JP3408351B2 - Group III-V compound semiconductor doped with nitrogen impurity and method for manufacturing the same - Google Patents

Group III-V compound semiconductor doped with nitrogen impurity and method for manufacturing the same

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JP3408351B2
JP3408351B2 JP05435295A JP5435295A JP3408351B2 JP 3408351 B2 JP3408351 B2 JP 3408351B2 JP 05435295 A JP05435295 A JP 05435295A JP 5435295 A JP5435295 A JP 5435295A JP 3408351 B2 JP3408351 B2 JP 3408351B2
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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】本発明は電気−光変換効率が高
く、種々の発光波長を持つ発光素子および励起子を利用
したデバイスを作製するのに好適な構造の窒素不純物を
ドーピングしたIII−V族化合物半導体およびその作製
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to III-V doped with nitrogen impurities, which has a high electro-optical conversion efficiency and is suitable for producing a light emitting device having various emission wavelengths and a device using excitons. A group compound semiconductor and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザダイオードあるいは発光ダイオー
ド等の発光素子において、電気から光エネルギー変換の
高効率化は、半導体デバイスに関する研究の重要なテー
マの一つである。高効率の光デバイスを作製するために
は、光および電流を閉じ込める必要があり、ダブルヘテ
ロ構造が広く採用されている。さらに、いっそうの効率
の高い発光素子を作製するためには、発光強度が強く、
エネルギー分布の狭いフォトルミネッセンス(光ルミネ
ッセンス…Photoluminescence:PL)発光を持つ構造、
あるいは材料を開発する必要がある。また、エキシトン
(励起子…exciton)を利用した励起子デバイスに対し
ても同様の性質が必要である。窒素不純物をGaP化合
物半導体にドーピングした構造は、VPE(気相成長…
Vapor Phase Epitaxy)法を用いて作製されている。こ
の窒素不純物は、GaP中で等電子トラップ(電荷を持
たない捕獲中心)となり、エネルギー分布の狭い多数の
PL発光が観察されている〔D.G.Thomas,J.J.Hopfield,
and C.J.Frosch,Phys.Rev.Lett.15(1965)p.857〕。こ
れらの発光は、結晶中に存在する窒素不純物ペアにエキ
シトンが捕獲されるために起こるものである。このエキ
シトンの捕獲エネルギーは、窒素不純物ペアを形成する
2つの窒素不純物間の距離に依存している。ペアを形成
する窒素不純物の距離が短いほど捕獲エネルギーは大き
くなる。従来の方法では、窒素不純物は成長を停止する
ことなく、成長と同時にドーピングされている。したが
って、窒素不純物はGaP中に一様に含まれていること
になる。このように一様に窒素不純物をドーピングした
場合には、窒素不純物の濃度を変化させても全体的なP
L強度が変化するだけであり、多数のPL発光のうち、
いずれか一つだけを選択的に増加させることはできな
い。GaPで得られるエネルギー分布の狭いPL発光特
性は、GaPの発光ダイオードに生かされている。しか
しながら、GaP中に窒素原子をドーピングした層とド
ーピングしていない層を組合わせることにより、発光強
度を増加させたり、発光波長を制御した報告例は見当ら
ない。また、このGaPを量子井戸とするダブルヘテロ
構造は作製されていない。GaPのバンドギャップより
も大きいバンドギャップを持つ適当なIII−V族化合物
半導体が存在しないからである。さらに、GaP膜は間
接半導体であるので、レーザダイオードの作製は極めて
困難である。また、直接半導体であるGaAsに窒素不
純物をドーピングすることにより、エネルギー分布の狭
いPL発光が観察されている〔R.Schwabe,W.Seifert,F.
Bugge,R.Bindemann,V.F.Agekyan and S.V.Pogarev,Soli
d State Commun.55(1985)p.167〕。また、GaAs中
へ1層程度のGaN層を形成してPL発光を測定した報
告例がある〔M.Sato,Extended Abstracts of the 1994
International Conference on solid State Devices an
d Materials,Yokohama(1994)p.7〕。この報告では、
窒素原子の面密度が1×1014/cm2以上と高いため
にGaN層を形成し、エネルギー分布の狭いエキシトン
によるPL発光は観察されていない。窒素不純物ペアに
よるエキシトン捕獲中心の形成ではなく、窒素原子をホ
スト原子として用いている。また、成長中断させたGa
As表面上にSiなどの不純物を供給して、ドーピング
を行う方法(原子層ドーピング法)がある。この場合に
は、供給時間を増加させて不純物のドーピング量を増加
させることにより、高濃度のキャリア濃度が得られる。
しかしながら、n型不純物であるSiではペアを形成す
ると活性化しなくなる〔S.Sasa,S.Muto,K.Kondo,H.Ishi
kawa and S.Hiyamizu,Jpn.J.Appl.Phys,24(1985)L60
2〕。したがって、成長を中断することによるSiペア
の形成は好ましくない。ドーピング量を高くするために
は供給時間を長くする必要はなく、逆に供給時間を長く
するとSi不純物のペアが形成されるためにキャリア濃
度は減少するものと考えられている。また、p型および
n型原子層ドーピングを交互に行ったドーピング超格子
が作製されている。この超格子ではドーピング量を調節
することにより、PL発光波長を制御することが可能で
ある。しかしながら、このドーピング超格子ではエネル
ギー分布の狭い発光を得ることはできない。また、励起
強度により内部電界強度が変化するために、動作中に発
光波長が変化するという問題がある〔E.F.Schubert,Y.H
orikoshi and K.Ploog,Phys.Rev.B(1985)p.1085〕。
このことから、ドーピング超格子は発光素子として利用
されていない。また、傾斜基板を用いることによりp型
あるいはn型不純物のドーピング効率を高めることが可
能である。この場合には原料ガスの分解効率が上昇した
こと、あるいは不純物の再蒸発が抑制されるためである
〔M.Kondo,C.Anayama,T.Tanahashi and S.Yamazaki,J.C
ryst.Growth 124(1992)p.449〕。この場合には、取り
込まれる不純物の濃度が増加している。後述するが、本
発明では傾斜基板を用いてもドーピングされた等電子ト
ラップである窒素不純物の濃度は変化しない。また、レ
ーザダイオードには、直接半導体であるGaAs、In
GaAsなどが用いられる。そして、しきい電流を低減
するために、GaAs、InGaAsなどバンドギャッ
プの小さい半導体を、AlGaAs、InAlAs、I
nPなどのバンドギャップの大きな半導体で挟んだダブ
ルヘテロ構造が用いられている。この構造では、フォト
ルミネッセンス発光が強いことが特徴である。しかしな
がら、そのPL発光のエネルギー分布に広がりがあるた
めしきい電流のさらなる低減化が阻止されているものと
考えられる。
2. Description of the Related Art In a light emitting device such as a laser diode or a light emitting diode, increasing the efficiency of conversion of electricity from light energy is one of the important themes of research on semiconductor devices. In order to fabricate a highly efficient optical device, it is necessary to confine light and current, and the double hetero structure is widely adopted. Furthermore, in order to manufacture a light emitting device with higher efficiency, the emission intensity is strong,
Photoluminescence (PL) structure with narrow energy distribution,
Or it is necessary to develop materials. Similar properties are required for exciton devices that use excitons. The structure in which the GaP compound semiconductor is doped with nitrogen impurities has a VPE (vapor phase growth ...
It is manufactured using the Vapor Phase Epitaxy method. This nitrogen impurity acts as an isoelectron trap (capture center without charge) in GaP, and a large number of PL light emission with a narrow energy distribution has been observed [DG Thomas, JJ Hopfield,
and CJ Frosch, Phys. Rev. Lett. 15 (1965) p.857]. These luminescence are caused by excitons being trapped by nitrogen impurity pairs existing in the crystal. The trapping energy of this exciton depends on the distance between two nitrogen impurities forming a nitrogen impurity pair. The shorter the distance between the nitrogen impurities forming the pair, the higher the trapping energy. In the conventional method, the nitrogen impurities are doped at the same time as the growth without stopping the growth. Therefore, the nitrogen impurities are uniformly contained in GaP. In the case where the nitrogen impurities are uniformly doped in this way, even if the concentration of the nitrogen impurities is changed, the total P
Only the L intensity changes, and among the many PL emissions,
Only one of them cannot be selectively increased. The PL light emission characteristic with a narrow energy distribution obtained by GaP is utilized in the GaP light emitting diode. However, there are no reports that increase the emission intensity or control the emission wavelength by combining a layer in which Ga atoms are doped with a nitrogen atom and a layer in which GaP is not doped. Further, the double hetero structure using GaP as a quantum well has not been manufactured. This is because there is no suitable III-V group compound semiconductor having a band gap larger than that of GaP. Furthermore, since the GaP film is an indirect semiconductor, it is extremely difficult to manufacture a laser diode. In addition, PL luminescence with a narrow energy distribution has been observed by directly doping GaAs, which is a semiconductor, with nitrogen impurities [R. Schwabe, W. Seifert, F.
Bugge, R.Bindemann, VF Agekyan and SV Pogarev, Soli
d State Commun. 55 (1985) p.167]. In addition, there is a report example in which PL emission was measured by forming about one GaN layer in GaAs [M. Sato, Extended Abstracts of the 1994.
International Conference on solid State Devices an
d Materials, Yokohama (1994) p.7]. In this report,
Since the surface density of nitrogen atoms is as high as 1 × 10 14 / cm 2 or more, a GaN layer is formed and PL emission due to excitons having a narrow energy distribution is not observed. Rather than the formation of exciton traps by nitrogen impurity pairs, nitrogen atoms are used as host atoms. In addition, the growth of Ga
There is a method (atomic layer doping method) of performing doping by supplying impurities such as Si on the As surface. In this case, a high carrier concentration can be obtained by increasing the supply time and the impurity doping amount.
However, Si, which is an n-type impurity, becomes inactive when paired [S.Sasa, S.Muto, K.Kondo, H.Ishi.
kawa and S. Hiyamizu, Jpn.J.Appl.Phys, 24 (1985) L60
2]. Therefore, the formation of Si pairs by interrupting the growth is not preferable. It is considered that it is not necessary to lengthen the supply time to increase the doping amount, and conversely, if the supply time is lengthened, a pair of Si impurities is formed and the carrier concentration decreases. In addition, a doping superlattice has been produced in which p-type and n-type atomic layer doping is alternately performed. In this superlattice, the PL emission wavelength can be controlled by adjusting the doping amount. However, it is not possible to obtain light emission with a narrow energy distribution with this doping superlattice. In addition, there is a problem that the emission wavelength changes during operation because the internal electric field strength changes due to the excitation intensity [EF Schubert, YH
orikoshi and K. Ploog, Phys. Rev. B (1985) p.1085].
Therefore, the doped superlattice is not used as a light emitting device. Further, by using the inclined substrate, the doping efficiency of p-type or n-type impurities can be increased. In this case, the decomposition efficiency of the source gas is increased or the re-evaporation of impurities is suppressed (M.Kondo, C. Anayama, T. Tanahashi and S. Yamazaki, JC.
ryst.Growth 124 (1992) p.449]. In this case, the concentration of impurities taken in increases. As will be described later, in the present invention, the concentration of the nitrogen impurity that is a doped isoelectron trap does not change even if the inclined substrate is used. Further, the laser diode is directly connected to semiconductors such as GaAs and In.
GaAs or the like is used. In order to reduce the threshold current, semiconductors having a small band gap such as GaAs and InGaAs are replaced with AlGaAs, InAlAs and I.
A double hetero structure sandwiched between semiconductors having a large band gap such as nP is used. This structure is characterized by strong photoluminescence emission. However, it is considered that the further reduction of the threshold current is prevented because the energy distribution of the PL emission has a spread.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、良好
な特性を持つ発光素子および励起子を利用したデバイス
の開発には、波長の制御性があって、発光強度が強く、
エネルギー分布の狭いPL発光を持つ構造の化合物半導
体の開発が必要となる。
As described above, in the development of a device using a light-emitting element having good characteristics and an exciton, wavelength controllability and strong emission intensity are required.
It is necessary to develop a compound semiconductor having a structure having PL emission with a narrow energy distribution.

