JP2016015413A - Semiconductor light emitting element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.
窒化物半導体を用いた発光素子として、下記特許文献1の構造が知られている。図6は、同文献に開示されている半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。
As a light-emitting element using a nitride semiconductor, the structure of
図6に示す従来の半導体発光素子100は、基板101、バッファ層102、n型コンタクト層103、n型クラッド層104,活性層105、p型クラッド層106、第一のp型コンタクト層107、第二のp型コンタクト層108を備える。また、半導体発光素子100は、n型コンタクト層103の上面にn側電極109を有し、第二のp型コンタクト層108の上面にp側電極110を有する。
A conventional semiconductor
特許文献1によれば、p側電極110と接触する第二のp型コンタクト層108はp型不純物濃度が高くAl組成比の低い半導体層で構成され、第一のp型コンタクト層107は第二のp型コンタクト層108と比較してp型不純物濃度が低くAl組成比の高い半導体層で構成されると記載されている。同文献によれば、このようにp型不純物濃度とAl組成比が異なる2種類の層でp型コンタクト層(107,108)を形成することにより、p側電極110とのオーミック接触を実現しながらも、自己吸収を防止しながら素子特性を維持できる程度にコンタクト層の膜厚を確保することができると記載されている。
According to
特許文献1によれば、図6に示す従来の半導体発光素子100は以下の手順で作製される。
According to
基板101の上層にGaNよりなるバッファ層102を510℃で成長させた後、n型Al0.04Ga0.96Nよりなるn型コンタクト層103を1050℃で成長させる。次に、n型コンタクト層103の上層にn型Al0.18Ga0.82Nよりなるn型クラッド層104を1050℃で成長させ、その後に700℃でアンドープInGaNよりなる活性層105を成長させる。なお、本明細書において、InGaNとの記載は、Ina1Ga1−a1N(0<a1<1)という意味であり、InとGaの組成比が1:1であることを表すものではない。AlGaN等の記載も同趣旨である。
After the
次に、1050℃で、Al0.2Ga0.8Nよりなるp型クラッド層106を成長させる。次に、p型クラッド層106上にMgを1×1019/cm3ドープしたAl0.04Ga0.96Nよりなる第一のp型コンタクト層107を0.1μmの膜厚で成長させた後、ガスの流量を調整してMgを2×1021/cm3ドープしたAl0.01Ga0.99Nよりなる第二のp型コンタクト層108を0.02μmの膜厚で成長させる。
Next, the p-
その後、ウェハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型半導体層を低抵抗化した後、ウェハを反応容器から取り出す。そして、最上層に位置する第二のp型コンタクト層108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)装置で第二のp型コンタクト層108側から半導体層をエッチングして、図6に示すようにn型コンタクト層103の表面を露出させる。そして、露出したn型コンタクト層103の上面にn側電極109を形成し、第二のp型コンタクト層108の上面にp側電極110を形成する。
Thereafter, the wafer is annealed at 700 ° C. in the reaction container to reduce the resistance of the p-type semiconductor layer, and then the wafer is taken out from the reaction container. Then, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the second p-
ここで、上述したように、p型クラッド層106、第一のp型コンタクト層107、及び第二のp型コンタクト層108は、いずれも炉内を1000℃以上の高温状態としてエピタキシャル成長させることで形成される。その後、炉内の温度は低下される。上記の方法では、700℃程度まで低下されてアニール処理が施された後、ウェハは炉外へと出される。
Here, as described above, the p-
しかし、本発明者の鋭意研究によれば、上述した方法によって製造された半導体発光素子は、動作電圧が高くなることを見出した。 However, according to the diligent research of the present inventors, it has been found that the semiconductor light emitting device manufactured by the above-described method has a high operating voltage.
本発明は、上記の課題に鑑み、動作電圧を従来よりも低下させながらも高い光出力を得ることのできる半導体発光素子及びその製造方法を実現することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to realize a semiconductor light-emitting element capable of obtaining a high light output while lowering the operating voltage than the conventional one and a manufacturing method thereof.
本発明者は、鋭意研究により、特許文献1に記載された半導体発光素子の動作電圧が高くなる理由を以下のように考えている。
The present inventor considers the reason why the operating voltage of the semiconductor light emitting device described in
特許文献1に記載された半導体発光素子100の半導体層のうち最上面に位置する半導体層、すなわちp側電極110と接触する半導体層(第二のp型コンタクト層108)は、Al0.01Ga0.99Nで構成されている。そして、この層は、炉内の温度を1050℃という高温にした状態でエピタキシャル成長することで形成された層である。
Of the semiconductor layers of the semiconductor
ところで、AlGaNはGaNとAlNの混晶であり、AlNの形成温度はGaNの形成温度よりも高い。つまり、1050℃という高温下でTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア等の原料ガスを供給しながらAlGaNからなる第二のp型コンタクト層108を成長させた後、ガスの供給を停止しても、炉内はしばらくの間、極めて高い温度下に晒される。このとき、第二のp型コンタクト層108を構成するAlGaNのうちのGaNが選択的に蒸発してしまい、AlGaNのAl組成比が高まる。
By the way, AlGaN is a mixed crystal of GaN and AlN, and the formation temperature of AlN is higher than the formation temperature of GaN. That is, the second p-
つまり、成長条件としては、Al0.01Ga0.99Nが形成されるように各原料ガスの流量比を設定していたとしても、ガスの供給を停止してから、GaNが蒸発しない程度に炉内が低温になるまでの間、特に第二のp型コンタクト層108の上面からGaNが蒸発してしまう。このため、第二のp型コンタクト層108の上面にはAlリッチの層が形成される。
That is, as a growth condition, even if the flow rate ratio of each source gas is set so that Al 0.01 Ga 0.99 N is formed, the extent that GaN does not evaporate after the gas supply is stopped. In particular, GaN evaporates from the upper surface of the second p-
このように第二のp型コンタクト層108の上面にAlリッチの層が存在すると、当該層のバンドギャップが拡がり、キャリア濃度が下がってしまう。また、Alリッチの層が酸化してAl2O3等の高抵抗層が表面に形成される場合がある。これらの理由により、p側電極110と第二のp型コンタクト層108との間のコンタクト抵抗が高くなり、半導体発光素子100の動作電圧が上昇してしまう。
Thus, when an Al-rich layer is present on the upper surface of the second p-
かかる考察の下、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、
基板を準備する工程(a)、
前記基板上に、n−Alx1Gay1In1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1)よりなるn型の第一半導体層を形成する工程(b)、
前記第一半導体層の上層に活性層を形成する工程(c)、
前記活性層の上層に、炉内の温度を800℃以上としてp−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなるp型の第二半導体層を形成する工程(d)、
前記第二半導体層の上層に、前記炉内の温度を800℃以上としてp−GaNよりなるp型の第三半導体層を形成する工程(e)、
及び、前記工程(e)の後に炉内温度を低下させる工程(f)を有することを特徴とする。
Under such consideration, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention includes:
Preparing a substrate (a),
A step (b) of forming an n-type first semiconductor layer made of n-Al x1 Ga y1 In 1-x1-y1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1) on the substrate;
Forming an active layer on the first semiconductor layer (c);
An upper layer of the active layer, p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N p -type second semiconductor made of (0 <x2 ≦ 1,0 ≦ y2 <1) the temperature in the furnace as 800 ° C. or higher Forming a layer (d),
A step (e) of forming a p-type third semiconductor layer made of p-GaN at a temperature in the furnace of 800 ° C. or higher on the second semiconductor layer;
And it has the process (f) which lowers | hangs the furnace temperature after the said process (e), It is characterized by the above-mentioned.
