JP3221635B2 - Nitrogen-3 group compound semiconductor photoexcited sapphire light emitting device - Google Patents

Nitrogen-3 group compound semiconductor photoexcited sapphire light emitting device

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JP3221635B2
JP3221635B2 JP7775293A JP7775293A JP3221635B2 JP 3221635 B2 JP3221635 B2 JP 3221635B2 JP 7775293 A JP7775293 A JP 7775293A JP 7775293 A JP7775293 A JP 7775293A JP 3221635 B2 JP3221635 B2 JP 3221635B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は窒素−3族元素化合物半
導体による青色発光を励起光として用いたサファイア発
光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sapphire light emitting device using blue light emitted by a nitrogen-group III element compound semiconductor as excitation light.

【0002】[0002]

【従来技術】従来、青色の発光ダイオードとして、サフ
ァイア基板上にGaN 系の化合物半導体をエピタキシャル
成長させ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つである青色及び紫外光を発光色とする
こと等から注目されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a blue light emitting diode, a light emitting diode in which a GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on a sapphire substrate is known. Since the GaN-based compound semiconductor is a direct transition type, it has high luminous efficiency,
Attention has been paid to making blue and ultraviolet light, which is one of the three primary colors of light, the emission color.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の
発光素子がサファイア基板を通して光を取り出すように
したものであり発光色が青色及び紫外光であることか
ら、このサファイア基板にクロムイオンCr+3等の金属イ
オンを添加すれば、GaN から放射された光をクロムイオ
ンCr+3等の金属イオンの励起に用いることができ、その
光励起されたクロムイオンCr+3等の金属イオンの基底準
位への遷移により赤色系発光が得られることを着想し、
本発明を完成した。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors attempted to extract light through the sapphire substrate and emitted light of blue and ultraviolet light. if adding metal ions such as Cr +3, it is possible to use the light emitted from the GaN for excitation of metal ions such as chromium ions Cr +3, the photoexcited chromium ions Cr +3 such metal ions Inspired by the fact that red emission can be obtained by transition to the ground level,
The present invention has been completed.

【0004】従来、ルビーレーザが知られているが、励
起光源が大掛かりとなり、装置全体が大きいという問題
がある。本発明は上記の課題を解決するために成された
ものであり、その目的は、赤色系、赤色系と青色系との
混合色、赤色系と青色系とが平面的に分離配列されたよ
うな発光を可能としたコンパクトな発光素子を提供する
ことである。
Conventionally, a ruby laser has been known, but there is a problem that an excitation light source becomes large and the whole apparatus is large. The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and its object is to provide a system in which a red system, a mixed color of a red system and a blue system, and a red system and a blue system are separated and arranged in a plane. An object of the present invention is to provide a compact light emitting element capable of emitting light in a compact manner.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、金属イオンを
活性イオンとして含むサファイア基板と、サファイア基
板上に直接又はバッファ層を介してエピタキシャル成長
させた次の少なくとも2種の層であって、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)からなる第1層と、p型又はi型(半絶縁性)
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) からなる第2層と、サファイア基板上
に積層された半導体層の最上層において形成された、第
1層及び第2層に対する電極とを有し、第1層と第2層
とにより発光された光をサファイア基板に入射させ、そ
の光により金属イオンを光励起させ、基底準位への遷移
により光を放射させることを特徴とする光励起サファイ
ア発光素子である。
According to the present invention, there is provided a sapphire substrate containing metal ions as active ions, and at least two kinds of layers epitaxially grown on the sapphire substrate directly or through a buffer layer, wherein Type of nitrogen-
Group 3 element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY N; X = 0, Y = 0, X = Y = 0
And a p-type or i-type (semi-insulating)
Nitrogen-group III element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY N; X = 0, Y =
0, X = Y = 0), and an electrode for the first and second layers formed on the uppermost layer of the semiconductor layer laminated on the sapphire substrate. A light-excited sapphire light-emitting device is characterized in that light emitted by a layer and a second layer is incident on a sapphire substrate, the light is used to excite metal ions, and the light is emitted by transition to a ground level.

