JP2014011187A - Nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Takahiko Aida
貴彦 合田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting element which improves electrostatic voltage withstanding characteristics and suppresses increase in Vf.SOLUTION: In a nitride semiconductor light-emitting element having a structure in which an n-type nitride semiconductor layer, an active layer and a p-type nitride semiconductor layer are sequentially laminated, the p-type nitride semiconductor layer includes a p-type clad layer, a p-type contact layer and a p-side non-doped layer arranged between the p-type clad layer and the p-type contact layer, and the p-side non-doped layer has a superlattice structure.

Description

本発明は、窒化物半導体を積層した半導体層を用いて形成した窒化物半導体発光素子に関するものである。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device formed using a semiconductor layer in which nitride semiconductors are stacked.

多くの貫通転位を有する窒化物半導体発光素子の静電耐圧特性を向上させることを目的として、ツェナーダイオード(保護素子)を装着したり、あるいは、ある程度の厚みを有する抵抗の異なる層を窒化物半導体層に挿入したりすることが知られている(特許文献1〜3を参照のこと)。   For the purpose of improving the electrostatic withstand voltage characteristics of nitride semiconductor light emitting devices having many threading dislocations, a Zener diode (protective device) is attached, or layers having different thicknesses with different resistances are applied to nitride semiconductors. It is known to insert into a layer (see Patent Documents 1 to 3).

特開2000−232237号公報JP 2000-232237 A 特開2006−120764号公報JP 2006-120964 A 国際公開第98/31055号公報International Publication No. 98/31055

しかしながら、保護素子の使用はコストアップにつながり、また、小さい製品では保護素子を搭載できるスペースがない等の問題により、その使用は制限される。   However, the use of the protection element leads to an increase in cost, and the use of the protection element is limited due to a problem that there is no space for mounting the protection element in a small product.

また、発光素子の窒化物半導体層の各層は通常、順方向電圧Vfを下げるために低抵抗化されているので、窒化物半導体層に抵抗の異なる層を挿入する方法を実施する場合、高抵抗の層を挿入して電流拡散を行う必要がある。この高抵抗の層は厚いほど電流拡散が促進されて静電耐圧特性が向上するが、高抵抗のためVfも上昇してしまうという問題がある。   In addition, each layer of the nitride semiconductor layer of the light emitting element is usually reduced in resistance in order to lower the forward voltage Vf. Therefore, when implementing a method of inserting layers having different resistances into the nitride semiconductor layer, high resistance It is necessary to insert a current layer and perform current diffusion. The thicker the high resistance layer, the more current diffusion is promoted and the electrostatic withstand voltage characteristics are improved. However, there is a problem that Vf also increases due to the high resistance.

そこで、静電耐圧特性を向上させつつも、コストアップや特性の悪化につながらないことが求められている。   Therefore, it is required that the electrostatic withstand voltage characteristics be improved but the cost is not increased and the characteristics are not deteriorated.

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、窒化物半導体層における電流拡散が促進されることにより静電耐圧特性が向上し、かつVfの増加が抑制された窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and nitride semiconductors in which electrostatic withstand voltage characteristics are improved and increase in Vf is suppressed by promoting current diffusion in the nitride semiconductor layer. An object is to provide a light-emitting element.

本発明の窒化物半導体発光素子は、n型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層が順に積層された構造を有し、前記p型窒化物半導体層が、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、該p型クラッド層と該p型コンタクト層との間に配置されるp側ノンドープ層とを含み、該p側ノンドープ層が超格子構造を有することを特徴とする。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention has a structure in which an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer are sequentially stacked, and the p-type nitride semiconductor layer includes a p-type cladding layer and , A p-type contact layer, and a p-side non-doped layer disposed between the p-type cladding layer and the p-type contact layer, wherein the p-side non-doped layer has a superlattice structure.

前記p側ノンドープ層は、組成式InGa1−xN(0<x<1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された超格子構造を有することが好ましい。 The p-side non-doped layer has a superlattice structure in which a well layer represented by a composition formula In x Ga 1-x N (0 <x <1) and a barrier layer represented by a composition formula GaN are alternately stacked. It is preferable to have.

前記活性層が、組成式InGa1−yN(0<y≦1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する場合、前記xと前記yとは、x<yの関係を満たすことが好ましい。 The active layer has a multiple quantum well structure in which a well layer represented by a composition formula In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) and a barrier layer represented by a composition formula GaN are alternately stacked. When it has, it is preferable that said x and said y satisfy | fill the relationship of x <y.

前記p側ノンドープ層における井戸層および障壁層の積層数は各々、3以上20以下であることが好ましい。   The number of well layers and barrier layers in the p-side non-doped layer is preferably 3 or more and 20 or less, respectively.

前記p側ノンドープ層における超格子構造の総厚さは、500Å〜2000Åであることが好ましい。   The total thickness of the superlattice structure in the p-side non-doped layer is preferably 500 to 2000 mm.

前記p側ノンドープ層において、井戸層の厚さは、障壁層の厚さより薄いことが好ましい。   In the p-side non-doped layer, the well layer is preferably thinner than the barrier layer.

本発明の窒化物半導体発光素子は、上記特徴を有することにより、優れた静電耐圧特性を有し、かつVfの増加が抑制される。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention has excellent electrostatic withstand voltage characteristics due to the above characteristics, and an increase in Vf is suppressed.

図1は、本発明の一の実施形態における窒化物半導体発光素子の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. 図2(a)〜(c)は、本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子に300Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフである。FIGS. 2A to 2C are graphs showing breakdown rates when a voltage of 300 V is applied to the nitride semiconductor light emitting devices of the examples and comparative examples of the present invention. 図3(a)は本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子に200Vまたは300Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフであり、図3(b)は、本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子の破壊電圧および1500V非破壊率を示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing the breakdown rate when a voltage of 200 V or 300 V is applied to the nitride semiconductor light emitting devices of the examples and comparative examples of the present invention, and FIG. It is a graph which shows the breakdown voltage and 1500V nondestructive rate of the nitride semiconductor light emitting element of an example and a comparative example. 図4(a)は本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子に200Vまたは300Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフであり、図4(b)は、本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子の破壊電圧および1500V非破壊率を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing the breakdown rate when a voltage of 200 V or 300 V is applied to the nitride semiconductor light emitting devices of the examples and comparative examples of the present invention, and FIG. It is a graph which shows the breakdown voltage and 1500V nondestructive rate of the nitride semiconductor light emitting element of an example and a comparative example. 図5(a)は本発明の実施例の窒化物半導体発光素子に200Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフであり、図5(b)は、本発明の実施例の窒化物半導体発光素子の破壊電圧および1500V非破壊率を示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing a breakdown rate when a voltage of 200 V is applied to the nitride semiconductor light emitting device of the embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a nitride semiconductor of the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the breakdown voltage and 1500V nondestructive rate of a light emitting element. 図6(a)は本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子に200Vまたは300Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフであり、図6(b)は、本発明の実施例および比較例の窒化物半導体発光素子の破壊電圧および1500V非破壊率を示すグラフである。FIG. 6A is a graph showing the breakdown rate when a voltage of 200 V or 300 V is applied to the nitride semiconductor light emitting devices of the examples and comparative examples of the present invention, and FIG. It is a graph which shows the breakdown voltage and 1500V nondestructive rate of the nitride semiconductor light emitting element of an example and a comparative example. 図7(a)は本発明の実施例の窒化物半導体発光素子に200Vまたは300Vの電圧を印加した際の破壊率を示すグラフであり、図7(b)は、本発明の実施例の窒化物半導体発光素子の破壊電圧および1500V非破壊率を示すグラフである。FIG. 7A is a graph showing a breakdown rate when a voltage of 200 V or 300 V is applied to the nitride semiconductor light emitting device of the embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a nitridation of the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the breakdown voltage and 1500V nondestructive rate of a physical-semiconductor light-emitting device.

以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。特に、以下に説明する構成部品の寸法、材質、形状、相対的配置等は、特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。更に、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。   Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below is for embodying the technical idea of the present invention, and does not limit the present invention. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described below are merely illustrative examples, and are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.

図1は、本発明の一の実施形態における窒化物半導体発光素子の概略断面図である。図1に示す窒化物半導体発光素子は、基板1の上に、Si等のn型不純物を含むn型窒化物半導体層2、活性層3、Mg等のp型不純物を含むp型窒化物半導体層4が順に積層されてなるものである。p型窒化物半導体層4は、p型クラッド層5と、p型コンタクト層7と、p型クラッド層5とp型コンタクト層7との間に配置されるp側ノンドープ層6とを含む。p型窒化物半導体層4の上にp側電極8が形成されており、p型窒化物半導体層4より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたn型窒化物半導体層2の表面にn側電極9が形成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. The nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 includes an n-type nitride semiconductor layer 2 containing an n-type impurity such as Si, an active layer 3 and a p-type nitride semiconductor containing a p-type impurity such as Mg on a substrate 1. The layer 4 is laminated in order. The p-type nitride semiconductor layer 4 includes a p-type cladding layer 5, a p-type contact layer 7, and a p-side non-doped layer 6 disposed between the p-type cladding layer 5 and the p-type contact layer 7. A p-side electrode 8 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 4, and the n-type nitride semiconductor layer 2 exposed by removing a part of the nitride semiconductor layer from the p-type nitride semiconductor layer 4 by etching. An n-side electrode 9 is formed on the surface.

p側ノンドープ層6は超格子構造を有する。超格子構造は、異なる種類の半導体層が積層されたものである。積層された異なる種類の半導体層の間の界面において、その格子定数の差に起因して、ピエゾ電界が発生する。ピエゾ電界が発生することにより、不純物によるキャリアの散乱(不純物散乱)が抑制され(スクリーニング効果)、その結果、キャリア移動度が向上する。以下、このようにピエゾ電界の発生によりキャリア移動度が向上することを「ピエゾ効果」とも呼ぶ。このようなピエゾ効果により、異なる種類の半導体の間の界面において横方向のキャリア移動度が向上し、それにより電流の拡散性が向上する。その結果、比較的結晶性の脆い活性層における局所的な電流の集中が緩和されて静電耐圧特性が向上する。   The p-side non-doped layer 6 has a superlattice structure. The superlattice structure is obtained by stacking different types of semiconductor layers. Piezoelectric fields are generated at the interfaces between different types of stacked semiconductor layers due to differences in their lattice constants. By generating a piezoelectric field, carrier scattering (impurity scattering) due to impurities is suppressed (screening effect), and as a result, carrier mobility is improved. Hereinafter, the improvement of the carrier mobility due to the generation of the piezoelectric field is also referred to as a “piezo effect”. Such a piezo effect improves lateral carrier mobility at the interface between different types of semiconductors, thereby improving current diffusivity. As a result, local current concentration in the active layer, which is relatively crystalline, is relaxed, and the electrostatic withstand voltage characteristics are improved.

