JP2010251612A - Nitride semiconductor light emitting device manufacturing method, light emitting device, nitride semiconductor light emitting layer, and nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
【課題】430nm以上の発光波長を有する窒化物半導体発光素子において、発光効率の向上、歩留まりの向上または発光素子の長寿命化を図る。
【解決手段】発光層は、1以上の井戸層、1以上の障壁層、および前記井戸層と前記障壁層との間に接して設けられた1以上の保護層を含み、430nm以上の発光波長を有するものであり、InとGaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および窒素を含むキャリアガスにより井戸層を形成する工程と、Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および窒素を含むキャリアガスにより保護層を形成する工程と、前記Gaを含むIII族元素原料の供給を停止し、アンモニアガス、および窒素と水素を含むキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断する第1の成長中断工程と、前記Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および窒素と水素を含むキャリアガスにより障壁層を形成する工程、をこの順に含む。
【選択図】図9In a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 430 nm or more, the light emission efficiency is improved, the yield is improved, or the life of the light emitting device is extended.
The light emitting layer includes one or more well layers, one or more barrier layers, and one or more protective layers provided between and in contact with the well layers and the barrier layers. And a step of forming a well layer with a group III element material containing In and Ga, a carrier gas containing ammonia gas and nitrogen, and a group III element material containing Ga, ammonia gas and a carrier containing nitrogen A step of forming a protective layer with a gas; and stopping supply of the Group III element material containing Ga, supplying ammonia gas and a carrier gas containing nitrogen and hydrogen, and interrupting crystal growth for a predetermined time. And a step of forming a barrier layer with the group III element raw material containing Ga, ammonia gas, and a carrier gas containing nitrogen and hydrogen in this order.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は窒化物半導体発光素子の製造方法、発光装置、窒化物半導体発光層および窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting element, a light emitting device, a nitride semiconductor light emitting layer, and a nitride semiconductor light emitting element.
InGaN材料等を利用した窒化物半導体発光素子の製造において、得られる発光素子の発光強度をより一層高めるための製造方法として、例えば特許文献1においては、量子井戸構造を有する活性層(発光層)の気相結晶成長中に所定の成長中断時間を設け、その成長中断中に適量の水素ガスを適切な導入タイミングで導入する製造方法を用いることにより、得られる発光素子の発光強度が高められることが開示されている。 In manufacturing a nitride semiconductor light emitting device using an InGaN material or the like, as a manufacturing method for further increasing the light emission intensity of the obtained light emitting device, for example, in Patent Document 1, an active layer (light emitting layer) having a quantum well structure is used. By providing a manufacturing method in which a predetermined growth interruption time is provided during the vapor phase crystal growth and a suitable amount of hydrogen gas is introduced at an appropriate introduction timing during the growth interruption, the emission intensity of the obtained light emitting element can be increased. Is disclosed.
また、特許文献2においては、井戸層を成長後、障壁層を成長させるために温度を昇温させた際に生じる井戸層中のInの分解を防止するために、活性層の井戸層と障壁層の間に障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい中間層を形成することが開示されている。さらに、特許文献2の段落0041には、上記中間層の表面が上記昇温工程によって陥没または貫通した複数の領域を有する網目構造となることによって、素子の駆動電圧を低減することができることが開示されている。 In Patent Document 2, in order to prevent decomposition of In in the well layer that occurs when the temperature is raised to grow the barrier layer after growing the well layer, the well layer and barrier of the active layer are prevented. It is disclosed that an intermediate layer having a larger band gap energy than the barrier layer is formed between the layers. Furthermore, paragraph 0041 of Patent Document 2 discloses that the driving voltage of the element can be reduced by forming a network structure in which the surface of the intermediate layer has a plurality of regions recessed or penetrated by the temperature raising step. Has been.
しかしながら、特許文献1に開示された発光層の製造方法を利用しても、得られる発光素子の発光効率は十分なものでなく、また発光波長の揺らぎが大きいという問題を含んでいる。また、特許文献2に開示された発光層の形態を利用しても、得られる発光素子の発光効率は十分なものではなかった。 However, even if the manufacturing method of the light emitting layer disclosed in Patent Document 1 is used, the light emitting efficiency of the obtained light emitting element is not sufficient, and there is a problem that the emission wavelength fluctuates greatly. Moreover, even if the form of the light emitting layer disclosed in Patent Document 2 is used, the light emitting efficiency of the obtained light emitting element is not sufficient.
一般に、430nm以上の発光波長を有する窒化物半導体発光素子を得るためには、量子井戸構造を有する発光層中のInGaN井戸層のIn組成比が比較的高く設定される。なぜならば、In組成比の増大に伴ってInGaN井戸層のエネルギバンドギャップが減少し、それに伴って発光波長が増大するからである。 Generally, in order to obtain a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 430 nm or more, the In composition ratio of the InGaN well layer in the light emitting layer having the quantum well structure is set to be relatively high. This is because the energy band gap of the InGaN well layer decreases as the In composition ratio increases, and the emission wavelength increases accordingly.
高いIn組成比を有するInGaN井戸層を結晶成長させるためには、気相成長工程においてInを含む原料ガスを多く供給する必要がある。このような状況では気相中に高濃度のInが含まれ、固相(井戸層)中に取り込むことができなかったInがその表面に偏析する傾向が高い。そして、In偏析領域は非発光領域となる傾向を有し、発光層の発光効率を著しく低下させる。 In order to grow an InGaN well layer having a high In composition ratio, it is necessary to supply a large amount of source gas containing In in the vapor phase growth process. In such a situation, a high concentration of In is contained in the gas phase, and In that could not be taken into the solid phase (well layer) tends to segregate on the surface. The In segregation region tends to be a non-light-emitting region, and the light emission efficiency of the light-emitting layer is significantly reduced.
実際、本発明者らの実験結果によれば、発光波長430nm以上の発光素子において、In偏析が原因と思われる非発光領域が蛍光顕微鏡を用いて観測された。また、これらの非発光領域は、特に発光層の成長後からp型窒化物半導体層(ここで言うp型窒化物半導体層とは、1以上の層からなり、そのすべての層がp型の不純物を含んでいる必要はなく、一部の層にのみp型の不純物が含まれた複数からなる層も総称している)の成長完了までの間で発光層が900℃以上1200℃以下の温度に少なくとも3分以上曝される(結晶成長期間に限られず、単に昇温降温するだけの期間をも含む)場合において、顕著に現れる傾向があった。 In fact, according to the results of experiments conducted by the present inventors, in a light emitting device having an emission wavelength of 430 nm or more, a non-light emitting region that seems to be caused by In segregation was observed using a fluorescence microscope. In addition, these non-light-emitting regions are composed of a p-type nitride semiconductor layer (in particular, the p-type nitride semiconductor layer referred to here is one or more layers after the light-emitting layer is grown, and all of the layers are p-type). The light emitting layer has a temperature of 900 ° C. or more and 1200 ° C. or less until the completion of the growth of the layer. When exposed to temperature for at least 3 minutes or more (not limited to the crystal growth period, but also includes a period during which the temperature is simply raised and lowered), there was a tendency to appear prominently.
すなわち、発光層の熱履歴によって、高いIn組成比を有する井戸層の劣化が進行し得るのである。この900℃以上1200℃以下の温度に少なくとも3分以上曝される工程が、すべて発光層の上にp型窒化物半導体層が積層される工程だと仮定し、且つ前記p型窒化物半導体層の一般的な成長速度を考慮すると、そのp型窒化物半導体層の厚さは0.35μm以上に該当する。具体的に、900℃以上1200℃以下の温度が必要なp型窒化物半導体層としては、例えばAlGaN層および/またはGaN層が挙げられる。つまり、発光素子の中でも特にレーザ素子において、非発光領域(あるいはIn偏析)が顕著に現れる傾向がある。 That is, deterioration of the well layer having a high In composition ratio can proceed due to the thermal history of the light emitting layer. It is assumed that all the steps exposed to the temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for at least 3 minutes are steps in which a p-type nitride semiconductor layer is laminated on the light emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer is In consideration of the general growth rate, the thickness of the p-type nitride semiconductor layer corresponds to 0.35 μm or more. Specifically, examples of the p-type nitride semiconductor layer requiring a temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower include an AlGaN layer and / or a GaN layer. That is, the non-light-emitting region (or In segregation) tends to appear remarkably in the laser element among the light-emitting elements.
特に、特開2001−168471号公報(特許文献2)に記載されるような、井戸層の上の中間層が陥没または貫通した複数の領域を有する網目構造を有すると井戸層の表面が暴露されるため、In偏析やIn組成比の揺らぎを誘発させて井戸層の劣化を促進させてしまう。 In particular, the surface of the well layer is exposed when the intermediate layer on the well layer has a network structure having a plurality of depressed or penetrated regions as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-168471 (Patent Document 2). Therefore, In segregation and fluctuations in the In composition ratio are induced to promote the deterioration of the well layer.
そこで、本発明は、430nm以上の発光波長を有する窒化物半導体発光素子において、発光層(特に井戸層)の界面をできる限り平坦に保ちながら発光層中のIn偏析または過剰In濃度に起因する非発光領域の発生を抑制することによって、発光効率の向上、歩留まりの向上または発光素子の長寿命化を図ることを目的とする。 Therefore, the present invention provides a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 430 nm or more, and the non-semission caused by In segregation or excess In concentration in the light emitting layer while keeping the interface of the light emitting layer (particularly the well layer) as flat as possible. An object is to improve the light emission efficiency, the yield, or the lifetime of the light emitting element by suppressing the generation of the light emitting region.
本発明は、n型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層、および、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間に形成される発光層を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層は、窒化物半導体からなる1以上の井戸層、窒化物半導体からなる1以上の障壁層、および、前記井戸層と前記障壁層との間に接して設けられた窒化物半導体からなる1つ以上の保護層を含み、430nm以上の発光波長を有するものであり、
InとGaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素を含むキャリアガスを供給して前記井戸層を形成する井戸層形成工程と、
Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素を含むキャリアガスを供給して前記保護層を形成する保護層形成工程と、
前記Gaを含むIII族元素原料の供給を停止し、アンモニアガス、および、窒素と水素を含むキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断させる第1の成長中断工程と、
前記Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素と水素を含むキャリアガスを供給して前記障壁層を形成する障壁層形成工程とをこの順に含むことを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device including an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a light emitting layer formed between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer. A manufacturing method comprising:
The light emitting layer is made of one or more well layers made of a nitride semiconductor, one or more barrier layers made of a nitride semiconductor, and a nitride semiconductor provided in contact with the well layer and the barrier layer. Including one or more protective layers and having an emission wavelength of 430 nm or more,
A well layer forming step of forming a well layer by supplying a group III element source material containing In and Ga, ammonia gas, and a carrier gas containing nitrogen;
A protective layer forming step of forming a protective layer by supplying a Group III element source material containing Ga, ammonia gas, and a carrier gas containing nitrogen; and
A first growth interruption step of stopping the crystal growth for a predetermined time by stopping supply of the Group III element material containing Ga and supplying a carrier gas containing ammonia gas and nitrogen and hydrogen;
A nitride semiconductor light emitting device comprising: a group III element source material containing Ga, ammonia gas, and a barrier layer forming step for supplying the carrier gas containing nitrogen and hydrogen to form the barrier layer in this order. It is a manufacturing method of an element.
上記保護層は、上記p型窒化物半導体層側で上記井戸層に接して設けられることが好ましい。 The protective layer is preferably provided in contact with the well layer on the p-type nitride semiconductor layer side.
上記保護層は1つ以上の窒化物半導体層から構成されるものであり、少なくとも上記井戸層と直接に接する層はInを含まない窒化物半導体層であることが好ましい。 The protective layer is composed of one or more nitride semiconductor layers, and at least the layer in direct contact with the well layer is preferably a nitride semiconductor layer not containing In.
上記発光層の形成後において上記発光層が900℃以上1200℃以下の温度に3分以上曝されることが好ましい。 After the formation of the light emitting layer, the light emitting layer is preferably exposed to a temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for 3 minutes or more.
上記p型窒化物半導体層の厚さが0.35μm以上1μm以下であることが好ましい。
上記保護層の厚さが0.25nm以上1.2nm以下であることが好ましい。
The thickness of the p-type nitride semiconductor layer is preferably 0.35 μm or more and 1 μm or less.
The thickness of the protective layer is preferably 0.25 nm or more and 1.2 nm or less.
上記井戸層の厚さが1nm以上3.2nm以下であることが好ましい。
上記障壁層の厚さが15nm以上35nm以下であることが好ましい。
The thickness of the well layer is preferably 1 nm or more and 3.2 nm or less.
The barrier layer preferably has a thickness of 15 nm to 35 nm.
上記保護層がGaN層および/またはAlGaN層を含むことが好ましい。
また、本発明は、上記井戸層がInGaN層またはAlInGaN層である、上記窒化物半導体発光素子の製造方法にも関する。
The protective layer preferably includes a GaN layer and / or an AlGaN layer.
