JP2713095B2 - The semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof - Google Patents

The semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof

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JP2713095B2
JP2713095B2 JP11454493A JP11454493A JP2713095B2 JP 2713095 B2 JP2713095 B2 JP 2713095B2 JP 11454493 A JP11454493 A JP 11454493A JP 11454493 A JP11454493 A JP 11454493A JP 2713095 B2 JP2713095 B2 JP 2713095B2
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【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に係り、特には窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有する半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof, and particularly relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof gallium nitride compound semiconductor multilayer structure.

【0002】 [0002]

【従来の技術】発光ダイオード、レーザーダイオード等の半導体発光デバイスに使用される実用的な半導体材料として窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(GaA BACKGROUND ART emitting diodes, practical semiconductor materials as gallium nitride used in semiconductor light emitting devices such as laser diodes (GaN), indium gallium nitride (InGaN), gallium aluminum nitride (GaA
lN)等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。 l N) gallium nitride-based compound such as a semiconductor has been attracting attention.

【0003】従来提案されている窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子として、図2に示す構造のものがよく知られている。 As a light-emitting element using a conventional proposed a gallium nitride-based compound semiconductor, it is well known having a structure shown in FIG. この発光素子は、基板1上に、A The light-emitting element, on the substrate 1, A
lNよりなるバッファ層2と、n型GaN層3と、p型GaN層5とが順に積層された構造を有している。 A buffer layer 2 made of l N, and n-type GaN layer 3, and the p-type GaN layer 5 has a laminated structure sequentially. 通常、基板1には、サファイアが用いられている。 Usually, the substrate 1, the sapphire is used. 基板1 Substrate 1
上に設けられたAlNからなるバッファ層2は、特開昭63−188983号公報に記載されているように、その上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させる。 Buffer layer made of AlN provided on top 2, as described in JP-A-63-188983, improving on crystalline stacked are gallium nitride-based compound semiconductor thereon. n型GaN層3は、n型不純物としてS n-type GaN layer 3, S as n-type impurity
iまたはGeがドープされてn型となっている。 i or Ge has become a doped n-type. p型G p-type G
aN層5は、p型不純物としてMgまたはZnがドープされることが多いが、結晶性が悪いためp型とはならず、ほぼ絶縁体に近い高抵抗のi型となっている。 aN layer 5 is Mg or Zn as p-type impurities are often doped, not the poor crystallinity because p-type, and has a substantially higher resistance of the i-type close to an insulator. i型半導体層を低抵抗のp型層に変換する手段として、特開平2−42770号公報には、表面に電子線照射を行う技術が開示されている。 The i-type semiconductor layer as a means for converting the p-type layer of low resistance, JP-A-2-42770, a technique of performing electron beam irradiation is disclosed on the surface.

【0004】 [0004]

【発明が解決しようとする課題】一般に、図2に示すようなホモ接合構造の発光素子は発光出力が低く、実用的ではない。 To the 0005] Generally, light emitting elements homozygous structure as shown in FIG. 2 is a low emission output, not practical. 発光出力を増大させ、実用的な発光素子を得るためには、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を、 Increasing the emission output, in order to obtain a practical light-emitting element, a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure,
好ましくはシングルヘテロ構造、さらに好ましくはダブルヘテロ構造とする必要がある。 Preferably single hetero structure, more preferably needs to be a double heterostructure. 例えばダブルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体素子は特開平4−20 For example, a semiconductor element gallium nitride compound of a double hetero structure is Hei 4-20
9577号公報に示されているが、この公報に開示された発光素子は実用性に乏しく、発光効率が悪いという欠点がある。 Although shown in 9577 discloses, the light emitting device disclosed in this publication lacks in practicability, there is a disadvantage that light emission efficiency is low.

【0005】また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の青色発光素子の発光波長は、430nm以下の紫色領域にある。 Further, the emission wavelength of the conventional blue light emitting element using a gallium nitride compound semiconductor is in the following violet region 430 nm. 発光波長が450nm〜490nmの範囲内にある視感度の良い青色発光を示す素子は未だ開発されていない。 Element exhibiting blue light emission luminosity emission wavelength is within the range of 450nm~490nm has not been developed yet. 発光ダイオードによる平面型ディスプレイ、レーザーダイオード等を実現するためには、前記したように視感度の良い発光デバイスが求められている。 Flat display by light emitting diodes, in order to realize a laser diode or the like, a good light-emitting device visual sensitivity as described above is required.

【0006】本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高発光出力で、 [0006] The present invention has been made in view of such circumstances, it is an object with a high luminous output,
視感度の良い新規な構造の窒化ガリウム系化合物半導体を提供するものである。 And it provides a good novel gallium nitride-based compound semiconductor structure luminosity.

【0007】 [0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ダブルへテロ構造の窒化ガリウム系半導体発光素子について数々の実験を重ねた結果、所定量の亜鉛をドープしたInG The present inventors have SUMMARY OF THE INVENTION As a result of repeated numerous experiments on the gallium nitride-based semiconductor light-emitting device of double heterostructure, doped with a predetermined amount of zinc InG
aN層を発光層として用い、かつ所定量のMgをドープしたp型窒化ガリウム系化合物半導体層をクラッド層として用いることによって、得られる半導体発光素子の発光出力が向上し、しかも視感度も向上することを新たに見い出し、本発明を完成するに至った。 Used aN layer as a light emitting layer, and by using a predetermined amount of Mg-doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer as a clad layer, improved light output of the semiconductor light-emitting device obtained has, moreover also improved visibility newly found that, has led to the completion of the present invention.

