KR20090026299A - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
Nitride semiconductor light emitting device Download PDFInfo
- Publication number
- KR20090026299A KR20090026299A KR1020087031114A KR20087031114A KR20090026299A KR 20090026299 A KR20090026299 A KR 20090026299A KR 1020087031114 A KR1020087031114 A KR 1020087031114A KR 20087031114 A KR20087031114 A KR 20087031114A KR 20090026299 A KR20090026299 A KR 20090026299A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- nitride semiconductor
- type
- gan
- light emitting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 121
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 81
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 80
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 21
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 17
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 17
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 404
- 239000010408 film Substances 0.000 description 55
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 31
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 23
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 15
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 3
- 229910004541 SiN Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 GaN Chemical compound 0.000 description 1
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N ZrO Inorganic materials [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- CGBRFRBHFNDFDP-UHFFFAOYSA-N methyl 2-[3-[2-fluoro-5-(trifluoromethyl)phenyl]indazol-1-yl]acetate Chemical compound C12=CC=CC=C2N(CC(=O)OC)N=C1C1=CC(C(F)(F)F)=CC=C1F CGBRFRBHFNDFDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
종래 기술과는 전혀 다른 시점으로, 간단한 수단에 의해, p형 질화물 반도체층으로부터 활성층으로의 캐리어 주입 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광 소자를 제공한다. 사파이어 기판(1) 상에 버퍼층(2), 언도프 GaN층(3), n형 GaN 콘택트층(4), InGaN/GaN 초격자층(5), 활성층(6), 언도프 InGaN층(7), p형 GaN계 콘택트층(8)이 적층되어 있고, p형 GaN계 콘택트층(8) 상에 p 전극(9)이, 메사 에칭되어 n형 GaN 콘택트층(4)이 노출된 면에 n 전극(10)이 형성되어 있다. 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 p쪽에 가장 가까운 우물층과 p형 GaN계 콘택트층(8) 사이에 형성되는 중간 반도체층에는 언도프 InGaN층(7)이 포함되어 있고, 중간 반도체층의 합계 막 두께를 20㎚ 이하로 함으로써, 활성층(6)에의 캐리어 주입 효율을 향상시킬 수 있다.At a completely different point of time from the prior art, a nitride semiconductor light emitting device having improved carrier injection efficiency from a p-type nitride semiconductor layer to an active layer by simple means is provided. On the sapphire substrate 1, a buffer layer 2, an undoped GaN layer 3, an n-type GaN contact layer 4, an InGaN / GaN superlattice layer 5, an active layer 6, an undoped InGaN layer 7 ), the p-type GaN-based contact layer 8 is laminated, and the p-electrode 9 is mesa-etched on the p-type GaN-based contact layer 8 to expose the n-type GaN contact layer 4. The n electrode 10 is formed. An intermediate semiconductor layer formed between the well layer closest to the p side of the active layer having a quantum well structure and the p-type GaN-based contact layer 8 includes an undoped InGaN layer 7 and the total film thickness of the intermediate semiconductor layer. By making 20 nm or less, the carrier injection efficiency to the active layer 6 can be improved.
Description
본 발명은 양자 우물 구조를 갖고, 우물층이 In을 포함하는 질화물로 구성된 활성층을 구비한 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having a quantum well structure and having an active layer composed of nitride including a well layer.
최근, 고밀도 광 디스크 기록 등에의 응용 등을 목적으로 하여, 주력으로, 단파장의 반도체 레이저의 개발이 이루어지고 있다. 단파장 반도체 레이저에는, GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN, GaPN 등의 질소를 포함하는 육방정 화합물 반도체(이하, 단지 질화물 반도체라 함)가 사용된다. 또한, 질화물 반도체를 이용한 LED도 개발되어 있다.Background Art In recent years, short wavelength semiconductor lasers have been developed with a focus on application to high density optical disc recording and the like. As a short wavelength semiconductor laser, hexagonal compound semiconductors (hereinafter, simply referred to as nitride semiconductors) containing nitrogen such as GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN, GaPN and the like are used. LEDs using nitride semiconductors have also been developed.
상기 질화물 반도체 발광 소자에는, MIS 구조의 발광 소자가 사용되기도 하였지만, 고저항인 i형의 GaN계 반도체를 적층하고 있으므로, 일반적으로 발광 출력이 매우 낮아 문제였다. 이 문제를 해결하기 위해, i형 GaN계 반도체층에 전자 조사하거나, 어닐링하는 것이 실시되고 있다.Although the light emitting element of the MIS structure was used for the said nitride semiconductor light emitting element, since the i-type GaN type semiconductor of high resistance is laminated | stacked, it was a problem that light emission output was very low generally. In order to solve this problem, electron irradiation or annealing is performed on the i-type GaN-based semiconductor layer.
또한, p형 GaN계 반도체층을 형성한 질화물 반도체 발광 소자의 경우에도, 발광 출력을 높이는 노력이 행해지고 있고, 예컨대, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같이, p 전극과 p형 GaN 콘택트층의 오믹 접촉을 얻을 수 있도록 하거나, p형 GaN 콘택트층의 막 두께를 얇게 하여 순방향 전압 Vf를 저하시킴으로써, 발광 효율을 향상시키는 것이 제안되어 있다.In addition, even in the case of a nitride semiconductor light-emitting device in which a p-type GaN-based semiconductor layer is formed, efforts have been made to increase the light emission output. For example, as shown in
또한, 특허 문헌 1에는, p형 AlGaN 클래드층의 p형 특성을 얻기 위해, p형 도펀트로서 Mg를 이용하는 것이나, p형 AlGaN 클래드층의 막 두께나 Al 조성을 규정하는 것에 의해 결정성을 좋게 함으로써, 발광 효율을 향상시키는 것도 제안되어 있다.Further, in
특허 문헌 1: 일본 특허 공보 제2778405호Patent Document 1: Japanese Patent Publication No. 2778405
(발명이 해결하고자 하는 과제)(Tasks to be solved by the invention)
그러나, 상기 종래 기술과 같이, p 전극과 p형 GaN 콘택트층의 오믹 접촉, p형 GaN 콘택트층의 막 두께, p형 도펀트, p형 AlGaN 클래드층의 결정성의 각 항목에 대하여 개선하여 발광 효율을 향상시켰다고 해도, 그 개선 효과에는 한계가 있고, 발광 효율을 더욱 높이고 싶은 경우에는, 효과적인 수단이 없었다.However, as in the prior art, the luminous efficiency is improved by improving the ohmic contact between the p-electrode and the p-type GaN contact layer, the film thickness of the p-type GaN contact layer, the p-type dopant, and the crystallinity of the p-type AlGaN cladding layer. Even if it improved, there was a limit to the improvement effect, and when it wanted to further improve luminous efficiency, there was no effective means.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하기 위해 창안된 것이고, 종래 기술과는 전혀 다른 관점에서, 간단한 수단에 의해, p형 질화물 반도체층으로부터 활성층으로의 캐리어 주입 효율을 좋게 하여, 발광 효율을 향상시킨 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and from a completely different viewpoint from the prior art, the carrier injection efficiency from the p-type nitride semiconductor layer to the active layer was improved by simple means, and the luminous efficiency was improved. It is an object to provide a nitride semiconductor light emitting device.
(과제를 해결하기 위한 수단)(Means to solve the task)
본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 우물층이 In을 포함하는 질화물로 구성된 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 p형 질화물 반도체층과 n형 질화물 반도체층 사이에 유지하는 구조를 구비한 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 활성층의 p쪽에 가장 가까운 위치에 배치된 우물층과 상기 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층에는 언도프 InGaN층이 포함되어 있고, 상기 중간 반도체층의 합계 막 두께는 20㎚ 이하인 것을 요지로 한다.The nitride semiconductor light emitting device of the present invention is a nitride semiconductor light emitting device having a structure in which a well layer has an active layer having a quantum well structure composed of a nitride including In between a p-type nitride semiconductor layer and an n-type nitride semiconductor layer. And an undoped InGaN layer included in the intermediate semiconductor layer formed between the well layer disposed closest to the p side of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer, wherein the total film thickness of the intermediate semiconductor layer is 20 nm or less. Make a point.
본 발명자들은, p형 반도체층으로부터 활성층에의 홀 주입 효율을 향상시키는 수단으로서, 상기 종래 기술과는, 전혀 다른 수단이 있는 것을 발견했다. 즉, 활성층의 p쪽에 가장 가까운 위치에 배치된 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성되는 중간 반도체층의 일부를 언도프 InGaN층으로 구성하고, 또한 중간 반도체층의 합계 막 두께가 20㎚ 이하로 되면, p형 질화물 반도체층으로부터 활성층에의 홀 주입 효율이 급격히 변화하는 것을 발견했다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM The present inventors discovered that there exist a completely different means from the said prior art as a means of improving the hole injection efficiency from a p-type semiconductor layer to an active layer. That is, a part of the intermediate semiconductor layer formed between the well layer disposed at the position closest to the p side of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer is composed of an undoped InGaN layer, and the total film thickness of the intermediate semiconductor layer is 20 nm or less. As a result, it was found that the hole injection efficiency from the p-type nitride semiconductor layer to the active layer changes rapidly.
또한, 상기 중간 반도체층이 활성층의 장벽층과 언도프 InGaN층으로 구성되는 경우에는, 상기 언도프 InGaN층을 In 조성이 p형 질화물 반도체층을 향하여 감소해 가는 In 조성 경사층인 것도 요지로 한다.In addition, when the intermediate semiconductor layer is composed of an active layer barrier layer and an undoped InGaN layer, the undoped InGaN layer may also be an In composition gradient layer whose In composition decreases toward the p-type nitride semiconductor layer. .
