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JP5579435B2 - Nitride-based semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP5579435B2 JP2009519280A JP2009519280A JP5579435B2 JP 5579435 B2 JP5579435 B2 JP 5579435B2 JP 2009519280 A JP2009519280 A JP 2009519280A JP 2009519280 A JP2009519280 A JP 2009519280A JP 5579435 B2 JP5579435 B2 JP 5579435B2
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Description

本発明は、窒化物系半導体装置およびその製造方法に係り、特に量子井戸構造を備え、原料ガスを供給してp型半導体層を形成する窒化物系半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nitride semiconductor device having a quantum well structure and supplying a source gas to form a p-type semiconductor layer and a method for manufacturing the same.

発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などに、III族窒化物系半導体からなる窒化物系半導体装置が使用されている。III族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)などがある。代表的なIII族窒化物系半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)で表される。A nitride-based semiconductor device made of a group III nitride-based semiconductor is used for a light emitting diode (LED). Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

III族窒化物系半導体を用いた窒化物系半導体装置は、例えば、基板上にn型のIII族窒化物系半導体層(n型半導体層)、活性層(発光層)およびp型のIII族窒化物系半導体層(p型半導体層)をこの順に積層した構造を有する。そして、p型半導体層から供給された正孔(ホール)とn型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する(例えば、特許文献1参照。)。   A nitride semiconductor device using a group III nitride semiconductor includes, for example, an n-type group III nitride semiconductor layer (n-type semiconductor layer), an active layer (light emitting layer), and a p-type group III on a substrate. It has a structure in which nitride-based semiconductor layers (p-type semiconductor layers) are stacked in this order. Then, light generated by recombination of holes supplied from the p-type semiconductor layer and electrons supplied from the n-type semiconductor layer in the active layer is output to the outside (see, for example, Patent Document 1). .

活性層として、井戸層(ウェル層)をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層(障壁層)でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造が採用可能である(例えば、特許文献2参照。)。   As the active layer, a multi-quantum well (MQW) structure in which a plurality of well layers (well layers) are sandwiched between barrier layers (barrier layers) having a larger band gap than the well layers can be employed. (For example, refer to Patent Document 2).

また、順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる目的で、p型半導体層を2層構造、或いは3層構造に形成する例も開示されている(例えば、特許文献3および特許文献4参照。)。
特開平10−284802号公報 特開2004−55719号公報 特許第3250438号公報 特許第331466号公報
In addition, examples in which the p-type semiconductor layer is formed in a two-layer structure or a three-layer structure for the purpose of reducing the forward voltage (Vf) and improving the light emission efficiency are also disclosed (for example, Patent Document 3 and Patent). Reference 4).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-284802 JP 2004-55719 A Japanese Patent No. 3250438 Japanese Patent No. 331466

p型半導体層を多層構造に形成する場合、活性層への熱ダメージを低減させるために低温成長させる必要があり、同時に、順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる必要がある。   When the p-type semiconductor layer is formed in a multilayer structure, it is necessary to grow at a low temperature in order to reduce thermal damage to the active layer, and at the same time, it is necessary to reduce the forward voltage (Vf) and improve the luminous efficiency. .

従来、p型ドーパントがドープされたp型半導体層の形成では、原料ガスの供給に水素(H2)及び窒素(N2)を含むキャリアガスが用いられてきた。しかし、水素を含むキャリアガスでp型半導体層を形成する場合、p型ドーパントと一緒に取り込まれる水素原子によってp型ドーパントが活性化されにくくなり、p型半導体層のp型化が阻害される原因となる。そのため、p型半導体層を形成後、p型半導体層から水素原子を取り除くためのアニールを実施する必要があり、製造工程の増大を招いていた。Conventionally, in forming a p-type semiconductor layer doped with a p-type dopant, a carrier gas containing hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) has been used to supply a source gas. However, when the p-type semiconductor layer is formed with a carrier gas containing hydrogen, the p-type dopant is hardly activated by hydrogen atoms taken together with the p-type dopant, and the p-type semiconductor layer is prevented from being made p-type. Cause. Therefore, after forming the p-type semiconductor layer, it is necessary to perform annealing for removing hydrogen atoms from the p-type semiconductor layer, resulting in an increase in the manufacturing process.

上記問題点を鑑み、本発明は、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる窒化物系半導体装置を提供する。   In view of the above-described problems, the present invention provides a nitride-based semiconductor that forms a p-type semiconductor layer at a low temperature to reduce thermal damage to the active layer, lower the forward voltage (Vf), and improve luminous efficiency. Providing equipment.

本発明は、p型半導体層から水素原子を取り除くアニール工程が不要な窒化物系半導体装置の製造方法を提供する。   The present invention provides a method for manufacturing a nitride-based semiconductor device that does not require an annealing step of removing hydrogen atoms from a p-type semiconductor layer.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、前記活性層上部に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度で、かつ前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層とを備え、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層の前記p型不純物は、Mgである窒化物系半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, an active layer comprising a multiple quantum well containing indium, a first nitride-based semiconductor layer disposed on the active layer and containing a p-type impurity, A second nitride-based semiconductor layer disposed on the first nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer; and the second nitride-based semiconductor layer A third element is disposed on the semiconductor layer and includes a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer and a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer. A nitride-based semiconductor layer; and a fourth nitride-based semiconductor layer disposed on the third nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer; wherein the p-type of the first nitride semiconductor layer to fourth nitride semiconductor layer not Things, the nitride-based semiconductor device is Mg is provided.

本発明の他の態様によれば、n型半導体層を形成する工程と、前記n型半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上部に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度で、かつ前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層とを積層してp型半導体層を形成する工程とを含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層のうち前記第1乃至第3窒化物系半導体層の少なくとも一部を形成し、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層の前記p型不純物は、Mgである窒化物系半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a step of forming an n-type semiconductor layer, a step of forming an active layer on the n-type semiconductor layer, a first layer disposed on the active layer and including a p-type impurity. A nitride-based semiconductor layer, and a second nitride-based semiconductor layer that is disposed on the first nitride-based semiconductor layer and includes a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer; , Disposed on the second nitride semiconductor layer, having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride semiconductor layer and a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride semiconductor layer. a third nitride-based semiconductor layer including a p-type impurity; and a third nitride-based semiconductor layer disposed on the third nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer. Forming a p-type semiconductor layer by laminating a 4-nitride-based semiconductor layer, and a hydrogen-free key. The raw material gas was supplied by Riagasu, at least a portion is formed, said first nitride of the first to third nitride semiconductor layer of the first nitride semiconductor layer to fourth nitride semiconductor layer There is provided a method for manufacturing a nitride-based semiconductor device , wherein the p-type impurity of the material-based semiconductor layer to the fourth nitride-based semiconductor layer is Mg .

本発明の窒化物系半導体装置によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Vfを低下させ、発光効率を向上させることができる。   According to the nitride semiconductor device of the present invention, a p-type semiconductor layer can be formed at a low temperature to reduce thermal damage to the active layer, to reduce the forward voltage Vf, and to improve luminous efficiency.

本発明によれば、p型半導体層から水素原子を取り除くアニール工程が不要な窒化物系半導体装置の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the nitride type semiconductor device which does not require the annealing process which removes a hydrogen atom from a p-type semiconductor layer can be provided.

本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の模式的断面構造図であって、(a)窒化物系半導体装置部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a nitride-based semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, where (a) a schematic cross-sectional structure diagram of a nitride-based semiconductor device portion, and (b) an enlargement of an active layer portion. The typical cross-section figure made. 本発明の第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置の模式的断面構造図あって、(a)窒化物系半導体装置部分の模式的断面構造図、(b)活性層部分の拡大された模式的断面構造図。1A is a schematic cross-sectional structure diagram of a nitride-based semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a schematic cross-sectional structure diagram of a nitride-based semiconductor device portion, and FIG. FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional structure diagram. 本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置のp側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造図。1 is a schematic cross-sectional structure diagram formed up to a p-side electrode and an n-side electrode of a nitride-based semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、発光出力と量子井戸ペア数との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the light emission output and the number of quantum well pairs in the nitride-type semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、MQW層内における発光現象を説明するバンド構造の模式図。FIG. 3 is a schematic diagram of a band structure for explaining a light emission phenomenon in the MQW layer in the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、MQW層内における発光現象を説明するバンド構造であって、(a)MQW層が5ペアの場合のバンド構造の模式図、(b)MQW層が8ペアの場合のバンド構造の模式図、(c)MQW層が12ペアの場合のバンド構造の模式図。In the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a band structure for explaining a light emission phenomenon in the MQW layer, (a) a schematic diagram of a band structure in the case where the MQW layer has 5 pairs, (B) Schematic diagram of band structure when MQW layer is 8 pairs, (c) Schematic diagram of band structure when MQW layer is 12 pairs. (a)本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の温度分布を示す図、(b)水素ガスフローの条件を説明する図、(c)水素ガスフローの別の条件を説明する図、(d)水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図、(e)水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図。(A) The figure which shows temperature distribution at the time of forming the p-type semiconductor layer (41-44) of a 4 layer structure in the nitride type semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (b) Hydrogen gas The figure explaining the conditions of a flow, (c) The figure explaining another condition of hydrogen gas flow, (d) The figure explaining another condition of hydrogen gas flow, (e) The further another condition of hydrogen gas flow FIG. (a)本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の温度分布を示す図、(b)窒素ガスフローの条件を説明する図、(c)アンモニアガスフローの条件を説明する図。(A) The temperature distribution at the time of forming the p-type semiconductor layer (41-44) of a four-layer structure in the nitride-type semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (b) Nitrogen gas The figure explaining the conditions of a flow, (c) The figure explaining the conditions of ammonia gas flow. 本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法により製造される窒化物系半導体装置の例を示す模式図。The schematic diagram which shows the example of the nitride type semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the nitride type semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法により製造される窒化物系半導体装置の活性層の構造例を示す模式図。The schematic diagram which shows the structural example of the active layer of the nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the nitride semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図10に示した活性層の結晶成長におけるガスフローパターンを示す図。The figure which shows the gas flow pattern in the crystal growth of the active layer shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法を説明するための図であり、(a)p型半導体層形成時の温度プロファイルを示す図、(b)p型半導体層の成長条件を示す表。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the nitride type semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, (a) The figure which shows the temperature profile at the time of p-type semiconductor layer formation, (b) p-type semiconductor The table | surface which shows the growth conditions of a layer. p側電極とn側電極間に電圧を印加した場合に、p側電極からn側電極に流れる電流を示すI−V特性図。The IV characteristic view which shows the electric current which flows into a n side electrode from a p side electrode when a voltage is applied between a p side electrode and a n side electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板
2…n型半導体層
3…活性層
4…p型半導体層
5…酸化物電極
6…バッファ層
7…ブロック層
31…バリア層(GaN層)
32…井戸層(InGaN層)
41…第1窒化物系半導体層
42…第2窒化物系半導体層
43…第3窒化物系半導体層
44…第4窒化物系半導体層
100…p側電極
200…n側電極
310…最終バリア層
311〜31n…バリア層
321〜32n…井戸層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... N-type semiconductor layer 3 ... Active layer 4 ... P-type semiconductor layer 5 ... Oxide electrode 6 ... Buffer layer 7 ... Block layer 31 ... Barrier layer (GaN layer)
32 ... Well layer (InGaN layer)
41 ... first nitride semiconductor layer 42 ... second nitride semiconductor layer 43 ... third nitride semiconductor layer 44 ... fourth nitride semiconductor layer 100 ... p-side electrode 200 ... n-side electrode 310 ... final barrier Layers 311-31n ... Barrier layers 321-32n ... Well layers

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

また、以下に示す実施の形態は、この発明の実施の形態を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the arrangement of each component is described below. It is not something specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の模式的断面構造は、図1(a)に示すように表され、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図1(b)に示すように表される。
[First embodiment]
A schematic cross-sectional structure of the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is represented as shown in FIG. 1A, and an enlarged schematic cross-sectional structure of the active layer portion is shown in FIG. It is expressed as shown in (b).

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置は、図1に示すように、基板1と、基板1上に配置されたバッファ層6と、バッファ層6上に配置され、n型不純物が不純物添加されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置され、n型半導体層2より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層7と、ブロック層7上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4と、p型半導体層4上に配置された酸化物電極5とを備える。   As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device according to the first embodiment includes a substrate 1, a buffer layer 6 disposed on the substrate 1, a buffer layer 6, and an n-type impurity. An n-type semiconductor layer 2 doped with impurities, a block layer 7 disposed on the n-type semiconductor layer 2 and doped with n-type impurities at a lower concentration than the n-type semiconductor layer 2, and disposed on the block layer 7. An active layer 3, a p-type semiconductor layer 4 disposed on the active layer 3, and an oxide electrode 5 disposed on the p-type semiconductor layer 4.

