JP2011082528A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物の結晶成長方法およびIII族窒化物結晶およびIII族窒化物半導体デバイスおよび発光デバイスに関する。 The present invention relates to a group III nitride crystal growth method, a group III nitride crystal, a group III nitride semiconductor device, and a light emitting device.
従来、III族窒化物結晶は、紫外〜緑色の波長帯の発光デバイスや、高周波電子デバイスなどに用いられている。ところで、近年、III族窒化物(GaN、AlN、InN、BN及びそれらの混晶)結晶に遷移金属をドーピングして、新しい物性を引き出すことの提案がなされている。 Conventionally, group III nitride crystals are used in light emitting devices in the ultraviolet to green wavelength band, high frequency electronic devices, and the like. By the way, in recent years, a proposal has been made to derive new physical properties by doping a group III nitride (GaN, AlN, InN, BN and mixed crystals thereof) with a transition metal.
例えば特許文献1には、遷移金属をIII族窒化物にドーピングすることで、磁性を有する半導体を実現することが提案されている。 For example, Patent Document 1 proposes realizing a magnetic semiconductor by doping a group III nitride with a transition metal.
また、特許文献2,特許文献3,特許文献4には、遷移金属をIII族窒化物にドーピングし、それを発光領域とすることで、発光波長を長波長化することが提案されている。 Further, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4 propose that a transition metal is doped into a group III nitride and used as a light emitting region to increase the light emission wavelength.
これら従来技術では、何れも、遷移金属のドーピングを、MBE法(分子線エピタキシー法)あるいはMOCVD法(有機金属化学気相成長法)で行なっている。しかしながら、MBE法やMOCVD法で遷移金属をドーピングする場合、ドーピング量を十分多くすることができなかったり、あるいは制御性が困難であるという問題がある。 In any of these conventional techniques, the transition metal is doped by MBE (molecular beam epitaxy) or MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). However, when the transition metal is doped by the MBE method or the MOCVD method, there is a problem that the doping amount cannot be increased sufficiently or the controllability is difficult.
これに対し、例えば特許文献1には、遷移金属以外の元素(Si,O,Mg,Be,C等)を遷移金属と同時にドーピングすることで、遷移金属のドーピング量を増大させることが提案されている。しかし、この場合には、本来得たい所望の物性以外に、電気伝導の制御等が必要となる。また、この特許文献1では、図4に示すMBE装置を用いて、V,Cr,Mn等の遷移金属をドーピングしており、MBE装置は超高真空を維持しなければならず、高コストにつながる。また、MOCVD装置も、原料供給系、反応系、排気系等で高価な部品を使用することから装置コストが高くなる。 On the other hand, for example, Patent Document 1 proposes to increase the doping amount of the transition metal by doping an element other than the transition metal (Si, O, Mg, Be, C, etc.) simultaneously with the transition metal. ing. However, in this case, in addition to the desired physical properties that are originally desired, control of electrical conduction is required. In Patent Document 1, the MBE apparatus shown in FIG. 4 is used to dope a transition metal such as V, Cr, Mn, etc., and the MBE apparatus must maintain an ultra-high vacuum, resulting in high cost. Connected. Also, the MOCVD apparatus uses expensive parts such as a raw material supply system, a reaction system, and an exhaust system, so that the apparatus cost increases.
