JP2004363349A - Nitride system compound semiconductor device and light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物系化合物半導体装置及び発光装置並びに半導体装置に関し、特にバッファ層の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体を用いた光電子素子が開発され、信号機や大型表示装置、光触媒反応を利用した環境浄化等の分野で実用化されている。これらは、InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN等のGaN系化合物半導体を発光層として用いている。III属元素の固体組成を変化させるとバンドギャップエネルギが変化し、これに伴い発光波長が変化する。また、GaNを電気伝導層としたFET等の電子素子も作成されており、GaNの優れた電気伝導特性と温度特性を活かした素子が開発されている。しかしながら、これらの素子は、ほとんどの場合格子整合しないサファイア等の基板上に結晶成長されるため、結晶中には高密度の転位が発生してしまう。
【0003】
一方、発光波長が370nm以下の発光装置では、AlInGaNを発光層とし、発光層をAlInGaNで挟んだ構造を、サファイアあるいはSiC上に成長したGaNバッファ層あるいはAlNバッファ層上に成長させるのが一般的である。
【0004】
【非特許文献1】
西田他、第63回応用物理学学術講演会予稿集No.1、2000年9月24日−27日、27a−YH−4
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板上に形成されたGaNバッファ層あるいはAlNバッファ層には格子不整合に基づく転位が生じており、これらが発光層にまで伝搬して発光効率を劣化させる。GaNバッファ層を用いた方がAlNを用いた場合と比べて発生する転位密度は1桁以上低いが、GaNは発光層から射出した光の一部を吸収してしまうので、光の取り出し効率が低下する。したがって、バッファ層としてのGaN及びAlNはそれぞれに一長一短があり、ベストな材料とは言い難い。
【0006】
本発明の目的は、転位密度を抑制した半導体装置を提供することにある。また、光の吸収を抑制した発光装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に第1バッファ層及び第2バッファ層を形成し、前記第2バッファ層上に窒化物系化合物半導体層を形成してなる窒化物系化合物半導体装置であって、前記第1バッファ層は、AlN1−xPx(但し、0<x<1)であることを特徴とする。第1バッファ層としてAlNにP原子を添加したAlN1−xPxを用いることで、その上に形成される窒化物系化合物半導体層の転位密度を低減する。
【0008】
本発明において、前記第2バッファ層は、AlN1−yPy(但し、0≦y<1)とすることが好適である。第2バッファ層として、AlGaNあるいはAlGaNPとしてもよい。
【0009】
また、本発明は、基板上に第1バッファ層及び第2バッファ層を形成し、前記第2バッファ層上に窒化物系化合物半導体層を形成してなる窒化物系化合物半導体装置であって、前記第1バッファ層は、AlN1−xAsx(但し、0<x<1)であることを特徴とする。第1バッファ層としてAlNにAs原子を添加したAlN1−xAsxを用いることで、その上に形成される窒化物系化合物半導体層の転位密度を低減する。
【0010】
本発明において、前記第2バッファ層は、AlN1−yAsy(但し、0≦y<1)とすることが好適である。第2バッファ層として、AlGaNあるいはAlGaNPとしてもよい。
【0011】
前記第2バッファ層上に形成される前記窒化物系化合物半導体層として、n型GaN系層、p型GaN系層、及び前記n型GaN系層と前記p型GaN系層との間に形成されたGaN系発光層とすることができる。この場合、窒化物系化合物半導体装置はLEDとして機能する。第1バッファ層及び第2バッファ層にGaN系ではなくAlNPあるいはAlNAsを用いることで、GaN系発光層からの光の吸収が抑制される。
【0012】
また、本発明は、窒化物系化合物半導体層を用いた発光装置であって、基板と、前記基板上に形成されたAlN1−xPx低温バッファ層(但し、0<x<1)と、前記AlN1−xPx低温バッファ層上に形成されたAlN1−yPy高温バッファ層(但し、0≦y<1)と、前記AlN1−yPy高温バッファ層上に形成された第1導電型GaN系超格子層と、前記第1導電型GaN系超格子層上に形成されたGaN系多層量子井戸発光層と、前記GaN系多層量子井戸発光層上に形成された第2導電型GaN系超格子層とを有することを特徴とする。AlNP低温バッファ層及びAlNP高温バッファ層との組み合わせにより、その上に形成される超格子層及び多層量子井戸発光層の転位密度を低減するとともに、多層量子井戸層からの光のバッファ層での光吸収を抑制する。本発明において、例えば前記xは約0.05であり、前記yは約0.01とすることができる。
【0013】
また、本発明は、窒化物系化合物半導体層を用いた発光装置であって、基板と、前記基板上に形成されたAlN1−xAsx低温バッファ層(但し、0<x<1)と、前記AlN1−xPx低温バッファ層上に形成されたAlN1−yAsy高温バッファ層(但し、0≦y<1)と、前記AlN1−yAsy高温バッファ層上に形成された第1導電型GaN系超格子層と、前記第1導電型GaN系超格子層上に形成されたGaN系多層量子井戸発光層と、前記GaN系量子井戸発光層上に形成された第2導電型GaN系超格子層とを有することを特徴とする。AlNAs低温バッファ層及びAlNAs高温バッファ層との組み合わせにより、その上に形成される超格子層及び多層量子井戸発光層の転位密度を低減するとともに、多層量子井戸層からの光のバッファ層での光吸収を抑制する。本発明において、例えば前記xは約0.05であり、前記yは約0.01とすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【0015】
