JP2012204362A - Method of manufacturing nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a high-performance nitride semiconductor light-emitting element.SOLUTION: A method of manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element comprises the steps of: forming an n-type nitride semiconductor layer on a substrate; forming a light-emitting layer on the n-type nitride semiconductor layer; forming a p-type nitride semiconductor layer on the light-emitting layer; heat-treating the p-type nitride semiconductor layer at a first temperature in an atmosphere containing oxygen; and heat-treating the p-type nitride semiconductor layer, which is heat-treated at the first temperature, at a second temperature lower than the first temperature in a vacuum atmosphere.

Description

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

化合物半導体発光素子を種々の照明用途に利用するためには、赤、緑および青の光の3原色を発光し得る発光素子が不可欠である。発光ダイオード(LED)に関しては、近年までは3原色のうちの青色LEDが完成されずに欠けていたので、LEDを種々の照明用途に利用することができていなかった。   In order to use the compound semiconductor light emitting device for various lighting applications, a light emitting device capable of emitting three primary colors of red, green, and blue light is indispensable. Regarding light-emitting diodes (LEDs), until recently, blue LEDs of the three primary colors were lacking without being completed, and thus LEDs could not be used for various lighting applications.

しかし、1990年代に窒化物半導体による青色LEDが開発されて以後において、LEDを用いた照明製品は、交通信号機だけに留まることなく、液晶モニターのバックライト、液晶テレビのバックライト、さらには家庭用の各種照明用途などに利用されている。   However, since the development of blue LEDs using nitride semiconductors in the 1990s, lighting products that use LEDs are not limited to traffic lights, but also backlights for LCD monitors, backlights for LCD TVs, and even for home use. It is used for various lighting applications.

最近では、LEDバックライトを搭載した液晶テレビが、その価格の低下に伴って急速に普及し始めている。また、LEDを用いた照明器具は、従来の照明器具に比べて低消費電力、省スペースおよび水銀フリーを可能にし、環境にも望ましいというメリットを有している。そして、2009年夏以後において、それ以前に比べて遥かに安い価格でLEDを用いた照明器具が発売され、その普及が一気に進んでいる。   Recently, liquid crystal televisions equipped with LED backlights have begun to spread rapidly as their prices fall. Moreover, the lighting fixture using LED has the merit that it enables low power consumption, space saving and mercury-free compared with the conventional lighting fixture, and is desirable for the environment. Then, after the summer of 2009, lighting fixtures using LEDs have been released at a much lower price than before, and their spread is rapidly progressing.

上述の照明器具や液晶テレビのバックライトには、白色光が用いられるが、白色光は、一般に、青色LEDおよびYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)黄色蛍光体の組合せ、または、青色LED、緑色蛍光体および赤色蛍光体の組合せにより実現される。すなわち、白色光を実現するためには、必ず青色LEDが必要となる。   White light is used for the backlights of the above-described lighting fixtures and liquid crystal televisions. Generally, white light is a combination of a blue LED and a YAG (yttrium, aluminum, garnet) yellow phosphor, or a blue LED, a green fluorescent light. This is realized by a combination of body and red phosphor. That is, in order to realize white light, a blue LED is always required.

青色LED、青緑色LEDなどの所謂短波長LEDやLD(laser diode)などの半導体発光素子の発光層には、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、またはそれらの混晶などの窒化物半導体が用いられる。以下に、窒化物半導体を用いた青色LEDの一例を、図7を用いて説明する。   In a light emitting layer of a semiconductor light emitting device such as a so-called short wavelength LED such as a blue LED or a blue green LED or an LD (laser diode), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), or their A nitride semiconductor such as a mixed crystal is used. An example of a blue LED using a nitride semiconductor will be described below with reference to FIG.

図7は、従来のダブルヘテロ接合型の青色LEDの一例を示す模式的な断面図である。図7を参照し、青色LED100は、サファイアからなる基板101上に、Siがドープされたn型GaN層からなる下部クラッド層102、InGaN層からなる発光層103、Mgがドープされたp型AlGaNからなる上部クラッド層104、およびp型GaNからなるコンタクト層105がこの順に積層された構造を備えている。コンタクト層105上には導電性薄膜106が形成されており、当該導電性薄膜106上の一部にはp側電極107が設けられている。一方、下部クラッド層102上の一部にはn側電極108が設けられている。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional double heterojunction blue LED. Referring to FIG. 7, a blue LED 100 includes a lower clad layer 102 made of an n-type GaN layer doped with Si, a light emitting layer 103 made of an InGaN layer, and a p-type AlGaN doped with Mg on a substrate 101 made of sapphire. An upper cladding layer 104 made of p-type GaN and a contact layer 105 made of p-type GaN are stacked in this order. A conductive thin film 106 is formed on the contact layer 105, and a p-side electrode 107 is provided on a part of the conductive thin film 106. On the other hand, an n-side electrode 108 is provided on a part of the lower cladding layer 102.

この青色LED100において、p側電極107から電流が注入されると、該電流は導電性薄膜106の面方向に拡散される。そして、拡散された電流は、上部クラッド層104、および発光層103に広面積に流れ込み、これにより、発光層103の広い領域での発光が可能となる。   In the blue LED 100, when current is injected from the p-side electrode 107, the current is diffused in the surface direction of the conductive thin film 106. Then, the diffused current flows into the upper clad layer 104 and the light emitting layer 103 over a wide area, whereby light emission in a wide region of the light emitting layer 103 is possible.

上述の青色LEDのような窒化物半導体発光素子の性能を向上させるための開発は様々な観点から進められている。たとえば、特許文献1には、p側電極の形成工程を工夫することにより、窒化物半導体発光素子の性能を高める技術が提案されている。具体的には、透光性電極形成層とp台座電極形成層とを合金化する際に、酸素を含む雰囲気において比較的低温で熱処理した後に、酸素を含まない雰囲気において比較的高温で熱処理することにより、III族窒化物半導体からなるp型層と透光性電極とのオーミックコンタクトを維持しつつ、p台座電極の表面の酸化に伴うp台座電極と導電性ワイヤとの接合力の低下を抑制する技術が提案されている。   Developments for improving the performance of nitride semiconductor light emitting devices such as the blue LEDs described above have been promoted from various viewpoints. For example, Patent Document 1 proposes a technique for improving the performance of a nitride semiconductor light-emitting device by devising a process for forming a p-side electrode. Specifically, when alloying the translucent electrode formation layer and the p seat electrode formation layer, after heat treatment at a relatively low temperature in an atmosphere containing oxygen, heat treatment at a relatively high temperature in an atmosphere not containing oxygen As a result, while maintaining the ohmic contact between the p-type layer made of a group III nitride semiconductor and the translucent electrode, the bonding force between the p seat electrode and the conductive wire is reduced due to the oxidation of the surface of the p seat electrode. Suppression techniques have been proposed.

また、一般的に、窒化物半導体発光素子は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって形成されるが、p型窒化物半導体層、たとえば、MgがドープされたGaN層をMOCVD法によって形成した場合、この層はこのままではp型伝導性を示さずに高抵抗となることが知られている。これは、反応ガスとしてアンモニア(NH3)などの水素を含むガスを用いるために、GaN結晶中にHが取り込まれ、このHがGaN層にドープされたMgと結合してMg−H複合体を形成することにより、Mgが不活性化するためと考えられている。このため、GaN層をアニール処理して層中のHを除去することにより、窒化物半導体発光素子を低抵抗化させることが行なわれている。 In general, a nitride semiconductor light emitting device is formed by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. A p-type nitride semiconductor layer, for example, a GaN layer doped with Mg is formed by MOCVD method. In this case, this layer is known to have high resistance without exhibiting p-type conductivity. This is because a gas containing hydrogen such as ammonia (NH 3 ) is used as a reaction gas, so that H is taken into the GaN crystal and this H is combined with Mg doped in the GaN layer to form a Mg—H composite. It is considered that Mg is inactivated by forming. For this reason, the resistance of the nitride semiconductor light emitting device is reduced by annealing the GaN layer to remove H in the layer.

