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JP2006313944A - Ultraviolet light emitting element - Google Patents

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JP2006313944A
JP2006313944A JP2006228965A JP2006228965A JP2006313944A JP 2006313944 A JP2006313944 A JP 2006313944A JP 2006228965 A JP2006228965 A JP 2006228965A JP 2006228965 A JP2006228965 A JP 2006228965A JP 2006313944 A JP2006313944 A JP 2006313944A
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JP
Japan
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layer
gan
crystal
light emitting
growth
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Application number
JP2006228965A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Okagawa
広明 岡川
Kazuyuki Tadatomo
一行 只友
Yoichiro Ouchi
洋一郎 大内
Takashi Tsunekawa
高志 常川
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Mitsubishi Cable Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultraviolet light emitting element having a high output and a long lifetime by optimizing the structure of the element in which InGaN is used as a material of its light emitting layer. <P>SOLUTION: Protrusions and recesses 1S are formed on the surface of a crystal substrate S. A GaN-based crystal layer 2 is vapor-grown on the protrusions and recesses directly or through a GaN-based semiconductor low temperature buffer layer 1. The GaN-based crystal layer is grown until it substantially fills insides of the recesses and planarizes the surface. An InGaN crystal layer having a composition which can generate an ultraviolet ray is grown on the planarized surface as a light emitting layer so as to obtain an ultraviolet light emitting element. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、紫外線を発し得る組成のInGaNが発光層として用いられた、GaN系の紫外線発光素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a GaN-based ultraviolet light emitting device using InGaN having a composition capable of emitting ultraviolet light as a light emitting layer.

一般にInGaNを発光層に用いた素子では、In組成揺らぎによるキャリアの局在化のため、発光層に注入されたキャリアの内、非発光中心に捕獲されるものの割合が少なくなり、結果、高効率の発光が得られると説明されている。GaN系発光ダイオード(LED)やGaN系半導体レーザー(LD)において、420nm以下の紫外線を発光させようとする場合、一般には発光層の材料にはInGaN(In組成0.15以下)が用いられ、発光に係る構造は、単一量子井戸構造(所謂DH構造は活性層が薄いためにこれに含まれる)、多重量子井戸構造とされる。   In general, in an element using InGaN as a light emitting layer, the proportion of carriers injected into the light emitting layer is trapped in the non-emission center due to localization of carriers due to fluctuations in In composition, resulting in high efficiency. It is explained that luminescence of can be obtained. In a GaN-based light-emitting diode (LED) or GaN-based semiconductor laser (LD), when trying to emit ultraviolet light of 420 nm or less, InGaN (In composition 0.15 or less) is generally used as the material of the light-emitting layer, The structure related to light emission is a single quantum well structure (the so-called DH structure is included because the active layer is thin) or a multiple quantum well structure.

しかし、高いIn組成の発光層を有する青・緑色発光素子に比べ、紫外線発光素子は短波長である為、発光層のIn組成を低下させる必要がある。この為、上述のIn組成揺らぎによる局在化の効果が低減し、非発光再結合中心に捕獲される割合が増え、結果として高出力化の妨げとなっている。このような状況下、非発光再結合中心の原因となる転位密度の低減が盛んに行われている。転位密度を低減させる方法としては、ELO法(ラテラル成長法)が挙げられ、低転位化を図ることにより高出力化・長寿命化が行なわれている(文献(Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)pp.L647)等参照)。   However, since the ultraviolet light emitting element has a shorter wavelength than the blue / green light emitting element having a light emitting layer having a high In composition, it is necessary to reduce the In composition of the light emitting layer. For this reason, the localization effect due to the above-described fluctuation of the In composition is reduced, the ratio of being captured by the non-radiative recombination centers is increased, and as a result, high output is hindered. Under such circumstances, the reduction of dislocation density that causes non-radiative recombination centers has been actively performed. As a method for reducing the dislocation density, there is an ELO method (lateral growth method), which has achieved higher output and longer life by lowering the dislocation (Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) pp. L647).

GaN系発光素子においては、発光層(井戸層)を、それよりも大きなバンドギャップの材料からなるクラッド層(障壁層)で挟む構成とされる。文献(米津宏雄著、工学図書株式会社刊、「光通信素子工学」第72頁)によると、一般にはバンドギャップ差を「0.3eV」以上とする指針が出ている。
上記背景から、紫外線を発し得る組成のInGaNを発光層(井戸層)に用いる場合、キャリアの閉じ込めを考えると発光層を挟むクラッド層(量子井戸構造ではクラッド層だけでなく障壁層をも含む)にはバンドギャップの大きなAlGaNが用いられている。
In the GaN-based light emitting device, the light emitting layer (well layer) is sandwiched between clad layers (barrier layers) made of a material having a larger band gap. According to the literature (written by Hiroo Yonezu, published by Engineering Books Co., Ltd., “Optical Communication Device Engineering”, page 72), there is a guideline for setting the band gap difference to “0.3 eV” or more.
From the above background, when InGaN having a composition capable of emitting ultraviolet rays is used for the light emitting layer (well layer), a clad layer sandwiching the light emitting layer in consideration of carrier confinement (in the quantum well structure, not only the cladding layer but also the barrier layer is included) In this case, AlGaN having a large band gap is used.

また、量子井戸構造を構成する場合、障壁層はトンネル効果を生じる程度の厚みにする必要があり、一般的には3〜6nm程度としていた。   Further, when a quantum well structure is formed, the barrier layer needs to be thick enough to generate a tunnel effect, and generally has a thickness of about 3 to 6 nm.

例えば図3は、In0.05Ga0.95Nを発光層の材料とした、従来の発光ダイオードの一例を示す図であって、結晶基板S10上に、バッファ層101を介して、n型GaNコンタクト層102、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103、In0.05Ga0.95N井戸層(発光層)104、p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層105、p型GaNコンタクト層106が順次結晶成長によって積み重ねられ、これに下部電極(通常はn型電極)P10、上部電極(通常はp型電極)P20が設けられた素子構造となっている。 For example, FIG. 3 is a diagram showing an example of a conventional light emitting diode using In 0.05 Ga 0.95 N as a light emitting layer material. The n type GaN contact layer 102 is formed on the crystal substrate S 10 via the buffer layer 101. N-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 103, In 0.05 Ga 0.95 N well layer (light emitting layer) 104, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N cladding layer 105, and p-type GaN contact layer 106 are sequentially stacked by crystal growth, This has an element structure in which a lower electrode (usually an n-type electrode) P10 and an upper electrode (usually a p-type electrode) P20 are provided.

しかし、ELO法では下地となるGaN層を成長し、マスク層の形成、再成長といった方法が必要であり、成長が多数回必要であり、工程が非常に多くなる問題を有していた。また、再成長界面が存在する事から、転位密度低減はするものの、出力がなかなか向上しないという問題を有していた。   However, the ELO method requires a method of growing a GaN layer as a base, forming a mask layer, and regrowth, and requires a number of times of growth, resulting in a problem that the number of processes is very large. In addition, since the regrowth interface exists, although the dislocation density is reduced, there is a problem that the output is not easily improved.

