JP3614070B2 - Nitride semiconductor light emitting diode - Google Patents
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Description
【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)、太陽電池、光センサーなどの発光素子、受光素子に使用される窒化物半導体素子(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)に関し、特に、発光ピーク波長が370nm以下の紫外領域に発光する窒化物半導体発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、紫外LEDが実用可能となっている。例えば、応用物理、第68巻、第2号(1999)、p152〜p155には、サファイア基板上に、GaNバッファ層、n型GaNコンタクト層(膜厚:4μm)、n型AlGaNクラッド層、アンドープInGaNの活性層(In組成はほとんどゼロ)、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層(膜厚:0.12μm)が積層されてなる窒化物半導体素子が記載されている。そして、この紫外LEDは、一定条件下で、発光ピークが371nmの場合には発光出力が5mWであるのに対して、発光波長をこれより短波長にしたときにはn型及びp型コンタクト層がGaNであるために自己吸収がおこり、発光出力が急激に低くなることが記載されている。更に、この発光出力の低下を防止し、発振波長の短波長化を可能とするためには、n型及びp型コンタクト層を、AlGaNとすることで自己吸収を防止できることが示唆されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単に、自己吸収を十分に防止できる程度にAl組成比の高いAlGaNでコンタクト層を成長させると、電極との良好なオーミック接触が得られ難くなる。この原因は、恐らく、AlGaNが物性的にドーパントの不活性化を引き起こしたり、フェルミ準位の変動で電極となる金属との仕事関数の差に変動が生じたりするために、電極との良好なオーミック接触が得られ難くなるのではないかと考えられる。このようなオーミック接触の低下は、p型コンタクト層で大きい。
また、上記のように、Al組成を含ませることでドーパントの不活性化が生じオーミック接触が得られ難くなる点を改善するために、コンタクト層に不純物を多くドープすると、不純物の量にほぼ比例して不純物準位が形成されるために、返って自己吸収が大きくなり、結晶性の低下などで発光出力が低下する場合がある。
【0004】
またさらに、コンタクト層をGaNとして膜厚を薄くすることで、相対的に自己吸収を低下させることも考えられるが、例えばp型コンタクト層の膜厚を薄くすると、素子特性が十分でなくなり、さらに、n型コンタクト層の膜厚を薄くすると、n型コンタクト層を露出させる際に操作が煩雑となると共に露出させることが困難となる。
【0005】
このように、従来技術における発光ピーク波長が370nm以下の発光ダイオードでは、コンタクト層で自己吸収が生じて発光出力が低下してしまうが、GaNによる自己吸収を防止するために、単にコンタクト層をAlGaNとして成長させるとオーミック接触の低下が生じ、さらにオーミック接触を得るために不純物のドープ量を増加させると不純物準位の形成や結晶欠陥の増加によって自己吸収が生じてしまう。従って、自己吸収の防止と共にオーミック接触を良好にすることが望まれる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、良好なオーミック接触が得られると共に、自己吸収を抑制して発光出力の向上が可能な発光ピーク波長が370nm以下の窒化物半導体発光ダイオードを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記(1)〜(6)の構成により本発明の目的を達成することができる。
(1) 基板上に、少なくともn型窒化物半導体層、活性層、及びp型窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、発光ピーク波長が370nm以下の窒化物半導体層からなり、
前記p型窒化物半導体層として、p電極と接するp型コンタクト層が、p電極と接する側に、p型不純物を高濃度で含有するAlaGa1−aN(0≦a<0.05)を含んでなる第1のp型コンタクト層と、前記第1のp型コンタクト層の活性層側に第1のp型コンタクト層と接して、p型不純物を第1のp型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにAl組成比が第1のp型コンタクト層より高いAlbGa1−bN(0<b<0.1)を含んでなる第2のp型コンタクト層とから形成されてなり、
さらに、前記n型窒化物半導体層として、n電極と接するn型コンタクト層が、AldGa1−dN(0<d<0.1)を含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
(2) 前記p電極と接する第1のp型コンタクト層が、p型不純物を1×1019〜1×1022/cm3含有してなることを特徴とする前記(1)に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
(3) 前記第2のp型コンタクト層が、p型不純物を1×1020/cm3以下含有してなることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
(4) 前記p型コンタクト層における第1のp型コンタクト層の膜厚が、100〜500オングストロームであり、さらに第2のp型コンタクト層の膜厚が、400〜2000オングストロームであることを特徴とする前記(1)に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
(5) 前記n型コンタクト層が、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3含有してなることを特徴とする前記(4)に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
(6) 前記活性層とn型コンタクト層との間に、AleGa1−eN(0<e<0.3)を含んでなる第1の窒化物半導体層を有し、更に、前記活性層とp型コンタクト層との間に、AlfGa1−fN(0<f<0.4)を含んでなる第2の窒化物半導体層を有することを特徴とする前記(1)に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【0008】
つまり、本発明は、n型コンタクト層を特定のAl組成比からなるAlGaNとし、さらに、p型コンタクト層を、p型不純物濃度が高くAl組成比の小さい第1のp型コンタクト層と、p型不純物濃度が低くAl組成比の高い第2のp型コンタクト層とから形成し、p型不純物濃度の高い第1のコンタクト層をp電極と接する側に形成してなることにより、良好なオーミック接触が得られると共に自己吸収を抑制でき、発光出力の良好な発光ピーク波長が370nm以下の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
ここで、本発明においては、p型コンタクト層におけるp型不純物濃度の高い又は低い、及びAl組成比の高い又は低いとは、p型コンタクト層を構成する第1のp型コンタクト層と第2のp型コンタクト層での相対的な関係を示す。
【0009】
本発明者は、前記したように単に自己吸収の防止のためにAl組成を含ませると、不純物の不活性化等によってオーミック接触の低下を引き起こすと言った点に付いて種々検討した結果、n型コンタクト層を特定のAl組成比のAlGaNとし、さらにp型コンタクト層をオーミック接触を得るための層と素子特性を維持するため膜厚を確保ずるための層との2層構造とすることを考えた。
そして、本発明者は、上記のようにp型不純濃度が高くAl組成比の低いp電極と接する第1のp型コンタクト層と、不純物濃度の低いAl組成比の高い第2のp型コンタクト層とでp型コンタクト層を形成し、さらに特定のAl組成比からなるn型コンタクト層と組み合わせることで、オーミック接触が良好で、且つ自己吸収の防止が可能となり、発光出力の良好な窒化物半導体発光ダイオードを得ることを達成した。
【0010】
さらに、本発明において、第1のp型コンタクト層が、p型不純物を1×1019〜1×1022/cm3、好ましくは5×1020〜5×1021/cm3含有してなると、良好なオーミック接触を得る点で好ましい。
またさらに、本発明において、第2のp型コンタクト層が、p型不純物を1×1020/cm3以下、好ましくは5×1018〜5×1019/cm3含有してなると、素子特性を維持するためにp型コンタクト層の膜厚を厚くしても、自己吸収を防止できる点で好ましい。
