JPH10229217A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

Semiconductor light emitting element

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JPH10229217A
JPH10229217A JP2994697A JP2994697A JPH10229217A JP H10229217 A JPH10229217 A JP H10229217A JP 2994697 A JP2994697 A JP 2994697A JP 2994697 A JP2994697 A JP 2994697A JP H10229217 A JPH10229217 A JP H10229217A
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雅文 近藤
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元隆 種谷
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泰司 森本
Toshiyuki Okumura
敏之 奥村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the production of quantum dot and the no-light emitting recoupling, by a method wherein a single semiconductor layer is formed light emitting layer, and the thickness of the single semiconductor with the structure of a layer is composed of atomic layer number within a specific range. SOLUTION: After thermally cleaning a sapphire C surface substrate 1 in a hydrogen atmosphere, an AlN buffer layer 2 in thickness of 50nm is grown further by growing an Si doped n type GaN layer 3 on the buffer layer 2. Next, a single semiconductor layer 4 as a light emitting layer composed of one atomic layer number or 15 atomic layer number in film thickness is grown on the surface of the Si doped GaN layer 3 further growing an InGaN evaporation preventive layer 5 on the layer 4. Successively, an Mg doped p type GaN layer 6 is grown on the layer 5 so that a part of the layer 6 may be etched away until the Si doped n type GaN layer 3 is exposed, so as to form an n type electrode 7 on the surface of the layer 3. Furthermore, a p type electrode 8 is deposited on the Mg doped GaN layer 6.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
(LED)、レーザダイオード(LD)等の半導体発光
素子に係り、特に、発光効率が高く、長寿命、波長の安
定なIII−V族窒化物半導体を発光層とする半導体発
光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD), and more particularly, to a group III-V nitride having high luminous efficiency, long life and stable wavelength. The present invention relates to a semiconductor light emitting element having a semiconductor as a light emitting layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】III−V族窒化物半導体、特にインジ
ウム(In)を含む窒化物半導体(InAAlBGa
1-A-BN、0≦A、0≦B、A+B≦1)を発光層とす
る半導体発光素子は、紫外色から赤色に発光するLE
D、LD等の発光素子の材料として期待され、開発が進
められている。
2. Description of the Related Art A group III-V nitride semiconductor, particularly a nitride semiconductor containing indium (In) (In A Al B Ga
1-AB N, 0 ≦ A, 0 ≦ B, A + B ≦ 1) is a semiconductor light emitting element having an LE that emits light from ultraviolet to red.
It is expected as a material for light-emitting elements such as D and LD, and is being developed.

【0003】図9は窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子の従来例の略断面図であり、特開平8―316
528号公報、発明の名称:窒化物半導体発光素子、出
願人:日亜化学工業株式会社である。図9において、サ
ファイア基板等の絶縁性基板60の上にn型窒化ガリウ
ム系化合物半導体層とp型窒化ガリウム系化合物半導体
層とが積層されており、バッファ層61、n型コンタク
ト層62、第2のn型クラッド層63、第1のn型クラ
ッド層64、活性層65、第1のp型クラクド層66、
第2のp型クラッド層67、およびp型コンタクト層6
8が順に積層された構造であり、n型コンタクト層62
には負電極69が形成され、p型コンタクト層68には
正電極70が形成されている。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a conventional example of a semiconductor light emitting device using a nitride-based semiconductor material.
No. 528, Title of Invention: Nitride semiconductor light emitting device, Applicant: Nichia Corporation. In FIG. 9, an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer are laminated on an insulating substrate 60 such as a sapphire substrate, and a buffer layer 61, an n-type contact layer 62, 2, an n-type clad layer 63, a first n-type clad layer 64, an active layer 65, a first p-type clad layer 66,
Second p-type cladding layer 67 and p-type contact layer 6
8 are sequentially laminated, and the n-type contact layer 62
A positive electrode 70 is formed on the p-type contact layer 68.

【0004】そして、活性層65及びその両側に配設さ
れるn型またはp型クラクド層の材料設定に特色があ
り、第1のn型クラッド層64は、活性層65よりも小
さい熱膨張係数を持ち、第1のp型クラッド層66は、
活性層65よりも小さい熱膨張係数を持ち、且つ活性層
65を単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とする
ことにより、活性層を構成する窒化物半導体の本来のバ
ンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光を発
光させるようにしたことを特色とする窒化物半導体発光
素子である。
[0004] The material of the active layer 65 and the n-type or p-type clad layers disposed on both sides of the active layer 65 is characterized in that the first n-type clad layer 64 has a smaller thermal expansion coefficient than the active layer 65. And the first p-type cladding layer 66 has
By having a thermal expansion coefficient smaller than that of the active layer 65 and making the active layer 65 a single quantum well structure or a multiple quantum well structure, the energy lower than the original band gap energy of the nitride semiconductor constituting the active layer can be obtained. This is a nitride semiconductor light emitting device characterized in that it emits light of the following type.

【0005】図10は、上記の従来例の活性層65と発
光ピーク波長との関係を示したものであり、詳しくは単
―量子井戸構造の活性層の厚さ、つまり量子井戸層の厚
さと、発光素子の発光ピーク波長との関係を示す図であ
る。図10において、線αは活性層がノンドープIn
0.05Ga0.95Nよりなる発光素子を示し、線βは活性層
がノンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる発光素子を示し
ている。両方とも発光素子の構造は第2のクラッド層
と、第1のn型クラッド層と、活性層と、第1のp型ク
ラッド層と、第2のp型クラッド層とを順に積層したダ
プルヘテロ構造である。第2のn型クラッド層は0.1
μmのSiドープn型Al0.3Ga0.7Nよりなり、第1
のn型クラッド層は500オングストロームのIn0.01
Ga0.99Nよりなり、第1のp型クラッド層は20オン
グストロームのMgドープp型In0.01Ga0.99Nより
なり、第2のp型クラッド層は0.1μmのMgドープ
p型Al0.3Ga0.7Nよりなるダブルへテロ構造であ
る。このように、活性層の膜厚を変えると、発光波長が
変化することを示している。
FIG. 10 shows the relationship between the active layer 65 of the prior art and the emission peak wavelength. More specifically, the thickness of the active layer having a single-quantum well structure, that is, the thickness of the quantum well layer and the thickness of the active layer 65 are shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a light emission element and a light emission peak wavelength. In FIG. 10, line α indicates that the active layer is non-doped In.
A light emitting element made of 0.05 Ga 0.95 N is shown, and a line β shows a light emitting element whose active layer is made of non-doped In 0.3 Ga 0.7 N. In both cases, the structure of the light emitting element is a double hetero structure in which a second clad layer, a first n-type clad layer, an active layer, a first p-type clad layer, and a second p-type clad layer are sequentially stacked. It is. The second n-type cladding layer is 0.1
μm Si-doped n-type Al 0.3 Ga 0.7 N
The n-type cladding layer is 500 angstroms of In 0.01.
Ga 0.99 N, the first p-type cladding layer is made of 20 Å of Mg-doped p-type In 0.01 Ga 0.99 N, and the second p-type cladding layer is made of 0.1 μm of Mg-doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N. It has a double heterostructure. Thus, it is shown that changing the thickness of the active layer changes the emission wavelength.

【0006】線αで示すIn0.05Ga0.95N活性層は、
本来のバンドギャップエネルギーでは380nm付近の
紫外発光を示すが、膜厚を薄くすることにより420n
m近くまで波長を長して青紫色の発光にできる。また線
βで示すIn0.3Ga0.7N活性層は本来のバンドギャッ
プエネルギーでは480nm付近の青緑色発光である
が、同じく膜厚を薄くすることにより、520nm近く
の純緑色発光が得られている。
The In 0.05 Ga 0.95 N active layer shown by the line α is
It emits ultraviolet light at around 380 nm at the original band gap energy, but it becomes 420 n
It can emit blue-violet light by increasing the wavelength to near m. The In 0.3 Ga 0.7 N active layer indicated by the line β emits blue-green light at around 480 nm in the original band gap energy, but pure green light at around 520 nm is obtained by reducing the film thickness similarly.

【0007】このように第1のn型クラッド層と第1の
p型クラッド層で挟まれた活性層の膜厚を薄くすること
により、発光波長を長波長にすることができる。つま
り、通常の膜厚の厚い活性層ではその活性層のバンドギ
ャップエネルギーに相当する発光しか示さないが、この
従来例の単―量子井戸構造の活性層では、井戸層の膜厚
を薄くすることによって、バンドギヤップエネルギーが
小さくなり、元の井戸層のバンドギャップエネルギーよ
りも低エネルギーの光、即ち長波長を発光させることが
可能となる。しかもノンドープであるので、不純物をド
ープしたものよりも結晶性がよいので出力が高くなり、
さらにバンド間発光で半値幅の狭い色純度の良い発光が
得られている。
As described above, by reducing the thickness of the active layer sandwiched between the first n-type cladding layer and the first p-type cladding layer, the emission wavelength can be made longer. In other words, an ordinary active layer having a large thickness only emits light corresponding to the band gap energy of the active layer. However, in the active layer having the single-quantum well structure of the conventional example, it is necessary to reduce the thickness of the well layer. As a result, the band gap energy is reduced, and light having a lower energy than the band gap energy of the original well layer, that is, light having a longer wavelength can be emitted. Moreover, since it is non-doped, its crystallinity is better than that doped with impurities, so the output becomes higher,
In addition, light emission with a narrow half width and good color purity is obtained by light emission between bands.

