JP2713095C

JP2713095C -

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Publication number: JP2713095C
Authority: JP
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Publication date: 1999-12-20

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、青色発光素子、特には窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有す
る青色発光素子に関する。【０００２】【従来の技術】発光ダイオード、レーザーダイオード等の半導体発光デバイスに使用される実
用的な半導体材料として窒化ガリウム(ＧａＮ)、窒化インジウムガリウム(Ｉｎ
ＧａＮ)、窒化ガリウムアルミニウム(ＧａＡｌＮ)等の窒化ガリウム系化合物半
導体が注目されている。【０００３】従来提案されている窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子として、図２に示す構造のものがよく知られている。この発光素子は、基板１上に、ＡｌＮ
よりなるバッファ層２と、ｎ型ＧａＮ層３と、ｐ型ＧａＮ層５とが順に積層され
た構造を有している。通常、基板１には、サファイアが用いられている。基板１
上に設けられたＡｌＮからなるバッファ層２は、特開昭６３−１８８９８３号公
報に記載されているように、その上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体の
結晶性を向上させる。ｎ型ＧａＮ層３は、ｎ型不純物としてＳｉまたはＧｅがド
ープされてｎ型となつている。ｐ型ＧａＮ層５は、ｐ型不純物としてＭｇまたは
Ｚｎがドープされることが多いが、結晶性が悪いためｐ型とはならず、ほぼ絶縁
体に近い高抵抗のｉ型となっている。ｉ型半導体層を低抵抗のｐ型層に変換する
手段として、特開平２−４２７７０号公報には、表面に電子線照射を行う技術が
開示されている。【０００４】【発明が解決しようとする課題】一般に、図２に示すようなホモ接合構造の発光素子は発光出力が低く、実用的
ではない。発光出力を増大させ、実用的な発光素子を得るためには、窒化ガリウ
ム系化合物半導体積層構造を、好ましくはシングルヘテロ構造、さらに好ましく
はダブルヘテロ構造とする必要がある。例えばダブルヘテロ構造の窒化ガリウム
系化合物半導体素子は特開平４−２０９５７７号公報に示されているが、この公
報に開示された発光素子は実用性に乏しく、発光効率が悪いという欠点がある。【０００５】また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の青色発光素子の発光波長は
、４３０ｎｍ以下の紫色領域にある。発光波長が４５０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲
内にある視感度の良い青色発光を示す素子は未だ開発されていない。発光ダイオ
ードによる平面型ディスプレイ、レーザーダイオード等を実現するためには、前
記したように視感度の良い発光デバイスが求められている。【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、高発光出力で、視感度の良い新規な構造の窒化ガリウム系化合物半導体を提
供するものである。【０００７】【課題を解決するための手段】本発明者らは、ダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系半導体発光素子について数
々の実験を重ねた結果、所定量の亜鉛をドープしたＩｎＧａＮ層を発光層として
用い、かつ所定量のＭｇをドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層をクラ
ッド層として用いることによって、得られる半導体発光素子の発光出力が向上し
、しかも視感度も向上することを新たに見い出し、本発明を完成するに至った。【０００８】すなわち、本発明によれば、ｎ型Ｇａ_1-aＡｌ_aＮ（０≦ａ＜１）からなる第１
のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、不純物として亜鉛が１×１
０¹⁷ないし１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープされた、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ
（０＜ｘ＜０．５）からなる発光層と、該発光層上に設けられ、ｐ型不純物とし
てマグネシウムが１×１０¹⁸ないし１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープ
されたｐ型Ｇａ_1-bＡｌ_bＮ（０≦ｂ＜１）からなる第２のクラッド層とからなる
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有することを特徴とする青色発光素子が
提供される。【０００９】上記発光層をＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜０．５）で形成すると、高発光出力の
青色発光素子が得られる。【００１０】上記発光層は、１０オングストロームないし０．５μｍの厚さを有することが
好ましい。上記第２のクラッド層は、０．０５μｍないし１．５μｍの厚さを有
することが好ましい。【００１１】以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１は、本発明の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子の一構造を示すものである。この発光素子は、
