JP3557742B2 - ３族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は紫外線発光の効率を向上させた３族窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、３族窒化物半導体を用いた紫外線発光素子は、発光層にＩｎＧａＮ 又はＡｌＧａＮ が用いられていた。発光層にＩｎＧａＮ を用いた場合には、Ｉｎの組成比が５．５％以下の時、バンド間発光で波長３８０ｎｍ以下の紫外線が得られている。又、発光層にＡｌＧａＮ を用いた場合には、Ａｌの組成比が１６％程度で、亜鉛とシリコンとを発光中心として添加して、ドナー・アクセプタ対発光により、波長３８０ｎｍの紫外線が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの構造の発光素子は、まだ、発光効率が低いという問題がある。即ち、発光層にＩｎＧａＮ を用いた場合には、低温成長のために発光層の結晶性が悪く、発光効率が低い。又、発光層にＡｌＧａＮ を用いた場合には、格子定数のミスフィットによる転位のために、発光効率が低くなる。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、３族窒化物化合物半導体を用いた紫外線発光素子の発光効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１及び請求項２に記載の発明は、発光層に３族窒化物半導体を用いた発光素子において、発光層は、Al_X2Ga_1-X2N から成るバリア層とAl_X1Ga_1-X1N (X1 ＜X2) から成る井戸層とを交互に積層させた量子井戸で構成され、発光層にアクセプタ不純物とドナー不純物とを添加した。尚、量子井戸構造の繰り返し回数は１回でも多数回でも良い。
【０００６】
請求項１の発明は、各井戸層にのみアクセプタ不純物とドナー不純物とを共に添加したものである。請求項２の発明は、隣接する井戸層に、アクセプタ不純物とドナー不純物とを交互に添加したものである。
【０００７】
請求項３の発明は、アクセプタ不純物を亜鉛とし、ドナー不純物をシリコンとしたものである。又、請求項４の発明は、発光層を、アクセプタ不純物を添加したｐ伝導型のAl_X3Ga_1-X3N (X1 ≦X3) から成るｐ層と、ドナー不純物を添加したｎ伝導型のAl_X4Ga_1-X4N (X1 ≦X4) から成るｎ層とで挟んだ構造を特徴とする。さらに、請求項５の発明は、ｐ層に添加したアクセプタ不純物をマグネシウムとし、ｎ層に添加したドナー不純物をシリコンとしたものである。
【０００８】
尚、発光層のＡｌのモル組成比は１５％以上とし、井戸層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望ましい。５０Å以下だと不純物拡散が起こり、２００Å以上だと量子効果が発生しなくなるので望ましくない。又、バリア層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望ましい。５０Å以下だと井戸層にキャリアを閉じ込める効率が下がるため望ましくなく、２００Å以上だと量子効果が発生しなくなるので望ましくない。２００Å以上だとノンドープの場合には抵抗が大きくなり、又、ドープした場合には転位によるクラックが入るので望ましくない。
又、発光層に添加するアクセプタ不純物とドナー不純物の濃度は１×１０^１７／ｃｍ^３ 〜１×１０^２０／ｃｍ^３ の範囲が望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３ 以下であると、発光中心不足により発光効率が低下し、１×１０^２０／ｃｍ^３ 以上となると、結晶性が悪くなり、又、オージェ効果が発生するので望ましくない。
【０００９】
【発明の作用及び効果】
発光層にＩｎＧａＮ よりも結晶性の良いＡｌＧａＮ を用い、発光層を量子井戸構造の歪超格子とすることで、格子定数のミスフィットの伝搬を防止して井戸層の結晶性を向上させ、これにより発光効率を向上させた。特に、結晶性の良い井戸層にアクセプタ不純物とドナー不純物とを共に添加して、アクセプタ準位とドナー準位とによる対発光により、紫外線の発光効率を大きく向上させることができた。
【００１０】
【実施例】
第１実施例
図１において、発光ダイオード１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に５００ ÅのＡｌＮ のバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約２．０ μｍ、電子濃度２ ×１０^１８／ｃｍ^３のシリコンドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ^＋ 層３、膜厚約１．０ μｍ、電子濃度 ２×１０^１８／ｃｍ^３のシリコンドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ から成るｎ層４、全膜厚約０．１１μｍの発光層５、膜厚約１．０ μｍ、ホール濃度５ ×１０^１７／ｃｍ^３、濃度１ ×１０^２０／ｃｍ^３にマグネシウムがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ から成るｐ層６１、膜厚約０．２ μｍ、ホール濃度 ７×１０^１７／ｃｍ^３、マグネシウム濃度 ２×１０^２０／ｃｍ^３のマグネシウムドープのＧａＮ から成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にコンタクト層６２に接合するＮｉから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するＮｉから成る電極８が形成されている。
【００１１】
発光層５の詳細な構成は、図２に示すように、膜厚約１００ ÅのＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ から成る６層のバリア層５１と膜厚約１００ ÅのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ から成る５層の井戸層５２とが交互に積層された多重量子井戸構造で、全膜厚約０．１１μｍである。又、井戸層５２には、亜鉛とシリコンが、それぞれ、５ ×１０^１８／ｃｍ^３の濃度に添加されている。
【００１２】
