JP2000174342A - Nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents

Nitride semiconductor light-emitting element

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JP2000174342A
JP2000174342A JP34969198A JP34969198A JP2000174342A JP 2000174342 A JP2000174342 A JP 2000174342A JP 34969198 A JP34969198 A JP 34969198A JP 34969198 A JP34969198 A JP 34969198A JP 2000174342 A JP2000174342 A JP 2000174342A
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layer
crystal
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light emitting
nitride semiconductor
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JP34969198A
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Takashi Udagawa
隆 宇田川
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Showa Denko KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain high brightness nitride semiconductor light-emitting element by laying a clad layer in diffusion properties of element working current on a low temperature buffer layer having requirements for imparting a light- emitting part constituting layer. SOLUTION: A nitride gallium GaN buffer layer 20 is formed on the junction interface 10a on a sapphire substrate 10, and an n-type clad layer 30 is deposited thereon. The n-type clad layer 30 is formed by sequentially laminating an undoped n-type III nitride semiconductor crystal layer 30a, a doped crystal layer 30b and a high carrier concentration crystal layer 30c. A light-emitting layer 40 of polyphase structure is deposited on the n-type clad layer 30, and the light-emitting layer 40 comprises a main phase S and a plurality of dependent phases T having different indium composition ratio. Furthermore, a p-type clad layer 60 of III nitride semiconductor is deposited on the light-emitting layer 40, thus constituting a light-emitting part of double heterostructure.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発光領域(面積)
を拡張させて、短波長可視光或いは紫外光を高強度で放
射できる窒化物半導体発光素子を得るための技術に関す
る。
[0001] The present invention relates to a light emitting region (area).
To obtain a nitride semiconductor light-emitting device that can emit short-wavelength visible light or ultraviolet light with high intensity.

【0002】[0002]

【従来の技術】赤橙色帯から紫外帯の短波長光を発光す
る窒化物半導体発光素子にあって、発光部は、発光層を
n形並びにp形クラッド層で挟持したpn接合型のダブ
ルヘテロ(Double Hetero:DH)接合構
造から構成されるのが通例である(特開平6−2602
83号参照)。発光層は実用上、n形の窒化ガリウム・
インジウム(GaY In1-Y N:0≦Y≦1)から構成
されている(特公昭55−3834号参照)。インジウ
ム組成比(=1−Y)の調整に依り、約360ナノメー
ター(nm)から約560nmに至る近紫外帯から短波
長可視光帯に至る発光を得るに好都合な禁止帯幅が得ら
れるからである。
2. Description of the Related Art In a nitride semiconductor light emitting device which emits short-wavelength light in a red-orange band to an ultraviolet band, a light-emitting portion has a pn junction type double heterostructure in which a light-emitting layer is sandwiched between an n-type and a p-type cladding layer. (Double Hetero: DH) junction structure (Japanese Patent Laid-Open No. 6-2602).
No. 83). The light emitting layer is practically n-type gallium nitride.
It is composed of indium (Ga Y In 1 -Y N: 0 ≦ Y ≦ 1) (see Japanese Patent Publication No. 55-3834). By adjusting the indium composition ratio (= 1-Y), a forbidden band width suitable for obtaining light emission from the near ultraviolet band from about 360 nanometers (nm) to about 560 nm to the short wavelength visible light band can be obtained. It is.

【0003】発光層を成すGaY In1-Y N(0≦Y≦
1)の構成要件を結晶学的な組織構成から省みれば、イ
ンジウム組成を均一で単一とするGaY In1-Y Nから
活性層(発光層或いは井戸層)を構成する従来例がある
(特開平9−36430号公報明細書参照)。逆に、イ
ンジウム濃度を相違する複数の相(domainまたは
phase)から成る多相構造のGaY In1-Y N(0
≦Y≦1)から発光層を構成する従来例も知られている
(特開平10−56202号公報明細書参照)。多相構
造とは、空間的に多くの領域を占有する主体相(mat
rix phase)と主体相内に従属的に存在する複
数の従属相とからなる混合体であると換言される。Ga
Y In1-Y Nは元来、相分離を起こし易い材料であり、
却って多相構造のGaY In1-Y Nが形成され易く、成
膜が容易である利点がある(Appl.Phys.Le
tt.,70(8)(1997)、981〜983頁参
照)。
[0003] Ga Y In 1-Y N (0 ≦ Y ≦
If the constituent requirements of 1) are omitted from the crystallographic structure, there is a conventional example in which an active layer (light emitting layer or well layer) is formed from Ga Y In 1-Y N having a uniform and uniform indium composition. (See JP-A-9-36430). Conversely, Ga Y In 1-Y N (0 multiphase structure composed of a plurality of phases (domain or phase) of different indium concentration
.Ltoreq.Y.ltoreq.1) to form a light-emitting layer is also known (see JP-A-10-56202). A polyphase structure is a main phase (mat) that occupies a large area spatially.
Rix phase) and a plurality of subordinate phases subordinately present in the main phase. Ga
Y In 1-Y N is originally a material that easily causes phase separation,
On the contrary, there is an advantage that Ga Y In 1-Y N having a multi-phase structure is easily formed and a film is easily formed (Appl. Phys. Le).
tt. , 70 (8) (1997), pp. 981-983).

【0004】発光層を挟持してDH構造の発光部を構成
するn形並びにp形クラッド層は、従来より窒化アルミ
ニウム・ガリウム(AlX Ga1-X N:0≦X≦1)か
ら構成されるのが通例である(Jpn.J.Appl.
Phys.,32(1993)、L8〜L11頁参
照)。n形クラッド層は、もっぱら珪素(Si)などの
n形不純物をドーピングしたn形窒化ガリウム(Ga
N)から構成されている。また従来では、n形クラッド
層を、珪素(Si)を含む抵抗率が0.3オーム・セン
チメートル(Ω・cm)から8×10-3Ω・cmである
AlX Ga1-X N(0≦X≦1)から構成する例がある
(特許第2623466号参照)。一方、p形クラッド
層は通常、マグネシウム(Mg)をドーピングしたAl
X Ga1-X N(0≦X≦1)から構成されている(特開
平10−214999号公報明細書参照)。
Conventionally, the n-type and p-type cladding layers constituting the light-emitting portion of the DH structure with the light-emitting layer interposed therebetween are conventionally formed of aluminum gallium nitride (Al X Ga 1 -X N: 0 ≦ X ≦ 1). (Jpn. J. Appl.
Phys. , 32 (1993), pages L8-L11). The n-type cladding layer is exclusively made of n-type gallium nitride (Ga) doped with an n-type impurity such as silicon (Si).
N). Conventionally, an n-type cladding layer is formed of Al x Ga 1 -xN (resistivity including silicon (Si) of 0.3 ohm-cm (Ω · cm) to 8 × 10 −3 Ω · cm. 0 ≦ X ≦ 1) (see Japanese Patent No. 2623466). On the other hand, the p-type cladding layer is usually made of Al doped with magnesium (Mg).
X Ga 1 -XN (0 ≦ X ≦ 1) (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-214999).

【0005】上記の如くの構成から成るDH構造発光部
は、III 族窒化物半導体結晶とは充分に良好な格子整合
の関係にない単結晶基板上に形成されるのがもっぱらで
ある。一般には、アルミナ(Al23 )単結晶(サフ
ァイア)が基板として利用されている。しかし、窒化ガ
リウム(GaN)を例にすれば、サファイアとの格子不
整合性は配向性を勘案しても約13%強の大きさに達す
る。このため、発光層の下部に配置する下部クラッド層
は、サファイア基板表面上に直接、堆積するのではな
く、比較的に低温で成膜したAlC Ga1-C N(0≦C
≦1)からなる緩衝(buffer)層、所謂、低温緩
衝層を介して成膜するのが従来の技術手段となってい
る。
[0005] The DH structure light-emitting portion having the above-described structure is generally formed on a single crystal substrate which does not have a sufficiently good lattice matching relationship with the group III nitride semiconductor crystal. Generally, alumina (Al 2 O 3 ) single crystal (sapphire) is used as a substrate. However, taking gallium nitride (GaN) as an example, the lattice mismatch with sapphire reaches a little over 13% even in consideration of the orientation. For this reason, the lower cladding layer disposed below the light emitting layer is not directly deposited on the surface of the sapphire substrate, but rather is formed of Al C Ga 1 -C N (0 ≦ C
The conventional technical means is to form a film through a buffer layer composed of ≦ 1), a so-called low-temperature buffer layer.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】発光層からの発光強度
に影響を与える因子には、発光層を初めとする発光部の
構成層の不純物量や結晶欠陥密度等により強く影響され
る構成層の結晶品質があることは周知である。
The factors which affect the light emission intensity from the light emitting layer include those of the light emitting layer and other constituent layers of the light emitting portion which are strongly influenced by the amount of impurities, crystal defect density, and the like. It is well known that there is crystal quality.

【0007】縦しんば、下部クラッド層を含むDH発光
部の構成層を、基板との格子不整合性を緩和するための
低温緩衝層上に堆積したところで、格子不整合基板との
不整合性を充分に緩和するに至っていないのが現状であ
る。即ち、従来の技術では、サファイア等の基板と低温
緩衝層との接合界面で格子の不整合性に起因して発生す
る、ミスフィット転位や結晶欠陥の発光部構成層への伝
搬を充分に回避出来ず、従って、構成層の結晶性を充分
に向上させるに支障を来している。
In the vertical direction, when the constituent layers of the DH light emitting portion including the lower cladding layer are deposited on the low-temperature buffer layer for reducing the lattice mismatch with the substrate, the mismatch with the lattice mismatch substrate is sufficiently improved. At present, it has not been eased. That is, in the conventional technology, the propagation of misfit dislocations and crystal defects to the light emitting portion constituting layer caused by lattice mismatch at the bonding interface between the substrate such as sapphire and the low-temperature buffer layer is sufficiently avoided. Therefore, there is a problem in sufficiently improving the crystallinity of the constituent layers.

【0008】この発光部構成層の結晶性の向上を阻害す
る従来技術の不都合を誘引する、主たる原因は、低温緩
衝層上にその成膜温度より高温で構成層を成膜するため
に、低温緩衝層を高温に曝す際に、低温緩衝層が損失す
ることにある。即ち、低温緩衝層の損失により、格子不
整合の関係にある基板表面が露呈することにある。
The main cause of the inconvenience of the prior art, which hinders the improvement of the crystallinity of the light emitting portion constituent layer, is that the constituent layer is formed on the low temperature buffer layer at a temperature higher than the film forming temperature. Exposure of the buffer layer to high temperatures results in loss of the low temperature buffer layer. In other words, the loss of the low-temperature buffer layer exposes the substrate surface that has a lattice mismatch.

