JP2007049169A - Group iii-v compound semiconductor light emitting element - Google Patents

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泰 家近
Yoshinobu Ono
善伸 小野
Tomoyuki Takada
朋幸 高田
Katsumi Inui
勝美 乾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III-V compound semiconductor having high crystallinity and high quality, and a light emitting element having high light emitting efficiency using the same. <P>SOLUTION: The compound semiconductor comprises at least a light emitting layer and a charge injection layer on a substrate. The light emitting layer is represented by a formula of In<SB>x</SB>Ga<SB>y</SB>Al<SB>z</SB>N, wherein 0<x≤1, 0≤y<1, 0≤z<1, x+y+z=1. The charge injection layer is represented by a formula of In<SB>X'</SB>Ga<SB>Y'</SB>Al<SB>Z'</SB>N, wherein 0≤x'≤1, 0≤y'≤1, 0≤z'≤1, x'+y'+z'=1. The compound semiconductor has a band gap larger than that of the light emitting layer, and a substrate layer having at least three layers between the light emitting layer and the substrate. The substrate layer is a compound semiconductor represented by a formula of In<SB>u</SB>Ga<SB>v</SB>Al<SB>w</SB>N, wherein 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1, u+v+w=1. At least one layer of the substrate layer is sandwiched between the two layers having a smaller InN crystal mixing ratio than that of the one layer. The InN crystal mixing ratio of one layer is at least 0.05 or more larger than the InN crystal mixing ratio of the layer brought into contact with the layer from the substrate side. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は一般式Inu Gav Alw N(ただし、u+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)で表される3−5族化合物半導体及びそれを用いてなる発光素子に関する。 The present invention relates to a group 3-5 compound semiconductor represented by the general formula In u Ga v Al w N (where u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1) and The present invention relates to a light emitting element used.

紫外もしくは青色の発光ダイオード又は紫外もしくは青色のレーザダイオード等の発光素子の材料として、一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1)で表される3−5族化合物半導体が知られている。以下、この一般式中のx、y及びzをそれぞれInN混晶比、GaN混晶比、及びAlN混晶比と記すことがある。該3−5族化合物半導体ではとくにInNを混晶比で10%以上含むものはInN混晶比に応じて可視領域での発光波長を調整できるため、表示用途に特に重要である。 As material for the light emitting element such as ultraviolet or blue light emitting diodes or ultraviolet or blue laser diode, the general formula In x Ga y Al z N (provided that, x + y + z = 1,0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1,0 A Group 3-5 compound semiconductor represented by ≦ z <1) is known. Hereinafter, x, y, and z in the general formula may be referred to as InN mixed crystal ratio, GaN mixed crystal ratio, and AlN mixed crystal ratio, respectively. Among these Group 3-5 compound semiconductors, those containing 10% or more of InN in the mixed crystal ratio are particularly important for display applications because the emission wavelength in the visible region can be adjusted according to the InN mixed crystal ratio.

該3−5族化合物半導体はサファイア、GaAs、ZnO等の種々の基板の上に成膜することが試みられているが、格子定数や化学的性質が該化合物半導体と大きく異なるため、充分高品質の結晶が得られていない。このため、該化合物半導体と格子定数、化学的性質がよく似ているGaNの結晶をまず成長し、この上に該化合物半導体を成長することで優れた結晶を得ることが試みられている(特公昭55−3834号公報)。また、最近、Inx Gay N(ただし、x+y=1、0<x<1、0<y<1。)で表される半導体を活性層とする発光素子において、発光層の厚さを20Å程度とすることにより、高効率の発光素子が実現できることが報告されている(ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、1995年、34巻、L797ページ)。しかし、この場合でも、発光層のInN混晶比を高くするにつれて発光効率が低下することが報告されている。 The Group 3-5 compound semiconductor has been tried to be deposited on various substrates such as sapphire, GaAs, ZnO, etc., but the lattice constant and chemical properties are greatly different from the compound semiconductor, so that the quality is sufficiently high. The crystal is not obtained. Therefore, an attempt has been made to obtain an excellent crystal by first growing a GaN crystal having a lattice constant and chemical properties similar to those of the compound semiconductor, and then growing the compound semiconductor thereon. No. 55-3834). Recently, in a light-emitting element using a semiconductor represented by In x Ga y N (where x + y = 1, 0 <x <1, 0 <y <1) as an active layer, the thickness of the light-emitting layer is 20 mm. It has been reported that a high-efficiency light-emitting element can be realized by adjusting the degree (Japanese Journal of Applied Physics, 1995, 34, L797). However, even in this case, it has been reported that the luminous efficiency decreases as the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is increased.

本発明の目的は、結晶性が高く、高品質の3−5族化合物半導体及びこれを用いた発光効率が高い発光素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-quality group 3-5 compound semiconductor having high crystallinity and a light-emitting element having high light emission efficiency using the same.

本発明者らはこのような状況をみて鋭意検討の結果、発光層と基板との間に少なくとも3層からなる特定の下地層を設けることにより、該下地層の上に成長する層の結晶性が著しく改善されることを見出し、本発明に至った。
即ち、本発明は、(1)基板の上に少なくとも発光層と電荷注入層とを有し、該発光層は一般式Inx Gay Alz N(式中、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、x+y+z=1)で表されるノンドープの3−5族化合物半導体であり、該電荷注入層は一般式Inx'Gay'Alz'N(式中、0≦x’≦1、0≦y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)で表され、該発光層よりも大きなバンドギャップを有する3−5族化合物半導体であり、該発光層は2つの電荷注入層に挟まれて接してなる3−5族化合物半導体において、発光層と基板との間に、少なくとも3層からなる下地層を有し、該下地層を形成する層は一般式Inu Gav Alw N(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1、u+v+w=1)で表される3−5族化合物半導体であり、該下地層中の少なくとも1つの層がこれよりInN混晶比の小さな2つの層に挟まれて接してなり、該少なくとも1つの層のInN混晶比が、該層に基板側から接する層のInN混晶比より0.05以上大きいことを特徴とする3−5族化合物半導体に係るものである。
また、本発明は、(2)前記(1)記載の3−5族化合物半導体を用いてなる発光素子に係るものである。
As a result of diligent study in view of such a situation, the inventors of the present invention have provided a specific underlayer consisting of at least three layers between the light emitting layer and the substrate, whereby the crystallinity of the layer grown on the underlayer is determined. Has been found to be remarkably improved, leading to the present invention.
That is, the present invention includes (1) at least a light emitting layer and a charge injection layer on a substrate, and the light emitting layer has the general formula In x Ga y Al z N (where 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1), which is a non-doped group 3-5 compound semiconductor, and the charge injection layer has a general formula of In x ′ Ga y ′ Al z ′ N (wherein 0 ≦ x ′ ≦ 1, 0 ≦ y ′ ≦ 1, 0 ≦ z ′ ≦ 1, x ′ + y ′ + z ′ = 1), and a group 3-5 compound semiconductor having a larger band gap than the light emitting layer The light emitting layer is a group 3-5 compound semiconductor sandwiched between and in contact with two charge injection layers, and has a base layer composed of at least three layers between the light emitting layer and the substrate. layer (where, 0 ≦ u ≦ 1,0 ≦ v ≦ 1,0 ≦ w ≦ 1, u + v + w = 1) the general formula in u Ga v Al w N to form a 3-5 group compound represented by It is a semiconductor, and at least one layer in the underlayer is sandwiched between and in contact with two layers having a smaller InN mixed crystal ratio, and the InN mixed crystal ratio of the at least one layer is 3-5 compound semiconductor characterized in that it is 0.05 or more larger than the InN mixed crystal ratio of the layer in contact with.
The present invention also relates to (2) a light emitting device using the Group 3-5 compound semiconductor described in (1).