The present invention also relates to a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device, wherein the well layer is an InGaN layer or an AlInGaN layer.
上記障壁層がInGaN層、GaN層、AlGaN層およびInAlGaN層からなる群から選ばれる少なくとも1つの層を含むことが好ましい。 The barrier layer preferably includes at least one layer selected from the group consisting of an InGaN layer, a GaN layer, an AlGaN layer, and an InAlGaN layer.
上記保護層形成工程におけるアンモニアガスの流量が、上記井戸層形成工程におけるアンモニアガスの流量と同じかそれよりも多いことが好ましい。 It is preferable that the flow rate of ammonia gas in the protective layer forming step is equal to or higher than the flow rate of ammonia gas in the well layer forming step.
上記保護層形成工程で用いられるキャリアガスは、窒素以外にさらに水素を含み、キャリアガス中の水素の割合が1モル%以上20モル%以下であることが好ましい。 The carrier gas used in the protective layer forming step further contains hydrogen in addition to nitrogen, and the proportion of hydrogen in the carrier gas is preferably 1 mol% or more and 20 mol% or less.
上記保護層形成工程におけるアンモニアガスの流量に対して、上記第1の成長中断工程におけるキャリアガス中の水素の割合が1モル%以上35モル%以下であることが好ましい。 It is preferable that the ratio of hydrogen in the carrier gas in the first growth interruption step is 1 mol% or more and 35 mol% or less with respect to the flow rate of ammonia gas in the protective layer forming step.
上記障壁層形成工程で用いるキャリアガス中の水素の割合が1モル%以上20モル%以下であることが好ましい。 The proportion of hydrogen in the carrier gas used in the barrier layer forming step is preferably 1 mol% or more and 20 mol% or less.
上記第1の成長中断工程と上記障壁層形成工程との間において、上記III族元素原料の供給を停止し、アンモニアガス、および、窒素のみからなるキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断する第2の成長中断工程をさらに含むことが好ましい。 Between the first growth interruption step and the barrier layer formation step, the supply of the group III element raw material is stopped, and a carrier gas consisting of ammonia gas and nitrogen is supplied for a predetermined time. It is preferable to further include a second growth interruption step for interrupting the growth.
上記第1の成長中断工程と上記障壁層形成工程との間において、上記III族元素原料の供給を停止し、アンモニアガス、および、水素と窒素からなるキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断させる第3の成長中断工程をさらに含むことが好ましい。 Between the first growth interrupting step and the barrier layer forming step, the supply of the group III element raw material is stopped, and an ammonia gas and a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen are supplied for a predetermined time, It is preferable to further include a third growth interruption step for interrupting crystal growth.
上記第2の成長中断工程と上記障壁層形成工程との間において、上記III族元素原料の供給を停止し、アンモニアガスとともに、水素と窒素からなるキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断させる第3の成長中断工程をさらに含むことが好ましい。 Between the second growth interruption step and the barrier layer formation step, the supply of the group III element raw material is stopped, and a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen is supplied together with the ammonia gas for a predetermined time. It is preferable to further include a third growth interruption step for interrupting the growth.
また、本発明は、上記窒化物半導体発光素子の製造方法を用いて製造された窒化物半導体発光素子を備えた発光装置にも関する。 The present invention also relates to a light-emitting device including the nitride semiconductor light-emitting element manufactured using the nitride semiconductor light-emitting element manufacturing method.
さらに、本発明は、基板の表面に形成された窒化物半導体発光層であって、1以上の井戸層、1以上の障壁層、および、上記井戸層と上記障壁層との間に接して設けられた1以上の保護層を含み、上記井戸層の基板側の主面と上記障壁層とが接する界面は実質的に平坦であって、上記井戸層の他方の主面は上記保護層に覆われており、上記井戸層の他方の主面と上記保護層とが接する界面の断面形状は波形状であることを特徴とする、窒化物半導体発光層にも関する。 Furthermore, the present invention is a nitride semiconductor light emitting layer formed on a surface of a substrate, and is provided in contact with one or more well layers, one or more barrier layers, and the well layers and the barrier layers. The interface between the main surface of the well layer on the substrate side and the barrier layer is substantially flat, and the other main surface of the well layer is covered with the protective layer. Further, the present invention also relates to a nitride semiconductor light emitting layer characterized in that the cross-sectional shape of the interface where the other main surface of the well layer is in contact with the protective layer is a wave shape.
上記保護層は1つ以上の窒化物半導体層から構成されるものであり、少なくとも上記井戸層と直接に接する層はInを含まない窒化物半導体層であることが好ましい。 The protective layer is composed of one or more nitride semiconductor layers, and at least the layer in direct contact with the well layer is preferably a nitride semiconductor layer not containing In.
また、本発明は、上記窒化物半導体発光層を含む窒化物半導体発光素子にも関する。 The present invention also relates to a nitride semiconductor light emitting device including the nitride semiconductor light emitting layer.
本発明によれば、430nm以上の発光波長を有する窒化物半導体発光素子において、井戸層の界面の平坦性をできるだけ保ちながら非発光領域の発生を抑制することができ、それによって発光効率の向上(非発光斑点の抑制)とレーザ素子の長寿命化(界面の平坦性向上に伴う内部損失の低減)を得ることができる。 According to the present invention, in a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 430 nm or more, it is possible to suppress the generation of a non-light emitting region while maintaining the flatness of the interface of the well layer as much as possible, thereby improving the light emission efficiency ( (Suppression of non-light emission spots) and longer life of the laser element (reduction of internal loss due to improvement in interface flatness) can be obtained.
また、その発光効率の向上は、その発光素子を利用する種々の装置の消費電力低減に寄与し得る。 Further, the improvement of the light emission efficiency can contribute to the reduction of power consumption of various devices using the light emitting element.
以下において、本願発明の種々の実施形態が、図面を参照しつつ説明される。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどは図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に厚さは、相対的に適宜に拡大されて示されている。また、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わしている。 In the following, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the length, width, thickness, and the like are changed as appropriate for the sake of clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships. In particular, the thickness is shown relatively appropriately enlarged. In the drawings, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
<実施形態1>
図1の模式的断面図において、本発明の実施形態1において作製される窒化物半導体発光素子10の積層構造が図解されている。図1に示すように、本実施形態の窒化物半導体発光素子10は、基板11、n型窒化物半導体層12、発光層13およびp型窒化物半導体層14から構成される。
<Embodiment 1>
In the schematic cross-sectional view of FIG. 1, the laminated structure of the nitride semiconductor
本実施形態に用いる基板11としては、サファイア、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、GaAs(ヒ化ガリウム)、Si、SiC(炭化ケイ素)、もしくはZrB2(二ホウ化ジルコニウム)等の基材そのもの、または、その基材上に結晶成長させた窒化物半導体層を用いることができる。また、基板11の主面方位としては、六方晶系の基板では(0001)面、無極性面の(11−20)面もしくは(1−100)面、または半極性面の(1−102)面もしくは(11−22)面等を用いることができ、立方晶系の基板では(001)面または(111)面等を用いることができる。
As the
n型窒化物半導体層12は1つ以上の窒化物半導体層から構成され、各窒化物半導体層を構成する材料としては、例えば、Si等のn型の不純物を含むGaN、AlGaN、InAlGaNまたはInGaNを用いることができる。ただし、n型窒化物半導体層12を構成する全ての層がn型の不純物を含んでいる必要はなく、n型窒化物半導体層12の一部にアンドープ層を含んでいてもよい。窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を製造する場合は、n型窒化物半導体層12を構成する窒化物半導体層のうち、発光層13と直接接する層はSi等のn型の不純物を含まないアンドープ層であることが好ましい。これは、ドーパントによる光吸収を防止するためである。
The n-type
発光層13は、窒化物半導体からなる1以上の井戸層、窒化物半導体からなる1以上の障壁層、および、井戸層と障壁層との間に接して設けられた1以上の保護層から構成されている。ここで、保護層は、p型窒化物半導体層側で井戸層に接して設けられることが好ましい。そして、上記発光層13は単一または多重の量子井戸構造を有し得る。多重量子井戸構造においては、障壁層から始まって井戸層と障壁層の積層を繰り返して障壁層で終了してもよいし、井戸層から始まって障壁層と井戸層の積層を繰り返して井戸層で終了してもよい。発光層13に関しては、後でさらに詳細に説明される。
The
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、430nm以上の発光波長を有する発光層13を含む発光素子に対して好適に用いられる。これは、430nm未満の発光波長を有する発光層13ではIn濃度が低くてIn偏析があまり問題にならないからである。さらに、発光層13の発光波長が580nm以下であることがより好ましい。発光波長が580nmを超えるためには高いInの濃度を必要とし、その場合には発光層13の結晶の質が著しく低下して実用的でなくなる。
The method for producing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is suitably used for a light emitting device including the
p型窒化物半導体層14は1以上の窒化物半導体層から構成され、各窒化物半導体層を構成する材料としては、Mg等のp型の不純物を含むGaN、AlGaN、InAlGaNまたはInGaNを用いることができる。ただし、p型窒化物半導体層14を構成する全ての層がp型の不純物を含んでいる必要はなく、p型窒化物半導体層14の一部にアンドープ層を含んでいてもよい。窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を製造する場合は、p型窒化物半導体層14を構成する窒化物半導体層のうち、発光層13と直接接する層はMg等のp型の不純物を含まないアンドープ層である方が好ましい。
The p-type
(窒化物半導体発光素子の製造)
次に、図1に示すような窒化物半導体発光素子10の製造方法の一例について説明する。まず、基板11がMOCVD(有機金属気相堆積)装置内に設置され、n型窒化物半導体層12を結晶成長させるに適した温度に保持される。そして、窒素ガスと水素ガスとを含むキャリアガスを用いて、III族元素を含む原料ガス、Siを含むドーピングガスおよびアンモニアガスをMOCVD装置内に導入し、基板11上に1以上のn型窒化物半導体層12を結晶成長させる。
(Manufacture of nitride semiconductor light emitting devices)
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor
ここで、1以上のn型窒化物半導体層12の一部がGaNまたはAlGaNからなる場合には、その結晶成長のための基板温度は900℃以上1200℃以下であることが好ましく、1000℃以上1100℃以下であることがより好ましい。また、1以上のn型窒化物半導体層12の一部がInAlGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上1000℃以下であることが好ましい。さらに、1以上のn型窒化物半導体層12の一部がInGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上900℃以下であることが好ましい。すなわち、それぞれ適した基板温度の範囲内でn型窒化物半導体層12を結晶成長させた場合には、それらのn型窒化物半導体層12の結晶性が良好になるので好ましい。
Here, when a part of the one or more n-type nitride semiconductor layers 12 is made of GaN or AlGaN, the substrate temperature for crystal growth is preferably 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and 1000 ° C. or higher. It is more preferable that the temperature is 1100 ° C. or lower. When a part of one or more n-type nitride semiconductor layers 12 is made of InAlGaN, the substrate temperature is preferably 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Further, when a part of the one or more n-type nitride semiconductor layers 12 is made of InGaN, the substrate temperature is preferably 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. That is, it is preferable that the n-type
なお、III族元素を含む原料ガスとしては、例えばTMG((CH3)3Ga:トリメチルガリウム)、TEG((C2H5)3Ga:トリエチルガリウム)、TMA((CH3)3Al:トリメチルアルミニウム)、TEA((C2H5)3Al:トリエチルアルミニウム)、TMI((CH3)3In:トリメチルインジウム)、TEI((C2H5)3In:トリエチルインジウム)等を利用することができる。また、Siを含むドーピングガスとしては、例えばSiH4(シラン)ガス等を用いることができる。また、アンモニアガスの代わりに、モノメチルヒドラジンまたはジメチルヒドラジンを用いることもできる。 As the raw material gas containing a Group III element, for example, TMG ((CH 3) 3 Ga : trimethylgallium), TEG ((C 2 H 5) 3 Ga: triethyl gallium), TMA ((CH 3) 3 Al: Trimethylaluminum), TEA ((C 2 H 5 ) 3 Al: triethylaluminum), TMI ((CH 3 ) 3 In: trimethylindium), TEI ((C 2 H 5 ) 3 In: triethylindium), etc. are used. be able to. As the doping gas containing Si, may be used, for example SiH 4 (silane) gas or the like. Also, monomethyl hydrazine or dimethyl hydrazine can be used instead of ammonia gas.
