JP2009194365A - Semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element having an improved external emission efficiency and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor light-emitting element including a substrate 10, a protection layer 18 disposed on the substrate 10, an n-type impurity-doped n-type semiconductor 12 disposed on the substrate 10 sandwiched by the protection layers 18 and disposed on the protection layer 18, an active layer 13 disposed on the n-type semiconductor 12, a p-type impurity-doped p-type semiconductor 14 disposed on the active layer 13 and a method of manufacturing the same is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に係り、特に外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency and a method for manufacturing the same.

発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などに、III族窒化物系半導体からなる半導体発光素子が使用されている。III族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)などがある。代表的なIII族窒化物系半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)で表される。 A semiconductor light emitting element made of a group III nitride semiconductor is used for a light emitting diode (LED) or the like. Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

III族窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は、例えば、基板上にn型のIII族窒化物系半導体層(n型半導体層)、活性層(発光層)およびp型のIII族窒化物系半導体層(p型半導体層)をこの順に積層した構造を有する。そして、p型半導体層から供給された正孔(ホール)とn型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する(例えば、特許文献1参照。)。   A semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor includes, for example, an n-type group III nitride semiconductor layer (n-type semiconductor layer), an active layer (light-emitting layer), and a p-type group III nitride on a substrate. It has a structure in which a series semiconductor layer (p-type semiconductor layer) is laminated in this order. Then, light generated by recombination of holes supplied from the p-type semiconductor layer and electrons supplied from the n-type semiconductor layer in the active layer is output to the outside (see, for example, Patent Document 1). .

活性層として、井戸層(ウェル層)をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層(バリア層)でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造が採用可能である(例えば、特許文献2参照。)。   As the active layer, a multi-quantum well (MQW) structure in which a plurality of well layers (well layers) are sandwiched between barrier layers (barrier layers) having a larger band gap than the well layers can be employed. (For example, refer to Patent Document 2).

有機金属気相堆積エピタキシャル成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法において、サファイア基板上にAlNまたはGaN低温バッファ層を用いて得られるGaNの転位密度は、108〜1010cm-2程度である。半導体レーザなどのデバイスを作成する上では、106cm-2程度以下が必要である。問題となる転位は、サファイア基板との界面領域から結晶成長と共に引き継がれる貫通転位である。 In the metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, the dislocation density of GaN obtained using an AlN or GaN low-temperature buffer layer on a sapphire substrate is about 10 8 to 10 10 cm −2. . In producing a device such as a semiconductor laser, about 10 6 cm −2 or less is required. The dislocations in question are threading dislocations that are inherited with crystal growth from the interface region with the sapphire substrate.

現在、転位密度を106〜107cm-2程度まで低減できる有効な方法として確立している技術は、選択横方向成長の特性を生かしたELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)技術である。 At present, a technique established as an effective method capable of reducing the dislocation density to about 10 6 to 10 7 cm −2 is an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) technique utilizing the characteristics of selective lateral growth.

GaNに適用されるELO技術には、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法およびMOVPE法に基づくものがある。HVPE法は、成長速度を数10〜数100μm/h程度に大きくとれることが特徴である。   Some ELO technologies applied to GaN are based on the HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method and the MOVPE method. The HVPE method is characterized in that the growth rate can be increased to several tens to several hundreds μm / h.

HVPE法に基づく方法はFIELO(Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth)と呼ばれている。FIELOでは、例えば、サファイア(0001)面(c面)上にMOVPE法で成長させた厚さ1〜1.5μmのGaN上に、SiO2のストライプ状マスクパターンをリソグラフィーによって形成したものを下地として用いている。すなわち、従来の半導体発光素子においては、サファイア基板上にまず、n型GaN層を数μm程度エピタキシャル成長させ、その後、n型GaN層上にSiO2膜若しくはSiNx膜を部分的に形成し、その後、SiO2若しくはSiNx膜以外のn型GaN層を選択横方向エピタキシャル成長の種結晶として、n型半導体層を選択横方向エピタキシャル成長により形成している(例えば、非特許文献1参照。)。 A method based on the HVPE method is called FIELO (Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth). In FIELO, for example, a SiO 2 striped mask pattern formed by lithography on GaN having a thickness of 1 to 1.5 μm grown on the sapphire (0001) plane (c-plane) by the MOVPE method is used as a base. Used. That is, in the conventional semiconductor light emitting device, an n-type GaN layer is first epitaxially grown on the sapphire substrate by about several μm, and then a SiO 2 film or SiN x film is partially formed on the n-type GaN layer. An n-type semiconductor layer is formed by selective lateral epitaxial growth using an n-type GaN layer other than the SiO 2 or SiN x film as a seed crystal for selective lateral epitaxial growth (see, for example, Non-Patent Document 1).

しかしながら、サファイア基板の屈折率の値に近い屈折率を有するSiO2膜若しくはSiNx膜の下側に、サファイア基板の屈折率の値とは大きく異なる屈折率を有するn型GaN層が配置されると、サファイア基板―n型GaN層の界面で光の反射が起こり、半導体発光素子の光を有効に外部に取り出すことができず、外部発光効率が低下する。 However, an n-type GaN layer having a refractive index significantly different from the refractive index value of the sapphire substrate is disposed below the SiO 2 film or SiN x film having a refractive index close to that of the sapphire substrate. Then, light is reflected at the interface between the sapphire substrate and the n-type GaN layer, so that the light from the semiconductor light emitting device cannot be effectively extracted outside, and the external light emission efficiency is lowered.

従来構造では、有機金属気相堆積法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって窒化物系半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイア基板を用い、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度を約900℃〜1100℃の高温で、サファイア基板上にGaNエピタキシャル成長層を形成していた。MOCVD法を用いてサファイア基板上に直接成長されたGaN半導体層の表面モフォロジーは極めて悪い。そこで、GaN半導体層を成長させる前に、サファイア基板上にAlNのバッファ層を形成する方法が用いられている。しかしながら、上記方法は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜厚を100〜500Å(オングストローム) と非常に薄い範囲に厳密に制御する必要がある。また、AlNバッファ層上にGaN層を結晶成長させる場合、格子定数不整合が顕著である。   In the conventional structure, when a nitride-based semiconductor is manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), for example, a sapphire substrate is used as a growth substrate, and an organic metal compound gas is used as a reaction gas. The GaN epitaxial growth layer was formed on the sapphire substrate at a crystal growth temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C. The surface morphology of the GaN semiconductor layer grown directly on the sapphire substrate using the MOCVD method is extremely poor. Therefore, a method of forming an AlN buffer layer on the sapphire substrate before the GaN semiconductor layer is grown is used. However, in the above method, the growth conditions of the buffer layer are strictly limited, and the film thickness needs to be strictly controlled within a very thin range of 100 to 500 mm (angstrom). In addition, when the GaN layer is grown on the AlN buffer layer, lattice constant mismatch is significant.

また、p型半導体層を多層構造に形成する場合、活性層への熱ダメージを低減させるために低温成長させる必要があり、同時に、順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる必要がある。また、p型半導体層としてGaN層を適用する場合、発光波長に対する透明性の点で問題がある。 Further, when the p-type semiconductor layer is formed in a multilayer structure, it is necessary to grow at a low temperature in order to reduce the thermal damage to the active layer, and at the same time, the forward voltage (V f ) is lowered and the luminous efficiency is improved. There is a need. Further, when a GaN layer is applied as the p-type semiconductor layer, there is a problem in terms of transparency with respect to the emission wavelength.

また、従来構造では、MQWのペア数は、4〜5ペアが用いられている。この場合、n型半導体層から供給される電子が活性層を飛び越えてp型半導体層まで流れてしまう。この際、p型半導体層から供給されるホールが活性層に達する前に電子と再結合してしまい、活性層に達するホール濃度が減少する。それにより、LEDの輝度が減少してしまう。これを防止するために、p型半導体層の手前にバンドギャップの大きいp型AlGaN層を挿入する構造が用いられている。しかしながら、アルミニウム(Al)を導入するとp型化することが難しくなり、抵抗値が上昇してしまう。一方、活性層の井戸層にInGaN層を適用する場合、p型半導体層の形成における高温プロセスに伴う熱ダメージに弱いという問題点がある。
特開平10−284802号公報 特開2004−55719号公報 酒井 朗、碓井 彰著、“GaN選択横方向による転位密度の低減”、応用物理、第68巻、第7号、pp.774−779(1999)
In the conventional structure, 4 to 5 pairs of MQWs are used. In this case, electrons supplied from the n-type semiconductor layer jump over the active layer and flow to the p-type semiconductor layer. At this time, holes supplied from the p-type semiconductor layer recombine with electrons before reaching the active layer, and the hole concentration reaching the active layer is reduced. Thereby, the brightness | luminance of LED will reduce. In order to prevent this, a structure in which a p-type AlGaN layer having a large band gap is inserted in front of the p-type semiconductor layer is used. However, when aluminum (Al) is introduced, it becomes difficult to form p-type, and the resistance value increases. On the other hand, when an InGaN layer is applied to the well layer of the active layer, there is a problem that it is vulnerable to thermal damage associated with a high temperature process in forming the p-type semiconductor layer.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-284802 JP 2004-55719 A Akira Sakai, Akira Sakurai, “Reduction of dislocation density by lateral selection of GaN”, Applied Physics, Vol. 68, No. 7, pp.774-779 (1999)

本発明の目的は、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency and a method for manufacturing the same.

また、本発明の目的は、n型半導体層、活性層、p型半導体層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to add Al to the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer to reduce thermal damage, improve the transmittance with respect to the emission wavelength, and improve the external light emission efficiency. The object is to provide an element and a method of manufacturing the same.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、基板上に配置された保護膜と、保護膜に挟まれた基板および保護膜上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層と、n型半導体層上に配置された活性層と、活性層上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。   According to one embodiment of the present invention for achieving the above object, a substrate, a protective film disposed on the substrate, a substrate sandwiched between the protective films and the protective film, and doped with an n-type impurity There is provided a semiconductor light emitting device comprising: an n-type semiconductor layer; an active layer disposed on the n-type semiconductor layer; and a p-type semiconductor layer disposed on the active layer and doped with a p-type impurity.

本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された保護膜と、前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、前記AlNバッファ層および前記保護膜上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層と、前記n型半導体層上に配置され、前記n型半導体層より低い濃度で前記n型不純物が不純物添加されたブロック層と、前記ブロック層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、前記活性層上に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層とを備え、前記積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物の拡散距離より厚い半導体発光素子が提供される。   According to another aspect of the present invention, a substrate, a protective film disposed on the substrate, an AlN buffer layer disposed on the substrate sandwiched between the protective films, the AlN buffer layer, and the protection An n-type semiconductor layer disposed on the film and doped with n-type impurities, and a block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with the n-type impurities at a lower concentration than the n-type semiconductor layer And an active layer comprising a multiple quantum well containing indium, wherein the active layer has a stacked structure in which barrier layers and well layers having a smaller band gap than the barrier layers are alternately arranged, and the active layer. A first nitride-based semiconductor layer including a p-type impurity, and a p-type impurity disposed on the first nitride-based semiconductor layer and having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer. Second nitride system containing type impurities A semiconductor layer, a third nitride-based semiconductor layer disposed on the second nitride-based semiconductor layer and containing a p-type impurity at a concentration higher than that of the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer; A fourth nitride-based semiconductor layer that is disposed on the three-nitride-based semiconductor layer and includes a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer; A semiconductor light emitting device is provided in which the film thickness of the final barrier layer is larger than the diffusion distance of the p-type impurity in the first nitride-based semiconductor layer.

本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置された保護膜と、前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、前記AlNバッファ層および前記保護膜上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層と、前記n型半導体層上に配置され、前記n型半導体層より低い濃度で前記n型不純物が不純物添加されたブロック層と、前記ブロック層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、前記活性層上に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層の前記p型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、前記第2窒化物系半導体層上に配置され、透明電極からなる透明電極とを備え、前記積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物の拡散距離より厚い半導体発光素子が提供される。   According to another aspect of the present invention, a substrate, a protective film disposed on the substrate, an AlN buffer layer disposed on the substrate sandwiched between the protective films, the AlN buffer layer, and the protection An n-type semiconductor layer disposed on the film and doped with n-type impurities, and a block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with the n-type impurities at a lower concentration than the n-type semiconductor layer And an active layer comprising a multiple quantum well containing indium, wherein the active layer has a stacked structure in which barrier layers and well layers having a smaller band gap than the barrier layers are alternately arranged, and the active layer. A first nitride-based semiconductor layer including a p-type impurity, and a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer disposed on the first nitride-based semiconductor layer. Second nitridation containing p-type impurities And a transparent electrode made of a transparent electrode disposed on the second nitride semiconductor layer, wherein the final barrier layer of the uppermost layer of the stacked structure has a film thickness of the first nitride system. A semiconductor light-emitting element thicker than the diffusion distance of the p-type impurity in the semiconductor layer is provided.

本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、前記AlNバッファ層上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層と、前記n型半導体層上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層と、前記活性層上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-x;N層(0≦x<1)からなるp型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, a substrate, an AlN buffer layer disposed on the substrate, and an Al x Ga 1-x N layer disposed on the AlN buffer layer and doped with an n-type impurity. An n-type semiconductor layer composed of (0 <x <1), a barrier layer disposed on the n-type semiconductor layer and composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1), and a band formed from the barrier layer An active layer composed of a multiple quantum well having a stacked structure in which well layers composed of Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) having a small gap are alternately arranged; There is provided a semiconductor light emitting device including a p-type semiconductor layer disposed on the active layer and made of an Al x Ga 1-x; N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity.

本発明の他の態様によれば、基板上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜をパターニングし、前記基板を露出する工程と、前記保護膜に挟まれ,露出された前記基板および前記保護膜上にn型不純物をドープされたn型半導体層を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、前記n型半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上にp型不純物をドープされたp型半導体層を形成する工程とを有する半導体発光素子の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a protective film on a substrate, a step of patterning the protective film and exposing the substrate, the substrate sandwiched and exposed by the protective film, and the Forming a n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity on the protective film by lateral epitaxial growth; forming an active layer on the n-type semiconductor layer; and doping the p-type impurity on the active layer And a method of forming a p-type semiconductor layer.

本発明の他の態様によれば、基板上にAlNバッファ層を形成する工程と、前記AlNバッファ層上に、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層を形成する工程と、前記n型半導体層上に、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に形成された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層を形成する工程と、前記活性層上にp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層を形成する工程とを有する半導体発光素子の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, an AlN buffer layer is formed on a substrate, and an Al x Ga 1-x N layer doped with an n-type impurity (0 <x <) is doped on the AlN buffer layer. A step of forming an n-type semiconductor layer made of 1), a barrier layer made of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) on the n-type semiconductor layer, and a band gap smaller than the barrier layer Forming an active layer made of a multiple quantum well having a stacked structure in which well layers made of Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately formed; And a step of forming a p-type semiconductor layer composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity on the active layer. Provided.

本発明によれば、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light-emitting device with improved external light emission efficiency and its manufacturing method can be provided.

また、本発明によれば、n型半導体層、活性層、p型半導体層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上して、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。   In addition, according to the present invention, Al is added to the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer to reduce thermal damage and improve the transmittance with respect to the emission wavelength, thereby improving the external light emission efficiency. A light-emitting element and a manufacturing method thereof can be provided.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

以下の本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、「透明」とは、透過率が約50%以上であるものと定義する。「透明」とは、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約360nm〜830nm程度、エネルギー約3.4eV〜1.5eV程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。   In the semiconductor light emitting device according to the following embodiments of the present invention, “transparent” is defined as having a transmittance of about 50% or more. The term “transparent” is used to mean colorless and transparent with respect to visible light in the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. Visible light corresponds to a wavelength of about 360 nm to 830 nm and an energy of about 3.4 eV to 1.5 eV, and is transparent unless absorption, reflection, or scattering occurs in this region.

透明性はバンドギャップEgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップEgが約3.1eV以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をn、電荷をq、誘電率をε、有効質量をm*とすると、ωp=(nq2/εm*1/2で表され、キャリア密度の関数である。 Transparency is determined by the band gap E g and the plasma frequency ω p . When the band gap E g is about 3.1 eV or more, the transition between electrons in the visible light does not occur, and therefore the visible light is transmitted without being absorbed. On the other hand, light having energy lower than the plasma frequency ω p cannot enter the plasma and is reflected by carriers that can be regarded as plasma. The plasma frequency ω p is expressed as ω p = (nq 2 / εm * ) 1/2 where n is the carrier density, q is the charge, ε is the dielectric constant, and m * is the effective mass, and is a function of the carrier density. is there.

