JP2014207328A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents
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Abstract
【課題】ピーク発光波長が500nm以上の光を発生する発光層における結晶品質を向上させることができる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】ピーク発光波長が500nm以上の光を発生し、InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)層を有する発光層を含むIII族窒化物半導体層3を備える発光ダイオードにおいて、III族窒化物半導体層3の表面(成長面)3aを、c面{0001}に対してm軸[1−100]のオフ方向に0.3?以上のオフ角θで傾斜した面とする。【選択図】図3A semiconductor light emitting device capable of improving crystal quality in a light emitting layer that emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more. In a light emitting diode including a group III nitride semiconductor layer 3 that emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more and includes a light emitting layer having an InxGa1-xN (x = 0.18 to 0.23) layer. The surface (growth surface) 3a of group III nitride semiconductor layer 3 is a surface inclined at an off angle θ of 0.3? Or more in the off direction of the m-axis [1-100] with respect to c-plane {0001}. . [Selection] Figure 3
Description
本発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子(発光ダイオード、レーザダイオード等)に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device (light emitting diode, laser diode, etc.) using a group III nitride semiconductor.
従来、n型層およびp型層で挟まれた発光層(活性層)を有するIII族窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体層の結晶品質を向上させる目的で、窒化物半導体層を支持する基板にオフ角を設けることが知られている。
たとえば、特許文献1には、m面に対して少なくともa軸方向にオフ角を有する基板上に、窒化物半導体層、n型AlInGaN層、活性層、p型AlInGaNからなるキャリアブロック層、p型AlInGaNおよびp型AlInGaNからなるp型コンタクト層をこの順に配置することが開示されている。
Conventionally, in a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer (active layer) sandwiched between an n-type layer and a p-type layer, the nitride semiconductor layer is supported for the purpose of improving the crystal quality of the nitride semiconductor layer. It is known to provide an off-angle on a substrate.
For example,
しかしながら、基板の主面の面方位およびオフ角は、その上に結晶成長される窒化物半導体層の組成によって最適値が変動するものである。そのため、たとえば、ピーク発光波長が500nm以上の発光層を、特許文献1に記載の基板上に結晶成長させても、その結晶品質を向上させることは困難である。また、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生する発光層の結晶品質を改善する手法は、未だ確立されているとは言えない。
However, the optimum values of the plane orientation and off-angle of the main surface of the substrate vary depending on the composition of the nitride semiconductor layer on which the crystal is grown. Therefore, for example, even when a light emitting layer having a peak emission wavelength of 500 nm or more is grown on a substrate described in
そこで、本発明の目的は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生する発光層における結晶品質を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。
また、本発明の他の目的は、前記発光層の結晶品質の向上によって、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the crystal quality in a light emitting layer that generates light having a peak emission wavelength of 500 nm or more.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the light emission efficiency by improving the crystal quality of the light emitting layer.
上記の目的を達成するための請求項1に記載の発明は、III族窒化物半導体からなり、少なくともn型層と、p型層と、前記n型層および前記p型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、InxGa1−xN(x=0.18〜0.30)層を有し、前記III族窒化物半導体層の成長面が、c面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜した面である、半導体発光素子である。
In order to achieve the above object, an invention according to
この構成によれば、III族窒化物半導体層の成長面がc面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜しているため、III族窒化物半導体層の成長時、InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)を良好な結晶品質で成長させることができる。これにより、当該InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)層を有する発光層の結晶品質を向上させることができる。その結果、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。 According to this configuration, since the growth surface of the group III nitride semiconductor layer is inclined with an off angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane, the In x Ga 1 is grown during the growth of the group III nitride semiconductor layer. -x N a (x = 0.18~0.23) can be grown with good crystalline quality. Thus, it is possible to improve the crystal quality of the In x Ga 1-x N ( x = 0.18~0.23) emission layer having a layer. As a result, the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device can be improved.
