JP3710339B2 - GaN compound semiconductor light emitting device manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピーク発光波長において高い発光強度を有するGaN系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、GaN系化合物半導体は、発光素子及びハイパワー・デバイスなどの材料として利用され、研究されてきている。例えば、発光素子の場合、発光素子を構成するGaN系化合物半導体の組成を適切に調節することにより、青色から橙色までの幅広い波長の光を発光する発光素子を実現することが技術的に可能である。近年、GaN系化合物半導体のこのような特性を利用して、発光ダイオードとして青色発光ダイオード及び緑色発光ダイオードなどが実用化され、半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザが開発されてきている。
【0003】
GaN系化合物半導体を用いて上記のような発光素子を作製する場合、通常、GaN系化合物半導体がエピタキシャル成長する基板の上に、n型の特性を示す電流注入層、発光層、及びp型の特性を示す電流注入層を順次形成する。基板としては、サファイア基板などが用いられ得る。この発光層として、厚さが10nm以下の量子井戸を使用すると、発光強度が大きくなることが知られている。更に、発光層のインジウム(In)と窒素(N)の組成比(InN組成比)を調整することにより、発光波長を変化させ得る。
【0004】
一般に、発光層に用いられる量子井戸としては、1層の井戸層のみから構成されている構造も知られているが、井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造(MQW)を利用する方が、上記のように1層のみからなる構造を利用するよりも、発光効率が高くなることが知られている。
【0005】
なお、本願明細書を通じて、井戸層或いは量子井戸層とは、量子井戸構造において、障壁層に接し、且つ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい層を指し、一方、障壁層とは、量子井戸構造において、井戸層に接し、且つ井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層を指す。また、発光層とは、井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造を有する、発光に寄与する層(積層構造)を指すものとする。
【0006】
しかし、Inを含むGaN系化合物半導体よりなる量子井戸構造を用いて発光素子を作製する場合には、Inを含むGaN系化合物半導体(例えば、InGaN)の結晶成長時の化学的な熱平衡状態が非常に不安定であるので、所定のInN組成(InGaNはx%のInNと(100−x)%のGaNとから構成されており、そのうちのInNの比率を示す)を有するように、量子井戸構造を形成することは困難である。仮に、所定のInN組成を有する量子井戸構造を形成し得た場合であっても、高い結晶性を有する量子井戸層の形成が困難であり、よって、高い発光効率を有する発光素子を実現することは難しい。
【0007】
更に、量子井戸構造を形成するInを有するGaN系化合物半導体膜についての、InN組成及び膜厚は、通常、基板全面にわたって均一でない。このように、膜厚の均一性が基板全面に渡って得られないことから、目的の発光波長や、ピーク発光波長における発光強度を、基板全面で均一に有する発光素子を作製することは困難である。
【0008】
上記の問題を解決するために、発光層を成長した後に成長中断を行う試みがなされている。
【0009】
なお、本願明細書を通じて、用語「成長中断」は、GaN系化合物半導体からなる発光層の成長温度に近い温度範囲(例えば、発光層がインジウムを含むGaN系化合物半導体から構成されている場合には、好ましくは650℃以上850℃以下の温度範囲)で、少なくともIII族原料の供給を停止することを言うものとする。
【0010】
例えば、特開平9−36429号公報には、発光素子の製造において、InGaAlNよりなる単一量子井戸発光層を成長させた後に2分〜5分の成長中断を行うことが記載され、これにより、発光状態が均一で歩留りの高い発光素子が得られることが記載されている。
【0011】
別の従来技術の例として、特開平10−126006号公報には、3層の井戸層を有する多重量子井戸(MQW)を発光層として備える発光素子の製造において、発光層を構成する井戸層の形成後、5秒間だけ時間が経過した後に、引き続く半導体層の形成を行うことによって、より低い発振閾値電流密度を有し且つより高い特性温度を有する量子井戸半導体レーザを実現できることが示されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来技術における成長中断によって、より高い発光効率を有する発光ダイオード、或いは、より低い閾値を有する半導体レーザを作製しようとしても、単色性に優れ且つ目的の波長で所定の発光効率を有する発光素子を得ることはできない。そのため、ピーク発光波長でより高い発光効率の発光層を備える発光素子を作製することが求められている。
【0013】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的はピーク発光波長において、より高い発光効率の発光層を備えるGaN系化合物半導体発光素子の製造方法を提供すること、である。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、量子井戸構造を有する発光層を備えるGaN系化合物半導体発光素子の製造方法が提供される。該量子井戸構造は、各々がインジウムを含むGaN系化合物半導体からなるn+1層の障壁層(但しnは1以上の自然数)と、各々がインジウムを含むGaN系化合物半導体からなり該障壁層の各々よりも小さいバンドギャップエネルギーを有するn層の井戸層と、を有し、m番目(1≦m≦n)の該井戸層が、m番目の該障壁層とm+1番目の該障壁層との間に隣接して配設されている。該製造方法は、該m番目の該障壁層を結晶成長させる工程と、該m番目の障壁層の上に該m番目の井戸層を結晶成長させる工程と、該m番目の井戸層の上に該m+1番目の障壁層を結晶成長させる工程と、をリアクタ内で順に繰り返して、該n+1層の障壁層と該n層の井戸層とを交互に結晶成長させて該発光層を形成する、発光層形成工程を含んでおり、該発光層形成工程においては、該井戸層の結晶成長工程の各々において、該結晶成長の終了後に、第1の所定の時間の成長中断を実施し、そのことによって、前述の目的が達成される。
【0015】
但し、上記の発光層の量子井戸構造における最も外側の障壁層(第1番目の障壁層及び/或いは第n+1番目の障壁層)は、省略されることもある。この場合には、発光層の外側に位置する層が、省略された障壁層の役割を兼ね備えることになる。
【0016】
好ましくは、前記井戸層の結晶成長工程における前記成長中断の前記第1の所定の時間が、10秒以上100秒以下の範囲に設定されている。
【0017】
前記発光層形成工程においては、更に前記障壁層の結晶成長工程の各々においても、前記結晶成長の終了後に、第2の所定の時間の成長中断を実施してもよい。
【0018】
好ましくは、前記障壁層の結晶成長工程における前記成長中断の前記第2の所定の時間が、1秒以上60分以下の範囲に設定されている。
【0019】
前記成長中断時には、前記リアクタ内に、窒素ガスを主体とするキャリアガスを流してもよい。
【0020】
或いは、前記成長中断時には、前記リアクタ内に、窒素ガスを主体とするキャリアガスとV族原料ガスとを流してもよい。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、各々がInを含有する複数のGaN系化合物半導体層から構成される発光層を備える発光素子の製造にあたって、発光層を複数の井戸層(すなわち2層以上の井戸層)と障壁層とから形成する際に、各井戸層及び各障壁層の形成後に一定時間の成長中断を行う。特に、その成長中断期間の長さ(成長中断時間)を所定の範囲内に設定することによって、井戸層の中に、発光に寄与する量子サイズオーダのInGaNのドットを均一性良く形成して、ドット化による量子効果を促進させるとともに、各ドット間での発光波長のばらつきを抑制することができる。この結果、最終的に形成されるGaN系化合物半導体発光素子の発光波長の半値幅が小さくなり、発光効率の顕著な増加が実現される。
【0022】
成長中断時間が短すぎる場合には、InGaNのドットの形成が不十分且つ不均一になり、一方、成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのInなどの離脱が生じて、成長面の表面が荒れるとともに、InGaNドットの分解が発生する。何れの場合にも、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。なお、本願明細書で説明するInGaNドットとは、発光層の井戸層において、周囲の領域に比べて相対的にIn組成が高くなっている、粒径が1nm〜5nm程度の塊状の領域を指しており、(InGaN)量子箱とも称される。
【0023】
上記のようなInGaN量子ドットを有する発光層の構造では、単なる量子井戸構造に比べて、より少ないキャリアの注入で、効率よくフェルミレベルを上げることができる。このため、発光層を構成する井戸層の中にInGaNドットを均一性良く形成することができれば、ピーク発光波長における発光効率を大きく向上させることが可能になる。
【0024】
なお、成長中断期間の長さ(成長中断時間)の好ましい範囲としては、GaN系化合物半導体から構成される障壁層の成長後の成長中断に対しては1秒以上60分以下、GaN系化合物半導体から構成される井戸層の成長後の成長中断に対しては10秒以上100秒以下であって、これらの範囲内に成長中断時間を設定することによって、上記で説明したような効果が特に発揮される。
【0025】
また、成長中断期間に窒素を主体とするキャリアガスを供給することによって、より顕著な効果を得ることができる。更に、上記のキャリアガスに更にV族原料ガスを混合して流せば、より好ましい効果が得られる。
【0026】
以下には、上記のような特徴を有する本発明によるGaN系化合物半導体発光素子の製造方法の具体的な幾つかの実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
【0027】
(第1の実施形態)
本実施形態では、基板としてサファイアを用い、成長方法としてMOCVD法を用いて製造したGaN系化合物半導体発光素子(具体的には発光ダイオード)を例にとって、本発明を説明する。但し、使用し得る基板材料及び結晶成長法は、これらに限定されない。
【0028】
まず、図2を参照して、本発明の製造方法において成長装置として使用した公知のMOCVD装置の概略について、説明する。
【0029】
図2の装置構成では、GaN系化合物半導体層を結晶成長させるための(0001)面を有する基板201(サファイア基板)が、炭素からなるサセプタ202の上に配置されている。サセプタ202の内部には、同じく炭素からなる抵抗加熱式のヒータ(図示せず)が配置されている。熱電対を用いてヒータに流れる電流を制御することにより、基板201の温度を制御することができる。これらの基板201及びサセプタ202は、石英からなる二重のリアクタ203に収容されている。リアクタ203は水冷されている。
【0030】
基板201の上に結晶成長されるGaN系化合物半導体結晶のV族原料及びIII族原料は、キャリアガス(H2或いはN2)と混合された混合ガス210として、原料入口204よりリアクタ203に導入され、排気ガス出口205より排出される。V族原料としては、アンモニア(NH3)206を使用し、III族原料としては、トリメチルガリウム(TMG)207a、トリメチルアルミニウム(TMA)207b、及びトリメチルインジウム(TMI)207cを窒素ガス或いは水素ガスでバブリングして使用した。n型のドーピング原料としては、SiH4209を使用し、p型のドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)207dを使用した。なお、各原料の流量は、マスフローコントローラMFCでそれぞれ正確に制御される。
【0031】
次に、上述のMOCVD装置を用いて、GaN系化合物半導体発光ダイオードを形成する結晶成長手順について、図1及び図3を参照して以下に説明する。図1は、発光層近傍の半導体層の成長における結晶成長温度と各原料ガスの供給量とを示すタイミングチャートである。図3は、形成されるGaN系化合物半導体発光ダイオード300の構成を模式的に示す概略断面図である。
【0032】
まず、(0001)面を有するサファイア基板301を洗浄して、MOCVD装置の内部(図2における参照番号201の位置)に、設置する。次いで、水素雰囲気中で(すなわち、キャリアガスとして水素を流して)、温度約1100℃で約10分間にわたって基板301を熱処理し、その後、温度を約500℃〜600℃まで、例えば約550℃に降温する。温度が一定になると、キャリアガスを水素から窒素に替えて、窒素ガス(N2)を全流量10リットル/minで流し、V族原料としてアンモニア(NH3)を約3リットル/minで供給し、数秒遅れて、これに加えてIII族原料としてTMGを約20μmol/minで約1分間供給する。これによって、GaN低温バッファ層302を約30nmの厚さで成長させる。ここで、III族原料としてのTMGの供給開始を、V族原料としてのアンモニアの供給開始から数秒遅らせるのは、アンモニア雰囲気が安定していない状態のところに、成長を律速するIII族原料を流すことを防止するためである。
【0033】
その後、TMGの供給を停止して、温度を約1050℃まで昇温する。その後、再びTMGを約50μmol/minで供給するとともに、n型ドーピング原料としてSiH4ガスを約10nmol/minで供給して、n型GaN層303を約4μmの厚さで成長させる(図1のn型GaN層成長期間104)。
【0034】
その後、降温期間107(図1)に示すように、SiH4とTMGとの供給を停止し、キャリアガス(N2)とNH3とを流しながら、発光素子の発光層306を結晶成長させるための発光層成長温度とするために、基板温度を約1050℃から約700℃〜約850℃の範囲にまで低下させる。この発光層成長温度は、発光素子の発光波長を決定する一つのパラメータとなり、低温ほど発光波長が長くなる傾向を示す。上述の約700℃〜約850℃の範囲の基板温度は、紫〜緑の波長の光を発する発光素子を作製するための温度である。紫〜緑の波長帯以外の波長の光が所望であれば、他の適切な基板温度を選択しても良い。例えば、インジウム(In)を含むGaN系化合物半導体材料によって発光層を形成する場合には、発光層の成長温度は650℃以上850℃以下の温度範囲であり、この範囲内に基板温度を選択すれば良い。
【0035】
本実施形態では、上記の降温期間107において、基板温度を約730℃まで低下させる。
【0036】
基板温度が安定すると、障壁層成長期間102a(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、及びTMIを10μmol/minで供給して、発光層306を構成するIn0.05Ga0.95N障壁層(図示せず)を、約5nmの厚さで成長させる。障壁層の成長時には、SiH4を5nmol/min程度流しても良い。障壁層は、バンドキャップエネルギーが、次に形成する井戸層よりも大きい層である。
【0037】
障壁層の成長終了後、井戸層成長期間103a(図1)に示すように、TMIの供給量を50μmol/minに増加して、発光層306を構成するIn0.2Ga0.8N井戸層(図示せず)を約3nmの厚さで成長させる。井戸層の成長時にも、障壁層の成長時と同様に、SiH4を5nmol/min程度流しても良い。ここで、基板温度を発光層の成長温度に維持した。
【0038】
井戸層の成長終了後、成長中断期間101a(図1)に示すように、TMG及びTMI(ならびにSiH4)の供給を停止して、成長中断を行う。このとき、キャリアガス(N2)とNH3ガスとを継続して供給し、基板温度を発光層の成長温度に維持する。本発明においては、障壁層形成後に実施されるこの成長中断期間101aは、好ましくは約1秒〜約100秒間の範囲とする。
【0039】
その後、第2の障壁層成長期間102b(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、及びTMIを10μmol/min(並びにSiH4を5nmol/min)で再び供給して、第2の障壁層を約5nmの厚さで成長させる。更に、第2の井戸層成長期間103b(図1)に示すように、TMIの供給量を再び50μmol/minに増加して第2の井戸層を約3nmの厚さで成長させる。第2の井戸層の成長後には、再び成長中断期間101bを設ける。
【0040】
このようにして、障壁層の成長工程、井戸層の成長工程、及び成長中断工程を順に繰り返して、所定の層数の井戸層を含む多重量子井戸構造を形成し、最後に井戸層の上に障壁層を成長させる。これにより、井戸層と障壁層とからなり、かつ障壁層で終端された積層構造からなる発光層306が形成される。本実施形態では、図1を参照すると、障壁層成長期間102a、井戸層成長期間103a、成長中断期間101a、障壁層成長期間102b、井戸層成長期間103b、成長中断期間101b、障壁層成長期間102c、井戸層成長期間103c、成長中断期間101c、及び障壁層成長期間102dにおいて上述の工程を繰り返し、3つの井戸層と4つの障壁層とからなり且つ障壁層で終端された積層構造からなる発光層306を形成している。但し、井戸層の層数は、上記のような3層に限られるわけではない。
【0041】
最後の障壁層成長期間102dの後には、成長中断期間を設けても良いし、或いは設けなくても構わない。但し、発光層を構成する井戸層の層数が2層以下である場合には、最後の障壁層成長期間102dの後に成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【0042】
上記のInGaN発光層306の成長後に、昇華防止層成長期間106(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、TMAを5μmol/min、及びp型ドーピング原料としてCp2Mgを供給して、p型AlGaN層307を約30nmの厚さで成長させる。このp型AlGaN層307は、InGaN発光層306の昇華を防止する目的で設けられる。
【0043】
その後、昇温期間108(図1)において、TMG、TMA、及びCp2Mgの供給を停止して、基板温度を再び約1050℃まで昇温する。基板の昇温後、p型GaN層成長期間105(図1)に示すように、TMGを50μmol/min、及びCp2Mgを供給し、p型GaNコンタクト層310を約0.5μmの厚さで成長させる。成長終了後、TMGとCp2Mgの供給を停止し、基板加熱を終了する。
【0044】
基板温度がほぼ室温になれば、上記により作製された基板を結晶成長装置から取りだして、反応性イオンエッチングを用いて、結晶成長方向に対して上面からn型GaN層303の途中までエッチングして、n型GaN層303の露出面を形成する。その後に、所定の形状の絶縁層311を形成し、更に、p型電極312a及びn型電極312bを蒸着法により形成する。
【0045】
