JP2008141047A - Nitride semiconductor light emitting element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light emitting element for reducing a drive power voltage with respect to the nitride semiconductor light emitting element, which has tunnel junction. <P>SOLUTION: A substrate, a first n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate, a light emitting layer, a first p-type nitride semiconductor layer, a second p-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, a n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and a second n-type nitride semiconductor layer are included. The p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer constitute a tunnel junction. In the nitride semiconductor light emitting element, a composition ratio of the indium of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is larger than that of the second p-type nitride semiconductor layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device having a tunnel junction.

従来から、p型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、p型窒化物半導体層上に形成されるp側電極については以下の3つの条件を満たすことが求められている。   Conventionally, in a nitride semiconductor light emitting diode element in which the p-type nitride semiconductor layer side is the light extraction side, the p-side electrode formed on the p-type nitride semiconductor layer satisfies the following three conditions: Is required.

まず、第1番目の条件としては、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対して透過率が高いことである。次に、第2番目の条件として、注入される電流を発光層の面内に十分に拡散させることができる抵抗率および厚さを有していることである。最後に、第3番目の条件として、p型窒化物半導体層との接触抵抗が低いことである。   First, the first condition is that the transmittance with respect to the light emitted from the nitride semiconductor light emitting diode element is high. Next, the second condition is to have a resistivity and a thickness capable of sufficiently diffusing the injected current in the plane of the light emitting layer. Finally, the third condition is that the contact resistance with the p-type nitride semiconductor layer is low.

p型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子のp型窒化物半導体層上に形成されるp側電極としては、従来、パラジウムやニッケル等の数〜10nm程度の厚さの金属膜からなる半透明金属電極がp型窒化物半導体層の全面に形成されていた。しかしながら、このような半透明金属電極は、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対する透過率が50%程度と低いために光取り出し効率が低下し、高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることが困難であるという問題があった。   As the p-side electrode formed on the p-type nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor light-emitting diode element in which the p-type nitride semiconductor layer side is the light extraction side, conventionally, about several to 10 nm of palladium, nickel, etc. A translucent metal electrode made of a thick metal film was formed on the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer. However, such a translucent metal electrode has a low transmittance of about 50% with respect to the light emitted from the nitride semiconductor light-emitting diode element, so that the light extraction efficiency is lowered and a high-luminance nitride semiconductor light-emitting diode element is obtained. There was a problem that it was difficult.

そこで、パラジウムやニッケル等の金属膜からなる半透明金属電極に代えて、ITO(Indium Tin Oxide)からなる透明導電膜をp型窒化物半導体層の全面に形成することによって光取り出し効率を向上させた高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子が製造されている。このような透明導電膜が形成された窒化物半導体発光ダイオード素子においては懸念されていた透明導電膜とp型窒化物半導体層との接触抵抗も熱処理等によって改善されている。   Therefore, the light extraction efficiency is improved by forming a transparent conductive film made of ITO (Indium Tin Oxide) over the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer in place of the translucent metal electrode made of a metal film such as palladium or nickel. High brightness nitride semiconductor light emitting diode devices have been manufactured. The contact resistance between the transparent conductive film and the p-type nitride semiconductor layer, which has been a concern in the nitride semiconductor light-emitting diode element formed with such a transparent conductive film, is also improved by heat treatment or the like.

また、特許文献1には、第1のn型III族窒化物半導体積層構造、p型III族窒化物半導体積層構造、および第2のn型III族窒化物半導体積層構造を少なくとも有するIII族窒化物半導体積層構造が基板上に形成されており、第1のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層には負電極が設けられ、第2のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層には正電極が設けられており、第2のn型III族窒化物半導体積層構造のn型III族窒化物半導体層とp型III族窒化物半導体積層構造のp型III族窒化物半導体層とによりトンネル接合を形成した窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されている。   Patent Document 1 discloses a group III nitride having at least a first n-type group III nitride semiconductor multilayer structure, a p-type group III nitride semiconductor multilayer structure, and a second n-type group III nitride semiconductor multilayer structure. An n-type group III nitride semiconductor layer in the first n-type group III nitride semiconductor multilayer structure is provided with a negative electrode, and a second n-type group III group is formed on the substrate. The n-type group III nitride semiconductor layer in the nitride semiconductor multilayer structure is provided with a positive electrode, and the n-type group III nitride semiconductor layer and the p-type III in the second n-type group III nitride semiconductor multilayer structure are provided. A nitride semiconductor light-emitting diode element in which a tunnel junction is formed by a p-type group III nitride semiconductor layer having a group nitride semiconductor multilayer structure is disclosed.

特許文献1に開示されている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極が第2のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層に形成されており、n型III族窒化物半導体はp型III族窒化物半導体に比べて容易にキャリア濃度を上げることが可能であることから、p型III族窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧が低く、大出力駆動が可能である。また、窒化物半導体発光ダイオード素子の故障原因の一つとなっていた正電極における発熱も低減されるため、信頼性も向上することができると言われている。
特開2002−319703号公報
In the nitride semiconductor light emitting diode element disclosed in Patent Document 1, the positive electrode is formed on the n-type group III nitride semiconductor layer in the second n-type group III nitride semiconductor multilayer structure, and the n-type Since the group III nitride semiconductor can easily increase the carrier concentration as compared with the p-type group III nitride semiconductor, compared with the conventional structure in which the positive electrode is formed on the p-type group III nitride semiconductor layer. The contact resistance can be reduced, the drive voltage is low, and a large output drive is possible. Further, it is said that reliability can be improved because heat generation at the positive electrode, which has been one of the causes of failure of the nitride semiconductor light emitting diode element, is reduced.
JP 2002-319703 A

しかしながら、ITOからなる透明導電膜は、高温にすると光学的性質が不可逆的に変化し、可視光の透過率が低下するという問題があった。また、ITOからなる透明導電膜を用いた場合には、可視光の透過率が低下するのを防止するために、ITOからなる透明導電膜の形成後のプロセスの温度領域が制限されてしまうという問題があった。さらに、ITOからなる透明導電膜は大電流密度の駆動で劣化し、黒色化するという問題もあった。   However, the transparent conductive film made of ITO has a problem that the optical properties are irreversibly changed at high temperatures, and the visible light transmittance is lowered. In addition, when a transparent conductive film made of ITO is used, the temperature range of the process after the formation of the transparent conductive film made of ITO is limited in order to prevent a reduction in visible light transmittance. There was a problem. Furthermore, the transparent conductive film made of ITO has a problem that it deteriorates due to driving at a high current density and becomes black.

また、特許文献1の実施例に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、発光層と同程度のIn(インジウム)組成比を有するp型InGaN層とn型InGaN層とによりトンネル接合が形成されており、その層厚はいずれも50nmである。   In the nitride semiconductor light-emitting diode element described in the example of Patent Document 1, a tunnel junction is formed by a p-type InGaN layer and an n-type InGaN layer having an In (indium) composition ratio comparable to that of the light-emitting layer. The thickness of each layer is 50 nm.

特許文献1の実施例に記載されているように、Inを固相として十分に供給するためには、成長温度を800℃程度にまで下げることが必要である。しかしながら、低温で1×1019/cm3以上の高いキャリア濃度を有するp型InGaN層を得ることは困難であるため、トンネル接合部における電圧ロスを小さくすることができず、結果として駆動電圧が高くなるという問題があった。 As described in the example of Patent Document 1, in order to sufficiently supply In as a solid phase, it is necessary to lower the growth temperature to about 800 ° C. However, since it is difficult to obtain a p-type InGaN layer having a high carrier concentration of 1 × 10 19 / cm 3 or higher at low temperature, voltage loss at the tunnel junction cannot be reduced, resulting in a drive voltage of There was a problem of becoming higher.

そこで、本発明の目的は、駆動電圧を低減することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of reducing the driving voltage.

