JP2008251641A - Group iii nitride semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、p型半導体層、活性層、n型半導体層を有したIII 族窒化物半導体素子に関するもので、特に、活性層に対してp型半導体層側に積層されたすべての層の中で、最も活性層に近い層である第1のp型半導体層が超格子構造であり、第1のp型半導体層のp型不純物濃度に特徴を有するIII 族窒化物半導体素子に関する。
本明細書において「活性層」の概念には半導体発光素子の発光層の他に、半導体受光素子の受光層を含む。また、本発明の半導体素子は、LEDや半導体レーザ、受光素子を含む。
The present invention relates to a group III nitride semiconductor device having a p-type semiconductor layer, an active layer, and an n-type semiconductor layer, and in particular, among all the layers stacked on the p-type semiconductor layer side with respect to the active layer. The first p-type semiconductor layer, which is the layer closest to the active layer, has a superlattice structure, and relates to a group III nitride semiconductor device characterized by the p-type impurity concentration of the first p-type semiconductor layer.
In this specification, the concept of “active layer” includes the light receiving layer of the semiconductor light receiving element in addition to the light emitting layer of the semiconductor light emitting element. The semiconductor element of the present invention includes an LED, a semiconductor laser, and a light receiving element.
従来より、p型半導体層、n型半導体層、およびp型半導体層とn型半導体層とに挟まれた活性層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、p型半導体層を超格子構造とするものが知られている。たとえば、特許文献1には、AlGaNとInGaNのように、Alを含む第1層と、第1層とは異なる組成の第2層とを、数nmの膜厚で交互に積層した超格子構造のp型半導体層が示されている。
Conventionally, in a group III nitride semiconductor light emitting device having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer has a superlattice structure. Is known. For example,
特許文献1では、p型半導体層にドープされているp型不純物が活性層に拡散し、発光効率が低下するという問題を解決するために、超格子構造を構成する第1層のうち、最も活性層に近い第1層のAl組成比を他の第1層のAl組成比よりも低くし、かつ、p型不純物ドープ量を他の第1層のp型不純物ドープ量よりも少なくする、もしくはノンドープとする方法が示されている。
しかしながら、特許文献1の方法を用いても、p型半導体層から活性層に拡散するp型不純物の濃度は高く、p型不純物の拡散によって生じた活性層内の欠陥は、発光効率の低下を起こし、出力、信頼性を悪化させてしまう。
However, even if the method of
そこで本発明の目的は、活性層に対してp型半導体層側に積層されたすべての層の中で、活性層に最も近いp型半導体層が、p型超格子構造であり、その超格子構造のp型半導体層のp型不純物が活性層へ拡散する濃度を低減することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a p-type superlattice structure in which the p-type semiconductor layer closest to the active layer among all the layers stacked on the p-type semiconductor layer side with respect to the active layer, The purpose is to reduce the concentration of p-type impurities in the p-type semiconductor layer having a structure diffusing into the active layer.
第1の発明は、p型半導体層、n型半導体層、および、p型半導体層とn型半導体層との間に活性層を有するIII 族窒化物半導体素子において、活性層に対してp型半導体層側に積層されたすべての層の中で、最も活性層に近い層である第1のp型半導体層は、Alを含む第1層と、第1層とは組成の異なる第2層とが交互に積層された超格子構造であり、第1層と第2層のうち、少なくとも一方にはp型不純物がドープされ、第1のp型半導体層のp型不純物がドープされた層のp型不純物濃度は、活性層から離れるに従い単調に増加することを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 In a Group III nitride semiconductor device having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, Of all the layers stacked on the semiconductor layer side, the first p-type semiconductor layer, which is the layer closest to the active layer, is a first layer containing Al and a second layer having a different composition from the first layer. Is a superlattice structure in which the first and second layers are doped with p-type impurities and the first p-type semiconductor layer is doped with p-type impurities. In the group III nitride semiconductor device, the p-type impurity concentration increases monotonously as the distance from the active layer increases.
ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Inx Gay Al1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される任意の組成比の半導体である。また、上記組成のAl、Ga、Inのうち少なくとも一部をBやTlなどで置換したり、Nの少なくとも一部をP、As、Sb、Biなどで置換した半導体もIII 族窒化物半導体の範疇である。 Here, the group III nitride semiconductor is an arbitrary composition ratio represented by the general formula In x Ga y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It is a semiconductor. A semiconductor in which at least a part of Al, Ga, In having the above composition is replaced with B, Tl, or the like, or at least a part of N is replaced with P, As, Sb, Bi, or the like is also a group III nitride semiconductor. Category.
III 族窒化物半導体のp型不純物しては、Mg、Caなど、n型不純物としては、Si、S、Te、Geなどを添加することができる。これらの不純物として2元素以上を添加してもよいし、p型、n型両方の不純物を添加してもよい。 As the p-type impurity of the group III nitride semiconductor, Mg, Ca and the like can be added, and as the n-type impurity, Si, S, Te, Ge and the like can be added. Two or more elements may be added as these impurities, or both p-type and n-type impurities may be added.
また、上述したように、「活性層」には、半導体発光素子の発光層だけでなく、半導体受光素子の受光層も含まれ、半導体素子とは、LED、半導体レーザ、受光素子などである。 As described above, the “active layer” includes not only the light emitting layer of the semiconductor light emitting element but also the light receiving layer of the semiconductor light receiving element. Examples of the semiconductor element include an LED, a semiconductor laser, and a light receiving element.
半導体レーザの場合には、活性層と第1のp型半導体層は接していてもよいし、間にノンドープの光ガイド層などを有していてもよい。つまり、活性層に限らず、光が高密度に導波する層にp型不純物が高濃度に存在すると素子の特性が悪化してしまうような場合に本発明の手段は有効である。 In the case of a semiconductor laser, the active layer and the first p-type semiconductor layer may be in contact with each other, or a non-doped light guide layer may be provided therebetween. That is, the means of the present invention is effective not only in the active layer but also in the case where the p-type impurity is present in a high concentration in a layer in which light is guided at high density, and the device characteristics deteriorate.
p型不純物は、第1層と第2層の両方にドープされていてもよいし、第1層のみ、または第2層のみにドープされていてもよい。両方にドープされている場合や、第1層にのみドープされている場合には、活性層に最も近い第1層をノンドープとすることが望ましい。 The p-type impurity may be doped in both the first layer and the second layer, or may be doped only in the first layer or only in the second layer. When both are doped or only the first layer is doped, it is desirable that the first layer closest to the active layer is non-doped.
第1層にのみp型不純物がドープされている場合には、第1のp型半導体層中のある第1層のp型不純物濃度を、その第1層に最も近く活性層側である第1層のp型不純物濃度よりも高くもしくは等しくし、かつ、最も活性層から遠い第1層のp型不純物濃度を、最も活性層に近い第1層のp型不純物濃度よりも高くする。第1層内でのp型不純物濃度は膜厚方向に均一でもよいし、活性層から離れるに従い増加していてもよい。これにより、p型不純物がドープされた第1層のp型不純物濃度は、活性層から離れるに従い単調に増加することになる。第2層にのみp型不純物がドープされている場合についても同様である。 When the p-type impurity is doped only in the first layer, the p-type impurity concentration of a certain first layer in the first p-type semiconductor layer is set to the first layer closest to the first layer and on the active layer side. The p-type impurity concentration of the first layer closest to the active layer is set higher than or equal to the p-type impurity concentration of one layer, and higher than the p-type impurity concentration of the first layer closest to the active layer. The p-type impurity concentration in the first layer may be uniform in the film thickness direction, or may increase as the distance from the active layer increases. As a result, the p-type impurity concentration of the first layer doped with the p-type impurity monotonously increases as the distance from the active layer increases. The same applies to the case where only the second layer is doped with p-type impurities.