活性層3は、図1(b)に示すように、バリア層311〜31n、310とそのバリア層311〜31n、310よりバンドギャップが小さい井戸層321〜32nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層3に含まれる第1バリア層311〜第nバリア層31nを総称して「バリア層31」という。また、活性層3に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層32」という。   As shown in FIG. 1B, the active layer 3 has a laminated structure in which barrier layers 311 to 31n and 310 and well layers 321 to 32n having a smaller band gap than the barrier layers 311 to 31n and 310 are alternately arranged. Have. Hereinafter, the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n included in the active layer 3 are collectively referred to as “barrier layer 31”. Further, all well layers included in the active layer 3 are collectively referred to as “well layers 32”.

上記の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚は、その最終バリア層310以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層311〜第nバリア層31n)の厚さより厚く形成されていてもよい。   The film thickness of the final barrier layer 310 in the uppermost layer of the stacked structure is larger than the thicknesses of the other barrier layers (the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n) included in the stacked structure other than the final barrier layer 310. It may be formed.

図1に示した窒化物系半導体装置では、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。   In the nitride-based semiconductor device shown in FIG. 1, the concentration of the p-type dopant in the final barrier layer 310 is from the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 4 in the film thickness direction of the final barrier layer 310. There is no p-type dopant in the second main surface that gradually decreases along the first main surface.

基板1には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層2、活性層3及びp型半導体層4はそれぞれIII族窒化物系半導体からなり、基板1上にバッファ層6、n型半導体層2、ブロック層7、活性層3及びp型半導体層4が順次積層される。   As the substrate 1, for example, a c-plane (0001), 0.25 ° off sapphire substrate can be employed. The n-type semiconductor layer 2, the active layer 3, and the p-type semiconductor layer 4 are each made of a group III nitride semiconductor, and the buffer layer 6, the n-type semiconductor layer 2, the block layer 7, the active layer 3, and the p-type are formed on the substrate 1. Semiconductor layers 4 are sequentially stacked.

(バッファ層)
バッファ層6は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層6を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。AlNバッファ層6のAl原料として用いるトリメチルアルミニウム(TMA)と、N原料として用いるアンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、AlNバッファ層6を結晶成長させている。例えば、サイクル数は約3〜5程度でもよい。
(Buffer layer)
The buffer layer 6 is formed of, for example, an AlN layer having a thickness of about 10 to 50 angstroms. When the AlN buffer layer 6 is crystal-grown, for example, it is grown at a high temperature in a temperature range of about 900 ° C. to 950 ° C. By supplying trimethylaluminum (TMA) used as an Al raw material for the AlN buffer layer 6 and ammonia (NH 3 ) used as an N raw material to the reaction chamber alternately using H 2 gas as a carrier, an AlN buffer is obtained. Layer 6 is crystal grown. For example, the number of cycles may be about 3-5.

トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層6を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。By supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber alternately with H 2 gas as a carrier, a thin AlN buffer layer 6 having a thickness of about 10 to 50 Å is formed. It can be grown at high speed, and can be formed while maintaining good crystallinity.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置によれば、高温AlNバッファ層上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。   According to the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the crystallinity and surface morphology of the group III nitride semiconductor formed on the high-temperature AlN buffer layer can be improved.

(ブロック層)
n型半導体層2と活性層3間に配置されたブロック層7は、例えばn型不純物としてSiを1×1017cm-3未満で不純物添加した膜厚約50nm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
(Block layer)
The block layer 7 disposed between the n-type semiconductor layer 2 and the active layer 3 is a group III nitride semiconductor having a thickness of about 50 nm doped with Si as an n-type impurity at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3. For example, a GaN layer can be employed.

図1に示した窒化物系半導体装置では、例えばn型半導体層2にSiが3×1018cm-3程度不純物添加された場合に、Siが約8×1016cm-3程度不純物添加されたブロック層7をn型半導体層2と活性層3間に配置することにより、活性層3の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散を防止できる。In the nitride-based semiconductor device shown in FIG. 1, for example, when Si is doped with about 3 × 10 18 cm −3 in the n-type semiconductor layer 2, Si is doped with about 8 × 10 16 cm −3. By disposing the block layer 7 between the n-type semiconductor layer 2 and the active layer 3, the diffusion of Si from the n-type semiconductor layer 2 to the active layer 3 in the formation process of the active layer 3 and the manufacturing process after that process is performed. Can be prevented.

つまり、活性層3内にSiが拡散せず、活性層3で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層3で発光させるためにn型半導体層2とp型半導体層4間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層2から活性層3に供給された電子が活性層3を通過してp型半導体層4に到達するオーバーフローを防止することができ、窒化物系半導体装置から出力される光の輝度の低下を防止できる。   That is, Si does not diffuse into the active layer 3 and a reduction in the luminance of light generated in the active layer 3 is prevented. Furthermore, when a bias is applied between the n-type semiconductor layer 2 and the p-type semiconductor layer 4 to cause the active layer 3 to emit light, electrons supplied from the n-type semiconductor layer 2 to the active layer 3 cause the active layer 3 to Overflow that passes through and reaches the p-type semiconductor layer 4 can be prevented, and a decrease in luminance of light output from the nitride-based semiconductor device can be prevented.

ブロック層7のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層7のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層2から供給された電子が活性層3を超えてp型半導体層4までオーバーフローし、p型半導体層4内で正孔と再結合してしまい、活性層3中での再結合の割合が減少し、活性層3で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層7のSi濃度が低すぎる場合は、型半導体層2から活性層3へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層7のSi濃度は、約5×1016〜1×1017cm-3未満であることが好ましい。The Si concentration of the block layer 7 is less than 1 × 10 17 cm −3 . This is because, when the Si concentration of the block layer 7 is too high, electrons supplied from the n-type semiconductor layer 2 overflow the active layer 3 to the p-type semiconductor layer 4, and the holes in the p-type semiconductor layer 4 This is because recombination occurs, the recombination rate in the active layer 3 decreases, and the luminance of light generated in the active layer 3 decreases. On the other hand, when the Si concentration of the block layer 7 is too low, the carrier density of electrons injected from the type semiconductor layer 2 into the active layer 3 cannot be increased. Therefore, the Si concentration of the block layer 7 is preferably about 5 × 10 16 to less than 1 × 10 17 cm −3 .

以上に説明したように、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置では、n型半導体層2と活性層3間にブロック層7を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層2から活性層3へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層2からp型半導体層4への電子のオーバーフローを防止することができ、窒化物系半導体装置から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図1に示す窒化物系半導体装置の品質の劣化を防止できる。   As described above, in the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment, the block layer 7 is arranged between the n-type semiconductor layer 2 and the active layer 3, so that the n-type semiconductor in the manufacturing process is arranged. The diffusion of Si from the layer 2 to the active layer 3 and the overflow of electrons from the n-type semiconductor layer 2 to the p-type semiconductor layer 4 during light emission can be prevented, and the light output from the nitride-based semiconductor device can be prevented. Decrease in luminance can be prevented. As a result, deterioration of the quality of the nitride semiconductor device shown in FIG. 1 can be prevented.

(n型半導体層)
n型半導体層2は、電子を活性層3に供給し、p型半導体層4は、正孔(ホール)を活性層3に供給する。供給された電子及び正孔が活性層3で再結合することにより、光が発生する。
(N-type semiconductor layer)
The n-type semiconductor layer 2 supplies electrons to the active layer 3, and the p-type semiconductor layer 4 supplies holes to the active layer 3. Light is generated by the recombination of the supplied electrons and holes in the active layer 3.

n型半導体層2は、シリコン(Si)等のn型不純物を不純物添加した膜厚1〜6μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。   The n-type semiconductor layer 2 may be a group III nitride semiconductor having a thickness of about 1 to 6 μm doped with an n-type impurity such as silicon (Si), for example, a GaN layer.

(p型半導体層)
p型半導体層4は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
(P-type semiconductor layer)
As the p-type semiconductor layer 4, a group III nitride semiconductor having a thickness of about 0.05 to 1 μm doped with a p-type impurity, such as a GaN layer, can be employed. As the p-type impurity, magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), calcium (Ca), beryllium (Be), carbon (C), or the like can be used.

p型半導体層4の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層4は、図1(a)に示すように、活性層3の上部に配置され,p型不純物を含む第1窒化物系半導体層41と、第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42と、第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44とを備える。   A configuration example of the p-type semiconductor layer 4 is as follows in more detail. That is, as shown in FIG. 1A, the p-type semiconductor layer 4 is disposed on the active layer 3, and includes a first nitride-based semiconductor layer 41 containing a p-type impurity, and a first nitride-based semiconductor layer. 41, a second nitride-based semiconductor layer 42 containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer 41, and a second nitride-based semiconductor layer 42. , A third nitride-based semiconductor layer 43 containing a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer 42, and the third nitride-based semiconductor layer 43 disposed on the third nitride-based semiconductor layer 43. And a fourth nitride semiconductor layer 44 containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the system semiconductor layer 43.

第2窒化物系半導体層42の厚さは、第1窒化物系半導体層41、或いは第3窒化物系半導体層43乃至第4窒化物系半導体層44の厚さよりも厚く形成される。   The thickness of the second nitride-based semiconductor layer 42 is formed to be greater than the thickness of the first nitride-based semiconductor layer 41 or the third nitride-based semiconductor layer 43 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44.

ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層3の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層41は、例えばMgを不純物添加された約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成される。Here, the material and thickness of each layer will be specifically described. The first nitride-based semiconductor layer 41 including p-type impurities disposed on the active layer 3 is, for example, a p-type GaN layer of about 2 × 10 20 cm −3 doped with Mg and having a thickness of about 50 nm. Formed with.

第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42は、例えばMgを不純物添加された約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成される。The second nitride semiconductor layer 42 disposed on the first nitride semiconductor layer 41 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride semiconductor layer 41 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 4 × 10 19 cm −3 and about 100 nm thick.

第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。The third nitride-based semiconductor layer 43 disposed on the second nitride-based semiconductor layer 42 and containing a p-type impurity having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer 42 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 1 × 10 20 cm −3 and about 40 nm thick.

第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。The fourth nitride semiconductor layer 44 disposed on the third nitride semiconductor layer 43 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 43 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 8 × 10 19 cm −3 and about 10 nm thick.

本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層3の上に形成されるp型半導体層4は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層3への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。   In the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the p-type semiconductor layer 4 formed on the active layer 3 made of a multiple quantum well containing indium has an Mg concentration as described above. It consists of p-type GaN layers with different four-layer structures, and is doped at the above concentrations. The p-type GaN layer is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 3.

活性層3に一番近い第1窒化物系半導体層41は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   The first nitride semiconductor layer 41 closest to the active layer 3 has a higher emission intensity as the Mg concentration is higher. Therefore, the higher the Mg concentration, the better.

第2窒化物系半導体層42は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。The second nitride-based semiconductor layer 42 has a Mg concentration of about 10 19 cm −3 because the crystal defects due to Mg increase and the resistance of the film increases when Mg is excessively doped. It is desirable.

第3窒化物系半導体層43は、活性層3への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層42よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。   Since the third nitride semiconductor layer 43 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 3, it is desirable that the Mg concentration be slightly higher than that of the second nitride semiconductor layer 42.

第4窒化物系半導体層44は、酸化物電極5とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極5として、例えば、GaまたはAlが1×1019〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、窒化物系半導体装置の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。The fourth nitride-based semiconductor layer 44 is a p-type GaN layer for making ohmic contact with the oxide electrode 5 and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al as the oxide electrode 5 is used, the forward voltage Vf of the nitride-based semiconductor device is most reduced. Mg is added to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 so that the Mg concentration becomes the same.

p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層3に近い第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層3をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型GaN層を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。When four p-type GaN layers are grown, the third nitride semiconductor layer 43 and the fourth nitride semiconductor layer 44 close to the p-side electrode 100 need to increase the hole concentration in the film. Increase the amount of H 2 gas in the carrier gas. Further, the first nitride semiconductor layer 41 and the second nitride semiconductor layer 42 close to the active layer 3 do not need to increase the amount of H 2 gas in the carrier gas, and the active layer 3 is made of N 2 carrier gas. The crystal is grown by the extension of the growth. When these p-type GaN layers are grown, a film having a lower resistance can be grown by increasing the V / III ratio as much as possible, and the forward voltage (Vf) of the light emitting element can be lowered.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。   According to the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment, the p-type semiconductor layer is formed at a low temperature to reduce thermal damage to the active layer, and to reduce the forward voltage (Vf). Can be improved.

