JP6738455B2 - Electronic parts - Google Patents

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Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子(発光ダイオード、レーザダイオード等)に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device (light emitting diode, laser diode, etc.) using a group III nitride semiconductor.

従来、n型層およびp型層で挟まれた発光層(活性層)を有するIII族窒化物半導体発光素子において、発光層における格子欠陥の発生を防止する目的で、発光層の下地層にバッファ層を配置することが知られている。
たとえば、特許文献1には、n型クラッド層と、その上に積層されたMQW活性層との間に、InGaN層とGaN層とを有する超格子層を配置することが開示されている。
Conventionally, in a group III nitride semiconductor light emitting device having a light emitting layer (active layer) sandwiched between an n-type layer and a p-type layer, a buffer is provided as a base layer of the light emitting layer for the purpose of preventing lattice defects from occurring in the light emitting layer. It is known to arrange layers.
For example, Patent Document 1 discloses disposing a superlattice layer having an InGaN layer and a GaN layer between an n-type clad layer and an MQW active layer stacked thereon.

特開2007−227671号公報JP 2007-227671A

上記の超格子層は、発光層のピーク発光波長によっては十分に格子緩和できない場合がある。たとえば、ピーク発光波長が500nm以上の発光層における格子欠陥の発生を低減できず、また、このような発光層に対する手法は、未だ確立されているとは言えない。
そこで、本発明の目的は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生する発光層における格子欠陥を低減することができる半導体発光素子を提供することである。
The above superlattice layer may not be able to sufficiently relax the lattice depending on the peak emission wavelength of the light emitting layer. For example, it is not possible to reduce the occurrence of lattice defects in a light emitting layer having a peak emission wavelength of 500 nm or more, and a method for such a light emitting layer is not yet established.
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of reducing lattice defects in a light emitting layer which emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more.

また、本発明の他の目的は、前記発光層の格子欠陥の低減によって、長波長領域における輝度の低下を抑制することができる半導体発光素子を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of suppressing a decrease in luminance in a long wavelength region by reducing lattice defects in the light emitting layer.

一実施形態は、III族窒化物半導体からなり、少なくともn型層と、p型層と、前記n型層および前記p型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、InGa1−xN(x=0.18〜0.23)層を有する主発光層と、InGa1−yN(y=0.06〜0.16)層を有する応力緩和層とを含む、半導体発光素子を提供する。 One embodiment is a group III nitride semiconductor having a laminated structure, which is composed of a group III nitride semiconductor and has at least an n-type layer, a p-type layer, and a light emitting layer sandwiched between the n-type layer and the p-type layer. A main emitting layer having a layer, wherein the emitting layer emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more, and has a In x Ga 1-x N (x=0.18 to 0.23) layer. Provided is a semiconductor light emitting device including a stress relaxation layer having an In y Ga 1-y N (y=0.06 to 0.16) layer.

この構成によれば、主発光層のIn組成比率(x)と比較的近似するIn組成比率(y)を有する応力緩和層が、主発光層と共に発光層の一部を構成している。これにより、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、まず応力緩和層を成長させ、その後に主発光層を成長させることによって、主発光層の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、主発光層への格子欠陥の導入を低減することができる。その結果、この半導体発光素子は、主発光層において、ピーク発光波長が500nm以上の光を効率よく発生させることができる。この発光効率の向上により、たとえば、長波長領域(たとえば、525nm以上の波長領域)における輝度の低下を抑制することができる。 According to this structure, the stress relaxation layer having an In composition ratio (y) relatively close to the In composition ratio (x) of the main light emitting layer constitutes a part of the light emitting layer together with the main light emitting layer. Thus, when the light emitting layer is crystal-grown from the n-type layer or the p-type layer side, the stress relaxation layer is first grown, and then the main light emitting layer is grown, whereby the lattice size at the start of growth of the main light emitting layer is increased. The change in can be moderated. Therefore, the introduction of lattice defects into the main light emitting layer can be reduced. As a result, this semiconductor light emitting device can efficiently generate light having a peak emission wavelength of 500 nm or more in the main light emitting layer. Due to this improvement in light emission efficiency, it is possible to suppress a decrease in luminance in a long wavelength region (for example, a wavelength region of 525 nm or more).

前記半導体発光素子において、前記応力緩和層は、前記InGa1−yN層を複数含み、前記複数のInGa1−yN層は、前記主発光層に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層されていてもよい。
この構成によれば、応力緩和層のIn組成比率(y)を、主発光層のIn組成比率(x)に徐々に近づけることができる。これにより、主発光層と応力緩和層との格子サイズの差を小さくできるので、主発光層への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
In the semiconductor light emitting device, the stress relaxation layer includes a plurality of the In y Ga 1-y N layers, and the plurality of In y Ga 1-y N layers are closer to the main light emitting layer in the In composition ratio (y. ) May be laminated in the order of increasing.
According to this structure, the In composition ratio (y) of the stress relaxation layer can be gradually brought close to the In composition ratio (x) of the main light emitting layer. This makes it possible to reduce the difference in lattice size between the main light emitting layer and the stress relaxation layer, so that the introduction of lattice defects into the main light emitting layer can be further reduced.

なお、前記複数のInGa1−yN層のIn組成比率(y)は、一定の割合(たとえば、0.1刻み、0.2刻み等)で大きくなっていてもよいし、ランダムな割合(たとえば、0.1→0.2→0.4等)で大きくなっていてもよい。
前記半導体発光素子において、前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されていてもよい。
The In composition ratio (y) of the plurality of In y Ga 1-y N layers may be increased at a constant rate (for example, 0.1 step, 0.2 step, etc.) or may be random. It may increase in proportion (for example, 0.1→0.2→0.4).
In the semiconductor light emitting device, the main light emitting layer and the stress relaxation layer may be laminated so as to be in contact with each other.

この構成によれば、主発光層および応力緩和層が一つの積層構造に集約されているので、発光層の当該積層構造が形成された部分での格子サイズのばらつきを低減することができる。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、InGaNからなる量子井戸層と、GaNからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有していることが好ましい。この場合、前記量子井戸層は、3nm±10%の厚さを有していることが好ましい。この構成により、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
According to this structure, since the main light emitting layer and the stress relaxation layer are integrated into one laminated structure, it is possible to reduce variations in the lattice size in the portion of the light emitting layer where the laminated structure is formed.
In the semiconductor light emitting device, it is preferable that the light emitting layer has a multiple quantum well structure in which quantum well layers made of InGaN and barrier layers made of GaN are alternately laminated at a predetermined cycle. In this case, it is preferable that the quantum well layer has a thickness of 3 nm±10%. With this configuration, the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device can be further improved.

前記半導体発光素子は、前記応力緩和層に対して前記主発光層とは反対側に配置され、InGaN層とGaN層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含むことが好ましい。この場合、前記InGaN層は、InGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示される層を含むことが好ましい。
この構成によれば、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層(応力緩和層)の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
The semiconductor light emitting device further includes an intermediate buffer layer disposed on the side opposite to the main light emitting layer with respect to the stress relaxation layer and having a superlattice structure in which InGaN layers and GaN layers are alternately laminated at a predetermined cycle. It is preferable. In this case, the InGaN layer preferably includes a layer represented by In z Ga 1-z N ( z = 0.01~0.05).
According to this configuration, when the light emitting layer is crystal-grown from the n-type layer or p-type layer side, the intermediate buffer layer is grown prior to the growth of the light emitting layer, so that the growth of the light emitting layer (stress relaxation layer) is started. The change in the lattice size over time can be made gradual. Therefore, the introduction of lattice defects into the stress relaxation layer can be reduced.

前記半導体発光素子において、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生するものであってもよい。
この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、60nm〜140nmの総厚さを有していてもよい。
In the semiconductor light emitting device, the light emitting layer may generate light having a peak emission wavelength of 500 nm to 550 nm.
According to this structure, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having a light emitting layer that efficiently emits green light.
In the semiconductor light emitting device, the light emitting layer may have a total thickness of 60 nm to 140 nm.

この構成によれば、発光層の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
前記半導体発光素子は、サファイア基板をさらに含み、前記発光層は、前記応力緩和層および前記主発光層がこの順に、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された層であってもよい。
According to this structure, the luminous efficiency of the semiconductor light emitting element can be improved while keeping the total thickness of the light emitting layer within a general range.
The semiconductor light emitting device may further include a sapphire substrate, and the light emitting layer may be a layer in which the stress relaxation layer and the main light emitting layer are crystal-grown on a main surface of the sapphire substrate in this order.

この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。 According to this structure, the group III nitride semiconductor layer having the light emitting layer with improved light emitting efficiency can be formed on the sapphire substrate. Further, since it is not necessary to use a special substrate and an inexpensive sapphire substrate is sufficient, the manufacturing cost can be reduced.

図1は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention. 図2は、発光層の具体的な構成およびIII族窒化物半導体層の深さとIn組成との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a specific structure of the light emitting layer and a relationship between the depth of the group III nitride semiconductor layer and the In composition. 図3は、前記III族窒化物半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the structure of a processing apparatus for growing each layer constituting the group III nitride semiconductor layer. 図4は、発光層の成長時間と基板温度との関係を示すタイムチャートである。FIG. 4 is a time chart showing the relationship between the growth time of the light emitting layer and the substrate temperature. 図5は、前記III族窒化物半導体層を有するウエハの主波長と裏面輝度との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dominant wavelength and the back surface luminance of the wafer having the group III nitride semiconductor layer. 図6は、前記III族窒化物半導体層を有するウエハのPLスペクトルを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a PL spectrum of a wafer having the group III nitride semiconductor layer. 図7は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのELスペクトル(1mA)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an EL spectrum (1 mA) of a diode package having a structure similar to that of the light emitting diode. 図8は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのELスペクトル(20mA)を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an EL spectrum (20 mA) of a diode package having the same structure as the light emitting diode. 図9は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのELスペクトル(120mA)を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an EL spectrum (120 mA) of a diode package having a structure similar to that of the light emitting diode.