【0008】すなわち、本発明によれば、n型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第1のクラッド層と、該第1のクラッド層上に設けられ、不純物として亜鉛が1× [0008] That is, according to the present invention, a first cladding layer made of n-type gallium nitride compound semiconductor provided on the first clad layer, zinc as impurities is 1 ×
10 17ないし1×10 21 /cm 3の範囲内の濃度でドープされた、インジウム、ガリウムおよび窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、該発光層上に設けられ、p型不純物としてマグネシウムが1×10 To 10 17 to doped in a concentration ranging from 1 × 10 21 / cm 3, indium, a light emitting layer made of gallium nitride compound semiconductor containing gallium and nitrogen, provided to the light emitting layer, a p-type impurity magnesium is 1 × 10
18ないし1×10 21 /cm 3の範囲内の濃度でドープされたp型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第2のクラッド層とからなる窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。 18 to the semiconductor, characterized in that it comprises a 1 × 10 21 / cm 3 concentration of doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor second cladding layer and the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure consisting of a range of emitting device is provided.

【0009】上記第1のクラッド層は、n型Ga 1-a [0009] The first cladding layer, n-type Ga 1-a A
a N(0≦a<1)で形成することができ、上記第2 l a N can be formed by (0 ≦ a <1), the second
のクラッド層は、p型Ga 1-b Al b N(0≦b<1) The clad layer, p-type Ga 1-b Al b N ( 0 ≦ b <1)
で形成することができる。 In can be formed.

【0010】上記発光層は、通常、窒化インジウムガリウム(In x Ga 1-x N:0<x<1)で形成される。 [0010] The light emitting layer is generally an indium gallium nitride: formed by (In x Ga 1-x N 0 <x <1).
上記発光層をIn x Ga 1-x N(0<x<0.5)で形成すると、高発光出力の青色発光素子が得られる。 When forming the light emitting layer in In x Ga 1-x N ( 0 <x <0.5), the blue light-emitting device of high emission output can be obtained.

【0011】上記発光層は、10オングストロームないし0.5μmの厚さを有することが好ましい。 [0011] The light emitting layer preferably has a thickness of from 10 angstroms to 0.5 [mu] m. 上記第2 The second
のクラッド層は、0.05μmないし1.5μmの厚さを有することが好ましい。 The cladding layer is preferably to no 0.05μm having a thickness of 1.5 [mu] m.

【0012】上記半導体積層構造を結晶性のよいものとするには、これをバッファ層を介して基板上に設けることが好ましい。 [0012] To a good crystallinity of the semiconductor laminated structure, which is preferably provided on the substrate via a buffer layer. 本発明の半導体発光素子は、有機ガリウム化合物と窒素化合物とを包含する第1の原料ガスを用いてn型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第1のクラッド層を気相成長させる工程、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物および窒素化合物を包含し、かつ得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光層中に亜鉛が1×10 17ないし1×10 21 /cm 3の範囲内の濃度でドープされるような割合で有機亜鉛化合物を不純物源として含む第2の原料ガスを用いて、該第1のクラッド層上に、該不純物として亜鉛がドープされた、インジウム、ガリウムおよび窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を気相成長させる工程、および有機ガリウム化合物と窒素化合物とを包含し、かつ得られるp型窒化ガリウム系化合物半導体層中 The semiconductor light-emitting device of the present invention, the step of the first cladding layer made of n-type gallium nitride compound semiconductor with a first raw material gas including an organic gallium compound and nitrogen compound are vapor-phase growth, an organic indium compound , in proportions such that an organic gallium compound and include nitrogen compounds, and zinc gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting layer obtained is doped in a concentration ranging from 1 × 10 17 to 1 × 10 21 / cm 3 the organic zinc compound with the second source gas containing as an impurity source, on the first clad layer, zinc as the impurity-doped, indium, gallium nitride-based compound semiconductor containing gallium and nitrogen emission step of vapor phase growth layer, and an organic gallium compound and a nitrogen compound include a, and the resulting p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer にマグネシウムが1×10 18ないし1×10 21 /cm 3の範囲内の濃度でドープされるような割合で有機マグネシウム化合物をp Magnesium 1 × 10 18 to organomagnesium compound in proportions such is doped in a concentration ranging from 1 × 10 21 / cm 3 to p
型不純物源として含む第3の原料ガスを用いて、該発光層上に、p型不純物としてマグネシウムがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体からなる第2のクラッド層を気相成長させる工程を包含する製造方法により製造することができる。 Using the third source gas containing as impurity sources include, to the light emitting layer, a step of magnesium as a p-type impurity to the second cladding layer vapor phase growth of doped gallium nitride compound semiconductor it can be produced by the production method.

【0013】上記第1の原料ガスは、n型不純物源をさらに含むことが好ましい。 [0013] The first raw material gas preferably further includes an n-type impurity source. 上記第1の原料ガスは、有機アルミニウム化合物をさらに含むことができる。 The first source gas may further comprise an organoaluminum compound. 上記第3の原料ガスは、有機アルミニウム化合物をさらに含むことができる。 The third source gas may further comprise an organoaluminum compound.

