JP2012146757A - Nitride semiconductor light-emitting element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device such as a nitride compound semiconductor light emitting device in the green, blue and ultraviolet regions, and a method for manufacturing the same.
従来、この種の従来の窒化物半導体発光素子において、緑、青および紫外領域の発光素子として、窒化物系化合物半導体発光素子が汎用されているが、発光強度以外の窒化物系化合物半導体発光素子の諸特性は尚改善の余地がある。特に、静電耐圧については、ガリウム・ヒ素系の半導体発光素子やインジウム・リン系の半導体発光素子に比較して格段に低く、大幅な静電耐圧の向上が期待されている。 Conventionally, in this type of conventional nitride semiconductor light-emitting device, nitride-based compound semiconductor light-emitting devices have been widely used as light-emitting devices in the green, blue, and ultraviolet regions. These characteristics still have room for improvement. In particular, the electrostatic withstand voltage is much lower than that of gallium / arsenic semiconductor light emitting devices and indium / phosphorus semiconductor light emitting devices, and a significant improvement in electrostatic withstand voltage is expected.
ここで、従来の窒化物半導体発光素子の静電耐圧の向上のために、下記の特許文献1〜4に各提案が為されている。
Here, in order to improve the electrostatic withstand voltage of the conventional nitride semiconductor light emitting device, the following proposals have been made in
図4は、特許文献1に開示されている従来の窒化物系化合物半導体発光素子の縦断面図である。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a conventional nitride-based compound semiconductor light emitting device disclosed in
図4に示すように、従来の窒化物系化合物半導体発光素子100は、膜厚3nmのノンドープIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層と膜厚20nmのノンドープGaNからなる障壁層とを3ペア積層した多重量子井戸構造の発光層101の負のn電極102側に、膜厚3nmのノンドープIn0.03Ga0.97Nからなる層と膜厚20nmのノンドープGaNからなる層とを5ペア積層した多重層(静電耐圧向上層)103を形成している。多重層(静電耐圧向上層)103により、横方向の抵抗を低減させてESDストレス時の印加電圧が発光層101への電流集中を緩和し、発光層101の広い範囲に電流経路Aのうように広げて発光特性を破壊または低下させることなく、ESD耐性を向上させることができる。
As shown in FIG. 4, a conventional nitride-based compound semiconductor
次に、特許文献2に開示されている従来の窒化物半導体発光素子では、それぞれ複数の窒化物半導体層からなるp側層とn側層の間に窒化物半導体からなる活性層を有し、p側層はオーミック電極を形成する層としてp型コンタクト層を含み、そのp型コンタクト層はp型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層とが交互に積層されている。このように、p型コンタクト層内にpn接合が形成されているので、正の逆方向に電圧が印加された場合における静電破壊電圧(静電耐圧)を高くすることができ、かつ、リーク電流を小さくすることができる。
Next, the conventional nitride semiconductor light emitting device disclosed in
次に、特許文献3に開示されている従来の窒化ガリウム系半導体発光素子では、P電極とn電極とを所定の抵抗値を持った抵抗体でショートさせておき、ESD耐圧時にP電極とn電極間をショートさせてその間の発光層を保護しようとするものである。 Next, in the conventional gallium nitride based semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 3, the P electrode and the n electrode are short-circuited by a resistor having a predetermined resistance value, and the P electrode and the n electrode at the time of ESD withstand voltage. It is intended to protect the light emitting layer between the electrodes by short-circuiting the electrodes.
次に、特許文献4に開示されている従来の発光素子の製造方法では、窒化物半導体層からなる井戸層を形成する工程と、井戸層上に窒素および全キャリアガス流量に対して2パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いてバリア層を形成する工程とを含むMQW活性層を形成する工程を有している。このように、MQW活性層内のバリア層を窒素および全キャリアガス流量に対して2パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いて結晶成長させている。このようにして、MQW活性層である発光層の結晶性を向上させてESD耐圧時の電流を、結晶性の悪い部分への電流集中を防ぐことにより、ESD耐圧を向上させることができる。 Next, in the conventional method for manufacturing a light emitting device disclosed in Patent Document 4, a step of forming a well layer made of a nitride semiconductor layer, and 2% or more of nitrogen and the total carrier gas flow rate on the well layer And a step of forming an MQW active layer including a step of forming a barrier layer using a carrier gas containing a proportion of hydrogen. As described above, the barrier layer in the MQW active layer is crystal-grown using nitrogen and a carrier gas containing hydrogen at a ratio of 2 percent or more with respect to the total carrier gas flow rate. In this way, the ESD withstand voltage can be improved by improving the crystallinity of the light emitting layer, which is the MQW active layer, and preventing the current at the time of the ESD withstand voltage from being concentrated on the portion with poor crystallinity.
上記従来のいずれの構成においてもなお、半導体発光素子の静電耐圧は十分ではなく、また、発光強度や駆動電圧に対して、静電耐圧はトレードオフの関係にある。特に、基板の欠陥密度の大小や欠陥準位など、基板の欠陥(貫通電位)によって逆方向電流にばらつきがあるため、ESD耐圧が劣化するという問題があった。 In any of the conventional configurations described above, the electrostatic withstand voltage of the semiconductor light emitting device is not sufficient, and the electrostatic withstand voltage is in a trade-off relationship with the light emission intensity and the driving voltage. In particular, there is a problem that the ESD withstand voltage deteriorates because the reverse current varies depending on the substrate defect (through potential) such as the defect density of the substrate and the defect level.