上記の方法とすることで、炉内の温度が低下する直前の状態、すなわち工程(f)の直前の状態で、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなるp型の第二半導体層の上面にはp−GaNよりなるp型の第三半導体層が形成されている。つまり、炉内の温度が高温の状態でガスの供給を停止しても、Alを含む混晶で構成される第二半導体層は最上面に位置していないため、この第二半導体層からGaNが蒸発して第二半導体層の上面がAlリッチになるということはない。また、ガスの供給を停止した時点で最上面に位置している第三半導体層はp−GaNで構成されているため、炉内の温度を低下させている工程中に第三半導体層からGaNが蒸発したとしても、Alリッチな層が第三半導体層の最上面に形成されるということはない。 By the above method, immediately before the temperature in the furnace is lowered state, i.e., immediately before the state of step (f), p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N (0 <x2 ≦ 1, A p-type third semiconductor layer made of p-GaN is formed on the upper surface of the p-type second semiconductor layer made of 0 ≦ y2 <1). In other words, even if the gas supply is stopped when the temperature in the furnace is high, the second semiconductor layer composed of a mixed crystal containing Al is not located on the uppermost surface. Does not evaporate and the upper surface of the second semiconductor layer becomes Al-rich. In addition, since the third semiconductor layer located on the uppermost surface at the time when the supply of gas is stopped is composed of p-GaN, the GaN is removed from the third semiconductor layer during the process of lowering the temperature in the furnace. Even if evaporates, an Al-rich layer is not formed on the uppermost surface of the third semiconductor layer.
従って、従来のように、p側電極と接触するp型半導体層の上面にAlリッチな層が形成されていないため、炉内温度を低下させる工程(f)の後に第三半導体層の上面にp側電極を形成しても、p側電極と第三半導体層の間のコンタクト抵抗が高くなるということがない。よって、従来よりも動作電圧の低い半導体発光素子が実現される。この結果は、「発明を実施するための形態」の項で実施例を参照して後述される。 Therefore, unlike the prior art, since an Al-rich layer is not formed on the upper surface of the p-type semiconductor layer that contacts the p-side electrode, the upper surface of the third semiconductor layer is formed after the step (f) of reducing the furnace temperature. Even if the p-side electrode is formed, the contact resistance between the p-side electrode and the third semiconductor layer does not increase. Therefore, a semiconductor light emitting element having a lower operating voltage than the conventional one is realized. This result will be described later with reference to the examples in the section “DETAILED DESCRIPTION”.
なお、第三半導体層は、ドープされているp型不純物濃度が高い(例えば1×1019/cm3以上)層としても構わない。 The third semiconductor layer may be a layer having a high doped p-type impurity concentration (for example, 1 × 10 19 / cm 3 or more).
また、第二半導体層についても、ドープされているp型不純物濃度が高い(例えば1×1019/cm3以上)層としても構わない。この場合、工程(f)の過程において、第三半導体層が全て蒸発してしまっても構わない。このとき、第三半導体層は、第二半導体層を構成するAlを含む混晶からGaNの蒸発を防ぐための保護層としてのみ機能する。そして、工程(f)の後、第二半導体層の上面にp側電極が形成される。この場合、p側電極と接触する半導体層は、p−Alx2Gay2In1−x2−y2Nからなる第二半導体層である。この第二半導体層がAlGaN層である場合には、p−AlGaN層の上層にp側電極が形成されている点に関しては、図6を参照して上述した従来の構造と同様である。しかし、上述したように、第二半導体層は、工程(f)の後、特に炉内温度が高い初期段階においては、その上面に保護層としての第三半導体層が形成されているため、従来構成とは異なり、p−Alx2Gay2In1−x2−y2Nからなる第二半導体層の上面にはAlリッチな層が形成されない。よって、従来の構成よりも動作電圧の低い半導体発光素子が実現される。 The second semiconductor layer may also be a layer having a high doped p-type impurity concentration (for example, 1 × 10 19 / cm 3 or more). In this case, all of the third semiconductor layer may be evaporated in the process (f). At this time, the third semiconductor layer functions only as a protective layer for preventing evaporation of GaN from a mixed crystal containing Al constituting the second semiconductor layer. Then, after the step (f), a p-side electrode is formed on the upper surface of the second semiconductor layer. In this case, the semiconductor layer in contact with the p-side electrode is a second semiconductor layer made of p-Al x2 Ga y2 In 1 -x2-y2 N. When the second semiconductor layer is an AlGaN layer, the p-side electrode is formed on the p-AlGaN layer, which is the same as the conventional structure described above with reference to FIG. However, as described above, since the second semiconductor layer has a third semiconductor layer as a protective layer formed on the upper surface thereof after the step (f), particularly in the initial stage where the furnace temperature is high, Unlike configurations, p-Al x2 Ga y2 in 1-x2-y2 on the upper surface of the second semiconductor layer made of N is not formed Al rich layer. Therefore, a semiconductor light emitting device having a lower operating voltage than the conventional configuration is realized.
なお、工程(d)は、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)を成長することのできる温度以上の温度で形成するものとして構わない。同様に、工程(e)は、p−GaNを成長することのできる温度以上の温度で形成するものとして構わない。 The step (d) is may as forming with p-Al x2 Ga y2 In 1 -x2-y2 N temperature above that can be grown (0 <x2 ≦ 1,0 ≦ y2 <1) Absent. Similarly, the step (e) may be formed at a temperature higher than the temperature at which p-GaN can be grown.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記工程(f)の後に前記第三半導体層の上層に電極を形成する工程(g)を更に有するものとして構わない。 Moreover, the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of the present invention may further include a step (g) of forming an electrode on the third semiconductor layer after the step (f).
また、前記工程(e)は、前記工程(d)と比べて、前記炉内に供給される原料ガスの流量のみが変更されて実行される工程とすることもできる。すなわち、工程(d)と工程(e)とで成長温度をほぼ同じとしても構わない。 Moreover, the said process (e) can also be made into the process performed by changing only the flow volume of the source gas supplied in the said furnace compared with the said process (d). That is, the growth temperature may be substantially the same in step (d) and step (e).
このとき、工程(e)は工程(d)に引き続き炉内を高い温度として半導体層を成長させる工程であるため、工程(d)によって形成されたp−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなる第二半導体層の上面からGaNが蒸発してAlリッチの層が上面に形成されるということはなく、第二半導体層の上面に第三半導体層が形成される。 At this time, since the step (e) is a step for growing the semiconductor layer at a high temperature in the furnace following the step (d), the p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 formed by the step (d) is used. GaN does not evaporate from the upper surface of the second semiconductor layer made of N (0 <x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 <1), and an Al-rich layer is not formed on the upper surface. A third semiconductor layer is formed.
また、前記工程(f)の実行後、前記第三半導体層の膜厚が5nm以下となっていても構わない。 In addition, after the step (f) is performed, the film thickness of the third semiconductor layer may be 5 nm or less.
特に、半導体発光素子をピーク波長が400nm以下の紫外光を放射する素子として実現する場合には、吸収端がAlNよりも長波長側に位置するGaNからなる半導体層はできるだけ薄くするのが好ましい。上述したように、第三半導体層は、第二半導体層の上面にAlリッチな層を形成しないようにするための保護層として機能させる目的で設けられているため、工程(e)の実行後、炉内の温度がまだ高い状態の下で第二半導体層の上面を覆っていればよい。 In particular, when the semiconductor light emitting device is realized as a device that emits ultraviolet light having a peak wavelength of 400 nm or less, it is preferable to make the semiconductor layer made of GaN whose absorption edge is located on the longer wavelength side than AlN as thin as possible. As described above, since the third semiconductor layer is provided for the purpose of functioning as a protective layer for preventing the formation of an Al-rich layer on the upper surface of the second semiconductor layer, after the execution of the step (e) The upper surface of the second semiconductor layer may be covered under a state where the temperature in the furnace is still high.
そして、工程(e)の実行後、工程(f)を開始する初期段階では、ガスの供給が停止された状態で炉内の温度が高いため、p−GaNで構成された第三半導体層の一部が蒸発する。このため、工程(f)の実行後における第三半導体層の膜厚は、工程(e)で形成された膜厚よりは薄膜化される。工程(e)において、工程(f)の実行後にp−GaNからなる第三半導体層の膜厚が5nm以下となるように、前記第三半導体層の成長膜厚を設定することで、光出力の高い紫外光発光素子を実現することができる。 And after execution of a process (e), in the initial stage which starts a process (f), since the temperature in a furnace is high in the state where gas supply was stopped, the third semiconductor layer comprised of p-GaN Some evaporate. For this reason, the film thickness of the third semiconductor layer after the execution of the step (f) is made thinner than the film thickness formed in the step (e). In step (e), by setting the growth thickness of the third semiconductor layer so that the thickness of the third semiconductor layer made of p-GaN is 5 nm or less after the execution of step (f), the light output High ultraviolet light emitting element can be realized.
