JP3432444B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
(0≦x≦1)又はInxGayAl1-x-yN層(0≦x,
y≦1)を気相成長させる化合物半導体の成長方法に関
し、より詳しくは結晶性が良好で抵抗率の低い化合物半
導体の成長方法、並びにこの成長方法を応用した化合物
半導体発光素子及びその製造方法に関する。
あるガリウム及びV族元素である窒素から構成される化
合物半導体であり、直接遷移型バンド構造を有する。従
って、該化合物半導体を利用して、伝導帯−価電子帯間
遷移による紫外発光素子であって、室温で3.39eV
程度の禁制帯幅及び366nm程度のピーク波長を有す
る紫外発光素子を製造できることが期待されている。
などの発光素子を得るにはP型結晶とN型結晶とを隣合
わせにしたいわゆるPN接合が必要であるが、従来はG
aNからなるP型結晶を製造することは困難であった。
その理由は、GaNは禁制帯幅が大きいため、本来は室
温では絶縁体となるはずだが、従来の工程でGaNを製
造すると、不純物をドーピングしない結晶(アンドープ
結晶)でも常にN型結晶となり、しかもその自由電子濃
度は1019cm-3以上と極めて高くなるからである。これ
は格子欠陥、特に窒素空孔がドナーとして働くためと考
えられている。
クセプター不純物をドーピングしてGa1-xAlxN(0
≦x≦1)層を形成しても、Mgが不活性化された抵抗
率の高い結晶になってしまう。この原因についても格子
欠陥が考えられる。すなわち、Ga1-xAlxN(0≦x
≦1)結晶を形成する際に、V族元素である窒素の空孔
が発生し、該結晶の格子中に拡張性の歪が与えられ、こ
の拡張性の歪のために、ドーピングされたアクセプター
不純物はGa及びAlの格子位置に入り難くなり、その
ため不活性化されてしまうからである。
する改善方法として、例えばJapanese Journal of Appl
ied Physics 28(1989)p2112-p2114に開示された方法
がある。それは、電子線照射によりアクセプター不純物
を活性化する方法であって、MgをドープしたGaNの
フィルムに電子線を照射することによってP型結晶を得
たと報告しているが、その抵抗率は35Ω・m、ホール濃
度は2×1016cm-3と依然として高抵抗、低キャリア濃
度である。このP型結晶を用いて製造された発光ダイオ
ード(LED)素子は、紫外領域で発光しているが効率が
悪く、電気的特性の改善が今後の課題となっている。
合を実現できるような良好な結晶性と低い抵抗率とを有
するN型結晶及びP型結晶を製造(成長)することは困
難である。また、このような結晶を応用した発光ダイオ
ード素子等の化合物半導体発光素子についても十分な特
性が得られるものを製造できなかったのが現状である。
り、格子欠陥がない良好な結晶が得られる化合物半導体
の成長方法、特に低抵抗の良好なP型結晶が得られる化
合物半導体の成長方法を提供することを目的とする。
学的特性が良好な化合物半導体発光素子及びその製造方
法を提供することにある。
成長方法は、成長装置内でGa1-xAlxN層(0≦x≦
1)を成長させる際に、該Ga1-xAlxN層に、原子半
径がGa及びAlよりも大きいIII族元素を1×1017c
m-3から7×1022cm-3までの濃度範囲だけ添加する工
程を含んでおり、そのことにより上記目的が達成され
る。
は、成長装置内でInxGayAl1-x- yN層(0≦x,
y≦1)を成長させる際に、該InxGayAl1-x-yN
層に、原子半径がNよりも大きいV族元素を1×1017
cm-3から1×1023cm-3までの濃度範囲だけ添加する工
程を含んでおり、そのことにより上記目的が達成され
る。
にも、ドナー不純物を同時にドーピングするとN型半導
体が得られ、アクセプター不純物を同時にドーピングす
るとP型半導体が得られる。
造方法は、原子半径がNよりも大きいV族元素を1×1
017cm-3から1×1023cm-3までの濃度範囲だけ添加し
て、成長装置内でInxGayAl1-x-yN層(0≦x,
y≦1)を成長させる工程と、該InxGayAl1-x-y
N層を利用してPN接合を形成する工程とを含んでお
り、そのことにより上記目的が達成される。
化合物半導体発光素子によっても、上記目的が達成され
る。
ayAl1-x-yN層を成長させる際に、ドナー不純物を同
時にドーピングする工程及び/又はアクセプター不純物
を同時にドーピングする工程を含む。
1)の結晶を形成する際に、Ga及びAlよりも原子半
径の大きいIII族元素、例えばInを添加すると、又
は、InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)の結
晶を形成する際に、Nよりも原子半径の大きいV族元
素、例えばP,As,Sbを添加すると、成長する結晶
に圧縮性歪が与えられる。これにより、窒素空孔に起因
する結晶中の拡張性歪を緩和することができる。その結
果、格子欠陥(点欠陥)の少ない結晶性の良好な化合物
半導体が得られる。
プター不純物を添加すれば、アクセプター不純物は容易
にIII族格子位置に入り、活性化されるため、低抵抗の
良好なP型結晶が得られる。
接合は、電気的及び光学的特性が良好である。このPN
接合を利用すれば、紫外から青色にかけての発光ダイオ
ード(LED)及び半導体レーザ(LD)等の発光素子が実
現できる。
(0≦x≦1)を気相成長させるために、MOCVD
