JPH03203388A - 半導体発光素子およびその製造方法 - 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〕 この発明は、高性能な可視光を発光する半導体発光素子
およびその製造方法に関するものである。

（従来の技１） 近年、半導体発光素子において、赤色から緑色までの可
視光を発光するものは、かなり明るいものが開発されて
いる。しかしながら、青色の可視光を発光する半導体発
光素子は、上記のものと比べて、視感度が悪く、あまり
明るくないのが現状である。

青色を発光する半導体発光素子用の材料としては、Ｇａ
Ｎ、ＳｉＣ，ＺｎＳ等が研究されている。

例えば、Ｇａ１ｎＮを用いた青色発光ダイオードを第４
図に示す。

第４図は従来の発光ダイオードを示す概念図である。

第４図において、目よりファイア（０００１）面のサフ
ァイア基板、４１はｎ−ＧａｌｎＮ層、４２はＩ−Ｇａ
ｌｎＮ層、４３．４４はＡｊ！による電極である。

第４図に示すように、サファイア蟇ＦｉＩ上には、直接
ｎ−ＧａＩｎＮ層４１が形成され、このｎ−ＧａｒｎＮ
層４Ｉの表面には、Ｚｎをドープした１−ＧａｌｎＮ層
４２が選択的に形成され、そしてこの層上に、を極４３
．４４が形成される（日経エレク［・ロニクス　ＮＯ，
２６４１９８１年　８２−８４ページ）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このように、サファイア基板ｌ上に、ｎ
−ＧａｌｎＮ層４１の結晶を直接エピタキシャル成長さ
せると、サファイアｉｔ反ｌとｎＧａＩｎＮ層４工とＮ
層子定数や熱膨張係数の整合性が悪くなる。すなわちサ
ファイア基Ｆｉｌとｎ−ＧａｌｎＮ層４１との界面の結
晶性が悪くなり、この界面の膜内で窒素（Ｎ）が不足す
る。またサファイアａ！ＩＩとｎ−ＧａｌｎＮ層４１と
の界面には、サファイア基Ｆｉ２を構成する酸素と、ｎ
　−ＧａｌｎＮ層４１を層成１るＩｎやＧａとが結合す
ることにより、高温で不安定なＩｎ−０やＧａ　−０が
生成される。その結果、良質な結晶性を有するｎ−Ｇａ
ｒｎＮ層４１を得ることができない、このように、ｎ−
ＧａｌｎＮ層４１の結晶性が悪化することにより、その
表面に形成されるｒ−ＧａｌｎＮ層４２は層中２らｐ型
ドーパントであるＺｎ（亜鉛）をドープしても、ｐ型と
はならず、１層となり、高品質なｐｎ接合構造を形成す
るのが困難という問題があった。

このように製造された従来の発光ダイオードは、直接遷
移型にもかかわらず、注入電流と発光出力との変換効率
は０．０３％程度であり、あまり良くない、またＧａ１
ｎＮのハント′ギャンブ（禁止帯幅）は３．３９　ｅ　
Ｖであるので、本来発光波長は約２９０　ｎｍであるが
、この従来の発光ダイオードの発光波長は約４９０ｎｍ
であり、長波長となってしまう、また不純物を介した発
光であるため、発光効率を向上させるのは、著しく困難
であった。

この発明の目的は、発光領域に高品質のｐｎ接合を形成
し、直接遷移を利用した高効率の半導体発光素子および
その製造方法を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 請求項（１）記載の半導体発光素子は、窒化処理した基
板と、この基板上に形成したバッファ層と、このバッフ
ァ層上に形成したＧａｘｌｎ＋−ｘＮ層（Ｏ≦ｘ≦１）
のｐｎ接合構造とを備え、前記バ、２ファ層がＡｌＮ層
およびＡＩＮ／ＧａＮ歪超格子層およびＡｊ！２　Ｇａ
、−２Ｎ層（０≦ｚ≦１）のうちの少なくとも一層であ
ることを特徴とする請求項（２）記載の半導体発光素子
は、請求項（１）記載の半導体発光素子において、基板
が、酸化アルミニウム単結晶であることを特徴とする請
求項（３）記載の半導体発光素子の製造方法は、キャリ
アガスとしてＮ２またはＮ２を用い、■族の原料ガスと
して有機Ｉｎ化合物、有機Ａ１化合物、有機Ｇａ化合物
を用い、■族の原料ガスとして、ＮＨ，’を用いて結晶
成長を行う有機金属気相成長法であって、 基板を昇温する際、ＮＨ３雰囲気中で行い、前記基板の
表面を窒化処理した後に、この窒化処理した基板の表面
に、バッファ層としてＡｌＮ層およびＡｊ！Ｎ／ＧａＮ
歪超格子層およびＡ　１　ｚＧ　ａ　＋−ｚＮ層（０≦
ｚ≦１）のうちの少なくとも一層を成長させる工程と、 この表面にＧ　ａ　ｘ　Ｉ　ｎ　１−ＸＮ層（０≦ｘ≦
１）のｐｎ接合構造を形成する工程とを含むものである
。