【0014】以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。 [0014] Hereinafter, details of this invention are described with reference to the drawings. 図1は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一構造を示すものである。 Figure 1 shows an structure of a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention. この発光素子は、基板11上に、バッファ層12を介して、n型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第1のクラッド層13 The light emitting element includes, over a substrate 11, a first cladding layer 13 through the buffer layer 12, made of n-type gallium nitride compound semiconductor
と、亜鉛が所定の濃度でドープされたインジウムとガリウムと窒素とを含む窒化ガリウム系化合物半導体In x If, gallium nitride compound zinc and a gallium and nitrogen indium doped with a predetermined concentration semiconductor In x
Ga 1-x N(0<x<1)からなる発光層14と、p型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第2のクラッド層15とが順に積層されてなるダブルヘテロ構造の半導体積層構造を有する。 Having a Ga 1-x N (0 < x <1) a light emitting layer 14, the semiconductor multilayer structure of a double heterostructure and a second cladding layer 15 of p-type gallium nitride-based compound semiconductor are laminated in this order .

【0015】基板11は、サファイア、SiC、ZnO [0015] The substrate 11, sapphire, SiC, ZnO
等の材料で形成できるが、通常はサファイアで形成される。 It can be formed of a material equal, usually formed of sapphire. バッファ層12は、AlN、GaAlN、GaN等で形成することができ、通常0.002μm〜0.5μ Buffer layer 12 may be formed AlN, GaAlN, in GaN or the like, usually 0.002μm~0.5μ
mの厚さに形成される。 It is formed to a thickness of m. GaNはAlNよりもその上に結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を積層させることができるので、バッファ層12は、GaNで形成することが好ましい。 Since GaN can be laminated thereon good crystallinity gallium nitride compound semiconductor than AlN, the buffer layer 12 is preferably formed with GaN. このGaNバッファ層の効果については、本出願人が先に出願した特願平3−89840号に記載されており、サファイア基板を用いた場合、従来のAlNバッファ層よりもGaNよりなるバッファ層の方が結晶性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体が得られ、さらに好ましくは成長させようとする窒化ガリウム系化合物半導体と同一組成を有するバッファ層を、まずサファイア基板上に低温で成長させることにより、当該バッファ層の上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させることができる。 The effect of this GaN buffer layer, the present applicant is described in Japanese Patent Application No. 3-89840 filed earlier, when using a sapphire substrate, a buffer layer made of GaN than conventional AlN buffer layer it is obtained an excellent gallium nitride-based compound semiconductor crystalline, by more preferably growing a buffer layer having the same composition will gallium nitride-based compound semiconductor and event grow, first at a low temperature on the sapphire substrate, it is possible to improve the crystallinity of the laminated are gallium nitride-based compound semiconductor on the the buffer layer.

【0016】第1のクラッド層13は、n型GaNにより、あるいはそのGaの一部をAlで置換したGaAl [0016] The first cladding layer 13, GaAl that the n-type GaN, or a part of the Ga was replaced with Al
Nにより形成することができる。 It can be formed by N. すなわち、第1のクラッド層は、Ga 1-a Al a N(0≦a<1)で形成することができる。 That is, the first cladding layer may be formed by Ga 1-a Al a N ( 0 ≦ a <1). 窒化ガリウム系化合物半導体は、ノンドープでもn型となる性質があるが、例えばSi、Ge等のn型不純物をドープして好ましいn型にすることができる。 Gallium nitride-based compound semiconductor is the property of the n-type in a non-doped, can be, for example, Si, preferably n-type by doping n-type impurities such as Ge.

【0017】発光層14は、亜鉛Znが所定濃度でドープされたインジウム、ガリウムおよび窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体(In x Ga 1-x N:0<x< The light emitting layer 14, zinc Zn indium doped with a predetermined concentration, gallium and nitrogen gallium nitride-based compound semiconductor containing (In x Ga 1-x N : 0 <x <
1)からなる。 Consisting of 1). このZnドープIn x Ga 1-x Nからなる発光層14は、有機金属気相成長法により、原料ガスのキャリアガスを窒素として用い、600℃以上、90 Emitting layer 14 made of the Zn-doped In x Ga 1-x N is the metal organic chemical vapor deposition, using a carrier gas of the source gas as nitrogen, 600 ° C. or higher, 90
0℃以下の成長温度で成長させることができる。 0 ℃ can be grown in the following growth temperature. 成長させたIn x Ga 1-x NのInの比率、すなわちx値を0 Ratio of In of the grown In x Ga 1-x N, i.e. the x value 0
<x<0.5の範囲にすると良好な青色発光が得られる。 <Good blue light emission is obtained when the range of x <0.5. この場合、x値は、好ましくは0.01<x<0. In this case, x value is preferably 0.01 <x <0.
5の範囲である。 5 is in the range of. x値を0より大きくすることにより、 By the x value greater than 0,
In x Ga 1-x N層14が発光層として作用する。 In x Ga 1-x N layer 14 acts as a light-emitting layer. x値が0.5以上になると、その発光色は黄色となる。 If x value is 0.5 or more, the emission color becomes yellow.

