JP2007165405A

JP2007165405A - Light emitting diode

Info

Publication number: JP2007165405A
Application number: JP2005356768A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Takano; 隆好高野; Masaharu Yasuda; 正治安田; Yukihiro Kondo; 行廣近藤; Nobuyuki Takakura; 信之高倉; Junji Ikeda; 順治池田; Hideo Kawanishi; 英雄川西
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve light derivation efficiency in a light emitting diode including at least an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer stacked on a substrate oriented in the c axis direction. <P>SOLUTION: A main wavelength peak is set in an ultraviolet region of 290 nm or lower by adjusting an Al content of a light emitting layer 7 among semiconductor layers consisting of AlGaN or AlInGaN or the like, and adjusting an energy band structure of a valence band. Consequently, light emission in TM mode is ensured in TE and TM modes as light propagation modes, and light emission in the TM mode at 240 nm dominates. By utilizing the matter described above, emitted light from an element end surface is used in the TM mode where a reflectance ratio at the element end surface is low to facilitate light derivation to the outside of the element. It is accordingly possible to improve light derivation efficiency compared with cases where light is derived from the surface of a substrate 2 and the surface of the p-type nitride semiconductor layer 9. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する発光ダイオードに関する。 The present invention relates to a light emitting diode that generates light by combining electrons and holes in a semiconductor.

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する発光ダイオードの発展が目覚しい。前記III−Ｎ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。 In recent years, III-N compounds (hereinafter referred to as "nitrides") are used to form quantum wells, and an electric current is applied from outside to generate electrons by combining electrons and holes in these quantum wells. The development of light emitting diodes is remarkable. The nitride GaN is most often used as the III-N compound. The refractive index of nitride, including the GaN, is larger than 1, and there is a problem in extracting light into the atmosphere. .

たとえば、紫あるいは紫外線領域の光を発光する発光ダイオードの構造は、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ^＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層とコンタクト層とを設け、発光層の上部にはマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（ｘ１＜０．０８）から成るｐ−クラッド層と、前記ｐ−クラッド層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層とを設けて構成されている。これらの発光ダイオードでは、発光層にて発生した光の一部が、発光層上部のｐ−ＧａＮのコンタクト層やｐ−クラッド層において吸収が起こり、紫外発光領域で発光出力を高くするのは困難である。 For example, in the structure of a light emitting diode that emits light in the purple or ultraviolet region, an n-cladding layer composed of an n ⁺ -GaN layer doped with silicon (Si) and a contact layer are provided below the light emitting layer, and the light emitting layer and upper part consists of magnesium _{_p-Al} (Mg) is doped x1 Ga 1-x1 N (x1 <0.08) p- cladding layer, a contact layer of p-GaN on the upper portion of the p- cladding layer Are provided. In these light emitting diodes, part of the light generated in the light emitting layer is absorbed in the p-GaN contact layer and p-cladding layer above the light emitting layer, making it difficult to increase the light output in the ultraviolet light emitting region. It is.

そこで、このような問題を解決する方法として、特許文献１〜３等が知られている。特許文献１に係る半導体発光素子では、波長が４３０ｎｍ以下である光を発光する発光層上に、マグネシウム（Ｍｇ）が添加され、０．０８≦ｘ１≦０．３であるｐ型のＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎから成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層を有し、前記発光層の下に、シリコン（Ｓｉ）が添加され、０＜ｘ２≦０．３であるｎ型のＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎから成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層を有する構造として、ｐクラッド層およびｎクラッド層のバンドギャップを大きくして、発光層で発光した光が吸収されないようにしている。 Therefore, Patent Documents 1 to 3 and the like are known as methods for solving such problems. In the semiconductor light emitting device according to Patent Document 1, magnesium (Mg) is added to a light emitting layer that emits light having a wavelength of 430 nm or less, and p-type Al _x1 Ga satisfying 0.08 ≦ x1 ≦ 0.3. _1-x1 N, which has a cladding layer in which the wavelength of light to be absorbed is shifted to the shorter wavelength side than the emission wavelength, silicon (Si) is added under the emission layer, and 0 <x2 ≦ 0. 3 having an n-type Al _x2 Ga _1-x2 N and having a cladding layer in which the wavelength of light to be absorbed is shifted to the shorter wavelength side than the emission wavelength, the band gap of the p cladding layer and the n cladding layer is The light is increased so that light emitted from the light emitting layer is not absorbed.

