JP3267250B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
Nitride semiconductor light emitting deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、レーザダイオード（ＬＤ）等に使用される窒化物
半導体（ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a＋b
≦１）よりなる発光素子に係り、特にダブルへテロ構造
を有する窒化物半導体発光素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting diode (LE).
D), a nitride semiconductor used in the laser diode (LD), etc. (In a Al b Ga 1- ab N, 0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b
≦ 1) The present invention relates to a light emitting device having the following structure:
【０００２】[0002]
【従来の技術】紫外〜赤色に発光するＬＥＤ、ＬＤ等の
発光素子の材料として窒化物半導体（ＩｎaＡｌbＧａ
1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a＋b≦１）が知られている。
我々はこの半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光
度１ｃｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度
２ｃｄの青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には
光度２ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは
全て製品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に
供されている。BACKGROUND ART LED that emits ultraviolet to red, nitride semiconductor as a material of the light emitting element LD, etc. (In a Al b Ga
1-ab N, 0 ≦ a, 0 ≦ b, a + b ≦ 1) are known.
Using this semiconductor material, we announced a blue LED with a luminance of 1 cd in November 1993, a blue-green LED with a luminance of 2 cd in April 1994, and a blue LED with a luminance of 2 cd in October 1994. Announced. These LEDs have all been commercialized and are currently being put to practical use in displays, signals, and the like.
【０００３】図２に窒化物半導体よりなる従来の青色、
青緑色ＬＥＤの発光チップの構造を示す。基本的には、
基板２１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層２２、ｎ型
ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２３と、ｎ型ＡｌＧａ
Ｎよりなるｎ型クラッド層２４と、ｎ型ＩｎＧａＮより
なる活性層２５と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッ
ド層２６と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２７
とが順に積層された構造を有している。活性層２５のｎ
型ＩｎＧａＮにはＳｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／
またはＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされ
ており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧ
ａＮのＩｎ組成比を変更するか、若しくは活性層にドー
プする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤色まで
変化させることが可能となっている。今のところ、活性
層にドナー不純物とアクセプター不純物とが同時にドー
プされた発光波長５１０ｎｍ以下のＬＥＤが実用化され
ている。FIG. 2 shows a conventional blue color made of a nitride semiconductor.
1 shows a structure of a light emitting chip of a blue-green LED. Basically,
A buffer layer 22 made of GaN, an n-type contact layer 23 made of n-type GaN, and an n-type AlGa
N-type cladding layer 24 of N, active layer 25 of n-type InGaN, p-type cladding layer 26 of p-type AlGaN, and p-type contact layer 27 of p-type GaN
And are sequentially laminated. N of the active layer 25
Donor impurities such as Si and Ge and / or
Alternatively, the LED element is doped with an acceptor impurity such as Zn or Mg, and the emission wavelength of the LED element is determined by the InG of the active layer.
By changing the In composition ratio of aN or changing the type of impurity doped into the active layer, it is possible to change from ultraviolet to red. At present, an LED having an emission wavelength of 510 nm or less in which an active layer is simultaneously doped with a donor impurity and an acceptor impurity has been put to practical use.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来のＬＥＤは順方向
電流２０ｍＡで発光出力は３ｍＷ近くあり、ＳｉＣより
なるＬＥＤと比較して２０倍以上の出力を有している。
しかしながらこのＬＥＤは静電耐圧が低く、例えば逆方
向でバイアスして測定するとおよそ５０〜１００Ｖしか
ないという欠点があった。静電耐圧が低いと乾燥した雰
囲気中でＬＥＤを取り扱うと、容易に静電気により素子
が破壊されるので、信頼性に乏しい。The conventional LED has a light emission output of about 3 mW at a forward current of 20 mA, and has an output more than 20 times that of an LED made of SiC.
However, this LED has a low electrostatic withstand voltage, and has a drawback that, for example, it is only about 50 to 100 V when measured with a reverse bias. If the electrostatic withstand voltage is low, when the LED is handled in a dry atmosphere, the element is easily destroyed by static electricity, so that the reliability is poor.
【０００５】従って、本発明はこのような事情を鑑みて
成されたものであって、その目的とするところは静電耐
圧が大きい窒化物半導体発光素子及び高出力な発光素子
を実現して、窒化物半導体発光素子の信頼性を向上させ
ることにある。Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to realize a nitride semiconductor light emitting device having a large electrostatic withstand voltage and a high output light emitting device. It is to improve the reliability of the nitride semiconductor light emitting device.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】我々は従来のダブルへテ
ロ構造の窒化物半導体発光素子について、種々の実験を
重ねた結果、活性層の次に成長させるｐ型クラッド層
に、その原因の多くがあることを突き止め、本発明を成
すに至った。即ち、本発明の窒化物半導体発光素子は、
単一量子井戸もしくは多重量子井戸構造を有する活性層
と、ｎ型クラッド層との間に、インジウムを含むｎ型の
窒化物半導体よりなる第二のｎ型クラッド層を有し、さ
らに前記活性層と、ｐ型クラッド層との間に、少なくと
もインジウムを含むｐ型の窒化物半導体、またはｐ型の
ＧａＮよりなる第二のｐ型クラッド層が２００オングス
トローム以下の膜厚で形成されていることを特徴とす
る。As a result of various experiments on a conventional nitride semiconductor light emitting device having a double hetero structure, the p-type cladding layer grown next to the active layer has many causes. The present inventors have ascertained that the present invention has been accomplished. That is, the nitride semiconductor light emitting device of the present invention
A second n-type cladding layer made of an n-type nitride semiconductor containing indium between the active layer having a single quantum well or a multiple quantum well structure and the n-type cladding layer; And a second p-type clad layer made of a p-type nitride semiconductor containing at least indium or p-type GaN between the p-type clad layer and the p-type clad layer with a thickness of 200 Å or less. Features.
