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1. (WO2008126695) 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法
Document

明 細 書

発明の名称 窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

発明の開示

発明が解決しようとする課題

0005   0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029  

発明の効果

0030  

図面の簡単な説明

0031   0032  

発明を実施するための最良の形態

0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

図面

1   2   3   4   5A   5B   6   7   8   9   10  

明 細 書

窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法

技術分野

[0001]
本発明は、窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法に関する。

背景技術

[0002]
非特許文献1には、発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、高比抵抗GaN基板の無転位m面上に形成されており、また5周期SiドープInGaN/GaN量子井戸構造を有する。InGaN井戸層はSiドープであり、またその厚さは3nmである。GaN障壁層は9nmである。m面への窒化ガリウム系半導体の成長は、c面GaN用に最適化された成長条件で行われた。樹脂封止後、20ミリアンペアの印加電流で、ピーク波長は435nmであり、光出力は1.79ミリワットであり、外部量子効率は3.1%であった。
[0003]
非特許文献2には、発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、低転位のm面のGaN基板上に形成されており、GaN基板のキャリア密度は1×10 17cm -3である。この発光ダイオードは、6周期InGaN/GaN量子井戸構造を有する。
InGaN井戸層の厚さは8nmである。GaN障壁層は16nmである。m面への窒化ガリウム系半導体の成長は、c面GaN用に最適化された成長条件とほぼ同じである。樹脂封止後、20ミリアンペアの印加電流で、ピーク波長は407nmであり、出力は23.7ミリワットであり、外部量子効率は38.9%であった。
[0004]
特許文献1には、GaN(1-100)基板上に設けられたIn 0.1Ga 0.9N活性層を有する半導体レーザが記載されている。また、高比抵抗SiC(11-20)基板上に設けられたIn 0.15Ga 0.85N井戸層およびIn 0.05Ga 0.95Nバリア層を有する面発光半導体レーザが記載されている。さらに、(1-100)面または(11-20)面の高比抵抗SiC基板上に設けられた4nmのIn 0.2Ga 0.8N井戸層および4nmのIn 0.05Ga 0.95Nバリア層を有する面発光半導体レーザが記載されている。
非特許文献1 : Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No.45, 2006, pp. L1197-L1199
非特許文献2 : Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, No.7, 2007, pp. L126-L128(UCSB)
特許文献1 : 特開平10-135576号公報

