JP2010272593A - Nitride semiconductor light emitting element and manufacturing method of the same - Google Patents

Nitride semiconductor light emitting element and manufacturing method of the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light emitting element sufficiently suppressing overflow of electrons from an active layer to a clad layer, and also to provide a method for manufacturing the element. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor light emitting element 1 is provided with an active layer I, a p-type clad layer L prepared at one side of the active layer I, a p-type electron block layer K prepared between the p-type clad layer L and the active layer I, and a second guide layer J prepared between the active layer I and the p-type electron block layer K. The active layer I, the p-type clad layer L, the p-type electron block layer K, and the second guide layer J contain a group III nitride system semiconductor. While a part of the second guide layer J located on the side of the p-type electron block layer K includes p-type impurity, it forms hetero junction with the p-type electron block layer K. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.

III族窒化物系半導体(GaN、AlN、InN又はそれらの混晶)を用いた半導体レーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)において、その特性及び信頼性向上のためには活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを抑制することが重要となる。活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを抑制する一方法としては、活性層上のガイド層とクラッド層との間に相対的に大きなバンドギャップの電子ブロック層を設ける方法が用いられる。しかし、III族窒化物系半導体では、ガイド層と電子ブロック層との境界においてピエゾ分極および自発分極に起因する大きな内部電界が生じ、電子に対するバリア、すなわち電子ブロック層による障壁の実効的な高さが得られない。   In order to improve the characteristics and reliability of semiconductor laser diodes (LDs) and light-emitting diodes (LEDs) using group III nitride semiconductors (GaN, AlN, InN or mixed crystals thereof), the active layer is changed to a cladding layer. It is important to suppress the overflow of electrons. As a method of suppressing overflow of electrons from the active layer to the cladding layer, a method of providing an electron block layer having a relatively large band gap between the guide layer and the cladding layer on the active layer is used. However, in Group III nitride semiconductors, a large internal electric field due to piezoelectric polarization and spontaneous polarization occurs at the boundary between the guide layer and the electron blocking layer, and the barrier against electrons, that is, the effective height of the barrier due to the electron blocking layer. Cannot be obtained.

この問題を解消するために、引用文献1に記載の発明では、ガイド層と電子ブロック層との間にAlGaInNからなる中間層が設けられている。   In order to solve this problem, in the invention described in the cited document 1, an intermediate layer made of AlGaInN is provided between the guide layer and the electron blocking layer.

引用文献1に記載の発明では、AlGaInNからなる中間層を設けることで、電子ブロック層と中間層との界面における格子不整合を緩和し、電子ブロック層による障壁の高さの低下を抑制する。   In the invention described in the cited document 1, by providing an intermediate layer made of AlGaInN, lattice mismatch at the interface between the electron block layer and the intermediate layer is alleviated, and a decrease in the barrier height due to the electron block layer is suppressed.

特開2007−142038号公報JP 2007-142038 A

しかしながら、AlGaInNの中間層内部では電子ブロック層による障壁の高さを低下する自発分極が生じて、電子ブロック層による障壁の高さの低下を十分に抑制することができない。よって、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制することができない。   However, spontaneous polarization that lowers the height of the barrier due to the electron block layer occurs inside the AlGaInN intermediate layer, and the decrease in the height of the barrier due to the electron block layer cannot be sufficiently suppressed. Therefore, the overflow of electrons from the active layer to the cladding layer cannot be sufficiently suppressed.

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of sufficiently suppressing an overflow of electrons from an active layer to a cladding layer and a method for manufacturing the same. To do.

本発明に係る窒化物半導体発光素子は、活性層と、活性層の一方側に設けられたp型クラッド層と、p型クラッド層と活性層との間に設けられたp型電子ブロック層と、活性層とp型電子ブロック層との間に設けられたガイド層とを備え、活性層、p型クラッド層、p型電子ブロック層、及びガイド層がIII族窒化物系半導体を含み、ガイド層のうちp型電子ブロック層側に位置する部分が、p型不純物を含むと共にp型電子ブロック層とヘテロ接合を形成する。   The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes an active layer, a p-type cladding layer provided on one side of the active layer, a p-type electron blocking layer provided between the p-type cladding layer and the active layer, A guide layer provided between the active layer and the p-type electron block layer, the active layer, the p-type cladding layer, the p-type electron block layer, and the guide layer including a group III nitride semiconductor, A portion of the layer located on the p-type electron block layer side includes a p-type impurity and forms a heterojunction with the p-type electron block layer.

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、ガイド層のうちp型電子ブロック層側に位置する部分が、p型不純物を含むと共にp型電子ブロック層とヘテロ接合を形成する。この構成により、ガイド層及びp型電子ブロック層においてピエゾ分極及び自発分極が合成された内部電界を緩和することができる。それ故、ガイド層とp型電子ブロック層とのヘテロ界面に生じるピエゾ分極だけではなく、ガイド層及びp型電子ブロック層の結晶中の自発分極に起因するp型電子ブロック層による障壁の高さの低下も抑制することをできる。よって、活性層からp型クラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制することができる。   In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, a portion of the guide layer located on the p-type electron block layer side includes a p-type impurity and forms a heterojunction with the p-type electron block layer. With this configuration, an internal electric field in which piezo polarization and spontaneous polarization are synthesized in the guide layer and the p-type electron block layer can be relaxed. Therefore, the height of the barrier due to the p-type electron blocking layer caused by the spontaneous polarization in the crystal of the guide layer and the p-type electron blocking layer as well as the piezo polarization generated at the heterointerface between the guide layer and the p-type electron blocking layer. Can also be suppressed. Therefore, the overflow of electrons from the active layer to the p-type cladding layer can be sufficiently suppressed.

また、ガイド層のうち活性層側に位置する部分には、p型不純物が意図的には添加されていないことが好適である。これにより、活性層側のガイド層における不純物準位による光の吸収を回避できる。また、活性層へのp型不純物の拡散を抑制することができるので、p型不純物による活性層内での結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性の低下が抑制される。   In addition, it is preferable that a p-type impurity is not intentionally added to a portion of the guide layer located on the active layer side. Thereby, absorption of light by the impurity level in the guide layer on the active layer side can be avoided. Further, since the diffusion of the p-type impurity into the active layer can be suppressed, the generation of crystal defects in the active layer due to the p-type impurity is suppressed. As a result, a decrease in light emission characteristics is suppressed.

また、本発明の窒化物半導体発光素子は、p型クラッド層上に設けられたp型コンタクト層と、活性層の他方側に設けられたn型コンタクト層と、を更に備えることが好適である。これにより、それぞれの上に設けられる電極層との接触抵抗を低下させることができるため、バイアス電圧を効果的に印加することができる。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention preferably further includes a p-type contact layer provided on the p-type cladding layer and an n-type contact layer provided on the other side of the active layer. . Thereby, since a contact resistance with the electrode layer provided on each can be reduced, a bias voltage can be applied effectively.

