JP2012119390A - Method of manufacturing semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element, lamp, electronic apparatus, and mechanical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting element, a semiconductor light emitting element, a lamp, an electronic device, and a mechanical device.
近年、短波長の光を発光する半導体発光素子用の半導体材料として、III族窒化物半導体が注目を集めている。一般にIII族窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶またはIII−V族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)あるいは水素化物気相エピタキシー法(HVPE法)等によって積層されて形成される。 In recent years, group III nitride semiconductors have attracted attention as semiconductor materials for semiconductor light emitting devices that emit light of short wavelengths. In general, group III nitride semiconductors use various oxide crystals such as sapphire single crystal, silicon carbide single crystal, or group III-V compound semiconductor single crystal as a substrate, and metal organic vapor phase chemical reaction method ( MOCVD method), molecular beam epitaxy method (MBE method), hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method), or the like.
現在のところ広く一般に採用されている結晶成長方法は、基板としてサファイアやSiC、GaN、AlN等を用い、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)を用いて作製する方法である。たとえば、前述の基板を設置した反応管内にIII族の有機金属化合物とV族の原料ガスを用い、温度700℃〜1200℃程度の領域でn型半導体層、発光層およびp型半導体層を成長させる。
そして、各半導体層の成長後、基板もしくはn型半導体層に負極を形成し、p型半導体層に正極を形成することによって発光素子が得られる。
At present, a crystal growth method that is widely adopted is a method of using sapphire, SiC, GaN, AlN, or the like as a substrate and using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) thereon. For example, an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are grown in a temperature range of 700 ° C. to 1200 ° C. using a group III organometallic compound and a group V source gas in a reaction tube in which the above-described substrate is installed. Let
Then, after the growth of each semiconductor layer, a negative electrode is formed on the substrate or the n-type semiconductor layer, and a positive electrode is formed on the p-type semiconductor layer, whereby a light emitting element is obtained.
しかしながら、基板上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とを連続して順次積層する場合、これらの層が同一の成長室内で形成されるため、n型半導体層を形成する際に用いた不純物が成長室内に付着する。そのため、成長室内に付着した不純物がp型半導体層に混入し、p型半導体層の結晶性を低下させるという問題が生じていた。
このような問題を解決する技術としては、形成する半導体層の導電型に対応した複数の独立した成長室を用いて、導電型の異なる複数の半導体層を基板上に成膜する方法が提案されている(特許文献1)。
However, when an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially and sequentially stacked on a substrate, these layers are formed in the same growth chamber. The used impurities adhere to the growth chamber. Therefore, there is a problem that impurities attached to the growth chamber are mixed in the p-type semiconductor layer and the crystallinity of the p-type semiconductor layer is lowered.
As a technique for solving such a problem, a method of forming a plurality of semiconductor layers having different conductivity types on a substrate using a plurality of independent growth chambers corresponding to the conductivity type of the semiconductor layer to be formed has been proposed. (Patent Document 1).
また、n型半導体層は一般的に、負極を設けるための層である第一n型半導体層と、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を緩和させる機能を有する第二n型半導体層と、から構成されている。また、発光層は、発光波長を調整するために組成を調整したInGaNから構成されているため、発光層の格子定数と第一n型半導体層の格子定数とは大きく異なる。このため、第二n型半導体層は、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を緩和させることが求められる。このため、第二n型半導体層は膜厚が大きく、かつ、高濃度のインジウムが含有されていることが求められる。 In addition, the n-type semiconductor layer generally has a function of relaxing the mismatch of the crystal lattice between the first n-type semiconductor layer, which is a layer for providing a negative electrode, and the first n-type semiconductor layer and the light emitting layer. And a second n-type semiconductor layer. Further, since the light emitting layer is made of InGaN whose composition is adjusted to adjust the emission wavelength, the lattice constant of the light emitting layer and the lattice constant of the first n-type semiconductor layer are greatly different. For this reason, the second n-type semiconductor layer is required to relax crystal lattice mismatch between the first n-type semiconductor layer and the light emitting layer. For this reason, the second n-type semiconductor layer is required to have a large film thickness and contain a high concentration of indium.
しかし、第二n型半導体層の組成は第一n型半導体層の組成と異なるため、互いの格子定数も異なる。また、高濃度のインジウムを第二n型半導体層に含有させると、インジウムにより電子状態が変化するため、結晶中の原子間力が変化(格子緩和)する。このため、高濃度のインジウムを含有させた第二n型半導体層を、臨界膜厚を超える厚さで第一n型半導体層上に成長させると、第二n型半導体層を構成する原子に原子間力の変化を回避する方向の力が働く。また、第二n型半導体層を構成する結晶中に転位が発生することによって、第二n型半導体層中の歪みエネルギーが放出され、格子緩和が生じる。このため、第二n型半導体層の膜厚を大きくすると、第二n型半導体層は本来の格子定数に近づいた状態で成長する。このため、第二n型半導体層の結晶性が低下し、その後の工程において、結晶性の高い発光層を形成することができない。
一方、第二n型半導体層の膜厚を薄くすると、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を十分に緩和することができないため、その後の工程において、結晶性の高い発光層を形成することができない。また、第二n型半導体層のIn組成を低くすると、第二n型半導体層は本来の格子定数に近づいた状態で成長するため、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を十分に緩和することができない。そのため、その後の工程において、結晶性の高い発光層を形成することができない。このため、発光層の結晶性低下に起因する半導体発光素子の発光出力の低下が問題となっていた。
However, since the composition of the second n-type semiconductor layer is different from the composition of the first n-type semiconductor layer, their lattice constants are also different. In addition, when high concentration of indium is contained in the second n-type semiconductor layer, the electronic state is changed by indium, so that the atomic force in the crystal changes (lattice relaxation). For this reason, when the second n-type semiconductor layer containing a high concentration of indium is grown on the first n-type semiconductor layer with a thickness exceeding the critical thickness, atoms constituting the second n-type semiconductor layer are formed. Forces in a direction that avoids changes in interatomic forces work. Further, when dislocations are generated in the crystals constituting the second n-type semiconductor layer, strain energy in the second n-type semiconductor layer is released, and lattice relaxation occurs. For this reason, when the film thickness of the second n-type semiconductor layer is increased, the second n-type semiconductor layer grows in a state close to the original lattice constant. For this reason, the crystallinity of the second n-type semiconductor layer is lowered, and a light-emitting layer with high crystallinity cannot be formed in the subsequent steps.