なお、本明細書において、窒化物半導体層が「ノンドープ」であるとは、その層が不純物を導入することなく形成された層であることを意味する。具体的には、不純物濃度が約1.0×1017/cm以下である層を意味する。 In this specification, the nitride semiconductor layer being “non-doped” means that the layer is formed without introducing impurities. Specifically, it means a layer having an impurity concentration of about 1.0 × 10 17 / cm 3 or less.

以下に、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一例について、その各構成を詳細に説明するが、以下に説明する全ての構成物が必須ではなく、それらのいくつかを省略または変更することができる。
本発明の窒化物半導体発光素子は、基板1上に、n型窒化物半導体層2、活性層3、p型窒化物半導体層4が順に積層されてなるものであり、p型窒化物半導体層4の上にp側電極8が形成され、p型窒化物半導体層4より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたn型窒化物半導体層2の表面にn側電極9が形成されている。
Hereinafter, each example of the configuration of the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in detail. However, not all the components described below are essential, and some of them may be omitted or changed. it can.
The nitride semiconductor light emitting device of the present invention is formed by sequentially laminating an n-type nitride semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-type nitride semiconductor layer 4 on a substrate 1, and a p-type nitride semiconductor layer. The p-side electrode 8 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 4, and the n-side electrode 9 is formed on the surface of the n-type nitride semiconductor layer 2 exposed by etching away a part of the nitride semiconductor layer from the p-type nitride semiconductor layer 4. Is formed.

[基板1]
基板1として、サファイアのC面、R面、A面の他、スピネル(MgAl)等の絶縁性基板、SiC、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
[Substrate 1]
As the substrate 1, an insulating substrate such as spinel (MgAl 2 O 4 ), a semiconductor substrate such as SiC, ZnS, ZnO, GaAs, and GaN can be used in addition to the C-plane, R-plane, and A-plane of sapphire.

[n型窒化物半導体層2]
本実施形態におけるn型窒化物半導体層2は、基板1側から順に、バッファ層、n型コンタクト層およびn型多層膜層を少なくとも含む。
[N-type nitride semiconductor layer 2]
The n-type nitride semiconductor layer 2 in this embodiment includes at least a buffer layer, an n-type contact layer, and an n-type multilayer film layer in order from the substrate 1 side.

(バッファ層)
バッファ層は、基板1上に形成されており、基板1と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和して、結晶性の高い窒化物半導体層をその上に形成するための低温成長層である。バッファ層は、最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。このようなバッファ層は、AlGaN、GaN、AlN等を、温度500℃〜800℃で10nm〜50nmの厚さに成長させて形成することが好ましい。
(Buffer layer)
The buffer layer is formed on the substrate 1 and is a low-temperature growth layer for relaxing a mismatch in lattice constant between the substrate 1 and the nitride semiconductor and forming a highly crystalline nitride semiconductor layer thereon. is there. The buffer layer can finally be removed or can itself be omitted. Such a buffer layer is preferably formed by growing AlGaN, GaN, AlN or the like at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. to a thickness of 10 nm to 50 nm.

更に、このバッファ層の上に第2のバッファ層を更に形成してもよい。第2バッファ層は、後述のn型コンタクト層よりn型不純物のドープ量が少ない、またはn型不純物をドープしない窒化物半導体、例えばAlGaN、GaN、AlN等を、上述の第1のバッファ層より高い温度、例えば800℃〜1300℃で、0.5μm〜3.0μmの厚さに成長させて形成する。第2のバッファ層は、不純物ドープ量が少ない(またはゼロである)ので高い結晶性を有する。そのため、結晶性の高いn型コンタクト層をその上に形成することができる。   Further, a second buffer layer may be further formed on the buffer layer. The second buffer layer has a smaller doping amount of n-type impurities than an n-type contact layer, which will be described later, or a nitride semiconductor not doped with n-type impurities, such as AlGaN, GaN, AlN, etc., than the first buffer layer described above. The film is grown at a high temperature, for example, 800 ° C. to 1300 ° C. to a thickness of 0.5 μm to 3.0 μm. The second buffer layer has high crystallinity because the impurity doping amount is small (or zero). Therefore, an n-type contact layer with high crystallinity can be formed thereon.

(n型コンタクト層)
n型コンタクト層は、その組成が特に限定されるものではなく、例えば、Al比率が0.2以下のAlGaNまたはGaNであることが好ましい。このような組成にすると、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を得ることが容易である。また、n型コンタクト層がこのような組成を有することにより、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。n型コンタクト層はSi等のn型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性が悪化しない程度に高いことが好ましい。n型不純物の濃度は、例えば、1×1018/cm以上5×1021/cm以下であることが好ましい。n型コンタクト層は、バッファ層上に900℃〜1300℃の温度で成長させて形成される。n型コンタクト層の厚さは、好ましくは4.0μm〜8.0μmである。
(N-type contact layer)
The composition of the n-type contact layer is not particularly limited. For example, the n-type contact layer is preferably AlGaN or GaN having an Al ratio of 0.2 or less. With such a composition, it is easy to obtain a nitride semiconductor layer with few crystal defects. In addition, since the n-type contact layer has such a composition, an excellent ohmic contact with the electrode material can be obtained. The n-type contact layer contains an n-type impurity such as Si, and its concentration is preferably high enough not to deteriorate the crystallinity of the nitride semiconductor. The concentration of the n-type impurity is preferably, for example, from 1 × 10 18 / cm 3 to 5 × 10 21 / cm 3 . The n-type contact layer is formed by growing on the buffer layer at a temperature of 900 ° C. to 1300 ° C. The thickness of the n-type contact layer is preferably 4.0 μm to 8.0 μm.

(n型多層膜層)
n型多層膜層は、素子の順方向電圧Vfを低下させる等のために設けられる。n型多層膜層は、例えば、AlGa1−pN(0≦p<1)で表される第1の層と、InGa1−qN(0<q<1)で表される第2の層とが交互に積層された超格子構造を有することが好ましい。第1の層において、pが小さいほど、つまりアルミニウム含有量が小さいほど結晶性が良好になるので、p=0、即ちGaNであることが好ましい。第2の層において、qは0.5以下であることが好ましく、qが0.2以下であることがより好ましい。特に、n型多層膜層において、第1層がGaNであり、第2層がInGa1−qNであり、qが0.2以下であることが好ましい。n型多層膜層を構成する第1の層および第2の層の厚さは特に限定されないが、少なくとも何れかの層の厚さを10nm以下とすることが適しており、7nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。より具体的には、n型コンタクト層の上に、GaNからなる厚さ1〜5nmの第1の層を成長させ、その上に、InGaNからなる厚さ0.5〜3nmの第2の層を成長させ、これを5〜30回繰り返した後に、更にGaNを1〜5nmの厚さに成長させて、全体の厚さが31〜165nmのn型多層膜層を形成する。このように単一層の厚さを薄くすることにより、n型多層膜層が超格子構造となると共に、弾性臨界厚さ以下となり、n型多層膜層における各単一層の結晶性が良好となる。よって、積層が進むにつれて、より結晶性を向上させることができ、光出力の向上を実現させることができる。
(N-type multilayer film layer)
The n-type multilayer film layer is provided to reduce the forward voltage Vf of the element. The n-type multilayer film layer is represented by, for example, a first layer represented by Al p Ga 1-p N (0 ≦ p <1) and In q Ga 1-q N (0 <q <1). It is preferable to have a superlattice structure in which the second layers are alternately stacked. In the first layer, the smaller the p is, that is, the smaller the aluminum content, the better the crystallinity. Therefore, it is preferable that p = 0, that is, GaN. In the second layer, q is preferably 0.5 or less, and more preferably q is 0.2 or less. In particular, in the n-type multilayer film layer, it is preferable that the first layer is GaN, the second layer is In q Ga 1-q N, and q is 0.2 or less. The thicknesses of the first layer and the second layer constituting the n-type multilayer film layer are not particularly limited, but it is suitable that the thickness of at least one of the layers is 10 nm or less, preferably 7 nm or less, 5 nm or less is more preferable. More specifically, a first layer made of GaN having a thickness of 1 to 5 nm is grown on the n-type contact layer, and a second layer made of InGaN and having a thickness of 0.5 to 3 nm is formed thereon. After this is repeated 5 to 30 times, GaN is further grown to a thickness of 1 to 5 nm to form an n-type multilayer film having a total thickness of 31 to 165 nm. By reducing the thickness of the single layer in this way, the n-type multilayer film layer has a superlattice structure, and becomes less than the critical critical thickness, and the crystallinity of each single layer in the n-type multilayer film layer is improved. . Therefore, as the stacking progresses, the crystallinity can be further improved and the light output can be improved.

