WO2007063833A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子 Download PDF

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WO2007063833A1
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light reflecting
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Masayuki Sonobe
Norikazu Ito
Mitsuhiko Sakai
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Rohm Co., Ltd.
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18358—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] containing spacer layers to adjust the phase of the light wave in the cavity
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting layer forming method such as a resonator light emitting diode that takes out light emitted from a surface side with high efficiency by forming reflective layers on both upper and lower surfaces of a light emitting layer forming portion to form a resonator.
  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device in which a light reflecting layer is formed at least on the substrate side of the part.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the wave that is reflected with the phase reversed with respect to the wave incident at the boundary to the soot layer has the same phase, and high reflectivity is obtained.
  • this reflectance can be obtained with a relatively small number of multilayer films.
  • a semiconductor light emitting device using this DBR for example, as an example of realizing a laser device using a nitride semiconductor, as shown in FIG. 3, on a sapphire substrate 1, a buffer layer 9, n—GaN contact layer 10, n—first light reflecting layer 2, n and p—light emitting layer forming part 3 comprising active layer 32 sandwiched by GaN spacer layers 31, 33, p—second light reflecting Layer 4 and p-GaN contact layer 5 are formed, p-side electrode 8 is formed on p-GaN contact layer 5, and n-side electrode 7 is formed on the exposed portion of n-GaN contact layer 10. Have been.
  • the n—first light reflecting layer 2 and the p—second light reflecting layer 4 are n-AlGaN compounds having a single layer structure (a compound crystal ratio of A1 and Ga is unambiguous and can be variously taken.
  • the high-refractive index layers 22 made of a series compound are alternately stacked with a film thickness of ⁇ ⁇ (4 ⁇ ) (where ⁇ is the emission wavelength and ⁇ is the refractive index) (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 JP-A-8-228048 (Fig. 3)
  • the present inventors considered to make the low refractive index layer a multilayer structure of a thin AlGaN compound layer and a GaN layer. According to this configuration, the distortion of the light reflection layer is relieved, and distortion is generated, so that a decrease in reflectance can be prevented.
  • the present invention provides a nitride semiconductor light-emitting device that solves such problems and prevents a reduction in reflectance and has a light-reflecting layer in which the quality of the active layer is not lowered and the luminance is not lowered.
  • the purpose is to do.
  • the present inventors diligently investigated the cause of the decrease in the quality of the active layer.
  • the decrease in the quality of the active layer is due to the flatness of the first light reflecting layer between the substrate and the active layer. It was found that this was caused by the evil.
  • the low refractive index layer of the first light reflecting layer has a multilayer structure, a GaN layer other than the AlGaN compound layer is also provided in the low refractive index layer.
  • the total thickness of the compound layer is thinner than that of the conventional single layer structure.
  • this low refractive index layer is AlGaN-based
  • the thin film of the compound layer could be conceived to reduce the effect of preventing defects called V diffuses that occur in the high refractive index layer composed of the InGaN-based compound layer.
  • the V diffuse is a V-shaped defect that hinders the flatness of the InGaN compound layer when the InGaN compound layer is stacked in the semiconductor light emitting device. When this defect occurs, the flatness of the surface of the InGaN-based compound layer is hindered, and the layer stacked on the InGaN-based compound layer also loses the flatness and the crystallinity deteriorates.
  • the low refractive index layer created by the present inventors as described above has a multilayer structure of an AlGaN compound layer and a GaN layer
  • the AlGaN compound is formed on the high refractive index layer having InGaN compound layer force.
  • a low-refractive-index layer in which layers and GaN layers are alternately stacked is formed, and the total film thickness of the AlGaN-based compound layers constituting the low-refractive-index layer is larger than that of the conventional single-layer AlGaN-based compound layer.
  • the present inventors have found that this is because the effect of absorbing the V diffusivity generated in the InGaN-based compound layer of the high refractive index layer is reduced and the quality of the active layer is reduced. I found.
  • the nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes a substrate and a light reflection layer provided on the substrate, in which low refractive index layers and high refractive index layers having different refractive indexes are alternately stacked. And a light emitting layer forming portion provided on the light reflecting layer, wherein the low refractive index layer of the light reflecting layer is an AlGaN layer (0 ⁇ x ⁇ 1) From single layer structure
  • the high refractive index layer of the light reflecting layer is an Al Ga N layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x) or In Ga
  • the high refractive index layer of the light reflecting layer is an AlGaN layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x), InGa
  • N (0 ⁇ u ⁇ 1) layers are alternately stacked.
  • a second light reflecting layer in which low refractive index layers and high refractive index layers having different refractive indexes are alternately stacked is provided on the light emitting layer forming portion, and the second light reflecting layer It is preferable that both the low refractive index layer and the high refractive index layer have a multilayer structural force from the viewpoint of improving the reflectance of the second light reflecting layer.
  • the low refractive index layer of the light reflecting layer between the substrate and the active layer has a single layer structure.
  • AlGaN-based compound layers are used, and this AlGaN low-refractive index layer absorbs and flattens V diffuser generated in high-refractive index layers including InGaN-based compound layers, and is stacked on the light reflecting layer.
  • the active layer is also planarized, and the crystallinity of the active layer is not degraded.
  • the high refractive index layer is formed in a multilayer structure including an InGaN compound layer, the distortion of the light reflection layer is reduced compared to the conventional case, and the distortion is less likely to occur and the reflectance is reduced. Can be prevented.
