JP2576819C - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN、GaAlN、InGaN、InAlGaN等の窒化ガリウム系化合物
半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが1.95eV〜6eVまで変化する
ため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視され
ている。現在、この材料を用いた発光素子には、n型窒化ガリウム系化合物半導
体の上に、p型ドーバントをドープした高抵抗なi型の窒化ガリウム系化合物半
導体を積層したいわゆるMIS構造の青色発光ダイオードが知られている。
【0003】
MIS構造の発光素子として、例えば特開平4−10665号公報、特開平4
−10666号公報、特開平4−10667号公報において、n型GaYAl1-Y
Nの上に、SiおよびZnをドープしたi型GaYAl1-YNを積層する技術が開
示されている。これらの技術によると、Si、ZnをGaYAl1-YNにドープし
てi型の発光層とすることにより発光素子の発光色を白色にすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術のように、p型ドーパントであるZnをドープし、さ
らにn型ドーパントであるSiをドープした高抵抗なi型GaYAl1-YN層を発
光層とするMIS構造の発光素子は発光出力が低く、発光素子として実用化する
には未だ不十分であった。
【0005】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであり、その目的とする
ところはp−n接合の窒化ガリウム系化合物半導体を用い、発光素子の発光出力
を向上させようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、n型窒化ガリウム系化合物
半導体層と、p型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、発光層として、n型
InxGa1-xN層(但し、Xは0<X<1の範囲である。)を備え、発光層に、
p型ドーパントおよびn型ドーパントをドープしてなることを特徴とする。
特に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、p型ドーパントとn
型ドーパントのドープされる発光層を備えるダブルヘテロ構造とすることにより
、従来のMIS構造の発光素子の発光特性を100倍以上と飛躍的に改善するこ
とに成功したものである。
【0007】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、n型およびp型窒化
ガリウム系化合物半導体層とは、GaN、GaAlN、InGaN、InAlG
aN等、窒化ガリウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体に、n型であれば例え
ばSi Ge、Te、Se等のn型ドーパントをドープしてn型特性を示すよう
に成長した層をいい、p型であれば例えばZn、Mg、Cd、Be、Ca等のp
型ドーパントをドープしてp型特性を示すように成長した層をいう。n型窒化ガ
リウム系化合物半導体の場合はノンドープでもn型になる性質がある。また、p
型窒化ガリウム系化合物半導体層の場合、p型窒化ガリウム系化合物半導体層を
さらに低抵抗化する手段として、我々が先に出願した特願平3−357046号
に開示するアニーリング処理を行ってもよい。低抵抗化することにより発光出力
をさらに向上させることができる。
【0008】
特に、発光層の電子キャリア濃度は1×1017/cm3〜5×1021/cm3の
範囲に調整することが好ましい。電子キャリア濃度が1×1017/cm3より少
ないか、または5×1021/cm3よりも多いと、実用的に十分な発光出力が得
られない傾向にある。また、電子キャリア濃度と抵抗率とは反比例し、その濃度
がおよそ1×1015/cm3以下であると、InGaNは高抵抗なi型となる傾
向にあり、電子キャリア濃度測定不能となる。電子キャリア濃度は、例えば、発
光層のp型ドーバントと同時にn型ドーバントをドープする方法によって前記範
囲に調整することができる。発光層にドープするp型ドーバンドおよびn型ドー
パントは特に変わるものではなく、p型ドーバントとしては、前記したように例
えばZn、Mg、Cd、Be、Ca等、n型ドーバントとしてはSi、Ge、T
e、Se等が使用できる。
【0009】
また、p型ドーパントとn型ドーパントをドープした、インジウムとガリウム
を含む発光層は、InxGa1-xN層の組成式で示される。この組成式において、
Xの値は、0<X<0.5の範囲に調整することが好ましい。X値を0より多く
することにより、発光色はおよそ紫色領域となる。X値を増加するに従い発光色
は短波長側から長波長側に移行し、X値が1付近で赤色にまで変化させることが
できる。しかしながら、X値が0.5以上では結晶性に優れた発光層が得られに