本発明は、III族窒化物結晶に対して、遷移金属等の不純物を所望の濃度で、制御性良くドーピングすることの可能なIII族窒化物の結晶成長方法およびIII族窒化物結晶およびIII族窒化物半導体デバイスを提供することを目的としている。また、本発明は、MOCVD法やMBE法に比較して低コストで、上記遷移金属等の不純物をドーピングすることの可能なIII族窒化物の結晶成長方法を提供することを目的としている。 The present invention relates to a group III nitride crystal growth method, a group III nitride crystal, and a group III, which are capable of doping a group III nitride crystal with a desired concentration of impurities such as transition metals at a desired concentration. An object is to provide a nitride semiconductor device. Another object of the present invention is to provide a group III nitride crystal growth method that can be doped with impurities such as transition metals at a lower cost than MOCVD and MBE methods.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とドーパント金属とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the reaction vessel, an alkali metal, a substance containing at least a group III metal, and a dopant metal form a mixed melt, and the mixed melt and at least nitrogen It is characterized in that a group III nitride crystal doped with a dopant metal is grown from a substance containing.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のIII族窒化物の結晶成長方法において、ドーパント金属は遷移金属であることを特徴としている。 The invention described in claim 2 is the group III nitride crystal growth method described in claim 1, characterized in that the dopant metal is a transition metal.
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて成長された、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶である。 The invention described in claim 3 is a group III nitride crystal doped with a dopant metal, which is grown using the group III nitride crystal growth method described in claim 1 or claim 2.
また、請求項4記載の発明は、請求項3記載のIII族窒化物結晶において、該III族窒化物結晶が磁性を有していることを特徴とするIII族窒化物結晶である。 The invention according to claim 4 is the group III nitride crystal according to claim 3, wherein the group III nitride crystal has magnetism.
また、請求項5記載の発明は、請求項3記載のIII族窒化物結晶が発光領域として用いられていることを特徴とするIII族窒化物半導体デバイスである。 The invention described in claim 5 is a group III nitride semiconductor device characterized in that the group III nitride crystal described in claim 3 is used as a light emitting region.
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載のIII族窒化物半導体デバイスにおいて、請求項3記載のIII族窒化物結晶上に半導体積層構造からなる発光デバイスが形成されており、該発光デバイスからの出射光を該III族窒化物結晶に照射し、該III族窒化物結晶を励起することで、該III族窒化物結晶を発光させるようになっていることを特徴とする発光デバイスである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the group III nitride semiconductor device according to the fifth aspect, a light emitting device having a semiconductor multilayer structure is formed on the group III nitride crystal according to the third aspect, and the light emission A light emitting device characterized in that the group III nitride crystal is emitted by irradiating the group III nitride crystal with light emitted from the device and exciting the group III nitride crystal. is there.
また、請求項7記載の発明は、請求項6記載の発光デバイスにおいて、前記III族窒化物結晶からの発光は、該III族窒化物結晶にドーピングされている遷移金属の内殻遷移による発光であることを特徴とする発光デバイスである。 Further, the invention according to claim 7 is the light emitting device according to claim 6, wherein the light emission from the group III nitride crystal is light emission due to an inner shell transition of a transition metal doped in the group III nitride crystal. It is a light emitting device characterized by being.
請求項1,請求項2記載の発明によれば、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とドーパント金属とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶を成長させるので、高品質で不純物としてのドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物を制御性良く、結晶成長することができ、更に結晶成長方法が低コストで実現可能となる。即ち、従来技術で述べたMBE法やMOCVD法のようにドーピングに特殊なことをしなくとも、本発明の場合は容易に且つ高品質な結晶を維持したまま、III族窒化物結晶へのドーパント金属のドーピングが可能となる。 According to the first and second aspects of the invention, in the reaction vessel, the alkali metal, the substance containing at least a group III metal, and the dopant metal form a mixed melt, and the mixed melt and at least nitrogen are included. Since the group III nitride crystal doped with the dopant metal is grown from the material, the group III nitride doped with the dopant metal as a high-quality impurity can be grown with good controllability, and the crystal A growth method can be realized at low cost. That is, in the present invention, the dopant to the group III nitride crystal can be easily maintained while maintaining a high quality crystal without performing special doping like the MBE method or MOCVD method described in the prior art. Metal doping is possible.
