JPH06177423A - 青色発光素子 - Google Patents
青色発光素子Info
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- JPH06177423A JPH06177423A JP11454193A JP11454193A JPH06177423A JP H06177423 A JPH06177423 A JP H06177423A JP 11454193 A JP11454193 A JP 11454193A JP 11454193 A JP11454193 A JP 11454193A JP H06177423 A JPH06177423 A JP H06177423A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 窒化ガリウム系化合物半導体を利用した青色
発光素子を高発光出力とできる構造を提供する。 【構成】 ｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ（０≦a＜１）層３と、
ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜０．５の範囲で
ある。）層４と、ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ（０≦b＜１）層
５とが順に積層された窒化ガリウム系化合物半導体を具
備するダブルへテロ構造の青色発光素子。
発光素子を高発光出力とできる構造を提供する。 【構成】 ｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ（０≦a＜１）層３と、
ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜０．５の範囲で
ある。）層４と、ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ（０≦b＜１）層
５とが順に積層された窒化ガリウム系化合物半導体を具
備するダブルへテロ構造の青色発光素子。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は青色発光ダイオード、青
色レーザーダイオード等に使用される青色発光素子に係
り、特に窒化ガリウム系化合物半導体を使用した青色発
光素子の構造に関する。
色レーザーダイオード等に使用される青色発光素子に係
り、特に窒化ガリウム系化合物半導体を使用した青色発
光素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色ダイオード、青色レーザーダイオー
ド等の発光デバイスに使用される実用的な半導体材料と
して窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌ
Ｎ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目されてい
る。
ド等の発光デバイスに使用される実用的な半導体材料と
して窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌ
Ｎ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目されてい
る。
【０００３】従来提案されている窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた発光素子として、図３に示す構造のもの
がよく知られている。これは、まず基板１上に、ＡｌＮ
よりなるバッファ層２’、その上にｎ型ＧａＮ層３、そ
の上にｐ型ＧａＮ層５とが順に積層された構造を有して
いる。基板１には通常サファイアが用いられている。バ
ッファ層２’は、特開昭６３−１８８９８３号公報に記
載されているように、ＡｌＮを介することにより、その
上に積層する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を良
くする作用がある。ｎ型ＧａＮ層には通常、Ｓｉまたは
Ｇｅがドープされている。ｐ型ＧａＮ層には通常、Ｍｇ
またはＺｎがドープされているが、結晶性が悪いためｐ
型とはならず高抵抗なｉ型となっている。また、ｉ型を
低抵抗なｐ型に変換する手段として、特開平２−４２７
７０号公報において、表面に電子線照射を行う技術が開
示されている。
半導体を用いた発光素子として、図３に示す構造のもの
がよく知られている。これは、まず基板１上に、ＡｌＮ
よりなるバッファ層２’、その上にｎ型ＧａＮ層３、そ
の上にｐ型ＧａＮ層５とが順に積層された構造を有して
いる。基板１には通常サファイアが用いられている。バ
ッファ層２’は、特開昭６３−１８８９８３号公報に記
載されているように、ＡｌＮを介することにより、その
上に積層する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を良
くする作用がある。ｎ型ＧａＮ層には通常、Ｓｉまたは
Ｇｅがドープされている。ｐ型ＧａＮ層には通常、Ｍｇ
またはＺｎがドープされているが、結晶性が悪いためｐ
型とはならず高抵抗なｉ型となっている。また、ｉ型を
低抵抗なｐ型に変換する手段として、特開平２−４２７
７０号公報において、表面に電子線照射を行う技術が開
示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、このようなホ
モ接合の発光素子は発光出力が低いため、実用的ではな
い。発光出力を増大させ、実用的な発光素子とするため
には、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子
