JP2011009382A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子に係り、特に外部発光効率の向上した半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency.
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などに、III族窒化物系半導体からなる半導体発光素子が使用されている。III族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)などがある。代表的なIII族窒化物系半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)で表される。 A semiconductor light emitting element made of a group III nitride semiconductor is used for a light emitting diode (LED) or the like. Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
III族窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は、例えば、基板上にn型のIII族窒化物系半導体層(n型半導体層)、活性層(発光層)およびp型のIII族窒化物系半導体層(p型半導体層)をこの順に積層した構造を有する。そして、p型半導体層から供給された正孔(ホール)とn型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する。 A semiconductor light emitting device using a group III nitride semiconductor includes, for example, an n-type group III nitride semiconductor layer (n-type semiconductor layer), an active layer (light-emitting layer), and a p-type group III nitride on a substrate. It has a structure in which a series semiconductor layer (p-type semiconductor layer) is laminated in this order. Then, the light generated by the recombination of the holes supplied from the p-type semiconductor layer and the electrons supplied from the n-type semiconductor layer in the active layer is output to the outside.
活性層として、井戸層(ウェル層)をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層(バリア層)でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造が採用可能である。 As the active layer, a multi-quantum well (MQW) structure in which a plurality of well layers (well layers) are sandwiched between barrier layers (barrier layers) having a larger band gap than the well layers can be employed. .
有機金属気相堆積エピタキシャル成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法において、サファイア基板上にAlNまたはGaN低温バッファ層を用いて得られるGaNの転位密度は、108〜1010cm-2程度である。半導体レーザなどのデバイスを作成する上では、106cm-2程度以下が必要である。問題となる転位は、サファイア基板との界面領域から結晶成長と共に引き継がれる貫通転位である。 In the metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, the dislocation density of GaN obtained using an AlN or GaN low-temperature buffer layer on a sapphire substrate is about 10 8 to 10 10 cm −2. . In producing a device such as a semiconductor laser, about 10 6 cm −2 or less is required. The dislocations in question are threading dislocations that are inherited with crystal growth from the interface region with the sapphire substrate.
現在、転位密度を106〜107cm-2程度まで低減できる有効な方法として確立している技術は、選択横方向成長の特性を生かしたELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)技術である。 At present, a technique established as an effective method capable of reducing the dislocation density to about 10 6 to 10 7 cm −2 is an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) technique utilizing the characteristics of selective lateral growth.
GaNに適用されるELO技術には、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法およびMOVPE法に基づくものがある。HVPE法は、成長速度を数10〜数100μm/h程度に大きくとれることが特徴である。 Some ELO technologies applied to GaN are based on the HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method and the MOVPE method. The HVPE method is characterized in that the growth rate can be increased to several tens to several hundreds μm / h.
HVPE法に基づく方法はFIELO(Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth)と呼ばれている。FIELOでは、例えば、サファイア(0001)面(c面)上にMOVPE法で成長させた厚さ1〜1.5μmのGaN上に、SiO2のストライプ状マスクパターンをリソグラフィーによって形成したものを下地として用いている。すなわち、従来の半導体発光素子においては、サファイア基板上にまず、n型GaN層を数μm程度エピタキシャル成長させ、その後、n型GaN層上にSiO2膜若しくはSiNx膜を部分的に形成し、その後、SiO2若しくはSiNx膜以外のn型GaN層を選択横方向エピタキシャル成長の種結晶として、n型半導体層を選択横方向エピタキシャル成長により形成している。 A method based on the HVPE method is called FIELO (Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth). In FIELO, for example, a SiO 2 striped mask pattern formed by lithography on GaN having a thickness of 1 to 1.5 μm grown on the sapphire (0001) plane (c-plane) by the MOVPE method is used as a base. Used. That is, in the conventional semiconductor light emitting device, an n-type GaN layer is first epitaxially grown on the sapphire substrate by about several μm, and then a SiO 2 film or SiN x film is partially formed on the n-type GaN layer. The n-type GaN layer other than the SiO 2 or SiN x film is used as a seed crystal for selective lateral epitaxial growth, and the n-type semiconductor layer is formed by selective lateral epitaxial growth.
しかしながら、サファイア基板の屈折率の値に近い屈折率を有するSiO2膜若しくはSiNx膜の下側に、サファイア基板の屈折率の値とは大きく異なる屈折率を有するn型GaN層が配置されると、サファイア基板―n型GaN層の界面で光の反射が起こり、半導体発光素子の光を有効に外部に取り出すことができず、外部発光効率が低下する。 However, an n-type GaN layer having a refractive index significantly different from the refractive index value of the sapphire substrate is disposed below the SiO 2 film or SiN x film having a refractive index close to that of the sapphire substrate. Then, light is reflected at the interface between the sapphire substrate and the n-type GaN layer, so that the light from the semiconductor light emitting device cannot be effectively extracted outside, and the external light emission efficiency is lowered.
従来構造では、有機金属気相堆積法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって窒化物系半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイア基板を用い、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度を約900℃〜1100℃の高温で、サファイア基板上にGaNエピタキシャル成長層を形成していた。MOCVD法を用いてサファイア基板上に直接成長されたGaN半導体層の表面モフォロジーは極めて悪い。そこで、GaN半導体層を成長させる前に、サファイア基板上にAlNのバッファ層を形成する方法が用いられている。しかしながら、上記方法は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜厚を100〜500Å(オングストローム)と非常に薄い範囲に厳密に制御する必要がある。また、AlNバッファ層上にGaN層を結晶成長させる場合、格子定数不整合が顕著である。 In the conventional structure, when a nitride semiconductor is manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), for example, a sapphire substrate is used as a growth substrate, and an organic metal compound gas is used as a reaction gas. The GaN epitaxial growth layer was formed on the sapphire substrate at a crystal growth temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C. The surface morphology of the GaN semiconductor layer grown directly on the sapphire substrate using the MOCVD method is extremely poor. Therefore, a method of forming an AlN buffer layer on the sapphire substrate before the GaN semiconductor layer is grown is used. However, in the above method, the growth conditions of the buffer layer are strictly limited, and the film thickness must be strictly controlled within a very thin range of 100 to 500 angstroms. In addition, when the GaN layer is grown on the AlN buffer layer, lattice constant mismatch is significant.
また、p型半導体層を多層構造に形成する場合、活性層への熱ダメージを低減させるために低温成長させる必要があり、同時に、順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させる必要がある。また、p型半導体層としてGaN層を適用する場合、発光波長に対する透明性の点で問題がある。 Further, when the p-type semiconductor layer is formed in a multilayer structure, it is necessary to grow at a low temperature in order to reduce the thermal damage to the active layer, and at the same time, the forward voltage (V f ) is lowered and the luminous efficiency is improved. There is a need. Further, when a GaN layer is applied as the p-type semiconductor layer, there is a problem in terms of transparency with respect to the emission wavelength.
