JP3506874B2 - 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒素−3族元素化合物半導体発光素子Info
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Description
素化合物半導体発光素子に関する。
の化合物半導体を用いたものが知られている。そのGaN
系の化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率
が高いこと、光の3原色の1つである青色を発光色とす
ること等から注目されている。
Mgを添加して電子線を照射することによりp型のGaN が
得られることが明らかとなった。この結果、従来のn層
と半絶縁層(i層)との接合に代えてpn接合を有する
GaN 発光ダイオードが提案されている。この発光ダイオ
ードの電極は、n層がアルミニウム(Al) 、p層が金(A
u)である。
合を有する発光ダイオードであっても、発光輝度は未だ
十分ではなく、また、駆動電圧も高い。そこで、本発明
の目的は、窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-Y
N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) 発光ダイオードの発光輝度を
向上させること及び駆動電圧を低下させることである。
n型の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=
0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、p型の窒素−3
族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0を
含む) からなるp層とを有する窒素−3族元素化合物半
導体発光素子において、p層を、正孔濃度が1×1016
/cm3以上の高キャリア濃度p+ 層と、その高キャリア濃
度p+ 層よりも正孔濃度が低く、正孔濃度が1×1014
/cm3以上の低キャリア濃度p層との二重層で構成し、n
層は、シリコンが添加され電極が形成された高キャリア
濃度n + 層を有し、高キャリア濃度p + 層はその上に電
極が形成されていることである。
素化合物半導体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
む ) からなるn層と、p型の窒素−3族元素化合物半導
体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む ) からなるp
層とを有する窒素−3族元素化合物半導体発光素子にお
いて、p層を、正孔濃度が1×10 16 /cm 3 以上の高キャ
リア濃度p + 層と、その高キャリア濃度p + 層よりも正
孔濃度が低く、正孔濃度が1×10 14 /cm 3 以上の低キャ
リア濃度p層との二重層で構成し、高キャリア濃度p+
層の厚さを0.1 〜0.5 μmとしたことである。
族元素化合物半導体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を
含む ) からなるn層と、p型の窒素−3族元素化合物半
導体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む ) からなる
p層とを有する窒素−3族元素化合物半導体発光素子に
おいて、p層を、正孔濃度が1×10 16 /cm 3 以上の高キ
ャリア濃度p + 層と、その高キャリア濃度p + 層よりも
正孔濃度が低く、正孔濃度が1×10 14 /cm 3 以上の低キ
ャリア濃度p層との二重層で構成し、低キャリア濃度p
層の厚さを0.2 〜1.0 μmとしたことである。又、第4
の特徴は、低キャリア濃度p層の正孔濃度を1×1014
〜1×1016/cm3としたことである。
/cm 3 以上の高キャリア濃度p + 層と、その高キャリア濃
度p + 層よりも正孔濃度が低く、正孔濃度が1×10 14
/cm 3 以上の低キャリア濃度p層との二重層で構成したこ
とで、良好なオーミック特性を得ることができ且つ駆動
電圧が低下し注入電流を大きくとることができるので、
発光輝度が向上した。
サファイア基板1を有しており、そのサファイア基板1
に500 ÅのAlN のバッファ層2が形成されている。その
バッファ層2の上には、順に、膜厚約2.2 μm、電子濃
度2 ×1018/cm3のシリコン添加GaN から成る高キャリア
濃度n+ 層3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1016/cm3
の無添加GaN から成る低キャリア濃度n層4が形成され
ている。更に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、
膜厚約0.5 μm、正孔濃度1 ×1016/cm3のマグネシウム
(Mg)添加GaN から成る低キャリア濃度p層51、膜厚約
0.2 μm、正孔濃度 2×1017/cm3の高キャリア濃度p+