また、発光層の材料をInGaNとした紫外線発光素子をより高出力化すべく、本発明者等が従来の素子構造を検討したところ、AlGaN層はInGaN発光層に対し格子定数差から生じる歪みを与える基となっている事がわかった。
また、量子井戸構造において障壁層厚みを薄くすると、その上に設けるp型層からMgが発光層まで拡散し、非発光中心を形成する為、高出力の紫外発光素子が得られないという問題があった。
In addition, when the present inventors examined a conventional device structure in order to further increase the output of an ultraviolet light emitting device in which the material of the light emitting layer is InGaN, the AlGaN layer gives distortion caused by the lattice constant difference to the InGaN light emitting layer. I found out that it was the basis.
In addition, when the barrier layer thickness is reduced in the quantum well structure, Mg diffuses from the p-type layer provided on the light emitting layer to the light emitting layer and forms a non-light emitting center, so that a high output ultraviolet light emitting element cannot be obtained. there were.

本発明の課題は、上記問題を解決し、発光層の材料をInGaNとした紫外線発光素子の構造を最適化することによって、より高出力で長寿命の紫外線発光素子を提供することである。   An object of the present invention is to provide an ultraviolet light emitting device with higher output and longer life by solving the above problems and optimizing the structure of the ultraviolet light emitting device using InGaN as the material of the light emitting layer.

本発明は以下の特徴を有するものである。
(1)表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が気相成長しており、該GaN系結晶の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有することを特徴とする紫外線発光素子。
(2)結晶基板上に上記低温バッファ層を介して成長しているGaN系結晶層が、上記凹凸の凹部底面および凸部上面からファセット構造を形成しながら成長したものである上記(1)記載の紫外線発光素子。
(3)結晶基板の表面に加工された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、この上に成長するGaN結晶の〈11−20〉方向、または〈1−100〉方向である上記(1)または(2)記載の紫外線発光素子。
(4)発光層が、InGaNからなる井戸層とGaNからなる障壁層とによって構成された量子井戸構造である、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の紫外線発光素子。
(5)量子井戸構造と低温バッファ層との間の層が全てGaN結晶からなるものである、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の紫外線発光素子。
(6)障壁層の厚さが6nm〜30nmである上記(1)〜(5)のいずれかに記載の紫外線発光素子。
The present invention has the following features.
(1) A GaN-based crystal layer is vapor-phase-grown on a crystal substrate whose surface is roughened via a low-temperature buffer layer made of a GaN-based semiconductor, or directly on the GaN-based crystal. An ultraviolet light emitting device characterized by having a semiconductor light emitting device structure in which an InGaN crystal layer having a composition capable of generating ultraviolet rays is grown to be a light emitting layer.
(2) The above (1), wherein the GaN-based crystal layer grown on the crystal substrate through the low-temperature buffer layer is grown while forming a facet structure from the concave bottom surface and convex top surface of the concave and convex portions. UV light emitting element.
(3) The unevenness processed on the surface of the crystal substrate is an unevenness that exhibits a stripe pattern, and the longitudinal direction of the stripe is the <11-20> direction of the GaN crystal grown thereon, or <1-100 > The ultraviolet light-emitting device according to (1) or (2), which is in the direction.
(4) The ultraviolet light-emitting device according to any one of (1) to (3), wherein the light-emitting layer has a quantum well structure including a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN.
(5) The ultraviolet light-emitting device according to any one of (1) to (4), wherein the layers between the quantum well structure and the low-temperature buffer layer are all made of GaN crystals.
(6) The ultraviolet light-emitting device according to any one of (1) to (5), wherein the barrier layer has a thickness of 6 nm to 30 nm.

以上のように、GaN系紫外線発光素子において,凹凸加工した基板上に一回の成長で結晶構造を作製する事により転位低減を図り、かつ、n型クラッド層(量子井戸構造では障壁層も)の材料をGaNとすることによって歪みを低減を図り、更に、MQW構造における好ましい態様として、障壁層の厚さを限定することで、素子の発光出力を向上させ、長寿命化させることができた。   As described above, in a GaN-based ultraviolet light-emitting device, dislocation reduction is achieved by producing a crystal structure on a concavo-convex processed substrate by a single growth, and an n-type cladding layer (also a barrier layer in a quantum well structure) By using GaN as the material, strain can be reduced, and as a preferable aspect in the MQW structure, the thickness of the barrier layer is limited, thereby improving the light emission output of the device and extending the lifetime. .

本発明による紫外線発光素子は、LED、LDなどであってよいが、以下では、LEDの構成を例として挙げて、本発明を説明する。また、発光に係る部分の構造は、量子井戸構造など、発光可能な構造であればよい。本明細書において、量子井戸構造とは、SQW(単一量子井戸)構造、MQW(多重量子井戸)構造をさし、また、SQW構造が積層されたものでもよい。   The ultraviolet light-emitting element according to the present invention may be an LED, an LD, or the like. Hereinafter, the present invention will be described using the configuration of the LED as an example. Moreover, the structure of the part which concerns on light emission should just be a structure which can light-emit, such as a quantum well structure. In this specification, the quantum well structure refers to an SQW (single quantum well) structure or an MQW (multiple quantum well) structure, and may be a stack of SQW structures.

GaN系半導体とは、InXGaYAlZN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1、X+Y+Z=1)で示される化合物半導体であって、例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaNなどが重要な化合物として挙げられる。 The GaN-based semiconductor is a compound semiconductor represented by In X Ga Y Al Z N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1, X + Y + Z = 1). For example, AlN, GaN AlGaN, InGaN, etc. are mentioned as important compounds.

発光に係る構造部分が、MQW構造である場合を例として説明する。
図1は、本発明による発光素子の構造の一例を示す図であって、
結晶基板Sの表面に凹凸S1が加工され、該凹凸S1に、GaN系半導体からなる低温バッファ層1を介してまたは直接的に、GaN系結晶層2が気相成長している。同図の例では、GaN系結晶層2は、GaN結晶からなる層であって、先ず、アンドープのGaN結晶層2aが、基板表面の凹凸S1の凹部内を充填しかつ該凹凸を埋め込んで平坦化するまで成長し、その上に、n型GaN層2bが成長してなる態様である。また、同図の例では、n型GaN層2bは、n型コンタクト層でありかつMQW構造の障壁層をも兼ねている。MQW構造は、InGaN井戸層、GaN障壁層、InGaN井戸層、GaN障壁層の順に成長してなり、続いてp型AlGaNクラッド層4、p型GaNコンタクト層5となっている。さらに、n型電極P1、p型電極P2が形成されて、本発明による紫外線発光が可能なGaN系LEDとなっている。
A case where the structural portion related to light emission has an MQW structure will be described as an example.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the structure of a light emitting device according to the present invention.
An unevenness S1 is processed on the surface of the crystal substrate S, and the GaN-based crystal layer 2 is vapor-phase grown on the unevenness S1 via the low-temperature buffer layer 1 made of a GaN-based semiconductor or directly. In the example of the figure, the GaN-based crystal layer 2 is a layer made of GaN crystal. First, the undoped GaN crystal layer 2a fills the concave portion of the concave / convex S1 on the substrate surface and fills the concave / convex portion with a flat surface. In this mode, the n-type GaN layer 2b is grown thereon. Moreover, in the example of the figure, the n-type GaN layer 2b is an n-type contact layer and also serves as a barrier layer of the MQW structure. The MQW structure is grown in the order of an InGaN well layer, a GaN barrier layer, an InGaN well layer, and a GaN barrier layer, followed by a p-type AlGaN cladding layer 4 and a p-type GaN contact layer 5. Furthermore, the n-type electrode P1 and the p-type electrode P2 are formed, and the GaN-based LED capable of emitting ultraviolet light according to the present invention is obtained.

