JP6908422B2 - Group III nitride semiconductor light emitting device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、高い発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a group III nitride semiconductor light emitting device having improved reliability capable of maintaining a high emission output and a method for manufacturing the same.
従来、Al、Ga、In等とNとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、紫外光発光素子の材料として用いられている。中でも、高Al組成比のAlGaNからなるIII族窒化物半導体は、紫外発光素子や発光波長300nm以下の深紫外光発光素子(DUV−LED)に用いられている。 Conventionally, a group III nitride semiconductor composed of a compound of Al, Ga, In and the like and N has been used as a material for an ultraviolet light emitting device. Among them, group III nitride semiconductors made of AlGaN having a high Al composition ratio are used for ultraviolet light emitting devices and deep ultraviolet light emitting devices (DUV-LEDs) having an emission wavelength of 300 nm or less.
III族窒化物半導体発光素子に要求される特性として、例えば高外部量子効率特性や低抵抗特性などが挙げられる。本願出願人は、特許文献1において、量子井戸構造の発光層とp型クラッド層との間に、電子ブロック層と呼ばれる電子のエネルギー障壁となる層を形成することにより、発光効率を向上できることを先に提案している。電子ブロック層は、発光層の量子井戸層に対して障壁となって、電子が過剰に流れていくのを防ぐため、キャリアの注入効率を向上できる。
Examples of the characteristics required for the group III nitride semiconductor light emitting device include high external quantum efficiency characteristics and low resistance characteristics. In
また、特許文献2には、膜厚25nm以下で、p型不純物とn型不純物とをコドープし、p型不純物濃度が1×1019atoms/cm3以上、かつn型不純物濃度が1×1019atoms/cm3以上の混合ドープGaN層をp型GaN層上に設け、この混合ドープGaN層上に電極が形成された窒化物半導体素子を開示している。特許文献2によると、この混合ドープGaN層によりp型GaN層と電極との接触抵抗が低減し、p型GaN層に電流が流れやすくなる。
Further, in
特許文献1および特許文献2に記載の技術により、III族窒化物半導体発光素子の外部量子効率特性や抵抗特性を改善することができる。しかしながら、III族窒化物半導体発光素子では、外部量子効率特性および抵抗特性の改善以外にも課題は残されている。III族窒化物半導体発光素子では高い発光出力を維持することが難しいため、この点での信頼性の改善が希求されている。
According to the techniques described in
そこで、本発明は、従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor light emitting device having improved reliability capable of maintaining a light emitting output as compared with the conventional one, and a method for manufacturing the same.
本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討し、III族窒化物半導体発光素子における、p型コンタクト層のドーパントに着目した。ここで、III族窒化物半導体発光素子のp型半導体層側にドープするp型のドーパントとしては、Mgを用いることが一般的であるものの、p型半導体層側にドープされたMgが発光層に拡散することで、III族窒化物半導体発光素子の信頼性に悪影響を及ぼしているのではないかと本発明者は考えた。そこで、p型コンタクト層の特定領域にp型ドーパントとしてのMgと共に、Siをコドープすることを着想した。そして、このp型コンタクト層によりIII族窒化物半導体発光素子の信頼性を改善できることを本発明者は知見し、本発明を完成するに至った。 The present inventor has diligently studied ways to solve the above problems and focused on the dopant of the p-type contact layer in the group III nitride semiconductor light emitting device. Here, although Mg is generally used as the p-type dopant to be doped on the p-type semiconductor layer side of the group III nitride semiconductor light emitting device, Mg doped on the p-type semiconductor layer side is the light emitting layer. The present inventor thinks that the diffusion into the group may adversely affect the reliability of the group III nitride semiconductor light emitting device. Therefore, the idea was to co-dope Si into a specific region of the p-type contact layer together with Mg as a p-type dopant. Then, the present inventor has found that the reliability of the group III nitride semiconductor light emitting device can be improved by this p-type contact layer, and has completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。 That is, the gist structure of the present invention is as follows.
(1)発光層、p型電子ブロック層、p型コンタクト層およびp側電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、前記p型コンタクト層は、前記p型電子ブロック層に接し、かつ、MgおよびSiでコドープされた第1p型コンタクト層と、前記p側電極に接し、かつ、Mgドープされた第2p型コンタクト層とを有し、前記第1p型コンタクト層のMg濃度が1×1019atoms/cm3以上であり、かつ、Si濃度が2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 (1) A group III nitride semiconductor light emitting device including a light emitting layer, a p-type electron block layer, a p-type contact layer, and a p-side electrode in this order, wherein the p-type electron block layer has an Al composition ratio of 0.5. The p-type contact layer is made of the above-mentioned p-type III nitride semiconductor, the p-type contact layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4, and the p-type contact layer is the p-type electron block. A first p-type contact layer in contact with a layer and co-doped with Mg and Si, and a second p-type contact layer in contact with the p-side electrode and doped with Mg, of the first p-type contact layer. A group III nitride semiconductor having a Mg concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more and a Si concentration of 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Light emitting element.
(2)前記第1p型コンタクト層の厚みが1nm以上30nm以下であり、前記第2p型コンタクト層の厚みが30nm以上である、前記(1)に記載のIII族窒化物半導体発光素子。 (2) The group III nitride semiconductor light emitting device according to (1) above, wherein the thickness of the first p-type contact layer is 1 nm or more and 30 nm or less, and the thickness of the second p-type contact layer is 30 nm or more.
(3)前記第1p型コンタクト層の厚みが5nm以上15nm以下である、前記(2)に記載のIII族窒化物半導体発光素子。 (3) The group III nitride semiconductor light emitting device according to (2) above, wherein the thickness of the first p-type contact layer is 5 nm or more and 15 nm or less.
(4)前記第1p型コンタクト層において、前記Mg濃度が前記Si濃度よりも高い、前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。 (4) The group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (3) above, wherein the Mg concentration in the first p-type contact layer is higher than the Si concentration.
(5)前記発光層から放射される光の中心波長が210nm以上340nm以下である、前記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。 (5) The group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (4) above, wherein the central wavelength of the light emitted from the light emitting layer is 210 nm or more and 340 nm or less.
(6)発光層を形成する発光層形成工程と、前記発光層上にp型電子ブロック層を形成するp型電子ブロック層形成工程と、前記p型電子ブロック層上にp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、前記p型コンタクト層直上にp側電極を形成するp側電極形成工程とを含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、前記p型コンタクト層形成は、前記p型電子ブロック層の直上に、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層を形成する第1p型コンタクト層形成工程と、該第1p型コンタクト層上にMgドープした第2p型コンタクト層を形成する第2p型コンタクト層形成工程とを有し、前記第1p型コンタクト層形成工程において、前記第1p型コンタクト層のMg濃度を1×1019atoms/cm3以上とし、かつ、Si濃度を2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (6) A light emitting layer forming step of forming a light emitting layer, a p-type electron block layer forming step of forming a p-type electron block layer on the light emitting layer, and a p-type contact layer being formed on the p-type electron block layer. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, comprising a p-type contact layer forming step of forming a p-type contact layer and a p-side electrode forming step of forming a p-side electrode directly above the p-type contact layer, wherein the p-type electron block layer is formed. Is composed of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of 0.5 or more, and the p-type contact layer is composed of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4. The contact layer is formed by a first p-type contact layer forming step of forming a first p-type contact layer co-doped with Mg and Si directly above the p-type electron block layer, and a Mg-doped first p-type contact layer. It has a second p-type contact layer forming step of forming a 2p-type contact layer, and in the first p-type contact layer forming step, the Mg concentration of the first p-type contact layer is set to 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more. A method for producing a group III nitride semiconductor light emitting element, wherein the Si concentration is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 19 atoms / cm 3 or less.
(7)前記第1p型コンタクト層形成工程において、前記第1p型コンタクト層の厚みを1nm以上30nm以下とし、前記第2p型コンタクト層形成工程において、前記第2p型コンタクト層の厚みを30nm以上とする、前記(6)に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (7) In the first p-type contact layer forming step, the thickness of the first p-type contact layer is set to 1 nm or more and 30 nm or less, and in the second p-type contact layer forming step, the thickness of the second p-type contact layer is set to 30 nm or more. The method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device according to (6) above.
(8)前記第1p型コンタクト層の厚みが5nm以上15nm以下である、前記(7)に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (8) The method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to (7) above, wherein the thickness of the first p-type contact layer is 5 nm or more and 15 nm or less.
(9)前記第1p型コンタクト層形成工程において、前記Mg濃度を前記Si濃度よりも高くする、前記(6)〜(8)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (9) Production of the group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of (6) to (8) above, wherein the Mg concentration is higher than the Si concentration in the first p-type contact layer forming step. Method.
(10)前記p型電子ブロック層形成工程において、水素を主成分とするキャリアガスを供給し、前記第1p型コンタクト層形成工程において、窒素を主成分とするキャリアガスを供給する、前記(6)〜(9)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (10) In the p-type electron block layer forming step, a carrier gas containing hydrogen as a main component is supplied, and in the first p-type contact layer forming step, a carrier gas containing nitrogen as a main component is supplied. )-(9). The method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of the following items.
(11)前記第2p型コンタクト層形成工程において、初めに窒素を主成分とするキャリアガスを供給し、次いで該窒素を主成分とするキャリアガスから、水素を主成分とするキャリアガスに供給を切り替える、前記(6)〜(10)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (11) In the second p-type contact layer forming step, first a carrier gas containing nitrogen as a main component is supplied, and then a carrier gas containing nitrogen as a main component is supplied to a carrier gas containing hydrogen as a main component. The method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of (6) to (10) above, which is switched.
(12)前記発光層から放射される光の中心波長が210nm以上340nm以下である、前記(6)〜(11)のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 (12) The method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of (6) to (11) above, wherein the central wavelength of the light emitted from the light emitting layer is 210 nm or more and 340 nm or less.
本発明によれば、従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a group III nitride semiconductor light emitting device having improved reliability capable of maintaining a light emitting output as compared with the conventional case, and a method for manufacturing the same.
