JP3761589B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の成膜中における拡散防止構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、短波長発光素子であるサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０は、図２の模式図に示したような積層された結晶成長膜構造である。
サファイア基板１上には、ＡｌＮ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層（ｎ層）４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ層）６及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）７が順次積層され形成されている。
この積層された結晶成長膜では、活性層であるＳｉドープｎ型ＧａＮ層５とＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ層）６とが隣合って形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の結晶成長膜中において、ＭｇドープＡｌＧａＮ層から活性層であるＳｉドープＧａＮ層中にＭｇが拡散するという現象がある。
このＭｇは、活性層内ではアクセプタ（半導体の電子受容体）として働くため、電流注入を行った場合の発光は、主として、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）間のペア発光が支配的となる。すると、バンド間遷移の発光は僅かとなるため、閾値電流がかなり高くなってしまうという問題があった。
【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、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における閾値電流を下げることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための発明の構成は、ｎ型導電性を示すＳｉドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ層から成る活性層と、アクセプタ不純物が添加されてｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌYＧａ1-YＮ：０＜Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層から成る活性層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ：０＜Ｘ≦Ｙ≦１）から成り、前記ｐ層から前記ｎ層から成る活性層へのアクセプタ不純物の拡散を防止する厚さ200nm未満の拡散防止層とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】
上記の手段によれば、ｐ層にドープされたアクセプタ不純物はｎ層から成る活性層の方向に拡散しようとするが、そのｐ層に隣接したアンドープ（不純物のドーピングなし）の窒化ガリウム系化合物半導体から成る厚さ200nm未満の拡散防止層に吸収されることとなる。
このため、ｐ層とｎ層から成る活性層とは完全に分離され、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）ペアの発光確率を少なくすることが可能となる。
これにより、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、不安定な高エネルギー状態が作り易くなりその閾値電流を下げることができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係るサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の構造を示した模式図である。
サファイア基板１１上には、ＡｌＮ層１２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３、Ｓｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）１４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１５、アンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。
尚、上記Ｘ，Ｙの化学量論は、０＜Ｘ≦Ｙ≦１である。又、１３ａ，１８ａはＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８とにそれぞれ形成された金属電極である。
【０００８】
次に、その製造方法について説明する。尚、本実施例の半導体レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。
（０００１）面を結晶成長面とするサファイア基板１１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。
成長炉を真空排気の後、水素（Ｈ2)を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】
次に、サファイア基板１１の温度を600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム〔Ａｌ(ＣＨ3)3〕（以下、ＴＭＡという）及びアンモニア（ＮＨ3)を供給して、サファイア基板１１上に50nm程度の膜厚を持つＡｌＮ層１２を形成する。
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃まで上げ、トリメチルガリウム〔Ｇａ(ＣＨ3)3〕（以下、ＴＭＧという）及びシラン（ＳｉＨ4）及びＮＨ3を供給し、厚さ2000nmのＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持して、ＴＭＧ及びＳｉＨ4及びＮＨ3の供給にＴＭＡを加え、厚さ400nmのＳｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）１４を成長する。
【００１０】
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＳｉＨ4及びＮＨ3を供給し、厚さ400nmのＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１５を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＳｉＨ4の供給を止め、ＴＭＧ及びＮＨ3の供給にＴＭＡを加え、厚さ200nm未満のアンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3の供給にビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ)を加え、厚さ400nmのＭｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７を成長する。
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、Ｃｐ2Ｍｇ、ＴＭＧ及びＮＨ3を供給し、厚さ200nmのＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８を成長する。
【００１１】
次に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８上にＥＢ(Electron Beam)蒸着により厚さ500nmのＳｉＯ2絶縁膜１９を形成した後、バッファードフッ酸を用いて部分的にＳｉＯ2絶縁膜１９を除去し幅10μmのストライプ部分を形成する。
このストライプ部分のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８と上記Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３とにそれぞれ金属電極１８ａ，１３ａを形成する。
【００１２】
最後に、真空チャンバに移して、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７に電子線照射処理を行う。
典型的な電子線照射処理条件は、電子線加速電圧：15ｋＶ，エミッション電流：120μＡ以上，電子線スポット径：φ60μm，試料温度：297Ｋである。
【００１３】
上述したように構成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００は、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７からの不純物Ｍｇの拡散をアンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６にて吸収して防止できる。このため、活性層であるＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１５とクラッド層であるＭｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７とが分離できる。
従って、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、不安定な高エネルギー状態が作り易くなりその閾値電流を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な一実施例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【図２】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＡｌＮ層
１３…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）
１４…Ｓｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）
１５…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）
１６…アンドープＡｌxＧａ1-xＮ層（拡散防止層）
１７…Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）
１８…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）
１９…ＳｉＯ2絶縁膜
１３ａ，１８ａ…電極
１００…窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の成膜中における拡散防止構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、短波長発光素子であるサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０は、図２の模式図に示したような積層された結晶成長膜構造である。
サファイア基板１上には、ＡｌＮ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層（ｎ層）４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ層）６及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）７が順次積層され形成されている。
この積層された結晶成長膜では、活性層であるＳｉドープｎ型ＧａＮ層５とＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ層）６とが隣合って形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の結晶成長膜中において、ＭｇドープＡｌＧａＮ層から活性層であるＳｉドープＧａＮ層中にＭｇが拡散するという現象がある。
このＭｇは、活性層内ではアクセプタ（半導体の電子受容体）として働くため、電流注入を行った場合の発光は、主として、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）間のペア発光が支配的となる。すると、バンド間遷移の発光は僅かとなるため、閾値電流がかなり高くなってしまうという問題があった。
【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、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における閾値電流を下げることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための発明の構成は、ｎ型導電性を示すＳｉドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ層から成る活性層と、アクセプタ不純物が添加されてｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌYＧａ1-YＮ：０＜Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層から成る活性層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ：０＜Ｘ≦Ｙ≦１）から成り、前記ｐ層から前記ｎ層から成る活性層へのアクセプタ不純物の拡散を防止する厚さ200nm未満の拡散防止層とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】
上記の手段によれば、ｐ層にドープされたアクセプタ不純物はｎ層から成る活性層の方向に拡散しようとするが、そのｐ層に隣接したアンドープ（不純物のドーピングなし）の窒化ガリウム系化合物半導体から成る厚さ200nm未満の拡散防止層に吸収されることとなる。
このため、ｐ層とｎ層から成る活性層とは完全に分離され、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）ペアの発光確率を少なくすることが可能となる。
これにより、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、不安定な高エネルギー状態が作り易くなりその閾値電流を下げることができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係るサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の構造を示した模式図である。
サファイア基板１１上には、ＡｌＮ層１２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３、Ｓｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）１４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１５、アンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。
尚、上記Ｘ，Ｙの化学量論は、０＜Ｘ≦Ｙ≦１である。又、１３ａ，１８ａはＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３及びＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８とにそれぞれ形成された金属電極である。
【０００８】
次に、その製造方法について説明する。尚、本実施例の半導体レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。
（０００１）面を結晶成長面とするサファイア基板１１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。
成長炉を真空排気の後、水素（Ｈ2)を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】
次に、サファイア基板１１の温度を600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム〔Ａｌ(ＣＨ3)3〕（以下、ＴＭＡという）及びアンモニア（ＮＨ3)を供給して、サファイア基板１１上に50nm程度の膜厚を持つＡｌＮ層１２を形成する。
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃まで上げ、トリメチルガリウム〔Ｇａ(ＣＨ3)3〕（以下、ＴＭＧという）及びシラン（ＳｉＨ4）及びＮＨ3を供給し、厚さ2000nmのＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持して、ＴＭＧ及びＳｉＨ4及びＮＨ3の供給にＴＭＡを加え、厚さ400nmのＳｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）１４を成長する。
【００１０】
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＳｉＨ4及びＮＨ3を供給し、厚さ400nmのＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１５を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＳｉＨ4の供給を止め、ＴＭＧ及びＮＨ3の供給にＴＭＡを加え、厚さ200nm未満のアンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６を成長する。
次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3の供給にビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ)を加え、厚さ400nmのＭｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７を成長する。
次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、Ｃｐ2Ｍｇ、ＴＭＧ及びＮＨ3を供給し、厚さ200nmのＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８を成長する。
【００１１】
次に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８上にＥＢ(Electron Beam)蒸着により厚さ500nmのＳｉＯ2絶縁膜１９を形成した後、バッファードフッ酸を用いて部分的にＳｉＯ2絶縁膜１９を除去し幅10μmのストライプ部分を形成する。
このストライプ部分のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）１８と上記Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１３とにそれぞれ金属電極１８ａ，１３ａを形成する。
【００１２】
最後に、真空チャンバに移して、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７に電子線照射処理を行う。
典型的な電子線照射処理条件は、電子線加速電圧：15ｋＶ，エミッション電流：120μＡ以上，電子線スポット径：φ60μm，試料温度：297Ｋである。
【００１３】
上述したように構成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００は、Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７からの不純物Ｍｇの拡散をアンドープＡｌxＧａ1-xＮ層１６にて吸収して防止できる。このため、活性層であるＳｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）１５とクラッド層であるＭｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）１７とが分離できる。
従って、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、不安定な高エネルギー状態が作り易くなりその閾値電流を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な一実施例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【図２】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＡｌＮ層
１３…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）
１４…Ｓｉドープｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｎ層）
１５…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ層）
１６…アンドープＡｌxＧａ1-xＮ層（拡散防止層）
１７…Ｍｇドープｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ層（ｐ層）
１８…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（ｐ層）
１９…ＳｉＯ2絶縁膜
１３ａ，１８ａ…電極
１００…窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
Claims (2)
- ｎ型導電性を示すＳｉドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ層から成る活性層と、
アクセプタ不純物が添加されてｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌYＧａ1-YＮ：０＜Ｙ≦１）から成るｐ層と、
前記ｎ層から成る活性層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ：０＜Ｘ≦Ｙ≦１）から成り、前記ｐ層から前記ｎ層から成る活性層へのアクセプタ不純物の拡散を防止する厚さ200nm未満の拡散防止層と
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 前記アクセプタ不純物は、Ｍｇであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9201793A JP3761589B2 (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9201793A JP3761589B2 (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06283825A JPH06283825A (ja) | 1994-10-07 |
| JP3761589B2 true JP3761589B2 (ja) | 2006-03-29 |
Family
ID=14042770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9201793A Expired - Fee Related JP3761589B2 (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3761589B2 (ja) |
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| US6900465B2 (en) | 1994-12-02 | 2005-05-31 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor light-emitting device |
| EP0762516B1 (en) * | 1995-08-28 | 1999-04-21 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | Group-III nitride based light emitter |
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| US6831293B2 (en) | 2002-03-19 | 2004-12-14 | Showa Denko Kabushiki Kaisha | P-n junction-type compound semiconductor light-emitting device, production method thereof, lamp and light source |
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1993
- 1993-03-26 JP JP9201793A patent/JP3761589B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH06283825A (ja) | 1994-10-07 |
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