【0009】係る状況下で低温緩衝層上に育成された発
光部構成層、例えば、下部クラッド層の結晶品質も、格
子不整合性に基づく結晶欠陥の伝搬により、当然のこと
ながら劣悪なものとなる。従って、例えば、下部クラッ
ド層に接合する発光層の全面に素子動作電流を拡散させ
る場合に、結晶欠陥の存在により電流の広範囲に亘る拡
散が果たされず、発光領域の拡張が充分に成されない問
題がある。
Under such circumstances, the crystal quality of the light-emitting portion constituting layer grown on the low-temperature buffer layer, for example, the lower cladding layer, is naturally deteriorated due to propagation of crystal defects based on lattice mismatch. Become. Therefore, for example, when the device operating current is diffused over the entire surface of the light emitting layer bonded to the lower clad layer, the problem that the current does not spread over a wide range due to the presence of crystal defects and the light emitting region is not sufficiently expanded. is there.

【0010】低温緩衝層上に堆積される発光部構成層の
結晶性は、低温緩衝層の、発光部構成層と単結晶基板と
の格子の不整合性を緩和する能力に依存している。発光
領域を拡張させる手段に依って、高輝度の窒化物半導体
発光素子の獲得を意図する場合、従って、低温緩衝層上
に単に、発光層との接合面側の表層領域を高キャリア濃
度としたn形クラッド層を積層しただけでは充分な施策
とは成り難いものとなっている。
[0010] The crystallinity of the light emitting portion constituting layer deposited on the low temperature buffer layer depends on the ability of the low temperature buffer layer to reduce lattice mismatch between the light emitting portion constituting layer and the single crystal substrate. If it is intended to obtain a high-brightness nitride semiconductor light-emitting device by means of expanding the light-emitting region, therefore, the surface layer region on the bonding surface side with the light-emitting layer has a high carrier concentration simply on the low-temperature buffer layer. It is difficult to achieve a sufficient measure only by stacking the n-type cladding layers.

【0011】本発明が課題とするところは、素子動作電
流を発光層の広範囲に拡散させるに有効な構成から成る
発光部を結晶性に優れるIII 族窒化物半導体結晶層から
形成するに適する、特に緩衝層についての構成要件を明
確とすることにある。
An object of the present invention is to form a light emitting portion having a structure effective for diffusing an element operating current in a wide range of a light emitting layer from a group III nitride semiconductor crystal layer having excellent crystallinity, particularly It is to clarify the constituent requirements for the buffer layer.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、結晶性
に優れる発光部構成層を与える要件を備えた低温緩衝層
を提供し、該緩衝層上に、素子動作電流の拡散性に優れ
る構成のクラッド層を敷設して、発光面積を拡張するこ
とにより、高輝度の窒化物半導体発光素子を得ることを
目的としている。
That is, the present invention provides a low-temperature buffer layer having a requirement to provide a light-emitting portion constituting layer having excellent crystallinity, and has excellent diffusion of an element operating current on the buffer layer. It is an object of the present invention to obtain a high-luminance nitride semiconductor light-emitting device by laying a clad layer having the above structure and expanding a light-emitting area.

【0013】この目的を達成するための本発明にあっ
て、請求項1に記載の発明に係わる窒化物半導体発光素
子は、単結晶基板と、該単結晶基板上に堆積された、該
単結晶基板との接合界面近傍の領域が主に単結晶から構
成され、その上方に六方晶相結晶と立方晶相結晶とが共
存する領域を含む、III 族窒化物半導体からなる緩衝層
と該緩衝層に接合して堆積された、アンドープのn形II
I 族窒化物半導体から成るアンドープ結晶層と、該アン
ドープ結晶層上に堆積された、n形不純物をドーピング
し、該アンドープ結晶層よりもキャリア濃度を大とする
n形III 族窒化物半導体から成るドーピング結晶層と、
該ドーピング結晶層上に堆積された、多相構造発光層の
主体相よりもキャリア濃度が高いn形III 族窒化物半導
体から成る高キャリア濃度結晶層と、該高キャリア濃度
結晶層に接合して堆積された、インジウム組成比を相違
する主体相と従属相から構成される、多相構造のn形の
インジウム含有III 族化合物半導体からなる多相構造発
光層と該多相構造発光層の上に形成されたIII 族窒化物
半導体からなるp形クラッド層とを具備するものであ
る。
According to the present invention for achieving this object, a nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention includes a single crystal substrate and the single crystal deposited on the single crystal substrate. A buffer layer comprising a group III nitride semiconductor and a buffer layer comprising a group III nitride semiconductor including a region in which a region near a bonding interface with a substrate is mainly composed of a single crystal and including a region in which a hexagonal phase crystal and a cubic phase crystal coexist thereabove; Undoped n-type II deposited in contact with
An undoped crystal layer made of a group I nitride semiconductor, and an n-type group III nitride semiconductor deposited on the undoped crystal layer and doped with an n-type impurity and having a carrier concentration higher than that of the undoped crystal layer. A doping crystal layer;
A high carrier concentration crystal layer made of an n-type group III nitride semiconductor having a higher carrier concentration than the main phase of the multi-phase structure light emitting layer deposited on the doping crystal layer; A multi-phase structure luminescent layer composed of an n-type indium-containing group III compound semiconductor having a multi-phase structure and composed of a main phase and a dependent phase having different indium composition ratios deposited thereon and the multi-phase structure luminescent layer. And a formed p-type clad layer made of a group III nitride semiconductor.

【0014】また、請求項2に記載の発明に係わる窒化
物半導体発光素子は、請求項1の発明に加えて、前記の
多相構造発光層とp形クラッド層との中間に、n形のII
I 族窒化物半導体結晶からなるn形介在層を配置したこ
とを特徴とするものである。また、請求項3に記載の発
明に係わる窒化物半導体発光素子は、請求項2の発明に
加えて、前記n形介在層が、前記多相構造発光層を構成
する主体相との伝導帯側のバンド不連続性を0.3エレ
クトロンボルト(eV)以上で1.0eV以下とし、キ
ャリア濃度を5×1017cm-3以下とするn形のIII 族
窒化物半導体結晶からなることを特徴とするものであ
る。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention, wherein an n-type light emitting device is provided between the multi-phase light emitting layer and the p-type cladding layer. II
An n-type intervening layer made of a group I nitride semiconductor crystal is provided. According to a third aspect of the present invention, in the nitride semiconductor light emitting device according to the second aspect of the present invention, the n-type intermediate layer has a conduction band side with a main phase constituting the multiphase structure light emitting layer. Is made of an n-type group III nitride semiconductor crystal having a band discontinuity of not less than 0.3 electron volts (eV) and not more than 1.0 eV and a carrier concentration of not more than 5 × 10 17 cm -3. Is what you do.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明に係わる窒化物半導体発光
素子の各構成層は、主に有機金属化学気相成長法(MO
CVD法)によって形成される。本願の請求項1に記載
の発明に係わる第1の実施形態に記す緩衝層の第1の特
徴は、基板との接合表面近傍の領域を主に単結晶から構
成していることにある。従来の低温緩衝層の如く、非晶
質或いは多結晶を含む非晶質から構成するとするAlC
Ga1-C N(0≦C≦1)からなる低温緩衝層とは、構
成要件を異にする(特開平2−229476号公報明細
書参照)。従来の非晶質体に比べて、単結晶体では構成
原子の相互の結合力が強いからである。従って、本実施
形態の如く、III 族窒化物半導体結晶層の被堆積面とな
る基板の表面を単結晶層で被覆しておけば、より高温に
暴露された際にも、III 族窒化物半導体結晶層とは格子
整合の関係にはない基板の表面が露呈される確率が少な
くなる。即ち、基板材料とIII 族窒化物半導体結晶との
格子ミスマッチを緩和する作用がより確実に達成でき、
結晶性に優れるIII 族窒化物半導体結晶層を得るに貢献
できる。基板結晶との接合界面近傍が単結晶領域である
か否かは一般的に透過型電子顕微鏡(TEM)による格
子像観察などの手法により確認できる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Each constituent layer of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is mainly made of metal organic chemical vapor deposition (MO).
(CVD method). A first feature of the buffer layer described in the first embodiment according to the invention described in claim 1 of the present application is that a region near a bonding surface with a substrate is mainly formed of a single crystal. Al C which is made of amorphous or amorphous including polycrystal like conventional low temperature buffer layer
It differs from the low-temperature buffer layer made of Ga 1 -C N (0 ≦ C ≦ 1) in its constituent requirements (see JP-A-2-229476). This is because a single crystal has a stronger mutual bonding force of constituent atoms than a conventional amorphous body. Therefore, if the surface of the substrate on which the group III nitride semiconductor crystal layer is to be deposited is covered with a single crystal layer as in the present embodiment, even when the substrate is exposed to a higher temperature, the group III nitride semiconductor The probability of exposing the surface of the substrate that is not in a lattice matching relationship with the crystal layer is reduced. That is, the effect of relaxing the lattice mismatch between the substrate material and the group III nitride semiconductor crystal can be more reliably achieved,
This can contribute to obtaining a group III nitride semiconductor crystal layer having excellent crystallinity. Whether or not the vicinity of the bonding interface with the substrate crystal is a single crystal region can be generally confirmed by a technique such as lattice image observation using a transmission electron microscope (TEM).

【0016】本発明に係わる緩衝層は、従来通り、窒化
アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlX GaY
1-X-Y N:0≦X≦1、0≦Y≦1、0.7≦X+Y
≦1)から構成できる。インジウム(In)の組成比は
0.3以下に抑制するのが望ましい。高インジウム組成
比では、インジウムの液滴の発生に因り、層の平坦性が
損なわれるからである。この様な材料から、単結晶基板
との接合界面近傍の領域を主に単結晶とする緩衝層を構
成する手段は、本発明者により既に開示されている(特
開平10−22224号公報明細書参照)。緩衝層の成
膜温度としては、約400℃から500℃前後が好まし
い。層厚は、約5nm〜30nmの範囲とするのが望ま
しい。約5nm未満の薄層では、そもそも連続性に欠
け、基板表面を充分に被覆する至らない場合がある。約
30〜50nmを越える厚膜となると、頂部を角錐状と
する柱状(カラム状)結晶の生育が盛んとなり、このた
め、上層の表面の平坦性を削ぐ結果を招く。
The buffer layer according to the present invention is made of aluminum / gallium / indium nitride (Al x Ga y I
n 1-XY N: 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0.7 ≦ X + Y
.Ltoreq.1). It is desirable that the composition ratio of indium (In) be suppressed to 0.3 or less. This is because a high indium composition ratio impairs the flatness of the layer due to the generation of indium droplets. Means for constructing a buffer layer mainly composed of a single crystal in a region near a bonding interface with a single crystal substrate from such a material has already been disclosed by the present inventor (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-22224). reference). The temperature for forming the buffer layer is preferably about 400 ° C. to about 500 ° C. The layer thickness is desirably in the range of about 5 nm to 30 nm. A thin layer having a thickness of less than about 5 nm lacks continuity in the first place and may not sufficiently cover the substrate surface. When the thickness exceeds about 30 to 50 nm, columnar (column-shaped) crystals having a pyramid at the top become vigorous, which results in the flatness of the surface of the upper layer being reduced.