一方、特許文献3では、P電極とn電極間を所定の抵抗値を持った抵抗体で配線しているものの、P電極とn電極とを完全にショートさせてしまうと光らなくなるし、抵抗体を所定の抵抗値に安定的に製造するのが困難であって、トンネル接合構造と言っても正方向にも電流が流れるので発光効率が低下するし、ESD耐圧時に逆方向の電流だけを良好にショートさせるのも困難であり、さらに、P電極とn電極間の大きい段差を、所定の抵抗値を持った抵抗体で配線して接続するのも、段切れなど製造上の問題もある。 On the other hand, in Patent Document 3, the P electrode and the n electrode are wired with a resistor having a predetermined resistance value. However, if the P electrode and the n electrode are completely short-circuited, the light is lost, and the resistor It is difficult to stably manufacture the device at a predetermined resistance value, and even if it is a tunnel junction structure, the current flows in the forward direction, so the light emission efficiency is lowered, and only the current in the reverse direction is good at the time of ESD withstand voltage. In addition, it is difficult to make a short circuit between the P electrode and the n electrode, and there is a manufacturing problem such as disconnection of wiring by connecting a large step between the P electrode and the n electrode with a resistor having a predetermined resistance value.
また、特許文献4では、MQW活性層内のバリア層を窒素および全キャリアガス流量に対して2パーセント以上の割合の水素を含有するキャリアガスを用いて結晶成長させる場合に、実際、理想的な結晶を得るのは困難であり、水素の量を多くすると、エッチングが起こって成膜ではなく膜が減る方向に作用して結晶成長が行われない虞がある。 In Patent Document 4, when the barrier layer in the MQW active layer is crystal-grown using nitrogen and a carrier gas containing hydrogen at a ratio of 2 percent or more with respect to the total carrier gas flow rate, it is actually ideal. It is difficult to obtain a crystal, and if the amount of hydrogen is increased, there is a possibility that etching will occur and the crystal will not grow by acting in the direction of decreasing the film rather than the film formation.
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a nitride semiconductor light-emitting element capable of improving electrostatic withstand voltage without deteriorating light emission intensity and driving voltage, and a method for manufacturing the same. .
本発明の窒化物半導体発光素子は、単結晶性基板上に多重量子井戸構造の発光層が形成された窒化物半導体発光素子において、該発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層を有し、該多重量子井戸構造の発光層の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなり、該多重層の少なくとも第1の層に、一導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The nitride semiconductor light-emitting device of the present invention is a nitride semiconductor light-emitting device in which a light-emitting layer having a multiple quantum well structure is formed on a single crystal substrate, and an In x Ga 1-x N is formed on the n-electrode side of the light-emitting layer. A multi-layer in which first layers made of (0 <x <0.3) and second layers made of GaN are alternately stacked, and the well layer of the light-emitting layer having the multi-quantum well structure has at least In. In y Ga 1-y N (0 ≦ y <0.3) containing one conductivity type impurity as a concentration of 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 in at least the first layer of the multilayer. When added in the range of 18 cm −3, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less, whereby the above object is achieved.
また、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と前記多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、該静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値に該一導電型不純物の濃度が設定されている。 Preferably, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light-emitting layer and the one-type impurities of the multi-layer are measured using the reverse electrical characteristics of the predetermined items in the nitride semiconductor light-emitting device of the present invention as parameters. In the characteristic curve showing the relationship with the concentration, the concentration of the one conductivity type impurity is set to the minimum value of the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ).
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、前記n電極から前記単結晶性基板側に流れる逆方向電流値である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a reverse current value flowing from the n electrode to the single crystal substrate side.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、逆方向電圧印加時の静電容量値である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a capacitance value when a reverse voltage is applied.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上35以下とされている。 Further, preferably, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is 20 or more and 35 or less.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における逆方向電気特性は、過渡容量分光法または等温過渡容量法によって測定された欠陥準位である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a defect level measured by transient capacitance spectroscopy or isothermal transient capacitance method.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における一導電型不純物がその濃度として1×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されている。 Further, preferably, one conductivity type impurity in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is added in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子における一導電型不純物は、n導電型不純物のSiである。 Further preferably, the one conductivity type impurity in the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is Si of an n conductivity type impurity.
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法により単結晶性基板上に形成する第1の工程と、該窒化物半導体発光素子構造に対してp電極およびn電極を形成する第2の工程と、逆方向電気特性を測定する第3の工程とを有し、該逆方向電気特性を用いて次回からの該第1の工程において、該単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のn電極側に設けた多重層の少なくとも第1の層に、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)を20以上40以下になるように、一導電型不純物の濃度が5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で該一導電型不純物を添加するものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes a first step of forming a nitride semiconductor light emitting device structure on a single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition, and the nitride semiconductor light emitting device structure. On the other hand, the second step of forming the p-electrode and the n-electrode and the third step of measuring the reverse electric characteristic, and using the reverse electric characteristic in the first step from the next time, The electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is applied to at least the first layer of the multiple layer provided on the n-electrode side of the light emitting layer having a multiple quantum well structure formed on the single crystal substrate. The one conductivity type impurity is added so that the concentration of the one conductivity type impurity is in the range of 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 so as to be 20 or more and 40 or less. The objective is achieved.
また、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、前記発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と前記多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、前記第3の工程で求めた逆方向電気特性をパラメータとする特性曲線において、前記多重層の少なくとも第1の層の一導電型不純物の濃度を、該静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値に対応する該多重層の一導電型不純物の濃度に制御する。 Preferably, in the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer and one of the multiple layers using the reverse electrical characteristics of a predetermined item as a parameter. A characteristic curve showing a relationship with the concentration of the conductive impurity is obtained in advance, and in the characteristic curve using the reverse direction electric characteristic obtained in the third step as a parameter, at least one conductivity of at least the first layer of the multi-layer. The concentration of the type impurity is controlled to the concentration of the one conductivity type impurity of the multilayer corresponding to the minimum value of the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ).
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における一導電型不純物の濃度の制御は、SiH4ガス流量またはSiH(CH3)3ガス流量を制御することにより行う。 More preferably, the concentration of the one conductivity type impurity in the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is controlled by controlling the flow rate of SiH 4 gas or SiH (CH 3 ) 3 gas.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、前記n電極から前記単結晶性基板側に流れる逆方向電流値である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a reverse current value flowing from the n electrode to the single crystalline substrate side.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、逆方向AC電圧印加時の静電容量値である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a capacitance value when a reverse AC voltage is applied.
さらに、好ましくは、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法における逆方向電気特性は、過渡容量分光法または等温過渡容量法によって測定された欠陥準位である。 Further preferably, the reverse electrical characteristic in the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a defect level measured by transient capacitance spectroscopy or isothermal transient capacitance method.
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。 With the above configuration, the operation of the present invention will be described below.
本発明の窒化物半導体発光素子においては、単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のn電極側に設けられた多重層の少なくとも第1の層に、一導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされている。具体的には、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値に一導電型不純物の濃度が設定されている。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, one conductivity type impurity is present in at least the first layer of the multiple layer provided on the n-electrode side of the light emitting layer of the multiple quantum well structure formed on the single crystal substrate. The concentration is 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 , and the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less. Specifically, in the characteristic curve showing the relationship between the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer and the concentration of one conductivity type impurity of the multilayer, using the reverse electrical characteristics of a predetermined item as a parameter, The concentration of one conductivity type impurity is set to the minimum value of the electric breakdown energy (mJ / cm 2 ).
これによって、発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第1の層に、不純物濃度が5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するので、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることが可能となる。 As a result, the multi-layered structure in which the first layer made of In x Ga 1-x N (0 <x <0.3) and the second layer made of GaN are alternately stacked on the n-electrode side of the light emitting layer. at least a first layer, an impurity so that the impurity concentration is in the range of 5 × 10 17 cm -3 ~1 × 10 18 cm -3 is added, electrostatic breakdown energy emission layer receives (mJ / cm 2 ) Between 20 and 40, the impurity concentration of the multilayer is such that the impedance is such that no energy is applied to the light emitting layer when a high-voltage charge that causes electrostatic breakdown is applied to the light emitting layer. Therefore, the electrostatic withstand voltage can be improved without deteriorating the light emission intensity and the driving voltage.
以上により、本発明によれば、不純物濃度が5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the electrostatic breakdown energy received by the light emitting layer by adding impurities to the multilayer so that the impurity concentration is in the range of 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. By setting (mJ / cm 2 ) to 20 or more and 40 or less, the impedance is such that energy when a high voltage charge causing electrostatic breakdown is applied to the light emitting layer is not applied to the light emitting layer. Since the multi-layer impurity concentration is controlled, the electrostatic withstand voltage can be improved without deteriorating the light emission intensity and the driving voltage.
以下に、本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法の実施形態1について図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1における窒化物半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a nitride semiconductor light emitting device according to
図1において、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1は、表面に凹凸が形成された厚さ約300μmの基板として例えばサファイヤ基板2の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層3が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmのノンドープGaN層4が成膜されている。これらのサファイヤ基板2、バッファ層3およびノンドープGaN層4が単結晶性基板を構成している。
In FIG. 1, the nitride semiconductor
さらに、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1において、この単結晶性基板上にシリコン(Si)を1×1018/cm3ドープしたGaNからなる膜厚約5μmのn型コンタクト層5(高キャリヤ濃度n+層)が形成されている。このn型コンタクト層5上に多重層6が形成され、この多重層6上には多重量子井戸構造の発光層7が形成されている。
Further, in the nitride semiconductor
この多重層6は、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に複数積層されている。この多重層6は、ここでは例えば、膜厚3nmのIn0.03Ga0.97Nからなる第1の層と、膜厚20nmのGaNからなる第2の層とを5ペア積層している。この多重層6のうちの第1の層に、一導電型不純物としてSiがその濃度として、5×1016cm−3〜1×1018cm−3(さらに好ましくは、1×1017cm−3〜1×1018cm−3)の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下(さらに好ましくは、20以上35以下)とされている。具体的には、所定項目の逆方向電気特性(逆方向電流)をパラメータとして、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層6の第1層におけるSi濃度との関係を示す特性曲線(図2の曲線A〜C)において、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値に対応するSiの濃度に設定されている。
The
多重量子井戸構造の発光層7の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなっている。このように、多重量子井戸構造の発光層7は、ここでは例えば、膜厚3nmのIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層と、膜厚20nmのGaNから成る障壁層とを3ペア積層している。
The well layer of the
さらに、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1において、この発光層7上に、Mgを2×1019/cm3ドープした膜厚25nmのp型Al0.15Ga0.85Nからなるp型層である電子ブロック層8が形成され、この電子ブロック層8上に、Mgを8×1019ドープした膜厚100nmのp型GaNからなるp型コンタクト層9が形成されている。このp型コンタクト層9上には、金属蒸着による透光性薄膜電極10(ITO)が形成され、透光性薄膜電極10の一部上にp電極11が形成され、一方、n型コンタクト層5の端部上にはn電極12が形成されている。最上部には、SiO2膜よりなる保護膜13が形成されている。透光性薄膜電極10は、p型コンタクト層9に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)よりなる第1層と、このコバルト膜に接合する膜厚約6nmの金(Au)よりなる第2層とで構成されている。
Furthermore, in the nitride semiconductor
発光層7を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる井戸層を含むものである。発光層7の構成は、例えばドープされた、またはアンドープのInyGa1−xN(0<x<0.3)からなる井戸層と、この井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体GaN,InyGa1−yN(0<y<0.1)または、InyAlzGa1−y−zN(0<y<0.1,0<z<0.2)から成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのInyGa1−xN(0<x<0.3)、InyGa1−yN(0<y<0.1)からなる障壁層が挙げられる。
The multiple quantum well structure constituting the
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6は、発光層7を形成する少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体InxGa1−xN(0<y<1,0<z<1)から成る井戸層のインジウム(In)の組成zよりも小さいインジウム(In)の組成xのInxGa1−xN(0<x<1)から成る層とGaNから成る層により形成される。このとき、多重層6を形成するInxGa1−xN(0<x<1)から成る層のインジウム(In)の組成xは、0.02以上0.07以下、より好ましくは、0.03以上0.05以下が好ましい。
The
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6のInxGa1−xN(0<x<1)からなる層の膜厚は、0.5nm以上6nm以下であることが好ましく、0.5nm以上4nm以下であることがより好ましい。以下に発光特性を記すが、InxGa1−xN(0<x<1)からなる層の膜厚が6nmを越えると、駆動電圧Vfが大幅に上昇することが判明している。0.5nm未満となると、その膜厚の調整が困難となるので、避けるべきである。一方、多重層6のGaNから成る層は、少なくとも10〜40nmの範囲では素子特性に大きな変化を生じないことが判明している。多重層6のInxGa1−xN(0<x<1)からなる層の厚さの発光層の井戸層の厚さに対する比は、0.1以上2以下とすることが望ましい。より望ましくは、発光層7の井戸層の厚さ以下に多重層6のInxGa1−xN(0<x<1)からなる層の厚さを調節する。一方、多重層6のGaN からなる層の厚さの発光層の障壁層の厚さに対する比は、0.5以上4以下であることが望ましい。より望ましくは、発光層7の障壁層の厚さ以上に多重層6のGaNから成る層の厚さを調節することが望ましい。
The thickness of the layer made of InxGa1-xN (0 <x <1) of the
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6のInxGa1−xN(0<x<1)からなる層の数は1以上7以下とすることが望ましく、より好ましくは、1以上5以下とするとよい。
The number of layers made of InxGa1-xN (0 <x <1) in the
III族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子1は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、フォトカプラ、その他の任意の発光素子としてよい。特に、本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子1の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。
The nitride semiconductor
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、Z nO、MgOまたは、III族窒化物系化合物単結晶などを用いることができる。III 族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属気相成長法(MOCVD)、ハライド気相成長法(HDVPE)、液相成長法等が有効である。 Specifically, sapphire, spinel, Si, SiC, ZnO, MgO, or a group III nitride compound single crystal can be used as a substrate for crystal growth. As a method for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor layer, molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), halide vapor phase epitaxy (HDVPE), liquid phase epitaxy, etc. Is effective.
電極形成層などのIII族窒化物半導体層は、少なくともAlxGayIn1−x− yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1) にて表される2元系、3元系または4元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。 A group III nitride semiconductor layer such as an electrode formation layer is a binary system or a ternary system represented by at least AlxGayIn1-xyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) Alternatively, a group III nitride compound semiconductor made of a quaternary semiconductor can be used.
ここで、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1の特徴構成として、多重層6が、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層し、この多重層6のうちの第1の層に、一導電型不純物としてのSiが濃度5×1016cm−3〜1×1018cm−3(さらに好ましくは、1×1017cm−3〜1×1018cm−3)の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下(さらに好ましくは、20以上35以下)とされている。この本実施形態1の窒化物半導体発光素子1の特徴構成について、以下に更に詳細に説明する。
Here, as a characteristic configuration of the nitride semiconductor
図2は、図1の発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と図1の多重層6のSi密度(cm3)との関係を特性曲線として示す図である。
2 is a graph showing the relationship between the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the
図2に示すように、縦軸の静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が高いほど発光層7が破壊される確率が高く、横軸がSiのドーピング量を示すSi濃度(cm3)である。この場合、GaN層でアンドープの材料の状態でSi濃度が1×1016である。静電破壊エネルギ(mJ/cm2)はアンドープの方向(横軸の左方向)で高くなって、発光層7が破壊される確率が高くなっている。Si濃度をアンドープ状態(1×1016)から横軸の右方向に徐々に上げていくと、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の最も低いボトムポイント(極小値)があり、ここで最も発光層7が破壊しにくくなる。これは、この静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の最も低いボトムポイント(極小値)では、トンネル接続現象が発光層7に生じて電流を逃がしてしまうことに起因している。多重層6のSi濃度をアンドープ状態(1×1016)では電流が流れないためにESD耐圧試験時に例えば1500Vが発光層7に直にかかってしまい発光層7が容易に破壊してしまう。また、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が最も低いボトムポイント(極小値)からSi濃度を更に上げていくと、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が上昇して発光層7が破壊する確率が高くなってくる。その後、Si濃度を更に上げると、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が最も高いピークポイント(極大値)が存在する。この最も高いピークポイント(極大値)を超えると、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が下がって発光層7が破壊されにくい方向に移る。ところが、Si濃度が1×1018cm−3を超えると、リーク電流が増加して発光効率が大幅に低下する光出力低下領域に入ってしまう。
As shown in FIG. 2, the higher the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) on the vertical axis, the higher the probability that the
したがって、多重層6のSi濃度をアンドープ状態(1×1016)から、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が最も低いボトムポイント(極小値)、さらにピークポイント(極大値)になるまでの間の多重層6のSi密度(cm3)、即ち、Si濃度5×1016cm−3〜1×1018cm−3(さらに好ましくは、1×1017cm−3〜1×1018cm−3)の範囲に設定すれば、リーク電流による発光効率も良好でかつ耐圧も高い発光素子となる。この場合に、図2の特性曲線Cのように、パラメータの逆方向電流値によっては、Si濃度が1×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲内であっても、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が高い場合があり得るので、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下(さらに好ましくは、20以上35以下)としている。
Therefore, from the undoped state (1 × 10 16 ) of the Si concentration of the
また、基板の種類や生産ロットによって、このシリコンドーピング量(Si濃度)の最適値が異なることから、GaN層4を介して基板2に流れるリーク電流を示す逆方向電流を、所定項目の逆方向電気特性のパラメータにして、シリコンドーピング量(Si濃度)の設定をする必要がある。
Further, since the optimum value of the silicon doping amount (Si concentration) varies depending on the type of substrate and the production lot, the reverse current indicating the leakage current flowing through the
図2の曲線Aに示すように逆方向電流が0.7μA/cm2のときに、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が極小値となる多重層6のSi濃度は3×1017cm−3または9×1017cm−3である。また、図2の曲線Bに示すように逆方向電流が70μA/cm2のときに、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が極小値となる多重層6のSi濃度は6×1017cm−3である。さらに、図2の曲線Cに示すように逆方向電流が7mA/cm2のときに静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が極小値となる多重層6のSi濃度は2×1017cm−3である。これらの極小値となる静電破壊エネルギ(mJ/cm2)は、20以上40以下(さらに好ましくは、20以上35以下)である。
As shown by the curve A in FIG. 2, when the reverse current is 0.7 μA / cm 2 , the Si concentration of the
したがって、基板の種類や生産ロット毎に、所定項目の逆方向電気特性のパラメータとして、基板側に抜ける逆方向電流を測定し、その測定した逆方向電流をパラメータとして予め求められた静電破壊エネルギ/Si密度の曲線における静電破壊エネルギが極小となるSi濃度(Si密度)となるように、多重層6をシリコンドーピングすれば、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく最も静電破壊しにくく、静電耐圧を向上させることができる。この場合に、図2から静電破壊エネルギは20mJ/cm2以上40mJ/cm2以下程度であればよい。さらに好ましくは、静電破壊エネルギが20mJ/cm2以上35mJ/cm2以下であればよい。
Therefore, for each type of substrate or production lot, the reverse current flowing out to the substrate side is measured as a parameter of reverse electrical characteristics of a predetermined item, and the electrostatic breakdown energy obtained in advance using the measured reverse current as a parameter. If the
上記構成の窒化物半導体発光素子1の製造方法について説明する。
A method for manufacturing the nitride semiconductor
図3は、図1の窒化物半導体発光素子1の製造方法における各製造工程を示す流れ図である。
FIG. 3 is a flowchart showing each manufacturing process in the method for manufacturing the nitride semiconductor
図3に示すように、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1の製造方法は、ステップS1でサファイヤ基板2を所定位置に受け入れるサファイヤ基板2の基板受け入れ工程と、ステップS2でサファイヤ基板2の表面に凹凸を形成するサファイヤ表面凹凸加工工程と、ステップS3でMOCVD法により、ステップS3で、サファイヤ基板2の表面凹凸加工面上に、バッファ層3、ノンドープGaN層4、n型コンタクト層5、多重層6、多重量子井戸構造の発光層7、電子ブロック層8およびp型コンタクト層9をこの順に順次形成するMOCVD工程と、ステップS4でp型コンタクト層9上に透光性薄膜電極10を形成する透明性電極形成工程と、ステップS5で、基板端部をn型コンタクト層5の途中までエッチング除去してn型コンタクト層5の端部を露出させ、n型コンタクト層5の端部表面上にn電極12を形成すると共に、透光性薄膜電極10の一部表面上にp電極11を形成するn電極およびp電極形成工程と、ステップS6で、透光性薄膜電極10、p電極11、n電極12およびn型コンタクト層5の露出表面、さらにエッチング除去側面に耐湿度用などに保護層13を形成する保護層形成工程と、ステップS7で、p電極11およびn電極12上の保護層13をそれぞれ開口する電極開口部工程と、ステップS8で、n電極12からノンドープGaN層4を介してサファイヤ基板2に電流が抜ける逆方向電流値を測定する測定検査工程とを有している。
As shown in FIG. 3, in the method for manufacturing the nitride semiconductor
このステップS8の測定検査工程で得た基板やロット特有の逆方向電流値をステップS3のMOCVD工程の多重層6の形成時にフィードバックし、ステップS3のMOCVD工程で、多重層6を形成時に、このフィードバックされた逆方向電流値をパラメータとした特性曲線において、静電破壊エネルギ/Si密度の特性曲線における静電破壊エネルギが極小となるSi濃度(Si密度)となるように、多重層6をシリコンドーピングする。要するに、多重層6を形成時に逆方向電流値をフィードバックし、多重層6に対してシリコン(Si)のドープ量を、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が最も低いSi濃度に可変する。
The reverse current value peculiar to the substrate or lot obtained in the measurement / inspection process in step S8 is fed back when the
要するに、本実施形態1の窒化物半導体発光素子1の製造方法は、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法によりサファイア基板2上に形成する第1の工程と、p電極11およびn電極12を形成する第2の工程と、逆方向電気特性として逆方向電流値を測定する第3の工程とを有する窒化物半導体発光素子1の製造工程において、n導電型不純物のSi濃度を第3の工程で測定される窒化物半導体発光素子1の逆方向電気特性値である逆方向電流値を用いて、その測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線を選択し、この選択した特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となるSi濃度に、第1の工程のn導電型不純物のSi濃度を制御する。
In short, the method for manufacturing the nitride semiconductor
この場合、n導電型不純物のSi濃度の制御は、SiH4ガス流量またはSiH(CH3)3ガス流量を制御することにより行う。静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光素子に印加されるときのエネルギを発光素子に印加されないようなインピーダンスとなるようなn型不純物濃度に有機金属化学気相成長装置のガス流量によりn導電型不純物の濃度を制御することにより、光出力を劣化させることなく、静電破壊耐性を向上させることができる。 In this case, the Si concentration of the n-conductivity type impurity is controlled by controlling the SiH 4 gas flow rate or the SiH (CH 3 ) 3 gas flow rate. Depending on the gas flow rate of the metal organic chemical vapor deposition apparatus, the energy at the time when a high voltage charge causing electrostatic breakdown is applied to the light emitting element is set to an n-type impurity concentration that does not apply to the light emitting element. By controlling the concentration of the n-conductivity type impurity, it is possible to improve the resistance to electrostatic breakdown without deteriorating the light output.
以上により、本実施形態1によれば、単結晶性基板2上に、多重量子井戸構造の発光層7を有する窒化物半導体発光素子1において、発光層7のn電極12側に、InxGa1−xN (0<x<0.3)からなる第1の層と、GaNからなる第2の層とを交互に複数積層した多重層6を有し、多重量子井戸構造の発光層7の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなり、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていること、具体的には、測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となるSi濃度で、多重層6の第1の層に、n導電型不純物のSiをイオン注入することにより、光出力を劣化させることなく、静電耐圧をより向上させることができる。
As described above, according to the first embodiment, in the nitride semiconductor
なお、本実施形態1では、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていること、その一例として、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となるSi濃度で、多重層6の第1の層にn導電型不純物のSiをイオン注入する場合について説明したが、これに限らず、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となる前後の所定範囲のSi濃度で、多重層6の第1の層にn導電型不純物のSiをイオン注入してもよい。要するに、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていればよい。
In the first embodiment, an n-conductivity type impurity is added to the first layer of the
この場合、本実施形態1では、多重層6の第1の層のSi濃度を制御したが、これに限らず、多重層6の第1の層および第2の層のそれぞれのSi濃度を制御してもよい。要するに、多重層6の第1の層のSi濃度を制御すればよい。
In this case, in the first embodiment, the Si concentration of the first layer of the
なお、本実施形態1では、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとして、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層6のSi濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向電流値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層6の少なくとも第1の層のSi濃度を、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値または、その前後の値に対応する多重層6のSi濃度に制御している場合について説明したが、逆方向電気特性値は上記逆方向電流値に限らず、逆方向AC電圧印加時の静電容量値であってもよい。
In the first embodiment, the relationship between the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the
この場合、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向AC電圧印加時の静電容量値をパラメータとして、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層6のSi濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向AC電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層6の少なくとも第1の層のSi濃度を、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値または、その前後の値に対応する多重層6のSi濃度に制御することになる。所定項目の逆方向電気特性としての逆方向AC電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線も、図2に示す所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとする特性曲線と同様に極小値や極大値を持つ同様の特性曲線となっている。要するに、逆方向AC電圧印加時の静電容量値をパラメータとする特性曲線についても、本発明に適用することができる。即ち、逆方向AC電圧印加時の静電容量値の違い毎に多重層6のSi濃度に対する静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の関係が、逆方向電流値毎に、多重層6のSi濃度に対する静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の関係が存在するのと同様に存在する。
In this case, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the
なお、本実施形態1では、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとして、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層6のSi濃度との関係を示す特性曲線を予め求めておき、測定検査工程で求めた逆方向電流値をパラメータとする特性曲線に基づいて、多重層6の少なくとも第1の層のSi濃度を、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値または、その前後の値(発光層が受ける静電破壊エネルギが20以上40以下の値)に対応する多重層6のSi濃度に制御している場合について説明したが、逆方向電気特性値としては上記逆方向電流値に限らず、逆方向電気特性値は過渡容量分光法(DLTS)または等温過渡容量法(ICTS)によって測定された欠陥準位であってもよい。
In the first embodiment, the relationship between the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the
この場合、図3のステップS8の測定検査工程で逆方向電流値の測定を行う代わりに、チップ化工程の後の工程で、過渡容量分光法(DLTS)および等温過渡容量法(ICTS)によって欠陥準位を測定し、図3のステップS3のMOCVD工程にフィードバックし、測定した欠陥準位をパラメータとして、多重層6のSi濃度に対する静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の関係を示す特性曲線に基づいて、多重層6の少なくとも第1の層のSi濃度を、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値または、その前後の値(発光層が受ける静電破壊エネルギが20以上40以下の値)に対応する多重層6のSi濃度に制御する。所定項目の逆方向電気特性としての欠陥準位をパラメータとする特性曲線も、図2に示す所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとする特性曲線と同様に極小値や極大値を持つ同様の特性曲線となっている。要するに、欠陥準位をパラメータとする特性曲線についても、本発明に適用することができる。即ち、欠陥準位の違い毎に多重層6のSi濃度に対する静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の関係が、図2に示すように、逆方向電流値毎に、多重層6のSi濃度に対する静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の関係が存在するのと同様に存在する。
In this case, instead of measuring the reverse current value in the measurement / inspection process in step S8 of FIG. 3, a defect is detected by transient capacitance spectroscopy (DLTS) and isothermal transient capacitance method (ICTS) in the process after the chip formation process. The level is measured, fed back to the MOCVD process in step S3 of FIG. 3, and the characteristic curve showing the relationship of the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) to the Si concentration of the
以上のように、本発明の好ましい実施形態1を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
As mentioned above, although this invention has been illustrated using
本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法の分野において、発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第1の層に、不純物濃度が5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。 In the field of nitride semiconductor light-emitting devices such as nitride-based compound semiconductor light-emitting devices in the green, blue, and ultraviolet regions, and a method for manufacturing the same, the present invention provides an In x Ga 1-x N (0 An impurity concentration of 5 × 10 17 cm −3 to 1 × is present in at least the first layer of the multilayer in which the first layers made of <x <0.3) and the second layers made of GaN are alternately laminated. By adding impurities to the multilayer so as to be in the range of 10 18 cm −3, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light-emitting layer is 20 or more and 40 or less. In order to control the energy when the high voltage charge is applied to the light emitting layer to the impurity concentration of the multilayer so that the impedance is not applied to the light emitting layer, electrostatic energy can be output without deteriorating the light emission intensity and driving voltage. Improve pressure resistance Can.