【0008】また、膜厚が厚いInGaNで活性層を形
成すると、活性層の結晶性が悪く、例えばIn組成比が
0.3〜0.5では結晶性が悪くなって発光出力が非常
に低かったが、薄膜にすることにより、大きなIn組成
比でも結晶性良く成長できるようになるという作用もあ
る。そして、この上記の従来例では、量子井戸層の膜厚
は100オングストローム以下、さらに好ましくは70
オングストローム以下となるように形成することが好ま
しい、としている。
Further, when the active layer is formed of thick InGaN, the crystallinity of the active layer is poor. For example, when the In composition ratio is 0.3 to 0.5, the crystallinity is poor and the light emission output is very low. However, there is also an effect that the thin film can be grown with good crystallinity even at a large In composition ratio. In the above conventional example, the thickness of the quantum well layer is 100 Å or less, more preferably 70 Å or less.
It is preferable that the film be formed to have a thickness of Å or less.

【0009】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.05Ga0.95N活性層を用い、If(順方向電流)=
20mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピー
ク波長λp=410nm(青色発光)、発光出力Wp=
5mW、発光スペクトルの半値幅△λ=20nm、であ
った。
In the above conventional example, the non-doped I
Using an n 0.05 Ga 0.95 N active layer, If (forward current) =
At 20 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 410 nm (blue emission), emission output Wp =
5 mW, and the half width of the emission spectrum Δλ = 20 nm.

【0010】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.2Ga0.8N活性層を用い、If(順方向電流)=2
0mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク
波長λp=465nm(青色発光)、発光出力Wp=5
mW、発光スペクトルの半値幅△λ=25nm、であっ
た。
In the above conventional example, the non-doped I
Using an n 0.2 Ga 0.8 N active layer, If (forward current) = 2
At 0 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 465 nm (blue emission), emission output Wp = 5
mW and the half width of the emission spectrum Δλ = 25 nm.

【0011】また、上記の従来例では、ノンドープのI
0.3Ga0.7N活性層を用い、If(順方向電流)=2
0mAで、Vf(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク
波長λp=500nm(緑色発光)、発光出力Wp=3
mW、発光スペクトルの半値幅△λ=40nm、であっ
た。
In the above conventional example, the non-doped I
Using an n 0.3 Ga 0.7 N active layer, If (forward current) = 2
At 0 mA, Vf (forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 500 nm (green emission), emission output Wp = 3
mW and the half width of the emission spectrum Δλ = 40 nm.

【0012】また、上記の従来例では、70オングスト
ロームのIn0.4Ga0.6Nからなる単一量子井戸構造の
活性層を用い、If(順方向電流)=20mAで、Vf
(順方向電圧)=3.5V、発光ピーク波長λp=52
5nm(緑色発光)、発光出力Wp=4mW、発光スペ
クトルの半値幅△λ=40nm、であった。
In the above conventional example, an active layer having a single quantum well structure made of 70 Å In 0.4 Ga 0.6 N is used. If (Forward current) = 20 mA, Vf
(Forward voltage) = 3.5 V, emission peak wavelength λp = 52
The emission power was 5 nm (green emission), the emission output Wp was 4 mW, and the half width of the emission spectrum Δλ was 40 nm.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】従来例の窒化物系発光
素子においては、青緑色、緑色、黄緑色の発光素子を得
るためには、Inの組成比を大きくしなければならな
い。しかしながら、InGaN混晶系またはInGaA
lN混晶系材料から成る発光層を使う場合、上述のよう
に、Inの組成比が大きくなると、例えばInGaNの
三元混晶は相分離を起こし易く、発光層の量子井戸中の
InGaN層中に設定したIn組成よりも大きな領域と
なる所の量子ドットが自然形成されること、そしてIn
GaNの量子井戸構造の発光層からの発光は、この量子
ドットに局在した励起子発光と考えられるため、ウエハ
面内で均一な発光波長を持つ半導体発光素子を得ること
が困難な状況にある。また、量子ドットの発生による発
光層内の格子不整合による歪み緩和が発生し、且つIn
GaN層と他半導体層との格子不整合による歪みの緩和
が発生し、それらに起因する非発光再結合が多くなり、
発光効率が低く、寿命の短い発光素子しか得られていな
いのが現状である。また、発光波長の注入電流依存性が
大きく、発光波長の安定した発光素子が得にくい現状に
ある。
In the conventional nitride-based light emitting device, the composition ratio of In must be increased in order to obtain blue-green, green, and yellow-green light-emitting devices. However, InGaN mixed crystal system or InGaAs
When a light emitting layer made of an 1N mixed crystal material is used, as described above, if the composition ratio of In increases, for example, a ternary mixed crystal of InGaN easily causes phase separation, and the InGaN layer in the quantum well of the light emitting layer Is formed naturally in a region that is a region larger than the In composition set in
Since light emission from the light-emitting layer having a quantum well structure of GaN is considered to be exciton light emission localized in the quantum dots, it is difficult to obtain a semiconductor light-emitting device having a uniform light emission wavelength within the wafer surface. . In addition, strain relaxation due to lattice mismatch in the light emitting layer due to the generation of quantum dots occurs, and In
Relaxation of strain occurs due to lattice mismatch between the GaN layer and other semiconductor layers, resulting in increased non-radiative recombination,
At present, only light-emitting elements with low luminous efficiency and short lifetime have been obtained. In addition, it is difficult to obtain a light-emitting device having a stable emission wavelength because the emission wavelength has a large dependency on an injection current.

【0014】また、説明した従来例の特開平8―316
528号公報においては、活性層(発光層)の膜厚は7
0オングストローム以下が望ましいと記載してはいるも
のの、実施の形態よりなる値は膜厚70オングストロー
ムの活性層についての記載であり、上記の説明から、こ
の膜厚は量子ドットが発生している膜厚であると推測で
きる。
[0014] Further, the above-mentioned prior art disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-316 is disclosed.
In JP-A-528, the thickness of the active layer (light-emitting layer) is 7
Although it is described that the thickness is preferably 0 Å or less, the value according to the embodiment is a description of an active layer having a thickness of 70 Å. It can be assumed that it is thick.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1記載の
半導体発光素子は、III−V族窒化物半導体を発光層
とする半導体発光素子であり、発光層は単―半導体層構
造または単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であ
り、且つ単―半導体層または単位量子井戸層の層厚が1
原子層数乃至15原子層数で構成されることを特徴とす
るものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device having a III-V nitride semiconductor as a light emitting layer, wherein the light emitting layer has a single-semiconductor layer structure or a single semiconductor layer structure. It has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure, and a single-semiconductor layer or a unit quantum well layer has a thickness of 1
It is characterized by being constituted by the number of atomic layers to the number of 15 atomic layers.

【0016】また、本発明の請求項2記載の半導体発光
素子は、前記発光層を構成する単―半導体層または単位
量子井戸層の組成はIII族元素であるInの組成比が
35%以上であり65%以下であることを特徴とするも
のである。
In a semiconductor light emitting device according to a second aspect of the present invention, the composition of the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer constituting the light emitting layer is such that the composition ratio of In which is a group III element is 35% or more. And 65% or less.

【0017】また、本発明の請求項3記載の半導体発光
素子は、発光層がInXGa1-XN(0.35≦X≦0.
65)であることを特徴とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the third aspect of the present invention, the light emitting layer is formed of In x Ga 1 -xN (0.35 ≦ X ≦ 0.
65).

【0018】また、本発明の請求項4記載の半導体発光
素子は、発光層がInX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y
≦1.0、0.35≦X≦0.65)であることを特徴
とするものである。
Moreover, the semiconductor light-emitting device according to claim 4 of the present invention, the light emitting layer is In X (Al Y Ga 1- Y) 1-X N (0 <Y
≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65).

【0019】また、本発明の請求項5記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX
1-XN(0.35≦X≦0.65)であることを特徴
とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the fifth aspect of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x G
a 1−X N (0.35 ≦ X ≦ 0.65).

【0020】また、本発明の請求項6記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がIn
X(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦1.0、0.35≦
X≦0.65)であることを特徴とするものである。
In a semiconductor light emitting device according to a sixth aspect of the present invention, the barrier layer forming the multiple quantum well structure has an In barrier.
X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦
X ≦ 0.65).

【0021】また、本発明の請求項7記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層の組成はI
II族元素であるInの組成比が35%以下含有するこ
とを特徴とするものである。
In a semiconductor light emitting device according to a seventh aspect of the present invention, the composition of the barrier layer forming the multiple quantum well structure is I
It is characterized in that the composition ratio of In which is a Group II element is 35% or less.

【0022】また、本発明の請求項8記載の半導体発光
素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX
1-XN(X≦0.35)であることを特徴とするもの
である。
Further, in the semiconductor light emitting device according to claim 8 of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x G
a 1−X N (X ≦ 0.35).

【0023】さらに、本発明の請求項9記載の半導体発
光素子は、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX
(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦1.0、X≦0.3
5)であることを特徴とするものである。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the ninth aspect of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x.
(Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, X ≦ 0.3
5).

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図1乃至図8は、本発明の一実施
の形態よりなる半導体発光素子に関する図である。以下
に、本発明の実施の形態について説明する。
1 to 8 are views showing a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

【0025】[実施の形態1]図1は、本発明の第1の
実施の形態よりなる半導体発光素子の構造を示す断面図
である。半導体発光素子の成長は、MOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルインジュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)等を使用
し、V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を
使用する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4
(シラン)を、使用し、またp型ドーパントの輸送ガス
としてCp2 Mg(シクロペンタジエチルマグネシュウ
ム)またはエチルCp2 Mgを使用する。
[First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting device is grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylindium), TMA (trimethylaluminum) or the like is used as a group III element transport gas, and NH 3 (ammonia) is used as a group V element transport gas. Use SiH 4 as transport gas for n-type dopant
(Silane) and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl Cp 2 Mg as a transport gas for the p-type dopant.