発明の開示

発明が解決しようとする課題

[0005]
窒化ガリウム系半導体からなる活性層を有する半導体発光素子では、いわゆるc面GaN基板を用いているので、ピエゾ効果に起因する影響が活性層にも現れる。一方、GaNであってもm面は非極性を示し、このため、活性層がピエゾ効果に起因する影響を受けないことが期待される。非特許文献1および2には、m面上に作製されたInGaN/GaN量子井戸構造の発光ダイオードが示されている。特許文献1では、いくつかのインジウム組成を有するInGaN活性層およびInGaN井戸層が記載されているけれども、発光波長や発光強度に関する具体的な記載はほとんどない。
[0006]
非特許文献1および2の発光ダイオードのピーク波長よりも長い発光波長の発光ダイオードが求められている。ところが、発明者の実験によれば、c面GaN上に量子井戸構造を形成するための成膜条件を用いてm面GaN上に量子井戸構造を形成すると、所望のフォトルミネッセンス波長が得られない。また、様々な実験の結果、フォトルミネッセンス波長だけでなく発光強度の点でも、m面GaN上に形成されたInGaN系活性層の発光素子はc面GaN上に形成されたInGaN系活性層の発光素子と異なる傾向を示す。
[0007]
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、非極性窒化ガリウム系半導体を用いると共に良好な発光強度を提供できる構造の窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とし、また非極性窒化ガリウム系半導体を用いると共に良好な発光強度を提供できる、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008]
本発明の一側面によれば、窒化物系半導体発光素子は、(a)第1導電型窒化ガリウム系半導体領域と、(b)第2導電型窒化ガリウム系半導体領域と、(c)前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するような活性層とを備える。前記活性層は、六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、インジウム組成Xは歪み組成)からなる井戸層を含み、前記井戸層の厚さDは3nmより大きく、前記井戸層の厚さDは20nm以下であり、前記インジウム組成Xの厚さDは、X≧-0.16×D+0.88の関係にあり、前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域は、所定の軸の方向に配列されており、前記六方晶系In Ga 1-XNのm面は、前記所定の軸の方向に向いている。
[0009]
この窒化物系半導体発光素子によれば、井戸層の六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸の方向に向いているので、活性層は実質的な非極性を示す。また、井戸層が六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなる。この非極性InGaN井戸層のインジウム組成は、c面用成膜条件を用いて形成した窒化物系半導体発光素子の非極性InGaN井戸層のインジウム組成に比べて大きい。これ故に、このc面用成膜条件による窒化物系半導体発光素子に比べて、本件の窒化物系半導体発光素子の発光強度が良好になる。さらに、井戸層が六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなるとと共に、井戸層の厚さは3nmより大きく20nm以下であるので、波長440nm以上550nm以下の範囲の発光波長を発生するような量子井戸構造が提供される。
[0010]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記活性層は、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなる障壁層を含むことができる。
[0011]
この窒化物系半導体発光素子によれば、活性層は量子井戸構造を有することができ、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)は非極性InGaN障壁層のためのインジウム組成に好適である。
[0012]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板を更に含むことができる。前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の主面上に搭載されている。
[0013]
この窒化物系半導体発光素子によれば、六方晶系Al Ga 1-ZN半導体上に第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、活性層および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成できるので、これらの結晶性が良好になる。
[0014]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記基板の前記主面は、m面からオフ角(-2°≦θ≦+2°)でオフしていることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、極性の実質的な影響を受けることなく良好な品質の半導体結晶が得られる。
[0015]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記基板の貫通転位は、c軸方向に伸びている。この窒化物系半導体発光素子によれば、貫通転位はc軸方向に走るので、これらの貫通転位は、基板の主面と実質的に平行に伸びる。また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記基板のc面を横切る貫通転位の平均密度は1×10 cm -2以下であることが好ましい。この窒化物系半導体発光素子によれば、c面を横切る貫通転位の密度が低いので、m面主面上への成長の際に引き継がれる貫通転位の密度も小さくなる。
[0016]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい第2の領域とを含み、前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている。
[0017]
この窒化物系半導体発光素子によれば、m面主面に現れる第2の領域上に成長される半導体は、低い貫通転位密度になる。
[0018]
本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10 cm -2未満であることが好ましい。この窒化物系半導体発光素子によれば、1×10 cm -2未満である第2の領域がm面主面に現れるので、この上に成長される半導体は非常に低い貫通転位密度になる。
[0019]
本発明の別の側面は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、(a)六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板を準備する工程と、(b)第1導電型窒化ガリウム系半導体膜を前記基板の主面上に形成する工程と、(c)前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜上に、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するような活性層を形成する工程と、(d)前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体膜を形成する工程と備える。前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体膜は、前記基板の主面上において所定の軸の方向に配列されており、前記活性層を形成する前記工程では、六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなり第1のガリウム組成の第1の半導体層を第1の温度で成長し、前記活性層を形成する前記工程では、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Y<X、Yは歪み組成)からなり第2のガリウム組成の第2の半導体層を第2の温度で成長し、前記第1のガリウム組成は前記第2のガリウム組成よりも低く、前記第1の温度は前記第2の温度よりも低く、前記第1の温度と前記第2の温度との差は95度以上であり、前記六方晶系In Ga 1-XNのm面は、前記所定の軸の方向に向いている。
[0020]
この方法によれば、六方晶系In Ga 1-XNのm面が上記所定の軸の方向に向いている活性層の作製において、第1のガリウム組成は第2のガリウム組成よりも低い2種類の窒化ガリウム系半導体の成長温度の差が95度以上であるので、第1の半導体層のインジウム組成を高めて井戸層として適用できる。
[0021]
本発明に係る方法では、前記基板は、c軸方向に成長された六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)の結晶からm軸に交差するように切り出されており、前記基板の前記主面は、研磨処理されていると共にm軸に交差する平面に沿って延びる。
[0022]
この方法では、c軸方向に結晶成長が進行するので、貫通転位もc軸方向に伸びていく。六方晶系Al Ga 1-ZN半導体結晶から半導体板をm軸に交差するように切り出せば、六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸の方向に向いた活性層を作製するために好適な基板が提供される。
[0023]
本発明に係る方法では、前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域とを含み、前記第1および第2の領域は交互に配置されており、前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れていることができる。
[0024]
この方法によれば、m面主面に現れる第2の領域上に成長される半導体は、低い貫通転位密度になる。
[0025]
本発明に係る方法では、前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10 cm -2未満であることが好ましい。この方法によれば、転位の影響を受けることなく良好な品質の半導体結晶が得られる。
[0026]
本発明に係る方法では、前記基板の前記主面は、m面からオフ角(-2°≦θ≦+2°)でオフしていることができる。この方法によれば、極性の実質的な影響を受けることなく良好な品質の半導体結晶が得られる。
[0027]
本発明に係る方法では、前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜の形成に先立って、アンモニアおよび水素を含むガスを供給しながら前記基板を熱処理する工程を更に備えることができる。
[0028]
この方法では、窒化ガリウム系半導体の成長前に基板をアンモニアと水素を含むガス中で熱処理するので、平坦な基板表面が得られやすく、さらに良好な発光特性を持つ半導体発光素子が得られる。
[0029]
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