【０００７】図１は本発明の一実施例に係る発光素子の
構造を示す模式断面図である。この発光素子は基板１の
上にバッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド
層４、活性層５、第二のｐ型クラッド層６０、第一のｐ
型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を順に積層した構
造を示している。FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a light emitting device according to one embodiment of the present invention. This light emitting device has a buffer layer 2, an n-type contact layer 3, an n-type cladding layer 4, an active layer 5, a second p-type cladding layer 60, a first p-type
1 shows a structure in which a mold clad layer 6 and a p-type contact layer 7 are sequentially stacked.
【０００８】基板１にはサファイア（Ａ面、Ｃ面、Ｒ面
を含む）の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む）、ＺｎＯ、
Ｓｉ、ＧａＡｓのような窒化物半導体と格子不整合の基
板、またＮＧＯ（ネオジウムガレート）のような酸化物
単結晶よりなる窒化物半導体と格子定数の近い基板等を
使用することができる。The substrate 1 includes sapphire (including A-plane, C-plane and R-plane), SiC (including 6H and 4H), ZnO,
A substrate having a lattice mismatch with a nitride semiconductor such as Si or GaAs, a substrate having a lattice constant close to that of a nitride semiconductor made of an oxide single crystal such as NGO (neodymium gallate), or the like can be used.
【０００９】バッファ層２はＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌ
Ｎ等を例えば５０オングストローム〜０．１μｍの膜厚
で成長させることが好ましく、例えばＭＯＶＰＥ法によ
ると４００℃〜６００℃の低温で成長させることにより
形成できる。The buffer layer 2 is made of GaN, AlN, GaAl
It is preferable to grow N or the like at a film thickness of, for example, 50 Å to 0.1 μm. For example, it can be formed by growing at a low temperature of 400 ° C. to 600 ° C. according to the MOVPE method.
【００１０】ｎ型コンタクト層３は負電極８を形成する
層であり、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等を例
えば１μｍ〜１０μｍの膜厚で成長させることが好まし
く、その中でもＧａＮを選択することにより負電極の材
料と好ましいオーミック接触を得ることができる。負電
極８の材料としては例えばＡｌ、Ａｕ、Ｔｉ等を好まし
く用いることができる。The n-type contact layer 3 is a layer for forming the negative electrode 8, and it is preferable to grow GaN, AlGaN, InAlGaN or the like to a thickness of, for example, 1 μm to 10 μm. And a preferable ohmic contact with the above material can be obtained. As a material of the negative electrode 8, for example, Al, Au, Ti, or the like can be preferably used.
【００１１】ｎ型クラッド層４はＧａＮ、ＡｌＧａＮ、
ＩｎＡｌＧａＮ等を例えば５００オングストローム〜
０．５μｍの膜厚で成長させることが好ましく、その中
でもＧａＮ、ＡｌＧａＮを選択することにより結晶性の
良い層が得られる。また、ｎ型クラッド層４、ｎ型コン
タクト層３のいずれかを省略することも可能である。ど
ちらかを省略すると、残った層がｎ型クラッド層および
ｎ型コンタクト層として作用する。The n-type cladding layer 4 is made of GaN, AlGaN,
InAlGaN or the like is, for example, 500 angstroms or more.
It is preferable to grow the layer with a thickness of 0.5 μm. Among them, a layer having good crystallinity can be obtained by selecting GaN or AlGaN. Further, either the n-type cladding layer 4 or the n-type contact layer 3 can be omitted. If either is omitted, the remaining layers act as an n-type cladding layer and an n-type contact layer.
