JP2015177025A

JP2015177025A - 光半導体素子

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Publication number: JP2015177025A
Application number: JP2014052308A
Authority: JP
Inventors: 倫也塩田; Michiya Shioda; 浩一橘; Koichi Tachibana
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Also published as: US20150263232A1; TW201535783A; CN104916748A

Abstract

【課題】実施形態は、結晶欠陥の影響を抑制した高効率の光半導体素子を提供する。
【解決手段】実施形態に係る光半導体素子は、第１導電形の第１窒化物半導体層と、第２導電形の第２窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層と、の間に設けられた活性層と、を備える。前記活性層中に始点を有し、前記始点から前記第２窒化物半導体層に向かう第１方向に拡開したピットを有する。
【選択図】図１

Description

実施形態は、光半導体素子に関する。

窒化物半導体を材料とし、可視光領域および紫外領域で動作する光半導体素子の開発が進められている。このような光半導体素子に用いられる窒化ガリウムなどの窒化物半導体は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いてエピタキシャル成長される。そして、エピタキシャル層に含まれる結晶欠陥を低減した良質結晶を得るには、窒化物半導体結晶と同じ格子定数を有する結晶基板を用いることが望ましい。しかしながら、そのような基板は高価であり、例えば、照明、表示など民生用の光半導体素子の製造には適さない。そこで、サファイア基板、シリコン基板などの汎用基板が用いられるが、格子不整合や熱膨張係数の違いに起因する結晶欠陥の発生は避けられない。

特表２００８−５３９５８５号公報

実施形態は、結晶欠陥の影響を抑制した高効率の光半導体素子を提供する。

実施形態に係る光半導体素子は、第１導電形の第１窒化物半導体層と、第２導電形の第２窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層と、の間に設けられた活性層と、を備える。前記活性層中に始点を有し、前記始点から前記第２窒化物半導体層に向かう第１方向に拡開したピットを有する。

実施形態に係る光半導体素子を例示する模式断面図。実施形態に係る光半導体素子の製造過程を例示する模式断面図。図２に続く製造過程を例示する模式断面図。実施形態に係る活性層の形成方法を例示する模式図。比較例に係る光半導体素子の断面を例示するＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）像。実施形態に係る光半導体素子の動作を例示する模式図。実施形態に係る光半導体素子の特性を例示するグラフ。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１（ａ）は、実施形態に係る光半導体素子１を例示する模式断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）中に破線で示す領域１Ｂを拡大した断面を表している。

光半導体素子１は、例えば、窒化ガリウム系半導体を材料とする発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。以下、光半導体素子１を例に本実施形態を説明するが、これに限定される訳ではない。例えば、窒化物半導体を材料とするレーザ−ダイオード、または、受光素子であっても良い。本実施形態によれば、ＬＥＤおよびレーザーダイオードなどの発光素子では、その発光効率を向上させることが可能である。また、受光素子では、リーク電流、所謂、暗電流を低減し、その受光感度を向上させることができる。また、本実施形態は、光半導体素子の構造に限定される訳ではなく、その技術的範囲は、光半導体素子を製作するための半導体ウェハや光半導体素子を用いる照明装置、また、光半導体素子の製造方法、結晶成長装置にも及ぶものである。

図１に示す光半導体素子１は、第１導電形の第１窒化物半導体層（以下、ｎ形層２０）と、活性層３０と、第２導電形の第２窒化物半導体層（以下、ｐ形層４０）と、を備える。活性層３０は、ｎ形層２０と、ｐ形層４０と、の間に設けられる。

ここでは、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形として説明するが、実施形態はこれに限定されるわけではない。すなわち、第１導電形をｐ形、第２導電形をｎ形としても良い。

例えば、図１に示すように、ｎ形層２０は、基板１０の上に設けられる。活性層３０は、ｎ形層２０の上に設けられ、ｐ形層４０は、活性層３０の上に設けられる。
基板１０は、例えば、サファイア基板、または、シリコン基板である。サファイア基板は、可視光および紫外光に対して透明であり、その上にｎ形層２０を直接形成しても良い。また、サファイア基板と、ｎ形層２０と、の間に、図示しないバッファ層を形成しても良い。

