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公開番号2025113657
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-04
出願番号2024007922
出願日2024-01-23
発明の名称窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子
出願人学校法人名城大学
代理人弁理士法人グランダム特許事務所
主分類H01S 5/343 20060101AFI20250728BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】バリア層の厚みを抑えつつ、発光層内におけるトレンチ欠陥の発生を抑え得る窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子の製造方法は、InNを含むGaInN量子井戸層12Aを積層する量子井戸層積層工程と、GaInN量子井戸層12Aの表面にバリア層12Bを積層するバリア層積層工程と、を備えている。バリア層積層工程におけるバリア層12Bの原料原子のマイグレーションは、量子井戸層積層工程におけるGaInN量子井戸層12Aの原料原子のマイグレーションよりも小さい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ＩｎＮを含む量子井戸層を積層する量子井戸層積層工程と、
前記量子井戸層の表面にバリア層を積層するバリア層積層工程と、
を備え、
前記バリア層積層工程における前記バリア層の原料原子のマイグレーションは、前記量子井戸層積層工程における前記量子井戸層の原料原子のマイグレーションよりも小さい、窒化物半導体発光素子の製造方法。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記バリア層積層工程における成長温度は、前記量子井戸層積層工程における成長温度よりも低い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記バリア層の原料原子は、ＡｌＮを含む、請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ＩｎＮを含む量子井戸層を積層する量子井戸層積層工程と、
前記量子井戸層の表面に第１のバリア層を積層する第１バリア層積層工程と、
前記第１のバリア層の表面に第２のバリア層を積層する第２バリア層積層工程と、
を備え、
前記第１バリア層積層工程における前記第１のバリア層の原料原子のマイグレーションは、前記量子井戸層積層工程における前記量子井戸層の原料原子のマイグレーションよりも小さく、
前記第２バリア層積層工程における前記第２のバリア層の原料原子のマイグレーションは、前記第１バリア層積層工程における前記第１のバリア層の原料原子のマイグレーションよりも大きい、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１バリア層積層工程における成長温度は、前記量子井戸層積層工程における成長温度よりも低く、
前記第２バリア層積層工程における成長温度は、前記第１バリア層積層工程における成長温度よりも高い、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１のバリア層の厚みは、０．１ｎｍから０．３ｎｍである、請求項４又は請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１のバリア層の原料原子は、ＡｌＮを含む、請求項４又は請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１のバリア層の厚みは、０．１ｎｍから０．３ｎｍである、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１バリア層積層工程における前記第１のバリア層の成長速度は、前記量子井戸層積層工程における前記量子井戸層の成長速度よりも速く、
前記第２バリア層積層工程における前記第２のバリア層の成長速度は、前記第１バリア層積層工程における前記第１のバリア層の成長速度よりも遅い、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
ＩｎＮを含む量子井戸層と、
前記量子井戸層に積層された第１のバリア層と、
前記第１のバリア層に積層された第２のバリア層と、
を有する発光層を備え、
前記第１のバリア層は、ＡｌＮを含み、積層方向における厚みが０．１ｎｍから０．３ｎｍである、窒化物半導体発光素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子に関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１、２、及び非特許文献１には、量子井戸層にＩｎ（インジウム）を含んだ、所謂、ＧａＩｎＮ量子井戸層を有する発光層について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００６－２３７２８１号公報
特開２００８－２３５７５８号公報