第1層と第2層の両方にドープされている場合には、第1のp型半導体層中のある第1層または第2層のp型不純物濃度を、その第1層または第2層に接する活性層側の層のp型不純物濃度よりも高くもしくは等しくし、かつ、最も活性層から遠い第1層もしくは第2層のp型不純物濃度を、最も活性層に近い第1層もしくは第2層のp型不純物濃度よりも高くする。第1層内もしくは第2層内でのp型不純物濃度は膜厚方向に均一でもよいし、活性層から離れるに従い増加していてもよい。これにより、p型半導体層内でのp型不純物濃度は、活性層から離れるに従い単調に増加することになる。 When both the first layer and the second layer are doped, the p-type impurity concentration of a certain first layer or second layer in the first p-type semiconductor layer is set to the first layer or the second layer. The p-type impurity concentration of the first layer or the second layer farthest from the active layer is set to be equal to or higher than the p-type impurity concentration of the layer on the active layer side in contact with the first layer or the first layer closest to the active layer. It is higher than the p-type impurity concentration of the two layers. The p-type impurity concentration in the first layer or the second layer may be uniform in the film thickness direction, or may increase as the distance from the active layer increases. As a result, the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor layer monotonously increases as the distance from the active layer increases.
第2の発明は、第1の発明において、第1のp型半導体層とn型半導体層のうち、少なくとも一方は活性層に接していることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 A second invention is a group III nitride semiconductor device according to the first invention, wherein at least one of the first p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is in contact with the active layer.
第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、第1層のうち、活性層に最も近い層はp型不純物がドープされていないことを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 A third invention is a group III nitride semiconductor device according to the first invention or the second invention, wherein the layer closest to the active layer of the first layer is not doped with a p-type impurity. is there.
第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、第1層と第2層のうち、一方にはp型不純物がドープされ、他方にはp型不純物がドープされていないことを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 According to a fourth invention, in the first to third inventions, one of the first layer and the second layer is doped with a p-type impurity and the other is not doped with a p-type impurity. This is a group III nitride semiconductor device characterized.
第5の発明は、第1の発明から第3の発明において、第1層と第2層の両方にp型不純物がドープされていることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 A fifth invention is a group III nitride semiconductor device according to the first to third inventions, wherein both the first layer and the second layer are doped with a p-type impurity.
第6の発明は、第1の発明から第5の発明において、第1層はAlx Ga1-x N(0<x≦1)からなり、第2層はIny Ga1-y N(0≦y≦1)からなることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 According to a sixth invention, in the first to fifth inventions, the first layer is made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1), and the second layer is In y Ga 1-y N ( It is a group III nitride semiconductor device characterized by comprising 0 ≦ y ≦ 1).
第7の発明は、第1の発明から第6の発明において、p型不純物は、Mgであることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 A seventh invention is a group III nitride semiconductor device according to the first to sixth inventions, wherein the p-type impurity is Mg.
第8の発明は、第7の発明において、Mgがドープされた第1層または第2層のうち、最も活性層から遠い層のMg濃度は、4×1019〜5×1020cm-3であり、最も活性層に近い層のMg濃度は、4×1019cm-3より低いことを特徴とするIII 族窒化物半導体素子である。 The eighth invention is the seventh invention, wherein the Mg concentration of the layer farthest from the active layer of the first or second layer doped with Mg is 4 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3. The group III nitride semiconductor device is characterized in that the Mg concentration in the layer closest to the active layer is lower than 4 × 10 19 cm −3 .
