JP2005277401A - Gallium nitride-based compound semiconductor laminate and manufacturing method thereof - Google Patents

Gallium nitride-based compound semiconductor laminate and manufacturing method thereof Download PDF

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Masato Kobayakawa
真人 小早川
Hitoshi Takeda
仁志 武田
Hisayuki Miki
久幸 三木
Tetsuro Sakurai
哲朗 桜井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gallium nitride compound semiconductor laminate useful for manufacturing a gallium nitride compound semiconductor light-emitting device which operates at a low voltage while maintaining a satisfactory light emission output. <P>SOLUTION: This gallium nitride-based compound semiconductor laminate has on a substrate; an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer; and the light-emitting layer has a multiple quantum well structure in which a well layer and a barrier layer are alternately stacked repeatedly, and the light-emitting layer is sandwiched by the n-type layer and the p-type layer, wherein the well layer comprises a thick portion and a thin portion, and the barrier layer contains a dopant. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高出力の青色、緑色、あるいは紫外領域の光を発する発光素子の製造に有用な窒化ガリウム系化合物半導体積層物およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor laminate useful for manufacturing a light-emitting element that emits high-power blue, green, or ultraviolet light, and a method for manufacturing the same.

近年、短波長の光を発光する発光素子用の半導体材料として、窒化物半導体材料が注目を集めている。一般に窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶およびIII−V族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)あるいは水素化物気相エピタキシー法(HVPE法)等によって積層される。   In recent years, nitride semiconductor materials have attracted attention as semiconductor materials for light-emitting elements that emit light of short wavelengths. In general, nitride semiconductors use various oxide crystals such as sapphire single crystals, silicon carbide single crystals, III-V group compound semiconductor single crystals, etc. as substrates, and metal organic vapor phase chemical reaction method (MOCVD method) thereon. ), Molecular beam epitaxy method (MBE method), hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method), or the like.

現在、工業レベルで最も広く採用されている結晶成長方法は、基板としてサファイアやSiC、GaN、AlN等を用い、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)を用いて作製する方法で、前述の基板を設置した反応管内にIII族の有機金属化合物とV族の原料ガスを用い、温度700℃〜1200℃程度の領域でn型層、発光層およびp型層を成長させる。   At present, the most widely used crystal growth method at the industrial level is a method in which sapphire, SiC, GaN, AlN, or the like is used as a substrate, and a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) is formed thereon. The n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer are grown in a temperature range of about 700 ° C. to 1200 ° C. using a group III organometallic compound and a group V source gas in a reaction tube in which the above-described substrate is installed.

各半導体層の成長後、基板もしくはn型層に負極を形成し、p型層に正極を形成することによって発光素子を得ることが出来る。   After the growth of each semiconductor layer, a light-emitting element can be obtained by forming a negative electrode on the substrate or n-type layer and forming a positive electrode on the p-type layer.

従来の発光層は、発光波長を調整するために組成を調整したInGaNを用い、これをInGaNよりバンドギャップの高い層で挟むダブルへテロ構造や、量子井戸効果を使う多重量子井戸構造が使われている。   Conventional light-emitting layers use InGaN with a composition adjusted to adjust the emission wavelength, and have a double heterostructure sandwiched between layers with a higher band gap than InGaN, or a multiple quantum well structure that uses the quantum well effect. ing.

多重量子井戸構造の発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、井戸層の膜厚を2〜3nmとすると、良好な出力が得られる。しかし、駆動電圧が高いという問題点があった。反対に、井戸層の膜厚を2nm以下などとすると、駆動電圧は低下するが、良好な出力が得られない。   In a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having a light emitting layer having a multiple quantum well structure, a good output can be obtained when the thickness of the well layer is 2 to 3 nm. However, there is a problem that the drive voltage is high. On the other hand, when the thickness of the well layer is 2 nm or less, the driving voltage decreases, but a good output cannot be obtained.

また、次のような発光層をドット状に形成した量子ドット構造が提案されている。
例えば、特開平10−79501号公報および特開平11−354839号公報等には、量子ドット構造の発光層を含む発光素子が開示され、量子ドット構造はアンチサーファクタント効果によって形成されている。しかし、ここで提案された量子ドット構造では、電流を流す面積に対して発光体(ドット)が覆う面積が小さすぎるため、一つ一つの発光体の発光効率が向上したとしても、全体としては流した電流に対しての発光出力は低下するという問題点がある。なお、これらの公報ではドットが覆う面積は規定されていないが、明細書中に記載されたドットのサイズと密度の好適値から計算すると、ドットで覆われる面積よりも隙間の面積の方がはるかに大きい。
Further, a quantum dot structure in which the following light emitting layer is formed in a dot shape has been proposed.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-79501 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354839 disclose a light-emitting element including a light-emitting layer having a quantum dot structure, and the quantum dot structure is formed by an anti-surfactant effect. However, in the quantum dot structure proposed here, the area covered by the light emitters (dots) is too small for the current flow area, so even if the luminous efficiency of each light emitter is improved, as a whole There is a problem that the light emission output with respect to the flowing current decreases. In these publications, the area covered by the dots is not stipulated, but the area of the gap is much larger than the area covered by the dots when calculated from the preferred values of the dot size and density described in the specification. Big.

さらに、量子ドット構造よりも発光体サイズの大きい量子箱構造も提案されている。
例えば特開2001−68733号公報は、Inを含む量子箱構造を開示し、一旦形成した量子井戸構造を、水素中でアニールすることにより井戸層の昇華を引き起こし、量子箱構造としている。各発光体のサイズは0.5nm≦高さ≦50nm、0.5nm≦幅≦200nmが好ましいとされ、実施例では高さ6nmx幅40nmで作製している。発光体の密度は規定されていないが、掲載された図面からは、発光体で覆われる面積は隙間の面積と同等か隙間の方が大きい。
Furthermore, a quantum box structure having a light emitter size larger than that of the quantum dot structure has been proposed.
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-68733 discloses a quantum box structure containing In, and the quantum well structure once formed is annealed in hydrogen to cause sublimation of the well layer, thereby forming a quantum box structure. The size of each light emitter is preferably 0.5 nm ≦ height ≦ 50 nm and 0.5 nm ≦ width ≦ 200 nm. The density of the illuminant is not specified, but from the published drawings, the area covered by the illuminant is equal to or larger than the area of the gap.

要するにこれらの技術では、量子ドットあるいは量子箱の形成されていない領域では、ドットあるいは箱は全く形成されていない構造とされている。また、量子箱あるいはドットで覆われた面積は非常に小さく、その隙間領域の面積の方が広い。   In short, these techniques have a structure in which no dot or box is formed at all in a region where no quantum dot or quantum box is formed. Further, the area covered with the quantum box or the dots is very small, and the area of the gap region is wider.

このような、発光体であるドットあるいは箱の覆う面積が小さく、ドットあるいは箱の覆わない領域で発光体が形成されていないという構造では、駆動電圧低下の効果は見られるものの、同時に発光出力の低下を招くという問題点があり、実際には使用に耐えない。   In such a structure in which the area covered by the dot or box, which is a light emitter, is small and the light emitter is not formed in an area that is not covered by the dot or box, the effect of lowering the driving voltage can be seen, but at the same time the light emission output is reduced. There is a problem that it causes a drop, and it is actually unusable.

さらに、特開2001−68733号公報では、通常の量子井戸構造を形成後、水素中でアニールして貫通転位上のInGaN結晶を分解させて量子箱構造を形成している。しかし、量子井戸構造を水素中でアニールすることは、残って量子箱構造となるべき部分でもIn抜けを誘発し、発光波長を短波長化させるという不具合を生じる。   Furthermore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-68733, after forming a normal quantum well structure, annealing is performed in hydrogen to decompose an InGaN crystal on threading dislocations to form a quantum box structure. However, annealing the quantum well structure in hydrogen causes a defect that the portion that should remain and become the quantum box structure induces In loss and shortens the emission wavelength.

また、米国特許出願公開US2003/0160229A1号明細書には、周期的に膜厚が異なる井戸層を持つ多重量子井戸構造が開示されている。しかし、具体的な発光素子の構造に関しては、アンドープの多重量子井戸構造からなる発光層がSiドープのn型層とMgドープのp型層に挟まれた構造が開示されているのみである。   In addition, US Patent Application Publication No. US2003 / 0160229A1 discloses a multiple quantum well structure having well layers having periodically different film thicknesses. However, regarding a specific structure of the light-emitting element, only a structure in which a light-emitting layer having an undoped multiple quantum well structure is sandwiched between an Si-doped n-type layer and an Mg-doped p-type layer is disclosed.

特開平10−79501号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-79501 特開平11−354839号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-354839 特開2001−68733号公報JP 2001-68733 A 米国特許出願公開US2003/0160229A1号明細書US Patent Application Publication No. US2003 / 0160229A1

本発明の目的は、良好な発光出力を保ったまま駆動電圧を低下させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造に有用な窒化ガリウム系化合物半導体積層物を提供することである。
また、本発明の別の目的は、発生する光の短波長化を誘発しないような発光層の形成方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor laminate useful for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which a driving voltage is reduced while maintaining a good light-emission output.
Another object of the present invention is to provide a method for forming a light emitting layer that does not induce a shorter wavelength of the generated light.

本発明は、以下の発明を提供する。
(1)基板上にn型層、発光層およびp型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がn型層とp型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物において、該井戸層が厚膜部および薄膜部からなり、該障壁層がドーパントを含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
The present invention provides the following inventions.
(1) A multi-quantum structure having an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer on a substrate, wherein the light-emitting layer is alternately laminated with a well layer and a barrier layer, and the light-emitting layer is an n-type layer And a p-type layer sandwiched between gallium nitride compound semiconductors, wherein the well layer comprises a thick film part and a thin film part, and the barrier layer contains a dopant. Laminate.

(2)井戸層がInを含むことを特徴とする上記1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (2) The gallium nitride compound semiconductor laminate according to the above item (1), wherein the well layer contains In.

(3)井戸層の上面にInを含まない薄層が存在することを特徴とする上記2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (3) The gallium nitride compound semiconductor laminate according to the above item (2), wherein a thin layer not containing In exists on the upper surface of the well layer.

(4)ドーパントが、C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raの群から選ばれた少なくとも1種類であることを特徴とする上記1〜3項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (4) The dopant is at least one selected from the group consisting of C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra. 4. The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of the above items 1 to 3,

(5)ドーパントの濃度が1×1017cm-3から1×1019cm-3であることを特徴とする上記1〜4項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (5) The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of (1) to (4) above, wherein the dopant concentration is 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

(6)厚膜部の厚さが1.5nm〜5nmであることを特徴とする上記1〜5項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (6) The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of the above items 1 to 5, wherein the thickness of the thick film portion is 1.5 nm to 5 nm.

(7)厚膜部の積層物断面での幅が10nm以上(数平均値)であることを特徴とする上記1〜6項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (7) The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of the above items 1 to 6, wherein the width of the thick film section in the laminate cross section is 10 nm or more (number average value).

(8)薄膜部の厚さが1.5nm未満であることを特徴とする上記1〜7項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (8) The gallium nitride compound semiconductor laminate as described in any one of (1) to (7) above, wherein the thickness of the thin film portion is less than 1.5 nm.