On the other hand, if the film thickness of the second n-type semiconductor layer is reduced, the crystal lattice mismatch between the first n-type semiconductor layer and the light-emitting layer cannot be sufficiently relaxed. High light emitting layer cannot be formed. Further, when the In composition of the second n-type semiconductor layer is lowered, the second n-type semiconductor layer grows in a state close to the original lattice constant, so that the crystal lattice between the first n-type semiconductor layer and the light emitting layer is increased. This inconsistency cannot be alleviated sufficiently. Therefore, a light-emitting layer with high crystallinity cannot be formed in the subsequent steps. For this reason, the fall of the light emission output of the semiconductor light-emitting device resulting from the crystallinity fall of a light emitting layer has been a problem.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第二n型半導体層の格子緩和に起因する発光層の結晶性の低下が生じにくく、高出力、かつ、低動作電圧の半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is difficult for the crystallinity of the light-emitting layer to be lowered due to lattice relaxation of the second n-type semiconductor layer, and the semiconductor light-emitting device has a high output and a low operating voltage. It is an object to provide a manufacturing method thereof.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔1〕 基板上にAlxInyGa1−x−yNなる組成(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)の下地層、第一n型半導体層および第二n型半導体層を順次積層した後に、前記基板温度を400℃以下に降温する第一工程と、前記第二n型半導体層上に、前記第二n型半導体層よりもIn組成の高い、前記第二n型半導体層の再成長層を形成した後に、発光層およびp型半導体層を順次積層する第二工程と、を具備してなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔2〕 前記第一工程が第一有機金属化学気相成長装置において行われ、前記第二工程が第二有機金属化学気相成長装置において行われることを特徴とする〔1〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔3〕 前記第一工程において、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で前記基板温度を400℃以下に降温することを特徴とする〔1〕または〔2〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
〔4〕 前記再成長層を形成する前に、前記第二有機金属化学気相成長装置において、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で、圧力15kPa〜100kPa、前記基板温度500℃〜900℃の条件下で熱処理を行うことを特徴とする〔2〕または〔3〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
〔5〕 前記再成長層を、10nm〜200nmの膜厚で形成することを特徴とする〔1〕乃至〔4〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔6〕 前記再成長層に、Inを1%〜5%の組成で含有させることを特徴とする〔1〕乃至〔5〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔7〕 前記再成長層を形成する際の基板温度を、600℃〜900℃とすることを特徴とする〔1〕乃至〔6〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔8〕 基板上に下地層と第一n型半導体層と第二n型半導体層と、前記第二n型半導体層よりもIn組成の高い、前記第二n型半導体層の再成長層と、発光層と、p型半導体層とが積層されてなる半導体発光素子。
〔9〕 前記再成長層が、10nm〜200nmの膜厚で形成されていることを特徴とする〔8〕に記載の半導体発光素子。
〔10〕 前記再成長層に、Inが1%〜5%の組成で含有されていることを特徴とする〔7〕または〔9〕に記載の半導体発光素子。
〔11〕 〔8〕乃至〔10〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔12〕 〔11〕に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
〔13〕 〔12〕に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
[1] An underlayer having a composition of Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1), a first n-type semiconductor layer, and a first n-type semiconductor layer on a substrate A first step of lowering the substrate temperature to 400 ° C. or less after sequentially laminating two n-type semiconductor layers, and a higher In composition than the second n-type semiconductor layer on the second n-type semiconductor layer, And a second step of sequentially laminating a light emitting layer and a p-type semiconductor layer after forming a regrowth layer of the second n-type semiconductor layer.
[2] The semiconductor according to [1], wherein the first step is performed in a first metal organic chemical vapor deposition apparatus, and the second step is performed in a second metal organic chemical vapor deposition apparatus. Manufacturing method of light emitting element.
[3] In the first step, the temperature of the substrate is lowered to 400 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen and ammonia. The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to either [1] or [2] Method.
[4] Before forming the regrowth layer, in the second organometallic chemical vapor deposition apparatus, in an atmosphere containing nitrogen and ammonia, a pressure of 15 kPa to 100 kPa and a substrate temperature of 500 ° C. to 900 ° C. The method for producing a semiconductor light-emitting element according to any one of [2] or [3], wherein a heat treatment is performed in step [2].
[5] The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to any one of [1] to [4], wherein the regrowth layer is formed with a thickness of 10 nm to 200 nm.
[6] The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to any one of [1] to [5], wherein the regrown layer contains In at a composition of 1% to 5%.
[7] The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to any one of [1] to [6], wherein a substrate temperature in forming the regrowth layer is 600 ° C. to 900 ° C.
[8] An underlayer, a first n-type semiconductor layer, a second n-type semiconductor layer, a regrowth layer of the second n-type semiconductor layer having an In composition higher than that of the second n-type semiconductor layer on the substrate; A semiconductor light emitting device in which a light emitting layer and a p-type semiconductor layer are stacked.
[9] The semiconductor light emitting element according to [8], wherein the regrowth layer is formed with a thickness of 10 nm to 200 nm.
[10] The semiconductor light emitting device according to [7] or [9], wherein the regrown layer contains In at a composition of 1% to 5%.
[11] A lamp comprising the semiconductor light emitting device according to any one of [8] to [10].
[12] An electronic device in which the lamp according to [11] is incorporated.
[13] A mechanical apparatus in which the electronic device according to [12] is incorporated.
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、AlxInyGa1−x−yNなる組成(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)の下地層、第一n型半導体層および第二n型半導体層を順次積層した後に前記基板温度を400℃以下に降温することにより、第二n型半導体層の成長を停止するとともに、第一n型半導体層と第二n型半導体層の熱膨張係数差に起因した熱的歪みを緩和できる。また、第二n型半導体層の表面マイグレーションが増加し、第二n型半導体層の結晶性が向上する。また、第二n型半導体層の成長を停止する際に基板温度を400℃以下に降温することにより、第二n型半導体層表面からの窒素の昇華が防がれ、第二n型半導体層表面の結晶性低下を防ぐことができる。
また、第二n型半導体層上に、前記第二n型半導体層の再成長層を形成することにより、第二n型半導体層全体の膜厚を大きくできる。また、第二n型半導体層上に前記第二n型半導体層よりもIn組成の高い(In濃度の高い)再成長層を形成することにより、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、第二n型半導体層形成後の工程において、結晶性の高い発光層を第二n型半導体層上に形成できる。このため、半導体発光素子の発光出力を向上できる。
According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, an underlayer having a composition of Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1), After sequentially laminating the first n-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer, the substrate temperature is lowered to 400 ° C. or lower to stop the growth of the second n-type semiconductor layer, and Thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient of the second n-type semiconductor layer can be alleviated. Further, the surface migration of the second n-type semiconductor layer is increased, and the crystallinity of the second n-type semiconductor layer is improved. Further, when the growth of the second n-type semiconductor layer is stopped, the substrate temperature is lowered to 400 ° C. or lower, so that sublimation of nitrogen from the surface of the second n-type semiconductor layer is prevented, and the second n-type semiconductor layer It is possible to prevent the surface crystallinity from being lowered.
Further, by forming a regrowth layer of the second n-type semiconductor layer on the second n-type semiconductor layer, the entire thickness of the second n-type semiconductor layer can be increased. In addition, a regrowth layer having a higher In composition (higher In concentration) than the second n-type semiconductor layer is formed on the second n-type semiconductor layer, thereby forming a gap between the first n-type semiconductor layer and the light emitting layer. The crystal lattice mismatch can be relaxed. For this reason, the light emitting layer with high crystallinity can be formed on the second n-type semiconductor layer in the step after the formation of the second n-type semiconductor layer. For this reason, the light emission output of the semiconductor light emitting element can be improved.
