JP2006303259A - Nitride semiconductor light-emitting device and method of growing nitride semiconductor - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオードのような光デバイスに利用される窒化物半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、同一の基板上に高輝度の白色発光が可能な窒化物半導体発光素子とこの発光素子を形成するための窒化物半導体の成長方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light-emitting element used in an optical device such as a light-emitting diode or a laser diode, and more specifically, a nitride semiconductor light-emitting element capable of emitting high-intensity white light on the same substrate and the light emission. The present invention relates to a nitride semiconductor growth method for forming an element.
窒化物半導体を用いて白色光を得る方法としては、窒化物半導体で形成された青色発光ダイオードと蛍光体を組み合わせる方法が知られており、液晶ディスプレイ用のバックライト光源として実用化されている。電気が直接光に変わる現象はエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）というが、光が別の波長の光に変わる現象をフォトルミネッセンス（ＰＬ）という。このＥＬとＰＬを組み合わせて、青色発光ダイオードとＹＡＧ系蛍光体などで白色ＬＥＤを実現することができる。より詳しく説明すると、青色発光ダイオードからの青色光が蛍光体に吸収されると、蛍光体は青色光の波長より短い黄色光を発し、この黄色光と吸収されなかった青色光が混色して白色光となるのである。同様に、紫外発光ダイオードと蛍光体の組み合わせで白色光を得る方法も知られている。 As a method of obtaining white light using a nitride semiconductor, a method of combining a blue light emitting diode formed of a nitride semiconductor and a phosphor is known, and has been put into practical use as a backlight light source for a liquid crystal display. The phenomenon in which electricity is directly changed to light is called electroluminescence (EL), but the phenomenon in which light is changed to light of another wavelength is called photoluminescence (PL). By combining EL and PL, a white LED can be realized with a blue light emitting diode and a YAG phosphor. More specifically, when blue light from the blue light emitting diode is absorbed by the phosphor, the phosphor emits yellow light shorter than the wavelength of the blue light, and the yellow light and the unabsorbed blue light are mixed and white. It becomes light. Similarly, a method of obtaining white light by a combination of an ultraviolet light emitting diode and a phosphor is also known.
また、下記特許文献１では、ＧａＮを用いたフルカラーＬＥＤチップの構造が提案されている。このＬＥＤチップは、図６に示すように、サファイア基板５１上にｎ型の Al0.23In0.66Ga0.11Nからなるクラッド層５２、n型あるいはp型の In0.89Ga0.11Nからなる活性層５３、p型のAl0.23In0.66Ga0.11Nからなるクラッド層５４、n型あるいはp型のIn0.63Ga0.37Nからなる活性層５５、p型のAl0.23In0.66Ga0.11Nからなるクラッド層５６、n型あるいはp型のAl0.13In0.63Ga0.24Nからなる活性層５７、p型のAl0.23In0.66Ga0.11Nからなるクラッド層５８を順次形成した発光素子である。この発光素子は各クラッド層に設けられた電極α、β、γ、δに選択的に通電することにより、各活性層５３、５５、５７が発光し、これにより、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、シアン（Ｓ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ホワイト（Ｗ）を発光するようになっている。 In Patent Document 1 below, a structure of a full color LED chip using GaN is proposed. As shown in FIG. 6, this LED chip has a clad layer 52 made of n-type Al 0.23 In 0.66 Ga 0.11 N, an active layer 53 made of n-type or p-type In 0.89 Ga 0.11 N on a sapphire substrate 51, cladding layer 56 made of p-type Al 0.23 in 0.66 Ga 0.11 of the active layer 55, p-type n consists cladding layer 54, n-type or p-type an in 0.63 Ga 0.37 n consisting of Al 0.23 in 0.66 Ga 0.11 n, n This is a light emitting device in which an active layer 57 made of p-type Al 0.13 In 0.63 Ga 0.24 N and a clad layer 58 made of p-type Al 0.23 In 0.66 Ga 0.11 N are sequentially formed. In this light-emitting element, when the electrodes α, β, γ, and δ provided in the respective cladding layers are selectively energized, the active layers 53, 55, and 57 emit light, whereby red (R), green ( G), blue (B), cyan (S), magenta (M), yellow (Y), and white (W) are emitted.
上述した発光ダイオードと蛍光体の組み合わせによる白色光では、自然光に近い演色性の良い白色光を得ることができるが、色の再現性が悪いため、ディスプレイなどの画像表示機器用の白色光としては性能的に不十分であるという問題がある。また、コーティングなどによって発光素子の表面に蛍光体を設ける必要があり、製造工程が煩雑であり、単一の素子として白色発光を得ることは困難であるという問題がある。また、再現性を良くするために、様々な色の蛍光体を増やすという方法もあるが、増やしすぎると蛍光体に光の多くが吸収されてエネルギー効率が下がるという問題もある。 The white light by the combination of the light emitting diode and the phosphor described above can obtain white light having good color rendering properties close to natural light. However, since the color reproducibility is poor, white light for image display equipment such as a display can be obtained. There is a problem of insufficient performance. Further, it is necessary to provide a phosphor on the surface of the light emitting element by coating or the like, and the manufacturing process is complicated, and it is difficult to obtain white light emission as a single element. In order to improve reproducibility, there is a method of increasing the phosphors of various colors. However, if the number of phosphors is increased too much, there is a problem that much of the light is absorbed by the phosphors and energy efficiency is lowered.