上記の構成によって、結晶基板上に成長するGaN系結晶を好ましく低転位化することが可能となる。この構成では、ELO用のマスク層を用いずに一回の成長で低転位化が達成されている。
即ち、マスクを用いたELO法では、下地にGaN膜を成長させた後、いったん成長装置から外部に取出してマスクを形成し、再び成長装置に戻して再成長を行っている。これに対して、結晶基板に凹凸を形成して行う成長法では、凹凸加工された結晶基板を成長装置内にセットしたあとは成長を止める必要がなく、これにより再成長界面が存在せずに良好な結晶性のものが作製できる。
またさらに、本発明による上記の構成では、マスクを用いずにGaN系結晶層を成長させているため、マスクの分解による結晶品質低下の問題が無い。
これらの作用効果によって転位が少なく良好な結晶のものが出来る結果、発光出力が格段に向上する。また、劣化の原因となる転位密度が低減する結果、長寿命化が図れる。
With the above configuration, it is possible to preferably reduce the dislocation of the GaN-based crystal grown on the crystal substrate. In this configuration, low dislocation is achieved by one growth without using an ELO mask layer.
That is, in the ELO method using a mask, after a GaN film is grown on the base, it is once taken out from the growth apparatus to form a mask, and then returned to the growth apparatus and regrown. On the other hand, in the growth method performed by forming irregularities on the crystal substrate, it is not necessary to stop the growth after setting the crystal substrate on which the irregularities have been processed in the growth apparatus, so that there is no regrowth interface. Good crystallinity can be produced.
Furthermore, in the above configuration according to the present invention, since the GaN-based crystal layer is grown without using a mask, there is no problem of crystal quality degradation due to mask decomposition.
As a result of these actions and effects being able to produce a good crystal with few dislocations, the light emission output is remarkably improved. In addition, as a result of the reduction of dislocation density that causes deterioration, the life can be extended.

結晶基板上にGaN系結晶を成長させる方法について説明する。
この方法では、結晶基板の表面に凹凸を加工し、GaN系低温バッファ層を介して、該凹凸の凸部および/または凹部からGaN系結晶を気相成長させる。このとき、凹部は空洞として残しても、GaN結晶によって充填してもよいが、後述のように、好ましい低転位化のためには、凸部、凹部の両方からファセット構造を形成しながら成長し、実質的に凹部が充填される態様が好ましい。
上記のようなファセット構造を形成しながらの凹凸埋め込み法によれば、ファセット構造部分において転位線の伝搬方向が制御され、結晶基板上に転位密度の低いGaN系結晶を成長させることが可能であり、本発明に独自の成長法である。この本発明に独自の成長法を、「当該埋め込み成長法」と呼んで、以下に説明する。また、凹凸を埋め込む材料は、GaN系結晶であってよいが、後述のように、素子として最も好ましいGaNで埋め込む場合を例として説明する。
A method for growing a GaN-based crystal on a crystal substrate will be described.
In this method, irregularities are processed on the surface of the crystal substrate, and a GaN-based crystal is grown in a vapor phase from the irregularities and / or depressions via the GaN-based low-temperature buffer layer. At this time, the recess may be left as a cavity or may be filled with GaN crystal. However, as will be described later, in order to achieve a preferable low dislocation, it grows while forming a facet structure from both the protrusion and the recess. An embodiment in which the recess is substantially filled is preferable.
According to the concavo-convex embedding method while forming the facet structure as described above, the propagation direction of dislocation lines is controlled in the facet structure portion, and it is possible to grow a GaN-based crystal having a low dislocation density on the crystal substrate. This is a growth method unique to the present invention. This growth method unique to the present invention is referred to as “the embedded growth method” and will be described below. Further, the material for embedding the unevenness may be a GaN-based crystal. However, as will be described later, a case where the material is embedded with GaN most preferable as an element will be described as an example.

当該埋め込み成長法は、図2(a)に示すように、結晶基板Sの表面に凹凸S1を加工し、図2(b)に示すように、その凹部及び凸部にGaN系低温バッファ層1を形成し、図2(c)に示すように、その凹部、凸部からGaN結晶21、22を成長させ、図2(d)に示すように、凹部を空洞とすることなくGaN結晶で充填し、該凹凸を埋め込んで成長成させる方法である。このときのGaN結晶の成長は、凹部、凸部の両方から同時にファセット構造を形成させながら成長することが好ましいが、それに限らず、GaN結晶が凸面から専ら成長するようなものであってもよい。凸部上方部から専ら結晶成長が行われるような形状とすると有効である。「上方部から専ら結晶成長が行われる」とは、凸部の頂点ないし頂面及びその近傍での結晶成長が優勢に行い得る状態をいい、成長初期には凹部での成長が生じてもよいが最終的には凸部の結晶成長が優勢となることを指す。凸部上方部を起点としたラテラル成長により低転位領域が形成されれば、従来のマスクを要するELOと同様の効果がある。   In the burying growth method, as shown in FIG. 2A, the unevenness S1 is processed on the surface of the crystal substrate S, and as shown in FIG. As shown in FIG. 2 (c), GaN crystals 21 and 22 are grown from the concave and convex portions, and filled with GaN crystals without forming the concave portions as shown in FIG. 2 (d). In this method, the unevenness is buried and grown. The growth of the GaN crystal at this time is preferably performed while simultaneously forming the facet structure from both the concave and convex portions, but is not limited thereto, and the GaN crystal may be grown only from the convex surface. . It is effective to have a shape that allows crystal growth exclusively from the upper part of the convex part. “Crystal growth is performed exclusively from the upper part” means a state in which crystal growth can be performed predominantly at the apex or top surface of the convex part and in the vicinity thereof, and growth in the concave part may occur in the initial stage of growth. However, it means that the crystal growth of the convex part becomes dominant in the end. If the low dislocation region is formed by lateral growth starting from the upper part of the convex part, the same effect as the ELO requiring a conventional mask is obtained.

また、凹凸の形状や成長条件を選択することによって、結果として凹部を空洞として残さずGaN結晶によって充填するものであってもよい。
以下の説明では、低転位化のために最も好ましい態様として、凹面、凸面の両方からGaN結晶のファセット構造成長を生じさせる場合について説明する。
Further, by selecting the shape of the projections and depressions and the growth conditions, as a result, the recesses may be filled with GaN crystals without leaving cavities.
In the following description, a case where facet structure growth of a GaN crystal is caused from both a concave surface and a convex surface will be described as the most preferable mode for reducing dislocation.

当該埋め込み成長法では、図2(a)に示すように、バッファ層等すら形成していない状態の結晶基板Sの表面に凹凸S1を加工することで、結晶成長当初からファセット面が形成され得る素地面を予め提供しておく。結晶基板に凹凸を設けることで、この面にGaN結晶の気相成長を行うに際し、相互の段差にて区画された凹面と凸面が、ファセット構造成長が生成される単位基準面となる。   In the buried growth method, as shown in FIG. 2A, the facets can be formed from the beginning of the crystal growth by processing the unevenness S1 on the surface of the crystal substrate S in a state where even the buffer layer or the like is not formed. A ground surface is provided in advance. By providing unevenness on the crystal substrate, when performing vapor phase growth of the GaN crystal on this surface, the concave surface and the convex surface partitioned by the mutual step become a unit reference surface on which facet structure growth is generated.

