JP3646706B2 - リン化硼素系半導体発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン化硼素系半導体層からなる第1および第2の障壁層と、III族窒化物半導体層からなる発光層とから構成されるpn接合型の二重異種(ダブルヘテロ)構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素系半導体層は、種々の発光素子を構成するための機能層に利用されている。例えば、リン化硼素系半導体として代表的な単量体のリン化硼素(BP)は青色のレーザダイオード(LD)にあって、接触抵抗の低いp形のオーミック(Ohmic)電極を形成するためのコンタクト(contact)層として利用されている(特開平10−242567号公報参照)。また、近紫外或いは青色等の短波長の発光をもたらす発光ダイオード(LED)を構成するための緩衝層として用いられている(米国特許6,069,021号参照)。また、室温での禁止帯幅を約3エレクトロンボルト(単位:eV)とするワイドバンドギャップ(wide bandgap)性のn形及びp形のリン化硼素層は、異種(hetero)接合構造の発光部を構成する障壁(クラッド)層として利用されている。
【0003】
発光素子を構成するためのリン化硼素系半導体層は、従来より、単結晶材料からなる基板上に主に気相成長手段に依り形成されている。基板材料には、例えば珪素(Si)単結晶(シリコン)(上記の米国特許6,069,021号参照)や炭化珪素(SiC)(特開平10−242569号公報参照)、リン化ガリウム(GaP)(特開平10−242568号公報参照)、窒化ガリウム(GaN)(特開平10−247745号公報参照)が知れている。また、気相成長手段としては、ハイドライド(hydride)気相成長法(J.Crystal Growth,25/25(1974)、193〜196頁参照)、或いは有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法(Inst.Phys.Conf.Ser.,No.129(IOP Publishing Ltd.(UK、1993)、157〜162頁参照)が開示されている。
【0004】
例えば、ハイドライド気相成長手段に依れば、成膜温度等の条件に左右されるものの、n形またはp形の何れの伝導形のリン化硼素層も成長が可能であるとされている。しかも、例えば、8×1020cm-3或いは2×1021cm-3と高いキャリア濃度のn形リン化硼素層が得られるとされる。また、例えば、5〜8×1019cm-3の低抵抗のp形層も得られている(上記のJ.Crystal Growth,25/25(1974)、193〜196頁参照)。この高キャリア濃度で低抵抗のリン化硼素系半導体材料は、例えばオーミック電極用のコンタクト層として好適に利用できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
反面、リン化硼素系半導体層を構成層とする発光ダイオードにおいて、上記の様な低抵抗のn形またはp形のリン化硼素系半導体層を障壁(clad)層とする発光部を形成すると、障壁層の良好な導電性に誘因されて、素子を動作させるための電流(素子動作電流)が、給電点から障壁層及び発光層へ短絡的に流通する場合がある。このような素子動作電流の短絡的な流通が発生すれば、素子動作電流を発光層の全般の領域に万遍なく拡散させるに至らず、発光は、給電点の近傍の極く限定された領域から得られるだけとなる。即ち、発光層全般から発光を得るに至らず、しいては、高い発光強度の発光ダイオードを得るに支障を来している。
【0006】
本発明は、上記の従来技術に於ける問題点を克服すべくなされたもので、発光ダイオードにおいて、素子動作電流を平面的に均等に拡散するに好都合なキャリア(電子または正孔)濃度を有する、n形またはp形導電性のリン化硼素系半導体層を、障壁層に用いた発光部の構成を提示する。また同時に、光学的に発光を拡散できる構成からなる発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードを提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
(1)結晶基板の表面上に、第1の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層と、第1または第2の伝導形のIII族窒化物半導体層からなる発光層と、第2の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第2の障壁層とが順次積層されて構成されたpn接合型の二重異種(ダブルヘテロ)構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードに於いて、第1の障壁層が、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第2の伝導形をもたらす不純物を添加した第1の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成され、第2の障壁層が、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第1の伝導形をもたらす不純物を添加した第2の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成されることを特徴とするリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(2)第1の伝導形がp形で第2の伝導形がn形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすn形不純物を元素周期律表のII族、IV族またはVI族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすp形不純物をII族またはIV族元素とすることを特徴とする上記(1)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(3)第1の伝導形がn形で第2の伝導形がp形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすp形不純物を元素周期律表のII族またはIV族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすn形不純物をII族、IV族またはVI族元素とすることを特徴とする上記(1)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(4)n形不純物が、珪素(Si)、錫(Sn)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)およびマグネシウム(Mg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする上記(2)または(3)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(5)p形不純物が、炭素(C)、珪素(Si)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)および水銀(Hg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする上記(2)または(3)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(6)第1の障壁層および第2の障壁層のキャリア濃度が、5×1017cm-3〜5×1018cm-3の範囲であることを特徴とする上記(1)ないし(5)のいずれか1項に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
(7)有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法により、結晶基板の表面上に、第1の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層と、第1または第2の伝導形のIII族窒化物半導体層からなる発光層と、第2の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第2の障壁層とを順次積層する、pn接合型の二重異種(ダブルヘテロ)構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法に於いて、第1の障壁層を、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有する第1の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成し、且つ該第1の障壁層に第2の伝導形をもたらす不純物を添加する工程と、第2の障壁層を、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有する第2の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成し、且つ該第2の障壁層に第1の伝導形をもたらす不純物を添加する工程とを具備することを特徴とするリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
(8)第1の伝導形がp形で第2の伝導形がn形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすn形不純物を元素周期律表のII族、IV族またはVI族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすp形不純物をII族またはIV族元素とすることを特徴とする上記(7)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
(9)第1の伝導形がn形で第2の伝導形がp形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすp形不純物を元素周期律表のII族またはIV族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすn形不純物をII族、IV族またはVI族元素とすることを特徴とする上記(7)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
(10)n形不純物が、珪素(Si)、錫(Sn)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)およびマグネシウム(Mg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする上記(8)または(9)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
(11)p形不純物が、炭素(C)、珪素(Si)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)および水銀(Hg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする上記(8)または(9)に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
