JPH06151963A - 窒素−3属元素化合物半導体発光素子 - Google Patents

窒素−3属元素化合物半導体発光素子

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JPH06151963A
JPH06151963A JP4316598A JP31659892A JPH06151963A JP H06151963 A JPH06151963 A JP H06151963A JP 4316598 A JP4316598 A JP 4316598A JP 31659892 A JP31659892 A JP 31659892A JP H06151963 A JPH06151963 A JP H06151963A
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Hisayoshi Kato
久喜 加藤
Michinari Sasa
道成 佐々
Isamu Akasaki
勇 赤崎
Hiroshi Amano
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Abstract

(57)【要約】 【目的】発光色をより青色に近づけること。 【構成】n型の窒素−3属元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、p型
の窒素−3属元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=
0,X=Y=0 を含む) からなるp層とを有する窒素−3属元
素化合物半導体発光素子において、n層とp層との間に
Znを添加した窒素−3属元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなる半絶縁性のi
層を設けた。半絶縁層の厚さは、20〜3000Åである。Zn
をドープの半絶縁性のi層により485 〜490nm の発光が
得られ、全体として450 〜480nm の発光が得られた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は青色発光の窒素−3属元
素化合物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来技術】従来、青色の発光ダイオードとしてGaN 系
の化合物半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型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。
【0003】最近、GaN においても、Mgを添加して電子
線を照射することによりp型のGaNが得られることが明
らかとなった。この結果、従来のn層と半絶縁層(i
層)との接合に換えてPN接合を有するGaN 発光ダイオ
ードが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のPN接
合を有する発光ダイオードの発光波長は、約430nm と、
光の3原色となる青色の波長よりやや短波長であるとい
う問題がある。そこで、本発明の目的は、窒素−3属元
素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
む) 発光ダイオードの発光色をより青色に近づけること
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、n型の窒素−
3属元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0
を含む) からなるn層と、p型の窒素−3属元素化合物
半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からな
るp層とを有する窒素−3属元素化合物半導体発光素子
において、n層とp層との間にZnを添加した窒素−3属
元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
む) からなる半絶縁性のi層を設けたことを特徴とす
る。
【0006】上記の半絶縁層の厚さは、20〜3000Åであ
ることが望ましい。20Åよりも薄いと半絶縁層での発光
輝度が小さい。又、3000Åよりも厚いとp層に注入され
る電子濃度が減少するので望ましくない。半絶縁層のZn
濃度は、 1×1019〜 1×1021/cm3 である。Zn濃度が 1
×1021/cm3 以上となると結晶性が悪化するため望まし
くなく、 1×1019/cm3 以下となると発光強度が低下す
るので望ましくない。
【0007】
【発明の作用及び効果】本発明は、n層とp層との間に
Znを添加した窒素−3属元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなる半絶縁性のi
層を設けたことを特徴とする。よって、p層をn層に対
して正電位となるように電圧を印加することで、n層と
i層との接合部及びi層でピーク波長492nm の発光が得
られ、i層とp層との接合部でピーク波長430nm の発光
が得られた。よって、全体として長波長成分を増加させ
ることができ、発光色を青色とすることができた。
【0008】
【実施例】第1実施例 図1において、発光ダイオード10は、サファイア基板
1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAlN
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、膜厚約2.2 μmのGaN から成る高キャリ
ア濃度n+ 層3と膜厚約 1.5μmのGaN から成る低キャ
リア濃度n層4が形成されており、更に、低キャリア濃
度n層4の上に膜厚約400 ÅのGaN から成るi層6が形
成されており、そのi層6の上に0.2 μmから成るp層
5が形成されている。そして、p層5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n+ 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。電極8と電極7とは、溝9により電気的に絶縁
分離されている。
【0009】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「M0VPE 」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、NH
3 とキャリアガスH2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)
(以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al
(CH3)3)(以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)とビス
シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下
「CP2Mg 」と記す)とジエチル亜鉛( 以下「DEZ 」と記
す) である。
【0010】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
A面を主面とする単結晶のサファイア基板1をM0VPE 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H2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100
℃でサファイア基板1を気相エッチングした。
【0011】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMA を 1.8×10-5
モル/分で供給してAlN のバッファ層2が約 500Å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、H2を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、
TMG を 1.7×10-4モル/分、H2で0.86ppm まで希釈した
シラン(SiH4)を 200 ml/分の割合で30分間供給し、膜厚
約 2.2μm、キャリア濃度 1.5×1018/cm3のGaN から成
る高キャリア濃度n+ 層3を形成した。
【0012】続いて、サファイア基板1の温度を1150℃
に保持し、H2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMG
を1.7 ×10-4モル/分の割合で20分間供給し、膜厚約
1.5μm、キャリア濃度 1×1015/ cm3 のGaN から成る
低キャリア濃度n層4を形成した。
【0013】次に、サファイア基板1を 900℃にして、
2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、DEZ を1.5 ×10-4モル/分の割合で0.
