DE19860347A1

DE19860347A1 - Light-emitting nitride semiconductor element and manufacturing method therefor

Info

Publication number: DE19860347A1
Application number: DE19860347A
Authority: DE
Inventors: Takashi Udagawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 1999-07-15
Also published as: CN1130778C; KR19990063356A; JP3257976B2; CN1222770A; TW398083B; KR100324396B1; JPH11186603A

Abstract

A light emitting nitride semiconductor element has an indium-containing group III nitride light emitting layer of multiphase structure with a main phase and subsidiary phases with different indium contents, the subsidiary phases being crystals surrounded by a strained layer at the interface with the main phase. An Independent claim is also included for the production of the above light emitting nitride semiconductor element by subjecting the light emitting layer to heat treatment at 950-1200 deg C, cooling from the heat treatment temperature to 950 deg C at \-20 deg C/minute and cooling from 950 deg C to 650 deg C at <= 20 deg C/minute to form the interfacial strained layers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Nitridhalbleiter element, das als eine lichtemittierende Schicht eine Indium enthaltende Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Mehrphasen aufbau verwendet, der aus einer Hauptphase und Nebenphasen mit un terschiedlichen Indium-Gehalten besteht, und ein Verfahren zur Herstel lung desselben.The present invention relates to a light-emitting nitride semiconductor element which contains an indium as a light-emitting layer Group III nitride semiconductor layer with a multi-phase construction used, which consists of a main phase and secondary phases with un different indium contents, and a process for their manufacture lung of the same.

Ein Indium enthaltender Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III, der ausgedrückt wird durch die allgemeine Formel Al_xGa_yIn_zN_aM_1-a (x + y + z = 1,0 ≦ x, y < 1,0 < z ≦ 1,0 < a ≦ 1, M: anderes Element der Gruppe V als Stickstoff), wird als eine lichtemittierende Schicht für lichtemittierende Nitridhalbleiterelemente verwendet, die kurzwelliges Licht abstrahlen. Ins besondere ist ein Galliumindiumnitrid-Mischkristall (Ga_bIn_1-bN: 0 ≦ b < 1) ein typisches Baumaterial der lichtemittierenden Schicht (siehe japanische Patentveröffentlichung Nr. 55-3834). Um einen Stand der Technik zu er wähnen, ist ein Galliumindiumnitrid-Mischkristall (Ga_0,80In_0,20N) mit ei nem Indium-Gehalt von 20% als eine lichtemittierende Schicht für eine blaues Licht emittierende Diode (LED) verwendet worden, die Licht mit ei ner Wellenlänge von ungefähr 450 nm emittiert. Ein Galliumindium nitrid-Mischkristall mit einem Indium-Gehalt von 45% ist als eine lichtemittie rende Schicht für eine grünes Licht emittierende Diode (LED) verwendet worden, die Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 525 nm emittiert. An indium containing group III nitride semiconductor expressed by the general formula Al _x Ga _y In _z N _a M _1-a (x + y + z = 1.0 ≦ x, y <1.0 <z ≦ 1.0 <a ≦ 1, M: element of group V other than nitrogen) is used as a light-emitting layer for light-emitting nitride semiconductor elements which emit short-wave light. In particular, a gallium indium nitride mixed crystal (Ga _b In _1-b N: 0 ≦ b <1) is a typical building material of the light emitting layer (see Japanese Patent Publication No. 55-3834). In order to mention a prior art, a gallium indium nitride mixed crystal (Ga _0.80 In _0.20 N) with an indium content of 20% was used as a light-emitting layer for a blue light-emitting diode (LED), which emits light with a wavelength of approximately 450 nm. A gallium indium nitride mixed crystal with an indium content of 45% has been used as a light emitting layer for a green light emitting diode (LED) which emits light with a wavelength of approximately 525 nm.

Der Galliumindiumnitrid-Mischkristall wird auch als eine Wannenschicht eines Einzel- oder Mehrquanten-Wannenaufbaus verwendet, die als ein lichtemittierender Teil von diesem dient (siehe japanische Patentveröffent lichung Nr. 9-36430). Es ist als erwünscht angesehen worden, daß der bisher weitläufig als lichtemittierende Schicht verwendete Galliumindium nitrid-Mischkristall hinsichtlich des In-Gehalts homogen ist (siehe japani sche Patentveröffentlichung Nr. 9-36430). Jedoch ist kürzlich herausge funden worden, daß eine Galliumindiumnitrid-Schicht, die hinsichtlich des In-Gehalts inhomogen ist, als eine lichtemittierende Schicht vorteil haft ist (siehe japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-107315). Dieses sogenannte Galliumindiumnitrid mit einem Mehrphasenaufbau ist eine Schicht, die aus einer Anhäufung von Phasen mit unterschiedlichem In-Gehalt gebildet ist.The gallium indium nitride mixed crystal is also called a well layer of a single or multi-quantum well structure used as one light emitting part of this serves (see Japanese Patent Publ No. 9-36430). It has been considered desirable that the hitherto widely used as a light-emitting layer nitride mixed crystal is homogeneous with regard to the In content (see japani Patent Publication No. 9-36430). However, it has recently emerged have been found to have a gallium indium nitride layer which of the In content is inhomogeneous as a light emitting layer (see Japanese Patent Publication No. 10-107315). This so-called gallium indium nitride with a multi-phase structure is one Layer that consists of an accumulation of phases with different In-content is formed.

Es ist der Schluß gezogen worden, daß die Lichtemission mit hoher Inten sität von der Galliumindiumnitrid-Schicht der Mehrphasen-Struktur, die eine Ungleichmäßigkeit des In-Gehalts und eine "Varianz" des In-Gehalts zeigt, wie es oben beschrieben ist, auf quantisierte Lichtemitter, wie Quantenpunkte, zurückzuführen ist. Eine Galliumindiumnitrid-Schicht mit dem Mehrphasenaufbau besteht im allgemeinen aus einer Hauptpha se (Matrixphase) und Nebenphasen, wobei die Hauptphase in bezug auf das Volumen den Hauptteil ausmacht (siehe japanische Patentveröffentli chung Nr. 10-56202). Der Indium-Gehalt der Nebenphasen unterscheidet sich gewöhnlich von dem der Hauptphase. Selbst unter den Nebenphasen unterscheidet sich immer der In-Gehalt. Die Nebenphasen nehmen die Form von näherungsweise kugelförmigen oder inselförmigen Mikrokristal len an, die in der Hauptphase verstreut sind. It has been concluded that the light emission with high intensity ity of the gallium indium nitride layer of the multiphase structure an unevenness in the In content and a "variance" in the In content shows, as described above, on quantized light emitters, such as Quantum dots. A layer of gallium indium nitride with the multi-phase structure generally consists of a main phase se (matrix phase) and secondary phases, with the main phase relating to the volume is the main part (see Japanese patent publication No. 10-56202). The indium content of the secondary phases differs usually different from that of the main phase. Even under the secondary phases the In content always differs. The secondary phases take Form of approximately spherical or island-shaped microcrystals len that are scattered in the main phase.

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist eine Beteiligung eines quanti sierten Niveaus, das an einer Grenze zwischen dem Mikrokristall (Neben phasen) und der diesen umgebenden Hauptphase bei einer Lichtemission gezeigt (siehe japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-107315). Die Grö ße des Mikrokristalls beträgt einige nm bis einige zehn nm im Durchmes ser, und der Mikrokristall ist groß genug, um als ein Quantenpunkt zu wirken. Es wird angenommen, daß diese Nebenphasen als Quantenpunkte wirken, wobei sie bei der Lichtemission von einer lichtemittierenden Schicht teilnehmen, die aus einen Indium enthaltenden Halbleiter aus ei nem Nitrid der Gruppe III besteht.According to the current state of the art, a quanti levels that are on a boundary between the microcrystals (sub phases) and the main phase surrounding them in the event of light emission (see Japanese Patent Publication No. 10-107315). The size The size of the microcrystals is a few nm to a few tens of nm in diameter ser, and the micro crystal is large enough to be a quantum dot Act. It is believed that these minor phases act as quantum dots act, where they emit light from a light emitting Participate layer consisting of an indium-containing semiconductor from egg Group III nitride.

Obwohl die Nebenphasen (Quantenpunkte) bei der Lichtemission von der lichtemittierenden Schicht teilnehmen, die aus dem Indium enthaltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet ist, ist keine Technik verfügbar, um stabile Emissionseigenschaften, d. h., eine stabile Emissi onsintensität und Emissionswellenlänge, der Lichtemission von der lich temittierenden Schicht zu erhalten. Die erhaltenen Emissionseigenschaf ten sind deshalb instabil.Although the secondary phases (quantum dots) in the light emission from the participate in the light-emitting layer, which consists of the indium Semiconductor formed from a Group III nitride is not a technique available to provide stable emission properties, i.e. that is, a stable emissi on intensity and emission wavelength, the light emission from the lich to maintain the emitting layer. The emission properties obtained ten are therefore unstable.

Der Hauptgrund, warum nach dem bisherigen Stand der Technik keine stabilen Emissionseigenschaften erhalten wurden, ist, daß die Erforder nisse, um die Nebenphasen als quantisierte Lichtemitter zu betreiben, nicht hinreichend bekannt sind. Die Erfordernisse, um die Mikrokristalle, d. h. die Nebenphasen, wirksam als Quantenpunkte zu betreiben, müssen geklärt werden, um stabile Emissionseigenschaften, insbesondere mit ei ner hohen Emissionsintensität, zu erhalten. The main reason why none according to the current state of the art stable emission properties have been obtained is that the requirements to operate the secondary phases as quantized light emitters, are not well known. The requirements to the microcrystals, d. H. the secondary phases to operate effectively as quantum dots be clarified to stable emission properties, especially with egg high emission intensity.

Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände getätigt und hat als ein Ziel, ein lichtemittierendes Nitridhalb leiterelement zu schaffen, das in der Lage ist, stabile und ausgezeichnete Lichtemissionseigenschaften von einer lichtemittierenden Schicht zu lie fern, indem die Erfordernisse für ein wirksames Betreiben der Nebenpha sen als Quantenpunkte aufgeklärt werden, sowie ein Herstellungsverfah ren für dasselbe zu schaffen.The present invention has been made in view of those described above Circumstances and has as a goal, a light-emitting nitride half to create a ladder element capable of being stable and excellent Light emission properties from a light emitting layer far, by the requirements for an effective operation of the secondary ph as quantum dots, as well as a manufacturing process to create for the same.

Die vorliegende Erfindung legt den Aufbau eines Bereiches in der Nähe der Grenze zwischen jeder Nebenphase und der die Nebenphasen umgeben den Hauptphase fest, damit die die Nebenphasen bildenden Mikrokristalle als quantisierte Lichtemitter wirken können. Insbesondere ist ein licht emittierendes Nitridhalbleiterelement der vorliegenden Erfindung, das als seine lichtemittierende Schicht eine Indium enthaltende Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Mehrphasenaufbau verwendet, der aus einer Hauptphase und Nebenphasen mit unterschiedlichen Indi um-Gehalten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenphasen hauptsächlich aus Kristall gebildet sind, dessen Grenze zur Hauptphase von einer verspannten Schicht umgeben ist.The present invention provides the construction of an area near the Border between each secondary phase and that surrounds the secondary phases the main phase so that the microcrystals forming the secondary phases can act as quantized light emitters. In particular, there is a light Nitride semiconductor emitting element of the present invention, which as its light-emitting layer is an indium-containing semiconductor layer from a group III nitride with a multi-phase structure, that consists of a main phase and secondary phases with different indi um-content, characterized in that the secondary phases are mainly formed from crystal, its boundary with the main phase is surrounded by a strained layer.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemaßen lichtemittierenden Nitridhalbleiterelements, das als eine lichtemittierende Schicht eine Indi um enthaltende Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit ei nem Mehrphasenaufbau verwendet, der aus einer Hauptphase und Ne benphasen mit unterschiedlichen Indium-Gehalten besteht, ist durch die Schritte gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Schicht bei einer Wär mebehandlungstemperatur in einem Bereich von 950°C bis 1200°C wärmebehandelt wird, daß die lichtemittierende Schicht mit einer Rate von 20°C oder mehr pro Minute von der Wärmebehandlungstemperatur auf 950°C abgekühlt wird, und daß die lichtemittierende Schicht mit ei ner Rate von 20°C oder weniger pro Minute von 950°C auf 650°C abge kühlt wird, wodurch verspannte Schichten an den Grenzen zwischen der Hauptphase und den Nebenphasen gebildet werden.A method of manufacturing the light emitting device of the present invention Nitride semiconductor element which is an indi order containing semiconductor layer of a group III nitride with egg nem multi-phase structure used, which consists of a main phase and Ne phase with different indium contents is due to the Steps characterized in that the light-emitting layer at a heat processing temperature in a range from 950 ° C to 1200 ° C is heat treated that the light emitting layer at a rate of 20 ° C or more per minute from the heat treatment temperature is cooled to 950 ° C, and that the light-emitting layer with egg ner rate of 20 ° C or less per minute from 950 ° C to 650 ° C is cooled, causing strained layers at the borders between the Main phase and the secondary phases are formed.