本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にガイド層を形成する工程と、ガイド層上にp型電子ブロック層を形成する工程と、p型電子ブロック層上にp型クラッド層を形成する工程と、を備え、ガイド層、p型電子ブロック層、及びp型クラッド層がIII族窒化物系半導体を含み、ガイド層形成工程において、初期段階ではp型不純物を供給せずに結晶成長を行い、最終段階ではp型不純物を供給しつつ結晶成長を行い、p型電子ブロック層とガイド層形成工程においてp型不純物を供給しつつ結晶成長した部分とがヘテロ接合を形成する。   The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes a step of forming a guide layer on a substrate, a step of forming a p-type electron block layer on the guide layer, and a p-type cladding on the p-type electron block layer. Forming a layer, wherein the guide layer, the p-type electron blocking layer, and the p-type cladding layer include a group III nitride semiconductor, and in the guide layer forming step, no p-type impurity is supplied at an initial stage. In the final stage, crystal growth is performed while supplying a p-type impurity, and a heterojunction is formed between the p-type electron blocking layer and a portion where the crystal is grown while supplying the p-type impurity in the guide layer forming step. .

本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法では、ガイド層形成工程において、初期段階ではp型不純物を供給せずに結晶成長を行い、且つ最終段階ではp型不純物を供給しつつ結晶成長を行う。また、ガイド層形成工程においてp型不純物を供給しつつ結晶成長した部分とp型電子ブロック層とがヘテロ接合を形成する。そのため、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制することが可能な窒化物半導体発光素子を容易に製造することができる。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, in the guide layer forming step, crystal growth is performed without supplying p-type impurities in the initial stage, and crystal growth is performed while supplying p-type impurities in the final stage. Do. Further, in the guide layer forming step, a portion where the crystal has grown while supplying the p-type impurity and the p-type electron block layer form a heterojunction. Therefore, it is possible to easily manufacture a nitride semiconductor light emitting device that can sufficiently suppress the overflow of electrons from the active layer to the cladding layer.

本発明の窒化物半導体発光素子は、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制することができ、本発明の製造方法は活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを十分に抑制可能な窒化物半導体発光素子を容易に製造することができる。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention can sufficiently suppress the overflow of electrons from the active layer to the cladding layer, and the manufacturing method of the present invention can sufficiently suppress the overflow of electrons from the active layer to the cladding layer. A simple nitride semiconductor light emitting device can be easily manufactured.

第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. 第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. 第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. 従来の窒化物半導体発光素子の断面図である。It is sectional drawing of the conventional nitride semiconductor light-emitting device. 第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the nitride semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. 第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the nitride semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. p型不純物のドーピング濃度と発光効率との関係を説明するための図表である。It is a graph for demonstrating the relationship between the doping concentration of a p-type impurity, and luminous efficiency. 第2実施形態に係る窒化物半導体発光素子を示す断図面である。6 is a cross-sectional view illustrating a nitride semiconductor light emitting device according to a second embodiment. 第2実施形態に係る窒化物半導体発光素子の変形例を示す断図面である。7 is a cross-sectional view showing a modification of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る窒化物半導体発光素子及びその変形例の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the nitride semiconductor light-emitting device concerning 2nd Embodiment, and its modification.

以下、実施の形態に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

なお、以下の実施形態では、結晶を成長させる方法として有機金属気相成長(MOCVD)法が用いられるが、本発明はこれに限定されず、分子線成長(MBE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法等、その他の成長方法を用いてもよい。   In the following embodiments, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used as a method for growing a crystal. However, the present invention is not limited to this, and a molecular beam growth (MBE) method, a hydride vapor phase growth ( Other growth methods such as the HVPE method may be used.

また、以下の実施形態では、窒素原料ガスとしてアンモニア(NH)を含むガスが、III族原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)やトリメチルアルミニウム(TMA)を含むガスが、n型ドーピング原料ガスとしてシラン(SiH)を含むガスが、p型ドーピング原料ガスとしてジシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)を含むガスが用いられるが、本発明はこれに限定されない。以下、詳説する。 In the following embodiments, the gas containing ammonia (NH 3 ) as the nitrogen source gas, the gas containing trimethylgallium (TMG) or trimethylaluminum (TMA) as the group III source gas, and silane as the n-type doping source gas The gas containing (SiH 4 ) is a gas containing dicyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) as the p-type doping source gas, but the present invention is not limited to this. The details will be described below.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子1の断面図である。第1実施形態に係る窒化物半導体発光素子1は、例えば半導体レーザである。三次元直交座標系X,Y,Zを設定すると、基板の厚み方向がZ軸に一致し、基板の幅方向がX軸に一致し、X軸及びZ軸の双方に垂直な紙面の奥行き方向がY軸に一致している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device 1 according to the first embodiment. The nitride semiconductor light emitting device 1 according to the first embodiment is, for example, a semiconductor laser. When the three-dimensional orthogonal coordinate system X, Y, Z is set, the thickness direction of the substrate coincides with the Z axis, the width direction of the substrate coincides with the X axis, and the depth direction of the paper surface perpendicular to both the X axis and the Z axis Coincides with the Y-axis.

窒化物半導体発光素子1は、下地基板3、n型コンタクト層F、半導体メサ部W、電極層P、及び電極層Qを備える。   The nitride semiconductor light emitting device 1 includes a base substrate 3, an n-type contact layer F, a semiconductor mesa portion W, an electrode layer P, and an electrode layer Q.

下地基板3は、第1領域10及び第2領域20を含む主面を有する基板Aと、基板Aの第1領域10及び第2領域20の上に順番にZ軸の正方向に沿って積層された緩衝層B、下地層D1、結晶成長制限部C、凹凸層D2及び平坦化層Eとからなり、これらの材料の一例は以下の通りである。
・平坦化層E:Al0.2Ga0.8
・凹凸層D2:GaN
・結晶成長制限部C:SiO
・下地層D1:GaN
・緩衝層B:GaN
・基板A:サファイア
The base substrate 3 is laminated on the substrate A having a main surface including the first region 10 and the second region 20 and the first region 10 and the second region 20 of the substrate A in order along the positive direction of the Z axis. The buffer layer B, the base layer D1, the crystal growth limiting portion C, the concavo-convex layer D2, and the planarization layer E, and examples of these materials are as follows.
-Planarization layer E: Al 0.2 Ga 0.8 N
・ Uneven layer D2: GaN
-Crystal growth limiting part C: SiO 2
・ Underlayer D1: GaN
Buffer layer B: GaN
・ Substrate A: Sapphire

結晶成長制限部Cは、絶縁性のストライプマスクからなり、各ストライプはY軸方向に延びており、X軸方向に沿って離間して並んでいる。また、凹凸層D2は、XZ断面内において、その露出表面が三角波形状をしており、三角波の谷の直下に結晶成長制限部Cのストライプが位置する。また、本例の凹凸層D2は、Y軸を中心軸とする複数の三角柱形状の部分を有している。平坦化層Eは、凹凸層D2における多角形構造を埋め込むように設けられており、上面が平坦化されている。   The crystal growth limiting portion C is made of an insulating stripe mask, and each stripe extends in the Y-axis direction and is spaced apart from each other along the X-axis direction. Further, the exposed surface of the concavo-convex layer D2 has a triangular wave shape in the XZ cross section, and the stripe of the crystal growth limiting portion C is located immediately below the trough of the triangular wave. In addition, the uneven layer D2 of this example has a plurality of triangular prism-shaped portions with the Y axis as the central axis. The planarizing layer E is provided so as to embed the polygonal structure in the uneven layer D2, and the upper surface is planarized.

