JP3394678B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JP3394678B2
JP3394678B2 JP02994697A JP2994697A JP3394678B2 JP 3394678 B2 JP3394678 B2 JP 3394678B2 JP 02994697 A JP02994697 A JP 02994697A JP 2994697 A JP2994697 A JP 2994697A JP 3394678 B2 JP3394678 B2 JP 3394678B2
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Description

【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、発光ダイオード
(LED)、レーザダイオード(LD)等の半導体発光
素子に係り、特に、発光効率が高く、長寿命、波長の安
定なIII−V族窒化物半導体を発光層とする半導体発
光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD), and particularly to a III-V group nitride having high luminous efficiency, long life and stable wavelength. The present invention relates to a semiconductor light emitting device having a semiconductor as a light emitting layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】III−V族窒化物半導体、特にインジ
ウム(In)を含む窒化物半導体(InAAlBGa
1-A-BN、0≦A、0≦B、A+B≦1)を発光層とす
る半導体発光素子は、紫外色から赤色に発光するLE
D、LD等の発光素子の材料として期待され、開発が進
められている。
2. Description of the Related Art III-V group nitride semiconductors, particularly nitride semiconductors containing indium (In) (In A Al B Ga).
1-AB N, 0 ≦ A, 0 ≦ B, A + B ≦ 1) is used as a light emitting layer, and a semiconductor light emitting element is an LE that emits light from an ultraviolet color to a red color.
It is expected as a material for light emitting devices such as D and LD, and is under development.

【0003】図9は窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子の従来例の略断面図であり、特開平8―316
528号公報、発明の名称:窒化物半導体発光素子、出
願人:日亜化学工業株式会社である。図9において、サ
ファイア基板等の絶縁性基板60の上にn型窒化ガリウ
ム系化合物半導体層とp型窒化ガリウム系化合物半導体
層とが積層されており、バッファ層61、n型コンタク
ト層62、第2のn型クラッド層63、第1のn型クラ
ッド層64、活性層65、第1のp型クラクド層66、
第2のp型クラッド層67、およびp型コンタクト層6
8が順に積層された構造であり、n型コンタクト層62
には負電極69が形成され、p型コンタクト層68には
正電極70が形成されている。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a conventional example of a semiconductor light emitting device using a nitride-based semiconductor material.
No. 528, title of invention: nitride semiconductor light emitting device, applicant: Nichia Corporation. In FIG. 9, an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer are stacked on an insulating substrate 60 such as a sapphire substrate, and a buffer layer 61, an n-type contact layer 62, and a N-type clad layer 63, first n-type clad layer 64, active layer 65, first p-type clad layer 66,
Second p-type cladding layer 67 and p-type contact layer 6
8 has a structure in which the n-type contact layer 62 is sequentially stacked.
A negative electrode 69 is formed on the p-type contact layer 68, and a positive electrode 70 is formed on the p-type contact layer 68.

【0004】そして、活性層65及びその両側に配設さ
れるn型またはp型クラクド層の材料設定に特色があ
り、第1のn型クラッド層64は、活性層65よりも小
さい熱膨張係数を持ち、第1のp型クラッド層66は、
活性層65よりも小さい熱膨張係数を持ち、且つ活性層
65を単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とする
ことにより、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバ
ンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発
光させるようにしたことを特色とする窒化物半導体発光
素子である。
The material setting of the active layer 65 and the n-type or p-type clad layer disposed on both sides of the active layer 65 is characteristic, and the first n-type cladding layer 64 has a thermal expansion coefficient smaller than that of the active layer 65. And the first p-type cladding layer 66 has
Since the active layer 65 has a thermal expansion coefficient smaller than that of the active layer 65 and has the single quantum well structure or the multiple quantum well structure, the energy is lower than the original bandgap energy of the nitride semiconductor forming the active layer. The nitride semiconductor light emitting device is characterized in that the light is emitted.

【0005】図10は、上記の従来例の活性層65と発
光ピーク波長との関係を示したものであり、詳しくは単
―量子井戸構造の活性層の厚さ、つまり量子井戸層の厚
さと、発光素子の発光ピーク波長との関係を示す図であ
る。図10において、線αは活性層がノンドープIn
0.05Ga0.95Nよりなる発光素子を示し、線βは活性層
がノンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる発光素子を示し
ている。両方とも発光素子の構造は第2のクラッド層
と、第1のn型クラッド層と、活性層と、第1のp型ク
ラッド層と、第2のp型クラッド層とを順に積層したダ
プルヘテロ構造である。第2のn型クラッド層は0.1
μmのSiドープn型Al0.3Ga0.7Nよりなり、第1
のn型クラッド層は500オングストロームのIn0.01
Ga0.99Nよりなり、第1のp型クラッド層は20オン
グストロームのMgドープp型In0.01Ga0.99Nより
なり、第2のp型クラッド層は0.1μmのMgドープ
p型Al0.3Ga0.7Nよりなるダブルへテロ構造であ
る。このように、活性層の膜厚を変えると、発光波長が
変化することを示している。
FIG. 10 shows the relationship between the active layer 65 of the above-mentioned conventional example and the emission peak wavelength. Specifically, the thickness of the active layer of the single-quantum well structure, that is, the thickness of the quantum well layer, is shown. FIG. 3 is a diagram showing a relationship with a light emission peak wavelength of a light emitting element. In FIG. 10, the line α indicates that the active layer is non-doped In
A light emitting element made of 0.05 Ga 0.95 N is shown, and a line β shows a light emitting element having an active layer made of non-doped In 0.3 Ga 0.7 N. Both of the light emitting devices have a double hetero structure in which a second cladding layer, a first n-type cladding layer, an active layer, a first p-type cladding layer, and a second p-type cladding layer are sequentially stacked. Is. The second n-type cladding layer is 0.1
1 μm of Si-doped n-type Al 0.3 Ga 0.7 N,
The n-type cladding layer 500 Å In 0.01
Ga 0.99 N, the first p-type cladding layer is 20 Å of Mg-doped p-type In 0.01 Ga 0.99 N, and the second p-type cladding layer is 0.1 μm of Mg-doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N. It is a double hetero structure. Thus, it is shown that the emission wavelength changes when the film thickness of the active layer is changed.

【0006】線αで示すIn0.05Ga0.95N活性層は、
本来のバンドギャップエネルギーでは380nm付近の
紫外発光を示すが、膜厚を薄くすることにより420n
m近くまで波長を長して青紫色の発光にできる。また線
βで示すIn0.3Ga0.7N活性層は本来のバンドギャッ
プエネルギーでは480nm付近の青緑色発光である
が、同じく膜厚を薄くすることにより、520nm近く
の純緑色発光が得られている。
The In 0.05 Ga 0.95 N active layer shown by the line α is
With the original bandgap energy, it emits ultraviolet light in the vicinity of 380 nm.
The wavelength can be lengthened to near m, and violet emission can be obtained. The In 0.3 Ga 0.7 N active layer indicated by the line β emits blue-green light near 480 nm in the original band gap energy, but pure green light emission near 520 nm is obtained by reducing the film thickness.

【0007】このように第1のn型クラッド層と第1の
p型クラッド層で挟まれた活性層の膜厚を薄くすること
により、発光波長を長波長にすることができる。つま
り、通常の膜厚の厚い活性層ではその活性層のバンドギ
ャップエネルギーに相当する発光しか示さないが、この
従来例の単―量子井戸構造の活性層では、井戸層の膜厚
を薄くすることによって、バンドギヤップエネルギーが
小さくなり、元の井戸層のバンドギャップエネルギーよ
りも低エネルギーの光、即ち長波長を発光させることが
可能となる。しかもノンドープであるので、不純物をド
ープしたものよりも結晶性がよいので出力が高くなり、
さらにバンド間発光で半値幅の狭い色純度の良い発光が
得られている。
By thus reducing the thickness of the active layer sandwiched between the first n-type cladding layer and the first p-type cladding layer, the emission wavelength can be made longer. In other words, a normal active layer having a large film thickness only emits light corresponding to the bandgap energy of the active layer, but in the conventional active layer having a single-quantum well structure, it is necessary to reduce the film thickness of the well layer. As a result, the band gap energy becomes small, and it becomes possible to emit light having energy lower than the band gap energy of the original well layer, that is, long wavelength. Moreover, because it is non-doped, it has better crystallinity than that doped with impurities, so the output is high,
Furthermore, light emission with good color purity with a narrow half width is obtained by light emission between bands.

【0008】また、膜厚が厚いInGaNで活性層を形
成すると、活性層の結晶性が悪く、例えばIn組成比が
0.3〜0.5では結晶性が悪くなって発光出力が非常
に低かったが、薄膜にすることにより、大きなIn組成
比でも結晶性良く成長できるようになるという作用もあ
る。そして、この上記の従来例では、量子井戸層の膜厚
は100オングストローム以下、さらに好ましくは70
オングストローム以下となるように形成することが好ま
しい、としている。
When the active layer is formed of thick InGaN, the crystallinity of the active layer is poor. For example, when the In composition ratio is 0.3 to 0.5, the crystallinity is poor and the light emission output is very low. However, the use of a thin film also has the effect of enabling growth with good crystallinity even with a large In composition ratio. In the above conventional example, the quantum well layer has a film thickness of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less.
It is said that it is preferably formed so as to have a thickness of less than angstrom.