[活性層3]
活性層3として、少なくともInを含む窒化物半導体、好ましくは組成式InGa1−yN(0<y≦1)で表される井戸層と、障壁層とを有する多重量子井戸構造または単一量子井戸構造を用いることができる。活性層3は、例えば、組成式InGa1−yN(0<y≦1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有することができる。
井戸層および障壁層の厚さは、30nm以下、好ましくは20nm以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、10nm以下、更に好ましくは1〜5nmとすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層3が得られる。活性層3が多重量子井戸構造を有する場合、出力の向上、発振閾値の低下などを図ることが可能となる。井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でもよい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に1層であること(井戸層/障壁層/井戸層)に限るものではなく、2層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層/障壁層(1)/障壁層(2)/・・・/井戸層」というように、組成、不純物量等の異なる障壁層を複数設けてもよい。このような障壁層としては、特に限定されないが、井戸層よりIn含有率の低い窒化物半導体、GaN、Alを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、InGaN、GaNまたはAlGaNを含むことが望ましい。障壁層の厚さや組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。
[Active layer 3]
The active layer 3 is a nitride semiconductor containing at least In, preferably a multiple quantum well structure or a single layer having a well layer represented by a composition formula In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) and a barrier layer. A single quantum well structure can be used. The active layer 3 is a multiple quantum well in which, for example, a well layer represented by a composition formula In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) and a barrier layer represented by a composition formula GaN are alternately stacked. Can have a structure.
The thickness of the well layer and the barrier layer is 30 nm or less, preferably 20 nm or less. In particular, the well layer is preferably thin, and is preferably 10 nm or less, more preferably 1 to 5 nm. Thereby, the active layer 3 excellent in quantum efficiency is obtained. When the active layer 3 has a multiple quantum well structure, it is possible to improve the output and lower the oscillation threshold. If well layers and barrier layers are alternately stacked, the first and last layers may be well layers or barrier layers. Further, in the multiple quantum well structure, the barrier layer sandwiched between the well layers is not limited to a single layer (well layer / barrier layer / well layer), and two or more barrier layers. A plurality of barrier layers having different compositions, impurity amounts, and the like may be provided as “well layer / barrier layer (1) / barrier layer (2) /... / Well layer”. The barrier layer is not particularly limited, and a nitride semiconductor having a lower In content than the well layer, a nitride semiconductor containing GaN, Al, or the like can be used. More preferably, it contains InGaN, GaN, or AlGaN. The thickness and composition of the barrier layer need not all be the same in the quantum well structure.

[p型窒化物半導体層4]
本実施形態におけるp型窒化物半導体層4は、活性層3側から順に、p型クラッド層5、p側アンドープ層6およびp型コンタクト層7を少なくとも含む。
[P-type nitride semiconductor layer 4]
The p-type nitride semiconductor layer 4 in this embodiment includes at least a p-type cladding layer 5, a p-side undoped layer 6, and a p-type contact layer 7 in this order from the active layer 3 side.

(p型クラッド層5)
p型クラッド層5としては、例えば、p型不純物を含有する組成式InAlGa1−r−sN(0≦r≦1、0≦s≦1、0≦r+s≦1)で表される単一層またはバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の積層構造が挙げられる。なかでも、組成式AlGa1−rN(0≦r≦1)で表される単一層またはバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の積層構造が好ましい。p型クラッド層5の厚さは特に限定されるものではないが、10nm〜15nmであることが好ましい。p型クラッド層5を積層構造とする場合、各層の厚さを10nm程度以下としてもよく、更には7nm程度以下、5nm程度以下とすることができる。このような薄膜に形成することにより、p型クラッド層5が超格子構造となるため、結晶性を向上させることができる。その結果、p型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さい層が得られ、発光素子のVfおよび閾値電圧等が低下しやすい傾向にある。
p型クラッド層5は、p型不純物濃度が、例えば、1×1022/cm程度以下であることが好ましく、5×1020/cm程度以下であることがより好ましい。p型不純物濃度の下限は特に限定されないが、5×1016/cm程度以上が適している。ただし、p型クラッド層5を積層構造とする場合、全ての層にp型不純物が含有されていなくてもよい。
(P-type cladding layer 5)
The p-type cladding layer 5 is represented by, for example, a composition formula In r Al s Ga 1-rs N (0 ≦ r ≦ 1, 0 ≦ s ≦ 1, 0 ≦ r + s ≦ 1) containing a p-type impurity. And a laminated structure of at least two layers having different band gap energies. Among these, a single layer represented by a composition formula Al r Ga 1-r N (0 ≦ r ≦ 1) or a stacked structure of at least two layers having different band gap energies is preferable. The thickness of the p-type cladding layer 5 is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 15 nm. When the p-type cladding layer 5 has a laminated structure, the thickness of each layer may be about 10 nm or less, and may be about 7 nm or less and about 5 nm or less. By forming such a thin film, the p-type cladding layer 5 has a superlattice structure, so that the crystallinity can be improved. As a result, when a p-type impurity is added, a layer having a high carrier concentration and a low resistivity is obtained, and the Vf, threshold voltage, and the like of the light emitting element tend to decrease.
The p-type cladding layer 5 preferably has a p-type impurity concentration of, for example, about 1 × 10 22 / cm 3 or less, and more preferably about 5 × 10 20 / cm 3 or less. The lower limit of the p-type impurity concentration is not particularly limited, but about 5 × 10 16 / cm 3 or more is suitable. However, when the p-type cladding layer 5 has a laminated structure, the p-type impurities may not be contained in all the layers.

(p側ノンドープ層6)
前述のp型クラッド層5と、後述のp型コンタクト層7との間に、超格子構造を有するp側ノンドープ層6を設けることにより、発光素子の静電耐圧特性を向上させることができる。超格子構造は、異なる種類の半導体層が積層されたものである。積層された異なる種類の半導体層の間の界面において、その格子定数の差に起因して、ピエゾ電界が発生する。ピエゾ電界が発生することにより、不純物によるキャリアの散乱(不純物散乱)が抑制され(スクリーニング効果)、その結果、キャリア移動度が向上する(ピエゾ効果)。このようなピエゾ効果により、異なる種類の半導体の間の界面において、横方向のキャリア移動度が向上し、それにより電流の拡散性が向上する。その結果、比較的結晶性の脆い活性層における局所的な電流の集中が緩和されて静電耐圧特性が向上する。p側ノンドープ層6は、p型クラッド層5とp型コンタクト層7との間に配置される構成であれば静電耐圧特性向上の効果を得ることができる。p側ノンドープ層6は、p型クラッド層5および/またはp型コンタクト層7と接していてよく、または接していなくてもよい。
(P-side non-doped layer 6)
By providing a p-side non-doped layer 6 having a superlattice structure between the above-described p-type cladding layer 5 and a p-type contact layer 7 described later, the electrostatic withstand voltage characteristics of the light emitting element can be improved. The superlattice structure is obtained by stacking different types of semiconductor layers. Piezoelectric fields are generated at the interfaces between different types of stacked semiconductor layers due to differences in their lattice constants. Generation of a piezoelectric field suppresses carrier scattering (impurity scattering) due to impurities (screening effect), and as a result, improves carrier mobility (piezo effect). Such a piezo effect improves the lateral carrier mobility at the interface between different types of semiconductors, thereby improving the current diffusivity. As a result, local current concentration in the active layer, which is relatively crystalline, is relaxed, and the electrostatic withstand voltage characteristics are improved. If the p-side non-doped layer 6 is arranged between the p-type cladding layer 5 and the p-type contact layer 7, the effect of improving the electrostatic withstand voltage characteristics can be obtained. The p-side non-doped layer 6 may or may not be in contact with the p-type cladding layer 5 and / or the p-type contact layer 7.

p側ノンドープ層6は、組成式InGa1−xN(0<x<1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された超格子構造を有することが好ましい。
p側ノンドープ層6がInGa1−xN層(以下、単にInGaN層とも呼ぶ)を1層のみ含む場合、InGaN層が厚くなるほどGaN/InGaN界面における応力が大きくなり、それによりピエゾ効果が大きくなるので、ピエゾ効果を十分に得るためにはInGaN層を厚くする必要がある。しかし、InGaN層を厚くすると結晶欠陥が増加し、かえって静電耐圧特性を悪化させる要因になり得る。
InGaN層(井戸層)とGaN層(障壁層)とを交互に積層することにより、各々の層を薄くして結晶欠陥の発生を抑制しつつ、十分なピエゾ効果を得ることができる。
The p-side non-doped layer 6 has a superlattice structure in which well layers represented by a composition formula In x Ga 1-x N (0 <x <1) and barrier layers represented by a composition formula GaN are alternately stacked. It is preferable to have.
When the p-side non-doped layer 6 includes only one In x Ga 1-x N layer (hereinafter also simply referred to as an InGaN layer), the thicker the InGaN layer, the greater the stress at the GaN / InGaN interface, thereby increasing the piezo effect. Since it becomes large, it is necessary to increase the thickness of the InGaN layer in order to obtain a sufficient piezoelectric effect. However, when the InGaN layer is thickened, crystal defects increase, which may be a factor of deteriorating electrostatic withstand voltage characteristics.
By alternately laminating InGaN layers (well layers) and GaN layers (barrier layers), it is possible to obtain a sufficient piezo effect while thinning each layer and suppressing the occurrence of crystal defects.

p側ノンドープ層6の井戸層InGa1−xN(0<x<1)において、xの値が小さいほど、InGaN層における転位(結晶欠陥)の発生が抑制され、その結果、静電耐圧特性が向上する。しかし、xの値が小さすぎると、p側ノンドープ層6の特性が、超格子構造でないGaN単膜の特性に近づく傾向にあるので、静電耐圧特性向上の効果が小さくなってしまう。この傾向は特に、p側ノンドープ層6における井戸層および障壁層の積層数が小さい場合に顕著である。従って、xの値は、InGaN層における転位の発生が抑制される程度に小さく、かつGaN単膜の特性に近付くことがない程度に大きくなるように、適宜調節することが好ましい。
本発明におけるp側ノンドープ層6の井戸層のより好ましい組成は、他の条件、例えば、p側ノンドープ層6の厚さ、井戸層および障壁層の積層数、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合等に応じて適宜調節することができる。
In the well layer In x Ga 1-x N (0 <x <1) of the p-side non-doped layer 6, the smaller the value of x, the more the generation of dislocations (crystal defects) in the InGaN layer is suppressed. Withstand voltage characteristics are improved. However, if the value of x is too small, the characteristics of the p-side non-doped layer 6 tend to approach the characteristics of a GaN single film not having a superlattice structure, so that the effect of improving the electrostatic withstand voltage characteristics is reduced. This tendency is particularly remarkable when the number of well layers and barrier layers in the p-side non-doped layer 6 is small. Therefore, the value of x is preferably adjusted as appropriate so that it is small enough to prevent the occurrence of dislocations in the InGaN layer and large enough not to approach the characteristics of the GaN single film.
The more preferable composition of the well layer of the p-side non-doped layer 6 in the present invention includes other conditions such as the thickness of the p-side non-doped layer 6, the number of well layers and barrier layers stacked, and the thickness of the barrier layer. It can be appropriately adjusted according to the thickness ratio and the like.

