JP2017037873A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting element in which luminous efficiency can be improved.SOLUTION: According to an embodiment, a semiconductor light emitting element includes first and second semiconductor layers, first and second well layers and first and second barrier layers. The first well layer is provided between the first and second semiconductor layers and includes InGaN(0<w1<1). The second well layer is provided between the first well layer and the second semiconductor layer and includes InGaN(0<w2<1). The firs barrier layer is provided between the first semiconductor layer and the first well layer and includes a high Al concentration region which contacts the first well layer and includes AlGaN(0<x1<1) and a low Al concentration region which contacts the high Al concentration region between the high Al concentration region and the first semiconductor layer and includes AlGaN(0≤y1<x1). The second barrier layer is provided between the first and second well layers and contacts the second well layer and includes AlGaN(0≤z2<x1).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor light emitting device.

例えば、窒化物半導体を用いた半導体発光素子(例えば、発光ダイオード)がある。半導体発光素子において、発光効率の向上が求められている。   For example, there is a semiconductor light emitting element (for example, a light emitting diode) using a nitride semiconductor. In semiconductor light emitting devices, improvement in light emission efficiency is required.

特開2012−114328号公報JP2012-114328A

本発明の実施形態は、発光効率を向上できる半導体発光素子を提供する。   Embodiments of the present invention provide a semiconductor light emitting device capable of improving luminous efficiency.

本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、第1井戸層と、第2井戸層と、第1障壁層と、第2障壁層と、を含む。前記第1井戸層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられInw1Ga1−w1N(0<w1<1)を含む。前記第2井戸層は、前記第1井戸層と前記第2半導体層との間に設けられInw2Ga1−w2N(0<w2<1)を含む。前記第1障壁層は、前記第1半導体層と前記第1井戸層との間に設けられる。前記第1障壁層は、前記第1井戸層と接しAlx1Ga1−x1N(0<x1<1)を含む高Al濃度領域と、前記高Al濃度領域と前記第1半導体層との間において前記高Al濃度領域と接しAly1Ga1−y1N(0≦y1<x1)を含む低Al濃度領域と、を含む。前記第2障壁層は、前記第1井戸層と前記第2井戸層との間に設けられ前記第1井戸層及び前記第2井戸層と接しAlz2Ga1−z2N(0≦z2<x1)を含む。 According to an embodiment of the present invention, a semiconductor light emitting device includes a first conductivity type first semiconductor layer, a second conductivity type second semiconductor layer, a first well layer, a second well layer, and a first conductivity type. A barrier layer and a second barrier layer are included. The first well layer is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and includes In w1 Ga 1-w1 N (0 <w1 <1). The second well layer is provided between the first well layer and the second semiconductor layer, and includes Inw2Ga1 -w2N (0 <w2 <1). The first barrier layer is provided between the first semiconductor layer and the first well layer. The first barrier layer is in contact with the first well layer and includes a high Al concentration region including Al x1 Ga 1-x1 N (0 <x1 <1), and between the high Al concentration region and the first semiconductor layer. And a low Al concentration region containing Al y1 Ga 1-y1 N (0 ≦ y1 <x1) in contact with the high Al concentration region. The second barrier layer is provided between the first well layer and the second well layer, is in contact with the first well layer and the second well layer, and Al z2 Ga 1 -z2 N (0 ≦ z2 <x1). )including.

図1(a)及び図1(b)は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。FIG. 1A and FIG. 1B are schematic cross-sectional views illustrating the semiconductor light emitting element according to the embodiment. 図2(a)及び図2(b)は、参考例の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating a semiconductor light emitting element of a reference example. 図3(a)〜図3(f)は、半導体発光素子を例示する模式図である。FIG. 3A to FIG. 3F are schematic views illustrating semiconductor light emitting elements. 図4(a)〜図4(c)は、半導体発光素子を例示する模式図である。FIG. 4A to FIG. 4C are schematic views illustrating semiconductor light emitting elements. 図5(a)及び図5(b)は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。FIG. 5A and FIG. 5B are graphs illustrating characteristics of the semiconductor light emitting device. 図6(a)及び図6(b)は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。6A and 6B are graphs illustrating characteristics of the semiconductor light emitting device. 図7は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating another semiconductor light emitting element according to the embodiment.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(実施形態)
図1(a)及び図1(b)は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図1(a)に示すように、実施形態に係る半導体発光素子110は、第1半導体層10と、第2半導体層20と、第1井戸層WL1と、第2井戸層WL2と、第1障壁層BL1と、第2障壁層BL2と、を含む。
(Embodiment)
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic cross-sectional views illustrating the semiconductor light emitting element according to the embodiment.
As shown in FIG. 1A, the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment includes a first semiconductor layer 10, a second semiconductor layer 20, a first well layer WL1, a second well layer WL2, and a first well layer. The barrier layer BL1 and the second barrier layer BL2 are included.

第1半導体層10は、第1導電形である。第2半導体層20は、第2導電形である。第1導電形は、n形である。第2導電形は、p形である。第1半導体層10から第2半導体層20に向かう方向をZ軸方向(第1方向)とする。第1半導体層10には、例えば、n形の窒化物半導体(例えばn形のGaNなど)が用いられる。第2半導体層20には、例えば、p形の窒化物半導体(例えばp形のGaNなど)が用いられる。第2半導体層20は、Alを含む窒化物半導体(例えばp形のAlGaNなど)を含んでも良い。   The first semiconductor layer 10 is the first conductivity type. The second semiconductor layer 20 is of the second conductivity type. The first conductivity type is n-type. The second conductivity type is p-type. A direction from the first semiconductor layer 10 toward the second semiconductor layer 20 is defined as a Z-axis direction (first direction). For example, an n-type nitride semiconductor (for example, n-type GaN) is used for the first semiconductor layer 10. For example, a p-type nitride semiconductor (for example, p-type GaN) is used for the second semiconductor layer 20. The second semiconductor layer 20 may include a nitride semiconductor containing Al (for example, p-type AlGaN).

第1井戸層WL1は、第1半導体層10と第2半導体層20との間に設けられる。第1井戸層WL1は、Inw1Ga1−w1N(0<w1<1)を含む。 The first well layer WL <b> 1 is provided between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20. The first well layer WL1 includes In w1 Ga 1-w1 N (0 <w1 <1).

第2井戸層WL2は、第1井戸層WL1と第2半導体層20との間に設けられる。第2井戸層WL2は、Inw2Ga1−w2N(0<w2<1)を含む。 The second well layer WL2 is provided between the first well layer WL1 and the second semiconductor layer 20. The second well layer WL2 includes Inw2Ga1 -w2N (0 <w2 <1).

第1障壁層BL1は、第1半導体層10と第1井戸層WL1との間に設けられ。第1障壁層BL1は、第1井戸層WL1と接する。第1障壁層BL1は、高Al濃度領域31xと、低Al濃度領域31yと、を含む。   The first barrier layer BL1 is provided between the first semiconductor layer 10 and the first well layer WL1. The first barrier layer BL1 is in contact with the first well layer WL1. The first barrier layer BL1 includes a high Al concentration region 31x and a low Al concentration region 31y.

高Al濃度領域31xは、第1井戸層WL1と接する。高Al濃度領域31xは、Alx1Ga1−x1N(0<x1<1)を含む。 The high Al concentration region 31x is in contact with the first well layer WL1. The high Al concentration region 31x includes Al x1 Ga 1-x1 N (0 <x1 <1).

低Al濃度領域31yは、高Al濃度領域31xと第1半導体層10との間において高Al濃度領域31xと接する。低Al濃度領域31yは、Aly1Ga1−y1N(0≦y1<x1)を含む。 The low Al concentration region 31 y is in contact with the high Al concentration region 31 x between the high Al concentration region 31 x and the first semiconductor layer 10. The low Al concentration region 31y includes Al y1 Ga 1-y1 N (0 ≦ y1 <x1).

第2障壁層BL2は、第1井戸層WL1と第2井戸層WL2との間に設けられ、第1井戸層WL1及び第2井戸層WL2と接する。第2障壁層BL2は、Inz2Ga1−z2N(0≦z2<x1)を含む。 The second barrier layer BL2 is provided between the first well layer WL1 and the second well layer WL2, and is in contact with the first well layer WL1 and the second well layer WL2. The second barrier layer BL2 includes In z2Ga1 -z2N (0 ≦ z2 <x1).

第1井戸層WL1は、InGaNを含む。第2井戸層WL2は、InGaNを含む。第1障壁層BL1の高Al濃度領域31xは、AlGaNを含む。第1障壁層BL1の低Al濃度領域31yは、例えば、GaNを含む。第2障壁層BL2は、例えば、GaNを含む。   The first well layer WL1 includes InGaN. The second well layer WL2 includes InGaN. The high Al concentration region 31x of the first barrier layer BL1 includes AlGaN. The low Al concentration region 31y of the first barrier layer BL1 includes, for example, GaN. The second barrier layer BL2 includes, for example, GaN.

半導体発光素子110においては、第1半導体層10から第2半導体層20に向かう方向に沿って、例えば、GaN層(低Al濃度領域31y)、AlGaN層(高Al濃度領域31x)、InGaN層(第1井戸層WL1)、GaN層(第2障壁層BL2)、及び、InGaN層(第2井戸層WL2)が、この順で、互いと接して設けられる。   In the semiconductor light emitting device 110, for example, along the direction from the first semiconductor layer 10 to the second semiconductor layer 20, for example, a GaN layer (low Al concentration region 31y), an AlGaN layer (high Al concentration region 31x), an InGaN layer ( The first well layer WL1), the GaN layer (second barrier layer BL2), and the InGaN layer (second well layer WL2) are provided in contact with each other in this order.

半導体発光素子110においては、第1半導体層10と第2半導体層20との間に発光部30が、設けられる。上記の井戸層及び障壁層は、発光部30に含まれる。発光部30は、複数の井戸層32と、複数の障壁層31と、を含む。複数の井戸層32と、複数の障壁層31と、は、Z軸方向に沿って交互に並ぶ。   In the semiconductor light emitting device 110, the light emitting unit 30 is provided between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20. The well layer and the barrier layer are included in the light emitting unit 30. The light emitting unit 30 includes a plurality of well layers 32 and a plurality of barrier layers 31. The plurality of well layers 32 and the plurality of barrier layers 31 are alternately arranged along the Z-axis direction.

