JP2011187862A - Method of manufacturing group iii nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特にMQW層の形成方法に特徴を有するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, and particularly has a feature in a method for forming an MQW layer.
III 族窒化物半導体発光素子の発光層として、InGaNからなる井戸層と、AlGaNからなる障壁層が繰り返し積層されたMQW構造が従来より知られている。このような発光層において良好な結晶性を得るために、障壁層の成長温度は井戸層の成長温度よりも高くする必要がある。しかし、障壁層形成時に温度を上げることで井戸層のInが離脱してしまい、結晶性を悪化させてしまう。 As a light emitting layer of a group III nitride semiconductor light emitting device, an MQW structure in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of AlGaN are repeatedly stacked has been conventionally known. In order to obtain good crystallinity in such a light emitting layer, the growth temperature of the barrier layer needs to be higher than the growth temperature of the well layer. However, when the temperature is raised during the formation of the barrier layer, the In in the well layer is detached and the crystallinity is deteriorated.
そこで、井戸層と障壁層の間に、井戸層の成長温度と同じ成長温度で形成されるGaNからなるキャップ層を設け、障壁層形成時の昇温による井戸層のInの離脱を防止する構造が提案されている(たとえば特許文献1)。この特許文献1では、障壁層の厚さと発光効率との関係については検討されているものの、キャップ層については厚さが2nmであるとの記載があるのみで、キャップ層の厚さと発光効率との関係については検討されていない。また、キャップ層の材料についても、GaNを用いるとの記載があるのみであり、他のIII 族窒化物半導体材料の検討はされていない。 Therefore, a structure in which a cap layer made of GaN formed at the same growth temperature as that of the well layer is provided between the well layer and the barrier layer to prevent the separation of In from the well layer due to the temperature rise during the formation of the barrier layer. Has been proposed (for example, Patent Document 1). In this Patent Document 1, although the relationship between the thickness of the barrier layer and the light emission efficiency is studied, there is only a description that the thickness of the cap layer is 2 nm. The relationship has not been studied. In addition, there is only a description that GaN is used for the material of the cap layer, and other group III nitride semiconductor materials are not studied.
また、特許文献2では、井戸層と障壁層との間に、厚さ2nm以下のAlGaNからなる中間層を設けることが示されており、中間層のバンドギャップを障壁層のバンドギャップ以上とすることで、障壁層の結晶性が改善されて発光出力が向上することが示されている。
しかし、井戸層と障壁層との間に、障壁層よりもバンドギャップが小さいキャップ層を設けると、井戸層にキャリアが落ち込む前にキャップ層でキャリアが再結合したり不純物準位にトラップされてしまう場合があり、キャリア注入効率が低下し、発光効率を低下させてしまう問題があった。これは、特に駆動電流密度が高い場合に顕著である。 However, if a cap layer with a smaller band gap than the barrier layer is provided between the well layer and the barrier layer, carriers are recombined in the cap layer or trapped in the impurity level before the carriers fall into the well layer. In some cases, the carrier injection efficiency is lowered and the light emission efficiency is lowered. This is particularly noticeable when the drive current density is high.
そこで発明者らは、GaNからなるキャップ層の厚さによって発光効率の向上を図れないか検討したが、発光効率はキャップ層の厚さに強く依存し、厚さを正確に制御する必要があるため再現性、生産性、歩留まりの面で問題があることがわかった。 Therefore, the inventors examined whether the light emission efficiency could be improved by the thickness of the cap layer made of GaN, but the light emission efficiency strongly depends on the thickness of the cap layer, and the thickness needs to be accurately controlled. Therefore, it was found that there are problems in terms of reproducibility, productivity, and yield.
そこで本発明の目的は、MQW構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、井戸層と障壁層の間のキャップ層による発光効率の低下を抑制し、かつ再現性、生産性、歩留まりを向上させることである。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress a decrease in light emission efficiency due to a cap layer between a well layer and a barrier layer in a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer having an MQW structure, and reproducibility, It is to improve productivity and yield.
