JP2009123969A - 紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】m面基板10と、m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層(12,14)と、AlGaN層上に配置され,AlXGa1-XN障壁層とAlYGa1-YN井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層(18,20)とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示す紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法。
【選択図】図4
Description
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子に適用するGaN層およびAlN層のバンドダイヤグラムの比較であって、図1(a)は、GaNのΓ点におけるバンドダイヤグラム、図1(b)は、AlNのΓ点におけるバンドダイヤグラムを示す。
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子に適用する非極性面および半極性面について説明するための模式図である。
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図4に示すように、m面GaN基板10と、m面GaN基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置され,m面GaN基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
図5は、本発明の比較例に係る紫外線窒化物半導体発光素子の模式的鳥瞰図であって、c面GaN基板100上へMQW構成のAlGaN/AlGaN活性層160を形成したLDの概念図を示す。図5は、波長405nmの青紫色LDの構造に対応している。
図6(a)は、c面を共振器ミラー面28a,28bとして用いた場合の導波モードを表す図であり、図6(b)は、a面を共振器ミラー面30a,30bとして用いた場合の導波モードを表す図である。図6(a)の例では、図6(a)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に垂直なE⊥cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。これに対して、図6(b)の例では、図6(b)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に平行なE//cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。
図18(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるレーザ光の発振波長とAlNモル分率xとの関係を示す。また、図18(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーとAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xとの関係を示す。ここで、バンドギャップエネルギーEg(x)は、次式で表すことができる(T. Onuma, S. F. Chichibu et al., JAP 95, 2495(2004))。
波長300nmで発光させる場合は、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.3、波長285nmで発光させる場合はAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.4、波長270nmで発光させる場合はAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.5とする。
これらに対し、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率xは、AlXGa1-XN井戸層への過大な圧縮歪みを回避するべく、以下の手順で設計する。
図19は、GaN/InGaN青紫LDの一構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明する図である(K. Domen et al., MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 2(1988))。また、図20は、GaN/InGaN青紫LDの別の構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明する図である(J. Y. Chang et al., JAP 93, 4992(2003))。また、図21は、GaN/InGaN青紫LDにおける閾値電流密度J(kA/cm2 )とInGaN井戸数の関係を示す図である(S. Nakamura et al., JJAP 37, L1020 (1998))。
―MOVPE装置―
図16は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMOVPE装置の模式的構成を示す。
図17は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMBE装置の模式的構成を示す。
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法は、図4に示すように、m面GaN基板10を準備する工程と、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、m面GaN基板10上にn型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12を形成する工程と、AlGaNクラッド層12上にn型不純物をドープされたAlGaN導波層14を形成する工程と、AlGaN導波層14上にAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16を形成する工程と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上にp型不純物をドープされたAlGaN導波層18を形成する工程と、AlGaN導波層18上にp型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20を形成する工程と、AlGaNクラッド層20上にp型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22を形成する工程と、AlGaNコンタクト層22上にオーミック接触するp側電極26を形成する工程と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上にオーミック接触するn側電極24を形成する工程と、a面に沿って共振器の反射面を形成する工程とを有する。
(a)基板52ウェハをサセプタに保持させる。この状態で、反応管へキャリアガスおよび窒素原料ガス(アンモニアガスまたはジメチルヒドラジン)を供給する。キャリアガスには水素もしくは窒素またはこれらの両方を用いる。さらに加熱機構50によりウェハを昇温させる。ただし、サファイア, SiC,LiAlO2, MgAl12 O4基板を用いる場合は、基板52表面の窒化を避けるため、窒素原料ガスを供給せずに昇温する。
アルミニウム原料、ガリウム原料、インジウム原料、シリコン原料、マグネシウム原料は、クヌーセンセルのるつぼ内に配置し、ヒータ加熱によって蒸発させ原子ビームとして供給する。シリコン原料に関しては、電子線や通電加熱により蒸発させ供給してもよい。また、これらの原料の代替えとしてMOVPE法に記載の有機金属原料を用いてもよい。
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図8に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図9に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、m面基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図10に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図11に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図12に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,のAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上に配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図13に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図14に示すように、m面GaN基板10と、m面GaN基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,リッジストライプ構造を備え,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置され,m面GaN基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図15に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置され,リッジストライプ構造を備え,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
図22(a)は、本発明の第10の実施の形態に係るAl1-X InXN/Al1-X InXN活性層を備える紫外線窒化物半導体発光素子におけるレーザ光の発振波長とInNモル分率xとの関係を示す。また、図22(b)は、本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーとInNモル分率xとの関係を示す。
以上、本発明を第1乃至第10の実施形態について説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
11…AlGaNコンタクト層
12,20…AlGaNクラッド層
13,17…AlGaN層
14,18…AlGaN導波層
16…AlGaN/AlGaN活性層
22…AlGaNコンタクト層
24…n側電極
26…p側電極
28a,28b,30a,30b…共振ミラー面
40…水素キャリアガス槽
42…アルミニウム(Al)供給槽
44…ガリウム(Ga)供給槽
45…インジウム(In)供給槽
46…ジメチルヒドラジン(DMHy)供給槽
47…マグネシウム(Mg)供給槽
48…アンモニア(NH3)または窒素(N2 )ガスボンベ
49…シリコン(Si)供給用ガスボンベ
50…加熱機構
52…基板
54…排気口
56…サセプタ
60…反応槽
62…Gaセル
63…Mgセル
64…Alセル
65…Siセル
66…NH3セルまたはRFプラズマソース
67…Inセル
68…RHEEDスクリーン
70…電子ビーム源
70a,70b…電子ビーム
72…基板ホルダ
74…基板ヒータ
76…液体窒素シュラウド
78…排気バルブ
Claims (12)
- m面基板と、
前記m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層と、
前記AlGaN層上に配置され,AlXGa1-XN(0≦x≦1)障壁層とAlXGa1-XN(0≦x≦1)井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層と、
前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層とを備え、
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子。 - 前記結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれることを特徴とする請求項1に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- 前記非極性面には、m面またはa面が含まれることを特徴とする請求項2に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- 前記半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれることを特徴とする請求項2に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- 結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いることを特徴とする請求項1に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- 前記a面は、へき開面であることを特徴とする請求項5に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- 前記活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、前記AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、前記AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率と前記AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上であることを特徴とする請求項1に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- m面基板と、
前記m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlInN層と、
前記AlInN層上に配置されたAl1-XInXN障壁層とAl1-XInXN井戸層からなる量子井戸構造を有するAl1-XInXN/Al1-XInXN活性層と、
前記Al1-XInXN/Al1-XInXN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlInN層とを備え、
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子。 - 前記活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、InNモル分率が5%以下であることを特徴とする請求項8に記載の紫外線窒化物半導体発光素子。
- m面基板を準備する工程と、
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、前記m面基板上にn型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、
前記AlGaN層上にAlXGa1-XN障壁層とAlXGa1-XN井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層を形成する工程と、
前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上にp型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、
a面に沿ってレーザ共振器の反射面を形成する工程
とを有することを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記a面に沿ってレーザ共振器の反射面を形成する工程は、へき開を有することを特徴とする請求項10に記載の紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記n型不純物はSiであり、前記p型不純物はMgであることを特徴とする請求項10に記載の紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法。
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