JP3792003B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層及びクラッド層に窒素(N)を含むIII −V族化合物よりなる半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、次世代高密度情報処理技術のキーデバイスとして、レーザの短波長化を可能にする窒素を含むIII −V族化合物半導体が注目を集めている。この窒素を含むIII −V族化合物半導体を用いた半導体発光素子においては、動作電圧の低減化を求める要望が極めて強い。
【0003】
以下、従来の、窒素を含むIII −V族化合物半導体よりなる半導体発光素子を図面を参照しながら説明する。
【0004】
図10は第1の従来例としての窒素を含むIII −V族化合物半導体よりなるレーザ素子又は発光ダイオード素子を示す構成断面図である。図10に示すように、面方位が(0001)のサファイアよりなる基板101上には、GaNよりなるバッファ層102と、該バッファ層102の上に、上部に段差部を有するn型GaN層103とが順次形成されている。
【0005】
n型GaN層103の上における段差部の上段側には、n型Ga0.95In0.05N層104と、n型Al0.05Ga0.95Nよりなるn型クラッド層105と、n型GaNよりなるn型ガイド層106と、アンドープGa0.95In0.05Nよりなるバリア層107aとアンドープGa0.8 In0.2 N層よりなる活性層107bとが四重に交互に積層されてなる多重量子井戸層107と、p型Al0.2 Ga0.8 N層108と、p型GaNよりなるp型ガイド層109と、p型Al0.1 Ga0.9 Nよりなるp型クラッド層110と、p型GaNよりなるコンタクト層111と、Ni及びAuが積層されてなる陽電極112とが順次形成されている。
【0006】
n型GaN層103の上における段差部の下段側には、Ti及びAlが積層されてなる陰電極113が形成されている。
【0007】
図10に示す半導体発光素子は、キャビティ長が700μmで、ストライプ幅が2μmであって、活性層107bが多重量子井戸構造のダブルヘテロ構造を有していることを特徴とする。このダブルヘテロ構造によって、発振波長が408nm、しきい値電圧が8V、しきい値電流が130mA、しきい値電流密度が9kA/cm2 、及び寿命が1秒の室温連続発振を実現している(Shuji Nakamura et al.; Applied Physics Letters Vol. 69(1996)pp.4056-4058)。
【0008】
さらに、第2の従来例として、特開平8−97468号公報には、窒素を含むIII −V族化合物半導体におけるコンタクト層111に、p型にドーピングされたGa1-x Inx N(但し、xは0<x<1の実数とし、以下、同様とする。)を用いることによって、陽電極112とコンタクト層111との間に生ずるショットキー障壁を低減できることが示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第1の従来例は、動作電圧の低減が実現されないという問題を有している。また。第2の従来例は、動作電圧の低減はされるものの、十分な膜厚を持ったp型コンタクト層が形成できないという問題を有している。
【0010】
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体発光素子の動作電圧の低減に大きな満足が得られるようにすることを第1の目的とし、動作電圧の低減とp型コンタクト層の成膜との両立を図ることを第2の目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは、動作電圧の低減のため種々検討を加えた結果、p型不純物ががドープされたGaNよりなるp型コンタクト層と該コンタクト層111と接触する陽電極のNiとの間のショットキー障壁が大きいため、p型コンタクト層と金属のNiとの間の接触抵抗が大きくなり、発光素子としての動作電圧が上昇することを見出した。このことは、半導体発光素子についての検討ではないが、石川英憲他「平成7年度第56回秋期応用物理学会学術講演会 27p-ZE-17(1995年、講演予稿集第1分冊p.247)」及びW.A.ハリソン著、小島忠宣、小島和子、山田栄三郎訳「固体の電子構造と物性−化学結合の物理−」現代工学社刊、p.269 にも裏づけられている。
【0012】
さらに、P型不純物である、特にMgが活性層側に拡散してしまい、結晶格子のアクセプタサイト以外の場所に侵入して、コンタクト層直下のp型半導体層のキャリアを補償することにより、該p型半導体層を高抵抗化することを見出した。
【0013】
本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであり、窒素を含むIII −V族化合物半導体を用いた発光素子におけるp型コンタクト層に、リン及び窒素又はヒ素及び窒素を含むIII −V族化合物を用いるものである。
【0014】
本発明に係る半導体発光素子は、基板と、基板上に形成された III- V族窒化物半導体層よりなるダブルヘテロ構造と、ダブルヘテロ構造の上に積層され、p型の導電性を有する複数の III- V族窒化物半導体層よりなるコンタクト構造と、コンタクト構造の上に形成された電極とを備え、コンタクト構造を構成する III- V族窒化物半導体層は、 III 族元素としてアルミニウムを含む共にV族元素としてヒ素又はリンを含み、コンタクト構造を構成する各 III- V族窒化物半導体層における窒素のヒ素又はリンに対する割合は、電極からダブルヘテロ構造に向けて段階的に大きくなる。
【0015】
半導体発光素子によると、窒素を含むIII −V族化合物よりなる第2導電型の第2のクラッド層の上に形成されたリン及び窒素又はヒ素及び窒素を含むIII −V族化合物よりなる第2導電型のコンタクト層を備えているため、第2導電型のGaNをコンタクト層に用いる場合よりも電極用金属との間の価電子帯のショットキー障壁の高さを低減することができる。
【0021】
半導体発光素子において、コンタクト層はアルミニウムを含むことが好ましい。このようにすると、AlNは相対的に格子定数が小さいため、適当な量のアルミニウムを添加することによりGaNと格子整合させることができるので、欠陥が少なく結晶性がよいコンタクト層を得ることができる。
【0022】
半導体発光素子において、コンタクト層と第2のクラッド層との間に形成されたAlNよりなる半導体層をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、Alの原子半径が通常用いられるIII 族元素であるGaの原子半径よりも小さいため、AlN結晶内の隙間がGaN結晶内の隙間よりも小さいので、Alと置換した第2導電型の不純物がAlN結晶内を拡散できない。
【0023】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0024】
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。図1に示すように、面方位が(0001)のサファイアよりなる基板11上には、アンドープGaNよりなり、厚さが30nmで結晶格子の整合性を高めるためのバッファ層12と、該バッファ層12の上に、厚さが3.0μmで上部に段差部を有するn型GaN層13とが順次形成されている。
【0025】
n型GaN層13の上における段差部の上段側には、n型Al0.1 Ga0.9 Nよりなり、厚さが500nmのキャリアを封じ込めるための第1のクラッド層としてのn型クラッド層14と、アンドープGaNよりなり、厚さが100nmのキャリア封じ込めの効果を高める第1のガイド層15と、アンドープGa0.95In0.05Nよりなり厚さが5nmのバリア層16aとアンドープGa0.8 In0.2 N層よりなり厚さが2.5nmの活性層16bとが五重に交互に積層され、さらにその上にもう一層のバリア層16aが積層されてなる多重量子井戸層16と、アンドープGaNよりなり、厚さが100nmのキャリア封じ込めの効果を高める第2のガイド層17と、p型Al0.1 Ga0.9 Nよりなり、厚さが500nmのキャリアを封じ込めるための第2のクラッド層としてのp型クラッド層18と、厚さが300nmのp型GaN層19と、p型GaN0.950.05よりなり、厚さが100nmのコンタクト層20と、断面T字形で且つその脚部が酸化シリコンよりなる電流狭さく層21に囲まれたNiよりなる第1の金属膜22a及び該第1の金属膜22aの上にAuよりなる第2の金属膜22bが積層されてなる陽電極22とが順次形成されている。
【0026】
なお、基板11に絶縁体であるサファイアを用いており、基板の裏面に陰電極が設けられないため、n型GaN層13の上における段差部の下段側に、Ti層24a及びAl層24bが積層されてなる陰電極24が形成されている。
【0027】
以下、前記のように構成された半導体発光素子の製造方法を説明する。
【0028】
まず、面方位が(0001)のサファイアよりなる基板11の主面に対して有機溶媒を用いて洗浄等の前処理を施した後、有機金属気相エピタキシャル成長法を用い、圧力が70×133.3Paの水素雰囲気中で基板11を温度が1090℃になるまで加熱し、基板11の表面に付着している吸着ガス、酸化物又は水分子等を除去する。ちなみに、圧力単位Paは、Torrと133.3Pa≒1Torrなる関係を有する。
【0029】
その後、基板11の温度を550℃にまで下げ、基板11上に、トリメチルガリウムを流量5.5sccmで、アンモニアを流量2.5l/minで導入すると共にシランを導入して、基板11の上にアンドープGaNよりなるバッファ層12を30nmの厚さに成長させる。その後、基板11の温度を1060℃にまで上げ、トリメチルガリウムを流量0.27sccmで、アンモニアを流量5.0l/minで、及びシランを流量12.5sccmで導入することにより、基板11の上のバッファ層12上に厚さが3.0μmのn型GaN層13を成長させる。
【0030】
次に、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、トリメチルアルミニウムを流量5.4sccmで、アンモニアを流量2.5l/minで、及びシランを流量12.5sccmで導入して、基板11の上のn型GaN層13上にn型Al0.1 Ga0.9 Nよりなり、厚さが500nmのn型クラッド層14を成長させる。
【0031】
次に、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、アンモニアを流量2.5l/minで導入して、基板11の上のn型クラッド層14上にアンドープGaNよりなり、厚さが100nmの第1のガイド層15を成長させる。
【0032】
次に、基板11の温度を730℃にまで下げ、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、トリメチルインジウムを流量27sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及び窒素を流量10l/minで導入して、基板11の上の第1のガイド層15上にアンドープGa0.95In0.05Nよりなり、厚さが5.0nmのバリア層16aを成長させる。引き続き、基板11の温度をそのままにし、基板11上に、トリメチルガリウムを流量10.8sccmで、トリメチルインジウムを流量27sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及び窒素を流量10l/minで導入して、バリア層16a上にアンドープGa0.8 In0.2 Nよりなり、厚さが2.5nmの活性層16bを成長させる。これらのバリア層16a及び活性層16bを一対とする計5対の成膜を繰り返した後、その上にもう一層のバリア層16aを積層することにより、五重に交互に積層されてなる多重量子井戸層16を形成する。
【0033】
次に、基板11の温度を1060℃にまで上げ、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、アンモニアを流量2.5l/minで導入して、基板11の上の多重量子井戸層16上にアンドープGaNよりなり、厚さが100nmの第2のガイド層17を成長させる。
【0034】
その後、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、トリメチルアルミニウムを流量5.4sccmで、アンモニアを流量2.5l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上の第2のガイド層17上にp型Al0.1 Ga0.9 Nよりなり、厚さが500nmのp型クラッド層18を成長させる。次に、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、アンモニアを流量5.0l/minで、シクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上のp型クラッド層18上に厚さが300nmのp型GaN層19を成長させる。
【0035】
次に、基板11の温度を680℃にまで下げ、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、ホスフィンを流量27sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入することにより、基板11の上のp型GaN層19上にp型GaN0.950.05よりなり、厚さが100nmのコンタクト層20を成長させる。
【0036】
次に、成膜された基板11に対して、窒素雰囲気において温度が700℃で、1時間のアニールを行なって、p型クラッド層18、p型GaN層19及びコンタクト層20中の不純物イオンであるMgを活性化させる。
【0037】
次に、アニール後の基板11に陽電極22及び陰電極24を形成する方法を説明する。
【0038】
まず、基板11におけるコンタクト層20の上の陽電極22形成領域に開口部を有するマスクパターンを形成した後、基板の上に全面にわたって厚さが1μmのマスク用Niを蒸着させる。次に、マスクパターンを除去した後、混合比が1:1の塩素と水素とからなるECRプラズマ中で、圧力が133.3mPa、RFパワーが400W、RF周波数が13.56MHz、及び基板11を保持する基板ホルダとグリッドとの間の電圧を400Vにそれぞれ設定して、マスク用Niをマスクとして基板11に対して20分間のドライエッチングを行なって、n型GaN層13を露出させる。その後、大気圧の窒素雰囲気下で、硝酸を用いてマスク用Niを除去する。なお、マスク用Niの代わりにアルミニウム等の金属又はSiO2 等の誘電体を用いてもよい。
【0039】
次に、CVD法を用いて、基板11の上に全面にわたって、膜厚が100nmのSiO2 よりなる誘電膜を堆積する。なお、CVD法としては、光CVD法であっても、プラズマCVD法であってもよい。
【0040】
続いて、基板11上の誘電膜の上に全面にわたってレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィを用いて、基板11の上のコンタクト層20の上面における陽電極形成領域、及び基板11の上のn型GaN層13の露出面における陰電極形成領域にそれぞれ選択的に幅が10μmの開口部を有するレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして、混合比が1:10のフッ化水素とフッ化アンモニウムとからなる水溶液を用いて基板11に対してウエットエッチングを行なって、コンタクト層20の上面の陽電極形成領域及びn型GaN層13の露出面の陰電極形成領域にそれぞれ開口部を有し、SiO2 よりなる電流狭さく層21を形成する。この場合、図1に示した半導体発光素子とは異なり、陰電極24にも、陽電極22と同様の電流狭さく層21が形成される。
