JP2663814B2 - 窒素−3属元素化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒素−3属元素化合物半導体発光素子Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は青色発光の窒素−3属元
素化合物半導体発光素子に関する。
素化合物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来技術】従来、青色の発光ダイオードとしてGaN 系
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。
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。
【0003】最近、GaN においても、Mgをドープして電
子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(i
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。
子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(i
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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のpn接
合を有する発光ダイオードであっても、発光輝度は未だ
十分ではなく、また、寿命に関しても十分なものが得ら
れていない。そこで、本発明の目的は、窒素−3属元素
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輝度を向上させること及び素子寿
命を長期化することである。
合を有する発光ダイオードであっても、発光輝度は未だ
十分ではなく、また、寿命に関しても十分なものが得ら
れていない。そこで、本発明の目的は、窒素−3属元素
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輝度を向上させること及び素子寿
命を長期化することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、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層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、
電子濃度がステップ増加する複数のn型の層で形成さ
れ、p層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、ホール
濃度が1 ×10 14 〜 1×10 16 /cm 3 の低キャリア濃度p層
と、ホール濃度が 1×10 16 〜2×10 19 /cm 3 の第1高キ
ャリア濃度p + 層と、ホール濃度が 1×10 16 〜 2×10 19
/cm 3 で第1高キャリア濃度p + 層よりも高い第2高キ
ャリア濃度p + 層とから成るp型の層で構成され、pn
接合を直接形成するp型の層及びn型の層は、キャリア
濃度が略等しく形成されていることを特徴とする。又、
他の請求項の発明は、第2高キャリア濃度p + 層上にNi
電極を形成したことを特徴とする。
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層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、
電子濃度がステップ増加する複数のn型の層で形成さ
れ、p層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、ホール
濃度が1 ×10 14 〜 1×10 16 /cm 3 の低キャリア濃度p層
と、ホール濃度が 1×10 16 〜2×10 19 /cm 3 の第1高キ
ャリア濃度p + 層と、ホール濃度が 1×10 16 〜 2×10 19
/cm 3 で第1高キャリア濃度p + 層よりも高い第2高キ
ャリア濃度p + 層とから成るp型の層で構成され、pn
接合を直接形成するp型の層及びn型の層は、キャリア
濃度が略等しく形成されていることを特徴とする。又、
他の請求項の発明は、第2高キャリア濃度p + 層上にNi
電極を形成したことを特徴とする。
【0006】上記のpn接合に直接関与するn型の層及
びp型の層は、キャリア濃度が 1×1014〜1 ×1016/cm3
の範囲で略等しいことが望ましい。
びp型の層は、キャリア濃度が 1×1014〜1 ×1016/cm3
の範囲で略等しいことが望ましい。
【0007】
【発明の作用及び効果】本発明は、n層及びp層を共に
複層に形成し、pn接合に直接関与するn型の層及びp
型の層のキャリア濃度を略等しくした結果、発光輝度は
10 mcdであり、この発光輝度は従来のpn接合GaN 発光
ダイオードの発光輝度に比べて、2 倍に向上した。又、
発光寿命は104 時間であり、従来のpn接合GaN 発光ダ
イオードの発光寿命の1.5 倍である。
複層に形成し、pn接合に直接関与するn型の層及びp
型の層のキャリア濃度を略等しくした結果、発光輝度は
10 mcdであり、この発光輝度は従来のpn接合GaN 発光
ダイオードの発光輝度に比べて、2 倍に向上した。又、
発光寿命は104 時間であり、従来のpn接合GaN 発光ダ
イオードの発光寿命の1.5 倍である。
【0008】
【実施例】第1実施例 図1において、発光ダイオード10は、サファイア基板
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、電子濃度2 ×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1016/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.5 μm、ホール濃度1 ×1016/cm3のMgドープGaN か
ら成る低キャリア濃度p層51、膜厚約0.2 μm、ホー
ル濃度2×1017/cm3の高キャリア濃度p+ 層52が形成
されている。そして、高キャリア濃度p+ 層52に接続
するニッケルで形成された電極7と高キャリア濃度n+
層3に接続するニッケルで形成された電極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。
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、電子濃度2 ×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1016/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.5 μm、ホール濃度1 ×1016/cm3のMgドープGaN か
ら成る低キャリア濃度p層51、膜厚約0.2 μm、ホー
ル濃度2×1017/cm3の高キャリア濃度p+ 層52が形成
されている。そして、高キャリア濃度p+ 層52に接続
するニッケルで形成された電極7と高キャリア濃度n+