(12)第1の障壁層および第2の障壁層のキャリア濃度が、5×1017cm-3〜5×1018cm-3の範囲であることを特徴とする上記(7)ないし(11)のいずれか1項に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
である。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明のリン化硼素系半導体とは、硼素とリンとを構成元素として含む、例えばBαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δAsδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)、また例えば、BαAlβGaγIn1- α - β - γP1- δNδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)である。また、本発明の二重異種(double hetero:DH)構造からなる発光部とは、n形及びp形のリン化硼素系半導体層からなる2層の障壁層とそれら障壁層に挟まれたIII族窒化物半導体層からなる発光層とから構成されるダブルヘテロ構造のpn接合を有する、発光ダイオードの発光を担う部位である。本発明では、発光層にキャリアを「閉じ込める」作用を及ぼす2つの障壁層の内、一方の第1の伝導形のものを第1の障壁層、他方の第2の伝導形のものを第2の障壁層と呼称する。第1の伝導形と第2の伝導形は、互いに逆である。例えば、第1の伝導形をn形とすれば、第2の伝導形はp形である。また、第1の伝導形をp形とすれば、第2の伝導形はn形である。リン化硼素系半導体層の伝導形は、通常のホール(Hall)効果測定法或いは容量−電圧(C−V)法等に依り判別できる。
【0009】
本発明に係わる第1及び第2の障壁層並びに発光層はMOCVD法等の気相成長手段に依り形成することができる。MOCVD気相成長手段にあって、リン化硼素系半導体層の成長温度としては、750℃〜1200℃が適する。1200℃を越える高温では、B6P、B13P2等の多量体リン化硼素が形成され易くなるため、組成的に均質なリン化硼素系半導体層を得るに不都合となる(J.Am.Ceramic Soc.,47(1)(1964)、44〜46頁参照)。リン化硼素系半導体層では、アンドープ状態で充分に導電性を有する低抵抗層を形成できる。しかし本発明では、敢えて、アンドープ状態で高濃度で存在するキャリアを電気的に補償(compensation)できる不純物を添加(doping)して、障壁層として適するキャリア濃度を有するリン化硼素系半導体層を得ることとする。具体的には、n形リン化硼素系半導体層に対しては、アクセプタ(acceptor)を発生させる不純物を添加して、アンドープ(undope)状態で多量に存在するドナー(donor)を電気的に補償し、所望するキャリア濃度のn形半導体層を得る。また、p形リン化硼素系半導体層に対しては、ドナーを発生させる不純物を添加して、アンドープ状態で多量に存在するアクセプタを電気的に補償し、所望するキャリア濃度のp形半導体層を得る。即ち、第1の伝導形とは逆の伝導形(=第2の伝導形)をもたらす不純物を添加して、キャリア濃度を低下させた第1の伝導形のリン化硼素系半導体層を得る。また、第2の伝導形とは逆の伝導形(=第1の伝導形)を与える不純物をドーピングして、キャリア濃度を低下させた第2の伝導形のリン化硼素系半導体層を得る。但し不純物をドーピングしても、リン化硼素系半導体層の元来の伝導形は変化させない。
【0010】
本発明に於いて、第1または第2の障壁層として好ましく用いるのは、キャリア濃度が5×1017cm-3〜5×1018cm-3の範囲のリン化硼素系半導体層である。そもそもアンドープ状態で残留するキャリアの濃度が高濃度であると、これを補償して低キャリア濃度とするには多量の不純物をドーピングする必要に迫られる。溶解度を超えて多量に不純物をドーピングすれば、その不純物を主体としてなる析出物の発生を招き、表面の平坦性に優れるリン化硼素系半導体層を得るに不都合となる。従って、本発明に係わる不純物のドーピングは、そもそもアンドープ状態でキャリア濃度の比較的低いリン化硼素系半導体層が得られるようなリン化硼素系半導体層の成膜条件下で実施するのが得策である。不純物のドーピング量の制御の容易さなどの観点からすれば、アンドープ状態で大凡、5×1018cm-3〜5×1019cm-3程度のキャリア濃度を与える成膜条件が好適である。アンドープ状態に於けるリン化硼素系半導体層のキャリア濃度は、リン化硼素系半導体層の成長の際の成膜温度や原料供給比率、所謂、V/III比率に依存して変化させられる。キャリア濃度は、特に成膜温度の変更に依り大きく変化させることができる。上記のアンドープ状態での好ましいキャリア濃度を得る成膜温度は、トリエチル硼素((C2H5)3B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)反応系常圧MOCVD手段では、概ね、1000℃±25℃である。ドーピングの有無に拘わらず、リン化硼素系半導体層のキャリア濃度は、通常のホール効果測定法或いはC−V法等に依り測定できる。
【0011】
