JPWO2008153065A1 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
電子と、ホールが活性層において効率よく再結合するための活性層の多重量子井戸(MQW)層のペア数を最適化し、発光効率を向上できる。
n型半導体層2と、p型半導体層4と、n型半導体層2とp型半導体層4との間に配置され、GaNよりなるバリア層311〜31n、310とInxGa1-xN(0<x<1)よりなる井戸層321〜32nとの多重量子井戸構造のInを含む活性層3とを備え、MQW層のペア数は、6〜11であり、n型半導体層2からp型半導体層4への電子のオーバーフロー、及びp型半導体層4から井戸層321〜32nへのp型ドーパントの拡散、n型半導体層2から活性層3へのn型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子およびその製造方法。Luminous efficiency can be improved by optimizing the number of pairs of active quantum multiple quantum well (MQW) layers for efficient recombination of electrons and holes in the active layer.
The n-type semiconductor layer 2, the p-type semiconductor layer 4, the barrier layers 311 to 31n, 310 made of GaN, and In x Ga 1-x N are arranged between the n-type semiconductor layer 2 and the p-type semiconductor layer 4. And an active layer 3 containing In having a multiple quantum well structure with well layers 321 to 32n made of (0 <x <1), the number of pairs of MQW layers is 6 to 11, and from the n-type semiconductor layer 2 Electron overflow to the p-type semiconductor layer 4, diffusion of the p-type dopant from the p-type semiconductor layer 4 to the well layers 321 to 32 n, and diffusion of the n-type dopant from the n-type semiconductor layer 2 to the active layer 3 can be suppressed. Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof.
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に量子井戸構造を備え、またn型ドーパンドがドープされたn型半導体層を備えた半導体発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor light emitting device including a quantum well structure and an n-type semiconductor layer doped with an n-type dopant and a manufacturing method thereof.
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などに、III族窒化物系半導体からなる半導体発光素子が使用されている。III族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)などがある。代表的なIII族窒化物系半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)で表される。A semiconductor light emitting element made of a group III nitride semiconductor is used for a light emitting diode (LED). Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
III族窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は、例えば、基板上にn型のIII族窒化物系半導体層(n型半導体層)、活性層(発光層)およびp型のIII族窒化物系半導体層(p型半導体層)をこの順に積層した構造を有する。そして、p型半導体層から供給された正孔(ホール)とn型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する(例えば、特許文献1参照。)。 A semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor includes, for example, an n-type group III nitride semiconductor layer (n-type semiconductor layer), an active layer (light-emitting layer), and a p-type group III nitride on a substrate. It has a structure in which a series semiconductor layer (p-type semiconductor layer) is laminated in this order. Then, light generated by recombination of holes supplied from the p-type semiconductor layer and electrons supplied from the n-type semiconductor layer in the active layer is output to the outside (see, for example, Patent Document 1). .
活性層として、井戸層(ウェル層)をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層(障壁層)でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造が採用可能である(例えば、特許文献2参照。)。 As the active layer, a multi-quantum well (MQW) structure in which a plurality of well layers (well layers) are sandwiched between barrier layers (barrier layers) having a larger band gap than the well layers can be employed. (For example, refer to Patent Document 2).
また、順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる目的で、p型半導体層を2層構造、或いは3層構造に形成する例も開示されている(例えば、特許文献3および特許文献4参照。)。
従来構造では、MQWのペア数は、4〜5ペアが用いられている。この場合、n型半導体層から供給される電子が活性層を飛び越えてp型半導体層まで流れてしまう。この際、p型半導体層から供給されるホールが活性層に達する前に電子と再結合してしまい、活性層に達するホール濃度が減少する。それにより、LEDの輝度が減少してしまう。これを防止するために、p型半導体層の手前にバンドギャップの大きいp型AlGaN層を挿入する構造が用いられている。しかしながら、アルミニウム(Al)を導入するとp型化することが難しくなり、抵抗値が上昇してしまう。 In the conventional structure, 4 to 5 pairs of MQW are used. In this case, electrons supplied from the n-type semiconductor layer jump over the active layer and flow to the p-type semiconductor layer. At this time, holes supplied from the p-type semiconductor layer recombine with electrons before reaching the active layer, and the hole concentration reaching the active layer is reduced. Thereby, the brightness | luminance of LED will reduce. In order to prevent this, a structure in which a p-type AlGaN layer having a large band gap is inserted in front of the p-type semiconductor layer is used. However, when aluminum (Al) is introduced, it becomes difficult to form p-type, and the resistance value increases.
III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、活性層上に配置されたp型半導体層にドーピングされたp型のドーパントが、p型半導体層の形成工程及びそれ以降の製造工程中に、p型半導体層から活性層に拡散する。活性層に拡散されたp型ドーパントが井戸層に達すると、活性層で発生する光の輝度が低下して、半導体発光素子の品質が劣化するという問題があった。 In the semiconductor light emitting device using the group III nitride semiconductor, the p-type dopant doped in the p-type semiconductor layer disposed on the active layer is formed during the p-type semiconductor layer forming step and the subsequent manufacturing steps. Diffusion from the p-type semiconductor layer to the active layer. When the p-type dopant diffused in the active layer reaches the well layer, there is a problem that the brightness of light generated in the active layer is lowered and the quality of the semiconductor light emitting device is deteriorated.
活性層がn型半導体層上に直接配置された半導体発光素子では、n型半導体層から活性層に供給された電子が、活性層の直上に配置されたp型半導体層に到達し、p型半導体層において正孔と再結合してしまう現象(以下において「電子のオーバーフロー」という。)が生じる場合がある。その場合、p型半導体層での再結合による発光は効率が悪いために、半導体発光素子から出力される光の輝度が低下し、半導体発光素子の品質が劣化するという問題があった。また、半導体発光素子の製造工程において、n型半導体層にドープされたn型ドーパントが活性層に拡散し、出力される光の輝度が低下するという問題が生じていた。 In the semiconductor light emitting device in which the active layer is directly disposed on the n-type semiconductor layer, electrons supplied from the n-type semiconductor layer to the active layer reach the p-type semiconductor layer disposed immediately above the active layer, and the p-type There is a case where a phenomenon of recombination with holes in the semiconductor layer (hereinafter referred to as “electron overflow”) occurs. In that case, since light emission by recombination in the p-type semiconductor layer is inefficient, there is a problem that the luminance of light output from the semiconductor light emitting element is lowered and the quality of the semiconductor light emitting element is deteriorated. Further, in the manufacturing process of the semiconductor light emitting device, there has been a problem that the n-type dopant doped in the n-type semiconductor layer diffuses into the active layer and the luminance of the output light is lowered.
上記問題点を鑑み、本発明は、n型半導体層から供給される電子と、p型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のMQWペア数を最適化し、発光効率を向上した半導体発光素子を提供する。 In view of the above problems, the present invention optimizes the number of MQW pairs in the active layer for efficiently recombining electrons supplied from the n-type semiconductor layer and holes supplied from the p-type semiconductor layer in the active layer. A semiconductor light emitting device with improved luminous efficiency is provided.
本発明は、p型半導体層から井戸層へのp型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。 The present invention provides a semiconductor light emitting device capable of suppressing diffusion of a p-type dopant from a p-type semiconductor layer to a well layer, and a method for manufacturing the same.