また、請求項3,請求項4記載の発明によれば、請求項1または請求項2記載のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて成長された、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶であるので、遷移金属等がドーピングされた高品質なIII族窒化物結晶を実現でき、その結果、磁性あるいはIII族窒化物結晶単独では実現出来ない波長の発光等、新しい物性を発現させることが可能となる。 Further, according to the invention described in claim 3 or claim 4, the group III nitride doped with a dopant metal is grown using the group III nitride crystal growth method according to claim 1 or claim 2. Because it is a crystal, it is possible to realize a high-quality group III nitride crystal doped with a transition metal, etc., and as a result, to display new physical properties such as light emission at a wavelength that cannot be achieved with magnetism or a group III nitride crystal alone. Is possible.
また、請求項5,請求項6,請求項7記載の発明によれば、請求項3記載のIII族窒化物結晶が発光領域として用いられているIII族窒化物半導体デバイスであるので、III族窒化物結晶単独では実現できない波長の発光が可能となる。 Further, according to the invention of claim 5, claim 6 and claim 7, since the group III nitride crystal of claim 3 is a group III nitride semiconductor device used as a light emitting region, group III Light emission at a wavelength that cannot be realized by using a nitride crystal alone is possible.
また、請求項6、請求項7記載の発明によれば、請求項3記載の高品質なIII族窒化物結晶上に積層した半導体積層構造からなる発光デバイスを励起光源としているので、励起光源となる該発光デバイス自体の発光効率や、信頼性が高い。その結果、高出力で長寿命の発光デバイスを実現させることが可能となる。さらに、請求項3記載のIII族窒化物結晶の厚みや、ドーパント金属のドーピング量によって、III族窒化物結晶からの発光の強度を調整することが可能である。 Further, according to the inventions of claims 6 and 7, since the light emitting device having the semiconductor laminated structure laminated on the high-quality group III nitride crystal according to claim 3 is used as the excitation light source, The light emitting device itself has high luminous efficiency and high reliability. As a result, it is possible to realize a light emitting device with high output and long life. Furthermore, the intensity of light emission from the group III nitride crystal can be adjusted by the thickness of the group III nitride crystal according to claim 3 and the doping amount of the dopant metal.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
これまで本願の発明者らは、アルカリ金属とIII族金属とから構成される混合融液と、窒素を含むV族原料とを反応させることで、高品質のIII族窒化物結晶を実現してきている。この方式をフラックス法と呼ぶ。 Until now, the inventors of the present application have realized a high-quality group III nitride crystal by reacting a mixed melt composed of an alkali metal and a group III metal with a group V raw material containing nitrogen. Yes. This method is called a flux method.
本願の発明者は、このフラックス法に着目し、このフラックス法を用いて、不純物となる遷移金属やその他の金属(ドーパント金属)をIII族窒化物結晶にドーピングして、新しい物性を発現させた。 The inventor of the present application pays attention to this flux method, and by using this flux method, a transition metal or other metal (dopant metal) that becomes an impurity is doped into a group III nitride crystal to develop a new physical property. .
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、反応容器内で、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とドーパント金属とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶を成長させることを特徴としている。
(First form)
According to a first aspect of the present invention, in a reaction vessel, a substance containing an alkali metal, at least a group III metal, and a dopant metal form a mixed melt, and the dopant is formed from the mixed melt and a substance containing at least nitrogen. It is characterized by growing a group III nitride crystal doped with metal.
ここで、本発明において、III族金属とは、Ga,Al,In等である。また、本発明において、アルカリ金属には、Li,Na,K等が使用可能である。また、窒素を含む物質とは、窒素ガスやアジ化ナトリウム,アンモニアなどの窒素を構成元素に含む化合物である。 Here, in the present invention, the group III metal is Ga, Al, In or the like. In the present invention, Li, Na, K, etc. can be used as the alkali metal. The substance containing nitrogen is a compound containing nitrogen as a constituent element, such as nitrogen gas, sodium azide, or ammonia.
