JP5649514B2 - 半導体発光素子、窒化物半導体層、及び、窒化物半導体層の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明の別の実施形態によれば、第1主面と、前記第1主面とは反対側の第2主面と、前記第2主面に設けられた凹凸と、を有し、前記凹凸の凸部に繋がる転位の少なくともいずれかは、前記凹凸の側部に繋がり、前記第1主面に到達せず、前記凸部に繋がる前記転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凸部に繋がる前記転位の全てに対する割合は、前記凹凸の凹部に繋がる転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凹部に繋がる前記転位の全てに対する割合よりも低く、前記第2主面から前記第1主面に向かう積層方向に沿ってみたときに前記第1主面のうちで前記凹部と重なる領域に繋がる転位は、前記凹部に繋がる転位よりも少ないことを特徴とする窒化物半導体層が提供される。
本発明の別の実施形態によれば、主面に設けられた基板凸部と基板凹部と基板側部とを有する基板の前記主面上に、III族原料とV族原料とを用いて窒化物半導体を含む第1層を形成する第1工程と、前記第1層の上に、前記III族原料と前記V族原料とを用いて前記第1層と同じ材料の第2層を形成する第2工程と、を備えた窒化物半導体層の形成方法が提供される。前記第1工程における前記III族原料の供給量に対する前記V族原料の供給量の比率は、前記第2工程における前記III族原料の供給量に対する前記V族原料の供給量の比率よりも低い。前記第1工程における前記比率は、200以上660未満である。前記第1工程は、前記第1層において前記基板凹部から発生する転位の少なくともいずれかを前記基板側部に繋げる。前記第2工程は、前記第1層の表面に形成される凹凸を前記第2層で埋め込んで平坦化することを含む。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)〜図1(d)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図2は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 まず、図2により、本実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要について説明する。
発光層30及び多層構造体40の例に関しては後述する。
第2主面60bから第1主面60aに向かう方向は、積層方向(Z軸方向)に対して平行である。
図3は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図3に表したように、発光層30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31どうしの間に設けられた井戸層32と、を含む。
すなわち、図4(a)は、下地層60の凹凸61を例示する模式的平面図である。図4(b)は、図4(a)のA3−A4線断面図である。
以下では、下地層60において、連続的な凸部61pと、複数の凹部61dと、が設けられる場合として説明する。
例えば、基板50の主面のうちの基板側部51s及び基板凹部51dとなる領域が選択的にエッチングされる。これにより、基板凸部51p、基板側部51s及び基板凹部51dが形成される。
図1(a)は、図1(b)〜図1(d)のA1−A2線断面図である。図1(b)、図1(c)及び図1(d)は、それぞれ、図1(a)のB1平面、C1平面及びD1平面の平面図である。B1平面、C1平面及びD1平面は、Z軸に対して垂直な平面である。図1(b)は、下地層60の第1主面60aにおける転位65を表している。図1(c)は、下地層60の凹部61dを含む平面における転位65を表している。図1(d)は、下地層60の凸部61pを含む平面における転位65を表している。
すなわち、図1(d)に表したように、凸部61pには、比較的多くの転位65が繋がっている。凸部61pに繋がる転位65は、凸部61pから発生したものであり、基板凹部51dから発生したものである。
基板50は、下地層60に対向する面に設けられた基板凹凸51を有する。基板凹凸51は、基板凹部51dと、基板側部51sと、基板凸部51pと、を有する。
すなわち、これらの図は、下地層60の形成方法を例示している。
基板凸部51pの高さh51、及び、下地層60の凸部61pの高さh61は、発光層30から放出される光のピーク波長λの半波長(λ/2)よりも大きいことが好ましい。これにより、光の回折効果により、光取り出し効率が向上できる。
サファイアの基板50の主面に、基板凹凸51となるパターンを有するフォトレジストを形成する。このフォトレジストは、例えば、複数の円形パターンを有する。複数の円形パターンのそれぞれは、基板50の主面のうちの、基板凸部51pのそれぞれとなる部分を覆う。RIE(Reactive Ion Etching)装置で、フォトレジストの円形パターンから露出している部分の基板50をエッチングする。これにより、深さが約1μmの基板凹部51dが形成される。幅W22は、約1.5μmである。ピッチに相当する間隔W23は、約5μmである。なお、ピッチは、隣接する同一形状のパターンどうしの中心間距離のうち、最小の距離である。また、基板50には、サファイア基板に限らず、シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)、炭化珪素(SiC)などを用いることができる。