  • the high refractive index layer is an Al Ga N layer (0 ⁇ z ⁇ 0.5, z ⁇ x) and In Ga N (0 ⁇ u ⁇ l) z 1 z u 1 u
  • the InGaN compound layer in the high refractive index layer is composed of an InGaN compound layer with a single layer structure without using the conventional multilayer structure
  • the multilayer structure is formed by alternately stacking layers. It is thinner than. Therefore, the deterioration of flatness due to the occurrence of V diffuse can be suppressed compared to the conventional method. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor light emitting device in which the flatness caused by V diffuse is completely suppressed, and further, the deterioration of crystallinity due to the difference in lattice matching and the thermal expansion coefficient is suppressed.
  • FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view illustrating a conventional semiconductor laser.
  • the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a resonator light emitting diode which is an embodiment thereof.
  • the first light reflecting layer is provided on the substrate 1 and is formed by alternately laminating low refractive index layers 21 and high refractive index layers 22 having different refractive indexes. 2 and at least a light emitting layer forming portion 3 provided thereon, and the low refractive index layer 21 of the first light reflecting layer 2 is formed of a single layer structure of an AlGaN layer (0 ⁇ 1).
  • Layer 22 consists of Al Ga N layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x) or In Ga N layer (0 ⁇ t ⁇ 0.5) and In G y 1-yt 1-tua N layer (0 ⁇ u ⁇ 1 , T (u) and a multilayer structure.
  • Al Ga N layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x) or In Ga N layer (0 ⁇ t ⁇ 0.5) and In G y 1-yt 1-tua N layer (0 ⁇ u ⁇ 1 , T (u) and a multilayer structure.
  • the second light reflecting layer 4 is formed on the substrate.
  • the first light reflecting layer 2 is provided on the substrate 1, and the low refractive index layers 21 and the high refractive index layers 22 having different refractive indexes are alternately arranged with a thickness of ⁇ (4 ⁇ ). By laminating, it functions as a light reflecting layer with high reflectivity.
  • the low refractive index layer 21 and the high refractive index layer 22 are formed on the AlGaN buffer layer 9 formed on the SiC substrate 1 by 10 to 50.
  • the first light reflection layer 2 is formed by being laminated in a period.
  • the noffer layer 9 is made of a nitride material represented by a general formula of Al Ga I a b n N (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, 0 ⁇ a + b ⁇ 1).
  • the present invention is not limited to this.
  • the thickness of the noffer layer can be appropriately adjusted according to the application.
  • the low refractive index layer 21 of the first light reflecting layer 2 is composed of an AlGaN layer (0 ⁇ x ⁇ 1) 21b single layer structure.
  • Al Ga N low-refractive index layer 21 is an adjustment layer that actually reduces the refractive index.
  • the Al Ga N low refractive index layer 21 will be described later.
  • the active layer 3 stacked on the first light reflecting layer 2 is also flattened, and the crystallinity of the active layer 3 deteriorates. Absent.
  • the AlGaN low refractive index layer 21 is about 460 nm (emission wavelength
  • the high refractive index layer 22 of the first light reflecting layer 2 is an Al Ga N layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x) or In Ga y l-y t
  • the In Ga N layer (0 ⁇ u ⁇ 1, t u u) is the adjustment layer 22a for actually increasing the refractive index.
  • Al Ga N layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y ⁇ x) or In Ga N layer (0 ⁇ t ⁇ y l-y t 1-t
  • the high refractive index layer is formed with a multilayer structure Therefore, the deterioration of crystallinity, which also causes the difference in coefficient of thermal expansion and lattice constant, is significantly reduced compared to the case where the conventional multilayer structure is not used.
  • the relaxation layer 22b of the light reflection layer 2 may have an AlGaN layer (0 ⁇ y ⁇ 0.5, y x x) force.
  • the thickness of the InGaN-based compound layer of the entire high-refractive index layer is also the same as that of the conventional InGaN-based compound layer. It is thinner than. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor light emitting device that suppresses the deterioration of flatness due to V diffuser and further suppresses the deterioration of crystallinity due to the difference in lattice matching and thermal expansion coefficient.
  • a GaN layer of about 1 to 3 nm, preferably about 2 nm, and about 15 cycles.
  • the portions other than the first light reflecting layer 2 having the above-described configuration can be formed in the same manner as the structure of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
  • the example shown in FIG. 1 is an example of a resonator type light emitting diode, and first and second reflective layers 2 and 4 are provided on both sides of the light emitting layer forming portion 3.
  • the substrate 1 is made of a silicon carbide (SiC) substrate, but is not limited to this.
  • An insulating substrate such as a sapphire (AlO single crystal) substrate, GaN, GaAs, Si, Zn
  • a semiconductor substrate such as O can also be used.
  • the back surface force electrode of the substrate cannot be taken out. Therefore, a part of the semiconductor laminated portion is etched away to form a lower conductive type layer (in the example of FIG. 1, n-type layer 31 or illustrated). Contact layer) not exposed.
  • the light emitting layer forming part 3 has an active layer 32 and is formed on the first light reflecting layer 2.
  • the light-emitting layer forming part 3 is nitrided with the general formula of Al Ga In N (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, 0 ⁇ a + b ⁇ 1) a b 1 a— b
  • an n-type GaN spacer layer 31 of about 0.5 m and a ⁇ -type GaN spacer layer 33 of about 0.5 ⁇ m are provided so as to sandwich the active layer 32.