本発明は、n型半導体層からp型半導体層への電子のオーバーフロー、及びn型半導体層から活性層へのn型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子を提供する。 The present invention provides a semiconductor light emitting device capable of suppressing the overflow of electrons from an n-type semiconductor layer to a p-type semiconductor layer and the diffusion of an n-type dopant from the n-type semiconductor layer to the active layer.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、n型窒化物系半導体層と、p型窒化物系半導体層と、前記n型窒化物系半導体層と前記p型窒化物系半導体層との間に配置され、GaNよりなるバリア層とInxGa1-xN(0<x<1)よりなる井戸層との多重量子井戸構造のInを含む活性層とを備え、前記多重量子井戸層のペア数は、6〜11である半導体発光素子である半導体発光素子が提供される。According to one aspect of the present invention for achieving the above object, an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, the n-type nitride semiconductor layer, and the p-type nitride semiconductor An active layer containing In having a multiple quantum well structure of a barrier layer made of GaN and a well layer made of In x Ga 1-x N (0 <x <1). A semiconductor light emitting device that is a semiconductor light emitting device having 6 to 11 pairs of quantum well layers is provided.
本発明の他の態様によれば、n型半導体層と、n型半導体層上に配置され、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層と、活性層上に配置され、p型ドーパンドを含むp型半導体層とを備え、活性層の積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚がp型ドーパントの最終バリア層を拡散する距離より厚く、最終バリア層のp型ドーパンドの濃度がp型半導体層に接する最終バリア層の第1主面から最終バリア層の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドの濃度が1×1016cm-3未満である半導体発光素子が提供される。According to another aspect of the present invention, an n-type semiconductor layer and an active layer having a stacked structure in which a barrier layer and a well layer having a smaller band gap than that of the barrier layer are alternately arranged on the n-type semiconductor layer. And a p-type semiconductor layer including a p-type dopant disposed on the active layer, and the film thickness of the final barrier layer of the uppermost layer of the stacked structure of the active layer is greater than the distance by which the final barrier layer of the p-type dopant is diffused The thickness of the p-type dopant in the final barrier layer is gradually decreased from the first main surface of the final barrier layer in contact with the p-type semiconductor layer along the film thickness direction of the final barrier layer, and is opposed to the first main surface. A semiconductor light emitting device having a p-type dopant concentration of less than 1 × 10 16 cm −3 on the surface is provided.
本発明の他の態様によれば、n型ドーパントがドープされたn型半導体層と、n型半導体層上に配置され、n型半導体層より低い濃度でn型ドーパントがドープされたブロック層と、ブロック層上に配置された活性層と、活性層上に配置されたp型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。 According to another aspect of the invention, an n-type semiconductor layer doped with an n-type dopant, a block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with an n-type dopant at a lower concentration than the n-type semiconductor layer, There is provided a semiconductor light emitting device comprising an active layer disposed on a block layer and a p-type semiconductor layer disposed on the active layer.
本発明の他の態様によれば、n型半導体層を形成する工程と、n型半導体層上に、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に積層して活性層を形成する工程と、活性層上にp型ドーパンドを含むp型半導体層を形成する工程とを含み、p型半導体層と接する活性層の最終バリア層を、p型ドーパントの最終バリア層を拡散する距離より厚く形成する半導体発光素子の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, an active layer is formed by alternately stacking a barrier layer and a well layer having a smaller band gap than the barrier layer on the n-type semiconductor layer, and forming an n-type semiconductor layer. And a step of forming a p-type semiconductor layer including a p-type dopant on the active layer, and diffusing the final barrier layer of the active layer in contact with the p-type semiconductor layer into the final barrier layer of the p-type dopant. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a larger thickness is provided.
本発明の半導体発光素子によれば、n型半導体層から供給される電子と、p型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のMQWペア数を最適化し、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 number of MQW pairs in the active layer for efficiently recombining electrons supplied from the n-type semiconductor layer and holes supplied from the p-type semiconductor layer in the active layer is optimized. , Luminous efficiency can be improved.
本発明によれば、p型半導体層から井戸層へのp型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light-emitting device which can suppress the spreading | diffusion of the p-type dopant from a p-type semiconductor layer to a well layer, and its manufacturing method can be provided.
本発明によれば、n型半導体層からp型半導体層への電子のオーバーフロー、及びn型半導体層から活性層へのn型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light-emitting device which can suppress the overflow of the electron from an n-type semiconductor layer to a p-type semiconductor layer and the spreading | diffusion of the n-type dopant from an n-type semiconductor layer to an active layer can be provided.
1…基板
2…n型半導体層
3…活性層
4…p型半導体層
5…酸化物電極
6…バッファ層
7…ブロック層
31…バリア層(GaN層)
32…井戸層(InGaN層)
41…第1窒化物系半導体層
42…第2窒化物系半導体層
43…第3窒化物系半導体層
44…第4窒化物系半導体層
100…p側電極
200…n側電極
310…最終バリア層
311〜31n…バリア層
321〜32n…井戸層DESCRIPTION OF
32 ... Well layer (InGaN layer)
41 ... first
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、この発明の実施の形態を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the arrangement of each component is described below. It is not something specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図1(a)に示すように表される。また、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図1(b)に示すように表される。[First embodiment]
A schematic cross-sectional structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. The enlarged schematic cross-sectional structure of the active layer portion is expressed as shown in FIG.
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1に示すように、基板1と、基板1上に配置されたバッファ層6と、バッファ層6上に配置され、n型不純物が不純物添加されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置され、n型半導体層2より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層7と、ブロック層7上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4と、p型半導体層4上に配置された酸化物電極5とを備える。
As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a
活性層3は、図1(b)に示すように、バリア層311〜31n、310とそのバリア層311〜31n、310よりバンドギャップが小さい井戸層321〜32nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層3に含まれる第1バリア層311〜第nバリア層31nを総称して「バリア層31」という。また、活性層3に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層32」という。
As shown in FIG. 1B, the
上記の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚は、その最終バリア層310以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層311〜第nバリア層31n)の厚さより厚く形成されていてもよい。
The film thickness of the
図1に示した半導体発光素子では、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。
In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, the concentration of the p-type dopant in the
基板1には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層2、活性層3及びp型半導体層4はそれぞれIII族窒化物系半導体からなり、基板1上にバッファ層6、n型半導体層2、ブロック層7、活性層3及びp型半導体層4が順次積層される。
As the
(バッファ層)
バッファ層6は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層6を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。AlNバッファ層6のAl原料として用いるトリメチルアルミニウム(TMA)と、N原料として用いるアンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、AlNバッファ層6を結晶成長させている。例えば、サイクル数は約3〜5程度でもよい。(Buffer layer)
The
トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約10〜30オングストローム程度の薄いAlNバッファ層6を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。By supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber alternately with H 2 gas as a carrier, a thin
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the crystallinity and surface morphology of the group III nitride semiconductor formed on the high temperature AlN buffer layer can be improved.