第1及び第2の領域10,20の平坦化層E上には、n型コンタクト層Fが設けられている。第1領域10のn型コンタクト層Fの上には、順次に積層されて層G,H,I,J,K,L及びMからなる半導体メサ部Wが設けられている。n型コンタクト層Fと、半導体メサ部Wを構成する層G,H,I,J,K,L及びMの材料との一例は以下の通りである。
・p型コンタクト層M:Al0.2Ga0.8
・p型クラッド層L:Al0.2Ga0.8
・p型電子ブロック層K:Al0.5Ga0.5
・第2ガイド層J:Al0.1Ga0.9
・活性層I:GaN井戸層/AlGaN障壁層
・第1ガイド層H:Al0.1Ga0.9
・n型クラッド層G:Al0.2Ga0.8
・n型コンタクト層F:Al0.2Ga0.8
An n-type contact layer F is provided on the planarization layer E in the first and second regions 10 and 20. On the n-type contact layer F in the first region 10, a semiconductor mesa portion W composed of layers G, H, I, J, K, L, and M is provided in order. An example of the n-type contact layer F and the materials of the layers G, H, I, J, K, L, and M constituting the semiconductor mesa portion W are as follows.
P-type contact layer M: Al 0.2 Ga 0.8 N
P-type cladding layer L: Al 0.2 Ga 0.8 N
-P-type electron block layer K: Al 0.5 Ga 0.5 N
Second guide layer J: Al 0.1 Ga 0.9 N
Active layer I: GaN well layer / AlGaN barrier layer First guide layer H: Al 0.1 Ga 0.9 N
N-type cladding layer G: Al 0.2 Ga 0.8 N
N-type contact layer F: Al 0.2 Ga 0.8 N

なお、第1ガイド層Hは、アンドープ層である。第2ガイド層Jは、活性層I側のアンドープの下部層Jとp型不純物が添加されたp型電子ブロック層K側の上部層Jとを有する。上部層J及びp型電子ブロック層Kは互いに組成が異なりヘテロ接合を形成する。上部層Jのエネルギーバンドギャップは3.66eV、すなわち約3.7eVであり、p型電子ブロック層Kのエネルギーバンドギャップは4.67eV、すなわち約4.7eVである。 The first guide layer H is an undoped layer. The second guide layer J has an undoped lower layer J i on the active layer I side and an upper layer J p on the p-type electron block layer K side to which a p-type impurity is added. The upper layer Jp and the p-type electron block layer K have different compositions and form a heterojunction. The energy band gap of the upper layer J p 3.66 eV, i.e., about 3.7 eV, the energy band gap of the p-type electron blocking layer K is 4.67EV, or about 4.7 eV.

p型クラッド層L及びp型コンタクト層Mはリッジ構造Rを構成している。リッジ構造R上には、リッジ構造Rの頂部に開口30を有する絶縁体層Nが設けられている。リッジ構造R及び絶縁体層N上には電極層Pが設けられており、電極層Pは絶縁体層Nの開口30を介して露出しているp型コンタクト層Mと接している。また、第2領域20のn型コンタクト層F上には、半導体メサ部Wと離間して電極層Qが設けられている。   The p-type cladding layer L and the p-type contact layer M constitute a ridge structure R. On the ridge structure R, an insulator layer N having an opening 30 at the top of the ridge structure R is provided. An electrode layer P is provided on the ridge structure R and the insulator layer N, and the electrode layer P is in contact with the p-type contact layer M exposed through the opening 30 of the insulator layer N. An electrode layer Q is provided on the n-type contact layer F in the second region 20 so as to be separated from the semiconductor mesa portion W.

図2〜図4を参照しながら、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子1の製造方法について説明する。図2〜図4は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1の製造方法の各工程を模式的に示す図である。窒化物半導体発光素子1を製造するために、例えば下記各工程を順に行う。   A method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2-4 is a figure which shows typically each process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting device 1 which concerns on this embodiment. In order to manufacture the nitride semiconductor light emitting device 1, for example, the following steps are sequentially performed.

工程(1)第1GaN層成長工程
サファイア基板(基板A)を、MOCVDによる結晶成長可能な空間(MOCVD室)に導入して固定し、MOCVD室内を水素雰囲気にする。次に、基板Aに対して1050℃で5分間の熱処理を行い、基板Aの表面を清浄化する。このように適切な条件で熱処理を行うことで、基板Aの表面の汚染物質が取り除かれると共に表面の平面度が向上する。
Step (1) First GaN Layer Growth Step A sapphire substrate (substrate A) is introduced and fixed in a space (MOCVD chamber) where crystal growth can be performed by MOCVD, and the MOCVD chamber is made a hydrogen atmosphere. Next, the substrate A is heat-treated at 1050 ° C. for 5 minutes to clean the surface of the substrate A. By performing the heat treatment under such appropriate conditions, contaminants on the surface of the substrate A are removed and the flatness of the surface is improved.

次に、基板Aの温度を475℃まで降温し、トリメチルガリウム(TMG)を含むIII族原料ガス、及びアンモニア(NH)を含む窒素原料ガス等を供給して、図2に示されているように、基板Aの第1及び第2の領域上に膜厚が25nmのGaN層(緩衝層B)を成長させる。そして、1075℃まで昇温し、トリメチルガリウムを含むIII族原料ガス、及びアンモニアを含む窒素原料ガス等を供給して、緩衝層B上に膜厚が緩衝層Bより厚い2.5μmのGaN層(下地層D1)を成長させる。 Next, the temperature of the substrate A is lowered to 475 ° C., a group III source gas containing trimethylgallium (TMG), a nitrogen source gas containing ammonia (NH 3 ), and the like are supplied, as shown in FIG. Thus, a GaN layer (buffer layer B) having a thickness of 25 nm is grown on the first and second regions of the substrate A. Then, the temperature is raised to 1075 ° C., a group III source gas containing trimethylgallium, a nitrogen source gas containing ammonia, and the like are supplied, and a 2.5 μm thick GaN layer on the buffer layer B is thicker than the buffer layer B (Underlayer D1) is grown.

工程(2)SiOストライプのマスク形成
工程(1)で得られた基板をMOCVD室から取り出し、プラズマCVDなどによる成膜が可能な空間(プラズマCVD室)に導入して固定する。次に、下地層D1上に、膜厚が約300nmのSiO膜を堆積させる。次に、通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によりSiO膜を加工して、幅3μmでピッチ6μmのSiOのストライプ(結晶成長制限部C)を形成する。また、ストライプの方向は、GaN[1−100]方向とする。
Step (2) Mask Formation of SiO 2 Stripe The substrate obtained in step (1) is taken out of the MOCVD chamber and introduced into a space (plasma CVD chamber) where film formation by plasma CVD or the like is possible and fixed. Next, a SiO 2 film having a thickness of about 300 nm is deposited on the base layer D1. Next, the SiO 2 film is processed by a normal photolithography technique and etching technique to form a SiO 2 stripe (crystal growth limiting portion C) having a width of 3 μm and a pitch of 6 μm. The stripe direction is the GaN [1-100] direction.