[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上および保護膜18上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置された活性層13と、活性層13上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層14とを備える。
[First embodiment]
(Element structure)
As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention includes a substrate 10, a protective film 18 disposed on the substrate 10, and a protective film. N-type semiconductor layer 12 which is disposed on substrate 10 and protective film 18 sandwiched between 18 and doped with n-type impurities, active layer 13 disposed on n-type semiconductor layer 12, and active layer 13 And a p-type semiconductor layer 14 doped with a p-type impurity.

また、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16をさらに備えていても良い。   Further, the buffer layer 16 may be further provided on the substrate 10 sandwiched between the protective films 18.

また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、p型半導体層14上に配置された透明電極15と、透明電極15、p型半導体層14、活性層13およびn型半導体層12の一部を除去して得られたn型半導体層12面上に配置されたn側電極200と、透明電極15上に配置されたp側電極100とを備える。   In addition, as shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a transparent electrode 15 disposed on the p-type semiconductor layer 14, a transparent electrode 15, An n-side electrode 200 disposed on the surface of the n-type semiconductor layer 12 obtained by removing a part of the p-type semiconductor layer 14, the active layer 13, and the n-type semiconductor layer 12, and a transparent electrode 15. a p-side electrode 100.

また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、後述する図10に示すように、透明電極15上に配置された反射積層膜28をさらに備えていても良い。   The semiconductor light emitting device according to the first embodiment may further include a reflective laminated film 28 disposed on the transparent electrode 15 as shown in FIG.

保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい。例えば、保護膜18としては、発光波長に対して十分に透明であり、基板10の屈折率に近い屈折率のものを用いると良い。   The protective film 18 is transparent with respect to the emission wavelength, and the refractive index of the protective film 18 is substantially equal to the refractive index of the substrate 10. For example, as the protective film 18, a film having a refractive index close to the refractive index of the substrate 10 that is sufficiently transparent with respect to the emission wavelength may be used.

基板10としてサファイア基板(n=1.7〜1.8)を用いる場合、保護膜18として、SiO2膜を用いると、SiO2膜の屈折率は約n=1.46程度であり、サファイア基板の屈折率n=1.7〜1.8と同程度となる。また、保護膜18として、SiNx膜を用いると、SiNx膜の屈折率は約n=2.05程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。保護膜18として、TiOx膜を用いると、TiOx膜の屈折率は約n=1.8程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。さらにまた、保護膜18として、Al23膜を用いると、Al23膜の屈折率は約n=1.7〜1.8程度でありサファイア基板の屈折率と同程度となる。 When a sapphire substrate (n = 1.7 to 1.8) is used as the substrate 10, if a SiO 2 film is used as the protective film 18, the refractive index of the SiO 2 film is about n = 1.46. The refractive index n of the substrate is about the same as 1.7 to 1.8. If a SiN x film is used as the protective film 18, the refractive index of the SiN x film is about n = 2.05, which is about the same as the refractive index of the sapphire substrate. When a TiO x film is used as the protective film 18, the refractive index of the TiO x film is about n = 1.8, which is about the same as the refractive index of the sapphire substrate. Furthermore, as the protective film 18, the use of the Al 2 O 3 film, the refractive index of the Al 2 O 3 film is about n = on the order of 1.7 to 1.8 refractive index comparable to the sapphire substrate.

したがって、保護膜18としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれも適用可能である。   Therefore, any of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a titanium oxide film, and an alumina film can be applied as the protective film 18.

透明電極15は、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。   The transparent electrode 15 may be any one of ZnO, ITO, or ZnO containing indium.

或いはまた、後述するように、透明電極15は、GaまたはAlが、不純物濃度1×1019 〜5×1021cm-3で不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。 Alternatively, as will be described later, the transparent electrode 15 is made of either ZnO doped with Ga or Al with an impurity concentration of 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 , ITO, or ZnO containing indium. There may be.

また、活性層13は、バリア層とバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる。   The active layer 13 has a stacked structure in which barrier layers and well layers having a smaller band gap than the barrier layers are alternately arranged, and is formed of a multiple quantum well containing indium.

また、バリア層は、GaNよりなり、井戸層は、InxGa1-xN(0<x<1)よりなり、多重量子井戸のペア数は、例えば、6〜11程度である。 The barrier layer is made of GaN, the well layer is made of In x Ga 1-x N (0 <x <1), and the number of pairs of multiple quantum wells is about 6 to 11, for example.

また、井戸層の厚さは、例えば、2〜3nmであり、バリア層の厚さは、例えば、15〜18nmである。   Moreover, the thickness of a well layer is 2-3 nm, for example, and the thickness of a barrier layer is 15-18 nm, for example.

また、基板は、c面(0001),0.25°オフのサファイア(α-Al23)基板であっても良い。 The substrate may be a c-plane (0001), 0.25 ° off sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrate.

n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記非極性面に垂直な非極性面であることが望ましい。   The n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a nonpolar plane having a hexagonal crystal structure as a main surface for crystal growth, and the lateral growth plane of the n-type semiconductor layer 12 is the nonpolar plane. A vertical non-polar surface is desirable.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のm面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記m面に垂直なa面であることが望ましい。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a hexagonal crystal m-plane as the main plane for crystal growth, and the lateral growth plane of the n-type semiconductor layer 12 is the m-plane. It is desirable that the a-plane be perpendicular to.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のa面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記a面に垂直なm面であることが望ましい。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a hexagonal crystal a-plane as a main surface for crystal growth, and the lateral growth plane of the n-type semiconductor layer 12 is the a-plane. It is desirable that the m-plane be perpendicular to.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記半極性面に垂直なa面若しくはm面であることが望ましい。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a semipolar plane of hexagonal crystal structure as a main plane for crystal growth, and the lateral growth plane of the n-type semiconductor layer 12 has An a-plane or m-plane perpendicular to the polar plane is desirable.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、m面若しくはa面であることが望ましい。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a hexagonal crystal polar surface as a main surface for crystal growth, and the lateral growth surface of the n-type semiconductor layer 12 has an m-plane or The a-plane is desirable.

(反射積層膜を備える構造例)
図1の構造において、さらに透明電極15上に反射積層膜28を配置することで、図9に示すように、活性層13で発生した光を、反射積層膜28で有効に反射させることができる。
(Structural example with a reflective laminated film)
In the structure of FIG. 1, by further disposing the reflective laminated film 28 on the transparent electrode 15, the light generated in the active layer 13 can be effectively reflected by the reflective laminated film 28 as shown in FIG. 9. .

さらに、図9の構造では、基板10上に配置した保護膜18によって、活性層13で発生した光を、基板10側に有効に取り出すことができる。   Further, in the structure of FIG. 9, the light generated in the active layer 13 can be effectively extracted to the substrate 10 side by the protective film 18 disposed on the substrate 10.

異種基板上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、さらに窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。   A substrate in which a protective film 18 having a different refractive index is partially formed on a different substrate is prepared, and a nitride-based semiconductor is directly epitaxially grown on the above substrate to form a light emitting element, thereby forming an epitaxial growth layer-substrate interface. Irregularities can be formed, light scattering and diffraction occur, and light extraction efficiency is improved.

また、基板の加工が不要なため、コスト・工程的にも負担が少なく、生産性も優れている。   Further, since processing of the substrate is unnecessary, there is little burden in terms of cost and process, and productivity is excellent.

保護膜18の窓部分から直接エピタキシャル成長を行うことで、エピタキシャル成長プロセスを一度に統合できる。   By performing epitaxial growth directly from the window portion of the protective film 18, the epitaxial growth process can be integrated at once.

保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。   Since the lateral growth (ELO) is performed so as to cover the protective film 18, the threading dislocations of the crystal can be bent, and the crystallinity is also improved.

一方、図9と対比した本発明の比較例に係る半導体発光素子においては、図10に示すように、サファイア基板10とバッファ層16或いはn型半導体層12からなるエピタキシャル成長層との界面において、屈折率の差が大きいために、全反射の角度が大きい。サファイア基板の屈折率は、約n=1.7〜1.8程度であるのに対して、GaN層の屈折率は約n=2.5程度であるためである。   On the other hand, in the semiconductor light emitting device according to the comparative example of the present invention compared with FIG. 9, as shown in FIG. Since the difference in rate is large, the angle of total reflection is large. This is because the refractive index of the sapphire substrate is about n = 1.7 to 1.8, whereas the refractive index of the GaN layer is about n = 2.5.

(詳細構造例)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図11に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置され活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。
(Detailed structure example)
As shown in FIG. 11, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment is disposed on the substrate 10, the protective film 18 disposed on the substrate 10, and the substrate 10 sandwiched between the protective films 18. Buffer layer 16, disposed on buffer layer 16 and protective film 18, n-type semiconductor layer 12 doped with n-type impurities, and disposed on n-type semiconductor layer 12, having a lower concentration than n-type semiconductor layer 12 The n-type impurity is added to the block layer 17, the active layer 13 disposed on the block layer 17, the p-type semiconductor layer 14 disposed on the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14. The transparent electrode 15 is provided.

活性層13は、図11(b)に示すように、バリア層311〜31n、310とそのバリア層311〜31n、310よりバンドギャップが小さい井戸層321〜32nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層13に含まれる第1バリア層311〜第nバリア層31nを総称して「バリア層31」という。また、活性層13に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層32」という。   As shown in FIG. 11B, the active layer 13 has a laminated structure in which barrier layers 311 to 31n and 310 and well layers 321 to 32n having smaller band gaps than the barrier layers 311 to 31n and 310 are alternately arranged. Have. Hereinafter, the first barrier layer 311 to the n-th barrier layer 31n included in the active layer 13 are collectively referred to as “barrier layer 31”. Also, all well layers included in the active layer 13 are collectively referred to as “well layers 32”.

上記の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚は、その最終バリア層310以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層311〜第nバリア層31n)の厚さより厚く形成されていてもよい。   The film thickness of the final barrier layer 310 in the uppermost layer of the stacked structure is larger than the thicknesses of the other barrier layers (the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n) included in the stacked structure other than the final barrier layer 310. It may be formed.

図11に示した半導体発光素子では、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 11, the concentration of the p-type dopant in the final barrier layer 310 extends from the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 14 along the film thickness direction of the final barrier layer 310. There is no p-type dopant on the second main surface that gradually decreases and faces the first main surface.

基板10には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層12、活性層13及びp型半導体層14はそれぞれIII族窒化物系半導体からなり、基板10上に保護膜18を形成後、バッファ層16、n型半導体層12、ブロック層17、活性層13及びp型半導体層14が順次積層される。   As the substrate 10, for example, a c-plane (0001), 0.25 ° off sapphire substrate or the like can be used. The n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 are each made of a group III nitride semiconductor. After forming the protective film 18 on the substrate 10, the buffer layer 16, the n-type semiconductor layer 12, and the block layer 17. The active layer 13 and the p-type semiconductor layer 14 are sequentially stacked.

(保護膜)
保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい材料であることが必要である。例えば、保護膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などで形成する。
(Protective film)
The protective film 18 is transparent to the emission wavelength, and the refractive index of the protective film 18 needs to be a material substantially equal to the refractive index of the substrate 10. For example, the protective film is formed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a titanium oxide film, an alumina film, or the like.

サファイア基板(n=1.7〜1.8)の場合、保護膜18としては、SiO2(n=1.46)、SiNx(n=2.05)、TiOx(n=1.8)、Al23(n=1.7〜1.8)などを適用することができる。 In the case of a sapphire substrate (n = 1.7 to 1.8), the protective film 18 includes SiO 2 (n = 1.46), SiN x (n = 2.05), TiO x (n = 1.8). ), Al 2 O 3 (n = 1.7 to 1.8) or the like can be applied.

保護膜18のサイズとしては、例えば、幅最大約10μm程度で、厚さは、例えば約100nm以上、1μm程度が望ましい。保護膜18の形状は、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、選択横方向エピタキシャル成長(ELO)を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ELOを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるa面、m面を考慮して、選択する。   As the size of the protective film 18, for example, the maximum width is about 10 μm, and the thickness is preferably about 100 nm or more and about 1 μm, for example. The shape of the protective film 18 is preferably a pattern shape that does not inhibit selective lateral epitaxial growth (ELO), such as a triangle, a rhombus, a hexagon, a circle, and a stripe. In particular, in order to perform ELO, the direction of the pattern is selected in consideration of the a-plane and m-plane which are lateral growth planes.

基板10の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、保護膜18とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。   When light is extracted from the back surface of the substrate 10 or the upper surface of the epitaxial growth layer, irregularities are generated at the interface between the protective film 18 and the epitaxial growth layer, so that the light is scattered or diffracted and totally reflected by the difference in refractive index between the epitaxial growth layer and the heterogeneous substrate interface. The light that has been emitted is efficiently extracted outside.

(AlNバッファ層)
バッファ層16は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層16を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
(AlN buffer layer)
The buffer layer 16 is formed of, for example, an AlN layer having a thickness of about 10 to 50 angstroms. When the AlN buffer layer 16 is crystal-grown, for example, it is grown at a high temperature in the temperature range of about 900 ° C. to 950 ° C.

トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。 By supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber using H 2 gas as a carrier, a thin AlN buffer layer 16 having a thickness of about 10 to 50 Å can be grown at a high speed. And can be formed while maintaining good crystallinity.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16および保護膜18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the crystallinity and surface morphology of the group III nitride semiconductor formed on the high temperature AlN buffer layer 16 and the protective film 18 can be improved.

(ブロック層)
n型半導体層12と活性層13間に配置されたブロック層17は、例えばn型不純物としてSiを1×1017cm-3未満で不純物添加した膜厚約200nm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
(Block layer)
The block layer 17 disposed between the n-type semiconductor layer 12 and the active layer 13 is a group III nitride semiconductor having a thickness of about 200 nm doped with Si as an n-type impurity at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3. For example, a GaN layer can be employed.

図11に示した半導体発光素子では、例えばn型半導体層12にSiが3×1018cm-3程度不純物添加された場合に、Siが約8×1016cm-3程度不純物添加されたブロック層17をn型半導体層12と活性層13間に配置することにより、活性層13の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散を防止できる。 In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 11, for example, when Si is doped with about 3 × 10 18 cm −3 in the n-type semiconductor layer 12, Si is doped with about 8 × 10 16 cm −3. By disposing the layer 17 between the n-type semiconductor layer 12 and the active layer 13, the diffusion of Si from the n-type semiconductor layer 12 to the active layer 13 in the process of forming the active layer 13 and the manufacturing process after that process can be prevented. .

つまり、活性層13内にSiが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層13で発光させるためにn型半導体層12とp型半導体層14間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層12から活性層13に供給された電子が活性層13を通過してp型半導体層14に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。   That is, Si does not diffuse into the active layer 13, and a decrease in luminance of light generated in the active layer 13 is prevented. Further, when a bias is applied between the n-type semiconductor layer 12 and the p-type semiconductor layer 14 to cause the active layer 13 to emit light, electrons supplied from the n-type semiconductor layer 12 to the active layer 13 cause the active layer 13 to An overflow that passes through and reaches the p-type semiconductor layer 14 can be prevented, and a decrease in luminance of light output from the semiconductor light emitting element can be prevented.

ブロック層17のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層17のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層12から供給された電子が活性層13を超えてp型半導体層14までオーバーフローし、p型半導体層14内で正孔と再結合してしまい、活性層13中での再結合の割合が減少し、活性層13で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層17のSi濃度が低すぎる場合は、n型半導体層12から活性層13へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層17のSi濃度は、約5×1016〜1×1017cm-3未満であることが好ましい。 The Si concentration of the block layer 17 is less than 1 × 10 17 cm −3 . This is because, when the Si concentration of the block layer 17 is too high, electrons supplied from the n-type semiconductor layer 12 overflow the active layer 13 and reach the p-type semiconductor layer 14. This is because recombination occurs, the recombination rate in the active layer 13 decreases, and the luminance of light generated in the active layer 13 decreases. On the other hand, when the Si concentration of the block layer 17 is too low, the carrier density of electrons injected from the n-type semiconductor layer 12 into the active layer 13 cannot be increased. Therefore, the Si concentration of the block layer 17 is preferably about 5 × 10 16 to less than 1 × 10 17 cm −3 .

以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、n型半導体層12と活性層13間にブロック層17を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図11に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。   As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the block layer 17 is disposed between the n-type semiconductor layer 12 and the active layer 13, thereby allowing the n-type semiconductor layer 12 during the manufacturing process. Diffusion of Si from the active layer 13 to the active layer 13 and overflow of electrons from the n-type semiconductor layer 12 to the p-type semiconductor layer 14 during light emission can be prevented, and the luminance of light output from the semiconductor light-emitting element can be reduced. Can be prevented. As a result, deterioration of the quality of the semiconductor light emitting element shown in FIG. 11 can be prevented.