【００１２】活性層５はクラッド層よりもバンドギャッ
プエネルギーが小さいＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ａ
ｌＧａＮ等の窒化物半導体であれば良く、特に所望のバ
ンドギャップによってインジウムの組成比を適宜変更し
たＩｎＧａＮにすることが好ましい。また活性層５を例
えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（組
成が異なる）等の組み合わせで、それぞれの薄膜を積層
した多重量子井戸構造としてもよい。単一量子井戸構
造、多重量子井戸構造いずれの活性層においても、活性
層はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無
添加）とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励
起子発光、あるいは量子井戸準位発光が得られ、ＬＥＤ
素子、ＬＤ素子を実現する上で特に好ましい。活性層を
単一量子井戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若
しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：multiquantum well）構
造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱ
Ｗ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位
間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷ
では活性層を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）
で構成した層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１００オ
ングストローム以下、さらに好ましくは７０オングスト
ローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得
られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ
（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した
多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとす
ることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０
ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さと
しては、前記のように７０オングストローム以下が好ま
しい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで
構成し、障壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場
合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ま
しくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温
度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障
壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ま
しくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発
光素子が得られる。また、活性層５にドナー不純物およ
び／またはアクセプター不純物をドープしてもよい。不
純物をドープした活性層の結晶性がノンドープと同じで
あれば、ドナー不純物をドープするとノンドープのもの
に比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができ
る。アクセプター不純物をドープするとバンド間発光の
ピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク
波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなる。
アクセプター不純物とドナー不純物を同時にドープする
と、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強
度をさらに大きくすることができる。特にアクセプター
不純物をドープした活性層を実現する場合、活性層の導
電型はＳｉ等のドナー不純物を同時にドープしてｎ型と
することが好ましい。活性層５は例えば数オングストロ
ーム〜０．５μｍの膜厚で成長させることができる。但
し、活性層をＳＱＷ、若しくはＭＱＷとするときは、ｎ
型クラッド層４と活性層５との間にＩｎを含むｎ型の窒
化物半導体、またはｎ型ＧａＮよりなる第二のｎ型クラ
ッド層を形成することが望ましい。The active layer 5 is composed of InGaN, InAlGaN, A
Any nitride semiconductor such as lGaN may be used, and it is particularly preferable to use InGaN in which the composition ratio of indium is appropriately changed according to a desired band gap. The active layer 5 may have a multiple quantum well structure in which respective thin films are stacked, for example, by a combination of InGaN / GaN, InGaN / InGaN (different in composition), or the like. In either the single quantum well structure or the multiple quantum well structure, the active layer may be either an n-type or a p-type. Light emission or quantum well level light emission
It is particularly preferable for realizing an element and an LD element. When the active layer has a single quantum well (SQW: single quantum well) structure or a multiple quantum well (MQW: multiquantum well) structure, a light-emitting element having an extremely high output can be obtained. SQ
W and MQW indicate the structure of an active layer in which light emission between quantum levels by non-doped InGaN is obtained, for example, SQW
In the above, the active layer is made of a single composition In x Ga 1 -xN (0 ≦ X <1).
By setting the thickness of In x Ga 1 -xN to 100 Å or less, more preferably 70 Å or less, strong light emission between quantum levels can be obtained. In addition, MQW has In x Ga 1 -xN having different composition ratios.
(In this case, X = 0 and X = 1 are included). When the active layer is made of SQW or MQW in this way, light emission between quantum levels of about 365 nm to
Light emission up to nm is obtained. As described above, the thickness of the well layer of the quantum structure is preferably 70 Å or less. Well layer is a multiple quantum well structure composed of In X Ga 1-X N, the barrier layer also In Y Ga 1-Y N ( Y <X, in this case including the Y = 0) it is desirable to configure at. Particularly preferably, when the well layer and the barrier layer are formed of InGaN, they can be grown at the same temperature, so that an active layer having good crystallinity can be obtained. When the thickness of the barrier layer is 150 Å or less, more preferably 120 Å or less, a high-output light-emitting element can be obtained. Further, the active layer 5 may be doped with a donor impurity and / or an acceptor impurity. If the crystallinity of the active layer doped with the impurity is the same as that of the non-doped layer, doping with the donor impurity can further increase the interband emission intensity as compared with the non-doped one. When an acceptor impurity is doped, the peak wavelength can be brought to a lower energy side by about 0.5 eV than the peak wavelength of the interband emission, but the half width becomes wider.
When the acceptor impurity and the donor impurity are simultaneously doped, the emission intensity of the active layer doped only with the acceptor impurity can be further increased. In particular, when an active layer doped with an acceptor impurity is realized, the conductivity type of the active layer is preferably n-type by simultaneously doping a donor impurity such as Si. The active layer 5 can be grown to a thickness of, for example, several angstroms to 0.5 μm. However, when the active layer is SQW or MQW, n
It is desirable to form a second n-type cladding layer made of an n-type nitride semiconductor containing In or n-type GaN between the type cladding layer 4 and the active layer 5.
【００１３】次に本発明の最も特徴である第二のｐ型ク
ラッド層６０は少なくともインジウムを含むｐ型の窒化
物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０＜X、Y≦０、X＋
Y＜１）またはｐ型のＧａＮで形成する必要がある。そ
の中でもＩｎＧａＮ、またはＧａＮ等のＡｌを含まない
窒化物半導体で形成することが特に好ましい。さらに第
二のｐ型クラッド層６０の膜厚は２００オングストロー
ム以下、さらに好ましくは１００オングストローム以下
の膜厚で形成することが好ましい。なぜなら、２００オ
ングストローム以下の膜厚に調整することにより、発光
素子の発光出力をほとんど維持したまま、発光素子の静
電耐圧を上げることが可能となるからである。逆にその
膜厚が２００オングストロームよりも厚いと、発光素子
の出力が低下する傾向にある。Next, the second p-type cladding layer 60 which is the most characteristic of the present invention is a p-type nitride semiconductor containing at least indium (In x Al Y Ga 1 -XYN , 0 <X, Y ≦ 0, X +
Y <1) or p-type GaN. Among them, it is particularly preferable to use a nitride semiconductor containing no Al such as InGaN or GaN. Further, the thickness of the second p-type cladding layer 60 is preferably 200 Å or less, more preferably 100 Å or less. This is because by adjusting the thickness to 200 angstrom or less, it is possible to increase the electrostatic withstand voltage of the light emitting element while almost maintaining the light emitting output of the light emitting element. Conversely, if the thickness is greater than 200 angstroms, the output of the light emitting element tends to decrease.
