JP2006032739A - Light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に関し、特に、結晶品質の高いGaN系化合物薄膜を得ることにより発光効率を高めた発光素子に関する。 The present invention relates to a light-emitting element such as a light-emitting diode and a laser diode, and more particularly to a light-emitting element that has improved luminous efficiency by obtaining a GaN-based compound thin film with high crystal quality.
従来の半導体層は、Al2O3からなるAl2O3基板と、Al2O3基板の表面に形成されたAlN層と、AlN層の上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長して形成されたGaN成長層とを備える(例えば、特許文献1参照。)。 Conventional semiconductor layer, and the Al 2 O 3 substrate of Al 2 O 3, epitaxial growth AlN layer formed on the Al 2 O 3 surface of the substrate, on the AlN layer by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method (See, for example, Patent Document 1).
この半導体層によれば、Al2O3基板とGaN成長層との間にAlN層を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶品質の劣化を抑えることができる。
しかし、従来の半導体層によれば、AlN層とGaN成長層との格子定数を完全に一致させることができず、GaN成長層の結晶品質をさらに向上することは難しい。また、従来の半導体層によれば、発光素子に適用した場合は、発光層の結晶性が劣化し、発光効率が減少するおそれがある。 However, according to the conventional semiconductor layer, the lattice constants of the AlN layer and the GaN growth layer cannot be completely matched, and it is difficult to further improve the crystal quality of the GaN growth layer. Further, according to the conventional semiconductor layer, when applied to a light emitting element, the crystallinity of the light emitting layer is deteriorated, and the light emission efficiency may be reduced.
従って、本発明の目的は、結晶品質の高いGaN系化合物薄膜を得ることにより発光効率を高めた発光素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting device having improved luminous efficiency by obtaining a GaN-based compound thin film with high crystal quality.
本発明は、上記目的を達成するため、n型導電性を示すGa2O3系化合物半導体からなる基板と、前記基板の上に形成されたn型導電性を示すバッファ層と、前記バッファ層の上に形成されたGaN系化合物からなるGaN系化合物薄膜とを有することを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate made of a Ga 2 O 3 -based compound semiconductor exhibiting n-type conductivity, a buffer layer exhibiting n-type conductivity formed on the substrate, and the buffer layer And a GaN-based compound thin film made of a GaN-based compound formed thereon.
基板側に形成された電極、または基板と反対側の層に形成された電極の外側に、発光光を反射する反射層を形成することが好ましい。また、反射層は、導電性を有することが好ましい。また、基板側に形成された電極、または基板と反対側の層に形成された電極は、透明であることが好ましい。 It is preferable to form a reflective layer that reflects emitted light on the outside of the electrode formed on the substrate side or the electrode formed on the layer opposite to the substrate. Moreover, it is preferable that a reflection layer has electroconductivity. Moreover, it is preferable that the electrode formed in the board | substrate side or the electrode formed in the layer on the opposite side to a board | substrate is transparent.