【0018】さらに、このIn x Ga 1-x N層14中にドープする不純物(ドーパント)はZnとし、しかもそのZnは1×10 17 〜1×10 21 /cm 3の濃度範囲、 Furthermore, the In x Ga 1-x impurity doped in the N layer 14 (dopant) is a Zn, yet the Zn is 1 × 10 17 ~1 × 10 21 / cm 3 of density range,
好ましくは1×10 18 〜1×10 20 /cm 3の濃度範囲内でIn x Ga 1-x N層14にドープされることが重要である。 Preferably it is important that the doped In x Ga 1-x N layer 14 in a concentration range of 1 × 10 18 ~1 × 10 20 / cm 3. これにより半導体発光素子の視感度を向上させ、発光効率を増大させることができるのである。 Thus to improve the visibility of the semiconductor light emitting element, it is possible to increase the luminous efficiency.

【0019】ZnドープIn x Ga 1-x N発光層14 [0019] Zn-doped In x Ga 1-x N light-emitting layer 14
は、好ましくは10オングストローム〜0.5μm、さらに好ましくは0.01μm〜0.1μmの厚さに形成することが望ましい。 Is preferably 10 angstroms ~0.5Myuemu, still more preferably to a thickness of 0.01Myuemu~0.1Myuemu. その厚さが10オングストロームよりも薄いか、または0.5μmよりも厚いと、十分な発光出力を有する発光素子が得られない傾向にある。 If the thickness is thinner than 10 angstroms, or when thicker than 0.5 [mu] m, is sufficient tendency for the light emitting element can not be obtained with a light-emitting output.

【0020】第2のクラッド層15は、p型GaNにより、あるいはそのGaの一部をAlで置換したp型Ga The second cladding layer 15, the p-type GaN, or p-type part was replaced with Al in the Ga Ga
AlNにより形成することができる。 It can be formed by AlN. すなわち、第2のクラッド層15は、Ga 1-b Al b N(0≦b<1)で形成することができる。 That is, the second cladding layer 15 may be formed of Ga 1-b Al b N ( 0 ≦ b <1).

【0021】この第2のクラッド層(p型層)15は、 [0021] The second cladding layer (p-type layer) 15,
それにドープされるp型不純物(ドーパント)をマグネシウムMgとし、しかもそのMgが、1×10 18 〜1× And the doped as p-type impurity (dopant) magnesium Mg, yet its Mg, 1 × 10 18 ~1 ×
10 21 /cm 3の濃度範囲内で第2のクラッド層15にドープされることが重要である。 10 in a concentration range of 21 / cm 3 is doped into the second clad layer 15 that is important. この濃度範囲でMgがドープされたp型窒化ガリウム系化合物半導体層を第2 The p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with Mg in the concentration range second
のクラッド層として用いることにより、n型In x Ga By using as a clad layer, n-type an In x Ga
1-x N層14の発光効率をさらに向上させることができる。 The luminous efficiency of 1-x N layer 14 can be further improved.

【0022】Mgをドープして成長されたままのGa [0022] Ga still grown doped with Mg
1-b Al b N層は、なお高抵抗であるので、その成長後に、例えば本出願人が先に出願した特願平3−3570 1-b Al b N layer is still because it is high resistance, after its growth, for example, Japanese Patent Application No. filed by the present applicant previously 3-3570
46号に記載したように、400℃以上、好ましくは6 As described in JP 46, 400 ° C. or higher, preferably 6
00℃より高い温度でアニーリングを行って低抵抗のp 00 annealed at a temperature higher than ℃ of the low-resistance p
型層15とすることができる。 It can be of a type layer 15.

【0023】第2のクラッド層15は、0.05μm〜 [0023] The second cladding layer 15, 0.05μm~
1.5μmの厚さに形成することが好ましい。 It is preferably formed to a thickness of 1.5 [mu] m. その厚さが0.05μmよりも薄いとクラッド層として作用しにくく、またその厚さが1.5μmよりも厚いと前記方法で低抵抗p型層に転化されにくい傾向にある。 Its thickness is hard to act as a thin cladding layer than 0.05 .mu.m, also tends to hardly be converted into low-resistance p-type layer with a thick and the way than 1.5μm its thickness.

【0024】図3は、図1に示す構造を有する青色発光素子において、第2のクラッド層であるMgドープp型GaN層中のMg濃度を1×10 20 /cm 3と一定にし、発光層であるZnドープIn 0.1 Ga 0.9 N層のZ [0024] Figure 3 is kept constant in the blue light-emitting device having the structure shown in FIG. 1, the Mg concentration of the Mg-doped p-type GaN layer as the second cladding layer and 1 × 10 20 / cm 3, the light-emitting layer Z of Zn-doped in 0.1 Ga 0.9 N layer is
n濃度を変えた場合において、そのZn濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。 In case of changing the n concentration is a diagram showing the relationship between the relative emission intensity of the Zn concentration and blue light-emitting element. 図3に示すように、Zn濃度が増加するに従い、発光素子の発光強度は大きくなり、1×10 18 〜1×10 20 /cm 3付近で発光強度が最も大きくなり、その範囲を超えると発光強度は徐々に減少する傾向にある。 As shown in FIG. 3, in accordance with Zn concentration is increased, the emission intensity of the light emitting device increases, the emission intensity becomes largest in the vicinity of 1 × 10 18 ~1 × 10 20 / cm 3, and more than that range emission strength tends to decrease gradually. 本発明では、実用域として90%以上の相対強度を有する発光素子を提供するために、発光層14中にドープされるZn濃度を1 In the present invention, to provide a light emitting device having more than 90% relative intensity as a practical range, the concentration of Zn is doped into the light emitting layer 14 1
×10 17 〜1×10 21 /cm 3の範囲内とするものである。 × It is an 10 17 to 1 × 10 within the 21 / cm 3.