図1には、本実施形態におけるLEDの構成が示されている。サファイア等の基板10上に第1バッファ層(あるいは低温バッファ層)12、第2バッファ層(あるいは高温バッファ層あるいは下地層)14が形成される。第2バッファ層14上に、n型クラッド層として機能する歪超格子層SLS16、発光層として機能する多層量子井戸MQW層18、p型クラッド層として機能する歪超格子層SLS層20が形成される。SLS層20上に電極形成層22が形成され、第2バッファ層14が露出するまで表面をエッチングした後、電極形成層22上にp型電極24が形成され、第2バッファ層14上にn型電極26が形成される。
【0016】
SLS層16としては、例えば組成の異なるAlGaNを交互に50ピッチ積層した構成とすることができる。MQW層18としては、例えばAlGaN井戸層とAlInGaNバリア層を交互に数ピッチ積層した層とすることができる。SLS層20としては、組成の異なるAlGaNを交互に20ピッチ積層した構成とすることができる。電極形成層22としては、p+GaN等が用いられる。
【0017】
SLS層22や電極形成層24をp型とするためには、アクセプタとしてのMgをドープし、電磁エネルギや熱エネルギ、あるいは熱エネルギと電磁エネルギを併用してMgを活性化させてもよい。
【0018】
従来のLEDにおいては、第1バッファ層12や第2バッファ層14としてGaNやAlNが用いられているが、本実施形態では、第1バッファ層12としてAlN1−xPx(但し、0<x<1)が用いられ、第2バッファ層14としてAlN1−yPy(但し、0≦y<1)が用いられる。第1バッファ層12は低温(500℃程度)で形成され、第2バッファ層14は高温(例えば1080℃程度)で形成される。
【0019】
x及びyの組成を変化させ、電流を注入したときの発光強度は以下の通りである。なお、注入電流は20mAでそのときの電圧は3.6V〜3.8Vである。
【0020】
【表1】
表において、「LT」は低温形成であることを示し、「HT」は高温形成であることを示す。例えば、表1のサンプルAは第1バッファ層(低温バッファ層)12としてAlN0.95P0.05を用い、第2バッファ層14(高温バッファ層あるいは下地層)としてAlN0.99P0.01を用いたサンプルである。X=0.05(組成比5%)、y=0.01(組成比1%)の場合である。また、サンプルBは第1バッファ層(低温バッファ層)としてサンプルBと同一のAlN0.95P0.05を用い、第2バッファ層14(高温バッファ層あるいは下地層)としてAlNを用いたサンプルである。y=0(組成比0%)の場合である。発光強度はサンプルEの発光強度を基準とした相対値である。サンプルEはGaNを第1バッファ層12及び第2バッファ層14に用いたものである。各サンプルの発光強度は複数(9個)の平均値で示してある。サンプルEの発光強度は、注入電流20mAで約1mWである。
【0021】
サンプルEの転位密度は約5×108cm−2であり、全てのサンプルの中で最も低い。しかしながら、GaNはMQW層18から射出した光を吸収してしまうため光取り出し効率は低い。サンプルAとサンプルEを比較すると、転位密度はサンプルAの方が高いにもかかわらず発光強度はサンプルEの5.2倍となっている。これは、サンプルAのバッファ層であるAlNPがMQW層18からの光をほとんど吸収しないからである。さらに、AlNPの表面の凹凸によりMQW層18からの光を散乱しているためと考えられる。サンプルB及びサンプルCもサンプルEと比べるとバッファ層での吸収が低いため相対発光強度はそれぞれ4.5倍、2.5倍となっているが、サンプルAよりは低い。これは、サンプルB及びサンプルCの場合には、サンプルAと比べて転位密度が高いためと考えられる。サンプルDはサンプルEよりも発光強度が低い。これは、第2バッファ層14であるAlGaN層上に形成したSLS16層及びMQW層18内の転位密度が高いこと、及びAlGaNでの光の吸収があるためと考えられる。
【0022】
このように、第1バッファ層12としてAlN1−xPxを用い、第2バッファ層としてAlN1−yPyを用いることで、発光強度を著しく向上させることができ、特に第1バッファ層12及び第2バッファ層14として共にAlNPを用いることで、低転位密度かつ低光吸収を実現し、結果として光取出効率の高いLEDを得ることができる。
【0023】
以下、第1バッファ層12と第2バッファ層14について、さらに詳細に説明する。
【0024】
図2には、基板10、第1バッファ層12及び第2バッファ層14が示されている。第1バッファ層12は低温で形成されたAlNPであり、第2バッファ層は高温で形成されたAlNPである。具体的には、以下のようにして形成される。
【0025】
まず、MOCVD装置内にサファイアc面基板10を設置し、水素雰囲気中で1150℃にて熱処理する。そして、温度500℃でAlNPを形成して第1バッファ層12とする。第1バッファ層12の厚さは約20nmである。層の厚さ及び成長温度は一例であり、層の厚さが10〜50nm、成長温度が400℃〜700℃の範囲内であれば同様の層が形成される。その後、温度を1080℃まで上げ、AlNPを形成して第2バッファ層14とする。第2バッファ層14の厚さは約2μmである。第1バッファ層12及び第2バッファ層14のAlNPは、トリメチルアルミニウム、アンモニア、フォスフィンを原料ガスとしてMOCVD法により形成される。各原料ガスの流量は、トリメチルアルミニウム10〜150μmol/min、アンモニア15SLM(Standard Liter per minutes:基準流量単位)、フォスフィン1〜100sccmである。成長中の反応炉内の圧力は100Torrである。比較のため、第1バッファ層12として低温でGaNあるいはAlNを形成し、その後第2バッファ層14としてAlNPを形成した。サンプル構成を以下に示す。