本発明の半導体発光素子によれば、第二n型半導体層上に、前記第二n型半導体層の再成長層が形成されていることにより、第二n型半導体層全体の膜厚が臨界膜厚を超える厚さで形成されていても、第二n型半導体層の格子緩和を防ぐことができる。また、第二n型半導体層上に前記第二n型半導体層よりもIn組成の高い再成長層が形成されているため、第一n型半導体層と発光層との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、結晶性の高い発光層が形成され、半導体発光素子の発光出力を向上できる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, since the regrowth layer of the second n-type semiconductor layer is formed on the second n-type semiconductor layer, the film thickness of the entire second n-type semiconductor layer is critical. Even if the thickness exceeds the thickness, lattice relaxation of the second n-type semiconductor layer can be prevented. In addition, since a regrowth layer having an In composition higher than that of the second n-type semiconductor layer is formed on the second n-type semiconductor layer, a crystal lattice defect between the first n-type semiconductor layer and the light emitting layer is eliminated. Alignment can be relaxed. For this reason, a light emitting layer with high crystallinity is formed, and the light emission output of a semiconductor light emitting element can be improved.
以下、本発明の半導体発光素子1について、図1を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, the semiconductor
図1は、本発明の半導体発光素子1の一例を示した断面模式図である。
図1に示す本実施形態の半導体発光素子1は、基板11と、基板11上に積層された積層半導体層20と、積層半導体層20の上面に積層された透光性電極15と、透光性電極15上に積層されたp型ボンディングパッド電極16と、積層半導体層20の露出面20a上に積層されたn型電極17とを具備している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor
A semiconductor
積層半導体層20は、基板11側から、少なくともn型半導体層12、発光層13、p型半導体層14がこの順に積層されている。また、図1に示すように、n型半導体層12、発光層13、p型半導体層14は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からn型半導体層12の一部が露出されている。そして、n型半導体層12の露出面20aには、n型電極17が積層されている。
また、p型半導体層14の上面には、透光性電極15およびp型ボンディングパッド電極16が積層されている。これら、透光性電極15およびp型ボンディングパッド電極16によって、p型電極18が構成されている。
In the
A
n型半導体層12、発光層13およびp型半導体層14を構成する半導体としては、III族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。本発明におけるn型半導体層12、発光層13およびp型半導体層14を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式AlxInyGa1−x−yN(0≦x<1,0≦y<1,0≦x+y<1)で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
As a semiconductor constituting the n-
本実施形態の半導体発光素子1は、p型電極18とn型電極17との間に電流を通じることで、積層半導体層20を構成する発光層13から発光を発せられるようになっており、発光層13からの光を、p型ボンディングパッド電極16の形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。なお、本発明の半導体発光素子は、フリップチップ型の発光素子であってもよい。
以下、それぞれの構成について詳細に説明する。
The semiconductor
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
<基板11>
基板11としては、例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。また、基板11の主面側に少なくとも規則的な凹凸形状を設けてもよい。
<
Examples of the
(バッファ層21)
バッファ層21は、設けられていなくてもよいが、基板11と下地層22との格子定数の違いを緩和して、基板11の(0001)C面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。
(Buffer layer 21)
The
バッファ層21は、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものが特に好ましいが、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものであってもかまわない。
バッファ層21は、例えば、AlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01μm〜0.5μmのものとすることができる。バッファ層21の膜厚が0.01μm未満であると、バッファ層21により基板11と下地層22との格子定数の違いを緩和することができない場合がある。また、バッファ層21の膜厚が0.5μmを超えると、バッファ層21としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層21の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
The
The
バッファ層21は、多結晶構造又は単結晶構造を有するものとすることができる。このような多結晶構造又は単結晶構造を有するバッファ層21を基板11上にMOCVD法またはスパッタ法にて成膜した場合、バッファ層21のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたIII族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
The
(下地層22)
下地層22の材料としては、AlxGa1−xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層22を形成できるため特に好ましいが、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いてもかまわない。
下地層22の膜厚は0.1μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上であることが最も好ましい。下地層(AlxGa1−xN層)22は1μm以上の膜厚で形成されることにより、結晶性が良好となる。また、半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層22の膜厚は10μm以下であることが好ましい。
(Underlayer 22)
As the material of the
The film thickness of the
また、下地層22の結晶性を良くするために、下地層22には不純物をドーピングしないことが望ましい。
In order to improve the crystallinity of the
<積層半導体層20>
(n型半導体層12)
n型半導体層12はさらに、後述する第1工程において形成されたnコンタクト層(第一n型半導体層)12aと、nクラッド層(第二n型半導体層)12bと、後述する第2工程において形成された、nクラッド層12bの再成長層12cと、から構成されている。
<
(N-type semiconductor layer 12)
The n-
(nコンタクト層12a)
nコンタクト層12aは、n型電極17を設けるための層であり、図1に示すように、n型電極17を設けるための露出面20aが形成されている。
nコンタクト層12aの膜厚は、0.5〜5μmであることが好ましく、2μm〜4μmの範囲であることがより好ましい。nコンタクト層12aの膜厚が上記範囲内であると、nコンタクト層12aの結晶性が良好に維持される。
(
The
The thickness of the
nコンタクト層12aは、AlxGa1−xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましく、また、この層にはn型不純物(不純物)がドープされている。また、nコンタクト層12aにn型不純物が1×1017〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有されていることが好ましい。n型不純物がnコンタクト層12aにこの範囲内の濃度で含有されていることにより、nコンタクト層12aとn型電極17との間の障壁の幅が狭くなりトンネル電流が生じやすくなる。そのため、nコンタクト層12aとn型電極17との間の接触抵抗を低くできる。また、nコンタクト層12aに用いられるn型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、Ge、Sn等が挙げられ、SiおよびGeが好ましく、Siが最も好ましい。なお、本実施形態ではn型不純物(不純物)として5×1018/cm3程度のSiが含有されている。
The n-
(nクラッド層12b)
nクラッド層12bは、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和させる機能を有する。また、nクラッド層12bは、発光層13へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。また、nクラッド層12bは、再成長層12cからnコンタクト層12aへのInの拡散を防ぐ機能を有する。
(N-
The n-clad
また、nクラッド層12bはAlGaN、GaN、GaInNなどで形成することが可能である。なお、明細書中各元素の組成比を省略してAlGaN、GaInNと記述する場合がある。
The n-clad
nクラッド層12bは、単層または超格子構造のどちらの構造であっても構わない。また、nクラッド層12bの膜厚は、5nm〜500nmであることが好ましい。nクラッド層12bの膜厚が上記範囲内であると、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できる。
The n-clad
一方、nクラッド層12bの膜厚が5nm未満であると、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できず、好ましくない。
また、nクラッド層12bの膜厚が500nmを超えると、nクラッド層12bの膜厚が臨界膜厚を超えるため、nクラッド層12bを構成する結晶中に格子緩和が生じる。このため、nクラッド層12bの結晶性が低下し、好ましくない。
On the other hand, if the film thickness of the n-clad
Further, when the thickness of the n-clad
本実施形態においては、nクラッド層12bは、単層であってもよいが、組成の異なる2つの薄膜層を繰り返し成長させて10ペア数(20層)〜40ペア数(80層)からなる超格子構造であることが好ましい。nクラッド層12bが超格子構造からなるものである場合、薄膜層の積層数が20層以上であると、nコンタクト層12aと発光層13との結晶格子の不整合をより効果的に緩和することができ、半導体発光素子1の出力を向上させる効果がより顕著となる。しかし、薄膜層の積層数が80層を超えると、超格子構造が乱れやすくなる場合もあり、発光層13に悪影響を来たす恐れが生じる。さらに、nクラッド層12bの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
In this embodiment, the n-clad
また、薄膜層の厚さはそれぞれ10nm以下であることが好ましく、6nm以下であることがより好ましく、4nm以下であることがさらに好ましく、それぞれ1nm〜4nmの範囲であることが最も好ましい。薄膜層がこの範囲内の膜厚で形成されていることにより、結晶欠陥の発生を防ぐことができる。一方、薄膜層の膜厚が10nm超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。 The thickness of each thin film layer is preferably 10 nm or less, more preferably 6 nm or less, further preferably 4 nm or less, and most preferably in the range of 1 nm to 4 nm. By forming the thin film layer with a film thickness within this range, generation of crystal defects can be prevented. On the other hand, if the film thickness of the thin film layer exceeds 10 nm, crystal defects are likely to occur, which is not preferable.