本発明の3−5族化合物半導体は、結晶性が高く、高品質であり、これを用いた発光素子は発光効率が高く、工業的価値が大きい。
次に、本発明を詳細に説明する。
The Group 3-5 compound semiconductor of the present invention has high crystallinity and high quality, and a light-emitting element using the same has high luminous efficiency and great industrial value.
Next, the present invention will be described in detail.

本発明における3−5族化合物半導体とは、基板上に下地層と量子井戸構造からなる層をこの順に有するものである。ここで、量子井戸構造とは、一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1)で表される層(以下、発光層と記すことがある。)が、一般式Inx'Gay'Alz'N(式中、0≦x’≦1、0≦y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)で表され、発光層より大きなバンドギャップを有する層(以下、電荷注入層と記すことがある。)に挟まれて接しているものである。なお、2つの電荷注入層を表す一般式におけるx’、y’、z’は、互いに同一でも異なってもよい。 The group 3-5 compound semiconductor in the present invention has a layer composed of an underlayer and a quantum well structure in this order on a substrate. Here, the quantum well structure, the general formula In x Ga y Al z N (provided that, x + y + z = 1,0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1,0 ≦ z <1) layer, represented by (hereinafter , May be referred to as a light emitting layer.) Is a general formula In x ′ Ga y ′ Al z ′ N (where 0 ≦ x ′ ≦ 1, 0 ≦ y ′ ≦ 1, 0 ≦ z ′ ≦ 1, x It is expressed by '+ y' + z '= 1) and is in contact with being sandwiched by a layer having a larger band gap than the light emitting layer (hereinafter sometimes referred to as a charge injection layer). Note that x ′, y ′, and z ′ in the general formula representing the two charge injection layers may be the same as or different from each other.

次に、本発明における下地層とは、少なくとも3層からなり、いずれの層も一般式Inu Gav Alw N(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1、u+v+w=1)で表される。なお、下地層中の少なくとも3つの層を表す一般式におけるu、v、wは、互いに同一でも異なってもよい。
本発明における下地層において、該下地層中の少なくとも1つの層が、この層のInN混晶比より小さなInN混晶比を有する2つの層に挟まれて接している。
本発明における下地層中の、InN混晶比の小さな層に挟まれた層のことを、以下、歪層と記すことがある。
Then, the underlying layer in the present invention consists of at least three layers, in any layer also general formula In u Ga v Al w N (wherein, 0 ≦ u ≦ 1,0 ≦ v ≦ 1,0 ≦ w ≦ 1, u + v + w = 1). Note that u, v, and w in the general formula representing at least three layers in the underlayer may be the same as or different from each other.
In the underlayer in the present invention, at least one layer in the underlayer is in contact with two layers having an InN mixed crystal ratio smaller than the InN mixed crystal ratio of this layer.
A layer sandwiched between layers having a small InN mixed crystal ratio in the underlayer in the present invention may be hereinafter referred to as a strained layer.

該歪層と、基板側から歪層と接する層とを比較して、歪層と、基板側から歪層と接する層とのInNの混晶比の差は、0.05以上である。更に好ましくは0.1以上、特に好ましくは0.2以上である。該混晶比の差が、0.05より小さい場合、本発明の効果が充分ではない。
該歪層の厚さは、5Å以上であることが好ましい。該歪層の厚さが5Å未満の場合にはその効果が十分でない。
また、該歪層は、格子歪を有するため、その厚さが大きすぎる場合にはあらたに欠陥を発生することがある。この場合には、該歪層の上に成長する層の結晶性はかえって低下するので好ましくない。歪層の厚さの好ましい上限は歪層と歪層の前に成長する層とのInN混晶比の差に依存する。すなわち、該InN混晶比の差が0.3以下の場合、歪層の厚さについては該混晶比の差と厚さ(Å)との積が30以下であることが好ましい。ただし、該InN混晶比の差が0.3を超える場合には、歪層の厚さは100Å以下が好ましい。具体的には、該InN混晶比の差が0.05の場合、歪層の厚さは600Å以下が好ましい。また、該InN混晶比の差が0.3の場合、歪層の厚さは100Å以下が好ましい。
歪層の数は1層で、本発明の効果は得られるが、歪層の数を複数にすることで、さらに大きな効果が得られる場合がある。このような下地層の例としては、m層のInN混晶比の大きな層と(m+1)層のInN混晶比の小さな層とが、交互に積層してなる(2m+1)層からなる構造が挙げられる。ただし、mは2以上の正の整数である。
このような複数の歪層を含む積層構造の下地層においては、各々の歪層の厚さは一定のままInN混晶比を少しずつ変化させてもよく、又は変化させなくてもよい。また、各々の歪層のInN混晶比は、一定のまま層の厚さを臨界膜厚を超えない範囲で少しずつ変化させてもよい。
歪層よりInN混晶比の小さな層も、InN混晶比又は層の厚さを少しずつ変化させてもよく、同一であってもよい。
Comparing the strained layer with the layer in contact with the strained layer from the substrate side, the difference in InN mixed crystal ratio between the strained layer and the layer in contact with the strained layer from the substrate side is 0.05 or more. More preferably, it is 0.1 or more, Most preferably, it is 0.2 or more. When the mixed crystal ratio difference is smaller than 0.05, the effect of the present invention is not sufficient.
The thickness of the strained layer is preferably 5 mm or more. When the thickness of the strained layer is less than 5 mm, the effect is not sufficient.
Further, since the strain layer has lattice strain, if the thickness is too large, a new defect may be generated. In this case, the crystallinity of the layer grown on the strained layer is lowered, which is not preferable. The preferable upper limit of the thickness of the strained layer depends on the difference in the InN mixed crystal ratio between the strained layer and the layer grown before the strained layer. That is, when the difference in InN mixed crystal ratio is 0.3 or less, the product of the difference in mixed crystal ratio and the thickness (Å) is preferably 30 or less with respect to the thickness of the strained layer. However, when the difference in InN mixed crystal ratio exceeds 0.3, the thickness of the strained layer is preferably 100 mm or less. Specifically, when the difference in InN mixed crystal ratio is 0.05, the thickness of the strained layer is preferably 600 mm or less. When the difference in InN mixed crystal ratio is 0.3, the thickness of the strained layer is preferably 100 mm or less.
Although the number of strain layers is one and the effect of the present invention can be obtained, there are cases where a greater effect can be obtained by using a plurality of strain layers. As an example of such an underlayer, a structure composed of (2m + 1) layers in which m layers having a large InN mixed crystal ratio and (m + 1) layers having a small InN mixed crystal ratio are alternately stacked. Can be mentioned. However, m is a positive integer of 2 or more.
In such an underlayer having a multilayer structure including a plurality of strained layers, the InN mixed crystal ratio may be changed little by little while the thickness of each strained layer is kept constant. In addition, the InN mixed crystal ratio of each strained layer may be changed little by little in a range not exceeding the critical film thickness while keeping constant.
A layer having an InN mixed crystal ratio smaller than that of the strained layer may be changed little by little, or may be the same.