(ブロック層)
n型半導体層2と活性層3間に配置されたブロック層7は、例えばn型不純物としてSiを1×1017cm-3未満で不純物添加した膜厚約200nm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。(Block layer)
The
図1に示した半導体発光素子では、例えばn型半導体層2にSiが3×1018cm-3程度不純物添加された場合に、Siが約8×1016cm-3程度不純物添加されたブロック層7をn型半導体層2と活性層3間に配置することにより、活性層3の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散を防止できる。In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, for example, when Si is doped with about 3 × 10 18 cm −3 in the n-
つまり、活性層3内にSiが拡散せず、活性層3で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層3で発光させるためにn型半導体層2とp型半導体層4間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層2から活性層3に供給された電子が活性層3を通過してp型半導体層4に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止することができる。
That is, Si does not diffuse into the
ブロック層7のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層7のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層2から供給された電子が活性層3を超えてp型半導体層4までオーバーフローし、p型半導体層4内で正孔と再結合してしまい、活性層3中での再結合の割合が減少し、活性層3で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層7のSi濃度が低すぎる場合は、n型半導体層2から活性層3へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層7のSi濃度は、約5×1016〜1×1017cm-3未満であることが好ましい。The Si concentration of the
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、n型半導体層2と活性層3間にブロック層7を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層2からp型半導体層4への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図1に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the
(n型半導体層)
n型半導体層2は、電子を活性層3に供給し、p型半導体層4は、正孔(ホール)を活性層3に供給する。供給された電子及び正孔が活性層3で再結合することにより、光が発生する。(N-type semiconductor layer)
The n-
n型半導体層2は、シリコン(Si)等のn型不純物を不純物添加した膜厚1〜6μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
The n-
(p型半導体層)
p型半導体層4は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.2〜1μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。(P-type semiconductor layer)
As the p-
p型半導体層4の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層4は、図1(a)に示すように、活性層3の上部に配置され,p型不純物を含む第1窒化物系半導体層41と、第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42と、第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44とを備える。
A configuration example of the p-
第2窒化物系半導体層42の厚さは、第1窒化物系半導体層41、或いは第3窒化物系半導体層43乃至第4窒化物系半導体層44の厚さよりも厚く形成される。
The thickness of the second nitride-based
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層3の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層41は、例えばMgを不純物添加された約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成される。Here, the material and thickness of each layer will be specifically described. The first nitride-based
第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42は、例えばMgを不純物添加された約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成される。The second
第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。The third nitride-based
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。The fourth
第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層3の上に形成されるp型半導体層4は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層3への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-
活性層3に一番近い第1窒化物系半導体層41は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
The first
第2窒化物系半導体層42は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。The second nitride-based
第3窒化物系半導体層43は、活性層3への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層42よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。
Since the third
第4窒化物系半導体層44は、酸化物電極5とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極5として、例えば、GaまたはAlが1×1019〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。The fourth nitride-based
p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層3に近い第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層3をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型GaN層を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。When four p-type GaN layers are grown, the third
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-type semiconductor layer is formed at a low temperature to reduce the thermal damage to the active layer, and the forward voltage (Vf) is reduced to improve the light emission efficiency. Can be made.
(活性層)
活性層3は、図1(b)に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層3は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。(Active layer)
As shown in FIG. 1B, the
具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層3の第1バリア層311は、n型半導体層2上にバッファ層6を介して配置され、活性層3の最終バリア層310上にはp型半導体層4(41〜44)が配置される。
Specifically, the
井戸層321〜32nは、例えばInxGa1-xN(0<x<1)層によって形成され、バリア層311〜31n,310は、例えばGaN層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、6〜11である。なお、井戸層321〜32nのガリウム(Ga)に対するインジウム(In)の比率{x/(1−x)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。The well layers 321 to 32n are formed by, for example, In x Ga 1-x N (0 <x <1) layers, and the barrier layers 311 to 31n and 310 are formed by, for example, GaN layers. Moreover, the number of pairs of multiple quantum well layers is, for example, 6 to 11. The ratio of indium (In) to gallium (Ga) in the well layers 321 to 32n {x / (1-x)} is appropriately set according to the wavelength of light to be generated.
また、井戸層321〜32nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層311〜31nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度であることを特徴とする。 Further, the thickness of the well layers 321 to 32n is, for example, about 2 to 3 nm, preferably about 2.8 nm, and the thickness of the barrier layers 311 to 31n is about 7 to 18 nm, preferably about It is about 16.5 nm.
図4は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、発光出力と量子井戸ペア数との関係を示す。 FIG. 4 shows the relationship between the light emission output and the number of quantum well pairs in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
図5は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層3内における発光現象を説明するバンド構造の模式図を示す。
FIG. 5 is a schematic diagram of a band structure for explaining the light emission phenomenon in the
図6は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層3内における発光現象を説明するバンド構造であって、図6(a)は、MQWが5ペアの場合のバンド構造の模式図、図6(b)は、MQWが8ペアの場合のバンド構造の模式図、図6(c)は、MQWが12ペアの場合のバンド構造の模式図をそれぞれ示す。
FIG. 6 shows a band structure for explaining the light emission phenomenon in the
従来構造では、MQWのペア数は、4〜5ペアが用いられているため、図6(a)に示すように、n型半導体層2から供給される電子が活性層3を飛び越えてp型半導体層4まで流れてしまう。この際、p型半導体層4から供給されるホールが活性層3に達する前に電子と再結合してしまい、活性層3に達するホール濃度が減少する。それにより、LEDの輝度が減少してしまう。これは、ホールの有効質量が電子に比べて高いためp型半導体層4からの注入ホールの移動度が低く、ホールが活性層3に達する前に電子が、p型半導体層4まで到達して、ホールと再結合してしまうからである。
In the conventional structure, since 4 to 5 MQW pairs are used, as shown in FIG. 6A, electrons supplied from the n-
一方、MQWのペア数が、12ペアより大きい場合には、図6(c)に示すように、活性層3が厚いために、n型半導体層2から供給される電子は、活性層3内を十分に走行することができない。この際、p型半導体層4から供給されるホールも、活性層3内を十分に走行することができない。このため、活性層3内において、電子とホールの再結合が充分に発生せず、それにより、LEDの輝度が減少してしまう。
On the other hand, when the number of MQW pairs is larger than 12 pairs, as shown in FIG. 6C, the
これに対して、MQWのペア数が、8ペア程度の場合には、図5および図6(b)に示すように、活性層3の厚さが最適化され、n型半導体層2から供給される電子は、活性層3内を十分に走行するとともに、同時に、p型半導体層4から供給されるホールも、活性層3内を十分に走行することができ、活性層3内において、電子とホールの再結合が充分に発生して、それにより、LEDの輝度を高くすることができる。
On the other hand, when the number of MQW pairs is about 8 pairs, the thickness of the
p型半導体層4から活性層3への充分な正孔の注入量が確保されており、かつn型半導体層2からも活性層3への充分な電子の注入量が確保されている場合においては、発光現象に寄与する活性層3内のMQWは、p型半導体層4から数えて2〜3ペアであってもよい。なお、電子の移動度は正孔の移動度に比べ高いため、発光現象に寄与する活性層3内のMQWは、p型半導体層4側に近い数ペアとなる。
In a case where a sufficient injection amount of holes from the p-
また、図4に示すように、MQWのペア数が8において発光出力Pは最大値P2を示し、一方、MQWのペア数が5或いは12においては発光出力PはP1(P1<P2)程度であり、MQWのペア数が5より小さい場合或いは12よりも大きい場合には、充分な発光出力Pを確保することが難しい。Further, as shown in FIG. 4, when the number of MQW pairs is 8, the light emission output P exhibits the maximum value P2, while when the number of MQW pairs is 5 or 12, the light emission output P is P 1 (P 1 <P 2 When the number of MQW pairs is smaller than 5 or larger than 12, it is difficult to secure a sufficient light output P.