一方、シリコン基板は、可視光および紫外光を吸収する。そこで、基板１０としてシリコン基板を用いる場合には、シリコン基板と、ｎ形層２０と、の間に、反射層を設けることが望ましい。反射層は、活性層３０から放射される光をｐ形層４０の方向に反射し、光半導体素子１の出力を向上させる。

ｎ形層は、例えば、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。ｐ形層４０は、例えば、ｐ形ＧａＮ層である。ｐ形層４０は、例えば、活性層３０に接する部分にｐ形ＡｌＧａＮを含んでも良い。ｐ形ＡｌＧａＮは、障壁層３３よりもバンドギャップエネルギーが大きい材料であればよく、ＡｌＩｎＧａＮやＩｎＡｌＮであってもよい。

ｐ形層４０の上には、ｐ電極５１が設けられる。一方、ｐ形層４０および活性層３０を選択的にエッチングし、ｎ形層２０を露出させた部分２０ａには、ｎ電極５３が設けられる。光半導体素子１では、ｐ電極５１と、ｎ電極５３と、の間に電圧を印可し、活性層３０に電流を流す。これにより、活性層３０を発光させ、その光を外部に放射する。

図１（ｂ）に示すように、活性層３０は、第１障壁層（以下、障壁層３１）と、第１井戸層（以下、井戸層３３）と、を含む。障壁層３１は、ｎ形層２０からｐ形層４０に向かう第１方向（以下、Ｚ方向）に積層される。井戸層３３は、複数の障壁層３１のそれぞれの間に設けられる。

障壁層３１は、例えば、ＧａＮ層である。井戸層３３は、例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層である。井戸層３３は、所望の波長の光を放出するようにインジウム（Ｉｎ）組成や井戸層膜厚が制御される。例えば、活性層３０から波長４５０ナノメートル（ｎｍ）の青色光を放射させる場合は、Ｉｎの比率ｘは０．１５である。井戸層３３のＺ方向の厚さは、例えば、２〜５ｎｍである。一方、障壁層３１のＺ方向の厚さは、例えば、２ｎｍ〜２０ｎｍである。

さらに、活性層３０は、複数のピット６０を有する。ピット６０は、活性層３０の内部に始点６０ａを有し、始点６０ａからｐ形層４０に向かうＺ方向に拡開した形状に設けられる。そして、活性層３０の上に設けられるｐ形層４０は、ピット６０の内部を埋め込んだ部分４３を有する。

ピット６０は、所謂Ｖピットであり、その側面にファセット（結晶面）を有し、例えば、始点６０ａを頂点とする六角錘の形状を有する。ピットは形成過程の条件により、円錐状の形を有することもある。貫通転位に由来した凹型構造を有していればよい。

活性層３０は、図１（ｂ）に示す例に限定される訳ではなく、少なくとも１つの井戸層３３を含めば良い。すなわち、活性層３０は、Ｚ方向に積層された２つの障壁層３１と、２つの障壁層３１の間に設けられた井戸層３３を含む。ピット６０は、少なくとも１つの井戸層３３を貫通するように形成される。

また、図１（ｂ）に示すように、ｎ形層２０は、第２障壁層（以下、障壁層２１）と、第２井戸層（井戸層２３）と、を含んでも良い。障壁層２１は、例えば、Ｚ方向に積層される。井戸層２３は、複数の障壁層２１のそれぞれの間に設けられる。

ｎ形層２０の内の障壁層２１および井戸層２３を含む領域は、所謂、超格子層２０ｓである。超格子層２０ｓは、例えば、ｎ形ＧａＮ層２０ｂの上に設けられる。超格子層２０ｓは、例えば、ｎ形ＧａＮ層２０ｂの格子定数と、活性層３０の格子定数と、の間の中間の格子定数を有するように設けられる。すなわち、超格子層２０ｓは、ｎ形ＧａＮ層２０ｂと、活性層３０と、の間の格子定数の差に起因する歪みを緩和する。これにより、活性層３０に生じる歪みによるピエゾ電界を低減し、光学特性を向上させることができる。また、これにより、活性層３０に生じるミスフィット転位を減らすことができる。

