JP5306873B2 - 窒化物半導体発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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本発明において、基板1はサファイア、SiC、GaN基板など選択できる。
本発明において、n型窒化物半導体層2はAlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)から形成され、低温バッファ層、アンドープ層を形成してもよく、ドーパントはSi、Geなどが選択される。
本発明において、p型窒化物半導体層4は後述する活性層3上に、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)から形成され、ドーパントはMg、Znなどが選択される。
本発明において、活性層3はn型窒化物半導体層2上に形成された井戸層とすることもできる。
その場合少なくとも複数形成された井戸層3aのうち、主要に発光に寄与する少なくとも井戸層3aの1層は上記異なるIn混晶比からなる複数の層からなる発光層であることが好ましい。複数の井戸層3aを形成することにより、発光層の発光効率を高めることができる。
正負の電極形成は、例えばサファイヤのような絶縁基板の場合は、p型窒化物半導体層4側からn型窒化物半導体層2までエッチングすることで、p型窒化物半導体4上に電流拡散層を挟んで正電極、露出したn型窒化物半導体層2上に負電極をそれぞれ形成できる。
実施例1においては、図3に示す構成を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。まず、サファイアからなる基板11を用意し、その基板11をMOCVD装置の反応炉内にセットした。そして、その反応炉内に水素を流しながら基板11の温度を1050℃まで上昇させて、基板11の表面(C面)のクリーニングを行なう。
次に、基板11の温度を510℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG(トリメチルガリウム)を反応炉内に流して、基板11の表面(C面)上にGaNからなるバッファ層をMOCVD法により約20nmの厚さで積層する。
次いで、基板11の温度を1050℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたGaNからなるn型窒化物半導体下地層(キャリア濃度:1×1018/cm3)をMOCVD法によりバッファ層上に6μmの厚さで積層する。
次に、基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更することで第2井戸層として3nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層を形成し、活性層13とする。
続いて、基板11の温度を700℃のまま維持し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGを反応炉内に流して、活性層13上に蒸発防止層14としてGaN層を15nm形成した。
次いで、基板11の温度を950℃に上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMA(トリメチルアルミニウム)、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.20Ga0.85Nからなるp型窒化物半導体クラッド層をMOCVD法により蒸発防止層14上に約20nmの厚さで積層する。
次に、ウェハーを反応炉から取り出し、最上層のp型窒化物半導体層15の表面にEB蒸着によりITO(インジウム・スズ酸化物)からなる透光性電極16を100nmの厚さで形成する。
透光性電極16上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置で透光性電極16側からエッチングを行い、n型窒化物半導体コンタクト層の表面を露出させる。透光性電極16上及び露出したn型窒化物半導体コンタクト層上の所定の位置にTiとAlを含むパット電極17、18をそれぞれ形成する。以上によりLED素子とする。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更することで第2井戸層として3nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層、その上に第3井戸層として3.5nmのIn0.10Ga0.90N層を形成し、活性層13とした。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として3nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更することで第2井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層を形成し、活性層13とした。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更し、成長時間を任意に変更することで第2井戸層として1〜4nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層を形成し、活性層13とする。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を任意に変更し、第2井戸層3nmの厚さのInxGa1-xN層(x=0.05〜0.20)を形成し、活性層13とする。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更することで第2井戸層として3nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層を形成し、続いてTMGを反応炉内に流して厚さ6nmのGaNからなる障壁層を形成し、これを1周期とする5周期の多重量子井戸構造を形成する。その後第1井戸層として2.5nmの厚さのIn0.20Ga0.80N層、続いてTMGに対するTMI流量を変更することで第2井戸層として3nmの厚さのIn0.15Ga0.85N層を形成し、活性層13とする。
実施例1に対し、活性層13の条件を変更させる以外は同様とする。
基板11の温度を700℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型窒化物半導体コンタクト層上に5.5nmの厚さのIn0.17Ga0.80Nからなる井戸層を形成し、活性層13とした。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (12)
- 少なくともn型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層からなる発光ダイオードにおいて、
活性層中の発光層は複数の層からなり、異なるIn混晶比を持つ層が少なくとも2以上ともに接して形成され、
前記複数の層からなる発光層のうち、最もIn混晶比の大きい層を除く少なくとも1層の層厚は2nm以上であり、
前記複数の層からなる発光層において、In混晶比の小さい層の層厚が、In混晶比のより大きい層の層厚に比べ大きいものである窒化物半導体発光ダイオード。 - 前記複数の層からなる発光層は、n型窒化物半導体層側に形成された発光層のIn混晶比がより大きいものである、請求項1記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記複数の層からなる発光層のうち、少なくとも2層のIn混晶比は、それぞれ10%以上である、請求項1または2記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記複数の層からなる発光層において、各層の層厚はそれぞれ2nm以上である、請求項1〜3いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記活性層は障壁層と井戸層の周期構造であり、井戸層のうち少なくとも一層は、前記複数の層からなる発光層である、請求項1〜4いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記障壁層はGaN層からなる、請求項5記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記障壁層の層厚は5nm以上である、請求項5または6記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記活性層と前記p型窒化物半導体層の間にGaN層が形成された、請求項1〜7いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記活性層と前記p型窒化物半導体層の間に形成されたGaN層の層厚は5nm以上である、請求項8記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 請求項1〜9いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法において、
前記複数の層からなる発光層は、各層ごと有機金属気相成長法によりトリメチルガリウムに対するトリメチルインジウムの供給量を変化させることにより形成される、窒化物半導体発光ダイオードの製造方法。 - 請求項1〜9いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法において、
前記複数の層からなる発光層は、各層ごと有機金属気相成長法により成長温度が一定で形成される、請求項10記載の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法。 - 請求項1〜9いずれか記載の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法において、
前記活性層とp型窒化物半導体層の間に形成されたGaN層は、前記複数の層からなる発光層と同じ成長温度で形成される、請求項10または11記載の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法。
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