WO2014034762A1 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

窒化物半導体素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2014034762A1
WO2014034762A1 PCT/JP2013/073106 JP2013073106W WO2014034762A1 WO 2014034762 A1 WO2014034762 A1 WO 2014034762A1 JP 2013073106 W JP2013073106 W JP 2013073106W WO 2014034762 A1 WO2014034762 A1 WO 2014034762A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
nitride semiconductor
flow rate
electron supply
supply layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/073106
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
月原　政志
晃平 三好
宏治 川▲崎▼
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
Priority to CN201380041331.3A priority Critical patent/CN104521011A/zh
Priority to US14/423,262 priority patent/US20150228857A1/en
Publication of WO2014034762A1 publication Critical patent/WO2014034762A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen characterised by the doping materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor device having an electron supply layer made of an n-type semiconductor, and more particularly to a nitride semiconductor device suitable for a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD).
  • LED light emitting diode
  • LD laser diode
  • a nitride semiconductor device made of a nitride of a Group III element such as aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), etc. has a short wavelength such as a short wavelength light emitting diode (LED) or a short wavelength laser diode (LD) It is used as a light emitting element.
  • the nitride semiconductor device is configured such that a light emitting layer having a quantum well structure is interposed between an electron supply layer made of an n-type semiconductor and a hole supply layer made of a p-type semiconductor layer. In such a nitride semiconductor device, it is important to reduce the resistance of the device in order to obtain high luminous efficiency.
  • the n-type semiconductor layer has a high concentration layer doped with a high concentration of n-type impurities such as silicon (Si) and a low concentration than this high concentration layer.
  • n-type impurities such as silicon (Si)
  • Patent Document 1 a laminate of a low concentration layer doped with n-type impurities
  • gallium nitride which is typically used for blue LEDs
  • GaN gallium nitride
  • the concentration is high in the n-type semiconductor layer.
  • the n-type impurity is doped, film roughness occurs on the surface of the obtained n-type semiconductor layer. For this reason, there is a problem that the luminous efficiency of the obtained nitride semiconductor device is lowered or the operating voltage is increased.
  • the present invention has been made based on the above circumstances, and an object thereof is to provide a nitride semiconductor device having a low operating voltage and high luminous efficiency.
  • a nitride semiconductor device is a nitride semiconductor device having an electron supply layer made of an n-type semiconductor,
  • the electron supply layer is Al x Ga 1 -x N (where 0.01 ⁇ x ⁇ 1), and
  • the concentration of n-type impurities is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more,
  • the thickness is 0.5 ⁇ m or more.
  • the n-type impurity is preferably silicon (Si).
  • the electron supply layer has a composition of Al x Ga 1 -x N (where 0.01 ⁇ x ⁇ 1), the n-type impurity is doped at a high concentration. Also, an electron supply layer having a flat surface can be obtained. And since the density
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for illustrating the configuration of an example of the nitride semiconductor device of the present invention.
  • This nitride semiconductor device has a lateral structure configured as an LED, and has a substrate 10 made of, for example, sapphire.
  • a substrate 10 made of, for example, sapphire.
  • an electron supply layer 13 made of an n-type nitride semiconductor is formed via a low temperature buffer layer 11 made of a nitride semiconductor and a base layer 12, respectively.
  • a light emitting layer 15 is formed on the electron supply layer 13 via a protective layer 14 made of p-type GaN smaller in size than the electron supply layer 13.
  • a hole supply layer 16 made of a p-type nitride semiconductor is formed on the light emitting layer 15.
  • a p electrode layer 18 made of nickel / gold is formed on the surface of the hole supply layer 16 via a contact layer 17 made of n-type GaN.
  • a p pad electrode 19a made of chromium / gold is formed on the p electrode layer 18.
  • an n-pad electrode 19 b made of chromium / gold is formed in a region on the electron supply layer 13 where the light emitting layer 15 is not formed.
  • the thickness of the substrate 10 is, for example, 0.2 to 2 mm.
  • the nitride semiconductor forming the low temperature buffer layer 11 and the underlayer 12 it is possible to use GaN single crystal, AlGaN single crystal or the like not doped with impurities.
  • the thickness of the low temperature buffer layer 11 is, for example, 10 to 100 nm.
  • the thickness of the underlayer 12 is, for example, 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the n-type nitride semiconductor constituting the electron supply layer 13 has a composition of Al x Ga 1 -xN (where 0.01 ⁇ x ⁇ 1).
  • the concentration of n-type impurities in the n-type nitride semiconductor constituting the electron supply layer 13 is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, preferably 1 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 / cm 3. . If the concentration of the n-type impurity is too low, it is difficult to reduce the resistance of the electron supply layer 13.
  • silicon (Si), germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), tin (Sn) and tellurium (Te) can be used.
  • silicon (Si) is preferred.
  • the thickness of the electron supply layer 13 is 0.5 ⁇ m or more, preferably 0.6 to 5 ⁇ m. If the thickness of the electron supply layer 13 is too small, the current spread may be insufficient, and a current concentration portion may be formed at the time of current injection, whereby the element characteristics may be degraded.
  • the light emitting layer 15 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure of, for example, a quantum well layer made of GaInN and a barrier layer made of AlGaSiN, for example.
  • the thickness of the quantum well layer is, for example, 1 to 50 nm.
  • the thickness of the barrier layer is, for example, 5 to 100 nm.
  • the period of the quantum well layer is appropriately set in consideration of the thickness of the quantum well layer, the barrier layer, and the entire light emitting layer 15 and the like, but is usually 1 to 50 periods.
  • the p-type nitride semiconductor constituting the hole supply layer 16 is made of, for example, AlGaN.
  • magnesium (Mg), beryllium (Be), zinc (Zn), carbon (C) or the like can be used as the p-type impurity in the p-type semiconductor.
  • the hole supply layer 16 may be formed of a laminate of a plurality of p-type AlGaN layers having different composition ratios of Al and Ga. The thickness of the hole supply layer 16 is, for example, 0.05 to 1 ⁇ m.
  • the above nitride semiconductor device can be manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) as follows.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the substrate 10 is placed in the processing furnace of the CVD apparatus. Then, the substrate 10 is cleaned by raising the temperature in the furnace to, for example, 1150 ° C. while flowing, for example, hydrogen gas into the processing furnace. Next, the in-furnace pressure and the in-furnace temperature are set to predetermined values. Then, the low temperature buffer layer 11 is formed on the surface of the substrate 10 by vapor phase growth by supplying the source gas while flowing nitrogen gas and hydrogen gas as a carrier gas into the processing furnace. Next, the in-furnace pressure and the in-furnace temperature are set to predetermined values.
