JP3564811B2 - 3族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【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においては、n+ 層にGaN 、n層にAl0.08Ga0.92N 、発光層にIn0.08Ga0.92N 、p層にAl0.08Ga0.92N を用いていた。この構造の発光ダイオードで、バンド間遷移により、波長380nm 以下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。その原因として、発光層In0.08Ga0.92N の結晶性が悪いことがあげられる。発光層の結晶性が低い理由には、n+ 層、n層、発光層の3者の結晶の格子定数の相違によるミスフィット転移が発生し、発光層に格子欠陥を誘発することが考えられる。
【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の発明は、p伝導型のp層とn伝導型のn層とで発光層を挟んだダブルヘテロ接合構造の3族窒化物半導体を用いた発光素子において、発光層をGa Y1 In 1-Y1 N(0.92 ≦ Y1 ≦ 1)半導体で正孔の拡散長さより厚く構成し、n層を、Ga X1 In 1-X1 N(0.92 ≦ X1 ≦ 1) の格子定数の範囲の格子定数を有する、ドナー不純物が添加されたAlx2GaY2In1-X2-Y2N 半導体で構成し、p層を、発光層に注入された電子を閉じ込めるのに十分なだけ、発光層よりも禁制帯幅が大きいアクセプタ不純物が添加されたAlx3GaY3In1-X3-Y3N 半導体で構成したことを特徴とする。
【0006】
請求項2の発明は、n層をドナー不純物が添加されたGaN で構成したことを特徴とし、請求項3の発明は、n層に接合する下層として、n層よりも高濃度にドナー不純物が添加されたGaN から成るn+ 層を設けたことを特徴とし、請求項4の発明はドナー不純物をシリコンとし、請求項5の発明は発光層にシリコンを添加したことを特徴とする。
【0007】
【発明の作用及び効果】
上記のように、n層は発光層と格子不整合が小さくなるように、Ga X1 In 1-X1 N(0.92 ≦ X1 ≦ 1) の格子定数の範囲の格子定数を有するよう、Alx2GaY2In1-X2-Y2N の組成比X2,Y2 が決定され、p層は発光層に対してn層から注入された電子を十分に閉じ込めれるだけ、禁制帯幅が大きくなるように、Alx3GaY3In1-X3-Y3N の組成比X3, Y3が決定される。このようにn層を決定することで、n層と発光層との格子定数の相違によるミスフィットが少なく、発光層の結晶性が向上する。
【0008】
n層と発光層との接合による障壁は、p層から発光層に注入された正孔を閉じ込める作用をする。ところが、正孔の拡散長は数1000Åであり、発光層はその拡散長よりも厚く構成されている。よって、n層と発光層との接合による障壁は、正孔の発光層内での閉じ込めに有効に寄与しない。したがって、n層と発光層間の障壁は小さくても良いので、n層は発光層に対して格子不整合が小さくなるように、Alx2GaY2In1-X2-Y2N の組成比X2,Y2を決定することで、n層と発光層との間の格子不整合を極力小さくすることができ、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この結果、紫外線の発光効率が向上する。
【0009】
紫外線を発光するために、発光層をGa Y1 In1-Y1 N(0.92≦Y1≦1)で構成した場合には、n層をGaNとすることで、格子不整合を小さくすることができる。
【0010】
上記の発光ダイオードはサファイア基板上に、バッファ層を形成し、その上にn層に対する電流のリードとして機能する高濃度にシリコンが添加されたGaN から成るn+ 層が形成されている。この場合には、n層をGaN で構成することで、n+ 層とn層との格子定数は完全に一致し、ミスフィット転位は発生しない。よって、発光層の結晶性がより向上する。
【0011】
【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5.0 μm、濃度 5×1018/cm3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0.5 μm、濃度 5×1017/cm3のシリコンドープのGaN から成るn層4、膜厚約0.5 μmのIn0.07Ga0.93N から成る発光層5、膜厚約0.5 μm、ホール濃度5 ×1017/cm3、濃度 5×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92N から成るp層61、膜厚約1 μm、ホール濃度 7×1018/cm3、マグネシウム濃度 5×1021/cm3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。
【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、NH3 とキャリアガスH2又はN2 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) とトリメチルインジウム(In(CH3)3)(以下「TMI 」と記す) と、シラン(SiH4)と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。
【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。
【0014】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を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ル/分、H2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 2×1018/cm3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、N2又はH2を10 liter/分、NH3 を 10liter/分、TMG を1.12×10−4モル/分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10−9mol/分で、30分供給して、膜厚約0.5 μm、濃度
