JPH08264833A - 発光ダイオード - Google Patents
発光ダイオードInfo
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- JPH08264833A JPH08264833A JP1958696A JP1958696A JPH08264833A JP H08264833 A JPH08264833 A JP H08264833A JP 1958696 A JP1958696 A JP 1958696A JP 1958696 A JP1958696 A JP 1958696A JP H08264833 A JPH08264833 A JP H08264833A
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- Japan
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- layer
- lattice constant
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- H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
Abstract
(57)【要約】
【課題】高効率発光窒化アルミニウム・ガリウム・イン
ジウム化合物半導体デバイス。 【解決手段】サファイア基板１４上に窒化インジウム・
ガリウム化合物から構成され、第１の格子定数と第１の
インジウム含有量とを有するバッファ層１２を形成し、
さらにその上に窒化ガリウム・インジウム・アルミニウ
ム化合物から構成され、第２の格子定数と第２のインジ
ウム含有量とを有する上部層を形成する。第１の格子定
数と第２の格子定数の差は0.5％以内であり、発光ダイ
オードに用いられる。
ジウム化合物半導体デバイス。 【解決手段】サファイア基板１４上に窒化インジウム・
ガリウム化合物から構成され、第１の格子定数と第１の
インジウム含有量とを有するバッファ層１２を形成し、
さらにその上に窒化ガリウム・インジウム・アルミニウ
ム化合物から構成され、第２の格子定数と第２のインジ
ウム含有量とを有する上部層を形成する。第１の格子定
数と第２の格子定数の差は0.5％以内であり、発光ダイ
オードに用いられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ、及び、ＬＥＤ
のような発光デバイスの構造に用いられる窒化アルミニ
ウム・ガリウム・インジウム化合物半導体デバイスに関
するものである。
のような発光デバイスの構造に用いられる窒化アルミニ
ウム・ガリウム・インジウム化合物半導体デバイスに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）化合物は、可視
光の緑及び青の範囲の波長で発光する。単結晶の窒化ガ
リウムを成長させるのは難しいので、市販のＧａＮ基板
は、ＧａＮベースのデバイスのエピタキシャル成長に利
用できない。現在のところ、大部分のＧａＮベースの発
光デバイス（ＬＥＤ）は、サファイア基板上においてエ
ピタキシャル成長させられる。サファイア基板とＧａＮ
ベースの半導体の間における格子定数の差のため、サフ
ァイア基板上における高品質のＧａＮベースのエピタキ
シャル層の成長は困難である。さらに、高ｎタイプのバ
ックグラウンド濃度と低ｐタイプのドーピング活性度の
組み合わせのために、伝導率の高いｐタイプを得るのは
ほとんど不可能である。基本ヘテロ接合デバイスの概念
は、長年にわたって十分に理解されているが、これらの
困難によって、効率のよいヘテロ接合レーザ及びＡｌＧ
ａＩｎＮ材料系を利用して緑と青の光を出すＬＥＤの開
発が挫折した。
光の緑及び青の範囲の波長で発光する。単結晶の窒化ガ
リウムを成長させるのは難しいので、市販のＧａＮ基板
は、ＧａＮベースのデバイスのエピタキシャル成長に利
用できない。現在のところ、大部分のＧａＮベースの発
光デバイス（ＬＥＤ）は、サファイア基板上においてエ
ピタキシャル成長させられる。サファイア基板とＧａＮ
ベースの半導体の間における格子定数の差のため、サフ
ァイア基板上における高品質のＧａＮベースのエピタキ
シャル層の成長は困難である。さらに、高ｎタイプのバ
ックグラウンド濃度と低ｐタイプのドーピング活性度の
組み合わせのために、伝導率の高いｐタイプを得るのは
ほとんど不可能である。基本ヘテロ接合デバイスの概念
は、長年にわたって十分に理解されているが、これらの
困難によって、効率のよいヘテロ接合レーザ及びＡｌＧ
ａＩｎＮ材料系を利用して緑と青の光を出すＬＥＤの開
発が挫折した。
【０００３】１９８０年代に、研究者が低温でＧａＮま
たはＡｌＮバッファ層を成長させることの重要さを発見
した時、効率の高いＧａＮベースのＬＥＤが可能になっ
た。低温でサファイア基板上にバッファ層を成長させる
ことによって、引き続き成長させられるＧａＮ層の形態
が改良され、ＧａＮ材料のｎタイプのバックグラウンド
濃度が低下する。これと、ｐタイプ・ドーパントを活性
化するための成長後熱的アニーリングまたは低エネルギ
電子ビーム照射を結び付けることによって、導電性ｐタ
イプＧａＮの成長が容易になった。これらの技術的進歩