請求項2に記載の発明のように、前記III族窒化物半導体層の前記成長面は、c面に対して少なくともm軸方向に0.3°以上のオフ角で傾斜した面であることが好ましい。また、請求項3に記載の発明のように、c面に対する前記III族窒化物半導体層の前記成長面のa軸方向のオフ角は、0°であることが好ましい。
請求項4に記載の発明は、前記半導体発光素子は、c面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜した主面を有する六方晶系の基板をさらに含み、前記III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に結晶成長された層である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
According to a second aspect of the present invention, the growth surface of the group III nitride semiconductor layer is a surface inclined at an off angle of 0.3 ° or more in at least the m-axis direction with respect to the c-plane. preferable. Further, as in the invention described in
According to a fourth aspect of the present invention, the semiconductor light emitting device further includes a hexagonal substrate having a main surface inclined at an off angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane, and the group III nitride semiconductor 4. The semiconductor light emitting element according to
この構成によれば、基板の主面がc面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜しているため、この上に、c面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜した成長面を有するIII族窒化物半導体層を、簡単に結晶成長させることができる。
請求項5に記載の発明は、前記基板がサファイア基板である、請求項4に記載の半導体発光素子である。
According to this configuration, since the main surface of the substrate is inclined with an off angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane, the substrate is inclined with an off-angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane. The group III nitride semiconductor layer having the grown surface can be easily crystal-grown.
The invention according to
この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
請求項6に記載の発明は、前記III族窒化物半導体層の前記成長面のオフ角が0.35°以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
According to this configuration, the group III nitride semiconductor layer having the light emitting layer with improved light emission efficiency can be formed on the sapphire substrate. Further, it is not necessary to use a special substrate, and an inexpensive sapphire substrate is sufficient, so that the manufacturing cost can be reduced.
The invention according to
この構成によれば、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
請求項7に記載の発明のように、前記発光層は、InGaNからなる量子井戸層と、GaNからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有していることが好ましい。
請求項8に記載の発明は、前記半導体発光素子は、前記発光層の下地層として、InGaN層とGaN層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
According to this configuration, the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element can be further improved.
Preferably, the light emitting layer has a multiple quantum well structure in which quantum well layers made of InGaN and barrier layers made of GaN are alternately stacked at a predetermined period. .
The invention according to
この構成によれば、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
請求項9に記載の発明は、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生するものである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
According to this configuration, when the light emitting layer is crystal-grown from the n-type layer or p-type layer side, the intermediate buffer layer is grown prior to the growth of the light emitting layer, so that the lattice size at the start of the light emitting layer growth can be increased. Change can be moderated. Therefore, introduction of lattice defects into the stress relaxation layer can be reduced.
The invention according to
この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。 According to this configuration, a semiconductor light emitting element having a light emitting layer that efficiently generates green light can be provided.
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード1は、サファイア基板2上に、III族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層3を成長させて構成された素子本体を有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
A light-
III族窒化物半導体層3は、サファイア基板2側から順に、本発明のn型層の一例としてのn型低温GaNバッファ層31およびn型GaNコンタクト層32、中間バッファ層33、発光層34、ならびに、本発明のp型層の一例としてのp型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36を積層した積層構造を有している。III族窒化物半導体層3には、断面がほぼ矩形となるようにp型GaNコンタクト層36からn型GaNコンタクト層32が露出する深さまで選択的に除去(たとえば、エッチング)することによって凹部4が形成されている。そして、n型GaNコンタクト層32は、III族窒化物半導体層3の片側から、サファイア基板2の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部5を有している。