1 窒化物半導体発光素子
2 サファイヤ基板
3 バッファ層
4 ノンドープGaN層
5 n型コンタクト層
6 多重層
7 多重量子井戸構造の発光層
8 電子ブロック層
9 p型コンタクト層
10 透光性薄膜電極
12 n電極
11 p電極
13 保護膜
DESCRIPTION OF
図4に示すように、従来の窒化物系化合物半導体発光素子100は、膜厚3nmのノンドープIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層と膜厚20nmのノンドープGaNからなる障壁層とを3ペア積層した多重量子井戸構造の発光層101の負のn電極102側に、膜厚3nmのノンドープIn0.03Ga0.97Nからなる層と膜厚20nmのノンドープGaNからなる層とを5ペア積層した多重層(静電耐圧向上層)103を形成している。多重層(静電耐圧向上層)103により、横方向の抵抗を低減させてESDストレス時の印加電圧が発光層101への電流集中を緩和し、発光層101の広い範囲に電流経路Aのように広げて発光特性を破壊または低下させることなく、ESD耐性を向上させることができる。
As shown in FIG. 4, a conventional nitride-based compound semiconductor
本発明の窒化物半導体発光素子は、単結晶性基板上に多重量子井戸構造の発光層が形成された窒化物半導体発光素子において、該発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層を有し、該多重量子井戸構造の発光層の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなり、該多重層の少なくとも第1の層に、一導電型不純物がその濃度として5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
The nitride semiconductor light-emitting device of the present invention is a nitride semiconductor light-emitting device in which a light-emitting layer having a multiple quantum well structure is formed on a single crystal substrate, and an In x Ga 1-x N is formed on the n-electrode side of the light-emitting layer. A multi-layer in which first layers made of (0 <x <0.3) and second layers made of GaN are alternately stacked, and the well layer of the light-emitting layer having the multi-quantum well structure has at least In. In y Ga 1-y N (0 ≦ y <0.3), and at least the first layer of the multi-layer has a concentration of one conductivity type impurity of 5 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 When added in the range of 18 cm −3, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less, whereby the above object is achieved.
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法により単結晶性基板上に形成する第1の工程と、該窒化物半導体発光素子構造に対してp電極およびn電極を形成する第2の工程と、逆方向電気特性を測定する第3の工程とを有し、該逆方向電気特性を用いて次回からの該第1の工程において、該単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のn電極側に設けた多重層の少なくとも第1の層に、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)を20以上40以下になるように、一導電型不純物の濃度が5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で該一導電型不純物を添加するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes a first step of forming a nitride semiconductor light emitting device structure on a single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition, and the nitride semiconductor light emitting device structure. On the other hand, the second step of forming the p-electrode and the n-electrode and the third step of measuring the reverse electric characteristic, and using the reverse electric characteristic in the first step from the next time, The electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is applied to at least the first layer of the multiple layer provided on the n-electrode side of the light emitting layer having a multiple quantum well structure formed on the single crystal substrate. The one conductivity type impurity is added so that the concentration of the one conductivity type impurity is in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 so as to be 20 or more and 40 or less. The objective is achieved.
本発明の窒化物半導体発光素子においては、単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のn電極側に設けられた多重層の少なくとも第1の層に、一導電型不純物がその濃度として5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされている。具体的には、所定項目の逆方向電気特性をパラメータとして、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)と多重層の一導電型不純物の濃度との関係を示す特性曲線において、静電破壊エネルギ(mJ/cm2)の極小値に一導電型不純物の濃度が設定されている。
In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, one conductivity type impurity is present in at least the first layer of the multiple layer provided on the n-electrode side of the light emitting layer of the multiple quantum well structure formed on the single crystal substrate. The concentration is 5 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 , and the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less. Specifically, in the characteristic curve showing the relationship between the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer and the concentration of one conductivity type impurity of the multilayer, using the reverse electrical characteristics of a predetermined item as a parameter, The concentration of one conductivity type impurity is set to the minimum value of the electric breakdown energy (mJ / cm 2 ).
これによって、発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第1の層に、不純物濃度が5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するので、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることが可能となる。
As a result, the multi-layered structure in which the first layer made of In x Ga 1-x N (0 <x <0.3) and the second layer made of GaN are alternately stacked on the n-electrode side of the light emitting layer. at least a first layer, an impurity so that the impurity concentration is in the range of 5 × 10 16 cm -3 ~1 × 10 18 cm -3 is added, electrostatic breakdown energy emission layer receives (mJ / cm 2 ) Between 20 and 40, the impurity concentration of the multilayer is such that the impedance is such that no energy is applied to the light emitting layer when a high-voltage charge that causes electrostatic breakdown is applied to the light emitting layer. Therefore, the electrostatic withstand voltage can be improved without deteriorating the light emission intensity and the driving voltage.
以上により、本発明によれば、不純物濃度が5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。
As described above, according to the present invention, the electrostatic breakdown energy received by the light emitting layer by adding impurities to the multilayer so that the impurity concentration is in the range of 5 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. By setting (mJ / cm 2 ) to 20 or more and 40 or less, the impedance is such that energy when a high voltage charge causing electrostatic breakdown is applied to the light emitting layer is not applied to the light emitting layer. Since the multi-layer impurity concentration is controlled, the electrostatic withstand voltage can be improved without deteriorating the light emission intensity and the driving voltage.
