JPH07302929A - 3−5族化合物半導体と発光素子 - Google Patents
3−5族化合物半導体と発光素子Info
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- JPH07302929A JPH07302929A JP4678595A JP4678595A JPH07302929A JP H07302929 A JPH07302929 A JP H07302929A JP 4678595 A JP4678595 A JP 4678595A JP 4678595 A JP4678595 A JP 4678595A JP H07302929 A JPH07302929 A JP H07302929A
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Abstract
これを用いた高い発光効率を有する発光素子を提供す
る。 【構成】発光層と電荷注入層とを有する層と、基板との
間に、バッファ層を有し、発光層が一般式Inx Gay
Alz N(式中、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<
1、x+y+z=1)で表される3−5族化合物半導体
であって、電荷注入層が一般式Inx'Gay'Alz'N
(式中、0<x’≦1、0≦y’<1、0≦z’<1、
x’+y’+z’=1)で表され、発光層よりも大きな
バンドギャップを有する3−5族化合物半導体であっ
て、バッファ層が、一般式Inu Gav Alw N(式
中、0<u≦1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w
=1)で表され、少なくとも2つの組成の異なる層から
なり、少なくとも1つの層においてw>0である積層構
造を含むことを特徴とする3−5族化合物半導体。
Description
及びこれを用いた発光素子に関する。
<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、x+y+z=1)
で表される3−5族化合物半導体は、3族元素の組成に
よって制御できるバンドギャップを有しているので、可
視光領域から紫外線領域の発光を生じる発光素子に用い
ることができる。さらに、該3−5族化合物半導体は直
接遷移型のバンド構造を有するので、これを用いて高い
発光効率の発光素子が得られることが期待される。ま
た、該3−5族化合物半導体は、組成により格子定数も
制御することができる。つまり、同じ格子定数を持ちな
がら異なるバンドギャップを有する2種類以上の組成の
半導体を作製できる。バンドギャップの異なる半導体の
接合はいわゆるヘテロ接合と呼ばれるものであって、高
輝度の半導体発光素子の実現に非常に有効と考えられ
る。
長させる基板としては、現状では格子定数が整合する適
切な材料がないので、六方晶系の3−5族化合物半導体
と同じ六方晶系のサファイアを基板を用いることが検討
されている。しかしながら、良質の3−5族化合物半導
体結晶は未だ得られておらず、特に表示用途に供し得る
程度までInを高濃度に含む系では、まだ実用に供し得
るような高品質の結晶が得られていない。
を含む高品質の3−5族化合物半導体及びこれを用いた
高い発光効率を有する発光素子を提供することにある。
状況をみて鋭意検討の結果、特定の積層構造上に3−5
族化合物半導体を成長することにより、高品質で大面積
の3−5族化合物半導体が得られることを見出し本発明
に至った。すなわち、本発明は、次に記す発明である。 〔1〕発光層と電荷注入層とを有する層と、基板との間
に、バッファ層を有し、発光層が一般式Inx Gay A
lz N(式中、0<x≦1、0≦y<1、0≦z<1、
x+y+z=1)で表される3−5族化合物半導体であ
って、電荷注入層が一般式Inx'Gay'Alz'N(式
中、0<x’≦1、0≦y’<1、0≦z’<1、x’
+y’+z’=1)で表され、発光層よりも大きなバン
ドギャップを有する3−5族化合物半導体であって、バ
ッファ層が、一般式Inu Gav Al w N(式中、0<
u≦1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w=1)で
表され、少なくとも2つの組成の異なる層からなり、少
なくとも1つの層においてw>0である積層構造を含む
ことを特徴とする3−5族化合物半導体。
