JPH0152910B2 - - Google Patents
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- JPH0152910B2 JPH0152910B2 JP8398480A JP8398480A JPH0152910B2 JP H0152910 B2 JPH0152910 B2 JP H0152910B2 JP 8398480 A JP8398480 A JP 8398480A JP 8398480 A JP8398480 A JP 8398480A JP H0152910 B2 JPH0152910 B2 JP H0152910B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、発光層としてGaNを用いたGaN発
光素子の製造方法に関するものである。
光素子の製造方法に関するものである。
可視領域に発光波長を有する発光ダイオードと
しては、現在までのところGaAsPやGaPにより
赤色乃至黄色発光のダイオード、あるいはGaPに
よる緑色発光のダイオード等が知られている。
しては、現在までのところGaAsPやGaPにより
赤色乃至黄色発光のダイオード、あるいはGaPに
よる緑色発光のダイオード等が知られている。
また、青色に発光する発光ダイオードとして、
GaNを用いた発光素子の研究が一部で行われて
いる。
GaNを用いた発光素子の研究が一部で行われて
いる。
このGaN発光素子は、従来単結晶サフアイア
基板の（0001）面上に、気相成長法によりGaN
層を被着させることにより、得ているものである
が、この気相成長法で得られるGaN層は、一般
にｎ形となるために、このGaN層に対してアク
セプタとなるZnを添加して半絶縁層とし、金属
−絶縁層−半導体層（Metal−Insulator−
Semiconductor、以下MIS形という）構造により
発光素子を形成しているものである。
基板の（0001）面上に、気相成長法によりGaN
層を被着させることにより、得ているものである
が、この気相成長法で得られるGaN層は、一般
にｎ形となるために、このGaN層に対してアク
セプタとなるZnを添加して半絶縁層とし、金属
−絶縁層−半導体層（Metal−Insulator−
Semiconductor、以下MIS形という）構造により
発光素子を形成しているものである。
しかしながら、このサフアイアを基板とする
GaN発光素子は、基板となるサフアイアと、そ
の上に成長させるGaNの格子定数の不整、いわ
ゆるミスフイツトが16.4％もあり、また、気相成
長時に基板を1000℃〜1200℃程度に加熱する必要
があることから、得られるGaN層に不整合欠陥
や結晶歪が発生することがまぬがれ得ず、十分な
発光強度が得られていなかつた。
GaN発光素子は、基板となるサフアイアと、そ
の上に成長させるGaNの格子定数の不整、いわ
ゆるミスフイツトが16.4％もあり、また、気相成
長時に基板を1000℃〜1200℃程度に加熱する必要
があることから、得られるGaN層に不整合欠陥
や結晶歪が発生することがまぬがれ得ず、十分な
発光強度が得られていなかつた。
さらに、基板として単結晶性のサフアイアを必
要とすることから、価格的にも高価であり、未だ
実用化段階までには至つていない。
要とすることから、価格的にも高価であり、未だ
実用化段階までには至つていない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもの
であり、ZnOがGaNと同様に六方晶系の結晶構
造をとり、しかも両者のミスフイツトが（002）
面で僅かに0.46％、その他の面でも0.5℃程度で
ある点に着目し、さらに、このZnOは、イオンビ
ーム蒸着法により皮膜形成を行うと、Ｃ軸優先配
向し、例えばガラスなどの非晶質基板上に容易に
成長できること、ZnOの禁制帯幅が室温で3.2eV
と大きく、したがつて青色発光に対しても吸収損
失が少ない、などの本発明者の得た知見をもと
に、ガラス等の基板上にまずイオンビーム蒸着法
又はクラスタイオンビーム蒸着法によりＣ軸優先
配向性をもたせたZnOの皮膜を被着し、このZnO
のＣ軸優先配向軸に規制されて、その上にGaN
皮膜を成長させることにより、不整合欠陥や結晶
歪が少なく、したがつて発光強度の改善された、
また安価に製造できるGaN発光素子の製造方法
を提供することを目的とするものである。
であり、ZnOがGaNと同様に六方晶系の結晶構
造をとり、しかも両者のミスフイツトが（002）
面で僅かに0.46％、その他の面でも0.5℃程度で
ある点に着目し、さらに、このZnOは、イオンビ
ーム蒸着法により皮膜形成を行うと、Ｃ軸優先配
向し、例えばガラスなどの非晶質基板上に容易に
成長できること、ZnOの禁制帯幅が室温で3.2eV
と大きく、したがつて青色発光に対しても吸収損
失が少ない、などの本発明者の得た知見をもと
に、ガラス等の基板上にまずイオンビーム蒸着法