Inを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなるキャップ層、井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたMQW構造の発光層を有し、井戸層とキャップ層の成長温度が等しく、障壁層の成長温度が井戸層およびキャップ層の成長温度よりも高いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、障壁層をAlGaNとし、キャップ層をAl組成比が0よりも大きく、障壁層のAl組成比以下であるAlGaNとする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 A well layer made of a group III nitride semiconductor containing In, a cap layer made of a group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layer, and a barrier layer made of a group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layer, A light-emitting layer having an MQW structure that is repeatedly formed in order, the growth temperature of the well layer and the cap layer are equal, and the growth temperature of the barrier layer is higher than the growth temperature of the well layer and the cap layer. A manufacturing method of a group III nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the barrier layer is made of AlGaN and the cap layer is made of AlGaN having an Al composition ratio larger than 0 and less than or equal to the Al composition ratio of the barrier layer. It is.
ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Alx Gay Inz N(x+y+z=1、0≦x、y、z≦1)で表される化合物半導体であり、Al、Ga、Inの一部を他の第13族元素であるBやTlで置換したもの、Nの一部を他の第15族元素であるP、As、Sb、Biで置換したものをも含むものとする。n型不純物にはSi、p型不純物にはMgが通常用いられる。
Here, the group III nitride semiconductor is a compound semiconductor represented by the general formula Al x Ga y In z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1), and includes Al, Ga, and In. It also includes those in which part is substituted with
キャップ層と障壁層のAl組成比は等しいことが望ましい。ここで言う「等しい」は厳密に等しいことを意味するのではなく、キャップ層のAl組成比と障壁層のAl組成比との差が−3〜+3%の範囲であってもよい。キャップ層のAl組成比をこのようにすることで、キャップ層のバンドギャップと障壁層のバンドギャップが等しくなり、キャップ層においてキャリアが再結合してしまうことがなくなるので、発光効率をより向上させることができる。また、キャップ層および障壁層のAlの組成比は5〜40%であることが望ましい。Al組成比が5%より小さいと、井戸層とのバンドギャップ差が小さすぎ、キャップ層、障壁層として機能させることが難しくなるので望ましくなく、40%より大きいと格子歪みの影響で発光効率が低下してしまうので望ましくない。 The Al composition ratio of the cap layer and the barrier layer is desirably equal. “Equal” here does not mean strictly equal, but the difference between the Al composition ratio of the cap layer and the Al composition ratio of the barrier layer may be in the range of −3 to + 3%. By setting the Al composition ratio of the cap layer in this way, the band gap of the cap layer and the band gap of the barrier layer are equalized, and carriers are not recombined in the cap layer, so that the light emission efficiency is further improved. be able to. Further, the Al composition ratio of the cap layer and the barrier layer is preferably 5 to 40%. If the Al composition ratio is less than 5%, the band gap difference from the well layer is too small, making it difficult to function as a cap layer or a barrier layer. It is not desirable because it decreases.
キャップ層の厚さは、1〜8分子層とすることが望ましい。厚さがこの範囲であれば、発光効率の厚さ依存性がより低減されるので、厚さの厳密な制御を要求されなくなり、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。 The thickness of the cap layer is desirably 1 to 8 molecular layers. If the thickness is within this range, the thickness dependency of the light emission efficiency is further reduced, so that precise control of the thickness is not required, and reproducibility, productivity, and yield can be further improved.
井戸層をInGaNとする場合、Inの組成比は0より大きく、0.35以下であることが望ましい。また、障壁層やキャップ層は単層であってもよいし、複層であってもよい。 When the well layer is made of InGaN, the In composition ratio is desirably larger than 0 and not larger than 0.35. Moreover, the barrier layer and the cap layer may be a single layer or a multilayer.
井戸層、キャップ層、障壁層の繰り返し回数は、3〜10回であることが望ましい。3回より少ないと、MQW構造とすることによる発光効率向上効果が十分でなく、10回よりも多いと発光効率を低下させてしまうからである。 The number of repetitions of the well layer, the cap layer, and the barrier layer is desirably 3 to 10 times. This is because if the number is less than 3 times, the effect of improving the light emission efficiency due to the MQW structure is not sufficient, and if the number is more than 10 times, the light emission efficiency is lowered.
井戸層およびキャップ層の成長温度は、700〜900℃であることが望ましい。また、障壁層の成長温度は、850〜1100℃であることが望ましい。また、井戸層の厚さは1〜4nmであることが望ましい。また、障壁層の厚さは1〜6nmであることが望ましい。 The growth temperature of the well layer and the cap layer is desirably 700 to 900 ° C. The growth temperature of the barrier layer is desirably 850 to 1100 ° C. The thickness of the well layer is desirably 1 to 4 nm. The thickness of the barrier layer is preferably 1 to 6 nm.