第1の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層2から供給される電子と、p型半導体層4から供給されるホールが活性層3において効率よく再結合するための活性層3内のMQWペア数を最適化することができる。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the active layer for efficiently recombining the electrons supplied from the n-
(最終バリア層)
最終バリア層310の膜厚は、p型半導体層4から活性層3へのMgの拡散距離より厚く形成される。(Final barrier layer)
The
図1に示した半導体発光素子では、最終バリア層310のp型不純物の濃度が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が存在しない。
In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, the concentration of the p-type impurity in the
図1に示した半導体発光素子の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層4から活性層3に拡散するp型不純物が、活性層3の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層4から最終バリア層310に拡散するp型不純物が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。
The film thickness d0 of the
p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は約1016cm-3以下程度の検出下限界以下になる。即ち、最終バリア層310の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層310の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層3と接する最終バリア層310の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層3で発生する光の輝度の低下が防止される。The Mg concentration on the first main surface of the
なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層2から活性層3に注入される正孔が第n井戸層32nに到達し、第n井戸層32nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層3中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。
The film thicknesses d1 to dn of the
例えば、最終バリア層310の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は約2〜3nm程度である。
For example, the film thickness d0 of the
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層4に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図1に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層310の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層3全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層4から活性層3の井戸層32へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the thickness d0 of the
(電極構造)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図3に示すように、n型半導体層2に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層4に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図3に示すように、p型半導体層4、活性層3、ブロック層7、及びn型半導体層2の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層2の表面に、n側電極200が配置される。(Electrode structure)
As shown in FIG. 3, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes an n-
p側電極100は、p型半導体層4上に酸化物電極5を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層4上に直接配置されていても良い。第4窒化物系半導体層44上に配置される酸化物電極5からなる透明電極は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。
The p-
n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜、Ti/Ni/AuまたはAl/Ti/Au,Al/Ni/Au,Al/Ti/Ni/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au/Ni/Alの多層膜からなり、p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Auの多層膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層2に、p側電極100は、酸化物電極5を介してp型半導体層4に、それぞれオーミック接続される。
The n-
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、p側電極100の表面とn側電極200の表面を、基板1から測った高さが同じ高さとなるように形成しても良い。
In order to mount the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention in a flip-chip structure, the surface of the p-
酸化物電極5として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜で覆う構造を備えていても良い。反射積層膜はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有し、積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al2O3などを用いることもできる。A transparent conductive film ZnO may be formed as the
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜8により活性層3内で発光した光を、n側電極100で吸収されることなく外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。
According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the light emitted in the
(製造方法)
以下に、図1に示した第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板1にサファイア基板を適用する例を説明する。(Production method)
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. In addition, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the
(a)まず、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等でサファイア基板1上にAlNバッファ層6を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層6を、短時間に成長させる。(A) First, an
(b)次に、AlNバッファ層6上に、MOCVD法などにより、n型半導体層2となるGaN層を成長させる。例えば、AlNバッファ層6を形成した基板1をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層6上に、n型不純物を不純物添加したn型半導体層2を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層2には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層2を形成する。(B) Next, a GaN layer to be the n-
(c)次に、n型半導体層2上にブロック層7として、Siを1×1017cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜を例えば、約200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層2を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。(C) Next, as the
(d)次に、活性層3をn型半導体層2上に形成する。例えば、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層3が形成される。具体的には、活性層3を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層3が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。
(D) Next, the
例えば、基板温度Taでバリア層31が形成され、基板温度Tb(Ta>Tb)で井戸層32が形成される。即ち、基板温度がTaに設定された時刻t10〜t11において第1バリア層311が形成される。次いで、時刻t11で基板温度がTbに設定され、時刻t11〜時刻t20において第1井戸層321が形成される。その後も同様に、時刻t20〜t21において基板温度Taで第2バリア層312が形成され、時刻t21〜時刻t30において基板温度Tbで第2井戸層322が形成される。そして、時刻tn0〜tn1において基板温度Taで第nバリア層31nが形成され、時刻tn1〜時刻teにおいて基板温度Tbで第n井戸層32nが形成され、バリア層31と井戸層32を交互に積層した積層構造が完成する。
For example, the barrier layer 31 is formed at the substrate temperature Ta, and the well layer 32 is formed at the substrate temperature Tb (Ta> Tb). That is, the
バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm(standard cc/min)、NH3ガスを20slm(standard L/min)の流量でそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm、トリメチルインジウム(TMI)ガスを280sccm、NH3ガスを20slmの流量でそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。In the case of forming the barrier layer 31, as source gases, for example, TMG gas is supplied to a film forming processing apparatus at a flow rate of 300 sccm (standard cc / min) and NH 3 gas at a flow rate of 20 slm (standard L / min). On the other hand, when forming the well layer 32, as source gases, for example, TMG gas is supplied to the processing apparatus at a flow rate of 300 sccm, trimethylindium (TMI) gas is 280 sccm, and NH 3 gas is supplied at a flow rate of 20 slm. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.
形成された積層構造上に、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、図1に示した活性層3が形成される。既に説明したように、最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。
An
(e)次いで、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層310上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層4を0.05〜1μm程度形成する。
(E) Next, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 900 ° C., and the p-
p型半導体層4は、例えばp型不純物としてMgを不純物添加した4層構造に形成する。活性層3の上部に配置される第1窒化物系半導体層41は、約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成し、第2窒化物系半導体層42は、約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成し、第3窒化物系半導体層43は、例えば約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成し、第4窒化物系半導体層44は、約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成する。The p-
Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層4(41〜44)を形成する。p型半導体層4(41〜44)の形成時にp型半導体層4(41〜44)から活性層3にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層3の井戸層32に拡散することが防止される。When adding Mg as impurities, TMG gas, NH 3 gas and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas are supplied as source gases to form the p-type semiconductor layers 4 (41 to 44). Mg is diffused from the p-type semiconductor layer 4 (41 to 44) to the
ここで、p型半導体層4の形成工程について、さらに詳細に説明する。
Here, the process of forming the p-
第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の温度分布は、図7(a)および図8(a)に示すように表される。また、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の水素ガスフローの条件を説明する図は、図7(b)〜図7(d)に示すように表される。また、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の窒素ガスフローの条件を説明する図は、図8(b)に示すように表される。また、アンモニアガスフローの条件を説明する図は、図8(c)に示すように表される。 In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the temperature distribution when forming the p-type semiconductor layers (41 to 44) having the four-layer structure is as shown in FIGS. 7 (a) and 8 (a). expressed. Further, the drawings for explaining the conditions of the hydrogen gas flow when forming the p-type semiconductor layers (41 to 44) having the four-layer structure are expressed as shown in FIGS. 7 (b) to 7 (d). Further, a diagram for explaining the conditions of the nitrogen gas flow when forming the p-type semiconductor layers (41 to 44) having the four-layer structure is expressed as shown in FIG. Moreover, the figure explaining the conditions of ammonia gas flow is represented as shown in FIG.8 (c).
