JP2657743B2 - 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒素−3族元素化合物半導体発光素子Info
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Description
素化合物半導体発光素子に関する。
の化合物半導体を用いたものが知られている。そのGaN
系の化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率
が高いこと、光の3原色の1つである青色を発光色とす
ること等から注目されている。
線を照射することによりp型のGaNが得られることが明
らかとなった。この結果、従来のn層と半絶縁層との接
合に換えてPN接合を有するGaN 発光ダイオードが提案
されている。
合を有する発光ダイオードの発光波長は、約430nm と、
光の3原色となる青色の波長よりやや短波長であるとい
う問題がある。そこで、本発明の目的は、窒素−3族元
素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
む) 発光ダイオードの発光色をより青色に近づけること
である。
n型の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=
0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、p型の窒素−3
族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を
含む) からなるp層とを有する窒素−3族元素化合物半
導体発光素子において、n層とp層との間にZnを濃度 1
×10 19 〜 1×10 21 /cm 3 範囲で添加した窒素−3族元素
化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む)
からなる亜鉛(Zn)添加層を設けたことである。Zn濃度が
1×1021/cm3 以上となると結晶性が悪化するため望ま
しくなく、 1×1019/cm3 以下となると発光強度が低下
するので望ましくない。
物半導体(Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) から
なるn層と、p型の窒素−3族元素化合物半導体(Al x Ga
Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0を含む) からなるp層とを有
する窒素−3族元素化合物半導体発光素子において、 n
層とp層との間にZnを添加した窒素−インジウム3族元
素化合物半導体(Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
み、X+Y <1)からなる亜鉛(Zn)添加層を設けたことで
ある。第3の特徴は、第2の特徴において、亜鉛(Zn)添
加層のZn濃度を、 1×1019〜1×1021/cm3 としたこと
である。濃度範囲の意義は第1の特徴と同一である。第
4の特徴は、p層は半絶縁性の層の一部をp型活性化し
た層であることであり、第5の特徴は、n層は前記亜鉛
(Zn)添加層に接合する低キャリア濃度n層とその低キャ
リア濃度n層に接合する高キャリア濃度n+ 層の二重層
としたことである。第6の特徴は、低キャリア濃度n層
のキャリア濃度は 1×1014〜 1×1017/cm3 、高キャリ
ア濃度n+ 層のキャリア濃度は 1×1017〜 1×1019/cm
3 としたこであり、第7の特徴は、低キャリア濃度n層
は0.5〜2.0μm、高キャリア濃度n+ 層は2.0
〜10.0μmの厚さを有することである。さらに、第
8の特徴は、亜鉛(Zn)添加層の厚さを、20〜3000Åとし
たことである。20Åよりも薄いと亜鉛(Zn)添加層での発
光輝度が小さい。又、3000Åよりも厚いとp層に注入さ
れる電子濃度が減少するので望ましくない。
との間にZnを濃度 1×10 19 〜 1×10 21 /cm 3 範 囲で添加
した窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,
Y=0,X=Y=0 を含む) からなる亜鉛(Zn)添加層を設けたこ
とを特徴とする。よって、p層をn層に対して正電位と
なるように電圧を印加することで、n層と亜鉛(Zn)添加
層との接合部及び亜鉛(Zn)添加層でピーク波長492nm の
発光が得られ、亜鉛(Zn)添加層とp層との接合部でピー
ク波長430nm の発光が得られた。よって、全体として長
波長成分を増加させることができ、発光色を青色とする
ことができた。請求項2の発明は、n層とp層との間に
Znを添加した窒素−インジウム3族元素化合物半導体(A
l x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含み、X+Y <1)から
なる亜鉛(Zn)添加層を設けた。この構成により同様に長
波長成分を増加させることができ、発光色を青色とする
ことができた。 請求項3の発明は、請求項2の発明にお
いて、Znを濃度 1×10 19 〜 1×10 21 /cm 3 範囲とするこ
とで、より青色発光を得ることができた。 請求項4の発
明では、素子一部をp型化する構成により絶縁分離が可
能となる。 請求項5の発明では、n層をキャリア濃度の
異なる二重構造とすることで、発光輝度を向上させるこ
とができた。 請求項6の発明では、低キャリア濃度n層
のキャリア濃度を 1×10 14 〜 1×10 17 /cm 3 、高キャリ
ア濃度n + 層のキャリア濃度を 1×10 17 〜 1×10 19 /cm
3 とすることで、良結晶性を得ることができ、直列抵抗
を低下させることができることで、発光輝度が向上し
た。 請求項7の発明では、低キャリア濃度n層を0.5
〜2.0μmとすることで、直列抵抗が低下し、高い発
光強度を得ることができ、高キャリア濃度n + 層を2.