(n型半導体層)
n型半導体層12は、電子を活性層13に供給し、p型半導体層14は、正孔(ホール)を活性層13に供給する。供給された電子及び正孔が活性層13で再結合することにより、光が発生する。
(N-type semiconductor layer)
The n-type semiconductor layer 12 supplies electrons to the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 supplies holes (holes) to the active layer 13. Light is generated by the recombination of the supplied electrons and holes in the active layer 13.

n型半導体層12は、シリコン(Si)等のn型不純物を不純物添加した膜厚1〜6μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。   The n-type semiconductor layer 12 may be a group III nitride semiconductor having a thickness of about 1 to 6 μm doped with an n-type impurity such as silicon (Si), such as a GaN layer.

保護膜18を介して窒化物半導体からなるn型半導体層12を異種基板10上へ直接エピタキシャル成長させる。保護膜18を埋めるため、途中から条件を横方向成長を促進させる条件に変える。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、横方向成長(ELO)による貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。   The n-type semiconductor layer 12 made of a nitride semiconductor is directly epitaxially grown on the heterogeneous substrate 10 through the protective film 18. In order to fill the protective film 18, the condition is changed from the middle to a condition that promotes lateral growth. In order to promote the lateral growth, for example, the pressure of the gas system during crystal growth may be changed. As a first step, for example, after growth of about 1 μm at about 1050 ° C. and about 100 Torr, for example, about 1.5 μm can be grown at about 1050 ° C. and about 200 Torr, for example. By forming the n-type semiconductor layer 12 in this way, lateral growth can be promoted together with the effect of reducing threading dislocation density by lateral growth (ELO).

保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。   Since the lateral growth (ELO) is performed so as to cover the protective film 18, the threading dislocations of the crystal can be bent, and the crystallinity is also improved.

さらに、n型半導体層12を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図6に示すように、4層構造のn型半導体層12(121、122、123、124)を形成することもできる。このようにすることによって、n型半導体層12の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。   Furthermore, the pressure and growth temperature conditions for forming the n-type semiconductor layer 12 can be changed to divide into several steps. For example, as shown in FIG. 12 (121, 122, 123, 124) can also be formed. By doing so, the surface morphology of the n-type semiconductor layer 12 is improved, and the crystallinity can be improved.

(p型半導体層)
p型半導体層14は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
(P-type semiconductor layer)
The p-type semiconductor layer 14 may be a group III nitride semiconductor having a thickness of about 0.05 to 1 μm doped with p-type impurities, such as a GaN layer. As the p-type impurity, magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), calcium (Ca), beryllium (Be), carbon (C), or the like can be used.

p型半導体層14の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層14は、図11(a)に示すように、活性層13の上部に配置され,p型不純物を含む第1窒化物系半導体層41と、第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42と、第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44とを備える。   A configuration example of the p-type semiconductor layer 14 is as follows in more detail. That is, as shown in FIG. 11A, the p-type semiconductor layer 14 is disposed on the active layer 13, and includes a first nitride-based semiconductor layer 41 including a p-type impurity, and a first nitride-based semiconductor layer. 41, a second nitride-based semiconductor layer 42 containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer 41, and a second nitride-based semiconductor layer 42. , A third nitride-based semiconductor layer 43 containing a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer 42, and the third nitride-based semiconductor layer 43 disposed on the third nitride-based semiconductor layer 43. And a fourth nitride semiconductor layer 44 containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the system semiconductor layer 43.

第2窒化物系半導体層42の厚さは、第1窒化物系半導体層41、或いは第3窒化物系半導体層43乃至第4窒化物系半導体層44の厚さよりも厚く形成される。   The thickness of the second nitride-based semiconductor layer 42 is formed to be greater than the thickness of the first nitride-based semiconductor layer 41 or the third nitride-based semiconductor layer 43 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44.

ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層13の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層41は、例えばMgを不純物添加された約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成される。 Here, the material and thickness of each layer will be specifically described. The first nitride semiconductor layer 41 containing p-type impurities disposed on the active layer 13 is, for example, a p-type GaN layer of about 2 × 10 20 cm −3 and about 50 nm thick doped with Mg. Formed with.

第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42は、例えばMgを不純物添加された約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成される。 The second nitride semiconductor layer 42 disposed on the first nitride semiconductor layer 41 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride semiconductor layer 41 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 4 × 10 19 cm −3 and about 100 nm thick.

第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。 The third nitride-based semiconductor layer 43 disposed on the second nitride-based semiconductor layer 42 and containing a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer 42 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 1 × 10 20 cm −3 and about 40 nm thick.

第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。 The fourth nitride semiconductor layer 44 disposed on the third nitride semiconductor layer 43 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 43 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 8 × 10 19 cm −3 and about 10 nm thick.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。   In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-type semiconductor layer 14 formed on the active layer 13 made of a multiple quantum well containing indium has a four-layer structure with different Mg concentrations as described above. It consists of a p-type GaN layer and is doped at the above concentration. The p-type GaN layer is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 13.

活性層13に一番近い第1窒化物系半導体層41は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   The first nitride semiconductor layer 41 closest to the active layer 13 has a higher emission intensity as the Mg concentration is higher. Therefore, the higher the Mg concentration, the better.

第2窒化物系半導体層42は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。 The second nitride-based semiconductor layer 42 has a Mg concentration of about 10 19 cm −3 because the crystal defects due to Mg increase and the resistance of the film increases when Mg is excessively doped. It is desirable.

第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層42よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。   The third nitride-based semiconductor layer 43 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 13, and is therefore preferably set to a slightly higher Mg concentration than the second nitride-based semiconductor layer 42.

第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。 The fourth nitride-based semiconductor layer 44 is a p-type GaN layer for making ohmic contact with the transparent electrode 15 and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al is used as the transparent electrode 15, Mg when the forward voltage V f of the semiconductor light emitting element is lowered most is used. Mg is added to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 so as to have a concentration.

p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層13に近い第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型GaN層を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。 When four p-type GaN layers are grown, the third nitride semiconductor layer 43 and the fourth nitride semiconductor layer 44 close to the p-side electrode 100 need to increase the hole concentration in the film. Increase the amount of H 2 gas in the carrier gas. Further, the first nitride semiconductor layer 41 and the second nitride semiconductor layer 42 close to the active layer 13 do not need to increase the amount of H 2 gas in the carrier gas, and the active layer 13 is made of N 2 carrier gas. The crystal is grown by the extension of the growth. When these p-type GaN layers are grown, a film having a lower resistance can be grown by increasing the V / III ratio as much as possible, and the forward voltage (V f ) of the light emitting element can be lowered.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-type semiconductor layer is formed at a low temperature to reduce the thermal damage to the active layer, to reduce the forward voltage (V f ), and to improve the luminous efficiency. Can be improved.

(活性層)
活性層13は、図11(b)に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層13は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
(Active layer)
As shown in FIG. 11B, the active layer 13 includes a first well layer 321 to an nth well layer 32n sandwiched between a first barrier layer 311 to an nth barrier layer 31n and a final barrier layer 310, respectively. It is a quantum well (MQW) structure (n: natural number). That is, the active layer 13 has a quantum well structure in which a well layer 32 is sandwiched between barrier layers 31 having a larger band gap than the well layer 32 in a unit pair structure, and this unit pair structure is stacked n times. Have

具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層13の第1バリア層311は、n型半導体層12上にブロック層17を介して配置され、活性層13の最終バリア層310上にはp型半導体層14(41〜44)が配置される。   Specifically, the first well layer 321 is disposed between the first barrier layer 311 and the second barrier layer 312, and the second well layer 322 is disposed between the second barrier layer 312 and the third barrier layer 313. The The nth well layer 32n is disposed between the nth barrier layer 31n and the final barrier layer 310. The first barrier layer 311 of the active layer 13 is disposed on the n-type semiconductor layer 12 via the block layer 17, and the p-type semiconductor layer 14 (41 to 44) is disposed on the final barrier layer 310 of the active layer 13. Is done.

井戸層321〜32nは、例えばInxGa1-xN(0<x<1)層によって形成され、バリア層311〜31n,310は、例えばGaN層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、6〜11であることを特徴とする。なお、井戸層321〜32nのインジウム(In)の比率{x/(1−x)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。 The well layers 321 to 32n are formed by, for example, In x Ga 1-x N (0 <x <1) layers, and the barrier layers 311 to 31n and 310 are formed by, for example, GaN layers. The number of pairs of the multiple quantum well layers is, for example, 6 to 11. The indium (In) ratio {x / (1-x)} of the well layers 321 to 32n is appropriately set according to the wavelength of light to be generated.

また、井戸層321〜32nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層311〜31nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度である。   Further, the thickness of the well layers 321 to 32n is, for example, about 2 to 3 nm, preferably about 2.8 nm, and the thickness of the barrier layers 311 to 31n is about 7 to 18 nm, preferably about It is about 16.5 nm.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13内のMQWペア数を最適化することができる。   In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the active layer for efficiently recombining the electrons supplied from the n-type semiconductor layer 12 and the holes supplied from the p-type semiconductor layer 14 in the active layer 13. The number of MQW pairs in 13 can be optimized.

(最終バリア層)
最終バリア層310の膜厚は、p型半導体層14から活性層13へのMgの拡散距離より厚く形成される。
(Final barrier layer)
The final barrier layer 310 is formed thicker than the Mg diffusion distance from the p-type semiconductor layer 14 to the active layer 13.

図11に示した半導体発光素子の例では、最終バリア層310のp型不純物の濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が実質的に存在しない。   In the example of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 11, the concentration of the p-type impurity in the final barrier layer 310 is from the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 14 in the film thickness direction of the final barrier layer 310. The p-type impurity is substantially absent in the second main surface that gradually decreases along the second main surface and faces the first main surface.

図11に示した半導体発光素子の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が、活性層13の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層14から最終バリア層310に拡散するp型不純物が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。 The film thickness d 0 of the final barrier layer 310 of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 11 is such that the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 14 to the active layer 13 after the step of forming the p-type semiconductor layer 14 It is set so as not to reach the well layer 32 of the active layer 13. That is, the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 14 to the final barrier layer 310 is a second main surface (the final barrier layer 310 is a well) facing the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 14. The film thickness d 0 is set to a thickness that does not reach the surface) that contacts the layer 32n.

p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は、約1016cm-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。 The Mg concentration on the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 14 is, for example, about 2 × 10 20 cm −3 , and the second concentration of the final barrier layer 310 facing the first main surface is about 2 × 10 20 cm −3 . The Mg concentration gradually decreases toward the main surface, and the Mg concentration does not have an influence of less than about 10 16 cm −3 at a distance of about 7 to 8 nm from the first main surface, and is below the detection lower limit in the analysis. Become.

即ち、最終バリア層310の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層310の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層13と接する最終バリア層310の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。 That is, by setting the film thickness d 0 of the final barrier layer 310 to about 10 nm, Mg does not diffuse to the second main surface of the final barrier layer 310, and therefore, the first barrier layer 310 in contact with the active layer 13 is not diffused. 2 Mg does not exist on the main surface. That is, Mg does not diffuse into the n-th well layer 32n, and a reduction in the luminance of light generated in the active layer 13 is prevented.

なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層12から活性層13に注入される正孔が第n井戸層32nに到達し、第n井戸層32nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層13中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層310の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は約2〜3nm程度である。 The film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n may be the same. However, the thicknesses d1 to dn are such that holes injected from the n-type semiconductor layer 12 into the active layer 13 reach the n-th well layer 32n, and light is emitted by recombination of electrons and holes in the n-th well layer 32n. It is necessary to set a thickness that can be generated. This is because if the film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n are too thick, the movement of holes in the active layer 13 is hindered and the light emission efficiency is lowered. For example, the film thickness d 0 of the final barrier layer 310 is about 10 nm, the film thicknesses d 1 to dn of the first barrier layer 311 to the n-th barrier layer 31 n are about 7 to 18 nm, and the first well layers 321 to 321 The film thickness of the n-th well layer 32n is about 2 to 3 nm.

以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層14に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図11に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層310の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層13全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層14から活性層13の井戸層32へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。 As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the film thickness d 0 of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 14 diffuses from the p-type semiconductor layer 14 to the active layer 13. The thickness is set such that the p-type impurity does not reach the well layer 32 of the active layer 13. In other words, according to the semiconductor light emitting device shown in FIG. 11, by setting the film thickness d 0 of the final barrier layer 310 to be greater than the Mg diffusion distance, the increase in the film thickness of the entire active layer 13 is suppressed, while p. The diffusion of p-type impurities from the type semiconductor layer 14 to the well layer 32 of the active layer 13 can be prevented. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor light emitting device in which the light luminance is not lowered due to the diffusion of the p-type impurity into the well layer 32 and the deterioration of the quality of the semiconductor light emitting device is suppressed.

(変形例)
図12(a)は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図あって、半導体発光素子部分の模式的断面構造図、図12(b)は、活性層部分の拡大された模式的断面構造図を示す。
(Modification)
FIG. 12A is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting element according to a modification of the first embodiment, and is a schematic cross-sectional structure diagram of the semiconductor light-emitting element part, and FIG. The schematic cross-sectional structure figure by which the part was expanded is shown.

第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図12に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置された活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。   As shown in FIG. 12, the semiconductor light emitting device according to the modified example of the first embodiment is formed on a substrate 10, a protective film 18 disposed on the substrate 10, and a substrate 10 sandwiched between the protective films 18. The n-type semiconductor layer 12 disposed on the buffer layer 16, the buffer layer 16 and the protective film 18, doped with an n-type impurity, and the n-type semiconductor layer 12. Block layer 17 doped with n-type impurities at a lower concentration, active layer 13 disposed on block layer 17, p-type semiconductor layer 14 disposed on active layer 13, and p-type semiconductor layer 14 And a transparent electrode 15 disposed on the top.

第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、活性層13の上部に配置されたp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と、第4窒化物系半導体層上に配置され、透明電極15とを備える。   The semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment is disposed on the third nitride semiconductor layer 43 including the p-type impurity disposed on the active layer 13 and the third nitride semiconductor layer. A fourth nitride-based semiconductor layer containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer, and a transparent electrode 15 disposed on the fourth nitride-based semiconductor layer. .

また、透明電極15は、GaもしくはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度まで不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。 The transparent electrode 15 includes any one of ZnO doped with impurities of Ga or Al up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 , ITO, or ZnO containing indium.

第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の構造上、p型半導体層14が、活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され、第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44からなる2層構造に形成されている。   The semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment has a third structure in which the p-type semiconductor layer 14 is directly disposed on the active layer 13 due to the structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. Nitride-based semiconductor layer 43 and a fourth nitride-based semiconductor layer that is disposed on third nitride-based semiconductor layer 43 and contains a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of third nitride-based semiconductor layer 43 A two-layer structure consisting of 44 is formed.

活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。 The third nitride semiconductor layer 43 disposed directly on the active layer 13 is formed of, for example, a p-type GaN layer of about 1 × 10 20 cm −3 doped with Mg and having a thickness of about 40 nm. .

第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。 The fourth nitride semiconductor layer 44 disposed on the third nitride semiconductor layer 43 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 43 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 8 × 10 19 cm −3 and about 10 nm thick.

第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる2層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。   In the semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment, the p-type semiconductor layer 14 formed on the active layer 13 made of a multiple quantum well containing indium has two different Mg concentrations as described above. It consists of a p-type GaN layer with a layer structure and is doped at the above-mentioned concentration. The p-type GaN layer is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 13.

活性層13に一番近い第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   Since the third nitride semiconductor layer 43 closest to the active layer 13 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 13, the higher the Mg concentration, the higher the emission intensity. For this reason, the higher the Mg concentration, the better.

第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。 The fourth nitride-based semiconductor layer 44 is a p-type GaN layer for making ohmic contact with the transparent electrode 15 and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al is used as the transparent electrode 15, Mg when the forward voltage V f of the semiconductor light emitting element is lowered most is used. Mg is added to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 so as to have a concentration.

p型GaN層を2層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。或いはまた、活性層13に近い第3窒化物系半導体層43は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。 When growing two p-type GaN layers, the third nitride-based semiconductor layer 43 and the fourth nitride-based semiconductor layer 44 close to the p-side electrode 100 need to increase the hole concentration in the film. Increase the amount of H 2 gas in the carrier gas. Alternatively, the third nitride-based semiconductor layer 43 close to the active layer 13 does not need to increase the amount of H 2 gas in the carrier gas, and the active layer 13 is grown by the N 2 carrier gas, so that the third nitride semiconductor layer 43 is crystallized. It may be grown.