本発明は、基板と、基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、第1のp型窒化物半導体層と、第2のp型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、p型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比が第2のp型窒化物半導体層のインジウムの組成比よりも大きい窒化物半導体発光素子である。なお、本発明において、「p型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比」は、p型窒化物半導体トンネル接合層中に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対するInの原子数の比を意味する。また、本発明において、「第2のp型窒化物半導体層のインジウムの組成比」は、第2のp型窒化物半導体層中に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対するInの原子数の比を意味する。なお、本明細書において、Alはアルミニウムを示し、Gaはガリウムを示し、Inはインジウムを示す。   The present invention includes a substrate, a first n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, a first p-type nitride semiconductor layer, and a second p-type nitride semiconductor layer formed on the substrate. A p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, an n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and a second n-type nitride semiconductor layer, wherein the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel are included. The junction layer forms a tunnel junction, and is a nitride semiconductor light emitting device in which the indium composition ratio of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is larger than the indium composition ratio of the second p-type nitride semiconductor layer. . In the present invention, “the composition ratio of indium in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer” refers to the total number of group III elements (Al, Ga, and In) contained in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer. It means the ratio of the number of In atoms. In the present invention, “the composition ratio of indium in the second p-type nitride semiconductor layer” is the total number of group III elements (Al, Ga, and In) contained in the second p-type nitride semiconductor layer. It means the ratio of the number of In atoms to the number. In the present specification, Al represents aluminum, Ga represents gallium, and In represents indium.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第2のp型窒化物半導体層の厚さは2nm以上であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the thickness of the second p-type nitride semiconductor layer is preferably 2 nm or more.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第2のp型窒化物半導体層の厚さは臨界膜厚以上であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the thickness of the second p-type nitride semiconductor layer is preferably greater than or equal to the critical thickness.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第2のp型窒化物半導体層におけるp型不純物のドーピング濃度が1×1019/cm3以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the doping concentration of the p-type impurity in the second p-type nitride semiconductor layer is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or more.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、p型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは5nm以下であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the thickness of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 5 nm or less.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、p型窒化物半導体トンネル接合層におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the p-type impurity doping concentration in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or more.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第1のp型窒化物半導体層のバンドギャップが第2のp型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、第2のp型窒化物半導体層のバンドギャップがp型窒化物半導体トンネル接合層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the band gap of the first p-type nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the second p-type nitride semiconductor layer, and the second p-type nitride semiconductor layer Is preferably larger than the band gap of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層はインジウムを含むことが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer preferably contains indium.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層のn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type impurity doping concentration of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or more.

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは10nm以下であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the thickness of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 10 nm or less.

なお、本発明において、「p型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるp型不純物の原子濃度を示し、「n型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるn型不純物の原子濃度を示しており、それぞれたとえばSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等の方法により定量的に算出することができる。   In the present invention, the “p-type impurity doping concentration” indicates the atomic concentration of the p-type impurity contained in the nitride semiconductor, and the “n-type impurity doping concentration” indicates the n-type impurity contained in the nitride semiconductor. These can be quantitatively calculated by methods such as SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry).

本発明によれば、駆動電圧を低減することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nitride semiconductor light-emitting device which can reduce a drive voltage can be provided.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

図1に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、図1に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板1と、基板1上に、順次積層された、第1のn型窒化物半導体層2と、発光層3と、第1のp型窒化物半導体層4と、第2のp型窒化物半導体層5と、p型窒化物半導体トンネル接合層6と、n型窒化物半導体トンネル接合層7と、n型窒化物半導体蒸発抑制層8と、第2のn型窒化物半導体層9と、を有しており、第1のn型窒化物半導体層2上にn側電極10が形成され、第2のn型窒化物半導体層9上にp側電極11が形成された構成を有している。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of a nitride semiconductor light-emitting diode element which is an example of the nitride semiconductor light-emitting element of the present invention. Here, the nitride semiconductor light emitting diode element shown in FIG. 1 includes a substrate 1, a first n-type nitride semiconductor layer 2, a light emitting layer 3, and a first p layer, which are sequentially stacked on the substrate 1. Type nitride semiconductor layer 4, second p type nitride semiconductor layer 5, p type nitride semiconductor tunnel junction layer 6, n type nitride semiconductor tunnel junction layer 7, and n type nitride semiconductor evaporation suppression layer 8 and a second n-type nitride semiconductor layer 9, an n-side electrode 10 is formed on the first n-type nitride semiconductor layer 2, and a second n-type nitride semiconductor layer is formed. 9 has a configuration in which a p-side electrode 11 is formed.

このような構成の窒化物半導体発光素子においては、従来のp型窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる一方で、p型窒化物半導体トンネル接合層6とn型窒化物半導体トンネル接合層7との接合部であるトンネル接合部における電圧ロスをいかに小さくすることができるかということが問われる。   In the nitride semiconductor light emitting device having such a configuration, the contact resistance can be reduced and the driving voltage can be lowered as compared with the conventional structure in which the positive electrode is formed on the conventional p-type nitride semiconductor layer. On the other hand, there is a question as to how the voltage loss at the tunnel junction which is the junction between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 can be reduced.

このトンネル接合部におけるトンネリング確率Ttは、一般的に下記の式(1)で表わされる。   The tunneling probability Tt at this tunnel junction is generally expressed by the following equation (1).

Tt=exp((−8π(2me1/2Eg3/2)/(3qhε)) …(1)
なお、上記の式(1)において、Ttはトンネリング確率を示し、meは伝導電子の有効質量を示し、Egはエネルギギャップを示し、qは電子の電荷を示し、hはプランク定数を示し、εはトンネル接合部にかかる電界を示している。
Tt = exp ((- 8π ( 2m e) 1/2 Eg 3/2) / (3qhε)) ... (1)
In the above formula (1), Tt denotes a tunneling probability, m e denotes the effective mass of the conduction electrons, Eg represents an energy gap, q represents an electron charge, h represents the Planck's constant, ε represents an electric field applied to the tunnel junction.

窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、このトンネリング確率Ttを大きくすることが望まれる。上記の式(1)から、トンネリング確率Ttを大きくするための方法としては、トンネル接合部におけるエネルギギャップEgを小さくすることおよびトンネル接合部にかかる電界εを大きくすることが考えられる。   In order to reduce the driving voltage of the nitride semiconductor light emitting device, it is desired to increase the tunneling probability Tt. From the above equation (1), as a method for increasing the tunneling probability Tt, it is conceivable to reduce the energy gap Eg in the tunnel junction and increase the electric field ε applied to the tunnel junction.

トンネル接合部におけるエネルギギャップEgを小さくするためには、p型窒化物半導体トンネル接合層6およびn型窒化物半導体トンネル接合層7がそれぞれInを含み、Inの組成比が高い方が好ましい。一方、p型窒化物半導体トンネル接合層6のInの組成比が発光層3のInの組成比よりも大きくなる場合には、発光層3から放射された光はトンネル接合部で吸収され、光取り出し効率が低下する要因となるため、p型窒化物半導体トンネル接合層6の厚さは薄い方が好ましい。   In order to reduce the energy gap Eg at the tunnel junction, it is preferable that the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 each contain In and have a high In composition ratio. On the other hand, when the In composition ratio of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is larger than the In composition ratio of the light emitting layer 3, the light emitted from the light emitting layer 3 is absorbed by the tunnel junction, It is preferable that the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 has a small thickness because the extraction efficiency decreases.

また、n型窒化物半導体トンネル接合層7はn型不純物の活性化率が高く、高いキャリア濃度を実現できるため、駆動させたときのトンネル接合部のn側の空乏層幅を小さくすることができる。したがって、光取り出し効率を向上させる観点から、n型窒化物半導体トンネル接合層7の厚さはp型窒化物半導体トンネル接合層6の厚さ以下とすることが好ましい。   Further, since the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 has a high activation rate of n-type impurities and can realize a high carrier concentration, it is possible to reduce the width of the depletion layer on the n side of the tunnel junction when driven. it can. Therefore, from the viewpoint of improving light extraction efficiency, the thickness of n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 is preferably set to be equal to or smaller than the thickness of p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6.

しかしながら、p型窒化物半導体トンネル接合層6にInを固相として十分に取り込ませる場合には、上述したように、成長温度を800℃程度にまで下げることが必要であり、p型窒化物半導体トンネル接合層6のキャリア濃度を高くすることが困難である。   However, in the case where In is sufficiently taken into the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 as a solid phase, the growth temperature needs to be lowered to about 800 ° C. as described above, and the p-type nitride semiconductor is required. It is difficult to increase the carrier concentration of the tunnel junction layer 6.