また、特許文献２に係る半導体発光素子では、サファイアを支持基板として、その上にｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、これらの間に設けられた発光層とを備え、前記発光層にＭｇがドーピングされたｐ型導電性のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含んで成り、４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピークを有する構造としている。 Further, the semiconductor light emitting device according to Patent Document 2 includes sapphire as a support substrate, an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer thereon, and a light emitting layer provided therebetween, The light-emitting layer includes p-type conductive Al _x Ga _1-x N (0 ≦ x ≦ 1) doped with Mg, and has a light emission peak in an ultraviolet region of 400 nm or less.

さらにまた、特許文献３においては、基板上に、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下であって、Ｉｎを含む窒化物半導体層から成る発光層を有し、その上のｐ型窒化物半導体層として、ｐ電極と接するｐ型コンタクト層が、ｐ電極と接する側に、ｐ型不純物を高濃度で含有するＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５）を含んで成る第１のｐ型コンタクト層と、前記第１のｐ型コンタクト層の発光層側に第１のｐ型コンタクト層と接して、ｐ型不純物を第１のｐ型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにＡｌ組成比が第１のｐ型コンタクト層より高いＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１）を含んで成る第２のｐ型コンタクト層とが複数周期繰返して形成されて成り、さらに、ｎ型窒化物半導体層として、ｎ電極と接するｎ型コンタクト層が、Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１）を含む構造とすることで、電子、正孔の注入効率を向上している。
特開２００４−６９７０号公報特開２００３−２５８２９８号公報特開２００１−３２００８５号公報 Furthermore, in Patent Document 3, a light emission layer having a light emission peak wavelength of 370 nm or less and made of a nitride semiconductor layer containing In is formed on a substrate, and a p-type nitride semiconductor layer thereon is formed as p-type nitride semiconductor layer. The p-type contact layer in contact with the electrode includes a first p-type containing Al _a Ga _1-a N (0 ≦ a <0.05) containing p-type impurities at a high concentration on the side in contact with the p-electrode. The contact layer is in contact with the first p-type contact layer on the light emitting layer side of the first p-type contact layer, contains p-type impurities at a lower concentration than the first p-type contact layer, and further has an Al composition ratio And a second p-type contact layer containing Al _b Ga _1-b N (0 <b <0.1), which is higher than the first p-type contact layer. n-type contact in contact with n-electrode as n-type nitride semiconductor layer _Layer, by a structure including the _{Al d Ga 1-d N (} 0 <d <0.1), has improved electron, hole injection efficiency.
JP 2004-6970 A JP 2003-258298 A JP 2001-320085 A

上述の従来技術は、いずれも発光強度自体を高めることで発光光量を増加しており、前述の大気中への光取出し効率を向上するものではない。したがって、発光光量が増加しても、素子内部での光吸収による発熱も多く、結果的に発光光量の大きい素子を作成することができないという問題がある。 None of the above-described conventional techniques increases the light emission amount by increasing the light emission intensity itself, and does not improve the light extraction efficiency into the atmosphere. Therefore, even if the amount of emitted light increases, there is a large amount of heat generated by light absorption inside the element, resulting in a problem that an element with a large amount of emitted light cannot be created.

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる発光ダイオードを提供することである。 An object of the present invention is to provide a light emitting diode capable of improving the light extraction efficiency.

本発明の発光ダイオードは、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、前記発光層における主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域であり、該発光層の端面から放射された光を使用することを特徴とする。 The light-emitting diode of the present invention is a light-emitting diode in which at least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer are stacked on a c-axis oriented substrate, and the main wavelength peak in the light-emitting layer is 290 nm. The following ultraviolet region is used, and light emitted from the end face of the light emitting layer is used.

上記の構成によれば、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、発光層のＡｌの含有量を調整するなどして、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整し、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が含まれ、２４０ｎｍでＴＭモードの発光が支配的になる。前記ＴＭモードでは、素子端面での反射率が低く、光を素子外部に取出し易い。このため、素子内部での多重反射が抑制され、不純物等に起因する吸収が起こりにくくなる。 According to the above configuration, in a light-emitting diode in which at least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer are stacked on a c-axis oriented substrate, a semiconductor layer made of AlGaN, AlInGaN, or the like is formed. Among them, if the energy band structure of the valence band is adjusted by adjusting the Al content of the light emitting layer and the main wavelength peak is in the ultraviolet region of 290 nm or less, the TE mode and the TM mode are used as light propagation modes. Among these, TM mode emission is included, and TM mode emission becomes dominant at 240 nm. In the TM mode, the reflectance at the element end face is low, and light can be easily taken out of the element. For this reason, multiple reflections inside the element are suppressed, and absorption caused by impurities or the like is less likely to occur.

したがって、素子端面から放射された光を使用することで、基板面やｐ型窒化物半導体層面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる。 Therefore, the light extraction efficiency can be improved by using the light radiated from the element end face as compared with the case where the light is extracted from the substrate surface or the p-type nitride semiconductor layer surface.