又はクラスタイオンビーム蒸着法によりＣ軸優先
配向性をもたせたZnOの皮膜を被着し、このZnO
のＣ軸優先配向軸に規制されて、その上にGaN
皮膜を成長させることにより、不整合欠陥や結晶
歪が少なく、したがつて発光強度の改善された、
また安価に製造できるGaN発光素子の製造方法
を提供することを目的とするものである。
以下、図面を参照して、本発明によるGaN発
光素子の一実施例を説明する。
光素子の一実施例を説明する。
第１図は、本発明の製造方法により得たGaN
発光素子の一実施例を示す断面構造図である。
発光素子の一実施例を示す断面構造図である。
ここで１は基板であり、この基板１としては、
後述するGaN皮膜の成長時の加熱温度に耐える
材料であれば、非晶質材料、結晶質材料等、任意
の材料を選定できるものであるが、ここでは、こ
の基板１側から発光を取出すものとして、ガラス
を基板１として用いている。
後述するGaN皮膜の成長時の加熱温度に耐える
材料であれば、非晶質材料、結晶質材料等、任意
の材料を選定できるものであるが、ここでは、こ
の基板１側から発光を取出すものとして、ガラス
を基板１として用いている。
また２は、前記基板１上に被着されて、発光素
子の一方の電極となる透明導電膜であり、例え
ば、In2O3やSnO2などを蒸着法やスプレー法、
CVP法などにより被着して形成する。
子の一方の電極となる透明導電膜であり、例え
ば、In2O3やSnO2などを蒸着法やスプレー法、
CVP法などにより被着して形成する。
３は、前記透明導電膜２上に被着されたZnO皮
膜である。
膜である。
この場合、前記ZnO皮膜３は、透明導電膜２上
にＣ軸優先配向性をもたせて被着させることが必
要となるが、一般にZnOはＣ軸優先配向しやす
い。しかしながら、このZnOのもつ性質をさらに
助長させるには、蒸着時イオンを混在させること
が重要となる。したがつて、本発明では、その被
着方法として、イオンビーム蒸着法、クラスタイ
オンビーム蒸着法など任意のイオン工学的膜形成
手段が採用できるが、ここでは、本発明者らによ
つて開発された反応性クラスタイオンビーム法
（Reactive−Ionized−Cluster Beam technique、
以下Ｒ−ICB法という）を用いて、前記ZnO皮膜
３の形成を行つた。
にＣ軸優先配向性をもたせて被着させることが必
要となるが、一般にZnOはＣ軸優先配向しやす
い。しかしながら、このZnOのもつ性質をさらに
助長させるには、蒸着時イオンを混在させること
が重要となる。したがつて、本発明では、その被
着方法として、イオンビーム蒸着法、クラスタイ
オンビーム蒸着法など任意のイオン工学的膜形成
手段が採用できるが、ここでは、本発明者らによ
つて開発された反応性クラスタイオンビーム法
（Reactive−Ionized−Cluster Beam technique、
以下Ｒ−ICB法という）を用いて、前記ZnO皮膜
３の形成を行つた。
第２図は、本発明者が用いたＲ−ICB蒸着装置
を示す概略図である。ここで１１は、１個ないし
複数個のノズル１１ａを有する密閉形のるつぼで
あり、このるつぼ１１内に蒸着すべき材料１２、
本実施例ではZnが収納されている。
を示す概略図である。ここで１１は、１個ないし
複数個のノズル１１ａを有する密閉形のるつぼで
あり、このるつぼ１１内に蒸着すべき材料１２、
本実施例ではZnが収納されている。
１３は、前記るつぼ１１のノズル１１ａと対向
して配設され、透明導電膜２が被着された基板１
を保持する基板ホルダであり、１５は、前記ノズ
ル１１ａから噴出する蒸気の通路に設けられ、加
熱されて電子を放出する陰極、１６は、前記陰極
１５に対して正電位が付与されて陰極から放出さ
れた電子を加速して前記蒸気に射突させ、そのイ
オン化を行うイオン化電極である。
して配設され、透明導電膜２が被着された基板１
を保持する基板ホルダであり、１５は、前記ノズ
ル１１ａから噴出する蒸気の通路に設けられ、加
熱されて電子を放出する陰極、１６は、前記陰極
１５に対して正電位が付与されて陰極から放出さ
れた電子を加速して前記蒸気に射突させ、そのイ
オン化を行うイオン化電極である。
また１７は、前記イオン化された粒子を加速す
る加速電極であり、１８は、不要時に前記粒子の
基板１への到達を遮断するシヤツタ、１９は、前
記るつぼ１１の周囲に配設され、このるつぼ１１
を加熱して材料１２の蒸気化を行うためのヒータ
である。
る加速電極であり、１８は、不要時に前記粒子の
基板１への到達を遮断するシヤツタ、１９は、前
記るつぼ１１の周囲に配設され、このるつぼ１１
を加熱して材料１２の蒸気化を行うためのヒータ
である。
２１は、ガス噴出ノズル２１ａが前記ノズル１
１ａの近傍に位置して、ノズル１１ａから噴出す
る蒸気に対して反応するガスを供給する反応性の
ガス導入管であり、２２は、前記基板１を加熱す
るための加熱源である。
１ａの近傍に位置して、ノズル１１ａから噴出す
る蒸気に対して反応するガスを供給する反応性の
