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JP2006128450A - Group iii nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents

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JP2006128450A
JP2006128450A JP2004315893A JP2004315893A JP2006128450A JP 2006128450 A JP2006128450 A JP 2006128450A JP 2004315893 A JP2004315893 A JP 2004315893A JP 2004315893 A JP2004315893 A JP 2004315893A JP 2006128450 A JP2006128450 A JP 2006128450A
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Japan
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nitride semiconductor
group iii
light
iii nitride
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Application number
JP2004315893A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Goshonoo
浩一 五所野尾
Jun Ito
潤 伊藤
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Toyoda Gosei Co Ltd
Original Assignee
Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting element which reduces the dislocation density of a group III nitride semiconductor, and reflects light coming from a light-emitting layer to head for a board effectively in taking out the light so as to improve light-emitting efficiency. <P>SOLUTION: According to the group III nitride semiconductor light-emitting element, a reflective metal layer 210 made of Al and a reflective mask layer 220 consisting of an SiO<SB>2</SB>film 221 and an SiN film 222 are formed on the board. Using these layers, a third group nitride semiconductor layer is formed on the board by a selective growth method to form the semiconductor light-emitting element. On the semiconductor layer, a transparent conductive film 10 made of an ITO is formed. Light reflected by the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220 formed on the board is sent outside as output through the transparent conductive film 10. The above structure reduces the dislocation density of the third group nitride semiconductor through the reflective mask layer 220, and enables effective reflection and takeout of light by the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子に係り、詳しくは発光素子の転移密度の低減及び発光効率の向上に関する。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor light-emitting device, and more particularly to reduction of the transition density and improvement of light emission efficiency of the light-emitting device.

従来III族窒化物半導体発光素子は、GaN基板が入手困難であり、III族窒化物半導体発光素子を得るためには、サファイア基板等の異種基板上に結晶を成長させていた。このため、基板上に成長させたIII族窒化物半導体薄膜には、108〜1010cm-2もの非常に多数の転移が生じていた。この多数の転移により、III族窒化物半導体を用いた発光素子の素子特性は悪影響を受ける。そこで、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するための種々の技術が提案されている。 Conventionally, it is difficult to obtain a GaN substrate for a group III nitride semiconductor light emitting device, and in order to obtain a group III nitride semiconductor light emitting device, a crystal is grown on a different substrate such as a sapphire substrate. For this reason, a very large number of transitions of 10 8 to 10 10 cm −2 occurred in the group III nitride semiconductor thin film grown on the substrate. Due to this large number of transitions, the device characteristics of the light emitting device using the group III nitride semiconductor are adversely affected. Therefore, various techniques for reducing the dislocation density of the group III nitride semiconductor thin film have been proposed.

また、発光素子での発光を効率よく取り出すため、屈折率の異なる多層膜を形成し、発光層からの光を反射または透過させることにより発光効率を向上させる技術も提案されている。   In addition, in order to efficiently extract light emitted from the light emitting element, a technique for improving light emission efficiency by forming a multilayer film having different refractive indexes and reflecting or transmitting light from the light emitting layer has been proposed.

これらの、特許文献として以下のものが挙げられる。
特開2003−158295 特開2001−274521 上記の特許文献1には、基板上のマスク層を形成し、選択成長技術により転位密度を低減する技術及びIII族窒化物半導体層の多層膜(DBR(Distributed Bragg Reflection)膜)により発光を効率よく取り出す構成が開示されている。
The following are mentioned as these patent documents.
JP 2003-158295 A In JP-A-2001-274521, a mask layer on a substrate is formed and a dislocation density is reduced by a selective growth technique, and a multi-layer film (DBR (Distributed Bragg Reflection) film of a group III nitride semiconductor layer) ) Discloses a configuration for efficiently extracting emitted light.

また、特許文献2には、サファイア基板上にストライプ状のZrO/SiO膜(マスク)の誘電体多層反射鏡(DBR)を設けた半導体レーザの構成が開示されている。 Patent Document 2 discloses a configuration of a semiconductor laser in which a dielectric multilayer reflecting mirror (DBR) of a striped ZrO 2 / SiO 2 film (mask) is provided on a sapphire substrate.

