JP2005197293A - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多重層(62,63,64)はそれぞれ何れも、堆積層6aと量子井戸層6bと量子障壁層6cとを順次積層して形成されている。量子井戸層の組成成分にインジウム(In)を含めたことと、各量子井戸層の直下にSiNから成る堆積層を斑状または島状に堆積させたこととの相乗効果により、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎを適度、かつ、確実に得ることができる。また、量子井戸層の組成成分にインジウム(In)を含めることにより、量子井戸層の応力に対する柔軟性が向上するが、n型クラッド層の超格子構造は、素子内部の応力を緩和する作用をも奏するので、これらの相乗効果によっても、量子井戸層に転位やクラックが減り、発光強度が向上する。
【選択図】図1
Description
また、半導体層のインジウムの混晶比を下げると、応力に対するその半導体層の柔軟性が低下するので、その半導体層には転位やクラックが生じ易くなる。特に、活性層や量子井戸層に転位やクラックが生じた場合には、内部量子効率や或いは素子の寿命にその悪影響が及ぶ。
即ち、本発明の第1の手段は、 III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、活性層を構成する量子井戸層を、Alz Iny Ga1-z-y N(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成し、この量子井戸層にはそれぞれ何れもその直下に斑状または島状に積層された堆積層を備え、少なくとも、量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い周期で、上記の堆積層を離散的に堆積することである。
上記のインジウム組成比yは、0.03以上であることがより望ましいが、この値としては、発光波長などの素子の各種の仕様、特性などに応じて好適或いは最適な値を選択することができる。
より望ましくは、30周期以上38周期以下の範囲で繰り返すと良い。
また、望ましくは、その堆積時間は、6秒以上14秒以下である。また、更に望ましくは、9秒から13秒の間が理想的である。
より望ましくは、n型クラッド層のキャリア濃度は8.0×1018cm-3以上1.0×1019cm-3以下が良い。
より望ましくは、活性層における量子井戸層の積層数は3層又は4層が良い。
より望ましくは、活性層における量子障壁層の膜厚は15nm以上20nm以下が良い。
より望ましくは、上記の積層時間は9秒以上13秒以下が良い。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
即ち、本発明の第1の手段によれば、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ(キャリアの局在準位)を適度、かつ、確実に得ることができるため、発光素子の出力を大きく向上させることができる。
これは、インジウム(In)やガリウム(Ga)は拡散長(マイグレーション長)がアルミニウム(Al)よりも大幅に長いので、量子井戸層の結晶成長時に、インジウム(In)やガリウム(Ga)がアルミニウム(Al)よりも堆積層の谷部又は孔部に入り込み易くなり、その結果、量子井戸層の内部では、組成の空間的均一性が積極的に乱されて、組成の空間的なゆらぎが良好に形成されるためである。
また、量子井戸層の組成成分にインジウム(In)を含めることにより、量子井戸層の応力に対する柔軟性が向上するので、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
サファイア基板10の上には、窒化シリコンを500℃で100秒間結晶成長させたSiN層21と、同温で結晶成長させた膜厚25nmのGaN層22との2層から成る低温成長バッファ層20が形成されている。その上の下地層30は3層から成り、無添加のGaNを1075℃で約0.7μm結晶成長させたGaN層31と、窒化シリコンを500℃で200秒間結晶成長させた第2SiN層32と、無添加のGaNを1075℃で約3μm結晶成長させたGaN層33とから成る。
また、n型クラッド層52は、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nと膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nとを交互に合計38ペア(38周期)積層した超格子構造を有し、このn型クラッド層52の総膜厚は約100nm、キャリア濃度は1×1019cm-3である。
また、多重層(62,63,64)はそれぞれ何れも、堆積層6aと量子井戸層6bと量子障壁層6cとを順次積層して形成されている。更に、堆積層6aはそれぞれ何れも、SiNから成る層で、堆積時間は12秒とした。量子井戸層6bはそれぞれ何れも、膜厚約2nmのAl0.005 In0.045 Ga0.95Nから形成されている。量子障壁層6cはそれぞれ何れも、膜厚17.5nmのAl0.12Ga0.88Nから形成されている。
更に、n型クラッド層52の超格子構造における合計ペア数(繰り返し数)を比較パラメータとして、その他の構成は全て図1の短波長発光LED100と同じにして、同様の短波長発光LEDを別途製造し、発光強度を比較した。図2は、それらの短波長発光LEDの発光強度(EL)とn型クラッド層52の構造との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、LEDの正負両電極(91,92)間に電圧を印加した時の発光強度(EL)を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ(繰り返し数)である。
p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を上げ過ぎると、超格子構造が明確或いは急峻には維持しにくくなり、応力の緩和効果が下がるものと思われる。また、p型クラッド層72の井戸層のAl混晶比を下げ過ぎると、キャリアの閉じ込め効果が低下する。
10 : サファイア基板
20 : 低温成長バッファ層
30 : 下地層
40 : n型コンタクト層
51 : n型中間層
52 : n型クラッド層(超格子構造)
60 : 活性層
71 : p型ブロック層
72 : p型クラッド層(超格子構造)
80 : p型コンタクト層
Claims (12)
- III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、
前記活性層を構成する量子井戸層は、
Alz Iny Ga1-z-y N(0≦z<1,0<y<1,0<z+y≦1)から形成されており、
前記量子井戸層はそれぞれ何れも、
その直下に斑状または島状に積層された堆積層を有し、
前記堆積層は、
少なくとも、前記量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い周期で、離散的に堆積されている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 超格子構造のn型クラッド層を有し、
前記超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の1単位は、
組成比が相異なる2層の III族窒化物系化合物半導体から成り、
前記n型クラッド層において、20周期以上45周期以下の範囲で、繰り返し積層されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記堆積層の厚さ又は面積占有率は、その堆積時間に換算して、
1秒以上、16秒以下である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。 - キャリア濃度が5.0×1018cm-3以上1.2×1019cm-3以下のn型クラッド層を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記活性層における前記量子井戸層の積層数は、
2層以上、10層以下である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記活性層における量子障壁層の膜厚は、
12nm以上、24nm以下である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の半導体発光素子。 - 超格子構造のp型クラッド層を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の半導体発光素子。 - 前記p型クラッド層の超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の1単位は、
組成比が相異なる2層の III族窒化物系化合物半導体から成り、
この2層は、
何れも0.01以上のアルミニウム(Al)組成比を有し、
前記p型クラッド層のアルミニウム(Al)組成比の平均値は、
0.07以上、0.08以下である
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。 - 前記p型クラッド層の結晶成長温度は、
1015℃以上、1060℃以下である
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体発光素子。 - 請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記堆積層の厚さ又は面積占有率をその積層時間によって最適化した
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記積層時間は、1秒以上、16秒以下である
ことを特徴とする請求項10に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記積層時間は、6秒以上、14秒以下である
ことを特徴とする請求項11に記載の半導体発光素子の製造方法。
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