1以上のn型窒化物半導体層12上に発光層13を結晶成長させるに適した基板温度は、発光層13(発光層は、井戸層と障壁層および保護層からなる)の一部がInGaNからなる場合には600℃以上900℃以下であることが好ましい。発光層13の一部がGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上1080℃以下であることが好ましく、750℃以上1000℃以下であることがより好ましい。発光層13の一部がInAlGaNまたはAlGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上1000℃以下であることが好ましい。これらの基板温度範囲内で発光層13を結晶成長させた場合には、その発光層13が良好な発光特性を有し得る。なお、発光層13の形成において用いられるIII族元素を含む原料ガスおよびアンモニアガスとしては、n型窒化物半導体層12の場合と同様の種類のガスを用いることができる。また、発光層13にSiを添加する場合には、Siを含むドーピングガスをMOCVD装置内に導入すればよい。
The substrate temperature suitable for crystal growth of the
発光層13の形成後には、窒素ガスと水素ガスとを含むキャリアガスを用いて、III族元素を含む原料ガス、Mgを含むドーピングガスおよびアンモニアガスをMOCVD装置内に導入し、発光層13上に結晶を成長させてp型窒化物半導体層14を形成する。ここで、p型窒化物半導体層14を形成するのに適した基板温度は以下の通りである。p型窒化物半導体層14の一部の層がGaNまたはAlGaNからなる場合には、900℃以上1200℃以下であることが好ましく、1000℃以上1100℃以下であることがより好ましい。また、p型窒化物半導体層14の一部の層がInAlGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上1000℃以下であることが好ましい。さらに、p型窒化物半導体層14の一部の層がInGaNからなる場合には、基板温度は700℃以上900℃以下であることが好ましい。すなわち、それぞれ適した基板温度の範囲内でp型窒化物半導体層14を結晶成長させた場合には、それらのp型窒化物半導体層14の結晶性が良好になる。
After the formation of the
ここで、Mgを含むドーピングガスとしては、例えばCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)または(EtCp)2Mg(ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム)等を利用することができる。なお、(EtCp)2Mgは常温常圧下で液体なので、その条件下で固体であるCp2Mgに比べて、MOCVD装置内への導入量を変化させたときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保つことが容易である。この場合、Mgを含むドーピングガスの導入量が生産ロット毎に変動することを容易に抑制することが可能になる。なお、p型窒化物半導体層14の形成において用いられるIII族元素を含む原料ガスおよびアンモニアガスとしては、n型窒化物半導体層12および発光層13の場合と同様の種類のガスを用いることができる。
Here, as the doping gas containing Mg, for example, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) or (EtCp) 2 Mg (bisethylcyclopentadienyl magnesium) can be used. Since (EtCp) 2 Mg is a liquid at normal temperature and pressure, the response when the amount introduced into the MOCVD apparatus is changed is better than Cp 2 Mg which is solid under the conditions, It is easy to keep the vapor pressure constant. In this case, it is possible to easily suppress the introduction amount of the doping gas containing Mg from fluctuating for each production lot. In addition, as the source gas containing group III element and ammonia gas used in the formation of the p-type
発光層13の成長後からp型窒化物半導体層14の成長完了までの間で、p型窒化物半導体層14を構成する各層が積層される各々の工程全てにおいて、発光層13が900℃以上1200℃以下の温度に少なくとも3分以上曝されるとすると、一般的なp型窒化物半導体層14の成長速度を考慮して、その厚さは、0.35μm以上となる。
In all the steps in which the layers constituting the p-type
さらに具体的に述べれば、900℃以上1200℃以下の温度が必要なp型窒化物半導体層は、主にAlGaN層および/またはGaN層から構成される層である。例えば、レーザ素子の場合、p型窒化物半導体層14を構成する一部の層として高品質なGaN光ガイド層、AlGaNクラッド層、GaNコンタクト層等を必要とし、これらの層は900℃以上1200℃以下の温度で形成されることが望ましい。
More specifically, the p-type nitride semiconductor layer requiring a temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower is a layer mainly composed of an AlGaN layer and / or a GaN layer. For example, in the case of a laser element, a high-quality GaN light guide layer, an AlGaN cladding layer, a GaN contact layer, and the like are required as a part of the p-type
p型窒化物半導体層14の厚さは1μm以下であることが好ましい。p型窒化物半導体層14の厚さが1μmを超えれば、発光層が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになるので、発光層の熱劣化による非発光領域の増大が懸念される。
The thickness of the p-type
(発光層の形成)
以下に、本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法のうち、発光層の形成方法をより詳細に説明する。本実施形態における発光層の形成方法は、InGaN井戸層を形成する井戸層形成工程、GaN保護層を形成する保護層形成工程、第1の成長中断工程、および、窒化物半導体からなる障壁層を形成する障壁層形成工程を含んでいる。図2〜図5の模式的断面図は、本実施形態における発光層13の形成方法の各工程を図解している。
(Formation of light emitting layer)
Below, the formation method of a light emitting layer is demonstrated in detail among the manufacturing methods of the nitride semiconductor light emitting element of this embodiment. The light emitting layer forming method in this embodiment includes a well layer forming step for forming an InGaN well layer, a protective layer forming step for forming a GaN protective layer, a first growth interruption step, and a barrier layer made of a nitride semiconductor. A barrier layer forming step to be formed is included. The schematic cross-sectional views of FIGS. 2 to 5 illustrate each step of the method for forming the
本発明の窒化物半導体発光層は、1以上の井戸層、1以上の障壁層、および、井戸層と障壁層との間に接して設けられた1以上の保護層を含み、井戸層の基板側の主面と障壁層とが接する界面は実質的に平坦であって、井戸層の他方の主面は保護層に覆われており、井戸層の他方の主面と保護層とが接する界面の断面形状は波形状であることを特徴とするものである。かかる波形状において、波の周期が全て150nm以上であり、波の高低差が全て井戸層の平均的な最大厚さの平均値の30%以下であることが好ましい。一方の界面が完全に平坦でないことによって、高電流注入時における発光ダイオードの出力低下を防止することができる。ただし、前記の範囲を超えてしまうと、注入したキャリアがその界面で散乱され、発光素子内部の損失が増大してしまうため好ましくない。 The nitride semiconductor light emitting layer of the present invention includes one or more well layers, one or more barrier layers, and one or more protective layers provided in contact with each other between the well layers and the barrier layers. The interface between the main surface on the side and the barrier layer is substantially flat, the other main surface of the well layer is covered with a protective layer, and the interface between the other main surface of the well layer and the protective layer is in contact The cross-sectional shape is a wave shape. In such a wave shape, it is preferable that the wave periods are all 150 nm or more and the wave height difference is 30% or less of the average value of the average maximum thickness of the well layers. Since one interface is not completely flat, it is possible to prevent a decrease in the output of the light emitting diode during high current injection. However, exceeding the above range is not preferable because the injected carriers are scattered at the interface and the loss inside the light emitting element increases.
本発明においては、井戸層、障壁層または保護層の少なくともいずれかの層にSiを添加することもできる。窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を製造する場合は、井戸層、障壁層および保護層のすべての層がアンドープであることが好ましい。 In the present invention, Si can be added to at least one of the well layer, the barrier layer, and the protective layer. When a nitride semiconductor laser device is manufactured as the nitride semiconductor light emitting device, it is preferable that all layers of the well layer, the barrier layer, and the protective layer are undoped.
(井戸層形成工程)
図2に示すように、井戸層形成工程において、n型窒化物半導体層12上に井戸層13aが積層される。
(Well layer formation process)
As shown in FIG. 2, the
本実施形態において、発光層13中には、このような井戸層13aが1つ以上形成される。発光波長が450nm前後の発光層13を得る場合には、2層または3層の井戸層13aを形成することが好ましく、発光波長が470nm前後の発光層13を得る場合には、3層〜5層の井戸層13aを形成することが好ましい。また、発光波長が500nm以上の発光層13を得る場合には、5層以上10層以下の井戸層13aを形成することが好ましい。このことによって、レーザ発振が可能となる。
In the present embodiment, one or more such well layers 13 a are formed in the
井戸層13aの厚さは、非発光領域を効果的に抑制する観点から、1nm以上3.2nm以下であることが好ましい。井戸層13aが厚くなるにつれて、その井戸層の表面に過剰なInが蓄積しやすくなるため、井戸層13aの厚さが3.2nmを超えると、非発光の原因となる過剰なInを後の第1の成長中断工程で除去することが難しくなる傾向がある。
The thickness of the
本発明において、井戸層13aはInGaN層またはAlInGaN層であることが好ましい。窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を製造する場合には、井戸層13aはInGaN層であることが好ましい。また、n型窒化物半導体層12を構成する1つ以上の層のうち、井戸層13a(InGaN層)と接する層はアンドープInGaN層からなることが好ましく、そのアンドープInGaN層におけるIII族元素中のIn組成比は2モル%以上10モル%以下であり、該アンドープInGaN層を含む井戸層13aの厚さは25nm以上150nm以下であることが好ましい。これは、430nm以上の発光波長を得る上で安定した井戸層を形成するための条件である。
In the present invention, the
n型窒化物半導体層12上にInGaN井戸層13aを形成する際には、基板温度がInGaN井戸層13aを結晶成長させるに適した温度に保持され、InとGaを含むIII族元素原料101、アンモニアガス102および窒素を含むキャリアガス103をMOCVD装置内に導入する(図2参照)。
When forming the InGaN well
ここで、InGaN井戸層13aを結晶成長させるのに適した温度は、600℃以上850℃以下である。InGaN井戸層13aの成長温度が前述のn型InGaN層12に適した成長温度よりも低く設定されるのは、430nm以上の発光波長を有するInGaN井戸層13aを形成するためには高いIn組成比(III族元素中の少なくとも7モル%以上)が必要だからである。
Here, a temperature suitable for crystal growth of the InGaN well
高いIn組成比を得るためには、比較的低い結晶成長温度に加えて、Inを含むIII族元素原料の供給量を多くする必要がある。従来の製造方法を用いて、このような条件下で成長させられたInGaN井戸層13aにおいては、取り込むことができなかった過剰なInがその表面上に多く残存する傾向にあり、In偏析による非発光領域が増大する結果となりやすい。そして、この非発光領域が発光素子の特性を悪化させている。
In order to obtain a high In composition ratio, in addition to a relatively low crystal growth temperature, it is necessary to increase the supply amount of the group III element material containing In. In an
井戸層13aがInGaNからなる場合、窒素を含むキャリアガス103としては、窒素のみからなるキャリアガスが好ましい。本発明者らの実験によれば、InGaNからなる井戸層の形成に窒素と水素を含むキャリアガスを用いた場合、得られる井戸層の非発光領域の抑制効果(In偏析の抑制効果)が多少認められたものの、発光波長の短縮化の効果が顕著に大きく、430nm以上の発光波長を得られない場合があった。
When the
一方、井戸層13aがAlInGaN層からなる場合、窒素を含むキャリアガス103としては、窒素と水素の混合ガスが好ましい。AlInGaN層からなる井戸層の形成に窒素と水素を含むキャリアガスを用いた場合、得られる井戸層の発光波長の短波長化はInGaN層からなる井戸層の場合よりも小さかった。むしろ、AlInGaN層からなる井戸層の場合は水素を入れて成長することによって発光強度が増大するといった特徴が認められた。これらの発光強度の増大と非発光領域の多少の抑制効果の観点から、井戸層13aはAlInGaN層からなることが好ましく、該AlInGaN層中のAlの含有量は全組成に対して1〜20モル%が好適である。ただし、井戸層がAlInGaN層であり、且つ、水素と窒素を含むキャリアガス103を用いて成長されたとしても、それだけで、上記非発光領域は完全に消滅させることは難しい。
On the other hand, when the
なお、Inを含むIII族元素原料としてはTMIまたはTEIを用いることができ、Gaを含むIII族元素原料としてはTMGまたはTEGを用いることができ、Alを含むIII族元素原料としてはTMAまたはTEAを用いることができる。 Note that TMI or TEI can be used as the group III element source containing In, TMG or TEG can be used as the group III element source containing Ga, and TMA or TEA can be used as the group III element source containing Al. Can be used.