発明の効果

[0030]
以上説明したように、本発明によれば、非極性窒化ガリウム系半導体を用いると共に良好な発光強度を提供できる構造の窒化物系半導体発光素子が提供される。また、本発明によれば、窒化物系半導体発光素子を作製する方法が提供され、この方法によれば、非極性窒化ガリウム系半導体を用いると共に良好な発光強度を提供できる。

図面の簡単な説明

[0031]
[図1] 図1は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を概略的に示す図面である。
[図2] 図2は、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム基板の一例を示す図面である。
[図3] 図3は、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム基板の別の例を示す図面である。
[図4] 図4は、発光素子を作製する主要な工程を示す図面である。
[図5A] 図5Aは(1-100)面のX線回折測定(ω-2θ測定)の結果を示す図面である。
[図5B] 図5Bは(10-10)面のX線回折測定(ω-2θ測定)の結果を示す図面である。
[図6] 図6は、ベアチップのLEDに室温でパルス電流印加を行って得られた発光スペクトルを示すグラフである。
[図7] 図7は、電流-光出力特性および電流-外部量子効率特性を示す図面である。
[図8] 図8は、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられた活性層のためのインジウム組成、井戸層の厚さの関係を示す図面である。
[図9] 図9は、井戸層の厚みとPL波長との関係を示す図面である。
[図10] 図10は、c面基板上に作製されたLEDにおける電流増加に伴う発光波長のブルーシフトを示す図面である。

符号の説明

[0032]
Ax…所定の軸、11…窒化物系半導体発光素子、13…第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、15…第2導電型窒化ガリウム系半導体領域、17…活性層、19…量子井戸構造、21…クラッド層、23…半導体層、25…電子ブロック層、27…コンタクト層、29a…井戸層、29b…障壁層、31…基板、32a、32b…電極、33、35…基板、33c、35c…第1の領域(高転位領域)、33d、35d… 第2の領域(低転位領域)