本発明に係る発光素子によれば、n型導電性を示すGa2O3系化合物半導体からなる基板の上にn型導電性を示すバッファ層を積層することにより、バッファ層の上に形成したGaN系化合物薄膜の結晶品質が劣化せず、これを発光素子に使用する場合には、発光効率を高めることができる。 The light emitting device according to the present invention is formed on the buffer layer by laminating the buffer layer showing n-type conductivity on the substrate made of a Ga 2 O 3 -based compound semiconductor showing n-type conductivity. When the crystal quality of the GaN-based compound thin film is not deteriorated and this is used for a light emitting device, the light emission efficiency can be increased.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の断面を示す。この発光素子10は、β−Ga2O3単結晶からなるn型導電性を示すGa2O3基板11の上に、GaNからなる低温バッファ層のGaNバッファ層12、n型導電性を示すGaNからなるn−GaNクラッド層13、In(1−x)GaxNを含む層からなる多重量子井戸構造(MQW)を有するIn(1−x)GaxN発光層14(ただし、0≦x≦1)、p型導電性を示すAlyGaxNからなるp−AlyGaxNクラッド層15(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)、p型導電性を示すGaNからなるp−GaNコンタクト層16、およびp電極17を順次積層したものである。Ga2O3基板11の下面は、Ga2O3基板11に接してn電極18が設けられ、最下層には、発光光を反射する反射層19が設けられている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross section of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention. This light-emitting element 10 has a low-temperature buffer layer GaN buffer layer 12 made of GaN on a Ga 2 O 3 substrate 11 made of β-Ga 2 O 3 single crystal and showing n-type conductivity, and exhibits n-type conductivity. In (1-x) Ga x n light-emitting layer 14 having n-GaN cladding layer 13 made of GaN, In (1-x) a layer containing Ga x n multiple quantum well structure (MQW) (however, 0 ≦ x ≦ 1), p-Al y Ga x N cladding layer 15 made of Al y Ga x N exhibiting p-type conductivity (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A p-GaN contact layer 16 made of GaN exhibiting p-type conductivity and a p-electrode 17 are sequentially stacked. The lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11, n electrode 18 is provided in contact with the Ga 2 O 3 substrate 11, the bottom layer, the reflective layer 19 for reflecting the emitted light is provided.
GaNバッファ層12は、MOCVD(有機金属気相成長)装置を用いてGa2O3基板11の上に形成する。 The GaN buffer layer 12 is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11 using an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus.
In(1−x)GaxN発光層14は、例えば、不純物を添加していないノンドープInGaNからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造(MQW)をなしている。InとGaの組成比を調節したり、p型あるいはn型の導電性とすることにより、In(1−x)GaxN発光層14のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。 The In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 is formed of, for example, a semiconductor made of non-doped InGaN to which no impurity is added, and has a single quantum well or multiple quantum well structure (MQW). The emission wavelength can be changed by changing the band gap of the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 by adjusting the composition ratio of In and Ga or by using p-type or n-type conductivity. it can.
p電極17とn電極18とを分けて説明する。p電極17は、p−GaNコンタクト層16上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。p電極17の材料として、Au、Al、Be、Ni、Pt、In、Sn、Cr、Ti、Zn等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Zn合金、Au−Be合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Ni/Au)あるいはITO等を用いることができる。p電極17は、透明であることが好ましい。また、p電極17は、パッド電極でも、p−GaNコンタクト層16の全面に形成してもよい。 The p electrode 17 and the n electrode 18 will be described separately. The p electrode 17 is formed on the p-GaN contact layer 16 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material of the p-electrode 17, a simple metal such as Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn, or at least two kinds of alloys thereof (for example, Au—Zn alloy, Au—Be) Alloys), those forming these in a two-layer structure (for example, Ni / Au), ITO, or the like can be used. The p electrode 17 is preferably transparent. The p electrode 17 may be a pad electrode or formed on the entire surface of the p-GaN contact layer 16.
n電極18の材料として、Au、Al、Co、Ge、Ti、Sn、In、Ni、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Ge合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Al/Ti、Au/Ni、Au/Co)、あるいはITOを用いることができる。n電極18は、パッド電極でも、Ga2O3基板11の全面に形成してもよい。 As a material for the n-electrode 18, a simple metal such as Au, Al, Co, Ge, Ti, Sn, In, Ni, Pt, W, Mo, Cr, Cu, Pb, or at least two kinds of these alloys (for example, (Au—Ge alloy), those formed in a two-layer structure (for example, Al / Ti, Au / Ni, Au / Co), or ITO can be used. The n electrode 18 may be a pad electrode or may be formed on the entire surface of the Ga 2 O 3 substrate 11.