【0009】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.05Ga0.95N活性層を用い、If(順方向電流)=
20mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピー
ク波長λp=410nm(青色発光)、発光出力Wp=
5mW、発光スペクトルの半値幅△λ=20nm、であ
った。
Further, in the above conventional example, the non-doped I
n ( 0.05 Ga 0.95 N) active layer, If (forward current) =
At 20 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 410 nm (blue emission), emission output Wp =
The emission spectrum was 5 mW, and the full width at half maximum of the emission spectrum was Δλ = 20 nm.

【0010】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.2Ga0.8N活性層を用い、If(順方向電流)=2
0mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク
波長λp=465nm(青色発光)、発光出力Wp=5
mW、発光スペクトルの半値幅△λ=25nm、であっ
た。
Further, in the above conventional example, the non-doped I
If (forward current) = 2 using n 0.2 Ga 0.8 N active layer
At 0 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 465 nm (blue emission), emission output Wp = 5
The emission spectrum was mW and the full width at half maximum of the emission spectrum was Δλ = 25 nm.

【0011】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.3Ga0.7N活性層を用い、If(順方向電流)=2
0mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク
波長λp=500nm(緑色発光)、発光出力Wp=3
mW、発光スペクトルの半値幅△λ=40nm、であっ
た。
Further, in the above conventional example, the non-doped I
n ( 0.3 Ga 0.7 N) active layer, If (forward current) = 2
At 0 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 500 nm (green emission), emission output Wp = 3
The emission spectrum was mW and the half-width of the emission spectrum was Δλ = 40 nm.

【0012】また、上記の従来例では、70オングスト
ロームのIn0.4Ga0.6Nからなる単一量子井戸構造の
活性層を用い、If(順方向電流)=20mAで、Vf
(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク波長λp=52
5nm(緑色発光)、発光出力Wp=4mW、発光スペ
クトルの半値幅△λ=40nm、であった。
Further, in the above-mentioned conventional example, an active layer having a single quantum well structure made of In 0.4 Ga 0.6 N of 70 Å is used, and Vf is set at If (forward current) = 20 mA.
(Forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 52
The emission power was 5 nm (green emission), the emission output Wp was 4 mW, and the full width at half maximum of the emission spectrum was Δλ = 40 nm.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】従来例の窒化物系発光
素子においては、青緑色、緑色、黄緑色の発光素子を得
るためには、Inの組成比を大きくしなければならな
い。しかしながら、InGaN混晶系またはInGaA
lN混晶系材料から成る発光層を使う場合、上述のよう
に、Inの組成比が大きくなると、例えばInGaNの
三元混晶は相分離を起こし易く、発光層の量子井戸中の
InGaN層中に設定したIn組成よりも大きな領域と
なる所の量子ドットが自然形成されること、そしてIn
GaNの量子井戸構造の発光層からの発光は、この量子
ドットに局在した励起子発光と考えられるため、ウエハ
面内で均一な発光波長を持つ半導体発光素子を得ること
が困難な状況にある。また、量子ドットの発生による発
光層内の格子不整合による歪み緩和が発生し、且つIn
GaN層と他半導体層との格子不整合による歪みの緩和
が発生し、それらに起因する非発光再結合が多くなり、
発光効率が低く、寿命の短い発光素子しか得られていな
いのが現状である。また、発光波長の注入電流依存性が
大きく、発光波長の安定した発光素子が得にくい現状に
ある。
In the conventional nitride-based light emitting device, the In composition ratio must be increased in order to obtain blue-green, green, and yellow-green light-emitting devices. However, InGaN mixed crystal or InGaA
When a light emitting layer made of a 1N mixed crystal material is used, as described above, when the composition ratio of In becomes large, for example, a ternary mixed crystal of InGaN is likely to cause phase separation, and thus, in the InGaN layer in the quantum well of the light emitting layer. That the quantum dots are naturally formed in a region larger than the In composition set in
Since the light emission from the light emitting layer of the GaN quantum well structure is considered to be excitonic light emission localized in the quantum dots, it is difficult to obtain a semiconductor light emitting device having a uniform emission wavelength within the wafer surface. . Further, strain relaxation occurs due to lattice mismatch in the light emitting layer due to generation of quantum dots, and In
Strain relaxation occurs due to the lattice mismatch between the GaN layer and the other semiconductor layer, and non-radiative recombination resulting from them is increased,
At present, only light-emitting elements with low luminous efficiency and short lifetime are obtained. Further, the dependence of the emission wavelength on the injection current is large, and it is currently difficult to obtain a light emitting element with a stable emission wavelength.

【0014】また、説明した従来例の特開平8―316
528号公報においては、活性層(発光層)の膜厚は7
0オングストローム以下が望ましいと記載してはいるも
のの、実施の形態よりなる値は膜厚70オングストロー
ムの活性層についての記載であり、上記の説明から、こ
の膜厚は量子ドットが発生している膜厚であると推測で
きる。
Further, the conventional example described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-316.
In Japanese Patent No. 528, the thickness of the active layer (light emitting layer) is 7
Although it is described that 0 angstroms or less is desirable, the value according to the embodiment is for the active layer having a film thickness of 70 angstroms. From the above description, this film thickness is a film in which quantum dots are generated. It can be assumed to be thick.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1記載の
半導体発光素子は、III−V族窒化物半導体を発光層
とする半導体発光素子であって、発光層多重量子井戸
構造であり、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸
が3原子層数乃至10原子層数の層厚であり、単位量
子井戸層に含まれるIII族元素のInの組成比が35
%以上かつ65%以下であり、多重量子井戸構造を構成
する障壁層がIn X Ga 1-X N(0.35≦X≦0.6
5)であることを特徴とするものである。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a semiconductor light emitting element according to the light-emitting layer III-V nitride semiconductor, light emitting layer be a multiple quantum well structure The unit quantum well layer constituting the multiple quantum well structure has a layer thickness of 3 to 10 atomic layers ,
The composition ratio of In of the group III element contained in the child well layer is 35
% To 65%, forming a multiple quantum well structure
The barrier layer to be In X Ga 1-X N (0.35 ≦ X ≦ 0.6
5) is a feature.

【0016】また、本発明の請求項2記載の半導体発光
素子は、III−V族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が3原
子層数乃至10原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるIII族元素のInの組成比が35%以上
65%以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がIn X Ga 1-X N(X≦0.35)であることを特徴
とするものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device, which is a semiconductor device having a III-V group nitride semiconductor as a light emitting layer.
In the body light emitting device, the light emitting layer has a multiple quantum well structure.
The unit quantum well layer that constitutes the multiple quantum well structure is
A unit quantum well layer having a layer thickness of 10 to 10 atomic layers
Or the composition ratio of In of the III group element is 35% or more contained in the
One is 65% or less, barriers constituting the multiple quantum well structure
It is characterized in that the layer is In X Ga 1-X N (X ≦ 0.35) .

【0017】また、本発明の請求項3記載の半導体発光
素子は、発光層がInXGa1-XN(0.35≦X≦0.
65)であることを特徴とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the third aspect of the present invention, the light emitting layer has In X Ga 1 -X N (0.35≤X≤0.
65).

【0018】また、本発明の請求項4記載の半導体発光
素子は、発光層がInX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y
≦1.0、0.35≦X≦0.65)であることを特徴
とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to claim 4 of the present invention, the light emitting layer has In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y
≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65).

【0019】また、本発明の請求項5記載の半導体発光
素子は、III−V族窒化物半導体を発光層とする半導
体発光素子であって、発光層が単一半導体層構造、単一
量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一半導
体層構造を構成する単一半導体層または単一量子井戸構
造もしくは多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層
が3原子層数乃至10原子層数の層厚であり、単一半導
体層または単位量子井戸層がIn X (Al Y Ga 1-Y 1-X
N(0<Y≦1.0、0.35≦X≦0.65)である
ことを特徴とするものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device comprising a III-V group nitride semiconductor as a light emitting layer.
A body light emitting device, wherein the light emitting layer has a single semiconductor layer structure, a single
Quantum well structure or multiple quantum well structure, single semiconductor
Single semiconductor layer or single quantum well structure constituting the body layer structure
Unit quantum well layer forming a multi-quantum well structure
Has a layer thickness of 3 to 10 atomic layers, and a single semiconductor
The body layer or the unit quantum well layer is In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X
It is characterized in that N (0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65) .

【0020】また、本発明の請求項6記載の半導体発光
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層がIn X Ga 1-X N(0.35≦
X≦0.65)であることを特徴とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to claim 6 of the present invention, the light emitting layer has a multiple quantum well structure, and the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is In X Ga 1 -X N (0.35 ≦
X ≦ 0.65) .

【0021】また、本発明の請求項7記載の半導体発光
素子は、発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるIII族元素In
の組成比が35%以下であることを特徴とするものであ
る。
Further, the semiconductor light-emitting device according to claim 7 of the present invention, the light emitting layer is a multiple quantum well structure, In the group III element contained in the barrier layer constituting the multiple quantum well structure
The composition ratio of is characterized in that 35% or less.

【0022】また、本発明の請求項8記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX
1-XN(X≦0.35)であることを特徴とするもの
である。
Further, in the semiconductor light emitting device according to claim 8 of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is In X G
a 1−X N (X ≦ 0.35).