また、前記工程(c)の後、前記活性層の上層に、炉内の温度を800℃以上としてp−Alx3Gay3In1−x3−y3N(0<x3≦1,0≦y3<1)よりなるp型の第四半導体層を形成する工程(h)を有し、
前記工程(d)は、前記工程(h)の後に実行され、前記第四半導体層よりもp型不純物濃度が高濃度である前記第二半導体層を形成する工程であるものとしても構わない。
After the step (c), the temperature in the furnace is set to 800 ° C. or higher on the active layer, and p-Al x3 Ga y3 In 1-x3-y3 N (0 <x3 ≦ 1, 0 ≦ y3 < 1) having a step (h) of forming a p-type fourth semiconductor layer comprising:
The step (d) may be performed after the step (h) and is a step of forming the second semiconductor layer having a higher p-type impurity concentration than the fourth semiconductor layer.
この場合、第四半導体層がp型クラッド層を構成し、第二半導体層がp型コンタクト層を構成するものとすることができる。なお、工程(f)の実行後において第三半導体層が残存している場合には、第二半導体層及び第三半導体層がp型コンタクト層を構成するものとすることができる。 In this case, the fourth semiconductor layer can constitute a p-type cladding layer, and the second semiconductor layer can constitute a p-type contact layer. In addition, when the third semiconductor layer remains after the execution of the step (f), the second semiconductor layer and the third semiconductor layer can constitute a p-type contact layer.
本発明は、基板上に、n型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層及び前記p型半導体層の間に挟持された活性層とを有し、ピーク波長が400nm以下の紫外光を放射する半導体発光素子であって、
前記p型半導体層は、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなるp型の第二半導体層と、膜厚5nm以下のp−GaNよりなるp型の第三半導体層とを含み、
前記第三半導体層は、前記p型半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面の最上層であることを特徴とする。
The present invention includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer on a substrate, and a peak wavelength of 400 nm or less. A semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light,
The p-type semiconductor layer includes a p-type second semiconductor layer made of p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N (0 <x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 <1), and a p-thickness of 5 nm or less. A p-type third semiconductor layer made of GaN,
The third semiconductor layer is an uppermost layer on the surface of the p-type semiconductor layer opposite to the active layer.
第三半導体層はp−GaNで構成されているが、膜厚5nm以下であるため、ピーク波長が400nm以下の紫外光発光素子として実現した場合においても、第三半導体層内において吸収される光の量を極めて少なくすることができる。 Although the third semiconductor layer is composed of p-GaN, since the film thickness is 5 nm or less, the light absorbed in the third semiconductor layer even when realized as an ultraviolet light-emitting element having a peak wavelength of 400 nm or less. Can be very small.
窒化物半導体を用いて、ピーク波長が400nm以下の紫外光発光素子を実現しようとする場合、吸収端がAlNより長波長側に位置するGaNは極力利用しないのが好ましいとされているため、Alを含む窒化物半導体層で全ての半導体層を構成することが通常考えられる。 When it is intended to realize an ultraviolet light emitting device having a peak wavelength of 400 nm or less using a nitride semiconductor, it is preferable that GaN whose absorption edge is located on the longer wavelength side than AlN is not used as much as possible. It is generally considered that all the semiconductor layers are composed of nitride semiconductor layers including
しかし、上記構成に係る半導体発光素子は、p型半導体層の最上面に位置する層に敢えてp−GaNからなる第三半導体層を備えている。より具体的に言えば、p側電極と接触する位置に形成される層をp−GaNからなる第三半導体層とすることができることを意味している。 However, the semiconductor light emitting device according to the above configuration includes a third semiconductor layer made of p-GaN on the layer located on the uppermost surface of the p-type semiconductor layer. More specifically, it means that the layer formed at a position in contact with the p-side electrode can be a third semiconductor layer made of p-GaN.
上述したように、p側電極と接触する位置に形成される半導体層、例えばp型コンタクト層を、AlGaNやAlInGaN等のAlを含む半導体層で構成した場合、炉内において各半導体層を形成させるためのエピタキシャル成長工程が完了して原料ガスの供給を停止してから、炉内温度が低下する過程の間にGaNが蒸発し、その上面にAlリッチな層が形成されてしまう。この結果、当該層とp側電極との間のコンタクト抵抗が上昇してしまう。上記構成によれば、p型半導体層の最上面がp−GaNからなる第三半導体層であるため、当該層の上面にAlリッチの層が形成されず、p側電極との間のコンタクト抵抗を低抵抗化することができる。これにより、従来の半導体発光素子よりも動作電圧を低下させることができる。 As described above, when a semiconductor layer formed at a position in contact with the p-side electrode, for example, a p-type contact layer is composed of a semiconductor layer containing Al such as AlGaN or AlInGaN, each semiconductor layer is formed in the furnace. Therefore, after the epitaxial growth process is completed and the supply of the source gas is stopped, GaN evaporates during the process of lowering the furnace temperature, and an Al-rich layer is formed on the upper surface. As a result, the contact resistance between the layer and the p-side electrode increases. According to the above configuration, since the uppermost surface of the p-type semiconductor layer is the third semiconductor layer made of p-GaN, an Al-rich layer is not formed on the upper surface of the layer, and the contact resistance with the p-side electrode Can be reduced in resistance. Thereby, the operating voltage can be lowered as compared with the conventional semiconductor light emitting device.
また、本発明の半導体発光素子は、前記第三半導体層の上層に電極を有しているものとしても構わない。より詳細には、前記第三半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面上に電極を有する構成とすることができる。 The semiconductor light emitting device of the present invention may have an electrode on the third semiconductor layer. In more detail, it can be set as the structure which has an electrode on the surface on the opposite side to the said active layer among the surfaces of the said 3rd semiconductor layer.
また、前記p型半導体層は、p−Alx3Gay3In1−x3−y3N(0<x3≦1,0≦y3<1)よりなるp型の第四半導体層と、前記第四半導体層の上層に形成された前記第二半導体層と、前記第二半導体層の上層に形成された前記第三半導体層とを有するものとすることもできる。 The p-type semiconductor layer includes a p-type fourth semiconductor layer made of p-Al x3 Ga y3 In 1-x3-y3 N (0 <x3 ≦ 1, 0 ≦ y3 <1), and the fourth semiconductor The second semiconductor layer formed above the layer and the third semiconductor layer formed above the second semiconductor layer may be included.
上記構成において、第二半導体層及び第三半導体層は、第四半導体層よりもp型不純物濃度を高濃度にするものとしても構わない。この場合、第四半導体層がp型クラッド層を構成し、第二半導体層がp型コンタクト層を構成するものとすることができる。 In the above configuration, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer may have a higher p-type impurity concentration than the fourth semiconductor layer. In this case, the fourth semiconductor layer can constitute a p-type cladding layer, and the second semiconductor layer can constitute a p-type contact layer.
また、前記n型半導体層は、n−Alx1Gay1In1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1)よりなるn型の第一半導体層で構成されているものとしても構わない。 The n-type semiconductor layer is composed of an n-type first semiconductor layer made of n-Al x1 Ga y1 In 1-x1-y1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1). It does not matter.
本発明によれば、従来よりも動作電圧を低下させながらも高い光出力を得ることのできる半導体発光素子を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light-emitting device which can obtain a high light output, reducing an operating voltage conventionally is realizable.
本発明の半導体発光素子及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 A semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
まず、以下では、本発明の半導体発光素子の構造について説明をした後、その製造方法について説明する。その後、実施例を参照して、本発明の半導体発光素子と従来の半導体発光素子との性能を比較する。 First, after describing the structure of the semiconductor light emitting device of the present invention, the manufacturing method thereof will be described. Then, with reference to an Example, the performance of the semiconductor light emitting element of this invention and the conventional semiconductor light emitting element is compared.