<基板の形成方法>
次に、Ga2O3基板11の形成方法について説明する。まず、Ga2O3基板11の素材となるβ−Ga2O3単結晶を作成する。このβ−Ga2O3単結晶は、FZ(フローティングゾーン)法により製造される。最初に、β−Ga2O3種結晶とβ−Ga2O3多結晶素材を準備する。
<Substrate formation method>
Next, a method for forming the Ga 2 O 3 substrate 11 will be described. First, a β-Ga 2 O 3 single crystal as a material for the Ga 2 O 3 substrate 11 is prepared. This β-Ga 2 O 3 single crystal is manufactured by the FZ (floating zone) method. First, a β-Ga 2 O 3 seed crystal and a β-Ga 2 O 3 polycrystalline material are prepared.
β−Ga2O3種結晶は、β−Ga2O3単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、a軸<100>方位、b軸<010>方位、あるいはc軸<001>方位にある。 The β-Ga 2 O 3 seed crystal has a prismatic shape with a square cross section cut out from a β-Ga 2 O 3 single crystal by use of a cleavage plane or the like, and its axial direction is the a-axis <100> orientation, the b-axis It is in the <010> orientation or the c-axis <001> orientation.
β−Ga2O3多結晶素材は、例えば、純度4NのGa2O3粉末をゴム管に充填し、それを500MPaで冷間圧縮した後、1500℃で10時間焼結することにより得られる。 The β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is obtained, for example, by filling a rubber tube with 4N purity Ga 2 O 3 powder, cold-compressing it at 500 MPa, and sintering at 1500 ° C. for 10 hours. .
次に、石英管中において、全圧が1〜2気圧の窒素と酸素の混合気体(100%窒素から100%酸素の間で変化)の雰囲気の下、β−Ga2O3種結晶とβ−Ga2O3多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ga2O3多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ga2O3単結晶をβ−Ga2O3種結晶の軸方向と同じ方向(a軸、b軸、あるいはc軸の方向)に成長させる。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ga2O3多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ga2O3多結晶を冷却していき、β−Ga2O3単結晶を得る。β−Ga2O3単結晶は、b軸<010>方位に結晶成長させる場合は、(100)面の劈開性が強くなるので、(100)面に平行な面と垂直な面で切断してβ−Ga2O3基板を作製する。なお、a軸<100>方位あるいはc軸<001>方位に結晶成長させる場合は、(100)面および(001)面の劈開性が弱くなるので、全ての面の加工性が良くなり、上記のような切断面の制限はない。 Next, in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen and oxygen (changed between 100% nitrogen and 100% oxygen) having a total pressure of 1 to 2 atm in a quartz tube, β-Ga 2 O 3 seed crystal and β The tips of the —Ga 2 O 3 polycrystalline material are brought into contact with each other, and the contact portions are heated and melted. When the melted β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is cooled, the β-Ga 2 O 3 single crystal is converted into the same direction as the axial direction of the β-Ga 2 O 3 seed crystal (a-axis, b-axis, or c direction). Furthermore, the β-Ga 2 O 3 polycrystal is dissolved in a direction away from the seed crystal, and the dissolved β-Ga 2 O 3 polycrystal is cooled to obtain a β-Ga 2 O 3 single crystal. When the β-Ga 2 O 3 single crystal is grown in the b-axis <010> orientation, the cleavage of the (100) plane becomes strong, so that the β-Ga 2 O 3 single crystal is cut along a plane perpendicular to the plane parallel to the (100) plane. Thus, a β-Ga 2 O 3 substrate is manufactured. In addition, when crystal growth is performed in the a-axis <100> orientation or the c-axis <001> orientation, the cleaving properties of the (100) plane and the (001) plane are weakened. There is no restriction on the cut surface.
このようにして作製したGa2O3基板11の比抵抗を測定した結果、室温で0.1Ω・cm以下の値が得られた。 As a result of measuring the specific resistance of the Ga 2 O 3 substrate 11 thus produced, a value of 0.1 Ω · cm or less was obtained at room temperature.