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード1は、サファイア基板2上に、III族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層3を成長させて構成された素子本体を有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
A light emitting diode 1 as an example of a semiconductor light emitting device of the present invention has a device body formed by growing a group III nitride semiconductor layer 3 having a group III nitride semiconductor laminated structure on a sapphire substrate 2. There is.

III族窒化物半導体層3は、サファイア基板2側から順に、本発明のn型層の一例としてのn型低温GaNバッファ層31およびn型GaNコンタクト層32、中間バッファ層33、発光層34、ならびに、本発明のp型層の一例としてのp型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36を積層した積層構造を有している。
III族窒化物半導体層3には、断面がほぼ矩形となるようにp型GaNコンタクト層36からn型GaNコンタクト層32が露出する深さまで選択的に除去(たとえば、エッチング)することによって凹部4が形成されている。そして、n型GaNコンタクト層32は、III族窒化物半導体層3の片側から、サファイア基板2の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部5を有している。
The group III nitride semiconductor layer 3 includes, in order from the sapphire substrate 2 side, an n-type low temperature GaN buffer layer 31, an n-type GaN contact layer 32, an intermediate buffer layer 33, a light emitting layer 34, which is an example of the n-type layer of the present invention. In addition, it has a laminated structure in which a p-type AlGaN electron blocking layer 35 and a p-type GaN contact layer 36 are laminated as an example of the p-type layer of the present invention.
In the group III nitride semiconductor layer 3, the recess 4 is formed by selectively removing (eg, etching) from the p-type GaN contact layer 36 to a depth at which the n-type GaN contact layer 32 is exposed so that the cross section has a substantially rectangular shape. Are formed. The n-type GaN contact layer 32 has a lead-out portion 5 that is drawn out from one side of the group III nitride semiconductor layer 3 in the lateral direction along the surface of the sapphire substrate 2.

p型GaNコンタクト層36層の表面には、p型電極(アノード電極)6が接合されており、n型GaNコンタクト層32の引き出し部5には、n型電極(カソード電極)7が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
サファイア基板2は、支持基板(配線基板)8に接合されている。支持基板8の表面には、配線9,10が形成されている。そして、p型電極6と配線9とがボンディングワイヤ11で接続されており、n型電極7と配線10とがボンディングワイヤ12で接続されている。
A p-type electrode (anode electrode) 6 is joined to the surface of the p-type GaN contact layer 36, and an n-type electrode (cathode electrode) 7 is joined to the lead portion 5 of the n-type GaN contact layer 32. ing. Thus, the light emitting diode structure is formed.
The sapphire substrate 2 is joined to a support substrate (wiring substrate) 8. Wirings 9 and 10 are formed on the surface of the support substrate 8. The p-type electrode 6 and the wiring 9 are connected by the bonding wire 11, and the n-type electrode 7 and the wiring 10 are connected by the bonding wire 12.

さらに、図示は省略するが、発光ダイオード1の構造と、ボンディングワイヤ11,12とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード1のパッケージ(ダイオードパッケージ)が構成されている。
サファイア基板2は、極性面(この実施形態ではc面)を主面とするサファイア単結晶からなる基板である。具体的には、サファイア基板2の主面は、極性面の面方位から0.3°以上のオフ角、より好ましくは、m軸方向に0.3°以上のオフ角を有する面である。
Although not shown, the package of the light emitting diode 1 (diode package) is configured by sealing the structure of the light emitting diode 1 and the bonding wires 11 and 12 with a transparent resin such as epoxy resin. There is.
The sapphire substrate 2 is a substrate made of a sapphire single crystal having a polar plane (c-plane in this embodiment) as a main surface. Specifically, the main surface of the sapphire substrate 2 is a surface having an off angle of 0.3° or more from the plane orientation of the polar surface, and more preferably an off angle of 0.3° or more in the m-axis direction.

したがって、サファイア基板2上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層3の成長主面(表面3a)は、サファイア基板2の主面と同じ面、すなわち、極性面(この実施形態ではc面)となっている。
また、サファイア基板2の厚さは、600μm以上、具体的には、650μm〜1000μmとすることが好ましい。なお、発光ダイオード1においては、サファイア基板2に代えて、たとえば、GaN基板、ZnO基板、AlN基板、SiC基板等の六方晶系の基板を使用することができる。
Therefore, the growth main surface (surface 3a) of the group III nitride semiconductor layer 3 crystal-grown on the sapphire substrate 2 is the same surface as the main surface of the sapphire substrate 2, that is, the polar surface (c-plane in this embodiment). ).
In addition, the thickness of the sapphire substrate 2 is preferably 600 μm or more, specifically, 650 μm to 1000 μm. In the light emitting diode 1, instead of the sapphire substrate 2, for example, a hexagonal crystal substrate such as a GaN substrate, a ZnO substrate, an AlN substrate, or a SiC substrate can be used.

n型低温GaNバッファ層31は、たとえば、400℃〜700℃のウエハ温度で結晶成長されたアンドープ(ドーパントがドープされていない)GaN層からなる。層厚は、数十nmとすることが好ましい。
n型GaNコンタクト層32は、たとえば、シリコンをn型ドーパントとして添加したn型GaN層からなる。層厚は3μm以上、具体的には、3μm〜7μmとすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、1×1018cm−3程度とされる。
The n-type low temperature GaN buffer layer 31 is made of, for example, an undoped (undoped with dopant) GaN layer crystal-grown at a wafer temperature of 400° C. to 700° C. The layer thickness is preferably several tens of nm.
The n-type GaN contact layer 32 is, for example, an n-type GaN layer to which silicon is added as an n-type dopant. The layer thickness is preferably 3 μm or more, specifically 3 μm to 7 μm. The doping concentration of silicon is, for example, about 1×10 18 cm −3 .

中間バッファ層33は、たとえば、シリコンをドープしたInGaN層(たとえば4nm厚程度)とGaN層(たとえば2nm厚程度)とを交互に所定周期(たとえば5周期程度)積層した超格子構造を有している。さらにこの実施形態では、InGaN層がInGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示される層であり、GaN層は、Inを全く含んでいない層である。なお、GaN層は、中間バッファ層33のInGaN層のIn組成比率(z)よりも小さい範囲で、若干のIn含んでいてもよい。 The intermediate buffer layer 33 has, for example, a superlattice structure in which a silicon-doped InGaN layer (for example, about 4 nm thickness) and a GaN layer (for example, about 2 nm thickness) are alternately laminated for a predetermined period (for example, about 5 periods). There is. Further, in this embodiment, the InGaN layer is a layer represented by In z Ga 1-z N (z=0.01 to 0.05), and the GaN layer is a layer containing no In at all. The GaN layer may contain a small amount of In in a range smaller than the In composition ratio (z) of the InGaN layer of the intermediate buffer layer 33.

発光層34は、たとえば、シリコンをドープしたInGaN層14(量子井戸層)とGaN層13(バリア層)とを交互に所定周期積層した多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有している。
さらに発光層34は、InGaN層14およびGaN層13からなる多重量子井戸構造と、p型AlGaN電子阻止層35との間に、GaNファイナルバリア層15(たとえば10nm厚程度)を有している。GaNファイナルバリア層15は、たとえば、アンドープ(ドーパントがドープされていない)GaN層からなる。
The light emitting layer 34 has, for example, a multiple quantum well (MQW) structure in which a silicon-doped InGaN layer 14 (quantum well layer) and a GaN layer 13 (barrier layer) are alternately laminated for a predetermined period. There is.
Further, the light emitting layer 34 has a GaN final barrier layer 15 (for example, about 10 nm thick) between the p-type AlGaN electron blocking layer 35 and the multiple quantum well structure including the InGaN layer 14 and the GaN layer 13. The GaN final barrier layer 15 is formed of, for example, an undoped (undoped with dopant) GaN layer.

p型AlGaN電子阻止層35は、たとえば、p型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したAlGaN層からなる。層厚は3nm以上、具体的には、5nm〜30nmとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、3×1019cm−3程度とされる。
p型GaNコンタクト層36は、たとえば、p型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は0.1μm以上、具体的には、0.2μm〜0.5μmとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、1020cm−3程度とされる。p型GaNコンタクト層36の表面はIII族窒化物半導体層3の表面3aをなし、この表面3aは鏡面となっている。この表面3aは、発光層34で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
The p-type AlGaN electron blocking layer 35 is, for example, an AlGaN layer to which magnesium is added as a p-type dopant. The layer thickness is preferably 3 nm or more, specifically 5 nm to 30 nm. The doping concentration of magnesium is, for example, about 3×10 19 cm −3 .
The p-type GaN contact layer 36 is made of, for example, a GaN layer to which magnesium as a p-type dopant is added at a high concentration. The layer thickness is preferably 0.1 μm or more, specifically 0.2 μm to 0.5 μm. The doping concentration of magnesium is, for example, about 10 20 cm −3 . The surface of the p-type GaN contact layer 36 forms the surface 3a of the group III nitride semiconductor layer 3, and the surface 3a is a mirror surface. The surface 3a is a light extraction side surface from which the light generated in the light emitting layer 34 is extracted.

p型電極6およびn型電極7は、たとえば、Ti層とAl層とから構成される膜である。なお、p型電極6とp型GaNコンタクト層36との間には、III族窒化物半導体層3の表面3aのほぼ全域に、アノードコンタクトのための透明電極が形成されていてもよい。このような透明電極は、たとえば、Ni層とAu層とから構成される透明な薄い金属層、ZnO層等で構成することができる。 The p-type electrode 6 and the n-type electrode 7 are films composed of, for example, a Ti layer and an Al layer. A transparent electrode for anode contact may be formed between the p-type electrode 6 and the p-type GaN contact layer 36 over almost the entire surface 3a of the group III nitride semiconductor layer 3. Such a transparent electrode can be composed of, for example, a transparent thin metal layer composed of a Ni layer and an Au layer, a ZnO layer, or the like.