【0025】また、図4は、同じく図1の構造を有する青色発光素子において、発光層であるZnドープIn Further, FIG. 4, like in the blue light-emitting element having the structure shown in FIG. 1, a light-emitting layer Zn-doped In
0.1 Ga 0.9 N層中のZn濃度を1×10 20 /cm 3と一定にし、第2のクラッド層であるMgドープp型Ga 0.1 Ga 0.9 a Zn concentration of N layer was kept constant at 1 × 10 20 / cm 3, Mg -doped p-type Ga is a second clad layer
N層中のMg濃度を変えた場合において、そのMg濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。 In case of changing the Mg concentration of the N layer is a diagram showing the relationship between the relative emission intensity of the Mg concentration and the blue light emitting element. 図4に示すように、Mgドープp型窒化ガリウム系化合物半導体層を第2のクラッド層とした場合、Mg濃度が1×10 17 /cm 3を超えると急激に発光強度が増大し、1×10 21 /cm 3付近を超えると急激に発光強度が減少する傾向にある。 As shown in FIG. 4, when the Mg-doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer is a second clad layer, suddenly luminous intensity when the Mg concentration exceeds 1 × 10 17 / cm 3 is increased, 1 × suddenly luminous intensity exceeds around 10 21 / cm 3 tends to decrease. 従って、本発明では、Mgドープp型窒化ガリウム系化合物半導体層のMg濃度を1 Accordingly, in the present invention, the Mg concentration of the Mg-doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer 1
×10 18 〜1×10 21 /cm 3としている。 × is the 10 18 ~1 × 10 21 / cm 3. なお、上記Zn濃度およびMg濃度は、SIMS(二次イオン質量分析装置)により測定したものである。 Incidentally, the Zn concentration and Mg concentration is measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer).

【0026】図5は、同じく図1の構造を有する発光素子において、発光層であるZnドープIn 0.1 Ga 0.9 [0026] Figure 5, Zn-doped an In 0.1 Ga 0.9 also in the light-emitting element having the structure shown in FIG. 1, a light-emitting layer
N層の膜厚と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図である。 The thickness of the N layer is a diagram showing the relationship between the relative emission intensity of the light emitting element. 図5に示すように、本発明の発光素子において発光層の膜厚を変化させることにより、発光素子の発光強度が変化する。 As shown in FIG. 5, by changing the thickness of the light-emitting layer in the light-emitting device of the present invention, emission intensity of the light emitting element is changed. 特に発光層の膜厚が0.5μm In particular the thickness of the light-emitting layer is 0.5μm
を超えると発光強度が急激に減少する傾向にある。 More than the emission intensity tends to decrease rapidly. 従って、発光層の膜厚は、発光素子が90%以上の相対発光強度を示すためには、10オングストローム〜0.5μ Therefore, thickness of the light-emitting layer, since the light-emitting element exhibits a relative light emission intensity of 90% or more, 10 Å ~0.5μ
mの範囲が好ましい。 Range of m is preferred.

【0027】 [0027]

【実施例】以下、本発明をより具体的な例により説明する。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described by more specific examples. これら例において、各半導体層は以下記載するように有機金属気相成長法により成長させた。 In these examples, each of the semiconductor layers grown by metal organic chemical vapor deposition as described below. 本発明の半導体発光素子を製造する方法を述べる。 It describes a method for fabricating a semiconductor light-emitting device of the present invention.

【0028】例1 まず、よく洗浄したサファイア基板を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、サファイア基板のクリーニングを行う。 [0028] Example 1 First, set the sapphire substrate was washed well in a reaction vessel, the reaction vessel was sufficiently replaced by hydrogen, while flowing hydrogen, the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C., the cleaning of the sapphire substrate I do.

【0029】続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニア(NH 3 )とTMG(トリメチルガリウム)とを用いて、サファイア基板上にGaNバッファー層を約200 [0029] Subsequently, the temperature was lowered to 510 ° C., using hydrogen as a carrier gas, with ammonia (NH 3) as a raw material gas and TMG (trimethylgallium), about 200 GaN buffer layer on a sapphire substrate
オングストロームの厚さに成長させる。 Angstrom is grown in thickness.

【0030】バッファ層成長後、TMGのみの供給を停止し、温度を1030℃まで上昇させる。 The buffer layer was grown, the supply of TMG is stopped only to raise the temperature to 1030 ° C.. 1030℃に達した後、同じく水素をキャリアガスとして用い、TM After reaching 1030 ° C., again using hydrogen as a carrier gas, TM
Gとシランガス(SiH 4 )とアンモニアガスとを用いて、第1のクラッド層としてSiドープn型GaN層を4μmの厚さに成長させる。 By using the G and silane gas (SiH 4) and ammonia gas, a Si-doped n-type GaN layer is grown to a thickness of 4μm as the first cladding layer.

