JP4198003B2

JP4198003B2 - Nitride semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4198003B2
Application number: JP2003189596A
Authority: JP
Inventors: 英司山田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: JP2005026414A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ基板やサファイア基板上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層を形成し、その上に窒化物半導体層を設けた窒化物半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、又はこれらの混晶に代表される窒化物半導体材料は、バンドギャップが直接遷移型であり、なかでもＩｎＧａＮの混晶は、赤色から紫外光で発光させることが可能なため短波長の材料として注目されてきた。すでに、同結晶を用いた紫外から緑色に至る波長の発光ダイオードは実用化され、また青紫レーザダイオードにおいても室温連続発振で１００００時間を越える寿命が達成されるなど、実用化へ向けて急速に進歩している。
【０００３】
この急速な進歩の要因の一つに選択横方向成長（Epitaxial Lateral Over Growth；以下ＥＬＯＧと記す）による低転位化技術がある。近年、同技術をサファイア基板に適用し、ハイドライドＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy；以下ＨＶＰＥと記す）法でのＧａＮの成長における転位削減にも有効であることが見出された。同技術で成長したＧａＮ層中の貫通転位等は少なく、同層上に作製したレーザダイオード（ＬＤ）素子において長寿命化できることが報告されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若しくは異種基板の表面に、窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有する保護膜をストライプ形状等に形成し、その保護膜上に窒化物半導体を横方向に成長させる方法が開示されている。
【０００５】
一方、ＨＶＰＥ法を用いて作製されたＧａＮを基板として用いることが提案されている。ＧａＮ基板を使用することにより、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法等で同基板上に作製される窒化物半導体層の結晶欠陥が低減でき、窒化物半導体発光素子の寿命の向上が期待される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１９１６３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上では同基板上に作製される窒化物半導体層との格子定数差のため、またＧａＮ系基板上では転位欠陥等による結晶の歪みのため、これら基板上に作製される窒化物半導体層にクラックが多数入ることが確認された。
【０００８】
これらのクラックを含めた結晶欠陥は非発光再結合中心として働いたり、欠陥部分が電流のパスとして働き漏れ電流の原因となるため、駆動電圧が高く、歩留りが悪いという欠点があった。特に、発光素子では、この欠陥により閾値電流密度が増加し素子寿命が短くなるため、クラックを含めた欠陥密度の低減は重要である。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑み、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、基板上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層を形成し、その上に窒化物半導体層を設けた窒化物半導体発光素子において、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層のＡｌ組成が不均一であることを特徴とするものである。
【００１１】
この構成により、窒化物半導体層の歪みが緩和され、結晶欠陥が非常に少ない素子となる。従って、発光効率の向上と長寿命化を実現することができる。また、歩留りの向上も挙げられる。更に、結晶欠陥によるパス電流を低減できるため、素子の駆動電圧を下げることができる。
【００１２】
上記の窒化物半導体発光素子において、結晶欠陥を低減するためには、前記ｘの値は少なくとも２つ以上の値を有し、各値の差が０．０５以上であることが必要である。
【００１３】
また上記の窒化物半導体発光素子において、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層はその面内において、前記ｘの各値毎に周期的に配置されることが望ましい。例えば、窒化物半導体発光素子の共振器長に合わせて素子のエッジ部にクラック緩和層である高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層を配置することができる。
【００１４】
また上記の窒化物半導体発光素子において、前記ｘの値が２つである場合、小さい方のｘの値を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層が、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層全体の断面積の５０％以上であることが望ましい。この面積比が５０％以下になると、大きい方のｘの値を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層に発生した歪みが、逆に小さい方のｘの値を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層上へ影響し歪ませるため、クラック数が増加するからである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の基板には、ＧａＮ系基板、又はサファイア基板やＳｉ基板等の異種基板を用いる。そして、その基板上に窒化物半導体層を設けて窒化物半導体発光素子を作製する。その際、基板上に２つ以上の異なるＡｌ組成で構成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層を形成することにより、結晶の歪みを低減する。更に、２つ以上の異なるＡｌ組成のＡｌＧａＮ層を面内で周期的に形成することにより、このＡｌＧａＮ層上に成長した窒化物半導体層の結晶欠陥の緩和及びクラック数の低減を実現する。以下では、ＡｌＧａＮ層の面内Ａｌ組成が２つの値をとる場合を例に説明する。
【００１６】
はじめに、面内Ａｌ組成が不均一なＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層の導入による結晶欠陥の低減について説明する。図１（ａ）は、ＧａＮ基板上に２つの異なるＡｌ組成で構成されたＡｌＧａＮ層を、さらにその上にＧａＮ層を成長させた構造の断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の上面図である。
【００１７】
ＧａＮ基板１０上に２種のＡｌＧａＮ層１１、１２が積層されている。ここで２種のうち、高いＡｌ組成の層を高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層（或いは、高混晶領域、高Ａｌ組成領域、高歪領域）１１と呼び、低いＡｌ組成の層を低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層（或いは、低混晶領域、低Ａｌ組成領域、低歪領域）１２と呼ぶ。更に、ＡｌＧａＮ層１１、１２上にはＧａＮ層１３が積層されている。高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１１内及びその上方のＧａＮ層１３部分には結晶欠陥１４が生じている。図中、結晶欠陥１４は線で模式的に表している。
【００１８】
通常、ＡｌＧａＮ層上に成長した窒化物半導体には、その格子定数並びに熱膨張係数等の差により歪が発生する。すなわちＡｌ混晶比が高い場合、その差がより拡がり、本層上に成長した窒化物半導体にはより多くの結晶欠陥が発生する。故に、２つの異なるＡｌ組成のＡｌＧａＮ層を同一面内に形成することにより高歪領域１１と低歪領域１２ができる。この高歪領域１１上に歪が集中し、低歪領域１２側の歪を緩和させることにより面全体での歪を緩和してクラックを防止できる効果と、高歪領域１１上で欠陥を多量に発生させることにより故意にクラックを発生させ歪を緩和する効果とがある。
【００１９】
また、高Ａｌ組成領域１１上の欠陥により隣り合った低Ａｌ組成領域１２の歪みの影響が分断され、発生したクラックは図１（ｂ）に示すように、高Ａｌ組成領域１１で止まるため、万が一クラックが発生した場合でも、その面積を最小限に留めることができ、歩留まり向上に繋がる。しかしながら、高混晶領域１１と低混晶領域１２のＡｌ組成の差が小さいと歪緩和は生じない。また、高Ａｌ組成側のＡｌ混晶比は、その上に欠陥を発生させなければならないため高い方が良い。実験の結果、低混晶領域１２と高混晶領域１１のＡｌ混晶比の差は少なくとも０．０５以上であることが好ましい。更に、高混晶領域１１のＡｌ組成は少なくとも０．０８以上であれば良く、好ましくは０．１５以上である。
【００２０】