また、活性層3が、上述のように組成式InGa1−yN(0<y≦1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する場合、xとyとが、x<yの関係を満たすことが好ましい。x<yであると、xの値を、InGaN層における結晶欠陥の発生が抑制される程度に十分小さい値にすることができる。 Further, as described above, the active layer 3 is formed by alternately stacking the well layer represented by the composition formula In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) and the barrier layer represented by the composition formula GaN. In the case of having a multiple quantum well structure, it is preferable that x and y satisfy the relationship x <y. When x <y, the value of x can be set to a value that is small enough to suppress the occurrence of crystal defects in the InGaN layer.

p側ノンドープ層6における井戸層および障壁層の積層数は各々、3以上20以下であることが好ましい。積層数が上記範囲内であると、Vfの増加を抑制しつつ静電耐圧特性を向上させることができる。
井戸層および障壁層のより好ましい積層数は、他の条件、例えば、p側ノンドープ層6の厚さ、井戸層InGa1−xN(0<x<1)の組成、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合等に応じて適宜調節することができる。例えば、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合が比較的小さい場合、積層数が多いほど静電耐圧特性が向上する傾向にある。これに対し、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合が比較的大きい場合、積層数が少ないほど静電耐圧特性が向上する傾向にあるが、積層数が少なすぎると静電耐圧特性向上の効果が小さくなってしまうことがある。
The number of stacked well layers and barrier layers in the p-side non-doped layer 6 is preferably 3 or more and 20 or less, respectively. When the number of stacked layers is within the above range, the electrostatic withstand voltage characteristic can be improved while suppressing an increase in Vf.
More preferable number of layers of the well layer and the barrier layer includes other conditions such as the thickness of the p-side non-doped layer 6, the composition of the well layer In x Ga 1-x N (0 <x <1), and the thickness of the barrier layer. The thickness can be appropriately adjusted according to the ratio of the thickness of the well layer to the thickness. For example, when the ratio of the thickness of the well layer to the thickness of the barrier layer is relatively small, the electrostatic withstand voltage characteristics tend to improve as the number of stacked layers increases. On the other hand, when the ratio of the thickness of the well layer to the thickness of the barrier layer is relatively large, the electrostatic withstand voltage characteristic tends to improve as the number of stacked layers decreases. The improvement effect may be reduced.

p側ノンドープ層6における超格子構造の総厚さは、50nm〜200nmであることが好ましい。超格子構造の総厚さが上記範囲内であると、Vfの増加を抑制しつつ静電耐圧特性を向上させることができる。   The total thickness of the superlattice structure in the p-side non-doped layer 6 is preferably 50 nm to 200 nm. When the total thickness of the superlattice structure is within the above range, the electrostatic withstand voltage characteristic can be improved while suppressing an increase in Vf.

p側ノンドープ層6において、井戸層の厚さをw、障壁層の厚さをbとすると、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合はw/bで表される。
p側ノンドープ層6において、井戸層(InGaN層)が障壁層(GaN層)より薄い場合、即ちw/b<1である場合、InGaN層における結晶欠陥の発生が抑制される傾向にあり、従って静電耐圧特性が向上する傾向にあるので好ましい。
w/bのより好ましい値は、他の条件、例えば、p側ノンドープ層6の厚さ、井戸層InGa1−xN(0<x<1)の組成、井戸層および障壁層の積層数等に応じて適宜調節することができる。例えば、井戸層および障壁層の積層数が比較的多い場合、w/bの値が小さいほど静電耐圧特性が向上する傾向にある。これに対し、井戸層および障壁層の積層数が比較的少ない場合、w/bの値が大きいほど静電耐圧特性が向上する傾向にある。
In the p-side non-doped layer 6, when the thickness of the well layer is w and the thickness of the barrier layer is b, the ratio of the thickness of the well layer to the thickness of the barrier layer is expressed by w / b.
In the p-side non-doped layer 6, when the well layer (InGaN layer) is thinner than the barrier layer (GaN layer), that is, when w / b <1, the generation of crystal defects in the InGaN layer tends to be suppressed. It is preferable because the electrostatic withstand voltage characteristic tends to be improved.
More preferable values of w / b include other conditions such as the thickness of the p-side non-doped layer 6, the composition of the well layer In x Ga 1-x N (0 <x <1), the stack of the well layer and the barrier layer. It can be appropriately adjusted according to the number and the like. For example, when the number of well layers and barrier layers is relatively large, the electrostatic withstand voltage characteristic tends to improve as the value of w / b decreases. On the other hand, when the number of stacked well layers and barrier layers is relatively small, the electrostatic breakdown voltage characteristics tend to improve as the value of w / b increases.

井戸層および障壁層の厚さは、上述のp型ノンドープ層6の総厚さ、井戸層および障壁層の積層数ならびにw/bの好ましい数値範囲に基づいて適宜調節することができる。井戸層の厚さは、好ましくは1nm〜12nm、より好ましくは2nm〜9nmである。障壁層の厚さは、好ましくは2nm〜20nm、より好ましくは3.5nm〜15nmである。   The thicknesses of the well layer and the barrier layer can be appropriately adjusted based on the total thickness of the p-type non-doped layer 6 described above, the number of stacked well layers and barrier layers, and a preferable numerical range of w / b. The thickness of the well layer is preferably 1 nm to 12 nm, more preferably 2 nm to 9 nm. The thickness of the barrier layer is preferably 2 nm to 20 nm, more preferably 3.5 nm to 15 nm.

(p型コンタクト層7)
p型コンタクト層7としては、組成式InAlGa1−t−uN(0≦t≦1、0≦u≦1、0≦t+u≦1)で表される窒化物半導体層が挙げられ、なかでも、GaN、Al比率0.2以下のAlGaN、In比率0.2以下のInGaNからなる層が好ましく、GaNからなる層がより好ましい。p型コンタクト層7がこのような組成を有することにより、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
p型コンタクト層7の厚さは特に限定されるものではなく、例えば、50nm程度以上であることが好ましく、60nm程度以上であることがより好ましい。
不純物濃度は、例えば、1×1018/cm以上、5×1021/cm以下とすることができる。
(P-type contact layer 7)
As the p-type contact layer 7, a nitride semiconductor layer represented by a composition formula In t Al u Ga 1-tu N (0 ≦ t ≦ 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ t + u ≦ 1) can be given. Among them, a layer made of GaN, AlGaN having an Al ratio of 0.2 or less, and InGaN having an In ratio of 0.2 or less is preferable, and a layer made of GaN is more preferable. When the p-type contact layer 7 has such a composition, a good ohmic contact with the electrode material can be obtained.
The thickness of the p-type contact layer 7 is not particularly limited. For example, the thickness is preferably about 50 nm or more, and more preferably about 60 nm or more.
The impurity concentration can be, for example, 1 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 21 / cm 3 or less.

[p側電極8およびn側電極9]
p側電極8およびn側電極9は、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
例えば本実施形態に係るp側電極8は、p型コンタクト層7の上に、p側透光性電極およびp側パッド電極を順に形成して構成される。p側透光性電極は、光の取り出し効率を考慮して、活性層3から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物(ITOやZnO等)等が挙げられる。
また、n側電極9は、p型窒化物半導体層4より窒化物半導体層の一部をエッチング除去してn型コンタクト層を露出させ、露出されたn型コンタクト層の表面に形成される。
[P-side electrode 8 and n-side electrode 9]
The p-side electrode 8 and the n-side electrode 9 are not particularly limited, and any of those known in the art can be adopted.
For example, the p-side electrode 8 according to this embodiment is configured by sequentially forming a p-side translucent electrode and a p-side pad electrode on the p-type contact layer 7. The p-side translucent electrode is preferably formed of a material that does not absorb light emitted from the active layer 3 in consideration of light extraction efficiency. For example, a conductive oxide (ITO, ZnO, or the like) or the like is used. Is mentioned.
The n-side electrode 9 is formed on the exposed surface of the n-type contact layer by removing a part of the nitride semiconductor layer by etching from the p-type nitride semiconductor layer 4 to expose the n-type contact layer.

このようにして得られる窒化物半導体発光素子は、p側ノンドープ層6において電流拡散が促進されることにより、優れた静電耐圧特性を有し、かつVfの増加が抑制される。   The nitride semiconductor light-emitting device obtained in this manner has excellent electrostatic withstand voltage characteristics by suppressing current diffusion in the p-side non-doped layer 6 and suppresses an increase in Vf.

以下、本発明に係る実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
以下の手順に従って、実施例1の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Example 1]
The nitride semiconductor light emitting device of Example 1 was fabricated according to the following procedure.

(基板)
サファイア(C面)よりなる基板をMOVPE(有機金属気相成長法)の反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行った。
(substrate)
A substrate made of sapphire (C-plane) was set in a MOVPE (organic metal vapor phase epitaxy) reaction vessel, and the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate.

(バッファ層)
続いて、温度を600℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアガス、TMG(トリメチルガリウム)およびTMA(トリメチルアルミニウム)を用いて、基板上にAlGaNを約200Åの厚さに成長させて、第1バッファ層を形成した。
(Buffer layer)
Subsequently, the temperature is lowered to 600 ° C., and AlGaN is grown to a thickness of about 200 mm on the substrate using hydrogen as the carrier gas, ammonia gas as the source gas, TMG (trimethylgallium) and TMA (trimethylaluminum). A first buffer layer was formed.