これにより、図3に示されるような構成を有するGaN系化合物半導体発光ダイオード300が完成される。
【0046】
なお、上記において、反応性イオンエッチングを用いてn型GaN層303の露出面を形成しているのは、基板301として絶縁性のサファイア基板を使用しているためである。サファイア基板に代えて、GaN或いはSiCのような導電性を有する材料で構成された基板を使用する場合には、上記のようにn型GaN層303の露出面を形成してその上にn型電極312bを形成する必要はなく、基板301の裏面に直接にn型電極312bを形成しても良い。
【0047】
更に、上記の説明では、井戸層の成長終了後にのみ成長中断を行っているが、障壁層の成長終了後にも成長中断期間(図示せず)を設けて、同様に、TMG及びTMI(ならびにSiH4)の供給を停止して成長中断を行えば、形成される発光素子の発光効率がより向上される。
【0048】
以上のような製造工程において、発光層306の形成にあたって、成長温度を780℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を5秒、15秒、及び2分に設定して、それぞれ発光ダイオードのサンプルを作製して(各サンプルの井戸層の数は何れも3層)、直径1μmの顕微PLを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図4〜図6には、以上の測定の結果として、井戸層成長後の成長中断時間が5秒、15秒、及び2分の各々の場合について、各発光波長で発光している発光部位の個数の分布(度数分布)を示している。なお、以降の説明では、図4〜図6に示されるような、各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数と発光波長との関係の分布(度数分布)をグラフ化して得られる曲線を、「発光波長分布曲線」とも称する。また、この発光波長部分布曲線の半値幅を、発光波長の半値幅とする。
【0049】
図4〜図6の発光波長分布曲線の作成にあたって、発光波長は0.125nm刻みで換算しており、波長の小数点以下の数値が0.00以上0.125nm未満の場合には0.0625nm、0.125nm以上0.250nm未満の場合には0.1875nm、0.250nm以上0.375nm未満の場合には0.3125nm、0.375nm以上0.500nm未満の場合には0.4375nm、0.500nm以上0.625nm未満の場合には0.5625nm、0.625nm以上0.750nm未満の場合には0.6875nm、0.750nm以上0.875nm未満の場合には0.8125nm、0.875nm以上1.000nm未満の場合には0.9375nmと、換算した。
【0050】
図4〜図6の結果より、成長中断時間を5秒間とした場合(図4)、及び2分間とした場合(図6)に比べて、成長中断時間を15秒間とした場合(図5)に、発光波長の半値幅が最も狭くなり、単色性が増加している。
【0051】
次に、上記で説明した製造工程において、発光層306の形成時の成長温度を730℃、750℃、及び770℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定して、それぞれ発光ダイオードのサンプルを作製して(各サンプルの井戸層の数は何れも3層)、上記と同様に直径1μmの顕微PLを用いて発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図7には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。ここで、「発光波長分布曲線の半値幅の逆数」は、InGaN量子ドットからの顕微PLで測定された発光波長の分布のばらつきの度合いを示す値であり、この値が大きくなれば、半値幅の減少、すなわち、InGaN量子ドットからの顕微PLで測定された発光波長の分布のばらつきが小さくなっていることを意味する。
【0052】
なお、図7では、発光層の成長温度を770℃に設定し且つ井戸層成長後の成長中断時間を20秒とした場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、1と正規化している。
【0053】
また、上記で説明した製造工程において、発光層306の形成時の成長温度を730℃、750℃、及び770℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル(各サンプルの井戸層の数は何れも3層)について、20mAの電流を注入した場合に得られたピーク発光波長での発光強度と、井戸層成長後の成長中断時間との関係を、図8に示している。なお、図8の中の発光強度レベル10における破線は、各々の成長温度において、発光層の形成時に成長中断を全く行わなかった場合(成長中断時間=0秒の場合)に得られる、ピーク発光波長での発光強度レベルを示している。
【0054】
更に、図9には、上記で説明した製造工程において、発光層306の形成時の成長温度を770℃、790℃、及び810℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル(各サンプルの井戸層の数は何れも3層)について、図7と同様にして測定・作製した発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図9でも、発光層の成長温度を770℃に設定し且つ井戸層成長後の成長中断時間を20秒とした場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、1と正規化している。
【0055】
また、図10には、上記で説明した製造工程において、発光層306の形成時の成長温度を770℃、790℃、及び810℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル(各サンプルの井戸層の数は何れも3層)について、図8と同様の20mAの電流注入時に得られたピーク発光波長での発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図10においても、図中の発光強度レベル10における破線は、各々の成長温度において、発光層の形成時に成長中断を全く行わなかった場合(成長中断時間=0秒の場合)に得られる、ピーク発光波長での発光強度レベルを示している。
【0056】
図7及び図9より、各成長温度に対して、成長中断時間が約10秒〜約100秒の範囲にある場合に、発光波長分布曲線の半値幅の逆数の値が大きくなっている。これは、半値幅の減少、すなわち、InGaN量子ドットからの顕微PLで測定された発光波長の分布のばらつきが小さくなっていることを意味しており、発光面全体として単色化が進んでいることを示している。一方、図8及び図10より、成長中断時間が約10秒〜約100秒の範囲にある場合、すなわち上記で述べた単色化(InGaN量子ドットの均一化)が生じている範囲で、ピーク発光波長における発光強度が増加していることがわかる。
【0057】
上記のように、発光層の形成時に適切な時間長さの成長中断を行う本発明の製造プロセスによって、形成されるGaN系化合物半導体発光素子の発光特性が向上するメカニズムは、下記のように理解される。
【0058】
インジウム(In)を含むGaN系化合物半導体は、高温時には、化学的に不安定な状態で成長する。そのため、Inを含むGaN系化合物半導体層は、その成長直後では結晶が不安定な状態にあり、結晶性が良好でない。しかし、このようなInを含むGaN系化合物半導体から形成された井戸層を、その成長後に、それぞれの成長温度範囲において所定の時間だけN2ガス雰囲気中で熱に曝すことにより、井戸層中で、量子効果を促進する量子サイズオーダのInGaNドットが成長面内に均一に形成されて、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制される。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり(すなわち単色化が実現されて)、発光波長における光学利得が増大して、発光効率が顕著に増加する。これに対して、成長中断時間が短すぎる場合には、InGaNのドットの形成が不十分且つ不均一になり、一方、成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのInなどの離脱が生じて、成長面の表面が荒れるとともに、InGaNドットの分解が発生する。何れの場合にも、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。
【0059】
なお、図7〜図10の結果より、InGaNドットの均一化の度合いを示す発光波長分布曲線の半値幅に対する成長中断時間の影響をあらためて検討すると、成長温度によって若干の変動を示すものの、従来技術で行われていたような多重量子井戸構造に対する5秒間の成長中断を経て発光層を作製した場合の結果に比べて、10秒以上100秒以下の成長中断時間において、発光波長分布曲線の半値幅がより狭くなっており、InGaNドットの均一化がより進展することがわかる。
【0060】
また、発光層の成長温度が高い場合には成長中断時間を短く設定し、一方、発光層の成長温度が低い場合には成長中断時間を長く設定することによって、より顕著な効果が得られる。より具体的に述べると、成長温度が730℃〜750℃の範囲にある場合には、成長中断時間を10秒以上100秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を15秒以上90秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が750℃〜770℃の範囲にある場合には、成長中断時間を10秒以上100秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を10秒以上80秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が770℃〜790℃の範囲にある場合には、成長中断時間を10秒以上100秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を10秒以上60秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。更に、成長温度が790℃〜810℃の範囲にある場合には、成長中断時間を10秒以上100秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を10秒以上50秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。
【0061】
なお、本実施形態の上記の説明では、発光層に含まれる井戸層の層数が3層である場合を説明しているが、井戸層の数はこれに限られるわけではない。特に、井戸層の数が2層から20層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の傾向の特性が得られ、ピーク発光波長における発光強度に対する発光層の成長温度及び発光層形成工程での成長中断時間の影響は、ほぼ同様の傾向を示した。
【0062】
発光層の量子井戸構造において、1番目の井戸層の下(外側)に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上(外側)に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【0063】
先に説明した図3の構成では、低温バッファ層としてGaN膜を用いたが、これに代えて、AlxGa1-xN(0≦x≦1)層或いはZnO層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【0064】
また、本実施形態においては、基板として(0001)面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、GaN、SiC、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてGaN基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びGaN層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、GaN基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとNH3雰囲気中で昇温し、その後、TMG及び/或いはSiH4を供給して、下層のn型GaN層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0065】
(第2の実施形態)
本実施形態では、基板としてサファイアを用い、成長方法としてMOCVD法を用いて製造したGaN系化合物半導体発光素子(具体的には半導体レーザ)を例にとって、本発明を説明する。以下の説明では、発光層の成長温度を730℃とし、発光層を構成する井戸層の成長後に15秒間の成長中断を実施しているが、これらの値を含めたプロセスパラメータ、更には、使用し得る基板材料及び結晶成長法は、以下で言及されているものに限定されるものではない。
【0066】
本実施形態でも、第1の実施形態で図2を参照して説明したMOCVD装置を、成長装置として使用する。このMOCVD装置に関する説明は、ここでは省略する。
【0067】
本実施形態で、図2の構成を有するMOCVD装置を用いてGaN系化合物半導体レーザを形成する結晶成長手順について、第1の実施形態で参照した図1を再び参照するとともに、新たに図11を参照して、以下に説明する。この図11は、本実施形態で形成されるGaN系化合物半導体レーザ350の構成を模式的に示す概略断面図である。
【0068】
まず、(0001)面を有するサファイア基板301を洗浄して、MOCVD装置の内部(図2における参照番号201の位置)に、設置する。次いで、水素雰囲気中で(すなわち、キャリアガスとして水素を流して)、温度約1100℃で約10分間にわたって基板301を熱処理し、その後、温度を約500℃〜600℃、例えば約550℃まで降温する。温度が一定になると、キャリアガスを水素から窒素に替えて、窒素ガス(N2)を全流量10リットル/minで流し、V族原料としてアンモニア(NH3)を約3リットル/minで供給し、数秒遅れて、これに加えてIII族原料としてTMGを約20μmol/minで約1分間供給する。これによって、GaN低温バッファ層302を約30nmの厚さで成長させる。ここで、III族原料としてのTMGの供給開始を、V族原料としてのアンモニアの供給開始から数秒遅らせるのは、アンモニア雰囲気が安定していない状態のところに、成長を律速するIII族原料を流すことを防止するためである。
【0069】
その後、TMGの供給を停止して、温度を約1050℃まで昇温する。その後、再びTMGを約50μmol/minで供給するとともに、n型ドーピング原料としてSiH4ガスを約10nmol/minで供給して、n型GaN層303を約4μmの厚さで成長させる。
【0070】
次に、キャリアガス、アンモニア、TMG、及びSiH4ガスの供給に加えて、TMAを10μmol/minで供給して、n型Al0.15Ga0.85N光閉じ込め層304を約0.5μmの厚さで成長させる。
【0071】
次に、図1のn型GaN層成長期間104に示すように、TMAの供給を停止して、n型GaN光ガイド層305を約0.1μm厚さで成長させる。
【0072】
その後、降温期間107(図1)に示すように、SiH4とTMGとの供給を停止し、キャリアガス(N2)とNH3とを流しながら、発光素子の発光層306を結晶成長させるための発光層成長温度とするために、基板温度を約730℃まで低下させる。第1の実施形態で説明したように、この発光層成長温度は、発光素子の発光波長を決定する一つのパラメータとなり、低温ほど発光波長が長くなる傾向を示すものであって、所望の光の波長に応じて適宜設定すればよい。
【0073】
基板温度が安定すると、障壁層成長期間102a(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、及びTMIを10μmol/minで供給して、発光層306を構成するIn0.05Ga0.95N障壁層(図示せず)を、約5nmの厚さで成長させる。障壁層の成長時には、SiH4を5nmol/min程度流しても良い。障壁層は、バンドキャップエネルギーが井戸層よりも大きい層である。
【0074】
障壁層の成長終了後、井戸層成長期間103a(図1)に示すように、TMIの供給量を50μmol/minに増加して、発光層306を構成するIn0.2Ga0.8N井戸層(図示せず)を約3nmの厚さで成長させる。井戸層の成長時にも、障壁層の成長時と同様に、SiH4を5nmol/min程度流しても良い。ここで、基板温度を発光層の成長温度(730℃)に維持した。
【0075】
井戸層の成長終了後、成長中断期間101a(図1)に示すように、TMG及びTMI(ならびにSiH4)の供給を停止して、20秒間に渡って成長中断を行う。このとき、キャリアガス(N2)とNH3ガスとを継続して供給し、基板温度を障壁層の成長温度すなわち発光層の成長温度に維持する。
【0076】
その後、第2の障壁層成長期間102b(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、及びTMIを10μmol/min(並びにSiH4を5nmol/min)で再び供給して、第2の障壁層を約5nmの厚さで成長させる。更に、第2の井戸層成長期間103b(図1)に示すように、TMIの供給量を再び50μmol/minに増加して第2の井戸層を約3nmの厚さで成長させる。第2の井戸層の成長後には、再び成長中断期間101bを設ける。
【0077】
このようにして、障壁層の成長工程、井戸層の成長工程、及び成長中断工程を順に繰り返して、所定の層数の井戸層を含む多重量子井戸構造を形成し、最後に井戸層の上に障壁層を成長させる。これにより、井戸層と障壁層とからなり、かつ障壁層で終端された積層構造からなる発光層306が形成される。本実施形態では、図1を参照すると、障壁層成長期間102a、井戸層成長期間103a、成長中断期間101a、障壁層成長期間102b、井戸層成長期間103b、成長中断期間101b、障壁層成長期間102c、井戸層成長期間103c、成長中断期間101c、及び障壁層成長期間102dにおいて上述の工程を繰り返し、3つの井戸層と4つの障壁層とからなり且つ障壁層で終端された積層構造からなる発光層306を形成している。但し、井戸層の数は、上記のように3層に限られるわけではなく、他の数であっても良い。
【0078】
最後の障壁層成長期間102dの後には、成長中断期間を設けても良いし、或いは設けなくても構わない。但し、発光層を構成する井戸層の層数が2層以下である場合には、最後の障壁層成長期間102dの後に成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【0079】
上記のInGaN発光層306の成長後に、昇華防止層成長期間106(図1)に示すように、TMGを10μmol/min、TMAを5μmol/min、及びp型ドーピング原料としてCp2Mgを供給して、p型AlGaN層307を約30nmの厚さで成長させる。このp型AlGaN層307は、InGaN発光層306の昇華を防止する目的で設けられる。
【0080】
