JP2011258843A - Nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same - Google Patents

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

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Yasutoshi Kawaguchi
靖利 川口
Makoto Namekawa
真 滑川
Tomohito Yabushita
智仁 藪下
Akio Ueda
章雄 上田
Akihiko Ishibashi
明彦 石橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting element exhibiting excellent emission characteristics and injection current uniformity, and having sufficient tolerance.SOLUTION: The nitride semiconductor light-emitting element comprises: a nitride semiconductor substrate 101 having a first principal surface 101a; a second principal surface 101b; a first nitride semiconductor layer 102 formed in contact with the first principal surface 101a; an n-type nitride semiconductor layer 103 formed on the first nitride semiconductor layer 102 on the side reverse to the side in contact with the first principal surface 101a; a laminate including an active layer 104 and a p-type nitride semiconductor layer 105; an n-side electrode 106 connected electrically with the n-type nitride semiconductor layer 103; and a p-side electrode 107 connected electrically with the p-type nitride semiconductor layer 105. The first nitride semiconductor layer 102 is an undoped nitride semiconductor layer. In the nitride semiconductor light-emitting element, the second principal surface 101b serves as a light extraction surface.

Description

本発明は、窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を備える発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)に代表される発光素子、及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a light emitting device represented by a light emitting diode (LED) including a nitride semiconductor layer on a nitride semiconductor substrate, and a method for manufacturing the same.

従来よりIII−V族化合物半導体を用いた多くの発光素子が知られている。特に、砒化ガリウム(GaAs)基板上に形成されたAlGaAs系材料やAlGaInP系材料による赤色発光素子、燐化ガリウム(GaP)基板上に形成されたGaAsP系材料による緑色発光素子、GaAs基板上に形成されたAlGaInP系材料による橙色又は黄緑色発光素子などの発光素子が実現されてきた。一般的にこれらの材料系の発光素子では、基板とその上に形成される半導体層とは、格子定数や熱膨張係数などその特性が比較的近いものが選ばれる。   Conventionally, many light emitting devices using III-V compound semiconductors are known. In particular, red light emitting elements made of AlGaAs-based materials and AlGaInP-based materials formed on gallium arsenide (GaAs) substrates, green light-emitting elements formed of GaAsP-based materials formed on gallium phosphide (GaP) substrates, and formed on GaAs substrates. A light emitting device such as an orange or yellow-green light emitting device has been realized using the AlGaInP-based material thus formed. In general, in these material-based light-emitting elements, a substrate and a semiconductor layer formed thereon are selected to have relatively close characteristics such as a lattice constant and a thermal expansion coefficient.

一方、基板としてサファイアを用いたAlGaInN系材料による紫外から紫色、青色、緑色、橙色にまでおよぶ広い波長範囲の発光ダイオードも実現されており、表示機器や交通信号など幅広い用途に応用され始めている。サファイア基板とその上に形成されるAlGaInN系材料とは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、その成膜が容易ではない。しかしながら、低温堆積緩衝層技術の開発により、転位などの結晶欠陥が多数存在するものの、平坦な膜を得ることができるようになってきた。この結果、AlGaInN系材料を使用した発光素子が急激に進展した。なお、基板としては、サファイアの他に炭化珪素(SiC)やGaAs、シリコン(Si)なども用いられている。   On the other hand, light emitting diodes in a wide wavelength range from ultraviolet to purple, blue, green, and orange have been realized by AlGaInN-based materials using sapphire as a substrate, and have begun to be applied to a wide range of applications such as display devices and traffic signals. The sapphire substrate and the AlGaInN-based material formed on the sapphire substrate are not easy to form because the lattice constant and the thermal expansion coefficient are greatly different. However, the development of the low temperature deposition buffer layer technology has made it possible to obtain a flat film although there are many crystal defects such as dislocations. As a result, a light emitting device using an AlGaInN-based material has progressed rapidly. In addition to sapphire, silicon carbide (SiC), GaAs, silicon (Si), or the like is used as the substrate.

また、最近、気相成長法を用いて転位密度の小さい窒化ガリウム(GaN)基板を作製する技術が確立され、GaN基板を用いたAlGaInN系材料によるBD(Blu−ray disc)などの高密度光記録用青紫色レーザダイオード(Laser Diode:LD)や、レーザディスプレイ用青色レーザダイオードなどの実用化に適用されている。   Recently, a technique for producing a gallium nitride (GaN) substrate having a low dislocation density by using a vapor phase growth method has been established, and high-density light such as BD (Blu-ray disc) using an AlGaInN-based material using the GaN substrate. It is applied to the practical application of blue violet laser diode for recording (Laser Diode: LD) and blue laser diode for laser display.

近年の省エネルギー化への流れを受けてAlGaInN系材料を使用した発光素子の中で最も注目されているのは白色発光ダイオードである。この白色発光ダイオードは、青色発光ダイオード又は紫外発光ダイオードを励起光源として、蛍光体と組み合わせることで実現されている。白色発光ダイオードは液晶ディスプレイ用のバックライト光源として注目され、小型携帯電子機器から、大型の液晶テレビ用のバックライト光源として使用されている。さらに、白熱電球や蛍光灯を置き換える照明機器への展開が進められている。これら次世代の照明機器としての利用可能性が高い白色発光ダイオードの出力向上には、励起光源となる青色発光ダイオードや紫外発光ダイオードの高出力化、高効率化が極めて有効であり、これら開発の産業的意義は非常に高い。   In response to the recent trend toward energy saving, white light-emitting diodes are most noted among light-emitting elements using AlGaInN-based materials. The white light-emitting diode is realized by combining a blue light-emitting diode or an ultraviolet light-emitting diode with a phosphor using an excitation light source. White light emitting diodes are attracting attention as a backlight light source for liquid crystal displays, and are used as a backlight light source for large liquid crystal televisions from small portable electronic devices. Furthermore, the development of lighting equipment that replaces incandescent bulbs and fluorescent lamps is underway. High output and high efficiency of blue light emitting diodes and ultraviolet light emitting diodes, which are excitation light sources, are extremely effective in improving the output of white light emitting diodes that can be used as next-generation lighting equipment. Industrial significance is very high.

発光ダイオードの高出力化には、発光ダイオードの外部量子効率の改善が必須である。外部量子効率とは、発光ダイオードに与えた電気エネルギーと、その電気エネルギーが発光ダイオード内部で光エネルギーに変換され最終的に外部に取り出された光エネルギーとの比である。このため、外部量子効率の改善には、発光ダイオードの活性層における内部量子効率の向上と、発生した光エネルギーを発光ダイオードから取り出す光取り出し効率の向上とが必要である。   In order to increase the output of a light emitting diode, it is essential to improve the external quantum efficiency of the light emitting diode. The external quantum efficiency is a ratio between the electric energy given to the light emitting diode and the light energy that is converted into light energy inside the light emitting diode and finally extracted outside. For this reason, to improve the external quantum efficiency, it is necessary to improve the internal quantum efficiency in the active layer of the light emitting diode and to improve the light extraction efficiency for extracting the generated light energy from the light emitting diode.

光取り出し効率の向上に有効な構造としてはフリップチップ構造が一般に知られている。このフリップチップ構造では、基板の表面上に所望の発光を生じる半導体層を積層し、半導体層の基板側とは反対側に電流注入用のn側電極及びp側電極を形成し、基板の裏面を光取り出し方向とする。このため、発光素子から出る光が電極によって遮られることなく、また、電極を光の反射面として使用可能であるために、光取り出し効率が向上する。さらに、基板裏面(光取り出し面)に適当なパターニングを施すことによって、内部への光の反射を抑制し、光取り出し効率を向上することができる。   As a structure effective for improving the light extraction efficiency, a flip chip structure is generally known. In this flip-chip structure, a semiconductor layer that generates desired light emission is laminated on the surface of the substrate, an n-side electrode and a p-side electrode for current injection are formed on the opposite side of the semiconductor layer to the substrate side, and the back surface of the substrate Is the light extraction direction. For this reason, since the light emitted from the light emitting element is not blocked by the electrode, and the electrode can be used as a light reflecting surface, the light extraction efficiency is improved. Furthermore, by performing appropriate patterning on the back surface (light extraction surface) of the substrate, reflection of light to the inside can be suppressed and light extraction efficiency can be improved.

内部量子効率の向上には、加えられた電気エネルギーを活性層で効率的に光エネルギーに変換するための、活性層構造の最適化と、欠陥の少ない高品質な成膜技術の確立が重要である。欠陥の少ない結晶を得るためには成長条件の調整と合わせて、低転位の基板を使用することが効果的であり、レーザダイオードで使用しているGaN基板を発光ダイオードの作製にも使用することが望ましい。   In order to improve internal quantum efficiency, it is important to optimize the active layer structure and establish a high-quality film-forming technology with few defects in order to efficiently convert the applied electrical energy into light energy in the active layer. is there. In order to obtain crystals with few defects, it is effective to use a substrate with low dislocations together with adjustment of the growth conditions, and the GaN substrate used in laser diodes should also be used for the production of light emitting diodes. Is desirable.

さらに、これらとは別に、発光ダイオードの出力向上としては、素子の大型化と投入電力の増大も効果が高く、一般的に行われる。しかしながら、素子を大型化した場合には、発光強度及び発光波長の均一性並びに注入電流の均一性の確保が必須となり、また、投入電力を増大した場合には、増大した電力に対する耐性の確保が必須となる。   Further, apart from these, the improvement of the output of the light emitting diode is generally performed because the increase in the size of the element and the increase in input power are highly effective. However, when the element is increased in size, it is essential to ensure the uniformity of the emission intensity and emission wavelength and the uniformity of the injection current, and when the input power is increased, it is necessary to ensure the resistance against the increased power. Required.

上記活性層構造の最適化は、消費電力を抑制することができ、動作中の発熱も低減できることから、投入電力を増大することに対しても非常に効果的である。また、これら技術は発光ダイオードに限定した内容ではなく、レーザダイオードでも同様の改善が必要であることは言うまでもない。   Since the optimization of the active layer structure can suppress power consumption and reduce heat generation during operation, it is very effective for increasing input power. Further, these techniques are not limited to light emitting diodes, and it goes without saying that similar improvements are necessary for laser diodes.

ここで、出力を向上させると共に消費電力を低減することができるサファイア基板を用いた窒化物半導体発光素子が、特許文献1に開示されている。   Here, Patent Document 1 discloses a nitride semiconductor light emitting element using a sapphire substrate that can improve output and reduce power consumption.

