JP3193980B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Description
本発明は青色発光の窒素ガリウム系化合物半導体発光
素子に関する。
素子に関する。
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。 このようなGaN系の化合物半導体を用いた発光ダイオ
ードは、サファイア基板上に直接又は窒化アルミニウム
から成るバッファ層を介在させて、Ｎ型導電型のGaN系
の化合物半導体から成るＮ層を成長させ、そのＮ層の上
にＰ型不純物を添加してＩ型のGaN系の化合物半導体か
ら成るＩ層を成長させた構造をとっている（特開昭62−
119196号公報、特開昭63−188977号公報）。
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。 このようなGaN系の化合物半導体を用いた発光ダイオ
ードは、サファイア基板上に直接又は窒化アルミニウム
から成るバッファ層を介在させて、Ｎ型導電型のGaN系
の化合物半導体から成るＮ層を成長させ、そのＮ層の上
にＰ型不純物を添加してＩ型のGaN系の化合物半導体か
ら成るＩ層を成長させた構造をとっている（特開昭62−
119196号公報、特開昭63−188977号公報）。
しかし、上記構造の発光ダイオードの発光強度は未だ
十分ではなく、改良が望まれている。 そこで、本発明の目的は、GaN系の化合物半導体の発
光ダイオードの青色の発光強度を向上させることであ
る。
十分ではなく、改良が望まれている。 そこで、本発明の目的は、GaN系の化合物半導体の発
光ダイオードの青色の発光強度を向上させることであ
る。
本発明は、Ｎ型の窒素ガリウム系化合物半導体（AlXG
a1-XN;X＝０を含む）からなるＮ層と、Ｐ型不純物を添
加したＩ型の窒素ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;
X＝０を含む）からなるＩ層を有する窒素ガリウム系化
合物半導体発光素子において、Ｎ層をＩ層と接合する側
から順に、低キャリア濃度Ｎ層と高キャリア濃度N+層と
の二重層構造としたことである。 尚、上記低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度は１×10
14〜１×1017/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
素子と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以下になると発光強度が
低下するので望ましくない。 更に、高キャリア濃度N+層のキャリア濃度は１×1017
〜１×1019/cm3で膜厚は２〜10μｍが望ましい。キャリ
ア濃度が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、１×1017/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。
a1-XN;X＝０を含む）からなるＮ層と、Ｐ型不純物を添
加したＩ型の窒素ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;
X＝０を含む）からなるＩ層を有する窒素ガリウム系化
合物半導体発光素子において、Ｎ層をＩ層と接合する側
から順に、低キャリア濃度Ｎ層と高キャリア濃度N+層と
の二重層構造としたことである。 尚、上記低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度は１×10
14〜１×1017/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
素子と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以下になると発光強度が
低下するので望ましくない。 更に、高キャリア濃度N+層のキャリア濃度は１×1017
〜１×1019/cm3で膜厚は２〜10μｍが望ましい。キャリ
ア濃度が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、１×1017/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。
本発明は、Ｎ層をＩ層と接合する側から順に、低キャ
リア濃度Ｎ層と高キャリア濃度N+層との二重層構造とす
ることで、発光ダイオードの青色の発光強度を増加させ
ることができた。 即ち、高キャリア濃度N+層によりＮ層全体の電気抵抗
を小さくでき、発光ダイオードの直列抵抗が下がり、発
光ダイオードの発熱を抑えることができる。又、Ｉ層に
接合するＮ層は低キャリア濃度とすること、つまりGaN
を高純度化して発光領域（Ｉ層及びその近傍）の青色発
光を劣化させる不純物原子濃度を抑えることができる。
以上の作用により青色の発光強度が向上した。
リア濃度Ｎ層と高キャリア濃度N+層との二重層構造とす
ることで、発光ダイオードの青色の発光強度を増加させ
ることができた。 即ち、高キャリア濃度N+層によりＮ層全体の電気抵抗
を小さくでき、発光ダイオードの直列抵抗が下がり、発
光ダイオードの発熱を抑えることができる。又、Ｉ層に
接合するＮ層は低キャリア濃度とすること、つまりGaN
を高純度化して発光領域（Ｉ層及びその近傍）の青色発
光を劣化させる不純物原子濃度を抑えることができる。
以上の作用により青色の発光強度が向上した。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 第１図において、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500Å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2.2μｍ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0.2μｍのGaNから成るＩ層５が形成されて
いる。そして、Ｉ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。 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「MOVPE」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、NH3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）とジエチル亜鉛（以下「DEZ」
と記す）である。 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MOVPE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／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。 次に、温度を400℃まで低下させて、H2を26／分、N
H3を10／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／分、NH3を10／分、TMGを1.7×10-4モル／
分、H2で0.086ppmまで希釈したシラン（SiH4）を200ml/
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。 続いて、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、
H2を20／分、NH3を10／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。 次に、サファイア基板１を900℃にして、H2を20／
分、NH3を10／分、TMGを1.7×10-4モル／分、DEZを1.