また、本発明の発光ダイオードでは、前記発光層は、ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造から成り、井戸層はＡｌ_０．６７Ｇａ_０．３３Ｎから成り、障壁層はＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成ることを特徴とする。 In the light emitting diode of the present invention, the light emitting layer has an AlGaN multiple quantum well structure, the well layer is made of Al _0.67 Ga _0.33 N, and the barrier layer is Al _0.76 Ga _0.24 N. It is characterized by comprising.

上記の構成によれば、主波長ピークが２４０ｎｍで、ＴＭモードの発光が支配的で、上述のような素子端面からの光取出しに好適な発光ダイオードを実現することができる。 According to the above configuration, a light emitting diode having a dominant wavelength peak of 240 nm and dominant TM mode light emission and suitable for light extraction from the element end face as described above can be realized.

さらにまた、本発明の発光ダイオードは、ｃ面４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＧａＮ／ＡｌＮによる多重バッファ層と、ＡｌＮテンプレート層と、Ｓｉを不純物とし、Ａｌ_０．８４Ｇａ_０．１６Ｎから成る第１のｎ型窒化物半導体層およびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第２のｎ型窒化物半導体層とを積層した後、前記発光層を積層し、さらにＭｇを不純物とし、Ａｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第１のｐ型窒化物半導体層およびＧａＮから成る第２のｐ型窒化物半導体を積層させて成ることを特徴とする。 Furthermore, the light-emitting diode of the present invention includes a GaN / AlN multiple buffer layer, an AlN template layer, Si as an impurity, and Al _0.84 Ga _0.16 N on a c-plane 4H-SiC substrate. 1 n-type nitride semiconductor layer and a second n-type nitride semiconductor layer made of Al _0.76 Ga _0.24 N, and then laminating the light emitting layer, further using Mg as an impurity, Al _{0 A} first p-type nitride semiconductor layer made of _.76 Ga _0.24 N and a second p-type nitride semiconductor made of GaN are stacked.

本発明の発光ダイオードは、以上のように、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、発光層のＡｌの含有量を調整するなどして、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整し、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が多くなり、２４０ｎｍでＴＭモードの発光が支配的になることを利用して、素子端面での反射率が低く、光を素子外部に取出し易いそのＴＭモードで素子端面から放射された光を使用する。 As described above, the light-emitting diode of the present invention is a light-emitting diode in which at least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer are stacked on a c-axis oriented substrate. Among the semiconductor layers made of the above, by adjusting the energy band structure of the valence band by adjusting the Al content of the light emitting layer, etc., if the main wavelength peak is in the ultraviolet region of 290 nm or less, as the light propagation mode, Of the TE mode and TM mode, TM mode light emission increases, and TM mode light emission becomes dominant at 240 nm, so the reflectivity at the element end face is low and light can be easily taken out of the element. In the TM mode, light emitted from the end face of the element is used.

それゆえ、基板面やｐ型窒化物半導体層面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる。 Therefore, the light extraction efficiency can be improved as compared with the case where extraction is performed from the substrate surface or the p-type nitride semiconductor layer surface.

図１は、本発明の実施の一形態に係る発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、ｃ軸配向した基板２上に、多重バッファ層３と、ＡｌＮテンプレート層４と、第１のｎ型窒化物半導体層５と、第２のｎ型窒化物半導体層６と、発光層７と、第１のｐ型窒化物半導体層８と、第２のｐ型窒化物半導体層９とが積層された後、ｐ型電極１０およびｎ型電極１１が形成されて構成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a light-emitting diode 1 according to an embodiment of the present invention. The light-emitting diode 1 generally includes a multiple buffer layer 3, an AlN template layer 4, a first n-type nitride semiconductor layer 5, and a second n-type nitride on a c-axis oriented substrate 2. After the semiconductor layer 6, the light emitting layer 7, the first p-type nitride semiconductor layer 8, and the second p-type nitride semiconductor layer 9 are stacked, the p-type electrode 10 and the n-type electrode 11 are formed. Has been configured.

以下に、製造工程を説明するが、この工程は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用た例を示している。しかしながら、製造方法は前記成長法に限らず、図１に示す構造が得られれば良い。他の製造方法としては、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線成長法（ＭＢＥ）、スパッタ法などがある。 A manufacturing process will be described below. This process shows an example in which metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is used. However, the manufacturing method is not limited to the growth method, and it is only necessary to obtain the structure shown in FIG. Other manufacturing methods include halide vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), and sputtering.