【0026】サファイアC面基板1を水素雰囲気で11
00℃で熱クリーニングした後、基板温度を550℃に
下げ、層厚50nmのノンドープのAlNのバッファ層
2を成長させる。次に基板温度を1050℃まで上げて
層厚4μmのSiドープn型GaN層3を成長させる。
次に基板温度を800℃に下げ、6原子層数(算定値約
1.6nm、即ち、16オングストローム)のノンドー
プIn0.4Ga0.6Nの発光層(単―半導体層)4、層厚
50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8NのInGa
N蒸発防止層5を順次成長させる。次に基板温度を10
50℃まで上げて、層厚0.5μmのMgドープp型G
aN層6を成長させる。続いて、成長層の一部をSiド
ープn型GaN層3が露出するまでエッチングを行い、
その表面にn型電極7を形成する。また、Mgドープp
型GaN層6の表面にp型電極8を蒸着する。次に、ウ
エハーをチップに分割(チップサイズ約400μm角)
し、ステムにマウント後樹脂モールドを行い、半導体発
光素子(LED素子)とする。
The sapphire C-plane substrate 1 is placed in a hydrogen atmosphere at 11
After thermal cleaning at 00 ° C., the substrate temperature is lowered to 550 ° C., and a non-doped AlN buffer layer 2 having a thickness of 50 nm is grown. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C. to grow a 4 μm-thick Si-doped n-type GaN layer 3.
Next, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and the number of non-doped In 0.4 Ga 0.6 N light-emitting layers (single-semiconductor layers) 4 of 6 atomic layers (calculated value of about 1.6 nm, that is, 16 Å), and 50-nm thick Mg layers InGa doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N
The N evaporation preventing layer 5 is sequentially grown. Next, set the substrate temperature to 10
Raise the temperature up to 50 ° C and make the Mg-doped p-type G
The aN layer 6 is grown. Subsequently, a part of the growth layer is etched until the Si-doped n-type GaN layer 3 is exposed,
An n-type electrode 7 is formed on the surface. Also, Mg-doped p
A p-type electrode 8 is deposited on the surface of the p-type GaN layer 6. Next, the wafer is divided into chips (chip size of about 400 μm square)
Then, after mounting on the stem, resin molding is performed to obtain a semiconductor light emitting element (LED element).

【0027】図1に示した略断面図と同様の層構造を持
つ半導体発光素子において、Inの組成と発光面積の比
率を測定した結果を図6に示す。図6において、発光層
として膜厚約5nm(50オングストローム)のノンド
ープInXGa1-XN(0≦X≦1.0)の半導体層を用
い、発光層のIn組成を変化させた時、低電流駆動(1
mA以下)における発光領域の全面積に対する発光して
いる面積の比率を図6に示す。図6において、ノンドー
プInXGa1-XNの発光層のIn組成XがX=0.0〜
0.2及びX=0.8〜1.0においては、発光面積の
比率が0.92とほぼ一定であるのに対し、X=0.2
〜0.8においては、発光面積の比率が大きく減少し、
X=0.4〜0.6においては、発光面積の比率が0.
67程度の低い値となることを示している。
FIG. 6 shows the result of measuring the ratio of the composition of In to the light emitting area in the semiconductor light emitting device having the same layer structure as the schematic sectional view shown in FIG. In FIG. 6, when a semiconductor layer of non-doped In x Ga 1 -xN (0 ≦ X ≦ 1.0) having a thickness of about 5 nm (50 Å) is used as the light emitting layer and the In composition of the light emitting layer is changed, Low current drive (1
FIG. 6 shows the ratio of the light-emitting area to the total area of the light-emitting region at (mA or less). In FIG. 6, the In composition X of the non-doped In x Ga 1 -xN light emitting layer is from X = 0.0 to 0.0.
In the case of 0.2 and X = 0.8 to 1.0, the ratio of the light emitting area is almost constant at 0.92, while the ratio of X = 0.2
At ~ 0.8, the ratio of the light emitting area is greatly reduced,
When X = 0.4 to 0.6, the ratio of the light emitting area is 0.1.
This indicates that the value is as low as about 67.

【0028】その原因として、TEM(透過電子顕微
鏡)観察から、発光層のIn組成が0.35〜0.65
の領域で発光層の相分離による量子ドットの密度が増大
すること、発光層のIn組成が0〜0.35及び0.6
5〜1.0の領域ではGaまたはIn組成が支配的とな
り、量子ドットの密度が逆に減少すること、を見い出だ
した。
The reason for this is that the TEM (transmission electron microscope) observation shows that the In composition of the light emitting layer is 0.35 to 0.65.
That the density of the quantum dots due to the phase separation of the light emitting layer is increased in the region of
It has been found that in the range of 5 to 1.0, the Ga or In composition becomes dominant, and the density of the quantum dots is reduced.

【0029】即ち、発光層のIn組成が0.35〜0.
65の領域においては、量子ドットの密度が増加するこ
とが、発光層内で結晶の組成の違いによるミスフィット
転位を増加させる原因となっている。この発光層内のミ
スフィット転位は、非発光再結合の中心となるため、素
子の発光強度の減少及び発光素子の寿命を短くする原因
となっている。
That is, when the In composition of the light emitting layer is 0.35 to 0.5.
In the region 65, an increase in the density of quantum dots causes an increase in misfit dislocation due to a difference in crystal composition in the light emitting layer. The misfit dislocation in the light emitting layer becomes a center of non-radiative recombination, and thus causes a reduction in light emission intensity of the element and a shortened life of the light emitting element.

【0030】また、上述の発光層の量子ドットは、結晶
成長時に自然発生的に形成されるため、その組成及び大
きさの制御は不可能である。このため、1枚のウエハか
ら取り出される発光素子の特性の分布が大きくなり、例
えば発光波長の分布が著しく大きくなる、といった現象
が起こる。このような量子ドットの発生は、InGaA
lNを発光層とする場合も、図6で示したと同様のIn
組成に対する発光面積の比率の減少(依存性)が観測さ
れた。
Further, since the above-mentioned quantum dots of the light emitting layer are spontaneously formed during crystal growth, it is impossible to control the composition and size thereof. For this reason, the distribution of the characteristics of the light emitting elements taken out from one wafer becomes large, and for example, the phenomenon that the distribution of the emission wavelength becomes extremely large occurs. The generation of such quantum dots is caused by InGaAs
In the case where 1N is used as the light emitting layer, In is similar to that shown in FIG.
A decrease (dependency) in the ratio of the light emitting area to the composition was observed.

【0031】更に、この量子ドットは、個々の量子ドッ
トごとに、その形状、Inの組成が異なっているため、
発光させるために注入されたキャリアは、発光層全体で
は広いエネルギー範囲に分布することとなる。しかも、
InGaN、またはInGaAlN結晶中のキャリアの
移動度が低く、かつ、キャリアの緩和時間が長いため、
発光は注入されたキャリアが低エネルギーにまで緩和す
る前に高エネルギー状態で発光が起きる。この原因によ
りInGaN、またはInGaAlN発光層を量子井戸
構造とする発光素子においては、その発光波長の注入電
流依存性が大きいことを見い出だした。なお、この現象
は発光層のIn組成が大きくなる程(即ち、発光波長が
長波長になる程)顕著となる。例えば、InGaNの量
子井戸構造の緑色発光ダイオード(Inの組成比0.4
5、発光波長520nm)では、駆動電流を10mA変
化させるとその発光ピーク波長は約10nm短波長側へ
シフトし、色が変化するという問題や、フルカラーディ
スプレーへの応用では、その色調整を難しくする、とい
った問題があった。
Further, since this quantum dot has a different shape and different In composition for each quantum dot,
Carriers injected for light emission are distributed over a wide energy range in the entire light emitting layer. Moreover,
Since the mobility of carriers in the InGaN or InGaAlN crystal is low and the relaxation time of the carriers is long,
Light emission occurs in a high energy state before the injected carriers relax to low energy. For this reason, it has been found that in a light emitting device having a quantum well structure of an InGaN or InGaAlN light emitting layer, the emission current has a large dependence on the injection current. This phenomenon becomes more remarkable as the In composition of the light emitting layer becomes larger (that is, as the emission wavelength becomes longer). For example, a green light emitting diode having a quantum well structure of InGaN (In composition ratio 0.4
(5, emission wavelength: 520 nm), when the driving current is changed by 10 mA, the emission peak wavelength shifts to the shorter wavelength side by about 10 nm, and the color changes. In the case of application to a full-color display, the color adjustment becomes difficult. There was such a problem.

【0032】また、上述の問題は、発光層として、単―
半導体層または単位井戸層または多重量子井戸構造にお
いてもみられる。ここに、単―量子井戸構造とは、量子
井戸層が一層よりなる構造を指す。すなわち、単―量子
井戸構造の発光層(活性層)は、単―の井戸層だけで構
成される。また、単―半導体層とは単―半導体層より構
成された発光層のことであり、量子井戸構造を形成しな
い発光層の場合も包含している。また、多重量子井戸構
造とは、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多層膜構
造である。この多層膜構造において、両側の2つ最外層
は、それぞれ井戸層により構成される。多重量子井戸構
造の尤も単純な構造は、量子井戸層/障壁層/量子井戸
層の場合である。
The above-mentioned problem is caused by the fact that the light-emitting layer has a simple structure.
It is also found in semiconductor layers or unit well layers or multiple quantum well structures. Here, the single-quantum well structure refers to a structure having a single quantum well layer. That is, the light-emitting layer (active layer) having the single-quantum well structure is composed of only the single-well layer. Further, the single-semiconductor layer is a light-emitting layer composed of a single-semiconductor layer, and includes a light-emitting layer in which a quantum well structure is not formed. The multiple quantum well structure is a multilayer structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked. In this multilayer structure, the two outermost layers on both sides are each formed of a well layer. The simplest structure of the multiple quantum well structure is the case of a quantum well layer / barrier layer / quantum well layer.