p型不純物がドープされた第1層または第2層のうち、最も活性層から遠い層のp型不純物濃度は、4×1019〜5×1020cm-3の範囲であることが望ましい。4×1019cm-3未満では、第1のp型半導体層全体での正孔濃度が低くなるため望ましくなく、5×1020cm-3を超えると、Mgに起因する結晶の欠陥が発生し正孔濃度が低くなるため望ましくない。より望ましい範囲は、4×1019〜2×1020cm-3である。また、p型不純物がドープされた第1層または第2層のうち、最も活性層に近い層のp型不純物濃度は、4×1019cm-3より低いことが望ましい。4×1019cm-3を超えると、活性層に拡散するp型不純物の量が多くなり、発光効率が低下するので望ましくない。より望ましいのは、3×1019cm-3以下であり、さらに望ましいのはノンドープである。 Of the first layer or the second layer doped with the p-type impurity, the p-type impurity concentration of the layer farthest from the active layer is preferably in the range of 4 × 10 19 to 5 × 10 20 cm −3 . If it is less than 4 × 10 19 cm −3 , the hole concentration in the entire first p-type semiconductor layer is low, which is not desirable. If it exceeds 5 × 10 20 cm −3 , crystal defects due to Mg occur. However, it is not desirable because the hole concentration becomes low. A more desirable range is 4 × 10 19 to 2 × 10 20 cm −3 . Moreover, it is desirable that the p-type impurity concentration of the layer closest to the active layer of the first layer or the second layer doped with the p-type impurity is lower than 4 × 10 19 cm −3 . If it exceeds 4 × 10 19 cm −3 , the amount of p-type impurities diffusing into the active layer increases, and the light emission efficiency decreases, which is not desirable. More desirable is 3 × 10 19 cm −3 or less, and further desirable is non- doping .
第9の発明は、p型半導体層、n型半導体層、および、p型半導体層とn型半導体層との間に活性層を有するIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、活性層に対してp型半導体層側に積層されたすべての層の中で、最も活性層に近い層である第1のp型半導体層は、Alを含む第1層と、第1層とは組成の異なる第2層とを交互に積層して超格子構造を形成し、第1層と第2層のうち、少なくとも一方にはp型不純物をドープし、第1のp型半導体層のp型不純物をドープする層のp型不純物供給量を、活性層から離れるに従い単調に増加させて第1層および第2層を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法である。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. Among all the layers stacked on the p-type semiconductor layer side, the first p-type semiconductor layer, which is the layer closest to the active layer, is different in composition from the first layer containing Al and the first layer. A superlattice structure is formed by alternately laminating the second layer, and at least one of the first layer and the second layer is doped with a p-type impurity, and the p-type impurity of the first p-type semiconductor layer is doped. A method of manufacturing a group III nitride semiconductor device, wherein the first layer and the second layer are formed by monotonically increasing a p-type impurity supply amount of a layer to be doped with increasing distance from an active layer.
第10の発明は、第9の発明において、p型不純物が供給される第1層または第2層のうち、最も活性層から近い層のp型不純物供給量を、最も活性層から遠い層のp型不純物供給量の0.75倍以下とすることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法である。 According to a tenth aspect, in the ninth aspect, of the first layer or the second layer to which the p-type impurity is supplied, the p-type impurity supply amount of the layer closest to the active layer is set to the layer farthest from the active layer. This is a method for manufacturing a Group III nitride semiconductor device, characterized in that the supply amount is 0.75 times or less the p-type impurity supply amount.
第11の発明は、第10の発明において、p型不純物が供給される第1層または第2層のうち、最も活性層から近い層のp型不純物供給量を、最も活性層から遠い層のp型不純物供給量の0.25倍以下とすることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法である。 In an eleventh aspect based on the tenth aspect, among the first layer or the second layer to which the p-type impurity is supplied, the p-type impurity supply amount of the layer closest to the active layer is set to the layer farthest from the active layer. This is a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device, characterized in that the amount of p-type impurity supply is 0.25 times or less.
第12の発明は、第11の発明において、p型不純物が供給される第1層または第2層のうち、最も活性層から近い層のp型不純物供給量を、最も活性層から遠い層のp型不純物供給量の0.1倍以下とすることを特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法である。 According to a twelfth aspect, in the eleventh aspect, the p-type impurity supply amount of a layer closest to the active layer of the first layer or the second layer to which the p-type impurity is supplied is This is a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device, characterized in that the amount of p-type impurity supply is 0.1 times or less.