この実験では、下地層60の形成条件が、実施形態に係る形成方法の下地層60の形成条件とは異なる。すなわち、本実施形態においては、下地層60の形成は、第1層64aの形成(第1工程)と、第1層64aとは異なる形成条件の第2層64bの形成(第2工程)と、を含む。これに対して、以下に説明する実験においては、1つの下地層60においては、下地層60の形成条件は一定とされた。その際、下地層60の形成時の原料供給比を種々変えて下地層60を形成し、下地層60における転位65及びピットを評価した。この実験においては、基板50及びバッファ層55の条件は、実施形態に関して説明した条件と同じである。
図6(a)は転位65の密度の評価結果を示し、図6(b)はピットの密度の評価結果を示している。これらの図の横軸は、下地層60を形成するときの、III族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比率、すなわち、V族/III族比R(V/III)である。これらの図に示したように、この実験では、V族/III族比R(V/III)が、330、660、1320及び2640の4種とされた。図6(a)の左側の縦軸は、下地層60のらせん転位密度Csdを示し、右側の縦軸は、刃状転位密度Cedを示す。図6(b)の縦軸は、ピット密度Cpを示す。らせん転位密度Csd及び刃状転位密度Cedは、試料のX線回折測定における対称面及び非対称面のロッキングカーブ半値幅、及び、試料のTEM(Transmission Electron Microscope)像から求めた。刃状転位密度Ced及びらせん転位密度Csdは、下地層60の第1主面60aにおける密度である。また、ピット密度Cpは、SEM(Scanning Electron Microscope)像から求めた。
同図は、刃状転位密度Cedと、半導体発光素子の光出力OPと、の関係の評価結果を示している。横軸は、刃状転位密度Cedを示し、縦軸は、光出力OP(規格化値)を示す。
図7に表したように、刃状転位密度Cedが低いほど、半導体発光素子の光出力OPが高くなる。高い光出力OPを得るためには、刃状転位密度Cedができるだけ低いことが好ましい。しかしながら、図6(a)及び図6(b)に関して説明したように、転位密度を低下させることと、ピット密度Cpを低下させることと、はトレードオフの関係があり、転位密度(例えば刃状転位密度Ced)を下げることに限界がある。
これらの図は、半導体発光素子の一部である基板50及び下地層60の断面TEM像を示している。図8(a)は、本実施形態に係る半導体発光素子110に対応する。図8(b)は、第1参考例の半導体発光素子191に対応する。
図8(a)及び図8(b)から分かるように、半導体発光素子110においては、下地層60の第2主面60bから第1主面60aに到達している転位65は、第1比較例の半導体発光素子191に比べて、明らかに少ない。
すなわち、半導体発光素子110においては、凸部61pに繋がる転位65の少なくともいずれかは、凸部61pの第2主面60bの側の表面から、第2主面60bから第1主面60aに向かって500nm以下の領域で、側部61sに繋がっている。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子110及び半導体発光素子191における転位密度の測定結果を表している。図9(a)は、刃状転位密度Cedを示し、図9(b)は、らせん転位密度Csdを示す。
すなわち、同図は、半導体発光素子110及び191における発光特性の測定結果を示している。横軸は駆動電流Idであり、縦軸は発光効率Eff(相対値)である。
図10に表したように、半導体発光素子110の発光効率Effは、半導体発光素子191の発光効率Effよりも高い。特に、半導体発光素子110においては、低電流域で、発光効率Effが大きく向上している。これは、半導体発光素子110においては、非発光再結合中心である転位密度が低く、発光再結合に寄与するキャリアが増加するためである。
図11(a)は、図11(b)〜図11(d)のA1−A2線断面図である。図11(b)、図11(c)及び図11(d)は、それぞれ、図11(a)のB1平面、C1平面及びD1平面の平面図である。
図12(a)に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子111においては、バッファ層55が設けられていない。または、バッファ層55が薄く、基板50と下地層60が実質的に接している。この場合も、下地層60が上記の構成を有していれば、低転位密度と良好な表面平坦性とを両立した、高効率な窒化物半導体発光素子が提供できる。
本実施形態は、窒化物半導体層に係る。
図13(a)及び図13(b)は、第2の実施形態に係る窒化物半導体層の構成を例示する模式的断面図である。
図13(a)に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体層120(例えば下地層60)は、第1主面60aと、第2主面60bと、を有する。第2主面60bは、第1主面60aとは反対側の主面である。窒化物半導体層120は、第2主面60bに設けられた凹凸61をさらに有する。
本実施形態は、窒化物半導体層の形成方法に係る。
図14は、第3の実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法を例示するフローチャート図である。
図14に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法は、第1工程(ステップS110)と、第2工程(ステップS120)と、を備える。
すなわち、これらの図は、下地層60の凹凸61(凹部61d及び凸部61p)、及び、基板凹凸51(基板凸部51p及び基板凹部51d)の平面形状及び平面配置(Z軸に沿ってみたときの形状及び配置)を例示している。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (13)