ガス導入管であり、２２は、前記基板１を加熱す
るための加熱源である。
さらに図示はしていないが、前記各部はベルジ
ヤ内に収容され高真空雰囲気に保持される構造と
なつている。
ヤ内に収容され高真空雰囲気に保持される構造と
なつている。
しかして、第２図に示す装置を用いて、基板１
上に被着された透明導電膜２上に、ZnO皮膜３を
形成する。
上に被着された透明導電膜２上に、ZnO皮膜３を
形成する。
この場合の蒸着条件は、次のように設定した。
まず、第２図に示す各部が収納されるベルジヤ
内を一旦高真空状態に排気し、しかる後ガス導入
管２１によりO2を導入して、ベルジヤ内の圧力
を５×10-4Torr程度に設定する。
内を一旦高真空状態に排気し、しかる後ガス導入
管２１によりO2を導入して、ベルジヤ内の圧力
を５×10-4Torr程度に設定する。
一方、ヒータ１９に通電してるつぼ１１を加熱
し、材料１２を蒸気化する。この場合、るつぼ１
１内の蒸気の圧力が、その周囲の圧力の少なくと
も102倍以上の圧力を有するように前記ヒータ１
９による加熱温度を設定する。
し、材料１２を蒸気化する。この場合、るつぼ１
１内の蒸気の圧力が、その周囲の圧力の少なくと
も102倍以上の圧力を有するように前記ヒータ１
９による加熱温度を設定する。
また、陰極１５からイオン化電極１６にむけて
放出されるイオン化電子電流を300mA程度に設
定し、基板１は、加熱源２２により200℃程度に
加熱しておく。
放出されるイオン化電子電流を300mA程度に設
定し、基板１は、加熱源２２により200℃程度に
加熱しておく。
上述した状態において、るつぼ１１内で加熱さ
れて蒸気化した材料１２（Zn）は、ノズル１１
ａを介してるつぼ１１外の高真空雰囲気中に噴出
し、この噴出時の断熱膨張に基づく過冷却過程を
経て、500〜2000個の原子が、フアンデルワール
ス力により互いにゆるく結合してZnの原子集団、
いわゆるZn−クラスタが形成される。
れて蒸気化した材料１２（Zn）は、ノズル１１
ａを介してるつぼ１１外の高真空雰囲気中に噴出
し、この噴出時の断熱膨張に基づく過冷却過程を
経て、500〜2000個の原子が、フアンデルワール
ス力により互いにゆるく結合してZnの原子集団、
いわゆるZn−クラスタが形成される。
このZn−クラスタは、ノズル１１ａからの噴
出時に得られた運動エネルギーによつて基板１方
向へ進む。
出時に得られた運動エネルギーによつて基板１方
向へ進む。
また、前記るつぼ１１のノズル１１ａの近傍に
は、ガス導入管２１のガス噴出ノズル２１ａが開
口しており、ここから導入された微量のO2ガス
が、前記ノズル１１ａから噴出した蒸気に加わ
り、基板１方向に進む。
は、ガス導入管２１のガス噴出ノズル２１ａが開
口しており、ここから導入された微量のO2ガス
が、前記ノズル１１ａから噴出した蒸気に加わ
り、基板１方向に進む。
さらに、このZn−クラスタとO2ガスが、イオ
ン化電極１６の設置空間を通過する際に、陰極１
５から放出される電子によりその一部がイオン化
される。
ン化電極１６の設置空間を通過する際に、陰極１
５から放出される電子によりその一部がイオン化
される。
例えば、このイオン化用の電子電流を前述した
ように300mA程度に設定しておくと、約30％程
度のZn−クラスタがイオン化され、また数％程
度のO2ガス及びクラスタを形成しないZn原子が
イオン化されると考えられる。
ように300mA程度に設定しておくと、約30％程
度のZn−クラスタがイオン化され、また数％程
度のO2ガス及びクラスタを形成しないZn原子が
イオン化されると考えられる。
このようにしてイオン化されたZn−クラスタ
及びO2ガスとZn原子が、イオン化されない他の
中性のZn−クラスタ、あるいはO2及びZn原子と
ともに、ノズル１１ａからの噴出時の運動エネル
ギー、あるいは必要に応じて加速電極１７に付与
された加速電圧により加速されて、透明導電膜２
が被着された基板１の面に射突する。
及びO2ガスとZn原子が、イオン化されない他の
中性のZn−クラスタ、あるいはO2及びZn原子と
ともに、ノズル１１ａからの噴出時の運動エネル
ギー、あるいは必要に応じて加速電極１７に付与
された加速電圧により加速されて、透明導電膜２
が被着された基板１の面に射突する。
そしてこの射突時に、Zn−クラスタが個々の
原子に分解してクラスタイオンビーム蒸着法に特
有の表面マイグレーシヨン効果、イオン化の効
果、またO2ガスの化学作用等の助けにより、
ZnO皮膜３が形成される。
原子に分解してクラスタイオンビーム蒸着法に特
有の表面マイグレーシヨン効果、イオン化の効
果、またO2ガスの化学作用等の助けにより、
ZnO皮膜３が形成される。
このようにして得られたZnO皮膜３は、透明で
あり、またＸ線回折とRHEEDパターンの観察に
より、透明導電膜２の面に対して垂直にＣ軸が優
先配向した、優先配向性を有する皮膜であること
が確かめられた。
あり、またＸ線回折とRHEEDパターンの観察に
より、透明導電膜２の面に対して垂直にＣ軸が優
