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Info
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Abstract
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
素化合物半導体発光素子に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
H2 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。
H2 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。
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。
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。
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。
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。
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
n+ 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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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
n+ 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ードの構成を示した構成図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
断面図。
ードの構成を示した構成図。
断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
た断面図。
Claims (2)
- 【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。 - 【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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