(9)薄膜部の積層物断面での幅が100nm以下(数平均値)であることを特徴とする上記1〜8項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (9) The gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in any one of 1 to 8 above, wherein the width of the thin film portion in the laminate cross section is 100 nm or less (number average value).

(10)厚膜部と薄膜部の膜厚の差が1nm〜3nmであることを特徴とする上記1〜9項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (10) The gallium nitride compound semiconductor laminate as described in any one of (1) to (9) above, wherein a difference in film thickness between the thick film portion and the thin film portion is 1 nm to 3 nm.

(11)積層物断面での厚膜部の幅の合計が井戸層全体の幅の30%以上であることを特徴とする上記1〜10項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (11) The gallium nitride compound semiconductor as described in any one of the above items 1 to 10, wherein the total width of the thick film sections in the laminate cross section is 30% or more of the width of the whole well layer Laminate.

(12)多重量子井戸構造が3〜10回積層された構造であることを特徴とする上記1〜11項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (12) The gallium nitride compound semiconductor laminate as described in any one of (1) to (11) above, wherein the multiple quantum well structure is laminated 3 to 10 times.

(13)障壁層がGaN、AlGaNおよび井戸層を形成するInGaNよりもIn比率の小さいInGaNから選ばれた窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする上記1〜12項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (13) The barrier layer is a gallium nitride compound semiconductor selected from GaN, AlGaN, and InGaN having a smaller In ratio than InGaN forming the well layer. The gallium nitride compound semiconductor laminate described.

(14)障壁層がGaNであることを特徴とする上記13項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (14) The gallium nitride compound semiconductor laminate as described in (13) above, wherein the barrier layer is GaN.

(15)障壁層の膜厚が7nm〜50nmであることを特徴とする上記1〜14項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (15) The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of (1) to (14) above, wherein the barrier layer has a thickness of 7 nm to 50 nm.

(16)障壁層の膜厚が14nm以上であることを特徴とする上記15項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 (16) The gallium nitride compound semiconductor laminate as described in 15 above, wherein the thickness of the barrier layer is 14 nm or more.

(17)上記1〜16項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型層に負極を、p型層に正極をそれぞれ設けたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (17) The gallium nitride compound semiconductor, wherein the gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of the above items 1 to 16 is provided with a negative electrode in the n-type layer and a positive electrode in the p-type layer. Light emitting element.

(18)素子構造がフリップチップタイプであることを特徴とする上記17項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (18) The gallium nitride compound semiconductor light emitting device as described in the above item (17), wherein the device structure is a flip chip type.

(19)正極の構造が反射型であることを特徴とする上記18項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (19) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to the above item 18, wherein the structure of the positive electrode is a reflection type.

(20)電流20mAにおける駆動電圧が2.9V以上3.5V以下であることを特徴とする上記17〜19項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (20) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of the above items 17 to 19, wherein a driving voltage at a current of 20 mA is 2.9 V to 3.5 V.

(21)テイクオフ電圧が2.5V以上3.2V以下であることを特徴とする上記17〜20項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 (21) The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of the above 17 to 20, wherein a take-off voltage is 2.5 V or more and 3.2 V or less.

(22)上記17〜21項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなるランプ。 (22) A lamp using the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to any one of items 17 to 21.

(23)上記17〜21項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を用いてなるランプ。 (23) A lamp comprising the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of items 17 to 21 and a phosphor.

(24)基板上にn型層、発光層およびp型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がn型層とp型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法において、障壁層にドーパントをドープして井戸層に厚膜部と薄膜部を形成させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (24) A multi-quantum structure having an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer on a substrate, wherein the light-emitting layer is alternately stacked with a well layer and a barrier layer, and the light-emitting layer is an n-type layer And a p-type layered gallium nitride compound semiconductor laminate, wherein the barrier layer is doped with a dopant to form a thick film portion and a thin film portion in the well layer Of manufacturing a semiconductor compound semiconductor laminate.

(25)ドーパントの濃度が1×1017cm-3から1×1019cm-3であることを特徴とする上記24項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (25) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in (24) above, wherein the dopant concentration is 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

(26)井戸層を形成する工程が、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程およびその窒化ガリウム系化合物半導体の一部を分解または昇華させる工程を含むことを特徴とする、上記1〜16項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (26) The step of forming a well layer includes a step of growing a gallium nitride compound semiconductor and a step of decomposing or sublimating a part of the gallium nitride compound semiconductor. The manufacturing method of the gallium nitride type compound semiconductor laminated body as described in any one.

(27)成長させる工程の基板温度T1および分解または昇華させる工程の基板温度T2がT1≦T2であることを特徴とする上記26項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (27) The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate as described in 26 above, wherein the substrate temperature T1 in the growing step and the substrate temperature T2 in the decomposing or sublimating step are T1 ≦ T2.

(28)T1が650〜900℃の範囲であることを特徴とする上記27項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (28) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in (27) above, wherein T1 is in the range of 650 to 900 ° C.

(29)T2が700〜1000℃の範囲であることを特徴とする上記27または28項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (29) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in 27 or 28 above, wherein T2 is in the range of 700 to 1000 ° C.

(30)分解または昇華工程をT1からT2へ昇温させつつ行なうことを特徴とする上記27〜29項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (30) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in any one of (27) to (29) above, wherein the decomposition or sublimation step is performed while increasing the temperature from T1 to T2.

(31)T1からT2への昇温を、1℃/分〜100℃/分の昇温速度で行なうことを特徴とする上記30項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (31) The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate according to the above item 30, wherein the temperature rise from T1 to T2 is performed at a rate of temperature rise of 1 ° C / min to 100 ° C / min.

(32)昇温速度が5℃/分〜50℃/分であることを特徴とする上記31項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (32) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in (31) above, wherein the temperature rising rate is 5 ° C./min to 50 ° C./min.

(33)T1からT2への昇温を30秒〜10分で行なうことを特徴とする上記30〜32項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (33) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of the above items 30 to 32, wherein the temperature rise from T1 to T2 is performed in 30 seconds to 10 minutes.

(34)T1からT2への昇温を1分〜5分で行なうことを特徴とする上記33項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (34) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in (33) above, wherein the temperature is raised from T1 to T2 in 1 to 5 minutes.

(35)障壁層を温度T2で成長させることを特徴とする上記27〜34項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (35) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in any one of (27) to (34) above, wherein the barrier layer is grown at a temperature T2.

(36)障壁層を温度T2で成長させた後、T3に降温してさらに成長させることを特徴とする上記35項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (36) The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate as described in (35) above, wherein the barrier layer is grown at a temperature T2 and then further lowered to a temperature T3 and further grown.

(37)T3がT1と同じ温度であることを特徴とする上記36項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (37) The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate as described in 36 above, wherein T3 is the same temperature as T1.

(38)成長工程が窒素源およびIII族金属源を含む雰囲気下であり、分解または昇華工程が窒素源を含みかつIII族金属源を含まない雰囲気下であることを特徴とする上記26〜37項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 (38) The above 26 to 37, wherein the growth step is in an atmosphere containing a nitrogen source and a group III metal source, and the decomposition or sublimation step is in an atmosphere containing a nitrogen source and no group III metal source. The manufacturing method of the gallium nitride type compound semiconductor laminated body as described in any one of claim | item.

発光層を形成する多重量子構造の障壁層がドーパントを含み、井戸層が厚膜部および薄膜部からなることを骨子とする本発明によれば、良好な出力を保ったまま駆動電圧を低下させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。   According to the present invention, the barrier layer of the multi-quantum structure forming the light emitting layer contains a dopant and the well layer is composed of a thick film part and a thin film part. According to the present invention, the driving voltage is reduced while maintaining a good output. A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device can be obtained.

また、障壁層にドーパントをドープさせることにより井戸層の厚膜部および薄膜部を形成することによって、井戸層から発生する光の短波長化を防止することができる。   Further, by forming the thick film portion and the thin film portion of the well layer by doping the barrier layer with a dopant, it is possible to prevent the wavelength of light generated from the well layer from being shortened.

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のn型層、発光層およびp型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式AlxInyGa1-x-yN(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるn型層、発光層およびp型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式AlxInyGa1-x-yN(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。 As a gallium nitride compound semiconductor constituting the n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device, a general formula Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y < Semiconductors having various compositions represented by 1,0 ≦ x + y <1) are well known, and the gallium nitride compound semiconductor constituting the n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer in the present invention can be represented by the general formula Al x. Semiconductors having various compositions represented by In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1) can be used without any limitation.

基板には、サファイア、SiCなどを用いることができるほか、GaP、GaAs、Si、ZnO、GaNなど従来公知の基板を何ら制限なく用いることができる。   As the substrate, sapphire, SiC, or the like can be used, and conventionally known substrates such as GaP, GaAs, Si, ZnO, GaN can be used without any limitation.

GaN基板を除いて、原理的には窒化ガリウム系化合物とは格子整合しないこれらの基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第3026087号公報や特開平4−297023号公報に開示されている低温バッファ法や特開2003−243302号公報などに開示されているSP(Seeding Process)法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いることができる。特に、GaN系結晶を作製することが可能な程度の高温でAlN結晶膜を作製するSP法は、生産性の向上などの観点で優れた格子不整合結晶エピタキシャル成長技術である。   In order to laminate a gallium nitride compound semiconductor on these substrates that are not in principle lattice-matched with a gallium nitride compound except for a GaN substrate, it is disclosed in Japanese Patent No. 3026087 and Japanese Patent Laid-Open No. 4-297003. It is possible to use a lattice mismatch crystal epitaxial growth technique called SP (Seeding Process) method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-243302 or the like. In particular, the SP method for producing an AlN crystal film at such a high temperature that a GaN-based crystal can be produced is an excellent lattice-mismatched crystal epitaxial growth technique from the viewpoint of improving productivity.

低温バッファやSP法などの格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いた場合、その上に積層する下地としての窒化ガリウム系化合物半導体は、アンドープかもしくは5×1017cm-3程度の低ドープのGaNであることが望ましい。下地層の膜厚は、1〜20μmであることが望ましく、5〜15μmであることが更に好適である。 When a lattice mismatched crystal epitaxial growth technique such as a low-temperature buffer or SP method is used, the gallium nitride compound semiconductor as a base layer to be stacked thereon is undoped or lightly doped GaN of about 5 × 10 17 cm −3. It is desirable to be. The film thickness of the underlayer is desirably 1 to 20 μm, and more preferably 5 to 15 μm.

本発明において発光層を形成する多重量子井戸構造の井戸層は厚膜部および薄膜部からなっている。井戸層の上面および下面の両方に凹凸が形成されて厚膜部および薄膜部を構成していることが好ましい。本発明における「厚膜部」とは、その厚さが井戸層の平均厚さ以上の部分を意味し、「薄膜部」とは井戸層の平均厚さ未満の部分を意味する。「井戸層の平均厚さ」とは、井戸層の最大厚さと最小厚さを平均した厚さである。なお、薄膜部において井戸層のない部分があったり、非常に薄い場合には、「厚膜部」とは、その厚さが井戸層の最大厚さの1/2以上の部分を意味し、「薄膜部」とは井戸層の最大厚さの1/2未満の部分を意味することになる。   In the present invention, the well layer of the multiple quantum well structure forming the light emitting layer is composed of a thick film portion and a thin film portion. It is preferable that unevenness is formed on both the upper surface and the lower surface of the well layer to constitute a thick film portion and a thin film portion. In the present invention, the “thick film portion” means a portion whose thickness is equal to or greater than the average thickness of the well layer, and the “thin film portion” means a portion less than the average thickness of the well layer. The “average thickness of the well layer” is a thickness obtained by averaging the maximum thickness and the minimum thickness of the well layer. In addition, when there is a portion without a well layer in the thin film portion or when it is very thin, the “thick film portion” means a portion whose thickness is 1/2 or more of the maximum thickness of the well layer, “Thin film portion” means a portion of less than ½ of the maximum thickness of the well layer.