そこで、本発明においては、p型窒化物半導体トンネル接合層6のInの組成比を第2のp型窒化物半導体層5のInの組成比よりも大きくすることを特徴としている。このような構成とすることにより、p型窒化物半導体トンネル接合層6は第2のp型窒化物半導体層5と格子不整合を生じるとともに、第2のp型窒化物半導体層5とp型窒化物半導体トンネル接合層6との界面またはその近傍にこれらの層の電子親和力の差によって電界が生じてp型窒化物半導体トンネル接合層6の正孔が界面近傍に引き寄せられ2次元電子ガスが発生する。そして、その生成した2次元電子ガスの効果によってp型窒化物半導体トンネル接合層6側の界面近傍において局所的にキャリア濃度を上げることができるため、トンネル接合部におけるトンネリング確率Ttを上げることができ、結果としてトンネル接合部における電圧ロスを低減することができる。   Therefore, the present invention is characterized in that the In composition ratio of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is made larger than the In composition ratio of the second p-type nitride semiconductor layer 5. With such a configuration, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 causes lattice mismatch with the second p-type nitride semiconductor layer 5, and the second p-type nitride semiconductor layer 5 and the p-type nitride semiconductor layer 5. An electric field is generated at or near the interface with the nitride semiconductor tunnel junction layer 6 due to the difference in electron affinity between these layers, and the holes of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 are attracted to the vicinity of the interface to generate a two-dimensional electron gas. appear. The carrier concentration can be locally increased in the vicinity of the interface on the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 side by the effect of the generated two-dimensional electron gas, so that the tunneling probability Tt at the tunnel junction can be increased. As a result, voltage loss at the tunnel junction can be reduced.

また、トンネル接合部にかかる電界εを大きくするためには、p型窒化物半導体トンネル接合層6とn型窒化物半導体トンネル接合層7の双方のイオン化不純物濃度を高くすればよい。ここで、p型窒化物半導体トンネル接合層6におけるイオン化不純物濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましいことから、p型窒化物半導体トンネル接合層6におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。なお、本発明において、p型不純物としては、たとえばMg(マグネシウム)および/またはZn(亜鉛)等をドーピングすることができる。 In order to increase the electric field ε applied to the tunnel junction, the ionized impurity concentration of both the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 may be increased. Here, since the ionized impurity concentration in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more, the doping concentration of the p-type impurity in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is It is preferable that it is 1 × 10 19 / cm 3 or more. In the present invention, as the p-type impurity, for example, Mg (magnesium) and / or Zn (zinc) can be doped.

また、n型窒化物半導体トンネル接合層7におけるイオン化不純物濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましいことから、n型窒化物半導体トンネル接合層7におけるn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。なお、本発明において、n型不純物としては、たとえばSi(シリコン)および/またはGe(ゲルマニウム)等をドーピングすることができる。 Further, since the ionized impurity concentration in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or more, the n-type impurity doping concentration in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 is 1 It is preferable that it is × 10 19 / cm 3 or more. In the present invention, as the n-type impurity, for example, Si (silicon) and / or Ge (germanium) can be doped.

さらに、トンネリング確率Ttを上げるための他の方法としては、中間準位を形成する方法が挙げられる。中間準位を形成する方法としては、たとえば転位を形成する方法があるが、転位を形成するためには第2のp型窒化物半導体層5は下地となる第1のp型窒化物半導体層4と格子不整合になるとともに2nm以上の厚さを有することが好ましく、臨界膜厚以上の厚さを有することが好ましい。このように転位を形成した場合には、その転位によってトンネル接合部に中間準位が生じ、中間準位を介してもキャリアがトンネリングし得るため、トンネリング確率Ttを上げることができ、ひいては駆動電圧を低減することができる傾向にある。   Furthermore, as another method for increasing the tunneling probability Tt, there is a method of forming an intermediate level. As a method of forming the intermediate level, for example, there is a method of forming a dislocation. In order to form the dislocation, the second p-type nitride semiconductor layer 5 is the first p-type nitride semiconductor layer serving as a base. 4 and lattice mismatch, and preferably has a thickness of 2 nm or more, and preferably has a thickness of critical film thickness or more. When dislocations are formed in this way, an intermediate level is generated at the tunnel junction due to the dislocation, and carriers can tunnel through the intermediate level, so that the tunneling probability Tt can be increased, and consequently the driving voltage. Tends to be reduced.

なお、臨界膜厚は、一般的に下記の式(2)で表わされる。
c=(ae/(21/2πf))×((1−ν/4)/(1+ν))×(ln(hc1/2/ae)+1) …(2)
なお、上記の式(2)において、hcは第2のp型窒化物半導体層5の臨界膜厚を示し、aeは第2のp型窒化物半導体層5の格子定数を示し、fは(as−ae)/aeの絶対値の最大値を示し、νは第2のp型窒化物半導体層5のポアソン比を示している。また、asは第1のp型窒化物半導体層4の格子定数を示している。
The critical film thickness is generally represented by the following formula (2).
h c = (a e / (2 1/2 πf)) × ((1−ν / 4) / (1 + ν)) × (ln (h c 2 1/2 / a e ) +1) (2)
In the above formula (2), h c represents the critical film thickness of the second p-type nitride semiconductor layer 5, a e represents the lattice constant of the second p-type nitride semiconductor layer 5, and f Represents the maximum absolute value of (a s −a e ) / a e , and ν represents the Poisson's ratio of the second p-type nitride semiconductor layer 5. Furthermore, a s denotes the lattice constant of the first p-type nitride semiconductor layer 4.

また、基板1としては、たとえば、サファイア基板、シリコン基板、炭化ケイ素基板、または酸化亜鉛基板等を用いることができる。   As the substrate 1, for example, a sapphire substrate, a silicon substrate, a silicon carbide substrate, a zinc oxide substrate, or the like can be used.

また、第1のn型窒化物半導体層2としては、たとえばn型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができる。   Further, as the first n-type nitride semiconductor layer 2, for example, a nitride semiconductor crystal doped with an n-type impurity can be used.

また、発光層3としては、たとえば単一量子井戸(SQW)構造または多重量子井戸(MQW)構造を有する窒化物半導体結晶を成長させることができ、なかでも、AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦1−(a+b)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶を含む多重量子井戸構造を有するものを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、aはAlの組成比を示し、bはInの組成比を示し、1−(a+b)はGaの組成比を示す。 Further, as the light emitting layer 3, for example, a nitride semiconductor crystal having a single quantum well (SQW) structure or a multiple quantum well (MQW) structure can be grown, and among them, Al a In b Ga 1- (a + b) A material having a multiple quantum well structure including a nitride semiconductor crystal represented by a composition formula of N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ 1- (a + b) ≦ 1) is used. preferable. In the above composition formula, a represents the Al composition ratio, b represents the In composition ratio, and 1- (a + b) represents the Ga composition ratio.

また、第1のp型窒化物半導体層4としては、p型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、たとえば、Alを含むp型窒化物半導体層上にp型GaN層を成長させたもの、またはAlを含むp型窒化物半導体層上にp型GaN層を成長させ、さらにその上にInを含むp型窒化物半導体層を成長させたもの等を用いることができる。   The first p-type nitride semiconductor layer 4 can be a nitride semiconductor crystal doped with a p-type impurity. For example, a p-type GaN layer is formed on a p-type nitride semiconductor layer containing Al. A grown layer, a p-type GaN layer grown on a p-type nitride semiconductor layer containing Al, and a p-type nitride semiconductor layer containing In grown thereon can be used.

また、第2のp型窒化物半導体層5としては、p型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、第1のp型窒化物半導体層4の最上層と格子不整合を有する場合には臨界膜厚を超えた段階で転位を形成して好ましい。また、p型窒化物半導体トンネル接合層6の厚さがたとえば5mm以下と十分に薄く、空乏層が第2のp型窒化物半導体層5にも形成される場合にはInxGa1-xN(0≦x<1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にp型不純物がドーピングされた層を用いることが好ましい。なお、上記の組成式においてxはInの組成比を示し、1−xはGaの組成比を示す。また、第2のp型窒化物半導体層5におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。第2のp型窒化物半導体層5におけるp型不純物のドーピング濃度が1×1019/cm3未満である場合には第2のp型窒化物半導体層5の抵抗率が上がり、駆動電圧の上昇を招くおそれがある。 The second p-type nitride semiconductor layer 5 can be a nitride semiconductor crystal doped with p-type impurities, and has a lattice mismatch with the uppermost layer of the first p-type nitride semiconductor layer 4. When it has, it is preferable to form dislocations at a stage exceeding the critical film thickness. Further, when the thickness of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is sufficiently thin, for example, 5 mm or less, and the depletion layer is formed also in the second p-type nitride semiconductor layer 5, In x Ga 1-x It is preferable to use a layer in which a nitride semiconductor crystal represented by a composition formula of N (0 ≦ x <1) is doped with a p-type impurity. In the above composition formula, x represents the In composition ratio, and 1-x represents the Ga composition ratio. The doping concentration of the p-type impurity in the second p-type nitride semiconductor layer 5 is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or more. When the doping concentration of the p-type impurity in the second p-type nitride semiconductor layer 5 is less than 1 × 10 19 / cm 3 , the resistivity of the second p-type nitride semiconductor layer 5 is increased, and the driving voltage is increased. May increase.