によって、オプトエレクトロニクス及び他の用途のため
のＡｌＧａＩｎＮ材料系のデバイス開発の進捗が大幅に
加速された。
たはＡｌＮバッファ層を成長させることの重要さを発見
した時、効率の高いＧａＮベースのＬＥＤが可能になっ
た。低温でサファイア基板上にバッファ層を成長させる
ことによって、引き続き成長させられるＧａＮ層の形態
が改良され、ＧａＮ材料のｎタイプのバックグラウンド
濃度が低下する。これと、ｐタイプ・ドーパントを活性
化するための成長後熱的アニーリングまたは低エネルギ
電子ビーム照射を結び付けることによって、導電性ｐタ
イプＧａＮの成長が容易になった。これらの技術的進歩
によって、オプトエレクトロニクス及び他の用途のため
のＡｌＧａＩｎＮ材料系のデバイス開発の進捗が大幅に
加速された。
【０００４】図１には、ＧａＮ材料の質を向上させて、
効率のよい青発光ＬＥＤを得るため、ＡlＮ層を備えた
先行技術による半導体（米国特許第５，１２２，８４５
号においてマナベ他によって教示）が示されている。図
２には、同じ目的で、ただし、効率のよい緑のＬＥＤを
目指してＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）を備えた先行技
術によるもう１つの半導体（米国特許第５，２９０，３
９３号においてナカムラによって教示）が示されてい
る。しかしながら、いずれの方法とも同様の問題を生ず
る。
効率のよい青発光ＬＥＤを得るため、ＡlＮ層を備えた
先行技術による半導体（米国特許第５，１２２，８４５
号においてマナベ他によって教示）が示されている。図
２には、同じ目的で、ただし、効率のよい緑のＬＥＤを
目指してＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）を備えた先行技
術によるもう１つの半導体（米国特許第５，２９０，３
９３号においてナカムラによって教示）が示されてい
る。しかしながら、いずれの方法とも同様の問題を生ず
る。
【０００５】主たる問題の１つは、これらのＬＥＤの色
純度である。先行技術に関する両事例とも、ＬＥＤによ
って、スペクトルの広い紫外波長と可視波長から構成さ
れる、人間の目には白っぽい色が発生する。さらに、強
いＵＶ光に目を長時間さらすと、目に損傷を生じる可能
性がある。従って、これらのＬＥＤは、色が不純であ
り、また、安全でもないので、多くの用途にとって不適
当である。
純度である。先行技術に関する両事例とも、ＬＥＤによ
って、スペクトルの広い紫外波長と可視波長から構成さ
れる、人間の目には白っぽい色が発生する。さらに、強
いＵＶ光に目を長時間さらすと、目に損傷を生じる可能
性がある。従って、これらのＬＥＤは、色が不純であ
り、また、安全でもないので、多くの用途にとって不適
当である。
【０００６】先行技術に関する第２の問題点は、バッフ
ァ層のために選択された材料によって、インジウムの含
有量が２５％未満に、Ｇａ1-x InxＮ活性層の厚さが２
００nm未満に制限されるということである。これは、ヘ
テロ接合インターフェイスにおける不整合転位の発生を
回避して、デバイスの効率を維持できるようにするため
である。不整合転位は、レーザ及びＬＥＤのような光子
デバイスの性能に有害である。結果として、このデバイ
スは、活性層の禁止帯の幅の同調可能なエネルギ範囲が
インジウムの含有量に比例するので、バンド間再結合プ
ロセスを制限する薄い歪んだＧａ1-x InxＮ活性層に限
定される。該ＬＥＤのドナー・アクセプタ対の再結合プ
ロセスの結果生じる発光は、可視スペクトルの色範囲で
はない。青と緑の光を発生するために用いられる場合、
ドナー・アクセプタ対の再結合のスペクトル幅は、バン
ド間再結合と比較すると極めて広く、非効率的である。
ァ層のために選択された材料によって、インジウムの含
有量が２５％未満に、Ｇａ1-x InxＮ活性層の厚さが２
００nm未満に制限されるということである。これは、ヘ
テロ接合インターフェイスにおける不整合転位の発生を
回避して、デバイスの効率を維持できるようにするため
である。不整合転位は、レーザ及びＬＥＤのような光子
デバイスの性能に有害である。結果として、このデバイ
スは、活性層の禁止帯の幅の同調可能なエネルギ範囲が
インジウムの含有量に比例するので、バンド間再結合プ
ロセスを制限する薄い歪んだＧａ1-x InxＮ活性層に限
定される。該ＬＥＤのドナー・アクセプタ対の再結合プ
ロセスの結果生じる発光は、可視スペクトルの色範囲で
はない。青と緑の光を発生するために用いられる場合、
ドナー・アクセプタ対の再結合のスペクトル幅は、バン
ド間再結合と比較すると極めて広く、非効率的である。
【０００７】ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ二重ヘテロ構造層
の厚さまたはインジウム含有量を制限することなく、可
視範囲の光を放出する安全で効率のよいＬＥＤが所望さ
れる。実用的な市販の発光デバイスに適用できるように
するために、活性層の二重ヘテロ構造をより効率よく利
用することが可能であれば、やはり望ましい。
の厚さまたはインジウム含有量を制限することなく、可
視範囲の光を放出する安全で効率のよいＬＥＤが所望さ
れる。実用的な市販の発光デバイスに適用できるように
するために、活性層の二重ヘテロ構造をより効率よく利
