JP7008292B2 - Nitride semiconductor light emitting device and its manufacturing method - Google Patents

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本発明は窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
本発明は窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.

半導体素子のほとんどはp型半導体層とn型半導体層とを積層して形成される。高い効率で動作する素子を実現するためには、電気抵抗が小さいp型半導体層及びn型半導体層が必要である。ところが、紫外可視光波長域発光・受光素子として有用な窒化物半導体は、p型半導体層の電気抵抗率が~1Ωcm程度である。これは、n型窒化物半導体や赤外半導体であるn型GaAs(ガリウムヒ素)やp型GaAsの電気抵抗率が0.01Ωcm以下であることに比べて100倍以上大きい。さらに、深紫外領域で必要な、大きなバンドギャップを有したAlN(窒化アルミニウム)モル分率が大きいAlGaNでは、p型AlGaNが得られないという課題がある。 Most semiconductor devices are formed by laminating a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. In order to realize an element that operates with high efficiency, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer having a small electric resistance are required. However, a nitride semiconductor useful as an ultraviolet visible light wavelength region light emitting / receiving element has an electrical resistivity of about 1 Ωcm in a p-type semiconductor layer. This is 100 times or more higher than the electrical resistivity of n-type nitride semiconductors, n-type GaAs (gallium arsenide) and p-type GaAs, which are infrared semiconductors, of 0.01 Ωcm or less. Further, there is a problem that p-type AlGaN cannot be obtained with AlGaN having a large bandgap and a large AlN (aluminum nitride) mole fraction, which is necessary in the deep ultraviolet region.

トンネル接合は通常のpn接合に比べてp型半導体層及びn型半導体層のそれぞれに半導体不純物であるp型半導体不純物及びn型半導体不純物が高濃度に添加されたpn接合である。これにより、トンネル接合は通常のpn接合に比べてp型半導体層とn型半導体層との界面に形成される空乏層の厚みが薄くなる。これにより、トンネル接合のp型半導体層とn型半導体層とに逆バイアス電圧を印加すると電子が空乏層を通り抜けp型半導体層の価電子帯からn型半導体層の伝導帯へ移動する(トンネルする)ことができる。つまり、トンネル接合はn型半導体層からp型半導体層に向けて電流を流すことができる。 The tunnel junction is a pn junction in which p-type semiconductor impurities and n-type semiconductor impurities, which are semiconductor impurities, are added to each of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer at a higher concentration than in a normal pn junction. As a result, in the tunnel junction, the thickness of the depletion layer formed at the interface between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer becomes thinner than that in the normal pn junction. As a result, when a reverse bias voltage is applied to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer of the tunnel junction, electrons pass through the depleted layer and move from the valence band of the p-type semiconductor layer to the conduction band of the n-type semiconductor layer (tunnel). can do. That is, in the tunnel junction, a current can flow from the n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer.

ゆえに、窒化物半導体素子において、電子に比べ移動度が低く有効質量が大きい正孔の供給源であるp型半導体層の大部分を、トンネル接合を用いることによって、正孔に比べ移動度が高く有効質量が小さい電子の供給源であるn型半導体層に置き換えることができる。つまり、窒化物半導体素子にトンネル接合を用いることによって、電気抵抗が大きいp型半導体層の大部分を電気抵抗の小さいn型半導体層に置き換えることができる。そして、さらにトンネル接合自体の電気抵抗を小さくすることができれば、従来の素子の電気抵抗をより小さくすることができ、さらに、現在実用化が遅れている深紫外発光素子の実用化が可能になる。しかし、窒化物半導体はバンドギャップが大きく、アクセプタの濃度を大きくすることが難しい。このため、窒化物半導体を用いたトンネル接合は、電気抵抗を小さくすることが難しいと考えられてきた。 Therefore, in a nitride semiconductor device, most of the p-type semiconductor layer, which is a source of holes having a lower mobility and a larger effective mass than electrons, has a higher mobility than holes by using a tunnel junction. It can be replaced with an n-type semiconductor layer, which is a source of electrons having a small effective mass. That is, by using a tunnel junction for the nitride semiconductor element, most of the p-type semiconductor layer having a large electric resistance can be replaced with an n-type semiconductor layer having a small electric resistance. If the electrical resistance of the tunnel junction itself can be further reduced, the electrical resistance of the conventional element can be further reduced, and further, the deep ultraviolet light emitting element, which is currently delayed in practical use, can be put into practical use. .. However, nitride semiconductors have a large bandgap, and it is difficult to increase the concentration of acceptors. For this reason, it has been considered difficult to reduce the electrical resistance in tunnel junctions using nitride semiconductors.

非特許文献1、2の窒化物半導体発光素子はトンネル接合層にGaInN層を用いている。これにより、この窒化物半導体発光素子ではトンネル接合層のバンドギャップが小さくなり、InN(窒化インジウム)が添加されて発生するピエゾ分極によって大きな分極電荷が生じるため、トンネル接合を介して、窒化物半導体発光素子であるLEDを駆動する際に必要な低電流密度領域(100A/cm2以下)において、極めて低い電圧降下を示すことが開示されている。 The nitride semiconductor light emitting device of Non-Patent Documents 1 and 2 uses a GaInN layer as a tunnel junction layer. As a result, in this nitride semiconductor light emitting device, the band gap of the tunnel junction layer becomes small, and a large polarization charge is generated by the piezopolarization generated by the addition of InN (indium nitride). Therefore, the nitride semiconductor is generated through the tunnel junction. It is disclosed that an extremely low voltage drop is exhibited in a low current density region (100 A / cm 2 or less) required for driving an LED which is a light emitting element.

これに対して、非特許文献3のトンネル接合を有する窒化物半導体発光素子は、レーザ駆動に必要な高電流密度領域(~10kA/cm2)において、素子の表面側にp型半導体層であるp型コンタクト層を有する従来の素子に比べ、駆動電圧がおよそ2V(ボルト)高いことが開示されている。 On the other hand, the nitride semiconductor light emitting device having the tunnel junction of Non-Patent Document 3 is a p-type semiconductor layer on the surface side of the device in the high current density region (up to 10 kA / cm 2 ) required for laser driving. It is disclosed that the drive voltage is about 2 V (volt) higher than that of a conventional device having a p-type contact layer.

S.Krishnamoorthy,et al,、"Polarization-engineered GaN/InGaN/GaN tunnel diodes"、Applied Physics Letter、(米国)、2010年11月、Vol.97,Issue20S. Krishnamoorthy, et al ,, "Polarization-engineered GaN / InGaN / GaN tunnel diodes", Applied Physics Letter, (USA), November 2010, Vol. 97, Issue20 M.Kaga,et al,、"GaInN-Based Tunnel Junctions in n?p?n Light Emitting Diodes"Japanese Journal of Applied Physics、2013年、Vol.52,Number8SM. Kaga, et al ,, "GaInN-Based Tunnel Junctions in n? P? N Light Emitting Diodes" Japanese Journal of Applied Physics, 2013, Vol. 52, Number8S D.Minamikawa,et al,、"GaInN-based tunnel junctions with high InN mole fractions grown by MOVPE"Physica Status Solidi、2015年5月、Vol.252,Issue5,P.1127-1131D. Minamikawa, et al ,, "GaInN-based tunnel junctions with high InN mole fractions grown by MOVPE" Physica Status Solidi, May 2015, Vol. 252, Issue 5, P. 1127-1131

窒化物半導体素子を駆動するための駆動電圧をさらに小さくするには、トンネル接合層に添加する半導体不純物の濃度をより高くすることによって、トンネル接合層の空乏層の厚みを薄くして、トンネル接合層を電子がトンネルする確率を高くすれば良い。しかし、トンネル接合層に添加する半導体不純物の濃度がより高濃度である1×1019cm-3を超えると、トンネル接合層の結晶性が低下し、トンネル接合層の結晶の表面平坦性が良好でなくなることがわかっている。つまり、トンネル接合層に添加する半導体不純物の濃度をより高くすることによってトンネル接合層の電気抵抗を小さくすることはできるが、トンネル接合層の結晶の表面平坦性が良好でなくなる。このため、より高濃度の半導体不純物をトンネル接合層に添加する方法は、光を結晶の表面で反射させ、共振させるレーザのような発光素子に利用することが難しいと考えられる。 In order to further reduce the driving voltage for driving the nitride semiconductor element, the thickness of the depletion layer of the tunnel junction layer is reduced by increasing the concentration of semiconductor impurities added to the tunnel junction layer, and the tunnel junction is formed. The probability that electrons will tunnel through the layer should be increased. However, when the concentration of semiconductor impurities added to the tunnel junction layer exceeds the higher concentration of 1 × 10 19 cm -3 , the crystallinity of the tunnel junction layer decreases and the surface flatness of the crystals of the tunnel junction layer is good. It is known that it will disappear. That is, although the electrical resistance of the tunnel junction layer can be reduced by increasing the concentration of the semiconductor impurities added to the tunnel junction layer, the surface flatness of the crystals of the tunnel junction layer is not good. Therefore, it is considered difficult to add a higher concentration of semiconductor impurities to the tunnel junction layer for a light emitting device such as a laser that reflects light on the surface of a crystal and resonates it.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、素子の電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で電流を流すことができる窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and provides a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, wherein the electric resistance of the device is sufficiently small and a current can flow with high efficiency. It is an issue to be solved.

具体的には、上記結果を踏まえて、発明者らが鋭意検討した結果、窒化物半導体トンネル接合層における半導体不純物であるn型半導体不純物の添加量を1×1020cm-3以上の高濃度にして、電気抵抗の小さいトンネル接合層を形成する。そして、n型半導体不純物を高濃度で添加したことにより良好でなくなったトンネル接合層の結晶の表面平坦性を、トンネル接合層の表面側に結晶成長させる表面層であるn-GaN層の半導体不純物の濃度や成長条件等の制御を行うことによって回復させる。こうして、電気抵抗が小さく、且つ結晶の表面平坦性が良好な窒化物半導体素子を得る方法を見出した。 Specifically, as a result of diligent studies by the inventors based on the above results, the amount of n-type semiconductor impurities added, which are semiconductor impurities in the nitride semiconductor tunnel junction layer, is as high as 1 × 10 20 cm -3 or more. To form a tunnel junction layer with low electrical resistance. Then, the semiconductor impurities of the n-GaN layer, which is a surface layer, grows the surface flatness of the crystals of the tunnel junction layer, which has become poor due to the addition of n-type semiconductor impurities at a high concentration, on the surface side of the tunnel junction layer. It is recovered by controlling the concentration and growth conditions of. In this way, we have found a method for obtaining a nitride semiconductor device having low electrical resistance and good crystal surface flatness.