先配向した、優先配向性を有する皮膜であること
が確かめられた。
さらに、得られたZnO皮膜３の膜厚は、0.2μm
〜0.3μm程度で、その個有抵抗は、102〜103Ω・
cmであつた。この固有抵抗は、ZnO皮膜３の蒸着
時に、例えばTeなどのZnO中でドナーとなる不
純物を0.1〜0.5重量％添加することによつて、
10-3Ω・cm程度に小さくすることができる。
〜0.3μm程度で、その個有抵抗は、102〜103Ω・
cmであつた。この固有抵抗は、ZnO皮膜３の蒸着
時に、例えばTeなどのZnO中でドナーとなる不
純物を0.1〜0.5重量％添加することによつて、
10-3Ω・cm程度に小さくすることができる。
さらに、第１図において４は、前記ZnO皮膜３
上に被着したGaN皮膜である。
上に被着したGaN皮膜である。
このGaN皮膜４は、下地のZnO皮膜３の優先
配向したＣ軸に沿つてヘテロエピタキシヤル成長
させて得た皮膜であり、このGaN皮膜４の形成
方法としても種々の方法が採用できるが、本実施
例では、前述したZnO皮膜３の形成手段と同様
に、第２図に示す装置を用いたＲ−ICB法により
行つた。
配向したＣ軸に沿つてヘテロエピタキシヤル成長
させて得た皮膜であり、このGaN皮膜４の形成
方法としても種々の方法が採用できるが、本実施
例では、前述したZnO皮膜３の形成手段と同様
に、第２図に示す装置を用いたＲ−ICB法により
行つた。
すなわち、第２図に示す装置において、るつぼ
１１内に充填する材料１２として、Ga又はGaN
を用いる。本実施例では純度99.99％の粉末状に
GaNを用い、ヒータ１９によりるつぼ１１を900
℃〜1000℃程度に加熱して昇温させてノズル１１
ａから噴出させて、GaNのクラスタや、噴出時
に分解したGaやＮを含むGaNの蒸気流を形成す
る。
１１内に充填する材料１２として、Ga又はGaN
を用いる。本実施例では純度99.99％の粉末状に
GaNを用い、ヒータ１９によりるつぼ１１を900
℃〜1000℃程度に加熱して昇温させてノズル１１
ａから噴出させて、GaNのクラスタや、噴出時
に分解したGaやＮを含むGaNの蒸気流を形成す
る。
また、ガス導入管２１により前記るつぼ１１の
付近からN2ガスを導入し、このN2ガスと前記
GaNの蒸気流を陰極１５及びイオン化電極１６
からなるイオン化室に導入して、その一部をイオ
ン化して、基板１上に被着形成されたZnO皮膜３
上に被着させるものである。
付近からN2ガスを導入し、このN2ガスと前記
GaNの蒸気流を陰極１５及びイオン化電極１６
からなるイオン化室に導入して、その一部をイオ
ン化して、基板１上に被着形成されたZnO皮膜３
上に被着させるものである。
この場合、ガス導入管２１によりN2ガス導入
後のベルジヤ内の圧力は、５×10-4Torr程度に
設定し、また陰極１５から放出されるイオン化用
の電子電流を3300mA、基板１の加熱温度を200
℃〜600℃の範囲内で設定し、さらに加速電極１
７はOVと一定し、るつぼ１１からの噴射エネル
ギーのみにより、GaNのZnO皮膜３に対する被
着を行つた。
後のベルジヤ内の圧力は、５×10-4Torr程度に
設定し、また陰極１５から放出されるイオン化用
の電子電流を3300mA、基板１の加熱温度を200
℃〜600℃の範囲内で設定し、さらに加速電極１
７はOVと一定し、るつぼ１１からの噴射エネル
ギーのみにより、GaNのZnO皮膜３に対する被
着を行つた。
しかして、ZnO皮膜３に射突したGaNのクラ
スタ、Ga、Ｎ等がZnO皮膜３の配向軸に規制さ
れて、結晶性の良いGaN皮膜４が成長する。
スタ、Ga、Ｎ等がZnO皮膜３の配向軸に規制さ
れて、結晶性の良いGaN皮膜４が成長する。
また、このGaN皮膜４の結晶性は、基板１の
加熱温度によつて制御されるものであり、第３図
ａ，ｂに、前記加熱温度がそれぞれ250℃及び450
℃における基板−ZnO皮膜−GaN皮膜の積層構
造も断面を電子顕微鏡で観察した場合の写真を示
す。
加熱温度によつて制御されるものであり、第３図
ａ，ｂに、前記加熱温度がそれぞれ250℃及び450
℃における基板−ZnO皮膜−GaN皮膜の積層構
造も断面を電子顕微鏡で観察した場合の写真を示
す。
すなわち、前記加熱温度が250℃程度では、
ZnO皮膜上に成長するGaN皮膜は、第３図ａに
示すように非晶質的であるが、加熱温度を450℃
程度に上げると、第３図ｂに示すようにZnO皮膜
のＣ軸に規制されてエピタキシヤル成長する
GaN皮膜が得られることが明らかとなる。
ZnO皮膜上に成長するGaN皮膜は、第３図ａに
示すように非晶質的であるが、加熱温度を450℃
程度に上げると、第３図ｂに示すようにZnO皮膜
のＣ軸に規制されてエピタキシヤル成長する
GaN皮膜が得られることが明らかとなる。
このように450℃程度、高々600℃程度の低基板
温度領域でGaN皮膜の結晶成長が可能であるの
は、前述したように、蒸着時にイオンの存在によ
つて蒸着粒子内の活性化反応が促進される効果
