JP2000031536A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

Semiconductor light emitting element

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JP2000031536A JP19607398A JP19607398A JP2000031536A JP 2000031536 A JP2000031536 A JP 2000031536A JP 19607398 A JP19607398 A JP 19607398A JP 19607398 A JP19607398 A JP 19607398A JP 2000031536 A JP2000031536 A JP 2000031536A
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buffer layer
zno buffer
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zno
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Michio Kadota
道雄 門田
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Murata Mfg Co Ltd
株式会社村田製作所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce resistance of a ZnO buffer layer without changing compositions of compound semiconductor layers above the ZnO buffer layer. SOLUTION: A ZnO buffer layer 23 of low resistance is grown on an insulating sapphire substrate 22. An N-type GaN layer 24, an N-type AlGaN layer 25, an InGaN layer (light emitting layer) 26, a P-type AlGaN layer 27 and a P-type GaN layer 28 are epitaxially grown on the ZnO buffer layer 23. A lower electrode 29 is arranged on the upper surface of the ZnO buffer layer 23 and an upper electrode 30 is arranged on the upper surface of the P-type GaN layer 28. The ZnO buffer layer 23 is doped with impurity elements (except Ga, Al and In) which are not contained in the respective upper compound semiconductor layers, and the resistivity is set at most 10 Ω.cm. For the doping, B, Sc, Y, La, Ac, Ti, etc., can be used as impurity elements of group III, and V, Nb, Ta, P, As, Sb, Bi, etc., can be used as impurity elements of group V.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【従来の技術】青色光ないし紫外線を発生する発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)等の半導体発光素子の材料としては、一般式InxGayAlz 2. Description of the Related Art As a material of the light emitting diode (LED) and laser diodes (LD) a semiconductor light emitting element such as generating blue light or ultraviolet light, the general formula InxGayAlz
N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦ N (where, x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦
1、0≦z≦1)で表わされるIII−V族化合物半導体が知られている。 1,0 ≦ z ≦ 1) III-V group compound semiconductor represented by are known. この化合物半導体は、直接遷移型であることから発光効率が高く、また、In濃度によって発光波長を制御できることから、発光素子用材料として注目されている。 The compound semiconductor have high emission efficiency since it is a direct transition type, also because it can control the emission wavelength by the In concentration, it has attracted attention as a material for a light-emitting element.

【0002】このInxGayAlzNは大型の単結晶を作製することが困難であるため、その結晶膜の製作にあたっては、異なる材料の基板上に成長させる、いわゆるヘテロエピタキシャル成長法が用いられており、一般にはC面サファイア基板の上で成長させられている。 [0002] Therefore InxGayAlzN is difficult to prepare a large single crystal, when the production of the crystal film is grown on a substrate of a different material, and so-called heteroepitaxial growth method is used, in general C It has been grown on the surface sapphire substrate.

【0003】サファイア基板上に形成された従来の半導体発光素子の構造を図1に示す。 [0003] showing the structure of a conventional semiconductor light emitting device formed on a sapphire substrate in FIG. この半導体発光素子1 The semiconductor light emitting element 1
にあっては、サファイア基板2の上にAlを高濃度にドープしたZnOバッファ層3を形成し、その上にn型G The There, a ZnO buffer layer 3 doped with Al in high density is formed on the sapphire substrate 2, n-type G thereon
aN層(コンタクト層)4、n型AlGaN層(クラッド層)5、n型GaN層(光ガイド層)6、InGaN aN layer (contact layer) 4, n-type AlGaN layer (cladding layer) 5, n-type GaN layer (the light guide layer) 6, InGaN
(発光層)7、p型GaN層(光ガイド層)8、p型A (Light-emitting layer) 7, p-type GaN layer (the light guiding layer) 8, p-type A
lGaN層(クラッド層)9、p型GaN層(コンタクト層)10、SiO 2層11を順次成長させている。 lGaN layer and (cladding layer) 9, p-type GaN layer (contact layer) 10, were successively grown SiO 2 layer 11. このn型GaN層4、n型AlGaN層5、n型GaN層6、InGaN層7、p型GaN層8、p型AlGaN The n-type GaN layer 4, n-type AlGaN layer 5, n-type GaN layer 6, InGaN layer 7, p-type GaN layer 8, p-type AlGaN
層9、p型GaN層10によって発光素子1の主要部をなすダブルへテロ接合構造が構成されている。 Heterojunction structure by a layer 9, p-type GaN layer 10 to a double forming the main part of the light emitting element 1 is formed. また、サファイア基板2は絶縁性であってサファイア基板2の下面に下部電極を設けることはできないので、n型GaN Further, since the sapphire substrate 2 can not be provided with a lower electrode on the lower surface of the sapphire substrate 2 by an insulating property, n-type GaN
層4〜SiO 2層11をエッチングすることによってZ Z by etching the layers 4~SiO 2 layer 11
nOバッファ層3を一部露出させ、ZnO層3の露出部分に下部電極12を設けている。 nO partially exposed the buffer layer 3 is provided with the lower electrode 12 on the exposed portion of the ZnO layer 3. 一方、SiO 2層11 On the other hand, SiO 2 layer 11
を一部開口し、この開口13を通してp型GaN層10 The partially open, p-type GaN layer 10 through the opening 13
と接合させるようにしてSiO 2層11の上に上部電極14を設けている。 It is provided an upper electrode 14 on the SiO 2 layer 11 so as to be joined with. 上部電極14は、Alを多量にドープしたZnO層15とAu層16とからなり、絶縁体であるSiO 2膜11の開口13を通して上部電極14からp型GaN層10へ電流を注入する電流狭窄構造としている。 The upper electrode 14 is made of a ZnO layer 15 and the Au layer 16 for the heavily doped with Al, current confinement current is injected from the upper electrode 14 to the p-type GaN layer 10 through the opening 13 of the SiO 2 film 11 is an insulator It has a structure.