  • These layers have a function of adjusting the film thickness of the light emitting layer forming portion 3, that is, the length of the resonator in the vertical direction, and the light emitting layer forming portion 3 as a whole is adjusted to be ⁇ Zn.
  • a resonator is formed between the first and second light reflecting layers 2 and 4, and light is also emitted from the side force of the second light reflecting layer 4 that is amplified in the resonator and has a slightly reduced reflectance.
  • the spacer layers 31 and 33 need not have a force S, and an electron noria layer and a hole noria layer are provided in place of the spacer layers 31 and 33. Their composition and film thickness are also adjusted accordingly.
  • a material having a band gap energy corresponding to the wavelength of light to be emitted is selected.
  • the active layer 32 is made of InGa N having a wavelength of about 0.01 to 0.2 / ⁇ ⁇ .
  • the active layer 32 is formed of non-dope, but may be a p-type layer or an n-type layer.
  • a resonator is formed on the light emitting layer forming portion 3 by providing the second light reflecting layer 4 with a reflectance smaller than that of the first light reflecting layer 2, so that the top surface is efficiently formed.
  • the second light reflecting layer 4 is provided with a low refractive index layer 41 and a high refractive index layer 42 in the same manner as the first light reflecting layer 2, and is reflected more than the first light reflecting layer 2. The rate is slightly reduced. It is desirable that the low refractive index layer 41 and the high refractive index layer 42 of the second light reflecting layer 4 have a multilayer structure, respectively, from the viewpoint of improving the reflectance of the second light reflecting layer 4.
  • the second light reflecting layer 4 is formed after the active layer 32 is formed, the InGaN-based compound layer that forms all or part of the high refractive index layer is different from the case of the first light reflecting layer 2. Even if V diffuse is generated by this, the crystallinity of the active layer 32 is not affected, and the low refractive index layer of the second light reflecting layer 4 does not need to be a single layer of an AlGaN compound. Therefore, both the low refractive index layer 41 and the high refractive index layer 42 can have a multilayer structure, and deterioration of the reflectance can be prevented.
  • the high-refractive index layer 42 includes, for example, an InGaN-based compound, specifically, an adjustment layer 42a made of InGaN and a relaxation layer 42b made of GaN of about 2 nm.
  • the low refractive index layer 41 includes, for example, an AlGaN-based compound, specifically, an adjustment layer 41a made of AlGaN of about 1 nm, and a GaN relaxation layer 42b of 2
  • the low refractive index layers 41 and the high refractive index layers 42 are alternately formed in about 10 to 50 periods. Note that the Balta structure low refractive index layer 41 Alternatively, the high refractive index layers 42 may be alternately stacked, or one of them may have a multilayer structure. In addition, the composition and film thickness of each layer can be changed as appropriate.
  • a translucent conductive layer 6 is provided on the second light reflecting layer 4.
  • Ni and Au are stacked and alloyed. 2 ⁇ : Thickness about LOOnm, ZnO layer, ITO layer, etc.
  • Light can be easily diffused over the entire surface of the chip while transmitting light.
  • it is made of a material that is conductive and easily obtains an ohmic contact.
  • ZnO and ITO are translucent even if they are thick, so they are formed to a thickness of, for example, about 0.1 to 2 / ⁇ ⁇ .
  • the ⁇ layer is formed as the translucent conductive layer 6 with a thickness of about 0.3 m.
  • a p-type GaN contact layer 5 may be provided between the second photoreflective layer 4 and the translucent conductive layer 6.
  • the contact layer 5 is generally formed of a GaN layer having a high carrier concentration, but may be formed of an InGaN-based compound layer or an AlGaN-based compound layer!
  • the second electrode 8 is formed as a p-side electrode because the upper surface side of the semiconductor stacked portion is a layer having a p-type force.
  • TiZAu, PdZAu, or Ni—Au is used.
  • the overall thickness is about 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the first electrode 7 (n-side electrode) is, for example, Ti-A on the back side of the substrate in the example shown in FIG. Is an alloy layer or laminated structure such as TiZAu, and is formed to a thickness of about 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the substrate back surface force cannot make ohmic contact. For example, reactive ion etching in a mixed gas atmosphere of C1 and BC1.
  • an exposed surface is formed on the buffer layer or the like and formed on the exposed surface.
  • the light reflecting layer, etc. in the n-type, Se, Si, Ge, Te is used as an impurity source gas in the reaction gas using H Se, SiH, GeH, TeH, etc. If mixed
  • Mg and Zn are used as organometallic gases for Cp Mg and DMZn.
  • the SiC substrate 1 is set in, for example, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and component gases of the semiconductor layer to be grown, such as trimethyl gallium, trimethyl aluminum, and the like. , Trimethylindium, ammonia gas, H Se, SiH, G as n-type dopant gas
  • n-type AlGaN buffer layer 9 at about 700-1200 ° C, about lnm
  • 15 layers of InGaN-based adjustment layers 22a and 2nm GaN relaxation layers 22b are stacked alternately for 15 periods to form a high refractive index layer 22 of about 45nm, and then AlGa of about 46nm.
  • the combination of the high-refractive index layer and the low-refractive index layer is alternately stacked for about 20 periods to form the first light reflection layer.
  • the light emitting layer forming part 3 is grown by sequentially laminating the quantum well active layer 32 in which the powerful barrier layers are alternately laminated for about five periods and the p-type GaN spacer layer 33 having a thickness of 0.5 / zm. .
