JPH06209120A - 青色発光素子 - Google Patents

青色発光素子

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JPH06209120A
JPH06209120A JP11454293A JP11454293A JPH06209120A JP H06209120 A JPH06209120 A JP H06209120A JP 11454293 A JP11454293 A JP 11454293A JP 11454293 A JP11454293 A JP 11454293A JP H06209120 A JPH06209120 A JP H06209120A
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修二 中村
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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し、さらにその発光波長を45
0nm〜490nmの青色領域とできる新規な構造を提
供する。 【構成】 n型Ga1-aAlaN(0≦a<1)層3と、
p型不純物がドープされたInXGa1-XN(0<X<
0.5)層4と、p型Ga1-bAlbN(bは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
具備する青色発光素子。

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。
【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。
【0003】従来提案されている窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた青色発光素子として、図2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、A
lNよりなるバッファ層2’と、その上にn型GaN層
3と、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。通常、基板1には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3はn型不
純物としてSiまたはGeがドープされてn型となって
いる。p型GaN層はp型不純物としてMgまたはZn
がドープされることが多いが、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2−42770
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】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。
【0005】さらに、窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた従来の青色発光素子の発光波長は430nm以下の
紫色領域にあり、450nm〜490nmの視感度の良
い青色発光を示す素子は未だ開発されていない。将来、
青色発光ダイオードによる平面型ディスプレイ、青色レ
ーザーダイオード等を実現するためには前記したように
視感度の良い青色発光デバイスが求められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】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、その目的とす
るところは、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し、さらにその発光波長を視
感度の良い450nm〜490nmの青色領域とできる
新規な構造を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】我々は、p型不純物をド
ープしたInGaN層を成長させ、さらにそのInGa
Nを発光層とすることによりダブルヘテロ構造の青色発
光素子を実現した。即ち、本発明の青色発光素子は、n
型Ga1-aAlaN(0≦a<1)層と、p型不純物がド
ープされたInXGa1-XN(0<X<0.5)層と、p
型Ga1-bAlbN(bは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
するものである。
【0008】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バッファ層、3はn型GaN
層、4はp型不純物がドープされたInXGa1-XN層、
5はp型GaN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InXGa1-XN層4であり、p型Ga
N層5はクラッド層となっている。
【0009】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。
【0010】n型GaN層3はそのGaの一部をAlで
置換したGaAlNを使用することもでき、本発明の範
囲内である(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。
【0011】p型GaN層5もそのGaの一部をAlで
置換したGaAlNを使用することができ、本発明の範
囲内である(即ちGa1-bAlbN、0≦b<1)。この
p型GaN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。また、このp型GaN層5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。
【0012】p型不純物をドープしたInXGa1-XN層
4は、例えば、有機金属気相成長法により、600℃よ
り高い成長温度で、Ga、In、N源のガス、およびp
型不純物源のガスのキャリアガスを窒素として、GaN
層またはGaAlN層の上に成長させることができる。
【0013】p型不純物としては、例えばCd、Zn、
Be、Mg、Ca、Sr、Baよりなる群のうちの少な
くとも一種を挙げることができ、有機金属気相成長法で
成長させる場合には、原料ガスとして、例えばジエチル
カドミウム(C252Cd、ジメチルカドミウム(C
32Cd、シクロペンタジエニルマグネシウムCp 2
Mg、ジエチルジンク等のp型不純物を含む有機金属化
合物ガスを使用することができる。その中でも特に原料
の有機金属化合物ガスソースを入手しやすく、また窒化
ガリウム系化合物半導体中にドープしやすい元素とし
て、好ましくCd、Zn、Mgが使用できる。
【0014】p型不純物濃度は1×1016/cm3
上、1×1022/cm3以下の範囲でドープすることが
好ましい。1×1016/cm3より少ないと、あまり青
色発光強度の増加が見られず、1×1022/cm3より
多いとInGaNの結晶性が悪くなる傾向にある。
【0015】さらに、InXGa1-XN層4のIn混晶
比、即ちX値は0<X<0.5の範囲、好ましくは0.0
1<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。
【0016】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。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傾向にある。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In0.1Ga
0.9N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。
【0017】
【作用】図3および図4は、それぞれ基板上に形成され
たGaN層の上にCdをドープしたIn0.14Ga0.86N
層を形成したウエハーと、同じくGaN層の上にノンド
ープのIn0.14Ga0.86N層を形成したウエハーとに、
それぞれ10mWのHe−Cdレーザーを照射して、そ
のフォトルミネッセンスのスペクトルを測定した図であ
る。
【0018】図3に示すように、p型不純物であるCd
をドープすることにより、In0.14Ga0.86N層は48
0nm付近に強い青色発光を示している。これに対し図
4のp型不純物をドープしないIn0.14Ga0.86N層は
400nm付近の紫色発光を示す。また、これらの図は
Cdについて測定したものであるが、同様に他のp型不
純物、例えばZn、Be、Mg、Ca、Sr、Ba等に
金属についても同様の傾向があることを確認した。この
ようにInGaNにp型不純物をドープすることによ
り、その発光波長を長くして、視感度を向上させる作用
がある。
【0019】さらに、p型不純物をドープすることによ
り、ドープしないものに比較して、フォトルミネッセン
ス強度を飛躍的に増大させることができる。これは、p
型不純物によりInGaN中に青色発光中心ができ、青
色発光強度が増加していることを顕著に示すものであ
る。図3はまさにそれを示す図であり、図3の400n