当該埋め込み成長法に用いられる結晶基板は、GaN系結晶を成長させるためのベースとなる基板であって、格子整合のためのバッファ層等も未だ形成されていない状態のものを言う。好ましい結晶基板としては、サファイア(C面、A面、R面)、SiC(6H、4H、3C)、GaN、AlN、Si、スピネル、ZnO,GaAs、NGOなどを用いることができるが、発明の目的に対応するならばこのほかの材料を用いてもよい。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。   The crystal substrate used in the burying growth method is a substrate serving as a base for growing a GaN-based crystal, and a buffer layer for lattice matching is not yet formed. As a preferable crystal substrate, sapphire (C plane, A plane, R plane), SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN, Si, spinel, ZnO, GaAs, NGO, etc. can be used. Other materials may be used as long as the purpose is met. The plane orientation of the substrate is not particularly limited, and may be a just substrate or a substrate with an off angle.

結晶基板の表面に加工される凹凸とは、その表面自体がなす凹凸である。これは、従来公知のラテラル成長法に用いられているSiO2などからなるマスク層が、フラットな表面に付与されて形成された凹凸とは異なる。 The irregularities processed on the surface of the crystal substrate are irregularities formed by the surface itself. This is different from the unevenness formed by applying a mask layer made of SiO 2 or the like used in a conventionally known lateral growth method to a flat surface.

凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、RIE技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。   Examples of the unevenness processing method include, for example, a method in which a normal photolithographic technique is used for patterning according to the desired unevenness mode, and etching is performed using the RIE technique to obtain the desired unevenness. Is done.

当該埋め込み成長法で用いられる凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部(または凸部)が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝(または凸尾根)が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドット状(角穴状)の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形(台形を含む)波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。
これら種々の凹凸の態様の中でも、直線状の凹溝(または凸尾根)が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン(断面矩形波状)は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
The concave / convex arrangement pattern used in the embedding growth method is a pattern in which dot-shaped concave portions (or convex portions) are arranged, and linear or curved concave grooves (or convex ridges) are arranged at regular intervals / indefinite intervals. The striped or concentric pattern etc. which were made are mentioned. A pattern in which convex ridges intersect in a lattice shape can be regarded as a pattern in which dot-shaped (square hole-shaped) concave portions are regularly arranged. In addition, examples of the cross-sectional shape of the unevenness include a rectangular (including trapezoidal) wave shape, a triangular wave shape, a sine curve shape, and the like.
Among these various concavo-convex forms, the striped concavo-convex pattern (rectangular cross-sectional shape) in which linear grooves (or ridges) are arranged at regular intervals can simplify the manufacturing process and Manufacture is easy and preferable.

凹凸のパターンをストライプ状とする場合、そのストライプの長手方向は任意であってよいが、これを埋め込んで成長するGaN系結晶にとって〈11−20〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、{1−101}面などの斜めファセットが形成され易くなる。この結果、基板側からC軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。   When the uneven pattern has a stripe shape, the longitudinal direction of the stripe may be arbitrary, but for a GaN-based crystal that grows by embedding the stripe, when the <11-20> direction is used, lateral growth is suppressed, Diagonal facets such as {1-101} planes are easily formed. As a result, the dislocation propagated in the C-axis direction from the substrate side is bent in the lateral direction at the facet surface, and is difficult to propagate upward, which is particularly preferable in that a low dislocation density region can be formed.

一方、ストライプの長手方向を〈1−100〉方向にした場合であっても、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により前述と同様の効果を得ることができる。   On the other hand, even when the longitudinal direction of the stripe is set to the <1-100> direction, the same effect as described above can be obtained by selecting a growth condition in which a facet surface is easily formed.

凹凸の断面を図2(a)に示すような矩形波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅W1は、0.1μm〜20μm、特に0.5μm〜10μmが好ましい。凸部の幅W2は、0.1μm〜20μm、特に0.5μm〜10μmが好ましい。凹凸の振幅(凹溝の深さ)dは、凹部、凸部の内、広い方の20%以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。   The preferred dimensions when the concavo-convex cross section has a rectangular wave shape as shown in FIG. 2 (a) are as follows. The width W1 of the concave groove is preferably 0.1 μm to 20 μm, particularly preferably 0.5 μm to 10 μm. The width W2 of the convex part is preferably 0.1 μm to 20 μm, particularly preferably 0.5 μm to 10 μm. The amplitude (concave groove depth) d of the unevenness may be 20% or more of the wider one of the concave and convex portions. These dimensions, the pitches calculated from the dimensions, and the like are the same for the unevenness of other cross-sectional shapes.

次に、図2(b)に示すように、上記凹部及び凸部にGaN系低温バッファ層1を形成する。
GaN系低温バッファ層の材料、形成条件は、公知技術を参照すればよいが、例えば、バッファ層材料としては、GaN、AlN、InNなどが例示され、成長温度としては、300℃〜600℃が挙げられる。バッファ層の厚さは10nm〜50nm、特に20nm〜40nmが好ましく、基板の凹凸断面が矩形波状である場合には、図2(b)に示すように、主として、凹部の底面、凸部の上面に形成することが好ましい。成長装置は、その上のGaN結晶層を成長させるための装置を用いてよい。
なお、結晶基板としてGaN結晶からなる基板を用いる場合には、低温バッファ層は必須では無い。
Next, as shown in FIG. 2B, the GaN-based low-temperature buffer layer 1 is formed in the concave and convex portions.
The material and formation conditions of the GaN-based low-temperature buffer layer may be referred to known techniques. For example, examples of the buffer layer material include GaN, AlN, InN, and the growth temperature is 300 ° C. to 600 ° C. Can be mentioned. The thickness of the buffer layer is preferably 10 nm to 50 nm, particularly preferably 20 nm to 40 nm. When the substrate has a rectangular corrugated cross section, as shown in FIG. 2B, the bottom surface of the concave portion and the top surface of the convex portion are mainly used. It is preferable to form. As the growth apparatus, an apparatus for growing a GaN crystal layer thereon may be used.
When a substrate made of GaN crystal is used as the crystal substrate, the low temperature buffer layer is not essential.

次に、図2(c)に示すように、GaN結晶を高温成長させる。凹面、凸面をファセット構造成長可能な面とすることによって、同図に示すように、成長初期には凹面・凸面の両方から凸状を呈するGaN結晶21、22が成長する。
この結果、結晶基板からC軸方向に伸びる転位線がファセット面(図2(c)に示すGaN系結晶21、22の斜面)で横方向に曲げられ、上方に伝搬しなくなる。その後、成長を続け、各凸状を呈する結晶21、22は、図2(c)に一点鎖線で示すように互いに合体し、さらに、図2(d)に示すように、成長面を平坦化してGaN結晶層2a(=図1の素子における層2a)が得られる。該GaN結晶層の表面近傍は基板からの転位の伝搬が低減された低転位密度領域となっている。
Next, as shown in FIG. 2C, a GaN crystal is grown at a high temperature. By making the concave and convex surfaces into surfaces capable of facet structure growth, as shown in the figure, GaN crystals 21 and 22 exhibiting convex shapes grow from both concave and convex surfaces at the initial stage of growth.
As a result, dislocation lines extending in the C-axis direction from the crystal substrate are bent laterally at the facet plane (the slopes of the GaN-based crystals 21 and 22 shown in FIG. 2C) and do not propagate upward. Thereafter, the crystals 21 and 22 having the respective convex shapes continue to be united with each other as shown by a one-dot chain line in FIG. 2 (c), and further, the growth surface is flattened as shown in FIG. 2 (d). Thus, a GaN crystal layer 2a (= layer 2a in the element of FIG. 1) is obtained. Near the surface of the GaN crystal layer is a low dislocation density region in which dislocation propagation from the substrate is reduced.