第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においても、基板10上に配置された保護膜18、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12、ブロック層17、活性層13、p型半導体層14、最終バリア層310、反射積層膜28および電極構造は本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。   Also in the semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment, the protective film 18 disposed on the substrate 10, the buffer layer 16 disposed on the substrate 10 sandwiched between the protective films 18, the buffer layer 16, and The n-type semiconductor layer 12, the block layer 17, the active layer 13, the p-type semiconductor layer 14, the final barrier layer 310, the reflective laminated film 28, and the electrode structure which are disposed on the protective film 18 and doped with n-type impurities are Since it is the same as that of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the invention, the description thereof is omitted.

第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16および保護膜18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment and the modification thereof, the crystallinity and surface morphology of the group III nitride semiconductor formed on the high temperature AlN buffer layer 16 and the protective film 18 can be improved. it can.

また、低温でp型半導体層14を形成して活性層13への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Vfを低下させ、発光効率を向上させることができる。 In addition, the p-type semiconductor layer 14 can be formed at a low temperature to reduce thermal damage to the active layer 13 and to reduce the forward voltage V f to improve the light emission efficiency.

また、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13のMQWペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。   Further, the number of MQW pairs in the active layer 13 for efficiently recombining the electrons supplied from the n-type semiconductor layer 12 and the holes supplied from the p-type semiconductor layer 14 in the active layer 13 is optimized, and the light emission efficiency is improved. Can be improved.

また、p型半導体層14から井戸層へのp型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができ、n型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフロー、及びn型半導体層12から活性層13へのn型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができる。   Further, the diffusion of p-type impurities from the p-type semiconductor layer 14 to the well layer can be suppressed, and the light emission efficiency can be improved. The overflow of electrons from the n-type semiconductor layer 12 to the p-type semiconductor layer 14 and the n-type The diffusion of n-type impurities from the semiconductor layer 12 to the active layer 13 can be suppressed, and the light emission efficiency can be improved.

また、p型半導体層14から水素原子を取り除くアニール工程が不要な半導体発光素子を提供することができ、反射積層膜により外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することもできる。   In addition, it is possible to provide a semiconductor light-emitting device that does not require an annealing step for removing hydrogen atoms from the p-type semiconductor layer 14, and to provide a semiconductor light-emitting device with improved external light emission efficiency by a reflective laminated film.

GaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。シミュレーション結果より、φ5μmの円形もしくは格子状の保護膜18のパターンにおいて、40°〜60°のテーパ角度をつけると、光取り出し効率が1.5倍向上する。   A flip chip structure that is a path for extracting light from the GaN layer side to the outside through the sapphire substrate 10 is particularly effective in that the external light emission efficiency can be improved. From the simulation results, when the taper angle of 40 ° to 60 ° is set in the circular or lattice-like protective film 18 having a diameter of 5 μm, the light extraction efficiency is improved 1.5 times.

異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上するだけでなく、エピタキシャル成長層の品質も向上する。   A substrate in which a protective film 18 having a partially different refractive index is formed on a different substrate 10 is prepared, and a nitride-based semiconductor is directly epitaxially grown on the substrate to form a light emitting element. Unevenness can be formed at the substrate interface, light scattering / diffraction occurs, and not only the light extraction efficiency is improved, but also the quality of the epitaxial growth layer is improved.

(結晶成長面方位)
図13は、第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子に適用されるIII族窒化物半導体の結晶面について説明するための模式図であって、図13(a)は、III族窒化物半導体の結晶構造のc面、a面、m面を示す模式図、図13(b)は、半極性面{10−11}を説明するための模式図、図13(c)は、半極性面{10−13}を説明するための模式図、図13(d)は、III族原子と窒素原子の結合を示す模式図をそれぞれ示す。
(Crystal growth plane orientation)
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a crystal plane of a group III nitride semiconductor applied to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment and its modification, and FIG. FIG. 13B is a schematic diagram for explaining the semipolar plane {10-11}, and FIG. 13C is a schematic diagram showing the c-plane, a-plane, and m-plane of the crystal structure of the group nitride semiconductor. FIG. 13D is a schematic diagram for explaining the semipolar plane {10-13}, and FIG. 13D is a schematic diagram showing a bond between a group III atom and a nitrogen atom.

III族窒化物系半導体の結晶構造は、図13(a)乃至図13(d)に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して4つの窒素原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。   As shown in FIGS. 13A to 13D, the crystal structure of a group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system, and four nitrogen atoms are included in one group III atom. Are connected. The four nitrogen atoms are located at the four vertices of a regular tetrahedron with a group III atom arranged in the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is located in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are located on the −c axis side with respect to the group III atom. Due to such a structure, in the group III nitride semiconductor, the polarization direction is along the c-axis.

c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。   The c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal is the c-plane {0001}. When a group III nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c plane, the + c axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the −c axis side plane (−c plane) ) Is a crystal plane with nitrogen atoms. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.

+c面と−c面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、+c面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−c面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。   Since the + c plane and the −c plane are different crystal planes, different physical properties are exhibited accordingly. Specifically, it is known that the + c surface has high durability against chemical reactions such as resistance to alkali, and conversely, the −c surface is chemically weak and is soluble in alkali, for example.

一方、六角柱の側面がそれぞれm面{10−10}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11−20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図13(b)および図13(c)に示すように、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面{10−11}や{10−13}は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、{10−1−1}面、{10−1−3}面、{11−22}面などの面である。   On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes {10-10}, respectively, and the planes passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other are a-planes {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, as shown in FIGS. 13B and 13C, crystal planes {10-11} and {10-13} that are inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) are Since it crosses diagonally with respect to the polarization direction, it is a slightly polar plane, that is, a semipolar plane. Specific examples of other semipolar planes are planes such as {10-1-1} plane, {10-1-3} plane, {11-22} plane.

例えば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、[0001]方向および[11−20]方向の両方に関する方位誤差が±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面としたGaN単結晶基板が得られる。   For example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface can be produced by cutting from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and the orientation error with respect to both the [0001] direction and the [11-20] direction is within ± 1 ° (preferably ± 0.3 °). Within). In this way, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface is obtained.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、上記六方晶構造の各面を結晶主面として用いることができ、MOCVD法などによって、半導体発光素子を形成することができる。   The semiconductor light emitting device according to the first embodiment can use each surface of the hexagonal crystal structure as a crystal main surface, and can form a semiconductor light emitting device by MOCVD or the like.

第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子においては、例えば、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の非極性面に垂直な非極性面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。   In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment and its modification, for example, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a non-polar plane with a hexagonal crystal structure as the main crystal growth. The pattern shape of the protective film 18 is preferably selected so that the lateral growth surface of the n-type semiconductor layer 12 is a nonpolar surface perpendicular to the nonpolar surface.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のm面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のm面に垂直なa面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。   Alternatively, in the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14, the m-plane of the hexagonal crystal structure is a main surface for crystal growth, and the lateral growth surface of the n-type semiconductor layer 12 is the above m-plane. The pattern shape of the protective film 18 may be selected so as to be an a-plane perpendicular to the plane.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のa面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のa面に垂直なm面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。   Alternatively, in the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14, the a-plane of the hexagonal crystal structure is a main surface for crystal growth, and the lateral growth surface of the n-type semiconductor layer 12 is the above-described a The pattern shape of the protective film 18 may be selected so that the m-plane is perpendicular to the plane.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の半極性面に垂直なa面若しくはm面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a hexapolar structure semipolar plane as the main plane for crystal growth, and the lateral growth plane of the n-type semiconductor layer 12 is The pattern shape of the protective film 18 may be selected so as to be an a-plane or m-plane perpendicular to the semipolar plane.

或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、m面若しくはa面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。   Alternatively, the n-type semiconductor layer 12, the active layer 13, and the p-type semiconductor layer 14 have a hexagonal crystal polar surface as a main surface for crystal growth, and the lateral growth surface of the n-type semiconductor layer 12 has an m-plane or The pattern shape of the protective film 18 may be selected so as to be the a-plane.

(電極構造)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図14に示すように、n型半導体層12に電圧を印加するn側電極200、300と、p型半導体層14に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図14に示すように、p型半導体層14、活性層13、ブロック層17、及びn型半導体層12の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層12の表面に、n側電極200が配置される。
(Electrode structure)
As shown in FIG. 14, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes n-side electrodes 200 and 300 that apply a voltage to the n-type semiconductor layer 12 and a p-side that applies a voltage to the p-type semiconductor layer 14. An electrode 100 is further provided. As shown in FIG. 14, the p-type semiconductor layer 14, the active layer 13, the block layer 17, and a partial region of the n-type semiconductor layer 12 are exposed on the n-type semiconductor layer 12 by mesa etching. An electrode 200 is disposed.

p側電極100は、p型半導体層14上に透明電極15を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層14上に直接配置されていても良い。第4窒化物系半導体層44上に配置される透明電極15は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。   The p-side electrode 100 is disposed on the p-type semiconductor layer 14 via the transparent electrode 15. Alternatively, the p-side electrode 100 may be disposed directly on the p-type semiconductor layer 14. The transparent electrode 15 disposed on the fourth nitride-based semiconductor layer 44 includes, for example, any of ZnO, ITO, or ZnO containing indium.

n側電極200、300は、例えばアルミニウム(Al)膜、Ti/Ni/AuまたはAl/Ti/Au,Al/Ni/Au,Al/Ti/Ni/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au/Ni/Alの多層膜からなり、p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Auの多層膜からなる。そして、n側電極200、300はn型半導体層12に、p側電極100は、透明電極15を介してp型半導体層14に、それぞれオーミック接続される。   The n-side electrodes 200 and 300 are, for example, an aluminum (Al) film, a multilayer film of Ti / Ni / Au or Al / Ti / Au, Al / Ni / Au, Al / Ti / Ni / Au, or Au—Sn from the upper layer. The p-side electrode 100 is made of, for example, an Al film, a palladium (Pd) -gold (Au) alloy film, a Ni / Ti / Au multilayer film, or an Au- It consists of a multilayer film of Sn / Ti / Au. The n-side electrodes 200 and 300 are ohmically connected to the n-type semiconductor layer 12, and the p-side electrode 100 is ohmically connected to the p-type semiconductor layer 14 via the transparent electrode 15.

図15は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。   FIG. 15 shows that the height of the surface of the p-side electrode 100 and the surface of the n-side electrode 300 measured from the substrate 10 is substantially the same in order to mount the semiconductor light emitting device according to the first embodiment on the flip chip structure. It is formed to be high.

図15の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。   The structure of FIG. 15 includes a structure in which a transparent conductive film ZnO is formed as the transparent electrode 15 and this ZnO is covered with a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of the emitted light.

反射積層膜28はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有する。積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al23などを用いることもできる。 The reflective laminated film 28 has a laminated structure of λ / 4n 1 and λ / 4n 2 (n 1 and n 2 are the refractive indices of the laminated layers). As a material used for the laminated structure, for example, a laminated structure made of ZrO 2 (n = 2.12) and SiO 2 (n = 1.46) can be used for blue light with λ = 450 nm. In this case, the thickness of each layer is, for example, about 53 nm for ZrO 2 and about 77 nm for SiO 2 . As another material for forming the laminated structure, TiO 2 , Al 2 O 3 or the like can be used.

第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜28により活性層13内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく、基板10側から外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the light emitted in the active layer 13 by the reflective laminated film 28 can be extracted outside from the substrate 10 side without being absorbed by the p-side electrode 100. Therefore, the external luminous efficiency can be improved.

前述の通り、GaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。   As described above, the flip chip structure that is a path for extracting light from the GaN layer side to the outside through the sapphire substrate 10 is particularly effective in that the external light emission efficiency can be improved. A substrate in which a protective film 18 having a partially different refractive index is formed on a different substrate 10 is prepared, and a nitride-based semiconductor is directly epitaxially grown on the substrate to form a light emitting element. Unevenness can be formed on the substrate interface, light scattering and diffraction occur, and light extraction efficiency is improved.

(製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図2乃至図8に示すように、基板10を準備する工程と、基板10上に保護膜18を形成する工程と、保護膜18をパターニングし、基板10を露出する工程と、保護膜18に挟まれ,露出された基板10および保護膜18上にn型不純物をドープされたn型半導体層12を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、n型半導体層12上に活性層13を形成する工程と、活性層13上にp型不純物をドープされたp型半導体層14を形成する工程とを有する。
(Production method)
As shown in FIGS. 2 to 8, the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a step of preparing a substrate 10, a step of forming a protective film 18 on the substrate 10, and a protective film 18. And exposing the substrate 10 and forming the n-type semiconductor layer 12 doped with n-type impurities on the exposed substrate 10 and the protective film 18 by lateral epitaxial growth. And a step of forming an active layer 13 on the n-type semiconductor layer 12 and a step of forming a p-type semiconductor layer 14 doped with a p-type impurity on the active layer 13.

また、基板10を露出する工程後、保護膜18に挟まれ, 露出された基板10上にバッファ層16を形成する工程をさらに有する。   Further, after the step of exposing the substrate 10, the method further includes a step of forming the buffer layer 16 on the exposed substrate 10 sandwiched between the protective films 18.

また、n型半導体層12を横方向エピタキシャル成長により形成する工程は、横方向エピタキシャル成長時において、第1の圧力にて形成する工程と、第1の圧力よりも高い第2の圧力にて形成する工程とを有する。   The step of forming the n-type semiconductor layer 12 by lateral epitaxial growth includes the step of forming at a first pressure and the step of forming at a second pressure higher than the first pressure during the lateral epitaxial growth. And have.

以下、図2〜図8を参照して、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を説明する。以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板10にサファイア基板を適用する例を説明する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 8, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be described. The manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the substrate 10 will be described.

(a)まず、図2に示すように、サファイア基板10を準備し、サファイア基板10上に保護膜18を形成後、パターンニングし、基板10の表面を露出する。 (A) First, as shown in FIG. 2, a sapphire substrate 10 is prepared, a protective film 18 is formed on the sapphire substrate 10, and then patterned to expose the surface of the substrate 10.

保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい材料である、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを化学的気相堆積法(CVD:Chemical Vapor Deposition)、或いはスパッタリングなどの物理的気相堆積法(PVD:Physical Vapor Deposition)により形成する。   The protective film 18 is transparent to the emission wavelength, and the refractive index of the protective film 18 is a material that is substantially equal to the refractive index of the substrate 10, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, A titanium oxide film, an alumina film, or the like is formed by chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) such as sputtering.

保護膜18のパターンサイズとしては、例えば、幅最大約10μm程度で、厚さは、例えば約100nm程度以上、1μm程度が望ましい。保護膜18の形状は、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、横方向選択エピタキシャル成長(ELOG)を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ELOGを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるa面、m面を考慮して、選択する。基板10の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、保護膜18とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。   As the pattern size of the protective film 18, for example, the maximum width is about 10 μm, and the thickness is preferably about 100 nm or more and about 1 μm, for example. The shape of the protective film 18 is preferably a pattern shape that does not hinder lateral selective epitaxial growth (ELOG), such as a triangle, a rhombus, a hexagon, a circle, and a stripe. In particular, in order to perform ELOG, the direction of the pattern is selected in consideration of the a-plane and m-plane which are lateral growth planes. When light is extracted from the back surface of the substrate 10 or the upper surface of the epitaxial growth layer, irregularities are generated at the interface between the protective film 18 and the epitaxial growth layer, so that the light is scattered or diffracted and totally reflected by the refractive index difference between the epitaxial growth layer and the heterogeneous substrate interface. The light that has been emitted is efficiently extracted outside.

(b)次に、図3に示すように、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等で露出されたサファイア基板10上にAlNバッファ層16を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、短時間に成長させる。 (B) Next, as shown in FIG. 3, an AlN buffer layer 16 is grown on the sapphire substrate 10 exposed by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. For example, by supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber using H 2 gas as a carrier at a high temperature of about 900 ° C. to 950 ° C., the thickness is about 10 to 50 Å. A thin AlN buffer layer 16 is grown in a short time.

(c)次に、図4に示すように、AlNバッファ層16上に、MOCVD法などにより、n型半導体層12となるGaN層を成長させる。例えば、AlNバッファ層16を形成した基板10をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層16上に、n型不純物を不純物添加したn型半導体層12を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層12には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層12を形成する。図4中に示すように、n型半導体層12となるGaN層中には、貫通転位20が発生している。 (C) Next, as shown in FIG. 4, a GaN layer to be the n-type semiconductor layer 12 is grown on the AlN buffer layer 16 by MOCVD or the like. For example, after the substrate 10 on which the AlN buffer layer 16 is formed is thermally cleaned, the substrate temperature is set to about 1000 ° C., and the n-type semiconductor layer 12 doped with n-type impurities on the AlN buffer layer 16 is set to 1 Grow about ~ 5 μm. As the n-type semiconductor layer 12, for example, a GaN film doped with Si as an n-type impurity at a concentration of about 3 × 10 18 cm −3 can be used. When adding Si as an impurity, trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ), and silane (SiH 4 ) are supplied as source gases to form the n-type semiconductor layer 12. As shown in FIG. 4, threading dislocations 20 are generated in the GaN layer that becomes the n-type semiconductor layer 12.

(d)次に、図5に示すように、横方向選択エピタキシャル成長(ELO)によって、n型半導体層12を形成する。横方向選択エピタキシャル成長面であるm面若しくはa面上に横方向選択エピタキシャル成長層が形成されて、図5中のベクトルLA、LB方向にn型半導体層12が、横方向に選択エピタキシャル成長される。結果として、貫通転位20も曲げられて、保護膜18の中央部LO近傍において左右からの選択エピタキシャル成長面が合体し、同時に貫通転位20もつながる。 (D) Next, as shown in FIG. 5, the n-type semiconductor layer 12 is formed by lateral selective epitaxial growth (ELO). A lateral selective epitaxial growth layer is formed on the m-plane or a-plane which is the lateral selective epitaxial growth surface, and the n-type semiconductor layer 12 is selectively epitaxially grown in the lateral direction in the vectors LA and LB in FIG. As a result, the threading dislocations 20 are also bent, and the selective epitaxial growth surfaces from the left and right are merged in the vicinity of the central portion LO of the protective film 18, and the threading dislocations 20 are also connected at the same time.

保護膜18を埋めるため、途中からピタキシャル成長条件を横方向成長を促進させる条件に変えても良い。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、ELOによる貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。   In order to fill the protective film 18, the epitaxial growth condition may be changed from the middle to a condition that promotes lateral growth. In order to promote the lateral growth, for example, the pressure of the gas system during crystal growth may be changed. As a first step, for example, after growth of about 1 μm at about 1050 ° C. and about 100 Torr, for example, about 1.5 μm can be grown at about 1050 ° C. and about 200 Torr, for example. By forming the n-type semiconductor layer 12 in this way, lateral growth can be promoted together with the effect of reducing threading dislocation density by ELO.

保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。   Since the lateral growth (ELO) is performed so as to cover the protective film 18, the threading dislocations of the crystal can be bent, and the crystallinity is also improved.

さらに、n型半導体層12を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図6に示すように、4層構造のn型半導体層12(121、122、123、124)を形成することもできる。このようにすることによって、n型半導体層12の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。   Furthermore, the pressure and growth temperature conditions for forming the n-type semiconductor layer 12 can be changed to divide into several steps. For example, as shown in FIG. 12 (121, 122, 123, 124) can also be formed. By doing so, the surface morphology of the n-type semiconductor layer 12 is improved, and the crystallinity can be improved.

例えば、保護膜18のパターンをストライプ状に形成する場合、ストライプは、<11−20>または<1−100>方向とし、保護膜18の幅を約1〜4μm程度、繰り返しの周期を例えば約7μm程度とする。この上に、HVPE法により、1000℃でn型半導体層12となるGaNを成長する。HVPE法では、GaClとNH3を反応させてGaNを成長する。ストライプ方向が<11−20>の場合に、GaNの成長は、まず保護膜18の開口部では、最初(0001)方向の成長により、基板面に対して傾斜した{1−101}面をファセットとする三角形断面の形状が生じる。次に、ファセットを保持したまま、保護膜18上で横方向の成長が、隣接した成長部が合体するまで進む。合体後は、さらに表面が平坦化するように成長が進み、(0001)面を有する完全に平坦な成長層が得られる。ストライプが<1−100>方向のパターンでは、{11−22}面がファセットとなるが、同様の成長層が得られる。 For example, when the pattern of the protective film 18 is formed in a stripe shape, the stripe is in the <11-20> or <1-100> direction, the width of the protective film 18 is about 1 to 4 μm, and the repetition period is about, for example, about The thickness is about 7 μm. On top of this, GaN to be the n-type semiconductor layer 12 is grown at 1000 ° C. by HVPE. In the HVPE method, GaCl and NH 3 are reacted to grow GaN. In the case where the stripe direction is <11-20>, the growth of GaN is first faceted in the opening of the protective film 18 by the {1-101} plane inclined with respect to the substrate surface by the growth in the first (0001) direction. A triangular cross-sectional shape is generated. Next, while maintaining the facet, the lateral growth on the protective film 18 proceeds until adjacent growth portions merge. After the coalescence, the growth proceeds so that the surface is further flattened, and a completely flat growth layer having a (0001) plane is obtained. In the pattern in which the stripe is in the <1-100> direction, the {11-22} plane is faceted, but a similar growth layer is obtained.

上記の例は一例であって、他のパターンおよびパターン方向も適用可能である。また、結晶成長の主面は上記の例では、極性面の例を説明しているが、非極性面、半極性面を適用することも可能である。   The above example is an example, and other patterns and pattern directions are also applicable. In addition, in the above example, the example of the polar plane is described as the main plane of crystal growth, but a nonpolar plane or a semipolar plane can also be applied.

(e)次に、n型半導体層12上にブロック層17として、Siを1×1017cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜を例えば、約200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層12を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。 (E) Next, as the block layer 17 on the n-type semiconductor layer 12, a GaN film doped with Si at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3 , for example, about 8 × 10 16 cm −3 , for example, Grow about 200 nm. At this time, the same source gas as in the case of forming the n-type semiconductor layer 12 can be applied.

(f)次に、図7に示すように、活性層13をn型半導体層12上に形成する。例えば、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層13が形成される。具体的には、活性層13を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層13が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。 (F) Next, as shown in FIG. 7, the active layer 13 is formed on the n-type semiconductor layer 12. For example, the active layer 13 is formed by alternately laminating barrier layers 31 made of GaN films and well layers 32 made of InGaN films. Specifically, the barrier layer 31 and the well layer 32 are alternately and continuously grown while adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas when forming the active layer 13, and the barrier layer 31 and the well layer 32 are laminated. An active layer 13 is formed. That is, the step of laminating the well layer 32 and the barrier layer 31 having a larger band gap than the well layer 32 by adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas is defined as a unit step, and this unit step is repeated n times, for example, about 8 times. Thus, a stacked structure in which the barrier layers 31 and the well layers 32 are alternately stacked is obtained.

バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、NH3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、NH3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。 In the case of forming the barrier layer 31, for example, TMG gas and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus for film formation as source gases. On the other hand, when forming the well layer 32, for example, TMG gas, trimethylindium (TMI) gas, and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus as source gases. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.

形成された積層構造上に、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、図1或いは図11に示した活性層13が形成される。既に説明したように、最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型ドーパンドが活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。 On the formed laminated structure, a non-doped GaN film of about 10 nm is formed as the final barrier layer 310 to form the active layer 13 shown in FIG. 1 or FIG. As already described, the film thickness d 0 of the final barrier layer 310 is set to such a thickness that the p-type dopant diffused from the p-type semiconductor layer 14 to the active layer 13 does not reach the well layer 32 of the active layer 13.

(g)次いで、図8に示すように、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層310上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層14を0.05〜1μm程度形成する。 (G) Next, as shown in FIG. 8, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 900 ° C., and the p-type semiconductor layer 14 doped with p-type impurities on the final barrier layer 310 is about 0.05 to 1 μm. Form.

p型半導体層14は、例えばp型不純物としてMgを不純物添加した4層構造に形成する。活性層13の上部に配置される第1窒化物系半導体層41は、約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成し、第2窒化物系半導体層42は、約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成し、第3窒化物系半導体層43は、例えば約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成し、第4窒化物系半導体層44は、約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成する。 The p-type semiconductor layer 14 is formed, for example, in a four-layer structure in which Mg is added as a p-type impurity. The first nitride-based semiconductor layer 41 disposed on the active layer 13 is formed of a p-type GaN layer having a thickness of about 2 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 50 nm, and the second nitride-based semiconductor layer 42 is formed. Is formed of a p-type GaN layer having a thickness of about 4 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 100 nm. The third nitride semiconductor layer 43 has a thickness of about 1 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 40 nm, for example. The fourth nitride semiconductor layer 44 is formed of a p-type GaN layer having a thickness of about 8 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 10 nm.

Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層14(41〜44)を形成する。p型半導体層14(41〜44)の形成時にp型半導体層14(41〜44)から活性層13にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層13の井戸層32に拡散することが防止される。 When Mg is added as an impurity, TMG gas, NH 3 gas and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas are supplied as source gases to form the p-type semiconductor layers 14 (41 to 44). Mg is diffused from the p-type semiconductor layer 14 (41 to 44) to the active layer 13 during the formation of the p-type semiconductor layer 14 (41 to 44), but the final barrier layer 310 causes Mg to enter the well layer 32 of the active layer 13. It is prevented from spreading.

(h)次に、p型半導体層14の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極15を形成する。透明電極15としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019 〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。 (H) Next, the transparent electrode 15 is formed on the p-type semiconductor layer 14 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. As the transparent electrode 15, for example, any one of ZnO, ITO, or ZnO containing indium can be used. Further, an n-type impurity such as Ga or Al may be added at a high concentration up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 .

(i)次に、図9に示すように、透明電極15をパターニング後、透明電極15を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。 (I) Next, as shown in FIG. 9, after patterning the transparent electrode 15, a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of the emitted light is formed so as to cover the transparent electrode 15 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. To do.

(j)次いで、反射積層膜28およびp型半導体層14〜n型半導体層12の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型半導体層12の表面を露出させる。 (J) Next, the reflective laminated film 28 and the middle of the p-type semiconductor layer 14 to the n-type semiconductor layer 12 are removed by mesa etching using an etching technique such as reactive ion etching (RIE). Then, the surface of the n-type semiconductor layer 12 is exposed.

(k)次に、露出したn型半導体層12の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層14上の透明電極15に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図9、図14或いは図15に示した半導体発光素子が完成する。 (K) Next, n-side electrodes 200 and 300 are formed on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 12 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. Also on the transparent electrode 15 on the p-type semiconductor layer 14, the p-side electrode 100 is formed by vapor deposition or sputtering after pattern formation, and the semiconductor light emitting device shown in FIG. 9, FIG. 14 or FIG. 15 is completed. .

第1の実施の形態によれば、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。   According to the first embodiment, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency and a method for manufacturing the same.

[第2の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、図16(a)に示すように、基板10と、基板10上に配置されたAlNバッファ層16と、AlNバッファ層16上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層25と、n型半導体層25上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層60と、活性層60上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層80とを備える。
[Second Embodiment]
(Element structure)
As shown in FIG. 16A, the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention is disposed on the substrate 10, the AlN buffer layer 16 disposed on the substrate 10, and the AlN buffer layer 16. And an n-type semiconductor layer 25 composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) doped with an n-type impurity, and disposed on the n-type semiconductor layer 25, and Al x Ga 1-x A barrier layer composed of an N layer (0 <x <1) and a well layer composed of an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) having a smaller band gap than the barrier layer Active layer 60 having a multi-quantum well having a laminated structure in which Al is alternately arranged, and an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) arranged on active layer 60 and doped with p-type impurities. And a p-type semiconductor layer 80.

活性層60は、図16(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層611〜61n、610とバリア層611〜61n、610よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層621〜62nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層60に含まれる第1バリア層611〜第nバリア層61nを総称して「バリア層61」という。また、活性層60に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層62」という。 As shown in FIG. 16B, the active layer 60 has a band gap formed by barrier layers 611 to 61n and 610 made of Al x Ga 1-x N layers (0 <x <1) and barrier layers 611 to 61n and 610. Has a stacked structure in which well layers 621 to 62n composed of Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately arranged. Hereinafter, the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n included in the active layer 60 are collectively referred to as “barrier layer 61”. Also, all well layers included in the active layer 60 are collectively referred to as “well layers 62”.

上記の積層構造の最上層の最終バリア層610の膜厚は、その最終バリア層610以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層611〜第nバリア層61n)の厚さより厚く形成されていてもよい。   The film thickness of the final barrier layer 610 as the uppermost layer in the stacked structure is thicker than the thicknesses of the other barrier layers (the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n) included in the stacked structure other than the final barrier layer 610. It may be formed.

図16に示した半導体発光素子では、最終バリア層610のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面から最終バリア層610の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 16, the concentration of the p-type dopant in the final barrier layer 610 extends from the first main surface of the final barrier layer 610 in contact with the p-type semiconductor layer 80 along the film thickness direction of the final barrier layer 610. There is no p-type dopant on the second main surface that gradually decreases and faces the first main surface.

基板10には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層25、活性層60及びp型半導体層80はそれぞれAlGaN層からなり、基板10上にバッファ層16、n型窒化物系半導体層2、n型コンタクト層19、活性層60及びp型半導体層80が順次積層される。   As the substrate 10, for example, a c-plane (0001), 0.25 ° off sapphire substrate or the like can be used. The n-type semiconductor layer 25, the active layer 60, and the p-type semiconductor layer 80 are each made of an AlGaN layer, and the buffer layer 16, the n-type nitride semiconductor layer 2, the n-type contact layer 19, the active layer 60 and the p-type are formed on the substrate 10. The type semiconductor layers 80 are sequentially stacked.

(AlNバッファ層)
バッファ層16は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層16を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
(AlN buffer layer)
The buffer layer 16 is formed of, for example, an AlN layer having a thickness of about 10 to 50 angstroms. When the AlN buffer layer 16 is crystal-grown, for example, it is grown at a high temperature in the temperature range of about 900 ° C. to 950 ° C.

トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。 By supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber using H 2 gas as a carrier, a thin AlN buffer layer 16 having a thickness of about 10 to 50 Å can be grown at a high speed. And can be formed while maintaining good crystallinity.

(n型半導体層)
n型半導体層25は、図16(a)に示すように、AlNバッファ層16上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型窒化物系半導体層2と、n型窒化物系半導体層2上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型コンタクト層19とを備える。
(N-type semiconductor layer)
As shown in FIG. 16A, the n-type semiconductor layer 25 is disposed on the AlN buffer layer 16 and is formed from an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) doped with an n-type impurity. N-type nitride-based semiconductor layer 2 and n-type nitride-based semiconductor layer 2 and an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) doped with n-type impurities. A mold contact layer 19.

n型窒化物系半導体層2には、シリコン(Si)等のn型不純物が不純物添加され、膜厚は、例えば、約1〜6μm程度である。   The n-type nitride semiconductor layer 2 is doped with an n-type impurity such as silicon (Si), and the film thickness is, for example, about 1 to 6 μm.

n型窒化物系半導体層2は、電子を活性層60に供給し、p型半導体層80は、正孔(ホール)を活性層60に供給する。供給された電子及び正孔が活性層60で再結合することにより、光が発生する。   The n-type nitride semiconductor layer 2 supplies electrons to the active layer 60, and the p-type semiconductor layer 80 supplies holes (holes) to the active layer 60. Light is generated by the recombination of the supplied electrons and holes in the active layer 60.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16上、AlN層に比較的近い格子定数を有するAlxGa1-xN層(0<x<1)をに形成することから、n型半導体層25の結晶性および表面モフォロジーを改善することができ、かつ発光波長に対する透明性を向上することができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) having the lattice constant relatively close to the AlN layer is formed on the high temperature AlN buffer layer 16. Thus, the crystallinity and surface morphology of the n-type semiconductor layer 25 can be improved, and the transparency to the emission wavelength can be improved.

(活性層)
活性層60は、図16(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなる第1バリア層611〜第nバリア層61n及び最終バリア層610でそれぞれ挟まれたAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる第1井戸層621〜第n井戸層62nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層60は、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層62を井戸層62よりもバンドギャップの大きなAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
(Active layer)
As shown in FIG. 16B, the active layer 60 includes a first barrier layer 611 to an nth barrier layer 61 n and a final barrier layer 610 each made of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1). Multiple quantum well (MQW) structure having a first well layer 621 to an n-th well layer 62n composed of sandwiched Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) (N: natural number). In other words, the active layer 60, Al x In y Ga 1- xy N layer (0 <x ≦ y <1 , 0 <x + y <1) well layer 62 made of a band gap than the well layer 62 large Al x Ga A quantum well structure sandwiched between barrier layers 61 composed of 1-x N layers (0 <x <1) is used as a unit pair structure, and this unit pair structure is stacked n times.

具体的には、第1井戸層621は第1バリア層611と第2バリア層612の間に配置され、第2井戸層622は第2バリア層612と第3バリア層613の間に配置される。そして、第n井戸層62nは第nバリア層61nと最終バリア層610の間に配置される。活性層60の第1バリア層611は、n型窒化物系半導体層2上にn型コンタクト層19を介して配置され、活性層60の最終バリア層610上にはp型半導体層80(21,22,81〜84)が配置される。   Specifically, the first well layer 621 is disposed between the first barrier layer 611 and the second barrier layer 612, and the second well layer 622 is disposed between the second barrier layer 612 and the third barrier layer 613. The The nth well layer 62n is disposed between the nth barrier layer 61n and the final barrier layer 610. The first barrier layer 611 of the active layer 60 is disposed on the n-type nitride-based semiconductor layer 2 via the n-type contact layer 19, and the p-type semiconductor layer 80 (21 on the final barrier layer 610 of the active layer 60). , 22, 81-84) are arranged.

