JP2006140357A - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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Hiromitsu Kudo
広光 工藤
Hiroaki Okagawa
広明 岡川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure inside a device that effectively scatters light and thereby to improve light extraction efficiency without complicating a light-emitting device manufacturing process. <P>SOLUTION: In the device structure of a GaN-based light emitting device, a light scattering layer 50 is provided as a layer other than a light emitting layer 30 in a laminated layer that contains an n-type layer 20, the light emitting layer 30, and a p-type layer 40. Light emitted from the light emitting layer is configured to be scattered by an uneven interface between a first GaN based crystal 51 and an embedding layer 52 that constitute the light scattering layer 50. The light scattering layer 50 is structured such that the first GaN-based crystal 51 having a refractive index of n1 is vapor-deposited in a form having projections and/or recesses on a surfactant-processed base surface 50B, and the crystal 51 is embedded by a second GaN-based crystal (refractive index n2 (≠n1)) 52. The level difference between the projections and depressions of the surface of the crystal 51 is set to be a quarter or more of a wavelength of light in the light layer 50 that is emitted from the light emitting layer 30. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関するものであり、とりわけ光取り出し効率が改善されたLEDの素子構造に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to an LED device structure with improved light extraction efficiency.

窒化物半導体発光素子は、少なくとも発光層に窒化物半導体を用いた発光素子である。
窒化物半導体は、式AlInGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で決定される3族窒化物からなる化合物半導体である。前記式中の組成比a、bを選択することによって、例えば、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaNなど、2元〜4元の任意の混晶が得られる。ここで、3族元素の一部を、B(ホウ素)、Tl(タリウム)等で置換したものや、N(窒素)の一部をP(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)等で置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
以下、窒化物半導体を「GaN系」とも略し、必要に応じて、GaN系結晶、GaN系発光素子、GaN系LEDなどのように用いて、従来技術および本発明の説明を行う。
The nitride semiconductor light emitting device is a light emitting device using a nitride semiconductor at least in a light emitting layer.
The nitride semiconductor is a compound semiconductor made of a group III nitride determined by the formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). . By selecting the composition ratios a and b in the above formula, an arbitrary mixed crystal of binary to quaternary such as GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, etc. can be obtained. Here, a part of the group 3 element is substituted with B (boron), Tl (thallium) or the like, or a part of N (nitrogen) is P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), Those substituted with Bi (bismuth) or the like are also included in the nitride semiconductor.
Hereinafter, the nitride semiconductor is also abbreviated as “GaN-based”, and the conventional technology and the present invention will be described using GaN-based crystals, GaN-based light emitting devices, GaN-based LEDs, and the like as necessary.

GaN系LEDには、光取り出し効率が低いという問題がある。光取り出し効率とは、発光層で生じた光の総量のうち、どの程度の量の光が素子外へ取り出されているかを示す割合である。GaN系LEDの光取出し効率が低い原因は、次に述べるように、GaN系結晶の高い屈折率にある。
先ず、GaN系発光素子の素子構造は、基板上にGaN系結晶層を成長させてなるものであるが、最も好ましい基板材料として汎用されるサファイアは、GaN系結晶よりも屈折率が低い。一方、素子の上側では、素子を取り巻く材料や媒質〔例えば、パッシベーション膜(二酸化ケイ素など)、封止樹脂(エポキシ樹脂など)、空気(樹脂封止しない場合)など〕とGaN系結晶層が接することになるが、これらの材料や媒質も、殆どの場合、GaN系結晶より低い屈折率を有する。また、p側の電極として酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)などの透明導電膜材料からなる電極を用いる場合には、電極の屈折率がGaN系結晶よりも低くなる。
The GaN-based LED has a problem that the light extraction efficiency is low. The light extraction efficiency is a ratio indicating how much light is extracted out of the element out of the total amount of light generated in the light emitting layer. The reason why the light extraction efficiency of the GaN-based LED is low is the high refractive index of the GaN-based crystal as described below.
First, the element structure of a GaN-based light-emitting element is obtained by growing a GaN-based crystal layer on a substrate, but sapphire, which is widely used as the most preferable substrate material, has a lower refractive index than a GaN-based crystal. On the other hand, on the upper side of the element, the material and medium surrounding the element (for example, a passivation film (such as silicon dioxide), a sealing resin (such as an epoxy resin), air (when not resin-sealed)) and the GaN-based crystal layer are in contact. However, in most cases, these materials and media also have a lower refractive index than GaN-based crystals. When an electrode made of a transparent conductive film material such as indium tin oxide (ITO) or zinc oxide (ZnO) is used as the p-side electrode, the refractive index of the electrode is lower than that of the GaN-based crystal.

このように、発光構造の本体部分であるGaN系結晶層が、それよりも屈折率の低い物質によって上下から挟まれるために、発光層から発せられた光の一部は、GaN系結晶層を挟む両側の界面(例えば、〔基板とGaN系結晶層との界面〕と〔GaN系結晶層と空気との界面〕)で全反射され、多重反射によって素子内部に閉じ込められる。この光は、素子外に出ることなく、素子内部を伝播する間に内部吸収により減衰する。
また、フリップチップボンディング実装されるGaN系LEDでは、p側の電極がGaN系結晶層の一方の面に全面的に形成されるが(ITO等の透明導電膜を介して形成される場合もある)、この電極が光反射性とされるために、多重反射の問題が生じる。
In this way, since the GaN-based crystal layer, which is the main part of the light-emitting structure, is sandwiched from above and below by a material having a lower refractive index, a part of the light emitted from the light-emitting layer can The light is totally reflected at the interfaces on both sides (for example, [interface between the substrate and the GaN-based crystal layer] and [interface between the GaN-based crystal layer and air]) and confined inside the device by multiple reflection. This light is attenuated by internal absorption while propagating inside the element without going out of the element.
In a GaN-based LED mounted by flip-chip bonding, the p-side electrode is entirely formed on one surface of the GaN-based crystal layer (in some cases, it is formed via a transparent conductive film such as ITO). ) Since this electrode is made light reflective, a problem of multiple reflection occurs.

このような多重反射の問題を解決し、光取り出し効率を向上させる方法として、素子内部に光の散乱を発生させ得る屈折率界面を設け、これによって多重反射の発生を阻害し、光をより多く素子外へと向わせる方法が公知となっている。
例えば、特許文献1の「光散乱を強化した発光素子」では、エッチングや選択成長によって形成した「テクスチャ加工層」と称する凹凸を素子内に設けることによって、光を散乱させている。
また、特許文献2の「発光素子、その製造方法およびLEDランプ」においても、高温処理によるピット、選択性エッチングによる凹凸、選択成長による凹凸を素子内に設け、光を散乱させて、光取り出し効率を向上させている。
また、特許文献3の「半導体発光素子」では、結晶成長の基礎となる面(基板面など)に凹凸加工を施し、GaN系結晶をファセット成長させることによってさらなる凹凸を作り出してこれを素子内に設け、光取り出し効率を向上させている。
As a method of solving such a problem of multiple reflections and improving light extraction efficiency, a refractive index interface capable of generating light scattering is provided inside the element, thereby inhibiting the occurrence of multiple reflections and increasing the amount of light. A method of directing outside the element is known.
For example, in the “light-emitting element with enhanced light scattering” of Patent Document 1, light is scattered by providing irregularities called “textured layer” formed by etching or selective growth in the element.
Also, in “Light-emitting element, manufacturing method thereof and LED lamp” of Patent Document 2, pits by high-temperature treatment, unevenness by selective etching, unevenness by selective growth are provided in the element, light is scattered, and light extraction efficiency is increased. Has improved.
In addition, in the “semiconductor light-emitting device” of Patent Document 3, a surface that is a basis for crystal growth (substrate surface, etc.) is subjected to uneven processing, and further concavo-convex is created by facet growth of a GaN-based crystal. Providing light extraction efficiency.

しかしながら、上記従来の加工法(エッチング加工、マスクを用いた選択成長、基板面への凹凸加工など)により形成される光散乱構造は、いずれも素子の形成工程をより複雑にする。
特開2004−193619号公報 特開2004−200523号公報 特開2002−280611号公報 特開平10−79501号公報 特開平11−354842号公報 特開平11−354843号公報
However, any of the light scattering structures formed by the above-described conventional processing methods (etching processing, selective growth using a mask, uneven processing on a substrate surface, etc.) makes the element formation process more complicated.
JP 2004-193619 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-200523 JP 2002-280611 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-79501 JP-A-11-354842 Japanese Patent Laid-Open No. 11-354843

本発明の課題は、発光素子の製造プロセスを複雑にすることなく、しかも効果的に光散乱を生じさせる構造を素子内に設け、光取り出し効率を向上させることである。   An object of the present invention is to improve the light extraction efficiency by providing a structure that effectively generates light scattering without complicating the manufacturing process of the light emitting element.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、結晶成長のベースとなる表面(ベース面)をサーファクタント処理することによって微細なドット状の窒化物半導体結晶が形成される現象を、従来公知の用途である量子ドット構造の形成方法や、転位密度の低減された窒化物半導体結晶の成長方法として用いるのではなく、光散乱構造の形成方法として適用することに想到し、本発明を完成させた。即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have conducted a phenomenon that a fine dot-like nitride semiconductor crystal is formed by subjecting a surface (base surface) serving as a base for crystal growth to a surfactant treatment. The present invention has been conceived to be applied as a method for forming a light scattering structure, not as a method for forming a quantum dot structure, which is a conventionally known application, or as a method for growing a nitride semiconductor crystal with a reduced dislocation density. Completed. That is, the present invention has the following characteristics.

(1)窒化物半導体結晶層からなる積層体を有して構成されている窒化物半導体発光素子であって、該積層体内には、n型層、発光層、p型層が含まれており、かつ、発光層以外の層として、下記(A)の光散乱層が含まれており、
該光散乱層を構成する第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶との界面において、発光層から発せられた光が散乱する構成となっている、窒化物半導体発光素子。
(A)窒化物半導体結晶が2次元成長し得るベース面がサーファクタント処理され、該ベース面に、屈折率n1である第一の窒化物半導体結晶が、表面に突出部および/または陥凹部を有する形状に気相成長しており、かつ、該第一の窒化物半導体結晶は、屈折率n1とは異なる屈折率n2を持つ第二の窒化物半導体結晶によって埋め込まれている、光散乱層。
(2)上記第一の窒化物半導体結晶の表面が、上記発光層から発せられる光の波長の1/4以上の高低差を有する、上記(1)記載の窒化物半導体発光素子。
(3)上記(A)の光散乱層が、ベース面側を発光層とは反対の側に向けて、積層体内に位置している、上記(2)記載の窒化物半導体発光素子。
(4)上記(A)の光散乱層が、ベース面側を発光層の側に向けて、積層体内に位置している、上記(2)記載の窒化物半導体発光素子。
(5)n型層およびp型層の間を流れる当該窒化物半導体発光素子の駆動電流が、上記(A)の光散乱層を層厚方向に横切るように、該(A)の光散乱層が積層体内に位置している、上記(3)記載の窒化物半導体発光素子。
(6)当該窒化物半導体発光素子の光取り出し方向が、上記ベース面から離れる方向であって、屈折率n2<屈折率n1となるように、第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶とが選択されている、上記(2)〜(5)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
(7)当該窒化物半導体発光素子の光取り出し方向が、上記ベース面に近づく方向であって、屈折率n1<屈折率n2となるように、第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶とが選択されている、上記(2)〜(5)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
(8)上記第一の窒化物半導体結晶の突出部および/または陥凹部の側壁として斜めファセットが露出している、上記(2)〜(7)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
(1) A nitride semiconductor light emitting device configured to have a laminate composed of a nitride semiconductor crystal layer, wherein the laminate includes an n-type layer, a light emitting layer, and a p-type layer. And as a layer other than the light emitting layer, the light scattering layer of the following (A) is included,
A nitride semiconductor light emitting element configured to scatter light emitted from a light emitting layer at an interface between a first nitride semiconductor crystal and a second nitride semiconductor crystal constituting the light scattering layer.
(A) A base surface on which a nitride semiconductor crystal can grow two-dimensionally is subjected to a surfactant treatment, and the first nitride semiconductor crystal having a refractive index n1 has a protrusion and / or a recess on the surface. A light scattering layer that is vapor-grown into a shape, and wherein the first nitride semiconductor crystal is embedded by a second nitride semiconductor crystal having a refractive index n2 different from the refractive index n1.
(2) The nitride semiconductor light emitting element according to (1), wherein the surface of the first nitride semiconductor crystal has a height difference of ¼ or more of the wavelength of light emitted from the light emitting layer.
(3) The nitride semiconductor light emitting device according to (2), wherein the light scattering layer of (A) is located in the laminate with the base surface side facing away from the light emitting layer.
(4) The nitride semiconductor light emitting device according to (2), wherein the light scattering layer of (A) is located in the laminate with the base surface side facing the light emitting layer.
(5) The light scattering layer of (A) so that the driving current of the nitride semiconductor light emitting element flowing between the n-type layer and the p-type layer crosses the light scattering layer of (A) in the layer thickness direction. The nitride semiconductor light emitting device according to (3), wherein is located in the stacked body.
(6) The first nitride semiconductor crystal and the second nitride are such that the light extraction direction of the nitride semiconductor light-emitting element is a direction away from the base surface, and the refractive index n2 <the refractive index n1. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of (2) to (5), wherein a semiconductor crystal is selected.
(7) The first nitride semiconductor crystal and the second nitride are so arranged that the light extraction direction of the nitride semiconductor light emitting element is a direction approaching the base surface, and the refractive index n1 <the refractive index n2. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of (2) to (5), wherein a semiconductor crystal is selected.
(8) The nitride semiconductor light-emitting element according to any one of (2) to (7), wherein oblique facets are exposed as side walls of the protrusions and / or depressions of the first nitride semiconductor crystal.