〔作用］ この発明の半導体発光素子およびその製造方法によれば
、窒化処理された基板上に、バッファ層として、／ＭＡ
Ｎ層およびＡ４２Ｎ／ＧａＮ歪超格子層およびＡ　ｌｚ
　Ｇ　ａ　＋−ｚ　Ｎ層（０≦ｚ≦１）のうちの少なく
とも一層を形成することによって、その表面に形成した
Ｇａ、ｌ　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｎ層（０≦８≦１）層を、窒
素を充分に含む高品質なものとすることができる。その
結果、Ｇａｘ　　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｎ層のｐｎ接合を容易
に形成することができ、従来のような不純物を介した発
光でなく、パンドーパント間の直接遷移による高効率の
半導体発光素子を得ることができる。

〔実施例］ 第１図はこの発明の一実施例の半導体発光素子を示す構
造図である。

第１図に示すように、サファイア基板１と、このサファ
イア基板１上にバッファ層として形成したＡＩＮ層２と
、このＡｌＮｌＮ上２上成したｎ−ＧａＸ　Ｉｎ＋−、
Ｎ層３（０≦ｘ≦１）およびｐ　　Ｇａｘ　Ｉｎ１−ｘ
　Ｎ層４（０≦ｘ≦１）からなるｐｎ接合構造と、この
表面に形成した／ｌの電極５，６とを備えたものである
。

なおバッファ層として、ＡｆｆＮ層２Ｎ層成したが、Ａ
ｆｆｉＮ／ＧａＮ歪超格子層またはＡ　ｉ、２Ｇａ、−
２Ｎ層（Ｏ≦Ｚ≦１）を形成しても良い。

このようにｔｌ＊された半導体発光素子Ｘは、波長４２
０　ｎｍの青色で発光する（Ａ方向）。

第２図はこの発明の一実施例のために用いられる有機金
属気相（ＭＯＶＰＥ）装置を示す概念図である。

第２図に示すように、有機金属気相（ＮＯＶＰＥ　）装
置Ｙは、キャリアガス２０として、Ｈ２またはＮ、を用
い、原料ガスとして、■族にはＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）ｌ　Ｏ，ＴＭＧ　Ｄリメチルガリウム）１１
．７ＭＩ　　（）リメチルインジウム）１２を用い、Ｖ
族にはＮ　Ｈｓを用いた。

またｐ型ドーパントには、ＣＰｇＭｇ　（シンクロペン
タジェニルマグネシウム）１３を用い、ｎ型ドーパント
には、Ｈ，Ｓｅ（セレン化水素）１５を用いた。

有機金属気相（ＭＯＶＰＥ）装置Ｙは、石英製のりアク
タ１６内に載置されたカーボン製のサセプタ１７を高周
波誘導加熱することにより、このサセプタ１７上に載置
した基１２１を加熱し、この基板２１上に化合物半導体
層単結晶等を成長させるものである。

なおリアクタ１６内の圧力は、７６Ｔｏｒｒである。

この発明の一実施例の半導体発光素子の製造方法を第２
図および第３図に基づいて説明する。

第３図はこの発明の一実施例の半導体発光素子の製造方
法を示す工程図である。

なお有機金属気相（ＭＯＶＰＥ）装置として、第２図に
示す装置を用いた。

第３図（ａ）に示すように、結晶成長を開始する前に、
サファイア基板１をＮＨ，雰囲気中で１０００°Ｃまで
昇温して、１０分間熱処理を施し、サファイア基板１の
表面を薄いＡＩＮ膜（図示せず）で覆ってしまう。その
後、サファイア基板１の温度を９５０°Ｃに下げて、バ
ッファ層として厚さ０．５μｍのＡＩ！Ｎ膜２を成長さ
せる。

このように、結晶成長前の昇温時に、サファイア基板１
の表面を窒化処理し、薄いＡｆｆｉＮｌｌを形成するこ
とにより、この表面に形成するＡＩＮ層２（バッファ層
）とサファイア基板ｌとの格子定数および熱膨張係数の
整合性が共に良くなる。

次に第３図（ｂ）に示すように、サファイア基板１の温
度を８００℃まで下げ、Ａ／２Ｎ層２（バッファ層）の
表面に、ｎ型のＧａｘｌｎ＋−ｘＮＮ層３よびｐ型のＧ
ａｘｌｎ＋−ｘＮＮ層４形成する。

