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JP2002164572A - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

Nitride semiconductor light emitting device

Info

Publication number
JP2002164572A
JP2002164572A JP2001319394A JP2001319394A JP2002164572A JP 2002164572 A JP2002164572 A JP 2002164572A JP 2001319394 A JP2001319394 A JP 2001319394A JP 2001319394 A JP2001319394 A JP 2001319394A JP 2002164572 A JP2002164572 A JP 2002164572A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride semiconductor
layer
semiconductor layer
emitting device
undoped
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP2001319394A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002164572A5 (en
Inventor
Takashi Mukai
孝志 向井
Shuji Nakamura
修二 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nichia Chemical Industries Ltd
Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
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 Nichia Chemical Industries Ltd filed Critical Nichia Chemical Industries Ltd
Priority to JP2001319394A priority Critical patent/JP2002164572A/en
Publication of JP2002164572A publication Critical patent/JP2002164572A/en
Publication of JP2002164572A5 publication Critical patent/JP2002164572A5/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 LED、LD等の窒化物半導体素子の出力を
向上させると共に、Vfを低下させて素子の信頼性を向
上させる。 【解決手段】 基板と活性層との間に、基板側から順に
アンドープの第1の窒化物半導体層と、n型不純物がド
ープされたn導電型の第2の窒化物半導体層と、アンド
ープの第3の窒化物半導体層とを有し、第2の窒化物半
導体層が単層であり、その第2の窒化物半導体層にn電
極が形成され、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半
導体層、第3の窒化物半導体層が同一組成である。
[PROBLEMS] To improve the output of a nitride semiconductor device such as an LED and an LD and to reduce Vf to improve the reliability of the device. SOLUTION: An undoped first nitride semiconductor layer, an n-conductivity type second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, and an undoped A third nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer is a single layer, an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer and the second And the third nitride semiconductor layer have the same composition.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体(In
XAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりな
り、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発
光素子に用いられる窒化物半導体発光素子に関する。
The present invention relates to a nitride semiconductor (In).
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device comprising X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) and used for a light emitting device such as a light emitting diode device and a laser diode device.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度純緑色発光LE
D、青色LEDとして、既にフルカラーLEDディスプ
レイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光
源で実用化されている。これらのLED素子は基本的
に、サファイア基板上にGaNよりなるバッファ層と、
SiドープGaNよりなるn側コンタクト層と、単一量
子井戸構造のInGaNよりなる活性層と、Mgドープ
AlGaNよりなるp側クラッド層と、MgドープGa
Nよりなるp側コンタクト層とが順に積層された構造を
有しており、20mAにおいて、発光波長450nmの
青色LEDで5mW、外部量子効率9.1%、520n
mの緑色LEDで3mW、外部量子効率6.3%と非常
に優れた特性を示す。
2. Description of the Related Art A nitride semiconductor is a high-brightness pure green light emitting LE.
D and blue LEDs have already been put to practical use in various light sources such as full-color LED displays, traffic signal lights, and image scanner light sources. These LED elements basically have a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate,
An n-side contact layer made of Si-doped GaN; an active layer made of InGaN having a single quantum well structure; a p-side clad layer made of Mg-doped AlGaN;
And a p-side contact layer made of N in order. At 20 mA, 5 mW for a blue LED with an emission wavelength of 450 nm, external quantum efficiency of 9.1%, 520 n
The green LED of 3 m has an excellent characteristic of 3 mW and an external quantum efficiency of 6.3%.

【0003】また、本出願人はこの材料を用いてパルス
電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界で初め
て発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jp
n.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、
InGaNを用いた多重量子井戸構造(MQW:Multi-
Quantum- Well)の活性層を有するダブルへテロ構造を
有し、パルス幅2μs、パルス周期2msの条件で、閾
値電流610mA、閾値電流密度8.7kA/cm2、4
10nmの発振を示す。また、本出願人は室温での連続
発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレ
クトロニクス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.L
ett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056-
等}、このレーザ素子は20℃において、閾値電流密度
3.6kA/cm2、閾値電圧5.5V、1.5mW出力
において、27時間の連続発振を示す。
[0003] Further, the present applicant has announced the world's first laser oscillation of 410 nm at room temperature under pulse current using this material {for example, Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74, Jp.
nJAppl.Phys.35 (1996) L217}. This laser element
Multiple quantum well structure (MQW: Multi-
It has a double hetero structure having an active layer of Quantum-Well, a threshold current of 610 mA, a threshold current density of 8.7 kA / cm 2 , and a pulse width of 2 μs and a pulse period of 2 ms.
10 nm oscillation is shown. The present applicant has also succeeded for the first time in continuous oscillation at room temperature and has announced. {For example, Nikkei Electronics December 2, 1996 Technical Bulletin, Appl.Phys.L
ett.69 (1996) 3034-, Appl.Phys.Lett.69 (1996) 4056-
Etc.], the laser device exhibits continuous oscillation for 27 hours at 20 ° C., at a threshold current density of 3.6 kA / cm 2 , a threshold voltage of 5.5 V, and an output of 1.5 mW.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このように窒化物半導
体はLEDで既に実用化され、LDでは数十時間ながら
連続発振にまで至っているが、LEDを例えば照明用光
源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等にするために
はさらに出力の向上が求められている。またLDでは閾
値を低下させて長寿命にし、光ピックアップ等の光源に
実用化するためには、よりいっそうの改良が必要であ
る。また前記LED素子は20mAにおいてVfが3.
6V近くある。Vfをさらに下げることにより、素子の
発熱量が少なくなって、信頼性が向上する。またレーザ
素子では閾値における電圧を低下させることは、素子の
寿命を向上させる上で非常に重要である。本発明はこの
ような事情を鑑みて成されたものであって、その目的と
するところは、主としてLED、LD等の窒化物半導体
素子の出力を向上させると共に、Vfを低下させて素子
の信頼性を向上させることにある。
As described above, nitride semiconductors have already been put to practical use in LEDs, and LDs have reached continuous oscillation for several tens of hours. However, LEDs have been used, for example, as a light source for illumination and an outdoor display exposed to direct sunlight. In order to achieve the same, the output needs to be further improved. Further, in order to reduce the threshold value of the LD to extend its life and to put it to practical use as a light source such as an optical pickup, further improvement is required. The LED element has a Vf of 3 at 20 mA.
It is near 6V. By further lowering Vf, the amount of heat generated by the element is reduced, and the reliability is improved. In a laser device, lowering the voltage at the threshold is very important for improving the life of the device. The present invention has been made in view of such circumstances, and a purpose thereof is to mainly improve the output of nitride semiconductor devices such as LEDs and LDs, and reduce Vf to reduce the reliability of the devices. To improve the performance.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1に
記載の窒化物半導体素子は、基板と活性層との間に、基
板側から順にアンドープの第1の窒化物半導体層と、n
型不純物がドープされたn導電型の第2の窒化物半導体
層と、アンドープの第3の窒化物半導体層とを有し、前
記第2の窒化物半導体層が単層であり、その第2の窒化
物半導体層にn電極が形成され、前記第1の窒化物半導
体層、前記第2の窒化物半導体層、前記第3の窒化物半
導体層が同一組成であることを特徴とする。また、本発
明に係る請求項2に記載の窒化物半導体発光素子は、請
求項1記載の窒化物半導体発光素子において、前記第1
の窒化物半導体層、前記第2の窒化物半導体層、前記第
3の窒化物半導体層がGaNからなることを特徴とす
る。さらに、本発明に係る請求項3に記載の窒化物半導
体発光素子は、請求項1又は2記載の窒化物半導体発光
素子において、前記第2の窒化物半導体層は超格子構造
であることを特徴とする。またさらに、本発明に係る請
求項4に記載の窒化物半導体発光素子は、基板と活性層
との間に、基板側から順にアンドープの第1の窒化物半
導体層と、n型不純物がドープされたn導電型の第2の
窒化物半導体層と、アンドープの第3の窒化物半導体層
とを有し、前記第2の窒化物半導体層が単層であり、そ
の第2の窒化物半導体層にn電極が形成され、前記第3
の窒化物半導体層の抵抗率が、0.1Ω・cmより大き
いことを特徴とする。また、本発明に係る請求項5に記
載の窒化物半導体発光素子は、請求項4記載の窒化物半
導体発光素子において、前記第3の窒化物半導体層がI
Ga1− Nで表されるInGaNであり、そのI
n混晶比yが0.1以下であることを特徴とする。ま
た、本発明に係る請求項6に記載の窒化物半導体発光素
子は、基板と活性層との間に、基板側から順にアンドー
プの第1の窒化物半導体層と、n型不純物がドープされ
たn導電型の第2の窒化物半導体層と、アンドープの第
3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の窒化物半導体
層が単層であり、その第2の窒化物半導体層にn電極が
形成され、前記第1の窒化物半導体層がAlGaNであ
ることを特徴とする。また、本発明に係る請求項7に記
載の窒化物半導体発光素子は、請求項6記載の窒化物半
導体発光素子において、前記第1の窒化物半導体層が、
X値が0.2以下のAlGa1−XNであることを特
徴とする。また、本発明に係る請求項8に記載の窒化物
半導体発光素子は、請求項6又は7記載の窒化物半導体
発光素子において、前記第3の窒化物半導体層の抵抗率
が、0.1Ω・cmより大きいことを特徴とする。さら
に、本発明に係る請求項9に記載の窒化物半導体発光素
子は、請求項1〜8のうちのいずれか1つに記載の窒化
物半導体発光素子において、前記基板と前記第1の窒化
物半導体層との間に、第1の窒化物半導体層よりも低温
で成長されたバッファ層を有することを特徴とする。本
発明に係る請求項10に記載の窒化物半導体発光素子
は、請求項1〜9のうちのいずれか1つに記載の窒化物
半導体発光素子において、前記第3の窒化物半導体層の
膜厚が0.5μm以下であることを特徴とする。なお本
発明でアンドープの窒化物半導体層とは意図的に不純物
をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば原料に含
まれる不純物、反応装置内のコンタミネーション、意図
的に不純物をドープした他の層からの意図しない拡散に
より不純物が混入した層及び微量なドーピングにより実
質的にアンドープとみなせる層(例えば抵抗率3×10
-1Ω・cm以上)も本発明ではアンドープと定義する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a nitride semiconductor device comprising: an undoped first nitride semiconductor layer between a substrate and an active layer;
A second nitride semiconductor layer of an n-conductivity type doped with a type impurity and a third nitride semiconductor layer of an undoped type, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer; An n-electrode is formed on the first nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer have the same composition. Further, the nitride semiconductor light emitting device according to claim 2 according to the present invention is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1,
Wherein the nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer are made of GaN. Further, the nitride semiconductor light emitting device according to claim 3 according to the present invention is characterized in that in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, the second nitride semiconductor layer has a superlattice structure. And Still further, in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 4 of the present invention, the undoped first nitride semiconductor layer and the n-type impurity are doped between the substrate and the active layer in order from the substrate side. A second nitride semiconductor layer having an n-type conductivity and an undoped third nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer; An n-electrode is formed at the third
Is characterized in that the resistivity of the nitride semiconductor layer is larger than 0.1 Ω · cm. Further, in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 5 according to the present invention, in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 4, the third nitride semiconductor layer has
n y Ga is InGaN represented by 1-y N, the I
The mixed crystal ratio y is 0.1 or less. In the nitride semiconductor light emitting device according to claim 6 of the present invention, an undoped first nitride semiconductor layer and an n-type impurity are sequentially doped between a substrate and an active layer from the substrate side. a second nitride semiconductor layer having an n-type conductivity and an undoped third nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer; An n-electrode is formed, and the first nitride semiconductor layer is made of AlGaN. Further, in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 7 according to the present invention, in the nitride semiconductor light emitting device according to claim 6, the first nitride semiconductor layer includes:
Wherein the X value is 0.2 or less Al X Ga 1-X N. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 8 according to the present invention is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 6 or 7, wherein the resistivity of the third nitride semiconductor layer is 0.1 Ω · cm. Furthermore, the nitride semiconductor light emitting device according to claim 9 according to the present invention is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 8, wherein the substrate and the first nitride A buffer layer grown between the semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer at a lower temperature than the first nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 10 according to the present invention is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the thickness of the third nitride semiconductor layer is Is 0.5 μm or less. In the present invention, the undoped nitride semiconductor layer refers to a nitride semiconductor layer that is not intentionally doped with impurities, for example, an impurity contained in a raw material, contamination in a reaction apparatus, or another layer intentionally doped with impurities. A layer in which impurities are mixed by unintended diffusion from a layer and a layer which can be regarded as substantially undoped by a small amount of doping (for example, a resistivity of 3 × 10 3
-1Ω · cm or more) is defined as undoped in the present invention.

【0006】また前記第2の窒化物半導体層の抵抗率は
8×10-3Ω・cm未満であることが好ましい。第2の窒
化物半導体層の抵抗率が8×10-3Ω・cm以上になる
と、Vfがあまり低下しなくなる傾向にある。抵抗率の
より好ましい範囲は6×10-3Ω・cm以下、さらに好ま
しくは4×10-3Ω・cm以下である。下限は特に限定し
ないが、1×10-5Ω・cm以上に調整することが望まし
い。第2の窒化物半導体層を単層で形成する場合、下限
値は1×10-3Ω・cm以上、一方、第2の窒化物半導体
層を超格子層で構成する場合には1×10-5Ω・cm以上
に調整することが望ましい。なお超格子層とは膜厚10
0オングストローム以下、さらに好ましくは70オング
ストローム、最も好ましくは50オングストローム以下
の窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指す。下限値
よりも低抵抗にすると、Si、Ge、Sn等の不純物量
が多くなりすぎて、窒化物半導体の結晶性が悪くなる傾
向にある。
The resistivity of the second nitride semiconductor layer is preferably less than 8 × 10 −3 Ω · cm. When the resistivity of the second nitride semiconductor layer is 8 × 10 −3 Ω · cm or more, Vf tends to not decrease much. A more preferable range of the resistivity is 6 × 10 −3 Ω · cm or less, and further preferably 4 × 10 −3 Ω · cm or less. The lower limit is not particularly limited, but is preferably adjusted to 1 × 10 −5 Ω · cm or more. When the second nitride semiconductor layer is formed as a single layer, the lower limit is 1 × 10 −3 Ω · cm or more. It is desirable to adjust to -5 Ω · cm or more. The superlattice layer has a film thickness of 10
It refers to a multilayer structure in which nitride semiconductor layers having a thickness of 0 Å or less, more preferably 70 Å, and most preferably 50 Å or less are stacked. If the resistance is lower than the lower limit, the amount of impurities such as Si, Ge, and Sn becomes too large, and the crystallinity of the nitride semiconductor tends to deteriorate.

【0007】さらに、前記基板と前記第1の窒化物半導
体層との間に、第1の窒化物半導体層よりも低温で成長
されるバッファ層を有していることが好ましい。このバ
ッファ層は例えばAlN、GaN、AlGaN等を40
0℃〜900℃において、0.5μm以下の膜厚で成長
させることができ、基板と窒化物半導体との格子不整合
を緩和、あるいは第1の窒化物半導体層を結晶性よく成
長させるための下地層として作用する。
Further, it is preferable that a buffer layer that is grown at a lower temperature than the first nitride semiconductor layer is provided between the substrate and the first nitride semiconductor layer. This buffer layer is made of, for example, AlN, GaN, AlGaN, or the like.
It can be grown at a temperature of 0 ° C. to 900 ° C. with a film thickness of 0.5 μm or less, to reduce lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor, or to grow the first nitride semiconductor layer with good crystallinity. Acts as an underlayer.

【0008】さらにまた、第3の窒化物半導体層の膜厚
が0.5μm以下であることが好ましい。第3の窒化物
半導体層のより好ましい膜厚は0.2μm以下、さらに
好ましくは0.15μm以下に調整する。下限は特に限
定しないが10オングストローム以上、好ましくは50
オングストローム以上、最も好ましくは100オングス
トローム以上に調整することが望ましい。第3の窒化物
半導体層はアンドープの層であり、抵抗率が通常0.1
Ω・cm以上と高いため、この層を厚膜の層で成長すると
逆にVfが低下しにくい傾向にある。
Furthermore, it is preferable that the thickness of the third nitride semiconductor layer is 0.5 μm or less. The more preferable thickness of the third nitride semiconductor layer is adjusted to 0.2 μm or less, more preferably 0.15 μm or less. The lower limit is not particularly limited, but is 10 Å or more, preferably 50 Å.
It is desirable to adjust the thickness to Å or more, most preferably 100 Å or more. The third nitride semiconductor layer is an undoped layer having a resistivity of usually 0.1
Since it is as high as Ω · cm or more, when this layer is grown as a thick layer, Vf tends to be hardly reduced.

【0009】また、本発明の窒化物半導体発光素子は、
基板と活性層との間に、基板側から順に、抵抗率が大き
い第1の窒化物半導体層と、n型不純物がドープされて
抵抗率が第1の窒化物半導体層よりも小さい第2の窒化
物半導体層と、第2の窒化物半導体層よりも抵抗率が大
きい第3の窒化物半導体層とを有し、前記第2の窒化物
半導体層にn電極が形成されてなることを特徴とする。
第1及び第3の窒化物半導体層は、例えばアンドープと
して抵抗率は、例えば0.1Ω・cmよりも大きくし、第
2の窒化物半導体層は、例えばn型不純物をドープして
抵抗率は8×10-3Ω・cmよりも小さくすることができ
る。
Further, a nitride semiconductor light emitting device of the present invention
Between the substrate and the active layer, in order from the substrate side, a first nitride semiconductor layer having a higher resistivity, and a second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity and having a resistivity smaller than that of the first nitride semiconductor layer. It has a nitride semiconductor layer and a third nitride semiconductor layer having a resistivity higher than that of the second nitride semiconductor layer, and an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer. And
The first and third nitride semiconductor layers are, for example, undoped and have a resistivity greater than, for example, 0.1 Ω · cm, and the second nitride semiconductor layer is, for example, doped with an n-type impurity to have a resistivity. It can be smaller than 8 × 10 −3 Ω · cm.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明の発光素子では活性層と基
板との間に少なくとも3層構造を有する窒化物半導体層
を有している。まず第1の窒化物半導体層はn型不純物
を含む第2の窒化物半導体層を結晶性よく成長させるた
めにアンドープとしている。この層に意図的に不純物を
ドープすると、結晶性が悪くなって、第2の窒化物半導
体層を結晶性良く成長させることが難しい。次に第2の
窒化物半導体層はn型不純物をドープして、抵抗率が低
く、キャリア濃度が高いn電極を形成するためのコンタ
クト層として作用している。従って第2の窒化物半導体
層の抵抗率はn電極材料と好ましいオーミック接触を得
るためにできるだけ小さくすることが望ましく、好まし
くは8×10-3Ω・cm未満とする。次に第3の窒化物半
導体層もアンドープとする。この層をアンドープとする
のは、抵抗率が小さくキャリア濃度の大きい第2の窒化
物半導体層は結晶性があまり良くない。この上に直接、
活性層、クラッド層等を成長させると、それらの層の結
晶性も悪くなるために、その間にアンドープの結晶性の
良い第3の窒化物半導体を介在させることにより、活性
層を成長させる前のバッファ層として作用する。さらに
抵抗率の比較的高いアンドープの層を活性層と第2の窒
化物半導体層との間に介在させることにより、素子のリ
ーク電流を防止し、逆方向の耐圧を高くすることができ
る。なお、第2の窒化物半導体層のキャリア濃度は3×
1018/cm3よりも大きくなる傾向にある。また活性層
はInを含むアンドープの窒化物半導体、好ましくはI
nGaNよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造、若
しくは多重量子井戸構造とすることが望ましい。n型不
純物としては第4族元素が挙げられるが、好ましくはS
i若しくはGe、さらに好ましくはSiを用いる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A light emitting device according to the present invention has a nitride semiconductor layer having at least a three-layer structure between an active layer and a substrate. First, the first nitride semiconductor layer is undoped in order to grow the second nitride semiconductor layer containing an n-type impurity with good crystallinity. If this layer is intentionally doped with impurities, the crystallinity is deteriorated, and it is difficult to grow the second nitride semiconductor layer with good crystallinity. Next, the second nitride semiconductor layer is doped with an n-type impurity, and functions as a contact layer for forming an n-electrode having a low resistivity and a high carrier concentration. Therefore, the resistivity of the second nitride semiconductor layer is desirably as small as possible in order to obtain a preferable ohmic contact with the n-electrode material, and is preferably less than 8 × 10 −3 Ω · cm. Next, the third nitride semiconductor layer is also undoped. The reason why this layer is undoped is that the second nitride semiconductor layer having a low resistivity and a high carrier concentration has poor crystallinity. Directly on this,
When the active layer, the clad layer, and the like are grown, the crystallinity of those layers is also deteriorated. Therefore, the undoped third nitride semiconductor having good crystallinity is interposed therebetween, so that the active layer before the growth of the active layer is formed. Acts as a buffer layer. Further, by interposing an undoped layer having a relatively high resistivity between the active layer and the second nitride semiconductor layer, it is possible to prevent a leak current of the element and increase a reverse breakdown voltage. Note that the carrier concentration of the second nitride semiconductor layer is 3 ×
It tends to be larger than 10 18 / cm 3 . The active layer is an undoped nitride semiconductor containing In, preferably I
It is desirable to have a single quantum well structure having a well layer made of nGaN or a multiple quantum well structure. As the n-type impurity, a Group 4 element can be cited.
i or Ge, more preferably, Si is used.

【0011】[0011]

【実施例】[実施例1]図1は本発明の一実施例に係る
LED素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下こ
の図を元に、本発明の素子の製造方法について述べる。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of an LED device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing the device of the present invention will be described with reference to this drawing. .

【0012】サファイア(C面)よりなる基板1を反応
容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水
素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇さ
せ、基板のクリーニングを行う。基板1にはサファイア
C面の他、R面、A面を主面とするサファイア、その
他、スピネル(MgA124)のような絶縁性の基板の
他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、Zn
O、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることがで
きる。
A substrate 1 made of sapphire (C-plane) is set in a reaction vessel, and after sufficiently replacing the inside of the vessel with hydrogen, the temperature of the substrate is increased to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate. . Another sapphire C face substrate 1, a sapphire having the principal R-plane, A plane, other, including other insulating substrate such as spinel (MgA1 2 O 4), SiC (6H, 4H, and 3C ), Si, Zn
A semiconductor substrate such as O, GaAs, or GaN can be used.

【0013】(バッファ層2)続いて、温度を510℃
まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板1上に
GaNよりなるバッファ層2を約200オングストロー
ムの膜厚で成長させる。
(Buffer Layer 2) Subsequently, the temperature is set to 510 ° C.
The buffer layer 2 made of GaN is grown on the substrate 1 to a thickness of about 200 angstroms using hydrogen as a carrier gas and ammonia and TMG (trimethylgallium) as a source gas.

【0014】(第1の窒化物半導体層3)バッファ層2
成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇
させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにTM
G、アンモニアガスを用い、アンドープGaNよりなる
第1の窒化物半導体層3を1.5μmの膜厚で成長させ
る。第1の窒化物半導体層3は基板に直接成長させるバ
ッファ層よりも高温、例えば900℃〜1100℃で成
長させ、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y
≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではない
が、好ましくはGaN、X値が0.2以下のAlXGa
1-XNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得ら
れやすい。また膜厚は特に問うものではなく、バッファ
層よりも厚膜で成長させ、通常0.1μm以上20μm
以下の膜厚で成長させる。この層はアンドープの層であ
るため、抵抗率は0.1Ω・cmよりも大きい。また第1
の窒化物半導体層3は、バッファ層よりも高温で成長さ
せる層であるためアンドープでもバッファ層とは区別さ
れる。
(First Nitride Semiconductor Layer 3) Buffer Layer 2
After growth, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C, TM
Using G and ammonia gas, a first nitride semiconductor layer 3 made of undoped GaN is grown to a thickness of 1.5 μm. The first nitride semiconductor layer 3 is grown at a higher temperature, for example, 900 ° C. to 1100 ° C. than the buffer layer directly grown on the substrate, and is made of In x Al Y Ga 1 -XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y).
≦ 1), and the composition thereof is not particularly limited, but is preferably GaN, Al x Ga having an X value of 0.2 or less.
With 1- XN, a nitride semiconductor layer with few crystal defects can be easily obtained. The film thickness is not particularly limited, and the film is grown as a thicker film than the buffer layer, and is usually 0.1 μm or more and 20 μm or more.
It is grown with the following film thickness. Since this layer is an undoped layer, the resistivity is greater than 0.1 Ω · cm. Also the first
Since the nitride semiconductor layer 3 is a layer grown at a higher temperature than the buffer layer, it is distinguished from the buffer layer even when undoped.

【0015】(第2の窒化物半導体層4)続いて105
0℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不
純物ガスにシランガスを用い、SiドープGaNよりな
る第2の窒化物半導体層3を3μmの膜厚で成長させ
る。この第2の窒化物半導体層3も第1の窒化物半導体
層と同様に、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X
+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではな
いが、好ましくはGaN、X値が0.2以下のAlXGa
1-XNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得ら
れやすい。膜厚は特に問うものではないが、n電極を形
成する層であるので1μm以上20μm以下の膜厚で成
長させことが望ましい。なお素子構造にしない別のサフ
ァイア基板を用い、同様にして第2の窒化物半導体層ま
で成長させたウェーハを用意し、この第2の窒化物半導
体層の抵抗率を測定すると5×10-3Ω・cmであった。
(Second nitride semiconductor layer 4)
At 0 ° C., a second nitride semiconductor layer 3 made of Si-doped GaN is grown to a thickness of 3 μm using TMG and ammonia gas as the source gas and silane gas as the impurity gas. Similarly to the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer 3 is made of In x Al Y Ga 1 -XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X
+ Y ≦ 1), and the composition thereof is not particularly limited, but is preferably GaN, Al x Ga having an X value of 0.2 or less.
With 1- XN, a nitride semiconductor layer with few crystal defects can be easily obtained. There is no particular limitation on the film thickness, but since it is a layer for forming an n-electrode, it is preferable to grow the film to a film thickness of 1 μm or more and 20 μm or less. In addition, using another sapphire substrate not having an element structure, a wafer grown to the second nitride semiconductor layer in the same manner was prepared, and the resistivity of the second nitride semiconductor layer was measured to be 5 × 10 −3. Ω · cm.

【0016】またこの第2の窒化物半導体層は、互いに
バンドギャップエネルギーが異なる2種類の窒化物半導
体層が積層されてなるか、若しくは同一組成の窒化物半
導体層が積層されてなる超格子構造としても良い。超格
子層にすると第2の窒化物半導体層の移動度が大きくな
って抵抗率がさらに低下するため、特に発光効率の高い
素子が実現できる。超格子構造とする場合には超格子を
構成する窒化物半導体層の膜厚は100オングストロー
ム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、
最も好ましくは50オングストローム以下に調整する。
さらに超格子構造の場合、超格子を構成する窒化物半導
体層にSi、Ge、Sn、S等を変調ドープしても良
い。変調ドープとは、超格子層を構成する窒化物半導体
層の互いに不純物濃度が異なることを指し、この場合、
一方の層は不純物をドープしない状態、つまりアンドー
プでもよい。好ましくは第2の窒化物半導体層を互いに
バンドギャップエネルギーの異なる層を積層した超格子
構造として、いずれか一方の窒化物半導体層にn型不純
物を多くドープすることが望ましく、もう一方の窒化物
半導体層をアンドープとすることが好ましい。なお変調
ドープする場合には、不純物濃度差は1桁以上とするこ
とが望ましい。
The second nitride semiconductor layer has a superlattice structure in which two types of nitride semiconductor layers having different band gap energies are laminated, or in which nitride semiconductor layers having the same composition are laminated. It is good. When a superlattice layer is used, the mobility of the second nitride semiconductor layer is increased and the resistivity is further reduced, so that a device with particularly high luminous efficiency can be realized. In the case of a superlattice structure, the thickness of the nitride semiconductor layer forming the superlattice is 100 Å or less, more preferably 70 Å or less,
Most preferably, it is adjusted to 50 Å or less.
In the case of a superlattice structure, the nitride semiconductor layer forming the superlattice may be modulation-doped with Si, Ge, Sn, S, or the like. Modulation doping means that the nitride semiconductor layers forming the superlattice layer have different impurity concentrations from each other. In this case,
One layer may be undoped, that is, undoped. Preferably, the second nitride semiconductor layer has a superlattice structure in which layers having different band gap energies are stacked, and one of the nitride semiconductor layers is desirably heavily doped with an n-type impurity. Preferably, the semiconductor layer is undoped. When performing modulation doping, the difference in impurity concentration is desirably one digit or more.

【0017】(第3の窒化物半導体層5)次にシランガ
スのみを止め、1050℃で同様にしてアンドープGa
Nよりなる第3の窒化物半導体層5を0.15μmの膜
厚で成長させる。この第3の窒化物半導体層5もInX
AlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成で
き、その組成は特に問うものではないが、好ましくはG
aN、X値が0.2以下のAlXGa1-XN、またはY値が
0.1以下のInYGa1-YNとすると結晶欠陥の少ない
窒化物半導体層が得られやすい。InGaNを成長させ
ると、その上にAlを含む窒化物半導体を成長させる場
合に、Alを含む窒化物半導体層にクラックが入るのを
防止することができる。なお第2の窒化物半導体層を単
一の窒化物半導体で成長させる場合、第1の窒化物半導
体層と、第2の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体
層とは同一組成の窒化物半導体を成長させることが望ま
しい。
(Third nitride semiconductor layer 5) Next, only silane gas is stopped, and undoped Ga
A third nitride semiconductor layer 5 made of N is grown to a thickness of 0.15 μm. This third nitride semiconductor layer 5 is also made of In X
It can be composed of Al Y Ga 1 -XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and its composition is not particularly limited.
aN, X value of 0.2 or less of AlXGa1-XN or Y value is 0.1 or less In Y Ga 1-Y N with the nitride semiconductor layer is easily obtained with less crystal defects. When InGaN is grown, it is possible to prevent cracks in the Al-containing nitride semiconductor layer when growing a nitride semiconductor containing Al thereon. Note that when the second nitride semiconductor layer is grown using a single nitride semiconductor, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer have the same composition. It is desirable to grow a nitride semiconductor.

【0018】(活性層6)次に、温度を800℃にし
て、キャリアガスを窒素に切り替え、TMG、TMI
(トリメチルインジウム)、アンモニアを用いアンドー
プIn0.4Ga0.6N層を30オングストロームの膜厚で
成長させて単一量子井戸構造を有する活性層6を成長さ
せる。
(Active Layer 6) Next, the temperature is set to 800 ° C., the carrier gas is switched to nitrogen, and TMG, TMI
An active layer 6 having a single quantum well structure is grown by growing an undoped In 0.4 Ga 0.6 N layer with a thickness of 30 Å using (trimethylindium) and ammonia.

【0019】(p側クラッド層7)次に、温度を105
0℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg
(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを
1×1020/cm3ドープしたp型Al0.1Ga0.9Nより
なるp側クラッド層7を0.1μmの膜厚で成長させ
る。この層はキャリア閉じ込め層として作用し、Alを
含む窒化物半導体、好ましくはAlYGa1-YN(0<Y
<1)を成長させることが望ましく、結晶性の良い層を
成長させるためにはY値が0.3以下のAlYGa1-Y
層を0.5μm以下の膜厚で成長させることが望まし
い。
(P-side cladding layer 7)
0 ℃, TMG, TMA, ammonia, Cp2Mg
Using (cyclopentadienyl magnesium), a p-side cladding layer 7 of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a carrier confinement layer, and is a nitride semiconductor containing Al, preferably Al Y Ga 1-Y N (0 <Y
It is desirable to grow <1). In order to grow a layer having good crystallinity, Al Y Ga 1 -YN having a Y value of 0.3 or less is preferred.
It is desirable to grow the layer to a thickness of 0.5 μm or less.

【0020】(p側コンタクト層8)続いて1050℃
で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1
×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コン
タクト層8を0.1μmの膜厚で成長させる。p側コン
タクト層8もInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X
+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではな
いが、好ましくはGaNとすると結晶欠陥の少ない窒化
物半導体層が得られやすく、またp電極材料と好ましい
オーミック接触が得られやすい。
(P-side contact layer 8) Subsequently, at 1050 ° C.
And using TMG, ammonia and Cp 2 Mg,
A p-side contact layer 8 made of p-type GaN doped with × 10 20 / cm 3 is grown to a thickness of 0.1 μm. The p-side contact layer 8 is also formed of In X Al Y Ga 1 -XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X
+ Y ≦ 1), and the composition thereof is not particularly limited. However, when it is preferably GaN, a nitride semiconductor layer with few crystal defects is easily obtained, and a preferable ohmic contact with a p-electrode material is easily obtained.

【0021】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700
℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化す
る。
After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is placed in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere at a temperature of 700.degree.
Anneal at ℃ to further reduce the resistance of the p-type layer.

【0022】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のp側コンタクト層8の表面に所定の
形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチン
グ)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、
図1に示すように第2の窒化物半導体層4の表面を露出
させる。
After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer 8, and etching is performed from the p-side contact layer side by an RIE (reactive ion etching) apparatus. Do
As shown in FIG. 1, the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed.

【0023】エッチング後、最上層にあるp側コンタク
ト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiと
Auを含む透光性のp電極9と、そのp電極9の上にボ
ンディング用のAuよりなるpパッド電極10を0.5
μmの膜厚で形成する。一方エッチングにより露出させ
た第2の窒化物半導体層4の表面にはWとAlを含むn
電極11を形成する。最後にp電極9の表面を保護する
ためにSiO2よりなる絶縁膜12を図1に示すように
形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して35
0μm角のLED素子とする。
After the etching, almost all of the uppermost p-side contact layer is formed of a light-transmitting p-electrode 9 containing 200 Å of Ni and Au, and a bonding Au on the p-electrode 9. p pad electrode 10
It is formed with a film thickness of μm. On the other hand, the surface of the second nitride semiconductor layer 4 exposed by etching has n containing W and Al
The electrode 11 is formed. Finally, an insulating film 12 made of SiO 2 is formed as shown in FIG. 1 to protect the surface of the p-electrode 9, and the wafer is separated by scribing to form a film 35.
An LED element of 0 μm square is used.

【0024】このLED素子は順方向電圧20mAにお
いて、520nmの純緑色発光を示し、サファイア基板
上にGaNよりなるバッファ層と、SiドープGaNよ
りなるn側コンタクト層と、単一量子井戸構造のInG
aNよりなる活性層と、MgドープAlGaNよりなる
p側クラッド層と、MgドープGaNよりなるp側コン
タクト層とが順に積層された従来の緑色発光LEDに比
較して、20mAにおけるVfで0.1〜0.2V、出
力で5%〜10%向上させることができた。
This LED device emits pure green light of 520 nm at a forward voltage of 20 mA, and has a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, and an InG having a single quantum well structure.
Compared to a conventional green light emitting LED in which an active layer made of aN, a p-side clad layer made of Mg-doped AlGaN, and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked, the Vf at 20 mA is 0.1 The output was improved by about 0.2 V and the output by 5% to 10%.

【0025】[実施例2]図2は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レ
ーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の構
造を示すものである。以下この図面を元に実施例2につ
いて説明する。
[Embodiment 2] FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention, which is taken when the device is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of laser light. 3 shows the structure. Hereinafter, a second embodiment will be described with reference to this drawing.

【0026】サファイア(C面)よりなる基板20の上
に、実施例1と同様にしてバッファ層21を200オン
グストロームの膜厚で成長させる。
On the substrate 20 made of sapphire (C-plane), a buffer layer 21 is grown to a thickness of 200 angstroms in the same manner as in the first embodiment.

【0027】(第1の窒化物半導体層22)バッファ層
20成長後、温度を1020℃まで上昇させ、1020
℃において、アンドープGaNよりなる第1の窒化物半
導体層22を5μmの膜厚で成長させる。
(First Nitride Semiconductor Layer 22) After the growth of the buffer layer 20, the temperature is increased to 1020 ° C.
At 5 ° C., a first nitride semiconductor layer 22 made of undoped GaN is grown to a thickness of 5 μm.

【0028】(第2の窒化物半導体層23)続いて、1
020℃で不純物ガスにシランガスを用い、Siをドー
プしたn型GaNよりなる第2の窒化物半導体層を3μ
mの膜厚で成長させる。この第2の窒化物半導体層の抵
抗率も5×10-3Ω・cmであった。
(Second nitride semiconductor layer 23)
At 020 ° C., a second nitride semiconductor layer made of n-type GaN doped with Si using a silane gas as an impurity gas is 3 μm.
It is grown to a thickness of m. The resistivity of the second nitride semiconductor layer was also 5 × 10 −3 Ω · cm.

【0029】(第3の窒化物半導体層24)次に、温度
を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用
い、アンドープIn0.05Ga0.95Nよりなる第3の窒化
物半導体層24を500オングストロームの膜厚で成長
させる。
(Third Nitride Semiconductor Layer 24) Next, the temperature is set to 800 ° C., and the third nitride semiconductor layer 24 made of undoped In 0.05 Ga 0.95 N is formed using TMG, TMI, and ammonia by 500 Å. It grows with the film thickness of.

【0030】(n側クラッド層25)次に温度を102
0℃にして、原料ガスにTMA、TMG、NH3、Si
4を用い、Siを1×1017/cm3ドープしたn型Al
0.25Ga0.75N層40オングストロームと、アンドープ
GaN層40オングストロームとを交互に40層ずつ積
層した超格子構造よりなるn側クラッド層を成長させ
る。このn側クラッド層はキャリア閉じ込め層及び光閉
じ込め層して作用する。
(N-side cladding layer 25)
0 ° C and TMA, TMG, NH 3 , Si
N-type Al doped with 1 × 10 17 / cm 3 using H 4
An n-side clad layer having a superlattice structure in which 40 Å of 0.25 Ga 0.75 N layers and 40 Å of undoped GaN layers are alternately stacked is grown. This n-side cladding layer acts as a carrier confinement layer and a light confinement layer.

【0031】(n側光ガイド層26)続いて、1020
℃でSiを1×1019/cm3ドープしたn型GaNより
なるn側光ガイド層26を0.2μmの膜厚で成長させ
る。このn側光ガイド層26は、活性層の光ガイド層と
して作用し、GaN、InGaNを成長させることが望
ましく、通常100オングストローム〜5μm、さらに
好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成
長させることが望ましい。このn側光ガイド層はアンド
ープでも良い。
(N-side light guide layer 26)
An n-side optical guide layer 26 of n-type GaN doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 is grown at a temperature of 0.2 ° C. to a thickness of 0.2 μm. The n-side light guide layer 26 functions as a light guide layer of an active layer, and is preferably used to grow GaN or InGaN, and is usually grown to a thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. desirable. This n-side light guide layer may be undoped.

【0032】(活性層27)温度を800℃にして、ま
ずSiドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オ
ングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモル
比を変化させるのみで同一温度で、SiドープIn0.01
Ga0.99Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜
厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に井戸
層を積層した多重量子井戸構造とする。
(Active Layer 27) At a temperature of 800 ° C., a well layer made of Si-doped In 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 25 Å. Next, only by changing the molar ratio of TMI, the Si-doped In 0.01
A barrier layer made of Ga 0.99 N is grown to a thickness of 50 Å. This operation is repeated twice to finally form a multiple quantum well structure in which well layers are stacked.

【0033】(p側キャップ層28)次に、温度を10
20℃にして、TMG、TMA、アンモニア、Cp2
gを用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大
きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.3Ga
0.7Nよりなるp側キャップ層28を300オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このp側キャップ層28は
好ましくはp型とするが、膜厚が薄いため、n型不純物
をドープしてキャリアが補償されたi型としても良い。
p側キャップ層28の膜厚は0.1μm以下、さらに好
ましくは500オングストローム以下、最も好ましくは
300オングストローム以下に調整する。0.1μmよ
り厚い膜厚で成長させると、p側キャップ層28中にク
ラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層
が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネル
ギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。A
lの組成比が大きいAlGaN程薄く形成するとLD素
子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.2以上のA
YGa1-YNであれば500オングストローム以下に調
整することが望ましい。p側キャップ層28の膜厚の下
限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜
厚で形成することが望ましい。
(P-side cap layer 28)
20 ° C, TMG, TMA, ammonia, Cp 2 M
with g, the band gap energy than the active layer is large, Al 0.3 Ga was 1 × 10 20 / cm3 doped with Mg
A p-side cap layer 28 of 0.7 N is grown to a thickness of 300 Å. The p-side cap layer 28 is preferably of a p-type, but may be of an i-type in which the carrier is compensated by doping an n-type impurity due to its small thickness.
The thickness of the p-side cap layer 28 is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 Å or less, and most preferably 300 Å or less. This is because if the layer is grown with a thickness greater than 0.1 μm, cracks are easily formed in the p-side cap layer 28, and it is difficult to grow a nitride semiconductor layer having good crystallinity. In addition, carriers cannot pass through the energy barrier due to the tunnel effect. A
When the composition ratio of 1 is higher, the LD element is more likely to oscillate if it is formed thinner. For example, A with a Y value of 0.2 or more
In the case of l Y Ga 1 -Y N, it is desirable to adjust the thickness to 500 Å or less. Although the lower limit of the film thickness of the p-side cap layer 28 is not particularly limited, it is preferable that the film be formed with a film thickness of 10 Å or more.

【0034】(p側光ガイド層29)続いて、1020
℃で、Mgを1×1018/cm3ドープしたGaNよりな
るp側光ガイド層26を0.2μmの膜厚で成長させ
る。このp側光ガイド層29は、n側光ガイド層26と
同じく、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、I
nGaNを成長させることが望ましく、通常100オン
グストローム〜5μm、さらに好ましくは200オング
ストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望まし
い。なおこのp側光ガイド層は、p型不純物をドープし
たが、アンドープの窒化物半導体で構成することもでき
る。
(P-side light guide layer 29)
A p-side light guide layer 26 made of GaN doped with Mg at 1 × 10 18 / cm 3 is grown at 0.2 ° C. to a thickness of 0.2 μm. The p-side light guide layer 29 acts as a light guide layer of an active layer, like the n-side light guide layer 26, and serves as a GaN, I
It is desirable to grow nGaN, preferably to a thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. The p-side light guide layer is doped with a p-type impurity, but may be made of an undoped nitride semiconductor.

【0035】(p側クラッド層30)続いて、1020
℃においてMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al
0.25Ga0.75N層40オングストロームと、アンドープ
GaN層40オングストロームとを交互に40層ずつ積
層した超格子構造よりなるp側クラッド層30を成長さ
せる。このp側クラッド層はn側クラッド層と同じくキ
ャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層して作用し、特にp
側クラッド層側を超格子とすることにより、p層の抵抗
が下がり閾値がより低下しやすい傾向にある。
(P-side cladding layer 30)
P-type Al doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3
A p-side cladding layer 30 having a superlattice structure in which 40 layers of 0.25 Ga 0.75 N layers and 40 angstroms of undoped GaN layers are alternately laminated is grown. This p-side cladding layer acts as a carrier confinement layer and an optical confinement layer like the n-side cladding layer.
By making the side cladding layer side a superlattice, the resistance of the p-layer tends to decrease and the threshold value tends to decrease more.

【0036】(p側コンタクト層31)最後に、p側ク
ラッド層30の上に、1050℃でMgを2×1020
cm3ドープしたGaNよりなるp側コンタクト層31を
150オングストロームの膜厚で成長させる。
(P-side contact layer 31) Finally, on the p-side cladding layer 30, Mg was added at 2 × 10 20 /
A p-side contact layer 31 made of GaN doped with cm 3 is grown to a thickness of 150 Å.

【0037】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700
℃でアニーリングを行い、p型不純物がドープされた層
をさらに低抵抗化する。
After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is placed in a nitrogen atmosphere in a reaction vessel.
Annealing is performed at ° C. to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity.

【0038】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図2に示すように、RIE装置で最上層のp
側コンタクト層31と、p側クラッド層30とをエッチ
ングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状と
する。特に活性層よりも上にあるAlを含む窒化物半導
体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の
発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやす
く、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面に
マスクを形成し、図2に示すように、ストライプ状のリ
ッジに対して左右対称にして、n電極34を形成すべき
第2の窒化物半導体層23の表面を露出させる。
After annealing, the wafer was taken out of the reaction vessel and, as shown in FIG.
The side contact layer 31 and the p-side cladding layer 30 are etched to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. In particular, by forming a layer of a nitride semiconductor layer containing Al or higher which is higher than the active layer into a ridge shape, light emission of the active layer is concentrated on the lower portion of the ridge, the transverse mode is easily united, and the threshold value is lowered. Cheap. After the formation of the ridge, a mask is formed on the surface of the ridge, and the surface of the second nitride semiconductor layer 23 on which the n-electrode 34 is to be formed is exposed, as shown in FIG. Let it.

【0039】次にp側コンタクト層31のリッジ最上層
のほぼ全面にNiとAuよりなるp電極32を形成す
る。一方、TiとAlよりなるn電極34をストライプ
状の第2の窒化物半導体層23のほぼ全面に形成する。
なおほぼ全面とは80%以上の面積をいう。このように
p電極32に対して左右対称に第2の窒化物半導体層2
3を露出させて、その第2の層23のほぼ全面にn電極
を設けることも、閾値を低下させる上で非常に有利であ
る。さらに、p電極とn電極との間にSiO2よりなる
絶縁膜35を形成した後、その絶縁膜35を介してp電
極32と電気的に接続したAuよりなるpパッド電極3
3を形成する。
Next, a p-electrode 32 made of Ni and Au is formed on almost the entire upper surface of the ridge of the p-side contact layer 31. On the other hand, an n-electrode 34 made of Ti and Al is formed on almost the entire surface of the stripe-shaped second nitride semiconductor layer 23.
It should be noted that substantially the entire surface refers to an area of 80% or more. Thus, the second nitride semiconductor layer 2 is symmetrical with respect to the p-electrode 32.
Exposing 3 and providing an n-electrode on almost the entire surface of the second layer 23 is also very advantageous in lowering the threshold value. Further, after an insulating film 35 made of SiO 2 is formed between the p electrode and the n electrode, the p pad electrode 3 made of Au is electrically connected to the p electrode 32 via the insulating film 35.
Form 3

【0040】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板20をラッピングし、基板の厚さを50μmと
する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μmポリ
シングして基板表面を鏡面状とする。
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate 20 on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped using a diamond abrasive. The thickness of the substrate is 50 μm. After lapping, the substrate surface is mirror-finished by polishing with a finer abrasive at 1 μm.

【0041】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極32に平
行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。この素
子をヒートシンクに設置して室温でレーザ発振を試みた
ところ、室温において、閾値電流密度2.5kA/c
m2、閾値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発
振が確認され、500時間以上の寿命を示し、従来の窒
化物半導体レーザ素子に比較して10倍以上寿命が向上
した。
After polishing the substrate, the polished surface side is scribed,
Cleavage is performed in a bar shape in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrodes, and a resonator is formed on the cleavage plane. SiO 2 and TiO 2 on the resonator surface
A dielectric multilayer film is formed, and finally the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode 32 to form a laser device. When this device was placed on a heat sink and laser oscillation was attempted at room temperature, the threshold current density was 2.5 kA / c at room temperature.
At m 2 and a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed. The lifetime was 500 hours or more, and the lifetime was improved 10 times or more as compared with the conventional nitride semiconductor laser device.

【0042】[実施例3]実施例1において、第3の窒
化物半導体層5成長時に、温度を800℃にしてTM
G、TMI、アンモニアを用い、アンドープIn0.05
0.95N層を200オングストロームの膜厚で成長させ
る他は実施例1と同様にしてLED素子を得たところ、
実施例1とほぼ同等の特性を有する素子が得られた。
Example 3 In Example 1, the temperature was raised to 800 ° C. during the growth of the third nitride semiconductor
Undoped In 0.05 G using G, TMI and ammonia
An LED element was obtained in the same manner as in Example 1, except that a 0.95 N layer was grown to a thickness of 200 Å.
An element having substantially the same characteristics as in Example 1 was obtained.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の素子で
は、活性層と基板との間にあるアンドープの第1の窒化
物半導体層で、n型不純物がドープされた第2の窒化物
半導体の結晶性を維持するように成長できるので、次に
n型不純物をドープした第2の窒化物半導体層が結晶性
よく厚膜で成長できる。さらにアンドープの第3の窒化
物半導体がその層の上に成長させる窒化物半導体層のた
めの結晶性の良い下地層となる。そのため第2の窒化物
半導体層の抵抗率を低下できて、キャリア濃度が上がる
ために、非常に効率の良い窒化物半導体素子を実現する
ことができる。このように本発明によれば、Vf、閾値
の低い発光素子が実現できるため、素子の発熱量も少な
くなり、信頼性が向上した素子を提供することができ
る。
As described above, in the device of the present invention, the undoped first nitride semiconductor layer between the active layer and the substrate is the second nitride semiconductor doped with an n-type impurity. Then, the second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity can be grown as a thick film with good crystallinity. Further, the undoped third nitride semiconductor becomes an underlayer having good crystallinity for the nitride semiconductor layer grown on the third nitride semiconductor. Therefore, the resistivity of the second nitride semiconductor layer can be reduced and the carrier concentration can be increased, so that a very efficient nitride semiconductor element can be realized. As described above, according to the present invention, a light-emitting element having a low Vf and a low threshold value can be realized. Therefore, a heat generation amount of the element is reduced and an element with improved reliability can be provided.

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

【図1】 本発明の一実施例に係るLED素子の構造を
示す模式断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of an LED element according to one embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、20・・・基板 2、21・・・バッファ層 3、22・・・第1の窒化物半導体層 4、23・・・第2の窒化物半導体層 5、24・・・第3の窒化物半導体層 6、27・・・活性層 7、30・・・p側クラッド層 8、31・・・p側コンタクト層 25・・・n側光ガイド層 26・・・n側クラッド層 28・・・p側キャップ層 29・・・p側光ガイド層 9、32・・・p電極 10、33・・・pパッド電極 11、34・・・n電極 35・・・絶縁膜 1, 20 ... substrate 2, 21 ... buffer layer 3, 22 ... first nitride semiconductor layer 4, 23 ... second nitride semiconductor layer 5, 24 ... third Nitride semiconductor layer 6, 27 ... Active layer 7, 30 ... p-side cladding layer 8, 31 ... p-side contact layer 25 ... n-side light guide layer 26 ... n-side cladding layer 28 ... p-side cap layer 29 ... p-side light guide layer 9, 32 ... p-electrode 10, 33 ... p-pad electrode 11, 34 ... n-electrode 35 ... insulating film

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Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と活性層との間に、基板側から順に
アンドープの第1の窒化物半導体層と、n型不純物がド
ープされたn導電型の第2の窒化物半導体層と、アンド
ープの第3の窒化物半導体層とを有し、 前記第2の窒化物半導体層が単層であり、その第2の窒
化物半導体層にn電極が形成され、 前記第1の窒化物半導体層、前記第2の窒化物半導体
層、前記第3の窒化物半導体層が同一組成であることを
特徴とする窒化物半導体発光素子。
An undoped first nitride semiconductor layer, an n-conductivity-type second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, and an undoped layer between a substrate and an active layer in this order from a substrate side. A third nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer, an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer Wherein the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer have the same composition.
【請求項2】 前記第1の窒化物半導体層、前記第2の
窒化物半導体層、前記第3の窒化物半導体層がGaNか
らなることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体発
光素子。
2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said first nitride semiconductor layer, said second nitride semiconductor layer, and said third nitride semiconductor layer are made of GaN. .
【請求項3】 前記第2の窒化物半導体層は超格子構造
であることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物半
導体発光素子。
3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said second nitride semiconductor layer has a superlattice structure.
【請求項4】 基板と活性層との間に、基板側から順に
アンドープの第1の窒化物半導体層と、n型不純物がド
ープされたn導電型の第2の窒化物半導体層と、アンド
ープの第3の窒化物半導体層とを有し、 前記第2の窒化物半導体層が単層であり、その第2の窒
化物半導体層にn電極が形成され、 前記第3の窒化物半導体層の抵抗率が、0.1Ω・cm
より大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
4. An undoped first nitride semiconductor layer, an n-conductivity-type second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, and an undoped layer between the substrate and the active layer in this order from the substrate side. A third nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer, an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer Has a resistivity of 0.1Ω · cm
A nitride semiconductor light emitting device characterized by being larger than the above.
【請求項5】 前記第3の窒化物半導体層がInGa
1−yNで表されるInGaNであり、そのIn混晶比
yが0.1以下であることを特徴とする請求項4記載の
窒化物半導体発光素子。
5. The method according to claim 1, wherein the third nitride semiconductor layer is made of In y Ga.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the nitride semiconductor light emitting device is InGaN represented by 1-yN , and an In mixed crystal ratio y of the InGaN is 0.1 or less.
【請求項6】 基板と活性層との間に、基板側から順に
アンドープの第1の窒化物半導体層と、n型不純物がド
ープされたn導電型の第2の窒化物半導体層と、アンド
ープの第3の窒化物半導体層とを有し、 前記第2の窒化物半導体層が単層であり、その第2の窒
化物半導体層にn電極が形成され、 前記第1の窒化物半導体層がAlGaNであることを特
徴とする窒化物半導体発光素子。
6. An undoped first nitride semiconductor layer, an n-type conductive second nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, and an undoped layer between the substrate and the active layer in this order from the substrate side. A third nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor layer is a single layer, an n-electrode is formed on the second nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer Is a nitride semiconductor light-emitting device.
【請求項7】 前記第1の窒化物半導体層が、X値が
0.2以下のAlGa1−XNであることを特徴とす
る請求項6記載の窒化物半導体発光素子。
7. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein said first nitride semiconductor layer is Al X Ga 1-X N having an X value of 0.2 or less.
【請求項8】 前記第3の窒化物半導体層の抵抗率が、
0.1Ω・cmより大きいことを特徴とする請求項6又
は7記載の窒化物半導体発光素子。
8. The resistivity of the third nitride semiconductor layer is:
The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein the nitride semiconductor light-emitting device is larger than 0.1 Ω · cm.
【請求項9】 前記基板と前記第1の窒化物半導体層と
の間に、第1の窒化物半導体層よりも低温で成長された
バッファ層を有することを特徴とする請求項1〜8のう
ちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
9. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a buffer layer grown at a lower temperature than the first nitride semiconductor layer between the substrate and the first nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of the above.
【請求項10】 前記第3の窒化物半導体層の膜厚が
0.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜9の
うちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
10. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of said third nitride semiconductor layer is 0.5 μm or less.
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