図7(a)および図8(a)に示す温度分布において、時刻t1〜t2の期間T1は、第1窒化物系半導体層41を形成する期間であり、時刻t2〜t3の期間T2は、第2窒化物系半導体層42を形成する期間であり、時刻t3〜t4の期間T3は、第3窒化物系半導体層43を形成する期間であり、時刻t4〜t5の期間T4は、第4窒化物系半導体層44を形成する期間である。時刻t5〜t6の期間T5は、基板温度を850℃から350℃まで冷却する期間である。
In the temperature distribution shown in FIGS. 7A and 8A, a period T1 from time t1 to t2 is a period in which the first nitride-based
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、n型半導体層2を形成する工程と、n型半導体層2上に活性層3を形成する工程と、活性層3上に、p型不純物をそれぞれ含む複数のp型GaN層を積層して窒化物系半導体層(41〜44)を約800〜900℃程度の低温で形成する工程とを含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、複数のp型GaN層の少なくとも一部を形成する。
In the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the step of forming the n-
水素を含むキャリアガスによってp型半導体層4を形成する場合、Mgと一緒に取り込まれる水素原子によってMgが活性化されにくくなり、p型半導体層4のp型化が阻害される原因となる。そのため、p型半導体層4を形成後、水素原子を取り除いてp型半導体層4をp型化するためのアニール(以下において「p型化アニール」という。)を実施する必要がある。
When the p-
しかし、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44のうち少なくとも一層を、水素を含まないキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することにより、p型化アニールの工程を省略できる。p型半導体層4のどの部分を水素を含まないキャリアガスによって形成するかは任意に設定可能であり、例えば第1窒化物系半導体層41〜第3窒化物系半導体層43を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第4窒化物系半導体層44のみを水素を含むキャリアガスによって形成してもよい。
However, according to the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, at least one of the first
例えば、図7(b)に示すように、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の内、膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42や、Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41を、水素を含まないキャリアガスによって形成することが、p型化アニールの工程を省略する点で好ましい。例えば、図7(c)は、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の内、第1窒化物系半導体層41〜第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図7(d)は、第1窒化物系半導体層41および第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図7(e)は、第2窒化物系半導体層42および第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。
For example, as shown in FIG. 7B, among the first
一方、図7(b)乃至図7(e)に示すように、p側電極100と接する第4窒化物系半導体層44は、結晶状態をできるだけよくするために、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することが好ましい。これは、一般に、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給する場合の方が、水素を含まないキャリアガスによって形成する場合に比べて、Mgを不純物添加したp型半導体層の結晶状態がよいためである。
On the other hand, as shown in FIGS. 7B to 7E, the fourth
以下に、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるp型膜形成方法について説明する。なお、以下に述べるp型膜形成方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、p型不純物としてMgを採用し、図7(b)に示すように、第1窒化物系半導体層41及び第2窒化物系半導体層42を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第3窒化物系半導体層43及び第4窒化物系半導体層44を水素を含むキャリアガスによって形成する場合を例示的に説明する。
The p-type film forming method in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be described below. Note that the p-type film forming method described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other methods including this modification. Here, Mg is employed as the p-type impurity, and as shown in FIG. 7B, the first nitride-based
図7乃至図8に示すように、p型半導体層4を形成する基板温度Tpは850℃、圧力は200Torrで共通に設定される。
As shown in FIGS. 7 to 8, the substrate temperature Tp for forming the p-
(工程1)時刻t1〜時刻t2において、キャリアガスとしてN2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスをそれぞれ処理装置に供給して第1窒化物系半導体層41が形成される。時刻t1〜時刻t2間を5分として、膜厚=50nm、Mg濃度=2×1020cm-3の第1窒化物系半導体層41が形成される。In (step 1) Time t1~ time t2 supply, by supplying N 2 gas as a carrier gas, NH 3 gas as a raw material gas, TMG gas, each processor biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas Thus, the first
(工程2)時刻t2〜時刻t3において、キャリアガスとしてN2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第2窒化物系半導体層42が形成される。時刻t2〜時刻t3間を21分として、膜厚=100nm、Mg濃度=4×1019cm-3の第2窒化物系半導体層42が形成される。(Step 2) From time t2 to time t3, N 2 gas is supplied as a carrier gas, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases to the processing apparatus, respectively, and the second
(工程3)時刻t3〜時刻t4において、キャリアガスとしてH2ガス、N2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第3窒化物系半導体層43が形成される。時刻t3〜時刻t4間を1分として、膜厚=40nm、Mg濃度=1×1020cm-3の第3窒化物系半導体層43が形成される。(Step 3) From time t3 to time t4, H 2 gas and N 2 gas are supplied as carrier gases, and
(工程4)時刻t4〜時刻t5において、キャリアガスとしてH2ガス、N2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第4窒化物系半導体層44が形成される。時刻t4〜時刻t5間を3分として、膜厚=10nm、Mg濃度=8×1019cm-3の第4窒化物系半導体層44が形成される。(Step 4) From time t4 to time t5, H 2 gas and N 2 gas are supplied as carrier gases, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases to the processing apparatus, respectively. A nitride-based
(工程5)時刻t5〜時刻t6において、キャリアガスとしてN2ガスを供給しながら、基板温度を温度Tp(850℃)から温度Td(350℃)以下まで温度を下げる。つまり、400℃以上で行うp型化アニールは実施されない。(Step 5) At time t5 to time t6, the substrate temperature is lowered from the temperature Tp (850 ° C.) to the temperature Td (350 ° C.) or lower while supplying N 2 gas as the carrier gas. That is, p-type annealing performed at 400 ° C. or higher is not performed.
上記の工程1〜工程5によって、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44を含むp型半導体層4が形成される。Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41、及び膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42をH2ガスを含まないキャリアガスによって形成するため、p型化アニールを実施しなくても、p型半導体としてp型半導体層4が得られる。また、H2ガスを含むキャリアガスを供給して形成することにより第4窒化物系半導体層44の結晶状態がよくなる。つまり、p型半導体層4のp側電極100と接する表面の結晶状態がよく、p型半導体層4のp側電極100とのコンタクトが良好になる。The p-
上記のようなp型半導体層4の形成工程によれば、H2ガスを含まないキャリアガスを供給してp型半導体層4を形成することにより、p型半導体層4にp型不純物と一緒にH2が取り込まれることがない。そのため、p型半導体層4からH2を取り除くためのp型化アニールが不要になり、半導体発光素子の製造工程を短縮することができる。According to the formation process of the p-
(f)次に、p型半導体層4の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって酸化物電極5を形成する。酸化物電極5としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。(F) Next, the
(g)次に、酸化物電極5をパターニング後、酸化物電極5を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜8を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。反射積層膜8に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いる。各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。(G) Next, after patterning the
(h)次いで、反射積層膜8およびp型半導体層4〜n型半導体層2の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型半導体層2の表面を露出させる。
(H) Next, the reflective
(i)次に、露出したn型半導体層2の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層4上の酸化物電極5に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図3に示した半導体発光素子が完成する。
(I) Next, n-
(変形例)
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図2(a)に示すように表され、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図2(b)に示すように表される。(Modification)
A schematic cross-sectional structure of the semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment is expressed as shown in FIG. 2A, and an enlarged schematic cross-sectional structure of the active layer portion is shown in FIG. ).
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図2に示すように、基板1と、基板1上に配置されたバッファ層6と、バッファ層6上に配置され、n型不純物が不純物添加されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置され、n型半導体層2より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層7と、ブロック層7上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4と、p型半導体層4上に配置された酸化物電極5とを備える。
As shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment includes a
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、活性層3の上部に配置されたp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と、第4窒化物系半導体層上に配置され、酸化物電極5からなる透明電極とを備えることを特徴とする。
The semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment is disposed on the third
また、透明電極は、GaもしくはAlが1×1019〜5×1021cm-3程度まで不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含むことを特徴とする。In addition, the transparent electrode includes any one of ZnO doped with impurities up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al, ITO, or ZnO containing indium.