厚膜部と薄膜部の判定および測定は、窒化ガリウム系化合物半導体の断面TEM写真によってできる。例えば、500,000倍から2,000,000倍のTEM写真で断面を観察すると、薄膜部と厚膜部の幅と膜厚を測定することができる。実施例1によって作製した試料の2,000,000倍の断面TEM写真を図1に示す。図中、1が井戸層で、A、BおよびCが薄膜部である。2は障壁層、3はn−クラッド層、および4はp−クラッド層である。倍率を考慮して厚膜部および薄膜部の幅と膜厚を算出することができる。また、図2は倍率500,000倍の断面TEM写真であり、図中、1が井戸層で、D、E、FおよびGが薄膜部である。2は障壁層、3はn−クラッド層、および4はp−クラッド層である。倍率を考慮してその幅と膜厚を算出することができる。   The determination and measurement of the thick film portion and the thin film portion can be made by a cross-sectional TEM photograph of the gallium nitride compound semiconductor. For example, when the cross section is observed with a TEM photograph of 500,000 times to 2,000,000 times, the width and film thickness of the thin film portion and the thick film portion can be measured. FIG. 1 shows a cross-sectional TEM photograph of the sample prepared in Example 1 at a magnification of 2,000,000 times. In the figure, 1 is a well layer, and A, B and C are thin film portions. 2 is a barrier layer, 3 is an n-cladding layer, and 4 is a p-cladding layer. The width and film thickness of the thick film part and the thin film part can be calculated in consideration of the magnification. FIG. 2 is a cross-sectional TEM photograph at a magnification of 500,000 times, in which 1 is a well layer and D, E, F, and G are thin film portions. 2 is a barrier layer, 3 is an n-cladding layer, and 4 is a p-cladding layer. The width and film thickness can be calculated in consideration of the magnification.

厚膜部あるいは薄膜部の厚さ、幅の測定は、断面TEM写真の複数箇所、例えば隣り合わせから10μmの間隔で10箇所観察し、数平均した値である。   The thickness and width of the thick film portion or thin film portion are values obtained by observing a plurality of cross-sectional TEM photographs, for example, 10 points at intervals of 10 μm from adjacent sides and number-average.

厚膜部の厚みは、1.5nmから5nm程度であることが望ましい。厚膜部を、この範囲以外の厚みとすると、発光出力の低下を招く。更に望ましくは、1.5nmから3nmの領域が好適である。また、厚膜部の幅は10〜5000nmであることが望ましい。更に、100〜1000nmが好適である。   The thickness of the thick film portion is desirably about 1.5 nm to 5 nm. If the thickness of the thick film portion is outside this range, the light emission output is reduced. More desirably, a region of 1.5 nm to 3 nm is suitable. The width of the thick film part is desirably 10 to 5000 nm. Furthermore, 100-1000 nm is suitable.

厚膜部の比率は井戸層全体に対して30〜90%であることが好ましく、駆動電圧の低減と出力の維持の両方を実現できる。更に好ましくは、厚膜部で覆われた領域の方が薄膜部で覆われた領域よりも大きい、つまり、厚膜部の比率が全体に対して50%以上である。この厚膜部および薄膜部の比率も、断面TEM写真から求めた幅の測定値に基づいて算出できる。   The ratio of the thick film portion is preferably 30 to 90% with respect to the entire well layer, and both reduction of the driving voltage and maintenance of the output can be realized. More preferably, the region covered with the thick film portion is larger than the region covered with the thin film portion, that is, the ratio of the thick film portion is 50% or more of the whole. The ratio between the thick film portion and the thin film portion can also be calculated based on the measured width value obtained from the cross-sectional TEM photograph.

薄膜部の幅は、1〜100nmが好ましい。さらに好ましくは5〜50nmが好適である。
この厚膜部と薄膜部の膜厚の差は1〜3nm程度が好ましい。薄膜部の膜厚としては1.5nm未満が好ましい。
The width of the thin film portion is preferably 1 to 100 nm. More preferably, 5-50 nm is suitable.
The thickness difference between the thick film portion and the thin film portion is preferably about 1 to 3 nm. The film thickness of the thin film portion is preferably less than 1.5 nm.

薄膜部は膜厚が0である領域、即ち井戸層が全くない領域を含んでも良いが、発光出力低下の原因になるので、その領域は少ない方が良い。井戸層全体に対して30%以下が好ましく、20%以下がさらに好ましく、10%以下だと特に好ましい。この比率は断面TEM写真における幅の測定値に基づいて算出できる。   The thin film portion may include a region where the film thickness is 0, that is, a region where no well layer is present, but it is preferable that the number of the regions is small because it causes a decrease in light emission output. 30% or less is preferable with respect to the whole well layer, 20% or less is more preferable, and 10% or less is particularly preferable. This ratio can be calculated based on the measured width value in the cross-sectional TEM photograph.

井戸層における厚膜部および薄膜部は、障壁層にドーパントをドープすることによって形成することが好ましい。ドーパント元素としては、C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raなどが挙げられる。中でもSiやGeが好ましく、Siがもっとも好ましい。   The thick film portion and the thin film portion in the well layer are preferably formed by doping the barrier layer with a dopant. Examples of the dopant element include C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra. Of these, Si and Ge are preferable, and Si is most preferable.

ドーパントの濃度は、1×1017cm-3〜1×1019cm-3が好ましい。1×1017cm-3未満では井戸層は均一な厚さとなり、厚膜部および薄膜部を形成することが困難である。1×1019cm-3を超えると井戸層が発光しなくなる。更に好ましくは、2×1017cm-3〜5×1018cm-3であり、理想的に井戸層の膜厚の分布を制御することができ、井戸層の直流抵抗を下げることができる。特に好ましくは、3×1017cm-3〜2×1018cm-3である。 The concentration of the dopant is preferably 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . If it is less than 1 × 10 17 cm −3 , the well layer has a uniform thickness, and it is difficult to form a thick film portion and a thin film portion. If it exceeds 1 × 10 19 cm −3 , the well layer stops emitting light. More preferably, it is 2 × 10 17 cm −3 to 5 × 10 18 cm −3 , and the thickness distribution of the well layer can be ideally controlled, and the DC resistance of the well layer can be lowered. Particularly preferred is 3 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 .

障壁層は複数の層が積層された構造でもよいが、その場合、井戸層に接する層がドーパントを含有していることが好ましい。その厚さは少なくとも2.5nm以上あることが好ましく、さらに好ましくは5nm以上であり、特に好ましくは7.5nm以上である。井戸層に接するドーパント含有障壁層の厚さが5Å未満では井戸層に厚膜部および薄膜部を形成することが困難である。   The barrier layer may have a structure in which a plurality of layers are stacked. In that case, the layer in contact with the well layer preferably contains a dopant. The thickness is preferably at least 2.5 nm, more preferably 5 nm or more, and particularly preferably 7.5 nm or more. If the thickness of the dopant-containing barrier layer in contact with the well layer is less than 5 mm, it is difficult to form a thick film portion and a thin film portion in the well layer.

上記のような条件下で障壁層形成した場合、井戸層は下面および上面に凹凸が生じている構造となる。そして障壁層にドープした効果と相俟って、強い発光強度を得ることができ、駆動電圧をさらに低くすることができる。また、エージングによる劣化の抑制の効果もある。   When the barrier layer is formed under the above conditions, the well layer has a structure in which irregularities are formed on the lower surface and the upper surface. Combined with the effect of doping the barrier layer, strong emission intensity can be obtained, and the driving voltage can be further reduced. In addition, there is an effect of suppressing deterioration due to aging.

障壁層の膜厚は、7nm以上であることが好ましく、さらに好ましくは14nm以上である。障壁層の膜厚が薄いと、井戸層における厚膜部および薄膜部の形成を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、膜厚が厚すぎることは、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層の膜厚は50nm以下であることが好ましい。   The thickness of the barrier layer is preferably 7 nm or more, and more preferably 14 nm or more. If the thickness of the barrier layer is thin, the formation of the thick film portion and the thin film portion in the well layer is hindered, and the light emission efficiency and the aging characteristic are deteriorated. Moreover, when the film thickness is too thick, it causes an increase in driving voltage and a decrease in light emission. For this reason, it is preferable that the film thickness of a barrier layer is 50 nm or less.

多重量子井戸構造における積層の回数は3回から10回程度が好ましく、3回から6回程度がさらに好ましい。全ての井戸層が厚膜部と薄膜部を備えている必要はなく、また、厚膜部および薄膜部それぞれの寸法や面積比などを各層によって変化させても良い。   The number of laminations in the multiple quantum well structure is preferably about 3 to 10 times, and more preferably about 3 to 6 times. It is not necessary for all well layers to have a thick film portion and a thin film portion, and the dimensions and area ratios of the thick film portion and the thin film portion may be changed depending on each layer.

井戸層はInを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、厚膜部および薄膜部を有する構造となりやすい結晶系であり、また、青色の波長領域の発光を強い強度で発光することができる。   The well layer is preferably a gallium nitride compound semiconductor containing In. The gallium nitride compound semiconductor containing In is a crystal system that tends to have a structure having a thick film portion and a thin film portion, and can emit light in the blue wavelength region with strong intensity.

井戸層がInを含む窒化ガリウム系化合物半導体である場合、井戸層の表面にInを含まない薄層を設けることが好ましい。井戸層中のInの分解昇華を抑制し、発光波長の安定制御が可能となり、好適である。   When the well layer is a gallium nitride compound semiconductor containing In, it is preferable to provide a thin layer not containing In on the surface of the well layer. The decomposition and sublimation of In in the well layer is suppressed, and the emission wavelength can be stably controlled, which is preferable.