基板１１上に、バッファ層１２を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から
なる第１のクラッド層１３と、亜鉛が所定の濃度でドープされたインジウムとガ
リウムと窒素とを含む窒化ガリウム系化合物半導体Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層１４と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２のクラッド層１５と
が順に積層されてなるダブルヘテロ構造の半導体積層構造を有する。【００１２】基板１１は、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の材料で形成できるが、通常はサ
ファイアで形成される。バッファ層１２は、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＧａＮ等で形
成することができ、通常０．００２μｍ〜０．５μｍの厚さに形成される。Ｇａ
ＮはＡｌＮよりもその上に結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を積層させ
ることができるので、バッファ層１２は、ＧａＮで形成することが好ましい。こ
のＧａＮバッファ層の効果については、本出願人が先に出願した特願平３−８９
８４０号に記載されており、サファイア基板を用いた場合、従来のＡｌＮバッフ
ァ層よりもＧａＮよりなるバッファ層の方が結晶性に優れた窒化ガリウム系化合
物半導体が得られ、さらに好ましくは成長させようとする窒化ガリウム系化合物
半導体と同一組成を有するバッファ層を、まずサファイア基板上に低温で成長さ
せることにより、当該バッファ層の上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶性を向上させることができる。【００１３】第１のクラッド層１３は、ｎ型ＧａＮにより、あるいはそのＧａの一部をＡｌ
で置換したＧａＡｌＮにより形成することができる。すなわち、第１のクラッド
層は、Ｇａ_1-aＡｌ_aＮ（０≦ａ＜１）で形成することができる。窒化ガリウム系
化合物半導体は、ノンドープでもｎ型となる性質があるが、例えばＳｉ、Ｇｅ等
のｎ型不純物をドープして好ましいｎ型にすることができる。【００１４】このＺｎドープＩｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層１４は、有機金属気相成長法に
より、原料ガスのキャリアガスを窒素として用い、６００℃以上、９００℃以下
の成長温度で成長させることができる。成長させたＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎの比率
、すなわちｘ値を０＜ｘ＜０．５の範囲にすると良好な青色発光が得られる。ｘ
値を０より大きくすることにより、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ層１４が発光層として作用す
る。ｘ値が０．５以上になると、その発光色は黄色となる。【００１５】さらに、このＩｎ_xＧａ_1-xＮ層１４中にドープする不純物（ドーパント）はＺ
ｎとし、しかもそのＺｎは１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の濃度範囲、好まし
くは１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度範囲内でＩｎ_xＧａ_1-xＮ層１４にド
ープされることが重要である。これにより青色発光素子の視感度を向上させ、発
光効率を増大させることができるのである。【００１６】ＺｎドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ発光層１４は、好ましくは１０オングストローム〜
０．５μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの厚さに形成すること
が望ましい。その厚さが１０オングストロームよりも薄いか、または０．５μｍ
よりも厚いと、十分な発光出力を有する発光素子が得られない傾向にある。【００１７】第２のクラッド層１５は、ｐ型ＧａＮにより、あるいはそのＧａの一部をＡｌ
で置換したｐ型ＧａＡｌＮにより形成することができる。すなわち、第２のクラ
ッド層１５は、Ｇａ_1-bＡｌ_bＮ（０≦ｂ＜１）で形成することができる。【００１８】この第２のクラッド層（ｐ型層）１５は、それにドープされるｐ型不純物（ド
ーパント）をマグネシウムＭｇとし、しかもそのＭｇが、１×１０¹⁸〜１×１０
²¹／ｃｍ³の濃度範囲内で第２のクラッド層１５にドープされることが重要であ
る。この濃度範囲でＭｇがドープされたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を第
２のクラッド層として用いることにより、ｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ層１４の発光効率
をさらに向上させることができる。【００１９】Ｍｇをドープして成長されたままのＧａ_1-bＡｌ_bＮ層は、なお高抵抗であるの
で、その成長後に、例えば本出願人が先に出願した特願平３−３５７０４６号に
記載したように、４００℃以上、好ましくは６００℃より高い温度でアニーリン
グを行って低抵抗のｐ型層１５とすることができる。【００２０】第２のクラッド層１５は、０．０５μｍ〜１．５μｍの厚さに形成することが
好ましい。その厚さが０．０５μｍよりも薄いとクラッド層として作用しにくく
、またその厚さが１．５μｍよりも厚いと前記方法で低抵抗ｐ型層に転化されにく
い傾向にある。【００２１】図３は、図１に示す構造を有する青色発光素子において、第２のクラッド層で
あるＭｇドープｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³と一定にし、発