たとえば、特許文献2では、MgがドープされたGaN層に対して、実質的に水素を含まない雰囲気下で高温でアニールすることによって、Mg−H複合体の接合手を切断してHをGaN結晶外に追い出すことにより、Mgからの正孔の放出を促進させてGaN層を低抵抗化させる技術が提案されている。また、特許文献3では、MgがドープされたGaN層に対して、O2混合雰囲気下において比較的低温でアニール処理を行う技術が提案されている。 For example, in Patent Document 2, by annealing a Mg-doped GaN layer at a high temperature in an atmosphere that does not substantially contain hydrogen, the joint of the Mg—H composite is cut to form H into GaN. A technique has been proposed in which the resistance of the GaN layer is reduced by expelling out of the crystal to promote the release of holes from Mg. Patent Document 3 proposes a technique for annealing a GaN layer doped with Mg at a relatively low temperature in an O 2 mixed atmosphere.

特開2002−368270号公報JP 2002-368270 A 特開平10−178206号公報JP-A-10-178206 特開平10−209493号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-209493

しかしながら、GaN層に対して高温でアニール処理を行なうと、GaN層からのN抜けが起こり易く、N抜けによってGaN層にドナー型欠陥が生じるために、結果的に、GaN層の正孔濃度が低下してしまうという問題がある。また、高温のアニール処理を長時間行なうことにより、発光層としてのMQW(Multiple Quantum Well)層などにダメージを与えてしまうことが懸念される。さらには、GaN層の正孔濃度は、不純物のドーピング量からすれば、さらに増加させ得るものであって、窒化物半導体発光素子の性能は未だ十分ではない。   However, if annealing is performed on the GaN layer at a high temperature, N loss from the GaN layer is likely to occur, and donor-type defects are generated in the GaN layer due to N loss, resulting in a hole concentration in the GaN layer. There is a problem that it falls. Further, there is a concern that the annealing process at a high temperature for a long time may damage an MQW (Multiple Quantum Well) layer as a light emitting layer. Furthermore, the hole concentration of the GaN layer can be further increased according to the impurity doping amount, and the performance of the nitride semiconductor light emitting device is still not sufficient.

上記事情に鑑みて、本発明は、高い性能を有する窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device having high performance.

本発明は、基板上にn型窒化物半導体層を形成する工程と、n型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、発光層上にp型窒化物半導体層を形成する工程と、p型窒化物半導体層を、酸素を含む雰囲気において、第1温度で熱処理する工程と、第1温度で熱処理したp型窒化物半導体層を、真空雰囲気において、第1温度よりも低い第2温度で熱処理する工程と、を含む窒化物半導体発光素子の製造方法である。   The present invention includes a step of forming an n-type nitride semiconductor layer on a substrate, a step of forming a light-emitting layer on the n-type nitride semiconductor layer, and a step of forming a p-type nitride semiconductor layer on the light-emitting layer. The step of heat-treating the p-type nitride semiconductor layer at a first temperature in an oxygen-containing atmosphere and the second step of lowering the p-type nitride semiconductor layer heat-treated at the first temperature lower than the first temperature in a vacuum atmosphere And a step of heat-treating at a temperature.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、第1温度は、400℃以上700℃以下であり、第2温度は、200℃以上であることが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the first temperature is preferably 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and the second temperature is preferably 200 ° C. or higher.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、酸素を含む雰囲気の圧力は、1気圧以上であり、真空雰囲気は、10Pa以下であることが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the pressure of the atmosphere containing oxygen is preferably 1 atm or more and the vacuum atmosphere is preferably 10 Pa or less.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、酸素を含む雰囲気中における酸素の含有量は1体積%以上30体積%以下であることが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the oxygen content in an oxygen-containing atmosphere is preferably 1% by volume or more and 30% by volume or less.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、p型窒化物半導体層は、AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の式で表される窒化物半導体にp型不純物がドープされてなることが好ましい。 In the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting element, p-type nitride semiconductor layer is, Al x In y Ga z N of (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) The nitride semiconductor represented by the formula is preferably doped with a p-type impurity.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、p型窒化物半導体層には、Mgがドーピングされていることが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the p-type nitride semiconductor layer is preferably doped with Mg.

上記窒化物半導体発光素子の製造方法において、第2温度で熱処理する工程の後に、p型窒化物半導体層上に導電性薄膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。   The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device preferably further includes a step of forming a conductive thin film on the p-type nitride semiconductor layer after the step of heat treatment at the second temperature.

本発明によれば、高い性能を有する窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting device which has high performance can be provided.

本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法によって作製され得る窒化物半導体発光素子の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the nitride semiconductor light-emitting device which can be produced with the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting device of this Embodiment. 図1の線II−IIに沿った模式的な断面図である。It is typical sectional drawing along line II-II of FIG. 図1に示す窒化物半導体発光素子の製造方法の一例の各工程を図解する模式的な断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating each step of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting element shown in FIG. 1. 各種のアニール処理の効果の検討用に作製した積層体の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the laminated body produced for examination of the effect of various annealing treatments. 各種のアニール処理とp型窒化物半導体層の正孔濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between various annealing treatments and the hole density | concentration of a p-type nitride semiconductor layer. 実施例において作製された窒化物半導体発光素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the structure of the nitride semiconductor light-emitting device produced in the Example. 従来の窒化物半導体発光素子の構造の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the structure of the conventional nitride semiconductor light-emitting device.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体発光素子の実施の形態を説明する。以下の実施の形態は一例であり、本発明の範囲内で種々の実施の形態での実施が可能である。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Hereinafter, embodiments of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are merely examples, and various embodiments can be implemented within the scope of the present invention. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

<窒化物半導体発光素子>
図1は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法によって作製され得る窒化物半導体発光素子の一例を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1の線II−IIに沿った模式的な断面図である。
<Nitride semiconductor light emitting device>
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of a nitride semiconductor light-emitting device that can be manufactured by the method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting device of the present embodiment. FIG. 2 is a line II-II in FIG. It is typical sectional drawing along.

図1および図2を参照し、窒化物半導体発光素子10は、基板11上に、下部クラッド層12、発光層13、上部クラッド層14がこの順に積層された積層体を有する。上部クラッド層14上には、導電性薄膜15が形成されており、この導電性薄膜15上には、第1電極16が設けられている。また、下部クラッド層12上には第2電極17が設けられている。   Referring to FIGS. 1 and 2, the nitride semiconductor light emitting device 10 has a stacked body in which a lower cladding layer 12, a light emitting layer 13, and an upper cladding layer 14 are stacked in this order on a substrate 11. A conductive thin film 15 is formed on the upper clad layer 14, and a first electrode 16 is provided on the conductive thin film 15. A second electrode 17 is provided on the lower cladding layer 12.

窒化物半導体発光素子10において、下部クラッド層12、発光層13、および上部クラッド層14によりダブルヘテロ接合が形成されている。また、発光層13は、アンドープ、n型、p型、およびn型とp型の両方の不純物を含んだ各種の半導体層が必要に応じて選択され、これらの半導体層の任意の界面がpn接合面となる。   In the nitride semiconductor light emitting device 10, a double heterojunction is formed by the lower cladding layer 12, the light emitting layer 13, and the upper cladding layer 14. In addition, as the light emitting layer 13, various semiconductor layers containing undoped, n-type, p-type, and both n-type and p-type impurities are selected as necessary, and an arbitrary interface of these semiconductor layers is pn It becomes the joint surface.

(基板)
基板11としては、Alx1Iny1Gaz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦z1≦1、x1+y1+z1=1)、GaP、GaAs、NdGaO3、LiGaO2、Al23(サファイア)、MgAl24、ZnO、Si、SiC、SiGe、またはZrB2の式で表される材料を少なくとも表面に有する基板を用いることが好ましい。
(substrate)
As the substrate 11, Al x1 In y1 Ga z1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 ≦ z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 = 1), GaP, GaAs, NdGaO 3 , LiGaO 2 , Al 2 O 3 (Sapphire), MgAl 2 O 4 , ZnO, Si, SiC, SiGe, or a substrate having at least a material represented by the formula of ZrB 2 on the surface is preferably used.

(n型窒化物半導体層)
n型窒化物半導体層としての下部クラッド層12は、発光層13のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって、発光層13内に電子および正孔をせき止める機能を有する。さらに、下部クラッド層12は、基板11と発光層13との間の緩衝層や、第2電極17との良好なオーミック接触のためのコンタクト層をも含み得る。すなわち、下部クラッド層12は単層または複数層のいずれであってもよい。
(N-type nitride semiconductor layer)
The lower cladding layer 12 as an n-type nitride semiconductor layer has a band gap larger than the band gap of the light emitting layer 13 and functions to block electrons and holes in the light emitting layer 13 by a potential barrier based on the gap difference. Have Further, the lower cladding layer 12 may include a buffer layer between the substrate 11 and the light emitting layer 13 and a contact layer for good ohmic contact with the second electrode 17. That is, the lower cladding layer 12 may be a single layer or a plurality of layers.