【0033】図7に、InGaN、またはInGaAl
N発光層の厚さを変化させた時、発光層の原子層数(層
厚)に対する発光面積の減少比率を示す。図7におい
て、発光層の原子層数が1〜5原子層数では、発光面積
の減少比率が0.08であり、発光層の原子層数が6〜
9原子層数では、発光面積の減少比率が大きく増加し、
0.08〜0.24となり、発光層の原子層数が10〜
15原子層数では、発光面積の減少比率が増加したまま
で、0.24となった。この結果、発光層の厚さが9原
子層数以下の領域では、発光面積の減少比率が小さくな
ることを示している。言い換えると、発光層の層厚を薄
くすることにより量子ドットの発生が抑制され、非発光
再結合の少なく、明るい半導体発光素子を得ることがで
きることを示している。従って、実用的な半導体発光素
子を得るための発光層の層厚は1原子層数乃至15原子
層数、好ましくは3原子層数乃至10原子層数、である
と言える。
FIG. 7 shows InGaN or InGaAl
When the thickness of the N light emitting layer is changed, the reduction ratio of the light emitting area to the number of atomic layers (layer thickness) of the light emitting layer is shown. In FIG. 7, when the number of atomic layers of the light emitting layer is 1 to 5 atomic layers, the reduction ratio of the light emitting area is 0.08, and the number of atomic layers of the light emitting layer is 6 to 5 atomic layers.
In the case of 9 atomic layers, the decrease ratio of the light emitting area greatly increases,
0.08 to 0.24, and the number of atomic layers of the light emitting layer is 10 to 10.
With 15 atomic layers, the reduction ratio of the light emitting area was increased to 0.24. As a result, it is shown that in a region where the thickness of the light emitting layer is 9 atomic layers or less, the reduction ratio of the light emitting area is small. In other words, it is shown that by reducing the thickness of the light emitting layer, the generation of quantum dots is suppressed, and a bright semiconductor light emitting device with less non-radiative recombination can be obtained. Therefore, it can be said that the layer thickness of the light emitting layer for obtaining a practical semiconductor light emitting element is 1 to 15 atomic layers, preferably 3 to 10 atomic layers.

【0034】図8に、本発明の一実施の形態よりなる半
導体発光素子であるInX(Al0.02Ga0.981-XNを
発光層を持つ発光素子のInの組成比をパラメータとし
て、発光層の層厚(原子層数)と半導体発光素子の発光
強度との関係を示す。半導体発光素子の構造は図1に示
した略断面図と同様である。InX(Al0.02
0.981-XN発光層の組成比X=0.35の場合、素
子の発光強度は7原子層数及び8原子層数で最大とな
り、InX(Al0.02Ga0.981-XN発光層の組成比X
=0.52の場合、素子の発光強度は5原子層数で最大
となり、InX(Al0.02Ga0.981-XN発光層の組成
比X=0.65の場合、素子の発光強度は4原子層数で
最大となる結果が得られた。
FIG. 8 is a graph showing light emission using a composition ratio of In of a light-emitting element having a light-emitting layer of In X (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N, which is a semiconductor light-emitting element according to an embodiment of the present invention, as a parameter. The relationship between the layer thickness (the number of atomic layers) of the layers and the light emission intensity of the semiconductor light emitting element is shown. The structure of the semiconductor light emitting device is the same as the schematic sectional view shown in FIG. In X (Al 0.02 G
a 0.98 ) When the composition ratio X of the 1-X N light emitting layer is X = 0.35, the light emission intensity of the device becomes maximum at the number of 7 atomic layers and the number of 8 atomic layers, and In X (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N Composition ratio X of light emitting layer
In the case of = 0.52, the emission intensity of the device becomes the maximum at the number of five atomic layers, and when the composition ratio X of the In x (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-X N emission layer X = 0.65, the emission intensity of the device becomes The maximum result was obtained with four atomic layers.

【0035】図8に示されるように、発光層の膜厚が1
原子層数より厚くなるにしたがって発光強度が増大し、
ある膜厚の層数において発光強度はピークを持ち、更に
層数を厚くすると逆に発光強度が低下してゆく。これ
は、発光層の厚さが薄い領域では層厚が増すにつれ、発
光層中のキャリア濃度が増大し発光強度が増加し、ある
厚さを越えると、発光層の上下の結晶との格子不整合が
原因で発生している発光層中の歪みが緩和され、ミスフ
ィット転位が生じ、このミスフィット転位が非発光再結
合の中心となって発光強度は急激に低下する。発光強度
がピークを示す層厚は発光層のIn組成(発光層中の歪
み)によって決まり、In組成が増えるとともに発光強
度が最大となる層厚(原子層数)は薄くなる。
As shown in FIG. 8, the thickness of the light emitting layer is 1
As the thickness becomes larger than the number of atomic layers, the emission intensity increases,
The emission intensity has a peak in the number of layers having a certain film thickness, and when the number of layers is further increased, the emission intensity conversely decreases. This is because in a region where the thickness of the light-emitting layer is small, as the layer thickness increases, the carrier concentration in the light-emitting layer increases and the light emission intensity increases. Distortion in the light emitting layer caused by the matching is alleviated, and misfit dislocations are generated. The misfit dislocations become the center of non-radiative recombination, and the light emission intensity sharply decreases. The layer thickness at which the emission intensity shows a peak is determined by the In composition (strain in the emission layer) of the emission layer. As the In composition increases, the layer thickness (the number of atomic layers) at which the emission intensity becomes maximum decreases.

【0036】この現象を量子ドットの発生の有無の立場
から説明すると、発光強度がピークを持つまでの発光層
の膜厚は量子ドットが発生しない膜厚の領域であり、発
光強度がピークを過ぎて減少する発光層の膜厚は量子ド
ットの発生が始まっている膜厚の領域であると説明でき
る。また、量子ドットの発生は、単―量子井戸構造や多
重量子井戸構造の単位井戸層についてのみ観測されるこ
とである。
To explain this phenomenon from the viewpoint of the occurrence of quantum dots, the thickness of the light emitting layer until the emission intensity has a peak is a region where the quantum dots are not generated, and the emission intensity passes the peak. It can be explained that the thickness of the light-emitting layer, which is reduced by the reduction, is a region of the thickness at which the generation of quantum dots starts. Further, generation of quantum dots is observed only in the unit well layer having a single-quantum well structure or a multiple quantum well structure.

【0037】言い換えれば、図8に示されるように、本
発明はIII−V族窒化物半導体を発光層とする半導体
発光素子において、発光層は単―半導体層構造または単
一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、且つ単
―半導体層または単位量子井戸層の層厚が1原子層数乃
至15原子層数で構成されることを特徴とする半導体発
光素子である。重ねて言えば、単―半導体層または単位
量子井戸層の層厚が1原子層数乃至15原子層数で構成
されることを特徴とするものであると並列記載している
のは、1原子層数乃至15原子層数という非常に薄い半
導体層では、量子井戸層を形成しない場合も存在するか
らである。
In other words, as shown in FIG. 8, the present invention relates to a semiconductor light emitting device using a III-V nitride semiconductor as a light emitting layer, wherein the light emitting layer has a single-semiconductor layer structure, a single quantum well structure, or a multi-layer structure. A semiconductor light emitting device having a quantum well structure, wherein a single-semiconductor layer or a unit quantum well layer has a layer thickness of 1 to 15 atomic layers. To reiterate, it is described in parallel that the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer has a layer thickness of 1 to 15 atomic layers in parallel. This is because there is a case where a quantum well layer is not formed in a very thin semiconductor layer having a number of layers to 15 atomic layers.

【0038】前記の図8では、InX(Al0.02Ga
0.981-XN発光層を一例として説明したが、この現象
はInXGa1-XN発光層やInXGaYAl1-X-YN発光
層についても同様の結果が得られる。
In FIG. 8, In x (Al 0.02 Ga
0.98) has been described 1-X N light-emitting layer as an example, this phenomenon In X Ga 1-X N light-emitting layer and In X Ga Y Al 1-XY N light-emitting layer Similar results are obtained.

【0039】また、上述の発光層(1原子層数以上15
原子層数以下の層厚)を単位量子井戸層とする多重量子
井戸構造のとする場合においても、In組成が35%か
ら65%までのInXGa1-XN、またはInXGaYAl
1-X-YNにおいて、明るい半導体発光素子が得られると
共に、ウエハ内の素子特性分布を小さくすることができ
る。
In addition, the above-mentioned light-emitting layer (at least 15 atomic layers or more)
In the case of a multi-quantum well structure having a unit quantum well layer having a thickness equal to or less than the number of atomic layers, In x Ga 1 -xN or In x Ga Y Al with an In composition of 35% to 65%.
In 1-XYN , a bright semiconductor light emitting device can be obtained, and the device characteristic distribution in the wafer can be reduced.

