JPH09321338A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JPH09321338A JPH09321338A JP23684596A JP23684596A JPH09321338A JP H09321338 A JPH09321338 A JP H09321338A JP 23684596 A JP23684596 A JP 23684596A JP 23684596 A JP23684596 A JP 23684596A JP H09321338 A JPH09321338 A JP H09321338A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】発光層の界面におけるミスフィット転位の発生
が抑えられ、かつ、より長い波長の発光が容易に得られ
る発光素子を提供する。 【解決手段】一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（式中、０≦
ａ＜１、０＜ｂ＜１、０．０５≦ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝
１）で表される３−５族化合物半導体よりなる下地層
と、該下地層よりバンドギャップの小さい一般式Ｉｎx
Ｇa y 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
導体層よりなる発光層と、該発光層よりバンドギャップ
が大きく一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ（式中、０≦ａ’
＜１、０＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、ａ’＋ｂ’＋ｃ’
＝１）で表される３−５族化合物半導体よりなる保護層
とがこの順に積層されてなり、該発光層の格子定数が該
下地層の格子定数より大きく、かつ発光層に対して接合
方向に圧縮応力が加わってなる構造を有する発光素子。
が抑えられ、かつ、より長い波長の発光が容易に得られ
る発光素子を提供する。 【解決手段】一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（式中、０≦
ａ＜１、０＜ｂ＜１、０．０５≦ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝
１）で表される３−５族化合物半導体よりなる下地層
と、該下地層よりバンドギャップの小さい一般式Ｉｎx
Ｇa y 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
導体層よりなる発光層と、該発光層よりバンドギャップ
が大きく一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ（式中、０≦ａ’
＜１、０＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、ａ’＋ｂ’＋ｃ’
＝１）で表される３−５族化合物半導体よりなる保護層
とがこの順に積層されてなり、該発光層の格子定数が該
下地層の格子定数より大きく、かつ発光層に対して接合
方向に圧縮応力が加わってなる構造を有する発光素子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般式Ｉｎx Ｇa
y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導
体を用いてなる発光素子に関する。
y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導
体を用いてなる発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】紫外もしくは青色の発光ダイオードまた
は紫外もしくは青色のレーザダイオード等の発光素子の
材料として、一般式Ｉｎx Ｇa y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）
で表される３−５族化合物半導体が知られている。以
下、この一般式中のｘ、ｙおよびｚをそれぞれＩｎＮ混
晶比、ＧａＮ混晶比、およびＡｌＮ混晶比と記すことが
ある。該３−５族化合物半導体では、特にＩｎＮを混晶
比で１０％以上含むものは、ＩｎＮ混晶比に応じて可視
領域での発光波長を調整できるため、表示用途に重要で
ある。
は紫外もしくは青色のレーザダイオード等の発光素子の
材料として、一般式Ｉｎx Ｇa y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）
で表される３−５族化合物半導体が知られている。以
下、この一般式中のｘ、ｙおよびｚをそれぞれＩｎＮ混
晶比、ＧａＮ混晶比、およびＡｌＮ混晶比と記すことが
ある。該３−５族化合物半導体では、特にＩｎＮを混晶
比で１０％以上含むものは、ＩｎＮ混晶比に応じて可視
領域での発光波長を調整できるため、表示用途に重要で
ある。
【０００３】該３−５族化合物半導体は、サファイア、
ＧａＡｓ、ＺｎＯ等の種々の基板の上に成膜することが
試みられているが、格子定数や化学的性質が該化合物半
導体と大きく異なるため、充分高品質の結晶が得られて
いない。このため、該化合物半導体と格子定数、化学的
性質がよく似ているＧａＮの結晶をまず成長し、この上
に該化合物半導体を成長することで優れた結晶を得るこ
とが試みられている（特公昭５５−３８３４号公報）。
ＧａＡｓ、ＺｎＯ等の種々の基板の上に成膜することが
試みられているが、格子定数や化学的性質が該化合物半
導体と大きく異なるため、充分高品質の結晶が得られて
いない。このため、該化合物半導体と格子定数、化学的
性質がよく似ているＧａＮの結晶をまず成長し、この上
に該化合物半導体を成長することで優れた結晶を得るこ
とが試みられている（特公昭５５−３８３４号公報）。
【０００４】ところで、該３−５族化合物半導体の格子
定数は、ＩｎＮ混晶比に大きく依存し、ＩｎＮ混晶比が
増大するにつれて格子定数が大きくなる。このため、Ｉ
ｎＮ混晶比の大きな該３−５族化合物半導体を、ＧａＮ
などＩｎを含まない３−５族化合物半導体の上に成長し
ようとすると、膜厚が充分小さいものでしか良好な結晶
性のものを得ることができない。ところが、膜厚が小さ
い場合には、いわゆる格子定数の引込効果により、下地
層と大きく格子定数の異なる結晶を得ることが難しいこ
とが知られている。つまりこのことはＧａＮなどのＩｎ
を含まない半導体層の上に高いＩｎＮ混晶比の該化合物
半導体の薄膜を形成することが難しいことを示してい
る。したがって、発光素子の発光波長を、ＩｎＮ混晶比
を大きくすることにより長くすることは難しかった。
定数は、ＩｎＮ混晶比に大きく依存し、ＩｎＮ混晶比が
増大するにつれて格子定数が大きくなる。このため、Ｉ
ｎＮ混晶比の大きな該３−５族化合物半導体を、ＧａＮ
などＩｎを含まない３−５族化合物半導体の上に成長し
ようとすると、膜厚が充分小さいものでしか良好な結晶
性のものを得ることができない。ところが、膜厚が小さ
い場合には、いわゆる格子定数の引込効果により、下地
層と大きく格子定数の異なる結晶を得ることが難しいこ
とが知られている。つまりこのことはＧａＮなどのＩｎ
を含まない半導体層の上に高いＩｎＮ混晶比の該化合物
半導体の薄膜を形成することが難しいことを示してい
る。したがって、発光素子の発光波長を、ＩｎＮ混晶比
を大きくすることにより長くすることは難しかった。
【０００５】一方、低いＩｎＮ混晶比の発光層を用いて
発光波長の長い発光素子を得る方法として、該３−５族
化合物半導体を用いた量子井戸構造を発光層とする発光
素子において、引っ張り応力を発光層に加えることで発
光波長を実質的に長くする方法が提案されている（ＥＰ
０７１６４５７号公開明細書）。しかし、下地層より格
子定数の大きな化合物半導体に引っ張り応力を加えるた
めには、下地層と発光層との接合界面に多くのミスフィ
ット転位が発生することが避けられず、発光層の結晶性
の低下が避けられなかった。ここで、ミスフィット転位
とは、積層した２つの層の格子定数が異なることによ
り、２つの層の界面に生じる転位のことをいう。
発光波長の長い発光素子を得る方法として、該３−５族
化合物半導体を用いた量子井戸構造を発光層とする発光
素子において、引っ張り応力を発光層に加えることで発
光波長を実質的に長くする方法が提案されている（ＥＰ
０７１６４５７号公開明細書）。しかし、下地層より格
子定数の大きな化合物半導体に引っ張り応力を加えるた
めには、下地層と発光層との接合界面に多くのミスフィ
ット転位が発生することが避けられず、発光層の結晶性
の低下が避けられなかった。ここで、ミスフィット転位
とは、積層した２つの層の格子定数が異なることによ
り、２つの層の界面に生じる転位のことをいう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、発光
層の界面におけるミスフィット転位の発生が抑えられ、
かつ、より長い波長の発光が容易に得られる発光素子を
提供することにある。
層の界面におけるミスフィット転位の発生が抑えられ、
かつ、より長い波長の発光が容易に得られる発光素子を
提供することにある。
【０００７】本発明者らはこのような状況をみて鋭意検
討の結果、発光層に接して配置された下地層のＡｌＮ混
晶比を特定の範囲内にし、かつ該発光層の格子定数を該
下地層の格子定数より大きくすることで、発光層が圧縮
歪をもって下地層と接し、ミスフィット転位の発生が抑
えられ、かつ発光波長が長くなることを見出し、本発明
に至った。即ち、本発明は、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc
Ｎ（式中、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、０．０５≦ｃ＜
１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表される３−５族化合物半導体
よりなる下地層と、該下地層よりバンドギャップの小さ
い一般式Ｉｎx Ｇa y ＡｌzＮ（式中、０＜ｘ≦１、０
≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される３
−５族化合物半導体層よりなる発光層と、該発光層より
バンドギャップが大きく一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ
（式中、０≦ａ’＜１、０＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、
ａ’＋ｂ’＋ｃ’＝１）で表される３−５族化合物半導
体よりなる保護層とがこの順に積層されてなり、該発光
層の格子定数が該下地層の格子定数より大きく、かつ発
光層に対して接合方向に圧縮応力が加わってなる構造を
有する発光素子に係るものである。
討の結果、発光層に接して配置された下地層のＡｌＮ混
晶比を特定の範囲内にし、かつ該発光層の格子定数を該
下地層の格子定数より大きくすることで、発光層が圧縮
歪をもって下地層と接し、ミスフィット転位の発生が抑
えられ、かつ発光波長が長くなることを見出し、本発明
に至った。即ち、本発明は、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc
Ｎ（式中、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、０．０５≦ｃ＜
１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表される３−５族化合物半導体
よりなる下地層と、該下地層よりバンドギャップの小さ
い一般式Ｉｎx Ｇa y ＡｌzＮ（式中、０＜ｘ≦１、０
≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される３
−５族化合物半導体層よりなる発光層と、該発光層より
バンドギャップが大きく一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ
（式中、０≦ａ’＜１、０＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、
ａ’＋ｂ’＋ｃ’＝１）で表される３−５族化合物半導
体よりなる保護層とがこの順に積層されてなり、該発光
層の格子定数が該下地層の格子定数より大きく、かつ発
光層に対して接合方向に圧縮応力が加わってなる構造を
有する発光素子に係るものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、本発明を詳細に説明する。
本発明における発光素子とは、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌ
c Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜
１、０．０５≦ｃ＜１）で表される下地層と、一般式Ｉ
ｎx Ｇa y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ
≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される発光層と、
一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ（式中、０≦ａ’＜１、０
＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、ａ’＋ｂ’＋ｃ’＝１）で
表される保護層とが順に積層された構造を有することを
特徴とする。また、発光層は下地層および保護層よりも
バンドギャップが小さく、この３つの層の積層構造はい
わゆる量子井戸構造を形成する。下地層および保護層は
発光層へ電荷を注入する作用を有するため、以下この２
つの層を電荷注入層と呼ぶことがある。
本発明における発光素子とは、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌ
c Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜
１、０．０５≦ｃ＜１）で表される下地層と、一般式Ｉ
ｎx Ｇa y Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ
≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される発光層と、
一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ（式中、０≦ａ’＜１、０
＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、ａ’＋ｂ’＋ｃ’＝１）で
表される保護層とが順に積層された構造を有することを
特徴とする。また、発光層は下地層および保護層よりも
バンドギャップが小さく、この３つの層の積層構造はい
わゆる量子井戸構造を形成する。下地層および保護層は
発光層へ電荷を注入する作用を有するため、以下この２
つの層を電荷注入層と呼ぶことがある。
【０００９】本発明の３−５族化合物半導体の構造の１
例を図１に示す。図１に示す例は、基板１の上に、バッ
ファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、下地層４、発光層５、保護
層６、ｐ型層７とをこの順に積層したものである。ｎ型
層３にｎ電極、ｐ型層７にｐ電極を設け、順方向に電圧
を加えることで電流が注入され、発光層５から発光が得
られる。
例を図１に示す。図１に示す例は、基板１の上に、バッ
ファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、下地層４、発光層５、保護
層６、ｐ型層７とをこの順に積層したものである。ｎ型
層３にｎ電極、ｐ型層７にｐ電極を設け、順方向に電圧
を加えることで電流が注入され、発光層５から発光が得
られる。
【００１０】以下、下地層、発光層、および保護層につ
いて説明する。下地層はＡｌＮ混晶比が０．０５以上１
未満であることを特徴とする。ＡｌＮ混晶比が０．０５
より小さい場合、発光波長の変化は小さく、本発明の効
果が見られない。より好ましいＡｌＮの混晶比は０．１
以上、さらに好ましくは０．１５以上である。またＡｌ
Ｎ混晶比が０．９を超えると駆動電圧が高くなる場合が
あるので好ましくない。したがってＡｌＮ混晶比は０．
９以下が好ましい。下地層の膜厚は、１０Å以上１μｍ
以下が好ましい。下地層の膜厚が１０Åより小さい場
合、本発明の効果が顕著でなく、また、下地層の膜厚が
１μｍを超える場合、下地層の成長に時間がかかるた
め、あまり実用的でない。
いて説明する。下地層はＡｌＮ混晶比が０．０５以上１
未満であることを特徴とする。ＡｌＮ混晶比が０．０５
より小さい場合、発光波長の変化は小さく、本発明の効
果が見られない。より好ましいＡｌＮの混晶比は０．１
以上、さらに好ましくは０．１５以上である。またＡｌ
Ｎ混晶比が０．９を超えると駆動電圧が高くなる場合が
あるので好ましくない。したがってＡｌＮ混晶比は０．
９以下が好ましい。下地層の膜厚は、１０Å以上１μｍ
以下が好ましい。下地層の膜厚が１０Åより小さい場
合、本発明の効果が顕著でなく、また、下地層の膜厚が
１μｍを超える場合、下地層の成長に時間がかかるた
め、あまり実用的でない。
【００１１】本発明の下地層は、結晶性を損なわない範
囲で不純物をドープしてもよい。特にｎ型にドープされ
ている場合、発光素子の駆動電圧、発光効率などの特性
が向上する場合があるので好ましい。具体的に好ましい
ドープ量の範囲としては、キャリア濃度が１×１０16ｃ
ｍ-3以上１×１０22ｃｍ-3以下が挙げられる。さらに好
ましくは下地層のキャリア濃度の範囲は、１×１０17ｃ
ｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である。キャリア濃度が
１×１０16ｃｍ-3より小さい場合、電荷の注入効率が充
分でない場合があり、またキャリア濃度が１×１０22ｃ
ｍ-3より大きい場合、下地層の結晶性が低下し、発光効
率の低下を招く場合がある。
囲で不純物をドープしてもよい。特にｎ型にドープされ
ている場合、発光素子の駆動電圧、発光効率などの特性
が向上する場合があるので好ましい。具体的に好ましい
ドープ量の範囲としては、キャリア濃度が１×１０16ｃ
ｍ-3以上１×１０22ｃｍ-3以下が挙げられる。さらに好
ましくは下地層のキャリア濃度の範囲は、１×１０17ｃ
ｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である。キャリア濃度が
１×１０16ｃｍ-3より小さい場合、電荷の注入効率が充
分でない場合があり、またキャリア濃度が１×１０22ｃ
ｍ-3より大きい場合、下地層の結晶性が低下し、発光効
率の低下を招く場合がある。
【００１２】下地層と基板の間には、ｎ型またはノンド
ープの該化合物半導体よりなる層を１層または複数層積
層してもよい。特に、格子定数が異なる該化合物半導体
の薄膜を複数積層した構造は、その上に成長させる層の
結晶性を向上させる場合があるので好ましい。
ープの該化合物半導体よりなる層を１層または複数層積
層してもよい。特に、格子定数が異なる該化合物半導体
の薄膜を複数積層した構造は、その上に成長させる層の
結晶性を向上させる場合があるので好ましい。
【００１３】次に発光層について説明する。本発明にお
ける３−５族化合物半導体の格子定数は、混晶比により
大きく変化するため、該３−５族化合物半導体の発光層
と電荷注入層との間の格子定数に大きな差がある場合、
格子不整合による歪みの大きさに応じて発光層の厚さを
小さくすることが好ましい。好ましい発光層の厚さの範
囲は、該歪みの大きさに依存する。電荷注入層として、
Ｇａa Ａｌb Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＝１、０≦ａ≦１、０
≦ｂ≦１）で表される層の上にＩｎＮ混晶比が１０％以
上の発光層を積層する場合、発光層の好ましい厚さは５
Å以上９０Å以下である。この場合、発光層の厚さが５
Åより小さい場合、発光効率があまり充分でなくなり、
また、９０Åより大きい場合、欠陥が発生し、やはり発
光効率があまり充分でなくなる。
ける３−５族化合物半導体の格子定数は、混晶比により
大きく変化するため、該３−５族化合物半導体の発光層
と電荷注入層との間の格子定数に大きな差がある場合、
格子不整合による歪みの大きさに応じて発光層の厚さを
小さくすることが好ましい。好ましい発光層の厚さの範
囲は、該歪みの大きさに依存する。電荷注入層として、
Ｇａa Ａｌb Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＝１、０≦ａ≦１、０
≦ｂ≦１）で表される層の上にＩｎＮ混晶比が１０％以
上の発光層を積層する場合、発光層の好ましい厚さは５
Å以上９０Å以下である。この場合、発光層の厚さが５
Åより小さい場合、発光効率があまり充分でなくなり、
また、９０Åより大きい場合、欠陥が発生し、やはり発
光効率があまり充分でなくなる。
【００１４】また、発光層の厚さを小さくすることで、
電荷を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、
発光効率を向上させることができる。このため、格子定
数の差が上記の例よりも小さい場合でも、発光層の厚さ
は上記の例と同様にすることが好ましい。また、発光層
がＡｌを含む場合、Ｏ等の不純物を取り込みやすく、発
光効率が下がることがある。このような場合には、発光
層としては、Ａｌを含まない一般式Ｉｎx Ｇａy Ｎ（た
だし、ｘ＋ｙ= １、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表され
るものを利用することができる。
電荷を高密度に発光層に閉じ込めることができるため、
発光効率を向上させることができる。このため、格子定
数の差が上記の例よりも小さい場合でも、発光層の厚さ
は上記の例と同様にすることが好ましい。また、発光層
がＡｌを含む場合、Ｏ等の不純物を取り込みやすく、発
光効率が下がることがある。このような場合には、発光
層としては、Ａｌを含まない一般式Ｉｎx Ｇａy Ｎ（た
だし、ｘ＋ｙ= １、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表され
るものを利用することができる。
【００１５】電荷注入層と発光層とのバンドギャップの
差は、０．１ｅＶ以上であることが好ましく、さらに好
ましくは０．３ｅｖ以上である。電荷注入層と発光層の
バンドギャップの差が０．１ｅＶより小さい場合、発光
層へのキャリアの閉じ込めが充分でなく、発光効率が低
下する。ただし、電荷注入層のバンドギャップが５ｅＶ
を越えると電荷注入に必要な電圧が高くなるため、電荷
注入層のバンドギャップは５ｅＶ以下が好ましい。本発
明において、発光層は１層であってもよいが、複数あっ
てもよい。このような構造の例としては、ｎ層の発光層
と、発光層よりもバンドギャップの大きな（ｎ＋１）層
の層とが、交互に積層してなる（２ｎ＋１）層の積層構
造が挙げられる。ここでｎは正の整数であり、１以上５
０以下であることが好ましく、さらに好ましくは２以上
３０以下である。ｎが５０を超える場合には、発光効率
が下がり、成長に時間がかかるのであまり好ましくな
い。このような複数の発光層を有する構造は、強い光出
力が必要な半導体レーザーを作製する場合に特に有用で
ある。
差は、０．１ｅＶ以上であることが好ましく、さらに好
ましくは０．３ｅｖ以上である。電荷注入層と発光層の
バンドギャップの差が０．１ｅＶより小さい場合、発光
層へのキャリアの閉じ込めが充分でなく、発光効率が低
下する。ただし、電荷注入層のバンドギャップが５ｅＶ
を越えると電荷注入に必要な電圧が高くなるため、電荷
注入層のバンドギャップは５ｅＶ以下が好ましい。本発
明において、発光層は１層であってもよいが、複数あっ
てもよい。このような構造の例としては、ｎ層の発光層
と、発光層よりもバンドギャップの大きな（ｎ＋１）層
の層とが、交互に積層してなる（２ｎ＋１）層の積層構
造が挙げられる。ここでｎは正の整数であり、１以上５
０以下であることが好ましく、さらに好ましくは２以上
３０以下である。ｎが５０を超える場合には、発光効率
が下がり、成長に時間がかかるのであまり好ましくな
い。このような複数の発光層を有する構造は、強い光出
力が必要な半導体レーザーを作製する場合に特に有用で
ある。
【００１６】本発明において、発光層に不純物をドープ
することで、発光層のバンドギャップとは異なる波長で
発光させることができる。これは不純物からの発光であ
るため、不純物発光と呼ばれる。不純物発光の場合、発
光波長は、発光層の３族元素の組成と不純物元素により
決まる。この場合、発光層のＩｎＮ混晶比は５％以上が
好ましい。ＩｎＮ混晶比が５％より小さい場合、発光す
る光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じるこ
とができない。ＩｎＮ混晶比を増やすにつれて発光波長
が長くなり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。
することで、発光層のバンドギャップとは異なる波長で
発光させることができる。これは不純物からの発光であ
るため、不純物発光と呼ばれる。不純物発光の場合、発
光波長は、発光層の３族元素の組成と不純物元素により
決まる。この場合、発光層のＩｎＮ混晶比は５％以上が
好ましい。ＩｎＮ混晶比が５％より小さい場合、発光す
る光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じるこ
とができない。ＩｎＮ混晶比を増やすにつれて発光波長
が長くなり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。
【００１７】不純物発光に適した不純物としては、２族
元素が好ましい。２族元素のなかでは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ
ｄをドープした場合、発光効率が高いので好適である。
特にＺｎが好ましい。これらの元素の濃度は、いずれも
１０18〜１０22ｃｍ-3が好ましい。発光層にはこれらの
２族元素とともにＳｉまたはＧｅを同時にドープしても
よい。Ｓｉ、Ｇｅの好ましい濃度範囲は１０18〜１０22
ｃｍ-3である。
元素が好ましい。２族元素のなかでは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ
ｄをドープした場合、発光効率が高いので好適である。
特にＺｎが好ましい。これらの元素の濃度は、いずれも
１０18〜１０22ｃｍ-3が好ましい。発光層にはこれらの
２族元素とともにＳｉまたはＧｅを同時にドープしても
よい。Ｓｉ、Ｇｅの好ましい濃度範囲は１０18〜１０22
ｃｍ-3である。
【００１８】不純物発光の場合、一般に発光スペクトル
がブロードになり、また注入電荷量が増すにつれて発光
スペクトルがシフトする場合がある。このため、高い色
純度が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集
中させることが必要な場合、バンド端発光を利用する方
が有利である。バンド端発光による発光素子を実現する
ためには、発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなけ
ればならない。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃｄお
よびＺｎの各元素について、いずれもその濃度が１０19
ｃｍ-3以下が好ましい。さらに好ましくは１０18ｃｍ-3
以下である。
がブロードになり、また注入電荷量が増すにつれて発光
スペクトルがシフトする場合がある。このため、高い色
純度が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集
中させることが必要な場合、バンド端発光を利用する方
が有利である。バンド端発光による発光素子を実現する
ためには、発光層に含まれる不純物の量を低く抑えなけ
ればならない。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃｄお
よびＺｎの各元素について、いずれもその濃度が１０19
ｃｍ-3以下が好ましい。さらに好ましくは１０18ｃｍ-3
以下である。
【００１９】次に、保護層について説明する。該３−５
族化合物半導体においては、発光層のＩｎＮの混晶比が
高い場合、熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、ま
たは半導体プロセスで劣化を起こす場合がある。このよ
うな劣化を防止する目的のため発光層の上に、発光層の
ＩｎＮ混晶比より低いＩｎＮ混晶比を有する電荷注入層
６を積層し、この層に保護層としての機能を持たせるこ
とができる。該保護層に充分な保護機能をもたせるため
には、該保護層のＩｎＮの混晶比は１０％以下が好まし
く、ＡｌＮの混晶比は５％以上が好ましい。さらに好ま
しくはＩｎＮ混晶比が５％以下、ＡｌＮ混晶比が１０％
以上である。
族化合物半導体においては、発光層のＩｎＮの混晶比が
高い場合、熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、ま
たは半導体プロセスで劣化を起こす場合がある。このよ
うな劣化を防止する目的のため発光層の上に、発光層の
ＩｎＮ混晶比より低いＩｎＮ混晶比を有する電荷注入層
６を積層し、この層に保護層としての機能を持たせるこ
とができる。該保護層に充分な保護機能をもたせるため
には、該保護層のＩｎＮの混晶比は１０％以下が好まし
く、ＡｌＮの混晶比は５％以上が好ましい。さらに好ま
しくはＩｎＮ混晶比が５％以下、ＡｌＮ混晶比が１０％
以上である。
【００２０】また、該保護層に充分な保護機能を持たせ
るためには、該保護層の厚さは１０Å以上１μｍ以下が
好ましく、さらに好ましくは、５０Å以上５０００Å以
下である。保護層の厚さが１０Åより小さい場合には充
分な効果が得られにくく、また、１μｍより大きい場合
には発光効率が減少するのであまり好ましくない。
るためには、該保護層の厚さは１０Å以上１μｍ以下が
好ましく、さらに好ましくは、５０Å以上５０００Å以
下である。保護層の厚さが１０Åより小さい場合には充
分な効果が得られにくく、また、１μｍより大きい場合
には発光効率が減少するのであまり好ましくない。
【００２１】なお、該保護層は発光素子の電流注入効率
の点からはｐ型の伝導性を有することが好ましい。該保
護層にｐ型の伝導性を持たせるためにはアクセプタ型不
純物を高濃度にドープする必要がある。アクセプタ型不
純物としては、具体的には２族元素が挙げられる。これ
らのうちでは、Ｍｇ、Ｚｎが好ましく、Ｍｇがより好ま
しい。ただし、保護層に高濃度の不純物をドープした場
合、保護層の結晶性が低下し、発光素子の特性をかえっ
て低下させる場合がある。このような場合には、不純物
濃度を低くする必要がある。結晶性を低下させない不純
物濃度の範囲としては、好ましくは１×１０19ｃｍ-3以
下、さらに好ましくは１×１０18ｃｍ-3以下である。
の点からはｐ型の伝導性を有することが好ましい。該保
護層にｐ型の伝導性を持たせるためにはアクセプタ型不
純物を高濃度にドープする必要がある。アクセプタ型不
純物としては、具体的には２族元素が挙げられる。これ
らのうちでは、Ｍｇ、Ｚｎが好ましく、Ｍｇがより好ま
しい。ただし、保護層に高濃度の不純物をドープした場
合、保護層の結晶性が低下し、発光素子の特性をかえっ
て低下させる場合がある。このような場合には、不純物
濃度を低くする必要がある。結晶性を低下させない不純
物濃度の範囲としては、好ましくは１×１０19ｃｍ-3以
下、さらに好ましくは１×１０18ｃｍ-3以下である。
【００２２】以上説明した下地層、発光層、保護層の積
層構造において、発光層に対して、接合方向に圧縮応力
が加わってなる構造、すなわち接合界面と平行方向へ圧
縮応力が加わってなる構造とするためには、発光層の格
子定数を下地層の格子定数より大きくすればよい。この
ためには、例えば、発光層のＩｎＮ混晶比を下地層のＩ
ｎＮ混晶比より大きくする方法が挙げられる。ただし、
発光層のＩｎＮ混晶比を下地層のＩｎＮ混晶比より大き
くしても、これらの層を成長させる方法、条件によって
は発光層と下地層との界面にミスフィット転位が発生
し、発光層が格子緩和して、発光層に対して圧縮応力が
加わらずに、高い結晶性の発光層を得ることができない
場合がある。特に発光層を成長した後、保護層を形成せ
ずに長時間１０００℃を超える高温に保持した場合、ま
たは保護層を１０００℃を超える高温で成長した場合、
発光層の熱的劣化が進行する場合がある。この点で、保
護層の結晶成長において、成長温度を１０００℃以下と
することが好ましい。
層構造において、発光層に対して、接合方向に圧縮応力
が加わってなる構造、すなわち接合界面と平行方向へ圧
縮応力が加わってなる構造とするためには、発光層の格
子定数を下地層の格子定数より大きくすればよい。この
ためには、例えば、発光層のＩｎＮ混晶比を下地層のＩ
ｎＮ混晶比より大きくする方法が挙げられる。ただし、
発光層のＩｎＮ混晶比を下地層のＩｎＮ混晶比より大き
くしても、これらの層を成長させる方法、条件によって
は発光層と下地層との界面にミスフィット転位が発生
し、発光層が格子緩和して、発光層に対して圧縮応力が
加わらずに、高い結晶性の発光層を得ることができない
場合がある。特に発光層を成長した後、保護層を形成せ
ずに長時間１０００℃を超える高温に保持した場合、ま
たは保護層を１０００℃を超える高温で成長した場合、
発光層の熱的劣化が進行する場合がある。この点で、保
護層の結晶成長において、成長温度を１０００℃以下と
することが好ましい。
【００２３】次に、本発明に用いられる基板について説
明する。本発明における３−５族化合物半導体の結晶成
長用基板としては、サファイア、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓ
ｉ、ＳｉＣ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ3 ）、スピネル（Ｍｇ
Ａｌ2 Ｏ4 ）等が用いられる。特にサファイアは透明で
あり、また大面積の高品質の結晶が得られるため重要で
ある。これらの基板を用いた成長では、基板上にＺｎ
Ｏ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮの薄膜、およ
びその積層膜をバッファ層として成長する、いわゆる２
段階成長法により、高い結晶性のＧａＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
ＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体が成長できるため好
ましい。
明する。本発明における３−５族化合物半導体の結晶成
長用基板としては、サファイア、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓ
ｉ、ＳｉＣ、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ3 ）、スピネル（Ｍｇ
Ａｌ2 Ｏ4 ）等が用いられる。特にサファイアは透明で
あり、また大面積の高品質の結晶が得られるため重要で
ある。これらの基板を用いた成長では、基板上にＺｎ
Ｏ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮの薄膜、およ
びその積層膜をバッファ層として成長する、いわゆる２
段階成長法により、高い結晶性のＧａＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
ＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体が成長できるため好
ましい。
【００２４】次に、本発明における３−５族化合物半導
体の製造方法について説明する。該３−５族化合物半導
体の製造方法としては、分子線エピタキシー（以下、Ｍ
ＢＥと記すことがある。）法、有機金属気相成長（以
下、ＭＯＶＰＥと記すことがある。）法、ハイドライド
気相成長（以下、ＨＶＰＥと記すことがある。）法など
が挙げられる。なお、ＭＢＥ法を用いる場合、窒素原料
としては、窒素ガス、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と記すことがあ
る。）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上げることができる。
体の製造方法について説明する。該３−５族化合物半導
体の製造方法としては、分子線エピタキシー（以下、Ｍ
ＢＥと記すことがある。）法、有機金属気相成長（以
下、ＭＯＶＰＥと記すことがある。）法、ハイドライド
気相成長（以下、ＨＶＰＥと記すことがある。）法など
が挙げられる。なお、ＭＢＥ法を用いる場合、窒素原料
としては、窒素ガス、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と記すことがあ
る。）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上げることができる。
【００２５】次に、本発明における３−５族化合物半導
体のＭＯＶＰＥ法による製造方法について説明する。Ｍ
ＯＶＰＥ法の場合、以下のような原料を用いることがで
きる。即ち、３族原料としては、トリメチルガリウム
［（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがあ
る。］、トリエチルガリウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、以
下ＴＥＧと記すことがある。］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3
Ｇａ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ 3 は低級アルキル基を示
す。）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［（ＣＨ3 ）3 Ａｌ］、トリエチルアルミニ
ウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがあ
る。］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ
4 Ｈ9 ）3 Ａｌ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ａｌ（ここ
で、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は前記の定義と同じである。）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［（ＣＨ3 ）3 Ｎ：ＡｌＨ3 ］；トリメチルイン
ジウム［（ＣＨ3 ） 3 Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがあ
る。］、トリエチルインジウム［（Ｃ2 Ｈ5）3 Ｉｎ］
等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｉｎ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ
3 は前記の定義と同じである。）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。
体のＭＯＶＰＥ法による製造方法について説明する。Ｍ
ＯＶＰＥ法の場合、以下のような原料を用いることがで
きる。即ち、３族原料としては、トリメチルガリウム
［（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがあ
る。］、トリエチルガリウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、以
下ＴＥＧと記すことがある。］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3
Ｇａ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ 3 は低級アルキル基を示
す。）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［（ＣＨ3 ）3 Ａｌ］、トリエチルアルミニ
ウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがあ
る。］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ
4 Ｈ9 ）3 Ａｌ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ａｌ（ここ
で、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は前記の定義と同じである。）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［（ＣＨ3 ）3 Ｎ：ＡｌＨ3 ］；トリメチルイン
ジウム［（ＣＨ3 ） 3 Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがあ
る。］、トリエチルインジウム［（Ｃ2 Ｈ5）3 Ｉｎ］
等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｉｎ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ
3 は前記の定義と同じである。）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。
【００２６】次に、族原料としては、アンモニア、ヒド
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。これらの原料のうち、アンモニ
アとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半
導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
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。これらの原料のうち、アンモニ
アとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半
導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
【００２７】本発明における３−５族化合物半導体のｐ
型ドーパントとして、２族元素が重要である。具体的に
はＭｇ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｂｅが挙げられるが、この
なかでは低抵抗のｐ型のものがつくりやすいＭｇが好ま
しい。Ｍｇドーパントの原料としては、ビスシクロペン
タジエニルマグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム、ビス−ｎ−プロピルシクロペンタジエニル
マグネシウム、ビス−ｉ−プロピルシクロペンタジエニ
ルマグネシウム等の一般式（ＲＣ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ（ただ
し、Ｒは水素または炭素数１以上４以下の低級アルキル
基を示す。）で表される有機金属化合物が適当な蒸気圧
を有するために好適である。
型ドーパントとして、２族元素が重要である。具体的に
はＭｇ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｂｅが挙げられるが、この
なかでは低抵抗のｐ型のものがつくりやすいＭｇが好ま
しい。Ｍｇドーパントの原料としては、ビスシクロペン
タジエニルマグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム、ビス−ｎ−プロピルシクロペンタジエニル
マグネシウム、ビス−ｉ−プロピルシクロペンタジエニ
ルマグネシウム等の一般式（ＲＣ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ（ただ
し、Ｒは水素または炭素数１以上４以下の低級アルキル
基を示す。）で表される有機金属化合物が適当な蒸気圧
を有するために好適である。
【００２８】該３−５族化合物半導体のｎ型ドーパント
として、４族元素と６族元素が重要である。具体的には
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏが挙げられるが、この中では低抵抗のｎ
型がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるＳｉ
が好ましい。Ｓｉドーパントの原料としては、シラン
（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、モノメチルシ
ラン（ＣＨ3 ＳｉＨ3 ）などが好適である。
として、４族元素と６族元素が重要である。具体的には
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏが挙げられるが、この中では低抵抗のｎ
型がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるＳｉ
が好ましい。Ｓｉドーパントの原料としては、シラン
（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、モノメチルシ
ラン（ＣＨ3 ＳｉＨ3 ）などが好適である。
【００２９】該３−５族化合物半導体の製造に用いられ
るＭＯＶＰＥ法による成長装置としては、通常の単枚取
りまたは複数枚取りのものが挙げられる。複数枚取りの
ものでは、ウエファ面内でのエピ膜の均一性を確保する
ためには、減圧で成長することが好ましい。複数枚取り
装置での好ましい成長圧力の範囲は、０．００１気圧以
上０．８気圧以下である。
るＭＯＶＰＥ法による成長装置としては、通常の単枚取
りまたは複数枚取りのものが挙げられる。複数枚取りの
ものでは、ウエファ面内でのエピ膜の均一性を確保する
ためには、減圧で成長することが好ましい。複数枚取り
装置での好ましい成長圧力の範囲は、０．００１気圧以
上０．８気圧以下である。
【００３０】本発明における３−５族化合物半導体の製
造に用いられるキャリアガスとしては、水素、窒素、ア
ルゴン、ヘリウム等のガスを単独または混合して用いる
ことができる。ただし、水素をキャリアガス中に含む場
合、高いＩｎＮ混晶比の化合物半導体を成長すると充分
な結晶性が得られない場合がある。この場合、キャリア
ガス中の水素分圧を低くする必要がある。好ましい、キ
ャリアガス中の水素の分圧は、０．１気圧以下である。
造に用いられるキャリアガスとしては、水素、窒素、ア
ルゴン、ヘリウム等のガスを単独または混合して用いる
ことができる。ただし、水素をキャリアガス中に含む場
合、高いＩｎＮ混晶比の化合物半導体を成長すると充分
な結晶性が得られない場合がある。この場合、キャリア
ガス中の水素分圧を低くする必要がある。好ましい、キ
ャリアガス中の水素の分圧は、０．１気圧以下である。
【００３１】これらのキャリアガスのなかでは、動粘係
数が大きく対流を起こしにくいという点で水素とヘリウ
ムが挙げられる。ただし、ヘリウムは他のガスに比べて
高価であり、また水素を用いた場合、前述のように該化
合物半導体の結晶性がよくない。窒素およびアルゴンは
比較的安価であるため、大量にキャリアガスを使用する
場合には好適に用いることができる。
数が大きく対流を起こしにくいという点で水素とヘリウ
ムが挙げられる。ただし、ヘリウムは他のガスに比べて
高価であり、また水素を用いた場合、前述のように該化
合物半導体の結晶性がよくない。窒素およびアルゴンは
比較的安価であるため、大量にキャリアガスを使用する
場合には好適に用いることができる。
【００３２】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。 実施例１ ＭＯＶＰＥ法により図２の構造の３−５族化合物半導体
を作製した。基板１としてサファイアＣ面を鏡面研磨し
たものを有機洗浄して用いた。成長方法については、低
温成長バッファ層としてＧａＮを用いる２段階成長法を
用いた。１／８気圧、５５０℃で厚みが約３００ÅのＧ
ａＮバッファ層２、１０５０℃で厚さが約２．５μｍの
ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３、１５００Å
のノンドープＧａＮ層８を水素をキャリアガスとして成
長した。
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。 実施例１ ＭＯＶＰＥ法により図２の構造の３−５族化合物半導体
を作製した。基板１としてサファイアＣ面を鏡面研磨し
たものを有機洗浄して用いた。成長方法については、低
温成長バッファ層としてＧａＮを用いる２段階成長法を
用いた。１／８気圧、５５０℃で厚みが約３００ÅのＧ
ａＮバッファ層２、１０５０℃で厚さが約２．５μｍの
ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層３、１５００Å
のノンドープＧａＮ層８を水素をキャリアガスとして成
長した。
【００３３】次に、基板温度を７５０℃、キャリアガス
を窒素とし、キャリアガス、ＴＥＧ、ＴＭＩ、窒素で１
ｐｐｍに希釈したシランおよびアンモニアをそれぞれ４
ｓｌｍ、０．０４ｓｃｃｍ、０．６ｓｃｃｍ、５ｓｃｃ
ｍ、４ｓｌｍ供給して、ＳｉをドープしたＩｎ0.3 Ｇａ
0.7 Ｎ層９を７０秒間成長した。以下、この層を歪層と
記すことがある。さらに同じ温度にてＴＥＧ、ＴＥＡ、
上述のシランおよびアンモニアをそれぞれ０．０３２ｓ
ｃｃｍ、０．００８ｓｃｃｍ、、５ｓｃｃｍ、４ｓｌｍ
供給して、ＳｉをドープしたＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎからな
る下地層４を１０分間成長した。ただし、ｓｌｍおよび
ｓｃｃｍとは気体の流量の単位で１ｓｌｍは１分当た
り、標準状態で１リットルの体積を占める重量の気体が
流れていることを示し、１０００ｓｃｃｍは１ｓｌｍに
相当する。なお、この層９と層４の膜厚に関しては、同
一の条件でより長い時間成長した層の厚さから求めた成
長速度がそれぞれ４３Å／分、３０Å／分であるので、
上記成長時間から求められる膜厚は、それぞれ５０Å、
３００Åと計算できる。
を窒素とし、キャリアガス、ＴＥＧ、ＴＭＩ、窒素で１
ｐｐｍに希釈したシランおよびアンモニアをそれぞれ４
ｓｌｍ、０．０４ｓｃｃｍ、０．６ｓｃｃｍ、５ｓｃｃ
ｍ、４ｓｌｍ供給して、ＳｉをドープしたＩｎ0.3 Ｇａ
0.7 Ｎ層９を７０秒間成長した。以下、この層を歪層と
記すことがある。さらに同じ温度にてＴＥＧ、ＴＥＡ、
上述のシランおよびアンモニアをそれぞれ０．０３２ｓ
ｃｃｍ、０．００８ｓｃｃｍ、、５ｓｃｃｍ、４ｓｌｍ
供給して、ＳｉをドープしたＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎからな
る下地層４を１０分間成長した。ただし、ｓｌｍおよび
ｓｃｃｍとは気体の流量の単位で１ｓｌｍは１分当た
り、標準状態で１リットルの体積を占める重量の気体が
流れていることを示し、１０００ｓｃｃｍは１ｓｌｍに
相当する。なお、この層９と層４の膜厚に関しては、同
一の条件でより長い時間成長した層の厚さから求めた成
長速度がそれぞれ４３Å／分、３０Å／分であるので、
上記成長時間から求められる膜厚は、それぞれ５０Å、
３００Åと計算できる。
【００３４】下地層４を成長後、歪層および下地層と同
じ原料供給量によりノンドープのＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎの
発光層５を５０ÅとノンドープのＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎの
保護層６を３００Å成長した。保護層６を成長後、成長
圧力を１気圧、基板の温度を１１００℃とし、Ｍｇをド
ープしたＧａＮからなるｐ型層７を５０００Å成長し
た。こうして作製した試料を１気圧の窒素中８００℃、
２０分の熱処理を行ない、Ｍｇドープ層を低抵抗にし
た。このようにして得られた試料を常法に従い、電極を
形成し、発光素子とした。ｐ電極としてＮｉ−Ａｕ合
金、ｎ電極としてＡｌを用いた。この発光素子に順方向
に２０ｍＡの電流を流したところ、明瞭な青色発光を示
し、発光ピークの中心波長は４６００Åであった。
じ原料供給量によりノンドープのＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎの
発光層５を５０ÅとノンドープのＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎの
保護層６を３００Å成長した。保護層６を成長後、成長
圧力を１気圧、基板の温度を１１００℃とし、Ｍｇをド
ープしたＧａＮからなるｐ型層７を５０００Å成長し
た。こうして作製した試料を１気圧の窒素中８００℃、
２０分の熱処理を行ない、Ｍｇドープ層を低抵抗にし
た。このようにして得られた試料を常法に従い、電極を
形成し、発光素子とした。ｐ電極としてＮｉ−Ａｕ合
金、ｎ電極としてＡｌを用いた。この発光素子に順方向
に２０ｍＡの電流を流したところ、明瞭な青色発光を示
し、発光ピークの中心波長は４６００Åであった。
【００３５】つぎに歪層９を成長した後に、Ｇａ0.8 Ａ
ｌ0.2 Ｎ層３にかえてＧａ0.7 Ａｌ 0.3 Ｎ層４を成長し
たことを除いては、上記の実施例と同様にして発光素子
を作製した。これを同様にして評価したところ、発光ピ
ーク波長５０５０Åであり、上記の実施例に比べて発光
波長が長波長化した。
ｌ0.2 Ｎ層３にかえてＧａ0.7 Ａｌ 0.3 Ｎ層４を成長し
たことを除いては、上記の実施例と同様にして発光素子
を作製した。これを同様にして評価したところ、発光ピ
ーク波長５０５０Åであり、上記の実施例に比べて発光
波長が長波長化した。
【００３６】実施例２ 実施例１と同様にしてＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎの下地層４ま
でを成長した後、温度を７８５℃、圧力を１気圧とし、
ＴＭＩ、ＴＥＧにより、ノンドープのＩｎＧａＮ発光層
を５０Å、ＴＥＡとＴＥＧによりＧａＡｌＮ保護層６を
３００Å成長した。さらに温度を１１００℃とし、実施
例１と同様にしてＭｇをドープしたＧａＮ層７を５００
０Å成長した。また下地層４をＧａＮとしたことを除い
ては上記の試料と同様の試料を作製した。これらの試料
を実施例１と同様にして評価したところ、下地層がＧａ
0.8 Ａｌ 0.2 Ｎのものでは発光ピークの中心波長が４８
００Åであったのに対して、下地層がＧａＮのものでは
４６００Åであった。
でを成長した後、温度を７８５℃、圧力を１気圧とし、
ＴＭＩ、ＴＥＧにより、ノンドープのＩｎＧａＮ発光層
を５０Å、ＴＥＡとＴＥＧによりＧａＡｌＮ保護層６を
３００Å成長した。さらに温度を１１００℃とし、実施
例１と同様にしてＭｇをドープしたＧａＮ層７を５００
０Å成長した。また下地層４をＧａＮとしたことを除い
ては上記の試料と同様の試料を作製した。これらの試料
を実施例１と同様にして評価したところ、下地層がＧａ
0.8 Ａｌ 0.2 Ｎのものでは発光ピークの中心波長が４８
００Åであったのに対して、下地層がＧａＮのものでは
４６００Åであった。
【００３７】実施例３ 圧力が１気圧であることを除いては実施例１と同様にし
て、５５０℃でバッファ層２、１１００℃でｎ型のＧａ
Ｎ層３（膜厚約３μm）、ｎ型のＧａ0.8 Ａｌ0 .2 Ｎ下
地層４、８００℃で、ＩｎＧａＮ活性層５、Ｇａ0.8 Ａ
ｌ0.2 Ｎ保護層６、１１００℃でＭｇドープのＧａＮ層
７を成長した。またノンドープのＧａＮを下地層４とす
るほかは上記実施例と同様の試料を作製した。こうして
得られた試料を実施例１と同様にして評価したところ、
下地層がＧａＮのものでは発光波長は２０ｍＡで４５０
０Åであったのに対して、下地層がＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ
のものでは４８００Åであった。なお、上記実施例と同
様にして１１００℃でノンドープＧａＮ、８００℃でノ
ンドープＩｎＧａＮ活性層、さらにこの温度でノンドー
プＧａＡｌＮ保護層を積層した量子井戸構造を作製し、
電子顕微鏡により格子像を観察したところ、活性層の前
後でミスフィット転位の発生は見られなかった。ＩｎＧ
ａＮはＧａＮより格子定数が大きいため、量子井戸構造
の前後でミスフィット転位が発生していないことから、
ＩｎＧａＮ層には界面方向に圧縮応力が加わっているこ
とがわかる。
て、５５０℃でバッファ層２、１１００℃でｎ型のＧａ
Ｎ層３（膜厚約３μm）、ｎ型のＧａ0.8 Ａｌ0 .2 Ｎ下
地層４、８００℃で、ＩｎＧａＮ活性層５、Ｇａ0.8 Ａ
ｌ0.2 Ｎ保護層６、１１００℃でＭｇドープのＧａＮ層
７を成長した。またノンドープのＧａＮを下地層４とす
るほかは上記実施例と同様の試料を作製した。こうして
得られた試料を実施例１と同様にして評価したところ、
下地層がＧａＮのものでは発光波長は２０ｍＡで４５０
０Åであったのに対して、下地層がＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ
のものでは４８００Åであった。なお、上記実施例と同
様にして１１００℃でノンドープＧａＮ、８００℃でノ
ンドープＩｎＧａＮ活性層、さらにこの温度でノンドー
プＧａＡｌＮ保護層を積層した量子井戸構造を作製し、
電子顕微鏡により格子像を観察したところ、活性層の前
後でミスフィット転位の発生は見られなかった。ＩｎＧ
ａＮはＧａＮより格子定数が大きいため、量子井戸構造
の前後でミスフィット転位が発生していないことから、
ＩｎＧａＮ層には界面方向に圧縮応力が加わっているこ
とがわかる。
【００３８】実施例４ ８００℃で６００ÅのｎＧａ0.6 Ａｌ0.4 Ｎを下地層４
として成長したことを除いては実施例３と同様にして試
料を作製した。これを実施例１と同様にして評価したと
ころ、明瞭な緑色発光が認められた。１ｍＡでの発光波
長は５２００Åであった。
として成長したことを除いては実施例３と同様にして試
料を作製した。これを実施例１と同様にして評価したと
ころ、明瞭な緑色発光が認められた。１ｍＡでの発光波
長は５２００Åであった。
【００３９】
【発明の効果】本発明の目的は、発光層の界面における
ミスフィット転位の発生が抑えられ、かつ、より長い波
長の発光が容易に得られる発光素子を提供することにあ
る。本発明の３−５族化合物半導体を用いた発光素子
は、発光層の界面におけるミスフィット転位の発生が抑
えられ、かつ、より長い波長の発光が容易に得られ、広
い範囲で発光波長の制御が容易であり、工業的価値が大
きい。
ミスフィット転位の発生が抑えられ、かつ、より長い波
長の発光が容易に得られる発光素子を提供することにあ
る。本発明の３−５族化合物半導体を用いた発光素子
は、発光層の界面におけるミスフィット転位の発生が抑
えられ、かつ、より長い波長の発光が容易に得られ、広
い範囲で発光波長の制御が容易であり、工業的価値が大
きい。
【図１】本発明の発光素子で用いる３−５族化合物半導
体の１例を示す断面図。
体の１例を示す断面図。
【図２】実施例１で作製した本発明の発光素子で用いる
３−５族化合物半導体を示す概略断面図。
３−５族化合物半導体を示す概略断面図。
１．．．基板 ２．．．バッファ層 ３．．．ｎ型層 ４．．．下地層 ５．．．発光層 ６．．．保護層 ７．．．ｐ型層 ８．．．ノンドープＧａＮ層 ９．．．歪層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 勝美 茨城県つくば市北原６ 住友化学工業株式 会社内
Claims (6)
- 【請求項１】一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（式中、０≦
ａ＜１、０＜ｂ＜１、０．０５≦ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝
１）で表される３−５族化合物半導体よりなる下地層
と、該下地層よりバンドギャップの小さい一般式Ｉｎx
Ｇa y 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
導体層よりなる発光層と、該発光層よりバンドギャップ
が大きく一般式Ｉｎa'Ｇａb'Ａｌc'Ｎ（式中、０≦ａ’
＜１、０＜ｂ’≦１、０≦ｃ’＜１、ａ’＋ｂ’＋ｃ’
＝１）で表される３−５族化合物半導体よりなる保護層
とがこの順に積層されてなり、該発光層の格子定数が該
下地層の格子定数より大きく、かつ発光層に対して接合
方向に圧縮応力が加わってなる構造を有することを特徴
とする発光素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の下地層のｎ型キャリア濃
度が１×１０16ｃｍ -3以上１×１０21ｃｍ-3以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 【請求項３】請求項１に記載の発光層の膜厚が５Å以上
９０Å以下であることを特徴とする請求項１または２に
記載の発光素子。 - 【請求項４】請求項１に記載の発光層に含まれるＳｉ、
Ｇｅ、Ｚｎ、ＣｄおよびＭｇの各元素の濃度がいずれも
１×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項
１、２または３に記載の発光素子。 - 【請求項５】請求項１に記載の保護層を１０００℃以下
の温度で成長することを特徴とする請求項１、２、３ま
たは４に記載の発光素子の製造方法。 - 【請求項６】請求項１に記載の保護層に含まれるＭｇの
濃度が１×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする請
求項１、２、３、４または５に記載の発光素子。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23684596A JP3752739B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-09-06 | 発光素子 |
| TW085114464A TW425722B (en) | 1995-11-27 | 1996-11-23 | Group III-V compound semiconductor and light-emitting device |
| SG1998001807A SG72844A1 (en) | 1995-11-27 | 1996-11-26 | Group III-V compound semiconductor and light-emitting device |
| DE19648955A DE19648955B4 (de) | 1995-11-27 | 1996-11-26 | III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung |
| SG1996011435A SG48494A1 (en) | 1995-11-27 | 1996-11-26 | Group iii-v compound semiconductor and light-emitting device |
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|---|---|---|---|
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| JP8-66248 | 1996-03-22 | ||
| JP23684596A JP3752739B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-09-06 | 発光素子 |
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|---|---|---|---|
| JP2005113161A Division JP4010318B2 (ja) | 1996-03-22 | 2005-04-11 | 発光素子 |
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11112109A (ja) * | 1997-07-25 | 1999-04-23 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
| AU771942B2 (en) * | 1999-02-09 | 2004-04-08 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2004356141A (ja) * | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Stanley Electric Co Ltd | 半導体光学素子 |
| JP2005116710A (ja) * | 2003-10-06 | 2005-04-28 | Dowa Mining Co Ltd | 発光ダイオードおよびその製造方法 |
| JP2005223298A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物半導体素子、および窒化物半導体素子を形成する方法 |
-
1996
- 1996-09-06 JP JP23684596A patent/JP3752739B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11112109A (ja) * | 1997-07-25 | 1999-04-23 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
| AU771942B2 (en) * | 1999-02-09 | 2004-04-08 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof |
| KR100634340B1 (ko) * | 1999-02-09 | 2006-10-17 | 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 | 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| JP2004356141A (ja) * | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Stanley Electric Co Ltd | 半導体光学素子 |
| JP2005116710A (ja) * | 2003-10-06 | 2005-04-28 | Dowa Mining Co Ltd | 発光ダイオードおよびその製造方法 |
| JP2005223298A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化物半導体素子、および窒化物半導体素子を形成する方法 |
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