なお、ここで言う活性層３０および超格子層２０ｓの「格子定数」は、例えば、障壁層および井戸層の厚さと、それぞれの格子定数と、から算出される平均格子定数である。

障壁層２１は、例えば、ＧａＮ層である。井戸層２３は、例えば、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層である。井戸層２３に含まれるインジウムの割合ｙは、例えば、０．０１〜０．１である。井戸層２３のＺ方向の厚さは、例えば、１〜３ｎｍである。一方、障壁層２１のＺ方向の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍである。障壁層２１と、井戸層２３と、は必要に応じてｎ形不純物、例えばＳｉを含むことができる。

また、発光素子の場合、好ましくは、超格子層２０ｓの井戸層２３のバンドギャップは、活性層３０の井戸層３３のバンドギャップよりも広くする。これにより、活性層３０から放射される光の超格子層２０ｓにおける吸収を抑制することができる。言い換えれば、超格子層２０ｓの井戸層２３に含まれるインジウムの含有率ｙは、活性層３０の井戸層３３に含まれるインジウムの含有率ｘよりも小さいことが望ましい。量子井戸構造中のバンドギャップエネルギーは、主に井戸層３３のバンドギャップエネルギーと井戸幅とで決まり、量子構造としての超格子層２０ｓが有するバンドギャップエネルギーが、活性層のものより大きければ好ましい。また、このような構成に依れば、超格子層２０ｓの平均格子定数は、ｎ形ＧａＮ層２０ｂの平均格子定数と、活性層３０の平均格子定数との間の値となり、活性層３０にとって歪みを吸収する効果を有することができる。

本実施形態における活性層３０は、所望の波長の光を放射するように調整された井戸層３３を含む範囲である。所望の波長とは、例えば、最終的な用途において得られる発光波長である。例えば、３５０ｍＡの電流注入によって得られる光の発光波長である。駆動条件によっては同一構成条件内においても発光波長は若干変化することがあり、前記所望の発光波長より±５ｎｍの範囲であれば、本実施形態における活性層３０からの発光とみなすことができる。図１（ｂ）に示す例において、ｎ形層２０と活性層３０との境界は、例えば、超格子層２０ｓにおける活性層３０に最も近い井戸層２３と、障壁層２１と、の界面である。すなわち、超格子層２０ｓの障壁層２１と、活性層３０の障壁層３１とは、共にＧａＮ層であり、超格子層２０ｓと活性層３０との間に位置する障壁層２１および３１は、実質的に一体である。したがって、活性層３０に最も近い位置に設けられる障壁層２１と井戸層２３と、の界面を、ｎ形層２０側の境界とすることが適切である。一方、活性層３０のｐ形層４０側の境界は、例えば、ｐ形層４０に最も近い障壁層３１および井戸層３３の界面とすることができる。

次に、図２〜図４を参照して、実施形態に係る光半導体素子の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図３（ｂ）は、実施形態に係る光半導体素子の製造過程を例示する模式断面図である。図４は、実施形態に係る活性層の形成方法を例示する模式図である。

図２（ａ）に示すように、基板１００の上にｎ形層２０を形成する。ｎ形層２０は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成され、ｎ形ＧａＮ層２０ｂと、超格子層２０ｓと、を含む（図１（ｂ）参照）。ｎ形ＧａＮ層２０ｂは、基板１００の上に形成され、超格子層２０ｓは、ｎ形ＧａＮ層２０ｂの上に形成される。

基板１００は、例えば、シリコン基板である。基板１００と、ｎ形層２０と、の間に図示しないバッファ層を形成しても良い。バッファ層は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）およびＡｌＧａＮを含む多層構造を有する。Ｓｉやその他不純物のδドープ層やＳｉＮ層などが含まれていても良い。これらの層を含むことで、Ｓｉと窒化物半導体間における熱膨張係数差に起因して発生するクラックや、格子定数差に起因して発生する貫通転位を抑制することができる。

例えば、基板１００の上にバッファ層およびｎ形層２０を形成する間に、基板１００と、窒化物半導体と、の格子不整合に起因する数多くの転位が形成される。そして、それらの転位は、複数の貫通転位に集約され上層に至る。例えば、ｎ形層２０には、１０^８〜１０^１０ｃｍ^−２の密度を有する貫通転位が形成される。

次に、ｎ形層２０の上に活性層３０を形成する。例えば、図２（ｂ）に示すように、障壁層３１と、井戸層３３と、を交互に成長する。この例では、障壁層３１は、ＧａＮ層であり、井戸層３３は、ＩｎＧａＮ層である。