特許文献1に開示された窒化物半導体発光素子は、サファイア基板と活性層との間に、少なくとも一方にはn型不純物が添加された第1と第2の窒化物半導体層を含む複数の層が積層されてなるn側コンタクト層として作用する超格子層を備える。そして、特許文献1には、サファイア基板と超格子層との間にアンドープ窒化物半導体層を形成することが開示されている。   The nitride semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of layers including first and second nitride semiconductor layers to which at least one of n-type impurities is added between a sapphire substrate and an active layer. A superlattice layer acting as an n-side contact layer. Patent Document 1 discloses forming an undoped nitride semiconductor layer between a sapphire substrate and a superlattice layer.

n側コンタクト層はn電極を形成するために高キャリア濃度の層で構成される必要があるが、不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めず、結果として出力の高い発光素子を実現することは出来ない。そこで、特許文献1では、n側コンタクト層を成長する前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良いバッファ層としてアンドープの窒化物半導体層を成長することにより、キャリア濃度が高く結晶性の良いn側コンタクト層を形成している。なお、このバッファ層としてのアンドープ窒化物半導体層の膜厚は、0.1μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上、最も好ましくは1μm以上、20μm以下に調整することが望ましいことが開示されている。アンドープ窒化物半導体層の膜厚が0.1μmよりも薄いと、不純物濃度の大きいn側コンタクト層を厚く成長させなければならず、n側コンタクト層の結晶性の向上があまり望めない傾向にあるからである。また、アンドープ窒化物半導体層の膜厚が20μmよりも厚いと、アンドープ窒化物半導体層自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にあるからである。   The n-side contact layer needs to be composed of a layer with a high carrier concentration in order to form an n-electrode, but a thick film layer with a high impurity concentration tends to have poor crystallinity. Even if another nitride semiconductor such as an active layer is grown on a layer with poor crystallinity, the crystal defects cannot be improved because other layers take over the crystal defect, and as a result, high output light emission. An element cannot be realized. Therefore, in Patent Document 1, before growing the n-side contact layer, an undoped nitride semiconductor layer is grown as a buffer layer having a low impurity concentration and a good crystallinity, thereby increasing the carrier concentration and the crystallinity having a good crystallinity. A side contact layer is formed. It is disclosed that the thickness of the undoped nitride semiconductor layer as the buffer layer is desirably adjusted to 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and most preferably 1 μm or more and 20 μm or less. . If the thickness of the undoped nitride semiconductor layer is less than 0.1 μm, the n-side contact layer having a high impurity concentration must be grown thick, and the crystallinity of the n-side contact layer tends not to be improved much. Because. In addition, if the thickness of the undoped nitride semiconductor layer is greater than 20 μm, crystal defects tend to increase in the undoped nitride semiconductor layer itself.

さらに、特許文献1によれば、超格子層は、n電極を形成するn側コンタクト層として、また、活性層に対して大きいバンドギャップエネルギーを有するクラッド層として作用することが示されている。超格子層内において第1の層と第2の層では、バンドギャップエネルギーの大きい方の層のn型不純物濃度を大きくすることが望ましい。バンドギャップエネルギーの大きな層の方に多くのn型不純物を添加した超格子層をn層側のコンタクト層として形成した場合、n型不純物が添加されたバンドギャップエネルギーの大きい第1の層とバンドギャップエネルギーが小さいアンドープの第2の層とを積層した超格子層は、n型不純物を添加した層とアンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ前後の界面に電子(二次元電子ガス)が蓄積する。このように、二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側に蓄積されることにより、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないので、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下し、例えば、レーザダイオードでは、さらに閾値電圧、閾値電流が低下する傾向にあることが論じられている。なお、基板には、サファイア基板の他、窒化物半導体基板を用いることが窒化物半導体の結晶性を良くする上で非常に好ましく、この窒化物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層としてのアンドープ窒化物半導体層を特に成長させる必要はないことも明示されている。   Further, according to Patent Document 1, it is shown that the superlattice layer functions as an n-side contact layer for forming an n-electrode and as a cladding layer having a large band gap energy with respect to the active layer. In the superlattice layer, it is desirable to increase the n-type impurity concentration of the layer having the larger band gap energy between the first layer and the second layer. When a superlattice layer to which a large number of n-type impurities are added is formed as a contact layer on the n-layer side toward a layer having a large band gap energy, the first layer and the band having a large band gap energy to which n-type impurities are added A superlattice layer in which an undoped second layer having a small gap energy is stacked is a heterojunction interface between an n-type impurity-added layer and an undoped layer, and the layer side having a large band gap energy is depleted. Electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the thickness of the small layer. In this way, since the two-dimensional electron gas is accumulated on the layer side having a small band gap energy, it is not scattered by impurities when the electron travels, so that the electron mobility of the superlattice layer is increased and the resistance is increased. It has been argued that the threshold voltage and the threshold current tend to decrease further, for example, in laser diodes. As the substrate, it is very preferable to use a nitride semiconductor substrate in addition to the sapphire substrate in order to improve the crystallinity of the nitride semiconductor. When this nitride semiconductor substrate is used as a substrate, it serves as a buffer layer. It is also clear that there is no need to grow an undoped nitride semiconductor layer.

また、別の文献(特許文献2)では、発光の均一性を向上することができる半導体発光素子が開示されている。特許文献2によれば、GaN基板上に、バッファ層として厚み2μmのアンドープGaN層を形成し、次いで光均一化層としてアンドープInGaN(膜厚3nm)とアンドープGaN(膜厚12nm)の積層(20層)構造を、その中心に含むアンドープGaNの膜厚が4μmとなるように形成する。次いで、第一導電型(n型)第二クラッド層としてSiドープGaN層を4μmの膜厚で形成し、第一導電型(n型)コンタクト層としてSiドープGaN層を0.5μmの膜厚でに形成し、さらに第一導電型(n型)第一クラッド層としてSiドープのAlGaN層を0.1μmの膜厚で形成する。その上にさらに活性層構造を形成することが明示されている。光均一化層は基板とn側クラッド層の間に形成され、光取り出し面から出射する発光強度の均一性を向上させる機能を有する。   Another document (Patent Document 2) discloses a semiconductor light emitting device capable of improving the uniformity of light emission. According to Patent Document 2, an undoped GaN layer having a thickness of 2 μm is formed as a buffer layer on a GaN substrate, and then a laminated layer of undoped InGaN (film thickness 3 nm) and undoped GaN (film thickness 12 nm) as a light uniformizing layer (20 nm). The layer) structure is formed so that the thickness of the undoped GaN including the center thereof is 4 μm. Next, a Si-doped GaN layer having a thickness of 4 μm is formed as the first conductivity type (n-type) second cladding layer, and a Si-doped GaN layer having a thickness of 0.5 μm is formed as the first conductivity type (n-type) contact layer. In addition, an Si-doped AlGaN layer having a thickness of 0.1 μm is formed as a first conductivity type (n-type) first cladding layer. It is clearly shown that an active layer structure is further formed thereon. The light uniformizing layer is formed between the substrate and the n-side cladding layer and has a function of improving the uniformity of the emission intensity emitted from the light extraction surface.

さらに別の文献(非特許文献1)では、最近の当該分野における技術動向が示されている。非特許文献1には、サファイア基板上への標準的なフリップチップ構造発光ダイオードの作製技術と、この作製後、レーザアシストリフトオフプロセスによりサファイア基板を剥離して、薄膜型フリップチップ構造を形成する技術とが示されている。非特許文献1の技術によれば、サファイア基板剥離後の裏面加工と高い熱伝導率のサブマウントへのフリップチップ実装で、高い光取り出し効率と発熱の抑制を実現できる。   Further, another document (Non-Patent Document 1) shows recent technological trends in the field. Non-Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing a standard flip chip structure light emitting diode on a sapphire substrate, and a technique for forming a thin film flip chip structure by peeling the sapphire substrate by a laser-assisted lift-off process after the fabrication. Is shown. According to the technology of Non-Patent Document 1, high light extraction efficiency and suppression of heat generation can be realized by backside processing after sapphire substrate peeling and flip chip mounting on a submount having high thermal conductivity.

特開2000−068594号公報JP 2000-068594 A 特開2007−329463号公報JP 2007-329463 A

Appl.Phys.Lett.89,071109 (2006)Appl. Phys. Lett. 89,071109 (2006)

GaN基板を利用して発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子を形成する場合、GaN基板上に形成される窒化物半導体層については、その結晶性のみならず、その表面平坦性も良好とする必要があることは言うまでもない。   When a nitride semiconductor light emitting device such as a light emitting diode is formed using a GaN substrate, the nitride semiconductor layer formed on the GaN substrate needs to have good surface flatness as well as its crystallinity. It goes without saying that there is.

特許文献1で示されるように、サファイア基板上を用いて作製する発光ダイオード素子の高性能化には、低温バッファ層上に結晶性を改善するためのアンドープ窒化物半導体層を形成することは非常に効果的である。   As shown in Patent Document 1, it is very important to form an undoped nitride semiconductor layer for improving crystallinity on a low-temperature buffer layer in order to improve the performance of a light-emitting diode device manufactured using a sapphire substrate. It is effective.

しかしながら、さらに高出力化を実現するためには、低転位密度の窒化物半導体基板を使用することが必須となるが、特許文献1には、窒化物半導体基板を使用する際に生じる課題やその解決策に関しては明示されていない。   However, in order to achieve higher output, it is essential to use a nitride semiconductor substrate having a low dislocation density. However, Patent Document 1 describes problems and problems that occur when using a nitride semiconductor substrate. There is no explicit solution.

また、特許文献2には、窒化物半導体基板を使用することが開示されているが、特許文献2にも窒化物半導体基板を使用する際に生じる課題やその解決策についての明確な開示はない。   In addition, Patent Document 2 discloses the use of a nitride semiconductor substrate, but Patent Document 2 also does not clearly disclose the problems that arise when using a nitride semiconductor substrate and the solutions therefor. .

GaN基板に代表される窒化物半導体基板は、一般に作製や加工が非常に困難であるため、既に市販されてはいるものの、現状でも基板自身に多くの課題を抱えている。例えば、気相成長法によるヘテロ成長で結晶作製されたGaN基板は、貫通転位密度が1×105〜1×106cm-3程度と他の化合物半導体結晶基板と比べて2〜3桁も高く、貫通転位が集合した欠陥集合領域(通常「コア」と呼ばれる)も面内に多数存在する。これは、ヘテロ成長で結晶作製を行っているからであり、基板には、大きな残留歪み、及び、この残留歪みに起因した反りや結晶軸の面内分布が存在する。 A nitride semiconductor substrate typified by a GaN substrate is generally very difficult to fabricate and process, and although it is already on the market, the substrate itself still has many problems. For example, a GaN substrate formed by hetero-growth by vapor phase epitaxy has a threading dislocation density of about 1 × 10 5 to 1 × 10 6 cm −3 , which is 2 to 3 digits compared to other compound semiconductor crystal substrates. There are also many defect gathering regions (usually called “cores”) where threading dislocations are gathered in the plane. This is because crystals are produced by hetero-growth, and the substrate has a large residual strain, warpage due to this residual strain, and in-plane distribution of crystal axes.

このような欠陥集合領域を有する窒化物半導体基板を用いて、発光素子形成のためにn型の窒化物半導体層のエピタキシャル形成を行った場合、基板とエピタキシャル層との界面における成長方法を何ら工夫しなければ表面平坦性を悪化させることになり、発光特性の低下を招いて実用化レベルの発光素子を実現できないという問題がある。   When an n-type nitride semiconductor layer is epitaxially formed to form a light-emitting device using a nitride semiconductor substrate having such a defect assembly region, the growth method at the interface between the substrate and the epitaxial layer is not devised. Otherwise, the surface flatness will be deteriorated, leading to a problem that the light emitting characteristics are lowered and a light emitting element at a practical level cannot be realized.

また、低抵抗の導電層として高濃度にドナー不純物を添加した窒化物半導体層(1×1018cm-3以上)を窒化物半導体基板上に形成する。しかし、基板側(活性層とは反対側)を光取り出し面とするフリップチップ型の素子構造の場合には、高濃度にドナー不純物を添加した窒化物半導体層によってフリーキャリアロスが発生し、光出力が低下するという問題がある。 Further, a nitride semiconductor layer (1 × 10 18 cm −3 or more) to which a donor impurity is added at a high concentration is formed as a low-resistance conductive layer on the nitride semiconductor substrate. However, in the case of a flip chip type device structure in which the substrate side (opposite side of the active layer) is the light extraction surface, free carrier loss occurs due to the nitride semiconductor layer to which the donor impurity is added at a high concentration. There is a problem that the output decreases.