【0006】[0006]

【発明の作用及び効果】発光機構を具体的に説明するた
めに、サファイア基板中に添加された金属イオンがクロ
ムイオンCr+3の場合について、以下説明する。サファイ
ア基板中に添加されたクロムイオンCr+3の基底準位4A2
から励起準位4T2 又は4T1 への遷移は、波長0.55μ、0.
42μm の光により可能である。上記の窒素−3族元素化
合物半導体の各元素の成分比及び不純物元素の添加量を
適切に設定することで、クロムイオンCr+3の光励起に必
要な波長の光を発光させることができる。
In order to specifically explain the light emitting mechanism, the case where the metal ion added to the sapphire substrate is chromium ion Cr +3 will be described below. Ground level of chromium ions Cr +3 which is added to the sapphire substrate 4 A 2
The transition from to the excitation level 4 T 2 or 4 T 1 is at a wavelength of 0.55 μ, 0.
This is possible with 42 μm light. By appropriately setting the component ratio of each element and the addition amount of the impurity element of the nitrogen-group III element compound semiconductor, light having a wavelength necessary for photoexcitation of the chromium ion Cr +3 can be emitted.

【0007】この光をサファイア基板に入射させ、クロ
ムイオンCr+3を基底準位4A2 から励起準位4T2 又は4T1
へ励起させる。クロムイオンCr+3は励起準位4T2 又は4T
1 から準安定励起準位2Eへ非放射遷移し、その準安定励
起準位2Eから基底準位4A2 へ放射遷移する。これによ
り、サファイア基板から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)
が放射されるのが観測された。
This light is made incident on a sapphire substrate, and chromium ions Cr +3 are excited from the ground level 4 A 2 to the excited level 4 T 2 or 4 T 1.
To be excited. Chromium ion Cr +3 is excited level 4 T 2 or 4 T
Non-radiative transition from 1 to the metastable excited level 2 E and radiative transition from the metastable excited level 2 E to the ground level 4 A 2 . This allows red light (0.693 μm, 0.692 μm) from the sapphire substrate
Was observed to be emitted.

【0008】又、サファイア基板にクロムイオンCr+3
添加されていない場合には、窒素−3族元素化合物半導
体から放射された光は、サファイア基板で吸収されるこ
となく透過する。よって、本発明の発光素子は、サファ
イア基板に添加されるクロムイオンCr+3の濃度を変化さ
せることより、赤色から青色の範囲で発光色を変化させ
ることができる。又、サファイア基板にクロムイオンCr
+3を選択的に添加することにより、クロムイオンCr+3
添加された部分は赤色、非添加の部分は青色のように2
原色の点光源を有した発光素子とすることもできる。
When chromium ions Cr +3 are not added to the sapphire substrate, the light emitted from the group III element compound semiconductor is transmitted without being absorbed by the sapphire substrate. Therefore, the light emitting device of the present invention can change the emission color in the range from red to blue by changing the concentration of chromium ion Cr +3 added to the sapphire substrate. Also, chromium ion Cr on the sapphire substrate
By selectively adding +3 , the portion to which chromium ion Cr +3 is added is red, and the portion to which chromium ion Cr + 3 is not added is 2 like blue.
A light emitting element having a primary color point light source can also be used.

【0009】上述した発光機構は、クロムイオンCr+3
他に、鉄Fe、アンチモンSb、マンガンMn、モリブデンM
o、コバルトCo、ニッケルNi等の金属イオンであっても
同様である。又、サファイア基板上に窒素−3族元素化
合物半導体をエピタキシャル成長させて、窒素−3族元
素化合物半導体を励起光源としていることから、本発光
素子は非常に小型なものとすることができる。
The above-described light emission mechanism is based on the fact that, in addition to chromium ion Cr +3 , iron Fe, antimony Sb, manganese Mn, and molybdenum M
The same applies to metal ions such as o, cobalt Co and nickel Ni. Further, the present light emitting device can be made very small because the nitrogen-group III element compound semiconductor is epitaxially grown on the sapphire substrate and the nitrogen-group III element compound semiconductor is used as an excitation light source.