図2は、発光層34の具体的な構成およびIII族窒化物半導体層3の深さとIn組成との関係を示す図である。
発光層34は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、好ましくは、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生する。ここでピーク発光波長とは、発光層34から放出される光のうち、最も強度の高い光(メインピーク)の波長のことを指し、放出された光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the light emitting layer 34 and a relationship between the depth of the group III nitride semiconductor layer 3 and the In composition.
The light emitting layer 34 emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more, and preferably emits light having a peak emission wavelength in the range of 500 nm to 550 nm. Here, the peak emission wavelength refers to the wavelength of the light with the highest intensity (main peak) of the light emitted from the light emitting layer 34, and is the wavelength corresponding to the peak value of the spectral distribution of the emitted light. is there.

したがって、当該スペクトル分布において、最大ピークの他にノイズレベルのピークが現れていても、ノイズレベルのピーク発光波長は、この実施形態における「ピーク発光波長」に含まれるものではない。
発光層34は、本発明の主発光層の一例としての緑色発光層16と、本発明の応力緩和層の一例としての青色発光層17とを含む。これら二つの発光層16,17のうち、発光層34から放出する光を主として発生させるのは緑色発光層16であり、500nm以上(具体的には500nm〜550nm)のピーク発光波長を有する光を発生させる。
Therefore, even if the peak of the noise level appears in addition to the maximum peak in the spectral distribution, the peak emission wavelength of the noise level is not included in the “peak emission wavelength” in this embodiment.
The light emitting layer 34 includes a green light emitting layer 16 as an example of the main light emitting layer of the present invention and a blue light emitting layer 17 as an example of the stress relaxation layer of the present invention. Of these two light emitting layers 16 and 17, it is the green light emitting layer 16 that mainly generates the light emitted from the light emitting layer 34, and emits light having a peak emission wavelength of 500 nm or more (specifically, 500 nm to 550 nm). generate.

一方、青色発光層17は、ピーク発光波長が410nm〜490nmの光を発生させるが、その強度は弱く、発光層34から放出される光全体に対してノイズレベルである。したがって、青色発光層17で発生した光によって、発光ダイオード1の発光特性が影響を受けることはほとんどない。
緑色発光層16および青色発光層17は、この実施形態では、緑色発光層16がIII族窒化物半導体層3の表面3a(光取り出し側表面)に近い側に配置され、青色発光層17が緑色発光層16に対して表面3aとは反対側(サファイア基板2に近い側)に配置されており、これらが互いに接するように積層されている。
On the other hand, the blue light emitting layer 17 generates light having a peak emission wavelength of 410 nm to 490 nm, but its intensity is weak and has a noise level with respect to the entire light emitted from the light emitting layer 34. Therefore, the light emission characteristics of the light emitting diode 1 are hardly affected by the light generated in the blue light emitting layer 17.
In this embodiment, the green light emitting layer 16 and the blue light emitting layer 17 are arranged on the side where the green light emitting layer 16 is close to the surface 3a (surface on the light extraction side) of the group III nitride semiconductor layer 3, and the blue light emitting layer 17 is green. The light emitting layer 16 is arranged on the side opposite to the surface 3a (the side close to the sapphire substrate 2), and they are laminated so as to be in contact with each other.

緑色発光層16および青色発光層17はそれぞれ、前述のように、InGaN層14(g,b)とGaN層13(g,b)とを交互に所定周期積層した多重量子井戸構造を有している。たとえば、緑色発光層16と青色発光層17において、InGaN層14(g,b)とGaN層13(g,b)は、同周期ずつ積層されていてよい。
この実施形態では、緑色発光層16において、InGaN層14(g)およびGaN層13(g)が4周期(4ペア)積層されている。また、青色発光層17においても、InGaN層14(b)およびGaN層13(b)が4周期(4ペア)積層されている。
As described above, each of the green light emitting layer 16 and the blue light emitting layer 17 has a multiple quantum well structure in which InGaN layers 14 (g, b) and GaN layers 13 (g, b) are alternately laminated for a predetermined period. There is. For example, in the green light emitting layer 16 and the blue light emitting layer 17, the InGaN layer 14(g,b) and the GaN layer 13(g,b) may be laminated in the same cycle.
In this embodiment, the InGaN layer 14 (g) and the GaN layer 13 (g) are stacked in four cycles (4 pairs) in the green light emitting layer 16. Also, in the blue light emitting layer 17, the InGaN layer 14(b) and the GaN layer 13(b) are stacked for four periods (4 pairs).

また、緑色発光層16では、InGaN層14(g)がInGa1−xN(x=0.18〜0.23)で示される層であり、GaN層13(g)が、Inを全く含んでいない層である。この実施形態では、複数のInGaN層14(g)は、III族窒化物半導体層3の積層方向において、一定のIn組成比率(x)を有している。
たとえば、図2の右側に示すように、4つのInGaN層14(g)のIn組成比率(x)は、すべて0.2(20%)となっている。なお、複数のInGaN層14(g)は、III族窒化物半導体層3の積層方向においてIn組成比率(x)が変化する順序で積層されていてもよい。たとえば、青色発光層17から遠いほどIn組成比率(x)が大きくなる順序、または小さくなる順序で積層されていてもよい。
Also, the green emitting layer 16, a layer InGaN layer 14 (g) is represented by In x Ga 1-x N ( x = 0.18~0.23), GaN layer 13 (g) is the In It is a layer that does not contain at all. In this embodiment, the plurality of InGaN layers 14 (g) have a constant In composition ratio (x) in the stacking direction of the group III nitride semiconductor layers 3.
For example, as shown in the right side of FIG. 2, the In composition ratios (x) of the four InGaN layers 14 (g) are all 0.2 (20%). The plurality of InGaN layers 14(g) may be stacked in the order in which the In composition ratio (x) changes in the stacking direction of the group III nitride semiconductor layer 3. For example, the In composition ratio (x) may be increased in order of increasing distance from the blue light emitting layer 17, or may be stacked in order of decreasing.

一方、青色発光層17では、InGaN層14(b)がInGa1−yN(y=0.06〜0.16)で示される層であり、GaN層13(b)が、Inを全く含んでいない層である。この実施形態では、複数のInGaN層14(b)は、III族窒化物半導体層3の積層方向において、緑色発光層16に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層されている。 On the other hand, in the blue light emitting layer 17, the InGaN layer 14(b) is a layer represented by In y Ga 1-y N (y=0.06 to 0.16), and the GaN layer 13(b) contains In. It is a layer that does not contain at all. In this embodiment, the plurality of InGaN layers 14(b) are stacked in the stacking direction of the group III nitride semiconductor layers 3 in the order in which the In composition ratio (y) increases toward the green light emitting layer 16.

たとえば、図2の右側に示すように、4つのInGaN層14(b)のIn組成比率(y)は、緑色発光層16に向かって順に、0.8(8%)、0.11(11%)、0.14(14%)、0.17(17%)と一定の割合(この実施形態では、0.3刻み)で大きくなっている。さらに、この実施形態では、互いに隣り合う緑色発光層16のInGaN層14(g)と青色発光層17のInGaN層14(b)とのIn組成比率の差(x−y)は、複数のInGaN層14(b)のIn組成比率(y)の一定の増加割合と同じ値になっている。 For example, as shown on the right side of FIG. 2, the In composition ratios (y) of the four InGaN layers 14 (b) are 0.8 (8%) and 0.11 (11) in order toward the green light emitting layer 16. %), 0.14 (14%), and 0.17 (17%), increasing at a constant rate (in this embodiment, in 0.3 increments). Further, in this embodiment, the In composition ratio difference (xy) between the InGaN layer 14(g) of the green light emitting layer 16 and the InGaN layer 14(b) of the blue light emitting layer 17 which are adjacent to each other is equal to a plurality of InGaN layers. It has the same value as the constant increase rate of the In composition ratio (y) of the layer 14(b).

すなわち、この実施形態では、In組成比率(x−y)が0.2−0.17=0.3となっており、この値は、前述の一定の増加割合0.3と同じ値である。これにより、発光層34中での格子サイズの変化を、青色発光層17と緑色発光層16との境界でも緩やかにすることができる。
発光層34の厚さに関して、緑色発光層16および青色発光層17を含めた発光層34の全体の厚さ(総厚さ)は、たとえば、60nm〜150nmである。各層16,17の厚さに関して、緑色発光層16は、InGaN層(量子井戸層)14(g)が3nm±10%(つまり、2.7nm〜3.3nm)厚程度であり、GaN層(バリア層)13(g)が14nm厚程度である。
That is, in this embodiment, the In composition ratio (xy) is 0.2-0.17=0.3, which is the same value as the above-mentioned constant increase ratio 0.3. .. Thereby, the change in the lattice size in the light emitting layer 34 can be moderated even at the boundary between the blue light emitting layer 17 and the green light emitting layer 16.
Regarding the thickness of the light emitting layer 34, the total thickness (total thickness) of the light emitting layer 34 including the green light emitting layer 16 and the blue light emitting layer 17 is, for example, 60 nm to 150 nm. Regarding the thickness of each layer 16 and 17, in the green light emitting layer 16, the InGaN layer (quantum well layer) 14(g) is about 3 nm±10% (that is, 2.7 nm to 3.3 nm) thick, and the GaN layer ( The barrier layer) 13(g) has a thickness of about 14 nm.

青色発光層17は、InGaN層(量子井戸層)14(b)が3±10%nm厚程度であり、GaN層(バリア層)13(b)が14nm厚程度である。なお、緑色発光層16および青色発光層17共に、複数のInGaN層14(g,b)およびGaN層13(g,b)は、互いに一定の厚さであってもよいし、III族窒化物半導体層3の積層方向において変化していてもよい。この実施形態では、複数のInGaN層14(g,b)およびGaN層13(g,b)の厚さは一定である。 In the blue light emitting layer 17, the InGaN layer (quantum well layer) 14(b) has a thickness of about 3±10% nm, and the GaN layer (barrier layer) 13(b) has a thickness of about 14 nm. In addition, in the green light emitting layer 16 and the blue light emitting layer 17, the plurality of InGaN layers 14 (g, b) and the GaN layers 13 (g, b) may have a constant thickness, or a group III nitride. It may change in the stacking direction of the semiconductor layers 3. In this embodiment, the InGaN layers 14 (g, b) and the GaN layers 13 (g, b) have a constant thickness.

