JP6079628B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6079628B2 JP6079628B2 JP2013525620A JP2013525620A JP6079628B2 JP 6079628 B2 JP6079628 B2 JP 6079628B2 JP 2013525620 A JP2013525620 A JP 2013525620A JP 2013525620 A JP2013525620 A JP 2013525620A JP 6079628 B2 JP6079628 B2 JP 6079628B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- barrier
- semiconductor layer
- barrier layer
- film thickness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 192
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims description 27
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 206
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 22
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 596
- 239000010408 film Substances 0.000 description 89
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 24
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 19
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 10
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 10
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 1-[6-[4-(5-chloro-6-methyl-1H-indazol-4-yl)-5-methyl-3-(1-methylindazol-5-yl)pyrazol-1-yl]-2-azaspiro[3.3]heptan-2-yl]prop-2-en-1-one Chemical compound ClC=1C(=C2C=NNC2=CC=1C)C=1C(=NN(C=1C)C1CC2(CN(C2)C(C=C)=O)C1)C=1C=C2C=NN(C2=CC=1)C AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MGYGFNQQGAQEON-UHFFFAOYSA-N 4-tolyl isocyanate Chemical compound CC1=CC=C(N=C=O)C=C1 MGYGFNQQGAQEON-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- MHYQBXJRURFKIN-UHFFFAOYSA-N C1(C=CC=C1)[Mg] Chemical compound C1(C=CC=C1)[Mg] MHYQBXJRURFKIN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021480 group 4 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021476 group 6 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002648 laminated material Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
- H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3407—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers characterised by special barrier layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
これらの半導体発光素子を製造する方法としては、一般に、異種基板上に低温バッファ層等の中間層等を介して、基板表面の平坦化及び異種基板からの貫通ピットを低減するためにGaN層を成膜し、その上に、n側半導体層、活性層及びp側半導体層を積層する。
一方、高輝度でかつ高発光効率を有する半導体発光素子を得るために、井戸層の厚みを変化させること、あるいは、活性層の障壁層及び井戸層の単位周期数を、n側半導体層側よりもp側半導体層側で多く設定することなどが提案されている(例えば、特許文献1)。
基板上に、n側半導体層、活性層及びp側半導体層がこの順に積層された半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数の障壁層とこれら障壁層に隣接する複数の井戸層とを含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層のうちの前記p側半導体層に最も近い側に配置された最終障壁層と、該最終障壁層に井戸層を介して隣接する1以上の障壁層とが、前記n側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜であることを特徴とする半導体発光素子である。
前記活性層は、障壁層と該障壁層に隣接する井戸層とからなる複数の単位周期を含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記単位周期のうちの前記p側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、該単位周期に隣接する1以上の単位周期との膜厚が、前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体発光素子である。
前記活性層は、前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期とを有し、かつ
前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数が、前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多い。
前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層よりも厚膜である。
前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層は、前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における井戸層の膜厚の1.5倍以上の膜厚を有する。
前記活性層は、前記n側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層と、前記p側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層とを有し、かつ