と、クラスタのもつ運動エネルギー、つまり昇華
して、るつぼ１１のノズル１１ａから噴出する
GaNのクラスタが、この噴射時に運動エネルギ
ーを得て、この運動エネルギーが皮膜形成時に、
エピタキシヤル成長に対して効果的に作用するも
のと考えられる。
温度領域でGaN皮膜の結晶成長が可能であるの
は、前述したように、蒸着時にイオンの存在によ
つて蒸着粒子内の活性化反応が促進される効果
と、クラスタのもつ運動エネルギー、つまり昇華
して、るつぼ１１のノズル１１ａから噴出する
GaNのクラスタが、この噴射時に運動エネルギ
ーを得て、この運動エネルギーが皮膜形成時に、
エピタキシヤル成長に対して効果的に作用するも
のと考えられる。
また、GaN皮膜４と、その下地となるZnOの
格子定数の違い、いわゆるミスフイツトが0.5％
以下であるために、ZnO皮膜３とGaN皮膜４間
の格子結合エネルギーを低下させていることも重
要である。
格子定数の違い、いわゆるミスフイツトが0.5％
以下であるために、ZnO皮膜３とGaN皮膜４間
の格子結合エネルギーを低下させていることも重
要である。
しかして、このようにGaN皮膜４の成長温度
が低くてよいのは、ヘテロ接合における結晶歪を
減らす上から効果的となるばかりでなく、下地側
から成長皮膜側への不純物の熱拡散を避ける上か
らも有効であつて、例えば、従来のサフアイア基
板上に気相成長法によりGaN皮膜を形成する場
合には、基板温度を900℃〜1200℃程度に加熱す
る必要があることを考えれば、上述した工程によ
り得られるGaN皮膜４における結晶歪や不整合
欠陥の発生を少なくできることが明らかである。
が低くてよいのは、ヘテロ接合における結晶歪を
減らす上から効果的となるばかりでなく、下地側
から成長皮膜側への不純物の熱拡散を避ける上か
らも有効であつて、例えば、従来のサフアイア基
板上に気相成長法によりGaN皮膜を形成する場
合には、基板温度を900℃〜1200℃程度に加熱す
る必要があることを考えれば、上述した工程によ
り得られるGaN皮膜４における結晶歪や不整合
欠陥の発生を少なくできることが明らかである。
次に、上述したところにより得られたGaN皮
膜４上に、第１図に示すようにｉ形（Intrinsic
type）のGaN皮膜５を形成する。
膜４上に、第１図に示すようにｉ形（Intrinsic
type）のGaN皮膜５を形成する。
ここで、一般にGaN発光素子は、MIS構造形
の表示素子とｐ−ｎ接合形の表示素子との二つの
形があるが、第１図に示す実施例では、MIS構造
の表示素子を例にとつて示したものである。
の表示素子とｐ−ｎ接合形の表示素子との二つの
形があるが、第１図に示す実施例では、MIS構造
の表示素子を例にとつて示したものである。
そして、一般に不純物を添加しないGaN皮膜
は、Ｎの空孔子が多くｎ形の半導体となる。した
がつてGaN皮膜４上に絶縁層となるｉ形のGaN
皮膜５を形成するために、GaN皮膜４の成長後
に、例えば第２図に示す装置を用いて、るつぼ１
１とは別のるつぼ、あるいはタングステンヒータ
を用いて微量のZnを蒸発させ、同時にGaN皮膜
の成長を続行させることにより、GaN皮膜中に
入りドナ不純物を補償するZnを、GaN皮膜中に
導入することにより絶縁層となるｉ形GaN皮膜
５が形成される。
は、Ｎの空孔子が多くｎ形の半導体となる。した
がつてGaN皮膜４上に絶縁層となるｉ形のGaN
皮膜５を形成するために、GaN皮膜４の成長後
に、例えば第２図に示す装置を用いて、るつぼ１
１とは別のるつぼ、あるいはタングステンヒータ
を用いて微量のZnを蒸発させ、同時にGaN皮膜
の成長を続行させることにより、GaN皮膜中に
入りドナ不純物を補償するZnを、GaN皮膜中に
導入することにより絶縁層となるｉ形GaN皮膜
５が形成される。
この場合、本実施例では、前記GaN皮膜４は、
その膜厚が0.2μm、固有抵抗が約500Ω・cm、ま
た、ｉ形のGaN皮膜５は、その膜厚が0.5μm〜
2μm、固有抵抗が109〜1012Ω・cmのものを得てい
る。
その膜厚が0.2μm、固有抵抗が約500Ω・cm、ま
た、ｉ形のGaN皮膜５は、その膜厚が0.5μm〜
2μm、固有抵抗が109〜1012Ω・cmのものを得てい
る。
さらに、６は、前記ｉ形のGaN皮膜５の表面
にZn、あるいはAlを蒸着した後、真空中約200℃
で一時間熱処理して得られた金属電極である。
にZn、あるいはAlを蒸着した後、真空中約200℃
で一時間熱処理して得られた金属電極である。
次に、前記透明導電膜２及び金属電極６にそれ
ぞれリード線７及び８を接続し、本発明による
GaN発光素子が得られる。またこの場合、前記
リード線８として例えばタングステン線を選定
し、このタングステン線をｉ形のGaN皮膜５に
点接触させることにより金属電極６を省略するよ
うにしてもよい。
ぞれリード線７及び８を接続し、本発明による
GaN発光素子が得られる。またこの場合、前記
リード線８として例えばタングステン線を選定
し、このタングステン線をｉ形のGaN皮膜５に