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の構造上、p型半導体層4が、活性層3の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層からなる2層構造に形成されている。
The semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment has a third structure in which the p-
活性層3の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。The third nitride-based
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。The fourth
第2の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層3の上に形成されるp型半導体層4は、上記のように、Mg濃度の異なる2層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層3への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
In the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the p-
活性層3に一番近い第3窒化物系半導体層43は、活性層3への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
Since the third
第4窒化物系半導体層44は、酸化物電極5とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極5として、例えば、GaまたはAlが1×1019〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。The fourth nitride-based
p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。或いはまた、活性層3に近い第3窒化物系半導体層43は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層3をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。When four p-type GaN layers are grown, the third
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においてもAlNバッファ層6、n型半導体層2、ブロック層7、活性層3、p型半導体層4、最終バリア層310、反射積層膜8および電極構造は本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。
Also in the semiconductor light emitting device according to the modification of the first embodiment, the
第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層から供給される電子と、p型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のMQWペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment and the modification thereof, the electrons supplied from the n-type semiconductor layer and the holes supplied from the p-type semiconductor layer are efficiently recombined in the active layer. The number of MQW pairs in the active layer can be optimized and the light emission efficiency can be improved.
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、図9に示すように、基板1と、基板1上に配置されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置され、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層3と、活性層3上に配置され、p型ドーパンドを含むp型半導体層4とを備える。図9に示した半導体発光素子では、活性層3の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚d0がp型ドーパントの最終バリア層310を拡散する距離より厚く、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度がp型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドの濃度が1×1016cm-3未満である。[Second Embodiment]
As shown in FIG. 9, the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention is disposed on the
基板1には、例えばサファイア基板等が採用可能である。n型半導体層2、活性層3及びp型半導体層4はそれぞれIII族窒化物半導体からなり、基板1上にn型半導体層2、活性層3及びp型半導体層4が順次積層される。
As the
n型半導体層2は電子を活性層3に供給し、p型半導体層4は正孔(ホール)を活性層3に供給する。供給された電子及び正孔が活性層3で再結合することにより、光が発生する。
The n-
n型半導体層2は、シリコン(Si)等のn型ドーパントをドープした膜厚0.2〜5μm程度のIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型半導体層4は、p型ドーパントをドープした膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型ドーパントとしては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
As the n-
活性層3は、図9に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層3は、井戸層を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位構造とし、この単位構造をn回積層した構造を有する。具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層3の第1バリア層311は、n型半導体層2上に配置され、活性層3の最終バリア層310上にp型半導体層4が配置される。
As shown in FIG. 9, the
図9に示す半導体発光素子は、n型半導体層2に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層4に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図9に示すように、p型半導体層4、活性層3、及びn型半導体層2の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層2の表面に、n側電極200が配置される。p側電極100は、p型半導体層4上に配置される。n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜からなり、p側電極100は、例えばチタン(Ti)膜やニッケル(Ni)膜、又はインジウムスズ酸化物(ITO)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜等の透明電極、或いはパラジウム(Pd)−金(Au)合金膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層2に、p側電極100はp型半導体層4に、それぞれオーミック接続される。
The semiconductor light emitting device shown in FIG. 9 further includes an n-
バリア層31や最終バリア層310は、例えばGaN膜からなり、井戸層32は、例えば窒化インジウムガリウム(InGaN)膜からなる。なお、井戸層32におけるインジウム(In)の組成比率は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。また、バリア層31として、井戸層32よりもInの組成が小さいInGaN膜を採用してもよい。
The barrier layer 31 and the
図9に示した半導体発光素子の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパントが、活性層3の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層4から最終バリア層310に拡散するp型ドーパントが、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。
The film thickness d0 of the
図10に、p型半導体層4から拡散したp型ドーパントの、最終バリア層310における濃度分布の例を示す。図10は、ノンドープのGaN膜として形成された最終バリア層310上に、p型ドーパントとしてマグネシウム(Mg)を例えば3×1019cm-3の濃度でドープしたGaN層からなるp型半導体層4を形成した場合での、最終バリア層310中のMg濃度分布を例示的に示している。図10の縦軸は最終バリア層310中のMg濃度であり、横軸はp型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面を始点とした最終バリア層310の膜厚方向の距離である。FIG. 10 shows an example of the concentration distribution of the p-type dopant diffused from the p-
図10に示した例では、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、第1主面に接するp型半導体層4のMg濃度と同程度で、例えば2×1020cm-3であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離8nmの位置においてMg濃度は1×1016cm-3未満の測定下限以下になる。即ち、最終バリア層310の膜厚d0を8nm以上にすることにより、井戸層32に達して発光に悪影響を及ぼす程度のMgが最終バリア層310の第2主面まで拡散しない。そのため、活性層3と接する最終バリア層310の第2主面には発光に悪影響を及ぼす程度のMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層3で発生する光の輝度の低下が防止される。In the example shown in FIG. 10, the Mg concentration in the first main surface of the
図11に、最終バリア層310及びp型半導体層4のMg濃度の例を示す。図11(a)に示すように、膜厚2.8nmの第n井戸層32nに第2主面を接して膜厚10nmの最終バリア層310が配置され、最終バリア層310の第1主面に接してp型半導体層4が配置されている。図11に示したp型半導体層4は、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44がこの順に積層された構造を有する。第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の膜厚及びMg濃度の例を以下に示す:
(1)第1窒化物系半導体層41:膜厚=50nm、Mg濃度=2×1020cm-3
(2)第2窒化物系半導体層42:膜厚=100nm、Mg濃度=4×1019cm-3
(3)第3窒化物系半導体層43:膜厚=40nm、Mg濃度=1×1020cm-3
(4)第4窒化物系半導体層44:膜厚=10nm、Mg濃度=8×1019cm-3
第n井戸層32n、最終バリア層310及びp型半導体層4のMg濃度は図11(b)のようになる。図11(b)に示すように、最終バリア層310の膜厚d0がMgの最終バリア層310における拡散距離より厚いため、第n井戸層32nには発光に悪影響を及ぼす程度のMgは達していない。FIG. 11 shows an example of the Mg concentration of the
(1) First nitride semiconductor layer 41: film thickness = 50 nm, Mg concentration = 2 × 10 20 cm −3
(2) Second nitride semiconductor layer 42: film thickness = 100 nm, Mg concentration = 4 × 10 19 cm −3
(3) Third nitride semiconductor layer 43: film thickness = 40 nm, Mg concentration = 1 × 10 20 cm −3
(4) Fourth nitride semiconductor layer 44: film thickness = 10 nm, Mg concentration = 8 × 10 19 cm −3
The Mg concentration of the n-
図12に、最終バリア層310の膜厚d0と活性層3からの発光の出力POとの関係の例を示す。図12に示すように、膜厚d0=10nm程度で出力POは最大になり、出力POを最大出力の90%以上にするために、膜厚d0=10nm±2nm程度であることが好ましい。
FIG. 12 shows an example of the relationship between the film thickness d0 of the
なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、p型半導体層4から活性層3に注入される正孔が井戸層32に到達し、井戸層32で電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層3中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層310の膜厚d0は10nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは7〜16nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は3nm程度である。したがって、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnを例えば16.5nm程度にした場合、最終バリア層310の膜厚d0は、膜厚d1〜dnより薄くなる。
The film thicknesses d1 to dn of the
以上に説明したように、第2の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層4に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図9に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層310の膜厚d0をp型ドーパントの最終バリア層310を拡散する距離より厚く設定することにより、活性層3全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層4から活性層3の井戸層32へのp型ドーパントの拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型ドーパントの拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制される。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, the thickness d0 of the
以下に、図9に示した半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板1にサファイア基板を適用する例を説明する。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting element shown in FIG. 9 will be described. In addition, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the
製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等でサファイア基板上にGaNを成長させる。例えば、基板1をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、基板1上に、n型ドーパントをドープしたn型半導体層2を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層2には、例えばn型ドーパントとしてSiを3×1018cm-3程度の濃度でドープしたGaN膜が採用可能である。Siをドープする場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層2を形成する。As a manufacturing method, GaN is grown on a sapphire substrate by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. For example, after the
次に、活性層3をn型半導体層2上に形成する。例えば、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層3が形成される。具体的には、活性層3を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層3が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。
Next, the
図13に、バリア層31と井戸層32を積層する例を示す。図13に示す基板温度Taでバリア層31が形成され、基板温度Tbで井戸層32が形成される。 FIG. 13 shows an example in which the barrier layer 31 and the well layer 32 are stacked. The barrier layer 31 is formed at the substrate temperature Ta shown in FIG. 13, and the well layer 32 is formed at the substrate temperature Tb.