【0017】本発明の緩衝層の第2の特徴は、緩衝層内
の接合界面近傍の領域の上方に、立方晶からなる結晶相
と六方晶からなる結晶相とが共存する領域(異相結晶共
存領域)を設けていることにある。図6は、本発明の緩
衝層の一例を、(0001)−サファイア基板10上に
堆積した窒化ガリウム(GaN)緩衝層20について、
上記の共存の形態を示すために掲げる、断面TEM(透
過電子顕微鏡)像の模写図である。基板10との接合界
面10a近傍の領域10bは上記した様に主に単結晶か
ら構成されている。領域10bの層厚は、1〜数格子の
厚さに相当する数nm程度から、緩衝層20の層厚の約
半分に相当する場合がある。立方晶からなる結晶相C
は、閃亜鉛鉱(zinc−blend)型等の立方晶
(cubic)結晶から構成されている。六方晶からな
る結晶相Hは、ウルツ鉱(wurzite)型の六方晶
(hexagonal)結晶からなる相(phase或
いはdomain)である。結晶相C及び結晶相Hは、
互いに隣接して異相結晶共存領域W1を成している場合
もある。また、本発明が好ましいとする、結晶相Cと結
晶相Hとが交互に重層して異相結晶領域W2を形成して
いる場合もある。W2が好ましいとする主たる理由は、
それらの相C、Hの交互の重層構造からは、格子の歪み
を緩和する作用が発揮できるからである。結晶相Cと結
晶相Hとの異相が重層する界面では、立方晶格子の[1
11]方向に主に積層欠陥が発生し易く、この結晶欠陥
が格子歪などの緩和に効力を示すからである。
A second feature of the buffer layer of the present invention is that a region in which a cubic crystal phase and a hexagonal crystal phase coexist above a region near a bonding interface in the buffer layer (heterophase crystal coexistence). Region). FIG. 6 shows an example of the buffer layer of the present invention with respect to a gallium nitride (GaN) buffer layer 20 deposited on a (0001) -sapphire substrate 10.
It is a mimetic diagram of a section TEM (transmission electron microscope) image given in order to show the form of the above coexistence. The region 10b near the bonding interface 10a with the substrate 10 is mainly made of a single crystal as described above. The layer thickness of the region 10b may be about several nm corresponding to the thickness of one to several lattices, and may correspond to about half of the layer thickness of the buffer layer 20. Crystal phase C consisting of cubic
Is composed of a cubic crystal such as a zinc-blend type. The crystal phase H composed of a hexagonal crystal is a phase composed of a wurtzite-type hexagonal crystal (phase or domain). The crystal phase C and the crystal phase H are
There may be a case where a heterophase coexistence region W1 is formed adjacent to each other. Further, there may be a case where the crystal phase C and the crystal phase H are alternately layered to form the hetero-phase crystal region W2, which is preferable for the present invention. The main reason that W2 is preferred is that
This is because the alternating multilayer structure of the phases C and H can exert an effect of alleviating lattice distortion. At the interface where different phases of the crystal phase C and the crystal phase H are layered, [1] of the cubic lattice
This is because stacking faults tend to occur mainly in the [11] direction, and these crystal defects are effective in alleviating lattice distortion and the like.

【0018】上記の異相結晶共存領域W1、W2にあっ
て、特に、歪等の緩和に効果がある領域W2を構成する
には、緩衝層20の成膜時に、III 族構成元素の原料に
対するV族元素原料の供給比率、所謂、V/III 比率を
精密に制御する必要がある。特に、V/III 比率を例え
ば、1.5×104 以上の高比率側に設定する必要があ
る。1〜2×103 程度の低比率側では、例えば、ガリ
ウム(Ga)の液滴が発生し易く、このGaの液滴を介
して六方晶の窒化物半導体結晶が生育し易い事態となる
からである。
In order to form the region W2 in the coexisting regions W1 and W2, which is particularly effective in alleviating strain and the like, the V of the group III constituent element must be reduced when the buffer layer 20 is formed. It is necessary to precisely control the supply ratio of the group element raw material, that is, the so-called V / III ratio. In particular, it is necessary to set the V / III ratio on the high ratio side of, for example, 1.5 × 10 4 or more. On the low ratio side of about 1 to 2 × 10 3 , for example, gallium (Ga) droplets are likely to be generated, and a hexagonal nitride semiconductor crystal is likely to grow through the Ga droplets. It is.

【0019】また図7は、本願発明の第1の実施形態に
係わる、上記の緩衝層20と該緩衝層20上に堆積した
アンドープ結晶層、ドーピング結晶層および高キャリア
濃度層からなるn形クラッド層30の内部構成を概念的
に示す断面図である。緩衝層20上に堆積するn形下部
クラッド層30にあって、緩衝層20との接合を成す領
域には、不純物を故意に添加(doping)しないn
形のIII 族窒化物半導体から成るアンドープ(undo
pe)結晶層30aを配置する。例えば、代表的なn形
不純物である珪素(Si)を高濃度にドーピングしたII
I 族窒化物半導体結晶層を、緩衝層20に直接、接合さ
せて設けると、Siの緩衝層20内への取り込まれに因
る緩衝層20の収縮に因り、緩衝層20に亀裂が発生す
る不具合が生ずる。亀裂の発生に因り、連続性を喪失し
た緩衝層20上には、連続性のある成長層は堆積されな
い。連続性に欠けるクラッド層では、素子動作電流の通
流抵抗が増大し、よって、発光領域の拡張をもたらすに
有効である素子動作電流の拡張が充分に達成できず不都
合となる。係る事態を回避するため、本発明では上記の
如く、Si等の不純物をドーピングしていない、アンド
ープのn形III 族窒化物半導体結晶層30aを緩衝層2
0上の第1の堆積層として配置するものである。
FIG. 7 shows an n-type clad comprising the buffer layer 20 and an undoped crystal layer, a doped crystal layer and a high carrier concentration layer deposited on the buffer layer 20 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view conceptually showing an internal configuration of a layer 30. In the n-type lower cladding layer 30 deposited on the buffer layer 20, a region where the junction with the buffer layer 20 is formed is not intentionally doped with an impurity.
Undoped layer of a group III nitride semiconductor
pe) The crystal layer 30a is arranged. For example, high concentration doped silicon (Si), which is a typical n-type impurity, II
When the group I nitride semiconductor crystal layer is provided directly in contact with the buffer layer 20, cracks are generated in the buffer layer 20 due to shrinkage of the buffer layer 20 due to incorporation of Si into the buffer layer 20. Failure occurs. A continuous growth layer is not deposited on the buffer layer 20 that has lost continuity due to the generation of cracks. In the case of the cladding layer lacking continuity, the flow resistance of the device operating current increases, and therefore, the expansion of the device operating current, which is effective for expanding the light emitting region, cannot be sufficiently achieved, which is disadvantageous. In order to avoid such a situation, according to the present invention, as described above, the undoped n-type group III nitride semiconductor crystal layer 30a not doped with impurities such as Si is used as the buffer layer 2.
0 as the first deposited layer.

【0020】基板10との接合界面10a近傍の領域を
単結晶領域から構成して、基板表面の露呈を防止するた
めの施策が施され、また、内部に格子歪などを吸収、緩
和できる異相結晶共存領域W1、W2を備えた緩衝層2
0と、該緩衝層20上に緩衝層20に接合して設けたア
ンドープn形III 族窒化物半導体結晶層30aとの上に
は、結晶性に特に優れるIII 族窒化物半導体結晶層が堆
積できる。アンドープ結晶層30aの層厚は、後述する
ドーピング結晶層30bよりも薄くするのが望ましい。
ドーピング結晶層30bに比べて厚くすると、素子動作
電流の通流抵抗の増大を招きかねないからである。ドー
ピング結晶層30bの層厚を大凡、2〜5μmとするに
対し、アンドープ結晶層30aの層厚は概して、2μm
未満に留めておくのが望ましく、1μm前後の層厚が好
適である。
The region near the bonding interface 10a with the substrate 10 is constituted by a single crystal region, and measures are taken to prevent the surface of the substrate from being exposed. Buffer layer 2 provided with coexistence regions W1 and W2
0 and the undoped n-type group III nitride semiconductor crystal layer 30a provided on the buffer layer 20 and bonded to the buffer layer 20, a group III nitride semiconductor crystal layer having particularly excellent crystallinity can be deposited. . It is desirable that the thickness of the undoped crystal layer 30a be smaller than that of a later-described doped crystal layer 30b.
This is because if the thickness is larger than the doping crystal layer 30b, the flow resistance of the device operating current may increase. While the thickness of the doped crystal layer 30b is approximately 2 to 5 μm, the thickness of the undoped crystal layer 30a is generally 2 μm.
It is desirable to keep the thickness below about 1 μm, and a layer thickness of about 1 μm is suitable.

【0021】次に、図7に示す如く、アンドープIII 族
窒化物半導体結晶層30a上には、n形不純物をドーピ
ングしたn形のドーピング結晶層30bを堆積する。低
温で堆積した緩衝層20の場合とは異なり、より高温の
通常は約1000℃前後で成膜するアンドープ結晶層3
0aの表面は、1×1018cm-3から1×1019cm-3
程度のキャリア濃度をもたらすSiをドーピングしたド
ーピング結晶層30bを堆積する場合にも、浸食される
ことが希有である。従って、導電性に優れる結晶層が堆
積できる。特に、アンドープ結晶層30aのキャリア濃
度を越えて、高いキャリア濃度を有するドーピング結晶
層30bは、本実施形態の緩衝層20及びアンドープ結
晶層30a上に堆積されるが故の優れた結晶性と相俟っ
て、低接触抵抗のn形オーミック(Ohmic)電極を
もたらすに寄与できる。
Next, as shown in FIG. 7, an n-type doping crystal layer 30b doped with an n-type impurity is deposited on the undoped group III nitride semiconductor crystal layer 30a. Unlike the case of the buffer layer 20 deposited at a low temperature, the undoped crystal layer 3 formed at a higher temperature, usually around about 1000 ° C.
The surface of Oa is 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3.
Even when depositing the doping crystal layer 30b doped with Si that provides a certain carrier concentration, erosion is rare. Therefore, a crystal layer having excellent conductivity can be deposited. In particular, the doped crystal layer 30b having a high carrier concentration exceeding the carrier concentration of the undoped crystal layer 30a has excellent crystallinity and phase due to being deposited on the buffer layer 20 and the undoped crystal layer 30a of the present embodiment. In addition, it can contribute to providing an n-type ohmic electrode having low contact resistance.