【００１４】第一のｐ型クラッド層６はＧａＮ、ＡｌＧ
ａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等を例えば５００オングストロー
ム〜０．５μｍの膜厚で成長させることが好ましく、そ
の中でもＧａＮ、ＡｌＧａＮを選択することにより結晶
性の良い層が得られる。また、第二のｐ型クラッド層６
０の組成と第一のｐ型クラッド層６の構成が同じである
場合、第一のｐ型クラッド層６の組成比を変化させて、
バンドギャップエネルギーを第二のｐ型クラッド層６０
と同じとするか、または大きくする。The first p-type cladding layer 6 is made of GaN, AlG
It is preferable to grow aN, InAlGaN, or the like with a thickness of, for example, 500 Å to 0.5 μm. Among them, a layer having good crystallinity can be obtained by selecting GaN or AlGaN. The second p-type cladding layer 6
If the composition of the first p-type cladding layer 6 is the same as the composition of the first p-type cladding layer 6, the composition ratio of the first p-type cladding layer 6 is changed.
The band gap energy is reduced to the second p-type cladding layer 60.
Same as or larger.
【００１５】ｐ型コンタクト層７は正電極９を形成する
層であり、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ
等を成長させることが好ましく、その中でもＧａＮを選
択することにより正電極の材料と好ましいオーミック接
触を得ることができる。正電極材料としてはＮｉ、Ａｕ
等を好ましく用いることができる。また、ｐ型コンタク
ト層７、第一のｐ型クラッド層６のいずれかを省略する
ことも可能である。どちらかを省略すると、残った層が
第一のｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層として作
用する。The p-type contact layer 7 is a layer for forming the positive electrode 9, for example, GaN, AlGaN, InAlGaN
It is preferable to grow GaN or the like, and among them, by selecting GaN, a preferable ohmic contact with the material of the positive electrode can be obtained. Ni, Au as positive electrode material
And the like can be preferably used. Further, any one of the p-type contact layer 7 and the first p-type clad layer 6 can be omitted. If either of them is omitted, the remaining layers act as a first p-type cladding layer and a p-type contact layer.
【００１６】本発明の発光素子は例えばＭＯＶＰＥ（有
機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、Ｈ
ＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を
用いて、基板上にＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦a、０≦
b、a＋b≦１）をｎ型、ｐ型等の導電型で積層すること
によって得られる。ｎ型の窒化物半導体はノンドープの
状態でも得られるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ等のドナー不純物
を結晶成長中に半導体層中に導入することによって得ら
れる。これらのドナー不純物濃度を調整することによ
り、ｎ型層のキャリア濃度を調整できる。一方、ｐ型の
窒化物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等
のアクセプター不純物を同じく結晶成長中に半導体層中
に導入するか、または導入後４００℃以上でアニーリン
グを行うことにより得られる。同様にこれらアクセプタ
ー不純物濃度を調整することにより、ｐ型層のキャリア
濃度を調整することができる。バッファ層２は基板１と
窒化物半導体との格子不整合を緩和するために設けられ
るが、ＳｉＣ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数
が近い基板、窒化物半導体と格子整合した基板を使用す
る際にはバッファ層が形成されないこともある。The light emitting device according to the present invention is, for example, MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam chemical vapor deposition), H
DVPE by a vapor deposition method (hydride vapor phase epitaxy) or the like, In the substrate a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a, 0 ≦
b, a + b ≦ 1) can be obtained by laminating n-type, p-type and other conductive types. An n-type nitride semiconductor can be obtained even in a non-doped state, but can be obtained by introducing a donor impurity such as Si, Ge, or S into a semiconductor layer during crystal growth. By adjusting these donor impurity concentrations, the carrier concentration of the n-type layer can be adjusted. On the other hand, for the p-type nitride semiconductor layer, acceptor impurities such as Mg, Zn, Cd, Ca, Be, and C are also introduced into the semiconductor layer during the crystal growth, or annealing is performed at 400 ° C. or more after the introduction. Is obtained by Similarly, by adjusting these acceptor impurity concentrations, the carrier concentration of the p-type layer can be adjusted. The buffer layer 2 is provided to alleviate the lattice mismatch between the substrate 1 and the nitride semiconductor. A substrate having a lattice constant close to that of the nitride semiconductor such as SiC or ZnO, or a substrate lattice-matched to the nitride semiconductor is used. In this case, the buffer layer may not be formed.
【００１７】[0017]
【作用】従来のＬＥＤでは例えばＩｎを含む活性層の上
にＡｌを含む第一のｐ型クラッド層を成長させていた。
一方、本発明では新たに活性層と第一のｐ型クラッド層
との間にＧａＮまたはＩｎを含む窒化物半導体よりなる
第二のｐ型クラッド層を成長させている。この構成によ
り発光素子の静電耐圧を向上させることができる。これ
は活性層の上の第二のｐ型クラッド層がバッファ層の作
用をして、第一のｐ型クラッド層の結晶性を良くして素
子の静電耐圧を向上させている。窒化物半導体はバンド
ギャップエネルギーの大きい順、ＡｌＮ＞ＧａＮ＞Ｉｎ
Ｎの順に結晶自体が柔らかい性質を持っている。つま
り、Ｉｎを含む窒化物半導体、またはＧａＮよりなる第
二のｐ型クラッド層は、第二のｐ型クラッド層よりもバ
ンドギャップエネルギーが大きい第一のｐ型クラッド層
に比べて結晶自体が柔らかい。この柔らかい結晶である
第二のｐ型クラッド層がバッファ層の作用をすることに
より、その第二のｐ型クラッド層の上に成長させる第一
のｐ型クラッド層の結晶性が良くなり、格子欠陥が少な
くなるので、素子全体の静電耐圧が向上するのである。In a conventional LED, for example, a first p-type clad layer containing Al is grown on an active layer containing In.