なお、Ga2O3基板11は、β−Ga2O3単結晶からなることを基本とするが、Cu、Ag、Zn、Cd、Al、In、Si、GeおよびSnからなる群から選ばれる1種以上を添加したGaを主成分としたGa2O3系化合物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、AlとInの元素を添加することにより、(GaxAlyIn(1−x−y))2O3(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるガリウム系酸化物基板を得ることができる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is basically composed of a β-Ga 2 O 3 single crystal, but is selected from the group consisting of Cu, Ag, Zn, Cd, Al, In, Si, Ge, and Sn. the Ga obtained by adding one or more may be constituted by Ga 2 O 3 system compound whose main component. By adding these elements, the lattice constant or band gap energy can be controlled. For example, by adding elements of Al and In, (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) Can be obtained.
<バッファ層の形成方法>
次にGaNからなるGaNバッファ層12の形成方法を図2を用いて説明する。
<Method for forming buffer layer>
Next, a method for forming the GaN buffer layer 12 made of GaN will be described with reference to FIG.
図2は、MOCVD法を示す概略図であり、MOCVD装置の主要部の概略断面を示す。MOCVD装置20は、真空ポンプおよび排気装置(図示せず)を備えた排気部26が接続された反応容器21と、基板27を載置するサセプタ22と、サセプタ22を加熱するヒータ23と、サセプタ22を回転、上下移動させる制御軸24と、基板27に向って斜め、または水平に原料ガスを供給する石英ノズル25と、各種原料ガスを発生するTMG(トリメチルガリウム)ガス発生装置31と、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス発生装置32と、TMI(トリメチルインジウム)ガス発生装置33とを備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。 FIG. 2 is a schematic view showing the MOCVD method, and shows a schematic cross section of a main part of the MOCVD apparatus. The MOCVD apparatus 20 includes a reaction vessel 21 connected to an exhaust unit 26 having a vacuum pump and an exhaust device (not shown), a susceptor 22 on which a substrate 27 is placed, a heater 23 that heats the susceptor 22, and a susceptor. A control shaft 24 that rotates and moves up and down 22, a quartz nozzle 25 that supplies a source gas obliquely or horizontally toward the substrate 27, a TMG (trimethylgallium) gas generator 31 that generates various source gases, and a TMA A (trimethylaluminum) gas generator 32 and a TMI (trimethylindium) gas generator 33 are provided. In addition, you may increase / decrease the number of gas generators as needed.
窒素源としてNH3を用い、キャリアガスとして、例えば、Heを用い、GaN薄膜を形成するために、原料ガスとしてTMGとNH3を用いる。 NH 3 is used as a nitrogen source, He is used as a carrier gas, for example, and TMG and NH 3 are used as source gases in order to form a GaN thin film.
次に、MOCVD装置20を用いてGaNバッファ層12の形成方法について説明する。まず、反応容器21内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてサセプタ22により基板27を保持する。そして、基板27の表面の温度が580℃±50℃となるように反応容器21内の温度を調節する。反応容器21内を100torrまで減圧し、反応容器21内にGa供給原料としてのTMGと窒素源としてのNH3を供給して、GaNバッファ層12を形成する。GaNバッファ層12が形成される基板27の面方位は、(100)面に対して±20°である。なお、GaNバッファ層12は、低温バッファ層であるため、平坦性のあるバッファ層12の形成が期待できる。また、GaNバッファ層12の代わりに、AlNからなるバッファ層12を形成してもよい。また、成長面は、(010)面、(001)面、(100)面以外の面、例えば、(801)面等であってもよい。 Next, a method for forming the GaN buffer layer 12 using the MOCVD apparatus 20 will be described. First, in the reaction vessel 21, the substrate 27 is held by the susceptor 22 so that the surface on which the thin film is formed faces up. Then, the temperature in the reaction vessel 21 is adjusted so that the surface temperature of the substrate 27 becomes 580 ° C. ± 50 ° C. The inside of the reaction vessel 21 is depressurized to 100 torr, and TMG as a Ga supply material and NH 3 as a nitrogen source are supplied into the reaction vessel 21 to form the GaN buffer layer 12. The plane orientation of the substrate 27 on which the GaN buffer layer 12 is formed is ± 20 ° with respect to the (100) plane. In addition, since the GaN buffer layer 12 is a low-temperature buffer layer, formation of the buffer layer 12 with flatness can be expected. Further, instead of the GaN buffer layer 12, a buffer layer 12 made of AlN may be formed. The growth plane may be a plane other than the (010) plane, (001) plane, (100) plane, for example, the (801) plane.