(有機金属気相成長法)装置を使用し、Gaの材料ガス
としてTMG(トリメチルガリウム)を、Alの材料ガ
スとしてTMA(トリメチルアルミニウム)を、Nの材
料としてNH3(アンモニア)又はN2(窒素ガス)をそ
れぞれ使用した。
として、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族元
素を用いた。下記表1にIII族元素の共有結合半径を示
す。本実施例1では、表1に示したIII族元素の共有結
合半径をもとにInを選択し、Inの材料ガスとしてT
MI(トリメチルインジウム)を使用した。
て説明する。
G,TMA及びNH3を供給し、同時にTMIを供給
し、Inの濃度範囲が1×1016cm-3から1×1023cm
-3になるGa1-xAlxN層(x=0.50)を成長した。
と、In濃度との関係を示す。図1から明らかなよう
に、In濃度が1×1017cm-3から1×1023cm-3まで
の範囲で自由電子濃度が減少している。そして、In濃
度が1×1021cm-3のときに自由電子濃度は1×1016
cm-3となり最小値を示した。この結果は、Inを添加し
ない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上であった
ことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー濃度が
1000分の1以下に減少したことを意味している。す
なわち格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN層(x=
0.50)の結晶が得られたことを示している。
させたところ、それぞれ自由電子の濃度が1×1016cm
-3から3×1016cm-3まで低減できた。従って、全ての
組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN層について、I
nの添加による効果があるといえる。
明する。
a1-xAlxN層を成長させる際に、ドナー不純物として
SiH4ガスを、Siの濃度が1×1019cm-3程度となる
ようにドーピングしたところ、2000cm2/V・Sの移
動度を有するN型結晶(N型伝導型結晶)が得られ、I
nを添加しないで得られたN型結晶に比べて移動度が大
幅に改善された。
する場合について説明する。
G及びNH3を供給し、同時にInの濃度範囲が1×1
016cm-3から1×1023cm-3になるようにTMIを供給
し、この時さらに、アクセプター不純物としてDMZn
(ジメチル亜鉛)をドーピングした。
アクセプター濃度と、In濃度との関係を示す。図2か
らわかるように、In濃度が1×1017cm-3から7×1
022cm-3までの範囲で活性化したアクセプター濃度が増
加している。そして、In濃度が1×1021cm-3の時に
活性化したアクセプター濃度は5×1018cm-3と最大値
を示した。このIn濃度を有するGaN層の抵抗率は5
Ωm、移動度は80cm 2/V・Sであり、同様の条件でI
nを添加せずに得られた結晶に比べて大幅に低抵抗化が
実現できた。
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化されたためと考えられる。
に、Mg、Be等の他のII族元素を用いてもよく、同様
の条件でGaN層を成長させたところ低抵抗のP型結晶
が得られた。
=0.50)を同様の条件で成長させた場合も、アクセプタ
ー不純物及びInの添加によって良好なP型結晶が得ら
れた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-x
AlxN層について、Inの添加による効果があるとい
える。
lxN層(0≦x≦1)を気相成長させるために、MO
MBE(有機金属分子線エピタキシー法)装置を使用
し、Gaの材料ガスとしてTMGを、Alの材料ガスと
してTMAを、Nの材料としてNH3又はN2を使用し
た。
として、Nよりも原子半径の大きいV族元素を用いた。
下記表2にV族元素の共有結合半径を示す。本実施例2
では、表2に示したV族元素の共有結合半径をもとに
P、As、及びSbを選択し、材料ガスとして、それぞ
れPH3、AsH3、及びSbを使用した。
る。
長温度600℃で、TMG、TMA及びNH3を供給してG
a1-xAlxN層(x=0.30)を成長し、この結晶中のV
族元素(P、As又はSb)の濃度範囲が1×1016cm
-3から1×1023cm-3になるように、PH3、AsH3、
又はSbを供給した。
P、As及びSb濃度との関係を示す。図3から明らか
なように、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3から
1×1023cm-3までの範囲で、自由電子濃度が減少して
いる。そして、Pの場合は濃度が4×1021cm-3のとき
に自由電子濃度は1×1016cm-3となり最小値を示し
た。この結果は、Nよりも原子半径の大きいV族元素を
添加しない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上で
あったことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー
濃度が1000分の1以下に減少したことを意味してい
る。すなわち、格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN
層(x=0.30)の結晶が得られたことを示している。
させたところ、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3
から1×1023cm-3までの範囲で、それぞれ自由電子濃
度が低減できた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)
のGa1-xAlxN層について、Nよりも原子半径の大き
いV族元素の添加による効果があるといえる。
明する。
きいV族元素を添加しながらGa1- xAlxN層を成長さ
せる際に、ドナー不純物としてSiH4ガスを、Siの
濃度が1×1019cm-3程度となるようにドーピングした
ところ、2000cm2/V・Sの移動度を有するN型結晶
が得られ、Nよりも原子半径の大きいV族元素を添加し
ないで得られたN型結晶に比べて移動度が大幅に改善さ
れた。
明する。
MG、TMA及びNH3を供給してGa1-xAlxN層
(x=0.30)を成長し、同時にこのGa1-xAlxN層中
のP、As又はSbの濃度範囲が1×1016cm-3から1
×1023cm-3になるように、PH3、AsH3、又はSb
固体をそれぞれ供給した。この時さらに、アクセプター
不純物としてZnをドーピングした。
セプター濃度と、P、As及びSb濃度との関係を示
す。図4からわかるように、P、As及びSb濃度が1
×10 16cm-3から1×1023cm-3までの範囲で、活性化
したアクセプター濃度が増加している。そして、Pの場
合は濃度が1×1022cm-3の時に活性化したアクセプタ
ー濃度が1.1×1019cm-3と最大値を示した。このP
濃度を有するGa1-xAlxN層の抵抗率は5Ωm、移動
度は80cm2/V・Sであり、同様の条件でNよりも原子
半径の大きいV族元素を添加せずに得られた結晶に比
べ、大幅に低抵抗化を実現できた。
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化され易くなったためと考え
られる。
にMg、Be等の他のII族元素を利用して、同様の条件
でGa1-xAlxN層を成長させた場合も、P、As又は
Sbを添加することにより低抵抗のP型結晶が得られ
た。
で成長させた場合も、アクセプター不純物、及びP、A
s又はSbの添加によって良好なP型結晶が得られた。
従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN
層について、Nよりも原子半径の大きいV族元素の添加
による効果があるといえる。
x,y≦1)を、Nよりも原子半径の大きいV族元素を
添加して、同様の条件で成長させたところ、Ga1-xA
lxN層(0≦x≦1)の場合よりもさらに良好な結晶
が得られた。すなわち、本実施例2における結果は、G
a1-xAlxN層(0≦x≦1)をInxGayAl1-x-y
N層(0≦x,y≦1)に置き換えることにより、さら
に改善されるものである。
はMOMBE装置を利用したが、MBE(分子線エピタ
キシー法)装置等の他の装置でもよい。Ga、Al及び
Nの材料、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族
元素の材料、及びNよりも原子半径の大きいV族元素の
材料も、本実施例以外の他の化合物を用いてもよい。基
板についても、GaAs基板以外にSi、InP、Ga
P等の他の半導体基板及びサファイヤ基板を用いても効
果があることは言うまでもない。
合物半導体を利用して、図5(a)〜(b)に示す半導体
レーザ素子を製造した。以下にその製造方法を説明す
る。
板301を、温度600℃まで加熱し、TMG、N2、
SiH4及びPH3を供給して、N型GaNからなるバッ
ファ層302をその厚さが0.2μmとなるように成長
させる。ここで、バッファ層302は2種以上の半導体
層による超格子でもよい。
N2、SiH4及びPH3を供給したままでさらにTMA
の供給を開始し、N型Ga1-xAlxN層(x=0.30)を
その厚さが1μmとなるように成長させて、N型クラッ
ド層303を形成する。
まで、TMA及びSiH4の供給を停止し、GaN層を
その厚さが0.1μmとなるように成長させて、活性層
304を形成する。ここで該活性層304は、同時にT
MAを供給して得られるGa 1-xAlxN層であっても、
SiH4、DEZn等のドーパントを供給して得られる
結晶であってもよい。
まで、さらにTMA及びDEZnの供給を開始し、P型
Ga1-xAlxN層(x=0.30)をその厚さが1μmとな
るように成長させて、P型クラッド層305を形成す
る。
N2、PH3及びDEZnを供給したままでTMAの供給
を停止して、P型GaN層をその厚さが0.5μmとな
るように成長させて、P型コンタクト層306を形成す
る。
1を積層させ、これにより図5(c)に示す半導体レー
ザ素子を作製する。ここで、PH3は全ての層の成長中
においてその濃度が1×1022cm-3程度になるように供
給した。
素子を例にとって説明しているが、同様の製造方法を利
用してストライプ構造をもつ半導体レーザ素子を製造す
ることも可能である。また、2回以上の成長を用いて導
波路を作製することも可能である。
に変更できることは言うまでもなく、導電型は全て逆で
もよい。また、Ga1-xAlxN層の成長時に同時にIn
の材料ガスを供給して、InxGayAl1-x-yN層(0