その後、昇温期間108(図1)において、TMG、TMA、及びCp2Mgの供給を停止して、基板温度を再び約1050℃まで昇温する。基板の昇温後、p型GaN層成長期間105(図1)に示すように、TMGを50μmol/min、及びCp2Mgを供給し、p型GaN光ガイド層308を約0.1μmの厚さで成長させる。
【0081】
次に、TMAを10μmol/minで供給し、p型Al0.15Ga0.85N光閉じ込め層309を約0.5μmの厚さで成長させる。その後、TMAの供給を停止し、p型GaNコンタクト層310を約0.5μmの厚さで成長させる。成長終了後、TMGとCp2Mgの供給を停止し、基板加熱を終了する。
【0082】
基板温度がほぼ室温になれば、上記により作製された基板を結晶成長装置から取りだして、熱処理炉の中に設置し、N2雰囲気中で温度800℃にて20分間加熱し、成長膜の中のマグネシウム(Mg)を活性化させる。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング技術を用いて、成長したp型GaNコンタクト層310のGaN系結晶の<1−100>方向に平行に、所定の領域におけるp型GaNコンタクト層310の表面からp型Al0.15Ga0.85N光閉じ込め層309の表面までをエッチングで除去して、幅30μm及び長さ600μmのメサ形状を作製する。
【0083】
次に、上記のようにエッチングで所定の形状にパターニングされたp型GaNコンタクト層310を覆うように、所定の形状の絶縁層311(例えばSiO2膜)を形成する。続いて、結晶成長方向に対して上面からn型GaNコンタクト層303の途中に達する領域をエッチングで除去して、n型GaNコンタクト層303の露出面を形成する。その後に、例えば蒸着法によって、n型GaNコンタクト層303の露出面の上には、Ti/Auからなるn型電極312bを、一方、p型GaNコンタクト層310の上には、幅2μm及び長さ600μmで接合するp型電極312aを、それぞれ形成する。
【0084】
更に、成長したGaN系結晶を(1−100)面で劈開して、光を取り出すための端面を形成し、長さ650μmのレーザ共振器を形成する。共振器の前端面には、反射率12%のシリコン窒化膜を形成し、一方、裏端面には、酸化チタン膜と弗化マグネシウム膜とからなり反射率70%を有する誘電体多層膜を、それぞれ形成する。最後に、スクライブによって、個々のチップに分割する。
【0085】
これにより、図11に示されるような構成を有するGaN系化合物半導体レーザ350が完成される。
【0086】
なお、上記において、エッチングを用いてn型GaN層303の露出面を形成しているのは、基板301として絶縁性のサファイア基板を使用しているためである。サファイア基板に代えて、GaN或いはSiCのような導電性を有する材料で構成された基板を使用する場合には、上記のようにn型GaN層303の露出面を形成してその上にn型電極312bを形成する必要はなく、基板301の裏面に直接にn型電極312bを形成しても良い。
【0087】
また、上記の説明では、基板301に近い側からn型層、発光層、p型層の順に結晶成長して積層構造を形成しているが、これとは逆に、基板301に近い側からp型層、発光層、n型層の順に結晶成長して積層構造を形成しても構わない。
【0088】
更に、上記の説明では、井戸層の成長終了後にのみ成長中断を行っているが、障壁層の成長終了後にも成長中断期間(図示せず)を設けて、同様に、TMG及びTMI(ならびにSiH4)の供給を停止して成長中断を行えば、形成される発光素子の発光効率がより向上される。障壁層形成後の成長中断も、例えば約1秒〜約60分間の範囲とする。また、この際にも、井戸層形成後の成長中断と同様に、キャリアガスとNH3ガスとを継続して供給し、基板温度を障壁層の成長温度すなわち発光層の成長温度に維持する。
【0089】
以上のようにして作製された本実施形態の半導体レーザの動作特性を測定したところ、室温での動作時に、発振閾値電流が30mA、微分発光効率が0.98W/Aであり、低閾値で発光効率の高いレーザ連続発振が得られた。また、光出力35mWの室温での動作電流値は61mA、動作電圧は4.2Vであり、このときの投入電力は256.2mWとなった。この投入電力の値は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に5秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力35mWの室温動作時に必要とされる値(826.5mW)の31.0%であり、また、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に2分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力35mWの室温動作時に必要とされる値(326.4mW)の78.5%である。これより、本発明に従って作製された半導体レーザ素子において、素子の動作性能が大きく向上していることが、確認された。
【0090】
本発明に従った製造方法による半導体レーザ素子の動作性能の向上を確認する目的で、発光層形成の上の蒸発防止層までを先述のプロセスで形成したサンプル(この構造は顕微PL評価が容易である)を作製し、顕微PLによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、5秒間の成長中断で作成したサンプルにおける値の33%、2分間の成長中断で作成したサンプルにおける値の75%であり、単色性の向上が確認された。これは、第1の実施形態で説明した発光ダイオードの場合と同様に、発光層を構成する井戸層の成長後に成長中断を行って、所定の成長温度範囲で、それに対応した最適な時間だけN2雰囲気中で井戸層を熱に曝すことによって、井戸層中で、量子効果を促進する量子サイズオーダのInGaNドットが成長面内に均一に形成され、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制されるためである。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり、発光波長における光学利得が増大して、低閾値で且つ発光効率が高い半導体レーザが実現される。
【0091】
なお、以上の説明では、発光層に含まれる井戸層の層数が3層である場合を説明しているが、井戸層の数はこれに限られるわけではない。特に、井戸層の数が2層から20層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0092】
発光層の量子井戸構造において、1番目の井戸層の下(外側)に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上(外側)に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【0093】
また、先に説明した図11の構成では、低温バッファ層としてGaN膜を用いたが、これに代えて、AlxGa1-xN(0≦x≦1)層或いはZnO層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【0094】
また、本実施形態においては、基板として(0001)面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、GaN、SiC、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてGaN基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びGaN層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、GaN基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとNH3雰囲気中で昇温し、その後、TMG及び/或いはSiH4を供給して、下層のn型GaN層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0095】
更に、上記では、n型電極312bとp型電極312aとの両方が発光素子の上面に配設された窒素化合物半導体レーザ350について記載したが、サファイア基板のかわりにGaN或いはSiCなどの導電性材料からなる基板を用いて、図15に示すような、一方の電極(例えばn型電極312b)が基板301の裏面に設けられた構成の窒素化合物半導体レーザ360を作製しても良い。また、成長層との間で適切なレベルの格子整合が得られる材料からなる基板を用いる場合には、バッファ層を設ける必要はない。なお、図15の半導体レーザ360において、図11に示した半導体レーザ350の構成における構成部材に対応する構成部材は、同じ参照符号を付しており、それらの説明はここでは省略する。
【0096】
このように他の構成を有する半導体レーザを作製する場合にも、本発明を適用することによって、上述したような効果を得ることができる。
【0097】
(第3の実施形態)
本実施形態では、成長温度を第2の実施形態と同じく約730℃とし、且つ井戸層形成後の成長中断時間を90秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成した。
【0098】
このような本実施形態における半導体レーザの動作特性を測定したところ、室温での動作時に、発振閾値電流が34mA、微分発光効率が0.96W/Aであり、低閾値で発光効率の高いレーザ連続発振が得られた。また、顕微PLによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に5秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の29%、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に2分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の70%であり、単色性の向上が確認された。
【0099】
更に、本実施形態の半導体レーザでは、光出力35mWの室温動作時に必要な投入電力は248.0mWとなった。この投入電力の値は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に5秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力35mWの室温動作時に必要とされる値(826.5mW)の30.0%であり、また、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に2分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力35mWの室温動作時に必要とされる値(326.4mW)の76.0%である。
【0100】
このように、本発明に従って作製された半導体レーザ素子においては、単色性の向上、すなわちInGaN量子ドットの均一性の向上によって、素子の動作性能が大きく向上していることが確認された。
【0101】
なお、以上の説明と同様に発光層の成長温度を約730℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を10秒〜100秒として作成した発光層を有する半導体レーザにおいても、5秒或いは2分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様の動作特性の向上が確認された。
【0102】
(第4の実施形態)
本実施形態では、成長温度を第2及び第3の実施形態とは異なる約750℃とし、且つ井戸層形成後の成長中断時間を10秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成した。
【0103】
このような本実施形態における半導体レーザは、室温でレーザ連続発振した。また、顕微PLによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に5秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の61.5%、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に2分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の85.1%であり、単色性の向上が確認された。また、このような単色性の向上に伴って、発光効率も向上した。
【0104】
一方、上記と同じく成長温度を約750℃とし、井戸層形成後の成長中断時間を90秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成したところ、得られた半導体レーザは、同様に室温でレーザ連続発振した。また、この半導体レーザについて、顕微PLによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に5秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子、及び従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に2分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子の双方における値よりも小さくなっており、素子特性の向上が確認された。また、このような単色性の向上に伴って、発光効率も向上した。
【0105】
また、以上の説明と同様に発光層の成長温度を約750℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を10秒〜100秒として作成した発光層を有する半導体レーザにおいても、5秒或いは2分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様の動作特性の向上が確認された。
【0106】
更に、発光層の成長温度を約770℃、約790℃、或いは約810℃とし、井戸層成長後の成長中断時間をそれぞれ10秒〜100秒の範囲で様々に変化させて作製した発光層を有する半導体レーザにおいても、5秒或いは2分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様に、動作特性の顕著な向上が確認された。
【0107】
(第5の実施形態)
本実施形態では、障壁層及び井戸層からなる発光層の成長時に、障壁層形成後の所定の一定時間の成長中断(第1の成長中断)を行うと共に、井戸層形成後にも一定時間の成長中断(第2の成長中断)を行って、GaN系化合物半導体発光素子(具体的には発光ダイオード)を作製した。そして、作製された発光ダイオードにおいて、顕微PLによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成し、得られた発光波長分布曲線の半値幅と障壁層形成後の成長中断期間の長さ(成長中断時間)との関係を検討した。
【0108】
発光ダイオードの作製プロセスは、第1の実施形態において実施したプロセスに類似している。
【0109】
具体的には、まず、(0001)面を有するサファイア基板の上に、第1の実施形態と同様にして、GaN低温バッファ層及びn型GaN層を順次形成する。
【0110】
次に、n型GaN層の上に発光層を形成する。まず、キャリアガス及びNH3ガスを流しながら、基板温度を所定の温度になるように調節する。基板温度が安定した時点で、キャリアガス(N2比率100%、全流量10リットル/min)及びNH3ガス(3リットル/min)に加えて、TMG(10μmol/min)、TMI(10μmol/min)、及びSiH4(5nmol/min)を供給し、In0.05Ga0.95N障壁層を約5nmの平均厚さで成長させた。障壁層の形成後、TMG、TMI、及びSiH4の供給を一旦停止し、キャリアガス及びNH3ガスを継続して供給して、所定の基板温度を維持した状態で、所定の時間長さの成長中断(第1の成長中断)を行った。その後、再びTMG(10μmol/min)、TMI(50μmol/min)、及びSiH4(5nmol/min)を供給し、In0.2Ga0.8N井戸層を約5nmの平均厚さで成長させた。井戸層の形成後は、TMG、TMI、及びSiH4の供給を一旦停止し、キャリアガス及びNH3ガスを継続して供給し、所定の基板温度を維持した状態で、所定の期間(例えば20秒間)の成長中断(第2の成長中断)を行った。その後、TMIの供給量を10μmol/minに減少させ、その他の原料の供給量を維持して、再びIn0.05Ga0.95N障壁層を約5nmの平均厚さで成長させた。その後、上記と同様にして、所定の期間の第1の成長中断工程、井戸層成長工程、所定の期間の第2の成長中断工程、障壁層成長工程を繰り返し、最後に障壁層を成長させて、障壁層で終端された積層構造からなる発光層を形成した。
【0111】
次に、第1の実施形態と同様にして、発光層の上にp型AlGaN昇華防止層を約30nmの厚さで成長させた。ここで、発光層を終端するInGaN障壁層の成長工程とp型AlGaN昇華防止層の成長工程との間に成長中断を行うかどうかは任意である。但し、発光層を構成する井戸層の層数が2層以下である場合には、最後の障壁層成長期間102dの後に、p型AlGaN昇華防止層の成長工程に先立って成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【0112】
次に、第1の実施形態と同様にしてp型GaN層及び所定の形状の絶縁層を形成し、p型電極及びn型電極を形成した。これにより、発光ダイオードが作製された。
【0113】
以上のような製造工程によって作製した発光ダイオードについて、直径1μmの顕微PLを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図12には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。図12では、各々の成長温度における井戸層成長後の成長中断時間が0秒である場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、10としている(縦軸の「10」の位置に引かれている破線に相当する)。
【0114】
図12の結果より、InGaNドットの均一化の度合いを示す発光波長分布曲線の半値幅に対する、障壁層成長後の成長中断時間の影響を検討すると、成長温度によって若干の変動を示すものの、成長温度730℃の場合には1秒以上約60分以下の成長中断時間において、成長温度770℃の場合には1秒以上約15分以下の成長中断時間において、成長温度810℃の場合には1秒以上約5分以下の成長中断時間において、それぞれ発光波長分布曲線の半値幅が、障壁層の成長後に成長中断を実施しない場合に比べて狭くなっており、InGaNドットの均一化が進展することがわかる。このような発光波長分布曲線の半値幅の減少(すなわちInGaN量子ドットの均一性の向上)とともに、ピーク発光波長におけ発光強度が増加して、発光素子の動作性能が大きく向上していることが確認された。
【0115】