또한, p형 질화물 반도체층의 일부로서 Mg가 도핑된 p형 AlxGaN(0.02≤x≤O.15)이 형성되어 있는 경우에는, 홀 캐리어 농도를 2×1017㎝-3 이상의 범위로 하는 것도 요지로 한다.In addition, when Mg-doped p-type Al x GaN (0.02≤x≤O.15) is formed as part of the p-type nitride semiconductor layer, the hole carrier concentration is in the range of 2x10 17 cm -3 or more. It also makes a point.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는, 상기 요지에 더하여, 활성층인 우물층의 In 조성 비율이 10% 이상으로 되어 발광 파장이 길게 되는 경우에는, 활성층의 성장 방향의 최종 우물층의 성막 종료로부터 p형 질화물 반도체층의 일부인 p 전극과 접촉하여 형성되는 p형 콘택트층의 성막 종료까지의 동안에, 성장 온도가 950℃를 초과하는 성막 시간의 합계가 30분 이내인 것을 요지로 한다. 특히 InGaN은 열적으로 불안정하기 때문에, 상기 조건을 초과하면 분해의 위험이 있고, 최악의 경우, In이 분리되어 웨이퍼가 흑색으로 된다.In addition, the nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, in addition to the above-mentioned point, when the In composition ratio of the well layer which is the active layer becomes 10% or more and the emission wavelength is long, from the end of film formation of the final well layer in the growth direction of the active layer. It is a summary that the sum total of the film-forming time whose growth temperature exceeds 950 degreeC is 30 minutes or less until the completion | finish of film-forming of the p-type contact layer formed in contact with a p electrode which is a part of p-type nitride semiconductor layer. InGaN is particularly thermally unstable, and if the above conditions are exceeded, there is a risk of decomposition. In the worst case, In is separated and the wafer becomes black.
(발명의 효과)(Effects of the Invention)
본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는, 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 p쪽에 가장 가까운 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층의 일부를 언도프 InGaN층으로 구성하도록 하고, 이 중간 반도체층의 합계 막 두께를 20㎚ 이하로 형성하고 있으므로, 홀의 활성층에의 주입 효율을 매우 높일 수 있어, 발광 효율이 향상된다.In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, a part of the intermediate semiconductor layer formed between the well layer closest to the p side of the active layer having a quantum well structure and the p-type nitride semiconductor layer is composed of an undoped InGaN layer. Since the total film thickness of is formed to be 20 nm or less, the injection efficiency of the holes into the active layer can be extremely increased, and the light emission efficiency is improved.
상기 중간 반도체층이 활성층의 장벽층과 언도프 InGaN층으로 구성되는 경우에는, 상기 언도프 InGaN층을, In 조성이 p형 질화물 반도체층을 향하여 감소해 가는 In 조성 경사층으로 함으로써, 활성층에 홀이 주입되기 쉽게 되어, 발광 효율이 향상된다.In the case where the intermediate semiconductor layer is composed of an active layer barrier layer and an undoped InGaN layer, the undoped InGaN layer is formed into an In composition gradient layer whose In composition decreases toward the p-type nitride semiconductor layer. This becomes easy to be injected and the luminous efficiency is improved.
또한, 중간 반도체층 위에 p형 AlxGaN(0.02≤x≤0.15)을 적층하고, p형 불순물에 의한 홀 캐리어 농도가 2×1017㎝-3 이상으로 되도록 형성하고 있으므로, 활성층에의 홀 주입량을 충분히 취할 수 있고, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.Further, since p-type Al x GaN (0.02≤x≤0.15) is laminated on the intermediate semiconductor layer, and the hole carrier concentration due to the p-type impurity is formed to be 2 x 10 17 cm -3 or more, the hole injection amount into the active layer Can be taken sufficiently, and the luminous efficiency can be improved.
또한, 활성층의 성장 방향의 최종 우물층의 성막 종료로부터 p형 질화물 반도체층의 일부인 p 전극과 접촉하여 형성되는 p형 콘택트층의 성막 종료까지의 동안에, 성장 온도가 950℃를 초과하는 성막 시간의 합계가 30분 이내가 되도록 하고 있으므로, 특히 발광 파장이 긴 질화물 반도체 발광 소자, 즉, 활성층의 우물층의 In 조성 비율이 10% 이상으로 구성되어 있는 소자에서는, 활성층의 열화를 막을 수 있고, 높은 발광 강도를 유지할 수 있다.In addition, during the film formation time when the growth temperature exceeds 950 ° C from the end of film formation of the final well layer in the growth direction of the active layer to the end of film formation of the p-type contact layer formed in contact with the p-electrode which is a part of the p-type nitride semiconductor layer. Since the total is less than 30 minutes, especially in a nitride semiconductor light emitting device having a long emission wavelength, that is, an element having an In composition ratio of 10% or more in the well layer of the active layer, deterioration of the active layer can be prevented and high The luminous intensity can be maintained.
도 1은 본 발명의 제 1 질화물 반도체 발광 소자의 단면 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a cross-sectional structure of a first nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
도 2는 활성층 부근의 층 구조를 나타내는 도면이다.2 is a diagram showing a layer structure near the active layer.
도 3은 활성층 부근의 도 2와는 다른 층 구조를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a layer structure different from that of FIG. 2 near the active layer.
도 4는 본 발명의 제 2 질화물 반도체 발광 소자의 단면 구조를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a cross-sectional structure of a second nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
도 5는 활성층의 최종 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층의 합계 막 두께와 질화물 반도체 발광 소자의 휘도의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 5 is a graph showing the relationship between the total film thickness of the intermediate semiconductor layer formed between the final well layer of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer and the luminance of the nitride semiconductor light emitting device.
도 6은 언도프 InGaN층의 막 두께가 350Å인 경우의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing an emission spectrum when the film thickness of an undoped InGaN layer is 350 kPa. FIG.
도 7은 언도프 InGaN층의 막 두께가 120Å인 경우의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing an emission spectrum when the film thickness of an undoped InGaN layer is 120 kPa. FIG.
도 8은 언도프 InGaN층의 In 조성과 질화물 반도체 발광 소자의 휘도의 관계를 나타내는 도면이다.8 is a diagram showing a relationship between In composition of an undoped InGaN layer and luminance of a nitride semiconductor light emitting device.
도 9는 활성층 부근의 밴드 갭 에너지의 상태를 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating a state of band gap energy in the vicinity of an active layer.
도 10은 성장 온도마다의 In 유량 상대비와 InGaN층의 In 조성 비율의 관계를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the relationship between the relative ratio of In flow volume for every growth temperature, and the In composition ratio of an InGaN layer.
도 11은 InGaN층의 성장 온도와 In 조성 비율의 관계를 나타내는 도면이다.11 is a graph showing the relationship between the growth temperature of the InGaN layer and the In composition ratio.
도 12는 EL 적분 상대 강도를 산출하기 위한 개념도이다.12 is a conceptual diagram for calculating the EL integral relative strength.
도 13은 활성층의 최후의 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층의 종류에 따라 EL 적분 상대 강도가 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.Fig. 13 is a diagram showing a state in which the EL integral relative strength changes depending on the type of intermediate semiconductor layer formed between the last well layer of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer.
도 14는 활성층의 최후의 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층의 종류에 의해 EL 적분 상대 강도가 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.Fig. 14 is a diagram showing a state in which the EL integral relative intensity changes depending on the kind of intermediate semiconductor layer formed between the last well layer of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer.
도 15는 AlGaN의 Al 조성 비율과 질화물 반도체 발광 소자의 휘도의 관계를 나타내는 도면이다.FIG. 15 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of AlGaN and the luminance of the nitride semiconductor light emitting element. FIG.
도 16은 AlGaN 성장 온도와 발광 스펙트럼의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 16 is a graph showing the relationship between AlGaN growth temperature and emission spectrum.
도 17은 PL 강도를 적분한 값이 온도와 함께 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the state in which the value which integrated PL intensity changed with temperature.
도 18은 p형 질화물 반도체층의 성장 온도와 내부 양자 효율의 관계를 나타내는 도면이다.FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between a growth temperature and an internal quantum efficiency of a p-type nitride semiconductor layer. FIG.
도 19는 p형 질화물 반도체층의 성장 온도마다의 성장 시간과 내부 양자 효율과의 관계를 나타내는 도면이다.19 is a diagram showing a relationship between a growth time and internal quantum efficiency for each growth temperature of a p-type nitride semiconductor layer.