従来の半導体素子の製造方法は、各層を積層して結晶成長する際に、各層の表面、又は積層される層の界面の平坦性を常に良好に保ちながら順次積層する。これにより、従来の半導体素子の製造方法は隣り合い積層されて接合する層の機能を良好に発現させ、より高性能な素子を得ることができる。これに対して、本発明は素子の電気抵抗をより小さくすることを優先するために、より高濃度に半導体不純物をトンネル接合層に添加する。これにより、トンネル接合層の結晶の表面平坦性が良好でなくなる。そして、トンネル接合層の表面側に結晶成長させる層構造の半導体不純物の濃度や成長条件等の制御を行うことによって良好でなくなったトンネル接合層の結晶の表面平坦性を回復させる。こうして、結晶の表面平坦性の良好な窒化物半導体素子を得る。つまり、本発明はこれまでの技術的常識と異なるものである。 In the conventional method for manufacturing a semiconductor device, when each layer is laminated and crystal growth is performed, the surface of each layer or the interface of the layer to be laminated is sequentially laminated while always maintaining good flatness. As a result, the conventional method for manufacturing a semiconductor device can satisfactorily exhibit the function of layers that are laminated and joined next to each other, and a higher performance device can be obtained. On the other hand, in the present invention, in order to give priority to reducing the electric resistance of the device, semiconductor impurities are added to the tunnel junction layer at a higher concentration. As a result, the surface flatness of the crystals in the tunnel junction layer becomes poor. Then, by controlling the concentration of semiconductor impurities in the layer structure for crystal growth on the surface side of the tunnel junction layer, growth conditions, and the like, the surface flatness of the crystal of the tunnel junction layer, which has become unfavorable, is restored. In this way, a nitride semiconductor device having good crystal surface flatness is obtained. That is, the present invention is different from the conventional technical common sense.

本発明の窒化物半導体発光素子は、
半導体不純物が添加されたトンネル接合層と、
前記トンネル接合層の上側に形成された表面層と、
を備えており、
前記表面層側の前記トンネル接合層の界面が三次元成長した結晶表面であって、前記トンネル接合層から前記半導体不純物であるp型半導体不純物の拡散が抑制されており、
前記表面層の前記トンネル接合層側が三次元成長していることを特徴とする。
The nitride semiconductor light emitting device of the present invention is
A tunnel junction layer with semiconductor impurities added,
The surface layer formed on the upper side of the tunnel junction layer and
Equipped with
The interface of the tunnel junction layer on the surface layer side is a crystal surface grown three-dimensionally, and diffusion of the p-type semiconductor impurity, which is a semiconductor impurity, is suppressed from the tunnel junction layer .
The surface layer is characterized in that the tunnel junction layer side is three-dimensionally grown .

この窒化物半導体発光素子は半導体不純物が添加されたトンネル接合層の表面層側の界面が、周囲から独立した島状の結晶が形成され、島状の結晶が層の表面に沿う方向、及び層の表面から離れる方向に成長する三次元成長で形成されている。つまり、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層に半導体不純物を高濃度に添加している。これにより、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層に形成される空乏層の厚みを抑えることができるため、電子及び正孔が空乏層を良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層の電気抵抗をより小さくすることができる。つまり、この窒化物半導体発光素子は電流を良好に流すことができる。 In this nitride semiconductor light emitting device, island-shaped crystals are formed at the interface on the surface layer side of the tunnel junction layer to which semiconductor impurities are added, and the island-shaped crystals are formed along the surface of the layer and the layer. It is formed by three-dimensional growth that grows away from the surface of the island. That is, this nitride semiconductor light emitting device adds semiconductor impurities to the tunnel junction layer at a high concentration. As a result, the nitride semiconductor light emitting device can suppress the thickness of the depletion layer formed in the tunnel junction layer, so that electrons and holes can pass through the depletion layer satisfactorily. Therefore, this nitride semiconductor light emitting device can make the electric resistance of the tunnel junction layer smaller. That is, this nitride semiconductor light emitting device can satisfactorily pass a current.

また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、
三次元成長する量の半導体不純物を添加して前記三次元成長させて、前記半導体不純物であるp型半導体不純物の拡散が抑制されたトンネル接合層を形成するトンネル接合層形成工程と、
前記トンネル接合層形成工程を実行して形成された前記トンネル接合層の上側に、表面層を二次元成長させる表面層形成工程と、
を備え、
前記表面層形成工程において、前記表面層は、三次元成長が継続した後二次元成長することを特徴とする。
Further, the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention is as follows.
A tunnel junction layer forming step of adding an amount of semiconductor impurities that grows three-dimensionally and causing the three-dimensional growth to form a tunnel junction layer in which diffusion of the p-type semiconductor impurity, which is a semiconductor impurity, is suppressed .
A surface layer forming step of two-dimensionally growing a surface layer on the upper side of the tunnel junction layer formed by executing the tunnel junction layer forming step,
Equipped with
In the surface layer forming step, the surface layer is characterized in that it grows two-dimensionally after the three-dimensional growth continues .

この窒化物半導体発光素子の製造方法は、三次元成長する量の半導体不純物を添加してトンネル接合層を形成するトンネル接合層形成工程を備えている。つまり、この窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合層に高濃度の半導体不純物を添加している。このため、この窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合層に形成される空乏層の厚みを抑えることができるため、電子及び正孔が空乏層を良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合層の電気抵抗をより小さくすることができる。つまり、この窒化物半導体発光素子の製造方法は電流を良好に流すことができるトンネル接合層を有した窒化物半導体発光素子を製造することができる。 This method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device includes a tunnel junction layer forming step of adding a semiconductor impurity in an amount that grows three-dimensionally to form a tunnel junction layer. That is, in this method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, a high concentration of semiconductor impurities is added to the tunnel junction layer. Therefore, since this method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device can suppress the thickness of the depletion layer formed in the tunnel junction layer, electrons and holes can satisfactorily pass through the depletion layer. Therefore, this method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device can further reduce the electrical resistance of the tunnel junction layer. That is, this method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device can manufacture a nitride semiconductor light emitting device having a tunnel junction layer capable of allowing a good current to flow.

したがって、本発明の窒化物半導体発光素子は電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で電流を流すことができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は素子の電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で電流を流すことができる窒化物半導体発光素子を製造することができる。 Therefore, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention has a sufficiently small electric resistance, whereby a current can flow with high efficiency. Further, the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention can manufacture a nitride semiconductor light emitting device in which the electric resistance of the device is sufficiently small and a current can flow with high efficiency.

実施例1の素子形成した構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure which formed the element of Example 1. FIG. 実施例2~4及び比較例1~3のサンプルの層の構造を示す模式図であって、(A)は実施例2~4のサンプルの層の構造を示し、(B)は比較例2、3のサンプルの層の構造を示し、(C)は比較例1のサンプルの層の構造を示す。It is a schematic diagram showing the structure of the sample layer of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, in which (A) shows the structure of the sample layer of Examples 2 to 4, and (B) is Comparative Example 2. 3 shows the structure of the sample layer, and (C) shows the structure of the sample layer of Comparative Example 1. 比較例1~3のサンプルの第2n-GaN層の表面のAFM像を示す図であって、(A)はトンネル接合層へのSiの添加濃度が7×1019cm-3である比較例1のサンプルの第2n-GaN層の表面のAFM像であり、(B)はトンネル接合層へのSiの添加濃度が1×1020cm-3である比較例2のサンプルの第2n-GaN層の表面のAFM像であり、(C)はトンネル接合層へのSiの添加濃度が2×1020cm-3である比較例3のサンプルの第2n-GaN層の表面のAFM像である。It is a figure which shows the AFM image of the surface of the 2nd n-GaN layer of the sample of the comparative example 1 to 3, and (A) is a comparative example which added concentration of Si to the tunnel junction layer is 7 × 10 19 cm -3 . It is an AFM image of the surface of the 2nd n-GaN layer of the sample of 1 and (B) is the 2nd n-GaN of the sample of Comparative Example 2 in which the addition concentration of Si to the tunnel junction layer is 1 × 10 20 cm -3 . It is an AFM image of the surface of the layer, and (C) is an AFM image of the surface of the second n-GaN layer of the sample of Comparative Example 3 in which the concentration of Si added to the tunnel junction layer is 2 × 10 20 cm -3 . .. 比較例3のサンプルのトンネル接合層の表面のAFM像を示す図である。It is a figure which shows the AFM image of the surface of the tunnel junction layer of the sample of the comparative example 3. FIG. 実施例2のサンプルの第2n-GaN層の表面のAFM像を示す図であって、(A)は第2n-GaN層の厚みが20nmのときの第2n-GaN層の表面のAFM像であり、(B)は第2n-GaN層の厚みが50nmのときの第2n-GaN層の表面のAFM像であり、(C)は第2n-GaN層の厚みが400nmのときの第2n-GaN層の表面のAFM像である。It is a figure which shows the AFM image of the surface of the 2nd n-GaN layer of the sample of Example 2, (A) is the AFM image of the surface of the 2n-GaN layer when the thickness of the 2n-GaN layer is 20 nm. (B) is an AFM image of the surface of the second n-GaN layer when the thickness of the second n-GaN layer is 50 nm, and (C) is the second n- when the thickness of the second n-GaN layer is 400 nm. It is an AFM image of the surface of a GaN layer. 実施例2及び比較例1のサンプルの深さ方向の半導体不純物であるSi、及びMgのそれぞれの添加濃度を示すグラフであって、(A)は実施例2のサンプルの結晶の深さ方向のSi、及びMgのそれぞれの添加濃度を示し、(B)は比較例1のサンプルの結晶の深さ方向のSi、及びMgのそれぞれの添加濃度を示す。It is a graph which shows the addition concentration of Si and Mg which are semiconductor impurities in the depth direction of the sample of Example 2 and Comparative Example 1, and (A) is the graph in the depth direction of the crystal of the sample of Example 2. The respective addition concentrations of Si and Mg are shown, and (B) shows the respective addition concentrations of Si and Mg in the crystal depth direction of the sample of Comparative Example 1. 実施例2~4、及び比較例1のサンプルの電流密度に対する電圧の大きさを示すグラフである。It is a graph which shows the magnitude of the voltage with respect to the current density of the sample of Examples 2-4 and Comparative Example 1.

本発明における好ましい実施の形態を説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described.