また、発光層の成長温度が高い場合には成長中断時間を短く設定し、一方、発光層の成長温度が低い場合には成長中断時間を長く設定することによって、より顕著な効果が得られる。より具体的に述べると、成長温度が730℃の場合には、成長中断時間を約1秒〜約60分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を1秒以上10分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が770℃の場合には、成長中断時間を1秒〜15分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を1秒以上5分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。更に、成長温度が810℃の場合には、成長中断時間を1秒〜5分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を1秒以上2分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。
【0116】
上記のような結果は、以下のようなメカニズムで達成されたものと考えられる。GaN系化合物半導体から形成された障壁層を、その成長後に、その成長温度範囲において所定の時間だけN2ガス雰囲気中で熱に曝すと、障壁層の表面が平坦化される。このため、障壁層の上に形成される井戸層の結晶性が向上して、量子効果を促進する量子サイズオーダのInGaNドットが、井戸層内に均一に形成されるようになり、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制される。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり(すなわち単色化が実現されて)、発光波長における光学利得が増大して、発光効率が顕著に増加する。成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのInなどの離脱が生じて成長面の表面が荒れて、その上に形成される井戸層の結晶性をむしろ乱すことになり、結果的に、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。
【0117】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が2層から20層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0118】
発光層の量子井戸構造において、1番目の井戸層の下(外側)に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上(外側)に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【0119】
なお、井戸層の成長後の成長中断を行わずに、障壁層の成長後のみに成長中断を行った場合には、ピーク発光波長における発光強度が最大で約2.5倍に増加するにとどまり、図12に示したような顕著な効果は確認されなかった。
【0120】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてGaN膜を用いたが、これに代えて、AlxGa1-xN(0≦x≦1)層或いはZnO層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【0121】
また、本実施形態においては、基板として(0001)面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、GaN、SiC、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてGaN基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びGaN層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、GaN基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとNH3雰囲気中で昇温し、その後、TMG及び/或いはSiH4を供給して、下層のn型GaN層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0122】
(第6の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態で説明した方法に従ってGaN系化合物半導体発光ダイオードを作製するにあたって、形成された発光ダイオードの動作時(電流注入時)の発光強度と、井戸層形成後の成長中断期間に流すキャリアガスにおけるN2ガスとH2ガスとの混合比との関係を、説明する。
【0123】
具体的には、本実施形態では、発光層を構成する井戸層の成長後の成長中断期間に流すキャリアガスとして、N2ガスとH2ガスとの混合比を様々に変更した(但し、キャリアガスの総量は一定とした)以外は、第1の実施形態での製造方法とほぼ同様にして、発光素子(発光ダイオード)を作製した。なお、発光層の成長時の成長温度は750℃に設定し、井戸層成長後の成長中断時間を30秒に設定した。
【0124】
図13は、このようにして作製された発光ダイオードについて、20mAの電流を注入した場合のピーク発光波長(白丸プロット)、及びそのピーク発光波長における発光強度(黒丸プロット)の、キャリアガスにおけるN2ガスとH2ガスとの混合比に対する変化を示している。
【0125】
図13より、キャリアガスにおけるN2ガスの比率が減少するにつれて、発光波長は短波長化し、また、そのピーク発光波長における発光強度も減少する傾向にある。これは、N2ガスの減少に伴って、井戸層内におけるInGaN量子ドットの形成が抑制されることによって、量子効果の発現や量子ドットからの発光波長の単色化の効果が十分に得られなるためと考えられる。従って、井戸層成長後の成長中断期間に流すキャリアガスとしては、窒素ガス(N2ガス)を主体とするガスを流すことにより、ピーク発光波長が長波長化され、また、そのピーク発光波長における発光強度が増加する。
【0126】
なお、図13の結果は、発光層の成長温度が750℃の場合であるが、成長温度が約800℃程度とより高温に設定した場合や、約700℃程度とより低温に設定した場合にも、同様の傾向が観測された。
【0127】
また、井戸層の成長後だけではなく障壁層の成長後に成長中断期間を設ける場合にも、上記と同様に窒素ガス(N2ガス)を主体とするキャリアガスを流すことにより、ピーク発光波長が長波長化され、また、そのピーク発光波長における発光強度が増加する傾向を示す。
【0128】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が2層から20層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0129】
発光層の量子井戸構造において、1番目の井戸層の下(外側)に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上(外側)に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【0130】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてGaN膜を用いたが、これに代えて、AlxGa1-xN(0≦x≦1)層或いはZnO層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【0131】
また、本実施形態においては、基板として(0001)面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、GaN、SiC、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてGaN基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びGaN層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、GaN基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとNH3雰囲気中で昇温し、その後、TMG及び/或いはSiH4を供給して、下層のn型GaN層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0132】
(第7の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態で説明した方法に従ってGaN系化合物半導体発光ダイオードを作製するにあたって、形成された発光ダイオードの動作時(電流注入時)の発光強度と、井戸層形成後の成長中断期間に流すアンモニアガス(NH3ガス)の導入量及び成長中断期間の長さ(成長中断時間)との関係を、説明する。
【0133】
具体的には、本実施形態では、発光層を構成する井戸層の成長後の成長中断期間に流すアンモニアガス(NH3ガス)の導入量及び成長中断時間を様々に変更した以外は、第1の実施形態での製造方法とほぼ同様にして、発光素子(発光ダイオード)を作製した。なお、発光層の成長時の成長温度は770℃に設定した。また、アンモニアガス(NH3ガス)の導入量は、5リットル/分、3リットル/分、及び0リットル/分(すなわち導入せず)に設定した。
【0134】
以上のような製造工程によって作製した発光ダイオードについて、直径1μmの顕微PLを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図14には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図14では、アンモニアガス(NH3ガス)の導入量が3リットル/分である場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、1と正規化している。
【0135】
図14を参照すると、成長中断期間に成長リアクタ内にNH3ガスを導入しない場合にも、InGaN量子ドットの均一化に起因する量子ドットからの発光波長の単色化(すなわち発光波長分布曲線の半値幅の増加)が確認されたが、成長中断期間にNH3ガスを導入することによって、InGaN量子ドットの均一化に起因する発光波長の単色化の効果が、より顕著に現れている。また、成長中断期間にリアクタ内にNH3ガスを導入することによって、成長中断時間をより長くしても上記の効果が実現されることから、成長中断時間をより長く設定して、製造プロセスを容易にすることが可能になる。
【0136】
図14の結果は、発光層の成長温度が770℃の場合であるが、成長温度が約800℃程度とより高温に設定した場合や、約700℃程度とより低温に設定した場合にも、同様の傾向が観測された。また、井戸層の成長後だけではなく障壁層の成長後に成長中断期間を設ける場合にも、上記と同様の傾向が観測された。
【0137】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が2層から20層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0138】
発光層の量子井戸構造において、1番目の井戸層の下(外側)に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上(外側)に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【0139】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてGaN膜を用いたが、これに代えて、AlxGa1-xN(0≦x≦1)層或いはZnO層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【0140】
また、本実施形態においては、基板として(0001)面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、GaN、SiC、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてGaN基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びGaN層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、GaN基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとNH3雰囲気中で昇温し、その後、TMG及び/或いはSiH4を供給して、下層のn型GaN層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【0141】
なお、以上の幾つかの実施形態で説明したような本発明の製造プロセスに従って作製される発光ダイオードは、その発光層306から発生した光が、基板301の上に積層された窒化物成長層をその積層方向に透過して外部に出射されるタイプであっても良く、或いは、基板301の側面或いは裏面から光を外部に向けて透過させて使用するタイプであっても良い。更に、基板301として導電性基板を使用すれば、基板301の裏面に片方の電極(例えばn型電極312b)が形成されている発光ダイオードを作製することが、可能になる。いずれの場合にも、これまでに説明したものと同様の効果が得られる。
【0142】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、インジウムを含むGaN系化合物半導体材料から構成されるGaN系化合物半導体発光素子の作製にあたって、発光層を構成する井戸層及び障壁層の成長過程にて実施する成長中断工程において、適切な成長時間を設定することによって、高い発光効率を有する発光素子を、基板面内で均一性良く作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のGaN系化合物半導体発光素子の製造方法における、発光層とその近傍の半導体層の成長時の成長温度及び各原料の供給量の変化を示す、タイミングチャートである。
【図2】本発明の各実施形態で使用する結晶成長装置(MOCVD装置)の構成を模式的に示す概略図である。
【図3】本発明の第1の実施形態において、本発明に従って形成されるGaN系化合物半導体発光素子の一例としての発光ダイオードの構成を模式的に示す概略断面図である。
【図4】第1の実施形態において、発光層の成長温度を780℃及び井戸層成長後の成長中断時間を5秒間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係(発光波長分布曲線)を示す図である。
【図5】第1の実施形態において、発光層の成長温度を780℃及び井戸層成長後の成長中断時間を15秒間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係(発光波長分布曲線)を示す図である。
【図6】第1の実施形態において、発光層の成長温度を780℃及び井戸層成長後の成長中断時間を2分間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係(発光波長分布曲線)を示す図である。
【図7】第1の実施形態において、発光層の成長温度を730℃、750℃、及び770℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図8】第1の実施形態において、発光層の成長温度を730℃、750℃、及び770℃として作製された発光ダイオードにおける、ピーク発光波長における発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図9】第1の実施形態において、発光層の成長温度を770℃、790℃、及び810℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図10】第1の実施形態において、発光層の成長温度を770℃、790℃、及び810℃として作製された発光ダイオードにおける、ピーク発光波長における発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図11】本発明の第2の実施形態において、本発明に従って形成されるGaN系化合物半導体発光素子の一例としての半導体レーザの構成を模式的に示す概略断面図である。
【図12】第5の実施形態において、発光層の成長温度を730℃、770℃、及び810℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図13】第6の実施形態において作製される発光ダイオードに関して、成長中断期間に供給されるガスにおけるN2ガスの比率とピーク発光波長及びピーク発光波長における発光強度との関係を示す図である。
【図14】第7の実施形態において、成長中断期間に供給されるガスにおけるNH3ガスの導入量を変化させて作製し発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図15】本発明の第2の実施形態において、本発明に従って形成されるGaN系化合物半導体発光素子の一例としての半導体レーザの他の構成を、模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
101a、101b、101c 井戸層形成後の成長中断期間
102a、102b、102c、102d 障壁層成長期間
103a、103b,103c 井戸層成長期間
104 n型GaN層成長期間
105 p型GaN層成長期間
106 昇華防止層成長期間
107 降温期間
108 昇温期間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor light emitting device having high emission intensity at a peak emission wavelength.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, GaN-based compound semiconductors have been used and studied as materials for light-emitting elements and high-power devices. For example, in the case of a light-emitting element, it is technically possible to realize a light-emitting element that emits light of a wide wavelength range from blue to orange by appropriately adjusting the composition of the GaN-based compound semiconductor constituting the light-emitting element. is there. In recent years, blue light-emitting diodes and green light-emitting diodes have been put into practical use as light-emitting diodes utilizing such characteristics of GaN-based compound semiconductors, and blue-violet semiconductor lasers have been developed as semiconductor laser elements.