また、井戸層とキャップ層の成長温度が等しい、とは厳密に等しいものである必要はなく、キャップ層の形成時に井戸層のInが離脱しない程度の温度差であればよい。 Further, the growth temperatures of the well layer and the cap layer need not be exactly the same, and may be a temperature difference that does not cause the well layer In to be separated during the formation of the cap layer.
第2の発明は、第1の発明において、キャップ層は、障壁層のAl組成比と等しいAlGaNとする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 A second invention is a method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the first invention, wherein the cap layer is made of AlGaN equal to the Al composition ratio of the barrier layer.
第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、キャップ層の厚さを1〜8分子層とすることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 A third invention is a method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to the first or second invention, wherein the cap layer has a thickness of 1 to 8 molecular layers.
1分子層は、III 族窒化物半導体のc軸の格子定数の1/2であり、GaNの場合は約2.59Åである。 The monomolecular layer is ½ of the lattice constant of the c-axis of the group III nitride semiconductor, and in the case of GaN, it is about 2.59Å.
第1の発明のようにしてキャップ層を形成すると、発光効率を向上させることができるとともに、発光効率のキャップ層の厚さ依存性が、キャップ層としてGaNを用いた場合に比べて十分に低減させることができる。その結果、厚さの厳密な制御が必要なくなり、再現性、生産性、歩留まりを向上させることができる。 When the cap layer is formed as in the first invention, the light emission efficiency can be improved and the thickness dependency of the light emission efficiency is sufficiently reduced as compared with the case where GaN is used as the cap layer. Can be made. As a result, it is not necessary to strictly control the thickness, and reproducibility, productivity, and yield can be improved.
また、第2の発明のように、キャップ層のAl組成比を障壁層のAl組成比と等しくすることで、キャップ層のバンドギャップと障壁層のバンドギャップが等しくなるので、キャップ層においてキャリアが再結合してしまうことがなくなり、発光効率をより向上させることができる。 Further, as in the second aspect of the invention, by making the Al composition ratio of the cap layer equal to the Al composition ratio of the barrier layer, the band gap of the cap layer and the band gap of the barrier layer become equal. The recombination will not occur and the luminous efficiency can be further improved.
また、第3の発明のように、キャップ層の厚さを1〜8分子層とすれば、この厚さの範囲で発光効率のキャップ層の厚さ依存性がより低減されるので、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。 Moreover, if the thickness of the cap layer is 1 to 8 molecular layers as in the third aspect of the invention, the dependency of the luminous efficiency on the thickness of the cap layer is further reduced within this thickness range. , Productivity and yield can be further improved.
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の発光素子1の構成を示した図である。発光素子1は、サファイア基板10上に、n−GaNからなるn型コンタクト層11、i−GaNとi−InGaNが交互に繰り返し形成された超格子構造であるn型クラッド層12、MQW構造の発光層13、p−InGaNとp−AlGaNが交互に繰り返し形成された超格子構造であるp型クラッド層14、p−GaNからなるp型コンタクト層15が順に積層され、p型コンタクト層15上にp電極16が形成され、p型コンタクト層15表面側からn型コンタクト層11に達する深さまで一部がエッチングされることにより露出したn型コンタクト層11上にn電極17が形成された構造である。n型コンタクト層11とn型クラッド層12との間にi−GaNとn−GaNからなるESD層を設け、静電耐圧特性を高めるようにしてもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the light-emitting element 1 according to the first embodiment. The light-emitting element 1 includes an n-