複数の井戸層32の1つと、複数の障壁層31の1つと、を1つのペアとする。複数の障壁層31のその1つは、複数の井戸層32のその1つと、第1半導体層10と、の間において、複数の井戸層32のその1つと、第1半導体層10と、と接する。   One of the plurality of well layers 32 and one of the plurality of barrier layers 31 are taken as one pair. The one of the plurality of barrier layers 31 includes one of the plurality of well layers 32, the one of the plurality of well layers 32, the first semiconductor layer 10, and the first semiconductor layer 10. Touch.

半導体発光素子110においては、複数のペアのうちで第1半導体層10に近いペアに含まれる障壁層31は、高Al濃度領域31xを含む。そして、複数のペアのうちで第2半導体層20に近いペアに含まれる障壁層31は、高Al濃度領域31xを含まない。   In the semiconductor light emitting device 110, the barrier layer 31 included in the pair close to the first semiconductor layer 10 among the plurality of pairs includes the high Al concentration region 31x. The barrier layer 31 included in the pair close to the second semiconductor layer 20 among the plurality of pairs does not include the high Al concentration region 31x.

例えば、この例では、複数のペアのうちで第2半導体層20に近いペアとして、第3障壁層BL3が設けられている。この第3障壁層BL3は、低Al濃度領域31yを含み、高Al濃度領域31xを含まない。   For example, in this example, the third barrier layer BL3 is provided as a pair close to the second semiconductor layer 20 among the plurality of pairs. The third barrier layer BL3 includes the low Al concentration region 31y and does not include the high Al concentration region 31x.

すなわち、半導体発光素子110は、第3井戸層WL3と、第3障壁層BL3と、をさらに含む。   That is, the semiconductor light emitting device 110 further includes a third well layer WL3 and a third barrier layer BL3.

第3井戸層WL3は、第2井戸層WL2と第2半導体層20との間に設けられる。第3井戸層WL3は、Inw3Ga1−w3N(0<w3<1)を含む。第3井戸層WL3は、例えば、InGaNを含む。 The third well layer WL3 is provided between the second well layer WL2 and the second semiconductor layer 20. The third well layer WL3 includes Inw3Ga1 -w3N (0 <w3 <1). The third well layer WL3 includes, for example, InGaN.

第3障壁層BL3は、第2井戸層WL2と第3井戸層WL3との間に設けられ、第2井戸層WL2と第3井戸層WL2と接する。第3障壁層BL3は、Alz3Ga1−z3N(0≦z3<x1)を含む。第3障壁層BL3は、例えばGaNを含む。 The third barrier layer BL3 is provided between the second well layer WL2 and the third well layer WL3, and is in contact with the second well layer WL2 and the third well layer WL2. The third barrier layer BL3 includes Al z3 Ga 1-z3 N (0 ≦ z3 <x1). The third barrier layer BL3 includes, for example, GaN.

実施形態において、第4井戸層と、第4障壁層と、をさらに設けても良い。第4井戸層は、第3井戸層WL3と第2半導体層20との間に設けられる。第4井戸層は、例えば、InGaNを含む。第4障壁層は、第3井戸層WL3と第4井戸層との間に設けられ、第3井戸層WL3と第4井戸層と接する。第4障壁層は、例えばGaNを含む。後述するように、実施形態において、第1井戸層WL1と第2半導体層20との間に設けられる井戸層32の数は1、または、2が望ましい。   In the embodiment, a fourth well layer and a fourth barrier layer may be further provided. The fourth well layer is provided between the third well layer WL3 and the second semiconductor layer 20. The fourth well layer includes, for example, InGaN. The fourth barrier layer is provided between the third well layer WL3 and the fourth well layer, and is in contact with the third well layer WL3 and the fourth well layer. The fourth barrier layer includes, for example, GaN. As will be described later, in the embodiment, the number of well layers 32 provided between the first well layer WL1 and the second semiconductor layer 20 is preferably one or two.

実施形態において、複数の井戸層32の内で最も第2半導体層20に近い井戸層32と、第2半導体層20と、の間に障壁層31(p側障壁層BLp)を設けても良い。p側障壁層BLpは、例えば、低Al濃度領域31yである。すなわち、半導体発光素子110は、p側障壁層BLpをさらに含む。p側障壁層BLpは、第3井戸層WL3と第2半導体層20との間に設けられる。p側障壁層BLpは、AlzpGa1−zpN(0≦zp<x1)を含む。p側障壁層BLpは、例えば、GaNを含む。 In the embodiment, a barrier layer 31 (p-side barrier layer BLp) may be provided between the second semiconductor layer 20 and the well layer 32 closest to the second semiconductor layer 20 among the plurality of well layers 32. . The p-side barrier layer BLp is, for example, a low Al concentration region 31y. That is, the semiconductor light emitting device 110 further includes the p-side barrier layer BLp. The p-side barrier layer BLp is provided between the third well layer WL3 and the second semiconductor layer 20. The p-side barrier layer BLp includes Al zp Ga 1-zp N (0 ≦ zp <x1). The p-side barrier layer BLp includes, for example, GaN.

一方、半導体発光素子110において、第1井戸層WL1と第1半導体層10との間に、別の井戸層32が設けられている。この別の井戸層32をn側井戸層WLnと呼ぶ。そして、n側障壁層BLnが設けられる。n側障壁層BLnは、n側井戸層WLnとペアを形成する。   On the other hand, in the semiconductor light emitting device 110, another well layer 32 is provided between the first well layer WL <b> 1 and the first semiconductor layer 10. This other well layer 32 is referred to as an n-side well layer WLn. An n-side barrier layer BLn is provided. The n-side barrier layer BLn forms a pair with the n-side well layer WLn.

すなわち、半導体発光素子110は、n側井戸層WLnと、n側障壁層BLnと、をさらに含む。n側井戸層WLnは、第1半導体層10と第1井戸層WL1との間に設けられる。n側井戸層WLnは、InwnGa1−wnN(0<wn<1)を含む。 That is, the semiconductor light emitting device 110 further includes an n-side well layer WLn and an n-side barrier layer BLn. The n-side well layer WLn is provided between the first semiconductor layer 10 and the first well layer WL1. The n-side well layer WLn includes In wn Ga 1-wn N (0 <wn <1).

n側障壁層BLnは、第1半導体層10とn側井戸層WLnとの間に設けられる。n側障壁層BLnは、n側井戸層WLnと接する。   The n-side barrier layer BLn is provided between the first semiconductor layer 10 and the n-side well layer WLn. The n-side barrier layer BLn is in contact with the n-side well layer WLn.

n側障壁層BLnは、n側高Al濃度領域31xnと、n側低Al濃度領域31ynと、を含む。n側高Al濃度領域31xnは、n側井戸層WLnと接する。n側高Al濃度領域31xnは、AlxnGa1−xnN(0<xn<1)を含む。n側高Al濃度領域31xnは、例えば、AlGaNを含む。 The n-side barrier layer BLn includes an n-side high Al concentration region 31xn and an n-side low Al concentration region 31yn. The n-side high Al concentration region 31xn is in contact with the n-side well layer WLn. The n-side high Al concentration region 31xn includes Al xn Ga 1-xn N (0 <xn <1). The n-side high Al concentration region 31xn includes, for example, AlGaN.

n側低Al濃度領域31ynは、n側高Al濃度領域31xnと第1半導体層10との間においてn側高Al濃度領域31xnと接する。n側低Al濃度領域31ynは、AlynGa1−ynN(0≦yn<xn)を含む。n側低Al濃度領域31ynは、例えば、GaNを含む。 The n-side low Al concentration region 31yn is in contact with the n-side high Al concentration region 31xn between the n-side high Al concentration region 31xn and the first semiconductor layer 10. The n-side low Al concentration region 31yn includes Al yn Ga 1-yn N (0 ≦ yn <xn). The n-side low Al concentration region 31yn includes, for example, GaN.

上記のn側井戸層WLnは、第1障壁層BL1と接する。   The n-side well layer WLn is in contact with the first barrier layer BL1.

この例では、n側井戸層WLnは、複数設けられ、n側障壁層BLnは、複数設けられている。複数のn側井戸層WLnと複数のn側障壁層BLnとは、第1半導体層10から第2半導体層20に向かう方向(Z軸方向)に沿って、交互に並ぶ。   In this example, a plurality of n-side well layers WLn are provided, and a plurality of n-side barrier layers BLn are provided. The plurality of n-side well layers WLn and the plurality of n-side barrier layers BLn are alternately arranged along the direction from the first semiconductor layer 10 toward the second semiconductor layer 20 (Z-axis direction).

この例では、複数のn側井戸層WLnの数は、5である。実施形態において、この数は、3以上9以下であることが好ましい。   In this example, the number of the plurality of n-side well layers WLn is five. In the embodiment, this number is preferably 3 or more and 9 or less.

この例では、複数のn側障壁層BLnの全てが、n側高Al濃度領域31xnとn側低Al濃度領域31ynとを含んでいる。実施形態において、複数のn側障壁層BLnの少なくとも1つが、n側高Al濃度領域31xnとn側低Al濃度領域31ynとを含んでいても良い。複数のn側障壁層BLnの少なくとも1つが、n側低Al濃度領域31ynを含み、n側高Al濃度領域31xnを含まなくても良い。すなわち、複数のn側障壁層BLnの少なくともいずれかは、AlGaN層とGaN層とを含んでも良い。複数のn側障壁層BLnの少なくともいずれかは、AlGaN層を含まず、GaN層を含んでも良い。   In this example, all of the plurality of n-side barrier layers BLn include an n-side high Al concentration region 31xn and an n-side low Al concentration region 31yn. In the embodiment, at least one of the plurality of n-side barrier layers BLn may include an n-side high Al concentration region 31xn and an n-side low Al concentration region 31yn. At least one of the plurality of n-side barrier layers BLn may include the n-side low Al concentration region 31yn and may not include the n-side high Al concentration region 31xn. That is, at least one of the plurality of n-side barrier layers BLn may include an AlGaN layer and a GaN layer. At least one of the plurality of n-side barrier layers BLn does not include an AlGaN layer and may include a GaN layer.

半導体発光素子110は、例えば、基板の上に半導体結晶層を形成することにより作製できる。   The semiconductor light emitting device 110 can be manufactured, for example, by forming a semiconductor crystal layer on a substrate.