5 分間供給して、膜厚400 ÅのGaN から成るZn濃度 3×
1020/ cm3 のi層6を形成した。
【0014】次に、サファイア基板1を 900℃にして、
2 を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7
×10-4モル/分、CP2Mg を 2×10-7モル/分の割合で3
分間供給して、膜厚 0.2μmのGaN から成るi層5を形
成した。この状態では、i層5は絶縁体である。
【0015】次に、反射電子線回析装置を用いて、この
i層5に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件
は、加速電圧10KV、試料電流 1μA 、ビームの移動速度
0.2mm/sec 、ビーム径60μmφ、真空度2.1 ×10-5Torr
である。この電子線の照射により、i層5は抵抗率108
Ωcm以上の絶縁体から抵抗率40Ωcmのp伝導型半導体と
なった。このようにして、p伝導型を示すp層5が得ら
れる。このようにして、図2に示すような多層構造のウ
エハが得られた。
【0016】以下に述べられる図3から図7は、ウエハ
上の1つの素子のみを示す断面図であり、実際は、この
素子が連続的に繰り返されたウエハについて、処理が行
われ、その後、各素子毎に切断される。
【0017】図3に示すように、p層5の上に、スパッ
タリングによりSiO2層11を2000Åの厚さに形成した。
次に、そのSiO2層11上にフォトレジスト12を塗布し
た。そして、フォトリソグラフにより、p層5におい
て、高キャリア濃度n+ 層3に至るように形成される孔
15に対応する電極形成部位Aとその電極形成部をp層
5の電極と絶縁分離する溝9を形成する部位Bのフォト
レジストを除去した。
【0018】次に、図4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SiO2層11をフッ化水素酸
系エッチング液で除去した。次に、図5に示すように、
フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われてい
ない部位のp層5とその下のi層6と低キャリア濃度n
層4と高キャリア濃度n+ 層3の上面一部を、真空度0.
