JP3897448B2

JP3897448B2 - Nitride semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP3897448B2
Application number: JP11654698A
Authority: JP
Inventors: 靖森岡; 雅俊阿部
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: JPH11307812A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなり、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子に用いられる窒化物半導体発光素子に関し、特に出力の向上した、順方向電圧又はしきい値の低下した窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源で実用化されている。これらのＬＥＤ素子は基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に優れた特性を示す。
【０００３】
また、特開平１０−４２１０号公報には、発光素子の各層の結晶性を向上させて発光輝度及び発光効率を向上させるために、ｎ層の基板に近い側から順に、不純物添加量の低い低濃度不純物層、この上に高濃度不純物層を形成することが記載されている。この技術では、低濃度不純物層とすることで結晶性の向上が達成され、この層の上に積層成長される高濃度不純物層、特に発光層の結晶性が向上し、これによって、発光輝度及び発光効率が向上することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の既にＬＥＤとして交通信号灯等に実用化されている窒化物半導体は、前記の如く実用化されてはいるが、ＬＥＤを例えば照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等に用いるためには十分満足のいく出力ではなく、さらなる出力の向上が求められている。更に、前記ＬＥＤ素子は２０ｍＡにおいてＶｆが３．６Ｖ近くあり、このような素子の発熱量を少なくして信頼性をより向上させるためにＶｆをさらに下げることが望まれる。
【０００５】
また更に、上記特開平１０−４２１０号公報の技術では、抵抗率を低くするためｎ電極を形成する層のｎ型不純物濃度を高くしているので、低濃度不純物層上に高濃度不純物層を形成しても結晶性を十分満足いく程度に良好にすることができない。そればかりか、発光素子の信頼性を向上させるためにＶｆやしきい値をさらに低下させることが望まれるが、ｎ電極との抵抗率を十分低下させることが困難であり、Ｖｆやしきい値を十分に低下させることができない。また、抵抗率の低下を目的とし不純物の添加量を増加させると、窒化物半導体層の結晶性が低下し、発光効率などの低下が生じ易くなるといった問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、主としてＬＥＤ、ＬＤ等の窒化物半導体発光素子の出力を向上させると共に、Ｖｆやしきい値を低下させて素子の信頼性を更に向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の特許請求の範囲に係る窒化物半導体発光素子は、下記（１）〜（４）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（１）基板と活性層との間に、基板側から順にアンドープの第１の窒化物半導体層と、カーボンとｎ型不純物としてＳｉとを含有するｎ導電型の第２の窒化物半導体層とを少なくとも有し、前記第１の窒化物半導体層のカーボンの濃度が７×１０ ^１６／ｃｍ ^３以下であり、第２の窒化物半導体層のカーボンの濃度が２×１０ ^１７／ｃｍ ^３〜１×１０ ^２０／ｃｍ ^３であり、更に前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなり、前記第２の窒化物半導体層と前記活性層との間に、アンドープの第３の窒化物半導体層を形成してなることを特徴と窒化物半導体発光素子。
（２）前記第２の窒化物半導体層の抵抗率が１×１０ ^−５ Ω・ｃｍ以上、８×１０ ^−３ Ω・ｃｍ未満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素子。
（３）前記基板と前記ｎ導電型の窒化物半導体層との間に、ｎ導電型の窒化物半導体層よりも低温で成長されるバッファ層を有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）前記第３の窒化物半導体層の膜厚が、０．５μｍ以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
また、本発明の別の形態では、下記（１）〜（８）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（１）基板と活性層との間に、基板側から順にアンドープの第１の窒化物半導体層と、カーボン、又はカーボンとｎ型不純物とが含有されたｎ導電型の第２の窒化物半導体層とを少なくとも有し、前記第１の窒化物半導体層のカーボンが８×１０^１６／ｃｍ^３以下であり、第２の窒化物半導体層のカーボンが２×１０^１７／ｃｍ^３以上含有されており、更に前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
（２）前記窒化物半導体発光素子において、第２の窒化物半導体層の上に、アンドープの第３の窒化物半導体層を形成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素子。
（３）前記ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか一種以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）前記第２の窒化物半導体層の抵抗率が１×１０^−５Ω・ｃｍ〜０．２Ω・ｃｍであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
（５）前記第２の窒化物半導体層に、ｎ型不純物としてＳｉが含有されていることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
（６）前記カーボンとＳｉとが含有されてなる第２の窒化物半導体層の抵抗率が８×１０^−３Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
（７）前記基板と前記ｎ導電型の窒化物半導体層との間に、ｎ導電型の窒化物半導体層よりも低温で成長されるバッファ層を有することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
（８）前記第３の窒化物半導体層の膜厚が、０．５μｍ以下であることを特徴とする前記（２）〜（７）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【０００８】
つまり、本発明は、アンドープの結晶性の良い第１の窒化物半導体層の上に、ｎ電極の形成される第２の窒化物半導体層を形成する際に、カーボン又はカーボンとｎ型不純物を含有させることにより、カーボンやｎ型不純物を含有しているにも関わらず、第２の窒化物半導体層の結晶性を損なうことなく、抵抗率の低い第２の窒化物半導体層を形成することができる。このような本発明の構成により、結晶性の良好な抵抗率の低い第２の窒化物半導体層を形成でき、これによって本発明の目的を達成することができる。
【０００９】
従来技術において、ｎ型層の抵抗率を低下させるために、ｎ型不純物を添加して抵抗率を調整していたが、所望の抵抗率にするためにはかなりの量のｎ型不純物を含有させなければならなく、このため、窒化物半導体の結晶性が含有される不純物濃度に比例して低下する傾向がみられる。結晶性の低下は、素子の諸特性に悪影響を及ぼし易い。
【００１０】
また、従来、素子を構成する窒化物半導体層にカーボンが含有されていること、又はカーボンの濃度が特定されている技術として、例えば以下の公報が挙げられる。
まず、特開平５−２４３１５３号公報には、窒化物半導体薄膜の成長時に、炭素含有化合物の分圧を調整することにより、窒化物半導体薄膜中の炭素濃度を低くして炭素による素子性能への悪影響を防止し、素子の特性を向上させることが記載されている。次に、特開平８−３１６１４１号公報には、ｎ型ドーパントを特定の炭化水素化合物を用いてドーピングし、半導体層内の炭素濃度を８×１０¹⁶ｃｍ^-3以下にし、炭素汚染の抑制ができ、電子移動度の向上など電気的特性が向上することが記載されている。また、特開平９−９２８８３号公報には、ｎ層の十分なドナー性準位の濃度の低下と、ｎ層の電極特性を良好なオーム性とするために、ｎ層の電極形成面では炭素濃度を低く、基板に近い部分では高く分布させる層構成を達成するために、抵抗加熱体の構成を改良し、抵抗加熱体の劣化に伴う炭素濃度の増加を防止することが記載されている。
しかし、これら公報には、炭素濃度を低下させることによって素子の特性を向上させる、又はｎ電極を形成する層表面の炭素濃度を低下させてオーミック接触を向上させることが記載されているが、炭素濃度を意図的に高めて素子の特性を向上させることを示唆する記載はない。更に上記の公報に示されているような理由で窒化物半導体層に混入する炭素は、窒化物半導体層の結晶性を向上させる作用を示さず、かえって炭素により結晶性が低下することを示唆している。
【００１１】
これに対して、本発明は、第２の窒化物半導体層の抵抗率を低下させるために、意図的に炭素（カーボン）を添加することにより、ｎ電極との好ましいオーミック接触が得られる程度に抵抗率を低下させることができ、しかも、炭素を添加することでｎ型不純物の添加量が従来と同程度の量であっても従来よりも結晶性が向上し、またｎ型不純物を添加しなくとも抵抗率が低下できるため、第２の窒化物半導体層の結晶性を劣化させずに抵抗率を低下させることができる。更にアンドープの第１の窒化物半導体層を形成した上に第２の窒化物半導体層を形成するので、第２の窒化物半導体層の結晶性が良好となり易くなる。更にまた、第２の窒化物半導体層上に形成される素子を構成するその他の層、例えば活性層など、の結晶性も向上する。このように抵抗率の低い結晶性の良好な第２の窒化物半導体層を形成することができることにより、発光効率や出力の向上、Ｖｆ及びしきい値の低下を可能にすることができる。
更に、本発明において、第２の窒化物半導体層上に、第３の窒化物半導体層を形成することにより、より好ましい結果が得られる。