層3に接続するニッケルで形成された電極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。
【0009】次に、この構造の発光ダイオード10の製
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)である。
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)である。
【0010】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
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。
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。
【0011】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
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、電子濃度2×1018/cm3のGaN から成る高キ
ャリア濃度n+ 層3を形成した。
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、電子濃度2×1018/cm3のGaN から成る高キ
ャリア濃度n+ 層3を形成した。
【0012】続いて、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/分の割合で20分間供給し、膜厚約
1.5μm、電子濃度 1×1016/ cm3 のGaN から成る低キ
ャリア濃度n層4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、電子濃度 1×1016/ cm3 のGaN から成る低キ
ャリア濃度n層4を形成した。
【0013】次に、サファイア基板1を1150℃にして、
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 8×10-8モル/分の割合で 7
分間供給して、膜厚0.5 μmのGaN から成る低キャリア
濃度p層51を形成した。この状態では、低キャリア濃
度p層51は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体であ
る。
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 8×10-8モル/分の割合で 7
分間供給して、膜厚0.5 μmのGaN から成る低キャリア
濃度p層51を形成した。この状態では、低キャリア濃
度p層51は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体であ
る。
【0014】次に、サファイア基板1を1150℃にして、
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 3×10-7モル/分の割合で 3
分間供給して、膜厚0.2 μmのGaN から成る高キャリア
濃度p+ 層52を形成した。この状態では、高キャリア
濃度p+ 層52は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体
である。
H2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 3×10-7モル/分の割合で 3
分間供給して、膜厚0.2 μmのGaN から成る高キャリア
濃度p+ 層52を形成した。この状態では、高キャリア
濃度p+ 層52は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体
である。
【0015】次に、反射電子線回析装置を用いて、上記
の高キャリア濃度p+ 層52及び低キャリア濃度p層5
1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 ×10-5Torrであ
る。この電子線の照射により、低キャリア濃度p層51
は、ホール濃度1 ×1016/cm3、抵抗率40Ωcmのp伝導型
半導体となり、高キャリア濃度p+ 層52は、ホール濃
度 2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcmのp伝導型半導体となっ
た。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。
の高キャリア濃度p+ 層52及び低キャリア濃度p層5
1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 ×10-5Torrであ
る。この電子線の照射により、低キャリア濃度p層51
は、ホール濃度1 ×1016/cm3、抵抗率40Ωcmのp伝導型
半導体となり、高キャリア濃度p+ 層52は、ホール濃
度 2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcmのp伝導型半導体となっ
た。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。
【0016】以下に述べられる図3から図7は、ウエハ
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。
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。
【0017】図3に示すように、高キャリア濃度p+ 層
52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、高キャリア濃度p+ 層52上において、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高キャリア濃度p+
層52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。
52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、高キャリア濃度p+ 層52上において、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高キャリア濃度p+
層52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。
【0018】次に、図4に示すように、フォトレジスト
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
ない部位の高キャリア濃度p+ 層52とその下の低キャ
リア濃度p層51、低キャリア濃度n層4、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10ml/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。
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