本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体基板上に平坦性及び結晶性に優れた窒化物半導体層を形成し、発光強度及び発光波長の均一性並びに注入電流の均一性に優れ、高い投入電力においても十分な耐性を有する窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to form a nitride semiconductor layer excellent in flatness and crystallinity on a nitride semiconductor substrate, and to emit light intensity and light emission wavelength. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor light emitting device that has excellent uniformity of injection current and uniformity of injection current, and has sufficient resistance even at high input power, and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様は、第一の主面と第二の主面を有し、窒化物半導体基板と、前記第一の主面に接して形成された第一の窒化物半導体層と、前記第一の窒化物半導体層の前記第一の主面と接する側とは反対側に形成された、n型窒化物半導体層、活性層及びp型窒化物半導体層を含む積層体と、前記n型窒化物半導体層に電気的に接続されたn側電極と、前記p型窒化物半導体層に電気的に接続されたp側電極とを備え、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、前記第二の主面が光取り出し面である。   In order to solve the above problems, an embodiment of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention has a first main surface and a second main surface, and includes a nitride semiconductor substrate and the first main surface. A first nitride semiconductor layer formed in contact with the first nitride semiconductor layer, an n-type nitride semiconductor layer formed on a side opposite to the side in contact with the first main surface of the first nitride semiconductor layer, and an active layer And a stack including the p-type nitride semiconductor layer, an n-side electrode electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer, and a p-side electrode electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer The first nitride semiconductor layer is an undoped nitride semiconductor layer, and the second main surface is a light extraction surface.

この構成により、平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。また、窒化物半導体基板に接してアンドープの窒化物半導体層を形成することにより、平坦性に優れる窒化物半導体膜を薄膜で実現することができるので、原料の消費量を低減でき、窒化物半導体層の製造コストを低減することができる。   With this configuration, a nitride semiconductor light-emitting device having a flat surface can be formed in a stacked structure, so that uniform composition can be formed in a plane without unevenness in composition and thickness, and high internal quantum efficiency, light emission intensity, and light emission. It is possible to achieve uniformity of wavelength and injection current. Further, by forming an undoped nitride semiconductor layer in contact with the nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor film having excellent flatness can be realized as a thin film, so that the consumption of raw materials can be reduced, and the nitride semiconductor The manufacturing cost of the layer can be reduced.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープのGaN層であることが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the first nitride semiconductor layer is preferably an undoped GaN layer.

この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。   With this configuration, a laminated structure of nitride semiconductor light-emitting elements having a very flat surface can be realized, so that uniform film formation can be achieved in a plane without unevenness in composition and thickness, and high internal quantum efficiency and emission intensity. In addition, it is possible to realize the uniformity of the emission wavelength and the injection current.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記n型窒化物半導体層が、n型のAlGaN層を含むことが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the n-type nitride semiconductor layer preferably includes an n-type AlGaN layer.

この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、特に高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。さらに、n型のAlGaN層がバリア層兼キャリア供給層として作用し、バンドギャップエネルギーの小さな層である前記アンドープの窒化物半導体層の界面に二次元電子ガスを蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化でき、活性層への電子の注入をさらに均一にすることができる。さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧を低減することもできる。   With this configuration, a laminated structure of nitride semiconductor light emitting devices having a very flat surface can be realized, so that uniform film formation can be achieved in a plane with no uneven composition and thickness, and particularly high internal quantum efficiency and light emission. It is possible to achieve uniformity in intensity, emission wavelength, and injection current. Further, the n-type AlGaN layer acts as a barrier layer / carrier supply layer, and can store a two-dimensional electron gas at the interface of the undoped nitride semiconductor layer, which is a layer having a small band gap energy. By using this region as a region where electrons travel, the distribution of electrons in the element plane can be made uniform, and the injection of electrons into the active layer can be made more uniform. Furthermore, since the resistivity can be lowered, the operating voltage can also be reduced.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのGaN層と前記n型のAlGaN層との間に、アンドープのAlGaN層からなる第二の窒化物半導体層を含むことが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, a second comprising an undoped AlGaN layer between the undoped GaN layer as the first nitride semiconductor layer and the n-type AlGaN layer. The nitride semiconductor layer is preferably included.

この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、特に高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。   With this configuration, a laminated structure of nitride semiconductor light emitting devices having a very flat surface can be realized, so that uniform film formation can be achieved in a plane with no uneven composition and thickness, and particularly high internal quantum efficiency and light emission. It is possible to achieve uniformity in intensity, emission wavelength, and injection current.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのAlGaN層のAl組成が、前記n型窒化物半導体層に含まれるn型のAlGaN層のAl組成と同じである、又は、当該n型のAlGaN層のAl組成よりも小さいことが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, an n-type AlGaN layer in which the Al composition of the undoped AlGaN layer as the first nitride semiconductor layer is included in the n-type nitride semiconductor layer The Al composition is preferably the same as or smaller than the Al composition of the n-type AlGaN layer.

この構成により、n型のAlGaN層がバリア層兼キャリア供給層として作用し、また、アンドープのAlGaN層がスペーサ層として作用するので、アンドープGaN層の第一の窒化物半導体層の界面において効率的に二次元電子ガスを生成し蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化して活性層への電子の注入を均一にすることができる。さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧も低減することができる。   With this configuration, the n-type AlGaN layer acts as a barrier layer / carrier supply layer, and the undoped AlGaN layer acts as a spacer layer, so that it is efficient at the interface of the first nitride semiconductor layer of the undoped GaN layer. It is possible to generate and store a two-dimensional electron gas. Then, by using this region as a region where electrons travel, it is possible to make the electron distribution in the element surface uniform and make the injection of electrons into the active layer uniform. Furthermore, since the resistivity can be lowered, the operating voltage can also be reduced.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記n型半導体層が、不純物としてSiを含有することが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the n-type semiconductor layer preferably contains Si as an impurity.

この構成により、効率的に電子を生成することができるので、注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。   With this configuration, electrons can be generated efficiently, so that the uniformity of the injection current and the reduction of the operating voltage can be realized.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層に意図せずに含まれるSi濃度が1×1017cm-3以下であることが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, it is preferable that the Si concentration unintentionally contained in the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or less.

この構成により、電流を注入した場合に、不純物散乱による抵抗の増加を抑制できるため注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。   With this configuration, when current is injected, an increase in resistance due to impurity scattering can be suppressed, so that uniformity of the injected current and a reduction in operating voltage can be realized.

さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記窒化物半導体基板が、SiとOの少なくともいずれか一方を不純物として含有するn型GaN基板であることが好ましい。   Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the nitride semiconductor substrate is preferably an n-type GaN substrate containing at least one of Si and O as an impurity.

この構成により、n型窒化物半導体層からだけでなくn型GaN基板側からも、アンドープの窒化物半導体層に電子が供給されるため、大きな注入電流状態においても注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。   With this configuration, electrons are supplied not only from the n-type nitride semiconductor layer but also from the n-type GaN substrate side to the undoped nitride semiconductor layer. Can be reduced.

また、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一態様は、第一の主面と第二の主面を有し、発光波長に対して透明な窒化物半導体基板を準備する工程と、前記第一の主面に接して第一の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第一の窒化物半導体層に接してn型窒化物半導体層を形成する工程と、前記n型窒化物半導体層の上に活性層と、p型窒化物半導体層とを順に形成する工程と、前記n型窒化物半導体層に電気的に接続されるn側電極と、前記p型窒化物半導体層に電気的に接続されるp側電極とを形成する工程とを有し、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、前記第二の主面が光取り出し面である。   An embodiment of the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes a step of preparing a nitride semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface and transparent to the emission wavelength. A step of forming a first nitride semiconductor layer in contact with the first main surface; a step of forming an n-type nitride semiconductor layer in contact with the first nitride semiconductor layer; and the n-type nitride A step of sequentially forming an active layer and a p-type nitride semiconductor layer on the oxide semiconductor layer, an n-side electrode electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer, and the p-type nitride semiconductor layer And forming a p-side electrode electrically connected to the first nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer is an undoped nitride semiconductor layer, and the second main surface is a light extraction surface. is there.

この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。   With this configuration, a laminated structure of nitride semiconductor light-emitting elements having a very flat surface can be realized, so that uniform film formation can be achieved in a plane without unevenness in composition and thickness, and high internal quantum efficiency and emission intensity. In addition, it is possible to realize the uniformity of the emission wavelength and the injection current.

本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によれば、窒化物半導体基板上に形成する窒化物半導体層の平坦性が向上するため、特に活性層の組成や厚みにムラのない成膜が可能となり、素子面内で高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。また、平坦性に優れる素子構造を、薄膜で実現することができるため、原料の消費量を削減することができ、製造コストを大幅に低減することができる。さらに、二次元電子ガスを用いた電子の供給が実現できるため抵抗率が低下し、活性層へのキャリアの注入を更に均一化でき、動作電圧も低減するという効果を有する。   According to the nitride semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the same according to the present invention, since the flatness of the nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor substrate is improved, the active layer is particularly uniform in composition and thickness. Thus, it is possible to achieve high internal quantum efficiency, light emission intensity, light emission wavelength, and uniformity of injection current within the device surface. In addition, since an element structure with excellent flatness can be realized with a thin film, consumption of raw materials can be reduced, and manufacturing costs can be significantly reduced. Furthermore, since the supply of electrons using a two-dimensional electron gas can be realized, the resistivity is lowered, the carrier injection into the active layer can be made more uniform, and the operating voltage can be reduced.

本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the nitride semiconductor light-emitting device based on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態に係るフリップチップ型の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the flip-chip type nitride semiconductor light-emitting device based on the 1st Embodiment of this invention 比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the nitride semiconductor light-emitting device concerning a comparative example (a)本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真、(b)比較例1に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真、(c)比較例2に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真(A) A surface morphology photograph in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, (b) a surface morphology photograph in the nitride semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1, and (c) a nitride according to Comparative Example 2. Surface morphology photo of semiconductor light emitting devices 本発明の第1の実施形態及び比較例に係る窒化物半導体発光素子で用いたn型GaN基板の表面モフォロジー写真Surface morphology photograph of n-type GaN substrate used in nitride semiconductor light emitting device according to first embodiment and comparative example of the present invention n型GaN基板の表面粗さを示す図及びn型GaN基板上に形成されたGaN層における膜厚と表面粗さとの関係を示す図The figure which shows the surface roughness of an n-type GaN substrate, and the figure which shows the relationship between the film thickness and surface roughness in the GaN layer formed on the n-type GaN substrate 本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the nitride semiconductor light-emitting device based on the 3rd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の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詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、その一例を示すものであって、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, a nitride semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the following embodiment shows the example and this invention is not limited to these embodiment.

(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係るフリップチップ型の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
(First embodiment)
First, a nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a flip-chip nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.

本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子100は、窒化物半導体発光ダイオードであって、図1に示すように、第一の主面(表面)101aと第二の主面(裏面)101bを有する窒化物半導体基板101と、窒化物半導体基板101の第一の主面101a上に順次形成された、第一の窒化物半導体層102、第一導電型(n型)のn型窒化物半導体層103、活性層104、及び、第一導電型とは異なる導電型である第二導電型(p型)のp型窒化物半導体層105とを備える。   The nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention is a nitride semiconductor light emitting diode, and as shown in FIG. 1, a first main surface (surface) 101a and a second main surface ( A nitride semiconductor substrate 101 having a back surface 101b, a first nitride semiconductor layer 102 formed on the first main surface 101a of the nitride semiconductor substrate 101, and a first conductivity type (n-type) n And a p-type nitride semiconductor layer 105 of a second conductivity type (p-type) which is a conductivity type different from the first conductivity type.