本発明の窒化物半導体発光素子は、表面層の表面が二次元成長した結晶表面であり得る。この場合、この窒化物半導体発光素子は表面層側の界面が三次元成長したトンネル接合層を二次元成長した表面層で覆うことができる。つまり、この窒化物半導体発光素子は半導体不純物が高濃度に添加されて三次元成長したトンネル接合層が二次元成長した表面層で覆われているため、より小さい電気抵抗を有したトンネル接合層を素子に用いることができる。 The nitride semiconductor light emitting device of the present invention may be a crystal surface in which the surface of the surface layer is two-dimensionally grown. In this case, in this nitride semiconductor light emitting device, the tunnel junction layer whose interface on the surface layer side is three-dimensionally grown can be covered with the two-dimensionally grown surface layer. That is, in this nitride semiconductor light emitting device, since the tunnel junction layer grown three-dimensionally by adding semiconductor impurities at a high concentration is covered with the surface layer grown two-dimensionally, the tunnel junction layer having a smaller electric resistance can be obtained. It can be used for elements.

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合層形成工程を実行して形成されたトンネル接合層の上側に、表面層を二次元成長させる表面層形成工程を備え得る。この場合、この窒化物半導体発光素子の製造方法は、表面層形成工程を実行することによって、表面層を二次元成長して形成することができる。このため、この窒化物半導体発光素子の製造方法は三次元成長したトンネル接合層の表面側に表面層を二次元成長させて積層することよって、三次元成長したトンネル接合層を覆うことができる。このため、この窒化物半導体発光素子の製造方法は半導体不純物を添加して三次元成長したトンネル接合層を素子に用いることができるため、より小さい電気抵抗を有するトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子を製造することができる。 The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention may include a surface layer forming step for two-dimensionally growing the surface layer on the upper side of the tunnel junction layer formed by executing the tunnel junction layer forming step. In this case, in this method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the surface layer can be formed by two-dimensional growth by executing the surface layer forming step. Therefore, in this method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, the three-dimensionally grown tunnel junction layer can be covered by two-dimensionally growing and laminating the surface layer on the surface side of the three-dimensionally grown tunnel junction layer. Therefore, in this method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, a tunnel junction layer grown three-dimensionally by adding semiconductor impurities can be used for the device, so that a nitride semiconductor having a tunnel junction layer having a smaller electric resistance is provided. A light emitting element can be manufactured.

次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例1~4、及び比較例1~3について、図面を参照しつつ説明する。 Next, Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 embodying the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings.

<実施例1>
実施例1は、後述する実施例2~4のサンプル、及び比較例1~3のサンプルに共通する窒化物半導体素子の構造、及びその製造方法を示すものである。実施例1の窒化物半導体素子は、図1に示すように、第1n-GaN層11、GaInN/GaN5重量子井戸活性層12、p-AlGaN層13、p-GaN層14、トンネル接合層15、及び表面層である第2n-GaN層16を備えている。
<Example 1>
Example 1 shows the structure of a nitride semiconductor element common to the samples of Examples 2 to 4 and the samples of Comparative Examples 1 to 3 described later, and a method for manufacturing the same. As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device of the first embodiment has a first n-GaN layer 11, a GaInN / GaN5 weight element well active layer 12, a p-AlGaN layer 13, a p-GaN layer 14, and a tunnel junction layer 15. , And a second n-GaN layer 16 which is a surface layer.

実施例1の窒化物半導体素子は、サファイア基板S(以下、基板という)の表面側(表は図1における上側である、以下同じ。)に低温堆積緩衝層Bを介して形成したGaNテンプレート10の表面側に、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて積層して結晶成長する。なお、サファイア基板SはC面((0001)面)が表面である。 The nitride semiconductor element of Example 1 is a GaN template 10 formed on the surface side of a sapphire substrate S (hereinafter referred to as a substrate) (the table is the upper side in FIG. 1, the same applies hereinafter) via a low temperature deposition buffer layer B. The crystal grows by laminating on the surface side of the surface using the MOCVD method (organic metal vapor phase growth method). The surface of the sapphire substrate S is the C surface ((0001) surface).

先ず、基板の表面側に形成されたGaNテンプレート10の表面に第1n-GaN層11を積層して結晶成長する。詳しくは、先ず、反応炉内に基板をセットする。そして、反応炉内にN(窒素)の原料であるNH3(アンモニア)、及びキャリアガスであるH2(水素)を供給して、反応炉内の温度を調節して基板の温度を1050℃にする。そして、反応炉内にGa(ガリウム)の原料であるTMGa(トリメチルガリウム)と、半導体不純物であるn型半導体不純物であるSi(ケイ素)の原料であるSiH4(シラン)とを供給して、2μmの厚みの第1n-GaN層11を積層して結晶成長させる。反応炉内へのSiH4の供給量は第1n-GaN層11に添加されるn型半導体不純物であるSiの添加濃度が8×1018cm-3になるように調節する。 First, the first n-GaN layer 11 is laminated on the surface of the GaN template 10 formed on the surface side of the substrate to grow crystals. Specifically, first, the substrate is set in the reactor. Then, NH 3 (ammonia), which is a raw material of N (nitrogen), and H 2 (hydrogen), which is a carrier gas, are supplied into the reactor, and the temperature inside the reactor is adjusted to raise the temperature of the substrate to 1050 ° C. To. Then, TMGa (trimethylgallium), which is a raw material for Ga (gallium), and SiH 4 (silane), which is a raw material for Si (silicon), which is an n-type semiconductor impurity which is a semiconductor impurity, are supplied into the reaction furnace. The first n-GaN layer 11 having a thickness of 2 μm is laminated and crystallized. The amount of SiH 4 supplied into the reaction furnace is adjusted so that the concentration of Si, which is an n-type semiconductor impurity added to the first n-GaN layer 11, is 8 × 10 18 cm -3 .

次に、第1n-GaN層11の表面にGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を積層して結晶成長する。GaInN/GaN5重量子井戸活性層12は、GaInN井戸層(図示せず)、及びGaNバリア層(図示せず)を有している。 Next, the GaInN / GaN5 weight well active layer 12 is laminated on the surface of the first n-GaN layer 11 to grow crystals. The GaInN / GaN5 weight element well active layer 12 has a GaInN well layer (not shown) and a GaN barrier layer (not shown).

先ず、GaInN井戸層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのH2、TMGa、及びSiH4の供給を停止する。そして、反応炉内にキャリアガスとしてN2(窒素)を供給する。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を780℃にする。そして、反応炉内にGaの原料であるTEGa(トリエチルガリウム)と、In(インジウム)の原料であるTMIn(トリメチルインジウム)とを供給して、2nmの厚みのGaInN井戸層を積層して結晶成長させる。 First, the GaInN well layer is laminated to grow crystals. Specifically, the supply of H 2 , TMGa, and SiH 4 into the reactor will be stopped. Then, N 2 (nitrogen) is supplied as a carrier gas into the reactor. Then, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate to 780 ° C. Then, TEGa (triethyl gallium), which is a raw material for Ga, and TMIn (trimethylindium), which is a raw material for In (indium), are supplied into the reaction furnace, and a GaInN well layer having a thickness of 2 nm is laminated to grow crystals. Let me.

次に、GaInN井戸層の表面にGaNバリア層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのTMInの供給を停止して、10nmの厚みのGaNバリア層を積層して結晶成長させる。こうして成長させたGaInN量子井戸層、及びGaNバリア層を1ペアとして、この1ペアを5ペア積層して結晶成長する。こうしてGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を形成する。そして、反応炉内へのTEGa及びTMInの供給を停止する。 Next, a GaN barrier layer is laminated on the surface of the GaInN well layer to grow crystals. Specifically, the supply of TMIn into the reactor is stopped, and a GaN barrier layer having a thickness of 10 nm is laminated to grow crystals. The GaInN quantum well layer and the GaN barrier layer grown in this way are used as one pair, and five pairs of these one pair are laminated to grow crystals. In this way, the GaInN / GaN5 weight well active layer 12 is formed. Then, the supply of TEGa and TMIn to the reactor is stopped.

次に、GaInN/GaN5重量子井戸活性層12の表面にp-AlGaN層13を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へ供給するキャリアガスをN2からH2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を1000℃にする。そして、反応炉内にTMGa、Al(アルミニウム)の原料であるTMAl(トリメチルアルミニウム)、及び半導体不純物であるp型半導体不純物であるMg(マグネシウム)の原料であるCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を供給して、20nmの厚みのp-AlGaN層13を積層して結晶成長させる。反応炉内へのCp2Mgの供給量はp-AlGaN層13に添加されるp型半導体不純物であるMgの濃度が2×1019cm-3になるように調節する。 Next, the p-AlGaN layer 13 is laminated on the surface of the GaInN / GaN5 weight well active layer 12 to grow crystals. Specifically, the carrier gas supplied into the reactor is switched from N 2 to H 2 . Then, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate to 1000 ° C. Then, in the reaction furnace, TMGa (trimethylaluminum) which is a raw material of TMGa and Al (aluminum), and Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) which is a raw material of Mg (magnesium) which is a p-type semiconductor impurity which is a semiconductor impurity. ) Is supplied, and a p-AlGaN layer 13 having a thickness of 20 nm is laminated to grow crystals. The amount of Cp 2 Mg supplied into the reaction furnace is adjusted so that the concentration of Mg, which is a p-type semiconductor impurity added to the p-AlGaN layer 13, is 2 × 10 19 cm -3 .

次に、p-AlGaN層13の表面にp-GaN層14を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へTMAlの供給を停止して、160nmの厚みのp-GaN層14を積層して結晶成長させる。p-GaN層14に添加されるp型半導体不純物であるMgの濃度は4×1019cm-3である。そして、反応炉内へのTMGa及びCp2Mgの供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を720℃にする。 Next, the p-GaN layer 14 is laminated on the surface of the p-AlGaN layer 13 to grow crystals. Specifically, the supply of TMAl to the reactor is stopped, and the p-GaN layer 14 having a thickness of 160 nm is laminated to grow crystals. The concentration of Mg, which is a p-type semiconductor impurity added to the p-GaN layer 14, is 4 × 10 19 cm -3 . Then, the supply of TMGa and Cp 2 Mg to the reactor is stopped, and the carrier gas is switched from H 2 to N 2 . Then, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate to 720 ° C.

次に、p-GaN層14の表面にトンネル接合層15を形成する。トンネル接合層15はp++-GaInN層(図示せず)、及びn++-GaN層(図示せず)を有している。ここで、p++とはp型半導体不純物であるMgが高濃度に添加された状態を意味し、n++とはn型半導体不純物であるSiが高濃度に添加された状態を意味する。 Next, the tunnel junction layer 15 is formed on the surface of the p-GaN layer 14. The tunnel junction layer 15 has a p ++ -GaInN layer (not shown) and an n ++ -GaN layer (not shown). Here, p ++ means a state in which Mg, which is a p-type semiconductor impurity, is added at a high concentration, and n ++ means a state in which Si, which is an n-type semiconductor impurity, is added in a high concentration.