なお、キャリアガスは、上記Heの他に、Ar,Ne等の希ガスおよびN2等の不活性ガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、基板27を構成する酸化物半導体と反応しないものである。ここで、キャリアガスとして従来のように高温においてH2を使用すると、基板27の表面がエッチングされたように穴だらけとなってしまい平坦性が非常に悪くなる。これは、基板27を構成するGa2O3の酸素がH2の水素により還元されたものと考えられる。したがって、H2を使用すると、基板27の上に、GaN等の薄膜を成長させるのが困難となるので、キャリアガスとして上述したHe、Ar等を用いるのが好ましい。 As the carrier gas, a rare gas such as Ar and Ne and an inert gas such as N 2 can be used in addition to the above He. These inert gases do not react with the oxide semiconductor constituting the substrate 27. Here, when H 2 is used as a carrier gas at a high temperature as in the prior art, the surface of the substrate 27 becomes full of holes as etched, and the flatness becomes very poor. This is considered that the oxygen of Ga 2 O 3 constituting the substrate 27 is reduced by hydrogen of H 2 . Therefore, when H 2 is used, it is difficult to grow a thin film such as GaN on the substrate 27. Therefore, it is preferable to use the aforementioned He, Ar, or the like as a carrier gas.
また、キャリアガスに基板27を構成する酸素と反応しない程度の微量の還元性ガスを添加してもよい。例えば、Heガスに微量の水素H2を添加してもよい。 Further, a small amount of reducing gas that does not react with oxygen constituting the substrate 27 may be added to the carrier gas. For example, a small amount of hydrogen H 2 may be added to the He gas.
<GaN系化合物薄膜の形成方法>
GaN系化合物からなるGaN系化合物薄膜である、n−GaNクラッド層13、In(1−x)GaxN発光層14、p−AlyGaxNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16は、GaNバッファ層12の形成と同様にMOCVD法により形成する。InGaN薄膜を形成するために、原料ガスとしてTMI、TMGおよびNH3を用い、AlGaN薄膜を形成するために、原料ガスとしてTMA、TMGおよびNH3を用いる。キャリアガスは、バッファの形成方法と同様にHeを用いる。なお、GaN薄膜を形成するためには、前述したバッファ層の形成方法と同様の原料ガスおよびキャリアガスを用いる。
<Method for forming GaN-based compound thin film>
An n-GaN clad layer 13, an In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14, a p-Al y Ga x N clad layer 15, and a p-GaN contact layer 16 that are GaN-based compound thin films made of a GaN-based compound. Is formed by MOCVD as in the formation of the GaN buffer layer 12. In order to form an InGaN thin film, TMI, TMG, and NH 3 are used as source gases, and in order to form an AlGaN thin film, TMA, TMG, and NH 3 are used as source gases. As the carrier gas, He is used as in the buffer formation method. In order to form the GaN thin film, the same source gas and carrier gas as those used in the buffer layer forming method described above are used.
なお、GaN系化合物は、B、Al、In、Tl等のIII族元素等の添加物を含むものである。例えば、AlとInの元素を添加することにより、一般式GaxAlyIn(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるGaN系化合物を用いることができる。 The GaN-based compound includes an additive such as a group III element such as B, Al, In, or Tl. For example, by adding elements of Al and In, the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) GaN-based compounds represented can be used.