(부호의 설명)(Explanation of the sign)
1 : 사파이어 기판 2 : 버퍼층1: sapphire substrate 2: buffer layer
3 : 언도프 GaN층 4 : n형 GaN 콘택트층3: undoped GaN layer 4: n-type GaN contact layer
5 : InGaN/GaN 초격자층 6 : 활성층5 InGaN /
6a : 장벽층 6b : 장벽층6a: barrier layer 6b: barrier layer
6c : 우물층 7 : 언도프 InGaN층6c: well layer 7: undoped InGaN layer
8 : p형 GaN계 콘택트층 9 : p 전극8: p-type GaN-based contact layer 9: p-electrode
10 : n 전극 11 : p형 AlGaN 클래드층10: n electrode 11: p-type AlGaN cladding layer
도 1은 본 발명의 제 1 질화물 반도체 발광 소자의 일례의 단면도를 나타낸다. 사파이어 기판(1) 상에 버퍼층(2), 언도프 GaN층(3), n형 GaN 콘택트층(4), InGaN/GaN 초격자층(5), 활성층(6), 언도프 InGaN층(7), p형 GaN계 콘택트층(8)이 적층되어 있고, p형 GaN계 콘택트층(8)으로부터 일부 영역이 메사 에칭(mesa etching)되어, n형 GaN 콘택트층(4)이 노출된 면에 n 전극(10)이 형성되어 있다. 또한, p형 GaN계 콘택트층(8) 위에는 p 전극(9)이 형성되어 있다. 여기서, p형 GaN계 층은 p형의 불순물이 도핑된 GaN 또는 GaN을 포함한 화합물로 구성되어 있고, 언도프 InGaN층은 불순물을 의도적으로 도핑하지 않은 InGaN층으로 구성되어 있다.1 shows a cross-sectional view of an example of a first nitride semiconductor light emitting device of the present invention. On the
상기한 바와 같이, n형 질화물 반도체층으로서 n형 GaN 콘택트층(4), InGaN/GaN 초격자층(5)이 형성되고, p형 질화물 반도체층으로서 p형 GaN계 콘택트층(8)이 형성되어 있으며, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 이들 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에 활성층을 유지한 더블 헤테로 구조를 갖는다.As described above, the n-type
버퍼층(2)은 GaN, AlN, Alx1GaN(0<x1≤0.1) 등이 사용되고, 50~300Å, 바람직하게는 100~200Å의 막 두께로 형성된다. 버퍼층(2) 상에 적층되는 언도프 GaN층(3)은 막 두께 1~3㎛, 언도프 GaN층(3) 상에 형성되는 n형 GaN 콘택트층(4)은 Si 도핑 농도 1~5×1018㎝-3, 막 두께 1~5㎛로 구성된다. 또한, InGaN/GaN 초격자층(5)은 격자 정수차가 큰 InGaN과 GaN의 응력을 완화하고, 활성층(6)의 InGaN을 성장시키기 쉽게 하는 것이고, 예컨대, Si 도핑 농도가 1~5×1018㎝-3이고 막 두께 10Å인 InxGaN(0.03≤x≤0.1)과, 막 두께 20Å의 GaN을 교대로 10주기 정도 적층한 구성이 사용된다.The
활성층(6)은, 양자 우물 구조(Quantum Well)를 갖는 활성층이며, 우물층(웰 층)을, 우물층보다 밴드 갭이 큰 장벽층(배리어층) 사이에 샌드위치 형상으로 위치시킨 구조로 되어있다. 이 양자 우물 구조는 하나가 아니라, 다중화할 수도 있고, 이 경우는, MQW(Multi Quantum Well), 즉 다중 양자 우물 구조로 된다. 또한, 활성층(6)은 3원 혼정계의 InGaN으로 구성된다. 언도프 InGaN층(7)은, 활성층(6)에 접하여 형성되어 있는 것으로, 활성층(6)의 In의 열분해를 억제하는 캡층의 역할을 포함하고 있다.The
활성층(6)의 구조를 구체적으로 나타내는 것이 도 2이다. 활성층(6)이 InGaN/GaN 초격자층(5)과 접하는 쪽에 장벽층(6b)이 배치되고, 그 위에 우물층(6c)이 적층되어 있고, 이 장벽층(6b)과 우물층(6c)이 교대로 몇 주기인가 적층된 후, 최후의 장벽층으로서 6a가 형성되어 있고, 장벽층(6a) 위에 언도프 InGaN층(7)이 적층된다. 언도프 InGaN층(7) 상에는 p형 GaN계 콘택트층(8)이 형성된다.2 illustrates the structure of the
여기서, 장벽층(6b)은 넌도핑 또는 Si 도핑 농도가 5×1016㎝-3~5×1018㎝-3이고, 막 두께 100~350Å, 바람직하게는 150~300Å인 Inz1GaN(0≤z1<1)으로 구성된다. 한편, 우물층(6c)은, 예컨대, 막 두께 30Å의 넌도핑 Iny1GaN(0<y1<1, y1>z1)으로 구성하여도 좋지만, 불순물을 도핑하는 경우는, Si 도핑 농도가 5×1018㎝-3 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 우물층이 3~8층, 바람직하게는 5~7층이 되도록 구성한다. 활성층(6)에서는, 상기 y1을 0<y1<1의 범위로 변화시킴으로써, 발광 파장을 보라색에서 적색까지 변화시킬 수 있다.Here, the barrier layer 6b has a non-doping or Si doping concentration of 5 × 10 16
도 2와 같이, 성장 방향의 최후의 우물층(6c)을 형성한 후에, 장벽층(6a)을 형성한다. 지금까지의 장벽층(6b)과 Si 도핑 농도는 같게 하여도 좋지만, 장벽층(6a)의 막 두께에 대해서는 장벽층(6b)보다 얇게 하고, 20~30Å 정도로 성막한다. 또한, 장벽층(6a)은 GaN(상기 z1=0)으로 형성하도록 하여도 좋지만, 발광 효율의 향상을 위해서는 InGaN(상기 z1≠0)으로 하는 편이 바람직하고, 그 경우에는 In의 조성은 0.5~1% 정도로 하는 것이 좋다. 한편, 도 3에 나타내는 바와 같이, 성장 방향의 최후의 우물층(6c)에 접하여 언도프 InGaN층(7)을 형성하도록 하여도 좋다. 이 경우, 언도프 InGaN층(7)은 활성층(6)으로부터 전자가 p쪽으로 유입되지 않도록 하는 전자 배리어층의 역할과, 고온이 되면 우물층(6c)의 In이 승화하여 깨지기 쉽게 되므로, 그것을 방지하는 캡층의 역할을 겸하게 된다.As shown in Fig. 2, after forming the
도 2, 도 3의 어느 경우에도, 언도프 InGaN층(7)의 막 두께는, 예컨대, 10~200Å 정도로 형성한다. 이와 같이, 도 2의 경우에는, 장벽층(6a)과 언도프 InGaN층(7)의 합계 막 두께는, 20㎚(200Å) 이하로 되도록 형성된다. 한편, 도 3의 경우에는, 활성층(6)의 최후의 우물층에 접하여 형성되는 언도프 InGaN층(7)의 막 두께는 20㎚ 이하로 되도록 형성된다.In either case of FIGS. 2 and 3, the film thickness of the
또한, 도 3과 같이, 언도프 InGaN층(7)이 활성층(6)의 최후의 우물층에 접하여 형성되어 있는 경우에는, 우물층(6c)보다 밴드 갭 에너지를 크게 하여 전자를 블로킹하기 위해, 장벽층(6b)과 동등하거나 그 이상의 밴드 갭 에너지를 갖도록 하는 것이 바람직하고, 그에 따라서, 조성 비율 z1 이하의 In 조성의 언도프 InGaN층(7)으로 하는 것이 바람직하다. 언도프 InGaN층(7) 상에 형성되는 p형 GaN계 콘 택트층(8)에는, p형 InGaN 또는 p형 GaN이 사용되고, Mg 도핑 농도 3×1019㎝-3~3×1020㎝-3이고, 막 두께는 200~3000Å 정도(가장 바람직하게는 700Å~1000Å)가 되도록 성장시킨다.3, when the
도 5는 활성층의 성장 방향의 최후의 우물층, 즉 활성층의 p쪽에 가장 가까운 위치에 배치된 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층의 합계 막 두께(횡축)와 발광 소자의 휘도(종축)의 관계를 나타낸다. 중간 반도체층의 막 두께를 변화시켜 발광 강도(휘도)를 측정했다. 종축은, 250Å일 때의 휘도를 기준으로 하여 상대적으로 나타낸 것이다. 여기서, 중간 반도체층의 합계 막 두께란, 도 2의 구성이면, 장벽층(6a)과 언도프 InGaN층(7)의 합계 막 두께에 상당하고, 다른 한편으로, 도 3의 경우에는, 언도프 InGaN층(7) 그 자체의 막 두께에 상당한다. 횡축은 중간 반도체층의 합계 막 두께를 나타내고, 종축은 휘도(임의 단위)를 나타낸다. 합계 막 두께가 200Å(20㎚) 이하가 되면, 휘도가 급격하게 좋아지는 것을 알 수 있다.Fig. 5 shows the total film thickness (horizontal axis) of the last well layer in the growth direction of the active layer, that is, the intermediate semiconductor layer formed between the well layer disposed at the position closest to the p side of the active layer and the p-type nitride semiconductor layer, and the luminance of the light emitting element. The relationship between the (vertical axis) is shown. The light emission intensity (luminance) was measured by changing the film thickness of the intermediate semiconductor layer. The vertical axis is shown on the basis of the luminance at 250 Hz. Here, the total film thickness of the intermediate semiconductor layer corresponds to the total film thickness of the barrier layer 6a and the
이것은, 아래와 같이 고찰할 수 있다. 도 6은 도 1의 구성에서, 또한 도 3의 구조를 갖는 발광 소자에 있어서 언도프 InGaN층(7)의 막 두께가 350Å의 경우의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 종축은 표준으로 되는 LED의 발광 강도를 기준으로 하여 상대적으로 나타낸 것이다. 도 6에서는, 활성층(6) 본래의 발광 스펙트럼뿐만 아니라, 언도프 InGaN층(7)의 스펙트럼도 혼재하고 있어, 정공과 전자의 재결합이 활성층(6)뿐만 아니라, 언도프 InGaN층(7)에서도 발생하는 것으로 되어, p형 GaN계 콘택트층(8)으로부터 활성층(6)으로 충분히 홀이 이동하지 않기 때문에, 활성층(6)의 발광 효율은 저하된다.This can be considered as follows. FIG. 6 shows the emission spectrum in the case of the film thickness of the
한편, 도 7은 언도프 InGaN층(7)의 막 두께가 120Å인 경우의 발광 스펙트럼을 나타내지만, 활성층(6) 본래의 발광 스펙트럼만이 나타나고 있고, 도 5와 같은 언도프 InGaN층(7)의 스펙트럼은 나타나지 않는다. 이것은 언도프 InGaN층(7)의 막 두께가 얇은 쪽이 p형 GaN계 콘택트층(8)으로부터 활성층(6)으로의 홀의 주입 효율이 향상되기 때문이다. 따라서, 언도프 InGaN층(7)의 막 두께가 얇은 쪽이 발광 소자의 발광 강도가 커지게 된다. 그리고, 이 막 두께의 최적값으로는, 도 5로부터 200Å(20㎚) 이하인 것을 알 수 있다.On the other hand, Fig. 7 shows the emission spectrum when the film thickness of the