用することが可能であれば、やはり望ましい。
【０００８】
【発明の概要】サファイア基板上にＡｌyＧａ1-x-yＩｎ
xＮベースの化合物半導体層を成長させることによっ
て、青の光が効率の高い放出光である発光ダイオード
（ＬＥＤ）を得ることが可能である。 ＡｌyＧａ1-x-y
ＩｎxＮの二重ヘテロ（DH)構造から構成される活性層
が、低温で成長させたＧａ1-x InxＮバッファ層に重ね
て形成される。ＤＨ構造及びバッファ層のインジウム含
有量は同様であるため、ＤＨ構造の格子定数もバッファ
層と同様である。バッファ層の転位がＤＨ構造の活性層
に伝搬するのを防ぐため、バッファ層とＤＨ構造の間に
は、 ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ合金の歪み層または非歪み
層あるいはＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ合金の線形傾斜層の
いずれかを含む超格子構造とすることが可能な、転位低
減層を選択して挿入することが可能である。
xＮベースの化合物半導体層を成長させることによっ
て、青の光が効率の高い放出光である発光ダイオード
（ＬＥＤ）を得ることが可能である。 ＡｌyＧａ1-x-y
ＩｎxＮの二重ヘテロ（DH)構造から構成される活性層
が、低温で成長させたＧａ1-x InxＮバッファ層に重ね
て形成される。ＤＨ構造及びバッファ層のインジウム含
有量は同様であるため、ＤＨ構造の格子定数もバッファ
層と同様である。バッファ層の転位がＤＨ構造の活性層
に伝搬するのを防ぐため、バッファ層とＤＨ構造の間に
は、 ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ合金の歪み層または非歪み
層あるいはＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ合金の線形傾斜層の
いずれかを含む超格子構造とすることが可能な、転位低
減層を選択して挿入することが可能である。
【０００９】結果として、合金にインジウムを添加する
と、ドナー・アクセプタ対の再結合プロセス及びこの歪
み活性層が利用されなくなるので、可視光用途のための
ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮのＤＨ構造のＬＥＤの効率をさ
らに向上させることが可能になる。青及び緑のＡｌyＧ
ａ1-x-yＩｎxＮをベースにしたＬＥＤの色純度も向上す
る。
と、ドナー・アクセプタ対の再結合プロセス及びこの歪
み活性層が利用されなくなるので、可視光用途のための
ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮのＤＨ構造のＬＥＤの効率をさ
らに向上させることが可能になる。青及び緑のＡｌyＧ
ａ1-x-yＩｎxＮをベースにしたＬＥＤの色純度も向上す
る。
【００１０】
【実施例】図３は、半導体構造１０の実施例に関する断
面図である。窒化ガリウム・インジウム化合物半導体の
バッファ層から構成されるバッファ層１２が、サファイ
ア基板１４上に形成されている。窒化ガリウム・アルミ
ニウム・インジウム化合物半導体の活性層１６Ａを含む
ＤＨ構造層１６が、バッファ層１２に重ねて形成されて
いる。
面図である。窒化ガリウム・インジウム化合物半導体の
バッファ層から構成されるバッファ層１２が、サファイ
ア基板１４上に形成されている。窒化ガリウム・アルミ
ニウム・インジウム化合物半導体の活性層１６Ａを含む
ＤＨ構造層１６が、バッファ層１２に重ねて形成されて
いる。
【００１１】Ｇａ1-x InxＮ（０＜ｘ＜＝１）から構成
されるバッファ層１２が、４００℃〜９５０℃の範囲の
成長温度で、サファイア基板１４上に直接形成される
が、バッファ層１２の厚さは５〜５０nmの間で変更可能
である。成長温度は、バッファ層１２のインジウム含有
量と直接比例して変化し、インジウム含有量が多くなる
ほど、成長温度は低くなる。 ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ
（０＜ｘ１；０ｙ＜１）から構成されるＤＨ構造層１６
が、７００℃〜１０５０℃の範囲の成長温度で、バッフ
ァ層１２に重ねて形成される。
されるバッファ層１２が、４００℃〜９５０℃の範囲の
成長温度で、サファイア基板１４上に直接形成される
が、バッファ層１２の厚さは５〜５０nmの間で変更可能
である。成長温度は、バッファ層１２のインジウム含有
量と直接比例して変化し、インジウム含有量が多くなる
ほど、成長温度は低くなる。 ＡｌyＧａ1-x-yＩｎxＮ
（０＜ｘ１；０ｙ＜１）から構成されるＤＨ構造層１６
が、７００℃〜１０５０℃の範囲の成長温度で、バッフ
ァ層１２に重ねて形成される。
【００１２】インジウムをバッファ層１２に導入するこ
とによって、ＤＨ構造層１６のインジウム含有量を増す
ことが可能になる。バッファ層１２のインジウム含有量
と活性層１６Ａのインジウム含有量の差は、２０％以内
が望ましい。結果として、ＤＨ構造層１６の格子定数
は、バッファ層１２の格子定数とよりよく整合すること
になる。活性層１６Ａのインジウム含有量がバッファ層
１２のインジウム含有量と等しくなると、格子定数はさ