(再成長層12c)
再成長層12cは、nクラッド層12bの再成長層であり、nクラッド層12bよりも高濃度(高組成)のInが含有されている。
また、再成長層12cは、10nm〜200nmの膜厚で形成されていることが好ましい。再成長層12cの膜厚が上記範囲内であると、第一n型半導体層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分緩和できる。また、nクラッド層12b表面の平坦性を向上することができる。また、nクラッド層12bの成長を中断して第二MOCVD装置の成長室内に移動し、その後nクラッド層12bの成長を再開することによるnクラッド層12bの結晶性への影響を少なくすることができる。そのため、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。
(
The
The
一方、再成長層12cの膜厚が10nm未満であると、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できず、再成長層12c(nクラッド層12b)上に結晶性の高い発光層13を形成することができない。
また、再成長層12cの膜厚が200nmを超えると、p型半導体層14を形成する際に用いられる第2有機金属化学気相成長装置の成長室内に、n型半導体層12を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、n型半導体層12を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するp型半導体層14の不良が生じやすくなる。さらに再成長層12c成膜の際の処理時間が長くなり、生産性が低下する。
On the other hand, if the thickness of the regrown
If the thickness of the regrown
また、再成長層12cに含有されるIn組成は、1%〜5%であることが好ましい。
再成長層12cのIn組成が上記範囲内であると、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、結晶性の高い発光層13が、再成長層12c(nクラッド層12b)上に形成される。
一方、再成長層12cのIn組成が1%未満であると、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できず、好ましくない。
また、再成長層12cのIn組成が5%を超えると、再成長層12cを構成する結晶中に格子緩和が生じる。このため、再成長層12cの結晶性が低下し、好ましくない。
The In composition contained in the
If the In composition of the
On the other hand, if the In composition of the
If the In composition of the
<発光層13>
発光層13は、障壁層13aと井戸層13bとが交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる。また、多重量子井戸構造における積層数は3層から10層であることが好ましく、4層から7層であることがさらに好ましい。
<
The
(井戸層13b)
井戸層13bの膜厚は、15オングストローム以上50オングストローム以下の範囲であることが好ましい。井戸層13bの膜厚が上記範囲内であることにより、より高い発光出力を得ることができる。
また、井戸層13bは、Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、青色の波長領域の強い光を発光するものであるため、好ましい。また、井戸層13bには、不純物をドープすることができる。また、本実施形態における不純物としてはSiを用いることが好ましい。ドープ量は1×1016cm−3〜1×1017cm−3程度が好適である。
(Well
The thickness of the
The
(障壁層13a)
障壁層13aの膜厚は、20オングストローム以上100オングストローム未満の範囲であることが好ましい。障壁層13aの膜厚が薄すぎると、障壁層13a上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層13aの膜厚が厚すぎると、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層13aの膜厚は70オングストローム以下であることがより好ましい。
また、障壁層13aは、GaNやAlGaNのほか、井戸層を構成するInGaNよりもIn組成比の小さいInGaNで形成することができる。中でも、GaNが好適である。また、障壁層13aには、不純物をドープすることができる。本実施形態における不純物としてはSiを用いることが好ましい。ドープ量は1×1017cm−3〜1×1018cm−3程度が好適である。
(
The thickness of the
In addition to GaN and AlGaN, the
<p型半導体層14>
p型半導体層14は、通常、pクラッド層14aおよびpコンタクト層14bから構成される。また、pコンタクト層14bがpクラッド層14aを兼ねることも可能である。
<P-
The p-
(pクラッド層14a)
本実施形態におけるpクラッド層14aは、発光層13の上に形成されている。pクラッド層14aは、発光層13へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。pクラッド層14aとしては、発光層13のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層13へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、AlxGa1−xN(0≦x≦0.4)からなるものであることが好ましい。pクラッド層14aが、このようなAlGaNからなるものである場合、発光層13へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
(P-clad
The p-clad
pクラッド層14aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。pクラッド層14aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3であることが好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。また、pクラッド層14aは、組成の異なる薄膜を複数回積層してなる超格子構造であってもよいし、組成が一定の単層構造であってもよい。
The thickness of the p-
(pコンタクト層14b)
pコンタクト層14bは、正極(p型電極)を設けるための層である。pコンタクト層14bは、AlxGa1−xN(0≦x≦0.4)からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、pコンタクト層14bがp型不純物(不純物)を1×1018〜1×1021/cm3を5×1019〜5×1020/cm3の濃度で含有しているものである場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えばMgを用いることが特に好ましい。
(
The
また、pコンタクト層14bは、pコンタクト下層とpコンタクト上層とが積層してなり、pコンタクト下層にMgが1×1019/cm3〜1×1020/cm3程度の濃度で含有され、pコンタクト上層にMgが2×1020/cm3〜5×1020/cm3程度の濃度で含有されることが特に好ましい。これにより、透光性電極15と接する部分(pコンタクト上層)は高濃度でMgが含有され、かつ、その表面は平坦に形成される。そのため、半導体発光素子1の発光出力をより向上させることが可能となる。
The
また、pコンタクト層14bの膜厚は、特に限定されないが、10〜500nmであることが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。pコンタクト層14bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
The thickness of the p-
<n型電極17>
n型電極17は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層20のn型半導体層12(nコンタクト層12a)に接するように形成されている。このため、n型電極17を形成する際には、少なくともp半導体層14および発光層13の一部を除去してn型半導体層12を露出させ、n型半導体層12の露出面20a上にボンディングパッドを兼ねるn型電極17を形成する。n型電極17としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
<N-
The n-
(透光性電極15)
透光性電極15は、p型半導体層14の上に積層されるものであり、p型半導体層14との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極15は、発光層13からの光を効率良く半導体発光素子1の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極15は、p型半導体層14の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
(Translucent electrode 15)
The
透光性電極15の構成材料としては、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ceのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。導電性の酸化物としては、ITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、AZO(酸化アルミニウム亜鉛(ZnO−Al2O3))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga2O3))、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。
As a constituent material of the
また、透光性電極15の構造は、従来公知の構造を含めて如何なる構造であってもよい。透光性電極15は、p型半導体層14のほぼ全面を覆うように形成してもよく、また、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
Moreover, the structure of the
(p型ボンディングパッド電極16)
p型ボンディングパッド電極16はボンディングパットを兼ねており、透光性電極15の上に積層されている。p型ボンディングパッド電極16としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
(P-type bonding pad electrode 16)
The p-type
また、p型ボンディングパッド電極16の電極面積としては、できるだけ大きい方がボンディング作業はしやすいが、発光の取り出しの妨げになる。具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径100μmの円形程度であることが一般的である。
Further, the electrode area of the p-type
(保護膜層)
図示しない保護膜層は、必要に応じて透光性電極15の上面および側面と、n型半導体層12の露出面20a、発光層13およびp型半導体層14の側面、n型電極17およびp型ボンディングパッド電極16の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子1の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子1の劣化を抑制することができる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、300〜550nmの範囲の波長において80%以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タンタル(Ta2O5)、窒化シリコン(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いることができる。このうちSiO2、Al2O3は、CVD成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
(Protective film layer)
The protective film layer (not shown) includes the upper surface and side surfaces of the
As the protective film layer, it is preferable to use an insulating material having a transmittance of 80% or more at a wavelength in the range of 300 to 550 nm. For example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), or the like can be used. Among these, SiO 2 and Al 2 O 3 are more preferable because a dense film can be easily formed by CVD film formation.