【0041】
次に、アセトン及びO2 プラズマを用いて基板11上のレジストパターンを除去した後、コンタクト層20の上面における電流狭さく層21及び該電流狭さく層21の開口部にNiよりなる第1の金属膜22aと、該第1の金属膜22aの上にAuよりなる第2の金属膜22bを順次蒸着して陽電極22を形成する。
【0042】
次に、n型GaN層13の上面における電流狭さく層及び該電流狭さく層の開口部にTi層24a及びAl層24bを順次蒸着して陰電極24を形成する。
【0043】
次に、キャビティ長が0.5mmになるように基板11をへき開して半導体発光素子を完成させる。
【0044】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子の特性を説明する。
【0045】
まず、光学的特性は、レーザ光の発振波長が410nmであり、端面の反射率がフロント及びリア共に22%である。また、レーザ光の内部損失は5cm-1、共振器における損失は20cm-1である。
【0046】
次に、電気的特性を説明する。
【0047】
p型クラッド層18及びn型クラッド層14のキャリア密度はそれぞれ1×1018/cm3 、p型GaN層19及びn型GaN層13のキャリア密度はそれぞれ3×1018/cm3 、及びコンタクト層20のキャリア密度は3×1018/cm3 である。
【0048】
移動度は、p型クラッド層18、p型GaN層19及びコンタクト層20がそれぞれ10cm2 /V・sであり、n型クラッド層14及びn型GaN層13がそれぞれ250cm2 /V・sであるため、十分に抵抗率が小さいp型クラッド層18、n型クラッド層14、p型GaN層19及びn型GaN層13が実現されている。
【0049】
陽電極22側において、p型のコンタクト層20と該コンタクト層20と接する第1の金属膜22aであるNiとの間において接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極24側において、n型GaN層13とTi層24aとの間にもオーミック接触が実現している。
【0050】
p型のコンタクト層20とNiとの間で実現し、接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 であるオーミック接触は、前述した従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1に減少している。これは、p型のコンタクト層20とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁が0.35eVとなっており、図11に示す従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁の0.79eVよりも0.44eV小さくなっているからである。
【0051】
また、この図11から分かるように、本実施形態に示す、GaNとGaP又はGaNとGaAsとの間のヘテロ接合を行なうと、図12(b)に示す、いわゆる、タイプIIのヘテロ接合を実現できる。
【0052】
図2は本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。図2において、1Aは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、1Bは本実施形態に係る半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、10Aは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、10Bは従来の半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。図2において、本実施形態に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線1Aに示すように4.8Vであり、そのしきい値電流は曲線1Bに示すように110mAであることがわかる。一方、従来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線10Aに示すように8Vであり、そのしきい値電流は曲線10Bに示すように130mAである。また、しきい値電流密度は、本実施形態に係る半導体発光素子が2kA/cm2 であり、従来の半導体発光素子が9kA/cm2 である。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性は従来の半導体発光素子に比べて、順方向電圧で40%低減され、しきい値電流密度で78%低減されていることがわかる。これは、p型のコンタクト層20と陽電極22を構成するNiとの間のオーミック接触が従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1になっているからである。
【0053】
このように、本実施形態によると、陽電極22とオーミック接触を図るためのコンタクト層20にMgを不純物とするGaN0.950.05を用いているため、接触抵抗が低減するので、半導体発光素子の動作電圧を低減することができる。
【0054】
なお、p型GaN0.950.05よりなるコンタクト層20の代わりにp型GaN0.95As0.05よりなるコンタクト層を用いても同様な結果が得られる。
【0055】
また、p型GaN0.950.05コンタクト層20の代わりにp型にドーピングされ、且つ、互いに積層構造を有する(GaN)m (GaP)n (但し、m,nは自然数である。以下、同様とする。)よりなるコンタクト層を用いても同様な結果が得られる。
【0056】
さらに、GaPの代わりにGaAs又はGaAs1-xx を用いても同様な結果が得られる。
【0057】
また、p型のコンタクト層20と接触する陰電極22の第1の金属層22aはNiに限らず、白金(Pt)、金(Au)又はパラジウム(Pd)であってもよい。
【0058】
また、サファイアよりなる基板11の代わりにSiCよりなる基板や、ZnO、MgAl24 又はLiAlO2 等の酸化物よりなる基板を用いてもよく、SiC傾斜基板を用いてもよい。
【0059】
(第1の実施形態の変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の一変形例を図面を参照しながら説明する。
【0060】
図3は本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の構成断面図である。第1の実施形態との差異は、図3に示すように、p型GaN層19と第1の金属膜22aとの間に形成されたコンタクト層20が、陰電極22、すなわち、第1の金属膜22aに向けて窒素の組成比が段階的に減少するように形成されたp型GaNPよりなる第1、第2及び第3のコンタクト層20a,20b,20cにより構成されている点である。具体的には、p型GaN層19側から順次、p型GaN0.990.01よりなる第1のコンタクト層20a、p型GaN0.970.03層20bよりなる第2のコンタクト層及びp型GaN0.950.05よりなる第3のコンタクト層20cが形成されている。
【0061】
なお、図3において、図1に示す半導体発光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【0062】
本変形例に係る第1のコンタクト層20a、第2のコンタクト層20b及び第3のコンタクト層20cからなるコンタクト層20の製造方法を説明する。
【0063】
面方位が(0001)のサファイアよりなる基板11上に、第1の実施形態と同様の方法を用いて、p型GaN層19までを成長させた後、基板11の温度を680℃に設定し、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、ホスフィンを流量13sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上のp型GaN層19上にp型GaN0.990.01よりなり、厚さが30nmの第1のコンタクト層20aを成長させる。次に、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、ホスフィンを流量40sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上の第1のコンタクト層20a上にp型GaN0.970.03よりなり、厚さが30nmの第2のコンタクト層20bを成長させる。次に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、ホスフィンを流量65sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上の第2のコンタクト層20b上に厚さが30nmのp型GaN0.950.05層20cを成長させる。
【0064】
その後、第1の実施形態と同様の方法を用いて、基板11に対してアニールを行なった後、陽電極22及び陰電極24を形成し、さらにへき開を行なって発光素子を完成させる。
【0065】
以下、本変形例に係る半導体発光素子の特性を説明する。
【0066】
まず、光学的特性は、第1の実施形態と同様であって、レーザ光の発振波長が410nmであり、端面の反射率はフロント及びリア共に22%である。また、レーザの内部損失は5cm-1、共振器における損失は20cm-1である。
【0067】
次に、電気的特性を説明する。
【0068】
p型クラッド層19及びn型クラッド層13のキャリア密度はそれぞれ1×1018/cm3 、p型GaN層19及びn型GaN層13のキャリア密度はそれぞれ3×1018/cm3 、及びコンタクト層20のキャリア密度は3×1018/cm3 である。
【0069】
移動度は、p型クラッド層18、p型GaN層19及びコンタクト層20がそれぞれ10cm2 /V・sであり、n型クラッド層14及びn型GaN層13がそれぞれ250cm2 /V・sであるため、十分に抵抗率が小さいp型クラッド層18、n型クラッド層14、p型GaN層19及びn型GaN層13が実現されている。
【0070】
陽電極22側において、p型のコンタクト層20と該コンタクト層20と接する第1の金属膜22aのNiとの間において接触抵抗が3×10-4Ω・cm2 のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極24側において、n型GaN層13とTi層24aとの間にもオーミック接触が実現している。
【0071】
p型の3層からなるコンタクト層20とNiとの間で実現し、接触抵抗が3×10-4Ω・cm2 のオーミック接触は、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の30分の1に減少している。これはp型のコンタクト層20とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁が0.17eVとなって、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁の0.79eVよりも0.62eV小さくなっているからである。
【0072】
その上、本変形例に係る第1のコンタクト層20a、第2のコンタクト層20b及び第3のコンタクト層20cの3層からなるp型のコンタクト層20は、リン(P)に対する窒素(N)の割合が、コンタクト層20側からp型クラッド層18に向けて段階的に大きくなるように構成されているため、コンタクト層20の各層が陰電極22のNiから遠ざかるに連れて、すなわち、p型GaN層19に近づくに連れて、コンタクト層20の価電子帯のバンド端エネルギーが真空準位から遠くなりp型GaN層19の価電子帯のバンド端エネルギーに近づくので、図11に示したように、コンタクト層20直下のp型GaN層19における正孔に対するポテンシャル障壁が小さくなるからである。
【0073】
図4は本変形例に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。図4において、2Aは本変形例に係る半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、2Bは本変形例に係る半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、10Aは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、10Bは従来の半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。図4において、本変形例に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線2Aに示すように4.5Vであり、そのしきい値電流は曲線2Bに示すように100mAであることがわかる。一方、従来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線10Aに示すように8Vであり、そのしきい値電流は曲線10Bに示すように130mAである。また、しきい値電流密度は、本変形例に係る半導体発光素子が1.8kA/cm2 であり、従来の半導体発光素子が9kA/cm2 である。これにより、本変形例に係る半導体発光素子の電流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上していることがわかる。これは、3層からなるp型のコンタクト層20と陽電極22を構成するNiとの間のオーミック接触が従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の30分の1になっているからである。
【0074】
このように、本変形例によると、陽電極22とオーミック接触を図るためのコンタクト層20が、リンに対する窒素の割合がコンタクト層20側からp型GaN層19に向けて段階的に大きくなるように構成されているため、コンタクト層20の価電子帯のバンド端エネルギーが真空準位から遠くなりp型GaN層19の価電子帯のバンド端エネルギーに近づくので、接触抵抗がさらに低減し、その結果、半導体発光素子の順方向電圧を43%低減することができる。
【0075】
なお、p型のコンタクト層20としてp型GaN1-xx (但し、xは、0.07<x<1の実数とする。)を用いるならば、コンタクト層20とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁を0にすることができ、理想的なオーミック接触を得ることができる。
【0076】
また、p型のコンタクト層20としてp型GaN1-xx (但し、xは、0<x<1の実数とする。以下、同様とする。)の代わりにp型GaN1-x Asx を用いても同様な効果が得られる。
【0077】
また、コンタクト層20の各層を(GaN)m (GaP)n または(GaN)m (GaAs)n により構成してもよく、(GaN)m (GaAs1-xxn を用いてもよい。
【0078】
また、p型のコンタクト層20と接触する陰電極22の第1の金属層22aはNiに限らず、Pt、Au又はPdであってもよい。
【0079】
また、サファイアよりなる基板11の代わりにSiCよりなる基板や、Al23 、ZnO、MgAl24 又はLiAlO2 等の酸化物よりなる基板を用いてもよく、さらに、SiC傾斜基板を用いても同様の効果が得られる。
【0080】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0081】
