JP2015084453A - Iii族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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(1)少なくとも表面部分がAlNからなる基板と、該基板上に形成されるアンドープAlN層と、該アンドープAlN層上に形成されるSiドープAlNバッファ層と、該SiドープAlNバッファ層上に形成される超格子積層体と、を有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板上にアンドープの接続層、n型コンタクト層、n型クラッド層、活性層およびp型クラッド層とをこの順に有するIII族窒化物半導体発光素子において、
前記SiドープAlNバッファ層は、2.0×1019/cm3以上のSi濃度を有し、かつ、厚みが4〜10nmであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記SiドープAlNバッファ層を形成する工程では、2.0×1019/cm3以上のSi濃度となるようにSiドープし、かつ、前記SiドープAlNバッファ層の厚みを4〜10nmとすることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
なお、本発明に使用する基板112の表面部分のAlNは結晶性が良く、例えばX線ロッキングカーブ回折法(XRC;X-ray Rocking Curve)によるAlNの(102)面における半値幅が600秒以下の基板であることが好ましい。転位密度としては、1.0×109/cm2以下であることが好ましい。転位の少ない基板を用いることで、後述するSiドープAlNバッファ層116を用いる場合の、転位発生が過剰になることによるクラック発生を抑制することができるためである。
転位が多い基板を使用した場合には、基板から貫通する転位が多いために面欠陥の合体消失も多く、そのため反って大きな凸が出来ず、結果的に平坦となる場合があった。一方、転位が少ない基板を使用した場合、基板から貫通する転位は僅かであり、面欠陥が発生しても、その面欠陥は消失せずに残り、大きな凸部を形成してしまうことが判明した。そこで、Si濃度を2.0×1019/cm3以上と、むしろ高濃度の層を適切な厚さで挿入することで、大きな凸部を形成する前に面欠陥を消失させて、優れた表面平坦性を得ることができると共に、さらに反りを低減できることを見出したのである。
AlNバッファ層216上には、既述の第1積層体221と、第2積層体222と、第3積層体223とから構成される超格子積層体220が形成されることが好ましい。この超格子積層体220は、既述のとおり、結晶成長方向の平均組成xが0.9<x≦1からなる高Al含有層(AlxGa1-xN)と、結晶成長方向の平均組成yが0<y<xからなる低Al含有層(AlyGa1-yN)との2種類のAl平均組成のAlGaN層を交互に積層してなることが好ましい。ここで、高Al含有層のAlの平均組成xに関し、「AlxGa1-xN(0.9<x≦1)」であるとは、Al組成が高Al含有層内において、一定であっても、連続的または不連続に変化してよく、結晶成長方向のAl平均組成xが0.9<x≦1であることを意味する。低Al含有層のAl平均組成yが「AlyGa1-yN(0<y<x≦1)」と表されることも、同様の意味である。また、高Al含有層221A〜223Aは、同じAl平均組成xを有することが好ましい。同様に、低Al含有層221B〜223Bは、同じAl平均組成yを有することが好ましい。
本発明者らは、III族窒化物半導体エピタキシャル基板200の反りをより低減するために、AlNバッファ層216上に形成する超格子積層体220の積層組数を、従来公知の積層組数(例えば、40.5組)よりも相当数減らして形成した場合の表面平坦性を種々検討した。AlNバッファ層216へのSiドープする不純物濃度を2.0×1019/cm3未満とし、超格子積層体220の積層組数が4.5組であり、かつ、第2および第3積層体を形成しなかった場合、超格子積層体220の上に形成されるn型コンタクト層の表面にはランダムな高さの凹凸が形成されていた。これに対して、Siドープする不純物濃度を変えずに、第2および第3積層体をさらに設けて超格子積層体220の積層組数を6.5組としたときに、超格子積層体220の上に形成されるn型コンタクト層の表面には、凹凸は発生するものの、その凸面の高さが揃っていた。これは、第2および第3積層体をさらに設けたことにより、同一面での核発生のみが残存したためだと考えられる。また、SiドープAlNバッファ層のSi濃度を2.0×1019/cm3以上とし、第1積層体の積層組数を4.5組として、さらに第2および第3積層体を超格子積層体220に設けて積層組数を6.5組としたときに、超格子積層体220の上に形成されるn型コンタクト層の表面には凹凸がなくなり、最上面での高さが揃っていた。これは、Siドープを多量とすることによって、面欠陥の発生源が増加して飽和し、その結果、同一面を発生起源とする面欠陥が成長方向に伸びる際に、ほぼ全ての隣り合う面欠陥同士が合体消滅したためであると本発明者らは考えている。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子におけるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板100の製造方法は、少なくとも表面部分がAlNからなる基板112上にアンドープAlN層114を形成する工程と、該アンドープAlN層114上にAlNバッファ層116を形成する工程と、該AlNバッファ層116上に、超格子積層体120を形成する工程と、を有する。ここで、AlNバッファ層116を形成する工程では、2.0×1019/cm3以上のSi濃度となるようにSiドープし、かつ、AlNバッファ層116の厚みを4〜10nmとすることを特徴とする。