【0004】本発明の目的は、上記した従来技術におけ
る種々の問題点を解消し、電気−光変換効率が高く、種
々の発光波長を持つ発光素子および励起子を利用したデ
バイスを作製するのに好適な構造の窒素不純物をドーピ
ングしたIII−V族化合物半導体およびその作製方法を
提供することにある。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems in the prior art, to produce a device using a light emitting element and excitons having high electric-optical conversion efficiency and various emission wavelengths. It is an object of the present invention to provide a III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities having a preferable structure and a method for manufacturing the same.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項1に記
載のように、窒素不純物をドーピングした第1のIII−
V族化合物半導体層と、この第1の半導体層と同じ組成
の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を有し、上記第1のI
II−V族化合物半導体層を、上記第2のIII−V族化合
物半導体層で挟んだ構造となし、上記第1のIII−V族
化合物半導体層の厚さを20nm以下とする窒素不純物
をドーピングしたIII−V族化合物半導体とするもので
ある。また、本発明は請求項2に記載のように、窒素不
純物をドーピングした第1のIII−V族化合物半導体層
と、この第1の半導体層と同じ組成の半導体であり、か
つ窒素不純物をドーピングしていない第2のIII−V族
化合物半導体層を有し、上記第1のIII−V族化合物半
導体層と上記第2のIII−V族化合物半導体層とを交互
に積層した構造となし、上記第1のIII−V族化合物半
導体層の厚さを20nm以下とする窒素不純物をドーピ
ングしたIII−V族化合物半導体とするものである。ま
た、本発明は請求項3に記載のように、窒素不純物をド
ーピングした第1のIII−V族化合物半導体層と、この
第1の半導体層と同じ組成の半導体であり、かつ窒素不
純物をドーピングしていない第2のIII−V族化合物半
導体層を有し、上記第1のIII−V族化合物半導体層
を、上記第2のIII−V族化合物半導体層で挟んだ構造
を、上記第1のIII−V族化合物半導体層よりもバンド
ギャップの大きい第3のIII−V族化合物半導体層で挟
んだ構造となし、上記第1のIII−V族化合物半導体層
の厚さを20nm以下とする窒素不純物をドーピングし
たIII−V族化合物半導体とするものである。また、本
発明は請求項4に記載のように、請求項1ないし請求項
3のいずれか1項に記載の窒素不純物をドーピングした
III−V族化合物半導体において、第1のIII−V族化合
物半導体層における窒素不純物の面密度を1×10 13
/cm以下とするものである。さらに、本発明は請求
に記載のように、基板上に窒素不純物をドーピング
していない第2のIII−V族化合物半導体層を成長する
第1の工程と、上記第2のIII−V族化合物半導体層の
成長を中断し、該第2のIII−V族化合物半導体層の表
面に窒素不純物を供給する第2の工程と、上記第2の工
程の終了後に、再び、窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を成長する第3の工
程を、少なくとも含む窒素不純物をドーピングしたIII
−V族化合物半導体の作製方法とするものである。ま
た、本発明請求項に記載のように、請求項におい
て、第2の工程と第3の工程との間に、所定の時間の
間、成長も窒素不純物の添加も行わない第4の工程を含
む窒素不純物をドーピングしたIII−V族化合物半導体
の作製方法とするものである。
In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the present invention has a constitution as set forth in the claims. That is, according to the present invention, as described in claim 1, the first III-type doped with nitrogen impurities is used.
The semiconductor device includes a group V compound semiconductor layer and a second group III-V compound semiconductor layer having the same composition as that of the first semiconductor layer and not doped with nitrogen impurities.
The II-V group compound semiconductor layer is sandwiched between the second III-V group compound semiconductor layers, and the first III-V group is formed.
The compound semiconductor layer is a III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities having a thickness of 20 nm or less . Further, according to the present invention, as described in claim 2, the first III-V group compound semiconductor layer doped with a nitrogen impurity, the semiconductor having the same composition as the first semiconductor layer, and the nitrogen impurity doped. A second III-V compound semiconductor layer which is not formed, and has a structure in which the first III-V compound semiconductor layer and the second III-V compound semiconductor layer are alternately laminated . Half of the first III-V group compound
A III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities having a conductor layer thickness of 20 nm or less is used. According to a third aspect of the present invention, the first III-V group compound semiconductor layer doped with a nitrogen impurity and the semiconductor having the same composition as the first semiconductor layer are doped with the nitrogen impurity. A second III-V group compound semiconductor layer which is not formed, and the first III-V group compound semiconductor layer is sandwiched by the second III-V group compound semiconductor layer, The third III-V compound semiconductor layer has a band gap larger than that of the third III-V compound semiconductor layer, and the first III-V compound semiconductor layer is formed.
Is a group III-V compound semiconductor doped with a nitrogen impurity having a thickness of 20 nm or less . Further, according to the present invention, as described in claim 4, the nitrogen impurity according to any one of claims 1 to 3 is doped.
In the III-V compound semiconductor, the surface density of nitrogen impurities in the first III-V compound semiconductor layer is set to 1 × 10 13.
/ Cm 2 or less. Further, according to the present invention, as described in claim 5 , a first step of growing a second III-V group compound semiconductor layer not doped with nitrogen impurities on a substrate, and the second III-V method. A second step of interrupting the growth of the group III compound semiconductor layer and supplying nitrogen impurities to the surface of the second III-V compound semiconductor layer, and doping the nitrogen impurities again after the completion of the second step. The third step of growing a second III-V group compound semiconductor layer which has not been performed III containing at least a nitrogen impurity
A method for manufacturing a group-V compound semiconductor. Further, as described in claim 6 of the present invention, in claim 5 , the fourth step in which neither growth nor addition of nitrogen impurities is performed for a predetermined time between the second step and the third step. A method of manufacturing a III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities, including steps.