5×10-4モル／分の割合で２分間供給して、膜厚0.2μｍ
のGaNから成るＩ層５を形成した。 このようにして、第２図に示すような多層構造が得ら
れた。 次に、第３図に示すように、Ｉ層５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を塗布して、フ
ォトリソグラフにより、そのフォトレジスト12を高キャ
リア濃度N+層３に対する電極形成部位のフォトレジスト
を除去したパターンに形成した。 次に、第４図に示すように、フォトレジスト12によっ
て覆われていないSiO2層11をフッ酸系エッチング液で除
去した。 次に、第５図に示すように、フォトレジスト12及びSi
O2層11によって覆われていない部位のＩ層５とその下の
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/cm3、CCl2F2
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。 次に、第６図に示すように、Ｉ層５上に残っているSi
O2層11をフッ酸で除去した。 次に、第７図に示すように、試料の上全面に、Al層13
を蒸着により形成した。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14が高キャリア濃度N+層３及びＩ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。 次に、第７図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Al層13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14をアセトンで除去
し、高キャリア濃度N+層３の電極８、Ｉ層５の電極７を
形成した。 このようにして、第１図に示すMIS（Metal−Insulato
r Semiconductor）構造の窒素ガリウム系発光素を製造
することができる。 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、0.2mcdであった。これは、単純に
Ｉ層とキャリア濃度５×1017/cm3、厚さ４μｍのＮ層と
を接続した従来の発光ダイオードに比べて、発光強度が
４倍に向上した。 又、発光面を観察した所、発光点の数が増加している
ことも観察された。 尚、比較のために、低キャリア濃度Ｎ層４のキャリア
濃度を各種変化させた上記試料を製造して、発光強度及
び発光スペクトラムを測定した。その結果を第８図に示
す。 キャリア濃度が増加するに連れて、発光強度が減少
し、且つ、発光波長が赤色側に変位することが分かる。
このことは、ドーピング元素のシリコンがＩ層５に不純
物元素として拡散または混入するためであると思われ
る。
板１を有しており、そのサファイア基板１に500Å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2.2μｍ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0.2μｍのGaNから成るＩ層５が形成されて
いる。そして、Ｉ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。 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「MOVPE」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、NH3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）とジエチル亜鉛（以下「DEZ」
と記す）である。 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MOVPE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／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。 次に、温度を400℃まで低下させて、H2を26／分、N
H3を10／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／分、NH3を10／分、TMGを1.7×10-4モル／
分、H2で0.086ppmまで希釈したシラン（SiH4）を200ml/
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。 続いて、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、
H2を20／分、NH3を10／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。 次に、サファイア基板１を900℃にして、H2を20／
分、NH3を10／分、TMGを1.7×10-4モル／分、DEZを1.