サファイア基板10以外には、SiC、Si、ZnO、スピネル、GaNなどを基板として用いることができる。また、基板にはストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよい。
In addition to the
発光層13は、図2に示すように、InGaNからなる井戸層131、AlGaNからなるキャップ層132、AlGaNからなる障壁層133が順に3〜5回繰り返し積層されたMQW構造である。キャップ層132のAl組成比は0よりも大きく、障壁層133のAl組成比以下である。井戸層131の厚さは1〜4nm、障壁層133の厚さは1〜6nmである。キャップ層132の厚さは、1〜8分子層である。1分子層はIII 族窒化物半導体のc軸の格子定数の1/2であり、GaNの場合は約2.59Åである。
As shown in FIG. 2, the
キャップ層132のAl組成比は、障壁層133のAl組成比と等しいことが望ましい。キャップ層132のバンドギャップと障壁層133のバンドギャップが等しくなり、キャップ層132におけるキャリアの再結合がなくなり、発光効率を向上させることができる。
The Al composition ratio of the
p電極16は、フェイスアップ型とする場合には、たとえばp型コンタクト層15上にほぼ全面にわたって形成されたITO電極と、ITO電極上に配線状に形成されたNi/Auからなる配線電極とで構成された電極であり、フリップチップ型とする場合は、たとえばAg、Rhなどの高反射な金属材料からなる電極である。また、n電極18は、たとえばTi/Alなどである。
When the p-
次に、発光素子の製造方法について図3を参照に説明する。まず、サファイア基板10上に、バッファ層(図示しない)を介してMOCVD法によりn型コンタクト層11、n型クラッド層12を順に形成する(図3(a))。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ga源にはTMG(トリメチルガリウム)、Al源にはTMA(トリメチルアルミニウム)、ドーパントガスにはSiH4 (シラン)を用いる。
Next, a method for manufacturing a light emitting element will be described with reference to FIG. First, an n-
次に、成長温度750〜800℃で厚さ1〜4nmのInGaN(Inの組成比が0.05〜0.15%)からなる井戸層131を形成する工程、井戸層131上にその井戸層131形成時の成長温度を維持して厚さが1〜8分子層のAlGaNからなるキャップ層132を形成する工程、キャップ層132上に成長温度850〜950℃で厚さ1〜6nmのAlGaNからなり、Al組成比がキャップ層132のAl組成比以上である障壁層133(すなわち、キャップ層132のAl組成比が障壁層133のAl組成比以下となるようなAl組成比の障壁層133)を形成する工程、の3つの工程を順に3〜5回繰り返して、n型クラッド層12上にMQW構造の発光層13を形成する(図3(b))。井戸層131、キャップ層132、障壁層133のいずれの層もMOCVD法によって形成し、In源にはTMI(トリメチルインジウム)を用い、キャリアガスや他の原料ガスはn型コンタクト層11、n型クラッド層12の形成時と同様である。キャップ層132は、750〜800℃から850〜950℃に昇温して障壁層133を形成する時に、井戸層131のInの離脱を防止するために設けたものである。キャップ層132はAlGaNであり、低温で成長するため、その結晶性はキャップ層132としてGaNを用いる場合に比べて低いが、厚さを1〜8分子層と非常に薄くしているため結晶性の低さが発光効率に影響を及ぼすことはない。
Next, a step of forming a
次に、発光層13上にp型クラッド層14、p型コンタクト層15を順に形成する(図3(c))。In源にはTMI(トリメチルインジウム)、p型ドーパント源にはCp2 Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いる。キャリアガスや他の原料ガスはn型コンタクト層11などの形成時と同様である。
Next, a p-
次に、熱処理によってMgを活性化した後、p型コンタクト層15表面側からドライエッチングを行ってn型コンタクト層11に達する溝を形成する。そして、p型コンタクト層15上にp電極17を形成し、ドライエッチングによる溝底面に露出したn型コンタクト層11上にn電極18を形成する。以上により、図1に示す発光素子1が作製される。
Next, after activating Mg by heat treatment, dry etching is performed from the surface side of the p-
図4は、キャップ層132の厚さと光出力との関係を示したグラフである。障壁層133のAl組成比は12%とし、キャップ層132のAl組成比は、0%(つまりGaN)、12%、18%とした。以下、Al組成比0%の場合を比較例1、18%の場合を比較例2、12%の場合を実施例1とする。横軸はキャップ層132の厚さで、1分子層を単位としている。縦軸の光出力は、キャップ層132をGaNとし、その厚さを12分子層としたときを1とする相対値である。図4のように、キャップ層132をGaNとする比較例1の場合には、厚さの増加に伴い光出力がほぼ線形に減少し、光出力のキャップ層132の厚さ依存性が強いことがわかる。一方、Al組成比を12%とする実施例1、18%とする比較例2の場合には、キャップ層132の厚さの2〜8分子層の間での変化に対して光出力はほとんど変化しておらず、比較例2の場合には、光出力は約1.02でほぼ一定となっており、実施例1の場合には、光出力は約1.05でほぼ一定となっている。このことから、キャップ層132としてAlGaNを用いると、発光効率のキャップ層132の厚さ依存性が低減される、ということが推察される。ただし、キャップ層132を8分子層よりも厚くすると、AlGaNの結晶性の悪さや、格子歪みの影響が出て発光効率も低下するものと考えられる。したがって、発光効率のキャップ層132の厚さ依存性が低減され、光出力がほぼ一定となるのは、1〜8分子層の厚さの範囲であると推察される。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of the
