JPH02257678A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、マグネシウムを添加した窒化ガリウム系化合
物半導体層を有する純青色発光素子の作製方法に関する
ものである。

（従来の芸術） 従来、有機金属化合物気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥ法
と記す）を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇ　
ａ　＋　−ｘ　Ａ　ｊ２　ｘ　Ｎ但し１＞ｘ≧０）をサ
ファイア基板上に気相成長させた構造の青色発光素子が
研究されている。

これらの材料により青色発光素子を作製する場合には、
従来絶縁層を形成するため、及び青色発光中心の形成を
狙いとして亜鉛が添加される。亜鉛添加窒化ガリウム系
化合物半導体Ｇａ１−ＸＡ　ｌ　、Ｎ（但し１＞ｘ≧０
）に於ける発光素子の発光ピーク波長は４２５ｎｍ付近
の紫色、及び４９０ｎｍ付近の青緑色領域であった。

（発明が解決しようとする課題） 窒化ガリウム系化合物半導体を用いて青色発光素子を作
製する場合、添加する不純物に必要となる役割は二つあ
る。一つには絶縁層の形成が可能であること、もう一つ
は添加した不純物自体或はそれが関係して青色発光中心
を形成することである。窒化ガリウム系化合物半導体に
於て一般的に用いられる亜鉛の場合、絶縁層の形成は可
能であるが、それが関係して形成される発光中心に問題
があった。即ら、形成される発光中心は前述のごとく紫
色及び青緑色領域に発光ピークがあった。

明所視で目視により青色と観測される光の波長は４５０
ｎｍから４８０ｎｍの範囲内であり、亜鉛撚ｊＪ１１窒
化ガリウム系化合物半導体（Ｇａ１−ｘＡ　１．　ｘＮ
但し１＞ｘ≧Ｏ）による発光素子では色純度の問題があ
った。

そこで純青色発光中心が形成され、かつ絶縁層の形成が
可能な不純物を各種探索した結果、Ｍｇがその二つの役
割を果たすことを見いだした。

（課題を解決するための手段） 本発明は水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内にサフ
ァイア等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有機ガ
リウム化合物、有機■族元素化合物及びアンモニアをガ
ス状で導入し、基板上にて気相成長法によりＧａ＋−ｘ
ＡｌｘＮ　（但し１＞ｘ≧０）の単結晶層からなるｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガスに有
機マグネシウム化合物乏ガス状で反応管内に導入し、絶
縁層及び発光層としてマグネシウム（Ｍｇ　）を添加し
たｉ型の窒化ガリウム系化合物半導体Ｇａｐ−ｘＡ　Ｉ
　ＸＮ（但し１＞ｘ≧０）層を作製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の作製方法にあ
る。

（作　用） 本発明の好ましい実施例では前記マグネシウム（Ｍｇ　
）添加窒化ガリウム系化合物半導体Ｇａ、、−８Ａｆｆ
、Ｎ（但し１＞ｘ≧Ｏ）層に於て、添加するマグネシウ
ム（Ｍｇ　）の■族元素に対する濃度は絶縁層形成のた
め１０”ｃｍ−’以上であることが好ましい。また必要
以上に高濃度に添加された場合、他の発光中心が形成さ
れ、純青色発光の効率が低下するため２　ＸＩＯ”ｃｍ
−３以内であることが好ましい。

また作製した発光素子に於て、最も大きい光強度を示す
発光波長が４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲であること
が特徴である。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明による純青色発光素子
の作製法の実施例を説明する。しかし、図示し且つ以下
に説明する実施例は、本発明の方法を例示するものに過
ぎず、本発明を限定するものではない。

第１図は純青色発光素子を作製するために使用する窒化
ガリウム系化合物半導体のエピタキシアル結晶成長装置
の概略図である。第１図において、１は反応管、２は基
板加熱用サセプタ、３はその上に載置した基板を示し、
４は原料ガス供給管、５は反応管に連設した試料予備室
、６はターボ真空ポンプ、７，８はロータリー真空ポン
プを示す。