本実施形態の半導体発光素子1によれば、nクラッド層12b上に、nクラッド層12bの再成長層12cが形成されていることにより、nクラッド層12b全体の膜厚が臨界膜厚を超える厚さで形成されていても、nクラッド層12bの格子緩和を防ぐことができる。また、nクラッド層12b上に、nクラッド層12bよりもIn組成の高い再成長層12cが形成されているため、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、結晶性の高い発光層13が形成され、半導体発光素子1の発光出力を向上できる。
According to the semiconductor
また再成長層12cが、10nm〜200nmの膜厚で形成されていることにより、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できる。
また、再成長層12cにInが、1%〜5%の組成で含有されていることにより、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、再成長層12c(nクラッド層12b)上に、結晶性の高い発光層13を形成できる。
Further, since the
In addition, since In is contained in the
また、nクラッド層12bが、nコンタクト層12aと、nクラッド層12bよりもIn組成の高い再成長層12cとの間に位置していることにより、再成長層12cからnコンタクト層12aへのインジウムの拡散が防がれる。このため、再成長層12cからのInの拡散による、nコンタクト層12の結晶性低下を防ぐことができる。
以上により、半導体発光素子1の発光出力の向上および動作電圧の低減を実現することができる。
Further, since the n-clad
As described above, the light emission output of the semiconductor
以下、半導体発光素子1の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明において参照する図面は、本発明を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子1の寸法関係とは異なっている。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor
The drawings referred to in the following description are for explaining the present invention, and the size, thickness, dimensions, and the like of each part shown in the drawings are different from the actual dimensional relationship of the semiconductor
図1に示す、本発明の半導体発光素子1の製造方法は、一例として、まず、図2に示す積層半導体層20を製造する。積層半導体層20の製造方法は、基板11上にバッファ層21と下地層22と第一n型半導体層(nコンタクト層)12aと第二n型半導体層(nクラッド層)12bを順次積層する第一工程と、nクラッド層12b上にnクラッド層12bの再成長層12cを形成した後に、発光層13とp型半導体層14とを順次積層する第二工程と、から概略構成されている。
以下、図2を用いて各工程について詳細に説明する。
In the manufacturing method of the semiconductor
Hereafter, each process is demonstrated in detail using FIG.
<第一工程>
はじめに、例えば、サファイア等からなる基板11を用意する。
次に、基板11を第一MOCVD装置(第一有機金属化学気相成長装置)の成長室内に設置し、MOCVD法によって、基板11上に、バッファ層21を形成する。また、バッファ層21をスパッタ法によって形成して、その後基板11を第一MOCVD装置の成長室内に移して下地層22を形成してもよい。
<First step>
First, for example, a
Next, the
(下地層22形成工程)
次いで、第一MOCVD装置内でバッファ層21上に下地層22を積層する。なお、本発明では、一例として、サファイア等からなる基板11上に、RFスパッタリング法を用いてAlNからなるバッファ層21を形成し、さらに第一MOCVD装置の成長室内で当該基板上に下地層22を順次積層してもよい。
(
Next, the
下地層22は0.1μm以上の膜厚で形成することが好ましく、0.5μm以上とすることがより好ましく、1μm以上とすることが最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1−xN層が得られやすい。また、半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層22の膜厚は10μm以下とすることが好ましい。
また、下地層22の結晶性を良くするために、下地層22には不純物をドーピングしないことが望ましい。
The
In order to improve the crystallinity of the
(nコンタクト層12a形成工程)
次いで、前記下地層22を有する基板上に、nコンタクト層(第一n型半導体層)12aを積層する。
nコンタクト層12aを成長させる際には、水素雰囲気で、基板11の温度を1000℃〜1200℃の範囲とすることが好ましい。
また、nコンタクト層12aを成長させる原料としては、トリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)などのIII族金属の有機金属原料とアンモニア(NH3)などの窒素原料とを用い、熱分解によりバッファ層上にIII族窒化物半導体層を堆積させる。MOCVD装置の成長室内の圧力は15〜80kPaとすることが好ましい。
(
Next, an n contact layer (first n-type semiconductor layer) 12 a is stacked on the substrate having the
When growing the n-
Further, as a raw material for growing the n-
(nクラッド層12b形成工程)
次いで、nコンタクト層12a上に、nクラッド層12bを形成する。ここで、超格子構造のnクラッド層12bを形成する工程では、膜厚100オングストローム以下のIII族窒化物半導体からなるn側第1層と、n側第1層と組成が異なる膜厚100オングストローム以下のIII族窒化物半導体からなるn側第2層とを交互に20層〜80層繰返し積層する。また、n側第一層および/またはn側第二層は、Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであることが好ましい。
また、nクラッド層12bは、5nm〜500nmの膜厚で形成することが好ましい。
(N-
Next, the n clad
The n-clad
また、nクラッド層12bを成長させる際の基板11の温度は、600℃〜800℃の範囲とすることが好ましい。
また、nクラッド層12bを成長させる際に用いるキャリアガスは窒素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
Moreover, it is preferable that the temperature of the board |
Further, the carrier gas used when growing the n-clad
また、nクラッド層12bを成長させる原料としては、Ga源としてたとえば、トリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)を用いることができる。また、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)を用いることができる。
また、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)を用いることができる。また、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などを用いることができる。また、n型不純物(ドーパント)原料としては、たとえば、Si原料であるモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)などを用いることができる。
As a raw material for growing the n-clad
Further, trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) can be used as the In source. In addition, ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), or the like can be used as an N source that is a group V raw material. Moreover, as an n-type impurity (dopant) raw material, for example, monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ), which is a Si raw material, can be used.