(第2バッファ層)
第1バッファ層を形成した後、TMGのみを止めて、温度を1050℃まで上昇させた。1050℃に達した後、原料ガスにアンモニアガスおよびTMGを用いてノンドープGaNを約2μmの厚さに成長させて、第2バッファ層を形成した。
(Second buffer layer)
After forming the first buffer layer, only TMG was stopped and the temperature was raised to 1050 ° C. After reaching 1050 ° C., non-doped GaN was grown to a thickness of about 2 μm using ammonia gas and TMG as source gases to form a second buffer layer.

(n型コンタクト層)
続いて、1050℃にて、原料ガスにアンモニアガスおよびTMG、不純物ガスにシランガスを用いて、Siを1.0×1019/cmドープしたGaNを3μmの厚さに成長させて、n型コンタクト層を形成した。
(N-type contact layer)
Subsequently, at 1050 ° C., GaN doped with 1.0 × 10 19 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 3 μm by using ammonia gas and TMG as source gas and silane gas as impurity gas, and n-type A contact layer was formed.

(n型多層膜層)
次に、同様の温度で、原料ガスにアンモニアガスおよびTMGを用いて、アンドープGaNからなる第1の層を約1.5nm成長させ、次に温度を800℃にして、原料ガスにTMG、TMIおよびアンモニアガスを用いて、アンドープIn0.1Ga0.9Nからなる第2の層を約1nm成長させた。そしてこれらの操作を繰り返して交互に20層ずつ積層させ、最後にGaNからなる第1の窒化物半導体層を約1.5nm成長させて、超格子構造の多層膜からなる総厚さ約51.5nmのn型多層膜層を形成した。
(N-type multilayer film layer)
Next, at a similar temperature, using ammonia gas and TMG as a source gas, a first layer made of undoped GaN is grown to about 1.5 nm, and then the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI are used as source gases. A second layer made of undoped In 0.1 Ga 0.9 N was grown by about 1 nm using ammonia gas. Then, by repeating these operations, 20 layers are alternately stacked, and finally a first nitride semiconductor layer made of GaN is grown by about 1.5 nm to have a total thickness of about 51. A 5 nm n-type multilayer film layer was formed.

(活性層3)
約900℃〜1300℃の温度にて、原料ガスにアンモニアガスおよびTMG、不純物ガスにシランガスを用いて、Siを1.0×1019/cmドープしたGaNを約3.5nm成長させた後、シランガスのみを止め、GaNを約1.5nm成長させて、厚さ約5nmの障壁層を形成した。
次に、約600℃〜1000℃の温度にて、原料ガスにTMG、TMIおよびアンモニアガスを用いて、アンドープIn0.15Ga0.85Nからなる井戸層を約3nmの厚さに成長させ、続いて、TMGおよびアンモニアガスを用いてアンドープGaNからなる障壁層を約5nmの厚さに成長させた。そして、井戸+障壁+井戸+障壁+・・・・+障壁の順で井戸層を9層、障壁層を9層、交互に積層して、総厚さ約80nmの多重量子井戸構造を有する活性層3を形成した。
(Active layer 3)
After growing GaN doped with Si by 1.0 × 10 19 / cm 3 at a temperature of about 900 ° C. to 1300 ° C. using ammonia gas and TMG as source gas and silane gas as impurity gas, about 3.5 nm Only the silane gas was stopped, and GaN was grown about 1.5 nm to form a barrier layer having a thickness of about 5 nm.
Next, a well layer made of undoped In 0.15 Ga 0.85 N is grown to a thickness of about 3 nm using TMG, TMI and ammonia gas as source gases at a temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C. Subsequently, a barrier layer made of undoped GaN was grown to a thickness of about 5 nm using TMG and ammonia gas. Then, nine well layers and nine barrier layers are stacked alternately in the order of well + barrier + well + barrier +... + Barrier, and has an active structure having a multiple quantum well structure with a total thickness of about 80 nm. Layer 3 was formed.

(p型クラッド層5)
次に、約900〜1000℃の温度にて、原料ガスにTMG、TMAおよびアンモニアガス、不純物ガスにCpMg(ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム)を用いて、Mgを1.0×1020/cmドープしたp型Al0.17Ga0.83Nを10nmの厚さで成長させて、p型クラッド層5を形成した。
(P-type cladding layer 5)
Next, at a temperature of about 900 to 1000 ° C., TMG, TMA, and ammonia gas are used as the source gas, and Cp 2 Mg (bis (cyclopentadienyl) magnesium) is used as the impurity gas. A p-type cladding layer 5 was formed by growing 20 / cm 3 -doped p-type Al 0.17 Ga 0.83 N with a thickness of 10 nm.

(p側ノンドープ層6)
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMG、TMIおよびアンモニアガスを用いて、ノンドープIn0.025Ga0.975Nからなる井戸層を1.7nmの厚さに成長させ、続いて、TMIのみを止めて、ノンドープGaNからなる障壁層を3.3nmの厚さに成長させた。そしてこれらの操作を繰り返し、井戸層、障壁層の順で交互に10層ずつ積層して、超格子構造を有する総厚さ50nmのp側ノンドープ層6を形成した。p側ノンドープ層6における障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合をw/bとすると、w/bの値は1/2であった。
(P-side non-doped layer 6)
Next, the temperature is set to 900 ° C., and a well layer made of non-doped In 0.025 Ga 0.975 N is grown to a thickness of 1.7 nm using TMG, TMI, and ammonia gas as source gases. Only the TMI was stopped and a barrier layer made of non-doped GaN was grown to a thickness of 3.3 nm. These operations were repeated, and 10 layers were alternately laminated in the order of the well layer and the barrier layer to form the p-side non-doped layer 6 having a superlattice structure and a total thickness of 50 nm. Assuming that the ratio of the thickness of the well layer to the thickness of the barrier layer in the p-side non-doped layer 6 is w / b, the value of w / b was ½.

(p型コンタクト層7)
続いて、900℃で、原料ガスとしてTMGおよびアンモニアガス、不純物ガスとしてCpMgを用いて、Mgを5×1019/cm以下ドープしたp型GaNを70nmの厚さに成長させ、次いで、Mgを5×1019/cm以上ドープしたp型GaNを15nmの厚さで成長させて、p型コンタクト層7を形成した。
(P-type contact layer 7)
Subsequently, at 900 ° C., p-type GaN doped with Mg of 5 × 10 19 / cm 3 or less is grown to a thickness of 70 nm using TMG and ammonia gas as source gases and Cp 2 Mg as impurity gas, Then, p-type GaN doped with 5 × 10 19 / cm 3 or more of Mg was grown to a thickness of 15 nm to form the p-type contact layer 7.

反応終了後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層7の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置を用いてp型コンタクト層7側からエッチングを行って、n型コンタクト層の表面を露出させた。p型コンタクト層7上のほぼ全面にITOからなるp側透光性電極を形成し、次いで、形成したp側透光性電極上およびエッチングにより露出させたn型コンタクト層上のそれぞれに、p側パッド電極およびn側電極をそれぞれ形成した。最後に、ウェハを各チップに切断して実施例1の窒化物半導体発光素子を得た。   After completion of the reaction, the wafer is taken out from the reaction container, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 7, and etching is performed from the p-type contact layer 7 side using an RIE (reactive ion etching) apparatus. To expose the surface of the n-type contact layer. A p-side translucent electrode made of ITO is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 7, and then p is formed on the formed p-side translucent electrode and on the n-type contact layer exposed by etching. A side pad electrode and an n-side electrode were formed. Finally, the wafer was cut into chips to obtain the nitride semiconductor light emitting device of Example 1.

[実施例2]
厚さ3.3nmの井戸層と、厚さ6.7nmの障壁層とを交互に5層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例2の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/2であった。
[Example 2]
Example 2 is the same as Example 2 except that the p-side non-doped layer 6 is formed by alternately stacking 5 layers of 3.3 nm thick well layers and 6.7 nm thick barrier layers. A nitride semiconductor light emitting device was produced. The value of w / b was 1/2.

[実施例3]
厚さ5.6nmの井戸層と、厚さ11.1nmの障壁層とを交互に3層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例3の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/2であった。
[Example 3]
Example 3 is the same as Example 1 except that the p-side non-doped layer 6 is formed by alternately stacking three layers of 5.6 nm thick well layers and 11.1 nm thick barrier layers. A nitride semiconductor light emitting device was produced. The value of w / b was 1/2.

[実施例4]
厚さ1nmの井戸層と、厚さ4nmの障壁層とを交互に10層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例4の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/4であった。
[Example 4]
The nitride semiconductor of Example 4 is the same as that of Example 1 except that the p-side non-doped layer 6 is formed by alternately stacking 10 well layers having a thickness of 1 nm and barrier layers having a thickness of 4 nm. A light emitting element was manufactured. The value of w / b was 1/4.

[実施例5]
厚さ1.4nmの井戸層と、厚さ5.7nmの障壁層とを交互に7層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例5の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/4であった。
[Example 5]
Example 5 is the same as Example 1 except that a p-side non-doped layer 6 is formed by alternately stacking seven layers of well layers having a thickness of 1.4 nm and barrier layers having a thickness of 5.7 nm. A nitride semiconductor light emitting device was produced. The value of w / b was 1/4.

[実施例6]
厚さ3.3nmの井戸層と、厚さ13.3nmの障壁層とを交互に3層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例6の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/4であった。
[Example 6]
Example 6 is the same as Example 6 except that a p-side non-doped layer 6 is formed by alternately stacking three well layers having a thickness of 3.3 nm and barrier layers having a thickness of 13.3 nm. A nitride semiconductor light emitting device was produced. The value of w / b was 1/4.