ない部位の高キャリア濃度p+ 層52とその下の低キャ
リア濃度p層51、低キャリア濃度n層4、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10ml/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。
【0019】次に、図6に示すように、高キャリア濃度
p+ 層52上に残っている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、
Ni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Ni層
13が形成される。そして、そのNi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14が高キャリア濃度n+ 層3及び高
キャリア濃度p+ 層52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。
p+ 層52上に残っている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、
Ni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Ni層
13が形成される。そして、そのNi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14が高キャリア濃度n+ 層3及び高
キャリア濃度p+ 層52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。
【0020】次に、図7に示すようにそのフォトレジス
ト14をマスクとして下層のNi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Ni層13は、完全に除去される。
次に、フォトレジスト14をアセトンで除去し、高キャ
リア濃度n+ 層3の電極8、高キャリア濃度p+ 層52
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。
ト14をマスクとして下層のNi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Ni層13は、完全に除去される。
次に、フォトレジスト14をアセトンで除去し、高キャ
リア濃度n+ 層3の電極8、高キャリア濃度p+ 層52
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。
【0021】このようにして製造された発光ダイオード
10の発光強度を測定したところ10mcdであり、この発
光輝度は、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光
輝度に比べて 2倍であった。又、発光寿命は、104 時間
であり、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光寿
命に比べて1.5 倍であった。
10の発光強度を測定したところ10mcdであり、この発
光輝度は、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光
輝度に比べて 2倍であった。又、発光寿命は、104 時間
であり、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光寿
命に比べて1.5 倍であった。
【0022】尚、上記実施例で用いたマグネシウムMgの
ドーピングガスは、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。
ドーピングガスは、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。
【0023】上記低キャリア濃度n層4の電子濃度は1
×1014〜 1×1016/cm3 で膜厚は 0.5〜 2μmが望まし
い。電子濃度が 1×1016/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。
×1014〜 1×1016/cm3 で膜厚は 0.5〜 2μmが望まし
い。電子濃度が 1×1016/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。
【0024】更に、高キャリア濃度n+ 層3の電子濃度
は 1×1016〜 1×1019/cm3 で膜厚は 2〜10μmが望ま
しい。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、 1×1016/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。
は 1×1016〜 1×1019/cm3 で膜厚は 2〜10μmが望ま
しい。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、 1×1016/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。
【0025】又、上記低キャリア濃度p層51のホール
濃度は1 ×1014〜 1×1016/cm3 で膜厚は0.2 〜1 μm
が望ましい。ホール濃度が 1×1016/cm3 以上となる
と、低キャリア濃度n層4とのマッチングが悪くなり発
光効率が低下するので望ましくなく、 1×1014/cm3 以
下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ましくな
い。又、膜厚が 1μm以上となると、直列抵抗が高くな
るので望ましくなく、膜厚が0.2 μm以下となると、発
光輝度が低下するので望ましくない。
濃度は1 ×1014〜 1×1016/cm3 で膜厚は0.2 〜1 μm
が望ましい。ホール濃度が 1×1016/cm3 以上となる
と、低キャリア濃度n層4とのマッチングが悪くなり発
光効率が低下するので望ましくなく、 1×1014/cm3 以
下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ましくな
い。又、膜厚が 1μm以上となると、直列抵抗が高くな
るので望ましくなく、膜厚が0.2 μm以下となると、発
光輝度が低下するので望ましくない。
【0026】更に、高キャリア濃度p+ 層52のホール
濃度は 1×1016〜 2×1019/cm3 で、膜厚は0.2 μmが
望ましい。ホール濃度が 2×1019/cm3 以上のp+ 層は
できない。1 ×1016/cm3 以下となると、直列抵抗が高
くなるので望ましくない。又、膜厚が0.5 μm以上とな
ると、直列抵抗が高くなるので望ましくなく、膜厚が0.
1 μm以下となると、ホールの注入効率が減少するので
望ましくない。
濃度は 1×1016〜 2×1019/cm3 で、膜厚は0.2 μmが
望ましい。ホール濃度が 2×1019/cm3 以上のp+ 層は
できない。1 ×1016/cm3 以下となると、直列抵抗が高
くなるので望ましくない。又、膜厚が0.5 μm以上とな
ると、直列抵抗が高くなるので望ましくなく、膜厚が0.