発明を実施するための最良の形態

[0033]
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体発光素子、および窒化物系半導体発光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
[0034]
図1は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を概略的に示す図面である。窒化物系半導体発光素子としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザ等がある。窒化物系半導体発光素子11は、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13と、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15と、活性層17とを備える。活性層17は、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13と第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15との間に設けられている。活性層17は、単一のInGaN半導体井戸層からなることができ、或いは、また量子井戸構造19を有することができる。活性層17は、波長440nm以上の波長の光を発生するように設けられている。また、活性層17は、550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられている。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13、活性層17および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15は、所定の軸Axの方向に配列されている。活性層17は、六方晶系In Ga 1-XNからなる井戸層を含み、インジウム組成Xは歪み組成で表されている。六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸Axの方向に向いている。活性層17の井戸層には、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15から提供されたキャリアが閉じ込めされる。この井戸層のバンドギャップに比べて、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15のバンドギャップは大きい。
[0035]
井戸層の厚みを3nm以上にすることによって、発光波長440nm以上の発光素子を作製することができる。井戸層の厚みが20nmを超えるとInGaNの結晶品質が悪化し、発光特性が悪化する。
[0036]
図1に示される座標系から理解されるように、c軸とこのc軸の直交する3つの軸a1、a2、a3を用いて、六方晶系In Ga 1-XNが表される。3つの軸a1、a2、a3は互いに120度の角度(γ 、γ 、γ )を成す。六方晶系のc軸は直交座標系SのZ軸に向いており、軸a3は直交座標系SのX軸に向いている。図1には、代表的なm面が示されている。
[0037]
この六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸Axの方向に向いた窒化物系半導体発光素子11では、インジウム組成Xは0.16以上であれば、発光波長440nm以上の発光素子のための活性層として好適である。また、インジウム組成Xは0.4を越えると、InGaNの結晶品質が悪化し、発光特性が悪化する。
[0038]
この理由は以下のようなものである。m面GaN上に形成されたInGaN系発光素子のインジウム組成がc面GaN上に形成されたInGaN系発光素子のインジウム組成と同じ場合でも、m面GaN上に形成されたInGaN系発光素子のフォトルミネッセンス波長は、c面GaN上に形成されたInGaN系発光素子のフォトルミネッセンス波長に比べて短い。このため、m面GaN上に形成されたInGaN系発光素子において、所望のフォトルミネッセンス波長を得るためには、より大きなインジウム組成のInGaNを成長しなくてはならない。また、非特許文献1および2の発光ダイオードにおける発光波長よりも長波長化のためには、インジウム組成をさらに高めることが必要である。
[0039]
以上説明したように、窒化物系半導体発光素子11によれば、井戸層の六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸の方向に向いているので、活性層17は非極性を示す。また、活性層17の井戸層が六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなる。この非極性InGaN井戸層のインジウム組成は、c面用成膜条件を用いて形成した窒化物系半導体発光素子の非極性InGaN井戸層のインジウム組成に比べて大きい値に設定されたので、c面用成膜条件による窒化物系半導体発光素子に比べて、本件の窒化物系半導体発光素子の発光強度が良好になる。さらに、活性層17の井戸層が六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなると共に、井戸層の厚さは3nmより大きく20nm以下であるので、活性層17は、波長440nm以上550nm以下の範囲の発光波長の光を発生するように設けられる。
[0040]
第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13は、例えば、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップの窒化ガリウム系半導体からなるクラッド層21を含むことができ、窒化ガリウム系半導体は例えばn型GaN等である。必要な場合には、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13は、n型AlGaN窒化ガリウム半導体からなる半導体層23を含むことができる。
[0041]
第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15は、例えば、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップの窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層25を含むことができ、窒化ガリウム系半導体は例えばp型AlGaN等である。第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15は、例えば、p型の窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層27を含むことができ、窒化ガリウム系半導体は例えばp型GaN等である。
[0042]