【0011】
またさらに本発明において、p型コンタクト層における第1のp型コンタクト層の膜厚が、100〜500オングストローム、好ましくは150〜300オングストロームであると、p型不純物濃度を高くしても膜厚を薄く設定してあると不純物準位による自己吸収が相対的に小さくできると共に、p電極とのオーミック接触を良好とすることができ、さらに第2のp型コンタクト層の膜厚が、400〜2000オングストローム、好ましくは800〜1200オングストロームであると、自己吸収を防止できると共に、素子特性を維持するのに好ましい。
【0012】
更に、本発明は、Alを含んでなるn型コンタクト層が、n型不純物濃度が、1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3、あると、自己吸収の防止と共に、オーミック接触を維持し、発光出力を向上させる点で好ましい。
このように、n型コンタクト層のAl組成比と、n型不純物濃度とを特定して組み合わせると、p型コンタクト層の場合と同様に、オーミック接触及びクラック防止、発光出力の向上の点で好ましい。
【0013】
更に、本発明は、前記活性層とn型コンタクト層との間に、AleGa1−eN(0<e<0.3)を含んでなる第1の窒化物半導体層を有し、更に、前記活性層とp型コンタクト層との間に、AlfGa1−fN(0<f<0.4)を含んでなる第2の窒化物半導体層を有すると、活性層へのキャリアの閉じ込めを良好にでき、発光出力向上の点で好ましい。
更に、第1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導体層のそれぞれのAl組成比を上記範囲とし、前記のコンタクト層のAl組成比及び不純物濃度とを組み合わせると、クラック発生の防止、オーミック接触を良好にでき、発光出力の向上の点で好ましい。
前記第1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導体層は、クラッド層としての機能を有するので、本発明においては、以下、第1の窒化物半導体層をn型クラッド層、第2の窒化物半導体層をp型クラッド層とする。しかし、これに限定されるものではない。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、図1を用いて本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の模式的断面図である。
図1には、基板1上に、バッファ層2、AldGa1−dN(0<d<0.1)を含んでなるn型コンタクト層3、AleGa1−eN(0<e<0.3)を含んでなるn型クラッド層4、IngGa1−gN(0≦g<0.1)の活性層5、AlfGa1−fN(0<f<0.4)を含んでなるp型クラッド層6、AlbGa1−bN(0<b<0.1)を含んでなる第2のp型コンタクト層7bと、AlaGa1−aN(0≦a<0.05)を含んでなる第1のp型コンタクト層7aとからなるp型コンタクト層7を積層成長させてなり、発光ピーク波長が370nm以下の窒化物半導体素子が記載されている。そして、n型コンタクト層3にはn電極が、p型コンタクト層7の第1のp型コンタクト層7aに接してp電極がそれぞれ形成されている。
まず、本発明のn型コンタクト層3及びp型コンタクト層7について記載する。
【0015】
[n型コンタクト層3]
本発明において、n型コンタクト層3としては、少なくともAldGa1−dN(0<d<0.1、好ましくは0.01<d<0.05)を含んでなる窒化物半導体層である。Al組成比が上記範囲であると、自己吸収の防止と共に、結晶性とオーミック接触の点で好ましい。
更に前記n型コンタクト層3は、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有していると、オーミック接触の維持、クラック発生の防止、結晶性の維持の点で好ましい。このようにn型コンタクト層を構成するAl組成比とn型不純物濃度を組み合わせると、自己吸収を防止できると共に、オーミック接触やクラック防止の点で好ましい。
n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、Ge等が挙げられ、好ましくはSiである。
n型コンタクト層3の膜厚は、特に限定されないが、0.1〜20μmが好ましく、より好ましくは1〜10μmである。膜厚がこの範囲であると、界面付近(例えばn型クラッド層との界面付近)の結晶性(下地として)と抵抗率の低下の点で好ましい。
【0016】
[p型コンタクト層7]
本発明において、p型コンタクト層7としては、少なくともp電極と接するp型不純物濃度が高くAl組成比の低い第1のp型コンタクト層7aと、p型不純物濃度が低くAl組成比の高い第2のp型コンタクト層7bとから形成されている。
このように、p型不純物濃度とAl組成比が異なる2種類の層でp型コンタクト層7を形成することにより、第1のp型コンタクト層7aで良好なオーミック接触を得ることができ、さらに素子特性を維持できる程度の膜厚にp型コンタクト層を調整する場合、第2のp型コンタクト層7bの膜厚を厚くした場合でも、Al組成比が高いので自己吸収を防止することができる。つまり、p型コンタクト層7では、オーミック接触を得るための第1のp型コンタクト層7aと、自己吸収を防止しながら素子特性の維持できる程度に膜厚を確保するための第2のp型コンタクト層7bとの2層からなる。
以下に第1のp型コンタクト層7a及び第2のp型コンタクト層7bについて説明する。
第1のp型コンタクト層7aは、第2のp型コンタクト層7bに比べて不純物濃度が高く、Al組成比が低く設定されている。
【0017】
このような第1のp型コンタクト層7aとしては、AlaGa1−aN(0≦a<0.05、好ましくは0<a<0.01)を含んでなる窒化物半導体層を挙げることができる。Al組成比が上記範囲であるとp型不純物濃度を高濃度にドープしても、不純物の不活性化を防止でき、p電極との良好なオーミック接触を得ることができ好ましい。また、第1のp型コンタクト層7aが上記の範囲内でAl組成を含んでなると自己吸収の防止の点で好ましく、さらに結晶性の点でも好ましい。また、第1のp型コンタクト層7aのAl組成比は、上記範囲内で、第2のp型コンタクト層7bのAl組成比より低くなるように調整される。
【0018】
第1のp型コンタクト層7aのp型不純物濃度としては、特に限定されないが、p電極とのオーミック接触が良好に得られる程度が好ましく、例えば具体的には、1×1019〜1×1022/cm3、好ましくは5×1020〜5×1021/cm3である。p型不純物濃度が上記範囲であると、オーミック接触を良好に得ることができ好ましい。第1のp型コンタクト層7aのp型不純物濃度は、上記範囲内で第2のp型コンタクト層7bの不純物濃度より高くなるように調整される。
また、第1のp型コンタクト層7aの膜厚としては、特に限定されないが、p電極とのオーミック接触が良好となる程度の膜厚であればよく、例えば具体的には、100〜500オングストローム、好ましくは150〜300オングストロームである。このような膜厚であると、Al組成比を低くしても膜厚が比較的薄いので自己吸収を防止でき、さらに、p型不純物を高濃度に含有して良好なオーミック接触を得る点で好ましい。
【0019】
次に、第2のp型コンタクト層7bとしては、AlbGa1−bN(0<b<0.1、好ましくは0.01<b<0.05)を含んでなる窒化物半導体層である。Al組成比が上記範囲であると、n型コンタクト層の場合と同様に自己吸収の防止の点で好ましく、さらに、結晶性とオーミック接触の点でも好ましい。
また、第2のp型コンタクト層7bのAl組成比は、上記範囲内で第1のp型コンタクト層7aより高くなるように調整される。
第2のp型コンタクト層7bのp型不純物濃度は、第2のp型コンタクト層7bがp型を示す程度に含有されていることが望ましく、例えば具体的には、1×1020/cm3以下、好ましくは5×1018〜5×1019/cm3である。p型不純物濃度が上記範囲であると、不純物準位の形成による自己吸収の防止の点で好ましい。第2のp型コンタクト層7bのp型不純物濃度は、上記範囲内で第1のp型コンタクト層7aより低濃度に調整される。
【0020】
第2のp型コンタクト層7bの膜厚としては、特に限定されないが、第2のp型コンタクト層7bが400〜1200オングストローム、好ましくは800〜1200オングストロームである。第2のp型コンタクト層7bの膜厚が上記範囲であると、自己吸収を防止しながら素子特性を維持できる程度の膜厚に調整できる点で好ましい。
p型コンタクト層7に含有されるp型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。
【0021】
また、ここで、p型コンタクト層7を構成する第1のp型コンタクト層7aと第2のp型コンタクト層7bは、上記に示したように、不純物濃度やAl組成比が重複する部分があるが、それぞれ記載された範囲で第1のp型コンタクト層7aが、第2のp型コンタクト層7bに対して、不純物濃度が高くてAl組成比が低くなるように調整されることで良好な効果を得ることができる。