図２は、高Ａｌ組成のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの面内面積比を変化させた時の窒化物半導体発光素子の低Ａｌ組成領域表面上のクラック数の変化を示す図である。高混晶領域の増加と共にクラック数は減少し、面積比１０％でクラック数が０となった。このことから高Ａｌ組成を導入し、Ａｌ組成が不均一な面を形成することによりクラック数が減少することが分かる。しかしながら、高混晶領域の面積比が５０％以上になるとクラック数は再び増大し始めた。これらの現象は次の理由によるものであると考えられる。
【００２１】
ＡｌＧａＮ層上に形成した窒化物半導体には、ＡｌＧａＮ層との格子定数並びに熱膨張係数等の差により歪が生じ、結晶欠陥が発生することは前述した通りである。高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層領域では、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層上に形成される窒化物半導体より多くの結晶欠陥が発生し、このため場合によってはクラックが発生する。この高混晶領域を面内に導入した場合、低混晶領域の歪みは高混晶領域の歪みに集中して緩和される。特に、高混晶領域上でクラックが発生した場合、低混晶領域の歪みは完全に吸収される。
【００２２】
しかしながら、高混晶領域の面積が小さい面積比（０．５％以下）の場合、高混晶領域付近の歪みを緩和するのには十分であるが、距離がある低混晶領域の歪みは緩和されなかった。一方、高混晶領域の面積比を５０％以上と大きくした場合、その領域上に発生した歪みは、逆に低混晶領域上へ影響し歪ませるため、結果として低混晶領域に結晶欠陥が発生するため比較的効果は小さく、クラック数は増加する。また、面積比の大小に係わらず高混晶領域を面内で周期的に導入した方がその効果は高かった。しかしながら、高混晶領域の面内面積比Ａは、１枚の基板から取れるＬＤチップ数を考慮すると５０％以下であれば良いが、好ましくは０．５≦Ａ≦３０（％）である。
【００２３】
更に、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの高混晶領域（ストライプ状面積比３０％）およびＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの低混晶領域上にＬＥＤ素子を作製し、同ＡｌＧａＮ層を導入しない素子と発光出力を比較した結果、最大で６倍以上の発光出力と０．４Ｖの素子電圧低減を実現できた。これは非発光再結合中心として働く結晶欠陥、電流のパスとして働き漏れ電流の原因となるクラック及び欠陥の低減を図った結果である。
【００２４】
以上より、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層の歪みが緩和され、結晶欠陥が非常に少ない素子である。従って、発光効率が高く長寿命化を実現することができる。また、歩留りの向上も挙げられる。更に、結晶欠陥によるパス電流を低減できるため、素子の駆動電圧を下げることができる。以下、本発明の実施例について説明する。
【００２５】
（実施例１）
図３は、実施例１の窒化物半導体発光素子２０の構造を示す断面図である。２１は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製する。２２は高Ａｌ組成のノンドープＡｌＧａＮ層であり、ＨＶＰＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）のどちらかを用いて作製する。２３は低Ａｌ組成のＳｉドープもしくはノンドープＡｌＧａＮ層、２４はＳｉドープｎ型ＧａＮ層、２５はＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層、２６はＳｉドープＧａＮガイド層である。２７は発光層（多重量子井戸層）であり、ＳｉドープＩｎＧａＮ層とノンドープＩｎＧａＮ層からなるＭＱＷ（多重量子井戸）構造である。２８はＭｇドープＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層、２９はＭｇドープＧａＮガイド層、３０はＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層、３１はＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層である。３２はｎ型電極、３３はｐ型透光性電極、３４はｐ型電極であり、蒸着法で作製する。
【００２６】
次に、この窒化物半導体発光素子２０の製造方法について説明する。まず面内分布が不均一なＡｌＧａＮ層の作製方法を説明する。ＡｌＧａＮ層２２、２３の成長には、ＨＶＰＥもしくはＭＯＣＶＤ法を使用する。ＨＶＰＥ法にて成長させる場合、３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタルを８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣｌ₃、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を使用する。一方、ＭＯＣＶＤ法にて成長する場合は、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡを使用する。５族元素の輸送ガスはＮＨ₃を使用する。ｎ型ドーパントの輸送ガスはＳｉＨ₄（シラン）、ｐ型ドーパントの輸送ガスはＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエチルマグネシウム）、又はエチルＣｐ₂Ｍｇを使用する。
【００２７】
図４は、ＡｌＧａＮ層２２、２３の製造工程を示す断面図である。まず図４（ａ）のように、ＧａＮ基板２１上に高Ａｌ組成ＳｉドープもしくはノンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層２２を成長させる。次に図４（ｂ）のように、成長した基板を反応炉から取り出し、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２上へストライプ上に幅１００μｍのＳｉＯ₂マスク３５を５００μｍ間隔で作製する。即ち、マスクされる高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２の領域が基板面内面積の２０％となっている。次に図４（ｃ）のように、マスク３５されていない露出した領域のＡｌＧａＮ層２２をＲＩＥ法等で基板２１上面まで除去する。そして図４（ｄ）のように、ＭＯＣＶＤ法により低Ａｌ組成ＳｉドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層２３を成長させる。最後に図４（ｅ）、（ｆ）のように、反応炉から取り出した後、ＳｉＯ₂マスク３５をフッ酸により除去し、面内組成が不均一なＡｌＧａＮ層２２、２３を得る。
【００２８】
次に、上記の基板を用いた窒化物半導体発光素子２０の製造方法について説明する。窒化物半導体層の成長にはＭＯＣＶＤ法を用いる。まず、上記の基板をＮＨ₃を含んだ水素雰囲気中でＳｉドープｎ型ＧａＮ層２４の成長温度まで上昇させ、層厚０．５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層２４を成長させる。次に、層厚０．９５μｍのＳｉドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２５、層厚０．１μｍのＳｉドープＧａＮ光ガイド層２６を順次成長させる。次に、層厚４ｎｍのＳｉドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ発光層及び層厚８ｎｍのノンドープＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎバリア層で周期数５（発光層数５、バリア層数６）の多重量子井戸層２７を成長させた後、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮからなるＩｎＧａＮ蒸発防止層２８を成長させる。次に、層厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ光ガイド層２９、層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０、０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層３１を順次成長させる。
【００２９】
作製したウエハーは、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板２１の裏面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極３２、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層３１の表面にＰｄのｐ型透光性電極３３及びＰｄ／Ａｕのｐ型電極３４を蒸着する。その後ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い、図３に示した窒化物半導体発光素子２０とする。なお、ｐ型透光性電極３３、ｐ型電極３４をそれぞれＮｉ、Ｎｉ／Ａｕとしても同様の効果が得られる。
【００３０】
この窒化物半導体発光素子２０は発光ピーク波長が４０５ｎｍの青紫色で室温ＣＷ発振し発光出力は、４．５Ｖ、７０ｍＷであった。室温連続通電テストの寿命は１００００時間以上であった。また、素子表面上にはクラックは全く見られなかった。一方、面内Ａｌ組成が不均一なＡｌＧａＮ層を成長していないＧａＮ基板上に作製した図３と同構造の窒化物半導体発光素子では、素子表面に多数のクラックが観測され、発光ピーク波長は４０５ｎｍの青紫色で発光出力は５．５Ｖ、３０ｍＷで寿命は５００時間であった。
