JP2011040784A - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light emitting device that reduces driving voltage. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor light emitting device includes a substrate 1, a first n-type nitride semiconductor layer 2 formed on the substrate, a light-emitting layer 3, a p-type nitride semiconductor layer 4, a p-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 5, an n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6, an n-type nitride semiconductor evaporation inhibition layer 7, and a second n-type nitride semiconductor layer 8. The n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6 contains In. The n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6 is in contact with the n-type nitride semiconductor evaporation inhibition layer 7 having a larger band gap than the n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6. The shortest distance between an interface of the n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6 and the n-type nitride semiconductor evaporation inhibition layer 7 and an interface of the p-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer 6 is less than 40 nm. The n-type dopant concentration in the n-type nitride semiconductor tunnel bonding layer is less than 5×10<SP>19</SP>/cm<SP>3</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

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

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

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

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

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

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

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

特開2002−319703号公報JP 2002-319703 A

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

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

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

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

本発明は、基板と、基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体蒸発抑制層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、n型窒化物半導体トンネル接合層はInを含んでおり、n型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面はp型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、n型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該n型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、n型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、n型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層との界面と、の最短距離が40nm未満であり、n型窒化物半導体トンネル接合層中のn型ドーパントの濃度が5×1019/cm3未満である窒化物半導体発光素子である。 The present invention relates to a substrate, a first n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, a p-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and an n-type nitride formed on the substrate. An n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, an n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer, and a second n-type nitride semiconductor layer, wherein the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer are A tunnel junction is formed, the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer contains In, and one surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with one surface of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer. The other surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer having a band gap larger than that of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer. Layer and n-type nitride semiconductor evaporation suppression And the shortest distance between the interface of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the interface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is less than 40 nm, and the n-type dopant in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer A nitride semiconductor light emitting device having a concentration of less than 5 × 10 19 / cm 3 .

ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、n型窒化物半導体トンネル接合層中において、Al、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比が0.1よりも大きいことが好ましい。   Here, in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga and In atoms in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is greater than 0.1. preferable.

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、n型ドーパントは、Si、GeおよびOからなる群から選択された少なくとも1種であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type dopant is preferably at least one selected from the group consisting of Si, Ge and O.

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、p型窒化物半導体トンネル接合層中のp型ドーパントの濃度が2×1019/cm3以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the p-type dopant concentration in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 2 × 10 19 / cm 3 or more.

また、本発明は、基板と、基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体蒸発抑制層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、p型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層はそれぞれInを含んでおり、n型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面はp型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、n型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該n型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、n型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、p型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該p型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、p型窒化物半導体層と接しており、n型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層との界面との最短距離、および、p型窒化物半導体トンネル接合層とp型窒化物半導体層との界面と、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層との界面との最短距離、の少なくとも一方の最短距離が40nm未満であり、n型窒化物半導体トンネル接合層中のn型ドーパントの濃度が5×1019/cm3未満である窒化物半導体発光素子である。 The present invention also provides a substrate, a first n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate, a light emitting layer, a p-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, n A p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and an n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, comprising: a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer; an n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer; and a second n-type nitride semiconductor layer. Form a tunnel junction, and each of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer contains In, and one surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is p-type. An n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer in contact with one surface of the nitride semiconductor tunnel junction layer, and the other surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer has a larger band gap than the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer In contact with p-type nitrogen The other surface of the nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with the p-type nitride semiconductor layer having a larger band gap than the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride The shortest distance between the interface between the semiconductor evaporation suppression layer and the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the p-type nitride semiconductor At least one of the shortest distance between the interface with the layer and the shortest distance between the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is less than 40 nm, and the n-type nitride semiconductor tunnel junction This is a nitride semiconductor light emitting device in which the concentration of the n-type dopant in the layer is less than 5 × 10 19 / cm 3 .

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、n型窒化物半導体トンネル接合層中およびp型窒化物半導体トンネル接合層中において、Al、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比が0.1よりも大きいことが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga and In atoms in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer Is preferably greater than 0.1.

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、n型ドーパントは、Si、GeおよびOからなる群から選択された少なくとも1種であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type dopant is preferably at least one selected from the group consisting of Si, Ge and O.

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、p型窒化物半導体トンネル接合層中のp型ドーパントの濃度が2×1019/cm3以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the p-type dopant concentration in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is preferably 2 × 10 19 / cm 3 or more.

なお、本発明において、「p型ドーパントの濃度」は窒化物半導体中に含まれるp型ドーパントの原子濃度を示し、「n型ドーパントの濃度」は窒化物半導体中に含まれるn型ドーパントの原子濃度を示しており、それぞれたとえばSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等の方法により定量的に算出することができる。   In the present invention, “p-type dopant concentration” indicates the atomic concentration of the p-type dopant contained in the nitride semiconductor, and “n-type dopant concentration” indicates the n-type dopant atom contained in the nitride semiconductor. The concentration is shown and can be quantitatively calculated by a method such as SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry).

また、本明細書において、Alはアルミニウムを示し、Gaはガリウムを示し、Inはインジウムを示す。   In this specification, Al represents aluminum, Ga represents gallium, and In represents indium.