(活性層)
活性層3は、図1(b)に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層3は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
(Active layer)
As shown in FIG. 1B, the active layer 3 includes a first well layer 321 to an nth well layer 32n sandwiched between a first barrier layer 311 to an nth barrier layer 31n and a final barrier layer 310, respectively. It is a quantum well (MQW) structure (n: natural number). That is, the active layer 3 has a quantum well structure in which the well layer 32 is sandwiched between the barrier layers 31 having a larger band gap than the well layer 32 in a unit pair structure, and this unit pair structure is stacked n times. Have

具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層3の第1バリア層311は、n型半導体層2上にバッファ層6を介して配置され、活性層3の最終バリア層310上にはp型半導体層4(41〜44)が配置される。   Specifically, the first well layer 321 is disposed between the first barrier layer 311 and the second barrier layer 312, and the second well layer 322 is disposed between the second barrier layer 312 and the third barrier layer 313. The The nth well layer 32n is disposed between the nth barrier layer 31n and the final barrier layer 310. The first barrier layer 311 of the active layer 3 is disposed on the n-type semiconductor layer 2 via the buffer layer 6, and the p-type semiconductor layer 4 (41 to 44) is disposed on the final barrier layer 310 of the active layer 3. Is done.

井戸層321〜32nは、例えばInxGa1-xN(0<x<1)層によって形成され、バリア層311〜31n,310は、例えばGaN層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、6〜11であることを特徴とする。なお、井戸層321〜32nのガリウム(Ga)に対するインジウム(In)の比率{x/(1−x)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。The well layers 321 to 32n are formed by, for example, In x Ga 1-x N (0 <x <1) layers, and the barrier layers 311 to 31n and 310 are formed by, for example, GaN layers. The number of pairs of the multiple quantum well layers is, for example, 6 to 11. The ratio of indium (In) to gallium (Ga) in the well layers 321 to 32n {x / (1-x)} is appropriately set according to the wavelength of light to be generated.

また、井戸層321〜32nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層311〜31nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度であることを特徴とする。   Further, the thickness of the well layers 321 to 32n is, for example, about 2 to 3 nm, preferably about 2.8 nm, and the thickness of the barrier layers 311 to 31n is about 7 to 18 nm, preferably about It is about 16.5 nm.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、発光出力と量子井戸ペア数との関係は、図4に示すように表される。   In the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment, the relationship between the light emission output and the number of quantum well pairs is expressed as shown in FIG.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、活性層3内における発光現象を説明するバンド構造は、図5に示すように模式的に表される。   In the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the band structure for explaining the light emission phenomenon in the active layer 3 is schematically represented as shown in FIG.

図6は、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、活性層3内における発光現象を説明するバンド構造であって、図6(a)は、MQWが5ペアの場合のバンド構造の模式図、図6(b)は、MQWが8ペアの場合のバンド構造の模式図、図6(c)は、MQWが12ペアの場合のバンド構造の模式図をそれぞれ示す。   FIG. 6 shows a band structure for explaining a light emission phenomenon in the active layer 3 in the nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 6A shows a band when MQW is 5 pairs. FIG. 6B is a schematic diagram of the structure, FIG. 6B is a schematic diagram of the band structure when the MQW is 8 pairs, and FIG. 6C is a schematic diagram of the band structure when the MQW is 12 pairs.

従来構造では、MQWのペア数は、4〜5ペアが用いられているため、図6(a)に示すように、n型半導体層2から供給される電子が活性層3を飛び越えてp型半導体層4まで流れてしまう。この際、p型半導体層4から供給されるホールが活性層3に達する前に電子と再結合してしまい、活性層3に達するホール濃度が減少する。それにより、LEDの輝度が減少してしまう。これは、ホールの有効質量が電子に比べて高いためp型半導体層4からの注入ホールの移動度が低く、ホールが活性層3に達する前に電子が、p型半導体層4まで到達して、ホールと再結合してしまうからである。   In the conventional structure, since 4 to 5 MQW pairs are used, as shown in FIG. 6A, electrons supplied from the n-type semiconductor layer 2 jump over the active layer 3 and become p-type. It flows to the semiconductor layer 4. At this time, holes supplied from the p-type semiconductor layer 4 are recombined with electrons before reaching the active layer 3, and the hole concentration reaching the active layer 3 decreases. Thereby, the brightness | luminance of LED will reduce. This is because the effective mass of holes is higher than that of electrons, so the mobility of injected holes from the p-type semiconductor layer 4 is low, and electrons reach the p-type semiconductor layer 4 before the holes reach the active layer 3. This is because they recombine with holes.

一方、MQWのペア数が、12ペアより大きい場合には、図6(c)に示すように、活性層3が厚いために、n型半導体層2から供給される電子は、活性層3内を十分に走行することができない。この際、p型半導体層4から供給されるホールも、活性層3内を十分に走行することができない。このため、活性層3内において、電子とホールの再結合が充分に発生せず、それにより、LEDの輝度が減少してしまう。   On the other hand, when the number of MQW pairs is larger than 12 pairs, as shown in FIG. 6C, the active layer 3 is thick, so that the electrons supplied from the n-type semiconductor layer 2 are within the active layer 3. Can not drive enough. At this time, the holes supplied from the p-type semiconductor layer 4 cannot sufficiently travel in the active layer 3. For this reason, electrons and holes are not sufficiently recombined in the active layer 3, thereby reducing the luminance of the LED.

これに対して、MQWのペア数が、8ペア程度の場合には、図5および図6(b)に示すように、活性層3の厚さが最適化され、n型半導体層2から供給される電子は、活性層3内を十分に走行するとともに、同時に、p型半導体層4から供給されるホールも、活性層3内を十分に走行することができ、活性層3内において、電子とホールの再結合が充分に発生して、それにより、LEDの輝度を高くすることができる。   On the other hand, when the number of MQW pairs is about 8 pairs, the thickness of the active layer 3 is optimized and supplied from the n-type semiconductor layer 2 as shown in FIGS. The electrons that are generated travel sufficiently in the active layer 3, and at the same time, the holes supplied from the p-type semiconductor layer 4 can also travel sufficiently in the active layer 3. And hole recombination occur sufficiently, thereby increasing the brightness of the LED.

p型半導体層4から活性層3への充分な正孔の注入量が確保されており、かつn型半導体層2からも活性層3への充分な電子の注入量が確保されている場合においては、発光現象に寄与する活性層3内のMQWは、p型半導体層4から数えて2〜3ペアであってもよい。なお、電子の移動度は正孔の移動度に比べ高いため、発光現象に寄与する活性層3内のMQWは、p型半導体層4側に近い数ペアとなる。   In a case where a sufficient injection amount of holes from the p-type semiconductor layer 4 to the active layer 3 is secured and a sufficient injection amount of electrons from the n-type semiconductor layer 2 to the active layer 3 is secured. The MQW in the active layer 3 contributing to the light emission phenomenon may be 2 to 3 pairs counted from the p-type semiconductor layer 4. Since the electron mobility is higher than the hole mobility, the MQW in the active layer 3 contributing to the light emission phenomenon is several pairs close to the p-type semiconductor layer 4 side.

また、図4に示すように、MQWのペア数が8において発光出力Pは最大値P2を示し、一方、MQWのペア数が5或いは12においては発光出力PはP1(P1<P2)程度であり、MQWのペア数が5より小さい場合或いは12よりも大きい場合には、充分な発光出力Pを確保することが難しい。As shown in FIG. 4, when the number of MQW pairs is 8, the light emission output P shows the maximum value P 2 , while when the number of MQW pairs is 5 or 12, the light emission output P is P 1 (P 1 <P When the number of MQW pairs is smaller than 5 or larger than 12, it is difficult to secure a sufficient light output P.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置においては、n型半導体層2から供給される電子と、p型半導体層4から供給されるホールが活性層3において効率よく再結合するための活性層3内のMQWペア数を最適化することができる。   In the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the electrons supplied from the n-type semiconductor layer 2 and the holes supplied from the p-type semiconductor layer 4 are efficiently recombined in the active layer 3. The number of MQW pairs in the active layer 3 can be optimized.

(最終バリア層)
最終バリア層310の膜厚は、p型半導体層4から活性層3へのMgの拡散距離より厚く形成される。
(Final barrier layer)
The final barrier layer 310 is formed thicker than the Mg diffusion distance from the p-type semiconductor layer 4 to the active layer 3.

図1に示した窒化物系半導体装置では、最終バリア層310のp型不純物の濃度が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が存在しない。   In the nitride semiconductor device shown in FIG. 1, the concentration of the p-type impurity in the final barrier layer 310 is from the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 4 in the film thickness direction of the final barrier layer 310. There is no p-type impurity in the second main surface that gradually decreases along the first main surface and faces the first main surface.

図1に示した窒化物系半導体装置の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層4から活性層3に拡散するp型不純物が、活性層3の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層4から最終バリア層310に拡散するp型不純物が、p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。   The film thickness d0 of the final barrier layer 310 of the nitride-based semiconductor device shown in FIG. 1 is such that the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 4 to the active layer 3 after the formation process of the p-type semiconductor layer 4 and after that process. The active layer 3 is set so as not to reach the well layer 32. That is, the p-type impurity diffused from the p-type semiconductor layer 4 to the final barrier layer 310 is a second main surface (the final barrier layer 310 is a well) facing the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 4. The film thickness d0 is set to a thickness that does not reach the layer 32n).

p型半導体層4に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は約1016cm-3以下の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。即ち、最終バリア層310の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層310の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層3と接する最終バリア層310の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層3で発生する光の輝度の低下が防止される。The Mg concentration on the first main surface of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 4 is, for example, about 2 × 10 20 cm −3 , and the second concentration of the final barrier layer 310 facing the first main surface is about 2 × 10 20 cm −3 . The Mg concentration gradually decreases toward the main surface, and the Mg concentration does not have an influence of about 10 16 cm −3 or less at a distance of about 7 to 8 nm from the first main surface, and is below the lower limit of detection in the analysis. . That is, by setting the film thickness d0 of the final barrier layer 310 to about 10 nm, Mg does not diffuse to the second main surface of the final barrier layer 310, and therefore, the second barrier layer 310 in contact with the active layer 3 has a second thickness. There is no Mg on the main surface. That is, Mg does not diffuse into the n-th well layer 32n, and a reduction in the luminance of light generated in the active layer 3 is prevented.

なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層2から活性層3に注入される正孔が第n井戸層32nに到達し、第n井戸層32nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層3中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。   The film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n may be the same. However, the thicknesses d1 to dn are such that holes injected from the n-type semiconductor layer 2 into the active layer 3 reach the nth well layer 32n, and light emission due to recombination of electrons and holes occurs in the nth well layer 32n. It is necessary to set a thickness that can be generated. This is because if the film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n are too thick, the movement of holes in the active layer 3 is hindered and the light emission efficiency is lowered.

例えば、最終バリア層310の膜厚d0は約26.5nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は約2〜3nm程度である。   For example, the film thickness d0 of the final barrier layer 310 is about 26.5 nm, the film thicknesses d1 to dn of the first barrier layer 311 to the nth barrier layer 31n are about 7 to 18 nm, and the first well layer 321. The film thickness of the nth well layer 32n is about 2 to 3 nm.

以上に説明したように、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置では、p型半導体層4に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図1に示した窒化物系半導体装置によれば、最終バリア層310の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層3全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層4から活性層3の井戸層32へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、窒化物系半導体装置の品質の劣化が抑制された窒化物系半導体装置を製造することができる。   As described above, in the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the film thickness d0 of the final barrier layer 310 in contact with the p-type semiconductor layer 4 is diffused from the p-type semiconductor layer 4 to the active layer 3. The thickness of the p-type dopant that does not reach the well layer 32 of the active layer 3 is set. That is, according to the nitride semiconductor device shown in FIG. 1, by setting the film thickness d0 of the final barrier layer 310 to be thicker than the Mg diffusion distance, the increase in the film thickness of the entire active layer 3 is suppressed, The diffusion of p-type impurities from the p-type semiconductor layer 4 to the well layer 32 of the active layer 3 can be prevented. As a result, it is possible to manufacture a nitride-based semiconductor device in which deterioration of the quality of the nitride-based semiconductor device is suppressed without lowering the luminance of light due to the diffusion of p-type impurities into the well layer 32.

(電極構造)
第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置は、図3に示すように、n型半導体層2に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層4に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図3に示すように、p型半導体層4、活性層3、ブロック層7、及びn型半導体層2の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層2の表面に、n側電極200が配置される。
(Electrode structure)
As shown in FIG. 3, the nitride semiconductor device according to the first embodiment includes an n-side electrode 200 that applies a voltage to the n-type semiconductor layer 2 and a p-side that applies a voltage to the p-type semiconductor layer 4. An electrode 100 is further provided. As shown in FIG. 3, the p-type semiconductor layer 4, the active layer 3, the block layer 7, and a partial region of the n-type semiconductor layer 2 are exposed on the n-type semiconductor layer 2 by mesa etching. An electrode 200 is disposed.

p側電極100は、p型半導体層4上に酸化物電極5を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層4上に直接配置されていても良い。第4窒化物系半導体層44上に配置される酸化物電極5からなる透明電極は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。   The p-side electrode 100 is disposed on the p-type semiconductor layer 4 via the oxide electrode 5. Alternatively, the p-side electrode 100 may be disposed directly on the p-type semiconductor layer 4. The transparent electrode made of the oxide electrode 5 disposed on the fourth nitride semiconductor layer 44 includes, for example, any of ZnO, ITO, or ZnO containing indium.

n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜、Ti/Ni/AuまたはAl/Ti/Au,Al/Ni/Au,Al/Ti/Ni/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au/Ni/Alの多層膜からなり、p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Auの多層膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層2に、p側電極100は、酸化物電極5を介してp型半導体層4に、それぞれオーミック接続される。   The n-side electrode 200 is, for example, an aluminum (Al) film, a multilayer film of Ti / Ni / Au or Al / Ti / Au, Al / Ni / Au, Al / Ti / Ni / Au, or Au—Sn / Ti from the upper layer. The p-side electrode 100 is made of, for example, an Al film, a palladium (Pd) -gold (Au) alloy film, a Ni / Ti / Au multilayer film, or an Au—Sn / It consists of a multilayer film of Ti / Au. The n-side electrode 200 is ohmically connected to the n-type semiconductor layer 2, and the p-side electrode 100 is ohmically connected to the p-type semiconductor layer 4 via the oxide electrode 5.