点接触させることにより金属電極６を省略するよ
うにしてもよい。
しかして、第１図に示す構造のGaN発光素子
のリード線７，８間にリード線７側を負、リード
線８側を正にして５〜10V程度の直流電圧を印加
することにより、GaN皮膜４とｉ形のGaN皮膜
５間で青乃至青白色系の発光が生じ、この発光が
ZnO皮膜３、透明導電膜２及び基板１を介して観
察される。また、リード線７側を正、リード線８
側を負にして、直流電圧を印加した場合は、ｉ形
のGaN皮膜５と電極６との間で、上述したと同
様の発光が生じ、この発光が観察される。
のリード線７，８間にリード線７側を負、リード
線８側を正にして５〜10V程度の直流電圧を印加
することにより、GaN皮膜４とｉ形のGaN皮膜
５間で青乃至青白色系の発光が生じ、この発光が
ZnO皮膜３、透明導電膜２及び基板１を介して観
察される。また、リード線７側を正、リード線８
側を負にして、直流電圧を印加した場合は、ｉ形
のGaN皮膜５と電極６との間で、上述したと同
様の発光が生じ、この発光が観察される。
ところで、この第１図に示す構造のGaN発光
素子における代表的な電流−電圧特性の一例を第
４図に示す。
素子における代表的な電流−電圧特性の一例を第
４図に示す。
この図から明らかなように、本発明の一実施例
により得られたGaN発光素子は、駆動電圧の極
性に関して対称な電流−電圧特性が得られてお
り、また、電圧の増加時と減少時でヒステリシス
特性を示し、さらに、約５〜10Vで電流制御形の
負性抵抗が観察される。
により得られたGaN発光素子は、駆動電圧の極
性に関して対称な電流−電圧特性が得られてお
り、また、電圧の増加時と減少時でヒステリシス
特性を示し、さらに、約５〜10Vで電流制御形の
負性抵抗が観察される。
次に、上述した構成のGaN発光素子における
発光機構について検討してみる。
発光機構について検討してみる。
従来の気相成長法によりサフアイア基板上に成
長させたヘテロ接合によるMIS構造のGaN発光
素子の場合、次の二つの電流輸送モデルが知られ
ている。
長させたヘテロ接合によるMIS構造のGaN発光
素子の場合、次の二つの電流輸送モデルが知られ
ている。
一つは、三角形の電位障壁を通しての量子トン
ネル効果による電流、すなわちFowler−
NordheimモデルにおけるＩ∝Ve×p（−ｂ／Ｖ1/
２）に従う電流、他の一つは、空間電荷制限電流、
すなわちＩ∝V2に従う電流である。
ネル効果による電流、すなわちFowler−
NordheimモデルにおけるＩ∝Ve×p（−ｂ／Ｖ1/
２）に従う電流、他の一つは、空間電荷制限電流、
すなわちＩ∝V2に従う電流である。
そこで、第１図に示す本発明の製造方法により
得られたGaN発光素子の電流輸送モデルを調べ
るために、順方向、すなわちリード８側を正、リ
ード線７側を負にした場合における室温での電流
−電圧特性の測定結果を第５図に示す。
得られたGaN発光素子の電流輸送モデルを調べ
るために、順方向、すなわちリード８側を正、リ
ード線７側を負にした場合における室温での電流
−電圧特性の測定結果を第５図に示す。
この結果によれば、本発明のGaN発光素子は、
第５図ａに示すオーミツク領域（Ｉ∝V1）から
第５図ｂに示す２乗領域（Ｉ∝V2）へ移向する
特性がみられる。したがつて、上述した結果から
は、本発明の製造方法によるGaN発光素子は前
述したFowler−Nordheimモデルに従うよりむ
しろＩ∝Vn（ｎ＝１〜３）に従うと判断でき、こ
れは少なくとも２つ以上の捕獲中心が存在する場
合の再結合モデルで説明できる。
第５図ａに示すオーミツク領域（Ｉ∝V1）から
第５図ｂに示す２乗領域（Ｉ∝V2）へ移向する
特性がみられる。したがつて、上述した結果から
は、本発明の製造方法によるGaN発光素子は前
述したFowler−Nordheimモデルに従うよりむ
しろＩ∝Vn（ｎ＝１〜３）に従うと判断でき、こ
れは少なくとも２つ以上の捕獲中心が存在する場
合の再結合モデルで説明できる。
いま、第１図に示すｉ形のGaN皮膜５に２つ
の捕獲中心を考え、浅いエネルギー準位の中心と
深いエネルギー準位の中心をそれぞれエネルギー
Ets.Etd（但し、Ets＞Etd）、濃度をNts、Ntdで
区別する。そして、フエルミ準位EFOが、これら
の中心のエネルギー準位より以下にある場合、す
なわち、Ets＞Etd＞EFOであれば、電流−電圧特
性は、電圧Ｖを増すにつれてオーミツク領域（Ｉ
∝V1）から２乗領域（Ｉ∝V2）に移ることがわ
かる。
の捕獲中心を考え、浅いエネルギー準位の中心と
深いエネルギー準位の中心をそれぞれエネルギー
Ets.Etd（但し、Ets＞Etd）、濃度をNts、Ntdで
区別する。そして、フエルミ準位EFOが、これら
の中心のエネルギー準位より以下にある場合、す
なわち、Ets＞Etd＞EFOであれば、電流−電圧特
性は、電圧Ｖを増すにつれてオーミツク領域（Ｉ
∝V1）から２乗領域（Ｉ∝V2）に移ることがわ
かる。