障壁層は、GaNやAlGaNのほか、井戸層を構成するInGaNよりもIn比率の小さいInGaNで形成することができる。中でも、GaNが好適である。   In addition to GaN and AlGaN, the barrier layer can be formed of InGaN having a smaller In ratio than InGaN constituting the well layer. Among these, GaN is preferable.

n型層は通常1〜10μm、好ましくは2〜5μm程度の厚さで、負極を形成するためのnコンタクト層と発光層よりもバンドギャップが大きく発光層に接しているnクラッド層からなる。nコンタクト層とnクラッド層は兼ねてもよい。nコンタクト層としてはSiまたはGeを高濃度にドープすることが好ましい。これらのドーパントをドープして形成したn型層は、キャリア濃度が5×1018cm-3から2×1019cm-3程度に調整されていることが好適である。 The n-type layer has a thickness of usually 1 to 10 μm, preferably about 2 to 5 μm, and is composed of an n-contact layer for forming a negative electrode and an n-cladding layer having a band gap larger than that of the light-emitting layer and in contact with the light-emitting layer. The n contact layer and the n clad layer may be combined. The n contact layer is preferably doped with Si or Ge at a high concentration. The n-type layer formed by doping these dopants preferably has a carrier concentration adjusted to about 5 × 10 18 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 .

nクラッド層は、AlGaN、GaN、InGaNなどで形成することが可能であるが、InGaNとする場合には発光層のInGaNのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。nクラッド層のキャリア濃度は、nコンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。その上に形成される発光層の結晶性をよくするために、成長速度、成長温度、成長圧力、ドープ量などの成長条件を適宜調節して、平坦性の高い表面とすることが好ましい。   The n-clad layer can be formed of AlGaN, GaN, InGaN or the like, but it goes without saying that in the case of using InGaN, it is desirable that the composition be larger than the InGaN band gap of the light emitting layer. The carrier concentration of the n-clad layer may be the same as that of the n-contact layer, or may be large or small. In order to improve the crystallinity of the light emitting layer formed thereon, it is preferable to adjust the growth conditions such as the growth rate, the growth temperature, the growth pressure, and the dope amount so as to obtain a highly flat surface.

またnクラッド層は、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。   The n-clad layer may be formed by alternately laminating layers having different compositions and lattice constants. At that time, in addition to the composition, the amount and thickness of the dopant may be changed depending on the layer to be stacked.

p型層は通常0.01〜1μmの厚さで、発光層に接しているpクラッド層と正極を形成するためのpコンタクト層からなる。pクラッド層とpコンタクト層は兼ねることができる。pクラッド層は、GaN、AlGaNなどを用いて形成し、pドーパントとしてMgをドープする。電子のオーバーフローを防ぐため、発光層の材料よりも大きなバンドギャップを有する材料で形成することが望ましい。また、効率的に発光層にキャリアを注入できるように、高キャリア濃度の層として形成することが望ましい。   The p-type layer is usually 0.01 to 1 μm thick, and is composed of a p-cladding layer in contact with the light-emitting layer and a p-contact layer for forming a positive electrode. The p-cladding layer and the p-contact layer can be combined. The p-clad layer is formed using GaN, AlGaN or the like, and doped with Mg as a p-dopant. In order to prevent the overflow of electrons, it is desirable to form with a material having a larger band gap than the material of the light emitting layer. In addition, it is desirable to form a high carrier concentration layer so that carriers can be efficiently injected into the light emitting layer.

pクラッド層に関しても、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。   As for the p-cladding layer, layers having different compositions and lattice constants may be alternately stacked a plurality of times. At that time, in addition to the composition, the amount and thickness of the dopant may be changed depending on the layer to be stacked.

pコンタクト層は、GaN、AlGaN、InGaNなどを用いることができ、不純物としてMgをドープする。Mgをドープした窒化ガリウム系化合物半導体は、通常反応炉から取り出したままでは高抵抗であるが、アニール処理、電子線照射処理、マイクロ波照射処理など、活性化の処理を施すことでp伝導性を示すとされている。   GaN, AlGaN, InGaN or the like can be used for the p contact layer, and Mg is doped as an impurity. Mg-doped gallium nitride compound semiconductors usually have high resistance when taken out from the reactor, but they can be made p-conductive by applying activation treatment such as annealing treatment, electron beam irradiation treatment, microwave irradiation treatment, etc. It is supposed to indicate.

また、pコンタクト層としてp型不純物をドープした燐化ホウ素を用いることもできる。p型不純物をドープした燐化ホウ素は、上記のようなp型化のための処理を一切行わなくてもp導電性を示す。   Further, boron phosphide doped with p-type impurities can also be used as the p-contact layer. Boron phosphide doped with p-type impurities exhibits p-conductivity without any treatment for p-type conversion as described above.

これらのn型層、発光層およびp型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、MBE、MOCVD、HVPEなどの周知の方法を周知の条件で用いることができる。中でも、MOCVD法が好ましい。   The growth method of the gallium nitride compound semiconductor constituting these n-type layer, light-emitting layer, and p-type layer is not particularly limited, and a well-known method such as MBE, MOCVD, or HVPE can be used under well-known conditions. Of these, the MOCVD method is preferable.

原料には、窒素源としてアンモニア、ヒドラジン、アジ化物などを用いることができる。また、III族有機金属としてトリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアルミニウム(TMAl)などを用いることができる。また、ドーパント源としてシラン、ジシラン、ゲルマン、有機ゲルマニウム原料、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)、その他有機金属類や水素化物などを用いることができる。キャリアガスには窒素および水素を使用できる。 In the raw material, ammonia, hydrazine, azide, or the like can be used as a nitrogen source. Further, trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), trimethylindium (TMIn), trimethylaluminum (TMAl), or the like can be used as the group III organic metal. Further, silane, disilane, germane, organic germanium raw material, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), other organic metals, hydrides, and the like can be used as the dopant source. Nitrogen and hydrogen can be used as the carrier gas.

Inを含む井戸層の成長は、基板温度を650〜900℃の範囲で行なうことが望ましい。それ以下の温度では結晶性の良い井戸層が得られないし、それ以上の温度では井戸層に取り込まれるInの量が少なくなり、意図する波長を発光する素子を作製することができないことがある。   The growth of the well layer containing In is desirably performed at a substrate temperature in the range of 650 to 900 ° C. If the temperature is lower than that, a well layer with good crystallinity cannot be obtained, and if the temperature is higher than that, the amount of In taken into the well layer may be reduced, and an element that emits light of an intended wavelength may not be manufactured.

前述した如く、Inを含む井戸層の場合は井戸層の表面にInを含まない薄層を設けることが好ましいが、その場合は、Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた後、同じ基板温度でIn源のみ供給を停止して、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させればよい。   As described above, in the case of a well layer containing In, it is preferable to provide a thin layer not containing In on the surface of the well layer. In this case, after growing a gallium nitride compound semiconductor containing In, the same substrate is used. The supply of only the In source may be stopped at the temperature to grow the gallium nitride compound semiconductor.

井戸層における厚膜部および薄膜部は、前述した如く、障壁層にドーパントをドープすることによって形成することが好ましいが、井戸層を所定の厚さまで成長させた後、その一部を分解または昇華させることよって厚膜部および薄膜部の形成を促進させることができる。   As described above, the thick film portion and the thin film portion in the well layer are preferably formed by doping the barrier layer with a dopant. However, after the well layer is grown to a predetermined thickness, a part thereof is decomposed or sublimated. Therefore, the formation of the thick film portion and the thin film portion can be promoted.

即ち、Inを含むIII族金属源および窒素源を供給しつつ、Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体を所定の厚さまで成長させた後、III族金属源の供給を停止した状態で、基板温度をそのまま維持または昇温させることによって、その一部を分解または昇華させることができる。キャリアガスは窒素が好ましい。分解または昇華は、基板温度を上記成長温度から700〜1000℃の範囲に昇温してまたは昇温させつつ行なうことが好ましい。   That is, while supplying a Group III metal source containing In and a nitrogen source, growing a gallium nitride compound semiconductor containing In to a predetermined thickness, and then stopping the supply of the Group III metal source, the substrate temperature is increased. By maintaining or raising the temperature as it is, a part of it can be decomposed or sublimated. The carrier gas is preferably nitrogen. The decomposition or sublimation is preferably performed while raising the substrate temperature from the growth temperature to a range of 700 to 1000 ° C. or raising the temperature.

障壁層の成長は、井戸層の成長よりも高い基板温度で行なうことが好ましい。その温度領域は、700〜1000℃程度が好適であり、かつ、井戸層を成長させる温度をT1、障壁層を成長する温度をT2とすると、T1≦T2である。井戸層の成長後、T1からT2への昇温の過程で、窒素を含むキャリアガスと窒素源の供給は続けながら、III族原料の供給を停止する工程を含むことで、井戸層に厚膜部と薄膜部を効果的に形成することができる。この際、キャリアガスの変更などは必要ない。キャリアガスを水素に切り替えることは、発光の波長を短波長化させる。波長の変化の程度は安定的に制御することが難しいため、製品の生産性を低下させる。   The growth of the barrier layer is preferably performed at a higher substrate temperature than the growth of the well layer. The temperature range is preferably about 700 to 1000 ° C., and T1 ≦ T2, where T1 is a temperature for growing a well layer and T2 is a temperature for growing a barrier layer. After the growth of the well layer, in the process of raising the temperature from T1 to T2, the step of stopping the supply of the group III raw material while continuing the supply of the carrier gas containing nitrogen and the nitrogen source is performed. And the thin film portion can be formed effectively. At this time, it is not necessary to change the carrier gas. Switching the carrier gas to hydrogen shortens the emission wavelength. The degree of change in wavelength is difficult to control stably, reducing product productivity.

T1からT2への昇温速度は、1〜100℃/分程度が望ましい。更に望ましくは、5〜50℃/分程度である。また、T1からT2への昇温に要する時間は30秒から10分程度が望ましい。更に望ましくは、1分から5分程度である。   The rate of temperature increase from T1 to T2 is preferably about 1 to 100 ° C./min. More desirably, it is about 5 to 50 ° C./min. Further, the time required for raising the temperature from T1 to T2 is preferably about 30 seconds to 10 minutes. More desirably, it is about 1 to 5 minutes.

障壁層の成長は、成長温度の異なる複数のステップで構成しても良い。つまり、厚膜部と薄膜部からなる井戸層上にT2の温度で障壁層を所定の膜厚で積層した後、成長温度をT3として更に障壁層を積層しても良い。T3がT2よりも低い温度であると、エージングによる特性の劣化などを抑える効果を付与することができて、より好適である。T3はT1と同じ温度であっても良い。   The growth of the barrier layer may be composed of a plurality of steps having different growth temperatures. That is, after the barrier layer is stacked at a predetermined thickness on the well layer composed of the thick film portion and the thin film portion, the barrier layer may be further stacked at the growth temperature T3. When T3 is a temperature lower than T2, an effect of suppressing deterioration of characteristics due to aging can be imparted, which is more preferable. T3 may be the same temperature as T1.

負極は、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限なく用いることができる。nコンタクト層と接する負極用のコンタクト材料としては、Al、Ti、Ni、Auなどのほか、Cr、W、Vなどを用いることができる。負極全体を多層構造としてボンディング性などを付与することができることは言うまでもない。   As the negative electrode, negative electrodes having various compositions and structures are well known, and these known negative electrodes can be used without any limitation. As a negative electrode contact material in contact with the n-contact layer, in addition to Al, Ti, Ni, Au, etc., Cr, W, V, etc. can be used. Needless to say, the entire negative electrode can have a multilayer structure to provide bonding properties and the like.

正極も、各種組成および構造の正極が周知であり、これら周知の正極を何ら制限なく用いることができる。
透光性の正極材料としては、Pt、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、Coなどを含んでも良い。また、その一部が酸化されている構造とすることで、透光性が向上することが知られている。反射型の正極材料としては、上記の材料の他に、Rh、Ag,Alなどを用いることができる。
As the positive electrode, positive electrodes having various compositions and structures are well known, and these known positive electrodes can be used without any limitation.
The translucent positive electrode material may include Pt, Pd, Au, Cr, Ni, Cu, Co, and the like. Further, it is known that the translucency is improved by using a structure in which a part thereof is oxidized. In addition to the above materials, Rh, Ag, Al, or the like can be used as the reflective positive electrode material.