また、特許文献１に開示された従来技術では次のような問題がある。ＩｎＧａＮ系ＬＥＤでは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ中のＩｎのモル分率ｘを変えることにより、その発光波長が変化する。このため、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光することは理論的には可能であるが、このうち赤色（Ｒ）を発光するものでは、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率を約０．３５以上に高める必要がある。ここで図７はＩｎＧａＮのＩｎのモル分率ｘと平行温度との関係図である。この図に示すように、６５０ｎｍ前後の赤色（Ｒ）を発光する赤色ＬＥＤを形成するために、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ中のモル分率ｘを約０．３５以上に高めると、その平行温度は常圧（１ａｔｍ）で約６５０℃となる。そのため、ＩｎＧａＮの半導体被膜を成長させる過程で基板や形成されたＩｎＧａＮを約６５０℃以上に加熱すると、ＩｎＧａＮが熱分解してしまう。 The prior art disclosed in Patent Document 1 has the following problems. In an InGaN-based LED, the emission wavelength changes by changing the molar fraction x of In in In x Ga 1-x N. For this reason, it is theoretically possible to emit red (R), green (G), and blue (B), but among those emitting red (R), the mole fraction of In in InGaN. The rate needs to be increased to about 0.35 or higher. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the In mole fraction x of InGaN and the parallel temperature. As shown in this figure, when the molar fraction x in In x Ga 1-x N is increased to about 0.35 or more in order to form a red LED emitting red (R) of around 650 nm, the parallelism is increased. The temperature is about 650 ° C. at normal pressure (1 atm). Therefore, if the substrate or the formed InGaN is heated to about 650 ° C. or higher in the process of growing the InGaN semiconductor film, the InGaN is thermally decomposed.
一方、上記特許文献１の発光素子の製造工程では、窒素の前駆体としてアンモニアを用いるが、アンモニアはＮ−Ｈの結合エネルギーが大きいため、基板上で反応させるためには、基板温度をできるだけ上げる必要がある（例えば１０００℃程度）。ところが、赤色を発光するＩｎＧａＮは、Ｉｎのモル分率が高く、上述したように、Ｉｎのモル分率が高くなると、ＩｎＧａＮが熱分解していまい、赤色発光のＩｎＧａＮを成長させることができなかった。すなわち、高濃度のＩｎを含む活性層は、活性層やクラッド層の成長時に熱分解してしまうため、形成することができなかった。このため、上述した特許文献１の発光素子では、赤色発光の活性層を形成することができず、色再現性のよい白色光を得ることができなかった。 On the other hand, in the manufacturing process of the light-emitting element of Patent Document 1, ammonia is used as a nitrogen precursor. Since ammonia has a large N—H bond energy, the substrate temperature is raised as much as possible in order to react on the substrate. It is necessary (for example, about 1000 ° C.). However, InGaN that emits red light has a high mole fraction of In. As described above, when the mole fraction of In increases, InGaN does not thermally decompose, and it is not possible to grow red light-emitting InGaN. It was. That is, an active layer containing a high concentration of In cannot be formed because it thermally decomposes during the growth of the active layer and the cladding layer. For this reason, in the light emitting element of Patent Document 1 described above, an active layer emitting red light cannot be formed, and white light with good color reproducibility cannot be obtained.
また、上記特許文献１の発光素子は、複数の活性層５３、５５、５７をそれぞれｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層で挟む構造であるため、実際は、各活性層５３、５５、５７の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を挟む構造とする必要があり、製造工程数が多くなるという問題があった。 In addition, the light-emitting element of Patent Document 1 has a structure in which a plurality of active layers 53, 55, and 57 are sandwiched between a p-type cladding layer and an n-type cladding layer, respectively. There is a problem that a structure in which the p-type clad layer and the n-type clad layer are sandwiched therebetween is required, and the number of manufacturing steps increases.
本発明は、上述した問題点に鑑み、製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子と、この発光素子を形成するための窒化物半導体の成長方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention can reduce the number of manufacturing steps, and can suppress deterioration of an active layer containing In by growing a nitride semiconductor film at a temperature at which InGaN is not thermally decomposed. It can emit white light with sufficient color reproducibility in terms of performance for liquid crystal backlights and display-related equipment, and has good color rendering properties close to natural light required for white light for general lighting. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device capable of emitting white light and a method for growing a nitride semiconductor for forming the light emitting device.
上記課題を解決するために、第１の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層が積層されてなる窒化物半導体発光素子において、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されている、ことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a first invention is a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type layer made of a nitride semiconductor, an active layer, and a p-type layer are stacked on a substrate. A carrier generation layer doped with both an n-type dopant and a p-type dopant is formed between a plurality of different active layers.
第２の発明は、上記第１の発明において、前記活性層は、ＩｎＮからなる井戸層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ：０≦ｙ≦０．３）からなる障壁層とが交互にそれぞれ積層して構成され、該井戸層と障壁層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以下であり、これにより超格子構造を形成している、ことを特徴とするものである。 In a second aspect based on the first aspect, the active layer includes a well layer made of InN, In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3), or aluminum gallium nitride (Al y Ga 1). -Y N: 0 ≦ y ≦ 0.3) are alternately stacked, and the thicknesses of the well layer and the barrier layer are each 10 nm or less, thereby forming a superlattice structure. It is characterized by that.
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記複数の活性層は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層である、ことを特徴とするものである。 According to a third invention, in the first or second invention, the plurality of active layers are three active layers emitting red (R), green (G), and blue (B). It is what.
第４の発明は、上記第１〜第３の発明において、前記複数の活性層は、そのバンドギャップエネルギーが前記基板に近いものほど小さい、ことを特徴とするものである。 A fourth invention is characterized in that, in the first to third inventions, the plurality of active layers have smaller band gap energy as they are closer to the substrate.
第５の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、及びｐ型層を結晶成長させる窒化物半導体の成長方法において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、ＩｎＧａＮからなり互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、前記複数の活性層を成長させる各工程の間に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、最上層の前記活性層を成長させた後に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体と、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｐ型窒化物半導体膜又はｎ型窒化物半導体膜を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、を含む、ことを特徴とするものである。 A fifth invention is a nitride semiconductor growth method in which an n-type layer, an active layer, and a p-type layer made of a nitride semiconductor are crystal-grown on a substrate, and a precursor of In, Ga, and N is contained in a reaction vessel. A plurality of active layers made of InGaN and having different band gap energies at a temperature of 650 ° C. or lower, while irradiating the growth target surface on the substrate with a pulsed laser, During each step of growing the active layer, a precursor, an n-type dopant and a p-type dopant corresponding to the type of nitride semiconductor film to be grown are supplied into the reaction vessel, and a pulse is applied to the growth target surface on the substrate. A step of growing a carrier generation layer doped with both an n-type dopant and a p-type dopant at a temperature of 650 ° C. or less while irradiating a laser, and the uppermost active layer After the growth, a precursor corresponding to the type of the nitride semiconductor film to be grown and an n-type dopant or a p-type dopant are supplied into the reaction vessel, and the growth target surface on the substrate is irradiated with a pulse laser, And a step of growing a p-type nitride semiconductor film or an n-type nitride semiconductor film at a temperature of 650 ° C. or lower in the irradiated portion.