2次元成長とは、当該発明の属する分野の技術用語であって、結晶成長が原子層毎に進行する、いわゆるステップフロー成長によって、平坦な成長面(2次元成長面)が保たれながら結晶成長が進む、結晶成長モードを意味する。   Two-dimensional growth is a technical term in the field to which the present invention belongs, and crystal growth is performed while maintaining a flat growth surface (two-dimensional growth surface) by so-called step flow growth in which crystal growth proceeds for each atomic layer. Means the crystal growth mode.

GaN系結晶の2次元成長が可能なベース面(例えばバッファ層が形成された基板表面や、基板上に2次元成長したGaN系結晶層の表面)に、サーファクタント処理を施したうえで、その上にGaN系結晶を気相成長させると、ベース面の表面エネルギーの低下によって、サーファクタント処理を行わない場合には2次元成長が発生する成長条件の下でも3次元的な成長が生じるようになり、ベース面上に微小なドット状のGaN系結晶が分散された構造が形成される。このようなサーファクタント処理による3次元的成長の促進作用は、ベース面がGaN系結晶で埋め尽くされるまで持続するので、上記の微小なドット状結晶を更に成長させると、よりサイズの大きな3次元構造の結晶を容易に形成することができる。
一方、ベース面がGaN系結晶で埋め尽くされると、2次元成長を阻害していた力が作用しなくなるので、適当な成長条件を用いることにより、2次元成長を発生させて、3次元的に成長した結晶を埋め込むことができる。
After applying a surfactant treatment to the base surface (for example, the surface of the substrate on which the buffer layer is formed or the surface of the GaN-based crystal layer grown two-dimensionally on the substrate) capable of two-dimensional growth of GaN-based crystals, When a GaN-based crystal is vapor-phase-grown, the surface energy of the base surface is reduced, so that the three-dimensional growth occurs even under the growth conditions in which the two-dimensional growth occurs when the surfactant treatment is not performed. A structure in which minute dot-like GaN-based crystals are dispersed on the base surface is formed. Since the promoting action of three-dimensional growth by such a surfactant treatment continues until the base surface is filled with GaN-based crystals, further growth of the above-mentioned fine dot-like crystal results in a larger three-dimensional structure. The crystal can be easily formed.
On the other hand, if the base surface is completely filled with GaN-based crystals, the force that hindered the two-dimensional growth will not work. Grown crystals can be embedded.

そこで、2次元成長が可能なベース面にサーファクタント処理を施し、その上に先ず屈折率n1を有する第一のGaN系結晶を3次元的に成長させ、この第一のGaN系結晶が適当な段階まで成長したところで、屈折率n2を有する第二のGaN系結晶の成長に切り替えると、第一のGaN系結晶の表面を埋め込むことができる。これによって、屈折率の異なる第一のGaN系結晶と第二のGaN系結晶とが、非平坦面状の界面で接合された構造を含む結晶層を形成することができる。
このような界面を内部に含む結晶層は、入射する光の伝播方向を反射や回折によって不規則的に変化させる働きを有する光散乱層として作用する。
本発明の窒化物半導体発光素子は、このような光散乱層を積層構造中に含むものであり、この光散乱層の作用によって素子内部で多重反射が生じ難くなるために、光取り出し効率が改善された発光素子となる。
Therefore, a surfactant treatment is applied to a base surface capable of two-dimensional growth, and a first GaN-based crystal having a refractive index n1 is first grown three-dimensionally on the base surface. When the first GaN crystal is grown, the surface of the first GaN crystal can be embedded. As a result, a crystal layer including a structure in which the first GaN-based crystal and the second GaN-based crystal having different refractive indexes are joined at the non-flat planar interface can be formed.
The crystal layer including such an interface acts as a light scattering layer having a function of irregularly changing the propagation direction of incident light by reflection or diffraction.
The nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes such a light scattering layer in the laminated structure, and multiple reflections are less likely to occur inside the device due to the action of the light scattering layer, so that the light extraction efficiency is improved. It becomes the light emitting element made.

また、付随的な効果として、結晶品質の改善が挙げられる。
この結晶品質の改善効果のひとつは、第一のGaN系結晶がベース面上に成長する段階で生じるものであり、サーファクタント処理によって、ベース面を提供する層(以下「ベース層」と呼ぶ)から第一のGaN系結晶への転位の伝播が抑制されることによる。
該改善効果の他のひとつは、ベース面上に成長するGaN系結晶の成長モードが3次元的な成長から2次元成長に変化する段階において、3次元的に成長した結晶の側壁部から横方向の結晶成長が生じ、その際に転位の進行方向が横方向に曲げられることによって生じるものである。
これらの現象により、光散乱層より上方では転位の密度が低減され、結晶品質が改善される。
従って、発光層を成長する前に光散乱層の成長を行うと、発光層の結晶品質が改善される効果もあり、好ましい。
An additional effect is an improvement in crystal quality.
One of the effects of improving the crystal quality occurs when the first GaN-based crystal grows on the base surface. From the layer that provides the base surface by the surfactant treatment (hereinafter referred to as “base layer”). This is because dislocation propagation to the first GaN-based crystal is suppressed.
Another of the improvement effects is that, in the stage where the growth mode of the GaN-based crystal growing on the base surface changes from three-dimensional growth to two-dimensional growth, the lateral direction extends from the side wall of the three-dimensionally grown crystal. The crystal growth occurs, and the direction of dislocation is bent laterally at that time.
Due to these phenomena, the dislocation density is reduced above the light scattering layer, and the crystal quality is improved.
Therefore, it is preferable to grow the light scattering layer before growing the light emitting layer, since the crystal quality of the light emitting layer is improved.

GaN系発光素子の製品には、結晶成長の基礎となる基板が除去されたものや、表裏を逆にして実装(フリップチップ実装)されるものなどがあり、積層体の各層の上下位置関係や光取り出し方向などについての説明が不明確となる場合がある。本明細書では、そのような不明確さを解消するために、結晶成長の基礎となった基板が存在する側(存在した側)を、「下側」と呼び、各GaN系結晶層が「上側」へと積層されて積層体が形成されたものとしている。
また、本明細書において「横方向」という場合には、上記に定める上下方向(積層体の積層方向)と直交する方向をいう。
GaN-based light emitting device products include those from which the substrate that is the basis for crystal growth has been removed, and those that are mounted with the front and back reversed (flip chip mounting). The explanation about the light extraction direction may be unclear. In this specification, in order to eliminate such ambiguity, the side on which the substrate on which crystal growth is based (the side on which the substrate exists) is referred to as “lower side”, and each GaN-based crystal layer is “ It is assumed that a laminated body is formed by being laminated to the “upper side”.
Further, in the present specification, the term “lateral direction” refers to a direction orthogonal to the vertical direction (stacking direction of the stacked body) defined above.

本発明によるGaN系発光素子は、図1(a)、(b)に構成例を示すように、GaN系結晶層からなる積層体Sを有して構成され、該積層体Sには、n型層20、発光層30、p型層40が含まれており、かつ、発光層以外の層として、上記(1)で示した上記(A)の光散乱層50が含まれている。以下、上記(A)の光散乱層を、単に「光散乱層」とも略す。
同図の例では、基板10の上に、n型層を基板側として積層体Sが成長した素子構造となっているが、p型、n型の上下や、基板の有無、電極の形成態様は限定されない。
本発明では、光散乱層50を構成する第一のGaN系結晶51と第二のGaN系結晶52の間の非平坦面状界面において、反射や回折が不規則的に生じることによって、発光層から発せられた光が散乱する構成となっており、これによって上述の効果が得られる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the GaN-based light emitting device according to the present invention includes a stacked body S composed of GaN-based crystal layers. The mold layer 20, the light emitting layer 30, and the p-type layer 40 are included, and the light scattering layer 50 of the above (A) shown in the above (1) is included as a layer other than the light emitting layer. Hereinafter, the light scattering layer (A) is also simply referred to as “light scattering layer”.
In the example of the figure, an element structure is formed in which the stacked body S is grown on the substrate 10 with the n-type layer as the substrate side. Is not limited.
In the present invention, reflection or diffraction occurs irregularly at the non-planar planar interface between the first GaN-based crystal 51 and the second GaN-based crystal 52 constituting the light-scattering layer 50, whereby the light-emitting layer The light emitted from is scattered so that the above-described effects can be obtained.

上記(A)の光散乱層は、図2(a)に示すように、GaN系結晶が2次元的に結晶成長し得るベース面50Bにサーファクタント処理を施した後、図2(b)に示すように、この面50Bに第一のGaN系結晶51を気相成長させることによって、該第一のGaN系結晶51をベース面上に突出したドット状結晶として面50B上に離散的に成長させ、さらに、図2(c)に示すように、このドット状の第一のGaN系結晶51を埋め込んで覆うように第二のGaN系結晶52を成長させて得られるものである。
図では、説明のために、ドット状の第一のGaN系結晶51が、同じ大きさで均等に配置されたように描いているが、実際には配置パターンはランダムであって、形状や大きさも総じて同様ではあるが、厳密には互いに異なっている。他の図も同様である。
As shown in FIG. 2A, the light scattering layer of the above (A) is shown in FIG. 2B after a surfactant treatment is applied to a base surface 50B on which a GaN-based crystal can grow two-dimensionally. As described above, the first GaN-based crystal 51 is vapor-phase grown on the surface 50B, so that the first GaN-based crystal 51 is discretely grown on the surface 50B as dot-like crystals protruding on the base surface. Further, as shown in FIG. 2C, the second GaN-based crystal 52 is obtained by growing the dot-shaped first GaN-based crystal 51 so as to be buried.
In the figure, for the purpose of explanation, the first GaN-based crystals 51 in the form of dots are drawn so as to be equally arranged with the same size, but the arrangement pattern is actually random, and the shape and size are random. Although they are generally the same, they are strictly different from each other. The same applies to the other figures.

また、図2(b)の状態から、第一のGaN系結晶51を更に成長させると、図2(d)に示すように、ドット状の第一のGaN系結晶51によって、ベース面50Bが埋め尽くされる(ベース面50Bの露出面が無くなる)。この状態が達成された後の結晶成長に対しては、ベース面50Bをサーファクタント処理したことによる影響が及ばなくなるために、適当な成長条件を用いることにより2次元成長が発生する。
例えば、図2(d)の状態が達成された直後に、2次元成長が生じる成長条件を適用すると、ドット状の第一のGaN系結晶51同士の間の空間(凹部)が埋め込まれてゆくために、第一のGaN系結晶51は、図2(e)に示すように、表面に突出部および陥凹部を有する形状となる。このとき、埋め込みの速さに不均一が生じて、平坦面のところどころに窪み状の凹部が分散された形状が生じる場合もある。この段階で、成長させるGaN系結晶の組成を変化させ、第二のGaN系結晶52を成長面の表面が平坦となるまで成長させると、図2(f)に示す構造の光散乱層50が形成される。
Further, when the first GaN-based crystal 51 is further grown from the state of FIG. 2B, the base surface 50B is formed by the dot-shaped first GaN-based crystal 51 as shown in FIG. It is filled up (the exposed surface of the base surface 50B is eliminated). The crystal growth after this state is achieved is not affected by the surface treatment of the base surface 50B. Therefore, two-dimensional growth occurs by using appropriate growth conditions.
For example, immediately after the state shown in FIG. 2D is achieved, when a growth condition in which two-dimensional growth occurs is applied, a space (concave portion) between the first GaN-based crystals 51 in a dot shape is embedded. Therefore, as shown in FIG. 2E, the first GaN-based crystal 51 has a shape having protrusions and depressions on the surface. At this time, non-uniformity occurs in the embedding speed, and a shape in which hollow concave portions are dispersed in some places on the flat surface may occur. At this stage, when the composition of the GaN-based crystal to be grown is changed and the second GaN-based crystal 52 is grown until the surface of the growth surface becomes flat, the light scattering layer 50 having the structure shown in FIG. It is formed.