【００３１】
従って、面内Ａｌ組成不均一なＡｌＧａＮ層を導入することにより、基板上に作製した窒化物半導体層のクラックを防止し結晶欠陥を低減でき、発光出力ならびに素子寿命が改善できる。なお、本実施例においては、窒化物半導体発光素子２０の共振器長に合わせて素子のエッジ部にクラック緩和層である高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２を配置したが、例えば窒化物半導体発光素子が１０並びに２０個間隔でＡｌＧａＮ層２２を面内面積が同じになるように配置し場合においても同様な効果が得られる。また、サファイア、Ｓｉ基板上においても同様な効果が得られる。
【００３２】
（実施例２）
本実施例の窒化物半導体発光素子は、ＡｌＧａＮ層２２、２３の構成以外は実施例１の窒化物半導体発光素子２０と同様である。以下、本実施例の窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３３】
まず異なる２つの組成で形成されるＡｌＧａＮ層の作製方法を図４並びに図５に基づいて説明する。図４（ａ）のようにＧａＮ基板２１上に高Ａｌ組成ＳｉドープもしくはノンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層２２を成長させる。次に、成長した基板を反応炉から取り出し、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２上へ、図５のように、１６０μｍ□のＳｉＯ₂マスク３５を４００μｍ間隔で超格子状に作製する。この場合、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２の基板面内面積比は１９％となる。次に、図４（ｃ）のように、露出した領域のＡｌＧａＮ層２２をＲＩＥ法等で基板２１まで除去する。そして、図４（ｄ）のように、ＭＯＣＶＤ法により低組成ＳｉドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を成長する。最後に、反応炉から取り出した後、ＳｉＯ₂マスク３５を除去し、面内組成が不均一なＡｌＧａＮ層を得る。
【００３４】
次に、上記のＡｌＧａＮ層２２、２３上に実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体層と電極構造を作製した後、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い窒化物半導体発光素子とする。
【００３５】
この窒化物半導体発光素子は、その表面にクラック等は全く見られず、発光ピーク波長が４０５ｎｍの青紫色で室温ＣＷ発振し発光出力は４．７Ｖ、５０ｍＷであった。室温連続通電テストの寿命は２００００時間以上であった。一方、本面内Ａｌ組成が不均一なＡｌＧａＮ層を成長していないＧａＮ基板上に作製した図３と同構造の窒化物半導体発光素子では、発光ピーク波長は４０４ｎｍの青紫色で発光出力は５．６Ｖ、２５ｍＷであった。この素子表面には多数のクラックが見られ、このため寿命は４５０時間であった。
【００３６】
従って、面内Ａｌ組成不均一なＡｌＧａＮ層を導入することにより、基板上に作製した窒化物半導体層のクラックを防止し結晶欠陥を低減でき、発光出力ならびに素子寿命が改善できる。
【００３７】
（実施例３）
図６は、実施例３の窒化物半導体発光素子４０の構造を示す断面図である。ＡｌＧａＮ層２２、２３の構成以外は実施例１の窒化物半導体発光素子２０と同様である。以下、本実施例の窒化物半導体発光素子４０の製造方法について説明する。
【００３８】
図４（ａ）のようにＧａＮ基板２１上に高Ａｌ組成ノンドープＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ層２２を成長させる。次に、成長した基板を反応炉から取り出し、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２上へ、図５のように、１６０μｍ□のＳｉＯ₂マスク３５を４００μｍ間隔で超格子状に作製する。この場合、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２の基板面内面積比は１９％となる。次に、図４（ｃ）のように、露出した領域のＡｌＧａＮ層２２をＲＩＥ法等で基板２１まで除去する。この後、ＳｉＯ₂マスク３５を除去し、１６０μｍ□の高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２が超格子状に配置されたＧａＮ基板を得る。
【００３９】
次に、上記の基板を実施例１と同様にＮＨ₃ガスを含んだ水素雰囲気中で熱クリーニングした後、低Ａｌ組成Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層２３を高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ２２より厚く成長させ、異なる２つのＡｌ組成で形成されたＡｌＧａＮ層２２、２３を得る。このように、その厚みを高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２以上に形成された低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２３は、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２との親和性が高く、十分にその歪みが緩和された状態で成長するため、結晶欠陥が低減される。
【００４０】
次に、上記のＡｌＧａＮ層２２、２３上に実施例１と同様にしてＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体層と電極構造を作製した後、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い窒化物半導体発光素子とする。但し、多重量子井戸層２７の周期数は２とする。
【００４１】
この窒化物半導体発光素子４０は、その表面にクラック等は全く見られず、発光ピーク波長が４０５ｎｍの青紫色で室温ＣＷ発振し発光出力は、４．４Ｖ、４０ｍＷであった。室温連続通電テストの寿命は２５０００時間以上であった。一方、本面内Ａｌ組成が不均一なＡｌＧａＮ層を成長していないＧａＮ基板上に作製した図６と同構造の窒化物半導体発光素子では、発光ピーク波長は４０５ｎｍの青紫色で発光出力は５．０Ｖ、３０ｍＷであった。この素子表面には多数のクラックが見られ、このため寿命は５２０時間であった。
【００４２】
従って、面内Ａｌ組成不均一なＡｌＧａＮ層を導入することにより、基板上に作製した窒化物半導体層のクラックを防止し結晶欠陥を低減でき、発光出力ならびに素子寿命が改善できる。
【００４３】
（実施例４）
図７は、実施例４の窒化物半導体発光素子５０の構造を示す断面図である。窒化物半導体発光素子５０は、実施例３の窒化物半導体発光素子４０の構成からＳｉドープｎ型ＧａＮ層２４とＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層２５をなくした構成である。
【００４４】
本実施例の窒化物半導体発光素子５０の製造方法について説明する。面内分布が不均一なＡｌＧａＮ層２２、２３の作製は、実施例３と同様にして行う。なお、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２２は、層厚０.５μｍのノンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とし、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層２３は層厚０.９５μｍとする。
【００４５】
次に、上記のＡｌＧａＮ層２２、２３上に実施例１と同様（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２４とＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層２５は除く）にしてＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体層と電極構造を作製した後、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い窒化物半導体発光素子とする。但し、多重量子井戸層２７の周期数は６とする。
【００４６】
この窒化物半導体発光素子５０は、その表面にクラック等は全く見られず、発光ピーク波長が４０５ｎｍの青紫色で室温ＣＷ発振し発光出力は、４．６Ｖ、６０ｍＷであった。室温連続通電テストの寿命は１８０００時間以上であった。一方、本面内Ａｌ組成が不均一なＡｌＧａＮ層を成長していないＧａＮ基板上に作製した図７と同構造の窒化物半導体発光素子では、発光ピーク波長は４０５ｎｍの青紫色で発光出力は５．３Ｖ、２５ｍＷであった。この素子表面には多数のクラックが見られ、このため寿命は２００時間であった。
【００４７】