図1(b)は、半導体発光素子110の作製の例を示している。
図1(b)に示すように、基板50sが用意される。基板50sは、例えば、シリコン基板である。シリコン基板の面方位は、例えば(111)面である。実施形態において、面方位は任意である。
FIG. 1B shows an example of manufacturing the semiconductor light emitting device 110.
As shown in FIG. 1B, a substrate 50s is prepared. The substrate 50s is, for example, a silicon substrate. The plane orientation of the silicon substrate is, for example, the (111) plane. In the embodiment, the plane orientation is arbitrary.

基板50sの上に、バッファ層50が設けられる。この例では、バッファ層50の上に、低不純物濃度層10iが設けられる。低不純物濃度層10iの上に、第1半導体層10、発光部30及び第2半導体層20が、この順で設けられる。低不純物濃度層10iにおける不純物の濃度は、第1半導体層10における不純物の濃度よりも低い。低不純物濃度層10iには、例えばアンドープGaNが用いられる。低不純物濃度層10iは、必要に応じて設けられ、省略されても良い。これらの層は、基板50sの上にエピタキシャル成長により形成される。   A buffer layer 50 is provided on the substrate 50s. In this example, the low impurity concentration layer 10 i is provided on the buffer layer 50. The first semiconductor layer 10, the light emitting unit 30, and the second semiconductor layer 20 are provided in this order on the low impurity concentration layer 10i. The impurity concentration in the low impurity concentration layer 10 i is lower than the impurity concentration in the first semiconductor layer 10. For example, undoped GaN is used for the low impurity concentration layer 10i. The low impurity concentration layer 10i may be provided as necessary and may be omitted. These layers are formed on the substrate 50s by epitaxial growth.

バッファ層50は、例えば、AlN層51、AlGaNバッファ層52、低Al組成層53及び高Al組成層54を含む。   The buffer layer 50 includes, for example, an AlN layer 51, an AlGaN buffer layer 52, a low Al composition layer 53, and a high Al composition layer 54.

AlN層51は、基板50sの上に設けられる。AlN層51は、高温成長AlN層である。AlN層51を設けることで、その上の層と基板50s(例えばシリコン基板)との反応が抑制される。   The AlN layer 51 is provided on the substrate 50s. The AlN layer 51 is a high-temperature grown AlN layer. By providing the AlN layer 51, the reaction between the layer thereon and the substrate 50s (for example, a silicon substrate) is suppressed.

AlN層51の上に、AlGaNバッファ層52が設けられる。AlGaNバッファ層52の上に、低Al組成層53が設けられる。低Al組成層53の上に、高Al組成層54が設けられる。この例では、低Al組成層53と高Al組成層54との組み合わせが、複数セット設けられる。例えば、基板50s(例えばシリコン基板)と窒化物半導体層との間の熱膨張係数の差などの原因により、窒化物半導体層に過度の応力が加わることがある。低Al組成層53と高Al組成層54との組み合わせにより、例えば、この応力が調整される。高Al組成層54は、例えば、AlGaN領域と、AlN領域と、の積層構造を有しても良い。このAlN領域は低温成長される。   An AlGaN buffer layer 52 is provided on the AlN layer 51. A low Al composition layer 53 is provided on the AlGaN buffer layer 52. A high Al composition layer 54 is provided on the low Al composition layer 53. In this example, a plurality of combinations of the low Al composition layer 53 and the high Al composition layer 54 are provided. For example, an excessive stress may be applied to the nitride semiconductor layer due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate 50s (for example, a silicon substrate) and the nitride semiconductor layer. For example, this stress is adjusted by the combination of the low Al composition layer 53 and the high Al composition layer 54. The high Al composition layer 54 may have a stacked structure of, for example, an AlGaN region and an AlN region. This AlN region is grown at a low temperature.

バッファ層50の上に、低不純物濃度層10iを形成し、その上に、第1半導体層10、発光部30及び第2半導体層20が、この順で形成することで、半導体発光素子110が得られる。第1半導体層10と電気的に接続された電極と、第2半導体層20と電気的に接続された電極と、の間に電圧を加えると、発光部30に電流が供給される。発光部30から光が放出される。発光部30から放出される光(発光光)のピーク波長は、例えば、435ナノメートル(nm)以上460nm以下である。発光光は、例えば青色である。   The low impurity concentration layer 10i is formed on the buffer layer 50, and the first semiconductor layer 10, the light emitting unit 30, and the second semiconductor layer 20 are formed on the buffer layer 50 in this order, so that the semiconductor light emitting device 110 is formed. can get. When a voltage is applied between the electrode electrically connected to the first semiconductor layer 10 and the electrode electrically connected to the second semiconductor layer 20, a current is supplied to the light emitting unit 30. Light is emitted from the light emitting unit 30. The peak wavelength of the light (emitted light) emitted from the light emitting unit 30 is, for example, not less than 435 nanometers (nm) and not more than 460 nm. The emitted light is, for example, blue.

既に説明したように、半導体発光素子110においては、複数のペアのうちで第1半導体層10に近いペアに含まれる障壁層31は、高Al濃度領域31xを含む。そして、複数のペアのうちで第2半導体層20に近いペアに含まれる障壁層31は、高Al濃度領域31xを含まない。これにより、発光効率を向上することができる。   As already described, in the semiconductor light emitting device 110, the barrier layer 31 included in the pair close to the first semiconductor layer 10 among the plurality of pairs includes the high Al concentration region 31x. The barrier layer 31 included in the pair close to the second semiconductor layer 20 among the plurality of pairs does not include the high Al concentration region 31x. Thereby, luminous efficiency can be improved.

以下、このような構成を有する半導体発光素子110の特性の評価結果の例について説明する。以下、試料の作成条件について、説明する。   Hereinafter, an example of the evaluation result of the characteristics of the semiconductor light emitting device 110 having such a configuration will be described. Hereinafter, sample preparation conditions will be described.

シリコンの基板50sの上に、バッファ層50、低不純物濃度層10i、第1半導体層10、発光部30及び第2半導体層20が順次エピタキシャル成長される。これらの層の形成の条件は、以下である。   The buffer layer 50, the low impurity concentration layer 10i, the first semiconductor layer 10, the light emitting unit 30, and the second semiconductor layer 20 are sequentially epitaxially grown on the silicon substrate 50s. The conditions for forming these layers are as follows.

バッファ層50として、1070℃にて210nmのAlN層(AlN層51)、1050℃にて200nmのAl0.5Ga0.5N層(AlGaNバッファ層52の一部)、250nmのAl0.3Ga0.7N層(AlGaNバッファ層52の別の一部)、及び、350nmのAl0.15Ga0.85N層(AlGaNバッファ層52の別の一部)、及び、GaN層(低Al組成層53)がこの順で形成される。
必要に応じて、GaN層(低Al組成層53)の上に、高Al組成層54が設けられる。この例では、低Al組成層53と高Al組成層54とを含む組み合わせが、複数セット設けられる。
As the buffer layer 50, an AlN layer (AlN layer 51) of 210 nm at 1070 ° C., an Al 0.5 Ga 0.5 N layer (a part of the AlGaN buffer layer 52) of 200 nm at 1050 ° C., an Al 0. 3 Ga 0.7 N layer (another part of AlGaN buffer layer 52), 350 nm Al 0.15 Ga 0.85 N layer (another part of AlGaN buffer layer 52), and GaN layer ( The low Al composition layer 53) is formed in this order.
If necessary, a high Al composition layer 54 is provided on the GaN layer (low Al composition layer 53). In this example, a plurality of combinations including the low Al composition layer 53 and the high Al composition layer 54 are provided.

バッファ層50の上に、低不純物濃度層10iとして、1060℃にて1000nmのGaN層が形成される。   On the buffer layer 50, a GaN layer of 1000 nm is formed at 1060 ° C. as the low impurity concentration layer 10i.

低不純物濃度層10iの上に、第1半導体層10として、1060℃にて1000nmのSiドープGaN層が形成される。   A Si-doped GaN layer having a thickness of 1000 nm is formed as the first semiconductor layer 10 on the low impurity concentration layer 10 i at 1060 ° C.

n側障壁層BLnの一部となるn側低Al濃度領域31ynとして、4.0nmのGaN層が形成される。このとき、GaN層のうちの1.0nmの下層の形成は、800℃で行われ、GaN層のうちの3.0nmの上層の形成は、850℃で行われる。   A 4.0 nm GaN layer is formed as the n-side low Al concentration region 31yn that becomes a part of the n-side barrier layer BLn. At this time, the lower layer of 1.0 nm in the GaN layer is formed at 800 ° C., and the upper layer of 3.0 nm in the GaN layer is formed at 850 ° C.

n側低Al濃度領域31ynの上に、n側障壁層BLnの別の一部となるn側高Al濃度領域31xnとして、1.0nmのAlGaN層が800℃で形成される。   On the n-side low Al concentration region 31yn, an AlGaN layer of 1.0 nm is formed at 800 ° C. as an n-side high Al concentration region 31xn that is another part of the n-side barrier layer BLn.

n側障壁層BLnの上に、井戸層32として、3.5nmのInGaN層が、800℃で形成される。   On the n-side barrier layer BLn, a 3.5 nm InGaN layer is formed as a well layer 32 at 800 ° C.

n側障壁層BLnとn側井戸層WLnとのペアが、5組形成される。   Five pairs of n-side barrier layer BLn and n-side well layer WLn are formed.

最も上層のn側井戸層WLnの上に、第1障壁層BL1が形成される。第1障壁層BL1の一部の低Al濃度領域31yとして、4.0nmのGaN層が形成される。このとき、GaN層のうちの1.0nmの下層の形成は、800℃で行われ、GaN層のうちの3.0nmの上層の形成は、850℃で行われる。   The first barrier layer BL1 is formed on the uppermost n-side well layer WLn. As a part of the low Al concentration region 31y of the first barrier layer BL1, a 4.0 nm GaN layer is formed. At this time, the lower layer of 1.0 nm in the GaN layer is formed at 800 ° C., and the upper layer of 3.0 nm in the GaN layer is formed at 850 ° C.

低Al濃度領域31yの上に、第1障壁層BL1の別の一部の高Al濃度領域31xとして、1.0nmのAlGaN層が800℃で形成される。   On the low Al concentration region 31y, an AlGaN layer of 1.0 nm is formed at 800 ° C. as another high Al concentration region 31x of another part of the first barrier layer BL1.

第1障壁層BL1の上に、第1井戸層WL1として、3.5nmのInGaN層が、800℃で形成される。   On the first barrier layer BL1, a 3.5 nm InGaN layer is formed at 800 ° C. as the first well layer WL1.