図2(d)の状態が達成された後、引き続き、3次元的な結晶成長が促進される成長条件で第一のGaN系結晶の成長を行うこともできる。その場合、表面に平坦部分を生じることなく、ドット状の第一のGaN系結晶が一体化してゆき、表面の凹凸形状を維持したまま、厚さ(高さ)方向に成長する。その後、成長する結晶を第二のGaN系結晶に切り替え、また、成長条件を2次元成長が生じる条件に変化させれば、第二のGaN系結晶が第一のGaN系結晶を埋め込んで平坦化した構造が得られる。   After the state shown in FIG. 2D is achieved, the first GaN-based crystal can be grown under growth conditions that promote three-dimensional crystal growth. In that case, the dot-shaped first GaN-based crystal is integrated without generating a flat portion on the surface, and grows in the thickness (height) direction while maintaining the uneven shape on the surface. After that, if the growing crystal is switched to the second GaN-based crystal and the growth condition is changed to a condition that causes two-dimensional growth, the second GaN-based crystal fills the first GaN-based crystal and flattens it. The resulting structure is obtained.

上記のように形成される光散乱層50は、第一のGaN系結晶51の表面が、発光層から発せられる光の波長の1/4以上の高低差を有するように形成することが好ましい。
第一のGaN系結晶51の成長段階が、図2(b)または図2(d)に示す段階のときには、表面の高低差とは、ベース面50Bと、ドット状の第一のGaN系結晶(突出部)51の頂部との高低差である。
第一のGaN系結晶51の成長段階が、図2(e)に示す段階のときには、表面の高低差とは、第一のGaN系結晶51の表面の陥凹部の底部と突出部の頂部との間の高低差である。
第一のGaN系結晶51の表面の高低差を発光層から発せられる光の波長の1/4以上にすると、突出部や陥凹部の側壁面がこの光を反射または回折させる作用が強くなるために、発光層から発せられる光に対する散乱効果が強くなる。
ここでいう、発光層から発せられる光の波長とは、光散乱層の内部における波長を意味しており、空気中における波長を、光散乱層を構成する窒化物半導体の屈折率で除した長さとなる。
The light scattering layer 50 formed as described above is preferably formed so that the surface of the first GaN-based crystal 51 has a height difference of ¼ or more of the wavelength of light emitted from the light emitting layer.
When the growth stage of the first GaN-based crystal 51 is the stage shown in FIG. 2 (b) or FIG. 2 (d), the surface height difference means that the base surface 50B and the dot-shaped first GaN-based crystal. It is a difference in height from the top of (projecting part) 51.
When the growth stage of the first GaN-based crystal 51 is the stage shown in FIG. 2 (e), the difference in height of the surface is the bottom of the recessed portion and the top of the protruding portion on the surface of the first GaN-based crystal 51. The height difference between.
If the height difference of the surface of the first GaN-based crystal 51 is set to ¼ or more of the wavelength of light emitted from the light emitting layer, the action of the side walls of the protrusions and recesses to reflect or diffract this light becomes strong. In addition, the scattering effect on the light emitted from the light emitting layer is enhanced.
Here, the wavelength of light emitted from the light emitting layer means the wavelength inside the light scattering layer, and is a length obtained by dividing the wavelength in air by the refractive index of the nitride semiconductor constituting the light scattering layer. It becomes.

上記光散乱層の成長の基礎となるベース面は、GaN系結晶の2次元成長が可能な面であればよく、積層体内のいずれかのGaN系結晶層の上面や、基板上に形成された、GaN系結晶の成長に適したバッファ層の表面が例示される。
ベース面は、上記光散乱層を形成する際に存在していればよく、上記光散乱層が形成された後、ベース面を提供する層は、素子形成のプロセスにおいて除去されてもよい。例えば、基板上に形成されたバッファ層の表面をベース面として、上記光散乱層を形成し、さらに必要なGaN系結晶層を順次成長させて積層体とし、該積層体の最上面に別途準備した支持基板を接合し、最初の基板を除去する態様などが挙げられる。
The base surface that is the basis for the growth of the light scattering layer may be any surface that allows two-dimensional growth of GaN-based crystals, and is formed on the upper surface of any GaN-based crystal layer in the stack or on the substrate. The surface of the buffer layer suitable for the growth of GaN-based crystals is exemplified.
The base surface may be present when the light scattering layer is formed, and after the light scattering layer is formed, the layer providing the base surface may be removed in a process of forming an element. For example, the surface of the buffer layer formed on the substrate is used as a base surface, the light scattering layer is formed, and further a necessary GaN-based crystal layer is sequentially grown to form a laminate, which is separately prepared on the top surface of the laminate. For example, the support substrate may be bonded and the first substrate may be removed.

サーファクタントは、GaN系結晶層を成長させる際に、ベース面の表面エネルギーを低下させることによって、成長するGaN系結晶に対するベース面の濡れ性を低くし、2次元成長を阻害するように、即ち、3次元成長(=島状の成長)を促進させるように作用する物質である。
サーファクタントとして使用可能な材料は、上記のような作用を示す物質であればよいが、具体的には、テトラエチルシラン、シラン、ジシラン、シクロペンタジエニルマグネシウム等が例示される。
The surfactant reduces the surface energy of the base surface when growing the GaN-based crystal layer, thereby lowering the wettability of the base surface with respect to the growing GaN-based crystal and inhibiting two-dimensional growth. It is a substance that acts to promote three-dimensional growth (= island-like growth).
The material that can be used as the surfactant may be any substance that exhibits the above-described action. Specific examples include tetraethylsilane, silane, disilane, and cyclopentadienylmagnesium.

サーファクタント処理とは、ガス状としたサーファクタントをベース面に接触させて、該ベース面にサーファクタントまたは、その分解により生じる原子、分子を残留させる処理である。
本発明でいうサーファクタント処理は、前記特許文献4〜6に記載された従来公知の量子ドット形成方法において行われている、サーファクタント(特許文献5および6ではアンチサーファクタントと称されている)を表面に作用させる処理と同じ処理であり、その詳細な手法や、処理条件等については、これらの特許文献を参照することができる。
一例を挙げると、基板上に成長したGaN系結晶の表面のサーファクタント処理として、H(水素ガス)をキャリアガスとしてテトラエチルシランを該表面に接触させる方法がある。この方法では、基板は、結晶成長炉内のサセプタ上に設置されて、GaN系結晶の成長温度に加熱され、テトラエチルシランは、密閉容器中で−12℃に冷却されて液体状とされ、そこに水素ガスをバブリングさせることによりガス状とされ、上記GaN系結晶の表面に供給される。
この方法において、GaN系結晶表面のサーファクタント処理の程度は、基板に供給するテトラエチルシランの量を変化させることにより調整できる。具体的には、例えば、テトラエチルシランの入った密閉容器にバブリングするキャリアガスの流量を変化させることによって該調整を行うことができる。
The surfactant treatment is a treatment in which a gaseous surfactant is brought into contact with a base surface to leave the surfactant or atoms or molecules generated by the decomposition thereof on the base surface.
The surfactant treatment referred to in the present invention is performed on the surface of a surfactant (referred to as anti-surfactant in Patent Documents 5 and 6), which is performed in the conventionally known quantum dot forming methods described in Patent Documents 4 to 6. These processes are the same as the processes to be performed, and these patent documents can be referred to for detailed methods, processing conditions, and the like.
As an example, as a surfactant treatment of the surface of a GaN-based crystal grown on a substrate, there is a method of bringing tetraethylsilane into contact with the surface using H 2 (hydrogen gas) as a carrier gas. In this method, the substrate is placed on a susceptor in a crystal growth furnace and heated to the growth temperature of a GaN-based crystal, and tetraethylsilane is cooled to −12 ° C. in a sealed container to be in a liquid state. The gas is made gaseous by bubbling hydrogen gas to the surface of the GaN-based crystal.
In this method, the degree of surfactant treatment on the surface of the GaN-based crystal can be adjusted by changing the amount of tetraethylsilane supplied to the substrate. Specifically, for example, the adjustment can be performed by changing the flow rate of the carrier gas that is bubbled into a sealed container containing tetraethylsilane.

サーファクタント処理したベース面上に第一のGaN系結晶を成長する際に用いる成長条件は、サーファクタント処理を行わなければ2次元成長が生じる成長条件であってもよいし、サーファクタント処理を行わない場合においても3次元的な成長が生じる成長条件(3次元的成長を積極的に促進する成長条件)であってもよく、限定はない。後者の成長条件を用いると、第一のGaN系結晶が、後述する六角錘形状に成長し易くなる。
第一のGaN系結晶は、サーファタクタント処理したベース面上に、微小なドット状結晶として発生し、その後は、このドット状結晶を種として成長する。従って、ベース層から第一のGaN系結晶への転位の伝播は、実質的に、上記微小なドット状結晶が成長する段階においてのみ生じるので、第一のGaN系結晶の転位密度が低減されることになる。
The growth conditions used when growing the first GaN-based crystal on the surfactant-treated base surface may be growth conditions in which two-dimensional growth occurs unless the surfactant treatment is performed, or in the case where the surfactant treatment is not performed. However, it may be a growth condition in which three-dimensional growth occurs (a growth condition that actively promotes three-dimensional growth), and is not limited. When the latter growth condition is used, the first GaN-based crystal can easily grow into a hexagonal pyramid shape to be described later.
The first GaN-based crystal is generated as a fine dot-like crystal on the surface that has been subjected to the surfactant treatment, and thereafter grows using this dot-like crystal as a seed. Accordingly, the propagation of dislocations from the base layer to the first GaN-based crystal occurs substantially only at the stage where the minute dot-like crystal grows, so that the dislocation density of the first GaN-based crystal is reduced. It will be.

サーファタクタント処理されたベース面上に、第一のGaN系結晶がドット状に成長するとき、底面が正六角形で、頂部が尖った六角錐形状、または該六角錘の頂部が切り取られて平坦面とされた形状(六角錘台形状)が、安定な形状として生じる場合がある。この場合、側壁面として露出され易い斜めファセットは、例えば、{1−101}ファセットである。このファセットは、ベース面(=基板面に平行な面)に対する角度が約60°となる。また、{11−22}ファセットが露出されることもある。
ドット状結晶が六角錐形状または六角錘台形状となるか、また六角錘台形状となる場合のアスペクト比(幅と高さの比)は、結晶の横方向と高さ方向の成長速度の比率により定まる。一般に、GaN系結晶は、成長温度が低いほど、雰囲気中の水素濃度が高いほど、成長雰囲気圧力が高いほど、またGaN系半導体に含まれるAlやInの組成比が高いほど、横方向の成長速度が低くなり、高さ方向の成長が促進される傾向(=3次元的に成長する傾向)がある。横方向の成長速度に対して高さ方向の成長速度が大きい程、頂面の面積が小さい、六角錘、または六角錘に近い形状に成長する。
そこで、成長条件やGaN系結晶の組成を制御することにより、ドット状結晶を意図的に六角錘形状や六角錘台形状に成長させることもできる。そのためには、成長温度を1000℃未満、雰囲気中の水素濃度を50%以上、成長雰囲気圧力を600Torr以上とすることが好ましい。
六角錘形状や六角錘台形状は、基板表面に平行な表面の面積がより小さいために、多重反射の抑制に有効であり、また、底部と頂部の高低差が大きくなるために、光散乱に有効な形状である。
When the first GaN-based crystal grows in a dot shape on the surface of the surface treated with Surfactant, the bottom is a regular hexagon and the top has a sharp hexagonal pyramid shape, or the top of the hexagonal pyramid is cut off and flattened. A surface shape (hexagon frustum shape) may occur as a stable shape. In this case, the oblique facet that is easily exposed as the side wall surface is, for example, a {1-101} facet. This facet has an angle of about 60 ° with respect to the base surface (= surface parallel to the substrate surface). Also, the {11-22} facet may be exposed.
The aspect ratio (ratio of width to height) when the dot-like crystal is hexagonal pyramid shape or hexagonal frustum shape or the hexagonal frustum shape is the ratio of the growth rate in the horizontal and height directions of the crystal. It depends on. In general, GaN-based crystals grow laterally as the growth temperature is lower, the hydrogen concentration in the atmosphere is higher, the growth atmospheric pressure is higher, and the composition ratio of Al or In contained in the GaN-based semiconductor is higher. There is a tendency that the speed is lowered and the growth in the height direction is promoted (= a three-dimensional growth tendency). The larger the growth rate in the height direction with respect to the growth rate in the horizontal direction, the smaller the top surface area, and the hexagonal pyramid or a shape close to the hexagonal pyramid grows.
Therefore, by controlling the growth conditions and the composition of the GaN-based crystal, the dot-like crystal can be intentionally grown into a hexagonal pyramid shape or a hexagonal frustum shape. For this purpose, it is preferable that the growth temperature is less than 1000 ° C., the hydrogen concentration in the atmosphere is 50% or more, and the growth atmosphere pressure is 600 Torr or more.
The hexagonal pyramid shape and the hexagonal frustum shape are effective in suppressing multiple reflections because the area of the surface parallel to the substrate surface is smaller, and the height difference between the bottom and the top is large, and light scattering It is an effective shape.