On the other hand, in the present invention, a second p-type clad layer made of a nitride semiconductor containing GaN or In is newly grown between the active layer and the first p-type clad layer. With this configuration, the electrostatic breakdown voltage of the light emitting element can be improved. This is because the second p-type cladding layer on the active layer acts as a buffer layer, improving the crystallinity of the first p-type cladding layer and improving the electrostatic withstand voltage of the device. Nitride semiconductors are arranged in the order of band gap energy, AlN>GaN> In
The crystal itself has a soft property in the order of N. That is, the crystal itself of the second p-type cladding layer made of a nitride semiconductor containing In or GaN is softer than that of the first p-type cladding layer having a larger band gap energy than that of the second p-type cladding layer. . When the second p-type cladding layer, which is a soft crystal, acts as a buffer layer, the crystallinity of the first p-type cladding layer grown on the second p-type cladding layer is improved, and Since the number of defects is reduced, the electrostatic withstand voltage of the entire device is improved.
【００１８】バッファ層として好適に作用する第二のｐ
型クラッド層の膜厚は２００オングストローム以下が好
ましい。第二のｐ型クラッド層を厚く積むほど静電耐圧
は向上する傾向にあるが、膜厚が厚すぎると、その第二
のｐ型クラッド層自体に結晶欠陥が多く発生してしまい
バッファ層として作用しにくくなる傾向にある。結晶欠
陥の多い第二のｐ型クラッド層の上に第一のｐ型クラッ
ド層を成長させると、結晶欠陥が第一のｐ型クラッド層
にまで伝わってしまうので、結晶性の良い第一のｐ型ク
ラッド層が成長しにくくなる。このため第二のｐ型クラ
ッド層の膜厚が厚すぎると、発光素子の出力が低下する
傾向にある。第二のｐ型クラッド層の膜厚の下限は特に
限定するものではなく、例えば１原子層、２原子層にあ
たるような数オングストロームの膜厚で形成してもよ
い。The second p which preferably acts as a buffer layer
The thickness of the mold cladding layer is preferably 200 Å or less. The thicker the second p-type cladding layer is, the higher the electrostatic withstand voltage tends to be. However, if the thickness is too large, many crystal defects occur in the second p-type cladding layer itself, and as a buffer layer, It tends to be less effective. When the first p-type cladding layer is grown on the second p-type cladding layer having many crystal defects, the crystal defects are transmitted to the first p-type cladding layer. It becomes difficult for the p-type cladding layer to grow. Therefore, if the thickness of the second p-type cladding layer is too large, the output of the light emitting element tends to decrease. The lower limit of the thickness of the second p-type cladding layer is not particularly limited, and it may be formed to a thickness of several angstroms, for example, one atomic layer or two atomic layers.
【００１９】[0019]
【実施例】以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明
する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示
している。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on specific embodiments. The following example shows a growth method by the MOVPE method.
【００２０】［実施例１］図１を元に実施例１について
説明する。まず、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ
3とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１の
Ｃ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００
オングストロームの膜厚で成長させる。[First Embodiment] A first embodiment will be described with reference to FIG. First, TMG (trimethylgallium) and NH
With 3 and the buffer layer 2 of GaN at 500 ° C. in the C-plane of the sapphire substrate 1 was set in the reaction vessel 500
It is grown to a thickness of Å.
【００２１】次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ、
ＮＨ3に加えシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなるｎ型コンタクト層２３を４μｍの膜厚で成長さ
せる。Next, the temperature is increased to 1050 ° C., and TMG,
Si-doped n-type GaN using silane gas in addition to NH 3
An n-type contact layer 23 is grown to a thickness of 4 μm.
【００２２】続いて原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型
Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層よりなるｎ型クラッド層４を０．１
μｍの膜厚で成長させる。Subsequently, TMA (trimethylaluminum) is added to the source gas, and the n-type cladding layer 4 made of Si-doped n-type Al0.3 Ga0.7 N
It is grown to a thickness of μm.
【００２３】次に温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、ＮＨ 3、シランガス、Ｄ
ＥＺ（ジエチルジンク）を用い、Ｓｉ＋Ｚｎドープｎ型
Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層５を０．１μｍの膜
厚で成長させる。Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and TMG, TM
I (trimethylindium), NH Three, Silane gas, D
Si + Zn doped n-type using EZ (diethyl zinc)
The active layer 5 made of In0.05Ga0.95N is a 0.1 μm film.
Grow in thickness.
【００２４】続いて８００℃にて、ＴＭＧ、ＴＭＩ（ト
リメチルインジウム）、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペン
タジエニルマグネシウム）ガスを用い、Ｍｇドープｐ型
Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層６０
を５０オングストローム成長させる。Subsequently, at 800 ° C., a second p-type clad made of Mg-doped p-type In0.01Ga0.99N is used by using TMG, TMI (trimethylindium), NH 3 and Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) gas. Layer 60
Is grown 50 Å.
【００２５】次に温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネ
シウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎより
なる第一のｐ型クラッド層６を０．１μｍの膜厚で成長
させる。Next, the temperature is raised to 1050 ° C., and TMG, T
Using MA, NH 3 , and Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium), a first p-type cladding layer 6 made of Mg-doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 0.1 μm.