第1井戸層WL1の上に、第2障壁層BL2として、5.0nmのGaN層が形成される。このとき、GaN層のうちの1.0nmの下層の形成は、800℃で行われ、GaN層のうちの3.5nmの中層の形成は、850℃で行われ、GaN層のうちの0.5nmの上層の形成は、800℃で行われる。   On the first well layer WL1, a GaN layer of 5.0 nm is formed as the second barrier layer BL2. At this time, the formation of the lower layer of 1.0 nm of the GaN layer is performed at 800 ° C., the formation of the middle layer of 3.5 nm of the GaN layer is performed at 850 ° C. The upper layer of 5 nm is formed at 800 ° C.

第2障壁層BL2の上に、第2井戸層WL2が形成される。第2井戸層WL2の上に、第3障壁層BL3が形成される。第3障壁層BL3の上に第3井戸層WL3が形成される。第3井戸層WL3の上に、p側障壁層BLpが形成される。第2井戸層WL2及び第3井戸層WL3の形成条件は、第1井戸層WL1の形成条件と同じである。第3障壁層BL3及びp側障壁層BLpの形成の条件は、第2障壁層BL2の形成条件と同じである。   A second well layer WL2 is formed on the second barrier layer BL2. A third barrier layer BL3 is formed on the second well layer WL2. A third well layer WL3 is formed on the third barrier layer BL3. A p-side barrier layer BLp is formed on the third well layer WL3. The conditions for forming the second well layer WL2 and the third well layer WL3 are the same as the conditions for forming the first well layer WL1. The conditions for forming the third barrier layer BL3 and the p-side barrier layer BLp are the same as the conditions for forming the second barrier layer BL2.

これにより、発光部30が形成される。発光部30の上に、第2半導体層20として、5nmのMgドープAlGaN層、80nmのMgドープGaN層、及び、5nmのMgドープGaNコンタクト層がこの順で形成される。これにより、半導体発光素子110が得られる。   Thereby, the light emission part 30 is formed. A 5 nm Mg-doped AlGaN layer, an 80 nm Mg-doped GaN layer, and a 5 nm Mg-doped GaN contact layer are formed in this order on the light emitting unit 30 as the second semiconductor layer 20. Thereby, the semiconductor light emitting device 110 is obtained.

実験においては、井戸層32(第1井戸層WL1、第2井戸層WL2、n側井戸層WLnなど)となるInGaNにおいて、In組成比は、0.15である。   In the experiment, the In composition ratio is 0.15 in InGaN to be the well layer 32 (first well layer WL1, second well layer WL2, n-side well layer WLn, etc.).

高Al濃度領域31x及びn側高Al濃度領域31xnにおけるAl組成比は、0.075,0.15及び0.3と変更されている。   The Al composition ratio in the high Al concentration region 31x and the n-side high Al concentration region 31xn is changed to 0.075, 0.15, and 0.3.

低Al濃度領域31y及びn側低Al濃度領域31ynにおけるAl組成比は、0である。すなわち、低Al濃度領域31y及びn側低Al濃度領域31ynは、GaN層である。   The Al composition ratio in the low Al concentration region 31y and the n-side low Al concentration region 31yn is zero. That is, the low Al concentration region 31y and the n-side low Al concentration region 31yn are GaN layers.

実験においては、以下の参考例の試料がさらに作製された。
図2(a)及び図2(b)は、参考例の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図2(a)に示す第1参考例の半導体発光素子119aにおいては、障壁層31において、高Al濃度領域31xが設けられていない。障壁層31は、低Al濃度領域31y(GaN層)だけを有する。これ以外は、半導体発光素子110と同様である。
In the experiment, samples of the following reference examples were further prepared.
2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating a semiconductor light emitting element of a reference example.
In the semiconductor light emitting device 119a of the first reference example shown in FIG. 2A, the barrier layer 31 is not provided with the high Al concentration region 31x. The barrier layer 31 has only the low Al concentration region 31y (GaN layer). Except this, it is the same as the semiconductor light emitting device 110.

図2(b)に示す第2参考例の半導体発光素子119bにおいては、全ての障壁層31において、高Al濃度領域31x及び低Al濃度領域31y(GaN層)が設けられている。これ以外は、半導体発光素子110と同様である。すなわち、半導体発光素子119bにおいては、半導体発光素子110と比較して、GaNの第2障壁層BL2及び第3障壁層BL3が設けられていない。   In the semiconductor light emitting device 119b of the second reference example shown in FIG. 2B, all the barrier layers 31 are provided with a high Al concentration region 31x and a low Al concentration region 31y (GaN layer). Except this, it is the same as the semiconductor light emitting device 110. That is, in the semiconductor light emitting device 119b, the second barrier layer BL2 and the third barrier layer BL3 of GaN are not provided as compared with the semiconductor light emitting device 110.

図3(a)〜図3(f)は、半導体発光素子を例示する模式図である。
図3(a)〜図3(c)は、第2参考例の半導体発光素子119bにおいて、高Al濃度領域31xのAl組成比xが0.15の試料に対応する。図3(a)〜図3(c)は、第2参考例の半導体発光素子119bにおいて、高Al濃度領域31xのAl組成比xが0.3の試料に対応する。図3(a)及び図3(d)は、HAADF−STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡)である。図3(b)及び図3(e)は、TEM−EDX(透過型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分光法)であり、In組成分布を示している。図3(b)及び図3(e)において、明るい領域において、Inが多い。図3(c)及び図3(f)は、TEM−EDXであり、Al組成分布を示している。図3(c)及び図3(f)において、明るい領域において、Alが多い。
FIG. 3A to FIG. 3F are schematic views illustrating semiconductor light emitting elements.
3A to 3C correspond to a sample in which the Al composition ratio x of the high Al concentration region 31x is 0.15 in the semiconductor light emitting device 119b of the second reference example. FIGS. 3A to 3C correspond to a sample in which the Al composition ratio x of the high Al concentration region 31x is 0.3 in the semiconductor light emitting device 119b of the second reference example. 3A and 3D are HAADF-STEM (high angle scattering annular dark field scanning transmission microscope). FIG. 3B and FIG. 3E are TEM-EDX (transmission electron microscope energy dispersive X-ray spectroscopy) and show an In composition distribution. In FIG. 3B and FIG. 3E, In is large in a bright region. FIG. 3C and FIG. 3F are TEM-EDX and show an Al composition distribution. In FIG. 3C and FIG. 3F, there is much Al in the bright region.

図4(a)〜図4(c)は、半導体発光素子を例示する模式図である。
これらの図は、試料の3次元アトムプローブによる評価結果を示している。図4(a)は、半導体発光素子119aに対応する。図4(b)は、半導体発光素子119bにおいて、高Al濃度領域31xのAl組成比xが0.15の試料に対応する。図4(c)は、半導体発光素子119bにおいて、高Al濃度領域31xのAl組成比xが0.3の試料に対応する。これらの図において、横軸は、Z軸方向における位置Pzである。縦軸は、Inの組成比CIn、または、Alの組成比CAlを示す。
FIG. 4A to FIG. 4C are schematic views illustrating semiconductor light emitting elements.
These figures show the evaluation results of the sample using a three-dimensional atom probe. FIG. 4A corresponds to the semiconductor light emitting device 119a. FIG. 4B corresponds to a sample in which the Al composition ratio x of the high Al concentration region 31x is 0.15 in the semiconductor light emitting device 119b. FIG. 4C corresponds to a sample in which the Al composition ratio x of the high Al concentration region 31x is 0.3 in the semiconductor light emitting device 119b. In these drawings, the horizontal axis is the position Pz in the Z-axis direction. The vertical axis represents the In composition ratio CIn or the Al composition ratio CAl.

図4(a)に示すように、半導体発光素子119aにおいては、複数のInのピークが観察される。これらのピークは、複数の井戸層32に対応する。   As shown in FIG. 4A, a plurality of In peaks are observed in the semiconductor light emitting device 119a. These peaks correspond to the plurality of well layers 32.

図4(b)に示すように、半導体発光素子119b(x=0.15)においては、複数のInのピーク(複数の井戸層32)に加えて、複数のAlのピークが観察される。複数のAlのピークは、高Al濃度領域31xに対応する。複数のAlのピークの高さは、0.15に対応する。   As shown in FIG. 4B, in the semiconductor light emitting device 119b (x = 0.15), in addition to a plurality of In peaks (a plurality of well layers 32), a plurality of Al peaks are observed. The plurality of Al peaks correspond to the high Al concentration region 31x. The height of the plurality of Al peaks corresponds to 0.15.

図4(c)に示すように、半導体発光素子119b(x=0.3)においても、複数のInのピーク(複数の井戸層32)、及び、複数のAlのピーク(高Al濃度領域 31x)が観察される。複数のAlのピークの高さは、0.3に対応する。   As shown in FIG. 4C, also in the semiconductor light emitting device 119b (x = 0.3), a plurality of In peaks (a plurality of well layers 32) and a plurality of Al peaks (a high Al concentration region 31x). ) Is observed. The height of the plurality of Al peaks corresponds to 0.3.

このように、TEM−EDX及び3次元アトムプローブにより、In含有領域(井戸層32)、及び、Al含有領域(高Al濃度領域31xなど)が観察される。   In this way, an In-containing region (well layer 32) and an Al-containing region (such as a high Al concentration region 31x) are observed by TEM-EDX and a three-dimensional atom probe.

半導体発光素子110においては、第1半導体層10に近い一部の障壁層31において、Al含有領域(高Al濃度領域31xなど)が観察され、第2半導体層20に近い一部の障壁層31において、Al含有領域(高Al濃度領域31xなど)が観察されない。   In the semiconductor light emitting device 110, an Al-containing region (such as a high Al concentration region 31x) is observed in a part of the barrier layer 31 close to the first semiconductor layer 10, and a part of the barrier layer 31 close to the second semiconductor layer 20 is observed. No Al-containing region (such as the high Al concentration region 31x) is not observed.

図5(a)及び図5(b)は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、半導体発光素子119a及び半導体発光素子119bの試料の特性の測定結果を示している。半導体発光素子119bについては、高Al濃度領域31yにおけるAl組成比xが0.75、0.15及び0.3の3つの試料の結果が示されている。これらのグラフの横軸は、電流密度J(A/cm)である。縦軸は、外部量子効率Ex1である。図5(a)においては、縦軸は対数で表示されている。
FIG. 5A and FIG. 5B are graphs illustrating characteristics of the semiconductor light emitting device.
These drawings show measurement results of characteristics of the samples of the semiconductor light emitting device 119a and the semiconductor light emitting device 119b. For the semiconductor light emitting device 119b, the results of three samples having Al composition ratios x of 0.75, 0.15, and 0.3 in the high Al concentration region 31y are shown. The horizontal axis of these graphs represents current density J (A / cm 2 ). The vertical axis represents the external quantum efficiency Ex1. In FIG. 5A, the vertical axis is displayed as a logarithm.