仮に、p型コンタクト層7を、Al組成比の低い層のみ、あるいは不純物濃度の高い層のみなどで形成すると、オーミック接触は良好であっても、自己吸収の防止は十分満足できない等、良好なオーミック接触と共に自己吸収の防止の両者を得られ難くなる。
また、p型コンタクト層7は、p型不純物濃度が高くAl組成比の小さい第1のp型コンタクト層7aにより良好なオーミック接触が得られ、p型不純物濃度が低くAl組成比が大きい第2のp型コンタクト層7bにより自己吸収を防止すると共に素子特性の維持ができる、といったようにオーミック接触と自己吸収の防止をそれぞれの層によって得るように構成している。そして第1のp型コンタクト層7aと第2のp型コンタクト層7bとの層が相乗的に作用して、良好なオーミック接触と自己吸収の防止によって、発光出力の良好な素子を得ることができる。
また、現状の窒化物半導体では、n型よりもp型形成が困難であり、また素子構造的にp側面発光により特にp側の良好なオーミック接触とp側の自己吸収の防止が大事である。
【0022】
またさらに、上記のようにn型コンタクト層3のAl組成比を特定すること、好ましくはAl組成比に加えて不純物濃度を特定すること、加えて、p型コンタクト層7をp型不純物濃度の高いAl組成比の低い第1のp型コンタクト層7aとp型不純物濃度が低くAl組成比の高い第2のp型コンタクト層7bとで形成すること、を組み合わせると、オーミック接触の低下を引き起こすことなく自己吸収をより良好に防止でき、発光出力の向上の点でより好ましい。
【0023】
更に、以下に素子を構成するその他の各層について説明する。
[基板1]
本発明において、基板1としては、サファイアC面、R面又はA面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
【0024】
[バッファ層2]
本発明において、バッファ層2としては、GahAl1−hN(但しhは0<h≦1の範囲である。)からなる窒化物半導体であり、好ましくはAlの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましくはGaNからなるバッファ層2が挙げられる。
バッファ層2の膜厚は、0.002〜0.5μm、好ましくは0.005〜0.2μm、更に好ましくは0.01〜0.02μmの範囲に調整する。バッファ層2の膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層2上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。
バッファ層2の成長温度は、200〜900℃であり、好ましくは400〜800℃の範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層2上に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好ましい。
また、このような低温で成長させるバッファ層2は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよい。
【0025】
[n型コンタクト層3]
上記のn型不純物含有のAlGaNを含んでなる窒化物半導体である。
【0026】
[n型クラッド層4]
本発明において、n型クラッド層4としては、活性層5のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層5へのキャリアの閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、好ましい組成としては、AleGa1−eN(0<e<0.3、好ましくは0.1<e<0.2)のものが挙げられる。n型クラッド層が、このようなAlGaNからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
n型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.01〜0.1μmであり、より好ましくは0.03〜0.06μmである。
n型クラッド層のn型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは1×1017〜1×1020/cm3であり、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3である。不純物濃度がこの範囲であると、抵抗率及び結晶性の点で好ましい。
【0027】
n型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層(超格子構造を含む)とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のAleGa1−eNと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、InkGa1−kN(0≦k<1)、AljGa1−jN(0≦j<1、e>j)が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、より好ましくは10〜40オングストロームと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。
また、n型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にn型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。
【0028】
[活性層5]
本発明において、活性層5としては、発光ピーク波長が370nm以下となるような組成の窒化物半導体が挙げられる。好ましくはIngGa1−gN(0≦g<0.1)の窒化物半導体が挙げられる。活性層のIn組成比は、発光ピーク波長が短波長となるに従いIn組成比を小さくしていくが、In組成比はほとんどゼロに近くなる。
活性層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚が挙げられ、例えば好ましくは0.001〜0.01μmであり、より好ましくは0.003〜0.007μmである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。
また、活性層は、上記のような単一量子井戸構造の他に、上記IngGa1−gNを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成からなる障壁層とからなる多重量子井戸構造としてもよい。
また、活性層には、不純物をドープしてもよい。
【0029】
また、活性層のIn組成比の調整としては、、発光ピーク波長が370nm以下となるIn組成比であれば特に限定されず、具体的な値としては、例えば下記の理論値の計算式から求められる値を近似的な値として挙げることができる。しかし、実際に発光させて得られる波長は、量子井戸構造をとる量子準位が形成されるため、波長のエネルギー(Eλ)がInGaNのバンドギャップエネルギー(Eg)よりも大きくなり、計算式などから求められる発光波長より、短波長側へシフトする傾向がある。
【0030】
[理論値の計算式]
Eg=(1−χ)3.40+1.95χ−Bχ(1−χ)
波長(nm)=1240/Eg
Eg:InGaN井戸層のバンドギャップエネルギー
χ:Inの組成比
3.40(eV):GaNのバンドギャップエネルギー
1.95(eV):InNのバンドギャップエネルギー
B:ボーイングパラメーターを示し、1〜6eVとする。このようにボーイングパラメータが変動するのは、最近の研究では、SIMS分析などから、従来は結晶に歪みがないと仮定して1eVとされていたが、In組成比の割合や膜厚が薄い場合等により歪みの生じる程度が異なり、1eV以上となることが明らかとなってきているためである。
【0031】
上記のように井戸層のSIMS分析などから求められる具体的なIn組成比から考えられる発振波長と、実際に発振させたときの発振波長とには、やや相違があるものの、実際の発振波長が所望する波長となるように調整される。
【0032】
[p型クラッド層6]
本発明において、p型クラッド層6としては、活性層5のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層5へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlfGa1−fN(0<f<0.4、好ましくは0.15<f<0.3)のものが挙げられる。p型クラッド層が、このようなAlGaNからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
p型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.01〜0.15μmであり、より好ましくは0.04〜0.08μmである。