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

本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of a preferable example of the nitride semiconductor light-emitting diode element which is an example of the nitride semiconductor light-emitting element of this invention. 本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい他の一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of another preferable example of the nitride semiconductor light-emitting diode element which is an example of the nitride semiconductor light-emitting element of this invention. 実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層の厚さ(nm)と駆動電圧(V)との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer and the drive voltage (V) of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1. 実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層の厚さ(nm)と駆動電圧(V)との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer and the drive voltage (V) of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 3. 本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい他の一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of another preferable example of the nitride semiconductor light-emitting diode element which is an example of the nitride semiconductor light-emitting element of this invention.

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

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

このような構成の窒化物半導体発光素子においては、従来のp型窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる一方で、p型窒化物半導体トンネル接合層5とn型窒化物半導体トンネル接合層6との接合部であるトンネル接合部における電圧ロスをいかに小さくすることができるかということが問われる。   In the nitride semiconductor light emitting device having such a configuration, the contact resistance can be reduced and the driving voltage can be lowered as compared with the conventional structure in which the positive electrode is formed on the conventional p-type nitride semiconductor layer. On the other hand, there is a question as to how the voltage loss at the tunnel junction which is the junction between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 can be reduced.

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

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

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

ここで、トンネル接合部にかかる電界εを大きくする方法としては、トンネル接合を形成するp型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6の双方の実効的なイオン化不純物濃度を高くすることが好ましい。実効的なイオン化不純物濃度を高くする方法として、バンドギャップの異なる層を積層した界面に生じる2次元電子ガスを利用する方法が挙げられる。   Here, as a method of increasing the electric field ε applied to the tunnel junction, effective ionized impurity concentrations of both the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 forming the tunnel junction are used. Is preferably increased. As a method for increasing the effective ionized impurity concentration, there is a method using a two-dimensional electron gas generated at an interface where layers having different band gaps are stacked.

すなわち、2次元電子ガスの生成箇所をp型窒化物半導体トンネル接合層5とn型窒化物半導体トンネル接合層6との界面近傍に位置させることによって、トンネル接合を形成するp型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6の実効的なイオン化不純物濃度を高くすることができるため、トンネル接合部にかかる電界εを大きくすることができる。そして、トンネル接合部にかかる電界εを大きくすることにより、より狭い空乏層を形成することができるため、トンネリング確率が向上することになる。   That is, a p-type nitride semiconductor tunnel that forms a tunnel junction is formed by positioning the generation site of the two-dimensional electron gas in the vicinity of the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6. Since the effective ionized impurity concentration of the junction layer 5 and / or the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 can be increased, the electric field ε applied to the tunnel junction can be increased. Further, by increasing the electric field ε applied to the tunnel junction, a narrower depletion layer can be formed, so that the tunneling probability is improved.

そこで、本発明者が鋭意検討した結果、p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6の両方若しくはいずれか一方がInを含んでおり、p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6の少なくとも一方であるInを含む層の少なくとも1つがそれよりもバンドギャップの大きい層と接しており、Inを含む層とバンドギャップの大きい層との界面と、p型窒化物半導体トンネル接合層5とn型窒化物半導体トンネル接合層6との界面と、の最短距離の少なくとも1つを40nm未満、好ましくは20nm以下、さらに好ましくは15nm以下とすることにより、p型窒化物半導体トンネル接合層5のイオン化不純物濃度が低い場合であっても、トンネル接合を含む窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減できることを見いだし、本発明を完成するに至った。   Therefore, as a result of intensive studies by the present inventor, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and / or the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 contain In, and the p-type nitride semiconductor tunnel junction At least one of the layers containing In which is at least one of the layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is in contact with a layer having a larger band gap, and the layer containing In and the layer having a larger band gap At least one of the shortest distances between the interface and the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is less than 40 nm, preferably 20 nm or less, more preferably 15 nm or less. Thus, even when the ionized impurity concentration of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 is low, the nitride semiconductor including the tunnel junction It found that can reduce the driving voltage of the optical elements, and have completed the present invention.

ここで、駆動電圧を低減するとともに発光層3からの光の吸収量を低減する観点からは、上記の最短距離は短いほど好ましいが、あまりにも短くなり過ぎた場合には、Inを含む層のIn含有率(Inを含む層中のAl、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比)が小さくなったときに、Inを含む層においてバンドギャップの大きい層側のキャリア濃度の低い部分まで空乏層が達し、トンネル確率が小さくなるおそれがある。   Here, from the viewpoint of reducing the drive voltage and reducing the amount of light absorbed from the light emitting layer 3, the above shortest distance is preferably as short as possible, but if it is too short, the layer containing In When the In content (ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga, and In atoms in the In-containing layer) becomes small, the carrier concentration on the layer side with a large band gap is low in the In-containing layer. There is a possibility that the depletion layer reaches the part and the tunnel probability becomes small.

したがって、上記の観点から、上記の最短距離は2nmよりも大きいことが好ましい。この場合には、p型窒化物半導体トンネル接合層5とn型窒化物半導体トンネル接合層6とのトンネル接合部のトンネル確率が小さくなるのを低減することができる。   Therefore, from the above viewpoint, the shortest distance is preferably greater than 2 nm. In this case, it is possible to reduce the decrease in the tunnel probability of the tunnel junction between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6.

また、上記の観点から、Inを含む層のIn含有率(Inを含む層中のAl、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比)は0.1よりも大きいことが好ましく、上限は1であってもよい。   From the above viewpoint, the In content of the layer containing In (ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga and In atoms in the In-containing layer) is preferably larger than 0.1. The upper limit may be 1.