本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。まず、本明細書においてAl組成比を明示せずに単に「AlGaN」と表記する場合は、III族元素(Al,Gaの合計)とNとの化学組成比が1:1であり、III族元素AlとGaとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。この場合、III族元素であるInについての表記がなくとも、III族元素としてのAlとGaに対して5%以内の量のInを含んでいてもよいこととする。また、単に「AlGaN」と表記することによって、AlNまたはGaNのいずれかであることを排除するものではない。なお、Al組成比の値は、フォトルミネッセンス測定およびX線回折測定などによって測定することができる。 Prior to the description of the embodiment according to the present invention, the following points will be described in advance. First, when the Al composition ratio is not specified in the present specification and is simply expressed as "AlGaN", the chemical composition ratio of the group III element (total of Al and Ga) and N is 1: 1 and the group III. The ratio of the elements Al and Ga shall mean any indefinite compound. In this case, even if there is no description about In which is a group III element, In may be contained in an amount of 5% or less with respect to Al and Ga as group III elements. Further, simply expressing "AlGaN" does not exclude that it is either AlN or GaN. The value of the Al composition ratio can be measured by photoluminescence measurement, X-ray diffraction measurement, or the like.
また、本明細書において、電気的にp型として機能する層をp型層と称し、電気的にn型として機能する層をn型層と称する。一方、MgやSi等の特定の不純物を意図的には添加しておらず、電気的にp型またはn型として機能しない場合、「i型」または「アンドープ」と言う。アンドープの層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよく、具体的には、キャリア密度が小さい(例えば4×1016atoms/cm3未満)場合、「アンドープ」である、と本明細書において称する。また、MgやSi等の不純物濃度の値は、SIMS分析によるものとする。 Further, in the present specification, a layer that electrically functions as a p-type is referred to as a p-type layer, and a layer that electrically functions as an n-type is referred to as an n-type layer. On the other hand, when a specific impurity such as Mg or Si is not intentionally added and does not electrically function as a p-type or n-type, it is called "i-type" or "undoped". The undoped layer may contain unavoidable impurities during the manufacturing process, and specifically, if the carrier density is low (eg, less than 4 × 10 16 atoms / cm 3 ), it is “undoped”. As used herein. Moreover, the value of the impurity concentration of Mg, Si and the like shall be based on SIMS analysis.
また、エピタキシャル成長した各層の厚さ全体は、光干渉式膜厚測定器を用いて測定することができる。さらに、各層の厚さのそれぞれは、隣接する各層の組成比が十分異なる場合(例えばAl組成比が、0.01以上異なる場合)、透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。また、隣接する層のうち、Al組成比が同一であるか、または、ほぼ等しい(例えば0.01未満)ものの、不純物濃度の異なる層(例えば後述の第1p型コンタクト層および第2p型コンタクト層)の境界および厚さについては、これら両コンタクト層を例に具体的に説明すると、両者の境界ならびに第1p型コンタクト層および第2p型コンタクト層の厚さは、TEM−EDSに基づき測定できる。そして、両者の不純物濃度は、SIMS分析により測定できる。また、超格子構造のように各層の厚さが薄い場合にはTEM−EDSを用いて厚みを測定することができる。 Further, the entire thickness of each epitaxially grown layer can be measured by using an optical interference type film thickness measuring device. Further, the thickness of each layer can be calculated by observing the cross section of the growth layer with a transmission electron microscope when the composition ratio of each adjacent layer is sufficiently different (for example, when the Al composition ratio is different by 0.01 or more). Further, among adjacent layers, layers having the same Al composition ratio or substantially the same (for example, less than 0.01) but different impurity concentrations (for example, the first p-type contact layer and the second p-type contact layer described later). ) Will be specifically described by taking both of these contact layers as an example. The boundary between the two and the thickness of the first p-type contact layer and the second p-type contact layer can be measured based on TEM-EDS. Then, the impurity concentrations of both can be measured by SIMS analysis. Further, when the thickness of each layer is thin as in the superlattice structure, the thickness can be measured by using TEM-EDS.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In principle, the same components are given the same reference numbers, and the description thereof will be omitted. Further, in each figure, for convenience of explanation, the aspect ratios of the substrate and each layer are exaggerated from the actual ratios.
(第1実施形態:III族窒化物半導体発光素子100)
図1に示すように、本発明の第1実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子100は、発光層40と、p型電子ブロック層60と、p型コンタクト層70と、p側電極80とをこの順に備える。p型電子ブロック層60は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなる。また、p型コンタクト層70は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなる。ここで、p型コンタクト層70は、p型電子ブロック層60に接し、かつ、MgおよびSiでコドープされた第1p型コンタクト層71と、p側電極80に接し、かつ、Mgドープされた第2p型コンタクト層72とを有する。そして、第1p型コンタクト層71のMg濃度が1×1019atoms/cm3以上であり、かつ、Si濃度が2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下である。以下、図1を参照しつつ、各構成の詳細を順次説明する。
(First Embodiment: Group III nitride semiconductor light emitting device 100)
As shown in FIG. 1, the group III nitride semiconductor
III族窒化物半導体発光素子100における発光層40は、AlGaNから形成することができ、例えばAlaGa1−aN(0<a≦1)で形成することができる。ここで、Al組成比aは、所望の波長の光を発光するように適切に設定することができる。例えば、Al組成比aが0.35以上(すなわち、0.35≦a≦1)の場合、発光層40から放射される光の中心波長が300nm以下となり、III族窒化物半導体発光素子100をDUV−LEDとすることができる。このように、Al組成比aまたは、後述の井戸層41のAl組成比wおよび障壁層42のAl組成比bを適宜選択することで、III族窒化物半導体発光素子100における、発光層40から放射される光の中心波長を210nm以上340nm以下とすることができる。
The
ここで、発光層40は、Al組成比の異なるAlGaNからなる井戸層41と障壁層42とを繰り返し形成した多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造で構成することが好ましい。井戸層41のAl組成比wは、例えば0.3〜0.8とすることができる。この場合、障壁層42のAl組成比bは、井戸層41のAl組成比wよりも高く(すなわち、b>w)する。例えば、b>wの条件の下、障壁層42のAl組成比bを0.40〜0.95とすることができる。また、井戸層41および障壁層42の繰り返し回数は、特に制限されず、例えば1〜10回とすることができる。発光層40の厚み方向の両端側(すなわち最初と最後)を障壁層とすることが好ましく、井戸層41および障壁層42の繰り返し回数をnとすると、この場合は「n.5組の井戸層および障壁層」と表記することとする。また、井戸層41の厚みを0.5nm〜5nm、障壁層42の厚みを3nm〜30nmとすることができる。
Here, the
p型電子ブロック層60は、発光層40上に設けられ、Al組成比xが0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、AlxGa1−xN(0.5≦x≦1.0)で形成することができる。p型電子ブロック層60は電子を堰止めし、電子を発光層40(MQW構造の場合には井戸層41)内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。この目的のため、Al組成比xを、0.5≦x≦0.95とすることが好ましい。なお、Al組成比xが0.5以上であれば、p型電子ブロック層60はIII族元素としてのAlとGaに対して5%以内の量のInを含んでいてもよい。ここで、発光層40が前述の障壁層42を有する多重量子構造である場合、Al組成比xは上記条件を満足しつつ、障壁層42のAl組成比bおよびp型コンタクト層70のAl組成比z1,z2よりも高くする。すなわち、x>bであり、さらに、x>z1,x>z2である。ここで、p型電子ブロック層60のAl組成比xおよび障壁層42のAl組成比bの両者に関し、0<x−b≦0.55を満足することが好ましく、0.1≦x−b≦0.55を満足することがより好ましい。こうすることで、p型電子ブロック層60が井戸層41への電子の注入効率を確実に高めることができる。なお、p型電子ブロック層60は、AlGaN組成比が一定の単一層構造とすることが好ましい。
The p-type
p型電子ブロック層60の厚みは特に制限されないが、例えば10nm〜80nmであることが好ましい。p型電子ブロック層60の厚さがこの範囲であれば、高い発光出力を確実に得ることができる。また、p型電子ブロック層60の厚みは、障壁層42の厚みよりは厚いことが好ましい。p型電子ブロック層60にドープするp型ドーパントとしては、Mg,Zn,Ca,Be,Mn等を例示することができ、Mgを用いることが一般的である。p型電子ブロック層60のドーパント濃度は、p型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば1.0×1018atoms/cm3〜5.0×1021atoms/cm3とすることができる。また、p型電子ブロック層60がp型として機能する限りは、厚み方向の一部の領域にアンドープの領域があってもよいし、厚み方向の一部の領域にSiがドープされていてもよい。
The thickness of the p-type