Wie es oben beschrieben ist, erzeugt bei der vorliegenden Erfindung die verspannte Schicht, die um die Nebenphase herum vorhanden ist, stabil Träger, welche die Emissionsintensität erhöhen, weil jede Nebenphase hauptsächlich aus einem Kristall mit einer verspannten Schicht an einer Grenze zu der diese umgebenden Hauptphase besteht. Deshalb ist es möglich, daß der Kristall, der die Nebenphasen bildet, effektiv als ein quantisiertes Emissionsmedium wirkt, so daß kurzwelliges, sichtbares Licht, das von dem lichtemittierenden Nitridhalbleiterelement emittiert wird, das diese lichtemittierende Schicht umfaßt, derart hergestellt wer den kann, daß es eine hohe Emissionsintensität und ausgezeichnete Mo nochromie zeigt.As described above, in the present invention, the strained layer that is present around the secondary phase, stable Carriers that increase the emission intensity because of each secondary phase mainly made of a crystal with a strained layer on one There is a limit to the main phase surrounding it. That's why it is possible that the crystal that forms the secondary phases is effective as a quantized emission medium acts, so that short-wave, visible Light emitted from the nitride semiconductor light emitting element , which comprises this light-emitting layer, is produced in such a way can that it has a high emission intensity and excellent Mo nochromie shows.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in dieser ist:The invention will be exemplified below with reference to the drawing wrote in this is:

Fig. 1 ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kristallgitterabbildung darstellt, die erhalten wird, indem eine lichtemittierende Schicht eines lichtemittierenden Nitridhalbleiterelements der vorliegenden Erfindung mit einem Transmissionselektronen mikroskop (TEM) fotografiert wird, Fig. 1 is a diagram illustrating an example of a crystal lattice image which is obtained by a light-emitting Nitridhalbleiterelements the present invention, photographed with a transmission electron microscope (TEM), a light emitting layer,

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die einen Aufbau aus übereinan derliegenden Schichten eines lichtemittierenden Elements zeigt, das ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung ist, FIG. 2 is a schematic view showing a superposed layer structure of a light emitting element which is a first example of the present invention.

Fig. 3 ein Diagramm, das eine Kristallgitterabbildung darstellt, die erhalten wird, indem die lichtemittierende Schicht in dem lichtemittierenden Element des ersten Beispiels mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) fotografiert wird, Fig. 3 is a diagram showing a lattice image obtained by the light emitting layer is photographed in the light emitting element of the first example with a transmission electron microscope (TEM),

Fig. 4 eine Schnittansicht, die längs Linie 4-4 in Fig. 5 genommen ist, und Fig. 4 is a sectional view taken along line 4-4 in Fig. 5, and

Fig. 5 eine Draufsicht des lichtemittierenden Elements des ersten Beispiels. Fig. 5 is a plan view of the light-emitting element of the first example.

Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.Below are embodiments of the present invention in Described in detail.

Eine Kristallphase, die räumlich einen bestimmten Bereich einnimmt, der einen näherungsweise konstanten In-Gehalt (In-Konzentration) aufweist, wird bei der folgenden Erläuterung einfach als Phase bezeichnet. Eine Phase, die räumlich einen großen Bereich einnimmt, wird Hauptphase ge nannt, und eine Phase, die einen kleinen räumlichen Bereich im Vergleich mit der Hauptphase einnimmt, wird Nebenphase genannt. Nebenphasen können beinahe homogen in der Hauptphase verteilt sein oder können sich ungleichmäßig in Bereichen in der Nähe der Übergangsgrenzfläche zu anderen Schichten befinden. Die Hauptphase und die Nebenphasen un terschieden sich nicht im In-Gehalt sondern durch das Volumen, das sie in dem Raum einnehmen.A crystal phase that spatially occupies a certain area, the has an approximately constant In content (In concentration), is simply referred to as phase in the following explanation. A Phase that occupies a large area spatially becomes the main phase called, and a phase that compared a small spatial area with the main phase is called the secondary phase. Secondary phases can or can be distributed almost homogeneously in the main phase unevenly in areas near the transition interface other layers. The main phase and the secondary phases un differed not in the In content but by the volume they take in the room.

Die Hauptphase ist zum größten Teil aus einem Einkristall mit einem Schichtaufbau gebildet, der erhalten wird, indem Einkristallschichten übereinandergelegt werden. In manchen Fällen enthält die Hauptphase örtlich polykristalline Bereiche oder amorphe Bereiche. Ungeachtet ihrer Kristallform nimmt die Hauptphase einen großen Bereich ein. Beinahe die Gesamtheit der Nebenphasen sind kleine Kristalle (Mikrokristalle). Die Mi krokristalle sind aus Einkristall oder Polykristall hergestellt oder sie sind amorph. Alternativ ist der Mikrokristall eine Mischung aus diesen Sub stanzen. Im allgemeinen ist die Form des Mikrokristalls näherungsweise kugelförmig oder polygon inselähnlich. Der Durchmesser der Nebenpha sen beträgt ungefähr einige nm bis einige zehn nm, oder deren Breite be trägt ungefähr einige nm bis einige zehn nm in dem Fall, daß sie inselför mig sind. Jedoch tritt manchmal eine vergleichsweise große In-Ablagerung von einigen µm bis einigen zehn µm aus einem Nukleus aus Indium auf, der an der Übergangsgrenzfläche mit anderen Schichten abgeschieden ist, wobei es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen Kristall mit einer Größe von ungefähr einigen nm bis einigen zehn nm als Nebenphase han delt.The main phase is mostly a single crystal with a Layer structure formed, which is obtained by single crystal layers be placed on top of each other. In some cases, the main phase includes locally polycrystalline areas or amorphous areas. Regardless of them Crystal form, the main phase occupies a large area. Almost that The totality of the secondary phases are small crystals (microcrystals). The Wed Crocrystals are made of single crystal or polycrystalline or they are amorphous. Alternatively, the micro crystal is a mixture of these sub punch. In general, the shape of the micro crystal is approximate spherical or polygonal island-like. The diameter of the minor pha sen is approximately a few nm to a few tens of nm, or the width thereof carries about a few nm to a few tens of nm in the event that they are isolated mig. However, a comparatively large in-deposition sometimes occurs from a few µm to a few tens µm from an indium nucleus, which is deposited at the transition interface with other layers, the present invention being a crystal with a Size of about a few nm to a few tens of nm as a secondary phase delt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine lichtemittierende Schicht aus ei nem Indium enthaltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Mehrphasenaufbau gebildet, der aus der Hauptphase und den Ne benphasen besteht. Die durchschnittliche Schichtdicke der schichtähnli chen Substanz, welche die Hauptphase bildet, ist die Schichtdicke der lichtemittierenden Schicht. Wenn die lichtemittierende Schicht eine äu ßerst dünne Dicke von weniger als ungefähr 1 nm aufweist, fehlt ihr als Schicht die Kontinuität. Die aus der diskontinuierlichen Schicht gebildete lichtemittierende Schicht verringert nachteilig die Durchlaßspannung des lichtemittierenden Elements. Wenn im Gegensatz dazu die lichtemittieren de Schicht eine dicke Schicht mit einer Dicke von über ungefähr 300 nm ist, weist sie eine verschlechterte Oberflächenmorphologie auf und kann nicht vorteilhaft als eine lichtemittierende Schicht verwendet werden, die zu einer Erhöhung der Emissionsintensität beiträgt. Deshalb sollte die Schichtdicke der lichtemittierenden Schicht im Bereich von ungefähr 1 nm bis 300 nm liegen.In the present invention, a light emitting layer is made of egg with an indium-containing semiconductor from a group III nitride a multi-phase structure formed from the main phase and the Ne benphasen exists. The average layer thickness of the layer-like Chen substance, which forms the main phase, is the layer thickness of the light emitting layer. If the light emitting layer has an outer has an extremely thin thickness of less than approximately 1 nm, it is missing as Layer the continuity. The one formed from the discontinuous layer light emitting layer adversely reduces the forward voltage of the light emitting element. In contrast, if the light emit The layer is a thick layer with a thickness of more than approximately 300 nm , it has a deteriorated surface morphology and can not advantageously used as a light emitting layer contributes to an increase in emission intensity. Therefore, the Layer thickness of the light-emitting layer in the range of approximately 1 nm to 300 nm.

Die lichtemittierende Schicht kann aus einem Indium enthaltenden Halb leiter aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet sein, der absichtlich mit Verunreinigungen dotiert ist. Die lichtemittierende Schicht kann auch aus einem Indium enthaltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III ge bildet sein, der nicht absichtlich mit Verunreinigungen dotiert ist. Außer dem kann die lichtemittierende Schicht auch aus einem übereinanderge legten Aufbau von undotierten und dotierten Schichten gebildet sein. Vom Standpunkt der Emissionsintensität aus sollte die dotierte lichtemittie rende Schicht etwas dicker hergestellt sein. Ihre Dicke sollte ungefähr 10 nm bis 300 nm betragen. Die undotierte lichtemittierende Schicht sollte dünner hergestellt sein. Die Dicke der undotierten lichtemittieren den Schicht sollte im Bereich von ungefähr 1 nm bis 10 nm liegen.The light-emitting layer can consist of an indium-containing half ladder may be formed from a Group III nitride that is deliberately included Impurities is doped. The light emitting layer can also be made of an indium-containing semiconductor from a Group III nitride forms, which is not deliberately doped with impurities. Except the light-emitting layer can also be made from one another laid structure of undoped and doped layers. From From the point of view of emission intensity, the doped light emitter should layer should be made a little thicker. Your thickness should be approximately 10 nm to 300 nm. The undoped light emitting layer should be made thinner. The thickness of the undoped light emit the layer should be in the range of approximately 1 nm to 10 nm.