従って、面内Ａｌ組成不均一なＡｌＧａＮ層を導入することにより、基板上に作製した窒化物半導体層のクラックを防止し結晶欠陥を低減でき、発光出力ならびに素子寿命が改善できる。また、面内Ａｌ組成の不均一なＡｌＧａＮ層２２、２３がｎ型クラッド層を兼ねているため、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２４とＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層２５が不要となり、工程数が削減できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体発光素子によると、窒化物半導体層の歪みが緩和され、結晶欠陥を非常に少なくすることができる。従って、発光効率が高く長寿命化を実現することができる。また、歩留りの向上も挙げられる。更に、結晶欠陥によるパス電流を低減できるため、素子の駆動電圧を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）ＧａＮ基板上に２つの異なるＡｌ組成で構成されたＡｌＧａＮ層を、さらにその上にＧａＮ層を成長させた構造の断面図である。
（ｂ）図１（ａ）の上面図である。
【図２】高Ａｌ組成のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの面内面積比を変化させた時の窒化物半導体発光素子の低Ａｌ組成領域表面上のクラック数の変化を示す図である。
【図３】実施例１の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図４】（ａ）ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す断面図である。
（ｂ）ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す断面図である。
（ｃ）ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す断面図である。
（ｄ）ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す断面図である。
（ｅ）ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す断面図である。
（ｆ）図４（ｅ）の上面図である。
【図５】ＡｌＧａＮ層の一製造工程を示す上面図である。
【図６】実施例３の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図７】実施例４の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ＧａＮ基板
１１、２２高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層
１２、２３低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層
１３ＧａＮ層
１４結晶欠陥
２０、４０、５０窒化物半導体発光素子
２１Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板
２４Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
２５ＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層
２６ＳｉドープＧａＮガイド層
２７発光層（多重量子井戸層）
２８ＭｇドープＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層
２９ＭｇドープＧａＮガイド層
３０ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層
３１Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
３２ｎ型電極
３３ｐ型透光性電極
３４ｐ型電極
３５ＳｉＯ₂マスク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device in which an Al _x Ga _1-x N (0 <x ≦ 1) layer is formed on a GaN substrate or a sapphire substrate, and a nitride semiconductor layer is provided thereon.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductor materials typified by GaN, InN, AlN, or mixed crystals of these materials have a band gap that is a direct transition type, and in particular, InGaN mixed crystals can emit light from red to ultraviolet light. It has attracted attention as a short wavelength material. Light-emitting diodes with wavelengths from ultraviolet to green using the same crystals have already been put into practical use, and blue-violet laser diodes have achieved a lifetime exceeding 10,000 hours at room temperature continuous oscillation. is doing.
[0003]
One of the factors of this rapid progress is a low dislocation technique by selective lateral growth (hereinafter referred to as ELOG). In recent years, it has been found that the same technology is applied to a sapphire substrate and is effective in reducing dislocations in the growth of GaN by the hydride VPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method. It has been reported that there are few threading dislocations in the GaN layer grown by the same technology, and that the lifetime can be extended in a laser diode (LD) device fabricated on the same layer.
[0004]
For example, in Patent Document 1, a nitride semiconductor is formed on the surface of a nitride semiconductor layer or on the surface of a different substrate after or before the growth of the nitride semiconductor on a different substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor. A method is disclosed in which a protective film having a property of being difficult to grow in the vertical direction is formed in a stripe shape or the like, and a nitride semiconductor is grown in the horizontal direction on the protective film.
[0005]
On the other hand, it has been proposed to use GaN produced by the HVPE method as a substrate. By using a GaN substrate, crystal defects in the nitride semiconductor layer produced on the substrate by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method can be reduced, and the lifetime of the nitride semiconductor light emitting device is expected to be improved. The
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-191537
[Problems to be solved by the invention]
However, on sapphire substrates, nitrides produced on these substrates are due to the difference in lattice constant from the nitride semiconductor layer produced on the same substrate, and on GaN substrates due to crystal distortion due to dislocation defects, etc. It was confirmed that many cracks were formed in the semiconductor layer.