04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の
割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッ
チングした。この工程で、高キャリア濃度n+層3に対
する電極取出しのための孔15と絶縁分離のための溝9
が形成された。
【0019】次に、図6に示すように、p層5上に残っ
ているSiO2層11をフッ化水素酸で除去した。次に、図
7に示すように、試料の上全面に、Al層13を蒸着によ
り形成した。これにより、孔15には、高キャリア濃度
+ 層3に電気的に接続されたAl層13が形成される。
そして、そのAl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1
4が高キャリア濃度n+ 層3及びp層5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。
【0020】次に、図7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Al層13の露出部を硝酸系
エッチング液でエッチングした。この時、絶縁分離のた
めの溝9に蒸着されたAl層13は、完全に除去される。
次に、フォトレジスト14をレジスト剥離液で除去し、
高キャリア濃度n+ 層3の電極8、p層5の電極7が残
された。その後、上記の如く処理されたウエハは、各素
子毎に切断され、図1に示すpn構造の窒化ガリウム系
発光素子を得た。
【0021】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10mcdであった。又、
発光波長は、460 〜470 nmであり、単なるpn接合のGa
N の発光ダイオードに比べて、20〜50nm長波長側にスペ
クトルを推移させることができ、青色の発光を得ること
ができた。
【0022】尚、上記実施例で用いたマグネシウムMgの
ソースとしては、上述のガスの他、メチルビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウムMg(C6H7)2 を用いても良い。
又、上記実施例では、n層を高キャリア濃度n+ 層3と
低キャリア濃度n層4の二重層構造としたが、単層のn
層で構成しても良い。
【0023】二重層構造にすると、単層n層の場合に比
べて発光輝度が向上した。又、二重層構造の場合には、
上記低キャリア濃度n層4のキャリア濃度は1 ×1014
1×1017/cm3 で膜厚は 0.5〜 2μmが望ましい。キャ
リア濃度が 1×1017/cm3 以上となると発光強度が低下
するので望ましくなく、 1×1014/cm3 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 2μm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 0.5μm以下となると発光強度
が低下するので望ましくない。
【0024】更に、高キャリア濃度n+ 層3のキャリア
(電子)濃度は 1×1017〜 1×1019/cm3 で膜厚は 2〜
10μmが望ましい。キャリア(電子)濃度が 1×1019
cm3以上となると結晶性が悪化するので望ましくなく、
一方、キャリア(電子)濃度が 1×1017/cm3 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10μm以上となる
と基板が湾曲するので望ましくなく、膜厚が 2μm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。
【0025】第2実施例 図8において、発光ダイオード10は、サファイア基板
1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAlN
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、膜厚約2.2 μmのGaN から成る高キャリ
ア濃度n+ 層3と膜厚約 1.5μmのGaN から成る低キャ
リア濃度n層4が形成されており、更に、低キャリア濃
度n層4の上に膜厚約400 ÅのGaN から成るi層6が形
成されており、そのi層6の上に膜厚約 0.2μmのGaN
から成るi層50が形成されている。又、そのi層50
の所定領域にはp型を示すp層5が形成されている。
【0026】i層50の上面からは、i層50とi層6
と低キャリア濃度n層4とを貫通して高キャリア濃度n
+ 層3に至る孔15が形成されている。その孔15を通
って高キャリア濃度n+ 層3に接合されたアルミニウム
で形成された電極52がi層50上に形成されている。
又、p層5の上面には、p層5に対するアルミニウムで
形成された電極51が形成されている。高キャリア濃度
+ 層3に対する電極52は、p層5に対してi層50
により絶縁分離されている。
【0027】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。製造工程を示す図9から図1
5は、ウエハにおける1素子のみに関する断面図であ
り、実際には図に示す素子が繰り返し形成されたウエハ
に関して次の製造処理が行われる。そして、最後に、ウ
エハが切断されて各発光素子が形成される。
【0028】第1実施例と同様にして、図9に示すウエ
ハを製造する。次に、図10に示すように、i層50の
上に、スパッタリングによりSiO2層11を2000Åの厚さ
に形成した。次に、そのSiO2層11上にフォトレジスト
12を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、i
層50においてn+ 層3に至るように形成される孔15
に対応する電極形成部位Aのフォトレジストを除去し
た。
【0029】次に、図11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SiO2層11をフッ化水素
酸系エッチング液で除去した。次に、図12に示すよう
に、フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われ
ていない部位のi層50とその下のi層6と低キャリア
濃度n層4と高キャリア濃度n+ 層3の上面の一部を、
真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10
ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでド
ライエッチングした。この工程で、高キャリア濃度n+
層3に対する電極取出しのための孔15が形成された。
次に、図13に示すように、i層50上に残っているSi
O2層11をフッ化水素酸で除去した。
【0030】次に、図14に示すように、i層50の所
定領域にのみ、反射電子線回析装置を用いて電子線を照
射して、p型半導体のp型部5が形成された。電子線の
照射条件は、加速電圧10KV、試料電流 1μA 、ビームの
移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μmφ、真空度2.1 ×
10-5Torrである。この電子線の照射により、i層50の
抵抗率は108 Ωcm以上の絶縁体から抵抗率35Ωcmのp型