前記基板２は、ｃ面４Ｈ−ＳｉＣから成り、その上に多重バッファ層３が積層される。この多重バッファ層３は、基板２側を、前記４Ｈ−ＳｉＣに格子定数が近いＡｌＮとして、各２ｎｍのＡｌＮ／ＧａＮによるペア層が多重、たとえば５層積層されて成り、後述するＡｌＮテンプレート層４内の貫通転位を減少させるだけでなく、残留歪みを減少させること目的として導入されている。具体的には、先ず前記４Ｈ−ＳｉＣ基板２を反応管に導入した後、管内圧力を５０ｍｂａｒに保ち、水素雰囲気中、１３００℃で１０分間加熱することで、基板２表面の汚れを取り除く。前記処理後、管内圧力は５０ｍｂａｒを保持したまま、基板２の温度を１１５０℃に設定し、同時に、Ｎの原料であるアンモニア（ＮＨ_３）を２ＳＬＭの流量で流しながら、Ａｌ、Ｇａの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、それぞれ２０ＳＣＣＭ（standard cc per minute）および１０ＳＣＣＭで、交互に供給し、ＧａＮおよびＡｌＮを、それぞれ前記２ｎｍの膜厚で積層させる。こうして、超格子構造から成る（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３を形成することができる。 The substrate 2 is made of c-plane 4H—SiC, and the multiple buffer layer 3 is laminated thereon. This multiple buffer layer 3 is made of AlN having a lattice constant close to that of 4H—SiC on the substrate 2 side, and is formed by stacking, for example, 5 layers of 2 nm AlN / GaN pair layers. This is introduced not only for reducing threading dislocations but also for reducing residual strain. Specifically, after the 4H—SiC substrate 2 is first introduced into the reaction tube, the surface pressure of the tube 2 is kept at 50 mbar and heated in a hydrogen atmosphere at 1300 ° C. for 10 minutes to remove contamination on the surface of the substrate 2. After the treatment, the temperature of the substrate 2 was set to 1150 ° C. while maintaining the internal pressure of 50 mbar, and at the same time, ammonia (NH ₃ ), which is a raw material of N, was flowed at a flow rate of 2 SLM, A certain amount of trimethylaluminum (TMAl) and trimethylgallium (TMGa) are alternately supplied in 20 SCCM (standard cc per minute) and 10 SCCM, respectively, and GaN and AlN are laminated in the thickness of 2 nm. Thus, the (GaN / AlN) multiple buffer layer 3 having a superlattice structure can be formed.

続いて、その（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３上にＡｌＮテンプレート層４を形成する。具体的には、前記（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３の形成後、基板２の温度を１３００℃にした状態で、Ａｌの原料であるＴＭＡｌを４００ＳＣＣＭおよびＮの原料であるアンモニアを１００ＳＣＣＭ同時に供給することで、該ＡｌＮテンプレート層４を、たとえば１．５μｍ形成する。この時、前記（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３によって、ＡｌＮテンプレート層４のｃ軸格子定数は、歪の無い場合の格子定数（４．９８２Å）になるように制御されている。ただし、このテンプレート層４は、ＡｌＮに限定されるものではなく、たとえばＡｌＧａＮ三元混晶でもよい。 Subsequently, an AlN template layer 4 is formed on the (GaN / AlN) multiple buffer layer 3. Specifically, after the formation of the (GaN / AlN) multiple buffer layer 3, while the temperature of the substrate 2 is set to 1300 ° C., TMAl, which is an Al material, is supplied at 400 SCCM and ammonia, which is an N material, is simultaneously supplied at 100 SCCM. Thus, the AlN template layer 4 is formed to have a thickness of 1.5 μm, for example. At this time, the (GaN / AlN) multiple buffer layer 3 controls the c-axis lattice constant of the AlN template layer 4 to be the lattice constant (4.982 定数) when there is no strain. However, the template layer 4 is not limited to AlN, and may be, for example, an AlGaN ternary mixed crystal.