【0023】さらに、本発明の請求項9記載の半導体発
光素子は、III−V族窒化物半導体を発光層とする半
導体発光素子であって、発光層が多重量子井戸構造であ
り、多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が3原
子層数乃至10原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるIII族元素のInの組成比が35%以上か
つ65%以下であり、多重量子井戸構造を構成する障壁
層がInX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦1.0、
0.35≦X≦0.65)である、または、多重量子井
戸構造を構成する障壁層に含まれるIII族元素のIn
の組成比が35%以下であることを特徴とするものであ
(ただし、単位量子井戸層がIn 0.35 Ga 0.65 Nであ
るものを除く)また、本発明の請求項10記載の半導
体発光素子は、発光層がIn X Ga 1-X N(0.35≦X
≦0.65)であることを特徴とするものである。
Further, the semiconductor light emitting device according to claim 9 of the present invention is a semiconductor light emitting device having a III-V group nitride semiconductor as a light emitting layer.
A conductor light emitting device, wherein the light emitting layer has a multiple quantum well structure.
The unit quantum well layer that constitutes the multiple quantum well structure is
A unit quantum well layer having a layer thickness of 10 to 10 atomic layers
The composition ratio of In of the group III element contained in is 35% or more
Is 65% or less, and the barrier layer forming the multiple quantum well structure is In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0,
0.35 ≦ X ≦ 0.65 ) or multiple quantum wells
In of the group III element contained in the barrier layer forming the door structure
Is less than 35% (provided that the unit quantum well layer is In 0.35 Ga 0.65 N).
Excluding those) . Further, the semiconductor device according to claim 10 of the present invention
In the body light emitting device, the light emitting layer has In X Ga 1-X N (0.35 ≦ X
≦ 0.65).

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図1乃至図8は、本発明の一実施
の形態よりなる半導体発光素子に関する図である。以下
に、本発明の実施の形態について説明する。
1 to 8 are views showing a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. Embodiments of the present invention will be described below.

【0025】[実施の形態1]図1は、本発明の第1の
実施の形態よりなる半導体発光素子の構造を示す断面図
である。半導体発光素子の成長は、MOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルインジュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)等を使用
し、V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を
使用する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4
(シラン)を、使用し、またp型ドーパントの輸送ガス
としてCp2 Mg(シクロペンタジエチルマグネシュウ
ム)またはエチルCp2 Mgを使用する。
[First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. The MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) is used for the growth of the semiconductor light emitting device. TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylindium), TMA (trimethylaluminum), etc. are used as the group III element transport gas, and NH 3 (ammonia) is used as the group V element transport gas. To use. SiH 4 as n-type dopant transport gas
(Silane) is used, and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl Cp 2 Mg is used as a transport gas for the p-type dopant.

【0026】サファイアC面基板1を水素雰囲気で11
00℃で熱クリーニングした後、基板温度を550℃に
下げ、層厚50nmのノンドープのAlNのバッファ層
2を成長させる。次に基板温度を1050℃まで上げて
層厚4μmのSiドープn型GaN層3を成長させる。
次に基板温度を800℃に下げ、6原子層数(算定値約
1.6nm、即ち、16オングストローム)のノンドー
プIn0.4Ga0.6Nの発光層(単―半導体層)4、層厚
50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8NのInGa
N蒸発防止層5を順次成長させる。次に基板温度を10
50℃まで上げて、層厚0.5μmのMgドープp型G
aN層6を成長させる。続いて、成長層の一部をSiド
ープn型GaN層3が露出するまでエッチングを行い、
その表面にn型電極7を形成する。また、Mgドープp
型GaN層6の表面にp型電極8を蒸着する。次に、ウ
エハーをチップに分割(チップサイズ約400μm角)
し、ステムにマウント後樹脂モールドを行い、半導体発
光素子(LED素子)とする。
The sapphire C-plane substrate 1 was placed in a hydrogen atmosphere 11
After thermal cleaning at 00 ° C., the substrate temperature is lowered to 550 ° C. and a buffer layer 2 of non-doped AlN having a layer thickness of 50 nm is grown. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C. to grow the Si-doped n-type GaN layer 3 having a layer thickness of 4 μm.
Next, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and the number of 6 atomic layers (calculated value: about 1.6 nm, that is, 16 angstrom) non-doped In 0.4 Ga 0.6 N light-emitting layer (single-semiconductor layer) 4; Doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N InGa
The N evaporation prevention layer 5 is sequentially grown. Next, the substrate temperature is set to 10
Mg-doped p-type G with a layer thickness of 0.5 μm after being raised to 50 ° C.
The aN layer 6 is grown. Subsequently, a part of the growth layer is etched until the Si-doped n-type GaN layer 3 is exposed,
The n-type electrode 7 is formed on the surface. Also, Mg-doped p
A p-type electrode 8 is deposited on the surface of the type GaN layer 6. Next, divide the wafer into chips (chip size about 400 μm square)
After mounting on the stem, resin molding is performed to obtain a semiconductor light emitting element (LED element).

【0027】図1に示した略断面図と同様の層構造を持
つ半導体発光素子において、Inの組成と発光面積の比
率を測定した結果を図6に示す。図6において、発光層
として膜厚約5nm(50オングストローム)のノンド
ープInXGa1-XN(0≦X≦1.0)の半導体層を用
い、発光層のIn組成を変化させた時、低電流駆動(1
mA以下)における発光領域の全面積に対する発光して
いる面積の比率を図6に示す。図6において、ノンドー
プInXGa1-XNの発光層のIn組成XがX=0.0〜
0.2及びX=0.8〜1.0においては、発光面積の
比率が0.92とほぼ一定であるのに対し、X=0.2
〜0.8においては、発光面積の比率が大きく減少し、
X=0.4〜0.6においては、発光面積の比率が0.
67程度の低い値となることを示している。
FIG. 6 shows the result of measuring the ratio of the In composition and the light emitting area in the semiconductor light emitting device having the same layer structure as that of the schematic sectional view shown in FIG. In FIG. 6, when a non-doped In X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1.0) semiconductor layer having a film thickness of about 5 nm (50 Å) is used as the light emitting layer and the In composition of the light emitting layer is changed, Low current drive (1
FIG. 6 shows the ratio of the light emitting area to the total area of the light emitting region in mA or less). In FIG. 6, the In composition X of the non-doped In X Ga 1 -X N light emitting layer is X = 0.0 to
At 0.2 and X = 0.8 to 1.0, the ratio of the light emitting area is 0.92, which is almost constant, whereas at X = 0.2.
At ~ 0.8, the ratio of the light emitting area is greatly reduced,
When X = 0.4 to 0.6, the ratio of the light emitting area is 0.
It shows that the value is as low as 67.

【0028】その原因として、TEM(透過電子顕微
鏡)観察から、発光層のIn組成が0.35〜0.65
の領域で発光層の相分離による量子ドットの密度が増大
すること、発光層のIn組成が0〜0.35及び0.6
5〜1.0の領域ではGaまたはIn組成が支配的とな
り、量子ドットの密度が逆に減少すること、を見い出だ
した。
The reason is that the In composition of the light emitting layer is 0.35 to 0.65 from TEM (transmission electron microscope) observation.
The density of the quantum dots increases due to the phase separation of the light emitting layer in the region of, and the In composition of the light emitting layer is 0 to 0.35 and 0.6.
It was found that the Ga or In composition becomes dominant in the region of 5 to 1.0 and the density of the quantum dots decreases conversely.

【0029】即ち、発光層のIn組成が0.35〜0.
65の領域においては、量子ドットの密度が増加するこ
とが、発光層内で結晶の組成の違いによるミスフィット
転位を増加させる原因となっている。この発光層内のミ
スフィット転位は、非発光再結合の中心となるため、素
子の発光強度の減少及び発光素子の寿命を短くする原因
となっている。
That is, the In composition of the light emitting layer is 0.35 to 0.
In the region 65, the increase in the density of the quantum dots causes the increase in misfit dislocations due to the difference in crystal composition in the light emitting layer. This misfit dislocation in the light emitting layer becomes the center of non-radiative recombination, which causes a decrease in the emission intensity of the device and a shortening of the life of the light emitting device.

【0030】また、上述の発光層の量子ドットは、結晶
成長時に自然発生的に形成されるため、その組成及び大
きさの制御は不可能である。このため、1枚のウエハか
ら取り出される発光素子の特性の分布が大きくなり、例
えば発光波長の分布が著しく大きくなる、といった現象
が起こる。このような量子ドットの発生は、InGaA
lNを発光層とする場合も、図6で示したと同様のIn
組成に対する発光面積の比率の減少(依存性)が観測さ
れた。
Further, since the quantum dots in the light emitting layer described above are spontaneously formed during crystal growth, it is impossible to control the composition and size thereof. For this reason, the characteristic distribution of the light emitting elements taken out from one wafer becomes large, and for example, the phenomenon that the distribution of the emission wavelength becomes significantly large occurs. Generation of such quantum dots is caused by InGaA
In the case where 1N is used as the light emitting layer, the same In as shown in FIG.
A decrease (dependency) in the ratio of the light emitting area to the composition was observed.