【0040】図1に示したLED素子は、前記の図6、
図7、図8の知見に基づく結果であり、この場合発光層
は単―半導体層(6原子層数)のノンドープIn0.4
0.6Nの井戸層4を選択して用いた場合の結果であ
る。LED素子は順方向電流If=20mAで、順方向
電圧Vf=3.5V、発光ピーク波長λp=485nm
(青緑色)、発光出力Wp=6mWであった。順方向電
流Ifを5mAから15mAまで変化させた時の発光ピ
ーク波長λpのシフト(変化量)は3nm以下であり、
同一ウエハ内(2インチφ)における発光ピーク波長の
分布は5nm以下であった。室温連続20mAの通電テ
ストの寿命は2000時間以上であった。
The LED element shown in FIG.
The results are based on the findings of FIGS. 7 and 8, in which the light emitting layer is a non-doped In 0.4 G single-semiconductor layer (six atomic layers).
This is the result when the well layer 4 of a 0.6 N is selected and used. The LED element has a forward current If = 20 mA, a forward voltage Vf = 3.5 V, and an emission peak wavelength λp = 485 nm.
(Blue-green), and the light emission output Wp = 6 mW. When the forward current If is changed from 5 mA to 15 mA, the shift (change amount) of the emission peak wavelength λp is 3 nm or less;
The distribution of the emission peak wavelength in the same wafer (2 inches φ) was 5 nm or less. The life of the continuous current test at 20 mA at room temperature was 2,000 hours or more.

【0041】一方、従来例では、発光出力は4mWでピ
ーク波長シフトは5nm、ピーク波長の分布は10n
m、寿命は1000時間であった。本発明により出力で
1.5倍、ピーク波長シフトは3/5、ピーク波長の分
布は1/2に低減され、寿命は2倍以上に改善された。
On the other hand, in the conventional example, the emission output is 4 mW, the peak wavelength shift is 5 nm, and the distribution of the peak wavelength is 10 nW.
m, and the life was 1000 hours. According to the present invention, the output is reduced 1.5 times, the peak wavelength shift is reduced to 3/5, the distribution of the peak wavelength is reduced to 1/2, and the life is improved more than 2 times.

【0042】[実施の形態2]本発明の第2の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図2に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースMBE法
(分子線エピタキシー法)を使用する。III族分子線
源としてGa金属、In金属、Al金属を使用し、V族
分子線源としてNHまたは窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、RF(Radi
o Frequency)プラズマ、ECR(Elec
tron Cycltron Resonance)プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。n型ド
ーパントとしてSiをp型ドーパントとしてMgを使用
する。
[Second Embodiment] FIG. 2 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention. In this case, a gas source MBE method (molecular beam epitaxy method) is used to grow the semiconductor light emitting device. Ga metal, In metal, and Al metal are used as a group III molecular beam source, and NH 3 or a nitrogen radical generated by decomposition of nitrogen gas is used as a group V molecular beam source. Decomposition is performed by RF (Radi
o Frequency) Plasma, ECR (Elect)
(tron Cycleron Resonance) Plasma or thermal cracking techniques are used. Si is used as an n-type dopant and Mg is used as a p-type dopant.

【0043】サファイアA面基板9を窒素ラジカルの雰
囲気で850℃で熱クリーニングした後、基板温度を5
00℃に下げ、層厚30nmのノンドープGaNのバッ
ファ層10を成長させる。次に基板温度を700℃まで
上げて層厚2μmのSiドープn型GaN層11、2原
子層数のノンドープIn0.6(Ga0.97Al0.030.4
の量子井戸層12と、3原子層数のノンドープIn0.4
Ga0.6Nの障壁層13とで、周期数4(量子井戸層×
4、障壁層×3)の多重量子井戸構造の発光層14、層
厚0.5μmのMgドープp型GaN層15を順次成長
させる。次に成長層の一部をSiドープn型GaN層1
1が露出するまでエッチングを行い、その表面にn型電
極16を形成し、Mgドープp型GaN層15の表面に
p型電極17を蒸着する。次に、ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、LED素子とする。
After the sapphire A-side substrate 9 is thermally cleaned at 850 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, the substrate temperature is reduced to 5 ° C.
The temperature is lowered to 00 ° C., and a non-doped GaN buffer layer 10 having a layer thickness of 30 nm is grown. Next, the substrate temperature was raised to 700 ° C., and the Si-doped n-type GaN layer 11 having a thickness of 2 μm and the non-doped In 0.6 (Ga 0.97 Al 0.03 ) 0.4 N having two atomic layers were used.
Quantum well layer 12 and three atomic layers of non-doped In 0.4
With the Ga 0.6 N barrier layer 13, the period number is 4 (quantum well layer ×
4, a light emitting layer 14 having a multiple quantum well structure of a barrier layer × 3) and a Mg-doped p-type GaN layer 15 having a layer thickness of 0.5 μm are sequentially grown. Next, a part of the growth layer is replaced with a Si-doped n-type GaN layer 1.
Etching is performed until 1 is exposed, an n-type electrode 16 is formed on the surface, and a p-type electrode 17 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 15. Next, the wafer is divided into chips and resin molding is performed to obtain LED elements.

【0044】このLED素子は順方向電流If=20m
Aで、順方向電圧Vf=4.0V、発光ピーク波長λp
=550nm(黄緑色)、発光出力Wp=4mWであっ
た。順方向電流Ifを10mAから20mAまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λpのシフト(変化量)は4n
m以下であり、同一ウエハ内(2インチφ)における発
光ピーク波長の分布は7nm以下であった。室温連続2
0mAの通電テストの寿命は1000時間以上であっ
た。従来例では、発光出力は3mWでピーク波長シフト
は10nm、ピーク波長の分布は20nm、寿命は50
0時間であった。本発明により出力で1.3倍、ピーク
波長シフトは2/5、ピーク波長の分布は1/3に低減
され、寿命は倍以上に改善された。
This LED element has a forward current If = 20 m.
A, forward voltage Vf = 4.0 V, emission peak wavelength λp
= 550 nm (yellow-green), and the light emission output Wp = 4 mW. When the forward current If is changed from 10 mA to 20 mA, the shift (change amount) of the emission peak wavelength λp is 4n.
m, and the distribution of the emission peak wavelength within the same wafer (2 inches φ) was 7 nm or less. Room temperature continuous 2
The life of the 0 mA energization test was 1000 hours or more. In the conventional example, the light emission output is 3 mW, the peak wavelength shift is 10 nm, the peak wavelength distribution is 20 nm, and the lifetime is 50 nm.
It was 0 hours. According to the present invention, the output is 1.3 times, the peak wavelength shift is reduced to 2/5, the distribution of the peak wavelength is reduced to 1/3, and the life is improved more than twice.

【0045】[実施の形態3]本発明の第3の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図3に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはMOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルガリュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)を使用し、
V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を使用
する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4 (シラ
ン)をp型ドーパントの輸送ガスとしてCp2 Mg(シ
クロペンタジエチルマグネシュウム)または、エチルC
2 Mgを使用する。
[Embodiment 3] FIG. 3 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention. In this case, a semiconductor light emitting device is grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Using TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylgallium), and TMA (trimethylaluminum) as the transport gas of the group III element,
NH 3 (ammonia) is used as a transport gas for group V elements. SiH 4 (silane) is used as a transport gas for an n-type dopant, and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl C is used as a transport gas for a p-type dopant.
Use p 2 Mg.

【0046】n型SiC基板18を水素雰囲気で115
0℃で熱クリーニングした後、基板温度を600℃に下
げ、層厚40nmのノンドープAlNのバッファ層19
を成長させる。次に基板温度を1100℃まで上げて層
厚4μmのSiドープn型GaN層20、層厚50nm
のSiドープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層21を順
次成長させる。次に基板温度を750℃に下げ、4原子
層数のSiドープn型In0.65Ga0.35Nの発光層(単
―量子井戸構造)22、層厚50nmのMgドープp型
Al0.1Ga0.9Nクラッド層23を順次成長させる。
The n-type SiC substrate 18 is placed in a hydrogen atmosphere for 115
After thermal cleaning at 0 ° C., the substrate temperature was lowered to 600 ° C., and a non-doped AlN buffer layer 19 having a layer thickness of 40 nm was formed.
Grow. Next, the substrate temperature was increased to 1100 ° C., and the Si-doped n-type GaN layer 20 having a layer thickness of 4 μm and the
The Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 21 is sequentially grown. Next, the substrate temperature was lowered to 750 ° C., and the number of light-emitting layers (single-quantum well structure) 22 of Si-doped n-type In 0.65 Ga 0.35 N with four atomic layers, and Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad with a thickness of 50 nm Layer 23 is grown sequentially.

【0047】次に基板温度を1050℃まで上げて層厚
0.5μmのMgドープp型GaN層24を成長させ
る。次に、Siドープn型GaN層20が露出するまで
エッチングを行い、その一部をさらに、AlNのバッフ
ァ層19のエッチングを行い、n型SiC基板18が露
出するまでエッチングを行う。n型SiC基板18の裏
面及びエッチングで露出したn型SiC基板18とSi
ドープn型GaN層20とを電気的に接続するようにn
型電極25を蒸着し、Mgドープp型GaN層24の表
面にp型電極26を蒸着する。次に、ウエハーをチップ
に分割して樹脂モールドを行い、LED素子とする。
Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C. to grow the Mg-doped p-type GaN layer 24 having a thickness of 0.5 μm. Next, etching is performed until the Si-doped n-type GaN layer 20 is exposed, and a part of the etching is further performed on the AlN buffer layer 19 until the n-type SiC substrate 18 is exposed. The back surface of the n-type SiC substrate 18 and the n-type SiC substrate 18
N so as to electrically connect the doped n-type GaN layer 20
A type electrode 25 is deposited, and a p-type electrode 26 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 24. Next, the wafer is divided into chips and resin molding is performed to obtain LED elements.