続いて、Ｓｉを不純物とし、ＡｌＧａＮ三元混晶を用いて、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮから成る前記テンプレート層４と格子定数の近いｎ型窒化物半導体層５，６を形成する。ｎ型窒化物半導体層５，６は、本実施の形態では、Ａｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＮとしている。第１のｎ型窒化物半導体層５は、Ａｌ組成が８４％のＡｌ_０．８４Ｇａ_０．１６Ｎから成り、第２のｎ型窒化物半導体層６は、Ａｌ組成を７６％のＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成り、それぞれ０．８μｍ、０．１μｍの厚さで順次積層させる。前記２層のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成屈折率は、１層目５から２層目６へ行くに従い大きくなるように設定することによって、発光層７で生じた光が、２層のｎ−ＡｌＧａＮ層５，６の界面で反射される割合が増加するので、４Ｈ−ＳｉＣ基板２に吸収される割合を減少させることができる。このｎ型窒化物半導体層５，６の具体的な成長温度および管内圧力の一例は、１２００℃、１００ｍｂａｒであり、ｎ型伝導性を得るための不純物として前記Ｓｉを採用し、そのＳｉの原料には、シラン（ＳｉＨ_４）を用い、流量は２０ＳＣＣＭである。こうして、２層から成るｎ型窒化物半導体層５，６を形成することができる。 Subsequently, n-type nitride semiconductor layers 5 and 6 having a lattice constant close to that of the template layer 4 made of AlN or AlGaN are formed using SiGaN as an impurity and using AlGaN ternary mixed crystals. In the present embodiment, the n-type nitride semiconductor layers 5 and 6 are two layers of AlGaN having different Al compositions. The first n-type nitride semiconductor layer 5 is made of Al _0.84 Ga _0.16 N having an Al composition of 84%, and the second n-type nitride semiconductor layer 6 is made of Al ₀ having an Al composition of 76%. _.76 Ga _0.24 N, which are sequentially stacked with a thickness of 0.8 μm and 0.1 μm, respectively. The Al composition refractive index in the two layers of AlGaN is set so as to increase from the first layer 5 to the second layer 6, so that the light generated in the light emitting layer 7 can be converted into the two n-AlGaN layers 5. , 6 increases, the ratio of being absorbed by the 4H-SiC substrate 2 can be decreased. An example of a specific growth temperature and in-pipe pressure of the n-type nitride semiconductor layers 5 and 6 is 1200 ° C. and 100 mbar, and Si is used as an impurity for obtaining n-type conductivity. For this, silane (SiH ₄ ) is used and the flow rate is 20 SCCM. Thus, n-type nitride semiconductor layers 5 and 6 having two layers can be formed.

続いて、発光層７を形成する。本実施の形態では、発光層７には、極薄膜からなる多重量子井戸構造（井戸層および障壁層から構成される）を採用する。井戸層および障壁層の組成は、それぞれＡｌ_０．６７Ｇａ_０．３３ＮおよびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎである。障壁層に用いているＡｌＧａＮの組成は、２層目の前記ｎ型窒化物半導体層６と等しくなるようにしている。また、本実施の形態では、井戸層の数は３であり、井戸層および障壁層の厚さは、共に１０ｎｍとしている。成長温度および管内圧力は、１２００℃、１００ｍｂａｒとし、材料を輸送するためのキャリアガスには、水素を用いる。こうして、四元混晶を用いた発光層７を形成することができる。 Subsequently, the light emitting layer 7 is formed. In the present embodiment, the light emitting layer 7 employs a multiple quantum well structure (consisting of a well layer and a barrier layer) made of an extremely thin film. The composition of the well layer and the barrier layer is Al _0.67 Ga _0.33 N and Al _0.76 Ga _0.24 N, respectively. The composition of AlGaN used for the barrier layer is made equal to that of the second n-type nitride semiconductor layer 6. In the present embodiment, the number of well layers is 3, and the thicknesses of the well layers and the barrier layers are both 10 nm. The growth temperature and the pressure in the tube are 1200 ° C. and 100 mbar, and hydrogen is used as the carrier gas for transporting the material. In this way, the light emitting layer 7 using a quaternary mixed crystal can be formed.

次に、Ｍｇを不純物とし、ｐ型窒化物半導体層８，９を形成する。本実施の形態では、ｐ型窒化物半導体層８，９は２層から構成されており、その組成は、発光層７側から、Ａｌ_０．７６Ｇａ_０．２４ＮおよびＧａＮである。厚さはそれぞれ、１００ｎｍおよび２０ｎｍである。成長温度および管内圧力は、１１００℃および１００ｍｂａｒであり、材料を輸送するためのキャリアガスには、水素を用いる。ｐ型伝導性を得るための不純物としては、前記Ｍｇを採用し、Ｍｇの原料には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、流量は、各ｐ型窒化物半導体層８，９共、４０ＳＣＣＭである。こうして、ｐ型窒化物半導体層８，９を形成することができる。 Next, p-type nitride semiconductor layers 8 and 9 are formed using Mg as an impurity. In the present embodiment, p-type nitride semiconductor layers 8 and 9 are composed of two layers, and the composition thereof is Al _0.76 Ga _0.24 N and GaN from the light emitting layer 7 side. The thickness is 100 nm and 20 nm, respectively. The growth temperature and the pipe pressure are 1100 ° C. and 100 mbar, and hydrogen is used as a carrier gas for transporting the material. Mg is used as an impurity for obtaining p-type conductivity, biscyclopentadienylmagnesium (Cp ₂ Mg) is used as a raw material for Mg, and the flow rate is set for each p-type nitride semiconductor layer 8, Nine are 40 SCCM. Thus, p-type nitride semiconductor layers 8 and 9 can be formed.