【0031】n型GaN層成長後、全原料ガスの供給を停止し、温度を800℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、原料ガスとしてTMG、TMI(トリメチルインジウム)、DEZ(ジエチル亜鉛)ガスおよびアンモニアガスを用いて、発光層としてZnを1×10 19 The n-type GaN layer after the growth, stopping the supply of all the raw material gas, and a temperature of 800 ° C., the carrier gas is switched to nitrogen, TMG as the raw material gas, TMI (trimethyl indium), DEZ (diethylzinc) Gas and using ammonia gas, a Zn as a light-emitting layer 1 × 10 19 /
cm 3の濃度でドープしたIn 0.15 Ga 0.85 N層を20 In doped at a concentration of cm 3 0.15 Ga 0.85 N layer 20
0オングストロームの厚さに成長させる。 0 angstrom is grown in thickness.

【0032】ZnドープIn 0.15 Ga 0.85 N層成長後、 [0032] Zn-doped In 0.15 Ga 0.85 N layer was grown,
原料ガスの供給を停止し、再び温度を1020℃まで上昇させ、TMG、Cp 2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)およびアンモニアガスを用いて、第2のクラッド層としてMgを2×10 20 /cm 3の濃度でドープしたp型GaN層を0.8μmの厚さに成長させる。 The supply of the raw material gas is stopped, again raising the temperature to 1020 ° C., TMG, with Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) and ammonia gas, a second Mg as cladding layers 2 × 10 20 / cm the p-type GaN layer doped with 3 concentrations is grown to a thickness of 0.8 [mu] m.

【0033】p型GaN層成長後、基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、700 The p-type GaN layer after the growth, the substrate is taken out of the reaction vessel in a nitrogen atmosphere at an annealing device, 700
℃で20分間アニーリングを行い、最上層のp型GaN ℃ in for 20 minutes annealing, the uppermost p-type GaN
層をさらに低抵抗化する。 Further reduce the resistance of the layer.

【0034】以上のようにして得られた発光素子のp型GaN層、およびZnドープIn 0.15 Ga 0.85 Nの一部をエッチングにより取り除き、n型GaN層を露出させ、p型GaN層、およびn型GaN層にオーミック電極を設け、500μm角のチップにカットした後、常法に従い、本発明の青色発光ダイオードを作製した。 [0034] p-type GaN layer of the light-emitting element obtained as described above, and a part of the Zn-doped In 0.15 Ga 0.85 N was removed by etching to expose the n-type GaN layer, p-type GaN layer, and n an ohmic electrode provided on -type GaN layer was cut into chips of 500μm square, according to a conventional method, to prepare a blue light-emitting diode of the present invention. この発光ダイオードの発光出力は20mAにおいて200μ Emission output of the light emitting diode 200μ in 20mA
Wであり、ピーク波長は480nmであり、輝度は50 Is W, the peak wavelength was 480 nm, the luminance is 50
0mcd(ミリカンデラ)であった。 Was 0mcd (milli-candela).

【0035】例2 例1において、第1のクラッド層を成長させる工程において、原料ガスとしてTMG、シランガス、アンモニアおよびTMA(トリメチルアルミニウム)を用いて、S [0035] In Example 2 Example 1, in the step of growing the first cladding layer, using TMG, silane gas, ammonia and TMA to (trimethyl aluminum) as a source gas, S
iドープn型Ga 0.9 Al 0.1 N層を2μmの厚さに成長させる。 The i-doped n-type Ga 0.9 Al 0.1 N layer is grown to a thickness of 2 [mu] m.

【0036】Siドープn型Ga 0.9 Al 0.1 N層の上に、例1と同様にしてZnを1×10 19 /cm 3の濃度でドープしたIn 0.15 Ga 0.85 N発光層を200オングストロームの厚さに成長させる。 [0036] Si on the doped n-type Ga 0.9 Al 0.1 N layer, Example 1 and in to In 0.15 Ga 0.85 N thickness of the light-emitting layer 200 Å doped with Zn at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 Similar It is grown.

【0037】さらに、ZnドープIn 0.15 Ga 0.85 N層の上に、原料ガスとしてTMG、Cp 2 Mg、アンモニアガスおよびTMAガスを用い、第2のクラッド層としてMgを2×10 20 /cm 3の濃度でドープしたp型G Furthermore, on the Zn-doped In 0.15 Ga 0.85 N layer, TMG as the raw material gas, a Cp 2 Mg, ammonia gas and TMA gas, Mg of 2 × 10 20 / cm 3 as the second cladding layer p-type G-doped at a concentration
0.9 Al 0.1 N層を0.8μm成長させる。 The a 0.9 Al 0.1 N layer is 0.8μm growth.

【0038】これ以降は例1と同様にしてアニーリングを行い、最上層をさらに低抵抗化した後、同様にして本発明の発光ダイオードを作製した。 [0038] This After treating annealed in the same manner as in Example 1, was further reduce the resistance of the top layer to produce a light-emitting diode of the present invention in a similar manner. この発光ダイオードは、発光出力、ピーク波長、輝度のいずれも例1の発光ダイオードと同じであった。 The light-emitting diode, light emitting output, the peak wavelength, none of the luminance was the same as the light emitting diodes of Example 1.