m付近に現れている微弱なピークはノンドープのIn0.
14Ga0.86Nのバンド間発光のピークであり、即ち図4
のピークと同一である。これより、図2は図3と比較し
て50倍以上発光強度が増大していることがわかる。
【0020】本発明の青色発光素子では、p型不純物を
ドープしたInXGa1-XN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p型GaN層はクラッド層、InXGa1-XN層が発
光層として作用する。しかも、そのX値を0<X<0.5
の範囲とすることにより、結晶性に優れたInGaNが
得られ、さらにp型不純物をドープすることにより視感
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。
【0021】
【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。使用した反応装
置は、反応容器内のサセプター上に載置された基板を加
熱しながら、その基板に向かってキャリアガスと共に原
料ガスを供給して窒化ガリウム系化合物半導体を成長さ
せる機構を有するものを用いた。
【0022】[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のサセプターにセットし、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1050℃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。
【0023】続いて、温度を510℃まで下げ、原料ガ
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。
【0024】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/分で
流して60分間成長させ、Siドープn型GaN層を4
μm成長させる。
【0025】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
-6モル/分と、TMI(トリメチルインジウム)を1
×10-5モル/分、ジエチルカドミウム{Cd(CH)
3}を2×10-6モル/分、アンモニアを4リットル/
分で10分間流しながら、CdドープIn0.14Ga0.86
N層を200オングストローム成長させる。
【0026】Cdドープ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G
aN層を0.8μm成長させる。
【0027】p型GaN層成長後、基板を反応容器から
取り出し、電子線照射装置にて、15kVの加速電圧
で、700℃以上で電子線照射を行い、最上層のp型G
aN層をさらに低抵抗化する。
【0028】以上のようにして得られた青色発光素子の
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、青色発光ダイオードとしたところ、発光出力は20
mAにおいて120μWであり、ピーク波長は480n
mであった。さらに輝度計を用いて、この発光ダイオー
ドの輝度を測定したところ、比較例1の青色発光ダイオ
ードの50倍以上であった。
【0029】[実施例2]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ガスを流
し、600℃の温度で、サファイア基板上に、AlN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80μW
あり、従来のホモ接合発光ダイオード(比較例1)の出
力に比して約1.6倍、発光波長は480nmであり、
輝度は約20倍であった。
【0030】[実施例3]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
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。
【0031】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CdドープIn0.14G
a0.86N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、T
MGを54×10-6モル/分と、TMAを6×10-6
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、Mgドープp型Ga0.9Al0.1
N層を0.8μm成長させる。
【0032】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、C
dドープIn0.14Ga0.86N層と、Mgドープp型Ga
0.9Al0.1N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て最上層を低抵抗化した
後、発光ダイオードとしたところ、発光出力、波長、輝
度とも実施例1と同一であった。
【0033】[実施例4]実施例1のCdドープIn0.
14Ga0.86N層を成長させる工程において、ジエチルカ
ドミウムの代わりに、Cp2Mgを用い同流量で成長さ
せ、MgドープIn0.14Ga0.86N層を成長させる他は
実施例1と同様にして発光ダイオードとしたところ、発
光出力、波長、輝度とも実施例1と同一であった。
【0034】[比較例1]CdをドープしたIn0.14G
a0.86N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、ピーク波長
は430nmであった。
【0035】[比較例2]n型GaN層成長後、ジメチ
ルカドミウムの代わりに、シランガスを2×10 -9モル
/分で流しながら、SiドープInGaN層を10分間
成長させる他は実施例1と同様にして、基板上にGaN
バッファ層、n型GaN層、SiドープIn0.14Ga0.
86N層、p型GaN層を順に積層したダブルへテロ構造
の青色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において120μWと実施例1のもの
とほぼ同等であったが、発光のピーク波長は400nm
であり、また輝度は実施例1と比較して約1/50でし
かなかった。
【0036】
【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p型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。しかも、p
型不純物をドープしたInGaNを発光層としているた
め視感度が非常に良く、輝度が高い青色発光素子を実現
できる。特に最上層のp型不純物をドープしたGa1-b
AlbN層をアニーリングにより低抵抗なp型としてダ
ブルへテロ構造を実現したのは本発明の発光素子が最初
である。
【0037】さらに、本発明の青色発光素子は発光層で
あるInXGa1-XNのInのモル比を0<X<0.5の
範囲で変えることにより、視感度の高い青色の領域で発
光色を自由に変えることもできる。
【0038】また、本明細書では青色発光ダイオードに
ついて説明したが、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、その産業上の利用価値は非
常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の青色発光素子の一構造を示す模式断
面図。
【図2】 従来の青色発光素子の一構造を示す模式断面
図。
【図3】 CdをドープしたInGaNのフォトルミネ
ッセンス測定によるスペクトルを示す図。
【図4】 ノンドープのInGaNのフォトルミネッセ
ンス測定によるスペクトルを示す図。
【図5】 本発明の青色発光素子に係るInXGa1-X
層の膜厚と、発光素子の相対発光強度との関係を示す
図。
【符号の説明】
1・・・・・基板 2・・・・・GaNバ
ッファ層 3・・・・・n型GaN層 4・・・・・InX
1-XN層 5・・・・・p型GaN層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型Ga1-aAlaN(0≦a<1)層
    と、p型不純物がドープされたInXGa1-XN(0<X
    <0.5)層と、p型Ga1-bAlbN(bは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。
  2. 【請求項2】 前記p型不純物はCd、Zn、Be、M
    g、Ca、Sr、Baよりなる群のうちの少なくとも一
    種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。
  3. 【請求項3】 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。
  4. 【請求項4】 前記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。
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