結晶基板Sの凹凸S1をGaN結晶で埋め込む際には、結晶成長状態を制御する点からは、図1に示すように、不純物を添加しないアンドープのGaN結晶層2aで凹凸を埋め込んだ上に、n型GaN結晶層2bを成長させることが好ましいが、バッファ層上に最初からn型GaN層を成長させてもよい。また、n型GaN層は、キャリア濃度を変えて、n型GaNコンタクト層、n型GaNクラッド層に区別して設けてもよい。   When embedding the irregularities S1 of the crystal substrate S with GaN crystals, from the point of controlling the crystal growth state, as shown in FIG. 1, after embedding the irregularities with an undoped GaN crystal layer 2a without adding impurities, Although it is preferable to grow the n-type GaN crystal layer 2b, the n-type GaN layer may be grown from the beginning on the buffer layer. Further, the n-type GaN layer may be provided separately for the n-type GaN contact layer and the n-type GaN clad layer by changing the carrier concentration.

従来の、低温バッファ層を介したGaN結晶成長法では、平坦なサファイアC面基板上に、MOVPE法などにより、GaNなどの低温バッファ層を介し、高温GaN膜を成長させている。低温バッファ層上に高温GaNを成長させると、バッファ層の密に集合した結晶を成長の核として、GaNは横方向成長しながら合体し、やがて平坦になるというものである。しかしながら、従来の方法では、基板面に凹凸が加工されていない為、安定であるC面が出るように成長が進むため平坦化される。これは安定であるC面の成長速度に比べ横方向の成長速度が速い為である。   In a conventional GaN crystal growth method via a low-temperature buffer layer, a high-temperature GaN film is grown on a flat sapphire C-plane substrate by a MOVPE method or the like via a low-temperature buffer layer such as GaN. When high-temperature GaN is grown on the low-temperature buffer layer, the GaN is coalesced while growing in the lateral direction using the densely aggregated crystals of the buffer layer as growth nuclei, and eventually becomes flat. However, in the conventional method, since the unevenness is not processed on the substrate surface, the growth proceeds so that a stable C surface appears, and thus the surface is flattened. This is because the lateral growth rate is faster than the stable growth rate of the C-plane.

一方、当該埋め込み成長法では、基板面の成長面に凹凸を加工することで、横方向成長を抑えており、加えてC軸方向の成長速度を上げることによって、{1−101}などの斜めのファセットが形成し得る。   On the other hand, in the burying growth method, unevenness is processed on the growth surface of the substrate surface to suppress lateral growth, and in addition, by increasing the growth rate in the C-axis direction, oblique growth such as {1-101} Facets can form.

成長するGaN結晶にファセット面がどのように形成されるかは、凹部の幅と凸部の幅との組み合せによっても、色々と変化し得るが、このファセット面は転位の伝搬を折曲させ得る程度のものであれば良く、好ましい態様は、図2(c)に示すように、各々の単位基準面から成長した結晶単位21、22が、それぞれの頂部に平坦部を有すること無く完全に両ファセット面が頂部で交差する山形(三角錐や山脈状に長く連なった屋根形)の態様である。このようなファセット面であれば、前記ベース面から承継された転位線を概ね全て曲げることができ、その直上の転位密度をより低減できる。
なお、凹凸の幅の組み合せだけでなく、凹部の深さ(凸部の高さ)を変化させる事でもファセット面形成領域の制御が可能である。
How facet surfaces are formed in a growing GaN crystal can vary in various ways depending on the combination of the width of the recesses and the width of the protrusions, but this facet surface can bend the propagation of dislocations. As shown in FIG. 2C, the preferred embodiment is that the crystal units 21 and 22 grown from the respective unit reference planes are completely both without having a flat portion at the top. It is an aspect of a mountain shape (a roof shape that is long and continuous in a triangular pyramid or mountain range) in which facet surfaces intersect at the top. With such a facet surface, the dislocation lines inherited from the base surface can be bent almost entirely, and the dislocation density directly above the dislocation line can be further reduced.
Note that the facet surface forming region can be controlled not only by combining the widths of the concave and convex portions but also by changing the depth of the concave portions (the height of the convex portions).

また、ファセット面の形成は結晶成長を行う時の成長条件(ガス種、成長圧力、成長温度、など)により制御する事ができる。減圧成長ではNH3分圧が低い場合{1−101
}面のファセットが出易く、常圧成長では減圧に比べファセット面が出易い。
また成長温度を上げると横方向成長が促進されるが、低温成長すると横方向成長よりもC軸方向の成長が速くなり、ファセット面が形成されやすくなる。
以上成長条件によってファセット形状の制御が可能である事を示したが、本発明の効果が出る範囲内であれば、目的に応じ使い分ければよい。
In addition, the formation of the facet plane can be controlled by the growth conditions (gas species, growth pressure, growth temperature, etc.) during crystal growth. When NH 3 partial pressure is low in vacuum growth {1-101
} Faceted facets are easy to come out, and faceted faces are more likely to come out in normal pressure growth compared to reduced pressure.
Further, when the growth temperature is raised, lateral growth is promoted, but when grown at a low temperature, growth in the C-axis direction is faster than lateral growth, and a facet surface is easily formed.
Although it has been shown that the facet shape can be controlled depending on the growth conditions, it may be properly used according to the purpose as long as the effect of the present invention is obtained.

本発明では上記説明した当該埋め込み成長法だけでなく、凹部を空洞として残す成長法を用いてもよい。例えば、特開2000−106455号公報では、結晶基板に凹凸を設け、凹部を空洞として残すように窒化ガリウム系半導体を成長させる方法が開示されている。ただし、このような成長法では、凹部を充填せず空洞部として残しているため、該空洞部の存在が、発光層で生じた熱を基板側に逃がす上で不利であり、熱劣化を助長する問題がある。また、転位の伝搬を積極的に制御しておらず、もっぱら凹部の上方領域だけを低転位化させるラテラル成長の技術思想そのものあって、凸部の上方領域には転位が伝搬している。よって、上記のような問題点を解消しながらより好ましい転位密度の低減効果が得られる点からは、当該埋め込み成長法を用いることがより好ましい。   In the present invention, not only the above-described buried growth method described above, but also a growth method that leaves the recess as a cavity may be used. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-106455 discloses a method of growing a gallium nitride based semiconductor so as to provide unevenness on a crystal substrate and leave the recessed portion as a cavity. However, in such a growth method, since the concave portion is not filled and left as a hollow portion, the presence of the hollow portion is disadvantageous in releasing heat generated in the light emitting layer to the substrate side, and promotes thermal degradation. There is a problem to do. Further, the propagation of dislocations is not actively controlled, and there is a technical idea of lateral growth that lowers the dislocation only in the region above the recess, and the dislocation propagates in the region above the protrusion. Therefore, it is more preferable to use the burying growth method from the viewpoint of obtaining a more preferable dislocation density reduction effect while solving the above problems.

基板上にGaN系結晶層の成長を行う方法はHVPE、MOVPE、MBE法などがよい。厚膜を作製する場合はHVPE法が好ましいが、薄膜を形成する場合はMOVPE法やMBE法が好ましい。   As a method for growing a GaN-based crystal layer on a substrate, HVPE, MOVPE, MBE, or the like is preferable. The HVPE method is preferable when forming a thick film, but the MOVPE method or MBE method is preferable when forming a thin film.