続いて、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、第２のｐ型窒化物半導体層９および第１のｎ型窒化物半導体層５上に、それぞれｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。具体的には、先ず第２のｐ型窒化物半導体層９上にＰｄ／Ａｕを蒸着し、ｐ型電極１０とする。さらに、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてパターン形成し、その後ドライエッチングによって前記第１のｎ型窒化物半導体層５が露出するまで除去し、露出した部分にＴｉ／Ａｕを蒸着し、ｎ型電極１１とする。こうして、電極１０，１１を形成した後、樹脂などで封止されて発光ダイオード１が完成する。 Subsequently, the p-type electrode 10 and the n-type electrode 11 are formed on the second p-type nitride semiconductor layer 9 and the first n-type nitride semiconductor layer 5, respectively, using a normal photolithography technique. Specifically, first, Pd / Au is vapor-deposited on the second p-type nitride semiconductor layer 9 to form the p-type electrode 10. Further, a pattern is formed by using a normal photolithography technique, and then removed by dry etching until the first n-type nitride semiconductor layer 5 is exposed, Ti / Au is evaporated on the exposed portion, and an n-type electrode is formed. 11 is assumed. Thus, after the electrodes 10 and 11 are formed, the light emitting diode 1 is completed by sealing with resin or the like.

上述のように構成される発光ダイオード１において、従来の紫あるいは紫外線領域の光を発光するIII族窒化物半導体にて構成された発光層を有する発光ダイオードでは、発光層に用いる材料にＩｎを含んでいるので、バンドギャップの関係から、３６５ｎｍ以下の短波長での発光が困難であるのに対して、本実施の形態の発光ダイオード１では、発光層７にＩｎを含んでいないので、さらに短波長での発光が可能である。好ましくは、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域であり、前記Ａｌ_０．６７Ｇａ_０．３３Ｎの井戸層およびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎの障壁層を用いることで、２４０ｎｍ程度での発光が可能になる。 In the light-emitting diode 1 configured as described above, in a light-emitting diode having a light-emitting layer formed of a group III nitride semiconductor that emits light in the conventional purple or ultraviolet region, In is included in the material used for the light-emitting layer. Therefore, it is difficult to emit light with a short wavelength of 365 nm or less because of the band gap, but in the light emitting diode 1 of the present embodiment, the light emitting layer 7 does not contain In, so that it is even shorter. Light emission at a wavelength is possible. Preferably, the dominant wavelength peak is an ultraviolet region of 290 nm or less, and the Al _0.67 Ga _0.33 N well layer and the Al _0.76 Ga _0.24 N barrier layer are used, so that Light emission is possible.

ここで、図２には、ＧａＮ（ａ）およびＡｌＮ（ｂ）におけるエネルギーバンドと光の伝播モードとを模式的に示す。前記光の伝播モードには、ＴＥモードとＴＭモードとがあり、価電子帯のエネルギーバンドの構造に大きく依存する。図２（ａ）で示すように、ＧａＮの場合、荷電子帯の一番上にはＴＥモードを許容する準位があるのに対して、図２（ｂ）で示すように、ＡｌＮの場合、ＴＥおよびＴＭモードを許容する準位がある。従って、Ａｌ含有量の多いＡｌＧａＮを発光層７に導入することで、ＴＭモードで発光する割合を増加させることができると考えられる。 Here, FIG. 2 schematically shows energy bands and light propagation modes in GaN (a) and AlN (b). The light propagation modes include a TE mode and a TM mode, which greatly depend on the structure of the energy band of the valence band. As shown in FIG. 2 (a), in the case of GaN, there is a level allowing the TE mode at the top of the valence band, whereas in the case of AlN as shown in FIG. 2 (b). There are levels that allow TE and TM modes. Therefore, it is considered that the ratio of light emission in the TM mode can be increased by introducing AlGaN having a large Al content into the light emitting layer 7.

そこで、図３〜図５には、本件発明者の実験結果を示し、波長の違いによる発生光の伝播モードを示す。その実験は、上述の発光ダイオード１と同様の工程で作製される試料を用いて、図６で示すようにして行った。図６の試料２１において、前述の発光ダイオード１と同様の構成には、同一の参照符号を付して示す。この試料２１は、前述の発光ダイオード１の発光層７を露出したものとなっている。 Therefore, FIGS. 3 to 5 show the experimental results of the present inventors and show the propagation mode of the generated light depending on the wavelength. The experiment was performed as shown in FIG. 6 using a sample manufactured in the same process as the light-emitting diode 1 described above. In the sample 21 of FIG. 6, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the light-emitting diode 1 described above. This sample 21 has the light emitting layer 7 of the light emitting diode 1 exposed.