다음에 본 발명의 제 2 질화물 반도체 발광 소자의 구성을 도 4에 나타낸다. 도 1과 같은 부호를 부여하는 것은, 도 1과 같은 구성을 나타낸다. 제 2 질화물 반도체 발광 소자가 제 1 질화물 반도체 발광 소자와 다른 것은 언도프 InGaN층(7)과 p형 GaN계 콘택트층(8) 사이에 p형 AlGaN 클래드층(11)이 삽입되어 있는 점이다. p형 AlGaN 클래드층(11)은 전자 블록층의 역할을 갖고, 홀의 주입 효율을 더 높이기 위한 것이고, p형 AlxGaN(0.02≤x≤0.15) 등을 이용한다. 불순물 Mg의 도핑에 의한 p형 AlxGaN의 캐리어 농도는, 후술하는 바와 같이, 2×1017㎝-3 이상의 범위로 하는 것이 바람직하고, 예컨대, 막 두께 150~300Å(가장 바람직하게는 200Å)의 Al0.07GaN으로 구성된다. 또한, 중간 반도체층에 관해서는, 도 2 또는 도 3의 구조로 할 수 있다.Next, the structure of the 2nd nitride semiconductor light emitting element of this invention is shown in FIG. The same code | symbol as FIG. 1 shows the structure similar to FIG. The difference between the second nitride semiconductor light emitting device and the first nitride semiconductor light emitting device is that the p-type
상기 제 2 질화물 반도체 발광 소자(도 4의 구성)에 있어서, 언도프 InGaN층(7)의 막 두께를 변화시켜 휘도를 측정한 결과, 이 경우에도 도 5의 그래프 형상이 얻어졌다. 따라서, 도 4의 구성에 있어서도, 언도프 InGaN층(7)의 막 두께가 200Å 이하로 되면, 휘도가 급격히 좋아지게 된다.In the second nitride semiconductor light emitting device (constitution of FIG. 4), the luminance was measured by changing the film thickness of the
한편, 도 8은 언도프 InGaN층(7)의 In 조성 비율과 질화물 반도체 발광 소자의 휘도와의 관계를 나타내는 것이다. 횡축은 언도프 InGaN층(7)의 In 조성 비율을 종축은 휘도(임의 단위)를 나타낸다. 종축은 In 조성 비율이 0.5%일 때의 휘도를 기준으로 하여 상대적으로 나타내는 것이다. 이 휘도 측정은 도 1 또는 도 4의 구성에서, 또한 도 3과 같이 언도프 InGaN층(7)이 활성층(6) 최후의 우물층에 접하여 형성되어 있는 층 구조를 갖는 발광 소자로 행했다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, In 조성 비율 2.5% 정도까지는, 발광 휘도로서 사용할 수 있지만, 그 이후는 발광 휘도가 0에 상당히 근접하게 되어, 사용할 수 없는 상태로 된다. 이것은, InGaN에서는, 원래, 잔류 전자 농도가 많아, In 조성 비율을 높이면, 잔류 전자 농도도 높아지기 때문이며, 캐리어(홀) 주입량을 높이기 위해서는 In 조성 비율을 적게 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 휘도가 가장 높은 상태를 유지할 수 있는 것은, In 조성이 0.5%~1% 정도인 것이 나타내어져 있다.8 shows the relationship between the In composition ratio of the
다음에 언도프 InGaN층(7)이 In 조성 경사층으로 되어 있는 경우를 이하에 설명한다. 언도프 InGaN층(7)을 In 조성 경사층으로 하기 위해서는, 도 2와 같이, 중간 반도체층이 장벽층(6a)과 언도프 InGaN층(7)으로 구성되어야 한다. 도 9는 활성층(6) 전후의 전도대(傳導帶)에서의 밴드 갭 에너지도를 나타낸다. 장벽 층(6b)과 우물층(6c)으로 양자 우물 구조를 형성하고, p쪽 마지막의 우물층(6c)에 접하여 장벽층(6a)이 형성되어 있고, 이 장벽층(6a)에 접하여 언도프 InGaN층(7)이 형성되어 있지만, 이 언도프 InGaN층(7)의 In 조성 비율이 장벽층(6a)과의 접속점으로부터 p형 질화물 반도체층의 방향(도면의 향해 오른쪽 방향)을 향해 연속적으로 감소되도록 구성되어 있다. In 조성 비율이 p형 질화물 반도체층을 향하여 작아진다는 것은, 언도프 InGaN층(7)의 밴드 갭 에너지는 p형 질화물 반도체층을 향하여 커지는 것을 의미한다.Next, the case where the
In 조성을 경사시켜 두면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 홀 전도를 담당하는 전도대에서의 밴드 구조가 우물층을 향하여 퍼텐셜이 낮아지게 되므로, 홀이 쉽게 유입되어 바람직하다. 또한, 성장 온도가 높으면 잔류 전자 농도가 감소하므로, In의 조성 경사는 성장 온도를 높게 하여 제작하는 것이 바람직하다.When the In composition is inclined, as shown in Fig. 9, since the band structure in the conduction band responsible for hole conduction lowers the potential toward the well layer, the holes are easily introduced, which is preferable. In addition, if the growth temperature is high, the residual electron concentration decreases. Therefore, the composition gradient of In is preferably produced by increasing the growth temperature.
다음에 상기 제 1 및 제 2 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대하여 설명한다. 사파이어 기판(1) 상에, GaN, AlN, Alx1GaN(0<x1≤0.1) 등의 단결정으로 이루어지는 버퍼층(2)을 형성하기 위해, PLD법(레이저 연마법)을 이용한다.Next, the manufacturing method of the said 1st and 2nd nitride semiconductor light emitting element is demonstrated. On the
우선, 사파이어 기판(1)을 로드록실에 넣고, 400℃ 정도의 온도로 5~10분 가열하고, 남은 수분 등을 날린다. 그 후, 챔버 내 압력이 1×10-6Torr 이하인 진공 챔버 내에 사파이어 기판(1)을 반송하여, 타깃과 대향 배치하고, 사파이어 기판(1)을 가열원(加熱源) 상에 탑재하여, 기판 온도를 600℃~1000℃로 유지하고, 예컨대, 발진 파장 248㎚의 KrF 엑시머 레이저광을 진공 챔버의 석영 창(窓)으로부터 타깃 에 조사함으로써, 타깃의 재료를 승화(연마)시킨다. 이 승화한 원자가 사파이어 기판(1)의 표면에 부착하여, 단결정의 버퍼층(2)이 성장한다. 버퍼층(2)은, 예컨대, 100Å~200Å 형성한다.First, the
타깃으로는, 예컨대, 소결 GaN 타깃을 사용한다. 물론, AlN이나 AlGaN이나 InGaN의 소결체 타깃을 사용할 수 있다. 그러나, 소결체 타깃을 이용하는 경우, InGaN의 소결체 타깃에서는, 본래 In이 들어가기 어려운 물질이기 때문에, 조성이 정해지기 어렵다. 따라서, GaN, AlN, 또는 AlGaN의 소결체 타깃이 바람직하다.As the target, for example, a sintered GaN target is used. Of course, a sintered compact target of AlN, AlGaN or InGaN can be used. However, when using a sintered compact target, in the InGaN sintered compact target, since it is a substance which In hardly enters, it is hard to determine a composition. Therefore, the sintered compact target of GaN, AlN, or AlGaN is preferable.
다음에, 상기한 바와 같이, 버퍼층(2)이 형성된 사파이어 기판(1)을, MOCVD 장치의 로드록실에 넣고, 400℃ 정도의 온도로 5~10분 가열하고, 남은 수분 등을 날린 후, MOCVD 장치의 반응실로 기판을 반송한다. MOCVD 장치 중에서 1100℃, NH3 분위기 중에서 30분의 서멀 클리닝을 행한다.Next, as described above, the
다음에 기판 온도를 1065℃로 높여, 예컨대, 언도프 GaN층(3)을, 예컨대, 1㎛ 적층하고, 언도프 GaN층(3) 상에 Si 도핑된 n형 GaN을 2.5㎛ 성장시킨다. 기판 온도를 760℃로 낮추고, InGaN/GaN 초격자층(5)을, 예컨대, 300Å 형성한다. 기판 온도를 750℃로 낮추고 활성층(6)을, 예컨대, 3/17㎚ 형성한다.Subsequently, the substrate temperature is raised to 1065 ° C., for example, an
여기서, 도 2의 구성에서는, 최후의 장벽층(6a)을 성막한 후, 도 3의 구성에서는, 최후의 우물층(6c)을 성장시킨 후, 기판 온도 750℃인채로 언도프 InGaN층(7)을 적층한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 중간 반도체층의 합계 막 두께가 20㎚ 이하로 되도록, 막 두께를 조정한다. 언도프 InGaN층(7)이 In 조성 경사층이 아닌 경우는, InGaN의 In 조성은, 도 8로부터도 알 수 있는 바와 같이, 2.5% 이하로 하지만, 0.5%~1% 정도가 가장 적합하다.Here, after forming the last barrier layer 6a in the structure of FIG. 2, after growing the
다음에 도 1의 구성의 경우에는, p형 GaN계 콘택트층(8)으로서, 성장 온도를 1000~1030℃(예컨대, 1010℃)로 높여, p형 GaN층을, 예컨대, 700Å 성장시킨다. 또한, 후술하지만, Mg이 도핑된 p형 InGaN층을 이용할 수도 있고, 이 경우에도, 예컨대, 700Å 성장시킨다.Next, in the case of the structure of FIG. 1, as a p-type GaN
염산으로 p형 GaN계 콘택트층(8) 표면의 자연 산화막을 제거한 후, p 전극(9)으로서 Ti/Au 등의 다층 금속막을 증착이나 스퍼터에 의해 형성한다. 다음에 메사 패턴을 형성하여, GaN계 반도체 적층체를 n형 GaN 콘택트층(4)이 노출될 때까지 에칭한다. 이 때, 메사 주변부에 기둥이 생기는 것과 같은 패턴을 동시에 형성하고, n형 GaN 콘택트층(4)의 표면이 마치 조면(粗面)으로 된 것처럼 해 두면 광 취출이 커져 바람직하다. 단, 조면으로 되지 않은 경우는, n형 GaN 콘택트층(4)이 노출되기까지의 에칭 깊이로 충분하지만, 조면으로 되는 경우에는, n형 GaN 콘택트층(4)의 노출면보다 1㎛ 이상 깊게 에칭을 행하면, 광 취출이 커져 바람직하다.After removing the native oxide film on the surface of the p-type GaN-based
메사 에칭 종료 후, n형 GaN 콘택트층(4) 상에 n 전극(10)으로서 Al를 형성하여 500℃~700℃에서 오믹을 취하기 위한 어닐링 처리를 행하여, 도 1의 구성이 완성된다.After completion of the mesa etching, Al is formed as the n-
그런데, p형 GaN계 콘택트층(8) 상에 p 전극(9)을 형성하지 않고, p형 GaN계 콘택트층(8)에 ZnO 전극을 적층한 후, p 전극(9)을 형성하도록 하여도 좋다. 이 경우, Ga 도핑된 ZnO 전극을, 예컨대, MBE(Molecular beam epitaxy)나 PLD(Pulsed Laser Deposition)에 의해 p형 GaN계 콘택트층(8) 상에 형성한다. 이 때, ZnO의 비저항이 높으면 전류 확대가 얻어지지 않으므로, 적어도 비저항이 1×10-3Ω㎝ 이하일 필요가 있고, 바람직하게는 1~5×10-4Ω㎝가 바람직하다. 이 후, 전술한 n형 GaN 콘택트층 표면 상과 같이, ZnO 표면에도 요철을 형성하면 바람직하다.By the way, without forming the p-
ZnO 전극을 소정의 크기로 하기 때문에, 염산의 습식 에칭, 또는 RIE 등의 건식 에칭을 이용하여, p형 GaN계 콘택트층(8)까지 에칭한 후, ZnO 전체를 SiN, SiON, SiO2, Al2O3, ZrO2와 같은 절연체로 덮어둔다.Since the ZnO electrode is of a predetermined size, after etching to the p-type GaN-based