次に、本発明による好ましい態様を説明する。
先ず、本発明の好ましい第1の態様では、基板の凹凸上に形成されるGaN系結晶層2の材料をGaN結晶に限定する。このGaN結晶層の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層を井戸層とするMQW構造を構成し発光層とする。付言すると、n型クラッド層はGaNからなり、発光層と低温バッファ層との間にはAlGaN層が存在しない構成となる。
Next, the preferable aspect by this invention is demonstrated.
First, in the first preferred embodiment of the present invention, the material of the GaN-based crystal layer 2 formed on the irregularities of the substrate is limited to GaN crystals. On this GaN crystal layer, an MQW structure having an InGaN crystal layer having a composition capable of generating ultraviolet rays as a well layer is formed as a light emitting layer. In other words, the n-type cladding layer is made of GaN, and there is no AlGaN layer between the light emitting layer and the low temperature buffer layer.

この態様では、紫外線を発生し得るような組成のInGaNを発光層に用いながらも、n型クラッド層材料としては、従来必須とされているAlGaNを用いず、GaNを用いている。本発明では、紫外線発光層に対して、n型クラッド層がGaNであっても、正孔の閉じ込めは充分に達成できることを見出している。これは、p型層から注入される正孔の有効質量が重いため、拡散長が短く、n型クラッド層まで充分には到達しないからであると考えられる。よって、本発明の構成においてInGaN発光層の下層として存在するn型GaN層は、厳密には、従来でいうクラッド層に相当するものではないと言える。結晶基板と発光層との間にクラッド層として存在していたAlGaNを排除し、GaN層としたことによって、InGaN発光層の歪みが低減されている。   In this embodiment, while using InGaN having a composition capable of generating ultraviolet rays for the light emitting layer, GaN is used as the n-type cladding layer material without using AlGaN, which is conventionally required. In the present invention, it has been found that the hole confinement can be sufficiently achieved even when the n-type cladding layer is GaN with respect to the ultraviolet light emitting layer. This is presumably because the effective mass of holes injected from the p-type layer is heavy, so that the diffusion length is short and it does not reach the n-type cladding layer sufficiently. Therefore, strictly speaking, it can be said that the n-type GaN layer existing as the lower layer of the InGaN light emitting layer in the configuration of the present invention does not correspond to a conventional cladding layer. By removing AlGaN that was present as a cladding layer between the crystal substrate and the light emitting layer and forming a GaN layer, distortion of the InGaN light emitting layer is reduced.

発光層(井戸層)に歪みがかかっている場合、歪みによるピエゾ電界の発生により井戸構造が傾斜し、電子と正孔の波動関数の重なりが少なくなる。この結果、電子と正孔の再結合確率が減少し発光出力が弱くなる。これを回避する為に、MQW構造へSiをドーピングする事によりピエゾ電界をキャンセルする試みも行われているが、ドーピングによる結晶性の低下を引き起こす為、好ましい方法では無い。上記のように、n型AlGaN層を排除する事でこのような危惧も無く、高出力化が得られる。   When the light emitting layer (well layer) is distorted, the well structure is inclined due to the generation of a piezo electric field due to the distortion, and the overlap of wave functions of electrons and holes is reduced. As a result, the probability of recombination of electrons and holes decreases and the light emission output becomes weak. In order to avoid this, an attempt has been made to cancel the piezoelectric field by doping Si into the MQW structure, but this is not a preferable method because it causes a decrease in crystallinity due to doping. As described above, by eliminating the n-type AlGaN layer, high output can be obtained without such fear.

上記で説明した基板の凹凸を用いた低転位化と、AlGaNを排除した上記作用効果とがあいまって、InGaN発光層は低転位化されると共に歪みが低減され、発光出力、素子寿命が十分に向上する。   Combined with the above-described low dislocation using the unevenness of the substrate and the above-described effect of eliminating AlGaN, the InGaN light-emitting layer is low in dislocation and strain is reduced, and the light emission output and the device life are sufficient. improves.

また、本発明の好ましい第2の態様では、発光層の量子井戸構造における障壁層の材料をGaNに限定する。これによって、井戸層と低温バッファ層との間からAlGaN層が排除され、井戸層の歪みが抑制され、高出力化、長寿命化が達成される。従来の量子井戸構造では、井戸層内へのキャリアの閉じ込めを配慮し、障壁層やクラッド層にはAlGaNが用いられていた。
しかしこれらの組み合せでは、結晶成長条件の最適値がAlGaNとInGaNとでは大きく異なる事から次の問題がある。AlNはGaNに比べ高融点であり、InNはGaNに比べ低融点である。その為、最適温度はGaNを1000℃とすると、InGaNは1000℃以下、好ましくは600〜800℃程度、AlGaNはGaN以上である。AlGaNを障壁層に用いた場合、AlGaN障壁層とInGaN井戸層の成長温度を変化させないとそれぞれの最適結晶成長条件とはならず、結晶品質が低下する問題がある。一方、成長温度を変化させることは成長中断を設ける事となり、3nm程度の薄膜である井戸層では、この成長中断中にエッチング作用により厚みが変動する、表面に結晶欠陥が入る等の問題が生じる。これらトレードオフの関係が有る為、AlGaN障壁層、InGaN井戸層のくみ合わせで高品質な物を得るのは困難である。また、障壁層をAlGaNとする事で井戸層へ歪みがかかる問題もあり、高出力化の妨げになる。そこで、本発明では、障壁層の材料としてGaNを用い、上記トレードオフの問題を軽減する試みを行ったところ、結晶品質が改善された。また、歪みを軽減する為にn型クラッド層としてGaNを用いた所、歪みの軽減により高出力化が可能となった。GaNをクラッド層にするとキャリアの閉じ込めが、紫外線発光可能な組成のInGaNに対して、不充分となることが懸念されたが、キャリア(特に正孔)の閉じ込めはできていることが判明した。
In the second preferred embodiment of the present invention, the material of the barrier layer in the quantum well structure of the light emitting layer is limited to GaN. As a result, the AlGaN layer is eliminated from between the well layer and the low-temperature buffer layer, distortion of the well layer is suppressed, and higher output and longer life are achieved. In the conventional quantum well structure, AlGaN is used for the barrier layer and the cladding layer in consideration of the confinement of carriers in the well layer.
However, these combinations have the following problems because the optimum value of the crystal growth condition differs greatly between AlGaN and InGaN. AlN has a higher melting point than GaN, and InN has a lower melting point than GaN. Therefore, when the optimum temperature is 1000 ° C. for GaN, InGaN is 1000 ° C. or less, preferably about 600 to 800 ° C., and AlGaN is GaN or more. When AlGaN is used for the barrier layer, the optimum crystal growth conditions are not obtained unless the growth temperature of the AlGaN barrier layer and the InGaN well layer is changed, and there is a problem that the crystal quality is lowered. On the other hand, changing the growth temperature results in interruption of the growth, and the well layer, which is a thin film of about 3 nm, has problems such as the thickness fluctuates due to the etching action and crystal defects enter the surface during the growth interruption. . Because of these trade-off relationships, it is difficult to obtain a high quality product by combining the AlGaN barrier layer and the InGaN well layer. In addition, since the barrier layer is made of AlGaN, there is a problem that the well layer is distorted, which hinders high output. Therefore, in the present invention, GaN was used as the material of the barrier layer, and an attempt was made to reduce the above-mentioned trade-off problem, the crystal quality was improved. In addition, when GaN is used as the n-type cladding layer in order to reduce the distortion, the output can be increased by reducing the distortion. Although it was feared that GaN was used as a clad layer, the carrier confinement would be insufficient for InGaN having a composition capable of emitting ultraviolet rays, but it was found that the carrier (particularly, holes) was confined.