【0010】[0010]

【実施例】第1実施例 図1において、発光ダイオード10は、クロムイオンCr
+3が濃度0.05wt%(2 ×1019/cm3) に添加されたサファイ
ア基板1を有しており、そのサファイア基板1(a面(1
1-20) 上)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 μ
m、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン添加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の無添加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、正孔濃度1 ×1016/cm3のマ
グネシウム(Mg)添加GaN から成る低キャリア濃度p層5
1、膜厚約0.2 μm、正孔濃度 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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment In FIG.
+3 is added to the sapphire substrate 1 at a concentration of 0.05 wt% (2 × 10 19 / cm 3 ).
1-20) A buffer layer 2 of 500 nm AlN is formed on the upper side. On the buffer layer 2, a film thickness of about 2.2 μm
m, the electron concentration of 2 × 10 18 / cm high carrier concentration comprising a silicon addition of GaN 3 n + layer 3, a thickness of about 1.5 [mu] m, the electron concentration 1
× 10 16 / cm 3 Low carrier concentration n-layer 4 made of undoped GaN
Are formed. Further, on the low carrier concentration n layer 4, a low carrier concentration p layer 5 made of magnesium (Mg) doped GaN having a thickness of about 0.5 μm and a hole concentration of 1 × 10 16 / cm 3 is sequentially formed.
1. A high carrier concentration p + layer 52 having a thickness of about 0.2 μm and a hole concentration of 2 × 10 17 / cm 3 is formed. An electrode 7 made of nickel connected to the high carrier concentration p + layer 52 and an electrode 8 made of nickel connected to the high carrier concentration n + layer 3 are formed. The electrode 8 and the electrode 7 are electrically insulated and separated by the groove 9.

【0011】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。
Next, a method of manufacturing the light emitting diode 10 having this structure will be described. The light emitting diode 10 includes:
It was manufactured by vapor phase growth by an organometallic compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “M0VPE”). The gas used was NH
3 and the carrier gas H 2 and trimethylgallium (Ga (CH 3) 3)
(Hereinafter referred to as "TMG") and trimethylaluminum (Al
(CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMA”), silane (SiH 4 ), and biscyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) (hereinafter referred to as “CP 2 Mg”).

【0012】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
a面を主面とするクロムイオンCr+3が濃度0.05wt%(2 ×
1019/cm3) に添加された単結晶のサファイア基板1をM0
VPE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。
First, the chromium ion Cr +3 whose main surface is the a surface cleaned by organic cleaning and heat treatment has a concentration of 0.05 wt% (2 ×
The single crystal sapphire substrate 1 doped with 10 19 / cm 3 )
Attach to a susceptor placed in the reaction chamber of the VPE device. Next, the sapphire substrate 1 was subjected to gas phase etching at a temperature of 1100 ° C. while flowing H 2 at a flow rate of 2 liter / min at normal pressure into the reaction chamber.

【0013】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2
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を約 500Åの厚
さに形成した。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、TM
G を 1.7×10-4モル/分、H2で0.86ppm まで希釈したシ
ラン(SiH4)を 200 milliliter /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。
[0013] Next, by lowering the temperature to 400 ° C., and H 2
20 liter / min, NH 3 10 liter / min, TMA 1.8 × 10 -5
The buffer layer 2 of AlN was formed to a thickness of about 500 ° by supplying at a rate of mol / min. Next, the temperature of the sapphire substrate 1 is set to 1150 ° C.
Held in the H 2 20 liter / min, the NH 3 10 liter / min, TM
Silane (SiH 4 ) diluted to 1.7 × 10 −4 mol / min with G and 0.86 ppm with H 2 was supplied at a rate of 200 milliliter / min for 30 minutes to obtain a film thickness of about 2.2 μm and an electron concentration of 2 × 10 18 / min. A high carrier concentration n + layer 3 made of GaN of cm 3 was formed.

【0014】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。
Subsequently, the temperature of the sapphire substrate 1 is set to 1150 ° C.
, H 2 at 20 liter / min, NH 3 at 10 liter / min, TMG
At a rate of 1.7 × 10 -4 mol / min for 20 minutes,
A low carrier concentration n-layer 4 made of GaN having a thickness of 1.5 μm and an electron concentration of 1 × 10 16 / cm 3 was formed.