井戸層形成工程において、アンモニアガス102の単位時間当たりの流量は、1.5L/分以上10L/分以下であることが好ましい。
In the well layer forming step, the flow rate of
井戸層形成工程において、窒素を含むキャリアガス103の単位時間当たりの流量は、8L/分以上30L/分以下が好ましい。キャリアガス103中にさらに水素含む場合、キャリアガス103中の水素の割合は、0.5モル%以上15モル%以下が好ましい。ここで、キャリアガス103中の水素の割合とは、キャリアガス103中の水素の流量をキャリアガス103の全流量で除した値の100倍で計算されるモル百分率を意味する。
In the well layer forming step, the flow rate per unit time of the
(保護層形成工程)
図3は、本実施形態における井戸層形成工程の後の保護層形成工程を示している。本実施形態の保護層形成工程は、Gaを含みIII族元素原料111、アンモニアガス112、および、窒素を含むキャリアガス113を供給して、GaN保護層13bが形成される工程である。
(Protective layer forming step)
FIG. 3 shows a protective layer forming step after the well layer forming step in the present embodiment. The protective layer forming step of the present embodiment is a step in which a GaN
この保護層形成工程を実施せずに、後述の第1の成長中断工程を実施しても、発光素子の特性を悪化させている主要因である非発光領域は殆ど消滅する。しかしながら、本発明者らの実験結果によれば、井戸層形成工程と第1の成長中断工程との間の保護層形成工程を省略した場合、第1の成長中断工程の実施後、井戸層の最表面、すなわち井戸層と障壁層との間の界面には、短周期の凹凸形状が存在することが分かった。この原因は、第1の成長中断工程で供給されるキャリアガス中の水素は、井戸層13aの表面に残った過剰なInを除去して非発光領域を消滅させる強い効果を生じるが、同時に井戸層13aの表面をエッチングする不所望の効果を生じてしまうためであると考えられる。
Even if the first growth interruption step described later is performed without performing this protective layer forming step, the non-light-emitting region, which is the main factor that deteriorates the characteristics of the light-emitting element, is almost eliminated. However, according to the experimental results of the present inventors, when the protective layer forming step between the well layer forming step and the first growth interruption step is omitted, the well layer is formed after the first growth interruption step. It was found that a short-period uneven shape exists at the outermost surface, that is, the interface between the well layer and the barrier layer. This is because the hydrogen in the carrier gas supplied in the first growth interruption step has a strong effect of removing excess In remaining on the surface of the
この界面の平坦性の欠如は、例えば半導体レーザにおいて、内部量子効率の低下および共振器長内での内部損失の増大を招き、半導体レーザの発振寿命に悪影響を及ぼす。したがって、よりよい半導体レーザの寿命特性を得るためには、界面の平坦性の向上が望ましい。 This lack of flatness of the interface causes, for example, a decrease in internal quantum efficiency and an increase in internal loss within the cavity length in a semiconductor laser, and adversely affects the oscillation lifetime of the semiconductor laser. Therefore, it is desirable to improve the flatness of the interface in order to obtain better semiconductor laser lifetime characteristics.
本発明における保護層形成工程の目的は、井戸層形成工程で形成された井戸層の最表面が、後述の第1の成長中断工程におけるキャリアガス中の水素によって受けるダメージ(エッチングによる平坦性の欠如)を抑制することにある。井戸層形成工程と第1の成長中断工程との間に窒化物半導体からなる保護層13bを設けることによって、井戸層13aの表面が直接、後述の第1の成長中断工程におけるキャリアガス中の水素に曝される虞がないため、井戸層13aの表面の平坦性が改善され得る。
The purpose of the protective layer forming step in the present invention is to damage the outermost surface of the well layer formed in the well layer forming step by hydrogen in the carrier gas in the first growth interruption step described later (lack of flatness due to etching) ). By providing the
井戸層13aの表面が保護層13bで覆われているにもかかわらず、井戸層13aの表面に残った過剰なInが第1の成長中断工程で除去できる理由は、定かではないが、おそらく、過剰なInがサーファクタントとして機能し、保護層の最表面に過剰なInが這い上がって来るためではないかと推測している。そのため、非発光領域の抑制と井戸層表面の平坦性の向上を両立するためには、保護層13bの厚さは0.25nm以上1.2nm以下が好ましい。この厚さの範囲は、窒化物半導体(GaNあるいはAlGaN)の約1monolayer(単分子層)以上4monolayer(4分子層)以下に該当する。保護層の厚さが0.25nm未満になると、窒化物半導体の1monolayerに満たないため、保護層として十分に機能しないために好ましくない。他方、保護層の層厚が1.2nmよりも厚くなると、後述の第1の成長中断工程を実施しても非発光領域を消滅させることが困難になるため好ましくない。
The reason why excess In remaining on the surface of the
保護層形成工程で保護層13bが形成される温度は、井戸層形成工程で井戸層13aが形成される温度に近いことが好ましく、同じ温度であることがより好ましい。このことによって、井戸層13aが形成された後、直ちに保護層13bを形成することができるので、井戸層の最表面が熱によってダメージを受けてその平坦性が損なわれることを防止することができる。
The temperature at which the
保護層13bは1つ以上の窒化物半導体層から構成されるものであり、少なくとも上記井戸層13aと直接に接する層はInを含まない窒化物半導体層であることが好ましい。このようなInを含まない窒化物半導体層としては、GaN層、AlGaN層などが好適に用いられる。したがって、保護層13bの井戸層と接する面は、単一のGaN層、単一のAlGaN層、または、GaN層およびAlGaN層からなる複数の層などから構成されることが好ましい。AlGaN層は、GaN層は水素によってエッチングされにくいため、このような構成の保護層13bを用いることにより、第1の成長中断工程で供給されるキャリアガス中の水素によって保護層13b自体がエッチングされてその表面の平坦性が損なわれたり、保護層13bがエッチングされて井戸層13aが露出してしまうことを防止することができる。また、井戸層13aの表面に残った過剰なInの一部を保護層に吸収させることができる。
The
保護層13bを構成する1つ以上の層のうち、Inを含まない窒化物半導体層を形成する際には、Gaを含みInを含まないIII族元素原料111が用いられる。ここで、Gaを含みInを含まないIII族元素原料とは、III族元素としてGaを含みInを含まない原料であり、例えば、III族元素としてGaおよび/またはAlのみを含む原料が挙げられるが、これに限定されるものではない。具体的には、保護層13bを構成するAlGaN層は、III族元素原料111としてGaとAlを含む原料を供給することによって形成される。なお、Gaを含むIII族元素原料としてはTMGまたはTEGを用いることができ、Alを含むIII族元素原料としてはTMAまたはTEAを用いることができる。
Among the one or more layers constituting the
上記保護層形成工程におけるアンモニアガス112の流量は、上記井戸層形成工程におけるアンモニアガスの流量と同じかそれよりも多いことが好ましく、より好ましくは、上記井戸層形成工程におけるアンモニアガス102の流量の1.1倍以上3倍以下である。これは、アンモニアガス112は水素ほどではないが、過剰なInを除去する効果をも生じ得るためで、保護層13bを成長しながら過剰なInを除去して非発光領域を減少させることができるためである。
The flow rate of the
本実施形態において、保護層形成工程で用いられるキャリアガス113は、窒素のみからなるガス、もしくは、窒素と水素からなる混合ガスを用いることができる。キャリアガス113が窒素のみからなるガスである場合は、保護層13b自体がエッチングされることがないので、井戸層13aを保護する機能を十分に有し、井戸層13aの平坦性の向上において望ましい。他方、キャリアガス113が窒素と水素からなる混合ガスである場合は、保護層13b自体がエッチングされ易く、井戸層13aの平坦性の向上が多少劣るものの、井戸層13aの表面に残った過剰なInを、保護層13bを成長させながら除去できるという利点を有する。後者の場合は、保護層13bを構成する窒化物半導体層として、GaN層よりもAlGaN層を用いることが好適である。
In the present embodiment, the
キャリアガス113中の水素の割合は、1モル%以上20モル%以下であることが好ましい。水素の割合がこの範囲にあることによって、井戸層13aの表面に残った過剰なInを除去することができる。水素の割合が20モル%を超えれば、井戸層13aの表面や保護層13bをエッチングする効果が強くなり過ぎるので好ましくない。ここで、キャリアガス113中の水素の割合とは、キャリアガス113中の水素流量を(キャリアガス113中の水素流量+窒素流量)で除した値の100倍で計算されるモル百分率を意味する。
The proportion of hydrogen in the
また、上記保護層形成工程におけるアンモニアガス112の流量に対するキャリアガス113中の水素の流量の割合は、1モル%以上35モル%以下が好ましい。ここで、アンモニアガス112の流量に対するキャリアガス113中の水素の流量の割合とは、キャリアガス中の水素の流量をアンモニアガスの流量で除した値の100倍で計算されるモル百分率を意味する。このアンモニアガス112は、キャリアガス113中の水素ほどではないが、過剰なInを除去する効果をも生じ得る。このことは、アンモニアガス112の供給量を増やすことによって、エッチング効果の強い水素の流量を抑制し得ることを意味している。
The ratio of the flow rate of hydrogen in the
(第1の成長中断工程)
図4は、保護層形成工程で保護層13bを形成した後の第1の成長中断工程を示している。本実施形態において、第1の成長中断工程は、III族元素原料111の供給を停止し、アンモニアガス122とともに、窒素と水素からなるキャリアガス123を供給しながら所定の時間(以下、「第1の時間」と略すことがある)、結晶成長を中断させる工程である。この第1の成長中断工程によって、高いIn組成比を有する井戸層に特有の非発光領域(過剰なIn)を除去して発光効率の向上を図ることができる。
(First growth interruption process)
FIG. 4 shows a first growth interruption step after forming the
上述のように、井戸層13aの表面が保護層13bで覆われた状態で井戸層13aの表面に残った過剰なInを除去するために、保護層は非常に薄い層で形成されている。そのため、キャリアガス123中の水素の過剰なエッチング作用から保護層13bが完全にエッチングされてしまわないように、第1の成長中断工程中にアンモニアガス122を付加的に供給している。このアンモニアガス122は、キャリアガス123中の水素ほどではないが、過剰なInを除去する効果をも生じ得る。このことは、アンモニアガス122の供給量を増やすことによって、エッチング効果の強い水素の流量を抑制し得ることを意味している。アンモニアガス122の流量に対するキャリアガス123中の水素の流量の割合は、1モル%以上35モル%以下に収まるようにするのが好ましい。ここで、アンモニアガス122の流量に対するキャリアガス123中の水素の流量の割合とは、キャリアガス中の水素流量をアンモニアガス流量で除した値の100倍で計算されるモル百分率を意味する。
As described above, in order to remove excess In remaining on the surface of the
第1の成長中断工程におけるアンモニアガス122の流量は、上記井戸層形成工程におけるアンモニアガス102の流量と同じかそれよりも多いことが好ましく、1.1倍以上3倍以下であることがより好ましい。これは、過剰なInを除去し得なかった井戸層形成工程におけるアンモニアガス102の流量に比べて、第1の成長中断工程におけるアンモニアガス122の流量が多いことによって、過剰なInを除去する効果が増大するとともに、エッチング効果の強い水素の流量を抑制することができるためである。その結果、井戸層と保護層との界面、あるいは、保護層と障壁層との界面における層変化の急峻性を向上させることができる。なお、急峻性とは、異種半導体接合が原子レベルでどの程度実現されているかという概念であり、ヘテロ界面において単原子層オーダーで異種の半導体層に変わっていれば、充分に急峻な界面が形成されており急峻性が優れていると言える。
The flow rate of the
また、第1の成長中断工程で用いられるキャリアガス123中の水素の割合は、1モル%以上20モル%以下であることが好ましい。水素の割合がこの範囲にあることによって、過剰なInを除去することができる。水素の割合が20モル%を超えれば、保護層13bをエッチングする効果が強くなり過ぎるので好ましくない。ここで、第1の成長中断工程で用いられるキャリアガス123中の水素の割合とは、キャリアガス123中の水素流量を(キャリアガス123中の水素流量+窒素流量)で除した値の100倍で計算されたモル百分率を意味する。
Further, the proportion of hydrogen in the
第1の成長中断工程が実施される所定の時間(第1の時間)は、3秒以上180秒以下が好適である。この時間が3秒よりも短ければ過剰なInを除去する効果が乏しく、180秒よりも長ければエッチングによる保護層へのダメージが大きくなり、井戸層表面の平坦性が悪くなるので好ましくない。 The predetermined time (first time) during which the first growth interruption step is performed is preferably 3 seconds or more and 180 seconds or less. If this time is shorter than 3 seconds, the effect of removing excess In is poor, and if it is longer than 180 seconds, the damage to the protective layer due to etching increases, and the flatness of the well layer surface deteriorates.