【００２６】続いて１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ3、Ｃｐ2
Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタ
クト層７を０．５μｍの膜厚で成長させる。Subsequently, at 1050 ° C., TMG, NH 3 , Cp 2
Using Mg, a p-type contact layer 7 made of Mg-doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.5 μm.
【００２７】反応終了後、温度を室温まで下げてウェー
ハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニ
ーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最
上層のｐ型コンタクト層７の表面に所定の形状のマスク
を形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエ
ッチングする。エッチング後、ｎ型コンタクト層３の表
面にＴｉとＡｌよりなる負電極８、ｐ型コンタクト層７
の表面にＮｉとＡｕよりなる正電極９を形成する。電極
形成後、ウェーハを３５０μｍ角のチップに分離した
後、ＬＥＤ素子とした。このＬＥＤ素子はＩｆ２０ｍＡ
でＶｆ３．６Ｖ、発光ピーク波長４５０ｎｍ、半値幅７
０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３ｍＷであった。
さらに、このＬＥＤの両電極に逆バイアスをかけて静電
耐圧を測定したところ、４００Ｖまで素子が破壊しなか
った。After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the wafer is annealed at 700 ° C. to further reduce the resistance of the p-type layer. Next, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 7, and etching is performed until the surface of the n-type contact layer 3 is exposed. After the etching, a negative electrode 8 made of Ti and Al and a p-type contact layer 7 are formed on the surface of the n-type contact layer 3.
Is formed a positive electrode 9 made of Ni and Au. After the electrodes were formed, the wafer was separated into chips of 350 μm square, and then used as LED elements. This LED element is If20mA
Vf 3.6 V, emission peak wavelength 450 nm, half width 7
It emitted blue light of 0 nm and emitted light of 3 mW.
Further, when a reverse bias was applied to both electrodes of the LED and the electrostatic breakdown voltage was measured, the element was not broken down to 400 V.
【００２８】［実施例２］第二のｐ型クラッド層６０の
膜厚を１００オングストロームとする他は実施例１と同
様にしてＬＥＤ素子を得たところ、発光出力は３ｍＷと
同一で、静電耐圧は４５０Ｖまで向上していた。Example 2 An LED element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second p-type cladding layer 60 was changed to 100 Å, and the light emission output was the same as 3 mW. The withstand voltage has been improved to 450V.
【００２９】［実施例３］第二のｐ型クラッド層６０の
膜厚を２００オングストロームとする他は実施例１と同
様にしてＬＥＤ素子を得たところ、発光出力は２．５ｍ
Ｗ、静電耐圧は５５０Ｖまで向上していた。Example 3 An LED device was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second p-type cladding layer 60 was changed to 200 Å, and the light emission output was 2.5 m.
W, the electrostatic withstand voltage was improved to 550V.
【００３０】［実施例４］第二のｐ型クラッド層６０の
膜厚を３００オングストロームとする他は実施例１と同
様にしてＬＥＤ素子を得たところ、静電耐圧は６５０Ｖ
まで向上したが、発光出力は１ｍＷまで低下した。Example 4 An LED device was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second p-type cladding layer 60 was changed to 300 Å, and the electrostatic breakdown voltage was 650 V.
However, the light emission output decreased to 1 mW.
【００３１】［実施例５］第二のｐ型クラッド層６０に
Ｍｇドープｐ型ＧａＮを１０オングストロームの膜厚で
形成する他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得たと
ころ、発光出力は実施例１と同じ３ｍＷ、静電耐圧は３
６０Ｖであった。Example 5 An LED element was obtained in the same manner as in Example 1 except that Mg-doped p-type GaN was formed on the second p-type cladding layer 60 to a thickness of 10 Å. 3 mW, the same as the first embodiment, and the electrostatic withstand voltage is 3
It was 60V.
【００３２】［実施例６］図３は実施例６に係る発光素
子の構造を示す模式的な断面図である。この発光素子が
図１の発光素子と異なるところは、ｎ型クラッド層４と
活性層５との間に新たなバッファ層としてＩｎを含むｎ
型の窒化物半導体、またはｎ型ＧａＮよりなる第二のｎ
型クラッド層４０を形成しているところである。この第
二のクラッド層４０は１０オングストローム以上、０．
１μｍ以下の膜厚で形成することが望ましく、さらに第
二のｎ型クラッド層４０と活性層５の膜厚を３００オン
グストローム以上にすると、Ｉｎを含む第一のｎ型クラ
ッド層４０とＩｎを含む活性層５とがバッファ層として
作用し、ｎ型クラッド層４、ｐ型クラッド層６にクラッ
クが入らず結晶性良く成長できる。さらに、この第二の
ｎ型クラッド層４０を成長させることにより、不純物を
ドープしない活性層が実現でき、半値幅が狭く、出力の
高い発光を得ることができる。Embodiment 6 FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a light emitting device according to Embodiment 6. This light emitting element is different from the light emitting element of FIG. 1 in that n containing In as a new buffer layer between the n-type cladding layer 4 and the active layer 5.
-Type nitride semiconductor, or a second n of n-type GaN
The mold cladding layer 40 is being formed. The second cladding layer 40 has a thickness of 10 Å or more and a thickness of 0.1 Å.