図４は、活性層３０の形成過程においてＭＯＣＶＤ装置の反応室に導入される原料ガスの供給シーケンスを表す模式図である。図４中に示す複数のチャートの横軸は、成長時間（Growth Time）であり、縦軸は、各原料ガスの供給量（任意単位）を表している。

各チャートは、障壁層３１の成長セグメントＢＬと、井戸層３３の成長セグメントＱＷと、に区切られている。例えば、原料のキャリアである窒素（Ｎ_２）ガスおよびＶ族原料となるアンモニア（ＮＨ_３）ガスは、成長の全セグメントに渡って供給される。

障壁層３１の成長セグメントＢＬでは、例えば、ＴＭＧ（Trimethylgallium）と、アンモニア（ＮＨ_３）が供給される。これにより、ＧａＮ層が形成される。一方、井戸層３３の成長セグメントＱＷでは、ＴＭＧ（Trimethylgallium）と、ＴＭＩ（Trimethylindium）と、アンモニア（ＮＨ_３）と、が供給される。これにより、ＩｎＧａＮ層が形成される。

そして、図４に示すように、成長セグメントＢＬと、成長セグメントＱＷと、を交互に繰り返すことにより、活性層３０を形成する。さらに、本実施形態では、活性層３０を成長する過程の途中において、水素ガス（Ｈ_２）を反応室に導入する。例えば、図４に示すように、障壁層３１の成長セグメントＢＬ２において、水素ガスの導入を開始する。これにより、ピット６０の形成を開始することができる。水素ガスは、例えば、障壁層３１の成長セグメントＢＬにおいて供給し、井戸層３３の成長セグメントでは供給しないように制御することか好ましい。

例えば、図２（ｃ）に示すように、水素ガスの供給を開始したセグメントにおいて成長された障壁層３１を起点としてピット６０が形成される。そして、ピット６０は、井戸層３３および、再び水素ガスを供給しながら障壁層３１を積層するにしたがって、Ｚ方向に拡開するように形成される。ピット６０は、例えば、水素ガスの流量によりその大きさを制御することができる。水素ガスは微弱なエッチング効果を有しており、ファセットへの成長を抑制する効果を有している。例えば、水素ガスの流量を多くすることにより、ファセットへの成長を抑制し、ピット内部を埋め込む効果をなくすことができる。これにより、積層膜厚が増大するにしたがってピット６０をＺ方向に垂直な方向に大きく開かせることができる。

また、活性層３０内での水素ガスの導入を開始するタイミングによって、ピット形成の起点を変えることができる。例えば、図４のように、第２障壁層ＢＬ２から水素ガスを供給することで、第２障壁層をピットの起点とすることができる。また、障壁層３１と井戸層３３との界面からピットが形成される例を図３において示しているが、本実施形態はこれに限らない。例えば、障壁層３１の形成過程の中間から水素ガスを導入することで障壁層３１の中間をピット６０の起点とすることができる。また、水素ガスを供給しながら障壁層３１を形成する工程の後に、再び水素ガスを供給しないで障壁層３１を形成する工程を含むことで、ピット６０を埋め込むように成長し、ピットのサイズを制御することもできる。

続いて、図３（ａ）に示すように、最後の障壁層３１を成長し、活性層３０の形成を完了する。これにより、活性層３０中に始点を有し、Ｚ方向に拡開したピット６０を形成することができる。ピット６０の始点６０ａは、例えば、ｎ形層２０から活性層３０に至る貫通転位の位置に対応する。

次に、図３（ｂ）に示すように、活性層３０の上にｐ形層４０を形成する。ｐ形層４０は、好ましくは、ピット６０の内部を埋め込むように形成する。具体的には、例えば、ｐ形層４０の成長において、活性層３０よりも高い温度で成長することや、水素ガスの供給量を相対的に少なくする。これにより、ピットのファセット上にも成長が開始され、ピット６０の拡大を止めて、その内部を埋め込むことができる。すなわち、ｐ形層４０は、ピット６０の内部を埋め込む部分４３を有するように形成される。

ｐ形層４０は、例えば、活性層３０に接する部分にｐ形ＡｌＧａＮを含むように形成することが好ましい。例えば、ｐ形ＡｌＧａＮにより活性層３０からｐ形層４０への電子の移動が制限され、井戸層３３における電子と正孔との発光再結合を促進する。これにより、活性層３０の発光効率を向上させることができる。