反応炉内にTEGa、Cp2Mg、及び所定の量のTMInを供給する。こうして、2nmの厚みのp++-GaInN層を成長させる。p++-GaInN層に添加されるp型半導体不純物であるMgの濃度は1~2×1020cm-3になるようにCp2Mgの流量を調節する。また、p++-GaInN層のInNのモル分率は0.35である。こうして、p++-GaInN層の結晶成長を終了する。 TEGa, Cp 2 Mg, and a predetermined amount of TMIn are supplied into the reactor. In this way, a p ++ -GaInN layer having a thickness of 2 nm is grown. The flow rate of Cp 2 Mg is adjusted so that the concentration of Mg, which is a p-type semiconductor impurity added to the p ++ -GaInN layer, is 1 to 2 × 10 20 cm -3 . The mole fraction of InN in the p ++ -GaInN layer is 0.35. In this way, the crystal growth of the p ++ -GaInN layer is completed.

次に、p++-GaInN層の表面にn++-GaN層を積層して結晶成長する。詳しくは、p++-GaInN層を積層して結晶成長させた後、反応炉内へのCp2Mg及びTMInの供給を停止する。そして、反応炉内にSiH4を供給して、15nmの厚みのn++-GaN層を積層して結晶成長させる。n++-GaN層に添加されるn型半導体不純物であるSiの濃度は1×1020cm-3以上になるようにSiH4の流量を調節する。つまり、トンネル接合層15は半導体不純物であるn型半導体不純物を添加する。 Next, an n ++ -GaN layer is laminated on the surface of the p ++ -GaInN layer to grow crystals. Specifically, after the p ++ -GaInN layer is laminated and crystal growth is performed, the supply of Cp 2 Mg and TMIn to the reaction furnace is stopped. Then, SiH 4 is supplied into the reactor, and an n ++ -GaN layer having a thickness of 15 nm is laminated to grow crystals. The flow rate of SiH 4 is adjusted so that the concentration of Si, which is an n-type semiconductor impurity added to the n ++ -GaN layer, is 1 × 10 20 cm -3 or more. That is, the tunnel junction layer 15 adds an n-type semiconductor impurity which is a semiconductor impurity.

次に、トンネル接合層15の表面に第2n-GaN層16を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へ供給するキャリアガスをN2からH2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を980℃にする。そして、第2n-GaN層16を400nmの厚みで積層して結晶成長させる。第2n-GaN層16に添加されるn型半導体不純物であるSiの濃度は1×1019cm-3である。なお、第2n-GaN層16を積層して結晶成長する反応炉内の気圧である成長圧力は所望の値に調節することができる。そして、反応炉内へのTMGa及びSiH4の供給を停止して結晶成長を終了する。そして、反応炉内へ供給するキャリアガスをH2からN2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度が400℃以下になった時点で、反応炉内へのNH3の供給を停止する。そして、基板の温度が室温になった後、反応炉内のパージを行い、基板を反応炉から取り出す。 Next, the second n-GaN layer 16 is laminated on the surface of the tunnel junction layer 15 to grow crystals. Specifically, the carrier gas supplied into the reactor is switched from N 2 to H 2 . Then, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate to 980 ° C. Then, the second n-GaN layer 16 is laminated with a thickness of 400 nm to grow crystals. The concentration of Si, which is an n-type semiconductor impurity added to the second n-GaN layer 16, is 1 × 10 19 cm -3 . The growth pressure, which is the atmospheric pressure in the reaction furnace in which the second n-GaN layer 16 is laminated and the crystal grows, can be adjusted to a desired value. Then, the supply of TMGa and SiH 4 to the reactor is stopped to end the crystal growth. Then, the carrier gas supplied into the reactor is switched from H 2 to N 2 . Then, when the temperature in the reactor is adjusted and the temperature of the substrate becomes 400 ° C. or lower, the supply of NH 3 to the reactor is stopped. Then, after the temperature of the substrate reaches room temperature, the inside of the reactor is purged and the substrate is taken out from the reactor.

次に、こうして結晶成長して層構造を形成した基板を用いて電流注入可能な素子形成を行う。 Next, a device capable of injecting a current is formed using a substrate in which crystals are grown in this way to form a layered structure.

先ず、表面からの平面視において、基板上に直径35μmの円形形状であるメサ構造20を形成する。詳しくは、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて基板上にメサ構造20を形成する。より詳しくは、基板上の最も表面に積層して結晶成長した第2n-GaN層16の表面に直径35μmの円形形状のフォトレジスト又は金属マスクを形成する(図示せず。)。フォトレジスト又は金属マスクが形成された直下はエッチングで除去されない。また、フォトレジスト又は金属マスクが形成されていない領域は、表面に第1n-GaN層11が露出するまでエッチングされる。こうして、基板上に直径35μmの円形形状であるメサ構造20を形成する。 First, in a plan view from the surface, a circular mesa structure 20 having a diameter of 35 μm is formed on the substrate. Specifically, the mesa structure 20 is formed on the substrate by using photolithography and dry etching. More specifically, a circular photoresist or metal mask having a diameter of 35 μm is formed on the surface of the second n-GaN layer 16 which is laminated on the outermost surface of the substrate and crystal-grown (not shown). The area directly under the photoresist or metal mask is not removed by etching. Further, the region where the photoresist or the metal mask is not formed is etched until the first n-GaN layer 11 is exposed on the surface. In this way, the mesa structure 20 having a circular shape with a diameter of 35 μm is formed on the substrate.

次に、メサ構造20を形成した基板をO2(酸素)雰囲気中にて、725℃で30分間アニール処理を行い、埋め込まれたp-AlGaN層13、p-GaN層14、及びトンネル接合層15のp++-GaInN層のMgを活性化させる。ここで、活性化とはp型半導体不純物であるMgに結合しているH(水素)を離脱させてMgを活性化させ、Mgが添加されたp-AlGaN層13、p-GaN層14、及びトンネル接合層15のp++-GaInN層の電気伝導性を向上させることである。こうして活性化することで、エッチングによって、側面が露出したp-AlGaN層13、p-GaN層14及びトンネル接合層15のp++-GaInN層のそれぞれの側面からMgを不活性化させていたHを離脱させる。 Next, the substrate on which the mesa structure 20 was formed was annealed at 725 ° C. for 30 minutes in an O 2 (oxygen) atmosphere, and the embedded p-AlGaN layer 13, the p-GaN layer 14, and the tunnel junction layer were subjected to an annealing treatment. Activates Mg in the p ++ -GaInN layer of 15. Here, activation means that H (hydrogen) bonded to Mg, which is a p-type semiconductor impurity, is released to activate Mg, and the p-AlGaN layer 13 and p-GaN layer 14 to which Mg is added, And to improve the electrical conductivity of the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer 15. By activating in this way, Mg was inactivated from each side surface of the p-AlGaN layer 13, the p-GaN layer 14, and the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer 15 whose side surfaces were exposed by etching. To leave.

次に、第1電極21、及び第2電極22を形成する。詳しくは、円形形状をなした第1電極21をメサ構造20の表面に形成する。また、円環状をなした第2電極22をメサ構造20の周囲を囲むように、第1n-GaN層11の露出した表面に形成する。第1電極21、及び第2電極22は、Ti/Al/Ti/Auである。また、第1電極21、及び第2電極22はそれぞれを一括して形成する。こうして、電流が第1電極21からトンネル接合層15、及びGaInN/GaN5重量子井戸活性層12を通過して第2電極22に流れる実施例1の窒化物半導体素子を形成する。 Next, the first electrode 21 and the second electrode 22 are formed. Specifically, the first electrode 21 having a circular shape is formed on the surface of the mesa structure 20. Further, the annular second electrode 22 is formed on the exposed surface of the first n-GaN layer 11 so as to surround the mesa structure 20. The first electrode 21 and the second electrode 22 are Ti / Al / Ti / Au. Further, the first electrode 21 and the second electrode 22 are collectively formed. In this way, the nitride semiconductor device of Example 1 in which a current flows from the first electrode 21 through the tunnel junction layer 15 and the GaInN / GaN 5 weight element well active layer 12 to the second electrode 22 is formed.

<比較例1~3>
実施例1の窒化物半導体素子の製造方法を用いて、比較例1~3のサンプルを作製した。具体的には、比較例1~3のサンプルは、実施例1の窒化物半導体素子の製造方法において、トンネル接合層15のn++-GaN層に添加されるSiの添加濃度を変化させている。また、比較例1~3のサンプルは、第2n-GaN層16を積層して結晶成長する際の反応炉内の気圧である成長圧力を90kPaにした。表1に、比較例1~3のサンプルのトンネル接合層15のn++-GaN層のそれぞれに添加されるSiの添加濃度を示す。
<Comparative Examples 1 to 3>
Samples of Comparative Examples 1 to 3 were prepared by using the method for manufacturing a nitride semiconductor device of Example 1. Specifically, in the samples of Comparative Examples 1 to 3, the concentration of Si added to the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 is changed in the method for manufacturing the nitride semiconductor device of Example 1. .. Further, in the samples of Comparative Examples 1 to 3, the growth pressure, which is the atmospheric pressure in the reaction furnace when the second n-GaN layer 16 was laminated and the crystal was grown, was set to 90 kPa. Table 1 shows the concentration of Si added to each of the n ++ -GaN layers of the tunnel junction layer 15 of the samples of Comparative Examples 1 to 3.

Figure 0007008292000001
Figure 0007008292000001

比較例1のサンプルは常に表面平坦性を良好に保ちつつ結晶成長させたものである。比較例1のサンプルは、図3(A)に示すように、第2n-GaN層16の表面に原子層ステップが形成されており、表面平坦性が良好であることが分かる。比較例1のサンプルは表面段差のRMS(二乗平均平方根)の値が0.3nmである。つまり、比較例1のサンプルは、図2(C)に示すように、第2n-GaN層16の表面16Cの表面平坦性が良好である。また、比較例1のサンプルは常に表面平坦性を良好に保ちつつ結晶成長させたものであるため、トンネル接合層15のn++-GaN層の表面15Cも表面平坦性が良好であると考えられる。 The sample of Comparative Example 1 was crystal-grown while always maintaining good surface flatness. As shown in FIG. 3A, the sample of Comparative Example 1 has an atomic layer step formed on the surface of the second n-GaN layer 16, and it can be seen that the surface flatness is good. In the sample of Comparative Example 1, the RMS (root mean square) value of the surface step is 0.3 nm. That is, as shown in FIG. 2C, the sample of Comparative Example 1 has good surface flatness of the surface 16C of the second n-GaN layer 16. Further, since the sample of Comparative Example 1 was crystal-grown while always maintaining good surface flatness, it is considered that the surface 15C of the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 also has good surface flatness. ..