  • an In Ga N adjustment layer 42a of approximately In m and a GaN relaxation layer 42b of approximately 2 nm are alternately provided for about 15 periods.
  • the high refractive index layer 42 of about 46 nm is formed, and then Al Ga of about 2 nm is formed.
  • N-adjustment layers 41a and GaN relaxation layers 42b of about 1 nm are alternately stacked for 15 periods to form a low refractive index layer of about 45 nm. Then, the low refractive index layer 41 and the high refractive index layer 42 are alternately formed in about 20 cycles.
  • 0.05 to 2111 thick 0 & ? ⁇ Contact layers 5 are sequentially epitaxially grown.
  • a SiO protective film is provided on the entire surface of the contact layer 5, and 400 to 800 ° C, 20 to 60 minutes.
  • the first electrode 7 is formed on the back side of the substrate 1 by sputtering or vacuum deposition of a metal film such as Ti or Au, and the transparent electrode 6 having ZnO force is formed on the p-type contact layer 5 by about 0.3 m.
  • a second electrode 8 is formed by forming a metal film such as Ti or Al by sputtering or vapor deposition.
  • the substrate is thinned by lapping the back side of the substrate.
  • the semiconductor light emitting device is formed by scribing and chipping.
  • the characteristics of light-emitting elements such as LEDs and laser diodes using nitride semiconductors can be improved, and can be used in various electronic devices that use these semiconductor light-emitting elements. Can do.

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Abstract

　本発明は、反射率の低減を防ぐとともに、活性層の品質が低下し輝度が低下することがない光反射層を有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とするものである。 　本発明の窒化物半導体レーザは、たとえば、基板（１）上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層（２１）と高屈折率層（２２）とが交互に積層された第１の光反射層（２）上に設けられた発光層形成部（３）とを少なくとも有しており、第１光反射層の低屈折率層２１は、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）の単層構造で形成されており、第１の光反射層の高屈折率層（２２）は、ＡｌyＧａ1-yＮ層（０≦ｙ≦０.５、ｙ＜ｘ）またはＩｎtＧａ1-tＮ層（０＜ｔ≦０.５）と、ＩｎuＧａ1-uＮ層（０＜ｕ≦１、ｔ＜ｕ ）との多層構造で形成されている。

Description

明 細 書
窒化物半導体発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、発光層形成部の上下両面に反射層が形成されて共振器とすることによ り高効率で発光する光を表面側から取り出す共振器発光ダイオードなど、発光層形 成部の少なくとも基板側に光反射層が形成される窒化物半導体発光素子に関するも のである。
背景技術
[0002] 近年、屈折率が相違する 2層を交互に積層することにより、多層膜に入射する波長 の光を選択的に反射させることのできる分布型ブラッグ光反射層（Distributed Bragg Reflector,以下、 DBRという）を有する半導体発光素子が開発されている。一般に D BRとは、目的とする光の真空中での波長をえとし、材料の屈折率を nとした場合、 λ Ζ (4η)の膜厚で屈折率の大きい層と小さい層を交互に積層したものである。これに より、えの光を中心にして、屈折率が大きい層から小さい層への境界で入射する波と 同じ位相で反射される波と、屈折率の小さ！ヽ層から大き！ヽ層への境界で入射する波 に対して位相が反転して反射される波とが同一の位相となり、高反射率が得られる。 この反射率は、屈折率の差が充分にある 2つの層を交互に積層する場合には、比較 的少な 、数の多層膜で高反射率が得られる。
