JP2004247757A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第一層1の表面に凹凸1aを加工し、第一層とは異なる屈折率を有する第二層2を該凹凸を埋め込んで成長させる(または、成長の基礎となる結晶層S上に第一結晶10を凹凸状に成長させ、第一結晶とは異なる屈折率を有する第二結晶20を成長させる)。これら凹凸状の屈折率界面1a(10a)を形成した後、その上に、発光層Aを含む半導体結晶層が積層された素子構造を形成する。これによって、発光層に生じた横方向の光が凹凸状の屈折率の界面に影響を受け、方向を変える。
【選択図】 図1
Description
(1)第一の結晶層表面に凹凸が加工され、その上に、前記結晶層とは異なる屈折率を有する半導体材料からなる第二の結晶層が、バッファ層を介してまたは直接的に、該凹凸を埋め込んで成長しており、その上に、発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
以下、この(1)の態様を、「(I)の態様」と呼んで説明する。
以下、この(7)の態様を、「(II)の態様」と呼んで説明する。
上記(I)の態様では、結晶基板に凹凸を加工し、それを半導体結晶(特にGaN系結晶)で埋め込むことによって凹凸状の屈折率界面を構成している。
上記(II)の態様では、GaN系結晶を凹凸に成長させ、それを他のGaN系結晶で埋め込むことによって凹凸状の屈折率界面を構成している。
これに対して、本発明では、基板上にエピタキシャル成長により形成したGaN系半導体層領域を〔光を横方向に伝播させる導波路〕と見なし、その導波路に沿って、横方向に導波する光に影響を与え得る位置に、凹凸状の屈折率界面を形成することによって、一種のモード変換を生じさせて(または乱反射を生じさせて)、光を他の方向に向かわせようとしている。
凹凸の細部の仕様は、後述の、GaN系結晶の低転位化のために形成する結晶成長用の凹凸構造を参照してよい。
結晶基板に凹凸を設けることで、この面にGaN系結晶の気相成長を行うに際し、相互の段差にて区画された凹面と凸面を、ファセット構造成長が生成される単位基準面とする。凹面と凸面の両方をファセット構造成長可能な面とすることによって、図2(b)に示すように、成長初期には凹面・凸面の両方から凸状を呈する結晶成長が起きる。
一方、基板面に凹凸を加工することで横方向成長に結晶成長領域の寸法的な制限が加わるために、例えば凹凸の長手方向が〈11−20〉方向に平行なストライプ形状であれば、〈1−100〉方向の成長に制限が加わるために、C軸方向の成長速度が上昇し、結晶成長速度が遅く安定な{1−101}などの斜めのファセットが形成し得る。本発明では基板の成長面に凹凸加工を施す事で、上記横方向成長の成長領域の寸法的な制限を加えている。
これら種々の凹凸の態様の中でも、直線状または曲線状の凹溝(または凸尾根)が一定間隔で配列されたストライプ状の凹凸パターンは、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり、上記したように、横方向の光に対する影響が大きい点で好ましい。
凹溝の幅W1は、0.5μm〜20μm、特に1μm〜10μmが好ましい。
凸部の幅W2は、0.5μm〜20μm、特に1μm〜10μmが好ましい。
凹凸の振幅(凹溝の深さ)dは、0.05μm〜5μm、特に0.2μm〜3μmが好ましい。
これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。
なお、凹凸の幅の組み合せだけでなく、凹部の深さ(凸部の高さ)dを変化させる事でもファセット面形成領域の制御が可能である。
また成長温度を上げると横方向成長が促進されるが、低温成長すると横方向成長よりもC軸方向の成長が速くなり、ファセット面が形成されやすくなる。
以上成長条件によってファセット形状の制御が可能である事を示したが、本発明の効果が出る範囲内であれば、目的に応じ使い分ければよい。
凹凸のピッチは、2μm〜40μm、特に2μm〜20μmが好ましい。
凹凸の振幅は、0.05μm〜5μm、特に0.2μm〜3μmが好ましい。
ここでいう凹凸は、凸部が連続的に隣り合った波状の凹凸だけでなく、図5(a)〜(c)に示すように、凸状の第一結晶10が離散的に配置され、他の物質が凹部としてそれらの間に存在していてもよい。
例えば、1)上記で詳細に説明した当該ファセット成長法のように、結晶成長の基礎となる結晶層表面に凹凸を加工する方法(図1(b)、図4、図5(a)、図6、図7)、2)結晶成長の基礎となる結晶層表面の特定領域にGaN系結晶成長が成長し得ないマスクパターンを設ける方法(図5(b))、3)結晶成長の基礎となる結晶層表面の特定領域にGaN系結晶成長を抑制し得る表面処理を施す方法(図5(c))などが挙げられる。
これらの方法によって、第一結晶は、凹凸をなすように成長する。
マスクmの材料としては、Si、Ti、Ta、Zr等の窒化物や酸化物、即ち、SiO2、SiNX、TiO2、ZrO2等、公知のマスク材料を用いてよい。マスクのパターンとしては、公知のパターンを参照してよいが、主として、ストライプ状のパターン、格子状のパターン等が重要であり、マスク領域と非マスク領域との境界線の方向が特に重要である。マスク領域と非マスク領域との境界線を成長するGaN系結晶の〈1−100〉方向に伸びる直線とする場合、横方向成長速度が速くなる。逆に、マスク領域と非マスク領域との境界線を〈11−20〉方向の直線とすると、{1−101}面などの斜めファセットが形成され易く、本発明にとって好ましいファセット成長が得られる。
マスクを用いたラテラル成長法を実施する際の、マスクの詳細な寸法、雰囲気ガス(H2、N2、Ar、He等)や、結晶成長法(HVPE、MOVPE)等については、公知技術を参照してよく、例えば、文献(A. Sakaiら、Appl. Phys. Lett. 71(1997)2259.)に詳細に記載されている。