The group III
p型GaNコンタクト層36層の表面には、p型電極(アノード電極)6が接合されており、n型GaNコンタクト層32の引き出し部5には、n型電極(カソード電極)7が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
サファイア基板2は、支持基板(配線基板)8に接合されている。支持基板8の表面には、配線9,10が形成されている。そして、p型電極6と配線9とがボンディングワイヤ11で接続されており、n型電極7と配線10とがボンディングワイヤ12で接続されている。さらに、図示は省略するが、発光ダイオード1の構造と、ボンディングワイヤ11,12とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード1のパッケージ(ダイオードパッケージ)が構成されている。
A p-type electrode (anode electrode) 6 is joined to the surface of the p-type
The
n型低温GaNバッファ層31は、たとえば、400℃〜700℃のウエハ温度で結晶成長されたアンドープ(ドーパントがドープされていない)GaN層からなる。層厚は、数十nmとすることが好ましい。
n型GaNコンタクト層32は、たとえば、シリコンをn型ドーパントとして添加したn型GaN層からなる。層厚は3μm以上、具体的には、3μm〜7μmとすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、1×1018cm−3程度とされる。
The n-type low-temperature
The n-type
中間バッファ層33は、たとえば、シリコンをドープしたInGaN層(たとえば4nm厚程度)とGaN層(たとえば2nm厚程度)とを交互に所定周期(たとえば5周期程度)積層した超格子構造を有している。この実施形態では、InGaN層がInzGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示される層であり、GaN層は、Inを全く含んでいない層である。なお、GaN層は、中間バッファ層33のInGaN層のIn組成比率(z)よりも小さい範囲で、若干のIn含んでいてもよい。
The
発光層34は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、好ましくは、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生する。ここでピーク発光波長とは、発光層34から放出される光のうち、最も強度の高い光(メインピーク)の波長のことを指し、放出された光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。したがって、当該スペクトル分布において、最大ピークの他にノイズレベルのピークが現れていても、ノイズレベルのピーク発光波長は、この実施形態における「ピーク発光波長」に含まれるものではない。
The
発光層34は、たとえば、シリコンをドープしたInGaN層14(量子井戸層:たとえば3nm厚程度)とGaN層13(バリア層:たとえば14nm厚程度)とを交互に所定周期(たとえば8周期(8ペア)程度)積層した多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有している。この実施形態では、InGaN層14がInxGa1−xN(x=0.18〜0.23)で示される層であり、GaN層13が、Inを全く含んでいない層である。なお、InGaN層14におけるIn組成比率(x)は、この実施形態では0.18(18%)〜0.23(23%)としているが、0.18(18%)〜0.30(30%)であってもよい。この実施形態では、複数のInGaN層14は、III族窒化物半導体層3の積層方向において、一定のIn組成比率(x)を有している。たとえば、8つのInGaN層14のIn組成比率(x)は、すべて0.2(20%)となっていてもよい。また、発光層34の全体の厚さ(総厚さ)は、たとえば、60nm〜150nmである。
The
なお、複数のInGaN層14は、III族窒化物半導体層3の積層方向においてIn組成比率(x)が変化する順序で積層されていてもよい。たとえば、サファイア基板2から遠いほどIn組成比率(x)が大きくなる順序、または小さくなる順序で積層されていてもよい。
さらに発光層34は、InGaN層14およびGaN層13からなる多重量子井戸構造と、p型AlGaN電子阻止層35との間に、GaNファイナルバリア層15(たとえば10nm厚程度)を有している。GaNファイナルバリア層15は、たとえば、アンドープ(ドーパントがドープされていない)GaN層からなる。
The plurality of InGaN layers 14 may be stacked in the order in which the In composition ratio (x) changes in the stacking direction of the group III
Further, the
p型AlGaN電子阻止層35は、たとえば、p型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したAlGaN層からなる。層厚は3nm以上、具体的には、5nm〜30nmとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、3×1019cm−3程度とされる。
p型GaNコンタクト層36は、たとえば、p型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は0.1μm以上、具体的には、0.2μm〜0.5μmとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、1020cm−3程度とされる。p型GaNコンタクト層36の表面はIII族窒化物半導体層3の表面3aをなし、この表面3aは鏡面となっている。この表面3aは、発光層34で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
The p-type AlGaN
The p-type
p型電極6およびn型電極7は、たとえば、Ti層とAl層とから構成される膜である。なお、p型電極6とp型GaNコンタクト層36との間には、III族窒化物半導体層3の表面3aのほぼ全域に、アノードコンタクトのための透明電極が形成されていてもよい。このような透明電極は、たとえば、Ni層とAu層とから構成される透明な薄い金属層、ZnO層等で構成することができる。
The p-
サファイア基板2は、極性面(この実施形態ではc面)を主面2aとするサファイア単結晶からなる基板である。具体的には、サファイア基板2の主面2aは、極性面の面方位から0.3°以上のオフ角、より好ましくは、m軸方向に0.3°以上、さらに好ましくは、m軸方向に0.3°〜0.5°のオフ角を有する面である。したがって、サファイア基板2上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層3の成長主面(表面3a)は、サファイア基板2の主面2aと同じ面、すなわち、極性面(この実施形態ではc面)となっている。また、サファイア基板2の厚さは、600μm以上、具体的には、650μm〜1000μmとすることが好ましい。なお、発光ダイオード1においては、サファイア基板2に代えて、たとえば、GaN基板、ZnO基板、AlN基板、SiC基板等の六方晶系の基板を使用することができる。
The
図2は、サファイアの結晶構造のユニットセルを表した模式図である。図3は、図1のサファイア基板およびIII族窒化物半導体層の要部拡大図である。
図2に示すように、サファイア単結晶の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、1つのアルミニウム(Al)原子に対して4つの酸素(O)原子が結合している。4つの酸素原子は、アルミニウム原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの酸素原子は、1つのアルミニウム原子が酸素原子に対して+c軸[0001]方向に位置し、他の3つの酸素原子がアルミニウム原子に対して−c軸[000−1]側に位置している。このような構造のために、サファイア単結晶では、分極方向がc軸に沿っている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a unit cell having a sapphire crystal structure. FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the sapphire substrate and the group III nitride semiconductor layer of FIG.