光層であるＺｎドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のＺｎ濃度を変えた場合において、そ
のＺｎ濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。図３に示す
ように、Ｚｎ濃度が増加するに従い、発光素子の発光強度は大きくなり、１×１
０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³付近で発光強度が最も大きくなり、その範囲を超える
と発光強度は徐々に減少する傾向にある。本発明では、実用域として９０％以上
の相対強度を有する発光素子を提供するために、発光層１４中にドープされるＺ
ｎ濃度を１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内とするものである。【００２２】また、図４は、同じく図１の構造を有する青色発光素子において、発光層であ
るＺｎドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層中のＺｎ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³と一定にし
、第２のクラッド層であるＭｇドープｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度を変えた場合に
おいて、そのＭｇ濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。
図４に示すように、Ｍｇドープｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を第２のクラ
ッド層とした場合、Ｍｇ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³を超えると急激に発光強度が
増大し、１×１０²¹／ｃｍ³付近を超えると急激に発光強度が減少する傾向にあ
る。従って、本発明では、Ｍｇドープｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のＭｇ
濃度を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³としている。なお、上記Ｚｎ濃度および
Ｍｇ濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）により測定したものである。【００２３】図５は、同じく図１の構造を有する発光素子において、発光層であるＺｎドー
プＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層の膜厚と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図
である。図５に示すように、本発明の発光素子において発光層の膜厚を変化させ
ることにより、発光素子の発光強度が変化する。特に発光層の膜厚が０．５μｍ
を超えると発光強度が急激に減少する傾向にある。従って、発光層の膜厚は、発光素子が９０％以上の相対発光強度を示すためには、１０オングストローム〜
０．５μｍの範囲が好ましい。【００２４】【実施例】以下、本発明をより具体的な例により説明する。これら例において、各半導体
層は以下記載するように有機金属気相成長法により成長させた。本発明の半導体
発光素子を製造する方法を述べる。【００２５】例１まず、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。【００２６】続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガス
としてアンモニア（ＮＨ₃）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用いて、サフ
ァイア基板上にＧａＮバッファ層を約２００オングストロームの厚さに成長させ
る。【００２７】バッファ層成長後、ＴＭＧのみの供給を停止し、温度を１０３０℃まで上昇さ
せる。１０３０℃に達した後、同じく水素をキャリアガスとして用い、ＴＭＧと
シランガス（ＳｉＨ₄）とアンモニアガスとを用いて、第１のクラッド層として
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍの厚さに成長させる。【００２８】ｎ型ＧａＮ層成長後、全原料ガスの供給を停止し、温度を８００℃にして、キ
ャリアガスを窒素に切り替え、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ(トリメチルイン
ジウム)、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）ガスおよびアンモニアガスを用いて、発光層
としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドープしたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層を２
００オングストロームの厚さに成長させる。【００２９】ＺｎドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層成長後、原料ガスの供給を停止し、再び温度
を１０２０℃まで上昇させ、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネ
シウム）およびアンモニアガスを用いて、第２のクラッド層としてＭｇを２×１
０²⁰／ｃｍ³の濃度でドープしたｐ型ＧａＮ層を０．８μｍの厚さに成長させる
。【００３０】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。【００３１】以上のようにして得られた発光素子のｐ型ＧａＮ層、およびＺｎドープＩｎ_0.