窒化物半導体基板101は、活性層104が発光する発光波長に対して透明な基板であり、第二の主面101bから光を取り出すことができる。ここで、「発光波長」とは、活性層104に供給された電子及び正孔の再結合によって生成された光の波長のことを意味する。本実施形態において、窒化物半導体基板101としては、第一の主面101aの最表面が(0001)面に対して<11−00>の方向に0.3°傾斜したn型のGaN基板を用いた。また、窒化物半導体基板101にはドナー不純物としてシリコン(Si)を添加した。   The nitride semiconductor substrate 101 is a substrate that is transparent to the emission wavelength emitted by the active layer 104, and can extract light from the second major surface 101b. Here, “emission wavelength” means the wavelength of light generated by recombination of electrons and holes supplied to the active layer 104. In the present embodiment, the nitride semiconductor substrate 101 is an n-type GaN substrate in which the outermost surface of the first main surface 101a is inclined by 0.3 ° in the <11-00> direction with respect to the (0001) plane. Using. Further, silicon (Si) was added as a donor impurity to the nitride semiconductor substrate 101.

第一の窒化物半導体層102は、窒化物半導体基板101の第一の主面101aに接して形成されたアンドープ層の窒化物半導体層である。本実施形態において、第一の窒化物半導体層102は、アンドープのGaN層で構成した。ここで、アンドープとは意図的な不純物の添加を行わないという意味である。   The first nitride semiconductor layer 102 is an undoped nitride semiconductor layer formed in contact with the first main surface 101 a of the nitride semiconductor substrate 101. In the present embodiment, the first nitride semiconductor layer 102 is composed of an undoped GaN layer. Here, undoped means that no intentional addition of impurities is performed.

n型窒化物半導体層103は、n型クラッド層であり、第一の窒化物半導体層102における窒化物半導体基板101の第一の主面101aと接する側の面とは反対側の面に接するように形成されている。本実施形態において、n型窒化物半導体層103は、n型のAlGaN層であり、例えば、n−Al0.03Ga0.97Nで構成することができる。 N-type nitride semiconductor layer 103 is an n-type cladding layer, and is in contact with the surface of first nitride semiconductor layer 102 that is opposite to the surface that is in contact with first main surface 101 a of nitride semiconductor substrate 101. It is formed as follows. In the present embodiment, the n-type nitride semiconductor layer 103 is an n-type AlGaN layer, and can be composed of, for example, n-Al 0.03 Ga 0.97 N.

活性層104は、n型窒化物半導体層103における第一の窒化物半導体層102と接する側の面とは反対側の面に接するように形成されている。本実施形態において、活性層104としては、多重量子井戸構造の活性層を用いており、例えば、膜厚が3nmのIn0.15Ga0.85Nからなるウェル層と、このウェル層を挟むように形成された膜厚が6.0nmのGaNからなるバリア層との三重量子井戸構造の活性層を用いることができる。 The active layer 104 is formed so as to be in contact with the surface of the n-type nitride semiconductor layer 103 opposite to the surface in contact with the first nitride semiconductor layer 102. In this embodiment, the active layer 104 uses an active layer having a multiple quantum well structure, and is formed, for example, so as to sandwich a well layer made of In 0.15 Ga 0.85 N with a thickness of 3 nm and the well layer. An active layer having a triple quantum well structure with a barrier layer made of GaN having a thickness of 6.0 nm can be used.

p型窒化物半導体層105は、p型クラッド層であり、活性層104におけるn型窒化物半導体層103と接する側の面とは反対側の面に形成されている。本実施形態において、p型窒化物半導体層105は、p型のAlGaN層であり、例えば、p−Al0.03Ga0.97Nで構成することができる。 The p-type nitride semiconductor layer 105 is a p-type cladding layer, and is formed on the surface of the active layer 104 opposite to the surface in contact with the n-type nitride semiconductor layer 103. In the present embodiment, the p-type nitride semiconductor layer 105 is a p-type AlGaN layer, and can be composed of, for example, p-Al 0.03 Ga 0.97 N.

また、図1に示すように、p型窒化物半導体層105、活性層104及びn型窒化物半導体層103の一部にはエッチングが施されており、n型窒化物半導体層103の表面が露出するように構成されている。なお、図1では、n型窒化物半導体層103の表面が露出するように構成したが、第一の窒化物半導体層102の表面が露出するように、第一の窒化物半導体層102までエッチングするようにしても構わない。   Further, as shown in FIG. 1, a part of the p-type nitride semiconductor layer 105, the active layer 104, and the n-type nitride semiconductor layer 103 is etched, and the surface of the n-type nitride semiconductor layer 103 is It is configured to be exposed. In FIG. 1, the surface of the n-type nitride semiconductor layer 103 is configured to be exposed, but etching is performed up to the first nitride semiconductor layer 102 so that the surface of the first nitride semiconductor layer 102 is exposed. You may make it.

そして、p型窒化物半導体層105のエッチングされていない表面上には、p側電極107が形成されている。また、表面が露出したn型窒化物半導体層103上には、n側電極106が形成されている。なお、第一の窒化物半導体層102を露出させた場合は、表面が露出した第一の窒化物半導体層102上にn側電極106が形成される。   A p-side electrode 107 is formed on the surface of the p-type nitride semiconductor layer 105 that is not etched. An n-side electrode 106 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 103 whose surface is exposed. When first nitride semiconductor layer 102 is exposed, n-side electrode 106 is formed on first nitride semiconductor layer 102 whose surface is exposed.

n側電極106は、n型窒化物半導体層103に電気的に接続されており、本実施形態では、Ti/Auによって構成されている。また、p側電極107は、p型窒化物半導体層105に電気的に接続されており、本実施形態では、Pd/Pt/Agによって構成されている。   The n-side electrode 106 is electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer 103, and is composed of Ti / Au in this embodiment. Further, the p-side electrode 107 is electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer 105, and in this embodiment, is constituted by Pd / Pt / Ag.

さらに、図2に示すように、n側電極106及びp側電極107のそれぞれとサブマウント109との間に金属はんだ108を設け、窒化物半導体発光素子100をサブマウント109上に実装することにより、窒化物半導体基板101の第二の主面側(裏面側)から光を取り出すフリップチップ実装型の発光ダイオードである窒化物半導体発光素子10を作製することができる。なお、光取り出し面である窒化物半導体基板101の第二の主面には、光取り出し効率を向上させるために微小凹凸構造が形成されている。   Further, as shown in FIG. 2, by providing a metal solder 108 between each of the n-side electrode 106 and the p-side electrode 107 and the submount 109 and mounting the nitride semiconductor light emitting device 100 on the submount 109. The nitride semiconductor light emitting element 10 that is a flip chip mounting type light emitting diode that extracts light from the second main surface side (back surface side) of the nitride semiconductor substrate 101 can be manufactured. Note that a minute concavo-convex structure is formed on the second main surface of the nitride semiconductor substrate 101 which is a light extraction surface in order to improve light extraction efficiency.

次に、図1及び図2に示した窒化物半導体発光素子の製造方法について、図1及び図2を参照して詳述する。   Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail with reference to FIGS.

図1に示すように、まず、窒化物半導体基板101として、例えば最表面が(0001)面に対して<11−00>の方向に0.3°傾斜し、ドナー不純物としてSiが、そのSi濃度が1×1018cm-3程度含まれるn型GaN基板を準備する。 As shown in FIG. 1, first, as the nitride semiconductor substrate 101, for example, the outermost surface is inclined by 0.3 ° in the <11-00> direction with respect to the (0001) plane, and Si is used as a donor impurity. An n-type GaN substrate having a concentration of about 1 × 10 18 cm −3 is prepared.

本実施形態では、以降、この窒化物半導体基板101上に、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、窒化物半導体積層の積層構造を形成する。なお、本実施形態では、MOCVD法で窒化物半導体積層の成膜を実施したが、適切な成長条件を調整すれば、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法などのどんな成膜装置を用いてもよく、また、使用する原料についても問わない。   In the present embodiment, a nitride semiconductor multilayer structure is subsequently formed on the nitride semiconductor substrate 101 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). In this embodiment, the nitride semiconductor stack is formed by the MOCVD method. However, if an appropriate growth condition is adjusted, the MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method, the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, and the PLD are used. Any film forming apparatus such as the (Pulsed Laser Deposition) method may be used, and any raw material to be used may be used.

窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、窒化物半導体基板101に対して、キャリアガスとして水素(H2)と窒素(N2)を供給するとともに、基板からの窒素の分解脱離を抑制するためのガスとしてV族原料ガスであるアンモニア(NH3)を供給した状態で10分間の熱処理を行う。この熱処理は、GaN基板の表面を洗浄化するために、及び表面研磨時等の加工変質層を除去するために行われる。 Before growing the laminated structure of the nitride semiconductor layer, hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are supplied as carrier gases to the nitride semiconductor substrate 101 and nitrogen is decomposed and desorbed from the substrate. A heat treatment is performed for 10 minutes in a state where ammonia (NH 3 ), which is a group V source gas, is supplied as a gas for suppression. This heat treatment is performed to clean the surface of the GaN substrate and to remove a work-affected layer during surface polishing.

その後、1080℃の温度で、窒化物半導体基板101の第一の主面101a上に、第一の窒化物半導体層102として、膜厚が2.0μmのアンドープGaN層を形成する。なお、Ga原料としてはトリメチルガリウム(TMG)を用い、N原料としてはNH3を用いた。ここで、アンドープとは、上述のとおり、意図的な不純物の添加を行わないという意味である。本実施形態において、アンドープGaN層の残留ドナー濃度は1×1016cm-3から1×1017cm-3であり、残留ドナーの起源となるのは成膜装置の部材から意図的ではなく混入したSi等によるものである。 Thereafter, an undoped GaN layer having a thickness of 2.0 μm is formed as the first nitride semiconductor layer 102 on the first main surface 101a of the nitride semiconductor substrate 101 at a temperature of 1080 ° C. Trimethylgallium (TMG) was used as the Ga material, and NH 3 was used as the N material. Here, undoped means that no intentional addition of impurities is performed as described above. In this embodiment, the residual donor concentration of the undoped GaN layer is 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 , and the source of the residual donor is not intentionally mixed from the members of the film forming apparatus. This is due to Si or the like.

続いて、第一の窒化物半導体層102上に、n型窒化物半導体層103として、膜厚が50nmのn−Al0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層を形成する。なお、ドナー不純物としてSiを用い、Si濃度が5×1018cm-3程度となるようにした。また、Si原料としてはモノシラン(SiH4)を用い、Al原料としてはトリメチルアルミニウム(TMA)を用いた。 Subsequently, an n-type cladding layer made of n-Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 50 nm is formed on the first nitride semiconductor layer 102 as the n-type nitride semiconductor layer 103. Si was used as the donor impurity so that the Si concentration was about 5 × 10 18 cm −3 . Further, monosilane (SiH 4 ) was used as the Si raw material, and trimethylaluminum (TMA) was used as the Al raw material.

次に、n型窒化物半導体層103上に、活性層104として、膜厚が3nmのIn0.15Ga0.85Nウェル層と膜厚が6.0nmのGaNバリア層とで構成される三重量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層を形成する。続いて、活性層104上に、p型窒化物半導体層105として、膜厚が140nmのp−Al0.03Ga0.97Nからなるp型クラッド層を形成する。 Next, an active layer 104 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 103 as a triple quantum well composed of an In 0.15 Ga 0.85 N well layer having a thickness of 3 nm and a GaN barrier layer having a thickness of 6.0 nm. An active layer having a multiple quantum well structure is formed. Subsequently, a p-type cladding layer made of p-Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 140 nm is formed on the active layer 104 as the p-type nitride semiconductor layer 105.