を、好ましくはシングルヘテロ、さらに好ましくはダブ
ルヘテロ構造とする必要がある。しかしながら、窒化ガ
リウム系化合物半導体においては、未だｐ型層を用いた
ダブルヘテロ構造の実用的な発光素子は報告されていな
い。
モ接合の発光素子は発光出力が低いため、実用的ではな
い。発光出力を増大させ、実用的な発光素子とするため
には、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子
を、好ましくはシングルヘテロ、さらに好ましくはダブ
ルヘテロ構造とする必要がある。しかしながら、窒化ガ
リウム系化合物半導体においては、未だｐ型層を用いた
ダブルヘテロ構造の実用的な発光素子は報告されていな
い。
【０００５】従って本発明はこのような事情を鑑みてな
されたものであり、窒化ガリウム系化合物半導体を利用
した青色発光素子を高発光出力とできる新規な構造を提
供するものである。
されたものであり、窒化ガリウム系化合物半導体を利用
した青色発光素子を高発光出力とできる新規な構造を提
供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】我々は、従来のホモ接合
ＧａＮではなく、新たにＩｎＧａＮ層を発光層とするこ
とによりダブルヘテロ構造の青色発光素子の開発に成功
した。即ち、本発明の青色発光素子は、ｎ型Ｇａ1-aＡ
ｌaＮ（０≦a＜１）層と、ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ（但し、
Xは０＜X＜０．５の範囲である。）層と、ｐ型Ｇａ1-b
ＡｌbＮ（０≦b＜１）層とが順に積層された窒化ガリウ
ム系化合物半導体を具備することを特徴とする。また、
前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層は、X値の異なる多層膜であ
ってもよい。
ＧａＮではなく、新たにＩｎＧａＮ層を発光層とするこ
とによりダブルヘテロ構造の青色発光素子の開発に成功
した。即ち、本発明の青色発光素子は、ｎ型Ｇａ1-aＡ
ｌaＮ（０≦a＜１）層と、ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ（但し、
Xは０＜X＜０．５の範囲である。）層と、ｐ型Ｇａ1-b
ＡｌbＮ（０≦b＜１）層とが順に積層された窒化ガリウ
ム系化合物半導体を具備することを特徴とする。また、
前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層は、X値の異なる多層膜であ
ってもよい。
【０００７】図１に本発明の青色発光素子の一構造を示
す。１は基板、２はＧａＮよりなるバッファ層、３はｎ
型ＧａＮ層、４はｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層、５はｐ型Ｇａ
Ｎ層であり、これらが順に積層されたダブルヘテロ構造
となっている。この構造の青色発光素子において、発光
層はｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層４であり、ｎ型ＧａＮ層３と
ｐ型ＧａＮ層５はクラッド層である。
す。１は基板、２はＧａＮよりなるバッファ層、３はｎ
型ＧａＮ層、４はｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層、５はｐ型Ｇａ
Ｎ層であり、これらが順に積層されたダブルヘテロ構造
となっている。この構造の青色発光素子において、発光
層はｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層４であり、ｎ型ＧａＮ層３と
ｐ型ＧａＮ層５はクラッド層である。
【０００８】基板１はサファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の
材料が使用できるが、通常はサファイアが用いられる。
バッファ層２はＧａYＡｌ1-YＮ（０≦Y≦１）で形成す
ることができ、通常０．００２μｍ〜０．５μｍの厚さ
で形成する。好ましくはＧａＮで形成する方が、ＡｌＮ
よりも結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を積層
することができる。このＧａＮバッファ層の効果につい
ては我々が先に出願した特願平３−８９８４０号におい
て述べており、サファイア基板の場合、従来のＡｌＮバ
ッファ層よりもＧａＮよりなるバッファ層の方が結晶性
に優れた窒化ガリウム系化合物半導体が得られ、さらに
好ましくは成長させようとする窒化ガリウム系化合物半
導体と同一組成を有するバッファ層を、まずサファイア
基板上に低温で成長させることにより、バッファ層の上
の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させるこ
とができる。
材料が使用できるが、通常はサファイアが用いられる。
バッファ層２はＧａYＡｌ1-YＮ（０≦Y≦１）で形成す
ることができ、通常０．００２μｍ〜０．５μｍの厚さ
で形成する。好ましくはＧａＮで形成する方が、ＡｌＮ
よりも結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を積層
することができる。このＧａＮバッファ層の効果につい
ては我々が先に出願した特願平３−８９８４０号におい
て述べており、サファイア基板の場合、従来のＡｌＮバ
ッファ層よりもＧａＮよりなるバッファ層の方が結晶性
に優れた窒化ガリウム系化合物半導体が得られ、さらに
好ましくは成長させようとする窒化ガリウム系化合物半
導体と同一組成を有するバッファ層を、まずサファイア
基板上に低温で成長させることにより、バッファ層の上
の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させるこ