【0006】[0006]

【作用】本発明の窒素不純物をドーピングしたIII−V
族化合物半導体の構造は、等電子トラップである窒素原
子をドーピングした厚さの薄い層を、ドーピングしてい
ない層で挟むこと、または窒素原子をドーピングした厚
さの薄い層と、ドーピングしていない層を、その周期を
変化させて繰り返し含むこと、またはバンドギャップの
大きい半導体で挟んだ構成とすることを特徴とするもの
である。また、本発明の窒素不純物をドーピングした構
造のIII−V族化合物半導体の作製方法において、III−
V族化合物半導体の成長をいったん中断して等電子トラ
ップである窒素不純物をドーピングする工程、および/
または窒素不純物ドーピングを行った後に、半導体の成
長も窒素不純物のドーピングも行わない工程を含むこ
と、または、傾斜基板上に窒素不純物をドーピングした
III−V族化合物半導体を作製すること、などを主要な
特徴とするものである。従来技術において、GaAs中
に窒素原子をドーピングした層とドーピングしていない
層を組み合わせることにより、発光強度を増加させた
り、発光波長を制御した報告例は見当らない。さらに、
窒素不純物をドーピングしたGaAsを量子井戸とする
ダブルヘテロ構造は作製されていない。また、従来技術
において、半導体の成長を中止して発光中心となる窒素
不純物ペアの形成を促進させる例は見当らない。また、
〔110〕方向に2度傾いた(001)傾斜基板を用い
ているが、窒素ドーピングに対する傾斜基板の効果は明
らかにされていない。本発明の窒素不純物をドーピング
したIII−V族化合物半導体およびその作製方法におい
て、従来技術と異なるところ、窒素原子をドーピング
した層の厚さが薄い点、等電子トラップである窒素原
子をドーピングした厚さの薄い層とドーピングしていな
い層を周期を変化させて繰り返し含む点、窒素原子を
ドーピングしていない層を組合わせた点、バンドギャ
ップの大きな半導体で挟んだ点、半導体の成長を停止
して等電子トラップである窒素不純物をドーピングした
点、窒素不純物ドーピングを行った後に成長もドーピ
ングも行わない工程により窒素不純物ペアの形成を促進
させる点、傾斜基板を用いることにより窒素不純物ペ
アの形成を促進させる点などが挙げられる。本発明の窒
素不純物をドーピングしたIII−V族化合物半導体は、
請求項1に記載のように、窒素不純物をドーピングした
第1のIII−V族化合物半導体層と、この第1の半導体
層と同じ組成の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピ
ングしていない第2のIII−V族化合物半導体層を有
し、上記第1のIII−V族化合物半導体層を、上記第2
のIII−V族化合物半導体層で挟んだサンドイッチ構造
なし、上記第1のIII−V族化合物半導体層の厚さを
20nm以下としている。すなわち、等電子トラップで
ある窒素原子をドーピングした厚さの薄い層をドーピン
グしていない層で挟む構造であるので、窒素不純物をド
ーピングした層の周囲に存在する窒素不純物のドーピン
グされていない層で形成されたエキシトンが、窒素不純
物に捕獲され易くなる。したがって、発光強度が強くエ
ネルギー分布の狭い良好なPL発光が得られる。また、
窒素不純物をドーピングした第1のIII−V族化合物半
導体層の厚さを20nm以下とすることにより、図10
に示されるように、良好なPL強度が得られる。また、
請求項2に記載のように、窒素不純物をドーピングした
第1のIII−V族化合物半導体層と、この第1の半導体
層と同じ組成の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピ
ングしていない第2のIII−V族化合物半導体層を有
し、上記第1のIII−V族化合物半導体層と上記第2のI
II−V族化合物半導体層とを、例えば、その周期を変化
させて交互に含む構造となし、上記第1のIII−V族化
合物半導体層の厚さを20nm以下としている。この場
合には、一つのドーピング層内に存在する窒素不純物
と、もう一つのドーピング層内に存在する窒素不純物が
ペアを形成する。そのために、ペアを形成する窒素不純
物の距離が二つのドーピング層の間隔によって制御され
るので発光波長制御が可能となる。また、窒素不純物を
ドーピングした第1のIII−V族化合物半導体層の厚さ
を20nm以下とすることにより、図10に示されるよ
うに、良好なPL強度が得られる。また、請求項3に記
載のように、窒素不純物をドーピングした第1のIII−
V族化合物半導体層と、この第1の半導体層と同じ組成
の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を有し、上記第1のI
II−V族化合物半導体層を、上記第2のIII−V族化合
物半導体層で挟んだ構造を、上記第1のIII−V族化合
物半導体層よりもバンドギャップの大きい第3のIII−
V族化合物半導体層で挟む構造となし、上記第1のIII
−V族化合物半導体層の厚さを20nm以下としてい
る。そのために、窒素不純物ペアに捕らえられるエキシ
トンが多くなり、PL発光効率が増加する。さらに、発
光波長の制御が可能となり、高温でも安定なエキシトン
が形成される。また、窒素不純物をドーピングした第1
のIII−V族化合物半導体層の厚さを20nm以下とす
ることにより、図10に示されるように、良好なPL強
度が得られる。また、請求項4に記載のように、ドーピ
ングした第1のIII−V族化合物半導体層の窒素不純物
の面密度を1×10 13 /cm以下とすることによ
り、図7に示されるように、良好なPL強度が得られ
る。また、例えば、結晶方位が(001)面から所定の
角度傾斜した基板上に窒素不純物をドーピングした第1
のIII−V族化合物半導体層を積層することにより、窒
素不純物がステップに取り込まれることによる窒素不純
物ペアの形成が促進され、多くの発光センタをを持つ発
光素子が得られる。また、例えば、図8に示すように、
基板の結晶方位をわずかに傾斜させてもPL強度を向上
させることができる。さらに、請求項または請求項
に記載のように、本発明の窒素不純物をドーピングした
III−V族化合物半導体の作製方法において、III−V族
化合物半導体の成長を停止して窒素不純物をドーピング
する工程を用いる。そのために、膜中に取り込まれた窒
素不純物が、成長中断中に、成長表面上を移動して窒素
不純物ペアの形成が促進され、多くの発光センタを形成
する。したがって、種々の発光波長を持つ発光素子が得
られる。また、例えば、基板の結晶方位が(001)面
から所定の角度傾斜した基板上に窒素不純物をドーピン
グする。そのために、窒素不純物がステップに取り込ま
れることによる窒素不純物ペアの形成が促進され、多く
の発光センタをを持つ発光素子が得られる。上述したご
とく、本発明の窒素不純物をドーピングしたIII−V族
化合物半導体は、発光素子における電気−光変換効率を
高めることができ、特性の良好な励起子デバイスを実現
することができる。
Operation III-V doped with nitrogen impurities according to the present invention
The structure of group III compound semiconductors is such that a thin layer doped with nitrogen atoms, which is an isoelectron trap, is sandwiched between undoped layers, or a thin layer doped with nitrogen atoms and undoped It is characterized in that the layer is repeatedly included by changing its period or sandwiched between semiconductors having a large band gap. Further, in the method for producing a III-V group compound semiconductor having a structure doped with nitrogen impurities according to the present invention, III-
A step of once interrupting the growth of the group V compound semiconductor and doping with a nitrogen impurity, which is an isoelectron trap, and / or
Alternatively, a step including neither semiconductor growth nor nitrogen impurity doping after nitrogen impurity doping is included, or nitrogen impurity is doped on the tilted substrate.
The main feature is to produce a III-V group compound semiconductor. In the prior art, there is no report that the emission intensity is increased or the emission wavelength is controlled by combining a layer in which GaAs is doped with nitrogen atoms and a layer in which GaAs is not doped. further,
A double hetero structure using GaAs doped with nitrogen impurities as a quantum well has not been manufactured. In addition, there is no example in the prior art in which the growth of a semiconductor is stopped to promote the formation of a nitrogen impurity pair that serves as an emission center. Also,
Although a (001) tilted substrate tilted twice in the [110] direction is used, the effect of the tilted substrate on nitrogen doping has not been clarified. In the III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities and the method for manufacturing the same according to the present invention, unlike the prior art, the thickness of the layer doped with nitrogen atoms is thin, and the thickness doped with nitrogen atoms which is an isoelectron trap. Thin layer and undoped layer are repeatedly included by changing the period, combined with a layer not doped with nitrogen atoms, sandwiched between semiconductors with a large band gap, and semiconductor growth is stopped. And the like, that is, a nitrogen impurity that is an electron trap is doped, that the formation of a nitrogen impurity pair is promoted by the process of performing neither growth nor doping after performing the nitrogen impurity doping, and that the formation of a nitrogen impurity pair is performed by using a tilted substrate. Points to promote are mentioned. The III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities of the present invention is