上述のように、サーファクタント処理されたベース面上に第一のGaN系結晶を成長すると、初期には、量子効果が生じる程に微小なドット状の結晶が生じるが、やがて、これが大きく成長し(隣接するドット状結晶との合体・融合によるものを含む)、ドット状結晶によってベース面上が密に埋め尽くされた状態に達する。
この過程で第一のGaN系結晶の成長を止め、第二のGaN系結晶の成長に切り替える場合、これらのGaN系結晶の界面で光散乱が効果的に生じるようにするためには、第一のGaN系結晶からなるドット状結晶のベース面からの高さが、発光層で発せられる光の波長の1/4以上となるまで、第一のGaN系結晶の成長を行うようにする。光散乱をより効果的に生ぜしめるには、この高さを該波長の1/2以上とすることがより好ましく、該波長と同程度以上とすることが更に好ましい。
As described above, when the first GaN-based crystal is grown on the surfactant-treated base surface, initially, a minute dot-like crystal is generated to the extent that the quantum effect occurs. (Including those caused by coalescence and fusion with adjacent dot crystals), and the base surface is densely filled with dot crystals.
When the growth of the first GaN-based crystal is stopped in this process and the growth is switched to the growth of the second GaN-based crystal, in order to effectively generate light scattering at the interface of these GaN-based crystals, The first GaN-based crystal is grown until the height from the base surface of the dot-shaped crystal made of the GaN-based crystal becomes ¼ or more of the wavelength of light emitted from the light emitting layer. In order to produce light scattering more effectively, the height is more preferably ½ or more of the wavelength, and even more preferably the same as or more than the wavelength.

ここで、発光層で発せられる光の波長とは、上述のように、光散乱層中での波長である。一方、「発光素子の発光波長」という場合には、通常は、空気中における波長を指すので、例えば、発光波長(空気中)を400nmとした場合、その光の光散乱層中での波長は、GaN系結晶の屈折率をGaNの屈折率である約2.5として計算すると、約160nm(=400nm÷約2.5)となる。このような波長の光に対しては、上記ドット状結晶の高さを、この波長約160nmの1/4程度以上、即ち、40nm以上とすることによって、散乱現象を発生させることができる。そして、より好ましい高さは80nm以上、更に好ましい高さは160nm以上となる。
ドット状結晶の高さは、SEM(走査型電子顕微鏡)やTEM(透過型電子顕微鏡)を用いて観察することにより測定可能である。所定の成長条件を用いて、成長時間を変えながら第一のGaN系結晶を成長させた試料を作製し、その高さを測定すれば、当該成長条件での成長速度を求めることができる。このようにして求めた成長速度から、ドット状結晶を所望の高さに成長するのに必要な時間を決定することができる。
GaN系発光素子の発光波長は、通常の製品では360nm〜550nm程度であるから、それぞれの波長に応じて最適なドット状結晶体の高さを選択すればよい。
Here, the wavelength of light emitted from the light emitting layer is a wavelength in the light scattering layer as described above. On the other hand, the “emission wavelength of the light emitting element” usually refers to the wavelength in the air. For example, when the emission wavelength (in the air) is 400 nm, the wavelength of the light in the light scattering layer is When the refractive index of the GaN-based crystal is calculated as about 2.5 which is the refractive index of GaN, it is about 160 nm (= 400 nm ÷ about 2.5). For light with such a wavelength, the scattering phenomenon can be generated by setting the height of the dot-like crystal to about 1/4 or more of this wavelength of about 160 nm, that is, 40 nm or more. A more preferable height is 80 nm or more, and a more preferable height is 160 nm or more.
The height of the dot-like crystal can be measured by observing using a SEM (scanning electron microscope) or a TEM (transmission electron microscope). If a sample in which the first GaN-based crystal is grown while changing the growth time under a predetermined growth condition is prepared and the height thereof is measured, the growth rate under the growth condition can be obtained. From the growth rate thus determined, the time required to grow the dot-like crystal to a desired height can be determined.
Since the emission wavelength of the GaN-based light emitting element is about 360 nm to 550 nm in a normal product, an optimum dot-shaped crystal height may be selected according to each wavelength.

ドット状結晶がベース面上を密に埋めた状態が形成された後も、第一のGaN系結晶の成長を続けた場合について説明する。
サーファクタント処理されたベース面が第一のGaN系結晶で埋め尽くされると、2次元成長を阻害していた要因が実質的になくなるので、成長条件を適当に設定することで、2次元成長を発生させることができる。成長モードを2次元成長に切り替えると、それまで3次元的に成長していた結晶の側壁(例えば、斜めファセット)から横方向成長が発生して、第一のGaN系結晶の表面の陥凹部が埋め込まれてゆき、最終的には、平坦な二次元成長面が形成される。
この過程で第一のGaN系結晶の成長を止め、第二のGaN系結晶の成長に切り替える場合、これらのGaN系結晶の界面で光散乱が効果的に生じるようにするためには、上記陥凹部の深さが、発光層で発せられる光の波長の1/4以上であるときに第一のGaN系結晶の成長を止め、第二のGaN系結晶の成長に切り替えるようにする。光散乱をより効果的に生ぜしめるには、この深さを該波長の1/2以上とすることがより好ましく、該波長と同程度以上とすることが更に好ましい。
A case will be described in which the growth of the first GaN-based crystal is continued even after the state in which the dot-like crystal is densely filled on the base surface is formed.
When the surfactant-treated base surface is filled with the first GaN-based crystal, the factors that hindered the two-dimensional growth are virtually eliminated, so two-dimensional growth is generated by setting the growth conditions appropriately. Can be made. When the growth mode is switched to two-dimensional growth, lateral growth occurs from the side wall of the crystal that has been grown three-dimensionally (for example, oblique facets), and the concave portion on the surface of the first GaN-based crystal is formed. It is embedded, and finally a flat two-dimensional growth surface is formed.
When stopping the growth of the first GaN crystal in this process and switching to the growth of the second GaN crystal, in order to effectively cause light scattering at the interface of these GaN crystals, When the depth of the recess is ¼ or more of the wavelength of light emitted from the light emitting layer, the growth of the first GaN-based crystal is stopped and the growth is switched to the growth of the second GaN-based crystal. In order to produce light scattering more effectively, the depth is more preferably ½ or more of the wavelength, and even more preferably the same as or more than the wavelength.

第一のGaN系結晶から第二のGaN系結晶への成長の切り替えをどの段階で行う場合であっても、両結晶の界面の形状は、第一のGaN系結晶をどこまで成長させるかによって定まり、第二のGaN系結晶の成長条件には実質的に影響されない。
そこで、第二のGaN系結晶の成長条件は、製造効率を向上させる観点から、表面の平坦化が早くなる条件とすることが好ましい。
表面の平坦化が早くなる成長条件とは、横方向の成長速度がより速い成長条件であり、前述の、ドット状結晶の高さ方向の成長が促進される成長条件と反対の条件となる。即ち、成長温度がより高く、雰囲気中の水素濃度がより低く、また、成長雰囲気圧力がより低い成長条件である。
また、GaN系結晶中のAlやInの組成比が低い程、表面の平坦化は早くなる。
Regardless of the stage at which growth is switched from the first GaN-based crystal to the second GaN-based crystal, the shape of the interface between the two crystals is determined by how far the first GaN-based crystal is grown. The growth condition of the second GaN-based crystal is not substantially affected.
Therefore, it is preferable that the second GaN-based crystal is grown under the condition that the surface is flattened from the viewpoint of improving the production efficiency.
The growth condition that the surface is flattened is a growth condition that has a higher lateral growth rate, and is opposite to the growth condition that promotes the growth of the dot-shaped crystal in the height direction. That is, the growth conditions are such that the growth temperature is higher, the hydrogen concentration in the atmosphere is lower, and the growth atmosphere pressure is lower.
Further, the lower the composition ratio of Al or In in the GaN-based crystal, the faster the planarization of the surface.

サーファクタント処理したベース面上に第一のGaN系結晶を成長するとき、初期に形成される微結晶の分布密度を低く抑えると、ベース面がドット状結晶により埋め尽くされるまでの間に、ベース面のサーファクタント処理により生じる3次元的成長の促進効果を有効に利用して、個々のドット状結晶を大きく成長させることができる。
上記微結晶の分布密度を制御する方法としては、例えば、上記特許文献4を参照することができる。ベース面のサーファクタント処理の程度、第一のGaN系結晶の成長温度により、微結晶の分布密度を10〜1010cm−2の範囲で制御することができる。サーファクタント処理の程度が高い程、また成長温度が高い程、ベース面上の微結晶の分布密度は、低くなる。
上記の分布密度範囲では、微結晶1個あたりの平均的な占有面積が0.01μm〜10μmとなるために、前述の{1−101}ファセットが側壁として露出された六角錘形状のドットであれば、ベース面がドット状結晶に埋め尽くされる前に、高さ40nm以上に成長させることが十分可能となる。
When growing the first GaN-based crystal on the surfactant-treated base surface, if the distribution density of the microcrystals formed initially is kept low, the base surface is filled until the base surface is filled with dot-like crystals. By effectively utilizing the effect of promoting the three-dimensional growth caused by the surfactant treatment, individual dot crystals can be grown greatly.
As a method for controlling the distribution density of the microcrystals, for example, Patent Document 4 can be referred to. Depending on the degree of surfactant treatment of the base surface and the growth temperature of the first GaN-based crystal, the distribution density of microcrystals can be controlled in the range of 10 7 to 10 10 cm −2 . The higher the degree of surfactant treatment and the higher the growth temperature, the lower the distribution density of microcrystals on the base surface.
Above the distribution density range, in order to average occupation area per crystallites becomes 0.01 [mu] m 2 10 .mu.m 2, dots of the exposed hexagonal pyramid shape as a side wall {1-101} facets of above Then, before the base surface is completely filled with dot-like crystals, it is sufficiently possible to grow to a height of 40 nm or more.

第一のGaN系結晶、第二のGaN系結晶は、互いに屈折率が異なるように組成を選択すればよい。好ましい屈折率差は0.01以上、より好ましくは0.05以上であり、特に好ましくは0.1以上である。例えば、第一、第二のGaN系結晶を共にAlGaNで構成する場合、AlGaNは屈折率を、AlNの約2.0から、GaNの約2.5まで変化させることができるので、最大で約0.5の屈折率差の界面を形成することができる。   The composition of the first GaN crystal and the second GaN crystal may be selected so that the refractive indexes are different from each other. A preferable refractive index difference is 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and particularly preferably 0.1 or more. For example, when both the first and second GaN-based crystals are made of AlGaN, AlGaN can change the refractive index from about 2.0 of AlN to about 2.5 of GaN. An interface with a refractive index difference of 0.5 can be formed.

ベース層、第一のGaN系結晶、第二のGaN系結晶へのドーピングは導電性を制御する目的で任意に行ってよい。また、Siは結晶の高さ方向(厚さ方向)の成長速度を増加させる効果を有するので、この目的のために、第一のGaN系結晶の成長時に添加してもよい。一方、Mgは横方向成長速度を増加させる効果を有するので、この目的のために第二のGaN系結晶の成長時に添加してもよい。   Doping to the base layer, the first GaN-based crystal, and the second GaN-based crystal may be arbitrarily performed for the purpose of controlling conductivity. Further, since Si has an effect of increasing the growth rate in the height direction (thickness direction) of the crystal, it may be added for the purpose of growing the first GaN-based crystal. On the other hand, Mg has an effect of increasing the lateral growth rate, and for this purpose, Mg may be added during the growth of the second GaN-based crystal.

上記(A)の光散乱層は、積層体中のどの位置に形成してもよい。成長の順序でいうと、図1(a)に示すように、発光層30の成長の前に(即ち、基板側に)形成してもよいし、図1(b)に示すように、発光層30の成長の後に(即ち、基板から遠い側に)形成してもよい。前者の場合には、上記(A)の光散乱層は、ベース面側を、発光層とは反対の側に向けて、積層体内に位置することになり、後者の場合には、上記(A)の光散乱層は、ベース面側を、発光層の側に向けて、積層体内に位置することになる。   The light scattering layer (A) may be formed at any position in the laminate. In the order of growth, as shown in FIG. 1A, the light emitting layer 30 may be formed before the growth (that is, on the substrate side), or as shown in FIG. It may be formed after growth of layer 30 (ie, on the side far from the substrate). In the former case, the light scattering layer of (A) is located in the laminate with the base surface side facing away from the light emitting layer, and in the latter case, the light scattering layer (A) The light scattering layer is positioned in the laminated body with the base surface side facing the light emitting layer.