また、図3(B)に示すように、比較例2のサンプルは第2n-GaN層16の表面に結晶欠陥であるピットP1が複数形成されている。比較例2のサンプルは表面段差のRMSの値が1.48nmである。さらに、図3(C)に示すように、比較例3のサンプルは比較例2のサンプルに比べて、面積の大きなピットP2が第2n-GaN層16の表面に複数形成されている。比較例3のサンプルは表面段差のRMSの値が19.0nmである。このことから、トンネル接合層15に添加されるSiの濃度がより高濃度になると、素子の表面平坦性により大きな影響を与えるため、素子の光学的特性、及び電気的特性により大きな影響を与えることがわかった。 Further, as shown in FIG. 3B, in the sample of Comparative Example 2, a plurality of pits P1 which are crystal defects are formed on the surface of the second n-GaN layer 16. The sample of Comparative Example 2 has a surface step RMS value of 1.48 nm. Further, as shown in FIG. 3C, the sample of Comparative Example 3 has a plurality of pits P2 having a large area formed on the surface of the second n-GaN layer 16 as compared with the sample of Comparative Example 2. In the sample of Comparative Example 3, the RMS value of the surface step is 19.0 nm. From this, when the concentration of Si added to the tunnel junction layer 15 becomes higher, it has a greater effect on the surface flatness of the device, and thus has a greater effect on the optical and electrical characteristics of the device. I understood.

また、比較例3のサンプルをトンネル接合層15の結晶成長が終了したところで結晶成長を一旦中断し、トンネル接合層15の表面をAFMで観察した結果を図4に示す。比較例3のサンプルは、高濃度(2×1020cm-3)にSiを添加したトンネル接合層15のn++-GaN層の厚みが15nmと薄いにも関わらず、n++-GaN層の表面が三次元成長しており、表面平坦性が良好でなくなり始めていることがわかった。このときの比較例3のサンプルは表面段差のRMSの値が0.67nmである。ここで、三次元成長とは、結晶成長している層の表面において、周囲から独立した島状の結晶が形成され、島状の結晶が層の表面に沿う方向、及び層の表面から離れる方向に成長することである。三次元成長した結晶の表面は表面平坦性が良好でない。 Further, FIG. 4 shows the results of observing the surface of the tunnel junction layer 15 with AFM after temporarily suspending the crystal growth of the sample of Comparative Example 3 when the crystal growth of the tunnel junction layer 15 was completed. In the sample of Comparative Example 3, although the thickness of the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 to which Si was added to a high concentration (2 × 10 20 cm -3 ) was as thin as 15 nm, the n ++ -GaN layer was formed. It was found that the surface had grown three-dimensionally and the surface flatness had begun to deteriorate. In the sample of Comparative Example 3 at this time, the RMS value of the surface step is 0.67 nm. Here, three-dimensional growth is a direction in which island-shaped crystals independent of the surroundings are formed on the surface of the layer in which crystals are growing, and the island-shaped crystals are in the direction along the surface of the layer and in the direction away from the surface of the layer. Is to grow into. The surface of the three-dimensionally grown crystal does not have good surface flatness.

つまり、比較例3のサンプルは、図2(B)に示すように、トンネル接合層15のn++-GaN層の表面15B、及び第2n-GaN層16の表面16Bの表面平坦性が良好でない。また、比較例2のサンプルは、第2n-GaN層16の表面に結晶欠陥であるピットP1が複数形成されていることから、比較例3のサンプルと同様にトンネル接合層15のn++-GaN層の表面15Bの表面平坦性が良好でないと考えられる。 That is, in the sample of Comparative Example 3, as shown in FIG. 2B, the surface flatness of the surface 15B of the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 and the surface 16B of the second n-GaN layer 16 is not good. .. Further, in the sample of Comparative Example 2, since a plurality of pits P1 which are crystal defects are formed on the surface of the second n-GaN layer 16, n ++ -GaN of the tunnel junction layer 15 is formed as in the sample of Comparative Example 3. It is considered that the surface flatness of the surface 15B of the layer is not good.

これに対して、比較例1のサンプルは第2n-GaN層16の表面16Cの表面平坦性が比較例2、3のサンプルに比べて良好であるが、トンネル接合層15へのSiの添加濃度が比較例2、3のサンプルより低いため、トンネル接合層15の電気抵抗が比較例2、3のサンプルより高い。 On the other hand, in the sample of Comparative Example 1, the surface flatness of the surface 16C of the second n-GaN layer 16 is better than that of the samples of Comparative Examples 2 and 3, but the concentration of Si added to the tunnel junction layer 15 is good. Is lower than the samples of Comparative Examples 2 and 3, so that the electrical resistance of the tunnel junction layer 15 is higher than that of the samples of Comparative Examples 2 and 3.

<実施例2~4>
量子井戸層等は厚みが極めて薄い層(数nm)を積層することで構成されている。このため、従来技術では、表面平坦性が良好な層を得るために、積層して結晶成長する成長速度を遅くする等して結晶成長することが一般的である。また、従来技術では、層を積層して素子構造を形成する場合、一旦、積層して結晶成長した層の表面平坦性が良好でなくなると、その時点で良好な素子構造が得られないと判断して、結晶成長を取り止めることが一般的に行われてきた。
<Examples 2 to 4>
The quantum well layer and the like are composed of laminated layers (several nm) having an extremely thin thickness. For this reason, in the prior art, in order to obtain a layer having good surface flatness, it is common to grow crystals by laminating and slowing down the growth rate of crystal growth. Further, in the prior art, when forming an element structure by laminating layers, it is determined that once the surface flatness of the layer formed by laminating and crystal growth becomes poor, a good element structure cannot be obtained at that time. Therefore, it has been common practice to stop the crystal growth.

しかし、発明者らは一旦、意図的に積層して結晶成長したトンネル接合層15の表面平坦性を良好でなくし、さらに、トンネル接合層15に積層して結晶成長する表面層である第2n-GaN層16の半導体不純物の濃度や成長条件を制御して、表面平坦性が良好でなくなったトンネル接合層15の結晶の表面を埋め込み、結晶の表面平坦性を良好なものに回復させたサンプルを作製した。具体的には、実施例1の窒化物半導体素子の製造方法を用いて実施例2~4のサンプルを作製した。 However, the inventors have impaired the surface flatness of the tunnel junction layer 15 that has been intentionally laminated and crystal-grown, and further, the second n-, which is a surface layer that is laminated on the tunnel junction layer 15 and crystal-grown. A sample in which the crystal surface of the tunnel junction layer 15 whose surface flatness is not good is embedded by controlling the concentration and growth conditions of the semiconductor impurities in the GaN layer 16 to restore the crystal surface flatness to a good one is prepared. Made. Specifically, the samples of Examples 2 to 4 were prepared by using the method for manufacturing a nitride semiconductor device of Example 1.

さらに具体的には、実施例2~4のサンプルは、実施例1の窒化物半導体素子の製造方法において、トンネル接合層15のn++-GaN層を積層して結晶成長する際に、トンネル接合層15に三次元成長するように成長速度を調整しつつある程度の量のn型半導体不純物を添加してトンネル接合層15を形成する(トンネル接合層形成工程)。そして、トンネル接合層形成工程を実行して形成されたトンネル接合層15の上側に、第2n-GaN層16を二次元成長させる(表面層形成工程)。つまり、実施例2~4のサンプルはn型半導体不純物が添加されたトンネル接合層15と、トンネル接合層15の上側に形成された第2n-GaN層16とを備えており、第2n-GaN層16側のトンネル接合層15の界面が三次元成長している。 More specifically, the samples of Examples 2 to 4 are tunnel-junctioned when the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 is laminated and crystal-grown in the method for manufacturing a nitride semiconductor element of Example 1. A tunnel junction layer 15 is formed by adding a certain amount of n-type semiconductor impurities to the layer 15 while adjusting the growth rate so as to grow three-dimensionally (tunnel junction layer forming step). Then, the second n-GaN layer 16 is two-dimensionally grown on the upper side of the tunnel junction layer 15 formed by executing the tunnel junction layer forming step (surface layer forming step). That is, the samples of Examples 2 to 4 include a tunnel junction layer 15 to which an n-type semiconductor impurity is added, and a second n-GaN layer 16 formed on the upper side of the tunnel junction layer 15, and the second n-GaN. The interface of the tunnel junction layer 15 on the layer 16 side grows three-dimensionally.

表面層形成工程では、比較例1~3のサンプルを作製した際の条件に比べて、反応炉内の気圧である成長圧力を20kPaにしたり、V族元素であるNの原料であるNH3と、III族元素であるGaの原料であるTEGaとの反応炉内への供給比率であるV族原料/III族原料供給比をより大きくしたり、積層して結晶成長する際の基板の温度をより高くしたりしている。これにより、実施例2~4のサンプルは第2n-GaN層16が積層して結晶成長する際に結晶が容易に二次元成長することができる。つまり、実施例2~4のサンプルは第2n-GaN層16の表面が二次元成長している。ここで、二次元成長とは、結晶成長している層の表面において、層の表面に沿う方向に結晶成長することである。二次元成長した結晶の表面は原子層ステップが形成され、表面平坦性が良好である。 In the surface layer forming step, the growth pressure, which is the atmospheric pressure in the reaction furnace, is set to 20 kPa, and NH 3 , which is the raw material of N, which is a group V element, is compared with the conditions when the samples of Comparative Examples 1 to 3 are prepared. , The temperature of the substrate when the group V raw material / group III raw material supply ratio, which is the supply ratio to the reaction furnace with TEGa, which is the raw material of Ga, which is a group III element, is made larger, or when the crystals are laminated and grown into crystals. I'm making it higher. As a result, in the samples of Examples 2 to 4, the crystals can be easily grown two-dimensionally when the second n-GaN layer 16 is laminated and the crystals grow. That is, in the samples of Examples 2 to 4, the surface of the second n-GaN layer 16 is two-dimensionally grown. Here, the two-dimensional growth is the crystal growth on the surface of the layer in which the crystal is growing in the direction along the surface of the layer. Atomic layer steps are formed on the surface of the two-dimensionally grown crystal, and the surface flatness is good.

実施例2~4のサンプルは、トンネル接合層形成工程において、比較例1~3のサンプルよりトンネル接合層15の電気抵抗を小さくするため、トンネル接合層15のn++-GaN層に添加するSiの濃度を比較例1~3のサンプルより高濃度に変化させている。表2に、実施例2~4のサンプルのn++-GaN層のそれぞれに添加されるSiの添加濃度を示す。 The samples of Examples 2 to 4 are Si added to the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 in order to make the electrical resistance of the tunnel junction layer 15 smaller than that of the samples of Comparative Examples 1 to 3 in the tunnel junction layer forming step. The concentration of the above is changed to a higher concentration than that of the samples of Comparative Examples 1 to 3. Table 2 shows the concentration of Si added to each of the n ++ -GaN layers of the samples of Examples 2 to 4.