一実施例の窒化物系半導体発光素子11では、活性層17は、量子井戸構造19を含むことができる。量子井戸構造19は井戸層29aおよび障壁層29bを含むことができる。井戸層29aおよび障壁層29bは交互に配置されている。窒化物系半導体発光素子11では、井戸層29aは、六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなることができる。また、活性層17の障壁層29bは、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなることができる。六方晶系In Ga 1-YNは非極性InGaN障壁層のためのインジウム組成に好適である。六方晶系In Ga 1-YNのインジウム組成が0以上であることができる。また、六方晶系In Ga 1-YNのガリウム組成が0.05以下であることができる。この理由は井戸層との間に十分なエネルギー障壁が得られるからである。このガリウム組成は歪み組成で表される。障壁層29bの膜厚は、5nm以上であることができる。この理由は井戸層に十分にキャリアを閉じ込めることができるからである。また、障壁層29bの膜厚は、20nm以下であることができる。この理由は十分に低い素子抵抗が得られるからである。障壁層29bは、例えばGaNまたはInGaNからなる。
[0043]
窒化物系半導体発光素子11は、六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板31を更に含むことができる。基板31は導電性を示すことが好ましい。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13、活性層17および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15は、基板31の主面31a上に搭載されている。六方晶系Al Ga 1-ZN半導体上に第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13、活性層17および第2導電型窒化ガリウム系半導体領域15を形成できるので、これらの結晶性が良好になる。基板31の材料として、例えばGaN、AlGaN、AlN等を用いることができる。好ましくは、基板31の材料はn型のGaNである。基板31の裏面31b上には、電極32a(例えばカソード)が設けられており、コンタクト層27上には別の電極32b(例えばアノード)が設けられている。
[0044]
基板31の主面31aは、m面に平行であることができるが、m面からあるオフ角でオフしていることができる。オフ角Angle OFFは、基板31の主面31aの法線とm面の法線との成す角により規定される。オフ角Angle OFFは、例えばc軸方向に-2°≦θ≦+2°の角度範囲であることができ、またa軸方向に-2°≦θ≦+2°の角度範囲であることができる。この基板31によれば、極性の影響を受けることなく良好な品質の半導体結晶が得られる。
[0045]
窒化物系半導体発光素子11では、基板31の貫通転位はc軸方向に伸びている。貫通転位はc軸方向に走るので、これらの貫通転位は、基板31の主面31aと実質的に平行に伸びる。また、基板31のc面を横切る貫通転位の平均密度は1×10 cm -2(例えば、ランダムに分布する貫通転位の密度)以下であることが好ましい。この基板31によれば、c面を横切る貫通転位の密度が低いので、m面主面上への成長の際に引き継がれる貫通転位の密度も小さくなる。このような基板31は、c軸方向に成長された六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)の結晶からm軸に交差するように切り出されており、主面31aは、研磨処理されていると共にm軸に交差する平面に沿って延びる。基板31のための半導体結晶の成長がc軸方向に進行するので、貫通転位もc軸方向に伸びていく。六方晶系Al Ga 1-ZN半導体結晶から半導体板をm軸に交差するように切り出せば、この基板31は、六方晶系In Ga 1-XNのm面が所定の軸Axの方向に向いた活性層を作製するために好適である。
[0046]
図2は、窒化物系半導体発光素子11のための窒化ガリウム基板の一例を示す図面である。図2にも、図1と同じく六方晶系のための座標系が示されている。図2には、参照符号「C」によりc面が示されており、参照符号「M」によってm面が示されている。一例の窒化ガリウム基板33の第1の面33aは、比較的大きい貫通転位密度を有する第1の領域(高転位領域)33cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する第2の領域(低転位領域)33dが現れた第2のエリアとを有する。第1の領域33cおよび第2の領域33dは交互に配列されており、第1の面33aにおいて、第1のエリアはストライプ形状を有する。貫通転位の大部分はc軸方向に走っている。m面主面に現れる第2の領域33d上に成長される半導体は、低い貫通転位密度になる。なお、既に説明したように、窒化ガリウム基板33の第1の面33aは、m面を基準にしてある角度で傾斜していることもできる。
[0047]
c面において第2の領域33dの貫通転位密度は、例えば1×10 cm -2以下であることが好ましい。1×10 cm -2以下である第2の領域33dがm面主面に現れるので、第2の領域33d上に成長される半導体は非常に低い貫通転位密度になる。
[0048]
図3は、窒化物系半導体発光素子11のための窒化ガリウム基板の別の例を示す図面である。図3にも、図1と同じく六方晶系のための座標系が示されている。図3には、参照符号「C」によりc面が示されており、参照符号「M」によってm面が示されている。一例の窒化ガリウム基板35の第1の面35aは、比較的大きい貫通転位密度を有する第1の領域(高転位領域)35cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する第2の領域(低転位領域)35dが現れた第2のエリアとを有する。第1の領域35cは第2の領域35d内に配置されている。このため、第1の面35aにおいて、第1のエリアは、第2のエリア内にドット状に配列されている。貫通転位の多くはc軸方向に走っている。m面主面に現れる第2の領域35d上に成長される半導体は、低い貫通転位密度になる。なお、既に説明したように、窒化ガリウム基板35の第1の面35aは、m面を基準にしてある角度で傾斜していることもできる。c面において第2の領域35dの貫通転位密度は、例えば1×10 cm -2以下であることが好ましい。第1の面35aに第1の領域(高転位領域)35cが現れないように、m面を切り出すことによって、第1の面35aに第2の領域(低転位領域)35dのみが現れた基板を作製できる。1×10 cm -2以下である第2の領域35dがm面主面に現れるので、第2の領域35d上に成長される半導体は非常に低い貫通転位密度になる。
[0049]
(実施例1)
以下の通り、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられた活性層を含む発光素子を作製できる。同本実施例では、有機金属気相成長法により青色発光素子を作製した。有機金属気相成長法の原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。図4は、発光素子を作製する主要な工程のフロー100を示す図面である。
[0050]
図4に示されるように、工程S101において、六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板を準備する。この実施例では、c面における貫通転位密度1×10 cm -2未満の低欠陥領域とストライプ状に分布する欠陥集中領域を有しており(0001)方向に成長したn型GaN結晶をスライスしてGaN自立体を形成した後に、このGaN自立体を研磨してm面GaN(10-10)基板を作製した。
[0051]
工程S103において、第1導電型窒化ガリウム系半導体膜の形成に先立って、アンモニアおよび水素を含むガスを供給しながらm面GaN基板を熱処理する。このために、n型m面GaN基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を30kPaに制御すると共に炉内にアンモニアと水素を供給して、摂氏1050度の基板温度で10分間のクリーニングを行った。この熱処理により、平坦な基板表面が得られやすく、さらに良好な発光特性を持つ半導体発光素子が得られる。