図3は、III族窒化物半導体層3を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。図4は、発光層34の成長時間と基板温度との関係を示すタイムチャートである。
図3に示すように、処理装置の処理室20内に、ヒータ21を内蔵したサセプタ22が配置されている。サセプタ22は、回転軸23に結合されており、この回転軸23は、処理室20外に配置された回転駆動機構24によって回転されるようになっている。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the configuration of a processing apparatus for growing each layer forming the group III nitride semiconductor layer 3. FIG. 4 is a time chart showing the relationship between the growth time of the light emitting layer 34 and the substrate temperature.
As shown in FIG. 3, a susceptor 22 containing a heater 21 is arranged in the processing chamber 20 of the processing apparatus. The susceptor 22 is coupled to a rotary shaft 23, and the rotary shaft 23 is rotated by a rotary drive mechanism 24 arranged outside the processing chamber 20.

これにより、サセプタ22に処理対象のウエハ25を保持させることにより、処理室20内でウエハ25を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ25は、前述のサファイア基板2を構成するサファイア単結晶ウエハである。
処理室20には、排気配管26が接続されている。排気配管26はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室20内の圧力は、1/10気圧〜常圧力(好ましくは1/5気圧程度)とされ、処理室20内の雰囲気は常時排気されている。
As a result, by holding the wafer 25 to be processed on the susceptor 22, the wafer 25 can be heated to a predetermined temperature and rotated in the processing chamber 20. The wafer 25 is a sapphire single crystal wafer that constitutes the sapphire substrate 2 described above.
An exhaust pipe 26 is connected to the processing chamber 20. The exhaust pipe 26 is connected to an exhaust facility such as a rotary pump. As a result, the pressure in the processing chamber 20 is set to 1/10 atmospheric pressure to normal pressure (preferably about 1/5 atmospheric pressure), and the atmosphere in the processing chamber 20 is constantly exhausted.

一方、処理室20には、サセプタ22に保持されたウエハ25の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路40が導入されている。この原料ガス供給路40には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管41と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)を供給するガリウム原料配管42と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給するアルミニウム原料配管43と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム(TMIn)を供給するインジウム原料配管44と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCpMg)を供給するマグネシウム原料配管45と、シリコンの原料ガスとしてのシラン(SiH)を供給するシリコン原料配管46とが接続されている。 On the other hand, in the processing chamber 20, a raw material gas supply passage 40 for supplying the raw material gas toward the surface of the wafer 25 held by the susceptor 22 is introduced. In the source gas supply passage 40, a nitrogen source pipe 41 for supplying ammonia as a nitrogen source gas, a gallium source pipe 42 for supplying trimethylgallium (TMG) as a gallium source gas, and trimethylaluminum as an aluminum source gas. Aluminum raw material pipe 43 for supplying (TMAl), indium raw material pipe 44 for supplying trimethylindium (TMIn) as an indium raw material gas, and ethylcyclopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg) as a magnesium raw material gas. A magnesium raw material pipe 45 and a silicon raw material pipe 46 for supplying silane (SiH 4 ) as a raw material gas for silicon are connected.

これらの原料配管41〜46には、それぞれバルブ51〜56が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
そして、サファイア基板2上にIII族窒化物半導体層3を結晶成長させるには、たとえば、c面を主面とするサファイア単結晶ウエハをウエハ25としてサセプタ22に保持させる。この状態で、バルブ52〜56は閉じておき、窒素原料バルブ51を開いて、処理室20内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス(窒素原料ガス)が供給される。
Valves 51 to 56 are provided in the raw material pipes 41 to 46, respectively. Each source gas is supplied together with a carrier gas composed of hydrogen, nitrogen, or both.
Then, in order to grow the group III nitride semiconductor layer 3 on the sapphire substrate 2 by crystal growth, for example, a sapphire single crystal wafer whose main surface is the c-plane is held as the wafer 25 on the susceptor 22. In this state, the valves 52 to 56 are closed and the nitrogen source valve 51 is opened to supply the carrier gas and the ammonia gas (nitrogen source gas) into the processing chamber 20.

さらに、ヒータ21への通電が行われ、ウエハ温度(基板温度)が1000℃〜1100℃(たとえば、1050℃程度)まで昇温される。これにより、ウエハ25の表面の荒れを生じさせることなく、III族窒化物半導体が成長できるようになる。
次に、ウエハ温度が400℃〜700℃となるように設定した後、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、ウエハ25の表面に、アンドープのGaN層からなる低温GaNバッファ層31が成長する。
Further, the heater 21 is energized to raise the wafer temperature (substrate temperature) to 1000° C. to 1100° C. (for example, about 1050° C.). As a result, the group III nitride semiconductor can be grown without causing the surface of the wafer 25 to be rough.
Next, after setting the wafer temperature to 400° C. to 700° C., the nitrogen raw material valve 51 and the gallium raw material valve 52 are opened. As a result, ammonia and trimethylgallium are supplied from the source gas supply passage 40 together with the carrier gas. As a result, the low temperature GaN buffer layer 31 made of an undoped GaN layer grows on the surface of the wafer 25.

次に、ウエハ温度が1000℃〜1100℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびシリコン原料バルブ56が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ25の表面に、シリコンがドープされたGaN層からなるn型GaNコンタクト層32が成長する。 Next, after waiting until the wafer temperature reaches 1000° C. to 1100° C., the nitrogen source valve 51, the gallium source valve 52, and the silicon source valve 56 are opened. As a result, ammonia, trimethylgallium, and silane are supplied from the source gas supply passage 40 together with the carrier gas. As a result, the n-type GaN contact layer 32 made of a GaN layer doped with silicon grows on the surface of the wafer 25.

次の工程は、中間バッファ層33の形成工程である。具体的には、アルミニウム原料バルブ53およびシリコン原料バルブ56が閉じられ、超格子構造の成長が行われる。超格子構造の成長は、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ25へと供給することによりInGaN層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ25へと供給することにより、アンドープのGaN層を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。 The next step is a step of forming the intermediate buffer layer 33. Specifically, the aluminum material valve 53 and the silicon material valve 56 are closed, and the superlattice structure is grown. The growth of the superlattice structure is performed by opening the nitrogen source valve 51, the gallium source valve 52, and the indium source valve 54 to supply ammonia, trimethylgallium, and trimethylindium to the wafer 25, and growing the InGaN layer. The process of growing the undoped GaN layer by alternately closing the valve 54 and opening the nitrogen source valve 51 and the gallium source valve 52 to supply ammonia and trimethylgallium to the wafer 25 can be performed. it can.

たとえば、GaN層を始めに形成し、その上にInGaN層を形成する。これを5回に渡って繰り返し行う。中間バッファ層33の形成時には、ウエハ25の温度は、たとえば、740℃〜850℃(たとえば780℃程度)とされることが好ましい。
次の工程は、発光層34の形成工程である。発光層34の工程は、図4に示すように、相対的に高い温度で、InGa1−yN(y=0.06〜0.16)14(b)を有する青色発光層17(応力緩和層)を形成する第1工程と、第1工程よりも相対的に低い温度で、InGa1−xN(x=0.18〜0.23)層14(g)を有する緑色発光層16(主発光層)を形成する第2工程とを含む。さらに、第2工程に引き続いて、GaNファイナルバリア層15の形成工程が行われる。
For example, a GaN layer is formed first, and then an InGaN layer is formed thereon. This is repeated 5 times. When forming the intermediate buffer layer 33, the temperature of the wafer 25 is preferably set to, for example, 740° C. to 850° C. (for example, about 780° C.).
The next step is a step of forming the light emitting layer 34. As shown in FIG. 4, the process of forming the light emitting layer 34 includes a blue light emitting layer 17 (having In y Ga 1-y N (y=0.06 to 0.16) 14(b) at a relatively high temperature. A green color having a In x Ga 1-x N (x=0.18 to 0.23) layer 14(g) at a first step of forming a stress relaxation layer) and at a temperature relatively lower than the first step. A second step of forming the light emitting layer 16 (main light emitting layer). Further, subsequent to the second step, the step of forming the GaN final barrier layer 15 is performed.

具体的には、青色発光層17の形成工程は、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ25へと供給することによりInGaN層(量子井戸層)14(b)を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ25へと供給することにより、無添加のGaN層(バリア層)13(b)を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。 Specifically, in the step of forming the blue light emitting layer 17, the nitrogen source valve 51, the gallium source valve 52, and the indium source valve 54 are opened to supply ammonia, trimethylgallium, and trimethylindium to the wafer 25, and thereby the InGaN layer ( The step of growing the quantum well layer) 14(b), the indium raw material valve 54 is closed, the nitrogen raw material valve 51 and the gallium raw material valve 52 are opened, and ammonia and trimethylgallium are supplied to the wafer 25. This can be performed by alternately performing the step of growing the GaN layer (barrier layer) 13(b).

たとえば、GaN層13(b)を始めに形成し、その上にInGaN層14(b)を形成する。これを4回に渡って同じ時間ずつ繰り返し行う。青色発光層17の形成時には、ウエハ25の温度は、たとえば、770℃〜830℃とされることが好ましい。より好ましくは、図4の「新構造」の実線で示すように、成長時間の経過に従ってウエハ温度が小さくなるように制御されることが好ましい。 For example, the GaN layer 13(b) is formed first, and then the InGaN layer 14(b) is formed thereon. This is repeated four times for the same time. When the blue light emitting layer 17 is formed, the temperature of the wafer 25 is preferably set to 770° C. to 830° C., for example. More preferably, as indicated by the solid line of "new structure" in FIG. 4, it is preferable that the wafer temperature be controlled to decrease with the lapse of growth time.