図5は本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。図5に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、p型GaN層19と陰電極22構成する第1の金属膜22aとの間に、p型Al0.1 Ga0.90.9890.011 よりなるコンタクト層30が形成されている。
【0082】
なお、図5において、図1に示す半導体発光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【0083】
本実施形態に係るコンタクト層30の製造方法を説明する。
【0084】
まず、第1の実施形態と同様に、面方位が(0001)のサファイアよりなる基板11に対して、有機溶媒を用いた洗浄及び前処理を行なった後、基板11上にp型GaN層19までを順次成長させる。
【0085】
次に、基板11の温度を680℃に設定し、基板11上に、トリメチルアルミニウムを流量10sccmで、トリメチルガリウムを流量20sccmで、ホスフィンを流量27sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上のp型GaN層19上にp型Al0.1 Ga0.90.9890.011 よりなり、厚さが100nmのコンタクト層30を成長させる。
【0086】
その後、第1の実施形態と同様に、基板11に対してアニールを行なって不純物のMgを活性化させた後、陽電極22及び陰電極24を形成し、さらに所望のキャビティ長となるように基板11をへき開して発光素子を完成させる。
【0087】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子の特性を説明する。
【0088】
まず光学的特性は、第1の実施形態と同様であって、レーザの発振波長が410nmであり、端面の反射率はフロント及びリア共に22%である。また、レーザの内部損失は5cm-1、共振器における損失は20cm-1である。
【0089】
次に、電気的特性を説明する。
【0090】
p型クラッド層19及びn型クラッド層13のキャリア密度はそれぞれ1×1018/cm3 、p型GaN層19及びn型GaN層13のキャリア密度はそれぞれ3×1018/cm3 、及びコンタクト層30のキャリア密度は3×1018/cm3 である。
【0091】
移動度は、p型クラッド層18、p型GaN層19及びコンタクト層30がそれぞれ10cm2 /V・sであり、n型クラッド層14及びn型GaN層13がそれぞれ250cm2 /V・sであるため、十分に抵抗率が小さいp型クラッド層18、n型クラッド層14、p型GaN層19及びn型GaN層13が実現されている。
【0092】
陽電極22側において、p型のコンタクト層30と該コンタクト層30と接する第1の金属膜22aのNiとの間において接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極24側において、n型GaN層13とTi層24aとの間にもオーミック接触が実現している。
【0093】
p型Al0.1 Ga0.90.9890.011 よりなるコンタクト層30とNiとの間で実現し、接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 のオーミック接触は、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1に減少している。これはp型のコンタクト層30とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁が0.43eVとなって、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁の0.79eVよりも0.36eV小さくなっているからである。
【0094】
図6は本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。図6において、3Aは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、3Bは本実施形態に係る半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、10Aは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、10Bは従来の半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。図6において、本実施形態に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線3Aに示すように4.8Vであり、そのしきい値電流は曲線3Bに示すように110mAであることがわかる。一方、従来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線10Aに示すように8Vであり、そのしきい値電流は曲線10Bに示すように130mAである。また、しきい値電流密度は、本実施形態に係る半導体発光素子が2kA/cm2 であり、従来の半導体発光素子が9kA/cm2 である。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上していることがわかる。これは、p型のコンタクト層30と陽電極22を構成するNiとの間のオーミック接触が従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1になっているからである。
【0095】
本実施形態の特徴として、図13に示すように、AlNは相対的に格子定数が小さいため、p型Al0.1 Ga0.90.9890.011 よりなるコンタクト層30はGaNに対して完全に格子整合できるため、その欠陥密度は1×109 /cm2 となる。この値は従来のp型Ga1-x Inx Nコンタクト層の場合よりも1桁小さな値であって、50nm以上の膜厚を持ったコンタクト層を確実に形成することができる。
【0096】
なお、コンタクト層30には、p型Al0.1 Ga0.90.9890.011 の代わりにp型Alx Ga1-x1-y Asy を用いても同様の効果が得られる。
【0097】
また、p型Al0.1 Ga0.90.9890.011 の代わりに(AlN)h (AlAs)k (GaN)m (GaAs)n (但し、kは整数とし、h、m、nは自然数とする。)よりなるコンタクト層を用いてもよい。
【0098】
また、p型のコンタクト層30と接触する陰電極22の第1の金属層22aはNiに限らず、Pt、Au又はPdであってもよい。
【0099】
また、サファイアよりなる基板11の代わりにSiCよりなる基板や、Al23 、ZnO、MgAl24 又はLiAlO2 等の酸化物よりなる基板を用いてもよく、さらに、SiC傾斜基板を用いてもよい。
【0100】
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0101】
図7は本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。図7に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、p型GaN層19と陰電極22構成する第1の金属膜22aとの間に、p型GaN層19の上に形成されたp型AlNよりなる第1のコンタクト層40aと該第1のコンタクト層40aの上に形成されたp型GaN0.980.02層よりなる第2のコンタクト層40bとからなるコンタクト層40を有している。
【0102】
なお、図7において、図1に示す半導体発光素子と同一の部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【0103】
本実施形態に係る2層からなるコンタクト層40の製造方法を説明する。
【0104】
まず、第1の実施形態と同様に、面方位が(0001)のサファイアよりなる基板11に対して、有機溶媒を用いた洗浄及び前処理を行なった後、基板11上にp型GaN層19までを順次成長させる。
【0105】
次に、基板11の温度を680℃に設定し、基板11上に、トリメチルアルミニウムを流量4.1sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上のp型GaN層19上にp型AlNよりなり、厚さが2nmの第1のコンタクト層40aを成長させる。
【0106】
続いて、基板11上に、トリメチルガリウムを流量2.7sccmで、ホスフィンを流量27sccmで、アンモニアを流量10l/minで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量5.0sccmで導入して、基板11の上の第1のコンタクト層40a上にp型GaN0.980.02よりなり、厚さが11.5nmの第2のコンタクト層40bを成長させる。
【0107】
その後、第1の実施形態と同様に、基板11に対してアニールを行なって不純物のMgを活性化させた後、陽電極22及び陰電極24を形成し、さらに基板11のへき開を行なって発光素子を完成させる。
【0108】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子の特性を説明する。
【0109】
まず光学的特性は、第1の実施形態と同様であって、レーザの発振波長が410nmであり、端面の反射率はフロント及びリア共に22%である。また、レーザの内部損失は5cm-1、共振器における損失は20cm-1である。
【0110】
次に、電気的特性を説明する。
【0111】
p型クラッド層19及びn型クラッド層13のキャリア密度はそれぞれ1×1018/cm3 、p型GaN層19及びn型GaN層13のキャリア密度はそれぞれ3×1018/cm3 、及びコンタクト層40のキャリア密度は3×1018/cm3 である。
【0112】
移動度は、p型クラッド層18、p型GaN層19及びコンタクト層40がそれぞれ10cm2 /V・sであり、n型クラッド層14及びn型GaN層13がそれぞれ250cm2 /V・sであるため、十分に抵抗率が小さいp型クラッド層18、n型クラッド層14、p型GaN層19及びn型GaN層13が実現されている。
【0113】
陽電極22側において、p型AlNよりなる第1のコンタクト層40aとp型GaN0.980.02層よりなる第2のコンタクト層40bとからなるコンタクト層40と該コンタクト層40と直接接する第1の金属膜22aのNiとの間において接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 のオーミック接触が実現し、同様に、陰電極24側において、n型GaN層13とTi層24aとの間にもオーミック接触が実現している。
【0114】
p型のコンタクト層40とNiとの間で実現し、接触抵抗が1×10-3Ω・cm2 のオーミック接触は、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1に減少している。
【0115】
これはp型のコンタクト層40とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁が0.53eVとなって、従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の価電子帯のポテンシャル障壁の0.79eVよりも0.26eV小さくなっているからである。
【0116】
図8は本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。図8において、4Aは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、4Bは本実施形態に係る半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、10Aは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線であり、10Bは従来の半導体発光素子に印加される順方向電圧を表わす曲線である。図8において、本実施形態に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線4Aに示すように4.8Vであり、そのしきい値電流は曲線4Bに示すように110mAであることがわかる。一方、従来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線10Aに示すように8Vであり、そのしきい値電流は曲線10Bに示すように130mAである。また、しきい値電流密度は、本実施形態に係る半導体発光素子が2kA/cm2 であり、従来の半導体発光素子が9kA/cm2 である。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上していることがわかる。これは、p型の2層からなるコンタクト層40と陽電極22を構成するNiとの間のオーミック接触が従来のp型GaNコンタクト層とNiとの間の接触抵抗の10分の1になっているからである。
【0117】
また、p型の2層からなるコンタクト層40はGaNに対して格子整合しており、その欠陥密度は1×109 /cm2 である。この値は従来のp型Ga1-x Inx Nコンタクト層の場合よりも1桁小さな値である。
【0118】
さらに、本実施形態の特徴として、p型のコンタクト層40は、第1のコンタクト層40aとしてp型Al0.1 Ga0.9 Nよりなるp型クラッド層18側にAlN層が設けられているため、図13に示すように、Alの原子半径がGaの原子半径よりも小さいので、AlN結晶内の隙間がGaN結晶内の隙間よりも小さくなり、その結果、Alと置換したp型不純物であるMgがAlN結晶内を拡散できない。従って、導電性を高めるために通常不純物濃度が大きくドープされるコンタクト層40からp型不純物のMgが活性層側へ拡散することを抑制できる。
【0119】
以下、Mgの拡散が抑制される様子を図面に基づいて説明する。
【0120】
図9は二次イオン質量分析計(SIMS)を用いて分析した本実施形態に係る半導体発光素子及び従来の半導体発光素子におけるp型不純物であるMg濃度を示すグラフである。図9において、曲線5は本実施形態に係る半導体発光素子のMg濃度を示し、曲線11は従来の半導体発光素子のMg濃度を示している。なお、深さ方向を表わすスケールAは本実施形態に係る半導体発光素子を示し、スケールBは従来の半導体発光素子を示し、その符号は各半導体層又は金属層にそれぞれ対応している。図9の曲線5に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子のMg濃度は、第2のコンタクト層40bと第1のコンタクト層40aとの界面で急峻に低下しており、アンドープの第2のガイド層17にはほとんど到達していないことがわかる。一方、曲線11に示す従来の半導体発光素子の場合は、p型のコンタクト層111から多重量子井戸層107を越えてMgが拡散していることがわかる。
【0121】
このように、本実施形態によると、2層からなるp型のコンタクト層40の第1のコンタクト層40aがAlNにより構成されているため、該AlNよりなる半導体層によって、p型の不純物であるMgがコンタクト層40から該コンタクト層40と接合するp型GaN層19へ拡散することが抑制される。これにより、不純物のMgが結晶のアクセプタサイト以外の場所に侵入してp型のキャリアを補償するおそれがなくなり、p型のコンタクト層40と接するp型GaN層19の導電性を低下させないため、p型GaN層19に印加される電圧が小さくなるので、発光素子の動作電圧を低減させることができる。
【0122】
なお、第2のコンタクト層40bを構成するp型GaN0.980.02の代わりにp型GaN1-x Asx を用いてもよい。
【0123】
また、p型のコンタクト層40と接触する陰電極22の第1の金属層22aはNiに限らず、Pt、Au又はPdであってもよい。