【0022】さらに本発明の第1の実施形態では、ドー
ピング結晶層30b上に、高キャリア濃度結晶層30c
を設ける構成としている。当該高キャリア濃度結晶層3
0cのキャリア濃度は、高キャリア濃度結晶層30c上
に堆積する多相構造の発光層40の主体相Sのキャリア
濃度を越えるものとする。発光層40の直下に主体相S
のキャリア濃度を上回る高キャリア濃度の低抵抗の結晶
層30cを配置すれば、発光層40の広範囲に亘り、素
子動作電流を拡散させることができる。即ち、発光面積
(領域)の拡張がもたらされる効果が得られる。多相構
造の発光層40は、インジウム組成比を相違する主体相
Sと複数の従属相Tとから構成されている。従属相Tは
微結晶体の体をなして、主体相S内に散在しているのが
通例である。また、高キャリア濃度結晶層30cとの接
触面は全んど主体相Sが占有する状態となっている。従
って、高キャリア濃度結晶層30cのキャリア濃度は主
体相Sのキャリア濃度を基準として決定する。
Further, in the first embodiment of the present invention, the high carrier concentration crystal layer 30c is formed on the doping crystal layer 30b.
Is provided. The high carrier concentration crystal layer 3
The carrier concentration of 0c is assumed to exceed the carrier concentration of the main phase S of the light emitting layer 40 having a multi-phase structure deposited on the high carrier concentration crystal layer 30c. The main phase S is directly under the light emitting layer 40.
By disposing the low-resistance crystal layer 30c having a high carrier concentration exceeding the carrier concentration of the above, the device operating current can be diffused over a wide range of the light emitting layer 40. That is, an effect of extending the light emitting area (region) is obtained. The light emitting layer 40 having a multiphase structure is composed of a main phase S having a different indium composition ratio and a plurality of subordinate phases T. The dependent phase T is usually in the form of microcrystals and is scattered in the main phase S. The contact surface with the high carrier concentration crystal layer 30c is in a state where the main phase S occupies the whole. Therefore, the carrier concentration of the high carrier concentration crystal layer 30c is determined based on the carrier concentration of the main phase S.

【0023】高キャリア濃度結晶層30cを、約1×1
20cm-3を越える高キャリア濃度のIII 族窒化物半導
体結晶層から構成する必要がある場合、不必要に層厚を
増加させるのは避ける。層厚を増加させると、表面状態
の劣化を招くからである。層厚は概ね、2nm以上で約
20nm以下とするのが望ましい。
The high carrier concentration crystal layer 30c is formed in about 1 × 1
When it is necessary to form a group III nitride semiconductor crystal layer having a high carrier concentration exceeding 0 20 cm -3 , unnecessary increase in the layer thickness is avoided. This is because an increase in the layer thickness causes deterioration of the surface state. It is desirable that the layer thickness be approximately 2 nm or more and about 20 nm or less.

【0024】高キャリア濃度結晶層30cは、n形Al
X GaY In1-X-Y N(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦
X+Y≦1)から構成できる。また、窒化砒化ガリウム
(GaN1-D AsD :0≦D<1)等の一般式AlX
Y In1-X-Y1-DD (0≦X≦1、0≦Y≦1、
0≦X+Y≦1、0≦D<1でQは窒素以外の第V族元
素)で表されるn形のIII 族窒化物半導体材料から構成
できる。特に、多相構造発光層40を構成する主体相S
と略同一の材料から構成された高キャリア濃度結晶層3
0cは、高キャリア濃度結晶層と発光層の相互の良好な
格子整合性に依り、ミスフィット(mis−fit)転
位などの結晶欠陥の少ない優れた品質の結晶層となり、
電流拡散層として有効に作用するものとなる。また、高
キャリア濃度結晶層30cは、主体相Sより小さい禁止
帯幅の材料から構成するのは好ましくない。従って、上
記の材料の構成元素の組成比は、この禁止帯幅の大小関
係を保つために自ずと限定される。高キャリア濃度結晶
層30cは、ドーピング結晶層30bよりも禁止帯幅が
小であり、好ましくは、主体相Sの構成材料との伝導帯
側の不連続性(オフセット)を約0.2eV以下とする
材料から構成するのが好ましい。
The high carrier concentration crystal layer 30c is made of n-type Al
X Ga Y In 1-XY N (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦
X + Y ≦ 1). Also, a general formula such as gallium arsenide nitride (GaN 1-D As D : 0 ≦ D <1) such as Al X G
a Y In 1-XY N 1 -D Q D (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,
It can be composed of an n-type group III nitride semiconductor material represented by 0 ≦ X + Y ≦ 1, 0 ≦ D <1, and Q is a group V element other than nitrogen). In particular, the main phase S constituting the multi-phase structure light emitting layer 40
High carrier concentration crystal layer 3 made of substantially the same material as
0c is a crystal layer of excellent quality with few crystal defects such as mis-fit dislocations due to mutual good lattice matching between the high carrier concentration crystal layer and the light emitting layer;
This effectively acts as a current spreading layer. Further, it is not preferable that the high carrier concentration crystal layer 30c be made of a material having a band gap smaller than the main phase S. Therefore, the composition ratio of the constituent elements of the above-mentioned materials is naturally limited in order to maintain the magnitude relation of the band gap. The high carrier concentration crystal layer 30c has a smaller band gap than the doping crystal layer 30b, and preferably has a conduction band discontinuity (offset) with the constituent material of the main phase S of about 0.2 eV or less. It is preferred to be composed of a material that is

【0025】図8(b)は、n形クラッド層30を構成
する各構成層30a、30b、30cの伝導帯CB側の
ポテンシャル構成を概念的に説明するためのダイヤグラ
ムである。図8(a)には、上記の各構成層間のキャリ
ア濃度CCa,CCb、CCcの大小関係を主体相Sの
キャリア濃度CCsと共に示す。アンドープ結晶層30
aとドーピング結晶層30bとは、それぞれの禁止帯幅
(ΔEg)a、(ΔEg)bを同一とするIII 族窒化物
半導体材料から構成しても差し支えはない。但し、ドー
ピング結晶層30bのキャリア濃度CCbは、アンドー
プ結晶層30aのキャリア濃度CCaよりも大である、
即ち、CCb>CCaの大小関係を保持する必要があ
る。高キャリア濃度結晶層30cは、ドーピング結晶層
30bのキャリア濃度CCbよりも大とするキャリア濃
度CCcを保有し(CCc>CCb)、且つ、高キャリ
ア濃度結晶層30cの禁止帯幅(ΔEg)cがドーピン
グ結晶層30bの禁止帯幅(ΔEg)bよりも小さい
((ΔEg)c<(ΔEg)b)かあるいは両者は等し
くし((ΔEg)c=(ΔEg)b)、また、禁止帯幅
を(ΔEg)sとする主体相Sに対して約0.2eV以
下の低い伝導帯CB側のバンドオフセットOFを発生さ
せる材料から構成するのが好ましい。
FIG. 8B is a diagram for conceptually explaining the potential structure on the conduction band CB side of each of the constituent layers 30a, 30b and 30c constituting the n-type clad layer 30. FIG. 8A shows the magnitude relationship between the carrier concentrations CCa, CCb, and CCc between the constituent layers, together with the carrier concentration CCs of the main phase S. Undoped crystal layer 30
a and the doping crystal layer 30b may be made of a group III nitride semiconductor material having the same forbidden band width (ΔEg) a and (ΔEg) b. However, the carrier concentration CCb of the doping crystal layer 30b is higher than the carrier concentration CCa of the undoped crystal layer 30a.
That is, it is necessary to hold the magnitude relationship of CCb> CCa. The high carrier concentration crystal layer 30c has a carrier concentration CCc higher than the carrier concentration CCb of the doping crystal layer 30b (CCc> CCb), and the forbidden band width (ΔEg) c of the high carrier concentration crystal layer 30c is small. The forbidden band width (ΔEg) b of the doping crystal layer 30b is smaller ((ΔEg) c <(ΔEg) b) or equal to both ((ΔEg) c = (ΔEg) b). It is preferable to use a material that generates a band offset OF on the conduction band CB side lower than the main phase S of (ΔEg) s by about 0.2 eV or less.

【0026】従って、上記の第1の実施形態に則る、n
形クラッド層30の最も好ましい構成は、緩衝層20と
発光層40との間に、キャリア濃度を相違するアンドー
プ結晶層、ドーピング結晶層および高キャリア濃度層か
らなる少なくとも3層を、緩衝層20側から発光層40
に向けて、順次、キャリア濃度が大となる様に積層され
た構成からなり、同時に、前記少なくとも3層の禁止帯
幅(ΔEg)a、(ΔEg)b、(ΔEg)cをその方
向に、キャリア濃度の場合とは逆に順次、等しいか或い
は小となる様にした構成である。纏めれば、キャリア濃
度CCa,CCb.CCcを少なくとも3段階に変化さ
せ、併せて禁止帯幅をキャリア濃度の増加とは逆に縮小
させた構成から成すものであって、単にキャリア濃度を
相違する3層を単純に積層した構成とはしていない(U
nited State Patent 5、729、
029参照)。なお、第1の実施形態では、高キャリア
濃度結晶層30c上には、該高キャリア濃度結晶層に接
合して、インジウム組成比を相違する主体相と従属相か
ら構成される、多相構造のn形のインジウム含有III 族
化合物半導体からなる多相構造発光層40を堆積し、さ
らに多相構造発光層の上に、III 族窒化物半導体からな
るp形クラッド層60を堆積することにより、pn接合
型のダブルヘテロ構造の発光部を構成する。これによ
り、高出力の窒化物半導体発光素子を得ることができ
る。
Therefore, according to the first embodiment, n
The most preferable configuration of the shaped cladding layer 30 is that at least three layers composed of an undoped crystal layer, a doped crystal layer and a high carrier concentration layer having different carrier concentrations are provided between the buffer layer 20 and the light emitting layer 40. From the light emitting layer 40
And at the same time, the forbidden band widths (ΔEg) a, (ΔEg) b, and (ΔEg) c of the at least three layers are set in the direction, Contrary to the case of the carrier concentration, the configuration is such that it becomes equal or lower sequentially. In summary, the carrier concentrations CCa, CCb. CCc is changed in at least three steps, and the band gap is reduced in contrast to the increase in the carrier concentration. The simple structure in which three layers having different carrier concentrations are simply laminated is different from that in the first embodiment. Not (U
nighted State Patent 5,729,
029). In the first embodiment, on the high carrier concentration crystal layer 30c, a multi-phase structure composed of a main phase and a sub phase having different indium composition ratios is joined to the high carrier concentration crystal layer. By depositing a multi-phase light emitting layer 40 made of an n-type indium-containing group III compound semiconductor and further depositing a p-type cladding layer 60 made of a group III nitride semiconductor on the multi-phase light emitting layer, A light emitting section having a junction type double hetero structure is formed. Thereby, a high output nitride semiconductor light emitting device can be obtained.