たとえば、この実施形態では、820℃程度のウエハ温度から、780℃程度のウエハ温度まで段階的に小さくする。このウエハ25の段階的な降温によって、青色発光層17において複数のInGaN層14(b)を、緑色発光層16に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層することができる。
次に、緑色発光層16の形成工程は、青色発光層17の形成工程と同様に、InGaN層(量子井戸層)14(g)を成長させる工程と、無添加のGaN層(バリア層)13(g)を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、青色発光層17の形成工程で最後に形成されたInGaN層14(b)の上に、GaN層13(g)を始めに形成し、その上にInGaN層14(g)を形成する。
For example, in this embodiment, the wafer temperature is gradually reduced from about 820° C. to about 780° C. By gradually decreasing the temperature of the wafer 25, the plurality of InGaN layers 14(b) in the blue light emitting layer 17 can be stacked in the order in which the In composition ratio (y) increases as the green light emitting layer 16 is closer to the InGaN layer 14(b).
Next, in the step of forming the green light emitting layer 16, similar to the step of forming the blue light emitting layer 17, the step of growing the InGaN layer (quantum well layer) 14 (g) and the undoped GaN layer (barrier layer) 13 are performed. This can be performed by alternately performing the step of growing (g). For example, the GaN layer 13(g) is first formed on the InGaN layer 14(b) formed last in the step of forming the blue light emitting layer 17, and the InGaN layer 14(g) is formed thereon.

これを4回に渡って同じ時間ずつ繰り返し行った後、最後に、InGaN層14(g)上にGaNファイナルバリア層15が形成される。緑色発光層16およびGaNファイナルバリア層15の形成時には、ウエハ25の温度は、たとえば、700℃〜770℃とされることが好ましい。
より好ましくは、図4の「新構造」の実線で示すように、成長時間が経過してもウエハ温度が一定に制御されることが好ましい。たとえば、この実施形態では、760℃程度のウエハ温度に制御する。このウエハ25の一定温度制御によって、緑色発光層16において複数のInGaN層14(g)を、III族窒化物半導体層3の積層方向において、一定のIn組成比率(x)で積層することができる。
After repeating this four times for the same time, the GaN final barrier layer 15 is finally formed on the InGaN layer 14(g). When the green light emitting layer 16 and the GaN final barrier layer 15 are formed, the temperature of the wafer 25 is preferably 700° C. to 770° C., for example.
More preferably, as indicated by the solid line of "new structure" in FIG. 4, the wafer temperature is preferably controlled to be constant even after the growth time has elapsed. For example, in this embodiment, the wafer temperature is controlled to about 760°C. By controlling the constant temperature of the wafer 25, a plurality of InGaN layers 14 (g) in the green light emitting layer 16 can be stacked with a constant In composition ratio (x) in the stacking direction of the group III nitride semiconductor layer 3. ..

なお、青色発光層17の形成工程および緑色発光層16の形成工程の原料ガスの流量は、互いに同じであってよい。つまり、原料ガスの流量を一定に制御した状態で、ウエハ温度を上下に制御することによって、青色発光層17と緑色発光層16との境界を簡単に設定することができる。さらに、青色発光層17においては、複数のInGaN層14(b)のIn組成比率(y)を簡単に変化させることもできる。 The flow rates of the source gases in the step of forming the blue light emitting layer 17 and the step of forming the green light emitting layer 16 may be the same as each other. That is, the boundary between the blue light emitting layer 17 and the green light emitting layer 16 can be easily set by controlling the wafer temperature up and down while the flow rate of the source gas is kept constant. Further, in the blue light emitting layer 17, the In composition ratio (y) of the plurality of InGaN layers 14(b) can be easily changed.

次に、p型AlGaN電子阻止層35が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52、アルミニウム原料バルブ53およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ54,56が閉じられる。
これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたAlGaN層からなるp型AlGaN電子阻止層35が形成されることになる。このp型AlGaN電子阻止層35の形成時には、ウエハ25の温度は、900℃〜1100℃(たとえば970℃)とされることが好ましい。
Next, the p-type AlGaN electron blocking layer 35 is formed. That is, the nitrogen raw material valve 51, the gallium raw material valve 52, the aluminum raw material valve 53, and the magnesium raw material valve 55 are opened, and the other valves 54 and 56 are closed.
As a result, ammonia, trimethylgallium, trimethylaluminum, and ethylcyclopentadienylmagnesium are supplied toward the wafer 25, and the p-type AlGaN electron blocking layer 35 formed of an AlGaN layer doped with magnesium is formed. .. When the p-type AlGaN electron blocking layer 35 is formed, the temperature of the wafer 25 is preferably 900° C. to 1100° C. (for example, 970° C.).

次に、p型GaNコンタクト層36が形成される。すなわち、窒素原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ53,54,56が閉じられる。
これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたGaN層からなるp型GaNコンタクト層36が形成されることになる。p型GaNコンタクト層36の形成時には、ウエハ25の温度は、9000℃〜1100℃(たとえば950℃)とされることが好ましい。
Next, the p-type GaN contact layer 36 is formed. That is, the nitrogen source valve 51, the gallium source valve 52, and the magnesium source valve 55 are opened, and the other valves 53, 54, 56 are closed.
As a result, ammonia, trimethylgallium, and ethylcyclopentadienylmagnesium are supplied toward the wafer 25, and the p-type GaN contact layer 36 formed of a GaN layer doped with magnesium is formed. When forming the p-type GaN contact layer 36, the temperature of the wafer 25 is preferably 9000° C. to 1100° C. (for example, 950° C.).

こうして、ウエハ25上にIII族窒化物半導体層3が成長させられると、このウエハ25は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図1に示すように、n型GaNコンタクト層32を露出させるための凹部4が形成される。
凹部4は、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36をメサ形に整形するものであってもよい。
When the group III nitride semiconductor layer 3 is grown on the wafer 25 in this manner, the wafer 25 is transferred to an etching apparatus and the n-type GaN contact layer 32 is exposed by plasma etching, for example, as shown in FIG. The concave portion 4 for forming the concave portion is formed.
The recess 4 may be formed so as to surround the intermediate buffer layer 33, the light emitting layer 34, the p-type AlGaN electron blocking layer 35, and the p-type GaN contact layer 36 in an island shape, whereby the intermediate buffer layer 33, the light emitting layer. 34, the p-type AlGaN electron blocking layer 35, and the p-type GaN contact layer 36 may be shaped into a mesa.

次に、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、p型電極6およびn型電極7が形成される。これにより、図1に示す発光ダイオード1構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ25の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード1のパッケージが作製される。
Next, the p-type electrode 6 and the n-type electrode 7 are formed by resistance heating or a metal vapor deposition device using an electron beam. As a result, the structure of the light emitting diode 1 shown in FIG. 1 can be obtained.
After such a wafer process, an individual element is cut out by cleaving the wafer 25, the individual element is connected to a lead electrode by die bonding and wire bonding, and then sealed in a transparent resin such as an epoxy resin. .. Thus, the package of the light emitting diode 1 is manufactured.

以上のように、発光ダイオード1によれば、発光層34の主発光層としての緑色発光層16のIn組成比率(x)と比較的近似するIn組成比率(y)を有する青色発光層17が、緑色発光層16と共に発光層34の一部を構成している。
これにより、サファイア基板2上に発光層34を結晶成長させる際、まず青色発光層17を成長させ、その後に緑色発光層16を成長させることによって、緑色発光層16の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、緑色発光層16への格子欠陥の導入を低減することができる。
As described above, according to the light emitting diode 1, the blue light emitting layer 17 having the In composition ratio (y) relatively close to the In composition ratio (x) of the green light emitting layer 16 as the main light emitting layer of the light emitting layer 34 is provided. A part of the light emitting layer 34 is configured together with the green light emitting layer 16.
Thus, when the light emitting layer 34 is crystal-grown on the sapphire substrate 2, the blue light emitting layer 17 is first grown, and then the green light emitting layer 16 is grown, so that the lattice size at the start of growth of the green light emitting layer 16 is controlled. Changes can be moderated. Therefore, the introduction of lattice defects into the green light emitting layer 16 can be reduced.

その結果、この発光ダイオード1は、緑色発光層16において、ピーク発光波長が500nm以上の光を効率よく発生させることができる。この発光効率の向上により、たとえば、長波長領域(たとえば、525nm以上の波長領域)における輝度の低下を抑制することができる。
また、この実施形態では、青色発光層17において、複数のInGaN層14(b)が、III族窒化物半導体層3の積層方向において、緑色発光層16に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層されている。
As a result, the light emitting diode 1 can efficiently generate light having a peak emission wavelength of 500 nm or more in the green light emitting layer 16. Due to this improvement in light emission efficiency, it is possible to suppress a decrease in luminance in a long wavelength region (for example, a wavelength region of 525 nm or more).
Further, in this embodiment, in the blue light emitting layer 17, the In composition ratio (y) increases as the plurality of InGaN layers 14 (b) are closer to the green light emitting layer 16 in the stacking direction of the group III nitride semiconductor layers 3. They are stacked in the following order.

そのため、InGaN層14(b)のIn組成比率(y)を、緑色発光層16のInGaN層14(g)のIn組成比率(x)に徐々に近づけることができる。これにより、青色発光層17と緑色発光層16との境界における格子サイズの差を小さくできるので、緑色発光層16への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
また、この実施形態では、青色発光層17と緑色発光層16が互いに接するように積層されていて、これらの層16,17の境界に、これらの層16,17とは異なるIII族窒化物半導体からなる層が介在されていない。
Therefore, the In composition ratio (y) of the InGaN layer 14(b) can be gradually brought close to the In composition ratio (x) of the InGaN layer 14(g) of the green light emitting layer 16. As a result, the difference in lattice size at the boundary between the blue light emitting layer 17 and the green light emitting layer 16 can be reduced, so that the introduction of lattice defects into the green light emitting layer 16 can be further reduced.
Further, in this embodiment, the blue light emitting layer 17 and the green light emitting layer 16 are laminated so as to be in contact with each other, and a Group III nitride semiconductor different from the layers 16 and 17 is provided at the boundary between the layers 16 and 17. Is not interposed.