  • the source layer 12 is formed on the surface of the low temperature buffer layer 11 by vapor phase growth by supplying the source gas into the processing furnace.
  • a source gas trimethylgallium and trimethylaluminum are used as a group III element source, and ammonia is used as a nitrogen source.
  • the pressure in the furnace is, for example, 100 kPa, and the temperature in the furnace is, for example, 480 ° C.
  • the pressure in a furnace is 100 kPa, for example, and the temperature in a furnace is 1150 degreeC, for example.
  • the in-furnace pressure and the in-furnace temperature are set to predetermined values. Then, while flowing nitrogen gas and hydrogen gas as a carrier gas into the processing furnace, trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia and tetraethylsilane are supplied as source gases. Thereby, the electron supply layer 13 made of an n-type nitride semiconductor is formed on the surface of the base layer 12 by vapor phase growth. Thereafter, by supplying a source gas other than trimethylaluminum, the protective layer 14 made of n-type GaN is formed on the electron supply layer 13 by vapor phase growth.
  • the ratio (flow rate ratio) of trimethylgallium to trimethylaluminum used as the metal element source is appropriately set according to the composition of the electron supply layer 13 to be formed.
  • the conditions for forming the electron supply layer 13 are, for example, a furnace pressure of 30 kPa and a furnace temperature of 1150 ° C., for example.
  • the in-furnace pressure and the in-furnace temperature are set to predetermined values. Then, while supplying nitrogen gas and hydrogen gas as a carrier gas into the processing furnace while supplying trimethylgallium, trimethylindium and ammonia as a source gas into the processing furnace, trimethylgallium, trimethylaluminum, tetraethylsilane as a source gas And repeat the operation of supplying ammonia into the processing furnace.
  • a light emitting layer 15 having a quantum well structure of a quantum well layer of GaInN and a barrier layer of n-type AlGaN doped with silicon (Si) is formed on the surface of the electron supply layer 13.
  • the pressure in the furnace is, for example, 100 kPa
  • the temperature in the furnace is, for example, 830 ° C.
  • the in-furnace pressure and the in-furnace temperature are set to predetermined values.
  • the first p-type AlGaN layer is formed by supplying trimethylgallium trimethylaluminum, biscyclopentadienyl magnesium and ammonia as source gases while flowing nitrogen gas and hydrogen gas as a carrier gas. Furthermore, by changing the flow rate of trimethylaluminum of the source gas and supplying the source gas, a second p-type AlGaN layer having a composition different from that of the first p-type AlGaN layer is formed.
  • the hole supply layer 16 composed of the first p-type AlGaN layer and the second p-type AlGaN layer is formed.
  • a source gas other than trimethylaluminum is supplied to form a contact layer 17 of n-type GaN on the hole supply layer 16 by vapor deposition.
  • annealing is performed, for example, at 500 ° C. for 5 minutes in the air.
  • Cr and Al are vapor-deposited on the surfaces of the p electrode layer 18 and the electron supply layer 13 to form the p pad electrode 19a and the n pad electrode 19b, thereby obtaining the nitride semiconductor device shown in FIG. Be
  • the electron supply layer 13 has a composition of Al x Ga 1 -x N (where 0.01 ⁇ x ⁇ 1), the n-type impurity is doped at a high concentration. Also, the electron supply layer 13 having a flat surface can be obtained. And since the density
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for illustrating the configuration of another example of the nitride semiconductor device of the present invention.
  • the nitride semiconductor device has a vertical structure configured as an LED, and has a substrate 20 made of, for example, silicon (Si).
  • a p reflective electrode layer 23 made of Ni / Ag is formed on the substrate 20 via a solder layer 21 having a ratio of Au to Sn of 8: 2, and a solder diffusion preventing layer 22 made of Ti / Pt, for example. It is done.
  • SiO 2 layers 24 and 25 are formed on the p reflective electrode layer 23 in the peripheral area and the central area thereof.
  • a hole supply layer 26 made of a p-type nitride semiconductor is formed on the p reflective electrode layer 23 including the SiO 2 layer 25.
  • an insulating film made of SiN or the like may be formed.
  • a layer made of a conductive material to be a Schottky connection with the p-type nitride semiconductor layer may be formed.
  • a light emitting layer 27 is formed on the hole supply layer 26.
  • An electron supply layer 28 made of an n-type nitride semiconductor is formed on the light emitting layer 27.
  • the n electrodes 29 and 30 are formed on the electron supply layer 28.
  • the hole supply layer 26, the light emitting layer 27, and the electron supply layer 28 have the same configuration as the hole supply layer 16, the light emitting layer 15, and the electron supply layer 13 in the nitride semiconductor device shown in FIG.
  • the hole supply layer 26, the light emitting layer 27, and the electron supply layer 28 can be formed in the same manner as the hole supply layer 16, the light emitting layer 15, and the electron supply layer 13 in the nitride semiconductor device shown in FIG. .
  • the electron supply layer 28 has a composition of Al x Ga 1 -x N (where 0.01 ⁇ x ⁇ 1), the n-type impurity is doped at a high concentration. Also, the electron supply layer 28 having a flat surface is obtained. And since the density
  • Experimental Example 1 Formation of low temperature buffer layer: The c-plane sapphire substrate was placed in the processing furnace of the CVD apparatus. Then, the c-plane sapphire substrate was cleaned by raising the temperature in the furnace to, for example, 1150 ° C. while flowing hydrogen gas with a flow rate of 10 slm into the processing furnace. Then, the pressure in the furnace of the CVD apparatus was 100 kPa, and the temperature in the furnace was 480 ° C.
  • Example 1 (1) Formation of low temperature buffer layer and underlayer: By performing the same operation as in (1) and (2) of Experimental Example 1, a low-temperature buffer layer of 20 nm in thickness and an underlayer of 1.7 ⁇ m of GaN on the surface of the c-plane sapphire substrate Formed. (2) Formation of electron supply layer and protective layer: Next, the pressure in the furnace of the CVD apparatus was set to 30 kPa.
  • a p-type semiconductor layer having a composition of Al 0.3 Ga 0.7 N and a thickness of 20 nm was formed on the surface of the light emitting layer. Thereafter, the flow rate of trimethylaluminum was changed to 9 ⁇ mol / min, and the source gas was supplied for 360 seconds. Thus, a p-type semiconductor layer having a composition of Al 0.13 Ga 0.87 N and a thickness of 120 nm was formed. Thereafter, the supply of trimethylaluminum was stopped, and the flow rate of biscyclopentadienyl was changed to 0.2 ⁇ mol / min to supply the source gas for 20 seconds. Thus, a contact layer of p-type GaN having a thickness of 5 nm was formed.
  • a nitride semiconductor is formed by forming an electron supply layer, a protective layer, a light emitting layer, a hole supply layer and a contact layer on a c-plane sapphire substrate via a low temperature buffer layer and an underlayer.
  • the activation treatment was performed at 500 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere.
  • the hole supplying layer 16 and the light emitting layer 15 of the nitride semiconductor are subjected to photoetching to remove a part by using photolithography and an ICP apparatus (inductively coupled plasma apparatus), thereby removing the electron supplying layer. Exposed the surface of.