既述のとおり、p型電子ブロック層60は電子を堰止めし、電子を発光層40内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。この目的のために、従来、p型電子ブロック層60は発光層とp型クラッド層との間に設けられることが一般的であった。これは発光層40のAl組成比が高い場合には、p側に設けられる半導体層(以下、「p側半導体層」)のホール濃度が低くなるため、ホールは発光層40に注入されにくく、一部の電子がp側半導体層の方に流れてしまう場合があるものの、p型電子ブロック層60を設けることにより、こうした電子の流れを防止することができるからである。しかしながら、本実施形態においては、p型クラッド層を設けず、p型電子ブロック層60上にp型コンタクト層70を直接設けることとする。p型クラッド層を介さずに、p型電子ブロック層60およびp型コンタクト層70間の構成を最小限とすることで、キャリア注入効率の変化を低減できるためである。
As described above, the p-type
なお、本明細書において上述した「p型クラッド層」のAl組成比yは、電子ブロック層60のAl組成比xよりも0.1を超えて小さく、かつ、p型コンタクト層のAl組成比z1,z2よりも0.1を超えて大きいものを指す。すなわち、z1+0.1<y<x−0.1、かつ、z2+0.1<y<x−0.1である。中心波長が300nm以下において使用されるp型のAlGaNはAl組成比が大きいほど電流が流れにくいため、従来のクラッド層として使用されるAl組成比は、障壁層のAl組成比以下であることが多い。このため、本明細書における電子ブロック層と従来技術におけるクラッド層とを、障壁層のAl組成比bを基準として区別する。
The Al composition ratio y of the "p-type clad layer" described above in the present specification is smaller than the Al composition ratio x of the
次に、p型電子ブロック層60上にはp型コンタクト層70が設けられる。p型コンタクト層70は、この上に設けられるp側電極80とp型電子ブロック層60との間の接触抵抗を低減するための層であり、p型コンタクト層70は、p型電子ブロック層60に接する第1p型コンタクト層71と、p側電極80に接する第2p型コンタクト層72とを有する。なお、本明細書においてp型コンタクト層70がp型電子ブロック層60上に接して設けられるということは、上述のp型クラッド層に該当し得るAl組成比yのIII族窒化物半導体層が、p型電子ブロック層60とp型コンタクト層70との間に存在しないことを意味する。
Next, the p-
ここで、p型コンタクト層70は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなる。換言すれば、第1p型コンタクト層71および第2p型コンタクト層72は、Al組成比が共に0.4未満のp型III族窒化物半導体からなる。なお、第1p型コンタクト層71および第2p型コンタクト層72は後述のドーパントの違いにより区別される。第1p型コンタクト層71および第2p型コンタクト層72のAl組成比をそれぞれz1,z2とすると、第1p型コンタクト層71はAlz1Ga1−z1N(0≦z1<0.4)で形成することができ、第2p型コンタクト層72はAlz2Ga1−z2N(0≦z2<0.4)で形成することができる。特に、Al組成比z1,z2は、それぞれ0≦z1≦0.1、かつ、0≦z2≦0.1であることが好ましい。z1とz2の大小関係は特に限定されないが、第1p型コンタクト層71と、第2p型コンタクト層72との間のAl組成比の差は無い(z1=z2、すなわち、Al組成比の差が0)ことが最も好ましい。また、Al組成比の差がある場合でもz1≧z2であることが好ましく、その差は0.1以下であることがより好ましく、0.05未満であることが更に好ましい。特に、z1=z2=0(すなわち、第1p型コンタクト層71および第2p型コンタクト層72はともにGaN)とすることが好ましい。p型コンタクト層70上に形成されるp側電極80との接触抵抗を十分に低減することができる。さらに、Al組成比z1,z2は、p型電子ブロック層60のAl組成比xに対して、0.1≦x−z1≦0.95かつ、0.1≦x−z2≦0.95を満たすことが好ましく、0.5≦x−z1≦0.95かつ、0.5≦x−z2≦0.95を満たすことがより好ましい。なお、Al組成比z1,z2が0.4未満であれば、p型電子ブロック層60はIII族元素としてのAlとGaに対して5%以内の量のInを含んでいてもよい。
Here, the p-
ここで、第1p型コンタクト層71は、MgおよびSiでコドープされており、第2p型コンタクト層72はMgドープされている。そして、本実施形態において、第1p型コンタクト層71のMg濃度を1×1019atoms/cm3以上とし、かつ、Si濃度を2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下とする。第1p型コンタクト層71のMg濃度の上限は5.0×1021atoms/cm3とすることが好ましい。第1p型コンタクト層71に、p型ドーパントであるMgに加えて、通常はn型ドーパントとして用いられるSiをコドープしたために、高い発光出力を維持することができ、信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子が得られる。第1p型コンタクト層へMgおよびSiをコドープすることにより得られる作用効果について、本発明者は以下のように考えている。
Here, the first p-
p型のIII族窒化物半導体層にドープされるMgは、発光層に拡散しやすく、Mg起因の欠陥が発光層に生じやすくなるために、その欠陥が原因となって信頼性が低下するのではないかと本発明者は考えた。一方、通常n型ドーパントとして用いられるSiは、発光層に拡散しづらく、しかもMgの発光層への拡散を抑制できるのではないかと本発明者は考えた。p型コンタクト層70において、p側電極80に近い領域(本実施形態においては第2p型コンタクト層72)ほど一般的にp型コンタクト層70のMg濃度を高くするため、p型コンタクト層70のうち、p型電子ブロック層60と接する領域にMgおよびSiをコドープした第1p型コンタクト層を設けることを本発明者は着想した。そして、本発明者による鋭意検討の結果、本実施形態に従う第1p型コンタクト層71を設けることにより、前述の信頼性向上効果が得られることが実験的に確認された。
Mg doped in the p-type group III nitride semiconductor layer is likely to diffuse into the light emitting layer, and defects caused by Mg are likely to occur in the light emitting layer. The present inventor thought that it might be. On the other hand, the present inventor thought that Si, which is usually used as an n-type dopant, is difficult to diffuse into the light emitting layer and can suppress the diffusion of Mg into the light emitting layer. In the p-
上記作用効果を確実に得るため、第1p型コンタクト層71の厚みを1nm以上30nm以下とすることが好ましい。さらに、第2p型コンタクト層72の厚みを30nm以上とすることが好ましい。この場合、第1p型コンタクト層71の厚みを5nm以上15nm以下とすることがより好ましい。前述のとおり第1p型コンタクト層71にはMgおよびSiがコドープされており、第1p型コンタクト層71の厚みが大きくなりすぎると、p型コンタクト層70自体の抵抗が大きくなり低抵抗化に寄与しなくなるためであり、一方、厚みが小さすぎると、MgおよびSiのコドープにより得られる作用効果が不十分となるためである。この観点から、第1p型コンタクト層71において、Mg濃度がSi濃度よりも高いことがより好ましい。Mg濃度がSi濃度以下であると、第1p型コンタクト層71がp型化しない虞があるためである。
In order to surely obtain the above-mentioned action and effect, it is preferable that the thickness of the first p-
そして、p型コンタクト層70上には、第2p型コンタクト層72と接するp側電極80が設けられる。p側電極80は、一般的な構成とすることができ、例えば、Ni含有膜およびこのNi含有膜上に形成されたAu含有膜を有する金属複合膜とすることができる。また、p側電極80の厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。
Then, a p-
以上のとおり、本実施形態により、従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a group III nitride semiconductor light emitting device having improved reliability that can maintain the light emitting output as compared with the conventional one.
なお、図1には図示しないが、発光層40と、p型電子ブロック層60との間に、p型電子ブロック層60のAl組成比xよりもAl組成比の高いIII族窒化物半導体層からなるガイド層50を設けることも好ましい。ガイド層50は、Al組成比が0.96以上のAlGaNであることが好ましく、III族元素のAl組成比を1(100%)として形成したAlN層とすることが最も好ましい。ここで、ガイド層50の厚みを例えば0.5nm〜2.0nmとすることができる。また、ガイド層50は、i型(アンドープ)であることが好ましいが、Mgなどのp型ドーパントやSiなどのn型ドーパントを添加しても構わない。ガイド層50を設けることで、発光層40への正孔の注入を促進することができる。
Although not shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor layer has a higher Al composition ratio than the Al composition ratio x of the p-type
以下に、本実施形態における好適な態様を、図2に示したいわゆる「横型」構造のIII族窒化物半導体発光素子200を用いて例示的に説明する。図2に示すIII族窒化物半導体発光素子200は、基板10と、該基板10上のバッファ層20と、該バッファ層20上のn型半導体層30とを有し、該n型半導体層30に前述のIII族窒化物半導体発光素子100が設けられている。図2では、発光層40と、p型電子ブロック層60との間は、ガイド層50が設けられている。また、図2に示すIII族窒化物半導体発光素子200では、発光層40、ガイド層50、p型電子ブロック層60およびp型コンタクト層70の一部がエッチング等により除去され、露出したn型半導体層30上にn側電極90が設けられている。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present embodiment will be exemplified by using the group III nitride semiconductor
基板10として、例えばサファイア基板を用いることができる。基板10の表面にAlGaNからなるバッファ層20を設けることも好ましく、バッファ層20をAlN層とすることも好ましい。また、サファイア基板の表面にエピタキシャル成長させたバッファ層20としてのAlN層が設けられたAlNテンプレート基板を用いてもよい。AlN単結晶基板またはAlGaN単結晶基板を用いることも可能である。サファイア基板を用いる場合、基板のオフ角の有無は任意であり、オフ角が設けられている場合の傾斜方向の結晶軸方位は、m軸方向またはa軸方向のいずれとしてもよい。例えば、サファイア基板の主面を、C面が0.5度のオフ角θで傾斜した面とすることができる。もちろん、本実施形態に適用可能なサファイア基板の主面はC面に限られることはなく、R面、A面、M面など他の面を適用することも可能である。サファイア基板の厚みとしては、300〜1000μmから適宜選択することができる。例えば、厚みを430μmとすることができる。AlNテンプレート基板を用いる場合、サファイア基板表面のAlN層の結晶性が優れていることが好ましい。また、AlNテンプレート基板の表面に、アンドープのAlGaN層が設けられていることも好ましい。なお、サファイア基板の裏面状態としては、片面研磨基板および両面研磨基板のいずれも用いることができる。また、サファイア基板の裏面に、光取り出し効率を向上させるための、フォトニック結晶形成や粗面化処理を行ったものを用いることもできる。フォトニック結晶形成および粗面化処理は、必ずしも、AlNテンプレート基板を形成する前に行う必要はなく、AlNテンプレート基板の形成後、発光素子層の形成後、チップ化後の各工程において適宜行うことができる。またフォトニック結晶形成および粗面化処理は、薬液を用いたウェットエッチング法、またはガスを用いたドライエッチング法を適用することができ、ウェットエッチング法およびドライエッチング法を併用することも可能である。
As the
n型半導体層30はバッファ層20上に設けられ、n型半導体層30は、例えばAlGaNからなるn型層とすることができ、一般的なn型半導体層を用いることができる。n型半導体層30には、n型のドーパントがドープされ、n型ドーパントとしては、Si,Ge,Sn,S,O,Ti,Zr等を例示することができる。ドーパント濃度は、n型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば1.0×1018atoms/cm3〜1.0×1020atoms/cm3とすることができる。また、n型半導体層30のAl組成比は、特に制限はなく、一般的な範囲とすることができる。n型半導体層30を単層または複数層から構成することもできる。
The n-
また、n型半導体層30の露出面上に設けられるn側電極90は、例えばTi含有膜およびこのTi含有膜上に形成されたAl含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。
Further, the n-
上述の横型構造のIII族窒化物半導体発光素子200は、本実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子100の具体的な一態様に過ぎず、種々の変形が可能である。例えば、III族窒化物半導体発光素子100を縦型構造のIII族窒化物半導体発光素子に適用可能であることは勿論である。
The group III nitride semiconductor
(第2実施形態:III族窒化物半導体発光素子の製造方法)
図3に示すように、本発明の第2実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子200′の製造方法は、発光層40を形成する発光層形成工程(図3(F))と、発光層40上に、p型電子ブロック層60を形成する電子ブロック層形成工程(図3(H))と、p型電子ブロック層60上に、p型コンタクト層70を形成するp型コンタクト層形成工程(図3(J))と、を含む。p型電子ブロック層60は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、p型コンタクト層70は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなる。