p型クラッド層のp型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは1×1018〜1×1021/cm3であり、より好ましくは1×1019〜5×1020/cm3である。p型不純物濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させる点で好ましい。
【0033】
p型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層(超格子構造を含む)とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のAlfGa1−fNと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、n型クラッド層の場合と同様に、InkGa1−kN(0≦k<1)、AljGa1−jN(0≦j<1、f>j)が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、より好ましくは10〜40オングストロームと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。
また、p型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にp型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。
【0034】
[p型コンタクト層7]
上記のp型不純物含有のAlGaNを含んでなる窒化物半導体である。
【0035】
また、本発明において、p電極及びn電極は、種々のものを用いることができ、公知の電極材料等から適宜選択して用いる。電極としての具体例は、後述の実施例に記載されているものが挙げられる。
また、本発明は、素子構造の一実施の形態として図1を挙げて説明したが、発光ピーク波長が370nm以下で、上記のような本発明の特定のn型コンタクト層及びp型コンタクト層であれば本発明の効果を得ることができ、図1以外に、静電耐圧、順方向電圧、寿命特性等の素子特性の向上のために、その他の層を形成してもよい。
【0036】
また、本発明の素子は、p側層をp型化して低抵抗とするために、アニーリング処理を行っている。アニーリング処理としては、特許第2540791号に記載されているように、気相成長法により、p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた後、実質的に水素を含まない雰囲気中、400℃以上の温度で熱処理を行い、p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体から水素を出すことによりp型にする方法が挙げられる。
【0037】
【実施例】
以下に、本発明の一実施の形態である実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。しかし、本発明はこれに限定されない。
【0038】
[実施例1]
実施例1は、図1の窒化物半導体素子を作製する。
(基板1)
サファイア(C面)よりなる基板1を、反応容器内において水素雰囲気中、1050℃で表面のクリーニングを行う。
【0039】
(バッファ層2)
続いて、水素雰囲気中、510℃で、アンモニアとTMG(トリメチルガリウム)を用い、基板1上にGaNよりなるバッファ層2を約200オングストロームの膜厚で成長させる。
【0040】
(n型コンタクト層3)
次に1050℃でTMG、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア、シラン(SiH4)を用い、Siを5×1018/cm3ドープしたn型Al0.04Ga0.96Nよりなるn型コンタクト層3を4μmの膜厚で成長させる。
【0041】
(n型クラッド層4)
次に1050℃でTMG、TMA、アンモニア、シランを用い、Siを5×1017/cm3ドープしたn型Al0.18Ga0.82Nよりなるn型クラッド層4を400オングストロームの膜厚で形成する。
【0042】
(活性層5)
次に窒素雰囲気中、700℃でTMI、TMG、アンモニアを用い、アンドープInGaNよりなる活性層を55オングストロームの膜厚で成長させる。In組成比は、測定不可能な程度に微量(ほとんどゼロ)である。
【0043】
(p型クラッド層6)
次に水素雰囲気中、1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.2Ga0.8Nよりなるp型クラッド層6を600オングストロームの膜厚で成長させる。
【0044】
(p型コンタクト層7)
続いて、p型クラッド層6上に、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mgを用いて、Mgを1×1019/cm3ドープしたAl0.04Ga0.96Nよりなる第2のp型コンタクト層7bを0.1μmの膜厚で成長させ、その後、ガスの流量を調整してMgを2×1021/cm3ドープしたAl0.01Ga0.99Nよりなる第2のp型コンタクト層7bを0.02μmの膜厚で成長させる。
【0045】
成長終了後、窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層7の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp型コンタクト層側からエッチングを行い、図1に示すようにn型コンタクト層3の表面を露出させる。
【0046】
エッチング後、最上層にあるp型コンタクト層7の第1のp型コンタクト層7aのほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極8と、そのp電極8の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極10を0.2μmの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させたn型コンタクト層3の表面にはWとAlを含むn電極9を形成する。最後にp電極8の表面を保護するためにSiO2よりなる絶縁膜を形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して350μm角のLED素子とする。
【0047】
このLED素子は順方向電圧20mAにおいて、発光ピーク波長が370nmを示し、Vfは3.8V、出力は2.0mWである。
実施例1のLEDの光取り出し効率は、従来のn型及びp型コンタクト層がAlを含んでいないものに対してほぼ2.5倍となる。
以上のように、上記素子構造により、オーミック接触が良好となるので従来と同等のVfを維持でき、さらに自己吸収を防止できることで発光出力を向上させることができる。
【0048】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、n型コンタクト層及びp型コンタクト層をAl組成比や不純物濃度、さらにp型コンタクト層を2層から構成することにより、オーミック接触を悪化させることなく良好に自己吸収を防止して光取り出し効率を向上させ、370nm以下の発光出力の良好な窒化物半導体素子を提供することができる。
更に本発明は、n型及びp型コンタクト層のMg濃度や、特定のクラッド層との組み合わせにより、良好なオーミック接触と自己吸収の防止に加えて、クラックなどの防止が良好となり、より良好な発光出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の一実施の形態であるLEDの模式的断面図である。
【符号の説明】
1・・・基板
2・・・バッファ層
3・・・n型コンタクト層
4・・・n型クラッド層
5・・・活性層
6・・・p型クラッド層
7・・・p型コンタクト層
7b・・・第2のp型コンタクト層
7a・・・第1のp型コンタクト層
8・・・p電極
9・・・n電極
10・・・パッド電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a solar cell, a light emitting element such as a photosensor, and a nitride semiconductor element (In X Al Y Ga 1-XY N, 0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1), and in particular, relates to a nitride semiconductor light emitting diode that emits light in the ultraviolet region having an emission peak wavelength of 370 nm or less.