ここで、本実施形態では、In0.15Ga0.85Nウェル層の成長時は成長温度を720℃とし、キャリアガスもH2は使用せずN2だけに変更した。また、GaNバリア層の成長時、及び、p型クラッド層の成長時は成長温度を960℃に設定した。また、p型クラッド層であるp型窒化物半導体層105にはアクセプター不純物としてマグネシウム(Mg)が8×1019cm-3程度含まれており、p型窒化物半導体層105は、キャリアに対してクラッド層として作用するだけではなく、コンタクト層としても作用する。なお、Mg原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。 Here, in this embodiment, the growth temperature of the In 0.15 Ga 0.85 N well layer was 720 ° C., and the carrier gas was changed to N 2 without using H 2 . The growth temperature was set to 960 ° C. during the growth of the GaN barrier layer and during the growth of the p-type cladding layer. The p-type nitride semiconductor layer 105, which is a p-type cladding layer, contains about 8 × 10 19 cm −3 of magnesium (Mg) as an acceptor impurity. In addition to acting as a cladding layer, it also acts as a contact layer. Note that biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) was used as the Mg raw material.

上記各窒化物半導体層の結晶成長が終了した後、920℃まで温度が低下した段階で、V族原料ガスであるNH3の供給を停止するとともに、キャリアガスのH2の供給も停止し、N2キャリアガスのみで引き続き室温まで降温する。このようにすることで、正孔濃度が4〜5×1017cm-3であり、抵抗率が2〜3Ωcmのp型クラッド層を、MOCVD炉の外での特別な活性化熱処理を施すことなく再現性良く形成することができる。 After the crystal growth of each of the nitride semiconductor layers is finished, at the stage where the temperature is reduced to 920 ° C., the supply of NH 3 as the group V source gas is stopped, and the supply of the carrier gas H 2 is also stopped. The temperature is continuously lowered to room temperature only with N 2 carrier gas. In this way, the p-type cladding layer having a hole concentration of 4 to 5 × 10 17 cm −3 and a resistivity of 2 to 3 Ωcm is subjected to a special activation heat treatment outside the MOCVD furnace. And can be formed with good reproducibility.

続いて、p型窒化物半導体層105の表面全面に、膜厚が200nmのSiO2を堆積し、標準的なフォトリソグラフィ及びRIE(反応性イオンエッチング : Reactive Ion Etching)によるドライエッチングにより、n側電極106を形成するためのパターン状のSiO2からなるマスクを形成する。 Subsequently, SiO 2 having a film thickness of 200 nm is deposited on the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer 105, and is dry etched by standard photolithography and RIE (Reactive Ion Etching) to form the n side. A mask made of patterned SiO 2 for forming the electrode 106 is formed.

その後、SiO2をマスクとしてCl2ガスなどによるICP(Induction Coupled Plasma)ドライエッチングにより、表面から約0.2μmの深さで窒化物半導体層をエッチングし、図1に示すように、n型窒化物半導体層103を面内で部分的に露出させる。 Thereafter, the nitride semiconductor layer is etched to a depth of about 0.2 μm from the surface by ICP (Induction Coupled Plasma) dry etching using Cl 2 gas or the like using SiO 2 as a mask. As shown in FIG. The physical semiconductor layer 103 is partially exposed in the plane.

次に、マスクに用いたSiO2膜をフッ酸溶液(HF)などで除去した後、再び全面にSiO2膜を100nm堆積する。そして、フォトリソグラフィ及び緩衝フッ酸溶液(BHF)によるウェットエッチングにより、p側電極107を堆積するための開口部を形成し、その開口部に電子線蒸着により、Pd/Pt/Agからなるp側電極107を形成する。さらに、続いて、p型窒化物半導体層105、活性層104及びn型窒化物半導体層103の一部にエッチングを施すことにより、n側電極106を堆積するための開口部を形成し、その開口部に、Ti/Auからなるn側電極106を形成する。 Next, after removing the SiO 2 film used for the mask with a hydrofluoric acid solution (HF) or the like, a 100 nm SiO 2 film is again deposited on the entire surface. Then, an opening for depositing the p-side electrode 107 is formed by photolithography and wet etching using a buffered hydrofluoric acid solution (BHF), and the p-side made of Pd / Pt / Ag is formed in the opening by electron beam evaporation. An electrode 107 is formed. Further, by subsequently etching part of the p-type nitride semiconductor layer 105, the active layer 104, and the n-type nitride semiconductor layer 103, an opening for depositing the n-side electrode 106 is formed. An n-side electrode 106 made of Ti / Au is formed in the opening.

その後、窒化物半導体基板101の第二の主面(裏面)101bを研磨し、基板の厚さが約80μmになるまで薄膜化する。研磨した基板の裏面に対しては、水酸化ナトリウム(NaOH)溶液を用いたエッチング処理を施すことにより、数μmの微細な凹凸を有するテクスチャ構造を形成する。このテクスチャ構造は、光取り出し面における反射による光取り出し効率の低下を抑制する効果があり、テクスチャ構造を形成しない場合と比べて光取り出し効率を向上させることができる。   Thereafter, the second main surface (back surface) 101b of the nitride semiconductor substrate 101 is polished and thinned until the thickness of the substrate reaches about 80 μm. On the back surface of the polished substrate, an etching process using a sodium hydroxide (NaOH) solution is performed to form a texture structure having fine irregularities of several μm. This texture structure has an effect of suppressing a decrease in light extraction efficiency due to reflection on the light extraction surface, and can improve the light extraction efficiency as compared with the case where the texture structure is not formed.

次に、窒化物半導体基板の第二の主面(裏面)側からダイシングを行うことにより、1.0mm角のチップ形状とする。これにより、窒化物半導体発光素子100が完成する。   Next, dicing is performed from the second main surface (back surface) side of the nitride semiconductor substrate to obtain a 1.0 mm square chip shape. Thereby, the nitride semiconductor light emitting device 100 is completed.

その後、図2に示すように、n側電極106とサブマウント109の金属配線との間及びp側電極107とサブマウント109の金属配線との間に金属はんだ108を設け、n側電極106及びp側電極107とサブマウント109とを接合する。これにより、窒化物半導体発光素子100をサブマウント109上に実装することができ、窒化物半導体基板101の裏面側から光が出射するフリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードが完成する。   Thereafter, as shown in FIG. 2, metal solder 108 is provided between the n-side electrode 106 and the metal wiring of the submount 109 and between the p-side electrode 107 and the metal wiring of the submount 109. The p-side electrode 107 and the submount 109 are joined. Thus, the nitride semiconductor light emitting device 100 can be mounted on the submount 109, and a flip chip mounting type nitride semiconductor light emitting diode in which light is emitted from the back surface side of the nitride semiconductor substrate 101 is completed.

次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の作用効果について、図3〜図6を用いて説明する。図3は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子と比較するために作製した、比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。   Next, functions and effects of the nitride semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to a comparative example, which was produced for comparison with the nitride semiconductor light emitting device according to this embodiment.

図3に示すように、比較例に係る窒化物半導体発光素子10A、100Aは、図2に示す本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10、100と基本的な構造は同じである。比較例に係る窒化物半導体発光素子10Aと本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10とが異なる点は第一の窒化物半導体層であり、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10における第一の窒化物半導体層102はアンドープのGaN層であったのに対し、比較例に係る窒化物半導体発光素子10Aにおける第一の窒化物半導体層102Aは、SiドープのGaN層である。なお、比較例に係る窒化物半導体発光素子10Aは、以下に示す方法で作製した。   As shown in FIG. 3, the nitride semiconductor light emitting devices 10A and 100A according to the comparative example have the same basic structure as the nitride semiconductor light emitting devices 10 and 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. It is. The difference between the nitride semiconductor light emitting device 10A according to the comparative example and the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention is the first nitride semiconductor layer, which is the first embodiment of the present invention. The first nitride semiconductor layer 102 in the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the present invention was an undoped GaN layer, whereas the first nitride semiconductor layer 102A in the nitride semiconductor light emitting device 10A according to the comparative example was This is a Si-doped GaN layer. Note that the nitride semiconductor light emitting device 10A according to the comparative example was manufactured by the following method.

まず、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10と同一の窒化物半導体基板101を用意し、窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、窒化物半導体基板101に対して、キャリアガスとしてH2とN2を供給するとともに、基板からの窒素の分解脱離を抑制するためのガスとしてNH3を供給した状態で10分間の熱処理を行う。その後、1080℃の温度で、窒化物半導体基板101上に、ドナー不純物としてSiを5×1018cm-3の濃度で含まれるよう添加してSiドープGaN層からなる第一の窒化物半導体層102Aを、2.0μmの膜厚で形成する。それ以降は、第1の実施形態と同様の方法で、膜厚が50nmのn−Al0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層であるn型窒化物半導体層103を第一の窒化物半導体層102Aに接するように形成する。次に、膜厚が3nmのIn0.15Ga0.85Nからなるウェル層と膜厚が6.0nmのGaNからなるバリア層とで構成される三重量子井戸からなる活性層104、膜厚が140nmのp−Al0.03Ga0.97Nからなるp型クラッド層であるp型窒化物半導体層105を順次形成する。その後、第1の実施形態と同様の方法で、n側電極106及びp側電極107を形成し、その後、1.0mm角のチップ形状となるようにダイシングした後でサブマウント109に実装することで、フリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードが完成する。 First, the same nitride semiconductor substrate 101 as the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention is prepared, and before the nitride semiconductor layer stack structure is grown, the nitride semiconductor substrate 101 is grown. Then, heat treatment is performed for 10 minutes while supplying H 2 and N 2 as carrier gases and NH 3 as a gas for suppressing decomposition and desorption of nitrogen from the substrate. Thereafter, at a temperature of 1080 ° C., a first nitride semiconductor layer composed of a Si-doped GaN layer is added by adding Si as a donor impurity at a concentration of 5 × 10 18 cm −3 on the nitride semiconductor substrate 101. 102A is formed with a thickness of 2.0 μm. Thereafter, the n-type nitride semiconductor layer 103, which is an n-type cladding layer made of n-Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 50 nm, is replaced with the first nitride semiconductor layer by the same method as in the first embodiment. It is formed so as to be in contact with 102A. Next, an active layer 104 made of a triple quantum well composed of a well layer made of In 0.15 Ga 0.85 N with a thickness of 3 nm and a barrier layer made of GaN with a thickness of 6.0 nm, and a p-type with a thickness of 140 nm. A p-type nitride semiconductor layer 105 which is a p-type cladding layer made of -Al 0.03 Ga 0.97 N is sequentially formed. Thereafter, the n-side electrode 106 and the p-side electrode 107 are formed by the same method as in the first embodiment, and then diced into a 1.0 mm square chip shape and then mounted on the submount 109. Thus, a flip-chip mounting type nitride semiconductor light emitting diode is completed.

図4は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と比較例に係る窒化物半導体発光素子におけるGaN基板上に形成されたGaN層(第一の窒化物半導体層)の表面モフォロジー写真である。   FIG. 4 shows the surface of the GaN layer (first nitride semiconductor layer) formed on the GaN substrate in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention and the nitride semiconductor light emitting device according to the comparative example. It is a morphological photograph.