0〜10.0μmの厚さとすることで、直列抵抗が低下
し、基板の湾曲を抑制することができた。 請求項8の発
明では、亜鉛(Zn)添加層の厚さを20〜3000Åとすること
で、発光輝度を向上させることができた。
1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAlN
のバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2の
上には、順に、膜厚約2.2 μmのGaN から成る高キャリ
ア濃度n+ 層3と膜厚約 1.5μmのGaN から成る低キャ
リア濃度n層4が形成されており、更に、低キャリア濃
度n層4の上に膜厚約400 ÅのGaN から成る亜鉛(Zn)添
加層6が形成されており、その亜鉛(Zn)添加層6の上に
0.2 μmから成るp層5が形成されている。そして、p
層5に接続するアルミニウムで形成された電極7と高キ
ャリア濃度n+ 層3に接続するアルミニウムで形成され
た電極8とが形成されている。電極8と電極7とは、溝
9により電気的に絶縁分離されている。
造方法について説明する。上記発光ダイオード10は、
有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) に
よる気相成長により製造された。用いられたガスは、NH
3 とキャリアガスH2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)
(以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al
(CH3)3)(以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)とビス
シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下
「CP2Mg 」と記す)とジエチル亜鉛( 以下「DEZ 」と記
す) である。
A面を主面とする単結晶のサファイア基板1をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100
℃でサファイア基板1を気相エッチングした。
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMA を 1.8×10-5
モル/分で供給してAlN のバッファ層2が約 500Åの厚
さに形成された。次に、サファイア基板1の温度を1150
℃に保持し、H2を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、
TMG を 1.7×10-4モル/分、H2で0.86ppm まで希釈した
シラン(SiH4)を 200 ml/分の割合で30分間供給し、膜厚
約 2.2μm、キャリア濃度 1.5×1018/cm3のGaN から成
る高キャリア濃度n+ 層3を形成した。
に保持し、H2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMG
を1.7 ×10-4モル/分の割合で20分間供給し、膜厚約
1.5μm、キャリア濃度 1×1015/ cm3 のGaN から成る
低キャリア濃度n層4を形成した。
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、DEZ を1.5 ×10-4モル/分の割合で0.
5 分間供給して、膜厚400 ÅのGaN から成るZn濃度 3×
1020/ cm3 の亜鉛(Zn)添加層6を形成した。
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 2×10-7モル/分の割合で3
分間供給して、膜厚 0.2μmのGaN から成る半絶縁層5
を形成した。この状態では、半絶縁層5は絶縁体であ
る。
半絶縁層5に一様に電子線を照射した。電子線の照射条
件は、加速電圧10KV、試料電流 1μA 、ビームの移動速
度0.2mm/sec 、ビーム径60μmφ、真空度2.1 ×10-5To
rrである。この電子線の照射により、半絶縁層5は抵抗
率108 Ωcm以上の絶縁体から抵抗率40Ωcmのp伝導型半
導体となった。このようにして、p伝導型を示す低抵抗
のp層5が得られる。このようにして、図2に示すよう
な多層構造のウエハが得られた。
上の1つの素子のみを示す断面図であり、実際は、この
素子が連続的に繰り返されたウエハについて、処理が行
われ、その後、各素子毎に切断される。
タリングによりSiO2層11を2000Åの厚さに形成した。
次に、そのSiO2層11上にフォトレジスト12を塗布し
た。そして、フォトリソグラフにより、p層5におい
て、高キャリア濃度n+ 層3に至るように形成される孔
15に対応する電極形成部位Aとその電極形成部をp層
5の電極と絶縁分離する溝9を形成する部位Bのフォト
レジストを除去した。
12によって覆われていないSiO2層11をフッ化水素酸
系エッチング液で除去した。次に、図5に示すように、
フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われてい
ない部位のp層5とその下の亜鉛(Zn)添加層6と低キャ
リア濃度n層4と高キャリア濃度n+ 層3の上面一部
を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガス
を10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Ar
でドライエッチングした。この工程で、高キャリア濃度
n+ 層3に対する電極取出しのための孔15と絶縁分離
のための溝9が形成された。
ているSiO2層11をフッ化水素酸で除去した。次に、図
7に示すように、試料の上全面に、Al層13を蒸着によ
り形成した。これにより、孔15には、高キャリア濃度
n+ 層3に電気的に接続されたAl層13が形成される。
そして、そのAl層13の上にフォトレジスト14を塗布
して、フォトリソグラフにより、そのフォトレジスト1