[0002]
[Prior art]
In recent years, ultraviolet LEDs have become practical. For example, in Applied Physics, Vol. 68, No. 2 (1999), p152 to p155, a GaN buffer layer, an n-type GaN contact layer (film thickness: 4 μm), an n-type AlGaN cladding layer, undoped on a sapphire substrate A nitride semiconductor device in which an InGaN active layer (In composition is almost zero), a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer (film thickness: 0.12 μm) is described. This UV LED has a light emission output of 5 mW when the emission peak is 371 nm under certain conditions, whereas the n-type and p-type contact layers are GaN when the emission wavelength is shorter than this. Therefore, it is described that self-absorption occurs and the light emission output decreases rapidly. Further, it has been suggested that the self-absorption can be prevented by using AlGaN for the n-type and p-type contact layers in order to prevent the light emission output from decreasing and to reduce the oscillation wavelength.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the contact layer is grown with AlGaN having a high Al composition ratio to such an extent that self-absorption can be sufficiently prevented, it is difficult to obtain good ohmic contact with the electrode. This is probably due to the fact that AlGaN causes physical inactivation of dopants and the difference in work function with the metal serving as the electrode due to variations in the Fermi level. It may be difficult to obtain ohmic contact. Such a decrease in ohmic contact is large in the p-type contact layer.
In addition, as described above, doping the contact layer with a large amount of impurities is almost proportional to the amount of impurities in order to improve the point that the inclusion of Al composition causes dopant inactivation and makes it difficult to obtain ohmic contact. Since impurity levels are formed, self-absorption increases, and the light emission output may decrease due to a decrease in crystallinity.
[0004]
Furthermore, it is conceivable that the self-absorption is relatively lowered by reducing the film thickness by using GaN as the contact layer. However, if the film thickness of the p-type contact layer is reduced, for example, the device characteristics become insufficient. If the film thickness of the n-type contact layer is reduced, the operation becomes complicated and the exposure becomes difficult when the n-type contact layer is exposed.
[0005]
As described above, in the light emitting diode having a light emission peak wavelength of 370 nm or less in the prior art, self-absorption occurs in the contact layer and the light emission output decreases. However, in order to prevent self-absorption by GaN, the contact layer is simply formed as AlGaN. As a result of the growth, the ohmic contact is lowered, and when the impurity doping amount is increased in order to obtain the ohmic contact, self-absorption occurs due to the formation of impurity levels and the increase of crystal defects. Therefore, it is desirable to improve the ohmic contact while preventing self-absorption.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting diode having an emission peak wavelength of 370 nm or less that can obtain good ohmic contact and suppress self-absorption and improve emission output.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention can achieve the object of the present invention by the following configurations (1) to (6).
(1) In a nitride semiconductor device having at least an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer on a substrate,
The active layer is composed of a nitride semiconductor layer having an emission peak wavelength of 370 nm or less,
As the p-type nitride semiconductor layer, the p-type contact layer in contact with the p-electrode has Al on the side in contact with the p-electrode at a high concentration of p-type impurities. a Ga 1-a A first p-type contact layer containing N (0 ≦ a <0.05) and a p-type impurity in contact with the first p-type contact layer on the active layer side of the first p-type contact layer At a lower concentration than the first p-type contact layer, and the Al composition ratio is higher than that of the first p-type contact layer. b Ga 1-b And a second p-type contact layer containing N (0 <b <0.1),
Furthermore, as the n-type nitride semiconductor layer, an n-type contact layer in contact with the n-electrode is made of Al. d Ga 1-d A nitride semiconductor light-emitting diode comprising N (0 <d <0.1).
(2) The first p-type contact layer in contact with the p-electrode has a p-type impurity concentration of 1 × 10 19 ~ 1x10 22 / Cm 3 The nitride semiconductor light-emitting diode according to (1), which is contained.
(3) The second p-type contact layer contains 1 × 10 p-type impurities. 20 / Cm 3 The nitride semiconductor light-emitting diode according to (1) or (2), which is contained below.
(4) The thickness of the first p-type contact layer in the p-type contact layer is 100 to 500 angstroms, and the thickness of the second p-type contact layer is 400 to 2000 angstroms. The nitride semiconductor light emitting diode according to (1).
(5) The n-type contact layer contains 1 × 10 n-type impurities. 17 ~ 1x10 19 / Cm 3 The nitride semiconductor light-emitting diode according to (4), which is contained.