また、nクラッド層12bを成長させる際のMOCVD装置の成長室内の圧力は、特に限定されないが、結晶性の良好なnクラッド層12bを得るために、15〜100kPaとすることが好ましく、15〜80kPaとすることがより好ましい。
The pressure in the growth chamber of the MOCVD apparatus when growing the n-clad
次いで、III族窒化物の原料の供給を止め、nクラッド層12bの成長を停止する。その後、基板11の温度を、nクラッド層12bの成長温度から400℃以下の温度まで、60℃/分以下の速度で降温する。
Next, the supply of the group III nitride material is stopped, and the growth of the n-clad
このとき、基板11の温度を400℃以下に降温することにより、nクラッド層12bの成長を停止するとともに、nコンタクト層12aとnクラッド層12bの熱膨張係数差に起因した熱的歪みを緩和できる。また、基板11の降温により、nクラッド層12bの表面マイグレーションが増加するため、nクラッド層12bの結晶性が向上する。このとき、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で基板11を降温することにより、nクラッド層12b表面からの窒素の昇華が防がれる。このため、nクラッド層12b表面の結晶性低下を防ぐことができる。基板の降温時のアンモニアの供給は基板温度400℃まで行う。400℃以下の基板温度ではアンモニアは供給してもよいし、供給しなくともよい。
At this time, by lowering the temperature of the
また、nクラッド層12bの成長温度から400℃まで降温する際の降温速度を60℃/分以下に制御することにより、降温中に基板11に温度分布が生じることを防ぐことができる。そのため、nクラッド層12bに熱的歪みが発生することを防止できる。
また、nクラッド層12bの成長を停止する際に、成長室内にアンモニアを供給しながら基板11の温度を400℃以下に降温することにより、nクラッド層12b表面からの窒素の昇華が防がれる。このため、nクラッド層12b表面の結晶性低下を防ぐことができる。
Further, by controlling the temperature lowering rate when the temperature is lowered from the growth temperature of the n-clad
Further, when the growth of the n-clad
<第二工程>
第二工程は、第二MOCVD装置(第二有機金属化学気相成長装置)において行うことが好ましい。第二MOCVD装置において第二工程を行う場合は、まず、第一MOCVD装置の成長室内からnクラッド層12bの形成された基板11を取り出して、第二MOCVD装置の成長室内に設置する。
<Second step>
The second step is preferably performed in a second MOCVD apparatus (second organometallic chemical vapor deposition apparatus). When the second step is performed in the second MOCVD apparatus, first, the
また、第二MOCVD装置において第二工程を行う場合は、再成長層12cを形成する前に、nクラッド層12bまでの各層の形成された基板11に、窒素とアンモニアを含む雰囲気で熱処理温度500℃〜900℃の熱処理(サーマルクリーニング)を行うことが好ましい。ここで、熱処理の雰囲気は、窒素とアンモニアを含む雰囲気に代えて、例えば、窒素のみの雰囲気としてもよい。なお、水素のみの雰囲気中では、nクラッド層12の表面が昇華し、結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときの第二MOCVD装置の成長室内の圧力は15〜100kPaとすることが好ましく、75〜95kPaとすることがより好ましい。成長室内の圧力が上記範囲内である場合、nクラッド層12b表面からのnクラッド層12b構成成分の昇華を防止できる。
When the second step is performed in the second MOCVD apparatus, the heat treatment temperature 500 is applied to the
また、このような熱処理を行った場合、第一工程終了後に、nクラッド層12bまでの各層の形成された基板11が第一MOCVD装置の成長室内から取り出されることによって、nクラッド層12bの表面が汚染されたとしても、再成長層12cを形成する前に汚染物質を除去することができる。その結果、結晶性の高い再成長層12cを形成することができ、再成長層12c上に形成されるや発光層13の結晶性がより一層良好なものとなる。
なお、nクラッド層12bの表面が汚染されたままである場合、逆方向電流(IR)が十分に低くならなかったり、静電気放電(ESD)耐圧が不足したりする恐れがあり、半導体発光素子1の信頼性が低下する。
Further, when such a heat treatment is performed, the
If the surface of the n-clad
(再成長層12c形成工程)
次いで、MOCVD法によって、nクラッド層12b上に、nクラッド層12bの再成長層12cを形成する。このとき、nクラッド層12b形成工程におけるnクラッド層12bの成長条件と、再成長層12cの成長条件は、基板11の温度とIn含有組成以外は同一とすることが好ましい。
また、再成長層12cは、10nm〜200nmの膜厚で形成することが好ましい。
(Step of forming
Next, a
The
また、再成長層12cを成長させる際の基板11の温度は、600℃〜900℃の範囲内とすることが好ましい。再成長層12c形成の際の基板11の温度をこの範囲内とすることにより、結晶性の高い再成長層12cを形成できる。
一方、再成長層12cを成長させる際の基板11の温度が600℃未満であると、再成長層12cの成長速度が低下するため、製造効率上好ましくない。また、再成長層12cを成長させる際の基板11の温度が900℃を超えると、再成長層12c中のInが昇華して再成長層12cの結晶性が低下する。
Moreover, it is preferable that the temperature of the board |
On the other hand, if the temperature of the
また、再成長層12cを成長させる原料としては、nクラッド層12b形成工程における原料と同じものを用いることができる。また、再成長層12c成長の際には、In源をnクラッド層12b成長の際よりも多く用いることにより、nクラッド層12bよりもIn組成の高い再成長層12cを形成する。このとき、再成長層12cのIn含有組成が1%〜5%となるように、In源の供給量を調整することが好ましい。
In addition, as a raw material for growing the
(発光層13形成工程)
次いで、多重量子井戸構造の発光層13を形成する。まず、井戸層13bと障壁層13aとを交互に繰返し積層する。このとき、n型半導体層12側及びp型半導体層14側に障壁層13aが配されるように積層する。
井戸層13bおよび障壁層13aの組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜設定することができる。また、発光層13の成長させる際の基板温度は600〜900℃とすることができ、キャリアガスとしては窒素ガスを用いる。
(
Next, the
The composition and film thickness of the
(p型半導体層14形成工程)
次いで、p型半導体層14を形成する。p型半導体層14の形成は、発光層13上にpクラッド層14aと、pコンタクト層14bとを順次積層すればよい。なお、pクラッド層14aを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚100オングストローム以下のIII族窒化物半導体からなるp側第一層と、p側第一層と組成が異なる膜厚100オングストローム以下III族窒化物半導体からなるp側第二層とを交互に繰返し積層すればよい。
(P-
Next, the p-
その後、積層半導体層20のp型半導体層14上に透光性電極15を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極15を除去する。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層12aの一部を露出させ、nコンタクト層12aの露出面20aにn型電極17を形成する。
その後、透光性電極15の上にp型ボンディングパッド電極16を形成する。
以上のようにして、図1に示す半導体発光素子1が製造される。
Thereafter, the
Subsequently, patterning is performed by, for example, a photolithography technique, a part of the
Thereafter, a p-type
As described above, the semiconductor
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、基板11上に下地層21、nコンタクト層12a、nクラッド層12bを順次積層した後に基板11の温度を400℃以下に降温することにより、nクラッド層12bの成長を停止するとともに、nコンタクト層12aとnクラッド層12bの熱膨張係数差に起因した熱的歪みを緩和できる。また、基板11を降温することにより、nクラッド層12bの表面マイグレーションが増加するため、nクラッド層12bの結晶性を向上できる。
According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, after the
また、nクラッド層12bの成長温度から400℃まで降温する際の降温速度を60℃/分以下に制御することにより、降温中に基板11に温度分布が生じることを防ぐことができる。そのため、nクラッド層12bに熱的歪みが発生することを防止できる。
また、nクラッド層12bの成長を停止する際に、成長室内にアンモニアを供給しながら基板11の温度を400℃以下に降温することにより、nクラッド層12b表面からの窒素の昇華を防ぐことができる。このため、nクラッド層12b表面の結晶性低下を防ぐことができる。
Further, by controlling the temperature lowering rate when the temperature is lowered from the growth temperature of the n-clad
Further, when the growth of the n-clad
また、nクラッド層12b上に、nクラッド層12bの再成長層12cを形成することにより、nクラッド層12b全体の膜厚を大きくできる。また、nクラッド層12b上にnクラッド層12bよりもIn組成の高い再成長層12cを形成することにより、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和できる。また再成長層12cを、10nm〜200nmの膜厚で形成することにより、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を十分に緩和できる。
このため、nクラッド層12b形成後の工程において、結晶性の高い発光層13をnクラッド層12b上に形成できる。以上により、半導体発光素子1の発光出力を向上できる。
Further, by forming the
For this reason, the
また、再成長層12cを成長させる際の基板11の温度は、600℃〜900℃の範囲内とすることにより、結晶性の高い再成長層12cを形成できる。