第６の発明は、上記第５の発明において、前記複数の活性層を形成する工程において、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、前記複数の活性層を形成した後に、急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ：ＲＴＡ）を実施する工程を更に含む、ことを特徴とするものである。 According to a sixth invention, in the fifth invention, in the step of forming the plurality of active layers, three active layers emitting red (R), green (G), and blue (B) are formed, The method further includes a step of performing rapid thermal annealing (RTA) after forming the plurality of active layers.
上記第１の発明によれば、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されているので、このキャリア発生層１層で、その上下の活性層にキャリアである電子と正孔を注入することができる。このため、従来技術では、各活性層の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層をそれぞれ形成する必要があったが、本発明によれば、キャリア発生層により両者の機能を兼ね備えているため、ｐ型又はｎ型のクラッド層１層分の形成工程を削減することができ、これにより、発光素子の製造時間を短縮しかつコストを削減することができる。 According to the first aspect of the invention, the carrier generation layer doped with both the n-type dopant and the p-type dopant is formed between the plurality of active layers having different band gap energies. In the layer, electrons and holes which are carriers can be injected into the upper and lower active layers. For this reason, in the prior art, it is necessary to form a p-type cladding layer and an n-type cladding layer between each active layer, but according to the present invention, the carrier generation layer has both functions. Therefore, the formation process for one p-type or n-type clad layer can be reduced, whereby the manufacturing time of the light-emitting element can be shortened and the cost can be reduced.
上記第２の発明によれば、井戸層と障壁層を交互にそれぞれ１０ｎｍ以下の膜厚に成長させるので、原子レベルでも制御された歪みの少ない超格子構造を形成することができる。このため、Ｉｎの比率範囲が広く発光効率の高い活性層を得ることができ、高輝度で発光する窒化物半導体素子を得ることができる。 According to the second aspect of the invention, since the well layers and the barrier layers are alternately grown to a thickness of 10 nm or less, it is possible to form a superlattice structure with less strain controlled even at the atomic level. Therefore, an active layer having a wide In ratio range and high luminous efficiency can be obtained, and a nitride semiconductor device that emits light with high luminance can be obtained.
上記第３の発明によれば、活性層は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であるので、これらの活性層からの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。 According to the third aspect of the invention, the active layer is the three active layers that emit red (R), green (G), and blue (B), and thus can be obtained by mixing light emitted from these active layers. White light has good color reproducibility, and a nitride semiconductor light-emitting element having sufficient color reproducibility in terms of performance for liquid crystal backlights and display-related devices can be obtained.
上記第４の発明によれば、複数の活性層は、そのバンドギャップエネルギーが基板に近いものほど小さいので、発光の際、短波長の光が長波長の光に吸収されて発光強度が低下するのを防止することができる。 According to the fourth aspect of the invention, since the plurality of active layers have smaller band gap energies as they are closer to the substrate, at the time of light emission, the short wavelength light is absorbed by the long wavelength light and the emission intensity is reduced. Can be prevented.
上記第５の発明によれば、活性層、キャリア発生層及びｐ型層又はｎ型層（クラッド層及び低抵抗層）を形成する際に、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射することより、前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができるので、６５０℃以下の温度で窒化物半導体膜を成長させることができる。このため、活性層、キャリア発生層及びｐ型層又はｎ型層（クラッド層及び低抵抗層）を形成する過程で、ＩｎＧａＮの熱分解を防止することができ、これにより、高濃度のＩｎを含む活性層を形成することができ、色再現性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。 According to the fifth aspect, when the active layer, the carrier generation layer, the p-type layer, or the n-type layer (cladding layer and low resistance layer) are formed, the surface to be grown on the substrate is irradiated with the pulse laser. Thus, the precursor can be excited at the irradiated portion to break its molecular bond (N—H bond, C-amine bond, etc.), and a nitride semiconductor film can be grown at a temperature of 650 ° C. or lower. . Therefore, thermal decomposition of InGaN can be prevented in the process of forming the active layer, the carrier generation layer, and the p-type layer or the n-type layer (cladding layer and low resistance layer). The nitride semiconductor light emitting element which can form the active layer containing and can emit white light with good color reproducibility is obtained.
上記第６の発明によれば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、かつ、急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ：ＲＴＡ）を実施するので、各活性層の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。 According to the sixth invention, three active layers emitting red (R), green (G), and blue (B) are formed, and rapid thermal annealing (RTA) is performed. A nitride semiconductor light emitting device capable of broadening the light emission profile of each active layer and thereby emitting white light having good color rendering properties close to natural light required for white light for general illumination. can get.
すなわち、本発明によれば、製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる、等の優れた効果が得られる。 That is, according to the present invention, the number of manufacturing steps can be reduced, and the deterioration of the active layer containing In can be suppressed by growing the nitride semiconductor film at a temperature at which InGaN is not thermally decomposed. It can emit white light with sufficient color reproducibility in terms of performance for use in backlights and display-related equipment, and it can emit white light with good color rendering that is close to the natural light required for white light for general lighting. Excellent effects such as being able to emit light are obtained.
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的断面図であり、基板１上に、バッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４、ＩｎＧａＮ活性層５、キャリア発生層６、ＩｎＧａＮ活性層７、キャリア発生層８、ＩｎＧａＮ活性層９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０、ｐ−ＧａＮ層１１が順に積層されている。これらの層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ）により成長形成される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. On a substrate 1, a buffer layer 2, an n-GaN layer 3, an n-AlGaN cladding layer 4, An InGaN active layer 5, a carrier generation layer 6, an InGaN active layer 7, a carrier generation layer 8, an InGaN active layer 9, a p-AlGaN cladding layer 10, and a p-GaN layer 11 are sequentially stacked. These layers are grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or metal organic molecular beam epitaxy (MOMBE).