からなることを特徴とする〔1〕記載の3−5族化合物
半導体。 〔3〕バッファ層が、Inu Gav Alw N(式中、0
≦u<1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w=1)
層とInu'Gav'Alw'N(式中、0≦u’<1、0<
v’≦1、0≦w’<1、u’+v’+w’=1)層と
が交互に少なくとも2回繰り返された積層構造であるこ
とを特徴とする〔1〕記載の3−5族化合物半導体。
N層上に、形成されたことを特徴とする〔1〕記載の3
−5族化合物半導体。 〔5〕前記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の3−5族
化合物半導体を用いた発光素子。
−5族化合物半導体は、発光層と電荷注入層とを有する
層と、基板との間に、バッファ層を有する。発光層は、
一般式Inx Gay Alz N(式中、0<x≦1、0≦
y<1、0≦z<1、x+y+z=1)で表される3−
5族化合物半導体である。電荷注入層は、一般式Inx'
Gay'Alz'N(式中0<x’≦1、0≦y’<1、0
≦z’<1、x’+y’+z’=1)で表され、発光層
に接し発光層よりも大きなバンドギャップを有する3−
5族化合物半導体である。電荷注入層は発光層より大き
なバンドギャップを持つため、光の照射により本発明の
半導体内に発生した電荷または外部電源により供給され
た電荷を効率よく発光層に注入し閉じこめる働きがあ
る。バッファ層は、一般式Inu Gav Alw N(式
中、0<u≦1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w
=1)で表され、少なくとも2つの、組成の異なる層か
らなる積層構造を含むものである。
Nで表される3−5族化合物半導体において、Inの組
成が10〜80モル%(0.1≦x≦0.8)の場合に
は、発光波長を紫色及びそれより長波長の可視領域にす
ることができるので、発光素子用途に好ましい。具体的
には、発光波長を紫色、青色、緑色、黄色、橙色にする
ことができる。特に、青色、緑色の発光素子用として重
要である。
向の格子定数の差は0.3%以下であることが好まし
い。該格子定数の差が0.3%を超えると、接合界面で
欠陥が発生しやすいので好ましくない。本発明における
バッファ層は、少なくとも2つの、組成の異なる層から
なる積層構造を含み、該積層については、好ましくは4
層以上積層すること、さらに好ましくは10層以上積層
することがよい。また、積層の数があまりに多すぎて
も、原料の切り替えに要する合計の時間が長くなり、生
産性が悪くなるので、該積層構造に含まれる層の数は1
000以下が好ましい。また、該積層の合計の厚みは、
100Å〜5μmの範囲が好ましい。100Å未満では
積層した効果が十分ではなく、5μmを超えると成長に
要する時間が長くなり生産性が悪くなるので好ましくな
い。Gaを含む3−5族化合物半導体では、GaをAl
で置き換えてもあまり大きな格子定数の変化はないのに
対して、Ga又はAlをInで置き換えた場合、大きな
格子定数の差が生じる。したがって、積層構造に用いる
組成はInの割合についてはあまり変化させず、Gaと
Alの組成を変化させることが好ましい。具体的には、
バッファ層が、Inu Gav N層とInu Alv N層
(式中、u+v=1、0<u<1、0<v<1)とが交
互に少なくとも2回繰り返された積層構造である3−5
族化合物半導体が好ましい。
ップは、0.1電子ボルト(以下「eV」と記すことが
ある。)以上あることが好ましい。さらに0.3eV以
上あることが好ましい。0.1eV未満では電子又は正
孔は電荷注入層と発光層との界面に閉じ込められにく
く、電荷の発光層内での再結合効率が低くなるので好ま
しくない。また、発光層の一方の面だけでなく、両方の
面を電荷注入層で接合させる、いわゆるダブルヘテロ接
合構造とすることで、さらに電荷の閉じ込めを効率的に
行なうことができ、電荷の再結合効率を高めることがで
きる。この場合も、発光層に対する電荷注入層の禁制帯
の幅の差は0.1eV以上、さらに好ましくは0.3e
V以上あることが好ましい。
板の上に成長させて得られるが、用いる基板について
は、SiC、Si、サファイア、スピネル、ZnO等を
用いることができる。特に、サファイア上に成長させた
GaN層の上に該3−5族化合物半導体を成長させた3
−5族化合物半導体が好ましく、サファイア上にAlN