図5(a)及び図5(b)に示すように、Al組成比xが0.3の半導体発光素子119bにおいては、外部量子効率Ex1が低い。   As shown in FIGS. 5A and 5B, in the semiconductor light emitting device 119b having an Al composition ratio x of 0.3, the external quantum efficiency Ex1 is low.

Al組成比xが0.075または0.15の半導体発光素子119bにおいては、低電流密度において、外部量子効率Ex1が、半導体発光素子119aよりも高い。しかしながら、Al組成比xが0.075または0.15の半導体発光素子119bにおいては、高電流密度において、外部量子効率Ex1が、半導体発光素子119aよりも低い。すなわち、Al組成比xが0.075または0.15の場合、半導体発光素子119bにおいては、低電流密度においては効率が向上できるが、ドループにより、高電流密度においては効率が低くなる。   In the semiconductor light emitting device 119b having the Al composition ratio x of 0.075 or 0.15, the external quantum efficiency Ex1 is higher than that of the semiconductor light emitting device 119a at a low current density. However, in the semiconductor light emitting device 119b having an Al composition ratio x of 0.075 or 0.15, the external quantum efficiency Ex1 is lower than that of the semiconductor light emitting device 119a at a high current density. That is, when the Al composition ratio x is 0.075 or 0.15, the efficiency of the semiconductor light emitting device 119b can be improved at a low current density, but the efficiency becomes low at a high current density due to droop.

図6(a)及び図6(b)は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、半導体発光素子110、半導体発光素子119a及び半導体発光素子119bの試料の特性の測定結果を示している。半導体発光素子110及び半導体発光素子119bにおいては、高Al濃度領域31yにおけるAl組成比xは0.15の例である。これらのグラフの横軸は、電流密度J(A/cm)であり、縦軸は、外部量子効率Ex1である。
6A and 6B are graphs illustrating characteristics of the semiconductor light emitting device.
These drawings show the measurement results of the characteristics of the samples of the semiconductor light emitting device 110, the semiconductor light emitting device 119a, and the semiconductor light emitting device 119b. In the semiconductor light emitting device 110 and the semiconductor light emitting device 119b, the Al composition ratio x in the high Al concentration region 31y is an example of 0.15. The horizontal axis of these graphs is the current density J (A / cm 2 ), and the vertical axis is the external quantum efficiency Ex1.

図6(a)及び図6(b)から分かるように、半導体発光素子110においては、低電流密度において、外部量子効率Ex1は、半導体発光素子119bよりもさらに高い。半導体発光素子110においては、高電流密度において、外部量子効率Ex1は、半導体発光素子119aと同じ程度の高い外部量子効率Ex1を維持している。すなわち、A半導体発光素子110においては、低電流密度において効率が向上しつつ、ドループが抑制され、高電流密度においても高い効率が得られる。実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。   As can be seen from FIGS. 6A and 6B, in the semiconductor light emitting device 110, the external quantum efficiency Ex1 is higher than that of the semiconductor light emitting device 119b at a low current density. In the semiconductor light emitting device 110, the external quantum efficiency Ex1 maintains the same high external quantum efficiency Ex1 as that of the semiconductor light emitting device 119a at a high current density. That is, in the A semiconductor light emitting device 110, the efficiency is improved at a low current density, droop is suppressed, and a high efficiency is obtained even at a high current density. According to the embodiment, it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the luminous efficiency.

窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、発光効率のピーク値(比較的低い電流密度の領域における発光効率)の向上に加えて、高電流密度時における発光効率の向上が求められている。一般に、電流密度の増加により、発光効率が低下する。ドループの抑制が求められている。   In a semiconductor light emitting device using a nitride semiconductor, in addition to improvement of the peak value of light emission efficiency (light emission efficiency in a region having a relatively low current density), improvement of light emission efficiency at a high current density is required. In general, the luminous efficiency decreases with an increase in current density. There is a need for droop suppression.

発光効率のピーク値を向上するためには、発光層の欠陥の低減と、発光層の構造の改善と、の試みがある。発光層の欠陥の低減のために、例えば、発光層の厚さを薄くすることが考えられる。発光層の厚さを薄くすることで、正孔と電子との重なり積分値が大きくなる。しかしながら、これらの構造において、ドループが悪化しやすい。   In order to improve the peak value of luminous efficiency, there are attempts to reduce defects in the light emitting layer and improve the structure of the light emitting layer. In order to reduce defects in the light emitting layer, for example, it is conceivable to reduce the thickness of the light emitting layer. By reducing the thickness of the light emitting layer, the overlap integral of holes and electrons increases. However, in these structures, the droop is likely to deteriorate.

発光層のキャリア密度を低減することで、ドループを抑制することができる。しかしながら、発光層のキャリア密度を低減するために、発光層の厚さを厚くすると、発光層に欠陥が導入され、特に発光効率のピーク値が低下する。   Droop can be suppressed by reducing the carrier density of the light emitting layer. However, when the thickness of the light emitting layer is increased in order to reduce the carrier density of the light emitting layer, defects are introduced into the light emitting layer, and in particular, the peak value of the light emission efficiency is lowered.

このように、従来の技術においては、発光効率のピーク値(比較的低い電流密度の領域における発光効率)の向上と、ドループの抑制と、を行うことは困難である。   As described above, in the conventional technique, it is difficult to improve the peak value of luminous efficiency (luminous efficiency in a region having a relatively low current density) and suppress droop.

これに対して、図6(a)及び図6(b)から分かるように、実施形態に係る半導体発光素子110においては、低電流密度において効率が向上しつつ、ドループを抑制することができる。   In contrast, as can be seen from FIGS. 6A and 6B, in the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment, the droop can be suppressed while the efficiency is improved at a low current density.

実施形態においては、第1半導体層10の側の障壁層31(第1障壁層BL1及びn側障壁層BLnなど)に、高Al濃度領域31x(及びn側高Al濃度領域31xn)を設けることで、発光層における正孔密度が上昇し、発光効率が向上する。   In the embodiment, the high Al concentration region 31x (and the n-side high Al concentration region 31xn) is provided in the barrier layer 31 (the first barrier layer BL1 and the n-side barrier layer BLn, etc.) on the first semiconductor layer 10 side. Thus, the hole density in the light emitting layer is increased, and the light emission efficiency is improved.

そして、第2半導体層20の側の障壁層31(第2障壁層BL2及び第3障壁層BL3など)においては、高Al濃度領域31xを設けず低Al濃度領域31yだけを設けることで、高い結晶性が得られる。   In the barrier layer 31 (second barrier layer BL2 and third barrier layer BL3, etc.) on the second semiconductor layer 20 side, the high Al concentration region 31x is not provided, but only the low Al concentration region 31y is provided. Crystallinity is obtained.

実施形態において、第2半導体層20に近い領域において、高Al濃度領域31xを含まず低Al濃度領域31yだけを有する障壁層31の数を2以上とする。これにより、キャリア密度が低減され、ドループが抑制される。   In the embodiment, in the region close to the second semiconductor layer 20, the number of the barrier layers 31 not including the high Al concentration region 31 x but having only the low Al concentration region 31 y is set to two or more. Thereby, carrier density is reduced and droop is suppressed.

例えば、全ての障壁層31に高Al濃度領域31xを設ける半導体発光素子119bと比べて、第2半導体層20に近い側に、高Al濃度領域31xを含まず低Al濃度領域31yだけを有する障壁層31を設けることで、ドループが改善される。   For example, as compared with the semiconductor light emitting device 119b in which the high Al concentration region 31x is provided in all the barrier layers 31, the barrier not including the high Al concentration region 31x and having only the low Al concentration region 31y on the side closer to the second semiconductor layer 20. By providing the layer 31, droop is improved.

例えば、半導体発光素子119bでは、全ての障壁層31に、高Al濃度領域31xが設けられている。この構成においては、正孔は、第1井戸層WL1に集中していると考えられる。すなわち、第2井戸層WL2及び第3井戸層WL3において、正孔密度が低いと考えられる。
これに対して、第2半導体層20に近い側に、高Al濃度領域31xを含まず低Al濃度領域31yだけを有する障壁層31を設け、第2半導体層20から離れた位置に、高Al濃度領域31x及び低Al濃度領域31yを含む障壁層31(第1障壁層BL1など)を設けることで、半導体発光素子119bにおいて第1井戸層WL1に集中していると考えられる正孔を、第2井戸層WL2及び第3井戸層WL3に分散することができる。これにより、ドループが抑制される。
For example, in the semiconductor light emitting device 119b, all the barrier layers 31 are provided with the high Al concentration region 31x. In this configuration, it is considered that holes are concentrated in the first well layer WL1. That is, the hole density is considered to be low in the second well layer WL2 and the third well layer WL3.
On the other hand, a barrier layer 31 that does not include the high Al concentration region 31x but includes only the low Al concentration region 31y is provided on the side close to the second semiconductor layer 20, and the high Al concentration region is located away from the second semiconductor layer 20. By providing the barrier layer 31 (the first barrier layer BL1 and the like) including the concentration region 31x and the low Al concentration region 31y, holes that are considered to be concentrated in the first well layer WL1 in the semiconductor light emitting device 119b are formed. The second well layer WL2 and the third well layer WL3 can be dispersed. Thereby, droop is suppressed.

例えば、第2半導体層20から離れた井戸層32においては、正孔の注入が悪くなる。実施形態において、例えば、第1井戸層WL1と第2半導体層20との間に設けられる井戸層32の数を1、または、2である。これにより、例えば、正孔の注入が悪い井戸層32が増えることが抑制できる。   For example, in the well layer 32 away from the second semiconductor layer 20, hole injection is poor. In the embodiment, for example, the number of well layers 32 provided between the first well layer WL1 and the second semiconductor layer 20 is one or two. Thereby, for example, an increase in the number of well layers 32 with poor hole injection can be suppressed.