図5は、キャップ層132のAl組成比と光出力との関係を示したグラフである。障壁層133のAl組成比は12%とし、キャップ層132の厚さは4分子層、8分子層、12分子層とした。また、縦軸の光出力は、図4の場合と同様に、キャップ層132をGaNとし、その厚さを12分子層としたときを1とする相対値である。図5のように、キャップ層132の厚さを4分子層とする場合には、Al組成比が12%までは光出力は約1.05でほぼ一定であるが、12%を越えると光出力が低下している。また、キャップ層132の厚さを8分子層とした場合には、Al組成比が12%まではAl組成比の増加に伴い光出力が増加するが、12%を越えると光出力が低下していることがわかる。このことから、キャップ層132のAl組成比が障壁層133のAl組成比を越えると、発光効率が低下してしまう、ということが推察される。これは、Al組成比が高くなることで井戸層131や障壁層133への歪みが大きくなるためであると考えられる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the
以上の図4、5から、AlGaNからなるキャップ層132のAl組成比を、0より大きく、障壁層133のAl組成比以下の範囲とし、キャップ層132の厚さを1〜8分子層とすれば、発光素子1の発光効率を向上させることができ、さらに発光効率のキャップ層132の厚さ依存性を低減できることがわかる。厚さ依存性を低減できる結果、キャップ層132の厳密な厚さ制御を必要としないので、再現性、生産性、歩留まりを向上させることができる。
4 and 5 above, the Al composition ratio of the
なお、実施例1、2のいずれもキャップ層、障壁層を単層としたが、複層としてもよい。 In each of Examples 1 and 2, the cap layer and the barrier layer are single layers, but multiple layers may be used.
また、本発明はIII 族窒化物半導体発光素子の発光層の製造工程に特徴を有するものであるから、発光層以外のIII 族窒化物半導体発光素子の構造、およびその製造工程については、従来より知られている種々の構造、製造工程を採用可能である。たとえば、基板として導電性の材料を用いるなどし、上下に電極を設けて基板に垂直な方向に導通を取る構造の発光素子に対しても適用可能である。 In addition, since the present invention is characterized by the manufacturing process of the light emitting layer of the group III nitride semiconductor light emitting device, the structure of the group III nitride semiconductor light emitting device other than the light emitting layer and the manufacturing process thereof have been conventionally Various known structures and manufacturing processes can be employed. For example, the present invention can also be applied to a light-emitting element having a structure in which a conductive material is used as a substrate and electrodes are provided on the upper and lower sides to conduct in a direction perpendicular to the substrate.
本発明によって得られるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに用いることができる。 The group III nitride semiconductor light-emitting device obtained by the present invention can be used for lighting devices and the like.
10:サファイア基板
11:n型コンタクト層
12:n型クラッド層
13、23:発光層
14:p型クラッド層
15:p型コンタクト層
16:p電極
17:n電極
131:井戸層
132:キャップ層
133:障壁層
10: sapphire substrate 11: n-type contact layer 12: n-
Claims (3)
前記障壁層をAlGaNとし、
前記キャップ層をAl組成比が0よりも大きく、前記障壁層のAl組成比以下であるAlGaNとする、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 A well layer made of a group III nitride semiconductor containing In, a cap layer made of a group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layer, and a barrier layer made of a group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layer , And the well layer and the cap layer have the same growth temperature, and the growth temperature of the barrier layer is higher than the growth temperature of the well layer and the cap layer. In the method for manufacturing a group nitride semiconductor light emitting device,
The barrier layer is AlGaN,
The cap layer is AlGaN having an Al composition ratio larger than 0 and less than or equal to the Al composition ratio of the barrier layer.
A method for producing a Group III nitride semiconductor light-emitting device.
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