【0027】本願の請求項2または3に記載の発明に係
わる第2の実施形態では、図9に示すように、多相構造
発光層40とp形クラッド層60との中間にn形のIII
族窒化物半導体結晶からなるn形介在層50を介在した
構成とするのが好ましい。n形介在層50は、その禁止
帯幅を多相構造発光層40の主体相Sの禁止帯幅(ΔE
g)sより大とするIII 族窒化物半導体材料から構成す
る。
In the second embodiment according to the second or third aspect of the present invention, as shown in FIG. 9, an n-type III layer is provided between the multi-phase structure light emitting layer 40 and the p-type cladding layer 60.
It is preferable to adopt a configuration in which an n-type intervening layer 50 made of a group III nitride semiconductor crystal is interposed. The n-type intervening layer 50 has the band gap of the main phase S of the multi-phase structure light emitting layer 40 (ΔE
g) A group III nitride semiconductor material larger than s.

【0028】主体相Sより禁止帯幅を大とするIII 族窒
化物半導体材料からn形介在層50を構成すれば、多相
構造発光層40から出射される発光を吸収せずに外部へ
効率良く放出させられる。しかし、禁止帯幅を極端に大
とする材料からn形介在層50を構成すると、発光層4
0から放射される発光を外部へ透過させるには好都合と
なるが、順方向電圧を徒に増加させる不都合を来す。従
って、発光層40内へのキャリアの「閉じ込め」をも勘
案すると、n形介在層50は、主体相Sに対して伝導帯
CB側のバンド不連続性(バンドのオフセット量)を望
ましくは0.2eV以上で2eV未満とし、好ましく
は、0.3eV以上で1.0eV以下とするIII 族窒化
物半導体材料から構成するのがよい。なお、伝導帯CB
側のバンドのオフセット(off−set)量OFn
は、n形介在層50を構成する材料の禁止帯幅と多相構
造発光層の主体相の禁止帯幅の差に伝導帯CB側のオフ
セット率を乗じて求められる(Mat.Res.So
c.Symp.Proc.,Vol.395(199
6)、123〜134頁参照)。
If the n-type intervening layer 50 is made of a group III nitride semiconductor material having a band gap larger than that of the main phase S, the light emitted from the multi-phase structured light emitting layer 40 is not absorbed but efficiently emitted to the outside. Released well. However, if the n-type intervening layer 50 is made of a material having an extremely large band gap, the light emitting layer 4
Although it is convenient to transmit the light emitted from 0 to the outside, it disadvantageously increases the forward voltage. Therefore, considering the “confinement” of carriers in the light emitting layer 40, the n-type intervening layer 50 reduces the band discontinuity (band offset amount) on the conduction band CB side with respect to the main phase S, preferably to zero. It is preferably made of a group III nitride semiconductor material having a voltage of not less than 2 eV and less than 2 eV, preferably, not less than 0.3 eV and not more than 1.0 eV. The conduction band CB
(Off-set) amount OFn of the side band
Is obtained by multiplying the difference between the band gap of the material constituting the n-type intermediate layer 50 and the band gap of the main phase of the multi-phase structure light emitting layer by the offset ratio on the conduction band CB side (Mat. Res. So).
c. Symp. Proc. , Vol. 395 (199
6), pages 123 to 134).

【0029】また、n形介在層50は、そのキャリア濃
度を主体相Sのキャリア濃度CCs以下とする、高純度
で低キャリア濃度の薄層から構成する。n形介在層50
のキャリア濃度は、好ましくは5×1017cm-3以下と
する。適する層厚は、約2nm以上で約20nm以下の
範囲である。低キャリア濃度で比較的、抵抗が高いIII
族窒化物半導体層からn形介在層50を構成するため、
層厚が増加すると徒に順方向電圧(所謂、Vf)の増加
や、発光素子の発熱量の増大を招き好ましくない。逆
に、極端に薄層とすると層の連続性が損なわれ、層が断
続的に連なる状況となり、局所的にキャリアの「閉じ込
め」の不完全性を来す不都合がある。n形介在層50
は、窒化アルミニウム・ガリウム(AlX Ga1-X N:
0≦X≦1)やAlX GaY In1-X-Y1-DD (0
≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1、0≦D<1で
Qは窒素以外の第V族元素)から構成できる。
The n-type intermediate layer 50 is composed of a high-purity, low-carrier-concentration thin layer whose carrier concentration is equal to or lower than the carrier concentration CCs of the main phase S. n-type intermediate layer 50
Is preferably 5 × 10 17 cm −3 or less. Suitable layer thicknesses range from about 2 nm to about 20 nm. Relatively high resistance at low carrier concentration III
In order to form the n-type intervening layer 50 from a group III nitride semiconductor layer,
An increase in the layer thickness undesirably causes an increase in the forward voltage (so-called Vf) and an increase in the calorific value of the light emitting element. Conversely, if the layer is extremely thin, the continuity of the layer is impaired, the layers are intermittently connected, and there is an inconvenience that local "confinement" of the carrier is incomplete. n-type intermediate layer 50
Represents aluminum gallium nitride (Al x Ga 1 -x N:
0 ≦ X ≦ 1) or Al X Ga Y In 1-XY N 1-D Q D (0
≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1, 0 ≦ D <1, and Q is a Group V element other than nitrogen).

【0030】n形介在層50は、多相構造発光層40と
の接合界面40aに於ける組成の急峻性を果たして堆積
した場合、多相構造発光層40内の接合界面40a近傍
の領域に、伝導帯CBの低ポテンシャル部LPcを創成
する作用を発揮する。図10はこの状況を説明するため
のポテンシャル構成図である。例えば、成長中断方式の
採用により(光技術共同研究所編、「光電子集積回路の
基礎技術」((株)オーム社、1989年8月20日第
1版第1刷発行)、197〜204頁参照)、接合界面
40aでの組成急峻性が達成されていると、多相構造発
光層40とn形介在層50との接合界面40a近傍の多
相構造発光層40内の領域には、伝導帯CBがフェルミ
レベル(Fermi−level)F側に屈曲してなる
低ポテンシャル領域LPcが形成される。この伝導帯C
B側の低ポテンシャル領域LPcには、n形クラッド層
30側から供給される電子eが捕獲される。この局在し
た電子eの存在により、高効率の放射再結合がもたらさ
れる。
When the n-type intervening layer 50 is deposited with the steepness of the composition at the bonding interface 40 a with the multi-phase structure light emitting layer 40, the n-type intervening layer 50 is formed in a region near the bonding interface 40 a in the multi-phase structure light emitting layer 40. It functions to create the low potential portion LPc of the conduction band CB. FIG. 10 is a potential configuration diagram for explaining this situation. For example, by adopting the growth interruption method (edited by Optical Technology Research Institute, "Basic Technology of Opto-Electronic Integrated Circuits" (Ohm Co., Ltd., August 20, 1989, first edition, first printing), pp. 197-204. If the composition steepness at the bonding interface 40a is achieved, the region in the multi-phase light emitting layer 40 near the bonding interface 40a between the multi-phase light emitting layer 40 and the n-type intervening layer 50 will have conduction. A low potential region LPc is formed in which the band CB is bent to the Fermi-level F side. This conduction band C
Electrons e supplied from the n-type cladding layer 30 are captured in the low potential region LPc on the B side. The presence of this localized electron e results in highly efficient radiative recombination.

【0031】n形クラッド層30側からこの低ポテンシ
ャル領域LPcに効率良く電子eを円滑に導入し蓄積さ
せるには、上述のn形クラッド層30の禁止帯幅を、多
相構造発光層40に向けて順次なだらかに低下させる構
成とするのが好ましい。図10を用いて説明すれば、n
形クラッド層30は、それぞれの禁止帯幅(ΔEg)
a、(ΔEg)b、(ΔEg)cが(ΔEg)c<(Δ
Eg)b<(ΔEg)aの関係を保持するアンドープ結
晶層30a、ドーピング結晶層30bおよび高キャリア
濃度層構成層30cから構成するのが最良である。
In order to efficiently introduce and store the electrons e from the n-type cladding layer 30 side into the low potential region LPc efficiently, the band gap of the n-type cladding layer 30 is set to the multi-phase structure light emitting layer 40. It is preferable to adopt a configuration in which the temperature is gradually decreased toward the surface. Explaining with reference to FIG.
The shape cladding layer 30 has a band gap (ΔEg)
a, (ΔEg) b, (ΔEg) c is (ΔEg) c <(Δ
It is best to include the undoped crystal layer 30a, the doping crystal layer 30b, and the high carrier concentration layer forming layer 30c that maintain the relationship of Eg) b <(ΔEg) a.

【0032】本発明に係わる発光ダイオード(LED)
或いはレーザダイオード(LD)などの発光素子は、上
記の第1あるいは第2の実施形態に記載の構成を備えた
積層構造体に、然るべき加工を施して、n形及びp形オ
ーミック電極を敷設して形成することができる。n形オ
ーミック電極は、上記のドーピング結晶層30b或いは
高キャリア濃度結晶層30cに接触させて設けると、低
接触抵抗のオーミック電極を形成することができる。
Light emitting diode (LED) according to the present invention
Alternatively, for a light emitting element such as a laser diode (LD), an appropriate processing is performed on the laminated structure having the configuration described in the first or second embodiment, and n-type and p-type ohmic electrodes are laid. Can be formed. When the n-type ohmic electrode is provided in contact with the doping crystal layer 30b or the high carrier concentration crystal layer 30c, an ohmic electrode with low contact resistance can be formed.

【0033】[0033]

【作用】請求項1に記載の緩衝層は、基板結晶との界面
近傍の領域を単結晶から構成し、尚且、その上方に結晶
歪を吸収できる異相共存領域を内包させたために、その
上に堆積するn形クラッド層を構成する各層の結晶性を
向上させる作用を果たす。
In the buffer layer according to the first aspect, a region near the interface with the substrate crystal is formed of a single crystal, and a hetero-phase coexisting region capable of absorbing crystal strain is included above the single crystal. It functions to improve the crystallinity of each layer constituting the n-type clad layer to be deposited.

【0034】また、請求項1に記載の、緩衝層に接合す
るアンドープ結晶層は、アンドープのIII 族窒化物半導
体結晶から構成したので、不純物ドーピングに依る緩衝
層の損失を回避する作用を有すると共に、その上に堆積
する結晶層の結晶性を向上させる作用を有する。また、
ドーピング結晶層は、優れた結晶性と適当なキャリア濃
度を有する導電性に優れる低抵抗層であり、低接触抵抗
のn形オーミック電極を形成するに好適となる。
Further, the undoped crystal layer bonded to the buffer layer according to the first aspect is made of an undoped group III nitride semiconductor crystal, so that it has an effect of avoiding loss of the buffer layer due to impurity doping. Has the effect of improving the crystallinity of the crystal layer deposited thereon. Also,
The doping crystal layer is a low-resistance layer having excellent crystallinity and an appropriate carrier concentration and excellent conductivity, and is suitable for forming an n-type ohmic electrode having low contact resistance.