As shown in FIG. 2, the crystal structure of a sapphire single crystal can be approximated by a hexagonal system, and four oxygen (O) atoms are bonded to one aluminum (Al) atom. The four oxygen atoms are located at the four vertices of a regular tetrahedron in which an aluminum atom is arranged in the center. Of these four oxygen atoms, one aluminum atom is positioned in the + c axis [0001] direction with respect to the oxygen atom, and the other three oxygen atoms are on the −c axis [000-1] side with respect to the aluminum atom. positioned. Due to such a structure, in the sapphire single crystal, the polarization direction is along the c-axis.
c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面でサファイア単結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はアルミニウム原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は酸素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。 The c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal is the c-plane {0001}. When the sapphire single crystal is cleaved by two planes parallel to the c plane, the + c axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which aluminum atoms are arranged, and the −c axis side plane (−c plane) contains oxygen atoms. It becomes a lined crystal plane. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.
また、+c軸に垂直であり、かつ+c面の真上から見た場合において六角柱の互いに隣り合わない頂点を通る方向がそれぞれ、a1軸[1000]、a2軸[0100]およびa3軸[0010]である。
一方、六角柱の側面がそれぞれm面{10-10}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11-20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。また、m面に垂直な方向が、m軸[1−100]である。
In addition, the directions passing through the apexes that are not adjacent to each other in the hexagonal column when viewed from directly above the + c plane and the + c axis are the a1 axis [1000], a2 axis [0100], and a3 axis [0010], respectively. ].
On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes {10-10}, respectively, and the planes passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other are a-planes {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. The direction perpendicular to the m-plane is the m-axis [1-100].
さらに、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、図2の右側に示すように、{10−11}面、(10−13)面などの面である。
そして、サファイア基板2の主面2aは、前述したように、c面{0001}に対してm軸[1−100]方向に0.3°以上のオフ角θで傾斜した面となっている。また、c面{0001}に対するサファイア基板2の主面2aのa1軸[1000]、a2軸[0100]およびa3軸[0010]方向のオフ角は、0°となっている。
Furthermore, since the crystal plane inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) intersects the polarization direction obliquely, it has a slightly polar plane, that is, a semipolar plane (Semipolar plane). Plane). Specific examples of the semipolar plane are planes such as {10-11} plane and (10-13) plane as shown on the right side of FIG.