[構造]
図1は、本発明の半導体発光素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。半導体発光素子1は、成長基板11上に、n型半導体層13と、p型半導体層20と、n型半導体層13及びp型半導体層20の間に挟持された活性層15とを有する。より詳細な半導体発光素子1の構成について、以下説明する。
[Construction]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of one embodiment of a semiconductor light emitting device of the present invention. The semiconductor
図1に示す半導体発光素子1は、成長基板11上にアンドープ層12を有し、アンドープ層の上層にn型半導体層13を有する。そして、半導体発光素子1は、n型半導体層13の上層に活性層15を有し、活性層15の上層にp型半導体層20を有する。図1に示す半導体発光素子1においては、p型半導体層20が、p型半導体層21、p型半導体層22、及びp型半導体層23を有して構成されている。
The semiconductor
なお、n型半導体層13が「第一半導体層」に対応し、p型半導体層21が「第四半導体層」に対応し、p型半導体層22が「第二半導体層」に対応し、p型半導体層23が「第三半導体層」に対応する。以下では、n型半導体層13を「第一半導体層13」と称し、p型半導体層21を「第四半導体層21」と称し、p型半導体層22を「第二半導体層22」と称し、p型半導体層23を「第三半導体層23」と称する。
The n-
つまり、半導体発光素子1においては、第三半導体層23が、p型半導体層20の面のうち、活性層15とは反対側の面の最上層を構成している。
That is, in the semiconductor
(成長基板11)
成長基板11は一例としてサファイア基板で構成される。なお、成長基板11は、サファイアの他、Si、SiC、AlN、AlGaN、GaN、YAGなどで構成しても構わない。
(Growth substrate 11)
The
(アンドープ層12)
アンドープ層12は、GaNにて形成される。より具体的には、GaNよりなる低温バッファ層と、その上層にGaNよりなる下地層によって形成される。このアンドープ層12は、例えばサファイアで構成される成長基板11の上層に、第一半導体層13等を良好な状態でエピタキシャル成長させるために設けられているものである。
(Undoped layer 12)
The
(第一半導体層13)
第一半導体層13はn−Alx1Gay1In1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1)によって構成される。第一半導体層13は、Si,Ge,S,Se,Sn,Teなどのn型不純物がドープされており、特にSiがドープされているのが好ましい。本実施形態では、一例として第一半導体層13をn−Al0.06Ga0.94Nで形成している。
(First semiconductor layer 13)
The
(活性層15)
活性層15は、例えばInGaNからなる発光層とAlGaNからなる障壁層が周期的に繰り返されて構成される。これらの層はアンドープでもp型又はn型にドープされていても構わない。
(Active layer 15)
The
なお、活性層15は、上記の材料に限らず、第一の窒化物半導体層と、この第一の窒化物半導体層よりもバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体層とを有し、第一の窒化物半導体層が2つの第二の窒化物半導体層で挟持される構成を有していればよい。この場合、第一の窒化物半導体層が発光層を構成し、第二の窒化物半導体層が障壁層を構成する。活性層15を構成する各材料は、取り出したい光のピーク波長に応じて適宜選択される。
The
(第四半導体層21)
第四半導体層21はp−Alx3Gay3In1−x3−y3N(0<x3≦1,0≦y3<1)によって構成される。第四半導体層21は、Mg、Be、Zn、又はCなどのp型不純物がドープされており、特にMgがドープされているのが好ましい。本実施形態では、一例として第四半導体層21をp−Al0.3Ga0.7Nとp−Al0.13Ga0.87Nの積層構造で形成している。
(Fourth semiconductor layer 21)
The
(第二半導体層22)
第二半導体層22はp−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)によって構成される。第二半導体層22は、Mg、Be、Zn、又はCなどのp型不純物がドープされており、特にMgがドープされているのが好ましい。本実施形態では、一例として第二半導体層22をp−Al0.13Ga0.87Nで形成している。また、本実施形態では、第二半導体層22のp型不純物濃度は、第四半導体層21のp型不純物濃度よりも高濃度である。
(Second semiconductor layer 22)
The
(第三半導体層23)
第三半導体層23は膜厚が5nm以下のp−GaNによって構成される。第三半導体層23は、Mg、Be、Zn、又はCなどのp型不純物がドープされており、特にMgがドープされているのが好ましい。
(Third semiconductor layer 23)
The
本実施形態では、第三半導体層23のp型不純物濃度は、第四半導体層21のp型不純物濃度よりも高濃度である。一例として、第四半導体層21のp型不純物濃度は3×1019/cm3程度であり、第二半導体層22及び第三半導体層23のp型不純物濃度は1×1020/cm3程度である。
In the present embodiment, the p-type impurity concentration of the
なお、製造方法の項で後述するように、ステップS7に係る工程において第三半導体層23を所定の膜厚だけ形成した後、ステップS8に係る冷却工程を経ることで、第三半導体層23の一部が蒸発して膜厚が薄くなる。図1において、第三半導体層23の上層を破線で示しているのは、第三半導体層23を形成した後に膜厚が減少していることを表すためである。すなわち、図1では、ステップS8の工程において、破線部分に相当する第三半導体層23が蒸発したことを表している。
In addition, as described later in the section of the manufacturing method, after forming the
なお、上述した実施形態では、半導体発光素子1が図1に示すような構造である場合について説明したが、半導体発光素子1は必ずしも第四半導体層21を備えなくても構わない。すなわち、半導体発光素子1は、活性層15の上面に第二半導体層22を備える構成であっても構わない。
In the above-described embodiment, the case where the semiconductor
また、半導体発光素子1が第四半導体層21を備える場合において、必ずしも第二半導体層22のp型不純物濃度を第四半導体層21のp型不純物濃度より高くしなければならないものでもない。
Further, when the semiconductor
[製造方法]
次に、半導体発光素子1の製造方法について説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
[Production method]
Next, a method for manufacturing the semiconductor
(ステップS1)
成長基板11を準備する。より具体的には、成長基板11としてc面サファイア基板を準備して、これに対してクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内に成長基板11(c面サファイア基板)を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
(Step S1)
A
本ステップS1が工程(a)に対応する。 This step S1 corresponds to the step (a).
(ステップS2)
成長基板11の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これらの低温バッファ層及び下地層がアンドープ層12に対応する。
(Step S2)
A low-temperature buffer layer made of GaN is formed on the surface of the
具体的なアンドープ層12の形成方法は、例えば以下の通りである。まず、МОCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を480℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ5slmの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が50μmol/minのTMG及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に68秒間供給する。これにより、成長基板11の表面に、厚みが20nmのGaNよりなる低温バッファ層を形成する。
A specific method for forming the
次に、MOCVD装置の炉内温度を1150℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が100μmol/minのTMG及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に30分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが1.7μmのGaNよりなる下地層を形成する。 Next, the furnace temperature of the MOCVD apparatus is raised to 1150 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 100 μmol / min and ammonia having a flow rate of 250,000 μmol / min are introduced into the processing furnace as source gases. Feed for 30 minutes. As a result, a base layer made of GaN having a thickness of 1.7 μm is formed on the surface of the low-temperature buffer layer.
本ステップS2により、図2Aに示すように、成長基板11上にアンドープ層12が形成される。
By this step S2, an
(ステップS3)
次に、図2Bに示すように、アンドープ層12の上層にn型の第一半導体層13を形成する。第一半導体層13の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
(Step S3)
Next, as shown in FIG. 2B, the n-type
まず、引き続き炉内温度を1150℃とした状態で、MOCVD装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が94μmol/minのTMG、流量が6μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.013μmol/minのテトラエチルシランを処理炉内に60分間供給する。これにより、例えばn−Al0.06Ga0.94Nの組成を有し、Si濃度が5×1019/cm3で、厚みが2μmの第一半導体層13がアンドープ層12の上層に形成される。
First, with the furnace temperature kept at 1150 ° C., the furnace pressure of the MOCVD apparatus is set to 30 kPa. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas into the processing furnace, TMG having a flow rate of 94 μmol / min, TMA having a flow rate of 6 μmol / min, and a flow rate of 250,000 μmol / min. Ammonia of min and tetraethylsilane having a flow rate of 0.013 μmol / min are supplied into the processing furnace for 60 minutes. Thereby, for example, a
ここでは、第一半導体層13にドープされるn型不純物をSiとする場合について説明したが、n型不純物としては、Si以外にGe、S、Se、Sn又はTe等を用いることができる。
Although the case where Si is used as the n-type impurity doped in the
なお、この後、TMAの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを6秒間供給することにより、第一半導体層13の上層に厚みが5nm程度のn−GaNを形成しても構わない。
Thereafter, the supply of TMA may be stopped and other source gases may be supplied for 6 seconds to form n-GaN having a thickness of about 5 nm on the
本ステップS3が工程(b)に対応する。 This step S3 corresponds to the step (b).