即ち、本発明では、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とから構成されている混合融液中に、少なくとも窒素を含む物質から窒素が溶解する。このとき、混合融液中には、ドーパント金属が混入していることで、このドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物を結晶成長させることができる。 That is, in the present invention, nitrogen is dissolved from a substance containing at least nitrogen in a mixed melt composed of an alkali metal and a substance containing at least a group III metal. At this time, since the dopant metal is mixed in the mixed melt, the group III nitride doped with the dopant metal can be crystal-grown.
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、上述した第1の形態のIII族窒化物の結晶成長方法において、ドーパント金属は遷移金属であることを特徴としている。
(Second form)
The second aspect of the present invention is characterized in that the dopant metal is a transition metal in the group III nitride crystal growth method of the first aspect described above.
ここで、遷移金属とは、元素周期律表における3A族,4A族,5A族,6A族,7A族,8族,1B族の元素である。前述の従来技術で述べたように、これらの元素を制御性良くIII族窒化物にドーピングすることは困難である。これに対し、本発明では、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質とから構成される混合融液に、遷移金属が添加された状態で、少なくとも窒素を含む物質から窒素が溶解することで、遷移金属が制御性良くドーピングされたIII族窒化物を結晶成長させることができる。 Here, the transition metal is an element of 3A group, 4A group, 5A group, 6A group, 7A group, 8 group or 1B group in the periodic table. As described in the above prior art, it is difficult to dope these elements into group III nitrides with good controllability. On the other hand, in the present invention, nitrogen is dissolved from a substance containing at least nitrogen in a state where a transition metal is added to a mixed melt composed of an alkali metal and a substance containing at least a group III metal, A group III nitride doped with a transition metal with good controllability can be crystal-grown.
(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第1または第2の形態のIII族窒化物の結晶成長方法を用いて成長された、ドーパント金属がドーピングされたIII族窒化物結晶である。
(Third form)
A third aspect of the present invention is a group III nitride crystal doped with a dopant metal, which is grown using the group III nitride crystal growth method of the first or second aspect.
(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第3の形態のIII族窒化物結晶において、該III族窒化物結晶が磁性を有していることを特徴とするIII族窒化物結晶である。
(4th form)
A fourth aspect of the present invention is a group III nitride crystal characterized in that the group III nitride crystal has magnetism in the group III nitride crystal of the third aspect.
ここで、磁性とは、常磁性,強磁性であり、ドーピングされたIII族窒化物結晶が常磁性,強磁性の性質を有していることである。 Here, magnetism means paramagnetic and ferromagnetic, and the doped group III nitride crystal has paramagnetic and ferromagnetic properties.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第3の形態のIII族窒化物結晶が発光領域として用いられていることを特徴とするIII族窒化物半導体デバイスである。
(5th form)
A fifth aspect of the present invention is a group III nitride semiconductor device, wherein the group III nitride crystal of the third aspect is used as a light emitting region.
(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第5の形態のIII族窒化物デバイスにおいて、第3の形態のIII族窒化物結晶上に半導体積層構造からなる発光デバイスが形成されており、該発光デバイスからの出射光を該III族窒化物結晶に照射し、該III族窒化物結晶を励起することで、該III族窒化物結晶を発光させるようになっていることを特徴とする発光デバイスである。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the Group III nitride device of the fifth aspect, a light emitting device having a semiconductor multilayer structure is formed on the Group III nitride crystal of the third aspect. Is emitted to the group III nitride crystal to excite the group III nitride crystal so that the group III nitride crystal emits light.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第6の形態のIII族窒化物デバイスにおいて、前記III族窒化物結晶からの発光は、該III族窒化物結晶にドーピングされている遷移金属の内殻遷移による発光であることを特徴とする発光デバイスである。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the Group III nitride device according to the sixth aspect, light emission from the Group III nitride crystal is caused by an inner shell transition of a transition metal doped in the Group III nitride crystal. The light emitting device is characterized in that it emits light.