前述のように、上記(A)の光散乱層は、該光散乱層よりも上に積層される層への転位の伝播を抑制することから、光散乱層を発光層30の成長の前に形成すると発光層の結晶品質が良好となり、好ましい。
この場合、特に、n型コンタクト層よりも上に、上記(A)の光散乱層を形成することが好ましい。n型コンタクト層とはn側の電極が形成される層で、導電性を高くするとともに電極との接触抵抗を低くする必要があることから、Si等のn型不純物が高濃度でドープされるので、結晶品質が低くなる傾向がある。そこで、n型コンタクト層よりも上に光散乱層を形成すると、n型コンタクト層の結晶品質が発光層の結晶品質に与える悪影響を軽減することができる。
なお、n型コンタクト層と発光層の間は、発光素子の駆動電流が流れる経路内であるが、このような導電経路内に上記(A)の光散乱層を形成することができるのは、サーファクタント処理では、実質的に絶縁膜として働く層が形成されないからである。
これに対して、例えば、凹凸状の結晶を選択成長により形成するためにSiO等からなるマスクを用いる従来技術にあっては、比較的厚いマスクが絶縁体として作用するので、導電経路内に適用すると発光が制限されるという問題があった。
As described above, the light scattering layer (A) suppresses the propagation of dislocations to the layer stacked above the light scattering layer, so that the light scattering layer is formed before the light emitting layer 30 is grown. When formed, the crystal quality of the light emitting layer is improved, which is preferable.
In this case, it is particularly preferable to form the light scattering layer (A) above the n-type contact layer. An n-type contact layer is a layer on which an n-side electrode is formed, and since it is necessary to increase conductivity and lower contact resistance with the electrode, n-type impurities such as Si are doped at a high concentration. Therefore, the crystal quality tends to be low. Therefore, if the light scattering layer is formed above the n-type contact layer, the adverse effect of the crystal quality of the n-type contact layer on the crystal quality of the light emitting layer can be reduced.
In addition, between the n-type contact layer and the light emitting layer is in a path through which the driving current of the light emitting element flows, but the light scattering layer of (A) can be formed in such a conductive path. This is because the surfactant process does not substantially form a layer serving as an insulating film.
On the other hand, for example, in the conventional technique using a mask made of SiO 2 or the like to form a concavo-convex crystal by selective growth, a relatively thick mask acts as an insulator. When applied, there is a problem that light emission is limited.

上記(A)の光散乱層において、光取り出し効率を向上させる観点から、第一のGaN系結晶の屈折率n1と、第二のGaN系結晶の屈折率n2との大小関係は、発光素子の光取り出し方向に応じて次のように定めることが好ましい。
(a)図3(a)に示すように、ベース面から離れる方向を発光素子の光取り出し方向とする場合には、n2<n1とする。
(b)図3(b)に示すように、ベース面に近づく方向を発光素子の光取り出し方向とする場合には、n1<n2とする。
この関係は、上記(A)の光散乱層が、発光層の上下いずれに形成される場合であっても、同じである。この理由は、次のように説明される。
In the light scattering layer (A), from the viewpoint of improving the light extraction efficiency, the magnitude relationship between the refractive index n1 of the first GaN-based crystal and the refractive index n2 of the second GaN-based crystal is It is preferable to determine as follows according to the light extraction direction.
(A) As shown in FIG. 3A, when the direction away from the base surface is the light extraction direction of the light emitting element, n2 <n1.
(B) As shown in FIG. 3B, when the light extraction direction of the light emitting element is the direction approaching the base surface, n1 <n2.
This relationship is the same regardless of whether the light scattering layer (A) is formed above or below the light emitting layer. The reason for this is explained as follows.

〔n2<n1の場合〕
光散乱層に対して、ベース面側から入射する光は進入し易く、ベース面とは反対側の面から入射する光は反射され易い。なぜなら、光散乱層のベース面側の表面には屈折率の高い第一のGaN系結晶が存在する一方、ベース面側と反対の表面は、屈折率の低い第二のGaN系結晶からなるためである。
また、同じ理由により、一旦、光散乱層内に進入した光は、ベース面側からは出射され難く、ベース面側と反対側の面から出射され易い。
一方、光散乱層内で第一のGaN系結晶から第二のGaN系結晶に向かって進む光は、屈折率の大小関係からすると両結晶の界面で反射され易いが、この界面は光散乱性とされるので、この傾向が緩和される。
従って、以上を総合すると、n2<n1とされた光散乱層は、ベース面側から入射する光を透過させ、ベース面側と反対の方向から入射する光を反射する傾向(即ち、ベース面から離れる方向に進む光を透過させ、ベース面に近づく方向に進む光を反射する傾向)を有する。
よって、ベース面から離れる方向を光取り出し方向とする発光素子においては、n2<n1とすることが光取り出し効率の点で有利となる。
[When n2 <n1]
Light incident from the base surface side easily enters the light scattering layer, and light incident from a surface opposite to the base surface is easily reflected. Because the first GaN-based crystal having a high refractive index exists on the surface of the base surface side of the light scattering layer, the surface opposite to the base surface side is made of the second GaN-based crystal having a low refractive index. It is.
For the same reason, light that has once entered the light scattering layer is unlikely to be emitted from the base surface side and is likely to be emitted from the surface opposite to the base surface side.
On the other hand, the light traveling from the first GaN-based crystal to the second GaN-based crystal in the light scattering layer is likely to be reflected at the interface between the two crystals due to the refractive index, but this interface is light scattering. This tendency is alleviated.
Therefore, in summary, the light scattering layer in which n2 <n1 transmits light incident from the base surface side and reflects light incident from the opposite direction to the base surface side (that is, from the base surface). The light traveling in the direction away from the light is transmitted, and the light traveling in the direction approaching the base surface is reflected.
Therefore, in the light emitting element in which the direction away from the base surface is the light extraction direction, it is advantageous in terms of light extraction efficiency that n2 <n1.

〔n1<n2の場合〕
光散乱層に対して、ベース面側から入射する光は反射され易く、ベース面とは反対側の面から入射する光は進入し易い。なぜなら、光散乱層のベース面側の表面には屈折率の低い第一のGaN系結晶が存在する一方、ベース面側と反対の表面は、屈折率の高い第二のGaN系結晶からなるためである。
また、同じ理由により、一旦、光散乱層内に進入した光は、ベース面側から出射され易く、ベース面側と反対側の面からは出射され難い。
一方、光散乱層内で第二のGaN系結晶から第一のGaN系結晶に向かって進む光は、屈折率の大小関係からすると両結晶の界面で反射され易いが、この界面は光散乱性とされるので、この傾向が緩和される。
従って、以上を総合すると、n1<n2とされた光散乱層は、ベース面側から入射する光を反射し、ベース面側と反対の方向から入射する光を透過する傾向(即ち、ベース面に近づく方向に進む光を透過させ、ベース面から離れる方向に進む光を反射する傾向)を有する。
従って、ベース面に近づく方向を光取り出し方向とする発光素子においては、n1<n2とすることが光取り出し効率の点で有利となる。
[When n1 <n2]
Light incident from the base surface side is easily reflected on the light scattering layer, and light incident from a surface opposite to the base surface is likely to enter. Because the first GaN-based crystal having a low refractive index exists on the surface of the base surface side of the light scattering layer, the surface opposite to the base surface side is made of the second GaN-based crystal having a high refractive index. It is.
For the same reason, light that has once entered the light scattering layer is likely to be emitted from the base surface side, and is difficult to be emitted from the surface opposite to the base surface side.
On the other hand, the light traveling from the second GaN-based crystal toward the first GaN-based crystal in the light-scattering layer is likely to be reflected at the interface between the two crystals due to the refractive index, but this interface is light-scattering. This tendency is alleviated.
Therefore, in summary, the light scattering layer in which n1 <n2 has a tendency to reflect light incident from the base surface side and transmit light incident from a direction opposite to the base surface side (that is, to the base surface). The light traveling in the approaching direction is transmitted, and the light traveling in the direction away from the base surface is reflected.
Therefore, in the light emitting element in which the direction closer to the base surface is the light extraction direction, it is advantageous in terms of light extraction efficiency that n1 <n2.

本発明に係る窒化物半導体素子においては、発光層の上面をベース面として、サーファクタント処理し、その上に第一のGaN系結晶および第二のGaN系結晶を成長して上記(A)の光散乱層を形成してもよい。この場合、この光散乱層にp型不純物をドープしてp型クラッドとし、その上により多量のp型不純物をドープしたp型コンタクト層を形成してもよい。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the surface of the light emitting layer is used as a base surface, a surfactant treatment is performed, and a first GaN-based crystal and a second GaN-based crystal are grown thereon to produce the light of (A) above. A scattering layer may be formed. In this case, the light scattering layer may be doped with p-type impurities to form a p-type cladding, and a p-type contact layer doped with a larger amount of p-type impurities may be formed thereon.

発光素子構造を構成するための発光層以外の層、例えばn型、p型のコンタクト層やクラッド層は、ベース層や上記(A)の光散乱層にその働きを持たせてもよいし、あるいはベース層や光散乱層とは別途形成してもよい。   Layers other than the light emitting layer for constituting the light emitting element structure, for example, n-type and p-type contact layers and cladding layers, may have the function of the base layer and the light scattering layer of (A) above, Or you may form separately from a base layer and a light-scattering layer.

図1(a)の素子構造は、下側から順に〔サファイア基板10/アンドープGaN層L/光散乱層50/SiドープGaN層20/発光層30/MgドープAlGaN層41/MgドープGaN層42〕となっており、アンドープGaN層Lの上面がベース面とされ、光散乱層50もアンドープとされている。
また、図1(b)の素子構造は、下側から順に〔サファイア基板10/アンドープGaN層L/SiドープGaN層20/発光層30/MgドープAlGaN層41/光散乱層50/MgドープGaN層42〕となっており、MgドープAlGaN層41の上面がベース面とされ、光散乱層50もMgドープによりp型とされている。
The element structure of FIG. 1A is [sapphire substrate 10 / undoped GaN layer L / light scattering layer 50 / Si doped GaN layer 20 / light emitting layer 30 / Mg doped AlGaN layer 41 / Mg doped GaN layer 42 in order from the bottom. The upper surface of the undoped GaN layer L is the base surface, and the light scattering layer 50 is also undoped.
In addition, the element structure of FIG. 1B is formed in order from the bottom [sapphire substrate 10 / undoped GaN layer L / Si doped GaN layer 20 / light emitting layer 30 / Mg doped AlGaN layer 41 / light scattering layer 50 / Mg doped GaN. The upper surface of the Mg-doped AlGaN layer 41 is a base surface, and the light scattering layer 50 is also p-type by Mg doping.

n型層、発光層、p型層の積層順は、先にn型層を積層することが好ましい。p型層の導電率を十分高くするには多量のドーパントを添加する必要があるため、p型層は結晶品質が悪くなりがちであるが、結晶品質の悪い層を先に成長すると、その上に成長する結晶層の品質にも悪影響を及ぼすためである。   The n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer are preferably laminated in the order of lamination. Since it is necessary to add a large amount of dopant to sufficiently increase the conductivity of the p-type layer, the crystal quality of the p-type layer tends to deteriorate, but if a layer with poor crystal quality is first grown, This is because it adversely affects the quality of the crystal layer that grows.

光取り出し方向を上方とする場合、上記好ましい積層順によれば、発光層の上に導電性の低いp型層を形成することになるため、GaN系結晶層の最上層の上面には、その全面を覆うように光透過性のp側電極を形成するのが好ましい。
なお、一般に、p側電極を形成するGaN系結晶層の最上層はp型のコンタクト層とされるが、更に、p側電極との間に、n型のトンネリング層や、p型不純物とn型不純物の共ドープ層を介在させてもよい。
光透過性電極としては、金属薄膜からなる透明電極、ITO等の酸化物半導体からなる透明電極、厚膜金属層に光取り出し用の開口部が設けられた開口電極等が例示される。透明電極に開口部を形成してもよい。
開口電極を用いた場合、GaN系結晶が、開口部において、屈折率の低い空気、樹脂材料またはパッシベーション膜と直に接する。また、金属薄膜からなる透明電極を用いた場合は、p型層の表面全面で、薄い金属層を介してGaN結晶が空気、樹脂材料またはパッシベーション膜と接する。よって、これらの電極を用いた場合には、p型層の表面で屈折率差による反射が生じ易いので、本発明が特に有用となる。
When the light extraction direction is upward, according to the preferred stacking order, a p-type layer having low conductivity is formed on the light emitting layer. Therefore, the entire surface of the uppermost layer of the GaN-based crystal layer is formed on the entire surface. It is preferable to form a light-transmitting p-side electrode so as to cover the surface.
In general, the uppermost layer of the GaN-based crystal layer forming the p-side electrode is a p-type contact layer. Further, an n-type tunneling layer or a p-type impurity and A co-doped layer of type impurities may be interposed.
Examples of the light transmissive electrode include a transparent electrode made of a metal thin film, a transparent electrode made of an oxide semiconductor such as ITO, and an opening electrode in which an opening for light extraction is provided in a thick film metal layer. An opening may be formed in the transparent electrode.
When the aperture electrode is used, the GaN-based crystal is in direct contact with air, a resin material, or a passivation film having a low refractive index at the aperture. When a transparent electrode made of a metal thin film is used, the GaN crystal is in contact with air, a resin material, or a passivation film through the thin metal layer over the entire surface of the p-type layer. Therefore, when these electrodes are used, the present invention is particularly useful because reflection due to a difference in refractive index is likely to occur on the surface of the p-type layer.