S.M.Ting et al"Morphological evolution of InGaN/GaN quantum-well heterostructures grown by metalorganic chemical vapor deposition"、J.Appl.Phys.94 1461-1467（2003）
C.Stampfl et al"Energetics and electronic structure of stacking faults in AlN, GaN, and InN"、PHYSICAL REVIEW B VOLUME 57,NUMBER 24,R15052-55（1998）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧａＩｎＮ量子井戸は、原理的に近紫外から近赤外までの発光波長をカバーし、ＬＥＤやレーザーなどの発光層として利用することができる。現在までに、ＧａＩｎＮ量子井戸を用いた構成で実用化が進んでいる波長域は、４００ｎｍから５２０ｎｍである。波長が長い領域では、ＧａＩｎＮ量子井戸のＩｎ組成を高くする必要がある。この場合、ＧａＩｎＮ量子井戸を低い成長温度で結晶成長したり、基板となるＧａＮ基板との格子不整合が生じたりすることによってＧａＩｎＮ量子井戸における結晶性の低下が顕著になる。ゆえに、５００ｎｍ以上の波長で発光するＧａＩｎＮ量子井戸を形成するには、一般的に結晶成長における工夫が必要である。
【０００５】
ここで、波長５００ｎｍ以上の領域で発光するようなＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造を形成すると、トレンチ欠陥と呼ばれる結晶欠陥が発光層内に多く発生し、このことが発光効率の低下に繋がる。トレンチ欠陥とは、結晶成長を進めるにつれ、環状をなした堀のような溝が形成され、結晶成長を進めるにつれ、溝幅が拡がるように成長する欠陥である。ゆえに、波長５００ｎｍ以上で発光する高品質なＧａＩｎＮ量子井戸を得るには、トレンチ欠陥の発生を抑制することが重要である。トレンチ欠陥の発生を抑制する手法としていくつかの手法が提案されている。
【０００６】
現実的な手法は、ＧａＩｎＮ量子井戸層に工夫するのではなく、その直上に積層するバリア層に工夫することである。具体的には、バリア層の成長温度をＧａＩｎＮ量子井戸層の成長温度よりも高めることによってトレンチ欠陥の抑制に成功している。さらに、バリア層を積層させるために成長温度を高める際に、ＧａＩｎＮ量子井戸層内のＩｎがＧａＩｎＮ量子井戸層の表面から脱離することを防ぐ目的で、数ｎｍの厚さのＡｌＧａＮキャップ層をＧａＩｎＮ量子井戸層の表面に積層して設ける場合も多い。結晶成長における一原子層の厚さは、０．３ｎｍ程度であるため、ＧａＩｎＮ量子井戸層の表面を完全に覆うためには数原子層積層する必要であり、少なくとも０．３ｎｍよりも十分厚い、数ｎｍの厚さが必要であると考えられる。
【０００７】
トレンチ欠陥が発生する要因の一つとして、Ｉｎを過剰に供給することによるＩｎ－Ｉｎ直接結合の存在が報告されている。Ｉｎを過剰に供給する行為は、長波長で発光するＧａＩｎＮ量子井戸層を形成する際に必要な行為であり、Ｉｎの供給量を低下させることができない。このため、Ｉｎを過剰に供給したＧａＩｎＮ量子井戸層を形成した後に成長温度を高くすることによってＧａＩｎＮ量子井戸層の最表面に存在するＩｎ－Ｉｎ間結合を除去することによってトレンチ欠陥の発生を抑制している。
【０００８】
一方、トレンチ欠陥が発生する別の要因として、積層欠陥の形成も挙げられている。積層欠陥とは、六方晶である結晶に立方晶の成分が混入することに相当し、立方晶の成分が混入したところを起点としてトレンチ欠陥が発生する。興味深いのは、高い歪が内在するＧａＩｎＮ量子井戸層内で積層欠陥が発生するのではなく、その直上にバリア層を積層している際にバリア層内に積層欠陥が発生する点である。非特許文献２には、C.Stampflらの理論計算が開示されている。詳しくは、非特許文献２には、積層欠陥の形成エネルギーがＧａＩｎＮよりもＧａＮの方が低いことが開示されている。このことから、ＧａＩｎＮ量子井戸層で蓄積した歪みと、ＧａＮにおける低い形成エネルギーと、の両方の影響によってバリア層で積層欠陥が発生し、トレンチ欠陥の形成に繋がっていると考えられる。
【０００９】
我々は５００ｎｍ以上の波長で発光するＧａＩｎＮ量子井戸層を、主に面発光レーザーに適用したいと考えている。その場合、バリア層の厚みを薄くすることによって、面発光レーザー共振器内の光定在波の腹の位置にできるだけ多くのＧａＩｎＮ量子井戸層を配置させた発光層を実現したい。これによって、レーザーにおける光閉じ込め係数を高くすることができ、さらに、ＬＥＤとしてもキャリア注入効率の改善に繋げることができる。例えば、このような薄い発光層を実現するには、２ｎｍ程度の薄い厚みのバリア層が必要になる場合もあり、このような薄い厚みのバリア層でトレンチ欠陥の抑制をしなければならない。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、バリア層の厚みを抑えつつ、発光層内におけるトレンチ欠陥の発生を抑え得る窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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