【0124】
また、サファイアよりなる基板11の代わりにSiCよりなる基板や、Al23 、ZnO、MgAl24 又はLiAlO2 等の酸化物よりなる基板を用いてもよく、さらに、SiC傾斜基板を用いても同様な効果が得られる。
【0125】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子によると、窒素を含むIII −V族化合物よりなる第2導電型の第2のクラッド層の上に形成されたリン及び窒素又はヒ素及び窒素を含むIII −V族化合物よりなる第2導電型のコンタクト層を備えているため、第2導電型のGaNをコンタクト層に用いる場合よりも電極用金属との間の価電子帯のショットキー障壁の高さを低減することができるので、しきい値電圧が低減することになり、低電圧駆動を実現できる。
【0126】
半導体発光素子において、第2導電型のコンタクト層の組成が一般式GaN1-x x (但し、式中のxは0<x<1の実数である。)で示されるため、第2導電型のGaNをコンタクト層に用いる場合に比べて電極用金属との間の価電子帯のショットキー障壁の高さを確実に低減することができる。
【0127】
また、半導体発光素子において、第2導電型のコンタクト層の組成が一般式GaN1-x Asx (但し、式中のxは0<x<1の実数である。)で示されるため、第2導電型のGaNをコンタクト層に用いる場合に比べて電極用金属との間の価電子帯のショットキー障壁の高さを確実に低減することができる。
【0128】
また、半導体発光素子において、第2導電型のコンタクト層は複数層よりなり、各複数層におけるリン又はヒ素に対する窒素の割合が、電極側から、窒素を含むIII −V族化合物よりなる第2のクラッド層に向けて段階的に大きくなるように構成されているため、第2のクラッド層に近づくに連れてコンタクト層の価電子帯のバンド端エネルギーが真空準位から遠くなり、第2のクラッド層の価電子帯のバンド端エネルギーに近づくので、コンタクト層と第2のクラッド層との界面で形成される正孔に対するポテンシャル障壁が小さくなる。このため、しきい値電圧がさらに低減するので、さらなる低電圧駆動を実現できる。
【0129】
また、半導体発光素子において、第2導電型はp型であって、該コンタクト層は、電極と接触することにより生ずる正孔に対するポテンシャル障壁を低減するため、しきい値電圧が低減するので、低電圧駆動を確実に実現できる。
【0130】
また、半導体発光素子において、前記正孔に対するポテンシャル障壁の大きさが零であるため、しきい値電圧がさらに低減するので、さらなる低電圧駆動を確実に実現できる。
【0131】
また、半導体発光素子において、第2導電型のコンタクト層はアルミニウムを含むため、窒素を含むIII −V族化合物に対して格子整合でき、結晶性がよいので、所望の膜厚を有するコンタクト層が確実に得られる
また、半導体発光素子において、第2導電型のコンタクト層と第2導電型の第2のクラッド層との間に形成されたAlNよりなる半導体層をさらに備えているため、AlN結晶内の隙間がGaN結晶内の隙間よりも小さいので、Alと置換した第2導電型の不純物がAlN結晶内を拡散できない。その結果、第2のクラッド層内において、第2導電型のキャリアが第2導電型の不純物により補償されなくなるため、第2のクラッド層の導電性を低下させないので、第2のクラッド層に印加される電圧が小さくなり、動作電圧を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。
【図3】本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の構成断面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。
【図5】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成断面図である。
【図8】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の電流電圧特性を表わすグラフである。
【図9】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子及び従来の半導体発光素子におけるp型不純物であるMg濃度を示すグラフである。
【図10】従来の半導体発光素子の構成断面図である。
【図11】代表的なIII −V族化合物半導体のバンドギャップエネルギーを示すグラフである。
【図12】ヘテロ接合におけるタイプI及びタイプIIのバンドギャップエネルギーを示す図である。
【図13】代表的なIII −V族化合物半導体の格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
11 基板
12 バッファ層
13 n型GaN層
14 n型クラッド層(第1のクラッド層)
15 第1のガイド層
16a バリア層
16b 活性層
16 多重量子井戸層
17 第2のガイド層
18 p型クラッド層(第2のクラッド層)
19 p型GaN層
20 コンタクト層
20a 第1のコンタクト層
20b 第2のコンタクト層
20c 第3のコンタクト層
21 電流狭さく層
22a 第1の金属膜
22b 第2の金属膜
22 陽電極
24a Ti層
24b Al層
24 陰電極
30 コンタクト層
40 コンタクト層
40a 第1のコンタクト層(AlNよりなる半導体層)
40b 第2のコンタクト層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device made of a III-V group compound containing nitrogen (N) in an active layer and a cladding layer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a key device for next-generation high-density information processing technology, a III-V group compound semiconductor containing nitrogen that enables a shorter wavelength of a laser has attracted attention. In the semiconductor light emitting device using the group III-V compound semiconductor containing nitrogen, there is an extremely strong demand for a reduction in operating voltage.
[0003]
A conventional semiconductor light emitting device made of a group III-V compound semiconductor containing nitrogen will be described below with reference to the drawings.
[0004]
FIG. 10 is a sectional view showing a laser element or light emitting diode element made of a III-V group compound semiconductor containing nitrogen as a first conventional example. As shown in FIG. 10, on a substrate 101 made of sapphire having a plane orientation of (0001), a buffer layer 102 made of GaN, and an n-type GaN layer 103 having a stepped portion on the upper side of the buffer layer 102. Are sequentially formed.
[0005]
On the upper side of the stepped portion on the n-type GaN layer 103, n-type Ga0.95In0.05N layer 104 and n-type Al0.05Ga0.95N-type cladding layer 105 made of N, n-type guide layer 106 made of n-type GaN, and undoped Ga0.95In0.05Barrier layer 107a made of N and undoped Ga0.8 In0.2A multi-quantum well layer 107 in which active layers 107b made of N layers are alternately stacked in quadruple, and p-type Al0.2 Ga0.8 N layer 108, p type guide layer 109 made of p type GaN, p type Al0.1 Ga0.9 A p-type cladding layer 110 made of N, a contact layer 111 made of p-type GaN, and a positive electrode 112 in which Ni and Au are stacked are sequentially formed.
[0006]
On the lower side of the stepped portion on the n-type GaN layer 103, a negative electrode 113 formed by stacking Ti and Al is formed.
[0007]
The semiconductor light emitting device shown in FIG. 10 is characterized in that the cavity length is 700 μm, the stripe width is 2 μm, and the active layer 107b has a double heterostructure having a multiple quantum well structure. With this double heterostructure, the oscillation wavelength is 408 nm, the threshold voltage is 8 V, the threshold current is 130 mA, and the threshold current density is 9 kA / cm.2 And continuous oscillation at room temperature with a lifetime of 1 second (Shuji Nakamura et al .; Applied Physics Letters Vol. 69 (1996) pp.4056-4058).
[0008]
Furthermore, as a second conventional example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-97468 discloses Ga-doped p-type in the contact layer 111 in a III-V group compound semiconductor containing nitrogen.1-x Inx It is shown that the Schottky barrier generated between the positive electrode 112 and the contact layer 111 can be reduced by using N (where x is a real number of 0 <x <1 and the same shall apply hereinafter). .
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the first conventional example has a problem that the reduction of the operating voltage is not realized. Also. The second conventional example has a problem that although the operating voltage is reduced, a p-type contact layer having a sufficient film thickness cannot be formed.
[0010]
The first object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to obtain a great satisfaction in reducing the operating voltage of the semiconductor light emitting device, and to reduce the operating voltage and form a p-type contact layer. A second object is to achieve both.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various studies for reducing the operating voltage, the present inventors have found that there is a gap between the p-type contact layer made of GaN doped with a p-type impurity and the positive electrode Ni in contact with the contact layer 111. It has been found that since the Schottky barrier is large, the contact resistance between the p-type contact layer and the metallic Ni increases, and the operating voltage as a light emitting element increases. This is not a study on semiconductor light-emitting devices, but Hidenori Ishikawa et al. “The 56th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics 27p-ZE-17 (1995, Preliminary Proceedings Vol.1 p.247) And W. W. et al. A. Supported by Harrison, Tadanobu Kojima, Kazuko Kojima, Eizaburo Yamada, “Electronic Structure and Properties of Solids—Physics of Chemical Bonds”, published by Contemporary Engineering Co., p.269.