たとえば、第1のp型窒化物半導体層4がp型AlGaN層上にp型GaN層を成長したものからなる場合には、第2のp型窒化物半導体層5はInxGa1-xN(0≦x<1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にp型不純物がドーピングされた層からなることが好ましい。また、第1のp型窒化物半導体層4の最上層がp型AlGaN層である場合には第2のp型窒化物半導体層5はp型GaN層であってもよい。さらに、光取り出し効率の低下を防ぐために、第2のp型窒化物半導体層5のバンドギャップエネルギは発光層3から放射される光の波長に相当するエネルギ以上であってもよい。 For example, when the first p-type nitride semiconductor layer 4 is formed by growing a p-type GaN layer on a p-type AlGaN layer, the second p-type nitride semiconductor layer 5 is In x Ga 1 -x. It is preferable that the nitride semiconductor crystal represented by the composition formula of N (0 ≦ x <1) is a layer in which a p-type impurity is doped. When the uppermost layer of the first p-type nitride semiconductor layer 4 is a p-type AlGaN layer, the second p-type nitride semiconductor layer 5 may be a p-type GaN layer. Further, the band gap energy of the second p-type nitride semiconductor layer 5 may be greater than or equal to the energy corresponding to the wavelength of the light emitted from the light emitting layer 3 in order to prevent a decrease in light extraction efficiency.

また、上述したように、p型窒化物半導体トンネル接合層6はInを含む窒化物半導体であることが好ましく、p型窒化物半導体トンネル接合層6のイオン化不純物濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましい。 As described above, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is preferably a nitride semiconductor containing In, and the ionized impurity concentration of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is 1 × 10 18 / cm 3. The above is preferable.

また、第1のp型窒化物半導体層4、第2のp型窒化物半導体層5およびp型窒化物半導体トンネル接合層6のバンドギャップの関係は、第1のp型窒化物半導体層4のバンドギャップが第2のp型窒化物半導体層5のバンドギャップよりも大きく、第2のp型窒化物半導体層5のバンドギャップがp型窒化物半導体トンネル接合層6のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。第2のp型窒化物半導体層5が第1のp型窒化物半導体層4よりもバンドギャップが大きい場合には、p型ドーパントの活性化エネルギが大きくなってキャリア濃度の低下を招き、駆動電圧の上昇を招くおそれがある。   The band gap relationship among the first p-type nitride semiconductor layer 4, the second p-type nitride semiconductor layer 5, and the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is expressed by the first p-type nitride semiconductor layer 4. Is larger than the band gap of the second p-type nitride semiconductor layer 5, and the band gap of the second p-type nitride semiconductor layer 5 is larger than the band gap of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6. It is preferable. When the second p-type nitride semiconductor layer 5 has a larger band gap than the first p-type nitride semiconductor layer 4, the activation energy of the p-type dopant is increased, leading to a decrease in carrier concentration and driving. There is a risk of increasing the voltage.

また、上述したように、トンネリング確率Ttを上げるためには、n型窒化物半導体トンネル接合層7はInを含む窒化物半導体であることが好ましく、n型窒化物半導体トンネル接合層7のイオン化不純物濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましい。ただし、n型窒化物半導体トンネル接合層7のイオン化不純物濃度はp型窒化物半導体層と比べて高くすることができるため、n型窒化物半導体トンネル接合層7はたとえばGaN等のInを含まない窒化物半導体であってもよい。 As described above, in order to increase the tunneling probability Tt, the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 is preferably a nitride semiconductor containing In, and the ionized impurities of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 The concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. However, since the ionized impurity concentration of n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 can be made higher than that of p-type nitride semiconductor layer, n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 does not contain In such as GaN, for example. It may be a nitride semiconductor.

また、n型窒化物半導体トンネル接合層7はドナー準位が浅く、活性化率が高いため、イオン化不純物濃度をたとえば1×1019/cm3以上と高くすることができ、トンネル接合部におけるn型窒化物半導体トンネル接合層7側への空乏層の広がりが小さいこと、ならびに発光層3から放射された光の吸収量を低減することを考慮すると、n型窒化物半導体トンネル接合層7の厚さは10nm以下であることが好ましい。 In addition, since the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 has a shallow donor level and a high activation rate, the ionized impurity concentration can be increased to, for example, 1 × 10 19 / cm 3 or more. In consideration of the fact that the depletion layer is less spread toward the type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 and that the amount of light emitted from the light emitting layer 3 is reduced, the thickness of the n type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 The thickness is preferably 10 nm or less.

また、n型窒化物半導体トンネル接合層7においては、n型不純物とともにp型不純物をドーピングしてもよい。この場合には、p型窒化物半導体トンネル接合層6からのp型不純物の拡散の抑止し、空乏層内に中間準位を形成する等の効果を期待することができるため、トンネリング確率の向上に寄与し得る。   In the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7, a p-type impurity may be doped together with the n-type impurity. In this case, it is possible to expect the effects of suppressing the diffusion of p-type impurities from the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and forming an intermediate level in the depletion layer. Can contribute.

また、p型窒化物半導体トンネル接合層6およびn型窒化物半導体トンネル接合層7にはそれぞれ逆の導電型の層および/またはアンドープ層を含んでいてもよく、逆の導電型の層およびアンドープ層の層厚はそれぞれトンネル接合部においてキャリアがトンネリングする厚さ(たとえば2nm以下)であることが好ましい。   Further, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 may each include an opposite conductivity type layer and / or an undoped layer, and an opposite conductivity type layer and an undoped layer. The layer thickness of each layer is preferably a thickness (for example, 2 nm or less) at which the carriers tunnel at the tunnel junction.

また、n型窒化物半導体蒸発抑制層8を形成することにより、p型窒化物半導体トンネル接合層6および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層7がInを含む場合にこれらの層からInが蒸発するのを抑制することができる。   In addition, by forming the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer 8, when the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 and / or the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 contains In, the In is contained from these layers. Evaporation can be suppressed.

ここで、n型窒化物半導体蒸発抑制層8としては、たとえば、AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦1−(c+d)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にn型不純物をドーピングした層を用いることができ、なかでもn型GaNを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、cはAlの組成比を示し、dはInの組成比を示し、1−(c+d)はGaの組成比を示す。 Here, the n-type nitride semiconductor evaporation suppressing layer 8, for example, Al c In d Ga 1- ( c + d) N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 ≦ 1- (c + d) A layer in which an n-type impurity is doped in the nitride semiconductor crystal represented by the composition formula ≦ 1) can be used, and n-type GaN is particularly preferable. In the above composition formula, c represents the composition ratio of Al, d represents the composition ratio of In, and 1- (c + d) represents the composition ratio of Ga.

また、第2のn型窒化物半導体層9を形成することにより、第2のn型窒化物半導体層9上に形成されたp側電極11から注入された電流を拡散させることができる。   Further, by forming the second n-type nitride semiconductor layer 9, the current injected from the p-side electrode 11 formed on the second n-type nitride semiconductor layer 9 can be diffused.

ここで、第2のn型窒化物半導体層8としては、たとえば、n型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでも抵抗率の低い層であることが好ましく、特に、キャリア濃度が1×1018/cm3以上のGaNから構成されることが望ましい。 Here, as the second n-type nitride semiconductor layer 8, for example, a nitride semiconductor crystal doped with an n-type impurity can be used, and among them, a layer having a low resistivity is preferable. It is desirable to be composed of GaN having a carrier concentration of 1 × 10 18 / cm 3 or more.

また、第1のn型窒化物半導体層2上に形成されるn側電極10および第2のn型窒化物半導体層9上に形成されるp側電極11としては、たとえば、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)およびAl(アルミニウム)からなる群から選択された少なくとも1種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。   Further, as the n-side electrode 10 formed on the first n-type nitride semiconductor layer 2 and the p-side electrode 11 formed on the second n-type nitride semiconductor layer 9, for example, Ti (titanium) , Hf (hafnium) and Al (aluminum) are preferably used to form an ohmic contact using at least one metal selected from the group consisting of Al (aluminum).

ここで、n側電極10は、上記の第2のn型窒化物半導体層9の成長後のウエハを第2のn型窒化物半導体層9側からエッチングすることによって第1のn型窒化物半導体層2の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。   Here, the n-side electrode 10 is formed by etching the wafer after the growth of the second n-type nitride semiconductor layer 9 from the second n-type nitride semiconductor layer 9 side to thereby form the first n-type nitride. A part of the surface of the semiconductor layer 2 can be exposed and formed on the exposed surface.

また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第2のn型窒化物半導体層9の成長後のウエハの第2のn型窒化物半導体層9側を貼り付けることによって、第1のn型窒化物半導体層2側が光取り出し側、第2のn型窒化物半導体層9側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いAl、PtおよびAgからなる群から選択された少なくとも1種の金属を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。   In addition, the first n-type nitride semiconductor layer 9 side of the wafer after the growth of the second n-type nitride semiconductor layer 9 is attached to a separately prepared conductive support substrate, whereby the first n At least one selected from the group consisting of Al, Pt, and Ag having high reflectivity on the support substrate side, where the type nitride semiconductor layer 2 side is the light extraction side, and the second n-type nitride semiconductor layer 9 side is the support substrate side It is also possible to form a nitride semiconductor light emitting diode element having an upper and lower electrode structure by forming a seed metal.

このような上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子によれば、第2のn型窒化物半導体層9は従来のp型窒化物半導体層よりもキャリア濃度を高くすることができることから、金属の仕事関数に関わらず、キャリアのトンネリングによるオーミック特性が得やすくなり、上述した反射率の高い金属を第2のn型窒化物半導体層9上に形成することができるため、光取り出し効率が向上する傾向にある。   According to the nitride semiconductor light-emitting diode element having such an upper and lower electrode structure, the second n-type nitride semiconductor layer 9 can have a higher carrier concentration than the conventional p-type nitride semiconductor layer. Regardless of the work function, ohmic characteristics due to carrier tunneling can be easily obtained, and the above-described highly reflective metal can be formed on the second n-type nitride semiconductor layer 9, thereby improving light extraction efficiency. There is a tendency.

(実施例1)
実施例1においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板101上に、GaNバッファ層102、n型GaN下地層103、n型GaNコンタクト層104、発光層105、p型AlGaNクラッド層106、p型GaNコンタクト層107、p型InGaN層108、p型トンネル接合層109、n型トンネル接合層110、n型GaN蒸発抑制層111およびn型GaN層112がこの順序で積層され、n型GaN層112の表面上にパッド電極113が形成され、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極114が形成された構成を有している。
(Example 1)
In Example 1, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was produced. Here, the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 1 has a GaN buffer layer 102, an n-type GaN underlayer 103, an n-type GaN contact layer 104, a light-emitting layer 105, and a p-type AlGaN cladding layer 106 on a sapphire substrate 101. The p-type GaN contact layer 107, the p-type InGaN layer 108, the p-type tunnel junction layer 109, the n-type tunnel junction layer 110, the n-type GaN evaporation suppression layer 111, and the n-type GaN layer 112 are stacked in this order, and the n-type A pad electrode 113 is formed on the surface of the GaN layer 112, and a pad electrode 114 is formed on the surface of the n-type GaN contact layer 104.

まず、サファイア基板101をMOCVD装置の反応炉内にセットした。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、サファイア基板101の表面(C面)のクリーニングを行なった。   First, the sapphire substrate 101 was set in the reactor of the MOCVD apparatus. Then, the surface of the sapphire substrate 101 (C surface) was cleaned by raising the temperature of the sapphire substrate 101 to 1050 ° C. while flowing hydrogen into the reactor.

次に、サファイア基板101の温度を510℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG(トリメチルガリウム)を反応炉内に流して、サファイア基板101の表面(C面)上にGaNバッファ層102をMOCVD法により約20nmの厚さでサファイア基板101上に成長させた。   Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 510 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethyl gallium) as a source gas are flowed into the reactor, and GaN is formed on the surface (C plane) of the sapphire substrate 101. The buffer layer 102 was grown on the sapphire substrate 101 with a thickness of about 20 nm by MOCVD.

次いで、サファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siがドーピングされたn型GaN下地層103(キャリア濃度:1×1018/cm3)をMOCVD法により6μmの厚さでGaNバッファ層102上に成長させた。 Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is raised to 1050 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are flown into the reaction furnace, and an n-type GaN underlayer 103 doped with Si is added. (Carrier concentration: 1 × 10 18 / cm 3 ) was grown on the GaN buffer layer 102 to a thickness of 6 μm by MOCVD.

続いて、キャリア濃度が5×1018/cm3となるようにSiをドーピングしたこと以外はn型GaN下地層103と同様にして、n型GaNコンタクト層104をMOCVD法により0.5μmの厚さでn型GaN下地層103上に成長させた。 Subsequently, the n-type GaN contact layer 104 is formed to a thickness of 0.5 μm by MOCVD in the same manner as the n-type GaN underlayer 103 except that Si is doped so that the carrier concentration becomes 5 × 10 18 / cm 3. Then, it was grown on the n-type GaN foundation layer 103.

次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型GaNコンタクト層104上に2.5nmの厚さのIn0.25Ga0.75N層と18nmの厚さのGaN層とを交互に6周期MOCVD法により成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層105をn型GaNコンタクト層104上に形成した。なお、発光層105の形成時において、GaN層を成長させる際にはTMIを反応炉内に流していないことは言うまでもない。 Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 700 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia, TMG, and TMI (trimethylindium) as a source gas are flown into the reactor, and 2. on the n-type GaN contact layer 104. A light emitting layer 105 having a multiple quantum well structure is formed on the n-type GaN contact layer 104 by alternately growing an In 0.25 Ga 0.75 N layer having a thickness of 5 nm and a GaN layer having a thickness of 18 nm by a six-period MOCVD method. Formed. Needless to say, when the GaN layer is grown during the formation of the light emitting layer 105, TMI is not allowed to flow into the reactor.

次いで、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMA(トリメチルアルミニウム)、不純物ガスとしてCP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.15Ga0.85Nからなるp型AlGaNクラッド層106をMOCVD法により約30nmの厚さで発光層105上に成長させた。 Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is raised to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMA (trimethylaluminum) as source gases, and CP2Mg (cyclopentadienylmagnesium) as impurity gases are flowed into the reactor. A p-type AlGaN cladding layer 106 made of Al 0.15 Ga 0.85 N doped with Mg at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 was grown on the light-emitting layer 105 to a thickness of about 30 nm by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を950℃に保持したままで、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるp型GaNコンタクト層107をMOCVD法によりp型AlGaNクラッド層106上に0.1μmの厚さに成長させた。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and CP2Mg as an impurity gas are allowed to flow into the reactor so that Mg is 1 × 10 20 / cm 3. A p-type GaN contact layer 107 made of GaN doped with a concentration of 0.1 μm was grown on the p-type AlGaN cladding layer 106 by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなる第2のp型窒化物半導体層としてのp型InGaN層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に0〜50nmの範囲内の所定の厚さに成長させた。 Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 700 ° C., nitrogen as the carrier gas, ammonia, TMG and TMI as the source gas, and CP2Mg as the impurity gas flow into the reaction furnace, and Mg becomes 1 × 10 20 / cm 3. A p-type InGaN layer 108 as a second p-type nitride semiconductor layer made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration of 1 is deposited on the p-type GaN contact layer 107 in a predetermined range of 0 to 50 nm by MOCVD. Grow to thickness.

その後、サファイア基板101の温度を670℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.30Ga0.70Nからなるp型トンネル接合層109をMOCVD法によりp型InGaN層108上に2nmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, and Mg is 1 × 10 20 / cm 3 . A p-type tunnel junction layer 109 made of In 0.30 Ga 0.70 N doped at a concentration was grown on the p-type InGaN layer 108 to a thickness of 2 nm by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を670℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたIn0.30Ga0.70Nからなるn型トンネル接合層110(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層109上に4nmの厚さに成長させた。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia as a source gas, TMG and TMI, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace, thereby doping In 0.30 doped with Si. An n-type tunnel junction layer 110 (carrier concentration: 5 × 10 19 / cm 3 ) made of Ga 0.70 N was grown on the p-type tunnel junction layer 109 to a thickness of 4 nm by MOCVD.

その後、サファイア基板101の温度を670℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたGaNからなるn型GaN蒸発抑制層111(キャリア濃度:5×1019/cm3)をn型トンネル接合層110上に15nmの厚さに成長させた。 Thereafter, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace to form an n-type made of GaN doped with Si. A GaN evaporation suppression layer 111 (carrier concentration: 5 × 10 19 / cm 3 ) was grown on the n-type tunnel junction layer 110 to a thickness of 15 nm.

その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層112をMOCVD法によりn型GaN蒸発抑制層111上に0.2μmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is increased to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si has a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The n-type GaN layer 112 made of GaN doped with (1) was grown on the n-type GaN evaporation suppression layer 111 to a thickness of 0.2 μm by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なった。   Next, the temperature of the sapphire substrate 101 was lowered to 700 ° C., and annealing was performed by flowing nitrogen as a carrier gas into the reaction furnace.

そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のn型GaN層112の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成した。そして、RIE(Reactive Ion Etching)法により、上記のウエハの一部についてn型GaN層112側からエッチングを行ない、n型GaNコンタクト層104の表面の一部を露出させた。   Then, the annealed wafer was taken out of the reactor, and a mask patterned in a predetermined shape was formed on the surface of the n-type GaN layer 112 as the uppermost layer of the wafer. Then, a part of the wafer was etched from the n-type GaN layer 112 side by RIE (Reactive Ion Etching) method to expose a part of the surface of the n-type GaN contact layer 104.

そして、n型GaN層112の表面上にパッド電極113を形成し、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極114を形成した。ここで、パッド電極113およびパッド電極114は、n型GaN層112の表面上およびn型GaNコンタクト層104の表面上にそれぞれTi層とAl層を順次積層することによって同時に形成された。その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図2の模式的断面図に示す構成を有する実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Then, a pad electrode 113 was formed on the surface of the n-type GaN layer 112, and a pad electrode 114 was formed on the surface of the n-type GaN contact layer 104. Here, the pad electrode 113 and the pad electrode 114 were simultaneously formed by sequentially laminating a Ti layer and an Al layer on the surface of the n-type GaN layer 112 and on the surface of the n-type GaN contact layer 104, respectively. Then, the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 1 having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was manufactured by dividing the wafer into a plurality of chips.

図3に、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型InGaN層108の厚さと駆動電圧との関係を示す。なお、図3において、縦軸は20mAの電流注入時の駆動電圧(V)を示し、横軸はp型InGaN層108の厚さ(nm)を示している。   FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the p-type InGaN layer 108 and the drive voltage in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1. In FIG. 3, the vertical axis represents the drive voltage (V) at the time of current injection of 20 mA, and the horizontal axis represents the thickness (nm) of the p-type InGaN layer 108.

図3に示すように、p型InGaN層108の厚さが20nmになるまではp型InGaN層108の厚さが増大するにしたがって駆動電圧は低減した。また、第2のp型窒化物半導体層としてのp型InGaN層108の厚さが10nm以下の場合には駆動電圧が飛躍的に低減することが確認された。   As shown in FIG. 3, the drive voltage decreased as the thickness of the p-type InGaN layer 108 increased until the thickness of the p-type InGaN layer 108 reached 20 nm. In addition, it was confirmed that the driving voltage was drastically reduced when the thickness of the p-type InGaN layer 108 as the second p-type nitride semiconductor layer was 10 nm or less.

(実施例2)
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
(Example 2)
The p-type GaN contact layer 107 was fabricated under the same conditions and the same method as in Example 1 until the p-type GaN contact layer 107 was grown.

そして、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなる第2のp型窒化物半導体層としてのp型InGaN層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。 Then, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 700 ° C., nitrogen as the carrier gas, ammonia, TMG and TMI as the source gas, and CP2Mg as the impurity gas are flown into the reactor, and Mg is 1 × 10 20 / cm 3 . A p-type InGaN layer 108 as a second p-type nitride semiconductor layer made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration was grown on the p-type GaN contact layer 107 to a thickness of 20 nm by MOCVD.

その後、サファイア基板101の温度を670℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.30Ga0.70Nからなるp型トンネル接合層109をMOCVD法によりp型InGaN層108上に0〜10nmの範囲の所定の厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, and Mg is 1 × 10 20 / cm 3 . A p-type tunnel junction layer 109 made of In 0.30 Ga 0.70 N doped at a concentration was grown on the p-type InGaN layer 108 to a predetermined thickness in the range of 0 to 10 nm by MOCVD.

その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Thereafter, the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 2 was fabricated under the same conditions and the same method as in Example 1.

図4に、実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型トンネル接合層109の厚さと駆動電圧との関係を示す。なお、図4において、縦軸は20mAの電流注入時の駆動電圧(V)を示し、横軸はp型トンネル接合層109の厚さ(nm)を示している。   FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 and the drive voltage in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 2. In FIG. 4, the vertical axis represents the driving voltage (V) at the time of current injection of 20 mA, and the horizontal axis represents the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer 109.

図4に示すように、p型トンネル接合層109の厚さが5nm以下の場合には駆動電圧が低くなり、p型トンネル接合層109の厚さが1nm以上3nm以下の場合には駆動電圧が特に低くなった。   As shown in FIG. 4, the drive voltage is low when the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 is 5 nm or less, and the drive voltage is low when the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 is 1 nm or more and 3 nm or less. Especially low.

図5に、実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型トンネル接合層109の厚さと光出力との関係を示す。なお、図5において、縦軸は光出力(.a.u)を示し、横軸はp型トンネル接合層109の厚さ(nm)を示している。   FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 and the light output in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 2. In FIG. 5, the vertical axis represents the light output (.au), and the horizontal axis represents the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer 109.

図5に示すように、p型トンネル接合層109の厚さが薄くなるにしたがって光出力が低減することが確認された。   As shown in FIG. 5, it was confirmed that the light output decreased as the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 was reduced.

図4および図5の結果から、駆動電圧の低減および光出力の向上を図る観点からは、p型トンネル接合層109の厚さは5nm以下であることが好ましく、1nm以上3nm以下であることがより好ましいことが確認された。   From the results of FIGS. 4 and 5, from the viewpoint of reducing the drive voltage and improving the light output, the thickness of the p-type tunnel junction layer 109 is preferably 5 nm or less, and preferably 1 nm or more and 3 nm or less. It was confirmed that it was more preferable.

(実施例3)
実施例3においては、図6の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子は、導電性基板55上に、オーミック電極層56、第1の接着用金属層57、第2の接着用金属層54、バリア層53、反射層52、n型GaN層112、n型GaN蒸発抑制層111、n型トンネル接合層110、p型トンネル接合層109、p型InGaN層108、p型GaNコンタクト層107、p型AlGaNクラッド層106、発光層105、n型GaNコンタクト層104、n型GaN下地層103およびパッド電極58が順次形成された構成を有している。
(Example 3)
In Example 3, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 6 was produced. Here, the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 3 has an ohmic electrode layer 56, a first bonding metal layer 57, a second bonding metal layer 54, a barrier layer 53, a reflection on the conductive substrate 55. Layer 52, n-type GaN layer 112, n-type GaN evaporation suppression layer 111, n-type tunnel junction layer 110, p-type tunnel junction layer 109, p-type InGaN layer 108, p-type GaN contact layer 107, p-type AlGaN cladding layer 106 The light emitting layer 105, the n-type GaN contact layer 104, the n-type GaN foundation layer 103, and the pad electrode 58 are sequentially formed.

実施例3においては、p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同様にして作製した。   In Example 3, the same process as in Example 1 was performed until the p-type GaN contact layer 107 was grown.

次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなる第2のp型窒化物半導体層としてのp型InGaN層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。 Next, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 700 ° C., nitrogen as the carrier gas, ammonia, TMG and TMI as the source gas, and CP2Mg as the impurity gas flow into the reaction furnace, and Mg becomes 1 × 10 20 / cm 3. A p-type InGaN layer 108 as a second p-type nitride semiconductor layer made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration of 20 nm was grown on the p-type GaN contact layer 107 to a thickness of 20 nm by MOCVD.

その後、サファイア基板101の温度を670℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.30Ga0.70Nからなるp型トンネル接合層109をMOCVD法によりp型InGaN層108上に2nmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, and Mg is 1 × 10 20 / cm 3 . A p-type tunnel junction layer 109 made of In 0.30 Ga 0.70 N doped at a concentration was grown on the p-type InGaN layer 108 to a thickness of 2 nm by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を670℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたIn0.30Ga0.70Nからなるn型トンネル接合層110(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層109上に4nmの厚さに成長させた。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia as a source gas, TMG and TMI, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace, thereby doping In 0.30 doped with Si. An n-type tunnel junction layer 110 (carrier concentration: 5 × 10 19 / cm 3 ) made of Ga 0.70 N was grown on the p-type tunnel junction layer 109 to a thickness of 4 nm by MOCVD.

その後、サファイア基板101の温度を670℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたGaNからなるn型GaN蒸発抑制層111(キャリア濃度:5×1019/cm3)をn型トンネル接合層110上に15nmの厚さに成長させた。 Thereafter, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 670 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace to form an n-type made of GaN doped with Si. A GaN evaporation suppression layer 111 (carrier concentration: 5 × 10 19 / cm 3 ) was grown on the n-type tunnel junction layer 110 to a thickness of 15 nm.

その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層112をMOCVD法によりn型GaN蒸発抑制層111上に0.2μmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is increased to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si has a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The n-type GaN layer 112 made of GaN doped with (1) was grown on the n-type GaN evaporation suppression layer 111 to a thickness of 0.2 μm by MOCVD.

次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なった。   Next, the temperature of the sapphire substrate 101 was lowered to 700 ° C., and annealing was performed by flowing nitrogen as a carrier gas into the reaction furnace.

そして、アニーリング後に、n型GaN層112の表面上に厚さ150nmのAg層からなる反射層52、厚さ50nmのMo層からなるバリア層53および厚さ3μmのAu層からなる第2の接着用金属層54をこの順序でEB(Electron Beam)蒸着法により形成した。   Then, after annealing, a second adhesion layer comprising a reflective layer 52 made of an Ag layer having a thickness of 150 nm, a barrier layer 53 made of a Mo layer having a thickness of 50 nm, and an Au layer having a thickness of 3 μm is formed on the surface of the n-type GaN layer 112. The metal layer 54 was formed in this order by EB (Electron Beam) vapor deposition.

次に、別途用意した厚さ120μmの導電性のSiからなる導電性基板55上にEB蒸着法により厚さ15nmのTi層と厚さ150nmのAl層とをこの順序で積層したオーミック電極層56、および厚さ100nmのAu層と厚さ3μmのAuSn層とをこの順序で積層した第1の接着用金属層57をこの順序で形成した。   Next, an ohmic electrode layer 56 in which a Ti layer having a thickness of 15 nm and an Al layer having a thickness of 150 nm are stacked in this order on a separately prepared conductive substrate 55 made of conductive Si having a thickness of 120 μm by EB vapor deposition. In addition, a first bonding metal layer 57 in which an Au layer having a thickness of 100 nm and an AuSn layer having a thickness of 3 μm were stacked in this order was formed in this order.

そして、第1の接着用金属層57の最表面に位置するAuSn層と第2の接着用金属層54の最表面に位置するAu層とを対向させ、共晶接合法を用いて、第1の接着用金属層57と第2の接着用金属層54とを接合した。なお、共晶接合時の温度は290℃とした。   Then, the AuSn layer located on the outermost surface of the first bonding metal layer 57 and the Au layer located on the outermost surface of the second bonding metal layer 54 are made to face each other, using the eutectic bonding method. The bonding metal layer 57 and the second bonding metal layer 54 were joined. The temperature during eutectic bonding was 290 ° C.

続いて、YAGレーザ光の第3高調波(波長:355nm)を鏡面研磨したサファイア基板101の裏面側から照射し、サファイア基板101上に形成されたGaNバッファ層102とn型GaN下地層103との界面部分を熱分解することにより、サファイア基板101およびGaNバッファ層102を除去した。   Subsequently, the third harmonic (wavelength: 355 nm) of YAG laser light is irradiated from the back side of the mirror-polished sapphire substrate 101, and the GaN buffer layer 102 and the n-type GaN underlayer 103 formed on the sapphire substrate 101 The sapphire substrate 101 and the GaN buffer layer 102 were removed by thermally decomposing the interface portion.

その後、サファイア基板101およびGaNバッファ層102が除去されて露出したn型GaN下地層103の表面上にTi層とAu層とをこの順序で積層することによってパッド電極58を形成した。そして、パッド電極58の形成後のウエハを複数のチップに分割することによって、図6の模式的断面図に示す構成を有する実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。なお、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、n型GaN下地層103とパッド電極58とのコンタクト抵抗を低減するためにn型GaN下地層103のキャリア濃度を5×1018/cm3とした。 Thereafter, a pad electrode 58 was formed by laminating a Ti layer and an Au layer in this order on the surface of the n-type GaN foundation layer 103 exposed by removing the sapphire substrate 101 and the GaN buffer layer 102. Then, the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 3 having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 6 was manufactured by dividing the wafer after the formation of the pad electrode 58 into a plurality of chips. In the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 3, the carrier concentration of the n-type GaN foundation layer 103 is set to 5 × 10 18 / cm in order to reduce the contact resistance between the n-type GaN foundation layer 103 and the pad electrode 58. It was set to 3 .

実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子の20mAの電流注入時の駆動電圧は4.0Vであって、後述する上下電極構造の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子(比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子)よりも駆動電圧が低減できていたことが確認された。   The driving voltage of the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 3 at the time of current injection of 20 mA is 4.0 V, and the conventional nitride semiconductor light emitting diode device having the upper and lower electrode structures described later (the nitride semiconductor light emitting device of Comparative Example 1). It was confirmed that the drive voltage could be reduced as compared with the diode element.

(比較例1)
比較例1においては、図7の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、導電性基板55上に、オーミック電極層56、第1の接着用金属層57、第2の接着用金属層54、バリア層53、反射層52、p型GaNコンタクト層107、p型AlGaNクラッド層106、発光層105、n型GaNコンタクト層104、n型GaN下地層103およびパッド電極58が順次形成された構成を有している。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7 was produced. Here, the nitride semiconductor light-emitting diode element of Comparative Example 1 has an ohmic electrode layer 56, a first bonding metal layer 57, a second bonding metal layer 54, a barrier layer 53, a reflection on the conductive substrate 55. The layer 52, the p-type GaN contact layer 107, the p-type AlGaN cladding layer 106, the light emitting layer 105, the n-type GaN contact layer 104, the n-type GaN foundation layer 103, and the pad electrode 58 are sequentially formed.

なお、比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、p型InGaN層108、p型トンネル接合層109、n型トンネル接合層110、n型GaN蒸発抑制層111およびn型GaN層112が形成されていないこと以外は実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子と同一の構成となっている。   In the nitride semiconductor light emitting diode device of Comparative Example 1, the p-type InGaN layer 108, the p-type tunnel junction layer 109, the n-type tunnel junction layer 110, the n-type GaN evaporation suppression layer 111, and the n-type GaN layer 112 are formed. The nitride semiconductor light emitting diode element of Example 3 has the same configuration as that of Example 3 except for the above.

比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子の20mAの電流注入時の駆動電圧は6.0Vであって、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子の20mAの電流注入時の駆動電圧と比べて高いことが確認された。その理由としては、p型GaNコンタクト層107とAg層からなる反射層52とのコンタクト抵抗が高いことが挙げられる。   The driving voltage of the nitride semiconductor light emitting diode device of Comparative Example 1 at the time of 20 mA current injection is 6.0 V, which is higher than the driving voltage of the nitride semiconductor light emitting diode device of the Example 3 at the time of 20 mA current injection. It was confirmed. This is because the contact resistance between the p-type GaN contact layer 107 and the reflective layer 52 made of an Ag layer is high.

なお、比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子においては駆動電圧を低減するためPdまたはNi等の仕事関数の高い金属を数nm程度の薄膜としてp型GaNコンタクト層107とAg層からなる反射層52との間に形成することも考えられるが、その場合には、PdおよびNiは反射率が低いため、発光層105からの光が吸収され、光出力が低下するものと考えられる。   In the nitride semiconductor light emitting diode device of Comparative Example 1, a reflective layer composed of a p-type GaN contact layer 107 and an Ag layer with a metal having a high work function such as Pd or Ni as a thin film of about several nm in order to reduce the driving voltage. In this case, since Pd and Ni have low reflectivity, light from the light emitting layer 105 is absorbed and light output is considered to be reduced.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明によれば、トンネル接合を有し、青色光(たとえば、波長430nm以上490nm以下)を発光する窒化物半導体発光ダイオード素子等の窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減することができる。   According to the present invention, the driving voltage of a nitride semiconductor light emitting element such as a nitride semiconductor light emitting diode element having a tunnel junction and emitting blue light (for example, a wavelength of 430 nm or more and 490 nm or less) can be reduced.

本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of a preferable example of the nitride semiconductor light-emitting diode element which is an example of the nitride semiconductor light-emitting element of this invention. 実施例1〜2の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Examples 1-2. 実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型InGaN層の厚さと駆動電圧との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the p-type InGaN layer and the drive voltage in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1. 実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型トンネル接合層の厚さと駆動電圧との関係を示す図である。6 is a diagram showing the relationship between the thickness of a p-type tunnel junction layer and the drive voltage in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 2. FIG. 実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるp型トンネル接合層の厚さと光出力との関係を示す図である。6 is a diagram showing the relationship between the thickness of the p-type tunnel junction layer and the light output in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 2. FIG. 実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Example 3. FIG. 比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element of Comparative Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 第1のn型窒化物半導体層、3 発光層、4 第1のp型窒化物半導体層、5 第2のp型窒化物半導体層、6 p型窒化物半導体トンネル接合層、7 n型窒化物半導体トンネル接合層、8 n型窒化物半導体蒸発抑制層、9 第2のn型窒化物半導体層、10 n側電極、11 p側電極、52 反射層、53 バリア層、54 第2の接着用金属層、55 導電性基板、56 オーミック電極層、57 第1の接着用金属層、101 サファイア基板、102 GaNバッファ層、103 n型GaN下地層、104 n型GaNコンタクト層、105 発光層、106 p型AlGaNクラッド層、107 p型GaNコンタクト層、108 p型InGaN層、109 p型トンネル接合層、110 n型トンネル接合層、111 n型GaN蒸発抑制層、112 n型GaN層、113,114 パッド電極。   1 substrate 2 first n-type nitride semiconductor layer 3 light emitting layer 4 first p-type nitride semiconductor layer 5 second p-type nitride semiconductor layer 6 p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, 8 n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer, 9 second n-type nitride semiconductor layer, 10 n-side electrode, 11 p-side electrode, 52 reflective layer, 53 barrier layer, 54 Second adhesive metal layer, 55 conductive substrate, 56 ohmic electrode layer, 57 first adhesive metal layer, 101 sapphire substrate, 102 GaN buffer layer, 103 n-type GaN underlayer, 104 n-type GaN contact layer, 105 light emitting layer, 106 p-type AlGaN cladding layer, 107 p-type GaN contact layer, 108 p-type InGaN layer, 109 p-type tunnel junction layer, 110 n-type tunnel junction layer, 111 n GaN evaporation suppressing layer, 112 n-type GaN layer, 113 and 114 pad electrode.

Claims (10)

基板と、前記基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、第1のp型窒化物半導体層と、第2のp型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、前記p型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比が前記第2のp型窒化物半導体層のインジウムの組成比よりも大きいことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。   A substrate, a first n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, a first p-type nitride semiconductor layer, a second p-type nitride semiconductor layer, and a p-type formed on the substrate A nitride semiconductor tunnel junction layer, an n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and a second n-type nitride semiconductor layer, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction The layer forms a tunnel junction, and the composition ratio of indium in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is larger than the composition ratio of indium in the second p-type nitride semiconductor layer, Nitride semiconductor light emitting device. 前記第2のp型窒化物半導体層の厚さが2nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the second p-type nitride semiconductor layer is 2 nm or more. 前記第2のp型窒化物半導体層の厚さが臨界膜厚以上であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the second p-type nitride semiconductor layer is not less than a critical thickness. 前記第2のp型窒化物半導体層におけるp型不純物のドーピング濃度が1×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。 4. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a doping concentration of p-type impurities in the second p-type nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or more. 5. . 前記p型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが5nm以下であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   5. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is 5 nm or less. 前記p型窒化物半導体トンネル接合層におけるp型不純物のドーピング濃度が1×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。 6. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a doping concentration of a p-type impurity in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is 1 × 10 19 / cm 3 or more. 前記第1のp型窒化物半導体層のバンドギャップが前記第2のp型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、前記第2のp型窒化物半導体層のバンドギャップが前記p型窒化物半導体トンネル接合層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   The band gap of the first p-type nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the second p-type nitride semiconductor layer, and the band gap of the second p-type nitride semiconductor layer is the p-type nitride. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor light-emitting element is larger than a band gap of the semiconductor tunnel junction layer. 前記n型窒化物半導体トンネル接合層はインジウムを含むことを特徴とする、請求項1から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 device according to claim 1, wherein the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer contains indium. 前記n型窒化物半導体トンネル接合層のn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から8のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。 9. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a doping concentration of the n-type impurity in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is 1 × 10 19 / cm 3 or more. 前記n型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが10nm以下であることを特徴とする、請求項1から9のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。   10. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer has a thickness of 10 nm or less.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012508458A (en) * 2008-11-07 2012-04-05 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Optoelectronic semiconductor chip manufacturing method and optoelectronic semiconductor chip
EP2816616A1 (en) * 2013-06-18 2014-12-24 LG Innotek Co., Ltd. Light emitting device and lighting system
JP2017157667A (en) * 2016-03-01 2017-09-07 学校法人 名城大学 Nitride semiconductor light-emitting device
JP2020501345A (en) * 2016-10-28 2020-01-16 ルミレッズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Method for growing light emitting device under ultraviolet irradiation
JP7344434B2 (en) 2021-09-10 2023-09-14 日亜化学工業株式会社 Manufacturing method of light emitting device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002009335A (en) * 2000-06-19 2002-01-11 Hitachi Cable Ltd Light-emitting diode
JP2002319703A (en) * 2001-04-20 2002-10-31 Ricoh Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2006295132A (en) * 2005-03-14 2006-10-26 Toshiba Corp Light emitting device
JP2007053376A (en) * 2005-08-15 2007-03-01 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd Structure for reducing operating voltage of semiconductor element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002009335A (en) * 2000-06-19 2002-01-11 Hitachi Cable Ltd Light-emitting diode
JP2002319703A (en) * 2001-04-20 2002-10-31 Ricoh Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2006295132A (en) * 2005-03-14 2006-10-26 Toshiba Corp Light emitting device
JP2007053376A (en) * 2005-08-15 2007-03-01 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd Structure for reducing operating voltage of semiconductor element

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012508458A (en) * 2008-11-07 2012-04-05 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Optoelectronic semiconductor chip manufacturing method and optoelectronic semiconductor chip
US8598596B2 (en) 2008-11-07 2013-12-03 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for producing an optoelectronic semiconductor chip and optoelectronic semiconductor chip
EP2816616A1 (en) * 2013-06-18 2014-12-24 LG Innotek Co., Ltd. Light emitting device and lighting system
US9236531B2 (en) 2013-06-18 2016-01-12 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device and lighting system
JP2017157667A (en) * 2016-03-01 2017-09-07 学校法人 名城大学 Nitride semiconductor light-emitting device
JP2020501345A (en) * 2016-10-28 2020-01-16 ルミレッズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Method for growing light emitting device under ultraviolet irradiation
JP7050060B2 (en) 2016-10-28 2022-04-07 ルミレッズ リミテッド ライアビリティ カンパニー How to grow a luminous device under UV irradiation
JP7344434B2 (en) 2021-09-10 2023-09-14 日亜化学工業株式会社 Manufacturing method of light emitting device

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