The first III-V group compound semiconductor layer doped with a nitrogen impurity, and the second semiconductor which has the same composition as that of the first semiconductor layer and is not doped with a nitrogen impurity. III-V group compound semiconductor layer, the first III-V group compound semiconductor layer, the second
And the thickness of the first III-V group compound semiconductor layer is
It is set to 20 nm or less . In other words, the structure is such that a thin layer that is doped with nitrogen atoms, which is an isoelectron trap, is sandwiched between undoped layers, so that a layer that is not doped with nitrogen impurities existing around the layer doped with nitrogen impurities is The formed excitons are easily captured by nitrogen impurities. Therefore, good PL emission with high emission intensity and narrow energy distribution can be obtained. Also,
First III-V compound semi-doped with nitrogen impurities
By setting the thickness of the conductor layer to 20 nm or less,
As shown in, good PL intensity is obtained. Also,
The first III-V compound semiconductor layer doped with a nitrogen impurity, and the second semiconductor which has the same composition as that of the first semiconductor layer and is not doped with a nitrogen impurity. III-V group compound semiconductor layer, wherein the first III-V group compound semiconductor layer and the second I-group compound semiconductor layer
A II-V group compound semiconductor layer, for example, is formed into a structure that alternately includes the period thereof by changing, and the first III-V group is formed.
The compound semiconductor layer has a thickness of 20 nm or less . In this case, a nitrogen impurity existing in one doping layer and a nitrogen impurity existing in another doping layer form a pair. Therefore, the distance between the nitrogen impurities forming the pair is controlled by the distance between the two doping layers, so that the emission wavelength can be controlled. In addition, nitrogen impurities
Thickness of the doped first III-V compound semiconductor layer
Is set to 20 nm or less.
As described above, good PL intensity can be obtained. Further, as described in claim 3, the first III-doped with the nitrogen impurity is used.
The semiconductor device includes a group V compound semiconductor layer and a second group III-V compound semiconductor layer having the same composition as that of the first semiconductor layer and not doped with nitrogen impurities.
A structure in which a II-V group compound semiconductor layer is sandwiched between the second III-V group compound semiconductor layers has a band gap larger than that of the first III-V group compound semiconductor layer.
Structure and without sandwiching at V compound semiconductor layer, the first III
The thickness of the -V compound semiconductor layer is 20 nm or less . Therefore, the excitons captured by the nitrogen impurity pair increase, and the PL emission efficiency increases. Furthermore, the emission wavelength can be controlled, and stable excitons are formed even at high temperatures. In addition, the first doped with nitrogen impurities
The thickness of the III-V group compound semiconductor layer is 20 nm or less.
As a result, as shown in FIG.
You get a degree. Further, as described in claim 4, by setting the areal density of the nitrogen impurities of the doped first III-V compound semiconductor layer to 1 × 10 13 / cm 2 or less, as shown in FIG. Good PL intensity can be obtained. In addition, for example, a first substrate obtained by doping a substrate with a crystal orientation inclined from the (001) plane by a predetermined angle with a nitrogen impurity.
By stacking the III-V group compound semiconductor layer of (3), the formation of a nitrogen impurity pair due to the nitrogen impurities being taken into the step is promoted, and a light emitting element having many light emission centers can be obtained. Further, for example, as shown in FIG.
The PL intensity can be improved even if the crystal orientation of the substrate is slightly inclined. Further, claim 5 or claim 6
The nitrogen impurity of the present invention was doped as described in 1.
In the method for manufacturing a III-V compound semiconductor, a step of stopping the growth of the III-V compound semiconductor and doping with a nitrogen impurity is used. Therefore, the nitrogen impurities taken into the film move on the growth surface during the growth interruption to promote the formation of nitrogen impurity pairs and form many emission centers. Therefore, light emitting devices having various emission wavelengths can be obtained. Further, for example, nitrogen impurities are doped on the substrate in which the crystal orientation of the substrate is inclined from the (001) plane by a predetermined angle. Therefore, the formation of a nitrogen impurity pair is promoted by incorporating the nitrogen impurity into the step, and a light emitting device having many light emission centers is obtained. As described above, the nitrogen impurity-doped III-V group compound semiconductor of the present invention can improve the electro-optical conversion efficiency in a light emitting device, and can realize an exciton device having excellent characteristics.