とができる。
【０００９】ｎ型ＧａＮ層３はＧａＮの他にそのＧａの
一部をＡｌで置換したＧａＡｌＮを使用することができ
る（即ちＧａ1-aＡｌaＮ、０≦a＜１）。またこれらの
窒化ガリウム系化合物半導体はノンドープでもｎ型とな
る性質があるが、例えばＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をド
ープして好ましいｎ型としてもよい。
一部をＡｌで置換したＧａＡｌＮを使用することができ
る（即ちＧａ1-aＡｌaＮ、０≦a＜１）。またこれらの
窒化ガリウム系化合物半導体はノンドープでもｎ型とな
る性質があるが、例えばＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をド
ープして好ましいｎ型としてもよい。
【００１０】ｐ型ＧａＮ層５もＧａＮの他にそのＧａの
一部をＡｌで置換したＧａＡｌＮを使用することができ
る（即ちＧａ1-bＡｌbＮ、０≦b＜１）。このｐ型Ｇａ
Ｎ層５は本発明の素子の構造においてはクラッド層とし
て作用するものであり、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をド
ープしながらＧａ1-bＡｌbＮ層を成長させた後、例えば
我々が先に出願した特願平３−３５７０４６号に記載し
たように、４００℃以上好ましくは６００℃以上の温度
でアニーリングを行うことにより低抵抗なｐ型とするこ
とができる。その膜厚は、０．０５μｍ〜１．５μｍの
厚さで形成することが好ましい。０．０５μｍよりも薄
いとクラッド層として作用しにくく、また１．５μｍよ
りも厚いと前記方法でｐ型化しにくい傾向にある。
一部をＡｌで置換したＧａＡｌＮを使用することができ
る（即ちＧａ1-bＡｌbＮ、０≦b＜１）。このｐ型Ｇａ
Ｎ層５は本発明の素子の構造においてはクラッド層とし
て作用するものであり、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をド
ープしながらＧａ1-bＡｌbＮ層を成長させた後、例えば
我々が先に出願した特願平３−３５７０４６号に記載し
たように、４００℃以上好ましくは６００℃以上の温度
でアニーリングを行うことにより低抵抗なｐ型とするこ
とができる。その膜厚は、０．０５μｍ〜１．５μｍの
厚さで形成することが好ましい。０．０５μｍよりも薄
いとクラッド層として作用しにくく、また１．５μｍよ
りも厚いと前記方法でｐ型化しにくい傾向にある。
【００１１】ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層４は、例えば、有機
金属気相成長法により、Ｇａ、Ｉｎ等の原料ガスのガス
のキャリアガスとして窒素を用い、原料ガス中のガリウ
ムに対するインジウムのモル比を１より多くして、さら
に成長温度を６００℃より高い温度として、ｎ型不純物
としてＳｉ、またはＧｅをドープすることにより成長さ
せることができる。ＳｉまたはＧｅはＩｎXＧａ1-XＮ中
に１０16／cm3〜１０2 2／cm3、好ましくは１０18〜１０
20／cm3の量でドープすることにより発光出力が増大す
る。
金属気相成長法により、Ｇａ、Ｉｎ等の原料ガスのガス
のキャリアガスとして窒素を用い、原料ガス中のガリウ
ムに対するインジウムのモル比を１より多くして、さら
に成長温度を６００℃より高い温度として、ｎ型不純物
としてＳｉ、またはＧｅをドープすることにより成長さ
せることができる。ＳｉまたはＧｅはＩｎXＧａ1-XＮ中
に１０16／cm3〜１０2 2／cm3、好ましくは１０18〜１０
20／cm3の量でドープすることにより発光出力が増大す
る。
【００１２】さらに、前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層４のＩ
ｎ混晶比、即ちX値は０＜X＜０．５の範囲、好ましくは
０．０１＜X＜０．５の範囲に調整する必要がある。０
より多くすることにより、ＩｎXＧａ1-XＮ層４が発光層
として作用し、０．５以上になるとその発光色が黄色と
なるため、青色発光素子として使用し得るものではな
い。
ｎ混晶比、即ちX値は０＜X＜０．５の範囲、好ましくは
０．０１＜X＜０．５の範囲に調整する必要がある。０
より多くすることにより、ＩｎXＧａ1-XＮ層４が発光層
として作用し、０．５以上になるとその発光色が黄色と
なるため、青色発光素子として使用し得るものではな
い。
【００１３】また、図２に示すように、X値が０＜X＜
０．５の範囲で、ＩｎXＧａ1-XＮ層４をX値の異なる多
層膜としてもよい。多層膜とすることにより、このＩｎ
XＧａ1- XＮ層４が単一量子井戸構造、および多重量子井
戸構造となるため、発光出力が格段に向上し、さらにレ
ーザーダイオードにした場合では、しきい値電流を低下
させることができる。
０．５の範囲で、ＩｎXＧａ1-XＮ層４をX値の異なる多
層膜としてもよい。多層膜とすることにより、このＩｎ
XＧａ1- XＮ層４が単一量子井戸構造、および多重量子井
戸構造となるため、発光出力が格段に向上し、さらにレ
ーザーダイオードにした場合では、しきい値電流を低下
させることができる。
【００１４】ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層４は１０オングスト
ローム〜０．５μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍ〜
０．１μｍの厚さで形成することが望ましい。また、多
層膜とした場合においても、その総膜厚を前記範囲内に
調整する方がよい。なぜなら、１０オングストロームよ
り薄いか、または０．５μｍよりも厚いと十分な発光出
力が得られないからである。これは、窒化ガリウム系化