下部クラッド層12が単層の場合には、材料として、Alx2Iny2Gaz2N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)の式で表される窒化物半導体にSiなどのn型の不純物がドープされてなるものを用いることが好ましい。下部クラッド層12が複数層の場合には、Alx2Iny2Gaz2N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2=1)の式で表される窒化物半導体にSiなどのn型の不純物がドープされてなるn型窒化物半導体層を含むとともに、アンドープの窒化物半導体層を含んでいてもよい。 When the lower clad layer 12 is a single layer, the material is expressed by the formula of Al x2 In y2 Ga z2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1). It is preferable to use a nitride semiconductor doped with an n-type impurity such as Si. When the lower cladding layer 12 has a plurality of layers, a nitride represented by the formula Al x2 In y2 Ga z2 N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 = 1) The semiconductor may include an n-type nitride semiconductor layer in which an n-type impurity such as Si is doped, and an undoped nitride semiconductor layer.

このような複数層からなる下部クラッド層12の積層構造としては、たとえば、バッファ層、アンドープ層、n型ドーピング層、n型コンタクト層などを適宜選択して積層させた構成とすることができ、より具体的には、InGaN/GaN、InGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、InGaN/InGaNのような積層構造としてもよく、複数層が繰り返し積層された周期的な積層構造としてもよい。なお、これらの積層構造は、超格子構造を形成していてもよい。   As the laminated structure of the lower clad layer 12 composed of a plurality of layers, for example, a buffer layer, an undoped layer, an n-type doped layer, an n-type contact layer, and the like can be appropriately selected and laminated. More specifically, it may be a laminated structure such as InGaN / GaN, InGaN / AlGaN, AlGaN / GaN, InGaN / InGaN, or a periodic laminated structure in which a plurality of layers are repeatedly laminated. Note that these laminated structures may form a superlattice structure.

(発光層)
発光層13は、MQW構造、SQW構造(Sigle Quantum Well)などの積層構造とすることができる。発光層13は、なかでも、障壁層と井戸層とを交互に積層させた、MQW構造であることが好ましい。障壁層および井戸層のそれぞれの厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なり、井戸層の厚さは、2nm以上20nm以下であることが好ましい。
(Light emitting layer)
The light emitting layer 13 may have a laminated structure such as an MQW structure or an SQW structure (Sigle Quantum Well). In particular, the light emitting layer 13 preferably has an MQW structure in which barrier layers and well layers are alternately stacked. The optimum thickness of each of the barrier layer and the well layer varies depending on the wavelength at which the well layer emits light, and the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 20 nm or less.

障壁層および井戸層のそれぞれの材料には、Alx3Iny3Gaz3N(0≦x3≦1、0≦y3≦1、0≦z3≦1、x3+y3+z3=1)およびAlx4Iny4Gaz4N(0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1、x4+y4+z4=1)の式で表される窒化物半導体を用いることができる。また、障壁層および井戸層の少なくとも一方に、p型不純物またはn型不純物をドーピングされていてもよい。なお、発光層13が複数の井戸層を含む場合、少なくとも1つの井戸層が発光作用を果たせばよい。 The materials of the barrier layer and the well layer include Al x3 In y3 Ga z3 N (0 ≦ x3 ≦ 1, 0 ≦ y3 ≦ 1, 0 ≦ z3 ≦ 1, x3 + y3 + z3 = 1) and Al x4 In y4 Ga z4 N A nitride semiconductor represented by the formula (0 ≦ x4 ≦ 1, 0 ≦ y4 ≦ 1, 0 ≦ z4 ≦ 1, x4 + y4 + z4 = 1) can be used. Further, at least one of the barrier layer and the well layer may be doped with a p-type impurity or an n-type impurity. In the case where the light emitting layer 13 includes a plurality of well layers, at least one well layer may perform the light emitting action.

(p型窒化物半導体層)
p型窒化物半導体層としての上部クラッド層14は、下部クラッド層12と同様に、発光層13のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって、発光層13内に電子および正孔をせき止める機能を有する。さらに、上部クラッド層14は、蒸発防止層、キャリアブロック層、または電流拡散層としての機能する層を含み得る。すなわち、上部クラッド層14は単層または複数層のいずれであってもよい。
(P-type nitride semiconductor layer)
The upper clad layer 14 as the p-type nitride semiconductor layer has a band gap larger than the band gap of the light emitting layer 13, similarly to the lower clad layer 12. Has the function of blocking electrons and holes. Further, the upper clad layer 14 may include a layer that functions as an evaporation preventing layer, a carrier block layer, or a current spreading layer. That is, the upper cladding layer 14 may be a single layer or a plurality of layers.

上部クラッド層14が単層の場合には、材料として、AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の式で表される窒化物半導体にMgなどのp型の不純物がドープされてなるものを用いることが好ましい。上部クラッド層14が複数層の場合には、AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の式で表される窒化物半導体にMgなどのp型の不純物がドープされてなるp型窒化物半導体層を含むとともに、アンドープの窒化物半導体層を含んでいてもよい。 If the upper cladding layer 14 is a single layer, as the material is represented by the formula Al x In y Ga z N ( 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) It is preferable to use a nitride semiconductor doped with a p-type impurity such as Mg. If the upper cladding layer 14 is a plurality of layers, Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) nitride represented by the formula The semiconductor may include a p-type nitride semiconductor layer obtained by doping a p-type impurity such as Mg and an undoped nitride semiconductor layer.

このような複数層からなる上部クラッド層14の積層構造としては、たとえば、InGaN/GaN、InGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、InGaN/InGaNのような積層構造としてもよく、複数層が繰り返し積層された周期的な積層構造としてもよい。なお、これらの積層構造は、超格子構造を形成していてもよい。   Such a laminated structure of the upper clad layer 14 composed of a plurality of layers may be a laminated structure such as InGaN / GaN, InGaN / AlGaN, AlGaN / GaN, InGaN / InGaN, and a plurality of layers are repeatedly laminated. A periodic laminated structure may be used. Note that these laminated structures may form a superlattice structure.

また、上部クラッド層14の厚さは、500nm以下であることが好ましい。上部クラッド層14の厚みが500nm以下であることにより、上部クラッド層14の形成時に、発光層13が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることを抑制することができるため、発光層13の熱劣化による非発光領域の増大を抑制することができる。本実施の形態において、上部クラッド層14は、3×1017個/cm3以上の正孔濃度を有することができる。 In addition, the thickness of the upper cladding layer 14 is preferably 500 nm or less. Since the thickness of the upper cladding layer 14 is 500 nm or less, the light emitting layer 13 can be prevented from being exposed to heat at a high temperature for a long time when the upper cladding layer 14 is formed. An increase in the non-light emitting region due to thermal degradation can be suppressed. In the present embodiment, the upper clad layer 14 can have a hole concentration of 3 × 10 17 holes / cm 3 or more.

(コンタクト層)
ここで、本実施の形態において、上部クラッド層14と導電性薄膜15との間に、コンタクト層を設けることが好ましい。コンタクト層を設けることにより、上部クラッド層14と導電性薄膜15との接触抵抗を低減させることができる。このようなコンタクト層としては、Alx5Iny5Gaz5N(0≦x5≦1、0≦y5≦1、0≦z5≦1、x5+y5+z5=1)の式で表される窒化物半導体に、上部クラッド層14よりも高濃度にp型不純物をドープした窒化物半導体層を用いることが好ましい。なお、コンタクト層を形成せず、上部クラッド層14と導電性薄膜15とが直接接触する場合には、上部クラッド層14において、導電性薄膜15側の表面近傍のp型不純物の濃度が高濃度であることが好ましい。
(Contact layer)
Here, in the present embodiment, it is preferable to provide a contact layer between the upper clad layer 14 and the conductive thin film 15. By providing the contact layer, the contact resistance between the upper cladding layer 14 and the conductive thin film 15 can be reduced. As such a contact layer, a nitride semiconductor represented by the formula of Al x5 In y5 Ga z5 N (0 ≦ x5 ≦ 1, 0 ≦ y5 ≦ 1, 0 ≦ z5 ≦ 1, x5 + y5 + z5 = 1) It is preferable to use a nitride semiconductor layer doped with p-type impurities at a higher concentration than the cladding layer 14. When the upper cladding layer 14 and the conductive thin film 15 are in direct contact without forming a contact layer, the upper cladding layer 14 has a high concentration of p-type impurities near the surface on the conductive thin film 15 side. It is preferable that