なお、上記において、基板1としては、たとえば、シリコン基板、炭化ケイ素基板、または酸化亜鉛基板等を用いることができる。   In the above, as the substrate 1, for example, a silicon substrate, a silicon carbide substrate, a zinc oxide substrate, or the like can be used.

また、上記において、第1のn型窒化物半導体層2としては、たとえばn型ドーパントがドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができる。   In the above, as the first n-type nitride semiconductor layer 2, for example, a nitride semiconductor crystal doped with an n-type dopant can be used.

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

また、上記において、p型窒化物半導体層4としては、たとえばp型ドーパントがドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでもAlを含むp型クラッド層上にp型GaN層を成長させたものを用いることができる。   In the above, as the p-type nitride semiconductor layer 4, for example, a nitride semiconductor crystal doped with a p-type dopant can be used. In particular, a p-type GaN layer is grown on a p-type cladding layer containing Al. Can be used.

また、上記において、p型窒化物半導体トンネル接合層5としては、たとえば、Alx1Iny1Ga1-(x1+y1)N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦1−(x1+y1)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にp型ドーパントがドーピングされた材料を用いることができる。なお、上記の組成式において、x1はAlの組成比を示し、y1はInの組成比を示し、1−(x1+y1)はGaの組成比を示す。 In the above, the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 is, for example, Al x1 In y1 Ga 1-(x1 + y1) N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 ≦ 1- ( A material obtained by doping a nitride semiconductor crystal represented by the composition formula of x1 + y1) ≦ 1) with a p-type dopant can be used. In the above composition formula, x1 represents the Al composition ratio, y1 represents the In composition ratio, and 1- (x1 + y1) represents the Ga composition ratio.

また、p型窒化物半導体トンネル接合層5中のp型ドーパントの濃度が2×1019/cm3以上であることが好ましい。この場合には、本発明の窒化物半導体発光素子の駆動電圧が低減する傾向が大きくなる。 The concentration of the p-type dopant in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 is preferably 2 × 10 19 / cm 3 or more. In this case, the driving voltage of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention tends to decrease.

また、上記において、n型窒化物半導体トンネル接合層6としては、たとえば、Alx2Iny2Ga1-(x2+y2)N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦1−(x2+y2)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にp型ドーパントがドーピングされた材料を用いることができる。なお、上記の組成式において、x2はAlの組成比を示し、y2はInの組成比を示し、1−(x2+y2)はGaの組成比を示す。なお、上記の組成式において、x2はAlの組成比を示し、y2はInの組成比を示し、1−(x2+y2)はGaの組成比を示す。 In the above, the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 may be, for example, Al x2 In y2 Ga 1- (x2 + y2) N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, 0 ≦ 1- ( A material obtained by doping a nitride semiconductor crystal represented by a composition formula of x2 + y2) ≦ 1) with a p-type dopant can be used. In the above composition formula, x2 represents the Al composition ratio, y2 represents the In composition ratio, and 1- (x2 + y2) represents the Ga composition ratio. In the above composition formula, x2 represents the Al composition ratio, y2 represents the In composition ratio, and 1- (x2 + y2) represents the Ga composition ratio.

また、n型窒化物半導体トンネル接合層6がInを含む層である場合には、n型窒化物半導体トンネル接合層6中のn型ドーパントの濃度が5×1019/cm3未満であることが好ましい。この場合には、本発明の窒化物半導体発光素子の駆動電圧が低減する傾向が大きくなる。 When n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is a layer containing In, the concentration of n-type dopant in n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is less than 5 × 10 19 / cm 3. Is preferred. In this case, the driving voltage of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention tends to decrease.

ここで、(i)p型窒化物半導体トンネル接合層5がInGaN(窒化インジウムガリウム)からなる場合にはn型窒化物半導体トンネル接合層6がGaN(窒化ガリウム)からなることが好ましく、(ii)p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6がともにInGaNからなることが好ましく、(iii)p型窒化物半導体トンネル接合層5がGaNからなる場合にn型窒化物半導体トンネル接合層6がInGaNからなることが好ましい。また、p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6が互いにIn含有率の異なるInGaNからなっていてもよい。また、上記の(i)〜(iii)のそれぞれの場合には、GaNがAlGaNであってもよい。   Here, (i) when the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 is made of InGaN (indium gallium nitride), the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 is preferably made of GaN (gallium nitride), and (ii) It is preferable that both the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 are made of InGaN, and (iii) n-type nitridation when the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 is made of GaN. The physical semiconductor tunnel junction layer 6 is preferably made of InGaN. The p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 may be made of InGaN having different In contents. In each of the cases (i) to (iii), GaN may be AlGaN.

なお、本発明においては、p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6の少なくとも一方がInを含む層である必要がある。   In the present invention, at least one of p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 needs to be a layer containing In.

また、n型窒化物半導体蒸発抑制層10を形成することにより、p型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6がInを含む場合にこれらの層からInが蒸発するのを抑制することができる。   In addition, by forming the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer 10, when the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and / or the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 contains In, the In is contained from these layers. Evaporation can be suppressed.