【0039】例3 例1において、DEZガスの流量を多くして、発光層であるZnドープIn 0.15 Ga 0.85 N層のZn濃度を1× [0039] In Example 3 Example 1, by increasing the flow rate of DEZ gas, 1 × a Zn concentration of Zn-doped In 0.15 Ga 0.85 N layer which is a light-emitting layer
10 22 /cm 3とした以外は実施例1と同様にして青色発光ダイオードを得た。 Except for using 10 22 / cm 3 in the same manner as in Example 1 to obtain a blue light-emitting diode. この発光ダイオードの発光出力は例1の発光ダイオードの約5%であった。 Emission output of the light-emitting diode was about 5% of the light emitting diodes of Example 1.

【0040】例4 例1において、Cp 2 Mgガスの流量を少なくして、第2のクラッド層であるp型GaN層のMg濃度を1×1 [0040] In Example 4 Example 1, Cp 2 by reducing the flow rate of the Mg gas, p-type GaN layer of the Mg concentration of 1 × 1 is the second clad layer
17 /cm 3とした以外は例1と同様にして青色発光ダイオードを得たが、この発光ダイオードの出力は例1の発光ダイオードの約10%であった。 Except that the 0 17 / cm 3 was obtained a blue light-emitting diodes in the same manner as in Example 1, but the output of the light-emitting diode was about 10% of the light emitting diodes of Example 1.

【0041】 [0041]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、n型窒化ガリウム系化合物半導体層を第1のクラッド層とし、特定量のZnをドープしたIn x Ga As described above, according to the present invention, a semiconductor light-emitting device of the present invention, the n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and the first cladding layer, an In x Ga doped with certain amounts of Zn
1-x N層を発光層とし、かつ特定量のMgをドープしたp型窒化ガリウム化合物半導体層を第2のクラッド層としたダブルヘテロ構造を有するため、非常に発光効率が高い。 1-x N-layer and the light-emitting layer, and since having a double hetero structure in which the p-type gallium nitride compound semiconductor layer doped with a specific amount of Mg and second cladding layer, a very high luminous efficiency.

【0042】これに対し、従来のホモ接合構造の発光素子は、p型GaN層にドープされたZn、Mg等の不純物によって作られる深い発光センターを介して発光するため、発光ピークの半値幅はおよそ60nmであり、非常に広い。 [0042] In contrast, the light emitting element of the conventional homojunction structure, Zn doped p-type GaN layer, for emitting light through a deep-radiative centers made by impurities such as Mg, the half-value width of the emission peak It is approximately 60nm, very wide. しかし、本発明のダブルへテロ構造の発光素子は、InGaN層のバンド間発光を利用するので半値幅が非常に狭く、およそ25nmであり、ホモ接合構造の発光素子の半分以下である。 However, the light emitting device of double heterostructure of the present invention, because it utilizes the interband emission of InGaN layer half value width is very narrow, is approximately 25 nm, less than half of the light emitting element homozygous structure. また本発明の発光素子の発光出力はホモ接合構造の発光素子の4倍以上ある。 The emission output of the light emitting device of the present invention is more than four times the light-emitting element homozygous structure. しかも、本発明において、発光層を形成するIn x Ga Moreover, in the present invention, to form a luminescent layer an In x Ga
1-x NのInの比率、すなわちx値の範囲を例えば0. 1-x N ratio of In, i.e., x for example, the range of values 0.
05<x<0.5とすることによって、発光色をおよそ380nmから500nmまで変えることができるという利点を有する。 By a 05 <x <0.5, has the advantage that it is possible to change the emission color approximately from 380nm to 500 nm.

【0043】本発明の半導体発光素子は、以上述べた優れた効果を奏するため、信頼性に優れている。 The semiconductor light emitting device of the present invention, since an excellent effect as described above, has excellent reliability. 本発明は、レーザーダイオードにも適用でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。 The present invention is applicable to a laser diode, utility value that industry is very large.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。 Schematic sectional view showing an structure of a semiconductor light-emitting device of the present invention; FIG.

【図2】従来の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。 Figure 2 is a schematic sectional view showing one structure of a conventional semiconductor light-emitting device.

【図3】本発明の半導体発光素子の発光層中のZn濃度と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図。 And the Zn concentration in the emission layer of the semiconductor light-emitting device of the present invention; FIG, shows the relationship between the relative emission intensity of the light emitting element.

【図4】本発明の半導体発光素子第2のクラッド層中のMg濃度と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図。 Shows the Mg concentration of the semiconductor light emitting element and the second cladding layer of the present invention; FIG, the relationship between the relative emission intensity of the light emitting element.

【図5】本発明の半導体発光素子の発光層の膜厚と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図。 [5] and the thickness of the light-emitting layer of the semiconductor light-emitting device of the present invention, showing the relationship between the relative emission intensity of the light emitting element.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

11…基板 12…バッファ層 13…第1のクラッド層 14…発光層 15…第2のクラッド層 11 ... substrate 12 ... buffer layer 13 ... first cladding layer 14 ... light-emitting layer 15 ... second cladding layer