[0052]
工程S105において、その後、第1導電型窒化ガリウム系半導体膜を基板の主面上に形成する。本実施例では、摂氏1100度の基板温度に上昇させた後、n型Al 0.12Ga 0.88N層を成長した。この成長のために、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルアルミニウム(4.3μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、モノシランを供給した。AlGaN膜厚は例えば50nmである。
[0053]
次に、成長を一旦中断して、摂氏1150度に基板温度を上昇させた後、n型GaN層を成長した。この成長のために、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(244μmol/分)、アンモニア(0.33mol/分)、モノシランを供給した。GaN膜の膜厚は例えば2μmである。
[0054]
次に、工程S107において、第1導電型窒化ガリウム系半導体膜上に、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するような活性層を形成する。このために、成長を一旦中断して、摂氏880度に基板温度を低下させた後、In 0.01Ga 0.99N障壁層を成長した。この障壁層の厚さは例えば15nmである。この成長のために、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルインジウム(1.6μmol/分)、アンモニア(0.27mol/分)を供給した。InGaN障壁層を成長した後、摂氏780度に基板温度を低下させた後に、In 0.27Ga 0.73N井戸層を成長した。この井戸層の膜厚は例えば4nmである。この成長のために、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルインジウム(24μmol/分)、アンモニア(0.36mol/分)を供給した。アンドープ障壁層およびアンドープ井戸層の成長を繰り返すことによって、例えば6周期の量子井戸層を形成した。
[0055]
次に、工程S109において、活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体膜を形成する。このために、再度成長を中断し、基板温度を摂氏1050度に上昇させた後に、p型Al 0.15Ga 0.85N電子ブロック層を成長した。この成長のために、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルアルミニウム(2.3μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを供給した。電子ブロック層の膜厚は例えば20nmである。
[0056]
p型AlGaN電子ブロック層を成長した後に、p型GaN層を成長した。この成長のために、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(99μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを供給した。このGaN層の厚さは、例えば25nmである。
[0057]
p型GaN層を成長した後、p型GaNコンタクト層を成長した。p型GaNコンタクト層の厚さは例えば25nmである。この成長のために、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(67μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを供給した。これらの工程によって、この発光ダイオード(LED)のためのエピタキシャル基板が作製された。エピタキシャル基板の各窒化ガリウム系半導体膜のm面は、GaN基板の主面に沿って延びる平面と実質的に平行である。
[0058]
その後、GaN基板を炉内から取り出し、(1-100)面のX線回折測定(ω-2θ測定)を行った。図5Aは、X線角度分布の測定結果を示す図面である。この測定によれば、InGaN井戸層のIn組成は約27%であった。このエピタキシャル基板のp型GaN層上に適切な金属材料で400μm角(電極面積として、例えば1.6×10 -3cm )の半透明p電極を形成すると共に、GaN基板の裏面にn電極を形成した。これによって、LED素子が作製された。
[0059]
図6は、このベアチップのLEDに室温でパルス電流印加を行って得られた発光スペクトルを示す。図7は、電流-光出力特性および電流-外部量子効率特性を示す図面である。ピーク発光波長は462nmであり、純青色である。電流値20mA(電流密度12.5A/cm )において、光出力が1.4mWであり、外部量子効率が2.6%であった。電流値200mA(電流密度125A/cm )において、光出力が13.2mWであり、外部量子効率が2.4%であった。このチップを、エポキシ樹脂でモールドしてLEDランプを作製した。モールド封止後の測定では、電流値20mA(電流密度12.5A/cm )において、ピーク波長が462nmであり、光出力が4.2mWであり外部量子効率が7.8%であった。
[0060]
このLEDにおいて、第1導電型窒化ガリウム系半導体膜、活性層および第2導電型窒化ガリウム系半導体膜は、GaN基板の主面上に搭載されており、また所定の軸の方向に順に配置されている。六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなり第1のガリウム組成の井戸用の半導体層を第1の温度T で成長すると共に、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Y<X、Yは歪み組成)からなり第2のガリウム組成の障壁用の半導体層を第2の温度T で成長した。第1のガリウム組成は第2のガリウム組成よりも低く、第1の温度T は第2の温度T よりも低く、第1の温度T と第2の温度T との差は95度以上である。この方法によれば、六方晶系In Ga 1-XNのm面が上記所定の軸の方向に向いている活性層の作製において、第1のガリウム組成は第2のガリウム組成よりも低い2種類の窒化ガリウム系半導体の成長温度の差が95度以上であるので、第1の半導体層のインジウム組成を高めて井戸層として適用可能である。
[0061]
図8は、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられた活性層のためのインジウム組成、井戸層の厚さの関係を示す図面である。領域「A1」内の活性層は、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生できる。領域「A2」では、インジウム組成が低すぎて、活性層は、440nm以上の波長の光を発生できない。領域「A3」では、井戸層が薄すぎて、活性層は、440nm以上の波長の光を発生できない。領域「A4」では、インジウム組成および井戸層厚の関係から、活性層は、440nm以上の波長の光を発生できない。領域「A5」では、インジウム組成が高すぎて、良質のInGaN結晶が得られない。図8において
ラインL1:X=0.4
ラインL2:X=0.16
ラインL3:D=3
ラインL4:X=-0.16×D+0.88
ラインL5:D=20