層52が形成されている。そして、高キャリア濃度p+
層52に接続するニッケルで形成された電極7と高キャ
リア濃度n+ 層3に接続するニッケルで形成された電極
8とが形成されている。電極8と電極7とは、溝9によ
り電気的に絶縁分離されている。
造方法について説明する。上記発光ダイオード10は、
有機金族化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) に
よる気相成長により製造された。用いられたガスは、NH
3 とキャリアガスH2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)
(以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al
(CH3)3)(以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)とビス
シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下
「CP2Mg 」と記す)である。
a面を主面とする単結晶のサファイア基板1をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100
℃でサファイア基板1を気相エッチングした。
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMA を 1.8×10-5
モル/分で供給してAlN のバッファ層2が約 500Åの厚
さに形成された。次に、サファイア基板1の温度を1150
℃に保持し、H2を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、
TMG を 1.7×10-4モル/分、H2で0.86ppm まで希釈した
シラン(SiH4)を 200 milliliter /分の割合で30分間供
給し、膜厚約 2.2μm、電子濃度2 ×1018/cm3のGaN か
ら成る高キャリア濃度n+ 層3を形成した。
に保持し、H2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMG
を1.7 ×10-4モル/分の割合で20分間供給し、膜厚約
1.5μm、電子濃度 1×1016/ cm3 のGaN から成る低キ
ャリア濃度n層4を形成した。
て、H2 を20 liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を
1.7×10-4モル/分、CP2Mg を 2×10-7モル/分の割合
で 7分間供給して、膜厚0.5 μmのGaN から成る低キャ
リア濃度p層51を形成した。この状態では、低キャリ
ア濃度p層51は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体
である。
たまま、H2 を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMG
を 1.7×10-4モル/分、CP2Mg を 3×10-6モル/分の
割合で 3分間供給して、膜厚0.2 μmのGaN から成る高
キャリア濃度p+ 層52を形成した。この状態では、高
キャリア濃度p+ 層52は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上
の絶縁体である。
の高キャリア濃度p+ 層52及び低キャリア濃度p層5
1に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加
速電圧10KV、試料電流 1μA 、ビームの移動速度0.2mm/
sec 、ビーム径60μmφ、真空度2.1 ×10-5Torrであ
る。この電子線の照射により、低キャリア濃度p層51
は、正孔濃度1 ×1016/cm3、抵抗率40Ωcmのp伝導型半
導体となり、高キャリア濃度p+ 層52は、正孔濃度 2
×1017/cm3、抵抗率 2Ωcmのp伝導型半導体となった。
このようにして、図2に示すような多層構造のウエハが
得られた。
上の1つの素子のみを示す断面図であり、実際は、同一
構造の素子が連続的に形成されているウエハについて、
処理が行われ、その後、そのウエハは各素子毎に切断さ
れる。
52の上に、スパッタリングによりSiO2層11を2000Å
の厚さに形成した。次に、そのSiO2層11上にフォトレ
ジスト12を塗布した。そして、フォトリソグラフによ
り、高キャリア濃度p+ 層52上において、高キャリア
濃度n+ 層3に至るように形成される孔15に対応する
電極形成部位Aとその電極形成部を高キャリア濃度p+
層52の電極と絶縁分離する溝9を形成する部位Bのフ
ォトレジストを除去した。
12によって覆われていないSiO2層11をフッ化水素酸
系エッチング液で除去した。次に、図5に示すように、
フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われてい
ない部位の高キャリア濃度p+ 層52とその下の低キャ
リア濃度p層51、低キャリア濃度n層4、高キャリア
