JP3322179B2 - Gallium nitride based semiconductor light emitting device - Google Patents
Gallium nitride based semiconductor light emitting deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は青色から紫外域の波
長にわたる発光ダイオードまたは同波長域における半導
体レーザダイオード及び発光素子に用いられる窒化ガリ
ウム系半導体発光素子に係わり、特に電気的、光学的特
性に優れた窒化ガリウム系半導体への不純物ドーピング
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting diode covering a wavelength range from blue to ultraviolet or a semiconductor laser diode and a gallium nitride based semiconductor light emitting device used for a light emitting device in the same wavelength range. The present invention relates to an excellent method for doping impurities in a gallium nitride-based semiconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】波長が青色よりも短い短波長発光素子は
フルカラーディスプレーや高密度記録可能な光ディスク
用光源として期待されており、ZnSe等のII−VI
族化合物半導体やSiC、GaN等のIII−V族化合
物半導体を用いて盛んに研究がなされている。特に最近
GaNやGaInN等を用いて青色発光ダイオードや青
紫色レーザダイオードが実現され、窒化ガリウム系半導
体を用いた発光素子は注目されている。窒化ガリウム系
半導体結晶の堆積方法としては有機金属気相成長法(M
OVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)が一
般的に用いられている。2. Description of the Related Art A short-wavelength light-emitting element having a wavelength shorter than blue is expected as a light source for an optical disk capable of full-color display and high-density recording.
Research has been actively made using group III compound semiconductors and group III-V compound semiconductors such as SiC and GaN. In particular, blue light-emitting diodes and blue-violet laser diodes have recently been realized using GaN, GaInN, or the like, and light-emitting elements using gallium nitride-based semiconductors have attracted attention. As a method for depositing a gallium nitride based semiconductor crystal, a metal organic chemical vapor deposition method (M
The OVPE method and the molecular beam epitaxy method (MBE method) are generally used.
【0003】上記の半導体発光素子を作製する場合、不
純物のドーピングにより電導型を制御してp型GaN及
びn型GaNを作製することが必要不可欠である。この
中で特にp型GaNは作製が困難であり、低抵抗なp型
GaNは、従来MOVPE結晶成長の後に熱処理や電子
線照射を行うことにより作成されてきた。さらに上記の
半導体発光素子に電流を注入するためにp型GaNにN
i等を蒸着して電極を形成するわけであるが、この際コ
ンタクト抵抗を低減するためにp型GaNのドーピング
方法に工夫がなされている。When manufacturing the above-mentioned semiconductor light emitting device, it is indispensable to manufacture p-type GaN and n-type GaN by controlling the conductivity type by doping impurities. Of these, p-type GaN is particularly difficult to produce, and low-resistance p-type GaN has conventionally been produced by performing heat treatment or electron beam irradiation after MOVPE crystal growth. Further, N is added to p-type GaN in order to inject a current into the semiconductor light emitting device.
An electrode is formed by depositing i or the like. At this time, a method of doping p-type GaN has been devised in order to reduce the contact resistance.
【0004】例えば、特開平8−97471号公報に
は、Ni電極と接触するp型GaNの最表面の500Å
(オングストローム)の領域において、高濃度(1×1
0e20cm-3から1×10e21cm-3)にMgをドーピ
ングした第一コンタクト層を設けてコンタクト抵抗を低
減するとともに、キャリア濃度を高くして素子の動作電
圧を低減することが記載されている(図8(a))。し
かしながら、ここで、Mgの高ドーピング濃度を高くし
すぎると、ホール濃度がかえって高くなってしまう現象
が生じるため、第一コンタクト層よりも活性層側に第一
コンタクト層よりもMgの濃度が低いp型GaN第二コ
ンタクト層を形成している。そして、この第二コンタク
ト層のMg濃度は、ホール濃度を高めるために、1×1
0e19cm -3から5×10e20cm-3の範囲内でドーピ
ングすることが望ましいと考えられている(図8(b)
参照)。For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-97471 discloses
Is 500 ° of the outermost surface of p-type GaN in contact with the Ni electrode.
(Angstrom) region, high density (1 × 1
0e20cm-3From 1 × 10etwenty onecm-3) To Mg
Low contact resistance by providing a first contact layer
And increase the carrier concentration to increase the operating voltage of the device.
It is described that the pressure is reduced (FIG. 8A). I
However, here, the high doping concentration of Mg is increased.
If too high, the hole concentration will be rather high
Occurs on the active layer side of the first contact layer.
P-type GaN second core with lower Mg concentration than contact layer
A contact layer is formed. And this second contact
In order to increase the hole concentration, the Mg concentration of the
0e19cm -3From 5 × 10e20cm-3Dopi within range
Is considered to be desirable (FIG. 8B).
reference).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の範囲内で実際に半導体発光素子を作成したとこ
ろ、下記に示すような2つの問題が生じた。However, when a semiconductor light emitting device was actually manufactured within the above-described conventional range, the following two problems occurred.