基板１は、本実施形態ではサファイア基板であるが、他にシリコン、ＳｉＣ等を用いることができる。また、バッファ層２は、本実施形態ではＧａＮであるが、他にＧａＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ等で構成することができる。 In the present embodiment, the substrate 1 is a sapphire substrate, but silicon, SiC, or the like can also be used. In addition, the buffer layer 2 is GaN in the present embodiment, but may be composed of GaAlN, AlN, AlInN, or the like.
各ＩｎＧａＮ活性層５、７、９は、ＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率が異なることにより、互いにバンドギャップエネルギーが異なっており、最下層のＩｎＧａＮ活性層５は赤色（Ｒ）を発光し、中間層のＩｎＧａＮ活性層７は緑色（Ｇ）を発光し、最上層のＩｎＧａＮ活性層９は（Ｂ）を発光するようになっている。このように、活性層５、７、９は、そのバンドギャップエネルギーが基板１に近いものほど小さいのが好ましい。言い換えれば、発光波長の短い活性層ほど、発光観測面側（反基板側）に形成されているのが好ましい。このように活性層を形成することで、発光の際、短波長の光が長波長の光に吸収されて発光強度が低下するのを防止することができる。 The InGaN active layers 5, 7, and 9 have different band gap energies due to the different mole fraction of In in InGaN, and the lowest InGaN active layer 5 emits red (R), The upper InGaN active layer 7 emits green (G), and the uppermost InGaN active layer 9 emits (B). Thus, it is preferable that the active layers 5, 7, and 9 have smaller band gap energies as they are closer to the substrate 1. In other words, the active layer having a shorter emission wavelength is preferably formed on the light emission observation surface side (the counter substrate side). By forming the active layer in this manner, it is possible to prevent the light emission intensity from being reduced due to the absorption of the short wavelength light by the long wavelength light.
キャリア発生層６、８は、上記各活性層５、７、９の間に形成されている。また、キャリア発生層６、８は、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされた窒化物半導体層であり、この例では、ＡｌＧａＮ層である。ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。 The carrier generation layers 6 and 8 are formed between the active layers 5, 7 and 9. The carrier generation layers 6 and 8 are nitride semiconductor layers doped with both an n-type dopant and a p-type dopant, and in this example, are AlGaN layers. C, Si, Ge, Te, and Se can be used for the n-type dopant, and Mg, Be, Zn, Ca, Sr, and Cd can be used for the p-type dopant.
また、ｐ−ＧａＮ層１１の上にはｐ−電極１２が設けられ、ｎ−ＧａＮ層３の上にはｎ−電極１３が設けられている。ｐ−電極１２にはニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属を用いることができ、ｎ−電極１３にはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の金属を用いることができる。 A p-electrode 12 is provided on the p-GaN layer 11, and an n-electrode 13 is provided on the n-GaN layer 3. A metal such as nickel (Ni) or gold (Au) can be used for the p-electrode 12, and a metal such as aluminum (Al) or titanium (Ti) can be used for the n-electrode 13.
なお、本発明は、図１に示した窒化物半導体発光素子の構造に限られず、図２に示すように、ＧａＮバッファ層２の上に、ｐ−ＧａＮ層１１、ｐ−ＡｌＧａＮ層１０を形成し、最上層の活性層９の上にｎ−ＡｌＧａＮ層４、ｎ−ＧａＮ層３を形成した構造であってもよい。 The present invention is not limited to the structure of the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, and a p-GaN layer 11 and a p-AlGaN layer 10 are formed on the GaN buffer layer 2 as shown in FIG. The n-AlGaN layer 4 and the n-GaN layer 3 may be formed on the uppermost active layer 9.
このような構成の窒化物半導体発光素子によれば、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層５、７、９の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層６、８が形成されているので、このキャリア発生層１層で、その上下の活性層にキャリアである電子と正孔を注入することができる。このため、従来技術では、各活性層の間に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層をそれぞれ形成する必要があったが、本発明によれば、キャリア発生層により両者の機能を兼ね備えているため、ｐ型又はｎ型のクラッド層１層分の形成工程を削減することができ、これにより、発光素子の製造時間を短縮しかつコストを削減することができる。 According to the nitride semiconductor light emitting device having such a configuration, a carrier generation layer 6 in which an n-type dopant and a p-type dopant are both doped between a plurality of active layers 5, 7, 9 having different band gap energies. 8 is formed, it is possible to inject electrons and holes, which are carriers, into the upper and lower active layers in one carrier generation layer. For this reason, in the prior art, it is necessary to form a p-type cladding layer and an n-type cladding layer between each active layer, but according to the present invention, the carrier generation layer has both functions. Therefore, the formation process for one p-type or n-type clad layer can be reduced, whereby the manufacturing time of the light-emitting element can be shortened and the cost can be reduced.
また、この窒化物半導体発光素子によれば、活性層５、７、９は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層であるので、これらの活性層５、７、９からの発光の混色により得られる白色光は、色再現性が良く、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性をもつ窒化物半導体発光素子が得られる。 Further, according to this nitride semiconductor light emitting device, the active layers 5, 7, and 9 are three active layers that emit red (R), green (G), and blue (B). The white light obtained by the mixed color of light emitted from 5, 7, 9 has a good color reproducibility, and a nitride semiconductor light emitting device having sufficient color reproducibility for a liquid crystal backlight or a display-related device is obtained. It is done.
図３は、本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程で使用する半導体結晶膜の成長装置の一例を概略的に示す図である。 FIG. 3 is a view schematically showing an example of a semiconductor crystal film growth apparatus used in the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
図３に示すように、この成長装置は、少なくとも、結晶成長用の基板１を収容する反応容器２０と、ガス導入手段３２と、照射手段３０とを備えて構成されている。 As shown in FIG. 3, the growth apparatus includes at least a reaction vessel 20 that accommodates a crystal growth substrate 1, a gas introduction unit 32, and an irradiation unit 30.
反応容器２０は、内部に基板１を収容し、排気装置２４（例えば真空ポンプ）及びガス導入手段３２により内部を所定の圧力及びガス雰囲気に調整できる気密容器である。内部圧力は、成長させる半導体結晶膜に応じて加圧又は減圧するようになっている。 The reaction container 20 is an airtight container in which the substrate 1 is accommodated and the inside can be adjusted to a predetermined pressure and gas atmosphere by an exhaust device 24 (for example, a vacuum pump) and a gas introduction means 32. The internal pressure is increased or decreased according to the semiconductor crystal film to be grown.