【0007】[0007]

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。 〈実施例1〉図1は、本発明の実施例によるGaAs中
に窒素不純物をドーピングした化合物半導体の断面構造
の一例を示す模式図である。窒素不純物をドーピングし
た厚さの薄いGaAs層11を、窒素不純物をドーピン
グしていないGaAs層12で挟んでいる。窒素ガスを
加熱したW(タングステン)フィラメントで熱分解した
後、基板に供給することによって窒素不純物のドーピン
グを行った。GaAs層の成長には、分子線エピタキシ
ャル(MBE)法を用いた。本発明では、GaAs基板
上へのGaおよびAsの供給を停止して、加熱したWフ
ィラメントを通して窒素ガスをGaAs基板上に供給す
ることにより、窒素不純物のドーピングを行った。用い
た基板は(001)ジャストカットGaAs基板であ
る。基板温度は590℃、フィラメント温度は1200
℃、窒素ガス流量は0.3cc/min、供給時間は1
0分間とした。この場合、GaAs層11表面の段差、
および窒素原子の内部拡散を考えると窒素不純物をドー
ピングしたGaAs層11の厚さは1nm程度と考えら
れる。窒素不純物をドーピングしていないGaAs層1
2の厚さは、それぞれ400nmである。窒素不純物の
面密度は、1.4×109/cm2と推定される。このよ
うな低濃度の窒素不純物濃度を測定するのは不可能であ
る。 ここでは、高濃度不純物ドーピング(1×1014
/cm2)を行った試料に対してSIMS(2次イオン
質量分析)測定を行い、ドーピング濃度のフィラメント
温度依存性から不純物濃度を推定した。したがって、低
濃度領域でのドーピング濃度の値には一桁程度の誤差を
含む可能性がある。図2は、図1に示す構造に対する低
温(8.4K)でのPL発光スペクトルを示すもので、
波長(nm)に対するPL強度(任意単位)を示してい
る。なお、比較のためにGaAs中に窒素不純物を一様
にドーピングした従来の構造におけるPLスペクトルを
併せ示している。両者とも、窒素不純物による発光が最
も顕著に現われるように最適化成長条件を用いている。
両者とも、GaAsおよび残留不純物からの発光が観察
されている。従来の構造では、822nm付近に窒素不
純物からの発光が観察されるものの、強度は非常に弱
い。しかしながら、本発明の構造では、GaAsに対す
る発光よりも小さなエネルギー位置に多数の鋭いピーク
が従来の構造に比べて顕著に観測されている。半値幅は
1meV以下であり、エネルギー分布の狭いPL発光が
得られている。従来の構造からは860nm付近の発光
は極めて弱い。この発光は最も捕獲エネルギーが大きい
ことから、結晶中に存在する最近接の窒素不純物ペアに
捕らえられたエキシトンからの発光である。本実施例で
860nm付近の発光強度が強いのは、成長中断中に窒
素不純物を供給することにより、GaAs表面上で窒素
不純物がペアを形成したためである。このように、本発
明の実施例の構造では、発光強度が強く、エネルギー分
布が狭く、従来例では強度の弱い波長位置に強いPL発
光が観測される。
Embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings. Example 1 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional structure of a compound semiconductor obtained by doping GaAs with a nitrogen impurity according to an example of the present invention. A thin GaAs layer 11 doped with nitrogen impurities is sandwiched between GaAs layers 12 not doped with nitrogen impurities. Nitrogen gas was pyrolyzed by a heated W (tungsten) filament and then supplied to a substrate to dope nitrogen impurities. A molecular beam epitaxial (MBE) method was used for growing the GaAs layer. In the present invention, the supply of Ga and As onto the GaAs substrate is stopped, and nitrogen gas is supplied onto the GaAs substrate through the heated W filament to dope the nitrogen impurities. The substrate used is a (001) just cut GaAs substrate. Substrate temperature is 590 ° C, filament temperature is 1200
° C, nitrogen gas flow rate is 0.3 cc / min, supply time is 1
It was set to 0 minutes. In this case, a step on the surface of the GaAs layer 11,
Considering the internal diffusion of nitrogen atoms, the thickness of the GaAs layer 11 doped with nitrogen impurities is considered to be about 1 nm. GaAs layer 1 not doped with nitrogen impurities
The thickness of each of the two is 400 nm. The area density of nitrogen impurities is estimated to be 1.4 × 10 9 / cm 2 . It is impossible to measure such a low concentration of nitrogen impurities. Here, high-concentration impurity doping (1 × 10 14
/ Cm 2 ), SIMS (secondary ion mass spectrometry) measurement was performed on the sample, and the impurity concentration was estimated from the filament temperature dependence of the doping concentration. Therefore, the value of the doping concentration in the low concentration region may include an error of about one digit. FIG. 2 shows a PL emission spectrum at a low temperature (8.4 K) for the structure shown in FIG.
The PL intensity (arbitrary unit) with respect to the wavelength (nm) is shown. For comparison, a PL spectrum in a conventional structure in which GaAs is uniformly doped with nitrogen impurities is also shown. Both use optimized growth conditions so that light emission due to nitrogen impurities is most prominent.
In both cases, light emission from GaAs and residual impurities is observed. In the conventional structure, light emission from a nitrogen impurity is observed near 822 nm, but the intensity is very weak. However, in the structure of the present invention, a large number of sharp peaks are observed more prominently in the energy position smaller than that of the light emission to GaAs as compared with the conventional structure. The full width at half maximum is 1 meV or less, and PL light emission with a narrow energy distribution is obtained. Light emission in the vicinity of 860 nm is extremely weak from the conventional structure. Since this luminescence has the highest trapping energy, it is the luminescence from the excitons trapped by the closest nitrogen impurity pair present in the crystal. The strong emission intensity near 860 nm in this example is because the nitrogen impurities formed a pair on the GaAs surface by supplying the nitrogen impurities during the growth interruption. As described above, in the structure of the example of the present invention, the emission intensity is strong and the energy distribution is narrow, and in the conventional example, strong PL emission is observed at the wavelength position where the intensity is weak.

【0008】〈実施例2〉図3は、井戸層に窒素不純物
をドーピングしたAlGaAs/GaAs量子井戸構造
を示している。窒素不純物をドーピグした厚さの薄いG
aAs層31とドーピングを行っていないGaAs層3
2を、AlGaAs層33で挟んだ構造を示している。
窒素不純物をドーピングしたGaAs層31の厚さは1
nm、ドーピングを行っていないGaAs層32の厚さ
は、それぞれ110nmである。用いた基板は(00
1)ジャストカットGaAs基板である。図4は、図3
に示したAlGaAs/GaAs量子井戸構造の低温
(8.4K)における波長(nm)とPL強度(任意単
位)を示している。ドーピングを行わない通常の量子井
戸からの発光ピークの半値幅は5meVであるのに対し
て、本発明の量子井戸構造におけるPLスペクトルの半
値幅は1meV以下であり、単一でエネルギー分布が狭
く、強度の強いPL発光が得られている。量子井戸構造
中にドーピングを行うことによりピーク波長は小さくな
っている(図2に示す本発明の実施例のピークと比較参
照)。図1で示したGaAs中に窒素不純物をドーピン
グした構造では、80K付近で窒素不純物による発光は
消滅する。これに対して、図2で示した量子井戸構造を
用いることにより120Kでも窒素不純物による発光が
観察された。これは、量子井戸構造を採用したために、
エキシトンが高温でも安定に存在するようになったため
であると考えられる。ここでは、量子井戸中にドーピン
グを行っていないGaAs層32を挿入した。しかしな
がら、窒素不純物をドーピングしていないAlGaAs
層33の障壁層からの寄与があるので、ドーピングを行
っていないGaAs層32を省略することも可能であ
る。
Example 2 FIG. 3 shows an AlGaAs / GaAs quantum well structure in which the well layer is doped with nitrogen impurities. Thin G with dope-pigmented nitrogen impurities
aAs layer 31 and undoped GaAs layer 3
2 shows a structure in which 2 is sandwiched between AlGaAs layers 33.
The thickness of the GaAs layer 31 doped with nitrogen impurities is 1
The thickness of the undoped GaAs layer 32 is 110 nm. The substrate used is (00
1) Just cut GaAs substrate. FIG. 4 shows FIG.
The wavelength (nm) and PL intensity (arbitrary unit) at low temperature (8.4K) of the AlGaAs / GaAs quantum well structure shown in FIG. The half-value width of the emission peak from an ordinary quantum well without doping is 5 meV, whereas the half-value width of the PL spectrum in the quantum well structure of the present invention is 1 meV or less, and the single energy distribution is narrow, A strong PL light emission is obtained. The peak wavelength is reduced by doping in the quantum well structure (see comparison with the peak of the embodiment of the present invention shown in FIG. 2). In the structure shown in FIG. 1 in which GaAs is doped with nitrogen impurities, light emission due to nitrogen impurities disappears at around 80K. On the other hand, by using the quantum well structure shown in FIG. 2, light emission due to nitrogen impurities was observed even at 120K. This is because the quantum well structure is adopted,
It is thought that this is because excitons are now stably present even at high temperatures. Here, an undoped GaAs layer 32 is inserted in the quantum well. However, AlGaAs not doped with nitrogen impurities
Due to the contribution of the barrier layer of layer 33, it is possible to omit the undoped GaAs layer 32.