4が高キャリア濃度n+ 層3及びp層5に対する電極部
が残るように、所定形状にパターン形成した。
ト14をマスクとして下層のAl層13の露出部を硝酸系
エッチング液でエッチングした。この時、絶縁分離のた
めの溝9に蒸着されたAl層13は、完全に除去される。
次に、フォトレジスト14をレジスト剥離液で除去し、
高キャリア濃度n+ 層3の電極8、p層5の電極7が残
された。その後、上記の如く処理されたウエハは、各素
子毎に切断され、図1に示すpn構造の窒化ガリウム系
発光素子を得た。
10の発光強度を測定したところ10mcdであった。又、
発光波長は、460 〜470 nmであり、単なるpn接合のGa
N の発光ダイオードに比べて、20〜50nm長波長側にスペ
クトルを推移させることができ、青色の発光を得ること
ができた。
ソースとしては、上述のガスの他、メチルビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウムMg(C6H7)2 を用いても良い。
又、上記実施例では、n層を高キャリア濃度n+ 層3と
低キャリア濃度n層4の二重層構造としたが、単層のn
層で構成しても良い。
べて発光輝度が向上した。又、二重層構造の場合には、
上記低キャリア濃度n層4のキャリア濃度は1 ×1014〜
1×1017/cm3 で膜厚は 0.5〜 2μmが望ましい。キャ
リア濃度が 1×1017/cm3 以上となると発光強度が低下
するので望ましくなく、 1×1014/cm3 以下となると発
光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流すと発熱する
ので望ましくない。又、膜厚が 2μm以上となると発光
素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流すと発熱するの
で望ましくなく、膜厚が 0.5μm以下となると発光強度
が低下するので望ましくない。
(電子)濃度は 1×1017〜 1×1019/cm3 で膜厚は 2〜
10μmが望ましい。キャリア(電子)濃度が 1×1019/
cm3以上となると結晶性が悪化するので望ましくなく、
一方、キャリア(電子)濃度が 1×1017/cm3 以下とな
ると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流すと発
熱するので望ましくない。又、膜厚が10μm以上となる
と基板が湾曲するので望ましくなく、膜厚が 2μm以下
となると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流す
と発熱するので望ましくない。
1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAlN
のバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2の
上には、順に、膜厚約2.2 μmのGaN から成る高キャリ
ア濃度n+ 層3と膜厚約 1.5μmのGaN から成る低キャ
リア濃度n層4が形成されており、更に、低キャリア濃
度n層4の上に膜厚約400 ÅのGaN から成る亜鉛(Zn)添
加層6が形成されており、その亜鉛(Zn)添加層6の上に
膜厚約 0.2μmのGaN から成るi層50が形成されてい
る。又、そのi層50の所定領域には低抵抗のp型を示
すp層5が形成されている。
n)添加層6と低キャリア濃度n層4とを貫通して高キャ
リア濃度n+ 層3に至る孔15が形成されている。その
孔15を通って高キャリア濃度n+ 層3に接合されたア
ルミニウムで形成された電極52がi層50上に形成さ
れている。又、p層5の上面には、p層5に対するアル
ミニウムで形成された電極51が形成されている。高キ
ャリア濃度n+ 層3に対する電極52は、p層5に対し
てi層50により絶縁分離されている。
造方法について説明する。製造工程を示す図9から図1
5は、ウエハにおける1素子のみに関する断面図であ
り、実際には図に示す素子が繰り返し形成されたウエハ
に関して次の製造処理が行われる。そして、最後に、ウ
エハが切断されて各発光素子が形成される。
ハを製造する。次に、図10に示すように、i層50の
上に、スパッタリングによりSiO2層11を2000Åの厚さ
に形成した。次に、そのSiO2層11上にフォトレジスト
12を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、i
層50においてn+ 層3に至るように形成される孔15
に対応する電極形成部位Aのフォトレジストを除去し
た。
ト12によって覆われていないSiO2層11をフッ化水素
酸系エッチング液で除去した。次に、図12に示すよう
に、フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われ
ていない部位のi層50とその下の亜鉛(Zn)添加層6と
低キャリア濃度n層4と高キャリア濃度n+ 層3の上面
の一部を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BC
l3ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした
後、Arでドライエッチングした。この工程で、高キャリ
ア濃度n+ 層3に対する電極取出しのための孔15が形
成された。次に、図13に示すように、i層50上に残
っているSiO2層11をフッ化水素酸で除去した。
定領域にのみ、反射電子線回析装置を用いて電子線を照
射して、p型半導体のp型部5が形成された。電子線の
照射条件は、加速電圧10KV、試料電流 1μA 、ビームの
移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μmφ、真空度2.1 ×
10-5Torrである。この電子線の照射により、i層50の
抵抗率は108 Ωcm以上の絶縁体から抵抗率35Ωcmのp型
半導体となった。この時、p型部5以外の部分、即ち、