であり、ポイントP ~P は、それぞれ、発光波長395nm、420nm、460nm、474nm、477nmの測定点を示す。ラインL1~L5によって囲まれる領域(境界を含む)が、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられた活性層のためのインジウム組成および井戸層の厚さの関係に関して好適である。
[0062]
図8から理解されるように、インジウム増加は容易なことではない。InGaN井戸層の成長を摂氏750度の基板温度で行って、他の条件は先の実施例1と同様にして、LED用のエピタキシャル基板を作製した。このエピタキシャル基板の外観は、黒色化しており、量子井戸発光層からのフォトルミネッセンススペクトルは観測されなかった。図5Bは、このエピタキシャル基板の(10-10)面のX線回折測定(ω-2θ測定)の結果を示す図面である。量子井戸発光層のサテライトピークが全く観測されていない。故に、量子井戸構造が形成されていない。インジウム組成は40%を越えていると推測される。このように、InGaNの成長においてインジウム組成を増加させると、結晶品質は極端に悪くなる。
[0063]
また、InGaN井戸層の成長をトリメチルインジウムの供給量を58μmol/分に設定して、他の条件は先の実施例1と同様にして、LED用のエピタキシャル基板を作製した。このエピタキシャル基板の外観は、黒色化しており、量子井戸発光層からのフォトルミネッセンススペクトルは観測されなかった。(10-10)面のX線回折測定(ω-2θ測定)の結果において、量子井戸発光層のサテライトピークが全く観測されなかった。故に、量子井戸構造が形成されていない。インジウム組成は40%を越えていると推測される。これらのことからも、InGaN組成を増加させると、結晶品質は極端に悪くなることが理解される。
[0064]
したがって、m面を用いた発光素子を作製するためには、井戸層の厚さ、井戸層のインジウム組成を制御すると共に、井戸層と障壁層との成長温度差を大きくすることが重要である。
[0065]
更なる別の実施例を説明する。実施例1と同様の成長条件を用いて、InGaN井戸層の厚みを3nm、4nm、5nmと変えて、LED構造のエピタキシャル基板を作製した。図9は、井戸層の厚みとPLスペクトルW 、W 、W との関係を示している。井戸層が厚くなるにつれて、PL波長は長くなる。図9を参照すると、井戸幅4nmで460nmのPL波長であり、井戸幅5nmで475nmのPL波長である。
[0066]
エピタキシャル基板を用いて実施例1と同様にLEDを作製すると、実施例1同様に高い発光出力と外部量子効率が得られた。例えば、ピーク発光波長は470nmであり、純青色である。電流値20mA(電流密度12.5A/cm )において、光出力が1.6mWであり、外部量子効率が3.0%であった。電流値200mA(電流密度125A/cm )において、光出力が13.7mWであり、外部量子効率が2.6%であった。このチップを、エポキシ樹脂でモールドしてLEDランプを作製した。モールド封止後の測定では、電流値20mA(電流密度12.5A/cm )において、ピーク波長470nmであり、光出力が4.8mWであり外部量子効率が9.0%であった。
[0067]
GaN基板と異なる基板を用いてLEDを作製した。
実施例1と同様な条件を用いて、n型m面GaN(10-10)基板に代わりに4H-SiC(10-10)基板やLiAlO (100)基板上にLED用エピタキシャル構造を成長してLEDを作製した。積層欠陥が多く発生し、非常に弱い出力しか得られなかった。
[0068]
また、c面GaN基板を用いてLEDを作製した。以下の通り有機金属気相成長法により青色発光素子を作製した。原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。c面GaN基板は貫通転位密度1×10 cm -2未満の低欠陥領域と線状に分布する欠陥集中領域を有する(0001)方向に成長したn型GaNをスライス、研磨することによって作製した。
[0069]
n型c面GaN(0001)基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を30kPaにコントロールしながら炉内にアンモニアと水素を導入し、摂氏1050度の基板温度で10分間クリーニングを行った。その後、基板温度を1100℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルアルミニウム(4.3μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、モノシランを導入し、膜厚50nmのn型AlGaN層(Al組成12%)を成長した。次に、成長を一旦中断し、基板温度を摂氏1150度に上昇させた後、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(244μmol/分)、アンモニア(0.33mol/分)、モノシランを導入し、膜厚2μmのn型GaN層を成長した。
[0070]
次に、成長を一旦中断し、摂氏880度に基板温度を低下させた後、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルインジウム(1.6μmol/分)、アンモニア(0.27mol/分)を導入し、厚さ15nmのInGaN障壁層(In組成1%)を成長した後、基板温度を摂氏800度に低下させ、キャリアガスを主に窒素としてトリメチルガリウム(16μmol/分)、トリメチルインジウム(13μmol/分)、アンモニア(0.36mol/分)を導入し膜厚3nmのInGaN井戸層を成長した。この工程を繰り返すことによって6周期の量子井戸発光層を形成した。
[0071]
次に、再度成長を中断し、基板温度を摂氏1050度に上昇させた後、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(17μmol/分)、トリメチルアルミニウム(2.8μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入し、膜厚20nmのp型AlGaN電子ブロック層(Al組成18%)を成長した。この後、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(99μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入し、厚さ25nmのp型GaN層を成長した。次に、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム(67μmol/分)、アンモニア(0.22mol/分)、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入し、厚さ25nmのp型GaNコンタクト層を成長した。
[0072]
その後、GaN基板を炉内から取り出し、X線回折測定(ω-2θ測定)を行ったところ、InGaN井戸層のIn組成は約10%であった。このLEDエピ構造に、適当な金属材料でp型GaN層上に400μm角(電極面積1.6×10 -3cm )の半透明p電極、GaN基板の裏面にn電極を形成し、LED素子を作製した。このベアチップのLEDに室温でパルス電流印加を行ったところ、波長460nmの純青色で、高い発光効率が得られたが、図10に示す通り、電流増加に伴う発光波長のブルーシフトが観察された。一方、実施例1のLEDでは電流増加に伴う発光波長のブルーシフトが観察されなかった。
[0073]
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