(導電性薄膜)
導電性薄膜15は、発光層13からの光を透過させるとともに、接触する半導体層に対するコンタクトを形成してその表面全体に電流を拡散させることにより、その下方にある発光層13の発光面積を拡大する機能を有する。このため、導電性薄膜15の材料としては、コンタクト層または上部クラッド層14に比べて低抵抗の材料を用いることが好ましく、これにより、第1電極16から注入される電流を導電性薄膜15の面方向に拡散させることができる。このような導電性薄膜15を構成する材料としては、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)を好ましく使用することができる。なかでも、透光性およびコンタクト抵抗の観点から、ITOを使用することが特に好ましい。
(Conductive thin film)
The conductive thin film 15 transmits light from the light emitting layer 13 and forms a contact with the semiconductor layer to be contacted to diffuse current over the entire surface, thereby expanding the light emitting area of the light emitting layer 13 below the conductive thin film 15. It has the function to do. For this reason, it is preferable to use a material having a lower resistance than that of the contact layer or the upper clad layer 14 as the material of the conductive thin film 15, so that the current injected from the first electrode 16 is supplied to the conductive thin film 15. It can be diffused in the surface direction. For example, ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), AZO (Aluminum Zinc Oxide), and GZO (Gallium Zinc Oxide) can be preferably used as the material constituting the conductive thin film 15. . Among these, it is particularly preferable to use ITO from the viewpoint of translucency and contact resistance.

導電性薄膜15の厚さは、100nm以上400nm以下であることが好ましい。導電性薄膜15の厚さが100nm以上であることにより、シート抵抗を低く保つことができ、400nm以下であることにより、導電性薄膜15の高い光透過性を維持することができる。   The thickness of the conductive thin film 15 is preferably 100 nm or more and 400 nm or less. When the thickness of the conductive thin film 15 is 100 nm or more, the sheet resistance can be kept low, and when the thickness is 400 nm or less, the high light transmittance of the conductive thin film 15 can be maintained.

(第1電極および第2電極)
第1電極16および第2電極17は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。第1電極16および第2電極17は、公知の態様で形成することができ、たとえば、Ti、Al、Auなどの材料を用いることができる。また、第1電極16および第2電極17は単層構造に限られず、多層構造であってもよい。第1電極16および第2電極17が多層構造からなる場合には、その最上層としては厚さ500nm以上のAu層を形成することが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子10をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
(First electrode and second electrode)
The first electrode 16 and the second electrode 17 serve as a wire bond base that is electrically connected to an external circuit. The first electrode 16 and the second electrode 17 can be formed in a known manner, and for example, materials such as Ti, Al, and Au can be used. The first electrode 16 and the second electrode 17 are not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure. When the first electrode 16 and the second electrode 17 have a multilayer structure, it is preferable to form an Au layer having a thickness of 500 nm or more as the uppermost layer. Thereby, when mounting the nitride semiconductor light emitting element 10 in a package, wire bond stability with an external circuit can be ensured.

なお、発光層13からの発光の一部は、上部クラッド層14側の方向に発せられる。したがって、第1電極16は、発光層13から上部クラッド層14側への光取り出し方向に配置される電極となる。他方、図1および図2に示された第2電極17は、基板11が絶縁性材料からなる場合の配置を例示している。すなわち、基板11として絶縁性材料を用いる場合には、第2電極17は下部クラッド層12の一部露出領域上に設けられ、基板11として導電性材料を用いる場合には、第2電極17は基板11の底面上に形成され得る。   A part of the light emitted from the light emitting layer 13 is emitted in the direction of the upper cladding layer 14 side. Therefore, the first electrode 16 is an electrode arranged in the light extraction direction from the light emitting layer 13 to the upper cladding layer 14 side. On the other hand, the 2nd electrode 17 shown by FIG. 1 and FIG. 2 has illustrated the arrangement | positioning in case the board | substrate 11 consists of an insulating material. That is, when an insulating material is used as the substrate 11, the second electrode 17 is provided on a partially exposed region of the lower cladding layer 12, and when a conductive material is used as the substrate 11, the second electrode 17 is It can be formed on the bottom surface of the substrate 11.

<窒化物半導体発光素子の製造方法>
本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法では、窒化物半導体発光素子を製造する際に、形成されたp型窒化物半導体層を、酸素を含む雰囲気において、第1温度で熱処理(第1アニール処理)した後、真空雰囲気において、第1温度よりも低い第2温度で熱処理(第2アニール処理)することを特徴とする。
<Nitride Semiconductor Light-Emitting Device Manufacturing Method>
In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present embodiment, when the nitride semiconductor light emitting device is manufactured, the formed p-type nitride semiconductor layer is heat-treated at a first temperature in an atmosphere containing oxygen (first step). After the first annealing treatment, heat treatment (second annealing treatment) is performed at a second temperature lower than the first temperature in a vacuum atmosphere.

図3は、図1に示す窒化物半導体発光素子の製造方法の一例の各工程を図解する模式的な断面図を示す。以下、図3を参照して、本実施の形態の窒化物半導体発光素子10の製造方法について説明する。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating each step of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. Hereinafter, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG.

(n型窒化物半導体層の形成)
まず、基板11をMOCVD装置内に設置し、MOCVD法により、図3(a)に示すように、基板11上にn型窒化物半導体層としての下部クラッド層12を成長させる。
(Formation of n-type nitride semiconductor layer)
First, the substrate 11 is placed in an MOCVD apparatus, and a lower cladding layer 12 as an n-type nitride semiconductor layer is grown on the substrate 11 by MOCVD, as shown in FIG.

たとえば、MOCVD装置内において、基板11を1000℃以上で加熱し、窒素、水素などのキャリアガスと共に、III族源原料ガス、Siなどのn型不純物を含むドーピングガス、および窒素源原料ガスをMOCVD装置内に導入して、基板11上に下部クラッド層12を成長させる。   For example, in a MOCVD apparatus, the substrate 11 is heated at 1000 ° C. or more, and a group III source gas, a doping gas containing an n-type impurity such as Si, and a nitrogen source material gas are MOCVD together with a carrier gas such as nitrogen and hydrogen. The lower clad layer 12 is grown on the substrate 11 by being introduced into the apparatus.

この場合、III族源原料ガスとしては、たとえば、TMG((CH33Ga:トリメチルガリウム)ガス、TEG((C253Ga:トリエチルガリウム)ガス、TMA((CH33Al:トリメチルアルミニウム)ガス、TEA((C253Al:トリエチルアルミニウム)ガス、TMI((CH33In:トリメチルインジウム)ガス、またはTEI((C253In:トリエチルインジウム)ガスを用いることができる。また、ドーピングガスとしては、たとえば、SiH4(シラン)ガスを用いることができる。また、窒素源原料ガスとしては、たとえば、アンモニアガスを用いることができる。 In this case, as the group III source gas, for example, TMG ((CH 3 ) 3 Ga: trimethylgallium) gas, TEG ((C 2 H 5 ) 3 Ga: triethylgallium) gas, TMA ((CH 3 ) 3 Al: trimethylaluminum) gas, TEA ((C 2 H 5 ) 3 Al: triethylaluminum) gas, TMI ((CH 3 ) 3 In: trimethylindium) gas, or TEI ((C 2 H 5 ) 3 In: triethyl Indium) gas can be used. As the doping gas, for example, it can be used SiH 4 (silane) gas. As the nitrogen source material gas, for example, ammonia gas can be used.

(発光層の形成)
次に、同MOCVD装置内において、MOCVD法により、図3(b)に示すように、下部クラッド層12上に発光層13を成長させる。
(Formation of light emitting layer)
Next, in the MOCVD apparatus, a light emitting layer 13 is grown on the lower cladding layer 12 by MOCVD as shown in FIG.