リン化硼素系半導体層に対して、代表的なn形不純物としては、元素周期律表のIV族及びVI族に属する元素がある。例えば、IV族元素として珪素(Si)や錫(Sn)を、VI族元素として硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)などを例示できる。IV族元素は、リン化硼素系半導体の如くのIII−V族化合物半導体について、両性(amphoteric)不純物として働くとされている(生駒俊明、生駒 英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」(1991年9月10日、(株)培風館発行初版)、35頁参照)。IV族元素をn形不純物として作用させるには、リン化硼素系半導体層の成膜温度を約1000℃以下の比較的低温とすると好結果が得られる。また、リン化硼素系半導体として代表的なリン化硼素(BP)にあって、II族元素であるマグネシウム(Mg)は、n形のリン化硼素半導体層をもたらす不純物として働かせられる。リン化硼素半導体層の気相成長時に添加したMgは硼素と揮発性の化合物を形成することに因り、同層内に多量の硼素の空孔(vacancy)を発生させる。この硼素空孔をリン原子が占有することに依り、n形キャリア(ドナー)を結果的に発生させられる。
【0012】
リン化硼素系半導体層に対して、代表的なp形不純物としては、元素周期律表のII族及びIV族に属する元素がある。例えば、IV族元素として炭素(C)、珪素(Si)を例示できる。両性不純物であるIV族元素にあって、p形不純物としての作用を得るには、リン化硼素系半導体層の成膜温度を約1000℃を越える高温とするのが適する。II族元素としてベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)を例示できる。これらのII族元素は、マグネシウム(Mg)とは異なり、硼素と揮発性の化合物を形成し難く、従って、硼素空孔を占めるリン原子に因るドナー成分の発生を回避するに好都合となる。第1或いは第2の伝導形のリン化硼素系半導体層には、それぞれ第2或いは第1の伝導形をもたらす複数種の不純物を添加しても構わない。不純物の種類よりも、キャリア濃度を上記の障壁層として好適な範囲に収納させることが肝要である。
【0013】
キャリア濃度を上記の障壁層として好適な範囲とするに加えて、本発明では、障壁層を発光層をなすIII族窒化物半導体よりも高い屈折率のリン化硼素系半導体層から構成することとする。屈折率からみたこの構成は、大きな屈折率の発光層をより小さな屈折率の障壁層で挟持して、発光を発光層に「閉じ込める」とする従来の発光部の構成とは異なるものである(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日、(株)培風館発行初版)、125頁参照)。本発明の構成に依れば、障壁層のキャリア濃度を好適な範囲に収納させて導電性を制御し、発光層への短絡的な素子動作電流の流通を妨げると共に、屈折率の大小関係に依り発光層の発光を平面的に拡張させられる。即ち、発光領域を拡張でき、発光強度の高いLEDを得るに好都合となる。因みに、短波長の発光をもたらすに従来から利用されている窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1-XN:0≦X≦1)をなす窒化ガリウム(GaN)及び窒化インジウム(InN)の屈折率は各々、2.5及び2.9である(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)。
【0014】
また、間接遷移型の半導体の放射再結合の確率は、直接遷移型のそれと比較して桁違いに低い(上記の「半導体デバイス概論」、111〜112頁参照)。従って、屈折率の関係から発光層への発光の「閉じ込め」が不充分であり、縦しんば障壁層のキャリアが励起されたとしても放射される光の強度は極めて微弱となる。即ち、障壁層を間接遷移型のリン化硼素系半導体層から構成すれば、所望する発光層からの発光以外の副次的な発光を抑制でき、単色性に優れる発光をもたらすLEDを構成できる利点が生まれる。例えば、障壁層を構成するに好適となる間接遷移型のリン化硼素系半導体材料として、n形またはp形のリン化硼素(BP)やBAlP混晶、BGaP混晶、BNP混晶或いはBAsP混晶を例示できる。また、BPの混晶比を例えば90%以上とするB0.90In0.10P混晶等を例示できる。一般的な分光エリプソメータを使用して取得したリン化硼素の屈折率(η)及び消衰係数(κ)の波長依存性を図1に例示する。波長450.3nmに於けるリン化硼素層の屈折率(=η)は3.12で、消衰係数(=κ)は2.93×10-3となっている。また、閃亜鉛鉱結晶型のリン化硼素の格子定数は約4.538Åであり(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)、それは立方晶閃亜鉛鉱型の窒化ガリウム(GaN:格子定数≒4.510Å)と略同等である。これより、障壁層を単量体のBP層から構成すれば、格子ミスフィットに因る結晶欠陥の少ない良質のGaN系発光層をもたらすことができる。
【0015】
障壁層は、発光層をなすIII族窒化物半導体よりも禁止帯幅を0.1eV以上、好ましくは0.2eV以上大とするリン化硼素系半導体層から構成するのが望ましい。例えば、室温での禁止帯幅を2.7eVとする窒化ガリウム・インジウム(GaInN)混晶からなる発光層に対し、室温での禁止帯幅を約3.0eVとする第1または第2の伝導形の単量体のリン化硼素層から障壁層を構成する例を挙げられる。この様な禁止帯幅の大きなリン化硼素層からは、発光層からの発光を外部へ透過するに好都合な窓(window)層を兼ねる障壁層を構成できる利点がある。(C2H5)3B/PH3/H2反応系常圧MOCVD法にあって、上記の如くのワイドバンドギャップ性のBP層は、成膜速度及びV/III比率を適宣、選択することにより形成できる。間接遷移型のリン化硼素系半導体の禁止帯幅は例えば、屈折率と消衰係数との積値(=2・η・κ)の波長依存性を利用して求められる(「III−V族半導体混晶」(昭和63年10月25日、(株)コロナ社発行初版第1刷)83〜90頁参照)。
【0016】