図7は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図7に示すように、実施形態に係る半導体発光素子111においても、第1半導体層10、第2半導体層20、第1井戸層WL1、第2井戸層WL2、第1障壁層BL1及び第2障壁層BL2が設けられる。これらについては、半導体発光素子110と同様である。半導体発光素子111においては、n側障壁層BLnにおいて、n側高Al濃度領域31xnが設けられず、n側低Al濃度領域31ynが設けられる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating another semiconductor light emitting element according to the embodiment.
As shown in FIG. 7, also in the semiconductor light emitting device 111 according to the embodiment, the first semiconductor layer 10, the second semiconductor layer 20, the first well layer WL1, the second well layer WL2, the first barrier layer BL1 and the second barrier layer BL1. A barrier layer BL2 is provided. These are the same as those of the semiconductor light emitting device 110. In the semiconductor light emitting device 111, the n-side high Al concentration region 31xn is not provided in the n-side barrier layer BLn, but the n-side low Al concentration region 31yn is provided.

既に説明したように、高Al濃度領域31xを含む1つの障壁層31(第1障壁層BL1)を設け、その1つの障壁層31と第2半導体層20との間に、高Al濃度領域31xを含まない障壁層31(第2障壁層BL2など)を設けることで、低電流密度における効率の向上とともに、ドループを抑制することができる。半導体発光素子111のように、第1障壁層BL1に高Al濃度領域31xを設け、n側障壁層BLnにおいて、n側高Al濃度領域31xnを設けなくても良い。   As already described, one barrier layer 31 (first barrier layer BL1) including the high Al concentration region 31x is provided, and the high Al concentration region 31x is provided between the one barrier layer 31 and the second semiconductor layer 20. By providing the barrier layer 31 that does not contain (such as the second barrier layer BL2), it is possible to improve efficiency at a low current density and suppress droop. Like the semiconductor light emitting device 111, the high Al concentration region 31x may be provided in the first barrier layer BL1, and the n side high Al concentration region 31xn may not be provided in the n side barrier layer BLn.

高Al濃度領域31xのように、Alを含む窒化物半導体の領域が多いと、例えば、結晶性が低くなることがある。Alを含む窒化物半導体の領域を少なくしつつ、高Al濃度領域31xを設ける(すなわち、第1障壁層BL1を設ける)ことで、高い結晶性が維持できる。これにより、高い効率が得やすくなる。   When there are many nitride semiconductor regions containing Al like the high Al concentration region 31x, for example, the crystallinity may be lowered. High crystallinity can be maintained by providing the high Al concentration region 31x (that is, providing the first barrier layer BL1) while reducing the nitride semiconductor region containing Al. This makes it easy to obtain high efficiency.

実施形態において、第1障壁層BL1は、低Al濃度領域31y(例えばGaN層)と、その上に設けられた高Al濃度領域31x(AlGaN層)と、を有している。そして、この高Al濃度領域31x(AlGaN層)に接して第1井戸層WL1(InGaN層)が設けられる。AlGaNとInGaNとの間において、格子定数の差が大きい。このように格子定数の差が大きいAlGaN層の上に、AlGaN層に接してInGaN層を設けることは、一般的には困難である。例えば、InGaN層の結晶性が低くなる。   In the embodiment, the first barrier layer BL1 includes a low Al concentration region 31y (for example, a GaN layer) and a high Al concentration region 31x (AlGaN layer) provided thereon. A first well layer WL1 (InGaN layer) is provided in contact with the high Al concentration region 31x (AlGaN layer). There is a large difference in lattice constant between AlGaN and InGaN. In general, it is difficult to provide an InGaN layer in contact with an AlGaN layer on an AlGaN layer having a large difference in lattice constant. For example, the crystallinity of the InGaN layer is lowered.

実施形態においては、高Al濃度領域31x(AlGaN層)の下に、低Al濃度領域31y(例えばGaN層)を設ける。この低Al濃度領域31y(例えばGaN層)により、平坦な表面が得られる。平坦な表面の上に、高Al濃度領域31x(AlGaN層)を設けることで、高Al濃度領域31x(AlGaN層)に接して第1井戸層WL1を設けた場合においても、高い結晶性が維持できる。例えば、表現が平坦な高Al濃度領域31x(AlGaN層)が得られる。この上に、第1井戸層WL1を形成することで、第1井戸層WL1において、高い結晶性が得られる。   In the embodiment, a low Al concentration region 31y (for example, a GaN layer) is provided below the high Al concentration region 31x (AlGaN layer). A flat surface is obtained by the low Al concentration region 31y (for example, GaN layer). By providing the high Al concentration region 31x (AlGaN layer) on the flat surface, high crystallinity is maintained even when the first well layer WL1 is provided in contact with the high Al concentration region 31x (AlGaN layer). it can. For example, a high Al concentration region 31x (AlGaN layer) having a flat expression can be obtained. By forming the first well layer WL1 thereon, high crystallinity is obtained in the first well layer WL1.

実施形態において、第1障壁層BL1の高Al濃度領域31xにおけるAl組成比x1は、0.05以上0.3以下であることが好ましい。x1が0.05未満のときは、例えば、正孔密度を高めることによる低電流密度での発光効率の向上が、不十分の場合がある。x1が、0.3を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。   In the embodiment, the Al composition ratio x1 in the high Al concentration region 31x of the first barrier layer BL1 is preferably 0.05 or more and 0.3 or less. When x1 is less than 0.05, for example, the improvement of the light emission efficiency at a low current density by increasing the hole density may be insufficient. When x1 exceeds 0.3, for example, crystallinity deteriorates and luminous efficiency decreases.

実施形態において、n側障壁層BLnのn側高Al濃度領域31xnにおけるAl組成比xnは、0.3以下であることが好ましい。xnが、0.3を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。n側障壁層BLnのn側高Al濃度領域31xnにおけるAl組成比xnは、0よりも高い。n側障壁層BLnのn側高Al濃度領域31xnにおけるAl組成比xnは、0.05以上でも良い。   In the embodiment, the Al composition ratio xn in the n-side high Al concentration region 31xn of the n-side barrier layer BLn is preferably 0.3 or less. When xn exceeds 0.3, for example, the crystallinity deteriorates and the light emission efficiency decreases. The Al composition ratio xn in the n-side high Al concentration region 31xn of the n-side barrier layer BLn is higher than zero. The Al composition ratio xn in the n-side high Al concentration region 31xn of the n-side barrier layer BLn may be 0.05 or more.

実施形態において、第1障壁層BL1の低Al濃度領域31yにおけるAl組成比y1は、0以上、0.01以下であることが好ましい。y1が0.01を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。低Al濃度領域31yは、例えば、GaNである。   In the embodiment, the Al composition ratio y1 in the low Al concentration region 31y of the first barrier layer BL1 is preferably 0 or more and 0.01 or less. When y1 exceeds 0.01, for example, the crystallinity deteriorates and the light emission efficiency decreases. The low Al concentration region 31y is, for example, GaN.

実施形態において、n側障壁層BLnのn側低Al濃度領域31ynにおけるAl組成比ynは、0以上、0.01以下であることが好ましい。ynが0.01を超えると、例えば、結晶性が劣化し、発光効率が低下する。n側低Al濃度領域31ynは、例えば、GaNである。   In the embodiment, the Al composition ratio yn in the n-side low Al concentration region 31yn of the n-side barrier layer BLn is preferably 0 or more and 0.01 or less. When yn exceeds 0.01, for example, the crystallinity is deteriorated and the light emission efficiency is lowered. The n-side low Al concentration region 31yn is, for example, GaN.

実施形態において、第2障壁層BL2におけるAl組成比z2は、例えば、0以上0.01以下である。第3障壁層BL3におけるAl組成比z3は、例えば、0以上0.01以下である。第2障壁層BL2及び第3障壁層BL3は、例えば、GaN層である。   In the embodiment, the Al composition ratio z2 in the second barrier layer BL2 is, for example, 0 or more and 0.01 or less. The Al composition ratio z3 in the third barrier layer BL3 is, for example, 0 or more and 0.01 or less. The second barrier layer BL2 and the third barrier layer BL3 are, for example, GaN layers.

第1障壁層BL1において、高Al濃度領域31xの厚さは、低Al濃度領域31yの厚さの0.2倍以上0.5倍以下である。高Al濃度領域31xの厚さが低Al濃度領域31yの厚さの0.2倍未満のときは、例えば、高Al濃度領域31xが薄く、正孔密度を高める効果が小さくなる。高Al濃度領域31xの厚さが低Al濃度領域31yの厚さの0.5倍を超えると、例えば、高Al濃度領域31xにおいて平坦性が劣化し易い。そのため、InGaN層における平坦性が劣化し易く、GaN層における平坦性の回復効果が低下し易い。このため、結晶性が劣化し易い。   In the first barrier layer BL1, the thickness of the high Al concentration region 31x is not less than 0.2 times and not more than 0.5 times the thickness of the low Al concentration region 31y. When the thickness of the high Al concentration region 31x is less than 0.2 times the thickness of the low Al concentration region 31y, for example, the high Al concentration region 31x is thin and the effect of increasing the hole density is reduced. If the thickness of the high Al concentration region 31x exceeds 0.5 times the thickness of the low Al concentration region 31y, for example, the flatness tends to deteriorate in the high Al concentration region 31x. Therefore, the flatness in the InGaN layer is likely to deteriorate, and the flatness recovery effect in the GaN layer is likely to be reduced. For this reason, crystallinity tends to deteriorate.

n側障壁層BLnにおいて、n側高Al濃度領域31xnの厚さは、n側低Al濃度領域31ynの厚さの0.5倍以下である。n側高Al濃度領域31xnの厚さがn側低Al濃度領域31ynの厚さの0.5倍を超えると、例えば、n側低Al濃度領域31xnにおいて平坦性が劣化し易い。そのため、InGaN層における平坦性が劣化し易く、GaN層における平坦性の回復効果が低下し易い。このため、結晶性が劣化し易い。   In the n-side barrier layer BLn, the thickness of the n-side high Al concentration region 31xn is not more than 0.5 times the thickness of the n-side low Al concentration region 31yn. If the thickness of the n-side high Al concentration region 31xn exceeds 0.5 times the thickness of the n-side low Al concentration region 31yn, for example, the flatness tends to deteriorate in the n-side low Al concentration region 31xn. Therefore, the flatness in the InGaN layer is likely to deteriorate, and the flatness recovery effect in the GaN layer is likely to be reduced. For this reason, crystallinity tends to deteriorate.