And as mentioned above, the
図3に示すように、サファイア基板2の主面2aは、その法線nの方向がc軸[0001]軸方向と一致しておらず、c面{0001}に対してm軸[1−100]のオフ方向に0.3°以上のオフ角θで傾斜している。オフ方向とは、図2に示すように、c軸[0001]に対するサファイア基板2の法線nの傾斜する方向を指し、c軸[0001]から法線nをc面{0001}に投影(射影)したベクトルの向きで示されるものである。すなわち、この実施形態では、法線nの投影ベクトルの向きが、m軸[1−100]に一致している。
As shown in FIG. 3, the
これにより、サファイア基板2は、c面{0001}から構成される平坦なテラス面16と、主面2aがc面{0001}に対して傾斜すること(オフ角θ)により生じるテラス面16の段差部分とから形成され、段差部分はm軸[1−100]に垂直なm面{10-10}であるステップ面17を有している。段差部分の高さ(ステップ高さh)は、1つのアルミニウム原子の上に酸素原子が結合したAl−Oペアのレイヤ18(bi-layer)に相当する。
As a result, the
各レイヤ18のステップ面17は、m軸[1−100]軸方向にテラス面16の幅wを保ちながら、規則的に並ぶことになる。また、ステップ面17のステップエッジとなるステップライン19は、m軸[1−100]方向と垂直の関係を保ちながら(言い換えれば、m軸[1−100]方向と平行の関係を保ちながら)、テラス面16の幅wを取りながら平行に並ぶようになる。
The step surfaces 17 of the
そして、III族窒化物半導体層3は、サファイア基板2のテラス面16およびステップ面17を保ちながら、各レイヤ18がm軸[1−100]方向に沿って横方向に結晶成長することにより形成されている。各レイヤ18の成長方向の幅(ステップ成長幅S)は、III族窒化物半導体層3の厚さt2を用いて、t2/sinθで表すことができる。また、III族窒化物半導体層3の表面3a(エピ成長表面)での、各レイヤ18の成長方向の幅(ステップ進行幅L)は、t2/tanθで表すことができる。また、ステップ成長幅Sは、ステップ進行幅Lに近似できる。角度の単位がラジアンであれば、t2/sinθ≒t2/tanθ≒t2/θとなる。ステップ成長幅Sは、III族窒化物半導体層3の厚さt2に応じて厚くなる。
The group III
図4は、III族窒化物半導体層3を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。
図4に示すように、処理装置の処理室20内に、ヒータ21を内蔵したサセプタ22が配置されている。サセプタ22は、回転軸23に結合されており、この回転軸23は、処理室20外に配置された回転駆動機構24によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ22に処理対象のウエハ25を保持させることにより、処理室20内でウエハ25を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ25は、前述のサファイア基板2を構成するサファイア単結晶ウエハである。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a configuration of a processing apparatus for growing each layer constituting the group III
As shown in FIG. 4, a
処理室20には、排気配管26が接続されている。排気配管26はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室20内の圧力は、1/10気圧〜常圧力(好ましくは1/5気圧程度)とされ、処理室20内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室20には、サセプタ22に保持されたウエハ25の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路40が導入されている。この原料ガス供給路40には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管41と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)を供給するガリウム原料配管42と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給するアルミニウム原料配管43と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム(TMIn)を供給するインジウム原料配管44と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を供給するマグネシウム原料配管45と、シリコンの原料ガスとしてのシラン(SiH4)を供給するシリコン原料配管46とが接続されている。これらの原料配管41〜46には、それぞれバルブ51〜56が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
An
On the other hand, a raw material
そして、サファイア基板2上にIII族窒化物半導体層3を結晶成長させるには、c面{0001}を主面とするサファイア単結晶ウエハをウエハ25としてサセプタ22に保持させる。この状態で、バルブ52〜56は閉じておき、窒素原料バルブ51を開いて、処理室20内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス(窒素原料ガス)が供給される。さらに、ヒータ21への通電が行われ、ウエハ温度(基板温度)が1000℃〜1100℃(たとえば、1050℃程度)まで昇温される。これにより、ウエハ25の表面の荒れを生じさせることなく、III族窒化物半導体が成長できるようになる。
In order to grow the group III
次に、ウエハ温度が400℃〜700℃となるように設定した後、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、ウエハ25の表面に、アンドープのGaN層からなる低温GaNバッファ層31が成長する。
次に、ウエハ温度が1000℃〜1100℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびシリコン原料バルブ56が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ25の表面に、シリコンがドープされたGaN層からなるn型GaNコンタクト層32が成長する。
Next, after setting the wafer temperature to be 400 ° C. to 700 ° C., the
Next, after waiting until the wafer temperature reaches 1000 ° C. to 1100 ° C., the
次の工程は、中間バッファ層33の形成工程である。具体的には、アルミニウム原料バルブ53およびシリコン原料バルブ56が閉じられ、超格子構造の成長が行われる。超格子構造の成長は、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ25へと供給することによりInGaN層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ25へと供給することにより、アンドープのGaN層を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、GaN層を始めに形成し、その上にInGaN層を形成する。これを5回に渡って繰り返し行う。中間バッファ層33の形成時には、ウエハ25の温度は、たとえば、740℃〜850℃(たとえば780℃程度)とされることが好ましい。