≦x,y≦1)として成長させてもよい。
a1-xAlxN層又はInxGayAl 1-x-yN層の組成比
であるx又は/及びyは積層方向に沿って変化していて
もよく、SCH構造やGDIN−SCH構造も可能であ
る。また、活性層304についても量子井戸構造及び多
重量子井戸構造でもよい。
体レーザは室温で連続発振が得られ、ピーク波長は37
0nm付近であった。光出力は3mWであったが、紫外
発光素子が実現できた。
厚さが1μm程度となるようにしたところ、ピーク波長
367nmで発光し、LED(発光ダイオード)として
使用可能な発光素子が得られた。
性及び光学特性の良好な化合物半導体発光素子が提供で
きる。
自由電子濃度との関係を示すグラフ。
n濃度と活性化したアクセプター濃度との関係を示すグ
ラフ。
P、As及びSb濃度と自由電子濃度との関係を示すグ
ラフ。
1-x-yN層(x=0.30)中のP、As及びSb濃度と活
性化したアクセプター濃度との関係を示すグラフ。
レーザー素子の断面図。
Claims (6)
- 【請求項1】 N型GaAlNクラッド層と、GaN層
又はGaAlN層からなる活性層と、P型GaAlNク
ラッド層を有する半導体発光素子であって、 前記N型GaAlNクラッド層と前記活性層と前記P型
GaAlNクラッド層は、N型GaN層とP型GaN層
との間に形成され、 前記層は、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII
族元素又はNよりも原子半径の大きいV族元素を含む、 ことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項2】 前記半導体発光素子は基板を有し、前記
基板と活性層の間に前記N型GaN層を設けることを特
徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 【請求項3】 前記基板上にN型電極を有することを特
徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記クラッド層は、GaAlN層の組成
比が積層方向に向かって変化していることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体発光素子。 - 【請求項5】 前記活性層は、量子井戸構造或いは多重
量子井戸構造であることを特徴とする請求項1乃至4の
いずれかに記載の半導体発光素子。 - 【請求項6】 前記半導体発光素子は、半導体レーザで
あることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載
の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP04800499A JP3432444B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04800499A JP3432444B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4580992A Division JP3251046B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 化合物半導体の成長方法、化合物半導体発光素子及びその製造方法 |
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JPH11289109A JPH11289109A (ja) | 1999-10-19 |
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Family
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Family Applications (1)
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JP04800499A Expired - Lifetime JP3432444B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
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Families Citing this family (3)
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JP5095064B2 (ja) * | 2000-08-04 | 2012-12-12 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | シリコン基板上に堆積された窒化物層を有する半導体フィルムおよびその製造方法 |
JP2002076519A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-15 | Fujitsu Ltd | 半導体レーザ |
-
1999
- 1999-02-25 JP JP04800499A patent/JP3432444B2/ja not_active Expired - Lifetime
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