₁₅Ｇａ_0.85Ｎ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ＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層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、本発明の青色発光ダイオードを作製した。この
発光ダイオードの発光出力は２０ｍＡにおいて２００μＷであり、ピーク波長は
４８０ｎｍであり、輝度は５００ｍｃｄ（ミリカンデラ）であった。【００３２】例２例１において、第１のクラッド層を成長させる工程において、原料ガスとして
ＴＭＧ、シランガス、アンモニアおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用
いて、Ｓｉドープｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層を２μｍの厚さに成長させる。【００３３】Ｓｉドープｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層の上に、例１と同様にしてＺｎを１×１０
¹⁹／ｃｍ³の濃度でドープしたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ発光層を２００オングストロ
ームの厚さに成長させる。【００３４】さらに、ＺｎドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層の上に、原料ガスとしてＴＭＧ、Ｃ
ｐ₂Ｍｇ、アンモニアガスおよびＴＭＡガスを用い、第２のクラッド層としてＭ
ｇを２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドープしたｐ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層を０．８ μｍ成長させる。【００３５】これ以降は例１と同様にしてアニーリングを行い、最上層をさらに低抵抗化し
た後、同様にして本発明の発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードは、
発光出力、ピーク波長、輝度のいずれも例１の発光ダイオードと同じであった。【００３６】比較例１例１において、ＤＥＺガスの流量を多くして、発光層であるＺｎドープＩｎ_0.
₁₅Ｇａ_0.85Ｎ層のＺｎ濃度を１×１０²²／ｃｍ³とした以外は実施例１と同様に
して青色発光ダイオードを得た。この発光ダイオードの発光出力は例１の発光ダ
イオードの約５％であった。【００３７】比較例２例１において、Ｃｐ₂Ｍｇガスの流量を少なくして、第２のクラッド層であるｐ
型ＧａＮ層のＭｇ濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³とした以外は例１と同様にして青色
発光ダイオードを得たが、この発光ダイオードの出力は例１の発光ダイオードの
約１０％であった。【００３８】【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物
半導体層を第１のクラッド層とし、特定量のＺｎをドープしたＩｎ_xＧａ_1-xＮ層
を発光層とし、かつ特定量のＭｇをドープしたｐ型窒化ガリウム化合物半導体層
を第２のクラッド層としたダブルヘテロ構造を有するため、非常に発光効率が高
い。【００３９】また本発明の発光素子の発光出力はホモ接合構造の発光素子の４倍以上ある。【００４０】本発明の半導体発光素子は、以上述べた優れた効果を奏するため、信頼性に優
れている。本発明は、レーザーダイオードにも適用でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a blue light emitting device, and more particularly to a blue light emitting device having a gallium nitride compound semiconductor laminated structure. [0002] Gallium nitride (GaN) and indium gallium nitride (In) have been used as practical semiconductor materials for semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes.
Gallium nitride-based compound semiconductors such as GaN) and gallium aluminum nitride (GaAlN) have attracted attention. As a conventionally proposed light emitting device using a gallium nitride-based compound semiconductor, one having a structure shown in FIG. 2 is well known. This light-emitting element is provided on a substrate 1 by AlN.