たとえば、MOCVD装置内の基板11を1000℃以上で加熱し、Ga源原料ガスおよび窒素源原料ガスをMOCVD装置内に導入して、下部クラッド層12上にGaNからなる障壁層を成長させ、引き続き、In原料ガス、Ga原料ガスおよび窒素源原料ガスをMOCVD装置内に導入して、障壁層上に、InpGa1-pN(0<p<1)からなる井戸層を成長させる。これを繰り返すことにより、周期的な積層構造を有するMQW構造の発光層13を成長させることができる。なお、用いられ得るIII族源原料ガスおよび窒素源原料ガスは、上記と同様である。 For example, the substrate 11 in the MOCVD apparatus is heated at 1000 ° C. or higher, a Ga source material gas and a nitrogen source material gas are introduced into the MOCVD apparatus, and a barrier layer made of GaN is grown on the lower clad layer 12. Then, an In source gas, a Ga source gas, and a nitrogen source source gas are introduced into the MOCVD apparatus, and a well layer made of In p Ga 1-p N (0 <p <1) is grown on the barrier layer. By repeating this, the light emitting layer 13 having an MQW structure having a periodic laminated structure can be grown. The group III source gas and the nitrogen source gas that can be used are the same as described above.

(p型窒化物半導体層の形成)
次に、同MOCVD装置内において、MOCVD法により、図3(c)に示すように、発光層13上にp型窒化物半導体層としての上部クラッド層14を成長させる。
(Formation of p-type nitride semiconductor layer)
Next, in the MOCVD apparatus, as shown in FIG. 3C, an upper cladding layer 14 as a p-type nitride semiconductor layer is grown on the light emitting layer 13 by MOCVD.

たとえば、MOCVD装置内において、基板11を1000℃以上で加熱し、窒素、水素などのキャリアガスと共に、III族源原料ガス、Mgなどのp型不純物を含むドーピングガス、および窒素源原料ガスをMOCVD装置内に導入して、発光層13上に上部クラッド層14を成長させる。   For example, in a MOCVD apparatus, the substrate 11 is heated at 1000 ° C. or more, and a group III source gas, a doping gas containing a p-type impurity such as Mg, and a nitrogen source gas are mixed with a carrier gas such as nitrogen and hydrogen. An upper cladding layer 14 is grown on the light emitting layer 13 by introducing into the device.

この場合、ドーピングガスとしては、たとえば、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)ガスまたは(EtCp)2Mg(ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム)ガスを利用することができる。なお、(EtCp)2Mgガスは常温常圧の条件下で液体なので、その条件下で固体であるCp2Mgガスに比べて、MOCVD装置内への導入量を変化させるときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。なお、用いられ得るIII族源原料ガスおよび窒素源原料ガスは、上記と同様である。 In this case, for example, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) gas or (EtCp) 2 Mg (bisethylcyclopentadienyl magnesium) gas can be used as the doping gas. Since (EtCp) 2 Mg gas is liquid under normal temperature and normal pressure conditions, it has better response when changing the amount introduced into the MOCVD apparatus than Cp 2 Mg gas, which is solid under those conditions And it is easy to keep the vapor pressure constant. The group III source gas and the nitrogen source gas that can be used are the same as described above.

また、同MOCVD装置内において、MOCVD法により、上部クラッド層14上にコンタクト層を形成してもよい。なお、コンタクト層は上部クラッド層14よりも高濃度にp型不純物がドーピングされてることが好ましいため、コンタクト層の成長において、上部クラッド層14を成長させる場合よりも、ドーピングガスの導入量を増加させることが好ましい。   In the MOCVD apparatus, a contact layer may be formed on the upper clad layer 14 by MOCVD. Since the contact layer is preferably doped with p-type impurities at a higher concentration than the upper clad layer 14, the amount of doping gas introduced is larger in the growth of the contact layer than when the upper clad layer 14 is grown. It is preferable to make it.

(第1アニール処理)
次に、以上の処理により形成された、基板11、下部クラッド層12、発光層13および上部クラッド層14がこの順に積層された積層体を、酸素を含む雰囲気において、第1温度で熱処理することにより、第1アニール処理を行う。たとえば、上記積層体をアニール炉内に収容し、該アニール炉内に酸素を含むガスを導入してアニール炉内を酸素を含む雰囲気とし、アニール炉内を第1温度で加熱する。なお、上部クラッド層14の上にコンタクト層を形成する場合には、コンタクト層形成後に第1アニール処理を行うことが好ましい。
(First annealing treatment)
Next, the laminated body in which the substrate 11, the lower clad layer 12, the light emitting layer 13, and the upper clad layer 14 formed in this manner are laminated in this order is heat-treated at a first temperature in an oxygen-containing atmosphere. Thus, the first annealing process is performed. For example, the laminated body is accommodated in an annealing furnace, a gas containing oxygen is introduced into the annealing furnace to make the annealing furnace an atmosphere containing oxygen, and the annealing furnace is heated at a first temperature. When a contact layer is formed on the upper clad layer 14, it is preferable to perform a first annealing process after the contact layer is formed.

(第2アニール処理)
引き続き、第1アニール処理後の積層体を、真空雰囲気において、第1温度よりも低い第2温度で熱処理することにより、第2アニール処理を行う。たとえば、第1アニール処理後の積層体を収容するアニール炉内を減圧して真空雰囲気にし、アニール炉内を第1温度よりも低い第2温度で加熱する。なお、真空雰囲気とは、雰囲気圧力が10Pa以下の場合をいう。
(Second annealing treatment)
Subsequently, the laminated body after the first annealing treatment is heat-treated in a vacuum atmosphere at a second temperature lower than the first temperature, thereby performing the second annealing treatment. For example, the inside of the annealing furnace containing the laminated body after the first annealing treatment is depressurized to form a vacuum atmosphere, and the inside of the annealing furnace is heated at a second temperature lower than the first temperature. In addition, a vacuum atmosphere means the case where atmospheric pressure is 10 Pa or less.

第1アニール処理前の上部クラッド層14には水素(H)が取り込まれており、ドーピングされたMgの一部はこの水素(H)とMg−H複合体を形成して不活性化されている。このため、上部クラッド層14の正孔濃度は、ドーピングされたMgの濃度から想定される濃度よりも低い。このような上部クラッド層14に対して、上記のように、第1アニール処理および第2アニール処理を行うことにより、上部クラッド層14の正孔濃度を高めることができる。その理由は以下のように考えられる。   Hydrogen (H) is taken into the upper cladding layer 14 before the first annealing treatment, and part of the doped Mg is inactivated by forming a Mg—H complex with this hydrogen (H). Yes. For this reason, the hole concentration of the upper cladding layer 14 is lower than the concentration assumed from the concentration of doped Mg. The hole concentration of the upper cladding layer 14 can be increased by performing the first annealing process and the second annealing process on the upper cladding layer 14 as described above. The reason is considered as follows.

第1アニール処理において、上部クラッド層14を酸素(O)を含む雰囲気下で加熱すると、熱エネルギーによってMg−H複合体中のMgと水素(H)との接合手が切断される。そして、酸素(O)と上部クラッド層14の表面の水素(H)とが反応することによって上部クラッド層14表面から水素(H)が脱離され、不活性化していたMgが活性化する。また、第2アニール処理において、アニール炉内を真空雰囲気とし、第1温度よりも低い第2温度で上部クラッド層14を加熱することにより、上部クラッド層14からの水素(H)脱離を効率的に行なうことができる。   In the first annealing treatment, when the upper clad layer 14 is heated in an atmosphere containing oxygen (O), the joint between Mg and hydrogen (H) in the Mg—H composite is cut by thermal energy. Then, oxygen (O) reacts with hydrogen (H) on the surface of the upper clad layer 14, whereby hydrogen (H) is desorbed from the surface of the upper clad layer 14, and the deactivated Mg is activated. In the second annealing process, the annealing furnace is placed in a vacuum atmosphere, and the upper cladding layer 14 is heated at a second temperature lower than the first temperature, thereby efficiently removing hydrogen (H) from the upper cladding layer 14. Can be done automatically.

酸素(O)を含む雰囲気下で第1アニール処理を行なうことにより、第1加熱温度を従来のアニール処理の温度よりも低い温度としても、酸素(O)が触媒的な役割を果たし、上部クラッド層14表面からの水素(H)の脱離を効率的に行なうことができ、引き続き、真空雰囲気下で第2アニール処理を行うことにより、第2加熱温度を第1加熱温度よりも低い温度としても、上部クラッド層14からの水素(H)の脱離を効率的に行なうことができる。したがって、従来よりも低い温度での熱処理によって水素(H)の脱離を行なうことができるため、高温での加熱により発生する窒素(N)抜けを抑制することができる。   By performing the first annealing process in an atmosphere containing oxygen (O), even if the first heating temperature is lower than the temperature of the conventional annealing process, oxygen (O) plays a catalytic role, and the upper cladding The desorption of hydrogen (H) from the surface of the layer 14 can be efficiently performed, and subsequently the second annealing process is performed in a vacuum atmosphere, so that the second heating temperature is lower than the first heating temperature. Also, desorption of hydrogen (H) from the upper cladding layer 14 can be performed efficiently. Accordingly, hydrogen (H) can be desorbed by a heat treatment at a temperature lower than that in the prior art, so that nitrogen (N) escape generated by heating at a high temperature can be suppressed.