反応容器２０の内部には、基板１を載置するステージ２１が設けられている。このステージ２１は反応容器２０内の外部に設けられたステージコントローラ２２によって二次元的に移動できるようになっている。基板１は、反応容器２０内で図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定温度（例えば６００℃）に保持される。基板１は本実施形態ではサファイアであるが、他にＳｉ、ＳｉＣであっても良い。 A stage 21 on which the substrate 1 is placed is provided inside the reaction vessel 20. The stage 21 can be moved two-dimensionally by a stage controller 22 provided outside the reaction vessel 20. The substrate 1 is held at a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) by a temperature adjusting means (for example, a heater) not shown in the reaction vessel 20. The substrate 1 is sapphire in the present embodiment, but may be Si or SiC.
ガス導入手段３２は、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体を供給する。ＩｎＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｉｎ（インジウム），Ｇａ（ガリウム），Ｎ（窒素）の前駆体である。ＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ｇａ、Ｎの前駆体である。ＡｌＧａＮを成長させる場合には、供給するガスは、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの前駆体である。この場合、Ｉｎの前駆体としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｇａの前駆体としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎの前駆体としてはアンモニア、Ｎ２Ｈ２（ヒドラジン）又はＴＭＮＨ２（トリメチルアミン）を使用することができる。 The gas introduction means 32 supplies a precursor corresponding to the type of nitride semiconductor film to be grown. When growing InGaN, the supplied gas is a precursor of In (indium), Ga (gallium), and N (nitrogen). In the case of growing GaN, the supplied gas is a precursor of Ga and N. In the case of growing AlGaN, the supplied gas is a precursor of Al, Ga, and N. In this case, TMI (trimethylindium) is used as the In precursor, TMG (trimethylgallium) is used as the Ga precursor, and ammonia, N 2 H 2 (hydrazine) or TMNH 2 (trimethylamine) is used as the N precursor. can do.
また、ｐ型又はｎ型の窒化物半導体を成長させる場合には、ガス導入手段３２は、上述した窒化物半導体の前駆体とともに、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントの一方又は双方を反応容器内に供給する。上述したように、ｎ型ドーパントにはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅを用いることができ、ｐ型ドーパントにはＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｄを用いることができる。 When a p-type or n-type nitride semiconductor is grown, the gas introducing means 32 includes one or both of the p-type dopant and the n-type dopant in the reaction vessel together with the nitride semiconductor precursor described above. Supply. As described above, C, Si, Ge, Te, and Se can be used as the n-type dopant, and Mg, Be, Zn, Ca, Sr, and Cd can be used as the p-type dopant.
照射手段１４は、光を出射する光源１５を有している。本実施形態では、光源１５はレーザである。レーザは、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等の高出力パルスレーザが好適であるが、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させることができるエネルギーに相当する波長のレーザ光を出射できるものであればこれに限定されない。 The irradiation unit 14 includes a light source 15 that emits light. In the present embodiment, the light source 15 is a laser. The laser is preferably a high-power pulsed laser such as an excimer laser or a YAG laser, but may be capable of emitting laser light having a wavelength corresponding to the energy capable of growing the crystal film by exciting and decomposing the precursor. It is not limited to this.
また、図３に示すように、照射手段３０は、さらに光学系１７と、ビームホモジナイザー１８と、ミラー１９とを備えており、光源１５から出射されたレーザ光１５ａは光学系及びビームホモジナイザー１８を通り、ミラー１９で下向きに反射され、反応容器２０に設けられた図示しないレーザ光透過窓を通して、基板１の上面に照射される。レーザ光１５ａはミラー１９の揺動又は光学系の移動により基板１上を走査する。 As shown in FIG. 3, the irradiation means 30 further includes an optical system 17, a beam homogenizer 18, and a mirror 19, and the laser light 15 a emitted from the light source 15 passes through the optical system and the beam homogenizer 18. As a result, the light is reflected downward by the mirror 19 and irradiated onto the upper surface of the substrate 1 through a laser light transmission window (not shown) provided in the reaction vessel 20. The laser beam 15a scans the substrate 1 by the swing of the mirror 19 or the movement of the optical system.
この装置では、高出力パルスレーザにより前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができる。このため、６５０℃未満の温度でもその部分にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を成長させることができる。 In this apparatus, the precursor can be excited at the irradiated portion by a high-power pulse laser to break the molecular bond (NH bond, C-amine bond, etc.). For this reason, GaN, InGaN, AlGaN or the like can be grown on the portion even at a temperature lower than 650 ° C.
上記半導体結晶膜の成長装置を用い、上記窒化物半導体発光素子を形成するための窒化物半導体を成長させる工程について、図１を参照して説明する。まず、反応容器２０内に基板１を収容し、基板１を図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定の温度に保持し、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体を供給して、基板１上にＧａＮバッファ層２を、ＭＯＣＶＤ又はＭＯＭＢＥにより結晶成長させる。なお、以降の工程の窒化物半導体の結晶成長についても、ＭＯＣＶＤ又はＭＯＭＢＥにより行う。 A process of growing a nitride semiconductor for forming the nitride semiconductor light emitting element using the semiconductor crystal film growth apparatus will be described with reference to FIG. First, the substrate 1 is accommodated in the reaction vessel 20, the substrate 1 is held at a predetermined temperature by a temperature adjusting means (for example, a heater) (not shown), Ga and N precursors are supplied into the reaction vessel 20, and the substrate is A GaN buffer layer 2 is grown on 1 by MOCVD or MOMBE. The crystal growth of the nitride semiconductor in the subsequent steps is also performed by MOCVD or MOMBE.
次に、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体と、ｎ型ドーパントを供給して、バッファ層２の上に、低抵抗層としてｎ−ＧａＮ層３を成長させる。次に、反応容器２０内にＡｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｎ型ドーパントを供給して、ｎ−ＧａＮ層の上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４を成長させる。 Next, Ga and N precursors and an n-type dopant are supplied into the reaction vessel 20 to grow the n-GaN layer 3 on the buffer layer 2 as a low resistance layer. Next, an n-type dopant is supplied into the reaction vessel 20 together with Al, Ga and N precursors, and the n-AlGaN cladding layer 4 is grown on the n-GaN layer.