[比較例1]
超格子構造を有するp側ノンドープ層6の代わりに、温度900℃にて、原料ガスにTMGアンモニアガスを用いて、ノンドープGaNを50nmの厚さに成長させて超格子構造を有しないp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、比較例1の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Comparative Example 1]
Instead of the p-side non-doped layer 6 having a superlattice structure, a p-side non-doped layer having no super-lattice structure is grown at a temperature of 900 ° C. by using TMG ammonia gas as a source gas to grow non-doped GaN to a thickness of 50 nm. A nitride semiconductor light emitting device of Comparative Example 1 was fabricated in the same procedure as in Example 1 except that the layer 6 was formed.

[実施例7]
厚さ1.7nmのノンドープIn0.05Ga0.95Nからなる井戸層と、厚さ3.3nmのノンドープGaNからなる障壁層とを交互に10層ずつ積層してp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例7の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/2であった。
[Example 7]
The p-side non-doped layer 6 is formed by alternately laminating 10 layers of a well layer made of non-doped In 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 1.7 nm and a barrier layer made of non-doped GaN having a thickness of 3.3 nm. A nitride semiconductor light emitting device of Example 7 was fabricated in the same procedure as in Example 1 except for the formation. The value of w / b was 1/2.

[実施例8]
p側ノンドープ層6における井戸層の組成をIn0.10Ga0.90Nとした以外は実施例7と同様の手順で、実施例8の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Example 8]
A nitride semiconductor light emitting device of Example 8 was fabricated in the same procedure as in Example 7 except that the composition of the well layer in the p-side non-doped layer 6 was changed to In 0.10 Ga 0.90 N.

[実施例9]
p側ノンドープ層6における井戸層の組成をIn0.12Ga0.88Nとした以外は実施例7と同様の手順で、実施例9の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Example 9]
A nitride semiconductor light emitting device of Example 9 was fabricated in the same procedure as in Example 7, except that the composition of the well layer in the p-side non-doped layer 6 was changed to In 0.12 Ga 0.88 N.

[実施例10]
p側ノンドープ層6における井戸層の組成をIn0.15Ga0.85Nとした以外は実施例7と同様の手順で、実施例10の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Example 10]
A nitride semiconductor light emitting device of Example 10 was fabricated in the same procedure as in Example 7, except that the composition of the well layer in the p-side non-doped layer 6 was changed to In 0.15 Ga 0.85 N.

[比較例2]
超格子構造を有するp側ノンドープ層6の代わりに、温度900℃にて、原料ガスにTMGアンモニアガスを用いて、ノンドープGaNを50nmの厚さに成長させて超格子構造を有しないp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例7と同様の手順で、比較例2の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Comparative Example 2]
Instead of the p-side non-doped layer 6 having a superlattice structure, a p-side non-doped layer having no super-lattice structure is grown at a temperature of 900 ° C. by using TMG ammonia gas as a source gas to grow non-doped GaN to a thickness of 50 nm. A nitride semiconductor light emitting device of Comparative Example 2 was fabricated in the same procedure as in Example 7 except that the layer 6 was formed.

実施例1〜10ならびに比較例1および2の発光素子について、300Vの電圧を印加した場合の破壊率を測定し、静電耐圧特性の評価を行った。各々の発光素子に関する破壊率測定結果を図2(a)〜(c)に示す。また、実施例1〜10ならびに比較例1および2に係る窒化物半導体発光素子のp側ノンドープ層6における井戸層の組成、井戸層および障壁層の積層数、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合w/bならびにp側ノンドープ層6の総厚さを表1に示す。図2(a)〜(c)より、p側ノンドープ層6の総厚さが同じである場合、実施例1〜10の発光素子は、比較例1および2の発光素子と比較して300Vにおける破壊率が低下していることがわかる。   About the light emitting element of Examples 1-10 and Comparative Examples 1 and 2, the destruction rate at the time of applying the voltage of 300V was measured, and the electrostatic withstand voltage characteristic was evaluated. The breakdown rate measurement results for each light-emitting element are shown in FIGS. Further, the composition of the well layer in the p-side non-doped layer 6 of the nitride semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2, the number of well layers and barrier layers, and the thickness of the well layer relative to the thickness of the barrier layer Table 1 shows the thickness ratio w / b and the total thickness of the p-side non-doped layer 6. 2A to 2C, when the total thickness of the p-side non-doped layer 6 is the same, the light emitting elements of Examples 1 to 10 are 300 V compared to the light emitting elements of Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the destruction rate is decreasing.

Figure 2014011187
Figure 2014011187

図2(a)は、w/bの値を1/2に固定して、井戸層および障壁層の積層数を変化させた場合の破壊率の変化を示している。図2(a)より、w/bの値が1/2である場合、井戸層および障壁層の積層数が少ないほど破壊率は低下するが、積層数が少なすぎると、破壊率低減の効果が小さくなる傾向にあることがわかる。
w/b=1/2の場合において、積層数が少ないほど破壊率が低下する理由としては、以下のことが考えられる。p側ノンドープ層6の総厚さが固定されているので、積層数が少なくなると、1層あたりのInGaN層の厚さが厚くなり、それによってGaN層とInGaN層との界面における応力が大きくなる。その結果、得られるピエゾ効果が大きくなり、破壊率が低下したと考えられる。
w/b=1/2の場合において、積層数が少なすぎると破壊率低減の効果が小さくなる理由としては、以下のことが考えられる。積層数が少なすぎると、InGaN層の1層あたりの厚さが厚くなり、それにより結晶欠陥が増加し、その結果、静電耐圧特性向上の効果が小さくなり、破壊率低減の効果が小さくなったと考えられる。
FIG. 2 (a) shows the change in the breakdown rate when the value of w / b is fixed to ½ and the number of well layers and barrier layers is changed. As shown in FIG. 2A, when the value of w / b is ½, the smaller the number of well layers and barrier layers, the lower the destruction rate. It can be seen that tends to be small.
In the case of w / b = 1/2, the reason why the destruction rate decreases as the number of stacked layers decreases is as follows. Since the total thickness of the p-side non-doped layer 6 is fixed, when the number of stacked layers is reduced, the thickness of the InGaN layer per layer increases, thereby increasing the stress at the interface between the GaN layer and the InGaN layer. . As a result, the obtained piezo effect is increased, and the destruction rate is considered to be reduced.
In the case of w / b = 1/2, the reason why the effect of reducing the destruction rate is reduced when the number of stacked layers is too small may be as follows. If the number of stacked layers is too small, the thickness of each InGaN layer increases, thereby increasing crystal defects. As a result, the effect of improving electrostatic withstand voltage characteristics is reduced, and the effect of reducing the breakdown rate is reduced. It is thought.

図2(b)は、w/bの値を1/4に固定して、井戸層および障壁層の積層数を変化させた場合の破壊率の変化を示している。図2(b)より、w/bの値が1/4である場合、井戸層および障壁層の積層数が多いほど破壊率は低下する傾向にあることがわかる。   FIG. 2B shows the change in the breakdown rate when the value of w / b is fixed to ¼ and the number of well layers and barrier layers is changed. FIG. 2B shows that when the value of w / b is ¼, the breakdown rate tends to decrease as the number of well layers and barrier layers increases.

図2(a)および(b)より、w/bの値が比較的大きい、即ち井戸層の厚さが比較的厚い場合と、w/bの値が比較的小さい、即ち井戸層の厚さが比較的薄い場合とでは、好ましい積層数の傾向が異なることがわかる。   2A and 2B, the value of w / b is relatively large, that is, the thickness of the well layer is relatively large, and the value of w / b is relatively small, that is, the thickness of the well layer. It can be seen that the tendency of the preferred number of layers is different when the thickness is relatively thin.

更に、図2(a)および(b)において、井戸層および障壁層の積層数が共に10である実施例1および実施例4を比較すると、w/bの値が1/4である実施例4の発光素子の方が、w/bの値が1/2である実施例1の発光素子よりも低い破壊率を有した。これに対し、積層数が共に3である実施例3および6を比較すると、w/bの値が1/2である実施例3の発光素子の方が、w/bの値が1/4である実施例6の発光素子よりも低い破壊率を有した。従って、積層数が比較的多い場合には、w/bの値は小さいことが好ましく、積層数が比較的少ない場合には、w/bの値は大きいことが好ましいと考えられる。   2A and 2B, when Example 1 and Example 4 in which the number of well layers and barrier layers are both 10 are compared, an example in which the value of w / b is 1/4 is compared. The light emitting element of 4 had a lower breakdown rate than the light emitting element of Example 1 in which the value of w / b was 1/2. On the other hand, when Examples 3 and 6 in which the number of stacked layers is both 3 are compared, the light emitting element of Example 3 in which the value of w / b is 1/2 has a value of 1/4 in w / b. Thus, the breakdown rate was lower than that of the light emitting device of Example 6. Therefore, when the number of stacked layers is relatively large, it is preferable that the value of w / b is small, and when the number of stacked layers is relatively small, it is preferable that the value of w / b is large.