サファイア基板(厚さ:430μm)上にアンドープのAlN層(厚さ:600nm、XRC(; X-ray Rocking Curve)によるAlN(102)面の半値幅:242秒)を形成したAlNテンプレート基板を用意した。このAlNテンプレート基板上に、MOCVD法を用いて、圧力10kPa、温度1150℃にてTMA:11.5sccm、NH3:575sccmを流して厚さ21.6nmのアンドープのAlN層を形成したのち、TMA:11.5sccm、NH3:575sccm、SiH4:50sccmを流して不純物濃度2.0×1019/cm3のSiがドープされた厚さ5.4nmのSiドープのAlNバッファ層を形成した。すなわち、AlNテンプレート基板上に、アンドープのAlN層と、SiドープされたAlNバッファ層が形成されている。すなわち、AlNテンプレート基板上の、アンドープのAlN層とSiドープされたAlNバッファ層の層厚の和は27nmであるうち、Siがドープされた厚さは5.4nmである。次に、SiドープされたAlNバッファ層上に、超格子積層体を構成する第1積層体、第2積層体および第3積層体を順次エピタキシャル成長させた。
SiドープAlNバッファ層のSi濃度を4.0×1019/cm3に変えた以外は、試行例1と同様の方法により、実施例2にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
SiドープAlNバッファ層のSi濃度を1.2×1019/cm3に変えた以外は、試行例1と同様の方法により、比較例1にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
アンドープのAlN層を18.9nmとし、SiドープAlNバッファ層の膜厚を8.1nmに変えた以外は、試行例2と同様の方法により、実施例3にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
アンドープのAlN層を14.3nmとし、SiドープAlNバッファ層の膜厚を2.7nmに変えた以外は、試行例2と同様の方法により、比較例2にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
アンドープのAlN層を形成せず、SiドープAlNバッファ層の膜厚を27nmに変えた以外は、試行例1と同様の方法により、比較例3にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
アンドープのAlN層を形成せず、SiドープAlNバッファ層の膜厚を27nmに変えた以外は、試行例3と同様の方法により、比較例4にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
各試行例のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板について、金属顕微鏡装置(Nikon社製)を用い、n型コンタクト層表面の表面写真を取得し、表面凹凸の有無を判定した。表面凹凸がなければ、III族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面平坦性が優れていることを意味する。結果を表1に示す。なお、表1中、表面凹凸があったものを×とし、表面凹凸がなかったものを○と評価している。
各試行例のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板について、光学干渉方式による反り測定装置(Nidek社製、FT−900)を用いて、超格子積層体上の、中間層およびn型コンタクト層の形成後の基板の反り量をSEMI規格に準じて測定した。結果を表1に示す。本発明における「反り量」は、SEMI M1−0302に準じて測定したものを意味するものとする。すなわち、非強制状態で測定を行い、反り量は非吸着での全測定点データの最大値と最小値との差の値である。図7に示すように、基準面を最小二乗法により求められた仮想平面とすると、反り量(SORI)は最大値Aと最小値Bの絶対値の和で示される。なお、従来公知のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板は140μm程度である。そこで、反り量が100μm未満の試行例を○と評価し、100μm以上である試行例を×と評価した。
各試行例のIII族窒化物半導体発光素子について、金属顕微鏡(Nikon社製)を用い、素子表面の表面写真を取得し、表面凹凸の有無に加えて、クラック発生の有無を判定した。結果を表1に示す。なお、表1中、クラックの発生について、下記のとおり評価した。
◎:クラックの発生が表面写真では確認できない。
○:クラックの発生が表面写真では一部確認できるが、実用上許容できる。
×:クラックが明確に発生しており、許容できない。
ここで、基板外周から5mm以内にあるクラック、および、基板外周から5mmより内側にあるクラックであって直線の本数が5本以内である場合に、実用上許容できるクラックと判定する。
試行例1(実施例1)にかかるIII族窒化物半導体発光素子では、図8に示されるように、格子定数が回復して、n型AlGaN層(「3」の部位)のピークがAlGaNのラインに近づき、引っ張り歪み量が低減する結果、n型AlGaN層(n型クラッド層)でのクラック発生が抑制されると考えられる。一方、図9からわかるように、試行例6(比較例3)にかかるIII族窒化物半導体発光素子では、n型AlGaN層(「3」の部位)のピークがAlGaNのラインから大きく外れる。このことは、a軸が伸び、c軸が縮むために、引っ張り歪み量が増加したからだと考えられ、n型クラッド層でのクラック発生の原因となる。