【0015】次に、サファイア基板1を1150℃に保持し
て、H2 を20 liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を
1.7×10-4モル/分、CP2Mg を 2×10-7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。
Next, while maintaining the sapphire substrate 1 at 1150 ° C., H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, and TMG is
1.7 × 10 −4 mol / min and CP 2 Mg were supplied at a rate of 2 × 10 −7 mol / min for 7 minutes to form a 0.5 μm-thick low carrier concentration p-layer 51 made of GaN. In this state, the low carrier concentration p layer 51 is still an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.

【0016】次に、サファイア基板1を1150℃に保持し
たまま、H2 を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMG
を 1.7×10-4モル/分、CP2Mg を 3×10-6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。
Next, while maintaining the sapphire substrate 1 at 1150 ° C., H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG
Was supplied at a rate of 1.7 × 10 −4 mol / min and CP 2 Mg at a rate of 3 × 10 −6 mol / min for 3 minutes to form a 0.2 μm thick GaN high carrier concentration p + layer 52. In this state, the high carrier concentration p + layer 52 is still an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.

【0017】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、正孔濃度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、正孔濃度 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。
Next, the above-mentioned high carrier concentration p + layer 52 and low carrier concentration p layer 5
1 was uniformly irradiated with an electron beam. The electron beam irradiation conditions were: acceleration voltage 10 KV, sample current 1 μA, beam moving speed 0.2 mm /
sec, the beam diameter is 60 μmφ, and the degree of vacuum is 2.1 × 10 −5 Torr. By the irradiation of the electron beam, the low carrier concentration p layer 51 is formed.
Is a p-type semiconductor having a hole concentration of 1 × 10 16 / cm 3 and a resistivity of 40 Ωcm, and the high carrier concentration p + layer 52 has a hole concentration of 2 × 10 16 / cm 3 .
It became a p-type semiconductor having × 10 17 / cm 3 and resistivity of 2Ωcm.
Thus, a wafer having a multilayer structure as shown in FIG. 2 was obtained.

【0018】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、同一
構造の素子が連続的に形成されているウエハについて、
処理が行われ、その後、そのウエハは各素子毎に切断さ
れる。
FIGS. 3 to 7 described below are cross-sectional views showing only one device on the wafer. Actually, a wafer in which devices having the same structure are continuously formed is shown in FIG.
Processing is performed, and then the wafer is cut for each device.

【0019】図3に示すように、高キャリア濃度p+
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。
As shown in FIG. 3, an SiO 2 layer 11 is formed on the high carrier concentration p +
It was formed in thickness. Next, a photoresist 12 was applied on the SiO 2 layer 11. Then, by photolithography, on the high carrier concentration p + layer 52, the electrode formation site A corresponding to the hole 15 formed so as to reach the high carrier concentration n + layer 3 and the electrode formation portion are formed with the high carrier concentration p +
The photoresist in the portion B where the groove 9 for insulating and separating from the electrode of the layer 52 was formed was removed.

【0020】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10 milliliter/分の割合で供
給し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。
Next, as shown in FIG. 4, the SiO 2 layer 11 not covered with the photoresist 12 was removed with a hydrofluoric acid-based etchant. Next, as shown in FIG.
The upper surface of the high carrier concentration p + layer 52 at a portion not covered by the photoresist 12 and the SiO 2 layer 11 and the lower carrier concentration p layer 51, the low carrier concentration n layer 4, and the high carrier concentration n + layer 3 The part was dry-etched by supplying a degree of vacuum of 0.04 Torr, high-frequency power of 0.44 W / cm 2 , and BCl 3 gas at a rate of 10 milliliter / min. In this step, a hole 15 for extracting an electrode from the high carrier concentration n + layer 3 and a groove 9 for insulating and separating were formed.

【0021】次に、図6に示すように、高キャリア濃度
+ 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、
ニッケル層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
たニッケル層13が形成される。そして、そのニッケル
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。
Next, as shown in FIG. 6, the SiO 2 layer 11 remaining on the high carrier concentration p + layer 52 was removed with hydrofluoric acid. Next, as shown in FIG.
The nickel layer 13 was formed by vapor deposition. As a result, the nickel layer 13 electrically connected to the high carrier concentration n + layer 3 is formed in the hole 15. Then, a photoresist 14 is applied on the nickel layer 13, and a predetermined photolithography is performed so that the photoresist 14 has an electrode portion for the high carrier concentration n + layer 3 and the high carrier concentration p + layer 52. A pattern was formed into a shape.