Der Leitfähigkeitstyp der lichtemittierenden Schicht sollte n-Leitung sein. Dies ist der Fall, weil vorwiegend der Übergang von Trägern, insbesondere Elektronen, zwischen der Hauptphase und den Nebenphasen die Emissi onsintensität bestimmt. Deshalb ist es besonders bevorzugt, daß die licht emittierende Schicht Elektronen als Majoritätsträger verwendet, das heißt, daß die lichtemittierende Schicht n-leitend ist. Es ist vorteilhaft, daß die Trägerkonzentration der lichtemittierenden Schicht auf nicht weniger als ungefähr 1×10¹⁶ cm^-3 und nicht größer als 1×10¹⁹ cm^-3 eingestellt ist. Es ist nicht absolut notwendig, daß die Trägerkonzentrationen der Haupt phase und der Nebenphasen näherungsweise gleich eingestellt sind. Bei spielsweise kann die Trägerkonzentration der Hauptphase ungefähr 1×10¹⁸ cm^-3 betragen, und die Trägerkonzentration der Nebenphasen kann ungefähr 10¹⁷ cm^-3 betragen. Welche Differenz auch immer zwischen den Trägerkonzentrationen der Hauptphase und Nebenphasen vorhanden ist, sollte die Trägerkonzentration derart eingestellt sein, daß sie in der ganzen lichtemittierenden Schicht innerhalb des vorstehenden Bereiches liegt.The conductivity type of the light emitting layer should be n-type. This is the case because predominantly the transition of carriers, in particular electrons, between the main phase and the secondary phases determines the emission intensity. Therefore, it is particularly preferred that the light-emitting layer uses electrons as the majority carrier, that is, that the light-emitting layer is n-type. It is preferable that the carrier concentration of the light emitting layer is set to not less than about 1 × 10 ¹⁶ cm ^-3 and not more than 1 × 10 ¹⁹ cm ^-3 . It is not absolutely necessary that the carrier concentrations of the main phase and the secondary phases are set approximately the same. For example, the carrier concentration of the main phase may be approximately 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , and the carrier concentration of the secondary phases may be approximately 10 ¹⁷ cm ^-3 . Whatever difference there is between the carrier concentrations of the main phase and secondary phases, the carrier concentration should be set in such a way that it lies within the above range in the entire light-emitting layer.

Die Nebenphasen werden vom Inneren der Hauptphase aus erzeugt. Bei spielsweise gehen die Nebenphasen von Indium als Nuklei aus, das inner halb Hauptphase vorhanden ist und bei einem verspannten Bereich oder einem mit Kristalldefekten vollen Bereich von innerhalb der Hauptphase kristallisiert. Wenn die Dichte der Nebenphasen innerhalb der Hauptpha se äußerst groß wird, mangelt es einem aus der Hauptphase (lichtemittie renden Schicht) emittierten Licht an Monochromie. Wenn die Dichte der Nebenphasen 2×10¹⁸ cm^-3 überschreitet, wird die Monochromie des emittierten Lichts stark verschlechtert. Deshalb sollte die Dichte der Ne benphasen auf 2×10¹⁸ cm^-3 oder weniger eingestellt sein. Besonders in der undotierten lichtemittierenden Schicht mit einer Schichtdicke von 20 nm oder weniger ist es vorteilhaft, daß die Dichte der Nebenphasen auf 5,0×10²³×t (t: Schichtdicke (cm)) oder weniger eingestellt ist. Wenn die Dichte der Nebenphasen innerhalb des vorstehenden Bereiches eingestellt ist, kann emittiertes Licht erhalten werden, das eine Halbwertbreite von 15 nm oder weniger und eine ausgezeichnete Monochromie aufweist.The secondary phases are generated from inside the main phase. For example, the secondary phases of indium start as nuclei, which is present within the main phase and crystallize from within the main phase in the case of a strained region or a region full of crystal defects. When the density of the sub-phases within the main phase becomes extremely large, a light emitted from the main phase (light-emitting layer) lacks monochrome. If the density of the sub-phases exceeds 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , the monochrome of the emitted light is greatly deteriorated. Therefore, the density of the sub phases should be set to 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 or less. Particularly in the undoped light-emitting layer with a layer thickness of 20 nm or less, it is advantageous that the density of the secondary phases is set to 5.0 × 10 ²³ × t (t: layer thickness (cm)) or less. When the density of the sub-phases is set within the above range, emitted light can be obtained which has a full width at half maximum of 15 nm or less and is excellent in monochrome.

In manchen Fällen trennt sich eine lichtemittierende Schicht, die aus ei nem Indium enthaltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III ge bildet ist, der durch das MOCVD-Aufwachsverfahren bei einer Temperatur im Bereich von nicht weniger als 650°C bis weniger als 950°C über Dampf aufgewachsen ist, im Zustand wie aufgewachsen, in viele Phasen. Jedoch sind in der Mehrfachphase im Zustand wie aufgewachsen, die Größen der Nebenphasen extrem inhomogen. Wenn die Indium enthalten de Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, wie aufgewachsen, wärmebehandelt wird, können die Nebenphasen stabil erzeugt werden, während die Hauptphase derart hergestellt wird, daß sie als eine Aus gangsphase dienen kann, und es kann der Mehrphasenaufbau erzeugt werden. Bei einem Wärmebehandlungsverfahren, das einen Indium ent haltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III mit einer Mehrfach phase stabil bildet, der als die lichtemittierende Schicht dient, können die Größen der Nebenphasen gleichmäßig gestaltet werden, indem (a) die Temperaturerhöhungsrate von der Aufwachstemperatur der lichtemittie renden Schicht auf die Wärmebehandlungstemperatur optimiert wird, (b) die Wärmebehandlungstemperatur eine Zeit lang gehalten wird, und (c) durch die Abkühlrate, wenn die Temperatur von der Wärmebehandlungs temperatur abgesenkt wird. Das Gleichmäßiggestalten der Größen der Ne benphasen sowie eine homogene Ausbildung des In-Gehalts (Zusammen setzung) in den Nebenphasen ergibt insbesondere die Wirkung einer Ver größerung der Homogenität der Emissionswellenlänge und der Mono chromie des emittierten Lichts. In some cases, a light-emitting layer consisting of egg nem indium containing semiconductor from a group III nitride is formed by the MOCVD growth process at one temperature in the range of not less than 650 ° C to less than 950 ° C above Steam grew, as it grew, in many phases. However, in the multiple phase in the state how grew up that The sizes of the secondary phases are extremely inhomogeneous. If the indium contain de Group III nitride semiconductor layer, as grown, the secondary phases can be generated stably, while the main phase is made so that it as an off can serve gangsphase, and it can generate the multi-phase structure become. In a heat treatment process that ent an indium Group III nitride holding semiconductor with a multiple phase stable, which serves as the light emitting layer, the Sizes of the secondary phases can be made uniform by (a) the Temperature increase rate from the growth temperature of the light emitter layer is optimized to the heat treatment temperature, (b) the heat treatment temperature is held for a time, and (c) by the cooling rate when the temperature from the heat treatment temperature is lowered. Making the sizes of the Ne even phase and a homogeneous formation of the content (together settlement) in the secondary phases results in particular in the effect of a ver increasing the homogeneity of the emission wavelength and the mono emitted light chromie.

Bei der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich der Aufbau des Grenzberei ches zwischen der Hauptphase und den Nebenphasen in der lichtemittie renden Schicht festgelegt. Im besonderen ist die Eigenschaft der Neben phasen der vorliegenden Erfindung, daß die Nebenphasen die verspannten Bereiche (verspannten Schichten) an den Grenzen zwischen den Neben phasen und der diese umgebenden Hauptphase halten. Die Anzahl der Nebenphasen, welche diese verspannte Schicht aufweisen, ist derart ein gestellt, daß sie 50% oder mehr der Gesamtzahl der Nebenphasen aus macht.In the present invention, the structure of the border area is additionally ches between the main phase and the secondary phases in the light emission layer. In particular, the property is the secondary phases of the present invention that the secondary phases the braced Areas (strained layers) on the borders between the secondary phases and the main phase surrounding them. The number of Secondary phases that have this strained layer is such a that they are 50% or more of the total number of minor phases makes.

Bei der Wärmebehandlung der lichtemittierenden Schicht zur stabilen Ausbildung des Mehrphasenaufbaus, können die Nebenphasen, welche die am Umfang verspannten Schichten aufweisen, gebildet werden, indem die Abkühlrate von der Wärmebehandlungstemperatur geeignet eingestellt wird. Es ist das am meisten bevorzugte Abkühlverfahren, die Temperatur von der Wärmebehandlungstemperatur zwischen 950°C und 1200°C ab zusenken, während die Absenkrate verändert wird. Der bevorzugte Wär mebehandlungstemperaturbereich liegt zwischen 950°C und 1200°C. Insbesondere ermöglicht das Abkühlverfahren, das die Schritte umfaßt, daß die Temperatur von der Wärmebehandlungstemperatur auf 950°C mit einer Rate von 20°C pro Minute oder mehr und von 950°C auf 650°C mit einer Rate von 20°C pro Minute oder weniger abgesenkt wird, eine stabile Ausbildung der Nebenphasen, welche die verspannten Schichten an ihren Umfängen halten. Durch dieses Abkühlverfahren kann der Pro zentsatz der Nebenphasen mit der verspannten Schicht verläßlich auf 50% oder mehr der Gesamtzahl der Nebenphasen hergestellt werden. Der Pro zentsatz der Nebenphasen mit der verspannten Schicht kann bestimmt werden, indem die Zahl von Nebenphasen mit der verspannten Schicht in einer Gitterabbildung gezahlt wird, die mit einem Transmissionselektro nenmikroskop (TEM) fotografiert wird. Wenn die Temperatur von der Wärmebehandlungstemperatur auf 950°C mit einer Rate von 20°C pro Minute oder weniger abgesenkt wird, kann keine gute Oberflächenmor phologie der lichtemittierenden Schicht erhalten werden, was dazu führt, daß es der lichtemittierenden Schicht an Ebenheit mangelt. Ein schnelles Abkühlen von 950°C auf 650°C, das mit einer Rate ausgeführt wird, die 20°C pro Minute überschreitet, ist nachteilig, weil es mehr als die geeig nete Zahl von verspannten Schichten an den Umfängen der Nebenphasen erzeugt.During the heat treatment of the light-emitting layer to the stable Training of the multi-phase structure, the secondary phases, which which have circumferentially strained layers are formed by the cooling rate is appropriately set from the heat treatment temperature becomes. It is the most preferred cooling method, temperature on the heat treatment temperature between 950 ° C and 1200 ° C lower while changing the lowering rate. The preferred war The treatment temperature range is between 950 ° C and 1200 ° C. In particular, the cooling process comprising the steps enables that the temperature from the heat treatment temperature to 950 ° C at a rate of 20 ° C per minute or more and from 950 ° C to 650 ° C is lowered at a rate of 20 ° C per minute or less, one stable formation of the secondary phases that cover the strained layers stick to their circumference. With this cooling process, the Pro percentage of secondary phases with the strained layer reliably to 50% or more of the total number of minor phases. The pro percentage of secondary phases with the strained layer can be determined by the number of secondary phases with the strained layer in a grating image is paid, which with a transmission electro NEN microscope (TEM) is photographed. If the temperature of the Heat treatment temperature to 950 ° C at a rate of 20 ° C each Minute or less is not good surface mud phology of the light emitting layer can be obtained, which leads to that the light emitting layer lacks flatness. A quick one Cooling from 950 ° C to 650 ° C, which is carried out at a rate that Exceeding 20 ° C per minute is disadvantageous because it is more suitable than that nete number of strained layers on the peripheries of the secondary phases generated.

Es ist unnötig, die zuvor erwähnte Wärmebehandlung zur Ausbildung des Mehrphasenaufbaus unabhängig auszuführen. Die Ausbildung des Mehr phasenaufbaus kann durch den Aufwachsarbeitsgang erreicht werden, der ausgeführt wird, wenn beispielsweise eine Galliumnitrid-Schicht oder eine Aluminiumgalliumnitrid-Schicht auf die lichtemittierende Schicht aufgewachsen wird, die auf der Indium enthaltenden Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet wird. Dies ist der Fall, weil die Auf wachstemperatur, wenn diese Schichten auf die lichtemittierende Schicht aufgewachsen werden, innerhalb des Bereiches der vorstehenden bevor zugten Wärmebehandlungstemperaturen liegt.It is unnecessary to use the aforementioned heat treatment to form the Multi-phase construction to be carried out independently. The training of more phase build-up can be achieved through the growth process, which is carried out when, for example, a gallium nitride layer or an aluminum gallium nitride layer on the light emitting layer is grown out on the indium-containing semiconductor layer a Group III nitride is formed. This is because the on wax temperature when these layers on the light emitting layer be grown up within the scope of the foregoing drawn heat treatment temperatures.