実施例1は、第1乃至第4の形態に対応するものである。図1は本発明の実施例1を説明するための図である。すなわち、図1は、アルカリ金属と少なくともIII族金属を含む物質と遷移金属とが、混合融液を形成し、混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、遷移金属がドーピングされたIII族窒化物結晶を成長させる結晶成長装置を示す図である。 Example 1 corresponds to the first to fourth embodiments. FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention. That is, FIG. 1 shows a group III nitridation doped with a transition metal from a mixed melt and a substance containing at least nitrogen, in which the alkali metal, the substance containing at least a group III metal, and the transition metal form a mixed melt. It is a figure which shows the crystal growth apparatus which grows a physical crystal.
図1を参照すると、第一の反応容器101の内側には第二の反応容器113があり、その間(第一の反応容器101の内側で、第二の反応容器113の外側)には、III族窒化物が結晶成長可能な温度に制御するための加熱装置106が設けられている。また、第二の反応容器113の内側には、混合融液保持容器102が設置されており、混合融液保持容器102内には、少なくともIII族金属を含む物質としてのGaとアルカリ金属としてのNaと遷移金属としてのマンガン(Mn)とから構成される混合融液103が収容されている。また、混合融液保持容器102の上には蓋109があり、この混合融液保持容器102と蓋109との間には、気体が出入できる程度の僅かな隙間がある。
Referring to FIG. 1, there is a
また、この混合融液保持容器102の温度を検知する熱電対112が、第二の反応容器113内に設置されている。この熱電対112は、加熱装置106に、温度のフィードバック制御が可能に接続されている。
A
また、この実施例1では、少なくとも窒素を含む物質として、窒素ガスを用いている。窒素ガスは、第一の反応容器101外に設置されている窒素ガス容器107から、ガス供給管104を通して、第一の反応容器101内、及び第二の反応容器113内の空間108に供給することができるようになっている。この窒素ガスの圧力を調整するために、圧力調整弁105が設けられている。また、反応容器101,113内の窒素ガスの圧力を検知する圧力センサー111が設けられている。このとき、第一の反応容器101内の圧力と第二の反応容器113内の圧力とが、ほぼ同じ圧力で、且つ所定の圧力となるように、圧力センサー111は圧力調整弁105にフィードバックがかかるようになっている。
In Example 1, nitrogen gas is used as the substance containing at least nitrogen. Nitrogen gas is supplied from the
ここで、混合融液103中の構成金属は、Gaが15mmol、Naが30mmol、Mnが1mmolの融液組成となっている。これに対して、反応容器101内の窒素圧力を5MPa、混合融液保持容器102の温度を850℃に設定する。この状態で、これら温度、圧力を保持することで、MnがドーピングされたGaN結晶110が成長する。
Here, the constituent metal in the
すなわち、混合融液103に窒素が溶解して成長したIII族窒化物結晶であることから、高品質で大型のGaN結晶を成長させることが可能となる。更にMnがドーピングされており、このGaN結晶は磁性を示す。
That is, since it is a group III nitride crystal grown by dissolving nitrogen in the
実施例2は、第1乃至第3の形態に対応するものであり、この実施例2では、実施例1のMnをユウロピウム(Eu)に置き換えたものとなっている。 Example 2 corresponds to the first to third modes. In Example 2, Mn of Example 1 is replaced with europium (Eu).
すなわち、実施例2では、図1の結晶成長装置において、混合融液103として、Gaが15mmol、Naが30mmol、Euが2mmolを混合させておき、反応容器101内の窒素圧力を5MPa、混合融液保持容器102の温度を800℃に設定する。この状態で、これらの温度,圧力を保持することで、EuがドーピングされたGaN結晶110を成長させることができる。
That is, in Example 2, in the crystal growth apparatus of FIG. 1, 15 mmol of Ga, 30 mmol of Na, and 2 mmol of Eu are mixed as the
通常の高品質のGaN結晶は、365nm付近の波長に最も強度の強い発光特性を示すが、EuがドーピングされたGaN結晶の場合は、620nm程度の波長にピークを有する発光特性を示す。このように、この実施例2のEuがドーピングされたGaN結晶は、高品質で且つ、GaN単独とは異なる発光波長をもつという特徴を有している。 A normal high-quality GaN crystal shows the strongest emission characteristic at a wavelength near 365 nm, but a GaN crystal doped with Eu shows an emission characteristic having a peak at a wavelength of about 620 nm. Thus, the Eu-doped GaN crystal of Example 2 is characterized by high quality and a light emission wavelength different from that of GaN alone.