When the thickness of the second n-type cladding layer 40 and the active layer 5 is set to 300 Å or more, the first n-type cladding layer 40 containing In and the first n-type cladding layer 40 contain In. The active layer 5 functions as a buffer layer, and the n-type clad layer 4 and the p-type clad layer 6 can be grown with good crystallinity without cracks. Furthermore, by growing the second n-type cladding layer 40, an active layer without impurity doping can be realized, and a light emission with a narrow half width and a high output can be obtained.
【００３３】この第二のｎ型クラッド層４０は、活性層
５とＡｌとＧａとを含むｎ型クラッド層４との間のバッ
ファ層として作用する。つまりＩｎとＧａとを含む第二
のｎ型クラッド層４０が結晶の性質として柔らかい性質
を有しているので、ＡｌとＧａとを含むｎ型クラッド層
４と活性層５との格子定数不整と熱膨張係数差によって
生じる歪を吸収する働きがある。従って活性層５を膜厚
が薄い量子構造を有するＳＱＷ、ＭＱＷとしても、活性
層５、ｎ型クラッド層４にクラックが入らないので、活
性層を量子構造にしても活性層が弾性的に変形し、活性
層の結晶欠陥が少なくなる。つまり活性層の膜厚が薄い
状態においても、活性層の結晶性が良くなるので発光出
力が増大する。さらに、活性層は膜厚を薄くしたことに
より量子効果および励起子効果により発光出力が増大す
る。言い換えると、従来の発光素子では単一の活性層の
膜厚を例えば１０００オングストローム以上と厚くする
ことにより、クラッド層、活性層にクラックが入るのを
防止していた。しかしながら活性層には常に熱膨張係数
差、格子不整による歪が係っており、従来の発光素子で
は活性層の厚さが弾性的に変形可能な臨界膜厚を超えて
いるので、弾性的に変形することができず、活性層中に
多数の結晶欠陥を生じ、バンド間発光ではあまり光らな
い。この第二のｎ型クラッド層４０を形成することによ
り、量子構造の活性層において、発光素子の発光出力を
飛躍的に向上させることが可能である。The second n-type cladding layer 40 functions as a buffer layer between the active layer 5 and the n-type cladding layer 4 containing Al and Ga. That is, since the second n-type cladding layer 40 containing In and Ga has a soft property as a crystalline property, the lattice constant irregularity between the n-type cladding layer 4 containing Al and Ga and the active layer 5 is reduced. It has the function of absorbing the strain caused by the difference in thermal expansion coefficient. Therefore, even if the active layer 5 is made of SQW or MQW having a thin quantum structure, no crack is formed in the active layer 5 and the n-type cladding layer 4, so that the active layer is elastically deformed even if the active layer is formed in a quantum structure. Thus, crystal defects in the active layer are reduced. In other words, even when the thickness of the active layer is small, the luminescence output increases because the crystallinity of the active layer is improved. Further, the light output of the active layer is increased by the quantum effect and the exciton effect by reducing the thickness of the active layer. In other words, in the conventional light emitting element, cracks are prevented from being formed in the cladding layer and the active layer by increasing the thickness of the single active layer to, for example, 1000 Å or more. However, the active layer is always strained due to the difference in thermal expansion coefficient and lattice irregularity. In the conventional light emitting device, the thickness of the active layer exceeds the critical thickness that can be elastically deformed. It cannot be deformed, causes many crystal defects in the active layer, and does not emit much light in interband emission. By forming the second n-type cladding layer 40, it is possible to dramatically improve the light emitting output of the light emitting element in the active layer having the quantum structure.
【００３４】具体的には、実施例１においてｎ型クラッ
ド層４を成長させた後、温度を８００℃に下げ、ＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、シラン
ガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりな
る第二のｎ型クラッド層４０を５００オングストローム
の膜厚で成長させる。Specifically, after the n-type cladding layer 4 was grown in Example 1, the temperature was lowered to 800 ° C.
G, TMI (trimethylindium), NH 3 , and silane gas are used to grow a second n-type cladding layer 40 made of Si-doped n-type In0.01Ga0.99N to a thickness of 500 Å.
【００３５】続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用い８０
０℃でノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる単一
量子井戸構造の活性層５を８０オングストロームの膜厚
で成長させる。後は実施例１と同様にして、第二のｐ型
クラッド層６０と、第一のｐ型クラッド層６、ｐ型コン
タクト層７を成長させてＬＥＤ素子としたところ、この
ＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．２Ｖ、発光ピー
ク波長４００ｎｍの青色発光を示し、発光出力は１２ｍ
Ｗであった。さらに、発光スペクトルの半値幅は２０ｎ
ｍであり、非常に色純度の良い発光を示した。また静電
耐圧も実施例１と同様に４００Ｖであった。Subsequently, using TMG, TMI and NH 3 ,
At 0 ° C., an active layer 5 having a single quantum well structure made of non-doped n-type In0.05Ga0.95N is grown to a thickness of 80 Å. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the second p-type cladding layer 60, the first p-type cladding layer 6, and the p-type contact layer 7 were grown to form an LED element. Shows Vf 3.2 V, blue light emission having an emission peak wavelength of 400 nm, and an emission output of 12 m
W. Further, the half width of the emission spectrum is 20 n
m, and emitted light with very good color purity. The electrostatic withstand voltage was 400 V as in Example 1.
【００３６】［実施例７］実施例６において、活性層５
の組成をノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる井戸層
を２５オングストロームと、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.