A buffer layer 2, an n-type GaN layer 3, and a p-type GaN layer 5 are sequentially stacked. Usually, sapphire is used for the substrate 1. Substrate 1
The buffer layer 2 made of AlN provided thereon improves the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated thereon, as described in JP-A-63-188983. The n-type GaN layer 3 is doped with Si or Ge as an n-type impurity to be n-type. The p-type GaN layer 5 is often doped with Mg or Zn as a p-type impurity, but does not become p-type due to poor crystallinity, and is a high-resistance i-type almost similar to an insulator. As means for converting an i-type semiconductor layer into a low-resistance p-type layer, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-42770 discloses a technique of irradiating the surface with an electron beam. Generally, a light emitting device having a homojunction structure as shown in FIG. 2 has a low light emission output and is not practical. In order to increase the light emission output and obtain a practical light emitting device, the gallium nitride based compound semiconductor laminated structure needs to have a single hetero structure, preferably a double hetero structure. For example, a gallium nitride-based compound semiconductor device having a double hetero structure is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-209577, but the light-emitting device disclosed in this publication has a drawback of poor practicability and poor luminous efficiency. The emission wavelength of a conventional blue light-emitting device using a gallium nitride-based compound semiconductor is in a violet region of 430 nm or less. An element that emits blue light with good luminosity having an emission wavelength in the range of 450 nm to 490 nm has not yet been developed. In order to realize a flat display, a laser diode, or the like using a light emitting diode, a light emitting device having good visibility as described above is required. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor having a novel structure with high luminous output and good visibility. . Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted a number of experiments on a gallium nitride based semiconductor light emitting device having a double hetero structure, and have found that an InGaN layer doped with a predetermined amount of zinc is used as a light emitting layer. By using and using a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with a predetermined amount of Mg as a cladding layer, it is newly found that the light emitting output of the obtained semiconductor light emitting device is improved, and that the visibility is also improved. The present invention has been completed. That is, according to the present invention, the _first type of n-type Ga _1-a Al _a N (0 ≦ a <1)
And 1 × 1 of zinc as an impurity provided on the first cladding layer.
In _x Ga ₁ -xN doped at a concentration in the range of 0 ¹⁷ to 1 × 10 ²¹ / cm ³
A light emitting layer made of (0 <x <0.5), and provided on the light emitting layer, and doped with magnesium as a p-type impurity at a concentration in the range of 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ . There is provided a blue light emitting device having a gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure including a second clad layer made of p-type Ga _1-b Al _b N (0 ≦ b <1). When the light emitting layer is formed of In _x Ga ₁ -xN (0 <x <0.5), a blue light emitting device having a high light emitting output can be obtained. The light emitting layer preferably has a thickness of 10 Å to 0.5 μm. It is preferable that the second cladding layer has a thickness of 0.05 μm to 1.5 μm. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows one structure of a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention. This light-emitting element
A first cladding layer 13 made of an n-type gallium nitride-based compound semiconductor on a substrate 11 via a buffer layer 12, and a gallium nitride-based compound containing indium, gallium, and nitrogen doped with zinc at a predetermined concentration. The light emitting layer 14 has a double hetero structure in which a light emitting layer 14 made of semiconductor In _x Ga ₁ -xN and a second clad layer 15 made of a p-type gallium nitride-based compound semiconductor are sequentially stacked. The substrate 11 can be formed of a material such as sapphire, SiC, ZnO or the like, but is usually formed of sapphire. The buffer layer 12 can be formed of AlN, GaAlN, GaN, or the like, and is usually formed to a thickness of 0.002 μm to 0.5 μm. Ga
N can form a gallium nitride-based compound semiconductor having good crystallinity on top of AlN, so that the buffer layer 12 is preferably formed of GaN. Regarding the effect of the GaN buffer layer, Japanese Patent Application No. 3-89 filed earlier by the present applicant.