また、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなる第1バリア層611〜第nバリア層61nと、第1バリア層611〜第nバリア層61n及び最終バリア層610でそれぞれ挟まれたAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる第1井戸層621〜第n井戸層62nには、いずれもn型不純物が不純物添加されていても良い。例えば、n型不純物としてSi原子が、例えば約5×1016程度不純物添加されていても良い。 In addition, the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n made of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1), the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n, and the final barrier layer 610, respectively. Each of the first well layer 621 to the n-th well layer 62n composed of sandwiched Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) contains n-type impurities. Impurities may be added. For example, Si atoms may be added as n-type impurities, for example, about 5 × 10 16 impurities.

また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、2〜8であることを特徴とする。なお、井戸層621〜62nのインジウム(In)の比率{y/(1−x―y)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。   In addition, the number of pairs of multiple quantum well layers is, for example, 2 to 8. The indium (In) ratio {y / (1-xy)} of the well layers 621 to 62n is appropriately set according to the wavelength of light to be generated.

例えば、Inの組成比yは、約0.15程度、Alの組成比は、例えば、約0.01〜0.1程度である。   For example, the In composition ratio y is about 0.15, and the Al composition ratio is about 0.01 to 0.1, for example.

また、井戸層621〜62nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層611〜61nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度である。   The thickness of the well layers 621 to 62n is, for example, about 2-3 nm, preferably about 2.8 nm, and the thickness of the barrier layers 611-61n is about 7-18 nm, preferably about It is about 16.5 nm.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層25から供給される電子と、p型半導体層80から供給されるホールが活性層60において効率よく再結合するための活性層60内のMQWペア数を最適化することができる。   In the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the active layer for efficiently recombining the electrons supplied from the n-type semiconductor layer 25 and the holes supplied from the p-type semiconductor layer 80 in the active layer 60. The number of MQW pairs in 60 can be optimized.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子においては、活性層60として、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層62と、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)よりもバンドギャップの大きなAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61を有することから、発光波長に対する透明性を向上し、かつその後の高温プロセスに対する熱ダメージに対する耐性を向上することができる。 In the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the active layer 60 includes a well layer 62 made of an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1). A barrier comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) having a larger band gap than the Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) Since the layer 61 is provided, it is possible to improve the transparency with respect to the emission wavelength and to improve the resistance against thermal damage to the subsequent high-temperature process.

(最終バリア層)
最終バリア層610の膜厚は、p型半導体層80から活性層60へのMgの拡散距離より厚く形成される。
(Final barrier layer)
The final barrier layer 610 is formed thicker than the Mg diffusion distance from the p-type semiconductor layer 80 to the active layer 60.

図16に示した半導体発光素子では、最終バリア層610のp型不純物の濃度が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面から最終バリア層610の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が実質的に存在しない。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 16, the concentration of the p-type impurity in the final barrier layer 610 extends from the first main surface of the final barrier layer 610 in contact with the p-type semiconductor layer 80 along the film thickness direction of the final barrier layer 610. The p-type impurity is substantially absent in the second main surface that gradually decreases and faces the first main surface.

図16に示した半導体発光素子の最終バリア層610の膜厚d0は、p型半導体層80の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層80から活性層60に拡散するp型不純物が、活性層60の井戸層62に達しないように設定される。つまり、p型半導体層80から最終バリア層610に拡散するp型不純物が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層610が井戸層62nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。 The film thickness d 0 of the final barrier layer 610 of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 16 is such that the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 80 to the active layer 60 in the step of forming the p-type semiconductor layer 80 and the subsequent steps is It is set so as not to reach the well layer 62 of the active layer 60. That is, the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 80 to the final barrier layer 610 is a second main surface (the final barrier layer 610 is a well) facing the first main surface of the final barrier layer 610 in contact with the p-type semiconductor layer 80. The film thickness d 0 is set to a thickness that does not reach the surface contacting the layer 62n.

p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層610の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は、約1016cm-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。 The Mg concentration on the first main surface of the final barrier layer 610 in contact with the p-type semiconductor layer 80 is, for example, about 2 × 10 20 cm −3 , and the second concentration of the final barrier layer 610 facing the first main surface is about 2 × 10 20 cm −3 . The Mg concentration gradually decreases toward the main surface, and the Mg concentration does not have an influence of less than about 10 16 cm −3 at a distance of about 7 to 8 nm from the first main surface, and is below the detection lower limit in the analysis. Become.

即ち、最終バリア層610の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層610の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層60と接する最終バリア層610の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層62n内にMgが拡散せず、活性層60で発生する光の輝度の低下が防止される。 That is, by setting the film thickness d 0 of the final barrier layer 610 to about 10 nm, Mg does not diffuse to the second main surface of the final barrier layer 610, and therefore the first barrier layer 610 in contact with the active layer 60 is not diffused. 2 Mg does not exist on the main surface. That is, Mg does not diffuse into the n-th well layer 62n, and a reduction in the luminance of light generated in the active layer 60 is prevented.

なお、第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層25から活性層60に注入される正孔が第n井戸層62nに到達し、第n井戸層62nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層60中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層610の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層621〜第n井戸層62nの膜厚は約2〜3nm程度である。 The film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n may be the same. However, the thicknesses d1 to dn are such that holes injected from the n-type semiconductor layer 25 into the active layer 60 reach the n-th well layer 62n, and light is emitted by recombination of electrons and holes in the n-th well layer 62n. It is necessary to set a thickness that can be generated. This is because if the film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 611 to the nth barrier layer 61n are too thick, the movement of holes in the active layer 60 is hindered and the light emission efficiency is lowered. For example, the film thickness d 0 of the final barrier layer 610 is about 10 nm, the film thicknesses d 1 to dn of the first barrier layer 611 to the n-th barrier layer 61 n are about 7 to 18 nm, and the first well layers 621 to 621 The film thickness of the nth well layer 62n is about 2 to 3 nm.

以上に説明したように、第2の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層80に接する最終バリア層610の膜厚d0が、p型半導体層80から活性層60に拡散するp型不純物が活性層60の井戸層62に到達しない厚さに設定される。つまり、図16に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層610の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層60全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層80から活性層60の井戸層62へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層62へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。 As described above, in the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the film thickness d 0 of the final barrier layer 610 in contact with the p-type semiconductor layer 80 diffuses from the p-type semiconductor layer 80 to the active layer 60. The thickness is set such that the p-type impurity does not reach the well layer 62 of the active layer 60. That is, according to the semiconductor light emitting device shown in FIG. 16, by setting the film thickness d 0 of the final barrier layer 610 to be larger than the Mg diffusion distance, the increase in the film thickness of the entire active layer 60 is suppressed, while p. The diffusion of p-type impurities from the type semiconductor layer 80 to the well layer 62 of the active layer 60 can be prevented. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor light emitting device in which the light luminance is not lowered due to the diffusion of the p-type impurity into the well layer 62 and the deterioration of the quality of the semiconductor light emitting device is suppressed.

(p型半導体層)
p型半導体層80は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のAlxGa1-xN層(0≦x<1)によって形成される。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
(P-type semiconductor layer)
The p-type semiconductor layer 80 is formed of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) having a thickness of about 0.05 to 1 μm doped with p-type impurities. As the p-type impurity, magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), calcium (Ca), beryllium (Be), carbon (C), or the like can be used.

p型半導体層80の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層80は、図16(a)に示すように、活性層60の上部に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層21と、電子バリア層21上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層22と、電子キャップ層22上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第1窒化物系半導体層81と、第1窒化物系半導体層81上に配置され、第1窒化物系半導体層81のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第2窒化物系半導体層82と、第2窒化物系半導体層82上に配置され、第2窒化物系半導体層82のp型不純物よりも高濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第3窒化物系半導体層83と、第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第4窒化物系半導体層84とを備える。 A configuration example of the p-type semiconductor layer 80 is as follows in more detail. That is, as shown in FIG. 16A, the p-type semiconductor layer 80 is disposed on the active layer 60 and is an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with p-type impurities. ), An electron cap layer 22 formed on the electron barrier layer 21 and made of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity, A first nitride-based semiconductor layer 81 which is disposed on the cap layer 22 and includes an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity; and a first nitride-based semiconductor layer A second layer comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1), which is disposed on 81 and doped with a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer 81. The nitride-based semiconductor layer 82 and the second nitride-based semiconductor layer 82 are disposed on the second nitride-based semiconductor layer 82. A third nitride-based semiconductor layer 83 made of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a higher concentration of p-type impurities, and a third nitride-based semiconductor layer 83 A fourth nitride system comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) disposed and doped with a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 83 And a semiconductor layer 84.

第2窒化物系半導体層82の厚さは、第1窒化物系半導体層81、或いは第3窒化物系半導体層83乃至第4窒化物系半導体層84の厚さよりも厚く形成される。   The second nitride-based semiconductor layer 82 is formed to be thicker than the first nitride-based semiconductor layer 81 or the third nitride-based semiconductor layer 83 to the fourth nitride-based semiconductor layer 84.

ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層60の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層81は、例えばMgを不純物添加された約1.3×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。 Here, the material and thickness of each layer will be specifically described. The first nitride-based semiconductor layer 81 containing p-type impurities disposed on the active layer 60 is, for example, p-type having a thickness of about 1.3 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 40 nm doped with Mg. An Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) is formed.

第1窒化物系半導体層81上に配置され、第1窒化物系半導体層81のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層82は、例えばMgを不純物添加された約2.7×1019cm-3、厚さ約90nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。 The second nitride-based semiconductor layer 82 disposed on the first nitride-based semiconductor layer 81 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer 81 is doped with, for example, Mg. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) having a thickness of about 2.7 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 90 nm is formed.

第2窒化物系半導体層82上に配置され、第2窒化物系半導体層82のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層83は、例えばMgを不純物添加された約1.2×1020cm-3、厚さ約20nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。 The third nitride semiconductor layer 83 disposed on the second nitride semiconductor layer 82 and containing a p-type impurity at a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride semiconductor layer 82 is doped with, for example, Mg. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) having a thickness of about 1.2 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 20 nm is formed.

第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84は、例えばMgを不純物添加された約5×1019cm-3未満程度、厚さ約5nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。第4窒化物系半導体層84は、p型コンタクト層として機能する。 The fourth nitride semiconductor layer 84 disposed on the third nitride semiconductor layer 83 and containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 83 is doped with, for example, Mg. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) having a thickness of less than about 5 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 5 nm is formed. The fourth nitride semiconductor layer 84 functions as a p-type contact layer.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層60の上に形成されるp型半導体層80は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)は、活性層60への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。 In the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the p-type semiconductor layer 80 formed on the active layer 60 has a p-type Al x Ga 1-x having a four-layer structure with different Mg concentrations as described above. It consists of N layers (0 ≦ x <1) and is doped at the above concentrations. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 60.

活性層60に一番近い第1窒化物系半導体層81は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   The first nitride-based semiconductor layer 81 closest to the active layer 60 has a higher emission intensity as the Mg concentration is higher. Therefore, the higher the Mg concentration, the better.

第2窒化物系半導体層82は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。 The second nitride semiconductor layer 82 has a Mg concentration of about 10 19 cm −3 , since crystal defects due to Mg increase and the resistance of the film increases when Mg is excessively doped. It is desirable.

第3窒化物系半導体層83は、活性層60への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層82よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。   Since the third nitride semiconductor layer 83 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 60, it is desirable that the third nitride semiconductor layer 83 have a slightly higher Mg concentration than the second nitride semiconductor layer 82.

第4窒化物系半導体層84は、図17に示すように、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型AlGaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層84には、Mgが不純物添加される。 As shown in FIG. 17, the fourth nitride semiconductor layer 84 is a p-type AlGaN layer for making ohmic contact with the transparent electrode 15, and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al is used as the transparent electrode 15, Mg when the forward voltage V f of the semiconductor light emitting element is lowered most is used. Mg is added to the fourth nitride-based semiconductor layer 84 so as to have a concentration.

p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)を成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層83、第4窒化物系半導体層84は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層60に近い第1窒化物系半導体層81、第2窒化物系半導体層82は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層60をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。 When the p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) is grown, the third nitride-based semiconductor layer 83 and the fourth nitride-based semiconductor layer 84 close to the p-side electrode 100 are formed in the film. Since the hole concentration needs to be increased, the amount of H 2 gas in the carrier gas is increased. The first nitride semiconductor layer 81 and the second nitride semiconductor layer 82 close to the active layer 60 do not need to increase the amount of H 2 gas in the carrier gas, and the active layer 60 is made of N 2 carrier gas. The crystal is grown by the extension of the growth. When these p-type Al x Ga 1-x N layers (0 ≦ x <1) are grown, a film having lower resistance can be grown by increasing the V / III ratio as much as possible. The forward voltage (V f ) can be lowered.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、p型半導体層をGaN層よりもバンドギャップの広いAlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成することで、発光波長に対する透明性を向上し、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, a low temperature to form a p-type semiconductor layer to reduce the thermal damage to the active layer, the wider the p-type semiconductor layer having a band gap than the GaN layer Al x By forming the Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1), it is possible to improve the transparency with respect to the emission wavelength, reduce the forward voltage (V f ), and improve the luminous efficiency.

(電極構造)
第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、図17および図18に示すように、n型半導体層25に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層80に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図17に示すように、p型半導体層80、活性層60、及びn型コンタクト層19の一部領域をメサエッチングして露出させたn型コンタクト層19の表面に、n側電極200が配置される。
(Electrode structure)
As shown in FIGS. 17 and 18, the semiconductor light emitting device according to the second embodiment includes an n-side electrode 200 that applies a voltage to the n-type semiconductor layer 25, and a p that applies a voltage to the p-type semiconductor layer 80. A side electrode 100 is further provided. As shown in FIG. 17, the n-side electrode 200 is disposed on the surface of the n-type contact layer 19 exposed by mesa etching of the p-type semiconductor layer 80, the active layer 60, and a partial region of the n-type contact layer 19. Is done.

p側電極100は、p型半導体層80上に透明電極15を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層80上に直接配置されていても良い。或いはまた、p側電極100は、透明電極15に対して窓開けした開口部上に配置されていても良い。   The p-side electrode 100 is disposed on the p-type semiconductor layer 80 via the transparent electrode 15. Alternatively, the p-side electrode 100 may be disposed directly on the p-type semiconductor layer 80. Alternatively, the p-side electrode 100 may be disposed on an opening that is opened with respect to the transparent electrode 15.

第4窒化物系半導体層84上に配置される透明電極15は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。   The transparent electrode 15 disposed on the fourth nitride semiconductor layer 84 includes, for example, any of ZnO, ITO, or ZnO containing indium.

n側電極200は、例えばAl膜、Ti/Au/Ni膜、Al/Ti/Au膜、Al/Ni/Au膜、Al/Ti/Ni/Au膜、Al/Ni/Ti/Au膜、Al/Ni/Ti/Ni/Au膜、或いは上層からAu-Sn/Au/Ti/Ni/Al膜、Au-Sn/Au/Ni/Ti/Ni/Al膜の多層膜からなる。   The n-side electrode 200 includes, for example, an Al film, Ti / Au / Ni film, Al / Ti / Au film, Al / Ni / Au film, Al / Ti / Ni / Au film, Al / Ni / Ti / Au film, Al / Ni / Ti / Ni / Au film or a multilayer film of Au-Sn / Au / Ti / Ni / Al film and Au-Sn / Au / Ni / Ti / Ni / Al film from the upper layer.

p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Au膜、Ti/Au/Ti/Au膜、Ti/Au/Ni/Ti/Ni/Au膜、Ti/Ni/Au/Ti/Ni/Au膜の多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au膜、Au−Sn/Au膜、Au-Sn/Au/Ti/Au/Ti膜、Au−Sn/Au/Ni/Ti/Ni/Au/Ti膜、Au−Sn/Au/Ni/Ti/Au/Ni/Ti膜の多層膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層25に、p側電極100は、透明電極15を介してp型半導体層80に、それぞれオーミック接続される。   The p-side electrode 100 is, for example, an Al film, a palladium (Pd) -gold (Au) alloy film, a Ni / Ti / Au film, a Ti / Au / Ti / Au film, a Ti / Au / Ni / Ti / Ni / Au film. , A multilayer film of Ti / Ni / Au / Ti / Ni / Au film, or from the upper layer, Au-Sn / Ti / Au film, Au-Sn / Au film, Au-Sn / Au / Ti / Au / Ti film, Au -It consists of a multilayer film of Sn / Au / Ni / Ti / Ni / Au / Ti film and Au-Sn / Au / Ni / Ti / Au / Ni / Ti film. The n-side electrode 200 is ohmically connected to the n-type semiconductor layer 25, and the p-side electrode 100 is ohmically connected to the p-type semiconductor layer 80 via the transparent electrode 15.