  • a p-electrode layer composed of a Ni layer of 3 nm in thickness and an Au layer of 3 nm in thickness was formed. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. for 5 minutes in the air. Then, Cr and Al were vapor-deposited on the surface of the p electrode layer and the electron supply layer to form a p pad electrode and an n pad electrode consisting of a 30 nm Cr layer and a 200 nm Au layer, respectively.
  • a nitride semiconductor device having a lateral structure shown in FIG. 1 was manufactured. The emission peak wavelength of this nitride semiconductor device is 365 nm.
  • Example 2 A nitride semiconductor device having a lateral structure shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the formation of the electron supply layer and the protective layer was performed as follows.
  • the emission peak wavelength of this nitride semiconductor device is 365 nm.
  • the pressure in the furnace of the CVD apparatus was 30 kPa.
  • Comparative Example 1 Instead of forming the electron supply layer and the protective layer having the composition of Al 0.06 Ga 0.94 N, in the same manner as in Comparative Experimental Example 1, the supply of trimethylaluminum (TMAl) is not performed under the forming conditions of Al 0.06 Ga 0.94 N, and the Si concentration is A lateral-structure nitride semiconductor device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that an electron supply layer made of GaN of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 was formed.
  • TMAl trimethylaluminum
  • Each of the nitride semiconductor devices obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was mounted on a TO-18 stem package to fabricate an LED device.
  • the obtained LED device was supplied with a current of 20 mA to emit light, and in this state, the operating voltage of the LED device was measured, and the light output at a position 5 mm away from the LED device was measured by a photodetector. The results are shown in Table 1.
  • Example 3 Low temperature buffer layer: The c-plane sapphire substrate was placed in the processing furnace of the CVD apparatus. Then, the c-plane sapphire substrate was cleaned by raising the temperature in the furnace to, for example, 1300 ° C. while flowing hydrogen gas with a flow rate of 10 slm into the processing furnace. Then, the pressure in the furnace of the CVD apparatus was 10 kPa. Then, while flowing nitrogen gas and hydrogen gas each having a flow rate of 8 slm as a carrier gas in the processing furnace, the temperature in the furnace is set to 950 ° C., trimethyl aluminum having a flow rate of 8.7 ⁇ mol / min and a flow rate of 13920 ⁇ mol / min as a source gas.
  • an electron supply layer having a composition of Al 0.2 Ga 0.8 N, a Si concentration of 3 ⁇ 10 19 / cm 3 and a thickness of 1 ⁇ m was formed on the surface of the underlayer. Thereafter, the supply of trimethylaluminum was stopped, and the other source gases were supplied for 7 seconds. Thus, a protective layer of n-type GaN having a thickness of 5 nm was formed.
  • the thickness was formed a p-type semiconductor layer having a composition of 20nm of Al 0.35 Ga 0.65 N. Thereafter, the flow rate of trimethylaluminum was changed to 25 ⁇ mol / min, and the source gas was supplied for 100 seconds. Thus, a p-type semiconductor layer having a composition of Al 0.2 Ga 0.8 N with a thickness of 100 nm was formed. Thereafter, the supply of trimethylaluminum was stopped, and the flow rate of biscyclopentadienyl was changed to 0.2 ⁇ mol / min to supply the source gas for 5 seconds. Thus, a contact layer of p-type GaN having a thickness of 5 nm was formed.
  • a p-electrode layer composed of a Ni layer of 3 nm in thickness and an Au layer of 3 nm in thickness was formed. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. for 5 minutes in the air. Then, Cr and Al were vapor-deposited on the surface of the p electrode layer and the electron supply layer to form a p pad electrode and an n pad electrode consisting of a 30 nm Cr layer and a 200 nm Au layer, respectively.
  • a nitride semiconductor device having a lateral structure shown in FIG. 1 was manufactured.
  • the emission peak wavelength of this nitride semiconductor device is 340 nm.
  • Each of the nitride semiconductor devices obtained in Example 3 was mounted on a TO-18 stem package to fabricate an LED device.
  • the obtained LED device was supplied with a current of 20 mA to emit light, and in this state, the operating voltage of the LED device was measured, and the light output at a position 5 mm away from the LED device was measured by a photodetector. As a result, the light output was 0.5 mW, the operating voltage was 4.2 V, and the power efficiency was 0.6%.
  • Example 4 In the same manner as in Example 2, a nitride semiconductor comprising an electron supply layer, a protective layer, a light emitting layer, a hole supply layer and a contact layer formed on a c-plane sapphire substrate via a low temperature buffer layer and an underlayer. was produced.
  • the nitride semiconductor was subjected to activation treatment at 500 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere.
  • the surface of the peripheral portion of the electron supply layer is photo-etched to the peripheral portions of the contact layer, the hole supply layer, and the light emitting layer using photolithography and an ICP apparatus (inductively coupled plasma apparatus). Exposed.
  • ICP apparatus inductively coupled plasma apparatus
  • an SiO 2 layer having a thickness of 400 nm was formed on the exposed surface of the peripheral portion of the electron supply layer and the surface of the central portion of the contact layer.
  • a p-reflection electrode layer composed of a 0.7 nm thick Ni layer and a 120 nm thick Ag layer was formed on the entire exposed surface of each of the contact layer and the SiO 2 layer.
  • the nitride semiconductor on which the SiO 2 layer and the p reflective electrode layer were formed was subjected to a contact annealing treatment at 400 ° C. for 2 minutes in a dry air atmosphere by a rapid heating apparatus (RTA).
  • a solder diffusion preventing layer in which a Ti layer of 100 nm in thickness and a Pt layer of 200 nm in thickness were laminated in three cycles was formed by an electron beam vapor deposition apparatus (EB).
  • a solder layer having a thickness of 4 ⁇ m, in which the ratio of Au to Sn is 8: 2 was formed on a silicon substrate via a Ti film of 10 nm in thickness by an electron beam vapor deposition apparatus (EB).
  • the nitride semiconductor on which the above-described solder diffusion prevention layer is formed is disposed in alignment so that the solder diffusion prevention layer is in contact with the solder layer; Both were joined by performing a heating-pressing process on the conditions of 0.1 Mpa.
  • the sapphire substrate was then peeled off from the low temperature buffer layer by irradiation with a KrF excimer laser. Thereafter, the surface of the electron supply layer was exposed by removing the low temperature buffer layer and the underlayer using an ICP apparatus. Then, the surface of the electron supply layer was roughened with a potassium hydroxide aqueous solution.
  • an n-electrode consisting of a Cr layer with a thickness of 100 nm and an Au layer with a thickness of 3 ⁇ m was formed. Then, sintering was performed at 250 ° C. for 1 minute in a nitrogen atmosphere to manufacture a nitride semiconductor device having a vertical structure shown in FIG.
  • the emission peak wavelength of this nitride semiconductor device is 365 nm.
  • Each of the nitride semiconductor devices obtained in Example 4 was mounted on a package for surface mounting to fabricate an LED device.
  • the obtained LED device was supplied with a current of 350 mA to emit light, and in this state, the operating voltage of the LED device was measured, and the light output at a position 5 mm away from the LED device was measured by a photodetector. As a result, the light output was 150 mW, the operating voltage was 4.5 V, and the power efficiency was 11%.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