本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置をフリップチップ構造に実装するために、p側電極100の表面とn側電極200の表面を、基板1から測った高さが同じ高さとなるように形成してもよい。   In order to mount the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in a flip-chip structure, the height of the surface of the p-side electrode 100 and the surface of the n-side electrode 200 measured from the substrate 1 is the same. You may form so that it may become height.

酸化物電極5として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜で覆う構造を備えていても良い。反射積層膜はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有し、積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとする。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al23などを用いることもできる。A transparent conductive film ZnO may be formed as the oxide electrode 5 and the ZnO may be covered with a reflective laminated film that reflects the wavelength λ of the emitted light. The reflective laminated film has a laminated structure of λ / 4n 1 and λ / 4n 2 (n 1 and n 2 are refractive indexes of the laminated layers). As a material used for the laminated structure, for example, λ = 450 nm for blue light On the other hand, a laminated structure composed of ZrO 2 (n = 2.12) and SiO 2 (n = 1.46) can be used. In this case, the thickness of each layer is set such that ZrO 2 is about 53 nm and SiO 2 is about 77 nm, for example. As another material for forming the laminated structure, TiO 2 , Al 2 O 3 or the like can be used.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置によれば、反射積層膜により活性層3内で発光した光を、n側電極100で吸収されることなく外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。   According to the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the light emitted in the active layer 3 by the reflective laminated film can be extracted outside without being absorbed by the n-side electrode 100. Luminous efficiency can be improved.

(製造方法)
以下に、図1に示した第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる窒化物系半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板1にサファイア基板を適用する例を説明する。
(Production method)
An example of the method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described below. The nitride semiconductor device manufacturing method described below is merely an example, and it is needless to say that the present invention can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the substrate 1 will be described.

(a)まず、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等でサファイア基板1上にAlNバッファ層6を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層6を、短時間に成長させる。(A) First, an AlN buffer layer 6 is grown on the sapphire substrate 1 by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. For example, at a high temperature of about 900 ° C. to 950 ° C., trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) are supplied to the reaction chamber alternately and pulsed by using H 2 gas as a carrier. A thin AlN buffer layer 6 of about 10 to 50 angstroms is grown in a short time.

(b)次に、AlNバッファ層6上に、MOCVD法などにより、n型半導体層2となるGaN層を成長させる。例えば、AlNバッファ層6を形成した基板1をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層6上に、n型不純物を不純物添加したn型半導体層2を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層2には、例えばn型不純物としてSiを3×1018 cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層2を形成する。(B) Next, a GaN layer to be the n-type semiconductor layer 2 is grown on the AlN buffer layer 6 by MOCVD or the like. For example, after the substrate 1 on which the AlN buffer layer 6 is formed is thermally cleaned, the substrate temperature is set to about 1000 ° C., and the n-type semiconductor layer 2 doped with n-type impurities on the AlN buffer layer 6 is set to 1 Grow about ~ 5 μm. For the n-type semiconductor layer 2, for example, a GaN film doped with Si as an n-type impurity at a concentration of about 3 × 10 18 cm −3 can be employed. When Si is added as an impurity, trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ), and silane (SiH 4 ) are supplied as source gases to form the n-type semiconductor layer 2.

(c)次に、n型半導体層2上にブロック層7として、Siを1×1017 cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜を例えば、約200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層2を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。(C) Next, as the block layer 7 on the n-type semiconductor layer 2, for example, a GaN film doped with Si at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3 , for example, about 8 × 10 16 cm −3 , Grow about 200 nm. At this time, the same source gas as in the case where the n-type semiconductor layer 2 is formed can be applied.

(d)次に、活性層3をn型半導体層2上に形成する。例えば、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層3が形成される。具体的には、活性層3を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層3が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。 (D) Next, the active layer 3 is formed on the n-type semiconductor layer 2. For example, the active layer 3 is formed by alternately laminating barrier layers 31 made of GaN films and well layers 32 made of InGaN films. Specifically, while adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas when forming the active layer 3, the barrier layers 31 and the well layers 32 are grown alternately and continuously, and the barrier layers 31 and the well layers 32 are stacked. Thus formed active layer 3 is formed. That is, the step of laminating the well layer 32 and the barrier layer 31 having a larger band gap than the well layer 32 by adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas is defined as a unit step, and this unit step is repeated n times, for example, about 8 times. Thus, a stacked structure in which the barrier layers 31 and the well layers 32 are alternately stacked is obtained.

例えば、基板温度Taでバリア層31が形成され、基板温度Tb(Ta>Tb)で井戸層32が形成される。即ち、基板温度がTaに設定された時刻t10〜t11において第1バリア層311が形成される。次いで、時刻t11で基板温度がTbに設定され、時刻t11〜時刻t20において第1井戸層321が形成される。その後も同様に、時刻t20〜t21において基板温度Taで第2バリア層312が形成され、時刻t21〜時刻t30において基板温度Tbで第2井戸層322が形成される。そして、時刻tn0〜tn1において基板温度Taで第nバリア層31nが形成され、時刻tn1〜時刻teにおいて基板温度Tbで第n井戸層32nが形成され、バリア層31と井戸層32を交互に積層した積層構造が完成する。   For example, the barrier layer 31 is formed at the substrate temperature Ta, and the well layer 32 is formed at the substrate temperature Tb (Ta> Tb). That is, the first barrier layer 311 is formed at times t10 to t11 when the substrate temperature is set to Ta. Next, the substrate temperature is set to Tb at time t11, and the first well layer 321 is formed at time t11 to time t20. Similarly, the second barrier layer 312 is formed at the substrate temperature Ta from time t20 to t21, and the second well layer 322 is formed at the substrate temperature Tb from time t21 to time t30. Then, the nth barrier layer 31n is formed at the substrate temperature Ta at the time tn0 to tn1, the nth well layer 32n is formed at the substrate temperature Tb at the time tn1 to the time te, and the barrier layers 31 and the well layers 32 are alternately stacked. The laminated structure completed is completed.

バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm(standard cc/min)、NH3ガスを20slm(standard L/min)の流量でそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm、トリメチルインジウム(TMI)ガスを280sccm、NH3ガスを20slmの流量でそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。In the case of forming the barrier layer 31, as source gases, for example, TMG gas is supplied to a film forming processing apparatus at a flow rate of 300 sccm (standard cc / min) and NH 3 gas at a flow rate of 20 slm (standard L / min). On the other hand, when forming the well layer 32, as source gases, for example, TMG gas is supplied to the processing apparatus at a flow rate of 300 sccm, trimethylindium (TMI) gas is 280 sccm, and NH 3 gas is supplied at a flow rate of 20 slm. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.

形成された積層構造上に、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、図1に示した活性層3が形成される。既に説明したように、最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層4から活性層3に拡散するp型ドーパンドが活性層3の井戸層32に到達しない厚さに設定される。   An active layer 3 shown in FIG. 1 is formed by forming a non-doped GaN film of about 10 nm as the final barrier layer 310 on the formed laminated structure. As already described, the film thickness d0 of the final barrier layer 310 is set to a thickness at which the p-type dopant diffused from the p-type semiconductor layer 4 to the active layer 3 does not reach the well layer 32 of the active layer 3.

(e)次いで、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層310上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層4を0.05〜1μm程度形成する。 (E) Next, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 900 ° C., and the p-type semiconductor layer 4 doped with p-type impurities is formed on the final barrier layer 310 to about 0.05 to 1 μm.

p型半導体層4は、例えばp型不純物としてMgを不純物添加した4層構造に形成する。活性層3の上部に配置される第1窒化物系半導体層41は、約2×1020 cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成し、第2窒化物系半導体層42は、約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成し、第3窒化物系半導体層43は、例えば約1×1020 cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成し、第4窒化物系半導体層44は、約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成する。The p-type semiconductor layer 4 is formed, for example, in a four-layer structure in which Mg is added as a p-type impurity. The first nitride-based semiconductor layer 41 disposed on the active layer 3 is formed of a p-type GaN layer having a thickness of approximately 2 × 10 20 cm −3 and a thickness of approximately 50 nm, and the second nitride-based semiconductor layer 42 is formed. Is formed of a p-type GaN layer having a thickness of about 4 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 100 nm. The third nitride semiconductor layer 43 has a thickness of about 1 × 10 20 cm −3 and a thickness of about 40 nm, for example. The fourth nitride semiconductor layer 44 is formed of a p-type GaN layer having a thickness of about 8 × 10 19 cm −3 and a thickness of about 10 nm.

Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp22Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層4(41〜44)を形成する。p型半導体層4(41〜44)の形成時にp型半導体層4(41〜44)から活性層3にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層3の井戸層32に拡散することが防止される。In the case where Mg is added as an impurity, TMG gas, NH 3 gas and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 2Mg) gas are supplied as source gases to form the p-type semiconductor layer 4 (41 to 44). Mg is diffused from the p-type semiconductor layer 4 (41 to 44) to the active layer 3 during the formation of the p-type semiconductor layer 4 (41 to 44), but the Mg is diffused into the well layer 32 of the active layer 3 by the final barrier layer 310. It is prevented from spreading.

ここで、p型半導体層4の形成工程についてさらに詳細に説明する。   Here, the process of forming the p-type semiconductor layer 4 will be described in more detail.

第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の温度分布は、図7(a)に示すように表される。また、水素ガスフローの条件を説明する図は、図7(b)に示すように表される。また、水素ガスフローの別の条件を説明する図は、図7(c)に示すように表される。また、水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図は、図7(d)に示すように表される。また、水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図は、図7(e)に示すように表される。   In the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the temperature distribution when forming the p-type semiconductor layers (41 to 44) having the four-layer structure is expressed as shown in FIG. Moreover, the figure explaining the conditions of hydrogen gas flow is represented as shown in FIG.7 (b). Moreover, the figure explaining another condition of hydrogen gas flow is represented as shown in FIG.7 (c). Moreover, the figure explaining another condition of hydrogen gas flow is represented as shown in FIG.7 (d). Moreover, the figure explaining another condition of a hydrogen gas flow is represented as shown in FIG.7 (e).

本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、4層構造のp型半導体層(41〜44)を形成する際の温度分布は、図8(a)に示すように表される。また、窒素ガスフローの条件を説明する図は、図8(b)に示すように表される。また、アンモニアガスフローの条件を説明する図は、図8(c)に示すように表される。   In the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the temperature distribution when forming the p-type semiconductor layers (41 to 44) having the four-layer structure is expressed as shown in FIG. Is done. Moreover, the figure explaining the conditions of nitrogen gas flow is represented as shown in FIG.8 (b). Moreover, the figure explaining the conditions of ammonia gas flow is represented as shown in FIG.8 (c).

図7(a)および図8(a)に示す温度分布において、時刻t1〜t2の期間T1は、第1窒化物系半導体層41を形成する期間であり、時刻t2〜t3の期間T2は、第2窒化物系半導体層42を形成する期間であり、時刻t3〜t4の期間T3は、第3窒化物系半導体層43を形成する期間であり、時刻t4〜t5の期間T4は、第4窒化物系半導体層44を形成する期間である。時刻t5〜t6の期間T5は、基板温度を850℃から350℃まで冷却する期間である。   In the temperature distribution shown in FIGS. 7A and 8A, a period T1 from time t1 to t2 is a period in which the first nitride-based semiconductor layer 41 is formed, and a period T2 from time t2 to t3 is This is a period for forming the second nitride semiconductor layer 42, a period T3 from time t3 to t4 is a period for forming the third nitride semiconductor layer 43, and a period T4 from time t4 to t5 is the fourth period. This is a period in which the nitride-based semiconductor layer 44 is formed. A period T5 between times t5 and t6 is a period during which the substrate temperature is cooled from 850 ° C. to 350 ° C.