前記n側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数が、前記p側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数よりも多い。
前記最終障壁層は、隣接する前記井戸層の膜厚の1.5倍以上の膜厚を有する。
前記障壁層と前記井戸層とが交互に積層される。
前記井戸層は、アンドープInGaNからなり、
前記障壁層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいアンドープの窒化物半導体からなる。
前記井戸層は、アンドープInGaNからなり、
前記障壁層は、アンドープGaN、アンドープAlGaN又は前記井戸層よりもInの混晶比が低いアンドープInGaNからなる。
前記井戸層のInの混晶比が、0.1以上0.4以下である。
前記井戸層と障壁層との間に、該井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を有する。
さらに、p側半導体層4は、その上面の略全面に接続された全面電極6及びこの全面電極6の一部に接続されたp電極7を有している。また、p側半導体層4及び活性層3の一部ならびにn側半導体層2の一部が除去されて、n側半導体層2を構成するn型コンタクト層が露出しており、その露出した面にn電極8が接続されている。
ここでの「一部」とは、面内における一部(領域の一部)及び膜厚方向の一部の双方を含む。
InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1) (A)
で表される化合物半導体によって形成することができる。これに加えて、III族元素としてBが一部に置換されたものを用いてもよいし、V族元素としてNの一部をP、Asで置換されたものを用いてもよい。
p側半導体層4は、p型不純物として、Mg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等層が配置されている、活性層3に対する他方側の単層又は積層層の総称である。
活性層3は、多重量子井戸構造を有している。多重量子井戸構造は、1つの障壁層とこの障壁層に隣接する1つの井戸層とからなる単位周期Uを複数有して形成されている。言い換えると、多重量子井戸構造は、障壁層と、その障壁層に井戸層を介して隣接する1以上の障壁層と、2以上の井戸層とを有して形成されている。単位周期の数、障壁層及び井戸層の数は、特に限定されず、それぞれ、例えば、50以下であることが適しており、30以下であることが好ましく、20以下であることがより好ましい。なかでも、7〜15程度がさらに好ましい。
活性層では、通常、井戸層は1〜8nm、好ましくは1.5〜5nm程度の範囲内の厚みを有し、障壁層は、1.5〜16nm、好ましくは2〜10nm程度の範囲内の厚みを有する。一般に、障壁層は、井戸層の1.5倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、2倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。特に、最終障壁層は、隣接する井戸層の1.5倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、2倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。障壁層を井戸層よりも厚膜とすることにより、Inの混晶によって、さらに、Inの混晶比を高くすることによって発生し得る欠陥を補填することができ、良好な品質の井戸層、ひいては良質の活性層を得ることができる。
p側半導体層に近い側に配置された単位周期UPにおける障壁層、例えば、図2における障壁層3bp1は、p側半導体層に近い側に配置された単位周期UPにおける井戸層3aの膜厚の1.5以上、さらに2倍以上の膜厚を有することが好ましい。
つまり、図2において、最終障壁層3bbを含む単位周期UP1の総膜厚が、n側半導体層に近い側に配置された単位周期のうちの任意の単位周期(例えば、UN1、UN2等)の総膜厚よりも厚いことが適している。なお、上述したように、活性層における井戸層は、通常、その組成及び/又は膜厚が一定であることが好ましいため、上述したように、p側半導体層に近い側に配置する障壁層3bp1(例えば、最もp側半導体層に近い最終障壁層3bb)が、n側半導体層に近い側に配置する障壁層(例えば、3bn1、3bn2等)よりも厚膜であることが好ましい。言い換えると、p側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、n側半導体層に近い側に配置された任意の単位周期における障壁層よりも厚膜であることが好ましい。
この場合、第1障壁層及び/又は最終障壁層は、上述した2種類の膜厚の単位周期群又は2種類の膜厚の障壁層群を構成する障壁層として配置してもよいし、各群を構成しない障壁層として配置していてもよい。各群を構成する障壁層として配置する場合には、これらの膜厚関係に従って適切な膜厚に調整することが好ましい。なかでも、最終障壁層は、群を構成する障壁層として配置することが好ましい。
特に、第1障壁層を配置すること、さらにn側半導体に近い他の障壁層よりも厚膜とすることにより、下層の結晶欠陥を補填することができ、より良質の井戸層、ひいては良質の活性層を積層することができる。
基板1としては、C面、R面又はA面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
基板は、オフアングルを有していてもよい。オフアングルしたものを用いることにより、下地層を結晶性よく成長させることができ、良質のn側半導体層、活性層及びp側半導体層を積層することができる。
バッファ層としては、例えば、GadAl1−dN(0<d≦1)からなる窒化物半導体が挙げられ、Al混晶比が0.3以下の層が好ましく、Al混晶比が0.2以下の層がより好ましい。Al混晶比が小さいほど結晶性の改善が顕著となる。より好ましくはGaNからなるバッファ層が挙げられる。また、バッファ層は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。
例えば、転位密度が1×107〜5×109cm−2である窒化物半導体層を備えていることが適している。この窒化物半導体層はGaN層であることが好ましいが、Al1−xGaxN層(0<x<1)としてもよい。この窒化物半導体層は、単一層でも、2層以上の積層構造であってもよい。窒化物半導体層は、積層構造として形成される場合、組成及び/又は成膜方法等の異なる層で有ることが好ましい。これによって、転位密度を低減することができるとともに、結晶性を向上させることができる。
n側半導体層は、基板1側から、通常、n型コンタクト層及びn型クラッド層がこの順に積層されている。
n型コンタクト層としては、その組成は特に限定されるものではなく、例えば、Al比率が0.2以下のAlGaN又はGaNからなる層が好ましく、単一層からなる層がより好ましい。このような組成にすると、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。
n型コンタクト層は、n型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性を悪化しない程度に高いことが好ましい。例えば、1×1018/cm3以上、5×1021/cm3以下が挙げられる。