これらの正極は、スパッタリングや真空蒸着などの方法で形成することができる。特にスパッタリングを用いると、スパッタリングの条件を適切に制御することで、電極膜を形成した後にアニール処理を施さなくともオーミック接触を得ることができ、好適である。   These positive electrodes can be formed by a method such as sputtering or vacuum deposition. When sputtering is used in particular, ohmic contact can be obtained by appropriately controlling the sputtering conditions without performing annealing after forming the electrode film.

発光素子の構造としては、反射型の正極を備えたフリップチップ型の素子としても良いし、透光性の正極や格子型、櫛型の正極を備えたフェイスアップ型の素子としても良い。   As a structure of the light emitting element, a flip chip type element including a reflective positive electrode may be used, or a face-up type element including a translucent positive electrode, a lattice type, or a comb type positive electrode may be used.

厚膜部と薄膜部を有する本発明の発光層では、厚膜部から薄膜部に変わる境界領域で、材料の異なる井戸層と障壁層との界面が基板面に対して斜めになるので、基板面に対して垂直方向への光の取出し量が増大し、特に、反射電極を備えたフリップチップ型の素子構造とすることにより、発光強度が一層増大する。   In the light emitting layer of the present invention having the thick film portion and the thin film portion, the interface between the well layer and the barrier layer made of different materials is inclined with respect to the substrate surface in the boundary region changing from the thick film portion to the thin film portion. The amount of light taken out in the direction perpendicular to the surface is increased. In particular, the light emission intensity is further increased by employing a flip chip type element structure provided with a reflective electrode.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いることで、駆動電圧をある程度自由に低下させることが可能である。しかしながら、あまりに電圧を下げてしまうと、それに従って発光出力の低下が見られる。発光出力の低下を引き起こさない駆動電圧とは、素子にした場合に20mAの電流を流した際の電圧が2.5V以上、更に望ましくは2.9V以上である。しかし、装置に組み込んだ際にあまりに電圧が高いことは不利となるので、同時に3.5V以下である必要もある。   By using the gallium nitride compound semiconductor laminate of the present invention, the driving voltage can be reduced to some extent freely. However, if the voltage is lowered too much, the light emission output is reduced accordingly. The driving voltage that does not cause a decrease in the light emission output is a voltage when a current of 20 mA is passed in the case of an element of 2.5 V or more, more preferably 2.9 V or more. However, since it is disadvantageous that the voltage is too high when incorporated in the apparatus, it is also necessary that the voltage be 3.5 V or less at the same time.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いたことによる効果として、ダイオード特性の一つである、電流と電圧の相関において、電圧に対して電流が急激に上昇するテイクオフ電圧が低下することが上げられる。しかしながら、テイクオフ電圧に関しても、あまりに下げてしまうと、発光出力の低下が見られる。発光出力の低下を引き起こさないテイクオフ電圧とは、素子にした場合に20mAの電流を流した際の電圧が2.3V以上、更に望ましくは2.5V以上である。しかし、装置に組み込んだ際にあまりに電圧が高いことは不利となるので、同時に3.2V以下である必要もある。   As an effect of using the gallium nitride compound semiconductor laminate of the present invention, in the correlation between current and voltage, which is one of diode characteristics, the takeoff voltage at which the current rapidly increases with respect to the voltage is reduced. Raised. However, if the take-off voltage is too low, the light output is reduced. The take-off voltage that does not cause a decrease in the light emission output is a voltage when a current of 20 mA is passed in the case of an element of 2.3 V or higher, more preferably 2.5 V or higher. However, since it is disadvantageous that the voltage is too high when incorporated in the apparatus, it is also necessary to be 3.2 V or less at the same time.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を、発光ダイオードやレーザダイオード等の作製に用いることができる。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate of the present invention can be used for manufacturing a light-emitting diode, a laser diode, or the like.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物から半導体発光素子を作製し、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプを作製できる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。   A semiconductor light emitting device can be produced from the gallium nitride compound semiconductor laminate of the present invention, and a lamp can be produced by providing a transparent cover by means well known in the art, for example. In addition, a white lamp can be produced by combining the gallium nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention and a cover having a phosphor.

ひいては、高い発光強度の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得るに貢献できる。この手法によって高輝度のLEDランプを作製することができる。更に、この手法によって作製したチップを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮する。   As a result, it is possible to contribute to obtaining a gallium nitride compound semiconductor light emitting device having high emission intensity. By this method, a high-intensity LED lamp can be produced. Furthermore, electronic devices such as mobile phones, displays, and panels incorporating chips manufactured by this method, and mechanical devices such as automobiles, computers, and game machines incorporating such electronic devices can be driven with low power. It becomes possible, and it is possible to realize high characteristics. In particular, the battery-powered devices such as mobile phones, game machines, and automobile parts exhibit power saving effects.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
図3は本実施例で作製した半導体発光素子用の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の模式図である(但し、発光層の井戸層と障壁層は箇略化している)。図3に示すとおり、c面を有するサファイア基板上に、格子不整合結晶のエピタキシャル成長方法によってAlNからなるSP層を積層し、その上に基板側から順に、厚さ2μmのアンドープGaN下地層、1×1019cm-3の電子濃度を持つ厚さ2μmの高Siドープn−GaNコンタクト層、1×1018cm-3の電子濃度を持つ厚さ12.5nmのn−In0.1Ga0.9Nクラッド層、6層の厚さ16nmの1×1018cm-3のSiをドープしたGaN障壁層と5層の厚さ2.5nmのアンドープのIn0.2Ga0.8Nおよび0から0.5nmの膜厚を持つGaNの薄層で構成される井戸層とからなる多重量子井戸構造の発光層、厚さ10nmのMgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層、8×1017cm-3の正孔濃度を持つ厚さ0.1μmのMgドープp−GaNコンタクト層を順に積層した構造である。
(Example 1)
FIG. 3 is a schematic view of a gallium nitride-based compound semiconductor laminate for a semiconductor light emitting device manufactured in this example (however, the well layer and the barrier layer of the light emitting layer are omitted). As shown in FIG. 3, an SP layer made of AlN is laminated on a sapphire substrate having a c-plane by an epitaxial growth method of lattice mismatched crystals, and an undoped GaN foundation layer having a thickness of 2 μm is formed on the SP layer in this order from the substrate side. 2 μm thick Si-doped n-GaN contact layer with an electron concentration of × 10 19 cm −3 , 12.5 nm thick n-In 0.1 Ga 0.9 N cladding with an electron concentration of 1 × 10 18 cm −3 6 layers, 16 nm thick 1 × 10 18 cm −3 Si-doped GaN barrier layer, 5 layers of 2.5 nm thick undoped In 0.2 Ga 0.8 N and 0 to 0.5 nm thickness A light emitting layer having a multi-quantum well structure composed of a well layer composed of a thin GaN layer, a 10 nm thick Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer, and 8 × 10 17 cm −3 holes Thickness with concentration 0. The Mg-doped p-GaN contact layer of μm a structure laminated in this order.

上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。   The above-mentioned gallium nitride compound semiconductor laminate was produced by the following procedure using MOCVD.

先ず、サファイア基板を、誘導加熱式ヒータでカーボン製のサセプタを加熱する形式の多数枚の基板を処理できるステンレス製の反応炉の中に導入した。サセプタは、それ自体が回転する機構を持ち、基板を自転させる機構を持つ。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプタ上に載置した。基板を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。   First, the sapphire substrate was introduced into a stainless steel reaction furnace capable of processing a large number of substrates in the form of heating a carbon susceptor with an induction heater. The susceptor has a mechanism for rotating itself and a mechanism for rotating the substrate. The sapphire substrate was placed on a carbon susceptor for heating in a glove box substituted with nitrogen gas. After introducing the substrate, the reaction furnace was purged with nitrogen gas.

窒素ガスを8分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を600℃に昇温し、同時に炉内の圧力を15kPa(150mbar)とした。基板温度を600℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら2分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行なった。   After circulating nitrogen gas for 8 minutes, the induction heater was activated, the substrate temperature was raised to 600 ° C. over 10 minutes, and the pressure in the furnace was 15 kPa (150 mbar). While maintaining the substrate temperature at 600 ° C., the substrate surface was left for 2 minutes while flowing hydrogen gas and nitrogen gas to perform thermal cleaning of the substrate surface.

サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。   After completion of the thermal cleaning, the nitrogen carrier gas valve was closed and the gas supply into the reactor was hydrogen only.

キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1180℃に昇温させた。1180℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、これを反応炉の内壁に着いた付着物の分解により生じるN原子と反応させて、サファイア基板上にAlNを付着させる処理を開始した。   After switching the carrier gas, the temperature of the substrate was raised to 1180 ° C. After confirming that the temperature was stabilized at 1180 ° C., the valve of TMAl piping was switched, and a gas containing TMAl vapor was supplied into the reactor, which was decomposed by the deposits attached to the inner wall of the reactor. The process of reacting with the generated N atoms to deposit AlN on the sapphire substrate was started.

8分30秒間の処理の後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止した。そのままの状態で4分待機し、炉内に残ったTMAl蒸気が完全に排出されるのを待った。続いて、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。   After the treatment for 8 minutes and 30 seconds, the valve of TMAl piping was switched, and supply of gas containing TMAl vapor into the reactor was stopped. It waited for 4 minutes as it was, and waited for TMAl vapor | steam remaining in the furnace to be discharged | emitted completely. Subsequently, the valve of the ammonia gas pipe was switched to start supplying ammonia gas into the furnace.

4分の後、アンモニアの流通を続けながら、サセプタの温度を1040℃に降温した。サセプタ温度の降温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。   After 4 minutes, the temperature of the susceptor was lowered to 1040 ° C. while continuing the circulation of ammonia. While the susceptor temperature was lowered, the flow rate of the flow rate regulator of the TMGa pipe was adjusted.

サセプタの温度が1040℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、アンドープのGaNの成長を開始し、約1時間に渡って上記のGaN層の成長を行った。   After confirming that the temperature of the susceptor reached 1040 ° C., wait for the temperature to stabilize, then switch the TMGa valve to start supplying TMGa into the furnace, and start the growth of undoped GaN. The GaN layer was grown over time.

このようにして、2μmの膜厚を有するアンドープGaN下地層を形成した。
更に、このアンドープGaN下地層上に高Siドープのn型GaN層を成長した。アンドープGaN下地層の成長後、1分間に渡ってTMGaの炉内への供給を停止した。その間、SiH4の流通量を調節した。流通させる量は事前に検討してあり、高Siドープn−GaN層の電子濃度が1×1019cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。また、1分間の停止の間に、サセプタの温度を1040℃から1060℃へ変化させた。
In this way, an undoped GaN foundation layer having a thickness of 2 μm was formed.
Further, a high Si-doped n-type GaN layer was grown on the undoped GaN underlayer. After the growth of the undoped GaN underlayer, the supply of TMGa into the furnace was stopped for 1 minute. Meanwhile, the flow rate of SiH 4 was adjusted. The amount to be circulated was examined in advance and adjusted so that the electron concentration of the highly Si-doped n-GaN layer was 1 × 10 19 cm −3 . Ammonia continued to be fed into the furnace at the same flow rate. In addition, the temperature of the susceptor was changed from 1040 ° C. to 1060 ° C. during the 1-minute stop.