なお、ｎ型のＧａｘｌｎ＋−ｘＮＮ層３層厚１ｕｍであ
り、ｎ型ドーパントであるＨｘＳｅ１５をドープして結
晶成長させたものであり、ｐ型のＧａ１ｌｎ＋−ｘＮＮ
層４層厚１．５μｍであり、ｐ型ドーパントであるＣｐ
ｚＭｇ１３をドープして結晶成長させたものである。

なおこの際、原料ガスの流量は、ＴＡＭｌ　０は１０ｃ
ｃ／−ｉ、、ＴＭＧＩＩは５Ｃｃ／ｍ１ｌｌ、ＴＭＩ１
２は２０ｃｃ／□−とじ、 ＮＨ，の流量は、１２ｃｃ／−ｉ、、とし、　　ドーパ
ントの流量は、各々Ｈ，Ｓｅ（セレン化水素）１５は２
５　ｃｃ／、、、、ＣＰ２Ｍｇ１３は１０ｃｃ／−ｔ−
とじた。

またリアクタ１６内に入るキャリアガスの総流量は、５
１／□ゎとした。

またＴＭ１１２とＴＭＣＩＩとのモル比は、３とした。

このようにして、第４図に示す従来例のように、サファ
イア基板ｌ上に直接ｎ−Ｇａ１ｎＮ層４１を形成するの
ではなく、窒化処理したサファイア基板１上にバッファ
層として、Ｖ族元素が共通であり、結晶構造も同じであ
るＡｌＮ層２を形成した後、この表甲にｎ型のＧａＸＩ
ｎ＋−ｘＮ層３を形成することにより、格子定数や熱膨
張定数の整合性が良くなるため、ｎ　　ＧａＸ　Ｉｎ＋
−ｘ　Ｎ層３およびｎ−Ｇａ）１１ｎ１４Ｎ層４の結晶
性が向上し、しかも容易にｐ−Ｇａえ　Ｉｎ＋−ｘＮ層
４を形成することができる。

次に第３図（Ｃ）に示すように、第３図〜）に示す結晶
をリアクタ１６から取り出して、この表面に直径５００
ｎｍのエツチングマスク（厚さ４０００Åの５ｉｎ２膜
または５ｔ３Ｎｉ膜、図示せず）を形成し、温度２００
　”Ｃの熱燐酸によるエツチングを行う。

なおｎ　　Ｇａｘ　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｎ層３およびｐ−Ｇ
ａｘ　　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｎ層４は、はとんどの酸に対し
てエツチングされないが、この熱燐酸にはエンチングさ
れて、エツチング速度は約１１Ｉｍ／ｓｉｎである。ま
た結晶性が悪いとエツチング速度はかなり速くなる。

そして最後に第３図（ｄ）に示すように、Ａ１の電極５
，６を形成する。

このように製造された半導体発光素子Ｘによる発光は、
サファイア基板ｌから放射される。またこの半導体発光
素子Ｘの波長は４２０ｎｍ、発光効率は０．５％以上、
明るさは１００ｍｃ　ｄ以上とかなり明るくなり、しか
も動作電圧は電流１０ｍＡで４Ｖ以下とかなり低い。し
たがってピーク発光波長が４２０ｎｍと短波長であるた
め、視感度か悪いにもかかわらず、かなり明るく、太陽
下でも十分使用できる。また素子の結晶性の向上により
、周囲の使用温度も一２５°Ｃから＋８０°Ｃまでの広
範囲にわたって安定した発光が得られるや以上は、バッ
ファ層としてＡｆｆｉＮ層２を形成した場合について、
説明したが、以下第１図および１！３図に示すバッファ
層（ＡｌＮ層２）として、Ａ　Ｉ　Ｎ　／　Ｇ　ａ　Ｎ
歪超格子層またはＡ　ｊ！ｚＧ　ａ　１−ＺＮ（０≦ｚ
≦１）層を形成した場合について、以下説明する。

バッファ層の形成には、Ａ１１Ｎ＠から徐々に組成を変
えてＧａＮ層にしていき、Ａ　ＲＮ　／　Ｇ　ａ　Ｎ歪
超格子層を形成する方法と、組成のみのＡｆ、Ｇａ、−
、Ｎ層（Ｏ≦Ｚ≦１）を形成する方法とがあるが、この
表面に形成するＧａｙ　Ｉ　ｎ　＋−１１Ｎ層（０≦ｘ
≦１）の結晶性は、後者に比較すると、前者の方が優れ
る傾向がある。ただし、後者もバッファ層として、十分
使用できる。