(Second Embodiment: Method for manufacturing group III nitride semiconductor light emitting device)
As shown in FIG. 3, the method for manufacturing the group III nitride semiconductor light emitting device 200'according to the second embodiment of the present invention includes a light emitting layer forming step (FIG. 3 (F)) for forming the
ここで、本実施形態では、p型コンタクト層形成工程において、p型電子ブロック層60の直上に、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層71を形成する第1p型コンタクト層形成工程(図3(I))と、第1p型コンタクト層71上にMgドープした第2p型コンタクト層72を形成する第2p型コンタクト層形成工程(図3(J))とを有し、第1p型コンタクト層形成工程において、第1p型コンタクト層71のMg濃度を1×1019atoms/cm3以上とし、かつ、Si濃度を2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下とすることが特に特徴となる。以下、本実施形態の好適な実施形態に従うフローチャートを示す図3を用いて、具体的な態様と共に各工程の詳細を順次説明するが、前述の実施形態と重複する説明については省略する。
Here, in the present embodiment, in the p-type contact layer forming step, the first p-type contact layer forming step of forming the first p-
まず、基板10としてサファイア基板を用意することが好ましい。基板10の表面10AにAlN層を形成したAlNテンプレート基板を形成することが好ましく、市販のAlNテンプレート基板を用いてもよい(図3(A)および図3(B)を参照)。なお、バッファ層20は、例えば、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。
First, it is preferable to prepare a sapphire substrate as the
バッファ層20のAl源としては、トリメチルアルミニウム(TMA)を用いることができる。また、N源としては、アンモニア(NH3)ガスを用いることができる。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスを用いることにより、バッファ層20を形成することができる。
Trimethylaluminum (TMA) can be used as the Al source of the
なお、バッファ層20の成長温度としては、1270℃以上1350℃以下が好ましく、1290℃以上1330℃以下がより好ましい。この温度範囲であれば、続いて熱処理工程を行う場合にバッファ層20の結晶性を向上することができる。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば5Torr〜20Torrとすることができる。より好ましくは、8Torr〜15Torrである。
The growth temperature of the
また、NH3ガスなどのV族元素ガスと、TMAガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比(以降、V/III比と記載する)については、例えば130以上190以下とすることができる。より好ましくは140以上180以下である。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。 In addition, the molar ratio of Group V elements to Group III elements calculated based on the growth gas flow rate of Group V element gas such as NH 3 gas and Group III element gas such as TMA gas (hereinafter referred to as V / III ratio). For example, it can be 130 or more and 190 or less. More preferably, it is 140 or more and 180 or less. Since there is an optimum V / III ratio depending on the growth temperature and growth pressure, it is preferable to appropriately set the growth gas flow rate.
続いて、上述のようにして得られた、サファイアからなる基板10上のバッファ層20に対して、このバッファ層20の成長温度よりも高温で熱処理を施すことが好ましく、1500℃〜1700℃の温度での熱処理が好適である。この熱処理工程は、公知の熱処理炉を用いて行うことができる。かかる熱処理を行うことにより、AlNからなるバッファ層20の(10−12)面のX線ロッキングカーブの半値幅を400秒以下とし、高い結晶性を実現することができる(図3(C))。
Subsequently, the
その後、図3(D)に例示するように、バッファ層20上に、アンドープのAlGaN層20’を形成することも好ましい。Al源としてTMA、Ga源としてトリメチルガリウム(TMG)、N源としてNH3ガスを用いることで、AlGaNからなる層を形成することができ、以下に説明するn型半導体層、発光層、ガイド層、p型電子ブロック層およびp型半導体層の形成についても同様である。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いてチャンバ内に供給すればよく、一般的には水素ガスがキャリアガスとして用いられる。また、V/III比については、例えば100以上100000以下とすることができる。より好ましくは300以上30000以下である。成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましいのはバッファ層20を形成する場合と同様である。
After that, as illustrated in FIG. 3D, it is also preferable to form an undoped AlGaN layer 20'on the
次に、n型半導体層30を形成するn型半導体層形成工程を行うことができる(図3(E))。n型半導体層30は、バッファ層20上に形成することができ、アンドープのAlGaN層20’上に形成することが好ましい。n型ドーパントについては、Si源として例えばモノシラン(SiH4)ガスを用いることができる。
Next, an n-type semiconductor layer forming step of forming the n-
続いて、図3(F)に示すように、発光層40を形成する発光層形成工程を行う。発光層40をMQW構造とする場合には、Al源の流量とGa源の流量の比を適切に変更することにより、MQW構造を有する発光層40を形成することができる。発光層40をAlaGa1−aN(0<a≦1)で形成する場合、AlaGa1−aNの成長温度としては、1000℃以上1400℃以下が好ましく、1050℃以上1350℃以下がより好ましい。
Subsequently, as shown in FIG. 3 (F), a light emitting layer forming step of forming the
次いで、図3(G)に示すように、発光層40上にガイド層50を形成することが好ましい。例えば、トリメチルアルミニウムガス(TMAガス)およびアンモニアガス(NH3ガス)からなる原料ガスを用いてAlNからなるガイド層50をエピタキシャル成長させることができる。Ga等の他のIII族元素の混入を意図的に排除するため、原料ガスがトリメチルアルミニウムガス(TMAガス)およびアンモニアガス(NH3ガス)のみからなることが特に好ましい。キャリアガスとしては、水素または窒素のいずれかを主成分とするキャリアガスを用いることができる。また、成長温度を1000℃以上1400℃以下とすることが好ましく、1050℃以上1350℃以下とすることがより好ましい。成長時間を適宜選択することで、ガイド層50の厚みを調整することができる
Next, as shown in FIG. 3 (G), it is preferable to form the
なお、本明細書において、「窒素を主成分とするキャリアガス」とは、キャリアガス全体の体積に対する窒素ガスの体積の比が60%以上であるキャリアガスを意味している。「窒素を主成分とするキャリアガス」を用いる場合、体積比を85%以上とすることがより好ましく、窒素ガスをキャリアガスとして用いることが最も好ましい。なお、「窒素ガスをキャリアガスとして用いる」とは、体積比が実質的に100%の窒素ガスをキャリアガスとして用いることを意味するものの、体積比0.01%未満の不可避的な不純物ガスは含まれていてもよいものとする。また、「水素を主成分とするキャリアガス」とは、キャリアガス全体の体積に対する水素ガスの体積の比が60%以上であるキャリアガスを意味している。より好ましくは85%以上であり、水素ガスをキャリアガスとして用いることが最も好ましい。なお、「水素ガスをキャリアガスとして用いる」とは、体積比が実質的に100%の水素ガスをキャリアガスとして用いることを意味するものの、体積比0.01%未満の不可避的な不純物ガスは含まれていてもよいものとする。これらの体積比のキャリアガスを用いるには、半導体製造用として市販される純度を有するガスを単独で、又は混合して適宜用いればよい。なお、ここでのキャリアガスの体積比は、チャンバ内に供給されウェーハ近傍の空間を通るガスを対象としており、ヒーターやチャンバ内壁のパージを主目的としてウェーハ近傍の空間を通らずに排気されるガスは含めない。つまり、ヒーターやチャンバ内壁に水素を大流量流して排気していても、ウェーハ近傍には実質的に窒素を流している場合には、窒素を主成分とするキャリアガスとなる。水素を主成分とするキャリアガスについても同様である。 In the present specification, the “carrier gas containing nitrogen as a main component” means a carrier gas in which the ratio of the volume of nitrogen gas to the volume of the entire carrier gas is 60% or more. When a "carrier gas containing nitrogen as a main component" is used, the volume ratio is more preferably 85% or more, and it is most preferable to use nitrogen gas as the carrier gas. Although "using nitrogen gas as a carrier gas" means using nitrogen gas having a volume ratio of substantially 100% as a carrier gas, unavoidable impurity gas having a volume ratio of less than 0.01% is used. It may be included. Further, the “carrier gas containing hydrogen as a main component” means a carrier gas in which the ratio of the volume of hydrogen gas to the volume of the entire carrier gas is 60% or more. More preferably, it is 85% or more, and it is most preferable to use hydrogen gas as a carrier gas. Although "using hydrogen gas as a carrier gas" means using hydrogen gas having a volume ratio of substantially 100% as a carrier gas, unavoidable impurity gas having a volume ratio of less than 0.01% is used. It may be included. In order to use the carrier gas having these volume ratios, a gas having a purity commercially available for semiconductor production may be used alone or in combination as appropriate. The volume ratio of the carrier gas here is intended for the gas supplied into the chamber and passing through the space near the chamber, and is exhausted without passing through the space near the wafer mainly for the purpose of purging the heater and the inner wall of the chamber. Does not include gas. That is, even if hydrogen is flowed through the heater or the inner wall of the chamber in a large flow rate and exhausted, if nitrogen is substantially flowing in the vicinity of the wafer, it becomes a carrier gas containing nitrogen as a main component. The same applies to the carrier gas containing hydrogen as a main component.