しかしながら、発光層からの光を反射する多層の反射膜を設ける場合、その上にIII族窒化物半導体が成長する必要があり、その材料・組成が制約されるという問題があった。また、多層の反射膜(DBR)は膜に対して垂直な光に関しては、100%に近い反射率を示すが、反射膜に対して斜めの光に関しては、その反射率が低下してしまい、特に、発光ダイオードのように、色々な方向の光を反射させる場合には、有効に機能しない場合があった。   However, when a multilayer reflective film that reflects light from the light emitting layer is provided, a group III nitride semiconductor needs to be grown thereon, and there is a problem that the material and composition thereof are restricted. In addition, the multilayer reflective film (DBR) exhibits a reflectance close to 100% with respect to light perpendicular to the film, but with respect to light oblique to the reflective film, the reflectance decreases. In particular, when light in various directions is reflected like a light emitting diode, it may not function effectively.

さらに、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するためには、多層の反射膜上の更にマスク層を形成し選択成長させる必要があり、工程が煩雑になり、製造に時間かかるという問題があった。   Furthermore, in order to reduce the dislocation density of the group III nitride semiconductor thin film, it is necessary to form a selective mask layer on the multilayer reflective film and selectively grow it, resulting in a complicated process and a long time for manufacturing. there were.

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、その目的は、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するとともに、基板方向に向かう発光層からの光を有効に反射し光を取り出しことにより、発光効率を向上させた発光素子を提供することにある。   The present invention has been made to solve these problems, and its purpose is to reduce the dislocation density of the group III nitride semiconductor thin film and effectively reflect the light from the light emitting layer toward the substrate. An object of the present invention is to provide a light-emitting element with improved light emission efficiency by extracting light.

上記課題を解決するための発明の構成は以下の通りである。   The configuration of the invention for solving the above-described problems is as follows.

請求項1の発明は、基板上にIII族窒化物半導体の選択成長を行うために部分的に設けられたマスク層と、III族窒化物半導体層上に透明導電膜が設けられたIII族窒化物半導体発光素子において、基板の上には反射金属層を有し、マスク層はIII族窒化物半導体が成長しない屈折率の異なる多層の反射マスク層からなることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。   The invention according to claim 1 is a group III nitride in which a mask layer partially provided for selective growth of a group III nitride semiconductor on a substrate and a transparent conductive film is provided on the group III nitride semiconductor layer. In a semiconductor light emitting device, a group III nitride semiconductor comprising a reflective metal layer on a substrate, and the mask layer is composed of a multilayer reflective mask layer having different refractive indexes from which a group III nitride semiconductor does not grow It is a light emitting element.

ここで、発光素子とは、基板上に半導体層を形成し、この半導体層上に透明導電膜を形成し、この透明導電膜より光を取り出す構成の半導体発光素子である。この透明導電膜が形成される半導体層は、p型半導体でもn型半導体でもいずれでも良い。p型化処理の関係で、通常、p型半導体となるが、製造技術の進化により最上層がn型半導体になる場合もあるので、透明導電膜が形成されるコンタクト層は、いずれの伝導型であっても本発明は適用可能である。   Here, the light emitting element is a semiconductor light emitting element having a structure in which a semiconductor layer is formed on a substrate, a transparent conductive film is formed on the semiconductor layer, and light is extracted from the transparent conductive film. The semiconductor layer on which the transparent conductive film is formed may be either a p-type semiconductor or an n-type semiconductor. The p-type semiconductor is usually a p-type semiconductor in relation to the p-type treatment, but the uppermost layer may be an n-type semiconductor due to the evolution of manufacturing technology. Even so, the present invention is applicable.

基板としては、たとえば、サファイア(Al23)、シリコン(Si)、炭化硅素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)、リン化ガリムウ(GaP)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(MnO)、一般式Alx Gay In1-x-y Nで表される4元、3元、2元の半導体を用いることができる。 Examples of the substrate include sapphire (Al 2 O 3 ), silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), gallium phosphide (GaP), and zinc oxide ( ZnO), magnesium oxide (MgO), manganese oxide (MnO), the general formula Al x Ga y in 1-xy N with quaternary represented, ternary, it can be used binary semiconductor.

透明導電膜としては、金属酸化物が挙げられるが、代表的には、インジウム錫酸化物(ITO)や酸化亜鉛(ZnO)を用いるのが良い。また、金属薄膜でもよく、例えば、Ni/Auまたは、Co/Auが用いられる。   Examples of the transparent conductive film include metal oxides. Typically, indium tin oxide (ITO) or zinc oxide (ZnO) is preferably used. Moreover, a metal thin film may be used, for example, Ni / Au or Co / Au is used.

多層の反射マスク層は、金属酸化物や金属窒化物やガラスが挙げられるが、代表的には、酸化硅素(SiO、SiO2 、Sixy など)、窒化硅素(SiN、Si23、Sixy など)、酸化チタン(TiO、TiO2 、Tixyなど)、窒化チタン(TiN、TiN2 、Tixy など)、酸化タンタル(TaO、TaO2、Taxy )、窒化タンタル(TaN、TaN2 、Taxy)、酸化アルミニウ(Al23 、Alxy )(以上、x、yは任意整数)または、これらを複合させた組成物から選択された複数種類の物質を周期的に積層した膜である。望ましくは、屈折率差が大きい2種類の物質を交互に積層した膜である。各膜の厚さは、反射させるべき光の多層膜内波長の1/4の整数倍に設定される。この多層の反射マスク層はDBR(distributed bragg reflector) でもある。 Examples of the multilayer reflective mask layer include metal oxide, metal nitride, and glass, but typically, silicon oxide (SiO, SiO 2 , Si x O y, etc.), silicon nitride (SiN, Si 2 N 3 , etc.). , Si x N y, etc.), titanium oxide (TiO, TiO 2 , Ti x O y etc.), titanium nitride (TiN, TiN 2 , Ti x N y etc.), tantalum oxide (TaO, TaO 2 , Ta x O y) ), Tantalum nitride (TaN, TaN 2 , Ta x N y ), aluminum oxide (Al 2 O 3 , Al x O y ) (where x and y are arbitrary integers) or a composite of these. It is a film obtained by periodically laminating a plurality of types of substances. Desirably, it is a film in which two kinds of substances having a large refractive index difference are alternately laminated. The thickness of each film is set to an integral multiple of 1/4 of the wavelength within the multilayer film of the light to be reflected. This multilayer reflective mask layer is also a DBR (distributed bragg reflector).

反射金属層は、発光した光に対する反射率が高い金属であれば任意である。望ましくは、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、ロジウム(Rh)、銀合金、アルミニウム合金、銀とアルミニウムを主成分に含む合金などである。   The reflective metal layer is optional as long as it is a metal having a high reflectance with respect to the emitted light. Desirably, silver (Ag), aluminum (Al), rhodium (Rh), a silver alloy, an aluminum alloy, an alloy containing silver and aluminum as main components, and the like.

請求項2の発明は、反射マスク層は、窒化珪素(Sixy)と二酸化珪素(SiO2)から成ることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体発光素子である。この構成の時には、同一の装置内で形成でき、発光した光の反射率を大きくすることができる。 The invention according to claim 2 is the group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the reflective mask layer is made of silicon nitride (Si x N y ) and silicon dioxide (SiO 2 ). With this configuration, it can be formed in the same apparatus, and the reflectance of emitted light can be increased.

請求項3の発明は、基板は、窒化ガリウム(GaN)、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)のうち何れか1種類であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。   According to a third aspect of the present invention, the substrate is any one of gallium nitride (GaN), sapphire, silicon carbide (SiC), and silicon (Si). This is a group III nitride semiconductor light emitting device.

請求項4の発明は、反射金属層はアルミニウム(Al)であることを特徴とする請求項1乃至請求項3記載のIII族窒化物半導体発光素子である。   A fourth aspect of the present invention is the group III nitride semiconductor light emitting device according to the first to third aspects, wherein the reflective metal layer is aluminum (Al).

反射金属層をアルムニウム(Al)で形成することにより、反射率の高い層を安価に製造することができる。   By forming the reflective metal layer with aluminium (Al), a layer with high reflectivity can be manufactured at low cost.

本発明によれば、基板上に反射金属層を設けるとともに、部分的に屈性率の異なる多層の反射マスク層を形成することにより、多層の反射層の材料・組成は、III族窒化物半導体が成長するため層である必要ははく、その材料・組成に制約を受けることなくより反射率の高い組合せを選定することができ。また、発光層よりの光を多層の反射マスク層で反射するとともに、反射マスク層に対し斜めの光は反射金属層により反射され半導体上に設けられた透明導電膜より効率よく光が取り出される。さらに、反射マスク層を介してIII族窒化物半導体が選択成長されているので、半導体中の転位密度が低減されより発光効率を向上させた発光素子を得ることができる。   According to the present invention, a reflective metal layer is provided on a substrate, and a multilayer reflective mask layer having partially different reflectivities is formed, so that the material and composition of the multilayer reflective layer is a group III nitride semiconductor. It is not necessary for the layer to grow, and a combination with higher reflectivity can be selected without being restricted by the material and composition. In addition, light from the light emitting layer is reflected by the multilayer reflective mask layer, and light oblique to the reflective mask layer is reflected by the reflective metal layer, and light is efficiently extracted from the transparent conductive film provided on the semiconductor. Furthermore, since the group III nitride semiconductor is selectively grown through the reflective mask layer, a light emitting element in which the dislocation density in the semiconductor is reduced and the light emission efficiency is further improved can be obtained.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
III族窒化物半導体発光素子の具体的な構成については後の実施例で詳しく説明するが、本発明は図1に示すように、半導体層上に設けられた透明導電膜10より光を外部に出力される。サファイア基板101上には選択成長を行うための反射マスク層220が形成されており、この反射マスク層220とサファイア基板101との間には、反射金属層210が形成されている。この反射マスク層220の少なくとも最上部はIII族窒化物半導体が成長しない組成で形成されている。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
The specific configuration of the group III nitride semiconductor light-emitting device will be described in detail in a later example. However, as shown in FIG. 1, the present invention transmits light to the outside from the transparent conductive film 10 provided on the semiconductor layer. Is output. A reflective mask layer 220 for performing selective growth is formed on the sapphire substrate 101, and a reflective metal layer 210 is formed between the reflective mask layer 220 and the sapphire substrate 101. At least the uppermost portion of the reflective mask layer 220 is formed with a composition that does not allow the group III nitride semiconductor to grow.

この反射マスク層220が形成されていない部分には、バッファ層102が形成され、このバッファ層102上にn型コンタクト層104、発光層106、p型クラッド層107、p型コンタクト層108が順次形成され、p型コンタクト層108上に透明導電膜10が形成されている。   A buffer layer 102 is formed in a portion where the reflective mask layer 220 is not formed, and an n-type contact layer 104, a light emitting layer 106, a p-type cladding layer 107, and a p-type contact layer 108 are sequentially formed on the buffer layer 102. The transparent conductive film 10 is formed on the p-type contact layer 108.

上記構成により、発光層106から透明導電膜10方向に出た光は、そのまま透明導電膜10を通して、外部に出力される。また、発光層106からサファイア基板101対し略垂直方向に出た光は、反射マスク層220で反射され透明導電膜10を通して外部に出力される。また、発光層106からサファイア基板101に対し斜めに出た光は、反射マスク層220の下に形成された反射金属層210で反射され同様に透明導電膜10から外部に出力される。なお、図1では、反射マスク層220の下のみに反射金属層210を設けたが、バッファ層またはIII族窒化物半導体が成長する金属であれば反射金属層210を基板全面に設けても良い。   With the above configuration, light emitted from the light emitting layer 106 in the direction of the transparent conductive film 10 is output to the outside through the transparent conductive film 10 as it is. Further, light emitted from the light emitting layer 106 in a direction substantially perpendicular to the sapphire substrate 101 is reflected by the reflective mask layer 220 and output to the outside through the transparent conductive film 10. Further, the light emitted obliquely from the light emitting layer 106 with respect to the sapphire substrate 101 is reflected by the reflective metal layer 210 formed under the reflective mask layer 220 and similarly output from the transparent conductive film 10 to the outside. In FIG. 1, the reflective metal layer 210 is provided only under the reflective mask layer 220. However, the reflective metal layer 210 may be provided on the entire surface of the substrate as long as the buffer layer or the group III nitride semiconductor is grown. .

このように、サファイア基板101上に、反射金属層210及び反射マスク層220を形成したので、発光層106より出た基板方向の光は、透明導電膜10の方向に有効に反射され外部に出力される。この反射マスク層220は、図2に示すようにSiO2膜221とSiN膜222を交互に繰り返して積層した多層膜で構成している。 As described above, since the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220 are formed on the sapphire substrate 101, the light in the substrate direction emitted from the light emitting layer 106 is effectively reflected in the direction of the transparent conductive film 10 and output to the outside. Is done. As shown in FIG. 2, the reflective mask layer 220 is composed of a multilayer film in which SiO 2 films 221 and SiN films 222 are alternately stacked.

また、この反射マスク層220は、選択成長を行うマスク層として機能し、この上に形成されるIII族窒化物半導体の転位密度を低減することができる。   The reflective mask layer 220 functions as a mask layer for selective growth, and can reduce the dislocation density of the group III nitride semiconductor formed thereon.

透明導電膜10の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、電子線による真空蒸着で形成するのが望ましい。反射マスク層220の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、プラズマCVD法で形成するのが望ましい。   The method for forming the transparent conductive film 10 can be sputtering, vacuum deposition, or the like, and is not particularly limited, but is preferably formed by vacuum deposition using an electron beam. The reflective mask layer 220 can be formed by sputtering, vacuum deposition, or the like, and is not particularly limited, but is preferably formed by plasma CVD.

なお、発光層を構成する単一量子井戸構造や多重量子井戸構造は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物半導体AlyGa1-y-zInzN(0≦y<1,0<z≦1)から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa1-zInzN(0≦z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きい任意の組成のIII族窒化物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa1-zInzN(0<z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないものを意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。 The single quantum well structure and the multiple quantum well structure constituting the light emitting layer have a group III nitride semiconductor Al y Ga 1 -yz In z N (0 ≦ y <1, 0 <z) containing at least indium (In). Those including a well layer of ≦ 1) are desirable. The structure of the light emitting layer includes, for example, a well layer made of doped or undoped Ga 1-z In z N (0 ≦ z ≦ 1) and a group III nitride having an arbitrary composition having a larger band gap than the well layer. Examples thereof include a barrier layer made of a physical semiconductor AlGaInN. Preferable examples are a well layer of undoped Ga 1-z In z N (0 <z ≦ 1) and a barrier layer made of undoped GaN. Here, doping means that a dopant is intentionally included in the source gas and added to the target layer, and undoping does not intentionally add a dopant without including the dopant in the source gas. Means things. Therefore, undoped includes a case where it is naturally doped by diffusing from the adjacent layer.

III族窒化物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属気相成長法(MOVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、液相成長法等が有効である。   Effective methods for crystal growth of group III nitride semiconductor layers include molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), and liquid phase epitaxy. It is.

半導体素子を構成する各層のIII族窒化物半導体は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系の半導体から成るIII−V族窒化物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。 The group III nitride semiconductor of each layer constituting the semiconductor element is at least a binary represented by Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It can be formed of a III-V nitride semiconductor composed of a ternary, ternary or quaternary semiconductor. Some of these group III elements may be replaced by boron (B) and thallium (Tl), and part of nitrogen (N) may be phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb ) Or bismuth (Bi).

更に、これらの半導体を用いてn型の層を形成する場合には、n型不純物として、SiGe、Se、Te、C等を添加し、p型の層を形成する場合には、p型不純物としては、、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。   Further, when forming an n-type layer using these semiconductors, SiGe, Se, Te, C, etc. are added as n-type impurities, and when forming a p-type layer, a p-type impurity is formed. For example, Be, Ca, Sr, Ba, or the like can be added.

図1は、本実施例1の半導体発光素子1を示す断面図であり、図2はその基板上に設けられた反射金属層、反射マスク層の部分の製造工程を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device 1 of Example 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a reflective metal layer and a reflective mask layer provided on the substrate.

厚さ100μmの透光性基板としてのサファイア基板101の上にはアルミニウム(Al)から成る膜厚500nmの反射金属層210とこの反射金属層210上にSiO膜221とSiN膜222から成る多層の反射マスク層220が形成された部分と、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約20nmのバッファ層102が形成された部分からなる。この反射金属層210及び反射マスク層220とバッファ層102は、ストライプ状に形成され、それぞれ10μmと1μmの幅で形成されている。反射金属層210及び反射マスク層の幅は、2μm〜40μmが好ましく、さらに好ましくは3μm〜20μmが好ましい。バッファ層の幅は、0.5μm〜2μmが好ましい。また両者の比率は、5:1〜20:1程度が好ましく、5:1よりバッファ層の比率が多い場合では、十分な反射が得られず、20:1よりバッファ層の比率が多い場合では、n型コンタクト層104の成長に時間がかかる。 A reflective metal layer 210 made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm is formed on a sapphire substrate 101 as a light-transmitting substrate having a thickness of 100 μm, and a multilayer made of SiO 2 film 221 and SiN film 222 on the reflective metal layer 210. The reflection mask layer 220 is formed, and the buffer layer 102 made of aluminum nitride (AlN) and having a thickness of about 20 nm is formed. The reflective metal layer 210, the reflective mask layer 220, and the buffer layer 102 are formed in stripes and have a width of 10 μm and 1 μm, respectively. The width of the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer is preferably 2 μm to 40 μm, more preferably 3 μm to 20 μm. The width of the buffer layer is preferably 0.5 μm to 2 μm. The ratio of the two is preferably about 5: 1 to 20: 1. When the ratio of the buffer layer is larger than 5: 1, sufficient reflection cannot be obtained, and when the ratio of the buffer layer is larger than 20: 1. The n-type contact layer 104 takes time to grow.

この反射マスク層220は、SiO2 膜221が80nm、SiN膜222が60nmで、12対積層させていた総合厚さは1.68μmである。各膜の厚さは、発光波長465nmの媒体内波長(SiO2の屈折率は1.46でその媒体内波長は320nm、SiNの屈折率は1.94でその媒体内波長は240nm)の1/4に設定されている。反射マスク層220の積層数は、8対以上20対以下が望ましい。8対よりも少ないと、多重反射の効果が小さくしたがって反射率が小さくなるので望ましくない。20対以上となっても、多重反射の効果が20対の反射膜以上には大きくならず反射マスク層220の全体の膜厚が厚くなるので望ましくない。 The reflective mask layer 220 has an SiO 2 film 221 of 80 nm and an SiN film 222 of 60 nm, and the total thickness of 12 pairs laminated is 1.68 μm. Each film has a thickness of 1 in the medium wavelength with an emission wavelength of 465 nm (the refractive index of SiO 2 is 1.46, the wavelength in the medium is 320 nm, the refractive index of SiN is 1.94, and the wavelength in the medium is 240 nm). / 4 is set. The number of stacked reflective mask layers 220 is desirably 8 to 20 pairs. Less than 8 pairs is not desirable because the effect of multiple reflection is small and the reflectance is therefore small. Even if there are 20 pairs or more, the effect of multiple reflection is not as great as that of 20 pairs of reflection films, and the entire film thickness of the reflection mask layer 220 is not desirable.

これら上にはシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約8.0μmの高キャリア濃度n+層であるn型コンタクト層104が形成されている。このn型コンタクト層は、部分的に設けられたバッファ層102より成長させる選択成長により、反射マスク層220上を横方向に成長させ形成されている。これにより、n型コンタクト層の転位密度は低減されている。   An n-type contact layer 104 which is a high carrier concentration n + layer having a thickness of about 8.0 μm and made of silicon (Si) -doped GaN is formed thereon. This n-type contact layer is formed by growing on the reflective mask layer 220 in the lateral direction by selective growth from the partially provided buffer layer 102. Thereby, the dislocation density of the n-type contact layer is reduced.

また、このn型コンタクト層104の電子濃度は5×1018/cm3である。この層の電子濃度は、高い程、望ましいが、2×1019/cm3まで、増加可能である。そして、n型コンタクト層104の上に、膜厚20nmのノンドープのGaNと膜厚3nmのノンドープのGa0.8In0.2Nからなる3周期分積層した多重量子井戸構造(MQW)の発光層106が形成されている。発光層106の上にはマグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る膜厚約60nmのp型クラッド層107が形成されている。さらに、p型クラッド層107の上にはマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る膜厚約130nmのp型コンタクト層108が形成されている。さらに、p型コンタクト層108の上にはITOから成る透明導電膜10が形成されている。透明導電膜10の厚さは、0.5μmである。 The n-type contact layer 104 has an electron concentration of 5 × 10 18 / cm 3 . The higher the electron concentration of this layer, the better, but it can be increased to 2 × 10 19 / cm 3 . Then, on the n-type contact layer 104, a light emitting layer 106 having a multiple quantum well structure (MQW) formed by stacking three periods of non-doped GaN having a thickness of 20 nm and non-doped Ga 0.8 In 0.2 N having a thickness of 3 nm is formed. Has been. A p-type cladding layer 107 made of magnesium (Mg) -doped Al 0.15 Ga 0.85 N and having a thickness of about 60 nm is formed on the light emitting layer 106. Further, a p-type contact layer 108 made of magnesium (Mg) -doped GaN having a thickness of about 130 nm is formed on the p-type cladding layer 107. Further, a transparent conductive film 10 made of ITO is formed on the p-type contact layer 108. The thickness of the transparent conductive film 10 is 0.5 μm.

一方、p型コンタクト層108からエッチングして、露出したn型コンタクト層104上には、n電極140が形成されている。n電極140は2重構造をしており、膜厚約18nmのバナジウム(V)層141と、膜厚約1.8μmのアルミニウム(Al)層142とをn型コンタクト層104の一部露出された部分に、順次積層させることにより構成されている。また、n電極140と対向する側の透明導電膜上には、主に膜厚約1.5μmの金(Au)からなるp電極150が形成されている。   On the other hand, an n-electrode 140 is formed on the exposed n-type contact layer 104 by etching from the p-type contact layer 108. The n-electrode 140 has a double structure, and a vanadium (V) layer 141 having a thickness of about 18 nm and an aluminum (Al) layer 142 having a thickness of about 1.8 μm are partially exposed from the n-type contact layer 104. It is configured by sequentially laminating the portions. A p-electrode 150 mainly made of gold (Au) having a film thickness of about 1.5 μm is formed on the transparent conductive film facing the n-electrode 140.

このように製造した発光素子1は、反射金属層210と反射マスク層220を用いずに、単層のマスク層で形成した発光素子に比べて、外部量子効率は、約15%向上した。   In the light-emitting element 1 manufactured in this way, the external quantum efficiency was improved by about 15% as compared with the light-emitting element formed with a single mask layer without using the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220.

次に反射金属層210と反射マスク層220の製造方法について、図2に基づき簡単に説明する。   Next, a method for manufacturing the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220 will be briefly described with reference to FIG.