ここでは、活性層３０を成長する過程の途中で水素ガスを供給し、活性層３０中にピット６０を形成する方法を示したが、実施形態はこの方法に限定される訳ではない。例えば、ＭＯＣＶＤ装置の反応室において、基板１００を載置するサセプタの回転数を制御することにより、ピット６０を形成することも可能である。すなわち、サセプタの回転数を大きくするとピット６０は形成されなくなり、回転数を小さくするとピット６０を形成することが可能となる。また、ピット６０の形成は、活性層３０の成長速度や、アンモニア供給量、またはＩｎ組成により制御することもできる。

また、ピット６０の形成は、井戸層３３や障壁層３２の成長温度によっても制御することができる。例えば、成長温度が高ければ高いほど（例えば、８００℃以上１１５０℃以下）、ファセット上に障壁層が成長しやすく、ピット６０の形成を抑えることができる。例えば、複数の障壁層のうち、ある層数以降の成長温度を変化させることで、ピット６０の起点を制御することができる。ピットの形成は、井戸層３３や障壁層３２の積層方向（例えばｃ面サファイア基板や、（１１１）シリコン基板を用いた場合、（０００１）方向）と、化学的に安定なファセット（例えば（１１−２２））方向との成長速度のバランスによる。（０００１）方向の成長速度が（１１−２２）方向の成長速度より速くなる成長条件を用いればピット６０が拡大する。（０００１）方向の成長速度が（１１−２２）方向の成長速度より遅くなる成長条件を用いればピット６０を埋め込むように成長される。このような条件を各層に適宜選択することで、本実施形態を有する発光素子を形成することができる。

図５は、比較例に係る光半導体素子の断面を例示するＴＥＭ像である。
図６は、実施形態に係る光半導体素子１の動作を例示する模式図である。

図５に示す例では、ｎ形層２０の上に活性層３０が形成され、活性層３０の上にｐ形層４０が形成されている。活性層３０は、複数の井戸層３３を含む。そして、ピット６０は、活性層３０を貫通するように形成されている。

この例では、ピット６０の始点６０ａは、ｎ形層２０の中に位置する。始点６０ａは、例えば、ピット６０の両側のファセット６０ｃを延長した交点と定義することができる。また、ピット６０の中央には、ｎ形層２０からｐ形層４０に至る貫通転位７０が存在する。貫通転位７０は、ピット６０の始点６０ａを通りｐ形層４０中に延在する。

図６（ａ）は、ピット６０を形成しない場合の活性層３０の断面を表す模式図である。図６（ｂ）は、ピット６０を形成した活性層３０の断面を表す模式図である。簡単のために、２つの障壁層３１と、その間に設けられる井戸層３３と、を有する例を示している。

図６（ａ）に示すように、ピット６０を形成しない場合、貫通転位７０は、活性層３０を直接貫通し、ｎ形層２０からｐ形層４０に至る。このような構造において、活性層３０に電流を流し、井戸層３３に電子ｅと、正孔ｈと、を注入する場合を考える。

井戸層３３では、注入された電子ｅと正孔ｈとが発光再結合し、活性層３０から光ｈνが放射される。この例では、活性層３０と、貫通転位７０と、が接触するため、井戸層３３に注入された電子ｅおよび正孔ｈの一部は、貫通転位７０を介して井戸層３３の外に漏れ出す。すなわち、この例では、発光再結合に寄与しないリーク電流が生じる。また、電子ｅおよび正孔ｈの一部は、貫通転位７０を介して非発光再結合を起こし、フォノンを形成し熱となることでキャリアは失われる。即ち、この例では発光効率が低下する。

これに対し、図６（ｂ）に示す例では、貫通転位７０を起点としたピット６０が形成されている。そして、活性層３０と貫通転位７０との間にｐ形層４０の一部４３が介在する構造となっている。これにより、活性層３０と貫通転位７０との接触を回避することが可能となり、貫通転位７０を介した電流リークや非発光再結合を抑制することができる。結果として、井戸層３３に注入された電子ｅと正孔ｎが発光再結合する確率が高くなり、図６（ａ）に示す例よりも活性層３０の発光効率を向上させることができる。