【００１２】
本発明において、アンドープの窒化物半導体層とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば原料に含まれる不純物、反応装置内のコンタミネーション、意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散により不純物が混入した層及び微量なドーピングにより実質的にアンドープとみなせる層（例えば抵抗率３×１０^-1Ω・cm以上）も本発明ではアンドープと定義する。本発明において、カーボンやｎ型不純物が窒化物半導体層に含有されていることを、添加、又はドープなどと示す場合がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体発光素子（単に、発光素子と言う場合がある。）は、基板と活性層との間に、基板側から順に、アンドープの第１の窒化物半導体層と、カーボン又はカーボンとｎ型不純物とがドープされたｎ導電型の第２の窒化物半導体層を少なくとも形成し、第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されている。本発明は、上記の如く、カーボンをドープすることにより、ｎ型不純物の添加量が従来と同程度であっても結晶性が向上、更にｎ型不純物の添加量を少なくしても抵抗率が十分に低下するので、第２の窒化物半導体層の結晶性が良好となる。更にカーボンがドープされている第２の窒化物半導体層にｎ電極を形成することによってオーミック接触が向上する。更に抵抗率が低下することにより、Ｖｆ及びしきい値が低下し、信頼性の向上した発光素子を得ることができる。更にまた、第２の窒化物半導体層を低抵抗率としても結晶性が良好であるので、ｎ型層上に積層成長させる窒化物半導体層（例えば活性層、発光層、ｐ導電型の窒化物半導体層等）の結晶性も向上し、出力や発光効率の向上が可能となる。
本発明において、第１及び第２の窒化物半導体層の他に、基板と活性層との間に１層以上のｎ導電型窒化物半導体層（ｎ型層）及び／またはアンドープ層を形成してもよい。
【００１４】
本発明において、基板と活性層の間に形成される第１及び第２の窒化物半導体層以外の層として好ましくはアンドープの層が挙げられる。アンドープの層としては、活性層を形成する前に、第２の窒化物半導体層上に、アンドープの第３の窒化物半導体層を形成することが好ましい。第３の窒化物半導体層はアンドープであるので、第２の窒化物半導体層上に直接、活性層を形成するより、第３の窒化物半導体層を形成した後に活性層を形成した方が、活性層の結晶性が良好となり好ましい。
【００１５】
以下に第１〜第３の窒化物半導体層について更に詳細に説明する。
第１〜第３の窒化物半導体層は、層を構成する組成により成長温度を適宜調整して成長させるが、例えば９００℃より高く１２００℃以下で成長させ、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮ、Ｙ値が０．２以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮ、またはＸ値が０．１以下のＩｎ_XＧａ_1-XＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。ＩｎＧａＮを成長させると、その上にＡｌを含む窒化物半導体を成長させる場合に、Ａｌを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを防止することができる。また、第３の窒化物半導体層が、ＩｎＧａＮの組成から構成される場合、８００℃〜１１００℃で成長させることが好ましい。
なお第２の窒化物半導体層を単一の窒化物半導体で成長させる場合、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とは同一組成の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００１６】
本発明において、第１の窒化物半導体層は、アンドープとすると、第１の窒化物半導体層上に成長されるカーボンがドープされている第２の窒化物半導体層の結晶性をより良好にすることができ好ましい。仮に、この第１の窒化物半導体層に意図的にｎ型不純物をドープすると、結晶性が悪化し、第２の窒化物半導体層を結晶性よく成長させることが難しくなる。
また、第１の窒化物半導体層の膜厚は、特に問うものではなく、例えば基板上にバッファ層を形成した場合にはバッファ層よりも厚膜で成長させ、具体的には、０．１μｍ以上２０μｍ以下の膜厚で成長させる。膜厚がこの範囲であると良好な結晶性を得る点で好ましい。またこの第１の窒化物半導体層はアンドープの層であるため、抵抗率は０．１Ω・cmよりも大きい。
【００１７】
また、本発明において、第１の窒化物半導体層を成長させる前に、基板上に低温でバッファ層を成長させ、この上に第１の窒化物半導体層を成長させることが好ましい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、２００℃以上９００℃以下の温度で、膜厚１０オングストローム〜０．５μｍで成長される。このバッファ層は窒化物半導体と異なる基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するために形成され、結晶欠陥の発生を防止するのに好ましい。また、バッファ層として例えばＺｎＯ等の窒化物半導体と異なる半導体よりなる層をバッファ層としてもよい。
ここで、上記第１の窒化物半導体層は、バッファ層よりも高温で成長させる層であるためアンドープでもバッファ層とは区別される。
【００１８】
本発明において、第２の窒化物半導体層は、カーボン、又はカーボンとｎ型不純物をドープし、抵抗率が低くキャリア濃度が高い、ｎ電極を形成するためのコンタクト層となる。
またこの第２の窒化物半導体層は、単層で形成される他に、互いにバンドギャップエネルギーが異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半導体層が積層されてなる超格子構造としても良い。超格子層にすると第２の窒化物半導体層の移動度が大きくなって抵抗率がさらに低下するため、特に発光効率の高い素子が実現できる。超格子構造とする場合には超格子を構成する窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下に調整する。さらに超格子構造の場合、超格子を構成する窒化物半導体層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等を変調ドープしても良い。
変調ドープとは、超格子層を構成する窒化物半導体層の互いに不純物濃度が異なることを指し、この場合、一方の層は不純物をドープしない状態、つまりアンドープでもよい。好ましくは第２の窒化物半導体層を互いにバンドギャップエネルギーの異なる層を積層した超格子構造として、いずれか一方の窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープすることが望ましく、もう一方の窒化物半導体層をアンドープとすることが好ましい。なお変調ドープする場合には、不純物濃度差は１桁以上とすることが望ましい。
上記のように第２の窒化物半導体層が超格子の場合、カーボンとｎ型不純物の添加は、まずカーボンを超格子の各層に均一にドープしｎ型不純物のみ変調ドープする、又は、カーボンとｎ型不純物とを同様に変調ドープする。
【００１９】
本発明において、第２の窒化物半導体層に添加されるｎ型不純物としては、ｎ型不純物となるものであれば特に限定されないが、好ましくは第４族元素、より好ましくはＳｉ、Ｇｅ及びＳｎの１種以上を用いることができ、更に好ましくはＳｉである。第２の窒化物半導体層にｎ型不純物を添加する場合のｎ型不純物のドープ量（濃度）は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜８×１０¹⁸ｃｍ^-3、好ましくは３×１０¹⁸ｃｍ^-3〜７×１０¹⁸ｃｍ^-3、より好ましくは４×１０¹⁸ｃｍ^-3〜６．５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。この範囲であると良好な結晶性と低い抵抗率を得る点で好ましい。
【００２０】
本発明において、第２の窒化物半導体層中のカーボンのドープ量（濃度）は、２×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³、好ましくは２×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０¹⁹／ｃｍ³、より好ましくは２×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０¹⁸／ｃｍ³である。カーボンのドープ量がこの範囲であると第２の窒化物半導体層の結晶性を損なうことなく抵抗率を十分に低下させることができる。
カーボンのドープ量を上記範囲に調整する方法としては、特に限定されないが、ＧａＮなどよりなる第２の窒化物半導体を成長させる際に、例えば反応ガスに炭素を含む原料を用い、炭素含有の反応ガスの割合を多くして窒化物半導体の成長を行う方法などが挙げられる。具体例としては、まずカーボンのみを第２の窒化物半導体層に添加する場合は、例えばアンモニア（ＮＨ₃）を炭素を含む化合物、例えばジメチルアミン、等に変更する、またはアンモニアとジメチルアミンを同時に供給することなどが挙げられる。またカーボンに加えてｎ型不純物を第２の窒化物半導体層に添加する場合は、ｎ型不純物の供給源となるガスに炭素を含む化合物を用いて行うことが挙げられる。以上のようにカーボンをドープする方法は、いくつかの方法があるが、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００２１】
第２の窒化物半導体層の抵抗率は、ｎ電極材料と好ましいオーミック接触を得るためにできるだけ小さくすることが望ましく、カーボン、又はカーボンとｎ型不純物により調整され、具体的に抵抗率は、１×１０^-5Ω・ｃｍ〜０．２Ω・ｃｍであり、好ましくは７×１０^-2Ω・ｃｍ以下、より好ましくは２×１０^-2Ω・ｃｍ以下である。抵抗率がこの範囲であると、ｎ電極材料との好ましいオーミック接触が得られると共に、Ｖｆを低下させることができ好ましい。また、本発明のｎ型層の結晶性は、カーボンを添加したことによりｎ型不純物の添加量を少なくしても抵抗率を十分に低下させることができ結晶性が良好となり、従来の窒化物半導体層に比べ、素子の信頼性が向上する。
【００２２】