[0003] そして、この DBRを利用した半導体発光素子としては、たとえば、窒化物半導体を 用いたレーザ素子を実現する例として、図 3に示されるように、サファイア基板 1上に、 バッファ層 9、 n—GaNコンタクト層 10、 n—第 1光反射層 2、 nおよび p— GaNスぺー サ層 31、 33で狭持される活性層 32からなる発光層形成部 3、 p—第 2光反射層 4、 および p— GaNコンタクト層 5が形成されており、 p— GaNコンタクト層 5上には p側電 極 8が、 n—GaNコンタクト層 10の露出部には n側電極 7がそれぞれ形成されている 。 n—第 1光反射層 2および p—第 2光反射層 4は、単層構造の n— AlGaN系化合物 (A1と Gaとの混晶比率が一義的でなぐ種々取り得る化合物であることを意味する、 以下の「系」も同じ意味で使用する）からなる低屈折率層 21と単層構造の n—InGaN 系化合物からなる高屈折率層 22をそれぞれ λ Ζ (4η) ( λは発光波長、 ηは屈折率） の膜厚で交互に積層されている (特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開平 8— 228048号公報（図 3)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 活性層の上下方向に光反射層構造を有する半導体発光素子を形成すると上下方 向に進んだ光は、光反射層で反射され光が放出される。ところが、上述の素子にお いては、低屈折率層を構成する AlGaN系化合物層と高屈折率層を構成する InGaN 系化合物層とは格子定数および熱膨張率などで大きく相違するため、光反射層内で 歪みが生じてしまい、光反射層の結晶性を低下させ反射率が理論値ほど上がらない 。そこで本発明者らは、低屈折率層を薄膜の AlGaN系化合物層と GaN層との多層 構造にすることを考えた。この構成によれば、光反射層の歪みが緩和されることにな り、歪みが生じに《なり反射率の低下を防ぐことができる。
[0005] し力しながら、光反射層の低屈折率層を、 AlGaN系化合物層と GaN層とが交互に 積層された多層構造とした素子を作製してみたところ、反射率は確かに改善されたも のの、活性層の品質が低下し輝度が低下してしまうという問題が生じた。
[0006] そこで、本発明はこのような問題を解決し、反射率の低減を防ぐとともに、活性層の 品質が低下し輝度が低下することがない光反射層を有する窒化物半導体発光素子 を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明者らは、活性層の品質が低下する原因を鋭意検討して調べたところ、活性 層の品質の低下は、基板と活性層の間にある第 1光反射層の平坦性の悪ィ匕が原因 であることが見出した。さらに詳細に検討したところ、その原因が低屈折率層を GaN 層と AlGaN系化合物層の多層構造としたため、 AlGaN系化合物層の厚みが従来の 単層構造よりも薄くなつている点に原因があることを見出した。すなわち、第 1光反射 層の低屈折率層を多層構造にすると、低屈折率層には AlGaN系化合物層以外の G aN層が設けられることにもなるため、低屈折率層中の AlGaN系化合物層の合計膜 厚は従来の単層構造よりも薄くなつている。そして、この低屈折率層での AlGaN系化 合物層の薄膜ィ匕は、 InGaN系化合物層からなる高屈折率層で生じる Vディフエタトと 呼ばれる欠陥を防止する効果を減少させて 、ると 、うことに想到し得たのである。な お、 Vディフエタトとは、半導体発光素子内に InGaN系化合物層を積層した際、当該 InGaN系化合物層の平坦性を妨げる V字状の欠陥をいう。この欠陥が発生すると、 I nGaN系化合物層表面の平坦性を妨げ InGaN系化合物層上に積層された層もまた 平坦性を失い、結晶性が悪化する。
[0008] すなわち、上述のように本発明者らが創意した低屈折率層を AlGaN系化合物層と GaN層の多層構造とすると、 InGaN系化合物層力もなる高屈折率層上に、 AlGaN 系化合物層と GaN層とが交互に積層された低屈折率層が形成されることになり、低 屈折率層を構成する AlGaN系化合物層の合計膜厚が従来の単層構造の AlGaN 系化合物層よりも薄くなつてしまい、高屈折率層の InGaN系化合物層で生じる Vディ フエタトを吸収する効果が減少してしまい、活性層の品質が低下していることが原因 であることを本発明者らは見出したのである。
[0009] そこで、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、屈折 率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された光反射層と、該 光反射層上に設けられた発光層形成部とを少なくとも有する窒化物半導体発光素子 であって、前記光反射層の低屈折率層は、 Al Ga N層 (0<x< 1)の単層構造から
X 1-x
なり、前記光反射層の高屈折率層は、 Al Ga N層（0<y≤0.5、y<x)または In Ga
y l-y t
N層（0≤t≤0.5)と、 In Ga N層（0<u≤ 1、 t<u )とが交互に積層された多層
1-t u 1-u
構造力 なることを特徴とする。
[0010] さらに、前記光反射層の高屈折率層が Al Ga N層（0<y≤0.5、 y<x)と、 In Ga
y l-y u l
N (0<u≤ 1)層とが交互に積層された多層構造とすることが好ま 、。
u
[0011] さらに、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された 第 2光反射層が前記発光層形成部上に設けられ、前記第 2光反射層の低屈折率層 および高屈折率層が共に多層構造力 なることが、第 2光反射層の反射率も向上さ せる点で好ましい。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、基板と活性層との間にある光反射層の低屈折率層には単層構造 の AlGaN系化合物層が採用されており、この AlGaN低屈折率層は、 InGaN系化合 物層を含む高屈折率層で発生する Vディフエタトを吸収平坦ィ匕し、光反射層上に積 層される活性層も平坦化され、活性層の結晶性は悪ィ匕しない。他方、高屈折率層が I nGaN系化合物層を含む多層構造で形成されているため、従来に比べて、光反射 層の歪みが緩和されることになり、歪みが生じにくくなり反射率の低下を防ぐことがで きる。