(ステップS4)
次に、図2Cに示すように、n型の第一半導体層13の上層に、例えばInGaNで構成される発光層及びn−AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返されてなる活性層15を形成する。
(Step S4)
Next, as shown in FIG. 2C, an active layer in which a light emitting layer made of, for example, InGaN and a barrier layer made of n-AlGaN are periodically repeated above the n-type
具体的には、まずMOCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を830℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が1slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのTMG、流量が12μmol/minのトリメチルインジウム(TMI)及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に48秒間供給するステップを行う。その後、流量が10μmol/minのTMG、流量が1.6μmol/minのTMA、0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に120秒間供給するステップを行う。以下、これらの2つのステップを繰り返すことにより、厚みが2nmのInGaNよりなる発光層及び厚みが7nmのn−AlGaNよりなる障壁層が15周期繰り返されてなる活性層15が、第一半導体層13の上層に形成される。
Specifically, first, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is set to 100 kPa, and the furnace temperature is set to 830 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 15 slm and hydrogen gas having a flow rate of 1 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 10 μmol / min, trimethylindium (TMI) having a flow rate of 12 μmol / min, and A step of supplying ammonia at a flow rate of 300,000 μmol / min into the processing furnace for 48 seconds is performed. Thereafter, TMG having a flow rate of 10 μmol / min, TMA having a flow rate of 1.6 μmol / min, tetraethylsilane having a flow rate of 0.002 μmol / min, and ammonia having a flow rate of 300,000 μmol / min are supplied into the processing furnace for 120 seconds. Hereinafter, by repeating these two steps, the
本ステップS4が工程(c)に対応する。 This step S4 corresponds to the step (c).
(ステップS5)
次に、図2Dに示すように、活性層15の上層にp型の第四半導体層21を形成する。第四半導体層21の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
(Step S5)
Next, as shown in FIG. 2D, a p-type
MOCVD装置の炉内圧力を100kPaに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が25slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を1025℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が35μmol/minのTMG、流量が20μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及びp型不純物をドープするための流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を処理炉内に60秒間供給する。これにより、活性層15の表面に、厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、TMAの流量を4μmol/minに変更して原料ガスを360秒間供給することにより、厚みが120nmのAl0.13Ga0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層により第四半導体層21が形成される。この第四半導体層21のp型不純物濃度は、例えば3×1019/cm3程度である。
The furnace pressure of the MOCVD apparatus is maintained at 100 kPa, and the furnace temperature is raised to 1025 ° C. while nitrogen gas having a flow rate of 15 slm and hydrogen gas having a flow rate of 25 slm are allowed to flow into the processing furnace. Thereafter, as source gases, TMG with a flow rate of 35 μmol / min, TMA with a flow rate of 20 μmol / min, ammonia with a flow rate of 250,000 μmol / min, and biscyclopentadiene with a flow rate of 0.1 μmol / min for doping p-type impurities. Enilmagnesium (Cp 2 Mg) is fed into the processing furnace for 60 seconds. Thus, a hole supply layer having a composition of Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the
なお、ここでは炉内の温度を1025℃として第四半導体層21を形成したが、p型不純物をドープしながらAlGaNを成長できる下限温度以上(例えば800℃以上)の温度であれば1025℃に限定されるものではない。ただし、成長温度は900℃以上であれば好ましく、1000℃以上であればより好ましい。
Here, the temperature in the furnace is set to 1025 ° C., and the
本ステップS5が工程(h)に対応する。 This step S5 corresponds to the step (h).
(ステップS6)
次に、図2Eに示すように、p型の第四半導体層21の上層にp型の第二半導体層22を形成する。第二半導体層22の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
(Step S6)
Next, as shown in FIG. 2E, the p-type
ステップS5から引き続き炉内の温度及びキャリアガスの流量を維持したまま、原料ガスとして、流量が20μmol/minのTMG、流量が4μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及びp型不純物をドープするための流量が0.2μmol/minのCp2Mgを処理炉内に40秒間供給する。これにより、第四半導体層21の上層に、厚みが10nmのp−Al0.13Ga0.87Nの組成を有する第二半導体層22が形成される。この第二半導体層22のp型不純物濃度は、例えば1×1020/cm3程度である。
From step S5, while maintaining the furnace temperature and the carrier gas flow rate, the raw material gas was TMG with a flow rate of 20 μmol / min, TMA with a flow rate of 4 μmol / min, ammonia with a flow rate of 250,000 μmol / min, and p-type impurities. Cp 2 Mg having a flow rate for doping of 0.2 μmol / min is supplied into the processing furnace for 40 seconds. Thereby, the
本ステップS6が工程(d)に対応する。 This step S6 corresponds to the step (d).
(ステップS7)
次に、図2Fに示すように、p型の第二半導体層22の上層にp型の第三半導体層23を形成する。第三半導体層23の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
(Step S7)
Next, as shown in FIG. 2F, a p-type
ステップS6から引き続き炉内の温度を維持した状態で、TMAの供給を停止すると共に、Cp2Mgの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを20秒間供給する。これにより、第二半導体層22の上層に、厚みが5nm程度のp−GaNからなる第三半導体層23が形成される。この第三半導体層23のp型不純物濃度は、例えば1×1020/cm3程度である。
While maintaining the temperature in the furnace from step S6, the supply of TMA is stopped and the flow rate of Cp 2 Mg is changed to 0.2 μmol / min, and the source gas is supplied for 20 seconds. As a result, the
本ステップS7が工程(e)に対応する。 This step S7 corresponds to the step (e).
(ステップS8)
次に、所定の原料ガスの供給を停止して炉内の温度を低下させる。本ステップS8が工程(f)に対応する。
(Step S8)
Next, the supply of a predetermined source gas is stopped to lower the temperature in the furnace. This step S8 corresponds to the step (f).
炉内の温度を低下させる本ステップS8の開始直前の状態では、p−AlGaNで構成された第二半導体層22の上面にはp−GaNよりなるp型の第三半導体層23が形成されている。つまり、炉内の温度が高温の状態でガスの供給を停止しても、Alを含む混晶で構成される第二半導体層22は最上面に位置していないため、この第二半導体層22からGaNが蒸発して第二半導体層22の上面がAlリッチになるということはない。
In the state immediately before the start of step S8 for lowering the temperature in the furnace, the p-type
また、原料ガスの供給を停止した時点でp型半導体層20の最上面に位置している第三半導体層23はp−GaNで構成されているため、炉内の温度を低下させている工程中に第三半導体層23からGaNが蒸発したとしても、Alリッチな層が第三半導体層23の最上面に形成されるということはない。
In addition, since the
ステップS7の完了後、原料ガスの供給を停止して炉内温度を低下させる過程において、第三半導体層23を構成するp−GaNの少なくとも一部が蒸発し、第三半導体層23の膜厚は薄くなる。一例では、本ステップS8の完了時点において、第三半導体層23の膜厚が1nm以下となる。上述したように、第三半導体層23の膜厚は、ステップS8の完了時点において、ステップS7の完了時点よりも薄くなっており、図1では破線によってこのことを表している。
After the completion of step S7, in the process of stopping the supply of the source gas and lowering the furnace temperature, at least a part of the p-GaN constituting the
なお、このステップS8において、炉内の温度が700℃程度に低下するまでの間はアンモニアを流し、700℃程度まで低下した後は、炉内の温度が室温程度に低下するまでの間窒素ガスのみを炉内に供給するものとしても構わない。このようにすることで、炉内の冷却工程において、ウェハの活性化処理を行うことができる。 In step S8, ammonia is allowed to flow until the temperature in the furnace decreases to about 700 ° C., and after the temperature decreases to about 700 ° C., nitrogen gas is used until the temperature in the furnace decreases to about room temperature. It is possible to supply only to the furnace. By doing in this way, the activation process of a wafer can be performed in the cooling process in a furnace.