合物半導体にしか見られない傾向である。図４は、図１
に示す構造の発光素子の発光層であるＩｎＧａＮ層４の
混晶比をＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎとした場合、そのＩｎ0.1Ｇ
ａ0.9Ｎ層の膜厚と、発光素子の相対発光強度との関係
を示す図である。このように、本発明の青色発光素子に
おいて発光層の膜厚を変化させることにより、発光強度
が変化する。特にその膜厚が０．５μｍを超えると急激
に低下する傾向にある。従って、発光層の膜厚は９０％
以上の相対発光強度を有する１０オングストローム〜
０．５μｍの範囲が好ましい。なお、ｎ型ＩｎＧａＮ層
４を多層膜とした場合においても、同様の結果が得られ
た。
ローム〜０．５μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍ〜
０．１μｍの厚さで形成することが望ましい。また、多
層膜とした場合においても、その総膜厚を前記範囲内に
調整する方がよい。なぜなら、１０オングストロームよ
り薄いか、または０．５μｍよりも厚いと十分な発光出
力が得られないからである。これは、窒化ガリウム系化
合物半導体にしか見られない傾向である。図４は、図１
に示す構造の発光素子の発光層であるＩｎＧａＮ層４の
混晶比をＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎとした場合、そのＩｎ0.1Ｇ
ａ0.9Ｎ層の膜厚と、発光素子の相対発光強度との関係
を示す図である。このように、本発明の青色発光素子に
おいて発光層の膜厚を変化させることにより、発光強度
が変化する。特にその膜厚が０．５μｍを超えると急激
に低下する傾向にある。従って、発光層の膜厚は９０％
以上の相対発光強度を有する１０オングストローム〜
０．５μｍの範囲が好ましい。なお、ｎ型ＩｎＧａＮ層
４を多層膜とした場合においても、同様の結果が得られ
た。
【００１５】
【作用】本発明の青色発光素子では、ｎ型ＩｎXＧａ1-X
Ｎ層を発光層としたダブルヘテロ構造としているため、
従来のホモ接合ＧａＮに比して、発光出力が格段に向上
する。しかも、従来のホモ接合ＧａＮではｐ型ＧａＮ層
が発光層であったが、本発明ではｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ層
と、ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ層とがクラッド層、Ｉｎ XＧａ
1-XＮ層が発光層として作用し、そのX値を０＜X＜０．
５の範囲とすることにより、色純度が良く発光出力の高
い青色発光素子とすることができる。
Ｎ層を発光層としたダブルヘテロ構造としているため、
従来のホモ接合ＧａＮに比して、発光出力が格段に向上
する。しかも、従来のホモ接合ＧａＮではｐ型ＧａＮ層
が発光層であったが、本発明ではｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ層
と、ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ層とがクラッド層、Ｉｎ XＧａ
1-XＮ層が発光層として作用し、そのX値を０＜X＜０．
５の範囲とすることにより、色純度が良く発光出力の高
い青色発光素子とすることができる。
【００１６】
【実施例】以下有機金属気相成長法により、本発明の青
色発光素子を製造する方法を述べる。
色発光素子を製造する方法を述べる。
【００１７】［実施例１］まず、よく洗浄したサファイ
ア基板を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十
分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５
０℃まで上昇させ、２０分間保持しサファイア基板のク
リーニングを行う。
ア基板を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十
分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５
０℃まで上昇させ、２０分間保持しサファイア基板のク
リーニングを行う。
【００１８】続いて、温度を５１０℃まで下げ、反応ガ
スとしてアンモニア（ＮＨ3）４リットル／分と、ＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）を２７×１０ー6モル／分、キ
ャリアガスとして水素を２リットル／分で、基板表面に
流しながら、１分間保持して、サファイア基板上にＧａ
Ｎバッファー層を約２００オングストロームの膜厚で成
長させる。
スとしてアンモニア（ＮＨ3）４リットル／分と、ＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）を２７×１０ー6モル／分、キ
ャリアガスとして水素を２リットル／分で、基板表面に
流しながら、１分間保持して、サファイア基板上にＧａ
Ｎバッファー層を約２００オングストロームの膜厚で成
長させる。
【００１９】バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温
度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく水素をキャリアガスとして、ＴＭＧを５４×
１０ー6モル／分と、シランガスを２×１０-9モル／分、
アンモニアを４リットル／分で流して３０分間成長さ
せ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を２μｍ成長させる。