第三のGaN系結晶の態様を選択することによって、ファセット構造の成長途上または成長後においてGaN系結晶の組成を多層状に変化させる共通のバリエーションが存在する。以下に、このバリエーションを、上記1)の当該ファセット成長法による凹凸形成を例として説明する。
また、両者の屈折率の大小関係は、第一層(第一結晶)<第二層(第二結晶)であることが好ましく、これによって、第二層(第二結晶)が光導波路でいう高屈折率のコアに相当し、第一層(第一結晶)がこれよりも低屈折率のクラッドに相当し、本発明の作用効果がより高められる。
本実施例では、図1(a)に示すように、上記(I)の態様に従い、当該ファセット成長法によってサファイア基板の凹凸を埋め込んで凹凸状の屈折率界面とし、GaN系LEDを実際に製作した。
また、比較例1として、サファイア基板にストライプ状の凹凸を形成しなかったこと以外は、上記と同様の条件にて、紫外線LEDチップを形成し(即ち、フラットなサファイア基板上に低温バッファ層を介して素子構造を形成し)、その出力を測定した。これらの測定結果は、後述のとおりである。
本比較例では、従来公知のマスクを用いたラテラル成長法を適用し、上記比較例1におけるGaN系結晶層の低転位化を図った。この比較例2は、ファセット構造成長時において組成を変化させることなく同一組成で一気にマスクを埋め込んだ公知の構成であって、ファセット構造成長による凹凸状の屈折率界面を持たない点で、本発明の(II)の態様(特に図5(b))とは大きく異なる。
続いて温度を1000℃に昇温し原料としてTMG、アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しn型GaN層を約2μm成長させた。
本実施例では、図1(b)に示すように、上記(II)の態様に従い、当該ファセット成長法によってAlGaN結晶からなる凹凸状のファセット構造を形成し、これをGaNで埋め込んで凹凸状の屈折率界面とし、GaN系LEDを実際に製作した。
本実施例では、図4(c)に示すように、上記(II)の態様に従い、当該ファセット成長法によってGaN結晶からなる凹凸状のファセット構造を形成し、これをAlGaN/GaNの超格子構造からなる50ペアのブラッグ反射層で覆い、凹凸状の多層の屈折率界面とし、GaN系LEDを実際に製作した。
実施例1: 14 mW。
実施例2: 14.5mW。
実施例3: 15 mW。
比較例1: 6 mW。
比較例2: 7 mW。
上記の比較から明らかなとおり、発光層の下方に凹凸状の屈折率界面を付与することによって、素子内部で消滅していた横方向の光の一部を外界に取り出すことができ、発光素子としての出力が向上することがわかった。
1a 凹凸状の屈折率界面
2 第二層
10 第一結晶
10a 凹凸状の屈折率界面
20 第二結晶
Claims (10)
- 第一の結晶層表面に凹凸が加工され、その上に、前記結晶層とは異なる屈折率を有する半導体材料からなる第二の結晶層が、バッファ層を介してまたは直接的に、該凹凸を埋め込んで成長しており、その上に、発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
- 第二の結晶層およびその上の半導体結晶層が、GaN系半導体結晶からなる層である請求項1記載の半導体発光素子。
- 第一の結晶層が結晶基板であり、結晶基板の表面に加工された凹凸面から、第二の結晶層が実質的にファセット構造を形成しながら成長したものである請求項2記載の半導体発光素子。
- 結晶基板の表面に加工された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、これを埋め込んで成長するGaN系半導体の〈11−20〉方向、または〈1−100〉方向である請求項2または3記載の半導体発光素子。
- 凹凸の断面形状が、矩形波状、三角波状、サインカーブ状である請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 発光層から発せられる光の波長での、第一の結晶層の屈折率と第二の結晶層の屈折率との差が、0.05以上である請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 結晶成長の基礎となる結晶層表面に、第一のGaN系半導体結晶が凹凸をなすように成長しており、該凹凸の少なくとも一部を覆って、第一のGaN系半導体結晶とは異なる屈折率を有する第二のGaN系半導体結晶が成長しており、さらに、第三のGaN系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長しており、その上に、発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
- 結晶成長の基礎となる結晶層表面に、結晶成長領域を寸法的に制限する構造または表面処理が施与され、この制限によって、第一のGaN系半導体結晶が実質的なファセット構造または擬似的なファセット構造を形成しながら凹凸をなすように成長している請求項7記載の半導体発光素子。
- 結晶成長領域を寸法的に制限する構造または表面処理が、
結晶成長の基礎となる結晶層表面に加工された凹凸、
または、結晶成長の基礎となる結晶層表面に付与されたラテラル成長可能なマスクパターン、
または、結晶成長の基礎となる結晶層表面の特定領域に施された、GaN系結晶成長を抑制し得る表面処理である、請求項8記載の半導体発光素子。 - 第一のGaN系半導体結晶による凹凸のうちの少なくとも凸部を膜状に覆って第二のGaN系半導体結晶が成長しており、さらに、これを覆って第三のGaN系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長しており、その上に、発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有する半導体発光素子において、第二のGaN系半導体結晶が多層膜構造を有するものである請求項7〜9のいずれかに記載の半導体発光素子。
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