1分間の停止の後、TMGaとSiH4の供給を開始し、1時間に渡って成長を行った。この操作により、2μmの膜厚を有する高Siドープn−GaNコンタクト層を形成した。 After stopping for 1 minute, supply of TMGa and SiH 4 was started, and growth was performed for 1 hour. By this operation, a highly Si-doped n-GaN contact layer having a thickness of 2 μm was formed.

高Siドープn−GaNコンタクト層を成長した後、TMGaとSiH4のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1060℃から730℃へ低下させた。 After growing the high Si-doped n-GaN contact layer, the TMGa and SiH 4 valves were switched to stop the supply of these raw materials into the furnace. While the ammonia was circulated as it was, the valve was switched to switch the carrier gas from hydrogen to nitrogen. Thereafter, the temperature of the substrate was lowered from 1060 ° C. to 730 ° C.

炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、Siドープn−InGaNクラッド層の電子濃度が1×1018cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。 While waiting for the temperature in the furnace to change, the supply amount of SiH 4 was changed. The amount to be circulated was examined in advance, and adjusted so that the electron concentration of the Si-doped n-InGaN cladding layer was 1 × 10 18 cm −3 . Ammonia continued to be fed into the furnace at the same flow rate.

その後、炉内の状態が安定するのを待って、TMInとTEGaとSiH4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。所定の時間だけ供給を継続し、12.5nmの膜厚を有するSiドープn−In0.1Ga0.9Nクラッド層を形成した。その後、TMIn、TEGaおよびSiH4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。 Then, waiting for the state of the furnace to stabilize, simultaneously switching the valves TMIn and TEGa and SiH 4, feed was started to the furnace. Supply was continued for a predetermined time to form a Si-doped n-In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer having a thickness of 12.5 nm. Thereafter, the valves for TMIn, TEGa and SiH 4 were switched to stop the supply of these raw materials.

Siドープn−In0.1Ga0.9Nクラッド層の成長終了後、サセプタの温度を930℃に昇温した。温度が安定したのち、基板温度や炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとSiH4のバルブを切り替えてTEGaとSiH4の炉内への供給を行った。そのままサセプタ温度930℃にて、規定の時間の成長を行った。続いてサセプタ温度を調節し、730℃にてTEGaとSiH4の供給を行って成長を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとSiH4の供給を停止してGaN障壁層の成長を終了した。これにより、総膜厚が16nmの膜厚を成すGaN障壁層を形成した。 After completion of the growth of the Si-doped n-In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, the temperature of the susceptor was raised to 930 ° C. After the temperature was stabilized, the pressure of the substrate temperature and the furnace, flow rate and type of ammonia gas and carrier gas as it were supplied to TEGa and SiH 4 in the furnace by switching the valves TEGa and SiH 4. The growth was carried out for a specified time at a susceptor temperature of 930 ° C. Subsequently, after adjusting the susceptor temperature and supplying TEGa and SiH 4 at 730 ° C. for growth, the valve was switched again to stop the supply of TEGa and SiH 4 to complete the growth of the GaN barrier layer. . Thereby, a GaN barrier layer having a total film thickness of 16 nm was formed.

GaN障壁層の成長終了後、30秒間に渡ってTEGaの供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行なった。あらかじめ決めた時間の間TEGaとTMInの供給を行なった後、再びバルブを切り替えてTMInの供給を停止してIn0.2Ga0.8N井戸層の成長を終了した。この時点では、2.5nmの膜厚を成すIn0.2Ga0.8N層が形成された。 After the growth of the GaN barrier layer is completed, the TEGa supply is stopped for 30 seconds, and the TEGa and TMIn valves are switched while the substrate temperature, the pressure in the furnace, the flow rates and types of ammonia gas and carrier gas remain unchanged. TEGa and TMIn were supplied into the furnace. After supplying TEGa and TMIn for a predetermined time, the valve was switched again to stop the supply of TMIn and the growth of the In 0.2 Ga 0.8 N well layer was completed. At this point, an In 0.2 Ga 0.8 N layer having a thickness of 2.5 nm was formed.

In0.2Ga0.8N層の成長終了後、所定の時間TEGaとSiH4の炉内への供給を続け、InGaN層上にIn抜けを抑えるためのSiをドープしたGaNからなる薄層を形成し、TEGaとSiH4の供給を停止した。 After the growth of the In 0.2 Ga 0.8 N layer, the supply of TEGa and SiH 4 into the furnace for a predetermined time is continued, and a thin layer made of Si-doped GaN for suppressing In escape is formed on the InGaN layer, The supply of TEGa and SiH 4 was stopped.

このような手順を5回繰り返し、5層のSiドープGaN障壁層と5層のIn0.2Ga0.8N井戸層を形成し、最後に再びSiドープGaN障壁層を形成して多重量子井戸構造の発光層とした。 Such a procedure is repeated five times to form five Si-doped GaN barrier layers and five In 0.2 Ga 0.8 N well layers, and finally again form an Si-doped GaN barrier layer to emit light of a multiple quantum well structure. Layered.

このSiドープGaN障壁層で終了する発光層上に、Mgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層を形成した。 An Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer was formed on the light-emitting layer terminated with the Si-doped GaN barrier layer.

TEGaとSiH4の供給を停止して、SiドープGaN障壁層の成長が終了した後、基板の温度を1020℃へ昇温し、キャリアガスの種類を水素に切り替え、炉内の圧力を15kPa(150mbar)に変更した。炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとTMAlとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、Mgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層の成長を停止した。これにより、10nmの膜厚を有するMgドープのp型Al0.07Ga0.93クラッド層を形成した。 After the supply of TEGa and SiH 4 was stopped and the growth of the Si-doped GaN barrier layer was completed, the temperature of the substrate was raised to 1020 ° C., the type of carrier gas was switched to hydrogen, and the pressure in the furnace was 15 kPa ( 150 mbar). After waiting for the pressure in the furnace to stabilize, the valves for TMGa, TMAl, and Cp 2 Mg were switched to start supplying these raw materials into the furnace. Thereafter, after growing for about 3 minutes, the supply of TEGa and TMAl was stopped, and the growth of the Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer was stopped. As a result, an Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 cladding layer having a thickness of 10 nm was formed.

このMgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層上に、Mgドープのp−GaNコンタクト層を形成した。 An Mg-doped p-GaN contact layer was formed on the Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer.

TMGaとTMAlとCp2Mgの供給を停止して、Mgドープのp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層の成長が終了した後、炉内の圧力を20kPa(200mbar)に変更した。炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、Mgドープp−GaNコンタクト層の正孔濃度が8×1017cm-3となるように調整した。その後、約4分間に渡って成長を行ったあと、TMGaとCp2Mgの供給を停止し、Mgドープのp−GaN層の成長を停止した。これにより、0.1μmの膜厚を成すMgドープp−GaNコンタクト層が形成された。 After the supply of TMGa, TMAl and Cp 2 Mg was stopped and the growth of the Mg-doped p-Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer was completed, the pressure in the furnace was changed to 20 kPa (200 mbar). After waiting for the pressure in the furnace to stabilize, the valves for TMGa and Cp 2 Mg were switched to start supplying these raw materials into the furnace. The amount of circulating Cp 2 Mg has been studied in advance, and was adjusted so that the hole concentration of the Mg-doped p-GaN contact layer was 8 × 10 17 cm −3 . Then, after growing for about 4 minutes, the supply of TMGa and Cp 2 Mg was stopped, and the growth of the Mg-doped p-GaN layer was stopped. As a result, a Mg-doped p-GaN contact layer having a thickness of 0.1 μm was formed.

Mgドープp−GaNコンタクト層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を大気中に取り出した。   After completing the growth of the Mg-doped p-GaN contact layer, the energization of the induction heater was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to room temperature over 20 minutes. During the temperature drop, the atmosphere in the reactor was composed only of nitrogen. Then, after confirming that the substrate temperature was lowered to room temperature, the produced gallium nitride compound semiconductor laminate was taken out into the atmosphere.

以上のような手順により、半導体発光素子用の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。ここでMgドープp−GaN層は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもp型を示した。   A gallium nitride-based compound semiconductor laminate for a semiconductor light emitting device was produced by the procedure as described above. Here, the Mg-doped p-GaN layer showed p-type even without performing an annealing process for activating p-type carriers.

次いで、上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。   Next, a light-emitting diode, which is a kind of semiconductor light-emitting element, was manufactured using the gallium nitride compound semiconductor laminate.

作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のp−GaNコンタクト層の表面上に、公知のフォトリソグラフィーによって、コンタクト層側から順にPt、RhおよびAuを積層した構造を持つ反射性の正極を作製した。   A reflective positive electrode having a structure in which Pt, Rh, and Au are laminated in this order from the contact layer side on the surface of the p-GaN contact layer of the produced gallium nitride compound semiconductor laminate was produced by known photolithography.

更にその後窒化ガリウム系化合物半導体積層物にドライエッチングを行ない、高Siドープのn−GaNコンタクト層の負極形成部分を露出させ、露出した部分にコンタクト層側から順にTiおよびAlを積層して負極を作製した。これらの作業により、図4に示すような形状を持つ電極を作製した。   Further, dry etching is performed on the gallium nitride compound semiconductor laminate to expose the negative electrode forming portion of the highly Si-doped n-GaN contact layer, and Ti and Al are laminated in that order from the contact layer side to form the negative electrode. Produced. By these operations, an electrode having a shape as shown in FIG. 4 was produced.

このようにして正極および負極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層物について、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該窒化ガリウム系化合物半導体積層物を350μm角の正方形のチップに切断し、電極が下になるようにサブマウント上に配置してチップとした。更にそのチップをリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。   Thus, about the gallium nitride compound semiconductor laminated body which formed the positive electrode and the negative electrode, the back surface of the sapphire substrate was ground and grind | polished, and it was set as the mirror-shaped surface. Thereafter, the gallium nitride-based compound semiconductor laminate was cut into 350 μm square chips and placed on the submount so that the electrodes faced down to form chips. Further, the chip was placed on a lead frame and connected to the lead frame with a gold wire to obtain a light emitting element.

上記のようにして作製した発光ダイオードの正極および負極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、発光波長は455nmであり、発光出力は10mWを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。   When a forward current was passed between the positive electrode and the negative electrode of the light-emitting diode produced as described above, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.0V. The emission wavelength was 455 nm, and the emission output was 10 mW. Such characteristics of the light-emitting diode were obtained with no variation for light-emitting diodes fabricated from almost the entire surface of the fabricated gallium nitride compound semiconductor laminate.

また、このようにして作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を断面TEMにて観察した写真の一例が図1および図2であり、図1は倍率が2,000,000倍、図2は倍率が500,000倍である。   An example of a photograph of the gallium nitride compound semiconductor laminate produced as described above observed with a cross-sectional TEM is shown in FIGS. 1 and 2, wherein FIG. 1 shows a magnification of 2,000,000 and FIG. 2 shows a magnification. Is 500,000 times.