濃度n+ 層3の上面一部を、真空度0.04Torr、高周波電
力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 milliliter/分の割合で供
給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングし
た。この工程で、高キャリア濃度n+ 層3に対する電極
取出しのための孔15と絶縁分離のための溝9が形成さ
れた。
p+ 層52上に残っているSiO2層11をフッ化水素酸で
除去した。次に、図7に示すように、試料の上全面に、
ニッケル層13を蒸着により形成した。これにより、孔
15には、高キャリア濃度n+ 層3に電気的に接続され
たニッケル層13が形成される。そして、そのニッケル
層13の上にフォトレジスト14を塗布して、フォトリ
ソグラフにより、そのフォトレジスト14が高キャリア
濃度n+ 層3及び高キャリア濃度p+ 層52に対する電
極部が残るように、所定形状にパターン形成した。
ト14をマスクとして下層のニッケル層13の露出部を
硝酸系エッチング液でエッチングした。この時、絶縁分
離のための溝9に蒸着されたニッケル層13は、完全に
除去される。次に、フォトレジスト14をアセトンで除
去し、高キャリア濃度n+ 層3の電極8、高キャリア濃
度p+ 層52の電極7が残された。その後、上記の如く
処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図1に示す
pn構造の窒化ガリウム系発光素子を得た。
電圧Vと流れる電流Iとの関係を測定した。その結果を
図8に示す。又、比較のためにアルミニウムで電極を形
成した場合のV−I特性の測定結果を図9に示す。駆動
しきい値電圧は7Vから3Vに低下した。
10の駆動電流20mAにおける発光強度を測定したところ
10mcd であり、この発光輝度は、従来のpn接合のGaN
発光ダイオードの発光輝度に比べて 2倍であった。又、
素子寿命は、104 時間であり、従来のpn接合のGaN 発
光ダイオードの素子寿命に比べて1.5 倍であった。
のドーピングガスは、上述のガスの他、メチルシクロペ
ンタジエニルマグネシウムMg(C6H7)2 を用いても良い。
また、上記のp層を図10に示すように1層に形成して
も良い。その場合にはp層5の正孔濃度は 1×1016〜 1
×1019/cm3である。又、p層52に対する電極7のみニ
ッケルとし、高キャリア濃度n+ 層3に対する電極8は
アルミニウムとしても良い。
度は1 ×1014/cm3 〜1 ×1016/cm 3 で膜厚は0.2 〜1
μmが望ましい。正孔濃度が1 ×1014/cm3 以下となる
と、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ましくなく、正孔
濃度が1 ×1016/cm3 以上となると、低キャリア濃度n
層4とのマッチングが悪くなり発光効率が低下するので
望ましくない。又、膜厚が 1μm以上となると直列抵抗
が高くなるので望ましくなく、0.2 μm以下となると発
光輝度が低下するので望ましくない。
度は 1×1016/cm3 以上で膜厚は0.1 〜0.5 μmが望ま
しい。正孔濃度が 1×1016/cm3 より小さくなると、直
列抵抗が高くなるので望ましくない。又、膜厚が0.5 μ
m以上となると、直列抵抗が高くなるので望ましくな
く、膜厚が0.1 μm以下となると、正孔の注入効率が減
少するので望ましくない。
板1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAl
N のバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2
の上には、順に、膜厚約2.2 μm、電子濃度 2×1018/c
m3のシリコン添加GaN から成る高キャリア濃度n+ 層
3、膜厚約 1.5μm、電子濃度1 ×1016/cm3の無添加Ga
N から成る低キャリア濃度n層4が形成されている。更
に、低キャリア濃度n層4の上には、順に、膜厚約0.2
μm、Mg濃度 1×1019/cm3のMg添加GaN から成る低不純
物濃度i層61、膜厚約0.5 μm、Mg濃度 2×1020/cm3
の高不純物濃度i+ 層62が形成されている。
不純物濃度i+ 層62の所定領域には、それぞれ、電子
線照射によりp伝導型化した正孔濃度1 ×1016/cm3の低
キャリア濃度p層501、正孔濃度4 ×1017/cm3の高キ
ャリア濃度p+ 層502が形成されている。
は、高不純物濃度i+ 層62、低不純物濃度i層61、
低キャリア濃度n層4を貫通して高キャリア濃度n+ 層
3に至る孔15が形成されている。その孔15を通って
高キャリア濃度n+ 層3に接合されたニッケルで形成さ
れた電極81が高不純物濃度i+ 層62上に形成されて
いる。又、高キャリア濃度p+ 層502の上面には、高
キャリア濃度p+ 層502に対するニッケルで形成され
た電極71が形成されている。高キャリア濃度n+ 層3
に対する電極81は、高キャリア濃度p+ 層502及び
低キャリア濃度p層501に対して高不純物濃度i+ 層