1 μm以下となると、ホールの注入効率が減少するので
望ましくない。
【0027】第2実施例 図8において、発光ダイオード10は、サファイア基板
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、電子濃度2 ×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1015/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.2 μm、ホール濃度1 ×1015/cm3のMgドープGaN か
ら成る低キャリア濃度p層51、膜厚約0.5 μm、ホー
ル濃度1 ×1016/cm3の第1高キャリア濃度p+ 層52、
膜厚約0.2 μm、ホール濃度1×1017/cm3の第2高キャ
リア濃度p+ 層53が形成されている。そして、第2高
キャリア濃度p+ 層53に接続するニッケルで形成され
た電極7と高キャリア濃度n+ 層3に接続するニッケル
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。この
ように、本実施例の発光ダイオード10は、p層をホー
ル濃度が3段階にステップ変化する3層で形成したこと
を特徴としている。その製造方法は第1実施例と同様で
ある。
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、電子濃度2 ×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1015/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.2 μm、ホール濃度1 ×1015/cm3のMgドープGaN か
ら成る低キャリア濃度p層51、膜厚約0.5 μm、ホー
ル濃度1 ×1016/cm3の第1高キャリア濃度p+ 層52、
膜厚約0.2 μm、ホール濃度1×1017/cm3の第2高キャ
リア濃度p+ 層53が形成されている。そして、第2高
キャリア濃度p+ 層53に接続するニッケルで形成され
た電極7と高キャリア濃度n+ 層3に接続するニッケル
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。この
ように、本実施例の発光ダイオード10は、p層をホー
ル濃度が3段階にステップ変化する3層で形成したこと
を特徴としている。その製造方法は第1実施例と同様で
ある。
【0028】このように、n層をpn接合面から遠ざか
る方向に電子濃度がステップ増加する複層で形成し、p
層をpn接合面から遠ざかる方向にホール濃度がステッ
プ増加する複層で形成したので、ホール濃度の最も高い
p型の層と電子濃度の最も高いn型の層との間に電圧を
印加することで、電子及びホールが各層で効率良く加速
され、pn接合面を通って反対の伝導型の層に効率良く
注入される。この結果、発光輝度が向上した。
る方向に電子濃度がステップ増加する複層で形成し、p
層をpn接合面から遠ざかる方向にホール濃度がステッ
プ増加する複層で形成したので、ホール濃度の最も高い
p型の層と電子濃度の最も高いn型の層との間に電圧を
印加することで、電子及びホールが各層で効率良く加速
され、pn接合面を通って反対の伝導型の層に効率良く
注入される。この結果、発光輝度が向上した。
【0029】第3実施例 図9において、発光ダイオード10は、サファイア基板
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、電子濃度 2×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度 1×1016/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.5 μm、Mg濃度 5×1019/cm3のMgドープGaN から成
る低不純物濃度i層61、膜厚約0.2 μm、Mg濃度 2×
1020/cm3の高不純物濃度i+ 層62が形成されている。
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、電子濃度 2×1018/cm3
のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度 1×1016/cm3のノンドー
プGaN から成る低キャリア濃度n層4が形成されてい
る。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚
約0.5 μm、Mg濃度 5×1019/cm3のMgドープGaN から成
る低不純物濃度i層61、膜厚約0.2 μm、Mg濃度 2×
1020/cm3の高不純物濃度i+ 層62が形成されている。
【0030】そして、その低不純物濃度i層61及び高
不純物濃度i+ 層62の所定領域には、それぞれ、電子
線照射によりp伝導型化したホール濃度1 ×1016/cm3の
低キャリア濃度p層501、ホール濃度 2×1017/cm3の
高キャリア濃度p+ 層502が形成されている。
不純物濃度i+ 層62の所定領域には、それぞれ、電子
線照射によりp伝導型化したホール濃度1 ×1016/cm3の
低キャリア濃度p層501、ホール濃度 2×1017/cm3の
高キャリア濃度p+ 層502が形成されている。
【0031】又、高不純物濃度i+ 層62の上面から
は、高不純物濃度i+ 層62、低不純物濃度i層61、
低キャリア濃度n層4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に接合されたニッケルで形成さ
れた電極81が高不純物濃度i+ 層62上に形成されて
いる。又、高キャリア濃度p+ 層502の上面には、高
キャリア濃度p+ 層502に対するニッケルで形成され
た電極71が形成されている。高キャリア濃度n+ 層3
に対する電極81は、高キャリア濃度p+ 層502及び
低キャリア濃度p層501に対して高不純物濃度i+ 層
62及び低不純物濃度i層61により絶縁分離されてい
る。
は、高不純物濃度i+ 層62、低不純物濃度i層61、
低キャリア濃度n層4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に接合されたニッケルで形成さ
れた電極81が高不純物濃度i+ 層62上に形成されて
いる。又、高キャリア濃度p+ 層502の上面には、高
キャリア濃度p+ 層502に対するニッケルで形成され
た電極71が形成されている。高キャリア濃度n+ 層3
に対する電極81は、高キャリア濃度p+ 層502及び
低キャリア濃度p層501に対して高不純物濃度i+ 層
62及び低不純物濃度i層61により絶縁分離されてい
る。
【0032】次に、この構造の発光ダイオード10の製
造方法について説明する。製造工程を示す図10から図