次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０は、有機金属化合物気相成長法（ 以下「Ｍ０ＶＰＥ 」と記す） による気相成長により製造された。
用いられたガスは、ＮＨ_３ とキャリアガスＨ_２又はＮ_２ とトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＧ 」と記す） とトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＡ 」と記す） とシラン（ＳｉＨ_４）とジエチル亜鉛（ 以下「ＤＥＺ 」と記す） とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ_５Ｈ_５）_２）（以下「ＣＰ_２Ｍｇ 」と記す）である。
【００１３】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ１００ 〜４００ μｍの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Ｈ_２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。
【００１４】
次に、温度を ４００℃まで低下させて、Ｈ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ 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、Ｈ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １．７×１０^−４ル／分、Ｈ_２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを２００ｍｌ／分で３０分供給して、膜厚約２．２ μｍ、電子濃度 ２×１０^１８／ｃｍ^３のシリコンドープのＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ^＋ 層３を形成した。
【００１５】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を １０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０^−４モル／分、及び、Ｈ_２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０^−９ｍｏｌ／分で、６０分供給して、膜厚約１ μｍ、濃度１ ×１０^１８／ｃｍ^３のシリコンドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ から成るｎ層４を形成した。
【００１６】
その後、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １×１０^−５モル／分、ＴＭＡ を０．３９×１０^−４モル／分で３分間導入してＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ から成る厚さ１００Åのバリア層５１を形成した。次に、Ｎ_２又はＨ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を １×１０^−５モル／分、ＴＭＡ を０．３１×１０^−４モル／分で、且つ、Ｈ_２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを１０×１０^−９ｍｏｌ／分、ＤＥＺ を ２×１０^−４モル／分で、３分間導入してＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ から成る厚さ１００Åのシリコンと亜鉛が、それぞれ、 ５×１０^１８／ｃｍ^３の濃度に添加された井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図６に示すように、バリア層５１と井戸層５２とを交互に５層だけ積層たし多重量子井戸構造で、全体の厚さ０．１１μｍの発光層５を形成した。
【００１７】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を １０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０^−４モル／分、及び、ＣＰ_２Ｍｇ を２ ×１０^−４モル／分で６０分間導入し、膜厚約１．０ μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ から成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は１ ×１０^２０／ｃｍ^３である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗率１０^８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１８】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を １０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０^−４モル／分、及び、ＣＰ_２Ｍｇ を ４×１０^−４モル／分の割合で ４分間導入し、膜厚約０．２ μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ から成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は ２×１０^２０／ｃｍ^３である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率１０^８ Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１９】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。次に、このウエハを、４５０℃で４５分間、熱処理した。この熱処理により、コンタクト層６２、ｐ層６１は、それぞれ、ホール濃度 ７×１０^１７／ｃｍ^３， ５×１０^１７／ｃｍ^３、抵抗率 ２Ωｃｍ，０．８ Ωｃｍ のｐ伝導型半導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得られた。
【００２０】