62及び低不純物濃度i層61により絶縁分離されてい
る。
造方法について説明する。製造工程を示す図12から図
17は、ウエハにおける1素子のみに関する断面図であ
り、実際には図に示す素子が繰り返し形成されたウエハ
に関して次の製造処理が行われる。そして、最後に、ウ
エハが切断されて各発光素子が形成される。
エハを製造する。次に、図13に示すように、高不純物
濃度i+ 層62の上に、スパッタリングによりSiO2層1
1を2000Åの厚さに形成した。次に、そのSiO2層11上
にフォトレジスト12を塗布した。そして、フォトリソ
グラフにより、高不純物濃度i+ 層62において低キャ
リア濃度n層4に至るように形成される孔15に対応す
る電極形成部位Aのフォトレジストを除去した。
ト12によって覆われていないSiO2層11をフッ化水素
酸系エッチング液で除去した。次に、図15に示すよう
に、フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われ
ていない部位の高不純物濃度i+ 層62とその下の低不
純物濃度i層61と低キャリア濃度n層4と高キャリア
濃度n+ 層3の上面一部を、真空度0.04Torr、高周波電
力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 milliliter/分の割合で供
給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングし
た。この工程で、高キャリア濃度n+ 層3に対する電極
取出しのための孔15が形成された。次に、図16に示
すように、高不純物濃度i+ 層62上に残っているSiO2
層11をフッ化水素酸で除去した。
i+ 層62及び低不純物濃度i層61の所定領域にの
み、反射電子線回析装置を用いて電子線を照射して、そ
れぞれp伝導型を示す正孔濃度4 ×1017/cm3の高キャリ
ア濃度p+ 層502、正孔濃度1 ×1016/cm3の低キャリ
ア濃度p層501が形成された。
電流 1μA 、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60
μmφ、真空度2.1 ×10-5Torrである。この時、高キャ
リア濃度p+ 層502及び低キャリア濃度p層501以
外の部分、即ち、電子線の照射されなかった部分は、絶
縁体の高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i層6
1のままである。従って、高キャリア濃度p+ 層502
及び低キャリア濃度p層501は、縦方向に対しては、
低キャリア濃度n層4に導通するが、横方向には、周囲
に対して、高不純物濃度i+ 層62及び低不純物濃度i
層61により電気的に絶縁分離されている。
度p+ 層502と、高不純物濃度i+ 層62と、高不純
物濃度i+ 層62の上面と孔15を通って高キャリア濃
度n+ 層3とに、ニッケル層20が蒸着により形成され
た。そして、そのニッケル層20の上にフォトレジスト
21を塗布して、フォトリソグラフにより、そのフォト
レジスト21が高キャリア濃度n+ 層3及び高キャリア
濃度p+ 層502に対する電極部が残るように、所定形
状にパターン形成した。次に、そのフォトレジスト21
をマスクとして下層のニッケル層20の露出部を硝酸系
エッチング液でエッチングし、フォトレジスト21をア
セトンで除去した。このようにして、図11に示すよう
に、高キャリア濃度n+ 層3の電極81、高キャリア濃
度p+ 層502の電極71を形成した。その後、上述の
ように形成されたウエハが各素子毎に切断された。
10のV−I特性を測定したとろこ、図8と同様な特性
が得られた。駆動電圧は3Vであった。又、発光強度を
測定したところ、第1実施例と同様に、10mcd であり、
素子寿命は104 時間であった。
て、高キャリア濃度n+層3、低キャリア濃度n層4、
低キャリア濃度p層51、高キャリア濃度p+ 層52
を、それぞれ、Al0.2Ga0.5In0.3Nとした。高キャリア濃
度n+ 層3は、シリコンを添加して電子濃度2 ×1018/c
m3に形成し、低キャリア濃度n層4は不純物無添加で電
子濃度1 ×1016/cm3に形成した。低キャリア濃度p層5
1はマグネシウム(Mg)を添加して電子線を照射して正孔
濃度1 ×1016/cm3に形成し、高キャリア濃度p+ 層52
は同じくマグネシウム(Mg)を添加して電子線を照射して
正孔濃度 2×1017/cm3に形成した。そして、高キャリア
濃度p+ 層52に接続するニッケルで形成された電極7
と高キャリア濃度n+ 層3に接続するニッケルで形成さ
れた電極8とを形成した。
1実施例の発光ダイオードと同様に製造することができ
る。トリメチルインジウム(In(CH3)3)がTMG 、TMA 、シ
ラン、CP2Mg ガスに加えて使用された。生成温度、ガス
流量は第1実施例と同じである。トリメチルインジウム
を 1.7×10-4モル/分で供給することを除いて他のガス
の流量は第1実施例と同一である。
析装置を用いて、上記の高キャリア濃度p+ 層52及び