Es kann durch eine gewöhnliche Querschnitts-TEM-Technik, die ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet, bestätigt werden, ob der Indium enthaltende Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III den Mehrphasenaufbau annimmt. An der Hellfeld-Querschnitts-TEM-Abbil dung eines Galliumindiumnitrid-Mischkristalls, der aus dem Mehrpha senaufbau gebildet ist, werden die Nebenphasen-Abschnitte in schwarzem Kontrast von einer näherungsweise kugelförmigen oder trapezförmigen oder polygonen Form fotografiert. In manchen Fällen geht ein schwarzer Kontrast von einem Kristallfehler, wie einer Versetzung, aus. Der Kon trast, der auf die Versetzung zurückzuführen ist, ist im allgemeinen lini enförmig. Es ist möglich, aus der Form des Kontrasts festzustellen, ob es sich um eine Nebenphase handelt oder nicht, und es ist möglich, daraus die Form der Nebenphasen festzustellen. Die Dichte der Nebenphasen in der Hauptphase kann aus der Dichte der auf die Nebenphasen zurückzu führenden Kontraste gemessen werden. Mit einem Analyseelektronenmi kroskop, das mit einer Vorrichtung zur Analyse einer Zusammensetzung ausgerüstet ist, wie ein Elektronensondenmikroanalysator (EPMA), kann der In-Gehalt sowohl der Hauptphase als auch der Nebenphasen analy siert werden. Die Differenz (Varianz) des In-Gehalts zwischen der Haupt phase und den Nebenphasen kann auch durch ein genaues Röntgenbeu gungsverfahren analysiert werden, das als Vierkristallverfahren bekannt ist.It can be done by an ordinary cross-sectional TEM technique, the one Transmission electron microscope (TEM) used to confirm whether the Group III nitride containing indium Assumes multiphase construction. At the bright field cross-section TEM illustration formation of a gallium indium nitride mixed crystal, which from the multiphase is formed, the secondary phase sections are in black Contrast from an approximately spherical or trapezoidal or photographed in polygonal form. In some cases, a black one goes Contrast from a crystal defect, such as a dislocation. The con trast, which is due to the transfer, is generally lini shaped. It is possible to determine from the shape of the contrast whether it is is a secondary phase or not and it is possible to do so determine the form of the secondary phases. The density of the secondary phases in the main phase can return from the density of the secondary phases leading contrasts can be measured. With an analysis electron mi Microscope with a device for analyzing a composition is equipped, such as an electron probe micro analyzer (EPMA) the In content of both the main phase and the secondary phases analy be settled. The difference (variance) in content between the main phase and the secondary phases can also be determined by an exact X-ray be analyzed, known as the four-crystal process is.

Die Anwesenheit der verspannten Schicht am Umfang der Nebenphasen kann aus der Querschnitts-TEM-Abbildung mit einer starken Vergröße rung beobachtet werden. Die Beobachtung wird am besten mit einer star ken millionenfachen Vergrößerung durchgeführt.The presence of the strained layer on the periphery of the secondary phases can from the cross-sectional TEM image with a large magnification tion can be observed. The observation is best done with a star million times magnification.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kristallgitterabbildung der lichtemittierenden Schicht darstellt, wenn die lichtemittierende Schicht des lichtemittierenden Nitridhalbleiterelements der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) foto grafiert wird. Diese Kristallgitterabbildung wird erhalten, indem mit einer Hellfeld-Schnitt-TEM-Technik mit einer Vergrößerung von 2×10⁶ fotogra fiert wird. Die Erläuterung und wird unter Bezugnahme auf diese Figur fortgesetzt. Fig. 1 is a diagram illustrating an example of a crystal lattice image of the light-emitting layer when the light-emitting layer of the light emitting Nitridhalbleiterelements is grafiert of the present invention using a transmission electron microscope (TEM) photo. This crystal lattice image is obtained by photographing with a bright field cut TEM technique with a magnification of 2 × 10 ⁶ . The explanation and continues with reference to this figure.

Die lichtemittierende Schicht 2 weist einen Mehrphasenaufbau auf, der aus einer Hauptphase 21 und Nebenphasen 22 besteht, deren Indium-Ge halt (In-Gehalt) sich von dem der Hauptphase 21 unterscheidet. Es ist eine verspannte Schicht 23 am Umfang jeder Nebenphase 22 in der Hauptphase 21 vorhanden, die als die Matrix der lichtemittierenden Schicht 2 dient. Im besonderen ist die Nebenphase 22 ein Kristall, dessen verspannte Schicht 23 an der Grenze zur Hauptphase 21 ausgebildet ist. Obwohl die Dicke d der verspannten Schichten 23 derart gezeigt ist, daß sie im allgemeinen um die Nebenphasen 22 herum gleichmäßig ist, ist dies nicht immer der Fall. In manchen Fällen ist die verspannte Schicht 23 verzerrt und wächst beispielsweise derart auf, daß sie nur zu einer Richtung hin dicker ist.The light-emitting layer 2 has a multi-phase structure which consists of a main phase 21 and secondary phases 22 , the indium content of which (In content) differs from that of the main phase 21 . There is a strained layer 23 on the periphery of each secondary phase 22 in the main phase 21 , which serves as the matrix of the light-emitting layer 2 . In particular, the secondary phase 22 is a crystal, the strained layer 23 of which is formed on the boundary with the main phase 21 . Although the thickness d of the strained layers 23 is shown to be generally uniform around the minor phases 22 , this is not always the case. In some cases, the strained layer 23 is distorted and grows, for example, in such a way that it is thicker only in one direction.

Wenn der Abstand der Kristallgitterebenen verglichen wird, wird heraus gefunden, daß der Abstand der Gitter in der Hauptphase 21, den Neben phasen 22 und den verspannten Schichten 23 unterschiedlich ist. Insbe sondere wird herausgefunden, daß die verspannte Schicht 23 einen Git terebenenabstand (Gitterabbildungsabstand) und eine Gitterorientierung aufweist, die sich von denjenigen der Hauptphase 21 und der Nebenphase 22 unterscheidet. Der Abstand der Gitterabbildung der verspannten Schicht 23 liegt zwischen demjenigen der Hauptphase 21 und der Neben phase 22, und ihr Gitter (Abbildung) ist manchmal ungeordnet.If the distance between the crystal lattice planes is compared, it is found that the distance between the lattices in the main phase 21 , the secondary phases 22 and the strained layers 23 is different. In particular, it is found that the strained layer 23 has a lattice spacing (lattice imaging distance) and a lattice orientation that differs from that of the main phase 21 and the secondary phase 22 . The spacing of the lattice image of the strained layer 23 is between that of the main phase 21 and the secondary phase 22 , and their lattice (figure) is sometimes disordered.

Die Dicke d der verspannten Schicht 23, welche die Nebenphase 22 um gibt, hat eine Auswirkung auf die Intensität von Licht, das von der licht emittierenden Schicht 2 des Mehrphasenaufbaus emittiert wird. Wenn die verspannten Schichten 23 zu dick werden, haben sie keine große Wirkung einer Erhöhung der Emissionsintensität. Es gibt eine Dicke d, die für die verspannte Schicht 23 geeignet ist, damit eine Lichtemission mit hoher Intensität erhalten wird. Die Dicke (Bereichsbreite) d der verspannten Schicht 23, die für eine Lichtemission mit hoher Intensität geeignet ist, beträgt 0,5×D oder weniger, wobei D die Größe der Nebenphase 22 ist. Wenn die Nebenphase 22 näherungsweise kugelförmig ist, kann die Größe D durch einen Durchmesser ausgedrückt werden. Im Fall von inselförmi gen Nebenphasen kann die Größe D durch eine Breite ausgedrückt wer den. Beispielsweise ist die Dicke der verspannten Schicht 23 für eine ku gelförmige Nebenphase mit einem Durchmesser von 20 nm auf 10 (= 0,5×20) nm oder weniger eingestellt.The thickness d of the strained layer 23 , which gives the secondary phase 22 µm, has an effect on the intensity of light emitted by the light-emitting layer 2 of the multi-phase structure. If the strained layers 23 become too thick, they have no great effect of increasing the emission intensity. There is a thickness d which is suitable for the strained layer 23 so that light emission with high intensity is obtained. The thickness (area width) d of the strained layer 23 , which is suitable for light emission with high intensity, is 0.5 × D or less, where D is the size of the secondary phase 22 . If the secondary phase 22 is approximately spherical, the size D can be expressed by a diameter. In the case of island-like secondary phases, the size D can be expressed by a width. For example, the thickness of the strained layer 23 is set to 10 (= 0.5 × 20) nm or less for a spherical secondary phase with a diameter of 20 nm.

Obwohl die Dicke d der verspannten Schicht 23 nicht immer näherungs weise homogen ist, ist die Wirkung nicht beeinträchtigt, selbst wenn die durchschnittliche Dicke d der verspannten Schicht 23 0,5×D oder weni ger beträgt. Wenn die verspannte Schicht 23 äußerst dünn ist, wird je doch keine Wirkung einer großen Erhöhung der Emissionsintensität ge zeigt. Es wird angenommen, daß der Grund dafür ist, daß, wenn keine verspannte Schicht 23 zwischen der Phase 21 und der Nebenphase 22 vorhanden ist, ein Bandaufbau zur Erzeugung quantisierter Träger, die zu einer Lichtemission mit hoher Intensität beiträgt, nicht vollständig ge schaffen wird. Die Dicke der verspannten Schicht 23 sollte mindestens 5 Å betragen, und sollte vorzugsweise 10 Å (= 1 nm) oder mehr betragen.Although the thickness d of the strained layer 23 is not always approximately homogeneous, the effect is not impaired even if the average thickness d of the strained layer 23 is 0.5 × D or less. If the strained layer 23 is extremely thin, however, no effect of a large increase in the emission intensity is shown. It is believed that the reason for this is that if there is no strained layer 23 between phase 21 and sub-phase 22 , a band structure for producing quantized carriers that contribute to high intensity light emission will not be fully created. The thickness of the strained layer 23 should be at least 5 Å, and should preferably be 10 Å (= 1 nm) or more.

Anderseits sollte der maximale Wert der Dicke d der verspannten Schicht 23 10 nm oder weniger betragen. Dies ist die bevorzugte Dicke der ver spannten Schicht, für die man sich entscheidet, wenn man berücksichtigt, daß der In-Gehalt der Indium enthaltenden Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die im allgemeinen als die lichtemittierende Schicht 2 verwendet wird, ungefähr 5% bis ungefähr 50% beträgt. Deshalb sollte die Dicke d der verspannten Schicht 23 im Bereich von ungefähr 5 Å und mehr bis 10 nm oder weniger eingestellt sein.On the other hand, the maximum value of the thickness d of the strained layer 23 should be 10 nm or less. This is the preferred thickness of the strained layer, which is chosen considering that the In content of the indium-containing semiconductor layer made of a group III nitride, which is generally used as the light-emitting layer 2 , is about 5%. to about 50%. Therefore, the thickness d of the strained layer 23 should be set in the range of about 5 Å and more to 10 nm or less.