그 후, 상술한 바와 같이, 메사 에칭을 행하여, n형 GaN 콘택트층(4) 상에 n 전극(10) 형성 후, ZnO 전극 상에는 부분적으로 구멍을 뚫어 콘택트 홀을 형성하고, 콘택트 홀을 통해 ZnO 전극과 접촉할 수 있도록, p 전극으로서 Ti/Au 등을 형성한다. 이 때, 동시에 n 전극으로서의 Al 위에도 Ti/Au를 부가하여, 와이어 본딩용 메탈로 한다. 그 후, 전체를 SiN, SiON, SiO2, Al2O3, ZrO2와 같은 절연체로 메사 전체를 덮고, 메탈 부분의 구멍을 형성하고, 사파이어 기판(1)을 얇게 한 후, 칩화하도록 하여도 좋다.Thereafter, as described above, mesa etching is performed to form the
다음에 도 4의 구성의 경우에는, p형 GaN계 콘택트층(8)을 형성하기 전, 즉 활성층(6) 형성 후에, p형 AlGaN 클래드층(11)을, 예컨대, 200Å 형성한다. AlGaN 성장은 950℃ 정도의 온도로 행하여도 좋지만, 더욱 결정성을 좋게 하고 싶은 경우에는 1000℃ 이상의 정도로 하는 것이 바람직하다. 그 후의 각 층의 형성은 상술 한 대로이다.4, the p-type
다음에 언도프 InGaN층(7)을 도 9에 나타내는 바와 같은 In 조성 경사를 갖는 In 조성 경사층으로 구성하는 경우의 언도프 InGaN층의 제조 방법에 대하여 설명한다. 보통, 언도프 InGaN층을 성장시키는 경우에는, 성장실에 트라이메틸인듐(TMI), 트라이에틸갈륨(TEG), 질소(N2), NH3, H2를 공급하지만, In의 조성 비율을 조절하고 싶은 경우에는, 일정한 온도 하에서, 트라이메틸인듐의 유량(공급 비율)을 증가시키거나, 감소시키는 것이 일반적이다.Next, the manufacturing method of an undoped InGaN layer when the
그러나, 도 10에 나타내는 바와 같이, In의 조성 비율의 범위를 넓게 커버하고자 하면, 트라이메틸인듐의 공급 비율을 제어하는 것만으로는, In의 조성 비율을 광범위하게 제어할 수 없다. 도 10은 InGaN을 제작하는 경우의 트라이메틸인듐 유량 상대비와 In 조성 비율의 관계를 나타낸다. 트라이메틸인듐 유량 상대비란, 어떤 유량을 임의로 정하고, 그 유량을 1로 한 경우의 각각의 TMI 유량의 비율이며, 특정한 성장 온도마다 그래프가 그려져 있다.However, as shown in FIG. 10, when it is going to cover the range of the composition ratio of In widely, only the control ratio of a trimethyl indium supply cannot control broadly the composition ratio of In. Fig. 10 shows the relationship between the trimethylindium flow rate relative ratio and the In composition ratio when InGaN is produced. The trimethyl indium flow rate relative ratio is a ratio of the respective TMI flow rates when a certain flow rate is arbitrarily determined and the flow rate is 1, and a graph is drawn for each specific growth temperature.
예컨대, TMI 유량 상대비가 약 0.2 이하로 되면, 급격히 In 조성이 0을 향해 변화되는 것을 알 수 있고, In 조성 비율을 이 범위로 제어하는 것이 어렵게 된다. 그래서, 트라이메틸인듐의 공급 비율을 증감시켜도 In의 조성 비율이 거의 변하지 않는 영역이 존재하는 것을 이용하여 간단히 조성 비율의 범위가 넓은 In 조성 경사층을 구성하고자 하는 것이다.For example, when the TMI flow rate relative ratio becomes about 0.2 or less, it can be seen that the In composition suddenly changes toward 0, and it becomes difficult to control the In composition ratio in this range. Therefore, it is intended to simply form an In composition gradient layer having a wide range of composition ratios by using a region in which the composition ratio of In hardly changes even if the supply ratio of trimethyl indium is increased or decreased.
도 10으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 성장 온도를 일정하게 한 경우, TMI 유량 상대비가 도면의 S점(약 1.3)인 부근에서 트라이메틸인듐의 공급 비율을 증감시키더라도 In 조성 비율은 포화 상태로 되어 있다.As can be seen from FIG. 10, when the growth temperature is made constant, the In composition ratio remains saturated even if the supply ratio of trimethyl indium is increased or decreased in the vicinity of the point S (about 1.3) of the TMI flow rate. It is.
그래서, 예컨대, In의 조성 비율이 거의 변하지 않는 영역의 TMI 유량 상대비의 값으로서 S점을 취하고, TMI 유량 상대비를 S점에 고정하여, S점에 대응하는 각 성장 온도마다의 곡선의 In 조성 비율을 P1, P2, P3, P4라고 하면, 성장 온도를 770℃로부터 840℃로 변화시킨 경우, 적어도 In 조성 비율은 P1~P4까지, 즉 약 18.5%부터 약 8%까지 변화해 가는 것을 알 수 있다.Thus, for example, the point S is taken as the value of the relative TMI flow rate in the region where the composition ratio of In hardly changes, the TMI flow rate relative ratio is fixed at the point S, and In of the curve for each growth temperature corresponding to the point S is obtained. If the composition ratio is P1, P2, P3, P4, it is found that when the growth temperature is changed from 770 ° C to 840 ° C, at least the In composition ratio changes from P1 to P4, that is, from about 18.5% to about 8%. Can be.
이와 같이 하여, TMI 유량 상대비를 S점에서 고정한 경우, 성장 온도를 770℃로부터 840℃로, 더욱 더 고온으로 변화시켜 간 경우의 In 조성 비율을 플로팅하여 그래프에 나타낸 것이 도 11이다. 도 11의 횡축은 언도프 InGaN의 성장 온도를 종축은 언도프 InGaN의 In 조성 비율을 나타낸다.Thus, when the TMI flow rate relative ratio is fixed at S point, FIG. 11 plots the In composition ratio at the time of changing a growth temperature from 770 degreeC to 840 degreeC, and further high temperature is shown in the graph. 11, the horizontal axis represents the growth temperature of undoped InGaN, and the vertical axis represents the In composition ratio of undoped InGaN.
이와 같이, TMI 유량 상대비를 변경하지 않고, 성장 온도를 올려 가면, In 조성 비율의 상하의 폭도 넓게 취할 수 있음과 아울러, In 조성 경사층을 간단히 제조할 수 있다.In this manner, when the growth temperature is raised without changing the relative flow rate of the TMI, the width of the upper and lower portions of the In composition ratio can be widened, and the In composition gradient layer can be easily produced.
도 1의 구성에서, 또한 도 2의 구조를 갖는 경우, 성장 온도 750℃에서 활성층(6)을 성장시킨 후, 예컨대, p형 GaN계 콘택트층(8)으로서, Mg가 도핑된 p형 InGaN층을 성막하는 경우는, 성장 온도를 850℃ 정도로 상승시키면 좋으므로, 그 성장 온도까지 상승시키는 과정에서 자동적으로 In 조성 경사를 갖는 언도프 InGaN층을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 성장 온도를 순차 선형으로 850℃ 정도까지 상승시켜 가면, 도 10에 나타내는 바와 같은 조성 경사 커브를 가진 언도프 InGaN 층이 형성된다. 또한, 도 4의 구성에서는, p형 AlGaN 클래드층(11)을 950℃ 정도의 온도로 성장시키는 경우에는, 도 11에 나타내는 조성 경사 커브에서 성장 온도 950℃ 정도까지의 경사 곡선을 얻을 수 있다.In the configuration of FIG. 1, and also having the structure of FIG. 2, after the
상기한 바와 같이, 도 10에 나타낸 조성 경사 커브의 어느 범위를 이용하는 가는, 성장 온도의 출발점과 종료점에 의해 정해지지만, In 조성 경사층의 In 조성 비율의 변화를, 예컨대, 18%부터 3%까지 연속적으로 형성하고 싶은 경우에는, 성장 온도를 T1~T2까지 변화시키면 좋고, In 조성 비율의 변화를 3%~0.5%까지 연속적으로 형성하고 싶은 경우에는, 성장 온도를 T2~T3까지 변화시키면 좋다. 상술한 바와 같이, 성장 온도가 높으면 잔류 전자 농도가 감소하므로, 성장 온도를 높게 하여 In 조성 경사층을 제작하는 것이 바람직하고, 성장 온도의 출발점도 높게 해 두는 것이 좋다.As described above, the range of the composition gradient curve shown in FIG. 10 is determined by the start point and the end point of the growth temperature, but the change in the In composition ratio of the In composition gradient layer is, for example, from 18% to 3%. In the case where it is desired to form continuously, the growth temperature may be changed to T1 to T2, and when the change in the In composition ratio is to be continuously formed to 3% to 0.5%, the growth temperature may be changed to T2 to T3. As described above, if the growth temperature is high, the residual electron concentration is decreased. Therefore, it is preferable to produce the In composition gradient layer by increasing the growth temperature, and it is also preferable to make the starting point of the growth temperature high.