また、ｐ形ＡｌＧａＮ層が、ピット６０のファセットを覆うように形成されることで、より上記効果を高めることができる。ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギーはＧａＮよりも大きいので電子ｅの移動を妨げる効果が大きい。このため、ｐ形ＡｌＧａＮ層がピット６０のファセットと貫通転位７０との間に形成されることで、電子ｅの貫通転位７０への移動を抑制することができる。即ち、高効率な発光を得ることができる。

このように、活性層３０を貫通したピット６０を形成することにより、貫通転位７０を介したリーク電流や非発光再結合を低減し、活性層３０の発光効率を向上させることができる。この点を考慮すれば、例えば、図５に示すように、活性層３０の全体を貫通するピット６０を形成することが有利と考えられる。

しかしながら、ピット６０は、Ｚ方向に拡開するように形成される。このため、ピット６０がＺ方向に長く形成されると、ｐ形層４０側におけるピット６０の幅Ｗ_Ｐが広くなる。この結果、例えば、ピット６０が活性層３０を切り取る面積が大きくなる。前述したように、貫通転位７０は、例えば、１０^８〜１０^１０ｃｍ^−２の高密度で存在する。基板としてシリコンを用いた場合、サファイアを用いる場合と比較して、ＧａＮとの格子定数及び熱膨張係数の差が大きく、貫通転位がより発生しやすく、例えば、５×１０^９ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の高密度で存在する。ピットの面内方向の直径は、ピットの深さとファセット角度との関係で決まる。このため、ピット６０による活性層３０の面積の減少は無視できないレベルとなる。すなわち、活性層３０の発光面積が減少すると共に、活性層３０を流れる電流密度が増加し、その発光効率が低下する。図７は、その例を示すグラフである。

図７は、実施形態に係る光半導体素子１の特性を例示するグラフである。縦軸は、ＰＬ強度（Photoluminescence Intensity）であり、横軸は、発光波長である。
図７中に示す２つのデータは、本実施形態に係るサンプルＥＢ、および、比較例に係るサンプルＣＳの特性を示している。サンプルＥＢのピット６０は、９層の井戸層３３を含む活性層３０において、６層目と７層目との間に始点を有し、７層目〜９層目の井戸層３３を貫通するように形成されている。一方、サンプルＣＳでは、ピット６０は、９層の井戸層３３の全てを貫通するように形成されている。また、サンプルＥＢのＸ線回折によるＧａＮ（１０２）面の半値全幅は４１９秒で、刃状貫通転位密度は１．４×１０^９ｃｍ^−２であった。また、サンプルＣＳのＧａＮ（１０２）面の半値全幅は４２４秒で、刃状貫通転位密度は１．４×１０^９ｃｍ^−２で、ほぼサンプルＥＢと同様の貫通転位密度を持っている。

図７から明らかなように、サンプルＥＢのＰＬ強度は、発光の全波長範囲において、サンプルＣＳのＰＬ強度を上回っている。波長４５０ｎｍの近傍に位置する発光ピークの強度で比較すると、サンプルＥＢのＰＬ強度は、サンプルＣＳの２倍を超えている。これは、発光に寄与する井戸層３３の面積が増大した効果と、面積が増大したことにより単位面積当たりのキャリアが減少し、井戸層３３の単位面積あたりの発光効率が向上した効果との相乗効果によるものであると言える。窒化物半導体を用いたの発光素子においては、キャリアの注入量が増大すると発光効率が低下するドループ現象が知られており、実施形態によれば単位面積あたりのキャリア注入量を減らすことができ、発光効率の向上効果を得ることができる。