次に、図3(H)に示すように、p型電子ブロック層60を形成する電子ブロック層形成工程を行う。p型電子ブロック層60をAlxGa1−XN(b<x≦1)で形成する場合、キャリアガスとして水素を主成分とするガスを用いることができ、水素ガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。原料ガスは既述のとおりTMA、TMGおよびNH3ガスであり、さらにドーパント源のガスとして、Mg源のCP2MgおよびZn源としてのZnCl2を適宜選択して用いることができる。
Next, as shown in FIG. 3H, an electron block layer forming step for forming the p-type
p型電子ブロック層60の成長温度としては、1000℃以上1400℃以下が好ましく、1050℃以上1350℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば10Torr〜760Torrとすることができる。より好ましくは、20Torr〜380Torrである。
The growth temperature of the p-type
次に、図3(I)に示すように、p型電子ブロック層60の直上に第1p型コンタクト層71を形成し、その後、図3(J)に示すように第1p型コンタクト層71上に第2p型コンタクト層72を形成して、p型コンタクト層70を形成する。本実施形態において、p型コンタクト層70をp型とするためのドーパントとしては、第1p型コンタクト層71および第2p型コンタクト層72の双方の形成においてMgを用いることとする。そして、第1p型コンタクト層71の形成時には、Mg源に加えてSi源を用いて、MgおよびSiをコドープする。コドープにあたり、Si源としてモノシラン(SiH4)などを、Mg源としてシクロペンタジニエルマグネシウム(CP2Mg)などの混合ガスをチャンバに供給すればよい。また、第1p型コンタクト層71の形成が終わった後、第2p型コンタクト層72の形成を始めるにあたり、Si源の供給を停止する。
Next, as shown in FIG. 3 (I), the first p-
p型コンタクト層70の成長温度としては、800℃以上1400℃以下が好ましく、900℃以上1300℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば10Torr〜760Torrとすることができる。より好ましくは、20Torr〜600Torrである。キャリアガスとしては、水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いることができる。
The growth temperature of the p-
ここで、第1p型コンタクト層形成工程において、窒素を主成分とするキャリアガスを供給することが好ましく、窒素ガスをキャリアガスとして用いることがより好ましい。すなわち、本実施形態は、水素を主成分とするキャリアガスを供給するp型電子ブロック層形成工程の後、キャリアガスの主成分を水素から窒素に変更する工程を有し、その後に窒素を主成分とするキャリアガスを供給する第1p型コンタクト層形成工程を行うことが好ましい。MgとSiとを共に高い濃度でドーピングする第1p型コンタクト層71を形成するにあたり、窒素を主成分とするキャリアガスを用いることで、Mgを活性化させてp型層としての機能を維持させると共に、高濃度のSiドーピングによるMgの移動抑制効果を発揮させることができる。また、第2p型コンタクト層形成工程を行うにあたり、窒素を主成分とするキャリアガスから、水素を主成分とするキャリアガスにキャリアガスの供給を切り替えて、水素を主成分とするキャリアガスを用いて第2p型コンタクト層72を形成することができる。また、第1p型コンタクト層形成工程で用いたSi源のドーパントガスの供給を止めた後、初めに窒素を主成分とするキャリアガスを供給して第2p型コンタクト層72の一部を成長させ、次いで窒素を主成分とするキャリアガスから、水素を主成分とするキャリアガスに供給を切り替えて第2p型コンタクト層72の残りを成長させることが好ましい。こうすることで、作製されるIII族窒化物半導体発光素子200′の信頼性をより確実に高めることができる。なお、第2p型コンタクト層72の成長途中にキャリアガスを切り替える場合、第2p型コンタクト層72の成長を一旦停止することが好ましい。
Here, in the first p-type contact layer forming step, it is preferable to supply a carrier gas containing nitrogen as a main component, and it is more preferable to use nitrogen gas as a carrier gas. That is, the present embodiment includes a step of forming a p-type electron block layer for supplying a carrier gas containing hydrogen as a main component, followed by a step of changing the main component of the carrier gas from hydrogen to nitrogen, and then mainly nitrogen. It is preferable to carry out the first p-type contact layer forming step of supplying the carrier gas as a component. In forming the first p-
このようなキャリアガスの供給を切り替える手法の一例を説明する。まず、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて第2p型コンタクト層72の成長を開始する。次いで、有機金属ガス(III族元素ガスおよびドーパント源ガス)を一旦チャンバ内からベントに切り替えた上で、チャンバ内に流れるキャリアガスを窒素から水素に切り替えた後、有機金属ガスをチャンバ内に再び供給して、第2p型コンタクト層72を成長させる。ベントへ切り替えずにキャリアガスを切り替えた場合は、ガスの流れが急変するため異常な成長を起こす恐れがある。なお、V族元素ガスはチャンバ内へ流したままとすることが好ましい。
An example of such a method of switching the supply of the carrier gas will be described. First, the growth of the second p-
最後に、図3(K)に示すように、発光層40、ガイド層50、p型電子ブロック層60およびp型コンタクト層70の一部をエッチング等により除去し、露出したn型半導体層30上にn側電極90を、第2p型コンタクト層72表面にp側電極80をそれぞれ形成することができる。こうして、本発明の好適な実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子200′を作製することができる。p型およびn型のコンタクト層に直接接触する電極については、p側についてはNiおよびRhなどを、n側については、TiおよびMoなどを例示することができる。なお、n側電極90をp側電極80の後に形成しても良いし、n側電極90をp側電極80の前に形成しても良い。さらに、p側電極80およびn側電極90の電極構造の一部を同時に形成してもよい。
Finally, as shown in FIG. 3 (K), a part of the
また、本実施形態では、第1実施形態と同様の理由で、第1p型コンタクト層形成工程において、第1p型コンタクト層71の厚みを1nm以上30nm以下とし、第2p型コンタクト層形成工程において、第2p型コンタクト層72の厚みを30nm以上とすることが好ましい。この場合、第1p型コンタクト層の厚みを5nm以上15nm以下とすることがより好ましい。また、第1p型コンタクト層形成工程において、第1p型コンタクト層71のMg濃度をSi濃度よりも高くすることが好ましい。
Further, in the present embodiment, for the same reason as in the first embodiment, the thickness of the first p-
なお、前述のn側電極90を形成するに先立ち、n型半導体層30とn側電極90とのコンタクト抵抗を改善するために、露出したn型半導体層30上のn側電極90を形成する予定の範囲に、n型GaN層をエピタキシャル成長させて、部分的なn型GaN層をさらに形成してもよい。具体的には、n側電極90を形成する部分以外には、マスクとしてのSiO2膜を、MOCVD法を用いて形成することが好ましい。追加するn型GaN層の厚みは、例えば50nm程度とすることができ、TMG、アンモニアおよびSiH4ガスの混合ガスをチャンバに供給して、SiをドープしたGaN層を形成することができる。当該n型GaN層を形成した後、マスクとするSiO2膜は、下記の保護膜としては使用せずに、一度剥離することが好ましい。
Prior to forming the n-
III族窒化物半導体発光素子の露出面での、電流を通電する部分以外には、SiO2もしくはSiNxからなる保護膜、またはSiO2およびSiNxの積層構造からなる保護膜を、50〜500nmの厚さでプラズマCVD法により形成することが好ましい。また、この保護膜上に反射膜を形成して、光取り出し効率を向上することも可能である。このような反射膜としては、深紫外域での反射率の大きいRh、Ag、Alなどの金属または合金からなる反射膜が例示される。 On the exposed surface of the group III nitride semiconductor light emitting device, a protective film made of SiO 2 or SiN x or a protective film made of a laminated structure of SiO 2 and SiN x is provided at 50 to 500 nm, except for the portion where a current is applied. It is preferable to form the film with a thickness of 3 by the plasma CVD method. It is also possible to form a reflective film on this protective film to improve the light extraction efficiency. Examples of such a reflective film include a reflective film made of a metal or alloy such as Rh, Ag, and Al, which has a high reflectance in the deep ultraviolet region.
また、以下の方法により、前述のIII族窒化物半導体発光素子の各エピタキシャル層を作製した基板をチップに個片化し、さらに該チップから発光デバイスを作製することができる。なお、チップのサイズは1辺が200μmから2000μmまで、用途に応じて適宜設定することが可能であり、例えばチップのサイズは1000μmの正方形状とすることができる。高出力が必要とされる場合、電流密度を下げるため、チップサイズを大きくすることが一般的である。チップ形状は正方形に限られず、長方形、ひし形、平行四辺形、三角形など、種々の形状に設定することができる。個片化の際の切断方向は、サファイアのm面およびa面とするのが通常であるが、切断によるダメージを極小化するために、当該面より傾いた方向を用いてもよい。m面およびa面から傾ける角度としては、15°、10°、7.5°、5°が例示される。 Further, by the following method, the substrate on which each epitaxial layer of the above-mentioned group III nitride semiconductor light emitting device is manufactured can be fragmented into a chip, and a light emitting device can be further manufactured from the chip. The size of the chip can be appropriately set from 200 μm to 2000 μm on a side depending on the application. For example, the size of the chip can be a square shape of 1000 μm. When high output is required, it is common to increase the chip size in order to reduce the current density. The chip shape is not limited to a square, and can be set to various shapes such as a rectangle, a rhombus, a parallelogram, and a triangle. The cutting direction at the time of individualization is usually the m-plane and the a-plane of sapphire, but in order to minimize the damage caused by cutting, a direction inclined from the plane may be used. Examples of the angles tilted from the m-plane and the a-plane are 15 °, 10 °, 7.5 °, and 5 °.
また、チップへの切断にあたり、ステルスダイシング技術を用いることが好ましい。焦光点の深さ位置を調整するためのレーザー照射の段数は、例えば4段とすることができ、このレーザー照射の段数は切断する厚さに応じて適宜調整することができる。レーザーの入射方向は、エピタキシャル成長させていない面側(以下、「サファイア面側」という。)から、もしくはエピタキシャル成長させた面側から、または、エピタキシャル成長させた面側およびサファイア面側の両方側からの、いずれの方向を併用してもよい。光取り出し効率を向上するための粗面化加工がサファイア面側に施されている場合は、エピタキシャル成長させた面側からレーザーを入射することが好適である。 Further, it is preferable to use a stealth dicing technique for cutting into chips. The number of laser irradiation steps for adjusting the depth position of the focal point can be, for example, four, and the number of laser irradiation steps can be appropriately adjusted according to the cutting thickness. The incident direction of the laser is from the non-epitaxially grown surface side (hereinafter referred to as "sapphire surface side"), from the epitaxially grown surface side, or from both the epitaxially grown surface side and the sapphire surface side. Either direction may be used together. When the sapphire surface side is roughened to improve the light extraction efficiency, it is preferable to inject the laser from the epitaxially grown surface side.