つまり、青色発光層17と緑色発光層16が一つの積層構造に集約されているので、発光層34の当該積層構造が形成された部分での格子サイズのばらつきを低減することができる。具体的には、当該積層構造におけるIn組成比率を、青色発光層17のIn組成比率(y)の下限である0.06から、緑色発光層16のIn組成比率(x)の上限である0.23までの範囲内に分布させることができる。 That is, since the blue light emitting layer 17 and the green light emitting layer 16 are integrated into one laminated structure, it is possible to reduce the variation in the lattice size in the portion of the light emitting layer 34 where the laminated structure is formed. Specifically, the In composition ratio of the laminated structure is 0.06 which is the lower limit of the In composition ratio (y) of the blue light emitting layer 17 to 0 which is the upper limit of the In composition ratio (x) of the green light emitting layer 16. It can be distributed in the range of up to 0.23.

また、この実施形態では、発光層34の下地層として、InGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示されるInGaN層を有する中間バッファ層33が形成されている。そのため、サファイア基板2上に発光層34を結晶成長させる際、発光層34の成長に先立って中間バッファ層33を成長させることによって、発光層34(青色発光層17)の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、青色発光層17への格子欠陥の導入を低減することができる。 Further, in this embodiment, the intermediate buffer layer 33 having an InGaN layer represented by In z Ga 1-z N (z=0.01 to 0.05) is formed as a base layer of the light emitting layer 34. Therefore, when the light emitting layer 34 is crystal-grown on the sapphire substrate 2, by growing the intermediate buffer layer 33 prior to the growth of the light emitting layer 34, the lattice size at the start of the growth of the light emitting layer 34 (blue light emitting layer 17). The change in can be moderated. Therefore, the introduction of lattice defects into the blue light emitting layer 17 can be reduced.

また、この実施形態では、発光層34に、主発光層としての緑色発光層16とは異なる青色発光層17が補助的に含まれているが、発光層34の総厚さが60nm〜150nmに抑えられている。つまり、発光層34の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、発光ダイオード1の発光効率を向上させることができる。
さらに、この実施形態によれば、サファイア基板2上に、前述のように発光効率の向上した発光層34を有するIII族窒化物半導体層3を形成することができる。特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
Further, in this embodiment, the light emitting layer 34 additionally includes the blue light emitting layer 17 different from the green light emitting layer 16 as the main light emitting layer, but the total thickness of the light emitting layer 34 is 60 nm to 150 nm. It is suppressed. That is, the luminous efficiency of the light emitting diode 1 can be improved while keeping the total thickness of the light emitting layer 34 within a general range.
Furthermore, according to this embodiment, the group III nitride semiconductor layer 3 having the light emitting layer 34 with improved light emitting efficiency as described above can be formed on the sapphire substrate 2. Since it is not necessary to use a special substrate and an inexpensive sapphire substrate is sufficient, the manufacturing cost can be reduced.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、極性面であるc面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードを例にとったが、非極性面であるm面やa面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。さらには、極性面や非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成した場合にも、発光効率を向上させることができる。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention can be implemented in other forms.
For example, in the above-described embodiment, the light emitting diode having the group III nitride semiconductor laminated structure having the c-plane, which is a polar plane, as the growth main surface is taken as an example. A diode structure may be formed with a Group III nitride semiconductor laminated structure having a main surface. Furthermore, the light emission efficiency can be improved not only in the polar plane or the non-polar plane but also in the case where the diode structure is formed by the group III nitride semiconductor laminated structure having the semipolar plane as the growth main surface.

また、前述の実施形態では、青色発光層17の複数のInGaN層14(b)のIn組成比率(y)が、緑色発光層16に向かって順に一定の割合で大きくなっている発光ダイオードを例にとったが、当該In組成比率(y)は、ランダムな割合(たとえば、0.1→0.2→0.4等)で大きくなっていてもよい。
また、前述の実施形態では、発光ダイオードに本発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
Further, in the above-described embodiment, a light emitting diode in which the In composition ratio (y) of the plurality of InGaN layers 14(b) of the blue light emitting layer 17 increases in order toward the green light emitting layer 16 at a constant rate is taken as an example. However, the In composition ratio (y) may be increased at a random ratio (for example, 0.1→0.2→0.4).
Further, in the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a light emitting diode has been described, but the present invention can also be applied to other types of light emitting elements such as a nitride semiconductor laser element.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.

次に、以下の実施例を行うことによって、本発明に係る発光ダイオードのいくつかの特性を確認した。
(1)裏面輝度
本発明による長波長領域における輝度の低下抑制を実証するため、具体的な実験を行った。まず、サファイア単結晶ウエハ25のc面上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層3を形成したサンプル1(新構造)を作製した。
Next, some characteristics of the light emitting diode according to the present invention were confirmed by performing the following examples.
(1) Backside Luminance A specific experiment was conducted in order to demonstrate the suppression of luminance reduction in the long wavelength region according to the present invention. First, a sample 1 (new structure) in which the group III nitride semiconductor layer 3 was formed on the c-plane of the sapphire single crystal wafer 25 according to the above-described embodiment was produced.

なお、青色発光層17において、InGaN層14(b)およびGaN層13(b)は4ペアとし、In組成比率(y)は0.8、0.11、0.14、0.17の順に増加させた。また、緑色発光層16において、InGaN層14(g)およびGaN層13(g)は4ペアとし、In組成比率(x)は0.20で一定とした。
一方、発光層34をサンプル1の緑色発光層16のみ(InGaN/GaN=8ペア)で構成したこと以外は、サンプル1と同様の方法により、サファイア単結晶ウエハ25のc面上にIII族窒化物半導体層3を形成したサンプル2(比較構造)を作製した。そして、これらサンプル1,2の裏面輝度を、裏面プローバを用いて測定した。結果を図5に示す。
In the blue light emitting layer 17, the InGaN layer 14(b) and the GaN layer 13(b) are 4 pairs, and the In composition ratio (y) is 0.8, 0.11, 0.14, and 0.17 in this order. Increased. Further, in the green light emitting layer 16, the InGaN layer 14 (g) and the GaN layer 13 (g) were 4 pairs, and the In composition ratio (x) was constant at 0.20.
On the other hand, Group III nitriding was performed on the c-plane of the sapphire single crystal wafer 25 by the same method as in Sample 1 except that the light emitting layer 34 was composed only of the green light emitting layer 16 of Sample 1 (InGaN/GaN=8 pairs). A sample 2 (comparative structure) in which the semiconductor layer 3 was formed was produced. Then, the backside brightness of these samples 1 and 2 was measured using a backside prober. Results are shown in FIG.

図5によれば、発光層34が緑色発光層16のみからなる構成のサンプル2(比較構造)では、515nmでの裏面輝度が比較的良好であるが、その波長から535nmまでの裏面輝度の低下率が高く、約2.0から0.8まで輝度が低下した。
これに対し、発光層34の一部に青色発光層17を採用した構成のサンプル1(新構造)では、緑色の光の波長域(500nm〜550nm)のうち短波長領域(515nm〜525nm)での裏面輝度はサンプル2に劣るものの、裏面輝度の低下率がサンプル2に比べて低くなっている。
According to FIG. 5, in the sample 2 (comparative structure) in which the light emitting layer 34 is composed only of the green light emitting layer 16, the back surface luminance at 515 nm is relatively good, but the back surface luminance decreases from that wavelength to 535 nm. The rate was high, and the brightness decreased from about 2.0 to 0.8.
On the other hand, in the sample 1 (new structure) in which the blue light emitting layer 17 is adopted as a part of the light emitting layer 34, in the short wavelength region (515 nm to 525 nm) of the green light wavelength region (500 nm to 550 nm). Although the back surface luminance of No. 2 is inferior to that of Sample 2, the lowering rate of back surface luminance is lower than that of Sample 2.

その結果、長波長領域(525nm〜540nm)においては、サンプル2に比べて優れた裏面輝度を発現できた。特に、540nmにおいて、サンプル2の535nmでの輝度と同等の輝度を発現することができた。
(2)PLスペクトル
次に、本発明の発光層によって500nm以上のピーク発光波長を得ることができるかを確認するため、(1)で作製したサンプル1(新構造)について、室温でPL(Photo Luminescence)強度を測定した。PL強度は、サンプル1のPL測定を行ってスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長400nm〜600nmまでを積分した積分値を求めた。得られたPL積分強度のスペクトルを、図6に示す。
As a result, in the long wavelength region (525 nm to 540 nm), excellent back surface luminance could be exhibited as compared with Sample 2. In particular, at 540 nm, it was possible to develop a luminance equivalent to that of Sample 2 at 535 nm.
(2) PL spectrum Next, in order to confirm whether a peak emission wavelength of 500 nm or more can be obtained by the light emitting layer of the present invention, the sample 1 (new structure) prepared in (1) was subjected to PL (Photo Luminescence) intensity was measured. For the PL intensity, the PL distribution of Sample 1 was measured to calculate the spectral distribution, and the integrated value obtained by integrating the emission wavelengths of 400 to 600 nm of the spectrum was obtained. The obtained PL integrated intensity spectrum is shown in FIG.