【0026】
サンプルα:基板/LT−AlNP/HT−AlNP
サンプルβ:基板/LT−GaN/HT−AlNP
サンプルγ:基板/LT−AlN/HT−AlNP
サンプルα及びサンプルγにおいては、第2バッファ層14であるHT−AlNPの表面は鏡面であるが、サンプルβの表面は白濁している。
【0027】
AlNP中のP組成は、原料ガス流量と成長温度に依存する。同じ原料ガス流量であれば、LT−AlNP中のP組成はHT−AlNP中のP組成よりも大幅に大きくなる。例えば、フォスフィン流量が50sccmの場合、LT−AlNP中のP組成比は約10%であり、HT−AlNP中のP組成比は約1%となり、HT−AlNP中のP組成比はLT−AlNP中のP組成比の約1/10となる。HT−AlNPの成長温度を1080℃から1000℃まで下げると、HT−AlNP中のP組成比は1.5%となる。AlNP中のP組成比は、例えばSIMS(二次イオン質量分析計)により測定される。サンプルαを組成比で示すと、基板/LT−AlN0.9P0.1/HT−AlN0.99P0.01であり、サンプルγを組成比で示すと、基板/LT−AlN/HT−AlN0.99P0.01である。これらのサンプルα、γの転位密度を平面TEM(透過電子顕微鏡)で測定すると、サンプルαは約5×109cm−2、サンプルγは約5×1010cm−2である。従って、転位密度低減の観点からはサンプルαの方が望ましいことが分かる。
【0028】
次に、第2バッファ層14としてのHT−AlNP中のP組成比を約1%に維持しつつ、第1バッファ層12としてのLT−AlNP中のP組成比を変化させて転位密度を測定した。
【0029】
図3には、LT−AlNP中のP組成比に対する転位密度の変化が示されている。転位密度は、LT−AlNP中に0.5%程度のPを添加することで急減に減少し、さらにP組成の増大とともに減少していく。しかし、あまりにP組成が高いと転位密度は逆に増大してしまう。LT−AlNPの最適なP組成は、その上に形成されるHT−AlNPのP組成に依存するものの、本実施形態では最適なP組成比は約5%である。本実施形態における最適な組成比を例示すると以下の通りである。
【0030】
基板10/第1バッファ層(LT−AlN0.95P0.05)12/第2バッファ層(HT−AlN0.99P0.01)
なお、HT−AlN0.99P0.01のバンドギャップエネルギは室温で6eV程度と見積もられる。
【0031】
図4には、基板10、第1バッファ層12、第2バッファ層14の他の構成が示されている。第2バッファ層14としてHT−AlNあるいはHT−AlGaNを用い、第1バッファ層12としてLT−AlNPその他を用いる構成である。具体的な製造方法は、以下の通りである。MOCVD装置内にサファイアc面基板10を設置し、水素雰囲気中で1150℃にて熱処理する。そして、温度500℃でAlNP、AlN、GaNを形成して第1バッファ層12とする。第1バッファ層12の厚さは約20nmである。その後、温度を1080℃まで上げ、AlNを形成して第2バッファ層14とする。第2バッファ層14の厚さは約2μmである。AlNPは、トリメチルアルミニウム、アンモニア、フォスフィンを原料ガスとしてMOCVD法により形成される。AlGaNは、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを原料ガスとして形成される。
【0032】
各サンプルの組成及びTEMで測定した転位密度は以下の通りである。
【0033】
【表2】
表において、サンプルaは第1バッファ層12としてLT−AlN0.95P0.05を形成し、第2バッファ層14としてHT−AlNを形成したものである。また、サンプルdは第1バッファ層12としてLT−AlN0.95P0.05を形成し、第2バッファ層14としてHT−Al0.15Ga0.85Nを形成したものである。
【0034】
表からわかるように、Pを添加した第1バッファ層12を用いたサンプルa及びサンプルdでは転位密度が1桁程度低い。また、サンプルaの方がサンプルdよりも転位密度が低く、第1バッファ層12としてPを用いた場合、第2バッファ層14としてAlN系を用いる場合の方がAlGaN系を用いる場合よりも効果が高い。
【0035】
以上より、第1バッファ層12としてLT−AlNPを用い、第2バッファ層としてHT−AlNPあるいはHT−AlNを用いる(あるいはHT−AlGaNを用いる)ことで、転位密度を低減しつつ光の吸収を抑制したLEDを得ることができる。
【0036】
なお、第2バッファ層14としてのHT−AlNPのAlの一部あるいは全部をGaで置き換えることも可能である。Alの一部あるいは全部をGaで置き換えると、その成長速度は増大する。一つの例は、基板/LT−AlN0.95P0.05/HT−Al0.5Ga0.5N0.99P0.01である。HT−AlGaNPの成長温度は980℃である。HT−AlGaNPの成長温度はAlNPの場合と比べると低い。これは、Ga−P結合がAl−P結合に比べて弱いためと考えられる。また、転位密度はGaの増大とともに若干増大する傾向がある。したがって、Alの一部をGaで適量だけ置換することが好適である。図5には、この場合の基板10,第1バッファ層12、第2バッファ層14の構成が示されている。