5×1017/cm3のシリコンドープのGaN から成るn層4を形成した。
【0016】
続いて、温度を850 ℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3 を 10liter/分、TMG を1.53×10−4モル/分、及び、TMI を0.02×10−4モル/分で、60分間供給して0.5 μmのIn0.07Ga0.93N から成る発光層5を形成した。
【0017】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3 を 10liter/分、TMG を1.12×10−4モル/分、TMA を0.47×10−4モル/分、及び、CP2Mg 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Al0.08Ga0.92N 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 ×1020/cm3である。この状態では、p層61は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
【0018】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3 を 10liter/分、TMG を1.12×10−4モル/分、及び、CP2Mg 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 2×1020/cm3である。この状態では、コンタクト層62は、まだ、抵抗率108 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、正孔濃度 7×1017/cm3, 5×1017/cm3、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SiO2層9を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2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SiO2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SiO2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/cm2 、BCl3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380 nm、発光強度1mWであった。この発光効率は1.5%であり、従来の構成のものに比べて5倍に向上した。
【0024】
上記の実施例において、n+ 層3とn層4とは共にGaN であるので、これらの層間での格子不整合は存在しない。よって、この格子不整合によるミスフィット転位が発光層5に発生することはない。又、GaN とIn0.07Ga0.93N との間の格子不整合は小さく、n層4と発光層5との格子不整合に伴う発光層5のミスフィット転位は少ない。よって、発光層5の結晶性が良くなった。又、発光層5は厚さ0.5 μmにしているので、正孔の拡散長よりも厚くなり、n層4と発光層5との間の障壁が小さくても、発光効率を低下させることはない。以上のことから、従来の構造の発光ダイオードに比べて、紫外線の発光効率が極めて向上した。
【0025】
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。
上記の実施例では、発光層5は不純物を添加していないが、シリコン等のドナー不純物や亜鉛等のアクセプタ不純物を添加しても良い。
【0026】
上記実施例は、発光ダイオードの例を示したが、レーザダイオードであっても同様に構成可能である。
【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。
【符号の説明】
10…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
61…p層
62…コンタトク層
7,8…電極
Claims (5)
- p伝導型のp層とn伝導型のn層とで発光層を挟んだダブルヘテロ接合構造の3族窒化物半導体を用いた発光素子において、
前記発光層をGa Y1 In 1-Y1 N(0.92 ≦ Y1 ≦ 1)半導体で、正孔の拡散長よりも厚く構成し、
前記n層を、Ga X1 In 1-X1 N(0.92 ≦ X1 ≦ 1) の格子定数の範囲の格子定数を有する、ドナー不純物が添加されたAlx2GaY2In1-X2-Y2N 半導体で構成し、
前記p層を、前記発光層に注入された電子を閉じ込めるのに十分なだけ、前記発光層よりも禁制帯幅が大きいアクセプタ不純物が添加されたAlx3GaY3In1-X3-Y3N 半導体で構成したことを特徴とする3族窒化物半導体発光素子。 - 前記n層はドナー不純物が添加されたGaN で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体発光素子。
- 前記n層に接合する下層として、前記n層よりも高濃度にドナー不純物が添加されたGaN から成るn+ 層を有することを特徴とする請求項2に記載の3族窒化物半導体発光素子。
- 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に記載の3族窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層にはシリコンが添加されていることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体発光素子。
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