工程(3)GaN層ファセット形成
次に、工程(2)で得られた基板を、再度、MOCVD成長室に導入し、下地層D1の形成時と同様の原料ガスによって、三角波断面、すなわち傾斜状ファセット構造を有するGaN層(凹凸層D2)を形成する。具体的には、成長圧力の範囲を76〜760Torr(1.0×10〜1.0×10Pa)、基板温度を850〜1000℃の範囲に設定し、各ガス流量を制御することにより、傾斜状ファセット構造を形成する。凹凸層D2を構成するGaN結晶は、結晶成長制限部Cのストライプの間の緩衝層Bが露出した部分から成長を始め、ストライプ上には横方向(X軸方向)に屈曲して成長を続けて、ストライプの幅方向中央部で互いに合体する。そして、結晶成長制限部Cのストライプ間の中央部の厚み方向(Z軸方向)の成長速度が大きいので、断面略三角形状の傾斜状ファセットになる。
Step (3) Formation of GaN layer facets Next, the substrate obtained in step (2) is again introduced into the MOCVD growth chamber, and the same source gas as that used to form the base layer D1 is used to form a triangular wave cross section, that is, an inclined shape. A GaN layer (uneven layer D2) having a facet structure is formed. Specifically, the growth pressure range is set to 76 to 760 Torr (1.0 × 10 4 to 1.0 × 10 5 Pa), the substrate temperature is set to the range of 850 to 1000 ° C., and each gas flow rate is controlled. Thus, an inclined facet structure is formed. The GaN crystal constituting the concavo-convex layer D2 starts growing from the portion where the buffer layer B between the stripes of the crystal growth limiting portion C is exposed, and continues to grow by bending in the horizontal direction (X-axis direction) on the stripe. Then, they are united with each other at the central portion in the width direction of the stripe. And since the growth rate of the thickness direction (Z-axis direction) of the center part between the stripes of the crystal growth restriction part C is large, it becomes an inclined facet having a substantially triangular cross section.

工程(4)平坦化層Eの成長工程
工程(3)で得られた基板を1125℃まで昇温し、膜厚が6.9μmのAl0.2Ga0.8N層(平坦化層E)を成長させる。これにより、凹凸層D2の傾斜状ファセット構造が埋め込まれ、基板の表面が平坦化された窒化物半導体の下地基板3が得られる。なお、この膜厚は、平坦な基板上に成長させた場合の膜厚に換算した値である。また、成長圧力は54Torr(7.2×10Pa)とした。
Step (4) Growth Step of Planarization Layer E The substrate obtained in Step (3) is heated to 1125 ° C., and an Al 0.2 Ga 0.8 N layer (planarization layer E) having a thickness of 6.9 μm. ) Grow. Thus, the nitride semiconductor base substrate 3 in which the inclined facet structure of the uneven layer D2 is embedded and the surface of the substrate is flattened is obtained. In addition, this film thickness is a value converted into a film thickness when grown on a flat substrate. The growth pressure was 54 Torr (7.2 × 10 3 Pa).

工程(5)デバイス層成長工程
次に、上述した工程(1)〜(4)を経て得られた窒化物半導体の下地基板3上に、Siをドープした不純物濃度が約3×1018cm-3のn型のAl0.2Ga0.8N層(n型コンタクト層F)を2.8μm、同じく不純物濃度が約4×1018cm−3のn型のAl0.2Ga0.8N層(n型クラッド層G1)を600nm、ノンドープのAl0.1Ga0.9N層(第1ガイド層H1)を120nm、そしてGaNとAlGaNからなる量子井戸構造(活性層I1)を成長する。続いて、第2ガイド層J1を120nm成長するが、100nmまではノンドープとしてAl0.1Ga0.9N層(下部層Ji1)を成長し、第2ガイド層Jの最終の20nm部分においてMgをドープしつつ、不純物濃度が約5×1019cm-3のp型のAlGaN層(上部層Jp1)となるように20nm成長する。なお、下部層Ji1の厚さは、上部層Jp1の厚さより厚いことが好ましい。これにより、活性層Iで発光した光が第2ガイド層Jを伝播する過程において、上部層Jの不純物準位による光吸収の悪影響を抑制することが出来る。
Step (5) Device Layer Growth Step Next, on the nitride semiconductor base substrate 3 obtained through the steps (1) to (4) described above, the impurity concentration of Si doped is about 3 × 10 18 cm −. n-type Al 0.2 Ga 0.8 n layer of 3 (n-type contact layer F) 2.8 .mu.m, likewise Al 0.2 Ga 0 n-type of impurity concentration of about 4 × 10 18 cm -3. 8 N layer (n-type cladding layer G1) is 600 nm, non-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer (first guide layer H1) is 120 nm, and a quantum well structure (active layer I1) composed of GaN and AlGaN. grow up. Subsequently, the second guide layer J1 is grown to 120 nm, but an Al 0.1 Ga 0.9 N layer (lower layer J i1 ) is grown as non-doped up to 100 nm, and in the final 20 nm portion of the second guide layer J While doping Mg, it grows to 20 nm so as to become a p-type AlGaN layer (upper layer J p1 ) having an impurity concentration of about 5 × 10 19 cm −3 . Note that the thickness of the lower layer J i1 is preferably thicker than the thickness of the upper layer J p1 . Thus, in the process of light emission to propagate a second guide layer J in the active layer I, it is possible to suppress the adverse effect of light absorption by the impurity level of the upper layer J p.

さらに、上部層Jp1とはヘテロ界面を形成するように不純物濃度が約5×1019cm−3のp型のAl0.5Ga0.5N層(p型電子ブロック層K1)を20nm成長し、同じく不純物濃度が約5×1019cm−3のp型のAl0.2Ga0.8N層(p型クラッド層L1)を500nm、不純物濃度が約1×1020cm-3のp型のGaN層(p型コンタクト層M1)を25nm、順に成長する。 Further, a p-type Al 0.5 Ga 0.5 N layer (p-type electron blocking layer K1) having an impurity concentration of about 5 × 10 19 cm −3 is formed to a thickness of 20 nm so as to form a heterointerface with the upper layer J p1. The p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer (p-type cladding layer L1) having an impurity concentration of about 5 × 10 19 cm −3 is grown to 500 nm and the impurity concentration is about 1 × 10 20 cm −3. The p-type GaN layer (p-type contact layer M1) is grown in order of 25 nm.

工程(6)デバイス構造加工工程(半導体メサ部形成)
次に、p型コンタクト層M1までを成長させた基板をMOCVD室から取り出し、続いて、プラズマCVDなどにより、p型コンタクト層M1の全面にわたって厚さが約300nmのSiO膜を堆積させる。その後、このSiO膜上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、半導体メサ部Wの形状に対応したエッチングマスク5を形成する。このエッチングマスク5は、第1領域10のp型コンタクト層M1上に所定の幅で事後的に光導波路方向となるY軸方向に沿って延びた形状になっている。
Process (6) Device structure processing process (semiconductor mesa part formation)
Next, the substrate grown up to the p-type contact layer M1 is taken out of the MOCVD chamber, and subsequently, an SiO 2 film having a thickness of about 300 nm is deposited over the entire surface of the p-type contact layer M1 by plasma CVD or the like. Thereafter, an etching mask 5 corresponding to the shape of the semiconductor mesa portion W is formed on the SiO 2 film by a normal photolithography technique and etching technique. The etching mask 5 has a shape extending on the p-type contact layer M <b> 1 in the first region 10 along the Y-axis direction, which later becomes the optical waveguide direction, with a predetermined width.

次に、このエッチングマスク5をマスクとして、第2領域20のn型コンタクト層Fが露出するまで、塩素(Cl)ガスなどによるドライエッチングを行う。このエッチングにより、エッチングマスク5で覆われていないp型コンタクト層M1〜n型クラッド層G1の部分が除去されるので、第1領域10のn型クラッド層G〜p型電子ブロック層K、p型クラッド層L2及びp型コンタクト層M2からなる半導体メサ部W1が形成される(図3参照)。その後、エッチングによりエッチングマスク5を除去する。 Next, dry etching using chlorine (Cl 2 ) gas or the like is performed using the etching mask 5 as a mask until the n-type contact layer F in the second region 20 is exposed. By this etching, the portions of the p-type contact layer M1 to the n-type cladding layer G1 that are not covered with the etching mask 5 are removed, so that the n-type cladding layer G to the p-type electron block layer K, p in the first region 10 are removed. A semiconductor mesa portion W1 composed of the mold cladding layer L2 and the p-type contact layer M2 is formed (see FIG. 3). Thereafter, the etching mask 5 is removed by etching.