ここで、n型窒化物半導体蒸発抑制層10としては、たとえば、AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦1−(c+d)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にn型ドーパントをドーピングした層を用いることができ、なかでもn型GaNを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、cはAlの組成比を示し、dはInの組成比を示し、1−(c+d)はGaの組成比を示す。また、n型窒化物半導体蒸発抑制層10は、p型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6と同程度の温度で成長させられることが好ましい。 Here, the n-type nitride semiconductor evaporation suppressing layer 10, for example, Al c In d Ga 1- ( c + d) N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 ≦ 1- (c + d) A layer in which a nitride semiconductor crystal represented by the composition formula ≦ 1) is doped with an n-type dopant can be used, and among these, n-type GaN is preferably used. In the above composition formula, c represents the composition ratio of Al, d represents the composition ratio of In, and 1- (c + d) represents the composition ratio of Ga. The n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer 10 is preferably grown at a temperature comparable to that of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 5 and / or the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6.

また、第2のn型窒化物半導体層7を形成することにより、第2のn型窒化物半導体層7上に形成されたp側電極9から注入された電流を拡散させることができる。   Further, by forming the second n-type nitride semiconductor layer 7, the current injected from the p-side electrode 9 formed on the second n-type nitride semiconductor layer 7 can be diffused.

ここで、第2のn型窒化物半導体層7としては、たとえば、n型ドーパントがドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでも抵抗率の低い層であることが好ましく、特に、キャリア濃度が1×1018/cm3以上であることが好ましい。また、高い光取り出し効率を確保するためには、第2のn型窒化物半導体層7のバンドギャップは、発光層3のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。 Here, as the second n-type nitride semiconductor layer 7, for example, a nitride semiconductor crystal doped with an n-type dopant can be used, and in particular, a layer having a low resistivity is preferable. The carrier concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. In order to ensure high light extraction efficiency, the band gap of the second n-type nitride semiconductor layer 7 is preferably larger than the band gap of the light emitting layer 3.

第1のn型窒化物半導体層2上に形成されるn側電極8および第2のn型窒化物半導体層7上に形成されるp側電極9としては、たとえば、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)およびAl(アルミニウム)からなる群から選択された少なくとも1種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。   Examples of the n-side electrode 8 formed on the first n-type nitride semiconductor layer 2 and the p-side electrode 9 formed on the second n-type nitride semiconductor layer 7 include Ti (titanium), Hf It is preferable to form an ohmic contact using at least one metal selected from the group consisting of (hafnium) and Al (aluminum).

ここで、n側電極8は、上記の第2のn型窒化物半導体層7の成長後のウエハを第2のn型窒化物半導体層7側からエッチングすることによって第1のn型窒化物半導体層2の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。   Here, the n-side electrode 8 is formed by etching the wafer after the growth of the second n-type nitride semiconductor layer 7 from the second n-type nitride semiconductor layer 7 side. A part of the surface of the semiconductor layer 2 can be exposed and formed on the exposed surface.

また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第2のn型窒化物半導体層7の成長後のウエハの第2のn型窒化物半導体層7側を貼り付けることによって、第1のn型窒化物半導体層2側が光取り出し側、第2のn型窒化物半導体層7側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いAl、PtおよびAgからなる群から選択された少なくとも1種の金属を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。   Further, the first n-type nitride semiconductor layer 7 side of the wafer after the growth of the second n-type nitride semiconductor layer 7 is attached to a separately prepared conductive support substrate, whereby the first n-type nitride semiconductor layer 7 side is attached. At least one selected from the group consisting of Al, Pt, and Ag having high reflectivity on the support substrate side, where the type nitride semiconductor layer 2 side is the light extraction side, and the second n-type nitride semiconductor layer 7 side is the support substrate side A seed metal may be formed to form a nitride semiconductor light emitting diode element having an upper and lower electrode structure.

このような上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子によれば、第2のn型窒化物半導体層7は従来のp型窒化物半導体層よりもキャリア濃度を高くすることができることから、金属の仕事関数に関わらず、キャリアのトンネリングによるオーミック特性が得やすくなり、上述した反射率の高い金属を第2のn型窒化物半導体層7上に形成することができるため、光取り出し効率が向上する傾向にある。   According to the nitride semiconductor light-emitting diode element having such an upper and lower electrode structure, the second n-type nitride semiconductor layer 7 can have a higher carrier concentration than the conventional p-type nitride semiconductor layer. Regardless of the work function, ohmic characteristics due to carrier tunneling can be easily obtained, and the above-described highly reflective metal can be formed on the second n-type nitride semiconductor layer 7, thereby improving light extraction efficiency. There is a tendency.

なお、本発明において、n型ドーパントとしては、たとえばSi(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)およびO(酸素)からなる群から選択された少なくとも1種をドーピングすることが好ましい。   In the present invention, the n-type dopant is preferably doped with at least one selected from the group consisting of Si (silicon), Ge (germanium) and O (oxygen), for example.

また、本発明において、p型ドーパントとしては、たとえばMg(マグネシウム)および/またはZn(亜鉛)等をドーピングすることができる。   In the present invention, as the p-type dopant, for example, Mg (magnesium) and / or Zn (zinc) can be doped.

(実施例1)
実施例1においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
Example 1
In Example 1, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was produced.

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

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

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

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

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

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

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

その後、サファイア基板101の温度を750℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるp型トンネル接合層108(p型ドーパントの濃度:1×1020/cm3)をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。ここで、p型GaNコンタクト層107のバンドギャップは、p型トンネル接合層108のバンドギャップよりも大きくなる。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 750 ° C., nitrogen as the carrier gas, ammonia, TMG and TMI as the source gas, and CP2Mg as the impurity gas are flown into the reactor, and Mg is 1 × 10 20 / cm 3 . A p-type tunnel junction layer 108 (concentration of p-type dopant: 1 × 10 20 / cm 3 ) made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration is formed to a thickness of 20 nm on the p-type GaN contact layer 107 by MOCVD. Grown up. Here, the band gap of the p-type GaN contact layer 107 is larger than the band gap of the p-type tunnel junction layer 108.