The next step is a step of forming the
次の工程は、発光層34の形成工程である。発光層34の工程も中間バッファ層33と同様に、アルミニウム原料バルブ53およびシリコン原料バルブ56が閉じられ、多重量子井戸構造の成長が行われる。多重量子井戸構造の成長は、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ25へと供給することによりInGaN層14を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ25へと供給することにより、アンドープのGaN層13を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、GaN層13を始めに形成し、その上にInGaN層14を形成する。これを8回に渡って繰り返し行った後、最後に、InGaN層14上にGaNファイナルバリア層15が形成される。発光層34の形成時には、ウエハ25の温度は、たとえば、700℃〜800℃とされることが好ましい。
The next step is a step of forming the
次に、p型AlGaN電子阻止層35が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52、アルミニウム原料バルブ53およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ54,56が閉じられる。これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたAlGaN層からなるp型AlGaN電子阻止層35が形成されることになる。このp型AlGaN電子阻止層35の形成時には、ウエハ25の温度は、1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, the p-type AlGaN
次に、p型GaNコンタクト層36が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ53,54,56が閉じられる。これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたGaN層からなるp型GaNコンタクト層36が形成されることになる。p型GaNコンタクト層36の形成時には、ウエハ25の温度は、 1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, the p-type
こうして、ウエハ25上にIII族窒化物半導体層3が成長させられると、このウエハ25は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図1に示すように、n型GaNコンタクト層32を露出させるための凹部4が形成される。凹部4は、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36をメサ形に整形するものであってもよい。
When the group III
次に、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、p型電極6およびn型電極7が形成される。これにより、図1に示す発光ダイオード1構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ25の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード1のパッケージが作製される。
Next, the p-
After such a wafer process, individual elements are cut out by cleaving the
以上のように、発光ダイオード1によれば、図3に示すように、III族窒化物半導体層3の成長面3aが、c面{0001}に対してm軸[1−100]方向に0.3°以上のオフ角θで傾斜している。これにより、III族窒化物半導体層3のテラス面16の幅wを、In原子のマイグレーション距離に適した大きさにすることができる。そのため、発光層34の成長時、InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)中のIn原子を、III族窒化物半導体を構成する結晶格子(六方晶格子)において最適なサイトに配置することができる。その結果、発光層34を良好な結晶品質で成長させることができるので、発光ダイオード1の発光効率を向上させることができる。
As described above, according to the
また、この実施形態によれば、サファイア基板2上に、前述のように発光効率の向上した発光層34を有するIII族窒化物半導体層3を形成することができる。特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
また、この実施形態では、発光層34の下地層として、InzGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示されるInGaN層を有する中間バッファ層33が形成されている。そのため、サファイア基板2上に発光層34を結晶成長させる際、発光層34の成長に先立って中間バッファ層33を成長させることによって、発光層34の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、発光層34への格子欠陥の導入を低減することができる。
Further, according to this embodiment, the group III
In this embodiment, an
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、III族窒化物半導体層3の表面3a(成長面)のオフ角θが、c面{0001}に対してm軸[1−100]方向に0.3°以上である場合を例としてとりあげたが、オフ角θは、たとえば、c面{0001}に対してa1軸[1000]、a2軸[0100]またはa3軸[0010]方向に0.3°以上であってもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, in the above-described embodiment, the off angle θ of the
また、前述の実施形態では、発光ダイオードに本発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a light-emitting diode has been described. However, the present invention can also be applied to other types of light-emitting elements such as a nitride semiconductor laser element.
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
次に、以下の実施例を行うことによって、本発明に係る発光ダイオードの効果を確認した。
(1)緑色発光ダイオードにおける発光効率の向上効果
まず、主面2aのオフ角θがそれぞれ、c面{0001}に対してm軸[1−100]方向に0.25°、0.35となるようにサファイア単結晶ウエハ25を切り出した。そして、各サファイア単結晶ウエハ25の主面2a上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層3を形成した。これにより得られたものをサンプル1とした。
Next, the effect of the light emitting diode according to the present invention was confirmed by carrying out the following examples.