工程(7)デバイス構造加工工程(リッジ構造形成)
次に、同様にプラズマCVD法などにより、基板全面上に厚さが約300nmのSiO膜を再度堆積させる。その後、エッチングマスク5の形成の場合と同様な手順で、SiO膜上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、p型コンタクト層M2の中央領域上にエッチングマスク7を形成する。エッチングマスク7は、Y軸方向に沿って所定の幅でp型コンタクト層M2の中央部を覆う形状になっている。次に、このエッチングマスク7をマスクとして、図4に示されているようにp型クラッド層L2の途中まで塩素(Cl)ガスなどを用いてドライエッチングを行い、p型コンタクト層M及びp型クラッド層Lからなるリッジ構造Rを形成する。その後、エッチングによりエッチングマスク7を除去する。
Step (7) Device structure processing step (ridge structure formation)
Next, similarly, a SiO 2 film having a thickness of about 300 nm is deposited again on the entire surface of the substrate by plasma CVD or the like. Thereafter, the etching mask 7 is formed on the central region of the p-type contact layer M2 by a normal photolithography technique and etching technique on the SiO 2 film by the same procedure as that for forming the etching mask 5. The etching mask 7 has a shape covering the central portion of the p-type contact layer M2 with a predetermined width along the Y-axis direction. Next, using this etching mask 7 as a mask, dry etching is performed using chlorine (Cl 2 ) gas or the like to the middle of the p-type cladding layer L2 as shown in FIG. A ridge structure R composed of the mold cladding layer L is formed. Thereafter, the etching mask 7 is removed by etching.

工程(8)デバイス構造加工工程(電極形成)
続いて、再びプラズマCVDなどによって、工程(7)後に得られた基板全面に厚さが約300nmのSiO膜を堆積させる。第2領域20のこのSiO膜の上にフォトリソグラフィー法により電極層Qの形成領域を除いた領域を覆う所定形状のレジストパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクとし、SiO膜をエッチングし、電極層Qの形成領域に開口を形成する。次に、下地基板3上面の全体上に例えば真空蒸着法などにより、チタン(Ti)膜およびアルミニウム(Al)膜を順次形成する。引き続いて、有機溶剤などによりレジストパターンをその上に形成されたTi膜およびAl膜とともに剥離除去する。これによってSiO膜の開口を通じて第2領域20のn型コンタクト層Fに接触した電極層Qが形成される。さらに、同様なプロセスで、リッジ構造Rの頂部のSiO膜を除去し、p型コンタクト層Mを露出させた後、電極層Qと同様な手順で、p型コンタクト層Mと電気的に接続していると共にニッケル(Ni)と金(Au)との積層体からなる電極層Pを形成する。
Step (8) Device structure processing step (electrode formation)
Subsequently, an SiO 2 film having a thickness of about 300 nm is deposited on the entire surface of the substrate obtained after the step (7) by plasma CVD or the like again. A resist pattern having a predetermined shape is formed on the SiO 2 film in the second region 20 by photolithography to cover the region excluding the formation region of the electrode layer Q. Thereafter, using this resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched to form an opening in the formation region of the electrode layer Q. Next, a titanium (Ti) film and an aluminum (Al) film are sequentially formed on the entire upper surface of the base substrate 3 by, for example, vacuum deposition. Subsequently, the resist pattern is peeled and removed together with the Ti film and Al film formed thereon with an organic solvent or the like. As a result, an electrode layer Q in contact with the n-type contact layer F in the second region 20 is formed through the opening of the SiO 2 film. Further, the SiO 2 film at the top of the ridge structure R is removed by the same process to expose the p-type contact layer M, and then electrically connected to the p-type contact layer M in the same procedure as the electrode layer Q. In addition, an electrode layer P made of a laminate of nickel (Ni) and gold (Au) is formed.

工程(9)デバイス構造加工工程(共振面形成)
次に、へき開や、塩素(Cl)ガスなどによるドライエッチングなどによって窒化物半導体発光素子1の共振器構造を形成する。ここで、共振器長は例えば500μmなどが適当である。その後、必要に応じて共振器の各端面に端面コーティングを施してもよい。このとき、例えば、フロント側の端面反射率は例えば20%、リア側の端面反射率は例えば98%などである。以上の工程により、GaN系半導体からなる本実施形態の窒化物半導体発光素子1が形成される。
Step (9) Device structure processing step (resonance surface formation)
Next, the resonator structure of the nitride semiconductor light emitting device 1 is formed by cleavage, dry etching using chlorine (Cl 2 ) gas, or the like. Here, the resonator length is suitably 500 μm, for example. Thereafter, an end face coating may be applied to each end face of the resonator as necessary. At this time, for example, the front-side end surface reflectance is 20%, and the rear-side end surface reflectance is 98%, for example. Through the above steps, the nitride semiconductor light emitting device 1 of this embodiment made of a GaN-based semiconductor is formed.

以下、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1の効果を図5及び図6(a),(b)及び図7(a),(b)を用いて従来の窒化物半導体発光素子100と比較して説明する。図5は、比較の対象となる従来の窒化物半導体発光素子100の断面図である。窒化物半導体発光素子100は、第2ガイド層Jが窒化物半導体発光素子1の上部層Jに相当するものを有しておらず、厚さ120nm全体が下部層Jのようにアンドープである点において窒化物半導体発光素子1と相違する。その他の構成は、比較を容易にするために、窒化物半導体発光素子1と同等である。 Hereinafter, the effects of the nitride semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6A, 6B, 7A, and 7B and the conventional nitride semiconductor light emitting device 100. FIG. Comparison will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device 100 to be compared. The nitride semiconductor light emitting device 100 does not have those second guide layer J is equivalent to the upper layer J p of the nitride semiconductor light emitting device 1, the overall thickness of 120nm is undoped as the lower layer J i It differs from the nitride semiconductor light emitting device 1 in a certain point. Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor light emitting device 1 for easy comparison.

図6(a)及び(b)はそれぞれ、窒化物半導体発光素子100及び窒化物半導体発光素子1の第2ガイド層J、p型電子ブロック層K及びp型クラッド層Lにおける伝導帯の下端のエネルギー準位Ecを示す。図6(a)に示されるように、p型電子ブロック層K側に上部層Jを有しない窒化物半導体発光素子100の場合には、第2ガイド層Jに対してp型電子ブロック層Kによる障壁の高さΦsが160meVとなっている。 6 (a) and 6 (b) show the lower end of the conduction band in the second guide layer J, the p-type electron blocking layer K, and the p-type cladding layer L of the nitride semiconductor light emitting device 100 and the nitride semiconductor light emitting device 1, respectively. The energy level Ec is shown. As shown in FIG. 6 (a), in the case of a p-type electron blocking layer K side upper layer J p nitride semiconductor light emitting device 100 having no the, p-type electron blocking layer with respect to the second guide layer J The barrier height Φs due to K is 160 meV.