次に、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器２０内に供給し、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を６５０以下の温度で成長させる。このとき、基板１は、上述した温度調整手段によりＩｎＧａＮが熱分解しない温度に保持されている。ＩｎＧａＮが熱分解しない温度は、６５０℃以下であるのがよい。また、５００℃未満ではＩｎＧａＮの結晶が成長しにくくなる。したがって、温度調整手段により基板の温度を５００〜６５０℃に保持することが好ましい。なお、以降の工程においても、成長させたＩｎＧａＮ活性層の熱分解を防止するために、基板１は、上述した温度調整手段によりＩｎＧａＮが熱分解しない温度に保持される。 Next, In, Ga, and N precursors are supplied into the reaction vessel 20, and the surface of the growth target on the substrate 1 is irradiated with a pulse laser, and the irradiated portion can emit red (R) light. Layer 5 is grown at a temperature of 650 or less. At this time, the substrate 1 is maintained at a temperature at which InGaN is not thermally decomposed by the temperature adjusting means described above. The temperature at which InGaN is not thermally decomposed is preferably 650 ° C. or lower. Further, if the temperature is lower than 500 ° C., the InGaN crystal is difficult to grow. Therefore, it is preferable to maintain the temperature of the substrate at 500 to 650 ° C. by the temperature adjusting means. In the subsequent steps as well, in order to prevent thermal decomposition of the grown InGaN active layer, the substrate 1 is maintained at a temperature at which InGaN is not thermally decomposed by the temperature adjusting means described above.
次に、Ａｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器２０内に供給し、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層６を６５０℃以下の温度で成長させる。 Next, an n-type dopant and a p-type dopant are supplied into the reaction vessel 20 together with precursors of Al, Ga and N, and a surface of the growth target on the substrate 1 is irradiated with a pulsed laser, while the irradiated portion is n-type. The carrier generation layer 6 doped with both the dopant and the p-type dopant is grown at a temperature of 650 ° C. or lower.
次に、緑色（Ｇ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層７、キャリア発生層８、青色（Ｂ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層９を、上述したのと同様の方法により順次、６５０℃以下の温度で成長させる。 Next, the InGaN active layer 7 capable of emitting green (G), the carrier generating layer 8, and the InGaN active layer 9 capable of emitting blue (B) are sequentially heated to a temperature of 650 ° C. or lower by the same method as described above. Grow in.
次に、反応容器２０内にＡｌ、Ｇａ及びＮの前駆体とともに、ｐ型ドーパントを供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分（ＩｎＧａＮ活性層９の上）に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０を６５０℃以下の温度で成長させる。次に、反応容器２０内にＧａとＮの前駆体と、ｐ型ドーパントを供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分（ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の上）に、低抵抗層としてｐ−ＧａＮ層１１を６５０℃以下の温度で成長させる。 Next, a p-type dopant is supplied into the reaction vessel 20 together with precursors of Al, Ga and N, and a surface of the growth target on the substrate 1 is irradiated with a pulsed laser, while the irradiated portion (of the InGaN active layer 9) is irradiated. The p-AlGaN cladding layer 10 is grown at a temperature of 650 ° C. or lower. Next, a precursor of Ga and N and a p-type dopant are supplied into the reaction vessel 20, and a surface of the growth target on the substrate 1 is irradiated with a pulsed laser while its irradiated portion (on the p-AlGaN cladding layer). ), The p-GaN layer 11 is grown as a low resistance layer at a temperature of 650 ° C. or lower.
このような窒化物半導体の成長方法によれば、活性層５、７、９、キャリア発生層６、８、ｐ−ＡｌＧａＮ層１０及びｐ−ＧａＮ層１１を形成する際に、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射することより、前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができるので、６５０℃以下の温度でも窒化物半導体結晶膜を成長させることができる。このため、ＩｎＧａＮのＩｎのモル分率を０．３５以上に高めてもＩｎＧａＮ活性層５が成長する過程でＩｎＧａＮの熱分解を防止することができ、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を形成することができる。 According to such a nitride semiconductor growth method, the active layers 5, 7, 9, the carrier generation layers 6, 8, the p-AlGaN layer 10 and the p-GaN layer 11 are formed on the substrate 1. By irradiating the target surface with a pulsed laser, the precursor can be excited at the irradiated part and its molecular bond (NH bond, C-amine bond, etc.) can be broken, so nitriding even at temperatures below 650 ° C A physical semiconductor crystal film can be grown. Therefore, even if the In mole fraction of InGaN is increased to 0.35 or more, the InGaN active layer can prevent thermal decomposition of InGaN during the growth of the InGaN active layer 5 and can emit red (R) light. 5 can be formed.
さらに、赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５を形成した後も、キャリア発生層６、８、他のＩｎＧａＮ活性層７、９及びｐ−ＡｌＧａＮ層１０、ｐ−ＧａＮ層１１をパルスレーザを照射しながらその照射部分に６５０℃以下の温度で成長させるので、先に形成した赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層５の熱分解を防止することができる。これにより、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の発光が可能なＩｎＧａＮ活性層のみならず、高濃度のＩｎを含む赤色（Ｒ）発光が可能なＩｎＧａＮ活性層を形成することができ、これらの発光の混色により色再現性の良い白色光の発光が可能な発光素子を得ることができる。 Further, even after the InGaN active layer 5 capable of emitting red (R) light is formed, the pulse generation is performed on the carrier generation layers 6 and 8, the other InGaN active layers 7 and 9, the p-AlGaN layer 10, and the p-GaN layer 11. In this case, the InGaN active layer 5 capable of emitting red (R) light can be prevented from being thermally decomposed. Thus, not only an InGaN active layer capable of emitting green (G) and blue (B) light but also an InGaN active layer capable of emitting red (R) containing a high concentration of In can be formed. A light emitting element capable of emitting white light with good color reproducibility by mixing light emission can be obtained.