【0009】〈実施例3〉図5は、GaAs中に窒素不
純物をドーピングした層を2層含む構造を示している。
ドーピングを行っていないGaAs層53を、窒素不純
物をドーピングした厚さの薄いGaAs層51で挟み、
さらにドーピングを行っていないGaAs層52で挟ん
でいる。用いた基板は(001)ジャストカットGaA
s基板である。窒素不純物をドーピングしたGaAs層
51の厚さは1nmに固定して、ドーピングを行ってい
ないGaAs層53の厚さを変化させて2種類の試料を
作製した。一つは、ドーピングを行っていないGaAs
層53の厚さを10nmとし、もう一つは100nmの
厚さとした。図5に示す構造の低温(8.4K)におけ
るPL発光スペクトルを図6に示した。両者とも、窒素
不純物に関与したエネルギー分布が狭く、強度の強いP
Lスペクトルが得られている。しかしながら、発光スペ
クトルの形状は大きく異なっている。このことから、ド
ーピングを行っていないGaAs層53の厚さを変化さ
せることにより、スペクトル形状の制御が可能であるこ
とが分かる。また、本発明の実施例ではドーピング超格
子の場合とは異なり、入射光強度によって発光波長位置
は変化しない。本実施例では、一つのドーピング層内に
存在する窒素不純物と、もう一つのドーピング層内に存
在する窒素不純物がペアを形成する。したがって、窒素
不純物ペアの間隔が、二つのドーピング層の間隔によっ
て制御されるために発光波長制御が可能となる。ここで
は、2層のドーピング層を用いたが、2層以上でも同様
な効果が得られる。また、井戸層に窒素不純物をドーピ
ングしたAlGaAs/GaAs量子井戸構造をいくつ
か組み合わせても上記と同様の結果が得られることを確
認している。
<Third Embodiment> FIG. 5 shows a structure including two layers of GaAs doped with nitrogen impurities.
An undoped GaAs layer 53 is sandwiched between thin GaAs layers 51 doped with nitrogen impurities,
Further, it is sandwiched by GaAs layers 52 which are not doped. The substrate used is (001) just cut GaA.
s substrate. The thickness of the GaAs layer 51 doped with nitrogen impurities was fixed to 1 nm, and the thickness of the undoped GaAs layer 53 was changed to prepare two types of samples. One is undoped GaAs
The layer 53 had a thickness of 10 nm, and the other had a thickness of 100 nm. The PL emission spectrum of the structure shown in FIG. 5 at low temperature (8.4K) is shown in FIG. In both cases, the energy distribution related to nitrogen impurities is narrow and the strength of P is strong.
The L spectrum is obtained. However, the shapes of emission spectra are very different. From this, it can be seen that the spectrum shape can be controlled by changing the thickness of the undoped GaAs layer 53. In the embodiment of the present invention, unlike the case of the doping superlattice, the emission wavelength position does not change depending on the incident light intensity. In this embodiment, a nitrogen impurity existing in one doping layer and a nitrogen impurity existing in another doping layer form a pair. Therefore, since the distance between the nitrogen impurity pairs is controlled by the distance between the two doping layers, the emission wavelength can be controlled. Although two doping layers are used here, the same effect can be obtained with two or more layers. Further, it has been confirmed that the same result as above can be obtained even if several AlGaAs / GaAs quantum well structures in which the well layers are doped with nitrogen impurities are combined.

【0010】〈実施例4〉図1に示す構造において、W
フィラメントの加熱温度を変化させることによりGaA
s層11の面密度を変化させた。用いた基板は(00
1)ジャストカットGaAs基板である。図7は、ドー
ピングの面密度(cm-2)と低温(8.4K)における
860nm付近のピークのPL強度(光量子カウント
数)の関係を示している。窒素不純物濃度が1×1013
/cm2を越えると860nm付近に観測されるPL発
光が得られなくなる。
<Embodiment 4> In the structure shown in FIG.
GaA by changing the heating temperature of the filament
The areal density of the s layer 11 was changed. The substrate used is (00
1) Just cut GaAs substrate. FIG. 7 shows the relationship between the areal density (cm −2 ) of doping and the PL intensity (photon count number) of the peak near 860 nm at low temperature (8.4 K). Nitrogen impurity concentration is 1 × 10 13
If it exceeds / cm 2 , PL emission observed near 860 nm cannot be obtained.

【0011】〈実施例5〉結晶方位が(001)面から
傾斜した基板(傾斜基板と言う)上に、図1に示す層構
造を作製した。図8は、傾斜角(度)と、860nm付
近のピークの低温(8.4K)におけるPL強度(光量
子カウント数)との関係を示すものである。なお、基板
の傾斜は〔110〕方向とした。まず、成長を停止した
GaAs表面上に窒素不純物を1分間供給した。窒素不
純物濃度は、1×109/cm2である。その他の成長条
件は、実施例1と同様であり、基板傾斜角度だけを変化
させている。高濃度ドーピングを行った試料に対するS
IMS測定では、傾斜角度が異なっていても取り込まれ
る窒素不純物の濃度は一定であることから、本実施例に
おいても窒素不純物の面密度は一定であると考えられ
る。図8に示すように、取り込まれる窒素不純物の量が
同じであるにもかかわらず、PL発光強度は傾斜基板を
使うことにより増加した。傾斜基板を用いることにより
窒素不純物ペアの形成が促進されたためであると考えら
れる。傾斜角が0(零)度のGaAs基板に対する発光
強度が、図7に示す発光強度よりも低いのは、窒素不純
物を供給する時間が短いためであると考えられる。窒素
不純物が傾斜基板のステップに取り込まれてペアを形成
することを考えると、傾斜方向は〔110〕方向でなく
ても良い。さらに、10度傾けた基板面は、(711)
面に相当するので、(111)面など、(100)面か
ら大きく傾斜した基板であっても同様の効果が得られる
ことを確認している。
Example 5 The layer structure shown in FIG. 1 was formed on a substrate (called an inclined substrate) whose crystal orientation was inclined from the (001) plane. FIG. 8 shows the relationship between the tilt angle (degree) and the PL intensity (photon count number) at a low temperature (8.4 K) with a peak near 860 nm. The substrate was tilted in the [110] direction. First, nitrogen impurities were supplied on the GaAs surface where the growth was stopped for 1 minute. The nitrogen impurity concentration is 1 × 10 9 / cm 2 . The other growth conditions are the same as in Example 1, and only the substrate tilt angle is changed. S for heavily doped samples
In the IMS measurement, the concentration of nitrogen impurities taken in is constant even if the tilt angle is different, and therefore it is considered that the surface density of nitrogen impurities is also constant in this example. As shown in FIG. 8, the PL emission intensity was increased by using the tilted substrate, even though the amount of nitrogen impurities taken in was the same. It is considered that this is because the formation of the nitrogen impurity pair was promoted by using the inclined substrate. It is considered that the emission intensity for the GaAs substrate having the inclination angle of 0 (zero) is lower than the emission intensity shown in FIG. 7 because the nitrogen impurity supply time is short. Considering that nitrogen impurities are taken into the step of the tilted substrate to form a pair, the tilt direction may not be the [110] direction. Furthermore, the substrate surface tilted by 10 degrees is (711)
Since it corresponds to the plane, it has been confirmed that the same effect can be obtained even with a substrate that is largely inclined from the (100) plane, such as the (111) plane.