その後、サファイア基板101の温度を750℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型トンネル接合層109(n型ドーパントの濃度:1×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に15nmの厚さに成長させた。 Thereafter, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 750 ° C., nitrogen as the carrier gas, ammonia and TMG as the source gas, and silane as the impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si is 1 × 10 19 / cm 3 . An n-type tunnel junction layer 109 (concentration of n-type dopant: 1 × 10 19 / cm 3 ) made of GaN doped at a concentration was grown to a thickness of 15 nm on the p-type tunnel junction layer 108 by MOCVD.

その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層111をMOCVD法によりn型トンネル接合層109上に0.2μmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is increased to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si has a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The n-type GaN layer 111 made of GaN doped with the above was grown on the n-type tunnel junction layer 109 to a thickness of 0.2 μm by MOCVD.

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

そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のn型GaN層111の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成した。そして、RIE(Reactive Ion Etching)法により、上記のウエハの一部についてn型GaN層111側からエッチングを行ない、n型GaNコンタクト層104の表面の一部を露出させた。   Then, the annealed wafer was taken out of the reaction furnace, and a mask patterned in a predetermined shape was formed on the surface of the n-type GaN layer 111 as the uppermost layer of the wafer. Then, a part of the wafer was etched from the n-type GaN layer 111 side by RIE (Reactive Ion Etching) method to expose a part of the surface of the n-type GaN contact layer 104.

そして、n型GaN層111の表面上にパッド電極112を形成し、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極113を形成した。ここで、パッド電極112およびパッド電極113は、n型GaN層111の表面上およびn型GaNコンタクト層104の表面上にそれぞれTi層とAl層を順次積層することによって同時に形成された。その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図2の模式的断面図に示す構成を有する実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Then, a pad electrode 112 was formed on the surface of the n-type GaN layer 111, and a pad electrode 113 was formed on the surface of the n-type GaN contact layer 104. Here, the pad electrode 112 and the pad electrode 113 were simultaneously formed by sequentially laminating a Ti layer and an Al layer on the surface of the n-type GaN layer 111 and the surface of the n-type GaN contact layer 104, respectively. Then, the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 1 having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was manufactured by dividing the wafer into a plurality of chips.

図3に、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108の厚さ(nm)と駆動電圧(V)との関係を示す。ここで、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、p型トンネル接合層108がInを含む層に相当する。また、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子において、p型トンネル接合層108の厚さが、p型トンネル接合層108とそれよりもバンドギャップの大きい層(p型GaNコンタクト層107)との界面と、p型トンネル接合層108とn型トンネル接合層109との界面との、最短距離に相当する。なお、駆動電圧は、注入電流が20mAのときのものである。   FIG. 3 shows the relationship between the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer 108 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1 and the drive voltage (V). Here, in the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 1, the p-type tunnel junction layer 108 corresponds to a layer containing In. Further, in the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 1, the p-type tunnel junction layer 108 has a thickness between the p-type tunnel junction layer 108 and a layer having a larger band gap (p-type GaN contact layer 107). This corresponds to the shortest distance between the interface and the interface between the p-type tunnel junction layer 108 and the n-type tunnel junction layer 109. The drive voltage is when the injection current is 20 mA.

図3から明らかなように、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が40nm未満、好ましくは20nm以下、特に15nm以下である場合に、駆動電圧が大幅に低減することが確認された。また、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が小さくなるほど、駆動電圧も小さくなる傾向にあることが確認された。   As is apparent from FIG. 3, in the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 1, the shortest distance (the thickness of the p-type tunnel junction layer 108) is less than 40 nm, preferably 20 nm or less, particularly 15 nm or less. In this case, it was confirmed that the driving voltage was significantly reduced. In the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 1, it was confirmed that the driving voltage tends to decrease as the shortest distance (the thickness of the p-type tunnel junction layer 108) decreases.

(実施例2)
実施例2においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
(Example 2)
In Example 2, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was produced.

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

そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を750℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.1Ga0.9Nからなるp型トンネル接合層108(p型ドーパントの濃度:1×1020/cm3)をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に10nmの厚さに成長させた。ここで、p型GaNコンタクト層107のバンドギャップは、p型トンネル接合層108のバンドギャップよりも大きくなる。また、実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子において、p型トンネル接合層108の厚さが、p型トンネル接合層108とそれよりもバンドギャップの大きい層(p型GaNコンタクト層107)との界面と、p型トンネル接合層108とn型トンネル接合層109との界面との、最短距離に相当する。 Then, after the growth of the p-type GaN contact layer 107, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, Mg is 1 × 10 20 / cm consisting of doped in 0.1 Ga 0.9 N at a concentration of 3 p-type tunnel (concentration of p-type dopant: 1 × 10 20 / cm 3) bonding layer 108 p-type GaN by the MOCVD method A thickness of 10 nm was grown on the contact layer 107. Here, the band gap of the p-type GaN contact layer 107 is larger than the band gap of the p-type tunnel junction layer 108. Further, in the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 2, the p-type tunnel junction layer 108 has a thickness between the p-type tunnel junction layer 108 and a layer having a larger band gap (p-type GaN contact layer 107). This corresponds to the shortest distance between the interface and the interface between the p-type tunnel junction layer 108 and the n-type tunnel junction layer 109.