本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法においては、n型半導体層2を形成する工程と、n型半導体層2上に活性層3を形成する工程と、活性層3上に、p型不純物をそれぞれ含む複数のp型GaN層を積層して窒化物系半導体層(41〜44)を約800℃〜900℃程度の低温で形成する工程とを含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、複数のp型GaN層の少なくとも一部を形成する。   In the method for manufacturing a nitride-based semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the step of forming n-type semiconductor layer 2, the step of forming active layer 3 on n-type semiconductor layer 2, and the activity Forming a nitride-based semiconductor layer (41-44) at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. by stacking a plurality of p-type GaN layers each containing a p-type impurity on the layer 3; A source gas is supplied by a carrier gas not containing any of the plurality of p-type GaN layers to form at least a part.

水素を含むキャリアガスによってp型半導体層4を形成する場合、Mgと一緒に取り込まれる水素原子によってMgが活性化されにくくなり、p型半導体層4のp型化が阻害される原因となる。そのため、p型半導体層4を形成後、水素原子を取り除いてp型半導体層4をp型化するためのアニール(以下において「p型化アニール」という。)を実施する必要がある。   When the p-type semiconductor layer 4 is formed with a carrier gas containing hydrogen, the Mg atoms are hardly activated by the hydrogen atoms taken together with the Mg, and the p-type semiconductor layer 4 is prevented from being made p-type. Therefore, after forming the p-type semiconductor layer 4, it is necessary to perform annealing (hereinafter referred to as “p-type annealing”) for removing the hydrogen atoms and making the p-type semiconductor layer 4 p-type.

しかし、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法によれば、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44のうち少なくとも一層を、水素を含まないキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することにより、p型化アニールの工程を省略できる。p型半導体層4のどの部分を水素を含まないキャリアガスによって形成するかは任意に設定可能であり、例えば第1窒化物系半導体層41〜第3窒化物系半導体層43を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第4窒化物系半導体層44のみを水素を含むキャリアガスによって形成してもよい。   However, according to the method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment, at least one of the first nitride semiconductor layer 41 to the fourth nitride semiconductor layer 44 does not contain hydrogen. The step of p-type annealing can be omitted by forming the source gas of Mg by gas. Which part of the p-type semiconductor layer 4 is formed by a carrier gas not containing hydrogen can be arbitrarily set. For example, the first nitride semiconductor layer 41 to the third nitride semiconductor layer 43 do not contain hydrogen. It may be formed by a carrier gas, and only the fourth nitride semiconductor layer 44 may be formed by a carrier gas containing hydrogen.

例えば、図7(b)に示すように、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の内、膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42や、Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41を、水素を含まないキャリアガスによって形成することが、p型化アニールの工程を省略する点で好ましい。例えば、図7(c)は、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の内、第1窒化物系半導体層41〜第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図7(d)は、第1窒化物系半導体層41および第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図7(e)は、第2窒化物系半導体層42および第3窒化物系半導体層43を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。   For example, as shown in FIG. 7B, among the first nitride semiconductor layer 41 to the fourth nitride semiconductor layer 44, the second nitride semiconductor layer 42 having a large film thickness or a high Mg concentration. Forming the first nitride-based semiconductor layer 41 with a carrier gas not containing hydrogen is preferable in that the step of p-type annealing is omitted. For example, FIG. 7C shows that the first nitride-based semiconductor layer 41 to the third nitride-based semiconductor layer 43 among the first nitride-based semiconductor layer 41 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 are replaced with hydrogen. It is an example formed by a carrier gas not included. FIG. 7D shows an example in which the first nitride-based semiconductor layer 41 and the third nitride-based semiconductor layer 43 are formed using a carrier gas that does not contain hydrogen. FIG. 7E shows an example in which the second nitride-based semiconductor layer 42 and the third nitride-based semiconductor layer 43 are formed using a carrier gas that does not contain hydrogen.

一方、図7(b)乃至図7(e)に示すように、p側電極100と接する第4窒化物系半導体層44は、結晶状態をできるだけよくするために、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することが好ましい。これは、一般に、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給する場合の方が、水素を含まないキャリアガスによって形成する場合に比べて、Mgを不純物添加したp型半導体層の結晶状態がよいためである。   On the other hand, as shown in FIGS. 7B to 7E, the fourth nitride semiconductor layer 44 in contact with the p-side electrode 100 is formed of Mg by a carrier gas containing hydrogen in order to improve the crystal state as much as possible. It is preferable to form by supplying the raw material gas. In general, when the source gas of Mg is supplied by a carrier gas containing hydrogen, the crystal state of the p-type semiconductor layer doped with Mg is higher than when the source gas of Mg is formed by a carrier gas not containing hydrogen. Because it is good.

以下に、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法におけるp型膜形成方法について説明する。なお、以下に述べるp型膜形成方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、p型不純物としてMgを採用し、図7(b)に示すように、第1窒化物系半導体層41及び第2窒化物系半導体層42を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第3窒化物系半導体層43及び第4窒化物系半導体層44を水素を含むキャリアガスによって形成する場合を例示的に説明する。   The p-type film forming method in the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the first embodiment will be described below. Note that the p-type film forming method described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other methods including this modification. Here, Mg is employed as the p-type impurity, and as shown in FIG. 7B, the first nitride-based semiconductor layer 41 and the second nitride-based semiconductor layer 42 are formed by a carrier gas not containing hydrogen, A case where the third nitride semiconductor layer 43 and the fourth nitride semiconductor layer 44 are formed using a carrier gas containing hydrogen will be described as an example.

図7乃至図8に示すように、p型半導体層4を形成する基板温度Tpは850℃、圧力は200Torrで共通に設定される。   As shown in FIGS. 7 to 8, the substrate temperature Tp for forming the p-type semiconductor layer 4 is set to 850 ° C. and the pressure is set to 200 Torr.

(工程1)時刻t1〜時刻t2において、キャリアガスとしてN2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスをそれぞれ処理装置に供給して第1窒化物系半導体層41が形成される。時刻t1〜時刻t2間を5分として、膜厚=50nm、Mg濃度=2×1020cm-3の第1窒化物系半導体層41が形成される。In (step 1) Time t1~ time t2 supply, by supplying N 2 gas as a carrier gas, NH 3 gas as a raw material gas, TMG gas, each processor biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas Thus, the first nitride semiconductor layer 41 is formed. The first nitride-based semiconductor layer 41 having a film thickness = 50 nm and an Mg concentration = 2 × 10 20 cm −3 is formed with a time interval between time t1 and time t2.

(工程2)時刻t2〜時刻t3において、キャリアガスとしてN2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第2窒化物系半導体層42が形成される。時刻t2〜時刻t3間を21分として、膜厚=100nm、Mg濃度=4×1019cm-3の第2窒化物系半導体層42が形成される。(Step 2) From time t2 to time t3, N 2 gas is supplied as a carrier gas, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases to the processing apparatus, respectively, and the second nitride semiconductor Layer 42 is formed. The second nitride-based semiconductor layer 42 having a film thickness = 100 nm and an Mg concentration = 4 × 10 19 cm −3 is formed with a time interval between time t2 and time t3 being 21 minutes.

(工程3)時刻t3〜時刻t4において、キャリアガスとしてH2ガス、N2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第3窒化物系半導体層43が形成される。時刻t3〜時刻t4間を1分として、膜厚=40nm、Mg濃度=1×1020cm-3の第3窒化物系半導体層43が形成される。(Step 3) From time t3 to time t4, H 2 gas and N 2 gas are supplied as carrier gases, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases to the processing apparatus, respectively. A nitride-based semiconductor layer 43 is formed. The third nitride-based semiconductor layer 43 having a film thickness = 40 nm and an Mg concentration = 1 × 10 20 cm −3 is formed with a time period from time t3 to time t4 being 1 minute.

(工程4)時刻t4〜時刻t5において、キャリアガスとしてH2ガス、N2ガスを供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第4窒化物系半導体層44が形成される。時刻t4〜時刻t5間を3分として、膜厚=10nm、Mg濃度=8×1019cm-3の第4窒化物系半導体層44が形成される。(Step 4) From time t4 to time t5, H 2 gas and N 2 gas are supplied as carrier gases, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases to the processing apparatus, respectively. A nitride-based semiconductor layer 44 is formed. The fourth nitride semiconductor layer 44 having a film thickness = 10 nm and an Mg concentration = 8 × 10 19 cm −3 is formed with a time interval between time t4 and time t5 being 3 minutes.

(工程5)時刻t5〜時刻t6において、キャリアガスとしてN2ガスを供給しながら、基板温度を温度Tp(850℃)から温度Td(350℃)以下まで温度を下げる。つまり、400℃以上で行うp型化アニールは実施されない。(Step 5) At time t5 to time t6, the substrate temperature is lowered from the temperature Tp (850 ° C.) to the temperature Td (350 ° C.) or lower while supplying N 2 gas as the carrier gas. That is, p-type annealing performed at 400 ° C. or higher is not performed.

上記の工程1〜工程5によって、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44を含むp型半導体層4が形成される。Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41、及び膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42をH2ガスを含まないキャリアガスによって形成するため、p型化アニールを実施しなくても、p型半導体としてp型半導体層4が得られる。また、H2ガスを含むキャリアガスを供給して形成することにより第4窒化物系半導体層44の結晶状態がよくなる。つまり、p型半導体層4のp側電極100と接する表面の結晶状態がよく、p型半導体層4のp側電極100とのコンタクトが良好になる。The p-type semiconductor layer 4 including the first nitride-based semiconductor layer 41 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 is formed by the steps 1 to 5 described above. Since the first nitride-based semiconductor layer 41 with a high Mg concentration and the second nitride-based semiconductor layer 42 with a large film thickness are formed by a carrier gas not containing H 2 gas, p-type annealing is not performed. A p-type semiconductor layer 4 is obtained as a p-type semiconductor. In addition, the fourth nitride semiconductor layer 44 is improved in crystal state by being formed by supplying a carrier gas containing H 2 gas. That is, the crystal state of the surface in contact with the p-side electrode 100 of the p-type semiconductor layer 4 is good, and the contact with the p-side electrode 100 of the p-type semiconductor layer 4 is good.

上記のようなp型半導体層4の形成工程によれば、H2ガスを含まないキャリアガスを供給してp型半導体層4を形成することにより、p型半導体層4にp型不純物と一緒にH2が取り込まれることがない。そのため、p型半導体層4からH2を取り除くためのp型化アニールが不要になり、窒化物系半導体装置の製造工程を短縮することができる。According to the formation process of the p-type semiconductor layer 4 as described above, the carrier gas containing no H 2 gas is supplied to form the p-type semiconductor layer 4, thereby bringing the p-type semiconductor layer 4 together with the p-type impurities. H 2 is not taken into Therefore, p-type annealing for removing H 2 from the p-type semiconductor layer 4 becomes unnecessary, and the manufacturing process of the nitride-based semiconductor device can be shortened.

(f)次に、p型半導体層4の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって酸化物電極5を形成する。酸化物電極5としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。(F) Next, the oxide electrode 5 is formed on the p-type semiconductor layer 4 by vapor deposition, sputtering technique or the like. As the oxide electrode 5, for example, any one of ZnO, ITO, or ZnO containing indium can be used. Further, an n-type impurity such as Ga or Al may be added at a high concentration up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 .

(g)次に、酸化物電極5をパターニング後、酸化物電極5を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜8を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。反射積層膜8に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いる。各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。(G) Next, after patterning the oxide electrode 5, a reflective laminated film 8 that reflects the wavelength λ of the emitted light is formed so as to cover the oxide electrode 5 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. As the material used for the reflective laminated film 8, for example, a laminated structure made of ZrO 2 (n = 2.12) and SiO 2 (n = 1.46) is used for blue light with λ = 450 nm. The thickness of each layer is, for example, about 53 nm for ZrO 2 and about 77 nm for SiO 2 .

(h)次いで、反射積層膜8およびp型半導体層4〜n型半導体層2の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型半導体層2の表面を露出させる。 (H) Next, the reflective laminated film 8 and the middle of the p-type semiconductor layer 4 to the n-type semiconductor layer 2 are removed by mesa etching using an etching technique such as reactive ion etching (RIE). Then, the surface of the n-type semiconductor layer 2 is exposed.

(i)次に、露出したn型半導体層2の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層4上の酸化物電極5に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図3に示した窒化物系半導体装置が完成する。 (I) Next, n-side electrodes 200 and 300 are formed on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 2 by vapor deposition, sputtering technique, or the like. Also on the oxide electrode 5 on the p-type semiconductor layer 4, the p-side electrode 100 is formed by vapor deposition, sputtering technique or the like after pattern formation, and the nitride semiconductor device shown in FIG. 3 is completed.

(変形例)
第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置の模式的断面構造は、図2(a)に示すように表され、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図2(b)に示すように表される。
(Modification)
A schematic cross-sectional structure of a nitride-based semiconductor device according to a modification of the first embodiment is represented as shown in FIG. 2A, and an enlarged schematic cross-sectional structure of the active layer portion is shown in FIG. It is expressed as shown in (b).