光取り出し方向を下方とする場合、基板を残したまま素子化する場合には、透明基板を用いる必要がある。
光取り出し方向がいずれであるかによらず、また、基板が透明基板、不透明基板であるかによらず、GaN系半導体結晶層の成長後、基板を除去することも可能である。基板をベース層とする場合も同様に、基板を除去することができる。
When the light extraction direction is set to the lower side, it is necessary to use a transparent substrate when an element is formed with the substrate remaining.
It is possible to remove the substrate after the growth of the GaN-based semiconductor crystal layer regardless of the light extraction direction, and whether the substrate is a transparent substrate or an opaque substrate. Similarly, when the substrate is a base layer, the substrate can be removed.

上記(A)の光散乱層は、ひとつの素子内に複数含まれてもよい。発光層の一方の側に複数あってもよいし、発光層の両側にそれぞれあってもよい。   A plurality of the light scattering layers (A) may be included in one element. A plurality of light emitting layers may be provided on one side of the light emitting layer, or may be provided on both sides of the light emitting layer.

発光層よりも上側の層をベース層として、その上面にサーファクタント処理を行った後、第一のGaN系結晶を突出部および/または陥凹部を表面に有する形状に成長させ、第二のGaN系結晶を形成しないで得られる凹凸表面を、光取り出し面としてもよい。この位置に凹凸を形成する場合に、サーファクタント処理を用いることの利点は、発光層の下に光散乱層を形成するときの利点と同じである。
光透過性のp側電極をこの表面に形成する場合、第一のGaN系結晶にp型不純物をドープしてp型とすればよい。あるいは、ベース層をp型とし、アンドープまたはp型ドープした第一のGaN系結晶を、ベース層を完全に覆わないように、離散的なドット状に形成してもよい。また、サーファクタントとしてp型不純物であるマグネシウムのドーピングに用いられるビスシクロペンタジエニルマグネシウム等を好ましく用いることができる。
A surface layer above the light-emitting layer is used as a base layer, and a surface treatment is performed on the upper surface, and then a first GaN-based crystal is grown in a shape having protrusions and / or depressions on the surface, and a second GaN-based layer is grown. The uneven surface obtained without forming crystals may be used as the light extraction surface. When forming irregularities at this position, the advantage of using the surfactant treatment is the same as the advantage of forming the light scattering layer under the light emitting layer.
When a light-transmitting p-side electrode is formed on this surface, the first GaN crystal may be doped with p-type impurities to be p-type. Alternatively, the base layer may be p-type, and the undoped or p-type doped first GaN-based crystal may be formed in discrete dots so as not to completely cover the base layer. Further, biscyclopentadienyl magnesium used for doping magnesium, which is a p-type impurity, can be preferably used as a surfactant.

発光層よりも上側のp型層をベース層として、その上面にサーファクタント処理を行ったうえで、第一のGaN系結晶を、表面に突出部および/または陥凹部を有する形状に成長させた後、第二のGaN系結晶を形成しないで得られる凹凸表面を光取り出し面とする態様において、第一のGaN系結晶をn型ドーピングによりn型とし、その凹凸表面を埋め込むようにITO(酸化インジウム錫)、ZnO等の酸化物半導体からなる透明電極を形成することができる。
この場合、サーファクタントとしてSiを含む物質を用いて、p型層および第一のGaN系結晶よりも抵抗値の低い、Siからなる低抵抗領域がp型層の表面に形成されるように、サーファクタント処理を行う。このような低抵抗領域を介してp型層上にn型層を形成すると、このp型層とn型層の界面をオーミック性とすることができ、n型層の上に形成した酸化物半導体電極からp型層に電流を供給可能となる(特開2004−179369号公報を参照できる)。
この態様では光取り出し方向がベース面から離れる方向であるが、ITOやZnOはGaN系結晶よりも屈折率が低いことから、ITOやZnOで第一のGaN系結晶を埋め込むことは、光取り出し効率の向上のために好ましい構成となる。
After the p-type layer above the light emitting layer is used as a base layer and the upper surface thereof is subjected to a surfactant treatment, the first GaN-based crystal is grown in a shape having a protrusion and / or a recess on the surface. In an embodiment in which the uneven surface obtained without forming the second GaN-based crystal is a light extraction surface, the first GaN-based crystal is made n-type by n-type doping, and ITO (indium oxide) is embedded so as to embed the uneven surface. A transparent electrode made of an oxide semiconductor such as tin) or ZnO can be formed.
In this case, using a substance containing Si as a surfactant, a surfactant having a lower resistance value than the p-type layer and the first GaN-based crystal is formed on the surface of the p-type layer. Process. When an n-type layer is formed on a p-type layer through such a low resistance region, the interface between the p-type layer and the n-type layer can be made ohmic, and an oxide formed on the n-type layer A current can be supplied from the semiconductor electrode to the p-type layer (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-179369).
In this embodiment, the light extraction direction is away from the base surface. However, since ITO and ZnO have a lower refractive index than GaN-based crystals, embedding the first GaN-based crystal with ITO or ZnO results in light extraction efficiency. It becomes a preferable structure for improving the above.

基板の材料は、GaN系結晶がエピタキシャル成長し得るものであればよく、例えば、サファイア(C面、A面、R面)、SiC(6H、4H、3C)、GaN、AlN、Si、スピネル、ZnO、GaAs、NGOなどが挙げられる。
サファイア基板は、GaN系結晶を成長させるための基板としては好ましいが、GaN系結晶との屈折率差が大きいことから光取り出し効率上の問題を有しており、本発明の有用性が顕著に示される基板である。
一方、SiCは屈折率がGaNと近い(GaNよりもやや高い)ので、SiC基板を用いた場合には、GaN系結晶層と基板との界面での反射の問題は小さくなるが、SiC基板の下面における反射(反射性の電極が形成される場合には、該電極による反射)のために、やはり多重反射の問題が生じる。また、可視光を透過しないSiやGaAsからなる基板を用いた場合も、基板の表面は鏡面研磨により反射性が高くなるので、多重反射の問題が生じる。従って、これらの基板を用いた場合においても、本発明が有用となる。
The material of the substrate is not limited as long as the GaN-based crystal can be epitaxially grown. For example, sapphire (C plane, A plane, R plane), SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN, Si, spinel, ZnO , GaAs, NGO and the like.
A sapphire substrate is preferable as a substrate for growing a GaN-based crystal, but has a problem in light extraction efficiency because of a large difference in refractive index from the GaN-based crystal, and the usefulness of the present invention is remarkably increased. It is the substrate shown.
On the other hand, since SiC has a refractive index close to that of GaN (slightly higher than GaN), the use of a SiC substrate reduces the problem of reflection at the interface between the GaN-based crystal layer and the substrate. Again, the problem of multiple reflections arises due to reflection at the bottom surface (if a reflective electrode is formed, reflection by the electrode). Also, when a substrate made of Si or GaAs that does not transmit visible light is used, the surface of the substrate becomes highly reflective by mirror polishing, which causes a problem of multiple reflection. Therefore, the present invention is useful even when these substrates are used.

実施例1
(LEDウエハの作製)
直径2インチ、厚さ約300μmのC面サファイア基板を、MOVPE装置の成長炉内に設けられたサセプタに装着し、水素雰囲気下で基板温度を1100℃まで上昇させて、表面のサーマルクリーニングを行った。
次に、基板温度を330℃まで下げ、3族原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびトリメチルアルミニウム(TMA)、5族原料としてアンモニアを用いて、AlGaN低温バッファ層を20nm成長させた。なお、この工程以降、原料およびサーファクタントのキャリアガスには水素ガスを用いるとともに、原料ガスの流れを整えるために、サブフローガスとして窒素ガスを成長炉内に流した。
次に、基板温度を1000℃に上げ、原料としてTMG、アンモニアを供給し、アンドープGaN層を2μm成長させた。
次に、TMG、アンモニアの供給を停止し、サーファクタントとして、ガス状にしたテトラエチルシランを成長炉内に供給し、アンドープGaN層の表面に接触させた。テトラエチルシランは密閉容器中で−12℃に冷却し、水素ガスを流量30cm/minで供給してバブリングすることによりガス状として、成長炉内に供給した。
テトラエチルシランの供給を停止した後、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを供給し、アンドープAl0.5Ga0.5Nを、ドット状に成長させた。このときの成長時間は、ドットの高さが200nmとなるように決定した。
次に、TMAの供給を停止し、アンドープGaNを、ドット状に成長したAl0.5Ga0.5Nを埋め込むように成長した。このアンドープGaNは、先に成長したアンドープGaN層のサーファクタント処理された表面からの膜厚が2μmとなるようにした。
次に、シランを供給して、Si濃度が5×1018cm−3のSiドープGaN層を2μm成長した。
次に、基板温度を800℃に低下させて、GaN障壁層と、InGaN井戸層(発光波長405nm)を各10層交互に積層してなるMQW(多重量子井戸)構造の発光層を形成した。井戸層成長時のIn原料にはトリメチルインジウムを用いた。
次に、基板温度を1000℃に上げ、Mg原料のビス(エチルシクロペンタジエニル)マグネシウム(EtCpMg)と、TMG、TMA、アンモニアを供給し、Mg濃度が5×1019cm−3のMgドープAlGaN層を50nm成長させた。
次に、TMAの供給を停止して、Mg濃度が1×1020cm−3のMgドープGaN層を100nm成長させた。
このようにして発光波長405nmの近紫外LED構造が形成されたウエハを得た。
Example 1
(Production of LED wafer)
A C-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches and a thickness of about 300 μm is mounted on a susceptor provided in the growth furnace of the MOVPE apparatus, and the substrate temperature is raised to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere to perform thermal cleaning of the surface. It was.
Next, the substrate temperature was lowered to 330 ° C., and an AlGaN low-temperature buffer layer was grown to 20 nm using trimethylgallium (TMG) and trimethylaluminum (TMA) as Group 3 materials and ammonia as Group 5 materials. After this step, hydrogen gas was used as the raw material and the surfactant carrier gas, and nitrogen gas was flowed into the growth furnace as a subflow gas in order to adjust the flow of the raw material gas.
Next, the substrate temperature was raised to 1000 ° C., TMG and ammonia were supplied as raw materials, and an undoped GaN layer was grown by 2 μm.
Next, the supply of TMG and ammonia was stopped, and as a surfactant, gaseous tetraethylsilane was supplied into the growth reactor and brought into contact with the surface of the undoped GaN layer. Tetraethylsilane was cooled to −12 ° C. in a closed vessel, and hydrogen gas was supplied at a flow rate of 30 cm 3 / min and bubbled to supply it into the growth furnace.
After the supply of tetraethylsilane was stopped, TMG, TMA (trimethylaluminum), and ammonia were supplied to grow undoped Al 0.5 Ga 0.5 N in a dot shape. The growth time at this time was determined such that the dot height was 200 nm.
Next, the supply of TMA was stopped, and undoped GaN was grown so as to embed Al 0.5 Ga 0.5 N grown in a dot shape. The undoped GaN was formed such that the film thickness from the surface of the previously grown undoped GaN layer treated with the surfactant was 2 μm.
Next, silane was supplied to grow a Si-doped GaN layer having a Si concentration of 5 × 10 18 cm −3 by 2 μm.
Next, the substrate temperature was lowered to 800 ° C. to form a light emitting layer having an MQW (multiple quantum well) structure in which a GaN barrier layer and 10 InGaN well layers (emission wavelength of 405 nm) were alternately stacked. Trimethylindium was used as an In raw material for the well layer growth.
Next, the substrate temperature is increased to 1000 ° C., and bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium (EtCp 2 Mg), TMG, TMA, and ammonia as Mg raw materials are supplied, and the Mg concentration is 5 × 10 19 cm −3 . A Mg-doped AlGaN layer was grown to 50 nm.
Next, the supply of TMA was stopped, and an Mg-doped GaN layer having an Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 was grown to 100 nm.
Thus, a wafer on which a near ultraviolet LED structure having an emission wavelength of 405 nm was formed was obtained.

(p側電極の形成)
p側電極は開口電極とした。
電極膜の形成に先立ち、MgドープGaN層の上面にフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技法を用いて、開口電極の形状にMgドープGaN層の表面が露出した窓部を、このフォトレジスト膜に形成した。
開口電極は、チップ化したときに、MgドープGaN層の上面をほぼ全面的に覆う大きさとし、6μm×6μmの正方形状の開口部が、縦横に間隔2μmで正方行列状に配列されたパターン(電極部分が正方格子状となるパターン)とした。
次に、露出したMgドープGaN層の表面と、フォトレジスト膜の上に、電子ビーム蒸着法を用いて、膜厚1nmのNi膜と膜厚250nmのAu膜をこの順に積層し、その後、フォトレジスト膜をリフトオフすることによって、MgドープGaN層の表面に正方格子状の電極が形成された。
p側電極の表面には、更に、膜厚20nmのTi膜と膜厚400nmのAu膜とをこの順に積層した、ワイヤボンディング用のパッド電極を形成した。後に、p側電極とMgドープGaN層とのオーミック接触を促進させるために、500℃にて5分間保持する熱処理を行った。
(Formation of p-side electrode)
The p-side electrode was an aperture electrode.
Prior to the formation of the electrode film, a photoresist film is formed on the upper surface of the Mg-doped GaN layer, and the photoresist film is used to form a window portion where the surface of the Mg-doped GaN layer is exposed in the shape of the opening electrode by using a photolithography technique. Formed.
The aperture electrode has a size that covers almost the entire upper surface of the Mg-doped GaN layer when chipped, and is a pattern in which square-shaped apertures of 6 μm × 6 μm are arranged in a square matrix at intervals of 2 μm vertically and horizontally ( A pattern in which the electrode portions are in a square lattice pattern).
Next, a 1 nm-thickness Ni film and a 250 nm-thickness Au film are stacked in this order on the exposed Mg-doped GaN layer surface and the photoresist film using an electron beam evaporation method. By lifting off the resist film, a square lattice-shaped electrode was formed on the surface of the Mg-doped GaN layer.
On the surface of the p-side electrode, a wire electrode pad electrode was further formed by laminating a 20 nm thick Ti film and a 400 nm thick Au film in this order. Later, in order to promote ohmic contact between the p-side electrode and the Mg-doped GaN layer, a heat treatment was performed at 500 ° C. for 5 minutes.

(n側電極の形成)
n側電極の形成は、LEDウエハの、GaN系結晶の積層体を形成した側から、MgドープGaN層、MgドープAlGaN層、発光層の一部を反応性イオンエッチングにて除去し、SiドープGaNが露出された凹部を形成した後、この露出されたSiドープGaN層の表面に、電子ビーム蒸着法にて膜厚50nmのAl膜、膜厚30nmのTi膜、膜厚400nmのAu膜を、この順に積層することにより行った。その後、SiドープGaN層とのオーミック接触を促進させるために、500℃にて5分間保持する熱処理を行った(上記p側電極に対する処理と同時に行った)。
n側電極の形成後、サファイア基板の裏面を厚さ90μmとなるまで研磨し、通常のスクライビングおよびブレーキングによって素子分離を行い、350μm角のLEDチップを得た。
(Formation of n-side electrode)
The n-side electrode is formed by removing part of the Mg-doped GaN layer, Mg-doped AlGaN layer, and light-emitting layer by reactive ion etching from the side of the LED wafer on which the GaN-based crystal laminate is formed, and then doping with Si. After forming the concave portion where GaN is exposed, an Al film having a thickness of 50 nm, a Ti film having a thickness of 30 nm, and an Au film having a thickness of 400 nm are formed on the surface of the exposed Si-doped GaN layer by electron beam evaporation. This was done by laminating in this order. Thereafter, in order to promote ohmic contact with the Si-doped GaN layer, a heat treatment was performed at 500 ° C. for 5 minutes (simultaneously with the treatment on the p-side electrode).
After the formation of the n-side electrode, the back surface of the sapphire substrate was polished to a thickness of 90 μm, and element separation was performed by ordinary scribing and braking to obtain a 350 μm square LED chip.

比較例1
上記実施例1において、アンドープGaN層表面のテトラエチルシラン処理とドット状のアンドープAl0.5Ga0.5Nの成長を行わないで、AlGaNバッファ層上にアンドープGaN層を4μm成長し、続けてSiドープGaN層を成長したこと以外は、上記実施例1と同様の工程にてLEDチップ(従来のLED)を作製した。
Comparative Example 1
In Example 1 above, without performing tetraethylsilane treatment on the surface of the undoped GaN layer and growth of dot-shaped undoped Al 0.5 Ga 0.5 N, an undoped GaN layer was grown 4 μm on the AlGaN buffer layer, and then An LED chip (conventional LED) was fabricated in the same process as in Example 1 except that the Si-doped GaN layer was grown.

(評価)
上記手順で作製したLEDチップをステム台にダイボンドした後、ワイヤボンディングにより通電可能な状態とし、実施例1、比較例1のそれぞれのLEDの素子特性を評価した。
その結果、実施例品と比較例品は、順方向電圧(20mA通電時)についてはほぼ同じ(約3.4V)であったが、積分球を用いて測定した出力(20mA通電時)は、実施例品の方が比較例品よりも約15%増加していた。
(Evaluation)
After the LED chip produced by the above procedure was die-bonded to the stem base, it was put into a state in which it could be energized by wire bonding, and the element characteristics of each LED of Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated.
As a result, the example product and the comparative product were almost the same (about 3.4 V) with respect to the forward voltage (at the time of 20 mA energization), but the output measured using an integrating sphere (at the time of 20 mA energization) was The example product was about 15% higher than the comparative product.

実施例2
本実施例では、Ni(下層)/Au(表層)からなるp側電極を、開口部を形成することなく、チップ化後のMgドープGaN層の上面をほぼ全面的に覆う大きさに形成するとともに、該p側電極の表面のパッド電極を省略したこと以外は、実施例1と同様の方法でLEDチップを作製した。
Example 2
In this embodiment, the p-side electrode made of Ni (lower layer) / Au (surface layer) is formed to have a size that covers almost the entire upper surface of the Mg-doped GaN layer after chip formation without forming an opening. At the same time, an LED chip was produced in the same manner as in Example 1 except that the pad electrode on the surface of the p-side electrode was omitted.

比較例2
上記実施例2において、アンドープGaN層表面のテトラエチルシラン処理とドット状のアンドープAl0.5Ga0.5Nの成長を行わないで、AlGaNバッファ層上にアンドープGaN層を4μm成長し、続けてSiドープGaN層を成長したこと以外は、上記実施例2と同様の工程にてLEDチップ(従来のLED)を作製した。
Comparative Example 2
In Example 2, the undoped GaN layer was grown to 4 μm on the AlGaN buffer layer without performing tetraethylsilane treatment on the surface of the undoped GaN layer and the growth of dot-like undoped Al 0.5 Ga 0.5 N, An LED chip (conventional LED) was fabricated in the same process as in Example 2 except that the Si-doped GaN layer was grown.

(評価)
得られたLEDチップを、リード電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上に、p側電極およびn側電極が下側となるようにフリップチップボンディングし、実施例2、比較例2のそれぞれのLEDの素子特性を評価した。
その結果、実施例品と比較例品は、順方向電圧(20mA通電時)はほぼ同じ(約3.3V)であったが、積分球を用いて測定した出力(20mA通電時)は、実施例品の方が比較例品よりも約20%増加していた。
実施例1の場合よりも、比較例品に対する出力増加の割合が大きくなったが、これは、チップの光取り出し方向が、サーファクタント処理のベース面に相当するアンドープGaN層の上側表面に近づく方向であり、かつ、アンドープGaN層の表面にドット状に形成されたアンドープAl0.5Ga0.5Nの屈折率が、これを埋め込んで成長したアンドープGaNの屈折率よりも小さいことから、光取り出し効率上、より好ましい構成となったためと考えられる。
(Evaluation)
The obtained LED chip was flip-chip bonded onto the ceramic package on which the lead electrode pattern was formed so that the p-side electrode and the n-side electrode were on the lower side, and each of the LEDs of Example 2 and Comparative Example 2 was The device characteristics were evaluated.
As a result, the forward voltage (20 mA energization) of the example product and the comparative example product was almost the same (about 3.3 V), but the output (using 20 mA energization) measured using an integrating sphere was The example product was about 20% higher than the comparative example product.
Compared to the case of Example 1, the rate of increase in output relative to the comparative example product was larger, in the direction in which the light extraction direction of the chip approaches the upper surface of the undoped GaN layer corresponding to the base surface of the surfactant treatment. Because the refractive index of undoped Al 0.5 Ga 0.5 N formed in the shape of dots on the surface of the undoped GaN layer is smaller than the refractive index of undoped GaN grown by embedding this, light extraction This is considered to be a more preferable configuration in terms of efficiency.

実施例3
先ず、アンドープGaN層表面のテトラエチルシラン処理とドット状のアンドープAl0.5Ga0.5Nの成長を行わずに、AlGaNバッファ層上にアンドープGaN層を4μm成長し、続けてSiドープGaN層を成長すること以外、実施例1と同様の方法で、Mg濃度が5×1019cm−3のMgドープAlGaN層までの窒化物半導体結晶層をサファイア基板上に成長した。
次に、EtCpMg、TMG、TMA、アンモニアの供給を停止し、サーファクタントとして、ガス状にしたテトラエチルシランを成長炉内に供給し、MgドープAlGaN層の表面に接触させた。テトラエチルシランの供給方法は実施例1と同様とした。
テトラエチルシランの供給を停止した後、EtCpMg、TMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを再び供給し、Mg濃度が5×1019cm−3のMgドープAl0.5Ga0.5Nを、ドット状に成長させた。このときの成長時間は、ドットの高さが50nmとなるように決定した。
次に、TMAの供給を停止し、Mg濃度が1×1020cm−3のMgドープGaNを、ドット状に成長したAl0.5Ga0.5Nを埋め込むように成長した。このMgドープGaNは、先に成長したMgドープAlGaN層のサーファクタント処理された表面からの膜厚が150nmとなるようにした。
このようにして得られた発光波長405nmの近紫外LEDウエハに対して、実施例1と同様の方法でp側電極およびn側電極を形成した後、実施例1と同様の方法でチップ化を行った。
Example 3
First, without performing tetraethylsilane treatment on the surface of the undoped GaN layer and growth of dot-like undoped Al 0.5 Ga 0.5 N, an undoped GaN layer was grown to 4 μm on the AlGaN buffer layer, and then the Si-doped GaN layer A nitride semiconductor crystal layer up to an Mg-doped AlGaN layer having an Mg concentration of 5 × 10 19 cm −3 was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that the above was grown.
Next, the supply of EtCp 2 Mg, TMG, TMA, and ammonia was stopped, and as a surfactant, gaseous tetraethylsilane was supplied into the growth reactor and brought into contact with the surface of the Mg-doped AlGaN layer. The method for supplying tetraethylsilane was the same as in Example 1.
After the supply of tetraethylsilane was stopped, EtCp 2 Mg, TMG, TMA (trimethylaluminum) and ammonia were supplied again, and Mg-doped Al 0.5 Ga 0.5 N with an Mg concentration of 5 × 10 19 cm −3 was added. , Grown in dots. The growth time at this time was determined such that the dot height was 50 nm.
Next, the supply of TMA was stopped, and Mg-doped GaN having an Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 was grown so as to embed Al 0.5 Ga 0.5 N grown in a dot shape. This Mg-doped GaN was designed such that the film thickness from the surface of the Mg-doped AlGaN layer grown earlier was treated with a surfactant was 150 nm.
After forming the p-side electrode and the n-side electrode on the near-ultraviolet LED wafer having the emission wavelength of 405 nm thus obtained by the same method as in Example 1, the chip is formed by the same method as in Example 1. went.

比較例3
上記実施例3において、MgドープAlGaN層表面のテトラエチルシラン処理とドット状のMgドープAl0.5Ga0.5Nの成長を行わずに、MgドープAlGaN層上にMgドープGaN層を150nm成長したこと以外は、上記実施例3と同様の工程にてLEDチップ(従来のLED)を作製した。
Comparative Example 3
In Example 3, the Mg-doped GaN layer was grown to 150 nm on the Mg-doped AlGaN layer without performing tetraethylsilane treatment on the surface of the Mg-doped AlGaN layer and growing the dot-like Mg-doped Al 0.5 Ga 0.5 N. Except for this, an LED chip (conventional LED) was fabricated in the same process as in Example 3 above.

(評価)
得られたLEDチップを、実施例1と同様にステム台にダイボンドした後、ワイヤボンディングにより通電可能な状態とし、実施例3、比較例3のそれぞれのLEDの素子特性を評価した。
その結果、実施例品と比較例品は、順方向電圧(20mA通電時)は、ほぼ同じ(約3.4V)であったが、積分球を用いて測定した出力(20mA通電時)は、実施例品の方が比較例品よりも約7%増加していた。
(Evaluation)
After the obtained LED chip was die-bonded to the stem base in the same manner as in Example 1, the device could be energized by wire bonding, and the element characteristics of the LEDs in Example 3 and Comparative Example 3 were evaluated.
As a result, the example product and the comparative product had almost the same forward voltage (at the time of 20 mA energization) (about 3.4 V), but the output measured using the integrating sphere (at the time of 20 mA energization) The example product was about 7% higher than the comparative product.