らによく整合する。バッファ層１２の格子定数とＤＨ構
造層１６の格子定数の差を、できれば±０．５％の公差
内内に減少させると、ＤＨ構造層１６の結晶の質が向上
する。活性層１６Ａからの発光は主としてバンド間遷移
になるため、インジウムによって、デバイスのスペクト
ル幅がいっそう狭くなる。この結果、多くのＬＥＤ用途
に純粋でより望ましい発光が得られることになる。
とによって、ＤＨ構造層１６のインジウム含有量を増す
ことが可能になる。バッファ層１２のインジウム含有量
と活性層１６Ａのインジウム含有量の差は、２０％以内
が望ましい。結果として、ＤＨ構造層１６の格子定数
は、バッファ層１２の格子定数とよりよく整合すること
になる。活性層１６Ａのインジウム含有量がバッファ層
１２のインジウム含有量と等しくなると、格子定数はさ
らによく整合する。バッファ層１２の格子定数とＤＨ構
造層１６の格子定数の差を、できれば±０．５％の公差
内内に減少させると、ＤＨ構造層１６の結晶の質が向上
する。活性層１６Ａからの発光は主としてバンド間遷移
になるため、インジウムによって、デバイスのスペクト
ル幅がいっそう狭くなる。この結果、多くのＬＥＤ用途
に純粋でより望ましい発光が得られることになる。
【００１３】図４は、半導体構造１０のもう１つの実施
例に関する断面図である。窒化ガリウム・アルミニウム
・インジウム化合物及び窒化ガリウム・インジウム化合
物を含む転位低減層１８が、バッファ層１２とＤＨ構造
層１６の間に配置されている。転位低減層１８によっ
て、バッファ層１２の格子定数とＤＨ構造１６の格子定
数の差が吸収される。
例に関する断面図である。窒化ガリウム・アルミニウム
・インジウム化合物及び窒化ガリウム・インジウム化合
物を含む転位低減層１８が、バッファ層１２とＤＨ構造
層１６の間に配置されている。転位低減層１８によっ
て、バッファ層１２の格子定数とＤＨ構造１６の格子定
数の差が吸収される。
【００１４】転位減少層１８が、バッファ層１２と同様
に、４００℃〜９５０℃の範囲の成長温度で形成され
る。転位減少層１８は、構造的には、窒化アルミニウム
・ガリウム・インジウム化合物から構成される歪み超格
子構造または線形傾斜構造とすることが可能である。
に、４００℃〜９５０℃の範囲の成長温度で形成され
る。転位減少層１８は、構造的には、窒化アルミニウム
・ガリウム・インジウム化合物から構成される歪み超格
子構造または線形傾斜構造とすることが可能である。
【図１】先行技術による半導体構造を示す図である。
【図２】先行技術によるもう１つの半導体構造を示す図
である。
である。
【図３】本発明による半導体構造の実施例に関する断面
図である。
図である。
【図４】本発明による半導体構造のもう１つの実施例に
関する断面図である。
関する断面図である。
１０ 半導体構造 １２ バッファ層 １４ サファイア基板 １６ ＤＨ構造 １６Ａ 活性層 １８ 転位低減層
Claims (7)
- 【請求項１】サファイア基板と、 窒化インジウム・ガリウム化合物から構成され、第１の
格子定数と第１のインジウム含有量とを有する、前記サ
ファイア基板上に形成されたバッファ層と、 窒化ガリウム・インジウム・アルミニウム化合物から構
成され、第２の格子定数と第２のインジウム含有量とを
有する、前記バッファ層上の上部層とを有し、 第１の格子定数と第２の格子定数の差が0.5％以内であ
ることを特徴とする、 発光ダイオード。 - 【請求項２】前記バッファ層の厚さが５nm〜５００nmで
あることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項３】前記バッファ層が４００℃〜９５０℃の温
度で成長させられることを特徴とする請求項１に記載の
発光ダイオード。 - 【請求項４】さらに、第１の格子定数と第２の格子定数
の差を吸収するため前記バッファ層と前記上部層との間
に転位低減層を設けたことを特徴とする請求項１に記載
の発光ダイオード。 - 【請求項５】前記転位低減層が歪み超格子構造であるこ
とを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード - 【請求項６】前記転位低減層が窒化アルミニウム・ガリ
ウム・インジウムから構成される線形傾斜構造であるこ
とを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。 - 【請求項７】前記第１と第２のインジウム含有量の差が
２０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の発
光ダイオード。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US40154395A | 1995-03-10 | 1995-03-10 | |
| US401,543 | 1995-03-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08264833A true JPH08264833A (ja) | 1996-10-11 |
Family
ID=23588185