また、従来構造では、MQWのペア数は、4〜5ペアが用いられている。この場合、n型半導体層から供給される電子が活性層を飛び越えてp型半導体層まで流れてしまう。この際、p型半導体層から供給されるホールが活性層に達する前に電子と再結合してしまい、活性層に達するホール濃度が減少する。それにより、LEDの輝度が減少してしまう。これを防止するために、p型半導体層の手前にバンドギャップの大きいp型AlGaN層を挿入する構造が用いられている。しかしながら、アルミニウム(Al)を導入するとp型化することが難しくなり、抵抗値が上昇してしまう。一方、活性層の井戸層にInGaN層を適用する場合、p型半導体層の形成における高温プロセスに伴う熱ダメージに弱いという問題点がある。 In the conventional structure, 4 to 5 pairs of MQWs are used. In this case, electrons supplied from the n-type semiconductor layer jump over the active layer and flow to the p-type semiconductor layer. At this time, holes supplied from the p-type semiconductor layer recombine with electrons before reaching the active layer, and the hole concentration reaching the active layer is reduced. Thereby, the brightness | luminance of LED will reduce. In order to prevent this, a structure in which a p-type AlGaN layer having a large band gap is inserted in front of the p-type semiconductor layer is used. However, when aluminum (Al) is introduced, it becomes difficult to form p-type, and the resistance value increases. On the other hand, when an InGaN layer is applied to the well layer of the active layer, there is a problem that it is vulnerable to thermal damage associated with a high temperature process in forming the p-type semiconductor layer.
一方、サファイア基板上に誘電体パターンの凹凸パターンを作製することは可能である(例えば、特許文献1参照。)。 On the other hand, it is possible to produce a concavo-convex pattern of a dielectric pattern on a sapphire substrate (see, for example, Patent Document 1).
また、ナノインプリント技術を用いて基板成長面への凹凸パターンを樹脂やレジストなどで作製することは可能である(例えば、特許文献2〜4参照。)。 Moreover, it is possible to produce the uneven | corrugated pattern to a substrate growth surface with resin, a resist, etc. using nanoimprint technology (for example, refer patent documents 2-4).
従来例に係る半導体発光素子のサファイア基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造は、図31(a)および図31(b)に示すように表される。 A schematic cross-sectional structure for explaining one step of the sapphire substrate processing step of the semiconductor light emitting device according to the conventional example is expressed as shown in FIGS. 31 (a) and 31 (b).
図31(a)は、サファイア基板10a上にレジスト層6aのパターンを形成した模式的断面構造を示す。図31(a)の構造において、例えば、反応性イオンエッチング(RIE: Reactive Ion Etching)などのドライエッチングによってサファイア基板10aの表面を加工しようとすると、図31(b)に示すように、レジスト層6aの耐性が至らず、わずかに浅い溝4aがサファイア基板10a表面上に形成されるのみであり、サファイア基板10aの加工が充分に実施できない。
FIG. 31A shows a schematic cross-sectional structure in which a pattern of the
このように、基板が、例えばサファイアのように加工困難な材料である場合、レジスト層の耐性が至らず、基板に充分な高さの凹凸構造を作製する加工が実施できないという問題点がある。 As described above, when the substrate is a material that is difficult to process, such as sapphire, there is a problem in that the resist layer does not have resistance, and the processing for producing a sufficiently high uneven structure on the substrate cannot be performed.
本発明者らは、基板自体を加工する代わりに、予め、基板表面に加工が容易な材料の層を形成しておいて、この層を加工することによって、基板表面に充分な高さの凹凸構造を形成する技術を見出した。 Instead of processing the substrate itself, the present inventors previously formed a layer of a material that can be easily processed on the substrate surface, and by processing this layer, the substrate surface has a sufficiently high unevenness. We found the technology to form the structure.
本発明の目的は、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having an improved external light emission efficiency by producing a sufficiently uneven structure on a substrate growth surface using a nanoimprint technique.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置され、ナノサイズ加工された第1加工層と、前記第1加工層に挟まれた前記基板および前記第1加工層上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層と、前記n型半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。 According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a substrate, a first processed layer disposed on the substrate and nano-sized, the substrate sandwiched between the first processed layers, and the An n-type semiconductor layer disposed on the first processed layer and doped with an n-type impurity, an active layer disposed on the n-type semiconductor layer, and disposed on the active layer and doped with a p-type impurity And a p-type semiconductor layer.
本発明によれば、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with an improved external light emission efficiency by producing a sufficiently high uneven structure on the substrate growth surface using nanoimprint technology.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
以下の本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、「透明」とは、透過率が約50%以上であるものと定義する。「透明」とは、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約360nm〜830nm程度、エネルギー約3.4eV〜1.5eV程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。 In the semiconductor light emitting device according to the following embodiments of the present invention, “transparent” is defined as having a transmittance of about 50% or more. The term “transparent” is used to mean colorless and transparent with respect to visible light in the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention. Visible light corresponds to a wavelength of about 360 nm to 830 nm and an energy of about 3.4 eV to 1.5 eV, and is transparent unless absorption, reflection, or scattering occurs in this region.
透明性はバンドギャップEgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップEgが約3.1eV以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をn、電荷をq、誘電率をε、有効質量をm*とすると、ωp=(nq2/εm*)1/2で表され、キャリア密度の関数である。 Transparency is determined by the band gap E g and the plasma frequency ω p . When the band gap E g is about 3.1 eV or more, the transition between electrons in the visible light does not occur, and therefore the visible light is transmitted without being absorbed. On the other hand, light having energy lower than the plasma frequency ω p cannot enter the plasma and is reflected by carriers that can be regarded as plasma. The plasma frequency ω p is expressed as ω p = (nq 2 / εm * ) 1/2 where n is the carrier density, q is the charge, ε is the dielectric constant, and m * is the effective mass, and is a function of the carrier density. is there.
[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、基板10と、基板10上に配置され、ナノサイズ加工された加工層18と、加工層18に挟まれた基板10上および加工層18上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置された活性層13と、活性層13上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層14とを備える。
[First embodiment]
(Element structure)
As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is arranged on a
加工層18のパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層18のパターンを形成している。
The pattern size of the processed
また、加工層18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16をさらに備えていても良い。
Further, a
また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、p型半導体層14上に配置された透明電極15と、透明電極15、p型半導体層14、活性層13およびn型半導体層12の一部を除去して得られたn型半導体層12面上に配置されたn側電極200と、透明電極15上に配置されたp側電極100とを備える。尚、各部の詳細については、図22の詳細構造の説明において併せて説明する。
In addition, as shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a
第1の実施の形態に係る半導体発光素子をパッケージに実装した模式的断面構造は、図2(a)に示すように表される。また、図2(a)のA部分の拡大された模式的断面構造は、図2(b)に示すように表される。 A schematic cross-sectional structure in which the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment is mounted in a package is expressed as shown in FIG. Moreover, the enlarged schematic cross-sectional structure of A part of Fig.2 (a) is represented as shown in FIG.2 (b).