請求の範囲

[1]
第1導電型窒化ガリウム系半導体領域と、
第2導電型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられており、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するように設けられた活性層と
を備え、
前記活性層は、六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、インジウム組成Xは歪み組成)からなる井戸層を含み、
前記井戸層の厚さDは3nmより大きく、
前記井戸層の厚さDは20nm以下であり、
前記インジウム組成Xの厚さDは、X≧-0.16×D+0.88の関係にあり、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域は、所定の軸の方向に配列されており、
前記六方晶系In Ga 1-XNのm面は、前記所定の軸の方向に向いている、ことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
[2]
前記活性層は、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなる障壁層を含む、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化物系半導体発光素子。
[3]
六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板を更に含み、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体領域は、前記基板の主面上に搭載されている、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された窒化物系半導体発光素子。
[4]
前記基板の前記主面は、m面からあるオフ角(-2°≦θ≦+2°)でオフしている、ことを特徴とする請求項3に記載された窒化物系半導体発光素子。
[5]
前記基板の貫通転位は、c軸方向に伸びており、
前記基板のc面を横切る貫通転位の密度は1×10 cm -2以下である、ことを特徴とする請求項3に記載された窒化物系半導体発光素子。
[6]
前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい第2の領域とを含み、
前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている、ことを特徴とする請求項3に記載された窒化物系半導体発光素子。
[7]
前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10 cm -2未満である、ことを特徴とする請求項6に記載された窒化物系半導体発光素子。
[8]
窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)からなる基板を準備する工程と、
第1導電型窒化ガリウム系半導体膜を前記基板の主面上に形成する工程と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜上に、波長440nm以上550nm以下の範囲の波長の光を発生するような活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第2導電型窒化ガリウム系半導体膜を形成する工程と
を備え、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜、前記活性層および前記第2導電型窒化ガリウム系半導体膜は、前記基板の主面上において所定の軸の方向に配列されており、
前記活性層を形成する前記工程では、六方晶系In Ga 1-XN(0.16≦X≦0.4、Xは歪み組成)からなり第1のガリウム組成の第1の半導体層を第1の温度で成長し、
前記活性層を形成する前記工程では、六方晶系In Ga 1-YN(0≦Y≦0.05、Y<X、Yは歪み組成)からなり第2のガリウム組成の第2の半導体層を第2の温度で成長し、
前記第1のガリウム組成は前記第2のガリウム組成よりも低く、
前記第1の温度は前記第2の温度よりも低く、
前記第1の温度と前記第2の温度との差は95度以上であり、
前記六方晶系In Ga 1-XNのm面は、前記所定の軸の方向に向いている、ことを特徴とする方法。
[9]
前記基板は、c軸方向に成長された六方晶系Al Ga 1-ZN半導体(0≦Z≦1)の結晶からm軸に交差するように切り出されており、前記基板の前記主面は、研磨処理されていると共にm軸に交差する平面に沿って延びる、ことを特徴とする請求項8に記載された方法。
[10]
前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域とを含み、
前記第1および第2の領域は交互に配置されており、
前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている、ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載された方法。
[11]
前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10 cm -2未満である、ことを特徴とする請求項10に記載された方法。
[12]
前記基板の前記主面は、m面からオフ角(-2°≦θ≦+2°)でオフしている、ことを特徴とする請求項8に記載された方法。
[13]
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体膜の形成に先立って、アンモニアおよび水素を含むガスを供給しながら前記基板を熱処理する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項8~請求項12のいずれか一項に記載された方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5A]

[ 図 5B]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]