実験は、波長１９３ｎｍを有するＡｒＦエキシマレーザを、参照符号２２で示すように試料２１の表面に照射し、試料２１の端面から得られる発光を、光センサ２３で観察する、いわゆるフォトルミネッセンス測定で行った。そして、発光モードの観察は、試料２１と光センサ２３との間に、回転式の偏光板２４を導入することで行った。試料２１からの発光がＴＭモードの場合、偏光板の角度が０°または１８０°の時に発光ピークの強度が極大となる。これに対して、試料２１からの発光がＴＥモードの場合、９０°の時に発光ピーク強度が極大となる。 The experiment is performed by so-called photoluminescence measurement in which an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm is irradiated on the surface of the sample 21 as indicated by reference numeral 22 and the light emission obtained from the end face of the sample 21 is observed by the optical sensor 23. It was. The observation of the light emission mode was performed by introducing a rotary polarizing plate 24 between the sample 21 and the optical sensor 23. When the light emission from the sample 21 is TM mode, the intensity of the light emission peak becomes maximum when the angle of the polarizing plate is 0 ° or 180 °. On the other hand, when the light emission from the sample 21 is in the TE mode, the emission peak intensity becomes maximum at 90 °.

図３〜図５は、上記手法によって、室温下で行ったフォトルミネッセンス測定結果であり、横軸が発光波長、縦軸が強度である。図３は、本発明の構造の測定結果であり、Ａｌ組成が高く（７６％）、ＡｌＮに性質が近い。また、図４は、発光層７の材料に同じくＡｌＧａＮを用いているが、Ａｌ組成の少ない（４％）試料の測定結果であり、ＧａＮに性質が近い。図３と図４とで発光波長帯が大きく異なっているのは、発光層７におけるそのＡｌ組成の違いに起因している。 3 to 5 are photoluminescence measurement results performed at room temperature by the above-described method, where the horizontal axis represents the emission wavelength and the vertical axis represents the intensity. FIG. 3 shows the results of measurement of the structure of the present invention. The Al composition is high (76%) and the properties are close to those of AlN. Further, FIG. 4 shows the measurement result of a sample having a small Al composition (4%) although AlGaN is also used as the material of the light emitting layer 7, and the properties are close to those of GaN. 3 and 4 are caused by the difference in the Al composition in the light emitting layer 7.

図４では、偏光板が９０°の時に強度が最大となるピークが観察されていることから、試料の発光にはＴＥモードが含まれていることが理解される。これに対して、図３では、０°および１８０°で最大となるピークのみ観察された。したがって、ＴＭモードのみが観察されていることが理解される。以上のことから、発光層７のＡｌ組成を増加させることで、バンド構造がＧａＮからＡｌＮに近付いていることが理解される。 In FIG. 4, since the peak having the maximum intensity is observed when the polarizing plate is 90 °, it is understood that the light emission of the sample includes the TE mode. On the other hand, in FIG. 3, only the maximum peaks at 0 ° and 180 ° were observed. Therefore, it is understood that only the TM mode is observed. From the above, it is understood that the band structure approaches from AlN to GaN by increasing the Al composition of the light emitting layer 7.

ここで、発光素子から光を取出す場合、素子端面の反射率がその効率に大きく依存し、一般的に素子端面の反射率は、ＴＥモードに比べ、ＴＭモードの方が低く、光を素子外部に取出し易く、取出すことで素子内部での多重反射が抑制されるので、吸収が起こりにくくなる。 Here, when light is extracted from the light emitting element, the reflectance of the element end face largely depends on the efficiency. Generally, the reflectance of the element end face is lower in the TM mode than in the TE mode, and light is transmitted to the outside of the element. Since the multiple reflection inside the element is suppressed by taking out, absorption is less likely to occur.

したがって、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、上述のように発光層７のＡｌの含有量を調整して、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整することで、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が多くなり、図１において参照符号１２で示すように端面から放射された光を使用することで、基板２の表面やｐ型窒化物半導体層９の表面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。 Therefore, among the semiconductor layers made of AlGaN, AlInGaN, or the like, by adjusting the Al content of the light emitting layer 7 as described above and adjusting the energy band structure of the valence band, the light propagation mode is set to TE. Among the modes and the TM mode, light emission in the TM mode increases, and by using the light emitted from the end face as shown by reference numeral 12 in FIG. 1, the surface of the substrate 2 and the p-type nitride semiconductor layer 9 are used. A blue or ultraviolet light emitting diode capable of improving the light extraction efficiency can be realized as compared with the case where the light is extracted from the surface.