【0035】また、請求項1に記載の、高キャリア濃度
結晶層は、緩衝層およびアンドープ結晶層並びにドーピ
ング結晶層を介して積層したため、結晶性及び導電性の
何れにも優れたものとなり、従って、発光領域(発光面
積)を拡張できる電流拡散層として作用させることがで
きる。
Further, the high carrier concentration crystal layer according to claim 1 is laminated with a buffer layer, an undoped crystal layer, and a doping crystal layer interposed therebetween, so that both the crystallinity and the conductivity are excellent. In addition, it can function as a current diffusion layer capable of expanding a light emitting region (light emitting area).

【0036】請求項2に記載のn形介在層は、多相構造
発光層の伝導帯側に低ポテンシャル領域を形成し、その
低ポテンシャル領域に電子を蓄積する作用を発揮する。
The n-type intermediate layer according to the second aspect has a function of forming a low potential region on the conduction band side of the multi-phase structure light emitting layer and accumulating electrons in the low potential region.

【0037】[0037]

【実施例】(実施例1)以下、本願の請求項1に記載の
発明に係わる第1の実施形態の構成を備えたLEDを作
製する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明す
る。本実施例1のLEDの各構成層は、有機金属化学気
相成長法(MOCVD法)によって形成した。本実施例
1で作製した積層構造体1Bから構成したLED1Aの
平面構造を図1に模式的に示す。また、図2は、図1の
破線A−A’に沿ったLED1Aの中央部の断面構造を
示す模式図である。
EXAMPLES (Example 1) Hereinafter, the content of the present invention will be specifically described by taking as an example a case of manufacturing an LED having the configuration of the first embodiment according to the first aspect of the present invention. I do. Each constituent layer of the LED of Example 1 was formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). FIG. 1 schematically illustrates a planar structure of an LED 1A configured from the laminated structure 1B manufactured in the first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a central portion of the LED 1A along the broken line AA 'in FIG.

【0038】積層構造体1Bは、サファイア(α−Al
23 単結晶)を基板101として構成してある。サフ
ァイア基板101の(0001)表面上には、トリメチ
ルガリウム((CH33 Ga)と液化アンモニアを原
料として、アンドープのGaNからなる緩衝層102を
堆積した。GaN緩衝層102は、成膜温度を430℃
とし、また、V/III 比率を1.6×104 に設定して
常圧(大気圧)MOCVD法で成膜した。これより、サ
ファイア基板101との接合界面101a近傍の領域が
主に単結晶から構成された緩衝層102と成した。ま
た、緩衝層内の単結晶領域の上方には、異相結晶が共存
する領域を内包させてある。層厚を約17nmとする緩
衝層102の上部領域は、主に非晶質領域とした。
The laminated structure 1B is made of sapphire (α-Al
2 O 3 single crystal) is used as the substrate 101. On the (0001) surface of the sapphire substrate 101, a buffer layer 102 made of undoped GaN was deposited using trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) and liquefied ammonia as raw materials. The GaN buffer layer 102 has a deposition temperature of 430 ° C.
The film was formed by normal pressure (atmospheric pressure) MOCVD with the V / III ratio set to 1.6 × 10 4 . Thus, the region near the bonding interface 101a with the sapphire substrate 101 was formed as the buffer layer 102 mainly composed of single crystal. Above the single crystal region in the buffer layer, a region where heterophase crystals coexist is included. The upper region of the buffer layer 102 having a thickness of about 17 nm was mainly an amorphous region.

【0039】緩衝層102上には、キャリア濃度を約3
×1017cm-3とするアンドープのGaN層をn形クラ
ッド層103の第1の構成層103aとして堆積した。
第1の構成層103aは1050℃で成膜し、層厚は
0.8μmとした。この第1の構成層103aはアンド
ープ結晶層に相当する。
On the buffer layer 102, a carrier concentration of about 3
An undoped GaN layer of × 10 17 cm −3 was deposited as the first constituent layer 103 a of the n-type cladding layer 103.
The first constituent layer 103a was formed at 1050 ° C., and the thickness was 0.8 μm. This first constituent layer 103a corresponds to an undoped crystal layer.

【0040】第1の構成層103a上には、第2のn形
クラッド層構成層103bとして、Siをドーピングし
た、キャリア濃度が約4×1018cm-3のn形GaN層
を積層した。このSiドーピング層103bの層厚は約
2.5μmとした。この第2の構成層103bはドーピ
ング結晶層に相当する。
On the first constituent layer 103a, an n-type GaN layer doped with Si and having a carrier concentration of about 4 × 10 18 cm −3 was laminated as a second n-type clad layer constituent layer 103b. The thickness of the Si doping layer 103b was about 2.5 μm. This second constituent layer 103b corresponds to a doping crystal layer.

【0041】引き続いて、第2の構成層103b上に
は、Siのドーピングにより、キャリア濃度を約8×1
19cm-3としたGaNから成る高キャリア濃度層10
3cを堆積した。高キャリア濃度層103cの層厚は約
1.5nmとした。この高キャリア濃度層103cは高
キャリア濃度結晶層に相当する。以上の3構成層103
a、103b、103cよりn形クラッド層103を構
成した。
Subsequently, a carrier concentration of about 8 × 1 is formed on the second constituent layer 103b by doping with Si.
High carrier concentration layer 10 made of GaN of 0 19 cm -3
3c was deposited. The layer thickness of the high carrier concentration layer 103c was about 1.5 nm. This high carrier concentration layer 103c corresponds to a high carrier concentration crystal layer. The above three constituent layers 103
The n-type cladding layer 103 was composed of a, 103b, and 103c.

【0042】nクラッド層103上には、主体相をn形
Ga0.88In0.12Nとする多相構造のn形発光層104
を堆積した。発光層104の主体相のキャリア濃度は約
2×1018cm-3とした。主体相の層厚は約6nmであ
り、主体相の層厚が発光層104の層厚と略等しくなっ
ている。この発光層104が多相構造発光層に相当す
る。
On the n-cladding layer 103, an n-type light-emitting layer 104 having a multiphase structure in which the main phase is n-type Ga 0.88 In 0.12 N
Was deposited. The carrier concentration of the main phase of the light emitting layer 104 was about 2 × 10 18 cm −3 . The layer thickness of the main phase is about 6 nm, and the layer thickness of the main phase is substantially equal to the layer thickness of the light emitting layer 104. This light emitting layer 104 corresponds to a multi-phase structure light emitting layer.

【0043】多相構造から成る発光層104上には直
接、p形の上部クラッド層106層を接合させた。この
p形クラッド層106は、Al組成が発光層104との
接合界面で0.12となり、表面で0となる様にAl組
成に勾配を付した、Mgドープp形AlX Ga1-X N層
(X=0.12→0、層厚=300nm、キャリア濃度
=2×1017cm-3)から構成した。
A p-type upper cladding layer 106 was directly bonded on the light emitting layer 104 having a multi-phase structure. This p-type cladding layer 106 is Mg-doped p-type Al x Ga 1 -xN in which the Al composition is graded so that the Al composition becomes 0.12 at the junction interface with the light emitting layer 104 and becomes 0 at the surface. It was composed of layers (X = 0.12 → 0, layer thickness = 300 nm, carrier concentration = 2 × 10 17 cm −3 ).

【0044】積層構造体1Bに、一般的なフォトリソグ
ラフィー技術に依るパターニング技術と、アルゴン(A
r)/メタン(CH4 )/水素(H2 )混合ガスを利用
したプラズマエッチング技術などを利用して素子(チッ
プ)化のための加工を施し、一辺が約320μmの略正
方形のLED1Aとなした。LED1Aを構成するため
のp形オーミック電極107は、MgドープAlX Ga
1-X N組成勾配層からなるp形クラッド層106の表面
に接する側を金・亜鉛合金(Au95重量%・Zn5重
量%)で構成し、上層をAuで構成した2層構造の台座
電極107aと導電性の窒化チタン(TiN)薄膜から
なる透光性電極107bとから構成してある。n形オー
ミック電極108は、プラズマエッチング加工により上
部を削除して露呈させた下部クラッド層103の一構成
層103bに接触させて設置した。n形オーミック電極
108は、アルミニウム(Al)から構成した。
A patterning technique based on a general photolithography technique and an argon (A)
r) / Methane (CH 4 ) / Hydrogen (H 2 ) A process for forming an element (chip) is performed by using a plasma etching technique or the like using a mixed gas to obtain a substantially square LED 1A having a side of about 320 μm. did. The p-type ohmic electrode 107 for constituting the LED 1A is made of Mg-doped Al x Ga
A pedestal electrode 107a having a two-layer structure in which the side in contact with the surface of the p-type cladding layer 106 made of a 1- XN composition gradient layer is made of a gold-zinc alloy (Au 95% by weight, Zn 5% by weight) and the upper layer is made of Au. And a translucent electrode 107b made of a conductive titanium nitride (TiN) thin film. The n-type ohmic electrode 108 was placed in contact with one constituent layer 103b of the lower clad layer 103 whose upper portion was removed by plasma etching and exposed. The n-type ohmic electrode 108 was made of aluminum (Al).

【0045】LED1Aのp形オーミック電極107と
n形オーミック電極108との間に順方向に20mAの
動作電流を通流して、中心の発光波長を440nmとす
る青色発光を得た。主たる発光スペクトルに付随する従
属的なスペクトルの出現は認められず、このため、スペ
クトルの半値幅は約9nmと良好となった。また、発光
領域は、上記のエッチング加工後に残存させた平面の面
積を約4×10-4cm-2とする発光層の略全面に行き渡
るものとなった。これより、一般の積分球で測光される
発光強度は、チップ状態で約21マイクロワット(μ
W)の高きに達する優れるものとなった。
An operating current of 20 mA was passed in the forward direction between the p-type ohmic electrode 107 and the n-type ohmic electrode 108 of the LED 1A, and blue light emission having a center emission wavelength of 440 nm was obtained. The appearance of a subordinate spectrum accompanying the main emission spectrum was not recognized, so that the half width of the spectrum was as good as about 9 nm. In addition, the light emitting region spread over substantially the entire surface of the light emitting layer having a plane area of about 4 × 10 −4 cm −2 after the etching process. Thus, the light emission intensity measured by a general integrating sphere is about 21 microwatts (μ
W).

【0046】(実施例2)本実施例2では、本願の請求
項2または3に記載の発明に係わる第2の実施形態を備
えたLEDを作製する場合を例にして本発明の内容を具
体的に説明する。本実施例2で作製した積層構造体2B
から構成したLED2Aの平面構造を図3に模式的に示
す。また、図4は、図3の破線B−B’に沿ったLED
2Aの中央部の断面構造を模式的に示す。
Example 2 In Example 2, the content of the present invention will be specifically described by taking as an example the case of manufacturing an LED having the second embodiment according to the second or third aspect of the present invention. Will be explained. Laminated structure 2B produced in Example 2
FIG. 3 schematically shows a planar structure of the LED 2 </ b> A configured from the above. FIG. 4 shows an LED along a broken line BB ′ in FIG.
2A schematically illustrates a cross-sectional structure of a central portion of 2A.