また、本発明において、第２の窒化物半導体層に、ｎ型不純物としてＳｉを用い、Ｓｉとカーボンとをドープして第２の窒化物半導体層の抵抗率を調整する場合、抵抗率は、８×１０^-3Ω・ｃｍ未満、好ましくは６×１０^-3Ω・ｃｍ以下、より好ましくは４×１０^-3Ω・ｃｍ以下であり、下限値は特に限定されないが１×１０^-5Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。ｎ型不純物がＳｉである場合の抵抗率が、上記範囲であると良好なオーミック接触、Ｖｆ及びしきい値の低下が可能となり好ましい。
第２の窒化物半導体層にカーボンとＳｉがドープされている場合、抵抗率が８×１０^-3Ω・cm以上になると、Ｖｆがあまり低下しなくなる傾向にある。第２の窒化物半導体層を単層で形成する場合、下限値は１×１０^-3Ω・cm以上、一方、第２の窒化物半導体層を超格子層で構成する場合には１×１０^-5Ω・cm以上に調整することが望ましい。なお超格子層とは膜厚１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム、最も好ましくは５０オングストローム以下の窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指す。下限値よりも低抵抗にすると、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の不純物量が多くなりすぎて、窒化物半導体の結晶性が悪くなる傾向にある。
なお、第２の窒化物半導体層のキャリア濃度は、３×１０¹⁸／ｃｍ³よりも大きくなる傾向がある。
第２の窒化物半導体層の膜厚は、特に問うものではないが、ｎ電極を形成する層であるので１μｍ以上２０μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
【００２３】
本発明において、第２の窒化物半導体層上に活性層を形成する前に、形成される第３の窒化物半導体層は、アンドープであるので結晶性の良い層となる。この結晶性の良い第３の窒化物半導体層を介在させて活性層を成長させると、第３の窒化物半導体層がバッファ層のように作用し第３の窒化物半導体層上に成長される活性層等の結晶性が向上する。第３の窒化物半導体層を形成せずに、第２の窒化物半導体層の上に、直接、活性層やクラッド層等を成長させると、第２の窒化物半導体層がカーボン又はカーボンとｎ型不純物がドープされているので、アンドープの層に比べてやや結晶性が劣るため、第２の窒化物半導体層の上に、直接、成長された活性層やクラッド層等の結晶性が、アンドープの第３の窒化物半導体層上に成長された場合よりやや低下する傾向がある。
更にまた、抵抗率の比較的高いアンドープの第３の窒化物半導体層を、活性層と第２の窒化物半導体層との間に介在させることにより、素子のリーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができる。
第３の窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、具体的には、１０オングストローム以上０．５μｍ以下、好ましくは５０オングストローム以上０．２μｍ以下、より好ましくは１００オングストローム以上０．１５μｍ以下に調整する。第３の窒化物半導体層はアンドープの層であり、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上と高いため、この第３の窒化物半導体層を０．５μｍより厚膜に成長させると、第２の窒化物半導体層の抵抗率を低く調整しても、Ｖｆが低下しにくい傾向が生じる。また膜厚が１０オングストローム以上であると、第３の窒化物半導体層を形成しやすくなり好ましい。
【００２４】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と活性層との間に形成される第１及び第２の窒化物半導体層の抵抗率、また第３の窒化物半導体層が形成される場合は第１〜第３の窒化物半導体層のそれぞれの抵抗率の関係を用いて層構成を示すと、基板側から順に、抵抗率が大きい第１の窒化物半導体層と、カーボン又はカーボンとｎ型不純物がドープされて抵抗率が第１の窒化物半導体層よりも小さい第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層よりも抵抗率が大きい第３の窒化物半導体層とを有し、前記第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなる。第１〜第３の窒化物半導体層の抵抗率は、前記した通りである。
【００２５】
本発明において、素子構造を構成する第１〜第３の窒化物半導体層以外のその他の層としては、特に限定されず、いずれの層構成、素子の形状及び電極等を用いてもよい。
例えば、本発明において好ましい活性層としては、Ｉｎを含むアンドープの窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造とすることが望ましい。
【００２６】
【実施例】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
【００２７】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、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。
【００２８】
（バッファ層２）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、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。
【００２９】
（第１の窒化物半導体層３）
バッファ層２を成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
（第２の窒化物半導体層４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、更にジメチルアミンを用いて、Ｓｉを４×１０¹⁸／ｃｍ³ドープした更にカーボンを含有するＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層３を３μｍの膜厚で成長させる。
なお、素子構造にしない別のサファイア基板を用い、同様にして第２の窒化物半導体層まで成長させたウェーハを用意し、この第２の窒化物半導体層の抵抗率を測定すると５×１０^-3Ω・ｃｍであった。更に第２の窒化物半導体層の炭素濃度を二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）を用いて測定すると、３×１０¹⁷／ｃｍ³であり、かなりの濃度で炭素がドープされていた。また、結晶性を評価するために、Ｘ線回折装置を用いてロッキングカーブの半値幅（Ｆ．Ｗ．Ｈ．Ｍ）を測定したところ、４ｍｉｎであり、結晶性が良好であった。
第２の窒化物半導体層と同様に、第１の窒化物半導体層の炭素濃度を測定すると、７×１０¹⁶／ｃｍ³であり、この値はバックグラウンドの値とほぼ同一の値であるので、第１の窒化物半導体層にはほとんど炭素がドープされていなかった。
【００３１】
（第３の窒化物半導体層５）
次に、第２の窒化物半導体層を形成後に、シランガスとジメチルアミンを止め、１０５０℃で同様にしてアンドープＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００３２】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いアンドープＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を３０オングストロームの膜厚で成長させて単一量子井戸構造を有する活性層６を成長させる。
【００３３】
（ｐ側クラッド層７）
次に、温度を１０５０℃に上げ、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ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０＜Y＜１）を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を成長させるためにはY値が０．３以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮ層を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
【００３４】
（ｐ側コンタクト層８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層８もＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはＧａＮとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすく、またｐ電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
【００３５】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、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する。
【００３６】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層８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側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すように第２の窒化物半導体層４の表面を露出させる。
【００３７】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極９と、そのｐ電極９の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０を０．５μｍの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させた第２の窒化物半導体層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１を形成する。最後にｐ電極９の表面を保護するためにＳｉＯ₂よりなる絶縁膜１２を図１に示すように形成した後、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。
【００３８】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された従来の青色発光ＬＥＤに比較して、２０ｍＡにおけるＶｆで０．１〜０．２Ｖ、出力で５％〜１０％向上させることができた。