図2(a)に示すように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子のp側電極100は、ボンディングコンタクト102を介して、ボンディングワイヤ104によって、パッケージ2の内壁底に実装されたアノード用の電極パターン106に接続され、同様に、n側電極200は、ボンディングコンタクト202を介して、ボンディングワイヤ204によって、パッケージ2の内壁底に実装されたカソード用の電極パターン206に接続されている。
As shown in FIG. 2A, the p-
また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、モールド樹脂1によって、パッケージ2内に実装されている。
In addition, the semiconductor light emitting element according to the first embodiment is mounted in the
図2(a)に示すように、活性層13から上方向に放射された光は、p型半導体層14と透明電極15との界面で一部反射され、下方向に伝搬される。また、活性層13から下方向に放射された光は、加工層18において効率良く屈折されて、基板10内を伝搬し、パッケージ2の内壁底で反射され、上方向に伝搬される。
As shown in FIG. 2A, the light emitted upward from the
結果として、図2(a)に示すように、パッケージ2に実装された第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層13から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
As a result, as shown in FIG. 2A, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment mounted on the
(基板加工工程)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の基板10の加工工程は、基板自体を加工する代わりに、予め、基板表面に加工が容易な材料の層を形成しておいて、この層を、例えば、ナノインプリント技術を用いてナノメータオーダで、加工することによって、基板表面に充分な高さの凹凸構造を形成している。
(Substrate processing process)
In the process of processing the
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の基板10の加工工程について、図3(a)〜図3(d)及び図4(a)〜(d)を参照して、以下に説明する。
The processing steps of the
(a)まず、図3(a)に示すように、基板10として、例えば、サファイア基板を準備する。
(A) First, as shown in FIG. 3A, for example, a sapphire substrate is prepared as the
(b)次に、図3(b)に示すように、基板10の表面上に、加工層18を形成する。加工層18は、加工が容易な材料の層であり、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
(B) Next, as shown in FIG. 3B, a processed
(c)次に、図3(c)に示すように、加工層18上にレジスト層6を形成する。
(C) Next, as shown in FIG. 3C, a resist
(d)次に、図3(d)に示すように、ナノインプリント技術に適用するナノインプリントモールド4を準備する。ナノインプリントモールド4の材料としては、銅(Cu)などの金属、或いは石英などを適用することができる。ナノインプリントモールド4のパターンは、電子線描画法によって形成され、ナノメータスケールである。例えば、半導体発光素子の発光ピーク波長をλとすると、図3(d)に示すように、パターンピッチはλ/2程度、パターンサイズはλ/4程度である。 (D) Next, as shown in FIG.3 (d), the nanoimprint mold 4 applied to a nanoimprint technique is prepared. As a material of the nanoimprint mold 4, a metal such as copper (Cu), quartz, or the like can be used. The pattern of the nanoimprint mold 4 is formed by an electron beam drawing method and has a nanometer scale. For example, if the emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is λ, the pattern pitch is about λ / 2 and the pattern size is about λ / 4 as shown in FIG.
(e)次に、図4(a)に示すように、ナノインプリント技術を適用して、ナノインプリントモールド4をレジスト層6に圧着して、レジスト層6に凹部を形成する。ここで、ナノインプリント技術としては、例えば、熱サイクルナノインプリント技術、光ナノインプリント技術などを用いることができる。
(E) Next, as shown in FIG. 4A, a nanoimprint technique is applied, and the nanoimprint mold 4 is pressure-bonded to the resist
(f)次に、図4(b)に示すように、RIEなどのエッチング技術を用いて、レジスト層6を加工する。
(F) Next, as shown in FIG. 4B, the resist
(g)次に、図4(c)に示すように、上記のレジストパターンを用いて、RIEなどのエッチング技術を用いて、加工層18を加工し、サファイア基板10を露出させる。
(G) Next, as shown in FIG. 4C, the processed
(h)次に、図4(d)に示すように、レジスト層6を剥離して、基板10上に加工層18のパターンを形成する。加工層18のパターンもナノインプリントモールド4のパターンを反映し、図4(d)に示すように、パターンピッチはλ/2程度、パターンサイズはλ/4程度である。
(H) Next, as shown in FIG. 4D, the resist
図4(d)は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板10および加工層18の模式的断面構造例1に対応し、加工層18が、パターンピッチλ/2、パターン幅λ/4の矩形パターンを有する例である。
FIG. 4D corresponds to a schematic cross-sectional structure example 1 of the
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板10および加工層18の他の模式的断面構造例2〜4としては、図5(a)〜(c)に示すように、それぞれパターンピッチλ/2・上底のパターン幅λ/4の台形形状パターン、パターンピッチλ/2・下辺のパターン幅λ/4の三角形状パターン、パターンピッチλ/2・直径のパターン幅λ/4の半円パターンを備えていても良い。
Other typical cross-sectional structure examples 2 to 4 of the
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成例1〜4は、図6(a)〜(d)に示すように表される。図6(a)は、矩形形状の加工層18を格子状配置した例である。図6(b)は、矩形形状の加工層18を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層18のパターンピッチは、全てaに等しい。図6(c)は、円形形状の加工層18を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層18のパターンピッチは、全てaに等しい。図6(d)は、六角形形状の加工層18を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層18のパターンピッチは、全てaに等しい。ここで、図6(b)〜(d)において、aの値は、例えば、λ/2程度である。
Typical planar pattern configuration examples 1 to 4 of the processing layer on the substrate formed by using the substrate processing step of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment are as shown in FIGS. It is expressed in FIG. 6A shows an example in which rectangular processed
(加工層の形成と屈折率分布)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、基板10上に加工層18−1〜18−nを多層構造に形成する工程を説明する模式的断面構造は、図7(a)に示すように表され、基板10および加工された加工層18の模式的断面構造は、図7(b)に示すように表される。図7(a)に示される加工層18−1〜18−nにおいては、屈折率nの分布をx方向に次第に増加するように形成している。
(Formation of processed layer and refractive index distribution)
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, a schematic cross-sectional structure for explaining the process of forming the processed layers 18-1 to 18-n on the
図7の加工層18中の屈折率nの分布は、例えば、図8に示すように、加工層18−1〜18−nの多層構造を反映して、階段状の線Cのように形成される。
The distribution of the refractive index n in the processed
さらに多層構造の各層を微細な層として形成する場合には、加工層18中の屈折率nの分布は、破線Bに示すように、曲線状に形成され易くなる。
Further, when each layer of the multilayer structure is formed as a fine layer, the refractive index n distribution in the processed
加工層18中の屈折率nの分布は、実際上は、段差状の線Cのように形成するよりもむしろ、破線Bに示すように曲線状に形成する場合が多い。これは、ガスの流量比を制御することによって、容易に、屈折率nの分布を曲線状の滑らかな分布として、実現ことができるからである。すなわち、成膜中にSiH4、NH3、N2Oガスの供給比を徐々に変化させることによって、図8の破線Bで示すように、屈折率nが階段状ではなく、滑らかに変化するような加工層18も作製可能である。
In practice, the distribution of the refractive index n in the processed
加工層18として、シリコン窒化膜を形成する場合には、プラズマ化学的気相堆積法(CVD:Chemical Vapor Deposition)を用い、SiH4、NH3、およびN2を原料ガスとして用い、成膜する。加工層18として、シリコン酸化膜を形成する場合には、プラズマCVDを用い、SiH4、H2O、およびN2を原料ガスとして用い、成膜する。加工層18として、シリコン酸窒化膜(SiON)を形成する場合には、プラズマCVDを用い、SiH4、NH3、N2O、およびN2を原料ガスとして用い、これらのガスを同時に流すことによって、成膜する。
In the case of forming a silicon nitride film as the
加工層18としてシリコン酸窒化膜(SiON)を形成する場合において、N2O流量(sccm)と屈折率nとの関係は、図9に示すように表される。N2O流量を上昇させて相対的な窒素含有量を増加させることによって、屈折率nは次第に減少する。例えば、N2O流量を0〜300(sccm)の範囲で変化させることによって、加工層18中のx方向の屈折率nは、約1.6〜約2.1まで増加させることができる。このように、SiNとSiO2の中間的なSiON膜の成膜は、N2Oガスなどの導入によって可能である。これによって、サファイア基板10の屈折率の値1.7を下回るようなn=1.5からGaNの屈折率の値に近いn=2.4まで、自由に屈折率nの値を変化させることができる。