【0022】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ニッケル層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に蒸着されたニッケル層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。
Next, as shown in FIG. 7, the exposed portion of the lower nickel layer 13 was etched with a nitric acid-based etchant using the photoresist 14 as a mask. At this time, the nickel layer 13 deposited on the trench 9 for insulation isolation is completely removed. Next, the photoresist 14 was removed with acetone, and the electrode 8 of the high carrier concentration n + layer 3 and the electrode 7 of the high carrier concentration p + layer 52 were left. Thereafter, the wafer processed as described above was cut into individual devices to obtain a gallium nitride-based light emitting device having a pn structure shown in FIG.

【0023】このようにして製造された発光ダイオード
10に駆動電流20mAを通電したところ、サファイア基板
1から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)が放射されるのが
観測された。
When a drive current of 20 mA was applied to the light emitting diode 10 manufactured as described above, red light (0.693 μm, 0.692 μm) was observed to be emitted from the sapphire substrate 1.

【0024】尚、クロムイオンを添加しないサファイア
基板を用いた場合には、中心波長O.390 μm のGaN 半導
体で発光された青色の発光が観測された。
When a sapphire substrate to which chromium ions were not added was used, blue light emitted from a GaN semiconductor having a center wavelength of 0.390 μm was observed.

【0025】この機構は次のように考えられる。マグネ
シウムMgを添加したGaN のフォトルミネッセンス強度
は、図8に示す分布となる。中心波長O.390 μm であ
る。従って、低キャリア濃度n層4と低キャリア濃度p
層51とから発光する光のスペクトル分布も図8に示す
ような特性となる。この波長の光は、図10に示すよう
に、クロムイオンCr3+を基底準位4A2 から励起準位4T1
に遷移させることができる。クロムイオンCr3+は、励起
準位4T1 から準安定励起準位2Eに非放射遷移により緩和
する。そして、クロムイオンCr3+の準安定励起準位2Eか
ら基底準位4A2 への緩和により光が放射される。クロム
イオンCr3+の添加されたサファイア基板1を通過した光
は、図9に示すように、波長0.693 μm(1.788eV:R1ライ
ン) と波長0.692 μm(1.792eV:R2ライン) の2本の線ス
ペクトルを示した。
This mechanism is considered as follows. The photoluminescence intensity of GaN doped with magnesium Mg has the distribution shown in FIG. The central wavelength is 0.390 μm. Therefore, the low carrier concentration n layer 4 and the low carrier concentration p
The spectral distribution of light emitted from the layer 51 also has characteristics as shown in FIG. As shown in FIG. 10, light of this wavelength causes the chromium ion Cr 3+ to move from the ground level 4 A 2 to the excited level 4 T 1
Can be transitioned to The chromium ion Cr 3+ is relaxed by a non-radiative transition from the excited level 4 T 1 to the metastable excited level 2 E. Then, light is emitted by the relaxation of the chromium ion Cr 3+ from the metastable excited level 2 E to the ground level 4 A 2 . As shown in FIG. 9, the light passing through the sapphire substrate 1 to which the chromium ion Cr 3+ is added has two wavelengths of 0.693 μm (1.788 eV: R 1 line) and 0.692 μm (1.792 eV: R 2 line). The line spectrum of the book is shown.

【0026】尚、上記の実施例では、発光に寄与する低
キャリア濃度n層4と低キャリア濃度p層51とをGaN
で形成したが、窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) で構成しても良い。
又、上記の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-Y
N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) にZnを添加したi型(半絶縁
性)の層とn型の層とを用いたMIS構造であっても良
い。添加する不純物元素の添加割合と、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)
の成分比を適切に選択することで、クロムイオンCr3+
励起するに必要な波長0.55μ、0.42μm を含む波長の光
を発光させることができる。この結果、サファイア基板
から赤色(0.693μm 、0.692 μm)の光を得ることができ
る。
In the above embodiment, the low carrier concentration n layer 4 and the low carrier concentration p layer 51 contributing to light emission are
Formed by a nitrogen-group III element compound semiconductor (Al x Ga Y In
1-XY N; including X = 0, Y = 0, and X = Y = 0).
In addition, the above-mentioned nitrogen-3 group element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY
A MIS structure using an i-type (semi-insulating) layer in which Zn is added to N; X = 0, Y = 0, and X = Y = 0) and an n-type layer may be used. Addition ratio of impurity element to be added and nitrogen-group III element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY N; including X = 0, Y = 0, X = Y = 0)
By appropriately selecting the component ratio, light having a wavelength including 0.55 μm and 0.42 μm necessary for exciting the chromium ion Cr 3+ can be emitted. As a result, red (0.693 μm, 0.692 μm) light can be obtained from the sapphire substrate.