[0013] さらに、高屈折率層が Al Ga N層（0< z≤0.5、 z<x)と、 In Ga N (0<u≤l) z 1 z u 1 u
層とが交互に積層された多層構造とすることにより、高屈折率層中の InGaN系化合 物層の膜厚も従来の多層構造を用いな 、単層構造の InGaN系化合物層からなる場 合に比べて薄くなつている。そのため、 Vディフエタトの発生による平坦性の悪化も従 来に比べて抑えることもできる。したがって、 Vディフエタトによる平坦性の悪ィ匕を完全 に抑えつつ、さらに格子整合および熱膨張率の相違による結晶性の悪化も抑えた半 導体発光素子が得られる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明の実施形態に係る半導体レーザの断面説明図である。
[図 2]本発明の他の実施形態に係る半導体レーザの断面説明図である。
[図 3]従来の半導体レーザを説明する断面説明図である。
符号の説明
[0015] 1 基板
2 第 1光反射層
3 発光層形成部
4 第 2光反射層
21 第 1光反射層低屈折率層
22 第 1光反射層高屈折率層
発明を実施するための最良の形態
[0016] つぎに、本発明の窒化物半導体発光素子について、添付図面を参照して説明する
[0017] 本発明の窒化物半導体発光素子は、その一実施形態である共振器発光ダイォー ドの断面説明図が図 1に示されるように、基板 1上に設けられ、屈折率が互いに相違 する低屈折率層 21と高屈折率層 22とが交互に積層された第 1光反射層 2上に設け られた発光層形成部 3とを少なくとも有しており、第 1光反射層 2の低屈折率層 21は、 Al Ga N層（0≤χ≤1)の単層構造で形成されており、第 1光反射層 2の高屈折率 1
層 22は、 Al Ga N層（0≤y≤0.5、 y<x)または In Ga N層（0<t≤0.5)と、 In G y 1-y t 1-t u a N層（0<u≤ 1、 tく u )との多層構造で形成されている。また、発光層形成部 3上
1-u
には、第 2光反射層 4が形成されている。
[0018] 第 1光反射層 2は、基板 1上に設けられており、屈折率の異なる低屈折率層 21と 高屈折率層 22とが交互に λ Ζ(4η)の膜厚で交互に積層されることにより、反射率の 高い光反射層として機能するものである。図 1に示される例では、 SiC基板 1上に形 成された Al Ga Nバッファ層 9上に、低屈折率層 21と高屈折率層 22とが、 10〜50
0.2 0.8
周期程度積層され第 1光反射層 2が形成されている。なお、ノ ッファ層 9は、 Al Ga I a b n N (0≤a≤l, 0≤b≤l, 0≤a + b≤ 1)の一般式で表される窒化物材料からな l-a-b
ることが好ましいがこれに限定されない。また、ノッファ層の厚さなども適宜用途に応 じて調整することができる。
[0019] 第 1光反射層 2の低屈折率層 21は、 Al Ga N層（0<x< 1) 21bの単層構造から
1
なっている。 Al Ga N低屈折率層 21は、実際に屈折率を小さくするための調整層
1
であり、 λ Ζ(4η)の厚さになるよう形成される。 Al Ga N低屈折率層 21は、後述す
1
る高屈折率層 22に含まれる InGaN系化合物で発生する Vディフエタトを吸収平坦化 し、第 1光反射層 2上に積層される活性層 3も平坦化され活性層 3の結晶性は悪化し ない。図 1に示される例では、 Al Ga N低屈折率層 21が 460nm程度 (発光波長
0.3 0.7
力 S450nm)の厚さで形成されて!、る。
[0020] 第 1光反射層 2の高屈折率層 22は、 Al Ga N層（0<y≤0.5、 y<x)または In Ga y l-y t
N層（0≤t≤0.5)と、 In Ga N層（0<u≤ 1、 t<u )との多層構造で形成されてい
1-t u 1-u
る。 In Ga N層（0<u≤ 1、 tく u )は、実際に屈折率を大きくするための調整層 22a
1
である。それに対して、 Al Ga N層（0<y≤0.5、y<x)または In Ga N層（0≤t≤ y l-y t 1-t
0.5)は、調整層 22aおよび Al Ga N低屈折率層 21との格子不整合、熱膨張率を
1
緩和するための緩和層 22bである。このように高屈折率層は多層構造で形成されて いるため、熱膨張率および格子定数の相違力も生じる結晶性の悪化も従来の多層構 造を用いな 、場合に比べて格段に減少する。
[0021] また、光反射層 2の緩和層 22bは、 Al Ga N層（0≤y≤0.5、 yく x)力もなることが y 1 - y
Vディフエタトの発生による平坦性の悪化も従来に比べて抑えることもできる点で好ま しい。すなわち、 Inを含まない Al Ga N層（0≤y≤0.5、 y<x)を緩和層 22bに用い y i-y
ることによって、高屈折率層中には、 Inを含まない層が存在することになり、高屈折率 層全体の InGaN系化合物層の膜厚も従来の単層構造の InGaN系化合物層の場合 に比べて薄くなつている。したがって、 Vディフエタトによる平坦性の悪ィ匕を抑えつつ、 さらに格子整合および熱膨張係数の相違による結晶性の悪化も抑えた半導体発光 素子が得られる。
[0022] たとえば、図 1に示される例では、 In Ga N調整層 22a (たとえば u=0.02)を 0.5 u 1-u
〜2nm程度、好ましくは lnm程度、 Al Ga N緩和層 22b (たとえば、 y=0、すなわ y l-y
ち GaN層）を l〜3nm程度、好ましくは 2nm程度で、 15周期程度積層されている。
[0023] この第 1光反射層 2を上述のような構成とする以外の部分は、従来の窒化物半導体 発光素子の構造と同様に形成することができる。ただし、図 1に示される例は共振器 型発光ダイオードの例で、発光層形成部 3の両側に第 1および第 2の反射層 2、 4が 設けられている。基板 1は、炭化ケィ素（SiC)基板が用いられているが、これに限定 されず、サファイア (Al O単結晶）基板などの絶縁性基板や、 GaN、 GaAs、 Si、 Zn