また、再成長層12c成長の際に、再成長層12cのIn含有組成が1%〜5%となるようにIn源の供給量を調整することにより、nコンタクト層12aと発光層13との間の結晶格子の不整合を緩和できる。このため、再成長層12c(nクラッド層12b)上に、結晶性の高い発光層13を形成できる。
Further, the temperature of the
Further, when the
以上により、再成長層12c上に結晶性の高い発光層13を形成できる。そのため、半導体発光素子1の発光出力の向上を実現することができる。
Thus, the
<ランプ3>
本実施形態のランプ3は、本発明の半導体発光素子1を備えるものであり、上記の半導体発光素子1と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプ3は、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプ3においては、半導体発光素子1と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
<
The
図3は、図1に示した半導体発光素子1を備えるランプの一例を示した断面模式図である。図3に示すランプ3は、砲弾型のものであり、図1に示す半導体発光素子1が用いられている。図3に示すように、半導体発光素子1のp型ボンディングパッド電極16がワイヤー33で2本のフレーム31、32の内の一方(図3ではフレーム31)に接続され、半導体発光素子1のn型電極17(ボンディングパッド)がワイヤー34で他方のフレーム32に接続されることにより、半導体発光素子1が実装されている。また、半導体発光素子1の周辺は、透明な樹脂からなるモールド35で封止されている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lamp including the semiconductor
本実施形態のランプ3は、上記の半導体発光素子1が用いられてなるものであるので、高い発光出力が得られるものとなる。
Since the
また、本実施形態のランプ3を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、高い発光出力が得られる半導体発光素子1を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器においては、高い発光出力が得られる半導体発光素子1を具備した優れた製品を提供することができるため、好ましい。
In addition, electronic devices such as backlights, mobile phones, displays, various panels, computers, game machines, and lighting incorporating the
以下に、本発明の半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)
以下に示す方法により、図1に示す半導体発光素子1を製造した。
実施例1の半導体発光素子1では、第一MOCVD炉の成長室内において、AlNからなるバッファ層21を予め形成したサファイア基板11上に、厚さ6μmのアンドープGaNからなる下地層22を形成した。このとき、下地層22の形成の際の基板温度は1100℃とした。
Hereinafter, the method for producing a semiconductor light emitting device of the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
Example 1
The semiconductor
In the semiconductor
その後、下地層22上に厚さ2μmのSiドープn型GaNからなるnコンタクト層12aを形成した。nコンタクト層12aのSi不純物濃度は、5×1018/cm3程度とした。また、nコンタクト層12a形成の際の基板温度は1080℃、成長室内の圧力は40kPaとした。
次に、nコンタクト層12a上に、厚さ80nmの超格子構造からなるnクラッド層12bを形成した。なお、nクラッド層12bを成長させる際の基板温度は710℃とした。
Thereafter, an n-
Next, an n-
次に、nクラッド層12bまで形成された基板11を60℃/分の降温速度で300℃まで降温した。このとき、成長室内に窒素とアンモニアを供給しながら基板11を降温した。
次いで、第一MOCVD炉から取り出して、第二MOCVD炉の成長室内に移した。次いで、nクラッド層12bまでの各層の形成された基板11を、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で750℃の熱処理(サーマルクリーニング)を行った。また、このときの第二MOCVD装置の成長室内の圧力は95kPaとした。
Next, the temperature of the
Subsequently, it removed from the 1st MOCVD furnace and moved to the growth chamber of the 2nd MOCVD furnace. Next, the
次いで、nクラッド層12b上に、クラッド層12bの再成長層12cを形成した。ここで、再成長層12cは、以下に示す成長条件で成長させた。
Next, a
「再成長層12cの成長条件」
nクラッド層12b上に、超格子構造からなる、膜厚80nmの再成長層12cを形成した。また、再成長層12cを成長させる際の基板温度は700℃とした。再成長層12cはIn組成が2%、膜厚が2nmのGaInNと膜厚2nmのGaNとの超格子構造とした。
"Growth conditions for
A
次いで、再成長層12c上に障壁層13aおよび井戸層13bを5回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層13を形成した。
Subsequently, the
その後、発光層13上に厚さ20nmのMgドープ単層Al0.07Ga0.93Nからなるpクラッド層14a、厚さ170nmのMgドープp型GaNからなるpコンタクト層14bを順に積層した。pコンタクト層14bはpコンタクト下層と、pコンタクト上層とを積層した構成とした。また、pコンタクト下層にはMgを5×1019/cm3の濃度で含有させ、pコンタクト上層にはMgを2×1020/cm3程度の濃度で含有させた。次いで、pコンタクト層14b上に、厚さ200nmのITOからなる透光性電極15を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
Thereafter, a p-
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にnコンタクト層12aの露出面20aを形成し、その上にTi/Auの二層構造のn型電極17を形成した。
また、透光性電極15の上に、200nmのAlからなる金属反射層と80nmのTiからなるバリア層と1100nmのAuからなるボンディング層とからなる3層構造のp型ボンディングパッド構造16を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、実施例1の半導体発光素子1を得た。
Next, etching was performed using a photolithography technique to form an exposed
Further, on the
As described above, the semiconductor
このようにして得られた実施例1の半導体発光素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=25mW、逆方向電流IR(@20V)=0.1μAであった。
The characteristics of the semiconductor
(実施例2)
nクラッド層12bを形成した後、基板11を400℃まで降温した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=25mW、逆方向電流IR(@20V)=0.1μAであった。
(Example 2)
After forming the n-clad
(実施例3)
実施例1の基板11の降温において、基板11を窒素のみの雰囲気中で降温した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=0.9μAであった。
(Example 3)
In the temperature drop of the
(実施例4)
実施例1の熱処理(サーマルクリーニング)の際の圧力を100kPaとした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=25mW、逆方向電流IR(@20V)=0.3μAであった。
Example 4
The same operation as in Example 1 was performed except that the pressure during heat treatment (thermal cleaning) in Example 1 was set to 100 kPa. The characteristics of the obtained
(実施例5)
実施例1の熱処理(サーマルクリーニング)の際の圧力を50kPaとした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=24mW、逆方向電流IR(@20V)=0.5μAであった。
(Example 5)
The same operation as in Example 1 was performed except that the pressure during the heat treatment (thermal cleaning) in Example 1 was set to 50 kPa. The characteristics of the obtained
(実施例6)
実施例1の熱処理(サーマルクリーニング)の際の基板温度を850℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=24mW、逆方向電流IR(@20V)=0.4μAであった。
(Example 6)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature during the heat treatment (thermal cleaning) in Example 1 was changed to 850 ° C. The characteristics of the obtained
(実施例7)
実施例1の熱処理(サーマルクリーニング)の際の基板温度を650℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=0.2μAであった。
(Example 7)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature during the heat treatment (thermal cleaning) in Example 1 was changed to 650 ° C. The characteristics of the obtained
(実施例8)
実施例1の再成長層12cを膜厚120nmで形成した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=0.7μAであった。
(Example 8)
The same operation as in Example 1 was performed except that the
(実施例9)
実施例1の再成長層12cを膜厚40nmで形成した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=22mW、逆方向電流IR(@20V)=0.2μAであった。
Example 9
The same operation as in Example 1 was performed except that the