　動作電圧が低く、高い発光効率が得られる窒化物半導体素子を提供する。　本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型半導体よりなる電子供給層を有する窒化物半導体素子において、前記電子供給層は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有し、かつ、ｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であり、厚みが０．５μｍ以上であることを特徴とする。また、前記ｎ型不純物は、シリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。

Description

窒化物半導体素子
　本発明は、ｎ型半導体よりなる電子供給層を有する窒化物半導体素子に関し、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などに好適な窒化物半導体素子に関する。
　アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などのIII 族元素の窒化物による窒化物半導体素子は、短波長の発光ダイオード（ＬＥＤ）や短波長のレーザダイオード（ＬＤ）などの短波長発光素子として利用されている。かかる窒化物半導体素子は、ｎ型半導体よりなる電子供給層と、ｐ型半導体層よりなる正孔供給層との間に、量子井戸構造を有する発光層が介在されて構成されている。
　このような窒化物半導体素子においては、高い発光効率を得るために、素子の低抵抗化を図ることが肝要である。そして、従来、素子の低抵抗化を図るために、ｎ型半導体層が、シリコン（Ｓｉ）などのｎ型不純物が高い濃度でドーピングされた高濃度層と、この高濃度層よりも低い濃度でｎ型不純物がドーピングされた低濃度層との積層体よりなるものが提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００７－２５８５２９号公報
　しかしながら、上記の窒化物半導体素子において、ｎ型半導体層を構成する材料として、青色ＬＥＤに代表的に使用されている窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いる場合には、ｎ型半導体層中に高い濃度でｎ型不純物がドーピングされると、得られるｎ型半導体層の表面に膜荒れが生じる。このため、得られる窒化物半導体素子の発光効率が低下したり、動作電圧が上昇したりする、という問題がある。
　本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、動作電圧が低く、高い発光効率が得られる窒化物半導体素子を提供することにある。
　本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型半導体よりなる電子供給層を有する窒化物半導体素子において、
　前記電子供給層は、
　Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有し、かつ、
　ｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であり、
　厚みが０．５μｍ以上である
ことを特徴とする。
　本発明の窒化物半導体素子においては、前記ｎ型不純物は、シリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。
　本発明の窒化物半導体素子によれば、電子供給層が、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有するため、ｎ型不純物が高い濃度でドーピングされても、表面が平坦な電子供給層が得られる。そして、電子供給層のｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であるため、当該電子供給層の低抵抗化を図ることができる。従って、動作電圧が低く、高い発光効率が得られる窒化物半導体素子を提供することができる。
本発明の窒化物半導体素子の一例における構成を示す説明用断面図である。 本発明の窒化物半導体素子の他の例における構成を示す説明用断面図である。
　以下、本発明の窒化物半導体素子の実施の形態について説明する。
　図１は、本発明の窒化物半導体素子の一例における構成を示す説明用断面図である。この窒化物半導体素子は、ＬＥＤとして構成された横型構造のものであって、例えばサファイアよりなる基板１０を有する。この基板１０上には、それぞれ窒化物半導体よりなる低温バッファ層１１および下地層１２を介して、ｎ型窒化物半導体よりなる電子供給層１３が形成されている。この電子供給層１３上には、当該電子供給層１３よりサイズの小さいｐ型ＧａＮよりなる保護層１４を介して、発光層１５が形成されている。この発光層１５上には、ｐ型窒化物半導体よりなる正孔供給層１６が形成されている。この正孔供給層１６の表面には、ｎ型ＧａＮよりなるコンタクト層１７を介して、ニッケル／金よりなるｐ電極層１８が形成されている。このｐ電極層１８上には、クロム／金よりなるｐパッド電極１９ａが形成されている。また、電子供給層１３上における発光層１５が形成されていない領域には、クロム／金よりなるｎパッド電極１９ｂが形成されている。
　基板１０の厚みは、例えば０．２～２ｍｍである。
　低温バッファ層１１および下地層１２を構成する窒化物半導体としては、不純物がドーピングされていないＧａＮ単結晶、ＡｌＧａＮ単結晶などを用いることができる。
　低温バッファ層１１の厚みは、例えば１０～１００ｎｍである。
　また、下地層１２の厚みは、例えば０．５～５μｍである。
　電子供給層１３を構成するｎ型窒化物半導体は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有するものである。この電子供給層１３を構成する窒化物半導体において、Ａｌの割合が過小である場合には、表面が平坦な電子供給層１３を形成することが困難となる。
　また、電子供給層１３を構成するｎ型窒化物半導体におけるｎ型不純物の濃度は、１×１０19／ｃｍ3 以上とされ、好ましくは１×１０19～１×１０20／ｃｍ3 とされる。ｎ型不純物の濃度が過小である場合には、電子供給層１３の低抵抗化を図ることが困難となる。
　ｎ型窒化物半導体におけるｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）およびテルル（Ｔｅ）などを用いることができる。これらの中では、シリコン（Ｓｉ）が好ましい。
　また、電子供給層１３の厚みは、０．５μｍ以上とされ、好ましくは０．６～５μｍとされる。電子供給層１３の厚みが過小である場合には、電流広がりが不十分になることがあり、電流注入時に電流集中部を作り素子特性が低下してしまうことがある。
　発光層１５は、例えばＧａＩｎＮよりなる量子井戸層と、例えばＡｌＧａＳｉＮよりなる障壁層とによる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有するものである。
　量子井戸層の厚みは、例えば１～５０ｎｍである。また、障壁層の厚みは、例えば５～１００ｎｍである。
　また、量子井戸層の周期は、量子井戸層、障壁層および発光層１５全体の厚みなどを考慮して適宜設定されるが、通常、１～５０周期である。
　正孔供給層１６を構成するｐ型窒化物半導体は、例えばＡｌＧａＮによって形成されている。
　また、ｐ型半導体におけるｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることができる。
　また、正孔供給層１６は、ＡｌとＧａとの組成比率が異なる複数のｐ型ＡｌＧａＮ層の積層体によって形成されていてもよい。
　また、正孔供給層１６の厚みは、例えば０．０５～１μｍである。
　上記の窒化物半導体素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、以下のようにして製造することができる。
〔低温バッファ層および下地層の形成〕
　先ず、ＣＶＤ装置の処理炉内に基板１０を配置する。そして、処理炉内に例えば水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより、基板１０のクリーニングを行う。
　次いで、炉内圧力および炉内温度を所定の値に設定する。そして、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスを供給することにより、気相成長によって基板１０の表面に低温バッファ層１１を形成する。
　次いで、炉内圧力および炉内温度を所定の値に設定する。そして、処理炉内に原料ガスを供給することにより、気相成長によって低温バッファ層１１の表面に下地層１２を形成する。
　以上において、原料ガスとしては、III 族元素源としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムが用いられ、窒素源としてアンモニアが用いられる。