この歪層を含む下地層を発光層と基板の間に設けることにより、下地層の上に成長する層の結晶性を著しく向上させることができる。この効果は、該化合物半導体を後述の有機金属気相成長法を用いて、常圧で成長する場合でも認められるが、減圧下で成長する場合に特にその効果が著しい。
結晶性は、加熱したリン酸と硫酸の混酸で処理した該化合物半導体表面に発生するエッチピットの密度により確認することができる。下地層の効果は、エッチピット密度の減少として現われることから、該化合物半導体結晶中に存在する転位の伝搬を下地層が抑制しているものと考えられる。
By providing the base layer including the strained layer between the light emitting layer and the substrate, the crystallinity of the layer grown on the base layer can be remarkably improved. This effect is recognized even when the compound semiconductor is grown at normal pressure using the metal organic vapor phase epitaxy method described later, but the effect is particularly remarkable when grown at a reduced pressure.
Crystallinity can be confirmed by the density of etch pits generated on the surface of the compound semiconductor treated with a mixed acid of heated phosphoric acid and sulfuric acid. Since the effect of the underlayer appears as a decrease in the etch pit density, it is considered that the underlayer suppresses the propagation of dislocations existing in the compound semiconductor crystal.

更に、本発明においては、下地層中のInN混晶比の小さな2つの層のうち基板側の層と発光層との間の少なくとも1つの層にn型不純物がドープされてなることを特徴とする。具体的には、歪層又は歪層の上に成長されたInN混晶比の小さな層などにn型不純物がドープされたものが挙げられる。
こうすることによって、該歪層のInN混晶比は、これと接合する層のInN混晶比よりも高いため、該歪層のバンドギャップがこれと接合する層のバンドギャップよりも小さくなる場合があっても、注入されたキャリアが歪層中で再結合し、発光層での再結合効率が低下することを避けることができる。
該n型にドープされた層の好ましいキャリア濃度は、1×1017cm-3以上、更に好ましくは1×1018cm-3以上である。
Furthermore, in the present invention, at least one layer between the substrate-side layer and the light emitting layer among the two layers having a small InN mixed crystal ratio in the underlayer is doped with an n-type impurity. To do. Specifically, a strained layer or a layer having a small InN mixed crystal ratio grown on the strained layer is doped with an n-type impurity.
By doing so, since the InN mixed crystal ratio of the strained layer is higher than the InN mixed crystal ratio of the layer bonded thereto, the band gap of the strained layer is smaller than the band gap of the layer bonded thereto. Even if there is, it can be avoided that the injected carriers are recombined in the strained layer and the recombination efficiency in the light emitting layer is lowered.
A preferable carrier concentration of the n-type doped layer is 1 × 10 17 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 18 cm −3 or more.

本発明の3−5族化合物半導体の構造の1例を図1に示す。図1に示す例は、歪層2及びn型層1とn型層3からなる下地層と、2つの電荷注入層4と6が発光層5を挟んで接してなる量子井戸構造からなる層と、p型層7とをこの順に積層したものである。
n型層1又はn型層3にn電極、p型層7にp電極を設け、順方向に電圧を加えることで電流が注入され、発光層5からの発光が得られ、本発明の発光素子が得られる。
One example of the structure of the Group 3-5 compound semiconductor of the present invention is shown in FIG. The example shown in FIG. 1 is a layer having a quantum well structure in which a strained layer 2 and an underlayer composed of an n-type layer 1 and an n-type layer 3 and two charge injection layers 4 and 6 are in contact with each other with a light-emitting layer 5 interposed therebetween. And a p-type layer 7 are laminated in this order.
An n-type layer 1 or an n-type layer 3 is provided with an n-electrode, and a p-type layer 7 is provided with a p-electrode. When a voltage is applied in the forward direction, current is injected and light emission from the light-emitting layer 5 is obtained. An element is obtained.

電荷注入層4でのn型キャリア濃度が充分に高い場合、該電荷注入層4にn電極を形成してもよい。
また、n型層3のバンドギャップが発光層より大きい場合には、該n型層3と電荷注入層4とを別の層として分けずに、該n型層3に電荷注入層としての役割を兼ねさせて、電荷注入層4を成長しなくてもよい。
また、電荷注入層6でのp型キャリア濃度が充分に高い場合、該電荷注入層6に電極を形成してもよい。この場合、p型層7は形成しなくてもよい。
ただし、電荷注入層4又は電荷注入層6に高濃度にドーピングを行なうと、これらの層の結晶性が低下することがある。このような場合、発光特性又は電気特性が低下するので好ましくない。このような場合には電荷注入層4又は電荷注入層6中の不純物濃度を低くする必要がある。結晶性を低下させない不純物の濃度範囲としては、好ましくは1×1018cm-3以下、更に好ましくは1×1017cm-3以下である。
When the n-type carrier concentration in the charge injection layer 4 is sufficiently high, an n electrode may be formed in the charge injection layer 4.
When the band gap of the n-type layer 3 is larger than the light emitting layer, the n-type layer 3 and the charge injection layer 4 function as a charge injection layer without separating the n-type layer 3 and the charge injection layer 4 as separate layers. Thus, the charge injection layer 4 may not be grown.
When the p-type carrier concentration in the charge injection layer 6 is sufficiently high, an electrode may be formed on the charge injection layer 6. In this case, the p-type layer 7 may not be formed.
However, if the charge injection layer 4 or the charge injection layer 6 is doped at a high concentration, the crystallinity of these layers may be lowered. In such a case, the light emission characteristics or the electrical characteristics deteriorate, which is not preferable. In such a case, it is necessary to reduce the impurity concentration in the charge injection layer 4 or the charge injection layer 6. The impurity concentration range that does not lower the crystallinity is preferably 1 × 10 18 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 17 cm −3 or less.

ところで、該化合物半導体でInを含まないものは、適切なバッファ層を用いることで、Inを含むものに比べて比較的高品質のものが得やすいことが知られている。このため、まず基板上に、Inを含まない層を成長した後、電荷注入層及び発光層を作製することが好ましい。しかし、電荷注入層としてInを含む層を用いる場合、あらかじめ基板上に成長したInを含まない層との格子不整合により電荷注入層に欠陥が発生する場合がある。このような場合、本発明における下地層を、あらかじめ成長したInを含まない層と電荷注入層との間に挿入することで、電荷注入層での欠陥の発生を抑制することことができる。   By the way, it is known that a compound semiconductor that does not contain In can be obtained with a relatively high quality by using an appropriate buffer layer as compared with those that contain In. For this reason, it is preferable that a layer containing no In is first grown on a substrate, and then a charge injection layer and a light emitting layer are formed. However, when a layer containing In is used as the charge injection layer, defects may occur in the charge injection layer due to lattice mismatch with a layer not containing In that has been grown on the substrate in advance. In such a case, the occurrence of defects in the charge injection layer can be suppressed by inserting the base layer in the present invention between the layer not containing In grown in advance and the charge injection layer.