本発明に係わるリン化硼素系半導体層は例えば、単結晶からなる基板上に設ける。基板として利用できる単結晶材料として、珪素(シリコン)、リン化ガリウム(GaP)、砒化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)及びサファイア(α−Al2O3単結晶)等の酸化物単結晶を例示できる。基板の表面をなす結晶面の方位は不問であるが、第1の障壁層をなすリン化硼素系半導体層を構成する結晶面の間隔と一致する結晶面が表面に露呈或いは交差している結晶面方位であるのが好ましい。導電性の基板を用いれば、基板の裏面にオーミック性電極を形成でき、簡便にLEDを構成できる。本発明の第1の実施形態として、表面を{111}結晶面とするp形の{111}−珪素単結晶を基板として、その表面に、屈折率を3.1とするp形リン化硼素からなる第1の障壁層、屈折率を2.6とする直接遷移型のGaInNからなる発光層、及び屈折率を3.1とするn形リン化硼素からなる第2の障壁層を順次積層させ、これらの各層からpn接合型DH構造の発光部を構成する例を挙げられる。
【0017】
また、本発明の第2の実施形態の一例として、p形珪素単結晶基板上に、珪素をドーピングし、電気的補償効果に依りキャリア濃度を上記の好適な範囲に調整したp形リン化硼素層からなる第1の障壁層と、n形GaXIn1-XN発光層と、ベリリウム(Be)をドーピングしてキャリア濃度を好適な範囲に収納されたn形リン化硼素層からなる第2の障壁層とを順次積層させて、それらの層より発光部を構成する例を挙げられる。
【0018】
また、本発明の第3の実施形態の一例として、n形の導電性珪素単結晶基板上に、亜鉛をドーピングし、電気的補償効果に依りキャリア濃度を上記の好適な範囲に調整したn形リン化硼素層からなる第1の障壁層と、n形GaXIn1-XN発光層と、錫(Sn)をドーピングしてキャリア濃度を好適な範囲に収納されたp形リン化硼素層からなる第2の障壁層とを順次積層させて、それらの層より発光部を構成し、基板裏面と第2の障壁層上とにオーミック(Ohmic)電極を配置してLEDを構成する例を挙げられる。
【0019】
【作用】
第1の伝導形とは反対の第2の伝導形の不純物を添加して、キャリア濃度を適度に調整した第1の伝導形のリン化硼素系間接遷移型半導体層からなる第1の障壁層、或いは第2の伝導形とは反対の第1の伝導形の不純物を添加して、キャリア濃度を適度に調整した第2の伝導形のリン化硼素系間接遷移型半導体層からなる第2の障壁層は、素子動作電流を等方的に流通させ、素子動作電流の給電点の直下に在る発光層へ短絡的な流通を抑制する作用を有する。また、発光層以外からの副次的な発光を抑制する作用を有する。
【0020】
【実施例】
(第1実施例)
本第1実施例では、pn接合型DH構造の発光部を具備する、図2に示した断面構造を有するLED1Aを作製する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
【0021】
LED1Aを構成するにあたり、基板101には、硼素(B)ドープでp形の{111}結晶面を有する珪素(Si)単結晶を使用した。基板101の表面上には、(C2H5)3B/PH3/H2反応系常圧(略大気圧)MOCVD法により、450℃で、硼素とリンとを含む緩衝層102を成長させた。緩衝層102の層厚は約20nmとした。
【0022】
緩衝層102上には、上記のMOCVD手段に依り、1000℃で珪素(Si)ドープのp形リン化硼素(BP)層を第1の伝導形(本第1実施例では、p形)の第1の障壁層103として積層させた。珪素の原料には、ジシラン(Si2H6)−水素混合ガスを使用した。両性不純物である珪素は、1000℃の温度に於いては未だドナー不純物として作用するため、第2の伝導形(本第1実施例では、n形)を与える不純物として第1の障壁層103にドーピングした。珪素の添加量は、1000℃で成長させたアンドープのp形リン化硼素層のキャリア濃度(主に正孔濃度)が約8×1018cm-3であることに鑑み、約5×1018cm-3のキャリア濃度(主に電子濃度)を与える様に調整した。従って、第1の障壁層103の実効的なキャリア濃度は、約3×1018cm-3となった。第1の障壁層103の層厚は、波長を約440nmとする青色光に対して約40%の反射率を与える約320nmとした。第1の障壁層103をなすp形リン化硼素層の屈折率は、波長440nmに於いて約3.14であった。また、屈折率と消衰係数の波長分布から求めた室温での禁止帯幅は約3.1eVとなった。
【0023】
第1の伝導形の第1の障壁層103上には、ウルツ鉱結晶型の窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1-XN:0≦X≦1)からなるn形発光層104を積層した。発光層104は、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)/トリメチルインジウム((CH3)3In)/アンモニア(NH3)/水素(H2)反応系常圧MOCVD法により、基板101の温度を800℃として成膜した。発光層104をなすGaXIn1-XNのインジウム(In)組成(=1−X)は、下地の第1の障壁層103の表面に交差するリン化硼素(BP)の{111}結晶面の間隔(≒3.20Å)に、a軸の格子定数が一致するようにするために、0.10(=10%)に設定した。発光層104をなすGaXIn1-XNの屈折率は約2.8であり、また禁止帯幅は約2.8eVであった。n形発光層104の層厚は約45nmとした。また、一般的な2次イオン質量分析法(SIMS)に依る元素分析から、発光層104の内部には、第1の障壁層103側から拡散して来たリン(P)の存在が認められた。リン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層とIII族窒化物半導体層からなる発光層と中間に、障壁層から発光層へ拡散するリン或いは硼素を捕獲するための中間層を特には配置していないことに因ると思量された。