[0008]
Crystal defects including these cracks function as non-radiative recombination centers, or the defect portion functions as a current path and causes leakage current. Therefore, there is a drawback that the drive voltage is high and the yield is poor. In particular, in the light emitting element, this defect increases the threshold current density and shortens the lifetime of the element. Therefore, it is important to reduce the defect density including cracks.
[0009]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and long life.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a nitride semiconductor light emitting device in which an Al _x Ga _1-x N (0 <x ≦ 1) layer is formed on a substrate and a nitride semiconductor layer is provided thereon. The Al _x Ga _1-x N layer has a non-uniform Al composition.
[0011]
With this configuration, the distortion of the nitride semiconductor layer is alleviated and the device has very few crystal defects. Therefore, it is possible to improve the luminous efficiency and extend the life. In addition, the yield can be improved. Furthermore, since the pass current due to crystal defects can be reduced, the drive voltage of the element can be lowered.
[0012]
In the nitride semiconductor light emitting device, in order to reduce crystal defects, the value of x needs to have at least two values, and the difference between the values needs to be 0.05 or more.
[0013]
In the nitride semiconductor light emitting device, it is preferable that the Al _x Ga _1-x N layer is periodically arranged for each value of x in the plane. For example, a high Al composition AlGaN layer, which is a crack mitigating layer, can be disposed at the edge of the element in accordance with the resonator length of the nitride semiconductor light emitting element.
[0014]
In the nitride semiconductor light emitting device described above, when the value of x is two, the Al _x Ga _1-x N layer having the smaller value of x is disconnected from the entire Al _x Ga _1-x N layer. It is desirable that it is 50% or more of the area. When the area ratio is 50% or less, the strain generated in the Al _x Ga _1-x N layer having the larger value of x is conversely reduced, and the Al _x Ga _1-x N layer having the smaller value of x is reversed. This is because the number of cracks increases due to the upward influence and distortion.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As the substrate of the present invention, a GaN-based substrate or a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate or a Si substrate is used. A nitride semiconductor layer is provided on the substrate to produce a nitride semiconductor light emitting device. At that time, the distortion of the crystal is reduced by forming an Al _x Ga _1-x N (0 <x ≦ 1) layer having two or more different Al compositions on the substrate. Further, two or more AlGaN layers having different Al compositions are periodically formed in the surface, thereby realizing reduction of crystal defects and reduction of the number of cracks in the nitride semiconductor layer grown on the AlGaN layer. Hereinafter, a case where the in-plane Al composition of the AlGaN layer takes two values will be described as an example.
[0016]
_First , the reduction of crystal defects by introducing an Al _x Ga _1-x N (0 <x ≦ 1) layer having a non-uniform in-plane Al composition will be described. FIG. 1A is a cross-sectional view of a structure in which an AlGaN layer composed of two different Al compositions is grown on a GaN substrate, and a GaN layer is further grown on the AlGaN layer, and FIG. FIG.
[0017]
Two types of AlGaN layers 11 and 12 are stacked on the GaN substrate 10. Of the two types, a high Al composition layer is called a high Al composition AlGaN layer (or a high mixed crystal region, a high Al composition region, or a high strain region) 11, and a low Al composition layer is a low Al composition AlGaN layer. (Or a low mixed crystal region, a low Al composition region, a low strain region) 12. Furthermore, a GaN layer 13 is stacked on the AlGaN layers 11 and 12. Crystal defects 14 occur in the high Al composition AlGaN layer 11 and in the GaN layer 13 portion above it. In the figure, the crystal defects 14 are schematically represented by lines.
[0018]
Usually, a nitride semiconductor grown on an AlGaN layer is distorted due to differences in lattice constant, thermal expansion coefficient, and the like. That is, when the Al mixed crystal ratio is high, the difference is further widened, and more crystal defects are generated in the nitride semiconductor grown on the main layer. Therefore, the high strain region 11 and the low strain region 12 are formed by forming two AlGaN layers having different Al compositions in the same plane. The strain is concentrated on the high strain region 11 and the strain on the low strain region 12 side is relaxed, so that the strain on the entire surface can be relaxed and cracks can be prevented. This has the effect of deliberately generating cracks and reducing strain.
[0019]
Moreover, since the influence of the distortion of the adjacent low Al composition region 12 is divided by the defect on the high Al composition region 11, and the generated crack stops in the high Al composition region 11, as shown in FIG. Even if a crack occurs, the area can be kept to a minimum, leading to an improvement in yield. However, if the difference in Al composition between the high mixed crystal region 11 and the low mixed crystal region 12 is small, strain relaxation does not occur. Further, the Al mixed crystal ratio on the high Al composition side is preferably higher because defects must be generated thereon. As a result of the experiment, the difference in the Al mixed crystal ratio between the low mixed crystal region 12 and the high mixed crystal region 11 is preferably at least 0.05 or more. Furthermore, the Al composition of the highly mixed crystal region 11 may be at least 0.08 or more, preferably 0.15 or more.
[0020]
FIG. 2 is a diagram showing changes in the number of cracks on the surface of the low Al composition region of the nitride semiconductor light emitting device when the in-plane area ratio of Al _0.2 Ga _0.8 N having a high Al composition is changed. The number of cracks decreased with the increase of the high mixed crystal region, and the number of cracks became zero at an area ratio of 10%. This shows that the number of cracks is reduced by introducing a high Al composition and forming a surface with a non-uniform Al composition. However, when the area ratio of the high mixed crystal region became 50% or more, the number of cracks began to increase again. These phenomena are thought to be due to the following reasons.
[0021]
As described above, the nitride semiconductor formed on the AlGaN layer is distorted due to the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from the AlGaN layer, resulting in crystal defects. In the high Al composition AlGaN layer region, more crystal defects are generated than in the nitride semiconductor formed on the low Al composition AlGaN layer, and in some cases, cracks are generated. When this high mixed crystal region is introduced in the plane, the strain in the low mixed crystal region is concentrated and relaxed in the strain in the high mixed crystal region. In particular, when a crack occurs on the high mixed crystal region, the strain in the low mixed crystal region is completely absorbed.