(実施例10)
実施例1の再成長層12c形成の際の基板温度を800℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=24mW、逆方向電流IR(@20V)=0.9μAであった。
(Example 10)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature at the time of forming the
(実施例11)
実施例1の再成長層12c形成の際の基板温度を600℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=0.3μAであった。
(Example 11)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature at the time of forming the
(実施例12)
実施例1の再成長層12cのIn組成を3%とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=22mW、逆方向電流IR(@20V)=0.8μAであった。
(Example 12)
The same operation as in Example 1 was performed except that the In composition of the
(実施例13)
実施例1の再成長層12cのIn組成を1%とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=0.2μAであった。
(Example 13)
The same operation as in Example 1 was performed except that the In composition of the
(実施例14)
実施例1の熱処理(サーマルクリーニング)を行わなかったこと以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=23mW、逆方向電流IR(@20V)=1.0μAであった。
(Example 14)
The same operation as in Example 1 was performed except that the heat treatment (thermal cleaning) in Example 1 was not performed. The characteristics of the obtained
(実施例15)
半導体層20を第一MOCVD炉で一貫成長させ、熱処理(サーマルクリーニング)を行わなかったこと以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=22mW、逆方向電流IR(@20V)=0.1μAであった。
(Example 15)
The same operation as in Example 1 was performed, except that the
(比較例1)
半導体層20を第一MOCVD炉で一貫成長させて熱処理(サーマルクリーニング)を行わず、また、再成長層12cを形成しなかった以外は実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=15mW、逆方向電流IR(@20V)=0.8μAであった。
(Comparative Example 1)
The same operation as in Example 1 was performed except that the
(比較例2)
nクラッド層12bを形成した後、基板11を500℃まで降温した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=10mW、逆方向電流IR(@20V)=5μAであった。
(Comparative Example 2)
After forming the n-clad
(比較例3)
実施例1の再成長層12cを膜厚300nmで形成した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=10mW、逆方向電流IR(@20V)=5.0μAであった。
(Comparative Example 3)
The same operation as in Example 1 was performed except that the
(比較例4)
実施例1の再成長層12cを膜厚5nmで形成した以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.1V、発光出力Po=18mW、逆方向電流IR(@20V)=0.2μAであった。
(Comparative Example 4)
The same operation as in Example 1 was performed except that the
(比較例5)
実施例1の再成長層12c形成の際の基板温度を1000℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=14mW、逆方向電流IR(@20V)=2.3μAであった。
(Comparative Example 5)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature at the time of forming the
(比較例6)
実施例1の再成長層12c形成の際の基板温度を500℃とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.9V、発光出力Po=17mW、逆方向電流IR(@20V)=0.3μAであった。
(Comparative Example 6)
The same operation as in Example 1 was performed except that the substrate temperature at the time of forming the
(比較例7)
実施例1の再成長層12cのIn組成を7%とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=2.8V、発光出力Po=13mW、逆方向電流IR(@20V)=10.0μAであった。
(Comparative Example 7)
The same operation as in Example 1 was performed except that the In composition of the
(比較例8)
実施例1の再成長層12cのIn組成を0.05%とした以外は、実施例1と同様な操作を行った。得られた半導体発行素子1の特性は、順方向電圧Vf=3.0V、発光出力Po=16mW、逆方向電流IR(@20V)=0.1μAであった。
(Comparative Example 8)
The same operation as in Example 1 was performed except that the In composition of the
実施例1〜実施例15、比較例1〜比較例8の半導体発光素子の順方向電圧、発光出力(Po)、逆方向電流(IR)の結果を表1に示す。
なお、実施例及び比較例の半導体発光素子1についての順方向電圧Vfは、プローブ針による通電で電流印加値20mAにおける電圧を測定したものである。同じく、実施例及び比較例の半導体発光素子1についての発光出力(Po)は、それぞれTO−18缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流20mAにおける発光出力を測定したものである。また、逆方向電流(IR)は、発光素子に対して端子を逆方向に20V印加した時の漏れ電流を測定した時の値である。
Table 1 shows the results of forward voltage, light emission output (Po), and reverse current (IR) of the semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 8.
The forward voltage Vf for the semiconductor
表1に示すように、実施例1〜実施例15の半導体発光素子1はいずれも、逆方向電流(IR)が低く、また、比較的低い順方向電圧が得られた。また、いずれの半導体発光素子1も、発光出力(Po)が20mW以上となり、高輝度で低消費電力であった。また、サーマルクリーニングを行った実施例1〜実施例13の半導体発光素子1では特に高い効果が見られた。
一方、比較例1〜比較例8で得られた半導体発光素子1では、実施例1〜実施例15と比較して発光出力(Po)が低く、順方向電圧が比較的高く、かつ、逆方向電流(IR)の値が大きかった。特に、再成長層を形成しなかった比較例1では、その差が顕著となった。
As shown in Table 1, all of the semiconductor
On the other hand, in the semiconductor
以上により、実施例1〜実施例15で得られた半導体発光素子1は、効果的に発光出力を向上させることができた。また、比較例1〜比較例8の半導体発光素子1と比較して、漏れ電流が小さく高い発光出力が得られることが確認できた。
As described above, the semiconductor
1…半導体発光素子、3…ランプ、12…n型半導体層、12a…nコンタクト層、12b…nクラッド層、12c…再成長層、13…発光層、14…p型半導体層、22…下地層
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第二n型半導体層上に、前記第二n型半導体層よりもIn組成の高い、前記第二n型半導体層の再成長層を形成した後に、発光層およびp型半導体層を順次積層する第二工程と、を具備してなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 An underlayer having a composition of Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ x + y <1), a first n-type semiconductor layer, and a second n-type on a substrate A first step of lowering the substrate temperature to 400 ° C. or lower after sequentially laminating semiconductor layers;
On the second n-type semiconductor layer, after forming a regrown layer of the second n-type semiconductor layer having a higher In composition than the second n-type semiconductor layer, a light emitting layer and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked. And a second step of manufacturing a semiconductor light emitting device.
前記第二工程が第二有機金属化学気相成長装置において行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。 The first step is performed in a first organometallic chemical vapor deposition apparatus,
The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the second step is performed in a second organometallic chemical vapor deposition apparatus.
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