等の薄膜をバッファ層として成長させたGaN層の上に
該3−5族化合物半導体を成長させた3−5族化合物半
導体がさらに好ましい。本発明の3−5族化合物半導体
を用いた発光素子は、高密度に電子と正孔を閉じ込める
ことができる3−5族化合物半導体を用いるので発光効
率が向上する。
としては、分子線エピタキシー(以下、「MBE」と記
す。)法、有機金属気相成長(以下、「MOVPE」と
記す。)法などが挙げられる。MBE法を用いる場合、
窒素原料としては、窒素、アンモニア、およびその他の
窒素化合物を気体状態で供給する方法である気体ソース
分子線エピタキシー(以下、「GSMBE」と記す。)
法が一般的に用いられている。この場合、窒素原料が化
学的に不活性で、窒素原子が結晶中に取り込まれにくい
ことがある。その場合には、マイクロ波などにより窒素
原料を励起して、活性状態にして供給することで、窒素
の取り込み効率を挙げることができる。
合物半導体を製造する場合には、以下のような原料を用
いることができる。すなわち、3族原料としては、トリ
メチルガリウム〔Ga(CH3 )3 、以下「TMG」と
記すことがある。〕、トリエチルガリウム〔Ga(C2
H5 )3 〕、等の一般式R1 R2 R3 Ga(ここで、R
1 、R2 、R3 はアルキル基)で表されるトリアルキル
ガリウム;トリメチルアルミニウム〔Al(C
H3 )3 、以下「TMA」と記すことがある。〕、トリ
エチルアルミニウム〔Al(C2 H5 )3 〕、トリイソ
ブチルアルミニウム〔Al(i−C4 H9 )3 〕等の一
般式R1 R2 R3 Al(ここで、R1 、R2 、R 3 はア
ルキル基)で表されるトリアルキルアルミニウム;トリ
メチルアミンアラン〔AlH3 N(CH3 )3 〕;トリ
メチルインジウム〔In(CH3 )3 、以下「TMI」
と記す。〕トリエチルインジウム〔In(C
2 H5 )3 〕等の一般式R1 R2 R3 In(ここで、R
1 、R2 、R3 はアルキル基)で表されるトリアルキル
インジウム等が挙げられる。これらは単独または混合し
て用いられる。
ラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラジ
ン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、
エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独また
は混合して用いられる。n型ドーパントとしては、S
i、Ge等の4族元素、S、Se等の6族元素を用いる
ことができる。p−型ドーパントとしては、Be、M
g、Zn、Cd、Hgなどを用いることができる。
ラン(SiH4 )、ジシラン(Si 2 H6 )等、Ge原
料としてはゲラン(GeH4 )等、S原料としては、硫
化水素(H2 S)、ジメチル硫黄〔(CH3 )2 S〕、
ジエチル硫黄〔(C2 H5 ) 2 S〕等の一般式R1 R2
S(ただしR1 R2 はアルキル基)で表されるジアルキ
ル硫黄、Se原料としては、セレン化化水素(H2 S
e)、ジメチルセレン〔(CH3 )2 Se〕、ジエチル
セレン〔(C2 H5 )2 Se〕、等の一般式R1R2 S
e(ただしR1 R2 はアルキル基)で表されるジアルキ
ルセレン等が挙げられる。
3 )2 Zn)、ジエチル亜鉛((C 2 H5 )2 Zn)等
の一般式R1 R2 Zn(R1 、R2 はアルキル基)で表
せられるアルキル亜鉛などが挙げられる。Mg原料とし
ては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム((C5
H5 )2 Mg)、ビスメチルシクロペンタジエニルマグ
ネシウム((CH3 C5 H4 )2 Mg、以下MCp2M
gと記すことがある。)、ビスイソプロピルシクロペン
タジエニルマグネシウム((i−C3 H7 C5H4 )2
Mg)などが挙げられる。
((CH3 )2 Cd)等の一般式R 1 R2 Cd(R1 、
R2 はアルキル基)で表さられるアルキルカドミウムな
どが挙げられる。Be用原料としては、ジエチルベリリ
ウム((C2 H5 )2 Be)、ビスメチルシクロペンタ
ジエニルベリリウム((CH3 C5 H4 )2 Be)など
が挙げられる。Hg用原料としては、ジメチル水銀
((CH3 )2 Hg)、ジエチル水銀((C2 H5 )2
Hg)等の一般式R1 R2 Hg(R1 、R2 はアルキル