【００３９】
［実施例２］
実施例１において、第３の窒化物半導体層を形成せずに活性層を形成する他は同様にしてＬＥＤ素子を作製する。得られたＬＥＤは、実施例に比べやや性能が劣るものの、ほぼ実施例１と同様に良好であった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、カーボンが８×１０ ^１６／ｃｍ ^３以下でアンドープの第１の窒化物半導体層を成長させた上に、カーボンが２×１０ ^１７／ｃｍ ^３以上の、カーボン又はカーボンとｎ型不純物とがドープされた第２の窒化物半導体層を成長させると、結晶性よく厚膜でしかも抵抗率の低い層として成長させることができ、この結晶性の良好な抵抗率の低い第２の窒化物半導体層にｎ電極を形成すると、発光効率や出力の向上、Ｖｆやしきい値の低下が可能となる窒化物半導体発光素子を提供することができる。
更に、第２の窒化物半導体層上に、アンドープの第３の窒化物半導体を成長させると、第３の窒化物半導体層の上に成長させる窒化物半導体層のための結晶性の良い下地層となり、第２の窒化物半導体層の抵抗率をより低下できて、キャリア濃度が上がるために、非常に効率の良い窒化物半導体発光素子を実現することができる。
このように本発明によれば、Ｖｆ、しきい値の低い発光素子が実現できるため、素子の発熱量も少なくなり、信頼性が向上した素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・第１の窒化物半導体層
４・・・第２の窒化物半導体層
５・・・第３の窒化物半導体層
６・・・活性層
７・・・ｐ側クラッド層
８・・・ｐ側コンタクト層
９・・・ｐ電極
１０・・・ｐパッド電極
１１・・・ｎ電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (In_XAl_YGa_1-XYN, 0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1), and a nitride semiconductor light-emitting device used for a light-emitting device such as a light-emitting diode device and a laser diode device. The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having a reduced value.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors have already been put to practical use in various light sources such as full-color LED displays, traffic signal lights, and image scanner light sources as high-luminance pure green light-emitting LEDs and blue LEDs. These LED elements basically have a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, an active layer made of InGaN having a single quantum well structure, and a p-type made of Mg-doped AlGaN. It has a structure in which a side cladding layer and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked. At 20 mA, a blue LED having an emission wavelength of 450 nm is 5 mW, an external quantum efficiency is 9.1%, and a green color is 520 nm. The LED exhibits very excellent characteristics of 3 mW and external quantum efficiency of 6.3%.
[0003]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-4210 discloses a low impurity addition amount in order from the side closer to the substrate of the n layer in order to improve the crystallinity of each layer of the light emitting element and improve the light emission luminance and the light emission efficiency. It is described that a concentration impurity layer and a high concentration impurity layer are formed thereon. In this technique, the crystallinity is improved by using a low-concentration impurity layer, and the crystallinity of a high-concentration impurity layer, particularly a light-emitting layer, which is stacked and grown on this layer is improved. It is described that luminous efficiency is improved.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nitride semiconductors already in practical use for traffic signal lights and the like as described above have been put to practical use as described above, but in order to use the LEDs in, for example, illumination light sources, outdoor displays exposed to direct sunlight, etc. Is not a satisfactory output, and further improvements in output are required. Further, the LED element has a Vf of nearly 3.6 V at 20 mA, and it is desired to further lower the Vf in order to reduce the amount of heat generated by such an element and further improve the reliability.
[0005]
Furthermore, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-4210, since the n-type impurity concentration of the layer for forming the n-electrode is increased in order to reduce the resistivity, a high-concentration impurity layer is formed on the low-concentration impurity layer. Even if formed, the crystallinity cannot be made sufficiently satisfactory. In addition, in order to improve the reliability of the light emitting element, it is desired to further reduce Vf and the threshold value. However, it is difficult to sufficiently reduce the resistivity with the n electrode, and Vf and threshold value are difficult to reduce. Cannot be reduced sufficiently. Further, when the amount of impurities added is increased for the purpose of reducing the resistivity, the crystallinity of the nitride semiconductor layer is lowered, and there is a problem that light emission efficiency and the like are easily lowered.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is mainly to improve the output of nitride semiconductor light emitting devices such as LEDs and LDs, and to further improve device reliability by lowering Vf and threshold values.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  That is, the present inventionThe nitride semiconductor light emitting device according to the claims can achieve the object of the present invention by the following configurations (1) to (4).
(1) Between the substrate and the active layer, an undoped first nitride semiconductor layer in order from the substrate side, an n-conductivity-type second nitride semiconductor layer containing carbon and Si as an n-type impurity, The carbon concentration of the first nitride semiconductor layer is 7 × 10 ¹⁶ / Cm ³ The carbon concentration of the second nitride semiconductor layer is 2 × 10 ¹⁷ / Cm ³ ~ 1x10 ²⁰ / Cm ³ Further, an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, and an undoped third nitride semiconductor layer is formed between the second nitride semiconductor layer and the active layer. And a nitride semiconductor light emitting device.
(2) The resistivity of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 ^-5 Ω · cm or more, 8 × 10 ^-3 The nitride semiconductor light emitting device according to (1), wherein the nitride semiconductor light emitting device is less than Ω · cm.
(3) A buffer layer grown at a lower temperature than the n-conductivity-type nitride semiconductor layer is provided between the substrate and the n-conductivity-type nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor light-emitting device according to 2).
  (4) The nitride semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (3), wherein a film thickness of the third nitride semiconductor layer is 0.5 μm or less.
  Moreover, in another form of this invention, the objective of this invention can be achieved by the structure of following (1)-(8).
  (1) An n-conductivity-type second nitride semiconductor containing an undoped first nitride semiconductor layer and carbon or carbon and an n-type impurity in that order from the substrate side between the substrate and the active layer. And the carbon of the first nitride semiconductor layer is 8 × 10 8¹⁶/ Cm³The carbon content of the second nitride semiconductor layer is 2 × 10¹⁷/ Cm³A nitride semiconductor light emitting device comprising the above, and further comprising an n-electrode formed on the second nitride semiconductor layer.
  (2) The nitride according to (1), wherein an undoped third nitride semiconductor layer is formed on the second nitride semiconductor layer in the nitride semiconductor light emitting device. Semiconductor light emitting device.
  (3) The nitride semiconductor light-emitting element according to (1) or (2), wherein the n-type impurity is at least one of Si, Ge, and Sn.
  (4) The resistivity of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10^-5The nitride semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (3), wherein the nitride semiconductor light-emitting element has a resistance of Ω · cm to 0.2 Ω · cm.
  (5) The nitride semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (4), wherein the second nitride semiconductor layer contains Si as an n-type impurity.
  (6) The resistivity of the second nitride semiconductor layer containing carbon and Si is 8 × 10.^-3The nitride semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (5), wherein the nitride semiconductor light-emitting element is less than Ω · cm.
  (7) The above-mentioned (1) to (1), wherein a buffer layer is grown between the substrate and the n-conductivity-type nitride semiconductor layer at a lower temperature than the n-conductivity-type nitride semiconductor layer. 6. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of 6).
  (8) The nitride semiconductor light emitting element according to any one of (2) to (7), wherein a film thickness of the third nitride semiconductor layer is 0.5 μm or less.
[0008]
That is, in the present invention, when forming the second nitride semiconductor layer on which the n-electrode is formed on the undoped first nitride semiconductor layer having good crystallinity, carbon or carbon and n-type impurities are added. By including, the second nitride semiconductor layer having a low resistivity is formed without impairing the crystallinity of the second nitride semiconductor layer despite containing carbon or an n-type impurity. Can do. With such a configuration of the present invention, the second nitride semiconductor layer having good crystallinity and low resistivity can be formed, and thereby the object of the present invention can be achieved.
[0009]
In the prior art, in order to reduce the resistivity of the n-type layer, the resistivity was adjusted by adding an n-type impurity. However, in order to obtain a desired resistivity, a considerable amount of n-type impurity is contained. Therefore, the crystallinity of the nitride semiconductor tends to decrease in proportion to the concentration of impurities contained. The decrease in crystallinity tends to adversely affect various characteristics of the device.
[0010]
Conventionally, as a technique in which the nitride semiconductor layer constituting the element contains carbon or the concentration of carbon is specified, for example, the following publications can be cited.
First, in Japanese Patent Laid-Open No. 5-243153, by adjusting the partial pressure of a carbon-containing compound during the growth of a nitride semiconductor thin film, the carbon concentration in the nitride semiconductor thin film is lowered to improve the device performance by carbon. It describes that adverse effects are prevented and the characteristics of the device are improved. Next, in Japanese Patent Laid-Open No. 8-316141, an n-type dopant is doped with a specific hydrocarbon compound, and the carbon concentration in the semiconductor layer is set to 8 × 10 8.¹⁶cm^-3It is described below that carbon contamination can be suppressed and electrical characteristics such as improvement of electron mobility are improved. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-92983 discloses a carbon layer on the electrode formation surface of the n layer in order to reduce the concentration of a sufficient donor property level of the n layer and to make the electrode characteristics of the n layer have good ohmic properties. In order to achieve a layer structure in which the concentration is low and the layer is distributed highly near the substrate, it is described that the structure of the resistance heating body is improved to prevent an increase in the carbon concentration accompanying the deterioration of the resistance heating body.
However, these publications describe improving the characteristics of the device by reducing the carbon concentration, or improving the ohmic contact by reducing the carbon concentration on the surface of the layer forming the n-electrode. There is no description suggesting that the device characteristics are improved by intentionally increasing the concentration. Further, carbon mixed in the nitride semiconductor layer for the reason described in the above publication does not show an effect of improving the crystallinity of the nitride semiconductor layer, suggesting that the crystallinity is lowered by carbon. ing.
[0011]
On the other hand, in the present invention, in order to reduce the resistivity of the second nitride semiconductor layer, carbon (carbon) is intentionally added so that a preferable ohmic contact with the n electrode can be obtained. The resistivity can be reduced, and even when carbon is added, the crystallinity is improved more than before even when the amount of the n-type impurity added is the same level as before, and the n-type impurity is added. Since the resistivity can be reduced even without it, the resistivity can be reduced without deteriorating the crystallinity of the second nitride semiconductor layer. Furthermore, since the second nitride semiconductor layer is formed after the undoped first nitride semiconductor layer is formed, the crystallinity of the second nitride semiconductor layer is likely to be improved. Furthermore, the crystallinity of other layers constituting the element formed on the second nitride semiconductor layer, such as an active layer, is also improved. Thus, by forming the second nitride semiconductor layer having low resistivity and good crystallinity, it is possible to improve the light emission efficiency and output, and to lower Vf and the threshold value.
Furthermore, in the present invention, a more preferable result can be obtained by forming the third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer.