第1〜8の発明によるIII 族窒化物半導体素子は、第1のp型半導体層のp型不純物濃度は活性層に近いほど低く、活性層から離れるほど高い。そのため、第1のp型半導体層全体での正孔濃度を低減することなく、第1のp型半導体層から活性層へのp型不純物の拡散濃度を低減することができ、p型不純物の拡散によって活性層内に生じる欠陥を低減することができる。したがって、III 族窒化物半導体素子の効率が上昇し、出力および信頼性が向上する。 In the group III nitride semiconductor devices according to the first to eighth inventions, the p-type impurity concentration of the first p-type semiconductor layer is lower as it is closer to the active layer and higher as it is farther from the active layer. Therefore, the diffusion concentration of the p-type impurity from the first p-type semiconductor layer to the active layer can be reduced without reducing the hole concentration in the entire first p-type semiconductor layer. Defects generated in the active layer due to diffusion can be reduced. Therefore, the efficiency of the group III nitride semiconductor device is increased, and the output and reliability are improved.
また、第9〜12の発明によるIII 族窒化物半導体素子の製造方法によると、第1のp型半導体層のp型不純物濃度が、活性層に近いほど低く、活性層から離れるほど高くなるよう形成することができるため、効率、信頼性の高いIII 族窒化物半導体素子を製造することができる。 According to the Group III nitride semiconductor device manufacturing method of the ninth to twelfth inventions, the p-type impurity concentration of the first p-type semiconductor layer is lower as it is closer to the active layer and higher as it is farther from the active layer. Since it can be formed, a group III nitride semiconductor device with high efficiency and reliability can be manufactured.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の発光ダイオード1の構造を示す図である。発光ダイオード1は、サファイア基板10上に、バッファ層11、n型コンタクト層12、n型クラッド層13、活性層14、p型クラッド層15、p型コンタクト層16、p+ 型コンタクト層17の順に積層された構造であり、p+ 型コンタクト層17上にp電極18、エッチングにより露出したn型コンタクト層12上にn電極19を有している。n型コンタクト層12、n型クラッド層13は、本発明のn型半導体層に相当し、p型クラッド層15、p型コンタクト層16、p+ 型コンタクト層17は、本発明のp型半導体層に相当し、p型クラッド層15は、本発明の第1のp型半導体層に相当する。以下、その構造について、詳しく説明する。
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a light-emitting
まず、n型コンタクト層12、n型クラッド層13について説明する。n型コンタクト層12は、バッファ層11上にn+ −GaN層、GaN層、n−GaN層が順に積層された構造である。n型クラッド層13は、n型コンタクト層12上にInGaN層とn−GaN層とが、膜厚1〜6nmで交互に繰り返し積層された超格子構造である。n型コンタクト層12、n型クラッド層13ともにSiをn型不純物としてMOCVD法によって形成している。
First, the n-
活性層14は、InGaNからなる井戸層と、GaNからなるバリア層とが交互に繰り返し積層された多重量子井戸構造である。他にもダブルヘテロ構造や単一量子井戸構造などを用いてもよいが、発光効率の点から多重量子井戸構造が望ましい。
The
次に、p型クラッド層15の構造について説明する。図2は、p型クラッド層の構造について拡大して示した図である。p型クラッド層15は、図2に示すように、MgのドープされていないノンドープのAlGaN層151(本発明の第1層)と、Mgのドープされたp−InGaN層152(本発明の第2層)とが交互に繰り返し積層された超格子構造である。活性層14上にAlGaN層151aが形成されていて、その上にp−InGaN層152、AlGaN層151が5回繰り返して積層されている。AlGaN層151、p−InGaN層152の膜厚は、1〜6nmである。AlGaN層151、p−InGaN層152の膜厚は同じである必要はなく、それぞれ異なっていてもよい。