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1958696A Pending JPH08264833A (ja) | 1995-03-10 | 1996-02-06 | 発光ダイオード |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0731512A3 (ja) |
| JP (1) | JPH08264833A (ja) |
| KR (1) | KR960036159A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000036620A (ja) * | 1998-06-05 | 2000-02-02 | Hewlett Packard Co <Hp> | 窒化物エピタキシのための多層インジウム含有窒化物緩衝層 |
| DE19954242B4 (de) * | 1998-11-12 | 2007-04-26 | Showa Denko K.K. | Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Nitridhalbleiter der Gruppe III |
| US7615804B2 (en) | 1997-01-09 | 2009-11-10 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Superlattice nitride semiconductor LD device |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6695913B1 (en) | 1997-07-10 | 2004-02-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | III-Nitride optoelectronic semiconductor device containing lattice mismatched III-Nitride semiconductor materials |
| GB2327145A (en) * | 1997-07-10 | 1999-01-13 | Sharp Kk | Graded layers in an optoelectronic semiconductor device |
| WO1999005728A1 (en) | 1997-07-25 | 1999-02-04 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| CN100446289C (zh) * | 1998-03-12 | 2008-12-24 | 日亚化学工业株式会社 | 氮化物半导体元件 |
| WO1999046822A1 (fr) * | 1998-03-12 | 1999-09-16 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Dispositif semi-conducteur electroluminescent au nitrure |
| US6194742B1 (en) | 1998-06-05 | 2001-02-27 | Lumileds Lighting, U.S., Llc | Strain engineered and impurity controlled III-V nitride semiconductor films and optoelectronic devices |
| KR20000002540A (ko) * | 1998-06-22 | 2000-01-15 | 김영환 | 인듐 나이트라이드층 형성방법 |
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| JP3770014B2 (ja) | 1999-02-09 | 2006-04-26 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| DE60043536D1 (de) | 1999-03-04 | 2010-01-28 | Nichia Corp | Nitridhalbleiterlaserelement |
| US6495894B2 (en) * | 2000-05-22 | 2002-12-17 | Ngk Insulators, Ltd. | Photonic device, a substrate for fabricating a photonic device, a method for fabricating the photonic device and a method for manufacturing the photonic device-fabricating substrate |
| US6537838B2 (en) | 2001-06-11 | 2003-03-25 | Limileds Lighting, U.S., Llc | Forming semiconductor structures including activated acceptors in buried p-type III-V layers |
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