그런데, 도 1 또는 도 4의 구성에서, 중간 반도체층으로서 3종류의 구성을 이용한 경우의 발광 효율을 비교하여 보았다. X1~X3의 곡선은 모두 도 3의 구조를 이용하고, X1의 곡선은 활성층(6) 최후의 우물층에 접하는 반도체층으로서 언도프 InGaN층의 대신 750~800℃의 저온으로 성장시킨 저온언도프 GaN층(막 두께 400Å)을 이용한 경우, X2의 곡선은 활성층(6) 최후의 우물층에 접하는 반도체층으로서 In 조성 경사를 갖지 않는 언도프 InGaN층(막 두께 200Å)을 이용한 경우, X3의 곡선은 활성층(6)의 최후의 우물층에 접하는 반도체층으로서 In 조성 경사를 갖는 언도프 InGaN층(막 두께 200Å)을 이용한 경우를 나타낸다. 이것은 전기 발광(EL) 적분 상대 강도를 구함으로써 산출된다. 도 12는 PL(photo luminescence)의 예이 지만, EL과 완전히 같기 때문에, 이것으로서 설명한다. 우선, 온도를 변화시켜 발광 스펙트럼(PL 강도 분포)을 측정하고, 각 온도마다의 PL 강도 분포의 적분값을 구한다.By the way, in the structure of FIG. 1 or FIG. 4, the luminous efficiency at the time of using three types of structures as an intermediate semiconductor layer was compared. The curves of X1 to X3 all use the structure of FIG. 3, and the curve of X1 is a semiconductor layer in contact with the last well layer of the
예컨대, 절대 온도 12K(K는 캘빈을 나타냄, 이하 마찬가지)인 경우의, PL 강도 적분값은, 도면의 12K의 곡선의 면적에 상당한다. 다음에 소정의 절대 온도를 RT로 나타내면, 그 RT에서의 PL 강도 적분값은 도면의 RT 곡선의 면적에 상당한다. RT를 12K로부터 290K 정도까지 변화시켜, 각 온도마다의 PL 강도 적분값을 구하여 그래프에 나타낸다. 이 그래프의 일례를 나타내는 것이 도 17이며, 보통, 온도가 상승하면 발광 효율이 나빠지기 때문에, PL 강도 적분값은 작아진다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 발광 효율이 가장 좋은 상태의 PL 강도 적분값의 평균을 I(12K)로 나타내고, 이 I(12K)가 기준으로 된다.For example, the PL intensity integrated value in the case of
다음에 온도 파라미터 RT에 대한 PL 강도 적분값을 I(RT)라고 하면, PL 적분 상대 강도는 I(RT)/I(12K)로 표현된다. 도 13은 I(RT)/I(12K)를 나타내는 것이고, 종축이 EL 적분 상대 강도(PL 적분 상대 강도), 횡축이 절대 온도의 역수이고 아레니우스 플롯으로 되어있다. 횡축의 설명에서 표시된 (1000/T)의 T는, 절대 온도로 단위는 K(켈빈)이다. 상기와 같은 측정과 계산을 행하여, X1~X3의 그래프를 수득했다.Next, when the PL intensity integral value for the temperature parameter RT is called I (RT), the PL integral relative intensity is expressed by I (RT) / I (12K). Fig. 13 shows I (RT) / I (12K), where the vertical axis is the EL integral relative intensity (PL integral relative intensity), and the horizontal axis is the inverse of the absolute temperature and is an Arennius plot. T of (1000 / T) indicated in the description of the abscissa is absolute temperature and the unit is K (Kelvin). The above measurement and calculation were performed, and the graph of X1-X3 was obtained.
도 13에서, 횡축의 0에 가까이 가는 쪽이, 온도가 상승하는 방향에 상당한다. 따라서, 횡축의 0에 가까이 간 경우에도, EL 적분 상대 강도의 값이 1에 가까이 가고 있는 쪽이, 발광 효율이 좋은 것으로 된다. 발광 효율이 좋다는 것은 p형 GaN계 콘택트층이나 p형 AlGaN 클래드층의 p형 질화물 반도체층으로부터의 홀 주입 효율이 좋다는 것이며, 질화물 반도체 소자의 구성상, 활성층(6) 최후의 우물층에 접하는 반도체층만이 다른 것을 비교하고 있으므로, 어떤 반도체층으로 하면, 가장 홀의 주입 효율이 향상되는지를 알 수 있다.In FIG. 13, the one closer to zero in the horizontal axis corresponds to the direction in which the temperature rises. Therefore, even if it is close to 0 of the horizontal axis, the one where the value of the EL integral relative intensity is closer to 1 becomes better in light emission efficiency. The good luminous efficiency means that the hole injection efficiency from the p-type nitride semiconductor layer of the p-type GaN-based contact layer or the p-type AlGaN cladding layer is good, and the semiconductor is in contact with the last well layer of the
도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 12K에서 290K의 온도 전반에서, X3의 곡선이 가장 발광 효율이 좋은 상태를 나타내고 있으므로, 활성층(6) 최후의 우물층에 접하는 반도체층으로서 In 조성 경사를 갖는 언도프 InGaN층을 이용한 경우가, 가장 홀의 주입 효율이 향상되게 된다.As can be seen from Fig. 13, since the curve of X3 shows the state of the highest luminous efficiency over the temperature of 12K to 290K, the semiconductor layer having the In composition gradient as the semiconductor layer in contact with the last well layer of the
한편, 도 14의 곡선 Y2는 활성층(6)의 p쪽에 가장 가까운 위치에 배치된 우물층과 p형 질화물 반도체층 사이에 형성된 중간 반도체층을 도 2의 구조로 하고, 이 중간 반도체층을 언도프 Inz1GaN(0≤z1<1)으로 형성된 장벽층(6a)과 In 조성 경사를 갖는 언도프 InGaN층으로 구성하여, 그 합계 막 두께를 100Å로 하며, 합계 막 두께 20㎚ 이하로 더 얇게 한 경우의 EL 적분 상대 강도를 나타내고 있다. 또한, 곡선 Y1은 도 13에 나타내어진 곡선 X3과 같은 EL 적분 상대 강도 곡선을 나타낸다.On the other hand, curve Y2 of FIG. 14 has an intermediate semiconductor layer formed between the well layer disposed at the position closest to the p side of the
도 13과 마찬가지로, 종축을 EL 적분 상대 강도, 횡축을 1000/T로 하여 그래프를 그린 것이다. 곡선 Y1과 Y2를 비교하면, 실온에 가까이 감에 따라, Y2 쪽이 홀의 주입 효율이 더욱 증대하는 것을 알 수 있다. 이것은 언도프 InGaN층(7)의 막 두께를 감소시킨 것에 의한 것이고, 중간 반도체층의 합계 막 두께를 200Å 이 하로 함과 아울러, 그 합계 막 두께를 얇게 하는 만큼, 홀의 주입 효율이 상승하고, 발광 효율이 좋게 되는 것을 나타낸다.In the same manner as in Fig. 13, a graph is drawn with the EL axis relative intensity and the horizontal axis as 1000 / T. Comparing the curves Y1 and Y2, it can be seen that the closer to the room temperature, the more the injection efficiency of the hole increases on the Y2 side. This is because the film thickness of the
다음에 도 4의 구성과 같이, p형 AlGaN 클래드층(11)을 형성한 경우의 Al 조성, 홀 캐리어 농도, 도 4의 구성에서의 질화물 반도체 발광 소자의 발광 강도의 관계를 도 15에 나타낸다. 횡축에 p형 AlGaN의 Al 조성 비율을, 종축에 발광 강도를 나타내고, 홀 캐리어 농도를 변화시킨 경우에 대한 그래프가 그려져 있다. 캐리어 농도 8×1016㎝-3의 곡선이나 5×1016㎝-3의 곡선과 같이, 캐리어 농도가 2×1017㎝-3 미만이 되면 곡선의 경사가 극단적으로 커져, Al 조성 비율이 작아짐에 따라, 발광 강도가 극단적으로 떨어진다.Next, as shown in Fig. 4, Fig. 15 shows the relationship between the Al composition, the hole carrier concentration, and the light emission intensity of the nitride semiconductor light emitting element in the configuration of Fig. 4 when the p-type
보통, p형 AlGaN의 Al 조성을 크게 하면, 배리어의 높이는 확보하기 쉽게 되지만, 밴드 갭이 커짐과 아울러, 불순물의 활성화율은 작아져, 같은 불순물 농도라도 캐리어 농도는 낮아진다. 캐리어 농도의 향상이 전자에 대한 확실한 장벽 높이를 정하므로, 적정하게 사용할 범위가 결정된다. 그 사용 범위로는, AlxGaN(0.02≤x≤0.15)으로 된다. 이 범위에서, 발광 강도가 극단적으로 저하되지 않고, 실용에 견디는 상태의 것을 찾으면, 적어도, 캐리어 농도가 2×1017㎝-3 이상이어야 하는 것을 알 수 있다.In general, when the Al composition of the p-type AlGaN is increased, the barrier height can be easily secured, but the band gap is increased, the impurity activation rate is reduced, and the carrier concentration is low even at the same impurity concentration. Since the enhancement of the carrier concentration determines a certain barrier height for the electrons, the range to be used appropriately is determined. The use range is Al x GaN (0.02? X ? 0.15). Within this range, it is understood that the carrier concentration should be at least 2 × 10 17 cm −3 or more if the luminescent intensity does not decrease to an extreme and finds a practically enduring state.
그런데, 상기 p형 AlGaN 클래드층의 성장에 대해서는, 기판 온도가 950℃에서도 형성 가능하지만, p형 AlGaN의 경우, 결정성을 좋게 하여 캐리어 보상 효과의 발생이나 잔류 전자 농도의 증대를 막아, 홀 농도(캐리어 농도)를 높게 유지하기 위해서는, 상술한 바와 같이, 1000℃ 이상의 성장 온도가 바람직하다.By the way, the growth of the p-type AlGaN cladding layer can be formed even at a substrate temperature of 950 ° C. However, in the case of p-type AlGaN, the crystallinity is improved to prevent the occurrence of carrier compensation effect and increase of the residual electron concentration, thereby increasing the hole concentration. In order to keep (carrier concentration) high, as mentioned above, the growth temperature of 1000 degreeC or more is preferable.