【0037】
また、HT−AlNPのAlの一部をInで置き換えたHT−AlInNPも考えられるが、この場合にはInを固相中に取り込むため成長温度を850℃以下にする必要があり成長速度が低下する。また、表面荒れも顕著になる。
【0038】
また、本実施形態において、Pを添加する代わりにAsを添加してもよい。例えば、基板10上に第1バッファ層12としてLT−AlNAsを形成し、第2バッファ層14としてAlNを形成する。第2バッファ層14上に図1に示されたSLS層16、MQW層18、SLS層20を形成し、さらにp型電極24及びn型電極26を形成してLEDを作製したところ、相対光強度4.0が得られた。P原子を用いた場合と比較すると光出力は弱いが、As原子もP原子と同様の効果を生じ得る。
【0039】
P原子の代わりにAs原子を用いた構成例を以下に示す。
【0040】
基板/LT−AlNAs/HT−AlNAs
基板/LT−AlNAs/HT−AlN
基板/LT−AlNAs/HT−AlGaN
基板/LT−AlNAs/HT−AlGaNAs
組成比は、例えば基板/LT−AlN0.95As0.05/HT−AlN0.99As0.01である。図6に、この場合の構成例が示されている。
【0041】
また、本実施形態において、第1バッファ層12としてLT−AlNPを用い、第2バッファ層14としてHT−AlNAsを用いることも可能である。第1バッファ層12としてLT−AlNAsを用い、第2バッファ層14としてHT−AlNPを用いることも可能である。
【0042】
さらに、本実施形態では、第1バッファ層12及び第2バッファ層14上にSLS層や発光層を積層してなるLEDについて説明したが、LED以外の電子デバイスにも適用することが可能である。その一例はGaNを電気伝導層としたFET等の電子デバイスである。基板上にAlNP結晶あるいはAlNAs結晶を成長させて下地層とし、この下地層の上にGaNを電気伝導層としたFET等を形成することで、転位密度の低減された電子デバイスが得られる。基本構成は、基板/AlNP(あるいはAlNAs)/半導体層であり、基板及び半導体層の材料は任意である。半導体層の転位密度を低減させることで、半導体層の電気特性向上が期待できる。第1バッファ層及び第2バッファ層が一体化されてAlNP(AlNAs)層を構成する。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転位密度を抑制することができる。また、LED等の発光装置に適用した場合に転位密度を抑制するとともに光の吸収を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態のLEDの構成図である。
【図2】第1バッファ層及び第2バッファ層の構成図である。
【図3】LT−AlNP中のP組成比とHT−AlNP中の転位密度の関係を示すグラフ図である。
【図4】第1バッファ層及び第2バッファ層の他の構成図である。
【図5】第1バッファ層及び第2バッファ層のさらに他の構成図である。
【図6】第1バッファ層及び第2バッファ層のさらに他の構成図である。
【符号の説明】
10 基板、12 第1バッファ層、14 第2バッファ層、16 SLS層、18 MQW層、20 SLS層、22 電極形成層、24 p電極、26 n電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride-based compound semiconductor device, a light emitting device, and a semiconductor device, and more particularly to an improvement in a buffer layer.
[0002]
[Prior art]
Opto-electronic devices using gallium nitride (GaN) -based compound semiconductors have been developed and put to practical use in fields such as traffic lights, large display devices, and environmental purification using photocatalytic reactions. These use a GaN-based compound semiconductor such as InGaN, GaN, AlGaN, or AlInGaN as a light emitting layer. When the solid composition of the group III element is changed, the band gap energy changes, and the emission wavelength changes accordingly. Also, electronic devices such as FETs using GaN as an electric conductive layer have been produced, and devices utilizing GaN's excellent electric conduction characteristics and temperature characteristics have been developed. However, in most cases, these elements are crystal-grown on a substrate such as sapphire that does not lattice match, so that high-density dislocations occur in the crystal.