ここで、第1の成長中断工程における温度は、保護層13bが形成される温度に近いことが好ましく、同じ温度であることがより好ましい。これは、最適な上記第1の時間(3秒以上180秒以下)内に基板温度を変えて安定させることが非常に難しいこと等の理由による。基板温度の変化は、過剰なInを除去する効果に直接的に影響するので、再現性の確保を困難にさせる。
Here, the temperature in the first growth interruption step is preferably close to the temperature at which the
(障壁層形成工程)
図5は、第1の成長中断工程後の障壁層形成工程を示している。障壁層形成工程は、Gaを含むIII族元素原料131、アンモニアガス132、および、窒素と水素からなるキャリアガス133を供給して窒化物半導体からなる障壁層13cを形成する工程である。
(Barrier layer formation process)
FIG. 5 shows the barrier layer forming step after the first growth interruption step. The barrier layer forming step is a step of forming a
障壁層13cとしては、単一のInGaN層、単一のGaN層、単一のAlGaN層、単一のInAlGaN層、または、これらの単一の層が複数積層された多重層を用いることができる。障壁層13cを構成する窒化物半導体層のうち、保護層13bと直接に接する層(多重層のみならず、単層であってもよい)は、Inを含まない窒化物半導体層(例えば、GaN層、AlGaN層)であることがより好ましい。これは、第1の成長中断工程で除去しきれずに僅かに残ったInを吸収する効果が大きいためである。障壁層13cを構成する窒化物半導体層のうち、保護層13bと直接に接する層のバンドギャップエネルギーは、障壁層13cと接する側の保護層13bのバンドギャップエネルギーと同じかそれ以上であることがより好ましく、このような半導体層として、具体的にはGaN層、AlGaN層などが挙げられる。このことによって、井戸層へのキャリアの閉じ込め効果が向上し、半導体レーザにおける寿命特性が向上する。
As the
他方、障壁層13cの保護層13bと反対側の面に位置する窒化物半導体層(多重層のみならず、単層であってもよい)は、GaN層もしくはInを含む窒化物半導体層(例えば、GaN層、InGaN層、AlInGaN層)であることが好ましい。これは、障壁層13cに続いて、さらに井戸層を積層するときに、井戸層の格子定数とできるだけ近い半導体層の上に井戸層を成長させた方が長波長化させやすいためである。
On the other hand, a nitride semiconductor layer (not only a multi-layer but also a single layer) located on the surface of the
障壁層13cが多重層からなる場合の一例として、GaN層/AlGaN層/GaN層、GaN層/AlGaN層/InGaN層、GaN層/AlGaN層、AlGaN層/GaN層、AlGaN層/InGaN層、またはInGaN層/GaN層/InGaN層などが挙げられる(なお、障壁層13cを構成する各窒化物半導体層は保護層側から順に記載している)。上記InGaN層/GaN層/InGaN層からなる障壁層13cは、障壁層13cの一部に全くInを含まないGaN層が設けられることによって、第1の成長中断工程で除去しきれずに残った僅かなInを吸収させる働きを有する。
As an example when the
障壁層形成工程で用いられるGaを含むIII族元素原料131とは、III族元素としてGaを含む原料であり、例えば、III族元素としてGaのみを含む原料やGa以外にAlおよび/またはInを含む原料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、Gaを含むIII族元素原料としてはTMGまたはTEGを用いることができ、Alを含むIII族元素原料としてはTMAまたはTEAを用いることができ、Inを含むIII族元素原料としてはTMIまたはTEIを用いることができる。上記種々の障壁層13cは、Gaを含むIII族元素原料131として、Gaのみを含むIII族元素原料やGa以外にAlおよび/またはInを含むIII族元素原料を用いることにより形成することができる。なお、これらのIII族元素原料は上記井戸層形成工程または保護層形成工程で用いられるIII族元素原料と同種のものを用いることができる。
The group III element
障壁層13cがInを全く含まないGaN層および/またはAlGaN層からなる場合、障壁層13cの厚さは6nm以上18nm以下であることが好適である。層の厚さが18nmよりも厚くなると、障壁層13c自体の結晶性が悪化し、その上にさらに形成される井戸層において非発光領域が増殖するために好ましくない。一方、層の厚さが6nmよりも小さくなると、上述のInを吸収する効果が小さいために好ましくない。
When the
障壁層13cがInGaN層および/またはAlInGaN層からなる場合、その厚さは15nm以上35nm以下であることが好適である。この厚さの範囲内で障壁層13cを厚く成長させれば、Inを含む障壁層13cであっても、第1の成長中断工程で除去しきれずに残った僅かなInを、障壁層13cの成長過程において徐々に吸収することができる。このような効果が生じるのは、井戸層13aに比べて障壁層13cにおけるIn組成比が小さくてInが飽和状態ではないことと、そのような障壁層13cが上記厚さ範囲内で厚く形成されるからであると考えられる。
When the
障壁層形成工程で障壁層13cが形成される温度は、保護層形成工程で保護層13bが形成される温度に近いことが好ましく、同じ温度であることがより好ましい。保護層13bが形成された温度(熱)よりも高い温度で障壁層13cが形成されると、保護層13bがエッチングされてその下の井戸層13aが露出してしまう虞があるためである。
The temperature at which the
本実施形態における障壁層形成工程では、キャリアガス133中に必ず水素が含まれている。これは、障壁層13cの成長過程においても水素を流し続けることによって、過剰なInを除去する効果を持続させるためである。
In the barrier layer forming step in the present embodiment, the
キャリアガス133中に水素を含むことは、障壁層13cがInGaN層を含む場合であっても例外ではない。一般には、InGaN層を形成する際のキャリアガスとしては窒素のみが使用される。この理由は、窒素のみからなるキャリアガス中に意図しない水素が微量に混入すればIn組成比が大きく変動して所望のInGaN層が形成できなくなるからである。しかし、本発明者らの実験結果によれば、III族元素中のIn組成比が約8モル%以下であれば、水素が含まれたキャリアガスを用いても所望のInGaN層が形成できることがわかった。しかも、このように水素を含むキャリアガス条件下で形成されるInGaN層は、水素を全く含まないキャリアガス条件下で形成されるそれと比較して、第1の成長中断工程から障壁層形成工程への切り替わりの際に生じる水素濃度の変化に対して、In組成比の変動が非常に小さいことがわかった。これは、本発明にかかる障壁層形成工程で形成される障壁層13cとしてInGaN層を利用できることを意味している。
The inclusion of hydrogen in the
上記キャリアガス133中の水素の割合は、1モル%以上20モル%以下がより好ましい。この範囲で水素が供給されることによって、過剰なInを除去する効果と結晶性の良好な障壁層の両立を図ることができる。ここで、キャリアガス133中の水素の割合とは、キャリアガス133中の水素流量を(キャリアガス133中の水素流量+窒素流量)で除した値の100倍で計算されるモル百分率の値である。
The proportion of hydrogen in the
また、キャリアガス133中の水素の割合が、上記第1の成長中断工程におけるキャリアガス123中の水素の割合と同じであれば、Inを含む障壁層13c(例えばInGaN、AlInGaN)におけるIn組成比の揺らぎがより一層抑制されて、障壁準位がより安定化され得る。
Further, if the proportion of hydrogen in the
MOCVD法を用いた結晶成長により障壁層13c等を形成する場合、各工程間(例えば、第1の成長中断工程と障壁層形成工程との間)のガス流量の変動が大きければ、後の工程における結晶成長が安定せずに所望の窒化物半導体層を形成することが困難になる恐れがある。特に、アンモニアガスは粘性抵抗が高くて流量変化に対する追随性が低いので、各工程間のアンモニアガス流量の変動が大きければ、反応ガス雰囲気の安定化が遅れる傾向がある。例えば、第1の成長中断工程におけるアンモニアガス122の流量が、障壁層形成工程におけるアンモニアガス132の流量に比べて多い場合には、障壁層13cを安定に形成することが難しくなる場合がある。この観点から、アンモニアガス132の流量は、上記第1の成長中断工程におけるアンモニアガス122の流量と同じであることが好ましい。そうすることによって、第1の成長中断工程から障壁層形成工程への切り替わりの際のガス流量変動が小さくなり、所望の障壁層13cを形成することができる。
When the
なお、本実施形態1ではMOCVD装置を用いた結晶成長を例にして説明したが、例えばMOMBE(有機金属分子線エピタキシ)装置またはHVPE(ハイドライド気相エピタキシ)装置などを用いて結晶成長させてもよいことは言うまでもない。 In the first embodiment, the crystal growth using the MOCVD apparatus has been described as an example, but the crystal growth may be performed using, for example, a MOMBE (metal organic molecular beam epitaxy) apparatus or an HVPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus. Needless to say, it is good.
<実施形態2>
図6の模式的断面図を参照して、本発明の実施形態2による窒化物半導体発光素子の製造方法が説明される。本実施形態2は、実施形態1に比べて、第1の成長中断工程と障壁層形成工程との間において、III族元素原料の供給を引き続き停止し、アンモニアガス142とともに、水素と窒素を含むキャリアガス143を供給して、所定の時間(以下、「第2の時間」と略すことがある」)、結晶成長を中断する第2の成長中断工程を付加的に含んでいることのみにおいて異なっている。したがって、ここでは本実施形態について主に第2の成長中断工程のみを説明する。
<Embodiment 2>
With reference to the schematic cross-sectional view of FIG. 6, a method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting device according to Embodiment 2 of the present invention will be described. Compared with the first embodiment, the second embodiment continuously stops the supply of the group III element raw material between the first growth interruption step and the barrier layer forming step, and includes hydrogen and nitrogen together with the
(第2の成長中断工程)
本実施形態2における第2の成長中断工程では、図4に示された第1の成長中断工程の後において、図6に示されているようにIII族元素原料の供給を引き続き停止し、アンモニアガス142とともに、窒素のみからなるキャリアガス143を供給しながら所定のの時間、結晶成長を中断する。この付加的な第2の成長中断工程の後において、実施形態1の場合と同様に窒化物半導体からなる障壁層13cを形成する障壁層形成工程(図5参照)を実施することによって、本実施形態2における窒化物半導体発光層を形成することができる。
(Second growth interruption process)
In the second growth interruption step in the second embodiment, after the first growth interruption step shown in FIG. 4, the supply of the group III element raw material is continuously stopped as shown in FIG. Crystal growth is interrupted for a predetermined time while supplying a
第2の成長中断工程の目的は、第1の成長中断工程で受けた保護層13bの最表面のダメージを回復させることにある。第1の成長中断工程では、井戸層13aで生じた過剰なInを保護層13bを通して除去するために、保護層13bの表面が意図しないダメージを受けてその平坦性が損なわれ易い。特に、保護層13bを形成している窒素元素の欠如が顕著で、これは結晶欠陥の原因となる。そこで本実施形態では、第1の成長中断工程で供給されたキャリアガス123に含まれる水素を、窒素のみからなるキャリアガス143を用いて基板近傍の雰囲気からパージするとともに、窒素の供給源であるアンモニアガス142を供給することで保護層13bの最表面のダメージの回復を図っている。
The purpose of the second growth interruption step is to recover the damage on the outermost surface of the
この保護層13bの回復を高めるために第2の成長中断工程を実施する所定の時間(第2の時間)は、第1の成長中断工程を実施する所定の時間(第1の時間)よりも長いことが好ましく、第1の時間の1.2倍以上4倍以下であることがより好ましい。これは、第1の時間よりも第2の時間を長くすることによって、第1の成長中断工程で用いられるキャリアガス123に含まれた水素が基板近傍の雰囲気からより確実にパージされ得るとともに、Inの除去に要した第1の時間よりも長い時間をかけることによって保護層のダメージの回復が高まるためである。アンモニアガスは水素ほど強力ではないがエッチング効果を有しているため、4倍よりも長い時間で成長中断時間を設けることは好ましくない。
In order to enhance the recovery of the
保護層の回復をさらに高めるために、第2の成長中断工程におけるキャリアガス143の流量に対するアンモニアガス142の流量の割合が30モル%以上120モル%以下であることが好ましい。このことによって、ダメージを受けた保護層の表面を保護または回復させる働きが増す。アンモニアガスは水素ほど強力ではないがエッチング効果を有しているため、120モル%を超える流量で第2の成長中断工程を実施することは好ましくない。ここで、第2の成長中断工程におけるキャリアガス143の流量に対するアンモニアガス142の流量の割合とは、アンモニアガス142の流量をキャリアガス143の流量で除した値の100倍で計算されるモル百分率の値を意味する。
In order to further enhance the recovery of the protective layer, it is preferable that the ratio of the flow rate of the
さらに、第2の成長中断工程におけるアンモニアガス142とキャリアガス143の合計流量が、上記保護層形成工程におけるアンモニアガス122とキャリアガス123の合計流量に比べて大きいことが好ましく、このような場合、保護層形成工程で用いられるキャリアガス123に含まれた水素を基板近傍の雰囲気からパージする効果が大きくなる。より具体的には、成長中断工程におけるアンモニアガス142とキャリアガス143の合計流量が、保護層形成工程におけるアンモニアガス122とキャリアガス123の合計流量の1.2倍以上3倍以下であることが好適である。
Furthermore, the total flow rate of the
ここで、結晶成長が中断される第2の時間における温度は、保護層形成工程で保護層が形成される温度または第1の成長中断工程での温度と同じであることが好ましい。これは、第2の時間における温度がこれらの温度よりも高くなると、保護層がエッチングされてその下の井戸層が露出してしまう虞があるためである。 Here, the temperature at the second time when the crystal growth is interrupted is preferably the same as the temperature at which the protective layer is formed in the protective layer forming step or the temperature at the first growth interrupting step. This is because if the temperature in the second time is higher than these temperatures, the protective layer may be etched and the well layer below it may be exposed.