このように、上部クラッド層14からの水素(H)の脱離を効率的に行なうことができるともに、上部クラッド層14からの窒素抜けを抑制することができるため、Mgを活性化するとともに、窒素抜けにより生じるドナー型欠陥の生成を抑制することができ、結果的に、上部クラッド層14の正孔濃度を大きく増加させることができる。   As described above, hydrogen (H) can be efficiently desorbed from the upper cladding layer 14 and nitrogen desorption from the upper cladding layer 14 can be suppressed, so that Mg is activated, Generation of donor-type defects caused by nitrogen desorption can be suppressed, and as a result, the hole concentration of the upper cladding layer 14 can be greatly increased.

ここで、上述の効果を検証するために、次の検討を行った。まず、図4に示すように、サファイア基板21上に、MOCVD法によって、アンドープのGaN層22と、Mgがドープされたp型GaN層23とをこの順に成長させて、積層体20を4個作製した。なお、Mgのドーピング濃度は4×1019個/cm3であった。そして、作製した各積層体20のそれぞれに対し、以下(1)〜(4)の各処理を行った後、処理後の各積層体20のp型GaN層23の正孔濃度(個/cm3)をホール測定法により測定した。
(1)アニール処理なし。
(2)N2雰囲気、常圧環境下において800℃で5分間アニール処理を行った。
(3)N2雰囲気、常圧環境下において800℃で5分間アニール処理後、O2を含む雰囲気(O2が2体積%、N2が98体積%)、常圧環境下において600℃で10分間アニール処理を行い、引き続き、真空環境下において420℃で5分間アニール処理を行った。
(4)酸素を含む雰囲気(O2が2体積%、N2が98体積%)、常圧環境下において600℃で10分間アニール処理を行った後、真空環境下において420℃で5分間アニール処理を行った。
(なお、上記検討において、常圧環境下とは、1気圧以上をいい、真空環境下とは、10Pa以下をいう。)
上記(1)〜(4)の各処理を行った各積層体20のp型GaN層23における正孔濃度を図5に示す。図5を参照し、上記(1)および従来のアニール処理方法である上記(2)の場合よりも、上記(3)および上記(4)の場合のほうが正孔濃度が高かった。この結果から、p型窒化物半導体層を、酸素を含む雰囲気において、従来のアニール処理の温度よりも低い第1温度で熱処理した後、真空雰囲気において、第1温度よりも低い第2温度で熱処理することにより、p型窒化物半導体層の正孔濃度を高めることができることが確認された。
Here, the following examination was performed in order to verify the above-mentioned effect. First, as shown in FIG. 4, an undoped GaN layer 22 and a p-type GaN layer 23 doped with Mg are grown in this order on a sapphire substrate 21 by MOCVD, so that four stacked bodies 20 are obtained. Produced. The Mg doping concentration was 4 × 10 19 atoms / cm 3 . And after performing each process of following (1)-(4) with respect to each of each produced laminated body 20, the hole density | concentration (piece / cm) of the p-type GaN layer 23 of each laminated body 20 after a process. 3 ) was measured by the Hall measurement method.
(1) No annealing treatment.
(2) Annealing was performed at 800 ° C. for 5 minutes in an N 2 atmosphere and normal pressure environment.
(3) N 2 atmosphere, after 5 min annealing at 800 ° C. under normal pressure, the atmosphere containing O 2 (O 2 is 2 vol%, N 2 98 vol%), at 600 ° C. under normal pressure Annealing treatment was performed for 10 minutes, followed by annealing at 420 ° C. for 5 minutes in a vacuum environment.
(4) Annealing treatment is performed at 600 ° C. for 10 minutes in an atmosphere containing oxygen (O 2 is 2% by volume, N 2 is 98% by volume) under normal pressure, and then annealed at 420 ° C. for 5 minutes in a vacuum Processed.
(In the above examination, the atmospheric pressure environment means 1 atm or more, and the vacuum environment means 10 Pa or less.)
FIG. 5 shows the hole concentration in the p-type GaN layer 23 of each stacked body 20 that has been subjected to the processes (1) to (4). Referring to FIG. 5, the hole concentration was higher in the cases (3) and (4) than in the case (1) and the case (2) that is the conventional annealing method. From this result, the p-type nitride semiconductor layer is heat-treated in an oxygen-containing atmosphere at a first temperature lower than the temperature of the conventional annealing treatment, and then in a vacuum atmosphere at a second temperature lower than the first temperature. As a result, it was confirmed that the hole concentration of the p-type nitride semiconductor layer can be increased.

上記の第1アニール処理において、酸素を含むガスとしては、O2、O3、CO、CO2、NO、NO2などを用いることができる。また、第1加熱温度は、400℃以上700℃以下であることが好ましい。これにより、従来のアニール処理に必要な加熱温度(たとえば、800℃以上)よりも低い温度での水素(H)の脱離が可能であるため、窒素抜けを効率的に抑制することができ、また、発光層13へのダメージの影響を抑制することができる。また、第1加熱温度は、600℃以下であることがより好ましい。 In the first annealing treatment, as the gas containing oxygen, O 2 , O 3 , CO, CO 2 , NO, NO 2 or the like can be used. Moreover, it is preferable that 1st heating temperature is 400 degreeC or more and 700 degrees C or less. Thereby, since desorption of hydrogen (H) at a temperature lower than a heating temperature (for example, 800 ° C. or higher) necessary for conventional annealing treatment is possible, nitrogen desorption can be efficiently suppressed, Moreover, the influence of the damage to the light emitting layer 13 can be suppressed. The first heating temperature is more preferably 600 ° C. or lower.

また、第1アニール処理時に、酸素を含むガスとともに窒素ガス(N2)をアニール炉内に導入することが好ましい。これにより、上部クラッド層14からの窒素(N)抜けをさらに抑制することができる。特に、処理室内における酸素の含有量を2体積%以上30体積%以下とすることが好ましく、これにより、上部クラッド層14からの窒素(N)抜けが効果的に抑制され、酸素(O)と水素(H)との反応を効率的に行うことができる。 Further, it is preferable to introduce nitrogen gas (N 2 ) into the annealing furnace together with the gas containing oxygen during the first annealing treatment. Thereby, nitrogen (N) escape from the upper cladding layer 14 can be further suppressed. In particular, the oxygen content in the processing chamber is preferably 2% by volume or more and 30% by volume or less, which effectively suppresses nitrogen (N) escape from the upper clad layer 14 and oxygen (O). Reaction with hydrogen (H) can be performed efficiently.

また、第1アニール処理時の処理室内の圧力は、1気圧以上であることが好ましい。これにより、窒素(N)抜けを抑制して、酸素(O)と水素(H)との反応を効率的に行うことができる。また、第1アニール処理は、0.1分以上60分以下の時間で行なうことが好ましい。また、第2アニール処理は、0.1分以上60分以下の時間で行なうことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the pressure in the process chamber at the time of the first annealing process is 1 atm or more. Thereby, nitrogen (N) escape can be suppressed and reaction of oxygen (O) and hydrogen (H) can be performed efficiently. Moreover, it is preferable that the first annealing treatment is performed for a time of 0.1 minutes to 60 minutes. In addition, the second annealing treatment is preferably performed for a time of 0.1 minutes to 60 minutes.