電子線の照射されなかった部分は、絶縁体のi層50の
ままである。従って、p型部5は、縦方向に対しては、
薄い亜鉛(Zn)添加層6を介在させて低キャリア濃度n層
4とpn接合を形成するが、横方向には、p型部5は、
周囲に対して、i層50により電気的に絶縁分離され
る。
層50の上面と孔15を通って高キャリア濃度n+ 層3
とに、Al層20が蒸着により形成された。そして、その
Al層20の上にフォトレジスト21を塗布して、フォト
リソグラフにより、そのフォトレジスト21が高キャリ
ア濃度n+ 層3及びp型部5に対する電極部が残るよう
に、所定形状にパターン形成した。次に、そのフォトレ
ジスト21をマスクとして下層のAl層20の露出部を硝
酸系エッチング液でエッチングし、フォトレジスト21
をアセトンで除去した。このようにして、図8に示すよ
うに、高キャリア濃度n+ 層3の電極52、p型部5の
電極51を形成した。その後、上述のように形成された
ウエハが各素子毎に切断された。
10の発光強度を測定したところ、第1実施例と同様
に、10 mcdであった。又、発光波長は、460 〜470 nmで
あり、単なるpn接合のGaN の発光ダイオードに比べ
て、20〜50nm長波長側にスペクトルを推移させることが
でき、青色の発光を得ることができた。
て、高キャリア濃度n+層3、低キャリア濃度n層4、
亜鉛(Zn)添加層6、p層5を、それぞれ、Al0.2Ga0.5In
0.3Nとした。高キャリア濃度n+ 層3は、シリコンを添
加して電子濃度2×1018/cm3に形成し、低キャリア濃度
n層4は不純物無添加で電子濃度1 ×1016/cm3に形成し
た。亜鉛(Zn)添加層6はZn濃度 3×1020/cm3で厚さ 400
Åに形成し、p層5はマグネシウム(Mg)を添加して電子
線を照射して正孔濃度 2×1017/cm3に形成した。そし
て、p層5と高キャリア濃度n+ 層3に接続するアルミ
ニウムで形成された電極7,8とを形成した。
1実施例の発光ダイオードと同様に製造することができ
る。トリメチルインジウム(In(CH3)3)がTMG 、TMA 、シ
ラン、CP2Mg ガスに加えて使用された。生成温度、ガス
流量は第1実施例と同じである。トリメチルインジウム
を 1.7×10-4モル/分で供給することを除いて他のガス
の流量は第1実施例と同一である。
析装置を用いて、上記のp層5に一様に電子線を照射し
てp伝導型半導体を得ることができた。
10の発光強度を測定したところ、第1実施例と同様
に、10 mcdであった。又、発光波長は、460 〜480 nmで
あり、単なるpn接合のGaN の発光ダイオードに比べ
て、20〜60nm長波長側にスペクトルを推移させることが
でき、青色の発光を得ることができた。
ードの構成を示した構成図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
ードの構成を示した構成図。
断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
Claims (8)
- 【請求項1】 n型の窒素−3族元素化合物半導体(Alx
GaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、
p型の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=
0,Y=0,X=Y=0を含む) からなるp層とを有する窒素−3
族元素化合物半導体発光素子において、 前記n層と前記p層との間にZnを濃度 1×10 19 〜 1×10
21 /cm 3 範囲で添加した窒素−3族元素化合物半導体(A
lxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなる亜鉛(Z
n)添加層を設けたことを特徴とする発光素子。 - 【請求項2】 n型の窒素−3族元素化合物半導体(Al x
Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、
p型の窒素−3族元素化合物半導体(Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=
0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるp層とを有する窒素−3
族元素化合物半導体発光素子において、 前記n層と前記p層との間にZnを添加した窒素−インジ
ウム3族元素化合物半導体(Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=
Y=0 を含み、X+Y <1)からなる亜鉛(Zn)添加層を設け
たことを特徴とする発光素子。 - 【請求項3】 前記亜鉛(Zn)添加層の亜鉛(Zn)の濃度は
1×1019〜 1×1021/cm3 であることを特徴とする請求
項2に記載の発光素子。 - 【請求項4】 前記p層は半絶縁性の層の一部をp型活
性化した層であることを特徴とする請求項1又は請求項
2に記載の発光素子。 - 【請求項5】 前記n層は前記亜鉛(Zn)添加層に接合す
る低キャリア濃度n層とその低キャリア濃度n層に接合
する高キャリア濃度n+ 層の二重層であることを特徴と
する請求項1又は請求項2に記載の発光素子。 - 【請求項6】 前記低キャリア濃度n層のキャリア濃度
は 1×1014〜 1×1017/cm3 、前記高キャリア濃度n+
層のキャリア濃度は 1×1017〜 1×1019/cm3であるこ
とを特徴とする請求項5に記載の発光素子。 - 【請求項7】 前記低キャリア濃度n層は0.5〜2.
0μm、前記高キャリア濃度n+ 層は2.0〜10.0
μmの厚さを有することを特徴とする請求項5に記載の
発光素子。 - 【請求項8】 前記亜鉛(Zn)添加層の厚さは20〜3000Å
であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の
発光素子。
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