[0012]
Further, the P-type impurity, particularly Mg, diffuses to the active layer side, penetrates into a place other than the acceptor site of the crystal lattice, and compensates for the carriers in the p-type semiconductor layer immediately below the contact layer, thereby It has been found that the resistance of the p-type semiconductor layer is increased.
[0013]
The present invention has been made on the basis of the above findings, and a p-type contact layer in a light-emitting element using a group III-V compound semiconductor containing nitrogen has a group III-V containing phosphorus and nitrogen or arsenic and nitrogen. A compound is used.
[0014]
  A semiconductor light emitting device according to the present invention includes a substrate,Formed on the substrate III- A double heterostructure composed of a group V nitride semiconductor layer and a plurality of p-type conductive layers stacked on the double heterostructure III- A contact structure including a contact structure made of a group V nitride semiconductor layer and an electrode formed on the contact structure is configured. III- The group V nitride semiconductor layer is III Each containing aluminum as a group element and arsenic or phosphorus as a group V element and constituting a contact structure III- The ratio of nitrogen to arsenic or phosphorus in the group V nitride semiconductor layer increases stepwise from the electrode toward the double heterostructure.
[0015]
According to the semiconductor light emitting device, the second conductive layer is formed of the second conductive type second clad layer made of the III-V group compound containing nitrogen and the second group made of the III-V group compound containing phosphorus and nitrogen or arsenic and nitrogen. Since the conductive type contact layer is provided, the height of the Schottky barrier of the valence band between the electrode metal and the metal can be reduced as compared with the case where the second conductive type GaN is used for the contact layer.
[0021]
In the semiconductor light emitting device, the contact layer preferably contains aluminum. In this way, since AlN has a relatively small lattice constant, it can be lattice-matched with GaN by adding an appropriate amount of aluminum, so that a contact layer with few defects and good crystallinity can be obtained. .
[0022]
The semiconductor light emitting device preferably further includes a semiconductor layer made of AlN formed between the contact layer and the second cladding layer. In this case, since the atomic radius of Al is smaller than the atomic radius of Ga, which is a commonly used group III element, the gap in the AlN crystal is smaller than the gap in the GaN crystal. Type impurities cannot diffuse in the AlN crystal.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, on a substrate 11 made of sapphire having a plane orientation of (0001), a buffer layer 12 made of undoped GaN and having a thickness of 30 nm for enhancing crystal lattice matching, and the buffer layer An n-type GaN layer 13 having a thickness of 3.0 μm and having a stepped portion on the upper portion is sequentially formed on the substrate 12.
[0025]
On the upper side of the stepped portion on the n-type GaN layer 13 is n-type Al.0.1 Ga0.9 An n-type clad layer 14 as a first clad layer for containing carriers having a thickness of 500 nm and N, and a first guide layer 15 made of undoped GaN for enhancing the effect of carrier containment having a thickness of 100 nm. And undoped Ga0.95In0.05A barrier layer 16a made of N and having a thickness of 5 nm and undoped Ga0.8 In0.2An active layer 16b made of N layer and having a thickness of 2.5 nm is alternately stacked in a five-fold manner, and a multi-quantum well layer 16 in which another barrier layer 16a is further stacked thereon and undoped GaN. A second guide layer 17 having a thickness of 100 nm for enhancing the effect of carrier containment, and p-type Al0.1 Ga0.9 A p-type cladding layer 18 as a second cladding layer for containing carriers having a thickness of 500 nm, a p-type GaN layer 19 having a thickness of 300 nm, and p-type GaN.0.95P0.05And a first metal film 22a made of Ni surrounded by a current narrowing layer 21 made of silicon oxide and having a T-shaped cross section and a leg portion having a T-shaped cross section, and the first metal film A positive electrode 22 formed by laminating a second metal film 22b made of Au is sequentially formed on 22a.
[0026]
Since sapphire, which is an insulator, is used for the substrate 11 and no negative electrode is provided on the back surface of the substrate, the Ti layer 24a and the Al layer 24b are provided on the lower side of the step portion on the n-type GaN layer 13. A negative electrode 24 is formed by laminating.
[0027]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device configured as described above will be described.
[0028]
First, the main surface of the substrate 11 made of sapphire having a plane orientation of (0001) is subjected to a pretreatment such as cleaning using an organic solvent, and then the pressure is set to 70 × 133. The substrate 11 is heated in a hydrogen atmosphere of 3 Pa until the temperature reaches 1090 ° C., and the adsorbed gas, oxide, water molecules, etc. adhering to the surface of the substrate 11 are removed. Incidentally, the pressure unit Pa has a relationship of Torr and 133.3 Pa≈1 Torr.
[0029]
Thereafter, the temperature of the substrate 11 is lowered to 550 ° C., trimethylgallium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 5.5 sccm, ammonia is introduced at a flow rate of 2.5 l / min, and silane is introduced onto the substrate 11. A buffer layer 12 made of undoped GaN is grown to a thickness of 30 nm. Thereafter, the temperature of the substrate 11 is increased to 1060 ° C., and trimethylgallium is introduced at a flow rate of 0.27 sccm, ammonia is introduced at a flow rate of 5.0 l / min, and silane is introduced at a flow rate of 12.5 sccm. An n-type GaN layer 13 having a thickness of 3.0 μm is grown on the buffer layer 12.
[0030]
Next, trimethylgallium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, trimethylaluminum at a flow rate of 5.4 sccm, ammonia at a flow rate of 2.5 l / min, and silane at a flow rate of 12.5 sccm. N-type Al on the n-type GaN layer 130.1 Ga0.9 An n-type cladding layer 14 made of N and having a thickness of 500 nm is grown.
[0031]
Next, trimethylgallium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, and ammonia is introduced at a flow rate of 2.5 l / min. The n-type cladding layer 14 on the substrate 11 is made of undoped GaN and has a thickness of A 100 nm first guide layer 15 is grown.
[0032]
Next, the temperature of the substrate 11 is lowered to 730 ° C., and on the substrate 11, trimethylgallium is flowed at 2.7 sccm, trimethylindium is flowed at 27 sccm, ammonia is flowed at 10 l / min, and nitrogen is flowed at 10 l / min. The undoped Ga on the first guide layer 15 on the substrate 110.95In0.05A barrier layer 16a made of N and having a thickness of 5.0 nm is grown. Subsequently, the temperature of the substrate 11 was left as it was, and trimethylgallium was introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 10.8 sccm, trimethylindium at a flow rate of 27 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and nitrogen at a flow rate of 10 l / min. , Undoped Ga on the barrier layer 16a0.8 In0.2 An active layer 16b made of N and having a thickness of 2.5 nm is grown. After repeating the film formation of a total of five pairs of these barrier layers 16a and active layers 16b as a pair, another barrier layer 16a is stacked thereon to form multiple quantum layers stacked alternately in five layers. The well layer 16 is formed.
[0033]
Next, the temperature of the substrate 11 is increased to 1060 ° C., trimethyl gallium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, and ammonia is introduced at a flow rate of 2.5 l / min. A second guide layer 17 made of undoped GaN and having a thickness of 100 nm is grown on 16.
[0034]
Thereafter, trimethylgallium was introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, trimethylaluminum at a flow rate of 5.4 sccm, ammonia at a flow rate of 2.5 l / min, and cyclopentadienyl magnesium at a flow rate of 5.0 sccm. P-type Al on the second guide layer 17 on the substrate 11.0.1 Ga0.9 A p-type cladding layer 18 made of N and having a thickness of 500 nm is grown. Next, p-type cladding on the substrate 11 is introduced onto the substrate 11 by introducing trimethylgallium at a flow rate of 2.7 sccm, ammonia at a flow rate of 5.0 l / min, and cyclopentadienyl magnesium at a flow rate of 5.0 sccm. A p-type GaN layer 19 having a thickness of 300 nm is grown on the layer 18.
[0035]
Next, the temperature of the substrate 11 is lowered to 680 ° C., trimethylgallium is supplied at a flow rate of 2.7 sccm, phosphine is supplied at a flow rate of 27 sccm, ammonia is supplied at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienylmagnesium is supplied over the substrate 11. By introducing at 5.0 sccm, p-type GaN is formed on the p-type GaN layer 19 on the substrate 11.0.95P0.05The contact layer 20 having a thickness of 100 nm is grown.
[0036]
Next, the formed substrate 11 is annealed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 700 ° C. for 1 hour, and impurity ions in the p-type cladding layer 18, the p-type GaN layer 19, and the contact layer 20 are used. A certain Mg is activated.
[0037]
Next, a method for forming the positive electrode 22 and the negative electrode 24 on the annealed substrate 11 will be described.
[0038]
First, after forming a mask pattern having an opening in the positive electrode 22 formation region on the contact layer 20 in the substrate 11, Ni for mask having a thickness of 1 μm is deposited on the entire surface of the substrate. Next, after removing the mask pattern, the pressure is 133.3 mPa, the RF power is 400 W, the RF frequency is 13.56 MHz, and the substrate 11 in the ECR plasma composed of chlorine and hydrogen with a mixing ratio of 1: 1. The voltage between the substrate holder to be held and the grid is set to 400 V, and the substrate 11 is dry-etched for 20 minutes using the masking Ni as a mask to expose the n-type GaN layer 13. Thereafter, the masking Ni is removed using nitric acid in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure. In place of Ni for mask, metal such as aluminum or SiO2 A dielectric such as the above may be used.
[0039]
Next, a SiO film having a film thickness of 100 nm is formed on the entire surface of the substrate 11 by CVD.2 A dielectric film is deposited. The CVD method may be a photo CVD method or a plasma CVD method.
[0040]
Subsequently, after applying a resist film over the entire surface of the dielectric film on the substrate 11, a positive electrode formation region on the upper surface of the contact layer 20 on the substrate 11 and n on the substrate 11 are used by photolithography. A resist pattern having an opening having a width of 10 μm is selectively formed in the negative electrode formation region on the exposed surface of the n-type GaN layer 13, and using the resist pattern as a mask, the mixture ratio is 1:10. Wet etching is performed on the substrate 11 using an aqueous solution of ammonium fluoride, and openings are formed in the positive electrode formation region on the upper surface of the contact layer 20 and in the negative electrode formation region on the exposed surface of the n-type GaN layer 13, respectively. And SiO2 A current narrowing layer 21 is formed. In this case, unlike the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, a current narrowing layer 21 similar to the positive electrode 22 is formed on the negative electrode 24.