なお、図５は、Ａｌ組成が３０（％）の場合のデータであり、波長２９０ｎｍでも、ＴＥモードがわずかに観察されている。したがって、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が含まれ、好ましい。また、２４０ｎｍでは、ＴＭモードの発光が支配的になり、一層好ましい。 FIG. 5 shows data when the Al composition is 30 (%), and the TE mode is slightly observed even at a wavelength of 290 nm. Therefore, it is preferable that the main wavelength peak is in the ultraviolet region of 290 nm or less, since the light propagation mode includes light emission of the TM mode among the TE mode and the TM mode. At 240 nm, TM mode light emission becomes dominant, which is more preferable.

また、本実施の形態の発光ダイオードでは、ｐ型電極１０や基板２から光の取出しを行わないので、基板２を剥離して、ｎ型電極１１をｎ型窒化物半導体層５の裏面に設けることで、厚み方向に大量の電流を流すことができる。或いは、従来通り、エスケープコーンに入った光は、ｐ型電極１０や基板２から光の取出しを行い、前記エスケープコーンに入らず、面方向に伝播した光を端面から取出すようにしてもよい。 In the light emitting diode of the present embodiment, light is not extracted from the p-type electrode 10 or the substrate 2, so that the substrate 2 is peeled off and the n-type electrode 11 is provided on the back surface of the n-type nitride semiconductor layer 5. Thus, a large amount of current can flow in the thickness direction. Alternatively, as before, the light entering the escape cone may be extracted from the p-type electrode 10 or the substrate 2 and the light propagated in the surface direction may be extracted from the end surface without entering the escape cone.

本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. ＧａＮおよびＡｌＮにおけるエネルギーバンドと光の伝播モードとを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the energy band and propagation mode of light in GaN and AlN. 本件発明者の実験結果を示すグラフであり、一実施形態でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。It is a graph which shows the experiment result of this inventor, and shows the result of the photoluminescence measurement in one embodiment. 本件発明者の実験結果を示すグラフであり、参考例でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。It is a graph which shows the experiment result of this inventor, and shows the result of the photoluminescence measurement in a reference example. 本件発明者の実験結果を示すグラフであり、他の実施形態でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。It is a graph which shows the experiment result of this inventor, and shows the result of the photoluminescence measurement in other embodiment. 前記図３〜図５の実験に用いた試料の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the sample used for the experiment of the said FIGS.

Explanation of symbols

１発光ダイオード
２基板
３多重バッファ層
４ＡｌＮテンプレート層
５第１のｎ型窒化物半導体層
６第２のｎ型窒化物半導体層
７発光層
８第１のｐ型窒化物半導体層
９第２のｐ型窒化物半導体層
１０ｐ型電極
１１ｎ型電極
２１試料
２２レーザ照射
２３光センサ
２４偏光板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting diode 2 Board | substrate 3 Multiple buffer layer 4 AlN template layer 5 1st n-type nitride semiconductor layer 6 2nd n-type nitride semiconductor layer 7 Light emitting layer 8 1st p-type nitride semiconductor layer 9 2nd p-type nitride semiconductor layer 10 p-type electrode 11 n-type electrode 21 sample 22 laser irradiation 23 photosensor 24 polarizing plate

Claims

In a light emitting diode formed by laminating at least an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p type nitride semiconductor layer on a c-axis oriented substrate,
A light emitting diode using a light emitted from an end face of the light emitting layer, wherein a main wavelength peak in the light emitting layer is an ultraviolet region of 290 nm or less.

The light emitting layer is made of an AlGaN multiple quantum well structure, the well layer is made of Al _0.67 Ga _0.33 N, and the barrier layer is made of Al _0.76 Ga _0.24 N. 1. The light emitting diode according to 1.

On the c-plane 4H-SiC substrate, a multiple buffer layer made of GaN / AlN, an AlN template layer, a first n-type nitride semiconductor layer made of Al _0.84 Ga _0.16 N with Si as an impurity, and Al _After the second n-type nitride semiconductor layer made of _0.76 Ga _0.24 N is laminated, the light emitting layer is laminated, and Mg is used as an impurity, and the second n-type nitride semiconductor layer made of Al _0.76 Ga _0.24 N is laminated. 3. The light emitting diode according to claim 2, wherein one p-type nitride semiconductor layer and a second p-type nitride semiconductor made of GaN are stacked.