JPH03252177A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
子に関する。
導体を用いたものが知られている。そのGaN系の化合
物半導体は直接遷移であることから発光効率が高いこと
、光の3原色の1つである青色を発光色とすること等か
ら注目されている。 このようなGaN系の化合物半導体を用いた発光ダイオ
ードは、サファイア基板上に直接又は窒化アルミニウム
から成るバッファ層を介在させて、N導電型のGaN系
の化合物半導体から成るNNを成長させ、そのN層の上
にP型不純物を添加してI型のGaN系の化合物半導体
から成る1層を成長させた構造をとっている(特開昭6
2−119196号公報、特開昭63−IH8977号
公報)。
分ではなく、改良が望まれている。 そこで、本発明の目的は、GaN系の化合物半導体の発
光ダイオードの青色の発光強度を向上させることである
。
XGa1−X!II;X=0を含む)からなるN層き、
P型不純物を添加したI型の窒化ガリウム系化合物半導
体(AムGa、−xN:X=0を含む)からなる1層と
を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において
、N層を1層と接合する側から順に、低キャリア濃度N
層と高キャリア濃度N+層との二重層構造とし、1層を
N層と接合する側から順に、P型不純物が比較的低濃度
の低不純物濃度IL層とP型不純物が比較的高濃度の高
不純物濃度111層との二重層構造としたことを特徴と
する。 尚、上記低キャリア濃度N層のキャリア濃度はlX10
”〜lXl017/adで膜厚は0.5〜2μsが望ま
しい。キャリア濃度がIXIQ”/car以上となると
発光強度が低下するので望ましくなく、lXl0”/d
以下となると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を
流すと発熱するので望ましくない。又、膜厚が27層以
上となると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流
すと発熱するので望ましくなく、膜厚が0. sIa以
下となると発光強度が低下するので望ましくない。 更に、高キャリア濃度N7層のキヤqTs度はI X
1017〜I X 101s/ al テ膜厚ハ1〜1
oρカ望マしい。キャリア濃度が1×10′9/d以上
となると結晶性が悪化するので望ましくなく、lXl0
”/d以下となると高抵抗となるので望ましくない。 又、膜厚が10μs以上となると基板が湾曲するので望
ましくなく、膜厚が1即以下となると高抵抗となるので
望ましくない。 又、上記低不純物濃度15層のP型不純物濃度ハI X
10”〜5 x 10”/ cof テ膜厚ハo、0
1〜1即カ望ましい。P型不純物濃度が5 X 10”
/ cx1以上となると発光ダイオードの直列抵抗が増
大したり立上がり電圧が上昇するので望ましくなく、1
×10”/cd以下となるとN導電型となるので望まし
くない。又、膜厚が17層以上となると発光ダイオード
の直列抵抗が増大したり立上がり電圧が上昇するので望
ましくなく、膜厚が0. ol、in以下となると従来
構造と等しくなるので望ましくない。 更に、高不純物
濃度1.層の不純物濃度はlXl0”〜5XIO”/c
atで膜厚は0.02〜0.3umが望ましい。不純物
濃度が5X10”101以上となると結晶性が悪化する
ので望ましくなく、lXl0”/cal以下となると発
光強度が低下するので望ましくない。又、膜厚が0.3
層m以上となると高抵抗となるので望ましくなく、膜厚
が0.02層m以下となると1層が破壊されるので望ま
しくない。
ア濃度N層と高キャリア濃度N+層との二重層構造とし
、1層をN層と接合する側から順に、P型不純物が比較
的低濃度の低不純物濃度IL層とP型不純物が比較的高
濃度の高不純物濃度I1層との二重層構造としたことで
、発光ダイオードの青色の発光強度を増加させることが
できた。 即ち、高キャリア濃度N+層によりN層全体の電気抵抗
を小さくでき、1層と低キャリア濃度N層との接合に有
効に電圧を印加することができる。 又、1層に接合するN層は低キャリア濃度とすることで