図2(c)は、井戸層および障壁層の積層数を10、w/bの値を1/2に固定して、井戸層の組成InGa1−xN(0<x<1)を変化させた場合の破壊率の変化を示している。x=0.025である実施例1の発光素子の破壊率が最も高く、x=y=0.15である実施例10の発光素子の破壊率が2番目に高かった。図2(c)より、xの値は小さいほど破壊率が低下する傾向にあるが、xが小さすぎると破壊率低減の効果が小さくなる傾向にあることがわかる。xの値が小さいほど破壊率が低下するのは、xの値が小さいほど結晶欠陥の発生が抑制されるからであると考えられる。xが小さすぎると破壊率低減の効果が小さくなる理由は、p側ノンドープ層6の特性が、超格子構造でないGaN単膜の特性に近づき、その結果、得られるピエゾ効果が小さくなるからであると考えられる。 FIG. 2C shows the composition of the well layer In x Ga 1-x N (0 <x <1) with the number of well layers and barrier layers being 10 and the value of w / b being fixed to ½. The change of the destruction rate when changing is shown. The breakdown rate of the light emitting device of Example 1 where x = 0.025 was the highest, and the breakdown rate of the light emitting device of Example 10 where x = y = 0.15 was the second highest. FIG. 2 (c) shows that the smaller the value of x, the lower the destruction rate. However, when x is too small, the effect of reducing the destruction rate tends to decrease. The reason why the fracture rate decreases as the value of x decreases is considered to be that the generation of crystal defects is suppressed as the value of x decreases. The reason why the effect of reducing the breakdown rate is reduced when x is too small is that the characteristics of the p-side non-doped layer 6 approach the characteristics of a GaN single film not having a superlattice structure, and as a result, the obtained piezo effect is reduced. it is conceivable that.

p側ノンドープ層6における井戸層および障壁層の積層数、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合w/bおよび井戸層の組成InGa1−xN(0<x<1)について更に詳細に検討するために、以下の実施例11〜19および比較例3の窒化物半導体発光素子を作製した。 The number of well layers and barrier layers in the p-side non-doped layer 6, the ratio w / b of the thickness of the well layer to the thickness of the barrier layer, and the composition of the well layer In x Ga 1-x N (0 <x <1) In order to investigate further in detail, the following nitride semiconductor light emitting devices of Examples 11 to 19 and Comparative Example 3 were fabricated.

[実施例11]
厚さ1.8nmのノンドープIn0.03Ga0.97Nからなる井戸層と、厚さ5.4nmのノンドープGaNからなる障壁層とを交互に7層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例1と同様の手順で、実施例11の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/3であった。
[Example 11]
Seven well layers composed of 1.8 nm thick non-doped In 0.03 Ga 0.97 N and 5.4 nm thick non-doped GaN layers are alternately stacked to give a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 11 was fabricated in the same procedure as in Example 1 except that the p-side non-doped layer 6 was formed. The value of w / b was 1/3.

[実施例12]
厚さ4.2nmの井戸層と、厚さ12.5nmの障壁層とを交互に3層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例12の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/3であった。
[Example 12]
Except that a well layer having a thickness of 4.2 nm and a barrier layer having a thickness of 12.5 nm were alternately stacked in three layers to form a p-side non-doped layer 6 having a total thickness of 50 nm, which was the same as in Example 11. The nitride semiconductor light emitting device of Example 12 was fabricated by the procedure described above. The value of w / b was 1/3.

[実施例13]
厚さ5nmの井戸層と、厚さ5nmの障壁層とを交互に5層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例13の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1であった。
[Example 13]
A procedure similar to that in Example 11 was performed except that a 5 nm thick well layer and a 5 nm thick barrier layer were alternately stacked to form a p-side non-doped layer 6 having a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 13 was produced. The value of w / b was 1.

[実施例14]
厚さ1.3nmの井戸層と、厚さ8.8nmの障壁層とを交互に5層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例14の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/7であった。
[Example 14]
Except that a well layer having a thickness of 1.3 nm and a barrier layer having a thickness of 8.8 nm were alternately stacked to form a p-type non-doped layer 6 having a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 14 was fabricated by the procedure described above. The value of w / b was 1/7.

[実施例15]
厚さ2.5nmのノンドープIn0.01Ga0.99Nからなる井戸層と、厚さ7.5nmのノンドープGaNからなる障壁層とを交互に5層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例15の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/3であった。
[Example 15]
A well layer made of non-doped In 0.01 Ga 0.99 N having a thickness of 2.5 nm and a barrier layer made of non-doped GaN having a thickness of 7.5 nm are alternately stacked to form a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 15 was fabricated in the same procedure as in Example 11 except that the p-side non-doped layer 6 was formed. The value of w / b was 1/3.

[実施例16]
p側ノンドープ層6における井戸層の組成をIn0.05Ga0.95Nとした以外は実施例15と同様の手順で、実施例16の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Example 16]
A nitride semiconductor light emitting device of Example 16 was fabricated in the same procedure as in Example 15 except that the composition of the well layer in the p-side non-doped layer 6 was changed to In 0.05 Ga 0.95 N.

[実施例17]
厚さ8.3nmの井戸層と、厚さ8.3nmの障壁層とを交互に3層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例17の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1であった。
[Example 17]
Example 11 except that an 8.3 nm thick well layer and an 8.3 nm thick barrier layer were alternately laminated to form a p-side non-doped layer 6 having a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 17 was fabricated by the procedure described above. The value of w / b was 1.

[実施例18]
厚さ2nmの井戸層と、厚さ14.6nmの障壁層とを交互に3層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例18の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/7であった。
[Example 18]
A procedure similar to that in Example 11 was performed except that a well layer having a thickness of 2 nm and a barrier layer having a thickness of 14.6 nm were alternately stacked to form a p-side non-doped layer having a total thickness of 50 nm. A nitride semiconductor light emitting device of Example 18 was produced. The value of w / b was 1/7.

[実施例19]
厚さ4.2nmのノンドープIn0.05Ga0.95Nからなる井戸層と、厚さ12.5nmのノンドープGaNからなる障壁層とを交互に3層ずつ積層して、総厚さが50nmのp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、実施例19の窒化物半導体発光素子を作製した。w/bの値は1/3であった。
[Example 19]
A well layer made of non-doped In 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 4.2 nm and a barrier layer made of non-doped GaN having a thickness of 12.5 nm are alternately stacked in three layers, for a total thickness of 50 nm. The nitride semiconductor light emitting device of Example 19 was fabricated in the same procedure as in Example 11 except that the p-side non-doped layer 6 was formed. The value of w / b was 1/3.

[比較例3]
超格子構造を有するp側ノンドープ層6の代わりに、温度900℃にて、原料ガスにTMGアンモニアガスを用いて、ノンドープGaNを50nmの厚さに成長させて超格子構造を有しないp側ノンドープ層6を形成した以外は実施例11と同様の手順で、比較例3の窒化物半導体発光素子を作製した。
[Comparative Example 3]
Instead of the p-side non-doped layer 6 having a superlattice structure, a p-side non-doped layer having no super-lattice structure is grown at a temperature of 900 ° C. by using TMG ammonia gas as a source gas to grow non-doped GaN to a thickness of 50 nm. A nitride semiconductor light emitting device of Comparative Example 3 was fabricated in the same procedure as in Example 11 except that the layer 6 was formed.

実施例11〜19および比較例3の発光素子について、200Vおよび300Vの電圧を印加した場合の破壊率、破壊電圧ならびに1500Vの電圧を印加した場合の非破壊率をそれぞれ測定して、静電耐圧特性の評価を行った。また、各々の発光素子について、順方向電圧Vfの測定を行った。各々の発光素子に関する測定結果を図3〜7に示す。また、実施例11〜19および比較例3に係る窒化物半導体発光素子のp側ノンドープ層6における井戸層の組成、井戸層および障壁層の積層数、障壁層の厚さに対する井戸層の厚さの割合w/b、p側ノンドープ層6の総厚さ並びに順方向電圧Vfの測定結果を表2に示す。図3〜7より、p側ノンドープ層6の厚さが同じである場合、実施例11〜19の発光素子は、比較例3の発光素子と比較して、200Vおよび300Vにおける破壊率が低下し、かつ破壊電圧が増加したことがわかる。また、破壊電圧が高いほど1500Vにおける非破壊率が高くなる傾向を示した。表2より、p側ノンドープ層6の厚さが同じである場合、実施例11〜19の発光素子は、比較例3と同等の順方向電圧Vfを有していることがわかる。   For the light emitting devices of Examples 11 to 19 and Comparative Example 3, the breakdown rate when applying a voltage of 200 V and 300 V, the breakdown voltage, and the non-destructive rate when applying a voltage of 1500 V were measured respectively. The characteristics were evaluated. Further, the forward voltage Vf was measured for each light emitting element. The measurement result regarding each light emitting element is shown in FIGS. Further, the composition of the well layer, the number of well layers and the number of the barrier layers in the p-side non-doped layer 6 of the nitride semiconductor light emitting devices according to Examples 11 to 19 and Comparative Example 3, the thickness of the well layer relative to the thickness of the barrier layer Table 2 shows the measurement results of the ratio w / b, the total thickness of the p-side non-doped layer 6 and the forward voltage Vf. 3 to 7, when the p-side non-doped layer 6 has the same thickness, the light emitting elements of Examples 11 to 19 have a lower breakdown rate at 200 V and 300 V than the light emitting element of Comparative Example 3. It can also be seen that the breakdown voltage has increased. In addition, the higher the breakdown voltage, the higher the non-destructive rate at 1500V. From Table 2, when the thickness of the p side non-dope layer 6 is the same, it turns out that the light emitting element of Examples 11-19 has the forward voltage Vf equivalent to the comparative example 3. FIG.

Figure 2014011187
Figure 2014011187

図3(a)は、井戸層の組成をIn0.03Ga0.97N、w/bの値を1/3に固定して、井戸層および障壁層の積層数を変化させた場合の破壊率の変化を示しており、図3(b)は破壊電圧および1500V非破壊率の変化を示している。図3(a)および(b)より、この条件の下では、積層数が3である実施例12の発光素子は、積層数が7である実施例11の発光素子と比較して、200Vおよび300Vにおける破壊率が低く、破壊電圧および1500V非破壊率が高いことがわかる。 FIG. 3 (a) shows a case where the number of well layers and barrier layers are varied while the composition of the well layer is In 0.03 Ga 0.97 N and the value of w / b is fixed to 1/3. FIG. 3 (b) shows changes in breakdown voltage and 1500V non-destruction rate. 3 (a) and 3 (b), under this condition, the light emitting device of Example 12 with the number of stacked layers is 200 V and the light emitting device of Example 11 with the number of stacked layers of 7V. It can be seen that the breakdown rate at 300 V is low, and the breakdown voltage and the 1500 V non-destructive rate are high.