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

実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子の注入電流が20mAの場合における駆
動電圧は、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108の厚さが10nmのときよりも高くなることが確認された。
When the injection current of the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 2 is 20 mA, the driving voltage is higher than when the thickness of the p-type tunnel junction layer 108 of the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 1 is 10 nm. It was confirmed.

(実施例3)
実施例3においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
(Example 3)
In Example 3, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2 was produced.

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

そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を650℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.5Ga0.5Nからなるp型トンネル接合層108(p型ドーパントの濃度:1×1020/cm3)をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に2〜10nmの範囲内の任意の厚さに成長させた。ここで、p型GaNコンタクト層107のバンドギャップは、p型トンネル接合層108のバンドギャップよりも大きくなる。 After the growth of the p-type GaN contact layer 107, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 650 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, Mg is 1 × 10 20 / cm consisting of doped in 0.5 Ga 0.5 N at a concentration of 3 p-type tunnel (concentration of p-type dopant: 1 × 10 20 / cm 3) bonding layer 108 p-type GaN by the MOCVD method The contact layer 107 was grown to an arbitrary thickness within the range of 2 to 10 nm. Here, the band gap of the p-type GaN contact layer 107 is larger than the band gap of the p-type tunnel junction layer 108.

その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Thereafter, the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 3 was fabricated under the same conditions and the same method as in Example 1.

図4に、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108の厚さ(nm)と駆動電圧(V)との関係を示す。ここで、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、p型トンネル接合層108がInを含む層に相当する。また、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、p型トンネル接合層108の厚さが、p型トンネル接合層108とそれよりもバンドギャップの大きい層(p型GaNコンタクト層107)との界面と、p型トンネル接合層108とn型トンネル接合層109との界面との、最短距離に相当する。なお、駆動電圧は、注入電流が20mAのときのものである。   FIG. 4 shows the relationship between the thickness (nm) of the p-type tunnel junction layer 108 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 3 and the drive voltage (V). Here, in the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 3, the p-type tunnel junction layer 108 corresponds to a layer containing In. Also in the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 3, the p-type tunnel junction layer 108 has a p-type tunnel junction layer 108 and a layer having a larger band gap (p-type GaN contact layer 107). This corresponds to the shortest distance between the interface and the interface between the p-type tunnel junction layer 108 and the n-type tunnel junction layer 109. The drive voltage is when the injection current is 20 mA.

図4から明らかなように、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が10nm以下、好ましくは4nm以上6nm以下である場合に、駆動電圧が大幅に低減することが確認された。また、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が6nmの場合に駆動電圧は最小となった。   As is apparent from FIG. 4, in the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 3, when the shortest distance (p-type tunnel junction layer 108 thickness) is 10 nm or less, preferably 4 nm or more and 6 nm or less. It was confirmed that the driving voltage was greatly reduced. In the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 3, the driving voltage was minimized when the shortest distance (the thickness of the p-type tunnel junction layer 108) was 6 nm.

また、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が2nmのときの駆動電圧は6nmのときと比べて高くなったが、上記の最短距離(p型トンネル接合層108の厚さ)が40nm以上のときの駆動電圧と比べると小さかった。   Further, in the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 3, the driving voltage when the shortest distance (the thickness of the p-type tunnel junction layer 108) was 2 nm was higher than that at 6 nm. The shortest distance (thickness of the p-type tunnel junction layer 108) was smaller than the driving voltage when it was 40 nm or more.

(実施例4)
実施例4においては、図5の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
Example 4
In Example 4, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 5 was produced.

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

そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を750℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるp型トンネル接合層108(p型ドーパントの濃度:1×1020/cm3)をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に5nmの厚さに成長させた。ここで、p型GaNコンタクト層107のバンドギャップは、p型トンネル接合層108のバンドギャップよりも大きくなる。 Then, after the growth of the p-type GaN contact layer 107, the temperature of the sapphire substrate 101 is lowered to 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMG and TMI as source gases, and CP2Mg as an impurity gas flow into the reactor, A p-type GaN tunnel junction layer 108 made of In 0.25 Ga 0.75 N doped with Mg at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 (p-type dopant concentration: 1 × 10 20 / cm 3 ) is formed by p-type GaN by MOCVD. A thickness of 5 nm was grown on the contact layer 107. Here, the band gap of the p-type GaN contact layer 107 is larger than the band gap of the p-type tunnel junction layer 108.

その後、サファイア基板101の温度を750℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMIおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるn型トンネル接合層109(n型ドーパントの濃度:1×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に15nmの厚さに成長させた。 Thereafter, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia as a source gas, TMI and TMG, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reactor so that Si becomes 1 × 10 19 / cm 3. An n-type tunnel junction layer 109 (concentration of n-type dopant: 1 × 10 19 / cm 3 ) made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration of 3 is deposited on the p-type tunnel junction layer 108 by a MOCVD method to a thickness of 15 nm. I grew up.

次に、サファイア基板101の温度を750℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN蒸発抑制層110をMOCVD法によりn型トンネル接合層109上に15nmの厚さに成長させた。ここで、n型GaN蒸発抑制層110のバンドギャップは、n型トンネル接合層109のバンドギャップよりも大きくなる。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si becomes 1 × 10 19 / cm 3. An n-type GaN evaporation suppression layer 110 made of GaN doped at a concentration of 15 nm was grown on the n-type tunnel junction layer 109 to a thickness of 15 nm by MOCVD. Here, the band gap of the n-type GaN evaporation suppression layer 110 is larger than the band gap of the n-type tunnel junction layer 109.