一方、図6(b)に示されるように、p型電子ブロック層K側に上部層Jを有する第2ガイド層Jを備える窒化物半導体発光素子1の場合には、第2ガイド層Jに対してp型電子ブロック層Kによる障壁の高さΦsが230meVとなっており、窒化物半導体発光素子100の場合と比較して高くなっていることが分かる。図7(a)、(b)はそれぞれ窒化物半導体発光素子100及び窒化物半導体発光素子1において、ほぼ同程度の発光が生ずるようにバイアス電圧を加えた場合の、電子の電流密度(実線)とホールの電流密度(点線)の各層における分布を示した図である。 On the other hand, as shown in FIG. 6 (b), in the case of a nitride semiconductor light emitting device 1 comprising a second guiding layer J having a top layer J p to p-type electron blocking layer K side, the second guide layer J On the other hand, the barrier height Φs of the p-type electron block layer K is 230 meV, which is higher than that of the nitride semiconductor light emitting device 100. FIGS. 7A and 7B show the current density of electrons (solid line) when a bias voltage is applied so as to generate approximately the same level of light emission in the nitride semiconductor light emitting device 100 and the nitride semiconductor light emitting device 1, respectively. FIG. 6 is a diagram showing the distribution of current density (dotted line) of holes in each layer.

図7(a)に示されているように、上部層Jを有しない窒化物半導体発光素子100の場合において、電極層Qから注入された電子は、活性層Iの領域においてホールと再結合することで発光のために消費される。しかし、活性層I以降の第2ガイド層J、p型電子ブロック層K及びp型クラッド層Lにおいても高い電子電流密度となっている。すなわち、注入された電子の一部は、発光に寄与しないまま通過し無駄に消費されていることがわかる。これは、窒化物半導体発光素子100の場合には、p型電子ブロック層による障壁の高さΦsが低下してしまってp型電子ブロック層Kがバリア層として十分に機能できず、それ故に活性層Iからp型クラッド層Lへ向かう電子のオーバーフロー現象が顕著に生じることを示す。 As shown in FIG. 7A, in the case of the nitride semiconductor light emitting device 100 having no upper layer J p , electrons injected from the electrode layer Q are recombined with holes in the region of the active layer I. Is consumed for light emission. However, the second guide layer J, the p-type electron block layer K and the p-type cladding layer L after the active layer I also have a high electron current density. That is, it can be seen that some of the injected electrons pass through without contributing to light emission and are wasted. This is because, in the case of the nitride semiconductor light emitting device 100, the barrier height Φs of the p-type electron blocking layer is lowered, and the p-type electron blocking layer K cannot sufficiently function as a barrier layer, and therefore is active. It shows that the overflow phenomenon of electrons from the layer I to the p-type cladding layer L occurs remarkably.

一方、図7(b)に示されるように、上部層Jを有する第2ガイド層Jを備える窒化物半導体発光素子1の場合には、活性層Iにおける発光のための減少の後には、第2ガイド層J及びp型電子ブロック層Kにおいての電子電流密度は小さな値を示している。これは、窒化物半導体発光素子1の場合には、上部層Jによりピエゾ分極及び自発分極が抑制されてp型電子ブロック層による障壁の高さΦsの低下が抑制されることに伴い、p型電子ブロック層Kがバリア層として十分に機能し、それ故に活性層Iからp型クラッド層Lへ向かう電子のオーバーフローが十分に抑制されることを示す。このことによって、窒化物半導体発光素子1では、窒化物半導体発光素子100に比べて同量の発光を生ずるのに必要な注入電流が少なくて済むこととなる。 On the other hand, as shown in FIG. 7 (b), in the case of a nitride semiconductor light emitting device 1 comprising a second guiding layer J having a top layer J p, after reduction for light emission in the active layer I is The electron current density in the second guide layer J and the p-type electron block layer K is a small value. This is the case of the nitride semiconductor light emitting element 1, with the possible decrease in the height Φs barrier by p-type electron blocking layer piezoelectric polarization and spontaneous polarization is suppressed by the upper layer J p is suppressed, p This shows that the type electron block layer K functions sufficiently as a barrier layer, and therefore, overflow of electrons from the active layer I to the p-type cladding layer L is sufficiently suppressed. As a result, the nitride semiconductor light emitting device 1 requires less injected current than the nitride semiconductor light emitting device 100 to generate the same amount of light emission.

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1では、第2ガイド層Jがp型電子ブロック層K側にp型不純物が添加された上部層Jを有し、上部層Jとp型電子ブロック層Kとがヘテロ接合を形成する。上部層JへのMgドーピングによって生じたキャリアは、上部層J及びp型電子ブロック層Kにおいてピエゾ分極及び自発分極が合成された内部電界を緩和させる。それ故、上部層Jとp型電子ブロック層Kとのヘテロ界面に生じるピエゾ分極だけではなく、上部層層Jの結晶中の自発分極に起因するp型電子ブロック層Kの障壁の高さΦsの低下も抑制することをできる。よって、活性層Iからp型クラッド層Lへの電子のオーバーフローを十分に抑制することができる。また、十分な電子のオーバーフローの抑制に伴い、窒化物半導体発光素子1の発振閾値を改善することができる。なお、従来の窒化物半導体発光素子100及び窒化物半導体発光素子1は、ブロック層Kにおいては相違しておらず、ブロック層Kにおける自発分極はどちらの場合も同じである。 In the nitride semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment, the second guide layer J has a top layer J p where p-type impurity is added to the p-type electron blocking layer K side, the upper layer J p and p-type electron The block layer K forms a heterojunction. Carriers generated by Mg doping of the upper layer J p is piezoelectric polarization and the spontaneous polarization to relax the internal electric field, which is synthesized in the upper layer J p and p-type electron blocking layer K. Therefore, not only the piezoelectric polarization occurring at the hetero-interface between the upper layer J p and p-type electron blocking layer K, the barrier of the p-type electron blocking layer K due to the spontaneous polarization in the crystal of the upper layer layer J p high It is possible to suppress a decrease in the thickness Φs. Therefore, the overflow of electrons from the active layer I to the p-type cladding layer L can be sufficiently suppressed. In addition, the oscillation threshold value of the nitride semiconductor light emitting device 1 can be improved with sufficient suppression of the overflow of electrons. The conventional nitride semiconductor light emitting device 100 and nitride semiconductor light emitting device 1 are not different in the block layer K, and the spontaneous polarization in the block layer K is the same in both cases.

また、p型電子ブロック層K側の下部層Jには、p型不純物が意図的には添加されていない。これにより、第2ガイド層J(具体的には、下部層J)における不純物準位による光の吸収を回避できる。更に、活性層Iへのp型不純物の拡散を抑制することができる。そのため、活性層Iに、拡散してきたp型不純物による活性層I内での結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性の低下が抑制される。 In addition, no p-type impurity is intentionally added to the lower layer J i on the p-type electron block layer K side. Thereby, absorption of light by the impurity level in the second guide layer J (specifically, the lower layer J i ) can be avoided. Further, the diffusion of p-type impurities into the active layer I can be suppressed. Therefore, the generation of crystal defects in the active layer I due to the diffused p-type impurities in the active layer I is suppressed. As a result, a decrease in light emission characteristics is suppressed.