図4(a)は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10における表面モフォロジー写真であり、n型GaN基板上に形成した膜厚が2.0μmのアンドープGaN層(第一の窒化物半導体層102)の表面モフォロジーを示している。また、図4(b)は、比較例1に係る窒化物半導体発光素子10Aにおける表面モフォロジー写真であり、Si濃度が5×1017cm-3で膜厚が2.0μmのSiドープGaN層の表面モフォロジーを示している。また、図4(c)は、比較例2に係る窒化物半導体発光素子10Aにおける表面モフォロジー写真であり、Si濃度が5×1018cm-3で膜厚が2.0μmのSiドープGaN層の表面モフォロジーを示している。なお、図4(a)〜図4(c)は、いずれもn−Al0.03Ga0.97Nからなるn型窒化物半導体層103を形成する直前の状態を示している。 FIG. 4A is a surface morphology photograph of the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention, and is an undoped GaN layer having a thickness of 2.0 μm formed on the n-type GaN substrate (first). 2 shows the surface morphology of one nitride semiconductor layer 102). FIG. 4B is a surface morphology photograph in the nitride semiconductor light emitting device 10A according to Comparative Example 1. The Si doped GaN layer having a Si concentration of 5 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 2.0 μm. The surface morphology is shown. FIG. 4C is a surface morphology photograph of the nitride semiconductor light emitting device 10A according to Comparative Example 2, in which the Si-doped GaN layer having a Si concentration of 5 × 10 18 cm −3 and a film thickness of 2.0 μm. The surface morphology is shown. 4A to 4C show the state immediately before forming the n-type nitride semiconductor layer 103 made of n-Al 0.03 Ga 0.97 N.

図4(a)〜図4(c)に示すように、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10におけるGaN層は平坦性及び結晶性が極めて優れており、不純物濃度が高くなるに従って平坦性及び結晶性が劣化していくことが分かる。このように、GaN基板上に形成するGaN層としては、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10のように、アンドープGaN層とすることが好ましいことが分かる。すなわち、GaN基板上に形成するGaN層を本発明のようにアンドープ層とすることにより、平坦性及び結晶性に優れたGaN層を形成することができる。以下、このことについて考察する。   As shown in FIGS. 4A to 4C, the GaN layer in the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention is extremely excellent in flatness and crystallinity, and has an impurity concentration. It can be seen that the flatness and crystallinity deteriorate as the value increases. Thus, it can be seen that the GaN layer formed on the GaN substrate is preferably an undoped GaN layer as in the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention. That is, by using an GaN layer formed on the GaN substrate as an undoped layer as in the present invention, a GaN layer having excellent flatness and crystallinity can be formed. This will be considered below.

従来、化合物半導体を用いた発光素子を作製する場合、基板上に形成する半導体層は基板と同じ導電型とし、ドーピングを施しながらエピタキシャル成長することが一般的である。しかしながら、本願の発明者らが鋭意検討した結果、n型GaN基板を用いた場合には、ドーピングを施すことにより表面モフォロジーが大幅に悪化し、面内において均一な膜を有する活性層を形成することができず、実用レベルの発光素子を作製することができないことが判明した。   Conventionally, when a light-emitting element using a compound semiconductor is manufactured, a semiconductor layer formed on a substrate has the same conductivity type as that of the substrate and is generally grown epitaxially while being doped. However, as a result of intensive studies by the inventors of the present application, when an n-type GaN substrate is used, the surface morphology is greatly deteriorated by doping, and an active layer having a uniform film in the plane is formed. Thus, it was found that a light-emitting element at a practical level could not be manufactured.

本願の発明者らは、この表面モフォロジーの荒れという課題の原因を詳細に調べたところ、基板とエピタキシャル膜との界面に多量のドナー不純物であるSiが吸着し、結晶中に取り込まれていることを見出した。このことについて、図5を用いて説明する。   The inventors of the present application have investigated in detail the cause of the problem of rough surface morphology, and found that a large amount of donor impurity Si is adsorbed on the interface between the substrate and the epitaxial film and incorporated into the crystal. I found. This will be described with reference to FIG.

図5は、本発明の第1の実施形態及び比較例に係る窒化物半導体発光素子で用いたn型GaN基板のGaN層成膜前の表面モフォロジー写真である。   FIG. 5 is a surface morphology photograph of the n-type GaN substrate used in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention and the comparative example before film formation of the GaN layer.

窒化物半導体は材料自身の非常に堅牢な特性のために、加工が困難であることが一般に知られている。これは窒化物半導体基板の作製においても同様で、図5に示すように、窒化物半導体基板の表面には、表面研磨時に生じた傷である多くのスクラッチ痕、又は、表面研磨時に形成された点欠陥が多数存在する層としての加工変質層が残留している。このような加工変質層を除去するために、窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、n型GaN基板に対して熱処理を施すのであるが、この熱処理により上記のスクラッチ痕が顕在化し、表面モフォロジーが大きく悪化することが分かった。この表面モフォロジーが悪化した状態のn型GaN基板上に、ドーピングを施しながらSiドープGaN層を形成すると、上述のように基板とエピタキシャル膜との界面に多量のドナー不純物であるSiが取り込まれることになり、スクラッチ痕をそのまま残した形状で成膜が進んでしまい、図4(b)及び図4(c)に示すように、GaN層の表面モフォロジーも悪化してしまう。   Nitride semiconductors are generally known to be difficult to process due to the very robust properties of the material itself. This also applies to the production of a nitride semiconductor substrate. As shown in FIG. 5, many scratch marks, which are scratches generated during surface polishing, are formed on the surface of the nitride semiconductor substrate, or are formed during surface polishing. A work-affected layer remains as a layer having many point defects. In order to remove such a work-affected layer, the n-type GaN substrate is subjected to a heat treatment before growing the laminated structure of the nitride semiconductor layer. It was found that the surface morphology was greatly deteriorated. When an Si-doped GaN layer is formed on the n-type GaN substrate with the surface morphology deteriorated while doping, Si, which is a large amount of donor impurity, is taken into the interface between the substrate and the epitaxial film as described above. Thus, the film formation proceeds in a shape that leaves the scratch mark as it is, and the surface morphology of the GaN layer is also deteriorated as shown in FIGS. 4B and 4C.

本願の発明者らは、その後種々検討することにより、図5に示すようなスクラッチ痕を有するGaN基板であったとしても、当該GaN基板上にアンドープGaN層を形成することにより、基板とエピタキシャル膜との界面におけるSi等の不純物の取り込みを抑制して、GaN層の表面モフォロジーを改善することができることを突き止めた。   The inventors of the present application have studied variously thereafter, and even if the GaN substrate has a scratch mark as shown in FIG. 5, by forming an undoped GaN layer on the GaN substrate, the substrate and the epitaxial film are formed. It has been found that the surface morphology of the GaN layer can be improved by suppressing the incorporation of impurities such as Si at the interface with the GaN layer.

図6は、図5に示すn型GaN基板の表面粗さ、及び、図4(a)〜図4(c)に示すGaN層における膜厚と表面粗さとの関係を示す図である。図6において、横軸はGaN層の膜厚を示している。但し、n型GaN基板については、表面粗さのみ示している(膜厚は0μmとして図示)。また、図6において、縦軸は表面粗さのRMS(Root Mean Square)値を示している。RMS値は、走査型白色干渉計を用いて数値化した結果を示している。また、RMS値は、GaN基板及びGaN層の表面における、およそ300μmの矩形の範囲で測定した結果である。   FIG. 6 is a diagram showing the surface roughness of the n-type GaN substrate shown in FIG. 5 and the relationship between the film thickness and the surface roughness in the GaN layers shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). In FIG. 6, the horizontal axis indicates the film thickness of the GaN layer. However, for the n-type GaN substrate, only the surface roughness is shown (the film thickness is shown as 0 μm). In FIG. 6, the vertical axis indicates the RMS (Root Mean Square) value of the surface roughness. The RMS value shows the result of quantification using a scanning white interferometer. The RMS value is a result of measurement in a rectangular range of about 300 μm on the surface of the GaN substrate and the GaN layer.

図6中の「○」で示すように、n型GaN基板には多数のスクラッチ痕が存在するものの、n型GaN基板の熱処理前のRMS値は1.4nmで非常に小さい。一方、熱処理を施すことによりスクラッチ痕が顕在化し、n型GaN基板のRMS値は増大して6nmを超えることが分かる。   As indicated by “◯” in FIG. 6, although the n-type GaN substrate has many scratch marks, the RMS value before the heat treatment of the n-type GaN substrate is 1.4 nm and is very small. On the other hand, it can be seen that scratch marks become apparent by performing heat treatment, and the RMS value of the n-type GaN substrate increases to exceed 6 nm.

熱処理を施したn型GaN基板の上に、膜厚を変えながらアンドープGaN層を形成すると、図6中の「●」で示すように、膜厚の増加とともにいったんRMS値は減少し、0.3μm成膜した状態でほぼ最小となり、RMS値は2nm程度となる。その後、膜厚の増加とともにRMS値はもう一度増大する。これは、膜厚の増加とともに、ステップバンチングが促進し、マクロステップ化するための現象である。実用上RMS値は3nm以下にすることが望ましく、アンドープGaN層を用いる場合、膜厚は0.3μm以上、2μm以下にすることが好ましい。   When an undoped GaN layer is formed on a heat-treated n-type GaN substrate while changing the film thickness, the RMS value once decreases as the film thickness increases, as indicated by “●” in FIG. When the film is formed to a thickness of 3 μm, it is almost the minimum, and the RMS value is about 2 nm. Thereafter, the RMS value increases once more as the film thickness increases. This is a phenomenon for promoting step bunching as the film thickness increases and making it macro stepped. In practice, the RMS value is desirably 3 nm or less. When an undoped GaN layer is used, the film thickness is preferably 0.3 μm or more and 2 μm or less.

一方、図6中の「▲」又は「■」で示すように、SiドープGaN層を用いた場合は、結晶中に含まれるSi濃度により表面粗さは異なり、Si濃度が高くなるにつれRMS値は大きくなることが分かる。また、いずれにしても、SiドープGaN層を用いた場合は、実用上必要なRMS値3nm以下を再現性良く実現することは困難である。   On the other hand, as shown by “▲” or “■” in FIG. 6, when the Si-doped GaN layer is used, the surface roughness varies depending on the Si concentration contained in the crystal, and the RMS value increases as the Si concentration increases. Can be seen to grow. In any case, when a Si-doped GaN layer is used, it is difficult to realize an RMS value of 3 nm or less that is practically required with good reproducibility.

以上説明したように、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10、100によれば、窒化物半導体基板101上に、アンドープの窒化物半導体層である第一の窒化物半導体層102を形成することにより、平坦性及び結晶性に優れた第一の窒化物半導体層102を得ることができる。その結果、第一の窒化物半導体層102上に形成される各種窒化物半導体層についても面内均一性に優れた半導体層とすることができる。これにより、活性層のIn組成や厚みにムラのない成膜が可能となり、量子井戸からなる活性層を素子面内で均一に形成することができるため、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長の均一化を実現することが可能となる。また、In組成が均一であるために素子面内でのバンドギャップ不均一を低減することもでき、活性層への均一な電流注入を実現することも可能となる。   As described above, according to the nitride semiconductor light emitting devices 10 and 100 according to the first embodiment of the present invention, the first nitride semiconductor which is an undoped nitride semiconductor layer on the nitride semiconductor substrate 101. By forming the layer 102, the first nitride semiconductor layer 102 excellent in flatness and crystallinity can be obtained. As a result, the various nitride semiconductor layers formed on the first nitride semiconductor layer 102 can be semiconductor layers having excellent in-plane uniformity. As a result, the active layer can be formed without unevenness in the In composition and thickness, and the active layer made of quantum wells can be uniformly formed in the device surface, so that high internal quantum efficiency, emission intensity, and emission wavelength can be obtained. Can be realized. In addition, since the In composition is uniform, the band gap non-uniformity in the element plane can be reduced, and uniform current injection into the active layer can be realized.