第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置は、図2に示すように、基板1と、基板1上に配置されたバッファ層6と、バッファ層6上に配置され、n型不純物が不純物添加されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置され、n型半導体層2より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層7と、ブロック層7上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4と、p型半導体層4上に配置された酸化物電極5とを備える。   As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor device according to the modification of the first embodiment is disposed on the substrate 1, the buffer layer 6 disposed on the substrate 1, the buffer layer 6, and n An n-type semiconductor layer 2 doped with a type impurity, a block layer 7 disposed on the n-type semiconductor layer 2 and doped with an n-type impurity at a lower concentration than the n-type semiconductor layer 2, and on the block layer 7 An active layer 3 disposed on the active layer 3, a p-type semiconductor layer 4 disposed on the active layer 3, and an oxide electrode 5 disposed on the p-type semiconductor layer 4.

第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置は、活性層3の上部に配置されたp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と、第4窒化物系半導体層上に配置され、酸化物電極5からなる透明電極とを備える。   The nitride-based semiconductor device according to the modification of the first embodiment includes a third nitride-based semiconductor layer 43 that includes a p-type impurity disposed on the active layer 3, and a third nitride-based semiconductor layer. A fourth nitride-based semiconductor layer containing a p-type impurity at a concentration lower than that of the third nitride-based semiconductor layer, and a fourth nitride-based semiconductor layer, and the oxide electrode 5 And a transparent electrode.

また、透明電極は、GaもしくはAlが1×1019〜5×1021cm-3程度まで不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。In addition, the transparent electrode includes any one of ZnO doped with impurities up to about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al, ITO, or ZnO containing indium.

第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置は、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の構造上、p型半導体層4が、活性層3の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層からなる2層構造に形成されている。   In the nitride semiconductor device according to the modification of the first embodiment, the p-type semiconductor layer 4 is directly disposed on the active layer 3 due to the structure of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. A third nitride-based semiconductor layer, and a fourth nitride-based semiconductor disposed on the third nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer It is formed in a two-layer structure consisting of layers.

活性層3の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。The third nitride-based semiconductor layer 43 disposed directly on the active layer 3 is formed of, for example, a p-type GaN layer of about 1 × 10 20 cm −3 and about 40 nm thick doped with Mg. .

第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。The fourth nitride semiconductor layer 44 disposed on the third nitride semiconductor layer 43 and containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer 43 is doped with, for example, Mg. The p-type GaN layer is about 8 × 10 19 cm −3 and about 10 nm thick.

第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層3の上に形成されるp型半導体層4は、上記のように、Mg濃度の異なる2層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層3への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。   In the nitride semiconductor device according to the second embodiment, the p-type semiconductor layer 4 formed on the active layer 3 made of a multiple quantum well containing indium is composed of two layers having different Mg concentrations as described above. It consists of a p-type GaN layer with a structure and is doped at the above concentration. The p-type GaN layer is grown at a low temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. in order to reduce thermal damage to the active layer 3.

活性層3に一番近い第3窒化物系半導体層43は、活性層3への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。   Since the third nitride semiconductor layer 43 closest to the active layer 3 is a layer that determines the amount of holes injected into the active layer 3, the higher the Mg concentration, the higher the emission intensity. For this reason, the higher the Mg concentration, the better.

第4窒化物系半導体層44は、酸化物電極5とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極5として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、窒化物系半導体装置の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。   The fourth nitride-based semiconductor layer 44 is a p-type GaN layer for making ohmic contact with the oxide electrode 5 and is substantially depleted. For example, when a ZnO electrode doped with about 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3 of Ga or Al is used as the oxide electrode 5, the Mg concentration when the forward voltage Vf of the nitride semiconductor device is lowered most Thus, Mg is added to the fourth nitride semiconductor layer 44 as an impurity.

p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。或いはまた、活性層3に近い第3窒化物系半導体層43は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層3をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。When four p-type GaN layers are grown, the third nitride semiconductor layer 43 and the fourth nitride semiconductor layer 44 close to the p-side electrode 100 need to increase the hole concentration in the film. Increase the amount of H 2 gas in the carrier gas. Alternatively, the third nitride-based semiconductor layer 43 close to the active layer 3 does not need to increase the amount of H 2 gas in the carrier gas, and is crystallized as an extension of the active layer 3 grown with N 2 carrier gas. It may be grown.

第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置においてもAlNバッファ層6、n型半導体層2、ブロック層7、活性層3、p型半導体層4、最終バリア層310、反射積層膜8および電極構造は第1の実施の形態に係る窒化物系半導体装置と同様であるため、説明は省略する。   Also in the nitride-based semiconductor device according to the modification of the first embodiment, the AlN buffer layer 6, the n-type semiconductor layer 2, the block layer 7, the active layer 3, the p-type semiconductor layer 4, the final barrier layer 310, and the reflective stacked layer Since the film 8 and the electrode structure are the same as those of the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment, description thereof is omitted.

第1の実施の形態およびその変形例に係る窒化物系半導体装置によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Vfを低下させ、発光効率を向上させることができる。   According to the nitride-based semiconductor device according to the first embodiment and the modification thereof, the p-type semiconductor layer is formed at a low temperature to reduce thermal damage to the active layer, and to reduce the forward voltage Vf. Luminous efficiency can be improved.

[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法は、n型半導体層を形成する工程と、n型半導体層上に活性層を形成する工程と、活性層上に、p型ドーパンドをそれぞれ含む複数の窒化物系半導体層を積層してp型半導体層を形成する工程とを含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、複数の窒化物系半導体層の少なくとも一部を形成する。
[Second Embodiment]
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a step of forming an n-type semiconductor layer, a step of forming an active layer on the n-type semiconductor layer, forming a p-type semiconductor layer by laminating a plurality of nitride-based semiconductor layers each containing a p-type dopant, and supplying a source gas with a carrier gas not containing hydrogen, thereby providing a plurality of nitride-based semiconductor layers At least a part of.

上記の製造方法により製造される窒化物系半導体装置の例を、図9に示す。図9に示す窒化物系半導体装置は、基板1と、基板1上に配置されたn型半導体層2と、n型半導体層2上に配置された活性層3と、活性層3上に配置されたp型半導体層4とを備える窒化物系半導体装置である。図9に示すように、p型半導体層4は第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44を有する。p型半導体層4の構造の詳細については後述する。   An example of a nitride-based semiconductor device manufactured by the above manufacturing method is shown in FIG. The nitride semiconductor device shown in FIG. 9 includes a substrate 1, an n-type semiconductor layer 2 disposed on the substrate 1, an active layer 3 disposed on the n-type semiconductor layer 2, and an active layer 3. A nitride semiconductor device including the p-type semiconductor layer 4 formed. As shown in FIG. 9, the p-type semiconductor layer 4 includes a first nitride-based semiconductor layer 41 to a fourth nitride-based semiconductor layer 44. Details of the structure of the p-type semiconductor layer 4 will be described later.

図9に示す窒化物系半導体装置は、n型半導体層2に電圧を印加するn側電極200、及びp型半導体層4に電圧を印加するp側電極100とを更に備える。n側電極200は、p型半導体層4、活性層3及びn型半導体層2の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層2の表面に配置される。p側電極100は、p型半導体層4上に配置される。n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜からなり、p側電極100は、例えばチタン(Ti)膜やニッケル(Ni)膜、又はインジウムスズ酸化物(ITO)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜等の透明電極、或いはパラジウム(Pd)−金(Au)合金膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層2に、p側電極100はp型半導体層4に、それぞれオーミック接続される。   The nitride-based semiconductor device shown in FIG. 9 further includes an n-side electrode 200 that applies a voltage to the n-type semiconductor layer 2 and a p-side electrode 100 that applies a voltage to the p-type semiconductor layer 4. The n-side electrode 200 is disposed on the surface of the n-type semiconductor layer 2 in which partial regions of the p-type semiconductor layer 4, the active layer 3, and the n-type semiconductor layer 2 are exposed by mesa etching. The p-side electrode 100 is disposed on the p-type semiconductor layer 4. The n-side electrode 200 is made of, for example, an aluminum (Al) film, and the p-side electrode 100 is made of, for example, a titanium (Ti) film, a nickel (Ni) film, an indium tin oxide (ITO) film, or a zinc oxide (ZnO) film. Or the like, or a palladium (Pd) -gold (Au) alloy film. The n-side electrode 200 is ohmically connected to the n-type semiconductor layer 2, and the p-side electrode 100 is ohmically connected to the p-type semiconductor layer 4.

図9に示した窒化物系半導体装置では、n型半導体層2が電子を活性層3に供給し、p型半導体層4が正孔を活性層3に供給する。供給された電子及び正孔が活性層3で再結合することにより、光が発生する。   In the nitride semiconductor device shown in FIG. 9, the n-type semiconductor layer 2 supplies electrons to the active layer 3, and the p-type semiconductor layer 4 supplies holes to the active layer 3. Light is generated by the recombination of the supplied electrons and holes in the active layer 3.

基板1には、例えばサファイア基板等が採用可能である。n型半導体層2は、n型ドーパントであるシリコン(Si)等をドープした膜厚0.2〜5μm程度のIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。   As the substrate 1, for example, a sapphire substrate or the like can be employed. As the n-type semiconductor layer 2, a group III nitride semiconductor having a thickness of about 0.2 to 5 μm doped with silicon (Si) as an n-type dopant, for example, a GaN layer or the like can be used.

活性層3は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を有する。また、活性層3は、井戸層をバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位構造とし、この単位構造をn回積層した多重量子井戸(MQW)構造としてもよい(n:自然数)。MQW構造にした場合、活性層3は、例えば図10に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する。具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、図示を省略する第2井戸層は第2バリア層312と第3バリア層(不図示)の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層3の第1バリア層311は、n型半導体層2上に配置され、活性層3の最終バリア層310上にp型半導体層4の第1窒化物系半導体層41が配置される。   The active layer 3 has a quantum well structure in which the well layer 32 is sandwiched between barrier layers 31 having a larger band gap than the well layer 32. The active layer 3 may have a quantum well structure in which a well layer is sandwiched between barrier layers as a unit structure, and may have a multiple quantum well (MQW) structure in which this unit structure is stacked n times (n: natural number). In the case of the MQW structure, the active layer 3 includes, for example, a first well layer 321 to an nth well layer sandwiched between a first barrier layer 311 to an nth barrier layer 31n and a final barrier layer 310, as shown in FIG. 32n. Specifically, the first well layer 321 is disposed between the first barrier layer 311 and the second barrier layer 312, and the second well layer (not shown) is the second barrier layer 312 and the third barrier layer (not shown). ). The nth well layer 32n is disposed between the nth barrier layer 31n and the final barrier layer 310. The first barrier layer 311 of the active layer 3 is disposed on the n-type semiconductor layer 2, and the first nitride-based semiconductor layer 41 of the p-type semiconductor layer 4 is disposed on the final barrier layer 310 of the active layer 3.

バリア層31は、例えばGaN膜からなり、井戸層32は、例えば窒化インジウムガリウム(InGaN)膜からなる。なお、井戸層32のガリウム(Ga)に対するインジウム(In)の比率は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。また、バリア層31として、井戸層32よりもInの組成が小さいInGaN膜を採用してもよい。   The barrier layer 31 is made of, for example, a GaN film, and the well layer 32 is made of, for example, an indium gallium nitride (InGaN) film. Note that the ratio of indium (In) to gallium (Ga) in the well layer 32 is appropriately set according to the wavelength of light to be generated. As the barrier layer 31, an InGaN film having a smaller In composition than the well layer 32 may be employed.

p型半導体層4は、p型ドーパントをドープしたIII族窒化物半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型ドーパントとしては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。以下では、p型ドーパントとしてMgをドープする場合について例示的に説明する。   The p-type semiconductor layer 4 may be a group III nitride semiconductor doped with a p-type dopant, such as a GaN layer. As the p-type dopant, magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), calcium (Ca), beryllium (Be), carbon (C), or the like can be used. Hereinafter, a case where Mg is doped as a p-type dopant will be described as an example.