【0006】1つ目はMgの拡散による問題点である。
最大限のホール濃度を得るために実際にp型GaN第二
コンタクト層にMgを5×10e20cm-3程度ドーピン
グすると、Mg原子は第一、第二コンタクト層の成長中
に発光層である活性層にまで拡散してしまう現象を我々
は見いだした。活性層にまで拡散したMgは非発光中心
を作り、結果として素子の発光効率が低下してしまっ
た。The first is a problem due to the diffusion of Mg.
If the p-type GaN second contact layer is actually doped with Mg by about 5 × 10e 20 cm −3 in order to obtain the maximum hole concentration, the Mg atoms become the light emitting layer during the growth of the first and second contact layers. We found a phenomenon that diffused into the active layer. Mg diffused into the active layer formed a non-emission center, and as a result, the luminous efficiency of the device was reduced.
【0007】2つ目はホール濃度の問題点である。上記
したような活性層へのMgの拡散を回避するためにMg
のドーピング濃度を1×10e20cm-3以下にすると、
今度はホール濃度が低下してしまった。The second problem is the problem of the hole concentration. In order to avoid the diffusion of Mg into the active layer as described above, Mg
When the doping concentration of is less than 1 × 10e 20 cm −3 ,
This time the hole concentration has dropped.
【0008】そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、第
一、第二コンタクト層という2つのコンタクト層を用い
つつ、活性層にMgを拡散させることなく、コンタクト
抵抗を低減し、さらに第二コンタクト層内のホール濃度
を最大限に高めた半導体素子を提供することを目的とす
る。In view of the above problems, the present invention reduces contact resistance without diffusing Mg into an active layer while using two contact layers, a first contact layer and a second contact layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor element in which the hole concentration in a contact layer is maximized.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体発光素子は、0.1μm以上1.0μ
m以下の膜厚を有するとともにp電極と接触する第一コ
ンタクト層と、第一コンタクト層と接するとともに第一
コンタクト層より活性層側に形成された第二コンタクト
層とを有し、第一コンタクト層に第二コンタクト層より
も高濃度にアクセプター不純物がドーピングされた構成
となっている。この構成によれば、第一コンタクト層が
十分な膜厚を有しているため、第一コンタクト層から第
二コンタクト層へのアクセプター不純物の拡散を容易に
行うことができる。In order to achieve the above object, a semiconductor light emitting device of the present invention has a thickness of 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
a first contact layer having a thickness equal to or less than m and in contact with the p-electrode; a second contact layer in contact with the first contact layer and formed on the active layer side of the first contact layer; The structure is such that the layer is doped with an acceptor impurity at a higher concentration than the second contact layer. According to this configuration, since the first contact layer has a sufficient thickness, diffusion of the acceptor impurity from the first contact layer to the second contact layer can be easily performed.
【0010】上記の構成においては、第一コンタクト層
の膜厚が0.1μm以上0.5μm以下であることが好
ましい。In the above configuration, it is preferable that the thickness of the first contact layer is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less.
【0011】また、第一コンタクト層のアクセプター不
純物濃度が5×10e20cm-3以上、第二コンタクト層
のアクセプター不純物濃度が1×10e20cm-3以上5
×10e20cm-3未満であることが好ましい。この構成
によれば、活性層へのアクセプター不純物の拡散を抑制
しつつ、コンタクト層のホール濃度を増加させることが
できる。The first contact layer has an acceptor impurity concentration of 5 × 10 e 20 cm −3 or more, and the second contact layer has an acceptor impurity concentration of 1 × 10 e 20 cm −3 or more.
It is preferably less than × 10e 20 cm −3 . According to this configuration, the hole concentration of the contact layer can be increased while suppressing diffusion of the acceptor impurity into the active layer.
【0012】また本発明の半導体発光素子は、p電極と
接触する第一コンタクト層と、第一コンタクト層と接す
るとともに第一コンタクト層より活性層側に形成された
第二コンタクト層とを有し、第二コンタクト層にアクセ
プター不純物と同時にSi、O、S、Se、Te、C、
Znから選ばれる少なくとも1つの元素を同時ドーピン
グする構成となっている。この構成によれば、高濃度に
アクセプター不純物を導入してもホール濃度が減少する
ことを防止できる。The semiconductor light emitting device of the present invention has a first contact layer in contact with the p-electrode, and a second contact layer in contact with the first contact layer and formed on the active layer side of the first contact layer. , And Si, O, S, Se, Te, C,
At least one element selected from Zn is simultaneously doped. According to this configuration, it is possible to prevent the hole concentration from decreasing even if the acceptor impurity is introduced at a high concentration.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】本発明者等は、鋭意検討を重ねた
結果、第一、第二コンタクト層という2つのコンタクト
層を用いたGaNの半導体発光素子において、上記の2
つのコンタクト層内に導入されるMg等のアクセプター
不純物状態をうまく制御してやると、活性層にMgを拡
散させることなく、コンタクト抵抗を低減し、さらに第
二コンタクト層内のホール濃度を最大限に高めた半導体
素子が得られることを見いだした。すなわち、本発明は
第一コンタクト層から第二コンタクト層へのアクセプタ
ー不純物の拡散及び第二コンタクト層から活性層へのア
クセプター不純物の拡散を考慮して、第一、第二コンタ
クト層の膜厚やアクセプター不純物の濃度を設定してや
ることにより、活性層へのアクセプター不純物の拡散を
抑制しつつ、コンタクト層のホール濃度を高めようとす
るものである。なお、本発明の半導体発光素子は、第一
コンタクト層に第二コンタクト層より高濃度にアクセプ
ター不純物を導入するものである。そこで以下では、本
発明の実施の形態における半導体発光素子及びその製造
方法について図面を参照しながら説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present inventors have conducted intensive studies and as a result, have found that a GaN semiconductor light emitting device using two contact layers, a first contact layer and a second contact layer, has the above-mentioned structure.