(以後の工程)
ステップS8の後、処理炉からウェハを取り出し、通電のための電極を形成する工程(工程(g)に対応する。)を行う。具体的には以下の方法で行われる。
(Subsequent processes)
After step S8, the wafer is taken out from the processing furnace, and a step of forming an electrode for energization (corresponding to step (g)) is performed. Specifically, the following method is used.
(ステップS9)
図2Gに示すように、第一半導体層13の一部上面が露出するまで、一部領域のp型半導体層20(第三半導体層23、第二半導体層22、及び第四半導体層21)及び活性層15を、ICP装置を用いたドライエッチングによって除去する。なお、本ステップS9において、第一半導体層13についても一部エッチング除去しても構わない。
(Step S9)
As shown in FIG. 2G, a partial region of the p-type semiconductor layer 20 (the
(ステップS10)
図2Hに示すように、第一半導体層13の上面にn側電極31を形成し、p型半導体層20の上面、より詳細には第三半導体層23の上面にp側電極32を形成する。具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
(Step S10)
As shown in FIG. 2H, an n-
第一半導体層13の上面の少なくとも一部の領域に、例えば膜厚100nmのCrと膜厚0.5〜3μmのAuを蒸着した後、窒素雰囲気中で250℃、1分間程度のアニール処理を行う。これにより、第一半導体層13の上面にn側電極31が形成される。
After depositing, for example, Cr having a thickness of 100 nm and Au having a thickness of 0.5 to 3 μm on at least a part of the upper surface of the
また、第三半導体層23の少なくとも一部の上面に導電性材料で構成された材料膜を成膜する。例えばスパッタ装置にて第三半導体層23の上面の所定の領域に膜厚150nmのAg及び膜厚30nmのNiを成膜する。なお、この材料膜として、第三半導体層23との密着性を高めるために、Ag層の下層に膜厚1.5nm程度のNiを成膜しても構わない。その後、RTA装置等を用いてドライエア又は不活性ガス雰囲気中で400℃〜550℃、60秒〜300秒間のコンタクトアニール処理を行う。これにより、第三半導体層23の上面にp側電極32が形成される。
Further, a material film made of a conductive material is formed on at least a part of the upper surface of the
[検証]
以下、実施例及び比較例を用いて検証を行う。
[Verification]
Hereinafter, verification is performed using Examples and Comparative Examples.
(実施例1) 上記ステップS1〜S10を経て製造された半導体発光素子1を実施例1の発光素子とした。実施例1では、ステップS6において膜厚10nmの第二半導体層22を形成し、ステップS7において膜厚5nmの第三半導体層23を形成した。なお、ステップS7の終了後、ステップS8を経て、第三半導体層23の膜厚は1nm以下に低下していた。
(Example 1) The semiconductor light-emitting
これは、上述したように、ステップS7の終了後、高温下に晒されている炉内において、第三半導体層23を構成するp−GaNの一部が蒸発したことで膜厚が薄くなったものと考えられる。
As described above, after the completion of step S7, the film thickness is reduced because part of the p-GaN constituting the
(比較例1) 上記ステップS1〜S6、及びS8〜S10を経て製造された半導体発光素子を比較例1の発光素子とした。比較例1においては、実施例1と比較して、第三半導体層23を備えていない点が異なる。比較例1では、ステップS6において膜厚10nmのp−AlGaNからなる第二半導体層22を形成した後、第三半導体層23を形成せずに、ステップS8に係る冷却工程を実行した。
(Comparative example 1) The semiconductor light-emitting device manufactured through steps S1 to S6 and S8 to S10 was used as the light-emitting device of Comparative Example 1. The comparative example 1 is different from the first example in that the
つまり、冷却工程を実行する直前の状態におけるp型半導体層の最上面がp−AlGaNからなる第二半導体層22である。なお、ステップS8を経て、第二半導体層22の膜厚は6nm以下に低下しており、第二半導体層22の最上面には膜厚2nm程度のAlリッチな層35が形成されていた(図3A参照)。
That is, the uppermost surface of the p-type semiconductor layer in the state immediately before performing the cooling step is the
(比較例2) 上記ステップS1〜S5、及びS7〜S10を経て製造された半導体発光素子を比較例2の発光素子とした。比較例2においては、実施例1と比較して、第二半導体層22を備えていない点が異なる。比較例2では、ステップS5の終了後、第二半導体層22を形成せず、ステップS7において膜厚10nmのp−GaNからなる第三半導体層23を形成した後、ステップS8に係る冷却工程を実行した。
(Comparative example 2) The semiconductor light-emitting device manufactured through steps S1 to S5 and S7 to S10 was used as the light-emitting device of Comparative Example 2. The comparative example 2 is different from the first example in that the
つまり、比較例2の素子において、冷却工程を実行する直前の状態におけるp型半導体層の最上面は、実施例1と同様にp−GaNからなる第三半導体層23であるが、その下層にはp−AlGaNからなる第二半導体層22を備えていない。なお、ステップS8を経て、第三半導体層23の膜厚は6nm程度に低下していた(図3B参照)。第三半導体層23の膜厚が、ステップS8の完了時点において、ステップS7の完了時点よりも薄くなる点については、実施例1と同様であり、図1と同様に図3Bにおいても破線によってこのことを表している。
That is, in the element of Comparative Example 2, the uppermost surface of the p-type semiconductor layer in the state immediately before performing the cooling step is the
(比較例3) 上記ステップS1〜S10を経て製造された半導体発光素子であって、ステップS7において膜厚10nmのp−GaNからなる第三半導体層23を成長させた素子を比較例3の発光素子とした。すなわち、比較例3は、実施例1と比較して、ステップS7における第三半導体層23の成長膜厚を厚くしている点が異なっている。
(Comparative Example 3) The semiconductor light emitting device manufactured through the steps S1 to S10, in which the
比較例3は、ステップS8に係る冷却工程を実行する直前の時点において、p型半導体層の最上面には実施例1と同様にp−GaNからなる第三半導体層23が形成されており、第三半導体層23の下層にはp−AlGaNからなる第二半導体層22が形成されている。そして、比較例3では、ステップS8に係る冷却工程を経て、第三半導体層23の膜厚は6nm程度に低下していた(図3C参照)。第三半導体層23の膜厚がステップS8の完了時点において、ステップS7の完了時点よりも薄くなる点については、実施例1と同様であり、図1と同様に図3Cにおいても破線によってこのことを表している。
In Comparative Example 3, the
(結果) 実施例1、比較例1、比較例2、及び比較例3の各発光素子に対して、n側電極31及びp側電極32の間に電圧を印加して20mAを注入したときの、入力電圧及び光出力を図4に示す。図4によれば、実施例1は、比較例1と比べると、光出力は同等であるが、入力電圧が低下している。また、実施例1は、比較例2及び比較例3と比べると、入力電圧は同等であるが、光出力が高い。
(Results) When 20 mA was injected by applying a voltage between the n-
上述したように、比較例1の発光素子は、ステップS8を経て、p型半導体層20の最上層に位置する第二半導体層22の最上面には膜厚2nm程度のAlリッチな層35が形成されていた。実施例1と比べて、比較例1の動作電圧が高くなっているのは、比較例1においてAlリッチな層35とp側電極32との間のコンタクト抵抗が高くなっていることを示唆している。
As described above, in the light emitting device of Comparative Example 1, the Al-
逆にいえば、実施例1の発光素子によれば、p型半導体層の最上層に位置するのは第三半導体層23であり、この最上面にはAlリッチな層が形成されていないため、比較例1の発光素子と比べてp側電極32との間のコンタクト抵抗を低抵抗化できていることが分かる。このことは、ステップS8に係る冷却工程の開始直前の時点において、p型半導体層の最上層がp−GaNで構成された第三半導体層23である比較例2の発光素子が、実施例1の発光素子と同様に、比較例1の発光素子よりも入力電圧が低いことからも理解できる。
Conversely, according to the light emitting device of Example 1, the
比較例2の発光素子は、ステップS8に係る冷却工程を経て、第三半導体層23の一部が蒸発したとしても、依然として膜厚6nm程度のp−GaNからなる第三半導体層23が残存することとなる。
In the light emitting device of Comparative Example 2, even though a part of the
つまり、比較例2の発光素子は、実施例1の発光素子が備えるGaN層よりも膜厚の厚いGaN層を備えることになる。この結果、GaNはAlGaNよりも吸収端が長波長側にあるため、活性層15から放射された光のうち、GaNで吸収される割合が、比較例2の素子は実施例1よりも高くなったことで、実施例1よりも光出力が低下していると考えられる。
That is, the light-emitting element of Comparative Example 2 includes a GaN layer that is thicker than the GaN layer included in the light-emitting element of Example 1. As a result, since the absorption edge of GaN has a longer wavelength side than that of AlGaN, the proportion of light emitted from the
この点は比較例3の結果にも現れている。上述したように、比較例3においては、比較例2とは異なり、第三半導体層23の下層にp−AlGaNからなる第二半導体層22が形成されている。しかし、比較例3の素子は、ステップS8に係る冷却工程を経て、膜厚6nm程度の第三半導体層23を有している。この結果は、比較例2と同様に、比較例3は、実施例1が備えるGaN層よりも膜厚の厚いGaN層を備えているため、活性層15から放射された光のうち、GaNで吸収される割合が実施例1よりも高くなったことで、実施例1よりも光出力が低下したものと考えられる。