【0012】〈実施例6〉図9は、成長の中断時間(m
in)と、低温(8.4K)における860nm付近の
ピークのPL強度(光量子カウント数)との関係を示し
ている。用いた基板は(001)のジャストカットGa
As基板である。 まず、成長を中断したGaAs表面
上に窒素不純物を1分間供給した。窒素不純物濃度は1
×109/cm2であった。その後、成長を開始するまで
の時間を、成長中断時間とした。発光強度は成長停止時
間と共に増加し、飽和する傾向がある。成長を停止して
いる間に、個々の窒素不純物がGaAs表面上を移動し
てペアを形成することにより、860nm付近のPL発
光ピーク強度が強くなったものと考えられる。さらに、
MBE以外の成長方法を用いた場合においても、成長を
中断して窒素原子をドーピングすれば同様の効果が得ら
れることを確認している。
Example 6 FIG. 9 shows the growth interruption time (m
in) and the PL intensity (photon count number) of the peak near 860 nm at low temperature (8.4 K). The substrate used is (001) just cut Ga
It is an As substrate. First, nitrogen impurities were supplied for 1 minute on the GaAs surface where the growth was interrupted. Nitrogen impurity concentration is 1
It was × 10 9 / cm 2 . After that, the time until the start of growth was defined as the growth interruption time. The emission intensity increases with the growth stop time and tends to be saturated. It is considered that, while the growth was stopped, individual nitrogen impurities moved on the GaAs surface to form a pair, so that the PL emission peak intensity near 860 nm became stronger. further,
It has been confirmed that even when a growth method other than MBE is used, the same effect can be obtained by interrupting the growth and doping with nitrogen atoms.

【0013】〈実施例7〉図1に示す構造において、窒
素不純物ドーピング層の厚さを変化させた場合のPL発
光強度について調べた。図10に、窒素不純物ドーピン
グ層の層厚(nm)と低温(8.4K)での860nm
付近のピークPL発光強度(規格化したPL強度)との
関係を示す。用いた基板は(001)ジャストカットG
aAs基板である。ドーピング層のシート濃度は、1×
109/cm2に固定した。ドーピング層の層厚が厚くな
ると発光強度は減少する。ドーピング層の層厚が20n
m以上では発光強度が1/10以下となるので、ドーピ
ング層の厚さは20nm以下とすることが望ましい。以
上の本発明の実施例では、GaAsに窒素不純物をドー
ピングした例を示したが、GaAs以外のInAs、I
nGaAs、GaP、GaAsP、AlGaAs等のII
I−V族化合物半導体においても適用可能であることを
確認している。
Example 7 In the structure shown in FIG. 1, PL emission intensity was examined when the thickness of the nitrogen impurity doping layer was changed. FIG. 10 shows the thickness (nm) of the nitrogen impurity doping layer and 860 nm at a low temperature (8.4K).
The relationship with the peak PL emission intensity (normalized PL intensity) in the vicinity is shown. The substrate used is (001) just cut G
It is an aAs substrate. Sheet concentration of doping layer is 1 ×
It was fixed at 10 9 / cm 2 . The emission intensity decreases as the thickness of the doping layer increases. The thickness of the doping layer is 20n
Since the emission intensity is 1/10 or less when m or more, the thickness of the doping layer is preferably 20 nm or less. In the above-described embodiments of the present invention, an example in which GaAs is doped with nitrogen impurities is shown.
II such as nGaAs, GaP, GaAsP, AlGaAs
It has been confirmed that it is also applicable to IV compound semiconductors.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の窒
素不純物をドーピングした層構造を有するIII−V族化
合物半導体は、窒素不純物をドーピングした層の周囲に
存在する窒素不純物をドーピングしていない層で形成さ
れたエキシトンが窒素不純物に捕獲され、発光強度が強
く、エネルギー分布の狭い良好なPL発光が得られる。
さらに、バンドギャップの大きい半導体で挟むことによ
り、発光強度が増加し、高温でも安定した鋭いPL発光
ピークを得ることができる。さらに、窒素原子をドーピ
ングした層厚の薄い層と、ドーピングしていない層との
積層周期を変化させて作製することにより、光励起強度
に依存することなく、発光波長を制御することができ
る。さらに、半導体の成長を停止している間に、個々の
窒素不純物がGaAs表面上を移動してペアを形成する
ことができ発光強度が強くなる。さらに、傾斜基板を用
いることにより、窒素不純物がペアを形成しやすくなる
ので発光強度の強い層構造を有する化合物半導体が得ら
れる。
As described in detail above, the III-V compound semiconductor having the layer structure doped with nitrogen impurities of the present invention is doped with nitrogen impurities existing around the layer doped with nitrogen impurities. The excitons formed in the non-existing layer are captured by the nitrogen impurities, so that the PL emission with high emission intensity and narrow energy distribution can be obtained.
Further, by sandwiching the semiconductor with a large band gap, the emission intensity increases, and a stable and sharp PL emission peak can be obtained even at high temperature. Further, the emission wavelength can be controlled without depending on the photoexcitation intensity by changing the stacking period of the layer with a thin layer of nitrogen atoms and the layer without doping. Further, while the growth of the semiconductor is stopped, individual nitrogen impurities can move on the GaAs surface to form a pair, and the emission intensity becomes strong. Further, by using the inclined substrate, the nitrogen impurities easily form a pair, so that a compound semiconductor having a layer structure with high emission intensity can be obtained.

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

【図1】本発明の実施例1で例示したGaAs層中に窒
素不純物をドーピングした化合物半導体の構造を示す模
式図。
FIG. 1 is a schematic view showing a structure of a compound semiconductor in which a GaAs layer illustrated in Example 1 of the present invention is doped with nitrogen impurities.

【図2】本発明の実施例1で例示した化合物半導体のP
L発光スペクトルを従来例と比較して示した図。
FIG. 2 is the P of the compound semiconductor illustrated in Example 1 of the present invention.
The figure which showed L emission spectrum compared with the prior art example.

【図3】本発明の実施例2で例示した窒素不純物をドー
ピングしたAlGaAs/GaAs量子井戸構造を有す
る化合物半導体の構造を示す模式図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a compound semiconductor having an AlGaAs / GaAs quantum well structure doped with nitrogen impurities, which is illustrated in Example 2 of the present invention.

【図4】本発明の実施例2で例示した化合物半導体のP
L発光スペクトルを示す図。
FIG. 4 is the P of the compound semiconductor illustrated in Example 2 of the present invention.
The figure which shows L emission spectrum.