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1の製造方法では、ガイド層形成工程において、初期段階ではp型不純物を供給せずに結晶成長を行って下部層Jを形成し、最終段階ではp型不純物を供給しつつ上部層Jを形成する。また、上部層Jとp型電子ブロック層Kとがヘテロ接合を形成する。そのため、活性層Iからp型クラッド層Lへの電子のオーバーフローを十分に抑制することが可能な窒化物半導体発光素子1を容易に製造することができる。 In the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment, in the guide layer forming step, crystal growth is performed without supplying p-type impurities in the initial stage to form the lower layer J i, and p in the final stage. The upper layer Jp is formed while supplying the type impurities. Further, the upper layer Jp and the p-type electron block layer K form a heterojunction. Therefore, nitride semiconductor light emitting element 1 capable of sufficiently suppressing the overflow of electrons from active layer I to p-type cladding layer L can be easily manufactured.

図8は、下部層J、上部層J及びp型電子ブロック層Kのp型不純物(Mg)のドーピング濃度と発光に消費される電流の割合示す発光効率との関係を説明するための図表である。下部層Jにはp型不純物がドーピングをしていない場合において、上部層J及びp型電子ブロック層KのMgのドーピング濃度が5.9×1018cm−3である場合には発光効率が22%である。上部層J及びp型電子ブロック層KのMgのドーピング濃度を共に5.9×1019cm−3、5.9×1020cm−3に高くするとそれぞれの場合において発光効率が54%及び66%となり、ドーピング濃度に比例して発光効率が高くなる傾向にあることが分かる。 FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the doping concentration of the p-type impurity (Mg) in the lower layer J i , the upper layer J p and the p-type electron blocking layer K and the luminous efficiency indicating the ratio of the current consumed for light emission. It is a chart. When the lower layer J i is not doped with a p-type impurity, light emission occurs when the Mg doping concentration of the upper layer J p and the p-type electron blocking layer K is 5.9 × 10 18 cm −3. The efficiency is 22%. When the Mg doping concentrations of the upper layer J p and the p-type electron blocking layer K are both increased to 5.9 × 10 19 cm −3 and 5.9 × 10 20 cm −3 , the luminous efficiency is 54% in each case. It can be seen that the emission efficiency tends to increase in proportion to the doping concentration.

しかし、上部層Jを5.9×1019cm−3に維持してp型電子ブロック層Kの濃度のみを5.9×1020cm−3に高くしても発光効率は55%で変化は少ない。また、第2ガイド層Jが上部層Jを有しない窒化物半導体発光素子100の場合には、p型電子ブロック層Kが5.9×1019cm−3の場合、発光効率が18%に過ぎないことが分かる。また、上部層Jのみならず下部層JにもMgがドープされている場合において、下部層J、上部層J及びp型電子ブロック層Kが5.9×1019cm−3である場合には、発行効率が54%で非常に高い。この発光効率の値は、上述した下部層Jにp型不純物がドーピングされておらず、上部層J及びp型電子ブロック層KのMgのドーピング濃度を共に5.9×1019cm−3であった場合と同じである。しかし、この場合には、第2ガイド層Jがp型であるため、第2ガイド層Jにおいて光吸収が多くなり実効的に効率が悪くなるため望ましくない。このように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子1によれば、上部層Jのp型不純物の濃度を適切に調節することで電子のオーバーフローが十分に抑制され、窒化物半導体発光素子1の発光効率が改善される。 However, even if the upper layer J p is maintained at 5.9 × 10 19 cm −3 and only the concentration of the p-type electron blocking layer K is increased to 5.9 × 10 20 cm −3 , the luminous efficiency is 55%. There is little change. Further, when the second guide layer J is the nitride semiconductor light emitting device 100 having no upper layer J p , the luminous efficiency is 18% when the p-type electron block layer K is 5.9 × 10 19 cm −3. You can see that it is only. Further, in the case of Mg in the lower layer J i not upper layer J p only is doped, the lower layer J i, the upper layer J p and p-type electron blocking layer K is 5.9 × 10 19 cm -3 The issue efficiency is very high at 54%. The value of the luminous efficiency is such that the lower layer J i is not doped with p-type impurities, and the Mg doping concentrations of the upper layer J p and the p-type electron blocking layer K are both 5.9 × 10 19 cm −. The same as when 3 . However, in this case, since the second guide layer J is p-type, light absorption is increased in the second guide layer J, and the efficiency is effectively deteriorated. Thus, according to the nitride semiconductor light emitting device 1 according to this embodiment, the overflow of electrons can be sufficiently suppressed by adjusting the concentration of the p-type impurity of the upper layer J p appropriately, the nitride semiconductor light emitting device The luminous efficiency of 1 is improved.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図9は、第2実施形態に係る窒化物半導体発光素子1Aを示す断図面である。窒化物半導体発光素子1Aは、単一層のp型電子ブロック層Kに替えて、組成が互いに異なると共にp型電子ブロック層Kの厚さの1/4である4つのp型電子ブロック層K〜Kを備える点において窒化物半導体発光素子1と相違する。その他の構成は、窒化物半導体発光素子1と同等である。p型電子ブロック層K〜Kの材料の一例は以下の通りである。
・p型電子ブロック層K:Al0.5Ga0.5
・p型電子ブロック層K:Al0.425Ga0.575
・p型電子ブロック層K:Al0.35Ga0.65
・p型電子ブロック層K:Al0.275Ga0.725
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device 1A according to the second embodiment. In the nitride semiconductor light emitting device 1A, instead of the single-layer p-type electron block layer K, four p-type electron block layers K a having different compositions and ¼ of the thickness of the p-type electron block layer K are used. It differs from the nitride semiconductor light emitting device 1 in that it has ~ Kd . Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor light emitting device 1. An example of the material of the p-type electron block layers K a to K d is as follows.
· P-type electron blocking layer K a: Al 0.5 Ga 0.5 N
· P-type electron blocking layer K b: Al 0.425 Ga 0.575 N
· P-type electron blocking layer K c: Al 0.35 Ga 0.65 N
-P- type electron block layer Kd : Al0.275Ga0.725N

図10は、第2実施形態に係る窒化物半導体発光素子1Aの変形例を示す図面である。図9に示すように、本変形例に係る窒化物半導体発光素子1Bは、基板A、緩衝層B、下地層D1、結晶成長制限部C、凹凸層D2及び平坦化層Eからなる下地基板3に替えて、AlN基板3Aを備えている点において窒化物半導体発光素子1B相違する。その他の構成は、窒化物半導体発光素子1Bと同等である。   FIG. 10 is a view showing a modification of the nitride semiconductor light emitting device 1A according to the second embodiment. As shown in FIG. 9, the nitride semiconductor light emitting device 1B according to this variation includes a base substrate 3 including a substrate A, a buffer layer B, a base layer D1, a crystal growth limiting portion C, a concavo-convex layer D2, and a planarization layer E. Instead of the nitride semiconductor light emitting device 1B, the AlN substrate 3A is provided. Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor light emitting device 1B.

図11(a)は、窒化物半導体発光素子1A及びその変形例の窒化物半導体発光素子1Bの第2ガイド層J、p型電子ブロック層K〜K及びp型クラッド層Lにおける伝導帯の下端のエネルギー準位Ecを示す。図11(b)は、窒化物半導体発光素子1A及び窒化物半導体発光素子1Bの第2ガイド層J、p型電子ブロック層K〜K及びp型クラッド層Lの付近における電子の電流密度(実線)及びホールの電流密度(点線)を示す。 11 (a) is a nitride semiconductor light emitting device 1A and the conduction band at the second guide layer J of nitride semiconductor light emitting device 1B of the modified example, p-type electron blocking layer K a ~K d and p-type clad layer L The energy level Ec at the lower end of is shown. FIG. 11B shows the current density of electrons in the vicinity of the second guide layer J, the p-type electron block layers K a to K d and the p-type cladding layer L of the nitride semiconductor light emitting device 1A and the nitride semiconductor light emitting device 1B. (Solid line) and hole current density (dotted line) are shown.