【0048】このLED素子は順方向電流If=20m
Aで、順方向電圧Vf=4.0V、発光ピーク波長λp
=570nm(黄色)、発光出力Wp=2mWであっ
た。順方向電流Ifを10mAから20mAまで変化さ
せた時の発光ピーク波長λpのシフト(変化量)は5n
m以下であり、同一ウエハ内におけるピーク波長の分布
は10nm以下であった。室温連続20mAの通電テス
トの寿命は1000時間以上であった。従来例では、発
光出力は1mWでピーク波長シフトは20nm、ピーク
波長の分布は30nm、寿命は500時間であった。本
発明により出力で2倍、ピーク波長シフトは1/4、ピ
ーク波長の分布は1/3に低減され、寿命は2倍以上に
改善された。
This LED element has a forward current If = 20 m
A, forward voltage Vf = 4.0 V, emission peak wavelength λp
= 570 nm (yellow), and emission output Wp = 2 mW. When the forward current If is changed from 10 mA to 20 mA, the shift (change amount) of the emission peak wavelength λp is 5n.
m, and the distribution of peak wavelengths within the same wafer was 10 nm or less. The life of a 20 mA continuous conduction test at room temperature was 1000 hours or more. In the conventional example, the light emission output was 1 mW, the peak wavelength shift was 20 nm, the peak wavelength distribution was 30 nm, and the life was 500 hours. According to the present invention, the output is doubled, the peak wavelength shift is reduced to 1/4, the peak wavelength distribution is reduced to 1/3, and the life is improved more than 2 times.

【0049】[実施の形態4]本発明の第4の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図4に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはMOCVD法(有機
金属気相成長法)を使用する。III族元素の輸送ガス
としてTMG(トリメチルガリュウム)、TEG(トリ
エチルガリュウム)、TMI(トリメチルインジュウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニュウム)を使用し、
V族元素の輸送ガスとしてNH3 (アンモニア)を使用
する。n型ドーパントの輸送ガスとしてSiH4 (シラ
ン)をp型ドーパントの輸送ガスとしてCp2 Mg(シ
クロペンタジエチルマグネシュウム)または、エチルC
2 Mgを使用する。
[Fourth Embodiment] FIG. 4 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention. In this case, a semiconductor light emitting device is grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Using TMG (trimethylgallium), TEG (triethylgallium), TMI (trimethylindium), and TMA (trimethylaluminum) as a group III element transport gas,
NH 3 (ammonia) is used as a transport gas for group V elements. SiH 4 (silane) is used as a transport gas for an n-type dopant, and Cp 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium) or ethyl C is used as a transport gas for a p-type dopant.
Use p 2 Mg.

【0050】n型SiC基板28を水素雰囲気で800
℃で熱クリーニングした後、基板温度を550℃に下
げ、層厚25nmのGaNのバッファ層29を成長させ
る。次に基板温度を1050℃まで上げて層厚4μmの
Siドープn型GaN層30、層厚0.5μmのSiド
ープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層31、層厚0.1
μmのSiドープGaN光ガイド層32を順次成長させ
る。次に基板温度を850℃に下げ、7原子層数のノン
ドープIn0.52Ga0.48Nの量子井戸層33と、層厚3
nmのノンドープIn0.15(Ga0.95Al0.050.85
の障壁層34とで、周期数3(量子井戸層×3、障壁層
×2)の多重量子井戸構造の発光層35、層厚50nm
のMgドープp型Al0.2Ga0.8NのInGaN蒸発防
止層36を順次成長させる。次に基板温度を1050℃
まで上げて層厚0.1μmのMgドープGaN光ガイド
層37、層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層38、0.5μmのMgドープp型G
aN層39を成長させる。次に、Siドープn型GaN
層30及びGaNのバッファ層29及びn型SiC基板
28が露出するまでエッチングを行い、その表面にn型
電極40を蒸着し、Mgドープp型GaN39の表面に
p型電極41を蒸着する。次に、劈開にて長さ1mmの
共振器を作製し、チップに分割し半導体レーザ素子とし
た。この半導体レーザ素子は閾値電流100mAで室温
パルス発振(最大出力5mW)し、発振波長は520n
mの緑色であった。
The n-type SiC substrate 28 is placed in a hydrogen atmosphere at 800
After thermal cleaning at ℃, the substrate temperature is lowered to 550 ° C., and a GaN buffer layer 29 having a thickness of 25 nm is grown. Next, the substrate temperature was raised to 1050 ° C., and the Si-doped n-type GaN layer 30 having a thickness of 4 μm, the Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 31 having a thickness of 0.5 μm, and the layer thickness of 0.1
A μm Si-doped GaN optical guide layer 32 is sequentially grown. Next, the substrate temperature was lowered to 850 ° C., and the number of non-doped In 0.52 Ga 0.48 N quantum well layers 33 of 7 atomic layers and the layer thickness of 3
nm non-doped In 0.15 (Ga 0.95 Al 0.05 ) 0.85 N
, A light emitting layer 35 having a multiple quantum well structure having a period number of 3 (quantum well layer × 3, barrier layer × 2), and a layer thickness of 50 nm.
Sequentially growing a Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N of the InGaN evaporation prevention layer 36. Next, the substrate temperature is set to 1050 ° C.
The Mg-doped GaN optical guide layer 37 has a thickness of 0.1 μm, and the Mg-doped p-type Al 0.1 Ga has a thickness of 0.5 μm.
0.9 N cladding layer 38, 0.5 μm Mg-doped p-type G
An aN layer 39 is grown. Next, Si-doped n-type GaN
Etching is performed until the layer 30, the GaN buffer layer 29 and the n-type SiC substrate 28 are exposed, an n-type electrode 40 is deposited on the surface thereof, and a p-type electrode 41 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN 39. Next, a cavity having a length of 1 mm was formed by cleavage and divided into chips to obtain a semiconductor laser device. This semiconductor laser device performs room-temperature pulse oscillation (maximum output: 5 mW) at a threshold current of 100 mA, and has an oscillation wavelength of 520 n.
m was green.

【0051】[実施の形態5]本発明の第5の実施の形
態よりなる半導体発光素子の略断面図を図5に示す。こ
の場合、半導体発光素子の成長にはガスソースMBE法
(分子線エピタキシー法)を使用する。III族分子線
源としてGa金属、In金属、Al金属を使用し、V族
分子線源としてNH3 または窒素ガスの分解により生成
した窒素ラジカルを使用する。分解は、RF(Radi
o Frequency)プラズマ、ECR(Elec
tron Cycltron Resonance)プ
ラズマまたは熱クラッキングの手法を使用する。n型ド
ーパントとしてSiをp型ドーパントとしてMgを使用
する。
[Fifth Embodiment] FIG. 5 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. In this case, a gas source MBE method (molecular beam epitaxy method) is used to grow the semiconductor light emitting device. Ga metal, In metal, and Al metal are used as a group III molecular beam source, and NH 3 or a nitrogen radical generated by decomposition of nitrogen gas is used as a group V molecular beam source. Decomposition is performed by RF (Radi
o Frequency) Plasma, ECR (Elect)
(tron Cycleron Resonance) Plasma or thermal cracking techniques are used. Si is used as an n-type dopant and Mg is used as a p-type dopant.

【0052】n型GaN基板42を窒素ラジカル雰囲気
で900℃で熱クリーニングした後、基板温度を700
℃まで下げて層厚2μmのSiドープn型GaN層4
3、層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
クラッド層44、層厚50nmのSiドープGaN光ガ
イド層45、5原子層数のノンドープIn0.35Ga0.65
Nの発光層(単―量子井戸構造)46を順次成長させ
る。次に層厚50nmのMgドープGaN光ガイド層4
7、層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
クラッド層48、層厚0.5μmのMgドープp型Ga
N層49を成長させる。次に、Mgドープp型GaN層
49及びMgドープp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層4
8の一部をエッチングし、幅5μmのリッヂ導波路を形
成する。次に、窒化シリコン膜(Si34)の絶縁膜5
0を形成する。リッヂストライプ部上の窒化シリコン膜
(Si34)の絶縁膜50を除去する。n型GaN基板
42の裏面の研磨を行う。次に、n型GaN層42裏面
にn型電極51を蒸着し、リッヂストライプ部のMgド
ープp型GaN層49の表面にp型電極52を蒸着す
る。次に、劈開にて1mmの共振器を作製し、チップに
分割し半導体レーザ素子とする。
After the n-type GaN substrate 42 is thermally cleaned at 900 ° C. in a nitrogen radical atmosphere,
Temperature 2 ° C. and a 2 μm thick Si-doped n-type GaN layer 4
3. 0.5 μm thick Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N
Clad layer 44, Si-doped GaN optical guide layer 45 having a thickness of 50 nm, and non-doped In 0.35 Ga 0.65 having 5 atomic layers
An N light emitting layer (single-quantum well structure) 46 is sequentially grown. Next, an Mg-doped GaN optical guide layer 4 having a layer thickness of 50 nm
7. Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N with a layer thickness of 0.5 μm
Cladding layer 48, Mg-doped p-type Ga having a thickness of 0.5 μm
An N layer 49 is grown. Next, the Mg-doped p-type GaN layer 49 and the Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 4
8 is etched to form a 5 μm wide lid waveguide. Next, an insulating film 5 of a silicon nitride film (Si 3 N 4 )
0 is formed. The insulating film 50 of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) on the ridge stripe is removed. The back surface of the n-type GaN substrate 42 is polished. Next, an n-type electrode 51 is deposited on the back surface of the n-type GaN layer 42, and a p-type electrode 52 is deposited on the surface of the Mg-doped p-type GaN layer 49 in the lip stripe portion. Next, a 1 mm resonator is formed by cleavage and divided into chips to form a semiconductor laser device.