By properly controlling the state of acceptor impurities such as Mg introduced into one contact layer, the contact resistance can be reduced without diffusing Mg into the active layer, and the hole concentration in the second contact layer can be maximized. Semiconductor device can be obtained. That is, the present invention considers the diffusion of the acceptor impurity from the first contact layer to the second contact layer and the diffusion of the acceptor impurity from the second contact layer to the active layer. By setting the concentration of the acceptor impurity, the hole concentration of the contact layer is increased while suppressing the diffusion of the acceptor impurity into the active layer. In the semiconductor light emitting device of the present invention, an acceptor impurity is introduced into the first contact layer at a higher concentration than the second contact layer. Therefore, hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0014】(実施の形態1)図1は、本発明の実施の
形態1における半導体発光素子の断面図を示したもので
あり、この半導体発光素子(青紫色半導体レーザ)は、
有機金属気相成長(MOVPE)法を用いた結晶成長に
より形成される。そこで以下では、この図1を参照しな
がら本発明の半導体発光素子の構造及び具体的な製造方
法について、順を追って説明する。(Embodiment 1) FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
It is formed by crystal growth using a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. Therefore, the structure and the specific manufacturing method of the semiconductor light emitting device of the present invention will be sequentially described below with reference to FIG.
【0015】まず気相成長に先立ち、サファイアC面基
板1を反応炉内のサセプター上に設置し、真空排気した
後、70Torrの水素雰囲気において1050℃で1
5分間加熱して基板表面のクリーニングを行う。600
℃まで冷却した後、トリメチルガリウム(TMG)を2
0μモル/分、アンモニアを2.5L/分、キャリア水
素を2L/分流して多結晶状態のGaNバッファ層2を
50nm堆積する。次に、TMGの供給のみを停止し、
温度を950℃まで昇温した後、TMGを20μモル/
分、モノシランを10cc/分供給し、さらに基板温度
を1050℃、1090℃に段階的に昇温してn−Ga
N単結晶層3を形成する。その後、トリメチルアルミニ
ウム(TMA)を5μモル/分をさらに加え、n−Al
GaNクラッド層4を堆積する。First, before the vapor phase growth, the sapphire C-plane substrate 1 is set on a susceptor in a reaction furnace, evacuated, and then heated at 1050 ° C. in a hydrogen atmosphere of 70 Torr at 1050 ° C.
The substrate surface is cleaned by heating for 5 minutes. 600
After cooling to ℃, trimethylgallium (TMG)
A polycrystalline GaN buffer layer 2 is deposited to a thickness of 50 nm by flowing 0 μmol / min, 2.5 L / min of ammonia, and 2 L / min of carrier hydrogen. Next, only the supply of TMG is stopped,
After the temperature was raised to 950 ° C., TMG was added at 20 μmol / mol.
And mono-silane at a rate of 10 cc / min.
An N single crystal layer 3 is formed. Thereafter, 5 μmol / min of trimethylaluminum (TMA) was further added, and n-Al
A GaN cladding layer 4 is deposited.
【0016】次に、TMAの供給を停止して再びn−G
aNガイド層5を堆積する。そして、アンモニア、水素
及び窒素の混合雰囲気中で基板温度を750℃に下げて
一定温度になった後、トリメチルインジウム(TMI)
を10μモル/分、TMGを1μモル/分加え、InG
aN井戸層、続けてTMIの供給を停止しTMGを10
μモル/分供給してGaN障壁層を交互に作製し、In
GaN系活性層6を堆積する。なお、GaN障壁層には
Inが含まれていてもよい。Next, the supply of TMA is stopped and nG
An aN guide layer 5 is deposited. Then, the substrate temperature is lowered to 750 ° C. in a mixed atmosphere of ammonia, hydrogen and nitrogen to reach a constant temperature, and then trimethylindium (TMI)
Was added at 10 μmol / min, and TMG at 1 μmol / min.
aN well layer, supply of TMI was stopped, and TMG was reduced to 10
GaN barrier layers are alternately produced by supplying μmol / min, and In
A GaN-based active layer 6 is deposited. The GaN barrier layer may contain In.