도 16은 성장 온도에 의해, 결정성이 변화하는 상태를 나타내는 것이다. 종축은 포토루미네선스 강도(임의 단위)를, 횡축은 발광 파장을 나타낸다. 종축은 측정된 포토루미네선스 강도(PL 강도)를 나타내고, 도면에 나타내는 PK 부분의 피크 강도(GaN의 피크 강도)를 기준으로 하여 상대적으로 나타낸 것이다. 이것은 사파이어 기판 상에 언도프 GaN을 적층하고, 이 언도프 GaN 상에 AlGaN 단막 2000Å를 적층한 구성이고, 여기 광원으로는 He-Cd 레이저를 이용하고, 여기 강도 2.5mW, 측정 온도 12K로 측정했다. 여기서, K는 절대 온도를 나타내는 캘빈이다.Fig. 16 shows a state in which crystallinity changes with growth temperature. The vertical axis represents photoluminescence intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents emission wavelength. The vertical axis represents the measured photoluminescence intensity (PL intensity) and is relatively shown based on the peak intensity (peak intensity of GaN) of the PK portion shown in the drawing. This is a configuration in which undoped GaN is laminated on a sapphire substrate, and an AlGaN monolayer 2000 Å is laminated on this undoped GaN. The excitation light source was measured at an excitation intensity of 2.5 mW and a measurement temperature of 12 K using a He-Cd laser. . Where K is Kelvin representing the absolute temperature.
p형 AlGaN은 기판 온도 950℃에서 성장시켜도 좋지만, 도 16에 나타내는 바와 같이, 기판 온도 950℃로 성장시킨 경우에는, 깊은 준위 발광이라고 불리는 현상이 발생한다. 이것은 AlGaN 중의 캐리어 보상 효과의 발생이나 밴드 갭 내에 새로운 준위, 즉 결정 결함이 발생하는 것을 나타내고, 홀 농도가 감소하는 것으로 이어진다. 한편, 기판 온도 1010℃로 성장시켜, 결정성을 더욱 좋게 한 경우에는, 깊은 준위 발광은 발생하지 않으므로, 홀 농도는 그대로 유지되게 되어, 홀의 주입 효율이 열화하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, p형 AlGaN의 결정성을 더욱 향상시키기 위해서는 1000℃ 이상의 성장 온도가 바람직한 것을 알 수 있다.Although p-type AlGaN may be grown at a substrate temperature of 950 ° C, as shown in FIG. 16, when grown at a substrate temperature of 950 ° C, a phenomenon called deep level emission occurs. This indicates that the carrier compensation effect in AlGaN or the new level, that is, crystal defects, occurs in the band gap, resulting in a decrease in the hole concentration. On the other hand, when growing at a substrate temperature of 1010 ° C. to improve crystallinity, deep state light emission does not occur, so that the hole concentration is maintained as it is, and deterioration of the hole injection efficiency can be prevented. Therefore, in order to further improve the crystallinity of p-type AlGaN, it turns out that the growth temperature of 1000 degreeC or more is preferable.
도 16에서 설명한 바와 같이, p형 AlGaN의 결정성을 매우 좋게 하기 위해서는, 1000℃ 이상의 성장 온도 쪽이 좋지만, 일반적으로, p형 GaN, p형 AlGaN과 같은 InGaN을 제외한 p형 층을 MOCVD법으로 제작하고자 하면, 그 성장 온도는 적어도 950℃ 이상의 고온이 바람직하다. 단, p형의 전류 주입층에 사용되는 AlXGaYN(단, X+Y=1, 0≤X<1, 0<Y≤1)을, 950℃ 이상의 고온으로 성장시키면, 양호한 p형 전도를 나타내는 결정이 얻어지지만, 950℃보다 낮은 온도로 제작하면 결정의 불완전성이 매우 커져, 캐리어 보상 효과나 잔류 전자 농도의 증대에 의해, 홀 농도가 향상하지 않아, 양호한 p형 전도를 나타내는 결정이 얻어지지 않는다.As described in FIG. 16, in order to make the crystallinity of p-type AlGaN very good, the growth temperature of 1000 ° C. or higher is better. In order to produce, the growth temperature is preferably at least 950 ° C or higher. However, when Al X Ga Y N (where X + Y = 1, 0 ≦ X <1, 0 <Y ≦ 1) used for a p-type current injection layer is grown at a high temperature of 950 ° C. or higher, a good p-type Crystals exhibiting conductivity are obtained, but when fabricated at a temperature lower than 950 ° C., the imperfections of the crystals become very large, and the hole concentration does not improve due to the carrier compensation effect or the increase in the residual electron concentration, and the crystal exhibits good p-type conductivity. This is not obtained.
그런데, 특히, 산업 상으로 특별히 중요한 질화물을 사용한 410㎚ 이상의 피크 파장에서 발광하는 가시광 LED에서는, 활성층(6)의 InGaN 우물층(6c)의 In 조성이 10% 이상으로도 되지만, In 조성 비율이 높아질수록, 고온 상태로 두면 In이 승화하여 깨지기 쉽게 되어, 발광 효율이 극단적으로 떨어진다. 따라서, p형의 AlXGaYN을 950℃을 초과하는 고온으로 성장시키면, p형의 AlXGaYN층의 결정성은 향상되지만, 이미 성막되어 있는 In 조성 비율이 높은 활성층 중의 In 성분이 분해되어, 발광 효율이 현저히 떨어져 버린다고 하는 문제가 있었다.By the way, especially in the visible light LED which light-emits at the peak wavelength of 410 nm or more using nitride which is especially important industrially, although the In composition of the InGaN well layer 6c of the
이 상태를 나타내는 것이 도 19이다. 질화물 반도체 발광 소자로는, 상술한 도 1 또는 도 4의 구성을 이용하여, 활성층(6)의 In 조성 비율 범위를 아래와 같이 변경했다. InGaN 우물층(6c)의 In 조성이 10% 이상, 즉 410㎚ 이상의 피크 파장을 갖는 경우의 활성층(6)의 구성의 일례로서, 장벽층(6b)은 Si 도핑 농도가 5×1016㎝-3~5×1018㎝-3이고, 막 두께 100~350Å, 바람직하게는 150~300Å의 Inz2GaN(0≤z2≤0.03)으로 구성했다. 한편, 우물층(6c)은, 예컨대, 막 두께 30Å의 넌도핑 Iny2GaN(0.15≤y2≤0.18)로 구성한다. 또, 우물층(6c)에 불순물을 도핑하는 경우는, Si 도핑 농도를 5×1018㎝-3 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 우물층이 3~8층, 바람직하게는 5~7층이 되도록 구성한다.This state is shown in FIG. As the nitride semiconductor light emitting device, the In composition ratio range of the
도 17은, 질화물 반도체 발광 소자가, p형 GaN계 콘택트층 또는 p형 AlGaN 클래드층의 성장 온도에 따라, 어떻게 발광 효율이 변화해 가는지를 나타낸다. 예컨대, 도 1의 구성에서 p형 GaN계 콘택트층을 p형 GaN 콘택트층으로 하고, 그 성장 온도를 일정하게 유지하고, p형 GaN 콘택트층의 성장 시간을 27분이 되도록 하여 발광 소자를 형성한 후, 내부 양자 효율을 측정을 하며, 또한, p형 GaN 콘택트층의 성장 온도를 변경하여, 각 성장 온도마다의 내부 양자 효율을 측정했다. 성장 온도는 1회 째의 측정에서는 880℃, 2회 째의 측정에서는 950℃, 3회 째의 측정에서는 1010℃, 4회 째의 측정에서는 1060℃으로 했다. 도 17에서, 횡축은 p형 GaN 콘택트층의 성장 온도를 나타내고, 종축은 발광 소자의 내부 양자 효율(%)을 나타낸다.Fig. 17 shows how the light emitting efficiency of the nitride semiconductor light emitting device changes with the growth temperature of the p-type GaN-based contact layer or the p-type AlGaN cladding layer. For example, in the configuration shown in FIG. 1, the p-type GaN-based contact layer is a p-type GaN contact layer, the growth temperature is kept constant, and the growth time of the p-type GaN contact layer is 27 minutes to form a light emitting device. The internal quantum efficiency was measured, and the growth temperature of the p-type GaN contact layer was changed to measure the internal quantum efficiency for each growth temperature. The growth temperature was set at 880 ° C in the first measurement, 950 ° C in the second measurement, and 1010 ° C in the third measurement and 1060 ° C in the fourth measurement. In Fig. 17, the horizontal axis represents the growth temperature of the p-type GaN contact layer, and the vertical axis represents the internal quantum efficiency (%) of the light emitting device.
그런데, 내부 양자 효율은 아래와 같이 구해진다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 절대 온도 12K(K는 캘빈을 나타냄)의 경우의 PL(포토루미네선스) 적분 강도값(도면의 12K의 곡선의 면적)을 J(12K)로 나타낸다. 다음에 절대 온도가 290K인 경우의 PL 강도 분포 곡선을 적분하고, 그 PL 적분 강도값(도 12의 RT=290K의 곡선의 면적)을 구하여, 이 PL 적분 강도값을 I(290K)로 한다. 이와 같이 하여, 12K으로부터 290K까지의 사이의 몇 점인가의 샘플 온도에서의 PL 적분 강도값을 구하여, 도 13에 나타내는 바와 같이, 플로팅하여 그래프를 그린다. 도 17의 횡축은 절대 온도의 역수이고 아레니우스 플롯으로 되어있다.By the way, the internal quantum efficiency is obtained as follows. As shown in FIG. 12, PL (photoluminescence) integral intensity value (area of the curve of 12K of a figure) in the case of
발광 효율이 가장 좋은 상태의 PL 강도 적분값의 평균을 I(12K)로 나타내고, 이 I(12K)가 기준으로 된다. 내부 양자 효율 η=I(290K)/I(12K)로 나타내어진다. 따라서, 내부 양자 효율이 높은 쪽이 발광 효율이 좋고, 발광 강도도 큰 것으로 된다.The average of the PL intensity integrated values in the state with the best luminous efficiency is represented by I (12K), and this I (12K) is used as a reference. It is represented by internal quantum efficiency η = I (290 K) / I (12 K). Accordingly, the higher the internal quantum efficiency is, the better the light emission efficiency is and the higher the light emission intensity is.