- 窒化物半導体を含む下地層と、
窒化物半導体を含み第1導電形の第1半導体層と、
前記下地層と前記第1半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む発光層と、
前記下地層と前記発光層との間に設けられ窒化物半導体を含み前記第1導電形とは異なる第2導電形の第2半導体層と、
を備え、
前記下地層は、前記第2半導体層の側の第1主面と、前記第1主面とは反対側の第2主面と、を有し、
前記下地層は、前記第2主面に設けられ、凹部と側部と凸部とを有する凹凸を有し、
前記下地層において、前記凸部に繋がる転位の少なくともいずれかは、前記側部に繋がり、前記第1主面に到達せず、
前記下地層において、前記凸部に繋がる前記転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凸部に繋がる前記転位の全てに対する割合は、前記凹部に繋がる転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凹部に繋がる前記転位の全てに対する割合よりも低く、
前記下地層において、前記第2主面から前記第1主面に向かう積層方向に沿ってみたときに前記第1主面のうちで前記凹部と重なる領域に繋がる転位は、前記凹部に繋がる転位よりも少ないことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記下地層において、前記凸部に繋がる前記転位のいずれか2つは、前記凸部と前記凹部との間の位置において互い衝突する請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記積層方向に対して垂直な平面の単位面積に含まれる前記凸部に繋がる前記転位のうちで前記第1主面に到達する前記転位の数と、前記単位面積に含まれる前記凹部に繋がる前記転位のうちで前記第1主面に到達する前記転位の数と、の合計は、前記単位面積に含まれる前記凸部に繋がる前記転位の数と、前記単位面積に含まれる前記凹部に繋がる前記転位の数と、の合計の数の1/5以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記凸部に繋がる前記転位の前記少なくともいずれかは、前記凸部の前記第2主面の側の表面から、前記第2主面から前記第1主面に向かって500ナノメートル以下の領域で、前記側部に繋がっていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記下地層の厚さは、1マイクロメートル以上4マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記凸部及び前記凹部の少なくともいずれかは複数設けられ、前記複数の前記少なくともいずれかは、前記積層方向に対して垂直な面内で2次元的に配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 第1主面と、前記第1主面とは反対側の第2主面と、前記第2主面に設けられた凹凸と、を有し、
前記凹凸の凸部に繋がる転位の少なくともいずれかは、前記凹凸の側部に繋がり、前記第1主面に到達せず、
前記凸部に繋がる前記転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凸部に繋がる前記転位の全てに対する割合は、前記凹凸の凹部に繋がる転位のうちで前記第1主面に到達する転位の、前記凹部に繋がる前記転位の全てに対する割合よりも低く、
前記第2主面から前記第1主面に向かう積層方向に沿ってみたときに前記第1主面のうちで前記凹部と重なる領域に繋がる転位は、前記凹部に繋がる転位よりも少ないことを特徴とする窒化物半導体層。 - 前記凸部に繋がる前記転位のいずれか2つは、前記凸部と前記凹部との間の位置において互いに衝突する請求項7記載の窒化物半導体層。
- 主面に設けられた基板凸部と基板凹部と基板側部とを有する基板の前記主面上に、III族原料とV族原料とを用いて窒化物半導体を含む第1層を形成する第1工程と、
前記第1層の上に、前記III族原料と前記V族原料とを用いて前記第1層と同じ材料の第2層を形成する第2工程と、
を備え、
前記第1工程における前記III族原料の供給量に対する前記V族原料の供給量の比率は、前記第2工程における前記III族原料の供給量に対する前記V族原料の供給量の比率よりも低く、
前記第1工程における前記比率は、200以上660未満であり、
前記第1工程は、前記第1層において前記基板凹部から発生する転位の少なくともいずれかを前記基板側部に繋げ、
前記第2工程は、前記第1層の表面に形成される凹凸を前記第2層で埋め込んで平坦化することを含むことを特徴とする窒化物半導体層の形成方法。 - 前記第1工程は、前記基板凹部から発生する前記転位を前記基板側部に繋げることを、前記第1層の前記基板凹部からの厚さが500ナノメートル以下の領域において実施することを含むことを特徴とする請求項9記載の窒化物半導体層の形成方法。
- 前記第2工程における前記比率は、660以上であることを特徴とする請求項9または10に記載の窒化物半導体層の形成方法。
- 前記第1層及び前記第2層は、窒化ガリウムである請求項9〜11のいずれか1つに記載の窒化物半導体層の形成方法。
- 前記主面に対して垂直な積層方向に沿った前記第2層の成長速度は、前記積層方向に対して垂直な方向に沿った前記第2層の成長速度よりも速い請求項9〜12のいずれか1つに記載の窒化物半導体層の形成方法。
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