[0003]
When producing a light emitting device as described above using a GaN-based compound semiconductor, normally, a current injection layer exhibiting n-type characteristics, a light-emitting layer, and p-type characteristics on a substrate on which the GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown. Are sequentially formed. A sapphire substrate or the like can be used as the substrate. It is known that when a quantum well having a thickness of 10 nm or less is used as the light emitting layer, the light emission intensity is increased. Furthermore, the emission wavelength can be changed by adjusting the composition ratio (InN composition ratio) of indium (In) and nitrogen (N) in the light emitting layer.
[0004]
In general, as a quantum well used for a light emitting layer, a structure composed of only one well layer is also known, but a method using a multiple quantum well structure (MQW) having a well layer and a barrier layer is known. However, it is known that the light emission efficiency is higher than that in the case of using the structure consisting of only one layer as described above.
[0005]
Throughout this specification, a well layer or a quantum well layer refers to a layer in a quantum well structure that is in contact with a barrier layer and has a band gap energy smaller than that of the barrier layer, whereas a barrier layer is a quantum well structure. The layer in contact with the well layer and having a larger band gap energy than the well layer. In addition, the light emitting layer refers to a layer (laminated structure) contributing to light emission having a quantum well structure composed of a well layer and a barrier layer.
[0006]
However, when a light-emitting device is manufactured using a quantum well structure made of a GaN-based compound semiconductor containing In, the chemical thermal equilibrium state during crystal growth of a GaN-based compound semiconductor containing In (for example, InGaN) is extremely high. The quantum well structure has a predetermined InN composition (InGaN is composed of x% InN and (100-x)% GaN, and indicates the ratio of InN). Is difficult to form. Even if a quantum well structure having a predetermined InN composition can be formed, it is difficult to form a quantum well layer having high crystallinity, and thus a light emitting element having high light emission efficiency is realized. Is difficult.
[0007]
Furthermore, the InN composition and film thickness of a GaN-based compound semiconductor film having In that forms a quantum well structure are usually not uniform over the entire surface of the substrate. As described above, since the uniformity of the film thickness cannot be obtained over the entire surface of the substrate, it is difficult to manufacture a light-emitting element having the light emission intensity at the target light emission wavelength or peak light emission wavelength uniformly over the entire surface of the substrate. is there.
[0008]
In order to solve the above problem, an attempt is made to interrupt the growth after the light emitting layer is grown.
[0009]
Throughout this specification, the term “growth interruption” refers to a temperature range close to the growth temperature of a light emitting layer made of a GaN compound semiconductor (for example, when the light emitting layer is made of a GaN compound semiconductor containing indium). In the temperature range of preferably 650 ° C. or higher and 850 ° C. or lower), the supply of at least the group III raw material is to be stopped.
[0010]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-36429 describes that in the manufacture of a light emitting device, after a single quantum well light emitting layer made of InGaAlN is grown, the growth is interrupted for 2 minutes to 5 minutes. It is described that a light-emitting element having a uniform light emission state and a high yield can be obtained.
[0011]
As another prior art example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-126006 discloses a light emitting device having a multiple quantum well (MQW) having three well layers as a light emitting layer. It has been shown that a quantum well semiconductor laser having a lower oscillation threshold current density and a higher characteristic temperature can be realized by performing subsequent semiconductor layer formation after a lapse of 5 seconds after formation. .
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if an attempt is made to produce a light emitting diode having a higher light emission efficiency or a semiconductor laser having a lower threshold due to the interruption of growth in the prior art as described above, it has excellent monochromaticity and has a predetermined light emission efficiency at a target wavelength. It is not possible to obtain a light emitting element having Therefore, it is required to manufacture a light emitting element including a light emitting layer having higher light emission efficiency at a peak emission wavelength.
[0013]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to provide a method for producing a GaN-based compound semiconductor light-emitting element having a light-emitting layer with higher light emission efficiency at a peak light emission wavelength. It is.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a GaN-type compound semiconductor light-emitting device provided with the light emitting layer which has a quantum well structure is provided. The quantum well structure includes n + 1 barrier layers (where n is a natural number of 1 or more) each made of a GaN-based compound semiconductor containing indium, and GaN-based compound semiconductors each containing indium. An n-th well layer having a small band gap energy, and the m-th (1 ≦ m ≦ n) well layer is between the m-th barrier layer and the m + 1-th barrier layer. Adjacent to each other. The manufacturing method includes a step of crystal-growing the m-th barrier layer, a step of crystal-growing the m-th well layer on the m-th barrier layer, and on the m-th well layer. The step of crystal-growing the m + 1-th barrier layer is sequentially repeated in the reactor, and the light-emitting layer is formed by alternately growing the n + 1 barrier layers and the n-well layers. In the light emitting layer forming step, in each of the crystal growth steps of the well layer, after the completion of the crystal growth, a growth interruption for a first predetermined time is performed, thereby The aforementioned objective is achieved.
[0015]
However, the outermost barrier layer (the first barrier layer and / or the (n + 1) th barrier layer) in the quantum well structure of the light emitting layer may be omitted. In this case, the layer located outside the light emitting layer also serves as the omitted barrier layer.
[0016]
Preferably, the first predetermined time of the growth interruption in the crystal growth step of the well layer is set in a range of 10 seconds to 100 seconds.
[0017]
In the light emitting layer forming step, in each of the barrier layer crystal growth steps, the growth may be interrupted for a second predetermined time after the completion of the crystal growth.
[0018]
Preferably, the second predetermined time of the growth interruption in the crystal growth step of the barrier layer is set in a range of 1 second to 60 minutes.
[0019]
When the growth is interrupted, a carrier gas mainly containing nitrogen gas may be flowed into the reactor.
[0020]
Alternatively, when the growth is interrupted, a carrier gas mainly containing nitrogen gas and a group V source gas may be flowed into the reactor.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, in manufacturing a light emitting device including a light emitting layer composed of a plurality of GaN compound semiconductor layers each containing In, the light emitting layer is divided into a plurality of well layers (that is, two or more well layers). When forming from the barrier layer, the growth is interrupted for a certain time after the formation of each well layer and each barrier layer. In particular, by setting the length of the growth interruption period (growth interruption time) within a predetermined range, quantum well-ordered InGaN dots that contribute to light emission are formed with good uniformity in the well layer, While promoting the quantum effect by dot formation, the dispersion | variation in the light emission wavelength between each dot can be suppressed. As a result, the FWHM of the emission wavelength of the finally formed GaN-based compound semiconductor light-emitting element is reduced, and a remarkable increase in light emission efficiency is realized.
[0022]
When the growth interruption time is too short, the formation of InGaN dots becomes insufficient and non-uniform, while when the growth interruption time is too long, separation of In and the like from the surface vicinity of the growth surface occurs. As the surface of the growth surface becomes rough, decomposition of the InGaN dots occurs. In either case, the light emission efficiency at the peak light emission wavelength from the light emitting layer decreases. The InGaN dots described in the specification of the present application refer to a massive region having a grain size of about 1 nm to 5 nm, in which the In composition is relatively higher than the surrounding region in the well layer of the light emitting layer. And is also referred to as an (InGaN) quantum box.
[0023]
In the structure of the light emitting layer having InGaN quantum dots as described above, the Fermi level can be increased efficiently with fewer carrier injections than in a simple quantum well structure. Therefore, if InGaN dots can be formed with good uniformity in the well layer constituting the light emitting layer, the light emission efficiency at the peak light emission wavelength can be greatly improved.
[0024]
A preferable range of the length of the growth interruption period (growth interruption time) is 1 second or more and 60 minutes or less with respect to the growth interruption after the growth of the barrier layer made of the GaN-based compound semiconductor. For the growth interruption after the growth of the well layer composed of 10 seconds or more and 100 seconds or less, by setting the growth interruption time within these ranges, the effect as described above is particularly exhibited. Is done.
[0025]
Further, a more remarkable effect can be obtained by supplying a carrier gas mainly containing nitrogen during the growth interruption period. Furthermore, if a V group source gas is further mixed and flowed into the carrier gas, a more preferable effect can be obtained.
[0026]
Hereinafter, some specific embodiments of a method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor light emitting device according to the present invention having the above-described features will be described with reference to the accompanying drawings.
[0027]
(First embodiment)
In the present embodiment, the present invention will be described by taking a GaN-based compound semiconductor light emitting device (specifically, a light emitting diode) manufactured by using MOCVD as a growth method using sapphire as a substrate. However, usable substrate materials and crystal growth methods are not limited to these.
[0028]
First, an outline of a known MOCVD apparatus used as a growth apparatus in the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG.
[0029]
In the apparatus configuration of FIG. 2, a substrate 201 (sapphire substrate) having a (0001) plane for crystal growth of a GaN-based compound semiconductor layer is disposed on a
[0030]
The group V material and group III material of the GaN compound semiconductor crystal grown on the
[0031]
Next, a crystal growth procedure for forming a GaN-based compound semiconductor light-emitting diode using the above-described MOCVD apparatus will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a timing chart showing the crystal growth temperature and the supply amount of each source gas in the growth of the semiconductor layer near the light emitting layer. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the configuration of the GaN-based compound semiconductor light-emitting
[0032]
First, the
[0033]
Thereafter, the supply of TMG is stopped and the temperature is raised to about 1050 ° C. Thereafter, TMG is again supplied at about 50 μmol / min, and SiH is used as an n-type doping material. Four Gas is supplied at about 10 nmol / min to grow the n-
[0034]
Thereafter, as shown in the cooling period 107 (FIG. 1), SiH Four And TMG supply are stopped, and carrier gas (N 2 ) And NH Three In order to obtain a light emitting layer growth temperature for crystal growth of the
[0035]
In the present embodiment, the substrate temperature is lowered to about 730 ° C. during the
[0036]
When the substrate temperature is stabilized, as shown in the barrier layer growth period 102a (FIG. 1), TMG is supplied at 10 μmol / min and TMI is supplied at 10 μmol / min, and the
[0037]
After the growth of the barrier layer, as shown in the well layer growth period 103a (FIG. 1), the supply amount of TMI is increased to 50 μmol / min, and the In constituting the
[0038]
After the growth of the well layer, as shown in the growth interruption period 101a (FIG. 1), TMG and TMI (and SiH Four ) Will be stopped and growth will be suspended. At this time, the carrier gas (N 2 ) And NH Three Gas is continuously supplied to maintain the substrate temperature at the growth temperature of the light emitting layer. In the present invention, the growth interruption period 101a performed after the formation of the barrier layer is preferably in the range of about 1 second to about 100 seconds.
[0039]
Thereafter, as shown in the second barrier
[0040]
In this way, the barrier layer growth step, the well layer growth step, and the growth interruption step are repeated in order to form a multiple quantum well structure including a predetermined number of well layers, and finally on the well layer. Growing the barrier layer. As a result, a
[0041]
After the last barrier
[0042]
After the growth of the InGaN light-emitting
[0043]
Thereafter, during the temperature rising period 108 (FIG. 1), TMG, TMA, and Cp 2 The supply of Mg is stopped, and the substrate temperature is raised to about 1050 ° C. again. After raising the temperature of the substrate, as shown in the p-type GaN layer growth period 105 (FIG. 1), TMG is 50 μmol / min, and Cp 2 Mg is supplied, and the p-type GaN contact layer 310 is grown to a thickness of about 0.5 μm. After the growth, TMG and Cp 2 The supply of Mg is stopped and the substrate heating is finished.
[0044]
When the substrate temperature is approximately room temperature, the substrate fabricated as described above is taken out from the crystal growth apparatus and etched from the upper surface to the middle of the n-
[0045]
Thereby, the GaN-based compound semiconductor light-emitting
[0046]
In the above, the exposed surface of the n-
[0047]
Furthermore, in the above description, the growth is interrupted only after the growth of the well layer is completed, but a growth interruption period (not shown) is also provided after the growth of the barrier layer, and similarly, TMG and TMI (and SiH) are provided. Four ) Is stopped and the growth is interrupted, the light emission efficiency of the formed light emitting element is further improved.
[0048]
In the manufacturing process as described above, when the
[0049]
In creating the emission wavelength distribution curves of FIGS. 4 to 6, the emission wavelength is converted in increments of 0.125 nm. When the numerical value after the decimal point of the wavelength is 0.00 or more and less than 0.125 nm, 0.0625 nm, In the case of 0.125 nm or more and less than 0.250 nm, 0.1875 nm, in the case of 0.250 nm or more and less than 0.375 nm, 0.3125 nm, in the case of 0.375 nm or more and less than 0.500 nm, 0.4375 nm,. 0.5625 nm for 500 nm or more and less than 0.625 nm, 0.6875 nm for 0.625 nm or more and less than 0.750 nm, 0.8125 nm or 0.875 nm or more for 0.750 nm or more and less than 0.875 nm In the case of less than 1.000 nm, it was converted to 0.9375 nm.
[0050]
From the results of FIGS. 4 to 6, when the growth interruption time is set to 15 seconds as compared with the case where the growth interruption time is set to 5 seconds (FIG. 4) and 2 minutes (FIG. 6) (FIG. 5). In addition, the half-value width of the emission wavelength is the narrowest, and the monochromaticity is increased.
[0051]
Next, in the manufacturing process described above, the growth temperature during the formation of the
[0052]
In FIG. 7, the reciprocal of the half-value width in the emission wavelength distribution curve obtained when the growth temperature of the light emitting layer is set to 770 ° C. and the growth interruption time after the well layer growth is set to 20 seconds is 1 It has become.
[0053]
Further, in the manufacturing process described above, the growth temperature during the formation of the
[0054]
Further, in FIG. 9, in the manufacturing process described above, the growth temperature when forming the
[0055]
Further, in FIG. 10, in the manufacturing process described above, the growth temperature when forming the
[0056]
7 and 9, when the growth interruption time is in the range of about 10 seconds to about 100 seconds for each growth temperature, the reciprocal value of the half width of the emission wavelength distribution curve is large. This means that the half-value width is reduced, that is, the variation in the distribution of the emission wavelength measured by the micro PL from the InGaN quantum dots is reduced, and the monochromaticity is being promoted as a whole of the light emitting surface. Is shown. On the other hand, from FIG. 8 and FIG. 10, when the growth interruption time is in the range of about 10 seconds to about 100 seconds, that is, in the range where the above-described monochromization (uniformization of InGaN quantum dots) occurs, It can be seen that the emission intensity at the wavelength increases.