図19は、第2の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、n側電極200上にさらにn側電極300を形成して、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。   FIG. 19 shows that the n-side electrode 300 is further formed on the n-side electrode 200 in order to mount the semiconductor light emitting device according to the second embodiment on the flip chip structure, and the surface of the p-side electrode 100 and the n-side are formed. The surface of the electrode 300 is formed so that the height measured from the substrate 10 is substantially the same.

図19の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。   The structure of FIG. 19 includes a structure in which a transparent conductive film ZnO is formed as the transparent electrode 15 and this ZnO is covered with a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of the emitted light.

また、透明電極15を、絶縁膜で被覆し、さらに、絶縁膜を発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備えていても良い。   Further, the transparent electrode 15 may be covered with an insulating film and further covered with a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of light emitted from the insulating film.

反射積層膜28はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有する。積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al23などを用いることもできる。 The reflective laminated film 28 has a laminated structure of λ / 4n 1 and λ / 4n 2 (n 1 and n 2 are the refractive indices of the laminated layers). As a material used for the laminated structure, for example, a laminated structure made of ZrO 2 (n = 2.12) and SiO 2 (n = 1.46) can be used for blue light with λ = 450 nm. In this case, the thickness of each layer is, for example, about 53 nm for ZrO 2 and about 77 nm for SiO 2 . As another material for forming the laminated structure, TiO 2 , Al 2 O 3 or the like can be used.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜28により活性層30内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく、基板10側から外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the light emitted in the active layer 30 by the reflective laminated film 28 can be extracted outside from the substrate 10 side without being absorbed by the p-side electrode 100. Therefore, the external luminous efficiency can be improved.

AlGaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜を形成した基板を作成し、その上にAlGaN層を上記の基板10へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上することも可能である。   A flip chip structure that provides a path for extracting light from the AlGaN layer side to the outside through the sapphire substrate 10 is particularly effective in that the external light emission efficiency can be improved. A substrate on which a protective film having a different refractive index is partially formed on a different substrate 10 is prepared, and an AlGaN layer is epitaxially grown on the substrate 10 on the substrate 10 to form a light emitting element, thereby forming an epitaxial growth layer-substrate interface. Unevenness can be formed, light scattering / diffraction occurs, and light extraction efficiency can be improved.

第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層25、活性層60、p型半導体層80にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上し、かつ、反射積層膜28により活性層60内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, Al is added to the n-type semiconductor layer 25, the active layer 60, and the p-type semiconductor layer 80 to reduce thermal damage and improve the transmittance with respect to the emission wavelength. In addition, since the light emitted in the active layer 60 by the reflective laminated film 28 can be extracted outside without being absorbed by the p-side electrode 100, the external light emission efficiency can be improved.

(製造方法)
以下に、図16に示した第2の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板10にサファイア基板を適用する例を説明する。
(Production method)
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment shown in FIG. 16 will be described. In addition, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the substrate 10 will be described.

(a)まず、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等で露出されたサファイア基板10上にAlNバッファ層16を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、短時間に成長させる。 (A) First, an AlN buffer layer 16 is grown on the sapphire substrate 10 exposed by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. For example, by supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber using H 2 gas as a carrier at a high temperature of about 900 ° C. to 950 ° C., the thickness is about 10 to 50 Å. A thin AlN buffer layer 16 is grown in a short time.

(b)次に、AlNバッファ層16上に、MOCVD法などにより、n型不純物が不純物添加されたn型窒化物系半導体層2を成長させる。例えば、AlNバッファ層16を形成した基板10をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層16上に、n型不純物を不純物添加したAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型窒化物系半導体層2を1〜5μm程度成長させる。n型窒化物系半導体層2には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加する。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給してn型AlxGa1-xN層(0<x<1)を形成する。 (B) Next, the n-type nitride semiconductor layer 2 doped with n-type impurities is grown on the AlN buffer layer 16 by MOCVD or the like. For example, after thermally cleaning the substrate 10 on which the AlN buffer layer 16 is formed, the substrate temperature is set to about 1000 ° C., and an Al x Ga 1-x N doped with an n-type impurity on the AlN buffer layer 16. An n-type nitride semiconductor layer 2 composed of layers (0 <x <1) is grown to about 1 to 5 μm. The n-type nitride semiconductor layer 2 is doped with, for example, Si as an n-type impurity at a concentration of about 3 × 10 18 cm −3 . When Si is added as an impurity, trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ), and silane (SiH 4 ) are supplied as source gases to form an n-type Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1). Form.

(c)次に、n型窒化物系半導体層2上に、n型コンタクト層19を、例えば約1550nm程度形成する。n型コンタクト層19には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加する。 (C) Next, an n-type contact layer 19 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 2 to a thickness of, for example, about 1550 nm. The n-type contact layer 19 is doped with, for example, Si as an n-type impurity at a concentration of about 3 × 10 18 cm −3 .

(d)次に、活性層60をn型半導体層25(2,19)上に形成する。例えば、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61とAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層62を交互に積層して、活性層60が形成される。具体的には、活性層60を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層61と井戸層62を交互に連続して成長させ、バリア層61と井戸層62が積層してなる活性層60が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層62及び井戸層62よりバンドギャップが大きいバリア層61を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層61と井戸層62が交互に積層された積層構造を得る。 (D) Next, the active layer 60 is formed on the n-type semiconductor layer 25 (2, 19). For example, a barrier layer 61 composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1). The active layers 60 are formed by alternately stacking the well layers 62. Specifically, the barrier layer 61 and the well layer 62 are alternately grown continuously while adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas when forming the active layer 60, and the barrier layer 61 and the well layer 62 are laminated. Thus, an active layer 60 is formed. That is, the step of laminating the well layer 62 and the barrier layer 61 having a larger band gap than the well layer 62 by adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas is defined as a unit step, and this unit step is repeated n times, for example, about 8 times. Thus, a laminated structure in which the barrier layers 61 and the well layers 62 are alternately laminated is obtained.

バリア層61を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、TMAガス、NH3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層62を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、TMAガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、NH3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、TMAガスはAl原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。 When the barrier layer 61 is formed, for example, TMG gas, TMA gas, and NH 3 gas are supplied as source gases to the film forming processing apparatus. On the other hand, when forming the well layer 62, for example, TMG gas, TMA gas, trimethylindium (TMI) gas, and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus as source gases. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, TMA gas is supplied as Al atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.

形成された積層構造上に、最終バリア層610としてノンドープのAlxGa1-xN層(0<x<1)を10nm程度形成して、図16または図17に示した活性層60が形成される。既に説明したように、最終バリア層610の膜厚d0は、p型半導体層80から活性層60に拡散するp型ドーパンドが活性層60の井戸層62に到達しない厚さに設定される。 On the formed laminated structure, a non-doped Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) is formed as a final barrier layer 610 to a thickness of about 10 nm, and the active layer 60 shown in FIG. 16 or FIG. 17 is formed. Is done. As already described, the film thickness d 0 of the final barrier layer 610 is set to such a thickness that the p-type dopant diffused from the p-type semiconductor layer 80 to the active layer 60 does not reach the well layer 62 of the active layer 60.

(e)次いで、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層610上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層80を0.05〜1μm程度形成する。 (E) Next, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 900 ° C., and a p-type semiconductor layer 80 doped with p-type impurities is formed on the final barrier layer 610 by about 0.05 to 1 μm.

p型不純物として、Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、TMAガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層80(21、22、81〜84)を形成する。p型半導体層80の形成時にp型半導体層80から活性層60にMgが拡散するが、最終バリア層610により、Mgが活性層60の井戸層62に拡散することが防止される。 When adding Mg as a p-type impurity, TMG gas, TMA gas, NH 3 gas and biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) gas are supplied as source gases, and the p-type semiconductor layer 80 (21 , 22, 81-84). Mg is diffused from the p-type semiconductor layer 80 to the active layer 60 when the p-type semiconductor layer 80 is formed, but the final barrier layer 610 prevents Mg from diffusing into the well layer 62 of the active layer 60.

(f)次に、p型半導体層80の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極15を形成する。透明電極15としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019 〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。 (F) Next, the transparent electrode 15 is formed on the p-type semiconductor layer 80 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. As the transparent electrode 15, for example, any one of ZnO, ITO, or ZnO containing indium can be used. Further, an n-type impurity such as Ga or Al may be added at a high concentration up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 .

(g)次に、透明電極15をパターニング後、透明電極15を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。 (G) Next, after patterning the transparent electrode 15, a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of the emitted light is formed so as to cover the transparent electrode 15 by vapor deposition, sputtering technique, or the like.

(h)次いで、反射積層膜28およびp型半導体層80〜n型半導体層25の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型コンタクト層19の表面を露出させる。 (H) Next, the reflective laminated film 28 and the middle of the p-type semiconductor layer 80 to the n-type semiconductor layer 25 are removed by mesa etching using an etching technique such as reactive ion etching (RIE). Then, the surface of the n-type contact layer 19 is exposed.

(i)次に、露出したn型コンタクト層19の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層80上の透明電極15に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図17、或いは図19に示した半導体発光素子が完成する。 (I) Next, n-side electrodes 200 and 300 are formed on the exposed surface of the n-type contact layer 19 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. Also on the transparent electrode 15 on the p-type semiconductor layer 80, the p-side electrode 100 is formed by vapor deposition, sputtering technique or the like after pattern formation, and the semiconductor light emitting device shown in FIG. 17 or FIG. 19 is completed.

(変形例)
第2の実施の形態の変形例としては、活性層60の上部に配置されたp型半導体層80として、活性層60の上部に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層21と、電子バリア層21上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層22と、電子キャップ層22上に配置されp型不純物を含む第3窒化物系半導体層83と、第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84とからなる構造を備えていても良い。
(Modification)
As a modification of the second embodiment, as a p-type semiconductor layer 80 disposed above the active layer 60, Al x Ga 1− doped with a p-type impurity is disposed above the active layer 60. An electron barrier layer 21 composed of an xN layer (0 ≦ x <1), and an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) disposed on the electron barrier layer 21 and doped with a p-type impurity An electron cap layer 22, a third nitride semiconductor layer 83 disposed on the electron cap layer 22 and containing p-type impurities, and a third nitride semiconductor disposed on the third nitride semiconductor layer 83. A structure including the fourth nitride semiconductor layer 84 containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the layer 83 may be provided.

第3窒化物系半導体層83は、例えばMgを不純物添加された約1.2×1020cm-3、厚さ約20nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。 The third nitride semiconductor layer 83 is a p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with Mg, for example, having an impurity content of about 1.2 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 20 nm. ).

第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84は、例えばMgを不純物添加された約5×1019cm-3未満、厚さ約5nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。 The fourth nitride semiconductor layer 84 disposed on the third nitride semiconductor layer 83 and containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 83 is doped with, for example, Mg. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) having a thickness of less than about 5 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 5 nm is formed.

第2の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子において、活性層60の上に形成されるp型半導体層80は、上記のように、Mg濃度の異なる構造のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)は、活性層60への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。 In the semiconductor light emitting device according to the modification of the second embodiment, the p-type semiconductor layer 80 formed on the active layer 60 has a p-type Al x Ga 1− structure with a different Mg concentration as described above. It consists of xN layers (0 ≦ x <1) and is doped at the above concentrations. The p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 60.

第3窒化物系半導体層83は、活性層60への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   Since the third nitride semiconductor layer 83 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 60, the higher the Mg concentration, the higher the emission intensity. For this reason, the higher the Mg concentration, the better.

第4窒化物系半導体層84は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層84には、Mgが不純物添加される。 The fourth nitride-based semiconductor layer 84 is a p-type Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) for making ohmic contact with the transparent electrode 15 and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al is used as the transparent electrode 15, Mg when the forward voltage V f of the semiconductor light emitting element is lowered most is used. Mg is added to the fourth nitride-based semiconductor layer 84 so as to have a concentration.

第2の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においてもAlNバッファ層16、n型半導体層25、活性層60、p型半導体層80(20、21、83,84)、最終バリア層610、反射積層膜28および電極構造は第2の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。   Also in the semiconductor light emitting device according to the modification of the second embodiment, the AlN buffer layer 16, the n-type semiconductor layer 25, the active layer 60, the p-type semiconductor layer 80 (20, 21, 83, 84), and the final barrier layer 610. Since the reflective laminated film 28 and the electrode structure are the same as those of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, description thereof will be omitted.

第2の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層、活性層、p型半導体層のすべての層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上して、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment and its modification, Al is added to all layers of the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer to reduce thermal damage and to reduce the emission wavelength. Therefore, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency and a method for manufacturing the same.

[第3の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、図20(a)に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたAlNバッファ層16と、AlNバッファ層16上および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層25と、n型半導体層25上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層60と、活性層60上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層80とを備える。
[Third embodiment]
(Element structure)
As shown in FIG. 20A, the semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention includes a substrate 10, a protective film 18 disposed on the substrate 10, and a substrate sandwiched between the protective films 18. 10 and an AlN buffer layer 16 disposed on the AlN buffer layer 16 and the protective film 18, and an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) doped with an n-type impurity. An n-type semiconductor layer 25, and a barrier layer made of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and Al x In y Ga having a smaller band gap than the barrier layer. An active layer 60 composed of multiple quantum wells having a stacked structure in which well layers composed of 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately disposed, and disposed on the active layer 60 is, Al x Ga 1-x N layer p-type impurity is added impurity (0 ≦ x <1) made of p-type half And a body layer 80.

活性層60は、図20(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層611〜61n、610とバリア層611〜61n、610よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層621〜62nが交互に配置された積層構造を有する。 As shown in FIG. 20B, the active layer 60 has a band gap formed by barrier layers 611 to 61n and 610 composed of Al x Ga 1-x N layers (0 <x <1) and barrier layers 611 to 61n and 610. Has a stacked structure in which well layers 621 to 62n composed of Al x In y Ga 1-xy N layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately arranged.

(電極構造)
第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、図21に示すように、n型半導体層25に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層80に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図21に示すように、p型半導体層80、活性層60、及びn型コンタクト層19の一部領域をメサエッチングして露出させたn型コンタクト層19の表面に、n側電極200が配置される。
(Electrode structure)
As shown in FIG. 21, the semiconductor light emitting device according to the third embodiment includes an n-side electrode 200 that applies a voltage to the n-type semiconductor layer 25 and a p-side electrode 100 that applies a voltage to the p-type semiconductor layer 80. Is further provided. As shown in FIG. 21, the n-side electrode 200 is disposed on the surface of the n-type contact layer 19 exposed by mesa etching of the p-type semiconductor layer 80, the active layer 60, and a partial region of the n-type contact layer 19. Is done.

図22は、第3の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、n側電極200上にさらにn側電極300を形成して、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。   FIG. 22 shows that the n-side electrode 300 is further formed on the n-side electrode 200 in order to mount the semiconductor light emitting device according to the third embodiment in a flip chip structure, and the surface of the p-side electrode 100 and the n-side are formed. The surface of the electrode 300 is formed so that the height measured from the substrate 10 is substantially the same.

図22の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。   The structure of FIG. 22 includes a structure in which a transparent conductive film ZnO is formed as the transparent electrode 15 and this ZnO is covered with a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of the emitted light.

また、透明電極15を、絶縁膜で被覆し、さらに、絶縁膜を発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備えていても良い。   Further, the transparent electrode 15 may be covered with an insulating film and further covered with a reflective laminated film 28 that reflects the wavelength λ of light emitted from the insulating film.

(製造方法)
第3の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に保護膜を形成する工程と、保護膜に挟まれた前記基板上にAlNバッファ層を形成する工程と、AlNバッファ層上および前記保護膜上に、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層を形成する工程と、n型半導体層上に、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に形成された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層を形成する工程と、活性層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層を形成する工程とを有する。
(Production method)
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to a third embodiment includes a step of forming a protective film on a substrate, a step of forming an AlN buffer layer on the substrate sandwiched between the protective films, and an AlN buffer layer A step of forming an n-type semiconductor layer made of an Al x Ga 1-x N layer doped with an n-type impurity (0 <x <1) on the protective film; A barrier layer composed of x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <) whose band gap is smaller than that of the barrier layer 1) a step of forming an active layer composed of multiple quantum wells having a laminated structure in which well layers composed of 1) are alternately formed, and an Al x Ga 1-x N layer doped with a p-type impurity on the active layer Forming a p-type semiconductor layer made of (0 ≦ x <1).