【0047】実施例1と同様にして堆積した、サファイ
ア基板101との接合界面101a近傍の領域を主に単
結晶とし、且つ異相結晶共存領域を備えた緩衝層102
上に、キャリア濃度が約6×1017cm-3のアンドープ
でn形のGa0.98In0.02Nからなるアンドープ結晶層
を第1のn形クラッド層構成層103aとして堆積し
た。第1の構成層103aの層厚はおよそ0.1μmと
した。第1の構成層103a上には、Siをドーピング
し、キャリア濃度を約3×1018cm-3とするn形のG
0.97In0.03Nからなるドーピング結晶層を、n形ク
ラッド層103の第2の構成層103bとして積層し
た。第2の構成層103bの層厚は、およそ3.5μm
とした。また、第2の構成層103b上には、キャリア
濃度を約6×1019cm-3とするSiドープでn形のG
0.96In0.04Nから構成した高キャリア濃度結晶層1
03cを配置した。高キャリア濃度結晶層103cの厚
さは、約10nmに設定した。以上の3構成層103
a,103b,103cを積層させて、n形クラッド層
103を構成した。
The buffer layer 102 deposited in the same manner as in Example 1 is mainly formed of a single crystal in the vicinity of the bonding interface 101a with the sapphire substrate 101, and is provided with a hetero-phase crystal coexisting region.
An undoped n-type Ga 0.98 In 0.02 N undoped crystal layer having a carrier concentration of about 6 × 10 17 cm −3 was deposited thereon as the first n-type cladding layer constituting layer 103a. The layer thickness of the first constituent layer 103a was about 0.1 μm. On the first constituent layer 103a, n-type G is doped with Si to have a carrier concentration of about 3 × 10 18 cm −3.
A doping crystal layer made of a 0.97 In 0.03 N was laminated as the second constituent layer 103b of the n-type cladding layer 103. The layer thickness of the second constituent layer 103b is about 3.5 μm
And Further, on the second constituent layer 103b, an Si-doped n-type G-type layer having a carrier concentration of about 6 × 10 19 cm −3
a High carrier concentration crystal layer 1 composed of a 0.96 In 0.04 N
03c was arranged. The thickness of the high carrier concentration crystal layer 103c was set to about 10 nm. The above three constituent layers 103
The n-type cladding layer 103 was formed by laminating a, 103b and 103c.

【0048】n形クラッド層103上には、高キャリア
濃度結晶層103cと同じGa0.96In0.04Nから主体
相Sが構成される、アンドープでn形の多相構造の発光
層104を堆積した。発光層104は、インジウムの平
均組成を0.10とするGa 0.90In0.10Nから成る。
発光層104のキャリア濃度は約4×1017cm-3とし
た。主体相Sの層厚は約5nmであり、主体相Sの層厚
が発光層104の層厚と略等しくなっている。
On the n-type cladding layer 103, a high carrier
Ga same as concentration crystal layer 103c0.96In0.04From N
Undoped, n-type multiphase light emission with phase S
Layer 104 was deposited. The light-emitting layer 104 is made of indium
Ga whose average composition is 0.10 0.90In0.10N.
The carrier concentration of the light emitting layer 104 is about 4 × 1017cm-3age
Was. The layer thickness of the main phase S is about 5 nm,
Is substantially equal to the layer thickness of the light emitting layer 104.

【0049】多相構造発光層104上には、アルミニウ
ム組成比を0.15とするアンドープでn形のAl0.15
Ga0.85N結晶からなるn形介在層105を堆積した。
n形介在層105のキャリア濃度はおよそ1×1017
-3に、層厚は約12nmに設定した。積層構造体2B
の構成層は一般的な常圧MOCVD法で成膜したが、特
に、発光層104とn形介在層105との成膜の間に
は、接合界面104aの急峻化を果たすために、成長を
5分間に亘り中断した。一般的なSIMS分析法に依る
深さ方向のインジウム原子濃度分布の分析結果からは、
インジウム原子濃度が発光層104の平均的な濃度から
2桁減少するに要する、接合界面104aからn形介在
層105内への遷移距離は、約10nmであるのが示さ
れた。この接合界面104aの急峻性をもって、発光層
104内のn形介在層105との接合界面104a近傍
の領域で伝導帯を屈曲させて、電子を蓄積するに充分な
低ポテンシャル領域を形成した。
An undoped n-type Al 0.15 having an aluminum composition ratio of 0.15 is formed on the multi-phase structure light emitting layer 104.
An n-type intermediate layer 105 made of Ga 0.85 N crystal was deposited.
The carrier concentration of the n-type intermediate layer 105 is about 1 × 10 17 c
m −3 and the layer thickness was about 12 nm. Laminated structure 2B
Was formed by a general atmospheric pressure MOCVD method, but in particular, between the formation of the light emitting layer 104 and the n-type intervening layer 105, the bonding interface 104a was sharpened. Interrupted for 5 minutes. From the analysis results of the indium atom concentration distribution in the depth direction by a general SIMS analysis method,
The transition distance from the junction interface 104a into the n-type intervening layer 105 required for the indium atom concentration to decrease by two orders of magnitude from the average concentration of the light emitting layer 104 was shown to be about 10 nm. With the steepness of the junction interface 104a, the conduction band was bent in a region near the junction interface 104a with the n-type intervening layer 105 in the light emitting layer 104, thereby forming a low potential region sufficient for accumulating electrons.

【0050】n形介在層105上には、アルミニウム組
成がn形介在層105との接合界面で0.20であり、
層厚が約100nmに達する間に0となる様に略直線的
にアルミニウム組成に勾配を付した、Mgドープでp形
のAlX Ga1-X N(X=0.20→0)からなるp形
クラッド層を上部クラッド層106として堆積した。
On the n-type intervening layer 105, the aluminum composition is 0.20 at the joint interface with the n-type intervening layer 105,
It is made of Mg-doped p-type Al x Ga 1 -xN (X = 0.20 → 0) in which the aluminum composition is graded almost linearly so that it becomes 0 while the layer thickness reaches about 100 nm. A p-type cladding layer was deposited as upper cladding layer 106.

【0051】その後、積層構造体2Bを段階的に冷却し
た。先ず、1050℃でp形クラッド層106の成膜を
終了した後、毎分40℃の速度で950℃に先ず、冷却
し、次に、950℃から650℃に毎分10℃の速度で
冷却した。この冷却手段により、発光層104を構成す
るインジウムの平均的な組成を0.10とするn形Ga
0.90In0.10Nを、Ga0.96In0.04Nから成る主体相
Sと、インジウム組成比を約12〜15%とする略球状
或いは半球状の微結晶体から成る従属相Tとの2種類の
相からなる多相構造となした。図5に上記の発光層10
4の内部結晶構造を示す断面透過TEM像を掲示する。
層状の主体相Sの内部にインジウムをより富裕に含む従
属相Tが散在する様子が観てとれる。主体相Sと従属相
Tとの境界には、歪みを含む領域Uが形成されているの
も認知された。
Thereafter, the laminated structure 2B was cooled stepwise. First, after the formation of the p-type cladding layer 106 is completed at 1050 ° C., it is first cooled to 950 ° C. at a rate of 40 ° C./min, and then cooled from 950 ° C. to 650 ° C. at a rate of 10 ° C./min. did. By this cooling means, n-type Ga having an average composition of indium constituting the light emitting layer 104 of 0.10 is used.
0.90 In 0.10 N is composed of two phases: a main phase S composed of Ga 0.96 In 0.04 N and a dependent phase T composed of substantially spherical or hemispherical microcrystals having an indium composition ratio of about 12 to 15%. It became a multi-phase structure. FIG. 5 shows the light emitting layer 10 described above.
4 shows a cross-sectional transmission TEM image showing the internal crystal structure of Sample No. 4.
It can be seen that the dependent phase T containing indium richer is scattered inside the layered main phase S. It was also recognized that an area U including distortion was formed at the boundary between the main phase S and the subordinate phase T.

【0052】その後、上記のようにして作製した積層構
造体2Bを用いて、実施例1の手法に則り、LED2A
を作製した。LED2Aのp形およびn形電極107、
108間に約3.5Vの順方向電圧を印加し、20mA
の順方向電流を通流して、中心の発光波長を約480n
mとする青緑帯の短波長可視光を得た。この中心発光波
長(=480nm)を与える遷移エネルギーは光量子説
に従えば、理論上、2.58eVである。発光層104
を構成するGa0.90In0.10Nの室温での本来の禁止帯
幅は約3.2eVであり(特公昭55−3834号参
照)、それに対応する波長は約388nmである。即
ち、本実施例2に記載の如く、発光層104とn形介在
層105との接合界面104aに於ける組成の急峻性の
向上を特に図った構成からなるLED2Aの発光部のヘ
テロ接合構成は、発光層104に本来の禁止帯幅(およ
そ3.2eV)に比し約0.62eVの遷移エネルギー
の減少をもたらし、よって、発光層104を構成する材
料の本来のバンドギャップエネルギーよりも低エネルギ
ーの発光が簡便に帰結されるものとなった。また、発光
を来す領域は、発光層104の略全領域に達しており、
このため、チップ状態で測光されるLEDの発光強度
は、約26μWの高強度となった。
Then, using the laminated structure 2B manufactured as described above, the LED 2A
Was prepared. P-type and n-type electrodes 107 of LED 2A,
A forward voltage of about 3.5 V is applied between 108 and 20 mA
Through the forward current of about 480 n
m, short-wavelength visible light in the blue-green band was obtained. The transition energy giving this center emission wavelength (= 480 nm) is 2.58 eV in theory according to the photon theory. Light emitting layer 104
The intrinsic band gap at room temperature of Ga 0.90 In 0.10 N is about 3.2 eV (see Japanese Patent Publication No. 55-3834), and the corresponding wavelength is about 388 nm. That is, as described in the second embodiment, the hetero-junction structure of the light-emitting portion of the LED 2A, which is configured to particularly improve the steepness of the composition at the bonding interface 104a between the light-emitting layer 104 and the n-type intermediate layer 105, is as follows. The transition energy of the light emitting layer 104 is reduced by about 0.62 eV as compared with the original band gap (about 3.2 eV), so that the energy of the material forming the light emitting layer 104 is lower than the original band gap energy. Light emission was simply obtained. In addition, a region that emits light reaches almost the entire region of the light emitting layer 104,
For this reason, the light emission intensity of the LED measured in the chip state was as high as about 26 μW.