<実施形態3>
図7の模式的断面図を参照して、本発明の実施形態3による窒化物半導体発光素子の製造方法が説明される。本実施形態3は、実施形態1に比べて、第1の成長中断工程と障壁層形成工程との間において、III族元素原料の供給を引き続き停止し、アンモニアガス152とともに、水素と窒素を含むキャリアガス153を供給して、所定の時間(以下、第3の時間と略すことがある)、結晶成長を中断する第3の成長中断工程を付加的に含んでいることのみにおいて異なっている。したがって、ここでは本実施形態について主に第3の成長中断工程のみを説明する。
<Embodiment 3>
With reference to the schematic cross-sectional view of FIG. 7, a method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting device according to Embodiment 3 of the present invention will be described. Compared with the first embodiment, the third embodiment continuously stops the supply of the group III element raw material between the first growth interruption step and the barrier layer forming step, and includes hydrogen and nitrogen together with the
(第3の成長中断工程)
本実施形態3における第3の成長中断工程では、図4に示された第1の成長中断工程の後において、図7に示されているようにIII族元素原料の供給を引き続き停止し、アンモニアガス152とともに、水素と窒素を含むキャリアガス153を供給しながら所定の時間(第3の時間)、結晶成長を中断する。この付加的な第3の成長中断工程の後において、実施形態1の場合と同様に窒化物半導体からなる障壁層13cを形成する障壁層形成工程(図5参照)を実施することによって、本実施形態3における窒化物半導体発光層を形成することができる。
(Third growth interruption process)
In the third growth interruption step in the third embodiment, after the first growth interruption step shown in FIG. 4, the supply of the group III element raw material is continuously stopped as shown in FIG. The crystal growth is interrupted for a predetermined time (third time) while supplying the
第1の成長中断工程で用いられる適切なガス流量は障壁層形成工程で用いられるガス流量に比べて大きく異なる傾向にある。このような条件下で第1の成長中断工程から障壁層形成工程に移行すれば、ガス流量の変化が大きくなって、所望の障壁層を形成することが困難になる傾向になる。 The appropriate gas flow rate used in the first growth interruption step tends to be greatly different from the gas flow rate used in the barrier layer forming step. If the process proceeds from the first growth interruption step to the barrier layer formation step under such conditions, the change in gas flow rate increases, and it becomes difficult to form a desired barrier layer.
本実施形態3における第3の成長中断工程は、第1の成長中断工程から障壁層形成工程に移行する際のガス流量の変化量を小さくし、ガス流量の安定化を図るための工程である。この第3の成長中断工程によって、所望の障壁層13cの形成が容易となり、保護層13b(如いては井戸層13a)と障壁層13cとの界面における層変化の急峻性を向上させることができる。
The third growth interruption step in the third embodiment is a step for stabilizing the gas flow rate by reducing the change amount of the gas flow rate when shifting from the first growth interruption step to the barrier layer formation step. . This third growth interruption step facilitates the formation of the desired
ガス流量をより安定化させるために、第3の成長中断工程におけるアンモニアガス152の流量は障壁層形成工程におけるアンモニアガス132の流量と同じであり、かつ、第3の成長中断工程におけるキャリアガス153の流量は障壁層形成工程におけるキャリアガス133の流量と同じであることが好ましい。このことによって、第1の成長中断工程から障壁層を形成する障壁層形成工程への移行の際のガス流量変動をより一層小さくすることができる。
In order to further stabilize the gas flow rate, the flow rate of the
さらに、第3の成長中断工程におけるキャリアガス153中の水素の割合が障壁層形成工程で用いられるキャリアガス133中の水素の割合と同じである場合、水素濃度の変動に伴う、障壁層13cの組成変動(障壁層13cのエネルギ準位の不安定)が小さいために、発光波長における揺らぎまたはずれによる素子歩留まりの低下を抑制することができる。これは、InGaN層あるいはAlInGaN層を含む障壁層13cにおいて特に効果的である。ここで、第3の成長中断工程におけるキャリアガス153中の水素の割合とは、キャリアガス153中の水素の流量をキャリアガス153の全流量で除した値の100倍で計算されるモル百分率の値を意味する。
Further, when the proportion of hydrogen in the
なお、第3の成長中断工程を実施する所定の時間(第3の時間)は、1秒以上5秒以下であることが好適である。第3の時間が1秒未満であれば第3の成長中断工程の機能であるガス流量を安定化させる効果が小さ過ぎて好ましくなく、5秒を超えて中断時間を増大させると、キャリアガス153中に含まれる水素が保護層13bをエッチングする虞があるためである。
The predetermined time (third time) for performing the third growth interruption step is preferably 1 second or more and 5 seconds or less. If the third time is less than 1 second, the effect of stabilizing the gas flow rate, which is a function of the third growth interruption process, is not preferable because it is too small, and if the interruption time is increased beyond 5 seconds, the
また、第3の成長中断工程における温度は、保護層形成工程で保護層13bが形成される温度または第1の成長中断工程での温度と同じであることが好ましい。これは、第3の時間における温度がこれらの温度よりも高くなると、保護層がエッチングされてその下の井戸層が露出してしまう虞があるためである。
The temperature in the third growth interruption step is preferably the same as the temperature at which the
<実施形態4>
本発明の実施形態4は、実施形態2に比べて、第2の成長中断工程と障壁層形成工程との間において、実施形態3の場合と同様の第3の成長中断工程を付加的に含んでいることのみにおいて異なっている。
<Embodiment 4>
Embodiment 4 of the present invention additionally includes a third growth interruption step similar to that in Embodiment 3 between the second growth interruption step and the barrier layer formation step, as compared with Embodiment 2. The only difference is that
本実施形態4における第3の成長中断工程では、図6に示された第2の成長中断工程の後において、図7に示されているようにIII族元素原料の供給を引き続き停止し、アンモニアガス152とともに、キャリアガス153を供給しながら、所定の時間、結晶成長を中断する。この付加的な第3の成長中断工程の後において、実施形態1の場合と同様に窒化物半導体からなる障壁層13cを形成する障壁層形成工程(図5参照)を実施することによって、本実施形態4における窒化物半導体発光層を形成することができる。
In the third growth interruption step in the fourth embodiment, after the second growth interruption step shown in FIG. 6, the supply of the group III element raw material is continuously stopped as shown in FIG. While supplying the
本実施形態4における第3の成長中断工程の効果は、実施形態3の場合と同じである。また、本実施形態4では、第2の成長中断工程をも含んでいるので、実施形態2の場合と同じ効果をも有することができる。 The effect of the third growth interruption step in the fourth embodiment is the same as that in the third embodiment. In addition, since the fourth embodiment includes the second growth interruption step, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
(窒化物半導体発光素子)
上述の実施形態1から4による製造方法で作製された窒化物半導体発光素子の積層断面構造の詳細を以下に説明する。
(Nitride semiconductor light emitting device)
Details of the laminated cross-sectional structure of the nitride semiconductor light-emitting device manufactured by the manufacturing method according to the above-described first to fourth embodiments will be described below.
図9は、本発明の製造方法により得られる窒化物半導体発光素子の典型例を示す断面模式図である。図10は、本発明のような保護層を形成していない従来の窒化物半導体発光素子の断面模式図である。これらの図における窒化物半導体発光素子の積層構造は図1に対応しており、特に発光層13が厚さ方向に拡大されて詳細に示されている。この発光層13は、交互に繰返し積層された複数の井戸層13aと障壁層13cからなり、本発明の窒化物半導体発光素子を示す図9では井戸層13aと障壁層13cとの間に保護層13bを有しているが、従来の窒化物半導体発光素子を示す図10では保護層が形成されていない。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a typical example of a nitride semiconductor light emitting device obtained by the manufacturing method of the present invention. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device that does not have a protective layer as in the present invention. The laminated structure of the nitride semiconductor light emitting element in these figures corresponds to FIG. 1, and in particular, the
保護層形成工程を適用しなかった場合、第1の成長中断工程で供給されるキャリアガスの水素の量にも依存するが、図10に示すように障壁層13cとその上の井戸層13aとの界面は平坦(直線状)であるのに対し、井戸層13aとその上の障壁層13cとの界面は比較的短周期(周期wが短い)の波形状となる傾向にある。すなわち、井戸層13aは、厚さの大きな凸領域20と厚さの小さな凹領域21を含んでいる。これは、主に、井戸層13aを形成する井戸層形成工程と障壁層13cを形成する障壁層形成工程との間で実施される、第1の成長中断工程の水素ガスによって、井戸層13aにエッチングが生じたことが原因と考えられる。
When the protective layer forming step is not applied, the
井戸層13aとその上の障壁層13cとの界面における波形状は比較的規則的な形状をしており、MOCVD条件によっても異なるが、波形状の周期wは約20〜11nmであって、高低差hは凸領域部20の平均的な最大厚さの50%以下であった。
The wave shape at the interface between the
他方、本発明にかかる保護層形成工程を適用した場合、第1の成長中断工程で供給されるキャリアガスの水素の量にも依存するが、井戸層13aとその上に接して設けられた保護層13bとの界面または保護層13b自体が略平坦、または、上記図10の周期wと比べて比較的長周期の(周期wが長い)波形状となる。なお、障壁層13cとその上の井戸層13aとの界面は、図10と同様に平坦(直線状)である。井戸層13aは、厚さの大きな凸領域20と厚さの小さな凹領域21を含んでいるがその高低差hは、図10のそれと比べて小さい傾向にある。このことから、本発明にかかる保護層13bを設けることによって、第1の成長中断工程におけるキャリアガス中の水素によって、井戸層13aの表面に分布した過剰なInの除去と同時に生じる、意図しない井戸層13aのエッチングを防いだものと考えられる。
On the other hand, when the protective layer forming step according to the present invention is applied, the
本発明にかかる図9の、井戸層13aと保護層13bとの界面における波形状は比較的規則的な形状をしており、MOCVD条件によっても異なるが、波形状の周期wは約150nm以上であってその上限値は無限大(平坦)である。また、高低差hは凸領域20の平均的な最大厚さの30%以下であった。
The wave shape at the interface between the
本発明の製造方法によって形成された井戸層13aのもう1つの特徴は、In組成比の揺らぎが非常に小さいということである。例えば、図9に示された井戸層13aの凸領域20と凹領域21におけるIn組成比をEDX(エネルギ分散型蛍光X線)分析したところ、それらの領域間におけるIn組成比の差は±1モル%以下であった。すなわち、井戸層13aの凸領域20と凹領域21とは、厚さにおいて異なっているだけであって、In組成比においてほとんど変化しない傾向にあった。このIn組成比が変化していない特徴は、窒化物半導体発光素子における波長の揺らぎを抑制し得るので好ましい。
Another feature of the
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
図8の模式的断面図は、本発明の実施例1において作製される窒化物半導体発光素子の積層構造を示している。実施例1では、本発明の窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を製造した。実施例1の化物半導体レーザ素子の製造方法は、前述の実施形態1による窒化物半導体発光素子の製造方法に対応している。 The schematic cross-sectional view of FIG. 8 shows the laminated structure of the nitride semiconductor light emitting device fabricated in Example 1 of the present invention. In Example 1, a nitride semiconductor laser device was manufactured as the nitride semiconductor light emitting device of the present invention. The manufacturing method of the compound semiconductor laser device of Example 1 corresponds to the manufacturing method of the nitride semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 described above.
実施例1の窒化物半導体レーザ素子10は、基板(n型GaN基板)11の(0001)面上において、順次積層されたn型GaN層201、n型AlGaNクラッド層202、n型GaN光ガイド層203、アンドープInGaN光ガイド層204、発光層13、中間層205、p型AlGaNキャリアブロック層206、p型AlGaNクラッド層207、およびp型GaNコンタクト層208を含んでいる。ここで、n型GaN層201からアンドープInGaN光ガイド層204までの積層物がn型窒化物半導体層12に相当し、中間層205からp型GaNコンタクト層208までの積層物がp型窒化物半導体層14に相当する。
The nitride
窒化物半導体レーザ素子10の製造では、まずMOCVD装置内においてn型GaN基板11を1050℃まで加熱してその温度に保持し、III族元素の原料であるTMG、アンモニアガス、および、Siを含むドーピングガス(SiH4)を導入し、n型GaN基板11上に厚さ0.5μmのn型GaN層201を形成した。このn型GaN層201は、研磨されたn型GaN基板11の表面モフォロジーを改善するとともに表面残留応力歪みを緩和させてエピタキシャル成長に適した表面を得るために形成された。
In the manufacture of the nitride
続いて、MOCVD装置内にIII族元素の原料であるTMAをも加えて、厚さ2.5μmでSi不純物濃度が5×1017個/cm3のn型AlGaNクラッド層202を形成した。このn型AlGaNクラッド層202において、III族元素中のAl組成比は5モル%であった。
Subsequently, TMA, which is a Group III element material, was also added to the MOCVD apparatus to form an n-type
次に、MOCVD装置内へのTMAの導入を停止するとともにSiH4の導入量も変化させることにより、厚さ0.2μmでSi不純物濃度が3×1017個/cm3のn型GaN光ガイド層203を形成した。
Next, by stopping the introduction of TMA into the MOCVD apparatus and changing the amount of SiH 4 introduced, an n-type GaN light guide having a thickness of 0.2 μm and a Si impurity concentration of 3 × 10 17 / cm 3 is used.