度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく水素をキャリアガスとして、ＴＭＧを５４×
１０ー6モル／分と、シランガスを２×１０-9モル／分、
アンモニアを４リットル／分で流して３０分間成長さ
せ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を２μｍ成長させる。
【００２０】ｎ型ＧａＮ層成長後、原料ガスを止め、温
度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、
窒素を２リットル／分、原料ガスとしてＴＭＧを２×１
０-6モル／分と、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を１
×１０-5モル／分、シランガスを２×１０-9モル／分、
アンモニアを４リットル／分で１０分間流しながら、Ｓ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングスト
ローム成長させる。
度を８００℃にして、キャリアガスを窒素に切り替え、
窒素を２リットル／分、原料ガスとしてＴＭＧを２×１
０-6モル／分と、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を１
×１０-5モル／分、シランガスを２×１０-9モル／分、
アンモニアを４リットル／分で１０分間流しながら、Ｓ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングスト
ローム成長させる。
【００２１】Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層成長
後、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇さ
せ、ＴＭＧを５４×１０-6モル／分、Ｃｐ2Ｍｇ（シク
ロペンタジエニルマグネシウム）を３．６×１０-6モル
／分、アンモニアを４リットル／分で流しながら、ｐ型
ＧａＮ層を０．８μｍ成長させる。
後、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇さ
せ、ＴＭＧを５４×１０-6モル／分、Ｃｐ2Ｍｇ（シク
ロペンタジエニルマグネシウム）を３．６×１０-6モル
／分、アンモニアを４リットル／分で流しながら、ｐ型
ＧａＮ層を０．８μｍ成長させる。
【００２２】ｐ型ＧａＮ層成長後、基板を反応容器から
取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７００
℃で２０分間アニーリングを行い、最上層のｐ型ＧａＮ
層をさらに低抵抗化する。
取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７００
℃で２０分間アニーリングを行い、最上層のｐ型ＧａＮ
層をさらに低抵抗化する。
【００２３】以上のようにして得られたウエハーのｐ型
ＧａＮ層、およびｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎの一部をエッ
チングにより取り除き、ｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐ型
ＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層にオーミック電極を設
け、５００μｍ角のチップにカットした後、常法に従
い、発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡ
において１２０μＷであり、ピーク波長は４００ｎｍで
あった。
ＧａＮ層、およびｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎの一部をエッ
チングにより取り除き、ｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐ型
ＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層にオーミック電極を設
け、５００μｍ角のチップにカットした後、常法に従
い、発光ダイオードとしたところ、発光出力は２０ｍＡ
において１２０μＷであり、ピーク波長は４００ｎｍで
あった。
【００２４】［実施例２］実施例１において、Ｓｉドー
プｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を成長させた後、続いてＴ
ＭＩの流量を２×１０-5モル／分に変えて、その上にＳ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を５０オングストロ
ーム成長させた。さらに、ｎ型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層成
長後、ＴＭＩの流量を１×１０-5モル／分に変えて、Ｓ
ｉドープＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングストロー
ム成長させた。後は、実施例１と同様にして発光ダイオ
ードとした。つまり、実施例１のＳｉドープｎ型ＩｎX
Ｇａ1 -XＮ層を、基板側から順に、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ
層２００オングストローム、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層５０
オングストローム、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層２００オング
ストロームの多層膜構造とした。この発光ダイオードの