また、上述した窒化物半導体の成長方法において、活性層５、７、９を形成した後に、さらに、急速熱アニール（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を行っても良い。このように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光する３つの活性層を形成し、かつ、ＲＴＡを行うことにより、各活性層の発光プロファイルをブロード化することができ、これにより、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる窒化物半導体発光素子が得られる。 In the nitride semiconductor growth method described above, rapid thermal annealing (RTA) may be further performed after forming the active layers 5, 7, 9. Thus, by forming three active layers that emit red (R), green (G), and blue (B) and performing RTA, the emission profile of each active layer can be broadened. As a result, a nitride semiconductor light emitting device capable of emitting white light having good color rendering properties close to natural light required for white light for general illumination can be obtained.
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的断面図である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態により成長させる活性層３は、ＩｎＮからなる井戸層５ａと、井戸層５ａの上下に位置しＩｎｘＧａ１-ｘＮ（０≦ｘ≦０．３）からなる障壁層５ｂとを有する。なおこの場合、ＩｎＮ及び０≦ｘ≦０．３の範囲のＩｎｘＧａ１-ｘＮ（ＧａＮを含む）は、欠陥のない薄膜が本発明の方法で容易に形成できるので、同一組成の混晶半導体よりも容易に発光効率の高い活性層を得ることができる。 The active layer 3 grown according to the present embodiment includes a well layer 5a made of InN, and a barrier layer 5b made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3) located above and below the well layer 5a. Have. In this case, InN and In x Ga 1-x N (including GaN) in the range of 0 ≦ x ≦ 0.3 can be easily formed with a defect-free thin film by the method of the present invention. An active layer having higher luminous efficiency can be obtained more easily than a crystal semiconductor.
また、本発明において、井戸層５ａと障壁層５ｂの膜厚はそれぞれ１０ｎｍ以下に設定され、超格子構造を形成するようになっている。また活性層５は、単一の井戸層５ａに限られず、複数の井戸層５ａと複数の障壁層５ｂを交互に積層した量子井戸構造であってもよい。 In the present invention, the thicknesses of the well layer 5a and the barrier layer 5b are each set to 10 nm or less to form a superlattice structure. The active layer 5 is not limited to a single well layer 5a, and may have a quantum well structure in which a plurality of well layers 5a and a plurality of barrier layers 5b are alternately stacked.
また、活性層全体のＩｎ比率を、井戸層と障壁層の膜厚比により制御して発光波長を制御する。例えば、ＩｎＮからなる井戸層５ａとＧａＮからなる障壁層５ｂを膜厚比１：１で積層した場合、活性層５全体のＩｎ比率ｘは０．５となり、ＩｎｘＧａ１-ｘＮ（ｘ＝０．５）の活性層として、波長８３０ｎｍ付近の近赤外光を発光させることができる。同様に、例えばＩｎＮからなる井戸層５ａとＩｎｘＧａ１-ｘＮ（ｘ＝０．３）からなる障壁層５ｂを膜厚比２：１で積層した場合、ＩｎｘＧａ１-ｘＮ（ｘ＝０．７７）の活性層を形成できる。 Further, the emission ratio is controlled by controlling the In ratio of the entire active layer by the film thickness ratio of the well layer and the barrier layer. For example, when the well layer 5a made of InN and the barrier layer 5b made of GaN are stacked at a film thickness ratio of 1: 1, the In ratio x of the entire active layer 5 becomes 0.5, and In x Ga 1-x N (x = 0.5) As the active layer, near infrared light having a wavelength of about 830 nm can be emitted. Similarly, for example, when a well layer 5a made of InN and a barrier layer 5b made of In x Ga 1-x N (x = 0.3) are stacked at a film thickness ratio of 2: 1, In x Ga 1-x N ( An active layer of x = 0.77) can be formed.
また、活性層５と同様に、活性層７は井戸層７ａと障壁層７ｂから構成され、活性層９は井戸層９ａと障壁層９ｂから構成されている。そして、上述したように、各活性層５、７、９の発光波長を制御することができるので、各活性層５、７、９を基板１側から順に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光するものとすれば、各活性層からの発光の混色により、白色発光可能な発光素子を得ることができる。 Similarly to the active layer 5, the active layer 7 is composed of a well layer 7a and a barrier layer 7b, and the active layer 9 is composed of a well layer 9a and a barrier layer 9b. And as mentioned above, since the emission wavelength of each active layer 5, 7, 9 can be controlled, each active layer 5, 7, 9 is made red (R), green (G) sequentially from the substrate 1 side. If blue (B) is emitted, a light emitting element capable of emitting white light can be obtained by mixing light emitted from each active layer.
また、量子井戸間の相互作用のない超格子における弱励起でのフォトルミネッセンスは、量子井戸内の最低準位にある電子と重い正孔および軽い正孔との再結合によって起こることが知られている。このような再結合過程を仮定した場合、井戸層の幅と発光ピークの関係は図５に示すようになる。この図からわかるように、井戸層の膜厚を、発光波長を制御するように１ｎｍを超えない所定の範囲に設定することによって、井戸幅（井戸層の膜厚）により発光波長を制御することができる。さらに、障壁層をＡｌｙＧａ１-ｙＮ（０≦ｙ≦０．３）としても同様の効果を得ることができる。 It is also known that photoluminescence with weak excitation in superlattices without interaction between quantum wells is caused by recombination of electrons at the lowest level in the quantum well with heavy and light holes. Yes. Assuming such a recombination process, the relationship between the width of the well layer and the emission peak is as shown in FIG. As can be seen from this figure, by setting the thickness of the well layer within a predetermined range not exceeding 1 nm so as to control the emission wavelength, the emission wavelength is controlled by the well width (thickness of the well layer). Can do. Further, the same effect can be obtained even when the barrier layer is made of Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.3).
なお、活性層５、７、９以外の構成は、上述した第１実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造と同様である。 The configuration other than the active layers 5, 7, and 9 is the same as the structure of the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment described above.