第3の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層、活性層、p型半導体層のすべての層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上して、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the third embodiment, Al is added to all layers of the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer to reduce thermal damage and to have transparency to the emission wavelength. Thus, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency and a method for manufacturing the same.

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1〜第3の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to the first to third embodiments and the modifications thereof. However, the discussion and the drawings that form a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

既に述べた実施の形態の説明においては、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層31と該バリア層31よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層32が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層30の例を示したが、活性層30がAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる1つの井戸層32を含み、この井戸層32とp型半導体層40間に配置された最終バリア層310の膜厚d0を、Mgの拡散距離より厚くした構造であってもよい。 In the description of the embodiment already described, the barrier layer 31 composed of the Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and the Al x In y Ga 1-xy N having a smaller band gap than the barrier layer 31. Although an example of the active layer 30 composed of multiple quantum wells having a stacked structure in which the well layers 32 composed of layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately arranged is shown, One well layer 32 composed of an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) is included, and is disposed between the well layer 32 and the p-type semiconductor layer 40. The final barrier layer 310 may have a structure in which the film thickness d 0 is thicker than the Mg diffusion distance.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments that are not described herein.

本発明の半導体発光素子は、量子井戸構造を備えたLED素子,LD素子等の窒化物系半導体素子全般に利用可能である。   The semiconductor light emitting device of the present invention can be used for all nitride semiconductor devices such as LED devices and LD devices having a quantum well structure.

本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子であって、(a) 半導体発光素子の模式的断面構造図、(b)模式的平面パターン構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a semiconductor light-emitting device concerning the 1st Embodiment of this invention, Comprising: (a) Typical sectional structure drawing of semiconductor light-emitting device, (b) Typical plane pattern block diagram. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図であって、反射積層膜を備える構造例。1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light emitting element according to a first embodiment of the present invention, and is a structural example including a reflective laminated film. 図9と対比した本発明の比較例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light emitting element according to a comparative example of the present invention compared with FIG. 9. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造図であって、(a) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a detailed schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device according to a first embodiment of the present invention, where (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device portion and (b) an enlarged active layer portion. FIG. 本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図あって、(a) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device according to a modification of the first embodiment of the present invention; (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device portion; and (b) an enlarged active layer portion. FIG. 本発明の第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子に適用されるIII族窒化物半導体の結晶面について説明するための模式図であって、(a)III族窒化物半導体の結晶構造のc面、a面、m面を示す模式図、(b)半極性面{10−11}を説明するための模式図、(c)半極性面{10−13}を説明するための模式図、(d)III族原子と窒素原子の結合を示す模式図。It is a schematic diagram for demonstrating the crystal plane of the group III nitride semiconductor applied to the semiconductor light-emitting device which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and its modification, Comprising: (a) III group nitride semiconductor Schematic diagram showing c-plane, a-plane and m-plane of crystal structure, (b) schematic diagram for explaining semipolar plane {10-11}, (c) for explaining semipolar plane {10-13} (D) The schematic diagram which shows the coupling | bonding of a group III atom and a nitrogen atom. 図11に示した本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、p側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造図。FIG. 12 is a schematic cross-sectional structure diagram formed up to a p-side electrode and an n-side electrode in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 11. フリップチップ構造を形成した本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light emitting element according to a first embodiment of the present invention in which a flip chip structure is formed. 本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図であって、(a) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention, where (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device portion, and (b) an enlarged schematic view of an active layer portion. FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子のp側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造図。The typical cross-section figure formed to the p side electrode and n side electrode of the semiconductor light-emitting device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子において、図17に対応する模式的平面パターン構成図。FIG. 18 is a schematic planar pattern configuration diagram corresponding to FIG. 17 in the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子において、フリップチップ構成による模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structure diagram of a flip chip configuration in a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図であって、(a) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention, where (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a semiconductor light-emitting device portion, and (b) an enlarged schematic view of an active layer portion. FIG. 本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子のp側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造図。The typical cross-section figure formed to the p side electrode and n side electrode of the semiconductor light-emitting device concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子において、フリップチップ構成による模式的断面構造図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram of a flip chip configuration in a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

2…n型窒化物系半導体層
10…基板(絶縁性基板)
12…n型半導体層
13…活性層
14…p型半導体層
15…透明電極
16…バッファ層
17…ブロック層
18…保護膜
19…n型コンタクト層
20…貫通転位
21…電子バリア層
22…キャップ層
25…n型半導体層
28…反射積層膜
30,60…活性層
31,311〜31n…バリア層(GaN層)
32,321〜32n…井戸層(InGaN層)
61,611〜61n…バリア層(AlGaN層)
62,621〜62n…井戸層(AlInGaN層)
40,80…p型半導体層
41,81…第1窒化物系半導体層
42,82…第2窒化物系半導体層
43,83…第3窒化物系半導体層
44,84…第4窒化物系半導体層(p型コンタクト層)
100…p側電極
121…第1のn型半導体層
122…第2のn型半導体層
123…第3のn型半導体層
124…第4のn型半導体層
200、300…n側電極
310…最終バリア層
LO…保護膜18の中央部
LA,LB…横方向選択成長方向のベクトル
2 ... n-type nitride semiconductor layer 10 ... substrate (insulating substrate)
12 ... n-type semiconductor layer 13 ... active layer 14 ... p-type semiconductor layer 15 ... transparent electrode 16 ... buffer layer 17 ... block layer 18 ... protective film 19 ... n-type contact layer 20 ... threading dislocation 21 ... electronic barrier layer 22 ... cap Layer 25... N-type semiconductor layer 28... Reflection laminated film 30, 60... Active layer 31, 311 to 31 n.
32, 321-32n ... well layer (InGaN layer)
61,611-61n ... barrier layer (AlGaN layer)
62,621-62n ... well layer (AlInGaN layer)
40, 80 ... p-type semiconductor layers 41, 81 ... first nitride semiconductor layers 42, 82 ... second nitride semiconductor layers 43, 83 ... third nitride semiconductor layers 44, 84 ... fourth nitride systems Semiconductor layer (p-type contact layer)
100 ... p-side electrode 121 ... first n-type semiconductor layer 122 ... second n-type semiconductor layer 123 ... third n-type semiconductor layer 124 ... fourth n-type semiconductor layer 200, 300 ... n-side electrode 310 ... Final barrier layer LO... Center portion LA, LB of protective film 18.

Claims (20)

基板と、
前記基板上に配置された保護膜と、
前記保護膜に挟まれた前記基板および前記保護膜上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
A protective film disposed on the substrate;
An n-type semiconductor layer disposed on the substrate and the protective film sandwiched between the protective films and doped with an n-type impurity;
An active layer disposed on the n-type semiconductor layer;
A semiconductor light emitting device comprising: a p-type semiconductor layer disposed on the active layer and doped with a p-type impurity.
前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a buffer layer disposed on the substrate sandwiched between the protective films. 前記p型半導体層上に配置された透明電極と、
前記透明電極、前記p型半導体層、前記活性層および前記n型半導体層の一部を除去して得られた前記n型半導体層面上に配置されたn側電極と、
前記透明電極上に配置されたp側電極と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
A transparent electrode disposed on the p-type semiconductor layer;
An n-side electrode disposed on the n-type semiconductor layer surface obtained by removing a part of the transparent electrode, the p-type semiconductor layer, the active layer and the n-type semiconductor layer;
The semiconductor light-emitting element according to claim 1, further comprising: a p-side electrode disposed on the transparent electrode.
前記透明電極上に配置された反射積層膜をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 3, further comprising a reflective laminated film disposed on the transparent electrode. 前記保護膜は、発光波長に対して透明であり、かつ前記保護膜の屈折率は、前記基板の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。   The semiconductor according to claim 1, wherein the protective film is transparent with respect to an emission wavelength, and a refractive index of the protective film is substantially equal to a refractive index of the substrate. Light emitting element. 前記保護膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれかであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。   6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the protective film is any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a titanium oxide film, and an alumina film. . 基板と、
前記基板上に配置された保護膜と、
前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層および前記保護膜上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置され、前記n型半導体層より低い濃度で前記n型不純物が不純物添加されたブロック層と、
前記ブロック層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層上に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、
前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、
前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、
前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と
を備え、前記積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物の拡散距離より厚いことを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
A protective film disposed on the substrate;
An AlN buffer layer disposed on the substrate sandwiched between the protective films;
An n-type semiconductor layer disposed on the AlN buffer layer and the protective film and doped with an n-type impurity;
A block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with the n-type impurity at a lower concentration than the n-type semiconductor layer;
An active layer made of multiple quantum wells containing indium, having a stacked structure in which a barrier layer and well layers having a smaller band gap than the barrier layer are alternately arranged, arranged on the block layer;
A first nitride-based semiconductor layer disposed on the active layer and including a p-type impurity;
A second nitride-based semiconductor layer disposed on the first nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer;
A third nitride-based semiconductor layer disposed on the second nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity having a concentration higher than that of the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer;
A fourth nitride-based semiconductor layer that is disposed on the third nitride-based semiconductor layer and includes a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer. The semiconductor light emitting device, wherein the film thickness of the uppermost final barrier layer is thicker than the p-type impurity diffusion distance of the first nitride-based semiconductor layer.
基板と、
前記基板上に配置された保護膜と、
前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層および前記保護膜上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置され、前記n型半導体層より低い濃度で前記n型不純物が不純物添加されたブロック層と、
前記ブロック層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層上に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、
前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層の前記p型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、
前記第2窒化物系半導体層上に配置され、透明電極からなる透明電極と
を備え、前記積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物の拡散距離より厚いことを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
A protective film disposed on the substrate;
An AlN buffer layer disposed on the substrate sandwiched between the protective films;
An n-type semiconductor layer disposed on the AlN buffer layer and the protective film and doped with an n-type impurity;
A block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with the n-type impurity at a lower concentration than the n-type semiconductor layer;
An active layer made of multiple quantum wells containing indium, having a stacked structure in which a barrier layer and well layers having a smaller band gap than the barrier layer are alternately arranged, arranged on the block layer;
A first nitride-based semiconductor layer disposed on the active layer and including a p-type impurity;
A second nitride-based semiconductor layer disposed on the first nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer;
A transparent electrode made of a transparent electrode and disposed on the second nitride-based semiconductor layer, wherein the final barrier layer of the uppermost layer of the stacked structure has a p-type impurity in the first nitride-based semiconductor layer A semiconductor light emitting device characterized in that it is thicker than the diffusion distance.
前記透明電極の上には、さらに反射積層膜を備えることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 7, further comprising a reflective laminated film on the transparent electrode. 前記保護膜は、発光波長に対して透明であり、かつ前記保護膜の屈折率は、前記基板の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする請求項7または8に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 7, wherein the protective film is transparent to an emission wavelength, and a refractive index of the protective film is substantially equal to a refractive index of the substrate. 前記半導体発光素子は、フリップチップ構造を備え、前記反射積層膜で反射された光は、前記基板側から取り出されることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体発光素子。   11. The semiconductor light emitting device according to claim 9, wherein the semiconductor light emitting device has a flip chip structure, and light reflected by the reflective laminated film is extracted from the substrate side. 基板と、
前記基板上に配置されたAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
An AlN buffer layer disposed on the substrate;
An n-type semiconductor layer formed on the AlN buffer layer and comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) doped with an n-type impurity;
A barrier layer made of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and an Al x In y Ga 1-xy N layer (0) having a smaller band gap than the barrier layer is disposed on the n-type semiconductor layer. <X ≦ y <1, 0 <x + y <1) active layers composed of multiple quantum wells having a stacked structure in which well layers are alternately arranged;
And a p-type semiconductor layer comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity and disposed on the active layer.
前記基板上に配置された保護膜をさらに備え、
前記AlNバッファ層は、前記保護膜に挟まれた前記基板上に配置され、前記n型半導体層は、前記保護膜上にも配置されることを特徴とする請求項12に記載の半導体発光素子。
Further comprising a protective film disposed on the substrate;
13. The semiconductor light emitting device according to claim 12, wherein the AlN buffer layer is disposed on the substrate sandwiched between the protective films, and the n-type semiconductor layer is also disposed on the protective film. .
前記p型半導体層は、
前記活性層上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層と、
前記電子バリア層上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層と、
前記電子キャップ層上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第1窒化物系半導体層と、
前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第2窒化物系半導体層と、
前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第3窒化物系半導体層と、
前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第4窒化物系半導体層と
を備えることを特徴とする請求項12または13に記載の半導体発光素子。
The p-type semiconductor layer is
An electron barrier layer disposed on the active layer and comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity;
An electron cap layer that is disposed on the electron barrier layer and includes an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity;
A first nitride-based semiconductor layer that is disposed on the electron cap layer and includes an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity;
An Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x) disposed on the first nitride-based semiconductor layer and doped with a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer. A second nitride-based semiconductor layer comprising <1);
An Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x) disposed on the second nitride semiconductor layer and doped with a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride semiconductor layer. A third nitride semiconductor layer comprising <1);
An Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x) disposed on the third nitride semiconductor layer and doped with a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer. The semiconductor light-emitting device according to claim 12, further comprising: a fourth nitride-based semiconductor layer made of <1).
基板上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜をパターニングし、前記基板を露出する工程と、
前記保護膜に挟まれ,露出された前記基板および前記保護膜上にn型不純物をドープされたn型半導体層を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、
前記n型半導体層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上にp型不純物をドープされたp型半導体層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
Forming a protective film on the substrate;
Patterning the protective film and exposing the substrate;
Forming an n-type semiconductor layer doped with n-type impurities on the exposed substrate and the protective film sandwiched between the protective films by lateral epitaxial growth;
Forming an active layer on the n-type semiconductor layer;
And a step of forming a p-type semiconductor layer doped with a p-type impurity on the active layer.
前記基板を露出する工程後、前記保護膜に挟まれ, 露出された前記基板上にバッファ層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項15に記載の半導体発光素子の製造方法。   16. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 15, further comprising a step of forming a buffer layer on the exposed substrate sandwiched between the protective films after the step of exposing the substrate. 前記n型半導体層を横方向エピタキシャル成長により形成する工程は、横方向エピタキシャル成長時において、第1の圧力にて形成する工程と、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力にて形成する工程とを有することを特徴とする請求項15または16に記載の半導体発光素子の製造方法。   The step of forming the n-type semiconductor layer by lateral epitaxial growth includes a step of forming at a first pressure and a step of forming at a second pressure higher than the first pressure at the time of lateral epitaxial growth. The method of manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 15 or 16, wherein: 基板上にAlNバッファ層を形成する工程と、
前記AlNバッファ層上に、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層上に、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に形成された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
Forming an AlN buffer layer on the substrate;
Forming an n-type semiconductor layer comprising an Al x Ga 1-x N layer doped with an n-type impurity (0 <x <1) on the AlN buffer layer;
On the n-type semiconductor layer, a barrier layer composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x <1) having a smaller band gap than the barrier layer. Forming an active layer composed of multiple quantum wells having a stacked structure in which well layers composed of ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately formed;
Forming a p-type semiconductor layer made of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity on the active layer. Manufacturing method.
基板上に保護膜を形成する工程をさらに有し、前記AlNバッファ層は、前記保護膜に挟まれた前記基板上にも形成され、前記n型半導体層は、前記保護膜上にも形成されることを特徴とする請求項18に記載の半導体発光素子の製造方法。   A step of forming a protective film on the substrate, wherein the AlN buffer layer is also formed on the substrate sandwiched between the protective films, and the n-type semiconductor layer is also formed on the protective film. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 18. 前記p型半導体層を形成する工程は、
前記活性層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層を形成する工程と、
前記電子バリア層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層を形成する工程と、
前記電子キャップ層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第1窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第1窒化物系半導体層上に、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第2窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第2窒化物系半導体層上に、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第3窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第3窒化物系半導体層上に、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第4窒化物系半導体層を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項18または19に記載の半導体発光素子の製造方法。
The step of forming the p-type semiconductor layer includes:
Forming an electron barrier layer composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity on the active layer;
Forming an electron cap layer comprising an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity on the electron barrier layer;
Forming a first nitride-based semiconductor layer composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) doped with a p-type impurity on the electron cap layer;
The first nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer Al x Ga 1-x N layer low-concentration p-type impurity is added impurities than the p-type impurity (0 ≦ x <1 Forming a second nitride-based semiconductor layer comprising:
The second nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer Al x Ga 1-x N layer than the p-type impurity high concentration p-type impurity of the impurity doping (0 ≦ x <1 Forming a third nitride-based semiconductor layer comprising:
The third nitride semiconductor layer, the third nitride semiconductor layer Al x Ga 1-x N layer low-concentration p-type impurity is added impurities than the p-type impurity (0 ≦ x <1 The method of manufacturing a semiconductor light-emitting device according to claim 18, further comprising: forming a fourth nitride-based semiconductor layer comprising:
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