基)で表されるアルキル水銀などが挙げられる。
じて適当な供給手段を用いることができる。すなわち液
体、昇華性固体の物質では、充分に精製された水素や窒
素などをキャリアガスとしてこれら原料中を通過させ、
これらの原料の蒸気を含んだキャリアガスを反応炉に導
くことができる。また原料が気体の場合には、原料を圧
縮した状態でボンベ中に保持し、ボンベからの圧力で反
応炉に導くことができる。また濃度を調整するために、
充分精製された水素、窒素等のガスに希釈したものを用
いることもできる。ドープされた該化合物半導体は、必
要に応じて電子線照射や熱アニール処理などを施して、
より低抵抗にすることができる。本発明の発光素子は、
前記の本発明の3−5族化合物半導体を用いたものであ
り、公知の方法で作製することができる。具体的な例を
図2に示す。ここでは、サファイア基板22の上に、順
にAlNバッファ層24、GaN層25、In0. 1 Ga
0.9 NとIn0.1 Ga0.8 Al0.1 Nの積層構造からな
るバッファ層26、InGaAlN電荷注入層27、I
nGaN発光層28、InGaAlN電荷注入層29を
成長させる。ここで、GaN層25から電荷注入層27
まではn型の、電荷注入層29はp型の不純物をドープ
する。次に、こうして作製した該化合物半導体を常法に
したがい部分的にエッチングし、さらにInGaAlN
電荷注入層27の上にn電極30を形成し、InGaA
lN電荷注入層29の上にp電極31を形成する。図2
では電極30は電荷注入層27の上に設けているが、電
極30を設ける層はAlN層24を除く発光層28より
サファイア基板22の側の層であればどの層でもよい。
に説明する。なお、実施例は一つの例示であって、本発
明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更又は改良を行
いうることは言うまでもない。 実施例1 ここで用いたMOVPE装置の概略を図1に示す。用い
た原料はアンモニア、TMG、TMA、TMIであり、
またSiドープのために水素で1ppmに希釈したシラ
ンガスを、MgドープのためにMCp2Mgを用いた。
まず、有機洗浄により洗浄したC面を主面とする単結晶
のサファイア基板22をMOVPE装置の反応室19に
載置されたサセプタ21に装着した。次に、常圧で水素
を反応室に流しながら高周波加熱によりサセプタを11
00℃に加熱し、この状態でサファイア基板を10分間
保持してサファイア基板を気相クリーニングした。次
に、温度を600℃まで低下させて、アンモニアとTM
Gを供給して約500Åの厚さの窒化ガリウムのバッフ
ァ層を形成した。次に、TMGの供給のみを停止して、
サファイア基板の温度を1100℃まで昇温し、温度が
安定したのち、TMGの供給を開始し、3μmの膜厚の
GaN膜を成長した。こうして得られたサファイア基板
とGaNとをあわせて本発明における基板とする。
で降温したのち、キャリアガスを水素から窒素に変え、
TMG、TMIの供給を開始して、In0.1 Ga0.9 N
の層を100Å成長した。続いて、TMG、TMI、T
MAを供給して、In0.1 Ga0.8 Al0.1 Nの層を1
00Å成長した。この操作を交互に20回繰り返して、
In0.1 Ga0.9 N層が20層、In0.1 Ga0.8 Al
0.1 N層が20層からなる積層構造を成長した。次に、
TMG、TMA、TMI、シランガス、MCp2Mgを
用いてSi濃度が1×1019/cm3 のIn0.1 Ga
0.8 Al0.1 Nの電荷注入層を1800Å、Si濃度が
1×1019/cm3 のIn0.1 Ga0.9 Nの発光層を5
00Å、Mg濃度が1×1020/cm3 のGaNの層を
1800Å、成長させた。成長終了後、窒素中800℃
でアニール処理を行ない、MgをドープしたGaN層を
低抵抗化した。こうして得られた3−5族化合物半導体
基板を用いて、通常の半導体プロセスにより図2に示す
構造の発光素子を作製した。この素子について、p−電
極を電源の+側、n−電極を−側に接続し5Vを引加し
たところ10mAの電流が流れた。このとき青紫色の発
光が認められ、この状態で発光部の輝度を輝度計により
測定した結果、17mcdであった。
0.8 Al0.1 Nからなる積層構造を成長しないことを除
いては実施例1と同様にして発光素子を作製した。実施
例1と同様にして10mAの電流を流し、基板側から素
子の状態を観察したところ、やはりp−電極付近から青
紫色の発光が見られたが、実施例1と同様にして発光部