99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成
長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を
積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成
長させた。後は実施例１と同様にして、第二のｐ型クラ
ッド層６０と、第一のｐ型クラッド層６、ｐ型コンタク
ト層７を成長させてＬＥＤ素子としたところ、このＬＥ
Ｄ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．２Ｖ、発光ピーク波
長４００ｎｍの青色発光を示し、発光出力は１２ｍＷで
あった。さらに、発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍで
あり、非常に色純度の良い発光を示した。また静電耐圧
は５００Ｖであった。これは単一量子井戸構造の活性層
よりも、多重量子井戸構造の活性層を有する素子の方が
静電耐圧が高いことを示している。[Seventh Embodiment] In the sixth embodiment, the active layer 5
The composition of the well layer made of non-doped In0.05Ga0.95N is 25 Å, and the non-doped In0.01Ga0.95N
A barrier layer of 99N is grown to a thickness of 50 Å. This operation was repeated 13 times, and finally, a well layer was laminated to grow an active layer 6 having a total thickness of 1000 Å. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the second p-type cladding layer 60, the first p-type cladding layer 6, and the p-type contact layer 7 were grown to form an LED element.
The D element emitted blue light with a Vf of 3.2 V and a light emission peak wavelength of 400 nm at If 20 mA, and the light emission output was 12 mW. Further, the half width of the light emission spectrum was 20 nm, and light emission with very good color purity was exhibited. The electrostatic breakdown voltage was 500 V. This indicates that an element having an active layer having a multiple quantum well structure has a higher electrostatic breakdown voltage than an active layer having a single quantum well structure.
【００３７】［実施例８］活性層５の膜厚を５００オン
グストロームとする他は実施例６と同様にしてＬＥＤ素
子を得たところ、このＬＥＤ素子は活性層の膜厚が厚く
なったので、発光出力は３ｍＷまで低下したが、発光ピ
ーク波長３９０ｎｍで、半値幅２０ｎｍの青色発光を示
し、静電耐圧は４００Ｖであった。Example 8 An LED element was obtained in the same manner as in Example 6 except that the thickness of the active layer 5 was changed to 500 angstroms. Although the light emission output decreased to 3 mW, blue light was emitted at a light emission peak wavelength of 390 nm and a half width of 20 nm, and the electrostatic breakdown voltage was 400 V.
【００３８】［実施例９］第二のｐ型クラッド層６０の
膜厚を２００オングストロームとする他は実施例６と同
様にしてＬＥＤ素子を得たところ、実施例６と同じく発
光ピーク波長４００ｎｍ、半値幅２０ｎｍの青色発光を
示し、発光出力は１０ｍＷ、静電耐圧は５５０Ｖまで向
上していた。Example 9 An LED device was obtained in the same manner as in Example 6, except that the thickness of the second p-type cladding layer 60 was changed to 200 Å. The device exhibited blue light emission with a half value width of 20 nm, the light emission output was improved to 10 mW, and the electrostatic breakdown voltage was improved to 550 V.
【００３９】[0039]
【発明の効果】従来の窒化物半導体発光素子では静電耐
圧に弱く、特に乾燥した環境中では静電気により容易に
素子が破壊してしまい信頼性に乏しかった。しかし本発
明により発光素子の静電耐圧が向上するので、素子が容
易に破壊されにくくなり信頼性が極めて向上した。As described above, the conventional nitride semiconductor light-emitting device is weak in electrostatic withstand voltage, and particularly in a dry environment, the device is easily broken by static electricity, resulting in poor reliability. However, since the electrostatic breakdown voltage of the light emitting element is improved by the present invention, the element is not easily broken and the reliability is extremely improved.
【図１】 本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示
す模式断面図。FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a light emitting device according to one embodiment of the present invention.
【図２】 従来の発光素子の構造を示す模式断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a conventional light-emitting element.
【図３】 本発明の他の実施例に係る発光素子の構造を
示す模式断面図。FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a light emitting device according to another embodiment of the present invention.
１・・・・基板 ２・・・・バッファ層 ３・・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・・ｎ型クラッド層 ５・・・・活性層 ６０・・・・第二のｐ型クラッド層 ６・・・・第一のｐ型クラッド層 ７・・・・ｐ型コンタクト層 ８・・・・負電極 ９・・・・正電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Buffer layer 3 ... N-type contact layer 4 ... N-type cladding layer 5 ... Active layer 60 ... Second p-type cladding layer 6 first p-type cladding layer 7 p-type contact layer 8 negative electrode 9 positive electrode
Claims (1)
を有する活性層と、ｎ型クラッド層との間に、インジウ
ムを含むｎ型の窒化物半導体よりなる第二のｎ型クラッ
ド層を有し、さらに前記活性層と、ｐ型クラッド層との
間に、少なくともインジウムを含むｐ型の窒化物半導
体、またはｐ型のＧａＮよりなる第二のｐ型クラッド層
が２００オングストローム以下の膜厚で形成されている
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。A second n-type cladding layer made of an n-type nitride semiconductor containing indium is provided between an active layer having a single quantum well or a multiple quantum well structure and an n-type cladding layer. Further, a second p-type cladding layer made of a p-type nitride semiconductor containing at least indium or p-type GaN is formed between the active layer and the p-type cladding layer with a thickness of 200 Å or less. A nitride semiconductor light emitting device characterized by being made.
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