【0031】更に、この量子ドットは、個々の量子ドッ
トごとに、その形状、Inの組成が異なっているため、
発光させるために注入されたキャリアは、発光層全体で
は広いエネルギー範囲に分布することとなる。しかも、
InGaN、またはInGaAlN結晶中のキャリアの
移動度が低く、かつ、キャリアの緩和時間が長いため、
発光は注入されたキャリアが低エネルギーにまで緩和す
る前に高エネルギー状態で発光が起きる。この原因によ
りInGaN、またはInGaAlN発光層を量子井戸
構造とする発光素子においては、その発光波長の注入電
流依存性が大きいことを見い出だした。なお、この現象
は発光層のIn組成が大きくなる程(即ち、発光波長が
長波長になる程)顕著となる。例えば、InGaNの量
子井戸構造の緑色発光ダイオード(Inの組成比0.4
5、発光波長520nm)では、駆動電流を10mA変
化させるとその発光ピーク波長は約10nm短波長側へ
シフトし、色が変化するという問題や、フルカラーディ
スプレーへの応用では、その色調整を難しくする、とい
った問題があった。
Further, this quantum dot has a different shape and composition of In for each quantum dot.
The carriers injected for emitting light are distributed in a wide energy range in the entire light emitting layer. Moreover,
Since the mobility of carriers in InGaN or InGaAlN crystal is low and the relaxation time of carriers is long,
As for light emission, light emission occurs in a high energy state before the injected carriers relax to low energy. It has been found that, due to this cause, in the light emitting device having the InGaN or InGaAlN light emitting layer as the quantum well structure, the emission current has a large dependency on the injection current. This phenomenon becomes more remarkable as the In composition of the light emitting layer increases (that is, the emission wavelength becomes longer). For example, a green light emitting diode of InGaN quantum well structure (In composition ratio 0.4
(5, emission wavelength 520 nm), when the driving current is changed by 10 mA, the emission peak wavelength shifts to the short wavelength side by about 10 nm, and the color changes, and it is difficult to adjust the color in the application to full color display. There was a problem such as.

【0032】また、上述の問題は、発光層として、単―
半導体層または単位井戸層または多重量子井戸構造にお
いてもみられる。ここに、単―量子井戸構造とは、量子
井戸層が一層よりなる構造を指す。すなわち、単―量子
井戸構造の発光層(活性層)は、単―の井戸層だけで構
成される。また、単―半導体層とは単―半導体層より構
成された発光層のことであり、量子井戸構造を形成しな
い発光層の場合も包含している。また、多重量子井戸構
造とは、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多層膜構
造である。この多層膜構造において、両側の2つ最外層
は、それぞれ井戸層により構成される。多重量子井戸構
造の尤も単純な構造は、量子井戸層/障壁層/量子井戸
層の場合である。
Further, the above-mentioned problem is that the light emitting layer has a single
It is also found in semiconductor layers or unit well layers or multiple quantum well structures. Here, the single-quantum well structure refers to a structure having a single quantum well layer. That is, the light emitting layer (active layer) having a single-quantum well structure is composed of only a single well layer. Further, the single-semiconductor layer is a light-emitting layer composed of a single-semiconductor layer, and also includes a light-emitting layer in which a quantum well structure is not formed. The multiple quantum well structure is a multilayer film structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately laminated. In this multilayer film structure, the two outermost layers on both sides are each formed by a well layer. A possibly simple structure of the multiple quantum well structure is a case of quantum well layer / barrier layer / quantum well layer.

【0033】図7に、InGaN、またはInGaAl
N発光層の厚さを変化させた時、発光層の原子層数(層
厚)に対する発光面積の減少比率を示す。図7におい
て、発光層の原子層数が1〜5原子層数では、発光面積
の減少比率が0.08であり、発光層の原子層数が6〜
9原子層数では、発光面積の減少比率が大きく増加し、
0.08〜0.24となり、発光層の原子層数が10〜
15原子層数では、発光面積の減少比率が増加したまま
で、0.24となった。この結果、発光層の厚さが9原
子層数以下の領域では、発光面積の減少比率が小さくな
ることを示している。言い換えると、発光層の層厚を薄
くすることにより量子ドットの発生が抑制され、非発光
再結合の少なく、明るい半導体発光素子を得ることがで
きることを示している。従って、実用的な半導体発光素
子を得るための発光層の層厚は1原子層数乃至15原子
層数、好ましくは3原子層数乃至10原子層数、である
と言える。
FIG. 7 shows InGaN or InGaAl.
When the thickness of the N light emitting layer is changed, the reduction ratio of the light emitting area with respect to the number of atomic layers (layer thickness) of the light emitting layer is shown. In FIG. 7, when the number of atomic layers of the light emitting layer is 1 to 5, the reduction ratio of the light emitting area is 0.08, and the number of atomic layers of the light emitting layer is 6 to 5.
With the number of 9 atomic layers, the reduction ratio of the light emitting area greatly increases,
0.08 to 0.24, and the number of atomic layers in the light emitting layer is 10
With the number of 15 atomic layers, the reduction ratio of the light emitting area was 0.24, while it was still increasing. As a result, it is shown that the reduction ratio of the light emitting area is small in the region where the thickness of the light emitting layer is 9 atomic layers or less. In other words, it is shown that by reducing the thickness of the light emitting layer, generation of quantum dots is suppressed, non-radiative recombination is reduced, and a bright semiconductor light emitting device can be obtained. Therefore, it can be said that the layer thickness of the light emitting layer for obtaining a practical semiconductor light emitting element is 1 atomic layer to 15 atomic layers, and preferably 3 atomic layer to 10 atomic layers.

【0034】図8に、本発明の一実施の形態よりなる半
導体発光素子であるInX(Al0.02Ga0.981-XNを
発光層を持つ発光素子のInの組成比をパラメータとし
て、発光層の層厚(原子層数)と半導体発光素子の発光
強度との関係を示す。半導体発光素子の構造は図1に示
した略断面図と同様である。InX(Al0.02
0.981-XN発光層の組成比X=0.35の場合、素
子の発光強度は7原子層数及び8原子層数で最大とな
り、InX(Al0.02Ga0.981-XN発光層の組成比X
=0.52の場合、素子の発光強度は5原子層数で最大
となり、InX(Al0.02Ga0.981-XN発光層の組成
比X=0.65の場合、素子の発光強度は4原子層数で
最大となる結果が得られた。
FIG. 8 shows light emission using In X (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N, which is a semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention, as a parameter with the In composition ratio of a light emitting device having a light emitting layer. The relation between the layer thickness (the number of atomic layers) and the emission intensity of the semiconductor light emitting device is shown. The structure of the semiconductor light emitting device is the same as the schematic cross-sectional view shown in FIG. In X (Al 0.02 G
a 0.98 ) 1-X N In the case of the composition ratio X = 0.35 of the light emitting layer, the emission intensity of the device becomes maximum at the number of 7 atomic layers and the number of 8 atomic layers, and the In X (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N Composition ratio X of light emitting layer
= 0.52, the emission intensity of the element is maximum in the number of 5 atomic layers, and when the composition ratio of the In x (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-x N emission layer is X = 0.65, the emission intensity of the element is The maximum result was obtained with four atomic layers.

【0035】図8に示されるように、発光層の膜厚が1
原子層数より厚くなるにしたがって発光強度が増大し、
ある膜厚の層数において発光強度はピークを持ち、更に
層数を厚くすると逆に発光強度が低下してゆく。これ
は、発光層の厚さが薄い領域では層厚が増すにつれ、発
光層中のキャリア濃度が増大し発光強度が増加し、ある
厚さを越えると、発光層の上下の結晶との格子不整合が
原因で発生している発光層中の歪みが緩和され、ミスフ
ィット転位が生じ、このミスフィット転位が非発光再結
合の中心となって発光強度は急激に低下する。発光強度
がピークを示す層厚は発光層のIn組成(発光層中の歪
み)によって決まり、In組成が増えるとともに発光強
度が最大となる層厚(原子層数)は薄くなる。
As shown in FIG. 8, the thickness of the light emitting layer is 1
The emission intensity increases as the number of atomic layers increases,
The emission intensity has a peak in the number of layers having a certain thickness, and when the number of layers is further increased, the emission intensity decreases conversely. This is because the carrier concentration in the light emitting layer increases and the light emission intensity increases as the layer thickness increases in a region where the thickness of the light emitting layer is thin. The strain generated in the light emitting layer due to the matching is relaxed, misfit dislocations occur, and the misfit dislocations become the center of non-radiative recombination, and the emission intensity sharply decreases. The layer thickness at which the emission intensity peaks is determined by the In composition of the emission layer (strain in the emission layer), and the layer thickness (the number of atomic layers) that maximizes the emission intensity becomes smaller as the In composition increases.

【0036】この現象を量子ドットの発生の有無の立場
から説明すると、発光強度がピークを持つまでの発光層
の膜厚は量子ドットが発生しない膜厚の領域であり、発
光強度がピークを過ぎて減少する発光層の膜厚は量子ド
ットの発生が始まっている膜厚の領域であると説明でき
る。また、量子ドットの発生は、単―量子井戸構造や多
重量子井戸構造の単位井戸層についてのみ観測されるこ
とである。
Explaining this phenomenon from the standpoint of whether or not quantum dots are generated, the film thickness of the light emitting layer until the emission intensity has a peak is a region where the quantum dots are not generated, and the emission intensity passes the peak. It can be explained that the film thickness of the light-emitting layer that decreases as a result is the region of the film thickness where the generation of quantum dots has started. Moreover, the generation of quantum dots is to be observed only in the unit well layer of the single-quantum well structure or the multiple quantum well structure.