、1層にN層の非発光不純物原子が拡散または混入する
のが防止される。又、N層から1層に電子が注入される
とき、N層に接合する1層を低不純物濃度IL層とする
ことで、電子はその低不純物濃度1.層でトラップされ
ることなく、次の高不純物濃度1層1層に注入される。 このため、電子は発光効率の悪いN層に接合した低不純
物濃度IL層を通過して、高不純物濃度I)1層に至り
、その層で高効率で発光することになる。 この結果、発光効率が従来の単純なI−N接合に比べて
、飛躍的に向上した。
板1を有しており、そのサファイア基板1に500人の
AINのバッファ層2が形成されている。そのバッファ
層2の上には、順に、膜厚的2゜2Iim、キャリア濃
度1.5X 10”/ Cff1のGaNから成る高キ
ャリア濃度N9層3、膜厚的1.5層m、キャリア濃度
I X 10”/ eatのGaNから成る低キャリア
濃度N層4、Zn濃度5×1019/cdの低不純物濃
度IL層5及びZn濃度2X 102o/ crlの高
不純物濃度1、層6とが形成されている。そして、高不
純物濃度1□層6に接続するアルミニウムで形成された
電極7と高キャリア濃度N1層3に接続するアルミニウ
ムで形成された電極8とが形成されている。 次に、この構造の発光ダイオード10の製造方法につい
て説明する。 上記発光ダイオード10は、有機金属化合物気相成長法
(以下rMOVPE Jと記す)による気相成長により
製造された。 用いられたガスは、NH5とキャリアガスH3とトリメ
チルガリウム(Ga(CH=)−) (以下rTMG
Jと記す)とトリメチルアルミニウム(AI (CHs
) s) (以下rTMA」と記す)とシラン(SiH
4)とジエチル亜鉛(以下rDEZJと記す)である。 まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した0面を主面と
する単結晶のサファイア基板1をMOVPE装置の反応
室に載置されたサセプタに装着する・次に、常圧でH3
を2I!/分で反応室に流しながら温度1100℃でサ
ファイア基板1を気相エツチングした。 次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20f/
分、NH3を101/分、TMAを1.8X 10−S
モル7分で供給してAINのバッファ層2が約500人
の厚さに形成された。 次に、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し、
■、を201/分、NH5を101/分、TMGを1.
7X 10−’モル/分、+12で0.86ppmまで
希釈したシラン(SiH4)を200mff /分の割
合で30分間供給し、膜厚的2.2.a、キャリア濃度
1.5X 10”/ cdのGaNから成る高キャリア
濃度N1層3を形成した。 続いて、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し
、H2を201/分、NH8を101/分、TMGを1
゜7X 10−’モル/分の割合で20分間供給し、膜
厚的1.5μs、キャリア濃度lXl0”/ catO
GaNから成る低キャリア濃度N層4を形成した。 次に、サファイア基板1を1000℃にして、H2を2
01/分、NH,を101/分、TMGを1.7X 1
0−’モル/分、DBZを1.5X 10−’モル/分
の割合で2分間供給して、膜厚0.2層m、 GaNか
ら成るZn濃度5x 10”/ CIl+の低不純物濃
度IL層5を形成した。 続いて、サファイア基板1を900℃にしてNH2を2
01/分、NH,を101/分、TMGを1.7X 1
0−’モル/分、DEZを1.5X 10−’モル/分
の割合で2分間供給して、膜厚0.2μs、GaNから
成るZn濃度2X 102a/ co!(7)高不純物
波Jt I RFit 6 ヲ形jm Lり。 このようにして、第2図に示すような多層構造が得られ
た。 次に、第3図に示すように、高不純物濃度I。 層6の上に、スパッタリングによりSi07層11を2
000人の厚さに形成した。次に、そのStew層11