(6) Between the active layer and the n-type contact layer, Al e Ga 1-e A first nitride semiconductor layer containing N (0 <e <0.3), and an Al layer between the active layer and the p-type contact layer. f Ga 1-f The nitride semiconductor light-emitting diode according to (1), further including a second nitride semiconductor layer containing N (0 <f <0.4).
[0008]
That is, according to the present invention, the n-type contact layer is made of AlGaN having a specific Al composition ratio, and the p-type contact layer is formed of a first p-type contact layer having a high p-type impurity concentration and a small Al composition ratio, and p By forming the first p-type contact layer having a low p-type impurity concentration and a high Al composition ratio, and forming the first contact layer having a high p-type impurity concentration on the side in contact with the p-electrode, a good ohmic resistance can be obtained. Contact can be obtained, self-absorption can be suppressed, and a nitride semiconductor light-emitting diode having an emission peak wavelength with a favorable emission output of 370 nm or less can be obtained.
Here, in the present invention, the high or low p-type impurity concentration in the p-type contact layer and the high or low Al composition ratio mean that the first p-type contact layer and the second p-type contact layer constitute the p-type contact layer. The relative relationship in the p-type contact layer is shown.
[0009]
As described above, the present inventor conducted various studies on the point that when the Al composition is simply included to prevent self-absorption as described above, the ohmic contact is reduced due to the inactivation of impurities and the like. The type contact layer is made of AlGaN having a specific Al composition ratio, and the p-type contact layer has a two-layer structure of a layer for obtaining ohmic contact and a layer for securing a film thickness to maintain device characteristics. Thought.
Then, the present inventor has the first p-type contact layer in contact with the p-electrode having a high p-type impurity concentration and a low Al composition ratio as described above, and the second p-type contact having a low Al composition ratio and a low Al composition ratio. By forming a p-type contact layer with an n-type contact layer and combining it with an n-type contact layer having a specific Al composition ratio, nitrides with good ohmic contact and self-absorption can be prevented Achieved to obtain a semiconductor light emitting diode.
[0010]
Further, in the present invention, the first p-type contact layer contains p-type impurities at 1 × 10 5. 19 ~ 1x10 22 / Cm 3 , Preferably 5 × 10 20 ~ 5x10 21 / Cm 3 When it contains, it is preferable at the point which obtains a favorable ohmic contact.
Furthermore, in the present invention, the second p-type contact layer contains 1 × 10 p-type impurities. 20 / Cm 3 Or less, preferably 5 × 10 18 ~ 5x10 19 / Cm 3 When it is contained, it is preferable in that self-absorption can be prevented even if the thickness of the p-type contact layer is increased in order to maintain device characteristics.
[0011]
Furthermore, in the present invention, when the thickness of the first p-type contact layer in the p-type contact layer is 100 to 500 angstroms, preferably 150 to 300 angstroms, the film thickness can be increased even if the p-type impurity concentration is increased. If it is set thin, self-absorption due to impurity levels can be made relatively small, ohmic contact with the p-electrode can be made good, and the thickness of the second p-type contact layer is 400 to 2000. When the thickness is angstrom, preferably 800 to 1200 angstrom, self-absorption can be prevented and device characteristics can be maintained.
[0012]
Further, according to the present invention, the n-type contact layer containing Al has an n-type impurity concentration of 1 × 10 5. 17 ~ 1x10 19 / Cm 3 , Preferably 1 × 10 18 ~ 1x10 19 / Cm 3 If present, it is preferable in that self-absorption is prevented, ohmic contact is maintained, and light emission output is improved.
As described above, when the Al composition ratio of the n-type contact layer and the n-type impurity concentration are specified and combined, it is preferable in terms of preventing ohmic contact and cracking and improving the light emission output as in the case of the p-type contact layer. .
[0013]
Furthermore, the present invention provides an Al layer between the active layer and the n-type contact layer. e Ga 1-e A first nitride semiconductor layer containing N (0 <e <0.3), and an Al layer between the active layer and the p-type contact layer. f Ga 1-f When the second nitride semiconductor layer containing N (0 <f <0.4) is included, it is preferable from the viewpoint of improving the light emission output because the confinement of carriers in the active layer can be improved.
Further, when the Al composition ratio of each of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is within the above range, and the Al composition ratio and impurity concentration of the contact layer are combined, the prevention of crack generation and ohmic resistance can be achieved. The contact can be made favorable, and this is preferable in terms of improvement in light emission output.
Since the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have a function as a cladding layer, in the present invention, hereinafter, the first nitride semiconductor layer is referred to as an n-type cladding layer, and the second The nitride semiconductor layer is a p-type cladding layer. However, it is not limited to this.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a
First, the n-
[0015]
[N-type contact layer 3]
In the present invention, the n-
Furthermore, the n-
Although it does not specifically limit as an n-type impurity, For example, Si, Ge etc. are mentioned, Preferably it is Si.
Although the film thickness of the n-
[0016]
[P-type contact layer 7]
In the present invention, the p-type contact layer 7 includes a first p-
Thus, by forming the p-type contact layer 7 with two types of layers having different p-type impurity concentrations and Al composition ratios, a good ohmic contact can be obtained with the first p-
Hereinafter, the first p-
The first p-
[0017]
As such a first p-
[0018]
The p-type impurity concentration of the first p-
Further, the film thickness of the first p-
[0019]
Next, as the second p-type contact layer 7b, Al b Ga 1-b It is a nitride semiconductor layer containing N (0 <b <0.1, preferably 0.01 <b <0.05). When the Al composition ratio is in the above range, it is preferable from the viewpoint of preventing self-absorption as in the case of the n-type contact layer, and more preferable from the viewpoint of crystallinity and ohmic contact.
The Al composition ratio of the second p-type contact layer 7b is adjusted to be higher than that of the first p-
The p-type impurity concentration of the second p-type contact layer 7b is desirably contained to such an extent that the second p-type contact layer 7b exhibits p-type. For example, specifically, 1 × 10 20 / Cm 3 Or less, preferably 5 × 10 18 ~ 5x10 19 / Cm 3 It is. A p-type impurity concentration in the above range is preferable in terms of preventing self-absorption due to formation of impurity levels. The p-type impurity concentration of the second p-type contact layer 7b is adjusted to be lower than that of the first p-
[0020]
The thickness of the second p-type contact layer 7b is not particularly limited, but the second p-type contact layer 7b is 400 to 1200 angstrom, preferably 800 to 1200 angstrom. It is preferable that the film thickness of the second p-type contact layer 7b be in the above range in that the film thickness can be adjusted to maintain the element characteristics while preventing self-absorption.