その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層111をMOCVD法によりn型GaN蒸発抑制層110上に0.2μmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is increased to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si has a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The n-type GaN layer 111 made of GaN doped in step 1 was grown on the n-type GaN evaporation suppression layer 110 to a thickness of 0.2 μm by MOCVD.

その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例4の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Thereafter, the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 4 was fabricated under the same conditions and the same method as in Example 1.

実施例4の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108の厚さが10nmのときの駆動電圧と同程度であることが確認された。   It is confirmed that the driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 4 is approximately the same as the driving voltage when the thickness of the p-type tunnel junction layer 108 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1 is 10 nm. It was done.

さらに、実施例4の窒化物半導体発光ダイオード素子のn型トンネル接合層109のSiを5×1019/cm3の濃度でドーピングして作製(n型ドーパントの濃度:5×1019/cm3)した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、n型トンネル接合層109のSiを1×1019/cm3の濃度でドーピングして作製(n型ドーパントの濃度:1×1019/cm3)した実施例4の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧よりも高くなることが確認された。 Further, Si of the n-type tunnel junction layer 109 of the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 4 was doped at a concentration of 5 × 10 19 / cm 3 (concentration of n-type dopant: 5 × 10 19 / cm 3 The driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode device produced by doping Si in the n-type tunnel junction layer 109 at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 (concentration of n-type dopant: 1 × 10 19 / cm 3). It was confirmed that the driving voltage was higher than that of the nitride semiconductor light emitting diode device of Example 4).

なお、実施例4の窒化物半導体発光ダイオード素子において、p型トンネル接合層108の厚さおよびn型トンネル接合層109の厚さがそれぞれ上記の最短距離に相当する。   In the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 4, the thickness of the p-type tunnel junction layer 108 and the thickness of the n-type tunnel junction layer 109 correspond to the shortest distance.

(実施例5)
実施例5においては、図5の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
(Example 5)
In Example 5, a nitride semiconductor light-emitting diode element having the configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 5 was produced.

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

サファイア基板101の温度を750℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMIおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるn型トンネル接合層109(n型ドーパントの濃度:1×1019/cm3)をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に10nmの厚さに成長させた。ここで、p型GaNコンタクト層107のn型トンネル接合層109側の一部がp型トンネル接合層108として機能する。 While keeping the temperature of the sapphire substrate 101 at 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia, TMI and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si is 1 × 10 19 / cm 3 . An n-type tunnel junction layer 109 (concentration of n-type dopant: 1 × 10 19 / cm 3 ) made of In 0.25 Ga 0.75 N doped at a concentration is formed to a thickness of 10 nm on the p-type GaN contact layer 107 by MOCVD. Grown up. Here, a part of the p-type GaN contact layer 107 on the n-type tunnel junction layer 109 side functions as the p-type tunnel junction layer 108.

次に、サファイア基板101の温度を750℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN蒸発抑制層110をMOCVD法によりn型トンネル接合層109上に15nmの厚さに成長させた。ここで、n型GaN蒸発抑制層110のバンドギャップは、n型トンネル接合層109のバンドギャップよりも大きくなる。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 101 at 750 ° C., nitrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si becomes 1 × 10 19 / cm 3. An n-type GaN evaporation suppression layer 110 made of GaN doped at a concentration of 15 nm was grown on the n-type tunnel junction layer 109 to a thickness of 15 nm by MOCVD. Here, the band gap of the n-type GaN evaporation suppression layer 110 is larger than the band gap of the n-type tunnel junction layer 109.

その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層111をMOCVD法によりn型GaN蒸発抑制層110上に0.2μmの厚さに成長させた。 Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 101 is increased to 950 ° C., hydrogen as a carrier gas, ammonia and TMG as source gases, and silane as an impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace so that Si has a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The n-type GaN layer 111 made of GaN doped in step 1 was grown on the n-type GaN evaporation suppression layer 110 to a thickness of 0.2 μm by MOCVD.

そして、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。   Then, a nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 5 was fabricated under the same conditions and the same method as in Example 1.

実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108の厚さが10nmのときの駆動電圧と同程度であることが確認された。   It is confirmed that the driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 5 is approximately the same as the driving voltage when the thickness of the p-type tunnel junction layer 108 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 1 is 10 nm. It was done.

また、実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子のn型GaN層111をアンドープとして作製した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、n型GaN層111のSiを1×1019/cm3の濃度でドーピングして作製した実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧と同程度であることが確認された。 In addition, the driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element manufactured by using the n-type GaN layer 111 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 5 as undoped is 1 × 10 19 / cm 3 of Si in the n-type GaN layer 111. It was confirmed that the driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element of Example 5 manufactured by doping at the same level was comparable.

さらに、実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子のn型トンネル接合層109についてSiを5×1019/cm3の濃度でドーピングして作製(n型ドーパントの濃度:5×1019/cm3)した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、n型トンネル接合層109のSiを1×1019/cm3の濃度でドーピングして作製した実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧よりも高くなることが確認された。 Further, the n-type tunnel junction layer 109 of the nitride semiconductor light-emitting diode device of Example 5 was fabricated by doping Si at a concentration of 5 × 10 19 / cm 3 (concentration of n-type dopant: 5 × 10 19 / cm 3 The driving voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode device manufactured in Example 5 was prepared by doping Si in the n-type tunnel junction layer 109 at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3. It was confirmed that it would be higher.