【0017】次に、TMI、TMGの供給を停止し、ア
ンモニアと水素の混合雰囲気中で成長温度を1090℃
に昇温し、一定温度になった後、TMGを20μモル/
分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2M
g)を1μモル/分加え、p−GaNガイド層7、さら
にTMAを5μモル/分加え、p−AlGaNクラッド
層8を成長する。Next, supply of TMI and TMG is stopped, and the growth temperature is set to 1090 ° C. in a mixed atmosphere of ammonia and hydrogen.
After the temperature was raised to a constant temperature, TMG was added at 20 μmol / mol.
Min, biscyclopentadienyl magnesium (Cp2M
g) is added at 1 μmol / min, and the p-GaN guide layer 7 and further 5 μmol / min of TMA are added to grow the p-AlGaN cladding layer 8.
【0018】その後、TMAの供給のみを停止し、p−
GaN第二コンタクト層9、p−GaN第一コンタクト
層10を形成する。このp−GaN第二コンタクト層9
及びp−GaN第一コンタクト層10の成長時における
Cp2Mgの供給量はそれぞれ約1μモル/分及び約1
0μモル/分で、膜厚はそれぞれ0.5μm及び0.1
μmである。最後に、青紫色半導体レーザ構造を堆積し
たウエハのp−GaN第一コンタクト層10側にフォト
リソグラフィー技術等により選択的にNi陽電極11を
堆積する。なお、この時陽電極11はNiを含む合金で
もよい。Thereafter, only the supply of TMA is stopped and p-
The GaN second contact layer 9 and the p-GaN first contact layer 10 are formed. This p-GaN second contact layer 9
And the supply amount of Cp2Mg during the growth of the p-GaN first contact layer 10 is about 1 μmol / min and about 1 μmol / min, respectively.
At 0 μmol / min, the film thickness was 0.5 μm and 0.1 μm, respectively.
μm. Finally, a Ni positive electrode 11 is selectively deposited on the p-GaN first contact layer 10 side of the wafer on which the blue-violet semiconductor laser structure is deposited by photolithography or the like. At this time, the positive electrode 11 may be an alloy containing Ni.
【0019】以上のようにして、様々な膜を堆積した
後、今度はエッチングにより半導体レーザとして機能さ
せるためのエッチング工程に移る。After depositing various films as described above, the process proceeds to an etching process for making the semiconductor laser function as a semiconductor laser.
【0020】まず最初に、図1におけるNi陽電極11
をエッチングマスクとして水素と塩素の混合ガスを原料
とするプラズマ雰囲気中でp−GaN第一、第二コンタ
クト層9、10及びp−AlGaNクラッド層8の一部
をエッチング除去する。この時、雰囲気圧力は1Tor
r、基板温度は室温であり、水素と塩素の混合比は1対
1が好ましく、典型的なエッチングレートは約50nm
/分である。First, the Ni positive electrode 11 shown in FIG.
Is used as an etching mask, a part of the p-GaN first and second contact layers 9 and 10 and a part of the p-AlGaN cladding layer 8 are removed by etching in a plasma atmosphere using a mixed gas of hydrogen and chlorine as a raw material. At this time, the atmospheric pressure is 1 Torr
r, the substrate temperature is room temperature, the mixing ratio of hydrogen and chlorine is preferably 1 to 1, and the typical etching rate is about 50 nm.
/ Min.
【0021】次に、SiO2等のマスクを選択的にウエ
ハに堆積し、図1に示すように、さらにn−GaN層3
まで選択的なエッチングを行い、その後、マスクを除去
してAl陰電極12を形成する。なお、エッチングは上
記と同様のプラズマ雰囲気中で行う。その後、図1の素
子断面がレーザ光の出射端面(共振器端面)になるよう
に、上記と同様のプラズマ雰囲気中でエッチングを行
う。この場合、この面で光を反射させて共振させること
が必要であり、1nm程度以下の凹凸の平坦性が要求さ
れる。最後に、ウエハを700℃の窒素雰囲気中で30
分Mgを活性化させるための熱処理を行う。圧力は1気
圧である。また雰囲気ガスは窒素のみが好ましいが、水
素と窒素の混合ガスであってもよい。また、熱処理温度
は500℃以上であればよい。Next, a mask of SiO 2 or the like is selectively deposited on the wafer, and as shown in FIG.
The selective etching is performed until the mask is removed, and then the Al negative electrode 12 is formed. The etching is performed in the same plasma atmosphere as described above. After that, etching is performed in the same plasma atmosphere as described above so that the cross section of the element in FIG. In this case, it is necessary to reflect light on this surface to cause resonance, and flatness of unevenness of about 1 nm or less is required. Finally, the wafer is placed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for 30 minutes.