さらに、本発明の好ましい第3の態様では、MQW構造における障壁層の厚さを6nm〜30nm、好ましくは8nm〜30nm、特に好ましくは9nm〜15nmに限定する。従来のMQW構造における障壁層の厚さは3nm〜7nmである。
障壁層をこのように厚くすると、波動関数の重なりが無くなり、MQW構造というよりも、SQW構造を多重に積み重ねたような状態となるが、充分に高出力化が達成される。障壁層が30nmを超えると、p型層から注入された正孔が井戸層へ到達するまでにGaN障壁層中に存在する非発光中心となる転位欠陥などにトラップされ、発光効率が低下するので好ましくない。
Furthermore, in the third preferred embodiment of the present invention, the thickness of the barrier layer in the MQW structure is limited to 6 nm to 30 nm, preferably 8 nm to 30 nm, and particularly preferably 9 nm to 15 nm. The thickness of the barrier layer in the conventional MQW structure is 3 nm to 7 nm.
When the barrier layer is made thick in this way, there is no overlap of wave functions, and the SQW structure is stacked in multiple layers rather than the MQW structure, but sufficiently high output is achieved. If the barrier layer exceeds 30 nm, holes injected from the p-type layer are trapped by dislocation defects that are non-radiative centers existing in the GaN barrier layer before reaching the well layer, and the luminous efficiency decreases. It is not preferable.

また、障壁層を厚くしたことによって、その上の層を成長させるときの熱や、ガスによる損傷を井戸層が受け難くなるのでダメージが軽減され、また、p型層からのドーパント材料(Mgなど)が井戸層に拡散することが低減され、さらには井戸層にかかる歪みも低減されるという作用効果が得られる。   In addition, the thicker barrier layer reduces the damage because the well layer is less susceptible to heat and gas damage when growing the upper layer, and the dopant material (Mg, etc.) from the p-type layer ) Is reduced in the well layer, and further, the strain and the strain on the well layer are reduced.

実施例1
本実施例では、図1に示すように、DH構造を有するGaN系LEDを製作し、発光層と結晶基板との間の層をGaNだけからなる態様とした。
C面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニング(幅2μm、周期4μm、ストライプ方位:ストライプの長手方向が、基板上に成長するGaN系結晶にとって〈11−20〉方向)を行い、RIE装置で2μmの深さまで断面方形となるようエッチングし、図2(a)に示すように、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。この時のストライプ溝断面のアスペクト比は1であった。
Example 1
In this example, as shown in FIG. 1, a GaN-based LED having a DH structure was manufactured, and the layer between the light emitting layer and the crystal substrate was made of only GaN.
Stripe patterning with a photoresist on a C-plane sapphire substrate (width 2 μm, period 4 μm, stripe orientation: the longitudinal direction of the stripe is the <11-20> direction for GaN-based crystals growing on the substrate), and an RIE apparatus Then, the substrate was etched to have a square cross section to a depth of 2 μm to obtain a substrate having a striped pattern as shown in FIG. The aspect ratio of the stripe groove cross section at this time was 1.

フォトレジストを除去後、MOVPE装置に基板を装着し、水素雰囲気下で1100℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。温度を500℃まで下げ、III 族原料としてトリメチルガリウム(以下TMG)を、N原料としてアンモニアを流し、厚さ30nmのGaN低温バッファ層を成長させた。該GaN低温バッファ層は、図2(b)に示すように、凸部の上面、凹部の底面にのみ形成された。   After removing the photoresist, the substrate was mounted on the MOVPE apparatus, and the temperature was raised to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere to perform thermal etching. The temperature was lowered to 500 ° C., trimethylgallium (hereinafter TMG) was flown as a group III raw material, and ammonia was flowed as an N raw material to grow a GaN low temperature buffer layer having a thickness of 30 nm. As shown in FIG. 2B, the GaN low-temperature buffer layer was formed only on the upper surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion.

続いて温度を1000℃に昇温し、原料としてTMG、アンモニアを流し、アンドープのGaN層2aを、平坦な基板で2μmに相当する時間成長させた後、成長温度を1050℃に上げ、平坦な基板で4μmに相当する時間成長させた。この条件で成長を行った場合、このときのGaN層2aの成長は、図2(c)に示すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状となる。その後の成長温度変更により2次元成長が促進され、平坦化する。   Subsequently, the temperature is raised to 1000 ° C., TMG and ammonia are flown as raw materials, and after growing the undoped GaN layer 2a on a flat substrate for a time corresponding to 2 μm, the growth temperature is raised to 1050 ° C. The substrate was grown for a time corresponding to 4 μm. When the growth is performed under these conditions, the growth of the GaN layer 2a at this time becomes a ridge shape including a faceted surface with a cross-sectional chevron shape from the top surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion, as shown in FIG. . Subsequent growth temperature changes promote two-dimensional growth and flatten.

続いて、図1に示すように、n型GaNコンタクト層(クラッド層)2b、厚さ3nmのInGaN井戸層(発光波長380nm、In組成はゼロに近い為測定が困難)、厚さ6nmのGaN障壁層からなる3周期の多重量子井戸層3、厚さ30nmのp型AlGaNクラッド層4、厚さ50nmのp型GaNコンタクト層を順に形成し、発光波長380nmの紫外線LEDウエハとし、さらに、電極形成、素子分離を行い、LED素子とした。   Subsequently, as shown in FIG. 1, an n-type GaN contact layer (cladding layer) 2b, an InGaN well layer with a thickness of 3 nm (emission wavelength is 380 nm, measurement is difficult because the In composition is close to zero), and a GaN thickness of 6 nm A multi-quantum well layer 3 of three periods comprising a barrier layer, a p-type AlGaN cladding layer 4 with a thickness of 30 nm, a p-type GaN contact layer with a thickness of 50 nm are formed in this order to form an ultraviolet LED wafer with an emission wavelength of 380 nm, Formation and element separation were performed to obtain an LED element.

ウエハ全体で採取されたLED素子(ベアチップ状態)、波長380nm、通電20mAにて)の各出力を測定した。   Each output of the LED element (bare chip state) collected over the entire wafer, wavelength 380 nm, and current of 20 mA was measured.

比較のために、凹凸加工をしていないサファイア基板上に、上記と同様の条件にて、紫外線LEDチップ(比較例1)を形成し、その出力を測定した。
また、通常のELO用基材(平坦なサファイア基板上に一旦GaN層を形成した後、マスク層を形成したもの)の上に、上記と同様の条件にて、紫外線LEDチップ(比較例2)を形成し、その出力を測定した。
For comparison, an ultraviolet LED chip (Comparative Example 1) was formed on a sapphire substrate not subjected to uneven processing under the same conditions as described above, and the output was measured.
In addition, an ultraviolet LED chip (Comparative Example 2) is formed on a normal ELO substrate (on which a GaN layer is once formed on a flat sapphire substrate and then a mask layer is formed) under the same conditions as described above. And the output was measured.

カソードルミネッセンスによりLEDウエハ中の転位密度の平均値を測定した結果、および出力の平均値、80℃、20mAによる加速試験における寿命(初期出力の80%まで低下する時間)を表1に示す。   Table 1 shows the results of measuring the average value of the dislocation density in the LED wafer by cathodoluminescence, and the average value of the output, the lifetime in the accelerated test at 80 ° C. and 20 mA (the time to decrease to 80% of the initial output).