くく、発光効率に優れた発光素子が得られにくくなるため、X値は0.5未満が
好ましい。
【0010】
【作用】
図1に、発光層の電子キャリア濃度に対する相対発光出力を示す。この図は、
基坂上にまずSiをドープしたn型GaN層を成長させ、次にn型In0.15Ga
0.85N層を成長させ、その次にMgをドープしたp型GaN層を成長させてp−
n接合のダブルヘテロ構造の発光素子とし、それを発光ダイオードとして発光さ
せた場合に、前記発光層の電子キャリア濃度と、その発光ダイオードの相対発光
出力との関係を示す。なお、発光層は、p型ドーパントとしてZnをドープして
成長した後、ホール測定装置にてその層の電子キャリア濃度を測定した。図1の
各点は左から順に1×1016、1×1017、4×1017、1×1018、3×10
18、1×1019、4×1019、1×1020、3×1020、1×1021、5×10
21/cm3の電予キャリア濃度を示している。
【0011】
この図に示すように、本発明のn型InGaN層を発光層としたダブルヘテロ
構造のp−n接合窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の場合、n型InGaN
層の電子キャリア濃度により発光素子の発光出力が変化する。発光出力はn型I
nGaN層の電子キャリア濃度が1016/cm3付近より急激に増加し、およそ
1×1019/cm3付近で最大となり、それを超えると再び急激に減少する傾向
にある。この図において、現在実用化されているn型GaNとi型GaNよりな
るMIS構造の発光素子の発光出力は、本発明の発光素子の最大値の発光出力の
およそ1/100以下でしかなく、また実用範囲を考慮した結果、電子キャリア
濃度は1×1017/cm3〜5×1021/cm3の範囲が好ましい。このように、
本発明の発光素子において、発光層の電子キャリア濃度の変化により、発光出力
が変化するのは以下の理由であると推察される。
【0012】
InGaNはノンドープ(無添加)で成長すると、窒素空孔ができることによ
りn型を示すことは知られている。このノンドープn型InGaNの残留電子キ
ャリア濃度は、成長条件によりおよそ1×1017/cm3〜1×1022/cm3ぐ
らいの値を示す。さらに、このn型InGaN層に発光中心となるp型ドーバン
ト(図1の場合はZn)をドープすることにより、n型InGaN層中の電子キ
ャリア濃度が減少する。このため、p型ドーパントを電子キャリア濃度が極端に
減少するようにドープすると、n型InGaNは高抵抗なi型となってしまう。
この電子キャリア濃度を調整することにより発光出力が変化するのは、p型ドー
パントであるZnの発光中心がドナー不純物とペアを作って発光するD−Aペア
発光の可能性を示唆している。重要なことは、ある程度の電子キャリアを作るド
ナー不純物と、アクセプター不純物であるp型ドーパントとが両方存在するn型
InGaNでは、発光中心の強度が明らかに増大するということである。
【0013】
以上、ノンドープのn型InGaN層にp型ドーパントをドープして電子キャ
リア濃度を変化させる方法について述べたが、この窒化物半導体層に電子キャリ
アを作る他のドナー不純物、即ちn型ドーパントをp型ドーパントと同時にドー
プしても同じである。
【0014】
【実施例】
以下有機金属気相成長法により、本発明の発光素子を製造する方法を述べる。
【0015】
[実施例1]
よく洗浄したサファイア基板を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十
分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させサファ
イア基板のクリーニングを行う。
【0016】
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスとして水素、原料ガスとして
アンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、サフ了イア基坂上にGa
Nよりなるバッファ層を約200オングストロームの腹厚で成長させる。
【0017】
バッファ層成長後、TMGのみ止めて、温度を1030℃まで上昇させる。1
030℃になったら、同じく原料ガスにTMGとアンモニアガス、ドーパントガ
スにシランガスを用い、Siをドープしたn型GaN層を4μm成長させる。
【0018】
n型GaN層成長後、原料ガス、ドーバントガスを止め、温度を800℃にし
て、キャリアガスを窒素に切り賛え、原科ガスとしてTMGとTM1(トリメチ
ルインジウム)とアンモニア、ドーパントガスとしてDEZ(ジエチルジンク)
とシランガスを加え、ZnおよびSiをドープして、n型In0.15Ga0.85N層
を100オングストローム成長させる。なお、このn型In0.15Ga0.85N層の
電子キャリア濃度は1×1019/cm3であった。
【0019】
次に、原料ガス、ドーパントガスを止め、再び温度を1020℃まで上昇させ
、
原料ガスとしてTMGとアンモニア、ドーバントガスとしてCpzMg(シクロ
ペンタジエニルマグネシウム)とを用い、Mgをドープしたp型GaN層を0.