A heat treatment for activating Mg is performed. The pressure is one atmosphere. The atmosphere gas is preferably only nitrogen, but may be a mixed gas of hydrogen and nitrogen. The heat treatment temperature may be 500 ° C. or higher.
【0022】次に以下では、上記のようにして形成され
た半導体発光素子(青紫色半導体レーザ)の特性評価を
行った結果について図面を参照しながら説明する。Next, the results of evaluating the characteristics of the semiconductor light emitting device (blue-violet semiconductor laser) formed as described above will be described with reference to the drawings.
【0023】まずMOVPE法によるp型GaN(膜厚
は0.1μm)におけるMgのドーピング特性を図2に
示す。図2からも明らかなように、Cp2Mg供給量の
増加によりGaN中に取り込まれるMg濃度は単調に増
加するが、pキャリア濃度(ホール濃度)はMg濃度が
5×10e20cm-3で最高となり、これ以上取り込まれ
るとCp2Mg供給量増加に対して逆に低下した。この
現象は、5×10e20cm-3以上の濃度にMgをドーピ
ングしてもMgはアクセプター不純物となるIII族サイ
トに入らず格子間位置で深い準位を形成しているためと
考えられる。しかしながら、Mg濃度を5×10e20c
m-3以上にするとMg原子がその後の熱処理等により動
きやすい状態になっているとも言える。そこで、第二コ
ンタクト層から活性層へのMgの拡散が発生しないよう
に、第一コンタクト層から第二コンタクト層へのMgの
拡散により最終的に完成された第二コンタクト層のMg
の濃度を高めるためには、Mg原子が動きやすいよう
に、第一コンタクト層には5×10e20cm-3以上の濃
度でMgをドーピングし、また第二コンタクト層には5
×10e20cm-3未満の濃度でMgをドーピングするこ
とが望ましいと言える。FIG. 2 shows Mg doping characteristics of p-type GaN (having a thickness of 0.1 μm) by the MOVPE method. As is clear from FIG. 2, the Mg concentration taken into GaN monotonically increases with an increase in the supply amount of Cp2Mg, but the p carrier concentration (hole concentration) becomes highest when the Mg concentration is 5 × 10e 20 cm −3. When the amount of Cp2Mg was further taken in, it decreased in contrast to the increase in the supply of Cp2Mg. This phenomenon is considered to be due to the fact that even if Mg is doped to a concentration of 5 × 10e 20 cm −3 or more, Mg does not enter a group III site serving as an acceptor impurity and forms a deep level at an interstitial position. However, when the Mg concentration is 5 × 10e 20 c
When it is set to m -3 or more, it can be said that Mg atoms are in a state where they are easily moved by the subsequent heat treatment or the like. Therefore, the Mg of the second contact layer finally completed by the diffusion of Mg from the first contact layer to the second contact layer so that the diffusion of Mg from the second contact layer to the active layer does not occur.
In order to increase the concentration of Mg, the first contact layer is doped with Mg at a concentration of 5 × 10e 20 cm −3 or more, and the second contact layer is doped with 5
It can be said that it is desirable to dope Mg at a concentration of less than × 10e 20 cm −3 .
【0024】次にMgを高濃度ドーピングしたp−Ga
N第一コンタクト層からp−GaN第二コンタクト層及
びp−AlGaN、InGaN系活性層へのMgの拡散
をSIMS(Secondary Ion Mass
Spectoroscopy)により調べた結果を図3
に示す。図3は青紫色半導体レーザ構造におけるMg濃
度の深さ方向のプロファイルを示している。Next, p-Ga doped with Mg at a high concentration is used.
The diffusion of Mg from the N first contact layer to the p-GaN second contact layer and the p-AlGaN / InGaN-based active layer was determined by SIMS (Secondary Ion Mass).
Spectroscopy) is shown in FIG.
Shown in FIG. 3 shows the profile of the Mg concentration in the blue-violet semiconductor laser structure in the depth direction.
【0025】p−GaN第一コンタクト層の膜厚が0.
1μm以上0.5μm以下ではMgがp−GaN第二コ
ンタクト層に拡散して1−5×10e20cm-3の高い濃
度となりホール濃度が増大して発光効率を上昇できる。
しかしながら、特開平8−97471号公報に記載され
た従来のように500Åの膜厚でp型GaN第一コンタ
クト層にMgを高濃度ドーピングしてもMgの拡散はほ
とんど発生せずホール濃度が増加しないことが判明し
た。The thickness of the p-GaN first contact layer is set to 0.
When the thickness is 1 μm or more and 0.5 μm or less, Mg diffuses into the p-GaN second contact layer and becomes a high concentration of 1-5 × 10e 20 cm −3 , thereby increasing the hole concentration and increasing the light emission efficiency.
However, even if the p-type GaN first contact layer is doped with Mg at a high concentration with a thickness of 500 ° as in the prior art described in JP-A-8-97471, the diffusion of Mg hardly occurs and the hole concentration increases. Turned out not to be.
