JP2916613B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法Info
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Description
加した窒化ガリウム系化合物半導体層を有する純青色発
光素子の作製方法に関するものである。
下、MOVPE法と記す)を用いて、窒化ガリウム系化
合物半導体(Ga1-X AlX N但し1>x>0)をサフ
ァイア基板上に気相成長させた構造の青色発光素子が研
究されている。
る場合には、従来絶縁層を形成するため、及び青色発光
中心の形成を狙いとして亜鉛が添加される。亜鉛添加窒
化ガリウム系化合物半導体Ga1-X AlX N(但し1>
x>0)に於ける発光素子の発光ピーク波長は425 nm
付近の紫色、及び490 nm付近の青緑色領域であった。
半導体を用いて青色発光素子を作製する場合、添加する
不純物に必要となる役割は二つある。一つには絶縁層の
形成が可能であること、もう一つは添加した不純物自体
或はそれが関係して青色発光中心を形成することであ
る。窒化ガリウム系化合物半導体に於て一般的に用いら
れる亜鉛の場合、絶縁層の形成は可能であるが、それが
関係して形成される発光中心に問題があった。即ち、形
成される発光中心は前述のごとく紫色及び青緑色領域に
発光ピークがあった。明所視で目視により青色と観測さ
れる光の波長は450 nmから480 nmの範囲内であり、
亜鉛添加窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-X AlX N
(但し1>x>0)による発光素子では色純度の問題が
あった。
縁層の形成が可能な不純物を各種探索した結果、Mgが
その二つの役割を果たすことを見いだした。
大気圧に保たれた反応管内にサファイア等の絶縁体基板
を設け、反応管の一方より有機ガリウム化合物、有機ア
ルミニウム化合物及びアンモニアをガス状で導入し、基
板上にて気相成長法によりGa1-x Alx N(但し1>
x>0)の単結晶層からなるn型窒化ガリウム系化合物
半導体層を形成後、原料ガスに有機マグネシウム化合物
をガス状でガリウム(Ga)成分に対するマグネシウム
(Mg)成分の混合割合が0.1 〜10atm%となること
及びマグネシウム(Mg)原料ガスの固相中のMg濃度
が供給量で1018cm-3ないし2×1020cm-3の範囲内となる
よう反応管内に導入し、絶縁層及び発光層としてマグネ
シウム(Mg)を添加したi型の窒化ガリウム系化合物
半導体Ga1-x Alx N(但し1>x>0)層(但し発
光波長範囲430 〜480 nmで450 nm付近に発光ピーク
波長をもつ)ものを作製する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の作製方法にある。
前記マグネシウム(Mg)添加窒化ガリウム系化合物半
導体Ga1-X AlX N(但し1>x>0)層に於て、添
加するマグネシウム(Mg)ガスの供給量は1018cm-3以
上であることが好ましい。また必要以上に高濃度に添加
された場合、他の発光中心が形成され、純青色発光の効
率が低下するためMgガスの供給量の固相中のMg濃度
が即ちMgガス供給量が2×1020cm-3以内であることが
好ましい。また作製した発光素子に於て、最も大きい光
強度を示す発光波長が430 nmから480 nmの範囲であ
ることが特徴である。特に450 nm付近に発光ピーク波
長をもつのが特徴である。
青色発光素子の作製法の実施例を説明する。しかし、図
示し且つ以下に説明する実施例は、本発明の方法を例示
するものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
用する窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシアル結
晶成長装置の概略図である。図1において、1は反応
管、2は基板加熱用サセプタ、3はその上に載置した基
板を示し、4は原料ガス供給管、5は反応管に連設した
試料予備室、6はターボ真空ポンプ、7,8はロータリ
ー真空ポンプを示す。9は原料ガスと水素との供給装置
であって、10は水素供給口、11はアンモニアガス(NH
3 )供給口、12A,12B,12C,12D,12E,12F,12
Gは水素流量計、13はビスシクロペンタジエニルマグネ
シウム(CP2 Mg)又はビスメチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウム(MCP2 Mg)の貯留槽、14はトリ
メチルアルミニウム(TMA)の貯留槽、15はトリメチ
ルガリウム(TMG)の貯留槽、16〜31は流量制御弁、
32〜34は切換混合弁を示す。
ム系化合物半導体を気相でエピタキシアル成長させて単
結晶を形成するには、上記の反応管1は予め真空に吸引
し、水分、酸素その他の不純物を除き大気圧の水素雰囲
気として、反応管1をヒーター35により加熱して結晶成
長温度に保つようにし、反応管1内に設けた基板加熱用
サセプタ2上に例えばサファイア等の結晶成長用絶縁体
基板3を設置し、高周波誘導加熱等により外部より反応
管1を加熱し、結晶成長温度に基板加熱用サセプタ2を
保持しつつ、結晶成長効率及び不純物添加効率をあげる
ために設置された原料導入管4により原料ガスを導入
し、導入ガスを基板上で気相でエピタキシアル成長法で
必要な結晶成長層厚さになるまで結晶成長を行う。発光
ダイオードを作製するにはサファイア等の基板3の上に
故意に不純物を添加していないn型の該窒化ガリウム系
化合物半導体Ga1-X AlX N(但し1>x>0)の単
結晶を形成の後、Mg成分をビスシクロペンタジエニル
マグネシウム(CP2 Mg)又はビスメチルシクロペン
タジエニルマグネシウム(MCP2 Mg)等の有機マグ
ネシウム化合物をガス態で原料ガスに混合し、Mg成分
を添加した窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-X AlX
N(但し1>x>0)層を作製する。固体中のMg添加
量の制御は、MgとGaの流量比を切換混合弁32〜34に
より行い、図2に示すように原料ガス中のMgの濃度は
Mg原料ガス供給量に比例するのでその供給量の加減に
より制御する。
1019cm-3)、及び適量以上添加した場合(b:3×1020
cm-3)の窒化ガリウムのフォトルミネッセンス(PL)
スぺクトルを示す。Mgを適量添加した場合には純青色
発光が明瞭に観測されるが、ある濃度を越えると純青色
発光強度は小さくなり、長波長緑色発光が主体となる。
Mg添加量に関する詳細な実験の結果、発光色の変化す
るMg添加量がその供給量で2×1020cm-3以下であるこ
とを見いだした。またこれらの試料を用いて発光ダイオ
ードを作製し、フォトルミネッセンスと同様、エレクト
ロルミネッセンスに於いても同様の結果を示すことが確
かめられた。