[0003]
On the other hand, in a light emitting device having an emission wavelength of 370 nm or less, a structure in which AlInGaN is used as a light emitting layer and the light emitting layer is sandwiched between AlInGaN is generally grown on a GaN buffer layer or AlN buffer layer grown on sapphire or SiC. It is.
[0004]
[Non-patent document 1]
Nishida et al., Proc. 1, September 24-27, 2000, 27a-YH-4
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, dislocations due to lattice mismatch occur in the GaN buffer layer or the AlN buffer layer formed on the substrate, and these dislocations propagate to the light emitting layer and deteriorate luminous efficiency. The dislocation density generated by using the GaN buffer layer is one order of magnitude lower than that using AlN. However, since GaN absorbs a part of the light emitted from the light emitting layer, the light extraction efficiency is low. descend. Therefore, GaN and AlN as buffer layers each have advantages and disadvantages, and cannot be said to be the best materials.
[0006]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which dislocation density is suppressed. Another object of the present invention is to provide a light-emitting device in which light absorption is suppressed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a nitride-based compound semiconductor device, comprising: a first buffer layer and a second buffer layer formed on a substrate; and a nitride-based compound semiconductor layer formed on the second buffer layer. One buffer layer is characterized by AlN 1-x P x (where 0 <x <1). By using AlN 1-x P x obtained by adding P atoms to AlN as the first buffer layer, the dislocation density of the nitride-based compound semiconductor layer formed thereon is reduced.
[0008]
In the present invention, the second buffer layer preferably satisfies AlN 1-y Py (where 0 ≦ y <1). AlGaN or AlGaNP may be used as the second buffer layer.
[0009]
Further, the present invention is a nitride-based compound semiconductor device formed by forming a first buffer layer and a second buffer layer on a substrate and forming a nitride-based compound semiconductor layer on the second buffer layer, The first buffer layer is characterized by AlN 1-x As x (where 0 <x <1). By using AlN 1-x As x obtained by adding As atoms to AlN as the first buffer layer, the dislocation density of the nitride-based compound semiconductor layer formed thereon is reduced.
[0010]
In the present invention, the second buffer layer, AlN 1-y As y (where, 0 ≦ y <1) is preferably set to. AlGaN or AlGaNP may be used as the second buffer layer.
[0011]
The nitride-based compound semiconductor layer formed on the second buffer layer includes an n-type GaN-based layer, a p-type GaN-based layer, and a layer formed between the n-type GaN-based layer and the p-type GaN-based layer. GaN-based light emitting layer. In this case, the nitride-based compound semiconductor device functions as an LED. By using AlNP or AlNAs instead of GaN for the first buffer layer and the second buffer layer, absorption of light from the GaN-based light emitting layer is suppressed.
[0012]
The present invention also relates to a light emitting device using a nitride-based compound semiconductor layer, comprising a substrate, an AlN 1-x P x low-temperature buffer layer (0 <x <1) formed on the substrate. the AlN 1-x P x low-temperature buffer layer AlN 1-y P y high-temperature buffer layer formed on (where, 0 ≦ y <1) and, formed on the AlN 1-y P y high-temperature buffer layer A first-conductivity-type GaN-based superlattice layer, a GaN-based multilayer quantum well light-emitting layer formed on the first-conductivity-type GaN-based superlattice layer, and a first And a two-conductivity GaN-based superlattice layer. The combination of the AlNP low-temperature buffer layer and the AlNP high-temperature buffer layer reduces the dislocation density of the superlattice layer and the multi-layer quantum well light emitting layer formed thereon, and reduces the light from the multi-layer quantum well layer in the buffer layer. Suppress absorption. In the present invention, for example, the x can be about 0.05, and the y can be about 0.01.
[0013]
The present invention also relates to a light emitting device using a nitride-based compound semiconductor layer, comprising a substrate and an AlN 1-x As x low-temperature buffer layer (0 <x <1) formed on the substrate. the AlN 1-x P x low-temperature buffer layer AlN 1-y as y high-temperature buffer layer formed on (where, 0 ≦ y <1) and, formed on the AlN 1-y as y high-temperature buffer layer A first conductivity type GaN-based superlattice layer, a GaN-based multilayer quantum well light emitting layer formed on the first conductivity type GaN-based superlattice layer, and a second conductive layer formed on the GaN-based quantum well light-emitting layer. And a conductive type GaN-based superlattice layer. The combination of the AlNAs low-temperature buffer layer and the AlNAs high-temperature buffer layer reduces the dislocation density of the superlattice layer and the multi-layer quantum well light emitting layer formed thereon, and reduces the light from the multi-layer quantum well layer in the buffer layer. Suppress absorption. In the present invention, for example, the x can be about 0.05, and the y can be about 0.01.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 shows a configuration of an LED according to the present embodiment. A first buffer layer (or low-temperature buffer layer) 12 and a second buffer layer (or high-temperature buffer layer or base layer) 14 are formed on a
[0016]
The
[0017]
In order to make the
[0018]
In the conventional LED, GaN or AlN is used as the
[0019]
The emission intensity when the current was injected while changing the composition of x and y was as follows. The injection current was 20 mA, and the voltage at that time was 3.6 V to 3.8 V.
[0020]
[Table 1]
In the table, “LT” indicates low-temperature formation, and “HT” indicates high-temperature formation. For example, sample A in Table 1 uses AlN 0.95 P 0.05 as the first buffer layer (low temperature buffer layer) 12 and AlN 0.99 P 0 as the second buffer layer 14 (high temperature buffer layer or underlayer). This is a sample using .01 . This is the case where X = 0.05 (
[0021]
Sample E has a dislocation density of about 5 × 10 8 cm −2 , the lowest among all the samples. However, since GaN absorbs light emitted from the
[0022]
As described above, by using AlN 1-x P x as the
[0023]
Hereinafter, the
[0024]
FIG. 2 shows the
[0025]
First, the sapphire c-
[0026]
Sample α: substrate / LT-AlNP / HT-AlNP
Sample β: substrate / LT-GaN / HT-AlNP
Sample γ: substrate / LT-AlN / HT-AlNP
In samples α and γ, the surface of HT-AlNP as the
[0027]
The P composition in AlNP depends on the flow rate of the source gas and the growth temperature. At the same source gas flow rate, the P composition in LT-AlNP is much larger than the P composition in HT-AlNP. For example, when the phosphine flow rate is 50 sccm, the P composition ratio in LT-AlNP is about 10%, the P composition ratio in HT-AlNP is about 1%, and the P composition ratio in HT-AlNP is LT-AlNP. It becomes about 1/10 of the P composition ratio in the inside. When the growth temperature of HT-AlNP is lowered from 1080 ° C. to 1000 ° C., the P composition ratio in HT-AlNP becomes 1.5%. The P composition ratio in AlNP is measured by, for example, SIMS (secondary ion mass spectrometer). When the sample α is represented by the composition ratio, it is substrate / LT-AlN 0.9 P 0.1 / HT-AlN 0.99 P 0.01 , and when the sample γ is represented by the composition ratio, the substrate / LT-AlN / HT-AlN 0.99 P 0.01 . When the dislocation density of these samples α and γ is measured by a plane TEM (transmission electron microscope), the sample α is about 5 × 10 9 cm −2 and the sample γ is about 5 × 10 10 cm −2 . Therefore, it is understood that the sample α is more desirable from the viewpoint of reducing the dislocation density.
[0028]
Next, while maintaining the P composition ratio in HT-AlNP as the
[0029]
FIG. 3 shows a change in dislocation density with respect to the P composition ratio in LT-AlNP. The dislocation density decreases sharply by adding about 0.5% of P to LT-AlNP, and further decreases as the P composition increases. However, if the P composition is too high, the dislocation density will increase. Although the optimum P composition of LT-AlNP depends on the P composition of HT-AlNP formed thereon, the optimum P composition ratio in this embodiment is about 5%. An example of the optimum composition ratio in the present embodiment is as follows.
[0030]
The band gap energy of HT-AlN 0.99 P 0.01 is estimated to be about 6 eV at room temperature.
[0031]
FIG. 4 shows another configuration of the
[0032]
The composition of each sample and the dislocation density measured by TEM are as follows.
[0033]
[Table 2]
In the table, sample a is formed by forming LT-AlN 0.95 P 0.05 as the
[0034]
As can be seen from the table, the dislocation density of samples a and d using the
[0035]
As described above, by using LT-AlNP as the
[0036]
It is also possible to replace part or all of Al of HT-AlNP as the
[0037]
Further, HT-AlInNP in which part of Al of HT-AlNP is replaced by In may be considered, but in this case, the growth temperature needs to be 850 ° C. or lower to take In into the solid phase, and the growth rate decreases. I do. In addition, the surface roughness becomes remarkable.
[0038]
In the present embodiment, As may be added instead of adding P. For example, LT-AlNAs are formed as the
[0039]
A configuration example using As atoms instead of P atoms is shown below.
[0040]
Substrate / LT-AlNAs / HT-AlNAs
Substrate / LT-AlNAs / HT-AlN
Substrate / LT-AlNAs / HT-AlGaN
Substrate / LT-AlNAs / HT-AlGaNAs
The composition ratio is, for example, substrate / LT-AlN 0.95 As 0.05 / HT-AlN 0.99 As 0.01 . FIG. 6 shows a configuration example in this case.
[0041]
In the present embodiment, it is also possible to use LT-AlNP as the
[0042]
Further, in the present embodiment, the LED in which the SLS layer and the light emitting layer are stacked on the
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the dislocation density can be suppressed. Further, when applied to a light emitting device such as an LED, it is possible to suppress dislocation density and light absorption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an LED according to an embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of a first buffer layer and a second buffer layer.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a P composition ratio in LT-AlNP and a dislocation density in HT-AlNP.
FIG. 4 is another configuration diagram of a first buffer layer and a second buffer layer.
FIG. 5 is a diagram showing still another configuration of the first buffer layer and the second buffer layer.
FIG. 6 is a diagram showing still another configuration of the first buffer layer and the second buffer layer.
[Explanation of symbols]
Claims (11)
前記第1バッファ層は、AlN1−xPx(但し、0<x<1)であることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。A nitride-based compound semiconductor device comprising: a first buffer layer and a second buffer layer formed on a substrate; and a nitride-based compound semiconductor layer formed on the second buffer layer.
Wherein the first buffer layer, AlN 1-x P x (where, 0 <x <1) nitride-based compound semiconductor device which is a.
前記第2バッファ層は、AlN1−yPy(但し、0≦y<1)であることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。The device of claim 1,
The nitride-based compound semiconductor device, wherein the second buffer layer satisfies AlN 1-y Py (where 0 ≦ y <1).
前記第1バッファ層は、AlN1−xAsx(但し、0<x<1)であることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。A nitride-based compound semiconductor device comprising: a first buffer layer and a second buffer layer formed on a substrate; and a nitride-based compound semiconductor layer formed on the second buffer layer.
The nitride-based compound semiconductor device, wherein the first buffer layer is AlN 1-x As x (where 0 <x <1).
前記第2バッファ層は、AlN1−yAsy(但し、0≦y<1)であることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。The device according to claim 3,
The second buffer layer, AlN 1-y As y (where, 0 ≦ y <1) nitride-based compound semiconductor device which is a.
前記第2バッファ層は、AlGaNであることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。The device according to any one of claims 1 and 3,
The said 2nd buffer layer is AlGaN, The nitride compound semiconductor device characterized by the above-mentioned.
前記第2バッファ層は、AlGaNPであることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。The device of claim 1,
The nitride-based compound semiconductor device, wherein the second buffer layer is made of AlGaNP.
前記第2バッファ層は、AlGaNAsであることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。The device according to claim 3,
The nitride-based compound semiconductor device, wherein the second buffer layer is made of AlGaNAs.
前記第2バッファ層上に形成される前記窒化物系化合物半導体層は、
n型GaN系層と、
p型GaN系層と、
前記n型GaN系層と前記p型GaN系層との間に形成されたGaN系発光層と、
を有する窒化物系化合物半導体装置。The apparatus according to any one of claims 1 to 7,
The nitride-based compound semiconductor layer formed on the second buffer layer,
an n-type GaN-based layer;
a p-type GaN-based layer;
A GaN-based light-emitting layer formed between the n-type GaN-based layer and the p-type GaN-based layer;
A nitride-based compound semiconductor device.
基板と、
前記基板上に形成されたAlN1−xPx低温バッファ層(但し、0<x<1)と、
前記AlN1−xPx低温バッファ層上に形成されたAlN1−yPy高温バッファ層(但し、0≦y<1)と、
前記AlN1−yPy高温バッファ層上に形成された第1導電型GaN系超格子層と、
前記第1導電型GaN系超格子層上に形成されたGaN系多層量子井戸発光層と、
前記GaN系多層量子井戸発光層上に形成された第2導電型GaN系超格子層と、
を有することを特徴とする発光装置。A light emitting device using a nitride-based compound semiconductor layer,
Board and
An AlN 1-x P x low temperature buffer layer (0 <x <1) formed on the substrate;
An AlN 1-y P y high temperature buffer layer (0 ≦ y <1) formed on the AlN 1-x P x low temperature buffer layer;
A first conductivity type GaN-based superlattice layer formed on the AlN 1-y Py high temperature buffer layer;
A GaN-based multilayer quantum well light emitting layer formed on the first conductivity type GaN-based superlattice layer;
A second conductivity type GaN-based superlattice layer formed on the GaN-based multilayer quantum well light emitting layer;
A light emitting device comprising:
基板と、
前記基板上に形成されたAlN1−xAsx低温バッファ層(但し、0<x<1)と、
前記AlN1−xPx低温バッファ層上に形成されたAlN1−yAsy高温バッファ層(但し、0≦y<1)と、
前記AlN1−yAsy高温バッファ層上に形成された第1導電型GaN系超格子層と、
前記第1導電型GaN系超格子層上に形成されたGaN系多層量子井戸発光層と、
前記GaN系多層量子井戸発光層上に形成された第2導電型GaN系超格子層と、
を有することを特徴とする発光装置。A light emitting device using a nitride-based compound semiconductor layer,
Board and
An AlN 1-x As x low-temperature buffer layer (0 <x <1) formed on the substrate;
The AlN 1-x P x low-temperature buffer layer AlN 1-y As y high-temperature buffer layer formed on a (where, 0 ≦ y <1),
A first conductivity type GaN-based superlattice layer formed on the AlN 1-y As y high-temperature buffer layer,
A GaN-based multilayer quantum well light emitting layer formed on the first conductivity type GaN-based superlattice layer;
A second conductivity type GaN-based superlattice layer formed on the GaN-based multilayer quantum well light emitting layer;
A light emitting device comprising:
前記xは約0.05であり、前記yは約0.01であることを特徴とする発光装置。The device according to any one of claims 9 and 10,
The light emitting device according to claim 1, wherein x is about 0.05 and y is about 0.01.
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---|---|---|---|---|
JP2009067658A (en) * | 2007-09-18 | 2009-04-02 | Hitachi Cable Ltd | Nitride semiconductor ground substrate, nitride semiconductor-stacked substrate, nitride semiconductor self-standing substrate and method for producing nitride semiconductor ground substrate |
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- 2003-06-05 JP JP2003160320A patent/JP2004363349A/en active Pending
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