発光出力は２０ｍＡにおいて２４０μＷであり、ピーク
波長は４２０ｎｍであった。
プｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を成長させた後、続いてＴ
ＭＩの流量を２×１０-5モル／分に変えて、その上にＳ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を５０オングストロ
ーム成長させた。さらに、ｎ型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層成
長後、ＴＭＩの流量を１×１０-5モル／分に変えて、Ｓ
ｉドープＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングストロー
ム成長させた。後は、実施例１と同様にして発光ダイオ
ードとした。つまり、実施例１のＳｉドープｎ型ＩｎX
Ｇａ1 -XＮ層を、基板側から順に、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ
層２００オングストローム、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層５０
オングストローム、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層２００オング
ストロームの多層膜構造とした。この発光ダイオードの
発光出力は２０ｍＡにおいて２４０μＷであり、ピーク
波長は４２０ｎｍであった。
【００２５】［比較例］Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層を成長さ
せない他は実施例１と同様にして、ホモ接合ＧａＮ発光
ダイオードを得た。この発光ダイオードの発光出力は、
２０ｍＡで５０μＷであり、ピーク波長は４３０ｎｍで
あった。
せない他は実施例１と同様にして、ホモ接合ＧａＮ発光
ダイオードを得た。この発光ダイオードの発光出力は、
２０ｍＡで５０μＷであり、ピーク波長は４３０ｎｍで
あった。
【００２６】［実施例３］実施例１のバッファ層を成長
させる工程において、ＴＭＧの代わりにＴＭＡガスを同
量で流し、６００℃の温度で、サファイア基板上に、Ａ
ｌＮよりなるバッファ層を５００オングストロームの膜
厚で成長させる他は、実施例１と同様にして発光ダイオ
ードを得た。この発光ダイオードの出力は２０ｍＡで８
０μＷあり、従来のホモ接合発光ダイオードの出力に比
して約１．６倍であった。
させる工程において、ＴＭＧの代わりにＴＭＡガスを同
量で流し、６００℃の温度で、サファイア基板上に、Ａ
ｌＮよりなるバッファ層を５００オングストロームの膜
厚で成長させる他は、実施例１と同様にして発光ダイオ
ードを得た。この発光ダイオードの出力は２０ｍＡで８
０μＷあり、従来のホモ接合発光ダイオードの出力に比
して約１．６倍であった。
【００２７】［実施例４］実施例２において、バッファ
層を実施例３のごとくＡｌＮとする他は実施例２と同様
にしてＩｎＧａＮの多層膜を有する発光ダイオードとし
た。この発光ダイオードも発光出力は２０ｍＡにおいて
２００μＷであり、ピーク波長４２０ｎｍであった。
層を実施例３のごとくＡｌＮとする他は実施例２と同様
にしてＩｎＧａＮの多層膜を有する発光ダイオードとし
た。この発光ダイオードも発光出力は２０ｍＡにおいて
２００μＷであり、ピーク波長４２０ｎｍであった。
【００２８】［実施例５］実施例１において、バッファ
層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０３０℃まで上
昇させる。１０３０℃になったら、同じく水素をキャリ
アガスとして、ＴＭＧを５４×１０ー6モル／分と、ＴＭ
Ａを６×１０-6モル／分と、シランガスを２×１０-9モ
ル／分、アンモニアを４リットル／分で流して３０分間
成長させ、Ｓｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を２μｍ
成長させる。
層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０３０℃まで上
昇させる。１０３０℃になったら、同じく水素をキャリ
アガスとして、ＴＭＧを５４×１０ー6モル／分と、ＴＭ
Ａを６×１０-6モル／分と、シランガスを２×１０-9モ
ル／分、アンモニアを４リットル／分で流して３０分間
成長させ、Ｓｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を２μｍ
成長させる。
【００２９】次にこのＳｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ
層の上に、実施例１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.
14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングストローム成長させた
後、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇さ
せ、ＴＭＧを５４×１０-6モル／分と、ＴＭＡを６×１
０-6モル／分と、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を３．６×１０-6モル／分、アンモニアを
４リットル／分で流しながら、ｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層
を０．８μｍ成長させる。
層の上に、実施例１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.