[0041]
Next, acetone and O2 After removing the resist pattern on the substrate 11 using plasma, the current narrowing layer 21 on the upper surface of the contact layer 20, the first metal film 22 a made of Ni in the opening of the current narrowing layer 21, and the first A positive electrode 22 is formed by sequentially depositing a second metal film 22b made of Au on the metal film 22a.
[0042]
Next, a negative electrode 24 is formed by sequentially depositing a current narrowing layer on the upper surface of the n-type GaN layer 13 and a Ti layer 24a and an Al layer 24b in the opening of the current narrowing layer.
[0043]
Next, the substrate 11 is cleaved so that the cavity length is 0.5 mm to complete the semiconductor light emitting device.
[0044]
Hereinafter, the characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described.
[0045]
First, the optical characteristics are that the oscillation wavelength of laser light is 410 nm, and the reflectance of the end face is 22% for both the front and rear. The internal loss of laser light is 5cm-1The loss in the resonator is 20cm-1It is.
[0046]
Next, electrical characteristics will be described.
[0047]
The carrier density of each of the p-type cladding layer 18 and the n-type cladding layer 14 is 1 × 10.18/ CmThree The carrier densities of the p-type GaN layer 19 and the n-type GaN layer 13 are 3 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier density of the contact layer 20 is 3 × 1018/ CmThree It is.
[0048]
The mobility is 10 cm for each of the p-type cladding layer 18, the p-type GaN layer 19 and the contact layer 20.2 / V · s, and the n-type cladding layer 14 and the n-type GaN layer 13 are each 250 cm.2 Since / V · s, the p-type cladding layer 18, the n-type cladding layer 14, the p-type GaN layer 19, and the n-type GaN layer 13 having sufficiently low resistivity are realized.
[0049]
On the positive electrode 22 side, the contact resistance is 1 × 10 between the p-type contact layer 20 and Ni which is the first metal film 22a in contact with the contact layer 20.-3Ω · cm2 Similarly, ohmic contact is also realized between the n-type GaN layer 13 and the Ti layer 24a on the negative electrode 24 side.
[0050]
Realized between the p-type contact layer 20 and Ni, the contact resistance is 1 × 10-3Ω · cm2 The ohmic contact is reduced to 1/10 of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni described above. This is because the potential barrier of the valence band between the p-type contact layer 20 and Ni is 0.35 eV, and the valence band between the conventional p-type GaN contact layer and Ni shown in FIG. This is because the potential barrier is 0.44 eV smaller than 0.79 eV.
[0051]
As can be seen from FIG. 11, when the heterojunction between GaN and GaP or GaN and GaAs shown in this embodiment is performed, a so-called type II heterojunction shown in FIG. 12B is realized. it can.
[0052]
FIG. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment. In FIG. 2, 1A is a curve representing the output power of the semiconductor light emitting device according to this embodiment, and 1B is a curve representing the forward voltage applied to the semiconductor light emitting device according to this embodiment. On the other hand, 10A is a curve representing the output power of the conventional semiconductor light emitting device, and 10B is a curve representing the forward voltage applied to the conventional semiconductor light emitting device. In FIG. 2, it can be seen that the threshold voltage of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment is 4.8 V as shown by curve 1A, and the threshold current is 110 mA as shown by curve 1B. On the other hand, the threshold voltage of the conventional semiconductor light emitting device is 8V as shown by a curve 10A, and the threshold current is 130 mA as shown by a curve 10B. The threshold current density is 2 kA / cm for the semiconductor light emitting device according to this embodiment.2 The conventional semiconductor light emitting device is 9 kA / cm.2 It is. Thus, it can be seen that the current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment are reduced by 40% in the forward voltage and 78% in the threshold current density as compared with the conventional semiconductor light emitting device. This is because the ohmic contact between the p-type contact layer 20 and Ni constituting the positive electrode 22 is one tenth of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. is there.
[0053]
Thus, according to the present embodiment, the contact layer 20 for making ohmic contact with the positive electrode 22 is made of GaN having Mg as an impurity.0.95P0.05Since the contact resistance is reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting element can be reduced.
[0054]
P-type GaN0.95P0.05P-type GaN instead of the contact layer 20 made of0.95As0.05Similar results can be obtained using a contact layer made of the same.
[0055]
In addition, p-type GaN0.95P0.05Instead of the contact layer 20, it is doped p-type and has a laminated structure with each other (GaN)m (GaP)n (However, m and n are natural numbers. The same shall apply hereinafter.) A similar result can be obtained using a contact layer.
[0056]
Furthermore, GaAs or GaAs instead of GaP1-x Px A similar result can be obtained using.
[0057]
The first metal layer 22a of the negative electrode 22 that contacts the p-type contact layer 20 is not limited to Ni, but may be platinum (Pt), gold (Au), or palladium (Pd).
[0058]
Further, instead of the substrate 11 made of sapphire, a substrate made of SiC, ZnO, MgAl2 OFour Or LiAlO2 A substrate made of an oxide such as SiC or a SiC inclined substrate may be used.
[0059]
(Modification of the first embodiment)
Hereinafter, a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0060]
FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a modification of the first embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 3, the contact layer 20 formed between the p-type GaN layer 19 and the first metal film 22a is the negative electrode 22, that is, the first This is that the first, second, and third contact layers 20a, 20b, and 20c made of p-type GaNP are formed so that the composition ratio of nitrogen gradually decreases toward the metal film 22a. . Specifically, the p-type GaN layer sequentially from the p-type GaN layer 19 side.0.99P0.01First contact layer 20a comprising p-type GaN0.97P0.03Second contact layer comprising layer 20b and p-type GaN0.95P0.05A third contact layer 20c is formed.
[0061]
In FIG. 3, the same members as those of the semiconductor light emitting element shown in FIG.
[0062]
A method for manufacturing the contact layer 20 including the first contact layer 20a, the second contact layer 20b, and the third contact layer 20c according to this modification will be described.
[0063]
After growing up to the p-type GaN layer 19 on the substrate 11 made of sapphire having a plane orientation of (0001), the temperature of the substrate 11 is set to 680 ° C. On the substrate 11, trimethylgallium was introduced at a flow rate of 2.7 sccm, phosphine at a flow rate of 13 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienylmagnesium at a flow rate of 5.0 sccm. p-type GaN on the p-type GaN layer 190.99P0.01The first contact layer 20a having a thickness of 30 nm is grown. Next, trimethylgallium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, phosphine at a flow rate of 40 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienyl magnesium at a flow rate of 5.0 sccm. On the first contact layer 20a on the upper side, p-type GaN0.97P0.03The second contact layer 20b having a thickness of 30 nm is grown. Next, trimethylgallium was introduced at a flow rate of 2.7 sccm, phosphine at a flow rate of 65 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienylmagnesium at a flow rate of 5.0 sccm. P-type GaN having a thickness of 30 nm on the contact layer 20b0.95P0.05Layer 20c is grown.
[0064]
After that, the substrate 11 is annealed using the same method as in the first embodiment, and then the positive electrode 22 and the negative electrode 24 are formed, and further cleaved to complete the light emitting element.
[0065]
Hereinafter, characteristics of the semiconductor light emitting device according to this modification will be described.
[0066]
First, the optical characteristics are the same as in the first embodiment, the oscillation wavelength of the laser light is 410 nm, and the reflectance of the end face is 22% for both the front and rear. The internal loss of the laser is 5cm-1The loss in the resonator is 20cm-1It is.
[0067]
Next, electrical characteristics will be described.
[0068]
The carrier density of the p-type cladding layer 19 and the n-type cladding layer 13 is 1 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier densities of the p-type GaN layer 19 and the n-type GaN layer 13 are 3 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier density of the contact layer 20 is 3 × 1018/ CmThree It is.
[0069]
The mobility is 10 cm for each of the p-type cladding layer 18, the p-type GaN layer 19 and the contact layer 20.2 / V · s, and the n-type cladding layer 14 and the n-type GaN layer 13 are each 250 cm.2 Since / V · s, the p-type cladding layer 18, the n-type cladding layer 14, the p-type GaN layer 19, and the n-type GaN layer 13 having sufficiently low resistivity are realized.
[0070]
On the positive electrode 22 side, the contact resistance between the p-type contact layer 20 and the Ni of the first metal film 22a in contact with the contact layer 20 is 3 × 10-FourΩ · cm2 Similarly, ohmic contact is also realized between the n-type GaN layer 13 and the Ti layer 24a on the negative electrode 24 side.
[0071]
It is realized between the contact layer 20 composed of three p-type layers and Ni, and the contact resistance is 3 × 10-FourΩ · cm2 The ohmic contact is reduced to 1/30 of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. This is because the potential barrier of the valence band between the p-type contact layer 20 and Ni becomes 0.17 eV, and the potential barrier of the valence band between the conventional p-type GaN contact layer and Ni is 0. This is because it is 0.62 eV smaller than 79 eV.
[0072]
In addition, the p-type contact layer 20 including the first contact layer 20a, the second contact layer 20b, and the third contact layer 20c according to the present modification includes nitrogen (N) with respect to phosphorus (P). Is configured to increase stepwise from the contact layer 20 side toward the p-type cladding layer 18, so that each layer of the contact layer 20 moves away from Ni of the negative electrode 22, that is, p As the GaN band 19 is approached, the band edge energy of the valence band of the contact layer 20 becomes farther from the vacuum level and approaches the band edge energy of the valence band of the p-type GaN layer 19. This is because the potential barrier against holes in the p-type GaN layer 19 immediately below the contact layer 20 becomes small.
[0073]
FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this modification. In FIG. 4, 2A is a curve representing the output power of the semiconductor light emitting device according to this modification, and 2B is a curve representing the forward voltage applied to the semiconductor light emitting device according to this modification. On the other hand, 10A is a curve representing the output power of the conventional semiconductor light emitting device, and 10B is a curve representing the forward voltage applied to the conventional semiconductor light emitting device. In FIG. 4, it can be seen that the threshold voltage of the semiconductor light emitting device according to this modification is 4.5 V as shown by curve 2A, and the threshold current is 100 mA as shown by curve 2B. On the other hand, the threshold voltage of the conventional semiconductor light emitting device is 8V as shown by a curve 10A, and the threshold current is 130 mA as shown by a curve 10B. The threshold current density is 1.8 kA / cm for the semiconductor light emitting device according to this variation.2 The conventional semiconductor light emitting device is 9 kA / cm.2 It is. Thus, it can be seen that the current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this modification are clearly improved as compared with the conventional semiconductor light emitting device. This is because the ohmic contact between the p-type contact layer 20 composed of three layers and Ni constituting the positive electrode 22 is one-third of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. Because.