This point also appears in the result of Comparative Example 3. As described above, in Comparative Example 3, unlike Comparative Example 2, the
なお、ピーク波長が400nm以下の紫外光を放射する半導体発光素子を実現するに際しては、吸収端がAlGaNより長波長側に位置するGaNはできるだけ薄くするのが好ましい。このことは、実施例1と比較例2、及び実施例1と比較例3の対比結果からも理解される。p−GaNからなる第三半導体層23は、ステップS8に係る冷却工程の開始直後、すなわち原料ガスの供給を停止した直後であって、炉内の温度が依然として高温下にある時点において、p−AlGaNからなる第二半導体層22を上面に晒さないようにすることを目的として設けられている。このため、第三半導体層23は、GaNが蒸発しない程度にまで炉内の温度が低下する迄の間、第二半導体層22を上面に露出させない範囲内で、できる限り薄い膜厚とするのがより好ましい。
When realizing a semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light having a peak wavelength of 400 nm or less, it is preferable to make GaN whose absorption edge is located on the longer wavelength side than AlGaN as thin as possible. This can be understood from the comparison results of Example 1 and Comparative Example 2, and Example 1 and Comparative Example 3. The
以上に鑑みれば、p−AlGaNからなる第二半導体層22の上面をp−GaNからなる第三半導体層23で覆った後に、冷却工程を行うことで、高い光出力を確保しながら動作電圧の低い半導体発光素子が実現できることが分かる。
In view of the above, after the upper surface of the
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉 上述した実施形態では、ステップS9〜S10を経てn側電極31及びp側電極32を形成するものとして説明した。これは、成長基板11をそのまま素子基板として利用すると共に、当該成長基板11の2面のうち、同一の面側にn側電極31及びp側電極32が形成される半導体発光素子を製造する場合の一例について説明したものである。このような半導体発光素子は、「横型構造」と呼ばれることがある。しかし、本発明は、このような横型構造の半導体発光素子に限定されるものではない。
<1> In embodiment mentioned above, it demonstrated as what forms the
以下、ステップS8以後の別のステップを経て製造される半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。なお、ステップS1〜S8については、上述した製造方法と同一であるため説明を割愛する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device manufactured through another step after step S8 will be described. In addition, about S1-S8, since it is the same as the manufacturing method mentioned above, description is omitted.
(ステップS11)
図5Aに示すように、第三半導体層23の上面の所定箇所に反射電極49を形成する。ここでは、第三半導体層23の形成領域よりも内側において、第三半導体層23のほぼ全域に反射電極49を形成する場合を示している。
(Step S11)
As shown in FIG. 5A, a
反射電極49は、一例として、スパッタ装置にて第三半導体層23の上面に膜厚0.7nmのNi及び膜厚150nmのAgを成膜した後、RTA装置を用いてドライエア雰囲気中で400℃、2分間のコンタクトアニールを行うことで形成される。なお、ここでは、反射電極49の材料としてNiとAgの合金を採用しているが、AlやRhによって反射電極49を形成することもできる。
For example, the
(ステップS12)
次に、図5Bに示すように、反射電極49の上層の所定箇所に絶縁層51を形成する。このとき、図5Bに示すように、絶縁層51の一部が反射電極49の側面を覆うように形成することができる。
(Step S12)
Next, as shown in FIG. 5B, an insulating
より具体的には、絶縁層51の非形成領域に係る反射電極49の上層をマスクしておき、例えばSiO2をスパッタリング法によって膜厚200nm程度成膜する。なお成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばSiN、Al2O3でも良い。
More specifically, the upper layer of the
(ステップS13)
図5Cに示すように、反射電極49及び絶縁層51の上面を覆うようにハンダ拡散防止層47及びハンダ層45を形成する。
(Step S13)
As shown in FIG. 5C, the solder
より詳細には、電子線蒸着装置(EB装置)にて反射電極49及び絶縁層51の上面を覆うように、膜厚100nmのTiと膜厚200nmのPtを3周期成膜することで、ハンダ拡散防止層47を形成する。更にその後、ハンダ拡散防止層47の上面(Pt表面)に、膜厚10nmのTiを蒸着させた後、Au80%Sn20%で構成されるAu−Snハンダを膜厚3μm蒸着させることで、ハンダ層45を形成する。
More specifically, solder is formed by depositing three periods of Ti having a thickness of 100 nm and Pt having a thickness of 200 nm so as to cover the upper surfaces of the
なお、このハンダ層45の形成ステップにおいて、成長基板11とは別に準備された支持基板9の上面にもハンダ層43を形成するものとして構わない(図5D参照)。このハンダ層43は、ハンダ層45と同一の材料で構成されるものとしてよく、次のステップにおいてハンダ層43と接合されることで、成長基板11と支持基板9が貼り合わせられる。この支持基板9としては、構造の項で前述したように、例えばCuWが用いられる。
In the step of forming the
更に、この図5Dにおいて、支持基板9上にハンダ拡散防止層47を形成し、このハンダ拡散防止層47の上層にハンダ層43を形成するものとしても構わない。
5D, the solder
(ステップS14)
次に、図5Eに示すように、成長基板11と支持基板9とを貼り合わせる。より具体的には、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、成長基板11の上層に形成されたハンダ層47と、支持基板9の上層に形成されたハンダ層43とを貼り合わせる。
(Step S14)
Next, as shown in FIG. 5E, the
(ステップS15)
次に、図5Fに示すように、成長基板11を剥離する。より具体的には、成長基板11を上に、支持基板9を下に向けた状態で、成長基板11側からKrFエキシマレーザを照射して、成長基板11と半導体層(アンドープ層12)の界面を分解させることで成長基板11の剥離を行う。成長基板11はレーザが通過する一方、その下層のGaN(アンドープ層12)はレーザを吸収するため、この界面が高温化してGaNが分解される。これによって成長基板11が剥離される。
(Step S15)
Next, as shown in FIG. 5F, the
その後、図5Gに示すように、ウェハ上に残存しているGaN(アンドープ層12)を、塩酸等を用いたウェットエッチング、又はICP装置を用いたドライエッチングによって除去し、第一半導体層13を露出させる。
Thereafter, as shown in FIG. 5G, GaN (undoped layer 12) remaining on the wafer is removed by wet etching using hydrochloric acid or the like, or dry etching using an ICP apparatus, and the
(ステップS16)
次に、図5Hに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて絶縁層51の上面が露出するまで半導体層(第一半導体層13,活性層15,第四半導体層21,第二半導体層22,第三半導体層23)をエッチングする。このとき、絶縁層51はエッチング時のストッパーとしても機能する。
(Step S16)
Next, as shown in FIG. 5H, adjacent elements are separated. Specifically, the semiconductor layer (the
(ステップS17)
次に、図5Iに示すように、第一半導体層13の上面のうち、支持基板9の面に直交する方向に対して絶縁層51と対向する位置にn側電極(72,73)を形成する。具体的には、膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuからなる電極を形成した後、窒素雰囲気中で250℃、1分間のシンタリングを行う。
(Step S17)
Next, as shown in FIG. 5I, n-side electrodes (72, 73) are formed on the upper surface of the
そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板9の裏面を例えばAgペーストにてパッケージと接合し、給電端子としてのn側電極73に対してワイヤボンディングを行う。例えば、50gの荷重でΦ100μmのボンディング領域にAuからなるワイヤ45を連結させることで、ワイヤボンディングを行う。
Then, the elements are separated from each other by, for example, a laser dicing apparatus, the back surface of the support substrate 9 is joined to the package by, for example, Ag paste, and wire bonding is performed on the n-
かかる構成においても、p−GaNからなる第三半導体層23を有するため、p−AlGaNからなる第二半導体層22の上面(反射電極49側の面)にAlリッチな層が形成されない。よって、このAlリッチな層と反射電極49が接触することによる接触抵抗の上昇は生じない。また、p−GaNからなる第三半導体層23は、極めて薄膜で構成できるため、ピーク波長が400nm以下の紫外光を放射する半導体発光素子を実現する場合においても、第三半導体層23で吸収される光の量を最小限に抑制することが可能であり、高い光出力が実現される。
Even in such a configuration, since the
なお、ステップS11〜S17の方法は、いわゆる「縦型構造」を有する半導体発光素子の製造方法の一例であって、本発明はこの方法を適用して製造される半導体発光素子に限定されるものではない。 The method of steps S11 to S17 is an example of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a so-called “vertical structure”, and the present invention is limited to a semiconductor light emitting device manufactured by applying this method. is not.
