JPH07153996A - 窒素−３族元素化合物半導体光励起サファイア発光素子 - Google Patents
窒素−３族元素化合物半導体光励起サファイア発光素子Info
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- JPH07153996A JPH07153996A JP7775293A JP7775293A JPH07153996A JP H07153996 A JPH07153996 A JP H07153996A JP 7775293 A JP7775293 A JP 7775293A JP 7775293 A JP7775293 A JP 7775293A JP H07153996 A JPH07153996 A JP H07153996A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】赤色、赤色と青色との混合色、赤色と青色とが
平面的に分離配列されたような発光を可能としたコンパ
クトな発光素子を提供すること。 【構成】クロムイオンCr+3が濃度0.05wt%(2 ×1019/c
m3) に添加されたサファイア基板１に、順に、500 Åの
AlN のバッファ層２、膜厚約2.2 μｍ、電子濃度2×10
18/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ
+ 層３、膜厚約 1.5μｍ、電子濃度1 ×1016/cm3の無添
加GaN から成る低キャリア濃度ｎ層４、膜厚約0.5 μ
ｍ、正孔濃度1 ×1016/cm3のMg添加GaN から成る低キャ
リア濃度ｐ層５１、膜厚約0.2 μｍ、正孔濃度 2×1017
/cm3の高キャリア濃度ｐ+ 層５２が形成されている。サ
ファイア基板から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)が放射
された。
平面的に分離配列されたような発光を可能としたコンパ
クトな発光素子を提供すること。 【構成】クロムイオンCr+3が濃度0.05wt%(2 ×1019/c
m3) に添加されたサファイア基板１に、順に、500 Åの
AlN のバッファ層２、膜厚約2.2 μｍ、電子濃度2×10
18/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ
+ 層３、膜厚約 1.5μｍ、電子濃度1 ×1016/cm3の無添
加GaN から成る低キャリア濃度ｎ層４、膜厚約0.5 μ
ｍ、正孔濃度1 ×1016/cm3のMg添加GaN から成る低キャ
リア濃度ｐ層５１、膜厚約0.2 μｍ、正孔濃度 2×1017
/cm3の高キャリア濃度ｐ+ 層５２が形成されている。サ
ファイア基板から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)が放射
された。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒素−３族元素化合物半
導体による青色発光を励起光として用いたサファイア発
光素子に関する。
導体による青色発光を励起光として用いたサファイア発
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、サフ
ァイア基板上にGaN 系の化合物半導体をエピタキシャル
成長させ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つである青色及び紫外光を発光色とする
こと等から注目されている。
ァイア基板上にGaN 系の化合物半導体をエピタキシャル
成長させ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つである青色及び紫外光を発光色とする
こと等から注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の
発光素子がサファイア基板を通して光を取り出すように
したものであり発光色が青色及び紫外光であることか
ら、このサファイア基板にクロムイオンCr+3等の金属イ
オンを添加すれば、GaN から放射された光をクロムイオ
ンCr+3等の金属イオンの励起に用いることができ、その
光励起されたクロムイオンCr+3等の金属イオンの基底準
位への遷移により赤色系発光が得られることを着想し、
本発明を完成した。
発光素子がサファイア基板を通して光を取り出すように
したものであり発光色が青色及び紫外光であることか
ら、このサファイア基板にクロムイオンCr+3等の金属イ
オンを添加すれば、GaN から放射された光をクロムイオ
ンCr+3等の金属イオンの励起に用いることができ、その
光励起されたクロムイオンCr+3等の金属イオンの基底準
位への遷移により赤色系発光が得られることを着想し、
本発明を完成した。
【０００４】従来、ルビーレーザが知られているが、励
起光源が大掛かりとなり、装置全体が大きいという問題
がある。本発明は上記の課題を解決するために成された
ものであり、その目的は、赤色系、赤色系と青色系との
混合色、赤色系と青色系とが平面的に分離配列されたよ
うな発光を可能としたコンパクトな発光素子を提供する
ことである。
起光源が大掛かりとなり、装置全体が大きいという問題
がある。本発明は上記の課題を解決するために成された
ものであり、その目的は、赤色系、赤色系と青色系との
混合色、赤色系と青色系とが平面的に分離配列されたよ
うな発光を可能としたコンパクトな発光素子を提供する
ことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属イオンを
活性イオンとして含むサファイア基板と、サファイア基
板上に直接又はバッファ層を介してエピタキシャル成長
させた次の少なくとも２種の層であって、ｎ型の窒素−
３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0
を含む)からなる第１層と、ｐ型又はｉ型（半絶縁性）
の窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=
0,X=Y=0 を含む) からなる第２層と、サファイア基板上
に積層された半導体層の最上層において形成された、第
１層及び第２層に対する電極とを有し、第１層と第２層
とにより発光された光をサファイア基板に入射させ、そ
の光により金属イオンを光励起させ、基底準位への遷移
により光を放射させることを特徴とする光励起サファイ