【0004】 [0004]

【発明が解決しようとする課題】このような構造の半導体発光素子1においては、ZnOバッファ層3は、格子不整合を緩和してサファイア基板2の上方に結晶性の良好なn型GaN層4等を成長させるためのバッファ層としての機能と同時に、下部電極12を設けるためのコンタクト層の機能も有しており、低抵抗化するためにAl BRIEF Problem to be Solved] In the semiconductor light-emitting device 1 having such a structure, ZnO buffer layer 3, above the good crystallinity n-type GaN layer of the sapphire substrate 2 by relaxing the lattice mismatch 4 etc. At the same time the function as a buffer layer for growing a also has a function of contact layer for providing the lower electrode 12, Al in order to reduce the resistance of
を高濃度にドープされている。 A is doped at a high concentration.

【0005】そのため、ZnOバッファ層3にドープされているAlがn型GaN層4やn型AlGaN層5などへ拡散し、これらの化合物半導体層における組成を変化させ、発光素子の物性や光学的特性を変化させる問題があった。 [0005] Therefore, Al doped in the ZnO buffer layer 3 is diffused into such n-type GaN layer 4 and the n-type AlGaN layer 5, by changing the composition of such a compound semiconductor layer, the physical properties of the light-emitting element and optical there is a problem of changing the characteristics.

【0006】本発明は上述の技術的問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、Z [0006] The present invention has been made to solve the technical problems described above, and an object thereof, Z
nOバッファ層の上方の半導体層の組成を変化させることなくZnOバッファ層を低抵抗化することができる半導体発光素子を提供することにある。 Certain ZnO buffer layer to provide a semiconductor light emitting device capable of low resistance without changing the composition of the upper semiconductor layer of nO buffer layer.

【0007】 [0007]

【発明の開示】本発明の半導体発光素子は、絶縁基板の上に低抵抗のZnOバッファ層を形成し、このZnOバッファ層の上にInxGayAlzN(ただし、x+y+ The semiconductor light-emitting device of the present invention DISCLOSURE OF THE INVENTION forms a ZnO buffer layer of low resistance on an insulating substrate, x Ga y Al z N (except on the ZnO buffer layer, x + y +
z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表わされる化合物半導体層を形成し、前記ZnOバッファ層の一部表面を露出させると共にその露出部分に下部電極を形成した半導体発光素子において、前記ZnOバッファ層は、その上方の化合物半導体層の組成元素を含まないことを特徴としている。 z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ represented by 1,0 ≦ z ≦ 1) to form a compound semiconductor layer, a lower electrode on the exposed portion to expose the portion of the surface of the ZnO buffer layer in the semiconductor light emitting element formed of the ZnO buffer layer is characterized in that does not contain a constituent element of the above compound semiconductor layer.