井戸層は上面および下面に凹凸が形成され、厚膜部と薄膜部から構成されていることがわかる。観察された厚膜部は、厚み2.5nm、幅が50nmなどであった。また同様に、観察された薄膜部は5nm程度の幅であり、その部分の膜厚が1nm以下などであった。   It can be seen that the well layer has irregularities formed on the upper surface and the lower surface, and is composed of a thick film portion and a thin film portion. The observed thick film portion had a thickness of 2.5 nm and a width of 50 nm. Similarly, the observed thin film portion had a width of about 5 nm, and the thickness of the portion was 1 nm or less.

障壁層は16nmの膜厚があった。障壁層は井戸層の薄膜部と厚膜部との膜厚の差を完全に埋めていた。   The barrier layer had a thickness of 16 nm. The barrier layer completely filled in the difference in film thickness between the thin film portion and the thick film portion of the well layer.

(比較例1)
本比較例では、実施例1と発光層を除いて同じ構造の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。発光層は、障壁層にSiをドープせず、膜厚の均一な井戸層と障壁層を積層した構造である点だけが実施例1と異なる。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, a gallium nitride compound semiconductor laminate having the same structure as that of Example 1 except for the light emitting layer was produced. The light emitting layer is different from Example 1 only in that the barrier layer is not doped with Si, and has a structure in which a well layer and a barrier layer having a uniform thickness are stacked.

n−InGaNクラッド層までの作製手順は、実施例1と同じである。
Siドープn−In0.1Ga0.9Nクラッド層の成長終了後、サセプタの温度を930℃に昇温した。温度が安定したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えて、炉内への供給を行った。そのままサセプタ温度930℃にて、所定の時間の成長を行った。続いてサセプタ温度を調節し、730℃にてTEGaの供給を行って成長を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaの供給を停止してGaN障壁層の成長を終了した。これにより、総膜厚が16nmの膜厚を成すアンドープGaN障壁層を形成した。
The manufacturing procedure up to the n-InGaN cladding layer is the same as that in the first embodiment.
After completion of the growth of the Si-doped n-In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, the temperature of the susceptor was raised to 930 ° C. After the temperature was stabilized, the substrate temperature, the pressure in the furnace, the flow rate and type of the carrier gas were kept unchanged, and the TEGa valve was switched to supply into the furnace. The growth was carried out for a predetermined time at the susceptor temperature of 930 ° C. Subsequently, the susceptor temperature was adjusted, and TEGa was supplied at 730 ° C. for growth, and then the valve was switched again to stop the supply of TEGa to complete the growth of the GaN barrier layer. As a result, an undoped GaN barrier layer having a total film thickness of 16 nm was formed.

アンドープGaN障壁層の成長終了後、30秒間に渡ってTEGaの供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。あらかじめ決めた時間の間TEGaとTMInの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとTMInの供給を停止してIn0.2Ga0.8N層の成長を終了した。この時点では、2.5nmの膜厚を成すIn0.2Ga0.8N層が形成された。 After the growth of the undoped GaN barrier layer is completed, the TEGa supply is stopped for 30 seconds, and the TEGa and TMIn valves are switched by changing the TEGa and TMIn valves while maintaining the substrate temperature, the pressure in the furnace, and the flow rate and type of the carrier gas. TMIn was supplied into the furnace. After supplying TEGa and TMIn for a predetermined time, the valve was switched again to stop the supply of TEGa and TMIn, and the growth of the In 0.2 Ga 0.8 N layer was completed. At this point, an In 0.2 Ga 0.8 N layer having a thickness of 2.5 nm was formed.

In0.2Ga0.8N層の成長終了後、所定の時間TEGaの炉内への供給を行ない、InGaN層上にIn抜けを抑えるためのGaN薄層を形成した。 After the growth of the In 0.2 Ga 0.8 N layer, TEGa was supplied into the furnace for a predetermined time to form a GaN thin layer on the InGaN layer for suppressing In detachment.

このような手順を5回繰り返し、5層のアンドープGaN障壁層と5層のIn0.2Ga0.8Nの井戸層で構成される層を形成した後、最後に再びアンドープGaN障壁層を形成して多重量子井戸構造の発光層とした。 Such a procedure is repeated five times to form a layer composed of five undoped GaN barrier layers and five In 0.2 Ga 0.8 N well layers, and finally, an undoped GaN barrier layer is formed again and multiplexed. The light emitting layer has a quantum well structure.

これ以降の、Mgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層、およびMgドープのp型GaN層の形成手順は、やはり実施例1と同じとした。 Subsequent steps for forming the Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer and the Mg-doped p-type GaN layer were the same as in Example 1.

この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例1と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流20mAにおける順方向電圧は3.9Vであった。また、発光波長は455nmであり、発光出力は8.5mWを示した。   Using this gallium nitride compound semiconductor laminate, a light emitting diode was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.9V. The emission wavelength was 455 nm, and the emission output was 8.5 mW.

この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を断面TEMにて観察した写真の一例を図5および図6に示す。図5は倍率が2,000,000倍であり、図6は倍率が500,000倍である。これらの図において、1、2、3および4は、図1および図2と同様に、それぞれ井戸層、障壁層、n−クラッド層およびp−クラッド層を示す。これらの図から井戸層の膜厚は2.5nm程度と一定で、位置による膜厚の変動はなかった。   An example of a photograph of this gallium nitride-based compound semiconductor laminate observed with a cross-sectional TEM is shown in FIGS. FIG. 5 shows a magnification of 2,000,000 times, and FIG. 6 shows a magnification of 500,000 times. In these drawings, reference numerals 1, 2, 3 and 4 denote a well layer, a barrier layer, an n-cladding layer and a p-cladding layer, respectively, as in FIGS. From these figures, the film thickness of the well layer was constant at about 2.5 nm, and the film thickness did not vary depending on the position.

(実施例2)
本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の作製手順については、次の点を除いて実施例1と同一である。即ち、障壁層および井戸層上のGaN薄層の成長工程において、TEGaと共にGeH4を供給し、障壁層および井戸層上のGaN薄層をGeドープのGaN層とした。Geドープ濃度が1×1018cm-3になるようにGeH4の供給量を調節した。
(Example 2)
The manufacturing procedure of the gallium nitride compound semiconductor laminate of this example is the same as that of Example 1 except for the following points. That is, in the growth process of the GaN thin layer on the barrier layer and the well layer, GeH 4 was supplied together with TEGa, and the GaN thin layer on the barrier layer and the well layer was used as a Ge-doped GaN layer. The supply amount of GeH 4 was adjusted so that the Ge doping concentration was 1 × 10 18 cm −3 .

得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物に実施例1と同様に正極および負極を設けたが、正極の構造はp−GaNコンタクト層の表面から順にAuおよびNiOを積層した透明電極とその上に順にTi、Au、AlおよびAuを積層したパッド電極からなる構造とした。   The obtained gallium nitride compound semiconductor laminate was provided with a positive electrode and a negative electrode in the same manner as in Example 1. The structure of the positive electrode was a transparent electrode in which Au and NiO were laminated in order from the surface of the p-GaN contact layer, and a transparent electrode thereon. The structure is composed of pad electrodes in which Ti, Au, Al, and Au are laminated in order.

この発光ダイオードを実施例1と同様に性能を評価したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであり、発光波長は455nmであり、発光出力は5mWを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。また、断面TEM写真で観察した結果、井戸層は厚膜部と薄膜部から構成されていた。   When the performance of this light-emitting diode was evaluated in the same manner as in Example 1, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.0 V, the emission wavelength was 455 nm, and the emission output was 5 mW. Such characteristics of the light-emitting diode were obtained with no variation for light-emitting diodes fabricated from almost the entire surface of the fabricated gallium nitride compound semiconductor laminate. Moreover, as a result of observing with the cross-sectional TEM photograph, the well layer was comprised from the thick film part and the thin film part.

(比較例2)
本比較例では、比較例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例2と同じ電極構造を有する発光ダイオードを作製した。
実施例1と同様に性能を評価したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.9Vであり、発光波長は455nmであり、発光出力は5mWを示した。
(Comparative Example 2)
In this comparative example, a light-emitting diode having the same electrode structure as that of Example 2 was fabricated using the gallium nitride compound semiconductor laminate fabricated in Comparative Example 1.
When the performance was evaluated in the same manner as in Example 1, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.9 V, the emission wavelength was 455 nm, and the emission output was 5 mW.

(実施例3)
c面を有するサファイア基板上に、格子不整合結晶のエピタキシャル成長方法によってAlNからなるSP層を積層し、その上に基板側から順に、厚さ8μmのアンドープGaN下地層、高Geドープ層と低Geドープ層を交互に100回積層した厚さ4μmの平均して5×1018cm-3の電子濃度を持つn−GaNコンタクト層、1×1018cm-3の電子濃度を持つ厚さ180ÅのIn0.1Ga0.9Nクラッド層、6層の厚さ160ÅのSiを8×1017cm-3ドープしたGaN障壁層と5層の厚さ25ÅのアンドープのIn0.2Ga0.8Nおよび0から5Åの膜厚を持つGaN層で構成される井戸層とからなる多重量子井戸構造の発光層、厚さ100ÅのMgドープのp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層、8×1017cm-3の正孔濃度を持つ厚さ0.1μmのMgドープp−Al0.02Ga0.98Nコンタクト層を順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
(Example 3)
An SP layer made of AlN is stacked on a sapphire substrate having a c-plane by an epitaxial growth method of lattice mismatched crystals, and an undoped GaN underlayer having a thickness of 8 μm, a high Ge doped layer, and a low Ge layer are sequentially formed on the SP layer. An n-GaN contact layer having an average electron density of 5 × 10 18 cm −3 of 4 μm in thickness, in which doped layers are alternately stacked 100 times, and having a thickness of 180 mm having an electron concentration of 1 × 10 18 cm −3 . In 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, 6 layers of 160 Å Si 8 × 10 17 cm -3 doped GaN barrier layer and 5 layers of 25 ア ン undoped In 0.2 Ga 0.8 N and 0 to 5 膜 films A light emitting layer having a multiple quantum well structure composed of a well layer composed of a GaN layer having a thickness, a Mg-doped p-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer having a thickness of 100 mm, and a hole concentration of 8 × 10 17 cm −3 have It was prepared by 0.1μm of Mg-doped p-Al 0.02 Ga 0.98 N contact layer are sequentially stacked gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure.

上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の作製は、MOCVD法を用いて、基本的に実施例1と同様に行なった。   The above-mentioned gallium nitride compound semiconductor laminate was fabricated basically in the same manner as in Example 1 using the MOCVD method.

次いで、上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いた半導体発光素子の一種である発光ダイオードの作製を、以下の手順で実施した。
つまり、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のp−AlGaNコンタクト層の表面上に、公知のフォトリソグラフィーによって、コンタクト層側から順にPt、Auを積層した構造を持つ透光性の正極を作製し、その上に順にTi、Au、AlおよびAuを積層した構造のパッド電極を作製した。
Next, a light-emitting diode, which is a kind of semiconductor light-emitting element using the gallium nitride compound semiconductor laminate, was manufactured according to the following procedure.
That is, a translucent positive electrode having a structure in which Pt and Au are laminated in order from the contact layer side on the surface of the p-AlGaN contact layer of the produced gallium nitride-based compound semiconductor laminate is produced by known photolithography. Then, a pad electrode having a structure in which Ti, Au, Al, and Au were sequentially laminated thereon was produced.