16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。
造方法について説明する。製造工程を示す図10から図
16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。
【0033】第1実施例と同様にして、図10に示すウ
エハを製造する。次に、図11に示すように、高不純物
濃度i+ 層62の上に、スパッタリングによりSiO2層1
1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、高不純物濃度i+ 層62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のフォトレジストを除去した。
エハを製造する。次に、図11に示すように、高不純物
濃度i+ 層62の上に、スパッタリングによりSiO2層1
1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、高不純物濃度i+ 層62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のフォトレジストを除去した。
【0034】次に、図12に示すように、フォトレジス
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13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
ていない部位の高不純物濃度i+ 層62とその下の低不
純物濃度i層61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が形成された。次に、図14に示すよう
に、高不純物濃度i+ 層62上に残っているSiO2層11
をフッ化水素酸で除去した。
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13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
ていない部位の高不純物濃度i+ 層62とその下の低不
純物濃度i層61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が形成された。次に、図14に示すよう
に、高不純物濃度i+ 層62上に残っているSiO2層11
をフッ化水素酸で除去した。
【0035】次に、図15に示すように、高不純物濃度
i+ 層62及び低不純物濃度i層61の所定領域にの
み、反射電子線回析装置を用いて電子線を照射して、そ
れぞれp伝導型を示すホール濃度 2×1017/cm3の高キャ
リア濃度p+ 層502、ホール濃度1 ×1016/cm3の低キ
ャリア濃度p層501が形成された。
i+ 層62及び低不純物濃度i層61の所定領域にの
み、反射電子線回析装置を用いて電子線を照射して、そ
れぞれp伝導型を示すホール濃度 2×1017/cm3の高キャ
リア濃度p+ 層502、ホール濃度1 ×1016/cm3の低キ
ャリア濃度p層501が形成された。
【0036】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60
μmφ、真空度2.1 ×10-5Torrである。この時、高キャ
リア濃度p+ 層502及び低キャリア濃度p層501以
外の部分、即ち、電子線の照射されなかった部分は、絶
縁体の高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i層6
1のままである。従って、高キャリア濃度p+ 層502
及び低キャリア濃度p層501は、縦方向に対しては、
低キャリア濃度n層4に導通するが、横方向には、周囲
に対して、高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i
層61により電気的に絶縁分離されている。
電流 1μA 、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60
μmφ、真空度2.1 ×10-5Torrである。この時、高キャ
リア濃度p+ 層502及び低キャリア濃度p層501以
外の部分、即ち、電子線の照射されなかった部分は、絶
縁体の高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i層6
1のままである。従って、高キャリア濃度p+ 層502
及び低キャリア濃度p層501は、縦方向に対しては、
低キャリア濃度n層4に導通するが、横方向には、周囲
に対して、高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i
層61により電気的に絶縁分離されている。
【0037】次に、図16に示すように、高キャリア濃
度p+ 層502と、高不純物濃度i+ 層62と、高不純
物濃度i+ 層62の上面と孔15を通って高キャリア濃
度n+ 層3とに、Ni層20が蒸着により形成された。そ
して、そのNi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及び高キャリア濃度p+ 層5
02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Ni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9に示すように、高キャリア濃度n
+ 層3の電極81、高キャリア濃度p+ 層502の電極
71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。
度p+ 層502と、高不純物濃度i+ 層62と、高不純
物濃度i+ 層62の上面と孔15を通って高キャリア濃
度n+ 層3とに、Ni層20が蒸着により形成された。そ
して、そのNi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及び高キャリア濃度p+ 層5
02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Ni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9に示すように、高キャリア濃度n
+ 層3の電極81、高キャリア濃度p+ 層502の電極
71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。
【0038】このようにして製造された発光ダイオード
10の発光強度を測定したところ、第1実施例と同様
に、10mcd であり、発光寿命は104 時間であった。
10の発光強度を測定したところ、第1実施例と同様
に、10mcd であり、発光寿命は104 時間であった。
【0039】第4実施例 図17に示すように発光ダイオード10を構成すること
もできる。即ち、バッファ層2の上に、順に、膜厚約0.