Figure 0007008292000002
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こうして作製した実施例2のサンプルの層の厚みに対する表面平坦性の変化を調べた。具体的には、実施例2のサンプルの表面層形成工程において、第2n-GaN層16の層の厚みが、20nm、50nm、及び400nmのときの第2n-GaN層16の結晶の表面の様子をAFMを用いて観察した結果を図5(A)~(C)に示す。 The change in surface flatness with respect to the layer thickness of the sample of Example 2 thus prepared was investigated. Specifically, in the surface layer forming step of the sample of Example 2, the state of the crystal surface of the second n-GaN layer 16 when the layer thickness of the second n-GaN layer 16 is 20 nm, 50 nm, and 400 nm. The results of observing the above using AFM are shown in FIGS. 5 (A) to 5 (C).

図5(A)に示すように、実施例2のサンプルは第2n-GaN層16の厚みが20nm(以下、層厚20nmという)のときには、結晶が三次元成長している。このときの表面段差のRMSの値は1.24nmである。また、図5(B)に示すように、実施例2のサンプルは第2n-GaN層16の厚みが50nm(以下、層厚50nmという)のとき、結晶が二次元成長し始めている。このときの表面段差のRMSの値は3.89nmである。そして、図5(C)に示すように、実施例2のサンプルは第2n-GaN層16の厚みが400nmのとき、原子層ステップが観測される極めて平坦な表面が形成されていることがわかった。このときの表面段差のRMSの値は0.28nmである。なお、層厚50nmのときのRMSの値が層厚20nmのときのRMSの値より大きくなっている。これは、第2n-GaN層16が結晶成長する工程において、少なくとも第2n-GaN層16の層厚が50nmに到達するまで、結晶の三次元成長が継続していたためと考えられる。また、実施例3、及び実施例4のサンプルは第2n-GaN層16の厚みが400nmのときの表面段差のRMSの値がそれぞれ0.22nm、0.26nmであった。 As shown in FIG. 5A, in the sample of Example 2, when the thickness of the second n-GaN layer 16 is 20 nm (hereinafter referred to as layer thickness 20 nm), crystals are three-dimensionally grown. The RMS value of the surface step at this time is 1.24 nm. Further, as shown in FIG. 5B, in the sample of Example 2, when the thickness of the second n-GaN layer 16 is 50 nm (hereinafter referred to as layer thickness 50 nm), crystals start to grow two-dimensionally. The RMS value of the surface step at this time is 3.89 nm. Then, as shown in FIG. 5C, it was found that the sample of Example 2 formed an extremely flat surface in which the atomic layer step was observed when the thickness of the second n-GaN layer 16 was 400 nm. rice field. The RMS value of the surface step at this time is 0.28 nm. The RMS value when the layer thickness is 50 nm is larger than the RMS value when the layer thickness is 20 nm. It is considered that this is because in the step of crystal growth of the second n-GaN layer 16, the three-dimensional growth of the crystal continued until at least the layer thickness of the second n-GaN layer 16 reached 50 nm. Further, in the samples of Examples 3 and 4, the RMS values of the surface steps when the thickness of the second n-GaN layer 16 was 400 nm were 0.22 nm and 0.26 nm, respectively.

つまり、実施例2~4のサンプルは、図2(A)に示すように、トンネル接合層15のn++-GaN層に比較例1~3のサンプルより高濃度にSiが添加されているため、トンネル接合層15のn++-GaN層の表面15Aの表面平坦性が良好でないと考えられる。また、実施例2~4のサンプルは原子層ステップが形成され、表面平坦性が良好な比較例1のサンプルの第2n-GaN層16の表面よりもRMSの値が小さい。つまり、実施例2~4のサンプルは第2n-GaN層16の表面16Aの表面平坦性が良好である。 That is, in the samples of Examples 2 to 4, as shown in FIG. 2A, Si is added to the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 at a higher concentration than the samples of Comparative Examples 1 to 3. It is considered that the surface flatness of the surface 15A of the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer 15 is not good. Further, in the samples of Examples 2 to 4, the atomic layer step is formed, and the RMS value is smaller than the surface of the second n-GaN layer 16 of the sample of Comparative Example 1 having good surface flatness. That is, the samples of Examples 2 to 4 have good surface flatness of the surface 16A of the second n-GaN layer 16.

実施例2のサンプル、及び比較例1のサンプルのそれぞれのMgとSiの深さ方向の元素分析を行った結果を図6(A)、(B)に示す。図6(B)に示すように、常に表面平坦性を良好に保ちつつ積層して結晶成長した比較例1のサンプルは、トンネル接合層15内において、Mgの添加濃度が1×1020cm-3、Siの添加濃度が7×1019cm-3である。また、比較例1のサンプルは実施例2のサンプルに比べて、第2n-GaN層16に含まれるMgの濃度が高いことがわかった。これは、Mgのメモリー効果によって第2n-GaN層16の結晶成長の際にMgが取り込まれていることが原因であると考えられる。これにより、第2n-GaN層16にSiを添加することによって添加された電子が、第2n-GaN層16にMgが取り込まれることによって添加された正孔で電気的に打ち消され、第2n-GaN層16の電気抵抗を上昇させていることもわかった。 The results of elemental analysis of Mg and Si in the depth direction of the sample of Example 2 and the sample of Comparative Example 1 are shown in FIGS. 6A and 6B. As shown in FIG. 6B, in the sample of Comparative Example 1 in which crystals were grown by laminating while always maintaining good surface flatness , the concentration of Mg added in the tunnel junction layer 15 was 1 × 10 20 cm. 3. The addition concentration of Si is 7 × 10 19 cm -3 . Further, it was found that the sample of Comparative Example 1 had a higher concentration of Mg contained in the second n-GaN layer 16 than the sample of Example 2. It is considered that this is because Mg is taken in during the crystal growth of the second n-GaN layer 16 due to the memory effect of Mg. As a result, the electrons added by adding Si to the second n-GaN layer 16 are electrically canceled by the holes added by incorporating Mg into the second n-GaN layer 16, and the second n- It was also found that the electrical resistance of the GaN layer 16 was increased.

また、図6(A)に示すように、実施例2のサンプルは、トンネル接合層15内において、Mgの添加濃度が2×1020cm-3、Siの添加濃度が5×1020cm-3である。実施例2のサンプルは比較例1のサンプルに比べて、第2n-GaN層16に含まれるMgの濃度が低い。 Further, as shown in FIG. 6A, in the sample of Example 2, the concentration of Mg added was 2 × 10 20 cm -3 and the concentration of Si added was 5 × 10 20 cm in the tunnel junction layer 15. It is 3 . The sample of Example 2 has a lower concentration of Mg contained in the second n-GaN layer 16 than the sample of Comparative Example 1.

この原因として、以下のことが考えられる。トンネル接合層15に添加されたMgは、C面((0001)面)から拡散し易く、C面でない面から拡散し難いと考えられる。トンネル接合層15が三次元成長すると、トンネル接合層15の表面に形成されるC面の面積の割合が減り、C面でない面の面積の割合が増える。これにより、トンネル接合層15に添加されたMgがトンネル接合層15から拡散することが抑えられたためであると考えられる。 The following are possible causes for this. It is considered that Mg added to the tunnel junction layer 15 is easy to diffuse from the C-plane ((0001) plane) and difficult to diffuse from the non-C-plane. When the tunnel junction layer 15 grows three-dimensionally, the proportion of the area of the C-plane formed on the surface of the tunnel junction layer 15 decreases, and the proportion of the area of the non-C-plane increases. It is considered that this is because Mg added to the tunnel junction layer 15 is suppressed from diffusing from the tunnel junction layer 15.

すなわち、トンネル接合層15の結晶成長の際に、トンネル接合層15の表面平坦性を一旦良好でなくすことによって、トンネル接合層15に添加されたMgがトンネル接合層15から拡散し難くして、トンネル接合層15に添加されたMgの濃度が低くなることを抑え、トンネル接合層15の電気抵抗をより小さくできることがわかった。さらに、第2n-GaN層16にSiを添加することによって添加された電子が、第2n-GaN層16にMgが取り込まれることによって添加された正孔で電気的に打ち消されることも抑えることができるため、第2n-GaN層16の電気抵抗もより小さくできることがわかった。つまり、トンネル接合層15を三次元成長させることによって、トンネル接合層15、及びトンネル接合層15の上側に積層して結晶成長して形成される第2n-GaN層16のそれぞれに含まれるMgの濃度を調節することができる。 That is, when the crystal growth of the tunnel junction layer 15, the surface flatness of the tunnel junction layer 15 is temporarily deteriorated, so that Mg added to the tunnel junction layer 15 is less likely to diffuse from the tunnel junction layer 15. It was found that the concentration of Mg added to the tunnel junction layer 15 could be suppressed from decreasing, and the electrical resistance of the tunnel junction layer 15 could be made smaller. Further, it is possible to suppress that the electrons added by adding Si to the second n-GaN layer 16 are electrically canceled by the holes added by incorporating Mg into the second n-GaN layer 16. Therefore, it was found that the electrical resistance of the second n-GaN layer 16 can also be made smaller. That is, the Mg contained in each of the tunnel junction layer 15 and the second n-GaN layer 16 formed by being laminated on the upper side of the tunnel junction layer 15 and crystal-grown by three-dimensionally growing the tunnel junction layer 15. The concentration can be adjusted.

図7に実施例2~4、及び比較例1のサンプルのそれぞれに電圧を印加して、電流密度に対する電圧の大きさを測定した結果を示す。実施例2~4のサンプルは、比較例1のサンプルに比べて、駆動電圧が大きく低減している。特に、電流密度が3kA/cm2において、実施例2、3のサンプルは比較例1のサンプルに比べて、駆動電圧がおよそ10V(ボルト)低くなっている。すなわち、敢えてトンネル接合層15を三次元成長させて、表面平坦性の良好でないトンネル接合層15を形成した後、さらに、トンネル接合層15に第2n-GaN層16を積層して結晶を二次元成長させて表面平坦性を良好なものに回復させる。これにより、より電気抵抗が小さく、且つ表面平坦性が良好な、発光素子として優れた特性を有する窒化物半導体素子が得られることがわかった。 FIG. 7 shows the results of measuring the magnitude of the voltage with respect to the current density by applying a voltage to each of the samples of Examples 2 to 4 and Comparative Example 1. The driving voltage of the samples of Examples 2 to 4 is significantly reduced as compared with the sample of Comparative Example 1. In particular, when the current density is 3 kA / cm 2 , the drive voltage of the samples of Examples 2 and 3 is about 10 V (volt) lower than that of the sample of Comparative Example 1. That is, after the tunnel junction layer 15 is intentionally grown three-dimensionally to form the tunnel junction layer 15 having poor surface flatness, the second n-GaN layer 16 is further laminated on the tunnel junction layer 15 to form a two-dimensional crystal. It grows and restores the surface flatness to a good one. As a result, it was found that a nitride semiconductor device having a smaller electric resistance and a good surface flatness and having excellent characteristics as a light emitting device can be obtained.