[0022]
However, when the area of the high mixed crystal region is a small area ratio (0.5% or less), it is sufficient to alleviate the strain in the vicinity of the high mixed crystal region. It was not alleviated. On the other hand, when the area ratio of the high mixed crystal region is increased to 50% or more, the strain generated in the region adversely affects the low mixed crystal region and is distorted. Since this occurs, the effect is relatively small and the number of cracks increases. Moreover, regardless of the area ratio, the effect was higher when the high mixed crystal region was periodically introduced in the plane. However, the in-plane area ratio A of the high mixed crystal region may be 50% or less in consideration of the number of LD chips that can be taken from one substrate, but is preferably 0.5 ≦ A ≦ 30 (%).
[0023]
Furthermore, an LED device is fabricated on a high mixed crystal region of Al _0.2 Ga _0.8 N (stripe area ratio 30%) and a low mixed crystal region of Al _0.05 Ga _0.95 N. As a result of comparison, a maximum light emission output of 6 times or more and a device voltage reduction of 0.4 V were realized. This is a result of reducing crystal defects that act as non-radiative recombination centers, cracks and defects that act as current paths and cause leakage current.
[0024]
As described above, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a device in which distortion of the nitride semiconductor layer is relaxed and crystal defects are very small. Accordingly, the light emission efficiency is high and a long life can be realized. In addition, the yield can be improved. Furthermore, since the pass current due to crystal defects can be reduced, the drive voltage of the element can be lowered. Examples of the present invention will be described below.
[0025]
(Example 1)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the structure of the nitride semiconductor light emitting device 20 of the first embodiment. Reference numeral 21 denotes a Si-doped n-type GaN substrate, which is produced using the HVPE method. Reference numeral 22 denotes a non-doped AlGaN layer having a high Al composition, which is produced by using either the HVPE method or the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy). 23 is a Si-doped or non-doped AlGaN layer having a low Al composition, 24 is a Si-doped n-type GaN layer, 25 is a Si-doped AlGaN cladding layer, and 26 is a Si-doped GaN guide layer. Reference numeral 27 denotes a light emitting layer (multiple quantum well layer) having an MQW (multiple quantum well) structure composed of a Si-doped InGaN layer and a non-doped InGaN layer. 28 is a light emitting layer evaporation preventing layer of Mg doped AlGaN, 29 is an Mg doped GaN guide layer, 30 is an Mg doped AlGaN cladding layer, and 31 is an Mg doped p-type GaN contact layer. Reference numeral 32 denotes an n-type electrode, 33 denotes a p-type translucent electrode, and 34 denotes a p-type electrode, which are produced by vapor deposition.
[0026]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 20 will be described. First, a method for producing an AlGaN layer having a non-uniform in-plane distribution will be described. For the growth of the AlGaN layers 22 and 23, HVPE or MOCVD is used. When growing by the HVPE method, GaCl ₃ , TMA (trimethylaluminum), which is reacted with HCl gas by heating Ga metal at 850 ° C. in a reaction furnace, is used as a transport gas for the Group 3 element. On the other hand, when growing by MOCVD, TMG (trimethyl gallium) and TMA are used. NH ₃ is used as the transport gas for the Group 5 element. The transport gas for the n-type dopant is SiH ₄ (silane), and the transport gas for the p-type dopant is Cp ₂ Mg (cyclopentadiethyl magnesium) or ethyl Cp ₂ Mg.
[0027]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the AlGaN layers 22 and 23. First, as shown in FIG. 4A, a high Al composition Si-doped or non-doped Al _0.3 Ga _0.7 N layer 22 is grown on a GaN substrate 21. Next, as shown in FIG. 4B, the grown substrate is taken out of the reaction furnace, and SiO ₂ masks 35 having a width of 100 μm are formed on the stripes on the high Al composition AlGaN layer 22 at intervals of 500 μm. That is, the area of the high Al composition AlGaN layer 22 to be masked is 20% of the substrate in-plane area. Next, as shown in FIG. 4C, the exposed AlGaN layer 22 that is not masked 35 is removed to the upper surface of the substrate 21 by RIE or the like. Then, as shown in FIG. 4D, a low Al composition Si-doped Al _0.05 Ga _0.95 N layer 23 is grown by MOCVD. Finally, as shown in FIGS. 4E and 4F, after taking out from the reaction furnace, the SiO ₂ mask 35 is removed with hydrofluoric acid to obtain AlGaN layers 22 and 23 having non-uniform in-plane compositions.
[0028]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 20 using the above substrate will be described. The MOCVD method is used for the growth of the nitride semiconductor layer. First, the substrate is raised to the growth temperature of the Si-doped n-type GaN layer 24 in a hydrogen atmosphere containing NH ₃ to grow a Si-doped n-type GaN layer 24 having a layer thickness of 0.5 μm. Next, a Si-doped Al _0.1 Ga _0.9 N clad layer 25 having a layer thickness of 0.95 μm and a Si-doped GaN light guide layer 26 having a layer thickness of 0.1 μm are sequentially grown. Next, a multi-quantum well layer 27 having a periodicity of 5 (5 light-emitting layers and 6 barrier layers) with a Si-doped In _0.15 Ga _0.85 N light-emitting layer having a layer thickness of 4 nm and a non-doped In _0.03 Ga _0.97 N barrier layer having a layer thickness of 8 nm. Then, an InGaN evaporation prevention layer 28 made of Mg-doped p-type AlGaN is grown. Next, an Mg-doped p-type GaN optical guide layer 29 having a layer thickness of 0.1 μm, an Mg-doped p-type Al _0.1 Ga _0.9 N cladding layer 30 having a layer thickness of 0.5 μm, and an Mg-doped p-type GaN contact layer 31 having a thickness of 0.1 μm. Grow sequentially.
[0029]
The fabricated wafer is composed of a Ti / Al n-type electrode 32 on the back surface of the Si-doped n-type GaN substrate 21, a Pd p-type translucent electrode 33 and a Pd / Au p on the surface of the Mg-doped p-type GaN contact layer 31. A mold electrode 34 is deposited. Thereafter, the wafer is divided into chips and resin molding is performed to obtain the nitride semiconductor light emitting element 20 shown in FIG. The same effect can be obtained when the p-type translucent electrode 33 and the p-type electrode 34 are Ni and Ni / Au, respectively.