No. 840, when a sapphire substrate is used, a gallium nitride-based compound semiconductor having a better crystallinity can be obtained in a buffer layer made of GaN than in a conventional AlN buffer layer, and it is more preferable to grow the buffer layer. By growing a buffer layer having the same composition as the gallium nitride-based compound semiconductor on a sapphire substrate at a low temperature, the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated on the buffer layer can be improved. it can. The first cladding layer 13 is made of n-type GaN or a part of Ga
Can be formed from GaAlN substituted by. That is, the first cladding layer can be formed of Ga _1-a Al _a N (0 ≦ a <1). A gallium nitride-based compound semiconductor has a property of being n-type even when non-doped, but can be made to be a preferable n-type by doping an n-type impurity such as Si or Ge. The light emitting layer 14 made of Zn-doped In _x Ga ₁ -xN is grown by a metal organic chemical vapor deposition method at a growth temperature of 600 ° C. or more and 900 ° C. or less using nitrogen as a source gas carrier gas. Can be done. When the ratio of In in the grown In _x Ga ₁ -xN, that is, the x value is in the range of 0 <x <0.5, good blue light emission can be obtained. x
By making the value larger than 0, the In _x Ga ₁ -xN layer 14 functions as a light emitting layer. When the value x is 0.5 or more, the emission color becomes yellow. Further, an impurity (dopant) doped into the In _x Ga ₁ -xN layer 14 is Z
n, and Zn in the In _x Ga ₁ -xN layer in a concentration range of 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ , preferably in a concentration range of 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²⁰ / cm ^3. It is important that 14 be doped. Thereby, the visibility of the blue light emitting element can be improved, and the luminous efficiency can be increased. The Zn-doped In _x Ga ₁ -xN light emitting layer 14 preferably has a thickness of 10 Å to
It is desirable that the thickness be 0.5 μm, more preferably 0.01 μm to 0.1 μm. Its thickness is less than 10 Å or 0.5 μm
If it is thicker, a light-emitting element having a sufficient light-emitting output tends not to be obtained. The second cladding layer 15 is made of p-type GaN or a part of Ga
Can be formed of p-type GaAlN substituted with That is, the second cladding layer 15 can be formed of Ga _1-b Al _b N (0 ≦ b <1). The second cladding layer (p-type layer) 15 has a p-type impurity (dopant) doped therein made of magnesium Mg, and the Mg is 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10
It is important that the second cladding layer 15 is doped within a concentration range of ²¹ / cm ³ . By using a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with Mg in this concentration range as the second cladding layer, the luminous efficiency of the n-type In _x Ga ₁ -xN layer 14 can be further improved. Since the Ga _1-b Al _b N layer grown as doped with Mg still has a high resistance, after the growth, for example, Japanese Patent Application No. 3-357046 filed by the present applicant earlier. As described above, annealing can be performed at a temperature of 400 ° C. or higher, preferably higher than 600 ° C., to form the p-type layer 15 having low resistance. The second cladding layer 15 is preferably formed to a thickness of 0.05 μm to 1.5 μm. If the thickness is less than 0.05 μm, it does not easily function as a cladding layer, and if the thickness is more than 1.5 μm, it tends to be difficult to convert to a low-resistance p-type layer by the above method. FIG. 3 shows a blue light emitting device having the structure shown in FIG. 1, in which the Mg concentration in the Mg-doped p-type GaN layer as the second cladding layer is kept constant at 1 × 10 ²⁰ / cm ³ , FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the Zn concentration and the relative emission intensity of the blue light emitting element when the Zn concentration of the Zn-doped In _0.1 Ga _0.9 N layer is changed. As shown in FIG. 3, as the Zn concentration increases, the light emission intensity of the light emitting element increases, and 1 × 1
The light emission intensity is maximized in the vicinity of 0 ¹⁸ to 1 × 10 ²⁰ / cm ³ , and when it exceeds the range, the light emission intensity tends to gradually decrease. In the present invention, in order to provide a light emitting device having a relative intensity of 90% or more as a practical range, Z doped in the light emitting layer 14 is used.
The n concentration is in the range of 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ . FIG. 4 shows a blue light emitting device having the structure of FIG. 1 in which the Zn concentration in the Zn-doped In _0.1 Ga _0.9 N layer as the light emitting layer is kept constant at 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the Mg concentration and the relative light emission intensity of the blue light emitting element when the Mg concentration in the Mg-doped p-type GaN layer, which is the clad layer 2, is changed.