ア発光素子である。
活性イオンとして含むサファイア基板と、サファイア基
板上に直接又はバッファ層を介してエピタキシャル成長
させた次の少なくとも２種の層であって、ｎ型の窒素−
３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0
を含む)からなる第１層と、ｐ型又はｉ型（半絶縁性）
の窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=
0,X=Y=0 を含む) からなる第２層と、サファイア基板上
に積層された半導体層の最上層において形成された、第
１層及び第２層に対する電極とを有し、第１層と第２層
とにより発光された光をサファイア基板に入射させ、そ
の光により金属イオンを光励起させ、基底準位への遷移
により光を放射させることを特徴とする光励起サファイ
ア発光素子である。
【０００６】
【発明の作用及び効果】発光機構を具体的に説明するた
めに、サファイア基板中に添加された金属イオンがクロ
ムイオンCr+3の場合について、以下説明する。サファイ
ア基板中に添加されたクロムイオンCr+3の基底準位4A2
から励起準位4T2 又は4T1 への遷移は、波長0.55μ、0.
42μm の光により可能である。上記の窒素−３族元素化
合物半導体の各元素の成分比及び不純物元素の添加量を
適切に設定することで、クロムイオンCr+3の光励起に必
要な波長の光を発光させることができる。
めに、サファイア基板中に添加された金属イオンがクロ
ムイオンCr+3の場合について、以下説明する。サファイ
ア基板中に添加されたクロムイオンCr+3の基底準位4A2
から励起準位4T2 又は4T1 への遷移は、波長0.55μ、0.
42μm の光により可能である。上記の窒素−３族元素化
合物半導体の各元素の成分比及び不純物元素の添加量を
適切に設定することで、クロムイオンCr+3の光励起に必
要な波長の光を発光させることができる。
【０００７】この光をサファイア基板に入射させ、クロ
ムイオンCr+3を基底準位4A2 から励起準位4T2 又は4T1
へ励起させる。クロムイオンCr+3は励起準位4T2 又は4T
1 から準安定励起準位2Eへ非放射遷移し、その準安定励
起準位2Eから基底準位4A2 へ放射遷移する。これによ
り、サファイア基板から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)
が放射されるのが観測された。
ムイオンCr+3を基底準位4A2 から励起準位4T2 又は4T1
へ励起させる。クロムイオンCr+3は励起準位4T2 又は4T
1 から準安定励起準位2Eへ非放射遷移し、その準安定励
起準位2Eから基底準位4A2 へ放射遷移する。これによ
り、サファイア基板から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)
が放射されるのが観測された。
【０００８】又、サファイア基板にクロムイオンCr+3が
添加されていない場合には、窒素−３族元素化合物半導
体から放射された光は、サファイア基板で吸収されるこ
となく透過する。よって、本発明の発光素子は、サファ
イア基板に添加されるクロムイオンCr+3の濃度を変化さ
せることより、赤色から青色の範囲で発光色を変化させ
ることができる。又、サファイア基板にクロムイオンCr
+3を選択的に添加することにより、クロムイオンCr+3が
添加された部分は赤色、非添加の部分は青色のように２
原色の点光源を有した発光素子とすることもできる。
添加されていない場合には、窒素−３族元素化合物半導
体から放射された光は、サファイア基板で吸収されるこ
となく透過する。よって、本発明の発光素子は、サファ
イア基板に添加されるクロムイオンCr+3の濃度を変化さ
せることより、赤色から青色の範囲で発光色を変化させ
ることができる。又、サファイア基板にクロムイオンCr
+3を選択的に添加することにより、クロムイオンCr+3が
添加された部分は赤色、非添加の部分は青色のように２
原色の点光源を有した発光素子とすることもできる。
【０００９】上述した発光機構は、クロムイオンCr+3の
他に、鉄Fe、アンチモンSb、マンガンMn、モリブデンM
o、コバルトCo、ニッケルNi等の金属イオンであっても
同様である。又、サファイア基板上に窒素−３族元素化
合物半導体をエピタキシャル成長させて、窒素−３族元
素化合物半導体を励起光源としていることから、本発光
素子は非常に小型なものとすることができる。
他に、鉄Fe、アンチモンSb、マンガンMn、モリブデンM
o、コバルトCo、ニッケルNi等の金属イオンであっても
同様である。又、サファイア基板上に窒素−３族元素化
合物半導体をエピタキシャル成長させて、窒素−３族元
素化合物半導体を励起光源としていることから、本発光
素子は非常に小型なものとすることができる。
【００１０】
【実施例】第１実施例 図１において、発光ダイオード１０は、クロムイオンCr
+3が濃度0.05wt%(2 ×1019/cm3) に添加されたサファイ
ア基板１を有しており、そのサファイア基板１（ａ面(1
1-20) 上）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 μ
ｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン添加GaN から成る
高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約 1.5μｍ、電子濃度1
×1016/cm3の無添加GaN から成る低キャリア濃度ｎ層４
が形成されている。更に、低キャリア濃度ｎ層４の上に
は、順に、膜厚約0.5 μｍ、正孔濃度1 ×1016/cm3のマ
グネシウム(Mg)添加GaN から成る低キャリア濃度ｐ層５
１、膜厚約0.2 μｍ、正孔濃度 2×1017/cm3の高キャリ
ア濃度ｐ+ 層５２が形成されている。そして、高キャリ
ア濃度ｐ+ 層５２に接続するニッケルで形成された電極
７と高キャリア濃度ｎ+ 層３に接続するニッケルで形成
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。
+3が濃度0.05wt%(2 ×1019/cm3) に添加されたサファイ
ア基板１を有しており、そのサファイア基板１（ａ面(1
1-20) 上）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 μ
ｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン添加GaN から成る
高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚約 1.5μｍ、電子濃度1
×1016/cm3の無添加GaN から成る低キャリア濃度ｎ層４
が形成されている。更に、低キャリア濃度ｎ層４の上に
は、順に、膜厚約0.5 μｍ、正孔濃度1 ×1016/cm3のマ
グネシウム(Mg)添加GaN から成る低キャリア濃度ｐ層５
１、膜厚約0.2 μｍ、正孔濃度 2×1017/cm3の高キャリ
ア濃度ｐ+ 層５２が形成されている。そして、高キャリ
ア濃度ｐ+ 層５２に接続するニッケルで形成された電極
７と高キャリア濃度ｎ+ 層３に接続するニッケルで形成
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。
【００１１】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）である。
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）である。
【００１２】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とするクロムイオンCr+3が濃度0.05wt%(2 ×
1019/cm3) に添加された単結晶のサファイア基板１をM0
VPE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。
ａ面を主面とするクロムイオンCr+3が濃度0.05wt%(2 ×
1019/cm3) に添加された単結晶のサファイア基板１をM0
VPE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。
【００１３】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
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を約 500Åの厚
さに形成した。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、TM
G を 1.7×10-4モル／分、H2で0.86ppm まで希釈したシ
ラン(SiH4)を 200 milliliter ／分の割合で30分間供給
し、膜厚約 2.2μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のGaN から
成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
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を約 500Åの厚
さに形成した。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、TM
G を 1.7×10-4モル／分、H2で0.86ppm まで希釈したシ
ラン(SiH4)を 200 milliliter ／分の割合で30分間供給
し、膜厚約 2.2μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のGaN から
成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１４】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、電子濃度 1×1016/ cm3 のGaN から成る低キ
ャリア濃度ｎ層４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、電子濃度 1×1016/ cm3 のGaN から成る低キ
ャリア濃度ｎ層４を形成した。
【００１５】次に、サファイア基板１を1150℃に保持し
て、Ｈ2 を20 liter／分、NH3 を10liter／分、TMG を
1.7×10-4モル／分、CP2Mg を 2×10-7モル／分の割合
で 7分間供給して、膜厚0.5 μｍのGaN から成る低キャ
リア濃度ｐ層５１を形成した。この状態では、低キャリ
ア濃度ｐ層５１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体
である。
て、Ｈ2 を20 liter／分、NH3 を10liter／分、TMG を
1.7×10-4モル／分、CP2Mg を 2×10-7モル／分の割合
で 7分間供給して、膜厚0.5 μｍのGaN から成る低キャ
リア濃度ｐ層５１を形成した。この状態では、低キャリ
ア濃度ｐ層５１は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体
である。
【００１６】次に、サファイア基板１を1150℃に保持し
たまま、Ｈ2 を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMG
を 1.7×10-4モル／分、CP2Mg を 3×10-6モル／分の
割合で 3分間供給して、膜厚0.2 μｍのGaN から成る高
キャリア濃度ｐ+ 層５２を形成した。この状態では、高
キャリア濃度ｐ+ 層５２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上
の絶縁体である。
たまま、Ｈ2 を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMG
を 1.7×10-4モル／分、CP2Mg を 3×10-6モル／分の
割合で 3分間供給して、膜厚0.2 μｍのGaN から成る高
キャリア濃度ｐ+ 層５２を形成した。この状態では、高
キャリア濃度ｐ+ 層５２は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上
の絶縁体である。
【００１７】次に、反射電子線回析装置を用いて、上記
の高キャリア濃度ｐ+ 層５２及び低キャリア濃度ｐ層５
１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、低キャリア濃度ｐ層５１
は、正孔濃度1 ×1016/cm3、抵抗率40Ωcmのｐ伝導型半
導体となり、高キャリア濃度ｐ+ 層５２は、正孔濃度 2
×1017/cm3、抵抗率 2Ωcmのｐ伝導型半導体となった。