【0037】言い換えれば、図8に示されるように、本
発明はIII−V族窒化物半導体を発光層とする半導体
発光素子において、発光層は単―半導体層構造または単
一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、且つ単
―半導体層または単位量子井戸層の層厚が1原子層数乃
至15原子層数で構成されることを特徴とする半導体発
光素子である。重ねて言えば、単―半導体層または単位
量子井戸層の層厚が1原子層数乃至15原子層数で構成
されることを特徴とするものであると並列記載している
のは、1原子層数乃至15原子層数という非常に薄い半
導体層では、量子井戸層を形成しない場合も存在するか
らである。
In other words, as shown in FIG. 8, the present invention is a semiconductor light emitting device using a III-V group nitride semiconductor as a light emitting layer, wherein the light emitting layer has a single-semiconductor layer structure, a single quantum well structure, or a multiple quantum well structure. A semiconductor light-emitting device having a quantum well structure, wherein the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer is composed of one atomic layer to 15 atomic layers. To reiterate, the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer is characterized in that the layer thickness is composed of one atomic layer to 15 atomic layers. This is because there are cases where the quantum well layer is not formed in a very thin semiconductor layer having 15 to 15 atomic layers.

【0038】前記の図8では、InX(Al0.02Ga
0.981-XN発光層を一例として説明したが、この現象
はInXGa1-XN発光層やInXGaYAl1-X-YN発光
層についても同様の結果が得られる。
In FIG. 8 described above, In X (Al 0.02 Ga)
Although the 0.98 ) 1-X N light emitting layer has been described as an example, the same result can be obtained for the In X Ga 1 -X N light emitting layer and the In X Ga Y Al 1 -XY N light emitting layer.

【0039】また、上述の発光層(1原子層数以上15
原子層数以下の層厚)を単位量子井戸層とする多重量子
井戸構造のとする場合においても、In組成が35%か
ら65%までのInXGa1-XN、またはInXGaYAl
1-X-YNにおいて、明るい半導体発光素子が得られると
共に、ウエハ内の素子特性分布を小さくすることができ
る。
In addition, the above-mentioned light-emitting layer (one atomic layer number or more 15
In the case of a multiple quantum well structure having a unit quantum well layer having a thickness equal to or less than the number of atomic layers), In X Ga 1-X N or In X Ga Y Al having an In composition of 35% to 65% is also used.
In 1-XYN , a bright semiconductor light emitting device can be obtained and the device characteristic distribution in the wafer can be reduced.

【0040】図1に示したLED素子は、前記の図6、
図7、図8の知見に基づく結果であり、この場合発光層
は単―半導体層(6原子層数)のノンドープIn0.4
0.6Nの井戸層4を選択して用いた場合の結果であ
る。LED素子は順方向電流If=20mAで、順方向
電圧Vf=3.5V、発光ピーク波長λp=485nm
(青緑色)、発光出力Wp=6mWであった。順方向電
流Ifを5mAから15mAまで変化させた時の発光ピ
ーク波長λpのシフト(変化量)は3nm以下であり、
同一ウエハ内(2インチφ)における発光ピーク波長の
分布は5nm以下であった。室温連続20mAの通電テ
ストの寿命は2000時間以上であった。
The LED element shown in FIG. 1 is the same as that shown in FIG.
This is a result based on the findings of FIGS. 7 and 8. In this case, the light emitting layer is a single-semiconductor layer (six atomic layers) of undoped In 0.4 G.
This is the result when the well layer 4 of a 0.6 N is selected and used. The LED element has a forward current If = 20 mA, a forward voltage Vf = 3.5 V, and an emission peak wavelength λp = 485 nm.
(Blue-green) and the light emission output Wp = 6 mW. The shift (change amount) of the emission peak wavelength λp when the forward current If is changed from 5 mA to 15 mA is 3 nm or less,
The distribution of the emission peak wavelength within the same wafer (2 inches φ) was 5 nm or less. The life of the current-carrying test of continuous 20 mA at room temperature was 2000 hours or more.

【0041】一方、従来例では、発光出力は4mWでピ
ーク波長シフトは5nm、ピーク波長の分布は10n
m、寿命は1000時間であった。本発明により出力で
1.5倍、ピーク波長シフトは3/5、ピーク波長の分
布は1/2に低減され、寿命は2倍以上に改善された。
On the other hand, in the conventional example, the emission output is 4 mW, the peak wavelength shift is 5 nm, and the peak wavelength distribution is 10 n.
m, the life was 1000 hours. According to the present invention, the output is 1.5 times, the peak wavelength shift is 3/5, the peak wavelength distribution is reduced to 1/2, and the life is improved to more than twice.

【0042】[実施の形態2]本発明の第2の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図2に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースMBE法
(分子線エピタキシー法)を使用する。III族分子線
源としてGa金属、In金属、Al金属を使用し、V族
分子線源としてNHまたは窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、RF(Radi
o Frequency)プラズマ、ECR(Elec
tron Cycltron Resonance)プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。n型ド
ーパントとしてSiをp型ドーパントとしてMgを使用
する。
[Second Embodiment] FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention. In this case, the gas source MBE method (molecular beam epitaxy method) is used for the growth of the semiconductor light emitting device. Ga metal, In metal, and Al metal are used as the group III molecular beam source, and NH 3 or a nitrogen radical generated by decomposition of nitrogen gas is used as the group V molecular beam source. RF (Radi
o Frequency) plasma, ECR (Elec
Tron Cyclotron Resonance) plasma or thermal cracking techniques are used. Si is used as the n-type dopant and Mg is used as the p-type dopant.

【0043】サファイアA面基板9を窒素ラジカルの雰
囲気で850℃で熱クリーニングした後、基板温度を5
00℃に下げ、層厚30nmのノンドープGaNのバッ
ファ層10を成長させる。次に基板温度を700℃まで
上げて層厚2μmのSiドープn型GaN層11、2原
子層数のノンドープIn0.6(Ga0.97Al0.030.4
の量子井戸層12と、3原子層数のノンドープIn0.4
Ga0.6Nの障壁層13とで、周期数4(量子井戸層×
4、障壁層×3)の多重量子井戸構造の発光層14、層
厚0.5μmのMgドープp型GaN層15を順次成長
させる。次に成長層の一部をSiドープn型GaN層1
1が露出するまでエッチングを行い、その表面にn型電
極16を形成し、Mgドープp型GaN層15の表面に
p型電極17を蒸着する。次に、ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、LED素子とする。
After the sapphire A-side substrate 9 was thermally cleaned at 850 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, the substrate temperature was raised to 5
The temperature is lowered to 00 ° C. and a buffer layer 10 of undoped GaN having a layer thickness of 30 nm is grown. Next, the substrate temperature is raised to 700 ° C., the Si-doped n-type GaN layer 11 having a layer thickness of 2 μm, and the number of two atomic layers of non-doped In 0.6 (Ga 0.97 Al 0.03 ) 0.4 N
Quantum well layer 12 and three atomic layers of undoped In 0.4
With the Ga 0.6 N barrier layer 13, the period number 4 (quantum well layer ×
4, a light emitting layer 14 having a multiple quantum well structure of a barrier layer × 3) and a Mg-doped p-type GaN layer 15 having a layer thickness of 0.5 μm are sequentially grown. Next, a part of the growth layer is used as a Si-doped n-type GaN layer 1
Etching is performed until 1 is exposed, an n-type electrode 16 is formed on the surface thereof, and a p-type electrode 17 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 15. Next, the wafer is divided into chips and resin-molded to obtain LED elements.

【0044】このLED素子は順方向電流If=20m
Aで、順方向電圧Vf=4.0V、発光ピーク波長λp
=550nm(黄緑色)、発光出力Wp=4mWであっ
た。順方向電流Ifを10mAから20mAまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λpのシフト(変化量)は4n
m以下であり、同一ウエハ内(2インチφ)における発
光ピーク波長の分布は7nm以下であった。室温連続2
0mAの通電テストの寿命は1000時間以上であっ
た。従来例では、発光出力は3mWでピーク波長シフト
は10nm、ピーク波長の分布は20nm、寿命は50
0時間であった。本発明により出力で1.3倍、ピーク
波長シフトは2/5、ピーク波長の分布は1/3に低減
され、寿命は倍以上に改善された。
This LED element has a forward current If = 20 m.
A, forward voltage Vf = 4.0 V, emission peak wavelength λp
= 550 nm (yellowish green), and the emission output Wp = 4 mW. When the forward current If is changed from 10 mA to 20 mA, the shift (change amount) of the emission peak wavelength λp is 4n.
m or less, and the distribution of the emission peak wavelength within the same wafer (2 inches φ) was 7 nm or less. Room temperature continuous 2
The life of the 0 mA electrification test was 1000 hours or more. In the conventional example, the emission output is 3 mW, the peak wavelength shift is 10 nm, the peak wavelength distribution is 20 nm, and the lifetime is 50 nm.
It was 0 hours. According to the present invention, the output is 1.3 times, the peak wavelength shift is 2/5, the peak wavelength distribution is reduced to 1/3, and the life is more than doubled.

【0045】[実施の形態3]本発明の第3の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図3に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはMOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルガリュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)を使用し、
V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を使用
する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4 (シラ
ン)をp型ドーパントの輸送ガスとしてCp2 Mg(シ
クロペンタジエチルマグネシュウム)または、エチルC
2 Mgを使用する。
[Third Embodiment] FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention. In this case, the MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) is used to grow the semiconductor light emitting device. TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylgallium), and TMA (trimethylaluminum) are used as a group III element transport gas.
NH 3 (ammonia) is used as a transport gas for group V elements. SiH 4 (silane) is used as a transport gas for the n-type dopant and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl C is used as a transport gas for the p-type dopant.
Use p 2 Mg.