図6によれば、最も強度の高い光が525nm付近(≧500nm)に表れており、これにより、本発明の発光層において、500nm以上の緑色の光を発生できることがわかった。
なお、図6のPLスペクトルには、415nm付近、440nm付近および475nm付近にそれぞれ、メインピークに比べて低いピークが表れているが、これらのピークは青色発光層17から発生する光に起因するものであると考えられる。これらのピークは、ノイズレベルのピークであるため、発光ダイオードの発光特性に影響を与えるものではない。
(3)ELスペクトル
さらに、(2)で示した青色発光層17に起因すると考えられるピークが、発光ダイオード1の発光特性に影響を与えないものであることを確認するため、以下の実験を行った。具体的には、(1)で作製したサンプル1(新構造)にp型電極6およびn型電極7を形成し、さらに透明樹脂で封止したダイオードパッケージを作製した。
According to FIG. 6, the light with the highest intensity appears near 525 nm (≧500 nm), which shows that the light emitting layer of the present invention can generate green light of 500 nm or more.
In the PL spectrum of FIG. 6, peaks near 415 nm, 440 nm, and 475 nm are lower than the main peak, but these peaks are caused by light emitted from the blue light emitting layer 17. Is considered to be. Since these peaks are noise level peaks, they do not affect the light emission characteristics of the light emitting diode.
(3) EL spectrum Further, in order to confirm that the peak considered to be caused by the blue light emitting layer 17 shown in (2) does not affect the light emitting characteristics of the light emitting diode 1, the following experiment is conducted. It was Specifically, a p-type electrode 6 and an n-type electrode 7 were formed on the sample 1 (new structure) manufactured in (1), and the diode package was further sealed with a transparent resin.

得られたダイオードパッケージについて、EL(Electro Luminescence)強度を測定した。EL強度は、注入電流が1mA、20mAおよび120mAごとに室温でダイオードパッケージのEL測定を行ってスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長400nm〜600nmまでを積分した積分値を求めた。得られたEL積分強度のスペクトルをそれぞれ、図7〜図9に示す。 The EL (Electro Luminescence) intensity of the obtained diode package was measured. The EL intensity was obtained by performing EL measurement of the diode package at room temperature for injection currents of 1 mA, 20 mA, and 120 mA to calculate the spectral distribution, and to obtain an integral value obtained by integrating the emission wavelengths of 400 nm to 600 nm of the spectrum. The obtained EL integrated intensity spectra are shown in FIGS. 7 to 9, respectively.

図7〜図9によれば、注入電流の大きさによらず、青色の光の波長域(410nm〜490nm)において、スペクトルにピークがほとんど表れなかった。つまり、青色発光層17で発生する光が、発光ダイオード1の発光にほとんど寄与しないことがわかった。
換言すると、図6〜図9の結果から、緑色発光層16のInGaN層14(g)で生成される緑色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与する一方で、青色発光層17のInGaN層14(b)で生成される青色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与しないことがわかった。
According to FIGS. 7 to 9, almost no peak appeared in the spectrum in the wavelength range of blue light (410 nm to 490 nm) regardless of the magnitude of the injected current. That is, it was found that the light generated in the blue light emitting layer 17 hardly contributes to the light emission of the light emitting diode 1.
In other words, from the results of FIGS. 6 to 9, the green light generated in the InGaN layer 14(g) of the green light emitting layer 16 contributes to the emission wavelength of the light extracted to the outside, while the InGaN of the blue light emitting layer 17 is formed. It was found that the blue light generated in the layer 14(b) does not contribute to the emission wavelength of the light extracted to the outside.

この明細書および図面から抽出される特徴の例を以下に示す。
[項1]III族窒化物半導体からなり、少なくともn型層と、p型層と、前記n型層および前記p型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、InGa1−xN(x=0.18〜0.23)層を有する主発光層と、InGa1−yN(y=0.06〜0.16)層を有する応力緩和層とを含む、半導体発光素子。
Examples of features extracted from this specification and the drawings are shown below.
[Item 1] A group III nitride semiconductor layer having a laminated structure, which is composed of a group III nitride semiconductor and has at least an n-type layer, a p-type layer, and a light-emitting layer sandwiched between the n-type layer and the p-type layer. And a main light emitting layer having an In x Ga 1-x N (x=0.18 to 0.23) layer, wherein the light emitting layer emits light having a peak light emission wavelength of 500 nm or more; A semiconductor light emitting device, comprising: a stress relaxation layer having a y Ga 1-y N (y=0.06 to 0.16) layer.

この構成によれば、主発光層のIn組成比率(x)と比較的近似するIn組成比率(y)を有する応力緩和層が、主発光層と共に発光層の一部を構成している。これにより、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、まず応力緩和層を成長させ、その後に主発光層を成長させることによって、主発光層の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、主発光層への格子欠陥の導入を低減することができる。その結果、この半導体発光素子は、主発光層において、ピーク発光波長が500nm以上の光を効率よく発生させることができる。この発光効率の向上により、たとえば、長波長領域(たとえば、525nm以上の波長領域)における輝度の低下を抑制することができる。 According to this structure, the stress relaxation layer having an In composition ratio (y) relatively close to the In composition ratio (x) of the main light emitting layer constitutes a part of the light emitting layer together with the main light emitting layer. Thus, when the light emitting layer is crystal-grown from the n-type layer or the p-type layer side, the stress relaxation layer is first grown, and then the main light emitting layer is grown, whereby the lattice size at the start of growth of the main light emitting layer is increased. The change in can be moderated. Therefore, the introduction of lattice defects into the main light emitting layer can be reduced. As a result, this semiconductor light emitting device can efficiently generate light having a peak emission wavelength of 500 nm or more in the main light emitting layer. This improvement in light emission efficiency can suppress a decrease in luminance in a long wavelength region (for example, a wavelength region of 525 nm or more).

[項2]前記応力緩和層は、前記InGa1−yN層を複数含み、前記複数のInGa1−yN層は、前記主発光層に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層されている、項1に記載の半導体発光素子。
この構成によれば、応力緩和層のIn組成比率(y)を、主発光層のIn組成比率(x)に徐々に近づけることができる。これにより、主発光層と応力緩和層との格子サイズの差を小さくできるので、主発光層への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
[Claim 2] The stress relaxing layer comprises a plurality of the In y Ga 1-y N layer, said plurality of In y Ga 1-y N layer is closer to the main light-emitting layer In composition ratio (y) is Item 2. The semiconductor light emitting device according to item 1, which is stacked in order of increasing size.
According to this structure, the In composition ratio (y) of the stress relaxation layer can be gradually brought close to the In composition ratio (x) of the main light emitting layer. This makes it possible to reduce the difference in lattice size between the main light emitting layer and the stress relaxation layer, so that the introduction of lattice defects into the main light emitting layer can be further reduced.

なお、前記複数のInGa1−yN層のIn組成比率(y)は、一定の割合(たとえば、0.1刻み、0.2刻み等)で大きくなっていてもよいし、ランダムな割合(たとえば、0.1→0.2→0.4等)で大きくなっていてもよい。
[項3]前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されている、項1または2に記載の半導体発光素子。
The In composition ratio (y) of the plurality of In y Ga 1-y N layers may be increased at a constant rate (for example, 0.1 step, 0.2 step, etc.) or may be random. It may increase in proportion (for example, 0.1→0.2→0.4).
[Item 3] The semiconductor light-emitting device according to item 1 or 2, wherein the main light emitting layer and the stress relaxation layer are laminated so as to be in contact with each other.

この構成によれば、主発光層および応力緩和層が一つの積層構造に集約されているので、発光層の当該積層構造が形成された部分での格子サイズのばらつきを低減することができる。
[項4]前記発光層は、InGaNからなる量子井戸層と、GaNからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有している、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
According to this structure, since the main light emitting layer and the stress relaxation layer are integrated into one laminated structure, it is possible to reduce variations in the lattice size in the portion of the light emitting layer where the laminated structure is formed.
[Item 4] The light emitting layer has a multiple quantum well structure in which a quantum well layer made of InGaN and a barrier layer made of GaN are alternately laminated at a predetermined cycle. The semiconductor light emitting device according to.

[項5]前記量子井戸層は、3nm±10%の厚さを有している、項4に記載の半導体発光素子。この構成により、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
[項6]前記半導体発光素子は、前記応力緩和層に対して前記主発光層とは反対側に配置され、InGaN層とGaN層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
[Item 5] The semiconductor light-emitting device according to item 4, wherein the quantum well layer has a thickness of 3 nm±10%. With this configuration, the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device can be further improved.
[Item 6] The semiconductor light emitting element is arranged on the side opposite to the main light emitting layer with respect to the stress relaxation layer, and has an intermediate buffer having a superlattice structure in which InGaN layers and GaN layers are alternately laminated at a predetermined cycle. Item 6. The semiconductor light-emitting device according to any one of items 1 to 5, further including a layer.

[項7]前記InGaN層は、InGa1−zN(z=0.01〜0.05)で示される層を含む、項6に記載の半導体発光素子。
この構成によれば、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層(応力緩和層)の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
[Item 7] The semiconductor light-emitting device according to item 6, wherein the InGaN layer includes a layer represented by In z Ga 1-z N (z=0.01 to 0.05).
According to this configuration, when the light emitting layer is crystal-grown from the n-type layer or p-type layer side, the intermediate buffer layer is grown prior to the growth of the light emitting layer, so that the growth of the light emitting layer (stress relaxation layer) is started. The change in the lattice size over time can be made gradual. Therefore, the introduction of lattice defects into the stress relaxation layer can be reduced.

[項8]前記発光層は、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生するものである、項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子。この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。
[項9]前記発光層は、60nm〜150nmの総厚さを有している、項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。この構成によれば、発光層の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
[Item 8] The semiconductor light-emitting device according to any one of Items 1 to 7, wherein the light-emitting layer emits light having a peak emission wavelength of 500 nm to 550 nm. According to this structure, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having a light emitting layer that efficiently emits green light.
[Item 9] The semiconductor light-emitting device according to any one of items 1 to 8, wherein the light emitting layer has a total thickness of 60 nm to 150 nm. According to this structure, the luminous efficiency of the semiconductor light emitting element can be improved while keeping the total thickness of the light emitting layer within a general range.