の輝度を輝度計により測定した結果、6mcdであっ
た。
0.17Ga0.83Nを30ÅとIn0.17Ga0.75Al0.08N
を30Åとを交互に20回、合計40層成長し、さらに
第1の電荷注入層In0.17Ga0.83Nを30Å、発光層
としてIn0.25Ga0.75Nを50Å、第2の電荷注入層
としてGaNを200Å成長した。第1の電荷注入層と
発光層とのバンドギャップの差は約0.16eV、第2
の電荷注入層と発光層のバンドギャップの差は約0.5
eVである。
ザ(波長325nm、出力10mW)を励起光源として
液体窒素温度でフォトルミネッセンススペクトル(以
下、「PL」と記すことがある。)を測定したところ、
発光層に由来する明瞭な青色発光を示し、中心波長は4
315Å、ピーク強度(ピーク波長での検出器の出力)
は4.15mVであった。
0Å成長したことを除いては実施例2と同様にして成長
を行った。本実施例の場合、第1の電荷注入層はGaN
である。実施例1と同様にPLによる評価を行なったと
ころ、やはり明瞭な青色発光を示したが、ピーク強度は
1.6mVしかなかった。この結果を実施例2と比較す
ることで、本発明の3−5族化合物半導体における発光
層の結晶性が比較例2に比べて大きく改善されているこ
とがわかる。
除いては実施例2と同様にして、本発明の半導体を作製
した。また、バッファ層を10回(合計20層)及び4
0回(合計80層)繰り返した同様の試料を作製した。
本実施例の場合、バッファ層の最後の層が第1の電荷注
入層としての作用を持つ。第1の電荷注入層と発光層の
バンドギャップの差は約0.3eVである。これらの試
料および比較例2の試料を実施例2と同様にして室温で
のPLによる評価を行なった。図3にバッファ層の層数
とピーク強度の関係を示す。比較例のピーク強度もこの
図の層数0の位置に示してある。この図から本発明によ
る半導体の結晶性が比較例2に比べて向上していること
がわかる。
を含む高品質で大面積の3−5族化合物半導体であり、
これを用いた発光素子は高い発光効率を有する。特に、
本発明の発光素子は、3−5族化合物半導体におけるI
nの組成が10〜80モル%の場合には、発光波長を紫
色及びそれより長波長の可視領域すなわち青色、緑色、
黄色、橙色などにすることができる。特に、本発明の発
光素子は、青色、緑色用として工業的に重要である。
物半導体の製造装置の概略図。
示す図。
0.1 Nの積層構造からなるバッファ層 27・・・InGaAlN電荷注入層 28・・・InGaN発光層 29・・・InGaAlN電荷注入層 30・・・n電極 31・・・p電極
Claims (5)
- 【請求項1】発光層と電荷注入層とを有する層と、基板
との間に、バッファ層を有し、発光層が一般式Inx G
ay Alz N(式中、0<x≦1、0≦y<1、0≦z
<1、x+y+z=1)で表される3−5族化合物半導
体であって、電荷注入層が一般式Inx'Gay'Alz'N
(式中、0<x’≦1、0≦y’<1、0≦z’<1、
x’+y’+z’=1)で表され、発光層よりも大きな
バンドギャップを有する3−5族化合物半導体であっ
て、バッファ層が、一般式InuGav Alw N(式
中、0<u≦1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w
=1)で表され、少なくとも2つの組成の異なる層から
なり、少なくとも1つの層においてw>0である積層構
造を含むことを特徴とする3−5族化合物半導体。 - 【請求項2】バッファ層が、少なくとも4つの層からな
ることを特徴とする請求項1記載の3−5族化合物半導
体。 - 【請求項3】バッファ層が、Inu Gav Alw N(式
中、0≦u<1、0≦v<1、0≦w<1、u+v+w
=1)層とInu'Gav'Alw'N(式中、0≦u’<
1、0<v’≦1、0≦w’<1、u’+v’+w’=
1)層とが交互に少なくとも2回繰り返された積層構造
であることを特徴とする請求項1記載の3−5族化合物
半導体。 - 【請求項4】サファイア基板上に形成されたGaN層上
に、形成されたことを特徴とする請求項1記載の3−5
族化合物半導体。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれかに記載の3−5族
化合物半導体を用いた発光素子。
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