【0053】この半導体レーザ素子は閾値電流50m
A、発振波長470nmで室温連続発振し、室温におけ
る出力1.5mWの寿命は50時間であった。駆動電流
を50mAから100mAに変化させた場合の発振波長
のシフトは0.5nm以下、同一ウエハにおける発振波
長の分布は5nm以下であった。従来例では、閾値電流
80mA、寿命は27時間、発振波長のピークシフトは
5nmであった。本発明により駆動電流の低減がはか
れ、長寿命で発振波長の安定な素子が実現できた。
This semiconductor laser device has a threshold current of 50 m.
A, The continuous oscillation at room temperature was performed at an oscillation wavelength of 470 nm, and the life at room temperature with an output of 1.5 mW was 50 hours. When the driving current was changed from 50 mA to 100 mA, the oscillation wavelength shift was 0.5 nm or less, and the oscillation wavelength distribution on the same wafer was 5 nm or less. In the conventional example, the threshold current was 80 mA, the life was 27 hours, and the peak shift of the oscillation wavelength was 5 nm. According to the present invention, a drive current can be reduced, and a device having a long lifetime and a stable oscillation wavelength can be realized.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項1記載の
半導体発光素子によれば、III−V族窒化物半導体を
発光層とする半導体発光素子であり、発光層は単―半導
体層構造または単一量子井戸構造または多重量子井戸構
造であり、且つ単―半導体層または単位量子井戸層の層
厚が1原子層数乃至15原子層数で構成されることを特
徴とするものであり、量子ドットの発生が低減され、非
発光再結合が低減できる。さらに、発光層の薄層化によ
り他の層及び基板との格子定数差による歪み緩和が発生
せず、非発光再結合が低減できる。その結果、ウエハ面
内で均一な発光波長を持ち、且つ発光波長の注入電流依
存性が小さく、発光効率が高く、寿命の長い青色、青緑
色、緑色、黄緑色の半導体発光素子を得ることができ
る。
As described above, according to the semiconductor light emitting device of the first aspect of the present invention, the semiconductor light emitting device has a III-V nitride semiconductor as a light emitting layer, and the light emitting layer is a single-semiconductor layer. Or a single quantum well structure or a multiple quantum well structure, and the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer has a thickness of 1 to 15 atomic layers. In addition, generation of quantum dots is reduced, and non-radiative recombination can be reduced. Furthermore, the thinning of the light emitting layer does not cause relaxation of distortion due to a difference in lattice constant between the other layers and the substrate, and can reduce non-radiative recombination. As a result, it is possible to obtain blue, blue-green, green, and yellow-green semiconductor light-emitting elements having a uniform emission wavelength in the wafer surface, a small emission current dependence on the injection current, a high emission efficiency, and a long life. it can.

【0055】また、本発明の請求項2記載の半導体発光
素子によれば、前記発光層を構成する単―半導体層また
は単位量子井戸層の組成はIII族元素であるInの組
成比が35%以上であり65%以下であることを特徴と
するものであり、Inの組成比が大きいに関わらず、発
光層を薄くすることにより、量子ドットの発生が低減さ
れ、非発光再結合が低減できる。
According to the semiconductor light emitting device of the second aspect of the present invention, the composition of the single semiconductor layer or the unit quantum well layer constituting the light emitting layer is such that the composition ratio of In which is a group III element is 35%. This is not less than 65%, and the generation of quantum dots is reduced and the non-radiative recombination can be reduced by reducing the thickness of the light emitting layer regardless of the composition ratio of In. .

【0056】また、本発明の請求項3記載の半導体発光
素子によれば、発光層がInXGa1-XN(0.35≦X
≦0.65)であることを特徴とするものであり、発光
層InXGa1-XNの量子ドットの発生が低減され、非発
光再結合が低減できる。さらに、発光層の薄層化により
他の層及び基板との格子定数差による歪み緩和が発生せ
ず、非発光再結合が低減できる。その結果、ウエハ面内
で均一な発光波長を持ち、且つ発光波長の注入電流依存
性が小さく、発光効率が高く、寿命の長い青緑色、緑
色、黄緑色の半導体発光素子を得ることができる。
According to the semiconductor light emitting device of the third aspect of the present invention, the light emitting layer is made of In x Ga 1 -xN (0.35 ≦ X
≦ 0.65), the generation of quantum dots in the light emitting layer In x Ga 1 -xN is reduced, and non-radiative recombination can be reduced. Furthermore, the thinning of the light emitting layer does not cause relaxation of distortion due to a difference in lattice constant between the other layers and the substrate, and can reduce non-radiative recombination. As a result, blue-green, green, and yellow-green semiconductor light-emitting elements having a uniform emission wavelength in the wafer surface, a small dependence of the emission wavelength on the injection current, a high emission efficiency, and a long life can be obtained.

【0057】また、本発明の請求項4記載の半導体発光
素子によれば、発光層がInX(AlYGa1-Y1-X
(0<Y≦1.0、0.35≦X≦0.65)であるこ
とを特徴とするものであり、発光層InX(AlYGa
1-Y1-XNの量子ドットの発生が低減され、非発光再結
合が低減できる。
According to the semiconductor light emitting device of the fourth aspect of the present invention, the light emitting layer is made of In x (Al Y Ga 1 -Y ) 1 -XN.
(0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65), and the light-emitting layer In x (Al Y Ga
1-Y ) Generation of 1-XN quantum dots is reduced, and non-radiative recombination can be reduced.

【0058】また、本発明の請求項5記載の半導体発光
素子によれば、多重量子井戸構造を構成する障壁層がI
XGa1-XN(0.35≦X≦0.65)であることを
特徴とするものであり、量子効果により、発光効率を向
上させることができる。
Further, according to the semiconductor light emitting device of the fifth aspect of the present invention, the barrier layer forming the multiple quantum well structure has
and characterized in that a n X Ga 1-X N ( 0.35 ≦ X ≦ 0.65), can be by the quantum effect, improve the luminous efficiency.

【0059】また、本発明の請求項6記載の半導体発光
素子によれば、多重量子井戸構造を構成する障壁層がI
X(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦1.0、0.35
≦X≦0.65)であることを特徴とするものであり、
障壁層の効果的な作用により、発光効率を向上させるこ
とができる。
According to the semiconductor light emitting device of the sixth aspect of the present invention, the barrier layer forming the multiple quantum well structure has
n X (Al Y Ga 1- Y) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0,0.35
≤ X ≤ 0.65),
The luminous efficiency can be improved by the effective function of the barrier layer.

【0060】また、本発明の請求項7記載の半導体発光
素子によれば、多重量子井戸構造を構成する障壁層の組
成はIII族元素であるInの組成比が35%以下含有
することを特徴とするものであり、障壁層の効果的な作
用と量子効果とにより、発光効率を向上させることがで
きる。
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the composition of the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is such that the composition ratio of In which is a group III element is 35% or less. The luminous efficiency can be improved by the effective function of the barrier layer and the quantum effect.

【0061】また、本発明の請求項8記載の半導体発光
素子によれば、多重量子井戸構造を構成する障壁層がI
XGa1-XN(X≦0.35)であることを特徴とする
ものであり、障壁層の効果的な作用と量子効果とによ
り、発光効率を向上させることができる。
According to the semiconductor light emitting device of the eighth aspect of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure has
It is characterized by n x Ga 1 -xN (X ≦ 0.35), and the luminous efficiency can be improved by the effective function of the barrier layer and the quantum effect.

【0062】さらに、本発明の請求項9記載の半導体発
光素子によれば、多重量子井戸構造を構成する障壁層が
InX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦1、X≦0.3
5)であることを特徴とするものであり、障壁層の効果
的な作用と量子効果とにより、発光効率を向上させるこ
とができる。その結果、ウエハ面内で均一な発光波長を
持ち、且つ発光波長の注入電流依存性が小さく、発光効
率が高く、寿命の長い青緑色、緑色、黄緑色の半導体発
光素子を得ることができる。
Further, according to the semiconductor light emitting device of the ninth aspect of the present invention, the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x (Al Y Ga 1 -Y ) 1 -XN (0 <Y ≦ 1). , X ≦ 0.3
5), and the luminous efficiency can be improved by the effective function of the barrier layer and the quantum effect. As a result, blue-green, green, and yellow-green semiconductor light-emitting elements having a uniform emission wavelength in the wafer surface, a small dependence of the emission wavelength on the injection current, a high emission efficiency, and a long life can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第5の実施の形態である半導体発光素
子の略断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、膜厚約5nmのノンドープInXGa1-XNの発光
層を用い、発光層のIn組成を変化させたときの発光層
全面積に対する低電流駆動時における発光面積の比率を
示す図である。
FIG. 6 relates to a semiconductor light-emitting device according to an embodiment of the present invention, in which a light - emitting layer of about 5 nm in thickness of non-doped In x Ga 1 -xN is used and the In composition of the light-emitting layer is changed. FIG. 4 is a diagram illustrating a ratio of a light emitting area at the time of low current driving to the entire area.

【図7】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、発光層InXGa1-XNの原子層数に対する発光面
積の減少比率の変化を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a change in a reduction ratio of a light emitting area with respect to the number of atomic layers of a light emitting layer In x Ga 1 -xN in a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施の形態である半導体発光素子に
関し、InX(Al0.02Ga0.981-XNを発光層を持つ
発光素子のInの組成比をパラメータとして、発光層の
原子層数と素子の発光強度との関係を示す。
FIG. 8 relates to a semiconductor light-emitting device according to an embodiment of the present invention, wherein the composition ratio of In in a light-emitting device having a light-emitting layer of In x (Al 0.02 Ga 0.98 ) 1-x N is used as a parameter, and The relationship between the number of layers and the emission intensity of the device is shown.