5×10-4モル／分の割合で２分間供給して、膜厚0.2μｍ
のGaNから成るＩ層５を形成した。 このようにして、第２図に示すような多層構造が得ら
れた。 次に、第３図に示すように、Ｉ層５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を塗布して、フ
ォトリソグラフにより、そのフォトレジスト12を高キャ
リア濃度N+層３に対する電極形成部位のフォトレジスト
を除去したパターンに形成した。 次に、第４図に示すように、フォトレジスト12によっ
て覆われていないSiO2層11をフッ酸系エッチング液で除
去した。 次に、第５図に示すように、フォトレジスト12及びSi
O2層11によって覆われていない部位のＩ層５とその下の
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/cm3、CCl2F2
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。 次に、第６図に示すように、Ｉ層５上に残っているSi
O2層11をフッ酸で除去した。 次に、第７図に示すように、試料の上全面に、Al層13
を蒸着により形成した。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14が高キャリア濃度N+層３及びＩ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。 次に、第７図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Al層13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14をアセトンで除去
し、高キャリア濃度N+層３の電極８、Ｉ層５の電極７を
形成した。 このようにして、第１図に示すMIS（Metal−Insulato
r Semiconductor）構造の窒素ガリウム系発光素を製造
することができる。 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、0.2mcdであった。これは、単純に
Ｉ層とキャリア濃度５×1017/cm3、厚さ４μｍのＮ層と
を接続した従来の発光ダイオードに比べて、発光強度が
４倍に向上した。 又、発光面を観察した所、発光点の数が増加している
ことも観察された。 尚、比較のために、低キャリア濃度Ｎ層４のキャリア
濃度を各種変化させた上記試料を製造して、発光強度及
び発光スペクトラムを測定した。その結果を第８図に示
す。 キャリア濃度が増加するに連れて、発光強度が減少
し、且つ、発光波長が赤色側に変位することが分かる。
このことは、ドーピング元素のシリコンがＩ層５に不純
物元素として拡散または混入するためであると思われ
る。
第１図は本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオー
ドの構成を示した構成図、第２図乃至第７図は同実施例
の発光ダイオードの製造工程を示した断面図、第８図は
低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度と発光強度及び発光
波長との関係を示した測定図である。 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、５……Ｉ層 7,8……電極
ドの構成を示した構成図、第２図乃至第７図は同実施例
の発光ダイオードの製造工程を示した断面図、第８図は
低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度と発光強度及び発光
波長との関係を示した測定図である。 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、５……Ｉ層 7,8……電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 科学技術振興事業団 埼玉県川口市本町４丁目１番８号 (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 馬淵 彰 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 佐々 道成 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 橋本 雅文 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (56)参考文献 特開 平２−288371（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−228776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−188938（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−188977（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−119196（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/205
Claims (1)
- 【請求項１】Ｎ型の窒素ガリウム系化合物半導体（AlXG
a1-XN;X＝０を含む）からなるＮ層と、Ｐ型不純物を添
加したＩ型の窒素ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;
X＝０を含む）からなるＩ層を有する窒素ガリウム系化
合物半導体発光素子において、 前記Ｎ層を前記Ｉ層と接合する側から順に、低キャリア
濃度Ｎ層と高キャリア濃度N+層との二重層構造としたこ
とを特徴とする発光素子。
Priority Applications (14)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5021090A JP3193980B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| CA002037198A CA2037198C (en) | 1990-02-28 | 1991-02-27 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| DE69126152T DE69126152T2 (de) | 1990-02-28 | 1991-02-27 | Lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit Gallium-Nitrid-Verbindung |
| EP91102921A EP0444630B1 (en) | 1990-02-28 | 1991-02-27 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US07/926,022 US5278433A (en) | 1990-02-28 | 1992-08-07 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound with double layer structures for the n-layer and/or the i-layer |
| US08/556,232 US5733796A (en) | 1990-02-28 | 1995-11-09 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US08/956,950 US6249012B1 (en) | 1990-02-28 | 1997-10-23 | Light emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US09/417,778 US6593599B1 (en) | 1990-02-28 | 1999-10-14 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US09/586,607 US6362017B1 (en) | 1990-02-28 | 2000-06-02 | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US09/677,788 US6607595B1 (en) | 1990-02-28 | 2000-10-02 | Method for producing a light-emitting semiconductor device |
| US09/677,787 US6472689B1 (en) | 1990-02-28 | 2000-10-02 | Light emitting device |
| US09/677,781 US6830992B1 (en) | 1990-02-28 | 2000-10-02 | Method for manufacturing a gallium nitride group compound semiconductor |
| US09/677,789 US6472690B1 (en) | 1990-02-28 | 2000-10-02 | Gallium nitride group compound semiconductor |
| US10/052,347 US6984536B2 (en) | 1990-02-28 | 2002-01-23 | Method for manufacturing a gallium nitride group compound semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5021090A JP3193980B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03252176A JPH03252176A (ja) | 1991-11-11 |
| JP3193980B2 true JP3193980B2 (ja) | 2001-07-30 |
Family
ID=12852735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5021090A Expired - Fee Related JP3193980B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3193980B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2006-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
-
1990
- 1990-02-28 JP JP5021090A patent/JP3193980B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03252176A (ja) | 1991-11-11 |
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