Next, the structure of the p-
図3は、各p−InGaN層152のMgドープ量(Mgの原料ガスである、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)の供給量)について示した図である。横軸の数値は、活性層14側から数えて何番目に積層されたp−InGaN層152であるかを示していて、1番目がp−InGaN層152a(最も活性層に近いp−InGaN層152)、2番目がp−InGaN層152b、3番目がp−InGaN層152c、4番目がp−InGaN層152d、5番目がp−InGaN層152e(最も活性層から遠いp−InGaN層152)である。縦軸は、p−InGaN層152cのMgドープ量を1とした相対的なMgドープ量である。p−InGaN層152aとp−InGaN層152bのMgドープ量は、0.4であり、p−InGaN層152dとp−InGaN層152eのMgドープ量は、1.6である。また、各p−InGaN層152内でのMgドープ量は一定である。
FIG. 3 is a view showing the Mg doping amount (supply amount of biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), which is a Mg source gas) of each p-InGaN layer 152. The numerical value on the horizontal axis indicates the number of stacked p-InGaN layers 152 counted from the
以上のようにMgをドープすることで、p−InGaN層152a、bのMg濃度Na、Nbを2×1019cm-3、p−InGaN層152cのMg濃度Ncを5×1019cm-3、p−InGaN層152d、eのMg濃度Nd、Neを8×1019cm-3とした。Na=Nb<Nc<Nd=Neであり、活性層14から離れるに従い、p−InGaN層152のMg濃度が単調に増加している。
By doping Mg as described above, the Mg concentrations Na and Nb of the p-
p−InGaN層152のMg濃度分布は上記の例に限るものではなく、活性層14から離れるに従い、p−InGaN層152のMg濃度が単調に増加していればなんでもよい。たとえば、Na<Nb<Nc<Nd<Neのように各p−InGaN層152a〜eのMg濃度をすべて異なる値としてもよいし、Na<Nb=Nc<Nd<Ne、Na<Nb=Nc<Nd=Ne、Na<Nb=Nc=Nd<Ne、Na<Nb<Nc=Nd=NeなどのようにMg濃度の等しい層があってもよい。
The Mg concentration distribution of the p-InGaN layer 152 is not limited to the above example, and may be anything as long as the Mg concentration of the p-InGaN layer 152 monotonously increases as the distance from the
また、各p−InGaN層152内でのMgドープ量は一定としているが、活性層14から離れるほどp−InGaN層152内でのMgドープ量を多くしてもよい。
The Mg doping amount in each p-InGaN layer 152 is constant, but the Mg doping amount in the p-InGaN layer 152 may be increased as the distance from the
活性層14に最も近いp−InGaN層152aのMg濃度は、4×1019cm-3より低いことが望ましい。4×1019cm-3以上になると、p−InGaN層152aから活性層14へ拡散するMgの濃度が増大し、発光効率が低下するからである。また、活性層14から最も遠いp−InGaN層152eのMg濃度は、4×1019〜5×1020cm-3の範囲であることが望ましい。4×1019cm-3未満では、p型クラッド層15全体での正孔濃度が低くなるため望ましくなく、5×1020cm-3を超えると、Mgに起因する結晶の欠陥が発生し正孔濃度が低くなるため望ましくない。
The Mg concentration of the p-
また、この実施例1では、p−InGaN層152、AlGaN層151の繰り返し回数は5回であるが、5回に限るものではなく、4〜8回の範囲であればよい。
Further, in Example 1, the number of repetitions of the p-InGaN layer 152 and the
p型クラッド層15上にはp−GaNからなるp型コンタクト層16、p+ −GaNからなるp+ 型コンタクト層17が形成され、p+ 型コンタクト層17上にはp電極18が蒸着により形成されている。また、n電極19は、エッチングにより露出したn型コンタクト層11の表面に蒸着によって形成されている。
A p-
以上の構成による発光ダイオード1は、p型クラッド層15中のp−InGaN層152のMg濃度が活性層14から離れるにしたがって増加する構造、言い換えれば、活性層14に近いほどMg濃度が低くなる構造である。したがって、p型クラッド層15から活性層14へMgが拡散するのを抑制することができ、Mgの拡散によって活性層14内に発生する欠陥を低減することができる。その結果、発光ダイオード1の発光効率は従来の発光ダイオードよりも向上し、光出力、信頼性が向上する。