n型クラッド層は、単層構造でもよいが、組成の異なる少なくとも2種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、上述した式(A)からなる層であってもよい。特に、n型クラッド層は、超格子多層膜によって形成されていることが好ましく、AlzGa1−zN(0≦z<1)(第1層)とInpGa1−pN(0<p<1)(第2層)との2種類の組成からなる層が交互に積層された超格子層がより好ましい。第1層及び第2層は、いずれが最下層及び/又は最上層であってもよい。ただし、必ずしも第1層同士、第2層同士、第1層及び第2層の全ての層の組成が同じでなくもよく、部分的に、傾斜的に、段階的に又は交互にその組成が変化してもよい。なかでも、第1層同士及び第2層同士が、同じ組成の層であることが好ましい。
第2層は、pが0.5以下の層が好ましく、pが0.2以下の層がより好ましい。
なかでも、n型クラッド層としては、第1層がGaNであり、第2層においてpが0.2以下のInpGa1−pNである超格子多層膜が好ましい。
p側半導体層は、例えば、活性層側から順に、p側クラッド層及びp型コンタクト層を含むことが好ましい。
p側クラッド層としては、p型不純物を含有する、上述した式(A)からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の積層層又は超格子多層膜が挙げられる。なかでも、AlbGa1-b N(0≦b≦1)からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の半導体層の積層層が好ましい。
p側クラッド層は、p型不純物濃度が、例えば、1×1022/cm3程度以下が好ましく、5×1020/cm3程度以下がより好ましい。p型不純物濃度の下限は特に限定されないが、5×1016/cm3程度以上が適している。
積層層又は超格子多層膜においては、全ての層にp型不純物が含有されていなくてもよい。また、各層又は一部の層においてp型不純物濃度が異なっていてもよいし、同じでもよい。
p型コンタクト層は、例えば、上述した式(A)で表される窒化物半導体からなる層が挙げられ、なかでも、GaN、Al比率0.2以下のAlGaN、In比率0.2以下のInGaNからなる層が好ましく、GaNからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
不純物濃度は、例えば、1×1018/cm3以上、5×1021/cm3以下が挙げられる。
本発明の半導体発光素子において用いられる全面電極、p電極及びn電極は、その単一層の組成、積層構造の組成及び積層順序、膜厚等、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
特に、全面電極は、光の取出効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物(ITO等)等が挙げられる。
保護膜としては、特にその材料及び膜厚は限定されないが、例えば、SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5、AlN、AlGaN等からなる単層膜又は多層膜等が挙げられる。その膜厚は適宜調整することが好ましい。
実施例1a及び1b
この実施例の半導体発光素子は、図1に示すように、サファイアからなる基板1上に、
アンドープAlGaNからなるバッファ層(膜厚:約15nm)、
アンドープGaNからなる中間層(膜厚:約3.5μm)、
Siを9×1018/cm3ドープしたGaNからなるn型コンタクト層(膜厚:4.2μm)、
Siを2.5×1018/cm3ドープしたGaN層r(膜厚:4nm)を積層した上に、アンドープIn0.02Ga0.98N層q(膜厚:2nm)、Siを2.5×1018/cm3ドープしたGaN層r(膜厚:4nm)がこの順で、GaN層qとGaN層rの積層を繰り返した合計121層の超格子構造からなるn側クラッド層(膜厚:364nm)、
活性層(膜厚:膜厚約75nm)、
Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nからなるp側クラッド層(膜厚:約25nm)及び
アンドープGaNからなる層(膜厚:約50nm)、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNからなる層(膜厚:約50nm)及びMgを5×1020/cm3ドープしたp型GaNからなる層(膜厚:約15nm)が順に積層されたp型コンタクト層がこの順に積層されて構成されている。
第1障壁層:Siを5×1018/cm3ドープしたGaNからなる層(膜厚:約4nm)、アンドープGaNからなる層(膜厚:約3.5nm)の積層構造と、
この第1障壁層の上の、
アンドープIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層g(膜厚:約3.3nm)及びアンドープGaNからなる障壁層h(膜厚:約5.0nm)の単位周期を6周期の積層構造と、この積層構造の上の、
アンドープIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層w(膜厚:約3.3nm)及びアンドープGaNからなる障壁層t(膜厚:約5.25nm)の単位周期を3周期の積層構造とから構成される多重量子井戸構造を有する。
p型コンタクト層上のほぼ全面には、ITOからなる透光性の全面電極6と、その上に形成されたTi、Rh及びAuを含むp電極7が形成されており、露出したn型コンタクト層上の表面にはp電極と同じ積層材料からなるn電極8が形成されている。
(基板)
サファイア(C面)からなる基板1をMOCVDの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を900℃〜1200℃程度まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
続いて、温度を500℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、TMG(トリメチルガリウム)及びTMA(トリメチルアルミニウム)を用い、基板上にアンドープAl0.05Ga0.95Nからなるバッファ層を約1.5μmの膜厚で成長させる。
続いて、温度を800℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、TMG(トリメチルガリウム)を用い、バッファ層上にアンドープGaNからなる中間層を約3.5μmの膜厚で成長させる。
次に、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、SiをドープしたGaNからなるn型コンタクト層を約4μmの膜厚で成長させる。
続いて、温度800℃〜1000℃程度で、TMG、アンモニアを用い、SiをドープしたGaN層(膜厚:4nm)を積層した上に、ノンドープのGaN層(膜厚:2nm)を積層する。
次に、障壁層として、Siを含むGaNよりなる層を約4nm成長させ、アンドープGaNよりなる層を約3.5nmの膜厚で成長させる。
その後、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を約3.3nm及びアンドープGaNよりなる障壁層を約4.4nmの膜厚でそれぞれ6層交互に積層して、さらに、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を約3.3nm及びアンドープGaNよりなる障壁層を約5.25(1.05倍厚膜)nmの膜厚でそれぞれ3層(つまり、7層目〜9層目)交互に積層して、井戸層及び障壁層の単位周期が9周期(総膜厚:約75nm)の多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
次に、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nからなるp側クラッド層を約15nmの膜厚で成長させる。
