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JP2011077109A - Nitride semiconductor light emitting diode element - Google Patents

Nitride semiconductor light emitting diode element Download PDF

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JP2011077109A JP2009224350A JP2009224350A JP2011077109A JP 2011077109 A JP2011077109 A JP 2011077109A JP 2009224350 A JP2009224350 A JP 2009224350A JP 2009224350 A JP2009224350 A JP 2009224350A JP 2011077109 A JP2011077109 A JP 2011077109A
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semiconductor layer
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Satoshi Komada
聡 駒田
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Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light emitting diode element which has high light extraction efficiency and is low in operating voltage. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor light emitting diode element includes: an n-type nitride semiconductor layer; a nitride semiconductor light emitting layer provided on the n-type nitride semiconductor layer; a p-type nitride semiconductor layer provided on the nitride semiconductor light emitting layer: an In-containing nitride semiconductor layer provided on the p-type nitride semiconductor layer; and a transparent conductive film provided on the In-containing nitride semiconductor layer. The In-containing nitride semiconductor layer contains In so as to vary in composition. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting diode device.

たとえばAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の式で表わされるIII族窒化物半導体層を用いた窒化物半導体発光ダイオード素子においては、III族窒化物半導体層の屈折率がたとえば約2.5程度と高くなるために、III族窒化物半導体層と他の材料層(たとえば基板または透明導電膜など)との界面で全反射を起こし、発光効率が低下する一因となっている。 For example, in a nitride semiconductor light emitting diode element using a group III nitride semiconductor layer represented by the formula of Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) Since the refractive index of the group III nitride semiconductor layer becomes high, for example, about 2.5, total reflection is caused at the interface between the group III nitride semiconductor layer and another material layer (for example, a substrate or a transparent conductive film). This causes a decrease in luminous efficiency.

たとえば特許文献1(特開2008−294306号公報)には、ニオブやタンタルなどの金属不純物のドープ量の調整により所望の屈折率と十分に低減された抵抗率を有する二酸化チタン層をp型窒化物半導体層に接する電極として用いた窒化物半導体発光ダイオード素子が記載されている。特許文献1に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、金属不純物がドープされた二酸化チタン層とGaN層との間の界面における全反射を抑えることによって光取り出し効率を向上させている(たとえば特許文献1の段落[0010]等参照)。   For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-294306), a titanium dioxide layer having a desired refractive index and a sufficiently reduced resistivity by adjusting the doping amount of metal impurities such as niobium and tantalum is p-type nitrided. A nitride semiconductor light-emitting diode element used as an electrode in contact with a semiconductor layer is described. In the nitride semiconductor light emitting diode device described in Patent Document 1, light extraction efficiency is improved by suppressing total reflection at the interface between the titanium dioxide layer doped with metal impurities and the GaN layer (for example, Patent (Refer to paragraph [0010] of Document 1).

また、たとえば特許文献2(特開2007−220971号公報)にも、ニオブやタンタルなどの金属不純物がドープされた二酸化チタン層をp型窒化物半導体層に接するように設けた窒化物半導体発光ダイオード素子が記載されている(たとえば特許文献2の段落[0020]および[0040]等参照)。   Also, for example, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-220971), a nitride semiconductor light emitting diode in which a titanium dioxide layer doped with a metal impurity such as niobium or tantalum is provided in contact with a p-type nitride semiconductor layer An element is described (see, for example, paragraphs [0020] and [0040] of Patent Document 2).

特開2008−294306号公報JP 2008-294306 A 特開2007−220971号公報JP 2007-220971 A

しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載された窒化物半導体発光ダイオード素子のように、ニオブやタンタルなどの金属不純物がドープされた二酸化チタン層とp型窒化物半導体層とを接触させた場合には、金属不純物がドープされた二酸化チタン層とp型窒化物半導体層との接触抵抗が高くなるために、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧が高くなるという問題があった。これは、金属不純物がドープされた二酸化チタン層がn型伝導を示すためであると考えられる。   However, when the titanium dioxide layer doped with a metal impurity such as niobium or tantalum is brought into contact with the p-type nitride semiconductor layer as in the nitride semiconductor light-emitting diode elements described in Patent Document 1 and Patent Document 2 However, the contact resistance between the titanium dioxide layer doped with the metal impurity and the p-type nitride semiconductor layer is high, so that the operating voltage of the nitride semiconductor light emitting diode device is high. This is presumably because the titanium dioxide layer doped with metal impurities exhibits n-type conduction.

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することにある。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting diode element having high light extraction efficiency and low operating voltage.

本発明は、n型窒化物半導体層と、n型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に設けられたp型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層上に設けられたIn含有窒化物半導体層と、In含有窒化物半導体層上に設けられた透明導電膜と、を含み、In含有窒化物半導体層は組成ゆらぎを有するようにInを含有する窒化物半導体発光ダイオード素子である。   The present invention relates to an n-type nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor light-emitting layer provided on the n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer provided on the nitride semiconductor light-emitting layer, and a p-type An In-containing nitride semiconductor layer provided on the nitride semiconductor layer and a transparent conductive film provided on the In-containing nitride semiconductor layer, and the In-containing nitride semiconductor layer has a composition fluctuation. Is a nitride semiconductor light-emitting diode element containing

ここで、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、In含有窒化物半導体層においてInの含有量が最大である領域と、Inの含有量が最小である領域とにおけるInの含有量の差が10原子%以上であることが好ましい。   Here, in the nitride semiconductor light-emitting diode device of the present invention, the difference in In content between the region where the In content is maximum and the region where the In content is minimum in the In-containing nitride semiconductor layer. Is preferably 10 atomic% or more.

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、透明導電膜は、n型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムのいずれかであることが好ましい。   In the nitride semiconductor light-emitting diode device of the present invention, the transparent conductive film includes a nitride semiconductor layer having an n-type conductivity, non-doped titanium dioxide not doped with metal impurities, and titanium dioxide doped with metal impurities. Alternatively, either strontium titanate is preferable.

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電膜のIn含有窒化物半導体層側とは反対側の表面が凹凸を有していることが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting diode element of the present invention, it is preferable that the surface of the transparent conductive film on the side opposite to the In-containing nitride semiconductor layer side has irregularities.

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子は、透明導電膜上に設けられた透明絶縁膜をさらに含み、透明導電膜のIn含有窒化物半導体層側とは反対側の表面および透明絶縁膜の透明導電膜側とは反対側の表面の少なくとも一方の表面が凹凸を有していることが好ましい。   The nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention further includes a transparent insulating film provided on the transparent conductive film, the surface of the transparent conductive film opposite to the In-containing nitride semiconductor layer side, and the transparent insulating film It is preferable that at least one surface of the surface opposite to the transparent conductive film side has irregularities.

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、In含有窒化物半導体層の厚さが5nm以上であることが好ましい。   In the nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention, the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer is preferably 5 nm or more.

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、In含有窒化物半導体層の厚さが窒化物半導体発光層の厚さよりも厚いことが好ましい。   In the nitride semiconductor light emitting diode device of the present invention, it is preferable that the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer is larger than the thickness of the nitride semiconductor light emitting layer.

本発明によれば、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することができる。   According to the present invention, a nitride semiconductor light emitting diode element having high light extraction efficiency and low operating voltage can be provided.