[0030]
This nitride semiconductor light emitting device 20 was blue-violet with an emission peak wavelength of 405 nm and oscillated at room temperature CW, and the emission output was 4.5 V and 70 mW. The lifetime of the continuous energization test at room temperature was 10,000 hours or more. In addition, no cracks were observed on the element surface. On the other hand, in the nitride semiconductor light emitting device having the same structure as that shown in FIG. 3 fabricated on a GaN substrate on which an AlGaN layer having a nonuniform in-plane Al composition is not grown, many cracks are observed on the device surface, and the emission peak wavelength is The emission output was 5.5 V, 30 mW, and the lifetime was 500 hours.
[0031]
Therefore, by introducing an AlGaN layer having a non-uniform in-plane Al composition, cracks in the nitride semiconductor layer fabricated on the substrate can be prevented, crystal defects can be reduced, and light emission output and device lifetime can be improved. In the present embodiment, the high Al composition AlGaN layer 22 which is a crack mitigating layer is disposed at the edge portion of the element in accordance with the resonator length of the nitride semiconductor light emitting element 20. In addition, the same effect can be obtained when the AlGaN layers 22 are arranged so that the in-plane areas are the same at intervals of 20. Similar effects can also be obtained on sapphire and Si substrates.
[0032]
(Example 2)
The nitride semiconductor light emitting device of this example is the same as the nitride semiconductor light emitting device 20 of Example 1 except for the configuration of the AlGaN layers 22 and 23. Hereinafter, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device of this example will be described.
[0033]
First, a method for producing an AlGaN layer formed with two different compositions will be described with reference to FIGS. A high Al composition Si-doped or non-doped Al _0.2 Ga _0.8 N layer 22 is grown on the GaN substrate 21 as shown in FIG. Next, the grown substrate is taken out of the reaction furnace, and a 160 μm square SiO ₂ mask 35 is formed in a superlattice pattern at 400 μm intervals on the high Al composition AlGaN layer 22 as shown in FIG. In this case, the substrate surface area ratio of the high Al composition AlGaN layer 22 is 19%. Next, as shown in FIG. 4C, the AlGaN layer 22 in the exposed region is removed up to the substrate 21 by the RIE method or the like. Then, as shown in FIG. 4D, a low composition Si-doped Al _0.1 Ga _0.9 N layer is grown by MOCVD. Finally, after taking out from the reactor, the SiO ₂ mask 35 is removed to obtain an AlGaN layer having a non-uniform in-plane composition.
[0034]
Next, a nitride semiconductor layer and an electrode structure are formed on the AlGaN layers 22 and 23 by MOCVD in the same manner as in Example 1, and then the wafer is divided into chips and resin molded to perform nitride semiconductor light emitting devices. And
[0035]
This nitride semiconductor light emitting device had no cracks or the like on its surface, was blue-violet with an emission peak wavelength of 405 nm, oscillated at room temperature, and emitted light output was 4.7 V and 50 mW. The lifetime of the room temperature continuous energization test was 20000 hours or more. On the other hand, in the nitride semiconductor light emitting device having the same structure as that of FIG. 3 fabricated on a GaN substrate on which an AlGaN layer having a nonuniform in-plane Al composition is not grown, the emission peak wavelength is 404 nm and the emission output is 5 .6V, 25mW. Many cracks were found on the surface of the device, and the lifetime was 450 hours.
[0036]
Therefore, by introducing an AlGaN layer having a non-uniform in-plane Al composition, cracks in the nitride semiconductor layer fabricated on the substrate can be prevented, crystal defects can be reduced, and light emission output and device lifetime can be improved.
[0037]
(Example 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device 40 of Example 3. Except for the configuration of the AlGaN layers 22 and 23, the nitride semiconductor light emitting device 20 of Example 1 is the same as the nitride semiconductor light emitting device 20. Hereinafter, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 40 of this example will be described.
[0038]
As shown in FIG. 4A, a high Al composition non-doped Al _0.35 Ga _0.65 N layer 22 is grown on the GaN substrate 21. Next, the grown substrate is taken out of the reaction furnace, and a 160 μm square SiO ₂ mask 35 is formed in a superlattice pattern at 400 μm intervals on the high Al composition AlGaN layer 22 as shown in FIG. In this case, the substrate surface area ratio of the high Al composition AlGaN layer 22 is 19%. Next, as shown in FIG. 4C, the AlGaN layer 22 in the exposed region is removed up to the substrate 21 by the RIE method or the like. Thereafter, the SiO ₂ mask 35 is removed to obtain a GaN substrate on which a 160 μm □ high Al composition AlGaN layer 22 is arranged in a superlattice form.
[0039]
Next, the substrate is thermally cleaned in a hydrogen atmosphere containing NH ₃ gas in the same manner as in Example 1, and then a low Al composition Si-doped n-type Al _0.1 Ga _0.9 N layer 23 is grown thicker than the high Al composition AlGaN 22. Thus, AlGaN layers 22 and 23 formed with two different Al compositions are obtained. Thus, the low Al composition AlGaN layer 23 having a thickness equal to or greater than that of the high Al composition AlGaN layer 22 has a high affinity with the high Al composition AlGaN layer 22 and is grown in a state where the strain is sufficiently relaxed. Therefore, crystal defects are reduced.
[0040]
Next, a nitride semiconductor layer and an electrode structure are formed on the AlGaN layers 22 and 23 by MOCVD in the same manner as in Example 1, and then the wafer is divided into chips and resin molded to perform nitride semiconductor light emitting devices. And However, the number of periods of the multiple quantum well layer 27 is 2.
[0041]
The nitride semiconductor light emitting device 40 had no cracks or the like on its surface, was blue-violet with an emission peak wavelength of 405 nm, and oscillated at room temperature, and the emission output was 4.4 V and 40 mW. The lifetime of the continuous energization test at room temperature was 25000 hours or more. On the other hand, in the nitride semiconductor light emitting device having the same structure as that shown in FIG. 6 fabricated on a GaN substrate on which an AlGaN layer having a nonuniform in-plane Al composition is not grown, the emission peak wavelength is violet of 405 nm and the emission output is 5 0.0 V, 30 mW. Many cracks were found on the surface of the element, and the lifetime was 520 hours.
[0042]
Therefore, by introducing an AlGaN layer having a non-uniform in-plane Al composition, cracks in the nitride semiconductor layer fabricated on the substrate can be prevented, crystal defects can be reduced, and light emission output and device lifetime can be improved.