(導電性薄膜の形成)
図3に戻り、次に、図3(d)に示すように、上部クラッド層14上に導電性薄膜15を形成する。たとえば、電子線蒸着法、真空蒸着法、スパッタ法またはイオンプレーティング法などを用いることにより、上部クラッド層14上にITOやIZOからなる導電性薄膜15を堆積させることができる。なお、コンタクト層を形成した場合には、コンタクト層上に導電性薄膜15が形成される。また、導電性薄膜15には、アニール処理を行うことが好ましい。これにより、導電性薄膜15の抵抗を低下させることができる。
(Formation of conductive thin film)
Returning to FIG. 3, next, as shown in FIG. 3D, the conductive thin film 15 is formed on the upper cladding layer 14. For example, the conductive thin film 15 made of ITO or IZO can be deposited on the upper clad layer 14 by using an electron beam evaporation method, a vacuum evaporation method, a sputtering method, an ion plating method, or the like. When a contact layer is formed, the conductive thin film 15 is formed on the contact layer. The conductive thin film 15 is preferably annealed. Thereby, the resistance of the conductive thin film 15 can be reduced.

(第1電極および第2電極の形成)
次に、図3(e)に示すように、導電性薄膜15上に、導電性薄膜15の一部が露出するような所定の形状のマスク18を形成する。マスク18としては、たとえば、フォトリソグラフィ法によって形成されるレジスト膜を用いることができる。
(Formation of first electrode and second electrode)
Next, as shown in FIG. 3E, a mask 18 having a predetermined shape is formed on the conductive thin film 15 so that a part of the conductive thin film 15 is exposed. As the mask 18, for example, a resist film formed by a photolithography method can be used.

そして、図3(f)に示すように、マスク18の上方からエッチングを行なうことによって、マスク18に覆われていない部分をエッチングして下部クラッド層12の一部を露出させる。その後、マスク18を除去し、上部クラッド層14の表面および下部クラッド層12の表面のそれぞれに、第1電極16としてのp側電極、および第2電極17としてのn側電極を形成することによって、図1および図2に示す窒化物半導体発光素子を製造することができる。   Then, as shown in FIG. 3 (f), by etching from above the mask 18, the portion not covered with the mask 18 is etched to expose a part of the lower cladding layer 12. Thereafter, the mask 18 is removed, and a p-side electrode as the first electrode 16 and an n-side electrode as the second electrode 17 are formed on the surface of the upper cladding layer 14 and the surface of the lower cladding layer 12, respectively. The nitride semiconductor light emitting device shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured.

以上の理由により、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上部クラッド層14の正孔濃度を高めることができ、もって、高い性能を有する窒化物半導体発光素子10を製造することができる。   For the above reasons, according to the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment, the hole concentration of the upper cladding layer 14 can be increased, and thus the nitride semiconductor light emitting device 10 having high performance is manufactured. can do.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

(実施例1)
本実施例において、図6に示す窒化物半導体発光素子を作製した。以下に、図6の窒化物半導体発光素子の具体的な製造方法について説明する。
Example 1
In this example, the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 6 was produced. Hereinafter, a specific method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device of FIG. 6 will be described.

まず、基板として、表面に凹凸加工が施されたサファイア基板上に、AlNバッファ層、アンドープGaN層、n型GaN層が形成されたテンプレート基板31を用意した。なお、n型GaN層にドープされたSiの濃度は6×1018個/cm3であった。 First, as a substrate, a template substrate 31 was prepared in which an AlN buffer layer, an undoped GaN layer, and an n-type GaN layer were formed on a sapphire substrate having a roughened surface. The concentration of Si doped in the n-type GaN layer was 6 × 10 18 / cm 3 .

このテンプレート基板31をMOCVD装置内に設置し、テンプレート基板31を1000℃で加熱し、その状態でテンプレート基板31上に、n型窒化物半導体層としての厚さ1.5μmのSiドープGaN層32をMOCVD法により気相成長させた。MOCVD法において、n型不純物のドーピングガスとしてSiH4が用いられ、SiドープGaN層32にドープされたSiの濃度は、6×1018個/cm3であった。 This template substrate 31 is placed in an MOCVD apparatus, the template substrate 31 is heated at 1000 ° C., and in this state, an Si-doped GaN layer 32 having a thickness of 1.5 μm as an n-type nitride semiconductor layer is formed on the template substrate 31. Was vapor-phase grown by MOCVD. In the MOCVD method, SiH 4 was used as an n-type impurity doping gas, and the concentration of Si doped in the Si-doped GaN layer 32 was 6 × 10 18 / cm 3 .

次に、MOCVD装置内の温度を850℃まで低下させ、6層の障壁層と6層の井戸層とがそれぞれ交互に積層された周期的な積層構造上にバリア層が設けられた発光層33をMOCVD法により気相成長させた。   Next, the temperature in the MOCVD apparatus is lowered to 850 ° C., and the light emitting layer 33 in which the barrier layer is provided on the periodic laminated structure in which the six barrier layers and the six well layers are alternately laminated. Was vapor-phase grown by MOCVD.

次に、MOCVD装置内の温度を1100℃まで昇温し、発光層33上に、MgドープAlGaN層34およびMgドープGaN層35とをこの順に積層させたp型窒化物半導体層を、MOCVD法により気相成長させた。MgドープAlGaN層34およびMgドープGaN層35にドープされたMgの濃度は、それぞれ2×1019個/cm3および5×1019個/cm3であった。 Next, the temperature in the MOCVD apparatus is raised to 1100 ° C., and a p-type nitride semiconductor layer in which the Mg-doped AlGaN layer 34 and the Mg-doped GaN layer 35 are stacked in this order on the light emitting layer 33 is formed by MOCVD. Vapor phase growth. The concentrations of Mg doped in the Mg-doped AlGaN layer 34 and the Mg-doped GaN layer 35 were 2 × 10 19 pieces / cm 3 and 5 × 10 19 pieces / cm 3 , respectively.

次に、MOCVD装置内の温度を昇温し、MgドープGaN層35上に、コンタクト層としての厚さ20nmのMgドープGaN層36をMOCVD法により気相成長させた。なお、MgドープGaN層36にドープされたMgの濃度は5×1019個/cm3であった。 Next, the temperature in the MOCVD apparatus was raised, and a Mg-doped GaN layer 36 having a thickness of 20 nm as a contact layer was vapor-phase grown on the Mg-doped GaN layer 35 by MOCVD. The concentration of Mg doped in the Mg-doped GaN layer 36 was 5 × 10 19 pieces / cm 3 .

次に、テンプレート基板31上に、SiドープGaN層32、発光層33、MgドープAlGaN層34、MgドープGaN層35、およびMgドープGaN層36がこの順に積層された積層体を、アニール炉に設置した。そして、該アニール炉内に2体積%のO2ガスと98体積%のN2ガスとからなる混合ガスを導入して、アニール炉内の温度を600℃まで昇温し、この状態で10分間加熱することにより、第1アニール処理を行った。このときのアニール炉内の圧力は1気圧であった。 Next, a laminated body in which the Si-doped GaN layer 32, the light emitting layer 33, the Mg-doped AlGaN layer 34, the Mg-doped GaN layer 35, and the Mg-doped GaN layer 36 are laminated in this order on the template substrate 31 is used in an annealing furnace. installed. Then, a mixed gas composed of 2 % by volume of O 2 gas and 98% by volume of N 2 gas is introduced into the annealing furnace, the temperature in the annealing furnace is raised to 600 ° C., and in this state for 10 minutes. A first annealing treatment was performed by heating. The pressure in the annealing furnace at this time was 1 atmosphere.

次に、アニール炉内の温度を420℃まで降温するとともに処理室内を減圧して、10Paの圧力の真空雰囲気にし、この状態で、5分間加熱することにより、第2アニール処理を行った。   Next, the temperature in the annealing furnace was lowered to 420 ° C. and the inside of the processing chamber was reduced to a vacuum atmosphere at a pressure of 10 Pa. In this state, the second annealing treatment was performed by heating for 5 minutes.

次に、熱処理後の積層体をアニール炉から取り出し、積層体とITOからなるターゲットとをスパッタ装置内に設置した。そして、積層体のテンプレート基板31を加熱して、積層体の温度を180℃まで上昇させた後、スパッタ装置内にアルゴンガスを導入し、1.28kWhのスパッタ電力を投入して、MgドープGaN層36上に厚さ320nmのITOからなる導電性薄膜37を形成した。   Next, the laminated body after the heat treatment was taken out from the annealing furnace, and the laminated body and a target made of ITO were placed in a sputtering apparatus. And after heating the template substrate 31 of a laminated body and raising the temperature of a laminated body to 180 degreeC, argon gas is introduce | transduced in a sputtering device, 1.28 kWh sputtering power is supplied, Mg doped GaN A conductive thin film 37 made of ITO having a thickness of 320 nm was formed on the layer 36.