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。
の高キャリア濃度ｐ+ 層５２及び低キャリア濃度ｐ層５
１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、低キャリア濃度ｐ層５１
は、正孔濃度1 ×1016/cm3、抵抗率40Ωcmのｐ伝導型半
導体となり、高キャリア濃度ｐ+ 層５２は、正孔濃度 2
×1017/cm3、抵抗率 2Ωcmのｐ伝導型半導体となった。
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。
【００１８】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、同一
構造の素子が連続的に形成されているウエハについて、
処理が行われ、その後、そのウエハは各素子毎に切断さ
れる。
上の１つの素子のみを示す断面図であり、実際は、同一
構造の素子が連続的に形成されているウエハについて、
処理が行われ、その後、そのウエハは各素子毎に切断さ
れる。
【００１９】図３に示すように、高キャリア濃度ｐ+ 層
５２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、高キャリア濃度ｐ+ 層５２上において、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高キャリア濃度ｐ+
層５２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。
５２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、高キャリア濃度ｐ+ 層５２上において、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高キャリア濃度ｐ+
層５２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。
【００２０】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
ない部位の高キャリア濃度ｐ+ 層５２とその下の低キャ
リア濃度ｐ層５１、低キャリア濃度ｎ層４、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 milliliter/分の割合で供
給し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。
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
ない部位の高キャリア濃度ｐ+ 層５２とその下の低キャ
リア濃度ｐ層５１、低キャリア濃度ｎ層４、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 milliliter/分の割合で供
給し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。
【００２１】次に、図６に示すように、高キャリア濃度
ｐ+ 層５２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、
ニッケル層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
たニッケル層１３が形成される。そして、そのニッケル
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及び高キャリア濃度ｐ+ 層５２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。
ｐ+ 層５２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、
ニッケル層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
たニッケル層１３が形成される。そして、そのニッケル
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及び高キャリア濃度ｐ+ 層５２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。
【００２２】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ニッケル層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に蒸着されたニッケル層１３は、完全に
除去される。次に、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、高キャリア濃
度ｐ+ 層５２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。
ト１４をマスクとして下層のニッケル層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に蒸着されたニッケル層１３は、完全に
除去される。次に、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、高キャリア濃
度ｐ+ 層５２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。
【００２３】このようにして製造された発光ダイオード
１０に駆動電流20mAを通電したところ、サファイア基板
１から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)が放射されるのが
観測された。
１０に駆動電流20mAを通電したところ、サファイア基板
１から赤色の光(0.693μm,0.692 μm)が放射されるのが
観測された。
【００２４】尚、クロムイオンを添加しないサファイア
基板を用いた場合には、中心波長O.390 μm のGaN 半導
体で発光された青色の発光が観測された。
基板を用いた場合には、中心波長O.390 μm のGaN 半導
体で発光された青色の発光が観測された。
【００２５】この機構は次のように考えられる。マグネ
シウムMgを添加したGaN のフォトルミネッセンス強度
は、図８に示す分布となる。中心波長O.390 μm であ
る。従って、低キャリア濃度ｎ層４と低キャリア濃度ｐ