【0046】n型SiC基板18を水素雰囲気で115
0℃で熱クリーニングした後、基板温度を600℃に下
げ、層厚40nmのノンドープAlNのバッファ層19
を成長させる。次に基板温度を1100℃まで上げて層
厚4μmのSiドープn型GaN層20、層厚50nm
のSiドープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層21を順
次成長させる。次に基板温度を750℃に下げ、4原子
層数のSiドープn型In0.65Ga0.35Nの発光層(単
―量子井戸構造)22、層厚50nmのMgドープp型
Al0.1Ga0.9Nクラッド層23を順次成長させる。
115 n-type SiC substrate 18 in a hydrogen atmosphere
After thermal cleaning at 0 ° C., the substrate temperature is lowered to 600 ° C., and the buffer layer 19 of undoped AlN having a layer thickness of 40 nm is formed.
Grow. Next, the substrate temperature was raised to 1100 ° C., the Si-doped n-type GaN layer 20 having a layer thickness of 4 μm, and the layer thickness of 50 nm.
Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 21 is sequentially grown. Next, the substrate temperature is lowered to 750 ° C., and the emission layer (single-quantum well structure) 22 of four-atom layers of Si-doped n-type In 0.65 Ga 0.35 N and the Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad with a layer thickness of 50 nm. Layer 23 is grown sequentially.

【0047】次に基板温度を1050℃まで上げて層厚
0.5μmのMgドープp型GaN層24を成長させ
る。次に、Siドープn型GaN層20が露出するまで
エッチングを行い、その一部をさらに、AlNのバッフ
ァ層19のエッチングを行い、n型SiC基板18が露
出するまでエッチングを行う。n型SiC基板18の裏
面及びエッチングで露出したn型SiC基板18とSi
ドープn型GaN層20とを電気的に接続するようにn
型電極25を蒸着し、Mgドープp型GaN層24の表
面にp型電極26を蒸着する。次に、ウエハーをチップ
に分割して樹脂モールドを行い、LED素子とする。
Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C. to grow the Mg-doped p-type GaN layer 24 having a layer thickness of 0.5 μm. Next, etching is performed until the Si-doped n-type GaN layer 20 is exposed, a part of the etching is further performed on the AlN buffer layer 19, and etching is performed until the n-type SiC substrate 18 is exposed. The back surface of the n-type SiC substrate 18 and the n-type SiC substrate 18 and Si exposed by etching
N so as to electrically connect to the doped n-type GaN layer 20.
The mold electrode 25 is deposited, and the p-type electrode 26 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 24. Next, the wafer is divided into chips and resin-molded to obtain LED elements.

【0048】このLED素子は順方向電流If=20m
Aで、順方向電圧Vf=4.0V、発光ピーク波長λp
=570nm(黄色)、発光出力Wp=2mWであっ
た。順方向電流Ifを10mAから20mAまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λpのシフト(変化量)は5n
m以下であり、同一ウエハ内におけるピーク波長の分布
は10nm以下であった。室温連続20mAの通電テス
トの寿命は1000時間以上であった。従来例では、発
光出力は1mWでピーク波長シフトは20nm、ピーク
波長の分布は30nm、寿命は500時間であった。本
発明により出力で2倍、ピーク波長シフトは1/4、ピ
ーク波長の分布は1/3に低減され、寿命は2倍以上に
改善された。
This LED element has a forward current If = 20 m.
A, forward voltage Vf = 4.0 V, emission peak wavelength λp
= 570 nm (yellow), and the emission output Wp = 2 mW. The shift (change amount) of the emission peak wavelength λp when the forward current If is changed from 10 mA to 20 mA is 5 n.
m or less, and the peak wavelength distribution within the same wafer was 10 nm or less. The service life of the continuous current test of 20 mA at room temperature was 1,000 hours or more. In the conventional example, the emission output was 1 mW, the peak wavelength shift was 20 nm, the peak wavelength distribution was 30 nm, and the life was 500 hours. According to the present invention, the output is doubled, the peak wavelength shift is reduced to 1/4, the peak wavelength distribution is reduced to 1/3, and the life is improved to more than double.

【0049】[実施の形態4]本発明の第4の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図4に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはMOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルインジュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)を使用し、
V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を使用
する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4 (シラ
ン)をp型ドーパントの輸送ガスとしてCp2 Mg(シ
クロペンタジエチルマグネシュウム)または、エチルC
2 Mgを使用する。
[Fourth Embodiment] FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention. In this case, the MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) is used to grow the semiconductor light emitting device. TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylindium), and TMA (trimethylaluminum) are used as a group III element transport gas.
NH 3 (ammonia) is used as a transport gas for group V elements. SiH 4 (silane) is used as a transport gas for the n-type dopant and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl C is used as a transport gas for the p-type dopant.
Use p 2 Mg.

【0050】n型SiC基板28を水素雰囲気で800
℃で熱クリーニングした後、基板温度を550℃に下
げ、層厚25nmのGaNのバッファ層29を成長させ
る。次に基板温度を1050℃まで上げて層厚4μmの
Siドープn型GaN層30、層厚0.5μmのSiド
ープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層31、層厚0.1
μmのSiドープGaN光ガイド層32を順次成長させ
る。次に基板温度を850℃に下げ、7原子層数のノン
ドープIn0.52Ga0.48Nの量子井戸層33と、層厚3
nmのノンドープIn0.15(Ga0.95Al0.050.85
の障壁層34とで、周期数3(量子井戸層×3、障壁層
×2)の多重量子井戸構造の発光層35、層厚50nm
のMgドープp型Al0.2Ga0.8NのInGaN蒸発防
止層36を順次成長させる。次に基板温度を1050℃
まで上げて層厚0.1μmのMgドープGaN光ガイド
層37、層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層38、0.5μmのMgドープp型G
aN層39を成長させる。次に、Siドープn型GaN
層30及びGaNのバッファ層29及びn型SiC基板
28が露出するまでエッチングを行い、その表面にn型
電極40を蒸着し、Mgドープp型GaN39の表面に
p型電極41を蒸着する。次に、劈開にて長さ1mmの
共振器を作製し、チップに分割し半導体レーザ素子とし
た。この半導体レーザ素子は閾値電流100mAで室温
パルス発振(最大出力5mW)し、発振波長は520n
mの緑色であった。
The n-type SiC substrate 28 is set to 800 in a hydrogen atmosphere.
After thermal cleaning at ℃, the substrate temperature is lowered to 550 ℃, and a GaN buffer layer 29 having a layer thickness of 25 nm is grown. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C., the Si-doped n-type GaN layer 30 having a layer thickness of 4 μm, the Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 31 having a layer thickness of 0.5 μm, and the layer thickness of 0.1.
A μm Si-doped GaN light guide layer 32 is sequentially grown. Next, the substrate temperature is lowered to 850 ° C., and the quantum well layer 33 of 7 atomic layers of non-doped In 0.52 Ga 0.48 N and the layer thickness 3 are formed.
nm non-doped In 0.15 (Ga 0.95 Al 0.05 ) 0.85 N
And the barrier layer 34 of the multi-quantum well structure having a period number of 3 (quantum well layer × 3, barrier layer × 2), and a layer thickness of 50 nm.
The Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N InGaN evaporation prevention layer 36 is sequentially grown. Next, the substrate temperature is 1050 ° C
The Mg-doped GaN optical guide layer 37 having a layer thickness of 0.1 μm and the Mg-doped p-type Al 0.1 Ga having a layer thickness of 0.5 μm.
0.9 N cladding layer 38, 0.5 μm Mg-doped p-type G
The aN layer 39 is grown. Next, Si-doped n-type GaN
Etching is performed until the layer 30, the GaN buffer layer 29, and the n-type SiC substrate 28 are exposed, the n-type electrode 40 is vapor-deposited on the surface thereof, and the p-type electrode 41 is vapor-deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN 39. Next, a cavity having a length of 1 mm was produced by cleavage and divided into chips to obtain a semiconductor laser device. This semiconductor laser device oscillates at room temperature with a threshold current of 100 mA (maximum output 5 mW) and has an oscillation wavelength of 520 n.
It was m green.

【0051】[実施の形態5]本発明の第5の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図5に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースMBE法
(分子線エピタキシー法)を使用する。III族分子線
源としてGa金属、In金属、Al金属を使用し、V族
分子線源としてNH3 または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、RF(Radi
o Frequency)プラズマ、ECR(Elec
tron Cycltron Resonance)プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。n型ド
ーパントとしてSiをp型ドーパントとしてMgを使用
する。
[Fifth Embodiment] FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a semiconductor light-emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. In this case, the gas source MBE method (molecular beam epitaxy method) is used for the growth of the semiconductor light emitting device. Ga metal, In metal, and Al metal are used as the group III molecular beam source, and NH 3 or a nitrogen radical generated by decomposition of nitrogen gas is used as the group V molecular beam source. RF (Radi
o Frequency) plasma, ECR (Elec
Tron Cyclotron Resonance) plasma or thermal cracking techniques are used. Si is used as the n-type dopant and Mg is used as the p-type dopant.

