JP2010021287A

JP2010021287A - Ｉｉｉ族窒化物系半導体発光素子、及びエピタキシャルウエハ

Info

Publication number: JP2010021287A
Application number: JP2008179435A
Authority: JP
Inventors: Yohei Shioya; 陽平塩谷; Takashi Kyono; 孝史京野; Katsushi Akita; 勝史秋田; Masanori Ueno; 昌紀上野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: CN101626058B; US20100008393A1; KR20100006548A; TW201011952A; CN101626058A; EP2144306A1; JP4572963B2

Abstract

【課題】活性層からの正孔のオーバーフローを低減して量子効率を向上できるIII族窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】活性層１９は、ｐ型ＧａＮ系半導体領域１５と正孔ブロック層１７との間に位置するので、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ系半導体領域１５から活性層１９に供給される。正孔ブロック層１７の厚さＤ１７がＧａＮ系半導体層１３の厚さＤ１３よりも薄い。正孔ブロック層１７のバンドギャップＧ１７がＧａＮ系半導体領域２３のバンドギャップの最大値よりも大きいので、正孔ブロック層１７は、活性層１９をオーバーフローしようとする正孔に対して障壁△Ｇ_Ｈとして作用する。故に、正孔ブロック層１７は、活性層１９をオーバーフローしてＧａＮ系半導体領域２３に到達する正孔の量を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明はIII族窒化物系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハに関する。

特許文献１には、ダブルヘテロ構造の青色発光素子が記載されている。サファイア基板、ＳｉＣ基板やＺｎＯ基板といった異種基板上に、ＧａＮからなる低温バッファ層が設けられている。このバッファ層上には、ｎ型ＧａＮ層（第一のクラッド層）、ＺｎドープのＩｎＧａＮ層（発光層）、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層（第二のクラッド層）が順に成長される。
特開平６−２６０６８３号公報

特許文献１の青色発光素子は、ｃ面サファイア基板上に成長されたＩｎＧａＮ発光層を含む。また、青色発光素子といったIII族窒化物系半導体発光素子は、ｃ面ＧａＮ基板上に作製されることができる。最近、極性のｃ面とは異なる半極性や非極性のＧａＮ基板を用いて、III族窒化物系半導体発光素子が作製されている。発明者らの実験によれば、半極性面上に成長された窒化ガリウム系半導体における正孔の振る舞いは、極性面上に成長された窒化ガリウム系半導体における正孔の振る舞いと異なっている。発明者らの具体的な検討によれば、半極性面上の窒化ガリウム系半導体における正孔の拡散長が、ｃ面上の窒化ガリウム系半導体における正孔の拡散長がよりも大きい。これ故に、半極性基板上に作製された発光素子では、活性層に注入された正孔がこの活性層からオーバーフローしている。したがって、発光の量子効率が悪い。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、活性層からの正孔のオーバーフローを低減して量子効率を向上できるIII族窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、（ａ）所定の平面に沿って延びる主面を有するｎ型の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）第１の窒化ガリウム系半導体からなる正孔ブロック層と、（ｄ）前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と前記正孔ブロック層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる活性層とを備える。前記正孔ブロック層及び前記活性層は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記主面と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に配置されており、前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸は前記所定の平面の法線に対して傾斜しており、前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記活性層におけるバンドギャップの最大値よりも大きく、前記正孔ブロック層の厚さは前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄い。

このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、活性層は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と正孔ブロック層との間に設けられているので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は活性層に正孔を供給する。正孔ブロック層のバンドギャップが窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップよりも大きいので、正孔ブロック層は、活性層内の正孔に対して障壁として作用する。故に、正孔ブロック層は、活性層内をオーバーフローして窒化ガリウム系半導体領域に到達する正孔の量を低減できる。また、正孔ブロック層の厚さが窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄いので、正孔ブロック層は、窒化ガリウム系半導体領域から活性層に供給される電子に対して大きな抵抗を示さない。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸と前記所定の平面の法線との成す傾斜角は、１０度以上であり、８０度以下であることができる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層の厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、正孔のトンネリングが生じない。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層の厚さは５０ｎｍ以下であることが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、ｎ型の窒化ガリウム系半導体領域から活性層へ供給される電子に対して、正孔ブロック層が大きな抵抗を示すことがない。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層には、ｎ型ドーパントが添加されていることが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、ｎ型ドーパントの添加により正孔ブロック層の抵抗が低減される。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体は、III族元素としてガリウム、インジウム及びアルミニウムを含むことが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、四元混晶を用いることにより、正孔ブロック層は正孔に対する障壁だけでなく、所望の格子定数を提供できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体は、III族としてインジウムを含み、前記正孔ブロック層のインジウム組成は０より大きく０．３以下であることができる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層はＡｌＧａＮ層を含むことができる。正孔ブロック層の材料として、ＩｎＡｌＧａＮだけでなく、ＡｌＧａＮも用いることができる。ＡｌＧａＮによれば、大きなバンドギャップを有する正孔ブロック層を提供できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体は、III族としてアルミニウムを含むことができる前記正孔ブロック層のアルミニウム組成は０以上であり０．５以下であることが好ましい。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層を更に備えることができる。前記正孔ブロック層の厚さは前記電子ブロック層の厚さより薄い。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、当該III族窒化物系半導体発光素子は発光ダイオードであることができる。発光ダイオードは、半導体レーザと異なって、光学的なクラッド層を含まないので、正孔ブロック層が正孔のオーバーフローの低減に有効である。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板を更に備えることができる。前記主面が半極性を示す。前記窒化ガリウム系半導体領域は前記基板と前記正孔ブロック層との間に設けられている。このIII族窒化物系半導体発光素子は、半極性ＧａＮ主面上に作製されると共に、半極性に特有の正孔の振る舞いの影響をIII族窒化物系半導体発光素子において低減できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記基板はＧａＮからなることができる。このIII族窒化物系半導体発光素子は、大口径の半極性ＧａＮウエハを用いて作製可能であると共に、半極性に特有の正孔の振る舞いの影響をIII族窒化物系半導体発光素子において低減できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、前記活性層は井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有し、前記井戸層の数は４以下であることが好ましい。
このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、井戸層の数を増やすことは、逆に井戸層の結晶品質を低下させる可能性がある。一方、井戸層の数が少ないとき、正孔のオーバーフローの影響を受けやすい。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、前記井戸層は、III族としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、幅広い波長範囲の発光を提供できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子では、前記井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなり、前記井戸層のインジウム組成Ｘは０．１５以上であることが好ましい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、長波長の発光を実現できる。４元混晶を用いた正孔ブロック層と組み合わせることによって、高インジウム組成でありながら良好な結晶品質の井戸層を実現できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、前記正孔ブロック層と前記窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を更に備えることができる。前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記正孔ブロック層のバンドギャップよりも小さく、前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップより小さい。このIII族窒化物系半導体発光素子によれば、高インジウム組成の井戸層を含む活性層へ印加される応力を低減できる。

本発明に係るIII族窒化物系半導体発光素子は、前記活性層は、４５０ｎｍ以上の波長領域にピーク波長を有するように設けられている。また、前記活性層は、６５０ｎｍ以下の波長領域にピーク波長を有するように設けられている。

本発明の別の側面に係る発明は、III族窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）所定の平面に沿って延びる主面を有しており、基板の主面上に設けられたｎ型導電性の窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）前記窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に設けられ、第１の窒化ガリウム系半導体からなる正孔ブロック層と、（ｃ）前記正孔ブロック層上に設けられた活性層と、（ｄ）前記活性層上に設けられ、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層と、（ｅ）前記電子ブロック層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域とを備える。前記活性層は前記正孔ブロック層と前記電子ブロック層との間に設けられており、前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸は前記所定の平面の法線に対して傾斜しており、前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップよりも大きく、前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記活性層におけるバンドギャップの最大値よりも大きく、前記正孔ブロック層の厚さは前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄い。

このエピタキシャルウエハによれば、活性層は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と正孔ブロック層との間に設けられているので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は活性層に正孔を供給する。正孔ブロック層のバンドギャップが窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップよりも大きいので、正孔ブロック層は、活性層内の正孔に対して障壁を提供する。故に、正孔ブロック層は、活性層をオーバーフローして窒化ガリウム系半導体領域に到達する正孔の量を低減する。また、正孔ブロック層の厚さが窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄いので、正孔ブロック層は、窒化ガリウム系半導体領域から活性層に供給される電子に対して大きな抵抗を示さない。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記基板はＧａＮからなり、前記基板のＧａＮのｃ軸と前記基板の前記主面の法線との成す傾斜角は、１０度以上であり、８０度以下であることが好ましい。

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。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、活性層からの正孔のオーバーフローを低減して量子効率を向上できるIII族窒化物系半導体発光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、III族窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。

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II族窒化物系半導体発光素子、及びエピタキシャルウエハ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。

図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。図１を参照すると、III族窒化物系半導体発光素子（以下、「発光素子」と記す）１１のために直交座標系Ｓが示されている。図２は、発光素子１１のバンドダイアグラムを示す図面である。発光素子１１は、例えば発光ダイオードであることができる。発光素子１１は、六方晶系のｎ型窒化ガリウム系半導体層（以下、「ＧａＮ系半導体層」と記す）１３と、六方晶系のｐ型窒化ガリウム系半導体領域（以下、「ＧａＮ系半導体領域」と記す）１５と、正孔ブロック層１７と、活性層１９とを備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、所定の平面に沿って延びる主面１３ａを有する。正孔ブロック層１７は、窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。活性層１９は、窒化ガリウム系半導体からなり、またｐ型ＧａＮ系半導体領域１５と正孔ブロック層１７との間に設けられている。正孔ブロック層１７及び活性層１９は、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３の主面１３ａとｐ型ＧａＮ系半導体領域１５との間に配置されている。活性層１９は、一又は複数の半導体層を含み、正孔ブロック層１７上に設けられている。窒化ガリウム系半導体領域（以下、「ＧａＮ系半導体領域」と記す）２３はｎ導電性を有しており、六方晶系結晶からなる。また、ＧａＮ系半導体領域２３は一又は複数の半導体層を含むことができる。例えば、ｎ型ＧａＮ系半導体層１３はＧａＮ系半導体領域２３に含まれる。ＧａＮ系半導体領域２３は活性層１９に電子を供給すると共に、ｐ型ＧａＮ系半導体領域１５は活性層１９に正孔を供給する。ｎ型ＧａＮ系半導体層１３（同様に、ＧａＮ系半導体領域２３）のｃ軸は所定の平面の法線に対して傾斜しており、正孔ブロック層１７のバンドギャップＧ１７は活性層１９におけるバンドギャップの最大値Ｇ１９よりも大きい。正孔ブロック層１７の厚さＤ１７はＧａＮ系半導体領域２３の厚さＤ２３よりも薄い。ｐ型ＧａＮ系半導体領域１５は、例えばコンタクト層を含むことができる。

この発光素子１１によれば、活性層１９は、ｐ型ＧａＮ系半導体領域１５と正孔ブロック層１７との間に設けられているので、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ系半導体領域１５から活性層１９に供給される。正孔ブロック層１７のバンドギャップＧ１７がＧａＮ系半導体領域２３のバンドギャップの最大値よりも大きいので、正孔ブロック層１７は、活性層１９をオーバーフローしようとする正孔に対して障壁△Ｇ_Ｈとして作用する。故に、正孔ブロック層１７は、活性層１９をオーバーフローしてＧａＮ系半導体領域２３に到達する正孔の量を低減する。また、正孔ブロック層１７の厚さＤ１７がＧａＮ系半導体領域２３の厚さＤ２３よりも薄いので、正孔ブロック層１７は、ＧａＮ系半導体領域２３から活性層１９に供給される電子Ｅに対して大きな抵抗を示さない。

図１を参照すると、発光素子１１では、ＧａＮ系半導体層１３のｃ軸ベクトルＶ_Ｃと所定の平面（又はＧａＮ系半導体領域２３の主面）の法線Ｖ_Ｎとの成す傾斜角は１０度以上であることができる。この傾斜角によれば、ｃ面やａ面及びｍ面上よりもキャリア、特に正孔の拡散長が大きく、電流注入した際に、活性層からｎ型ＧａＮ領域へと正孔がオーバーフローしやすい。また、傾斜角は８０度以下であることができる。この傾斜角によれば、ｃ面やａ面及びｍ面上よりもキャリア、特に正孔の拡散長が大きく、電流注入した際に、活性層からｎ型ＧａＮ領域へと正孔がオーバーフローしやすい。

発光素子１１では、正孔のトンネリングを防止するために、正孔ブロック層１７の厚さＤ１７は５ｎｍ以上であることが好ましい。また、正孔ブロック層１７の厚さＤ１７は５０ｎｍ以下であることが好ましい。この正孔ブロック層１７によれば、ＧａＮ系半導体領域２３から活性層１９へ供給される電子Ｅに対して、正孔ブロック層１７が大きな抵抗を示すことがなく、また、格子不整合に起因して生成され活性層に加えられる応力を低減できる。正孔ブロック層１７は、アンドープであることができるが、ｎ型ドーパントが正孔ブロック層１７に添加されていることが好ましい。ｎ型ドーパントの添加により正孔ブロック層１７の抵抗が低減される。ｎ型ドーパントとしては、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）等を用いることができる。

発光素子１１は、電子ブロック層２５を更に備えることができる。ＧａＮ系半導体領域２３、正孔ブロック層１７、活性層１９、電子ブロック層２５及びｐ型ＧａＮ系半導体領域１５は所定の軸Ａｘに沿って配置されている。電子ブロック層２５は、活性層１９とｐ型ＧａＮ系半導体領域１５との間に設けられている。また、電子ブロック層２５は、窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。例えば、正孔ブロック層１７の厚さＤ１７を電子ブロック層２５の厚さＤ２５より薄くすることができる。活性層１９は正孔ブロック層１７と電子ブロック層２５との間に設けられている。電子ブロック層２５の厚さＤ２５はｐ型導電性ＧａＮ系半導体領域１５の厚さよりも薄い。ｐ型ＧａＮ系半導体領域１５は、電子ブロック層２５上に設けられている。電子ブロック層２５の厚さは、例えば５ｎｍ以上であることができ、３０ｎｍ以下であることができる。

活性層１９は量子井戸構造２１を有し、量子井戸構造２１は、交互に配列された井戸層２１ａ及び障壁層２１ｂを含む。量子井戸構造２１では、井戸層２１ａの数は１以上であり、井戸層２１ａの数は４以下であることが好ましい。井戸層２１ａの数を増やすことは、逆に井戸層２１ａの結晶品質を低下させる可能性がある。この傾向は、特に、半極性面上に形成される井戸層に見られる。また、井戸数が多い活性層では、必然的に空乏層の厚みが増え、ｐ型領域とｎ型領域が遠ざかって、キャリアオーバーフローの影響が低減される傾向になる。一方、井戸層２１ａの数が少ないとき、活性層１９の厚さが大きくない。故に、発光特性は、正孔のオーバーフローの影響を受けやすい。したがって、上記の範囲が好適である。井戸層２１ａの厚さは、例えば２ｎｍ以上であることができ、１０ｎｍ以下であることができる。また障壁層２１ｂの厚さは、例えば１０ｎｍ以上であることができ、３０ｎｍ以下であることができる。活性層１９の総厚は、１００ｎｍ以下であることができる。

井戸層２１ａは、幅広い波長範囲の発光を提供するために、III族としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。具体的には、井戸層２１ａはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなり、井戸層２１ａのインジウム組成Ｘは０．１５以上であることが好ましい。この組成範囲によれば、この発光素子１１において、長波長の発光を実現できる。４元混晶を用いた正孔ブロック層を用いることによって、高インジウム組成でありながら良好な結晶品質のＩｎＧａＮ井戸層を実現できる。また、井戸層２１ａのインジウム組成Ｘは０．４０以下であることが好ましい。障壁層２１ｂとしては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の材料からなることができる。

活性層１９は、４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長領域にフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルのピーク波長を有するように設けられている。

発光素子１１は、基板２７を更に備えることができる。基板２７は、窒化ガリウム系半導体からなり、また半極性を示す主面２７ａ及び裏面２７ｂを有する。主面２７ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して傾斜している。傾斜角は１０度以上であり、また８０度以下であることができる。

ＧａＮ系半導体領域２３は基板２７と正孔ブロック層１７との間に設けられている。ＧａＮ系半導体領域２３は、互いに対向する一対の面を有しており、
ＧａＮ系半導体領域２３の一方の面は基板２７の主面２７ａに接触しており、また他方の面は正孔ブロック層１７に接触している。この発光素子１１は、半極性主面２７ａ上へのエピタキシャル成長により作製されると共に、半極性特有の正孔の振る舞いの影響を発光素子１１において低減できる。基板はＧａＮ、ＩｎＧａＮからなることができる。基板がＧａＮからなるとき、この発光素子１１は、大口径の半極性ＧａＮウエハを用いて作製可能である。

基板主面がｃ面からｍ面方向に傾斜するとき、井戸層と障壁層の格子定数の違いから、井戸層にかかる歪みによって生じるピエゾ電界が小さい。また、基板主面がｃ面からａ面方向に傾斜するとき、井戸層と障壁層の格子定数の違いから、井戸層にかかる歪みによって生じるピエゾ電界が小さい。

発光素子１１は、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体層（以下、「ＧａＮ系半導体層」と記す）２９を更に備えることができる。ＧａＮ系半導体層２９は、正孔ブロック層１７とＧａＮ系半導体層１３との間に設けられている。ＧａＮ系半導体層２９は、例えばＩｎＧａＮであることができる。ＧａＮ系半導体層２９のバンドギャップＧ２９は正孔ブロック層１７のバンドギャップＧ１７よりも小さい。ＧａＮ系半導体層２９のバンドギャップＧ２９はＧａＮ系半導体層１３のバンドギャップＧ１３より小さい。このＧａＮ系半導体層２９によれば、高インジウム組成の井戸層を作製する際に、活性層１９への歪みを低減できる。

発光素子１１は、ＧａＮ系半導体層２９と正孔ブロック層１７との間に設けられた窒化ガリウム系半導体層（以下、「ＧａＮ系半導体層」と記す）３１を更に備えることができる。ＧａＮ系半導体層３１は例えばＧａＮ等からなることができる。このＧａＮ系半導体層３１によれば、ＧａＮ系半導体層２９と正孔ブロック層１７との格子定数差を緩和できる。ＧａＮ系半導体層３１の厚さは、ＧａＮ系半導体層２９の及びｎ型ＧａＮ系半導体層１３の厚さより薄い。

図２を参照すると、正孔ブロック層１７のバンドギャップＧ１７は、正孔ブロック層１７と基板２７との間に設けられＧａＮ系半導体領域２３に含まれる半導体層のバンドギャップの最大値よりも大きい。

正孔ブロック層１７は、III族元素としてガリウム、インジウム及びアルミニウムを含む窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。三元混晶ではなく例えば四元混晶を用いることにより、正孔ブロック層１７は正孔に対する障壁だけでなく、活性層への応力を低減できる格子定数を提供できる。例えば、正孔ブロック層１７が四元混晶からなるとき、活性層１９への応力を低減できる。

ＩｎＡｌＧａＮからなる正孔ブロック層１７は、III族元素としてアルミニウムを含む。正孔ブロック層１７が、構成元素としてアルミニウムを含むとき、ＧａＮよりもバンドギャップを大きくでき、正孔に対する障壁となり得る。正孔ブロック層１７のアルミニウム組成が０．５以下であるとき、正孔の障壁の効果は十分でありながら、隣接する層との格子定数差が大きくなりすぎず、クラック等が入らない。

ＩｎＡｌＧａＮからなる正孔ブロック層１７はIII族としてインジウムを含み、正孔ブロック層１７のインジウム組成は０より大きく０．３以下であることができる。正孔ブロック層１７がインジウム元素を含むとき、Ｉｎを含まない場合と同じバンドギャップの正孔ブロック層を作製したときに、正孔ブロック層の格子定数を大きくすることができ、障壁層や井戸層との格子定数差を小さくすることができ、全体の歪みを緩和できる。正孔ブロック層１７のインジウム組成が０．３以下であるとき、同じバンドギャップの大きさの正孔ブロック層を作製する際に、Ａｌ組成を極端に高める必要がなく、成長がしやすい。

正孔ブロック層１７はＡｌＧａＮ層を含むことができる。正孔ブロック層１７の材料として、ＩｎＡｌＧａＮだけでなく、ＡｌＧａＮも用いることができる。ＡｌＧａＮによれば、大きなバンドギャップを有する正孔ブロック層１７を提供できる。

ＡｌＧａＮからなる正孔ブロック層１７はIII族としてアルミニウムを含むことができる。正孔ブロック層１７が構成元素としてアルミニウムを含むとき、ＧａＮよりもバンドギャップを大きくでき、正孔に対する障壁となり得る。正孔ブロック層１７のアルミニウム組成が０．５以下であるとき、正孔の障壁の効果は十分でありながら、隣接する層との格子定数差が大きくなりすぎず、クラック等が入らない。

発光素子１１、例えば発光ダイオードでは、発光素子１１の上面から光Ｌが出射される。発光ダイオードは、半導体レーザと異なって、光学的なクラッド層を含まないので、正孔ブロック層が正孔のオーバーフローの低減に有効である。

図３及び図４は、III族窒化物系半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図５は、図３及び図４に示された作製方法の主要な工程における生産物を示す図面である。

有機金属気相成長法により青色発光ダイオード構造を作製した。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）を用いた。ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ_４）及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いた。

まず、工程フロー１００を参照しながら、エピタキシャルウエハを作製する。工程Ｓ１０１では、図５（ａ）に示されるように、六方晶系半極性窒化ガリウムウエハを準備した。窒化ガリウムウエハの主面はｃ面からｍ面方向及びａ面方向に１０〜８０度の角度で傾斜している。窒化ガリウムウエハのサイズは、例えば２インチ以上である。反応炉内にＧａＮウエハ４１を設置した後に、工程Ｓ１０２では、摂氏１１００度の温度及び成長炉内圧力２７ｋＰａで、ＮＨ_３とＨ_２を流しながら、１０分間の熱処理を行った。

工程Ｓ１０３では、図５（ｂ）に示されるように、ｎ型の窒化ガリウム系半導体領域４３をエピタキシャルに成長した。具体的には、工程Ｓ１０３−１において、摂氏１１５０度の温度で、ＳｉドープしたＧａＮ層４３ａを成長した。このＧａＮ層４３ａの厚さは例えば２μｍであった。その後、摂氏７８０度に基板温度を下げた後に、工程Ｓ１０３−２において、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＳｉＨ_４を成長炉に供給して、ＳｉドープしたＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ緩衝層４３ｂをエピタキシャルに成長した。Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ緩衝層４３ｂの厚さは、１００ｎｍであった。必要な場合には、基板温度を摂氏８７０度に上昇した後に、工程Ｓ１０３−３において、ＳｉドープしたＧａＮ層４３ｃをエピタキシャルに成長した。このＧａＮ層４３ｃの厚さは例えば１０ｎｍであった。

工程Ｓ１０４では、基板温度を摂氏８７０度に上昇した後に、図５（ｃ）に示されるように、正孔ブロック層４５をエピタキシャルに成長した。正孔ブロック層４５はＳｉドープしたＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層であり、その厚さは１０ｎｍであった。

工程Ｓ１０５では、図５（ｄ）に示されるように、活性層４７をエピタキシャルに成長した。具体的には、工程Ｓ１０５−１において、摂氏８７０度の基板温度で、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層４７ａを成長した。工程Ｓ１０５−２において、摂氏７００度まで基板温度を下げた後に、厚さ４ｎｍのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ井戸層４７ｂを成長した。その後、摂氏８７０度まで基板温度を上げた後に、工程Ｓ１０５−３において、摂氏８７０度の基板温度で、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層４７ｃを成長した。必要な場合には、工程Ｓ１０５−４において、井戸層の成長及び障壁層の成長を繰り返す。

工程Ｓ１０６では、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止すると共にアンモニアを供給したながら基板温度を摂氏１１００度に上昇した。この後に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＣＰ_２Ｍｇを成長炉に導入して、図５（ｅ）に示されるように、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層４９をエピタキシャルに成長した。この後、工程Ｓ１０７において、ＴＭＡの供給を停止して、図５（ｆ）に示されるように、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層５１をエピタキシャルに成長した。基板温度を室温まで降温した後に、エピタキシャルウエハＥＰＩを成長炉から取り出した。ｎ層側の正孔ブロック層の働きを実証するために、正孔ブロック層であるｎ型ＡｌＧａＮ層を作製しないＬＥＤ構造を作製した。

工程Ｓ１０８において、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域上にアノード電極５３ａを形成してｐ型コンタクト層５１に電気的な接続を成すと共に基板の裏面を研削した後に該裏面にカソード電極５３ｂを形成して、図６に示されるような基板生産物ＳＰを作製した。これらの電極は蒸着により作製された。

基板生産物ＳＰに電流注入による発光測定を行った。図７は、エレクトロルミネッセンススペクトルを示す図面である。図７（ａ）を参照すると、ＬＥＤ構造へ電流１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、６０ｍＡ、１００ｍＡ、１４０ｍＡ、１８０ｍＡに対応する特性線Ｃ１〜Ｃ８が示されており、図７（ｂ）を参照すると、ＬＥＤ構造へ電流１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、６０ｍＡ、１００ｍＡ、１４０ｍＡ、１８０ｍＡに対応する特性線Ｐ１〜Ｐ８が示されている。図７を参照すると、正孔ブロック層なしのＬＥＤ構造では、図７（ａ）に示されるように、下地緩衝層からの発光が強く観測され、これはｎ側への正孔のオーバーフローが顕著であることを示している。これに対して、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる正孔ブロック層を有するＬＥＤ構造では、下地緩衝層からの発光は観測されず、井戸層からの発光が強い。これはｎ側のブロック層により井戸層からｎ側領域への正孔オーバーフローが抑制され、井戸層に効率的に正孔が閉じ込めされたことを示している。

ＡｌＧａＮ層は格子定数が小さく、格子定数の大きいＩｎＧａＮ活性層との格子定数差は大きい。活性層と基板との間にＡｌＧａＮ層を設けられることで、活性層に印加される応力が大きくなり。これは、発光効率の低下を引き起こす可能性がある。これを避けるために、正孔ブロック層として４元混晶ＩｎＡｌＧａＮを用いることが好適である。正孔ブロック層として十分に大きなバンドギャップを実現できる一方で、井戸層と正孔ブロック層との格子定数差を小さくする組成を実現できる。これによって、正孔ブロックの効果を得られると共に、井戸層の歪みを低減できる。４元混晶ＩｎＡｌＧａＮを用いることは、特にＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成の高い、たとえば５００ｎｍ以上の長波長領域の光を出射する発光ダイオード構造に好適である。

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。

本実施例では、オフ基板上に発光ダイオード構造を成長する際に、ｎ層側にも正孔ブロック層となるｎ型ＡｌＧａＮ層またはｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層を成長している。オフ基板上のエピタキシャル膜は大きな正孔拡散長を示すので、極性面上に成長されたに発光ダイオード構造では観測されない、正孔オーバーフローが発生する。

オフ基板上でｎ側に正孔ブロック層を設けることによって、電流注入の際の井戸層からｎ層側への正孔オーバーフローが抑制され、井戸層へキャリアが効率的に注入され、内部量子効率が向上し、発光強度が向上する

図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物系半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。図２は、図１に示されたIII族窒化物系半導体発光素子のバンドダイアグラムを示す図面である。図３は、III族窒化物系半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図４は、III族窒化物系半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図５は、図３及び図４に示された作製方法の主要な工程における生産物を示す図面である。図６は、基板生産物の構造を示す図面である。図７は、エレクトロルミネッセンススペクトルを示す図面である。

符号の説明

１１…III族窒化物系半導体発光素子（発光素子）、１３…ｎ型窒化ガリウム系半導体層（ｎ型ＧａＮ系半導体層）、１５…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域（ｐ型ＧａＮ系半導体領域）、１７…正孔ブロック層、１９…活性層、２１…量子井戸構造、２１ａ…井戸層、２１ｂ…障壁層、２３…窒化ガリウム系半導体領域（ＧａＮ系半導体領域）、２５…電子ブロック層、２７…基板、２９…窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ系半導体領域）、３１…窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ系半導体領域）、４１…ＧａＮウエハ、４３ａ…ＳｉドープＧａＮ層、４３ｂ…ＳｉドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ緩衝層、４３ｃ…ＳｉドープＧａＮ層、４５…正孔ブロック層、４７…活性層、４７ａ…ＧａＮ障壁層、４７ｂ…Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ井戸層、４７ｃ…ＧａＮ障壁層、４９…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層、５１…ｐ型ＧａＮ層

Claims

所定の平面に沿って延びる主面を有するｎ型の窒化ガリウム系半導体領域と、
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、
第１の窒化ガリウム系半導体からなる正孔ブロック層と、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と前記正孔ブロック層との間に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなる活性層と
を備え、
前記正孔ブロック層及び前記活性層は、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記主面と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に配置されており、
前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸は前記所定の平面の法線に対して傾斜しており、
前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップよりも大きく、
前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記活性層におけるバンドギャップの最大値よりも大きく、
前記正孔ブロック層の厚さは前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄い、ことを特徴とするIII族窒化物系半導体発光素子。
前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸と前記所定の平面の法線との成す傾斜角は、１０度以上であり、８０度以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層の厚さは５ｎｍ以上である、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III族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層の厚さは５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層にｎ型ドーパントが添加されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体層は、III族元素としてガリウム、インジウム及びアルミニウムを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体は、III族としてインジウムを含み、
前記正孔ブロック層のインジウム組成は０より大きく０．３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層はＡｌＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層の前記第１の窒化ガリウム系半導体は、III族としてアルミニウムを含み、
前記正孔ブロック層のアルミニウム組成は０より大きく０．５以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記活性層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層を更に備え、前記正孔ブロック層の厚さは前記電子ブロック層の厚さより薄い、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
当該III族窒化物系半導体発光素子は発光ダイオードである、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板を更に備え、
前記主面は半極性を示し、
前記窒化ガリウム系半導体領域は前記基板と前記正孔ブロック層との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記活性層は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有し、
前記井戸層の数は４以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記井戸層は、III族としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる、ことを特徴とする請求項１４に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなり、前記井戸層のインジウム組成Ｘは０．１５以上である、ことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記正孔ブロック層と前記窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記正孔ブロック層のバンドギャップよりも小さく、
前記窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップより小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
前記活性層は、４５０ｎｍ以上の波長領域にピーク波長を有するように設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系半導体発光素子。
III族窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハであって、
所定の平面に沿って延びる主面を有しており、基板の主面上に設けられたｎ型導電性の窒化ガリウム系半導体領域と、
前記窒化ガリウム系半導体領域の前記主面上に設けられ、第１の窒化ガリウム系半導体からなる正孔ブロック層と、
前記正孔ブロック層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ、第２の窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に設けられたｐ型導電性窒化ガリウム系半導体領域と
を備え、
前記活性層は前記正孔ブロック層と前記電子ブロック層との間に設けられ、
前記窒化ガリウム系半導体領域のｃ軸は前記所定の平面の法線に対して傾斜しており、
前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記窒化ガリウム系半導体領域のバンドギャップよりも大きく、
前記正孔ブロック層のバンドギャップは前記活性層におけるバンドギャップの最大値よりも大きく
前記正孔ブロック層の厚さは前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さよりも薄い、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
前記基板はＧａＮからなり、
前記基板のＧａＮのｃ軸と前記基板の前記主面の法線との成す傾斜角は、１０度以上であり、８０度以下である、ことを特徴とする請求項１９に記載されたエピタキシャルウエハ。