【0027】又、サファイア基板1に添加するクロムイ
オンCr3+の濃度は1wt% 以下が望ましい。クロムイオン
Cr3+の濃度が 5×1016/cm3でも上記の赤色の発光が観測
された。現在のところ、最も望ましいクロムイオンCr3+
濃度は、0.05wt%(2 ×1019/cm3) である。サファイア基
板1に添加するクロムイオンCr3+の濃度を変化させるこ
とにより、赤色から青色までの混合色の光を得ることが
できる。さらに、サファイア基板1に選択的にクロムイ
オンCr3+を添加することにより、赤色光源と青色光源と
を平面的に極めて接近させた発光素子としたり、2原色
のドットマトリックス平面ディスプレイとすることも可
能となる。
It is desirable that the concentration of chromium ion Cr 3+ added to the sapphire substrate 1 is 1 wt% or less. Chromium ion
Even when the concentration of Cr 3+ was 5 × 10 16 / cm 3 , the above red light emission was observed. At present, the most desirable chromium ion Cr 3+
The concentration is 0.05 wt% (2 × 10 19 / cm 3 ). By changing the concentration of the chromium ion Cr 3+ added to the sapphire substrate 1, light of a mixed color from red to blue can be obtained. Further, by selectively adding chromium ions Cr 3+ to the sapphire substrate 1, a red light source and a blue light source can be made extremely close to each other in a plane, or a two-primary dot matrix flat display can be obtained. It becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a first specific example of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the embodiment.

【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。
FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing step of the light-emitting diode of the embodiment.

【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。
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing step of the light-emitting diode of the same embodiment.

【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。
FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process of the light emitting diode of the same embodiment.

【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。
FIG. 6 is a sectional view showing the manufacturing process of the light-emitting diode of the example.

【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。
FIG. 7 is a sectional view showing the manufacturing process of the light emitting diode of the same embodiment.

【図8】マグネシウムMgを添加したGaN のフォトルミネ
ッセンススペクトルを測定した特性図。
FIG. 8 is a characteristic diagram obtained by measuring a photoluminescence spectrum of GaN to which magnesium Mg is added.

【図9】クロムイオンCr3+を添加したサファイア基板上
に成長させマグネシウムMgを添加したGaN のサファイア
基板を通過した光のフォトルミネッセンススペクトルを
測定した特性図。
FIG. 9 is a characteristic diagram obtained by measuring a photoluminescence spectrum of light grown on a sapphire substrate to which chromium ion Cr 3+ is added and passed through a GaN sapphire substrate to which magnesium Mg is added.