次に、図３に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりＳｉＯ_２層９を２０００Åの厚さに形成し、そのＳｉＯ_２層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３に対する電極形成部位Ａ^’ のフォトレジスト１０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないＳｉＯ_２層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００２１】
次に、フォトレジスト１０及びＳｉＯ_２層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度０．０４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ｃｍ^２ 、ＢＣｌ_３ガスを１０ ｍｌ／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、図５に示すように、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。
【００２２】
次に、試料の上全面に、一様にＮｉを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００２３】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流２０ｍＡで、発光ピーク波長 ３８０ｎｍ、発光強度２ｍＷであった。この発光効率は３％であり、従来の構成のものに比べて１０倍に向上した。
【００２４】
上記の実施例では、発光層５のバリア層５１のバンドギャップが両側に存在するｐ層６１とｎ層４のバンドギャップよりも小さくなるようなダブルヘテロ接合に形成されている。
上記実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても良い。さらに、ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、電子線照射によってｐ型化しても良い。
【００２５】
第２実施例
上記第１実施例では、各井戸層５２に亜鉛とシリコンとを同時に添加している。第２実施例の発光ダイオード１００の発光層５は、図６に示すように、複数の井戸層５２０に、順に交互に、シリコンと亜鉛を添加したものである。
この構造において、アクセプタ準位とドナー準位による対発光が可能となり、紫外線の発光効率が向上する。 このようにして得られた発光素子は、駆動電流２０ｍＡで、発光ピーク波長 ３８０ｎｍ、発光強度５ｍＷであった。この発光効率は７％であり、従来の構成のものに比べて２５倍に向上した。
【００２６】
第３実施例
第３実施例の発光ダイオード２００は、図７に示すように、全ての井戸層５２１に亜鉛を添加し、全てのバリア層５１１にシリコンを添加したものである。
この構造において、アクセプタ準位とドナー準位による対発光が可能となり、紫外線の発光効率が向上する。
尚、逆に、全ての井戸層５２１にシリコンを添加し、全てのバリア層５１１に亜鉛を添加するようにしても良い。
このようにして得られた発光素子は、駆動電流２０ｍＡで、発光ピーク波長 ３７０ｎｍ、発光強度５ｍＷであった。この発光効率は７％であり、従来の構成のものに比べて２５倍に向上した。
【００２７】
第４実施例
上記の全ての実施例において、バリア層５１、５１０、５１１にはマグネシウムが添加されていないが、マグネシウムを添加した後の、熱処理、又は、電子線照射処理によりｐ型化しても良い。
このようにして得られた発光素子は、駆動電流２０ｍＡで、発光ピーク波長 ３８０ｎｍ、発光強度１０ｍＷであった。この発光効率は１５％であり、従来の構成のものに比べて５０倍に向上した。
【００２８】
上記の実施例は発光素子として、全て発光ダイオードを示したが、レーザダイオードでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】第２実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図７】第３実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【符号の説明】
１０，１００，２００…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ^＋ 層
４…ｎ層
５…発光層
５１，５１０，５１１…バリア層
５２，５２０，５２１…井戸層
６１…ｐ層
６２…コンタクト層
７，８…電極

Claims (5)

1. 発光層に３族窒化物半導体を用いた発光素子において、
   前記発光層は、Al_X2Ga_1-X2N から成るバリア層とAl_X1Ga_1-X1N (X1 ＜X2) から成る井戸層とを交互に積層させた量子井戸で構成され、
   前記発光層の各井戸層にのみ前記アクセプタ不純物と前記ドナー不純物とが共に添加されていることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
2. 発光層に３族窒化物半導体を用いた発光素子において、
   前記発光層は、Al_X2Ga_1-X2N から成るバリア層とAl_X1Ga_1-X1N (X1 ＜X2) から成る井戸層とを交互に積層させた量子井戸で構成され、
   前記発光層の隣接する井戸層に、前記アクセプタ不純物と前記ドナー不純物とが交互に添加されていることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
3. 前記アクセプタ不純物は亜鉛であり、前記ドナー不純物はシリコンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
4. 前記発光層は、アクセプタ不純物が添加されたｐ伝導型のAl_X3Ga_1-X3N (X1 ≦X3) から成るｐ層と、ドナー不純物が添加されたｎ伝導型のAl_X4Ga_1-X4N (X1 ≦X4) から成るｎ層とで挟まれていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｐ層に添加されている前記アクセプタ不純物はマグネシウムであり、前記ｎ層に添加されている前記ドナー不純物はシリコンであることを特徴とする請求項４に記載の３族窒化物半導体発光素子。

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