チップ厚みは、ステルスダイシング技術によりサファイア基板をフルカット(サファイア基板を研削および研磨することなく厚みを維持)することにより、基板厚みと各半導体層の厚みの合計とすることができる。もちろん、サファイア基板の研削および研磨を行うことにより、個片化前に、基板厚みを薄くするよう調整してもよい。サファイア基板の厚みとしては、100μm、200μm、300μmが例示される。基板厚みを薄く調整するのとは反対に、光取り出し効率を向上させるために、通常用いられるサファイア基板の厚み430μmに比べて、使用するサファイア基板の厚みがより大きなサファイア基板を用いるともでき、このような場合のサファイア基板の厚みとしては、600μm、800μm、1000μmが例示される。サファイア基板厚みが200μm以下と薄い場合は、ダイアモンドスクライブ技術での個片化も可能である。 The chip thickness can be the sum of the substrate thickness and the thickness of each semiconductor layer by fully cutting the sapphire substrate (maintaining the thickness without grinding and polishing the sapphire substrate) by the stealth dicing technique. Of course, by grinding and polishing the sapphire substrate, the thickness of the substrate may be adjusted to be thin before individualization. Examples of the thickness of the sapphire substrate include 100 μm, 200 μm, and 300 μm. Contrary to adjusting the thickness of the substrate to be thin, in order to improve the light extraction efficiency, it is possible to use a sapphire substrate having a thickness larger than that of the normally used sapphire substrate of 430 μm. Examples of the thickness of the sapphire substrate in such a case are 600 μm, 800 μm, and 1000 μm. When the thickness of the sapphire substrate is as thin as 200 μm or less, it can be separated into individual pieces by the diamond scribe technique.
また、チップ化されたデバイスをパッケージ実装することができる。チップサイズにも依るが、例えば1辺が1000μmの正方形のチップを、3.5mmの正方形サイズのセラミックパッケージにAuバンプを用いてフリップチップ実装することができる。Auバンプに替えて、Au−Snの共晶ハンダをバンプに用いることもできる。セラミックパッケージのセラミック材料は放熱性を考慮して適宜選択され、AlN、アルミナ、SiN、Al、Cuなどが例示される。パッケージ壁面での光吸収を抑制するため、金属反射膜を形成することも可能である。この金属反射膜の反射膜材料は、発光素子の発光波長に対する反射率を考慮に入れて適宜選択される。セラミックパッケージ以外でも、サブマウントまたはプリント回路基板(PCB)上へチップ化されたデバイスを実装することが可能である。なお、ESD耐性を確保するため、ツェナーダイオードを並列接続して実装してもよい。 In addition, chipped devices can be packaged. Depending on the chip size, for example, a square chip having a side of 1000 μm can be flip-chip mounted on a 3.5 mm square size ceramic package using Au bumps. Instead of Au bumps, Au-Sn eutectic solder can also be used for the bumps. The ceramic material of the ceramic package is appropriately selected in consideration of heat dissipation, and examples thereof include AlN, alumina, SiN, Al, and Cu. It is also possible to form a metal reflective film in order to suppress light absorption on the package wall surface. The reflective film material of the metal reflective film is appropriately selected in consideration of the reflectance with respect to the emission wavelength of the light emitting element. Other than ceramic packages, chipped devices can be mounted on submounts or printed circuit boards (PCBs). In addition, in order to secure ESD resistance, Zener diodes may be connected in parallel and mounted.
パッケージの光取り出し部には、深紫外域に対して透明な石英を窓材として用いることができる。窓材に用いることのできるその他の材料として、水晶、サファイア、CaF2などが例示され、発光波長域に対する透過率により各種ガラスを選択することができる。また、紫外光の透過率を向上するために、窓材の表面にAR(Anti Reflection)コート膜や、フォトニック結晶を形成することも可能である。パッケージと窓材の接着は、Au−Sn等の金属系のはんだ材や、樹脂系の接着剤を用いることができる。 Quartz, which is transparent to the deep ultraviolet region, can be used as a window material for the light extraction portion of the package. Quartz, sapphire, CaF 2, and the like are exemplified as other materials that can be used for the window material, and various types of glass can be selected depending on the transmittance with respect to the emission wavelength range. Further, in order to improve the transmittance of ultraviolet light, it is also possible to form an AR (Anti Reflection) coated film or a photonic crystal on the surface of the window material. A metal-based solder material such as Au-Sn or a resin-based adhesive can be used to bond the package and the window material.
[実験例1]
(発明例1)
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図3に示したフローチャートに従って、III族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板(直径2インチ、厚さ:430μm、面方位:(0001)、m軸方向オフ角θ:0.5度、テラス幅:100nm、ステップ高さ:0.20nm)を用意した(図3(A))。次いで、MOCVD法により、上記サファイア基板上に中心膜厚0.60μm(平均膜厚0.61μm)のAlN層を成長させ、AlNテンプレート基板とした(図3(B))。その際、AlN層の成長温度は1300℃、チャンバ内の成長圧力は10Torrであり、V/III比が163となるようにアンモニアガスとTMAガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス(NH3)の流量は200sccm、III族元素ガス(TMA)の流量は53sccmである。なお、AlN層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機(ナノスペックM6100A;ナノメトリックス社製)を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計25箇所の膜厚を測定した。
[Experimental Example 1]
(Invention Example 1)
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. A group III nitride semiconductor light emitting device was manufactured according to the flowchart shown in FIG. First, a sapphire substrate (
次いで、上記AlNテンプレート基板を熱処理炉に導入し、10Paまで減圧後に窒素ガスを常圧までパージすることにより炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してAlNテンプレート基板に対して熱処理を施した(図3(C))。その際、加熱温度は1650℃、加熱時間は4時間とした。 Next, the above AlN template substrate is introduced into a heat treatment furnace, and after reducing the pressure to 10 Pa, nitrogen gas is purged to normal pressure to create a nitrogen gas atmosphere in the furnace, and then the temperature inside the furnace is raised to form an AlN template substrate. It was heat-treated (FIG. 3 (C)). At that time, the heating temperature was 1650 ° C. and the heating time was 4 hours.
続いて、MOCVD法により、アンドープのAlGaN層として、Al0.7Ga0.3Nからなる厚み1μmのアンドープAl0.7Ga0.3N層を形成した(図3(D))。次に、n型半導体層として、Al0.65Ga0.35Nからなり、Siドープした厚み2μmのn型Al0.65Ga0.35N層を上記AlGaN層上に形成した(図3(E))。なお、SIMS分析の結果、n型半導体層のSi濃度は1.0×1019atoms/cm3である。 Subsequently, by MOCVD, as AlGaN layer undoped, formed an undoped Al 0.7 Ga 0.3 N layer having a thickness of 1μm consisting Al 0.7 Ga 0.3 N (FIG. 3 (D)). Next, as the n-type semiconductor layer, Al0 . An n-type Al 0.65 Ga 0.35 N layer composed of 65 Ga 0.35 N and having a thickness of 2 μm and Si-doped was formed on the AlGaN layer (FIG. 3 (E)). As a result of SIMS analysis, the Si concentration of the n-type semiconductor layer is 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 .
続いて、n型半導体層上に、Al0.45Ga0.55Nからなる厚み3nmの井戸層およびAl0.65Ga0.35Nからなる厚み7nmの障壁層を交互に3.5組繰り返して積層した発光層を形成した(図3(F))。3.5組の0.5は、発光層の最初と最後を障壁層としたことを表す。 Subsequently, 3.5 sets of well layers having a thickness of 3 nm made of Al 0.45 Ga 0.55 N and barrier layers having a thickness of 7 nm made of Al 0.65 Ga 0.35 N are alternately formed on the n-type semiconductor layer. A light emitting layer laminated repeatedly was formed (FIG. 3 (F)). 3.5 sets of 0.5 represent that the beginning and the end of the light emitting layer are barrier layers.
その後、発光層上に、厚さ1nmのi型AlNガイド層を形成した(図3(G))。次いで、水素ガスをキャリアガスとして、Al0.68Ga0.32Nからなる厚さ40nmのp型電子ブロック層を形成した(図3(H))。p型電子ブロック層の形成にあたり、Mg源としてCP2Mgガスをチャンバに供給してMgをドープした。なお、SIMS分析の結果、p型電子ブロック層のMg濃度は5.0×1018atoms/cm3であった。 Then, an i-type AlN guide layer having a thickness of 1 nm was formed on the light emitting layer (FIG. 3 (G)). Next, using hydrogen gas as a carrier gas, a p-type electron block layer having a thickness of 40 nm made of Al 0.68 Ga 0.32 N was formed (FIG. 3 (H)). In forming the p-type electron block layer, CP 2 Mg gas was supplied to the chamber as an Mg source to dope the Mg. As a result of SIMS analysis, the Mg concentration of the p-type electron block layer was 5.0 × 10 18 atoms / cm 3 .