このように、活性層３０中に始点を有し、Ｚ方向に拡開するピット６０を形成することにより、活性層３０の発光効率を向上させることができる。窒化物半導体を用いた発光素子においては、正孔ｈの有効質量が大きく、ｐ形層に最も近い井戸層による発光の寄与が大きいことが知られている。即ち、活性層３０に含まれる複数の井戸層３３の内の発光に寄与するものは、ｐ形層４０の近傍に設けられたものである。そして、ｐ形層４０に最も近い位置に設けられた井戸層３３の寄与が大きい。したがって、ピット６０の始点６０ａは、例えば、活性層３０のＺ方向の厚さの２分の１よりもｐ形層４０に近い位置に形成することが好ましい。さらに、さらに、ピット６０は、少なくとも井戸層３３の総数のうち、２分の１以上の井戸層数を貫通するように形成されることが望ましい。ピット６０は、少なくともｐ形層４０に最も近い位置に設けられた井戸層３３を貫通するように形成されることがより望ましい。そうすることで、ｐ形層４０に最も近い位置に設けられた井戸層３３の平面の面積を大きくすることができ、高効率な発光素子を得ることができる。また、ピット６０と貫通転位７０の間にＡｌＧａＮ層を含むことで、より貫通転位による非発光再結合を抑制し、より高効率な発光素子を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、貫通転位が比較的高密度に存在しても、発光効率の低下を抑制し、高効率な発光素子を得ることができる。また、本実施例によると正孔ｈを適切な深さに設計されたピット６０を通じて井戸層に注入することもでき、貫通転位密度が大きくても高効率な発光を得ることができる。貫通転位密度を減らすことが高効率な発光素子を得るために必要であると一般的に考えられているが、本実施形態に依れば、貫通転位密度が４×１０^８ｃｍ^−２以上であっても、高効率な発光素子を得ることができる。これに対応するＧａＮ（１０２）面のＸ線半値全幅は２５０秒以上である。特に、基板として量産性に優れるシリコン基板を使用すると、窒化ガリウムとの格子定数差および熱膨張係数差がサファイア基板よりも大きく、転位が発生しやすいという問題がある。しかしながら本実施形態をシリコン基板上に形成することで、量産性に優れた高効率な発光素子を作製することが可能となる。シリコン基板上に形成した窒化物半導体の貫通転位密度は、例えば８×１０^８ｃｍ^−２以上である。これに対応するＧａＮ（１０２）面のＸ線半値全幅は３３０秒以上である。このような場合に本実施形態を適用することで、貫通転位による非発光再結合を抑制する効果と、発光に寄与する井戸層の面積を増大させることによる発光効率を向上さる効果を大きく得ることができる。シリコン基板の直径は８インチ以上であると量産性を向上させる効果が大きい。

上記の通り、本実施形態によれば、結晶欠陥の影響を抑制した高効率の光半導体素子を実現することができる。例えば、ＬＥＤ、レーザーダイオードなどの発光素子では、活性層の発光効率を向上させ、高輝度の発光を実現できる。また、受光素子では、暗電流を低減し、受光感度を向上させることができる。

なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・光半導体素子、１０、１００・・・基板、２０・・・ｎ形層、２０ｂ・・・ｎ形ＧａＮ層、２０ｓ・・・超格子層、２１、３１・・・障壁層、２３、３３・・・井戸層、３０・・・活性層、４０・・・ｐ形層、５１・・・ｐ電極、５３・・・ｎ電極、６０・・・ピット、６０ａ・・・始点、６０ｃ・・・ファセット、７０・・・貫通転位

Claims

第１導電形の第１窒化物半導体層と、
第２導電形の第２窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層と、の間に設けられた活性層と、
を備え、
前記活性層中に始点を有し、前記始点から前記第２窒化物半導体層に向かう第１方向に拡開したピットを有する光半導体素子。
前記第２窒化物半導体層は、前記ピットの内部を埋め込んだ部分を有する請求項１記載の光半導体素子。
前記活性層は、前記第１方向に積層された２つの第１障壁層と、前記２つの第１障壁層の間に設けられた第１井戸層を含み、
前記ピットは、前記第１井戸層を貫通する請求項１または２に記載の光半導体素子。
前記活性層は、前記第１方向に積層された複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられた複数の第１井戸層と、を含み、
前記ピットは、少なくとも前記第２窒化物半導体層に最も近い位置に設けられた第１井戸層を貫通する請求項１または２に記載の光半導体素子。
前記第１窒化物半導体層は、前記第１方向に積層された２つの第２障壁層と、前記２つの第２障壁層の間に設けられた第２井戸層と、を含み、
前記第２井戸層のバンドギャップは、前記第１井戸層のバンドギャップよりも広い請求項３または４に記載の光半導体素子。
前記第１井戸層および前記第２井戸層は、インジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記第１井戸層のインジウムの含有率は、前記第２井戸層のインジウムの含有率よりも大きい請求項５記載の光半導体素子。
前記ピットと、前記ピットの起点を通過する貫通転位の間に、アルミニウムを含む窒化物半導体を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の光半導体素子。