As shown in FIG. 4, when the Mg-doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer is used as the second cladding layer, when the Mg concentration exceeds 1 × 10 ¹⁷ / cm ³ , the emission intensity increases sharply, If it exceeds about 10 ²¹ / cm ³ , the emission intensity tends to sharply decrease. Accordingly, in the present invention, the Mg-doped p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer
The concentration is 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ . The Zn concentration and Mg concentration were measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer). FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Zn-doped In _0.1 Ga _0.9 N layer, which is the light emitting layer, and the relative light emission intensity of the light emitting device in the light emitting device also having the structure of FIG. . As shown in FIG. 5, by changing the thickness of the light emitting layer in the light emitting element of the present invention, the light emission intensity of the light emitting element changes. In particular, the thickness of the light emitting layer is 0.5 μm
When it exceeds, the luminescence intensity tends to sharply decrease. Therefore, the film thickness of the light emitting layer should be 10 Å or more in order for the light emitting element to exhibit a relative light emission intensity of 90% or more.
A range of 0.5 μm is preferred. Hereinafter, the present invention will be described with more specific examples. In these examples, each semiconductor layer was grown by metal organic chemical vapor deposition as described below. A method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the present invention will be described. Example 1 First, a well-washed sapphire substrate is set in a reaction vessel, and after sufficiently replacing the inside of the reaction vessel with hydrogen, the temperature of the substrate is increased to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the sapphire substrate. I do. Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, and ammonia (NH ₃ ) and TMG (trimethylgallium) are used as source gases to form a GaN buffer layer on a sapphire substrate by about 200 Å. Grow to a thickness of After the growth of the buffer layer, the supply of only TMG is stopped, and the temperature is increased to 1030 ° C. After reaching 1030 ° C., a Si-doped n-type GaN layer is grown to a thickness of 4 μm as a first cladding layer using hydrogen as a carrier gas and TMG, silane gas (SiH ₄ ), and ammonia gas. . After the growth of the n-type GaN layer, the supply of all source gases is stopped, the temperature is set to 800 ° C., the carrier gas is switched to nitrogen, and TMG, TMI (trimethylindium), DEZ (diethyl zinc) gas are used as source gases. And an ammonia gas, an In _0.15 Ga _0.85 N layer doped with Zn at a concentration of 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ was used as a light emitting layer.
Grow to a thickness of 00 Angstroms. After the growth of the Zn-doped In _0.15 Ga _0.85 N layer, the supply of the raw material gas is stopped, the temperature is raised again to 1020 ° C., and TMG, Cp ₂ Mg (cyclopentadienyl magnesium) and ammonia gas are used. 2 × 1 Mg as the second cladding layer
A p-type GaN layer doped at a concentration of 0 ²⁰ / cm ³ is grown to a thickness of 0.8 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 reduce the resistance of the uppermost p-type GaN layer. The p-type GaN layer and Zn-doped In _0.
_{A portion of 15} Ga _0.85 N is removed by etching to expose the n-type GaN layer,
An ohmic electrode was provided on each of the n-type GaN layer and the n-type GaN layer, and cut into chips of 500 μm square. Then, a blue light emitting diode of the present invention was manufactured according to a conventional method. The light emitting output of this light emitting diode was 200 μW at 20 mA, the peak wavelength was 480 nm, and the luminance was 500 mcd (millicandela). Example 2 In Example 1, in the step of growing the first cladding layer, a Si-doped n-type Ga _0.9 Al _0.1 N layer was formed to a thickness of 2 μm using TMG, silane gas, ammonia and TMA (trimethyl aluminum) as a source gas. Grow to a thickness of On the Si-doped n-type Ga _0.9 Al _0.1 N layer, 1 × 10
An In _0.15 Ga _0.85 N emitting layer doped at a concentration of ¹⁹ / cm ³ is grown to a thickness of 200 Å. Further, on the Zn-doped In _0.15 Ga _0.85 N layer, TMG, C
Using p ₂ Mg, ammonia gas and TMA gas, M
Then, a p-type Ga _0.9 Al _0.1 N layer doped with g at a concentration of 2 × 10 ²⁰ / cm ³ is grown to a thickness of 0.8 μm. Thereafter, annealing was performed in the same manner as in Example 1, and the resistance of the uppermost layer was further reduced. Thereafter, a light emitting diode of the present invention was manufactured in the same manner. This light emitting diode
The light emission output, peak wavelength, and luminance were all the same as those of the light emitting diode of Example 1. Comparative Example 1 In Example 1, the flow rate of the DEZ gas was increased, and the Zn-doped In _0.