低キャリア濃度p層51に一様に電子線を照射してp伝
導型半導体を得ることができた。
度n+ 層3及び高キャリア濃度p+層52に対するニッ
ケルで形成された電極7、8を形成した。
電圧Vと流れる電流Iとの関係を測定した。アルミニウ
ムで電極を形成した場合に比べて、第1実施例と同様
に、駆動しきい値電圧は7Vから3Vに低下した。
ードの構成を示した構成図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
測定図。
ドの電圧−電流特性の測定図。
の構成を示した構成図。
オードの構成を示した構成図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
Claims (4)
- 【請求項1】n型の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGa
YIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、p
型の窒素−3族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,
Y=0,X=Y=0を含む) からなるp層とを有する窒素−3族
元素化合物半導体発光素子において、 前記p層を、正孔濃度が1×1016/cm3以上の高キャリ
ア濃度p+ 層と、その高キャリア濃度p+ 層よりも正孔
濃度が低く、正孔濃度が1×1014/cm3以上の低キャリ
ア濃度p層との二重層で構成し、 前記n層は、シリコンが添加され電極が形成された高キ
ャリア濃度n + 層を有し、 前記高キャリア濃度p + 層はその上に電極が形成されて
いる ことを特徴とする窒素−3族元素化合物半導体発光
素子。 - 【請求項2】n型の窒素−3族元素化合物半導体 (Al x Ga
Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む ) からなるn層と、p
型の窒素−3族元素化合物半導体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,
Y=0,X=Y=0 を含む ) からなるp層とを有する窒素−3族
元素化合物半導体発光素子において、 前記p層を、正孔濃度が1×10 16 /cm 3 以上の高キャリ
ア濃度p + 層と、その高キャリア濃度p + 層よりも正孔
濃度が低く、正孔濃度が1×10 14 /cm 3 以上の低キャリ
ア濃度p層との二重層で構成し、 前記高キャリア濃度p+ 層の厚さは0.1 〜0.5 μmであ
ることを特徴とする窒素−3族元素化合物半導体発光素
子。 - 【請求項3】n型の窒素−3族元素化合物半導体 (Al x Ga
Y In 1-X-Y N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む ) からなるn層と、p
型の窒素−3族元素化合物半導体 (Al x Ga Y In 1-X-Y N;X=0,
Y=0,X=Y=0 を含む ) からなるp層とを有する窒素−3族
元素化合物半導体発光素子において、 前記p層を、正孔濃度が1×10 16 /cm 3 以上の高キャリ
ア濃度p + 層と、その高キャリア濃度p + 層よりも正孔
濃度が低く、正孔濃度が1×10 14 /cm 3 以上の低キャリ
ア濃度p層との二重層で構成し、 前記低キャリア濃度p層の厚さは0.2 〜1.0 μmである
ことを特徴とする窒素−3族元素化合物半導体発光素
子。 - 【請求項4】 前記低キャリア濃度p層の正孔濃度は1
×1014〜1×1016/cm3であることを特徴とする請求
項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の窒素−3族元
素化合物半導体発光素子。
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JP09020997A JP3506874B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP31659792A Division JP2681733B2 (ja) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 |
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JPH1027924A JPH1027924A (ja) | 1998-01-27 |
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ID=13992105
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP09020997A Expired - Lifetime JP3506874B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 窒素−3族元素化合物半導体発光素子 |
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