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6は、発光層7を形成する少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体InxGa1−xN(0<y<1,0<z<1)から成る井戸層のインジウム(In)の組成zよりも小さいインジウム(In)の組成xのIn x Ga 1−x N(0<x<1)から成る層とGaNから成る層により形成される。このとき、多重層6を形成するInxGa1−xN(0<x<1)から成る層のインジウム(In)の組成xは、0.02以上0.07以下、より好ましくは、0.03以上0.05以下が好ましい。
The
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6のIn x Ga 1−x N(0<x<1)からなる層の膜厚は、0.5nm以上6nm以下であることが好ましく、0.5nm以上4nm以下であることがより好ましい。以下に発光特性を記すが、In x Ga 1−x N(0<x<1)からなる層の膜厚が6nmを越えると、駆動電圧Vfが大幅に上昇することが判明している。0.5nm未満となると、その膜厚の調整が困難となるので、避けるべきである。一方、多重層6のGaNから成る層は、少なくとも10〜40nmの範囲では素子特性に大きな変化を生じないことが判明している。多重層6のIn x Ga 1−x N(0<x<1)からなる層の厚さの発光層の井戸層の厚さに対する比は、0.1以上2以下とすることが望ましい。より望ましくは、発光層7の井戸層の厚さ以下に多重層6のIn x Ga 1−x N(0<x<1)からなる層の厚さを調節する。一方、多重層6のGaNからなる層の厚さの発光層の障壁層の厚さに対する比は、0.5以上4以下であることが望ましい。より望ましくは、発光層7の障壁層の厚さ以上に多重層6のGaNから成る層の厚さを調節することが望ましい。
The thickness of the layer made of In x Ga 1-x N (0 <x <1) of the
発光層7のn電極12側に設けられる多重層6のIn x Ga 1−x N(0<x<1)からなる層の数は1以上7以下とすることが望ましく、より好ましくは、1以上5以下とするとよい。
The number of layers of In x Ga 1-x N (0 <x <1) in the
電極形成層などのIII族窒化物半導体層は、少なくともAl x Ga y In 1−x−y N(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系または4元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
A group III nitride semiconductor layer such as an electrode forming layer is represented by at least Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) 2 A group III nitride compound semiconductor composed of a ternary, ternary or quaternary semiconductor can be used.
以上により、本実施形態1によれば、単結晶性基板2上に、多重量子井戸構造の発光層7を有する窒化物半導体発光素子1において、発光層7のn電極12側に、InxGa1−xN (0<x<0.3)からなる第1の層と、GaNからなる第2の層とを交互に複数積層した多重層6を有し、多重量子井戸構造の発光層7の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなり、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていること、具体的には、測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となるSi濃度で、多重層6の第1の層に、n導電型不純物のSiをイオン注入することにより、光出力を劣化させることなく、静電耐圧をより向上させることができる。
As described above, according to the first embodiment, in the nitride semiconductor
なお、本実施形態1では、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていること、その一例として、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となるSi濃度で、多重層6の第1の層にn導電型不純物のSiをイオン注入する場合について説明したが、これに限らず、測定検査工程での測定結果の逆方向電流値がパラメータである上記特性曲線に基づいて、静電破壊エネルギが極小となる前後の所定範囲のSi濃度で、多重層6の第1の層にn導電型不純物のSiをイオン注入してもよい。要するに、多重層6の第1の層に、n導電型不純物がその濃度として5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、発光層7が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされていればよい。
In the first embodiment, an n-conductivity type impurity is added to the first layer of the
本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法の分野において、発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第1の層に、不純物濃度が5×10 16 cm−3〜1×1018cm−3の範囲になるように多重層に不純物を添加して、発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とすることにより、静電破壊の原因となる高電圧の電荷が発光層に印加されるときのエネルギを発光層に印加されないようなインピーダンスとなるような多重層の不純物濃度に制御するため、発光強度や駆動電圧を悪化させることなく静電耐圧を向上させることができる。
In the field of nitride semiconductor light-emitting devices such as nitride-based compound semiconductor light-emitting devices in the green, blue, and ultraviolet regions, and a method for manufacturing the same, the present invention provides an In x Ga 1-x N (0 An impurity concentration of 5 × 10 16 cm −3 to 1 × is present in at least the first layer of the multilayer in which first layers made of <x <0.3) and second layers made of GaN are alternately laminated. By adding impurities to the multilayer so as to be in the range of 10 18 cm −3, the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light-emitting layer is 20 or more and 40 or less. In order to control the energy when the high voltage charge is applied to the light emitting layer to the impurity concentration of the multilayer so that the impedance is not applied to the light emitting layer, electrostatic energy can be output without deteriorating the light emission intensity and driving voltage. Improve pressure resistance Can.
Claims (14)
該発光層のn電極側に、InxGa1−xN(0<x<0.3)からなる第1の層とGaNからなる第2の層とを交互に積層した多重層を有し、該多重量子井戸構造の発光層の井戸層は少なくともInを含むInyGa1−yN(0≦y<0.3)からなり、該多重層の少なくとも第1の層に、一導電型不純物がその濃度として5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で添加されて、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)が20以上40以下とされている窒化物半導体発光素子。 In a nitride semiconductor light emitting device in which a light emitting layer having a multiple quantum well structure is formed on a single crystal substrate,
On the n-electrode side of the light emitting layer, there is a multi-layer in which first layers made of In x Ga 1-x N (0 <x <0.3) and second layers made of GaN are alternately laminated. The well layer of the light emitting layer having the multiple quantum well structure is made of In y Ga 1-y N (0 ≦ y <0.3) containing at least In, and at least the first layer of the multiple layer has one conductivity type. Impurities are added in the range of 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 as the concentration, and the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less. A nitride semiconductor light emitting device.
該逆方向電気特性を用いて次回からの該第1の工程において、該単結晶性基板上に形成された多重量子井戸構造の発光層のn電極側に設けた多重層の少なくとも第1の層に、該発光層が受ける静電破壊エネルギ(mJ/cm2)を20以上40以下になるように、一導電型不純物の濃度が5×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲で該一導電型不純物を添加する窒化物半導体発光素子の製造方法。 A first step of forming a nitride semiconductor light emitting device structure on a single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition, and a second step of forming a p-electrode and an n-electrode on the nitride semiconductor light-emitting device structure And a third step of measuring reverse electrical characteristics,
At least the first layer of the multiple layer provided on the n-electrode side of the light emitting layer of the multiple quantum well structure formed on the single crystal substrate in the first step from the next time using the reverse electrical characteristics Further, the concentration of one conductivity type impurity is 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 so that the electrostatic breakdown energy (mJ / cm 2 ) received by the light emitting layer is 20 or more and 40 or less. A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, wherein the impurity of one conductivity type is added in a range.
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