【図5】本発明の実施例3で例示した窒素不純物をドー
ピングした層を2層有する化合物半導体の構造を示す模
式図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of a compound semiconductor having two layers doped with nitrogen impurities as exemplified in Example 3 of the present invention.

【図6】本発明の実施例3で例示した化合物半導体のP
L発光スペクトルを示す図。
FIG. 6 is the P of the compound semiconductor exemplified in Example 3 of the present invention.
The figure which shows L emission spectrum.

【図7】本発明の実施例4で例示したドーピング濃度と
860nm付近のピークのPL発光強度との関係を示す
図。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the doping concentration and the PL emission intensity of the peak around 860 nm, which is illustrated in Example 4 of the present invention.

【図8】本発明の実施例5で例示した基板の傾斜角と8
60nm付近のピークのPL発光強度との関係を示す
図。
FIG. 8 is a tilt angle of the substrate illustrated in Example 5 of the present invention and 8;
The figure which shows the relationship with PL emission intensity of the peak of 60 nm vicinity.

【図9】本発明の実施例6で例示した成長中断時間と8
60nm付近のピークのPL発光強度の関係を示す図。
FIG. 9: Growth interruption time and 8 exemplified in Example 6 of the present invention
The figure which shows the relationship of PL emission intensity of the peak of 60 nm vicinity.

【図10】本発明の実施例7で例示した窒素不純物のド
ーピング層の層厚と860nm付近のピークのPL発光
強度との関係を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the layer thickness of the nitrogen impurity doping layer and the PL emission intensity of the peak around 860 nm, which is illustrated in Example 7 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…窒素不純物をドーピングした厚さの薄いGaAs
層 12…窒素不純物をドーピングしていないGaAs層 31…窒素不純物をドーピングした厚さの薄いGaAs
層 32…ドーピングを行っていないGaAs層 33…AlGaAs層 51…窒素不純物をドーピングした厚さの薄いGaAs
層 52…ドーピングを行っていないGaAs層 53…ドーピングを行っていないGaAs層
11 ... Thin GaAs doped with nitrogen impurities
Layer 12 ... GaAs layer not doped with nitrogen impurities 31 layer ... GaAs thinly doped with nitrogen impurities
Layer 32 ... Undoped GaAs layer 33 ... AlGaAs layer 51 ... Nitrogen-doped thin GaAs
Layer 52 ... GaAs layer not doped 53 ... GaAs layer not doped

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−9984(JP,A) 特開 平6−283760(JP,A) 特開 平6−53602(JP,A) 特開 平5−291617(JP,A) 特開 昭54−74686(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/203 H01L 33/00 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP 59-9984 (JP, A) JP 6-283760 (JP, A) JP 6-53602 (JP, A) JP 5- 291617 (JP, A) JP 54-74686 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 21/203 H01L 33/00 JISST File (JOIS)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒素不純物をドーピングした第1のIII−
V族化合物半導体層と、この第1の半導体層と同じ組成
の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を有し、上記第1のI
II−V族化合物半導体層を、上記第2のIII−V族化合
物半導体層で挟んだ構造となし、上記第1のIII−V族
化合物半導体層の厚さを20nm以下とすることを特徴
とする窒素不純物をドーピングしたIII−V族化合物半
導体。
1. A first III-doped with a nitrogen impurity.
The semiconductor device includes a group V compound semiconductor layer and a second group III-V compound semiconductor layer having the same composition as that of the first semiconductor layer and not doped with nitrogen impurities.
The II-V group compound semiconductor layer is sandwiched between the second III-V group compound semiconductor layers, and the first III-V group is formed.
A III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities, wherein the compound semiconductor layer has a thickness of 20 nm or less .
【請求項2】窒素不純物をドーピングした第1のIII−
V族化合物半導体層と、この第1の半導体層と同じ組成
の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を有し、上記第1のI
II−V族化合物半導体層と上記第2のIII−V族化合物
半導体層とを交互に積層した構造となし、上記第1のII
I−V族化合物半導体層の厚さを20nm以下とする
とを特徴とする窒素不純物をドーピングしたIII−V族
化合物半導体。
2. A first III-doped with a nitrogen impurity.
The semiconductor device includes a group V compound semiconductor layer and a second group III-V compound semiconductor layer having the same composition as that of the first semiconductor layer and not doped with nitrogen impurities.
A structure in which a II-V group compound semiconductor layer and the second III-V group compound semiconductor layer are alternately laminated, and the first II
I-V group compound semiconductor Group III-V doped with nitrogen impurities, wherein the this <br/> to a thickness of 20nm or less of layer compound semiconductor.
【請求項3】窒素不純物をドーピングした第1のIII−
V族化合物半導体層と、この第1の半導体層と同じ組成
の半導体であり、かつ窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を有し、上記第1のI
II−V族化合物半導体層を、上記第2のIII−V族化合
物半導体層で挟んだ構造を、上記第1のIII−V族化合
物半導体層よりもバンドギャップの大きい第3のIII−
V族化合物半導体層で挟んだ構造となし、上記第1のII
I−V族化合物半導体層の厚さを20nm以下とする
とを特徴とする窒素不純物をドーピングしたIII−V族
化合物半導体。
3. A first III-doped with a nitrogen impurity.
The semiconductor device includes a group V compound semiconductor layer and a second group III-V compound semiconductor layer having the same composition as that of the first semiconductor layer and not doped with nitrogen impurities.
A structure in which a II-V group compound semiconductor layer is sandwiched between the second III-V group compound semiconductor layers has a band gap larger than that of the first III-V group compound semiconductor layer.
The structure is sandwiched between the group V compound semiconductor layers, and the first II
I-V group compound semiconductor Group III-V doped with nitrogen impurities, wherein the this <br/> to a thickness of 20nm or less of layer compound semiconductor.
【請求項4】請求項1ないし請求項3のいずれか1項に
記載の窒素不純物をドーピングしたIII−V族化合物半
導体において、第1のIII−V族化合物半導体層におけ
る窒素不純物の面密度を1×10 13 /cm以下と
ことを特徴とする窒素不純物をドーピングしたIII−
V族化合物半導体。
4. The nitrogen impurity-doped III-V compound semiconductor according to claim 1, wherein a nitrogen impurity has an area density in a first III-V compound semiconductor layer. be between 1 × 10 13 / cm 2 or less
That was doped with nitrogen impurities, characterized in that the III-
Group V compound semiconductor.
【請求項5】基板上に窒素不純物をドーピングしていな
い第2のIII−V族化合物半導体層を成長する第1の工
程と、 上記第2のIII−V族化合物半導体層の成長を中断し、
該第2のIII−V族化合物半導体層の表面に窒素不純物
を供給する第2の工程と、 上記第2の工程の終了後に、再び、窒素不純物をドーピ
ングしていない第2のIII−V族化合物半導体層を成長
する第3の工程を、 少なくとも含むことを特徴とする窒素不純物をドーピン
グしたIII−V族化合物半導体の作製方法。
5. A first step of growing a second III-V compound semiconductor layer not doped with nitrogen impurities on a substrate, and interrupting the growth of the second III-V compound semiconductor layer. ,
A second step of supplying nitrogen impurities to the surface of the second III-V compound semiconductor layer, and a second III-V group not doped with nitrogen impurities again after the completion of the second step. A method for manufacturing a III-V group compound semiconductor doped with a nitrogen impurity, comprising at least a third step of growing a compound semiconductor layer.
【請求項6】請求項において、第2の工程と第3の工
程との間に、所定の時間の間、成長も窒素不純物の添加
も行わない第4の工程を含むことを特徴とする窒素不純
物をドーピングしたIII−V族化合物半導体の作製方
法。
6. The method according to claim 5 , further comprising a fourth step between the second step and the third step in which neither growth nor addition of nitrogen impurities is performed for a predetermined time. A method for manufacturing a III-V group compound semiconductor doped with nitrogen impurities.
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