上述した実施例1,実施例2では、各々、MnとEuをドーピング金属として用いたが、本発明では、これ以外の遷移金属等の金属材料をドーピング金属として用いることもできる。 In Examples 1 and 2 described above, Mn and Eu are used as doping metals, respectively, but in the present invention, other metal materials such as transition metals can be used as doping metals.
実施例3は第5の形態に対応するものである。図2は本発明の実施例3を説明するための図である。すなわち、図2は本発明のIII族窒化物半導体デバイスの一例としての発光ダイオードを示す図(斜視図)である。 Example 3 corresponds to the fifth mode. FIG. 2 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. That is, FIG. 2 is a diagram (perspective view) showing a light emitting diode as an example of the group III nitride semiconductor device of the present invention.
図2を参照すると、n型GaN基板201上には、n型AlGaNクラッド層202、EuドープされたGaN活性層203、p型AlGaNクラッド層204、p型GaNコンタクト層205が順次に積層されている。また、n型GaN基板201の下部にはn側オーミック電極Al/Ti 207が形成され、p型GaNコンタクト層205の上部にはp側オーミック電極Au/Ni 206が形成されている。
Referring to FIG. 2, an n-type
図2の発光ダイオードでは、p側オーミック電極Au/Ni 206及びn側オーミック電極Al/Ti 207から電流を注入することで、活性層203が発光する。この時、発光波長は620nm付近にピーク波長を有する発光特性を示す。
In the light emitting diode of FIG. 2, the
この発光ダイオードの発光領域は、NaとGaの混合融液に窒素を溶解して成長したEuドープのGaN結晶で形成されているため、欠陥が少なく、高品質である。そのため、非発光の再結合センターが少なく、高効率な発光特性を示す。また、このため、デバイスの寿命も長寿命となる。 Since the light emitting region of this light emitting diode is formed of Eu-doped GaN crystal grown by dissolving nitrogen in a mixed melt of Na and Ga, it has few defects and is of high quality. Therefore, there are few non-light-emitting recombination centers and highly efficient light emission characteristics are exhibited. For this reason, the lifetime of the device is also long.
実施例4は第1乃至第3,第5の形態に対応するものである。図3は本発明の実施例4を説明するための図である。なお、図3において、図1と同様の箇所には同じ符号を付し、説明を省略する。 Example 4 corresponds to the first to third and fifth embodiments. FIG. 3 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same parts as those in FIG.