また、GaN基板には貫通転位が集合したコアと呼ばれる欠陥集合領域が面内に多数存在するが、このコアの周辺とそれ以外の部分とでは面内でドナー不純物濃度や抵抗率が異なり、コアの周辺部においては、ドナー不純物濃度が高く、抵抗率が低くなりやすい。この場合、n型GaN基板に電流を供給すると、抵抗の低いコアの周辺部に電流が流れやすく、結果として、活性層への電流注入が不均一になりやすい。しかも、欠陥集合領域であるコア周辺に電流が集中することにより欠陥の増殖が進行し、リーク電流が増加することで耐圧も低下する。しかしながら、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10、100によれば、窒化物半導体基板101上にアンドープの窒化物半導体層である第一の窒化物半導体層102を形成するので、n型GaN基板には電流が印加されることがない。これにより、上記リーク電流の増加を抑制することができ、結果として耐圧も高くでき、窒化物半導体発光ダイオードの素子サイズを大型化しても歩留まりの低下が発生することがなく、発光出力のさらなる向上を実現することができる。   In addition, the GaN substrate has a large number of defect collection regions called cores in which threading dislocations are gathered, but the donor impurity concentration and resistivity are different in the plane around the core and other parts, and the core In the peripheral portion, the donor impurity concentration is high and the resistivity tends to be low. In this case, when a current is supplied to the n-type GaN substrate, a current easily flows around the core having a low resistance, and as a result, current injection into the active layer tends to be uneven. In addition, the concentration of current around the core, which is the defect collection region, causes the growth of defects, and the increase in leakage current reduces the breakdown voltage. However, according to the nitride semiconductor light emitting devices 10 and 100 according to the first embodiment of the present invention, the first nitride semiconductor layer 102 that is an undoped nitride semiconductor layer is formed on the nitride semiconductor substrate 101. Therefore, no current is applied to the n-type GaN substrate. As a result, the increase in the leakage current can be suppressed, and as a result, the breakdown voltage can be increased, and even if the element size of the nitride semiconductor light emitting diode is increased, the yield does not decrease, and the light emission output is further improved. Can be realized.

なお、本実施形態において、窒化物半導体基板101としては、(0001)面に対して<11−00>の方向に0.3°傾斜し、ドナー不純物としてSiが含まれるn型GaN基板を使用したが、これに限らない。例えば、窒化物半導体基板101として、GaN以外に、AlGaN、GaInN、AlGaInNなどからなる全ての窒化物半導体基板を用いることができる。また、ドナー不純物としても、Si以外に、酸素(O)やセレン(Se)を用いることもできる。さらに、基板の面方位についても、極性面の(0001)面に限定されるものではなく、(000−1)面でも、非極性面の{1−100}面や{11−20}面、半極性面の{11−22}面、{10−1−3}面、{10−1−1}面などのすべてに適用することができ、基板表面の結晶軸の傾斜方向や傾斜角度も上記のものに限定されない。   In this embodiment, as the nitride semiconductor substrate 101, an n-type GaN substrate tilted by 0.3 ° in the <11-00> direction with respect to the (0001) plane and containing Si as a donor impurity is used. However, it is not limited to this. For example, as the nitride semiconductor substrate 101, all nitride semiconductor substrates made of AlGaN, GaInN, AlGaInN, or the like can be used in addition to GaN. In addition to Si, oxygen (O) or selenium (Se) can also be used as a donor impurity. Further, the plane orientation of the substrate is not limited to the (0001) plane of the polar plane, and the (000-1) plane, the {1-100} plane or the {11-20} plane of the nonpolar plane, It can be applied to all of the {11-22} plane, {10-1-3} plane, {10-1-1} plane, etc. of the semipolar plane, and the tilt direction and tilt angle of the crystal axis of the substrate surface It is not limited to the above.

また、本実施形態において、アンドープGaN層には意図的な不純物の添加を行っていないが、ドナー不純物としてSiが残留不純物として1×1017cm-3以下であれば同様の効果が得られる。従って、本実施形態では、ドライエッチングにより部分的に露出したn型窒化物半導体層103にn側電極106を形成したが、n側電極106は、同様の手段で露出させたアンドープGaN層である第一の窒化物半導体層102に形成してもよい。これは、GaN層は意図的に不純物の添加を行わないで作製してもn型の導電性を示すからであり、n側電極106の堆積条件を適切に選択することで抵抗の低いオーミック接触電極を形成することが可能であり、この構造にすることでもn型窒化物半導体層103に電気的に接続するn側電極106として作用させることが可能である。この場合、アンドープGaN層からなる第一の窒化物半導体層102の膜厚は薄く設定することが好ましい。これにより、n型GaN基板である窒化物半導体基板101に含まれるドナー不純物からも電子が供給される。 In this embodiment, no intentional impurity is added to the undoped GaN layer, but the same effect can be obtained if Si as a donor impurity is 1 × 10 17 cm −3 or less as a residual impurity. Therefore, in this embodiment, the n-side electrode 106 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 103 partially exposed by dry etching, but the n-side electrode 106 is an undoped GaN layer exposed by the same means. The first nitride semiconductor layer 102 may be formed. This is because the GaN layer exhibits n-type conductivity even if it is not intentionally added with impurities, and an ohmic contact with low resistance can be achieved by appropriately selecting the deposition conditions for the n-side electrode 106. An electrode can be formed, and this structure can also serve as the n-side electrode 106 that is electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer 103. In this case, the thickness of the first nitride semiconductor layer 102 made of the undoped GaN layer is preferably set thin. Thereby, electrons are also supplied from donor impurities contained in the nitride semiconductor substrate 101 which is an n-type GaN substrate.

また、本実施形態では、窒化物半導体基板101としては、ドナー不純物としてSiを用い、そのSi濃度が1×1018cm-3程度含まれるn型GaN基板を使用したが、n側の電流が流れる電子の走行する領域としてはアンドープのGaN層が用いられるので、窒化物半導体基板としてはSi濃度が1×1018cm-3以下のn型GaN基板を用いてもよい。これにより、フリップチップ型の素子構造において、光取り出し面側において、高濃度にドナー不純物が添加された領域を低減することができる。従って、フリーキャリアロスによる光出力の低下を抑制することができるので、発光出力を向上させることができる。 In the present embodiment, the nitride semiconductor substrate 101 is an n-type GaN substrate using Si as a donor impurity and having a Si concentration of about 1 × 10 18 cm −3. Since an undoped GaN layer is used as the region where the flowing electrons travel, an n-type GaN substrate having a Si concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less may be used as the nitride semiconductor substrate. As a result, in the flip chip type element structure, the region where the donor impurity is added at a high concentration can be reduced on the light extraction surface side. Therefore, a decrease in light output due to free carrier loss can be suppressed, so that the light emission output can be improved.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention will be described.

本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と基本的な構成は同じである。従って、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の説明においては、図1及び図2を用い、図1及び図2に示す第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成要素と同じ符号を用いる。   The nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention has the same basic configuration as the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. Therefore, in the description of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, FIGS. 1 and 2 are used, and the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment shown in FIGS. The same reference numerals are used as the constituent elements.

本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子とが異なる点は、第一の窒化物半導体層102の膜厚である。それ以外の構成要素は同じである。   The difference between the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention and the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is the film thickness of the first nitride semiconductor layer 102. . Other components are the same.

本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、アンドープGaN層である第一の窒化物半導体層102の膜厚を0.3〜1.0μmとしている。特に、本実施形態では、第一の窒化物半導体層102の膜厚を0.5μmとした。なお、第1の実施形態では、第一の窒化物半導体層102の膜厚は2.0μmとしていた。   In the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the thickness of the first nitride semiconductor layer 102 which is an undoped GaN layer is set to 0.3 to 1.0 μm. In particular, in the present embodiment, the thickness of the first nitride semiconductor layer 102 is set to 0.5 μm. In the first embodiment, the thickness of the first nitride semiconductor layer 102 is 2.0 μm.

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、第1の実施形態と同一の方法で製造することができる。これにより、アンドープGaN層の膜厚を0.5μmとしたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。   The nitride semiconductor light emitting device according to this embodiment can be manufactured by the same method as in the first embodiment. As a result, a flip-chip mounted nitride semiconductor light emitting diode in which the thickness of the undoped GaN layer is 0.5 μm can be obtained.

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、アンドープGsN層である第一の窒化物半導体層102の膜厚を0.3〜1.0μmとしたものである。これにより、図6からも分かるように、RMS値が約2以下という、RMS値が小さくて非常に平坦なアンドープGaN層を再現性良く作製することができる。   In the nitride semiconductor light emitting device according to this embodiment, the first nitride semiconductor layer 102 which is an undoped GsN layer has a thickness of 0.3 to 1.0 μm. Accordingly, as can be seen from FIG. 6, an extremely flat undoped GaN layer having an RMS value of about 2 or less and having a small RMS value can be manufactured with good reproducibility.

このように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードは、平坦性に非常に優れたアンドープGaN層を形成することができるので、第1の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードと比べて活性層成長時の表面モフォロジーをさらに改善することができる。これにより、高い内部量子効率を再現性良く実現することができるので、歩留まりを向上することができる。また、原料の消費量を低減することができるとともに、成長時間を短縮することができる。従って、MOCVD設備のスループットを向上することができるので、窒化物半導体発光ダイオードの製造コストを低減することができる。   As described above, the nitride semiconductor light-emitting diode according to the present embodiment can form an undoped GaN layer with excellent flatness, and thus is more active than the nitride semiconductor light-emitting diode according to the first embodiment. The surface morphology during layer growth can be further improved. As a result, high internal quantum efficiency can be realized with good reproducibility, and the yield can be improved. In addition, the consumption of raw materials can be reduced and the growth time can be shortened. Therefore, since the throughput of the MOCVD facility can be improved, the manufacturing cost of the nitride semiconductor light emitting diode can be reduced.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について、図7を用いて説明する。図7は、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。なお、図7において、図2に示す本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
(Third embodiment)
Next, a nitride semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those of the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図7に示す本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子20が、図2に示す本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10と異なる点は、第一の窒化物半導体層102上に形成されるn型窒化物半導体層の構成である。なお、それ以外の構成は、第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10と同じである。   The nitride semiconductor light emitting device 20 according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 7 is different from the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. This is a configuration of an n-type nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor layer 102. Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment.

図7に示すように、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子20は、アンドープ層である第一の窒化物半導体層102上に、アンドープ層とドープ層との複数層からなるn型クラッド層であるn型窒化物半導体層203が形成されている。n型窒化物半導体層203は、アンドープ層である第二の窒化物半導体層203aと、ドープ層である窒化物半導体層203bと、アンドープ層である第三の窒化物半導体層203cとの三層構造からなる。本実施形態において、第二の窒化物半導体層203a及び第三の窒化物半導体層203cはアンドープのAlGaIn層であり、窒化物半導体層203bはn型のAlGaN層である。   As shown in FIG. 7, the nitride semiconductor light emitting device 20 according to the third embodiment of the present invention includes a plurality of undoped layers and doped layers on a first nitride semiconductor layer 102 that is an undoped layer. An n-type nitride semiconductor layer 203 that is an n-type cladding layer is formed. The n-type nitride semiconductor layer 203 includes three layers of a second nitride semiconductor layer 203a that is an undoped layer, a nitride semiconductor layer 203b that is a doped layer, and a third nitride semiconductor layer 203c that is an undoped layer. Consists of structure. In the present embodiment, the second nitride semiconductor layer 203a and the third nitride semiconductor layer 203c are undoped AlGaIn layers, and the nitride semiconductor layer 203b is an n-type AlGaN layer.