続いて、合計厚み180nmの、GaNからなるp型コンタクト層を形成した(図3(I),図3(J))。p型コンタクト層の形成にあたり、まず、初めの30nm(p型電子ブロック層表面の位置を0nmとすると、厚み範囲0〜30nm)を形成する際には、CP2MgガスおよびSiH4ガスの混合ガスをチャンバに供給して、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層を形成した。その後、SiH4ガスの供給を停止して、残りの150nm(厚み範囲30〜180nm)に相当する第2p型コンタクト層の形成を続けた。ここで、p型コンタクト層の形成時のキャリアガスに関し、初めにキャリアガスとして窒素ガスを用いて、前述の厚み30nm(厚み範囲0〜30nm)部分の第1p型コンタクト層を成長し、第1p型コンタクト層成長後、キャリアガスを水素ガスに切り替え、前述の残りの厚み150nm(厚み範囲30〜180nm)部分の第2p型コンタクト層を成長した。なお、第2p型コンタクト層における、最後の厚さ30nm(後にp側電極に接することとなる部分であり、厚み範囲150〜180nm)を形成する段階では、TMGガスの流量を減らしてMgの存在確率を上げ、かつ、成長速度を落とすことにより高Mg濃度の層とした。SIMS分析の結果、p型電子ブロック層側の厚さ150nm部分(第1p型コンタクト層を含む、厚み範囲0〜150nm)のp型コンタクト層のMg濃度は3.0×1019atoms/cm3であり、高Mg濃度とした残り30nm部分(厚み範囲150〜180nm)のMg濃度は1.2×1020atom/cm3であった。また、第1p型コンタクト層に相当する厚み範囲0〜30nmのSi濃度は2.0×1019atoms/cm3であった。
Subsequently, a p-type contact layer made of GaN having a total thickness of 180 nm was formed (FIGS. 3 (I) and 3 (J)). In forming the p-type contact layer, first, when forming the first 30 nm (
その後、p型コンタクト層の上にマスクを形成してドライエッチングによるメサエッチングを行い、n型半導体層を露出させた。次いで、p型コンタクト層上に、Ni/Auからなるp側電極を形成し、露出したn型半導体層上には、Ti/Alからなるn側電極を形成した。なお、p側電極のうち、Niの厚みは50Åであり、Auの厚みは1500Åである。また、n側電極のうち、Tiの厚みは200Åであり、Alの厚みは1500Åである。最後に550℃でコンタクトアニール(RTA)を行って、両電極を形成した(図3(K))。こうして発明例1に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。発明例1の層構造を表1に示す。なお、III族窒化物半導体発光素子の露出面において、電流を通電する部分以外には、SiO2保護膜を200nm厚プラズマCVD法により形成している。チップのサイズは1辺1000μmの正方形状とした。切断方向は、サファイアm面およびa面であり、ステルスダイシング技術を用いて切断し、サファイア基板の厚みを430μm(フルカット)とした。ステルスダイシングにおけるレーザーの入射方向はサファイア面側からとし、レーザー照射の段数は4段とした。 Then, a mask was formed on the p-type contact layer and mesa etching was performed by dry etching to expose the n-type semiconductor layer. Next, a p-side electrode made of Ni / Au was formed on the p-type contact layer, and an n-side electrode made of Ti / Al was formed on the exposed n-type semiconductor layer. Of the p-side electrodes, the thickness of Ni is 50 Å and the thickness of Au is 1500 Å. Further, among the n-side electrodes, the thickness of Ti is 200 Å and the thickness of Al is 1500 Å. Finally, contact annealing (RTA) was performed at 550 ° C. to form both electrodes (FIG. 3 (K)). In this way, the group III nitride semiconductor light emitting device according to Invention Example 1 was produced. The layer structure of Invention Example 1 is shown in Table 1. On the exposed surface of the group III nitride semiconductor light emitting device, a SiO 2 protective film is formed by a 200 nm thick plasma CVD method except for a portion where a current is applied. The size of the chip was a square shape with a side of 1000 μm. The cutting directions were sapphire m-plane and a-plane, and the sapphire substrate was cut using a stealth dicing technique to make the thickness of the sapphire substrate 430 μm (full cut). The incident direction of the laser in stealth dicing was from the sapphire surface side, and the number of laser irradiation stages was four.
(発明例2)
発明例1における第1p型コンタクト層の厚み30nmを、15nmに変え、第1p型コンタクト層成長後、SiH4ガスの供給を停止し、キャリアガスを窒素ガスの状態のまま、第2p型コンタクト層を15nm(すなわち、厚み範囲15〜30nm)成長させた後、一旦成長を停止してキャリアガスを窒素ガスから水素ガスに切り替え、残りの第2p型コンタクト層を成長した以外は、発明例1と同様にして、発明例2に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
(Invention Example 2)
The first 1p-type contact layer thickness 30nm of the invention Example 1, changed to 15 nm, after the 1p-type contact layer growth, to stop the supply of the SiH 4 gas, while the carrier gas in the state of nitrogen gas, the 2p-type contact layer After growing 15 nm (that is, a thickness range of 15 to 30 nm), the growth was temporarily stopped, the carrier gas was switched from nitrogen gas to hydrogen gas, and the remaining second p-type contact layer was grown. Similarly, a group III nitride semiconductor light emitting element according to Invention Example 2 was produced.
(発明例3)
発明例1における第1p型コンタクト層の厚み30nmを、5nmに変え、第1p型コンタクト層成長後、SiH4ガスの供給を停止し、キャリアガスを窒素ガスの状態のまま、第2p型コンタクト層を25nm(すなわち、厚み範囲5〜30nm)成長させた後、一旦成長を停止してキャリアガスを窒素ガスから水素ガスに切り替え、残りの第2p型コンタクト層を成長し、さらに、発明例1における第1p型コンタクト層のSi濃度2.0×1019atoms/cm3を1.0×1019atoms/cm3に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
(Invention Example 3)
The thickness of the first p-type contact layer in Invention Example 1 was changed to 5 nm, and after the growth of the first p-type contact layer, the supply of SiH 4 gas was stopped, and the carrier gas remained in the state of nitrogen gas, and the second p-type contact layer was used. After growing 25 nm (that is, a thickness range of 5 to 30 nm), the growth was temporarily stopped, the carrier gas was switched from nitrogen gas to hydrogen gas, and the remaining second p-type contact layer was grown, and further, in Invention Example 1. Group III according to Invention Example 3 in the same manner as in Invention Example 1 except that the Si concentration of the first p-type contact layer was changed from 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 to 1.0 × 10 19 atoms / cm 3. A nitride semiconductor light emitting element was manufactured.
(発明例4)
発明例1における第1p型コンタクト層のSi濃度2.0×1019atoms/cm3を2.0×1018atoms/cm3に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例4に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
(Invention Example 4)
Invention Example 4 is the same as Invention Example 1 except that the Si concentration of the first p-type contact layer in Invention Example 1 is changed from 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 to 2.0 × 10 18 atoms / cm 3. A group III nitride semiconductor light emitting device according to the above was manufactured.
(比較例1)
発明例1において、p型コンタクト層の形成の際にSiをドープせず、Mgドープのみとした以外は、発明例1と同様にして、比較例1に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。すなわち、比較例1における第1p型コンタクト層の厚みは0nm(MgおよびSiをコドープする領域は形成せず)であり、第2p型コンタクト層の厚みは180nmである。また、厚み範囲0〜30nmではキャリアガスとして窒素ガスを用い、厚み範囲30〜180nmでは、キャリアガスとして水素ガスを用いた。
(Comparative Example 1)
In Invention Example 1, a group III nitride semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Invention Example 1 except that Si was not doped and only Mg was doped when forming the p-type contact layer. did. That is, the thickness of the first p-type contact layer in Comparative Example 1 is 0 nm (the region where Mg and Si are co-doped is not formed), and the thickness of the second p-type contact layer is 180 nm. Further, in the thickness range of 0 to 30 nm, nitrogen gas was used as the carrier gas, and in the thickness range of 30 to 180 nm, hydrogen gas was used as the carrier gas.
(比較例2)
発明例1における第1p型コンタクト層のSi濃度2.0×1019atoms/cm3を4.0×1018atoms/cm3に変えた以外は、発明例1と同様にして、比較例2に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 in the same manner as in Invention Example 1 except that the Si concentration of the first p-type contact layer in Invention Example 1 was changed from 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 to 4.0 × 10 18 atoms / cm 3. A group III nitride semiconductor light emitting device according to the above was manufactured.
(比較例3)
発明例1における第1p型コンタクト層のSi濃度2.0×1019atoms/cm3を8.0×1018atoms/cm3に変えた以外は、発明例1と同様にして、比較例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
(Comparative Example 3)
Except for changing the first 1p type Si concentration of the contact layer 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 in Invention Example 1 to 8.0 × 10 18 atoms / cm 3, in the same manner as Inventive Example 1, Comparative Example 3 A group III nitride semiconductor light emitting device according to the above was manufactured.
以上の発明例1〜4および比較例1〜3の、p型コンタクト層の形成条件を以下の表2に示す。 The conditions for forming the p-type contact layer in the above Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 2 below.
<評価>
発明例1〜4および比較例1〜4から得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定し、それぞれ3個の試料の測定結果の平均値を求めた。発明例1〜3および比較例1について、結果を表3に示す。また、発明例1、4および比較例1〜3について、20mAの電流を流した場合の発光出力Poを図4に示す。なお、発明例4の発光出力Poは3.2mWであった。また、比較例2では、一部に発光しない試料があり、発光した試料であっても最大で1.7mWであった。さらに、比較例3では全ての試料が発光しなかった。なお、光ファイバ分光器によって発明例1〜4および比較例1〜4の発光中心波長を測定したところ、いずれも280〜290nmの範囲内であった。
<Evaluation>
The forward voltage Vf and the light emission output Po by the integrating sphere were measured when a current of 20 mA was passed through the semiconductor light emitting devices obtained from Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 using a constant current voltage power supply, and each of them was measured. The average value of the measurement results of the three samples was calculated. The results of Invention Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in Table 3. Further, with respect to Invention Examples 1 and 4 and Comparative Examples 1 to 3, the light emission output Po when a current of 20 mA is passed is shown in FIG. The emission output Po of Invention Example 4 was 3.2 mW. Further, in Comparative Example 2, there was a sample that did not emit light, and even the sample that emitted light had a maximum of 1.7 mW. Furthermore, in Comparative Example 3, all the samples did not emit light. When the emission center wavelengths of Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were measured by an optical fiber spectroscope, they were all within the range of 280 to 290 nm.