14Ｇａ0.86Ｎ層を２００オングストローム成長させた
後、原料ガスを止め、再び温度を１０２０℃まで上昇さ
せ、ＴＭＧを５４×１０-6モル／分と、ＴＭＡを６×１
０-6モル／分と、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を３．６×１０-6モル／分、アンモニアを
４リットル／分で流しながら、ｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層
を０．８μｍ成長させる。
【００３０】以上のようにして、基板の上に、ＧａＮバ
ッファ層と、Ｓｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層と、Ｓ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層と、Ｍｇドープｐ型
Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とを順に積層したウエハーを実施例
１と同様にしてアニーリングした後、発光ダイオードと
したところ、発光出力は２０ｍＡにおいて１２０μＷで
あり、ピーク波長は４００ｎｍと実施例１と同一であっ
た。
ッファ層と、Ｓｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層と、Ｓ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層と、Ｍｇドープｐ型
Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とを順に積層したウエハーを実施例
１と同様にしてアニーリングした後、発光ダイオードと
したところ、発光出力は２０ｍＡにおいて１２０μＷで
あり、ピーク波長は４００ｎｍと実施例１と同一であっ
た。
【００３１】［実施例６］実施例１のバッファ層を成長
する際、５１０℃において、反応ガスとしてアンモニア
（ＮＨ3）４リットル／分と、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）を２７×１０ー6モル／分と、ＴＭＡを３×１０-6
モル／分とを流し、サファイア基板上にＧａ0.9Ａｌ0.1
Ｎバッファー層を約２００オングストロームの膜厚で成
長させる。
する際、５１０℃において、反応ガスとしてアンモニア
（ＮＨ3）４リットル／分と、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）を２７×１０ー6モル／分と、ＴＭＡを３×１０-6
モル／分とを流し、サファイア基板上にＧａ0.9Ａｌ0.1
Ｎバッファー層を約２００オングストロームの膜厚で成
長させる。
【００３２】次にそのバッファ層の上に実施例５と同様
にしてバッファ層と同一組成を有するＳｉドープｎ型Ｇ
ａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を２μｍ成長させる。
にしてバッファ層と同一組成を有するＳｉドープｎ型Ｇ
ａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を２μｍ成長させる。
【００３３】次にＳｉドープｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層の
上に、実施例２と同様にして、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.14
Ｇａ0.86Ｎ層２００オングストロームと、Ｓｉドープｎ
型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層５０オングストロームと、Ｓｉ
ドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層２００オングストロー
ムを順に積層し多層膜とする。
上に、実施例２と同様にして、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.14
Ｇａ0.86Ｎ層２００オングストロームと、Ｓｉドープｎ
型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層５０オングストロームと、Ｓｉ
ドープｎ型Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ層２００オングストロー
ムを順に積層し多層膜とする。
【００３４】さらにその多層膜の上に実施例５と同様に
してｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を１μｍの膜厚で成長させ
る他は、同様にして発光ダイオードとしたところ、この
発光ダイオードの発光出力は２０ｍＡにおいて２１０μ
Ｗ、ピーク波長は４２０ｎｍであった。
してｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を１μｍの膜厚で成長させ
る他は、同様にして発光ダイオードとしたところ、この
発光ダイオードの発光出力は２０ｍＡにおいて２１０μ
Ｗ、ピーク波長は４２０ｎｍであった。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の青色発光
素子は、その構造を窒化ガリウム系化合物半導体を利用
したダブルへテロ構造としているため、発光効率が高い
青色発光デバイスを得ることができる。また、従来のホ
モ接合の発光素子は、ｐ型ＧａＮ層のＺｎ、Ｍｇ等によ
って作られる深い発光センターを介して発光するため、
発光ピークの半値幅がおよそ６０ｎｍぐらいあり、非常
に広い。一方、本発明のダブルへテロ構造の発光素子
は、ｎ型ＩｎＧａＮ層のバンド間発光を利用するので半
値幅が非常に狭く、およそ２５ｎｍであり、ホモ接合の
発光素子の半分以下である。このため非常に色純度がよ