図9に示したp型半導体層4は、第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42、第3窒化物系半導体層43及び第4窒化物系半導体層44がこの順に積層された構造を有する。p型ドーパントとしてMgをドープした場合の、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の膜厚及びMg濃度の例を以下に示す:
(1)第1窒化物系半導体層41:膜厚=50nm、Mg濃度=2×1020 cm-3
(2)第2窒化物系半導体層42:膜厚=100nm、Mg濃度=4×1019 cm-3
(3)第3窒化物系半導体層43:膜厚=40nm、Mg濃度=1×1020 cm-3
(4)第4窒化物系半導体層44:膜厚=10nm、Mg濃度=8×1019 cm-3
既に述べたように、水素を含むキャリアガスによってp型半導体層4を形成する場合、Mgと一緒に取り込まれる水素原子によってMgが活性化されにくくなり、p型半導体層のp型化が阻害される原因となる。そのため、p型半導体層4を形成後、水素原子を取り除いてp型半導体層4をp型化するためのp型化アニールを実施する必要がある。
The p-type semiconductor layer 4 shown in FIG. 9 includes a first nitride-based semiconductor layer 41, a second nitride-based semiconductor layer 42, a third nitride-based semiconductor layer 43, and a fourth nitride-based semiconductor layer 44 in this order. It has a laminated structure. Examples of the film thickness and Mg concentration of the first nitride semiconductor layer 41 to the fourth nitride semiconductor layer 44 when Mg is doped as a p-type dopant are shown below:
(1) First nitride semiconductor layer 41: film thickness = 50 nm, Mg concentration = 2 × 10 20 cm −3
(2) Second nitride semiconductor layer 42: film thickness = 100 nm, Mg concentration = 4 × 10 19 cm −3
(3) Third nitride semiconductor layer 43: film thickness = 40 nm, Mg concentration = 1 × 10 20 cm −3
(4) Fourth nitride semiconductor layer 44: film thickness = 10 nm, Mg concentration = 8 × 10 19 cm −3
As already described, when the p-type semiconductor layer 4 is formed by a carrier gas containing hydrogen, the hydrogen atoms taken together with Mg are difficult to activate, and the p-type semiconductor layer is prevented from becoming p-type. Cause. Therefore, after forming the p-type semiconductor layer 4, it is necessary to perform p-type annealing for removing the hydrogen atoms and making the p-type semiconductor layer 4 p-type.

しかし、第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法によれば、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44のうち少なくとも一層を、水素を含まないキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することにより、p型化アニールの工程を省略できる。例えば、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44のうち膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42や、Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41を、水素を含まないキャリアガスによって形成することが、p型化アニールの工程を省略する点で好ましい。   However, according to the method of manufacturing the nitride semiconductor device according to the second embodiment, at least one of the first nitride semiconductor layer 41 to the fourth nitride semiconductor layer 44 does not contain hydrogen. The step of p-type annealing can be omitted by forming the source gas of Mg by gas. For example, the second nitride-based semiconductor layer 42 having a large thickness among the first nitride-based semiconductor layer 41 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 or the first nitride-based semiconductor layer 41 having a high Mg concentration may be replaced with hydrogen. It is preferable to use a carrier gas that does not contain any p-type annealing step.

一方、p側電極100と接する第4窒化物系半導体層44は、結晶状態をできるだけよくするために、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給して形成することが好ましい。これは、一般に、水素を含むキャリアガスによってMgの原料ガスを供給する場合の方が、水素を含まないキャリアガスによって形成する場合に比べて、Mgをドープした窒化物系半導体層の結晶状態がよいためである。   On the other hand, the fourth nitride semiconductor layer 44 in contact with the p-side electrode 100 is preferably formed by supplying an Mg source gas with a carrier gas containing hydrogen in order to improve the crystal state as much as possible. This is because, in general, when the Mg source gas is supplied by a carrier gas containing hydrogen, the crystal state of the nitride-based semiconductor layer doped with Mg is larger than when the carrier gas does not contain hydrogen. Because it is good.

以下に、第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の製造方法を、図9に示した窒化物系半導体装置を製造する場合を例にして説明する。なお、以下に述べる窒化物系半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、p型ドーパントとしてMgを採用し、第1窒化物系半導体層41及び第2窒化物系半導体層42を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第3窒化物系半導体層43及び第4窒化物系半導体層44を水素を含むキャリアガスによって形成する場合を例示的に説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a nitride-based semiconductor device according to the second embodiment will be described using the case of manufacturing the nitride-based semiconductor device shown in FIG. 9 as an example. The nitride semiconductor device manufacturing method described below is merely an example, and it is needless to say that the present invention can be realized by various other manufacturing methods including this modification. Here, Mg is adopted as the p-type dopant, the first nitride semiconductor layer 41 and the second nitride semiconductor layer 42 are formed by a carrier gas not containing hydrogen, and the third nitride semiconductor layer 43 and the second nitride semiconductor layer 43 are formed. An example in which the 4-nitride semiconductor layer 44 is formed using a carrier gas containing hydrogen will be described.

製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等でサファイア基板等の基板1上にGaNを成長させる。例えば、基板1をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、基板1上にn型半導体層2として、例えばSiを3×1018 cm-3程度の濃度でドープしたGaN膜を1〜5μm程度成長させる。このとき、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層2を形成する。As a manufacturing method, GaN is grown on a substrate 1 such as a sapphire substrate by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. For example, after the substrate 1 is thermally cleaned, the substrate temperature is set to about 1000 ° C., and the n-type semiconductor layer 2 on the substrate 1 is doped with, for example, Si at a concentration of about 3 × 10 18 cm −3. The film is grown about 1 to 5 μm. At this time, trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ) and silane (SH 4 ) are supplied as source gases to form the n-type semiconductor layer 2.

次に、例えばGaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、n型半導体層2上に活性層3を形成する。具体的には、活性層3を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32よりバンドギャップが大きい井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層3が形成される。活性層3がMQW構造の場合は、基板温度及び原料ガスの流量を調節してバリア層31及び井戸層32を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層されたMQW構造を得る。   Next, for example, barrier layers 31 made of a GaN film and well layers 32 made of an InGaN film are alternately stacked to form an active layer 3 on the n-type semiconductor layer 2. Specifically, while adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas when forming the active layer 3, the barrier layers 31 and the well layers 32 having a larger band gap than the well layers 32 are grown alternately and continuously. The active layer 3 formed by laminating the layer 31 and the well layer 32 is formed. When the active layer 3 has an MQW structure, the step of laminating the barrier layer 31 and the well layer 32 by adjusting the substrate temperature and the flow rate of the source gas is a unit step, and this unit step is repeated n times, for example, about 8 times. Thus, an MQW structure in which the barrier layers 31 and the well layers 32 are alternately stacked is obtained.

図11に、バリア層31と井戸層32を積層する例を示す。図11に示す基板温度Taでバリア層31が形成され、基板温度Tbで井戸層32が形成される。即ち、基板温度がTaに設定された時刻t10〜t11において第1バリア層311が形成される。次いで、時刻t11〜t12において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられる。そして時刻t12〜時刻t13において、基板温度Tbで第1井戸層321が形成される。その後、時刻t13〜t20において基板温度Taになるまで基板温度が上げられ、時刻t20〜t21において第2バリア層312が形成される。その後も同様にして、バリア層31と井戸層32がそれぞれ基板温度Taと基板温度Tbで交互に形成される。そして、時刻tn0〜tn1において第nバリア層31nが形成され、時刻tn1〜tn2において基板温度Tbになるまで基板温度が下げられ、時刻tn2〜時刻tn3において第n井戸層32nが形成される。そして、時刻tn3〜te0において基板温度Taになるまで基板温度が上げられ、時刻te0〜te1において最終バリア層310が形成されて活性層3が完成する。なお、基板温度の昇温時や降温時では、バリア層31或いは井戸層32を成長させることも、成長を中断することもできる。   FIG. 11 shows an example in which the barrier layer 31 and the well layer 32 are stacked. The barrier layer 31 is formed at the substrate temperature Ta shown in FIG. 11, and the well layer 32 is formed at the substrate temperature Tb. That is, the first barrier layer 311 is formed at times t10 to t11 when the substrate temperature is set to Ta. Next, the substrate temperature is lowered until the substrate temperature Tb is reached at times t11 to t12. From time t12 to time t13, the first well layer 321 is formed at the substrate temperature Tb. Thereafter, the substrate temperature is increased until the substrate temperature Ta is reached at times t13 to t20, and the second barrier layer 312 is formed at times t20 to t21. Similarly, the barrier layers 31 and the well layers 32 are alternately formed at the substrate temperature Ta and the substrate temperature Tb, respectively. Then, the nth barrier layer 31n is formed at time tn0 to tn1, the substrate temperature is lowered until the substrate temperature Tb is reached at time tn1 to tn2, and the nth well layer 32n is formed at time tn2 to time tn3. Then, the substrate temperature is raised until the substrate temperature Ta is reached at times tn3 to te0, and the final barrier layer 310 is formed at times te0 to te1 to complete the active layer 3. When the substrate temperature is raised or lowered, the barrier layer 31 or the well layer 32 can be grown or the growth can be interrupted.

バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm(standard cc/min)、NH3ガスを20slm(standard L/min)の流量でそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガスを300sccm、トリメチルインジウム(TMI)ガスを280sccm、NH3ガスを20slmの流量でそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。In the case of forming the barrier layer 31, as source gases, for example, TMG gas is supplied to a film forming processing apparatus at a flow rate of 300 sccm (standard cc / min) and NH 3 gas at a flow rate of 20 slm (standard L / min). On the other hand, when forming the well layer 32, as source gases, for example, TMG gas is supplied to the processing apparatus at a flow rate of 300 sccm, trimethylindium (TMI) gas is 280 sccm, and NH 3 gas is supplied at a flow rate of 20 slm. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.

次いで、活性層3上に、p型ドーパントとしてMgをドープしたp型半導体層4を形成する。図12(a)及び図12(b)に、p型半導体層4として第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44を積層する条件の例を示す。図12(a)はp型半導体層4形成時の温度プロファイルを示し、図12(b)は第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44の成長条件を示す。図12(a)及び図12(b)に示すように、p型半導体層4を形成する基板温度Tpは800〜900℃、圧力は100〜300Torrで共通に設定される。また、図12(a)及び図12(b)は、水素を含まないキャリアガスによって第1窒化物系半導体層41と第2窒化物系半導体層42を形成し、水素を含むキャリアガスによって第3窒化物系半導体層43と第4窒化物系半導体層44を形成する場合を例示している。   Next, a p-type semiconductor layer 4 doped with Mg as a p-type dopant is formed on the active layer 3. FIG. 12A and FIG. 12B show examples of conditions for stacking the first nitride semiconductor layer 41 to the fourth nitride semiconductor layer 44 as the p-type semiconductor layer 4. 12A shows a temperature profile when the p-type semiconductor layer 4 is formed, and FIG. 12B shows the growth conditions of the first nitride-based semiconductor layer 41 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44. As shown in FIGS. 12A and 12B, the substrate temperature Tp for forming the p-type semiconductor layer 4 is commonly set to 800 to 900 ° C. and the pressure is set to 100 to 300 Torr. 12A and 12B, the first nitride-based semiconductor layer 41 and the second nitride-based semiconductor layer 42 are formed by a carrier gas not containing hydrogen, and the first nitride-based semiconductor layer 42 is formed by a carrier gas containing hydrogen. The case where the 3 nitride system semiconductor layer 43 and the 4th nitride system semiconductor layer 44 are formed is illustrated.

(工程1)時刻t0〜時刻t1において、キャリアガスとしてN2ガスを2〜10slmの流量で供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスをそれぞれ処理装置に供給して第1窒化物系半導体層41が形成される。時刻t0〜時刻t1間を5分として、膜厚=50nm、Mg濃度=2×1020 cm-3の第1窒化物系半導体層41が形成される。(Step 1) From time t0 to time t1, N 2 gas is supplied as a carrier gas at a flow rate of 2 to 10 slm, and NH 3 gas, TMG gas, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas are used as source gases. Are respectively supplied to the processing apparatus, and the first nitride-based semiconductor layer 41 is formed. The first nitride-based semiconductor layer 41 having a film thickness = 50 nm and an Mg concentration = 2 × 10 20 cm −3 is formed with a time interval from time t0 to time t1 being 5 minutes.

(工程2)時刻t1〜時刻t2において、キャリアガスとしてN2ガスを2〜10slmの流量で供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第2窒化物系半導体層42が形成される。時刻t1〜時刻t2間を21分として、膜厚=100nm、Mg濃度=4×1019 cm-3の第2窒化物系半導体層42が形成される。(Step 2) From time t1 to time t2, N 2 gas is supplied as a carrier gas at a flow rate of 2 to 10 slm, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied to the processing apparatus as source gases, respectively. A second nitride-based semiconductor layer 42 is formed. The second nitride-based semiconductor layer 42 with a film thickness = 100 nm and an Mg concentration = 4 × 10 19 cm −3 is formed with the time t1 to time t2 being 21 minutes.

(工程3)時刻t2〜時刻t3において、キャリアガスとしてH2ガスを10〜20slm、N2ガスを2〜10slmの流量で供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第3窒化物系半導体層43が形成される。時刻t2〜時刻t3間を1分として、膜厚=40nm、Mg濃度=1×1020 cm-3の第3窒化物系半導体層43が形成される。(Step 3) From time t2 to time t3, H 2 gas is supplied as a carrier gas at a flow rate of 10 to 20 slm and N 2 gas is supplied at a flow rate of 2 to 10 slm, and NH 3 gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied as source gases. Are supplied to the processing apparatus, and the third nitride-based semiconductor layer 43 is formed. The third nitride semiconductor layer 43 having a film thickness = 40 nm and an Mg concentration = 1 × 10 20 cm −3 is formed with the time period from time t2 to time t3 being 1 minute.