【0052】n型GaN基板42を窒素ラジカル雰囲気
で900℃で熱クリーニングした後、基板温度を700
℃まで下げて層厚2μmのSiドープn型GaN層4
3、層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
クラッド層44、層厚50nmのSiドープGaN光ガ
イド層45、5原子層数のノンドープIn0.35Ga0.65
Nの発光層(単―量子井戸構造)46を順次成長させ
る。次に層厚50nmのMgドープGaN光ガイド層4
7、層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
クラッド層48、層厚0.5μmのMgドープp型Ga
N層49を成長させる。次に、Mgドープp型GaN層
49及びMgドープp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層4
8の一部をエッチングし、幅5μmのリッヂ導波路を形
成する。次に、窒化シリコン膜(Si34)の絶縁膜5
0を形成する。リッヂストライプ部上の窒化シリコン膜
(Si34)の絶縁膜50を除去する。n型GaN基板
42の裏面の研磨を行う。次に、n型GaN層42裏面
にn型電極51を蒸着し、リッヂストライプ部のMgド
ープp型GaN層49の表面にp型電極52を蒸着す
る。次に、劈開にて1mmの共振器を作製し、チップに
分割し半導体レーザ素子とする。
After heat-cleaning the n-type GaN substrate 42 at 900 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, the substrate temperature is set to 700.
Si-doped n-type GaN layer 4 having a layer thickness of 2 μm after being lowered to ℃
3. Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N with a layer thickness of 0.5 μm
Cladding layer 44, Si-doped GaN optical guide layer 45 with a layer thickness of 50 nm, and 5 atomic layers of non-doped In 0.35 Ga 0.65
An N light emitting layer (single-quantum well structure) 46 is sequentially grown. Next, a Mg-doped GaN optical guide layer 4 having a layer thickness of 50 nm
7. Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N with a layer thickness of 0.5 μm
Clad layer 48, Mg-doped p-type Ga having a layer thickness of 0.5 μm
The N layer 49 is grown. Next, the Mg-doped p-type GaN layer 49 and the Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 4
A part of 8 is etched to form a 5 μm wide lid waveguide. Next, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) insulating film 5
Form 0. The insulating film 50 of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) on the lid stripe portion is removed. The back surface of the n-type GaN substrate 42 is polished. Next, the n-type electrode 51 is vapor-deposited on the back surface of the n-type GaN layer 42, and the p-type electrode 52 is vapor-deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 49 in the lid stripe portion. Next, a 1 mm resonator is produced by cleavage and divided into chips to obtain a semiconductor laser device.

【0053】この半導体レーザ素子は閾値電流50m
A、発振波長470nmで室温連続発振し、室温におけ
る出力1.5mWの寿命は50時間であった。駆動電流
を50mAから100mAに変化させた場合の発振波長
のシフトは0.5nm以下、同一ウエハにおける発振波
長の分布は5nm以下であった。従来例では、閾値電流
80mA、寿命は27時間、発振波長のピークシフトは
5nmであった。本発明により駆動電流の低減がはか
れ、長寿命で発振波長の安定な素子が実現できた。
This semiconductor laser device has a threshold current of 50 m.
A, continuous oscillation at room temperature with an oscillation wavelength of 470 nm and an output of 1.5 mW at room temperature had a life of 50 hours. When the drive current was changed from 50 mA to 100 mA, the shift of the oscillation wavelength was 0.5 nm or less, and the distribution of the oscillation wavelength on the same wafer was 5 nm or less. In the conventional example, the threshold current was 80 mA, the life was 27 hours, and the peak shift of the oscillation wavelength was 5 nm. According to the present invention, the drive current can be reduced, and a device having a long life and a stable oscillation wavelength can be realized.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上のように、III−V族窒化物半導
体を発光層とする半導体発光素子において、本発明のよ
うに、発光層のうちの光を生じさせる層を3原子層数乃
至10原子層数の層厚とすると、量子ドットの発生が低
減され、非発光再結合が低減できる。さらに、発光層の
薄層化により他の層及び基板との格子定数差による歪み
緩和が発生せず、非発光再結合が低減できる。その結
果、ウエハ面内で均一な発光波長を持ち、且つ発光波長
の注入電流依存性が小さく、発光効率が高く、寿命の長
い青色、青緑色、緑色、黄緑色の半導体発光素子を得る
ことができる。
As described above, the III-V group nitride semiconductor
In a semiconductor light emitting device having a body as a light emitting layer,
As shown in FIG.
With a layer thickness of up to 10 atomic layers, the generation of quantum dots can be reduced and non-radiative recombination can be reduced. Furthermore, the thinning of the light emitting layer does not cause strain relaxation due to the difference in lattice constant with other layers and the substrate, and non-radiative recombination can be reduced. As a result, it is possible to obtain a semiconductor light emitting device of blue, blue-green, green, and yellow-green that has a uniform emission wavelength within the wafer surface, has a small dependency of the emission wavelength on the injection current, has high emission efficiency, and has a long life. it can.

【0055】[0055]

【0056】[0056]

【0057】[0057]

【0058】[0058]

【0059】[0059]

【0060】[0060]

【0061】[0061]

【0062】[0062]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device that is a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device that is a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device that is a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device that is a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第5の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device that is a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、膜厚約5nmのノンドープInXGa1-XNの発光
層を用い、発光層のIn組成を変化させたときの発光層
全面積に対する低電流駆動時における発光面積の比率を
示す図である。
FIG. 6 shows a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, which uses a non-doped In X Ga 1 -X N light emitting layer having a film thickness of about 5 nm and changes the In composition of the light emitting layer. It is a figure which shows the ratio of the light emission area at the time of low current drive with respect to the whole area.

【図7】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、発光層InXGa1-XNの原子層数に対する発光面
積の減少比率の変化を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing changes in the reduction ratio of the light emitting area with respect to the number of atomic layers in the light emitting layer In x Ga 1 -x N in the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、InX(Al0.02Ga0.981-XNを発光層を持つ
発光素子のInの組成比をパラメータとして、発光層の
原子層数と素子の発光強度との関係を示す。
FIG. 8 relates to a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, in which In X (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N is used as a parameter with the In composition ratio of the light emitting device having a light emitting layer as a parameter. The relationship between the number of layers and the emission intensity of the device is shown.

【図9】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体発
光素子の略断面図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device using a conventional nitride-based semiconductor material.