この実施例4では、先ず、本願の発明者らが案出したIII族窒化物結晶成長方法(フラックス法)によって成長したn型GaN基板上に、MO−CVD法やMBE法等により、図2のn型AlGaNクラッド層202を結晶成長させる。このとき、GaN基板201はフラックス法により成長した結晶であることから、欠陥密度の少ない、高品質な結晶である。そのため、n型AlGaNクラッド層202も欠陥が少ない高品質なものとなっている。
In Example 4, first, an MO-CVD method, an MBE method, or the like is performed on an n-type GaN substrate grown by a group III nitride crystal growth method (flux method) devised by the inventors of the present application. The n-type
次いで、図3で示すように、上述のようにn型GaN基板201上にn型AlGaNクラッド層202が成長された基板310を混合融液103中に入れる。図3では、混合融液保持容器102の底面に基板310を設置している。このとき混合融液103中には、GaとNaに加えて、Euを添加している。融液組成は、実施例2と同様に、Gaが15mmol、Naが30mmol、Euが2mmolである。
Next, as shown in FIG. 3, the
この状態で、反応容器101内の窒素圧力を5MPa、混合融液保持容器102の温度を800℃に設定することにより、基板310上に、EuがドーピングされたGaN結晶層203が成長する。
In this state, by setting the nitrogen pressure in the
その後、MO−CVD法やMBE法等により、p型AlGaNクラッド層204、p型GaNコンタクト層205を順次積層される。最後にn型GaN基板201の下部にn側オーミック電極Al/Ti 207を形成し、また、p型GaNコンタクト層205の上部にp側オーミック電極Au/Ni 206を形成し、デバイス構造を作製することができる。
Thereafter, the p-type
このように、活性層の作成にフラックス法を用いることで、高品質で制御性の高いドーピングされたGaN結晶を成長することが可能となる。 Thus, by using the flux method for forming the active layer, it is possible to grow a high-quality and highly controllable doped GaN crystal.
実施例5は第6の形態に対応するものである。図5は本発明の実施例5を説明するための図である。すなわち、図5は本発明のIII族窒化物半導体デバイスの一例としての白色発光ダイオードを示す図(断面図)である。 Example 5 corresponds to the sixth embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention. That is, FIG. 5 is a diagram (sectional view) showing a white light emitting diode as an example of the group III nitride semiconductor device of the present invention.
図5を参照すると、GaN基板301上には、n型GaN層302、n型AlGaNクラッド層303、InGaN活性層304、p型AlGaNクラッド層305、p型GaNコンタクト層306が順次に積層されている。この積層構造はMOCVD法で結晶成長している。また、積層構造の一部がp型GaNコンタクト層306からn型GaN層302の表面まで削り取られており、n型GaN層302が露出している。そして、露出したn型GaN層302表面にはn側オーミック電極Al/Ti 308が形成され、p型GaNコンタクト層306の上部にはp側オーミック電極Au/Ni 307が形成されている。
Referring to FIG. 5, an n-
図5の発光ダイオードは、p側オーミック電極Au/Ni 307及びn側オーミック電極Al/Ti 308から電流を注入することで、活性層304が発光する。この時、発光波長は460nm付近にピーク波長を有する青色の発光特性を示す。
In the light-emitting diode of FIG. 5, the
この発光ダイオードの積層構造が形成されているGaN基板301は、NaとGaの混合融液にLiを添加して、窒素を溶解して成長したLiドープのGaN結晶である。
The
LiドープのGaN結晶は、Liに起因したエネルギー準位からの発光によって黄色の発光特性を有する。 The Li-doped GaN crystal has yellow emission characteristics due to light emission from the energy level caused by Li.
本実施例5の発光ダイオードでは、電極307、308に電流を注入することで、青色の発光が起こり、この光がGaN基板301に入射し、GaN基板301が励起され、GaN基板301は黄色に発光する。すると、基板側からは、青色と黄色の光が出射されるため、取り出された光は補色関係から白色光になる。
In the light emitting diode of Example 5, when light is injected into the
GaN基板301はフラックス法により成長した結晶であることから、欠陥密度の少ない高品質な結晶である。そのため、その上に形成された発光ダイオード積層構造には非発光の再結合センターが少なく、高効率な発光特性を示す。また、このため、デバイスの寿命も長寿命となる。従って、本実施例5の白色発光ダイオードは、高効率で、長寿命である。
Since the
なお、本実施例5ではドーパント金属としてLiを使用したが、CdやMg等、その他の金属をドーパント金属として使用することができる。 In addition, although Li was used as a dopant metal in the present Example 5, other metals, such as Cd and Mg, can be used as a dopant metal.