その後、基板温度を800℃に低下させ、TMGとTMIを供給して、厚さ35nmのアンドープInGaN光ガイド層204を形成した。
Thereafter, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., TMG and TMI were supplied, and an undoped InGaN
InGaN光ガイド層204上には、後述の多重量子井戸構造を有する発光層13を形成した。さらに、発光層13上には、厚さ75nmの中間層205を形成した。この中間層205は、順に積層された厚さ35nmのアンドープIn0.03Ga0.97N層と厚さ40nmのアンドープGaN層からなっていた。
On the InGaN
その後、基板温度を再び1050℃まで上昇させて、Mgが添加された厚さ20nmのAlGaNキャリアブロック層206、Mgが添加された厚さ0.6μmのp型AlGaNクラッド層207、およびMgが添加された厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層208を順次形成して、窒化物半導体レーザ素子10の結晶成長を終了した。ここで、キャリアブロック層206におけるIII族元素中のAl組成比は20モル%であり、p型AlGaNクラッド層207におけるIII族元素中のAl組成比は5モル%であった。なお、Mgを含む原料ガスとしては(EtCp)2Mgが用いられた。
Thereafter, the substrate temperature is raised again to 1050 ° C., the 20 nm thick AlGaN
以下において、本発明の重要な特徴をなす発光層13の形成方法についてさらに詳細に説明する。本実施例の発光層13は、厚さ3nmのアンドープIn0.13Ga0.87N井戸層(以下、単にInGaN井戸層と呼ぶ)、厚さ12nmのアンドープ障壁層、および、厚さ3nmのアンドープIn0.13Ga0.87N井戸層が順次積層されたものであり、InGaN井戸層と、アンドープ障壁との間にアンドープGaN保護層を有している。ここで、アンドープ障壁層は、厚さ5nmのGaN層、厚さ2nmのAl0.03GaN層、および、厚さ5nmのGaN層の3層が順次積層されてなる。
Hereinafter, a method for forming the
本実施例1において、InGaN井戸層を形成する井戸層形成工程では、800℃の温度において、InとGaを含むIII族元素原料(図2中の101参照)としてTMIとTMGを用い、3L/分のアンモニアガス(図2中の102参照)と9L/分の窒素からなるキャリアガス(図2中の103参照)を供給して、厚さ3nmのInGaN井戸層を形成した。 In the first embodiment, in the well layer forming step of forming the InGaN well layer, TMI and TMG are used as a group III element source material containing In and Ga (see 101 in FIG. 2) at a temperature of 800 ° C. An ammonia gas (see 102 in FIG. 2) and a carrier gas (see 103 in FIG. 2) composed of 9 L / min of nitrogen were supplied to form an InGaN well layer having a thickness of 3 nm.
続いて、InGaN井戸層の上に保護層を形成する保護層形成工程では、井戸層形成工程と同じ800℃の温度おいて、Gaを含みInを含まないIII族元素原料(図3中の111参照)としてTMGを用い、3L/分のアンモニアガス(図3中の112参照)と9L/分の窒素からなるキャリアガス(図3中の113参照)を供給して、厚さ0.52nmのアンドープGaN保護層を形成した。 Subsequently, in the protective layer forming step of forming a protective layer on the InGaN well layer, a group III element source material containing Ga and containing no In (111 in FIG. 3) at the same temperature of 800 ° C. as in the well layer forming step. TMG is used as a reference), and an ammonia gas of 3 L / min (see 112 in FIG. 3) and a carrier gas consisting of 9 L / min of nitrogen (see 113 in FIG. 3) are supplied, and the thickness is 0.52 nm. An undoped GaN protective layer was formed.
次に、第1の成長中断工程として、保護層形成工程と同じ800℃の温度おいて、TMGのIII族元素原料の供給を停止し、6L/分のアンモニアガス(図4中の122参照)とともに、8L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図4中の123参照)を供給しながら、結晶成長を20秒間(第1の時間)中断した。 Next, as the first growth interruption step, at the same temperature of 800 ° C. as in the protective layer formation step, the supply of the TMG group III element material is stopped, and ammonia gas of 6 L / min (see 122 in FIG. 4) At the same time, crystal growth was interrupted for 20 seconds (first time) while supplying a carrier gas composed of nitrogen of 8 L / min and hydrogen of 0.5 L / min (see 123 in FIG. 4).
さらに、本実施例1の障壁層形成工程では、同じ800℃の温度おいて、TMGまたはTMGとTMAのIII族元素原料(図5中の131参照)、6L/分のアンモニアガス(図5中の132参照)、および8L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図5中の133参照)を供給して、上述の3層構造を有する障壁層を形成した。 Furthermore, in the barrier layer forming step of Example 1, at the same temperature of 800 ° C., TMG or TMG and TMA group III element material (see 131 in FIG. 5), 6 L / min ammonia gas (in FIG. 5) 132) and a carrier gas composed of nitrogen of 8 L / min and hydrogen of 0.5 L / min (see 133 in FIG. 5) were supplied to form the barrier layer having the above three-layer structure.
以上のような本実施例1によって得られた窒化物半導体レーザ素子おいては、高いIn組成比を有する井戸層において生じやすい非発光領域が全く存在せず、440nmの波長で発振させることができた。そして、発光層の各層の界面の平坦性の向上に伴い、レーザ発振寿命が従来と比べて2倍以上向上した。 In the nitride semiconductor laser device obtained according to Example 1 as described above, there is no non-light-emitting region that easily occurs in a well layer having a high In composition ratio, and oscillation can be performed at a wavelength of 440 nm. It was. And with the improvement of the flatness of the interface of each layer of the light emitting layer, the laser oscillation lifetime has improved more than twice compared with the conventional one.
本発明の実施例2による窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、上述の実施形態2による窒化物半導体発光素子の製造方法に対応している。すなわち、本実施例2は、実施例1に比べて、第1の成長中断工程と障壁層形成工程との間において第2の成長中断工程を加えたことのみにおいて異なっている。 The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to Example 2 of the present invention corresponds to the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 described above. That is, Example 2 is different from Example 1 only in that a second growth interruption process is added between the first growth interruption process and the barrier layer formation process.
本実施例2において、AlInGaN井戸層を形成する井戸層形成工程は、750℃の温度で、TMA、TMIとTMGのIII族元素原料(図2中の101参照)、3L/分のアンモニアガス(図2中の102参照)、および、8.5L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図2中の103参照)を供給して、厚さ1.5nmのアンドープAlInGaN井戸層を形成した。該AlInGaN井戸層において、井戸層の全組成に対するAlのモル比は約0.02である。 In Example 2, the well layer forming step for forming the AlInGaN well layer is performed at a temperature of 750 ° C. at the TMA, TMI, and TMG group III element materials (see 101 in FIG. 2), 3 L / min ammonia gas ( 2), and a carrier gas composed of 8.5 L / min nitrogen and 0.5 L / min hydrogen (see 103 in FIG. 2) to supply undoped AlInGaN having a thickness of 1.5 nm. A well layer was formed. In the AlInGaN well layer, the molar ratio of Al to the total composition of the well layer is about 0.02.
続いて、本実施例2の保護層形成工程では、同じ750℃の温度おいて、TMAとTMGのIII族元素原料(図3中の111参照)、3L/分のアンモニアガス(図3中の112参照)と6.5L/分の窒素と2.5L/分の水素からなるキャリアガス(図3中の113参照)を供給して、厚さ1nmのアンドープAl0.02Ga0.98N保護層を形成した。 Subsequently, in the protective layer forming step of Example 2, at the same temperature of 750 ° C., group III element raw materials of TMA and TMG (see 111 in FIG. 3), 3 L / min of ammonia gas (in FIG. 3) 112), 6.5 L / min nitrogen and 2.5 L / min hydrogen carrier gas (see 113 in FIG. 3) is supplied to form an undoped Al 0.02 Ga 0.98 N protective layer having a thickness of 1 nm. did.
本実施例2の第1の成長中断工程では、同じ750℃の温度おいて、TMAとTMGのIII族元素原料の供給を停止し、6L/分のアンモニアガス(図4中の122参照)とともに、8L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図4中の123参照)を供給しながら、結晶成長を15秒間(第1の時間)中断した。 In the first growth interruption step of the present Example 2, at the same temperature of 750 ° C., the supply of the group III element raw materials of TMA and TMG is stopped and together with ammonia gas (see 122 in FIG. 4) of 6 L / min. The crystal growth was interrupted for 15 seconds (first time) while supplying a carrier gas (see 123 in FIG. 4) composed of nitrogen of 8 L / min and hydrogen of 0.5 L / min.
本実施例2の第2の成長中断工程では、同じ750℃の温度おいて、第1の成長中断工程に引き続いてTMAとTMGの供給を停止したまま、6L/分のアンモニアガス(図6中の142参照)と、11L/分の窒素からなるキャリアガス(図6中の143参照)を供給し、結晶成長を30秒間(第2の時間)中断した。 In the second growth interruption step of Example 2, at the same temperature of 750 ° C., ammonia gas (6 L / min in FIG. 6) was supplied while the supply of TMA and TMG was stopped following the first growth interruption step. 142) and a carrier gas consisting of 11 L / min of nitrogen (see 143 in FIG. 6) was supplied, and crystal growth was interrupted for 30 seconds (second time).
本実施例2の障壁層形成工程では、同じ750℃の温度おいて、TMA、TMGとTMIのIII族元素原料(図5中の131参照)を用いて、3L/分のアンモニアガス(図5中の132参照)、および、8L/分の窒素と1.5L/分の水素からなるキャリアガス(図5中の133参照)を供給して、8nmのAl0.02Ga0.98N層/2nmのAl0.05Ga0.98N層/2nmのIn0.04Ga0.96N層からなる障壁層を形成した。発光層中の井戸層の数は3層であった。 In the barrier layer forming step of Example 2, ammonia gas (FIG. 5) was used at the same temperature of 750 ° C. using a group III element material of TMA, TMG, and TMI (see 131 in FIG. 5). 132), and a carrier gas composed of 8 L / min nitrogen and 1.5 L / min hydrogen (see 133 in FIG. 5) is supplied to provide an 8 nm Al 0.02 Ga 0.98 N layer / 2 nm Al layer. A barrier layer composed of 0.05 Ga 0.98 N layer / 2 nm In 0.04 Ga 0.96 N layer was formed. The number of well layers in the light emitting layer was three.
以上のような本実施例2によって得られた窒化物半導体レーザ素子おいては、高いIn組成比を有する井戸層において生じやすい非発光領域が存在せず、465nmの波長で発振させることができた。そして、井戸層中で非発光領域がなくなったことにより、素子歩留まりと発光効率が大幅に向上した。また、発光層の各層の界面の平坦性の向上に伴い、レーザ発振寿命が従来と比べて2倍以上向上した。 In the nitride semiconductor laser device obtained according to Example 2 as described above, there was no non-light-emitting region likely to occur in a well layer having a high In composition ratio, and oscillation was possible at a wavelength of 465 nm. . In addition, since the non-light emitting region is eliminated in the well layer, the device yield and the light emission efficiency are greatly improved. Further, with the improvement of the flatness of the interface of each layer of the light emitting layer, the laser oscillation lifetime has been improved more than twice compared with the conventional one.
本発明の実施例3による窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、前述の実施形態3による窒化物半導体発光素子の製造方法に対応している。すなわち、本実施例3は、実施例1に比べて、第1の成長中断工程と障壁層形成工程との間において第3の成長中断工程を加えたことのみにおいて異なっている。 The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to Example 3 of the present invention corresponds to the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 described above. That is, the third embodiment is different from the first embodiment only in that a third growth interruption step is added between the first growth interruption step and the barrier layer formation step.
本実施例3においてInGaN井戸層を形成する井戸層形成工程では、780℃の温度において、TMIとTMGのIII族元素原料(図2中の101参照)、3L/分のアンモニアガス(図2中の102参照)、および、9L/分の窒素からなるキャリアガス(図2中の103参照)を供給して、厚さ2.5nmのアンドープInGaN井戸層を形成した。 In the well layer forming step of forming the InGaN well layer in Example 3, at a temperature of 780 ° C., a group III element raw material of TMI and TMG (see 101 in FIG. 2), 3 L / min ammonia gas (in FIG. 2) 102) and a carrier gas composed of 9 L / min of nitrogen (see 103 in FIG. 2) were supplied to form an undoped InGaN well layer having a thickness of 2.5 nm.
続いて、本実施例3の第1の成長中断工程では、同じ780℃の温度おいて、TMAとTMGのIII族元素原料(図3中の111参照)を用い、3L/分のアンモニアガス(図3中の112参照)と6.5L/分の窒素と2.5L/分の水素からなるキャリアガス(図3中の113参照)を供給して、0.5nmのアンドープGaN層/0.5nmのAl0.01Ga0.99N層からなる保護層を形成した。 Subsequently, in the first growth interruption step of the present Example 3, at the same temperature of 780 ° C., using TMA and TMG group III element materials (see 111 in FIG. 3), an ammonia gas of 3 L / min ( 112) in FIG. 3) and a carrier gas (see 113 in FIG. 3) consisting of 6.5 L / min of nitrogen and 2.5 L / min of hydrogen is supplied to form a 0.5 nm undoped GaN layer / 0. A protective layer consisting of a 5 nm Al 0.01 Ga 0.99 N layer was formed.