【図10】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子において、活性層の厚さと発光ピーク波長との
関係を示し図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between the thickness of an active layer and an emission peak wavelength in a semiconductor light emitting device using a nitride-based semiconductor material of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 サファイアC面基板 2 層厚50nmのノンドープAlNのバッファ層 3 層厚4μmのSiドープn型GaN層 4 6原子層ノンドープIn0.4Ga0.6Nの単―半導体
層(発光層) 5 層厚50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8Nの
InGaN蒸発防止層 6 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 7 n型電極 8 p型電極 9 サファイアA面基板 10 層厚30nmのGaNのバッファ層 11 層厚2μmのSiドープn型GaN層 12 2原子層のノンドープIn0.6Ga0.4Nの量子井
戸層 13 3原子層のノンドープIn0.4Ga0.6Nの障壁層 14 周期数4(井戸層×4、障壁層×3)の多重量子
井戸構造の発光層 15 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 16 n型電極 17 p型電極 18 n型SiC基板 19 層厚40nmのノンドープAlNのバッファ層 20 層厚4μmのSiドープn型GaN層 21 層厚50nmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
クラッド層 22 4原子層のSiドープn型In0.65Ga0.35Nの
量子井戸層(単―半導体層) 23 層厚50nmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
クラッド層 24 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 25 n型電極 26 p型電極 28 n型SiC基板 29 層厚30nmのGaNのバッファ層 30 層厚4μmのSiドープn型GaN層 31 層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 32 層厚0.1μmのSiドープGaN光ガイド層 33 7原子層のノンドープIn0.52Ga0.48Nの量子
井戸層 34 層厚3nmのノンドープIn0.15(Ga0.95Al
0.050.85Nの障壁層 35 周期数3(量子井戸層×3、バリア層×2)の多
重量子井戸構造の発光層 36 層厚50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8
のInGaN蒸発防止層 37 層厚0.1μmのMgドープGaN光ガイド層 38 層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 39 0.5μmのMgドープp型GaN層 40 n型電極 41 p型電極 42 n型GaN基板 43 層厚2μmのSiドープn型GaN層 44 層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 45 層厚50nmのSiドープGaN光ガイド層 46 5原子層のノンドープIn0.35Ga0.65Nの発光
層(単―量子井戸層) 47 層厚50nmのMgドープGaN光ガイド層 48 層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 48 Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層 49 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 50 窒化シリコン膜(Si34)の絶縁膜 51 n型電極 52 p型電極
1 Sapphire C-plane substrate 2 50 nm thick non-doped AlN buffer layer 3 4 μm thick Si-doped n-type GaN layer 4 6 atomic layer non-doped In 0.4 Ga 0.6 N single-semiconductor layer (light emitting layer) 5 50 nm thick layer Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N InGaN evaporation prevention layer 6 Mg-doped p-type GaN layer with a layer thickness of 0.5 μm 7 n-type electrode 8 p-type electrode 9 sapphire A-side substrate 10 GaN buffer layer with a layer thickness of 30 nm 11 Si-doped n-type GaN layer 12 having a layer thickness of 2 μm 12 Non-doped In 0.6 Ga 0.4 N quantum well layer 13 2 atomic layer non-doped In 0.4 Ga 0.6 N barrier layer 14 Period number 4 (well layer × 4, barrier Layer × 3) light-emitting layer 15 having a multiple quantum well structure 15 Mg-doped p-type GaN layer 16 having a layer thickness of 0.5 μm n-type electrode 17 p-type electrode 18 n-type SiC substrate 19 non-layer having a layer thickness of 40 nm Of Si-doped n-type GaN layer 21 thickness 50nm of the buffer layer 20 thickness 4μm of flop AlN Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N
Cladding layer 22 4 atomic layer Si-doped n-type In 0.65 Ga 0.35 N quantum well layer (single-semiconductor layer) 23 Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N with a layer thickness of 50 nm
Clad layer 24 Mg-doped p-type GaN layer 25 with a thickness of 0.5 μm n-type electrode 26 p-type electrode 28 n-type SiC substrate 29 GaN buffer layer with a thickness of 30 nm 30 Si-doped n-type GaN layer 31 with a thickness of 4 μm Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 with a thickness of 0.5 μm
N cladding layer 32 Si-doped GaN optical guide layer 33 having a thickness of 0.1 μm 7 7 atomic layer non-doped In 0.52 Ga 0.48 N quantum well layer 34 Non-doped In 0.15 (Ga 0.95 Al) having a thickness of 3 nm
0.05 ) 0.85 N barrier layer 35 Multi-quantum well structure light emitting layer 36 with period number 3 (quantum well layer × 3, barrier layer × 2) Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N with a layer thickness of 50 nm
InGaN evaporation prevention layer 37, Mg-doped GaN optical guide layer 38 having a layer thickness of 0.1 μm, and Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 having a layer thickness of 0.5 μm.
N-clad layer 39 0.5 μm Mg-doped p-type GaN layer 40 n-type electrode 41 p-type electrode 42 n-type GaN substrate 43 Si-doped n-type GaN layer 44 having a layer thickness of 2 μm Si-doped n-type Al having a layer thickness of 0.5 μm 0.1 Ga 0.9
N-clad layer 45 Si-doped GaN light guide layer 46 with a thickness of 50 nm 5 Atomic layer non-doped In 0.35 Ga 0.65 N light-emitting layer (single-quantum well layer) 47 Mg-doped GaN light guide layer with a thickness of 50 nm 48 Layer thickness 0 0.5 μm Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9
N-clad layer 48 Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N-clad layer 49 0.5-μm-thick Mg-doped p-type GaN layer 50 Silicon nitride film (Si 3 N 4 ) insulating film 51 n-type electrode 52 p-type electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 敏之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−36430(JP,A) 特開 平10−65271(JP,A) 特開 平10−32348(JP,A) 特開 平9−307188(JP,A) 特開 平9−162444(JP,A) 特開 平9−129922(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshiyuki Okumura 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (56) References JP-A-9-36430 (JP, A) JP-A-10- 65271 (JP, A) JP 10-32348 (JP, A) JP 9-307188 (JP, A) JP 9-162444 (JP, A) JP 9-129922 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50 JISST file (JOIS)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 III−V族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、前記 発光層多重量子井戸構造であり、前記多重量子井戸構造を構成する 単位量子井戸層が3
子層数乃至10原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるIII族元素のInの組成比が35%以上か
つ65%以下であり、 前記多重量子井戸構造を構成する障壁層がIn X Ga 1-X
N(0.35≦X≦0.65)である ことを特徴とする
半導体発光素子。
1. A semiconductor light emitting device having a III-V group nitride semiconductor as a light emitting layer, wherein the light emitting layer has a multiple quantum well structure, and the unit quantum well layer forming the multiple quantum well structure has three atomic layers. To 10 atomic layers , the unit quantum well layer
The composition ratio of In of the group III element contained in is 35% or more
Is 65% or less, and the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is In x Ga 1 -x
A semiconductor light emitting device, wherein N (0.35 ≦ X ≦ 0.65) .
【請求項2】 III−V族窒化物半導体を発光層とす
半導体発光素子において、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が3原
子層数乃至10原子層数の層厚であり、 単位量子井戸層
に含まれるIII族元素のInの組成比が35%以上
65%以下であり、 前記多重量子井戸構造を構成する障壁層がIn X Ga 1-X
N(X≦0.35) であることを特徴とする半導体発光
素子。
2. A III-V group nitride semiconductor is used as a light emitting layer.
In the semiconductor light emitting device according to the first aspect, the light emitting layer has a multiple quantum well structure, and the unit quantum well layer forming the multiple quantum well structure has three sources.
A unit quantum well layer having a layer thickness of 10 to 10 atomic layers
Or the composition ratio of In of the III group element is 35% or more contained in the
One is 65% or less, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is In X Ga 1-X
A semiconductor light emitting device characterized by N (X ≦ 0.35) .
【請求項3】 請求項1または請求項2記載の半導体発
光素子において、前記 発光層がInXGa1-XN(0.35≦X≦0.6
5)であることを特徴とする半導体発光素子。
3. A semiconductor light emitting device according to claim 1 or claim 2, wherein the light emitting layer is In X Ga 1-X N ( 0.35 ≦ X ≦ 0.6
5) A semiconductor light emitting device characterized in that
【請求項4】 請求項1または請求項2記載の半導体発
光素子において、前記 発光層がInX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦
1.0、0.35≦X≦0.65)であることを特徴と
する半導体発光素子。
4. The method of claim 1 or the semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the light emitting layer is In X (Al Y Ga 1- Y) 1-X N (0 <Y ≦
1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65).
【請求項5】 III−V族窒化物半導体を発光層とす
半導体発光素子において、前記発光層が単一半導体層構造、単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造であり、 前記単一半導体層構造を構成する単一半導体層または前
記単一量子井戸構造もしくは多重量子井戸構造を構成す
る単位量子井戸層が3原子層数乃至10原子層数の層厚
であり、単一半導体層または単位量子井戸層がIn
X (Al Y Ga 1-Y 1-X N(0<Y≦1.0、0.35≦
X≦0.65) であることを特徴とする半導体発光素
子。
5.A Group III-V nitride semiconductor is used as a light emitting layer.
RuIn the semiconductor light emitting device,The light emitting layer has a single semiconductor layer structure, a single quantum well structure or
Is a multiple quantum well structure, Or a single semiconductor layer forming the single semiconductor layer structure
Forming a single quantum well structure or a multiple quantum well structure
The unit quantum well layer has a thickness of 3 to 10 atomic layers.
And the single semiconductor layer or unit quantum well layer is In
X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦
X ≦ 0.65) A semiconductor light-emitting element characterized by
Child.
【請求項6】 請求項5記載の半導体発光素子におい
て、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がIn X Ga 1-X
N(0.35≦X≦0.65)であることを特徴とする
半導体発光素子。
6. A semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein said light emitting layer is a multiple quantum well structure, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is In X Ga 1-X
A semiconductor light emitting device characterized by N (0.35 ≦ X ≦ 0.65) .
【請求項7】 請求項5記載の半導体発光素子におい
て、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層に含まれるII
I族元素Inの組成比が35%以下であることを特徴
とする半導体発光素子。
In the semiconductor light emitting device of claim 7 according to claim 5, wherein the light emitting layer is a multiple quantum well structure includes the barrier layers constituting the multiple quantum well structure II
The semiconductor light emitting element composition ratio of In of the Group I element is equal to or less than 35%.
【請求項8】 請求項7記載の半導体発光素子におい
て、前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がInXGa1-X
N(X≦0.35)であることを特徴とする半導体発光
素子。
8. The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the barrier layer forming the multiple quantum well structure is In X Ga 1 -X.
A semiconductor light emitting device characterized by N (X ≦ 0.35).
【請求項9】 III−V族窒化物半導体を発光層とす
半導体発光素子において、前記発光層が多重量子井戸構造であり、 前記多重量子井戸構造を構成する単位量子井戸層が3原
子層数乃至10原子層数の層厚であり、単位量子井戸層
に含まれるIII族元素のInの組成比が35%以上か
つ65%以下であり、 前記 多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX(AlY
Ga1-Y1-XN(0<Y≦1.0、0.35≦X≦0.
65)である、または、前記多重量子井戸構造を構成す
る障壁層に含まれるIII族元素のInの組成比が35
%以下であることを特徴とする半導体発光素子(ただ
し、単位量子井戸層がIn 0.35 Ga 0.65 Nであるものを
除く)
9. A III-V nitride semiconductor is used as a light emitting layer.
In the semiconductor light emitting device according to the first aspect, the light emitting layer has a multiple quantum well structure, and the unit quantum well layer forming the multiple quantum well structure has three sources.
A unit quantum well layer having a layer thickness of 10 to 10 atomic layers
The composition ratio of In of the group III element contained in is 35% or more
One is 65% or less, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure In X (Al Y
Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.
65 ) or constitutes the multiple quantum well structure
The composition ratio of In of the group III element contained in the barrier layer is 35
% Or less semiconductor light-emitting device (only
And the unit quantum well layer is In 0.35 Ga 0.65 N
Excluding) .
【請求項10】 請求項9記載の半導体発光素子におい10. The semiconductor light emitting device according to claim 9.
て、hand, 前記発光層がInThe light emitting layer is In XX GaGa 1-X1-X N(0.35≦X≦0.6N (0.35 ≦ X ≦ 0.6
5)であることを特徴と5) is that する半導体発光素子。Semiconductor light emitting device.
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