このように、この窒化物半導体素子はn型半導体不純物が添加されたトンネル接合層15の第2n-GaN層16側の界面が、周囲から独立した島状の結晶が形成され、島状の結晶が層の表面に沿う方向、及び層の表面から離れる方向に成長する三次元成長で形成されている。つまり、この窒化物半導体素子はトンネル接合層15にn型半導体不純物を高濃度に添加している。これにより、この窒化物半導体素子はトンネル接合層15に形成される空乏層の厚みを抑えることができるため、電子及び正孔が空乏層を良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体素子はトンネル接合層15の電気抵抗をより小さくすることができる。つまり、この窒化物半導体素子は電流を良好に流すことができる。 As described above, in this nitride semiconductor device, an island-shaped crystal is formed at the interface on the second n-GaN layer 16 side of the tunnel junction layer 15 to which the n-type semiconductor impurity is added, and the island-shaped crystal is formed independently of the surroundings. Is formed by three-dimensional growth that grows along the surface of the layer and away from the surface of the layer. That is, in this nitride semiconductor element, n-type semiconductor impurities are added to the tunnel junction layer 15 at a high concentration. As a result, the nitride semiconductor device can suppress the thickness of the depletion layer formed in the tunnel junction layer 15, so that electrons and holes can pass through the depletion layer satisfactorily. Therefore, this nitride semiconductor device can make the electric resistance of the tunnel junction layer 15 smaller. That is, this nitride semiconductor device can satisfactorily pass a current.

また、この窒化物半導体素子の製造方法は、三次元成長する量のn型半導体不純物を添加してトンネル接合層15を形成するトンネル接合層形成工程を備えている。つまり、この窒化物半導体素子の製造方法はトンネル接合層15に高濃度のn型半導体不純物を添加している。このため、この窒化物半導体素子の製造方法はトンネル接合層15に形成される空乏層の厚みを抑えることができるため、電子及び正孔が空乏層を良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体素子の製造方法はトンネル接合層15の電気抵抗をより小さくすることができる。つまり、この窒化物半導体素子の製造方法は電流を良好に流すことができるトンネル接合層15を有した窒化物半導体素子を製造することができる。 Further, this method for manufacturing a nitride semiconductor device includes a tunnel junction layer forming step of adding an n-type semiconductor impurity in an amount that grows three-dimensionally to form the tunnel junction layer 15. That is, in this method of manufacturing a nitride semiconductor device, a high concentration of n-type semiconductor impurities is added to the tunnel junction layer 15. Therefore, since this method for manufacturing a nitride semiconductor device can suppress the thickness of the depletion layer formed in the tunnel junction layer 15, electrons and holes can satisfactorily pass through the depletion layer. Therefore, this method for manufacturing a nitride semiconductor device can further reduce the electrical resistance of the tunnel junction layer 15. That is, this method for manufacturing a nitride semiconductor device can manufacture a nitride semiconductor device having a tunnel junction layer 15 capable of allowing a good current to flow.

したがって、この窒化物半導体素子は電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で電流を流すことができる。また、この窒化物半導体素子の製造方法は素子の電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で電流を流すことができる窒化物半導体素子を製造することができる。 Therefore, this nitride semiconductor device has a sufficiently small electric resistance, which allows a current to flow with high efficiency. Further, in this method of manufacturing a nitride semiconductor device, the electric resistance of the device is sufficiently small, so that it is possible to manufacture a nitride semiconductor device capable of passing a current with high efficiency.

また、この窒化物半導体素子は、第2n-GaN層16の表面が二次元成長(結晶の表面段差のRMSの値が0.28nm以下)している。このため、この窒化物半導体素子は第2n-GaN層16側の界面が三次元成長したトンネル接合層15を二次元成長した第2n-GaN層16で覆うことができる。つまり、この窒化物半導体素子はn型半導体不純物が高濃度に添加されて三次元成長したトンネル接合層15が二次元成長した第2n-GaN層16で覆われているため、より小さい電気抵抗を有したトンネル接合層15を素子に用いることができる。 Further, in this nitride semiconductor device, the surface of the second n-GaN layer 16 is two-dimensionally grown (the RMS value of the surface step of the crystal is 0.28 nm or less). Therefore, in this nitride semiconductor device, the tunnel junction layer 15 whose interface on the second n-GaN layer 16 side is three-dimensionally grown can be covered with the second n-GaN layer 16 which is two-dimensionally grown. That is, in this nitride semiconductor device, the tunnel junction layer 15 that has grown three-dimensionally due to the addition of n-type semiconductor impurities at a high concentration is covered with the second n-GaN layer 16 that has grown two-dimensionally, so that it has a smaller electrical resistance. The tunnel junction layer 15 provided can be used for the element.

また、この窒化物半導体素子において、半導体不純物はn型半導体不純物である。このため、この窒化物半導体素子はトンネル接合層15の表面層側の界面が三次元成長する量のn型半導体不純物を添加してトンネル接合層を形成する。これにより、この窒化物半導体素子は第2n-GaN層16をp型半導体層でなくn型半導体層で形成することができる。これにより、この窒化物半導体素子は電気抵抗をより小さくすることができる。 Further, in this nitride semiconductor device, the semiconductor impurity is an n-type semiconductor impurity. Therefore, this nitride semiconductor device forms a tunnel junction layer by adding an n-type semiconductor impurity in an amount in which the interface on the surface layer side of the tunnel junction layer 15 grows three-dimensionally. As a result, the nitride semiconductor device can form the second n-GaN layer 16 not with the p-type semiconductor layer but with the n-type semiconductor layer. Thereby, this nitride semiconductor element can have a smaller electric resistance.

また、この窒化物半導体素子の製造方法はトンネル接合層形成工程を実行して形成されたトンネル接合層15の上側に、第2n-GaN層16を二次元成長させる表面層形成工程を備えている。このため、この窒化物半導体素子の製造方法は、表面層形成工程を実行することによって、第2n-GaN層16を二次元成長して形成することができる。このため、この窒化物半導体素子の製造方法は三次元成長したトンネル接合層15の表面側に第2n-GaN層16を二次元成長させて積層することよって、三次元成長したトンネル接合層15を覆うことができる。このため、この窒化物半導体素子の製造方法はn型半導体不純物を添加して三次元成長したトンネル接合層15を素子に用いることができるため、より小さい電気抵抗を有するトンネル接合層15を備えた窒化物半導体素子を製造することができる。 Further, this method for manufacturing a nitride semiconductor device includes a surface layer forming step for two-dimensionally growing the second n-GaN layer 16 on the upper side of the tunnel junction layer 15 formed by executing the tunnel junction layer forming step. .. Therefore, in this method for manufacturing a nitride semiconductor device, the second n-GaN layer 16 can be two-dimensionally grown and formed by executing the surface layer forming step. Therefore, in this method of manufacturing a nitride semiconductor device, a second n-GaN layer 16 is two-dimensionally grown and laminated on the surface side of a three-dimensionally grown tunnel junction layer 15 to obtain a three-dimensionally grown tunnel junction layer 15. Can be covered. Therefore, in this method for manufacturing a nitride semiconductor device, since the tunnel junction layer 15 grown three-dimensionally by adding an n-type semiconductor impurity can be used for the device, the tunnel junction layer 15 having a smaller electric resistance is provided. Nitride semiconductor devices can be manufactured.

また、この窒化物半導体素子の製造方法において、半導体不純物はn型半導体不純物である。このため、この窒化物半導体素子の製造方法は、三次元成長する量のn型半導体不純物を添加してトンネル接合層15を形成する。これにより、この窒化物半導体素子の製造方法は、第2n-GaN層16をp型半導体層でなくn型半導体層で形成することができる。これにより、この窒化物半導体素子の製造方法はより小さい電気抵抗を有する窒化物半導体素子を製造することができる。 Further, in this method for manufacturing a nitride semiconductor element, the semiconductor impurity is an n-type semiconductor impurity. Therefore, in this method of manufacturing a nitride semiconductor device, a tunnel junction layer 15 is formed by adding an amount of n-type semiconductor impurities that grows three-dimensionally. Thereby, in this method of manufacturing the nitride semiconductor element, the second n-GaN layer 16 can be formed not by the p-type semiconductor layer but by the n-type semiconductor layer. Thereby, this method for manufacturing a nitride semiconductor device can manufacture a nitride semiconductor device having a smaller electric resistance.