次に、導電性薄膜37が形成された積層体をスパッタ装置から取り出してアニール炉内に設置して、各層の結晶性、密着性、およびコンタクト性の向上を図ることを目的として、当該積層体の熱処理を行なった。熱処理は、アニール炉内を真空雰囲気にして600℃で加熱した状態で、上記積層体を10分間保持することにより行なった。   Next, for the purpose of improving the crystallinity, adhesion, and contact property of each layer, the laminate with the conductive thin film 37 formed is taken out of the sputtering apparatus and installed in an annealing furnace. The heat treatment was performed. The heat treatment was performed by holding the laminated body for 10 minutes in a state where the annealing furnace was heated to 600 ° C. in a vacuum atmosphere.

次に、熱処理後の積層体をアニール炉から取り出し、導電性薄膜37の表面上に所定の形状のマスクを設置したエッチング装置内に設置した。エッチング装置において、マスクの上方から、マスクからの露出部分にある導電性薄膜37、MgドープGaN層36、MgドープGaN層35、MgドープAlGaN層34、発光層33、SiドープGaN層32のそれぞれの一部をエッチングして、SiドープGaN層32の表面を露出させた。   Next, the laminated body after the heat treatment was taken out from the annealing furnace and placed in an etching apparatus in which a mask having a predetermined shape was placed on the surface of the conductive thin film 37. In the etching apparatus, each of the conductive thin film 37, the Mg-doped GaN layer 36, the Mg-doped GaN layer 35, the Mg-doped AlGaN layer 34, the light-emitting layer 33, and the Si-doped GaN layer 32 that are exposed from the mask from above. A part of this was etched to expose the surface of the Si-doped GaN layer 32.

次に、エッチング後の積層体をエッチング装置から取り出し、導電性薄膜37の表面および露出したSiドープGaN層32の表面にそれぞれ所定の形状の開口部を有するレジストマスクを形成した。そして、レジストマスクを形成したテンプレート基板を電子線蒸着装置内に設置して、レジストマスクが形成された導電性薄膜37およびSiドープGaN層32のそれぞれの表面上に、Ti膜、Pt膜およびAu膜をこの順序で堆積し、その後、リフトオフによりレジストマスクを除去した。これにより、導電性薄膜37およびSiドープGaN層32のそれぞれの表面上に、Ni膜、Pt膜およびAu膜がこの順序で積層されたp側電極38およびn側電極39が形成された。なお、Ni膜、Pt膜およびAu膜のそれぞれの厚さは、100nm、50nm、500nmであった。   Next, the stacked body after the etching was taken out from the etching apparatus, and a resist mask having openings of predetermined shapes on the surface of the conductive thin film 37 and the exposed surface of the Si-doped GaN layer 32 was formed. Then, the template substrate on which the resist mask is formed is placed in an electron beam evaporation apparatus, and a Ti film, a Pt film, and an Au film are formed on the surfaces of the conductive thin film 37 and the Si-doped GaN layer 32 on which the resist mask is formed. Films were deposited in this order, after which the resist mask was removed by lift-off. Thereby, the p-side electrode 38 and the n-side electrode 39 in which the Ni film, the Pt film, and the Au film were laminated in this order were formed on the surfaces of the conductive thin film 37 and the Si-doped GaN layer 32, respectively. The thicknesses of the Ni film, Pt film, and Au film were 100 nm, 50 nm, and 500 nm, respectively.

次に、p側電極38およびn側電極39が形成された積層体を電子線蒸着装置から取り出し、ランプアニール装置内に設置した。そして、500℃で熱処理して、図6に示す窒化物半導体発光素子を作製した。   Next, the laminated body on which the p-side electrode 38 and the n-side electrode 39 were formed was taken out from the electron beam evaporation apparatus and placed in a lamp annealing apparatus. And it heat-processed at 500 degreeC, and produced the nitride semiconductor light-emitting device shown in FIG.

(比較例1)
第1アニール処理および第2アニール処理のかわりに、以下のアニール処理を行った以外は、実施例1と同様の方法により、窒化物半導体発光素子を作製した。
(Comparative Example 1)
A nitride semiconductor light emitting device was fabricated by the same method as in Example 1 except that the following annealing treatment was performed instead of the first annealing treatment and the second annealing treatment.

アニール処理においては、積層体をアニール炉に設置し、該アニール炉内にN2ガスからなる処理ガスを導入して、アニール炉内の温度を800℃まで昇温し、この状態で5分間加熱することにより、アニール処理を行った。このときのアニール炉内の圧力は1気圧であった。 In the annealing process, the laminated body is placed in an annealing furnace, a processing gas composed of N 2 gas is introduced into the annealing furnace, the temperature in the annealing furnace is raised to 800 ° C., and heated in this state for 5 minutes. As a result, annealing treatment was performed. The pressure in the annealing furnace at this time was 1 atmosphere.

実施例1の窒化物半導体発光素子は、比較例1の窒化物半導体発光素子と比較して、駆動電圧が低く、発光効率が高かった。   The nitride semiconductor light emitting device of Example 1 had a lower driving voltage and higher luminous efficiency than the nitride semiconductor light emitting device of Comparative Example 1.

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

本発明は、LED、LD、高温デバイス、パワーデバイスなどの電子デバイスに利用することができる。   The present invention can be used for electronic devices such as LEDs, LDs, high temperature devices, and power devices.

10 窒化物半導体発光素子、11 基板、12 下部クラッド層、13,33 発光層、14 上部クラッド層、15,37 導電性薄膜、16 第1電極、17 第2電極、18 マスク、21 サファイア基板、22 GaN層、23 p型GaN層、31 テンプレート基板、32 SiドープGaN層、34 MgドープAlGaN層、35 MgドープGaN層、36 MgドープGaN層、38 p側電極、39 n側電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Nitride semiconductor light emitting element, 11 board | substrate, 12 lower clad layer, 13,33 light emitting layer, 14 upper clad layer, 15,37 conductive thin film, 16 1st electrode, 17 2nd electrode, 18 mask, 21 sapphire substrate, 22 GaN layer, 23 p-type GaN layer, 31 template substrate, 32 Si-doped GaN layer, 34 Mg-doped AlGaN layer, 35 Mg-doped GaN layer, 36 Mg-doped GaN layer, 38 p-side electrode, 39 n-side electrode.

Claims (7)

基板上にn型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記n型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、
前記発光層上にp型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記p型窒化物半導体層を、酸素を含む雰囲気において、第1温度で熱処理する工程と、
前記第1温度で熱処理した前記p型窒化物半導体層を、真空雰囲気において、第1温度よりも低い第2温度で熱処理する工程と、を含む窒化物半導体発光素子の製造方法。
Forming an n-type nitride semiconductor layer on the substrate;
Forming a light emitting layer on the n-type nitride semiconductor layer;
Forming a p-type nitride semiconductor layer on the light emitting layer;
Heat-treating the p-type nitride semiconductor layer at a first temperature in an oxygen-containing atmosphere;
And a step of heat-treating the p-type nitride semiconductor layer heat-treated at the first temperature at a second temperature lower than the first temperature in a vacuum atmosphere.
前記第1温度は、400℃以上700℃以下であり、前記第2温度は、200℃以上である、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。   2. The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the first temperature is 400 ° C. or more and 700 ° C. or less, and the second temperature is 200 ° C. or more. 前記酸素を含む雰囲気の圧力は、1気圧以上であり、前記真空雰囲気は、10Pa以下である、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。   3. The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a pressure of the atmosphere containing oxygen is 1 atm or more, and the vacuum atmosphere is 10 Pa or less. 前記酸素を含む雰囲気中における酸素の含有量は1体積%以上30体積%以下である、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。   4. The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the oxygen content in the atmosphere containing oxygen is 1% by volume or more and 30% by volume or less. 前記p型窒化物半導体層は、AlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の式で表される窒化物半導体にp型不純物がドープされてなる、請求項1から4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 The p-type nitride semiconductor layer, Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) p in the nitride semiconductor represented by the formula The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor light-emitting element is doped with a type impurity. 前記p型窒化物半導体層には、Mgがドーピングされている、請求項1から5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the p-type nitride semiconductor layer is doped with Mg. 前記第2温度で熱処理する工程の後に、前記p型窒化物半導体層上に導電性薄膜を形成する工程をさらに含む、請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, further comprising a step of forming a conductive thin film on the p-type nitride semiconductor layer after the step of heat-treating at the second temperature. .
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