【0008】ZnOバッファ層の上にはInxGayAl [0008] InxGayAl on top of the ZnO buffer layer
zN系の化合物半導体層が形成されているから、典型的な元素としては、ZnOバッファ層には、Al、In及びGaを不純物元素として含まない。 Since the compound semiconductor layer of zN system is formed, typical elements, the ZnO buffer layer, not containing Al, In and Ga as the impurity element. これらの元素以外の不純物元素としては、III族又はV族の元素であるB、Sc、Y、La、Ac、Tl、V、Nb、Ta、 As the impurity elements other than these elements, an element of group III or group V B, Sc, Y, La, Ac, Tl, V, Nb, Ta,
P、As、Sb、Biの群からなる少なくとも1つの元素をZnOバッファ層にドープさせることができる。 P, As, Sb, at least one element consisting of a group of Bi can be doped into ZnO buffer layer.

【0009】本発明にあっては、絶縁基板の上に低抵抗のZnOバッファ層を形成することにより、ZnOバッファ層の表面に下部電極を設けている。 [0009] In the present invention, by forming the ZnO buffer layer of low resistance on an insulating substrate is provided with a lower electrode on the surface of the ZnO buffer layer. しかし、ZnO However, ZnO
バッファ層には、上層の化合物半導体層の組成元素をドープしていないので、ZnOバッファ層から上層の化合物半導体層へ不純物元素が拡散して上層の化合物半導体層の組成を変化させることがなく、発光素子の物性及び光学的特性を安定させることができる。 The buffer layer, since the undoped composition elements of the upper layer of the compound semiconductor layer, without changing the composition of the upper layer of the compound semiconductor layer from the ZnO buffer layer impurity element is diffused into the upper layer of the compound semiconductor layer, the physical properties and optical characteristics of the light-emitting element can be stabilized.

【0010】 [0010]

【発明の実施の形態】図2は本発明の一実施形態によるダブルへテロ接合構造の半導体発光素子21であって、 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Figure 2 illustrates a semiconductor light emitting element 21 of the heterojunction structure double according to an embodiment of the present invention,
InGaN層26を発光層とする発光ダイオードや面発光型レーザーダイオード等を表わしている。 The InGaN layer 26 represents a light emitting diode or a surface emitting laser diode or the like for the light-emitting layer. この半導体発光素子21は、絶縁性のC面サファイア基板22の上に比抵抗の小さなZnOバッファ層23を成長させ、Z The semiconductor light emitting element 21, the specific resistance of the small ZnO buffer layer 23 is grown on the insulating C-plane sapphire substrate 22, Z
nOバッファ層23の上に順次n型GaN層24、n型AlGaN層25、InGaN層(発光層)26、p型AlGaN層27、p型GaN層28をエピタキシャル成長させたものであり、n型GaN層24、n型AlG Sequentially n-type GaN layer 24 on the nO buffer layer 23, n-type AlGaN layer 25, InGaN layer are those of the (light-emitting layer) 26, p-type AlGaN layer 27, p-type GaN layer 28 is epitaxially grown, an n-type GaN layer 24, n-type AlG
aN層25、InGaN層(発光層)26、p型AlG aN layer 25, InGaN layer (emitting layer) 26, p-type AlG
aN層27及びp型GaN層28によってダブルへテロ接合構造が構成されている。 Heterojunction structure double by aN layer 27 and p-type GaN layer 28 is formed. こうしてサファイア基板2 Thus, the sapphire substrate 2
2の上にZnOバッファ層23〜p型GaN層28を形成した後、エッチングによってn型GaN層28〜p型GaN層24を一部除去してZnOバッファ層23を露出させる。 After the formation of the ZnO buffer layer 23~p type GaN layer 28 on the 2, by removing a part of the n-type GaN layer 28~p type GaN layer 24 to expose the ZnO buffer layer 23 by etching. そして、ZnOバッファ層23の上面に下部電極29を設け、p型GaN層28の上面に上部電極3 Then, the lower electrode 29 provided on the upper surface of the ZnO buffer layer 23, the upper electrode 3 to the upper surface of the p-type GaN layer 28
0を形成している。 To form a 0.

【0011】サファイアとGaNとは格子定数がかなり違っており、サファイア基板22の上に結晶性の良好なn型GaN層24を形成するのは困難であるが、ZnO [0011] lattice constant between the sapphire and GaN are very different, but it is difficult to form a good n-type GaN layer 24 of crystallinity on a sapphire substrate 22, ZnO
薄膜とGaN膜との結晶定数は近いため、サファイア基板22の上にZnOバッファ層23をc軸配向もしくは次の数1で示す軸方向に配向させ、ZnOバッファ層2 Since the near crystal constant between the thin film and the GaN film, a ZnO buffer layer 23 is oriented in the axial direction indicated by the c-axis orientation or following Equation 1 on a sapphire substrate 22, ZnO buffer layer 2
3の上にn型GaN層24等をエピタキシャル成長させることにより、結晶性の良好なn型GaN層24等を形成している。 By epitaxially growing the n-type GaN layer 24 or the like on a 3, to form a satisfactory n-type GaN layer 24 or the like of the crystalline.