[0012]
In the present invention, an undoped nitride semiconductor layer refers to a nitride semiconductor layer that is not intentionally doped with impurities. For example, impurities contained in raw materials, contamination in the reaction apparatus, and other layers intentionally doped with impurities. A layer in which impurities are mixed by unintentional diffusion from the layer and a layer which can be regarded as substantially undoped by a small amount of doping (for example, resistivity 3 × 10^-1(Ω · cm or more) is also defined as undoped in the present invention. In the present invention, the fact that carbon or n-type impurities are contained in the nitride semiconductor layer may be indicated as addition or dope.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The nitride semiconductor light emitting device of the present invention (sometimes simply referred to as a light emitting device) includes an undoped first nitride semiconductor layer and carbon or carbon in order from the substrate side between the substrate and the active layer. And at least an n-conductivity-type second nitride semiconductor layer doped with n-type impurities, and an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer. In the present invention, as described above, by doping carbon, the crystallinity is improved even when the amount of n-type impurities added is similar to the conventional amount, and the resistivity is reduced even when the amount of added n-type impurities is reduced. Since it is sufficiently lowered, the crystallinity of the second nitride semiconductor layer is improved. Furthermore, the ohmic contact is improved by forming an n-electrode on the second nitride semiconductor layer doped with carbon. Further, when the resistivity is lowered, Vf and the threshold value are lowered, and a light emitting element with improved reliability can be obtained. Furthermore, since the crystallinity is good even when the second nitride semiconductor layer has a low resistivity, a nitride semiconductor layer (for example, an active layer, a light-emitting layer, a p-conductivity type nitride) grown on the n-type layer is grown. The crystallinity of the semiconductor layer or the like is also improved, and the output and light emission efficiency can be improved.
In the present invention, in addition to the first and second nitride semiconductor layers, one or more n-conductivity type nitride semiconductor layers (n-type layers) and / or undoped layers are formed between the substrate and the active layer. May be.
[0014]
In the present invention, the layer other than the first and second nitride semiconductor layers formed between the substrate and the active layer is preferably an undoped layer. As an undoped layer, it is preferable to form an undoped third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer before forming the active layer. Since the third nitride semiconductor layer is undoped, it is better to form the active layer after forming the third nitride semiconductor layer than to form the active layer directly on the second nitride semiconductor layer. The crystallinity of the active layer is favorable, which is preferable.
[0015]
Hereinafter, the first to third nitride semiconductor layers will be described in more detail.
The first to third nitride semiconductor layers are grown by appropriately adjusting the growth temperature depending on the composition of the layers. For example, the first to third nitride semiconductor layers are grown at a temperature higher than 900 ° C. and lower than 1200 ° C._XAl_YGa_1-XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), the composition of which is not particularly limited, but preferably GaN, Al with a Y value of 0.2 or less_YGa_1-YIn with N or X value of 0.1 or less_XGa_1-XWhen N, a nitride semiconductor layer with few crystal defects is easily obtained. When InGaN is grown, when a nitride semiconductor containing Al is grown thereon, cracks can be prevented from entering into the nitride semiconductor layer containing Al. Further, when the third nitride semiconductor layer is composed of an InGaN composition, it is preferably grown at 800 ° C. to 1100 ° C.
When the second nitride semiconductor layer is grown from a single nitride semiconductor, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer have the same composition. It is desirable to grow a nitride semiconductor.
[0016]
In the present invention, when the first nitride semiconductor layer is undoped, the crystallinity of the second nitride semiconductor layer doped with carbon grown on the first nitride semiconductor layer is improved. Can be preferable. If the first nitride semiconductor layer is intentionally doped with an n-type impurity, the crystallinity deteriorates and it is difficult to grow the second nitride semiconductor layer with good crystallinity.
Further, the thickness of the first nitride semiconductor layer is not particularly limited. For example, when a buffer layer is formed on the substrate, the first nitride semiconductor layer is grown to be thicker than the buffer layer, specifically, 0.1 μm. The film is grown with a film thickness of 20 μm or less. It is preferable that the film thickness is within this range from the viewpoint of obtaining good crystallinity. Since the first nitride semiconductor layer is an undoped layer, the resistivity is greater than 0.1 Ω · cm.
[0017]
In the present invention, it is preferable that a buffer layer is grown on the substrate at a low temperature before the first nitride semiconductor layer is grown, and the first nitride semiconductor layer is grown thereon. As the buffer layer, AlN, GaN, AlGaN, InGaN or the like is used. The buffer layer is grown at a temperature of 200 ° C. or more and 900 ° C. or less with a film thickness of 10 Å to 0.5 μm. This buffer layer is formed to alleviate the lattice mismatch between the nitride semiconductor and the substrate different from the nitride semiconductor, and is preferable for preventing the occurrence of crystal defects. Further, for example, a layer made of a semiconductor different from a nitride semiconductor such as ZnO may be used as the buffer layer.
Here, since the first nitride semiconductor layer is a layer grown at a higher temperature than the buffer layer, it is distinguished from the buffer layer even if it is undoped.
[0018]
In the present invention, the second nitride semiconductor layer becomes a contact layer for forming an n electrode doped with carbon or carbon and an n-type impurity and having a low resistivity and a high carrier concentration.
The second nitride semiconductor layer is formed as a single layer, or is formed by laminating two types of nitride semiconductor layers having different band gap energies, or by laminating nitride semiconductor layers having the same composition. A superlattice structure may be used. When the superlattice layer is used, the mobility of the second nitride semiconductor layer is increased and the resistivity is further lowered, so that an element with particularly high luminous efficiency can be realized. In the case of a superlattice structure, the thickness of the nitride semiconductor layer constituting the superlattice is adjusted to 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. In the case of a superlattice structure, the nitride semiconductor layer constituting the superlattice may be modulation-doped with Si, Ge, Sn, or the like.
Modulation doping means that the nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer have different impurity concentrations, and in this case, one of the layers may be undoped, that is, undoped. Preferably, the second nitride semiconductor layer has a superlattice structure in which layers having different band gap energies are laminated, and it is desirable that one of the nitride semiconductor layers is doped with a large amount of n-type impurity, The semiconductor layer is preferably undoped. In the case of modulation doping, the impurity concentration difference is desirably one digit or more.
When the second nitride semiconductor layer is a superlattice as described above, the addition of carbon and n-type impurities is performed by first uniformly doping carbon into each layer of the superlattice and modulatingly doping only n-type impurities, or The n-type impurity is similarly doped by modulation.
[0019]
In the present invention, the n-type impurity added to the second nitride semiconductor layer is not particularly limited as long as it becomes an n-type impurity, but is preferably a Group 4 element, more preferably Si, Ge, and Sn. One or more of these can be used, and more preferably Si. When the n-type impurity is added to the second nitride semiconductor layer, the doping amount (concentration) of the n-type impurity is 2 × 10¹⁸cm^-3~ 8x10¹⁸cm^-3, Preferably 3 × 10¹⁸cm^-3~ 7 × 10¹⁸cm^-3, More preferably 4 × 10¹⁸cm^-3~ 6.5 × 10¹⁸cm^-3It is. This range is preferable in terms of obtaining good crystallinity and low resistivity.