バッファ層としてＡ　Ｉ　Ｎ　／　Ｇ　ａ　Ｎ歪超格子
層を採用した場合、Ａ　ＲＮ　／　Ｇ　ａ　Ｎ歪超格子
は格子定数が大きく離れているために、通常用いられて
いる格子定数が極めて近いＡ　Ｉ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ超格子に比べて、格子緩和しやすく、格子欠陥
をほとんど吸収し、また薄いＡｌＮ＠で覆われたサファ
イア基板１上の組成をＡｆｆＮ層から徐々にＧａＮ層に
変えていくことにより、欠陥なくＧａＮ層まで形成する
ことができる。さらにＧａＮ層とＧａに　Ｉｎ＋−ｘＮ
層との格子定数は近い。よって、その表面に形成したＧ
ａＸ　Ｉｎ、−、Ｎ層の結晶性は飛躍的に′向上する。

またこの場合の素子特性は、波長が４２０ｎｍで発光効
率が１％以上あり、明るさは２００ｍｃ　ｄ以上となり
、バッファ層としてＡＩＮ層２を形成した場合に比べ２
倍以上の明るさを有した。しかも動作電圧は電流１０ｍ
Ｖで４ｖ以下であり、バッファ層としてＡＱＮ＠２を形
成した場合とほとんど変わらなかった。

〔発明の効果〕

この発明の半導体発光素子およびその製造方法によれば
、窒化処理された基板上に、バッファ層として、ＡｌＮ
層およびＡ　Ｉ！、　Ｎ　／　Ｇ　ａ　Ｎ歪超格子層お
よびＡ　１２　Ｇ　ａ　ｌ−ｚ　Ｎ層（０≦ｚ≦１）の
うちの少なくとも一層を形成した後に、この表面にＧａ
ｘ　　Ｉ　ｎ（４Ｎ層（Ｏ≦ｘ≦１）を形成することに
よって、窒素を充分に含む高品質、かつ結晶性の良いＧ
　ａｘ　　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｎ層を形成することができ、
ρｎ接合構造を容易に形成することができる。

その結果、従来の技術では得られなかった短波長の波長
を有する半導体発光素子を再現性良く得ることができ、
直接遷移を利用した高効率の青色の半導体発光素子を得
ることができる。さらに歩留まりを向上させ、かつコス
トを低減することができる。

また上記バッファ層の形成は、青色の半導体発光素子だ
け限らず、緑色および黄色の半導体発光素子の通用も可
能であり、半導体発光素子（可視光ダイオード）への応
用は、極めて広く、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の半導体発光素子を示す構
造図、第２図はこの発明の一実施例のために用いられる
有機金属気相（ＭＯＶＰＥ）装置を示す概念図、第３図
はこの発明の一実施例の半導体発光素子の製造方法を示
す工程図、第４図は従来の発光ダイオードを示す概念図
である。 １・・・サファイア基板、２・・・ＡｌＮ層（バッファ
層）、３・”ｎ−Ｇａｘ　　Ｉｒｚ−ｙ　Ｎ層、４−＝
　ｐＧａ。 Ｉｎ＋−ｘ Ｎ層 ７

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化処理した基板と、この基板上に形成したバッ
   ファ層と、このバッファ層上に形成したＧａ＿ｘＩｎ＿
   １＿−＿ｘＮ層（０≦ｘ≦１）のｐｎ接合構造とを備え
   、前記バッファ層がＡｌＮ層およびＡｌＮ／ＧａＮ歪超
   格子層およびＡｌ＿ｚＧａ＿１＿−＿ｚＮ層（０≦ｚ≦
   １）のうちの少なくとも一層である半導体発光素子。
2. （２）基板が、酸化アルミニウム単結晶であることを特
   徴とする請求項（１）記載の半導体発光素子。
3. （３）キャリアガスとして、Ｈ＿２またはＮ＿２を用い
   、III族の原料ガスとして、有機Ｉｎ化合物、有機Ａｌ
   化合物、有機Ｇａ化合物を用い、Ｖ族の原料ガスとして
   、ＮＨ＿３を用いて結晶成長を行う有機金属気相成長法
   であって、 基板を昇温する際、ＮＨ＿３雰囲気中で行い、前記基板
   の表面を窒化処理した後に、この窒化処理した基板の表
   面に、バッファ層としてＡｌＮ層およびＡｌＮ／ＧａＮ
   歪超格子層および Ａｌ＿ｚＧａ＿１＿−＿ｚＮ層（０≦ｚ≦１）のうちの
   少なくとも一層を成長させる工程と、 この表面にＧａ＿ｘＩｎ＿１＿−＿ｘＮ層（０≦ｘ≦１
   ）のｐｎ接合構造を形成する工程とを含む半導体発光素
   子の製造方法。