【0026】すなわち、第一コンタクト層にMgを高い
濃度でドーピングしただけでは第二コンタクト層へのM
gの拡散が不十分で、コンタクト層のホール濃度を高め
ることはできず、第二コンタクト層へのMgの拡散を十
分に行うためには、第一コンタクト層の膜厚を従来より
も厚くすることが極めて重要であることが判明した。こ
こで、第一コンタクト層の膜厚については、図3の結果
からも明らかなように、0.1μm以上0.5μm以下
とすることが望ましいが、1μm以下であればよい。こ
の理由については以下に説明する。That is, if the first contact layer is doped with Mg only at a high concentration, M
Since the diffusion of g is insufficient, the hole concentration of the contact layer cannot be increased, and in order to sufficiently diffuse Mg into the second contact layer, the thickness of the first contact layer is made thicker than before. Turned out to be extremely important. Here, the thickness of the first contact layer is desirably 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, as evident from the results of FIG. 3, but may be 1 μm or less. The reason will be described below.
【0027】Mg濃度が1×10e21cm-3のp型Ga
Nにおけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜
厚依存性を図4に示す。Mg濃度が5×10e20cm-3
以上の高濃度ドーピング領域では、格子間位置のMgが
多く膜厚が厚くなる程格子歪が増加し、欠陥やクラック
が生成されて結晶性を劣化させるのでホール濃度が低下
してくる。クラック密度が増大すると発光素子に電流注
入した場合リークが発生する。このことからp−GaN
第一コンタクト層の膜厚は1μm以下が好ましいと言え
る。P-type Ga having an Mg concentration of 1 × 10e 21 cm −3
FIG. 4 shows the dependence of the hole concentration and the crack density on the crystal surface on the film thickness in N. Mg concentration of 5 × 10e 20 cm -3
In the high-concentration doping region described above, the lattice distortion increases as the thickness of the Mg in the interstitial position increases and the film thickness increases, and defects and cracks are generated to deteriorate the crystallinity, so that the hole concentration decreases. When the crack density increases, leakage occurs when current is injected into the light emitting element. From this, p-GaN
It can be said that the thickness of the first contact layer is preferably 1 μm or less.
【0028】以上本発明実施の形態1における半導体発
光素子について説明を行ったが、実際に半導体発光素子
を作成するにあたって、コンタクト層の膜厚には多少の
誤差が発生し、その誤差は通常±20%程度である。従
って、本発明で規定した範囲内の膜厚はこの誤差を考慮
する必要性がある。The semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention has been described above. However, in actually fabricating the semiconductor light emitting device, a slight error occurs in the thickness of the contact layer. It is about 20%. Therefore, it is necessary to consider this error in the film thickness within the range specified in the present invention.
【0029】なお、上述したように第二コンタクト層の
Mgのドーピング濃度を1×10e 20cm-3以下にする
とホール濃度が低下してしまうため、最終的に完成され
た半導体発光素子の第二コンタクト層のMgのドーピン
グ濃度は1×10e20cm-3以上にすることが望まし
い。As described above, the second contact layer
Mg doping concentration of 1 × 10e 20cm-3Less than
And the hole concentration decreases,
Doping of second contact layer of semiconductor light emitting device
Density is 1 × 10e20cm-3It is hoped that
No.
【0030】(実施の形態2)次に以下では、本発明実
施の形態2における半導体発光素子について図面を参照
しながら説明する。Embodiment 2 Next, a semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0031】上記の図2では、コンタクト層に5×10
e20cm-3以上のMgをドーピングするとかえってホー
ル濃度が減少する傾向を示したが、本実施の形態はコン
タクト層に5×10e20cm-3以上のMgをドーピング
してもキャリア濃度が減少しない方法を提供するもので
ある。In FIG. 2, 5 × 10
e 20 cm although -3 or more Mg rather hole concentration when doping showed a tendency to decrease, the present embodiment the carrier concentration by doping the 5 × 10e 20 cm -3 or more Mg in the contact layer is reduced Not to provide a way.
【0032】図5はMOVPE法で作製したp型GaN
におけるホール濃度及びMg濃度のCp2Mg流量依存
性である。TMG及びNH3の供給量は上記の流量と同
一であるが、50ppmのSiH4を5sccmCp2
Mgと同時に供給し、約1×10e19cm-3のSiをM
gと同時にドーピングした。Mg濃度が5×10e20c
m-3以上になる領域では、Siを同時ドーピングすると
ホール濃度の低下は観測されず、Cp2Mgの供給と共
に最大約1×10e20cm-3近くまで増加した。これは
Siのような異種原子を同時ドープしたことにより歪が
緩和されて従来格子間位置にあった不活性なMg原子が
アクセプターになりうるIII族サイトにおさまったため
と考えられる。実験からMgと同時ドープするSiの濃
度はMgの濃度の約1/2から1/10程度が良いこと
がわかった。これをp−GaN第二コンタクト層に用い
るとホール濃度が上昇し、著しく抵抗が低減された。ま
た、同時ドーピングに用いる不純物はSiだけではな
く、C、O、S、Se、Te、Zn等のIII族サイト
に入り得る元素ならいずれでも良い。FIG. 5 shows a p-type GaN produced by the MOVPE method.