[0074]
As described above, according to this modification, the contact layer 20 for making ohmic contact with the positive electrode 22 has a stepwise increase in the ratio of nitrogen to phosphorus from the contact layer 20 side toward the p-type GaN layer 19. Since the band edge energy of the valence band of the contact layer 20 is far from the vacuum level and approaches the band edge energy of the valence band of the p-type GaN layer 19, the contact resistance is further reduced. As a result, the forward voltage of the semiconductor light emitting device can be reduced by 43%.
[0075]
Note that p-type GaN is used as the p-type contact layer 20.1-x Px (Where x is a real number of 0.07 <x <1), the potential barrier of the valence band between the contact layer 20 and Ni can be reduced to 0, which is ideal. Ohmic contact can be obtained.
[0076]
Further, p-type GaN is used as the p-type contact layer 20.1-x Px (Where x is a real number such that 0 <x <1; the same applies hereinafter) p-type GaN1-x Asx The same effect can be obtained even if is used.
[0077]
Further, each layer of the contact layer 20 is made of (GaN)m (GaP)n Or (GaN)m (GaAs)n (GaN)m (GaAs1-x Px )n May be used.
[0078]
Further, the first metal layer 22a of the negative electrode 22 that contacts the p-type contact layer 20 is not limited to Ni, but may be Pt, Au, or Pd.
[0079]
Also, instead of the substrate 11 made of sapphire, a substrate made of SiC, Al2 OThree , ZnO, MgAl2 OFour Or LiAlO2 A substrate made of an oxide such as may be used, and the same effect can be obtained by using a SiC inclined substrate.
[0080]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0081]
FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the semiconductor light emitting device according to this embodiment includes a p-type Al layer between the p-type GaN layer 19 and the first metal film 22 a constituting the negative electrode 22.0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 A contact layer 30 is formed.
[0082]
In FIG. 5, the same members as those of the semiconductor light emitting element shown in FIG.
[0083]
A method for manufacturing the contact layer 30 according to this embodiment will be described.
[0084]
First, as in the first embodiment, the substrate 11 made of sapphire having a plane orientation of (0001) is cleaned and pretreated using an organic solvent, and then the p-type GaN layer 19 is formed on the substrate 11. Growing up until.
[0085]
Next, the temperature of the substrate 11 is set to 680 ° C., trimethylaluminum at a flow rate of 10 sccm, trimethylgallium at a flow rate of 20 sccm, phosphine at a flow rate of 27 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and cyclopenta on the substrate 11. Dienylmagnesium is introduced at a flow rate of 5.0 sccm, and p-type Al is formed on the p-type GaN layer 19 on the substrate 11.0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 The contact layer 30 having a thickness of 100 nm is grown.
[0086]
After that, as in the first embodiment, the substrate 11 is annealed to activate the impurity Mg, and then the positive electrode 22 and the negative electrode 24 are formed, so that the desired cavity length is obtained. The substrate 11 is cleaved to complete the light emitting element.
[0087]
Hereinafter, the characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described.
[0088]
First, the optical characteristics are the same as in the first embodiment, the laser oscillation wavelength is 410 nm, and the reflectance of the end face is 22% for both the front and rear. The internal loss of the laser is 5cm-1The loss in the resonator is 20cm-1It is.
[0089]
Next, electrical characteristics will be described.
[0090]
The carrier density of the p-type cladding layer 19 and the n-type cladding layer 13 is 1 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier densities of the p-type GaN layer 19 and the n-type GaN layer 13 are 3 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier density of the contact layer 30 is 3 × 1018/ CmThree It is.
[0091]
The mobility is 10 cm for each of the p-type cladding layer 18, the p-type GaN layer 19 and the contact layer 30.2 / V · s, and the n-type cladding layer 14 and the n-type GaN layer 13 are each 250 cm.2 Since / V · s, the p-type cladding layer 18, the n-type cladding layer 14, the p-type GaN layer 19, and the n-type GaN layer 13 having sufficiently low resistivity are realized.
[0092]
On the positive electrode 22 side, the contact resistance between the p-type contact layer 30 and the Ni of the first metal film 22a in contact with the contact layer 30 is 1 × 10-3Ω · cm2 Similarly, ohmic contact is also realized between the n-type GaN layer 13 and the Ti layer 24a on the negative electrode 24 side.
[0093]
p-type Al0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 It is realized between the contact layer 30 made of Ni and Ni, and the contact resistance is 1 × 10-3Ω · cm2 The ohmic contact is reduced to 1/10 of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. This is because the potential barrier of the valence band between the p-type contact layer 30 and Ni becomes 0.43 eV, and the potential barrier of the valence band between the conventional p-type GaN contact layer and Ni becomes 0. 3 eV. This is because it is 0.36 eV smaller than 79 eV.
[0094]
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment. In FIG. 6, 3A is a curve representing the output power of the semiconductor light emitting device according to this embodiment, and 3B is a curve representing the forward voltage applied to the semiconductor light emitting device according to this embodiment. On the other hand, 10A is a curve representing the output power of the conventional semiconductor light emitting device, and 10B is a curve representing the forward voltage applied to the conventional semiconductor light emitting device. In FIG. 6, it can be seen that the threshold voltage of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment is 4.8 V as shown by curve 3A, and the threshold current is 110 mA as shown by curve 3B. On the other hand, the threshold voltage of the conventional semiconductor light emitting device is 8V as shown by a curve 10A, and the threshold current is 130 mA as shown by a curve 10B. The threshold current density is 2 kA / cm for the semiconductor light emitting device according to this embodiment.2 The conventional semiconductor light emitting device is 9 kA / cm.2 It is. Thus, it can be seen that the current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment are clearly improved as compared with the conventional semiconductor light emitting device. This is because the ohmic contact between the p-type contact layer 30 and the Ni constituting the positive electrode 22 is one tenth of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. is there.
[0095]
As a feature of this embodiment, as shown in FIG. 13, since AlN has a relatively small lattice constant, p-type Al0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 Since the contact layer 30 made of this can perfectly lattice match with GaN, its defect density is 1 × 109 / Cm2 It becomes. This value is the conventional p-type Ga1-x Inx A contact layer having a thickness one order of magnitude smaller than that of the N contact layer and having a thickness of 50 nm or more can be reliably formed.
[0096]
The contact layer 30 has a p-type Al.0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 P-type Al instead ofx Ga1-x N1-y Asy The same effect can be obtained by using.
[0097]
P-type Al0.1 Ga0.9 N0.989 P0.011 Instead of (AlN)h (AlAs)k (GaN)m (GaAs)n A contact layer made of (where k is an integer and h, m, and n are natural numbers) may be used.
[0098]
Further, the first metal layer 22a of the negative electrode 22 that contacts the p-type contact layer 30 is not limited to Ni, but may be Pt, Au, or Pd.
[0099]
Also, instead of the substrate 11 made of sapphire, a substrate made of SiC, Al2 OThree , ZnO, MgAl2 OFour Or LiAlO2 A substrate made of an oxide such as SiC may be used, and a SiC inclined substrate may be used.
[0100]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0101]
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the semiconductor light emitting device according to this embodiment is formed on the p-type GaN layer 19 between the p-type GaN layer 19 and the first metal film 22 a constituting the negative electrode 22. A first contact layer 40a made of p-type AlN and p-type GaN formed on the first contact layer 40a0.98P0.02It has a contact layer 40 composed of a second contact layer 40b made of layers.
[0102]
In FIG. 7, the same members as those of the semiconductor light emitting element shown in FIG.
[0103]
A method for manufacturing the two-layer contact layer 40 according to this embodiment will be described.
[0104]
First, as in the first embodiment, the substrate 11 made of sapphire having a plane orientation of (0001) is cleaned and pretreated using an organic solvent, and then the p-type GaN layer 19 is formed on the substrate 11. Growing up until.
[0105]
Next, the temperature of the substrate 11 is set to 680 ° C., trimethylaluminum is introduced at a flow rate of 4.1 sccm, ammonia is introduced at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienylmagnesium is introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 5.0 sccm. Then, a first contact layer 40 a made of p-type AlN and having a thickness of 2 nm is grown on the p-type GaN layer 19 on the substrate 11.
[0106]
Subsequently, trimethylgallium was introduced onto the substrate 11 at a flow rate of 2.7 sccm, phosphine at a flow rate of 27 sccm, ammonia at a flow rate of 10 l / min, and cyclopentadienyl magnesium at a flow rate of 5.0 sccm. P-type GaN is formed on the first contact layer 40a.0.98P0.02The second contact layer 40b having a thickness of 11.5 nm is grown.
[0107]
Thereafter, as in the first embodiment, the substrate 11 is annealed to activate the impurity Mg, and then the positive electrode 22 and the negative electrode 24 are formed, and the substrate 11 is further cleaved to emit light. Complete the device.
[0108]
Hereinafter, the characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described.
[0109]
First, the optical characteristics are the same as in the first embodiment, the laser oscillation wavelength is 410 nm, and the reflectance of the end face is 22% for both the front and rear. The internal loss of the laser is 5cm-1The loss in the resonator is 20cm-1It is.
[0110]
Next, electrical characteristics will be described.
[0111]
The carrier density of the p-type cladding layer 19 and the n-type cladding layer 13 is 1 × 10 3 respectively.18/ CmThree The carrier densities of the p-type GaN layer 19 and the n-type GaN layer 13 are 3 × 10 3 respectively.18/ CmThree , And the carrier density of the contact layer 40 is 3 × 10.18/ CmThree It is.
[0112]
The mobility is 10 cm for each of the p-type cladding layer 18, the p-type GaN layer 19 and the contact layer 40.2 / V · s, and the n-type cladding layer 14 and the n-type GaN layer 13 are each 250 cm.2 Since / V · s, the p-type cladding layer 18, the n-type cladding layer 14, the p-type GaN layer 19, and the n-type GaN layer 13 having sufficiently low resistivity are realized.
[0113]
On the positive electrode 22 side, the first contact layer 40a made of p-type AlN and p-type GaN0.98P0.02The contact resistance between the contact layer 40 made of the second contact layer 40b made of a layer and the Ni of the first metal film 22a in direct contact with the contact layer 40 is 1 × 10-3Ω · cm2 Similarly, ohmic contact is also realized between the n-type GaN layer 13 and the Ti layer 24a on the negative electrode 24 side.
[0114]
Realized between the p-type contact layer 40 and Ni, the contact resistance is 1 × 10-3Ω · cm2 The ohmic contact is reduced to 1/10 of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni.
[0115]
This is because the potential barrier of the valence band between the p-type contact layer 40 and Ni becomes 0.53 eV, and the potential barrier of the valence band between the conventional p-type GaN contact layer and Ni is 0. This is because it is 0.26 eV smaller than 79 eV.