次に発光層について説明する。
該3−5族化合物半導体の格子定数は、混晶比により大きく変化するため、該3−5族化合物半導体の発光層と電荷注入層とのあいだの格子定数に大きな差がある場合、格子不整合による歪みの大きさに応じて発光層の厚さを小さくすることが好ましい。
好ましい発光層の厚さの範囲は歪みの大きさに依存する。電荷注入層としてGaa Alb N(ただし、a+b=1、0≦a≦1、0≦b≦1)で表される層の上にInN混晶比が10%以上の発光層を積層する場合、発光層の好ましい厚さは5Å以上90Å以下である。発光層の厚さが5Åより小さい場合、発光効率が充分でなくなる。また、90Åより大きい場合、欠陥が発生しやはり発光効率が充分でなくなる。
Next, the light emitting layer will be described.
Since the lattice constant of the Group 3-5 compound semiconductor varies greatly depending on the mixed crystal ratio, when there is a large difference in the lattice constant between the light emitting layer and the charge injection layer of the Group 3-5 compound semiconductor, It is preferable to reduce the thickness of the light emitting layer in accordance with the magnitude of strain due to matching.
The preferred thickness range of the light emitting layer depends on the magnitude of the strain. A light emitting layer having an InN mixed crystal ratio of 10% or more is stacked on a layer represented by Ga a Al b N (where a + b = 1, 0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) as a charge injection layer. In this case, the preferred thickness of the light emitting layer is 5 mm or more and 90 mm or less. When the thickness of the light emitting layer is less than 5 mm, the light emission efficiency is not sufficient. On the other hand, if it is larger than 90 mm, defects are generated and the luminous efficiency is not sufficient.

また、発光層の厚さを小さくすることで、電荷を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、発光効率を向上させることができる。このため、格子定数の差が上記の例よりも小さい場合でも、発光層の厚さは上記の例と同様にすることが好ましい。
発光層がAlを含む場合、O等の不純物を取り込みやすく、発光効率が下がることがある。このような場合には、発光層としてはAlを含まない一般式Inx Gay N(ただし、x+ y= 1、0<x≦1、0≦y<1)で表されるものを利用することができる。
In addition, by reducing the thickness of the light emitting layer, charges can be confined in the light emitting layer with high density, so that the light emission efficiency can be improved. For this reason, even when the difference in lattice constant is smaller than that in the above example, the thickness of the light emitting layer is preferably the same as that in the above example.
When the light emitting layer contains Al, impurities such as O are easily taken in, and the light emission efficiency may be lowered. In such a case, as the light emitting layer, a material represented by the general formula In x Ga y N not containing Al (where x + y = 1, 0 <x ≤ 1, 0 ≤ y <1) is used. can do.

電荷注入層と発光層とのバンドギャップの差は0.1eV以上であることが好ましい。電荷注入層と発光層のバンドギャップの差が0.1eVより小さい場合、発光層へのキャリアの閉じ込めが充分でなく、発光効率が低下する。より好ましくは0.3ev以上である。ただし、電荷注入層のバンドギャップが5eVを越えると電荷注入に必要な電圧が高くなるため、電荷注入層のバンドギャップは5eV以下が好ましい。
電荷注入層の厚さは、10Å以上、5000Å以下が好ましい。電荷注入層の厚さが5Åより小さくても、5000Åより大きくても、発光効率が低下するため好ましくない。更に好ましくは10Å以上2000Å以下である。
発光層は1層であってもよいが、複数あってもよい。このような構造の例としては、n層の発光層と、(n+1)層の発光層よりもバンドギャップの大きな層とが、交互に積層してなる(2n+1)層の積層構造が挙げられる。ここでnは正の整数であり、1以上50以下であることが好ましく、さらに好ましくは1以上30以下である。nが50以上の場合には、発光効率が下がり、成長に時間がかかるのであまり好ましくない。このような複数の発光層を有する構造は、強い光出力が必要な半導体レーザーを作製する場合に特に有用である。
The difference in band gap between the charge injection layer and the light emitting layer is preferably 0.1 eV or more. When the difference in band gap between the charge injection layer and the light emitting layer is smaller than 0.1 eV, the carriers are not sufficiently confined in the light emitting layer, and the light emission efficiency is lowered. More preferably, it is 0.3 ev or more. However, if the band gap of the charge injection layer exceeds 5 eV, the voltage required for charge injection becomes high. Therefore, the band gap of the charge injection layer is preferably 5 eV or less.
The thickness of the charge injection layer is preferably 10 to 5000 mm. Even if the thickness of the charge injection layer is smaller than 5 mm or larger than 5000 mm, the luminous efficiency is lowered, which is not preferable. More preferably, it is 10 to 2000 cm.
The light emitting layer may be a single layer or a plurality of light emitting layers. An example of such a structure is a stacked structure of (2n + 1) layers in which n light emitting layers and layers having a larger band gap than (n + 1) light emitting layers are alternately stacked. Here, n is a positive integer, preferably 1 or more and 50 or less, more preferably 1 or more and 30 or less. When n is 50 or more, the light emission efficiency is lowered and it takes time to grow, which is not preferable. Such a structure having a plurality of light emitting layers is particularly useful in the case of manufacturing a semiconductor laser that requires a strong light output.

発光層に不純物をドープすることで、発光層のバンドギャップとは異なる波長で発光させることができる。これは不純物からの発光であるため、不純物発光とよばれる。不純物発光の場合、発光波長は発光層の3族元素の組成と不純物元素により決まる。この場合、発光層のInN混晶比は5%以上が好ましい。InN混晶比が5%より小さい場合、発光する光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じることができない。InN混晶比を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。   By doping the light emitting layer with an impurity, light can be emitted at a wavelength different from the band gap of the light emitting layer. Since this is light emission from impurities, it is called impurity light emission. In the case of impurity emission, the emission wavelength is determined by the composition of the Group 3 element in the light emitting layer and the impurity element. In this case, the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is preferably 5% or more. When the InN mixed crystal ratio is less than 5%, the emitted light is almost ultraviolet rays, and a sufficient brightness cannot be felt. As the InN mixed crystal ratio increases, the emission wavelength becomes longer, and the emission wavelength can be adjusted from purple to blue and green.

不純物発光に適した不純物としては、2族元素が好ましい。2族元素のなかでは、Mg、Zn、Cdをドープした場合、発光効率が高いので好適である。特にZnが好ましい。これらの元素の濃度は、いずれも1018〜1022cm-3が好ましい。発光層にはこれらの2族元素とともにSi又はGeを同時にドープしてもよい。Si、Geの好ましい濃度範囲は1018〜1022cm-3である。 As an impurity suitable for impurity light emission, a group 2 element is preferable. Among group 2 elements, doping with Mg, Zn, and Cd is preferable because of high luminous efficiency. Zn is particularly preferable. The concentration of these elements is preferably 10 18 to 10 22 cm −3 . The light emitting layer may be simultaneously doped with Si or Ge together with these Group 2 elements. A preferable concentration range of Si and Ge is 10 18 to 10 22 cm −3 .

不純物発光の場合、一般に発光スペクトルがブロードになり、また注入電荷量が増すにつれて発光スペクトルがシフト場合がある。このため、高い色純度が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中させることが必要な場合、バンド端発光を利用する方が有利である。バンド端発光による発光素子を実現するためには、発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなければならない。具体的には、Si、Ge、Mg、Cd及びZnの各元素について、濃度が1019cm-3以下が好ましい。更に好ましくは1018cm-3以下である。
バンド端発光を利用する場合、発光効率は発光層中の欠陥に依存し、欠陥が多くなるにしたがい大きく低下するため、発光層中の欠陥はなるべく少なくする必要がある。したがって、本発明における下地層は、バンド端を利用する発光素子の発光効率の向上に大きな効果がある。
発光層のInN混晶比が増大し、発光波長が長くなるにつれて、発光効率が低下する場合がある。この場合には、基板側の電荷注入層4のAlN混晶比を増大させることにより、発光効率の低下を抑えてInN混晶比を増大させることができる。
In the case of impurity emission, the emission spectrum is generally broad, and the emission spectrum may shift as the amount of injected charge increases. For this reason, when high color purity is required or when it is necessary to concentrate light emission power in a narrow wavelength range, it is advantageous to use band edge light emission. In order to realize a light emitting element using band edge light emission, the amount of impurities contained in the light emitting layer must be kept low. Specifically, the concentration of each element of Si, Ge, Mg, Cd, and Zn is preferably 10 19 cm −3 or less. More preferably, it is 10 18 cm −3 or less.
When band edge emission is used, the light emission efficiency depends on the defects in the light emitting layer, and decreases as the number of defects increases. Therefore, it is necessary to reduce the defects in the light emitting layer as much as possible. Therefore, the underlayer in the present invention has a great effect on improving the light emission efficiency of the light emitting element using the band edge.
As the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer increases and the light emission wavelength becomes longer, the light emission efficiency may decrease. In this case, by increasing the AlN mixed crystal ratio of the charge injection layer 4 on the substrate side, it is possible to increase the InN mixed crystal ratio while suppressing a decrease in light emission efficiency.