When a silicon oxynitride film (SiON) is formed as the processed
加工層18としてシリコン窒化膜(SiN)を形成する場合において、NH3流量(sccm)と屈折率nとの関係は、図10に示すように表される。NH3とN2の比を固定して、NH3流量(sccm)を上昇させて相対的な窒素含有量を増加させることによって、屈折率nは次第に減少する。例えば、NH3流量を50〜200(sccm)の範囲で変化させることによって、加工層18中のx方向の屈折率nは、約1.9〜約2.3まで増加させることができる。窒化膜SiNyの組成比yにはSi3N4を中心として幅があり、組成比yの値によって、所望の屈折率nおよびSiNy膜を得ることができる。例えば、SiN膜をCVD法により成膜する場合において、図10に示すように、SiH4に対するNH3の供給量を変化させることによって、自由に屈折率nの値を変化させることができる。
When a silicon nitride film (SiN) is formed as the processed
(シミュレーション結果)
加工層18の最適なサイズを決定するために、シミュレーションを行った。図11には、シミュレーションに用いた加工層18の各部の寸法を示す。図11に示すように、加工層18の高さはh(nm)、パターン幅はb(nm)、パターンピッチはa(nm)で表されている。
(simulation result)
In order to determine the optimum size of the processed
発光波長λおよび加工層18の高さhを固定し、ピッチ比b/aを変化させた場合の透過率T(%)を図12に示す。図12に示すように、所定のピッチ比b/aにおいて、透過率Tは、ピーク値を有するという傾向が現れている。
FIG. 12 shows the transmittance T (%) when the emission wavelength λ and the height h of the processed
次に、発光波長λ、加工層18の高さh、パターン幅bを固定し、パターンピッチaのみを変化させた場合の透過率T(%)を図13に示す。図13に示すように、パターンピッチaの値をλ/2、λ、2λと変化させた場合、パターンピッチaの値がλと2λとの間において、透過率T(%)は、ピーク値を有するという傾向が現れている。
Next, FIG. 13 shows the transmittance T (%) when the emission wavelength λ, the height h of the processed
次に、発光波長λ、加工層18のパターン幅bおよびパターンピッチaを固定し、加工層18の高さhを変化させた場合の透過率T(%)を図14に示す。図14には、パターンピッチaを1.8λ、3.2λ、1.1λ、λに変化させた場合の結果を示した。いずれの場合も加工層18の高さhの値がλと2λとの間において、透過率T(%)は、ピーク値を有するという傾向が現れている。
Next, FIG. 14 shows the transmittance T (%) when the emission wavelength λ, the pattern width b and the pattern pitch a of the processed
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、基板10上に、屈折率nが次第に増加する傾向を有する加工層18を形成し、この加工層18に対して、特にナノインプリント技術を用いて、ナノメータスケールの凹凸構造を作製することによって、基板10側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the processed
(製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図15〜図21に示すように、基板10を準備する工程と、基板10上に、ナノサイズ加工された加工層18を形成する工程と、加工層18をパターニングし、基板10を露出する工程と、加工層18に挟まれ,露出された基板10および加工層18上にn型不純物をドープされたn型半導体層12を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、n型半導体層12上に活性層13を形成する工程と、活性層13上にp型不純物をドープされたp型半導体層14を形成する工程とを有する。
(Production method)
In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first embodiment, as shown in FIGS. 15 to 21, a process of preparing a
加工層18のパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層18のパターンを形成している。
The pattern size of the processed
また、基板10を露出する工程後、加工層18に挟まれ, 露出された基板10上にバッファ層16を形成する工程をさらに有する。
Further, after the step of exposing the
以下、図15〜図21を参照して、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を説明する。以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板10にサファイア基板を適用する例を説明する。
Hereinafter, with reference to FIGS. 15 to 21, a method for manufacturing the semiconductor light emitting element according to the first embodiment will be described. The manufacturing method of the semiconductor light emitting element described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including modifications. Here, an example in which a sapphire substrate is applied to the
(a)まず、図15に示すように、サファイア基板10を準備し、サファイア基板10上に加工層18を形成後、ナノインプリント技術を用いてナノサイズ加工し、基板10の表面を露出する。
(A) First, as shown in FIG. 15, a
加工層18の形状は、矩形、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、横方向選択エピタキシャル成長(ELO)を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ELOを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるa面、m面を考慮して、選択する。サファイア基板10の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、加工層18とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。サファイア基板10上に、屈折率nが次第に増加する傾向を有する加工層18を形成し、この加工層18に対して、特にナノインプリント技術を用いて、ナノメータスケールの凹凸構造を作製することによって、サファイア基板10側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上する。
The processed
(b)次に、図16に示すように、露出されたサファイア基板10上に、MOCVD法などにより、AlNバッファ層16を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、短時間に成長させる。
(B) Next, as shown in FIG. 16, an
(c)次に、図17に示すように、AlNバッファ層16上に、MOCVD法などにより、n型半導体層12となるGaN層を成長させる。例えば、AlNバッファ層16を形成したサファイア基板10をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層16上に、n型不純物を不純物添加したn型半導体層12を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層12には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層12を形成する。図17中に示すように、n型半導体層12となるGaN層中には、貫通転位20が発生している。
(C) Next, as shown in FIG. 17, a GaN layer to be the n-
(d)次に、図18に示すように、ELOによって、n型半導体層12を形成する。横方向選択エピタキシャル成長面であるm面若しくはa面上に横方向選択エピタキシャル成長層が形成されて、図18中のベクトルLA、LB方向にn型半導体層12が、横方向に選択エピタキシャル成長される。結果として、貫通転位20も曲げられて、加工層18の中央部LO近傍において左右からの選択エピタキシャル成長面が合体し、同時に貫通転位20もつながる。
(D) Next, as shown in FIG. 18, the n-
加工層18を埋めるため、途中からピタキシャル成長条件を横方向成長を促進させる条件に変えても良い。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、ELOによる貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
In order to fill the processed
加工層18を覆うように、横方向選択エピタキシャル成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
Since lateral selective epitaxial growth (ELO) is performed so as to cover the processed
さらに、n型半導体層12を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図19に示すように、4層構造のn型半導体層12(121、122、123、124)を形成することもできる。このようにすることによって、n型半導体層12の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。
Further, the pressure and growth temperature conditions for forming the n-
例えば、加工層18のパターンをストライプ状に形成する場合、ストライプは、<11−20>または<1−100>方向とし、加工層18の幅を約1〜4μm程度、繰り返しの周期を例えば約7μm程度とする。この上に、HVPE法により、1000℃でn型半導体層12となるGaNを成長する。HVPE法では、GaClとNH3を反応させてGaNを成長する。ストライプ方向が<11−20>の場合に、GaNの成長は、まず加工層18の開口部では、最初(0001)方向の成長により、基板面に対して傾斜した{1−101}面をファセットとする三角形断面の形状が生じる。次に、ファセットを保持したまま、加工層18上で横方向の成長が、隣接した成長部が合体するまで進む。合体後は、さらに表面が平坦化するように成長が進み、(0001)面を有する完全に平坦な成長層が得られる。ストライプが<1−100>方向のパターンでは、{11−22}面がファセットとなるが、同様の成長層が得られる。
For example, when the pattern of the processed
上記の例は一例であって、他のパターンおよびパターン方向も適用可能である。また、結晶成長の主面は上記の例では、極性面の例を説明しているが、非極性面、半極性面を適用することも可能である。 The above example is an example, and other patterns and pattern directions are also applicable. In addition, in the above example, the example of the polar plane is described as the main plane of crystal growth, but a nonpolar plane or a semipolar plane can also be applied.