[0116]
FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment. In FIG. 8, 4A is a curve representing the output power of the semiconductor light emitting device according to this embodiment, and 4B is a curve representing the forward voltage applied to the semiconductor light emitting device according to this embodiment. On the other hand, 10A is a curve representing the output power of the conventional semiconductor light emitting device, and 10B is a curve representing the forward voltage applied to the conventional semiconductor light emitting device. In FIG. 8, it can be seen that the threshold voltage of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment is 4.8 V as shown by the curve 4A, and the threshold current is 110 mA as shown by the curve 4B. On the other hand, the threshold voltage of the conventional semiconductor light emitting device is 8V as shown by a curve 10A, and the threshold current is 130 mA as shown by a curve 10B. The threshold current density is 2 kA / cm for the semiconductor light emitting device according to this embodiment.2 The conventional semiconductor light emitting device is 9 kA / cm.2 It is. Thus, it can be seen that the current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting device according to this embodiment are clearly improved as compared with the conventional semiconductor light emitting device. This is because the ohmic contact between the contact layer 40 composed of two p-type layers and Ni constituting the positive electrode 22 is one tenth of the contact resistance between the conventional p-type GaN contact layer and Ni. Because.
[0117]
Further, the p-type two-layer contact layer 40 is lattice-matched to GaN, and its defect density is 1 × 10 6.9 / Cm2 It is. This value is the conventional p-type Ga1-x Inx The value is an order of magnitude smaller than that of the N contact layer.
[0118]
Further, as a feature of the present embodiment, the p-type contact layer 40 has a p-type Al as the first contact layer 40a.0.1 Ga0.9 Since the AlN layer is provided on the p-type cladding layer 18 made of N, the atomic radius of Al is smaller than the atomic radius of Ga as shown in FIG. As a result, the p-type impurity Mg substituted for Al cannot diffuse in the AlN crystal. Accordingly, it is possible to suppress the diffusion of Mg, which is a p-type impurity, from the contact layer 40, which is usually doped with a large impurity concentration in order to enhance conductivity, to the active layer side.
[0119]
Hereinafter, a state in which the diffusion of Mg is suppressed will be described with reference to the drawings.
[0120]
FIG. 9 is a graph showing the concentration of Mg, which is a p-type impurity, in the semiconductor light emitting device according to this embodiment and the conventional semiconductor light emitting device analyzed using a secondary ion mass spectrometer (SIMS). In FIG. 9, a curve 5 represents the Mg concentration of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, and a curve 11 represents the Mg concentration of the conventional semiconductor light emitting device. The scale A representing the depth direction represents the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, the scale B represents a conventional semiconductor light emitting device, and the reference numerals thereof correspond to the respective semiconductor layers or metal layers. As shown by curve 5 in FIG. 9, the Mg concentration of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment sharply decreases at the interface between the second contact layer 40b and the first contact layer 40a. It can be seen that the second guide layer 17 is hardly reached. On the other hand, in the case of the conventional semiconductor light emitting device shown by the curve 11, it can be seen that Mg diffuses from the p-type contact layer 111 beyond the multiple quantum well layer 107.
[0121]
Thus, according to the present embodiment, since the first contact layer 40a of the p-type contact layer 40 composed of two layers is made of AlN, the semiconductor layer made of AlN causes p-type impurities. The diffusion of Mg from the contact layer 40 to the p-type GaN layer 19 joined to the contact layer 40 is suppressed. Thereby, there is no possibility that the impurity Mg penetrates into a place other than the acceptor site of the crystal and compensates the p-type carrier, and the conductivity of the p-type GaN layer 19 in contact with the p-type contact layer 40 is not lowered. Since the voltage applied to the p-type GaN layer 19 becomes small, the operating voltage of the light emitting element can be reduced.
[0122]
The p-type GaN constituting the second contact layer 40b0.98P0.02P-type GaN instead of1-x Asx May be used.
[0123]
The first metal layer 22a of the negative electrode 22 that contacts the p-type contact layer 40 is not limited to Ni, but may be Pt, Au, or Pd.
[0124]
Also, instead of the substrate 11 made of sapphire, a substrate made of SiC, Al2 OThree , ZnO, MgAl2 OFour Or LiAlO2 A substrate made of an oxide such as may be used, and the same effect can be obtained by using a SiC inclined substrate.
[0125]
【The invention's effect】
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the III-V group compound containing phosphorus and nitrogen or arsenic and nitrogen formed on the second conductivity type second cladding layer made of the III-V group compound containing nitrogen. Since the second conductivity type contact layer is provided, the Schottky barrier height of the valence band between the electrode metal and the GaN is reduced as compared with the case where the second conductivity type GaN is used for the contact layer. Therefore, the threshold voltage is reduced, and low voltage driving can be realized.
[0126]
In the semiconductor light emitting device, the composition of the contact layer of the second conductivity type is a general formula GaN1-xPx (However, x in the formula is a real number of 0 <x <1.) Therefore, the valence band between the electrode metal and the GaN of the second conductivity type is larger than that in the case where the second conductivity type GaN is used for the contact layer. The height of the Schottky barrier can be surely reduced.
[0127]
Further, in the semiconductor light emitting device, the composition of the second conductivity type contact layer has the general formula GaN.1-xAsx (However, x in the formula is a real number of 0 <x <1.) Therefore, the valence band between the electrode metal and the GaN of the second conductivity type is larger than that in the case where the second conductivity type GaN is used for the contact layer. The height of the Schottky barrier can be surely reduced.
[0128]
Further, in the semiconductor light emitting device, the second conductivity type contact layer is composed of a plurality of layers, and the ratio of nitrogen to phosphorus or arsenic in each of the plurality of layers is a second group composed of a III-V group compound containing nitrogen from the electrode side. Since it is configured to increase stepwise toward the cladding layer, the band edge energy of the valence band of the contact layer becomes farther from the vacuum level as it approaches the second cladding layer, and the second cladding Since it approaches the band edge energy of the valence band of the layer, the potential barrier against holes formed at the interface between the contact layer and the second cladding layer is reduced. For this reason, since the threshold voltage is further reduced, further low voltage driving can be realized.
[0129]
Further, in the semiconductor light emitting device, the second conductivity type is p-type, and the contact layer reduces the threshold voltage for reducing the potential barrier against holes generated by contact with the electrode. Voltage drive can be realized reliably.
[0130]
Further, in the semiconductor light emitting device, since the size of the potential barrier with respect to the holes is zero, the threshold voltage is further reduced, so that further low voltage driving can be realized with certainty.
[0131]
In the semiconductor light emitting device, since the second conductivity type contact layer contains aluminum, it can be lattice-matched with a III-V group compound containing nitrogen and has good crystallinity. Surely obtained
In addition, since the semiconductor light emitting device further includes a semiconductor layer made of AlN formed between the second conductivity type contact layer and the second conductivity type second cladding layer, there is no gap in the AlN crystal. Since the gap is smaller than the gap in the GaN crystal, the second conductivity type impurity substituted for Al cannot diffuse in the AlN crystal. As a result, the second conductivity type carriers are not compensated for by the second conductivity type impurities in the second cladding layer, so that the conductivity of the second cladding layer is not lowered. Therefore, the operating voltage can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics of a semiconductor light emitting device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a structural cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a Mg concentration as a p-type impurity in a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention and a conventional semiconductor light emitting device.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor light emitting device.
FIG. 11 is a graph showing band gap energy of a typical group III-V compound semiconductor.
FIG. 12 is a diagram showing type I and type II band gap energies in a heterojunction.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the lattice constant and the band gap energy of a typical III-V compound semiconductor.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12 Buffer layer
13 n-type GaN layer
14 n-type cladding layer (first cladding layer)
15 First guide layer
16a barrier layer
16b Active layer
16 Multiple quantum well layers
17 Second guide layer
18 p-type cladding layer (second cladding layer)
19 p-type GaN layer
20 Contact layer
20a First contact layer
20b Second contact layer
20c Third contact layer
21 Current narrowing layer
22a First metal film
22b Second metal film
22 Positive electrode
24a Ti layer
24b Al layer
24 Negative electrode
30 Contact layer
40 Contact layer
40a First contact layer (semiconductor layer made of AlN)
40b Second contact layer

Claims (4)

基板と、
前記基板上に形成された III- V族窒化物半導体層よりなるダブルヘテロ構造と、
前記ダブルヘテロ構造の上に積層され、p型の導電性を有する複数の III- V族窒化物半導体層よりなるコンタクト構造と、
前記コンタクト構造の上に形成された電極とを備え、
前記コンタクト構造を構成する III- V族窒化物半導体層は、 III 族元素としてアルミニウムを含む共にV族元素としてヒ素又はリンを含み、
前記コンタクト構造を構成する各 III- V族窒化物半導体層における窒素のヒ素又はリンに対する割合は、前記電極から前記ダブルヘテロ構造に向けて段階的に大きくなることを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
A double heterostructure made of a III- V nitride semiconductor layer formed on the substrate;
A contact structure comprising a plurality of group III- V nitride semiconductor layers stacked on the double heterostructure and having p-type conductivity ;
An electrode formed on the contact structure;
The group III- V nitride semiconductor layer constituting the contact structure includes aluminum as a group III element and arsenic or phosphorus as a group V element,
The ratio of nitrogen to arsenic or phosphorus in each group III- V nitride semiconductor layer constituting the contact structure is increased stepwise from the electrode toward the double heterostructure .
前記基板は、サファイア、ZnO、LiAlO 2 又はSiCよりなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The substrate is made of sapphire, ZnO, LiAlO 2 The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light-emitting device is made of SiC . 前記基板は、SiC傾斜基板よりなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the substrate is made of a SiC inclined substrate . 基板と、
前記基板上に形成され、窒素を含むIII-V族化合物よりなる第1導電型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に形成され、窒素を含むIII-V族化合物よりなる活性層と、
前記活性層の上に形成され、窒素を含むIII-V族化合物よりなる第2導電型の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層の上に形成され、リン及び窒素又はヒ素及び窒素を含むIII-V族化合物よりなる第2導電型のコンタクト層と、
前記コンタクト層の上に形成された電極とを備え
前記コンタクト層と前記第2のクラッド層との間に形成されたAlNよりなる半導体層をさらに備えていることを特徴とする半導体発光素子。
A substrate,
A first cladding layer of a first conductivity type formed on the substrate and made of a III-V group compound containing nitrogen;
An active layer formed on the first cladding layer and made of a III-V group compound containing nitrogen;
A second cladding layer of a second conductivity type formed on the active layer and made of a group III-V compound containing nitrogen;
A contact layer of a second conductivity type formed on the second cladding layer and made of a group III-V compound containing phosphorus and nitrogen or arsenic and nitrogen;
An electrode formed on the contact layer ,
A semiconductor light emitting element , further comprising a semiconductor layer made of AlN formed between the contact layer and the second cladding layer .
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