【0024】
発光層104上には、引き続き975℃で上記のMOCVD手段に依り、亜鉛(Zn)ドープのn形リン化硼素(BP)層を第2の伝導形(本第1実施例では、n形)の第2の障壁層105として積層させた。亜鉛の添加原料には、ジメチル亜鉛((CH3)2Zn)−水素混合ガスを使用した。亜鉛の添加量は、975℃で成長させたアンドープのn形リン化硼素層のキャリア濃度(主に電子濃度)が約6×1018cm-3であることに鑑み、約1×1018cm-3のキャリア濃度(主に正孔濃度)を与える様に調整した。従って、第2の障壁層105の実効的なキャリア濃度は、約5×1018cm-3となった。第2の障壁層105の層厚は、第1の障壁層103の層厚と同等の約320nmとした。第2の障壁層105をなすn形リン化硼素層の屈折率は、波長440nmに於いて約3.13であった。また、屈折率と消衰係数の波長分布から求めた室温での禁止帯は約3.0eVとなった。
【0025】
次に、n形の第2の障壁層105の表面の中央部に、同層105に接触する側を金・ゲルマニウム(Au・Ge)合金膜とした、Au・Ge/ニッケル(Ni)/Auの3層重層構造からなる表面電極106を設けた。結線用の台座(pad)電極を兼ねる表面電極106は、直径を約120μmとする円形の電極とした。また、p形Si単結晶基板101の裏面の略全面には、裏面電極107としてアルミニウム(Al)からなるオーミック電極を配置した。Al蒸着膜の膜厚は約2μmとした。これより、n形発光層104をp形及びn形の第1及び第2の障壁層103、105で挟持したpn接合型DH構造の発光部を備えたLED1Aを構成した。
【0026】
表面電極106と裏面電極107との間に順方向に20ミリアンペア(mA)の動作電流を通流したところ、LED1Aから波長を約440nmとする青紫帯光が発せられた。第1及び第2の障壁層の何れをも、放射再結合確率の低い間接遷移型のリン化硼素層から構成したため、上記の主たる発光以外の副次的な発光は認められず、単色性に優れる発光となった。本第1実施例では、障壁層、特に、発光を外部へ取り出す方向に配置した第2の障壁層を発光層よりも禁止帯幅及び屈折率共に大きなリン化硼素を用いて構成したため、近視野発光像から、発光領域は表面電極106の射影領域を除いた発光層104の略全面に亘っているのが確認された。また、発光領域の拡張が達成された上に、第2の障壁層105のウィンドウ(window)効果に依り、一般的な積分球を利用して測定されるチップ(chip)状態での輝度は9ミリカンデラ(mcd)となり、高発光強度のLED1Aが提供されることとなった。また、順方向電圧(但し、順方向電流=20mA)は約3.6Vであり、逆方向電圧(但し、逆方向電流=10μA)は5V以上となった。順方向電圧は、本発明に係わる不純物を添加しない、アンドープのBP層を障壁層とするLEDに比較して、約0.5V程度の増加となった。
【0027】
(第2実施例)
本第2実施例では、上記の第1実施例とは伝導形を反対とする第1の障壁層及び第2の障壁層を用いてpn接合型DH構造のLEDを構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
【0028】
本第2実施例に係るLEDの構成層の断面構造は、伝導形は異なるが図2に示したものと同じである。
【0029】
本第2実施例に係るLEDを構成するにあたり、基板には、リン(P)をドープしたn形で{111}面を有する珪素単結晶を使用した。基板の表面上には、(C2H5)3B/PH3/H2反応系常圧(略大気圧)MOCVD法により、400℃で、硼素とリンとを含む緩衝層を成長させた。緩衝層の層厚は約12nmとした。
【0030】
緩衝層上には、上記のMOCVD手段に依り、975℃で亜鉛(Zn)ドープのn形リン化硼素(BP)層を第1の伝導形(本第2実施例では、n形)の第1の障壁層として積層させた。亜鉛の添加原料には、ジメチル亜鉛((CH3)2Zn)−H2混合ガスを使用した。亜鉛の添加量は、975℃で成長させたアンドープのn形リン化硼素層のキャリア濃度(主に電子濃度)が約6×1018cm-3であることに鑑み、約1×1018cm-3のキャリア濃度(主に正孔濃度)を与える様に調整した。従って、第1の障壁層の実効的なキャリア濃度は、約5×1018cm-3となった。第1の障壁層の層厚は、波長を約440nmとする青色光に対して約40%の反射率を与える約320nmとした。第1の障壁層をなすn形リン化硼素層の屈折率は、波長440nmに於いて約3.14であった。また、屈折率と消衰係数の波長分布から求めた室温での禁止帯は約3.1eVとなった。
【0031】
第1の伝導形の第1の障壁層上には、上記の第1実施例に記載の手段により、第1実施例と同一のGa0.90In0.10Nからなるn形発光層を積層した。
【0032】
発光層の成長を(CH3)3Ga及び(CH3)3InのMOCVD成長炉への供給を停止することをもって終了させた後、直ちに、それらのガリウム原料及びインジウム原料に替えて、(C2H5)3BとPH3の流通を開始した。その流通の開始と同時に珪素単結晶基板の温度を800℃から毎分約90℃の速度で1000℃に昇温した。これより、基板の温度を昇温しつつ、錫(Sn)をドーピングした第2の伝導形(本第2実施例では、p形)の第2の障壁層を形成した。錫の添加原料には、テトラメチル錫((CH3)4Sn)を使用した。錫の添加量は、1000℃で成長させたアンドープのp形リン化硼素層のキャリア濃度(主に正孔濃度)が約1×1019cm-3であることに鑑み、約6×1018cm-3のキャリア濃度(主に電子濃度)を与える様に調整した。従って、第2の障壁層の実効的なキャリア濃度は、約4×1018cm-3となった。第2の障壁層の層厚は、第1の障壁層の層厚と同等の約320nmとした。第2の障壁層をなすp形リン化硼素層の屈折率は、波長440nmに於いて約3.13であった。また、屈折率と消衰係数の波長分布から求めた室温での禁止帯は約3.0eVとなった。