各試行例のIII族窒化物半導体発光素子について、結晶成長面をダイヤペンで罫書き、n型クラッド層(n型AlGaN層)を露出させた点と、この露出させた点から1.5mm離れた点とに、ドット状のインジウムを物理的に押圧して2点を成形した。そして、この2点をそれぞれn型およびp型電極とする簡易的な窒化物半導体素子を作製した。この発光素子の電極にプローバーを接触させ、直流電流10mAを通電した後の光出力を基板の裏面より射出させ、光ファイバを通じてマルチ・チャンネル型分光器へ導光し、ELスペクトルを測定した。結果を表1に示す。表1中、ELスペクトルにおける発光ピークが、活性層(発光層)の組成から想定されるピーク波長に位置するピーク(凸部)が1つであり、他の波長にピークがあったとしても発光強度が弱く、無視できるほどであったものを「シングル」と表記する。また、発光ピークのスペクトルにおいて、活性層(発光層)の組成から想定されるピーク波長に位置するピークと、そのピーク波長から10nm以上離れた波長に位置にし、かつ発光強度が無視できない程度(例えば想定されるピーク波長の強度の1/3以上)のピークとの2つが現れたものを「ダブル」と表記する。ここで、試行例1(実施例1),試行例5(比較例2)にかかるIII族窒化物半導体発光素子のELスペクトルを、代表例として図10,図11にそれぞれ示す。試行例1(実施例1)ではELスペクトルがシングルであり、図10に示すように、活性層の組成から想定されるピーク波長285nmにピークが1つ現れた。一方、試行例5(比較例2)ではELスペクトルがダブルであり、図11に示すように、波長285nmのピークの他に、長波長側に波長339nmのピークが現れた。なお、発光強度については、図10および図11から明らかなように、シングルの方がダブルの場合よりも強度が優れる。
SiドープAlN層のSi濃度のみが異なる試行例1〜3を比較すると、Si濃度が2.0×1019/cm3未満であると、ELスペクトルのピークがダブルになっていた。また、試行例1〜3とは厚みは異なるが、やはりSiドープAlN層のSi濃度のみが異なる試行例6,7を比較しても、Si濃度が2.0×1019/cm3未満であると、ELスペクトルのピークがダブルになっていた。したがって、Si濃度が2.0×1019/cm3未満であると、ELスペクトルのピークがダブルになってしまう傾向にあることがわかる。
112,212 基板(少なくとも表面部分がAlNからなる基板)
114,214 アンドープAlN層
116,216 SiドープAlNバッファ層
120,220 超格子積層体
120A 第1Al含有層
120B 第2Al含有層
130 素子形成層
131 接続層
132 n型コンタクト層
133 n型クラッド層
134 多重量子井戸層(MQW層)
135 p型クラッド層
136 p型コンタクト層
141 n側電極
142 p側電極
150 III族窒化物半導体発光素子
221 第1積層体
221A 高Al含有層(AlxGa1-xN)
221B 低Al含有層(AlyGa1-yN)
222 第2積層体
222A 高Al含有層(AlxGa1-xN)
222B 低Al含有層(AlyGa1-yN)
223 第3積層体
223A 高Al含有層(AlxGa1-xN)
223B 低Al含有層(AlyGa1-yN)
Claims (4)
- 少なくとも表面部分がAlNからなる基板と、
該基板上に形成されるアンドープAlN層と、
該アンドープAlN層上に形成されるSiドープAlNバッファ層と、
該SiドープAlNバッファ層上に形成される超格子積層体と、
を有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板上に、
アンドープの接続層、n型コンタクト層、n型クラッド層、活性層およびp型クラッド層をこの順に有するIII族窒化物半導体発光素子において、
前記SiドープAlNバッファ層は、2.0×1019/cm3以上のSi濃度を有し、かつ、厚みが4〜10nmであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記SiドープAlNバッファ層は、8.0×1019/cm3未満のSi濃度を有する、請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 少なくとも表面部分がAlNからなる基板上にアンドープAlN層を形成する工程と、
該アンドープAlN層上にSiドープAlNバッファ層を形成する工程と、
該SiドープAlNバッファ層上に超格子積層体を形成する工程と、
該超格子積層体上に、アンドープの接続層、n型コンタクト層、n型クラッド層、活性層およびp型クラッド層を順次形成する工程とを有するIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記SiドープAlNバッファ層を形成する工程では、2.0×1019/cm3以上のSi濃度となるようにSiドープし、かつ、前記SiドープAlNバッファ層の厚みを4〜10nmとすることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。 - 前記SiドープAlNバッファ層を形成する工程では、8.0×1019/cm3未満のSi濃度となるようにSiドープする、請求項3に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
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