実施例6は第7の形態に対応するものである。図6は本発明の実施例6を説明するための図である。すなわち、図6は本発明のIII族窒化物半導体デバイスの一例としての赤色発光ダイオードを示す図(断面図)である。 Example 6 corresponds to the seventh embodiment. FIG. 6 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention. That is, FIG. 6 is a diagram (cross-sectional view) showing a red light emitting diode as an example of the group III nitride semiconductor device of the present invention.
図6を参照すると、GaN基板401上には、n型GaN層402、n型AlGaNクラッド層403、InGaN活性層404、p型AlGaNクラッド層405、p型GaNコンタクト層406が順次に積層されている。この積層構造はMOCVD法で結晶成長している。また、積層構造の一部がp型GaNコンタクト層406からn型GaN層402の表面まで削り取られており、n型GaN層402が露出している。そして、露出したn型GaN層402表面にはn側オーミック電極Al/Ti 408が形成され、p型GaNコンタクト層406の上部にはp側オーミック電極Au/Ni 407が形成されている。
Referring to FIG. 6, an n-
図6の発光ダイオードは、p側オーミック電極Au/Ni 407及びn側オーミック電極Al/Ti 408から電流を注入することで、活性層404が発光する。この時、発光波長は375nm付近にピーク波長を有する紫外の発光特性を示す。
In the light emitting diode of FIG. 6, the
この発光ダイオードの積層構造が形成されているGaN基板401は、NaとGaの混合融液にEuを添加して、窒素を溶解して成長したEuドープのGaN結晶である。
The
EuドープのGaN結晶は、Euのイオン内殻遷移に起因した発光によって赤色の発光特性を有する。 The Eu-doped GaN crystal has a red light emission characteristic due to light emission caused by the ionic core transition of Eu.
本実施例6の発光ダイオードでは、電極407、408に電流を注入することで、紫外発光が起こり、この光がGaN基板401に入射し、GaN基板401が内のEuが励起され、内殻遷移が起こり、赤色に発光する。
In the light emitting diode of Example 6, ultraviolet light is emitted by injecting current into the
また、GaN基板401はフラックス法により成長した結晶であることから、欠陥密度の少ない、高品質な結晶である。そのため、その上に形成された発光ダイオード積層構造には非発光の再結合センターが少なく、高効率な発光特性を示す。また、このため、デバイスの寿命も長寿命となる。従って、本実施例の白色発光ダイオードは、高効率で、長寿命である。
Further, since the
なお、本実施例6ではドーパント金属としてEuを使用したが、ErやTb、その他の希土類金属のように内殻遷移による発光が可能である物質をドーパント金属として使用することができる。 In Example 6, Eu is used as the dopant metal. However, substances such as Er, Tb, and other rare earth metals that can emit light by inner-shell transition can be used as the dopant metal.
本発明は、紫外から赤外の波長領域の発光デバイス(LD、LED)、III族窒化物磁性デバイス、電子デバイスなどに利用することができる。 The present invention can be used for a light emitting device (LD, LED), a group III nitride magnetic device, an electronic device, and the like in an ultraviolet to infrared wavelength region.
101 第一の反応容器
102 混合融液保持容器
103 混合融液
104 ガス供給管
105 窒素圧力調整弁
106 加熱装置
107 窒素ガス容器
108 反応容器内の空間
109 混合融液保持容器の蓋
110 GaN結晶
111 圧力センサー
112 熱電対
113 第二の反応容器
201 n型GaN基板
202,303,403 n型AlGaNクラッド層
203 EuドープされたGaN活性層
204,305,405 p型AlGaNクラッド層
205,306,406 p型GaNコンタクト層
206,307,407 p側オーミック電極Au/Ni
207,308,408 n側オーミック電極Al/Ti
301 LiドープされたGaN基板
302,402 n型GaN層
304 InGaN活性層
310 基板
401 EuドープされたGaN基板
404 InGaN活性層
DESCRIPTION OF
207, 308, 408 n-side ohmic electrode Al / Ti
301 Li-doped
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