本実施例3の第1の成長中断工程では、同じ780℃の温度おいて、TMAとTMGのIII族元素原料の供給を停止し、9L/分のアンモニアガス(図4中の122参照)とともに、8L/分の窒素と1L/分の水素からなるキャリアガス(図4中の123参照)を供給しながら、結晶成長を30秒間(第1の時間)中断した。 In the first growth interruption step of Example 3, at the same temperature of 780 ° C., the supply of the group III element raw materials of TMA and TMG is stopped, together with 9 L / min of ammonia gas (see 122 in FIG. 4). The crystal growth was interrupted for 30 seconds (first time) while supplying a carrier gas (see 123 in FIG. 4) consisting of 8 L / min nitrogen and 1 L / min hydrogen.
次に、第3の成長中断工程では、同じ780℃の温度おいて、第1の成長中断工程に引き続いてTMAとTMGの供給を停止したまま、3L/分のアンモニアガス(図7中の152参照)と、7.5L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図7中の153参照)を供給し、結晶成長を3秒間(第3の時間)中断した。 Next, in the third growth interruption process, at the same temperature of 780 ° C., ammonia gas (152 in FIG. 7) is supplied at the same temperature of 780 ° C. while the supply of TMA and TMG is stopped following the first growth interruption process. And a carrier gas (see 153 in FIG. 7) composed of 7.5 L / min of nitrogen and 0.5 L / min of hydrogen was supplied, and the crystal growth was interrupted for 3 seconds (third time).
本実施例3の障壁層形成工程では、同じ780℃の温度おいて、TMA,TMIとTMGのIII族元素原料(図5中の131参照)と、3L/分のアンモニアガス(図5中の132参照)、および5.5L/分の窒素と2.5L/分の水素からなるキャリアガス(図5中の133参照)を供給して、厚み30nmのAl0.05In0.02Ga0.93N障壁層を形成した。発光層中の井戸層の数は2層である。 In the barrier layer forming step of Example 3, at the same temperature of 780 ° C., the group III element raw materials of TMA, TMI and TMG (see 131 in FIG. 5) and 3 L / min of ammonia gas (in FIG. 5) 132), and a carrier gas composed of 5.5 L / min nitrogen and 2.5 L / min hydrogen (see 133 in FIG. 5) to supply an Al 0.05 In 0.02 Ga 0.93 N barrier layer having a thickness of 30 nm. Formed. The number of well layers in the light emitting layer is two.
以上のような本実施例3によって得られた窒化物半導体レーザ素子おいては、高いIn組成比を有する井戸層において生じやすい非発光領域が存在せず、450nmの波長で発振させることができた。そして、井戸層中で非発光領域がなくなったことにより、素子歩留まりと発光効率が大幅に向上した。また、発光層の各層の界面の平坦性の向上に伴い、レーザ発振寿命が向上した。 In the nitride semiconductor laser device obtained according to Example 3 as described above, there was no non-light-emitting region likely to occur in the well layer having a high In composition ratio, and oscillation was possible at a wavelength of 450 nm. . In addition, since the non-light emitting region is eliminated in the well layer, the device yield and the light emission efficiency are greatly improved. Further, the laser oscillation lifetime was improved with the improvement of the flatness of the interface of each layer of the light emitting layer.
本発明の実施例4による窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、前述の実施形態4による窒化物半導体発光素子の製造方法に対応している。すなわち、本実施例4は、実施例2に比べて、第2の成長中断工程と障壁層形成工程との間において第3の成長中断工程を加えたことのみにおいて異なっている。 The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to Example 4 of the present invention corresponds to the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to Embodiment 4 described above. That is, Example 4 is different from Example 2 only in that a third growth interruption process is added between the second growth interruption process and the barrier layer formation process.
本実施例4においてInGaN井戸層を形成する井戸層形成工程では、700℃の基板温度において、TMIとTMGのIII族元素原料(図2中の101参照)、3L/分のアンモニアガス(図2中の102参照)、および、9L/分の窒素のキャリアガス(図2中の103参照)を供給して、厚さ1nmのアンドープInGaN井戸層を形成した。 In the well layer forming step of forming the InGaN well layer in Example 4, at a substrate temperature of 700 ° C., a group III element material of TMI and TMG (see 101 in FIG. 2), 3 L / min ammonia gas (FIG. 2) 102) and a nitrogen carrier gas of 9 L / min (see 103 in FIG. 2) were supplied to form an undoped InGaN well layer having a thickness of 1 nm.
続いて、本実施例4の保護層形成工程では、同じ700℃の温度おいて、TMAとTMGのIII族元素原料(図3中の111参照)を用い、3L/分のアンモニアガス(図3中の112参照)と9L/分の窒素からなるキャリアガス(図3中の113参照)を供給して、0.78nmのアンドープGaN保護層を形成した。 Subsequently, in the protective layer forming step of Example 4, at a temperature of 700 ° C., TMA and TMG group III element materials (see 111 in FIG. 3) were used, and an ammonia gas of 3 L / min (FIG. 3). 112) and a carrier gas composed of 9 L / min nitrogen (see 113 in FIG. 3) was supplied to form a 0.78 nm undoped GaN protective layer.
本実施例4の第1の成長中断工程では、同じ700℃の温度おいて、TMGのIII族元素原料の供給を停止し、6L/分のアンモニアガス(図4中の122参照)ともに、8L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図4中の123参照)を供給しながら、結晶成長を40秒間(第1の時間)中断した。 In the first growth interruption step of the present Example 4, at the same temperature of 700 ° C., the supply of the TMG group III element material was stopped, and 8 L of ammonia gas (see 122 in FIG. 4) of 6 L / min. Crystal growth was interrupted for 40 seconds (first time) while supplying a carrier gas (see 123 in FIG. 4) composed of nitrogen / min and hydrogen of 0.5 L / min.
次に、第2の成長中断工程では、同じ700℃の温度おいて、第1の成長中断工程に引き続いてTMGの供給を停止したまま、6L/分のアンモニアガス(図5中の142参照)、および、11L/分の窒素からなるキャリアガス(図5中の143参照)を供給し、結晶成長をさらに80秒間(第2の時間)中断した。
Next, in the second growth interruption process, at the same temperature of 700 ° C., ammonia gas of 6 L / min (see
次に、第3の成長中断工程では、同じ700℃の温度おいて、第2の成長中断工程に引き続いてTMGの供給を停止したまま、3L/分のアンモニアガス(図6中の152参照)とともに、7.5L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図6中の153参照)を供給し、結晶成長をさらに3秒間(第3の時間)中断した。 Next, in the third growth interruption step, at the same temperature of 700 ° C., 3 L / min of ammonia gas (see 152 in FIG. 6) while stopping the supply of TMG following the second growth interruption step. At the same time, a carrier gas composed of 7.5 L / min nitrogen and 0.5 L / min hydrogen (see 153 in FIG. 6) was supplied, and the crystal growth was further interrupted for 3 seconds (third time).
本実施例4の障壁層形成工程では、同じ700℃の温度おいて、TMIとTMGのIII族元素原料(図5中の131参照)、3L/分のアンモニアガス(図5中の132参照)、および7.5L/分の窒素と0.5L/分の水素からなるキャリアガス(図5中の133参照)を供給して、10nmのInGaN層/5nmのGaN層/10nmのInGaN層からなる障壁層を形成した。発光層中の井戸層の数は5層である。 In the barrier layer forming step of Example 4, at the same temperature of 700 ° C., Group III element raw materials of TMI and TMG (see 131 in FIG. 5), 3 L / min ammonia gas (see 132 in FIG. 5) And a carrier gas composed of 7.5 L / min nitrogen and 0.5 L / min hydrogen (see 133 in FIG. 5) to form a 10 nm InGaN layer / 5 nm GaN layer / 10 nm InGaN layer A barrier layer was formed. The number of well layers in the light emitting layer is five.
以上のような本実施例4によって得られた窒化物半導体レーザ素子おいては、高いIn組成比を有する井戸層において生じやすい非発光領域が存在せず、490nmの波長で発振させることができた。そして、井戸層中で非発光領域がなくなったことにより、素子歩留まりと発光効率が大幅に向上した。また、発光層の各層の界面の平坦性の向上に伴い、レーザ発振寿命が向上した。 In the nitride semiconductor laser device obtained according to Example 4 as described above, there was no non-light-emitting region likely to occur in a well layer having a high In composition ratio, and oscillation was possible at a wavelength of 490 nm. . In addition, since the non-light emitting region is eliminated in the well layer, the device yield and the light emission efficiency are greatly improved. Further, the laser oscillation lifetime was improved with the improvement of the flatness of the interface of each layer of the light emitting layer.
なお、以上において開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。そして、本発明の範囲は、上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed above are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明よる窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体レーザ素子だけでなく、窒化物半導体発光ダイオード素子、窒化物半導体スーパールミネッセントダイオード素子などの様々な窒化物半導体発光素子の形成に適用することが可能である。これらの発光素子は、蛍光体と組み合わせた高輝度白色光源装置、高輝度の青色または緑色光源装置、RGB(赤緑青)光源を含む光ディスプレイ装置、RGB光源を含むレーザプロジェクタなどの種々の発光装置に適用することができる。 The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is not limited to the formation of a nitride semiconductor laser device, but also various nitride semiconductor light emitting devices such as a nitride semiconductor light emitting diode device and a nitride semiconductor superluminescent diode device. It is possible to apply. These light emitting elements include various light emitting devices such as a high luminance white light source device combined with a phosphor, a high luminance blue or green light source device, an optical display device including an RGB (red green blue) light source, and a laser projector including an RGB light source. Can be applied to.
10 窒化物半導体発光素子、11 (n型GaN)基板、12 n型窒化物半導体層、13 発光層、13a 井戸層、13b 保護層、13c 障壁層、14 p型窒化物半導体層、20 凸領域、21 凹領域、101,111,131 III族元素原料、102,112,122,132,142,152 アンモニアガス、103,113,123,133,143,153 キャリアガス、201 n型GaN層、202 n型AlGaNクラッド層、203 n型GaN光ガイド層、204 アンドープInGaN光ガイド層、205 中間層、206 p型AlGaNキャリアブロック層、207 p型AlGaNクラッド層、208 p型GaNコンタクト層。
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記発光層は、窒化物半導体からなる1以上の井戸層、窒化物半導体からなる1以上の障壁層、および、前記井戸層と前記障壁層との間に接して設けられる窒化物半導体からなる1つ以上の保護層を含み、430nm以上の発光波長を有するものであり、
InとGaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素を含むキャリアガスを供給して前記井戸層を形成する井戸層形成工程と、
Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素を含むキャリアガスを供給して前記保護層を形成する保護層形成工程と、
前記Gaを含むIII族元素原料の供給を停止し、アンモニアガス、および、窒素と水素を含むキャリアガスを供給して、所定の時間、結晶成長を中断させる第1の成長中断工程と、
前記Gaを含むIII族元素原料、アンモニアガス、および、窒素と水素を含むキャリアガスを供給して前記障壁層を形成する障壁層形成工程とをこの順に含むことを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。 Manufacturing method of nitride semiconductor light emitting device including n-type nitride semiconductor layer, p-type nitride semiconductor layer, and light emitting layer formed between said n-type nitride semiconductor layer and said p-type nitride semiconductor layer Because
The light emitting layer includes one or more well layers made of a nitride semiconductor, one or more barrier layers made of a nitride semiconductor, and 1 made of a nitride semiconductor provided in contact with the well layer and the barrier layer. Including one or more protective layers and having an emission wavelength of 430 nm or more,
A well layer forming step of supplying a group III element source material containing In and Ga, ammonia gas, and a carrier gas containing nitrogen to form the well layer;
A protective layer forming step of forming a protective layer by supplying a Group III element source material containing Ga, ammonia gas, and a carrier gas containing nitrogen; and
A first growth interruption step of stopping the crystal growth for a predetermined time by stopping supply of the Group III element material containing Ga and supplying a carrier gas containing ammonia gas and nitrogen and hydrogen;
A nitride semiconductor light emitting device comprising: a group III element source material containing Ga, ammonia gas, and a barrier layer forming step for forming the barrier layer in this order by supplying a carrier gas containing nitrogen and hydrogen Device manufacturing method.
1以上の井戸層、1以上の障壁層、および、前記井戸層と前記障壁層との間に接して設けられた1以上の保護層を含み、
前記井戸層の基板側の主面と前記障壁層とが接する界面は実質的に平坦であって、前記井戸層の他方の主面は前記保護層に覆われており、前記井戸層の他方の主面と前記保護層とが接する界面の断面形状は波形状であることを特徴とする、窒化物半導体発光層。 A nitride semiconductor light emitting layer formed on the surface of a substrate,
Including one or more well layers, one or more barrier layers, and one or more protective layers provided between and in contact with the well layers and the barrier layers,
The interface between the main surface of the well layer on the substrate side and the barrier layer is substantially flat, the other main surface of the well layer is covered with the protective layer, and the other surface of the well layer A nitride semiconductor light emitting layer, characterized in that the cross-sectional shape of the interface between the main surface and the protective layer is a wave shape.
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