8μm成長させる。
【0020】
p型GaN層成長後、基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置にて窒
素雰囲気中、700℃で20分間アニーリングを行い、最上層のp型GaN層を
さらに低抵抗化する。
【0021】
以上のようにして得られたウェハーのp型GaN層、およびn型In0.15Ga
0.85N層の一部をエッチングにより取り除き、n型GaN層を露出させ、p型G
aN層と、n型GaN層とにオーミック電極を設け、500μm角のチップにカ
ットした後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、20mAにおいて発光出
力は300μW、発光波長490nmであった。
【0022】
[比較例1]
実施例1のZnドープn型In0.15Ga0.85N層を成長させる工程において、
原料ガスにTMG、アンモニア、ドーパントガスにDEZを用いて、Znをドー
プした高抵抗なi型GaN層を成長させる。i型GaN層成長後、同様にしてi
型GaN層の一部をエッチングし、n型GaN層を露出させ、n型GaN層とi
型GaN層とに電極を設けて、MIS構造の発光ダイオードとしたところ、発光
出力は20mAにおいて1μW、輝度2mcdしかなかった。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、p型
窒化ガリウム系化合物半導体層とn型窒化ガリウム系化合物半導体層の間に配設
する発光層を、p型ドーパントとn型ドーパントの両方をドープしたn型InG
aN層として、好ましくダブルヘテロ構造としているため、従来のMIS補造の
発光素子に比して、格段に発光効率、発光強度が増大する。また、発光層の電子
キャリア濃度を最適値にすることによって、従来の発光素子に比して、100倍
以上の発光出力、および発光輝度を示す。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device using a gallium nitride compound semiconductor. 2. Description of the Related Art Gallium nitride-based compound semiconductors such as GaN, GaAlN, InGaN, and InAlGaN have direct transitions and change in band gap from 1.95 eV to 6 eV. Promising as a material for devices. At present, a light emitting device using this material has a so-called MIS structure blue light emitting diode in which a high-resistance i-type gallium nitride-based compound semiconductor doped with a p-type dopant is laminated on an n-type gallium nitride-based compound semiconductor. It has been known. As a light emitting element having a MIS structure, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
-10666 discloses, in Japanese Patent Laid-Open 4-10667 discloses, n-type Ga Y Al 1-Y
A technique of stacking i-type Ga Y Al 1 -Y N doped with Si and Zn on N is disclosed. According to these techniques, the light emission color of the light emitting element can be white by doping Si and Zn into Ga Y Al 1 -YN to form an i-type light emitting layer. However, as in the above technique, a high-resistance i-type Ga Y Al 1− doped with Zn as a p-type dopant and further doped with Si as an n-type dopant. emitting element of the MIS structure in which Y N layer and the light emitting layer emitting output is low, the practical application as a light-emitting device was still insufficient. Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to improve the light emitting output of a light emitting device by using a GaN-based gallium nitride-based compound semiconductor. Is what you do. The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention has a light-emitting layer between an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer. , N-type
An In x Ga 1 -xN layer (where X is in the range of 0 <X <1) is provided, and
It is characterized by being doped with a p-type dopant and an n-type dopant. In particular, the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention has a p-type dopant and an n-type dopant.
By adopting a double hetero structure including a light emitting layer doped with a type dopant, the light emitting characteristics of a conventional light emitting element having a MIS structure can be drastically improved to 100 times or more. In the gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type and p-type gallium nitride-based compound semiconductor layers are GaN, GaAlN, InGaN, InAlG
A gallium nitride-based compound semiconductor containing gallium nitride such as aN is doped with an n-type dopant such as, for example, SiGe, Te, or Se if n-type, and is a layer grown to exhibit n-type characteristics. Then, for example, p of Zn, Mg, Cd, Be, Ca, etc.