Alを含む窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-X AlX
N(但し1>x>0)に於いても図4に示すように同様
の結果を示すことが確かめられた。図4は本発明の発光
素子において、光の波長と発光強度との関係を示す特性
図である。x(AlNモル分率)の増加とともに、ピー
クが短波長化する傾向にある。x=0.08で430 nm及び
x=0.05で460 nmにピークがあることが確認された。
量は2×1020cm-3以下であることが好ましい。また添加
するMgガスの供給量が1018cm-3より少なくなると発光
ダイオードに於ける絶縁層の形成が困難となるため、そ
れ以上添加する必要がある。
キシアル成長に際して、Ga成分に対するMg成分の混
合割合は0.1 〜10atm%であり、Gaの原料ガスとし
て使用するトリメチルガリウム(TMG)の蒸気圧は30
mm Hg/−15℃である。
素子の作製方法によれば結晶成長用基板上にn型該窒化
ガリウム系化合物半導体Ga1-X AlX N(但し1>x
>0)単結晶からなるn型窒化ガリウム系化合物半導体
層を形成後、原料ガスに有機マグネシウム化合物をガス
状でガリウム(Ga)成分に対するマグネシウム(M
g)成分の混合割合が0.1 〜10atm%となること及び
マグネシウム(Mg)原料ガスの固相中の濃度が供給量
で1018cm-3ないし2×1020cm-3の範囲となるよう反応管
内に導入し、絶縁層及び発光層としてマグネシウム(M
g)を添加した窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-X A
lX N(但し1>x>0)層(但し発光波長範囲430 〜
480 nmで450 nmに発光ピークをもつ)ものを形成す
ることにより、純青色発光ダイオードを作製することが
可能である。従来知られている青色発光ダイオードとよ
ばれているものは発光波長が紫色または青緑色領域にか
たよっているもの、或はより長波長の発光が無視できず
色純度に問題のあるものが殆どであった。本発明の図3
(a)のように450 nm付近に発光ピーク波長を持ち、
かつより長波長の発光が殆ど観測されない発光スぺクト
ルを示すダイオードは現在まで報告された例はなかっ
た。
ば、特別な色フィルターを使用することなく純青色発光
ダイオードの作製が可能となるため、フィルターによる
損失がなく従来のものと比較して効率の高い青色発光ダ
イオードの実現が可能である。本発明により現在まで実
用化の遅れている青色発光ダイオードの実用化が可能と
なる工業上大なる利益がある。
概略構成図である。
加されたMg量の関係を示す特性図である。
発光強度フォトルミネッセンスPLとの特性図である。
(a)曲線はMgを4×1019cm-3添加した試料の室温で
のフォトルミネッセンススぺクトル特性図、(b)曲線
はMgを3×1020cm-3添加した試料の室温でのフォトル
ミネッセンススぺクトル特性図である。
発光強度との関係を示す特性図である。
の貯留槽 14 トリメチルアルミニウム(TMA)の貯留槽 15 トリメチルガリウム(TMG)の貯留槽 16〜31 流量制御弁 32〜34 切換混合弁 35〜36 排出口 37〜40 流量制御弁
Claims (1)
- 【請求項1】 水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内
にサファイア等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より
有機ガリウム化合物、有機アルミニウム化合物及びアン
モニアをガス状で導入し、基板上にて気相成長法により
Ga1-x Alx N(但し1>x>0)の単結晶層からな
るn型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガ
スに有機マグネシウム化合物をガス状でガリウム(G
a)成分に対するマグネシウム(Mg)成分の混合割合
が0.1 〜10atm%となること及びマグネシウム(M
g)原料ガスの固相中のMg濃度が供給量で1018cm-3な
いし2×1020cm-3の範囲内となるよう反応管内に導入
し、絶縁層及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添
加したi型の窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-x Al
x N(但し1>x>0)層(但し発光波長範囲430 〜48
0 nmで450 nm付近に発光ピーク波長をもつ)ものを
作製することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の作製方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13616696A JP2916613B2 (ja) | 1996-05-30 | 1996-05-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13616696A JP2916613B2 (ja) | 1996-05-30 | 1996-05-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7665289A Division JPH069257B2 (ja) | 1989-03-30 | 1989-03-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH098352A JPH098352A (ja) | 1997-01-10 |
JP2916613B2 true JP2916613B2 (ja) | 1999-07-05 |
Family
ID=15168874
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13616696A Expired - Lifetime JP2916613B2 (ja) | 1996-05-30 | 1996-05-30 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2916613B2 (ja) |
-
1996
- 1996-05-30 JP JP13616696A patent/JP2916613B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Journal of Electrocheical Society Vol.121,No.9,pp.1202−1207(1975) |
Journal of Electronic Materials Vol.14,No.5,pp.636−644 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH098352A (ja) | 1997-01-10 |
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