(工程4)時刻t3〜時刻t4において、キャリアガスとしてH2ガスを10〜20slm、N2ガスを2〜10slmの流量で供給して、原料ガスとしてNH3ガス、TMGガス、Cp2Mgガスをそれぞれ処理装置に供給して第4窒化物系半導体層(p型層)44が形成される。時刻t3〜時刻t4間を3分として、膜厚=10nm、Mg濃度=8×1019 cm-3の第4窒化物系半導体層44が形成される。In (Step 4) Time t3~ time t4, 10~20Slm of H2 gas as a carrier gas, by supplying N2 gas at a flow rate of 2~10slm, NH 3 gas as a raw material gas, TMG gas, Cp 2 Mg gas, respectively The fourth nitride-based semiconductor layer (p-type layer) 44 is formed by supplying the processing apparatus. The fourth nitride semiconductor layer 44 with a film thickness = 10 nm and an Mg concentration = 8 × 10 19 cm −3 is formed with the time period from time t3 to time t4 being 3 minutes.

(工程5)時刻t4〜時刻t5において、キャリアガスとしてN2ガスを20slmの流量で供給しながら、基板温度を温度Tp(850℃)から温度Td(350℃)以下、例えば室温まで温度を下げる。つまり、400℃以上で行うp型化アニールは実施されない。(Step 5) From time t4 to time t5, the substrate temperature is lowered from the temperature Tp (850 ° C.) to the temperature Td (350 ° C.) or lower, for example, room temperature while supplying N 2 gas as a carrier gas at a flow rate of 20 slm. . That is, p-type annealing performed at 400 ° C. or higher is not performed.

上記の工程1〜工程5によって、第1窒化物系半導体層41〜第4窒化物系半導体層44を含むp型半導体層4が形成される。Mg濃度の高い第1窒化物系半導体層41、及び膜厚の厚い第2窒化物系半導体層42をH2を含まないキャリアガスによって形成するため、p型化アニールを実施しなくても、p型半導体としてp型半導体層4が得られる。また、H2を含むキャリアガスを供給して形成することにより第4窒化物系半導体層44の結晶状態がよくなる。つまり、p型半導体層4のp側電極100と接する表面の結晶状態がよく、p型半導体層4のp側電極100とのコンタクトが良好になる。The p-type semiconductor layer 4 including the first nitride-based semiconductor layer 41 to the fourth nitride-based semiconductor layer 44 is formed by the steps 1 to 5 described above. Since the first nitride-based semiconductor layer 41 having a high Mg concentration and the second nitride-based semiconductor layer 42 having a large film thickness are formed using a carrier gas that does not contain H 2 , the p-type annealing is not performed. A p-type semiconductor layer 4 is obtained as a p-type semiconductor. In addition, the fourth nitride semiconductor layer 44 is improved in crystal state by being formed by supplying a carrier gas containing H 2 . That is, the crystal state of the surface in contact with the p-side electrode 100 of the p-type semiconductor layer 4 is good, and the contact with the p-side electrode 100 of the p-type semiconductor layer 4 is good.

次に、p型半導体層4〜n型半導体層2の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、n型半導体層2の表面を露出させる。その後、露出したn型半導体層2の表面にn側電極200を蒸着により形成し、p型半導体層4上にp側電極100を蒸着により形成して、図9に示した窒化物系半導体装置が完成する。   Next, part of the p-type semiconductor layer 4 to the n-type semiconductor layer 2 is removed by mesa etching by reactive ion etching or the like, and the surface of the n-type semiconductor layer 2 is exposed. After that, the n-side electrode 200 is formed by vapor deposition on the exposed surface of the n-type semiconductor layer 2, and the p-side electrode 100 is formed by vapor deposition on the p-type semiconductor layer 4, so that the nitride-based semiconductor device shown in FIG. Is completed.

図13に、p側電極100とn側電極200との間に電圧Vfを印加した場合に、p側電極100からn側電極200に流れる電流Ifを示す。図13において特性Aは、前述の工程1〜工程5によりp型半導体層4を形成し、かつp型化アニールを行わない場合のIf−Vf特性、特性Bは、H2を含むキャリアガスを供給してp型半導体層4を形成し、p型化アニールを実施した場合のIf−Vf特性をそれぞれ示す。図13から、p型化アニールを行わない場合でも、p型化アニールを行った場合と同等以下の順方向電圧が得られることがわかる。FIG. 13 shows a current If that flows from the p-side electrode 100 to the n-side electrode 200 when the voltage Vf is applied between the p-side electrode 100 and the n-side electrode 200. In FIG. 13, a characteristic A is an If-Vf characteristic when the p-type semiconductor layer 4 is formed by the above-described steps 1 to 5 and p-type annealing is not performed, and a characteristic B is a carrier gas containing H 2. If-Vf characteristics are shown when p-type semiconductor layer 4 is formed by supplying and p-type annealing is performed. From FIG. 13, it can be seen that even when p-type annealing is not performed, a forward voltage equal to or lower than that when p-type annealing is performed can be obtained.

上記のような第2の実施の形態に係る窒化物系半導体装置およびその製造方法によれば、H2を含まないキャリアガスを供給してp型半導体層4を形成することにより、p型半導体層4にp型ドーパントと一緒にH2が取り込まれることがない。そのため、p型半導体層4からH2を取り除くためのp型化アニールが不要になり、窒化物系半導体装置の製造工程を短縮することができる。According to the nitride-based semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the second embodiment as described above, the p-type semiconductor layer 4 is formed by supplying the carrier gas not containing H 2 to form the p-type semiconductor. Layer 4 does not incorporate H 2 with the p-type dopant. Therefore, p-type annealing for removing H 2 from the p-type semiconductor layer 4 becomes unnecessary, and the manufacturing process of the nitride-based semiconductor device can be shortened.

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態乃至第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to the first to second embodiments. However, the discussion and the drawings that form a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

既に述べた実施の形態の説明においては、第1窒化物系半導体層41及び第2窒化物系半導体層42を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第3窒化物系半導体層43及び第4窒化物系半導体層44を水素を含むキャリアガスによって形成する場合を説明した。しかし、p型半導体層4のどの部分を水素を含まないキャリアガスによって形成するかは任意に設定可能であり、例えば第1窒化物系半導体層41〜第3窒化物系半導体層43を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第4窒化物系半導体層44のみを水素を含むキャリアガスによって形成してもよい。   In the description of the embodiment already described, the first nitride-based semiconductor layer 41 and the second nitride-based semiconductor layer 42 are formed using a carrier gas not containing hydrogen, and the third nitride-based semiconductor layer 43 and the fourth nitride-based semiconductor layer 43 are formed. The case where the nitride-based semiconductor layer 44 is formed using a carrier gas containing hydrogen has been described. However, it is possible to arbitrarily set which part of the p-type semiconductor layer 4 is formed by the carrier gas not containing hydrogen. For example, the first nitride-based semiconductor layer 41 to the third nitride-based semiconductor layer 43 may be made of hydrogen. It may be formed with a carrier gas that does not contain, and only the fourth nitride semiconductor layer 44 may be formed with a carrier gas containing hydrogen.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.

本発明の窒化物系半導体装置は、量子井戸構造を備えたLED素子,LD素子等の窒化物系半導体装置全般に利用可能である。   The nitride semiconductor device of the present invention can be used for all nitride semiconductor devices such as LED elements and LD elements having a quantum well structure.

Claims (12)

インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層上部に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、
前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、
前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度で、かつ前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、
前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と
を備え、
前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層の前記p型不純物は、Mgであることを特徴とする窒化物系半導体装置。
An active layer composed of multiple quantum wells containing indium;
A first nitride-based semiconductor layer disposed on the active layer and including a p-type impurity;
A second nitride-based semiconductor layer disposed on the first nitride-based semiconductor layer and including a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer;
P disposed on the second nitride-based semiconductor layer, having a higher concentration than the p-type impurity of the second nitride-based semiconductor layer and a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer. A third nitride-based semiconductor layer containing a type impurity;
A fourth nitride-based semiconductor layer disposed on the third nitride-based semiconductor layer and containing a p-type impurity at a concentration lower than that of the p-type impurity of the third nitride-based semiconductor layer;
The nitride semiconductor device, wherein the p-type impurity of the first nitride semiconductor layer to the fourth nitride semiconductor layer is Mg.
前記第2窒化物系半導体層の厚さは、前記第1窒化物系半導体層、或いは前記第3乃至前記第4窒化物系半導体層の厚さよりも厚く形成されることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体装置。   The thickness of the second nitride-based semiconductor layer is formed to be thicker than the thickness of the first nitride-based semiconductor layer or the third to fourth nitride-based semiconductor layers. 2. The nitride semiconductor device according to 1. 前記第4窒化物系半導体層上に配置され、酸化物電極からなる透明電極をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系半導体装置。   The nitride-based semiconductor device according to claim 1, further comprising a transparent electrode disposed on the fourth nitride-based semiconductor layer and made of an oxide electrode. 前記透明電極は、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含むことを特徴とする請求項3に記載の窒化物系半導体装置。   The nitride-based semiconductor device according to claim 3, wherein the transparent electrode includes any one of ZnO, ITO, or ZnO containing indium. 前記透明電極は、GaまたはAlが、不純物濃度1×1019〜5×1021cm-3で不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含むことを特徴とする請求項3に記載の窒化物系半導体装置。 The transparent electrode includes any one of ZnO, ITO, or ZnO containing Ga doped with impurities with an impurity concentration of 1 × 10 19 to 5 × 10 21 cm −3. 4. The nitride semiconductor device according to 3. 前記第1乃至第4窒化物系半導体層は、いずれもGaNにより800℃〜900℃の低温成長により形成することを特徴とする請求項1〜5の内、いずれか1項に記載の窒化物系半導体装置。   The nitride according to any one of claims 1 to 5, wherein each of the first to fourth nitride-based semiconductor layers is formed of GaN by low-temperature growth at 800 ° C to 900 ° C. Semiconductor device. n型半導体層を形成する工程と、  forming an n-type semiconductor layer;
前記n型半導体層上に活性層を形成する工程と、  Forming an active layer on the n-type semiconductor layer;
前記活性層上部に配置され、p型不純物を含む第1窒化物系半導体層と、前記第1窒化物系半導体層上に配置され、前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層と、前記第2窒化物系半導体層上に配置され、前記第2窒化物系半導体層のp型不純物よりも高濃度で、かつ前記第1窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層と、前記第3窒化物系半導体層上に配置され、前記第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層とを積層してp型半導体層を形成する工程と  A first nitride-based semiconductor layer including a p-type impurity disposed on the active layer, and disposed on the first nitride-based semiconductor layer, and lower than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer. A second nitride-based semiconductor layer containing a p-type impurity at a concentration; and a second nitride-based semiconductor layer disposed on the second nitride-based semiconductor layer, having a higher concentration than the p-type impurity in the second nitride-based semiconductor layer; A third nitride-based semiconductor layer containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity of the first nitride-based semiconductor layer; and the third nitride-based semiconductor layer disposed on the third nitride-based semiconductor layer Forming a p-type semiconductor layer by stacking a fourth nitride-based semiconductor layer containing a p-type impurity at a lower concentration than the p-type impurity;
を含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層のうち前記第1乃至第3窒化物系半導体層の少なくとも一部を形成し、  At least a part of the first to third nitride-based semiconductor layers of the first to fourth nitride-based semiconductor layers by supplying a source gas with a carrier gas that does not include hydrogen. Form the
前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層の前記p型不純物は、Mgであることを特徴とする窒化物系半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the p-type impurity in the first nitride semiconductor layer to the fourth nitride semiconductor layer is Mg.
水素を含むキャリアガスによって前記原料ガスを供給して、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層の他の一部を形成することを特徴とする請求項7に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。The nitriding according to claim 7, wherein the source gas is supplied by a carrier gas containing hydrogen to form another part of the first to fourth nitride semiconductor layers. Method for manufacturing a physical semiconductor device. 前記p型半導体層上にp側電極を形成する工程を更に含み、前記第1窒化物系半導体層乃至第4窒化物系半導体層のうちの前記p側電極と接する窒化物系半導体層を、前記水素を含むキャリアガスによって前記原料ガスを供給して形成することを特徴とする請求項8に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。A step of forming a p-side electrode on the p-type semiconductor layer, wherein the nitride-based semiconductor layer in contact with the p-side electrode among the first nitride-based semiconductor layer to the fourth nitride-based semiconductor layer; 9. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8, wherein the source gas is supplied by a carrier gas containing hydrogen. 前記活性層を、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に積層して形成することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。10. The nitride-based semiconductor device according to claim 7, wherein the active layer is formed by alternately laminating barrier layers and well layers having a band gap smaller than that of the barrier layers. Production method. 前記n型半導体層、前記活性層及び前記p型半導体層をIII族窒化物半導体で形成することを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 7, wherein the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer are formed of a group III nitride semiconductor. . 前記p型ドーパントがマグネシウムであることを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 7, wherein the p-type dopant is magnesium.
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