[0057]
As described above, the mechanism by which the light emission characteristics of the formed GaN-based compound semiconductor light-emitting device are improved by the manufacturing process of the present invention in which the growth is interrupted for an appropriate time length when forming the light-emitting layer is understood as follows. Is done.
[0058]
A GaN-based compound semiconductor containing indium (In) grows in a chemically unstable state at high temperatures. Therefore, in the GaN-based compound semiconductor layer containing In, the crystal is in an unstable state immediately after the growth, and the crystallinity is not good. However, a well layer formed of such a GaN-based compound semiconductor containing In is subjected to N for a predetermined time in each growth temperature range after the growth. 2 By exposing to heat in a gas atmosphere, InGaN dots of quantum size order that promote quantum effects are uniformly formed in the growth plane in the well layer, and variation in emission wavelength among the dots is suppressed. . As a result, the half-value width of the emission wavelength obtained in the manufactured light-emitting element is reduced (that is, monochromaticity is realized), the optical gain at the emission wavelength is increased, and the emission efficiency is significantly increased. On the other hand, when the growth interruption time is too short, the formation of InGaN dots becomes insufficient and non-uniform. On the other hand, when the growth interruption time is too long, In or the like from the vicinity of the surface of the growth surface. Occurs, the surface of the growth surface becomes rough, and decomposition of the InGaN dots occurs. In either case, the light emission efficiency at the peak light emission wavelength from the light emitting layer decreases.
[0059]
From the results shown in FIGS. 7 to 10, when the influence of the growth interruption time on the half-value width of the emission wavelength distribution curve indicating the degree of uniformity of the InGaN dots is examined again, the conventional technique shows a slight variation depending on the growth temperature. The half-width of the emission wavelength distribution curve at a growth interruption time of 10 seconds or more and 100 seconds or less, compared with the case where a light emitting layer was fabricated through a growth interruption of 5 seconds for a multiple quantum well structure as in Is narrower, and it can be seen that the uniformity of InGaN dots is further improved.
[0060]
Further, when the growth temperature of the light emitting layer is high, the growth interruption time is set short. On the other hand, when the growth temperature of the light emitting layer is low, the growth interruption time is set long. More specifically, when the growth temperature is in the range of 730 ° C. to 750 ° C., an effect can be obtained by setting the growth interruption time to 10 seconds or more and 100 seconds or less. By setting the second time to 90 seconds or less, a more remarkable effect can be obtained. When the growth temperature is in the range of 750 ° C. to 770 ° C., the effect can be obtained by setting the growth interruption time to 10 seconds or more and 100 seconds or less. In particular, the growth interruption time is set to 10 seconds or more and 80 seconds or less. By doing so, a more remarkable effect can be obtained. When the growth temperature is in the range of 770 ° C. to 790 ° C., the effect can be obtained by setting the growth interruption time to 10 seconds or more and 100 seconds or less. In particular, the growth interruption time is set to 10 seconds or more and 60 seconds or less. By doing so, a more remarkable effect can be obtained. Further, when the growth temperature is in the range of 790 ° C. to 810 ° C., an effect can be obtained by setting the growth interruption time to 10 seconds or more and 100 seconds or less, and in particular, the growth interruption time is 10 seconds or more and 50 seconds or less. By setting to, a more remarkable effect can be obtained.
[0061]
In the above description of the present embodiment, the case where the number of well layers included in the light emitting layer is three is described, but the number of well layers is not limited thereto. In particular, for multi-quantum wells in which the number of well layers is in the range of 2 to 20 layers, characteristics similar to those described above are obtained, and the growth of the light emitting layer with respect to the light emission intensity at the peak light emission wavelength is obtained. The influence of the temperature and the growth interruption time in the light emitting layer forming process showed almost the same tendency.
[0062]
In the quantum well structure of the light emitting layer, the same effect as described above can be obtained when there is no barrier layer below (outside) the first well layer or when there is no barrier layer above (outside) the last well layer. can get. Further, the growth conditions of the respective well layers may not be the same, and the growth conditions of the respective barrier layers may not be the same.
[0063]
In the configuration of FIG. 3 described above, a GaN film is used as the low-temperature buffer layer, but instead of this, Al x Ga 1-x An N (0 ≦ x ≦ 1) layer or a ZnO layer may be used. In these cases, the same effect as described above is obtained.
[0064]
In this embodiment, a sapphire substrate having a (0001) plane is used as the substrate. However, the plane orientation does not have a particularly large effect on the effect of improving the emission intensity, and instead of the sapphire substrate. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when other substrates made of GaN, SiC, spinel, mica, or the like are used. Further, when a GaN substrate is used as the substrate, it is not necessary to provide a pretreatment by heat treatment in a hydrogen atmosphere and a low-temperature buffer layer for epitaxial growth of the GaN layer. That is, when a GaN substrate is used, a carrier gas mainly composed of an inert gas and NH Three Raise temperature in atmosphere, then TMG and / or SiH Four And a light emitting device can be manufactured starting from the growth of the lower n-type GaN layer. Also in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0065]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the present invention will be described by taking a GaN-based compound semiconductor light emitting element (specifically, a semiconductor laser) manufactured by using MOCVD as a growth method using sapphire as a substrate. In the following description, the growth temperature of the light emitting layer is set to 730 ° C., and the growth interruption for 15 seconds is carried out after the growth of the well layer constituting the light emitting layer. Possible substrate materials and crystal growth methods are not limited to those mentioned below.
[0066]
Also in this embodiment, the MOCVD apparatus described with reference to FIG. 2 in the first embodiment is used as a growth apparatus. A description of this MOCVD apparatus is omitted here.
[0067]
With respect to the crystal growth procedure for forming a GaN-based compound semiconductor laser using the MOCVD apparatus having the configuration of FIG. 2 in this embodiment, reference is again made to FIG. 1 referred to in the first embodiment, and FIG. This will be described below with reference. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view schematically showing the configuration of the GaN-based compound semiconductor laser 350 formed in this embodiment.
[0068]
First, the
[0069]
Thereafter, the supply of TMG is stopped and the temperature is raised to about 1050 ° C. Thereafter, TMG is again supplied at about 50 μmol / min, and SiH is used as an n-type doping material. Four A gas is supplied at about 10 nmol / min to grow the n-
[0070]
Next, carrier gas, ammonia, TMG, and SiH Four In addition to gas supply, TMA is supplied at 10 μmol / min, and n-type Al 0.15 Ga 0.85 N
[0071]
Next, as shown in the n-type GaN
[0072]
Thereafter, as shown in the cooling period 107 (FIG. 1), SiH Four And TMG supply are stopped, and carrier gas (N 2 ) And NH Three In order to obtain a light emitting layer growth temperature for crystal growth of the
[0073]
When the substrate temperature is stabilized, as shown in the barrier layer growth period 102a (FIG. 1), TMG is supplied at 10 μmol / min and TMI is supplied at 10 μmol / min, and the
[0074]
After the growth of the barrier layer, as shown in the well layer growth period 103a (FIG. 1), the supply amount of TMI is increased to 50 μmol / min, and the In constituting the
[0075]
After the growth of the well layer, as shown in the growth interruption period 101a (FIG. 1), TMG and TMI (and SiH Four ) Is stopped and the growth is interrupted for 20 seconds. At this time, the carrier gas (N 2 ) And NH Three The gas is continuously supplied to maintain the substrate temperature at the growth temperature of the barrier layer, that is, the growth temperature of the light emitting layer.
[0076]
Thereafter, as shown in the second barrier
[0077]
In this way, the barrier layer growth step, the well layer growth step, and the growth interruption step are repeated in order to form a multiple quantum well structure including a predetermined number of well layers, and finally on the well layer. Growing the barrier layer. As a result, a
[0078]
After the last barrier
[0079]
After the growth of the InGaN light-emitting
[0080]
Thereafter, during the temperature rising period 108 (FIG. 1), TMG, TMA, and Cp 2 The supply of Mg is stopped, and the substrate temperature is raised to about 1050 ° C. again. After raising the temperature of the substrate, as shown in the p-type GaN layer growth period 105 (FIG. 1), TMG is 50 μmol / min, and Cp 2 Mg is supplied, and the p-type GaN
[0081]
Next, TMA was supplied at 10 μmol / min, and p-type Al 0.15 Ga 0.85 An N
[0082]
When the substrate temperature reaches approximately room temperature, the substrate fabricated as described above is taken out of the crystal growth apparatus and placed in a heat treatment furnace. 2 Heating is performed in an atmosphere at a temperature of 800 ° C. for 20 minutes to activate magnesium (Mg) in the growth film. Next, using photolithography and dry etching techniques, p is formed from the surface of the p-type GaN contact layer 310 in a predetermined region in parallel to the <1-100> direction of the GaN-based crystal of the grown p-type GaN contact layer 310. Type Al 0.15 Ga 0.85 The surface up to the surface of the N
[0083]
Next, the insulating
[0084]
Further, the grown GaN-based crystal is cleaved at the (1-100) plane to form an end face for extracting light, and a laser resonator having a length of 650 μm is formed. A silicon nitride film having a reflectance of 12% is formed on the front end face of the resonator, and a dielectric multilayer film having a reflectance of 70% made of a titanium oxide film and a magnesium fluoride film is formed on the back end face. Form each one. Finally, each chip is divided by scribing.
[0085]
Thereby, a GaN-based compound semiconductor laser 350 having a configuration as shown in FIG. 11 is completed.
[0086]
In the above, the exposed surface of the n-
[0087]
Further, in the above description, the n-type layer, the light emitting layer, and the p-type layer are grown in this order from the side close to the
[0088]
Furthermore, in the above description, the growth is interrupted only after the growth of the well layer is completed, but a growth interruption period (not shown) is also provided after the growth of the barrier layer, and similarly, TMG and TMI (and SiH) are provided. Four ) Is stopped and the growth is interrupted, the light emission efficiency of the formed light emitting element is further improved. The growth interruption after the formation of the barrier layer is, for example, in the range of about 1 second to about 60 minutes. At this time, similarly to the interruption of growth after the formation of the well layer, the carrier gas and NH Three The gas is continuously supplied to maintain the substrate temperature at the growth temperature of the barrier layer, that is, the growth temperature of the light emitting layer.
[0089]
The operating characteristics of the semiconductor laser according to the present embodiment manufactured as described above were measured. When operating at room temperature, the oscillation threshold current was 30 mA, the differential light emission efficiency was 0.98 W / A, and light was emitted at a low threshold. Highly efficient laser continuous oscillation was obtained. The operating current value at room temperature with an optical output of 35 mW was 61 mA, the operating voltage was 4.2 V, and the input power at this time was 256.2 mW. The value of this input power is a value required for the same room temperature operation with a light output of 35 mW in a semiconductor laser device fabricated by interrupting growth for 5 seconds when forming a light emitting layer having a multiple quantum well structure according to the prior art. (826.5 mW) of 31.0%, and a similar light output of 35 mW in a semiconductor laser device manufactured by interrupting growth for 2 minutes when forming a light emitting layer having a single quantum well structure according to the prior art Is 78.5% of the value (326.4 mW) required at room temperature operation. From this, it was confirmed that the operating performance of the device was greatly improved in the semiconductor laser device manufactured according to the present invention.
[0090]
For the purpose of confirming the improvement in the operating performance of the semiconductor laser device by the manufacturing method according to the present invention, a sample formed by the above-described process up to the evaporation prevention layer on the light emitting layer formation (this structure is easy for microscopic PL evaluation) The emission wavelength distribution curve in the growth plane was prepared by observation with a microscopic PL, and the half-value width of the obtained emission wavelength distribution curve was 33% of the value in the sample prepared by interrupting the growth for 5 seconds. It was 75% of the value in the sample prepared by interrupting the growth for 2 minutes, and the improvement of monochromaticity was confirmed. As in the case of the light-emitting diode described in the first embodiment, this is because the growth is interrupted after the growth of the well layer constituting the light-emitting layer, and N is applied for an optimum time corresponding to the predetermined growth temperature range. 2 By exposing the well layer to heat in the atmosphere, quantum well-ordered InGaN dots that promote quantum effects are uniformly formed in the growth plane in the well layer, and variation in emission wavelength among the dots is suppressed. Because. As a result, the half-value width of the emission wavelength obtained with the manufactured light-emitting element is reduced, the optical gain at the emission wavelength is increased, and a semiconductor laser with a low threshold and high emission efficiency is realized.
[0091]
In the above description, the case where the number of well layers included in the light emitting layer is three is described. However, the number of well layers is not limited thereto. In particular, the same effect as described above can be obtained for a multiple quantum well in which the number of well layers is in the range of 2 to 20 layers.
[0092]
In the quantum well structure of the light emitting layer, the same effect as described above can be obtained when there is no barrier layer below (outside) the first well layer or when there is no barrier layer above (outside) the last well layer. can get. Further, the growth conditions of the respective well layers may not be the same, and the growth conditions of the respective barrier layers may not be the same.
[0093]
In the configuration shown in FIG. 11 described above, a GaN film is used as the low-temperature buffer layer. x Ga 1-x An N (0 ≦ x ≦ 1) layer or a ZnO layer may be used. In these cases, the same effect as described above is obtained.
[0094]
In this embodiment, a sapphire substrate having a (0001) plane is used as the substrate. However, the plane orientation does not have a particularly large effect on the effect of improving the emission intensity, and instead of the sapphire substrate. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when other substrates made of GaN, SiC, spinel, mica, or the like are used. Further, when a GaN substrate is used as the substrate, it is not necessary to provide a pretreatment by heat treatment in a hydrogen atmosphere and a low-temperature buffer layer for epitaxial growth of the GaN layer. That is, when a GaN substrate is used, a carrier gas mainly composed of an inert gas and NH Three Raise temperature in atmosphere, then TMG and / or SiH Four And a light emitting device can be manufactured starting from the growth of the lower n-type GaN layer. Also in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0095]
Further, in the above description, the nitrogen compound semiconductor laser 350 in which both the n-
[0096]
In the case of manufacturing a semiconductor laser having another configuration as described above, the effects as described above can be obtained by applying the present invention.