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】 (57) [the claims]
  1. 【請求項1】 n型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第1のクラッド層と、該第1のクラッド層上に設けられ、不純物として亜鉛が1×10 17ないし1×10 21 1. A n-type a first cladding layer made of gallium nitride compound semiconductor provided on the first cladding layer, to zinc as an impurity is not 1 × 10 17 1 × 10 21 /
    cm 3の範囲内の濃度でドープされた、インジウム、ガリウムおよび窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、該発光層上に設けられ、p型不純物としてマグネシウムが1×10 18ないし1×10 21 /cm doped at a concentration in the range of cm 3, indium, a light emitting layer made of gallium nitride compound semiconductor containing gallium and nitrogen, provided to the light emitting layer, to magnesium as a p-type impurity is not 1 × 10 18 1 × 10 21 / cm
    3の範囲内の濃度でドープされたp型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第2のクラッド層とからなる窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有することを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device characterized by having a concentration in the doped p-type gallium nitride-based compound formed of a semiconductor second cladding layer composed of a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure in the third range.
  2. 【請求項2】 第1のクラッド層が、n型Ga 1-a Al Wherein the first clad layer, n-type Ga 1-a Al
    a N(0≦a<1)からなり、第2のクラッド層が、p It made a N (0 ≦ a <1 ), the second cladding layer, p
    型Ga 1-b Al b N(0≦b<1)からなることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 Type Ga 1-b Al b N ( 0 ≦ b <1) semiconductor light-emitting device according to claim 1, characterized in that it consists of.
  3. 【請求項3】 発光層が、窒化インジウムガリウムで形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。 3. A light-emitting layer, the semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2, wherein the are formed of indium gallium nitride.
  4. 【請求項4】 発光層が、In x Ga 1-x N(0<x< 4. A light emitting layer, In x Ga 1-x N (0 <x <
    0.5)で形成されていることを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 3, characterized in that it is formed by 0.5).
  5. 【請求項5】 発光層が、10オングストロームないし0.5μmの厚さを有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の半導体発光素子。 5. The light-emitting layer, 10 angstroms to semiconductor light-emitting element described in any one of claims 1 to 4, characterized in that it has a thickness of 0.5 [mu] m.
  6. 【請求項6】 第2のクラッド層が、0.05μmないし1.5μmの厚さを有することを特徴とする請求項1 6. The method of claim 1 in which the second cladding layer, to not 0.05μm and having a thickness of 1.5μm
    ないし5のいずれか1項記載の半導体発光素子。 To the semiconductor light-emitting element described in any one of 5.
  7. 【請求項7】 半導体積層構造が、バッファ層を介して基板上に設けられていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項記載の半導体発光素子。 7. A semiconductor multilayer structure, the semiconductor light-emitting element described in any one of claims 1 to 6 via a buffer layer and being provided on the substrate.
  8. 【請求項8】 有機ガリウム化合物と窒素化合物とを包含する第1の原料ガスを用いてn型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第1のクラッド層を気相成長させる工程、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物および窒素化合物を包含し、かつ得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光層中に亜鉛が1×10 17ないし1×10 21 8. step of the first cladding layer made of n-type gallium nitride compound semiconductor using an organic gallium compound and a nitrogen compound and a first material gas including vapor phase growth, an organic indium compound, an organic gallium compounds and include nitrogen compounds, and to zinc gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting layer obtained is not 1 × 10 17 1 × 10 21
    /cm 3の範囲内の濃度でドープされるような割合で有機亜鉛化合物を不純物源として含む第2の原料ガスを用いて、該第1のクラッド層上に、該不純物として亜鉛がドープされた、インジウム、ガリウムおよび窒素を含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を気相成長させる工程、および有機ガリウム化合物と窒素化合物とを包含し、かつ得られるp型窒化ガリウム系化合物半導体層中にマグネシウムが1×10 18ないし1×10 21 / Cm 3 of the organic zinc compound in proportions such is doped at a concentration within the range using the second source gas containing as an impurity source, on the first clad layer, zinc as the impurity-doped , indium, magnesium-emitting layer made of gallium nitride compound semiconductor containing gallium and nitrogen step of vapor phase growth, and includes an organic gallium compound and a nitrogen compound, and the p-type gallium nitride compound semiconductor layer in the resulting but 1 × 10 18 to 1 × 10 21 /
    cm 3の範囲内の濃度でドープされるような割合で有機マグネシウム化合物をp型不純物源として含む第3の原料ガスを用いて、該発光層上に、p型不純物としてマグネシウムがドープされた窒化ガリウム系化合物半導体からなる第2のクラッド層を気相成長させる工程を包含する半導体発光素子の製造方法。 The percentages of organic magnesium compounds such as doped in a concentration ranging from cm 3 using a third source gas containing a p-type impurity source, to the light emitting layer, magnesium as a p-type impurity-doped nitride the method of manufacturing a semiconductor light emitting device including a second cladding layer of a gallium-based compound semiconductor a step of vapor phase growth.
  9. 【請求項9】 第1の原料ガスが、n型不純物源をさらに含むことを特徴とする請求項8記載の製造方法。 9. The first material gas, the manufacturing method according to claim 8, further comprising an n-type impurity source.
  10. 【請求項10】 第1の原料ガスが、有機アルミニウム化合物をさらに含むことを特徴とする請求項8または9 10. The first material gas, or claim 8, further comprising an organoaluminum compound 9
    記載の製造方法。 The method according.
  11. 【請求項11】 第3の原料ガスが、有機アルミニウム化合物をさらに含むことを特徴とする請求項8ないし1 11. third raw material gas, to claims 8, further comprising an organic aluminum compound 1
    0のいずれか1項記載の製造方法。 Production method according to any one of 0.
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