更にその後窒化ガリウム系化合物半導体積層物にドライエッチングを行ない、高Geドープ層と低Geドープ層が交互に積層された構造を持つn−GaNコンタクト層の負極形成部分を露出させ、露出した部分にコンタクト層側から順にTiおよびAlを積層して負極を作製した。これらの作業により、図4に示すような形状を持つ電極を作製した。   Further, dry etching is then performed on the gallium nitride compound semiconductor laminate to expose the negative electrode forming portion of the n-GaN contact layer having a structure in which the high Ge doped layer and the low Ge doped layer are alternately laminated, and the exposed portion is exposed. Ti and Al were laminated in order from the contact layer side to produce a negative electrode. By these operations, an electrode having a shape as shown in FIG. 4 was produced.

このようにして正極および負極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層物について、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該窒化ガリウム系化合物半導体積層物を350μm角の正方形のチップに切断してリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。   Thus, about the gallium nitride compound semiconductor laminated body which formed the positive electrode and the negative electrode, the back surface of the sapphire substrate was ground and grind | polished, and it was set as the mirror-shaped surface. Thereafter, the gallium nitride compound semiconductor laminate was cut into a 350 μm square chip, placed on a lead frame, and connected to the lead frame with a gold wire to obtain a light emitting device.

上記のようにして作製した発光ダイオードの正極および負極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.2Vであった。また、発光波長は470nmであり、発光出力は6mWを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。   When a forward current was passed between the positive electrode and the negative electrode of the light emitting diode produced as described above, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.2V. The emission wavelength was 470 nm, and the emission output was 6 mW. Such characteristics of the light-emitting diode were obtained with no variation for light-emitting diodes fabricated from almost the entire surface of the fabricated gallium nitride compound semiconductor laminate.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて得られる発光素子は、良好な発光出力を保ったまま、駆動電圧が低下するので、その産業上の利用価値は非常に大きい。   The light emitting device obtained by using the gallium nitride compound semiconductor laminate of the present invention has a very large industrial utility value because the driving voltage is lowered while maintaining a good light output.

実施例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面TEM写真の一例である。2 is an example of a cross-sectional TEM photograph of a gallium nitride compound semiconductor laminate produced in Example 1. FIG. 実施例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面TEM写真の別の一例である。4 is another example of a cross-sectional TEM photograph of the gallium nitride compound semiconductor laminate produced in Example 1. FIG. 実施例1〜3で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the cross section of the gallium nitride type compound semiconductor laminated body produced in Examples 1-3. 実施例1〜3で作製した発光ダイオードの電極構造を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the electrode structure of the light emitting diode produced in Examples 1-3. 比較例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面TEM写真の一例である。2 is an example of a cross-sectional TEM photograph of a gallium nitride-based compound semiconductor laminate produced in Comparative Example 1. 比較例1で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面TEM写真の別の一例である。6 is another example of a cross-sectional TEM photograph of the gallium nitride-based compound semiconductor laminate produced in Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 井戸層
2 障壁層
3 nクラッド層
4 pクラッド層
1 well layer 2 barrier layer 3 n clad layer 4 p clad layer

Claims (38)

基板上にn型層、発光層およびp型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がn型層とp型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物において、該井戸層が厚膜部および薄膜部からなり、該障壁層がドーパントを含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The substrate has an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer, the light-emitting layer has a multiple quantum structure in which a well layer and a barrier layer are alternately stacked, and the light-emitting layer has an n-type layer and a p-type layer A gallium nitride compound semiconductor laminate, wherein the well layer is formed of a thick film portion and a thin film portion, and the barrier layer contains a dopant. 井戸層がInを含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 1, wherein the well layer contains In. 井戸層の上面にInを含まない薄層が存在することを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 2, wherein a thin layer not containing In exists on the upper surface of the well layer. ドーパントが、C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raの群から選ばれた少なくとも1種類であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The dopant is at least one selected from the group consisting of C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra. The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 3. ドーパントの濃度が1×1017cm-3から1×1019cm-3であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。 5. The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 1, wherein the dopant concentration is 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . 厚膜部の厚さが1.5nm〜5nmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the thick film portion has a thickness of 1.5 nm to 5 nm. 厚膜部の積層物断面での幅が10nm以上(数平均値)であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 6, wherein a width of the thick film portion in the laminate cross section is 10 nm or more (number average value). 薄膜部の厚さが1.5nm未満であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 7, wherein the thickness of the thin film portion is less than 1.5 nm. 薄膜部の積層物断面での幅が100nm以下(数平均値)であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   9. The gallium nitride compound semiconductor laminate according to claim 1, wherein a width of the thin film portion in a laminate cross section is 100 nm or less (number average value). 厚膜部と薄膜部の膜厚の差が1nm〜3nmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 9, wherein a difference in thickness between the thick film portion and the thin film portion is 1 nm to 3 nm. 積層物断面での厚膜部の幅の合計が井戸層全体の幅の30%以上であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 10, wherein the total width of the thick film sections in the laminate cross section is 30% or more of the entire well layer width. 多重量子井戸構造が3〜10回積層された構造であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 11, wherein the multi-quantum well structure is a structure obtained by laminating 3 to 10 times. 障壁層がGaN、AlGaNおよび井戸層を形成するInGaNよりもIn比率の小さいInGaNから選ばれた窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   13. The nitriding according to claim 1, wherein the barrier layer is a gallium nitride-based compound semiconductor selected from GaN, AlGaN, and InGaN having a smaller In ratio than InGaN forming the well layer. Gallium-based compound semiconductor laminate. 障壁層がGaNであることを特徴とする請求項13に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 13, wherein the barrier layer is GaN. 障壁層の膜厚が7nm〜50nmであることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 1, wherein the barrier layer has a thickness of 7 nm to 50 nm. 障壁層の膜厚が14nm以上であることを特徴とする請求項15に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。   The gallium nitride compound semiconductor laminate according to claim 15, wherein the barrier layer has a thickness of 14 nm or more. 請求項1〜16のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型層に負極を、p型層に正極をそれぞれ設けたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。   A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, wherein a negative electrode is provided in the n-type layer and a positive electrode is provided in the p-type layer of the gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 1. 素子構造がフリップチップタイプであることを特徴とする請求項17に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。   The gallium nitride compound semiconductor light-emitting device according to claim 17, wherein the device structure is a flip-chip type. 正極の構造が反射型であることを特徴とする請求項18に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。   The gallium nitride compound semiconductor light-emitting element according to claim 18, wherein the structure of the positive electrode is a reflection type. 電流20mAにおける駆動電圧が2.9V以上3.5V以下であることを特徴とする請求項17〜19のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。   The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to any one of claims 17 to 19, wherein a driving voltage at a current of 20 mA is 2.9 V or more and 3.5 V or less. テイクオフ電圧が2.5V以上3.2V以下であることを特徴とする請求項17〜20のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。   The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of claims 17 to 20, wherein a take-off voltage is 2.5 V or more and 3.2 V or less. 請求項17〜21のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなるランプ。   A lamp comprising the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of claims 17 to 21. 請求項17〜21のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を用いてなるランプ。   A lamp comprising the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to any one of claims 17 to 21 and a phosphor. 基板上にn型層、発光層およびp型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がn型層とp型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法において、障壁層にドーパントをドープして井戸層に厚膜部と薄膜部を形成させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The substrate has an n-type layer, a light-emitting layer, and a p-type layer, the light-emitting layer has a multi-quantum structure in which a well layer and a barrier layer are alternately stacked, and the light-emitting layer is an n-type layer and a p-type layer In a method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laminate disposed between layers, a gallium nitride compound semiconductor is characterized in that a dopant is doped into a barrier layer to form a thick film portion and a thin film portion in a well layer A method for producing a laminate. ドーパントの濃度が1×1017cm-3から1×1019cm-3であることを特徴とする請求項24に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。 The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 24, wherein the dopant concentration is 1 x 10 17 cm -3 to 1 x 10 19 cm -3 . 井戸層を形成する工程が、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる工程およびその窒化ガリウム系化合物半導体の一部を分解または昇華させる工程を含むことを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The step of forming a well layer includes a step of growing a gallium nitride compound semiconductor and a step of decomposing or sublimating a part of the gallium nitride compound semiconductor. The manufacturing method of the gallium nitride type compound semiconductor laminated body as described in a term. 成長させる工程の基板温度T1および分解または昇華させる工程の基板温度T2がT1≦T2であることを特徴とする請求項26に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   27. The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate according to claim 26, wherein the substrate temperature T1 in the growing step and the substrate temperature T2 in the decomposing or sublimating step satisfy T1 ≦ T2. T1が650〜900℃の範囲であることを特徴とする請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   28. The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate according to claim 27, wherein T1 is in a range of 650 to 900 [deg.] C. T2が700〜1000℃の範囲であることを特徴とする請求項27または28に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   29. The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 27 or 28, wherein T2 is in a range of 700 to 1000 ° C. 分解または昇華工程をT1からT2へ昇温させつつ行なうことを特徴とする請求項27〜29のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   30. The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 27 to 29, wherein the decomposition or sublimation step is performed while increasing the temperature from T1 to T2. T1からT2への昇温を、1℃/分〜100℃/分の昇温速度で行なうことを特徴とする請求項30に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 30, wherein the temperature rise from T1 to T2 is performed at a rate of temperature rise of 1 ° C / min to 100 ° C / min. 昇温速度が5℃/分〜50℃/分であることを特徴とする請求項31に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   32. The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 31, wherein the temperature rising rate is 5 [deg.] C./min to 50 [deg.] C./min. T1からT2への昇温を30秒〜10分で行なうことを特徴とする請求項30〜32のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 30 to 32, wherein the temperature rise from T1 to T2 is performed in 30 seconds to 10 minutes. T1からT2への昇温を1分〜5分で行なうことを特徴とする請求項33に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 33, wherein the temperature rise from T1 to T2 is performed in 1 minute to 5 minutes. 障壁層を温度T2で成長させることを特徴とする請求項27〜34のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to any one of claims 27 to 34, wherein the barrier layer is grown at a temperature T2. 障壁層を温度T2で成長させた後、T3に降温してさらに成長させることを特徴とする請求項35に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   36. The method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor stack according to claim 35, wherein the barrier layer is grown at a temperature T2, and then the temperature is further lowered to T3. T3がT1と同じ温度であることを特徴とする請求項36に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   37. The method for producing a gallium nitride compound semiconductor laminate according to claim 36, wherein T3 is the same temperature as T1. 成長工程が窒素源およびIII族金属源を含む雰囲気下であり、分解または昇華工程が窒素源を含みかつIII族金属源を含まない雰囲気下であることを特徴とする請求項26〜37のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。   The growth process is in an atmosphere containing a nitrogen source and a group III metal source, and the decomposition or sublimation process is in an atmosphere containing a nitrogen source and no group III metal source. A method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laminate according to claim 1.
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