Wie es oben ausgeführt ist, kann die Dicke d der verspannten Schicht 23 gesteuert werden, indem die Temperaturabsenkrate bei dem Abkühlschritt der Wärmebehandlung der lichtemittierenden Schicht 2 zur Erzeugung des Mehrphasenaufbaus nach der Beendigung des Aufwachsens der Indi um enthaltenden Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die als die lichtemittierenden Schicht 2 dient, eingestellt wird. Die Temperaturab senkrate (Abkühlrate) im Temperaturbereich von 950°C bis 650°C ist ein dominierender Faktor, der die Dicke d der verspannten Schichten 23 be stimmt. Die Temperaturabsenkrate innerhalb dieses Temperaturbereichs sollte 20°C pro Minute oder weniger betragen. Eine gute Ausbildung der verspannten Schichten 23 mit einer Dicke im Bereich von 5 Å oder mehr bis 10 nm oder weniger kann erhalten werden, indem die Temperaturab senkrate im Bereich von 5°C/min bis 20°C/min, besonders bevorzugt im Bereich von 7°C/min bis 15°C/min eingestellt wird. Gleichzeitig kann unter einer derartigen Abkühlrate der Prozentsatz der Nebenphasen, wel che die verspannte Schicht aufweisen, verläßlich derart hergestellt wer den, daß er 50% oder mehr beträgt. Wenn die Temperatur mit einer Rate abgesenkt wird, die 20°C/min überschreitet, nimmt die Dicke d der ver spannten Schicht 23 zu, und es ist schwierig, die Dicke d unter 0,5×D zu halten. Wenn im Gegensatz dazu die Temperaturabsenkrate unter 5°C/min liegt, nimmt die Dicke d der verspannten Schicht 23 ab, und wenn sie unter 3°C/min liegt, ist es unmöglich, selbst die minimale Dicke der verspannten Schicht von ungefähr 5 Å sicherzustellen.As stated above, the thickness d of the strained layer 23 can be controlled by controlling the temperature lowering rate in the cooling step of the heat treatment of the light-emitting layer 2 to produce the multi-phase structure after completion of the growth of the group III nitride-containing semiconductor layer, serving as the light emitting layer 2 is set. The temperature reduction rate (cooling rate) in the temperature range from 950 ° C. to 650 ° C. is a dominant factor which determines the thickness d of the strained layers 23 . The temperature drop rate within this temperature range should be 20 ° C per minute or less. A good formation of the strained layers 23 with a thickness in the range from 5 Å or more to 10 nm or less can be achieved by the temperature reduction rate in the range from 5 ° C / min to 20 ° C / min, particularly preferably in the range from 7 ° C / min to 15 ° C / min is set. At the same time, under such a cooling rate, the percentage of secondary phases which the strained layer has can be reliably made to be 50% or more. If the temperature is lowered at a rate exceeding 20 ° C / min, the thickness d of the strained layer 23 increases, and it is difficult to keep the thickness d below 0.5 × D. Conversely, if the temperature lowering rate is below 5 ° C / min, the thickness d of the strained layer 23 decreases, and if it is below 3 ° C / min, it is impossible even the minimum thickness of the strained layer of about 5 Å ensure.

Wie bei der Temperaturabsenkrate bei dem vorhergehenden Abkühlschritt kann eine Vielzahl von Temperaturabsenkungsprofilen angenommen wer den. Beispielsweise kann das Abkühlen von 950°C auf 650°C mit einer konstanten Temperaturabsenkrate durchgeführt werden, oder das Ab kühlen kann durchgeführt werden, während die Temperaturabsenkrate verändert wird. Es werden beispielsweise gute Ergebnisse erhalten, wenn die Temperatur von 950°C auf 800°C mit einer Rate von 15°C pro Mi nute abgesenkt wird, gefolgt von einem Absenken der Temperatur von 800°C auf 650°C mit einer Rate von 10°C pro Minute. Alternativ kann das Abkühlen von 950°C mit einer konstanten Rate begonnen werden, und die Temperatur kann für eine vorherbestimmte Wartezeit auf einer bestimmten Temperatur zwischen 950°C und 650°C konstant gehalten werden, gefolgt von einem Abkühlen auf 650°C. Der Vorteil, die Tempe ratur über eine vorbestimmte Wartezeit zur Zeit der Temperaturabsenkbe handlung näherungsweise konstant zu halten, ist, daß die Homogenität der Dicke d der verspannten Schichten 23 am Umfang der Nebenphasen 22 erreicht werden kann. Wenn die durch die vorliegende Erfindung fest gelegte Temperaturabsenkrate zusammen mit dem Temperaturabsenk verfahren verwendet wird, bei dem die Wartezeit festgesetzt ist, kann des halb die Dicke d der verspannten Schicht gesteuert und eine Homogenität der Dicke d der verspannten Schicht 23 erreicht werden. Die Anwesenheit der verspannten Schichten 23 mit der gesteuerten und gleichmäßigen Dicke trägt zur Herstellung des Quantenniveaus bei, was auch zu einer Zunahme der Emissionsintensität und Monochromie des emittierten Lichts führt. As with the temperature drop rate in the previous cooling step, a variety of temperature drop profiles can be adopted. For example, cooling from 950 ° C to 650 ° C can be performed at a constant temperature decrease rate, or cooling can be performed while changing the temperature decrease rate. For example, good results are obtained when the temperature is lowered from 950 ° C to 800 ° C at a rate of 15 ° C per minute, followed by a temperature decrease from 800 ° C to 650 ° C at a rate of 10 ° C per minute. Alternatively, cooling from 950 ° C can be started at a constant rate and the temperature can be held constant for a predetermined waiting time at a certain temperature between 950 ° C and 650 ° C, followed by cooling to 650 ° C. The advantage of keeping the temperature approximately constant over a predetermined waiting time at the time of the temperature reduction treatment is that the homogeneity of the thickness d of the strained layers 23 on the circumference of the secondary phases 22 can be achieved. Therefore, when the temperature lowering rate set by the present invention is used together with the temperature lowering method in which the waiting time is set, the thickness d of the strained layer can be controlled and the thickness d of the strained layer 23 can be homogenized. The presence of the strained layers 23 with the controlled and uniform thickness contributes to the establishment of the quantum level, which also leads to an increase in the emission intensity and monochrome of the emitted light.

In der lichtemittierenden Schicht, die aus dem Indium enthaltenden Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III mit dem Mehrphasenaufbau gebildet ist, der aus der Hauptphase und den Nebenphasen mit unter schiedlichem Indium-Gehalt besteht, erzeugen bei dieser Ausführungs form die verspannten Schichten, die um die Nebenphasen herum vorhan den sind, stabil Träger, die zu einer Erhöhung der Emissionsintensität beitragen, weil die Nebenphasen hauptsächlich aus Kristall mit verspann ten Schichten an den Grenzen zur umgebenden Hauptphase gebildet sind, wie es oben beschrieben ist. Deshalb ist es möglich, daß der Kristall, der die Nebenphasen bildet, effektiv als ein quantisiertes Emissionsmedium wirkt, und daß das kurzwellige, sichtbare Licht, das von dem lichtemittie renden Nitridhalbleiterelement ausgegeben wird, das diese lichtemittieren de Schicht umfaßt, stabil mit einer hohen Emissionsintensität und mit ausgezeichneter Monochromie emittiert wird.In the light-emitting layer, the indium-containing Group III nitride semiconductor with multiphase structure is formed, which consists of the main phase and the secondary phases with under different indium content, produce in this execution form the strained layers that exist around the secondary phases are stable carriers that lead to an increase in emission intensity contribute because the secondary phases are mainly made of crystal layers are formed on the borders to the surrounding main phase, as described above. It is therefore possible that the crystal, the forms the secondary phases, effectively as a quantized emission medium works, and that the short-wave, visible light, that of the light emitting Nitride semiconductor element is emitted, which emit light de layer, stable with a high emission intensity and with excellent monochrome is emitted.

Weil die Nebenphasen hauptsächlich aus Kristall gebildet sind, der ver spannte Schichten mit einer Breite von 0,5×D oder weniger relativ zur Gesamtgröße (D) der Nebenphase aufweist, kann außerdem die Dicke der verspannten Schichten auf einem Wert gehalten werden, der dafür geeig net ist, eine Lichtemission mit hoher Intensität zu erhalten.Because the secondary phases are mainly made of crystal, the ver strained layers with a width of 0.5 × D or less relative to the Total size (D) of the secondary phase, the thickness of the strained layers are kept at a value that is suitable for this is net to get a light emission with high intensity.

Weil die Nebenphasen mit der verspannten Schicht derart hergestellt sind, daß sie 50% oder mehr der Gesamtzahl von Nebenphasen ausmachen, wird ferner verläßlich die Eigenschaft der verspannten Schicht gezeigt, die zur Steigerung der Lichtemissionsintensität beiträgt. Because the secondary phases with the strained layer are made in such a way that they make up 50% or more of the total number of secondary phases, the property of the strained layer is reliably shown, the contributes to increasing the light emission intensity.

Da die Dichte der Nebenphasen derart eingestellt ist, daß sie 2×10¹⁸ cm^-3 oder weniger beträgt, kann emittiertes Licht erhalten werden, das bei spielsweise eine Halbwertbreite von 15 nm oder weniger und eine ausge zeichnete Monochromie aufweist.Since the density of the secondary phases is set such that it is 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 or less, emitted light can be obtained which has a full width at half maximum of 15 nm or less and has an excellent monochrome.

Das lichtemittierende Nitridhalbleiterelement der vorliegenden Erfindung wird nun anhand besonderer Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfin dung ist nicht auf diese Beispiele begrenzt.The nitride semiconductor light emitting element of the present invention will now be described using specific examples. The present inven is not limited to these examples.

First example:

Es wird ein Beispiel für den Fall beschrieben, bei dem die vorliegende Er findung auf eine lichtemittierende Diode (LED) angewandt wurde. Unter Verwendung eines Aufwachsreaktors für MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition = metall-organische Gasphasenabscheidung) von einem gewöhnlichem Typ für Normaldruck (Atmosphärendruck), wurden Bauteil schichten eines Aufbaus aus übereinanderliegenden Schichten, der für die LED verwendet wurde, nacheinander auf einem Substrat gemäß den fol genden Prozeduren gebildet.An example of the case where the present Er invention was applied to a light emitting diode (LED). Under Use of a growth reactor for MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor deposition = metal-organic vapor deposition) by one Ordinary type for normal pressure (atmospheric pressure), component layers of a structure of superimposed layers, which for the LED was used successively on a substrate according to fol procedures.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, welche den Aufbau aus übereinan derliegenden Schichten der LED nach dem ersten Beispiel zeigt. Der Auf bau aus übereinanderliegenden Schichten 11 wurde hergestellt, indem Schichten auf einem Substrat 100 übereinandergelegt wurden. Als das Substrat 100 wurde ein (0001) (c-Flächen)-Saphir (α-Al₂O₃-Einkristall) mit einem Durchmesser von 2 Zoll (50 mm) und einer Dicke von ungefähr 90 µm verwendet, dessen beide Oberflächen poliert waren. Eine Nieder temperaturpufferschicht 100a aus einem Aluminiumgalliumnitrid (Al_0,8Ga_0,2N)-Film wurde auf dem Substrat 100 durch das Normal druck-MOCVD-Verfahren unter Verwendung von Quellmaterialien aus Trime thylgallium ((CH₃)₃Ga), Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al) und Ammoniak (NH₃) gebildet. Die Ausbildung des Films wurde über 3 Minuten bei einer Temperatur von 430°C in einer Wasserstoffströmung durchgeführt. Die Wasserstoffdurchsatzrate betrug 8 Liter pro Minute und die Ammoniak gasdurchsatzrate betrug 1 Liter pro Minute. Die Dicke der Niedertempe raturpufferschicht 100a betrug 15 nm. Fig. 2 is a schematic view showing the structure of overlapping layers of the LED according to the first example. The construction of layers 11 lying one above the other was produced by superimposing layers on a substrate 100 . As the substrate 100 , a (0001) (c-face) sapphire (α-Al ₂ O ₃ single crystal) with a diameter of 2 inches (50 mm) and a thickness of about 90 µm was used, both surfaces of which were polished . A low temperature buffer layer 100 a made of an aluminum gallium nitride (Al _0.8 Ga _0.2 N) film was deposited on the substrate 100 by the normal pressure MOCVD method using source materials made from trimethyl gallium ((CH ₃ ) ₃ Ga), Trimethylaluminum ((CH ₃ ) ₃ Al) and ammonia (NH ₃ ) are formed. The formation of the film was carried out for 3 minutes at a temperature of 430 ° C in a hydrogen flow. The hydrogen flow rate was 8 liters per minute and the ammonia gas flow rate was 1 liter per minute. The thickness of the low temperature buffer layer 100 a was 15 nm.

