JP3952079B2 - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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本発明は理論により拘束されるものではないが、量子井戸構造の活性層と、これに接するクラッド層とに熱膨張係数の差を設けることにより、活性層とクラッド層との界面に応力が作用すると考えられ、それにより活性層(井戸層)を構成する窒化物半導体(インジウムとガリウムを含む窒化物半導体)本来のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発光させるようにしたものであるということができる。すなわち、本発明においては、各窒化物半導体LEDは、第1のn型クラッド層および第1のp型クラッド層と異なる熱膨張係数(例えばそれらの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数)を有する活性層を形成することによって、クラッド層と活性層の界面に応力が発生していると考えられる。しかも、活性層を単一量子井戸構造またはは多重量子井戸構造とすることによって、活性層のバンドギャップエネルギーを小さくし、活性層の発光波長をが長波長化する。また、活性層の井戸層、障壁層を臨界膜厚まで薄くしたことにより、In組成比が大きいInGaNでも結晶性よく成長できる。
Eg=Eg1 ・x + Eg2 ・(1−x) − x(1−x)
により算出することができる。活性層の本来の発光波長λは、λ=1240/Egに相当する。
図1は、本発明の一態様により製造される窒化物半導体発光素子の構造の一例を示す概略断面図である。
以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例は、MOVPE法による窒化物半導体層の成長方法を例示している。
本実施例を図1を参照して記述する。
活性層をIn0.05Ga0.95Nで形成し、その膜厚を10オングストロームとした以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、If20mAにおいて、発光ピーク波長425nmの青紫色発光を示し、発光出力が5mWと非常に優れた特性を示し、発光スペクトルの半値幅も20nmと色純度のよい青色発光を示した。
活性層6をノンドープIn0.2 Ga0.8 Nで形成した以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、If20mAにおいて、発光ピーク波長465nmの青色発光を示し、発光出力が5mWと非常に優れた特性を示し、発光スペクトルの半値幅も25nmと色純度のよい青色発光を示した。
第1のp型クラッド層7を形成しない以外は、実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、If20mAでVf3.5V、発光ピーク波長425nmの青色発光を示し、同じく発光出力は7mWであった。さらに、発光スペクトルの半値幅は20nmであった。この発光素子は、ピーク波長が長波長になると共に、発光出力が増大した。
第1のn型クラッド層5としてSiドープn型In0.01Ga0.99Nを300オングストロームの膜厚で成長させ、次に活性層6としてノンドープIn0.3 Ga0.7 Nを10オングストロームの膜厚で成長させ、次に第1のp型クラッド層7としてMgドープIn0.01Ga0.99N層を300オングストロームの膜厚で成長させた以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、If20mAにおいて、Vf3.5V、発光ピーク波長500nm、半値幅40nmの緑色発光を示し、発光出力3mWと非常に優れた特性を示した。
実施例1の手法において、n型コンタクト層3を成長させた後、次に直接膜厚70オングストロームのIn0.4 Ga0.6 Nからなる単一量子井戸構造の活性層6を成長させた。なお、本素子において、n型コンタクト層3が第1のn型クラッド層として作用している。次に活性層6の上に、第2のp型クラッド層8を成長させ、最後にp型コンタクト層9を成長させた。これ以降は実施例1と同様にして発光素子を作製した。このLED素子は、If20mAにおいて、Vf3.5V、発光ピーク波長525nm、半値幅40nmの緑色発光を示し、発光出力4mWと非常に優れた特性を示した。
第1のn型クラッド層5としてSiドープn型GaNを300オングストロームの膜厚で成長させ、次に活性層6としてノンドープIn0.3 Ga0.7 Nを20オングストロームの膜厚で成長させ、次に第1のp型クラッド層7としてMgドープp型GaN層を300オングストロームの膜厚で成長させた以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、If20mAにおいて、Vf3.5V、発光ピーク波長515nm、半値幅40nmの緑色発光を示し、発光出力3mWであった。
アクセプター不純物源としてDEZ(ジエチルジンク)、ドナー不純物源としてSiH4 を用い、活性層6としてSiとZnをドープしたn型In0.05Ga0.95N層を50オングストロームの膜厚で形成した以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLED素子は、このLED素子はIf20mAにおいて、Vf3.5V、発光ピーク波長480nm、半値幅80nmの緑色発光を示し、発光出力2mWであった。
活性層をノンドープIn0.8 Ga0.2 Nで形成した以外は実施例1と同様にしてLED素子を作製した。このLEDは、If20mAでVf3.5V、発光ピーク波長650nmの赤色発光を示し、発光出力は0.7mWであった。