【図9】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体発
光素子の略断面図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor light emitting device using a nitride-based semiconductor material.

【図10】従来例の窒化物系半導体材料を用いた半導体
発光素子において、活性層の厚さと発光ピーク波長との
関係を示し図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a thickness of an active layer and a light emission peak wavelength in a conventional semiconductor light emitting device using a nitride-based semiconductor material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 サファイアC面基板 2 層厚50nmのノンドープAlNのバッファ層 3 層厚4μmのSiドープn型GaN層 4 6原子層ノンドープIn0.4Ga0.6Nの単―半導体
層(発光層) 5 層厚50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8Nの
InGaN蒸発防止層 6 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 7 n型電極 8 p型電極 9 サファイアA面基板 10 層厚30nmのGaNのバッファ層 11 層厚2μmのSiドープn型GaN層 12 2原子層のノンドープIn0.6Ga0.4Nの量子井
戸層 13 3原子層のノンドープIn0.4Ga0.6Nの障壁層 14 周期数4(井戸層×4、障壁層×3)の多重量子
井戸構造の発光層 15 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 16 n型電極 17 p型電極 18 n型SiC基板 19 層厚40nmのノンドープAlNのバッファ層 20 層厚4μmのSiドープn型GaN層 21 層厚50nmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
クラッド層 22 4原子層のSiドープn型In0.65Ga0.35Nの
量子井戸層(単―半導体層) 23 層厚50nmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
クラッド層 24 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 25 n型電極 26 p型電極 28 n型SiC基板 29 層厚30nmのGaNのバッファ層 30 層厚4μmのSiドープn型GaN層 31 層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 32 層厚0.1μmのSiドープGaN光ガイド層 33 7原子層のノンドープIn0.52Ga0.48Nの量子
井戸層 34 層厚3nmのノンドープIn0.15(Ga0.95Al
0.050.85Nの障壁層 35 周期数3(量子井戸層×3、バリア層×2)の多
重量子井戸構造の発光層 36 層厚50nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8
のInGaN蒸発防止層 37 層厚0.1μmのMgドープGaN光ガイド層 38 層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 39 0.5μmのMgドープp型GaN層 40 n型電極 41 p型電極 42 n型GaN基板 43 層厚2μmのSiドープn型GaN層 44 層厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 45 層厚50nmのSiドープGaN光ガイド層 46 5原子層のノンドープIn0.35Ga0.65Nの発光
層(単―量子井戸層) 47 層厚50nmのMgドープGaN光ガイド層 48 層厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9
Nクラッド層 48 Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層 49 層厚0.5μmのMgドープp型GaN層 50 窒化シリコン膜(Si34)の絶縁膜 51 n型電極 52 p型電極
REFERENCE SIGNS LIST 1 Sapphire C-plane substrate 2 Buffer layer of non-doped AlN having a thickness of 50 nm 3 Si-doped n-type GaN layer having a thickness of 4 μm 4 6-atomic layer Non-doped In 0.4 Ga 0.6 N single-semiconductor layer (light emitting layer) 5 Layer having a thickness of 50 nm Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N InGaN evaporation preventing layer 6 Mg-doped p-type GaN layer having a thickness of 0.5 μm 7 n-type electrode 8 p-type electrode 9 sapphire A-side substrate 10 GaN buffer layer having a thickness of 30 nm 11 Si-doped n-type GaN layer having a thickness of 2 μm 12 Non-doped In 0.6 Ga 0.4 N quantum well layer of two atomic layers 13 Non-doped In 0.4 Ga 0.6 N barrier layer of three atomic layers 14 Period number 4 (well layer × 4, barrier Light-emitting layer having a multiple quantum well structure of layer × 3) 15 Mg-doped p-type GaN layer having a thickness of 0.5 μm 16 n-type electrode 17 p-type electrode 18 n-type SiC substrate 19 layer thickness 40 Si-doped n-type Al a Si-doped n-type GaN layer 21 thickness 50nm of the buffer layer 20 thickness 4μm of undoped AlN of m 0.1 Ga 0.9 N
Cladding layer 22 4-atomic layer Si-doped n-type In 0.65 Ga 0.35 N quantum well layer (single-semiconductor layer) 23 Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N 50 nm thick
Cladding layer 24 Mg-doped p-type GaN layer having a thickness of 0.5 μm 25 n-type electrode 26 p-type electrode 28 n-type SiC substrate 29 GaN buffer layer having a thickness of 30 nm 30 Si-doped n-type GaN layer 31 having a thickness of 4 μm 31 layers 0.5 μm thick Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9
N-clad layer 32 Si-doped GaN optical guide layer with a thickness of 0.1 μm 3 Non- doped In 0.52 Ga 0.48 N quantum well layer with 7 atomic layers 34 Non-doped In 0.15 (Ga 0.95 Al with a thickness of 3 nm
0.05 ) 0.85 N barrier layer 35 Light emitting layer having a multiple quantum well structure with 3 periods (quantum well layer × 3, barrier layer × 2) 36 Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 50 nm
InGaN evaporation preventing layer 37 Mg-doped GaN optical guide layer having a thickness of 0.1 μm 38 Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 having a thickness of 0.5 μm
N cladding layer 39 0.5 μm Mg-doped p-type GaN layer 40 n-type electrode 41 p-type electrode 42 n-type GaN substrate 43 2 μm-thick Si-doped n-type GaN layer 44 0.5 μm-thick Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9
N-cladding layer 45 Si-doped GaN optical guide layer with a thickness of 50 nm 46 5-atomic non-doped In 0.35 Ga 0.65 N light-emitting layer (single-quantum well layer) 47 Mg-doped GaN optical guide layer with a thickness of 50 nm 48 Layer thickness 0 0.5 μm Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9
N cladding layer 48 Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 49 Mg-doped p-type GaN layer having a thickness of 0.5 μm 50 insulating film of silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 51 n-type electrode 52 p-type electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 敏之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshiyuki Okumura 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka City, Osaka Sharp Corporation

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 III−V族窒化物半導体を発光層とす
る半導体発光素子において、発光層は単―半導体層構造
または単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であ
り、且つ単―半導体層または単位量子井戸層の層厚が1
原子層数乃至15原子層数で構成されることを特徴とす
る半導体発光素子。
1. A semiconductor light-emitting device having a III-V nitride semiconductor as a light-emitting layer, wherein the light-emitting layer has a single-semiconductor layer structure, a single quantum well structure, or a multiple quantum well structure; Unit quantum well layer thickness is 1
A semiconductor light emitting device comprising a number of atomic layers to 15 atomic layers.
【請求項2】 請求項1記載の半導体発光素子におい
て、前記発光層を構成する単―半導体層または単位量子
井戸層の組成はIII族元素であるInの組成比が35
%以上であり65%以下であることを特徴とする半導体
発光素子。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the composition of the single-semiconductor layer or the unit quantum well layer constituting the light emitting layer is such that the composition ratio of In which is a group III element is 35.
%, And not more than 65%.
【請求項3】 請求項2記載の半導体発光素子におい
て、発光層がInXGa1-XN(0.35≦X≦0.6
5)であることを特徴とする半導体発光素子。
3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the light emitting layer is made of In x Ga 1 -xN (0.35 ≦ X ≦ 0.6
5) A semiconductor light emitting device characterized by the following.
【請求項4】 請求項2記載の半導体発光素子におい
て、発光層がInX(AlYGa1-Y1-XN(0<Y≦
1.0、0.35≦X≦0.65)であることを特徴と
する半導体発光素子。
4. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the light emitting layer is formed of In x (Al Y Ga 1 -Y ) 1 -XN (0 <Y ≦
1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.65).
【請求項5】 請求項2記載の半導体発光素子におい
て、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInXGa1-X
N(0.35≦X≦0.65)であることを特徴とする
半導体発光素子。
5. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the barrier layer forming the multiple quantum well structure is formed of In x Ga 1 -x.
A semiconductor light-emitting device, wherein N (0.35 ≦ X ≦ 0.65).
【請求項6】 請求項2記載の半導体発光素子におい
て、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX(AlY
Ga1-Y1-XN(0<Y≦1.0、0.35≦X≦0.
65)であることを特徴とする半導体発光素子。
6. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x (Al Y
Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, 0.35 ≦ X ≦ 0.
65) A semiconductor light emitting device characterized by the above-mentioned.
【請求項7】 請求項2記載の半導体発光素子におい
て、多重量子井戸構造を構成する障壁層の組成はIII
族元素であるInの組成比が35%以下含有することを
特徴とする半導体発光素子。
7. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the composition of the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is III.
A semiconductor light-emitting device comprising 35% or less of a composition ratio of In which is a group element.
【請求項8】 請求項7記載の半導体発光素子におい
て、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInXGa1-X
N(X≦0.35)であることを特徴とする半導体発光
素子。
8. The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the barrier layer forming the multiple quantum well structure is formed of In x Ga 1 -x.
A semiconductor light emitting device, wherein N (X ≦ 0.35).
【請求項9】 請求項7記載の半導体発光素子におい
て、多重量子井戸構造を構成する障壁層がInX(AlY
Ga1-Y1-XN(0<Y≦1.0、X≦0.35)であ
ることを特徴とする半導体発光素子。
9. The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is formed of In x (Al Y
Ga 1-Y ) 1-X N (0 <Y ≦ 1.0, X ≦ 0.35).
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