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

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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、マグネシウムを添
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。
【0002】
【従来の技術】従来、有機金属化合物気相成長法(以
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。
【0003】これらの材料により青色発光素子を作製す
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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
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
(但し1>x>0)による発光素子では色純度の問題が
あった。
【0005】そこで純青色発光中心が形成され、かつ絶
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。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、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(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。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態では
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
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。
【0008】以下、添付図面を参照して本発明による純
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。
【0009】図1は純青色発光素子を作製するために使
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。
【0010】サファイア等の絶縁体基板上に窒化ガリウ
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。
【0011】図3にMgを適量添加した場合(a:4×
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。
【0012】この結果は、窒化ガリウムの例を示したが
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。
【0013】以上の結果より、添加するMgガスの供給
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。
【0014】窒化ガリウム系化合物半導体の気相エピタ
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。
【0015】
【発明の効果】以上の説明のように、本発明による発光
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
X 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。
【0016】本発明による発光素子の作製方法を用いれ
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明を実現するための結晶成長装置の
概略構成図である。
【図2】図2はMg原料ガス供給量と窒化ガリウムに添
加されたMg量の関係を示す特性図である。
【図3】図3は本発明の発光素子において、発光波長と
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。
【図4】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。
【符号の説明】
1 結晶成長用反応管 2 基板加熱用サセプタ 3 基板 4 原料導入管 5 試料予備室 6 ターボ真空ポンプ 7,8 ロータリー真空ポンプ 9 原料ガスと水素との供給装置 10 水素供給口 11 アンモニアガス(NH3 )供給口 12A〜12G 水素流量計 13 CP2 Mg又はMCP2 Mg等の有機Mg化合物
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
フロントページの続き (56)参考文献 Journal of Electr ocheical Society V ol.121,No.9,pp.1202− 1207(1975) Journal of Electr onic Materials Vo l.14,No.5,pp.636−644 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 33/00 H01L 21/205

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  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
    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。
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Journal of Electrocheical Society Vol.121,No.9,pp.1202−1207(1975)
Journal of Electronic Materials Vol.14,No.5,pp.636−644

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