Although it does not specifically limit as a p-type impurity contained in the p-type contact layer 7, For example, Preferably Mg is mentioned.
[0021]
Here, as described above, the first p-
If the p-type contact layer 7 is formed of only a layer having a low Al composition ratio or only a layer having a high impurity concentration, the ohmic contact is good, but the prevention of self-absorption is not satisfactory enough. It becomes difficult to obtain both the ohmic contact and the prevention of self-absorption.
Further, the p-type contact layer 7 can obtain a good ohmic contact with the first p-
Further, in the current nitride semiconductor, it is more difficult to form p-type than n-type, and it is important to prevent good ohmic contact on the p-side and self-absorption on the p-side by p-side emission in terms of device structure. .
[0022]
Furthermore, the Al composition ratio of the n-
[0023]
Further, other layers constituting the element will be described below.
[Substrate 1]
In the present invention, as the
[0024]
[Buffer layer 2]
In the present invention, the
The film thickness of the
The growth temperature of the
The
[0025]
[N-type contact layer 3]
A nitride semiconductor comprising AlGaN containing the n-type impurity.
[0026]
[N-type cladding layer 4]
In the present invention, the n-type cladding layer 4 has a composition larger than the band gap energy of the active layer 5 and is not particularly limited as long as carriers can be confined in the active layer 5. e Ga 1-e N (0 <e <0.3, preferably 0.1 <e <0.2). When the n-type cladding layer is made of such AlGaN, it is preferable in terms of confinement of carriers in the active layer.
The thickness of the n-type cladding layer is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.1 μm, more preferably 0.03 to 0.06 μm.
The n-type impurity concentration of the n-type cladding layer is not particularly limited, but is preferably 1 × 10. 17 ~ 1x10 20 / Cm 3 And more preferably 1 × 10 18 ~ 1x10 19 / Cm 3 It is. The impurity concentration within this range is preferable in terms of resistivity and crystallinity.
[0027]
The n-type cladding layer may be a multilayer film (including a superlattice structure) in addition to the single layer as described above. In the case of a multilayer film layer, the above Al e Ga 1-e A multilayer film layer composed of N and a nitride semiconductor layer having a smaller band gap energy may be used. For example, a layer having a smaller band gap energy may include In k Ga 1-k N (0 ≦ k <1), Al j Ga 1-j N (0 ≦ j <1, e> j). The thickness of each layer forming the multilayer film layer is not particularly limited, but in the case of a superlattice structure, the thickness of one layer is 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 10 to 40 angstroms. In the case of a single layer that does not form a structure, it can be a layer having the above composition.
In addition, when the n-type cladding layer is a multilayer film composed of a layer having a large band gap energy and a layer having a low band gap energy, at least one of the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy is doped with an n type impurity. You may let them. In addition, when doping both the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy, the doping amount may be the same or different.
[0028]
[Active layer 5]
In the present invention, the active layer 5 includes a nitride semiconductor having a composition such that the emission peak wavelength is 370 nm or less. Preferably In g Ga 1-g N (0 ≦ g <0.1) nitride semiconductors may be mentioned. The In composition ratio of the active layer is decreased as the emission peak wavelength becomes shorter, but the In composition ratio is almost zero.
Although it does not specifically limit as a film thickness of an active layer, The film thickness of the grade by which a quantum effect is acquired is mentioned, for example, Preferably it is 0.001-0.01 micrometer, More preferably, it is 0.003-0.007 micrometer. is there. A film thickness in the above range is preferable in terms of light emission output.
In addition to the single quantum well structure as described above, the active layer includes the In layer. g Ga 1-g A multi-quantum well structure may be used in which N is a well layer and a barrier layer having a composition having a larger band gap energy than the well layer.
The active layer may be doped with impurities.
[0029]
In addition, the adjustment of the In composition ratio of the active layer is not particularly limited as long as the emission peak wavelength is 370 nm or less, and the specific value is obtained, for example, from the following theoretical value calculation formula. Can be cited as an approximate value. However, since the wavelength obtained by actually emitting light forms a quantum level having a quantum well structure, the energy (Eλ) of the wavelength becomes larger than the band gap energy (Eg) of InGaN. There is a tendency to shift to a shorter wavelength side than the required emission wavelength.
[0030]
[Calculation formula of theoretical value]
Eg = (1-χ) 3.40 + 1.95χ-Bχ (1-χ)
Wavelength (nm) = 1240 / Eg
Eg: Band gap energy of InGaN well layer
χ: In composition ratio
3.40 (eV): Band gap energy of GaN
1.95 (eV): InN band gap energy
B: Shows the bowing parameter, 1-6 eV. The Boeing parameter fluctuates in this way in recent studies, from SIMS analysis and the like, which was conventionally assumed to be 1 eV on the assumption that the crystal is not distorted. This is because it has become clear that the degree of distortion differs depending on the above and the like, and becomes 1 eV or more.
[0031]
Although there is a slight difference between the oscillation wavelength considered from the specific In composition ratio obtained from SIMS analysis of the well layer as described above and the oscillation wavelength when actually oscillated, the actual oscillation wavelength is The wavelength is adjusted to a desired wavelength.
[0032]
[P-type cladding layer 6]
In the present invention, the p-
The film thickness of the p-type cladding layer is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.15 μm, more preferably 0.04 to 0.08 μm.
The p-type impurity concentration of the p-type cladding layer is not particularly limited, but preferably 1 × 10. 18 ~ 1x10 21 / Cm 3 And more preferably 1 × 10 19 ~ 5x10 20 / Cm 3 It is. A p-type impurity concentration in the above range is preferable in terms of reducing bulk resistance without reducing crystallinity.
[0033]
In addition to the single layer as described above, the p-type cladding layer may be a multilayer film layer (including a superlattice structure). In the case of a multilayer film layer, the above Al f Ga 1-f A multilayer film layer composed of N and a nitride semiconductor layer having a lower band gap energy may be used. k Ga 1-k N (0 ≦ k <1), Al j Ga 1-j N (0 ≦ j <1, f> j). The thickness of each layer forming the multilayer film layer is not particularly limited, but in the case of a superlattice structure, the thickness of one layer is 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 10 to 40 angstroms. In the case of a single layer that does not form a structure, it can be a layer having the above composition.