Is the dependence of the hole concentration and the Mg concentration on the flow rate of Cp2Mg. The supply amounts of TMG and NH 3 are the same as the above flow rates, but 50 ppm of SiH 4 is added at 5 sccm Cp 2.
Supplied simultaneously with Mg, and about 1 × 10e 19 cm -3 of Si
g and doping at the same time. Mg concentration of 5 × 10e 20 c
In the region where m −3 or more, a decrease in hole concentration was not observed when Si was co-doped, and increased to a maximum of about 1 × 10e 20 cm −3 with the supply of Cp2Mg. This is presumably because the strain was alleviated by co-doping with heteroatoms such as Si, and the inactive Mg atoms conventionally located at the interstitial position were accommodated in the group III sites that can serve as acceptors. From experiments, it was found that the concentration of Si co-doped with Mg is preferably about 1/2 to 1/10 of the Mg concentration. When this was used for the p-GaN second contact layer, the hole concentration increased and the resistance was significantly reduced. The impurity used for the simultaneous doping is not limited to Si, but may be any element such as C, O, S, Se, Te, and Zn that can enter the group III site.
【0033】図6に前記青紫色半導体レーザの電流−電
圧特性を示す。本発明のp−GaN第一、第二コンタク
ト層を用いると、素子の抵抗を大幅に低減でき低電圧で
動作できるレーザダイオードが作製された。FIG. 6 shows current-voltage characteristics of the blue-violet semiconductor laser. By using the p-GaN first and second contact layers of the present invention, a laser diode capable of greatly reducing the resistance of the device and operating at a low voltage was manufactured.
【0034】なお、本実施の形態ではサファイア基板を
用いた青紫色半導体レーザについて説明したが、図7に
示すようなn型SiC基板を用いた青紫色半導体レーザ
についても同様のコンタクト構造を用いれば、同じ効果
があることは確認済みである。In this embodiment, a blue-violet semiconductor laser using a sapphire substrate has been described. However, a blue-violet semiconductor laser using an n-type SiC substrate as shown in FIG. Has been confirmed to have the same effect.
【0035】また、本実施の形態では活性層がInGa
N系多重量子井戸の場合で説明したが一般式がAlxG
ayInzN(x+y+z=1でx=0,y=0,z=0
も含む)で表される窒化ガリウム系混晶でコンタクト
層、クラッド層及び活性層を構成したレーザダイオード
や発光ダイオード等の発光素子に対しても本発明が同様
の効果をもたらすことは言うまでもない。In this embodiment, the active layer is made of InGa.
As described in the case of the N-system multiple quantum well, the general formula is Al x G
a y In z N (x = 0, y = 0, z = 0 when x + y + z = 1)
It is needless to say that the present invention also provides the same effect for a light emitting element such as a laser diode or a light emitting diode in which a contact layer, a cladding layer, and an active layer are formed of a gallium nitride-based mixed crystal represented by
【0036】[0036]
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
p型GaN第一、第二コンタクト層を用いることにより
コンタクト抵抗が低減され、かつ活性層にMgを拡散さ
せることなく第二コンタクト層内のホール濃度をほぼ最
大限に高めることが可能であり、低抵抗、高効率でかつ
光学的特性に優れた青紫色半導体レーザの作製が可能と
なる。As described above, according to the present invention,
The contact resistance is reduced by using the p-type GaN first and second contact layers, and the hole concentration in the second contact layer can be almost maximized without diffusing Mg into the active layer, A blue-violet semiconductor laser having low resistance, high efficiency, and excellent optical characteristics can be manufactured.
【図1】本発明の実施の形態における半導体発光素子の
断面図FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
【図2】Mgのドーピング量とp型GaNのホール濃度
との関係を示す図FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the doping amount of Mg and the hole concentration of p-type GaN.
【図3】青紫色半導体レーザ構造におけるMg濃度の深
さ方向のプロファイルを示す図FIG. 3 is a diagram showing a profile of a Mg concentration in a depth direction in a blue-violet semiconductor laser structure.
【図4】Mg濃度が1×10e21cm-3のp型GaNに
おけるホール濃度及び結晶表面のクラック密度の膜厚依
存性を示す図FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the hole concentration and the crack density on the crystal surface on the film thickness in p-type GaN having a Mg concentration of 1 × 10e 21 cm −3 .
【図5】MOVPE法で作製したp型GaNにおけるホ
ール濃度及びMg濃度のCp2Mg流量依存性を示す図FIG. 5 is a view showing the Cp2Mg flow rate dependence of the hole concentration and the Mg concentration in p-type GaN produced by the MOVPE method.