A layer grown to exhibit p-type characteristics by doping a type dopant. In the case of an n-type gallium nitride-based compound semiconductor, it has the property of becoming n-type even when non-doped. Also, p
In the case of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer, as a means for further reducing the resistance of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer, an annealing treatment disclosed in Japanese Patent Application No. 3-357046 previously filed by us may be performed. . The light emission output can be further improved by lowering the resistance. In particular, it is preferable that the electron carrier concentration of the light emitting layer is adjusted in a range of 1 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 21 / cm 3 . If the electron carrier concentration is lower than 1 × 10 17 / cm 3 or higher than 5 × 10 21 / cm 3 , practically sufficient emission output tends not to be obtained. In addition, the electron carrier concentration is inversely proportional to the resistivity. If the electron carrier concentration is approximately 1 × 10 15 / cm 3 or less, InGaN tends to be a high-resistance i-type, and the electron carrier concentration cannot be measured. The electron carrier concentration can be adjusted to the above range by, for example, doping the n-type dopant simultaneously with the p-type dopant in the light emitting layer. The p-type do-band and the n-type dopant to be doped into the light-emitting layer are not particularly changed, and as described above, for example, Zn, Mg, Cd, Be, Ca, etc. as the p-type dopant, and Si, Ge, n-type dopants as described above. T
e, Se, etc. can be used. Further, doped with a p-type dopant and n-type dopant, the light emitting layer containing indium and gallium is represented by a composition formula of I n x Ga 1-x N layer. In this composition formula,
It is preferable that the value of X is adjusted in the range of 0 <X <0.5. By setting the X value to be greater than 0, the emission color becomes a purple region. As the X value increases, the emission color shifts from the short wavelength side to the long wavelength side, and can be changed to red when the X value is around 1. However, when the X value is 0.5 or more, it is difficult to obtain a light emitting layer having excellent crystallinity, and it is difficult to obtain a light emitting element having excellent luminous efficiency. Therefore, the X value is preferably less than 0.5. FIG. 1 shows the relative emission output with respect to the electron carrier concentration of the light emitting layer. This figure is
First, an n-type GaN layer doped with Si is grown on the base, and then n-type In0.15Ga
A 0.85N layer is grown, followed by a Mg-doped p-type GaN layer to form a p-
The relationship between the electron carrier concentration of the light emitting layer and the relative light output of the light emitting diode when the light emitting element is a light emitting element having an n-junction double hetero structure and emits light as a light emitting diode. The light emitting layer was grown by doping Zn as a p-type dopant, and then the electron carrier concentration of the layer was measured by a hole measuring device. Each point in FIG. 1 is 1 × 10 16 , 1 × 10 17 , 4 × 10 17 , 1 × 10 18 , 3 × 10
18 , 1 × 10 19 , 4 × 10 19 , 1 × 10 20 , 3 × 10 20 , 1 × 10 21 , 5 × 10
It shows an electron carrier concentration of 21 / cm 3 . As shown in FIG. 1, in the case of a pn junction gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device having a double heterostructure using an n-type InGaN layer of the present invention as a light-emitting layer, n-type InGaN
The light emission output of the light emitting element changes depending on the electron carrier concentration of the layer . Light emission output is n-type I
The electron carrier concentration of the nGaN layer rapidly increases from around 10 16 / cm 3, reaches a maximum at around 1 × 10 19 / cm 3 , and tends to sharply decrease again beyond that. In this figure, the light emission output of a light emitting element having a MIS structure composed of n-type GaN and i-type GaN that is currently in practical use is only about 1/100 or less of the maximum value of the light emitting element of the present invention. As a result of considering the practical range, the electron carrier concentration is preferably in the range of 1 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 21 / cm 3 . in this way,
In the light emitting device of the present invention, the reason why the light emission output changes due to the change in the electron carrier concentration of the light emitting layer is presumed to be as follows. It is known that when grown without doping (non-doped), InGaN exhibits n-type due to the formation of nitrogen vacancies. The residual electron carrier concentration of this non-doped n-type InGaN shows a value of about 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 22 / cm 3 depending on the growth conditions. Further, by doping this n-type InGaN layer with a p-type dopant (Zn in FIG. 1) that becomes a light emission center, the electron carrier concentration in the n-type InGaN layer is reduced. For this reason, if the p-type dopant is doped so that the electron carrier concentration is extremely reduced, the n-type InGaN becomes an i-type with high resistance.