第1障壁層BL1の厚さは、例えば、3ナノメートル以上5.5ナノメートル以下である。第1障壁層BL1の厚さが、3nm未満のときは、例えば、GaN層における平坦性の回復効果が低下し易い。そのため、高Al濃度領域31xにおいて平坦性が劣化し易く、InGaN層における平坦性が劣化し易い。このため、結晶性が劣化し易い。第1障壁層BL1の厚さが、5.5nmを超えると、例えば、動作電圧が上昇する。   The thickness of the first barrier layer BL1 is, for example, not less than 3 nanometers and not more than 5.5 nanometers. When the thickness of the first barrier layer BL1 is less than 3 nm, for example, the flatness recovery effect in the GaN layer is likely to decrease. Therefore, the flatness tends to deteriorate in the high Al concentration region 31x, and the flatness in the InGaN layer tends to deteriorate. For this reason, crystallinity tends to deteriorate. When the thickness of the first barrier layer BL1 exceeds 5.5 nm, for example, the operating voltage increases.

第2障壁層BL2の厚さは、例えば、3ナノメートル以上5.5ナノメートル以下である。第2障壁層BL2の厚さが、3nm未満のときは、例えば、発光層の平均In組成比が高くなり、発光層に欠陥が導入され易くなる。第2障壁層BL2の厚さが、3nm未満のときは、例えば、発光層の平坦性が劣化し易くなる。第2障壁層BL2の厚さが、5.5nmを超えると、例えば、正孔の注入効果が減少し、発光効率が低下する。第2障壁層BL2の厚さが、5.5nmを超えると、動作電圧が上昇する。   The thickness of the second barrier layer BL2 is, for example, not less than 3 nanometers and not more than 5.5 nanometers. When the thickness of the second barrier layer BL2 is less than 3 nm, for example, the average In composition ratio of the light emitting layer is increased, and defects are easily introduced into the light emitting layer. When the thickness of the second barrier layer BL2 is less than 3 nm, for example, the flatness of the light emitting layer tends to deteriorate. When the thickness of the second barrier layer BL2 exceeds 5.5 nm, for example, the hole injection effect is reduced and the light emission efficiency is lowered. When the thickness of the second barrier layer BL2 exceeds 5.5 nm, the operating voltage increases.

井戸層32におけるIn組成比は、第2半導体層20に近い領域と、遠い領域と、で、変更しても良い。井戸層32の厚さは、第2半導体層20に近い領域と、遠い領域と、で、変更しても良い。   The In composition ratio in the well layer 32 may be changed between a region close to the second semiconductor layer 20 and a region far from the second semiconductor layer 20. The thickness of the well layer 32 may be changed between a region near the second semiconductor layer 20 and a region far from the second semiconductor layer 20.

例えば、In組成比w1は、In組成比w2(第2井戸層WL2におけるIn組成比)よりも高くても良い。   For example, the In composition ratio w1 may be higher than the In composition ratio w2 (In composition ratio in the second well layer WL2).

例えば、第3井戸層WL3の厚さは、第1井戸層WL1の厚さよりも厚くても良い。第2井戸層WL2の厚さは、第1井戸層WL1の厚さよりも厚くても良い。このような厚さの設定により、例えば、キャリア密度が低減され、ドループが低減し易い。   For example, the thickness of the third well layer WL3 may be thicker than the thickness of the first well layer WL1. The thickness of the second well layer WL2 may be thicker than the thickness of the first well layer WL1. By setting the thickness as described above, for example, the carrier density is reduced and the droop is easily reduced.

例えば、第3井戸層WL3の厚さを、第1井戸層WL1よりも厚くする場合、In組成比w3(第1井戸層WL3におけるIn組成比)は、In組成比w1(第1井戸層WL1におけるIn組成比)よりも低くても良い。例えば、第2井戸層WL2の厚さを、第1井戸層WL1よりも厚くする場合、In組成比w2(第1井戸層WL2におけるIn組成比)は、In組成比w1(第1井戸層WL1におけるIn組成比)よりも低くても良い。例えば、同じIn組成比で厚さを厚くすると、長波長化する。In組成比を低くすることで、実質的に同じ波長が得られる。   For example, when the thickness of the third well layer WL3 is thicker than that of the first well layer WL1, the In composition ratio w3 (In composition ratio in the first well layer WL3) is set to the In composition ratio w1 (first well layer WL1). It may be lower than the In composition ratio). For example, when the thickness of the second well layer WL2 is thicker than that of the first well layer WL1, the In composition ratio w2 (In composition ratio in the first well layer WL2) is set to the In composition ratio w1 (first well layer WL1). It may be lower than the In composition ratio). For example, if the thickness is increased with the same In composition ratio, the wavelength increases. By reducing the In composition ratio, substantially the same wavelength can be obtained.

例えば、In組成比w1及びw2の少なくともいずれかは、0.12以上0.16以下である。例えば、In組成比wnは、0.14以上0.16以下である。   For example, at least one of the In composition ratios w1 and w2 is 0.12 or more and 0.16 or less. For example, the In composition ratio wn is 0.14 or more and 0.16 or less.

同じIn組成比で厚さを厚くすると、長波長化する。In組成比を低くすることで、同じ波長が得られる。例えば、InGaNの井戸層の厚さが3.5nmでIn組成比が0.14のときに、波長は440nmとなる(フォトルミネッセンス測定)。一方、InGaNの井戸層の厚さが4.5nmで、In組成比が0.125のときに、波長は440nmとなる(フォトルミネッセンス測定)。   Increasing the thickness with the same In composition ratio increases the wavelength. By reducing the In composition ratio, the same wavelength can be obtained. For example, when the thickness of the InGaN well layer is 3.5 nm and the In composition ratio is 0.14, the wavelength is 440 nm (photoluminescence measurement). On the other hand, when the thickness of the InGaN well layer is 4.5 nm and the In composition ratio is 0.125, the wavelength is 440 nm (photoluminescence measurement).

n側井戸層WLnの数(第1井戸層WL1と第1半導体層10との間に設けられる井戸層32の数:第1の数)は、第1井戸層WL1と第2半導体層20との間に設けられる井戸層32の数(第2の数)よりも大きいことが好ましい。第1の数を第2の数よりも大きくすることで、例えば、n側井戸層WLnにおいて格子緩和が生じ、第1井戸層WLと第2半導体層20との間に設けられる井戸層32の格子緩和が抑制され、欠陥の導入が抑制される。   The number of the n-side well layers WLn (the number of the well layers 32 provided between the first well layers WL1 and the first semiconductor layer 10: the first number) is the number of the first well layers WL1 and the second semiconductor layers 20 It is preferable that it is larger than the number (second number) of the well layers 32 provided between the two. By making the first number larger than the second number, for example, lattice relaxation occurs in the n-side well layer WLn, and the well layer 32 provided between the first well layer WL and the second semiconductor layer 20 Lattice relaxation is suppressed and the introduction of defects is suppressed.

実施形態において、井戸層32の数は、12以下であることが好ましい。井戸層32の数が12を超えると、例えば、格子緩和により井戸層32に欠陥が導入されやすくなり、発光効率が低下する。   In the embodiment, the number of well layers 32 is preferably 12 or less. When the number of the well layers 32 exceeds 12, for example, defects are easily introduced into the well layers 32 due to lattice relaxation, and the light emission efficiency is lowered.

実施形態において、第1半導体層10は、n形不純物を含む。n形不純物には、Si、Ge、Te及びSnの少なくともいずれかが用いられる。第1半導体層は、例えば、n側コンタクト層を含む。   In the embodiment, the first semiconductor layer 10 includes an n-type impurity. As the n-type impurity, at least one of Si, Ge, Te, and Sn is used. The first semiconductor layer includes, for example, an n-side contact layer.

第2半導体層20は、p形不純物を含む。p形不純物には、Mg、Zn及びCの少なくともいずれかが用いられる。第2半導体層は、例えば、p側コンタクト層を含む。   The second semiconductor layer 20 includes a p-type impurity. As the p-type impurity, at least one of Mg, Zn, and C is used. The second semiconductor layer includes, for example, a p-side contact layer.

実施形態において、発光部30と第1半導体層10の間に、多層膜の中間部(例えば超格子層など)を設けても良い。   In the embodiment, an intermediate portion (for example, a superlattice layer) of the multilayer film may be provided between the light emitting unit 30 and the first semiconductor layer 10.

実施形態に係る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法において、半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法、有機金属気相成長(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法、及び、ハライド気相エピタキシー(Halide Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法などを用いることができる。   In the semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the embodiment, examples of the method for growing the semiconductor layer include a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a metal organic chemical vapor deposition (Metal). -Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) method, Molecular Beam Epitaxy (MBE) method, Halide Vapor Phase Epitaxy (HVPE) method and the like can be used.

例えば、MOCVD法またはMOVPE法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Gaの原料として、例えばTMGa(トリメチルガリウム)及びTEGa(トリエチルガリウム)を用いることができる。Inの原料として、例えば、TMIn(トリメチルインジウム)及びTEIn(トリエチルインジウム)などを用いることができる。Alの原料として、例えば、TMAl(トリメチルアルミニウム)などを用いることができる。Nの原料として、例えば、NH(アンモニア)、MMHy(モノメチルヒドラジン)及びDMHy(ジメチルヒドラジン)などを用いることができる。Siの原料としては、SiH(モノシラン)、Si(ジシラン)などを用いることができる。 For example, when the MOCVD method or the MOVPE method is used, the following can be used as raw materials for forming each semiconductor layer. For example, TMGa (trimethyl gallium) and TEGa (triethyl gallium) can be used as the Ga raw material. As a source of In, for example, TMIn (trimethylindium), TEIn (triethylindium), or the like can be used. As a raw material for Al, for example, TMAl (trimethylaluminum) can be used. As a raw material of N, for example, NH 3 (ammonia), MMHy (monomethylhydrazine), DMHy (dimethylhydrazine) and the like can be used. As a Si raw material, SiH 4 (monosilane), Si 2 H 6 (disilane), or the like can be used.

実施形態によれば、発光効率を向上できる半導体発光素子が提供できる。   According to the embodiment, it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the luminous efficiency.

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ 1) Semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those further containing a group V element other than N (nitrogen), those further containing various elements added for controlling various physical properties such as conductivity type, and unintentionally Those further including various elements included are also included in the “nitride semiconductor”.

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。   In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strictly vertical and strictly parallel, but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. It ’s fine.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層及び障壁層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding the specific configuration of each element such as a semiconductor layer, a light emitting portion, a well layer, and a barrier layer included in a semiconductor light emitting device, the present invention can be similarly implemented by appropriately selecting from a known range by those skilled in the art. As long as the same effect can be obtained, it is included in the scope of the present invention.