【0012】 [0012]

【数1】 [Number 1]

【0013】また、ZnOバッファ層23は、不純物元素をドープすることにより、その比抵抗を10Ω・cm Further, ZnO buffer layer 23, by doping an impurity element, 10 [Omega · cm The resistivity
以下、好ましくは5Ω・cm以下、特に好ましくは1Ω Or less, preferably 5Ω · cm or less, particularly preferably 1Ω
・cm以下にしている。 · Cm is below. サファイア基板22は絶縁性であるが、電極引出しのためにZnOバッファ層23を低抵抗し、その一部を露出させているので、p型GaN層28に設けられた上部電極30とZnOバッファ層23 Although the sapphire substrate 22 is insulating, a ZnO buffer layer 23 and a low resistance for electrode lead, since to expose the part, the upper electrode 30 provided on the p-type GaN layer 28 and the ZnO buffer layer 23
に設けられた下部電極29との間に直流電圧を印加すると、ZnOバッファ層23を通って上部電極30と下部電極29の間に電流が流れ、上部電極30からInGa When a DC voltage is applied between the lower electrode 29 provided on, current flows between the upper electrode 30 and the lower electrode 29 through the ZnO buffer layer 23, InGa from the upper electrode 30
N層26に電流が注入されて発光し、InGaN層26 Current to emit light is injected into the N layer 26, InGaN layer 26
から出た光はp型GaN層28の上面の上部電極30が設けられていない領域から外部へ出射される。 Light emitted from emitted from the region in which the upper electrode 30 of the upper surface of the p-type GaN layer 28 is not provided to the outside.

【0014】ここで、ZnOバッファ層23の抵抗を下げるためにドープされる不純物元素(ドーパント)は、 [0014] Here, an impurity element is doped to reduce the resistance of the ZnO buffer layer 23 (dopant) is
上層の化合物半導体層に含まれない元素であって、この実施形態の場合でいえば、Ga、Al、In以外のIII A element which is not included in the upper layer of the compound semiconductor layer, in terms of the case of this embodiment, Ga, Al, other than an In III
族元素又はV族元素である。 It is a family element or group V element. すなわち、III族元素としては、B、Sc、Y、La、Ac、Tlなどをドープすることができ、V族元素では、V、Nb、Ta、P、A That is, as the group III element, B, Sc, Y, La, Ac, can be doped with such Tl, the V-group element, V, Nb, Ta, P, A
s、Sb、Biなどをドープすることができる。 s, Sb, can be doped with such as Bi. このような上層の化合物半導体層に含まれない不純物元素をZ Such layer of compound impurity element is not included in the semiconductor layer Z
nOバッファ層23にドープすることによってZnOバッファ層23を低抵抗すれば、ZnOバッファ層23中の不純物が上方の化合物半導体層へ拡散したとしても、 If low resistance ZnO buffer layer 23 by doping the nO buffer layer 23, as impurities in the ZnO buffer layer 23 has diffused upward compound semiconductor layer,
各化合物半導体層の組成が変化しにくく、発光素子の物性や光学的特性を安定させることができる。 Hardly changes the composition of the compound semiconductor layer, the physical properties and optical characteristics of the light-emitting element can be stabilized.

【0015】(その他の実施形態)本発明は図2に示したようなInGaN層26によるダブルへテロ接合構造の半導体発光素子以外にも適用することができる。 [0015] (Other Embodiments) The present invention is also applicable to other semiconductor light-emitting device of the heterojunction structure double by InGaN layer 26 as shown in FIG. 例えば、図3に示す半導体発光素子41のように、サファイア基板42の上に低抵抗のZnOバッファ層43、n型GaN層44及びp型GaN層45を積層し、ZnOバッファ層43の上面に下部電極46を形成するとともにp型GaN層45の上に上部電極47を設けたものでもよい。 For example, as in the semiconductor light-emitting device 41 shown in FIG. 3, the low-resistance ZnO buffer layer 43, n-type GaN layer 44 and p-type GaN layer 45 is laminated on a sapphire substrate 42, the upper surface of the ZnO buffer layer 43 the upper electrode 47 may be one provided on the p-type GaN layer 45 to form a lower electrode 46. また、図示しないが、ガラス基板の上にZnOバッファ層、低温成長GaNバッファ層、n型GaN層及びp型GaN層を積んだ構造の発光素子でもよい。 Although not shown, ZnO buffer layer on a glass substrate, a low temperature growth GaN buffer layer may be a light emitting element of the n-type GaN layer and p-type GaN layer laden structure.