[0097]
(Third embodiment)
In the present embodiment, a semiconductor laser was fabricated by forming a light emitting layer with a growth temperature of about 730 ° C. as in the second embodiment and a growth interruption time after formation of a well layer of 90 seconds.
[0098]
When the operating characteristics of the semiconductor laser in this embodiment were measured, when operating at room temperature, the oscillation threshold current was 34 mA, the differential emission efficiency was 0.96 W / A, and the laser continuity with a low threshold and high emission efficiency was obtained. Oscillation was obtained. In addition, when the emission wavelength distribution curve in the growth plane was created by observation with the microscopic PL, the half-value width of the obtained emission wavelength distribution curve was 5 seconds during the formation of the light emitting layer having the multiple quantum well structure according to the prior art. 29% of the value in the semiconductor laser device manufactured by interrupting, and 70% of the value in the semiconductor laser device manufactured by interrupting the growth for 2 minutes when forming the light emitting layer having a single quantum well structure according to the prior art. Improvement of monochromaticity was confirmed.
[0099]
Furthermore, in the semiconductor laser of this embodiment, the input power required for room temperature operation with an optical output of 35 mW was 248.0 mW. The value of this input power is a value required for the same room temperature operation with a light output of 35 mW in a semiconductor laser device fabricated by interrupting growth for 5 seconds when forming a light emitting layer having a multiple quantum well structure according to the prior art. (826.5 mW) of 30.0%, and a similar light output of 35 mW in a semiconductor laser device manufactured by interrupting growth for 2 minutes when forming a light emitting layer having a single quantum well structure according to the prior art Is 76.0% of the value (326.4 mW) required during room temperature operation.
[0100]
As described above, it was confirmed that in the semiconductor laser device manufactured according to the present invention, the operation performance of the device was greatly improved by improving the monochromaticity, that is, improving the uniformity of the InGaN quantum dots.
[0101]
In the same manner as described above, a semiconductor laser having a light emitting layer prepared by setting the growth temperature of the light emitting layer to about 730 ° C. and the growth interruption time after the well layer growth to 10 seconds to 100 seconds is also 5 seconds or 2 minutes. Compared to the sample prepared by interrupting the growth according to the prior art, the same improvement in operating characteristics as above was confirmed.
[0102]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a semiconductor laser was fabricated by forming a light emitting layer with a growth temperature of about 750 ° C. different from those of the second and third embodiments and a growth interruption time after the well layer formation of 10 seconds.
[0103]
Such a semiconductor laser in this embodiment oscillated continuously at room temperature. In addition, when the emission wavelength distribution curve in the growth plane was created by observation with the microscopic PL, the half-value width of the obtained emission wavelength distribution curve was 5 seconds during the formation of the light emitting layer having the multiple quantum well structure according to the conventional technique. 61.5% of the value in the semiconductor laser device manufactured by interrupting, 85. of the value in the semiconductor laser device manufactured by interrupting the growth for 2 minutes when forming the light emitting layer having a single quantum well structure according to the prior art. It was 1%, and the improvement of monochromaticity was confirmed. In addition, the luminous efficiency has been improved with the improvement of the monochromaticity.
[0104]
On the other hand, when the growth temperature was about 750 ° C. as described above, the light emitting layer was formed with the growth interruption time after formation of the well layer being 90 seconds, and a semiconductor laser was produced, the obtained semiconductor laser was similarly at room temperature. Laser continuous oscillation. In addition, for this semiconductor laser, an emission wavelength distribution curve in the growth plane was created by observation with a microscopic PL. The half-value width of the obtained emission wavelength distribution curve was determined by the formation of a light emitting layer having a multiple quantum well structure in accordance with the prior art. More than the values in both the semiconductor laser device manufactured by occasionally interrupting the growth for 5 seconds and the semiconductor laser device manufactured by interrupting the growth for 2 minutes when forming the light emitting layer having a single quantum well structure according to the prior art It was confirmed that the device characteristics were improved. In addition, the luminous efficiency has been improved with the improvement of the monochromaticity.
[0105]
Similarly to the above description, a semiconductor laser having a light emitting layer formed with a growth temperature of the light emitting layer of about 750 ° C. and a growth interruption time after the well layer growth of 10 seconds to 100 seconds is also 5 seconds or 2 minutes. Compared to the sample prepared by interrupting the growth according to the prior art, the same improvement in operating characteristics as above was confirmed.
[0106]
Further, a light emitting layer produced by changing the growth temperature of the light emitting layer to about 770 ° C., about 790 ° C., or about 810 ° C. and changing the growth interruption time after the well layer growth in a range of 10 seconds to 100 seconds, respectively. Also in the semiconductor laser having the same, a significant improvement in the operating characteristics was confirmed in the same manner as described above as compared with the sample manufactured by performing the growth interruption according to the conventional technique of 5 seconds or 2 minutes.
[0107]
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, during the growth of the light emitting layer composed of the barrier layer and the well layer, the growth is interrupted for a predetermined time after the formation of the barrier layer (first growth interruption), and the growth is also performed for a certain time after the well layer is formed. The interruption (second growth interruption) was performed to produce a GaN-based compound semiconductor light emitting device (specifically, a light emitting diode). Then, in the manufactured light emitting diode, an emission wavelength distribution curve in the growth plane is created by observation with a micro PL, and the half width of the obtained emission wavelength distribution curve and the length of the growth interruption period after the barrier layer formation (growth) (Interruption time).
[0108]
The manufacturing process of the light emitting diode is similar to the process performed in the first embodiment.
[0109]
Specifically, first, a GaN low-temperature buffer layer and an n-type GaN layer are sequentially formed on a sapphire substrate having a (0001) plane in the same manner as in the first embodiment.
[0110]
Next, a light emitting layer is formed on the n-type GaN layer. First, carrier gas and NH Three The substrate temperature is adjusted to a predetermined temperature while flowing the gas. When the substrate temperature is stabilized, the carrier gas (N 2 Ratio 100%,
[0111]
Next, in the same manner as in the first embodiment, a p-type AlGaN sublimation preventing layer was grown on the light emitting layer to a thickness of about 30 nm. Here, whether or not to stop the growth between the growth step of the InGaN barrier layer that terminates the light emitting layer and the growth step of the p-type AlGaN sublimation prevention layer is arbitrary. However, when the number of well layers constituting the light emitting layer is two or less, it is preferable to provide a growth interruption period prior to the growth process of the p-type AlGaN sublimation prevention layer after the last barrier
[0112]
Next, in the same manner as in the first embodiment, a p-type GaN layer and an insulating layer having a predetermined shape were formed, and a p-type electrode and an n-type electrode were formed. As a result, a light emitting diode was produced.
[0113]
With respect to the light-emitting diode manufactured by the manufacturing process as described above, the in-plane distribution of the emission wavelength from the light-emitting layer was measured using a microscopic PL having a diameter of 1 μm. FIG. 12 shows the relationship between the reciprocal of the half-value width of the emission wavelength distribution curve and the growth interruption time after growth of the well layer as a result of the above measurement. In FIG. 12, the reciprocal of the half-value width in the emission wavelength distribution curve obtained when the growth interruption time after the well layer growth at each growth temperature is 0 seconds is 10 (position “10” on the vertical axis). (Corresponds to the dashed line drawn by
[0114]
From the results of FIG. 12, when the influence of the growth interruption time after the growth of the barrier layer on the half width of the emission wavelength distribution curve indicating the degree of uniformity of the InGaN dots is examined, the growth temperature is slightly changed depending on the growth temperature. In the case of 730 ° C., the growth interruption time is 1 second to about 60 minutes or less, in the case of the growth temperature 770 ° C., in the growth interruption time of 1 second to about 15 minutes, and in the case of the growth temperature 810 ° C., 1 second. In the growth interruption time of about 5 minutes or less, the half width of the emission wavelength distribution curve is narrower than that in the case where the growth interruption is not performed after the growth of the barrier layer, and the uniformity of the InGaN dots may progress. Understand. As the half-value width of the emission wavelength distribution curve is reduced (that is, the uniformity of the InGaN quantum dots is improved), the emission intensity at the peak emission wavelength is increased, and the operation performance of the light emitting device is greatly improved. confirmed.
[0115]
Further, when the growth temperature of the light emitting layer is high, the growth interruption time is set short. On the other hand, when the growth temperature of the light emitting layer is low, the growth interruption time is set long. More specifically, when the growth temperature is 730 ° C., an effect can be obtained by setting the growth interruption time to about 1 second to about 60 minutes. In particular, the growth interruption time is 1 second or more and 10 minutes or less. By setting to, a more remarkable effect can be obtained. When the growth temperature is 770 ° C., an effect can be obtained by setting the growth interruption time to 1 to 15 minutes, and in particular, by setting the growth interruption time to 1 second or more and 5 minutes or less, it becomes more prominent. An effect is obtained. Further, when the growth temperature is 810 ° C., the effect can be obtained by setting the growth interruption time to 1 second to 5 minutes. In particular, by setting the growth interruption time to 1 second or more and 2 minutes or less, A remarkable effect is obtained.
[0116]
The above results are considered to be achieved by the following mechanism. After the growth of the barrier layer formed from the GaN-based compound semiconductor, N is applied for a predetermined time in the growth temperature range. 2 When exposed to heat in a gas atmosphere, the surface of the barrier layer is planarized. For this reason, the crystallinity of the well layer formed on the barrier layer is improved, and quantum size order InGaN dots that promote the quantum effect are uniformly formed in the well layer. Variations in the emission wavelength at are suppressed. As a result, the half-value width of the emission wavelength obtained in the manufactured light-emitting element is reduced (that is, monochromaticity is realized), the optical gain at the emission wavelength is increased, and the emission efficiency is significantly increased. If the growth interruption time is too long, separation of In or the like from the vicinity of the surface of the growth surface occurs, the surface of the growth surface becomes rough, and the crystallinity of the well layer formed thereon is rather disturbed, As a result, the light emission efficiency at the peak emission wavelength from the light emitting layer decreases.
[0117]
The above results are not limited to the case where the number of well layers constituting the light emitting layer is a specific value. In particular, the same effect as described above can be obtained for a multiple quantum well in which the number of well layers is in the range of 2 to 20 layers.
[0118]
In the quantum well structure of the light emitting layer, the same effect as described above can be obtained when there is no barrier layer below (outside) the first well layer or when there is no barrier layer above (outside) the last well layer. can get. Further, the growth conditions of the respective well layers may not be the same, and the growth conditions of the respective barrier layers may not be the same.
[0119]
If the growth is interrupted only after the growth of the barrier layer without interrupting the growth after the growth of the well layer, the emission intensity at the peak emission wavelength only increases up to about 2.5 times. The remarkable effect as shown in FIG. 12 was not confirmed.
[0120]
In the configuration of the present embodiment, a GaN film is used as the low-temperature buffer layer, but instead of this, Al x Ga 1-x An N (0 ≦ x ≦ 1) layer or a ZnO layer may be used. In these cases, the same effect as described above is obtained.
[0121]
In this embodiment, a sapphire substrate having a (0001) plane is used as the substrate. However, the plane orientation does not have a particularly large effect on the effect of improving the emission intensity, and instead of the sapphire substrate. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when other substrates made of GaN, SiC, spinel, mica, or the like are used. Further, when a GaN substrate is used as the substrate, it is not necessary to provide a pretreatment by heat treatment in a hydrogen atmosphere and a low-temperature buffer layer for epitaxial growth of the GaN layer. That is, when a GaN substrate is used, a carrier gas mainly composed of an inert gas and NH Three Raise temperature in atmosphere, then TMG and / or SiH Four And a light emitting device can be manufactured starting from the growth of the lower n-type GaN layer. Also in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0122]
(Sixth embodiment)
In this embodiment, when a GaN-based compound semiconductor light emitting diode is manufactured according to the method described in the first embodiment, the light emission intensity during operation (current injection) of the formed light emitting diode and the growth after the well layer is formed. N in the carrier gas that flows during the interruption period 2 Gas and H 2 The relationship with the mixing ratio with gas will be described.
[0123]
Specifically, in the present embodiment, N is used as the carrier gas that flows during the growth interruption period after the growth of the well layer constituting the light emitting layer. 2 Gas and H 2 A light emitting element (light emitting diode) was fabricated in substantially the same manner as the manufacturing method in the first embodiment except that the mixing ratio with the gas was variously changed (however, the total amount of the carrier gas was constant). The growth temperature during the growth of the light emitting layer was set at 750 ° C., and the growth interruption time after the well layer growth was set at 30 seconds.
[0124]
FIG. 13 shows the peak emission wavelength (white circle plot) and the emission intensity (black circle plot) at the peak emission wavelength when a current of 20 mA is injected for the light-emitting diode thus manufactured. 2 Gas and H 2 The change with respect to the mixing ratio with gas is shown.
[0125]
From FIG. 13, N in the carrier gas 2 As the gas ratio decreases, the emission wavelength becomes shorter and the emission intensity at the peak emission wavelength also tends to decrease. This is N 2 It is considered that the formation of InGaN quantum dots in the well layer is suppressed as the gas decreases, and thereby the quantum effect and the effect of monochromatic emission wavelength from the quantum dots are sufficiently obtained. Therefore, as the carrier gas that flows during the growth interruption period after the well layer growth, nitrogen gas (N 2 By flowing a gas mainly composed of gas, the peak emission wavelength is lengthened, and the emission intensity at the peak emission wavelength is increased.
[0126]
The results of FIG. 13 are for the case where the growth temperature of the light emitting layer is 750 ° C., but when the growth temperature is set to a higher temperature of about 800 ° C. or when the growth temperature is set to a lower temperature of about 700 ° C. A similar trend was observed.
[0127]
Further, when providing a growth interruption period not only after the growth of the well layer but also after the growth of the barrier layer, the nitrogen gas (N 2 By flowing a carrier gas mainly composed of a gas, the peak emission wavelength becomes longer, and the emission intensity at the peak emission wavelength tends to increase.
[0128]
The above results are not limited to the case where the number of well layers constituting the light emitting layer is a specific value. In particular, the same effect as described above can be obtained for a multiple quantum well in which the number of well layers is in the range of 2 to 20 layers.
[0129]
In the quantum well structure of the light emitting layer, the same effect as described above can be obtained when there is no barrier layer below (outside) the first well layer or when there is no barrier layer above (outside) the last well layer. can get. Further, the growth conditions of the respective well layers may not be the same, and the growth conditions of the respective barrier layers may not be the same.
[0130]
In the configuration of the present embodiment, a GaN film is used as the low-temperature buffer layer, but instead of this, Al x Ga 1-x An N (0 ≦ x ≦ 1) layer or a ZnO layer may be used. In these cases, the same effect as described above is obtained.
[0131]
In this embodiment, a sapphire substrate having a (0001) plane is used as the substrate. However, the plane orientation does not have a particularly large effect on the effect of improving the emission intensity, and instead of the sapphire substrate. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when other substrates made of GaN, SiC, spinel, mica, or the like are used. Further, when a GaN substrate is used as the substrate, it is not necessary to provide a pretreatment by heat treatment in a hydrogen atmosphere and a low-temperature buffer layer for epitaxial growth of the GaN layer. That is, when a GaN substrate is used, a carrier gas mainly composed of an inert gas and NH Three Raise temperature in atmosphere, then TMG and / or SiH Four And a light emitting device can be manufactured starting from the growth of the lower n-type GaN layer. Also in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0132]
(Seventh embodiment)
In this embodiment, when a GaN-based compound semiconductor light emitting diode is manufactured according to the method described in the first embodiment, the light emission intensity during operation (current injection) of the formed light emitting diode and the growth after the well layer is formed. Ammonia gas (NH Three The relationship between the amount of gas) introduced and the length of the growth interruption period (growth interruption time) will be described.
[0133]
Specifically, in the present embodiment, ammonia gas (NH) that flows during the growth interruption period after the growth of the well layer constituting the light emitting layer is formed. Three A light emitting element (light emitting diode) was fabricated in substantially the same manner as the manufacturing method in the first embodiment, except that the amount of gas) introduced and the growth interruption time were variously changed. The growth temperature during the growth of the light emitting layer was set to 770 ° C. In addition, ammonia gas (NH Three The amount of gas introduced was set at 5 liters / minute, 3 liters / minute, and 0 liters / minute (ie, no introduction).
[0134]
With respect to the light-emitting diode manufactured by the manufacturing process as described above, the in-plane distribution of the emission wavelength from the light-emitting layer was measured using a microscopic PL having a diameter of 1 μm. FIG. 14 shows the relationship between the reciprocal of the half-value width of the emission wavelength distribution curve and the growth interruption time after the well layer growth as a result of the above measurement. In FIG. 14, ammonia gas (NH Three The reciprocal of the half-value width in the emission wavelength distribution curve obtained when the amount of gas introduced is 3 liters / minute is normalized to 1.
[0135]
Referring to FIG. 14, NH is placed in the growth reactor during the growth interruption period. Three Even when no gas was introduced, it was confirmed that the emission wavelength from the quantum dots was monochromatic (that is, the half-value width of the emission wavelength distribution curve was increased) due to the uniformization of the InGaN quantum dots. Three By introducing the gas, the effect of monochromatic emission wavelength due to the uniformization of the InGaN quantum dots appears more prominently. In addition, NH in the reactor during the growth interruption period Three By introducing the gas, even if the growth interruption time is made longer, the above-described effect can be realized. Therefore, the growth interruption time can be set longer to facilitate the manufacturing process.
[0136]
The result of FIG. 14 is the case where the growth temperature of the light emitting layer is 770 ° C., but also when the growth temperature is set to a higher temperature of about 800 ° C. or when the growth temperature is set to a lower temperature of about 700 ° C. A similar trend was observed. Moreover, the same tendency as above was observed not only after the well layer was grown but also when the growth interruption period was provided after the growth of the barrier layer.
[0137]
The above results are not limited to the case where the number of well layers constituting the light emitting layer is a specific value. In particular, the same effect as described above can be obtained for a multiple quantum well in which the number of well layers is in the range of 2 to 20 layers.
[0138]
In the quantum well structure of the light emitting layer, the same effect as described above can be obtained when there is no barrier layer below (outside) the first well layer or when there is no barrier layer above (outside) the last well layer. can get. Further, the growth conditions of the respective well layers may not be the same, and the growth conditions of the respective barrier layers may not be the same.
[0139]
In the configuration of the present embodiment, a GaN film is used as the low-temperature buffer layer, but instead of this, Al x Ga 1-x An N (0 ≦ x ≦ 1) layer or a ZnO layer may be used. In these cases, the same effect as described above is obtained.
[0140]
In this embodiment, a sapphire substrate having a (0001) plane is used as the substrate. However, the plane orientation does not have a particularly large effect on the effect of improving the emission intensity, and instead of the sapphire substrate. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when other substrates made of GaN, SiC, spinel, mica, or the like are used. Further, when a GaN substrate is used as the substrate, it is not necessary to provide a pretreatment by heat treatment in a hydrogen atmosphere and a low-temperature buffer layer for epitaxial growth of the GaN layer. That is, when a GaN substrate is used, a carrier gas mainly composed of an inert gas and NH Three Raise temperature in atmosphere, then TMG and / or SiH Four And a light emitting device can be manufactured starting from the growth of the lower n-type GaN layer. Also in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0141]
Note that the light emitting diode manufactured according to the manufacturing process of the present invention as described in the above several embodiments has a nitride growth layer in which light generated from the
[0142]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a GaN-based compound semiconductor light-emitting device composed of a GaN-based compound semiconductor material containing indium is manufactured in the growth process of the well layer and the barrier layer that constitute the light-emitting layer. By setting an appropriate growth time in the growth interruption step, a light emitting element having high light emission efficiency can be manufactured with good uniformity within the substrate surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a timing chart showing changes in growth temperature and supply amount of each raw material during growth of a light emitting layer and a semiconductor layer in the vicinity thereof in the method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view schematically showing a configuration of a crystal growth apparatus (MOCVD apparatus) used in each embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of a light-emitting diode as an example of a GaN-based compound semiconductor light-emitting element formed according to the present invention in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a light emitting diode manufactured according to the first embodiment in which the growth temperature of the light emitting layer is set to 780 ° C. and the growth interruption time after the well layer growth is set to 5 seconds. It is a figure which shows the relationship (light emission wavelength distribution curve) with the number of the light emission parts in the light emitting layer which is.
FIG. 5 shows a light emitting diode manufactured according to the first embodiment in which the growth temperature of the light emitting layer is set to 780 ° C. and the growth interruption time after the growth of the well layer is set to 15 seconds. It is a figure which shows the relationship (light emission wavelength distribution curve) with the number of the light emission parts in the light emitting layer which is.
FIG. 6 shows a light emitting diode manufactured according to the first embodiment in which the growth temperature of the light emitting layer is set to 780 ° C. and the growth interruption time after the well layer growth is set to 2 minutes. It is a figure which shows the relationship (light emission wavelength distribution curve) with the number of the light emission parts in the light emitting layer which is.
FIG. 7 shows the inverse of the half-value width of the emission wavelength distribution curve and the growth after the well layer growth in the light-emitting diode manufactured with the growth temperature of the light-emitting layer being 730 ° C., 750 ° C., and 770 ° C. in the first embodiment. It is a figure which shows the relationship with interruption time.
FIG. 8 shows the light emission intensity at the peak light emission wavelength and the growth interruption time after the growth of the well layer in the light emitting diode manufactured at the light emitting layer growth temperatures of 730 ° C., 750 ° C., and 770 ° C. in the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
FIG. 9 shows the reciprocal of the half-value width of the emission wavelength distribution curve and the growth after the well layer growth in the light-emitting diode manufactured with the growth temperature of the light-emitting layer being 770 ° C., 790 ° C., and 810 ° C. in the first embodiment. It is a figure which shows the relationship with interruption time.
FIG. 10 shows the emission intensity at the peak emission wavelength and the growth interruption time after the growth of the well layer in the light emitting diode manufactured at the light emitting layer growth temperatures of 770 ° C., 790 ° C., and 810 ° C. in the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor laser as an example of a GaN-based compound semiconductor light-emitting element formed according to the present invention in the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows the reciprocal of the half-value width of the emission wavelength distribution curve and the growth after the well layer growth in the light-emitting diode manufactured with the growth temperature of the light-emitting layer being 730 ° C., 770 ° C., and 810 ° C. in the fifth embodiment. It is a figure which shows the relationship with interruption time.
FIG. 13 shows the N in the gas supplied during the growth interruption period for the light emitting diode fabricated in the sixth embodiment. 2 It is a figure which shows the relationship between the ratio of gas, the peak emission wavelength, and the emission intensity in a peak emission wavelength.
FIG. 14 shows NH in the gas supplied during the growth interruption period in the seventh embodiment. Three It is a figure which shows the relationship between the reciprocal number of the half value width of the light emission wavelength distribution curve, and the growth interruption time after well layer growth in the light emitting diode produced by changing the introduction amount of gas.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view schematically showing another configuration of a semiconductor laser as an example of a GaN-based compound semiconductor light-emitting element formed according to the present invention in the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101a, 101b, 101c Growth interruption period after well layer formation
102a, 102b, 102c, 102d Barrier layer growth period
103a, 103b, 103c Well layer growth period
104 n-type GaN layer growth period
105 p-type GaN layer growth period
106 Sublimation prevention layer growth period
107 Temperature drop period
108 Heating period
Claims (13)
m=1,2,・・・,nに対して、m番目の障壁層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程と、m番目の障壁層の上にm番目の井戸層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程とを繰り返した後、n番目の井戸層の上にn+1番目の障壁層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させることにより、n+1層の障壁層とn層の井戸層とを含む量子井戸構造を有する発光層を形成する工程を包含し、For m = 1, 2,..., n, a step of crystal-growing a barrier layer made of a GaN-based compound semiconductor containing indium and m-th barrier layer, and m on the m-th barrier layer And repeating the step of crystal growth of the well layer made of a GaN-based compound semiconductor containing indium and then the n-th well layer and being a n + 1-th barrier layer on the n-th well layer. Including a step of forming a light emitting layer having a quantum well structure including an n + 1 barrier layer and an n well layer by crystal growth of a barrier layer made of a compound semiconductor,
該m番目の井戸層を結晶成長させる工程において、該m番目の井戸層の結晶成長の終了後に、第1の所定の時間の成長中断を実施し、In the step of crystal growth of the m-th well layer, after completion of crystal growth of the m-th well layer, a growth interruption for a first predetermined time is performed,
該m番目の障壁層を結晶成長させる工程において、該m番目の障壁層の結晶成長の終了後に、第2の所定の時間の成長中断を実施し、nは1以上の自然数であり、mは1≦m≦nを満たす自然数である、GaN系化合物半導体発光素子の製造方法。In the step of crystal growth of the mth barrier layer, after the completion of crystal growth of the mth barrier layer, the growth interruption for a second predetermined time is performed, n is a natural number of 1 or more, and m is A method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor light-emitting element, which is a natural number satisfying 1 ≦ m ≦ n.
1番目の井戸層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程と、A step of crystal-growing a first well layer made of a GaN-based compound semiconductor containing indium;
m=2,・・・,nに対して、m−1番目の井戸層の上にm番目の障壁層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程と、m番目の障壁層の上にm番目の井戸層であってインジウムを含むGaN系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程とを繰り返すことにより、n−1層の障壁層とn層の井戸層とを含む量子井戸構造を有する発光層を形成する工程とwith respect to m = 2,..., n, a step of crystal-growing a barrier layer made of a GaN-based compound semiconductor containing indium on the m−1th well layer, and m The n-1 barrier layer and the n well layer are repeated by repeating the step of crystal growth of the mth well layer, which is a well layer made of a GaN-based compound semiconductor containing indium, on the second barrier layer. Forming a light emitting layer having a quantum well structure including:
を包含し、Including
該1番目または該m番目の井戸層を結晶成長させる工程において、該1番目または該m番目の井戸層の結晶成長の終了後に、第1の所定の時間の成長中断を実施し、In the step of crystal growth of the first or m-th well layer, after completion of crystal growth of the first or m-th well layer, a growth interruption for a first predetermined time is performed,
該m番目の障壁層を結晶成長させる工程において、該m番目の障壁層の結晶成長の終了後に、第2の所定の時間の成長中断を実施し、nは1以上の自然数であり、mは2≦m≦nを満たす自然数である、GaN系化合物半導体発光素子の製造方法。In the step of crystal growth of the mth barrier layer, after the completion of crystal growth of the mth barrier layer, the growth interruption for a second predetermined time is performed, n is a natural number of 1 or more, and m is A method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor light-emitting element, which is a natural number satisfying 2 ≦ m ≦ n.
前記発光層の成長温度が750℃〜770℃の範囲にある場合には前記第1の所定の時間が10秒以上80秒以下、
前記発光層の成長温度が770℃〜790℃の範囲にある場合には前記第1の所定の時間が10秒以上60秒以下、
前記発光層の成長温度が790℃〜810℃の範囲にある場合には前記第1の所定の時間が10秒以上50秒以下の範囲に設定されている、請求項1から5のいずれかに記載のGaN系化合物半導体発光素子の製造方法。The light emitting layer of the growth temperature is 730 ° C. to 750 when in the range of ° C. or less 90 seconds before Symbol first predetermined time more than 10 seconds,
The light emitting layer of the growth temperature is 750 ℃ ~770 predetermined time before Symbol first if the range of ° C. 80 seconds 10 seconds or less,
The growth temperature of the light emitting layer 770 ℃ ~790 predetermined time before Symbol first if the range of ° C. 60 seconds 10 seconds or less,
The growth temperature of the light emitting layer is a predetermined time before Symbol first if the range of 790 ℃ ~810 ℃ is set in a range of 50 seconds or less 10 seconds or more, any one of claims 1 to 5 method of manufacturing a GaN-based compound semiconductor light emitting device according to.
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