(e)次に、図20に示すように、活性層13をn型半導体層12上に形成する。
(E) Next, as shown in FIG. 20, the
(f)次いで、図21に示すように、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層310上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層14を0.05〜1μm程度形成する。
(F) Next, as shown in FIG. 21, the substrate temperature is set to about 800 ° C. to 900 ° C., and the p-
(g)次に、図2に示すように、p型半導体層14の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極15を形成する。透明電極15としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019 〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。
(G) Next, as shown in FIG. 2, a
(h)次に、図2に示すように、透明電極15をパターニング後、p型半導体層14〜n型半導体層12の途中までを、RIEなどのエッチング技術を用いて除去し、n型半導体層12の表面を露出させる。
(H) Next, as shown in FIG. 2, after patterning the
(i)次に、露出したn型半導体層12の表面にn側電極200を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層14上の透明電極15に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図2に示した半導体発光素子が完成する。
(I) Next, the n-
(詳細構造例1)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例1であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造図は、図22に示すように、基板10と、基板10上に配置され、ナノサイズ加工された加工層18と、加工層18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および加工層18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置され活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。
(Detailed structure example 1)
22 is a detailed schematic cross-sectional structure example 1 of the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment, and an enlarged schematic cross-sectional structure diagram of the semiconductor light-emitting device portion and the active layer portion is as shown in FIG. A
図22の構成では、n型半導体層12上にブロック層17として、Siを1×1017cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜を例えば、約200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層12を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。
In the configuration of FIG. 22, a GaN film doped with Si at a concentration of less than 1 × 10 17 cm −3 , for example, about 8 × 10 16 cm −3 is used as the
活性層13は、図22に示すように、バリア層311〜31n、310とそのバリア層311〜31n、310よりバンドギャップが小さい井戸層321〜32nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層13に含まれる第1バリア層311〜第nバリア層31nを総称して「バリア層31」という。また、活性層13に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層32」という。
As shown in FIG. 22, the
形成された積層構造上に、図22に示すように、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、活性層13が形成される。最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型ドーパンドが活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。
On the formed laminated structure, as shown in FIG. 22, an
例えば、図22に示すように、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層13が形成される。具体的には、活性層13を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層13が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。
For example, as shown in FIG. 22, the
バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、NH3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、NH3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。 In the case of forming the barrier layer 31, for example, TMG gas and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus for film formation as source gases. On the other hand, when forming the well layer 32, for example, TMG gas, trimethylindium (TMI) gas, and NH 3 gas are supplied to the processing apparatus as source gases. TMG gas is supplied as Ga atom source gas, TMI gas is supplied as In atom source gas, and NH 3 gas is supplied as nitrogen atom source gas.
p型半導体層14は、例えば、図22に示すように、p型不純物としてMgを不純物添加した4層構造に形成する。活性層13の上部に配置される第1窒化物系半導体層41は、約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成し、第2窒化物系半導体層42は、約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成し、第3窒化物系半導体層43は、例えば約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成し、第4窒化物系半導体層44は、約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成する。
For example, as shown in FIG. 22, the p-
Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層14(41〜44)を形成する。p型半導体層14(41〜44)の形成時にp型半導体層14(41〜44)から活性層13にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層13の井戸層32に拡散することが防止される。
When Mg is added as an impurity, TMG gas, NH 3 gas and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas are supplied as source gases to form the p-type semiconductor layers 14 (41 to 44). Mg is diffused from the p-type semiconductor layer 14 (41 to 44) to the
上記の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚は、その最終バリア層310以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層311〜第nバリア層31n)の厚さより厚く形成されていてもよい。
The film thickness of the
図22に示した半導体発光素子では、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。
In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 22, the concentration of the p-type dopant in the
n型半導体層12、活性層13及びp型半導体層14はそれぞれIII族窒化物系半導体からなり、基板10上にナノサイズ加工された加工層18を形成後、バッファ層16、n型半導体層12、ブロック層17、活性層13及びp型半導体層14が順次積層される。
The n-
(加工層)
加工層18は、発光波長に対して透明であり、かつ加工層18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい。例えば、加工層18としては、発光波長に対して十分に透明であり、基板10の屈折率に近い屈折率のものを用いても良い。
(Processed layer)
The processed
基板10としてサファイア基板(n=1.7〜1.8)を用いる場合、加工層18として、SiO2膜を用いると、SiO2膜の屈折率は約n=1.46程度であり、サファイア基板の屈折率n=1.7〜1.8と同程度となる。また、加工層18として、SiNx膜を用いると、SiNx膜の屈折率は約n=2.05程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。加工層18として、TiOx膜を用いると、TiOx膜の屈折率は約n=1.8程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。さらにまた、加工層18として、Al2O3膜を用いると、Al2O3膜の屈折率は約n=1.7〜1.8程度でありサファイア基板の屈折率と同程度となる。
When a sapphire substrate (n = 1.7 to 1.8) is used as the
したがって、加工層18としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれも適用可能である。
Therefore, as the processed
しかも、図7〜図8に示したように、加工層18の内部に屈折率nの分布を持たせることによって、基板10側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
In addition, as shown in FIGS. 7 to 8, by providing a distribution of the refractive index n inside the processed
(AlNバッファ層)
バッファ層16は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層16を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
(AlN buffer layer)
The
トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。
By supplying trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) to the reaction chamber using H 2 gas as a carrier, a thin
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16および加工層18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the crystallinity and surface morphology of the group III nitride semiconductor formed on the high temperature
(ブロック層)
n型半導体層12と活性層13間に配置されたブロック層17は、例えばn型不純物としてSiを1×1017cm-3未満で不純物添加した膜厚約200nm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
(Block layer)
The
図22に示した半導体発光素子では、例えばn型半導体層12にSiが3×1018cm-3程度不純物添加された場合に、Siが約8×1016cm-3程度不純物添加されたブロック層17をn型半導体層12と活性層13間に配置することにより、活性層13の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散を防止できる。
In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 22, for example, when Si is doped with about 3 × 10 18 cm −3 in the n-
つまり、活性層13内にSiが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層13で発光させるためにn型半導体層12とp型半導体層14間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層12から活性層13に供給された電子が活性層13を通過してp型半導体層14に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。
That is, Si does not diffuse into the
ブロック層17のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層17のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層12から供給された電子が活性層13を超えてp型半導体層14までオーバーフローし、p型半導体層14内で正孔と再結合してしまい、活性層13中での再結合の割合が減少し、活性層13で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層17のSi濃度が低すぎる場合は、n型半導体層12から活性層13へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層17のSi濃度は、約5×1016〜1×1017cm-3未満であることが好ましい。
The Si concentration of the
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、n型半導体層12と活性層13間にブロック層17を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図22に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the
(n型半導体層)
n型半導体層12は、電子を活性層13に供給し、p型半導体層14は、正孔(ホール)を活性層13に供給する。供給された電子及び正孔が活性層13で再結合することにより、光が発生する。
(N-type semiconductor layer)
The n-
n型半導体層12は、シリコン(Si)等のn型不純物を不純物添加した膜厚1〜6μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
The n-
加工層18を介して窒化物半導体からなるn型半導体層12を異種基板10上へ直接エピタキシャル成長させる。加工層18を埋めるため、途中から条件を横方向成長を促進させる条件に変える。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、横方向成長(ELO)による貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
The n-
加工層18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
Since lateral growth (ELO) is performed so as to cover the processed
(p型半導体層)
p型半導体層14は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
(P-type semiconductor layer)
The p-
p型半導体層14の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層14は、図22に示すように、活性層13の上部に配置され,p型不純物を含む第1窒化物系半導体層41と、第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42と、第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44とを備える。
A configuration example of the p-
第2窒化物系半導体層42の厚さは、第1窒化物系半導体層41、或いは第3窒化物系半導体層43乃至第4窒化物系半導体層44の厚さよりも厚く形成される。
The thickness of the second nitride-based
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層13の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層41は、例えばMgを不純物添加された約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成される。
Here, the material and thickness of each layer will be specifically described. The first
第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42は、例えばMgを不純物添加された約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成される。
The second
第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。
The third nitride-based
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。
The fourth
第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-
活性層13に一番近い第1窒化物系半導体層41は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
The first
第2窒化物系半導体層42は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。
The second nitride-based
第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層42よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。
The third nitride-based
第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。
The fourth nitride-based
p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層13に近い第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型GaN層を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。
When four p-type GaN layers are grown, the third
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-type semiconductor layer is formed at a low temperature to reduce the thermal damage to the active layer, to reduce the forward voltage (V f ), and to improve the luminous efficiency. Can be improved.
(活性層)
また、活性層13は、バリア層とバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる。
(Active layer)
The
また、バリア層は、GaNよりなり、井戸層は、InxGa1-xN(0<x<1)よりなり、多重量子井戸のペア数は、例えば、6〜11程度である。 The barrier layer is made of GaN, the well layer is made of In x Ga 1-x N (0 <x <1), and the number of pairs of multiple quantum wells is about 6 to 11, for example.
また、井戸層の厚さは、例えば、2〜3nmであり、バリア層の厚さは、例えば、15〜18nmである。 Moreover, the thickness of a well layer is 2-3 nm, for example, and the thickness of a barrier layer is 15-18 nm, for example.
さらに詳細には、活性層13は、図22に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層13は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
More specifically, as shown in FIG. 22, the
具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層13の第1バリア層311は、n型半導体層12上にブロック層17を介して配置され、活性層13の最終バリア層310上にはp型半導体層14(41〜44)が配置される。
Specifically, the
井戸層321〜32nは、例えばInxGa1-xN(0<x<1)層によって形成され、バリア層311〜31n,310は、例えばGaN層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、6〜11であることを特徴とする。なお、井戸層321〜32nのインジウム(In)の比率{x/(1−x)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。 The well layers 321 to 32n are formed by, for example, In x Ga 1-x N (0 <x <1) layers, and the barrier layers 311 to 31n and 310 are formed by, for example, GaN layers. The number of pairs of the multiple quantum well layers is, for example, 6 to 11. The indium (In) ratio {x / (1-x)} of the well layers 321 to 32n is appropriately set according to the wavelength of light to be generated.
また、井戸層321〜32nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層311〜31nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度である。 Further, the thickness of the well layers 321 to 32n is, for example, about 2 to 3 nm, preferably about 2.8 nm, and the thickness of the barrier layers 311 to 31n is about 7 to 18 nm, preferably about It is about 16.5 nm.
第1の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13内のMQWペア数を最適化することができる。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the active layer for efficiently recombining the electrons supplied from the n-
(最終バリア層)
最終バリア層310の膜厚は、p型半導体層14から活性層13へのMgの拡散距離より厚く形成される。
(Final barrier layer)
The
図22に示した半導体発光素子の例では、最終バリア層310のp型不純物の濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が実質的に存在しない。
In the example of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 22, the concentration of the p-type impurity in the
図22に示した半導体発光素子の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が、活性層13の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層14から最終バリア層310に拡散するp型不純物が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。
The film thickness d 0 of the
p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は、約1016cm-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。
The Mg concentration on the first main surface of the
即ち、最終バリア層310の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層310の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層13と接する最終バリア層310の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。
That is, by setting the film thickness d 0 of the
なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層12から活性層13に注入される正孔が第n井戸層32nに到達し、第n井戸層32nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層13中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層310の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は約2〜3nm程度である。
The film thicknesses d1 to dn of the
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層14に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図15に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層310の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層13全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層14から活性層13の井戸層32へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
As described above, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the film thickness d 0 of the
(透明電極)
透明電極15は、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。或いはまた、透明電極15は、GaまたはAlが、不純物濃度1×1019 〜5×1021cm-3で不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。
(Transparent electrode)
The
(詳細構造例2)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例2あって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図23に示すように、基板10と、基板10上に配置され、ナノサイズ加工された加工層18と、加工層18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および加工層18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置された活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。
(Detailed structure example 2)
23 is a detailed schematic cross-sectional structure example 2 of the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment. An enlarged schematic cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device portion and the active layer portion is shown in FIG. A nano-sized processed
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例2は、活性層13の上部に配置されたp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と、第4窒化物系半導体層上に配置され、透明電極15とを備える。
The detailed schematic cross-sectional structure example 2 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a third nitride-based
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例2においては、その構造上、p型半導体層14が、活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され、第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44からなる2層構造に形成されている。
In the detailed schematic cross-sectional structure example 2 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the third nitride semiconductor in which the p-
活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。
The third
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。
The fourth
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例2において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる2層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
In the detailed schematic cross-sectional structure example 2 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the p-
活性層13に一番近い第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
Since the third
第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。
The fourth nitride-based
p型GaN層を2層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。或いはまた、活性層13に近い第3窒化物系半導体層43は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。
When growing two p-type GaN layers, the third nitride-based
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例2においても、基板10上に配置された加工層18、加工層18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16、バッファ層16および加工層18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12、ブロック層17、活性層13、p型半導体層14、最終バリア層310および電極構造は本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細構造例1と同様であるため、説明は省略する。
Also in the detailed schematic cross-sectional structure example 2 of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment, the processed
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例1および構造例2においては、高温AlNバッファ層16および加工層18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
In the detailed schematic cross-sectional structure example 1 and structure example 2 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, the crystallinity of the group III nitride semiconductor formed on the high-temperature
また、低温でp型半導体層14を形成して活性層13への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Vfを低下させ、発光効率を向上させることができる。
In addition, the p-
また、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13のMQWペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。
Further, the number of MQW pairs in the
また、p型半導体層14から井戸層へのp型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができ、n型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフロー、及びn型半導体層12から活性層13へのn型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができる。
Further, the diffusion of p-type impurities from the p-
(結晶成長面方位)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子に適用されるIII族窒化物半導体の結晶面について説明する。III族窒化物半導体の結晶構造のc面、a面、m面は、模式的に図24(a)に示すように表され、半極性面{10−11}は、模式的に図24(b)に示すように表され、半極性面{10−13}は、模式的に図24(c)に示すように表され、III族原子と窒素原子の結合形状は、模式的に、図24(d)に示すように表される。
(Crystal growth plane orientation)
A crystal plane of a group III nitride semiconductor applied to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be described. The c-plane, a-plane, and m-plane of the crystal structure of the group III nitride semiconductor are schematically represented as shown in FIG. 24A, and the semipolar plane {10-11} is schematically shown in FIG. b), the semipolar plane {10-13} is schematically represented as shown in FIG. 24 (c), and the bond shape between the group III atom and the nitrogen atom is schematically illustrated in FIG. 24 (d).
III族窒化物系半導体の結晶構造は、図24(a)〜図24(d)に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して4つの窒素原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。 The crystal structure of the group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system as shown in FIGS. 24 (a) to 24 (d), and there are four nitrogen atoms for one group III atom. Are connected. Four nitrogen atoms are located at four vertices of a regular tetrahedron having a group III atom arranged at the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is positioned in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are positioned on the −c axis side with respect to the group III atom. Because of such a structure, the polarization direction is along the c-axis in the group III nitride semiconductor.
c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。 The c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal is the c-plane {0001}. When the group III nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c plane, the + c axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the −c axis side plane (−c plane) ) Is a crystal plane with nitrogen atoms. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.
+c面と−c面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、+c面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−c面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。 Since the + c plane and the −c plane are different crystal planes, different physical properties are exhibited accordingly. Specifically, it is known that the + c surface has high durability against chemical reactions such as resistance to alkali, and conversely, the −c surface is chemically weak and is soluble in alkali, for example.
一方、六角柱の側面がそれぞれm面{10−10}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11−20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図24(b)および図24(c)に示すように、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面{10−11}や{10−13}は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、{10−1−1}面、{10−1−3}面、{11−22}面などの面である。 On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes {10-10}, respectively, and the planes passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other are a-planes {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, as shown in FIGS. 24B and 24C, crystal planes {10-11} and {10-13} that are inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) are Since it crosses diagonally with respect to the polarization direction, it is a plane with some polarity, that is, a semipolar plane. Specific examples of other semipolar planes are planes such as {10-1-1} plane, {10-1-3} plane, {11-22} plane.
例えば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、[0001]方向および[11−20]方向の両方に関する方位誤差が±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面としたGaN単結晶基板が得られる。 For example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface can be produced by cutting from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and the orientation error in both the [0001] direction and the [11-20] direction is within ± 1 ° (preferably ± 0.3 °). Within). In this way, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface is obtained.
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、上記六方晶構造の各面を結晶主面として用いることができ、MOCVD法などによって、半導体発光素子を形成することができる。 The semiconductor light emitting device according to the first embodiment can use each surface of the hexagonal crystal structure as a crystal main surface, and can form a semiconductor light emitting device by MOCVD or the like.
第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子においては、例えば、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の非極性面に垂直な非極性面となるように、加工層18のパターン形状を選択すると良い。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment and its modification, for example, the n-
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のm面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のm面に垂直なa面となるように、加工層18のパターン形状を選択すると良い。
Alternatively, in the n-
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のa面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のa面に垂直なm面となるように、加工層18のパターン形状を選択すると良い。
Alternatively, in the n-
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の半極性面に垂直なa面若しくはm面となるように、加工層18のパターン形状を選択すると良い。
Alternatively, the n-
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、m面若しくはa面となるように、加工層18のパターン形状を選択すると良い。
Alternatively, the n-
図22に示した第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例1において、p側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造は、図25に示すように、n型半導体層12に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層14に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図25に示すように、p型半導体層14、活性層13、ブロック層17、及びn型半導体層12の一部領域をエッチングして露出させたn型半導体層12の表面に、n側電極200が配置される。
In the detailed schematic cross-sectional structure example 1 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment shown in FIG. 22, the schematic cross-sectional structure formed up to the p-side electrode and the n-side electrode is as shown in FIG. An n-
p側電極100は、p型半導体層14上に透明電極15を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層14上に直接配置されていても良い。第4窒化物系半導体層44上に配置される透明電極15は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。
The p-
n側電極200は、例えばアルミニウム(Al)膜、Ti/Ni/AuまたはAl/Ti/Au,Al/Ni/Au,Al/Ti/Ni/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au/Ni/Alの多層膜からなり、p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Auの多層膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層12に、p側電極100は、透明電極15を介してp型半導体層14に、それぞれオーミック接続される。
The n-
(詳細構造例3)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例3であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図26に示すように、基板10と、基板10上に配置され、ナノサイズ加工された加工層18と、加工層18に挟まれた基板10上に配置されたAlNバッファ層16と、AlNバッファ層16上および加工層18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層25と、n型半導体層25上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層60と、活性層60上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層80とを備える。n型半導体層25は、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層12とn型半導体層12上に配置され、同じくn型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型コンタクト層19とを備える。
(Detailed structure example 3)
26 is a detailed schematic cross-sectional structure example 3 of the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment, and an enlarged schematic cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device portion and the active layer portion is formed on a substrate as shown in FIG. 10, a
活性層60は、図26に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層611〜61n、610とバリア層611〜61n、610よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層621〜62nが交互に配置された積層構造を有する。
As shown in FIG. 26, the
図26に示した第1の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例3において、p側電極およびn側電極まで形成した模式的断面構造は、図27に示すように、n型半導体層25に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層80に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図27に示すように、p型半導体層80、活性層60、及びn型コンタクト層19の一部領域をエッチングして露出させたn型コンタクト層19の表面に、n側電極200が配置される。
In the detailed schematic cross-sectional structure example 3 of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment shown in FIG. 26, the schematic cross-sectional structure formed up to the p-side electrode and the n-side electrode is as shown in FIG. An n-
(フリップチップ構造)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造のパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図28に示すように表される。
(Flip chip structure)
A schematic cross-sectional structure showing a structure in which the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment is mounted on a flip-chip package is expressed as shown in FIG.
第1の実施の形態に係る半導体発光素子のp側電極100は、ダイボンディングによって、パッケージ2の内壁底に実装されたアノード用の電極パターン(図示省略)に接続され、同様に、n側電極200は、ダイボンディングによって、パッケージ2の内壁底に実装されたカソード用の電極パターン(図示省略)に接続されている。
The p-
また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、モールド樹脂1によって、パッケージ2内に実装されている。
In addition, the semiconductor light emitting element according to the first embodiment is mounted in the
フリップチップ構造に実装された第1の実施の形態に係る半導体発光素子においては、活性層13から下方向に放射された光は、p型半導体層14と透明電極15との界面で一部反射され、上方向に伝搬される。また、活性層13から上方向に放射された光は、加工層18において効率良く屈折されて、基板10内を伝搬し、上方向に伝搬される。
In the semiconductor light emitting device according to the first embodiment mounted in the flip chip structure, the light emitted downward from the
結果として、図28に示すように、フリップチップ構造のパッケージ2に実装された第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層13から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
As a result, as shown in FIG. 28, in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment mounted on the
GaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。
A flip chip structure that is a path for extracting light from the GaN layer side to the outside through the
異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる加工層18を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。
A substrate in which a processed
しかも、図7〜図8に示したように、加工層18の内部に屈折率nの分布を持たせることによって、基板10側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
In addition, as shown in FIGS. 7 to 8, by providing a distribution of the refractive index n inside the processed
(変形例1)
第1の実施の形態の変形例1に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図29に示すように表される。
(Modification 1)
A schematic cross-sectional structure showing a structure in which the semiconductor light emitting device according to the first modification of the first embodiment is mounted on a package is expressed as shown in FIG.
本発明の第1の実施の形態の変形例1に係る半導体発光素子においては、透明電極15上にも加工層19aを備えることを特徴とする。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であるため、重複説明は省略する。
The semiconductor light emitting device according to the first modification of the first embodiment of the present invention is characterized in that a processed
加工層19aのパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて透明電極15に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層19aのパターンを形成している。また、加工層19aは、加工が容易な材料の層であり、加工層18と同様に、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
The pattern size of the processed
活性層13から上方向に放射された光は、p型半導体層14と透明電極15との界面で一部反射され、下方向に伝搬されるが、一部は、加工層19aの凹凸面で乱反射され、また加工層19aの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
The light radiated upward from the
また、活性層13から下方向に放射された光は、加工層18において効率良く屈折されて、基板10内を伝搬し、パッケージ2の内壁底で反射され、上方向に伝搬される。
Further, the light emitted downward from the
結果として、パッケージ2に実装された第1の実施の形態の変形例1に係る半導体発光素子において、活性層13から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
As a result, in the semiconductor light emitting device according to the first modification of the first embodiment mounted on the
(変形例2)
第1の実施の形態の変形例2に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図30に示すように表される。
(Modification 2)
A schematic cross-sectional structure showing a structure in which the semiconductor light emitting device according to the second modification of the first embodiment is mounted on a package is expressed as shown in FIG.
本発明の第1の実施の形態の変形例2に係る半導体発光素子においては、透明電極15上の加工層19aに加え、エッチングにより露出されたn型半導体層12の表面上にも加工層19bを備えることを特徴とする。その他の構成は、第1の実施の形態の変形例1と同様であるため、重複説明は省略する。
In the semiconductor light emitting device according to the second modification of the first embodiment of the present invention, in addition to the processed
加工層19bのパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いてn型半導体層12に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層19bのパターンを形成している。また、加工層19bは、加工が容易な材料の層であり、加工層18と同様に、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
The pattern size of the processed
活性層13から上方向に放射された光は、p型半導体層14と透明電極15との界面で一部反射され、下方向に伝搬されるが、一部は、加工層19aの凹凸面で乱反射され、また加工層19aの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
The light emitted upward from the
また、活性層13から下方向に放射された光は、加工層18において効率良く屈折されて、基板10内を伝搬し、パッケージ2の内壁底で反射され、上方向に伝搬され、一部は、加工層19bの凹凸面で乱反射され、また加工層19bの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
Further, the light emitted downward from the
結果として、パッケージ2に実装された第1の実施の形態の変形例2に係る半導体発光素子において、活性層13から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
As a result, in the semiconductor light emitting device according to the second modification of the first embodiment mounted on the
本発明の第1の実施の形態およびその変形例によれば、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。 According to the first embodiment of the present invention and its modification, a semiconductor light emitting device with improved external light emission efficiency is produced by producing a concavo-convex structure with a sufficiently high height on the substrate growth surface, particularly using nanoimprint technology. be able to.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to the first embodiment and its modifications. However, the discussion and the drawings that form a part of this disclosure are illustrative and are intended to limit the present invention. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた実施の形態の説明においては、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層31と該バリア層31よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層32が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層30の例を示したが、活性層30がAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる1つの井戸層32を含み、この井戸層32とp型半導体層40間に配置された最終バリア層310の膜厚d0を、Mgの拡散距離より厚くした構造であってもよい。
In the description of the embodiment already described, the barrier layer 31 composed of the Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1) and the Al x In y Ga 1-xy N having a smaller band gap than the barrier layer 31. Although an example of the active layer 30 composed of multiple quantum wells having a stacked structure in which the well layers 32 composed of layers (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) are alternately arranged is shown, One well layer 32 composed of an Al x In y Ga 1-xy N layer (0 <x ≦ y <1, 0 <x + y <1) is included, and is disposed between the well layer 32 and the p-
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.
本発明の半導体発光素子は、量子井戸構造を備えたLED素子,LD素子等の窒化物系半導体素子全般に利用可能である。 The semiconductor light emitting device of the present invention can be used for all nitride semiconductor devices such as LED devices and LD devices having a quantum well structure.
1…モールド樹脂
2…パッケージ
4…ナノインプリントモールド
6…レジスト層
10…基板(サファイア基板)
12、25、121、122、123、124…n型半導体層
13、30,60…活性層
14…p型半導体層
15…透明電極
16…バッファ層
17…ブロック層
18、18−1〜18−n、19a、19b…加工層
19…n型コンタクト層
20…貫通転位
21…電子バリア層
22…キャップ層
31,311〜31n…バリア層(GaN層)
32,321〜32n…井戸層(InGaN層)
61,611〜61n…バリア層(AlGaN層)
62,621〜62n…井戸層(AlInGaN層)
40,80…p型半導体層
41,81…第1窒化物系半導体層
42,82…第2窒化物系半導体層
43,83…第3窒化物系半導体層
44,84…第4窒化物系半導体層(p型コンタクト層)
100…p側電極
102、202…ボンディングコンタクト
104、204…ボンディングワイヤ
106、206…電極パターン
200…n側電極
310、610…最終バリア層
LO…加工層18の中央部
LA,LB…横方向選択成長方向のベクトル
DESCRIPTION OF
12, 25, 121, 122, 123, 124 ... n-type semiconductor layers 13, 30, 60 ...
32, 321-32n ... well layer (InGaN layer)
61,611-61n ... barrier layer (AlGaN layer)
62,621-62n ... well layer (AlInGaN layer)
40, 80 ... p-type semiconductor layers 41, 81 ... first nitride semiconductor layers 42, 82 ... second nitride semiconductor layers 43, 83 ... third nitride semiconductor layers 44, 84 ... fourth nitride systems Semiconductor layer (p-type contact layer)
100 ... p-
Claims (8)
前記基板上に配置され、ナノサイズ加工された第1加工層と、
前記第1加工層に挟まれた前記基板および前記第1加工層上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置され、p型不純物をドープされたp型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。 A substrate,
A first processing layer disposed on the substrate and nano-sized;
An n-type semiconductor layer disposed on the substrate and the first processed layer sandwiched between the first processed layers and doped with an n-type impurity;
An active layer disposed on the n-type semiconductor layer;
A semiconductor light emitting device comprising: a p-type semiconductor layer disposed on the active layer and doped with a p-type impurity.
前記透明電極、前記p型半導体層、前記活性層および前記n型半導体層の一部を除去して得られた前記n型半導体層面上に配置されたn側電極と、
前記透明電極上に配置されたp側電極と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 A transparent electrode disposed on the p-type semiconductor layer;
An n-side electrode disposed on the n-type semiconductor layer surface obtained by removing a part of the transparent electrode, the p-type semiconductor layer, the active layer and the n-type semiconductor layer;
The semiconductor light-emitting element according to claim 1, further comprising: a p-side electrode disposed on the transparent electrode.
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