【0016】さらには、図4に示すように、サファイア基板52の上に低抵抗ZnOバッファ層53を形成し、 Furthermore, as shown in FIG. 4, a low-resistance ZnO buffer layer 53 is formed on a sapphire substrate 52,
n型GaNクラッド層54、p型GaN活性層55、p n-type GaN cladding layer 54, p-type GaN active layer 55, p
型GaNクラッド層56を積層し、ミラー面をダイシングによって形成し、p型GaNクラッド層56の上面の中央部を除く領域にSiO 2膜57を成膜し、SiO 2膜57の上からp型GaNクラッド層56の上に上部電極58を設け、サファイア基板52の下面に下部電極59 -Type GaN clad layer 56 was laminated, the mirror surface is formed by dicing, and a SiO 2 film 57 in the region other than the central portion of the upper surface of the p-type GaN cladding layer 56, p-type over the SiO 2 film 57 the upper electrode 58 formed on the GaN cladding layer 56, the lower electrode 59 on the lower surface of the sapphire substrate 52
を設けた、レーザーダイオードや端面出射型の発光ダイオードなどの半導体発光素子51でもよい。 Was provided, it may be a semiconductor light emitting element 51 such as a laser diode or edge-emitting light emitting diode. これらの場合には、ZnOバッファ層には、Ga以外のIII族元素やV族元素を不純物としてドープする。 In these cases, the ZnO buffer layer is doped with a Group III element or group V element other than Ga as an impurity.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】従来例による半導体発光素子の構造を示す断面図である。 1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to the prior art.

【図2】本発明の一実施形態による半導体発光素子の構造を示す断面図である。 It is a sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention; FIG.

【図3】本発明の別な実施形態による半導体発光素子の構造を示す斜視図である。 3 is a perspective view showing a structure of a semiconductor light-emitting device according to another embodiment of the present invention.

【図4】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光素子の構造を示す斜視図である。 Is a perspective view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to still another embodiment of the invention; FIG.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

22 サファイア基板 23 ZnOバッファ層 24 n型GaN層 25 n型AlGaN層 26 InGaN層(発光層) 29 下部電極 30 上部電極 22 sapphire substrate 23 ZnO buffer layer 24 n-type GaN layer 25 n-type AlGaN layer 26 InGaN layer (emitting layer) 29 lower electrode 30 upper electrode

Claims (3)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 絶縁基板の上に低抵抗のZnOバッファ層を形成し、このZnOバッファ層の上にInxGayA 1. A form a ZnO buffer layer of low resistance on an insulating substrate, InxGayA on the ZnO buffer layer
    lzN(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y LZN (provided that, x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y
    ≦1、0≦z≦1)で表わされる化合物半導体層を形成し、前記ZnOバッファ層の一部表面を露出させると共にその露出部分に下部電極を形成した半導体発光素子において、 前記ZnOバッファ層は、その上方の化合物半導体層の組成元素を含まないことを特徴とする半導体発光素子。 ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1) is represented by forming a compound semiconductor layer, in the semiconductor light emitting element to form a lower electrode on the exposed portion to expose the portion of the surface of the ZnO buffer layer, the ZnO buffer layer the semiconductor light emitting device characterized by containing no composition elements of the above compound semiconductor layer.
  2. 【請求項2】 前記ZnOバッファ層は、Al、In及びGaを不純物元素として含まないことを特徴とする、 Wherein said ZnO buffer layer is characterized in that it does not contain Al, In and Ga as the impurity element,
    請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1.
  3. 【請求項3】 前記ZnOバッファ層は、B、Sc、 Wherein the ZnO buffer layer, B, Sc,
    Y、La、Ac、Tl、V、Nb、Ta、P、As、S Y, La, Ac, Tl, V, Nb, Ta, P, As, S
    b、Biの群からなる少なくとも1つの元素をドープすることによって低抵抗化されていることを特徴とする、 b, characterized in that it is low resistance by doping at least one element consisting of a group of Bi,
    請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 or claim 2.
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