[0020]
In the present invention, the doping amount (concentration) of carbon in the second nitride semiconductor layer is 2 × 10¹⁷/ Cm^Three~ 1x10²⁰/ Cm^Three, Preferably 2 × 10¹⁷/ Cm^Three~ 1x10¹⁹/ Cm^Three, More preferably 2 × 10¹⁷/ Cm^Three~ 1x10¹⁸/ Cm^ThreeIt is. When the carbon doping amount is within this range, the resistivity can be sufficiently lowered without impairing the crystallinity of the second nitride semiconductor layer.
The method for adjusting the carbon doping amount to the above range is not particularly limited, but when growing the second nitride semiconductor made of GaN or the like, for example, using a raw material containing carbon as a reaction gas, a carbon-containing reaction is performed. For example, a method of growing a nitride semiconductor by increasing the gas ratio may be used. As a specific example, when only carbon is first added to the second nitride semiconductor layer, for example, ammonia (NH_Three) Is changed to a compound containing carbon, such as dimethylamine, or ammonia and dimethylamine are supplied simultaneously. In addition to adding carbon, an n-type impurity is added to the second nitride semiconductor layer by using a compound containing carbon as a gas serving as a supply source of the n-type impurity. As described above, there are several methods for doping carbon, but these methods may be combined.
[0021]
The resistivity of the second nitride semiconductor layer is desirably as small as possible in order to obtain a preferable ohmic contact with the n-electrode material, and is adjusted by carbon or carbon and n-type impurities. Specifically, the resistivity is 1 × 10^-FiveΩ · cm to 0.2Ω · cm, preferably 7 × 10^-2Ω · cm or less, more preferably 2 × 10^-2Ω · cm or less. When the resistivity is within this range, preferable ohmic contact with the n-electrode material can be obtained, and Vf can be lowered. In addition, the crystallinity of the n-type layer of the present invention is such that, by adding carbon, the resistivity can be sufficiently lowered even when the amount of n-type impurities added is reduced, and the crystallinity is improved. Compared with the semiconductor layer, the reliability of the element is improved.
[0022]
In the present invention, when the second nitride semiconductor layer uses Si as an n-type impurity and is doped with Si and carbon to adjust the resistivity of the second nitride semiconductor layer, the resistivity is 8 × 10^-3Less than Ω · cm, preferably 6 × 10^-3Ω · cm or less, more preferably 4 × 10^-3Ω · cm or less, and the lower limit is not particularly limited, but 1 × 10^-FiveIt is preferable to be Ω · cm or more. It is preferable that the resistivity when the n-type impurity is Si is in the above range because good ohmic contact, Vf and threshold value can be lowered.
When the second nitride semiconductor layer is doped with carbon and Si, the resistivity is 8 × 10^-3When it is Ω · cm or more, Vf tends not to decrease so much. When the second nitride semiconductor layer is formed as a single layer, the lower limit is 1 × 10^-3On the other hand, when the second nitride semiconductor layer is formed of a superlattice layer, 1 × 10^-FiveIt is desirable to adjust to Ω · cm or more. The superlattice layer refers to a multilayer structure in which nitride semiconductor layers having a thickness of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms, and most preferably 50 angstroms or less are stacked. If the resistance is lower than the lower limit value, the amount of impurities such as Si, Ge, Sn, etc. increases so much that the crystallinity of the nitride semiconductor tends to deteriorate.
The carrier concentration of the second nitride semiconductor layer is 3 × 10¹⁸/ Cm^ThreeTend to be bigger.
The film thickness of the second nitride semiconductor layer is not particularly limited, but is preferably a layer having a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less because it is a layer for forming an n-electrode.
[0023]
In the present invention, before the active layer is formed on the second nitride semiconductor layer, the third nitride semiconductor layer to be formed is undoped and thus becomes a layer with good crystallinity. When the active layer is grown through the third nitride semiconductor layer having good crystallinity, the third nitride semiconductor layer acts as a buffer layer and is grown on the third nitride semiconductor layer. The crystallinity of the active layer and the like is improved. When an active layer, a clad layer, or the like is grown directly on the second nitride semiconductor layer without forming the third nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer becomes carbon or carbon and n. Since the type impurity is doped, the crystallinity is slightly inferior to that of the undoped layer. Therefore, the crystallinity of the active layer and the cladding layer grown directly on the second nitride semiconductor layer is undoped. It tends to be slightly lower than when grown on the third nitride semiconductor layer.
Furthermore, by interposing an undoped third nitride semiconductor layer having a relatively high resistivity between the active layer and the second nitride semiconductor layer, leakage current of the element can be prevented and the reverse direction can be prevented. The breakdown voltage can be increased.
The thickness of the third nitride semiconductor layer is not particularly limited. Specifically, the thickness is not less than 10 angstroms and not more than 0.5 μm, preferably not less than 50 angstroms and not more than 0.2 μm, more preferably not less than 100 angstroms and not more than 0.15 μm. Adjust to. Since the third nitride semiconductor layer is an undoped layer and has a resistivity as high as 0.1 Ω · cm or more, when the third nitride semiconductor layer is grown to a thickness greater than 0.5 μm, the second nitride semiconductor layer Even if the resistivity of the nitride semiconductor layer is adjusted to be low, Vf tends to hardly decrease. A film thickness of 10 angstroms or more is preferable because the third nitride semiconductor layer can be easily formed.
[0024]
In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the resistivity of the first and second nitride semiconductor layers formed between the substrate and the active layer, and the case where the third nitride semiconductor layer is formed. Shows the layer structure using the relationship between the resistivity of each of the first to third nitride semiconductor layers. From the substrate side, the first nitride semiconductor layer having a higher resistivity and carbon or carbon and n A second nitride semiconductor layer doped with a type impurity and having a resistivity lower than that of the first nitride semiconductor layer, and a third nitride semiconductor layer having a resistivity higher than that of the second nitride semiconductor layer And an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer. The resistivity of the first to third nitride semiconductor layers is as described above.
[0025]
In the present invention, the layers other than the first to third nitride semiconductor layers constituting the element structure are not particularly limited, and any layer structure, element shape, electrode, and the like may be used.
For example, the active layer preferred in the present invention is desirably an undoped nitride semiconductor containing In, preferably a single quantum well structure having a well layer made of InGaN, or a multiple quantum well structure.
[0026]
【Example】
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED device according to an embodiment of the present invention. The method for manufacturing the device of the present invention will be described below based on this drawing.
[0027]
The substrate 1 made of sapphire (C surface) is set in a reaction vessel, and after the inside of the vessel is sufficiently replaced with hydrogen, the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen, and the substrate is cleaned. In addition to the sapphire C surface, the substrate 1 has sapphire whose main surface is the R surface and the A surface, and other spinels (MgA1₂O_FourIn addition to an insulating substrate such as SiC), a semiconductor substrate such as SiC (including 6H, 4H, and 3C), Si, ZnO, GaAs, and GaN can be used.