【図6】本発明の青紫色半導体レーザの電流−電圧特性
を示す図FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristics of a blue-violet semiconductor laser of the present invention.
【図7】本発明の実施の形態における半導体発光素子の
断面図FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
【図8】従来法によるpコンタクト層の形成時のホール
濃度範囲を示す図FIG. 8 is a diagram showing a hole concentration range when a p-contact layer is formed by a conventional method.
1 サファイア基板 2 GaNバッファ層 3 n−GaN層 4 n−AlGaNクラッド層 5 n−GaNガイド層 6 InGaN系MQW活性層 7 p−GaNガイド層 8 p−AlGaNクラッド層 9 p−GaN第二コンタクト層 10 p−GaN第一コンタクト層 11 Ni陽電極 12 Al陰電極 21 SiC基板 22 AlNバッファ層 23 n−GaN層 24 n−AlGaNクラッド層 25 n−GaNガイド層 26 InGaN系MQW活性層 27 p−GaNガイド層 28 p−AlGaNクラッド層 29 p−GaN第二コンタクト層 30 p−GaN第一コンタクト層 31 Ni陽電極 32 Al陰電極 33 SiO2絶縁膜Reference Signs List 1 sapphire substrate 2 GaN buffer layer 3 n-GaN layer 4 n-AlGaN clad layer 5 n-GaN guide layer 6 InGaN-based MQW active layer 7 p-GaN guide layer 8 p-AlGaN clad layer 9 p-GaN second contact layer REFERENCE SIGNS LIST 10 p-GaN first contact layer 11 Ni positive electrode 12 Al negative electrode 21 SiC substrate 22 AlN buffer layer 23 n-GaN layer 24 n-AlGaN cladding layer 25 n-GaN guide layer 26 InGaN-based MQW active layer 27 p-GaN Guide layer 28 p-AlGaN cladding layer 29 p-GaN second contact layer 30 p-GaN first contact layer 31 Ni positive electrode 32 Al negative electrode 33 SiO 2 insulating film
フロントページの続き (72)発明者 原 義博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 木戸口 勲 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 辻村 歩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 長谷川 義晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 上山 智 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−153645(JP,A) 特開 平7−15041(JP,A) 特開 平8−97471(JP,A) 特開 平8−330629(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 Continued on the front page (72) Inventor Yoshihiro Hara 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Isao Kidoguchi 1006 Oji Kadoma Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co. (72 Inventor Ayu Tsujimura 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture (72) Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 1006, Kazuma, Kamon, Fumonma-shi Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-9-153645 (JP, A) JP-A-7-15041 (JP, A) JP-A 8-97471 (JP, A) JP-A-8-330629 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50
Claims (5)
記第一コンタクト層と接するとともに前記第一コンタク
ト層より活性層側に形成された第二コンタクト層とを有
する窒化ガリウム系半導体発光素子であって、 前記第一コンタクト層のp電極側におけるアクセプター
不純物濃度が5×1020cm-3以上であり、前記第二コ
ンタクト層の活性層側におけるアクセプター不純物濃度
が1×1020cm-3以上5×1020cm-3未満であると
ともに、 前記第二コンタクト層の活性層側から前記第一コンタク
ト層のp電極側にかけて、アクセプター不純物濃度が単
調増加していることを特徴とする窒化ガリウム系半導体
発光素子。1. A gallium nitride based semiconductor light emitting device comprising: a first contact layer in contact with a p-electrode; and a second contact layer in contact with the first contact layer and formed on an active layer side of the first contact layer. The acceptor impurity concentration on the p-electrode side of the first contact layer is 5 × 10 20 cm −3 or more, and the acceptor impurity concentration on the active layer side of the second contact layer is 1 × 10 20 cm −3 or more. A gallium nitride-based material, wherein the concentration of the acceptor impurity monotonically increases from the active layer side of the second contact layer to the p-electrode side of the first contact layer, while being less than 5 × 10 20 cm −3. Semiconductor light emitting device.
上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1に記
載の窒化ガリウム系半導体発光素子。2. The gallium nitride based semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the thickness of the first contact layer is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less.
i、O、S、Se、Te、C、Znから選ばれる少なく
とも一つの元素を含有することを特徴とする請求項1に
記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。3. The method according to claim 1, wherein the second contact layer comprises S as an impurity.
2. The gallium nitride based semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the gallium nitride based semiconductor light emitting device contains at least one element selected from i, O, S, Se, Te, C and Zn.
特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光
素子。4. The gallium nitride based semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the acceptor impurity is Mg.
層がGaNであることを特徴とする請求項1に記載の窒
化ガリウム系半導体発光素子。 Nitrogen according to claim 1, wherein the first contact layer and a second contact layer, characterized in that a GaN
Gallium arsenide based semiconductor light emitting device.
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1997
- 1997-08-25 JP JP22783597A patent/JP3322179B2/en not_active Expired - Fee Related
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