In addition, when the p-type cladding layer is a multilayer film composed of a layer having a large band gap energy and a layer having a small band gap energy, at least one of the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy is doped with a p-type impurity. You may let them. In addition, when doping both a layer having a large band gap energy and a layer having a small band gap energy, the doping amount may be the same or different.
[0034]
[P-type contact layer 7]
A nitride semiconductor comprising AlGaN containing the p-type impurity.
[0035]
In the present invention, various materials can be used for the p electrode and the n electrode, which are appropriately selected from known electrode materials and the like. Specific examples of the electrode include those described in Examples described later.
Further, the present invention has been described with reference to FIG. 1 as an embodiment of the element structure. However, the emission peak wavelength is 370 nm or less, and the above-described specific n-type contact layer and p-type contact layer of the present invention are used. If desired, the effects of the present invention can be obtained. In addition to FIG. 1, other layers may be formed in order to improve device characteristics such as electrostatic withstand voltage, forward voltage, and life characteristics.
[0036]
In addition, the element of the present invention is subjected to an annealing treatment in order to make the p-side layer p-type to have a low resistance. As an annealing treatment, as described in Japanese Patent No. 2540791, after a gallium nitride compound semiconductor doped with a p-type impurity is grown by a vapor phase growth method, the atmosphere is substantially free of hydrogen. There is a method in which a heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or higher, and hydrogen is extracted from a gallium nitride compound semiconductor doped with a p-type impurity to obtain a p-type.
[0037]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples which are embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to this.
[0038]
[Example 1]
In Example 1, the nitride semiconductor device of FIG. 1 is produced.
(Substrate 1)
The surface of the
[0039]
(Buffer layer 2)
Subsequently, a
[0040]
(N-type contact layer 3)
Next, at 1050 ° C., TMG, TMA (trimethylaluminum), ammonia, silane (SiH 4 ) And Si is 5 × 10 18 / Cm 3 Doped n-type Al 0.04 Ga 0.96 An n-
[0041]
(N-type cladding layer 4)
Next, using TMG, TMA, ammonia, and silane at 1050 ° C., Si was 5 × 10 17 / Cm 3 Doped n-type Al 0.18 Ga 0.82 An n-type cladding layer 4 made of N is formed with a thickness of 400 angstroms.
[0042]
(Active layer 5)
Next, an active layer made of undoped InGaN is grown to a thickness of 55 Å using TMI, TMG, and ammonia at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere. The In composition ratio is so small (almost zero) that it cannot be measured.
[0043]
(P-type cladding layer 6)
Next, in a hydrogen atmosphere at 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used and Mg is 1 × 10 20 / Cm 3 Doped Al 0.2 Ga 0.8 A p-
[0044]
(P-type contact layer 7)
Subsequently, on the p-
[0045]
After completion of the growth, the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer. Then, a mask having a predetermined shape is formed, and etching is performed from the p-type contact layer side with an RIE (reactive ion etching) apparatus to expose the surface of the n-
[0046]
After the etching, a translucent p-electrode 8 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed on almost the entire surface of the first p-
[0047]
This LED element has an emission peak wavelength of 370 nm at a forward voltage of 20 mA, Vf of 3.8 V, and an output of 2.0 mW.
The light extraction efficiency of the LED of Example 1 is approximately 2.5 times that of the conventional n-type and p-type contact layers that do not contain Al.
As described above, according to the above element structure, ohmic contact is improved, so that Vf equivalent to the conventional one can be maintained, and further, self-absorption can be prevented, so that the light emission output can be improved.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the n-type contact layer and the p-type contact layer are composed of Al composition ratio and impurity concentration, and the p-type contact layer is composed of two layers. It is possible to provide a nitride semiconductor device which prevents absorption and improves light extraction efficiency and has a good light emission output of 370 nm or less.
Furthermore, in the present invention, the Mg concentration of the n-type and p-type contact layers and the combination with a specific cladding layer make it possible to prevent cracks and the like in addition to good ohmic contact and self-absorption prevention. Light emission output can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Board
2 ... Buffer layer
3 ... n-type contact layer
4 ... n-type cladding layer
5 ... Active layer
6 ... p-type cladding layer
7 ... p-type contact layer
7b. Second p-type contact layer
7a: first p-type contact layer
8 ... p electrode
9 ... n electrode
10 ... Pad electrode
Claims (6)
前記活性層が、発光ピーク波長が370nm以下の窒化物半導体層からなり、
前記p型窒化物半導体層として、p電極と接するp型コンタクト層が、p電極と接する側に、p型不純物を高濃度で含有するAlaGa1−aN(0≦a<0.05)を含んでなる第1のp型コンタクト層と、前記第1のp型コンタクト層の活性層側に第1のp型コンタクト層と接して、p型不純物を第1のp型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにAl組成比が第1のp型コンタクト層より高いAlbGa1−bN(0<b<0.1)を含んでなる第2のp型コンタクト層とから形成されてなり、
さらに、前記n型窒化物半導体層として、n電極と接するn型コンタクト層が、AldGa1−dN(0<d<0.1)を含んでなることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。In a nitride semiconductor device having at least an n-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-type nitride semiconductor layer on a substrate,
The active layer is composed of a nitride semiconductor layer having an emission peak wavelength of 370 nm or less,
As the p-type nitride semiconductor layer, a p-type contact layer in contact with the p electrode has Al a Ga 1-a N (0 ≦ a <0.05) containing p-type impurities at a high concentration on the side in contact with the p electrode. And a first p-type contact layer in contact with the first p-type contact layer on the active layer side of the first p-type contact layer, and p-type impurities are introduced from the first p-type contact layer. And a second p-type contact layer containing Al b Ga 1-b N (0 <b <0.1) which is contained at a low concentration and has an Al composition ratio higher than that of the first p-type contact layer. Being
Further, as the n-type nitride semiconductor layer, the n-type contact layer in contact with the n-electrode comprises Al d Ga 1-d N (0 <d <0.1), and nitride semiconductor light emission diode.
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