層５１とから発光する光のスペクトル分布も図８に示す
ような特性となる。この波長の光は、図１０に示すよう
に、クロムイオンCr3+を基底準位4A2 から励起準位4T1
に遷移させることができる。クロムイオンCr3+は、励起
準位4T1 から準安定励起準位2Eに非放射遷移により緩和
する。そして、クロムイオンCr3+の準安定励起準位2Eか
ら基底準位4A2 への緩和により光が放射される。クロム
イオンCr3+の添加されたサファイア基板１を通過した光
は、図９に示すように、波長0.693 μm(1.788eV:R1ライ
ン) と波長0.692 μm(1.792eV:R2ライン) の２本の線ス
ペクトルを示した。
シウムMgを添加したGaN のフォトルミネッセンス強度
は、図８に示す分布となる。中心波長O.390 μm であ
る。従って、低キャリア濃度ｎ層４と低キャリア濃度ｐ
層５１とから発光する光のスペクトル分布も図８に示す
ような特性となる。この波長の光は、図１０に示すよう
に、クロムイオンCr3+を基底準位4A2 から励起準位4T1
に遷移させることができる。クロムイオンCr3+は、励起
準位4T1 から準安定励起準位2Eに非放射遷移により緩和
する。そして、クロムイオンCr3+の準安定励起準位2Eか
ら基底準位4A2 への緩和により光が放射される。クロム
イオンCr3+の添加されたサファイア基板１を通過した光
は、図９に示すように、波長0.693 μm(1.788eV:R1ライ
ン) と波長0.692 μm(1.792eV:R2ライン) の２本の線ス
ペクトルを示した。
【００２６】尚、上記の実施例では、発光に寄与する低
キャリア濃度ｎ層４と低キャリア濃度ｐ層５１とをGaN
で形成したが、窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) で構成しても良い。
又、上記の窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-Y
N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) にZnを添加したｉ型（半絶縁
性）の層とｎ型の層とを用いたＭＩＳ構造であっても良
い。添加する不純物元素の添加割合と、窒素−３族元素
化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む)
の成分比を適切に選択することで、クロムイオンCr3+を
励起するに必要な波長0.55μ、0.42μm を含む波長の光
を発光させることができる。この結果、サファイア基板
から赤色(0.693μm 、0.692 μm)の光を得ることができ
る。
キャリア濃度ｎ層４と低キャリア濃度ｐ層５１とをGaN
で形成したが、窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn
1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) で構成しても良い。
又、上記の窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-Y
N;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) にZnを添加したｉ型（半絶縁
性）の層とｎ型の層とを用いたＭＩＳ構造であっても良
い。添加する不純物元素の添加割合と、窒素−３族元素
化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む)
の成分比を適切に選択することで、クロムイオンCr3+を
励起するに必要な波長0.55μ、0.42μm を含む波長の光
を発光させることができる。この結果、サファイア基板
から赤色(0.693μm 、0.692 μm)の光を得ることができ
る。
【００２７】又、サファイア基板１に添加するクロムイ
オンCr3+の濃度は１wt% 以下が望ましい。クロムイオン
Cr3+の濃度が 5×1016/cm3でも上記の赤色の発光が観測
された。現在のところ、最も望ましいクロムイオンCr3+
濃度は、0.05wt%(2 ×1019/cm3) である。サファイア基
板１に添加するクロムイオンCr3+の濃度を変化させるこ
とにより、赤色から青色までの混合色の光を得ることが
できる。さらに、サファイア基板１に選択的にクロムイ
オンCr3+を添加することにより、赤色光源と青色光源と
を平面的に極めて接近させた発光素子としたり、２原色
のドットマトリックス平面ディスプレイとすることも可
能となる。
オンCr3+の濃度は１wt% 以下が望ましい。クロムイオン
Cr3+の濃度が 5×1016/cm3でも上記の赤色の発光が観測
された。現在のところ、最も望ましいクロムイオンCr3+
濃度は、0.05wt%(2 ×1019/cm3) である。サファイア基
板１に添加するクロムイオンCr3+の濃度を変化させるこ
とにより、赤色から青色までの混合色の光を得ることが
できる。さらに、サファイア基板１に選択的にクロムイ
オンCr3+を添加することにより、赤色光源と青色光源と
を平面的に極めて接近させた発光素子としたり、２原色
のドットマトリックス平面ディスプレイとすることも可
能となる。
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
断面図。
【図８】マグネシウムMgを添加したGaN のフォトルミネ
ッセンススペクトルを測定した特性図。
ッセンススペクトルを測定した特性図。
【図９】クロムイオンCr3+を添加したサファイア基板上
に成長させマグネシウムMgを添加したGaN のサファイア
基板を通過した光のフォトルミネッセンススペクトルを
測定した特性図。
に成長させマグネシウムMgを添加したGaN のサファイア
基板を通過した光のフォトルミネッセンススペクトルを
測定した特性図。
【図１０】クロムイオンCr3+を添加したサファイア基板
の光励起と発光機構を説明した説明図。
の光励起と発光機構を説明した説明図。