実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment. 実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another part of the manufacturing process of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another part of the manufacturing process of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another part of the manufacturing process of the example of the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment. FIG. 実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態4の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 4. FIG. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about a part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrated about another part of manufacturing process of the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example. 実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the nitride semiconductor light-emitting diode element of an Example.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

<実施の形態1>
図1に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 1 which is an example of the nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention.

実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板1と、基板1の表面に接して設けられたn型窒化物半導体層2と、n型窒化物半導体層2の表面に接して設けられた窒化物半導体発光層3と、窒化物半導体発光層3の表面に接して設けられたp型窒化物半導体層4と、p型窒化物半導体層4の表面に接して設けられたIn含有窒化物半導体層5と、In含有窒化物半導体層5に接して設けられた透明導電膜6と、透明導電膜6の表面に接して設けられたp側電極8と、n型窒化物半導体層2の露出表面に接して設けられたn側電極7と、を備えている。   The nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment is provided in contact with the substrate 1, the n-type nitride semiconductor layer 2 provided in contact with the surface of the substrate 1, and the surface of the n-type nitride semiconductor layer 2. The nitride semiconductor light emitting layer 3, the p-type nitride semiconductor layer 4 provided in contact with the surface of the nitride semiconductor light emitting layer 3, and the In-containing nitride provided in contact with the surface of the p-type nitride semiconductor layer 4 The semiconductor layer 5, the transparent conductive film 6 provided in contact with the In-containing nitride semiconductor layer 5, the p-side electrode 8 provided in contact with the surface of the transparent conductive film 6, and the n-type nitride semiconductor layer 2 And an n-side electrode 7 provided in contact with the exposed surface.

ここで、In含有窒化物半導体層5はInを含有するp型の窒化物半導体層であって、In含有窒化物半導体層5はInの組成ゆらぎを有している。なお、「Inの組成ゆらぎ」とは、In含有窒化物半導体層5の厚さ方向、長さ方向および横方向の少なくとも1つの方向の少なくとも一部においてIn組成(Inの含有量)が変化していることを意味する。   Here, the In-containing nitride semiconductor layer 5 is a p-type nitride semiconductor layer containing In, and the In-containing nitride semiconductor layer 5 has an In composition fluctuation. The “In composition fluctuation” means that the In composition (In content) changes in at least part of at least one of the thickness direction, the length direction, and the lateral direction of the In-containing nitride semiconductor layer 5. Means that

以下、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。   Hereinafter, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment will be described.

まず、図2の模式的断面図に示すように、たとえばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法などによって、基板1の表面上に、n型窒化物半導体層2、窒化物半導体発光層3およびp型窒化物半導体層4をこの順序で積層する。   First, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, the n-type nitride semiconductor layer 2 and nitride are formed on the surface of the substrate 1 by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). The semiconductor light emitting layer 3 and the p-type nitride semiconductor layer 4 are stacked in this order.

ここで、基板1としては、たとえば、窒化ガリウム(GaN)基板、炭化珪素(SiC)基板、サファイア基板、スピネル基板または酸化亜鉛(ZnO)基板などの様々な基板を用いることができる。なお、基板1としては、サファイア基板を用いることが好ましい。基板1としてサファイア基板を用いた場合には、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造コストを低減することができるとともに、安定して実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造することができる傾向にある。   Here, as the substrate 1, for example, various substrates such as a gallium nitride (GaN) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a sapphire substrate, a spinel substrate, or a zinc oxide (ZnO) substrate can be used. Note that a sapphire substrate is preferably used as the substrate 1. When a sapphire substrate is used as the substrate 1, the manufacturing cost of the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment can be reduced, and the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment can be stably manufactured. Tend to be able to.

また、n型窒化物半導体層2としては、たとえば、Alx1Gay1Inz1Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦z1≦1、x1+y1+z1≠0)にn型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、n型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび/またはゲルマニウムなどをドーピングすることができる。 Further, as the n-type nitride semiconductor layer 2, for example, a nitride semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor represented by the formula of Al x1 Ga y1 In z1 N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, (0 ≦ z1 ≦ 1, x1 + y1 + z1 ≠ 0) and a layer doped with an n-type dopant can be stacked. As the n-type dopant, for example, silicon and / or germanium can be doped.

また、窒化物半導体活性層3としては、たとえば、互いに組成の異なる、Alx2Gay2Inz2Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体井戸層(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2≠0)と、窒化物半導体井戸層よりもバンドギャップの大きいAlx3Gay3Inz3Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体障壁層(0≦x3≦1、0≦y3≦1、0≦z3≦1、x3+y3+z3≠0)とを1層ずつ交互に積層した積層体などを積層することができる。窒化物半導体活性層3における窒化物半導体井戸層の数は、たとえば6層とすることができるがこれに限定されるものではない。なお、窒化物半導体活性層3は、上記の窒化物半導体井戸層を1層のみ有する単一量子井戸構造であってもよく、上記の窒化物半導体井戸層を複数層有する多重量子井戸構造であってもよい。 The nitride semiconductor active layer 3 is, for example, a nitride semiconductor well layer (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 made of a group III nitride semiconductor represented by the formula Al x2 Ga y2 In z2 N having different compositions. ≦ y2 ≦ 1, 0 ≦ z2 ≦ 1, x2 + y2 + z2 ≠ 0), and a nitride semiconductor composed of a group III nitride semiconductor represented by the formula Al x3 Ga y3 In z3 N having a larger band gap than the nitride semiconductor well layer A stacked body in which barrier layers (0 ≦ x3 ≦ 1, 0 ≦ y3 ≦ 1, 0 ≦ z3 ≦ 1, x3 + y3 + z3 ≠ 0) are alternately stacked one by one can be stacked. The number of nitride semiconductor well layers in the nitride semiconductor active layer 3 can be six layers, for example, but is not limited thereto. The nitride semiconductor active layer 3 may have a single quantum well structure having only one nitride semiconductor well layer or a multiple quantum well structure having a plurality of nitride semiconductor well layers. May be.

また、p型窒化物半導体層4としては、たとえばAlx4Gay4Inz4Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1、x4+y4+z4≠0)にp型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、p型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムおよび/または亜鉛などをドーピングすることができる。 In addition, as the p-type nitride semiconductor layer 4, for example, a nitride semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor represented by the formula of Al x4 Ga y4 In z4 N (0 ≦ x4 ≦ 1, 0 ≦ y4 ≦ 1, 0 ≦ z4 ≦ 1, x4 + y4 + z4 ≠ 0) and a layer doped with a p-type dopant can be stacked. As the p-type dopant, for example, magnesium and / or zinc can be doped.

次に、図3の模式的断面図に示すように、たとえばMOCVD法などによって、p型窒化物半導体層4の表面上にIn含有窒化物半導体層5を積層する。   Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 3, the In-containing nitride semiconductor layer 5 is stacked on the surface of the p-type nitride semiconductor layer 4 by, for example, MOCVD.

ここで、In含有窒化物半導体層5としては、たとえばAlx5Gay5Inz5Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x5≦1、0≦y5≦1、0<z5≦1)にp型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。 Here, as the In-containing nitride semiconductor layer 5, for example, a nitride semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor represented by the formula of Al x5 Ga y5 In z5 N (0 ≦ x5 ≦ 1, 0 ≦ y5 ≦ 1, A layer doped with a p-type dopant in 0 <z5 ≦ 1) can be stacked.