Als nächstes wurde dem MOCVD-Reaktionssystem Wasserstoffgas ent haltendes Disilan (Si₂H₆) mit einer Volumenkonzentration von ungefähr 3 ppm hinzugefügt, und es wurde eine n-leitende Galliumnitrid-(GaN)-Schicht 101 auf der Niedertemperaturpufferschicht 100a in einer Wasser stoff-Argon-(Ar)-Strömung bei einer Temperatur von 1100°C über 90 Mi nuten gebildet. Die dem System hinzugefügte Menge des Disilan-Wasser stoff-Mischgases wurde von einem elektronischen Massendurchsatz-Con troller (MFC) derart gesteuert, daß sie genau 10 cm³ pro Minute betrug. Die Trägerkonzentration der n-leitenden Galliumnitrid-Schicht 101, die mit Silizium (Si) dotiert war, betrug 3×10¹⁸ cm^-3, und die Dicke betrug ungefähr 3 µm.Next, disilane (Si ₂ H ₆ ) containing hydrogen gas was added to the MOCVD reaction system at a volume concentration of about 3 ppm, and an n-type gallium nitride (GaN) layer 101 was formed on the low-temperature buffer layer 100 a in a hydrogen -Argon- (Ar) flow formed at a temperature of 1100 ° C over 90 minutes. The amount of disilane-hydrogen mixed gas added to the system was controlled by an electronic mass flow controller (MFC) so that it was exactly 10 cm ³ per minute. The carrier concentration of the n-type gallium nitride layer 101 doped with silicon (Si) was 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , and the thickness was approximately 3 μm.

Nachdem die Temperatur des Substrats 100 von 1100 auf 800°C abge senkt worden war, wurde eine lichtemittierende Schicht 102, die aus Gal liumindiumnitrid (Ga_0,82In_0,18N) mit einem durchschnittlichen In-Gehalt von 18% bestand, auf die n-leitende Galliumnitrid-Schicht 101 abgeschie den. Das Aufwachsen der lichtemittierenden Schicht 102 wurde in einer Argon-Strömung durchgeführt. Die Dicke der lichtemittierenden Schicht 102 wurde auf 5 nm hergestellt. Es wurde Trimethylgallium als die Galli umquelle verwendet, und es wurde Trimethylindium als die Indiumquelle verwendet. Das Trimethylgallium wurde auf einer konstanten Temperatur von 0°C gehalten, und die Wasserstoffdurchsatzrate, um dieses zur Bla senbildung anzuregen, wurde von dem MFC auf genau 1 cm³ pro Minute gesteuert. Das Trimethylindium wurde auf einer konstanten Temperatur von 50°C gehalten. Die Durchsatzrate von Wasserstoff, der den subli mierten Trimethylindium-Dampf begleitet, wurde unter Zuhilfenahme des MFC auf 13 cm³ pro Minute eingestellt. Die Durchsatzrate des Ammoniak-Gases, die Stickstoffquelle, wurde derart eingestellt, daß das V/III-Ver hältnis zur Zeit des Aufwachsens der lichtemittierenden Schicht 102 un gefähr 3×10⁴ wurde. Hier stellt das V/III-Verhältnis das Verhältnis der Konzentration der Stickstoffquelle zur Gesamtkonzentration der Gallium quelle und der Indiumquelle dar, die dem Aufwachsreaktionssystem zu geführt werden. Die Aufwachsrate der lichtemittierenden Schicht 102 war niedriger als diejenige der n-leitenden Galliumnitrid-Schicht 101 und war auf ungefähr 2 nm/min eingestellt.After the temperature of the substrate 100 was lowered from 1100 to 800 ° C, a light emitting layer 102 consisting of galium indium nitride (Ga _0.82 In _0.18 N) with an average In content of 18% was formed the n-type gallium nitride layer 101 is deposited. The growth of the light emitting layer 102 was carried out in an argon flow. The thickness of the light emitting layer 102 was made to 5 nm. Trimethyl gallium was used as the source of gallium and trimethyl indium was used as the source of indium. The trimethyl gallium was kept at a constant temperature of 0 ° C and the hydrogen flow rate to stimulate it to bubble was controlled by the MFC to exactly 1 cm ³ per minute. The trimethylindium was kept at a constant temperature of 50 ° C. The flow rate of hydrogen accompanying the sublimate trimethyl indium vapor was adjusted to 13 cm ³ per minute using the MFC. The flow rate of the ammonia gas, the nitrogen source, was adjusted so that the V / III ratio at the time of growing the light emitting layer 102 became about 3 × 10 ⁴ . Here the V / III ratio represents the ratio of the concentration of the nitrogen source to the total concentration of the gallium source and the indium source, which are fed to the growth reaction system. The growth rate of the light-emitting layer 102 was lower than that of the n-type gallium nitride layer 101 and was set to approximately 2 nm / min.

Nach der Fertigstellung der lichtemittierenden Schicht 102 wurde das Substrat 100 schnell von 800°C auf 1100°C mit einer Temperaturan stiegsrate von 100°C/min in einer Argon-Strömung erhitzt. Die Zusam mensetzung der Atmosphäre des MOCVD-Reaktionssystems wurde wäh rend einer Wartezeit von einer Minute bei 1100°C zu einer Mischung ver ändert, die aus Argon und Wasserstoff bestand, und es wurde eine Alumi niumgalliumnitrid-Mischkristall-Schicht (Al_0,15Ga_0,85N)-Schicht 103, die mit Magnesium (Mg) dotiert war, auf die lichtemittierende Schicht 102 ab geschieden. Die Aufwachsrate war auf ungefähr 3 nm/min eingestellt, was 1,5 mal schneller als die Aufwachsrate der lichtemittierenden Schicht 102 ist. Das Aufwachsen wurde über 10 Minuten fortgesetzt, um eine ge mischte Schicht mit einer Dicke von ungefähr 30 nm zu erhalten. Es wur de Bis-cyclopentadienylmagnesium (Bis-(C₅H₅)₂Mg) als die Magnesiumdo tiermittelquelle verwendet. Die Zufuhrmenge der Magnesiumdotiermittel quelle für das MOCVD-Reaktionssystem war auf 8×10^-6 Mol/min einge stellt. Die Konzentration von Magnesium-Atomen in der Mg-dotierten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 103 wurde durch gewöhnliche SIMS-Analyse als ungefähr 6×10¹⁹ Atome/cm³ bestimmt.After the completion of the light emitting layer 102 , the substrate 100 was quickly heated from 800 ° C to 1100 ° C at a temperature rising rate of 100 ° C / min in an argon flow. The composition of the atmosphere of the MOCVD reaction system was changed to a mixture consisting of argon and hydrogen during a waiting period of one minute at 1100 ° C., and an aluminum gallium nitride mixed crystal layer (Al _0.15 Ga _0.85 N) layer 103 , which was doped with magnesium (Mg), deposited on the light-emitting layer 102 . The growth rate was set at approximately 3 nm / min, which is 1.5 times faster than the growth rate of the light emitting layer 102 . The growth was continued for 10 minutes to obtain a mixed layer approximately 30 nm thick. Bis-cyclopentadienylmagnesium (bis- (C ₅ H ₅ ) ₂ Mg) was used as the magnesium donor source. The supply amount of the magnesium dopant source for the MOCVD reaction system was set to 8 × 10 ^-6 mol / min. The concentration of magnesium atoms in the Mg-doped aluminum gallium nitride layer 103 was determined to be approximately 6 × 10 ¹⁹ atoms / cm ³ by ordinary SIMS analysis.

Anschließend wurde eine Mg-dotierte Galliumnitrid-Schicht 103a auf der Mg-dotierten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 103 über 20 Minuten bei einer Temperatur von 1100°C in einer Argon-Wasserstoff-Mischgasströ mung abschieden. Es wurde Trimethylgallium als die Galliumquelle ver wendet, und die gleiche organische Mg-Verbindung wurde für das Auf wachsen der Mg-dotierten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 103 als die Magnesiumquelle verwendet. Weil eine Tendenz beobachtet wurde, daß die Dotierwirkung von Magnesium mit abnehmender Aufwachsrate zunimmt, wurde die Aufwachsrate auf ungefähr 3 nm/min eingestellt. Die Dicke der Mg-dotierten Galliumnitrid Schicht 103a betrug ungefähr 60 nm.Subsequently, an Mg-doped gallium nitride layer 103 a was deposited on the Mg-doped aluminum gallium nitride layer 103 for 20 minutes at a temperature of 1100 ° C. in an argon-hydrogen mixed gas stream. Trimethyl gallium was used as the gallium source, and the same organic Mg compound was used for growing the Mg-doped aluminum gallium nitride layer 103 as the magnesium source. Because a tendency for the doping effect of magnesium to increase with decreasing growth rate was observed, the growth rate was set at about 3 nm / min. The thickness of the Mg-doped gallium nitride layer 103 a was approximately 60 nm.

Nach dem Ausbilden der Bauteilschichten 100a, 101, 102, 103 und 103a des Aufbaus aus übereinanderliegenden Schichten 11, wurde die Tempe ratur des Substrats 100 unter Zusatz von Ammoniak-Gas zu einer Misch gasströmung, die Argon und Wasserstoff mit dem gleichen Volumen ent hielt, sofort von 1100°C auf 950°C abgesenkt. Von 1100°C auf 950°C wurde nur die Durchsatzrate von Wasserstoffgas, das die Atmosphäre bil det und eine große Wärmeleitfähigkeit zeigt, von 4 Liter/min auf 8 Li ter/min erhöht, und das Substrat wurde innerhalb einer Minute im we sentlichen zwangsgekühlt. Nachdem die Temperatur des Substrats 100 auf 950°C abgesenkt worden war, wurde das Gas, das man in den MOCVD-Reaktor strömen ließ, auf Argon begrenzt. Die Abnahme der Temperatur von 950°C auf 650°C wurde mit einer Rate von 10°C/min über 30 Minuten durchgeführt. Die Abnahme von 650°C auf Raumtempe ratur wurde unter Verwendung einer Argon-Wasserstoff-Atmosphäre in dem MOCVD-Reaktor durchgeführt. Es dauerte ungefähr 45 Minuten, um die Temperatur auf ungefähr 30°C abzusenken.After the formation of the component layers 100 a, 101 , 102 , 103 and 103 a of the structure from superimposed layers 11 , the temperature of the substrate 100 with the addition of ammonia gas to a mixed gas flow, the argon and hydrogen ent with the same volume ent stopped, immediately lowered from 1100 ° C to 950 ° C. From 1100 ° C to 950 ° C, only the throughput rate of hydrogen gas, which forms the atmosphere and shows great thermal conductivity, was increased from 4 liters / min to 8 liters / min, and the substrate was substantially forced cooled within one minute . After the temperature of substrate 100 was lowered to 950 ° C, the gas that was allowed to flow into the MOCVD reactor was confined to argon. The decrease in temperature from 950 ° C to 650 ° C was carried out at a rate of 10 ° C / min over 30 minutes. The decrease from 650 ° C to room temperature was carried out using an argon-hydrogen atmosphere in the MOCVD reactor. It took about 45 minutes to bring the temperature down to about 30 ° C.