<キャリア濃度が異なる薄膜の形成>
MOCVD装置20により、n−GaNクラッド層13およびp−GaNコンタクト層16のように、GaNのキャリア濃度を変えるには、GaNに添加するn型ドーパントあるいはp型ドーパントの量を変えることにより行う。
<Formation of thin films with different carrier concentrations>
In order to change the carrier concentration of GaN like the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus 20, it is performed by changing the amount of n-type dopant or p-type dopant added to GaN.
MOCVD装置20によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、n−GaNクラッド層13,p−GaNコンタクト層16を形成するには、以下のように行う。まず、反応容器21内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてサセプタ22により基板27を保持する。そして、反応容器21中の温度を1080℃として、TMGを54×10−6モル/min、TMAを6×10−6モル/min、モノシラン(SiH4)を22×10−11モル/minで流して、60分問成長させ、SiドープGa0.9Al0.1N(n−GaNクラッド層13)を3μmの膜厚で成長させる。 In order to form thin films having different carrier concentrations, for example, the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN contact layer 16, using the MOCVD apparatus 20, the following is performed. First, in the reaction vessel 21, the substrate 27 is held by the susceptor 22 so that the surface on which the thin film is formed faces up. Then, the temperature in the reaction vessel 21 is 1080 ° C., TMG is 54 × 10 −6 mol / min, TMA is 6 × 10 −6 mol / min, and monosilane (SiH 4 ) is 22 × 10 −11 mol / min. Then, Si-doped Ga 0.9 Al 0.1 N (n-GaN cladding layer 13) is grown to a thickness of 3 μm.
また、反応容器21中の温度を1080℃として、TMGを54×10―6モル/minでビスジクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)とともに流して、MgドープGaN(p−GaNコンタクト層16)を1μmの膜厚で成長させる。 Further, the temperature in the reaction vessel 21 is 1080 ° C., TMG is flowed at 54 × 10 −6 mol / min together with bisdiclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), and Mg-doped GaN (p-GaN contact layer 16) Is grown with a film thickness of 1 μm.
この実施の形態に係る発光素子10において、一般式GaxAlyIn(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるp型およびn型の導電性を有する物質からなる薄膜は、それぞれ1層以上形成される。 In the light emitting element 10 according to this embodiment, it is represented by the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). One or more thin films each made of a p-type and n-type conductive material are formed.
なお、n−GaNクラッド層13の代わりに、InGaN、AlGaNあるいはInGaAlNを成長させてもよい。InGaNおよびAlGaNの場合は、GaNバッファ層12との格子定数をほぼ一致させることができ、InAlGaNの場合は、GaNバッファ層12との格子定数を一致させることが可能である。 Instead of the n-GaN cladding layer 13, InGaN, AlGaN, or InGaAlN may be grown. In the case of InGaN and AlGaN, the lattice constant with the GaN buffer layer 12 can be substantially matched, and in the case of InAlGaN, the lattice constant with the GaN buffer layer 12 can be matched.
<第1の実施の形態の効果>
この第1の実施の形態に係る発光素子10によれば、以下の効果を奏する。
イ)本発明に係る発光素子によれば、n型導電性を示すGa2O3系化合物半導体からなる基板11の上にn型導電性を示すバッファ層12を積層することにより、バッファ層12の上に形成したGaN系化合物薄膜(n−GaNクラッド層13、In(1−x)GaxN発光層14、p−AlyGaxN層クラッド15、p−GaNコンタクト層16)の結晶品質が劣化せず、これを発光素子10に使用する場合には、発光効率を高めることができる。
ロ)Ga2O3基板11に低温バッファ層であるGaNバッファ層12を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、GaNバッファ層12上に積層されるGaN化合物薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
ハ)この発光素子10は、結晶品質の良好なGaN化合物薄膜を成長させることができるため、410nm付近をピークとして強く発光する。
ニ)β−Ga2O3は、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子10全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができるので、発光素子10の寿命を長くすることができる。
ホ)反射層19は、n電極18に到達した発光光をp電極17側に反射させて、発光光をp電極17側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
ヘ)基板11がβ−Ga2O3系単結晶からなるため、結晶性の高いn型導電性を示す基板11を形成することができる。
ト)この発光素子10は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがIn(l−x)GaxN発光層14に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。
<Effect of the first embodiment>
The light emitting device 10 according to the first embodiment has the following effects.