該3−5族化合物半導体においては、発光層のInNの混晶比が高い場合、熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、又は半導体プロセスで劣化を起こす場合がある。このような劣化を防止する目的のためInN混晶比の高い発光層の上に、InN混晶比の低い電荷注入層6を積層し、この層に保護層としての機能を持たせることができる(以下、この場合の電荷注入層を保護層と記すことがある。
)。該保護層に充分な保護機能をもたせるためには、該保護層のInNの混晶比は10%以下、AlNの混晶比は5%以上が好ましい。更に好ましくはInN混晶比が5%以下、AlN混晶比が10%以上である。
In the Group 3-5 compound semiconductor, when the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is high, the thermal stability is not sufficient, and the crystal may grow during the crystal growth or in the semiconductor process. For the purpose of preventing such deterioration, a charge injection layer 6 having a low InN mixed crystal ratio can be laminated on a light emitting layer having a high InN mixed crystal ratio, and this layer can have a function as a protective layer. (Hereinafter, the charge injection layer in this case may be referred to as a protective layer.
). In order to provide the protective layer with a sufficient protective function, the protective layer preferably has an InN mixed crystal ratio of 10% or less and an AlN mixed crystal ratio of 5% or more. More preferably, the InN mixed crystal ratio is 5% or less, and the AlN mixed crystal ratio is 10% or more.

また、該保護層に充分な保護機能を持たせるためには、該保護層の厚さは10Å以上1μm以下が好ましい。保護層の厚さが10Åより小さいと充分な効果が得られない。また、1μmより大きい場合には発光効率が減少するので好ましくない。更に好ましくは、50Å以上5000Å以下である。   In order to provide the protective layer with a sufficient protective function, the thickness of the protective layer is preferably 10 to 1 μm. If the thickness of the protective layer is less than 10 mm, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when it is larger than 1 μm, the luminous efficiency is decreased, which is not preferable. More preferably, it is 50 to 5000 inches.

次に本発明に用いられる基板、及び成長方法について説明する。
該3−5族化合物半導体の結晶成長用基板としては、サファイア、ZnO、GaAs、Si、SiC、NGO(NdGaO3 )、スピネル(MgAl24 )等が用いられる。とくにサファイアは透明であり、また大面積の高品質の結晶が得られるため重要である。
Next, the substrate and growth method used in the present invention will be described.
As the substrate for crystal growth of the Group 3-5 compound semiconductor, sapphire, ZnO, GaAs, Si, SiC, NGO (NdGaO 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ) and the like are used. In particular, sapphire is important because it is transparent and high quality crystals with a large area can be obtained.

該3−5族化合物半導体の製造方法としては、分子線エピタキシー(以下、MBEと記すことがある。)法、有機金属気相成長(以下、MOVPEと記すことがある。)法、ハイドライド気相成長(以下、HVPEと記すことがある。)法などが挙げられる。なお、MBE法を用いる場合、窒素原料としては、窒素ガス、アンモニア、及びその他の窒素化合物を気体状態で供給する方法である気体ソース分子線エピタキシー(以下、GSMBEと記すことがある。)法が一般的に用いられている。この場合、窒素原料が化学的に不活性で、窒素原子が結晶中に取り込まれにくいことがある。その場合には、マイクロ波などにより窒素原料を励起して、活性状態にして供給することで、窒素の取り込み効率を上げることができる。   Examples of the method for producing the Group 3-5 compound semiconductor include molecular beam epitaxy (hereinafter sometimes referred to as MBE) method, metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter also referred to as MOVPE) method, and hydride vapor phase. Examples include a growth (hereinafter sometimes referred to as HVPE) method. When the MBE method is used, the nitrogen source is a gas source molecular beam epitaxy (hereinafter sometimes referred to as GSMBE) method, which is a method of supplying nitrogen gas, ammonia, and other nitrogen compounds in a gaseous state. Commonly used. In this case, the nitrogen raw material may be chemically inert and nitrogen atoms may not be easily taken into the crystal. In that case, the nitrogen uptake efficiency can be increased by exciting the nitrogen raw material with microwaves and supplying it in an activated state.

次に、本発明の3−5族化合物半導体のMOVPE法による製造方法について説明する。
MOVPE法の場合、以下のような原料を用いることができる。
即ち、3族原料としては、トリメチルガリウム[(CH33 Ga、以下TMGと記すことがある。]、トリエチルガリウム[(C253 Ga、以下TEGと記すことがある。]等の一般式R123 Ga(ここで、R1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルガリウム;トリメチルアルミニウム[(CH33 Al]、トリエチルアルミニウム[(C253 Al、以下TEAと記すことがある。]、トリイソブチルアルミニウム[(i−C493 Al]等の一般式R123 Al(ここで、R1 、R2 、R3 は前期の定義と同じである。)で表されるトリアルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン[(CH33 N:AlH3 ];トリメチルインジウム[(CH33 In、以下TMIと記すことがある。]、トリエチルインジウム[(C253 In]等の一般式R123 In(ここで、R1 、R2 、R3 は前期の定義と同じである。)で表されるトリアルキルインジウム等が挙げられる。これらは単独又は混合して用いられる。
Next, the manufacturing method by the MOVPE method of the 3-5 group compound semiconductor of this invention is demonstrated.
In the case of the MOVPE method, the following raw materials can be used.
That is, the Group 3 raw material may be described as trimethylgallium [(CH 3 ) 3 Ga, hereinafter TMG. ], Triethylgallium [(C 2 H 5 ) 3 Ga, hereinafter sometimes referred to as TEG. ] Trialkylgallium represented by the general formula R 1 R 2 R 3 Ga (where R 1 , R 2 and R 3 represent lower alkyl groups); trimethylaluminum [(CH 3 ) 3 Al] , Triethylaluminum [(C 2 H 5 ) 3 Al, hereinafter referred to as TEA. ], General formula R 1 R 2 R 3 Al such as triisobutylaluminum [(i-C 4 H 9 ) 3 Al] (wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same as defined in the previous term) Trimethylaluminum [(CH 3 ) 3 N: AlH 3 ]; trimethylindium [(CH 3 ) 3 In, hereinafter sometimes referred to as TMI. ], General formula R 1 R 2 R 3 In such as triethylindium [(C 2 H 5 ) 3 In] (where R 1 , R 2 and R 3 are the same as defined in the previous term). And trialkylindium. These may be used alone or in combination.