９は原料ガスと水素との供給装置であって、１０は水素
供給口、１１はアンモニアガス（ＮＨａ）供Ｉｆ口、１
２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ，１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２
Ｃ；ハ水素ｔＡ　ｆｆｉ　計、１３はビスシクロペンタ
ジェニルマグネシウム（ＣＰ　ｚＭｇ　）又はビスメチ
ルシクロペンタジェニルマグネシウム（ＭＣＰｚＭｇ）
の貯留槽、１４はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の
貯留槽、１５はトリメチルガリウム（ＴＭＣ）の貯留槽
、１６〜３１は流量制御弁、３２〜３４は切換混合弁を
示す。

サファイア等の絶縁体基板上に窒化ガリウム系化合物半
導体を気相でエピタキシアル成長させて単結晶を形成す
るには、上記の反応管１は予め真空に吸引し、水分、酸
素その他の不純物を除き大気圧の水素雰囲気として、反
応管１をヒーター３５により加熱して結晶成長温度に保
つようにし、反応管１内に設けた基板加熱用サセプタ２
上に例えばサファイア等の結晶成長用絶縁体基板３を設
置し、高周波誘導加熱等により外部より反応管１を加熱
し、結晶成長温度に基板加熱用サセプタ２を保持しつつ
、結晶成長効率及び不純物添加効率をあげるために設置
された原料導入管４により原料ガスを導入し、導入ガス
を基板上で気相でエピタキシアル成長法で必要な結晶成
長層厚さになるまで結晶成長を行う。発光ダイオードを
作製するにはサファイア等の基板３の上に故意に不純物
を添加していないｎ型の該窒化ガリウム系化合物半導体
Ｇａｌ−、Ａ１．ＸＮ　（但し１＞ｘ≧０）の単結晶を
形成の後、Ｍｇ成分をビスシクロペンタジェニルマグネ
シウム（ＣＰｚＭｇ）又はビスメチルシクロペンタジェ
ニルマグネシウム（Ｍ　ＣＰ　ｚＭｇ　）等の有機マグ
ネシウム化合物をガス態で原料ガスに混合し、Ｍｇ成分
を添加した窒化ガリウム系化合物半導体Ｑａ１−ｘＡ　
Ｉ　ＸＮ　（但し１＞ｘ≧０）層を作製する。固体中の
Ｍｇ添加量の制御は、ＭｇとＧａの流量比を切換混合弁
３２〜３４により行い、第２図に示すようにＭｇ原料ガ
ス供給量の加減により制御する。

第３図にＭｇを適量添加した場合（ａ　：　４　ＸＩＯ
”ｃｍ−３）　、及び適量以上添加した場合（ｂ：３×
１０２０ｃ「３）の窒化ガリウムのフォトルミネッセン
ス（ＰＬ）スペクトルを示す。Ｍｇを適量添加した場合
には純青色発光が明瞭に観測されるが、ある濃度を越え
ると純青色発光強度は小さくなり、長波長緑色発光が主
体となる。Ｍｇ添加量に関する詳細な実験の結果、発光
色の変化するＭｇ添加量が２　ＸＩＯ”ｃｍ−３程度で
あることを見いだした。

またこれらの試料を用いて発光ダイオードを作製し、フ
ォトルミネッセンスと同様、エレクトロルミネッセンス
に於いても同様の結果を示すことが確かめられた。

この結果は、窒化ガリウムの例を示したがＡｆを含む窒
化ガリウム系化合物半導体Ｇａ１−ＸＡｊ２ｘＮ（但し
１＞ｘ≧０）に於いても同様の結果を示すことが確かめ
られた。

以上の結果より、添加するＭｇの量は２×１０２０ｃｍ
−”以下であることが好ましい。また添加するＭｇ　Ｗ
ｋが１０Ｉｓ　ｃ　ｍ　−Ｓより少なくなると発光ダイ
オードに於ける絶縁層の形成が困難となるため、それ以
上添加する必要がある。