上にフォトレジスト12を塗布して、フォトリソグラフ
により、そのフォトレジスト12を高キャリア濃度N+
層3に対する電極形成部位のフォトレジストを除去した
パターンに形成した。 次に、第4図に示すように、フォトレジスト12によっ
て覆われていない5iO−層11をフッ酸系エツチング
液で除去した。 次に、第5図に示すように、フォトレジスト12及び5
iOa層11によって覆われていない部位の高不純物濃
度1.層6とその下の低不純物濃度I、層5と低キャリ
ア濃度N層4と高キャリア濃度N十層3の上面一部を、
真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/an
!、 CCA、F、ガスを10cc/分でドライエツチ
ングした後、Arでドライエツチングした。 次に、第6図に示すように、1.層6上に残っている5
102層11をフッ酸で除去した。 次に、第7図に示すように、試料の上全面に、AJ層1
3を蒸着により形成した。そして、そのAI!層13の
上にフォトレジスト14を塗布して、フォトリソグラフ
により、そのフォトレジスト14が高キャリア濃度N“
層3及び高不純物濃度1層1層6に対する電極部が残る
ように、所定形状にパターン形成した。 次に、第7図に示すようにそのフォトレジスト14をマ
スクとして下層のAI層13の露出部を硝酸系エツチン
グ液でエツチングし、フォトレジスト14をアセトンで
除去し、高キャリア濃度N◆層3の電極8、高不純物濃
度IH層6の電極7を形成した。 このようにして、第1図に示すように旧S (Meta
−1−1nsulator−Semiconducto
r)構造の窒化ガリウム系発光素を製造することができ
る。 このようにして製造された発光ダイオード10の発光強
度を測定したところ、0.2+ncdであった。 これは、単純にキャリア濃度2X 10”/ ci、厚
さ0.2顯の1層とキャリア濃度5x 10”/ C1
+!、厚さ4層mのN層とを接続した従来の発光ダイオ
ードに比べて、発光強度が8倍に向上した。 又、発光面を観察した所、発光点の数が飛躍的に増加し
ていることも観察された。 尚、低キャリア濃度N層4のキャリア濃度を各種変化さ
せた上記試料を製造して、発光強度及び発光スペクトラ
ムを測定した。その結果を、第8図に示す。 キャリア濃度が増加するに連れて、発光強度が減少し、
且つ、発光波長が赤色側に変位することが分かる。 又、高不純物濃度111層6の不純物濃度を各種変化さ
せた上記構造の試料を製造して、不純物濃度と発光強度
及び発光スペクトラムとの関係を測定した。その結果を
、第9図に示す。 不純物濃度が増加するに連れて、発光強度が増加する。 しかし、発光波長は幾分、赤色側に変位するが約485
OAで安定することが分かる。
ドの構成を示した構成図、第2図乃至第7図は同実施例
の発光ダイオードの製造工程を示した断面図、第8図は
低キャリア濃度N層のキャリア濃度と発光強度及び発光
波長との関係を示した測定図、第9図は高不純物濃度1
.層の不純物濃度と発光強度及び発光波長との関係を示
した測定図である。 10°°゛発光ダイオード 1°゛サフアイア基板2
バッファ層 3−高キャリア濃度N+層4−低キャリア
濃度N層 5−低不純物濃度11層
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 N型の窒化ガリウム系化合物半導体(Al_xGa_1
_−_xN;X=0を含む)からなるN層と、P型不純
物を添加したI型の窒化ガリウム系化合物半導体(Al
_xGa_1_−_xN;X=0を含む)からなるI層
とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子におい
て、 前記N層を前記I層と接合する側から順に、低キャリア
濃度N層と高キャリア濃度N^+層との二重層構造とし
、 前記I層を前記N層と接合する側から順に、前記P型不
純物が比較的低濃度の低不純物濃度I_L層と前記P型
不純物が比較的高濃度の高不純物濃度I_H層との二重
層構造としたことを特徴とする発光素子。
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