【0033】
p形の第2の障壁層の表面の中央部には、同層に接触する側を金・亜鉛(Au・Zn)合金膜とした、Au・Zn/Ni/Auの3層重層構造からなる表面電極を設けた。結線用の台座電極を兼ねる表面電極は、直径を約150μmとする円形の電極とした。また、n形Si単結晶基板の裏面の略全面には、裏面電極としてAlからなるオーミック電極を配置した。Al蒸着膜の膜厚は約2μmとした。これより、n形発光層をn形及びp形の第1及び第2の障壁層で挟持したpn接合型DH構造の発光部を備えたLEDを構成した。
【0034】
表面電極と裏面電極との間に順方向に20mAの動作電流を通流したところ、LEDから波長を約440nmとする青紫帯光が発せられた。第1及び第2の障壁層の双方を間接遷移型のリン化硼素層から構成したため、上記の主たる発光以外に副次的な発光は観測されなかった。本第2実施例では、800℃から約850℃に昇温される過程に於いて、約45nmのリン化硼素層が成長された。このBP薄膜層により、昇温時におけるGa0.90In0.10N発光層からのインジウム(In)の蒸発が抑制され、予定の発光波長を得るに効果が奏された。また、本第2実施例では、第1実施例と同じく、発光を外部へ取り出す方向に配置した第2の障壁層を発光層よりも屈折率の大きなリン化硼素を用いて構成したため、近視野発光像から、発光領域は表面電極の射影領域を除いた、発光層の略全面に亘っているのが確認された。また、発光領域の拡張が達成されているに加え、発光を外部へ取り出す方向に配置した第2の障壁層を発光層よりも禁止帯幅の大きなリン化硼素を用いて構成して、発光を効率的に透過する様にしたため、一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での輝度は9mcdとなり、高発光強度のLEDが提供されることとなった。また、順方向電圧(但し、順方向電流=20mA)は約3.5Vであり、逆方向電圧(但し、逆方向電流=10μA)は5V以上となった。順方向電圧は本発明に係わる不純物を添加しない、アンドープのBP層を障壁層とするLEDに比較して約0.5V程度の増加となった。
【0035】
【発明の効果】
結晶基板の表面上に、硼素とリンとを構成元素として含む第1の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層と、第1または第2の伝導形のIII族窒化物半導体層からなる発光層と、第2の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第2の障壁層とから構成されるpn接合型のDH構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードに於いて、本発明に依れば、第1の障壁層を、上記の発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第2の伝導形をもたらす不純物を添加した第1の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成し、また、第2の障壁層を、上記の発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第1の伝導形をもたらす不純物を添加した第2の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成することとしたので、障壁層からの副次的な発光を回避でき、素子動作電流の発光部への短絡的な流通を抑制して、素子動作電流を発光層に平面的に拡散させられると共に、屈折率の差異に依り発光を平面的に広範囲に亘り放射できることに依る、発光の単色性に優れる高発光強度のリン化硼素系半導体発光ダイオードをもたらすに効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】リン化硼素層の屈折率および消衰係数の波長依存性を示す図である。
【図2】 本発明の第1実施例および第2実施例に係るLEDの断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
1A LED
101 結晶基板
102 緩衝層
103 第1の障壁層
104 発光層
105 第2の障壁層
106 表面電極
107 裏面電極
Claims (10)
- 結晶基板の表面上に、第1の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層と、第1または第2の伝導形のIII族窒化物半導体層からなる発光層と、第2の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第2の障壁層とが順次積層されて構成されたpn接合型の二重異種(ダブルヘテロ)構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードに於いて、第1の障壁層が、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第2の伝導形をもたらす不純物を添加した第1の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成され、第2の障壁層が、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有し、且つ第1の伝導形をもたらす不純物を添加した第2の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成され、第1の障壁層および第2の障壁層のキャリア濃度が、5×10 17 cm -3 〜5×10 18 cm -3 の範囲であることを特徴とするリン化硼素系半導体発光ダイオード。
- 第1の伝導形がp形で第2の伝導形がn形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすn形不純物を元素周期律表のII族、IV族またはVI族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすp形不純物をII族またはIV族元素とすることを特徴とする請求項1に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
- 第1の伝導形がn形で第2の伝導形がp形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすp形不純物を元素周期律表のII族またはIV族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすn形不純物をII族、IV族またはVI族元素とすることを特徴とする請求項1に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
- n形不純物が、珪素(Si)、錫(Sn)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)およびマグネシウム(Mg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項2または3に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
- p形不純物が、炭素(C)、珪素(Si)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)および水銀(Hg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項2または3に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオード。
- 有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法により、結晶基板の表面上に、第1の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第1の障壁層と、第1または第2の伝導形のIII族窒化物半導体層からなる発光層と、第2の伝導形のリン化硼素系半導体層からなる第2の障壁層とを順次積層する、pn接合型の二重異種(ダブルヘテロ)構造の発光部を備えたリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法に於いて、第1の障壁層を、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有する第1の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成し、且つ該第1の障壁層に第2の伝導形をもたらす不純物を添加する工程と、第2の障壁層を、発光層を構成するIII族窒化物半導体以上の屈折率を有する第2の伝導形の間接遷移型のリン化硼素系半導体から構成し、且つ該第2の障壁層に第1の伝導形をもたらす不純物を添加する工程とを具備し、第1の障壁層および第2の障壁層のキャリア濃度を、5×10 17 cm -3 〜5×10 18 cm -3 の範囲とすることを特徴とするリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
- 第1の伝導形がp形で第2の伝導形がn形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすn形不純物を元素周期律表のII族、IV族またはVI族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすp形不純物をII族またはIV族元素とすることを特徴とする請求項6に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
- 第1の伝導形がn形で第2の伝導形がp形であり、第1の障壁層に添加する第2の伝導形をもたらすp形不純物を元素周期律表のII族またはIV族元素とし、且つ、第2の障壁層に添加する第1の伝導形をもたらすn形不純物をII族、IV族またはVI族元素とすることを特徴とする請求項6に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
- n形不純物が、珪素(Si)、錫(Sn)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)およびマグネシウム(Mg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項7または8に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
- p形不純物が、炭素(C)、珪素(Si)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)および水銀(Hg)から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項7または8に記載のリン化硼素系半導体発光ダイオードの製造方法。
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