[0043]
Example 4
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device 50 of the fourth embodiment. The nitride semiconductor light emitting device 50 has a configuration in which the Si doped n-type GaN layer 24 and the Si doped AlGaN cladding layer 25 are eliminated from the configuration of the nitride semiconductor light emitting device 40 of Example 3.
[0044]
A method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 50 of this example will be described. The AlGaN layers 22 and 23 with non-uniform in-plane distribution are produced in the same manner as in Example 3. The high Al composition AlGaN layer 22 is a non-doped Al _0.2 Ga _0.8 N layer having a thickness of 0.5 μm, and the low Al composition AlGaN layer 23 is 0.95 μm.
[0045]
Next, a nitride semiconductor layer and an electrode structure were prepared on the AlGaN layers 22 and 23 by MOCVD in the same manner as in Example 1 (except for the Si-doped n-type GaN layer 24 and the Si-doped AlGaN cladding layer 25). Thereafter, the wafer is divided into chips and resin molding is performed to obtain a nitride semiconductor light emitting device. However, the number of periods of the multiple quantum well layer 27 is 6.
[0046]
The nitride semiconductor light emitting device 50 had no cracks or the like on its surface, was blue-violet with an emission peak wavelength of 405 nm, and oscillated at room temperature, and the emission output was 4.6 V and 60 mW. The lifetime of the room temperature continuous energization test was 18000 hours or more. On the other hand, in the nitride semiconductor light emitting device having the same structure as that shown in FIG. 7 fabricated on a GaN substrate on which an AlGaN layer having a nonuniform in-plane Al composition is not grown, the emission peak wavelength is violet of 405 nm and the emission output is 5 .3 V, 25 mW. Many cracks were found on the surface of the element, and the lifetime was 200 hours.
[0047]
Therefore, by introducing an AlGaN layer having a non-uniform in-plane Al composition, cracks in the nitride semiconductor layer fabricated on the substrate can be prevented, crystal defects can be reduced, and light emission output and device lifetime can be improved. Further, since the AlGaN layers 22 and 23 having a non-uniform in-plane Al composition also serve as the n-type cladding layer, the Si-doped n-type GaN layer 24 and the Si-doped AlGaN cladding layer 25 are not required, and the number of processes can be reduced.
[0048]
【The invention's effect】
According to the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the strain of the nitride semiconductor layer is relaxed, and crystal defects can be greatly reduced. Accordingly, the light emission efficiency is high and a long life can be realized. In addition, the yield can be improved. Furthermore, since the pass current due to crystal defects can be reduced, the drive voltage of the element can be lowered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view of a structure in which an AlGaN layer composed of two different Al compositions is grown on a GaN substrate, and a GaN layer is further grown thereon.
(B) It is a top view of Fig.1 (a).
FIG. 2 is a diagram showing changes in the number of cracks on the surface of a low Al composition region of a nitride semiconductor light emitting device when the in-plane area ratio of Al _0.2 Ga _0.8 N having a high Al composition is changed.
3 is a cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device of Example 1. FIG.
FIG. 4A is a cross-sectional view showing one manufacturing process of the AlGaN layer.
(B) It is sectional drawing which shows one manufacturing process of an AlGaN layer.
(C) It is sectional drawing which shows one manufacturing process of an AlGaN layer.
(D) It is sectional drawing which shows one manufacturing process of an AlGaN layer.
(E) It is sectional drawing which shows one manufacturing process of an AlGaN layer.
(F) It is a top view of FIG.4 (e).
FIG. 5 is a top view showing one manufacturing process of the AlGaN layer.
6 is a cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device of Example 3. FIG.
7 is a cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device of Example 4. FIG.
[Explanation of symbols]
10 GaN substrate 11, 22 High Al composition AlGaN layer 12, 23 Low Al composition AlGaN layer 13 GaN layer 14 Crystal defect 20, 40, 50 Nitride semiconductor light emitting device 21 Si-doped n-type GaN substrate 24 Si-doped n-type GaN layer 25 Si-doped AlGaN cladding layer 26 Si-doped GaN guide layer 27 Light emitting layer (multiple quantum well layer)
28 Mg-doped AlGaN light-emitting layer evaporation prevention layer 29 Mg-doped GaN guide layer 30 Mg-doped AlGaN cladding layer 31 Mg-doped p-type GaN contact layer 32 n-type electrode 33 p-type translucent electrode 34 p-type electrode 35 SiO ₂ mask

Claims

In a nitride semiconductor light emitting device in which an Al _x Ga _1-x N (0 <x ≦ 1) layer is formed on a substrate and a nitride semiconductor layer is provided thereon,
The Al _x Ga _1-x N layer is composed of two regions, a region having a high Al mixed crystal ratio and a region having a low Al mixed crystal ratio as viewed from the top surface of the nitride semiconductor light emitting device. A nitride semiconductor light emitting device characterized in that an interface in contact with a lower surface of a layer in a high region and a region having a low Al mixed crystal ratio and an upper surface of a layer immediately below is in the same plane .

2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the value of x has at least two values, and a difference between the values is 0.05 or more.

3. The Al _x Ga _1-x N layer according to claim _1, wherein a region having a high Al mixed crystal ratio and a region having a low Al mixed crystal ratio are periodically arranged in the plane thereof. Nitride semiconductor light emitting device.

The Al _x Ga _1-x N layer has a region with a low Al mixed crystal ratio that is 50% or more of the cross-sectional area of the entire Al _x Ga _1-x N layer. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of the above.

Al on the substrate _ｘx Ga _１−ｘ1-x In a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device in which an N (0 <x ≦ 1) layer is formed and a nitride semiconductor layer is provided thereon,
High Al mixed crystal ratio Al on the substrate _xx Ga _1-x1-x N layer is formed and Al with the high Al mixed crystal ratio is formed. _xx Ga _1-x1-x Mask part of the N layer, unmasked Al with high Al mixed crystal ratio _xx Ga _1-x1-x N layer is removed and high Al mixed crystal ratio Al _xx Ga _1-x1-x The interface in contact with the lower end surface of the N layer and the upper end surface of the layer immediately below is exposed, and Al with a low Al mixed crystal ratio is exposed in the exposed portion. _xx Ga _1-x1-x A method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, comprising forming an N layer and removing the mask.