型クラッド層316は例えばAlInNである第1のp型窒化物半導体層316aと、例えばp型GaNである第2のp型窒化物半導体層316bを含む多層膜で構成される。このとき、下部AlInNのIn組成は17%よりも高く、GaNの格子定数よりも大きい。従って、n型クラッド層312の平均の格子定数はGaNの格子定数よりも大きい。このとき、第1のn型窒化物半導体層312aおよび第1のp型窒化物半導体層316aの膜厚はそれぞれ2nm以下であることが望ましい。また、第1のp型窒化物半導体層316aは、キャリアであるホールが電子よりも有効質量が大きいため、第1のp型窒化物半導体層316aの膜厚は第1のn型窒化物半導体層312aの膜厚よりも小さいことが望ましい。そのため、第1のp型窒化物半導体層316aの膜厚が0.5nm以下であると、より高効率な縦伝導半導体発光素子が実現できる。
The n-
このような半導体発光素子310の表面に形成される光導波路は、p型クラッド層316の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、電流ブロック層321がリッジ構造を覆うように形成されている。このとき、リッジ構造はテーパー構造であることが望ましい。さらに、電流ブロック層321にはp型コンタクト層317が露出するような開口が設けられ、p電極322がp型コンタクト層317に接するように形成されている。p電極322は、例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなるまた、基板311の裏面には例えば、Cr、Ti、Ni、Pd、Pt、Au等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなるn電極323が形成されている。半導体発光素子310は、p電極322とn電極323の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作する構造となっている。
The optical waveguide formed on the surface of the semiconductor
上記の構成において、活性層314は、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施形態においては、基板311が導電性を有するn型GaNであるとして説明したが、基板311を構成する材料はこれに限定されない。基板311を構成する材料には、例えばn型SiCやn型Siなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板311を構成する材料には、サファイア基板等の絶縁基板を用いることも可能である。この場合、光導波路外部の、n型クラッド層312が露出した表面に、p電極322と電気的に絶縁されたn電極323を形成することで半導体発光素子に電力を供給することができる。
In the above configuration, the
なお本実施形態においては、活性層314が、例えば波長450nmもしくは波長520nmを中心とする光を発光する例を示したが、活性層314の発光波長は、これに限定されない。例えば活性層314のインジウムの組成を変化させることで、活性層314は波長400nm〜650nmの間の特定の波長を中心に発光することができる。
In the present embodiment, an example in which the
(動作および効果)
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について説明する。(Operation and effect)
Next, the effect of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be described.
本実施形態の半導体発光素子では、n型クラッド層312の平均格子定数がGaNの格子定数よりも大きい。また、p型クラッド層316の平均格子定数は、第1のp型窒化物半導体層316aおよび第2のp型窒化物半導体層316bに用いる材料の組み合わせにより、平均屈折率によらず、GaNの格子定数に近い値とすることができる。そのため、半導体発光素子310全体に蓄積される歪のエネルギーを低減できるため、転位やクラックを抑制することができる。
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, the average lattice constant of the n-
さらに、p型クラッド層316の構成をn型クラッド層312と似た構造とすることにより、p側、n側の屈折率の対称性が高くなり、光分布を改善することができる。
Furthermore, by making the structure of the p-
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。 Such a configuration realizes a low-resistance, high-efficiency, vertical conduction semiconductor light-emitting device that can confine light in the active layer with high symmetry without generating cracks / dislocations and separation of electrons and holes due to strain. it can.
本開示は、例えばプロジェクタ用の可視光光源に適用でき非常に有用である。 The present disclosure can be applied to, for example, a visible light source for a projector and is very useful.
110,210,310 半導体発光素子
111,211,311 基板
112,212,312 n型クラッド層
112a,312a 第1のn型窒化物半導体層
112b,312b 第2のn型窒化物半導体層
113,213,313 n型ガイド層
114,214,314 活性層
115,215,315 p型ガイド層
116,216,316 p型クラッド層
117,217,317 p型コンタクト層
121,221,321 電流ブロック層
122,222,322 p電極
123,223,323 n電極
212a 下部n型クラッド層
212a1 第1の下部n型窒化物半導体層
212a2 第2の下部n型窒化物半導体層
212b 上部n型クラッド層
212b1 第1の上部n型窒化物半導体層
212b2 第2の上部n型窒化物半導体層
316a 第1のp型窒化物半導体層
316b 第2のp型窒化物半導体層110, 210, 310 Semiconductor light emitting
Claims (12)
前記基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるn型クラッド層と、
前記n型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるp型クラッド層とを有し、
前記n型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第1のn型窒化物半導体層と第2のn型窒化物半導体層が交互に積層された多層膜からなり、かつ前記n型クラッド層の平均の格子定数がGaNの格子定数よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。A substrate,
An n-type cladding layer made of a nitride semiconductor, formed on the substrate;
An active layer made of a nitride semiconductor formed on the n-type cladding layer;
A p-type cladding layer formed on the active layer and made of a nitride semiconductor;
The n-type cladding layer is composed of a multilayer film in which at least first n-type nitride semiconductor layers and second n-type nitride semiconductor layers having different compositions are alternately stacked, and an average of the n-type cladding layers A semiconductor light emitting device having a lattice constant larger than that of GaN.
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KIM-CHAUVEAU H. ET AL., JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 338, JPN6013034249, 17 October 2011 (2011-10-17), pages 20 - 29, ISSN: 0003773549 * |
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