2 μm、ホール濃度 2×1017/cm3の第2高キャリア濃度
p+ 層53、膜厚約0.5 μm、ホール濃度1 ×1016/cm3
の第1高キャリア濃度p+ 層52、膜厚約0.2 μm、ホ
ール濃度1 ×1015/cm3のMgドープGaN から成る低キャリ
ア濃度p層51が形成されている。そして、低キャリア
濃度p層51上に、順に、膜厚約 1.5μm、電子濃度1
×1015/cm3のノンドープGaN から成る低キャリア濃度n
層4、膜厚約2.2 μm、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコ
ンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層3が形成さ
れている。
もできる。即ち、バッファ層2の上に、順に、膜厚約0.
2 μm、ホール濃度 2×1017/cm3の第2高キャリア濃度
p+ 層53、膜厚約0.5 μm、ホール濃度1 ×1016/cm3
の第1高キャリア濃度p+ 層52、膜厚約0.2 μm、ホ
ール濃度1 ×1015/cm3のMgドープGaN から成る低キャリ
ア濃度p層51が形成されている。そして、低キャリア
濃度p層51上に、順に、膜厚約 1.5μm、電子濃度1
×1015/cm3のノンドープGaN から成る低キャリア濃度n
層4、膜厚約2.2 μm、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコ
ンドープGaN から成る高キャリア濃度n+ 層3が形成さ
れている。
【0040】そして、第2高キャリア濃度p+ 層53に
接続するニッケルで形成された電極72と高キャリア濃
度n+ 層3に接続するニッケルで形成された電極82と
が形成されている。電極82と電極72とは、高キャリ
ア濃度n+ 層3、低キャリア濃度n層4、低キャリア濃
度p層51及び第1高キャリア濃度p+ 層52に形成さ
れた溝91により電気的に絶縁分離されている。
接続するニッケルで形成された電極72と高キャリア濃
度n+ 層3に接続するニッケルで形成された電極82と
が形成されている。電極82と電極72とは、高キャリ
ア濃度n+ 層3、低キャリア濃度n層4、低キャリア濃
度p層51及び第1高キャリア濃度p+ 層52に形成さ
れた溝91により電気的に絶縁分離されている。
【0041】このように、本実施例は、第2実施例と異
なり、p層とn層との基板1に対する堆積順序を逆にし
たものである。製造は第2実施例と同様に行うことがで
きる。
なり、p層とn層との基板1に対する堆積順序を逆にし
たものである。製造は第2実施例と同様に行うことがで
きる。
【0042】第5実施例 図1に示す構造の第1実施例の発光ダイオード10にお
いて、高キャリア濃度n+ 層3、低キャリア濃度n層
4、低キャリア濃度p層51、高キャリア濃度p+ 層5
2を、それぞれ、Al0.2Ga0.5In0.3N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。低キャリア濃度p層
51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1 ×1016/cm3に形成し、高キャリア濃度p+ 層5
2は同じくマグネシウム(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、高キャリ
ア濃度p+ 層52に接続するニッケルで形成された電極
7と高キャリア濃度n+ 層3に接続するニッケルで形成
された電極8とを形成した。
いて、高キャリア濃度n+ 層3、低キャリア濃度n層
4、低キャリア濃度p層51、高キャリア濃度p+ 層5
2を、それぞれ、Al0.2Ga0.5In0.3N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。低キャリア濃度p層
51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1 ×1016/cm3に形成し、高キャリア濃度p+ 層5
2は同じくマグネシウム(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、高キャリ
ア濃度p+ 層52に接続するニッケルで形成された電極
7と高キャリア濃度n+ 層3に接続するニッケルで形成
された電極8とを形成した。
【0043】次に、この構造の発光ダイオード10も第
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。
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。
【0044】次に、第1実施例と同様に、反射電子線回
析装置を用いて、上記の高キャリア濃度p+ 層52及び
低キャリア濃度p層51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。
析装置を用いて、上記の高キャリア濃度p+ 層52及び
低キャリア濃度p層51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。
【0045】次に、第1実施例と同様に、高キャリア濃
度n+ 層3及び高キャリア濃度p+層52に対するニッ
ケルで形成された電極7、8を形成した。
度n+ 層3及び高キャリア濃度p+層52に対するニッ
ケルで形成された電極7、8を形成した。