次に5族原料としては、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラジン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独又は混合して用いられる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。   Next, examples of the Group 5 materials include ammonia, hydrazine, methyl hydrazine, 1,1-dimethylhydrazine, 1,2-dimethylhydrazine, t-butylamine, ethylenediamine, and the like. These may be used alone or in combination. Among these raw materials, ammonia and hydrazine are preferable because they do not contain carbon atoms in their molecules and thus cause less carbon contamination in the semiconductor.

該3−5族化合物半導体のp型ドーパントとして、2族元素が重要である。具体的にはMg,Zn,Cd,Hg,Beが挙げられるが、このなかでは低抵抗のp型のものがつくりやすいMgが好ましい。
Mgドーパントの原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビス−n−プロピルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビス−i−プロピルシクロペンタジエニルマグネシウム等の一般式(RC542 Mg(ただし、Rは水素又は炭素数1以上4以下の低級アルキル基を示す。)で表される有機金属化合物が適当な蒸気圧を有するために好適である。
Group 2 elements are important as the p-type dopant of the Group 3-5 compound semiconductor. Specific examples include Mg, Zn, Cd, Hg, and Be. Among these, Mg that is easy to produce a low-resistance p-type is preferable.
Mg dopant materials include biscyclopentadienyl magnesium, bismethylcyclopentadienyl magnesium, bisethylcyclopentadienyl magnesium, bis-n-propylcyclopentadienyl magnesium, bis-i-propylcyclopentadienyl In order that the organometallic compound represented by the general formula (RC 5 H 4 ) 2 Mg (eg, R represents hydrogen or a lower alkyl group having 1 to 4 carbon atoms) such as magnesium has an appropriate vapor pressure Is preferred.

該3−5族化合物半導体のn型ドーパントとして、4族元素と6族元素が重要である。具体的にはSi、Ge、Oが挙げられるが、この中では低抵抗のn型がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるSiが好ましい。Siドーパントの原料としては、シラン(SiH4 )、ジシラン(Si26 )などが好適である。 As the n-type dopant of the Group 3-5 compound semiconductor, the Group 4 element and the Group 6 element are important. Specific examples include Si, Ge, and O. Among these, Si is preferable because it can easily produce a low-resistance n-type and can provide a material with high purity. As a raw material for the Si dopant, silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), and the like are suitable.

該3−5族化合物半導体の製造に用いることができるMOVPE法による成長装置としては、通常の単枚取り又は複数枚取りのものが挙げられる。複数枚取りのものでは、ウエファ面内でのエピ膜の均一性を確保するためには、減圧で成長することが望ましい。複数枚取り装置での好ましい成長圧力の範囲は、0.001気圧以上0.8気圧以下である。   Examples of the growth apparatus based on the MOVPE method that can be used for the production of the Group 3-5 compound semiconductor include a normal single-piece or multi-piece type. In the case of multiple wafers, it is desirable to grow under reduced pressure in order to ensure the uniformity of the epi film within the wafer surface. A preferable growth pressure range in the multi-sheet taking apparatus is 0.001 atm or more and 0.8 atm or less.

キャリアガスとしては、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等のガスを単独又は混合して用いることができる。ただし、水素をキャリアガス中に含む場合、高いInN混晶比の該化合物半導体を成長すると充分な結晶性が得られない場合がある。この場合、キャリアガス中の水素分圧を低くする必要がある。好ましい、キャリアガス中の水素の分圧は、0.1気圧以下である。   As the carrier gas, a gas such as hydrogen, nitrogen, argon, helium or the like can be used alone or in combination. However, when hydrogen is included in the carrier gas, sufficient crystallinity may not be obtained when the compound semiconductor having a high InN mixed crystal ratio is grown. In this case, it is necessary to reduce the hydrogen partial pressure in the carrier gas. A preferable partial pressure of hydrogen in the carrier gas is 0.1 atm or less.

これらのキャリアガスのなかでは、動粘係数が大きく対流を起こしにくいという点で水素とヘリウムが挙げられる。ただし、ヘリウムは他のガスに比べて高価であり、また水素を用いた場合、前述のように該化合物半導体の結晶性がよくない。窒素、及びアルゴンは比較的安価であるため、大量にキャリアガスを使用する場合には好適に用いることができる。   Among these carrier gases, hydrogen and helium are mentioned in that they have a large kinematic viscosity coefficient and hardly cause convection. However, helium is more expensive than other gases, and when hydrogen is used, the crystallinity of the compound semiconductor is not good as described above. Since nitrogen and argon are relatively inexpensive, they can be suitably used when a large amount of carrier gas is used.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
MOVPE法により図2の構造の3−5族化合物半導体を作製した。
基板8としてサファイアC面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用いた。成長方法については、低温成長バッファ層としてGaNを用いる2段階成長法を用いた。1/8気圧で、550℃で厚みが約300ÅのGaNバッファ層9、1050℃で厚さが約2.5μmのSiをドープしたGaNからなるn型層1、1500ÅのノンドープGaN層10を水素をキャリアガスとして成長した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these.
Example 1
A Group 3-5 compound semiconductor having the structure of FIG. 2 was prepared by the MOVPE method.
A substrate 8 having a mirror-polished sapphire C surface was used after organic cleaning. As a growth method, a two-stage growth method using GaN as a low temperature growth buffer layer was used. GaN buffer layer 9 having a thickness of about 300 mm at 550 ° C. at 1/8 atm, n-type layer 1 made of GaN doped with Si having a thickness of about 2.5 μm at 1050 ° C. Grew as a carrier gas.

次に、基板温度を750℃、キャリアガスを窒素とし、キャリアガス、TEG、TMI、窒素で1ppmに希釈したシラン及びアンモニアをそれぞれ4slm、0.04sccm、0.6sccm、5sccm、4slm供給して、歪層2であるSiをドープしたIn0.3 Ga0.7 N層を70秒間成長した。成長中断として窒素とアンモニアだけを供給する状態を5分間保持した後、さらに同じ温度にてTEG、TEA、上述のシラン及びアンモニアをそれぞれ0.032sccm、0.008sccm、、5sccm、4slm供給して、SiをドープしたGa0.8 Al0.2 Nからなるn型層3を10分間成長した。
ただし、slm及びsccmとは気体の流量の単位で1slmは1分当たり、標準状態で1リットルの体積を占める重量の気体が流れていることを示し、1000sccmは1slmに相当する。
なお、この層2と層3の膜厚に関しては、同一の条件でより長い時間成長した層の厚さから求めた成長速度がそれぞれ43Å/分、30Å/分であるので、上記成長時間から求められる膜厚はそれぞれ50Å、300Åと計算できる。
Next, the substrate temperature is 750 ° C., the carrier gas is nitrogen, carrier gas, TEG, TMI, silane and ammonia diluted to 1 ppm with nitrogen are respectively supplied at 4 slm, 0.04 sccm, 0.6 sccm, 5 sccm, 4 slm, A strained layer 2 doped with Si-doped In 0.3 Ga 0.7 N was grown for 70 seconds. After maintaining the state of supplying only nitrogen and ammonia as growth interruption for 5 minutes, TEG, TEA, the above-mentioned silane and ammonia were further supplied at the same temperature by 0.032 sccm, 0.008 sccm, 5 sccm and 4 slm, An n-type layer 3 made of Ga 0.8 Al 0.2 N doped with Si was grown for 10 minutes.
However, slm and sccm are units of gas flow rate. 1 slm indicates that a gas having a weight occupying a volume of 1 liter in a standard state flows per minute, and 1000 sccm corresponds to 1 slm.
It should be noted that the film thicknesses of the layer 2 and the layer 3 are obtained from the above growth time because the growth rates obtained from the thickness of the layer grown for a longer time under the same conditions are 43 Å / min and 30 Å / min, respectively. The resulting film thicknesses can be calculated as 50 mm and 300 mm, respectively.