The change in the emission output by adjusting the electron carrier concentration suggests the possibility of DA pair emission in which the emission center of Zn as a p-type dopant forms a pair with a donor impurity to emit light. Importantly, in n-type InGaN, in which both a donor impurity that creates a certain amount of electron carriers and a p-type dopant that is an acceptor impurity, the intensity of the emission center is clearly increased. [0013] The method of doping a non-doped n-type InGaN layer with a p-type dopant to change the electron carrier concentration has been described above. However, another donor impurity that creates electron carriers in the nitride semiconductor layer, that is, an n-type dopant is used. The same is true if is doped simultaneously with a p-type dopant. Hereinafter, a method for manufacturing a light emitting device of the present invention by metal organic chemical vapor deposition will be described. Example 1 A well-washed sapphire substrate was set in a reaction vessel, and after sufficiently replacing the inside of the reaction vessel with hydrogen, the temperature of the substrate was increased to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the sapphire substrate. I do. Subsequently, the temperature was lowered to 510 ° C., and hydrogen was used as a carrier gas, and ammonia and TMG (trimethylgallium) were used as raw material gases.
A buffer layer of N is grown with a thickness of about 200 Angstroms. After the growth of the buffer layer, only TMG is stopped, and the temperature is increased to 1030 ° C. 1
When the temperature reaches 030 ° C., an n-type GaN layer doped with Si is grown to a thickness of 4 μm using TMG and ammonia gas as the source gases and silane gas as the dopant gas. After the growth of the n-type GaN layer, the source gas and the dopant gas are stopped, the temperature is set to 800 ° C., the carrier gas is praised as nitrogen, and TMG, TM1 (trimethylindium), ammonia and dopant gas are used as source gases. DEZ (diethyl zinc)
And a silane gas are added, and Zn and Si are doped to grow an n-type In0.15Ga0.85N layer to 100 angstroms. The electron carrier concentration of the n-type In0.15Ga0.85N layer was 1 × 10 19 / cm 3 . Next, the raw material gas and the dopant gas are stopped, the temperature is raised again to 1020 ° C., and TMG and ammonia are used as the raw material gas, CpzMg (cyclopentadienyl magnesium) is used as the doughant gas, and p-type doped with Mg is used. The GaN layer is
Grow 8 μm. After the growth of the p-type GaN layer, the substrate is taken out of the reaction vessel, and annealed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for 20 minutes to further lower the resistance of the uppermost p-type GaN layer. The p-type GaN layer and the n-type In0.15Ga of the wafer obtained as described above
A part of the 0.85N layer is removed by etching to expose the n-type GaN layer,
Ohmic electrodes were provided on the aN layer and the n-type GaN layer, and the chip was cut into a 500 μm square chip. After that, a light emitting diode was formed according to a conventional method. The light emission output was 300 μW and the light emission wavelength was 490 nm at 20 mA. Comparative Example 1 In the step of growing a Zn-doped n-type In0.15Ga0.85N layer of Example 1,
Using TMG and ammonia as source gases and DEZ as a dopant gas, a Zn-doped high-resistance i-type GaN layer is grown. After growing the i-type GaN layer, i
Etching a part of the n-type GaN layer to expose the n-type GaN layer,
When a light emitting diode having an MIS structure was formed by providing electrodes on the GaN layer and the GaN layer, the light emission output was only 1 μW and the luminance was 2 mcd at 20 mA. As described above, the gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention provides a light-emitting device provided between a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer. The layer is made of n-type InG doped with both p-type and n-type dopants.
Since the aN layer preferably has a double hetero structure, the luminous efficiency and the luminous intensity are significantly increased as compared with the conventional MIS-complementary light emitting element. Further, by setting the electron carrier concentration of the light emitting layer to an optimum value, a light emission output and a light emission luminance which are 100 times or more as compared with those of a conventional light emitting element are exhibited.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る発光素子の発光層の電子キャリア濃度と、相
対発光出力との関係を示す図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an electron carrier concentration of a light emitting layer of a light emitting element according to one embodiment of the present invention and a relative light emission output.
Claims (1)
物半導体層との間に、発光層としてn型InxGa1-xN層(但し、Xは0<X<
1の範囲である。)を備え、発光層に、p型ドーパントとn型ドーパントの両方
がドープされたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。And [Claims 1 n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer, between the p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer, n-type In x Ga 1-x N layer as a light emitting layer (where X is 0 <X <
1 range. ) , Wherein the light emitting layer is doped with both a p-type dopant and an n-type dopant.
Family
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