即ち、基板温度がTaに設定された時刻t10〜t11において第1バリア層311が形成される。次いで、時刻t11〜t12において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられる。そして時刻t12〜時刻t13において、基板温度Tbで第1井戸層321が形成される。その後、時刻t13〜t20において基板温度Taになるまで基板温度が上げられ、時刻t20〜t21において第2バリア層312が形成される。時刻t21〜t22において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられ、時刻t22〜時刻t30において、基板温度Tbで第2井戸層322が形成される。その後も同様にして、バリア層31と井戸層32がそれぞれ基板温度Taと基板温度Tbで交互に形成される。そして、時刻tn0〜tn1において基板温度Taで第nバリア層31nが形成され、時刻tn1〜tn2において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられ、時刻tn2〜時刻tn3において第n井戸層32nが形成され、バリア層31と井戸層32を交互に積層した積層構造が完成する。なお、基板温度の昇温時や降温時では、バリア層31或いは井戸層32を成長させることも、成長を中断することもできる。
That is, the
バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス及びNH3ガスを成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、及びNH3ガスを処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。When forming the barrier layer 31, for example, TMG gas and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus for film formation as source gases. On the other hand, when forming the well layer 32, for example, TMG gas, trimethylindium (TMI) gas, and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus as source gases. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.
形成された積層構造上に、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、図9に示した活性層3が形成される。既に説明したように、最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。
An
次いで、基板温度を800℃〜1000℃程度にして、最終バリア層310上に、p型ドーパントをドープしたp型半導体層4を0.05〜1μm程度形成する。p型半導体層4は、例えばp型ドーパントとしてMgを3×1019cm-3程度の濃度でドープしたGaN層等が採用可能である。Mgをドープする場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層4を形成する。p型半導体層4の形成時にp型半導体層4から活性層3にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層3の井戸層32に拡散することが防止される。Next, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 1000 ° C., and the p-
次いで、p型半導体層4〜n型半導体層2の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、n型半導体層2の表面を露出させる。その後、露出したn型半導体層2の表面にn側電極200を蒸着により形成し、p型半導体層4上にp側電極100を蒸着により形成して、図9に示した半導体発光素子が完成する。
Next, part of the p-
第2の実施の形態に係る半導体発光素子およびその製造方法によれば、p型半導体層4に接する最終バリア層310の膜厚d0を、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定することにより、p型ドーパントが活性層3の井戸層32に拡散することが防止される。その結果、井戸層32へのp型ドーパントの拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
According to the semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the same according to the second embodiment, the p type diffuses the thickness d0 of the
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、図14に示すように、n型ドーパントがドープされたn型半導体層2と、n型半導体層上に配置され、n型半導体層より低い濃度でn型ドーパントがドープされたブロック層7と、ブロック層7上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4とを備える。[Third embodiment]
As shown in FIG. 14, the semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention includes an n-
図14に示した基板1には、例えばサファイア基板等が採用可能である。n型半導体層2、ブロック層7、活性層3及びp型半導体層4にはそれぞれIII族窒化物半導体が採用可能であり、基板1上にn型半導体層2、ブロック層7、活性層3及びp型半導体層4が順次積層される。
As the
n型半導体層2は電子を活性層3に供給し、p型半導体層4は正孔を活性層3に供給する。供給された電子及び正孔が活性層3で再結合することにより、光が発生する。
The n-
n型半導体層2は、n型ドーパントであるシリコン(Si)等をドープした膜厚0.2〜5μm程度のIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型半導体層4は、p型ドーパントをドープした膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型ドーパントとしては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
As the n-
n型半導体層2と活性層3間に配置されたブロック層7は、例えばn型ドーパントとしてSiを1×1017cm-3未満でドープした膜厚50〜500nm程度、例えば200nmのIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。The
活性層3は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を有する。また、活性層3は、井戸層をバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位構造とし、この単位構造をn回積層した多重量子井戸(MQW)構造としてもよい(n:自然数)。MQW構造にした場合、活性層3は、例えば図15に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する。具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、図示を省略する第2井戸層は第2バリア層312と第3バリア層(不図示)の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層3の第1バリア層311は、ブロック層7上に配置され、活性層3の最終バリア層310上にp型半導体層4が配置される。
The
バリア層31は、例えばGaN膜からなり、井戸層32は、例えば窒化インジウムガリウム(InGaN)膜からなる。なお、井戸層32におけるインジウム(In)の組成比率は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。また、バリア層31として、井戸層32よりもInの組成が小さいInGaN膜を採用してもよい。 The barrier layer 31 is made of, for example, a GaN film, and the well layer 32 is made of, for example, an indium gallium nitride (InGaN) film. Note that the composition ratio of indium (In) in the well layer 32 is appropriately set according to the wavelength of light to be generated. As the barrier layer 31, an InGaN film having a smaller In composition than the well layer 32 may be employed.
図14に示す半導体発光素子は、n型半導体層2に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層4に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図14に示すように、p型半導体層4、活性層3、ブロック層7及びn型半導体層2の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層2の表面に、n側電極200が配置される。p側電極100は、p型半導体層4上に配置される。n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜からなり、p側電極100は、例えばチタン(Ti)膜やニッケル(Ni)膜、又はインジウムスズ酸化物(ITO)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜等の透明電極、或いはパラジウム(Pd)−金(Au)合金膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層2に、p側電極100はp型半導体層4に、それぞれオーミック接続される。
The semiconductor light emitting device shown in FIG. 14 further includes an n-
図14に示した半導体発光素子では、例えばn型半導体層2にSiが3×1018cm-3程度ドープされた場合に、Siが8×1016cm-3程度ドープされたブロック層7をn型半導体層2と活性層3間に配置することにより、活性層3の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散を防止できる。更に、活性層3で発光させるためにn型半導体層2とp型半導体層4間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層2から活性層3に供給された電子が活性層3を通過してp型半導体層4に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 14, for example, when the n-
ブロック層7のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層7のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層2から活性層3へ過剰の電子が供給されて、p型半導体層4へ電子がオーバーフローしてしまい、活性層3で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層7のSi濃度が低すぎる場合は活性層3内に電子を供給することができない。そのため、ブロック層7のSi濃度は、1×1016〜1×1017cm-3であることが好ましい。The Si concentration of the
図16に、膜厚が200nmの場合のブロック層7のSi濃度と半導体発光素子から出力される光の出力POとの関係の例を示す。図17に示すように、Si濃度が5×1016cm-3程度で出力POは最大になり、Si濃度を1×1016〜1×1017cm-3程度とすることにより、出力POを最大出力の97%以上にすることができる。FIG. 16 shows an example of the relationship between the Si concentration of the
以上に説明したように、第3の実施の形態に係る半導体発光素子では、n型半導体層2と活性層3間にブロック層7を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散、及びn型半導体層2からp型半導体層4への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図14に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the third embodiment, the
以下に、図14に示した半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、n型ドーパントとしてSiを採用する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting element shown in FIG. 14 will be described. In addition, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, Si is adopted as the n-type dopant.
製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等でサファイア基板等の基板1上にGaNを成長させる。例えば、基板1をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、基板1上にn型半導体層2として、Siを3×1018cm-3程度の濃度でドープしたGaN膜を0.2〜5μm程度成長させる。このとき、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層2を形成する。As a manufacturing method, GaN is grown on a
次いで、n型半導体層2上にブロック層7として、Siを1×1017cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度でドープしたGaN膜を200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層2を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。Next, a GaN film doped with Si at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3 , for example, about 8 × 10 16 cm −3 is grown as a
次に、例えばGaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、ブロック層7上に活性層3を形成する。具体的には、活性層3を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層3が形成される。活性層3がMQW構造の場合は、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。
Next, for example, barrier layers 31 made of a GaN film and well layers 32 made of an InGaN film are alternately laminated to form the
図17に、バリア層31と井戸層32を積層する例を示す。図17に示す基板温度Taでバリア層31が形成され、基板温度Tbで井戸層32が形成される。 FIG. 17 shows an example in which the barrier layer 31 and the well layer 32 are stacked. The barrier layer 31 is formed at the substrate temperature Ta shown in FIG. 17, and the well layer 32 is formed at the substrate temperature Tb.
即ち、基板温度がTaに設定された時刻t10〜t11において第1バリア層311が形成される。次いで、時刻t11〜t12において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられ、時刻t12〜時刻t13において、基板温度Tbで第1井戸層321が形成される。その後、時刻t13〜t20において基板温度Taになるまで基板温度が上げられ、時刻t20〜t21において第2バリア層312が形成される。その後も同様にして、バリア層31と井戸層32がそれぞれ基板温度Taと基板温度Tbで交互に形成される。そして、時刻tn0〜tn1において第nバリア層31nが形成され、時刻tn1〜tn2において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられ、時刻tn2〜時刻tn3において第n井戸層32nが形成される。そして、時刻tn3〜te0において基板温度Taになるまで基板温度が上げられ、時刻te0〜te1において最終バリア層310が形成されて活性層3が完成する。なお、基板温度の昇温時や降温時では、バリア層31或いは井戸層32を成長させることも、成長を中断することもできる。
That is, the
バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス及びNH3ガスを成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、及びNH3ガスを処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。When forming the barrier layer 31, for example, TMG gas and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus for film formation as source gases. On the other hand, when forming the well layer 32, for example, TMG gas, trimethylindium (TMI) gas, and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus as source gases. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.
次いで、基板温度を800℃〜1000℃程度にして、活性層3上に、p型ドーパントをドープしたp型半導体層4を0.05〜1μm程度形成する。p型半導体層4は、例えばp型ドーパントとしてMgを3×1019cm-3程度の濃度でドープしたGaN層等が採用可能である。Mgをドープする場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層4を形成する。Next, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 1000 ° C., and the p-
次いで、p型半導体層4〜n型半導体層2の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、n型半導体層2の表面を露出させる。その後、露出したn型半導体層2の表面にn側電極200を蒸着により形成し、p型半導体層4上にp側電極100を蒸着により形成して、図14に示した半導体発光素子が完成する。なお、p側電極100を形成した後に、n側電極200を配置するためのメサエッチングをしてもよい。
Next, part of the p-
上記のような本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、n型半導体層2と活性層3間にSi濃度が1×1017cm-3未満であるブロック層7が形成され、製造工程におけるn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層2からp型半導体層4への電子のオーバーフローが防止される。そのため、光の輝度の低下が生じず、品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to the embodiment of the present invention as described above, the
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態乃至第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to the first to third embodiments. However, the description and the drawings that form a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた実施の形態の説明においては、活性層3が、それぞれバリア層31で挟まれた複数の井戸層32を有するMQW構造である場合を示したが、活性層3が1つの井戸層32を含み、この井戸層32とp型半導体層4間に配置された最終バリア層310の膜厚d0を、Mgの拡散距離より厚くした構造であってもよい。
In the description of the embodiment already described, the
或いは、最終バリア層310の膜厚d0を、井戸層32とn型半導体層2間に配置されたバリア層31より厚くした構造であってもよい。
Alternatively, the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments that are not described herein.
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、量子井戸構造を備えたLED素子,LD素子等の半導体発光素子全般に利用可能である。 The semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof of the present invention can be used for all semiconductor light emitting devices such as LED devices and LD devices having a quantum well structure.
Claims (16)
p型窒化物系半導体層と、
前記n型窒化物系半導体層と前記p型窒化物系半導体層との間に配置され、GaNよりなるバリア層とInxGa1-xN(0<x<1)よりなる井戸層との多重量子井戸構造のInを含む活性層と
を備え、前記多重量子井戸層のペア数は、6〜11であることを特徴とする半導体発光素子。an n-type nitride semiconductor layer;
a p-type nitride semiconductor layer;
Between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, a barrier layer made of GaN and a well layer made of In x Ga 1-x N (0 <x <1) An active layer containing In having a multiple quantum well structure, wherein the number of pairs of the multiple quantum well layers is 6 to 11.
前記n型半導体層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層と、
前記活性層上に配置され、p型ドーパンドを含むp型半導体層
とを備え、前記活性層の積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が前記p型ドーパントの前記最終バリア層を拡散する距離より厚く、前記最終バリア層の前記p型ドーパンドの濃度が前記p型半導体層に接する前記最終バリア層の第1主面から最終バリア層の膜厚方向に沿って漸減し、前記第1主面に対向する第2主面において前記p型ドーパンドの濃度が1×1016cm-3未満であることを特徴とする半導体発光素子。an n-type semiconductor layer;
An active layer disposed on the n-type semiconductor layer and having a stacked structure in which barrier layers and well layers having a smaller band gap than the barrier layers are alternately disposed;
A p-type semiconductor layer including a p-type dopant disposed on the active layer, and a film thickness of a final barrier layer of an uppermost layer of the stacked structure of the active layers diffuses the final barrier layer of the p-type dopant The concentration of the p-type dopant in the final barrier layer gradually decreases from the first main surface of the final barrier layer in contact with the p-type semiconductor layer along the film thickness direction of the final barrier layer. A semiconductor light-emitting element, wherein a concentration of the p-type dopant is less than 1 × 10 16 cm −3 on a second main surface facing the surface.
前記n型半導体層上に配置され、前記n型半導体層より低い濃度で前記n型ドーパントがドープされたブロック層と、
前記ブロック層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されたp型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。an n-type semiconductor layer doped with an n-type dopant;
A block layer disposed on the n-type semiconductor layer and doped with the n-type dopant at a lower concentration than the n-type semiconductor layer;
An active layer disposed on the block layer;
And a p-type semiconductor layer disposed on the active layer.
前記n型半導体層上に、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に積層して活性層を形成する工程と、
前記活性層上にp型ドーパンドを含むp型半導体層を形成する工程
とを含み、前記p型半導体層と接する前記活性層の最終バリア層を、前記p型ドーパントの前記最終バリア層を拡散する距離より厚く形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。forming an n-type semiconductor layer;
Forming an active layer by alternately laminating a barrier layer and a well layer having a smaller band gap than the barrier layer on the n-type semiconductor layer;
Forming a p-type semiconductor layer containing a p-type dopant on the active layer, and diffusing the final barrier layer of the p-type dopant in the final barrier layer of the active layer in contact with the p-type semiconductor layer A method of manufacturing a semiconductor light emitting element, wherein the semiconductor light emitting element is formed thicker than a distance.
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