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 ５１…低キャリア濃度ｐ層 ５２…高キャリア濃度ｐ+ 層 ７，８…電極 ９…溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591014949 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番38− 805 (71)出願人 591014950 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104 宝マンション山の手508号 (72)発明者 カリン マイヤー ドイツ連邦共和国 ディ8000 ミュンヘン 19レオンロートシュトラーセ54 フラウン ホッファー−ゲゼルシャフト ツァフェル ダールング デァ アンゲヴァンテン フ ォアシュンク エー．ファオ．内 (72)発明者 ユルゲン シュナイダー ドイツ連邦共和国 ディ8000 ミュンヘン 19レオンロートシュトラーセ54 フラウン ホッファー−ゲゼルシャフト ツァフェル ダールング デァ アンゲヴァンテン フ ォアシュンク エー．ファオ．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 (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
Claims (4)
- 【請求項１】金属イオンを活性イオンとして含むサファ
イア基板と、 前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介してエ
ピタキシャル成長させた次の少なくとも２種の第１層及
び第２層であって、 ｎ型の窒素−３族元素化合物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;X=
0,Y=0,X=Y=0 を含む)からなる第１層と、 ｐ型又はｉ型（半絶縁性）の窒素−３族元素化合物半導
体(AlxGaYIn1-X-YN;X=0,Y=0,X=Y=0 を含む) からなる第
２層と、 前記サファイア基板上に積層された半導体層の最上層に
おいて形成された、前記第１層及び前記第２層に対する
電極とを有し、 前記第１層と前記第２層とにより発光された光を前記サ
ファイア基板に入射させ、その光により金属イオンを光
励起させ、基底準位への遷移により光を放射させる光励
起サファイア発光素子。 - 【請求項２】前記金属イオンは前記クロムイオンCr+3で
あり、前記クロムイオンCr+3は前記サファイア基板中に
１wt％以下含まれることを特徴とする請求項１に記載の
光励起サファイア発光素子。 - 【請求項３】前記第２層はマグネシウムMg又は亜鉛Znが
添加されていることを特徴とする請求項１に記載の光励
起サファイア発光素子。 - 【請求項４】前記第２層はマグネシウムMgが添加された
後、電子線の照射によりｐ型を示す層であることを特徴
とする請求項１に記載の光励起サファイア発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7775293A JP3221635B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 窒素−３族元素化合物半導体光励起サファイア発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7775293A JP3221635B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 窒素−３族元素化合物半導体光励起サファイア発光素子 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29151199A Division JP3242904B2 (ja) | 1999-10-13 | 1999-10-13 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07153996A true JPH07153996A (ja) | 1995-06-16 |
| JP3221635B2 JP3221635B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=13642666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7775293A Expired - Fee Related JP3221635B2 (ja) | 1993-03-10 | 1993-03-10 | 窒素−３族元素化合物半導体光励起サファイア発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3221635B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI381501B (zh) * | 2009-01-17 | 2013-01-01 | Univ Ishou | An isolation layer substrate with metal ion migration and its encapsulation structure |
| JP2013098298A (ja) * | 2011-10-31 | 2013-05-20 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
| US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2015-01-13 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
-
1993
- 1993-03-10 JP JP7775293A patent/JP3221635B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2015-01-13 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| TWI381501B (zh) * | 2009-01-17 | 2013-01-01 | Univ Ishou | An isolation layer substrate with metal ion migration and its encapsulation structure |
| JP2013098298A (ja) * | 2011-10-31 | 2013-05-20 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3221635B2 (ja) | 2001-10-22 |
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