In含有窒化物半導体層5は、In含有窒化物半導体層5のInの組成ゆらぎによってIn組成が変化している部分を有するが、In含有窒化物半導体層5の一部に形成されるIn組成が高い部分において透明導電膜6との接触抵抗を低減することができるため、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を低減することができる傾向にある。   The In-containing nitride semiconductor layer 5 has a portion in which the In composition is changed by the In composition fluctuation of the In-containing nitride semiconductor layer 5, but the In composition formed in a part of the In-containing nitride semiconductor layer 5. Since it is possible to reduce the contact resistance with the transparent conductive film 6 at a high part, the operating voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment tends to be reduced.

In含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との接触抵抗を低減することができる理由としては、(i)In含有窒化物半導体層5にピエゾ電界が生じること、(ii)In含有窒化物半導体層5の透明導電膜6との接触面を構成する窒化物半導体のバンドギャップを小さくできること、(iii)In含有窒化物半導体層5の透明導電膜6との接触面を構成する窒化物半導体がミスフィット転位を生じること、および(iv)In含有窒化物半導体層5の透明導電膜6との接触面を構成する窒化物半導体に点欠陥が生じることなどが挙げられる。   The reason why the contact resistance between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 can be reduced is that (i) a piezo electric field is generated in the In-containing nitride semiconductor layer 5, and (ii) In-containing nitride The band gap of the nitride semiconductor constituting the contact surface of the semiconductor layer 5 with the transparent conductive film 6 can be reduced, and (iii) the nitride semiconductor constituting the contact surface of the In-containing nitride semiconductor layer 5 with the transparent conductive film 6 Cause misfit dislocations, and (iv) point defects occur in the nitride semiconductor constituting the contact surface of the In-containing nitride semiconductor layer 5 with the transparent conductive film 6.

In含有窒化物半導体層5中におけるInの組成ゆらぎは、In含有窒化物半導体層5の厚さ方向において数nm(1nm以上10nm以下)の厚さ単位でInの組成が変化することにより形成されていることが好ましい。この場合には、In含有窒化物半導体層5中におけるIn組成の大きい領域が量子化する傾向にあるため、In含有窒化物半導体層5中のIn組成の大きい領域のIn組成が窒化物半導体活性層3のIn組成よりも大きくなった場合でも、窒化物半導体活性層3から発光する光の吸収を抑えることができる傾向にある。   The composition fluctuation of In in the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed when the composition of In changes in thickness units of several nm (1 nm or more and 10 nm or less) in the thickness direction of the In-containing nitride semiconductor layer 5. It is preferable. In this case, since the region with a large In composition in the In-containing nitride semiconductor layer 5 tends to be quantized, the In composition in the region with a large In composition in the In-containing nitride semiconductor layer 5 is active in the nitride semiconductor activity. Even when the In composition of the layer 3 becomes larger, the absorption of light emitted from the nitride semiconductor active layer 3 tends to be suppressed.

In含有窒化物半導体層5においてInの含有量が最大である領域と、Inの含有量が最小である領域とにおけるInの含有量の差が10原子%以上であることが好ましい。この場合には、In含有窒化物半導体層5を、In組成が低い領域における窒化物半導体活性層3から発光する光の透過の確保と、In組成が高い領域における透明導電膜6との接触抵抗の低減とを兼ね備えた層とすることができる傾向にある。ここで、In含有窒化物半導体層5においてInの含有量が最大である領域は、透明導電膜6と接触する領域であることが好ましい。In含有窒化物半導体層5のInの含有量が最大である領域が透明導電膜6と接触する領域である場合には、In含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との接触抵抗が大きく低減して、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を大きく低減することができる傾向にある。   In the In-containing nitride semiconductor layer 5, the difference in In content between the region having the maximum In content and the region having the minimum In content is preferably 10 atomic% or more. In this case, the In-containing nitride semiconductor layer 5 is ensured to transmit light emitted from the nitride semiconductor active layer 3 in a region with a low In composition, and contact resistance with the transparent conductive film 6 in a region with a high In composition. There is a tendency that the layer can be combined with the reduction of. Here, in the In-containing nitride semiconductor layer 5, the region having the maximum In content is preferably a region in contact with the transparent conductive film 6. When the region where the In content of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is maximum is a region in contact with the transparent conductive film 6, the contact resistance between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 is large. Therefore, the operating voltage of the nitride semiconductor light emitting diode element tends to be greatly reduced.

なお、In含有窒化物半導体層5におけるInの組成ゆらぎは、たとえばTEM(Transmission Electron Microscopy)とAPT(Three-dimensional atom probe tomography)とを組み合わせることによって評価することができる。   The composition fluctuation of In in the In-containing nitride semiconductor layer 5 can be evaluated by combining, for example, TEM (Transmission Electron Microscopy) and APT (Three-dimensional atom probe tomography).

また、(a)In含有窒化物半導体層5の厚さを厚く形成すること、および(b)In含有窒化物半導体層5を形成した後にIn含有窒化物半導体層5を高温(たとえば900℃以上)に加熱することの少なくとも一方を採用することによってIn含有窒化物半導体層5中におけるInの組成ゆらぎをさらに大きくすることが可能である。   Also, (a) the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed thick, and (b) the In-containing nitride semiconductor layer 5 is heated to a high temperature (for example, 900 ° C. or higher) after the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed. It is possible to further increase the composition fluctuation of In in the In-containing nitride semiconductor layer 5 by adopting at least one of heating to (1).

すなわち、(a)In含有窒化物半導体層5の厚さを厚く形成した場合には、In含有窒化物半導体層5中のエネルギを小さくするためにInの組成分離(In組成の高い領域と低い領域との分離)が起こりやすくなることから、In含有窒化物半導体層5中におけるInの組成ゆらぎを大きくすることができる。   That is, (a) when the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed thick, in order to reduce the energy in the In-containing nitride semiconductor layer 5, the In composition separation (a region with a high In composition and a low one) (Separation from the region) is likely to occur, and the composition fluctuation of In in the In-containing nitride semiconductor layer 5 can be increased.

ここで、In含有窒化物半導体層5の厚さは5nm以上であることが好ましい。In含有窒化物半導体層5の厚さが5nm以上である場合には、In含有窒化物半導体層5中におけるInの組成ゆらぎをさらに大きくすることができる傾向にある。なお、In含有窒化物半導体層5の厚さは、窒化物半導体活性層3から発光する光の吸収を低減する観点から、100nm以下とすることが好ましい。   Here, the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is preferably 5 nm or more. When the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is 5 nm or more, the In compositional fluctuation in the In-containing nitride semiconductor layer 5 tends to be further increased. The thickness of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is preferably set to 100 nm or less from the viewpoint of reducing absorption of light emitted from the nitride semiconductor active layer 3.

また、In含有窒化物半導体層5の厚さは窒化物半導体活性層3の厚さよりも厚いことが好ましい。In含有窒化物半導体層5の厚さが窒化物半導体活性層3の厚さよりも厚い場合には、窒化物半導体活性層3の厚さが薄いことによりその後に受ける熱ダメージをIn含有窒化物半導体層5よりも小さくすることができることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑止することができる傾向にある。   The In-containing nitride semiconductor layer 5 is preferably thicker than the nitride semiconductor active layer 3. When the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is larger than the thickness of the nitride semiconductor active layer 3, the In-containing nitride semiconductor suffers from subsequent thermal damage due to the thin thickness of the nitride semiconductor active layer 3. Since it can be made smaller than the layer 5, there is a tendency that a decrease in the light emission efficiency of the nitride semiconductor light emitting diode element can be suppressed.

また、(b)In含有窒化物半導体層5を形成した後(In含有窒化物半導体層5上にさらに他の層を形成した後であってもよい。)にIn含有窒化物半導体層5を高温(たとえば900℃以上)に加熱した場合には、その加熱における熱エネルギによってInの組成分離を促進することができる。   (B) After the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed (may be after another layer is formed on the In-containing nitride semiconductor layer 5), the In-containing nitride semiconductor layer 5 is formed. When heated to a high temperature (for example, 900 ° C. or higher), the composition separation of In can be promoted by the heat energy in the heating.

ここで、In含有窒化物半導体層5を高温に加熱することによってIn含有窒化物半導体層5が熱によるダメージを受けることで生じる熱ダメージ層の厚さは5nm以上であることが好ましい。熱ダメージ層の厚さが5nm以上である場合には、熱ダメージを受けることによって生じる歪みによるエネルギが蓄積され、その蓄積されたエネルギを緩和するためにInの組成分離が熱ダメージ層において起こりやすくなる。したがって、この観点からも、In含有窒化物半導体層5の厚さは5nm以上であることが好ましい。   Here, it is preferable that the thickness of the thermal damage layer generated when the In-containing nitride semiconductor layer 5 is damaged by heat by heating the In-containing nitride semiconductor layer 5 to a high temperature is 5 nm or more. When the thickness of the thermal damage layer is 5 nm or more, energy due to distortion caused by thermal damage is accumulated, and In composition separation is likely to occur in the thermal damage layer in order to reduce the accumulated energy. Become. Therefore, also from this viewpoint, the thickness of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is preferably 5 nm or more.

次に、図4の模式的断面図に示すように、たとえばスパッタ法などによって、In含有窒化物半導体層5の表面上に透明導電膜6を積層して積層体を形成する。   Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 4, a transparent conductive film 6 is laminated on the surface of the In-containing nitride semiconductor layer 5 by, for example, a sputtering method to form a laminate.

ここで、透明導電膜6としては、窒化物半導体活性層3から発光した光を透過させることができ、かつIn含有窒化物半導体層5と屈折率差の小さい材質を用いることが好ましい。この場合には、窒化物半導体活性層3から発光した光のうちIn含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との界面で全反射する光の量を低減することができるため、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上させることができる傾向にある。   Here, as the transparent conductive film 6, it is preferable to use a material that can transmit light emitted from the nitride semiconductor active layer 3 and has a small refractive index difference from the In-containing nitride semiconductor layer 5. In this case, the amount of light totally reflected at the interface between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 among the light emitted from the nitride semiconductor active layer 3 can be reduced. It tends to be possible to improve the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting diode element No. 1.

たとえば、In含有窒化物半導体層5として上記のAlx5Gay5Inz5Nの式(0≦x5≦1、0≦y5≦1、0<z5≦1)で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にp型ドーパントをドーピングした層が用いられる場合には、透明導電膜6としてはn型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムが用いられることが好ましい。この場合には、In含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との屈折率差が小さくなるため(たとえば、In含有窒化物半導体層5の屈折率が約2.5に対して、透明導電膜6の屈折率が約2.3〜2.5)、窒化物半導体活性層3から発光した光のうちIn含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との界面で全反射する光の量を低減することができ、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上させることができる傾向にある。 For example, the In-containing nitride semiconductor layer 5 is made of a group III nitride semiconductor represented by the above formula of Al x5 Ga y5 In z5 N (0 ≦ x5 ≦ 1, 0 ≦ y5 ≦ 1, 0 <z5 ≦ 1). When a layer doped with a p-type dopant is used for the nitride semiconductor layer, the transparent conductive film 6 is an n-type conductivity nitride semiconductor layer, non-doped titanium dioxide that is not doped with metal impurities, metal It is preferable to use titanium dioxide or strontium titanate doped with impurities. In this case, since the difference in refractive index between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 is small (for example, the refractive index of the In-containing nitride semiconductor layer 5 is approximately 2.5, while the transparent conductive film The amount of light totally reflected at the interface between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 out of the light emitted from the nitride semiconductor active layer 3. There is a tendency that the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light-emitting diode device of the first embodiment can be improved.

ここで、n型の導電型を有する窒化物半導体層としては、たとえばn型GaNを用いることができる。   Here, as the nitride semiconductor layer having n-type conductivity, for example, n-type GaN can be used.

また、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタンとしては、たとえばニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金などの金属不純物がドープされていない二酸化チタンなどを用いることができる。   Non-doped titanium dioxide that is not doped with metal impurities includes, for example, niobium, tantalum, molybdenum, arsenic, antimony, aluminum, tungsten, titanium, cerium, copper, chromium, and platinum, which are not doped with metal impurities. Titanium or the like can be used.

また、金属不純物がドープされた二酸化チタンとしては、たとえばニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金からなる群から選択された少なくとも1種の金属不純物がドープされた二酸化チタンを用いることができる。   The titanium dioxide doped with metal impurities is, for example, at least one metal impurity selected from the group consisting of niobium, tantalum, molybdenum, arsenic, antimony, aluminum, tungsten, titanium, cerium, copper, chromium, and platinum. Can be used.

また、透明導電膜6としては、チタン酸ストロンチウムを用いることもできる。
なかでも、透明導電膜6の材質としては、10原子%以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンを用いることが好ましい。透明導電膜6の材質として10原子%以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンを用いた場合には、たとえば1×10-3Ωcm以下といった低い抵抗率を有するとともに、窒化物半導体活性層3から発光した光を含む可視光に対してたとえば80%の高い透過率を有する透明導電膜6を得ることができる。そのため、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率がさらに向上するとともに、動作電圧がさらに低下する傾向にある。
As the transparent conductive film 6, strontium titanate can also be used.
Especially, as a material of the transparent conductive film 6, it is preferable to use titanium dioxide doped with niobium at a concentration of 10 atomic% or less. When titanium dioxide doped with niobium at a concentration of 10 atomic% or less is used as the material of the transparent conductive film 6, the nitride semiconductor active layer 3 has a low resistivity of, for example, 1 × 10 −3 Ωcm or less. The transparent conductive film 6 having a high transmittance of, for example, 80% with respect to visible light including light emitted from can be obtained. Therefore, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the first embodiment is further improved and the operating voltage tends to be further reduced.

次に、図5の模式的断面図に示すように、図4に示す積層体の一部をエッチングなどにより除去することによって、n型窒化物半導体層2の表面の一部を露出させる。   Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 5, a part of the surface of the n-type nitride semiconductor layer 2 is exposed by removing a part of the stacked body shown in FIG. 4 by etching or the like.

その後、図1に示すように、たとえばEB蒸着法などによって、n型窒化物半導体層2の露出面にn側電極7を形成するとともに、透明導電膜6の表面上にp側電極8を形成することによって、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる。   Thereafter, as shown in FIG. 1, the n-side electrode 7 is formed on the exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer 2 by, for example, EB vapor deposition, and the p-side electrode 8 is formed on the surface of the transparent conductive film 6. As a result, the nitride semiconductor light-emitting diode element of the first embodiment can be obtained.

上記のようにして作製された図1に示す構成の実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、In含有窒化物半導体層5における透明導電膜6との接触面を構成する窒化物半導体のIn組成が大きくなるようにInの組成ゆらぎを設けるとともに、In含有窒化物半導体層5との屈折率差が小さい材質からなる透明導電膜6をIn含有窒化物半導体層5と接触するように設けている。   In the nitride semiconductor light-emitting diode device of the first embodiment having the configuration shown in FIG. 1 manufactured as described above, the nitride semiconductor constituting the contact surface with the transparent conductive film 6 in the In-containing nitride semiconductor layer 5 In addition, the In composition fluctuation is provided so that the In composition becomes large, and the transparent conductive film 6 made of a material having a small refractive index difference from the In-containing nitride semiconductor layer 5 is brought into contact with the In-containing nitride semiconductor layer 5. Provided.

そのため、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp側電極8からn側電極7に向けて電流を流すことによって窒化物半導体発光層3から発生した光のうちIn含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との界面で全反射する光の量を低減することができるとともに、In含有窒化物半導体層5と透明導電膜6との接触抵抗を低減することができる。   Therefore, the In-containing nitride semiconductor layer 5 out of the light generated from the nitride semiconductor light-emitting layer 3 by flowing a current from the p-side electrode 8 to the n-side electrode 7 of the nitride semiconductor light-emitting diode element of the first embodiment. The amount of light totally reflected at the interface between the transparent conductive film 6 and the transparent conductive film 6 can be reduced, and the contact resistance between the In-containing nitride semiconductor layer 5 and the transparent conductive film 6 can be reduced.

これにより、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子とすることができる。   Thereby, the nitride semiconductor light-emitting diode element of the first embodiment can be a nitride semiconductor light-emitting diode element having high light extraction efficiency and low operating voltage.

<実施の形態2>
図6に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板1のn型窒化物半導体層2側の表面が凹凸9を有していることを特徴としている。
<Embodiment 2>
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 2, which is another example of the nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention. The nitride semiconductor light-emitting diode element according to the second embodiment is characterized in that the surface of the substrate 1 on the n-type nitride semiconductor layer 2 side has irregularities 9.

実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板1のn型窒化物半導体層2側の表面に凹凸9を設けていることによって、窒化物半導体発光層3から発生した光のうち基板1側に進行した光の基板1の表面の凹凸9による光の散乱効果および回折効果により、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことができる。   In the nitride semiconductor light-emitting diode element according to the second embodiment, the substrate 9 of the light generated from the nitride semiconductor light-emitting layer 3 is provided by providing the unevenness 9 on the surface of the substrate 1 on the n-type nitride semiconductor layer 2 side. Due to the light scattering effect and diffraction effect due to the unevenness 9 on the surface of the substrate 1 of the light traveling to the 1 side, more light can be extracted outside than the nitride semiconductor light emitting diode element of the first embodiment.

したがって、実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態1の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて光取り出し効率をさらに高くすることができる。   Therefore, the nitride semiconductor light-emitting diode element of the second embodiment can further increase the light extraction efficiency as compared with the nitride semiconductor light-emitting diode element of the first embodiment.

なお、基板1の表面の凹凸9は、たとえば基板1のn型窒化物半導体層2側の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。   The unevenness 9 on the surface of the substrate 1 can be formed, for example, by etching the surface of the substrate 1 on the n-type nitride semiconductor layer 2 side.

ここで、基板1の表面の凹凸9における凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の深さに形成されている。   Here, a plurality of recesses in the unevenness 9 on the surface of the substrate 1 are formed at intervals of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less, and each recess is formed at a depth of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less.

実施の形態2における上記以外の説明は実施の形態1と同様であるため、ここではその説明については省略する。   Since the description other than the above in the second embodiment is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

<実施の形態3>
図7に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板1のn型窒化物半導体層2側の表面が凹凸9を有しているとともに、透明導電膜6のIn含有窒化物半導体層5側とは反対側の表面が凹凸10を有していることを特徴としている。
<Embodiment 3>
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 3, which is another example of the nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention. In the nitride semiconductor light-emitting diode element of the third embodiment, the surface of the substrate 1 on the n-type nitride semiconductor layer 2 side has irregularities 9 and the transparent conductive film 6 on the In-containing nitride semiconductor layer 5 side. It is characterized in that the surface on the opposite side of the surface has irregularities 10.

実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板1のn型窒化物半導体層2側の表面に凹凸9および透明導電膜6のIn含有窒化物半導体層5側とは反対側の表面に凹凸10をそれぞれ設けていることによって、基板1の表面の凹凸9および透明導電膜6の表面の凹凸10による光の散乱効果および回折効果により、実施の形態1および実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことができる。   In the nitride semiconductor light-emitting diode device of the third embodiment, the surface of substrate 1 on the n-type nitride semiconductor layer 2 side is the surface opposite to unevenness 9 and transparent conductive film 6 on the In-containing nitride semiconductor layer 5 side. By providing the projections and depressions 10 on the respective surfaces, the nitrides of the first and second embodiments can be obtained by the light scattering effect and the diffraction effect of the projections and depressions 9 on the surface of the substrate 1 and the projections and depressions 10 on the surface of the transparent conductive film 6. More light than the semiconductor light emitting diode element can be extracted to the outside.

したがって、実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態1および実施の形態2の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて光取り出し効率をさらに高くすることができる。   Therefore, the nitride semiconductor light-emitting diode element of the third embodiment can further increase the light extraction efficiency as compared with the nitride semiconductor light-emitting diode elements of the first and second embodiments.

ここで、透明導電膜6の表面の凹凸10における凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の深さに形成されている。   Here, a plurality of recesses in the unevenness 10 on the surface of the transparent conductive film 6 are formed at intervals of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less, and each recess is formed at a depth of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less. .

また、実施の形態3の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板1の表面に凹凸9を形成せずに、透明導電膜6のIn含有窒化物半導体層5側とは反対側の表面のみに凹凸10を形成してもよい。   Further, in the nitride semiconductor light-emitting diode element of the third embodiment, the unevenness 9 is not formed on the surface of the substrate 1 and only on the surface opposite to the In-containing nitride semiconductor layer 5 side of the transparent conductive film 6. The unevenness 10 may be formed.

また、透明導電膜6の表面の凹凸10は、たとえば透明導電膜6の形成後に透明導電膜6の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。   Further, the unevenness 10 on the surface of the transparent conductive film 6 can be formed, for example, by etching the surface of the transparent conductive film 6 after the formation of the transparent conductive film 6.

実施の形態3における上記以外の説明は実施の形態1および実施の形態2と同様であるため、ここではその説明については省略する。   Since the description other than the above in the third embodiment is the same as that in the first and second embodiments, the description thereof is omitted here.

<実施の形態4>
図8に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態4の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態4の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電膜6の表面に接するように透明絶縁膜20が設けられており、透明絶縁膜20が透明導電膜6側とは反対側の表面に凹凸21を有していることを特徴としている。
<Embodiment 4>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor light-emitting diode element according to Embodiment 4, which is another example of the nitride semiconductor light-emitting diode element of the present invention. In the nitride semiconductor light emitting diode element of the fourth embodiment, a transparent insulating film 20 is provided so as to be in contact with the surface of the transparent conductive film 6, and the surface of the transparent insulating film 20 opposite to the transparent conductive film 6 side is provided. It has a feature that it has irregularities 21.

実施の形態4の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明絶縁膜20の透明導電膜6側とは反対側の表面に凹凸21が設けられていることによって、透明絶縁膜20の表面の凹凸21による光の散乱効果および回折効果により、光の取り出し効率を高くすることができる傾向にある。   In the nitride semiconductor light emitting diode element according to the fourth embodiment, the unevenness 21 on the surface of the transparent insulating film 20 is provided by providing the unevenness 21 on the surface of the transparent insulating film 20 opposite to the transparent conductive film 6 side. Due to the light scattering effect and diffraction effect, the light extraction efficiency tends to be increased.

ここで、透明絶縁膜20としては、窒化物半導体活性層3から発光した光を透過させることができ、かつ抵抗率が1×104Ωcm以上の材質の膜を用いることができる。 Here, as the transparent insulating film 20, a film that can transmit light emitted from the nitride semiconductor active layer 3 and has a resistivity of 1 × 10 4 Ωcm or more can be used.

また、透明絶縁膜20の表面の凹凸21は、たとえば透明絶縁膜20の形成後に透明絶縁膜20の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。   Further, the unevenness 21 on the surface of the transparent insulating film 20 can be formed, for example, by etching the surface of the transparent insulating film 20 after the transparent insulating film 20 is formed.

また、透明絶縁膜20の表面の凹凸21における凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば0.05μm以上10μm以下の深さに形成されている。   Further, a plurality of recesses in the unevenness 21 on the surface of the transparent insulating film 20 are formed at intervals of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less, and each recess is formed at a depth of, for example, 0.05 μm or more and 10 μm or less.

なお、実施の形態4の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明絶縁膜20の表面に凹凸21を形成するのに加えて、たとえば実施の形態3のように、透明導電膜6のIn含有窒化物半導体層5側とは反対側の表面の少なくとも一部に凹凸を形成してもよい。   In the nitride semiconductor light emitting diode element of the fourth embodiment, in addition to forming the irregularities 21 on the surface of the transparent insulating film 20, for example, as in the third embodiment, the In-containing nitride of the transparent conductive film 6 is used. Concavities and convexities may be formed on at least part of the surface opposite to the physical semiconductor layer 5 side.

実施の形態4における上記以外の説明は実施の形態1〜3と同様であるため、ここではその説明については省略する。   Since the description other than the above in the fourth embodiment is the same as that in the first to third embodiments, the description thereof is omitted here.

(実施例)
まず、図9の模式的断面図に示すサファイア基板11を用意し、そのサファイア基板11をMOCVD装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素ガスを流しながらサファイア基板11の温度を1050℃に上昇させることによってサファイア基板11の凹凸の表面(C面)のクリーニングを行なう。ここで、サファイア基板11の表面の凹凸において、凹部は2μm間隔で複数形成されており、個々の凹部は1μmの深さに形成されている。
(Example)
First, a sapphire substrate 11 shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 9 is prepared, and the sapphire substrate 11 is set in a reaction furnace of an MOCVD apparatus. Then, the surface of the sapphire substrate 11 is cleaned by raising the temperature of the sapphire substrate 11 to 1050 ° C. while flowing hydrogen gas into the reactor. Here, in the unevenness on the surface of the sapphire substrate 11, a plurality of recesses are formed at intervals of 2 μm, and each recess is formed to a depth of 1 μm.

次に、サファイア基板11の温度を510℃まで低下して、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびTMG(トリメチルガリウム)ガスを反応炉内に流してサファイア基板11の凹凸の表面(C面)上に約20nmの厚さのノンドープGaNバッファ層(図示せず)をMOCVD法により積層する。   Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is lowered to 510 ° C., hydrogen gas as a carrier gas, ammonia gas and TMG (trimethylgallium) gas as a source gas are flown into the reactor, and the uneven surface (C A non-doped GaN buffer layer (not shown) having a thickness of about 20 nm is stacked on the surface) by MOCVD.

次に、サファイア基板11の温度を1050℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびTMGガス、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流してGaNバッファ層上に厚さ6μmのSiドープn型GaN下地層(キャリア濃度:1×1018/cm3)をMOCVD法により積層する。 Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is raised to 1050 ° C., and hydrogen gas as a carrier gas, ammonia gas and TMG gas as source gases, and silane as impurity gases are flowed into the reactor to a thickness of 6 μm on the GaN buffer layer. The Si-doped n-type GaN underlayer (carrier concentration: 1 × 10 18 / cm 3 ) is laminated by MOCVD.

次に、キャリア濃度が5×1018/cm3となるようにSiをドーピングしたこと以外はSiドープn型GaN下地層と同様にして、Siドープn型GaN下地層上に厚さ0.5μmのSiドープn型GaNコンタクト層をMOCVD法により積層する。 Next, a thickness of 0.5 μm is formed on the Si-doped n-type GaN foundation layer in the same manner as the Si-doped n-type GaN foundation layer except that Si is doped so that the carrier concentration becomes 5 × 10 18 / cm 3. The Si-doped n-type GaN contact layer is laminated by MOCVD.

以上により、図9に示すように、サファイア基板11の凹凸の表面(C面)上にノンドープGaNバッファ層(図示せず)を介してSiドープn型GaN下地層およびSiドープn型GaNコンタクト層がこの順序で積層されたn型窒化物半導体層12が積層される。   As described above, as shown in FIG. 9, the Si-doped n-type GaN base layer and the Si-doped n-type GaN contact layer are formed on the uneven surface (C-plane) of the sapphire substrate 11 via the non-doped GaN buffer layer (not shown). N-type nitride semiconductor layers 12 are stacked in this order.

次に、サファイア基板11の温度を700℃とした状態で、キャリアガスとして窒素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、TMGガスおよびTMIガスを反応炉内に流して、n型窒化物半導体層12上に厚さ2.5nmのノンドープIn0.2Ga0.8N井戸層と厚さ10nmのノンドープGaN障壁層とを1層ずつこの順序で交互に6周期積層することによって、図10の模式的断面図に示すように、n型窒化物半導体層12上に多重量子井戸構造のMQW発光層13をMOCVD法により積層する。なお、ノンドープGaN障壁層の積層時にはTMIガスを反応炉内に流していないことは言うまでもない。 Next, in a state where the temperature of the sapphire substrate 11 is set to 700 ° C., nitrogen gas as a carrier gas, ammonia gas, TMG gas, and TMI gas as a source gas are flowed into the reaction furnace, and the n-type nitride semiconductor layer 12 is formed. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 10, a non-doped In 0.2 Ga 0.8 N well layer having a thickness of 2.5 nm and a non-doped GaN barrier layer having a thickness of 10 nm are alternately stacked in this order for six periods. Then, an MQW light emitting layer 13 having a multiple quantum well structure is stacked on the n-type nitride semiconductor layer 12 by MOCVD. Needless to say, when the non-doped GaN barrier layer is stacked, no TMI gas is allowed to flow into the reactor.

次に、サファイア基板11の温度を700℃のまま維持し、キャリアガスとして窒素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびTMGガスを反応炉内に流して、図11の模式的断面図に示すように、MQW発光層13上に厚さ15nmのノンドープGaN蒸発防止層14をMOCVD法により積層する。   Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is maintained at 700 ° C., nitrogen gas as the carrier gas, ammonia gas and TMG gas as the source gas are flowed into the reactor, and as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. A non-doped GaN evaporation prevention layer 14 having a thickness of 15 nm is laminated on the MQW light emitting layer 13 by MOCVD.

次に、サファイア基板11の温度を950℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、TMGガスおよびTMA(トリメチルアルミニウム)ガス、不純物ガスとしてCP2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガスを反応炉内に流して、ノンドープGaN蒸発防止層14上に、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされた厚さ約20nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8N層をMOCVD法により積層する。 Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is raised to 950 ° C., hydrogen gas as the carrier gas, ammonia gas, TMG gas and TMA (trimethylaluminum) gas as the source gas, and CP 2 Mg (biscyclopentadienylmagnesium as the impurity gas) ) Gas was allowed to flow into the reactor to form an Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer having a thickness of about 20 nm doped with Mg at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 on the non-doped GaN evaporation prevention layer 14. Lamination is performed by MOCVD.

次に、サファイア基板11の温度を950℃に維持したままで、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびTMGガス、不純物ガスとしてCP2Mgガスを反応炉内に流して、Mgドープp型Al0.2Ga0.8N層上に、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされた厚さ80nmのMgドープp型GaN層をMOCVD法により積層する。 Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate 11 at 950 ° C., hydrogen gas as the carrier gas, ammonia gas and TMG gas as the source gas, and CP 2 Mg gas as the impurity gas are allowed to flow into the reactor, and Mg doping p An Mg-doped p-type GaN layer having a thickness of 80 nm doped with Mg at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 is laminated on the type Al 0.2 Ga 0.8 N layer by MOCVD.

以上により、図12の模式的断面図に示すように、ノンドープGaN蒸発防止層14上にMgドープp型Al0.2Ga0.8N層とMgドープp型GaN層とがこの順序で積層されたp型窒化物半導体層15が積層される。 As described above, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 12, the p-type in which the Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer and the Mg-doped p-type GaN layer are stacked in this order on the non-doped GaN evaporation prevention layer 14. A nitride semiconductor layer 15 is stacked.

次に、サファイア基板11の温度を700℃に低下させ、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、TMGガスおよびTMIガス、不純物ガスとしてCP2Mgガスを反応炉内に流して、図13の模式的断面図に示すように、p型窒化物半導体層15上に、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされた厚さ10nmのMgドープp型InGaN層16をMOCVD法により積層する。 Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is lowered to 700 ° C., hydrogen gas as the carrier gas, ammonia gas, TMG gas and TMI gas as the source gas, and CP 2 Mg gas as the impurity gas are allowed to flow into the reaction furnace. As shown in the schematic cross-sectional view, a 10 nm thick Mg-doped p-type InGaN layer 16 doped with Mg at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 15 by MOCVD. Laminate.

ここで、Mgドープp型InGaN層16の形成は、MOCVD装置の反応炉内に導入されるTMIガスの流量を変化させながら行なわれ、Mgドープp型InGaN層16にはMgドープp型InGaN層16の厚さ方向にInの組成比が0.15〜0.3の範囲で変化させられたInの組成ゆらぎが設けられている。   Here, the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is formed while changing the flow rate of the TMI gas introduced into the reactor of the MOCVD apparatus, and the Mg-doped p-type InGaN layer 16 includes the Mg-doped p-type InGaN layer. In In compositional fluctuations, the In composition ratio is changed in the thickness direction of 16 in the range of 0.15 to 0.3.

また、Mgドープp型InGaN層16の最表面はIn組成が最も大きい窒化物半導体の領域となっており、その領域におけるMgを除いた窒化物半導体のみの組成はIn0.3Ga0.7NとなっていることがTEMとAPTとを組み合わせた方法によって確認された。 The outermost surface of the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is a nitride semiconductor region having the largest In composition, and the composition of only the nitride semiconductor excluding Mg in that region is In 0.3 Ga 0.7 N. It was confirmed by a method combining TEM and APT.

また、Mgドープp型InGaN層16におけるIn組成が最も小さい窒化物半導体の領域におけるMgを除いた窒化物半導体のみの組成はIn0.15Ga0.85NであることがTEMとAPTとを組み合わせた方法によって確認された。 Further, the composition of only the nitride semiconductor excluding Mg in the region of the nitride semiconductor having the smallest In composition in the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is In 0.15 Ga 0.85 N by a method combining TEM and APT. confirmed.

したがって、Mgドープp型InGaN層16においては、Inの含有量が最大である領域とInの含有量が最小である領域とにおけるInの含有量の差は15原子%であり、10原子%以上となっている。   Therefore, in the Mg-doped p-type InGaN layer 16, the difference in In content between the region where the In content is maximum and the region where the In content is minimum is 15 atomic%, which is 10 atomic% or more. It has become.

さらに、Mgドープp型InGaN層16の最表面を構成する窒化物半導体の屈折率は2.5である。   Further, the refractive index of the nitride semiconductor constituting the outermost surface of the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is 2.5.

次に、サファイア基板11の温度を700℃に維持した状態で、キャリアガスとして水素ガスを反応炉内に流して、Mgドープp型InGaN層16の積層後のウエハのアニーリングを行なう。   Next, in a state where the temperature of the sapphire substrate 11 is maintained at 700 ° C., hydrogen gas is flowed as a carrier gas into the reaction furnace to anneal the wafer after the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is stacked.

次に、Mgドープp型InGaN層16の積層後のウエハを反応炉から取り出し、図14の模式的断面図に示すように、Mgドープp型InGaN層16の最表面上にニオブが6原子%の濃度でドープされた厚さ400nmの二酸化チタン層17をスパッタ法により形成した。ここで、二酸化チタン層17の屈折率は2.5である。   Next, the wafer after the lamination of the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is taken out of the reactor, and as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 14, niobium is 6 atomic% on the outermost surface of the Mg-doped p-type InGaN layer 16. A titanium dioxide layer 17 having a thickness of 400 nm doped at a concentration of 1 nm was formed by sputtering. Here, the refractive index of the titanium dioxide layer 17 is 2.5.

その後、二酸化チタン層17の表面上に所定の形状に形成されたフォトマスクを形成した後にRIE(Reactive Ion Etching)により、上記の二酸化チタン層17の形成後のウエハをエッチングして、図15の模式的断面図に示すように、n型窒化物半導体層12の表面を露出させる。   Thereafter, a photomask formed in a predetermined shape is formed on the surface of the titanium dioxide layer 17, and then the wafer after the formation of the titanium dioxide layer 17 is etched by RIE (Reactive Ion Etching). As shown in the schematic cross-sectional view, the surface of the n-type nitride semiconductor layer 12 is exposed.

さらに、二酸化チタン層17の表面上に所定の形状に形成されたフォトマスクを形成した後にRIEにより二酸化チタン層17をエッチングして、図16の模式的断面図に示すように、二酸化チタン層17の表面に凹凸を形成する。   Further, after a photomask formed in a predetermined shape is formed on the surface of the titanium dioxide layer 17, the titanium dioxide layer 17 is etched by RIE, and as shown in the schematic sectional view of FIG. Asperities are formed on the surface.

次に、図17の模式的断面図に示すように、EB蒸着法により、上記のエッチング後のn型窒化物半導体層12の露出表面上および二酸化チタン層17の表面上にそれぞれTi層とAl層との積層体からなるn側パッド電極19およびp側パッド電極18をそれぞれ形成する。   Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 17, a Ti layer and an Al layer are formed on the exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer 12 and the surface of the titanium dioxide layer 17 by the EB vapor deposition method, respectively. An n-side pad electrode 19 and a p-side pad electrode 18 each formed of a laminate with layers are formed.

その後、p側パッド電極18およびn側パッド電極19の形成後のそれぞれのウエハを複数のチップ状に分割することによって、LED(Light Emitting Diode)チップを得る。   Thereafter, each wafer after the formation of the p-side pad electrode 18 and the n-side pad electrode 19 is divided into a plurality of chips to obtain an LED (Light Emitting Diode) chip.

上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Mgドープp型InGaN層16にInの組成ゆらぎが設けられており、In組成の大きい領域が二酸化チタン層17と接していることから、Mgドープp型InGaN層16と二酸化チタン層17との接触抵抗を低くすることができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧が低くなる。   In the nitride semiconductor light-emitting diode device of the example manufactured as described above, the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is provided with In composition fluctuation, and a region with a large In composition is in contact with the titanium dioxide layer 17. Therefore, the contact resistance between the Mg-doped p-type InGaN layer 16 and the titanium dioxide layer 17 can be lowered, and the operating voltage of the nitride semiconductor light-emitting diode element is lowered.

また、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Mgドープp型InGaN層16と屈折率差の小さい材質からなる二酸化チタン層17が用いられていることからMgドープp型InGaN層16と二酸化チタン層17との海面における光の全反射を抑制できることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率が高くなる。   In addition, in the nitride semiconductor light emitting diode element of the example manufactured as described above, the Mg dioxide doped p-type InGaN layer 16 and the titanium dioxide layer 17 made of a material having a small refractive index difference are used. Since the total reflection of light at the sea surface between the p-type InGaN layer 16 and the titanium dioxide layer 17 can be suppressed, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light-emitting diode element is increased.

また、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、二酸化チタン層17のMgドープp型InGaN層16側と反対側の表面に凹凸が設けられていることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率がさらに高くなる。   Further, in the nitride semiconductor light-emitting diode device of the example manufactured as described above, since the surface of the titanium dioxide layer 17 opposite to the Mg-doped p-type InGaN layer 16 is provided with unevenness, nitriding is performed. The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting diode device is further increased.

さらに、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Mgドープp型InGaN層16の厚さが5nm以上であることから、Inの組成ゆらぎが大きくなる。   Furthermore, in the nitride semiconductor light-emitting diode device of the example manufactured as described above, the Mg composition p-type InGaN layer 16 has a thickness of 5 nm or more, so that the composition fluctuation of In increases.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に好適に利用することができる。   The present invention can be suitably used for a nitride semiconductor light emitting diode element.

1 基板、2,12 n型窒化物半導体層、3 窒化物半導体発光層、4,15 p型窒化物半導体層、5 In含有窒化物半導体層、6 透明導電膜、7 n側電極、8 p側電極、9,10,21 凹凸、20 透明絶縁膜、11 サファイア基板、13 MQW発光層、14 ノンドープGaN蒸発防止層、16 Mgドープp型InGaN層、17 二酸化チタン層、18 p側パッド電極、19 n側パッド電極。   1 substrate, 2,12 n-type nitride semiconductor layer, 3 nitride semiconductor light emitting layer, 4,15 p-type nitride semiconductor layer, 5 In-containing nitride semiconductor layer, 6 transparent conductive film, 7 n-side electrode, 8 p Side electrode, 9, 10, 21 Concavity and convexity, 20 Transparent insulating film, 11 Sapphire substrate, 13 MQW light emitting layer, 14 Non-doped GaN evaporation prevention layer, 16 Mg-doped p-type InGaN layer, 17 Titanium dioxide layer, 18 p-side pad electrode, 19 n-side pad electrode.

Claims (7)

n型窒化物半導体層と、
前記n型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層上に設けられたp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層上に設けられたIn含有窒化物半導体層と、
前記In含有窒化物半導体層上に設けられた透明導電膜と、を含み、
前記In含有窒化物半導体層は組成ゆらぎを有するようにInを含有する、窒化物半導体発光ダイオード素子。
an n-type nitride semiconductor layer;
A nitride semiconductor light emitting layer provided on the n-type nitride semiconductor layer;
A p-type nitride semiconductor layer provided on the nitride semiconductor light emitting layer;
An In-containing nitride semiconductor layer provided on the p-type nitride semiconductor layer;
A transparent conductive film provided on the In-containing nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor light-emitting diode element, wherein the In-containing nitride semiconductor layer contains In so as to have a composition fluctuation.
前記In含有窒化物半導体層においてInの含有量が最大である領域と、Inの含有量が最小である領域とにおけるInの含有量の差が10原子%以上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発光ダイオード素子。   In the In-containing nitride semiconductor layer, a difference in In content between a region where the In content is maximum and a region where the In content is minimum is 10 atomic% or more, Item 14. The nitride semiconductor light-emitting diode device according to Item 1. 前記透明導電膜は、n型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムのいずれかであることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。   The transparent conductive film is any one of a nitride semiconductor layer having n-type conductivity, non-doped titanium dioxide not doped with metal impurities, titanium dioxide doped with metal impurities, or strontium titanate. The nitride semiconductor light-emitting diode element according to claim 1 or 2. 前記透明導電膜の前記In含有窒化物半導体層側とは反対側の表面が凹凸を有していることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。   4. The nitride semiconductor light-emitting diode element according to claim 1, wherein a surface of the transparent conductive film opposite to the In-containing nitride semiconductor layer side has irregularities. 5. 前記透明導電膜上に設けられた透明絶縁膜をさらに含み、
前記透明導電膜の前記In含有窒化物半導体層側とは反対側の表面および前記透明絶縁膜の前記透明導電膜側とは反対側の表面の少なくとも一方の表面が凹凸を有していることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
A transparent insulating film provided on the transparent conductive film;
The surface of the transparent conductive film opposite to the In-containing nitride semiconductor layer side and the surface of the transparent insulating film opposite to the transparent conductive film side have at least one surface having irregularities. The nitride semiconductor light-emitting diode device according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記In含有窒化物半導体層の厚さが5nm以上であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。   6. The nitride semiconductor light-emitting diode element according to claim 1, wherein the In-containing nitride semiconductor layer has a thickness of 5 nm or more. 前記In含有窒化物半導体層の厚さが前記窒化物半導体発光層の厚さよりも厚いことを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。   The nitride semiconductor light-emitting diode element according to claim 1, wherein a thickness of the In-containing nitride semiconductor layer is thicker than a thickness of the nitride semiconductor light-emitting layer.
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