実施例4
本実施例では、Ni(下層)/Au(表層)からなるp側電極を、開口部を形成することなく、チップ化後のMgドープGaN層の上面をほぼ全面的に覆う大きさに形成するとともに、該p側電極の表面のパッド電極を省略したこと以外は、実施例3と同様の方法でLEDチップを作製した。
Example 4
In this embodiment, the p-side electrode made of Ni (lower layer) / Au (surface layer) is formed to have a size that covers almost the entire upper surface of the Mg-doped GaN layer after chip formation without forming an opening. At the same time, an LED chip was produced in the same manner as in Example 3 except that the pad electrode on the surface of the p-side electrode was omitted.

比較例4
上記実施例4において、MgドープAlGaN層表面のテトラエチルシラン処理とドット状のMgドープAl0.5Ga0.5Nの成長を行わないで、MgドープAlGaN層上にMgドープGaN層を150nm成長したこと以外は、上記実施例4と同様の工程にてLEDチップ(従来のLED)を作製した。
Comparative Example 4
In Example 4 above, the Mg-doped GaN layer was grown to 150 nm on the Mg-doped AlGaN layer without performing the tetraethylsilane treatment on the surface of the Mg-doped AlGaN layer and the growth of the dot-like Mg-doped Al 0.5 Ga 0.5 N. Except for this, an LED chip (conventional LED) was fabricated in the same process as in Example 4 above.

(評価)
得られたLEDチップを、リード電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上に、p側電極およびn側電極が下側となるようにフリップチップボンディングし、実施例4、比較例4のそれぞれのLEDの素子特性を評価した。
その結果、実施例品と比較例品は、順方向電圧(20mA通電時)は、ほぼ同じ(約3.4V)であったが、積分球を用いて測定した出力(20mA通電時)は、実施例品の方が比較例品よりも約9%増加した。
(Evaluation)
The obtained LED chip was flip-chip bonded onto the ceramic package on which the lead electrode pattern was formed so that the p-side electrode and the n-side electrode were on the lower side, and each LED of Example 4 and Comparative Example 4 was The device characteristics were evaluated.
As a result, the example product and the comparative product had almost the same forward voltage (at the time of 20 mA energization) (about 3.4 V), but the output measured using the integrating sphere (at the time of 20 mA energization) The example product increased about 9% over the comparative example product.

実施例5
本実施例では、実施例1と同様に、サファイア基板表面のサーマルクリーニングと、AlGaN低温バッファ層の成長を行った後、基板温度を1000℃に上げ、Si濃度が5×1018cm−3のSiドープGaN層を2μm成長した。
次に、このSiドープGaN層の表面に、実施例1と同様の方法でテトラエチルシランを接触させた後、Si濃度が5×1018cm−3のSiドープAl0.5Ga0.5Nをドット状に成長させた。このときの成長時間は、ドットの高さが200nmとなるように決定した。その後、TMAの供給を停止し、Si濃度が5×1018cm−3のSiドープGaNを、ドット状に成長したSiドープAl0.5Ga0.5Nを埋め込むように成長した。このSiドープGaNは、先に成長したSiドープGaN層のサーファクタント処理された表面からの膜厚が400nmとなるようにした。
以後、このSiドープGaNの上に、発光層、MgドープAlGaN層、MgドープGaN層を、実施例1と同様の方法で順次成長し、発光波長405nmの近紫外LEDウエハを得た。
次に、このウエハのMgドープGaN層の表面全面に、Ni(下層)/Au(表層)からなるp側電極を形成し、500℃×5分間の熱処理を行った。
次に、Au−Sn共晶を用いて、上記p側電極の表面にGaAs基板を接合した後、研削および研磨によりサファイア基板を摩滅させ、上記成長したSiドープGaN層を露出させた。露出されたSiドープGaN層の表面には、素子分離により個別のチップに分離される各領域にひとつずつ、ワイヤボンディング用のパッド電極として、Al(下層)/Ti(中層)/Au(表層)からなる電極を形成した。
このウエハを素子分離してLEDチップを得た。
Example 5
In this example, as in Example 1, after the thermal cleaning of the sapphire substrate surface and the growth of the AlGaN low-temperature buffer layer, the substrate temperature was raised to 1000 ° C., and the Si concentration was 5 × 10 18 cm −3 . A Si-doped GaN layer was grown to 2 μm.
Next, tetraethylsilane was brought into contact with the surface of this Si-doped GaN layer in the same manner as in Example 1, and then Si-doped Al 0.5 Ga 0.5 N with a Si concentration of 5 × 10 18 cm −3. Was grown in dots. The growth time at this time was determined such that the dot height was 200 nm. Thereafter, the supply of TMA was stopped, and Si-doped GaN having a Si concentration of 5 × 10 18 cm −3 was grown so as to embed Si-doped Al 0.5 Ga 0.5 N grown in a dot shape. This Si-doped GaN was formed so that the film thickness from the surface of the previously grown Si-doped GaN layer treated with the surfactant was 400 nm.
Thereafter, a light emitting layer, an Mg doped AlGaN layer, and an Mg doped GaN layer were sequentially grown on the Si doped GaN by the same method as in Example 1 to obtain a near ultraviolet LED wafer having an emission wavelength of 405 nm.
Next, a p-side electrode made of Ni (lower layer) / Au (surface layer) was formed on the entire surface of the Mg-doped GaN layer of this wafer, and heat treatment was performed at 500 ° C. for 5 minutes.
Next, a Au-Sn eutectic was used to bond a GaAs substrate to the surface of the p-side electrode, and then the sapphire substrate was abraded by grinding and polishing to expose the grown Si-doped GaN layer. On the exposed surface of the Si-doped GaN layer, Al (lower layer) / Ti (middle layer) / Au (surface layer) are used as pad electrodes for wire bonding, one for each region separated into individual chips by element isolation. An electrode consisting of was formed.
The wafer was separated to obtain an LED chip.

(評価)
この実施例5で得られたLEDチップに対して、GaAs基板および上記パッド電極を介して通電することにより、素子特性を評価したところ、実施例2で得られたLEDチップよりも更に高い出力が得られた。
これは、光取り出し面側のサファイア基板が除去されたために、サファイアと空気の界面での、屈折率差に基づく反射が抑制されたこと等によると考えられる。
(Evaluation)
When the device characteristics were evaluated by energizing the LED chip obtained in Example 5 through the GaAs substrate and the pad electrode, a higher output than the LED chip obtained in Example 2 was obtained. Obtained.
This is considered to be because the reflection based on the difference in refractive index at the interface between sapphire and air was suppressed because the sapphire substrate on the light extraction surface side was removed.

上記実施例1〜実施例5に係るLEDのいずれにおいても、サーファクタント処理およびドット状のGaN系結晶の成長を行わなかった従来構造のLEDと比較して、出力の向上の他に、素子のリーク電流の減少が観察された。これは、サーファクタント処理に伴う付随効果として、GaN系結晶の転位密度が低減されたことによるものと考えられる。   In any of the LEDs according to Examples 1 to 5, in addition to the improvement in output as compared with the LED having the conventional structure in which the surfactant treatment and the growth of the dot-like GaN-based crystal were not performed, the leakage of the element A decrease in current was observed. This is considered to be due to a reduction in the dislocation density of the GaN-based crystal as an accompanying effect accompanying the surfactant treatment.

本発明において素子内に組み込まれる上記(A)の光散乱層は、ベース面に対してサーファクタント処理を行なうだけで形成可能であるから、発光素子の製造プロセスを複雑にすることなく、しかも効果的に光散乱を生じさせ、光取り出し効率を向上させる。   In the present invention, the light scattering layer (A) incorporated in the device can be formed only by performing a surfactant treatment on the base surface, and is effective without complicating the manufacturing process of the light emitting device. Causes light scattering and improves light extraction efficiency.

本発明のGaN系発光素子の構成例を示した模式図である。ハッチングは、領域を区別するために適宜用いている。It is the schematic diagram which showed the structural example of the GaN-type light emitting element of this invention. Hatching is appropriately used to distinguish the areas. 光散乱層の形成プロセスを示した図である。図2(a)では、ガス状としたサーファクタントを、点によって模式的に表現している。It is the figure which showed the formation process of a light-scattering layer. In FIG. 2A, the gaseous surfactant is schematically represented by dots. 光取り出し方向に関連して、第一のGaN系結晶の屈折率n1と、第二のGaN系結晶の屈折率n2の大小関係を定めることによる利点を説明する図である。It is a figure explaining the advantage by determining the magnitude relationship of the refractive index n1 of a 1st GaN-type crystal, and the refractive index n2 of a 2nd GaN-type crystal regarding a light extraction direction.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
20 n型層
30 発光層
40 p型層
50 光散乱層
51 第一のGaN系結晶
52 第二のGaN系結晶
S 積層体
10 substrate 20 n-type layer 30 light emitting layer 40 p-type layer 50 light scattering layer 51 first GaN-based crystal 52 second GaN-based crystal S laminate

Claims (8)

窒化物半導体結晶層からなる積層体を有して構成されている窒化物半導体発光素子であって、該積層体内には、n型層、発光層、p型層が含まれており、かつ、発光層以外の層として、下記(A)の光散乱層が含まれており、
該光散乱層を構成する第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶との界面において、発光層から発せられた光が散乱する構成となっている、窒化物半導体発光素子。
(A)窒化物半導体結晶が2次元成長し得るベース面がサーファクタント処理され、該ベース面に、屈折率n1である第一の窒化物半導体結晶が、表面に突出部および/または陥凹部を有する形状に気相成長しており、かつ、該第一の窒化物半導体結晶は、屈折率n1とは異なる屈折率n2を持つ第二の窒化物半導体結晶によって埋め込まれている、光散乱層。
A nitride semiconductor light emitting device configured to have a laminate composed of a nitride semiconductor crystal layer, the laminate including an n-type layer, a light emitting layer, and a p-type layer, and As a layer other than the light emitting layer, the following light scattering layer (A) is included,
A nitride semiconductor light emitting element configured to scatter light emitted from a light emitting layer at an interface between a first nitride semiconductor crystal and a second nitride semiconductor crystal constituting the light scattering layer.
(A) A base surface on which a nitride semiconductor crystal can grow two-dimensionally is subjected to a surfactant treatment, and the first nitride semiconductor crystal having a refractive index n1 has a protrusion and / or a recess on the surface. A light scattering layer that is vapor-grown into a shape, and wherein the first nitride semiconductor crystal is embedded by a second nitride semiconductor crystal having a refractive index n2 different from the refractive index n1.
上記第一の窒化物半導体結晶の表面が、上記発光層から発せられる光の波長の1/4以上の高低差を有する、請求項1記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the surface of the first nitride semiconductor crystal has a height difference of ¼ or more of a wavelength of light emitted from the light emitting layer. 上記(A)の光散乱層が、ベース面側を発光層とは反対の側に向けて、積層体内に位置している、請求項2記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the light scattering layer (A) is located in the multilayer body with the base surface side facing away from the light emitting layer. 上記(A)の光散乱層が、ベース面側を発光層の側に向けて、積層体内に位置している、請求項2記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the light scattering layer (A) is located in the multilayer body with the base surface side facing the light emitting layer. n型層およびp型層の間を流れる当該窒化物半導体発光素子の駆動電流が、上記(A)の光散乱層を層厚方向に横切るように、該(A)の光散乱層が積層体内に位置している、請求項3記載の窒化物半導体発光素子。   The light scattering layer of (A) is stacked in the stack so that the driving current of the nitride semiconductor light emitting element flowing between the n-type layer and the p-type layer crosses the light scattering layer of (A) in the layer thickness direction. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 3, which is located at 当該窒化物半導体発光素子の光取り出し方向が、上記ベース面から離れる方向であって、屈折率n2<屈折率n1となるように、第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶とが選択されている、請求項2〜5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   The first nitride semiconductor crystal and the second nitride semiconductor crystal are such that the light extraction direction of the nitride semiconductor light emitting element is a direction away from the base surface, and the refractive index n2 <refractive index n1. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein is selected. 当該窒化物半導体発光素子の光取り出し方向が、上記ベース面に近づく方向であって、屈折率n1<屈折率n2となるように、第一の窒化物半導体結晶と第二の窒化物半導体結晶とが選択されている、請求項2〜5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   The light extraction direction of the nitride semiconductor light emitting element is a direction approaching the base surface, and the first nitride semiconductor crystal and the second nitride semiconductor crystal are set such that the refractive index n1 <the refractive index n2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein is selected. 上記第一の窒化物半導体結晶の突出部および/または陥凹部の側壁として斜めファセットが露出している、請求項2〜7のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 2, wherein oblique facets are exposed as side walls of the protruding portion and / or the recessed portion of the first nitride semiconductor crystal.
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