Figure 2006313944
Figure 2006313944

表1から明らかなように、本実施例では転位密度が低減し、長寿命化、高出力化が図れている。比較例2の結果から明らかなように、転位密度低減法の1つであるELO法によって、同様に転位密度の低減は図れているが、出力が本実施例に比較し低かった。これは再成長界面の存在による結晶性の違いと考えられる。また、通常基板上では転位密度も多いため、出力寿命とも本実施例に比較し悪かった。   As is apparent from Table 1, in this example, the dislocation density is reduced, and the life and output are increased. As is clear from the results of Comparative Example 2, the dislocation density can be similarly reduced by the ELO method, which is one of the dislocation density reduction methods, but the output is lower than that of this example. This is considered to be a difference in crystallinity due to the presence of the regrowth interface. In addition, since the dislocation density is large on a normal substrate, the output life is also poor compared to the present embodiment.

実施例2
本実施例では、実施例1におけるn型GaNコンタクト層2bと、InGaN井戸層との間に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層を設けたこと以外は、実施例1と同様の条件にて、紫外線LEDチップを形成し、その出力を測定した。
上記表1のとおり、実施例1の素子の出力は10mWであったのに対して、本実施例の素子の出力は7mWであった。この結果から、本実施例の素子は比較例1、2に比べて出力は向上しているが、実施例1のように、InGaN井戸層と結晶基板との間からAlGaN層を排除することによって、出力がさらに向上することが明らかになった。
Example 2
In this example, under the same conditions as in Example 1 except that an n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer was provided between the n-type GaN contact layer 2b and the InGaN well layer in Example 1. An ultraviolet LED chip was formed and its output was measured.
As shown in Table 1 above, the output of the device of Example 1 was 10 mW, whereas the output of the device of this Example was 7 mW. From this result, the output of the device of this example is improved compared to Comparative Examples 1 and 2, but as in Example 1, by eliminating the AlGaN layer between the InGaN well layer and the crystal substrate, It was revealed that the output was further improved.

実施例3
本実施例では、MQW構造の障壁層の厚さに関する限定の作用効果を調べる実験を行った。
実施例1におけるMQW構造の各障壁層の厚さを、サンプル1;3nm、サンプル2;6nm、サンプル3;10nm、サンプル4;15nm、サンプル5;30nmとしたこと以外は、上記実施例1と同様にGaN系LEDを製作した。これらは、全て本発明による発光素子に属する。
上記と同様の条件にて、紫外LEDチップの出力を測定した。
Example 3
In this example, an experiment was conducted to examine the limited effects related to the thickness of the barrier layer of the MQW structure.
Example 1 except that the thickness of each barrier layer of the MQW structure in Example 1 was set to Sample 1; 3 nm, Sample 2; 6 nm, Sample 3; 10 nm, Sample 4; 15 nm, Sample 5; Similarly, a GaN LED was manufactured. These all belong to the light emitting device according to the present invention.
The output of the ultraviolet LED chip was measured under the same conditions as described above.

これらの測定結果の平均値は次のとおりである。
サンプル1;2mW、
サンプル2;7mW、
サンプル3;10mW、
サンプル4;8mW、
サンプル5;5mW
The average value of these measurement results is as follows.
Sample 1; 2 mW
Sample 2; 7 mW
Sample 3; 10 mW
Sample 4: 8 mW
Sample 5: 5 mW

また、これらサンプルを4Kの低温においてフォトルミネッセンス測定を行った結果、サンプル1において3.2eV付近にMgからの発光が観測された。これは障壁層が薄い為、p型層からMgが拡散してきた結果と考えられる。
上記の結果から明らかなとおり、障壁層の厚さが6nm〜30nmにおいて、高出力化がより改善されることがわかった。
Further, as a result of performing photoluminescence measurement on these samples at a low temperature of 4K, light emission from Mg was observed in the vicinity of 3.2 eV in sample 1. This is considered to be a result of Mg diffusing from the p-type layer because the barrier layer is thin.
As is clear from the above results, it was found that the increase in output is further improved when the thickness of the barrier layer is 6 nm to 30 nm.

本発明による紫外線発光素子の構造例を示す模式図である。ハッチングは、領域の境界を示す目的で施している(以下の図も同様)。It is a schematic diagram which shows the structural example of the ultraviolet light emitting element by this invention. Hatching is performed for the purpose of showing the boundary of the region (the same applies to the following figures). 本発明において、基板の凹凸を埋め込んでGaN結晶層を成長させる方法を示す模式図である。In this invention, it is a schematic diagram which shows the method of embedding the unevenness | corrugation of a board | substrate and growing a GaN crystal layer. In0.05Ga0.95Nを発光層の材料とした、従来の発光ダイオードの一例を示す模式図である。The In 0.05 Ga 0.95 N was the material of the light emitting layer is a schematic diagram showing an example of a conventional light emitting diode.

符号の説明Explanation of symbols

S 結晶基板
S1 凹凸
1 GaN系半導体低温バッファ層
2 GaN系結晶層(特にGaN結晶層)
3 紫外線発光可能な組成のInGaN結晶層
4 p型クラッド層
5 p型コンタクト層
S Crystal substrate S1 Concavity and convexity 1 GaN-based semiconductor low-temperature buffer layer 2 GaN-based crystal layer (especially GaN crystal layer)
3 InGaN crystal layer with composition capable of emitting ultraviolet light 4 p-type cladding layer 5 p-type contact layer

Claims (6)

表面に凹凸が加工された結晶基板上に、GaN系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、GaN系結晶層が気相成長しており、該GaN系結晶の上に、紫外線を発生し得る組成のInGaN結晶層が成長し発光層となっている半導体発光素子構造を有することを特徴とする紫外線発光素子。   A GaN-based crystal layer is vapor-phase-grown on a crystal substrate whose surface has been processed with irregularities via a low-temperature buffer layer made of a GaN-based semiconductor or directly, and ultraviolet rays are irradiated on the GaN-based crystal. An ultraviolet light-emitting element having a semiconductor light-emitting element structure in which an InGaN crystal layer having a composition that can be generated is grown to be a light-emitting layer. 結晶基板上に上記低温バッファ層を介して成長しているGaN系結晶層が、上記凹凸の凹部底面および凸部上面からファセット構造を形成しながら成長したものである請求項1記載の紫外線発光素子。   2. The ultraviolet light-emitting device according to claim 1, wherein the GaN-based crystal layer grown on the crystal substrate through the low-temperature buffer layer is grown while forming a facet structure from the concave bottom surface and convex top surface of the concave and convex portions. . 結晶基板の表面に加工された凹凸が、ストライプパターンを呈する凹凸であって、該ストライプの長手方向が、この上に成長するGaN結晶の〈11−20〉方向、または〈1−100〉方向である請求項1または2記載の紫外線発光素子。   The unevenness processed on the surface of the crystal substrate is an unevenness that exhibits a stripe pattern, and the longitudinal direction of the stripe is the <11-20> direction or the <1-100> direction of the GaN crystal that grows thereon. The ultraviolet light-emitting device according to claim 1 or 2. 発光層が、InGaNからなる井戸層とGaNからなる障壁層とによって構成された量子井戸構造である、請求項1〜3のいずれかに記載の紫外線発光素子。   The ultraviolet light emitting element according to claim 1, wherein the light emitting layer has a quantum well structure including a well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN. 量子井戸構造と低温バッファ層との間の層が全てGaN結晶からなるものである、請求項1〜4のいずれかに記載の紫外線発光素子。   The ultraviolet light-emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein all layers between the quantum well structure and the low-temperature buffer layer are made of GaN crystals. 障壁層の厚さが6nm〜30nmである請求項1〜5のいずれかに記載の紫外線発光素子。   The ultraviolet light-emitting device according to claim 1, wherein the barrier layer has a thickness of 6 nm to 30 nm.
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