続いて、温度900℃〜1000℃程度で、TMG、TMA、アンモニアを用い、アンドープのGaNからなる層を約50nmの膜厚で成長させ、この上に、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgドープp型GaNからなる層を約50nmの膜厚で、さらにその上にMgドープp型GaNからなる層を約15nmの膜厚で成長させる。
その後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp型コンタクト層側からエッチングを行い、n型コンタクト層の表面を露出させる。
全面電極上pエッチングにより露出させたn型コンタクト層の上に、Ti、Rh、Auを含む積層膜を成膜し、パターニングすることにより、p電極及びn電極をそれぞれ形成する。
また、上記実施例1aにおいて、障壁層の厚膜を、1.05倍の厚膜(5.25nm)に代えて、1.1倍の厚膜(5.5nm)とした以外、同様の構造の半導体発光素子を作製した(実施例1b)。
活性層において、障壁層の膜厚を、5〜9層目において1.05倍(実施例2a)及び1.1倍(実施例2b)の厚膜として、井戸層及び障壁層を9周期(層膜厚:76nm及び77nm)積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
活性層において、障壁層の膜厚を、3〜9層目において1.05倍(実施例3a)及び1.1倍(実施例3b)の厚膜として、井戸層及び障壁層を9周期(層膜厚:76.5nm及び78nm)積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
活性層において障壁層の膜厚を変化させることなく、井戸層及び障壁層を9周期(層膜厚:75nm)積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
上記実施例1a〜3b及び比較例1で得られた半導体発光素子について、順方向電圧と出力とを測定した。評価は500×290μmサイズのチップに順方向電流20mAをパルスで印加した状態で行った。
その結果を図3に示す。図3において、白棒は障壁層の厚みが1.05倍厚膜、斜線は障壁層の厚みが1.1倍厚膜の活性層を備える発光素子の出力を示す。比較例の発光素子の出力を基準として、実施例1a〜実施例3bのいずれも、0.2〜0.5mV程度の増加が認められた。
また、これらの実施例の全てにおいて、比較例のVfに対して、同等以下のVfが測定された。
このような結果から、Vfの低下及び出力の向上のバランスを図り、より高い発光効率を実現することができる。
Claims (7)
- 基板上に、n側半導体層、インジウムを含有する活性層及びp側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数の障壁層とこれら障壁層に隣接する複数の井戸層とを含んで構成された多重量子井戸構造であって、
前記n側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と前記井戸層を介して隣接し、かつ該障壁層と同じ膜厚を有する複数の障壁層と、
前記p側半導体層に最も近い側に配置された最終障壁層と、該最終障壁層と前記井戸層を介して隣接し、かつ該最終障壁層と同じ膜厚を有する複数の障壁層と、を有し、
前記最終障壁層が、前記n側半導体層に近い側に配置された障壁層よりも厚膜であり、
前記n側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する複数の障壁層の数が、前記p側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する複数の障壁層の数よりも多いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板上に、n側半導体層、インジウムを含有する活性層及びp側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、障壁層と該障壁層に隣接する井戸層とからなる複数の単位周期を含んで構成された多重量子井戸構造であって、
前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、
前記p側半導体層に最も近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、を有し、
前記単位周期のうちの前記p側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、該単位周期に隣接する1以上の単位周期との膜厚が、前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚膜であり、
前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数が、前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、前記n側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層よりも厚膜である請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層は、前記p側半導体層に近い側に配置された単位周期における井戸層の膜厚の1.5倍以上の膜厚を有する請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記最終障壁層は、前記井戸層の膜厚の1.5倍以上の膜厚を有する請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記井戸層は、アンドープInGaNからなり、
前記障壁層は、アンドープGaN、アンドープAlGaN又は前記井戸層よりもInの混晶比が低いアンドープInGaNからなる請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記井戸層と障壁層との間に、該井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011162773 | 2011-07-26 | ||
JP2011162773 | 2011-07-26 | ||
PCT/JP2012/065146 WO2013015035A1 (ja) | 2011-07-26 | 2012-06-13 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2013015035A1 JPWO2013015035A1 (ja) | 2015-02-23 |
JP6079628B2 true JP6079628B2 (ja) | 2017-02-15 |
Family
ID=47600894
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013525620A Active JP6079628B2 (ja) | 2011-07-26 | 2012-06-13 | 窒化物半導体発光素子 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9123851B2 (ja) |
EP (1) | EP2738824B1 (ja) |
JP (1) | JP6079628B2 (ja) |
TW (1) | TWI585995B (ja) |
WO (1) | WO2013015035A1 (ja) |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9524869B2 (en) * | 2004-03-11 | 2016-12-20 | Epistar Corporation | Nitride-based semiconductor light-emitting device |