n型層3を成長後、成長圧力を1気圧、基板の温度を785℃とし、ノンドープのIn0.3 Ga0.7 Nの発光層5を50ÅとノンドープのGa0.8 Al0.2 Nの電荷注入層6を300Å成長した。
電荷注入層6を成長後、基板の温度を1100℃とし、MgをドープしたGaNからなるp型層7を5000Å成長した。こうして作製した試料を1気圧の窒素中800℃、20分の熱処理を行ない、Mgドープ層を低抵抗にした。
以上の例では、層9、1、10、2及び3が下地層である。また層3は電荷注入層としても機能する。
After growing the n-type layer 3, the growth pressure is 1 atm, the substrate temperature is 785 ° C., the non-doped In 0.3 Ga 0.7 N light emitting layer 5 is 50 mm, and the non-doped Ga 0.8 Al 0.2 N charge injection layer 6 is 300 mm. grown.
After the charge injection layer 6 was grown, the temperature of the substrate was set to 1100 ° C., and a p-type layer 7 made of GaN doped with Mg was grown 5,000 mm. The sample thus prepared was heat-treated at 800 ° C. for 20 minutes in nitrogen at 1 atm to make the Mg doped layer low resistance.
In the above example, the layers 9, 1, 10, 2, and 3 are the underlayers. The layer 3 also functions as a charge injection layer.

このようにして得られた試料を常法に従い、電極を形成し、LEDとした。p電極としてNi−Au合金、n電極としてAlを用いた。このLEDに順方向に20mAの電流を流したところ、明瞭な青色発光を示し、輝度は860mcdであった。   The sample thus obtained was formed into an LED by forming an electrode according to a conventional method. Ni-Au alloy was used as the p electrode, and Al was used as the n electrode. When a current of 20 mA was passed through the LED in the forward direction, clear blue light emission was exhibited and the luminance was 860 mcd.

比較例1
ノンドープGaN層10を成長した後、発光層5、電荷注入層6、MgをドープしたGaNからなるp型層7を成長したことを除いては、実施例1と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様に評価したところ、青色の発光を示したものの、輝度は390mcdであった。
Comparative Example 1
An LED was fabricated in the same manner as in Example 1 except that after the non-doped GaN layer 10 was grown, the light-emitting layer 5, the charge injection layer 6, and the p-type layer 7 made of Mg-doped GaN were grown. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, although it emitted blue light, the luminance was 390 mcd.

実施例2
層3がSiをドープしたGaNであることを除いては実施例1と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様にして評価したところ、輝度は630mcdであり、発光ピークの中心波長は4600Åであり、外部量子効率は0.8%であった。
Example 2
An LED was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the layer 3 was GaN doped with Si. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, the luminance was 630 mcd, the central wavelength of the emission peak was 4600 mm, and the external quantum efficiency was 0.8%.

実施例3
発光層5、電荷注入層6までを1/8気圧で成長した後、成長圧力を1気圧としてMgをドープしたGaN層7を成長したことを除いては実施例1と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様にして評価したところ、輝度は520mcdであり、発光ピークの中心波長は4600Åであった。
Example 3
The LED was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the light emitting layer 5 and the charge injection layer 6 were grown at 1/8 atm and then the Mg-doped GaN layer 7 was grown at a growth pressure of 1 atm. did. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, the luminance was 520 mcd and the center wavelength of the emission peak was 4600 mm.

比較例2
ノンドープのGaN層10を成長した後、歪層2およびGa0.8 Al0.2 N層3を成長せずに、発光層5、電荷注入層6、MgをドープしたGaN層7を成長したことを除いては実施例3と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様にして評価したところ、発光は非常に弱く輝度は10-4cd以下であった。
Comparative Example 2
After growing the non-doped GaN layer 10, except that the light-emitting layer 5, the charge injection layer 6, and the Mg-doped GaN layer 7 were grown without growing the strained layer 2 and the Ga 0.8 Al 0.2 N layer 3. Produced an LED in the same manner as in Example 3. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, the emission was very weak and the luminance was 10 −4 cd or less.

実施例4
ノンドープのGaN層10を成長した後、歪層2およびGa0.8 Al0.2 N層3を2回成長し、歪層を2層有する構造としたことを除いては実施例3と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様にして評価したところ、輝度は240mcdであった。
Example 4
After growing the non-doped GaN layer 10, the strained layer 2 and the Ga 0.8 Al 0.2 N layer 3 were grown twice, and the LED was fabricated in the same manner as in Example 3 except that the structure had two strained layers. Produced. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, the luminance was 240 mcd.

実施例5
歪層2を成長した後に、Ga0.8 Al0.2 N層3にかえてGa0.7 Al0.3 N層3を成長したことを除いては、実施例3と同様にしてLEDを作製した。これを実施例1と同様にして評価したところ、発光ピークの中心波長は5050Åであり、輝度は320mcdであった。実施例3に比べて発光波長が長波長化した。
Example 5
An LED was fabricated in the same manner as in Example 3 except that after the strained layer 2 was grown, the Ga 0.7 Al 0.3 N layer 3 was grown instead of the Ga 0.8 Al 0.2 N layer 3. When this was evaluated in the same manner as in Example 1, the central wavelength of the emission peak was 5050 mm, and the luminance was 320 mcd. The emission wavelength was longer than that in Example 3.

実施例6
MOVPE法による気相成長により図3に示す3−5族化合物半導体を成長し、発光波長5100ÅのLEDを作製する。
サファイア(0001)基板8上に、バッファ層9として成長温度600℃、圧力1/8気圧でTMGとアンモニアによりGaNを500Å成長した後、1100℃でSiをドープしたGaN層1を3μm成長する。
次にSiをドープしたIn0.3 Ga0.6 Al0.1 N層とSiをドープしたGa0.8 Al0.2 N層を繰り返し合計6層成長し下地層とし、つぎにSiをドープしたIn0.3 Ga0.6 Al0.1 N層からなる電荷注入層4を成長する。
次に150ÅのIn0.5 Ga0.5 N層からなる発光層5を成長し、引き続いてGa0.8 Al0.2 N層6を300Å成長する。
次に、MgをドープしたGaN層7を5000Å成長する。成長終了後、基板を取り出し、窒素中800℃で熱処理を行いMgドープGaN層を低抵抗化する。
このようにして得られた試料を常法に従い、電極を形成し、LEDとすることで、シャープな発光スペクトルをもつLEDを作製することができる。
Example 6
A Group 3-5 compound semiconductor shown in FIG. 3 is grown by vapor phase growth by the MOVPE method, and an LED having an emission wavelength of 5100 nm is manufactured.
On the sapphire (0001) substrate 8, GaN is grown as a buffer layer 9 with TMG and ammonia at a growth temperature of 600 ° C. and a pressure of 1/8 atm, and then a Si-doped GaN layer 1 is grown to 3 μm at 1100 ° C.
Next, a total of 6 layers of an In 0.3 Ga 0.6 Al 0.1 N layer doped with Si and a Ga 0.8 Al 0.2 N layer doped with Si were repeatedly grown as a base layer, and then an In 0.3 Ga 0.6 Al 0.1 N layer doped with Si A charge injection layer 4 made of is grown.
Next, a light-emitting layer 5 made of 150 In In 0.5 Ga 0.5 N layer is grown, and then a Ga 0.8 Al 0.2 N layer 6 is grown Å 300 Å.
Next, a GaN layer 7 doped with Mg is grown by 5000 mm. After the growth is completed, the substrate is taken out and heat-treated at 800 ° C. in nitrogen to reduce the resistance of the Mg-doped GaN layer.
An LED having a sharp emission spectrum can be produced by forming an electrode from the sample thus obtained according to a conventional method to form an LED.