図11(a)に示されているように、p型電子ブロック層K〜Kを備える窒化物半導体発光素子1A及び1Bの場合には、第2ガイド層Jに対してp型電子ブロック層K〜Kによる障壁の高さΦsが330meVとなっており、窒化物半導体発光素子1の場合と比較して障壁の高さΦsが更に高くなっていることが分かる。また、図11(b)に示されているように、ホールの電流密度に関しては、窒化物半導体発光素子1A及び1Bの場合においても窒化物半導体発光素子1の場合と大きな差が見られない。一方、電子の電流密度に関しては、p型電子ブロック層K〜Kを備える窒化物半導体発光素子1A及び1Bの場合には、活性層I、第2ガイド層J及びp型電子ブロック層Kにおいて更に大きな電子の電流密度の減少が見られる。これは、窒化物半導体発光素子1A及び1Bの場合には、p型電子ブロック層K〜Kによる障壁の高さΦsの低下が更に抑制されてp型電子ブロック層K〜Kがバリア層としてより十分に機能し、それ故に活性層Iからp型クラッド層Lへ向かう電子のオーバーフローがより十分に抑制されることを示す。 As shown in FIG. 11A, in the case of the nitride semiconductor light emitting devices 1A and 1B having the p-type electron block layers K a to K d , the p-type electron block with respect to the second guide layer J The barrier height Φs of the layers K a to K d is 330 meV, and it can be seen that the barrier height Φs is higher than that of the nitride semiconductor light emitting device 1. Further, as shown in FIG. 11B, with respect to the current density of holes, there is no significant difference between the nitride semiconductor light emitting devices 1A and 1B and the nitride semiconductor light emitting device 1. On the other hand, with respect to the electron current density, in the case of the nitride semiconductor light emitting device 1A and 1B comprises a p-type electron blocking layer K a ~K d is the active layer I, the second guide layer J and p-type electron blocking layer K In FIG. 4, a further decrease in the current density of electrons is observed. This is the case of the nitride semiconductor light emitting device 1A and 1B, the p-type electron blocking layer K a ~K d decrease in height Φs barrier due is further suppressed p-type electron blocking layer K a ~K d is It shows that the overflow of electrons from the active layer I to the p-type cladding layer L is more sufficiently suppressed because it functions more satisfactorily as a barrier layer.

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。具体的には、本実施形態では、下地層DはGaNからなり、層E,F,G,H,I,J,K,L及びMはAlGaNからなるとしたが、それぞれAlGaInNからなるとしてもよい。いずれかの層にAlGaInNを用いる場合には、Inの組成はおおむね10%程度が限度であり、それ以上のIn組成も可能ではある。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this embodiment can be variously changed in the range which does not deviate from the summary of this invention. Specifically, in this embodiment, the base layer D is made of GaN, and the layers E, F, G, H, I, J, K, L, and M are made of AlGaN, but may be made of AlGaInN. . When AlGaInN is used for any one of the layers, the In composition is generally limited to about 10%, and an In composition higher than that is possible.

また、基板Aは、サファイアからなる基板であるが、AlN基板であってもよい。上述した実施形態において、緩衝層BはGaNからなるものであるが同様な効果が得られるものであれば、AlN等からなるものであってもよい。エッチングマスク5及び7は、SiOからなるものであるが、他の材料のパターニングされたものであってもよい。また、結晶成長制限部Cのストライプの方向は、GaN[1−100]方向であるが別の結晶方向に沿っているものであってもよい。また、本実施形態では、素子構造の結晶成長をn側からp側に向かって順次に行ったが、p側から始めて同様な構造を上下反対に形成しても良い。 The substrate A is a substrate made of sapphire, but may be an AlN substrate. In the embodiment described above, the buffer layer B is made of GaN, but may be made of AlN or the like as long as the same effect can be obtained. The etching masks 5 and 7 are made of SiO 2 , but may be patterned with other materials. In addition, the stripe direction of the crystal growth limiting portion C is the GaN [1-100] direction, but may be along another crystal direction. In this embodiment, the crystal growth of the element structure is performed sequentially from the n side to the p side. However, the same structure may be formed upside down starting from the p side.

1…窒化物半導体発光素子、I…活性層、L…p型クラッド層、K…p型電子ブロック層、J…第2ガイド層、J…下部層、J…上部層。 1 ... nitride semiconductor light emitting device, I ... active layer, L ... p-type cladding layer, K ... p-type electron blocking layer, J ... second guide layer, J i ... lower layer, J p ... upper layer.

Claims (4)

活性層と、
前記活性層の一方側に設けられたp型クラッド層と、
前記p型クラッド層と前記活性層との間に設けられたp型電子ブロック層と、
前記活性層と前記p型電子ブロック層との間に設けられたガイド層とを備え、
前記活性層、前記p型クラッド層、前記p型電子ブロック層、及び前記ガイド層がIII族窒化物系半導体を含み、
前記ガイド層のうち前記p型電子ブロック層側に位置する部分が、p型不純物を含むと共に前記p型電子ブロック層とヘテロ接合を形成する窒化物半導体発光素子。
An active layer,
A p-type cladding layer provided on one side of the active layer;
A p-type electron blocking layer provided between the p-type cladding layer and the active layer;
A guide layer provided between the active layer and the p-type electron blocking layer,
The active layer, the p-type cladding layer, the p-type electron blocking layer, and the guide layer include a group III nitride semiconductor,
The nitride semiconductor light emitting device in which a portion of the guide layer located on the p-type electron block layer side includes a p-type impurity and forms a heterojunction with the p-type electron block layer.
前記ガイド層のうち前記活性層側に位置する部分には、p型不純物が意図的には添加されていない請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a p-type impurity is not intentionally added to a portion of the guide layer located on the active layer side. 前記p型クラッド層上に設けられたp型コンタクト層と、
前記活性層の他方側に設けられたn型コンタクト層と、
を更に備える請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
A p-type contact layer provided on the p-type cladding layer;
An n-type contact layer provided on the other side of the active layer;
The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, further comprising:
基板上にガイド層を形成する工程と、
前記ガイド層上にp型電子ブロック層を形成する工程と、
前記p型電子ブロック層上にp型クラッド層を形成する工程と、
を備え、
前記ガイド層、前記p型電子ブロック層、及び前記p型クラッド層がIII族窒化物系半導体を含み、
前記ガイド層形成工程において、初期段階ではp型不純物を供給せずに結晶成長を行い、且つ最終段階ではp型不純物を供給しつつ結晶成長を行い、
前記p型電子ブロック層と前記ガイド層形成工程において前記p型不純物を供給しつつ結晶成長した部分とがヘテロ接合を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法。
Forming a guide layer on the substrate;
Forming a p-type electron blocking layer on the guide layer;
Forming a p-type cladding layer on the p-type electron blocking layer;
With
The guide layer, the p-type electron blocking layer, and the p-type cladding layer include a group III nitride semiconductor,
In the guide layer forming step, crystal growth is performed without supplying p-type impurities in the initial stage, and crystal growth is performed while supplying p-type impurities in the final stage.
A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, wherein the p-type electron blocking layer and a portion of the crystal grown while supplying the p-type impurity in the guide layer forming step form a heterojunction.
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