The
図4は、実施例1の発光ダイオード1の光出力と、比較例の発光ダイオードの光出力を比較した図である。ここで、比較例の発光ダイオードは、p型クラッド層におけるp−InGaN層のMg濃度以外は実施例1の発光ダイオード1と同一の構造である。比較例のp型クラッド層のp−InGaN層のMgドープ量は、図3に示すように、各p−InGaN層のMgドープ量を、実施例1のp−InGaN層152cのMgドープ量と同じにしていて、比較例のp型クラッド層全体のMgドープ量は、実施例1のp型クラッド層15全体のMgドープ量と同じである。そのため、比較例のp型クラッド層におけるp−InGaN層のMg濃度は、すべて4×1019cm-3である。図4のように、実施例1の発光ダイオード1は、比較例の発光ダイオードよりも約10%光出力が向上していることがわかる。
FIG. 4 is a diagram comparing the light output of the
実施例1では、p型クラッド層を構成するAlGaN層とInGaN層のうち、InGaN層にのみMgをドープしているが、逆にAlGaN層151a以外のAlGaN層にのみMgをドープしてもよい。実施例1の発光ダイオード1と同様に、Mgが活性層に拡散する濃度を低減でき、発光効率を向上できる。
In Example 1, Mg is doped only in the InGaN layer out of the AlGaN layer and the InGaN layer constituting the p-type cladding layer, but conversely, Mg may be doped only in the AlGaN layer other than the
図5は、実施例2の発光ダイオード2のp型クラッド層25の構造を示す図である。p型クラッド層25の構造以外の発光ダイオード2の構造については、発光ダイオード1と同様の構造である。図5のように、p型クラッド層25は、活性層14に接するMgのドープされていないAlGaN層253上に、p−InGaN層252、p−AlGaN層251が交互に5回繰り返して積層された超格子構造である。
FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the p-
p−InGaN層252、p−AlGaN層251には、活性層から離れるに従いMg濃度が単調に増加するようにMgがドープされている。そのため、AlGaN層253を除いたp型クラッド層25内のMg濃度は、活性層から離れるに従い単調に増加している。このように単調に増加するように構成されていれば、あるp−InGaN層252と、そのp−InGaN層252に接するp−AlGaN層251とのMg濃度が等しくてもかまわない。
The p-
各p−AlGaN層251内、各p−InGaN層152内でのMgドープ量は、一定でもよいし、活性層14から離れるほどMgドープ量を多くしてもよい。
The Mg doping amount in each p-
Mgがドープされたp−InGaN層252、p−AlGaN層251のうち、最も活性層に近いp−InGaN層252aのMg濃度は、4×1019cm-3より低いことが望ましい。また、Mgがドープされたp−InGaN層252、p−AlGaN層251のうち、最も活性層から遠いp−AlGaN層251aのMg濃度は、4×1019〜5×1020cm-3の範囲であることが望ましい。望ましい理由は、実施例1で述べたのと同様の理由である。
Of the p-
以上の構成による発光ダイオード2も、実施例1の発光ダイオード1と同様にp型クラッド層25のMgが活性層14に拡散するのを抑制することができるため、従来の発光ダイオードよりも発光効率が向上する。
The light-emitting
実施例1、2では、p型クラッド層の構造を、AlGaN層とInGaN層が交互に繰り返し積層された超格子構造としているが、本発明は、AlGaN層とInGaN層とによる超格子構造に限るものではなく、Alを含むIII 族窒化物半導体層と、その層とは組成の異なるIII 族窒化物半導体層とが交互に繰り返し積層された超格子構造であればよい。たとえば、AlGaN層とGaN層との超格子構造や、AlGaInN層とInGaN層との超格子構造であってもよい。 In Examples 1 and 2, the p-type cladding layer has a superlattice structure in which AlGaN layers and InGaN layers are alternately and repeatedly stacked. However, the present invention is limited to a superlattice structure including an AlGaN layer and an InGaN layer. Instead, any superlattice structure in which a group III nitride semiconductor layer containing Al and a group III nitride semiconductor layer having a different composition are alternately stacked may be used. For example, a superlattice structure of an AlGaN layer and a GaN layer or a superlattice structure of an AlGaInN layer and an InGaN layer may be used.