半導体となった。この時、p型部5以外の部分、即ち、
電子線の照射されなかった部分は、絶縁体のi層50の
ままである。従って、p型部5は、縦方向に対しては、
薄いi層6を介在させて低キャリア濃度n層4とpn接
合を形成するが、横方向には、p型部5は、周囲に対し
て、i層50により電気的に絶縁分離される。
【0031】次に、図15に示すように、p型部5とi
層50の上面と孔15を通って高キャリア濃度n+ 層3
とに、Al層20が蒸着により形成された。そして、その
Al層20の上にフォトレジスト21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21が高キャリ
ア濃度n+ 層3及びp型部5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、そのフォトレ
ジスト21をマスクとして下層のAl層20の露出部を硝
酸系エッチング液でエッチングし、フォトレジスト21
をアセトンで除去した。このようにして、図8に示すよ
うに、高キャリア濃度n+ 層3の電極52、p型部5の
電極51を形成した。その後、上述のように形成された
ウエハが各素子毎に切断された。
【0032】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、第1実施例と同様
に、10 mcdであった。又、発光波長は、460 〜470 nmで
あり、単なるpn接合のGaN の発光ダイオードに比べ
て、20〜50nm長波長側にスペクトルを推移させることが
でき、青色の発光を得ることができた。
【0033】第3実施例 図1に示す構造の第1実施例の発光ダイオードにおい
て、高キャリア濃度n+層3、低キャリア濃度n層4、
i層6、p層5を、それぞれ、Al0.2Ga0.5In0.3Nとし
た。高キャリア濃度n+ 層3は、シリコンを添加して電
子濃度2 ×1018/cm3に形成し、低キャリア濃度n層4は
不純物無添加で電子濃度1 ×1016/cm3に形成した。i層
6はZn濃度 3×1020/cm3で厚さ 400Åに形成し、p層5
はマグネシウム(Mg)を添加して電子線を照射して正孔濃
度 2×1017/cm3に形成した。そして、p層5と高キャリ
ア濃度n+ 層3に接続するアルミニウムで形成された電
極7,8とを形成した。
【0034】次に、この構造の発光ダイオード10も第
1実施例の発光ダイオードと同様に製造することができ
る。トリメチルインジウム(In(CH3)3)がTMG 、TMA 、シ
ラン、CP2Mg ガスに加えて使用された。生成温度、ガス
流量は第1実施例と同じである。トリメチルインジウム
を 1.7×10-4モル/分で供給することを除いて他のガス
の流量は第1実施例と同一である。
【0035】次に、第1実施例と同様に、反射電子線回
析装置を用いて、上記のp層5に一様に電子線を照射し
てp伝導型半導体を得ることができた。
【0036】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、第1実施例と同様
に、10 mcdであった。又、発光波長は、460 〜480 nmで
あり、単なるpn接合のGaN の発光ダイオードに比べ
て、20〜60nm長波長側にスペクトルを推移させることが
でき、青色の発光を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的な第1実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
【図2】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図3】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図4】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図5】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図6】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図7】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図8】本発明の具体的な第2実施例に係る発光ダイオ
ードの構成を示した構成図。
【図9】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
【図10】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【図11】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【図12】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【図13】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【図14】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【図15】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示し
た断面図。
【符号の説明】
10…発光ダイオード 1…サファイア基板 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…p層 6…i層 50…i層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小滝 正宏 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 佐々 道成 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心1丁目1番38− 805 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区神丘町二丁目21 虹 ケ丘東団地19号棟103号室

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型の窒素−3属元素化合物半導体(Alx
    GaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなるn層と、
    p型の窒素−3属元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=
    0,Y=0,X=Y=0を含む) からなるp層とを有する窒素−3
    属元素化合物半導体発光素子において、 前記n層と前記p層との間にZnを添加した窒素−3属元
    素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含
    む) からなる半絶縁性のi層を設けたことを特徴とする
    発光素子。
  2. 【請求項2】 前記半絶縁層の厚さは20〜3000Åである
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
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