[0028]
(Buffer layer 2)
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethyl gallium) are used as a source gas, and a buffer layer 2 made of GaN is grown on the substrate 1 to a thickness of about 200 Å.
[0029]
(First nitride semiconductor layer 3)
After growing the buffer layer 2, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., the first nitride semiconductor layer 3 made of undoped GaN is grown to a thickness of 1.5 μm, using TMG and ammonia gas as source gases.
[0030]
(Second nitride semiconductor layer 4)
Subsequently, at 1050 ° C., similarly, TMG, ammonia gas, silane gas as impurity gas, and dimethylamine are used as Si and 4 × 10 6 Si.¹⁸/ Cm^ThreeA second nitride semiconductor layer 3 made of GaN containing doped carbon is grown to a thickness of 3 μm.
When another sapphire substrate not having an element structure is used and a wafer grown to the second nitride semiconductor layer in the same manner is prepared, and the resistivity of the second nitride semiconductor layer is measured, 5 × 10 5 is obtained.^-3It was Ω · cm. Further, when the carbon concentration of the second nitride semiconductor layer is measured using a secondary ion mass spectrometer (SIMS), 3 × 10¹⁷/ Cm^ThreeIt was doped with carbon at a considerable concentration. Moreover, in order to evaluate crystallinity, when the half value width (FWHM) of the rocking curve was measured using the X-ray-diffraction apparatus, it was 4 min and crystallinity was favorable.
Similarly to the second nitride semiconductor layer, when the carbon concentration of the first nitride semiconductor layer is measured, 7 × 10¹⁶/ Cm^ThreeSince this value is almost the same as the background value, the first nitride semiconductor layer was hardly doped with carbon.
[0031]
(Third nitride semiconductor layer 5)
Next, after forming the second nitride semiconductor layer, silane gas and dimethylamine are stopped, and a third nitride semiconductor layer 5 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm at 1050 ° C. in the same manner.
[0032]
(Active layer 6)
Next, the temperature is set to 800 ° C., the carrier gas is switched to nitrogen, and undoped In using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia._0.25Ga_0.75The active layer 6 having a single quantum well structure is grown by growing the N layer with a thickness of 30 angstroms.
[0033]
(P-side cladding layer 7)
Next, the temperature is increased to 1050 ° C., and TMG, TMA, ammonia, Cp₂Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used and Mg is 1 × 10²⁰/cm^ThreeDoped p-type Al_0.1Ga_0.9A p-side cladding layer 7 made of N is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a carrier confinement layer and is a nitride semiconductor containing Al, preferably Al_YGa_1-YIt is desirable to grow N (0 <Y <1). In order to grow a layer having good crystallinity, an Al value with a Y value of 0.3 or less_YGa_1-YIt is desirable to grow the N layer with a film thickness of 0.5 μm or less.
[0034]
(P-side contact layer 8)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, Cp₂Mg is used, and Mg is 1 × 10²⁰/cm^ThreeA p-side contact layer 8 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm. The p-side contact layer 8 is also In_XAl_YGa_1-XYN (0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1), and the composition thereof is not particularly limited. However, when GaN is used, a nitride semiconductor layer with few crystal defects can be easily obtained. And preferable ohmic contact is easily obtained.
[0035]
After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
[0036]
After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer 8, and etching is performed from the p-side contact layer side with an RIE (reactive ion etching) apparatus. As shown in FIG. 1, the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed.
[0037]
After the etching, a translucent p-electrode 9 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed almost on the entire surface of the p-side contact layer on the uppermost layer, and a p-pad electrode made of Au for bonding on the p-electrode 9 10 is formed with a film thickness of 0.5 μm. On the other hand, an n-electrode 11 containing W and Al is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 exposed by etching. Finally, to protect the surface of the p-electrode 9, SiO₂After the insulating film 12 is formed as shown in FIG. 1, the wafer is separated by scribe to form a 350 μm square LED element.
[0038]
This LED element emits blue light of 470 nm at a forward voltage of 20 mA, a buffer layer made of GaN on an sapphire substrate, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, and an active layer made of InGaN having a single quantum well structure Compared with a conventional blue light emitting LED in which a p-side cladding layer made of Mg-doped AlGaN and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially laminated, Vf at 20 mA is 0.1 to 0.2 V, The output was improved by 5% to 10%.
[0039]
[Example 2]
In Example 1, an LED element is manufactured in the same manner except that the active layer is formed without forming the third nitride semiconductor layer. Although the obtained LED was slightly inferior in performance as compared with Example, it was almost as good as Example 1.
[0040]
【The invention's effect】
  The present invention8 × 10 carbon ¹⁶ / Cm ³ InAfter growing the undoped first nitride semiconductor layer,2x10 carbon ¹⁷ / Cm ³ More than,When the second nitride semiconductor layer doped with carbon or carbon and n-type impurities is grown, it can be grown as a thick layer with good crystallinity and low resistivity. When an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer having a low rate, a nitride semiconductor light-emitting element capable of improving light emission efficiency and output, and reducing Vf and threshold value can be provided.
  Furthermore, when an undoped third nitride semiconductor is grown on the second nitride semiconductor layer, an underlying layer having good crystallinity for the nitride semiconductor layer grown on the third nitride semiconductor layer Thus, the resistivity of the second nitride semiconductor layer can be further reduced and the carrier concentration is increased, so that a very efficient nitride semiconductor light emitting device can be realized.
  As described above, according to the present invention, since a light emitting element having a low Vf and threshold value can be realized, an element having a reduced heat generation amount and improved reliability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED element according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Board
2 ... Buffer layer
3... First nitride semiconductor layer
4 ... Second nitride semiconductor layer
5 ... Third nitride semiconductor layer
6 ... Active layer
7 ... p-side cladding layer
8 ... p-side contact layer
9 ... p electrode
10 ... P pad electrode
11 ... n electrode

Claims

Between the substrate and the active layer, at least an undoped first nitride semiconductor layer and an n-conductivity-type second nitride semiconductor layer containing carbon and Si as an n-type impurity are provided in order from the substrate side. The carbon concentration of the first nitride semiconductor layer is 7 × 10 ¹⁶ / cm ³ or less, and the carbon concentration of the second nitride semiconductor layer is 2 × 10 ¹⁷ / cm ³ to 1 × 10 ^20. / cm ³ der is, Ri further Na and n electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, between the active layer and the second nitride semiconductor layer, a third nitride undoped nitride semiconductor light emitting device characterized Rukoto such to form a semiconductor layer.

2. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1 , wherein the resistivity of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 ⁻⁵ Ω · cm or more and less than 8 × 10 ⁻³ Ω · cm.

Between the substrate and the n conductivity type nitride semiconductor layer, nitride according to claim 1 or 2, characterized in that a buffer layer grown at a lower temperature than the n conductivity type nitride semiconductor layer Semiconductor light emitting device.

The third film thickness of the nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the at 0.5μm or less.