【0053】[0053]

【発明の効果】本願の請求項1に記載の発明に係わる窒
化物半導体発光素子に依れば、独自の結晶構成を保有す
る緩衝層上にn形クラッド層を堆積することによって、
結晶性に優れるn形III 族窒化物半導体層からn形クラ
ッド層を構成したので、動作電流が広範囲に亘り拡散さ
れ、従って、発光領域が拡張された、高輝度の短波長可
視光を発光する窒化物半導体発光素子が得られる。
According to the nitride semiconductor light emitting device according to the first aspect of the present invention, by depositing an n-type cladding layer on a buffer layer having a unique crystal structure,
Since the n-type cladding layer is composed of the n-type group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity, the operating current is diffused over a wide range, and therefore, the light-emitting region is extended, and high-luminance short-wavelength visible light is emitted. A nitride semiconductor light emitting device is obtained.

【0054】本願の請求項2乃至3に記載の発明に係わ
る窒化物半導体発光素子に依れば、n形多相構造発光層
にn形介在層を接合させて、その発光層内の接合界面近
傍の領域に伝導帯を低ポテンシャル側に屈曲したバンド
構成を創成して、電子を局在させる構成としたので、発
光強度に優れ、特に、比較的長波長の可視光を放射する
窒化物半導体発光素子が得られる。
According to the nitride semiconductor light emitting device according to the second and third aspects of the present invention, the n-type intervening layer is joined to the n-type multi-phase structure light emitting layer, and the junction interface in the light emitting layer is formed. Nitride semiconductors with excellent emission intensity, especially those that emit relatively long wavelength visible light, because they create a band configuration in which the conduction band is bent to the lower potential side in the nearby region and localize electrons. A light emitting element is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1に係わるLEDの平面模式図である。FIG. 1 is a schematic plan view of an LED according to a first embodiment.

【図2】図1のLEDのA−A’に沿った断面模式図で
ある。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA ′ of the LED in FIG.

【図3】実施例2に係わるLEDの平面模式図である。FIG. 3 is a schematic plan view of an LED according to a second embodiment.

【図4】図3のLEDのB−B’に沿った断面模式図で
ある。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the line BB ′ of the LED in FIG. 3;

【図5】実施例2に係わるLEDの多相構造発光層の内
部結晶構造を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an internal crystal structure of a light emitting layer having a multi-phase structure of an LED according to Example 2.

【図6】本発明に係わる緩衝層の内部の構成を示す断面
図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an internal configuration of a buffer layer according to the present invention.

【図7】本発明に係わるn形クラッド層の構成を示す断
面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of an n-type cladding layer according to the present invention.

【図8】(a)本発明に係わるn形クラッド層の各構成
層と多相構造発光層の主体相のキャリア濃度の関係を示
す図である。 (a)本発明に係わるn形クラッド層の各構成層と多相
構造発光層の主体相の禁止帯幅の関係を示す図である。
FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the carrier concentration of each constituent layer of the n-type cladding layer and the main phase of the multi-phase structure light emitting layer according to the present invention. (A) is a diagram showing the relationship between the bandgap of each constituent layer of the n-type cladding layer according to the present invention and the main phase of the multi-phase light emitting layer.

【図9】本発明に係わるn形介在層の配置を示す断面図
である。
FIG. 9 is a sectional view showing an arrangement of an n-type intervening layer according to the present invention.

【図10】本発明に係わるn形介在層によりもたらされ
る発光素子の発光部のバンドポテンシャル構造を示す図
である。
FIG. 10 is a diagram showing a band potential structure of a light emitting portion of a light emitting device provided by an n-type intervening layer according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1A、2A LED 1B、2B 積層構造体 10 基板 10a 基板と緩衝層との接合界面 10b 基板と緩衝層との接合界面近傍の領域 20 緩衝層 30 nクラッド層 30a n形クラッド層を構成するアンドープ結晶層 30b n形クラッド層を構成する不純物ドーピング
結晶層 30c n形クラッド層を構成する高キャリア濃度結
晶層 40 多相構造発光層 40a 多相構造発光層とn形介在層との接合界面 50 n形介在層 60 p形クラッド層 101 結晶基板 101a 基板と緩衝層との接合界面 102 緩衝層 103 n形クラッド層 103a n形クラッド層を構成するアンドープ結晶層 103b n形クラッド層を構成する不純物ドーピング
結晶層 103c n形クラッド層を構成する高キャリア濃度結
晶層 104 多相構造発光層 104a 多相構造発光層とn形介在層との接合界面 105 n形介在層 106 p形クラッド層 107 p形オーミック電極 107a 台座電極 107b 透光性電極 108 n形オーミック電極 CB 伝導帯 CCa n形クラッド層を構成するアンドープ結晶層
のキャリア濃度 CCb n形クラッド層を構成する不純物ドーピング
結晶層のキャリア濃度 CCc n形クラッド層を構成する高キャリア濃度結
晶層のキャリア濃度 CCs 多相構造発光層の主体相のキャリア濃度 (ΔEg)a アンドープ結晶層の禁止帯幅 (ΔEg)b 不純物ドーピング結晶層の禁止帯幅 (ΔEg)c 高キャリア濃度結晶層の禁止帯幅 (ΔEg)s 多相構造発光層の主体相の禁止帯幅 C 立方晶からなる結晶領域 H 六方晶からなる結晶領域 W1 立方晶結晶相と六方晶結晶相とが隣接してな
る異相結晶共存領域 W2 立方晶結晶相と六方晶結晶相とが重層してな
る異相結晶共存領域 e 電子 F フェルミレベル LPc 伝導帯の低ポテンシャル部 OF 多相構造発光層の主体相と高キャリア濃度層
間の伝導帯側のバンドオフセット OFn 多相構造発光層の主体相と介在層間の伝導帯
側のバンドオフセット S 主体相 T 従属層 U 歪み領域
Reference Signs List 1A, 2A LED 1B, 2B laminated structure 10 substrate 10a bonding interface between substrate and buffer layer 10b region near bonding interface between substrate and buffer layer 20 buffer layer 30 n-cladding layer 30a undoped crystal constituting n-cladding layer Layer 30b Impurity-doped crystal layer forming n-type cladding layer 30c High carrier concentration crystal layer forming n-type cladding layer 40 Multi-phase structure light-emitting layer 40a Junction interface between multi-phase structure light-emitting layer and n-type intermediate layer 50 n-type Intervening layer 60 p-type cladding layer 101 crystal substrate 101a bonding interface between substrate and buffer layer 102 buffer layer 103 n-type cladding layer 103a undoped crystal layer forming n-type cladding layer 103b impurity-doping crystal layer forming n-type cladding layer 103c High carrier concentration crystal layer constituting n-type cladding layer 104 Multi-phase structure light emitting layer 1 4a Junction interface between multiphase structure light emitting layer and n-type intervening layer 105 n-type intervening layer 106 p-type cladding layer 107 p-type ohmic electrode 107a pedestal electrode 107b translucent electrode 108 n-type ohmic electrode CB conduction band CCa n-type cladding Carrier concentration of the undoped crystal layer constituting the layer CCb Carrier concentration of the impurity-doped crystal layer constituting the n-type cladding layer CCc Carrier concentration of the high carrier concentration crystal layer constituting the n-type cladding layer CCs Main phase of the multi-phase light emitting layer (ΔEg) a Bandgap of undoped crystal layer (ΔEg) b Bandgap of impurity-doped crystal layer (ΔEg) c Bandgap of high carrier concentration crystal layer (ΔEg) s Main body of multi-phase structure light emitting layer Phase band gap C Crystal region composed of cubic crystal H Crystal region composed of hexagonal crystal W1 Hexagonal crystal with cubic crystal phase Heterogeneous crystal coexistence region where crystal phases are adjacent to each other W2 Heterogeneous crystal coexistence region where cubic crystal phase and hexagonal crystal phase are overlaid e Electron F Fermi level LPc Low potential portion of conduction band OF Multiphase structure light emitting layer Band offset on the conduction band between the main phase and the high carrier concentration layer of OFn Band offset on the conduction band between the main phase and the intervening layer of the multi-layer structure light emitting layer S Main phase T Dependent layer U Strain region

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶基板と、 該単結晶基板上に堆積された、該単結晶基板との接合界
面近傍の領域が主に単結晶から構成され、その上方に六
方晶相結晶と立方晶相結晶とが共存する領域を含む、II
I 族窒化物半導体からなる緩衝層と該緩衝層に接合して
堆積された、アンドープのn形III 族窒化物半導体から
成るアンドープ結晶層と、 該アンドープ結晶層上に堆積された、n形不純物をドー
ピングし、該アンドープ結晶層よりもキャリア濃度を大
とするn形III 族窒化物半導体から成るドーピング結晶
層と、 該ドーピング結晶層上に堆積された、多相構造発光層の
主体相よりもキャリア濃度が高いn形III 族窒化物半導
体から成る高キャリア濃度結晶層と、 該高キャリア濃度結晶層に接合して堆積された、インジ
ウム組成比を相違する主体相と従属相から構成される、
多相構造のn形のインジウム含有III 族化合物半導体か
らなる多相構造発光層と該多相構造発光層の上に形成さ
れたIII 族窒化物半導体からなるp形クラッド層とを具
備する窒化物半導体発光素子。
1. A single crystal substrate, and a region deposited on the single crystal substrate and near a bonding interface with the single crystal substrate is mainly composed of a single crystal, and a hexagonal phase crystal and a cubic crystal are formed above the single crystal. II including regions where phase crystals coexist
A buffer layer made of a group I nitride semiconductor, an undoped n-type crystal layer made of an undoped n-type group III nitride semiconductor deposited on the buffer layer, and an n-type impurity deposited on the undoped crystal layer. A doping crystal layer made of an n-type group III nitride semiconductor having a carrier concentration higher than that of the undoped crystal layer; and a doping crystal layer deposited on the doping crystal layer, A high carrier concentration crystal layer made of an n-type group III nitride semiconductor having a high carrier concentration, and a main phase and a sub phase having different indium composition ratios deposited and bonded to the high carrier concentration crystal layer;
A nitride comprising a multi-phase structure light emitting layer composed of an n-type indium-containing group III compound semiconductor having a multi-phase structure and a p-type cladding layer composed of a group III nitride semiconductor formed on the multi-phase structure light emitting layer Semiconductor light emitting device.
【請求項2】 前記の多相構造発光層とp形クラッド層
との中間に、n形のIII 族窒化物半導体結晶からなるn
形介在層を配置したことを特徴とする請求項1に記載の
窒化物半導体発光素子。
2. An n-type group III nitride semiconductor crystal between the multi-phase structure light emitting layer and the p-type cladding layer.
The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a shaped intervening layer is disposed.
【請求項3】 前記n形介在層が、前記多相構造発光層
を構成する主体相との伝導帯側のバンド不連続性を0.
3エレクトロンボルト(eV)以上で1.0eV以下と
し、キャリア濃度を5×1017cm-3以下とするn形の
III 族窒化物半導体結晶からなることを特徴とする請求
項2に記載の窒化物半導体発光素子。
3. The n-type intervening layer has a band discontinuity on the conduction band side with the main phase constituting the multi-phase structure light emitting layer of 0.
N-type with a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 or less at 3 eV or more and 1.0 eV or less.
3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, comprising a group III nitride semiconductor crystal.
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