【0046】このようにして製造された発光ダイオード
10の発光強度を測定したところ10mcdであり、この発
光輝度は、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光
輝度に比べて 2倍であった。又、発光寿命は、104 時間
であり、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光寿
命に比べて1.5 倍であった。
10の発光強度を測定したところ10mcdであり、この発
光輝度は、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光
輝度に比べて 2倍であった。又、発光寿命は、104 時間
であり、従来のpn接合のGaN 発光ダイオードの発光寿
命に比べて1.5 倍であった。
【図1】本発明の具体的な第1実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
ードの構成を示した構成図。
【図2】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図3】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図4】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図5】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図6】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図7】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図8】本発明の具体的な第2実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
ードの構成を示した構成図。
【図9】本発明の具体的な第3実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
ードの構成を示した構成図。
【図10】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図11】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図12】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図13】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図14】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図15】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図16】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
た断面図。
【図17】本発明の具体的な第4実施例に係る発光ダイ
オードの構成を示した構成図。
オードの構成を示した構成図。
10…発光ダイオード 1…サファイア基板 2…バッファ層 3…高キャリア濃度n+ 層 4…低キャリア濃度n層 51,501…低キャリア濃度p層 52…高キャリア濃度p+ 層(第1高キャリア濃度p+
層) 502…高キャリア濃度p+ 層 53…第2高キャリア濃度p+ 層 61…低不純物濃度i層 62…高不純物濃度i+ 層 7,8,71,72,81,82…電極 9,91…溝
層) 502…高キャリア濃度p+ 層 53…第2高キャリア濃度p+ 層 61…低不純物濃度i層 62…高不純物濃度i+ 層 7,8,71,72,81,82…電極 9,91…溝
フロントページの続き (72)発明者 田牧 真人 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−242985(JP,A)
Claims (2)
- 【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層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、電子濃
度がステップ増加する複数のn型の層で形成され、 前記p層は、pn接合面から遠ざかるに連れて、ホール
濃度が1 ×10 14 〜 1×10 16 /cm 3 の低キャリア濃度p層
と、ホール濃度が 1×10 16 〜 2×10 19 /cm 3 の第1高キ
ャリア濃度p + 層と、ホール濃度が 1×10 16 〜 2×10 19
/cm 3 で前記第1高キャリア濃度p + 層よりも高い第2
高キャリア濃度p + 層とから成るp型の層で構成され、 pn接合を直接形成するp型の層及びn型の層は、キャ
リア濃度が略等しく形成されていることを特徴とする発
光素子。 - 【請求項2】 前記第2高キャリア濃度p + 層上にNi電
極が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の
発光素子。
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-
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