2 3
Oなどの半導体基板を用いることもできる。絶縁性基板を用いる場合には、基板の裏 面力 電極を取り出すことができないため、半導体積層部の一部をエッチング除去し て下層の導電形層（図 1の例では n形層 31または図示しないコンタクト層）を露出させ る必要がある。
[0024] 発光層形成部 3は、活性層 32を有し、第 1光反射層 2上に形成される。発光層形成 部 3は Al Ga In N (0≤a≤l、 0≤b≤l, 0≤a+b≤ 1)の一般式で表される窒化 a b 1 a— b
物材料からなる。図 1に示される例では活性層 32を挟むように 0.5 m程度の n形 Ga Nスぺーサ層 31と 0.5 μ m程度の ρ形 GaNスぺーサ層 33が設けられている。これら の層は発光層形成部 3の膜厚、すなわち垂直方向の共振器の長さを調整する働きを 有する層であり、発光層形成部 3全体で λ Znになるように調整されていることにより 、第 1および第 2の光反射層 2、 4間に共振器が形成され、共振器内で増幅して反射 率が若干小さくされた第 2光反射層 4側力も光が出射される。また、通常の発光ダイ オードであれば、このスぺーサ層 31、 33力 Sなくてもよいし、スぺーサ層 31、 33の代り に電子ノリア層や正孔ノリア層などが設けられてもよぐそれらの組成や膜厚も適宜 調整される。活性層 32は、発光させる光の波長に応じたバンドギャップエネルギーを 有する材料が選択され、たとえば波長が 440〜470nmの青色発光をさせる場合、 0. 01〜0.2 /ζ πι程度の In Ga Nからなるバルタ構造のもの、または l〜20nm程度
0.15 0.85
の In Ga N井戸層と l〜20nm程度の GaN障壁層との単一もしくは多重の量子井
0.1 0.9
戸構造に形成され、全体で 0.01〜0.1 m程度に形成される。活性層 32はノンドー プで形成されるが、 p形層もしくは n形層でも構わな 、。
[0025] 発光層形成部 3上には、第 2光反射層 4が反射率を第 1光反射層 2より小さくして設 けられていることにより共振器が形成されて、効率的に上面発射型の素子または、側 面発光の素子が形成できる点で好ましい。図 1に示される例では、第 2光反射層 4は 、第 1光反射層 2と同じように低屈折率層 41と高屈折率層 42が設けられ、第 1光反射 層 2よりも反射率を僅かに低下させる構成となっている。第 2光反射層 4の低屈折率 層 41および高屈折率層 42は、それぞれ多層構造であることが第 2光反射層 4の反 射率改善の観点カゝら望ましい。すなわち、第 2光反射層 4の形成は活性層 32を形成 した後であることから、第 1光反射層 2の場合とは異なり高屈折率層の全部または一 部を形成する InGaN系化合物層によって Vディフエタトが発生したとしても活性層 32 の結晶性には影響を与えず、第 2光反射層 4の低屈折率層を AlGaN系化合物の単 層とする必要がない。そのため、低屈折率層 41も高屈折率層 42も多層構造とするこ とができ、反射率の悪化を防止することができる。
[0026] たとえば、図 2に示される例では、高屈折率層 42は、たとえば InGaN系化合物、具 体的には In Ga Nからなる調整層 42aを lnm程度、 GaNからなる緩和層 42bを 2
0.02 0.98
nm程度で、 15周期程度積層されている。低屈折率層 41は、たとえば AlGaN系ィ匕 合物、具体的には Al Ga Nからなる調整層 41aを lnm程度、 GaN緩和層 42bを 2
0.3 0.7
nm程度で、 15周期程度積層されている。そして、この低屈折率層 41と高屈折率層 4 2とが交互に 10〜50周期程度形成されている。なお、バルタ構造の低屈折率層 41 および高屈折率層 42を交互に積層することや、一方を多層構造にすることも可能で ある。また、それぞれの層の組成や膜厚も適宜変更し得る。
[0027] 第 2光反射層 4上には、透光性導電層 6が設けられている。たとえば Niと Auとを積 層して合金化し 2〜： LOOnm程度の厚さに形成されたものや、 ZnO層、または ITO層 などの光を透過しながら、チップの全面に電流を拡散しやすいように導電性で、かつ ォーミックコンタクトを得やす 、材料により形成される。 ZnOや ITOは厚くても透光性 があるため、たとえば 0.1〜2 /ζ πι程度の厚さに形成される。図 1に示される例では、 Ζ ηθ層が 0.3 m程度の厚さで透光性導電層 6として形成されている。なお、第 2光反 射層 4と透光性導電層 6との間にたとえば p形 GaNコンタクト層 5などが設けられても よい。コンタクト層 5は、一般的には、キャリア濃度を大きくしゃすい GaN層で形成す るが InGaN系化合物層や AlGaN系化合物層で形成されて!、てもよ!/、。
[0028] 第 2電極 8は、図 1に示される例では半導体積層部の上面側が p形力 なる層であ るため、 p側電極として形成されており、たとえば TiZAu、 PdZAuまたは Ni- Auな どの積層構造で、全体として 0.1〜1 μ m程度の厚さに形成され、第 1電極 7 (n側電 極）は、図 1に示される例では基板の裏面側にたとえば Ti-Aほたは TiZAuなどの 合金層または積層構造で、全体と 0.1〜1 μ m程度の厚さに形成される。また、サファ ィァ基板を用いる場合には、基板裏面力もォーミックコンタクトをとることができないの で、たとえば C1および BC1の混合ガスの雰囲気の下で反応性イオンエッチングなど
2 3
のドライエッチングなどを行うことでバッファ層などに露出面を形成し、露出面上に形 成する。
[0029] 前述の発光層形成部、光反射層などを n形に形成するためには、 Se、 Si、 Ge、 Te を H Se、 SiH、 GeH、 TeHなどを不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば
2 4 4 4
得られる。 p形にするためには、 Mgや Znを Cp Mgや DMZnの有機金属ガスとして
2
原料ガスに混入する。ただし n形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時に Nが蒸 発し易く自然に n形になるため、その性質を利用してもよい。
[0030] つぎに、具体例で本発明の半導体発光素子の製法について簡単に説明する。ま ず、 SiC基板 1を、たとえば MOCVD (有機金属化学気相成長）装置内にセッティン グし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミ-ゥ ム、トリメチルインジウム、アンモニアガス、 n形ドーパントガスとしての H Se、 SiH、 G
2 4 eH、 TeHのいずれか、また、 p形ドーパントガスとしてジメチル亜鉛もしくはシクロべ
4 4
ンタジェ-ルマグネシウムのうちの必要なガスをキャリアガスの Hまたは Nと共に導
2 2 入し、たとえば 700〜1200°C程度の温度で、 n形の Al Ga Nバッファ層 9、 lnm程
0.2 0.8
度の InGaN系化合物からなる調整層 22aと 2nm程度 GaN緩和層 22bとを交互に 15 周期積層し、約 45nm程度高屈折率層 22を形成し、ついで、 46nm程度の Al Ga
0.3 0.7
N低屈折率層を形成する。そして、この高屈折率層と低屈折率層の組み合わせを交 互に 20周期程度積層し、第 1光反射層を形成する。
[0031] ついで、 0.5 m厚の n形の GaNスぺーサ層 31、 In Ga Nからなる井戸層と GaN
0.1 0.9
力 なる障壁層を 5周期程度交互に積層した量子井戸活性層 32、および、 0.5 /z m 厚の p形の GaNスぺーサ層 33とを順次積層することにより、発光層形成部 3を成長 する。ついで、第 2光反射層 4を設ける場合には p形の GaNスぺーサ層を成長後、 In m程度の In Ga N調整層 42aと 2nm程度の GaN緩和層 42bを交互に 15周期程
0.02 0.98
度成長し、約 46nm程度の高屈折率層 42を形成し、ついで、 2nm程度の Al Ga
0.3 0.7
N調整層 41aと lnm程度の GaN緩和層 42bを交互に 15周期積層し、約 45nm程度 の低屈折率層を形成する。そして、この低屈折率層 41と高屈折率層 42とが交互に 2 0周期程度形成する。第 2反射層形成後、 0.05〜2 111の厚の 形0&?^コンタクト層 5をそれぞれ順次ェピタキシャル成長する。
[0032] その後 SiO保護膜をコンタクト層 5表面全面に設け、 400〜800°C、 20〜60分間
2
程度のァニールを行う。ついで、第 1電極 7を基板 1の裏面に、 Ti、 Auなどの金属膜 をスパッタリングや真空蒸着することなどにより形成し、 p形コンタクト層 5上に、 ZnO 力もなる透明電極 6を 0.3 m程度形成し、さらに Ti、 Alなどの金属膜をスパッタリン グゃ蒸着などにより形成し第 2電極 8を形成する。その後、基板の裏面側をラッピング することにより、基板を薄くする。最後に、スクライブしチップィ匕し半導体発光素子が 形成される。
産業上の利用可能性
[0033] 窒化物半導体を用いた LEDやレーザダイオードなどの発光素子の特性を向上さ せることができ、これらの半導体発光素子を利用する各種の電子機器に利用すること ができる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、該基板上に設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層 とが交互に積層された光反射層と、該光反射層上に設けられる発光層形成部とを少 なくとも有する窒化物半導体発光素子であって、前記光反射層の低屈折率層が A1 Ga Ν (0<χ< 1)層の単層構造からなり、前記光反射層の高屈折率層が Al Ga l-χ y 1-y
N (0≤y≤0.5、y<x)層または In Ga N (0<t≤0.5)層と、 In Ga N (0<u≤l、t t 1-t u 1-u
く u )層とが交互に積層された多層構造力 なることを特徴とする窒化物半導体発光 素子。
[2] 前記光反射層の高屈折率層が Al Ga N (0≤y≤0.5、y<x)と、 In Ga N (0<u y 1-y u 1-u
≤1)層とが交互に積層された多層構造力 なる請求項 1記載の窒化物半導体発光 素子。
[3] 前記 Al Ga N (0≤y≤0.5、yく X)力もなる緩和層力^〜 3nmの厚さに形成され、 y l-y
前記 In Ga N (0<u≤l)力 なる調整層が 0.5〜2nmの厚さで形成されてなる請 u 1-u
求項 2記載の窒化物半導体発光素子。
[4] 屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された第 2の光 反射層が前記発光層形成部の上面側にさらに設けられてなる請求項 1記載の窒化 物半導体発光素子。
[5] 前記発光層形成部が、活性層で発光する光が前記光反射層と前記第 2の光反射 層との間で共振するように n形層、活性層、および p形層の積層構造に形成されてな る請求項 4記載の窒化物半導体発光素子。
[6] 前記第 2の光反射層の反射率が前記光反射層の反射率より小さく形成され、前記 第 2の光反射層側から光を取り出す構造である請求項 4記載の窒化物半導体発光素 子。
[7] 前記第 2の光反射層の低屈折率層および高屈折率層の少なくとも一方が、多層構 造からなる請求項 4記載の窒化物半導体発光素子。
[8] 前記第 2の光反射層の高屈折率層が InGaN系化合物力 なる調整層と GaNから なる緩和層との積層構造で、前記第 2の光反射層の低屈折率層が AlGaN系化合物 からなる調整層と GaNからなる緩和層との積層構造で、それぞれ形成されてなる請 求項 7記載の窒化物半導体発光素子。
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