_A blue light emitting diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the Zn concentration of the ₁₅ Ga _0.85 N layer was set to 1 × 10 ²² / cm ³ . The light emitting output of this light emitting diode was about 5% of the light emitting diode of Example 1. Comparative Example 2 In Example 1, the flow rate of the Cp ₂ Mg gas was reduced, and
A blue light emitting diode was obtained in the same manner as in Example 1 except that the Mg concentration of the p-type GaN layer was 1 × 10 ¹⁷ / cm ^3, and the output of this light emitting diode was about 10% of that of the light emitting diode of Example 1. . As described above, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer is used as the first cladding layer, and In _x Ga ₁₋ doped with a specific amount of Zn. _Since it has a double hetero structure in which the _xN layer is used as the light emitting layer and the p-type gallium nitride compound semiconductor layer doped with a specific amount of Mg is used as the second cladding layer, the light emitting efficiency is very high. The light emitting output of the light emitting device of the present invention is four times or more that of a light emitting device having a homojunction structure. The semiconductor light emitting device of the present invention has excellent reliability as described above because of the excellent effects described above. The present invention can be applied to a laser diode, and its industrial value is very large.

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。【図２】従来の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。【図３】本発明の半導体発光素子の発光層中のＺｎ濃度と、その発光素子の相対
発光強度との関係を示す図。【図４】本発明の半導体発光素子第２のクラッド層中のＭｇ濃度と、その発光素
子の相対発光強度との関係を示す図。【図５】本発明の半導体発光素子の発光層の膜厚と、その発光素子の相対発光強
度との関係を示す図。【符号の説明】１１…基板１２…バッファ層１３…第１のクラッド層１４…発光層１５…第２のクラッド層BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic sectional view showing one structure of a semiconductor light emitting device of the present invention. FIG. 2 is a schematic sectional view showing one structure of a conventional semiconductor light emitting device. FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a Zn concentration in a light emitting layer of a semiconductor light emitting device of the present invention and a relative light emission intensity of the light emitting device. FIG. 4 is a graph showing a relationship between a Mg concentration in a second cladding layer of a semiconductor light emitting device of the present invention and a relative light emission intensity of the light emitting device. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thickness of a light emitting layer of a semiconductor light emitting device of the present invention and the relative light emission intensity of the light emitting device. [Description of Reference Numerals] 11 ... substrate 12 ... buffer layer 13 ... first cladding layer 14 ... light emitting layer 15 ... second cladding layer

Claims

Claims: 1. A first clad layer made of n-type Ga _1-a Al _a N (0 ≦ a <1), and zinc provided as an impurity on the first clad layer. Is 1 × 10 ¹⁷ to 1 ×
In _x Ga ₁ -xN (0 <x <0.5) doped at a concentration in the range of 10 ²¹ / cm ^3.
And a p-type Ga _1-b provided on the light-emitting layer and doped with magnesium as a p-type impurity at a concentration of 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ / cm ^3.
_{Al b N (0 ≦ b <} 1) blue light emitting element and having a second cladding layer and the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure consisting of consisting of. 2. The blue light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting layer has a thickness of 10 Å to 0.5 μm. 3. The blue light emitting device according to claim 1, wherein the second cladding layer has a thickness of 0.05 μm to 1.5 μm. 4. The blue light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor laminated structure is provided on the substrate via a buffer layer.