さらに、発明例1〜3および比較例1のそれぞれ3個の試料について、定電流電圧電源を用いて40mAの電流を流し、初期、250時間経過後、500時間経過後、および2000時間経過後の発光出力を積分球により測定し、平均値を求めた。結果を図5に示す。この結果から、発明例1〜3および比較例1のそれぞれの光度残存率(所定時間経過後の発光出力/初期の発光出力)をさらに求めた。結果を表3に示す。なお、発明例4の試料について、40mAの電流を流し、初期および250時間経過後の発光出力を測定し、光度残存率を算出したところ、比較例1に比べれば、大きな光度残存率が得られることが確認された。 Further, for each of the three samples of Invention Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a current of 40 mA was applied using a constant current voltage power supply, and the initial, 250 hours, 500 hours, and 2000 hours were followed. The emission output was measured with an integrating sphere, and the average value was calculated. The results are shown in FIG. From this result, the residual luminosity (emission output after a lapse of a predetermined time / initial emission output) of each of Invention Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was further determined. The results are shown in Table 3. When a current of 40 mA was passed through the sample of Invention Example 4, the emission output was measured at the initial stage and after 250 hours had passed, and the luminous intensity residual ratio was calculated, a larger luminous intensity residual ratio was obtained as compared with Comparative Example 1. It was confirmed that.
以上の評価結果から、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層を設けた発明例1〜4では、初期出力の低下を比較例1に比べても1割以内に抑制しつつ、光度残存率を向上させて、アレニウスプロットによる出力の保持時間を大幅に延長できることが確認できた。したがって、本発明条件を満足することで、従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子を作製できることが確認できた。特に、発明例2,3の結果から第1p型コンタクト層の厚みを5〜15nmとすることで、信頼性の向上に加え、順方向電圧を顕著に低減できることも確認された。なお、比較例2,3に示されるように、第1p型コンタクト層のSi濃度が高くなりすぎると、発光素子として機能しなくなることが確認された。 From the above evaluation results, in Invention Examples 1 to 4 provided with the first p-type contact layer co-doped with Mg and Si, the decrease in initial output was suppressed to within 10% as compared with Comparative Example 1, and the residual luminous intensity was suppressed. It was confirmed that the retention time of the output by the Arrhenius plot can be significantly extended by improving. Therefore, it was confirmed that by satisfying the conditions of the present invention, a group III nitride semiconductor light emitting device capable of maintaining the light emitting output as compared with the conventional one and having improved reliability can be manufactured. In particular, from the results of Invention Examples 2 and 3, it was confirmed that by setting the thickness of the first p-type contact layer to 5 to 15 nm, in addition to improving reliability, the forward voltage can be remarkably reduced. As shown in Comparative Examples 2 and 3, it was confirmed that if the Si concentration of the first p-type contact layer becomes too high, it does not function as a light emitting element.
本発明によれば、従来よりも発光出力を維持することのできる信頼性の向上したIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができるため、有用である。 According to the present invention, it is possible to provide a group III nitride semiconductor light emitting device having improved reliability capable of maintaining a light emitting output as compared with the conventional one, and a method for manufacturing the same, which is useful.
10 基板
10A 基板の主面
20 バッファ層
30 n型半導体層
40 発光層
41 井戸層
42 障壁層
50 ガイド層
60 p型電子ブロック層
70 p型コンタクト層
71 第1p型コンタクト層
72 第2p型コンタクト層
80 n側電極
90 p側電極
100 III族窒化物半導体発光素子
10
Claims (14)
前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、
前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、
前記p型コンタクト層は、前記p型電子ブロック層に接し、かつ、MgおよびSiでコドープされた第1p型コンタクト層と、前記p側電極に接し、かつ、Mgドープされた第2p型コンタクト層とを有し、
前記第1p型コンタクト層のMg濃度が1×1019atoms/cm3以上であり、かつ、Si濃度が2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下であり、
前記第1p型コンタクト層のAl組成比と、前記第2p型コンタクト層のAl組成比との差が0.1以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 A group III nitride semiconductor light emitting device including a light emitting layer, a p-type electron block layer, a p-type contact layer, and a p-side electrode in this order.
The p-type electron block layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of 0.5 or more.
The p-type contact layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4.
The p-type contact layer is a first p-type contact layer that is in contact with the p-type electron block layer and co-doped with Mg and Si, and a second p-type contact layer that is in contact with the p-side electrode and is Mg-doped. And have
The Mg concentration of the 1p-type contact layer is not less 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more and, Si concentration Ri is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more 3 × 10 19 atoms / cm 3 der below,
A group III nitride semiconductor light emitting device , wherein the difference between the Al composition ratio of the first p-type contact layer and the Al composition ratio of the second p-type contact layer is 0.1 or less.
前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、The p-type electron block layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of 0.5 or more.
前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、The p-type contact layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4.
前記p型コンタクト層は、前記p型電子ブロック層に接し、かつ、MgおよびSiでコドープされた第1p型コンタクト層と、前記p側電極に接し、かつ、Mgドープされた第2p型コンタクト層とを有し、The p-type contact layer is a first p-type contact layer that is in contact with the p-type electron block layer and co-doped with Mg and Si, and a second p-type contact layer that is in contact with the p-side electrode and is Mg-doped. And have
前記第1p型コンタクト層のMg濃度が1×10The Mg concentration of the first p-type contact layer is 1 × 10. 1919 atoms/cmatoms / cm 33 以上であり、かつ、Si濃度が2×10That is all, and the Si concentration is 2 × 10. 1818 atoms/cmatoms / cm 33 以上3×10Above 3x10 1919 atoms/cmatoms / cm 33 以下であり、Is below
前記p型電子ブロック層のドーパント濃度が1×10The dopant concentration of the p-type electron block layer is 1 × 10. 1818 以上5×10Above 5x10 2121 atoms/cmatoms / cm 33 以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。A group III nitride semiconductor light emitting device characterized by the following.
前記発光層上にp型電子ブロック層を形成するp型電子ブロック層形成工程と、
前記p型電子ブロック層上にp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
前記p型コンタクト層直上にp側電極を形成するp側電極形成工程とを含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、
前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、
前記p型コンタクト層形成は、前記p型電子ブロック層の直上に、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層を形成する第1p型コンタクト層形成工程と、該第1p型コンタクト層上にMgドープした第2p型コンタクト層を形成する第2p型コンタクト層形成工程とを有し、
前記第1p型コンタクト層形成工程において、前記第1p型コンタクト層のMg濃度を1×1019atoms/cm3以上とし、かつ、Si濃度を2×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下とし、
前記第1p型コンタクト層のAl組成比と、前記第2p型コンタクト層のAl組成比との差を0.1以下とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 The light emitting layer forming step of forming the light emitting layer and
A p-type electron block layer forming step of forming a p-type electron block layer on the light emitting layer,
A p-type contact layer forming step of forming a p-type contact layer on the p-type electron block layer, and a p-type contact layer forming step.
A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, which comprises a p-side electrode forming step of forming a p-side electrode directly above the p-type contact layer.
The p-type electron block layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of 0.5 or more.
The p-type contact layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4.
The p-type contact layer formation includes a first p-type contact layer forming step of forming a first p-type contact layer co-doped with Mg and Si directly above the p-type electron block layer, and Mg on the first p-type contact layer. It has a second p-type contact layer forming step of forming a doped second p-type contact layer.
In the first p-type contact layer forming step, the Mg concentration of the first p-type contact layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, and the Si concentration is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more 3 × 10 19 atoms. / cm 3 or less and then,
A method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device , wherein the difference between the Al composition ratio of the first p-type contact layer and the Al composition ratio of the second p-type contact layer is 0.1 or less.
前記発光層上にp型電子ブロック層を形成するp型電子ブロック層形成工程と、A p-type electron block layer forming step of forming a p-type electron block layer on the light emitting layer,
前記p型電子ブロック層上にp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、A p-type contact layer forming step of forming a p-type contact layer on the p-type electron block layer, and a p-type contact layer forming step.
前記p型コンタクト層直上にp側電極を形成するp側電極形成工程とを含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, which comprises a p-side electrode forming step of forming a p-side electrode directly above the p-type contact layer.
前記p型電子ブロック層は、Al組成比が0.5以上のp型III族窒化物半導体からなり、The p-type electron block layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of 0.5 or more.
前記p型コンタクト層は、Al組成比が0.4未満のp型III族窒化物半導体からなり、The p-type contact layer is made of a p-type III nitride semiconductor having an Al composition ratio of less than 0.4.
前記p型コンタクト層形成は、前記p型電子ブロック層の直上に、MgおよびSiでコドープした第1p型コンタクト層を形成する第1p型コンタクト層形成工程と、該第1p型コンタクト層上にMgドープした第2p型コンタクト層を形成する第2p型コンタクト層形成工程とを有し、The p-type contact layer formation includes a first p-type contact layer forming step of forming a first p-type contact layer co-doped with Mg and Si directly above the p-type electron block layer, and Mg on the first p-type contact layer. It has a second p-type contact layer forming step of forming a doped second p-type contact layer.
前記第1p型コンタクト層形成工程において、前記第1p型コンタクト層のMg濃度を1×10In the first p-type contact layer forming step, the Mg concentration of the first p-type contact layer is set to 1 × 10. 1919 atoms/cmatoms / cm 33 以上とし、かつ、Si濃度を2×10With the above, and the Si concentration is 2 × 10. 1818 atoms/cmatoms / cm 33 以上3×10Above 3x10 1919 atoms/cmatoms / cm 33 以下とし、As follows
前記p型電子ブロック層のドーパント濃度が1×10The dopant concentration of the p-type electron block layer is 1 × 10. 1818 以上5×10Above 5x10 2121 atoms/cmatoms / cm 33 以下とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, which comprises the following.
前記第2p型コンタクト層形成工程において、前記第2p型コンタクト層の厚みを30nm以上とする、請求項7又は8に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 In the first p-type contact layer forming step, the thickness of the first p-type contact layer is set to 1 nm or more and 30 nm or less.
The method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 7 or 8 , wherein in the second p-type contact layer forming step, the thickness of the second p-type contact layer is 30 nm or more.
前記第1p型コンタクト層形成工程において、窒素を主成分とするキャリアガスを供給する、請求項7〜11のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 In the p-type electron block layer forming step, a carrier gas containing hydrogen as a main component is supplied.
The method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 7 to 11 , wherein a carrier gas containing nitrogen as a main component is supplied in the first p-type contact layer forming step.
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