WO2013132812A1 (ja) * | 2012-03-05 | 2013-09-12 | パナソニック株式会社 | 窒化物半導体発光素子、光源及びその製造方法 |
KR20140019635A (ko) * | 2012-08-06 | 2014-02-17 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 및 발광 소자 패키지 |
JP5768027B2 (ja) * | 2012-09-20 | 2015-08-26 | 株式会社東芝 | 窒化物半導体層の形成方法 |
JP2015188048A (ja) * | 2014-03-10 | 2015-10-29 | 株式会社東芝 | 窒化物半導体積層体および半導体発光素子 |
EP2988339B1 (en) * | 2014-08-20 | 2019-03-27 | LG Innotek Co., Ltd. | Light emitting device |
FR3028671B1 (fr) * | 2014-11-19 | 2018-03-09 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Diode electroluminescente a puits quantiques dopes et procede de fabrication associe |
DE102014117611A1 (de) * | 2014-12-01 | 2016-06-02 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelektronischer Halbleiterchip |
KR102476036B1 (ko) * | 2016-05-09 | 2022-12-12 | 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 | 발광 소자 |
TWI668885B (zh) * | 2016-08-25 | 2019-08-11 | 億光電子工業股份有限公司 | 氮化物半導體元件及其製造方法與所應用之封裝結構 |
JP6477642B2 (ja) * | 2016-09-23 | 2019-03-06 | 日亜化学工業株式会社 | 発光素子 |
US10770505B2 (en) * | 2017-04-05 | 2020-09-08 | Intel Corporation | Per-pixel performance improvement for combined visible and ultraviolet image sensor arrays |
US10218152B1 (en) | 2017-08-22 | 2019-02-26 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser diode with low threshold current |
US11101404B2 (en) * | 2018-03-26 | 2021-08-24 | Nichia Corporation | Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device |
JP2019176124A (ja) * | 2018-03-26 | 2019-10-10 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体装置の製造方法、及び、半導体装置 |
US10974226B2 (en) * | 2018-09-24 | 2021-04-13 | Sabic Global Technologies B.V. | Catalytic process for oxidative coupling of methane |
CN113036007A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-25 | 开发晶照明(厦门)有限公司 | 发光二极管芯片 |
CN113410348B (zh) * | 2021-06-15 | 2022-11-18 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | 深紫外发光元件及其制备方法 |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6586762B2 (en) | 2000-07-07 | 2003-07-01 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device with improved lifetime and high output power |
JP3803696B2 (ja) * | 2000-11-21 | 2006-08-02 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
JP3786114B2 (ja) | 2000-11-21 | 2006-06-14 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
JP2003031902A (ja) * | 2001-07-16 | 2003-01-31 | Denso Corp | 半導体レーザ |
US7359418B2 (en) * | 2003-02-13 | 2008-04-15 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser |
JP2006108585A (ja) | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Toyoda Gosei Co Ltd | Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 |
JP4696749B2 (ja) * | 2005-07-25 | 2011-06-08 | 住友電気工業株式会社 | 半導体発光素子 |
KR20080035865A (ko) | 2006-10-20 | 2008-04-24 | 삼성전자주식회사 | 반도체 발광 소자 |
JP2009081379A (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-16 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体発光素子 |
JP2009099893A (ja) | 2007-10-19 | 2009-05-07 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体発光素子 |
JP2009152552A (ja) * | 2007-12-18 | 2009-07-09 | Seoul Opto Devices Co Ltd | 多重量子井戸構造の活性領域を有する発光ダイオード |
JP5090192B2 (ja) * | 2008-01-28 | 2012-12-05 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体発光素子とその窒化物半導体発光素子を備える窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。 |
KR101018217B1 (ko) * | 2008-10-01 | 2011-02-28 | 삼성엘이디 주식회사 | 질화물 반도체 소자 |