窒化ガリウム系化合物半導体の気相エピタキシアル成長
に際して、Ｇａ成分に対するＭｇ成分の混合割合は０．
１〜１０　ａｒｍ％であり、Ｇａの原料ガスとして使用
するトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の蒸気圧は３０　ｍ
ｍ　Ｈｇ　／　　１５°Ｃである。

（発明の効果） 以上の説明のように、本発明による発光素子の作製方法
によれば結晶成長用基板上にｎ型該窒化ガリウム系化合
物半導体Ｇａ＋−ｘＡ　１．　ＸＮ　（但し１〉Ｘ≧０
）単結晶からなるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を
形成後、絶縁層及び発光層としてマグネシウム（Ｍｇ　
）を添加した窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａｐ−ｘ
Ａ　ｐ、ＸＮ但し１＞ｘ≧０）層を形成することにより
、純青色発光ダイオードを作製することが可能である。

従来知られている青色発光ダイオードとよばれているも
のは発光波長が紫色または青緑色領域にかたよっている
もの、或はより長波長の発光が無視できず色純度に問題
のあるものが殆どであった。第３図（ａ）のように４５
０ｎｍ付近に発光ピーク波長を持ち、かつより長波長の
発光が殆ど観測されない発光スペクトルを示すダイオー
ドは現在まで報告された例はなかった。

本発明による発光素子の作製方法を用いれば、特別な色
フィルターを使用することなく純青色発光ダイオードの
作製が可能となるため、フィルターによる損失がな〈従
来のものと比較して効率の高い青色発光ダイオードの実
現が可能である。本発明により現在まで実用化の遅れて
いる青色発光ダイオードの実用化が可能となる工業上天
なる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実現するための結晶成長装置の概略構
成図、 第２図はＭｇ原料ガス供給量と窒化ガリウムに添加され
たＭｇ量の関係を示す特性図、第３図は本発明の発光素
子において、発光波長と発光強度フォトルミネッセンス
Ｐ　Ｌとの特性図で、 （ａ）曲線はＭｇを４×１０電９ｃｆｆｌ−３添加した
試料の室温でのフォトルミネッセンススペクトル特性図
、（ｂ）曲線はＭｇを３ＸＩＱ”°ｃｍ−’添加した試
料の室温でのフォトルミネッセンススペクトル特性図で
ある。 １・・・結晶成長用反応管 ２・・・基板加熱用サセプタ ３・・・基板　　　　　　　４・・・原料導入管５・・
・試料予備室　　　　６・・・ターボ真空ポンプ７．８
・・・ロータリー真空ポンプ ９・・・原料ガスと水素との供給装置 １０・・・水素供給口 １１・・・アンモニアガス（ＮＨ：ｌ）供給口１２Ａ〜
１２Ｇ・・・水素流量計 １３・・・ＣＰ２Ｍｇ又はＭ　ＣＰ　ｚ　Ｍ　ｇ等の有
機Ｍｇ化合物の貯留槽

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内にサファイ
   ア等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有機ガリウ
   ム化合物、有機III族元素・化合物及びアンモニアをガ
   ス状で導入し、基板上にて気相成長法によりＧａ＿１＿
   −＿ｘＡｌ＿ｘＮ（但し１＞ｘ≧０）の単結晶層からな
   るｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガ
   スに有機マグネシウム化合物をガス状で反応管内に導入
   し、絶縁層及び発光層としてマグネシウム（Ｍｇ）を添
   加したｉ型の窒化ガリウム系化合物半導体Ｇａ＿１＿−
   ＿ｘＡｌ＿ｘＮ（但し１＞ｘ≧０）層を作製することを
   特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製
   方法。 ２、前記マグネシウム（Ｍｇ）添加窒化ガリウム系化合
   物半導体Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＮ（但し１＞ｘ≧０
   ）層に於て、添加するマグネシウム（Ｍｇ）のIII族元
   素に対する濃度が１０＾１＾５ｃｍ＾−＾３から２×１
   ０＾２＾０ｃｍ＾−＾３の範囲内である請求項１記載の
   窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法。 ３、作製した発光素子に於て、最も大きい光強度を示す
   発光波長が４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲内であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半
   導体発光素子の作製方法。