まず図2(a)に示すように、サファイア基板上にスパッタリングによりアルミニウム(Al)から成る膜厚500nmの反射金属層210を形成した後、プラズマCVDによりSiO2膜221が80nm、SiN膜222が60nmで、12対積層させた(図面中では、その層の数は省略して図示している)。この上に10μmの幅のフォトマスク300を、1μmの間隔でストライプ状に形成し、ドライエッチングによりサファイア基板101まで各層を除去した(図2(b))。次に前記発光素子の構成の説明では省略したがアルミニウム(Al)からなる反射金属層を保護するためにSiOからなる保護膜223をスパッタリングにより形成し、ドライエッチングにより反射マスク層220の上面及びサファイア基板101上の保護膜を除去し、反射金属層210及び反射マスク層220の側面のみを覆うようにした。この構成により、少なくとも反射金属層210のアルミニウム(Al)が保護され、MOCVDによりIII族窒化物半導体を成長させる場合に、アルミニウム(Al)の影響をなくすことができる。
次に図2(d)に示すように、サファイア基板上に低温成長のバッファ層102を形成し後、n型コンタクト層を形成し、発光素子の各半導体層を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, after a reflective metal layer 210 made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm is formed on a sapphire substrate by sputtering, the SiO 2 film 221 is 80 nm and the SiN film 222 is formed by plasma CVD. Twelve pairs were stacked at 60 nm (in the drawing, the number of layers is omitted). A photomask 300 having a width of 10 μm was formed in a stripe shape at an interval of 1 μm thereon, and each layer was removed up to the sapphire substrate 101 by dry etching (FIG. 2B). Next, although omitted in the description of the configuration of the light emitting element, a protective film 223 made of SiO 2 is formed by sputtering in order to protect the reflective metal layer made of aluminum (Al), and the upper surface of the reflective mask layer 220 and The protective film on the sapphire substrate 101 was removed, and only the side surfaces of the reflective metal layer 210 and the reflective mask layer 220 were covered. With this configuration, at least aluminum (Al) in the reflective metal layer 210 is protected, and the influence of aluminum (Al) can be eliminated when a group III nitride semiconductor is grown by MOCVD.
Next, as shown in FIG. 2D, a low-temperature grown buffer layer 102 is formed on the sapphire substrate, an n-type contact layer is formed, and each semiconductor layer of the light emitting element is formed.

本発明は、発光素子、発光素子チップ、LEDランプ、ディスプレイなどの発光装置に用いることができる。発光装置の外部量子効率の向上に極めて有効であり、同一入力電力で比較すれば、発光出力を大きくすることができる。   The present invention can be used for light emitting devices such as light emitting elements, light emitting element chips, LED lamps, and displays. This is extremely effective in improving the external quantum efficiency of the light emitting device, and the light emission output can be increased if compared with the same input power.

本件発明の具体的な実施例にかかる発光素子の断面図。Sectional drawing of the light emitting element concerning the specific Example of this invention. 同実施例の基板と半導体層界面の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the board | substrate and semiconductor layer interface of the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…発光素子
10…透明導電膜
101…サファイア基板
102…バッファ層
104…n型コンタクト層
106…発光層
107…p型クラッド層
108…p型コンタクト層
140…n電極
150…p電極
210…反射金属層
220…反射マスク層
221…SiO
222…SiN膜
223…保護膜
300…フィトマスク







DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting element 10 ... Transparent electrically conductive film 101 ... Sapphire substrate 102 ... Buffer layer 104 ... N-type contact layer 106 ... Light emitting layer 107 ... P-type cladding layer 108 ... P-type contact layer 140 ... N electrode 150 ... P electrode 210 ... Reflection Metal layer 220 ... Reflective mask layer 221 ... SiO 2 film 222 ... SiN film 223 ... Protective film 300 ... Phyto mask







Claims (4)

基板上にIII族窒化物半導体の選択成長を行うために部分的に設けられたマスク層と、III族窒化物半導体層上に透明導電膜が設けられたIII族窒化物半導体発光素子において、
前記基板の上には反射金属層を有し、
前記マスク層はIII族窒化物半導体が成長しない屈折率の異なる多層の反射マスク層からなることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
In a group III nitride semiconductor light emitting device in which a mask layer partially provided for selective growth of a group III nitride semiconductor on a substrate and a transparent conductive film is provided on a group III nitride semiconductor layer,
A reflective metal layer on the substrate;
The group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein the mask layer is composed of a multilayer reflective mask layer having a different refractive index in which a group III nitride semiconductor does not grow.
前記反射マスク層は、窒化珪素(SixNy)と二酸化珪素(SiO2)から成ることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物半導体発光素子。   2. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the reflective mask layer is made of silicon nitride (SixNy) and silicon dioxide (SiO2). 前記基板は、窒化ガリウム(GaN)、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)のうち何れか1種類であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   The group III nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the substrate is one of gallium nitride (GaN), sapphire, silicon carbide (SiC), and silicon (Si). Light emitting element. 前記反射金属層はアルミニウム(Al)であることを特徴とする請求項1乃至請求項3記載のIII族窒化物半導体発光素子。   4. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the reflective metal layer is aluminum (Al).
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