[項10]前記半導体発光素子は、サファイア基板をさらに含み、前記発光層は、前記応力緩和層および前記主発光層がこの順に、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された層である、項1〜9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
[Item 10] The semiconductor light emitting device further includes a sapphire substrate, and the light emitting layer is a layer in which the stress relaxation layer and the main light emitting layer are crystal-grown on a main surface of the sapphire substrate in this order. Item 10. The semiconductor light emitting device according to any one of items 1 to 9.
According to this structure, the group III nitride semiconductor layer having the light emitting layer with improved light emitting efficiency can be formed on the sapphire substrate. Further, since it is not necessary to use a special substrate and an inexpensive sapphire substrate is sufficient, the manufacturing cost can be reduced.

1 発光ダイオード
2 サファイア基版
3 III族窒化物半導体層
13(g,b) GaN層
14(g,b) InGaN層
16 緑色発光層
17 青色発光層
31 n型低温GaNバッファ層
32 n型GaNコンタクト層
33 中間バッファ層
34 発光層
35 p型AlGaN電子阻止層
36 p型GaNコンタクト層
1 Light Emitting Diode 2 Sapphire Substrate 3 Group III Nitride Semiconductor Layer 13(g,b) GaN Layer 14(g,b) InGaN Layer 16 Green Light Emitting Layer 17 Blue Light Emitting Layer 31 n-Type Low Temperature GaN Buffer Layer 32 n-type GaN Contact Layer 33 Intermediate buffer layer 34 Light emitting layer 35 p-type AlGaN electron blocking layer 36 p-type GaN contact layer

Claims (21)

GaNを含む第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成された発光層と、
前記発光層の上に形成された第2導電型の第2半導体層と、を含み、
前記発光層は、青色発光層と、青色発光層の上に積層された緑色発光層とを含み、
前記青色発光層は、放出される光のうちの最も強度の高い光の波長であるピーク発光波長が410nm〜490nmの光を発生させる発光層であり、
前記緑色発光層は、放出される光のうちの最も強度の高い光の波長であるピーク発光波長が500nm〜550nmの光を発生させる発光層であり、
前記青色発光層は、第1層であるGaN層と、第2層であるInGaN層とが交互に所定周期積層した多重量子井戸構造を有し、
前記緑色発光層は、第3層であるGaN層と、第4層であるInGaN層とが交互に前記所定周期と同周期積層した多重量子井戸構造を有し、
前記青色発光層の前記第2層であるInGaN層のInの組成比率(y)を、InGa1−yNで示し、
前記緑色発光層の前記第4層であるInGaN層のInの組成比率(x)を、InGa1−xNで示したとき、(x)>(y)の関係を有し、
前記青色発光部における複数の前記第2層は、前記緑色発光部に近づくにつれてIn組成比率が一定の割合で大きくなる順序で積層されている、半導体発光素子。
A first conductivity type first semiconductor layer containing GaN;
A light emitting layer formed on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on the light emitting layer,
The light emitting layer includes a blue light emitting layer and a green light emitting layer stacked on the blue light emitting layer,
The blue light-emitting layer is a light-emitting layer that emits light having a peak emission wavelength of 410 nm to 490 nm, which is the wavelength of the highest intensity light emitted.
The green light emitting layer is a light emitting layer that emits light having a peak emission wavelength of 500 nm to 550 nm, which is the wavelength of the highest intensity light emitted.
The blue light emitting layer has a multiple quantum well structure in which a GaN layer as a first layer and an InGaN layer as a second layer are alternately laminated for a predetermined period,
The green light emitting layer has a multiple quantum well structure in which a GaN layer that is a third layer and an InGaN layer that is a fourth layer are alternately laminated in the same period as the predetermined period,
The In composition ratio (y) of the InGaN layer that is the second layer of the blue light emitting layer is represented by In y Ga 1-y N,
When In the composition ratio of (x) of the InGaN layer and the a fourth layer of the green light-emitting layer, as shown in In x Ga 1-x N, have a relationship of (x)> (y),
The semiconductor light emitting element, wherein the plurality of second layers in the blue light emitting portion are stacked in an order in which the In composition ratio increases at a constant rate as the green light emitting portion is approached .
前記青色発光部における複数の前記第2層は、一定の厚さで積層されており、
前記緑色発光部における複数の前記第4層は、一定の厚さで積層されている、請求項1に記載の半導体発光素子。
The plurality of second layers in the blue light emitting portion are laminated with a constant thickness,
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the plurality of fourth layers in the green light emitting unit are stacked with a constant thickness.
前記青色発光部および前記緑色発光部の間で互いに隣り合う前記第2層および前記第4層のIn組成比率の増加割合は、複数の前記第2層のIn組成比率の増加割合と同じ値である、請求項に記載の半導体発光素子。 The increase ratio of the In composition ratio of the second layer and the fourth layer adjacent to each other between the blue light emitting unit and the green light emitting unit is the same value as the increase ratio of the In composition ratios of the plurality of second layers. The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein 不純物無添加のGaNからなバッファ層をさらに含み、
前記第1半導体層は、前記バッファ層の上に形成されている、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
Further comprising a buffer layer Ru GaN Tona of undoped,
Wherein the first semiconductor layer is formed on the buffer layer, a semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1-3.
GaNを含む第5層およびInGaNを含む第6層が交互に複数積層された積層構造を有し、前記第1半導体層の上に形成された中間バッファ層をさらに含み、
前記発光層は、前記中間バッファ層の上に形成されている、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
A fifth layer containing GaN and a sixth layer containing InGaN are alternately laminated to each other, further including an intermediate buffer layer formed on the first semiconductor layer;
The light-emitting layer, wherein formed on the intermediate buffer layer, a semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1-4.
前記中間バッファ層の前記第6層は、前記青色発光部の前記第2層のIn組成比率未満のIn組成比率を有している、請求項に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 5 , wherein the sixth layer of the intermediate buffer layer has an In composition ratio less than the In composition ratio of the second layer of the blue light emitting unit. 前記中間バッファ層の前記第6層は、0.01〜0.05のIn組成比率を有している、請求項またはに記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 5 or 6 , wherein the sixth layer of the intermediate buffer layer has an In composition ratio of 0.01 to 0.05. 不純物無添加のGaNを含み、前記発光層および前記第2半導体層の間に介在し、前記緑色発光部の前記第4層に接するファイナルバリア層をさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 Include GaN of undoped, interposed between the light emitting layer and the second semiconductor layer, further comprising a final barrier layer in contact with the fourth layer of the green light emitting unit, one of the claims 1 to 7 one A semiconductor light-emitting device according to item. AlGaNを含み、前記第2半導体層および前記ファイナルバリア層の間に介在する第2導電型の電子阻止層を含む、請求項に記載の半導体発光素子。 9. The semiconductor light emitting device according to claim 8 , comprising AlGaN, and a second conductivity type electron blocking layer interposed between the second semiconductor layer and the final barrier layer. 前記青色発光部は、不純物無添加のGaNを含む前記第1層、および、不純物が添加されたInGaNを含む前記第2層を有している、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 The blue light emitting unit, said first layer comprising a GaN of undoped, and has the second layer comprising InGaN which impurities are added, according to any one of claims 1-9 Semiconductor light emitting device. 前記緑色発光部は、不純物無添加のGaNを含む前記第3層、および、不純物が添加されたInGaNを含む前記第4層を有している、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 The green light emitting unit, said third layer comprising GaN of the undoped, and has the fourth layer including an InGaN doped with an impurity, according to any one of claims 1-10 Semiconductor light emitting device. 前記緑色発光部に係る複数の前記第4層は、前記青色発光部に係る複数の前記第2層と等しい厚さで形成されている、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 Wherein the plurality of the fourth layer of the green light-emitting portion, wherein are formed a plurality of the same thickness as the second layer according to the blue light-emitting portion, a semiconductor according to any one of claims 1 to 11 Light emitting element. 前記第2半導体層は、光取り出し面を有している、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 Said second semiconductor layer has a light extraction surface, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 12. 前記第1半導体層は、前記発光層外の領域に引き出された引き出し部を有している、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 The first semiconductor layer has a light emitting layer outer lead portions led out in the region, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 13. 前記第1半導体層の前記引き出し部に接合された第1電極と、
前記第2半導体層の表面に接合された第2電極と、をさらに含む、請求項14に記載の半導体発光素子。
A first electrode joined to the lead portion of the first semiconductor layer;
The semiconductor light emitting device according to claim 14 , further comprising a second electrode bonded to a surface of the second semiconductor layer.
前記第1電極は、Ti層およびAl層から構成され、
前記第2電極は、Ti層およびAl層から構成されている、請求項15に記載の半導体発光素子。
The first electrode is composed of a Ti layer and an Al layer,
The semiconductor light emitting device according to claim 15 , wherein the second electrode is composed of a Ti layer and an Al layer.
前記第2電極および前記第2半導体層の間に介在する透明電極をさらに含む、請求項15または16に記載の半導体発光素子。 Further comprising a transparent electrode which is interposed between the second electrode and the second semiconductor layer, a semiconductor light emitting device according to claim 15 or 16. 前記発光層は、60nm〜150nmの総厚さを有している、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 The light emitting layer has a total thickness of 60 nm to 150 nm, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 17. 透明基板をさらに含み、
前記第1半導体層は、前記透明基板の上に形成されている、請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
Further including a transparent substrate,
Wherein the first semiconductor layer, the are formed on a transparent substrate, a semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 18.
前記透明基板は、六方晶基板からなり、極性面の面方位からm軸方向に0.3°以上のオフ角を有する主面を含み、
前記第1半導体層は、前記透明基板の前記主面の上に形成されている、請求項19に記載の半導体発光素子。
The transparent substrate is composed of a hexagonal substrate and includes a main surface having an off angle of 0.3° or more in the m-axis direction from the plane orientation of the polar plane,
20. The semiconductor light emitting device according to claim 19 , wherein the first semiconductor layer is formed on the main surface of the transparent substrate.
前記透明基板は、サファイア基板、GaN基板、ZnO基板、AlN基板またはSiC基板からなる、請求項20に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 20 , wherein the transparent substrate is a sapphire substrate, a GaN substrate, a ZnO substrate, an AlN substrate, or a SiC substrate.
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