なお、実施例5の窒化物半導体発光ダイオード素子において、n型トンネル接合層109の厚さが上記の最短距離に相当する。   In the nitride semiconductor light emitting diode element of Example 5, the thickness of the n-type tunnel junction layer 109 corresponds to the shortest distance.

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

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

1 基板、2 第1のn型窒化物半導体層、3 発光層、4 p型窒化物半導体層、5 p型窒化物半導体トンネル接合層、6 n型窒化物半導体トンネル接合層、7 第2のn型窒化物半導体層、8 p側電極、9 n側電極、10 n型窒化物半導体蒸発抑制層、101 サファイア基板、102 GaNバッファ層、103 n型GaN下地層、104 n型GaNコンタクト層、105 発光層、106 p型AlGaNクラッド層、107 p型GaNコンタクト層、108 p型トンネル接合層、109 n型トンネル接合層、110 n型GaN蒸発抑制層、111 n型GaN層、112,113 パッド電極。   1 substrate 2 first n-type nitride semiconductor layer 3 light emitting layer 4 p-type nitride semiconductor layer 5 p-type nitride semiconductor tunnel junction layer 6 n-type nitride semiconductor tunnel junction layer 7 second n-type nitride semiconductor layer, 8 p-side electrode, 9 n-side electrode, 10 n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer, 101 sapphire substrate, 102 GaN buffer layer, 103 n-type GaN underlayer, 104 n-type GaN contact layer, 105 light emitting layer, 106 p-type AlGaN cladding layer, 107 p-type GaN contact layer, 108 p-type tunnel junction layer, 109 n-type tunnel junction layer, 110 n-type GaN evaporation suppression layer, 111 n-type GaN layer, 112, 113 pad electrode.

Claims (8)

基板と、前記基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体蒸発抑制層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、
前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層はInを含んでおり、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面は前記p型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、前記n型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該n型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記n型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層との界面と、の最短距離が40nm未満であり、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層中のn型ドーパントの濃度が5×1019/cm3未満であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
A substrate, a first n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, a p-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and an n-type nitride semiconductor tunnel formed on the substrate A bonding layer, an n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer, and a second n-type nitride semiconductor layer,
The p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer form a tunnel junction,
The n-type nitride semiconductor tunnel junction layer contains In;
One surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with one surface of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and the other surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is the n-type nitride semiconductor. In contact with the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer having a larger band gap than the tunnel junction layer,
The shortest of the interface between the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer and the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer The distance is less than 40 nm,
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the n-type dopant concentration in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is less than 5 × 10 19 / cm 3 .
前記n型窒化物半導体トンネル接合層中において、Al、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比が0.1よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   2. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga and In atoms in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is greater than 0.1. Light emitting element. 前記n型ドーパントは、Si、GeおよびOからなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。   3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the n-type dopant is at least one selected from the group consisting of Si, Ge, and O. 4. 前記p型窒化物半導体トンネル接合層中のp型ドーパントの濃度が2×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。 4. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a concentration of the p-type dopant in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is 2 × 10 19 / cm 3 or more. 5. 基板と、前記基板上に形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体蒸発抑制層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、
前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、
前記p型窒化物半導体トンネル接合層および前記n型窒化物半導体トンネル接合層はそれぞれInを含んでおり、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面は前記p型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、前記n型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該n型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記n型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、
前記p型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該p型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記p型窒化物半導体層と接しており、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層との界面との最短距離、および、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記p型窒化物半導体層との界面と、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層との界面との最短距離、の少なくとも一方の最短距離が40nm未満であり、
前記n型窒化物半導体トンネル接合層中のn型ドーパントの濃度が5×1019/cm3未満であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
A substrate, a first n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, a p-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and an n-type nitride semiconductor tunnel formed on the substrate A bonding layer, an n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer, and a second n-type nitride semiconductor layer,
The p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer form a tunnel junction,
The p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer each contain In,
One surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with one surface of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer, and the other surface of the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is the n-type nitride semiconductor. In contact with the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer having a larger band gap than the tunnel junction layer,
The other surface of the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is in contact with the p-type nitride semiconductor layer having a larger band gap than the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer;
The shortest distance between the interface between the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor evaporation suppression layer and the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer And the shortest of the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the p-type nitride semiconductor layer and the interface between the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer The shortest distance of at least one of the distances is less than 40 nm,
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the n-type dopant concentration in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer is less than 5 × 10 19 / cm 3 .
前記n型窒化物半導体トンネル接合層中および前記p型窒化物半導体トンネル接合層中において、Al、GaおよびInの総原子数に対するInの原子数の比が0.1よりも大きいことを特徴とする、請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。   The ratio of the number of In atoms to the total number of Al, Ga and In atoms in the n-type nitride semiconductor tunnel junction layer and the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is greater than 0.1. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 5. 前記n型ドーパントは、Si、GeおよびOからなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする、請求項5または6に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the n-type dopant is at least one selected from the group consisting of Si, Ge, and O. 前記p型窒化物半導体トンネル接合層中のp型ドーパントの濃度が2×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項5から7のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 5, wherein a concentration of the p-type dopant in the p-type nitride semiconductor tunnel junction layer is 2 × 10 19 / cm 3 or more.
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