A) According to the light emitting device of the present invention, the buffer layer 12 is formed by laminating the buffer layer 12 exhibiting n-type conductivity on the substrate 11 made of a Ga 2 O 3 -based compound semiconductor exhibiting n-type conductivity. thin GaN-based compound formed on the crystal (n-GaN cladding layer 13, in (1-x) Ga x n light-emitting layer 14, p-Al y Ga x n layer cladding 15, p-GaN contact layer 16) When the quality is not deteriorated and is used for the light emitting element 10, the light emission efficiency can be increased.
B) Since the GaN buffer layer 12 which is a low-temperature buffer layer is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11, the flatness is good. Therefore, deterioration of the crystal quality of the GaN compound thin film laminated on the GaN buffer layer 12 can be suppressed, so that the light emission efficiency can be increased.
C) Since the light-emitting element 10 can grow a GaN compound thin film having a good crystal quality, the light-emitting element 10 emits light with a peak at around 410 nm.
D) Since β-Ga 2 O 3 has conductivity, a light emitting diode having a vertical electrode structure can be formed. As a result, the entire light emitting element 10 can be used as a current path. Therefore, the lifetime of the light emitting element 10 can be extended.
E) The reflection layer 19 reflects the emitted light reaching the n-electrode 18 to the p-electrode 17 side and emits the emitted light from the p-electrode 17 side, so that the emitted light can be emitted efficiently.
F) Since the substrate 11 is composed of a β-Ga 2 O 3 single crystal, the substrate 11 exhibiting high crystallinity and n-type conductivity can be formed.
G) Since the light-emitting element 10 has a multiple quantum well structure, there is a high probability that electrons and holes serving as carriers are confined in the In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14 and recombined. As a result, the luminous efficiency is greatly improved.
[第2の実施の形態]
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子10は、β−Ga2O3単結晶からなるn型導電性を示すGa2O3基板11の一部の上に、GaNからなる低温バッファ層であるGaNバッファ層12、n型導電性を示すGaNからなるn−GaNクラッド層13、In(1−x)GaxNを含む層からなる多重量子井戸構造(MQW)を有するIn(1−x)GaxN発光層14(ただし0≦x≦1)、p型導電性を示すAlyGaxNからなるp−AlyGaxN層クラッド15(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)、p型導電性を示すGaNからなるp−GaNコンタクト層16、p電極17、および反射層19を順次積層し、Ga2O3基板11のGaNバッファ層12が形成されていない上面には、n電極18が形成されている。
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows a light emitting device according to the second embodiment of the present invention. The light-emitting element 10 includes a GaN buffer layer 12 that is a low-temperature buffer layer made of GaN, an n-type, on a part of a Ga 2 O 3 substrate 11 that shows n-type conductivity made of β-Ga 2 O 3 single crystal. n-GaN cladding layer 13 made of GaN exhibiting conductivity, In (1-x) Ga x n a layer comprising a multiple quantum well structure (MQW) In (1-x ) Ga x n light-emitting layer 14 ( However, 0 ≦ x ≦ 1), p-Al y Ga x N layer clad 15 made of Al y Ga x N exhibiting p-type conductivity (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) A p-GaN contact layer 16 made of GaN exhibiting p-type conductivity, a p-electrode 17 and a reflective layer 19 are sequentially stacked, and on the upper surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 where the GaN buffer layer 12 is not formed. Is formed with an n-electrode 18.
この発光素子10は、フリップチップ型であって、Ga2O3基板11のGaNバッファ層12の成長していない面から発光光を出射するように実装される。 This light emitting element 10 is of a flip chip type and is mounted so as to emit emitted light from the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 where the GaN buffer layer 12 is not grown.