本発明の3−5族化合物半導体の1例を示す図。The figure which shows one example of the 3-5 group compound semiconductor of this invention. 実施例1で作製した本発明の発光素子を示す図。FIG. 3 shows a light-emitting element of the present invention manufactured in Example 1. 実施例6に示す本発明の発光素子を示す図。FIG. 6 shows a light-emitting element of the present invention shown in Example 6.

符号の説明Explanation of symbols

1...n型層
2、2’、2’’...歪層
3、3’、3’’...n型層
4...電荷注入層
5...発光層
6...電荷注入層
7...p型層
8...基板
9...バッファ層
10...ノンドープGaN層


1. . . n-type layer 2, 2 ′, 2 ″. . . Strain layer 3, 3 ', 3''. . . n-type layer 4. . . 4. Charge injection layer . . Light emitting layer 6. . . 6. Charge injection layer . . p-type layer 8. . . Substrate 9. . . Buffer layer 10. . . Non-doped GaN layer


Claims (8)

基板の上に少なくとも発光層と電荷注入層とを有し、該発光層は一般式Inx Gay Alz N(式中、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、x+y+z=1)で表されるノンドープの3−5族化合物半導体であり、該電荷注入層は一般式Inx'Gay'Alz'N(式中、0≦x’≦1、0≦y’≦1、0≦z’≦1、x’+y’+z’=1)で表され、該発光層よりも大きなバンドギャップを有する3−5族化合物半導体であり、該発光層は2つの電荷注入層に挟まれて接してなる3−5族化合物半導体発光素子において、発光層と基板との間に、少なくとも3層からなる下地層を有し、該下地層を形成する層は一般式Inu Gav Alw N(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1、u+v+w=1)で表される3−5族化合物半導体であり、該下地層中の少なくとも1つの層がこれよりInN混晶比の小さな2つの層に挟まれて接してなり、該少なくとも1つの層のInN混晶比が、該層に基板側から接する層のInN混晶比より0.05以上大きいことを特徴とする3−5族化合物半導体発光素子。 The substrate has at least a light emitting layer and a charge injection layer on the substrate, and the light emitting layer has a general formula In x Ga y Al z N (where 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ z <1). , X + y + z = 1), which is a non-doped group 3-5 compound semiconductor, and the charge injection layer has a general formula of In x ′ Ga y ′ Al z ′ N (where 0 ≦ x ′ ≦ 1, 0 ≦ y ′ ≦ 1, 0 ≦ z ′ ≦ 1, x ′ + y ′ + z ′ = 1), and a Group 3-5 compound semiconductor having a larger band gap than the light emitting layer. In the group 3-5 compound semiconductor light emitting device sandwiched between and in contact with the charge injection layer, the light emitting layer and the substrate have a base layer composed of at least three layers, and the layer forming the base layer has the general formula (wherein, 0 ≦ u ≦ 1,0 ≦ v ≦ 1,0 ≦ w ≦ 1, u + v + w = 1) in u Ga v Al w N be a 3-5 group compound semiconductor represented by At least one layer in the underlayer is sandwiched between and in contact with two layers having a smaller InN mixed crystal ratio, and the InN mixed crystal ratio of the at least one layer is that of the layer in contact with the layer from the substrate side. A Group 3-5 compound semiconductor light emitting device having a larger than InN mixed crystal ratio by 0.05 or more. 下地層中のInN混晶比の小さな2つの層のうち基板側の層と発光層との間の少なくとも1つの層にn型不純物がドープされてなることを特徴とする請求項1記載の3−5族化合物半導体発光素子。   The n-type impurity is doped in at least one layer between the layer on the substrate side and the light emitting layer among the two layers having a small InN mixed crystal ratio in the underlayer. -Group 5 compound semiconductor light emitting device. 発光層の膜厚が5〜90Åであることを特徴とする請求項1又は2記載の3−5族化合物半導体発光素子。   The group 3-5 compound semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the light emitting layer has a thickness of 5 to 90 mm. 発光層を挟んで接してなる電荷注入層のうち基板側の電荷注入層が、下地層中においてInN混晶比の大きな層を挟んで接してなるInN混晶比の小さな2つの層のうち発光層側の層を兼ねることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の3−5族化合物半導体発光素子。   The charge injection layer on the substrate side of the charge injection layer in contact with the light emitting layer sandwiched between them emits light of the two layers having a small InN mixed crystal ratio in contact with the layer having a large InN mixed crystal ratio in the underlayer The group 3-5 compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, which also serves as a layer on the layer side. n型不純物が、Si及び/又はGeであり、n型不純物の濃度が、1×1017cm-3以上であることを特徴とする請求項2〜4いずれかに記載の3−5族化合物半導体発光素子。 5. The group 3-5 compound according to claim 2, wherein the n-type impurity is Si and / or Ge, and the concentration of the n-type impurity is 1 × 10 17 cm −3 or more. Semiconductor light emitting device. 下地層中のInN混晶比の小さな2つの層に挟まれてなる層の厚さが、5Å以上600Å以下であることを特徴とする請求項1〜5いずれかに記載の3−5族化合物半導体発光素子。   The group 3-5 compound according to any one of claims 1 to 5, wherein a thickness of a layer sandwiched between two layers having a small InN mixed crystal ratio in the underlayer is 5 to 600 mm. Semiconductor light emitting device. 下地層中の少なくとも1つの層がこれよりInN混晶比の小さな2つの層に挟まれて接してなり、該少なくとも1つの層の層の厚さが5Å以上であり、該少なくとも1つの層のInN混晶比が、該層に基板側から接する層のInN混晶比より0.05以上0.3以下大きいとき、該混晶比の差と少なくとも1つの層の厚さ(Å)との積が30以下であり、該少なくとも1つの層のInN混晶比が、該層に基板側から接する層のInN混晶比より0.3を超えて大きいとき、該少なくとも1つの層の厚さが100Å以下であることを特徴とする請求項1〜6いずれかに記載の3−5族化合物半導体発光素子。   At least one layer in the underlayer is sandwiched between and in contact with two layers having a smaller InN mixed crystal ratio, and the thickness of the layer of the at least one layer is 5 mm or more. When the InN mixed crystal ratio is 0.05 or more and 0.3 or less larger than the InN mixed crystal ratio of the layer in contact with the layer from the substrate side, the difference between the mixed crystal ratios and the thickness (Å) of at least one layer When the product is 30 or less and the InN mixed crystal ratio of the at least one layer exceeds the InN mixed crystal ratio of the layer in contact with the layer from the substrate side by more than 0.3, the thickness of the at least one layer Is a group 3-5 compound semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 6. 少なくとも3層からなる下地層が、有機金属気相成長法により、0.001気圧以上0.8気圧以下の圧力で成長させてなることを特徴とする請求項1〜7いずれかに記載の3−5族化合物半導体発光素子。
The underlayer comprising at least three layers is grown at a pressure of 0.001 atm or more and 0.8 atm or less by metal organic vapor phase epitaxy. -Group 5 compound semiconductor light emitting device.
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