第1のn型クラッド層5としてSiドープn型In0.01Ga0.99Nを500オングストロームの膜厚で形成した。次に活性層6を形成するために、井戸層としてノンドープIn0.15Ga0.85Nを10オングストロームの厚さに形成し、その上に障壁層としてノンドープIn0.05Ga0.95Nを10オングストロームの厚さに形成し、これを交互に4回づつ繰り返し、最後にノンドープのIn0.15Ga0.85N井戸層を10オングストローム形成して、総厚90オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。次に、活性層の上に第1のp型クラッド層として、Mgドープp型In0.01Ga0.99Nを500オングストロームの膜厚で形成する。その他は実施例1と同様にしてサファイアの上に所定の窒化物半導体を積層したウェーハを作製した。
第1のn型クラッド層5としてSiドープn型In0.01Ga0.09Nを500オングストロームの厚さに形成した後、活性層6を形成するために井戸層としてノンドープIn0.15Ga0.85Nを25オングストロームの厚さに形成し、その上に障壁層としてノンドープIn0.05Ga0.95Nを50オングストロームの厚さに形成する操作を交互に13回づつ繰り返し、最後にノンドープIn0.15Ga0.85Nを25オングストロームの厚さに形成して合計膜厚1000オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。これ以外は実施例10と同様にしてレーザー素子を作製した。このレーザー素子は、常温で、しきい値電流密度1.0kA/cm2 で415nmの発振波長のレーザー発振が確認された。
活性層6を形成するために井戸層としてノンドープIn0.15Ga0.85Nを25オングストロームの厚さに形成し、その上に障壁層としてノンドープIn0.05Ga0.95Nを50オングストロームの厚さに形成する操作を交互に26回づつ繰り返し、最後にノンドープIn0.15Ga0.85Nを25オングストロームの厚さに形成して合計膜厚1975オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した以外は実施例11と同様にしてレーザー素子を作製した。このレーザー素子は、常温で、しきい値電流密度1.0kA/cm2 で415nmの発振波長のレーザー発振が確認された。
実施例3で得られた450nmの青色LEDと、実施例5で得られた515nmの緑色LEDと、従来のGaAs系材料またはAlInGaP系の材料よりなる発光出力3mW、660nmの赤色LED一個づつを1ドットとし、このドットを16×16で組み合わせてLEDパネルにし、そのLEDパネルを並べて320×240画素のフルカラーLEDディスプレイを作製したところ、白色の発光輝度で一万ニットの面発光を達成した。
2…バッファ層
3…n型コンタクト層
4…第2のn型クラッド層
5…第1のn型クラッド層
6…活性層
7…第1のp型クラッド層
8…第2のp型クラッド層
9…p型コンタクト層
Claims (8)
- n型窒化物半導体層を成長させる第1の工程と、前記n型窒化物半導体層の上に、少なくとも、InzGa1−zN(0<z<1)の井戸層を包含する窒化物半導体の量子井戸構造を有する活性層を成長させる第2の工程と、前記活性層の上に、該第2の工程の成長温度より高い温度において、p型窒化物半導体層を成長させる第3の工程と、を備え、
前記p型窒化物半導体層が、前記活性層に接して設けられるInxGa1−xN(0<x<1)の層と、その外側に設けられるAlを含む窒化物半導体層と、を有し、
前記InxGa1−xN(0<x<1)の層を前記第2の工程、前記Alを含む窒化物半導体層を第3の工程で、それぞれ、成長させることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - n型窒化物半導体層を成長させる第1の工程と、前記n型窒化物半導体層の上に、該第1の工程の成長温度より低い温度において、少なくとも、InzGa1−zN(0<z<1)の井戸層を包含する窒化物半導体の量子井戸構造を有する活性層を成長させる第2の工程と、前記活性層の上に、該第2の工程の成長温度より高い温度において、p型窒化物半導体層を成長させる第3の工程と、を備え、
前記n型窒化物半導体層が、前記活性層に接して設けられるInxGa1−xN(0<x<1)の層を有し、
前記p型窒化物半導体層が、前記活性層に接して設けられるInxGa1−xN(0<x<1)の層と、その外側に設けられるAlを含む窒化物半導体層と、を有し、
前記n型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層のInxGa1−xN(0<x<1)の層を、それぞれ前記第2の工程において成長させ、前記Alを含む窒化物半導体層を第3の工程で成長させることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1の工程において、前記n型窒化物半導体層としてAlを含む窒化物半導体層を成長させ、前記InxGa1−xN(0<x<1)の層の外側に設けられる請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記p型窒化物半導体層のAlを含む窒化物半導体層の上に、GaNよりなるp型コンタクト層をさらに形成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第2の工程の成長温度が700℃以上であり、前記第1の工程、第3の工程の成長温度が900℃以上である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記活性層を、ノンドープで成長させる請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記活性層を、ドナー不純物および/またはアクセプター不純物をドープして成長させる請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 活性層が、InzGa1-zN(0<x<1)よりなる井戸層と、Inz'Ga1-z'N(0<z'<1、ただし、z'はzと異なる)もしくはGaNよりなる障壁層との組み合わせからなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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