GaNバッファ層12、およびGaN系化合物薄膜である、n−GaNクラッド層13、In(1−x)GaxN発光層14、p−AlyGaxNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16は、第1の実施の形態と同様にMOCVD法により形成する。 GaN buffer layer 12, and a GaN-based compound thin film, n-GaN cladding layer 13, In (1-x) Ga x N light-emitting layer 14, p-Al y Ga x N cladding layer 15, and p-GaN contact layer 16 is formed by MOCVD as in the first embodiment.
<第2の実施の形態の効果>
イ)この第2の実施の形態に係る発光素子10によれば、Ga2O3基板11に低温バッファ層であるGaNバッファ層12を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、GaNバッファ層12上に積層されるGaN化合物薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
ロ)反射層19は、p電極17に到達した発光光をGa2O3基板11側に反射させて、基板11側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
ハ)この発光素子は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがIn(1−x)GaxN発光層14に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。
ニ)Ga2O3基板11自体が導電性を有するので、従来の絶縁基板上に形成した導電性を有するの薄膜を通じて電流を流すのと比較して大電流を流すことができ、高輝度発光を得ることができる。
<Effects of Second Embodiment>
B) According to the light emitting device 10 according to the second embodiment, the GaN buffer layer 12 that is a low-temperature buffer layer is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11, so that the flatness is good. Therefore, deterioration of the crystal quality of the GaN compound thin film laminated on the GaN buffer layer 12 can be suppressed, so that the light emission efficiency can be increased.
B) Since the reflection layer 19 reflects the emitted light reaching the p-electrode 17 to the Ga 2 O 3 substrate 11 side and emits it from the substrate 11 side, the emitted light can be emitted efficiently.
C) Since this light emitting device has a multiple quantum well structure, the probability that electrons and holes serving as carriers are confined in the In (1-x) Ga x N light emitting layer 14 and recombined increases. Therefore, the luminous efficiency is greatly improved.
D) Since the Ga 2 O 3 substrate 11 itself has conductivity, it is possible to pass a large current as compared with the case of passing a current through a conductive thin film formed on a conventional insulating substrate, and high luminance light emission. Can be obtained.
なお、本発明に係る発光素子10は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。 Note that the light-emitting element 10 according to the present invention is not limited to a light-emitting diode or a laser diode, but can also be applied to a semiconductor such as a transistor, a thyristor, or a diode. Specifically, a field effect transistor, a photodiode, a solar cell, etc. are mentioned, for example.
10 発光素子
11 Ga2O3基板
12 バッファ層
13 n−GaNクラッド層
14 In(1−x)GaxN発光層
15 p−AlyGaxNクラッド層
16 p−GaNコンタクト層
17 n電極
18 p電極
19 反射層
20 MOCDV装置
21 反応容器
22 サセプタ
23 ヒータ
24 制御軸
25 石英ノズル
26 排気部
27 基板
31 TMGガス発生装置
32 TMAガス発生装置
33 TMIガス発生装置
10 light-emitting element 11 Ga 2 O 3 substrate 12 the buffer layer 13 n-GaN cladding layer 14 In (1-x) Ga x N light-emitting layer 15 p-Al y Ga x N cladding layer 16 p-GaN contact layer 17 n electrode 18 p electrode 19 reflective layer 20 MOCDV device 21 reaction vessel 22 susceptor 23 heater 24 control shaft 25 quartz nozzle 26 exhaust part 27 substrate 31 TMG gas generator 32 TMA gas generator 33 TMI gas generator
Claims (4)
前記基板の上に形成されたn型導電性を示すバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたGaN系化合物からなるGaN系化合物薄膜とを有することを特徴とする発光素子。 a substrate made of a Ga 2 O 3 -based compound semiconductor exhibiting n-type conductivity;
A buffer layer having n-type conductivity formed on the substrate;
And a GaN-based compound thin film made of a GaN-based compound formed on the buffer layer.
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