〈2〉 上述した実施形態では、第一半導体層13をn−AlGaNで構成したが、n−Alx1Gay1In1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1)で構成しても構わない。
<2> In the embodiment described above, the
また、上述した実施形態では、第二半導体層22をp−AlGaNで構成したが、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)で構成しても構わない。同様に、上述した実施形態では、第四半導体層21をp−AlGaNで構成したが、p−Alx3Gay3In1−x3−y3N(0<x3≦1,0≦y3<1)で構成しても構わない。
In the above-described embodiment, the
〈3〉 ステップS7によってp−GaNからなる第三半導体層23を形成した後、ステップS8に係る冷却工程を経て、第三半導体層23が完全に蒸発されてしまっても構わない。この場合、ステップS8に係る冷却工程の間に、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)からなる第二半導体層22が露出されるが、従来の発光素子と比べて、この第二半導体層22が露出するタイミングを第三半導体層23が完全に蒸発するのに要する時間だけ遅らせることができるので、第二半導体層22に含まれるGaNの蒸発量を抑制することができる。
<3> After the
よって、第二半導体層22の上面に形成されるAlリッチな層を、従来の発光素子よりも極めて少なくすることができるので、従来の発光素子よりも低い動作電圧を実現することができる。
Therefore, since the Al-rich layer formed on the upper surface of the
〈4〉 上記実施形態では、ステップS5〜S7にわたって炉内の温度を維持していたが、この方法はあくまで一例であり、各ステップ間において炉内の温度を多少変更しながら各p型半導体層(21,22,23)を形成する方法を本発明の範囲から排除する趣旨ではない。 <4> In the above embodiment, the temperature in the furnace is maintained over steps S5 to S7. However, this method is merely an example, and each p-type semiconductor layer is changed slightly while changing the temperature in the furnace between the steps. It is not intended to exclude the method of forming (21, 22, 23) from the scope of the present invention.
1 : 本発明の半導体発光素子
9 : 支持基板
11 : 成長基板
12 : アンドープ層
13 : 第一半導体層(n型半導体層)
15 : 活性層
20 : p型半導体層
21 : 第四半導体層(p型半導体層)
22 : 第二半導体層(p型半導体層)
23 : 第三半導体層(p型半導体層)
31 : n側電極
32 : p側電極
35 : Alリッチな層
43,45 : ハンダ層
47 : ハンダ拡散防止層
49 : 反射電極
51 : 絶縁層
72,73 : n側電極
100 : 従来の半導体発光素子
101 : 基板
102 : バッファ層
103 : n型コンタクト層
104 : n型クラッド層
105 : 活性層
106 : p型クラッド層
107 : 第一のp型コンタクト層
108 : 第二のp型コンタクト層
109 : n側電極
110 : p側電極
1: Semiconductor light-emitting device of the present invention
9: Support substrate
11: Growth substrate
12: Undoped layer
13: First semiconductor layer (n-type semiconductor layer)
15: Active layer
20: p-type semiconductor layer
21: Fourth semiconductor layer (p-type semiconductor layer)
22: Second semiconductor layer (p-type semiconductor layer)
23: Third semiconductor layer (p-type semiconductor layer)
31: n-side electrode
32: p-side electrode
35: Al-rich layer
43, 45: Solder layer
47: Solder diffusion prevention layer
49: Reflective electrode
51: Insulating layer
72, 73: n-side electrode 100: conventional semiconductor light emitting device 101: substrate 102: buffer layer 103: n-type contact layer 104: n-type cladding layer 105: active layer 106: p-type cladding layer 107: first p-type Contact layer 108: second p-type contact layer 109: n-side electrode 110: p-side electrode
Claims (9)
前記基板上に、n−Alx1Gay1In1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1)よりなるn型の第一半導体層を形成する工程(b)、
前記第一半導体層の上層に活性層を形成する工程(c)、
前記活性層の上層に、炉内の温度を800℃以上としてp−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなるp型の第二半導体層を形成する工程(d)、
前記第二半導体層の上層に、前記炉内の温度を800℃以上としてp−GaNよりなるp型の第三半導体層を形成する工程(e)、
及び、前記工程(e)の後に炉内温度を低下させる工程(f)を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Preparing a substrate (a),
A step (b) of forming an n-type first semiconductor layer made of n-Al x1 Ga y1 In 1-x1-y1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1) on the substrate;
Forming an active layer on the first semiconductor layer (c);
An upper layer of the active layer, p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N p -type second semiconductor made of (0 <x2 ≦ 1,0 ≦ y2 <1) the temperature in the furnace as 800 ° C. or higher Forming a layer (d),
A step (e) of forming a p-type third semiconductor layer made of p-GaN at a temperature in the furnace of 800 ° C. or higher on the second semiconductor layer;
And the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device characterized by having the process (f) which lowers | hangs the furnace temperature after the said process (e).
前記工程(d)は、前記工程(h)の後に実行され、前記第四半導体層よりもp型不純物濃度が高濃度である前記第二半導体層を形成する工程であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。 After the step (c), the upper layer of the active layer, p-Al the temperature in the furnace as 800 ° C. or higher x3 Ga y3 In 1-x3- y3 N (0 <x3 ≦ 1,0 ≦ y3 <1) A step (h) of forming a p-type fourth semiconductor layer comprising:
The step (d) is performed after the step (h), and is a step of forming the second semiconductor layer having a higher p-type impurity concentration than the fourth semiconductor layer. Item 5. The method for producing a semiconductor light-emitting device according to any one of Items 1 to 4.
前記p型半導体層は、p−Alx2Gay2In1−x2−y2N(0<x2≦1,0≦y2<1)よりなるp型の第二半導体層と、膜厚5nm以下のp−GaNよりなるp型の第三半導体層とを含み、
前記第三半導体層は、前記p型半導体層の面のうち、前記活性層とは反対側の面の最上層であることを特徴とする半導体発光素子。 The substrate has an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and emits ultraviolet light having a peak wavelength of 400 nm or less. A semiconductor light emitting device,
The p-type semiconductor layer includes a p-type second semiconductor layer made of p-Al x2 Ga y2 In 1-x2-y2 N (0 <x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 <1), and a p-thickness of 5 nm or less. A p-type third semiconductor layer made of GaN,
The third semiconductor layer is the uppermost layer on the surface opposite to the active layer among the surfaces of the p-type semiconductor layer.
The n-type semiconductor layer is composed of an n-type first semiconductor layer made of n-Al x1 Ga y1 In 1-x1-y1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1). The semiconductor light-emitting device according to claim 6.
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