本実施形態における窒化物半導体発光素子の活性層は、図３に示した半導体結晶膜の成長装置を用いて成長させることができる。より詳しく説明すると、反応容器２０内にＩｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を順次又は同時に供給して、基板１上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、井戸層５ａと障壁層５ｂを６５０℃以下の温度で交互に１０ｎｍ以下の膜厚となるように成長させて、活性層５を形成する。活性層７、９についても同様に形成する。なお、活性層５、７、９以外のバッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０、ｐ−ＧａＮ層１１は、第１実施形態において説明した窒化物半導体の成長方法と同様の方法により成長させることができる。 The active layer of the nitride semiconductor light emitting device in this embodiment can be grown using the semiconductor crystal film growth apparatus shown in FIG. More specifically, while supplying precursors of In, Ga, and N sequentially or simultaneously into the reaction vessel 20 and irradiating the growth target surface on the substrate 1 with a pulsed laser, the well layer 5a and The barrier layer 5b is grown at a temperature of 650 ° C. or less alternately so as to have a thickness of 10 nm or less, thereby forming the active layer 5. The active layers 7 and 9 are formed in the same manner. The buffer layer 2, n-GaN layer 3, n-AlGaN cladding layer 4, p-AlGaN cladding layer 10, and p-GaN layer 11 other than the active layers 5, 7, and 9 are nitrided as described in the first embodiment. It can be grown by the same method as the growth method of the physical semiconductor.
このように、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子によれば、井戸層と障壁層を交互にそれぞれ１０ｎｍ以下の膜厚に成長させるので、原子レベルでも制御された歪みの少ない超格子構造を形成することができる。このため、Ｉｎの比率範囲が広く発光効率の高い活性層を得ることができ、高輝度で発光する窒化物半導体発光素子を得ることができる。 As described above, according to the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the well layer and the barrier layer are alternately grown to a thickness of 10 nm or less. A lattice structure can be formed. Therefore, an active layer having a wide In ratio range and high luminous efficiency can be obtained, and a nitride semiconductor light emitting device that emits light with high luminance can be obtained.
以上説明したように、本発明によれば、窒化物半導体発光素子の製造工程数を削減でき、窒化物半導体膜をＩｎＧａＮが熱分解しない温度で成長させることによりＩｎを含む活性層の劣化を抑制することができ、これにより、液晶用バックライトや表示関連機器用として性能的に十分な色再現性が良い白色光を発光することができ、さらに、一般照明用の白色光に要求されている自然光に近い演色性の良い白色光を発光することができる、等の優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the number of manufacturing steps of the nitride semiconductor light emitting device can be reduced, and the deterioration of the active layer containing In is suppressed by growing the nitride semiconductor film at a temperature at which InGaN is not thermally decomposed. As a result, it is possible to emit white light with sufficient color reproducibility sufficient for performance for liquid crystal backlights and display-related devices, and further, white light for general illumination is required. Excellent effects such as the ability to emit white light having good color rendering properties close to natural light can be obtained.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更の加え得ることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１ 基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ−ＧａＮ層
４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５ 活性層
６ キャリア発生層
７ 活性層
８ キャリア発生層
９ 活性層
１０ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１１ ｐ−ＧａＮ層
１２ ｐ−電極
１３ ｎ−電極
１５ 光源
１７ ビームホモジナイザー
１８ 光学系
１９ ミラー
２０ 反応容器
２１ ステージ
２２ ステージコントローラ
２４ 排気装置
３０ 照射手段
３２ ガス導入装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 GaN buffer layer 3 n-GaN layer 4 n-AlGaN cladding layer 5 active layer 6 carrier generation layer 7 active layer 8 carrier generation layer 9 active layer 10 p-AlGaN cladding layer 11 p-GaN layer 12 p-electrode 13 n-electrode 15 light source 17 beam homogenizer 18 optical system 19 mirror 20 reaction vessel 21 stage 22 stage controller 24 exhaust device 30 irradiation means 32 gas introduction device
Claims (6)
互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層の間に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層が形成されている、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 In a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type layer, an active layer, and a p-type layer made of a nitride semiconductor are stacked on a substrate,
A carrier generation layer doped with both an n-type dopant and a p-type dopant is formed between a plurality of active layers having different band gap energies.
A nitride semiconductor light emitting device characterized by that.
Ｉｎ、Ｇａ、Ｎの前駆体を反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分に、ＩｎＧａＮからなり互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、
前記複数の活性層を成長させる各工程の間に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共にドープされたキャリア発生層を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、
最上層の前記活性層を成長させた後に、成長させるべき窒化物半導体膜の種類に応じた前駆体と、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを反応容器内に供給し、基板上の成長対象表面にパルスレーザを照射しながら、その照射部分にｐ型窒化物半導体膜又はｎ型窒化物半導体膜を６５０℃以下の温度で成長させる工程と、を含む、
ことを特徴とする窒化物半導体の成長方法。 In a nitride semiconductor growth method in which an n-type layer, an active layer, and a p-type layer made of a nitride semiconductor are crystal-grown on a substrate,
While supplying a precursor of In, Ga, and N into the reaction vessel and irradiating the growth target surface on the substrate with a pulse laser, a plurality of active layers made of InGaN and having different band gap energies are formed on the irradiated portion. A step of growing at a temperature of ℃ or less,
During each step of growing the plurality of active layers, a precursor, n-type dopant and p-type dopant corresponding to the type of nitride semiconductor film to be grown are supplied into the reaction vessel, and the growth target surface on the substrate A step of growing a carrier generation layer doped with both an n-type dopant and a p-type dopant at a temperature of 650 ° C. or lower while irradiating a pulse laser on
After the uppermost active layer is grown, a precursor corresponding to the type of nitride semiconductor film to be grown and an n-type dopant or a p-type dopant are supplied into the reaction vessel, and the growth target surface on the substrate is supplied. A step of growing a p-type nitride semiconductor film or an n-type nitride semiconductor film at a temperature of 650 ° C. or lower while irradiating a pulse laser.
A method for growing a nitride semiconductor.
前記複数の活性層を形成した後に、急速熱アニールを実施する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体の成長方法。 In the step of forming the plurality of active layers, three active layers emitting red (R), green (G), and blue (B) are formed,
6. The method for growing a nitride semiconductor according to claim 5, further comprising a step of performing rapid thermal annealing after forming the plurality of active layers.
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