이상과 같이 하여 구한 내부 양자 효율에 근거하여 나타낸 도 18로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1010℃을 초과하고 나서부터, 발광 효율이 가속도적으로 나빠져 간다. 이와 같이 p형 GaN층이나 p형 AlGaN층의 결정성을 양호하게 유지하면서, 활성층(6)의 InGaN 우물층(6c)을 열화시키지 않는 성장 온도로는, 도 18로부터, 950℃~1010℃까지의 사이로 하는 것이 바람직하다.As can be seen from FIG. 18 shown on the basis of the internal quantum efficiency obtained as described above, the emission efficiency deteriorates rapidly after exceeding 1010 ° C. Thus, as a growth temperature which does not deteriorate the InGaN well layer 6c of the
도 18에서는, 성장 시간을 27분으로 고정하고 있어, 성장 온도와 성장 시간의 관계를 모르기 때문에, 이하의 항목에 관해서도 측정했다. 예컨대, 도 1의 구성에서, p형 GaN계 콘택트층(8)을 p형 GaN 콘택트층으로 하고, 전술한 바와 같이, 우물층(6c)의 In 조성이 10% 이상으로 되도록 한 질화물 반도체 발광 소자이고, 활성층(6)의 우물층 중 p쪽에 가장 가까운 우물층의 성막 종료로부터 p형 GaN 콘택트층의 성막 종료까지의 성장 시간과 내부 양자 효율의 관계를 측정했다. 그 결과를 나타내는 것이 도 19이며, 횡축은 상기의 성장 시간을, 종축은 내부 양자 효율을 나타내고, p쪽에 가장 가까운 우물층의 성막 종료로부터 p형 GaN 콘택트층의 성막 종료까지의 성장 온도를 1회 째에는 900℃, 2회 째에는 950℃, 3회 째에는 1010℃ 로 변화시켜, 각 성장 온도마다 측정했다.In Fig. 18, the growth time is fixed at 27 minutes, and since the relationship between the growth temperature and the growth time is not known, the following items were also measured. For example, in the configuration of FIG. 1, the nitride semiconductor light emitting device in which the p-type GaN-based
여기서, p쪽에 가장 가까운 우물층의 성막 종료로부터 p형 GaN 콘택트층의 성막 종료까지의 성장 시간이란, 도 2의 구조를 갖는 경우는, 장벽층(6a)과 언도프 InGaN층(7)과 p형 GaN 콘택트층의 각 성장 시간의 합계이며, 다른 한편으로, 도 3의 구조를 갖는 경우는, 언도프 InGaN층(7)과 p형 GaN 콘택트층의 각 성장 시간의 합계로 된다.Here, the growth time from the completion of the formation of the well layer closest to the p side to the completion of the deposition of the p-type GaN contact layer means that the barrier layer 6a, the
도 19에 나타내는 3점의 측정점 중, 중간의 측정점은 성장 시간 27분을 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 성장 온도가 900℃의 경우는, 성장 시간이 길게 걸리더라도, 발광 강도에의 영향은 경미하지만, 950℃ 이상으로 되면, 성장 시간이 길수록, 발광 강도가 극단적으로 떨어지는 것을 알 수 있다. 이것은 활성층(6)의 InGaN 우물층(6c)이 고온으로 가열되는 시간이 길어지면, In의 승화 등에 의해 열화하기 때문이다. 즉, 활성층의 p쪽에 가장 가까운 우물층의 성막 종료로부터 950℃ 이상의 성장 온도로 반도체층을 성장시키는 경우에는, 성장 시간의 합계로는 30분이 한계인 것을 이해할 수 있다.Of the three measurement points shown in FIG. 19, the intermediate measurement point represents 27 minutes of growth time. As shown in the figure, when the growth temperature is 900 ° C., even though the growth time is long, the influence on the luminescence intensity is small. Can be. This is because if the InGaN well layer 6c of the
또한, 도 4의 구성의 질화물 반도체 발광 소자이면, 도 1의 구성에 더하여 p형 AlGaN 클래드층이 증가하는 것으로 되므로, p형 AlGaN 클래드층의 성장 시간을 더한 상태에서, 성장 온도 950℃ 이상이 되는 시간의 누계를, 30분 이내로 해야 하는 것으로 된다.In addition, in the case of the nitride semiconductor light emitting device of the configuration shown in FIG. 4, the p-type AlGaN cladding layer is increased in addition to the configuration of FIG. 1, so that the growth temperature of the p-type AlGaN cladding layer is increased to 950 ° C. or more. The total of time should be within 30 minutes.
활성층(6)의 InGaN 우물층(6c)의 In 조성이 10% 이상, 즉 410㎚ 이상의 피크 파장을 갖는 경우의 도 1, 4의 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법이지만, 기본 적으로는 상술한 방법과 같다. 따라서, 도 1의 구성에서 도 2 또는 도 3의 구조를 갖는 경우에는, 성장 온도가 950℃ 이상으로 되는 대상의 층은 p형 GaN계 콘택트층(8)으로만 되어, p형 GaN계 콘택트층(8)의 성장 시간을 30분 이내로 하는 것에 상당한다. 한편, 도 4의 구성에서 도 2 또는 도 3의 구조를 갖는 경우는, 성장 온도 950℃ 이상으로 되는 대상의 층은 p형 AlGaN 클래드층(11)과 p형 GaN계 콘택트층(8)으로 되어, 이들 2개의 층의 성장 시간의 합계가 30분 이내이면 좋은 것으로 된다.Although the In composition of the InGaN well layer 6c of the
그러나, 언도프 InGaN층(7)을 성장 온도 750℃ 정도로 하지 않고, 950℃ 이상의 고온으로 열처리를 행하여, 표면의 요철을 확실히 없애 캐리어 보상 센터를 확실히 적게 할 수도 있고, 이와 같이 한 경우에는, 성장 온도 950℃ 이상으로 되는 시간의 누계를 30분 이내로 하기 위해, 각 층의 막 두께를 조정해야 하는 경우도 발생한다.However, the
그런데, 앞서 설명한 제조 방법에서는, 도 1의 구성의 경우에는, p형 GaN계 콘택트층(8)으로서 p형 GaN층을 이용하고, 성장 온도를 1000~1030℃(예컨대, 1010℃)로 높여, 예컨대, 700Å 성장시키도록 했지만, 특히 In 조성이 높은 녹색 LED 등의 경우는, 이것에서도 InGaN 우물층(6c)이 열 분해되므로, 이 경우는 p형 GaN계 콘택트층(8)의 성장 온도를 800~900℃로 억제한다. 성장 온도를 800~900℃로 하는 대신, 이 성장 온도로 고농도의 홀 캐리어 농도를 낼 수 있는 Mg가 도핑된 p형 InGaN층을 p형 GaN계 콘택트층(8)으로서 이용한다. p형 InGaN층의 In 조성 비율은 성장 온도로 결정되지만, 0.5%~3% 정도로 충분하다. 이와 같이, 성장 온도 950℃ 이상으로 되는 성장 시간의 합계를 아주 작게 하는 것에 의해, In 조성이 특히 높은 녹색 LED 등에 대응할 수 있다.By the way, in the manufacturing method mentioned above, in the case of the structure of FIG. 1, using a p-type GaN layer as the p-type GaN
도 1의 구성에서, p형 InGaN 콘택트층을 이용한 경우, 활성층(6)의 우물층 중 가장 p형 질화물 반도체층에 가까운 우물층의 성막 종료로부터 p형 GaN계 콘택트층(8)의 성막 종료까지, 성장 온도가 950℃를 초과하는 성장 시간의 누계를 0으로 할 수 있어, In 조성이 특히 높는 녹색 LED 등의 경우는, 효과적인 수단으로 된다.In the configuration of FIG. 1, when the p-type InGaN contact layer is used, the film formation of the well layer closest to the p-type nitride semiconductor layer among the well layers of the
한편, 도 4의 구성에서는, p형 AlGaN 클래드층(11)을, 예컨대, 200Å 형성하지만, AlGaN 성장은 950℃ 정도의 온도, 바람직하게는 1000℃ 이상 정도로 행하지만, 이 때, p형 GaN계 콘택트층(8)은 비율을 높이든지, 막 두께를 얇게 취하든지 하여, 950℃ 이상의 성장 시간이 30분 이하가 되도록 조정한다. 가능한 한 15분 이하가 바람직하다.On the other hand, although the p-type
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020087031114A KR20090026299A (en) | 2008-12-22 | 2006-05-26 | Nitride semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020087031114A KR20090026299A (en) | 2008-12-22 | 2006-05-26 | Nitride semiconductor light emitting device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20090026299A true KR20090026299A (en) | 2009-03-12 |
Family
ID=40694305
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020087031114A Withdrawn KR20090026299A (en) | 2008-12-22 | 2006-05-26 | Nitride semiconductor light emitting device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20090026299A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011081474A3 (en) * | 2009-12-31 | 2011-11-03 | 우리엘에스티 주식회사 | Semiconductor light emitting device, and preparation method thereof |
CN113574215A (en) * | 2019-03-28 | 2021-10-29 | 日本碍子株式会社 | Base substrate and method for manufacturing the same |
-
2006
- 2006-05-26 KR KR1020087031114A patent/KR20090026299A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011081474A3 (en) * | 2009-12-31 | 2011-11-03 | 우리엘에스티 주식회사 | Semiconductor light emitting device, and preparation method thereof |
CN113574215A (en) * | 2019-03-28 | 2021-10-29 | 日本碍子株式会社 | Base substrate and method for manufacturing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5087540B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
US8053756B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting element | |
JP3594826B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same | |
US8314415B2 (en) | Radiation-emitting semiconductor body | |
CN101689586B (en) | Nitride semiconductor light emitting element and method for manufacturing nitride semiconductor | |
US20090179190A1 (en) | Nitride Semiconductor Light Emitting Element | |
JP2003037289A (en) | Low drive voltage group III nitride light emitting device | |
KR20100006548A (en) | Group iii nitride based semiconductor light emitting element and epitaxial wafer | |
JP2010067709A (en) | Semiconductor light-emitting element, and wafer | |
JP2010521059A (en) | Deep ultraviolet light emitting device and method for manufacturing the same | |
KR101294518B1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof | |
JP2008118049A (en) | GaN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE | |
KR102092517B1 (en) | Method for manufacturing nitride semiconductor ultraviolet light emitting device and nitride semiconductor ultraviolet light emitting device | |
JP2008277714A (en) | GaN-based semiconductor light emitting diode manufacturing method | |
CN112802869A (en) | White light LED with adjustable single-chip integrated nitride light-emitting wavelength and preparation method thereof | |
KR20090026299A (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
JP3763701B2 (en) | Gallium nitride semiconductor light emitting device | |
KR20090021182A (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
KR20090021177A (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
KR101373804B1 (en) | White light emitting diode and fabrication method thereof | |
WO2019097963A1 (en) | Group iii nitride semiconductor | |
JP5733295B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and method for manufacturing nitride semiconductor light emitting device | |
KR101387543B1 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
WO2025134884A1 (en) | Ultraviolet semiconductor light emitting element and method for manufacturing same | |
KR20010019357A (en) | III-nitride semiconductor light emitting device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PA0105 | International application |
Patent event date: 20081222 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
|
PG1501 | Laying open of application | ||
PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |