JP3491375B2 - Light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

Light emitting device and manufacturing method thereof

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JP3491375B2
JP3491375B2 JP07393895A JP7393895A JP3491375B2 JP 3491375 B2 JP3491375 B2 JP 3491375B2 JP 07393895 A JP07393895 A JP 07393895A JP 7393895 A JP7393895 A JP 7393895A JP 3491375 B2 JP3491375 B2 JP 3491375B2
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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】本発明は窒化ガリウム(GaN)
や窒化アルミニウム(AlN)及びそれらの混晶等の窒
素を含む含窒素 III−V族化合物層を発光層として備え
た発光素子に係わり、特に、発光強度の増大を果たすた
め、等電子的で且つ発光の再結合中心となる元素がドー
ピングされた含窒素 III−V族化合物層を備えた発光素
子に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to gallium nitride (GaN).
The present invention relates to a light emitting device including a nitrogen-containing III-V group compound layer containing nitrogen, such as aluminum nitride (AlN) and mixed crystals thereof, as a light emitting layer. The present invention relates to a light emitting device including a nitrogen-containing III-V group compound layer doped with an element that becomes a recombination center of light emission.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の青色或いは青緑色等の短波長発光
ダイオード(LED)には、窒素(元素記号:N)を含
む III−V族化合物半導体(含窒素 III−V族化合物半
導体)が発光層として使用されている。例えば、従来の
青色LEDには、窒化ガリウム(GaN)やGaNと窒
化インジウム(InN)からなる窒化ガリウム・インジ
ウム(GaInN)混晶が発光層材料として利用されて
いる(加藤 久喜、「豊田合成技報」、Vol.35、
No.2(1993)、91頁及びS.Nakamur
a他、Appl.Phys.Lett.、64(13)
(1994)、1687.)。
2. Description of the Related Art In a conventional short-wavelength light emitting diode (LED) such as blue or blue-green, a III-V group compound semiconductor containing nitrogen (element symbol: N) (nitrogen-containing III-V group compound semiconductor) emits light. Used as a layer. For example, in conventional blue LEDs, gallium nitride (GaN) or a gallium nitride / indium (GaInN) mixed crystal composed of GaN and indium nitride (InN) is used as a light emitting layer material (Kuki Kato, "Toyoda Gosei Co., Ltd." Report ", Vol.35,
No. 2 (1993), page 91 and S.H. Nakamur
a et al., Appl. Phys. Lett. , 64 (13)
(1994), 1687. ).

【0003】これらの含窒素 III−V族化合物半導体層
から構成される従来の短波長LED用の発光層には、元
素周期律表の第II族元素に属する亜鉛(Zn)がドーピ
ングされている(例えば、前出のAppl.Phys.
Lett.、64(1994)、1687.)。室温で
の禁止帯幅を約3.4eVとするGaNでは、亜鉛は価
電子帯より約0.4eVの比較的深いエネルギー位置に
不純物準位を形成する(VonH.G.GRIMMEI
SS他、Z.Naturforsh.,15(196
0)、799.)。GaN等の比較的禁止帯幅が広い含
窒素 III−V族化合物半導体に亜鉛をドーピングする理
由は、亜鉛が形成する再結合中心(recombina
tioncenter)による間接再結合を利用して短
波長の発光を得るためである。
A conventional light emitting layer for a short-wavelength LED composed of these nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layers is doped with zinc (Zn) belonging to a Group II element of the periodic table of elements. (For example, Appl. Phys.
Lett. , 64 (1994), 1687. ). In GaN having a bandgap of about 3.4 eV at room temperature, zinc forms an impurity level at a relatively deep energy position of about 0.4 eV from the valence band (VonH.G.GRIMMEI).
SS et al., Z. Nature forsh. , 15 (196
0), 799. ). The reason for doping zinc into a nitrogen-containing III-V compound semiconductor having a relatively wide band gap such as GaN is that the recombination center (recombina) formed by zinc is formed.
This is because short-wavelength light emission is obtained by utilizing indirect recombination due to the ion center.

【0004】GaNについて発光の再結合中心となる不
純物には、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)、金(A
u)、銅(Cu)、リチウム(Li)等や(Z.Nat
urforsh.,15(1960)、799.)、珪
素(Si)がある(F.KAREL他、phys.st
at.sol.,3(1963)、K78.)。AlN
では、マンガン(Mn)が再結合中心を形成する発光性
不純物として知られている(G.A.Wolff他、P
hys.Rev.,114(5)(1959)、126
2.)。GaNについては更に、イオン注入法によりド
ーピングされたホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、
リン(P)、カルシウム(Ca)、砒素(As)に加
え、次項に記す不純物が発光をもたらす不純物として挙
げられる(J.I.Pankove他、J.Appl.
Phys.,47(12)(1976年12月)、53
87.)。
Impurities which are the recombination centers of luminescence in GaN include cadmium (Cd), mercury (Hg), and gold (A).
u), copper (Cu), lithium (Li), etc. (Z.Nat
urforsh. , 15 (1960), 799. ), Silicon (Si) (F. KAREL et al., Phys.st
at. sol. , 3 (1963), K78. ). AlN
, Manganese (Mn) is known as a luminescent impurity that forms recombination centers (GA Wolff et al., P.
hys. Rev. , 114 (5) (1959), 126
2. ). Further, for GaN, boron (B), magnesium (Mg), which is doped by an ion implantation method,
In addition to phosphorus (P), calcium (Ca), and arsenic (As), the impurities described in the next section are mentioned as impurities that cause light emission (J. I. Pankov et al., J. Appl.
Phys. , 47 (12) (December 1976), 53.
87. ).

【0005】即ち、ベリリウム(Be)、炭素(C)、
酸素(O)、ナトリウム(Na)、Al、硫黄(S)、
塩素(Cl)、カリウム(K)、スカンジウム(S
c)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(N
i)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、クリプ
トン(Kr)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム
(Zr)、銀(Ag)、錫(Sn)、テルリウム(T
e)、バリウム(Ba)、ジスポロジウム(Dy)、エ
ルビウム(Er)等が利用できる。
That is, beryllium (Be), carbon (C),
Oxygen (O), sodium (Na), Al, sulfur (S),
Chlorine (Cl), potassium (K), scandium (S
c), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (N
i), germanium (Ge), selenium (Se), krypton (Kr), strontium (Sr), zirconium (Zr), silver (Ag), tin (Sn), tellurium (T).
e), barium (Ba), dysporodium (Dy), erbium (Er), etc. can be used.

【0006】また、補足中心となるアイソエレクトロニ
ックトラップ(isoelectronic tro
p)による擬間接遷移を利用したLEDも知られてい
る。例えば、窒素をアイソエレクトロニックトラップと
してドーピングしたリン化ガリウム(GaP)を発光層
とする III−V族化合物半導体LEDが代表的な例であ
る(深海 登世司監修、「半導体工学」(1993年東
京電機大学発行)、195頁)。リンと同じく元素周期
律表の第V族元素である窒素のドーピングによって、窒
素とリンの殻外電子の数の差異に基づき、窒素を補足中
心とした擬間接遷移により強い発光が得られるからであ
る。アイソエレクトロニックトラップを利用した発光層
には、窒素をドーピングした砒化リン化ガリウム(Ga
PAs)やリン化ガリウムインジウム(GaInP)が
ある(「半導体工学」、195頁)。アイソエレクトロ
ニックトラップ不純物を発光層として利用した場合、強
度的に優れるLEDが得られるのが特徴である。
In addition, a supplementary center is an isoelectronic trap.
LEDs utilizing pseudo-indirect transitions according to p) are also known. For example, a typical example is a III-V group compound semiconductor LED having gallium phosphide (GaP) doped with nitrogen as an isoelectronic trap as a light emitting layer ("Semiconductor Engineering" (Supervised by Toshiji Fukami, Tokyo, 1993). (Published by Denki University), p. 195). As with phosphorus, doping with nitrogen, which is a Group V element of the Periodic Table of Elements, produces strong luminescence due to pseudo-indirect transition centered on nitrogen based on the difference in the number of extra-shell electrons between nitrogen and phosphorus. is there. Nitrogen-doped gallium arsenide phosphide (Ga) is used for the light emitting layer utilizing the isoelectronic trap.
PAs) and gallium indium phosphide (GaInP) (“Semiconductor Engineering”, p. 195). When isoelectronic trap impurities are used as a light emitting layer, an LED with excellent strength can be obtained.

【0007】光の3原色は赤、青及び緑である。3原色
を混合させて様々な発色を呈する多色表示器(ディスプ
レイ)等を作製する場合にあっても、これらの3色の発
光光度が同等である発光素子を組み合わせて光を調合す
るのが望ましい。現状に於いて、青色及び赤色を呈する
LEDについては、1(カンデラ)を越える高輝度化が
達成されている。一方、多色表示をするために光の調合
上、是非とも必要である3原色の一色である緑色を発す
るLEDの発光光度は概ね、0.3カンデラ程度と低い
光度に留まっている。多色のLED表示装置を実現する
には、緑色を呈する短波長LEDの発光強度を充分に高
める必要がある。
The three primary colors of light are red, blue and green. Even in the case of manufacturing a multicolor display (display) or the like that mixes the three primary colors and exhibits various colors, it is preferable to combine light by combining light emitting elements having the same luminous intensity of these three colors. desirable. In the present situation, high brightness exceeding 1 (candela) has been achieved for blue and red LEDs. On the other hand, the light emission intensity of an LED that emits green, which is one of the three primary colors, which is absolutely necessary in light mixing for multicolor display, remains low at about 0.3 candela. In order to realize a multicolor LED display device, it is necessary to sufficiently increase the emission intensity of a short-wavelength LED that emits green light.

【0008】或る半導体層を構成する元素と元素周期律
表の同族に属しながら、殻外電子の数を異にする元素が
アイソエレクトロニック不純物となるとすれば、GaN
に対するAl、GaNに対するInやGaNに対するタ
リウム(Tl)などがアイソエレクトロニック不純物と
なり得る。タリウムはまた、発光の再結合中心でもあ
り、タリウムがドーピングされたGaNからは、波長が
約525nmの緑色発光が得られる(全出のZ.Nat
urforsh.,15(1960)、799.)。こ
のことから、タリウムがドーピングされた、タリウム以
外の第 III族元素であるガリウム、アルミニウムやイン
ジウムを構成元素として含む含窒素 III−V族化合物半
導体発光層として利用すれば、より高輝度の緑色帯域の
LEDが期待される。
If an element constituting a semiconductor layer and belonging to the same group of the periodic table of elements but different in the number of extra-shell electrons is an isoelectronic impurity, GaN is used.
For Al, In for GaN, thallium (Tl) for GaN, etc. can be isoelectronic impurities. Thallium is also the recombination center of the emission, and GaN doped with thallium gives green emission with a wavelength of about 525 nm (Z.
urforsh. , 15 (1960), 799. ). From this, if it is used as a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor light emitting layer containing gallium, aluminum, or indium which is a group III element other than thallium doped with thallium, a green band of higher brightness can be obtained. LEDs are expected.

【0009】しかし、発光強度の増大を主たる目的とし
て、アイソエレクトリックトラップとなり、且つ発光の
再結合中心となり得るタリウムをドーピングした含窒素
III−V族化合物半導体層を発光層として具備させた発
光素子は、未だ実現されていない。よって、タリウムを
ドーピングした含窒素 III−V族化合物半導体からなる
発光層を備えたLEDを得るに際して、高い発光強度の
発光素子を得るために、タリウムがドーピングされた含
窒素 III−V族化合物半導体からなる発光層が備えるべ
き品質要件、例えば、 (I)高い発光強度を得るために必要とされるタリウム
の原子濃度 (II)不純物や結晶欠陥等の発光強度の増大を阻害する
要因の抑制すべき濃度など未だ不明となっている。これ
は、タリウムをドーピングした含窒素 III−V族化合物
半導体層の安定的な形成を阻害する従来の成長技術上の
問題点が充分に解決されていないことに主たる原因があ
る。
However, for the main purpose of increasing the emission intensity, a nitrogen-containing nitrogen doped with thallium, which can be an isoelectric trap and a recombination center of emission, can be obtained.
A light emitting device including a III-V group compound semiconductor layer as a light emitting layer has not yet been realized. Therefore, in order to obtain an LED having a light emitting layer made of a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor doped with thallium, a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor doped with thallium is obtained in order to obtain a light emitting device with high emission intensity. The quality requirement that the light emitting layer made of is to have, for example: The concentration should be unknown. This is mainly due to the fact that the problems in the conventional growth technique that hinder the stable formation of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium have not been sufficiently solved.

【0010】従来より、発光素子用途としてのGaN或
いはAlN等の含窒素 III−V族化合物層はVPE法或
いはMBE法等の気相成長法で主に作製されている。気
相成長法の中でも有機金属化合物を原料とする熱分解気
相成長法(MOCVD、MOVPE(又はOMVPE)
などと略称される。)が従来の主たる気相成長法となっ
ている。GaNのMOCVD成長を一例にすれば、トリ
メチルガリウム((CH33Ga)やトリエチルガリ
ウム((CH3 CH23 Ga)等のトリアルキルガリ
ウム化合物などが、代表的なガリウムの供給原料として
利用されている。タリウムの有機化合物に関しては、ト
リメチルタリウム((CH33 Tl)やトリエチルタ
リウム((CH3 CH23 Tl)が、MOCVD成長
に於ける構成元素或いはドーパント供給源として既に提
示されている。
Conventionally, a nitrogen-containing III-V group compound layer such as GaN or AlN for use as a light emitting device has been mainly produced by a vapor phase growth method such as VPE method or MBE method. Among vapor phase growth methods, pyrolysis vapor phase growth methods (MOCVD, MOVPE (or OMVPE)) using an organic metal compound as a raw material
It is abbreviated as. ) Is the conventional main vapor phase growth method. Taking MOCVD growth of GaN as an example, trialkylgallium compounds such as trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) and triethylgallium ((CH 3 CH 2 ) 3 Ga) are typical gallium feed materials. It's being used. Regarding organic compounds of thallium, trimethylthallium ((CH 3 ) 3 Tl) and triethylthallium ((CH 3 CH 2 ) 3 Tl) have already been proposed as constituent elements or dopant sources in MOCVD growth.

【0011】MOCVD法に於ける第V族元素の供給源
としては、第V族元素の水素化物が一般的である。含窒
素 III−V族化合物層のMOCVD成長では、アンモニ
ア(NH3 )が代表的な窒素供給源となっている。第 I
II族元素のトリアルキル化合物はルイス酸性である。逆
に、アンモニア等の第V族元素の水素化物は概してルイ
ス塩基性を呈する。ルイス塩基とルイス酸分子は分子相
互間の電子受容・供給反応に基づき極めて容易に結合
し、より高融点の難解離性物質を生成する。例えば、ト
リメチルガリウムとアンモニアとの会合により生成され
るトリメチルガリウム・アミン錯体が、次の化学反応式
(1)に示す経路をもって融点を97℃とするビスアミ
ノ誘導体(複合体)を形成する例が挙げられる。 第 III族元素の有機金属化合物では、それを構成する第
III族元素は結合価を4価とする傾向が強い(G.E.
COATES、Organo−Metallic Co
mpounds、2nd.edi.,(1960)(M
ETHUEN& CO LTD)、p.88)。トリメ
チルタリウムやトリエチルタリウムに代表されるトリア
ルキルタリウム化合物は、Al、Ga及びInのトリア
ルキル化合物に比較すれば、他の分子から電子を受容す
る程度は小さいものの(Organo−Metalli
c Compounds、p.158)、ルイス塩基で
あるアンモニアとの会合により複合体を形成する。MO
CVD用途として提示されている従来のトリアルキルタ
リウム化合物は、ルイス塩基性を呈すアンモニア等の第
V族元素の水素化物と複合体化反応を完全には回避でき
ず、これが従来技術に於いてタリウムドーピング含窒素
III−V族化合物半導体層の成長が充分な安定性をもっ
て実施されない主たる原因となっていた。
As a supply source of the group V element in the MOCVD method, a hydride of the group V element is generally used. In MOCVD growth of a nitrogen-containing III-V compound layer, ammonia (NH 3 ) is a typical nitrogen supply source. No. I
Trialkyl compounds of Group II elements are Lewis acidic. Conversely, hydrides of Group V elements such as ammonia generally exhibit Lewis basicity. The Lewis base and the Lewis acid molecule bond very easily based on the electron-accepting / supplying reaction between the molecules to form a refractory substance having a higher melting point. For example, an example is given in which a trimethylgallium-amine complex formed by the association of trimethylgallium and ammonia forms a bisamino derivative (complex) having a melting point of 97 ° C. through the route shown in the following chemical reaction formula (1). To be In organometallic compounds of Group III elements, the
Group III elements have a strong tendency to have a valence of four (GE.
COATES, Organo-Metallic Co
mounds, 2nd. edi. , (1960) (M
ETHUEN & CO LTD), p. 88). Trialkyl thallium compounds typified by trimethyl thallium and triethyl thallium have a smaller degree of accepting electrons from other molecules as compared with trialkyl compounds of Al, Ga and In (Organo-Metalli).
c Compounds, p. 158), forming a complex by association with ammonia which is a Lewis base. MO
The conventional trialkyl thallium compound proposed for CVD cannot completely avoid a complexation reaction with a hydride of a Group V element such as ammonia which exhibits Lewis basicity. Doping nitrogen
It has been a main cause that the growth of the III-V compound semiconductor layer is not carried out with sufficient stability.

【0012】複合体化反応に因りタリウムの原料が不必
要に消費されると、成長反応炉へは意図する量或いは濃
度のタリウムが正確に供給できない。これにより、複合
体化反応によるポリマー状の生成物が発生し、その結
果、(a)表面状態が損なわれるのに加えて、(b)成
長層内のタリウム濃度の充分な制御性が得られないなど
の不具合を招いている。
If the raw material of thallium is consumed unnecessarily due to the complexing reaction, the intended amount or concentration of thallium cannot be accurately supplied to the growth reactor. As a result, a polymer-like product is generated by the complexing reaction, and as a result, (a) the surface state is impaired, and (b) sufficient controllability of the thallium concentration in the growth layer is obtained. It is causing problems such as not being.

【0013】MOCVD法にあっては、常圧(大気圧)
や減圧の方式に拘らず、半導体を構成する元素を含むト
リメチルガリウム((CH33 Ga)などの、脂肪族
化合物或いは芳香族化合物等の有機金属化合物原料の熱
分解を利用して成膜を実施する。有機金属化合物原料の
熱分解では、それを構成元する金属元素が放出されると
共に、金属原子に付加している脂肪族基或いは芳香族基
等の炭化水素基の分解に因り炭素(C)が同時に放出さ
れる。例えば、メチル金属化合物にあっては、成長層に
炭素の混入をもたらす主たる原因はメチル基(CH3
−)或いはその熱分解フラグメントであると云われる。
従来のタリウム源の一例であるトリメチルタリウムの熱
分解に於いても、タリウムが成長系内に放出されると共
に、メチル基及びそのフラグメントから炭素が分解、放
出される。バックグランドの炭素濃度に加えて、トリメ
チルタリウムの分解に伴う炭素の混入により、成長層内
の炭素原子濃度は更に高くなる。MOMBE法に於いて
は、トリメチルやトリエチル化合物を原料として使用す
る場合もあるが、通常のVPE法或いはMBE法では有
機金属化合物を含窒素 III−V族化合物半導体を成長さ
せるための出発原料とすることは希有である。しかし、
通常のVPE法或いはMBE法で成長させた含窒素 III
−V族化合物半導体成長層内にも、例えば基板結晶の表
面洗浄に使用した有機溶媒の残査或いは基板表面に吸着
した一酸化及び二酸化炭素等を媒介として炭素が含まれ
ている。バックグランドとしての炭素濃度は、MOCV
Dの場合と極端な差はない。
In the MOCVD method, normal pressure (atmospheric pressure)
Film formation by utilizing thermal decomposition of an organometallic compound raw material such as trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) containing an element that constitutes a semiconductor, such as an aliphatic compound or an aromatic compound Carry out. In the thermal decomposition of the organometallic compound raw material, the metal element that constitutes it is released, and carbon (C) is generated due to the decomposition of the hydrocarbon group such as an aliphatic group or an aromatic group added to the metal atom. It is released at the same time. For example, in the case of a methyl metal compound, the main cause of carbon contamination in the growth layer is the methyl group (CH 3
-) Or a pyrolysis fragment thereof.
Also in the thermal decomposition of trimethyl thallium, which is an example of a conventional thallium source, thallium is released into the growth system, and carbon is decomposed and released from the methyl group and its fragments. In addition to the background carbon concentration, the carbon concentration accompanying the decomposition of trimethylthallium further increases the carbon atom concentration in the growth layer. In the MOMBE method, a trimethyl or triethyl compound may be used as a raw material, but in the usual VPE method or MBE method, an organometallic compound is used as a starting material for growing a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor. Things are rare. But,
Nitrogen-containing material grown by conventional VPE method or MBE method III
Carbon is also contained in the -V compound semiconductor growth layer, for example, as a medium of the residue of the organic solvent used for cleaning the surface of the substrate crystal, or monoxide and carbon dioxide adsorbed on the substrate surface. The carbon concentration as the background is MOCV
There is no extreme difference from the case of D.

【0014】良質な膜質の含窒素 III−V族化合物半導
体MOCVD層を得るのに要求される成長温度である8
00℃前後から1200℃の範囲に於いて、炭素原子の
バックグランド濃度は成長温度の上昇と共に増加する。
実用的な成長温度で最も低い800℃に於けるGaNM
OCVD成長層の炭素原子のバックグランド濃度は約4
×1016cm-3程度である。成長温度950℃では、ア
ンドープGaNMOCVD膜のバックグランドの炭素の
原子濃度は約7×1016cm-3に上昇する。従来のトリ
アルキルタリウム化合物をタリウムのドーピング源とし
て得たGaNMOCVD成長層にあっては、炭素原子の
濃度は成長層内へのタリウムドーピング量にほぼ比例し
てバックグランド濃度より顕著に増加する。トリメチル
タリウムをタリウムドーピング源として、常圧方式のM
OCVD法により、温度950℃で成長させたタリウム
ドーピングGaN層のタリウム原子の濃度と炭素原子の
濃度との関係を図4に例示する。成長温度950℃に於
いて、タリウムの原子濃度を5×1017cm-3以上とす
るタリウムドーピングGaNMOCVD層内の炭素の原
子濃度は約1×1018cm-3以上となる。タリウムをド
ーピングする含窒素 III−V族化合物半導体材料に拘ら
ず、一般的な成長温度である800℃前後から1200
℃の範囲内では、同一のタリウム原子濃度に於ける炭素
原子濃度は成長温度の上昇と共に増加する。例えば、成
長温度を1050℃として得たタリウム原子濃度を5×
1017cm-3とするAlN層内の炭素の原子濃度は約2
×1018cm-3であり、成長温度を800℃とした場合
の約4倍となる。従来のトリメチルタリウムをタリウム
源とする限り、従来の一般的な温度に於いて成長させた
タリウムの原子濃度を5×1017cm-3近傍とする含窒
素 III−V族化合物半導体層に於いて、炭素の原子濃度
を約1018cm-3以下にするのは困難が伴っていた。こ
の炭素原子濃度の増加はトリアルキルタリウム化合物の
熱分解に付随した本質的なものであるため、従来のタリ
ウムドーピング源を利用する限り、成長方式を変更して
も充分に回避することができない。
The growth temperature required to obtain a nitrogen-containing Group III-V compound semiconductor MOCVD layer of good quality is 8
In the range of around 00 ° C to 1200 ° C, the background concentration of carbon atoms increases with the growth temperature.
GaNM at 800 ° C, the lowest at a practical growth temperature
The background concentration of carbon atoms in the OCVD growth layer is about 4
It is about 10 16 cm -3 . At the growth temperature of 950 ° C., the background carbon atom concentration of the undoped GaN MOCVD film rises to about 7 × 10 16 cm −3 . In a GaN MOCVD growth layer obtained by using a conventional trialkyl thallium compound as a thallium doping source, the concentration of carbon atoms is significantly increased from the background concentration in almost proportion to the amount of thallium doping in the growth layer. Normal pressure type M using trimethyl thallium as a thallium doping source
FIG. 4 illustrates the relationship between the concentration of thallium atoms and the concentration of carbon atoms of the thallium-doped GaN layer grown at a temperature of 950 ° C. by the OCVD method. At the growth temperature of 950 ° C., the atomic concentration of carbon in the thallium-doped GaN MOCVD layer that makes the atomic concentration of thallium 5 × 10 17 cm −3 or more becomes approximately 1 × 10 18 cm −3 or more. Regardless of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor material doped with thallium, a typical growth temperature is from about 800 ° C. to 1200 ° C.
Within the range of ° C, the carbon atom concentration at the same thallium atom concentration increases with the growth temperature. For example, the thallium atom concentration obtained when the growth temperature is 1050 ° C. is 5 ×
The atomic concentration of carbon in the AlN layer, which is 10 17 cm −3 , is about 2
It is × 10 18 cm -3, which is about four times that when the growth temperature is 800 ° C. As long as conventional trimethyl thallium is used as a thallium source, a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer in which the atomic concentration of thallium grown at a conventional general temperature is about 5 × 10 17 cm −3 However, it has been difficult to reduce the atomic concentration of carbon to about 10 18 cm -3 or less. Since this increase in carbon atom concentration is essential to the thermal decomposition of the trialkyl thallium compound, it cannot be sufficiently avoided even by changing the growth method as long as the conventional thallium doping source is used.

【0015】含窒素 III−V族化合物半導体層内の炭素
濃度の増大はLEDの発光強度の増大に支障を及ぼす。
例えば、過剰な濃度の炭素は含窒素 III−V族化合物半
導体層の内部に炭素不純物に関与する非発光性の欠陥を
促す。非発光性の欠陥が多量に含まれる含窒素III−V
族化合物半導体層を発光素子に用いると、発光構造から
の発光を吸収するため、発光素子の高輝度化に不都合と
なる。このため、LEDの発光強度の増大に支障を来た
す非発光中心等の密度が小さいタリウムをドーピングし
た含窒素 III−V族化合物半導体層を得るには、層内へ
の炭素の汚染量を低減できるタリウムのドーピング源を
選択する必要がある。現状では、従来のトリアルキルタ
リウム化合物に替わる炭素の混入を抑制するに適するタ
リウムのドーピング源は提示されていない。これらのこ
とが、タリウムドーピング含窒素 III−V族化合物半導
体を具備してなる高輝度の緑色LEDを得るに支障とな
っている。
Increasing the carbon concentration in the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer hinders the increase in the emission intensity of the LED.
For example, excessive concentration of carbon promotes non-emissive defects related to carbon impurities inside the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer. Nitrogen-containing III-V containing a large amount of non-luminous defects
When the group compound semiconductor layer is used for a light emitting element, it absorbs light emitted from the light emitting structure, which is inconvenient for increasing the brightness of the light emitting element. Therefore, in order to obtain a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium having a low density of non-radiative centers and the like that hinders the increase of the emission intensity of the LED, the amount of carbon contamination in the layer can be reduced. It is necessary to select a doping source of thallium. At present, no doping source of thallium suitable for suppressing carbon contamination in place of the conventional trialkyl thallium compound has been proposed. These are obstacles to obtaining a high-brightness green LED comprising a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】アイソエレクトリック
元素であり且つ発光の再結合中心となり得るタリウムを
発光強度の増大を目的としてドーピングした含窒素 III
−V族化合物半導体を具備した、短波長、特に緑色の発
光を呈する高輝度のLEDを安定して得るには、次の課
題を解決する必要がある。 (1)発光強度の増大を果たすに必要とされる含窒素 I
II−V族化合物半導体層内のタリウムの原子濃度 (2)発光強度の低下を誘起する非発光中心等の欠陥の
発生を低く抑制できる含窒素 III−V化合物半導体層内
の炭素の原子濃度 (3)また、MOCVD法などの気相成長法等により、
表面状態に優れ、低炭素濃度のタリウムドーピング含窒
素 III−V族化合物半導体発光層を安定して形成するた
めに必要とされるタリウムのドーピング源の採用。
Nitrogen-containing material doped with thallium, which is an isoelectric element and which can be a recombination center of light emission, for the purpose of increasing the light emission intensity.
In order to stably obtain a high-luminance LED that emits light of a short wavelength, especially green, which includes a group V compound semiconductor, it is necessary to solve the following problems. (1) Nitrogen-containing material required to increase the emission intensity I
Atomic concentration of thallium in II-V compound semiconductor layer (2) Atomic concentration of carbon in nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer that can suppress the generation of defects such as non-radiative centers that cause a decrease in emission intensity ( 3) Further, by vapor phase growth method such as MOCVD method,
Adopting a doping source of thallium, which is required for stably forming a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor light-emitting layer with excellent surface condition and low carbon concentration.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明では、以下の手段
をもって課題を解決し、高輝度の緑色発光素子を提供す
る。即ち、本発明は、(イ)ホウ素(B)、アルミニウ
ム(Al)、ガリウム(Ga)若しくはインジウム(I
n)のいずれかの第 III族元素と窒素を第V族の一構成
元素として含み、且つタリウムがドーピングされてなる
含窒素 III−V族化合物半導体層を具備した発光素子を
提供するものであって、特に、(ロ)タリウムがドーピ
ングされてなる含窒素 III−V族化合物半導体層は、タ
リウムの原子濃度を5×1017cm-3以上とし、且つ炭
素の原子濃度は2×1016cm-3以下とし、また、
(ハ)上記(ロ)に記載の含窒素 III−V族化合物半導
体層は、シクロペンタジエニルタリウム化合物をもって
タリウムをドーピングすることを特徴とするものであ
る。
The present invention solves the problems by the following means and provides a high-luminance green light emitting device. That is, according to the present invention, (a) boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) or indium (I)
The present invention provides a light emitting device comprising a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium, containing any one of the group III elements of n) and nitrogen as a constituent element of group V. In particular, the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with (b) thallium has an atomic concentration of thallium of 5 × 10 17 cm −3 or more and an atomic concentration of carbon of 2 × 10 16 cm 3. -3 or less, and also
(C) The nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer described in (b) above is characterized by doping thallium with a cyclopentadienyl thallium compound.

【0018】タリウムをドーピングする対象とする含窒
素 III−V族化合物半導体層はホウ素(B)、アルミニ
ウム(Al)、ガリウム(Ga)若しくはインジウム
(In)の中の少なくとも1種の第 III族元素を構成元
素として含むものとする。これに該当する III−V族2
元化合物には、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム
(AlN)、窒化ガリウム(GaN)及び窒化インジウ
ム(InN)がある。含窒素3元 III−V族化合物混晶
には、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)、窒
化ガリウム・インジウム(GaInN)、窒化アルミニ
ウム・インジウム(AlInN)、窒化ホウ素・ガリウ
ム(BGaN)、窒化ホウ素・インジウム(BInN)
等がある。また、含窒素4元 III−V族化合物混晶に
は、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlG
aInN)、窒化ホウ素・ガリウム・インジウム(BG
aInN)等がある。タリウムをドーピングする層は、
窒素と窒素以外の第V族元素を含む含窒素 III−V族化
合物半導体層でも構わない。窒素と窒素以外の第V族元
素を含む含窒素 III−V族化合物半導体の例には、窒化
リン化アルミニウム・ガリウム(AlGaNP)や窒化
ヒ化ガリウム・インジウム(GaInNAs)などがあ
る。
The nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer to be doped with thallium is at least one group III element selected from boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In). Is included as a constituent element. III-V group 2 corresponding to this
The original compounds include boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN) and indium nitride (InN). Nitrogen-containing ternary III-V group compound crystals include aluminum nitride / gallium (AlGaN), gallium nitride / indium (GaInN), aluminum nitride / indium (AlInN), boron nitride / gallium (BGaN), boron nitride / indium. (BInN)
Etc. Further, the nitrogen-containing quaternary III-V group compound crystal contains aluminum nitride / gallium / indium (AlG
aInN), boron nitride, gallium, indium (BG
aInN) and the like. The thallium doping layer is
A nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen and a group V element other than nitrogen may be used. Examples of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor containing nitrogen and a group V element other than nitrogen include aluminum gallium phosphide / gallium nitride (AlGaNP) and gallium arsenide / indium nitride (GaInNAs).

【0019】タリウムをドーピングする含窒素 III−V
族化合物半導体層の伝導形はp形、n形或いは高抵抗の
i形とする。p形のタリウムドーピング含窒素 III−V
族化合物半導体層は、気相成長時に元素周期律表の第II
族に属する亜鉛、マグネシウム、ベリリウム等をドーピ
ングすれば得られる。n形のタリウムドーピング含窒素
III−V族化合物半導体層は、第IV族元素であるシリコ
ンや錫或いはまた第VI族元素である硫黄、セレンやテル
リウム等のドーピングによって得ることができる。例え
ば、MOCVD法による気相成長に於いて、タリウムと
マグネシウムを含窒素 III−V族化合物半導体層を同時
にドーピングすれば、タリウムがドーピングされたp形
の含窒素 III−V族化合物半導体層を得ることができ
る。マグネシウムのドーピング源の例には、ビスシクロ
ペンタジエニルマグネシウム((C552 Mg)等
がある(C.R.LEWIS他、Electron.L
ett.、18(13)(1982)、569.)。第
IV族若しくは第VI族元素のドーピング源としては、従来
のシラン(SiH4)、シ゛シラン(Si26 )、硫化水素(H2
S)、セレン化水素(H2 Se)等の水素化物が利用
できる。また、これらの元素を含む有機化合物もドーピ
ング源として利用できる。気相成長方法等の成長方法に
於いて、電気的な活性の量を表すドナー濃度及びアクセ
プター濃度がほぼ同等となる様に上記のn形及びp形の
元素のドーピングを施せば、n形とp形キャリアの補償
により高抵抗の含窒素 III−V族化合物半導体層を得る
ことができる。
Nitrogen-containing III-V doping with thallium
The conduction type of the group compound semiconductor layer is p-type, n-type or high-resistance i-type. P-type thallium-doped nitrogen-containing III-V
The group compound semiconductor layer is formed on the periodic table II of the periodic table of elements during vapor phase growth.
It can be obtained by doping with zinc, magnesium, beryllium, etc. belonging to the group. N-type thallium-doped nitrogen-containing
The III-V group compound semiconductor layer can be obtained by doping silicon or tin which is a group IV element or sulfur, selenium or tellurium which is a group VI element. For example, in vapor phase growth by MOCVD, if a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer containing thallium and magnesium is simultaneously doped, a p-type nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer doped with thallium is obtained. be able to. An example of a magnesium doping source is biscyclopentadienyl magnesium ((C 5 H 5 ) 2 Mg) and the like (CR LEWIS et al., Electron. L).
ett. , 18 (13) (1982), 569. ). First
Conventional silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), hydrogen sulfide (H 2
S), hydrides such as hydrogen selenide (H2 Se) can be used. Further, an organic compound containing these elements can also be used as a doping source. In a growth method such as a vapor phase growth method, if the above n-type and p-type elements are doped so that the donor concentration and the acceptor concentration, which represent the amount of electrical activity, are substantially equal, the n-type is obtained. By compensating for the p-type carrier, a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer having high resistance can be obtained.

【0020】タリウムをドーピングした含窒素 III−V
族化合物半導体層を発光層として利用する際には、その
タリウムドーピング層のキャリア濃度は、n形層にあっ
ては約1×1015cm-3から約1×1017cm-3の範囲
とし、望ましくは1×1016cm-3近傍とする。p形層
のキャリア濃度は概ね、約1×1015cm-3から約1×
1017cm-3とし、1×1017cm-3前後であるのが好
ましい。MOCVD法等の気相成長法に於いては、例え
ば、n形或いはp形となるドーパントの含窒素 III−V
族化合物半導体層へのドーピング量を調整すれば、キャ
リア濃度を上記の好ましい値とすることができる。
Nitrogen-containing III-V doped with thallium
When the group compound semiconductor layer is used as a light emitting layer, the carrier concentration of the thallium-doped layer is in the range of about 1 × 10 15 cm −3 to about 1 × 10 17 cm −3 for the n-type layer. , And preferably in the vicinity of 1 × 10 16 cm -3 . The carrier concentration of the p-type layer is about 1 × 10 15 cm −3 to about 1 ×.
And 10 17 cm -3, is preferably 1 × 10 17 cm -3 and forth. In vapor phase growth methods such as MOCVD method, for example, nitrogen-containing dopant III-V which becomes n-type or p-type
The carrier concentration can be set to the above preferable value by adjusting the doping amount to the group compound semiconductor layer.

【0021】タリウムをドーピングして発光層となすn
形或いはp形の含窒素化合物半導体層の層厚は概ね、約
0.01μm以上で数μm以下とし、0.1μm前後と
するのが好ましい。層厚を約0.01μm以上で数μm
以下とする発光層は、含窒素 III−V族化合物半導体層
の堆積速度が既知である気相成長条件下に於いては、成
長(堆積)時間を調整することにより得ることができ
る。
N for forming a light emitting layer by doping thallium
The thickness of the p-type or p-type nitrogen-containing compound semiconductor layer is generally about 0.01 μm or more and several μm or less, preferably about 0.1 μm. Layer thickness of about 0.01 μm or more and several μm
The light emitting layer described below can be obtained by adjusting the growth (deposition) time under vapor phase growth conditions in which the deposition rate of the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer is known.

【0022】発光層内のタリウムの原子濃度が比較的低
い濃度である場合は、タリウムの原子濃度に比例してほ
ぼ直線的に発光強度が増大する。タリウムの原子濃度が
或る濃度を越えると発光の強度は飽和する傾向を示す。
図5に一例として、タリウムをドーピングしたマグネシ
ウムドープp形GaN層のフォトルミネッセンス発光強
度のタリウム原子濃度依存性を示す。タリウムの原子濃
度が5×1017cm-3以上となると発光強度は飽和する
傾向を示す。更に、タリウムを原子濃度にして5×10
19cm-3を越えてドーピングすると表面状態の顕著な悪
化を招き、発光強度は逆に低下する。同様のタリウムの
原子濃度と発光強度の関係は、発光層を構成する材質に
依らず認められる。また、この傾向はタリウムをドーピ
ングする含窒素 III−V族化合物半導体層の伝導形並び
にキャリア濃度に殆ど依存せずに得られる。大きなフォ
トルミネッセンス強度が得られるタリウムドーピング含
窒素 III−V族化合物半導体層を発光層とすれば、高輝
度のLEDを得るに優位となる。従って、タリウムの原
子濃度は大きなフォトルミネッセンス発光強度が安定し
てもたらされる範囲とする。よって、発光層にドーピン
グするタリウムの原子濃度は5×1017cm-3以上と
し、成長層の表面状態の悪化を招かない5×1019cm
-3以下とする。この濃度の範囲外では、タリウムをドー
ピングしたことによる発光強度の増大の効果は、タリウ
ム濃度が上記範囲内にある場合に比べ、必ずしも充分で
はない。
When the atomic concentration of thallium in the light emitting layer is relatively low, the emission intensity increases almost linearly in proportion to the atomic concentration of thallium. When the atomic concentration of thallium exceeds a certain concentration, the emission intensity tends to be saturated.
As an example, FIG. 5 shows the dependence of the photoluminescence emission intensity of the magnesium-doped p-type GaN layer doped with thallium on the thallium atom concentration. When the atomic concentration of thallium is 5 × 10 17 cm −3 or more, the emission intensity tends to be saturated. Further, thallium has an atomic concentration of 5 × 10 5.
If the doping exceeds 19 cm −3 , the surface condition is significantly deteriorated and the emission intensity is decreased. The similar relationship between the atomic concentration of thallium and the emission intensity is recognized regardless of the material forming the light emitting layer. This tendency can be obtained almost without depending on the conduction type and carrier concentration of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium. If a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer capable of obtaining a high photoluminescence intensity is used as a light emitting layer, it becomes advantageous in obtaining a high-brightness LED. Therefore, the atomic concentration of thallium is set to a range in which a large photoluminescence emission intensity is stably provided. Therefore, the atomic concentration of thallium doped in the light emitting layer is set to 5 × 10 17 cm −3 or more, and 5 × 10 19 cm which does not deteriorate the surface state of the growth layer.
-3 or less. Outside this concentration range, the effect of increasing the emission intensity due to the doping of thallium is not always sufficient as compared with the case where the thallium concentration is within the above range.

【0023】タリウムの原子濃度を大きな発光強度が得
られる領域にある約1×1018cm-3とした場合の、タ
リウムドーピングp形GaN層内の炭素の原子濃度とフ
ォトルミネッセンス発光強度との関係を図6に示す。炭
素の原子濃度が2×1016cm-3を越えるとフォトルミ
ネッセンス発光強度は急激に低下する。炭素原子濃度の
増大に伴う非発光性の結晶欠陥密度の増加と成長層の表
面状態の悪化に伴う光散乱の増大のためである。同様の
炭素の原子濃度と発光強度の関係は、タリウムをドーピ
ングした含窒素III−V族化合物半導体の種類、伝導形
並びにキャリア濃度に殆ど依存しない。発光層とするに
は、大きなフォトルミネッセンス強度を安定して呈する
含窒素III−V族化合物半導体層であるのが都合が良
く、よって、炭素の原子濃度は2×1016cm-3以下と
する。実際には、含窒素 III−V族化合物半導体層の炭
素の原子濃度はバックグランドの炭素濃度以下とはなら
ない。従って、含窒素 III−V族化合物半導体層内の炭
素濃度は実際には、バックグランド濃度以上で2×10
16cm-3以下となる。発光層内に含まれる炭素の濃度
は、例えば2次イオン質量分析法等により簡便に測定
し、管理できる。
The relationship between the atomic concentration of carbon in the thallium-doped p-type GaN layer and the photoluminescence emission intensity when the atomic concentration of thallium is about 1 × 10 18 cm -3 in the region where a large emission intensity is obtained. Is shown in FIG. When the atomic concentration of carbon exceeds 2 × 10 16 cm −3 , the photoluminescence emission intensity sharply decreases. This is because the density of non-luminous crystal defects increases as the carbon atom concentration increases, and the light scattering increases as the surface state of the growth layer deteriorates. Similarly, the relationship between the atomic concentration of carbon and the emission intensity hardly depends on the type, conduction type and carrier concentration of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor doped with thallium. To form the light emitting layer, it is convenient to use a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer that stably exhibits high photoluminescence intensity, and therefore the carbon atom concentration is set to 2 × 10 16 cm -3 or less. . In reality, the atomic concentration of carbon in the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer does not become lower than the background carbon concentration. Therefore, the carbon concentration in the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer is actually 2 × 10 5 or more when the background concentration is higher than the background concentration.
It is less than 16 cm -3 . The concentration of carbon contained in the light emitting layer can be easily measured and controlled by, for example, secondary ion mass spectrometry.

【0024】従来のタリウム源であるトリアルキルタリ
ウム化合物を使用する限り、図4に示した如く本発明で
規定するタリウムの原子濃度の範囲に於いて、炭素の原
子濃度を本発明に規定される値以下とするタリウムドー
ピング含窒素 III−V族化合物半導体層は得られない。
特に、気相成長方法に於いて複合体化反応を伴わずにタ
リウムを含窒素 III−V族化合物半導体層にドーピング
し、且つ炭素濃度を2×1016cm-3以下に抑制するた
めに、本発明では、シクロペンタジエニルタリウム化合
物をタリウムのドーピング源として使用する。シクロペ
ンタジエニルタリウム化合物の代表的な例に結合価を1
価とするシクロペンタジエニルタリウム(I)(C5
5 Tl(I))がある。タリウムは第 III族に属する元
素であるため3個の価電子を有する。ところが、シクロ
ペンタジエニルタリウム(I)では、結合に寄与してい
る電子は1個のみであり、結合に寄与しない他の2個の
電子がタリウムの原子の周囲に存在している。この孤立
した電子が存在することによってルイス酸性は薄めら
れ、ルイス塩基との電子供給・受容反応は生じ難くな
る。これにより、含窒素 III−V族化合物半導体層のM
OCVD成長に於いて、窒素源として多用されているア
ンモニアを構成している窒素原子の周囲に存在する孤立
電子対と、タリウムの周囲に存在する非結合性の電子対
とが互いに電気的に反発し、容易には錯体化せず複合体
を形成しない利点がある。よって、平滑な表面状態に優
れる成長層が得られる。
As long as a conventional trialkyl thallium compound that is a thallium source is used, the atomic concentration of carbon is defined in the present invention within the atomic concentration range of thallium defined in the present invention as shown in FIG. A thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer having a value not more than the value cannot be obtained.
In particular, in the vapor phase growth method, in order to dope the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer with thallium without the complexation reaction and to suppress the carbon concentration to 2 × 10 16 cm −3 or less, In the present invention, a cyclopentadienyl thallium compound is used as a thallium doping source. A typical example of a cyclopentadienyl thallium compound has a valency of 1
Valent cyclopentadienyl thallium (I) (C 5 H
There is 5 Tl (I). Thallium has three valence electrons because it is a group III element. However, in cyclopentadienyl thallium (I), only one electron contributes to the bond, and two other electrons that do not contribute to the bond exist around the thallium atom. The presence of these isolated electrons dilutes Lewis acidity, making it difficult for electron supply / accept reactions with Lewis bases to occur. Thereby, M of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer
In OCVD growth, a lone electron pair existing around a nitrogen atom that constitutes ammonia, which is often used as a nitrogen source, and a non-bonding electron pair existing around thallium, electrically repel each other. However, there is an advantage that it is not easily complexed to form a complex. Therefore, a growth layer having an excellent smooth surface condition can be obtained.

【0025】シクロペンタジエニルタリウム(I)(C
55 Tl(I))は約300℃の比較的低温で分解す
る。分解時には、タリウム原子に結合しているシクロペ
ンタジエニル環(C5−)は放出され、炭素原子と
水素原子には解離せず、シクロペンタジエンとなる。シ
クロペンタジエンは蒸発性が高く成長反応系に容易に排
出される。よって、炭素の汚染源となる熱分解生成物の
成長環境内での濃度を減少させられる利点がある。シク
ロペンタジエン環を付加してなる前記のp形ドーパント
の一種であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム
((C52 Mg)と組合せてシクロペンタジエ
ニルタリウム(I)(C55 Tl(I))を併用すれ
ば、本発明に規定する数値以下の炭素濃度を有するタリ
ウムがドーピングされたp形の伝導を呈する含窒素 III
−V族化合物半導体層を得ることができる。シクロペン
タジエニル環を付加した原料の組合わせは、含窒素 III
−V族化合物半導体層の成長に於いて、炭素原子のバッ
クグランド濃度を低減するに優位となり、また、タリウ
ムをドーピングに伴う含窒素 III−V族化合物半導体層
への炭素原子の混入を抑制するに優位である。
Cyclopentadienyl thallium (I) (C
5 H 5 Tl (I) decomposes at relatively low temperatures of about 300 ° C. Upon decomposition, the cyclopentadienyl ring (C 5 H 5 −) bonded to the thallium atom is released, and is not dissociated into carbon atom and hydrogen atom to become cyclopentadiene. Cyclopentadiene is highly vaporizable and is easily discharged into the growth reaction system. Therefore, there is an advantage that the concentration of the thermal decomposition product, which is a carbon pollution source, in the growth environment can be reduced. Cyclopentadienyl thallium (I) (C 5 H 5 Tl) in combination with biscyclopentadienyl magnesium ((C 5 H 5 ) 2 Mg), which is one of the above-mentioned p-type dopants obtained by adding a cyclopentadiene ring. When used together with (I)), nitrogen-containing nitrogen which exhibits p-type conduction doped with thallium having a carbon concentration equal to or lower than the value specified in the present invention III
A -V compound semiconductor layer can be obtained. The combination of raw materials with cyclopentadienyl ring added is nitrogen-containing III
In the growth of the group-V compound semiconductor layer, it has an advantage in reducing the background concentration of carbon atoms, and suppresses the incorporation of carbon atoms into the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layer accompanying the doping of thallium. Is superior to.

【0026】シクロペンタジエニルタリウム(I)をタ
リウムのドーピング原料とした、タリウムドーピング含
窒素 III−V族化合物半導体層は、例えば、MOCVD
法等の気相成長法で形成することができる。MOCVD
成長方式は常圧方式でも減圧方式でも差し支えない。成
長温度としては、成長を実施する際の圧力に依らず約3
00℃から約1200℃程度の範囲で設定できる。この
範囲内の温度であれば、タリウム原子濃度を5×1015
cm-3以上とし5×1019cm-3以下とする範囲に於い
て、炭素濃度が2×1016cm-3以下のタリウムドーピ
ング含窒素 III−V族化合物半導体層を得ることができ
る。この温度範囲では、タリウムの含窒素 III−V族化
合物半導体層へのドーピング効率が良好でタリウムの原
子濃度を制御し易く安定してタリウムドーピング発光層
が形成されるからである。また、炭素の層内への混入も
充分に抑制されることによる。図4にシクロペンタジエ
ニルタリウム(I)をタリウムドーピング源として成長
温度950℃で成長させたGaN層の炭素原子濃度のタ
リウム原子濃度依存性を、従来例と併記させて示す。
The thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer using cyclopentadienyl thallium (I) as a thallium doping material is, for example, MOCVD.
It can be formed by a vapor phase growth method such as a method. MOCVD
The growth method may be a normal pressure method or a reduced pressure method. The growth temperature is about 3 regardless of the pressure at which the growth is performed.
It can be set in the range of about 00 ° C to about 1200 ° C. If the temperature is within this range, the thallium atom concentration is 5 × 10 15
Within the range of not less than cm −3 and not more than 5 × 10 19 cm −3, a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer having a carbon concentration of not more than 2 × 10 16 cm −3 can be obtained. This is because in this temperature range, the doping efficiency of thallium into the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer is good, the atomic concentration of thallium is easily controlled, and the thallium-doped light emitting layer is stably formed. Further, it is because the mixing of carbon into the layer is sufficiently suppressed. FIG. 4 shows the thallium atom concentration dependence of the carbon atom concentration of the GaN layer grown at a growth temperature of 950 ° C. using cyclopentadienyl thallium (I) as a thallium doping source, together with the conventional example.

【0027】タリウムイオンを注入することによっても
タリウムがドーピングされた上記の含窒素 III−V族化
合物半導体層を得ることができる。タリウムの原子濃度
は被注入体へのタリウムイオンのドーズ量を調節するこ
とにより、5×1017cm-3以上とすることができる。
一方、タリウムイオンの注入によって、タリウムドーピ
ング含窒素 III−V族化合物半導体層を得る場合にあっ
ては、被注入体の炭素原子濃度に然したる変化を及ぼさ
ない。イオン注入法により得られたタリウムドーピング
含窒素 III−V族化合物半導体層の炭素原子濃度はほぼ
その層のバックグランドの炭素原子濃度となる。従来の
実用的な成長温度に於ける含窒素 III−V族化合物半導
体層のバックグランドの炭素原子濃度は最低でも約4×
1016cm-3である。この様な炭素原子のバックグラン
ド濃度を高くする被注入体にタリウムイオンを注入して
も、炭素の原子濃度を本発明の規定の範囲とすることは
困難である。
The nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium can also be obtained by implanting thallium ions. The atomic concentration of thallium can be set to 5 × 10 17 cm −3 or more by adjusting the dose amount of thallium ions to the implanted body.
On the other hand, when the thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer is obtained by implanting thallium ions, the carbon atom concentration of the implanted body does not change. The carbon atom concentration of the thallium-doped nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer obtained by the ion implantation method is almost the background carbon atom concentration of the layer. The background carbon atom concentration of the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer at the conventional practical growth temperature is at least about 4 ×.
It is 10 16 cm -3 . Even if thallium ions are implanted into the body to be implanted in which the background concentration of carbon atoms is increased, it is difficult to keep the atom concentration of carbon within the range specified by the present invention.

【0028】タリウムをドーピングした含窒素 III−V
族化合物半導体からなる発光層を備えたLEDは、例え
ば発光層とヘテロ接合するクラッド層等を備えた積層構
造に加工を加えることによって作製できる。LED用途
の積層構造の一例として、結晶基板上にn形の緩衝層と
n形の下部クラッド層とp形のタリウムドーピング発光
層とp形の上部クラッド層とを順次、堆積させてなる構
成を挙げることができる。タリウムドーピング発光層の
伝導形に依存して、それにヘテロ接合させるクラッド層
等の伝導形は変化させれば、pn接合型の発光素子が得
られる。高抵抗であるタリウムドーピング発光層を利用
する場合には、当該発光層の両側にp形層及びn形層を
配置した構成からなるpn接合型の発光素子とすること
ができる。高抵抗のタリウムドーピング III−V族化合
物半導体層はMIS型の発光素子を得るにも利用でき
る。
Nitrogen-containing III-V doped with thallium
An LED including a light emitting layer made of a group compound semiconductor can be manufactured by, for example, processing a laminated structure including a clad layer that heterojunctions with the light emitting layer. As an example of a laminated structure for an LED, an n-type buffer layer, an n-type lower clad layer, a p-type thallium-doped light emitting layer, and a p-type upper clad layer are sequentially deposited on a crystal substrate. Can be mentioned. Depending on the conductivity type of the thallium-doped light emitting layer, if the conductivity type of the cladding layer or the like to be heterojunction therewith is changed, a pn junction type light emitting device can be obtained. When a thallium-doped light emitting layer having a high resistance is used, a pn junction type light emitting device having a structure in which a p-type layer and an n-type layer are arranged on both sides of the light-emitting layer can be obtained. The high resistance thallium-doped III-V group compound semiconductor layer can also be used to obtain a MIS type light emitting device.

【0029】積層を構成する含窒素 III−V族化合物半
導体層は全て同一の材料から構成しても良く、或いは異
なる材料から構成しても構わない。積層を構成する層を
全てGaNとすれば同一の材料から構成された積層構造
が得られる。GaNは含窒素 III−V族化合物半導体層
の一例であり、前記した含窒素 III−V族化合物半導体
から適宣、選択された材料をもって積層構造を構成する
ことができる。また、異なる含窒素 III−V族化合物半
導体材料からなる積層構造の例には、AlN層/タリウ
ムドーピングAlGaN発光層/InN層などがある。
The nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layers forming the stack may all be made of the same material or different materials. If all the layers forming the stack are made of GaN, a stack structure made of the same material can be obtained. GaN is an example of a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer, and a layered structure can be formed using a material appropriately selected from the nitrogen-containing III-V group compound semiconductors described above. An example of a laminated structure made of different nitrogen-containing III-V group compound semiconductor materials is an AlN layer / a thallium-doped AlGaN light emitting layer / InN layer.

【0030】積層構造を構成する各含窒素 III−V族化
合物半導体層の伝導形の組み合わせに制限はない。LE
D用途のpn接合を備えたダブルヘテロ接合構造を得る
にあっては、発光層より下部に位置する各層を例えば、
n形の層より構成し、発光層と発光層より層の膜厚方向
に上部に配置する各層をp形に逆転させた構成とする例
がある。
There is no limitation on the combination of conduction types of the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layers constituting the laminated structure. LE
In obtaining a double heterojunction structure having a pn junction for D use, each layer located below the light emitting layer is
There is an example in which the light emitting layer is composed of n-type layers, and the layers arranged above the light emitting layer in the film thickness direction of the light emitting layer are inverted to p-type.

【0031】LED等の発光素子を作製する際の電極の
形成方法、電極の材料及び電極の形状には種々の方法、
材料及び形状がある。電極の形成方法には、例えば真空
蒸着法やスパッタリング法等の物理的堆積法やCVD法
などの化学的堆積法が挙げられる。複数の形成方法を利
用して電極を形成しても構わない。例えば、真空蒸着法
で数千オングストローム程度の薄い金(Au)蒸着膜を
形成した後、金蒸着膜上に更に、鍍金法などにより金メ
ッキ膜を堆積すれば、リード線のボンデング或いは回路
基板への実装に耐え得る層厚が厚い電極を形成すること
ができる。電極の材料は、例えば、pn接合形のLED
にあっては、電極を形成する層に対し、オーミック性が
得られる材料であれば特に良い。MIS型の発光素子に
あっては、必ずしもオーミック性が得られる材料から電
極を形成する必要はない。既知であるマグネシウム、A
lやAu(G.LEWICKI他、J.Phys.Ch
em.Solids、29(1968)、1255.)
やAg(上村 陽一郎、「応用物理」、第40巻第5号
(1971)、572頁)が電極材料として利用でき
る。金属の単層膜のみでなく、金属膜を多層に積層した
構造からも電極を構成できる。ITOと略称されるイン
ジウム・錫酸化物等の無機化合物や導電性の有機化合物
膜からも電極を構成できる。電極の形状は円形または方
形または多角形などとすることができる。リード線のボ
ンデング性等の発光素子を得るにあたっての工程的な容
易さ等を加味して、電極の形状を決定すれば良い。ま
た、異なる形状の金属膜等を合体させて電極を形成する
こともできる。例えば、平面形状が円形の導電膜と長方
形が直角に交差してなる十字形の導電膜とを組合せた電
極としても構わない。電極とする金属膜の最終的な厚さ
は数千オングストロームから5μm程度とするのが好ま
しい。
There are various methods for forming electrodes, materials for electrodes, and shapes of electrodes when manufacturing light-emitting elements such as LEDs.
There are materials and shapes. Examples of the method for forming the electrodes include physical deposition methods such as vacuum deposition method and sputtering method, and chemical deposition methods such as CVD method. The electrodes may be formed using a plurality of forming methods. For example, if a thin gold (Au) vapor deposition film having a thickness of about several thousand angstroms is formed by a vacuum vapor deposition method and a gold plating film is further deposited on the gold vapor deposition film by a plating method or the like, lead wire bonding or a circuit board It is possible to form an electrode having a large layer thickness that can withstand mounting. The material of the electrodes is, for example, a pn junction type LED.
In this case, a material that can obtain ohmic contact with the layer forming the electrode is particularly preferable. In the MIS type light emitting element, it is not always necessary to form the electrode from a material that can obtain ohmic characteristics. Known magnesium, A
l and Au (G. LEWICKI et al., J. Phys. Ch.
em. Solids, 29 (1968), 1255. )
And Ag (Yoichiro Uemura, "Applied Physics", Vol. 40, No. 5 (1971), page 572) can be used as the electrode material. The electrode can be formed not only by a single layer film of metal but also by a structure in which metal films are laminated in multiple layers. The electrode can be composed of an inorganic compound such as indium tin oxide, which is abbreviated as ITO, or a conductive organic compound film. The shape of the electrodes may be circular, rectangular, polygonal, or the like. The shape of the electrode may be determined in consideration of the processability in obtaining the light emitting element such as the bonding property of the lead wire. Further, the electrodes can be formed by combining metal films having different shapes. For example, the electrode may be a combination of a conductive film having a circular planar shape and a cross-shaped conductive film formed by intersecting rectangles at a right angle. The final thickness of the metal film used as the electrode is preferably about several thousand angstroms to 5 μm.

【0032】[0032]

【作用】タリウムが発光層からの発光の強度をさらに増
大させる元素として作用することを利用したものであ
る。
The function utilizes that thallium acts as an element to further increase the intensity of light emitted from the light emitting layer.

【0033】[0033]

【実施例】【Example】

(実施例1)以下、本発明を実施例を基に説明する。本
実施例では、基板上に堆積させたタリウム(Tl)ドー
ピング窒化ガリウム(GaN)発光層を備えた複数の含
窒素III−V族化合物半導体層からなる積層構造からL
EDを構成する例を挙げる。作製したLEDの平面模式
図及び垂直断面図を各々、図1及び図2に示す。積層構
造を構成するにあたり、基板(101)として5N(9
9.999%)以上の純度を有する板状のアルミニウム
(Al)を使用した。使用したアルミニウム基板(10
1)は50±1mmφの円板であり、厚さは約0.5m
mであった。基板は他の材料から選択しても構わない。
例えば、含窒素 III−V族化合物半導体層の堆積用とし
て従来から、利用されているサファイア等でも差し支え
はない。アルミニウム基板(101)は、その表面を希
酸で処理し、比抵抗を約18メガオームセンチメートル
(MΩ・cm)とする超純水で洗浄した後、室温で乾燥
させた。乾燥後、常圧方式のMOCVD成長装置の反応
炉内に搬入し、載置台上に載置した。
(Example 1) Hereinafter, the present invention will be described based on examples. In this example, a layered structure including a plurality of nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layers provided with a thallium (Tl) -doped gallium nitride (GaN) light-emitting layer deposited on a substrate was used.
An example of configuring the ED will be given. A schematic plan view and a vertical sectional view of the manufactured LED are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. In constructing the laminated structure, 5N (9
Plate-shaped aluminum (Al) having a purity of 9.999% or more was used. Used aluminum substrate (10
1) is a disc with a diameter of 50 ± 1 mm and a thickness of about 0.5 m.
It was m. The substrate may be selected from other materials.
For example, sapphire or the like conventionally used for depositing a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer may be used. The surface of the aluminum substrate (101) was treated with a dilute acid, washed with ultrapure water having a specific resistance of about 18 mega ohm centimeters (MΩ · cm), and then dried at room temperature. After drying, it was loaded into a reaction furnace of an atmospheric pressure type MOCVD growth apparatus and placed on a mounting table.

【0034】次に、アルミニウム基板(101)の上方
から、パラジウム(Pd)膜透過式水素精製装置により
純化された高純度の水素ガスをキャリアガスとして供給
し、基板(101)の表面に約10リットル/分の流量
をもって水素ガスを吹き付けた。水素ガスの基板(10
1)への吹き付けを継続しながら、基板(101)の温
度を抵抗加熱型のヒーターを利用して約20分を掛けて
約300℃に加熱し、同温度に15分間保持した。基板
(101)を同温度に保持している間にあっては、上記
の水素キャリアガス以外のガスは反応炉内に供給しなか
った。然る後、同一のヒーターにより基板(101)を
含窒素 III−V族化合物半導体層の堆積を実施する温
度、いわゆる成長温度である600℃に昇温する直前
に、窒素源である気化された1,4−ジアザビシクロ
[2,2,2]オクタン(1,4−Diazabicy
clo[2,2,2]octane)を水素キャリアガ
ス中へドーピングを開始した。この窒素源は温度約60
℃に保持し、昇華した1,4−ジアザビシクロ[2,
2,2]オクタンは上記した如く精製された水素ガスで
随伴し、ドーピングした。1,4−ジアザビシクロ
[2,2,2]オクタンを窒素源として選択した理由
は、同物質がほぼ平衡の状態に於いて約450℃で分解
する、低温分解性の窒素化合物の一種であることによ
る。これにより、融点が比較的低いアルミニウム(A
l)材料を基板として使用することを可能とする。
Next, high-purity hydrogen gas purified by a palladium (Pd) membrane permeation type hydrogen purification apparatus is supplied as a carrier gas from above the aluminum substrate (101), and the surface of the substrate (101) is supplied with about 10 atoms. Hydrogen gas was blown at a flow rate of 1 / min. Hydrogen gas substrate (10
While continuously spraying onto 1), the temperature of the substrate (101) was heated to about 300 ° C. by using a resistance heating type heater for about 20 minutes, and the temperature was maintained for 15 minutes. While the substrate (101) was kept at the same temperature, no gas other than the above hydrogen carrier gas was supplied into the reaction furnace. Then, immediately before the temperature was increased to 600 ° C., which is a so-called growth temperature of the substrate (101) for depositing the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer by the same heater, the nitrogen source was vaporized. 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane (1,4-Diazabicy
Doping of [clo [2,2,2] octane) into the hydrogen carrier gas was started. This nitrogen source has a temperature of about 60
1,4-diazabicyclo [2
2,2] octane was entrained and doped with hydrogen gas purified as described above. The reason for choosing 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane as the nitrogen source is that it is a low-temperature decomposable nitrogen compound that decomposes at about 450 ° C in a state of almost equilibrium. by. As a result, aluminum (A
l) Allows the material to be used as a substrate.

【0035】昇温により基板(101)の温度を成長温
度である600℃に到達させた後、基板(101)の温
度を安定させるために同成長温度に20分間保持した。
20分間の保持時間を経過した後、ガリウム(Ga)源
としたトリメチルガリウム((CH33 Ga)を水素
キャリアガス中へドーピングを開始し、Al基板(10
1)へn形のGaN層(102)を堆積した。n形のG
aN層(102)は、n形のドーパントとして既に知ら
れているシリコン(Si)を含むシラン(SiH4 )ガ
スを水素キャリアガスにドーピングすることによって得
た。シランガスの水素キャリアガスへのドーピング量
は、n形GaN層(102)のキャリア濃度が約1×1
18cm-3となる様に調整した。体積濃度が5ppmに
高純度水素ガスにより希釈されたドーピング用シランガ
スを使用した際に、当該キャリア濃度を得るに要したシ
ランドーピングガスの流量は12cc/分であった。G
aN層(102)の膜厚は、本実施例では約2μmとし
たが、膜厚及びキャリア濃度共に本実施例の数値に限定
されるものではない。
After raising the temperature of the substrate (101) to 600 ° C. which is a growth temperature by raising the temperature, it was held at the same growth temperature for 20 minutes in order to stabilize the temperature of the substrate (101).
After the holding time of 20 minutes has elapsed, doping of trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) used as a gallium (Ga) source into the hydrogen carrier gas is started, and the Al substrate (10
An n-type GaN layer (102) was deposited on 1). n-type G
The aN layer (102) was obtained by doping a hydrogen carrier gas with a silane (SiH 4 ) gas containing silicon (Si) already known as an n-type dopant. The doping amount of silane gas into the hydrogen carrier gas is such that the carrier concentration of the n-type GaN layer (102) is about 1 × 1.
It was adjusted to be 0 18 cm -3 . When the doping silane gas diluted with high-purity hydrogen gas to a volume concentration of 5 ppm was used, the flow rate of the silane doping gas required to obtain the carrier concentration was 12 cc / min. G
Although the film thickness of the aN layer (102) is about 2 μm in this embodiment, the film thickness and the carrier concentration are not limited to the numerical values of this embodiment.

【0036】GaN層(102)上には、トリメチルガ
リウムをガリウム源及び1,4−ジアザビシクロ[2,
2,2]オクタンを窒素源とし、シクロペンタジエニル
タリウム(I)(C55 Tl(I))をタリウムのド
ーピング源として、タリウムがドーピングされたp形の
GaNからなる発光層を堆積した。成長温度は引き続き
600℃とした。タリウムのドーピング量は、GaN発
光層(103)内のタリウムの濃度が原子濃度にして約
9×1017cm-3となる様にシクロペンタジエニル
(I)の水素キャリアガスへのドーピング量を調整し
た。この原子濃度は上記したタリウム源(126)を収
納する容器(127)の温度を80℃にタリウム源用恒
温槽(128)により調整した際に於いては、タリウム
源(126)へ流通する原料搬送用ガス(117)の流
量を120cc/分とすることによって得た。p形のタ
リウムドーピング発光層(103)は、タリウムドーピ
ング源であるシクロペンタジエニル(I)と同様のシク
ロペンタジエニル環(C55 −)を付加結合した、ビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム((C552
Mg)をp形ドーパント源として利用して得た。p形G
aN発光層(103)のキャリア濃度は約1×1017
-3とし、膜厚は約0.1μmとなる様に堆積条件を設
定した。一般的なSIMS分析に依れば、p形GaN発
光層(103)内の炭素不純物の濃度は約2×1016
-3と定量された。
On the GaN layer (102), trimethylgallium was added as a gallium source and 1,4-diazabicyclo [2,2].
2,2] octane is used as a nitrogen source, and cyclopentadienyl thallium (I) (C 5 H 5 Tl (I)) is used as a thallium doping source to deposit a light emitting layer made of p-type GaN doped with thallium. did. The growth temperature was continuously set to 600 ° C. The doping amount of thallium is the doping amount of cyclopentadienyl (I) to the hydrogen carrier gas so that the concentration of thallium in the GaN light emitting layer (103) becomes about 9 × 10 17 cm −3 in atomic concentration. It was adjusted. When the temperature of the container (127) accommodating the thallium source (126) described above is adjusted to 80 ° C. by the thallium source constant temperature bath (128), this atomic concentration is the raw material flowing to the thallium source (126). It was obtained by setting the flow rate of the carrier gas (117) to 120 cc / min. The p-type thallium-doped light-emitting layer (103) is a biscyclopentadienylmagnesium to which a cyclopentadienyl ring (C 5 H 5 −) similar to cyclopentadienyl (I) which is a thallium doping source is additionally bonded. ((C 5 H 5 ) 2
Mg) was utilized as a p-type dopant source. p-type G
The carrier concentration of the aN light emitting layer (103) is about 1 × 10 17 c
m −3, and the deposition conditions were set so that the film thickness was about 0.1 μm. According to a general SIMS analysis, the concentration of carbon impurities in the p-type GaN light emitting layer (103) is about 2 × 10 16 c.
It was quantified as m -3 .

【0037】p形GaN発光層(103)上には、トリ
メチルガリウムをガリウム源及び1,4−ジアザビシク
ロ[2,2,2]オクタンを窒素源とし、ビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウムをp形ドーパントのドーピン
グ源として、p形のGaN層(104)を堆積した。膜
厚は約0.1μmとし、キャリア濃度は約3×1017
-3とした。成長温度は600℃に維持し、水素キャリ
アガスの流量は継続して10リットル/分とした。Ga
N層((102)〜(104))の堆積時は一貫して反
応炉内の圧力を760Torr近傍に保持した。
On the p-type GaN light emitting layer (103), trimethyl gallium was used as a gallium source and 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane was used as a nitrogen source, and biscyclopentadienyl magnesium was used as a p-type dopant. A p-type GaN layer (104) was deposited as a doping source. The film thickness is about 0.1 μm and the carrier concentration is about 3 × 10 17 c
m -3 . The growth temperature was maintained at 600 ° C., and the flow rate of the hydrogen carrier gas was continuously set to 10 liters / minute. Ga
During the deposition of the N layers ((102) to (104)), the pressure in the reaction furnace was constantly maintained near 760 Torr.

【0038】以上の成長操作により、基板上にタリウム
ドーピング発光層を含む合計3層のGaN層からなるL
ED用途の積層構造を得た。得られた積層構造を母体材
料として以下に記す方法によりLEDを作製した。
By the above growth operation, L consisting of a total of three GaN layers including the thallium-doped light emitting layer on the substrate.
A laminated structure for ED use was obtained. An LED was produced by the following method using the obtained laminated structure as a base material.

【0039】積層構造の最表層であるp形のGaN層
(104)の表面を通常のプラズマCVD法により酸化
珪素膜(105)で被覆した。次に、酸化珪素膜(10
5)の表面を一般のフォトレジスト材で被覆した。次
に、公知のフォトリソグラフィー法を利用して、表面電
極(106)を形成する領域をパターニングし、電極
(106)を形成する領域のみの上記のフォトレジスト
材を剥離した。これにより、電極(106)の形成領域
のみのp形GaN層(104)の表面を露出させた。然
る後、上記のパターニング工程を経て露出させたp形G
aN層(104)の表面と酸化珪素膜(105)表面上
に残存するフォトレジスト材の表面上に通常の真空蒸着
法により高純度(6N)のアルミニウムを被着させた。
アルミニウムの真空蒸着後、酸化珪素膜(105)上に
残存するフォトレジスト材を利用したリフトオフ法によ
り、フォトレジスト材の表面に被着したアルミニウム真
空蒸着膜を除去した。このリフトオフ法により、アルミ
ニウム真空蒸着膜はフォトレジスト材が剥離されている
領域、即ち、電極の形成領域にのみ残存することとな
り、これより表面電極(106)を形成した。表面電極
(106)は直径約130μmの円形電極とした。表面
電極(106)の厚さは約700nmとした。
The surface of the p-type GaN layer (104), which is the outermost layer of the laminated structure, was covered with a silicon oxide film (105) by a usual plasma CVD method. Next, a silicon oxide film (10
The surface of 5) was coated with a general photoresist material. Next, using a known photolithography method, the region where the surface electrode (106) is to be formed was patterned, and the above photoresist material was removed only in the region where the electrode (106) was to be formed. This exposed the surface of the p-type GaN layer (104) only in the formation region of the electrode (106). Then, the p-type G exposed through the above patterning process is exposed.
High-purity (6N) aluminum was deposited on the surface of the photoresist material remaining on the surface of the aN layer (104) and the surface of the silicon oxide film (105) by a normal vacuum deposition method.
After the vacuum deposition of aluminum, the aluminum vacuum deposition film deposited on the surface of the photoresist material was removed by a lift-off method using the photoresist material remaining on the silicon oxide film (105). By this lift-off method, the aluminum vacuum deposition film remains only in the region where the photoresist material is peeled off, that is, in the electrode formation region, and the surface electrode (106) is formed from this. The surface electrode (106) was a circular electrode having a diameter of about 130 μm. The thickness of the surface electrode (106) was about 700 nm.

【0040】LEDを駆動させるに必要なもう一方の対
向電極(107)は、本実施例では基板(101)に導
電性を有する軽金属のアルミニウムを用いていることか
ら基板(101)に兼用させた。これにより。基板を含
めた積層構造の上下に電極が配置され、チップサイズを
約300μm□とするLEDを作製した。
The other counter electrode (107) necessary for driving the LED is also used as the substrate (101) since aluminum, which is a light metal having conductivity, is used for the substrate (101) in this embodiment. . By this. An LED was prepared in which electrodes were arranged above and below the laminated structure including the substrate and the chip size was about 300 μm □.

【0041】作製したLEDの電極間((106)及び
(107))に直流電圧を印加し、20mAの順方向の
動作電流を流通させ、LEDを駆動させた。得られた主
たる電気的及び光学的特性を表1に掲げる。発光色は深
緑色であり、発光の中心波長は約527nmであった。
従来の発光の中心波長を約555nmとするGaP緑色
LEDとの輝度の比較では、従来素子が100ミリカン
デラ(mcd)前後であるのに対し、本実施例のタリウ
ムドーピング発光層を備えたLEDにあっては、約80
0mcdと向上が認められた。順方向電流を20mAと
した場合の順方向電圧 (Vf )は約3.2Vと従来の
含窒素 III−V族化合物半導体からなる青色LEDの約
3.5Vに比較すると、約10%のVf の低減が認めら
れた。
A DC voltage was applied between the electrodes ((106) and (107)) of the manufactured LED, and a forward operating current of 20 mA was passed to drive the LED. The main electrical and optical characteristics obtained are listed in Table 1. The emission color was deep green, and the central wavelength of emission was about 527 nm.
In comparison with the conventional GaP green LED having a central wavelength of light emission of about 555 nm, the conventional device has a brightness of about 100 millicandelas (mcd), whereas the LED provided with the thallium-doped light emitting layer of the present embodiment. About 80
An improvement of 0 mcd was recognized. The forward voltage (Vf) when the forward current is 20 mA is about 3.2 V, which is about 10% of Vf when compared to about 3.5 V of the conventional blue LED made of a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor. Reduction was recognized.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】一般的な半導体素子封止用のエポキシ樹脂
で封上後、20mAの順方向の動作電流を素子へ継続し
て通電しながら、高温高湿環境下での動作信頼性試験を
実施した。信頼性試験(高温高湿放置試験)での温度は
+60℃とし、相対湿度は80%に保持した。本実施例
のLEDにあっては、通電開始から1000時間経過
後、試験実施以前の初期発光輝度に比較して5%を越え
る発光輝度の低下は、被試験体のほぼ全数の数量のLE
Dについて確認されず、動作信頼性に優れるLEDであ
ることが示された。
After sealing with a general semiconductor element encapsulating epoxy resin, an operation reliability test was performed in a high temperature and high humidity environment while continuously applying a forward operating current of 20 mA to the element. . The temperature in the reliability test (high-temperature high-humidity storage test) was + 60 ° C., and the relative humidity was kept at 80%. In the LED of the present embodiment, after 1000 hours have passed since the start of energization, the decrease in the emission brightness of more than 5% compared to the initial emission brightness before the test is performed is due to the fact that almost the same number of LEs as the LEs are tested.
No confirmation was made for D, indicating that the LED has excellent operation reliability.

【0044】(実施例2)本実施例では、タリウムをド
ーピングしてなる窒化アルミニウム・ガリウム(AlG
aN)混晶層の気相成長方法を利用した形成方法を例に
して説明する。図3に本実施例に使用した常圧(大気
圧)MOCVD気相成長装置の模式図である。
Example 2 In this example, aluminum gallium nitride (AlG) formed by doping thallium is used.
An explanation will be given by taking as an example a method of forming aN) mixed crystal layer using a vapor phase growth method. FIG. 3 is a schematic view of an atmospheric pressure (atmospheric pressure) MOCVD vapor phase growth apparatus used in this example.

【0045】AlGaN混晶層のMOCVD成長にあた
り、本実施例では、ガリウム(Ga)源(108)とし
てトリメチルガリウム((CH33 Ga)を、アルミ
ニウム(Al)源(109)としてトリメチルアルミニ
ウム((CH33 Al)を、また窒素(N)源として
アンモニア(NH3 )を利用した。
In MOCVD growth of the AlGaN mixed crystal layer, in the present example, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) was used as the gallium (Ga) source (108) and trimethylaluminum (109) was used as the aluminum (Al) source (109). (CH 3 ) 3 Al) was used, and ammonia (NH 3 ) was used as a nitrogen (N) source.

【0046】ガリウム源(108)及びアルミニウム源
(109)は個別のステンレス鋼製容器((111)及
び(112))に収納した。ステンレス鋼製容器((1
11)及び(112))はそれぞれに専属の恒温槽
((114)及び(115))を利用して一定の温度に
保持した。ガリウム源(108)用ステンレス鋼製バブ
リング容器(111)は0℃に、及びアルミニウム源
(109)を収納するステンレス鋼製バブリング容器
(112)は20℃に各々、設定した。
The gallium source (108) and aluminum source (109) were contained in separate stainless steel containers ((111) and (112)). Stainless steel container ((1
11) and (112)) were kept at a constant temperature by using their own thermostats ((114) and (115)). The stainless steel bubbling container (111) for the gallium source (108) was set at 0 ° C., and the stainless steel bubbling container (112) containing the aluminum source (109) was set at 20 ° C.

【0047】ガリウム源(108)及びアルミニウム源
(109)はパラジウム膜透過式精製装置及び低温吸着
式精製装置で精製された、露点が−95℃から−110
℃の範囲にある高純度水素ガスからなる各源の蒸気を搬
送するための原料搬送用ガス(117)でバブリングし
た。ガリウム源(108)へのバブリング流量は10c
c/分とし、アルミニウム源(109)へのバブリング
流量は25cc/分とした。バブリング後の原料((1
08)及び(109))の蒸気を随伴した原料搬送用ガ
ス(117)は、気密配管((118)及び(11
9))内を流通させ、AlGaN混晶層の堆積を実施す
る反応炉(123)に通ずる主配管(121)か排気用
配管(122)のいずれかに流通できる配管構成とし
た。AlGaN混晶層の堆積を開始する以前にあって
は、配管((118)及び(119))内に流通させた
原料の蒸気を随伴した原料搬送用ガスはバルブ((13
0−1)〜(130−4))の開閉を操作することによ
り、排気用配管(122)に導入しておいた。
The gallium source (108) and the aluminum source (109) were purified by a palladium membrane permeation type purification device and a low temperature adsorption type purification device, and the dew point was from -95 ° C to -110.
Bubbling was carried out with a raw material carrying gas (117) for carrying vapor of each source consisting of high-purity hydrogen gas in the range of ° C. Bubbling flow rate to the gallium source (108) is 10c
The flow rate of bubbling to the aluminum source (109) was 25 cc / min. Raw material after bubbling ((1
The raw material carrying gas (117) accompanied by the steam of (08) and (109) is airtight piping ((118) and (11)
9)), which has a piping configuration that allows circulation in either the main pipe (121) or the exhaust pipe (122) leading to the reaction furnace (123) for depositing the AlGaN mixed crystal layer. Before starting the deposition of the AlGaN mixed crystal layer, the raw material carrying gas accompanied by the vapor of the raw material that has been circulated in the pipes ((118) and (119)) is a valve ((13
It was introduced into the exhaust pipe (122) by operating the opening and closing of 0-1) to (130-4)).

【0048】窒素源としては濃度100%のアンモニア
を使用した。液化アンモニアは鋼製ボンベ容器(11
3)に収納した。気化させたアンモニアは減圧装置(1
16)を介して、その圧力をゲージ圧でほぼ1気圧に減
圧した後、主配管(121)に導入させる配管構成とし
た。
Ammonia having a concentration of 100% was used as the nitrogen source. Liquefied ammonia is stored in a steel cylinder container (11
Stored in 3). The vaporized ammonia is decompressed (1
The pressure was reduced to approximately 1 atm by a gauge pressure via 16) and then introduced into the main pipe (121).

【0049】タリウム源(126)には、シクロペンタ
ジエニルタリウム(I)(C55Tl(I))を使用
した。タリウム源(126)はステンレス鋼製容器(1
27)に収納し、その容器(127)は恒温槽(12
8)により75℃に一定に保持した。各源((108)
乃至(110)及び(126))の温度は、後述するタ
リウムをドーピングしたAlGaN層の堆積成長を実施
する約2時間前には一定としておいた。タリウム源(1
26)を収納する容器(127)内には、予め、高純度
の水素ガスを昇華したタリウム源を搬送するための原料
搬送用ガス(117)として流通させた。AlGaN層
の堆積成長を実施する以前にあっては、タリウム源の蒸
気を随伴する原料搬送用ガスは配管(129)を利用し
て排気用配管(122)に導入しておいた。
Cyclopentadienyl thallium (I) (C 5 H 5 Tl (I)) was used as the thallium source (126). The thallium source (126) is a stainless steel container (1
27), and the container (127) is a thermostat (12).
It was kept constant at 75 ° C. according to 8). Each source ((108)
The temperatures of (110) and (126)) were kept constant about 2 hours before the deposition and growth of the AlGaN layer doped with thallium described later. Thallium source (1
In the container (127) containing 26), high-purity hydrogen gas was previously passed as a raw material carrying gas (117) for carrying the sublimated thallium source. Before carrying out the deposition growth of the AlGaN layer, the raw material carrying gas accompanied by the vapor of the thallium source was introduced into the exhaust pipe (122) using the pipe (129).

【0050】基板(101)には、サファイア(アルミ
ナ単結晶)を使用した。基板(101)は希酸により表
面処理を施した後、乾燥させた。前処理を終了した基板
(101)は、断面が円形の反応炉(123)内の水平
方向のほぼ中心の位置に設置した基板の載置台を兼ねる
加熱体(124)の表面上に載置した。基板(101)
を載置後、反応炉(123)内を通常の真空ポンプを使
用して10-3Torr程度の真空に排気した。真空排気
後、アルゴンガスを反応炉(123)内に導入し、反応
炉(123)内の圧力をほぼ大気圧とした。
Sapphire (alumina single crystal) was used for the substrate (101). The substrate (101) was surface-treated with dilute acid and then dried. The substrate (101) which has undergone the pretreatment is placed on the surface of the heating body (124) which also serves as a substrate mounting table placed at a substantially horizontal center position in the reactor (123) having a circular cross section. . Board (101)
After mounting, the inside of the reaction furnace (123) was evacuated to a vacuum of about 10 −3 Torr using a normal vacuum pump. After evacuation, an argon gas was introduced into the reaction furnace (123) to bring the pressure in the reaction furnace (123) to almost atmospheric pressure.

【0051】反応炉(123)内の圧力をほぼ760T
orrの大気圧とした後、反応炉(123)に導入する
ガスをアルゴンより高純度に精製された水素に切り換え
た。高純度水素はキャリアガス(110)として、主配
管(121)を通して反応炉(123)内に導入した。
キャリアガス(110)の流量は10リットル/分に設
定した。反応炉(123)内に導入されたキャリアガス
は、反応炉(123)内に設けられたノズル(125)
を経由して基板(101)の表面に吹き付けた。
The pressure in the reaction furnace (123) was set to about 760T.
After setting the atmospheric pressure to orr, the gas introduced into the reaction furnace (123) was switched to hydrogen purified to a higher purity than argon. High-purity hydrogen was introduced as a carrier gas (110) into the reaction furnace (123) through the main pipe (121).
The flow rate of the carrier gas (110) was set to 10 l / min. The carrier gas introduced into the reaction furnace (123) is a nozzle (125) provided in the reaction furnace (123).
And sprayed onto the surface of the substrate (101).

【0052】キャリアガス(110)の反応炉(12
3)内への流通を継続し、反応炉(123)内の圧力を
ほぼ大気圧に保持しながら、抵抗加熱方式の加熱体(1
24)により、加熱体(124)の表面に載置された基
板(101)の温度を一旦400℃に迄加熱した。40
0℃に到達後、20分間同温度に基板(101)を保持
した。同温度に基板(101)を保持している間には、
高純度水素キャリアガス(110)以外の原料ガスは反
応炉(123)内に流通させなかった。
Carrier gas (110) reactor (12)
3) The inside of the reaction furnace (123) is continuously circulated and the pressure inside the reaction furnace (123) is maintained at about atmospheric pressure, while the resistance heating type heating element (1) is used.
24), the temperature of the substrate (101) placed on the surface of the heating body (124) was once heated to 400 ° C. 40
After reaching 0 ° C., the substrate (101) was held at the same temperature for 20 minutes. While holding the substrate (101) at the same temperature,
No source gas other than the high-purity hydrogen carrier gas (110) was allowed to flow in the reaction furnace (123).

【0053】然る後、キャリアガスの反応炉(123)
への供給流量及び反応炉(123)内の圧力に変化を加
えることなく、減圧装置(116)によって減圧された
窒素源となるアンモニアガスを配管(120)を通じ
て、主配管(121)内に導入した。アンモニアガスの
供給量は2リットル/分とした。窒素源のドーピングを
開始して約10分を経過後、基板(101)の温度を成
長温度である950℃に昇温した。昇温後、水素キャリ
アガス(110)の供給と窒素源ガスのノズル(12
5)内を経由させて基板(101)表面への供給を継続
しながら、基板(101)を20分間、同温度に保持し
た。
After that, a carrier gas reaction furnace (123)
Ammonia gas, which is a nitrogen source decompressed by the decompression device (116), is introduced into the main pipe (121) through the pipe (120) without changing the supply flow rate to the reactor and the pressure in the reaction furnace (123). did. The supply rate of ammonia gas was 2 liters / minute. About 10 minutes after starting the doping of the nitrogen source, the temperature of the substrate (101) was raised to the growth temperature of 950 ° C. After heating, the hydrogen carrier gas (110) was supplied and the nitrogen source gas nozzle (12)
The substrate (101) was kept at the same temperature for 20 minutes while continuing the supply to the surface of the substrate (101) via the inside of 5).

【0054】基板(101)の温度を成長温度とした9
50℃に保持した後、反応炉(123)内を圧力をほぼ
大気圧に保持しながら、ガリウム源(108)とアルミ
ニウム源(109)の蒸気を含む原料搬送用ガスをバル
ブ((130−1)〜(130−4))の開閉状態の切
り換えにより、主配管(121)内に継続して流通させ
ていた高純度水素キャリアガス(110)にドーピング
した。また、これと同時にタリウム源(126)の蒸気
を含む原料搬送用ガス(117)の水素キャリアガス
(110)へのドーピングを、バルブ((130−5)
及び(130−6))の開閉状態を切り換えることによ
り開始した。これにより、タリウムがドーピングされた
AlGaN混晶層の成長を開始した。
The temperature of the substrate (101) was used as the growth temperature 9
After the temperature was maintained at 50 ° C., while maintaining the pressure in the reaction furnace (123) at about atmospheric pressure, the raw material carrying gas containing the vapors of the gallium source (108) and the aluminum source (109) was valved ((130-1 )-(130-4)), the high-purity hydrogen carrier gas (110) continuously flowing in the main pipe (121) was doped. At the same time, the doping of the source carrier gas (117) containing the vapor of the thallium source (126) into the hydrogen carrier gas (110) is controlled by the valve ((130-5).
And (130-6)) were opened and closed. Thereby, the growth of the AlGaN mixed crystal layer doped with thallium was started.

【0055】各原料をドーピングした水素キャリアガス
(110)をノズル(125)を経由して基板(10
1)の表面上に1時間に亘り継続した。この間、反応炉
(123)内の圧力はほぼ大気圧に保持した。これによ
り、1時間に亘り基板(101)へのAlGaAs混晶
層の堆積を実施した。1時間を経過した後、バルブ
((130−1)〜(130−6))の開閉状態を切り
換え、ガリウム源(108)、アルミニウム源(10
9)及びタリウム源(126)を含む原料搬送用ガスの
主配管(121)内を流れる水素キャリアガス(11
0)へのドーピングを停止し、排気用配管(122)へ
導入した。このバルブ操作によって、AlGaAs混晶
層の堆積を終了させた。AlGaN混晶層表面から窒素
が揮散するのを防止するために、窒素源としたアンモニ
アガスの水素キャリアガス(110)への供給は継続し
た。上記のバルブ操作を実施するのと同時に加熱体(1
24)への通電を中止し、基板(101)の温度を降温
した。基板(101)の温度が約400℃に低下した時
点でバルブ(130−7)の閉とし、窒素源の水素キャ
リアガス(110)へのドーピングを停止し、排気用配
管(122)内に導入した。主配管(121)内を通し
ての反応炉(123)内への水素キャリアガス(11
0)の供給は、室温近傍に温度に低下した基板(10
1)を反応炉(123)から取り出す前迄継続した。以
上の成長操作により、膜厚を約0.7μmとするタリウ
ムドーピングAl0. 15Ga0.85N混晶層を得た。従っ
て、成長速度は約0.7μm/時となった。
A hydrogen carrier gas (110) doped with each raw material is passed through a nozzle (125) to a substrate (10).
Continued on the surface of 1) for 1 hour. During this time, the pressure inside the reaction furnace (123) was maintained at about atmospheric pressure. Thereby, the AlGaAs mixed crystal layer was deposited on the substrate (101) for 1 hour. After 1 hour has passed, the open / closed states of the valves ((130-1) to (130-6)) are switched, and the gallium source (108) and the aluminum source (10) are switched.
9) and the hydrogen carrier gas (11) flowing in the main pipe (121) for the raw material carrying gas containing the thallium source (126).
The doping to 0) was stopped, and it was introduced into the exhaust pipe (122). By this valve operation, the deposition of the AlGaAs mixed crystal layer was completed. In order to prevent nitrogen from volatilizing from the surface of the AlGaN mixed crystal layer, the supply of ammonia gas used as a nitrogen source to the hydrogen carrier gas (110) was continued. At the same time when the above valve operation is performed, the heating element (1
The power supply to 24) was stopped, and the temperature of the substrate (101) was lowered. When the temperature of the substrate (101) has dropped to about 400 ° C., the valve (130-7) is closed to stop the doping of the hydrogen source into the hydrogen carrier gas (110) and introduce it into the exhaust pipe (122). did. Hydrogen carrier gas (11) flowing into the reactor (123) through the main pipe (121)
0) is supplied to the substrate (10) whose temperature has dropped to around room temperature.
It was continued until 1) was taken out from the reaction furnace (123). By the above growth operation, to obtain a thallium doping Al 0. 15 Ga 0.85 N mixed crystal layer be about 0.7μm film thickness. Therefore, the growth rate was about 0.7 μm / hour.

【0056】得られた含窒素 III−V族化合物半導体層
の表面には、主に複合体化反応によって生成される粒子
状の異物が殆ど認められず、極めて平滑で平坦となっ
た。SIMS分析に依ればタリウムの原子濃度は約1.
2×1018cm-3であり、一方、炭素濃度は、SIMS
分析によれば、約3×1016cm-3であった。 本発明
に係わるタリウムドーピング源を使用することにより、
表面状態に優れ、高強度の発光が得られるタリウムの原
子濃度の範囲に於いて、発光強度の低下を招く炭素の原
子濃度を極めて低濃度に抑制することができる。
On the surface of the obtained nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer, almost no particulate foreign matter mainly produced by the complexing reaction was observed, and the surface was extremely smooth and flat. According to SIMS analysis, the atomic concentration of thallium is about 1.
2 × 10 18 cm −3 , while the carbon concentration is SIMS
According to the analysis, it was about 3 × 10 16 cm −3 . By using the thallium doping source according to the invention,
Within the atomic concentration range of thallium, which has an excellent surface condition and provides high-intensity light emission, the atomic concentration of carbon that causes a decrease in emission intensity can be suppressed to an extremely low concentration.

【0057】(比較例)本発明のシクロペンタジエニル
タリウムに代わり、トリエチルタリウム((CH)3
l )をタリウムのドーピング源として、タリウムドー
ピング窒化アルミニウム・ガリウム(Al0.15Ga0.85
N)混晶層を成長させた。本比較例では、図3に示す常
圧方式のMOCVD装置に於いて、タリウム源(12
6)のみをトリエチルタリウムに変更した。その他の条
件は実施例と同じとした。ガリウム源(108)、アル
ミニウム源(109)及び窒素源(110)材料と、各
原料を保持した温度、各原料の蒸気を搬送するための原
料搬送用ガスの流量条件並びに水素キャリアガス等の流
量条件などを含めた成長条件は変更しなかった。バルブ
の開閉操作等の操作も実施例2に記載の方法に統一し
た。
Comparative Example Instead of the cyclopentadienyl thallium of the present invention, triethyl thallium ((CH) 3 T
l) as a thallium doping source, thallium-doped aluminum gallium nitride (Al 0.15 Ga 0.85
N) A mixed crystal layer was grown. In this comparative example, in the atmospheric pressure type MOCVD apparatus shown in FIG.
Only 6) was changed to triethyl thallium. Other conditions were the same as those in the example. Materials for gallium source (108), aluminum source (109) and nitrogen source (110), temperature at which each raw material is held, flow rate conditions of raw material carrying gas for carrying vapor of each raw material, and flow rate of hydrogen carrier gas, etc. The growth conditions including the conditions were not changed. The operations such as the opening and closing operations of the valve were unified with the method described in Example 2.

【0058】トリエチルタリウムからなるタリウム源
(126)を収納するステンレス鋼製バブラー容器(1
27)は、恒温槽(128)により5℃に保持した。容
器(127)内に流通させる高純度水素ガスの流量は5
cc/分とした。これにより、実施例2とほぼ同様にタ
リウムの原子濃度を約1×1018cm-3とする膜厚が約
0.7μmのタリウムドーピングAl0.15Ga0.85N混
晶層を得た。SIMS分析に依れば、得られたAl0.15
Ga0.85N混晶層の炭素の原子濃度は約5×1018cm
-3であった。上記と同一の条件下で、タリウムのドーピ
ング量を一定に保ち、タリウムドーピングAl0.15Ga
0.85N混晶層の成長を10回連続して繰り返し実施した
際には、炭素原子濃度は最大値を8×1018cm-3
し、最小値を3×1018cm-3とする濃度範囲内で変動
した。炭素原子濃度についての不十分な再現性は、従来
のタリウム源であるトリエチルタリウムと窒素源とした
アンモニアとの複合体化反応の不安定性に主たる原因が
あると推定された。対照的に、実施例2に記載した本発
明に則るタリウムドーピングAl0.15Ga0.85N混晶層
の形成方法にあっては、炭素原子濃度は再現性をもって
4×1016cm-3未満に抑制され、また、タリウム原子
濃度は1.2×1018cm-3を中心として±6%の範囲
に収納された。本比較例に於いては、実施例2に記載と
同一のAl基板上に成長させたAl0. 15Ga0.85N混晶
層の表面の一部領域、特に表面の中央の領域に微粒子状
堆積物が集中しているため平坦な表面を有する成長層を
得るのは困難であった。
A stainless steel bubbler container (1 containing a thallium source (126) made of triethylthallium.
27) was kept at 5 ° C by a thermostat (128). The flow rate of high-purity hydrogen gas to be circulated in the container (127) is 5
It was cc / min. As a result, a thallium-doped Al 0.15 Ga 0.85 N mixed crystal layer having an atomic concentration of thallium of about 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of about 0.7 μm was obtained in substantially the same manner as in Example 2. According to SIMS analysis, the obtained Al 0.15
The atomic concentration of carbon in the Ga 0.85 N mixed crystal layer is about 5 × 10 18 cm
It was -3 . Under the same conditions as above, the doping amount of thallium was kept constant and thallium-doped Al 0.15 Ga
When the growth of the 0.85 N mixed crystal layer was continuously repeated 10 times, the maximum concentration of carbon atoms was 8 × 10 18 cm −3 and the minimum concentration was 3 × 10 18 cm −3. Fluctuated within. The insufficient reproducibility of carbon atom concentration was presumed to be mainly due to the instability of the complexation reaction between the conventional thallium source, triethylthallium, and the nitrogen source, ammonia. In contrast, in the method for forming a thallium-doped Al 0.15 Ga 0.85 N mixed crystal layer according to the present invention described in Example 2, the carbon atom concentration is reproducibly suppressed to less than 4 × 10 16 cm -3. Further, the thallium atom concentration was stored in a range of ± 6% centering on 1.2 × 10 18 cm −3 . In this Comparative Example, the particulate deposited in the central region of the partial region, in particular the surface of the surface of the Al 0. 15 Ga 0.85 N mixed crystal layer grown on the same Al substrate as described in Example 2 It was difficult to obtain a growth layer having a flat surface due to the concentration of objects.

【0059】実施例2と比較例とで得られた結果との比
較により明かな様に、シクロペンタジエニルタリウムを
タリウムのドーピング源とする含窒素 III−V族化合物
半導体層の形成方法は、成長層中の炭素原子濃度を従来
法と比較して約2桁と顕著に減少させる効果がもたらさ
れる。また、従来から多用されている窒素源であるアン
モニアとの気相中での複合体(錯体)化反応が充分に抑
制されることによって、タリウムドーピング含窒素 III
−V族化合物半導体層内の炭素原子及びタリウム原子濃
度の再現性を向上させる効果が認められる。複合体(錯
体)化反応を充分に抑制する作用は、更に、この反応を
主たる原因として発生する微粒子の成長層表面上への堆
積を抑制する。従って、シクロペンタジエニルタリウム
をタリウムのドーピング源とするタリウムドーピング含
窒素III−V族化合物半導体層の形成方法は、平坦で且
つ透明である表面状態に優れる成長層を安定して与える
効果をもたらす。炭素原子濃度を低濃度に規定すること
によってもたらされる光学的に透明なタリウムドーピン
グ含窒素 III−V族化合物半導体層は発光層等の発光構
造を構成する層として利用するに際し、着色した成長層
と比較すれば、発光構造からの発光の透過を妨げないが
故に、発光強度に優れる発光素子を得るに優位となるの
は明かである。よって、本発明のタリウムがドーピング
された含窒素 III−V族化合物半導体層の形成方法は、
発光強度の増大などの素子特性の向上を優位とする波及
効果がある。
As is clear from the comparison between the results obtained in Example 2 and the comparative example, the method of forming the nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer using cyclopentadienyl thallium as the doping source of thallium is as follows. The carbon atom concentration in the growth layer is significantly reduced by about two orders of magnitude as compared with the conventional method. Further, by sufficiently suppressing the complexation reaction with ammonia, which is a nitrogen source which has been frequently used, in the gas phase, thallium-doped nitrogen-containing III
The effect of improving the reproducibility of the carbon atom and thallium atom concentrations in the -V compound semiconductor layer is recognized. The effect of sufficiently suppressing the complexing reaction further suppresses the deposition of fine particles generated on the surface of the growth layer, which is mainly caused by this reaction. Therefore, the method for forming a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer using cyclopentadienyl thallium as a thallium doping source has the effect of stably providing a growth layer having a flat and transparent surface state. . The optically transparent thallium-doped nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer produced by defining the carbon atom concentration at a low concentration is used as a colored growth layer when used as a layer constituting a light emitting structure such as a light emitting layer. By comparison, it is clear that it does not hinder the transmission of the light emission from the light emitting structure, and thus is advantageous in obtaining a light emitting element having excellent light emission intensity. Therefore, the method for forming a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium of the present invention is
There is a ripple effect in which improvement in device characteristics such as increase in light emission intensity is dominant.

【0060】[0060]

【発明の効果】タリウムをドーピングした含窒素 III−
V族化合物半導体を発光層として利用することにより、
緑色LEDにあって発光強度の向上がもたらされる。シ
クロペンタジニルタリウムをタリウムのドーピング源と
するタリウムドーピング含窒素 III−V族化合物半導体
層の形成方法は、第 III族及び第V族元素の出発原料相
互の複合体化反応を回避し、表面状態に優れ且つ炭素の
原子濃度が低く抑制された含窒素 III−V族化合物半導
体層を安定して提供する効果をもたらす。
Effect of the Invention Nitrogen-containing material doped with thallium III-
By using a group V compound semiconductor as a light emitting layer,
The green LED provides improved emission intensity. A method of forming a thallium-doped nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer using cyclopentadinyl thallium as a thallium doping source is provided by avoiding a complexation reaction between starting materials of a group III element and a group V element. This brings about an effect of stably providing a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer which is excellent in state and is suppressed in a low carbon atom concentration.

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

【図1】本発明の実施例1に係わるLEDの平面模式図
である。
FIG. 1 is a schematic plan view of an LED according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すLEDの中央部の断面模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic sectional view of a central portion of the LED shown in FIG.

【図3】本発明の実施に用いた気相成長装置の概略図で
ある。
FIG. 3 is a schematic view of a vapor phase growth apparatus used for carrying out the present invention.

【図4】タリウムをドーピングしたGaN層のタリウム
原子濃度と炭素原子濃度との関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a thallium atom concentration and a carbon atom concentration of a GaN layer doped with thallium.

【図5】タリウムをドーピングしたGaN層のタリウム
原子濃度とフォトルミネッセンス強度との関係を示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thallium atom concentration of a GaN layer doped with thallium and the photoluminescence intensity.

【図6】タリウムをドーピングしたGaN層の炭素の原
子濃度とフォトルミネッセンス強度との関係を示す図で
ある。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the carbon atom concentration of a GaN layer doped with thallium and the photoluminescence intensity.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(101) 基板 (102) n形GaN層 (103) GaN発光層 (104) p形GaN層 (105) 酸化珪素膜 (106) 表面電極 (107) 対向電極 (108) ガリウム源 (109) アルミニウム源 (110) 水素キャリアガス (111) ガリウム源収納用ステンレス鋼製容器 (112) アルミニウム源収納用ステンレス鋼製容器 (113) 窒素源収納用鋼製ボンベ (114) ガリウム源用恒温槽 (115) アルミニウム源用恒温槽 (116) 窒素源用減圧装置 (117) 原料搬送用ガス (118) ガリウム源を含む原料搬送用ガスを流通さ
せるための配管 (119) アルミニウム源を含む原料搬送用ガスを流
通させるための配管 (120) 窒素源を流通させるための配管 (121) 成長反応容器へ通ずる主配管 (122) 排気用配管 (123) 反応炉 (124) 加熱体 (125) ノズル (126) タリウム源 (127) タリウム源収納用ステンレス鋼製容器 (128) タリウム源用恒温槽 (129) タリウム源を含む原料搬送用ガスを流通さ
せるための配管 (130−1) バルブ (130−2) バルブ (130−3) バルブ (130−4) バルブ (130−5) バルブ (130−6) バルブ (130−7) バルブ (131) トリメチルタリウムをタリウムドーピング
源とした場合の炭素原子濃度を示す曲線 (132) 本発明に係わるタリウムドーピング源を使
用した場合の炭素原子濃度を示す曲線
(101) Substrate (102) n-type GaN layer (103) GaN light-emitting layer (104) p-type GaN layer (105) silicon oxide film (106) surface electrode (107) counter electrode (108) gallium source (109) aluminum source (110) Hydrogen carrier gas (111) Stainless steel container for storing gallium source (112) Stainless steel container for storing aluminum source (113) Steel cylinder for storing nitrogen source (114) Constant temperature tank for gallium source (115) Aluminum Constant temperature bath for source (116) Decompressor for nitrogen source (117) Gas for raw material transport (118) Pipe for flowing raw material transport gas containing gallium source (119) Passing raw material transport gas containing aluminum source Piping (120) Piping for flowing nitrogen source (121) Main piping (122) leading to growth reaction vessel Exhaust pipe (123) Reactor (124) Heater (125) Nozzle (126) Thallium source (127) Thallium source storage stainless steel container (128) Thallium source constant temperature bath (129) Raw material transfer including thallium source Piping (130-1) Valve (130-2) Valve (130-3) Valve (130-4) Valve (130-5) Valve (130-6) Valve (130-7) Valve (131) Curve showing carbon atom concentration when trimethyl thallium is used as a thallium doping source (132) Curve showing carbon atom concentration when using a thallium doping source according to the present invention

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、
ガリウム(Ga)若しくはインジウム(In)のうち少
なくとも一つを第 III族を構成元素とし、かつタリウム
(Tl)がドーピングされてなる含窒素 III−V族化合
物半導体層を発光層として具備してなることを特徴とす
る発光素子。
1. Boron (B), aluminum (Al),
At least one of gallium (Ga) or indium (In) is a group III constituent element, and a nitrogen-containing III-V group compound semiconductor layer doped with thallium (Tl) is provided as a light emitting layer. A light emitting element characterized by the above.
【請求項2】 タリウムの原子濃度を5×1017cm-3
以上とし、且つ炭素(C)の原子濃度を2×1016cm
-3以下とすることを特徴とする請求項1に記載の発光素
子。
2. The atomic concentration of thallium is 5 × 10 17 cm −3.
And the atomic concentration of carbon (C) is 2 × 10 16 cm
-3 or less, The light emitting device according to claim 1, wherein
【請求項3】 シクロペンタジエニルタリウム化合物を
ドーピング源としてタリウムをドーピングすることを特
徴とする発光素子の製造方法。
3. A method of manufacturing a light emitting device, which comprises doping thallium with a cyclopentadienyl thallium compound as a doping source.
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