具体的には、GaN基板からなる窒化物半導体基板101上に膜厚が0.5μmのアンドープGaN層からなる第一の窒化物半導体層102が形成されている。また、第一の窒化物半導体層102の上には、膜厚が10nmのアンドープAl0.03Ga0.97Nからなる第二の窒化物半導体層203aと、Si濃度が5×1018cm-3で膜厚が30nmのn−Al0.03Ga0.97Nからなる窒化物半導体層203bと、膜厚が10nmのアンドープAl0.03Ga0.97Nからなる第三の窒化物半導体層203cとからなる三層構成のn型クラッド層であるn型窒化物半導体層203が形成されている。 Specifically, a first nitride semiconductor layer 102 made of an undoped GaN layer having a thickness of 0.5 μm is formed on a nitride semiconductor substrate 101 made of a GaN substrate. Further, on the first nitride semiconductor layer 102, a second nitride semiconductor layer 203a made of undoped Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 10 nm and a Si concentration of 5 × 10 18 cm −3 are formed. A three-layer n-type structure comprising a nitride semiconductor layer 203b made of n-Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 30 nm and a third nitride semiconductor layer 203c made of undoped Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 10 nm. An n-type nitride semiconductor layer 203 which is a cladding layer is formed.

なお、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子20は、第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子10と同様の方法によって製造することができる。これにより、フリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。   The nitride semiconductor light emitting device 20 according to this embodiment can be manufactured by the same method as the nitride semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment. Thereby, a flip-chip mounting type nitride semiconductor light emitting diode can be obtained.

本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子20、200は、第2の実施形態と同様に、アンドープGaN層からなる第一の窒化物半導体層102の膜厚を薄くしているので、第1の実施形態に比べて活性層成長時の表面モフォロジーをさらに改善することができ、高い内部量子効率を再現性良く実現することができる。   In the nitride semiconductor light emitting devices 20 and 200 according to the third embodiment of the present invention, the thickness of the first nitride semiconductor layer 102 made of an undoped GaN layer is reduced as in the second embodiment. Therefore, the surface morphology during active layer growth can be further improved as compared with the first embodiment, and high internal quantum efficiency can be realized with good reproducibility.

さらに、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子20は、上記三層構造のn型クラッド層であるn型窒化物半導体層203を備えているので、アンドープAl0.03Ga0.97Nの第二の窒化物半導体層203aをスペーサ層として作用させるとともに、n−Al0.03Ga0.97Nの窒化物半導体層203bをバリア層兼キャリア供給層として作用させることができる。これにより、アンドープGaN層の第一の窒化物半導体層102の界面において効果的に二次元電子ガスを蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化して素子面内における活性層へのキャリアの注入をさらに均一にすることができ、さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧も低減することができる。 Furthermore, since the nitride semiconductor light emitting device 20 according to the third embodiment of the present invention includes the n-type nitride semiconductor layer 203 which is the n-type clad layer having the three-layer structure, the undoped Al 0.03 Ga 0.97 N The second nitride semiconductor layer 203a can serve as a spacer layer, and the n-Al 0.03 Ga 0.97 N nitride semiconductor layer 203b can serve as a barrier layer / carrier supply layer. Thereby, the two-dimensional electron gas can be effectively stored at the interface of the first nitride semiconductor layer 102 of the undoped GaN layer. By using this region as a region where electrons travel, the distribution of electrons in the device surface can be made uniform, and carriers can be more uniformly injected into the active layer in the device surface. Since the rate can be lowered, the operating voltage can also be reduced.

なお、アンドープAl0.03Ga0.97Nの第二の窒化物半導体層203aは、スペーサ層として作用するとともに、電子に対しては活性層へのバリア層として作用するので、第二の窒化物半導体層203aの膜厚としては、キャリア供給層として作用する窒化物半導体層203bに添加されたドナー不純物であるSiによる不純物散乱の影響を低減でき、かつ、活性層への電流注入における抵抗の増加が生じない範囲に設定することが望ましい。また、第二の窒化物半導体層203aのAl組成については、第二の窒化物半導体層203aを不純物散乱の影響を低減できるスペーサとして作用させるために、第一の窒化物半導体層102よりも高く、かつ、活性層への電流注入における抵抗の増加が生じないように、第三の窒化物半導体層203cのAl組成と同じかそれ以下の範囲に設定することが望ましい。 Note that the second nitride semiconductor layer 203a of undoped Al 0.03 Ga 0.97 N functions as a spacer layer and also acts as a barrier layer to the active layer for electrons, so the second nitride semiconductor layer 203a With respect to the film thickness, the influence of impurity scattering by Si, which is a donor impurity added to the nitride semiconductor layer 203b acting as a carrier supply layer, can be reduced, and no increase in resistance is caused in current injection into the active layer. It is desirable to set the range. Further, the Al composition of the second nitride semiconductor layer 203a is higher than that of the first nitride semiconductor layer 102 in order to cause the second nitride semiconductor layer 203a to act as a spacer that can reduce the influence of impurity scattering. In addition, it is desirable to set the Al composition of the third nitride semiconductor layer 203c in the same range or less so that the resistance does not increase in current injection into the active layer.

以上、本発明に係る窒化物半導体発光素子よびその製造方法について、実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。   As described above, the nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments.

例えば、本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上述のとおり、窒化物半導体基板は、GaN基板だけに限定されるものではなく、AlGaN、GaInN、AlGaInNなどの全ての窒化物半導体基板を用いることができ、これらの窒化物半導体基板上に所望の窒化物半導体層を形成することができる。また、窒化物半導体基板の作製方法は、気相成長法によるものだけではなく、液相成長法、高圧合成法など全ての方法で作製された基板に適用できる。また、基板面方位も、その極性に関わらず、全ての面方位において適用できる。   For example, in the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, as described above, the nitride semiconductor substrate is not limited to the GaN substrate, and all nitride semiconductor substrates such as AlGaN, GaInN, and AlGaInN are used. A desired nitride semiconductor layer can be formed on these nitride semiconductor substrates. In addition, the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate is not limited to a method using a vapor phase growth method, but can be applied to a substrate manufactured by any method such as a liquid phase growth method and a high-pressure synthesis method. Further, the substrate surface orientation can be applied to all surface orientations regardless of their polarities.

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。   In addition, the embodiment can be realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or a form obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art. Forms are also included in the present invention.

本発明は、表示装置用、照明用、あるいは、液晶ディスプレイのバックライト用に用いられる光源その他の発光装置として、特に大電流を印加して動作させるGaN基板上に窒化物半導体層を備える発光ダイオードとして、又は、光ディスク装置用に用いられる半導体レーザダイオード等として有用である。   The present invention relates to a light-emitting diode having a nitride semiconductor layer on a GaN substrate that is operated by applying a large current as a light source or other light-emitting device used for a display device, illumination, or backlight of a liquid crystal display. Or as a semiconductor laser diode used for an optical disk device.

10、10A、20、100、100A、200 窒化物半導体発光素子
101 窒化物半導体基板
101a 第一の主面
101b 第二の主面
102、102A 第一の窒化物半導体層
103、203 n型窒化物半導体層
104 活性層
105 p型窒化物半導体層
106 n側電極
107 p側電極
108 金属はんだ
109 サブマウント
203a 第二の窒化物半導体層
203b 窒化物半導体層
203c 第三の窒化物半導体層
10, 10A, 20, 100, 100A, 200 Nitride semiconductor light emitting device 101 Nitride semiconductor substrate 101a First main surface 101b Second main surface 102, 102A First nitride semiconductor layer 103, 203 n-type nitride Semiconductor layer 104 Active layer 105 p-type nitride semiconductor layer 106 n-side electrode 107 p-side electrode 108 metal solder 109 submount 203a second nitride semiconductor layer 203b nitride semiconductor layer 203c third nitride semiconductor layer

Claims (9)

第一の主面と第二の主面を有する窒化物半導体基板と、
前記第一の主面に接して形成された第一の窒化物半導体層と、
前記第一の窒化物半導体層の前記第一の主面と接する側とは反対側に形成された、n型窒化物半導体層、活性層及びp型窒化物半導体層を含む積層体と、
前記n型窒化物半導体層に電気的に接続されたn側電極と、
前記p型窒化物半導体層に電気的に接続されたp側電極とを備え、
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、
前記第二の主面が光取り出し面である
窒化物半導体発光素子。
A nitride semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
A first nitride semiconductor layer formed in contact with the first main surface;
A laminate including an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer, formed on the opposite side of the first nitride semiconductor layer from the side in contact with the first main surface;
An n-side electrode electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer;
A p-side electrode electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer,
The first nitride semiconductor layer is an undoped nitride semiconductor layer;
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the second main surface is a light extraction surface.
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープのGaN層である
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer is an undoped GaN layer.
前記n型窒化物半導体層が、n型のAlGaN層を含む
請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the n-type nitride semiconductor layer includes an n-type AlGaN layer.
前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのGaN層と前記n型のAlGaN層との間に、アンドープのAlGaN層からなる第二の窒化物半導体層を含む
請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor according to claim 3, further comprising a second nitride semiconductor layer made of an undoped AlGaN layer between the undoped GaN layer as the first nitride semiconductor layer and the n-type AlGaN layer. Light emitting element.
前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのAlGaN層のAl組成が、前記n型窒化物半導体層に含まれるn型のAlGaN層のAl組成と同じである、又は、当該n型のAlGaN層のAl組成よりも小さい
請求項3又は請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。
The Al composition of the undoped AlGaN layer that is the first nitride semiconductor layer is the same as the Al composition of the n-type AlGaN layer included in the n-type nitride semiconductor layer, or the n-type AlGaN layer The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 3 or 4, wherein the nitride semiconductor light-emitting element is smaller than the Al composition.
前記n型窒化物半導体層が、不純物としてSiを含有する
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the n-type nitride semiconductor layer contains Si as an impurity.
前記第一の窒化物半導体層に意図せずに含まれるSi濃度が、1×1017cm-3以下である
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein a Si concentration unintentionally contained in the first nitride semiconductor layer is 1 x 1017 cm- 3 or less.
前記窒化物半導体基板が、SiとOの少なくともいずれか一方を不純物として含有するn型GaN基板である
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor substrate is an n-type GaN substrate containing at least one of Si and O as an impurity.
第一の主面と第二の主面を有し、発光波長に対して透明な窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記第一の主面に接して第一の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一の窒化物半導体層に接してn型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記n型窒化物半導体層の上に活性層と、p型窒化物半導体層とを順に形成する工程と、
前記n型窒化物半導体層に電気的に接続されるn側電極と、前記p型窒化物半導体層に電気的に接続されるp側電極とを形成する工程とを有し、
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、
前記第二の主面が光取り出し面である
窒化物半導体発光素子の製造方法。
Preparing a nitride semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface and transparent to the emission wavelength;
Forming a first nitride semiconductor layer in contact with the first main surface;
Forming an n-type nitride semiconductor layer in contact with the first nitride semiconductor layer;
Forming an active layer and a p-type nitride semiconductor layer in order on the n-type nitride semiconductor layer;
Forming an n-side electrode electrically connected to the n-type nitride semiconductor layer and a p-side electrode electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer,
The first nitride semiconductor layer is an undoped nitride semiconductor layer;
The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, wherein the second main surface is a light extraction surface.
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