(1) Effect of Improving Luminous Efficiency in Green Light-Emitting Diode First, the off angle θ of the
一方、サンプル1とは異なる環境(温度、装置等)において、オフ角θが図5に示す大きさとなるようにサファイア単結晶ウエハ25を切り出し、このサファイア単結晶ウエハ25を用いて得られたサンプルをサンプル2〜4とした。
そして、これらサンプル1〜4の裏面出力を、裏面プローバ(緑色光:主波長515nm)を用いて測定した。結果を図5に示す。図5では、オフ角0.35°のサンプル1の裏面出力を基準値1.00とし、他のサンプルの裏面出力については、当該基準値に対する相対値で示している。
On the other hand, a sapphire
And the back surface output of these samples 1-4 was measured using the back surface prober (green light: main wavelength 515nm). The results are shown in FIG. In FIG. 5, the back surface output of
図5によれば、サンプル1〜4共に、サファイアオフ角θが0.3°以上の範囲であれば、発光層34で緑色の光(ピーク発光波長が500nm以上)を発生させる場合に、裏面出力を向上できることがわかった。なお、サンプル1のオフ角0.25°のものとサンプル3のオフ角0.65°のものとを比較すると、後者のオフ角0.65°の裏面出力が劣っているが、この差はサファイア単結晶ウエハを作製するときの環境の違いによる誤差であると考えられる。
(2)緑色発光ダイオードと青色発光ダイオードとの発光効率の比較
主面2aのオフ角θがそれぞれ、c面{0001}に対してm軸[1−100]方向に0.25°、0.35°となるようにサファイア単結晶ウエハ25を切り出した。そして、各サファイア単結晶ウエハ25の主面2a上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層3を形成した。これにより得られたものをサンプル5とした。
According to FIG. 5, in both
(2) Comparison of Luminous Efficiency between Green Light-Emitting Diode and Blue Light-Emitting Diode The off angle θ of the
一方、サンプル5とは異なる環境(温度、装置等)において、オフ角θが0.25°、0.35°となるようにサファイア単結晶ウエハ25を切り出し、このサファイア単結晶ウエハ25を用いて得られたサンプルをサンプル6とした。
そして、これらサンプル5,6の裏面出力を、裏面プローバ(緑色光:主波長525nm、青色光:主波長470nm)を用いて測定した。結果を図6および図7に示す。図6,7では、オフ角0.25°のサンプル5の裏面出力を基準値1.0とし、他のサンプルの裏面出力については、当該基準値に対する相対値で示している。
On the other hand, the sapphire
And the back surface outputs of these
緑色光の結果を示す図6によれば、サンプル5,6共に、サファイアオフ角θを0.25°から0.35°にすることによって、裏面出力を向上できることがわかった。一方、青色光の結果を示す図7によれば、サンプル5,6共に、サファイアオフ角θを0.25°から0.35°としても、裏面出力の向上は見られず、むしろ若干の低下が見られた。
つまり、図6および図7により、サファイア単結晶ウエハ25の主面2aのオフ角θをc面{0001}に対して0.3°以上とすることによって得られる効果は、ピーク発光波長が500nm以上の緑色の光の波長域に限られ、青色の光の波長域(440nm〜470nm)では、際立った特性変化を期待できないことがわかった。
According to FIG. 6 showing the result of green light, it was found that the back surface output can be improved by changing the sapphire off angle θ from 0.25 ° to 0.35 ° in both the
That is, according to FIGS. 6 and 7, the effect obtained by setting the off angle θ of the
1 発光ダイオード
2 サファイア基版
3 III族窒化物半導体層
13 GaN層
14 InGaN層
31 n型低温GaNバッファ層
32 n型GaNコンタクト層
33 中間バッファ層
34 発光層
35 p型AlGaN電子阻止層
36 p型GaNコンタクト層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記発光層は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、InxGa1−xN(x=0.18〜0.30)層を有し、
前記III族窒化物半導体層の成長面が、c面に対して0.3°以上のオフ角で傾斜した面である、半導体発光素子。 A group III nitride semiconductor layer comprising a group III nitride semiconductor, comprising at least an n-type layer, a p-type layer, and a light-emitting layer sandwiched between the n-type layer and the p-type layer,
The light emitting layer emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more, and has an In x Ga 1-x N (x = 0.18 to 0.30) layer.
A semiconductor light emitting element, wherein a growth surface of the group III nitride semiconductor layer is a surface inclined at an off angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane.
前記III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に結晶成長された層である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device further includes a hexagonal substrate having a main surface inclined at an off angle of 0.3 ° or more with respect to the c-plane,
The said group III nitride semiconductor layer is a semiconductor light-emitting device as described in any one of Claims 1-3 which is a layer by which crystal growth was carried out on the said main surface of the said board | substrate.
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