さらに、これらの各領域での電流密度を、それ
ぞれJΩ、Js，ｄとすると、これらは次式で表わ
される。
ぞれJΩ、Js，ｄとすると、これらは次式で表わ
される。
JΩ＝qn0μV／Ｌ ……(1)
Js，ｄ＝9/8N*ts，dεμV2／L3 ……(2)
ここで、ｑは電子の電荷、n0＝Nc exp（EFO／
kT）、N*ts，ｄ＝（Nc／gNts，ｄ）exp（Nts，
ｄ／kT）、Ncは伝導体電子の有効状態密度、μ
はキヤリ易動度、εは誘電率、Ｌはｉ形のGaN
皮膜５の長さ、ｇは捕獲中心の占有確率である。
kT）、N*ts，ｄ＝（Nc／gNts，ｄ）exp（Nts，
ｄ／kT）、Ncは伝導体電子の有効状態密度、μ
はキヤリ易動度、εは誘電率、Ｌはｉ形のGaN
皮膜５の長さ、ｇは捕獲中心の占有確率である。
しかして、第１図に示す構造の実施例の場合、
ｉ形のGaN皮膜５中の浅い準位（エネルギー
Ets、濃度Ntsで表わされる準位）は、アクセプ
タ不純物Znの添加によつて補償されていると考
えることができるので、第５図ａに示される上記
(1)式で規定されるオーミツク領域に続く、第５図
ｂの２乗領域は、上記(2)式中の主として深い捕獲
中心に原因するものとして定性的に説明できるこ
とになる。
ｉ形のGaN皮膜５中の浅い準位（エネルギー
Ets、濃度Ntsで表わされる準位）は、アクセプ
タ不純物Znの添加によつて補償されていると考
えることができるので、第５図ａに示される上記
(1)式で規定されるオーミツク領域に続く、第５図
ｂの２乗領域は、上記(2)式中の主として深い捕獲
中心に原因するものとして定性的に説明できるこ
とになる。
ところで、上述した実施例では、発光を基板１
側から観察するタイプとして、基板１にガラスを
用いたが、発光を電極６側から観察するタイプの
ものでは、前記基板１としは不透明な材料、例え
ばステンレス板等を用いて本発明の製造方法を実
施してもよい。
側から観察するタイプとして、基板１にガラスを
用いたが、発光を電極６側から観察するタイプの
ものでは、前記基板１としは不透明な材料、例え
ばステンレス板等を用いて本発明の製造方法を実
施してもよい。
さらに、上述した実施例では、MIS構造の発光
素子の製造方法について述べたが、これは例え
ば、第１図に示す構造において、GaN皮膜４の
形成後に、GaN中でアクセプタ不純物となる、
例えばGeを蒸発させながらGaN皮膜の形成を行
い、ｐ形GaN皮膜を作成し、ｐ−ｎ接合タイプ
とする構造にも適用でき、あるいは、ZnO皮膜３
は、一般にｎ形導電性となることから、このZnO
皮膜３上に、直接ｐ形のGaN皮膜を形成したｐ
−ｎ接合形の発光素子に適用できることはもちろ
んである。
素子の製造方法について述べたが、これは例え
ば、第１図に示す構造において、GaN皮膜４の
形成後に、GaN中でアクセプタ不純物となる、
例えばGeを蒸発させながらGaN皮膜の形成を行
い、ｐ形GaN皮膜を作成し、ｐ−ｎ接合タイプ
とする構造にも適用でき、あるいは、ZnO皮膜３
は、一般にｎ形導電性となることから、このZnO
皮膜３上に、直接ｐ形のGaN皮膜を形成したｐ
−ｎ接合形の発光素子に適用できることはもちろ
んである。
そのほか、本発明は、上記し、かつ図面に示し
た実施例に限定されることなく、その要旨を変更
しない範囲で種々変形して実施できるものであ
る。
た実施例に限定されることなく、その要旨を変更
しない範囲で種々変形して実施できるものであ
る。
以上述べたように、本発明によるGaN発光素
子の製造方法は、ZnOの格子定数がGaNの格子
定数ときわめて近く、両者のミスフイツトは、
0.5％程度であること、及びこのZnOは、イオン
工学的手法を用いると任意の基板上でＣ軸方向に
優先配向して成長しやすいという点に着目し、ま
ず任意の基板、例えばガラス上にZnO皮膜をＣ軸
方向に優先配向性をもたせて被着し、ついでこの
ZnO皮膜を下地として、その優先配向軸に規制さ
れて低基板温度でヘテロエピタキシヤル成長する
GaN皮膜を成長させるようになるものである。
子の製造方法は、ZnOの格子定数がGaNの格子
定数ときわめて近く、両者のミスフイツトは、
0.5％程度であること、及びこのZnOは、イオン
工学的手法を用いると任意の基板上でＣ軸方向に
優先配向して成長しやすいという点に着目し、ま
ず任意の基板、例えばガラス上にZnO皮膜をＣ軸
方向に優先配向性をもたせて被着し、ついでこの
ZnO皮膜を下地として、その優先配向軸に規制さ
れて低基板温度でヘテロエピタキシヤル成長する
GaN皮膜を成長させるようになるものである。
したがつて、本発明によるGaN発光素子の製
造方法は、発光部が形成されるGaN皮膜が、下
地とミスフイツト起因する不整合欠陥や加熱によ
る結晶歪の少ない結晶性の良い皮膜であることか
ら、発光効率の大幅な向上が期待でき、青色乃至
緑色の発光素子を得る上から、すぐれた特長を有
し、種々の用途への適用など多大の効果が期待で
きるものである。
造方法は、発光部が形成されるGaN皮膜が、下
地とミスフイツト起因する不整合欠陥や加熱によ
る結晶歪の少ない結晶性の良い皮膜であることか
ら、発光効率の大幅な向上が期待でき、青色乃至
緑色の発光素子を得る上から、すぐれた特長を有
し、種々の用途への適用など多大の効果が期待で
きるものである。
また、本発明の方法によるGaN発光素子は、
発光部が形成されるGaN皮膜の下地となるZnO
皮膜が、発光部での発光色に対してほとんど透明
であるために、発光部での発光を外部に有効に取
り出せ、この点からも発光効率の向上が期待でき
その効果は大である。
発光部が形成されるGaN皮膜の下地となるZnO
皮膜が、発光部での発光色に対してほとんど透明
であるために、発光部での発光を外部に有効に取
り出せ、この点からも発光効率の向上が期待でき
その効果は大である。
さらに、本発明のGaN発光素子の製造方法に
よれば、その上にGaN皮膜を成長させるZnO皮
膜が、例えばガラスなどの非晶質基板上において
も容易にＣ軸方向に優先配向性をもつて成長する
ので、基板として安価に入手できる材料を任意に
選択でき、GaN発光素子のコストを低減させる
上からも得られる効果は、きわめて大である。
よれば、その上にGaN皮膜を成長させるZnO皮
膜が、例えばガラスなどの非晶質基板上において
も容易にＣ軸方向に優先配向性をもつて成長する
ので、基板として安価に入手できる材料を任意に
選択でき、GaN発光素子のコストを低減させる
上からも得られる効果は、きわめて大である。
第１図は、本発明の製造方法によるGaN発光
素子の一実施例を示す概略構成図、第２図は、本
発明の実施に使用する製造装置の概略構成を示す
図、第３図ａ，ｂは、本発明により得られた素子
の断面構造を示す電子顕微鏡写真像、第４図及び
第５図は、同素子の特性を示す図である。 １…基板、３…ZnO皮膜、４…GaN皮膜。
素子の一実施例を示す概略構成図、第２図は、本
発明の実施に使用する製造装置の概略構成を示す
図、第３図ａ，ｂは、本発明により得られた素子
の断面構造を示す電子顕微鏡写真像、第４図及び
第５図は、同素子の特性を示す図である。 １…基板、３…ZnO皮膜、４…GaN皮膜。
Claims (1)
- １ 高真空雰囲気内に保持された基板表面上に、
少なくともその一部がイオン化された原子状、分
子状又はクラスタ状のZn及びＯを輸送し、前記
基板上にＣ軸方向に優先配向したZnO皮膜を形成
する工程と、前記ZnO皮膜上に、このZnO皮膜の
配向軸に規制された結晶性のGaN皮膜を成長さ
せる工程とを備えてなるGaN発光素子の製造方
法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8398480A JPS5710280A (en) | 1980-06-23 | 1980-06-23 | Gan light emitting element |
| DE3124456A DE3124456C2 (de) | 1980-06-23 | 1981-06-22 | Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8398480A JPS5710280A (en) | 1980-06-23 | 1980-06-23 | Gan light emitting element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5710280A JPS5710280A (en) | 1982-01-19 |
| JPH0152910B2 true JPH0152910B2 (ja) | 1989-11-10 |
Family
ID=13817790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8398480A Granted JPS5710280A (en) | 1980-06-23 | 1980-06-23 | Gan light emitting element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5710280A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994003931A1 (fr) * | 1992-08-07 | 1994-02-17 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Dispositif semi-conducteur a base de nitrure et fabrication |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2704181B2 (ja) * | 1989-02-13 | 1998-01-26 | 日本電信電話株式会社 | 化合物半導体単結晶薄膜の成長方法 |
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