実施例1、2はいずれも発光ダイオードであったが、本発明は、発光ダイオードに限るものではなく、半導体レーザや受光素子にも適用することができる。 Although both the first and second embodiments are light emitting diodes, the present invention is not limited to light emitting diodes but can be applied to semiconductor lasers and light receiving elements.
また、実施例1、2のように発光ダイオードの場合には、p型クラッド層中のAlを含む層が活性層と接していることが望ましい。 In the case of the light emitting diode as in Examples 1 and 2, it is desirable that the layer containing Al in the p-type cladding layer is in contact with the active layer.
半導体レーザの場合には、p型クラッド層と活性層は接していてもよいし、p型クラッド層と活性層との間にノンドープの光ガイド層などを有していてもよい。 In the case of a semiconductor laser, the p-type cladding layer and the active layer may be in contact with each other, or a non-doped light guide layer may be provided between the p-type cladding layer and the active layer.
本発明により、発光効率、信頼性の高い発光素子を実現することができる。 According to the present invention, a light-emitting element with high emission efficiency and high reliability can be realized.
1、2:発光ダイオード
10:サファイア基板
12:n型コンタクト層
13:n型クラッド層
14:活性層
15、25:p型クラッド層
16:p型コンタクト層
17:p+ 型コンタクト層
151、253:AlGaN層
152、252:p−InGaN層
251:p−AlGaN層
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記活性層に対して前記p型半導体層側に積層されたすべての層の中で、最も前記活性層に近い層である第1のp型半導体層は、Alを含む第1層と、前記第1層とは組成の異なる第2層とが交互に積層された超格子構造であり、
前記第1層と前記第2層のうち、少なくとも一方にはp型不純物がドープされ、
前記第1のp型半導体層のp型不純物がドープされた層のp型不純物濃度は、前記活性層から離れるに従い単調に増加することを特徴とするIII 族窒化物半導体素子。 In a group III nitride semiconductor device having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
Of all the layers stacked on the p-type semiconductor layer side with respect to the active layer, the first p-type semiconductor layer that is the layer closest to the active layer includes a first layer containing Al, The first layer is a superlattice structure in which second layers having different compositions are laminated alternately,
At least one of the first layer and the second layer is doped with a p-type impurity,
The group III nitride semiconductor device, wherein the p-type impurity concentration of the layer doped with the p-type impurity of the first p-type semiconductor layer monotonously increases as the distance from the active layer increases.
前記活性層に対して前記p型半導体層側に積層されたすべての層の中で、最も前記活性層に近い層である第1のp型半導体層は、Alを含む第1層と、前記第1層とは組成の異なる第2層とを交互に積層して超格子構造を形成し、
前記第1層と前記第2層のうち、少なくとも一方にはp型不純物をドープし、
前記第1のp型半導体層のp型不純物をドープする層のp型不純物供給量を、前記活性層から離れるに従い単調に増加させて前記第1層および前記第2層を形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 In the method of manufacturing a group III nitride semiconductor device having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
Of all the layers stacked on the p-type semiconductor layer side with respect to the active layer, the first p-type semiconductor layer which is the layer closest to the active layer includes a first layer containing Al, A superlattice structure is formed by alternately stacking second layers having different compositions from the first layer,
At least one of the first layer and the second layer is doped with a p-type impurity,
The p-type impurity supply amount of the layer doped with p-type impurities of the first p-type semiconductor layer is monotonously increased as the distance from the active layer is increased to form the first layer and the second layer. A method for producing a group III nitride semiconductor device.
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