い。さらに、本発明の青色発光素子は発光層であるＩｎ
XＧａ1-XＮのＩｎのモル比によって発光色を変えること
ができるため、ｐ型ＧａＮ層の不純物に左右されること
がない。そのため信頼性にも優れた青色発光デバイスが
得られる。また本発明の青色発光素子は青色レーザーダ
イオードにも適用できるため、その産業上の利用価値は
非常に大きい。
素子は、その構造を窒化ガリウム系化合物半導体を利用
したダブルへテロ構造としているため、発光効率が高い
青色発光デバイスを得ることができる。また、従来のホ
モ接合の発光素子は、ｐ型ＧａＮ層のＺｎ、Ｍｇ等によ
って作られる深い発光センターを介して発光するため、
発光ピークの半値幅がおよそ６０ｎｍぐらいあり、非常
に広い。一方、本発明のダブルへテロ構造の発光素子
は、ｎ型ＩｎＧａＮ層のバンド間発光を利用するので半
値幅が非常に狭く、およそ２５ｎｍであり、ホモ接合の
発光素子の半分以下である。このため非常に色純度がよ
い。さらに、本発明の青色発光素子は発光層であるＩｎ
XＧａ1-XＮのＩｎのモル比によって発光色を変えること
ができるため、ｐ型ＧａＮ層の不純物に左右されること
がない。そのため信頼性にも優れた青色発光デバイスが
得られる。また本発明の青色発光素子は青色レーザーダ
イオードにも適用できるため、その産業上の利用価値は
非常に大きい。
【図１】 本発明の青色発光素子の一構造を示す模式断
面図。
面図。
【図２】 本発明の青色発光素子の一構造を示す模式断
面図。
面図。
【図３】 従来の青色発光素子の構造を示す模式断面
図。
図。
【図４】 本発明の一実施例に係る青色発光素子のＩｎ
XＧａ1-XＮ層の膜厚と、発光素子の相対発光強度との関
係を示す図。
XＧａ1-XＮ層の膜厚と、発光素子の相対発光強度との関
係を示す図。
１・・・・・基板 ２・・・・・ＧａＮバ
ッファ層 ３・・・・・ｎ型ＧａＮ層 ４・・・・・ｎ型Ｉｎ
XＧａ1-XＮ層 ５・・・・・ｐ型ＧａＮ層
ッファ層 ３・・・・・ｎ型ＧａＮ層 ４・・・・・ｎ型Ｉｎ
XＧａ1-XＮ層 ５・・・・・ｐ型ＧａＮ層
Claims (5)
- 【請求項１】 ｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ（０≦a＜１）層
と、ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ（但し、Xは０＜X＜０．５の範
囲である。）層と、ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ（０≦b＜１）
層とが順に積層された窒化ガリウム系化合物半導体を具
備することを特徴とする青色発光素子。 - 【請求項２】 前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層は、X値の異
なる多層膜よりなることを特徴とする請求項１に記載の
青色発光素子。 - 【請求項３】 前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層の膜厚は１０
オングストローム〜０．５μｍの範囲であることを特徴
とする請求項１に記載の青色発光素子。 - 【請求項４】 前記ｎ型Ｇａ1-aＡｌaＮ層は、基板上に
成長されたＧａYＡｌ1-YＮ（０≦Y≦１）バッファ層の
上に成長されていることを特徴とする請求項１に記載の
青色発光素子。 - 【請求項５】 前記ｐ型Ｇａ1-bＡｌbＮ層の膜厚は０．
０５μｍ〜１．５μｍの範囲であることを特徴とする請
求項１に記載の青色発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5114541A JP2917742B2 (ja) | 1992-07-07 | 1993-05-17 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20437192 | 1992-07-07 | ||
| JP4-293843 | 1992-10-06 | ||
| JP4-204371 | 1992-10-06 | ||
| JP29384392 | 1992-10-06 | ||
| JP5114541A JP2917742B2 (ja) | 1992-07-07 | 1993-05-17 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06177423A true JPH06177423A (ja) | 1994-06-24 |
| JP2917742B2 JP2917742B2 (ja) | 1999-07-12 |
Family
ID=27312761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5114541A Expired - Fee Related JP2917742B2 (ja) | 1992-07-07 | 1993-05-17 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2917742B2 (ja) |
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| US9196800B2 (en) | 1996-06-26 | 2015-11-24 | Osram Gmbh | Light-radiating semiconductor component with a luminescence conversion element |
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- 1993-05-17 JP JP5114541A patent/JP2917742B2/ja not_active Expired - Fee Related
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