【図10】クロムイオンCr3+を添加したサファイア基板
の光励起と発光機構を説明した説明図。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the photoexcitation and light emission mechanisms of a sapphire substrate to which chromium ions Cr 3+ are added.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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…低キャリア濃度p層 52…高キャリア濃度p+ 層 7,8…電極 9…溝DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light emitting diode 1 ... Sapphire substrate 2 ... Buffer layer 3 ... High carrier concentration n + layer 4 ... Low carrier concentration n layer 51 ... Low carrier concentration p layer 52 ... High carrier concentration p + layer 7, 8 ... Electrode 9 ... Groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 591014949 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心1丁目1番38− 805 (73)特許権者 591014950 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手2丁目104 宝マンション山の手508号 (72)発明者 カリン マイヤー ドイツ連邦共和国 ディ8000 ミュンヘ ン19レオンロートシュトラーセ54 フラ ウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァン テン フォアシュンク エー.ファオ. 内 (72)発明者 ユルゲン シュナイダー ドイツ連邦共和国 ディ8000 ミュンヘ ン19レオンロートシュトラーセ54 フラ ウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァン テン フォアシュンク エー.ファオ. 内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心1丁目1番38− 805 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区神丘町二丁目21 虹ケ丘東団地19号棟103号室 (72)発明者 真部 勝英 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3−218625(JP,A) 特開 平2−229475(JP,A) Jpn.J.Appl.Phys.P art 2,Vol.32,No.6B, p.L846−L848 Appl.Phys.Lett.Vo l.64,No.7,p.857−859 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (73) Patent holder 591014949 Isamu Akasaki 1-38-805, Joshin, Nishi-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture (73) Patent holder 591014950 Hiroshi Amano 2-104 Yamanote, Naito-ku, Nagoya-shi, Aichi Takara Mansion Yamanote 508 (72) Inventor Karin Meyer Germany 8000 München 19 Leonrotstraße 54 Fraunhofer-Geselshaft z Federlung der Angevannten Forschunk A. (72) Inventor Jürgen Schneider Germany 8000 München 19 Leonrottstrasse 54 Fraunhofer-Geselshaft zer Felderung der Angevann ten Forschunk A. Fao. (72) Inventor Isamu Akasaki 1-38-805, Joshin 1-chome, Nishi-ku, Nagoya, Aichi Prefecture (72) Inventor Hiroshi Amano 2--21, Jingu-cho, Meito-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Room No. 19, Building 103, Nijigaoka East Complex (72 ) Inventor Katsuhide Shinbe 1 Ogataai Ogata, Kasuga-cho, Nishi-Kasugai-gun, Aichi Prefecture Inside Toyoda Gosei Co., Ltd. (56) References JP-A-3-218625 (JP, A) JP-A-2-229475 (JP, A) Jpn. J. Appl. Phys. Part 2, Vol. 32, No. 6B, p. L846-L848 Appl. Phys. Lett. Vol. 64, no. 7, p. 857-859 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】金属イオンを活性イオンとして含むサファ
イア基板と、 前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介してエ
ピタキシャル成長させた次の少なくとも2種の第1層及
び第2層であって、 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)からなる第1層と、 p型又はi型(半絶縁性)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) からなる第
2層と、 前記サファイア基板上に積層された半導体層の最上層に
おいて形成された、前記第1層及び前記第2層に対する
電極とを有し、 前記第1層と前記第2層とにより発光された光を前記サ
ファイア基板に入射させ、その光により金属イオンを光
励起させ、基底準位への遷移により光を放射させる光励
起サファイア発光素子。
1. An n-type sapphire substrate containing metal ions as active ions, and at least two types of first and second layers epitaxially grown on the sapphire substrate directly or via a buffer layer. Nitrogen-group III element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY N; X =
0, Y = 0, X = Y = 0) and a p-type or i-type (semi-insulating) nitrogen-group III element compound semiconductor (Al x Ga Y In 1-XY N; X = 0, Y = 0, and X = Y = 0), and the first layer and the second layer formed on the uppermost layer of a semiconductor layer laminated on the sapphire substrate. And light emitted by the first layer and the second layer is incident on the sapphire substrate, and the light is used to excite metal ions and emit light by transition to a ground level. Photo-excited sapphire light emitting device.
【請求項2】前記金属イオンは前記クロムイオンCr+3
あり、前記クロムイオンCr+3は前記サファイア基板中に
1wt%以下含まれることを特徴とする請求項1に記載の
光励起サファイア発光素子。
2. The light-excited sapphire light emitting device according to claim 1, wherein said metal ion is said chromium ion Cr +3 , and said chromium ion Cr +3 is contained in said sapphire substrate in an amount of 1 wt% or less. .
【請求項3】前記第2層はマグネシウムMg又は亜鉛Znが
添加されていることを特徴とする請求項1に記載の光励
起サファイア発光素子。
3. The photoexcited sapphire light emitting device according to claim 1, wherein said second layer is doped with magnesium Mg or zinc Zn.
【請求項4】前記第2層はマグネシウムMgが添加された
後、電子線の照射によりp型を示す層であることを特徴
とする請求項1に記載の光励起サファイア発光素子。
4. The light-excited sapphire light-emitting device according to claim 1, wherein said second layer is a layer exhibiting p-type upon irradiation with an electron beam after magnesium Mg is added.
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