JP2009105423A (ja) | 2008-12-08 | 2009-05-14 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体発光素子 |
JP4881491B2 (ja) * | 2009-09-01 | 2012-02-22 | 株式会社東芝 | 半導体発光素子 |
US8575592B2 (en) * | 2010-02-03 | 2013-11-05 | Cree, Inc. | Group III nitride based light emitting diode structures with multiple quantum well structures having varying well thicknesses |
JP5671244B2 (ja) * | 2010-03-08 | 2015-02-18 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物系半導体発光素子 |
-
2012
- 2012-06-13 JP JP2013525620A patent/JP6079628B2/ja active Active
- 2012-06-13 EP EP12817610.4A patent/EP2738824B1/en active Active
- 2012-06-13 US US14/234,842 patent/US9123851B2/en active Active
- 2012-06-13 WO PCT/JP2012/065146 patent/WO2013015035A1/ja active Application Filing
- 2012-07-25 TW TW101126850A patent/TWI585995B/zh active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2738824B1 (en) | 2022-08-24 |
TW201316546A (zh) | 2013-04-16 |
JPWO2013015035A1 (ja) | 2015-02-23 |
WO2013015035A1 (ja) | 2013-01-31 |
EP2738824A4 (en) | 2015-04-22 |
US9123851B2 (en) | 2015-09-01 |
EP2738824A1 (en) | 2014-06-04 |
TWI585995B (zh) | 2017-06-01 |
US20140166980A1 (en) | 2014-06-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6079628B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP3868136B2 (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
US8513694B2 (en) | Nitride semiconductor device and manufacturing method of the device | |
US8502254B2 (en) | Group III nitride semiconductor light-emitting device and method of manufacturing the same, and lamp | |
JP2890396B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP5671244B2 (ja) | 窒化物系半導体発光素子 | |
JP3846150B2 (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体素子および電極形成方法 | |
JP3890930B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP2010539731A (ja) | パターン化した基板上の(Al,In,Ga,B)N装置 | |
JPH08228025A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP2006108585A (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 | |
JPH10126006A (ja) | 窒化物半導体デバイス | |
JP2008118049A (ja) | GaN系半導体発光素子 | |
JP4815732B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
WO2015065684A1 (en) | (Al, In, Ga, B)N DEVICE STRUCTURES ON A PATTERNED SUBSTRATE | |
JP2004343147A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP3951973B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JPH11191639A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP4622466B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JPH077182A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
JP2005051170A (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 | |
JP2006032739A (ja) | 発光素子 | |
JP5834495B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP3267250B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP6891865B2 (ja) | 発光素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150202 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150818 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20151008 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160126 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160809 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161107 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20161114 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161220 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170102 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6079628 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |