JPH09129926A

JPH09129926A - Ｉｉｉ族窒化物発光素子

Info

Publication number: JPH09129926A
Application number: JP22284896A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Shinichi Watabe; 信一渡部
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＩＩ族窒化物発光素子中でのドーパントの
拡散を抑制し、素子の性能低下を防ぐこと。【解決手段】ダブルヘテロ構造の窒化ガリウムなどの
ＩＩＩ族窒化物の発光素子において、ｐ型クラッド層と
活性層との間に拡散抑制層を設けることを特徴とする。【効果】高輝度で長寿命の発光素子が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩＩ族窒化物発
光素子、例えば発光ダイオードやレーザダイオードに関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子の中で、短波長光、例え
ば緑色から紫外光を発するものとして、窒化ガリウムな
どのＩＩＩ族窒化物の発光素子がある。当該発光素子の
構造の一つにダブルヘテロ構造があるが、該ダブルヘテ
ロ構造の基本構造は基板上にバッファ層を介して、ｎ型
クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次成長した構
成となっている。

【０００３】前記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッ
ド層の各層には導電型制御のため、または発光中心を設
けるために様々なドーパントがドーピングされ、該ドー
パントとして、例えばｎ型クラッド層にはＳｉ、Ｇｅな
どが、活性層にはＺｎ、Ｃｄ、Ｓｉなどが、ｐ型クラッ
ド層にはＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅなどがそれぞれよく用
いられている。

【０００４】周知のダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子においては、例えば、図２に示す
ように基板１１上にバッファ層１２を介して、ｎ型クラ
ッド層１３、活性層１４及びｐ型クラッド１６が順次形
成されている。具体的には基板１１にサファイア基板
を、ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１６にはＡ
ｌＧａＮ系材料を、活性層１４にＩｎＧａＮ系材料をそ
れぞれ用い、ドーパントとしてｎ型クラッド層１３には
Ｓｉを、ｐ型クラッド層１６にはＭｇを、また活性層１
４にはＺｎ、Ｓｉなどをそれぞれ用いている。このよう
にｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、活性層の各層には
各種ドーパントが用いられるが、これらのドーパントの
うちでｐ型クラッド層や活性層にドーピングされるＭｇ
やＺｎなどは、発光素子の製造中における前記各層の成
長過程や製造された該素子の発光中に隣接する半導体層
へ容易に拡散する。この結果、例えばｐ型クラッド層中
のドーパントが活性層中に拡散により移動すると、ｐ型
クラッド層中でのドーパント量が減少する、また活性層
中に移動したドーパントが非発光センターとなるなどの
忌むべき現象のために発光素子の発光輝度が低下し、こ
の低下は該素子の短寿命化にもつながる。例えば５００
０時間の使用で、発光輝度が初期の５０％以下となるこ
ともある。

【０００５】さらに、一般的に温度の上昇とともに拡散
は促進されることになるが、半導体層を成長させる場合
の成長温度はその層に用いられる材料の融点によって影
響される。窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の場
合、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ系材料、ＩｎＧａＮ系材料など
からなる各層の成長は高温で行う必要があるため、とり
わけ成長中にドーパントが拡散し易いという問題があっ
た。また発光中にあっても熱が発生し、この熱でゆるや
かではあるがドーパントの拡散が不可避的に発生してし
まう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明は、窒化
ガリウムなどのＩＩＩ族窒化物の発光素子中のドーパン
トの拡散を抑制し、素子の性能低下を防ぐことを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、つぎの特徴を
有する。１．ダブルヘテロ構造のＩＩＩ族窒化物発光素子におい
て、ｐ型クラッド層と活性層との間に拡散抑制層を有す
ることを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光素子。２．ｐ型クラッド層のドーパントがマグネシウムである
ことを特徴とする上記１記載のＩＩＩ族窒化物発光素
子。３．拡散抑制層がＩｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする
上記１または２記載のＩＩＩ族窒化物発光素子。４．拡散抑制層がｐ型クラッド層と同一の半導体材料か
らなることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の
ＩＩＩ族窒化物発光素子。５．拡散抑制層の厚さが０．０１〜０．２μｍであるこ
とを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のＩＩＩ族
窒化物発光素子。６．拡散抑制層がアンドープ層であることを特徴とする
上記１〜５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物発光素
子。７．拡散抑制層が多層構造を有することを特徴とする上
記１〜６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物発光素子。

【０００８】

【作用】拡散抑制層は、ｐ型クラッド層と活性層との間
で生じるドーパントの相互拡散を抑制し、特にｐ型クラ
ッド層のドーパントの活性層への拡散を抑制する作用を
なす。この結果、ＩＩＩ族窒化物発光素子の性能向上が
達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図例により詳細に
説明する。本発明における発光素子なる概念には発光ダ
イオードやレーザダイオードなどが包含されるが、図１
は、本発明の発光ダイオードの一実施態様の断面図であ
る。図１に示す実施態様は、基板１上にバッファ層２が
積層され、その上にｎ型クラッド層３、活性層４、拡散
抑制層５、ｐ型クラッド層６が順次積層されたダブルヘ
テロ構造を有する。

【００１０】前記ｎ型クラッド層３及びｐ型クラッド層
６の各構成材料としては、活性層４に用いられる材料に
よって決定されるが、ＧａＮの他に、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
ＮのようなＡｌＧａＮ系材料、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎのよ
うなＩｎＧａＮ系材料、ＩｎＧａＡｌＮ系材料などを用
いることができる。

【００１１】各層の厚さは、それぞれｎ型クラッド層３
が２〜６μｍ、ｐ型クラッド層６が０．３〜１．５μｍ
程度である。活性層の構成材料や厚さは、作製する素子
の発光波長によって異なるが、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ、Ｉ
ｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ、Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6ＮのようなＩｎＧ
ａＮ系材料、ＧａＮなどを用いることができ、その厚さ
は０．００１〜０．１μｍ程度である。

【００１２】各層のドーパントとしては、ｎ型クラッド
層３にはｎ型の導電型が得られる点からＳｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ等の元素を用いることが好ましく、この中でもＳｉは
ドーピング効率が高く、ドーピングした時の層表面の形
状が良好であるため特に好ましい。またキャリア濃度は
１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3となるようにドーピング
される。同様にｐ型クラッド層６にはｐ型の伝導型が得
られる点からＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅ等の元素を用いる
ことが好ましく、この中でもＭｇはアクセプターレベル
が他に比べて浅く、活性化しやすいことから特に好まし
い。またキャリア濃度は３×１０¹⁷〜８×１０¹⁸ｃｍ^-3
となるようにドーピングされる。活性層４には、作製す
る素子の発光波長によって種々のドーパントが用いられ
る。例えば、紫外領域ではＳｉ、青から青緑色領域では
Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｉ等をそれぞれ用いることが好ましく、
青から青緑色領域に用いられるドーパントの中では各原
料前駆体の取り扱いの点からＺｎ、Ｓｉが特に好まし
い。

【００１３】しかしながら前記ｎ型クラッド層３、ｐ型
クラッド層６、活性層４の各層にドーピングされる各種
ドーパントの中で、Ｚｎ、Ｍｇなどは隣接層に拡散し易
いドーパントである。したがって、本発明のダブルヘテ
ロ構造のＩＩＩ族窒化物発光素子においては、Ｍｇなど
がドーピングされたｐ型クラッド層６と活性層４との間
に拡散抑制層５が設けられ、それによって、かかる易移
動性ドーパントの隣接層への拡散が抑制、あるいは防止
される。なお、上記の移動性ドーパントは拡散現象によ
って、また拡散によらない他の移行現象によっても移動
することがある。本発明における拡散抑制層は、そのど
ちらか一方又は両方の現象によって生じるドーパントの
移動を抑制または防止する機能をなすものである。従っ
て、以下において、ドーパントの拡散なる用語には上記
の移行現象による移動の意味をも含むものとする。

【００１４】拡散抑制層５は、ｐ型クラッド層６と活性
層４との両層間におけるドーパントの拡散を少なくとも
その大部分を抑制できればよいが、特に実質的に確実に
抑制、換言すると防止できることが好ましい。拡散抑制
乃至防止の確度を向上させるには、一般に拡散抑制層５
の厚みを増大させる方がよいが、その場合には発光に要
する順方向電圧を高くする必要がある、発光効率が低下
する、などの問題が生じる。一方、該層５の厚みが過少
であるとドーパント拡散抑制の効果が乏しくなる。した
がって、拡散抑制層５の厚みは０．００１〜２μｍ、特
に０．００５〜０．５μｍ、更には０．０１〜０．２μ
ｍとすることが好ましい。

【００１５】拡散抑制層５の不純物の濃度は少ない方が
前記両層間におけるドーパントの拡散を拡散抑制層５内
で吸収し止めておくことができるとともに、拡散抑制層
５中に含まれる不純物の拡散が生じる程度も低くなり、
拡散抑制効果をより発揮できるので好ましい。したがっ
て、拡散抑制層５はアンドープ層とすることが特に好ま
しい。

【００１６】ＩＩＩ族窒化物発光素子は、エピタキシャ
ル成長により作製される場合、拡散抑制層５の材料に関
しては拡散抑制層５を挟むｐ型クラッド層６と活性層４
とのどちらかと格子整合することが可能であれば特に制
限はないが、拡散抑制層５を挟む両層の材料が主として
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ系材料、ＩｎＧａＮ系材料、ＩｎＧ
ａＡｌＮ系材料などであることから、拡散抑制層５の材
料をＩｎ_xＧａ_yＡｌ _1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、ｘ＋ｙ≦１）、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、Ｉ
ｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮな
どとすることは前記格子整合の点から好ましい。

【００１７】拡散抑制層５は、１つの材料からなる単層
であってもよく、また多層構造であってもよい。多層構
造とすると、層間の界面が該層５を通過しようとして該
層５に入って来るドーパントをトラップする効果があっ
て、このために該層５のドーパント拡散の抑制作用が向
上する。この多層構造は、前記した材料の少なくとも２
種を交互に積層することにより形成することができる。
例えば、第１層目をＧａＮで構成し、第２層目をＡｌＧ
ａＮとする。このＧａＮとＡｌＧａＮとの層を交互に繰
り返すことにより、所望の多層構造とすることができ
る。多層構造の層数や使用する材料数は特に制限はない
が、製造の容易さの観点から、合計層数は２〜５０層、
特に２〜１０層が適当であり、材料数は２〜４種、特に
２種が適当である。

【００１８】拡散抑制層５は単層であれ、多層構造であ
れ、その上下表面の材料はｐ型クラッド層や活性層と接
合されるので、それらの層と格子整合性のよいものであ
る方が製造面から好ましいことはいうまでもない。拡散
抑制層５が単層である場合、該層５とｐ型クラッド層と
を同一半導体材料にて形成し、ｐ型クラッド層にのみ必
要なドーピングを行うと、極めて容易に両層の形成が行
える。

【００１９】図１の実施態様においては、バッファ層２
の直上にｎ型クラッド層が形成されているが、本発明に
おいては、勿論図１におけるｎ型、ｐ型の両クラッド層
を入れ換えた構造であってもよい。その場合は、基板の
上に順次バッファ層、ｐ型クラッド層、拡散抑制層、活
性層及びｎ型クラッド層が形成されることになる。

【００２０】

【実施例】以下、具体的な実施例につき説明する。

【００２１】実施例１本実施例では図１に示した構造のＬＥＤを作製した。基
板１としてはサファイア（０００１）基板を、バッファ
層２としてはＡｌＮ層を、ｎ型クラッド層３としてはＳ
ｉドープしたＧａＮ層を、活性層４としてはＺｎドープ
したＩｎＧａＮ層を、拡散抑制層５としてはアンドープ
ＧａＮ層を、さらにｐ型クラッド層６としてはＭｇドー
プしたＧａＮ層をそれぞれ用いた。

【００２２】本実施例の作製方法を説明すると、基板１
を成長室内に入れ、まず水素雰囲気中で基板温度を１０
５０℃にし、１０分間の熱処理を行う。次に基板温度を
５００℃に下げ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を
３０ｃｃ／分の流量で、ＮＨ ₃を４リットル／分の流量
でそれぞれ成長室内に供給してＡｌＮバッファ層２を
０．０３μｍ成長する。次に基板温度を１０２０℃に上
げ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を５０ｃｃ／分、Ｎ
Ｈ₃を４リットル／分、ＳｉＨ₄を３０ｃｃ／分の各流
量で成長室内に供給し、ＳｉドープＧａＮのｎ型クラッ
ド層３を約３μｍ成長する。続いて基板温度を７００℃
に下げ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を２００ｃｃ
／分、ＴＭＧを４０ｃｃ／分、ＮＨ₃を４リットル／
分、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を１０ｃｃ／分の各流量で
成長室内に供給し、ＺｎドープＩｎ_0. ₂Ｇａ_0.8Ｎの活
性層４を約０．０１μｍ成長する。さらに基板温度を１
０２０℃に上げ、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＮＨ₃を４リ
ットル／分の各流量で成長室内に供給し、アンドープＧ
ａＮの拡散抑制層５を約０．０３μｍ成長する。最後に
基板温度を１０２０℃としてＴＭＧを５０ｃｃ／分、Ｎ
Ｈ₃を４リットル／分、ビスシクロペンタジエニルマグ
ネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を２０ｃｃ／分の各流量で成長
室内に供給し、ＭｇドープＧａＮのｐ型クラッド層６を
約０．８μｍ成長し、窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子を作製した。その後、Ｍｇの活性化のために、窒素
雰囲気中において、７００℃で１５分間加熱処理を行っ
た。なお、ｎ型クラッド層３、ｐ型クラッド層６の各層
のキャリア濃度はそれぞれ１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3、７×１０
¹⁷ｃｍ^-3であった。

【００２３】実施例２実施例１における素子製造の場合と同様の材料、方法、
並びに条件にて、但し拡散抑制層５を厚さ０．１μｍと
した点のみ異なる素子を作製した。

【００２４】実施例３拡散抑制層５を厚さ０．５μｍとした以外は実施例１と
同様にして素子を作製した。

【００２５】実施例４実施例１の作製方法において、拡散抑制層５の成長を、
基板温度を７００℃として、ＴＭＩを２００ｃｃ／分、
ＴＭＧを４０ｃｃ／分、ＮＨ₃を４リットル／分、の各
流量で成長室内に供給し、厚さ０．０３μｍのアンドー
プＩｎ_0.2Ｇａ _0.8Ｎの拡散抑制層５を成長した以外は
実施例１と同様にして素子を作製した。

【００２６】実施例５実施例１の作製方法において、拡散抑制層５の成長を、
基板温度を１０５０℃として、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、
ＮＨ₃を４リットル／分の各流量で成長室内に供給し、
厚さ０．００５μｍのＧａＮを成長させ、続いてＴＭＧ
を５０ｃｃ／分、ＴＭＡを１０ｃｃ／分、ＮＨ₃を４リ
ットル／分の各流量で成長室内に供給し、厚さ０．００
５μｍのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを成長させて、ＧａＮ／Ａ
ｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる層を成長させ、さらにこれを
２回繰り返してＧａＮ／Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎが３層の多
層構造である厚さ０．０３μｍの拡散抑制層５を成長さ
せた。そしてこれ以外は実施例１と同様にして素子を作
製した。

【００２７】

【比較例】実施例１の作製方法において、拡散抑制層５
を成長しなかった素子、つまり拡散抑制層５を有してい
ない以外は実施例１と同様の素子を作製した。

【００２８】実施例１〜５及び比較例の各発光素子につ
き、発光輝度、順方向電圧及び発光寿命を測定し、その
結果を表１に示した。なお、順方向電圧は、順方向電流
が２０ｍＡの時の電圧とし、発光寿命は順方向電流を５
０ｍＡに設定した場合において発光輝度が初期値の５０
％となる時間とした。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示すように、実施例１〜５のいずれ
も比較例に比べて発光輝度は約１．２〜１．５倍程高輝
度になっており、順方向電圧は実施例３が比較例に比べ
て大きくなっており、実施例２においてもわずかではあ
るが大きくなっている。また素子の寿命は実施例１〜５
のいずれも比較例に比べて２倍以上長くなっている。

【００３１】

【発明の効果】拡散抑制層のない従来の発光素子に比べ
て、拡散抑制層を設けた本発明の発光素子の方が発光輝
度が約１．２〜１．５倍高輝度になり、寿命も１０００
０時間以上と従来の２倍以上になる。よって本発明か
ら、高輝度で長寿命の発光素子が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＩＩＩ族窒化物発光素子の一実施態様
の断面図である。

【図２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の
断面図である。

【符号の説明】

１基板２バッファ層３ｎ型クラッド層４活性層５拡散抑制層６ｐ型クラッド層

フロントページの続き (72)発明者渡部信一福岡県前原市大字浦志389番１号ルミエールコートＣ棟202号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダブルヘテロ構造のＩＩＩ族窒化物発光
素子において、ｐ型クラッド層と活性層との間に拡散抑
制層を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光素
子。
【請求項２】ｐ型クラッド層のドーパントがマグネシ
ウムであることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒
化物発光素子。
【請求項３】拡散抑制層がＩｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることを
特徴とする請求項１または２記載のＩＩＩ族窒化物発光
素子。
【請求項４】拡散抑制層がｐ型クラッド層と同一の半
導体材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載のＩＩＩ族窒化物発光素子。
【請求項５】拡散抑制層の厚さが０．０１〜０．２μ
ｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載のＩＩＩ族窒化物発光素子。
【請求項６】拡散抑制層がアンドープ層であることを
特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＩＩＩ族窒
化物発光素子。
【請求項７】拡散抑制層が多層構造を有することを特
徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化
物発光素子。