　低温バッファ層１１を形成するための条件としては、炉内圧力が例えば１００ｋＰａで、炉内温度が例えば４８０℃である。
　また、下地層１２を形成するための条件としては、炉内圧力が例えば１００ｋＰａで、炉内温度が例えば１１５０℃である。
〔電子供給層および保護層の形成〕
　次いで、炉内圧力および炉内温度を所定の値に設定する。そして、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアおよびテトラエチルシランを供給する。これにより、気相成長によって下地層１２の表面に、ｎ型窒化物半導体よりなる電子供給層１３を形成する。その後、トリメチルアルミニウム以外の原料ガスを供給することにより、気相成長によって電子供給層１３上にｎ型ＧａＮよりなる保護層１４を形成する。
　金属元素源として用いられるトリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとの割合（流量比）は、形成すべき電子供給層１３の組成によって適宜設定される。
　電子供給層１３を形成するための条件としては、炉内圧力が例えば３０ｋＰａで、炉内温度が例えば１１５０℃である。
〔発光層の形成〕
　次いで、炉内圧力および炉内温度を所定の値に設定する。そして、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびアンモニアを処理炉内に供給した後、原料ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、テトラエチルシランおよびアンモニアを処理炉内に供給する操作を繰り返す。これにより、ＧａＩｎＮよりなる量子井戸層およびシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による量子井戸構造を有する発光層１５を、電子供給層１３の表面に形成する。
　発光層１５を形成するための条件としては、炉内圧力が例えば１００ｋＰａで、炉内温度が例えば８３０℃である。
〔正孔供給層の形成〕
　次いで、炉内圧力および炉内温度を所定の値に設定する。そして、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして、トリメチルガリウムトリメチルアルミニウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、およびアンモニアを供給することにより、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。更に、原料ガスのうちトリメチルアルミニウムの流量を変更して原料ガスを供給することにより、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と組成の異なる第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。以て、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層および第２のｐ型ＡｌＧａＮ層よりなる正孔供給層１６を形成する。その後、トリメチルアルミニウム以外の原料ガスを供給することにより、気相成長によって正孔供給層１６上にｎ型ＧａＮよりなるコンタクト層１７を形成する。
〔ｐ電極層、ｐパッド電極およびｎパッド電極の形成〕
　このようにして、基板上に、低温バッファ層および下地層を介して、電子供給層、保護層、発光層、正孔供給層およびコンタクト層が形成されてなる窒化物半導体に対して、窒素雰囲気下中において、例えば５００℃で１５分間の活性化処理を行う。
　次いで、フォトリソグラフィおよびＩＣＰ装置（誘導結合型プラズマ装置）を用い、正孔供給層１６および発光層１５に対してフォトエッチング処理を施して一部を除去することにより、電子供給層１３の表面を露出させる。そして、コンタクト層１７上に、Ｎｉ層およびＡｕ層よりなるｐ電極層１８を形成する。その後、大気中において、例えば５００℃で５分間のアニール処理を行う。そして、ｐ電極層１８および電子供給層１３の表面に、ＣｒおよびＡｌを蒸着することにより、ｐパッド電極１９ａおよびｎパッド電極１９ｂを形成し、以て、図１に示す窒化物半導体素子が得られる。
　上記の窒化物半導体素子によれば、電子供給層１３が、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有するため、ｎ型不純物が高い濃度でドーピングされても、表面が平坦な電子供給層１３が得られる。そして、電子供給層１３のｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であるため、当該電子供給層１３の低抵抗化を図ることができる。従って、動作電圧が低く、発光効率の高い窒化物半導体素子が得られる。
　図２は、本発明の窒化物半導体素子の他の例における構成を示す説明用断面図である。この窒化物半導体素子は、ＬＥＤとして構成された縦型構造のものであって、例えばシリコン（Ｓｉ）よりなる基板２０を有する。この基板２０上には、例えばＡｕとＳｎとの比率が８：２であるハンダ層２１およびＴｉ／Ｐｔよりなるハンダ拡散防止層２２を介して、Ｎｉ／Ａｇよりなるｐ反射電極層２３が形成されている。ｐ反射電極層２３上には、その周縁領域および中心領域にＳｉＯ2 層２４，２５が形成されている。ＳｉＯ2 層２５を含むｐ反射電極層２３上には、ｐ型窒化物半導体よりなる正孔供給層２６が形成されている。ＳｉＯ2 層２４，２５の代わりにＳｉＮ等よりなる絶縁膜が形成されていてもよい。また、ＳｉＯ2 層２５の代わりに、ｐ型窒化物半導体層とショットキー接続となる導電物質よりなる層が形成されていてもよい。正孔供給層２６上には、発光層２７が形成されている。この発光層２７上には、ｎ型窒化物半導体よりなる電子供給層２８が形成されている。この電子供給層２８上には、ｎ電極２９，３０が形成されている。
　以上において、正孔供給層２６、発光層２７および電子供給層２８は、図１に示す窒化物半導体素子における正孔供給層１６、発光層１５および電子供給層１３と同様の構成である。
　また、正孔供給層２６、発光層２７および電子供給層２８は、図１に示す窒化物半導体素子における正孔供給層１６、発光層１５および電子供給層１３と同様にして形成することができる。
　上記の窒化物半導体素子によれば、電子供給層２８が、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有するため、ｎ型不純物が高い濃度でドーピングされても、表面が平坦な電子供給層２８が得られる。そして、電子供給層２８のｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であるため、当該電子供給層２８の低抵抗化を図ることができる。従って、動作電圧が低く、発光効率の高い窒化物半導体素子が得られる。
　以下、本発明の窒化物半導体素子の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〈実験例１〉
（１）低温バッファ層の形成：
　ＣＶＤ装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置した。そして、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行った。
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウムおよび流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給した。これにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成した。
（２）下地層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温した。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウムおよび流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給した。これにより、第１バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成した。
（３）電子供給層の形成
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．１３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給した。これにより、下地層の表面に厚みが１．７μｍの電子供給層を形成した。
（４）電子供給層の分析：
　得られた電子供給層を分析したところ、Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が５×１０19／ｃｍ3 であった。
　また、電子供給層の表面を観察したところ、鏡面であることが確認された。
〈比較実験例１〉
　実験例１の（１）および（２）と同様の操作を行うことにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層および厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成した。
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．０５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に５３分間供給した。これにより、下地層の表面に厚みが３μｍの電子供給層を形成した。
　得られた電子供給層を分析したところ、ＧａＮの組成を有し、Ｓｉ濃度が２×１０19／ｃｍ3 であった。
　また、電子供給層の表面を観察したところ、膜荒れが生じたものであった。
〈実施例１〉
（１）低温バッファ層および下地層の形成：
　実験例１の（１）および（２）と同様の操作を行うことにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層および厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成した。
（２）電子供給層および保護層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給した。これにより、Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が１×１０19／ｃｍ3 で厚みが１．７μｍの電子供給層を下地層の表面に形成した。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給した。これにより、厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成した。
（３）発光層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウムおよび流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給した後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランおよび流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給する操作を繰り返した。これにより、厚みが２ｎｍのＧａＩｎＮよりなる井戸層および厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層を、電子供給層の表面に形成した。
（４）正孔供給層およびコンタクト層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持したまま、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温した。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に６０秒間供給した。これにより、発光層の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎの組成を有するｐ型半導体層を形成した。その後、トリメチルアルミニウムの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給した。これにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ0.13Ｇａ0.87Ｎの組成を有するｐ型半導体層を形成した。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給した。これにより、厚みが５ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層を形成した。
（５）ｐ電極層、ｐパッド電極およびｎパッド電極の形成：
　このようにして、ｃ面サファイア基板上に、低温バッファ層および下地層を介して、電子供給層、保護層、発光層、正孔供給層およびコンタクト層が形成されてなる窒化物半導体に対して、窒素雰囲気下中において、例えば５００℃で１５分間の活性化処理を行った。
　次いで、フォトリソグラフィおよびＩＣＰ装置（誘導結合型プラズマ装置）を用い、窒化物半導体における正孔供給層１６および発光層１５に対してフォトエッチング処理を施して一部を除去することにより、電子供給層の表面を露出させた。そして、コンタクト層に、厚みが３ｎｍのＮｉ層および厚みが３ｎｍのＡｕ層よりなるｐ電極層を形成した。その後、大気中において、５００℃で５分間のアニール処理を行った。そして、ｐ電極層および電子供給層の表面に、ＣｒおよびＡｌを蒸着することにより、それぞれ３０ｎｍのＣｒ層および２００ｎｍのＡｕ層よりなるｐパッド電極およびｎパッド電極を形成した。以て、図１に示す横型構造の窒化物半導体素子を製造した。この窒化物半導体素子の発光ピーク波長は、３６５ｎｍである。
〈実施例２〉
　電子供給層および保護層の形成を、以下のようにして実施したこと以外は、実施例１と同様にして図１に示す横型構造の窒化物半導体素子を製造した。この窒化物半導体素子の発光ピーク波長は、３６５ｎｍである。
　ＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．１３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給した。これにより、Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が５×１０19／ｃｍ3 で厚みが１．７μｍの電子供給層を下地層の表面に形成した。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することにより、厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成した。
〈比較例１〉
　Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎの組成を有する電子供給層および保護層を形成する代わりに比較実験例１と同様にして、Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ形成条件でトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の供給を行わず、Ｓｉ濃度が１×１０19／ｃｍ3 のＧａＮよりなる電子供給層を形成したこと以外は、実施例１と同様にして横型構造の窒化物半導体素子を製造した。
　実施例１～２および比較例１で得られた窒化物半導体素子の各々を、ＴＯ－１８ステムパッケージに実装してＬＥＤ装置を作製した。得られたＬＥＤ装置に２０ｍＡの電流を供給して発光させ、この状態でＬＥＤ装置の動作電圧を測定すると共に、当該ＬＥＤ装置から５ｍｍ離間した位置の光出力を光検出器によって測定した。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の結果から、実施例１～２に係る窒化物半導体素子によれば、動作電圧が低く、高い発光効率が得られることが確認された。これに対して、比較例１に係る窒化物半導体素子は、出力が低く、発光効率が低いものであった。
〈実施例３〉
（１）低温バッファ層：
　ＣＶＤ装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置した。そして、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１３００℃に昇温することにより、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行った。
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を１０ｋＰａとした。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ８ｓｌｍの窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、炉内温度を９５０℃とし、原料ガスとして、流量が８．７μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウムおよび流量が１３９２０μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に７００秒間供給した。これにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが５０ｎｍのＡｌＮよりなる低温バッファ層を形成した。
（２）下地層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内温度を１３５０℃に昇温した。そして、処理炉内にキャリアガスとしてそれぞれ流量が８ｓｌｍの窒素ガスおよび水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウムおよび流量が２２０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に８０分間供給した。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１μｍのＡｌＮよりなる下地層を形成した。
（３）電子供給層および保護層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａ、炉内温度を１１７０℃に設定した。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が１２ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が８０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．０７μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に１７分間供給した。これにより、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０19／ｃｍ3 で厚みが１μｍの電子供給層を下地層の表面に形成した。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを７秒間供給した。これにより、厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成した。
（４）発光層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を６０ｋＰａとし、処理炉内にキャリアガスとして流量が１６ｓｌｍの窒素ガスを流しながら、炉内温度を８４０℃とした。そして、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウムおよび流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給した後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が４μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランおよび流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給する操作を繰り返した。これにより、厚みが２ｎｍのＧａＩｎＮよりなる井戸層および厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層を、電子供給層の表面に形成した。
（５）正孔供給層およびコンタクト層の形成：
　次いで、ＣＶＤ装置の炉内圧力を６０ｋＰａに維持したまま、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガスおよび流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温した。その後、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム、流量が４０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアおよび流量が０．２６μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に２０秒間供給した。これにより、発光層の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ0.35Ｇａ0.65Ｎの組成を有するｐ型半導体層を形成した。その後、トリメチルアルミニウムの流量を２５μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを１００秒間供給した。これにより、厚みが１００ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの組成を有するｐ型半導体層を形成した。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを５秒間供給した。これにより、厚みが５ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層を形成した。
（６）ｐ電極層、ｐパッド電極およびｎパッド電極の形成：
　このようにして、基板上に、低温バッファ層および下地層を介して、電子供給層、保護層、発光層、正孔供給層およびコンタクト層が形成されてなる窒化物半導体に対して、窒素雰囲気下中において、５００℃で１５分間の活性化処理を行った。
　次いで、フォトリソグラフィおよびＩＣＰ装置（誘導結合型プラズマ装置）を用い、窒化物半導体における正孔供給層１６および発光層１５に対してフォトエッチング処理を施して一部を除去することにより、電子供給層の表面を露出させた。そして、コンタクト層に、厚みが３ｎｍのＮｉ層および厚みが３ｎｍのＡｕ層よりなるｐ電極層を形成した。その後、大気中において、５００℃で５分間のアニール処理を行った。そして、ｐ電極層および電子供給層の表面に、ＣｒおよびＡｌを蒸着することにより、それぞれ３０ｎｍのＣｒ層および２００ｎｍのＡｕ層よりなるｐパッド電極およびｎパッド電極を形成した。以て、図１に示す横型構造の窒化物半導体素子を製造した。この窒化物半導体素子の発光ピーク波長は、３４０ｎｍである。
　実施例３で得られた窒化物半導体素子の各々を、ＴＯ－１８ステムパッケージに実装してＬＥＤ装置を作製した。得られたＬＥＤ装置に２０ｍＡの電流を供給して発光させ、この状態でＬＥＤ装置の動作電圧を測定すると共に、当該ＬＥＤ装置から５ｍｍ離間した位置の光出力を光検出器によって測定した。その結果、光出力が０．５ｍＷ、動作電圧が４．２Ｖ、電力効率が０．６％であった。
〈実施例４〉
　実施例２と同様にして、ｃ面サファイア基板上に、低温バッファ層および下地層を介して、電子供給層、保護層、発光層、正孔供給層およびコンタクト層が形成されてなる窒化物半導体を作製した。この窒化物半導体に対して、窒素雰囲気下中において、５００℃で１５分間の活性化処理を行った。
　次いで、フォトリソグラフィおよびＩＣＰ装置（誘導結合型プラズマ装置）を用い、コンタクト層、正孔供給層および発光層の周縁部分に対してフォトエッチング処理を施すことにより、電子供給層の周縁部の表面を露出させた。そして、スパッタ装置により、電子供給層の周縁部における露出した表面およびコンタクト層の中心部分の表面に、厚みが４００ｎｍのＳｉＯ2 層を形成した。そして、スパッタ装置により、コンタクト層およびＳｉＯ2 層の各々における露出した表面全面に、厚みが０．７ｎｍのＮｉ層および厚み１２０ｎｍのＡｇ層よりなるｐ反射電極層を形成した。
　このようにして、ＳｉＯ2 層およびｐ反射電極層が形成された窒化物半導体に対して、急速加熱装置（ＲＴＡ）により、ドライエアー雰囲気中において４００℃で２分間のコンタクトアニール処理を行った。
　次いで、ｐ反射電極上に、電子線蒸着装置（ＥＢ）により、厚みが１００ｎｍのＴｉ層および厚みが２００ｎｍのＰｔ層が３周期で積層されてなるハンダ拡散防止層を形成した。
　一方、シリコン基板上に、電子線蒸着装置（ＥＢ）により、厚みが１０ｎｍのＴｉ膜を介して、ＡｕとＳｎとの比率が８：２である厚みが４μｍのハンダ層を形成した。そして、シリコン基板に形成されたハンダ層上に、上記のハンダ拡散防止層が形成された窒化物半導体を、当該ハンダ拡散防止層が当該ハンダ層に接するよう位置合わせして配置し、２８０℃、０．１ＭＰａの条件で加熱加圧処理を行うことにより、両者を接合した。
　次いで、ＫｒＦエキシマレーザを照射することによって、サファイア基板を低温バッファ層から剥離した。その後、ＩＣＰ装置を用い、低温バッファ層および下地層を除去することにより、電子供給層の表面を露出させた。そして、水酸化カリウム水溶液により、電子供給層の表面を粗面化処理した。その後、電子供給層の表面に、厚みが１００ｎｍのＣｒ層および厚みが３μｍのＡｕ層よりなるｎ電極を形成した。
　そして、窒素雰囲気中において、２５０℃で１分間のシンタリングを行うことにより、図２に示す縦型構造の窒化物半導体素子を製造した。この窒化物半導体素子の発光ピーク波長は、３６５ｎｍである。
　実施例４で得られた窒化物半導体素子の各々を、表面実装用のパッケージに実装してＬＥＤ装置を作製した。得られたＬＥＤ装置に３５０ｍＡの電流を供給して発光させ、この状態でＬＥＤ装置の動作電圧を測定すると共に、当該ＬＥＤ装置から５ｍｍ離間した位置の光出力を光検出器によって測定した。その結果、光出力が１５０ｍＷ、動作電圧が４．５Ｖ、電力効率が１１％であった。
１０　基板
１１　低温バッファ層
１２　下地層
１３　電子供給層
１４　保護層
１５　発光層
１６　正孔供給層
１７　コンタクト層
１８　ｐ電極層
１９ａ　ｐパッド電極
１９ｂ　ｎパッド電極
２０　基板
２１　ハンダ層
２２　ハンダ拡散防止層
２３　ｐ反射電極層
２４，２５　ＳｉＯ2 層
２６　正孔供給層
２７　発光層
２８　電子供給層
２９，３０　ｎ電極

Claims (2)

  1. 　ｎ型半導体よりなる電子供給層を有する窒化物半導体素子において、
    　前記電子供給層は、
    　Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（但し、０．０１＜ｘ≦１）の組成を有し、かつ、
    　ｎ型不純物の濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上であり、
    　厚みが０．５μｍ以上である
    ことを特徴とする窒化物半導体素子。
  2. 　前記ｎ型不純物は、シリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
PCT/JP2013/073106 2012-08-31 2013-08-29 窒化物半導体素子 WO2014034762A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380041331.3A CN104521011A (zh) 2012-08-31 2013-08-29 氮化物半导体元件
US14/423,262 US20150228857A1 (en) 2012-08-31 2013-08-29 Nitride semiconductor device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012191088A JP2014049595A (ja) 2012-08-31 2012-08-31 窒化物半導体素子
JP2012-191088 2012-08-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014034762A1 true WO2014034762A1 (ja) 2014-03-06

Family

ID=50183567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/073106 WO2014034762A1 (ja) 2012-08-31 2013-08-29 窒化物半導体素子

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150228857A1 (ja)
JP (1) JP2014049595A (ja)
CN (1) CN104521011A (ja)
TW (1) TW201411874A (ja)
WO (1) WO2014034762A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102175320B1 (ko) * 2014-04-07 2020-11-06 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245555A (ja) * 2005-02-07 2006-09-14 Showa Denko Kk 透光性電極
JP2006295162A (ja) * 2005-04-07 2006-10-26 Samsung Electro Mech Co Ltd 垂直構造３族窒化物発光素子およびその製造方法
JP2010219269A (ja) * 2009-03-17 2010-09-30 Toshiba Corp 半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法
JP2011018869A (ja) * 2009-06-09 2011-01-27 Nichia Corp 窒化物半導体素子
JP2011077344A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Mie Univ 窒化物光半導体素子

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4356555B2 (ja) * 1998-03-12 2009-11-04 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP2010087217A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245555A (ja) * 2005-02-07 2006-09-14 Showa Denko Kk 透光性電極
JP2006295162A (ja) * 2005-04-07 2006-10-26 Samsung Electro Mech Co Ltd 垂直構造３族窒化物発光素子およびその製造方法
JP2010219269A (ja) * 2009-03-17 2010-09-30 Toshiba Corp 半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法
JP2011018869A (ja) * 2009-06-09 2011-01-27 Nichia Corp 窒化物半導体素子
JP2011077344A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Mie Univ 窒化物光半導体素子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 43, no. 9A, 2004, pages 5945 - 5950 *

Also Published As

Publication number Publication date
TW201411874A (zh) 2014-03-16
CN104521011A (zh) 2015-04-15
US20150228857A1 (en) 2015-08-13
JP2014049595A (ja) 2014-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4999696B2 (ja) ＧａＮ系化合物半導体発光素子及びその製造方法
KR101399250B1 (ko) 질소 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
JP5598437B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法
JPWO2005122290A1 (ja) 窒化物系半導体発光素子
JP2007053383A (ja) 上面発光型の発光素子およびその製造方法
WO2014045883A1 (ja) Ｌｅｄ素子及びその製造方法
TW201414007A (zh) 三族氮化物半導體發光裝置
JP2005150741A (ja) 窒化物系発光素子及びその製造方法
JP4670034B2 (ja) 電極を備えたＧａ２Ｏ３系半導体層
JP2005268581A (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
JP2009081468A (ja) Ｇａ２Ｏ３系半導体素子及びＧａ２Ｏ３系半導体素子の製造方法
JP5440674B1 (ja) Ｌｅｄ素子及びその製造方法
JP2013026426A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
TWI585993B (zh) Nitride light emitting device and manufacturing method thereof
JP2006024913A (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用透光性正極および発光素子
WO2014034762A1 (ja) 窒化物半導体素子
JP5379703B2 (ja) 紫外半導体発光素子
JP2003124518A (ja) 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法
JP2014175512A (ja) 半導体発光装置
JP2014236070A (ja) 窒化物半導体発光素子
JP2006245555A (ja) 透光性電極
JP2014170815A (ja) Ｌｅｄ素子
JP2004179369A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP5725069B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP6004265B2 (ja) Ｌｅｄ素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13833802

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14423262

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13833802

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1