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例1~4に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施例1~4では、トンネル接合層の裏面側は一般的な青色LED構造であるが、これに限らず、高電流密度領域における電圧降下が大きく改善されることから、端面レーザダイオードや、第1n-GaN層の裏面側に、多層膜反射鏡を設けた面発光レーザ構造としても良い。
(2)実施例1~4では、p型半導体不純物としてMgを用いているが、これに限らず、p型半導体不純物である、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等であっても良い。
(3)実施例1~4では、n型半導体不純物としてSiを用いているが、これに限らず、n型半導体不純物である、Ge等であっても良い。
(4)実施例1~4では、GaInN/GaN5重量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しているが、これに限らず、GaInN量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しなくても良い。
(5)実施例1~4では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、窒化ガリウム基板やAlN基板等の他の基板を用いても良い。
(6)実施例1~4では、トンネル接合層のp++-GaInN層の厚みを2nmとしているが、これに限らず、トンネル接合層のp++-GaInN層の厚みを2nmより小さくしても良く、2nmより大きくしても良い。
(7)実施例1~4では、トンネル接合層のn++-GaN層の厚みを15nmとしているが、これに限らず、トンネル接合層のn++-GaInN層の厚みを15nmより小さくしても良く、15nmより大きくしても良い。
(8)実施例1~4では、トンネル接合層のp++-GaInN層のInNモル分率を0.35としているが、これに限らず、トンネル接合層のp++-GaInN層のInNモル分率を0.35より小さくしても良く、0.35より大きくしても良い。
(9)実施例1~4では、MOCVD法を用いて積層して結晶成長させているが、これに限らず、HVPEやLPEE等の他の方法を用いて積層して結晶成長させても良い。
The present invention is not limited to Examples 1 to 4 described with reference to the above description and drawings, and for example, the following examples are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In Examples 1 to 4, the back surface side of the tunnel junction layer has a general blue LED structure, but the present invention is not limited to this, and the voltage drop in the high current density region is greatly improved. Alternatively, a surface emitting laser structure in which a multilayer film reflecting mirror is provided on the back surface side of the first n-GaN layer may be used.
(2) In Examples 1 to 4, Mg is used as the p-type semiconductor impurity, but the present invention is not limited to this, and the p-type semiconductor impurities such as Zn, Be, Ca, Sr, and Ba may be used. ..
(3) In Examples 1 to 4, Si is used as the n-type semiconductor impurity, but the present invention is not limited to this, and Ge or the like, which is an n-type semiconductor impurity, may be used.
(4) In Examples 1 to 4, the p-AlGaN layer is laminated on the surface of the GaInN / GaN5 weight element well active layer, but the present invention is not limited to this, and p- is formed on the surface of the GaInN quantum well active layer. It is not necessary to stack and form AlGaN layers.
(5) In Examples 1 to 4, a sapphire substrate is used, but the present invention is not limited to this, and other substrates such as a gallium nitride substrate and an AlN substrate may be used.
(6) In Examples 1 to 4, the thickness of the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer is set to 2 nm, but the thickness is not limited to this, and the thickness of the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer may be smaller than 2 nm. It may be larger than 2 nm.
(7) In Examples 1 to 4, the thickness of the n ++ -GaN layer of the tunnel junction layer is set to 15 nm, but the thickness is not limited to this, and the thickness of the n ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer may be smaller than 15 nm. It may be larger than 15 nm.
(8) In Examples 1 to 4, the InN mole fraction of the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer is set to 0.35, but the present invention is not limited to this, and the InN mole fraction of the p ++ -GaInN layer of the tunnel junction layer is not limited to this. The rate may be less than 0.35 or greater than 0.35.
(9) In Examples 1 to 4, the crystals are grown by laminating using the MOCVD method, but the present invention is not limited to this, and the crystals may be grown by laminating using other methods such as HVPE and LPEE. ..

15…トンネル接合層
16…第2n-GaN層(表面層)
15 ... Tunnel junction layer 16 ... Second n-GaN layer (surface layer)

Claims (9)

半導体不純物が添加されたトンネル接合層と、
前記トンネル接合層の上側に形成された表面層と、
を備えており、
前記表面層側の前記トンネル接合層の界面が三次元成長した結晶表面であって、前記トンネル接合層から前記半導体不純物であるp型半導体不純物の拡散が抑制されており、
前記表面層の前記トンネル接合層側が三次元成長していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
A tunnel junction layer with semiconductor impurities added,
The surface layer formed on the upper side of the tunnel junction layer and
Equipped with
The interface of the tunnel junction layer on the surface layer side is a crystal surface grown three-dimensionally, and diffusion of the p-type semiconductor impurity, which is a semiconductor impurity, is suppressed from the tunnel junction layer .
A nitride semiconductor light emitting device characterized in that the tunnel junction layer side of the surface layer is three-dimensionally grown .
前記表面層の表面が二次元成長した結晶表面であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the surface of the surface layer is a two-dimensionally grown crystal surface. n型半導体不純物が添加されたn型の第1の窒化物半導体層と、
p型半導体不純物が添加されたp型の第2の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間の活性領域と、
前記第2の窒化物半導体層の上に形成されるトンネル接合層と、
前記トンネル接合層の上側に接して形成された表面層と、
を備えており、
前記トンネル接合層は、
前記第2の窒化物半導体層側の表面に形成され、前記p型半導体不純物が前記第2の窒化物半導体層よりも高濃度に添加された窒化物半導体である第2高濃度不純物層と、
前記第2高濃度不純物層の表面に形成され、前記n型半導体不純物が前記第1の窒化物半導体層よりも高濃度に添加された窒化物半導体である第1高濃度不純物層と、を有し、
前記表面層は、前記n型の窒化物半導体層であり、前記トンネル接合層側が三次元成長しており、
前記表面層側の前記トンネル接合層の界面が三次元成長した結晶表面であって、前記トンネル接合層から前記p型半導体不純物の拡散が抑制されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
The n-type first nitride semiconductor layer to which n-type semiconductor impurities are added, and the n-type first nitride semiconductor layer,
A p-type second nitride semiconductor layer to which p-type semiconductor impurities have been added, and a p-type second nitride semiconductor layer,
The active region between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer,
A tunnel junction layer formed on the second nitride semiconductor layer and
A surface layer formed in contact with the upper side of the tunnel junction layer and
Equipped with
The tunnel junction layer is
A second high-concentration impurity layer, which is a nitride semiconductor formed on the surface of the second nitride semiconductor layer side and to which the p-type semiconductor impurities are added at a higher concentration than that of the second nitride semiconductor layer.
It has a first high-concentration impurity layer which is a nitride semiconductor formed on the surface of the second high-concentration impurity layer and to which the n-type semiconductor impurities are added at a higher concentration than the first nitride semiconductor layer. death,
The surface layer is the n-type nitride semiconductor layer, and the tunnel junction layer side is three-dimensionally grown.
A nitride semiconductor light emitting device, wherein the interface of the tunnel junction layer on the surface layer side is a crystal surface grown three-dimensionally, and diffusion of the p-type semiconductor impurities from the tunnel junction layer is suppressed.
前記第1高濃度不純物層は、前記n型半導体不純物の濃度が1×1020cm-3以上であることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein the first high-concentration impurity layer has a concentration of the n-type semiconductor impurity of 1 × 10 20 cm -3 or more. 前記表面層は、厚みが400nmより大きいGaN層であることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 2 to 4, wherein the surface layer is a GaN layer having a thickness larger than 400 nm. 前記n型半導体不純物は、Si、Geの何れかであり、
前記p型半導体不純物は、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、及びBaの何れかであることを特徴とする請求項3、請求項4、請求項4を直接的に引用する請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
The n-type semiconductor impurity is either Si or Ge, and is
The fifth aspect of the present invention is a direct reference to claims 3, 4, and 4, wherein the p-type semiconductor impurity is any one of Mg, Zn, Be, Ca, Sr, and Ba. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of the following items.
三次元成長する量の半導体不純物を添加して前記三次元成長させて、前記半導体不純物であるp型半導体不純物の拡散が抑制されたトンネル接合層を形成するトンネル接合層形成工程と、
前記トンネル接合層形成工程を実行して形成された前記トンネル接合層の上側に、表面層を二次元成長させる表面層形成工程と、
を備え、
前記表面層形成工程において、前記表面層は、三次元成長が継続した後二次元成長することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
A tunnel junction layer forming step of adding an amount of semiconductor impurities that grows three-dimensionally and causing the three-dimensional growth to form a tunnel junction layer in which diffusion of the p-type semiconductor impurity, which is a semiconductor impurity, is suppressed .
A surface layer forming step of two-dimensionally growing a surface layer on the upper side of the tunnel junction layer formed by executing the tunnel junction layer forming step,
Equipped with
A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device , wherein in the surface layer forming step, the surface layer grows two-dimensionally after three-dimensional growth continues .
基板上に、
n型半導体不純物が添加されたn型の第1の窒化物半導体層と、
p型半導体不純物が添加されたp型の第2の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間の活性領域と、
を積層する積層工程と、
次に、前記第2の窒化物半導体層の上にトンネル接合層を形成するトンネル接合層形成工程と、
次に、前記トンネル接合層の上側に接して表面層を二次元成長させる表面層形成工程と、を有し、
前記トンネル接合層形成工程は、前記第2の窒化物半導体層側の表面上に、前記p型半導体不純物を前記第2の窒化物半導体層よりも高濃度に添加した窒化物半導体である第2高濃度不純物層を形成し、前記第2高濃度不純物層の表面に、前記n型半導体不純物が前記第1の窒化物半導体層よりも高濃度に添加された窒化物半導体である第1高濃度不純物層を形成する工程を含み、
前記トンネル接合層形成工程は、三次元成長する量の前記n型半導体不純物を添加して前記三次元成長させて、前記p型半導体不純物の拡散が抑制された前記トンネル接合層を形成し、
前記表面層形成工程において、前記表面層は、三次元成長が継続した後二次元成長する窒化物半導体発光素子の製造方法。
On the board,
The n-type first nitride semiconductor layer to which n-type semiconductor impurities are added, and the n-type first nitride semiconductor layer,
A p-type second nitride semiconductor layer to which p-type semiconductor impurities have been added, and a p-type second nitride semiconductor layer,
The active region between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer,
And the laminating process of laminating
Next, a tunnel junction layer forming step of forming a tunnel junction layer on the second nitride semiconductor layer,
Next, it has a surface layer forming step in which the surface layer is two-dimensionally grown in contact with the upper side of the tunnel junction layer.
The tunnel junction layer forming step is a second nitride semiconductor in which the p-type semiconductor impurity is added to the surface of the second nitride semiconductor layer side at a higher concentration than that of the second nitride semiconductor layer. A first high-concentration nitride semiconductor in which a high-concentration impurity layer is formed and the n-type semiconductor impurity is added to the surface of the second high-concentration impurity layer at a higher concentration than that of the first nitride semiconductor layer. Including the step of forming an impurity layer
In the tunnel junction layer forming step, the n-type semiconductor impurity is added in an amount that grows three-dimensionally and the n-type semiconductor impurity is grown three-dimensionally to form the tunnel junction layer in which the diffusion of the p-type semiconductor impurity is suppressed .
A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device in which the surface layer grows two-dimensionally after three-dimensional growth continues in the surface layer forming step .
前記第1高濃度不純物層は、前記n型半導体不純物の濃度が1×1020cm-3以上で、前記表面層側の界面が三次元成長した結晶表面となる条件で結晶成長を行い、
前記表面層形成工程は、前記トンネル接合層を形成する工程よりも高温にて、表面が二次元成長した結晶表面となる条件で、第1の導電型の窒化物半導体層を前記表面層として結晶成長する工程であることを特徴とする請求項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
The first high-concentration impurity layer undergoes crystal growth under the condition that the concentration of the n-type semiconductor impurity is 1 × 10 20 cm -3 or more and the interface on the surface layer side becomes a three-dimensionally grown crystal surface.
In the surface layer forming step, the first conductive type nitride semiconductor layer is used as the surface layer under the condition that the surface becomes a crystal surface having two-dimensional growth at a higher temperature than the step of forming the tunnel junction layer. The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to claim 8 , wherein the process is a growing process.
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