Nach dem Abkühlen wurde unter Verwendung eines Abschnitts des Auf bau aus übereinanderliegenden Schichten 11 als eine Probe der innere Aufbau der lichtemittierenden Schicht 102 durch eine gewöhnliche Quer schnitts-TEM-Technik mit einer Beschleunigungsspannung von 200 KV beobachtet.After cooling, using a portion of the superimposed layer structure 11 as a sample, the inner structure of the light emitting layer 102 was observed by an ordinary cross-sectional TEM technique with an accelerating voltage of 200 KV.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Kristallgitterabbildung darstellt, die er halten wird, indem die lichtemittierende Schicht des ersten Beispiels mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) fotografiert wird. Die Be obachtungsvergrößerung betrug 2×10⁶. Fig. 3 zeigt, daß die lichtemittie rende Schicht 102 bei dem ersten Beispiel aus einem Mehrphasenaufbau zusammengesetzt war, der eine Hauptphase 201 und näherungsweise ku gelförmige oder inselförmige Nebenphasen 202 umfaßte. Die inselförmigen Nebenphasen 202 wurden auffallender in der Nähe der Grenzfläche zwi schen der lichtemittierenden Schicht 102 und der n-leitenden Galliumni trid-Schicht 101 als in anderen Bereichen beobachtet. Die Dichte der Ne benphasen 202, die aus der Anzahl der Nebenphasen 202 innerhalb des fotografierten Bereiches berechnet wurde, betrug ungefähr 2×10¹⁷ cm^-3. Die Indium-Gehalte der Hauptphase 201 und der Nebenphasen 202 waren unterschiedlich, und es wurde beobachtet, daß die Indium-Konzentration in den Nebenphasen 202 eine stärkere Tendenz hatte, zuzunehmen, als in der Hauptphase 201. Es wurden auch Nebenphasen mit einem Indium-Ge halt von ungefähr 30% beobachtet. FIG. 3 is a diagram illustrating a crystal lattice image that he will hold by photographing the light-emitting layer of the first example with a transmission electron microscope (TEM). The observation magnification was 2 × 10 ⁶ . Fig. 3 shows that the light-emitting layer 102 in the first example was composed of a multi-phase structure comprising a main phase 201 and approximately spherical or island-shaped secondary phases 202 . The island-shaped secondary phases 202 were observed more conspicuously in the vicinity of the interface between the light-emitting layer 102 and the n-type gallium nitride layer 101 than in other areas. The density of the Ne benphasen 202, which was calculated from the number of secondary phases 202 within the photographed area was about 2 × 10 ¹⁷ cm ^-3. The indium contents of the main phase 201 and the secondary phases 202 were different, and it was observed that the indium concentration in the secondary phases 202 had a greater tendency to increase than in the main phase 201 . Secondary phases with an indium content of approximately 30% were also observed.

Es wurde beobachtet, daß jede der Nebenphasen 202 eine verspannte Schicht 203 an der Grenze zur Hauptphase 201 aufwies. Der Durchmes ser der näherungsweise kugelförmigen Nebenphasen 202 betrug ungefähr 25 Å bis 35 Å (2,5 nm bis 3,5 nm). Die Breite der inselförmigen Nebenpha sen 202 betrug ungefähr 35 Å. In manchen Fällen betrug der Unterschied des Winkels der Orientierungsrichtung der Gitterebene in der Nebenphase 202 und der verspannten Schicht 203 ungefähr 60 Grad. Obwohl die ver spannte Schicht 203 nicht immer mit einer gleichmäßigen Dicke um die Nebenphase 202 herum vorhanden war, betrug deren durchschnittliche Dicke ungefähr 10 Å. Die Dicke (Breite) d der verspannten Schicht 203, welche die Nebenphase 202 umgibt, die einen Durchmesser oder eine Breite von 25 Å bis 35 Å aufwies, betrug 8 Å bis 13 Å. Die Dicke d der ver spannten Schicht 203, welche die Nebenphase 202 umgibt die einen ver gleichsweise kleinen Durchmesser oder eine vergleichsweise kleine Breite (ungefähr 10 Å bis 15 Å) aufweist, lag in einem Bereich von etwas weniger als 5 Å bis ungefähr 7 Å. Außerdem betrug der Prozentsatz der Nebenpha sen, welche die verspannte Schicht mit derartigen Dicken aufwiesen, un gefähr 86%.It was observed that each of the secondary phases 202 had a strained layer 203 on the boundary with the main phase 201 . The diameter of the approximately spherical secondary phases 202 was approximately 25 Å to 35 Å (2.5 nm to 3.5 nm). The width of the island-shaped secondary phases 202 was approximately 35 Å. In some cases, the difference in the angle of the orientation direction of the grating plane in the secondary phase 202 and the strained layer 203 was approximately 60 degrees. Although the strained layer 203 was not always uniform in thickness around the minor phase 202 , its average thickness was about 10 Å. The thickness (width) d of the strained layer 203 surrounding the secondary phase 202 , which was 25 Å to 35 Å in diameter or width, was 8 Å to 13 Å. The thickness d of the strained layer 203 , which surrounds the secondary phase 202 and which has a comparatively small diameter or a comparatively small width (approximately 10 Å to 15 Å), was in a range from somewhat less than 5 Å to approximately 7 Å. In addition, the percentage of secondary phases, which had the strained layer with such thicknesses, was approximately 86%.

Es wurde eine LED unter Verwendung des vorhergehenden Aufbaus aus übereinanderliegenden Schichten 11 als Ausgangsmaterial gebildet.An LED was formed using the above structure from overlying layers 11 as a starting material.

Fig. 4 zeigt schematisch den geschnittenen Aufbau der LED bei dem er sten Beispiel. Der Schnitt ist entlang der Linie 4-4 in Fig. 5 genommen. Fig. 4 shows schematically the sectional structure of the LED in the first example. The section is taken along line 4-4 in Fig. 5.

Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht der LED. Die LED 50 wurde er halten, indem der vorhergehende Aufbau aus übereinanderliegenden Schichten 11 mit Elektroden versehen wurde. Fig. 5 is a schematic plan view of the LED. He would keep the LED 50 by providing the previous structure of layers 11 lying one above the other with electrodes.

Zuerst wurde ein Bereich zur Ausbildung einer n-leitenden Anschlußflä chenelektrode 109 durch Plasmaätzen unter Verwendung von Methan/- Argon/Wasserstoff-Mischgas gebildet. Die n-leitende Anschlußflächen elektrode 109 wurde zu einem Durchmesser von 100 µm aus elementarem Aluminium (Al) auf einem durch Ätzen freigelegten Oberflächenabschnitt der n-leitenden Galliumnitrid-Schicht 101 durch ein gewöhnliches Vaku umverdampfungsverfahren gebildet. Die Dicke der Elektrode 109 wurde auf ungefähr 2 µm hergestellt. Auf der Mg-dotierten Galliumnitrid-Schicht 103a, der obersten Oberflächenschicht des Abschnitts, der in der Form des Mesaaufbaus übriggelassen war, wurde eine p-leitende Anschlußflä chenelektrode 105 durch ein gewöhnliches Vakuumverdampfungsverfah ren gebildet. Die Seite der Elektrode 105, welche die Mg-dotierte Gallium nitrid-Schicht 103a kontaktierte, wurde aus einer Gold-Beryllium (Au.Be)-Legierung gebildet, und der Oberseitenabschnitt der Elektrode 105 wurde aus elementarem Gold (Au) gebildet. Die Gesamtdicke der Elektrode 105 wurde auf ungefähr 2 µm hergestellt. Die p-leitende Anschlußflächen elektrode 105 war auf der oberen Oberfläche der LED an dem Eckenab schnitt der Seite vorgesehen, die von der Seite abgewandt ist, auf der die n-leitende Anschlußflächenelektrode 109 vorgesehen ist. Eine transpa rente Gold-Dünnfilmelektrode 104 mit einer Dicke von ungefähr 20 nm war auf der Oberfläche der Mg-dotierten Galliumnitrid-Schicht 103a vor gesehen, so daß sie die p-leitende Anschlußflächenelektrode 105 elek trisch kontaktierte. Außerdem war ein transparenter und isolierender Nic kel-(Ni)-Oxid-Dünnfilm 104a mit einer Dicke von ungefähr 10 nm nur auf der Oberfläche der Gold-Dünnfilmelektrode 104 gebildet. Der Dünnfilm 104a dient als ein Schutzfilm für im wesentlichen die gesamte freigelegte Oberfläche der Gold-Dünnfilmelektrode 104 und die Mg-dotierte Gallium nitrid-Schicht 103a.First, an area for forming an n-type pad electrode 109 was formed by plasma etching using methane / argon / hydrogen mixed gas. The n-type pad electrode 109 was formed to a diameter of 100 μm from elemental aluminum (Al) on an exposed surface portion of the n-type gallium nitride layer 101 by an ordinary vacuum evaporation method. The thickness of the electrode 109 was made to be about 2 µm. On the Mg-doped gallium nitride layer 103 a, the uppermost surface layer of the portion left in the shape of the mesa structure, a p-type pad electrode 105 was formed by an ordinary vacuum evaporation method. The side of the electrode 105 that contacted the Mg-doped gallium nitride layer 103 a was formed from a gold-beryllium (Au.Be) alloy, and the top portion of the electrode 105 was formed from elemental gold (Au). The total thickness of the electrode 105 was made to be about 2 µm. The p-type pad electrode 105 was provided on the upper surface of the LED at the corner portion of the side facing away from the side on which the n-type pad electrode 109 is provided. A transparent gold thin film electrode 104 with a thickness of approximately 20 nm was seen on the surface of the Mg-doped gallium nitride layer 103 a, so that it electrically contacted the p-type pad electrode 105 . In addition, a transparent and insulating Nic kel- (Ni) oxide thin film 104 a with a thickness of about 10 nm was formed only on the surface of the gold thin film electrode 104 . The thin film 104 a serves as a protective film for essentially the entire exposed surface of the gold thin film electrode 104 and the Mg-doped gallium nitride layer 103 a.

Die LED 50, die wie oben beschrieben gebildet worden war, wurde betrie ben, um Licht zu emittieren, indem eine Gleichspannung zwischen die n-leitende Anschlußflächenelektrode 109 und die p-leitende Anschlußflä chenelektrode 105 angelegt wurde. Die gemessenen Emissionseigen schaften sind in der unten aufgeführten Tabelle 1 gezeigt.The LED 50 formed as described above was operated to emit light by applying a DC voltage between the n-type pad electrode 109 and the p-type pad electrode 105 . The measured emission properties are shown in Table 1 below.

Second example

Nachdem der vorhergehende Aufbau aus übereinanderliegenden Schich ten 11 des ersten Beispiels gebildet worden war, wurde der Aufbau unter teilweise unterschiedlichen Abkühlbedingungen zu denjenigen des ersten Beispiels abgekühlt. Im besonderen wurde, nachdem das Abkühlen von 1100°C auf 950°C unter den gleichen Bedingungen wie bei dem ersten Beispiel durchgeführt worden war, die Temperatur von 950°C auf 800°C mit einer Rate von 7,5°C/min über 20 Minuten abgesenkt. Danach wurde die Temperatur über 15 Minuten auf 800°C gehalten. Dann wurde die Temperatur von 800°C auf 650°C mit einer Rate von 10°C/min abge senkt. Nachdem die Temperatur 650°C erreicht hatte, wurde das dem MOCVD-Reaktor zugeführte Atmosphärengas auf Wasserstoff begrenzt, und die Temperatur wurde auf Raumtemperatur abgesenkt. Es dauerte ungefähr 45 Minuten, um den Aufbau auf ungefähr 30°C abzukühlen. After the previous structure was formed from overlapping layers 11 of the first example, the structure was cooled under partially different cooling conditions to that of the first example. Specifically, after cooling from 1100 ° C to 950 ° C was carried out under the same conditions as in the first example, the temperature rose from 950 ° C to 800 ° C at a rate of 7.5 ° C / min Lowered 20 minutes. The temperature was then kept at 800 ° C. over 15 minutes. Then the temperature was lowered from 800 ° C to 650 ° C at a rate of 10 ° C / min. After the temperature reached 650 ° C, the atmospheric gas supplied to the MOCVD reactor was limited to hydrogen and the temperature was lowered to room temperature. It took approximately 45 minutes to cool the assembly to approximately 30 ° C.

Nach dem Abkühlen wurde der innere Aufbau der lichtemittierenden Schicht durch eine Querschnitts-TEM-Technik bestimmt. Die lichtemittie rende Schicht bei dem zweiten Beispiel nahm einen Mehrphasenaufbau an, der aus einer Hauptphase und Nebenphasen bestand, welche der lichtemittierenden Schicht 102 von dem ersten Beispiel ähnlich waren. Es wurde beobachtet, daß die Nebenphasen eine verspannte Schicht an der Grenze zur Hauptphase aufwiesen. Die Indium-Konzentration der Neben phasen war im allgemeinen höher als jene der Hauptphase, und der Indi um-Gehalt der Hauptphase wurde als ungefähr 0,15 abgeschätzt. Die Ne benphasen waren hauptsächlich näherungsweise kugelförmige Körper mit einem gleichmäßigen Durchmesser von ungefähr 30 Å. Zusätzlich betrug die Dicke der verspannten Schichten um die Nebenphasen herum gleich mäßig ungefähr 10 Å. Wie es oben erwähnt ist, wurde bei diesem zweiten Beispiel die Temperatur durch ein Verfahren abgesenkt, das eine Haltezeit von 15 Minuten bei 800°C umfaßt, wodurch die Form der Nebenphasen gleichmäßig als näherungsweise kugelförmig gestaltet werden konnte, und die Dicke der verspannten Schichten derart gesteuert werden konnte, daß sie gleichmäßiger gestaltet wurde. Außerdem betrug der Prozentsatz der Nebenphasen mit der verspannten Schicht, die aus der Querschnitts-TEM-Ab bildung ermittelt wurde, ungefähr 72%.After cooling, the internal structure of the light-emitting layer was determined by a cross-sectional TEM technique. The light-emitting layer in the second example adopted a multi-phase structure consisting of a main phase and sub-phases, which were similar to the light-emitting layer 102 of the first example. The minor phases were observed to have a strained layer at the boundary with the main phase. The indium concentration of the minor phases was generally higher than that of the main phase, and the indium content of the main phase was estimated to be approximately 0.15. The minor phases were mainly approximately spherical bodies with a uniform diameter of approximately 30 Å. In addition, the thickness of the strained layers around the minor phases was uniformly about 10 Å. As mentioned above, in this second example, the temperature was lowered by a method involving a 15 minute hold at 800 ° C, whereby the shape of the secondary phases could be made uniform as approximately spherical, and the thickness of the strained layers so could be controlled that it was made more uniform. In addition, the percentage of secondary phases with the strained layer determined from the cross-sectional TEM image was approximately 72%.

Comparative example

Nach dem Ausbilden des Aufbaus aus übereinanderliegenden Schichten, das bei dem ersten Beispiel beschrieben ist, wurde die Temperatur spon tan von 1100°C auf Raumtemperatur abgesenkt. Es dauerte ungefähr 90 Minuten, bis die Temperatur auf ungefähr 30°C abfiel. Deshalb betrug die durchschnittliche Abkühlrate ungefähr 12°C/min. Nach dem bisherigen Stand der Technik (siehe japanische Patentveröffentlichung Nr. 9-40490) war die inerte Gasatmosphäre bei der Temperatur unter 1000°C Argon. Anders als bei dem ersten und dem zweiten Beispiel wurde im Tempera turbereich unter 650°C kein Arbeitsgang mit einer Verwendung eines At mosphärengases aus allein Wasserstoff ausgeführt.After building the superstructure from superimposed layers, that was described in the first example, the temperature was spon tan reduced from 1100 ° C to room temperature. It took about 90 Minutes until the temperature dropped to about 30 ° C. Therefore, the average cooling rate approximately 12 ° C / min. According to the previous one Prior Art (See Japanese Patent Publication No. 9-40490) was the inert gas atmosphere at the temperature below 1000 ° C argon. Unlike in the first and second example, the tempera range below 650 ° C no operation with the use of an At run out of gas from hydrogen alone.

Der innere Aufbau der lichtemittierenden Schicht des Aufbaus aus über einanderliegenden Schichten, die unter den vorhergehenden herkömmli chen Bedingungen abgekühlt worden war, wurde durch eine Quer schnitts-TEM-Technik beobachtet. Obwohl geradlinige schwarze Kontraste beobachtet wurden, von denen angenommen wurde, daß sie hauptsäch lich auf Versetzungen zurückzuführen sind, wurden kugelförmige oder in selförmige Kontraste, die Nebenphasen hauptsächlich aufgrund einer An sammlung von Indium anzeigen, nicht deutlich beobachtet. Es wurde aus der Anzahl der näherungsweise kugelförmigen oder inselförmigen Kontra ste, die sich in dem fotografierten Bereich befanden, herausgefunden, daß die Dichte der Nebenphasen 1×10¹² cm^-3 oder weniger betrug. Im beson deren konnte nicht deutlich erkannt werden, daß die lichtemittierende Schicht aus einem Mehrphasenaufbau gebildet war.The internal structure of the light-emitting layer of the superposed layer structure which had been cooled under the previous conventional conditions was observed by a cross-sectional TEM technique. Although rectilinear black contrasts were observed which were believed to be mainly due to dislocations, spherical or self-shaped contrasts indicating minor phases mainly due to an accumulation of indium were not clearly observed. It was found from the number of approximately spherical or island-shaped contrasts that were in the photographed area that the density of the minor phases was 1 × 10 ¹² cm ^-3 or less. In particular, it could not be clearly recognized that the light-emitting layer was formed from a multi-phase structure.

Es wurden Aufbauten aus übereinanderliegenden Schichten, die unter den Bedingungen des zweiten Beispiels und des Vergleichsbeispiels abge kühlt worden waren, auf die Art und Weise des ersten Beispiels verarbei tet, um LED herzustellen. Jede LED wurde betrieben, um Licht zu emittie ren, indem eine Gleichspannung zwischen ihre Elektroden angelegt wur de. Die gemessenen Emissionseigenschaften sind in Tabelle 1 gezeigt. There were superstructures made of superimposed layers that under the conditions of the second example and the comparative example processed in the manner of the first example to make LED. Each LED was operated to emit light by applying a DC voltage between their electrodes de. The measured emission properties are shown in Table 1.

Tabelle 1 Table 1

Aus einem Vergleich der Emissionseigenschaften der LED des ersten und des zweiten Beispiels und des Vergleichsbeispiels, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ist zu sehen, daß es keinen wesentlichen Unterschied zwischen den Emissionswellenlängen gab und die Emissionswellenlängen im Bereich von 430 nm bis 450 nm lagen. Zusätzlich wurde kein wesentlicher Unter schied weder bei den Durchlaßspannungen, wenn der Durchlaßstrom auf 20 mA eingestellt war, noch bei den Sperrspannungen beobachtet, wenn der Sperrstrom auf 5 µA eingestellt war. Andererseits ist es aus den Emis sionsintensitäten, die auf die übliche Weise unter Verwendung einer ge wöhnlichen Integrationskugel gemessen wurden, festzustellen, daß die LED des zweiten Beispiels, welche die lichtemittierende Schicht umfaßt, welche die Nebenphasen mit im wesentlichen gleichmäßigen verspannten Schichten enthält, den höchsten Wert von 2,1 mW zeigte. Die Emissions intensität der LED des Vergleichsbeispiels war bei 0,4 mW die niedrigste. Die Halbwertbreite des Hauptemissionsspektrums (FWHM) war signifikant unterschiedlich. Die LED des zweiten Beispiels wies den kleinsten Wert der Halbwertbreite bei 7 nm auf. Die Halbwertbreite der LED des ersten Beispiels betrug 9 nm und die Halbwertbreite der LED des Vergleichsbei spiels betrug 18 nm, welche die größte war. Die LED des Vergleichsbei spiels zeigte eine Lichtemission, der es an Monochromie mangelte.From a comparison of the emission properties of the LED of the first and of the second example and the comparative example shown in Table 1 , it can be seen that there is no significant difference between the Emission wavelengths existed and the emission wavelengths in the range were from 430 nm to 450 nm. In addition, no significant sub did not differ in the forward voltages when the forward current 20 mA was set, still observed at the reverse voltages when the reverse current was set to 5 µA. On the other hand, it's from the emis sion intensities in the usual way using a ge ordinary integration sphere were measured to determine that the LED of the second example, which comprises the light-emitting layer, which braced the secondary phases with essentially uniform Contains layers, showed the highest value of 2.1 mW. The emissions The intensity of the LED in the comparative example was the lowest at 0.4 mW. The full width at half maximum of the main emission spectrum (FWHM) was significant differently. The LED of the second example showed the smallest value the half-width at 7 nm. The half-width of the LED of the first Example was 9 nm and the half-width of the LED of the comparison was game was 18 nm, which was the largest. The LED of the comparison spiels showed a light emission that lacked monochrome.

Obwohl jedes der vorhergehenden Beispiele die vorliegende Erfindung der art beschreibt, daß sie auf eine lichtemittierende Diode (LED) angewandt wird, kann die vorliegende Erfindung ähnlich auf andere lichtemittierende Elemente, wie eine Laserdiode (LD) angewandt werden.Although each of the preceding examples illustrate the present invention of art describes that it is applied to a light emitting diode (LED) the present invention may similarly apply to other light emitting Elements such as a laser diode (LD) are used.

Zusammengefaßt ist ein lichtemittierendes Nitridhalbleiterelement, das als eine lichtemittierende Schicht eine Indium enthaltende Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Mehrphasenaufbau verwendet, der aus einer Hauptphase und Nebenphasen mit unterschiedlichen Indi um-Gehalten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenphasen hauptsächlich aus Kristall gebildet sind, dessen Grenze zur Hauptphase von einer verspannten Schicht umgeben ist.In summary, a light-emitting nitride semiconductor element, which as a light-emitting layer an indium-containing semiconductor layer from a group III nitride with a multi-phase structure, that consists of a main phase and secondary phases with different indi um-content, characterized in that the secondary phases are mainly formed from crystal, its boundary with the main phase is surrounded by a strained layer.

Claims

1. Light-emitting nitride semiconductor element, the indium-containing semiconductor layer used as a light-emitting layer from a group III nitride with a multi-phase structure, which consists of a main phase and secondary phases with different indium contents, characterized in that the secondary phases are mainly formed from crystal whose border to the main phase is surrounded by a strained layer.

2. Light-emitting nitride semiconductor element according to claim 1, characterized in that the secondary phases are mainly made of crystal, one strained layer with a width equal to 0.5 × D or less re relative to a total size D of the secondary phase.

3. Light-emitting nitride semiconductor element according to claim 1, characterized in that the thickness of the strained layer in the range of 5 Å or more to Is 10 nm or less.

4. Light-emitting nitride semiconductor element according to one of the claims che 1, 2 or 3, characterized in that

the number of secondary phases that the strained layer has sen, accounts for 50% or more of the total number of secondary phases.

5. Light-emitting nitride semiconductor element according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the density of the secondary phases is 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 or less.

6. Light-emitting nitride semiconductor element according to one of the claims che 1, 2 or 3, characterized in that the thickness of the light emitting layer in the range of 1 nm to 300 nm.

7.
that the light-emitting layer is heat-treated at a heat treatment temperature in a range from 950 ° C. to 1200 ° C.,
that the light emitting layer is cooled from the heat treatment temperature to 950 ° C at a rate of 20 ° C or more per minute, and
that the light emitting layer is cooled from 950 ° C to 650 ° C at a rate of 20 ° C or less per minute, whereby strained layers are formed on the boundaries between the main phase and the secondary phases.

8. Process for producing a light-emitting nitride semiconductor elements according to claim 7, characterized, that the light emitting layer for a predetermined period of time in the course of cooling the light-emitting layer from the Heat treatment temperature on any selected Temperature between 950 ° C and 650 ° C is maintained.