また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。   Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all semiconductor light-emitting elements that can be implemented by those skilled in the art based on the semiconductor light-emitting elements described above as embodiments of the present invention are included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belonging to.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…第1半導体層、 10i…低不純物濃度層、 20…第2半導体層、 30…発光部、 31…障壁層、 31x…高Al濃度領域、 31xn…n側高Al濃度領域、 31y…低Al濃度領域、 31yn…n側低Al濃度領域、 32…井戸層、 50…バッファ層、 50s…基板、 51…AlN層、 52…AlGaNNバッファ層、 53…低Al組成層、 54…高Al組成層、 110、111、119a、119b…半導体発光素子、 BL1〜BL3…第1障壁層、 BLn…n側障壁層、 BLp…p側障壁層、 CAl…Al組成比、 CIn…In組成比、 Ex1…外部量子効率、 J…電流密度、 Pz…位置、 WL1〜WL3…第1〜第3井戸層、 WLn…n側井戸層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st semiconductor layer, 10i ... Low impurity concentration layer, 20 ... 2nd semiconductor layer, 30 ... Light emission part, 31 ... Barrier layer, 31x ... High Al concentration area | region, 31xn ... High Al concentration area | region of n side 31y ... Low Al concentration region, 31yn ... n-side low Al concentration region, 32 ... well layer, 50 ... buffer layer, 50s ... substrate, 51 ... AlN layer, 52 ... AlGaNN buffer layer, 53 ... low Al composition layer, 54 ... high Al composition 110, 111, 119a, 119b ... semiconductor light emitting device, BL1-BL3 ... first barrier layer, BLn ... n-side barrier layer, BLp ... p-side barrier layer, CAl ... Al composition ratio, CIn ... In composition ratio, Ex1 ... external quantum efficiency, J ... current density, Pz ... position, WL1-WL3 ... first to third well layers, WLn ... n-side well layer

Claims (20)

第1導電形の第1半導体層と、
第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられInw1Ga1−w1N(0<w1<1)を含む第1井戸層と、
前記第1井戸層と前記第2半導体層との間に設けられInw2Ga1−w2N(0<w2<1)を含む第2井戸層と、
前記第1半導体層と前記第1井戸層との間に設けられた第1障壁層であって、
前記第1井戸層と接しAlx1Ga1−x1N(0<x1<1)を含む高Al濃度領域と、
前記高Al濃度領域と前記第1半導体層との間において前記高Al濃度領域と接しAly1Ga1−y1N(0≦y1<x1)を含む低Al濃度領域と、
を含む前記第1障壁層と、
前記第1井戸層と前記第2井戸層との間に設けられ前記第1井戸層及び前記第2井戸層と接しAlz2Ga1−z2N(0≦z2<x1)を含む第2障壁層と、
を備えた半導体発光素子。
A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type;
A first well layer comprising In w1 Ga 1-w1 N ( 0 <w1 <1) provided between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer,
A second well layer comprising In w2 Ga 1-w2 N ( 0 <w2 <1) provided between the second semiconductor layer and the first well layer,
A first barrier layer provided between the first semiconductor layer and the first well layer,
A high Al concentration region containing Al x1 Ga 1-x1 N (0 <x1 <1) in contact with the first well layer;
A low Al concentration region containing Al y1 Ga 1-y1 N (0 ≦ y1 <x1) in contact with the high Al concentration region between the high Al concentration region and the first semiconductor layer;
The first barrier layer comprising:
The second barrier layer including the first contact with the well layer and the second well layer Al z2 Ga 1-z2 N ( 0 ≦ z2 <x1) is provided between the second well layer and the first well layer When,
A semiconductor light emitting device comprising:
前記x1は、0.05以上0.3以下である、請求項1記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein x1 is 0.05 or more and 0.3 or less. 前記z2は、0.01以下である、請求項1または2に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein z2 is 0.01 or less. 前記第2井戸層と前記第2半導体層との間に設けられInw3Ga1−w3N(0<w3<1)を含む第3井戸層と、
前記第2井戸層と前記第3井戸層との間に設けられ前記第2井戸層と前記第3井戸層と接しAlz3Ga1−z3N(0≦z3<x1)を含む第3障壁層と、
をさらに備えた、請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
A third well layer comprising In w3 Ga 1-w3 N ( 0 <w3 <1) provided between the second well layer second semiconductor layer,
Third barrier layer comprising the said second well layer disposed third well layer and in contact with Al z3 Ga 1-z3 N ( 0 ≦ z3 <x1) between the second well layer and the third well layer When,
The semiconductor light-emitting device according to claim 1, further comprising:
前記z3は、0、01以下である、請求項4記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein z3 is 0, 01 or less. 前記第3井戸層の厚さは、前記第1井戸層の厚さよりも厚い、請求項4または5に記載の半導体発光素子。   6. The semiconductor light emitting element according to claim 4, wherein a thickness of the third well layer is thicker than a thickness of the first well layer. 前記第3井戸層と前記第2半導体層との間に設けられ、AlzpGa1−zpN(0≦zp<x1)を含むp側障壁層をさらに備えた、請求項4〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 The p-side barrier layer that is provided between the third well layer and the second semiconductor layer and further includes Al zp Ga 1-zp N (0 ≦ zp <x1). The semiconductor light emitting element as described in any one. 前記第1半導体層と前記第1井戸層との間に設けられInwnGa1−wnN(0<wn<1)を含むn側井戸層と、
前記第1半導体層と前記n側井戸層との間に設けられたn側障壁層と、
をさらに備え、
前記n側障壁層は、
前記n側井戸層と接しAlxnGa1−xnN(0<xn<1)を含むn側高Al濃度領域と、
前記n側高Al濃度領域と前記第1半導体層との間において前記n側高Al濃度領域と接しAlynGa1−ynN(0≦yn<xn)を含むn側低Al濃度領域と、
を含む、請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
An n-side well layer including In wn Ga 1-wn N (0 <wn <1) provided between the first semiconductor layer and the first well layer;
An n-side barrier layer provided between the first semiconductor layer and the n-side well layer;
Further comprising
The n-side barrier layer is
An n-side high Al concentration region containing Al xn Ga 1-xn N (0 <xn <1) in contact with the n-side well layer;
An n-side low Al concentration region containing Al yn Ga 1 -yn N (0 ≦ yn <xn) in contact with the n-side high Al concentration region between the n-side high Al concentration region and the first semiconductor layer;
The semiconductor light emitting element of any one of Claims 1-7 containing these.
前記ynは、0.01以下である、請求項8記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein yn is 0.01 or less. 前記xnは、0.05以上0.3以下である、請求項8または9に記載の半導体発光素子。   10. The semiconductor light emitting element according to claim 8, wherein xn is 0.05 or more and 0.3 or less. 前記wnは、0.14以上0.16以下である、請求項8〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   11. The semiconductor light emitting element according to claim 8, wherein wn is 0.14 or more and 0.16 or less. 前記n側井戸層は、前記第1障壁層と接する請求項8〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 8, wherein the n-side well layer is in contact with the first barrier layer. 前記n側井戸層は、複数設けられ、
前記n側障壁層は、複数設けられ、
前記複数のn側井戸層と前記複数のn側障壁層とは、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向に沿って交互に並ぶ、請求項8〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
A plurality of the n-side well layers are provided,
A plurality of the n-side barrier layers are provided,
The plurality of n-side well layers and the plurality of n-side barrier layers are alternately arranged in a direction from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer. The semiconductor light emitting element as described.
前記複数のn側井戸層の数は、3以上9以下である、請求項13記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 13, wherein the number of the plurality of n-side well layers is 3 or more and 9 or less. 前記w1は、前記w2よりも高い、請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein w1 is higher than w2. 前記w1及びw2の少なくともいずれかは、0.12以上0.16以下である、請求項1〜15のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein at least one of w1 and w2 is 0.12 or more and 0.16 or less. 前記第2井戸層の厚さは、前記第1井戸層の厚さよりも厚い、請求項1〜16のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   17. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the second well layer is thicker than a thickness of the first well layer. 前記y1は、0.01以下である、請求項1〜17のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein y1 is 0.01 or less. 前記第1障壁層の厚さは、3ナノメートル以上5.5ナノメートル以下である、請求項1〜18のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   19. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the first barrier layer is not less than 3 nanometers and not more than 5.5 nanometers. 前記高Al濃度領域の厚さは、前記低Al濃度領域の厚さの0.2倍以上0.5倍以下である、請求項1〜19のいずれか1つに記載の半導体発光素子。   20. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the thickness of the high Al concentration region is not less than 0.2 times and not more than 0.5 times the thickness of the low Al concentration region.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108305920A (en) * 2018-03-09 2018-07-20 南昌大学 A kind of iii-nitride light emitting devices
WO2020036080A1 (en) * 2018-08-16 2020-02-20 ソニー株式会社 Light emitting device
JP2021190684A (en) * 2020-05-27 2021-12-13 日亜化学工業株式会社 Light-emitting element and method for manufacturing light-emitting element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080023690A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Yong Tae Moon Nitride-based light emitting device
JP2012238787A (en) * 2011-05-13 2012-12-06 Toshiba Corp Semiconductor light-emitting element and wafer
JP2013149890A (en) * 2012-01-23 2013-08-01 Stanley Electric Co Ltd GaN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT
JP2014038912A (en) * 2012-08-13 2014-02-27 Toshiba Corp Semiconductor light-emitting element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080023690A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Yong Tae Moon Nitride-based light emitting device
JP2012238787A (en) * 2011-05-13 2012-12-06 Toshiba Corp Semiconductor light-emitting element and wafer
JP2013149890A (en) * 2012-01-23 2013-08-01 Stanley Electric Co Ltd GaN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT
JP2014038912A (en) * 2012-08-13 2014-02-27 Toshiba Corp Semiconductor light-emitting element

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108305920A (en) * 2018-03-09 2018-07-20 南昌大学 A kind of iii-nitride light emitting devices
CN108305920B (en) * 2018-03-09 2024-02-09 南昌大学 Nitride light-emitting diode
WO2020036080A1 (en) * 2018-08-16 2020-02-20 ソニー株式会社 Light emitting device
JP2021190684A (en) * 2020-05-27 2021-12-13 日亜化学工業株式会社 Light-emitting element and method for manufacturing light-emitting element
JP7328558B2 (en) 2020-05-27 2023-08-17 日亜化学工業株式会社 Light-emitting element and method for manufacturing light-emitting element

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