図4(a)は、井戸層の組成をIn0.03Ga0.97N、井戸層および障壁層の積層数を5に固定して、w/bの値を変化させた場合の破壊率の変化を示しており、図4(b)は破壊電圧および1500V非破壊率の変化を示している。図4(a)および(b)より、この実施例の条件の下では、w/bの値が1である実施例13の発光素子と、w/bの値が1/7である実施例14の発光素子とにおいて、200Vおよび300Vにおける破壊率、破壊電圧ならびに1500V非破壊率の値がほぼ同等であることがわかる。以上より、この実施例の条件の下では、井戸層の厚さと障壁層の厚さとが等しく、従って井戸層が比較的厚いことによる結晶欠陥の増加は、発光素子の静電耐圧特性に悪影響を及ぼすほど顕著なものではないと考えられる。 FIG. 4A shows the breakdown rate when the composition of the well layer is In 0.03 Ga 0.97 N, the number of well layers and barrier layers is fixed to 5, and the value of w / b is changed. FIG. 4B shows changes in the breakdown voltage and the 1500 V non-destructive rate. 4 (a) and 4 (b), under the conditions of this example, the light emitting element of Example 13 in which the value of w / b is 1, and the example in which the value of w / b is 1/7. It can be seen that the breakdown rate at 200 V and 300 V, the breakdown voltage, and the 1500 V non-destructive rate are approximately the same for the 14 light-emitting elements. From the above, under the conditions of this example, the thickness of the well layer is equal to the thickness of the barrier layer. Therefore, the increase in crystal defects due to the relatively thick well layer adversely affects the electrostatic withstand voltage characteristics of the light emitting device. It is thought that it is not so remarkable as to affect.

図5(a)は、井戸層および障壁層の積層数を5、w/bの値を1/3に固定して、井戸層の組成を変化させた場合の破壊率の変化を示しており、図5(b)は破壊電圧および1500V非破壊率の変化を示している。図5(a)および(b)より、この条件の下では、井戸層の組成がIn0.01Ga0.99Nである実施例15の発光素子は、井戸層の組成がIn0.05Ga0.95Nである実施例16の発光素子と比較して、200Vにおける破壊率が低く、破壊電圧および1500V非破壊率が高いことがわかる。 FIG. 5A shows the change in the breakdown rate when the number of well layers and barrier layers is 5 and the value of w / b is fixed to 1/3 and the composition of the well layer is changed. FIG. 5B shows changes in breakdown voltage and 1500 V non-destructive rate. 5A and 5B, under this condition, the light emitting device of Example 15 in which the composition of the well layer is In 0.01 Ga 0.99 N has a well layer composition of In 0.05. Compared to the light emitting element of Example 16 which is Ga 0.95 N, it can be seen that the breakdown rate at 200 V is low, and the breakdown voltage and the 1500 V non-destructive rate are high.

図6(a)は、井戸層の組成をIn0.03Ga0.97N、井戸層および障壁層の積層数を3に固定して、w/bの値を変化させた場合の破壊率の変化を示しており、図6(b)は破壊電圧および1500V非破壊率の変化を示している。図6(a)より、この実施例の条件の下では、200Vおよび300Vにおける破壊率は、w/bの値が1の場合に最も低くなったことがわかる。また、図6(b)からわかるように、破壊電圧および1500V非破壊率はw/bの値によらずほぼ同等であった。以上より、この実施例の条件の下では、井戸層の厚さと障壁層の厚さとが等しく、従って井戸層が比較的厚いことによる結晶欠陥の増加は、発光素子の静電耐圧特性に悪影響を及ぼすほど顕著なものではなく、むしろ、井戸層が比較的厚いことによりGaN/InGaN界面における応力が増大し、それによりピエゾ効果が増大することが、静電耐圧特性の向上に寄与していると考えられる。 FIG. 6A shows the breakdown rate when the composition of the well layer is In 0.03 Ga 0.97 N, the number of well layers and barrier layers is fixed to 3, and the value of w / b is changed. FIG. 6B shows changes in breakdown voltage and 1500 V non-destructive rate. From FIG. 6A, it can be seen that, under the conditions of this example, the breakdown rate at 200 V and 300 V was lowest when the value of w / b was 1. Further, as can be seen from FIG. 6B, the breakdown voltage and the 1500 V non-destructive rate were almost equal regardless of the value of w / b. From the above, under the conditions of this example, the thickness of the well layer is equal to the thickness of the barrier layer. Therefore, the increase in crystal defects due to the relatively thick well layer adversely affects the electrostatic withstand voltage characteristics of the light emitting device. Rather, the stress at the GaN / InGaN interface increases due to the relatively thick well layer, which increases the piezoelectric effect, which contributes to the improvement of electrostatic withstand voltage characteristics. Conceivable.

図6(a)に示す実施例12、17および18の結果は、図4(a)に示す実施例13および14の結果と異なる傾向を示した。これは、実施例12、17および18における井戸層および障壁層の積層数が、実施例13および14における積層数と比較して小さいからであると考えられる。   The results of Examples 12, 17 and 18 shown in FIG. 6 (a) showed a tendency different from the results of Examples 13 and 14 shown in FIG. 4 (a). This is presumably because the number of well layers and barrier layers in Examples 12, 17 and 18 are smaller than those in Examples 13 and 14.

図7(a)は、井戸層および障壁層の積層数を3、w/bの値を1/3に固定して、井戸層の組成を変化させた場合の破壊率の変化を示しており、図7(b)は破壊電圧および1500V非破壊率の変化を示している。図7(a)および(b)より、この条件の下では、井戸層の組成がIn0.05Ga0.95Nである実施例19の発光素子は、井戸層の組成がIn0.03Ga0.97Nである実施例12の発光素子と比較して、破壊電圧および1500V非破壊率は同等であるが、200Vおよび300Vにおける破壊率が低いことがわかる。この結果は、図5(a)および(b)に示す実施例15および16の結果と異なる傾向を示している。これは、実施例12および19の発光素子において、p側ノンドープ層6の井戸層および障壁層の積層数が、実施例15および16の発光素子と比較して小さいことに起因すると考えられる。積層数が小さい場合、井戸層の組成InGa1−xN(0<x<1)におけるxの値を小さくすると、p側ノンドープ層6の特性が、超格子構造でないGaN単膜の特性に近づく傾向にある。 FIG. 7A shows the change in the breakdown rate when the number of well layers and barrier layers is 3 and the value of w / b is fixed to 1/3 and the composition of the well layer is changed. FIG. 7B shows changes in breakdown voltage and 1500 V non-destructive rate. 7A and 7B, under this condition, the light emitting device of Example 19 in which the composition of the well layer is In 0.05 Ga 0.95 N has the composition of the well layer of In 0.03. Compared with the light emitting element of Example 12 which is Ga 0.97 N, the breakdown voltage and the 1500 V non-destructive rate are the same, but the breakdown rate at 200 V and 300 V is low. This result shows a tendency different from the results of Examples 15 and 16 shown in FIGS. This is considered to be due to the fact that in the light emitting elements of Examples 12 and 19, the number of stacked well layers and barrier layers of the p-side non-doped layer 6 is smaller than that of the light emitting elements of Examples 15 and 16. When the number of stacked layers is small, when the value of x in the composition In x Ga 1-x N (0 <x <1) of the well layer is reduced, the p-side non-doped layer 6 has characteristics of a GaN single film not having a superlattice structure. Tend to approach.

本発明の窒化物半導体発光素子は、優れた静電耐圧特性を有する。   The nitride semiconductor light emitting device of the present invention has excellent electrostatic withstand voltage characteristics.

1 基板
2 n型窒化物半導体層
3 活性層
4 p型窒化物半導体層
5 p型クラッド層
6 p側ノンドープ層
7 p型コンタクト層
8 p側電極
9 n側電極
1 substrate 2 n-type nitride semiconductor layer 3 active layer 4 p-type nitride semiconductor layer 5 p-type cladding layer 6 p-side non-doped layer 7 p-type contact layer 8 p-side electrode 9 n-side electrode

Claims (6)

n型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層が順に積層された構造を有する窒化物半導体発光素子であって、前記p型窒化物半導体層が、p型クラッド層と、p型コンタクト層と、該p型クラッド層と該p型コンタクト層との間に配置されるp側ノンドープ層とを含み、該p側ノンドープ層が超格子構造を有することを特徴とする、窒化物半導体発光素子。   A nitride semiconductor light emitting device having a structure in which an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer are laminated in order, wherein the p-type nitride semiconductor layer includes a p-type cladding layer, a p-type cladding layer, A nitride semiconductor comprising: a contact layer; and a p-side non-doped layer disposed between the p-type cladding layer and the p-type contact layer, wherein the p-side non-doped layer has a superlattice structure. Light emitting element. 前記p側ノンドープ層が、組成式InGa1−xN(0<x<1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された超格子構造を有することを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 The p-side non-doped layer has a superlattice structure in which a well layer represented by a composition formula In x Ga 1-x N (0 <x <1) and a barrier layer represented by a composition formula GaN are alternately stacked. The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, comprising: 前記活性層が、組成式InGa1−yN(0<y≦1)で表される井戸層と、組成式GaNで表される障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記xと前記yとが、x<yの関係を満たすことを特徴とする、請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。 The active layer has a multiple quantum well structure in which a well layer represented by a composition formula In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) and a barrier layer represented by a composition formula GaN are alternately stacked. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein x and y satisfy a relationship of x <y. 前記p側ノンドープ層における井戸層および障壁層の積層数が各々、3以上20以下であることを特徴とする、請求項2または3に記載の窒化物半導体発光素子。   4. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the number of stacked well layers and barrier layers in the p-side non-doped layer is 3 or more and 20 or less. 5. 前記p側ノンドープ層における超格子構造の総厚さが500Å〜2000Åである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting element according to any one of claims 1 to 4, wherein a total thickness of the superlattice structure in the p-side non-doped layer is 500 to 2000 mm. 前記p側ノンドープ層において、井戸層の厚さが障壁層の厚さより薄いことを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。   5. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 2, wherein in the p-side non-doped layer, the thickness of the well layer is thinner than the thickness of the barrier layer.
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