JPH10107319A - Nitride compound semiconductor element - Google Patents

Nitride compound semiconductor element

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JPH10107319A
JPH10107319A JP26216996A JP26216996A JPH10107319A JP H10107319 A JPH10107319 A JP H10107319A JP 26216996 A JP26216996 A JP 26216996A JP 26216996 A JP26216996 A JP 26216996A JP H10107319 A JPH10107319 A JP H10107319A
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indium
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nitride
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase light-emitting intensity by providing gallium group-III nitride compound semiconductor, wherein indium is doped in the active layer with an atomic concentration within a specific range, distributed in one direction of the film thickness. SOLUTION: The atomic concentration profile in the depth direction shows on increase of indium concentration in an active layer 104 toward an interface, which is in a junction layer making a junction to the active layer 104 with a high lattice nonconformity. The concentration profile increases indium source supply to a growing reaction system in response to the increase of the thickness of the active layer. The range of indium-doping concentration change is within a range of 8×10<17> cm<-3> or grealy to 4×10<20> cm<-3> or smaller. Thus, in the vicinity of the interface between the active layer, an area wherein a carrier is enclosed or locally exists is formed. Therefore, the light-emitting intensity is increased for the light-emitting elements, and carrier mobility is increased for an electronic function devices.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】格子不整合系窒化物化合物半
導体層からなる活性層を備えた窒化ガリウム(GaN)
系化合物半導体素子に係わり、特に、発光強度の増大を
もたらされる活性層(発光層)を備えた窒化物化合物半
導体発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention Gallium nitride (GaN) provided with an active layer composed of a lattice-mismatched nitride compound semiconductor layer
More particularly, the present invention relates to a nitride compound semiconductor light emitting device having an active layer (light emitting layer) capable of increasing light emission intensity.

【0002】[0002]

【従来の技術】青色、青緑色或いは緑色等の短波長光の
発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(L
D)等の窒化物化合物半導体発光素子は、一般式Alx
Gay In1-x-y N (x+y=1、0≦x≦1、0≦
y≦1)からなる活性層が具備された積層体から構成さ
れている。第III 族元素としてホウ素(B)を含む、例
えば3元系或いは4元系のIII 族窒化物化合物半導体混
晶も活性層となり得る。LEDやLD等の発光素子にあ
っては、活性層は発光層である。その他、窒素(N)以
外と窒素以外の第V族元素を構成元素として含む、例え
ばヒ化窒化ガリウム(GaAsN)等や複数の第III 族
元素と複数の第V族元素を含む窒化物化合物半導体も活
性層となり得る材料である。
2. Description of the Related Art Light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (L) for short-wavelength light such as blue, blue-green or green light.
D) and other nitride compound semiconductor light emitting devices have the general formula Al x
Ga y In 1-xy N ( x + y = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦
y ≦ 1). For example, a ternary or quaternary group III nitride compound semiconductor mixed crystal containing boron (B) as a group III element can also be an active layer. In a light emitting element such as an LED or an LD, the active layer is a light emitting layer. In addition, for example, gallium arsenide nitride (GaAsN) or the like, or a nitride compound semiconductor containing a plurality of Group III elements and a plurality of Group V elements other than nitrogen (N) and a Group V element other than nitrogen as constituent elements Is also a material that can be an active layer.

【0003】図1に窒化ガリウム・インジウム(Gax
In1-x N:x≠1、0≦x<1)混晶を発光層とする
青色LEDの構造を例示する。従来の青色LEDはサフ
ァイア基板(101)上に窒化アルミニウム・ガリウム
(Alx Ga1-x N:0≦x≦1)緩衝層(102)、
珪素(Si)或いはアンド−プ(無添加)のn形の窒化
ガリウム(GaN)層からなる下部クラッド層(10
3)、インジウム組成比(x)を約0.05〜0.06
とするn形の窒化ガリウム・インジウム(Ga1-x In
x N;0<x≦1)混晶層からなる活性層(104)、
成膜時にドーピングされたマグネシウムをアニール(熱
処理)によって電気的に活性化されたp形の窒化アルミ
ニウム・ガリウム(Aly Ga1-y N;0<y<1)混
晶からあなる上部クラッド層(105)及びp形窒化ガ
リウム(GaN)からなるコンタクト層(106)が順
次堆積された、窒化物化合物半導体からなる積層体から
構成さされている。上記の積層構造にあって、n形とし
た窒化ガリウム・インジウム混晶は青色の発光を担う発
光層として利用されている。この発光層にはまた、発光
の機構(メカニズム)並びに原理に及ぼす影響は未だ明
確に解明されてはいないものの、亜鉛(Zn)等のアク
セプター不純物と珪素等のドナー不純物が同時にドーピ
ングされるのが常である(特開平6−260680号公
報参照)。窒化ガリウムに多量のインジウムを含有させ
て混晶化させる必要のある窒化ガリウム・インジウム混
晶層を敢えて発光層として採用するのは、この混晶化に
依って亜鉛不純物が関与するとされる発光を視感度の高
い波長帯の青色発光帯へと移行できるからである(特公
昭55−3834号公報参照)。
FIG. 1 shows gallium indium nitride (Ga x
In 1-x N: x ≠ 1, 0 ≦ x <1) The structure of a blue LED having a mixed crystal as a light-emitting layer will be exemplified. A conventional blue LED includes a sapphire substrate (101), an aluminum gallium nitride (Al x Ga 1 -xN: 0 ≦ x ≦ 1) buffer layer (102),
A lower cladding layer (10) made of an n-type gallium nitride (GaN) layer of silicon (Si) or undoped (doped).
3) The indium composition ratio (x) is about 0.05 to 0.06
N-type gallium indium nitride (Ga 1-x In
xN ; 0 <x ≦ 1) an active layer (104) composed of a mixed crystal layer;
Upper cladding layer made of p-type aluminum-gallium nitride (Al y Ga 1-y N; 0 <y <1) mixed crystal in which magnesium doped at the time of film formation is electrically activated by annealing (heat treatment). (105) and a contact layer (106) made of p-type gallium nitride (GaN). In the above laminated structure, the n-type gallium-indium nitride mixed crystal is used as a light emitting layer that emits blue light. The light emitting layer is also doped with an acceptor impurity such as zinc (Zn) and a donor impurity such as silicon at the same time, though the mechanism of the light emission and its influence on the principle have not been elucidated yet. This is always the case (see JP-A-6-260680). A gallium nitride-indium mixed crystal layer, which needs to contain a large amount of indium in gallium nitride to form a mixed crystal, is intentionally adopted as a light emitting layer because light emission that is considered to involve zinc impurities due to this mixed crystal is considered. This is because it is possible to shift to a blue light emission band in a wavelength band having high visibility (see Japanese Patent Publication No. 55-3834).

【0004】青色LEDに限らず、最近では図2に掲示
する窒化物化合物半導体積層体からなる発光中心波長を
約510ナノメータ(nm)とする緑色LEDが実用化
されるに至っている(S.Nakamura他、Jp
n.J.Appl.Phys.,Vol.34、Par
t.2、No.10B(1995)、L1332〜L1
335.)。窒化物化合物半導体積層体から構成される
緑色発光LEDは、旧来の窒素をアイソエレクトノニッ
ク(等電子)トラップとして含む擬間接遷移型のホモ接
合型リン化ガリウム(GaP)LED(深海 登世司監
修、「半導体工学」(東京電機大学出版局、1993年
3月20日7刷発行)、195頁)と発光輝度を比較す
れば、約60倍と著しい発光輝度の向上が達成されてい
る。この旧来に無い高強度の緑色発光を呈する緑色LE
Dの発光層として使用されているのは、やはり窒化ガリ
ウム・インジウム混晶(Ga1-x Inx N:0<x≦
1)である。しかも、上記の青色LEDの場合よりもイ
ンジウム混晶比(x)を約0.20と大とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶である。このため、上記の青色、
緑色LEDに限らず、青緑或いは黄色LED等の短波長
LEDや青色若しくは緑色などの短波長LDにも窒化ガ
リウム・インジウム混晶(Ga1-x Inx N:0<x≦
1)は高発光出力をもたらす発光層として利用されてい
るに至っている。
[0004] In addition to the blue LED, recently, a green LED having a light emission center wavelength of about 510 nanometers (nm) composed of the nitride compound semiconductor laminate shown in FIG. 2 has been put to practical use (S. Nakamura). Other, Jp
n. J. Appl. Phys. , Vol. 34, Par
t. 2, No. 10B (1995), L1332-L1
335. ). A green light-emitting LED composed of a nitride compound semiconductor laminate is a quasi-indirect transition type homojunction gallium phosphide (GaP) LED that includes conventional nitrogen as an isoelectric (trap) trap (Toshiji Fukami) When compared with the supervision, "Semiconductor Engineering" (published by Tokyo Denki University Press, March 20, 1993, 7th edition), p. 195), a remarkable improvement of the light emission luminance of about 60 times was achieved. Green LE that emits unprecedented high-intensity green light
The gallium nitride / indium mixed crystal (Ga 1 -x In x N: 0 <x ≦) is also used as the light emitting layer of D.
1). In addition, it is a gallium nitride-indium mixed crystal whose indium mixed crystal ratio (x) is increased to about 0.20 as compared with the case of the blue LED. For this reason, the above blue color,
Not only green LEDs, but also short-wavelength LEDs such as blue-green or yellow LEDs and short-wavelength LDs such as blue or green are used in gallium nitride-indium mixed crystals (Ga 1-x In x N: 0 <x ≦
1) has been used as a light emitting layer that provides a high light output.

【0005】しかし、窒化ガリウム・インジウム混晶層
を形成するには、結晶成長上多大な技術的困難を伴うの
は周知である。窒化ガリウム・インジウム混晶層の成長
に一般的に利用される有機金属熱分解気相成長法(一般
にMOCVD、MOVPE、OMCVD法などと略称さ
れる)の場合を例にすれば、結晶性に優れる窒化ガリウ
ム・インジウム混晶層が安定的に得られるとされる成長
温度の領域が約750℃〜約800℃近傍の極めて狭い
範囲に限定されている。また、インジウムの取り込まれ
率も極端に低い上に、インジウム組成比は成長反応系に
添加したインジウム原料の濃度に応じて一様に変化しな
い。取り込まれ率とは、MOCVD成長方法にあって
は、一般に成長反応系に添加される第III 族気体原料の
総量(通常はモル(mol)数で表される)に占めるイ
ンジウム気体原料の割合(インジウム原料のモル比率)
と窒化ガリウム・インジウム混晶中のインジウム組成比
との比率である。所謂、インジウムの気相組成比に対す
るインジウム固相比(=インジウムの組成比)の比率で
あって、取り込まれ率が高い程、インジウムが効率良く
気相から固相(混晶)中に取り込まれることを意味して
いる。例えば、成長温度を800℃とした場合、インジ
ウムの取り込まれ率は原料モル比率が約0.9以上で急
激に増加し始める(Appl.Phys.Lett.,
59(18)(1991)、2251.)。更に、混晶
成長上の不安定さを増長しているのは、±10℃程度の
僅かな成長温度の変化によって層内へのインジウムの取
り込まれ率が極端に変動することである。尚一層、安定
成長に支障を及ぼすのは、成長温度の高温化に付随して
適正なインジウム組成比が必然的に低下をすることであ
る。発光素子の活性層(発光層)としての適否は、通常
はフォトルミネッセンス(PL)発光の強度をもって判
断される。ここで云う「適正」なインジウム組成比と
は、フォトルミネッセンス発光をもたらす組成比であ
る。この「適正」なインジウム組成比は成長温度に関し
てほぼ一義的に決定される数値であって、この数値以下
或いはそれ以上でもフォトルミネッセンス発光は得られ
ないか、消衰したものとなる。要約すれば、設定された
成長温度に対して一義的に決まる適正なインジウム組成
比を得るために極めて精密なインジウム組成比の制御が
要求されると云う混晶成長上の問題点があった。
However, it is well known that forming a gallium-indium nitride mixed crystal layer involves a great technical difficulty in crystal growth. In the case of a metal organic pyrolysis vapor deposition method generally used for growing a gallium indium / indium mixed crystal layer (generally abbreviated as MOCVD, MOVPE, OMCVD method or the like), the crystallinity is excellent. The range of the growth temperature at which a gallium-indium nitride mixed crystal layer is assumed to be stably obtained is limited to a very narrow range of about 750 ° C. to about 800 ° C. In addition, the incorporation rate of indium is extremely low, and the indium composition ratio does not change uniformly according to the concentration of the indium raw material added to the growth reaction system. In the MOCVD growth method, the incorporation rate is a ratio of the indium gas source to the total amount of the group III gas source generally added to the growth reaction system (usually represented by the number of moles (mol)). Molar ratio of indium raw material)
And the indium composition ratio in the gallium nitride-indium mixed crystal. This is the so-called ratio of the indium solid phase ratio (= indium composition ratio) to the indium gas phase composition ratio. The higher the rate of incorporation, the more efficiently indium is incorporated from the gas phase into the solid phase (mixed crystal). Means that. For example, when the growth temperature is 800 ° C., the incorporation rate of indium starts to increase sharply when the molar ratio of the raw material is about 0.9 or more (Appl. Phys. Lett.,
59 (18) (1991), 2251. ). Further, the instability in the mixed crystal growth is enhanced by the fact that the incorporation rate of indium into the layer fluctuates extremely due to a slight change in the growth temperature of about ± 10 ° C. What further hinders stable growth is that an appropriate indium composition ratio necessarily decreases with an increase in growth temperature. Suitability of a light-emitting element as an active layer (light-emitting layer) is usually determined by the intensity of photoluminescence (PL) light emission. The “appropriate” indium composition ratio referred to here is a composition ratio that causes photoluminescence emission. The “proper” indium composition ratio is a value that is almost uniquely determined with respect to the growth temperature, and even if the value is less than or greater than this value, no photoluminescence emission is obtained or the light is attenuated. In summary, there has been a problem in mixed crystal growth that extremely precise control of the indium composition ratio is required to obtain an appropriate indium composition ratio uniquely determined for a set growth temperature.

【0006】窒化ガリウム・インジウム混晶の一般的な
成長方法として知られているMOCVD法にあって、こ
の混晶はトリメチルインジウム((CH33 In:略
称TMI)などをインジウム供給源として、また、窒素
供給源としてアンモニアを用いて成長されるのが通例で
ある。しかし、TMI等の様なトリアルキルインジウム
化合物はルイス(Lewis)酸性を呈し(G.E.C
OATES、J.Chem.Soc.,[1951
(1951)、2003.)、一方のアンモニアはアル
シン(AsH3 )等の他の第V族元素の水素化物と同様
にのルイス塩基性物質である。この様に、一方の原料化
合物は外殻電子を他分子に供給する性質(電子供与性)
を有し、他方はその電子を受容する性質(電子受容性)
の原料化合物の組み合わせからなる原料構成系にあって
は、原料化合物の分子が相互に引き合う力が強いため容
易に結合する。その結果、難解離性のポリマー(pol
ymer)状物質が形成される(J.Stienstr
a他、Surf.Sci.,279(1992)、27
2.など参照)。この様な気相でのポリマー化反応はト
リアルキル化合物と第V族の水素化物を用いるインジウ
ム系化合物のMOCVD成長で、特に顕著に起こること
が知られている(R.DIDCHENKO他、J.In
org.Nucl.Chem.,Vol.14(196
0)、35〜37.やElectron Lett.,
Vol.16、No.6(1980)、228.な
ど)。或るインジウム組成比の混晶を得るべく成長反応
系内に供給されるインジウム原料がこの様な複合体の形
成に消費されれば、当然の事ながら、所望するインジウ
ム組成比を有するインジウム系混晶が得られなくなる不
具合を招く。この様なインジウム系混晶の成長を実施す
る上で原料相互の複雑な気相反応も従来技術に付随する
上記の問題点、特にインジウム混晶比の不安定性の解決
をより困難にしている。
In the MOCVD method which is known as a general method for growing a gallium-indium mixed crystal, this mixed crystal uses trimethyl indium ((CH 3 ) 3 In: TMI) or the like as an indium source. It is customary to grow using ammonia as the nitrogen source. However, trialkylindium compounds such as TMI exhibit Lewis acidity (GEC).
OATES, J.A. Chem. Soc. , [ 1951 ]
(1951), 2003. ), And one ammonia is a Lewis basic substance similar to the hydride of another group V element such as arsine (AsH 3 ). Thus, one of the starting compounds has the property of supplying outer electrons to other molecules (electron donating property).
Has the property of accepting the other electron (electron accepting property)
In the raw material constitution system composed of the combination of the raw material compounds described above, the molecules of the raw material compounds are easily combined due to their strong attraction to each other. As a result, the polymer (pol
ymer) -like substances are formed (J. Steenstr)
a, et al., Surf. Sci. , 279 (1992), 27
2. Etc.). It is known that such a polymerization reaction in the gas phase occurs particularly remarkably in MOCVD growth of an indium-based compound using a trialkyl compound and a hydride of Group V (R. DIDCHENKO et al., J. In.
org. Nucl. Chem. , Vol. 14 (196
0), 35-37. And Electron Lett. ,
Vol. 16 , no. 6 (1980), 228. Such). If the indium raw material supplied into the growth reaction system is consumed to form such a composite in order to obtain a mixed crystal having a certain indium composition ratio, naturally, the indium-based mixed material having the desired indium composition ratio is consumed. This causes a problem that crystals cannot be obtained. In conducting such an indium-based mixed crystal growth, the complicated gas-phase reaction between the raw materials also makes it more difficult to solve the above-mentioned problems associated with the prior art, particularly the instability of the indium mixed crystal ratio.

【0007】インジウム等の構成元素以外の第III 族元
素を原子濃度にして1×1017cm-3から7×1022
-3の広い濃度範囲に亘りドーピングされた窒化物化合
物半導体層の成長方法も開示されている(特開平5−2
43614参照)。前記の様に、例えば従来の発光素子
用途の窒化物化合物半導体積層体に発光層として備えら
れている窒化ガリウム・インジウム(Ga1-x Inx
N;0<x≦1)混晶はインジウムの組成比(x)を約
0.05〜約0.15とするものである(特開平6−2
09121号公報など参照)。例えば、インジウム組成
比を0.15とするIn0.15Ga0.85N混晶のインジウ
ム原子の濃度(原子濃度)は6.6×1021cm-3と計
算される。この計算値は上記の従来例(特開平5−24
3614号公報参照)のインジウム原子等のドーピング
濃度範囲内にある。即ち、従来例に提示される範囲のイ
ンジウムのドーピング濃度はインジウム含有窒化物混晶
を形成するに充分に足るものである。例えば、窒化ガリ
ウム層に許容される最高の濃度の7×1022cm-3のイ
ンジウムをドーピングすると仮定すると、その量は計算
上、窒化ガリウム・インジウム混晶を形成するに充分な
量どころか、窒化インジウム(InN)に変換するに足
る量である。インジウムを含む混晶が形成される得るイ
ンジウムの高濃度ドーピングに付随するのは、やはり前
記した如くのインジウム組成比の不安定性を招く成長技
術上の問題である。インジウムの高濃度ドーピングを施
してもインジウムが格子間位置に配置して混晶とはなら
ない状況となっても残存する問題は類似であり、トリア
ルキルインジウム原料と窒素の水素化物原料との気相複
合体化反応に基づくインジウム固溶濃度の不安定性であ
る。従来技術(特開平5−243614号公報参照)に
は、インジウムの高濃度ドーピングに付帯するこれら不
具合を解決する方法は提示されていない。
Group III elements other than the constituent elements such as indium have an atomic concentration of 1 × 10 17 cm -3 to 7 × 10 22 c.
A method of growing a nitride compound semiconductor layer doped over a wide concentration range of m -3 has also been disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-2 / 5-2).
43614). As described above, for example, gallium indium nitride (Ga 1-x In x ) provided as a light emitting layer in a conventional nitride compound semiconductor laminate for a light emitting device is used.
N; 0 <x ≦ 1) The mixed crystal has a composition ratio (x) of indium of about 0.05 to about 0.15 (JP-A-6-2).
09121, etc.). For example, the concentration (atomic concentration) of indium atoms in an In 0.15 Ga 0.85 N mixed crystal having an indium composition ratio of 0.15 is calculated to be 6.6 × 10 21 cm −3 . This calculated value is calculated according to the above conventional example (Japanese Patent Laid-Open No.
No. 3614) is within the doping concentration range of indium atoms and the like. That is, the doping concentration of indium in the range shown in the conventional example is sufficient for forming an indium-containing nitride mixed crystal. For example, assuming that the gallium nitride layer is doped with the highest concentration of indium of 7 × 10 22 cm −3 , the amount calculated is not sufficient to form a gallium nitride-indium mixed crystal, It is an amount sufficient to be converted into indium (InN). Accompanying the high doping of indium, which can form a mixed crystal containing indium, is a problem in the growth technique which also causes instability of the indium composition ratio as described above. Even if high-concentration doping of indium is applied, the problem that the indium remains at interstitial positions and does not form a mixed crystal remains similar, and the vapor phase of the trialkylindium raw material and the nitrogen hydride raw material is similar. It is the instability of the indium solid solution concentration based on the complexation reaction. The prior art (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614) does not disclose a method for solving these problems associated with high-concentration doping of indium.

【0008】インジウム系窒化物化合物半導体混晶層の
結晶成長上の困難さを迂回せんとして、低濃度のインジ
ウムドーピングを施す場合にも、発光素子に於いて発光
強度の増大を安定してもたらす発光層を作製するに有効
なインジウムのドーピング濃度範囲やドーピング濃度の
分布の態様などは依然として解明されていない状況にあ
る。従来は、インジウムの最適なドーピングの濃度範囲
は成長層内の自由電子濃度の減少或いは反対にアクセプ
ター濃度の増大に基づく電気的な特性の観点からのみ規
定されているからである(特開平5−243614号公
報参照)。そこでは、インジウムが1×1021cm-3
濃度に添加された際に自由電子濃度は1×1016cm-3
と最も低くなるとされる。一方、やはりインジウムが1
×1021cm-3の濃度に添加された際に、最大のアクセ
プター濃度が得られるとされる(上記の特開平5−24
3614号公報参照)。これより、インジウムを1×1
21cm-3の原子濃度となる様にドーピングするのが最
も効果的であることが示唆されているに過ぎない。
[0008] By bypassing the difficulty of crystal growth of the indium-based nitride compound semiconductor mixed crystal layer, even when performing low-concentration indium doping, light emission that stably increases the light emission intensity in the light emitting device. The doping concentration range and the doping concentration distribution of indium effective for forming the layer have not been elucidated yet. Conventionally, the optimum doping concentration range of indium is defined only from the viewpoint of electrical characteristics based on a decrease in the free electron concentration in the growth layer or, conversely, on an increase in the acceptor concentration (Japanese Patent Laid-Open No. Hei. No. 243614). There, the free electron concentration in the indium is added in a concentration of 1 × 10 21 cm -3 1 × 10 16 cm -3
Is said to be the lowest. On the other hand, indium still has 1
It is said that the maximum acceptor concentration is obtained when added to a concentration of × 10 21 cm -3 (see JP-A-5-24 / 1990).
No. 3614). Thus, 1 × 1 indium
It is only suggested that doping to an atomic concentration of 0 21 cm -3 is most effective.

【0009】ましてや、従来から採用されている窒化ガ
リウム・インジウム混晶発光層には亜鉛や珪素等の組み
合わせからなる複数の不純物がドーピングされている
(特開平6−260680号公報及び特開平6−260
681号公報参照)。また、最近では、第II族元素と第
VI族元素を同時にドーピングした窒化物化合物半導体層
を発光層として備える窒化物化合物半導体発光素子も開
示されている(特開平7−249796号公報参照)。
これはもとはと云えば窒化ガリウム層内にドーピングさ
れた亜鉛不純物に関与した青色フォトルミネッセンス発
光の強度が珪素(Si)の共存の下で増大するという公
知の現象(Solid State Commun.、
57(6)(1991)、405〜409.)を、単に
インジウムを含有する窒化ガリウム層に応用したに過ぎ
ないものである。この発光強度の増大現象は亜鉛と珪素
を共にドーピングした窒化ガリウム層を発光層とするM
IS(金属−絶縁体−半導体)構造型LEDに既に応用
されていた(例えば、特開平3−10665、特開平3
−10666、特開平3−10667号公報参照)。翻
れば、発光の増大をもたらすために具備すべきインジウ
ム原子のドーピング濃度の分布態様に鑑みて、これらの
ドーピングされた不純物元素の分布態様をインジウムの
原子濃度分布に関連させて改めて最適化する必要があ
る。
Further, the gallium / indium nitride mixed crystal light emitting layer which has been conventionally employed is doped with a plurality of impurities composed of a combination of zinc, silicon and the like (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-260680 and 6-260680). 260
No. 681). Recently, Group II elements and
There is also disclosed a nitride compound semiconductor light emitting device including, as a light emitting layer, a nitride compound semiconductor layer doped with a group VI element at the same time (see JP-A-7-249796).
This is because of the known phenomenon that the intensity of blue photoluminescence emission related to zinc impurities doped in the gallium nitride layer increases in the coexistence of silicon (Si) (Solid State Commun.
57 (6) (1991), 405-409. ) Is simply applied to a gallium nitride layer containing indium. This phenomenon of increase in light emission intensity is caused by the fact that a gallium nitride layer doped with zinc and silicon is used as a light emitting layer.
It has already been applied to an IS (metal-insulator-semiconductor) structure type LED (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
-10666, JP-A-3-10667). In other words, in view of the distribution of the doping concentration of indium atoms to be provided to increase the light emission, the distribution of these doped impurity elements is optimized again in relation to the distribution of the indium atomic concentration. There is a need.

【0010】発光強度の大小は発光層の結晶性にも強く
依存する。上記した青色或いは緑色LEDには基板とし
てサファイアが利用されている(図1及び2参照)。窒
化ガリウム・インジウム混晶(Inx Ga1-x N;0<
x≦1)はそもそもサファイアとは格子整合しない。こ
の様な実用的な基板材料であるサファイアとは格子整合
しない窒化物化合物半導体材料から発光層を構成する際
に派生する問題点は、基板材料との格子不整合性に起因
する転位や欠陥等の発光層への伝搬である。この様な結
晶欠陥の伝搬は発光層とする窒化ガリウム・インジウム
混晶の結晶品質を低下させる。上記の如く、従来のダブ
ルヘテロ(DH)接合構造の発光素子の発光層或いは単
一量子井戸構造からなる発光部もサファイア基板に格子
整合しない。即ち、格子不整合性に基づく結晶欠陥の発
光層への伝搬を充分に抑制するに足る構造となっていな
い。発光層をなす窒化物化合物半導体層の結晶性の低下
を抑制するに不充分な構成は当然の事ながら、発光特性
の改善等に支障となる。
[0010] The magnitude of the light emission intensity strongly depends on the crystallinity of the light emitting layer. The blue or green LED uses sapphire as a substrate (see FIGS. 1 and 2). Gallium indium / indium mixed crystal (In x Ga 1-x N; 0 <
x ≦ 1) does not lattice match with sapphire in the first place. The problems that arise when constructing a light emitting layer from a nitride compound semiconductor material that does not lattice match with sapphire, which is a practical substrate material, are dislocations and defects caused by lattice mismatch with the substrate material. To the light emitting layer. The propagation of such crystal defects lowers the crystal quality of the gallium-indium nitride mixed crystal used as the light emitting layer. As described above, the light emitting layer of the conventional light emitting element having the double hetero (DH) junction structure or the light emitting portion having the single quantum well structure does not lattice match with the sapphire substrate. That is, the structure is not sufficient to sufficiently suppress the propagation of crystal defects to the light emitting layer based on the lattice mismatch. A structure that is insufficient to suppress a decrease in the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer that forms the light-emitting layer naturally impairs the improvement of the light-emitting characteristics and the like.

【0011】格子不整合に起因する結晶欠陥が発光層の
結晶品質の劣化をもたらす原因であるならば、発光層と
格子整合する材料を基板として利用するのが発光層の結
晶品質の低下を防止し得る一方法と想到される。この構
成の例には、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム
混晶( Alx Gay Inz N(x+y+z=1、0≦
x,y,z≦1)から発光層を構成するに際し、基板結
晶を発光層材質と格子整合する酸化マンガン(Mn
O)、酸化亜鉛(ZnO)や酸化カルシウム(CaO)
等とする発光素子がある(特公平6−14564号公報
参照)。しかし、これらの酸化物系基板材料は、概ね約
600℃を越える高温では昇華し熱分解する。このた
め、成膜方式により成膜温度に多少の相違は有るもの
の、約700〜1150℃と高い成膜温度が要求される
窒化物化合物半導体層の成長用基板としては、その熱的
不安定性から充分に実用に耐えない。特に、窒化アルミ
ニウム・ガリウム(Alx Ga1-x N;0<x≦1)混
晶の窒化物化合物半導体の成膜法として一般的である有
機金属熱分解気相成長(MOCVD)法では、その成膜
温度は概ね約1000℃〜1150℃である。この様な
高温では尚更のこと上記の基板材料としての実用性は失
われる。これは、上記の如く格子不整合構成をもたらす
基板材料が開示されているにも拘らず、もっぱらサファ
イア(α−Al23単結晶)が利用されている現実を
もってして傍証される事である。即ち、発光強度の増大
等の発光特性は、基板と格子整合する窒化物化合物半導
体層を発光層として利用することをもってすれば改善さ
れると期待されるものの、格子整合系の積層構成を得る
ために選択される基板材料上の耐熱性等の制約から、現
実には発光特性の改善を安定的に顕現化するに至ってい
ない。
If the crystal defect caused by the lattice mismatch causes the deterioration of the crystal quality of the light emitting layer, the use of a material lattice-matched with the light emitting layer as the substrate prevents the deterioration of the crystal quality of the light emitting layer. One possible way is conceived. Examples of this configuration, aluminum nitride, gallium indium mixed crystal (Al x Ga y In z N (x + y + z = 1,0 ≦
x, y, z ≦ 1), the manganese oxide (Mn) that lattice-matches the substrate crystal with the material of the light emitting layer when forming the light emitting layer from
O), zinc oxide (ZnO) and calcium oxide (CaO)
(See Japanese Patent Publication No. 6-14564). However, these oxide-based substrate materials are sublimated and thermally decomposed at high temperatures generally exceeding about 600 ° C. For this reason, although there are some differences in the film formation temperature depending on the film formation method, a substrate for growing a nitride compound semiconductor layer requiring a high film formation temperature of about 700 to 1150 ° C. is not suitable for its thermal instability. Not enough for practical use. In particular, in a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method which is generally used as a film forming method of a nitride compound semiconductor of aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1-x N; 0 <x ≦ 1) mixed crystal, The film forming temperature is generally about 1000 ° C. to 1150 ° C. At such a high temperature, the practicality as the above-mentioned substrate material is further lost. This is evidenced by the fact that sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) is used, despite the disclosure of the substrate material that causes the lattice mismatch configuration as described above. is there. That is, although the emission characteristics such as an increase in emission intensity are expected to be improved by using a nitride compound semiconductor layer lattice-matched to the substrate as the light-emitting layer, it is necessary to obtain a lattice-matched stacked structure. However, in reality, the improvement of the light emission characteristics has not yet been stably realized due to restrictions on the heat resistance and the like of the substrate material selected.

【0012】実用上、熱的耐性に問題を有する基板材料
を利用して積層体を基板と格子整合する窒化物化合物半
導体層から構成する方策の代替として、積層体の或る部
位、例えば発光部を格子整合系から構成する例もある。
格子不整合性に起因する転位等の結晶欠陥の発光層への
伝搬を少しでも緩和することを意図して、Alx Gay
Inz N(x+y+z=1、0≦x,y,z≦1)発光
層と格子整合する組成比を有し、且つ発光層より禁止帯
幅(バンドギャップ)が大となるAlx GayInz
(x+y+z=1、0≦x,y,z≦1)混晶層を上部
クラッド及び下部クラッド層としてダブルヘテロ接合さ
せて発光部を構成する例がこれに当る(上記の特公平6
−14564号公報参照)。しかし、この格子整合系発
光部の形成は、上記の酸化亜鉛等の熱的に変性を来す酸
化物系基板上に形成することを前提としたものであっ
て、実用性に欠けるものである。
In practice, as an alternative to using a substrate material having a problem with thermal resistance to form a laminate from a nitride compound semiconductor layer lattice-matched to the substrate, a certain portion of the laminate, for example, a light emitting portion Is constructed from a lattice matching system.
In order to alleviate the propagation of crystal defects such as dislocations due to lattice mismatch to the light emitting layer, Al x Ga y
In z N (x + y + z = 1,0 ≦ x, y, z ≦ 1) has a light-emitting layer and the composition ratio of lattice matching, and prohibited from emitting layer band width (band gap) is large Al x Ga y In z N
(X + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1) An example in which the mixed crystal layer is formed as a double heterojunction as an upper clad layer and a lower clad layer to form a light-emitting portion (see the above-mentioned Japanese Patent Publication No. Hei 6-106)
145564). However, the formation of the lattice-matched light emitting section is based on the premise that it is formed on a thermally denatured oxide-based substrate such as the above-described zinc oxide, and is not practical. .

【0013】また、発光層を発光層と格子整合する窒化
物化合物半導体層上に接合させた構成例もある。この例
は窒化ガリウムのホモ(homo)接合を含むMIS
(金属−絶縁体−半導体)構造のLEDに見ることがで
きる。また、窒化ガリウム・インジウム(Inx Ga
1-x N;0≦x≦1)層上にInx Ga1-x N(0≦x
≦1)層を堆積するホモ接合構成を備えたLEDも提示
されている(特開平3−203388号公報参照)。こ
の構成にあって、窒化ガリウム・インジウム( Inx
Ga1-x N ;0≦x≦1)層双方のインジウム組成比
(x)を同一とすれば、発光層を発光層と格子整合する
窒化物化合物半導体層上に形成したホモ接合構成とする
ことができる。しかし、発光強度に優れるLEDを得る
場合に、ホモ接合様式はヘテロ(hetero)接合様
式に比べれば原理的に不利であるのは周知の事実であ
る。高発光強度のLED等の発光素子を得るにはヘテロ
接合構造の採用が必須である。
There is also a configuration example in which a light emitting layer is bonded on a nitride compound semiconductor layer lattice-matched with the light emitting layer. This example shows a MIS containing a gallium nitride homo junction.
It can be seen in an LED with a (metal-insulator-semiconductor) structure. In addition, gallium indium nitride (In x Ga
1-x N; 0 ≦ x ≦ 1) In x Ga 1-x N (0 ≦ x
.Ltoreq.1) An LED having a homojunction structure for depositing a layer has also been proposed (see JP-A-3-203388). In this configuration, gallium indium nitride (In x
Ga 1-x N; 0 ≦ x ≦ 1) If the indium composition ratio (x) of both layers is the same, the light emitting layer has a homojunction configuration formed on a nitride compound semiconductor layer lattice-matched to the light emitting layer. be able to. However, it is a well-known fact that the homojunction mode is in principle disadvantageous in comparison with the hetero junction mode when obtaining an LED having excellent emission intensity. In order to obtain a light emitting element such as an LED having a high light emission intensity, it is essential to employ a hetero junction structure.

【0014】発光部をダブルヘテロ接合型とすれば高発
光強度の発光素子を得るに有利であることは周知であ
る。発光層を構成する窒化物化合物半導体層の結晶性の
向上を期すのみでなく、発光層との接合を形成する半導
体層が結晶性に優れた層であれば尚更のこと良好な結晶
性を有する発光層の得るに効果がある。ダブルヘテロ接
合構造にあって、発光層並びに発光層と接合する接合層
とからなる発光部を結晶性に優れる窒化物化合物層から
構成することは、高発光強度の発光素子をもたらすに有
益となる。構成元素よりも原子半径を大とする構成元素
以外の第 III族元素を添加して結晶性の向上を達成する
とする前記の従来技術(特開平5−243614号公報
参照)には、例えばインジウムを窒化ガリウム系層に含
有させることにより結晶性が向上させられることが記載
されている。実際に窒化ガリウム・インジウム混晶層を
発光素子用途の積層体の一部に配置した例がある(Jp
n.J.Appl.Phys.,Vol.35、Par
t2、No.1B(1996年1月15日)、L74〜
L76.)。具体的には、この発光素子はインジウム混
晶比を0.2とする窒化ガリウム・インジウム(Ga
0.8 In0.2 N)混晶をウェル(well)層(井戸
層)とし、インジウム組成比を0.05とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶(Ga0.95In0.05N)をバリア
(barrier)層(障壁層)とする、ヘテロ接合の
多重量子井戸構造(英略称MQW)からなる発光部を備
えたレーザダイオードである。此処に於いて、インジウ
ム組成比を0.1とする窒化ガリウム・インジウム混晶
(Ga0.9 In0.1 N)がn形窒化ガリウム層とダブル
ヘテロ接合を備えたMQW発光部との中間に配置されて
いる(上記のJpn.J.Appl.Phys.、Vo
l.35、Part 2、No.1B(1996)、L
74〜L76.)。この窒化ガリウム・インジウム混晶
層(Ga0.9 In0.1 N)は、同層より上に堆積される
窒化物化合物半導体からなる積層体の結晶性を向上させ
ることを意図して配置されている(NIKKEIELE
CTRONICS 1996.1.15.no.65
3、1996年1月15日号 日経BP社発行、13〜
15頁)。しかし、この結晶性の向上をもたらすとされ
る窒化ガリウム・インジウム(Ga0.9 In0.1 N)混
晶層が、ダブルヘテロ接合から構成される発光部にあっ
て発光層と接合する接合層として配置されているのでは
ない。このGa0.9 In0.1 N混晶層と発光部の中間に
は、アルミニウムの組成比を0.15とする窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層(Al0.15Ga0.85N)とn形
窒化ガリウム層とが挿入されている。挿入されているこ
れらの窒化物化合物半導体層は、下地となる窒化ガリウ
ム・インジウム混晶(Ga0.9 In0.1 N )層とも発
光部のMQWを構成する窒化ガリウム・インジウム層と
も格子整合の関係にない。従って、Ga0.9 In0.1
混晶層を敷設することにより、同層上に堆積される窒化
物化合物半導体層の結晶性が向上すると云えども、Ga
0.9 In0.1 N混晶層と堆積層とが格子不整合の関係に
あれば、それによって発生した転位は発光部まで伝搬す
るのが実態である。この様に従来の格子不整合系からな
る発光素子用途の積層体にあって、インジウムを含有さ
せることに依って結晶性の向上が図られたインジウム含
有混晶層は、ダブルヘテロ接合からなる発光部で発光層
との接合層として利用されてはいない。即ち、従来例に
見られるこの様なインジウム添加層の配置は、発光層或
いはダブルヘテロ接合発光部を構成する窒化物化合物半
導体層の結晶性の向上に直接的に波及する接合構成は提
示されるに至っていない。
It is well known that a light-emitting portion of a double hetero-junction type is advantageous for obtaining a light-emitting element having a high light emission intensity. In addition to improving the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer constituting the light emitting layer, the semiconductor layer forming the junction with the light emitting layer has excellent crystallinity if the semiconductor layer is a layer with excellent crystallinity. It is effective in obtaining a light emitting layer. In the double heterojunction structure, the light-emitting portion including the light-emitting layer and the bonding layer that is bonded to the light-emitting layer is formed of a nitride compound layer having excellent crystallinity, which is useful for providing a light-emitting element with high light-emission intensity. . The above-mentioned prior art (see JP-A-5-243614), in which a group III element other than a constituent element having an atomic radius larger than that of a constituent element is added to achieve an improvement in crystallinity, includes, for example, indium. It is described that the crystallinity can be improved by containing the gallium nitride-based layer. There is an example in which a gallium indium / indium mixed crystal layer is actually arranged in a part of a laminate for a light emitting device (Jp.
n. J. Appl. Phys. , Vol. 35 , Par
t2, No. 1B (January 15, 1996), L74-
L76. ). Specifically, this light-emitting element has a gallium indium nitride (Ga
A 0.8 In 0.2 N mixed crystal is used as a well layer, and a gallium nitride / indium mixed crystal (Ga 0.95 In 0.05 N) having an indium composition ratio of 0.05 is used as a barrier layer (barrier layer). ) Is a laser diode provided with a light emitting portion having a heterojunction multiple quantum well structure (abbreviated as MQW). In this case, a gallium nitride-indium mixed crystal (Ga 0.9 In 0.1 N) having an indium composition ratio of 0.1 is disposed between the n-type gallium nitride layer and the MQW light emitting portion having the double hetero junction. (Jpn. J. Appl. Phys., Vo, supra).
l. 35 , Part 2, no. 1B (1996), L
74 to L76. ). This gallium-indium nitride mixed crystal layer (Ga 0.9 In 0.1 N) is arranged for the purpose of improving the crystallinity of a nitride compound semiconductor laminated body deposited above the same layer (NIKKIELEE).
CTRONICS 1996.1.15. no. 65
3. Issued on January 15, 1996, published by Nikkei BP, 13-
15 pages). However, a gallium-indium nitride (Ga 0.9 In 0.1 N) mixed crystal layer, which is believed to bring about the improvement of the crystallinity, is arranged as a bonding layer to be bonded to the light emitting layer in the light emitting portion composed of a double hetero junction. It is not. Between the Ga 0.9 In 0.1 N mixed crystal layer and the light emitting portion, an aluminum gallium nitride mixed crystal layer (Al 0.15 Ga 0.85 N) having an aluminum composition ratio of 0.15 and an n-type gallium nitride layer are inserted. Have been. These inserted nitride compound semiconductor layers have no lattice matching with the underlying gallium nitride-indium mixed crystal (Ga 0.9 In 0.1 N) layer and the gallium nitride-indium layer constituting the MQW of the light emitting portion. . Therefore, Ga 0.9 In 0.1 N
By laying the mixed crystal layer, the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer deposited on the mixed crystal layer is improved.
If the 0.9 In 0.1 N mixed crystal layer and the deposited layer are in a lattice mismatching relationship, the dislocation generated thereby propagates to the light emitting portion in reality. As described above, in the conventional laminate for a light-emitting element using a lattice-mismatched system, the indium-containing mixed crystal layer in which the crystallinity is improved by containing indium is used as a light-emitting layer composed of a double heterojunction. It is not used as a bonding layer with the light emitting layer in some parts. That is, such an arrangement of the indium-added layer found in the conventional example has a junction structure that directly affects the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer constituting the light emitting layer or the double hetero junction light emitting portion. Has not been reached.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】活性層はその半導体素
子の機能、特性の発現を担っている。例えば、発光強度
に優れる発光素子を得るに有効な手段は、端的に発光強
度の増大をもたらす発光層或いは発光部の構成を採用す
ることである。上記の如く、発光強度の改善を図った従
来の措置には共通点が認められる。それは、インジウム
が添加された窒化物化合物半導体混晶を発光層として、
或いは積層体構成層の結晶性の向上をもたらす中間挿入
層として利用することである。
The active layer is responsible for the function and characteristics of the semiconductor device. For example, an effective means for obtaining a light-emitting element having excellent light-emitting intensity is to employ a structure of a light-emitting layer or a light-emitting portion that directly increases light-emitting intensity. As described above, the conventional measures for improving the emission intensity have common points. It uses a nitride compound semiconductor mixed crystal to which indium is added as a light emitting layer,
Alternatively, it is used as an intermediate insertion layer for improving the crystallinity of the layer constituting the laminate.

【0016】青色発光層として利用される従来のインジ
ウム含有窒化ガリウム層は、一般にインジウム組成比を
10%前後とする混晶層である。品質に優れる窒化ガリ
ウム・インジウム混晶層を形成するには結晶成長上の問
題点があることは前記したとおりである。青色帯よりも
更に長波長の緑色帯の発光を得ようとすれば、インジウ
ム組成比を更に大とする必要がある。インジウム組成比
が高い混晶層の成膜を意図する程、インジウムの取り込
まれ率の関係から成長温度を低下させる必要がある。低
温で成長させればさせる程、Inx Ga1-x N混晶の結
晶性が損なわれる問題がある(日本学術振興会光電相互
変換第125委員会第148会研究会資料(平成6年5
月27日)、1〜6頁)。
A conventional indium-containing gallium nitride layer used as a blue light emitting layer is generally a mixed crystal layer having an indium composition ratio of about 10%. As described above, there is a problem in crystal growth in forming a gallium-indium nitride mixed crystal layer having excellent quality. In order to obtain emission in a green band having a longer wavelength than in a blue band, it is necessary to further increase the indium composition ratio. It is necessary to lower the growth temperature from the relation of the incorporation rate of indium so as to form a mixed crystal layer having a high indium composition ratio. There is a problem that the crystallinity of the In x Ga 1 -xN mixed crystal is impaired as the crystal is grown at a lower temperature (JSPS 125th Committee, 148th Meeting, Study Group, May 1994
27), pages 1-6).

【0017】転じて、インジウムの添加に依り結晶性を
向上させる窒化物化合物半導体層の結晶成長方法(特開
平5−243614号公報参照)を利用したところで事
態は同じで、インジウム含有混晶を形成するに足る程の
インジウムが添加された半導体層の形成を意図する限
り、得られる混晶のインジウム組成比の再現性の低さが
問題となる。従来例(特開平5−243614号公報参
照)に許容されているインジウムの添加量の範囲内に於
いて、成長温度に変更を要しないと推察される大凡、1
17cm-3〜1019cm-3程度の低原子濃度にインジウ
ムをドーピングしたところで、発光強度に格別顕著な増
大を来すことがないことは、本発明者が鋭意検討した結
果から明らかになっている。これは、従来技術(特開平
5−243614号公報参照)の開示内容を見るに、そ
れはあくまでもインジウム添加窒化物化合物半導体層の
成長方法であって、発光強度の増大等の発光素子の特性
を向上させる観点から、それに効力を有するインジウム
の最適なドーピング方法が提示されていないからであ
る。
In turn, the situation is the same when a crystal growth method of a nitride compound semiconductor layer which improves the crystallinity by adding indium (see JP-A-5-243614) is the same, and an indium-containing mixed crystal is formed. As long as it is intended to form a semiconductor layer to which enough indium is added, low reproducibility of the indium composition ratio of the obtained mixed crystal is a problem. Within the range of the amount of indium allowed in the conventional example (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614), it is generally assumed that there is no need to change the growth temperature.
It is clear from the results of the inventor's diligent study that the inventor of the present invention did not noticeably increase the emission intensity when indium was doped at a low atomic concentration of about 0 17 cm -3 to 10 19 cm -3. Has become. This is a method of growing an indium-doped nitride compound semiconductor layer, as disclosed in the prior art (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-243614), which improves the characteristics of a light emitting element such as an increase in light emission intensity. This is because an optimal method of doping indium having an effect on the above is not proposed.

【0018】窒化ガリウム系の半導体材料からなるLE
Dにあっては、発光層に第II族、第IV族或いは第VI族等
の不純物をドーピングするのが通例となっているのは上
記の如くである。しかし、ドナー或いはアクセプター性
不純物の量的均衡の制御が不充分であると、必ずしも窒
化物化合物半導体層からの発光の増大を達成できない不
安定性が付随している(特開平4−10666号及び特
開平4−10667号公報参照)。特に、アクセプタ不
純物の濃度を遥かに上回るドナー不純物がドーピングさ
れた高キャリア濃度の、所謂電子濃度過多のn+ 形の発
光層は微弱な発光をもたらすのみである。インジウムの
ドーピングにより結晶性に優れる発光層を形成するに
は、ドナー及びアクセプター不純物の量的均衡性を勘案
した上で発光強度の増大に寄与できる最適なインジウム
のドーピング濃度範囲及び濃度分布の最適化が必要であ
る。また、インジウムドーピングの最適化と併せて、格
子の不整合性に起因する発光層の結晶性の低下を防止す
るための、インジウム添加窒化物化合物半導体層と発光
部との接合系を提供するのも本発明の解決すべき課題で
ある。
LE made of gallium nitride based semiconductor material
As for D, as described above, it is customary to dope the light emitting layer with an impurity such as Group II, Group IV, or Group VI. However, inadequate control of the quantitative balance of the donor or acceptor impurity is accompanied by instability which cannot necessarily achieve an increase in light emission from the nitride compound semiconductor layer (Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-10666 and Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-6666). See JP-A-4-10667). In particular, a so-called electron-rich n + -type light-emitting layer with a high carrier concentration doped with a donor impurity far exceeding the concentration of an acceptor impurity only causes weak light emission. In order to form a light-emitting layer with excellent crystallinity by indium doping, optimization of the optimum indium doping concentration range and concentration distribution that can contribute to an increase in light emission intensity, taking into account the quantitative balance of donor and acceptor impurities is required. Further, in addition to optimizing the indium doping, a bonding system between the indium-doped nitride compound semiconductor layer and the light-emitting portion for preventing a decrease in crystallinity of the light-emitting layer due to lattice mismatch is provided. Is also a problem to be solved by the present invention.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、結晶基
板上にガリウム(Ga)系III 族窒化物化合物半導体か
らなる活性層と、第1の伝導形の第1の窒化物化合物半
導体層と、第2の伝導形の第2の窒化物化合物半導体層
とから構成される接合構造を備えた窒化物化合物半導体
素子に於いて、活性層を原子濃度を8×1017cm-3
上4×1020cm-3以下の範囲内とし、層厚の一方向に
濃度分布を付してインジウム(In)がドーピングされ
たガリウム(Ga)系III 族窒化物化合物半導体とする
窒化物化合物半導体素子を提供するものである。特に、
活性層として(イ)格子定数をより小とする第1または
第2の窒化物化合物半導体との接合界面に向けて、イン
ジウムの原子濃度を大とする濃度分布を有するガリウム
系III 族窒化物化合物半導体層、(ロ)ドナー或いはア
クセプター不純物が共にドーピングされた活性層にあっ
て、ドナー或いはアクセプターの何れか一方の不純物が
層厚方向に略一定の原子濃度にドーピングされ、他方の
不純物がインジウムの原子濃度に略反比例する濃度分布
をもって層厚方向にドーピングされてなる、ガリウム系
III 族窒化物化合物半導体層を具備した窒化物化合物半
導体素子を提供するものである。また、接合様式から見
れば、活性層と活性層と接合する上記の第1及び第2の
窒化物化合物半導体層の一方が、インジウムがドーピン
グされた活性層と同一の窒化物化合物半導体材料からな
ることを特徴とする窒化物化合物半導体素子を提供する
ものである。また、インジウムが略一様にドーピングさ
れた上記の第1若しくは第2の窒化物化合物半導体層
は、インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体
層と接合していることを特徴とする窒化物化合物半導体
素子を提供するものである。
That is, the present invention provides an active layer made of a gallium (Ga) group III nitride compound semiconductor on a crystal substrate and a first nitride semiconductor layer of a first conductivity type. And a second nitride compound semiconductor layer having a second conductivity type, the active layer has an atomic concentration of 8 × 10 17 cm −3 or more. A nitride compound semiconductor element having a gallium (Ga) -based group III nitride compound semiconductor doped with indium (In) with a concentration distribution in one direction in a layer thickness of not more than × 10 20 cm −3. Is provided. Especially,
A gallium-based group III nitride compound having a concentration distribution in which the indium atomic concentration is increased toward a bonding interface with the first or second nitride compound semiconductor having a smaller lattice constant as the active layer. In the active layer doped with both the semiconductor layer and the donor or acceptor impurity, one of the impurity of the donor and the acceptor is doped at a substantially constant atomic concentration in the layer thickness direction, and the other impurity of the indium is doped with indium. Gallium-based, doped in the thickness direction with a concentration distribution approximately inversely proportional to the atomic concentration
An object of the present invention is to provide a nitride compound semiconductor device having a group III nitride compound semiconductor layer. In addition, from the viewpoint of the junction mode, one of the first and second nitride compound semiconductor layers that joins the active layer and the active layer is made of the same nitride compound semiconductor material as the active layer doped with indium. It is intended to provide a nitride compound semiconductor device characterized by the above. Further, the first or second nitride compound semiconductor layer doped with indium substantially uniformly is bonded to the nitride compound semiconductor layer doped with indium. An element is provided.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明に於いては、活性層を構成
する窒化物化合物半導体とは格子整合の関係にないが、
従来通り耐熱性に優れるサファイア(α−Al23
結晶)等を基板結晶として利用できる。炭化珪素(Si
C)及びシリコン(Si)等の六方晶系や立方晶系の結
晶材料も従来通り利用できる。これらの基板結晶の面方
位、オフアングルや基板の厚さ等の仕様については特に
制限はない。本発明にあって、格子不整合度は被堆積層
を構成する結晶材料の格子定数に対する、堆積層と被堆
積層を構成する結晶層の格子定数の差の比率で表す。例
えば、基板(基準結晶)及び発光層や電子チャネル層等
の活性層を構成する結晶材料(比較対象結晶)の格子定
数を各々、a0 及びaとすれば、基準結晶の格子定数
(a0 )に対する基準結晶と比較対象結晶間の格子定数
の差の絶対値が占める割合が格子不整合度(δ;単位
%)を表わし、次式(1)で与えられる。 δ(%)={|a −a0 |/a0 }×100 ・・・・・ 式(1) このδはa軸等の結晶の基本軸の格子定数を用いて算出
する。基板と活性層との配向関係(オリエンテーショ
ン)を勘案して求めた格子面間隔はδの算出には利用し
ない。また、このδの算出に利用する格子定数は公表さ
れているそのらの物質の本来の格子定数であって、例え
ば格子不整合系の接合界面に於いて何らかの機械的変形
を被った歪んだ状態下にある際の格子定数ではない。本
発明では、基板結晶と活性層間のδがおおよそ0.2%
を超える場合をもって格子不整合系活性層とする。例え
ば、図1に掲示したサファイア基板とは全て格子不整合
の関係にある窒化物化合物半導体からなる積層体は、本
発明では格子不整合系活性層からなる典型的な積層体で
ある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, although there is no lattice matching with the nitride compound semiconductor constituting the active layer,
Conventionally, sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) having excellent heat resistance can be used as the substrate crystal. Silicon carbide (Si
Hexagonal and cubic crystalline materials such as C) and silicon (Si) can also be used conventionally. There are no particular restrictions on the specifications such as the plane orientation, off angle, and substrate thickness of these substrate crystals. In the present invention, the degree of lattice mismatch is represented by the ratio of the difference between the lattice constant of the crystalline layer forming the deposited layer and the lattice constant of the crystalline layer forming the layer to be deposited. For example, if the lattice constants of the substrate (reference crystal) and the crystal material (comparative crystal) constituting the active layer such as the light emitting layer and the electron channel layer are a 0 and a, respectively, the lattice constant of the reference crystal (a 0 ) Represents the degree of lattice mismatch (δ; unit%) occupied by the absolute value of the difference in lattice constant between the reference crystal and the comparison target crystal, and is given by the following equation (1). δ (%) = {| a−a 0 | / a 0 } × 100 (1) This δ is calculated using the lattice constant of the basic axis of the crystal such as the a-axis. The lattice spacing determined in consideration of the orientation relationship (orientation) between the substrate and the active layer is not used for calculating δ. The lattice constant used for the calculation of δ is the original lattice constant of those materials that have been published, for example, in a distorted state that has undergone some mechanical deformation at the junction interface of a lattice-mismatched system. It is not the lattice constant when it is below. In the present invention, δ between the substrate crystal and the active layer is approximately 0.2%
The case where the number exceeds the threshold value is defined as a lattice-mismatched active layer. For example, a laminate made of a nitride compound semiconductor that has a lattice mismatch with the sapphire substrate shown in FIG. 1 is a typical laminate composed of a lattice mismatch active layer in the present invention.

【0021】上記に於いて活性層等をなす堆積層とは、
本発明ではガリウム系窒化物化合物半導体層を指す。ガ
リウム系窒化物化合物半導体とはガリウム、アルミニウ
ム等のインジウム以外の第III 族元素を構成元素として
含む窒化物化合物半導体を云う。例えば、窒化ガリウム
(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミ
ニウム・ガリウム(Alx Ga1-x N;0<x≦1)混
晶などが該当する。また、インジウムをドーピングする
窒化物化合物半導体種は窒化ガリウム系や窒化アルミニ
ウム系半導体に限定されることはない。砒化窒化ガリウ
ム(GaNAs)、砒化窒化アルミニウム(AlNA
s)や窒化リン化ガリウム(GaNP)等の窒素以外の
第V族元素を含む窒化物化合物半導体材料にあっても、
本発明に係わるインジウムドーピングの効果は顕現され
る。従って、本発明に係わる窒化物化合物半導体素子
は、例えばインジウムがドーピングされた窒化ガリウ
ム、窒化アルミニウム、砒化窒化ガリウム、窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶等を活性層として備えた積層体か
ら構成する。活性層を構成するインジウムドープ窒化物
化合物半導体層の伝導形はn形或いは絶縁形が好まし
い。ここでは、単一或いは多重量子井戸構造にあっては
ウェル層即ち井戸層を活性層であると見なす。
In the above description, the deposited layer forming the active layer and the like
In the present invention, it refers to a gallium-based nitride compound semiconductor layer. The gallium-based nitride compound semiconductor refers to a nitride compound semiconductor containing a group III element other than indium such as gallium and aluminum as a constituent element. For example, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) mixed crystal, and the like are applicable. Further, the kind of nitride compound semiconductor doped with indium is not limited to gallium nitride-based or aluminum nitride-based semiconductor. Gallium arsenide nitride (GaNAs), aluminum arsenide nitride (AlNA)
s) and nitride compound semiconductor materials containing Group V elements other than nitrogen, such as gallium phosphide nitride (GaNP),
The effect of indium doping according to the present invention becomes apparent. Therefore, the nitride compound semiconductor device according to the present invention is composed of a stacked body including, for example, indium-doped gallium nitride, aluminum nitride, gallium arsenide nitride, aluminum-gallium nitride mixed crystal, or the like as an active layer. The conduction type of the indium-doped nitride compound semiconductor layer forming the active layer is preferably an n-type or an insulation type. Here, in a single or multiple quantum well structure, a well layer, that is, a well layer is regarded as an active layer.

【0022】本発明は基板と格子不整合の関係にあるガ
リウム系III 族窒化物化合物半導体層にあっても、適度
な濃度のインジウムのドーピングを施せば、敢えて混晶
を形成せずとも同層からの発光強度は増大できることを
利用したものである。一例として、図3はインジウムを
ドーピングした亜鉛添加窒化ガリウム(GaN)層に於
けるフォトルミネッセンス(PL)強度のインジウムド
ーピング濃度依存性を示す。インジウムのドーピング源
としては、窒化ガリウム層成長時の窒素供給源であるア
ンモニアガスとの複合体化反応を回避できる、ルイス塩
基性的な性質を示す結合価を1価とするシクロペンタジ
エニルインジウム(C55 In)が利用できる(J.o
f Cryst.Growth.,106(1990)、
260.や特公平8−17160号公報参照)。ドーピ
ングされたインジウムの原子濃度の定量法としては、オ
ージェ電子分光法(英略称AES)などの種々の物理分
析法等が考えられるがドーピングしたインジウム濃度が
低濃度の範囲にあることから、特性X線の検出強度を基
に分析するEPMA(lectron robe
icro−nalysis)等の分析手法ではな
く、此処では低濃度の原子の検出能力により優れる2次
イオン質量分析法(英略称SIMS)で定量している。
図3に掲示した如く、波長を325nmとする発光ヘリ
ウム(He)−カドミウム(Cd)レーザ光によって励
起される窒化ガリウム層からの亜鉛不純物に関連した波
長が約430nmのする青(青紫)色発光の室温でのル
ミネッセンス強度は、インジウムのドーピング濃度に強
く依存するものである。ドーピングされたインジウムの
原子濃度が大凡、5×1017cm-3近傍では、インジウ
ムのドーピングに依る発光強度の増大の効果は不安定で
ある。換言すれば、インジウムのドーピングに依ってル
ミネッセンス発光強度は必ずしも増大するとは限らな
い。インジウムのドーピング濃度が8×1017cm-3
到達すると、ルミネッセンス強度の安定した増大が認め
られる。例えば、亜鉛を約6×1019cm-3の濃度に添
加した窒化ガリウム層からの亜鉛不純物に関連した青色
(青紫色)の発光強度は、インジウムを約5×1018
-3の濃度にドーピングすると約60倍に増加する。一
方、この亜鉛添加層にジシラン(Si26 )ガスを利
用して珪素(Si)をドーピングして旧来のドナーとア
クセプターとが共存する発光層を形成した場合、ルミネ
ッセンス強度は高々約5倍となるに過ぎない。即ち、適
正な濃度範囲のインジウムドーピングが窒化ガリウム層
からのルミネッセンス強度の増加に及ぼす効果は、従来
のドナーとアクセプター不純物を共にドーピングする措
置に比較すれば、桁違いに大である。しかし、インジウ
ムを過度にドーピングするとルミネッセンス強度は逆に
減少する(図3参照)。ルミネッセンス強度はインジウ
ムのドーピング濃度が4×1020cm-3を越えると急激
に低下する。従って、発光強度の増大を意図する場合の
最適なインジウムのドーピング濃度範囲は8×1017
-3以上4×1020cm-3以下の範囲である。この最適
な濃度範囲は従来例の範囲に比して極めて限定された範
囲となっている。インジウムは第III 族元素であり、II
I 族窒化物化合物半導体にドーピングされた同族元素と
してのインジウムは、云わば等電子トラップとして作用
し得る可能性がある。インジウムのドーピング濃度が低
濃度である場合は、結晶性の向上が顕著に顕現するに足
るインジウムがドーピングされていないとも考慮される
が、発光強度の増大をもたらす等電子トラップの密度も
小さいためとも推定される。一方、インジウムのドーピ
ング濃度の上限はむしろ、インジウムドーピングによる
層内の電子濃度の減少と密接な関係があると推察され
る。インジウムのドーピング量を増加させれば、等電子
トラップの密度は増加するものの、従来例(特開平5−
243614号公報参照)に見られる如く逆に層内の電
子濃度は減少する。即ち、インジウムのドーピング濃度
の上限は結晶性の向上の観点からよりも、むしろ残留電
子濃度をもって決定されるものと考えられる。
The present invention relates to a gas having a lattice mismatch with the substrate.
Even in a lithium-based group III nitride compound semiconductor layer,
Doping of indium with a high concentration can cause mixed crystal
That the emission intensity from the same layer can be increased without forming
It was used. As an example, FIG.
In doped zinc-doped gallium nitride (GaN) layers
Of photoluminescence (PL) intensity
Shows the dependence on the concentration Indium doping source
Is a source of nitrogen for growing the gallium nitride layer.
Lewis salt that can avoid complexation reaction with ammonia gas
Cyclopentadiyl having monovalent valency showing basic properties
Enilindium (CFive HFive In) available (J.o
f Cryst. Growth. ,106(1990),
260. And Japanese Patent Publication No. 8-17160). Dopi
As a method for determining the atomic concentration of
Various physical components such as electron electron spectroscopy (AES)
The indium concentration of the doped
Since the concentration is in the low concentration range, the
EPMA to analyzeEelectronProbe
Mmicro-Aanalysis methods such as
In this case, the second order is superior due to its ability to detect low concentration of atoms.
It is quantified by ion mass spectrometry (abbreviated SIMS).
As shown in FIG. 3, a light emitting helicopter with a wavelength of 325 nm
Excitation by laser beam of um (He) -cadmium (Cd)
Induced waves associated with zinc impurities from gallium nitride layers
Blue (blue-violet) emission with a length of about 430 nm
The luminescence intensity is strong against the indium doping concentration.
It depends heavily. Of doped indium
Atomic concentration is approximately 5 × 1017cm-3In the vicinity, Injiu
The effect of increasing the emission intensity due to
is there. In other words, due to indium doping,
Luminescence intensity does not always increase
No. Indium doping concentration of 8 × 1017cm-3To
Upon reaching a steady increase in luminescence intensity
Can be For example, about 6 × 1019cm-3To the concentration of
Blue color associated with zinc impurities from doped gallium nitride layer
The emission intensity of (blue purple) is about 5 × 1018c
m-3Doping to a concentration of about 60 times. one
On the other hand, disilane (SiTwo H6 ) Use gas
Doping with silicon (Si) using
When a light emitting layer coexisting with
At most about five times. That is,
Gallium nitride layer with indium doping in positive concentration range
The effect on the increase in luminescence intensity from
Doping of both donor and acceptor impurities
Compared to the position, it is orders of magnitude larger. But Injiu
Overdoping the system will reverse the luminescence intensity
Decrease (see FIG. 3). Luminescence intensity is indium
4 × 1020cm-3Suddenly after
To decline. Therefore, when the emission intensity is intended to be increased,
Optimum indium doping concentration range is 8 × 1017c
m-34 × 10 or more20cm-3The range is as follows. This optimal
The concentration range is extremely limited compared to the conventional range.
It is enclosed. Indium is a Group III element and II
Group I nitride compound semiconductors
Indium acts as an isoelectronic trap
Could be possible. Low indium doping concentration
If the concentration is too high, the improvement in crystallinity will be noticeable.
May be considered undoped
However, the density of electron traps, etc.
It is estimated that it is small. On the other hand, indium dopi
Rather, the upper limit of the toning concentration is due to indium doping.
It is assumed that there is a close relationship with the decrease in electron concentration in the layer.
You. By increasing the indium doping amount,
Although the density of the trap increases, the conventional example (Japanese Unexamined Patent Publication No.
Conversely, as seen in US Pat.
The child concentration decreases. That is, the indium doping concentration
The upper limit of the residual power is rather than from the viewpoint of improving the crystallinity.
It is considered to be determined based on the concentration of the proton.

【0023】本発明が掲示するインジウムの原子濃度範
囲(ドーピング濃度範囲)では、窒化物化合物半導体本
来のバンド端の発光波長(半導体材料に固有の禁止帯幅
(エネルギーギャップ)に相当する)には変化を与えな
い。例えば、本発明に係わるインジウムのドーピングを
施した窒化ガリウム層のバンド端発光が出現する波長
(約365nm)は、インジウムがドーピングされてい
な窒化ガリウム層からのそれと一致する。混晶化する
程、すなわち多量にインジウムが添加されていれば、約
380〜約390nmの近紫外領域に特有のスペクトル
が出現する(1996年第43回春季応用物理学関係連
合講演会、講演番号28a−ZB−1(講演予稿集N
o.1、292頁)及び講演番号28a−ZB−2(講
演予稿集No.1、293頁)。この近紫外スペクトル
は亜鉛等のアクセプター不純物が添加されていると殆ど
出現せず、珪素等のドナーが添加されている状態或いは
アンドープでも比較的高キャリア濃度となっている場合
に出現し易いものである。しかし、本発明に係わるイン
ジウムのドーピングを施した高キャリア濃度のn+ 形窒
化ガリウム層からも、近紫外領域のルミネッセンス発光
は認められなかった。また、珪素等のドナー不純物を高
濃度に含む窒化ガリウム・インジウムでは、インジウム
の含有量の増加に伴い、この近紫外スペクトルの発光波
長が長波長側に移行するのが明瞭に認められる。しか
し、本発明の濃度範囲で種々の濃度にインジウムが添加
された窒化ガリウム層では、近紫外スペクトルが出現し
ないが故にインジウムの濃度に依存する近紫外スペクト
ルの長波長側への移行も観測出来なかった。即ち、本発
明に記す濃度範囲のインジウムのドーピングによっても
禁止帯幅に変化を来たしていないことから、窒化ガリウ
ムが窒化ガリウム・インジウム混晶に変化しているとは
認め難い。これより、本発明に規定される程度の濃度の
インジウムのドーピングでは、被ドーピング層のインジ
ウムとの混晶化がもたらされないと考慮するのが妥当で
ある。換言すれば、本発明は前記の如くの結晶成長上困
難さが付随するインジウム系混晶の形成上の問題を回避
した上で、尚且、発光強度の増大を簡便に達成する技術
を提供しているのであって、これが本発明の利点の一つ
である。
In the atomic concentration range (doping concentration range) of indium disclosed in the present invention, the emission wavelength at the band edge inherent in the nitride compound semiconductor (corresponding to the band gap (energy gap) inherent to the semiconductor material) is not satisfied. No change. For example, the wavelength (approximately 365 nm) at which band edge emission of the indium-doped gallium nitride layer according to the present invention appears coincides with that from the indium-doped gallium nitride layer. As the alloy becomes more mixed, that is, when a large amount of indium is added, a spectrum peculiar to the near ultraviolet region of about 380 to about 390 nm appears (the 43rd Spring Applied Physics Related Conference, 1996, lecture number) 28a-ZB-1
o. 1, 292) and Lecture No. 28a-ZB-2 (Presentation No. 1, 293 pages). This near-ultraviolet spectrum hardly appears when an acceptor impurity such as zinc is added, and tends to appear when a donor such as silicon is added or when the carrier concentration is relatively high even when undoped. is there. However, even in the high carrier concentration n + -type gallium nitride layer doped with indium according to the present invention, no luminescence in the near ultraviolet region was observed. Further, in gallium indium nitride containing a high concentration of donor impurities such as silicon, it is clearly observed that the emission wavelength of this near-ultraviolet spectrum shifts to a longer wavelength side as the indium content increases. However, in the gallium nitride layer to which indium is added at various concentrations within the concentration range of the present invention, since the near-ultraviolet spectrum does not appear, the shift to the longer wavelength side of the near-ultraviolet spectrum depending on the indium concentration cannot be observed. Was. That is, since the band gap does not change even by doping with indium in the concentration range described in the present invention, it is hard to recognize that gallium nitride has changed to gallium nitride-indium mixed crystal. From this, it is reasonable to consider that doping of indium at a concentration defined in the present invention does not cause a mixed crystal with indium in the layer to be doped. In other words, the present invention provides a technique for avoiding the problem of forming an indium-based mixed crystal accompanied by difficulties in crystal growth as described above, and furthermore, easily achieving an increase in emission intensity. This is one of the advantages of the present invention.

【0024】本発明では、上記の濃度範囲内に於いてイ
ンジウムを層厚方向に一様にドーピングしたガリウム系
窒化物化合物半導体層を活性層とするのではない。発光
強度の増大をもたらすインジウムの濃度範囲に限定を加
えると共に、インジウムの濃度分布に特異性をもたせた
ガリウム系窒化物化合物半導体層を活性層とする。イン
ジウムのドーピング濃度分布に非一様性を付与すること
をもって、活性層の内部に電子的性質等に分布を創生す
る。特に、インジウムは活性層との接合を形成するガリ
ウム系窒化物化合物半導体層にあって、格子定数をより
小とする窒化物化合物半導体層との界面に向けてインジ
ウムのドーピング濃度を増加させる。インジウムのドー
ピング濃度を層厚方向に増加させるのは、活性層の成膜
時に成長反応系に供給するインジウム源の量を成膜時間
の対して増加させれば達成される。インジウム源供給量
の成膜時間に対する変化の態様に依って様々な濃度プロ
ファイルを創出することができる。図4に本発明に係わ
るインジウムのドーピング濃度分布を例示する。深さ方
向の原子濃度プロファイル(111)は、活性層(10
4)内のインジウム濃度を活性層(104)と接合する
接合層((108)及び(109))にあって、より格
子不整合度を大とする接合層(109)との界面(11
0)に向けて単調に増加させる分布例を示している。こ
の様な濃度プロファイルは活性層の膜厚の増大と共に成
長反応系へ供給するインジウム源の供給量を単調に増加
させれば出来る。原子濃度プロファイル(112)は別
のインジウム原子の濃度分布を示すもので、接合層(1
09)との界面(110)に向けてインジウムのドーピ
ング濃度を活性層(104)の成長開始時より段階的に
増加させたものである。また、原子濃度プロファイル
(113)はインジウムのドーピング量を活性層(10
4)の中途迄一定とし、その後ドーピング量を段階的増
加させることにより得られるインジウムの原子濃度の分
布を示している。段階的ではなく、単調にインジウムド
ーピング量を増加させれば、界面(110)に向けてイ
ンジウムの原子濃度が滑らかに増加するプロファイル
(114)が得られる。何れにしても、発光強度に優れ
る発光層を得るには、発光層と接合する接合層にあって
格子定数をより小とする接合層との界面に向けてインジ
ウムの原子濃度を漸次大とすることに変わりはない。こ
のドーピング濃度に分布を付与するのは、格子の不整合
度(上記のδ(%))をより大とする接合層との界面近
傍に存在する格子歪領域により多量の歪を導入するため
である。また、as−grown状態で上記の界面近傍
の領域を電子濃度のより低い領域とすることを図ったも
のである。
In the present invention, the gallium-based nitride compound semiconductor layer doped with indium uniformly in the thickness direction within the above concentration range is not used as the active layer. A gallium-based nitride compound semiconductor layer having a specific indium concentration distribution while limiting the indium concentration range that increases the emission intensity is used as the active layer. By imparting non-uniformity to the indium doping concentration distribution, a distribution is created in the electronic properties and the like inside the active layer. In particular, indium is present in the gallium-based nitride compound semiconductor layer that forms a junction with the active layer, and increases the doping concentration of indium toward the interface with the nitride compound semiconductor layer that makes the lattice constant smaller. Increasing the indium doping concentration in the layer thickness direction can be achieved by increasing the amount of the indium source supplied to the growth reaction system when forming the active layer with respect to the film formation time. Various concentration profiles can be created depending on how the indium source supply changes with respect to the film formation time. FIG. 4 illustrates an indium doping concentration distribution according to the present invention. The atomic concentration profile (111) in the depth direction indicates that the active layer (10
4) In the bonding layers ((108) and (109)) for bonding the indium concentration to the active layer (104), the interface (11) with the bonding layer (109) having a larger degree of lattice mismatch.
An example of a distribution monotonically increasing toward 0) is shown. Such a concentration profile can be obtained by monotonically increasing the supply amount of the indium source supplied to the growth reaction system as the thickness of the active layer increases. The atomic concentration profile (112) shows the concentration distribution of another indium atom, and shows the bonding layer (1).
The indium doping concentration is gradually increased toward the interface (110) with the active layer (09) from the start of the growth of the active layer (104). Further, the atomic concentration profile (113) indicates the doping amount of indium in the active layer (10).
4) The distribution of the atomic concentration of indium obtained by keeping the concentration constant in the middle and then increasing the doping amount stepwise is shown. If the indium doping amount is monotonically increased rather than stepwise, a profile (114) in which the atomic concentration of indium increases smoothly toward the interface (110) is obtained. In any case, in order to obtain a light emitting layer having excellent light emission intensity, the atomic concentration of indium is gradually increased toward the interface with the bonding layer having a smaller lattice constant in the bonding layer bonded to the light emitting layer. That is no different. The reason why the distribution is given to the doping concentration is to introduce a large amount of strain into the lattice strain region existing near the interface with the bonding layer, which increases the degree of lattice mismatch (the above δ (%)). is there. Further, in the as-grown state, the region near the interface is set as a region having a lower electron concentration.

【0025】インジウムのドーピング濃度の変化範囲は
8×1017cm-3以上4×1020cm-3以下の範囲内と
する。この範囲内に於けるインジウムのドーピング濃度
の変化率は所望する発光波長と活性層の層厚に鑑みて適
宣決定する。変化率とは、次の式(2)により、インジ
ウムの初期のドーピング濃度(N0 ;単位cm-3)に対
する最終のインジウム濃度(N;単位cm-3)の比率
(Δ)で表す。 Δ = N / N0 ・・・・・ 式(2) 図5をもって具体的に説明すれば、活性層(104)と
接合する接合層((108)及び(109))にあっ
て、活性層と格子定数の差異を小とする接合層(10
8)との界面(124)に於けるドーピングされたイン
ジウムの原子濃度が初期濃度( N0 )である。他方、
活性層との格子不整合度をより大とする接合層(10
9)との界面(110)に於ける濃度がNである。本発
明では、インジウムのドーピング濃度を両界面((11
0)及び(124))の内、界面(110)に向けて増
加させるのであるから常にN>N0 の関係にあり、従っ
て、Δは正の値を採る。活性層の層厚を一定とする場
合、青色等の短波長の発光を得るにはこの変化率を比較
的小とする。緑色等の長波長側の発光を図るならば変化
率は大とする。逆に変化率を一定とするならば、緑色、
黄色と長波長側の発光を意図する程、発光層の層厚を薄
くする。即ち、インジウムのドーピング濃度を変化させ
る領域を狭めることにより、層厚の変化に対するインジ
ウムの原子濃度の変化の度合いを大とする。例えば、イ
ンジウムのドーピング初期濃度(N0 )を1×1018
-3とし最終濃度(N)を4×1020cm-3として変化
率(Δ)を400とする場合を考える。この場合、波長
を430nm〜450nmとする青色発光を得るには発
光層の層厚を概ね、40〜70nmとし、波長を約50
0〜550nmとする緑色帯発光を意図するならば発光
層の層厚を少なくとも約10nm以下、望ましくは5n
m前後とする。
The change range of the indium doping concentration is in the range of 8 × 10 17 cm −3 to 4 × 10 20 cm −3 . The rate of change of the doping concentration of indium within this range is appropriately determined in consideration of a desired emission wavelength and the thickness of the active layer. The rate of change is represented by the ratio (Δ) of the final indium concentration (N; unit cm −3 ) to the initial doping concentration of indium (N 0 ; unit cm −3 ) by the following equation (2). Δ = N / N 0 Equation (2) Explaining specifically with reference to FIG. 5, the active layers ((108) and (109)) which are bonded to the active layer (104) And a bonding layer (10
The atomic concentration of the doped indium at the interface (124) with 8) is the initial concentration (N 0 ). On the other hand,
The bonding layer (10) having a larger lattice mismatch with the active layer
The concentration at the interface (110) with 9) is N. In the present invention, the doping concentration of indium is adjusted at both interfaces ((11
0) and (124)), the relationship is always N> N 0 because the value is increased toward the interface (110), and accordingly, Δ takes a positive value. When the thickness of the active layer is constant, the rate of change is relatively small in order to obtain emission of a short wavelength such as blue. If light emission on the long wavelength side such as green is intended, the rate of change is large. Conversely, if the rate of change is constant, green,
The thickness of the light-emitting layer is reduced to such an extent that yellow light and long-wavelength light are intended. That is, by narrowing the region where the doping concentration of indium is changed, the degree of change in the atomic concentration of indium with respect to the change in the layer thickness is increased. For example, the initial doping concentration (N 0 ) of indium is 1 × 10 18 c
Consider a case where m −3 and the final concentration (N) are 4 × 10 20 cm −3 and the rate of change (Δ) is 400. In this case, to obtain blue light emission having a wavelength of 430 nm to 450 nm, the thickness of the light emitting layer is generally set to 40 to 70 nm, and the wavelength is set to about 50 to
If a green band light emission of 0 to 550 nm is intended, the thickness of the light emitting layer is at least about 10 nm or less, preferably 5 n
m.

【0026】活性層内のインジウムのドーピング濃度に
分布を付与することによってもたらされる一つの利点は
発光部の構成が簡略化出来ることにある。例えば、従来
の緑色LEDの構造を省みるに、その発光部は単一量子
井戸構造となっている。発光層である井戸層はインジウ
ム組成比を0.20とする窒化ガリウム・インジウム混
晶層(図2の(104))である。窒化ガリウム・イン
ジウム混晶発光層(図2の(104))の下部には、下
地層としてインジウム組成比を0.05とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶層(図2の(107))が配置さ
れている。云わば発光部にインジウムの組成比を異にす
る窒化ガリウム・インジウム混晶層の重層構造が具備さ
れている。本発明に依るインジウムのドーピング、即
ち、緑色発光に適する層厚を有し、且つ層厚方向に順次
インジウム原子濃度を増加させるドーピングしてなるガ
リウム系III 族窒化物半導体層を唯一発光層として利用
すれば事足りる。この様にインジウムのドーピング濃度
に変化を付した窒化物層にあっては、一層のみでインジ
ウムの濃度に比較的低い領域が従来の窒化ガリウム・イ
ンジウム下地層の、また、インジウム原子濃度が比較的
高い領域は従来の窒化ガリウム・インジウム発光層を各
々、担えるものである。従って、結晶成長が困難な窒化
ガリウム・インジウム混晶を発光層の下地層を敢えて配
置せずとも簡便に同様の発光強度の増大が果たせる。即
ち、量子井戸構造の一障壁層としての、或いはまた、窒
化ガリウム・インジウム混晶発光層とn形窒化ガリウム
層とを直接接合した際に接合界面で発生が予想される、
量子準位の形成による極端なキャリアの蓄積を低減する
ためにの格子歪の緩和層としの窒化ガリウム・インジウ
ム下地層を敢えて設ける必要も無くなる。
One advantage brought about by giving a distribution to the doping concentration of indium in the active layer is that the structure of the light emitting section can be simplified. For example, omitting the structure of a conventional green LED, the light emitting portion has a single quantum well structure. The well layer serving as the light emitting layer is a gallium nitride-indium mixed crystal layer ((104) in FIG. 2) having an indium composition ratio of 0.20. A gallium-indium nitride mixed crystal layer ((107) in FIG. 2) having an indium composition ratio of 0.05 is disposed as a base layer under the gallium nitride-indium mixed crystal light-emitting layer ((104) in FIG. 2). Have been. In other words, the light emitting portion has a multilayer structure of gallium nitride / indium mixed crystal layers having different indium composition ratios. Indium doping according to the present invention, that is, a gallium-based group III nitride semiconductor layer having a layer thickness suitable for green light emission and doped to increase the indium atom concentration sequentially in the layer thickness direction is used as the only light emitting layer. That's enough. As described above, in the nitride layer in which the indium doping concentration is varied, only one region having a relatively low indium concentration is formed in the conventional gallium nitride / indium underlayer, and the indium atom concentration is relatively low. The high region can carry each of the conventional gallium-indium nitride light-emitting layers. Therefore, the same increase in light emission intensity can be easily achieved without intentionally disposing a gallium-indium nitride mixed crystal, in which crystal growth is difficult, on the light-emitting layer. That is, as a barrier layer of the quantum well structure, or when a gallium indium / indium mixed crystal light emitting layer and an n-type gallium nitride layer are directly bonded, generation at a bonding interface is expected.
It is no longer necessary to provide a gallium-indium nitride underlayer as a lattice strain relaxation layer for reducing extreme carrier accumulation due to formation of quantum levels.

【0027】本発明では、活性層はドナー或いはアクセ
プターの何れか一方の不純物が層厚方向に略一定の原子
濃度にドーピングされ、他方の不純物がインジウムの原
子濃度に略反比例する濃度分布をもって層厚方向にドー
ピングされているものとする。これは、活性層として例
えば亜鉛等のアクセプター不純物が層厚方向の略一様の
原子濃度をもってドーピングされ、珪素等のドナー不純
物がインジウム原子濃度にほぼ反比例した濃度をもって
ドーピングされた、ガリウム系窒化物化合物半導体層を
利用することを意味する。即ち、インジウムの原子濃度
を活性層の層厚方向に漸次増加させる本発明にあって、
珪素、ゲルマニウム(Ge)や錫(Sn)等の第IV族元
素或いは第VI族元素の硫黄(S)、セレン(Se)及び
テルリウム(Te)等のドナー不純物の原子濃度は逆に
層厚の増加方向に減少させる。この様な相反する原子濃
度分布を付与するのは、活性層内にキャリア(carr
ier:担体)、即ち電子(electron)若しく
は正孔(hole)の濃度分布を創生するためである。
しかし、互いに略反比例の関係に保つ濃度とはドーパン
トの原子濃度であって、電子濃度等のキャリア濃度では
ない。活性層の層厚方向にドナー不純物の原子濃度を漸
次減じたところで、電子濃度は反対に層厚の増加方向に
増加する。特に活性層上に接合する格子不整合系の接合
層との界面で急激に増加するドナー不純物の分布とは反
対の分布を呈する場合も有り得る。活性層の層厚の増加
に伴うインジウムの原子濃度の増加に反して、ドーピン
グするドナー不純物の原子濃度を減ずるのは、活性層上
に堆積される接合層との界面近傍の格子歪が完全に除去
されたいない領域に蓄積される、電子等のキャリア密度
の増加を目的としているからである。as−grown
状態で既に、その界面近傍でキャリア密度の増加が認め
られる場合もあれば、活性層に窒化アルミニウム・ガリ
ウム混晶等の圧電結晶体を接合させた際により顕著に界
面近傍でのキャリアの蓄積が顕現される場合もある。こ
の様に云わば活性層との界面近傍に担体(キャリア)が
閉じ込められた、所謂キャリアが局在した領域の形成を
意図することをもって、発光素子にあっては発光強度の
増大を、電子機能デバイスにあっては担体移動度の増加
を達成するものである。
According to the present invention, the active layer is doped with either a donor or an acceptor at a substantially constant atomic concentration in the layer thickness direction, and the other impurity has a concentration distribution substantially inversely proportional to the indium atomic concentration. It is assumed that it is doped in the direction. This is a gallium nitride in which an acceptor impurity such as zinc is doped as an active layer with a substantially uniform atomic concentration in a layer thickness direction, and a donor impurity such as silicon is doped with a concentration almost inversely proportional to an indium atomic concentration. This means that a compound semiconductor layer is used. That is, in the present invention in which the atomic concentration of indium is gradually increased in the thickness direction of the active layer,
Conversely, the atomic concentration of donor impurities such as sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) of Group IV elements or Group VI elements such as silicon, germanium (Ge), and tin (Sn) may have a different layer thickness. Decrease in increasing direction. Such an inconsistent atomic concentration distribution is provided by a carrier (carr) in the active layer.
ie: carrier), that is, to create a concentration distribution of electrons or holes.
However, the concentrations that are kept in a substantially inverse proportion to each other are the atomic concentrations of the dopant, not the carrier concentrations such as the electron concentration. When the atomic concentration of the donor impurity gradually decreases in the layer thickness direction of the active layer, the electron concentration increases in the direction of increasing the layer thickness. In particular, the distribution may be opposite to the distribution of the donor impurity that rapidly increases at the interface with the lattice mismatched bonding layer bonded to the active layer. Contrary to the increase in the atomic concentration of indium accompanying the increase in the thickness of the active layer, the decrease in the atomic concentration of the donor impurity to be doped is due to the fact that the lattice strain near the interface with the bonding layer deposited on the active layer is completely reduced. This is because the purpose is to increase the carrier density of electrons and the like accumulated in the region that has not been removed. as-grown
In some cases, an increase in carrier density is already observed near the interface, and when a piezoelectric crystal such as aluminum nitride / gallium mixed crystal is bonded to the active layer, carrier accumulation near the interface is more remarkable. May be manifested. In this way, the intention is to form a so-called carrier-localized region in which carriers are confined in the vicinity of the interface with the active layer. The device achieves an increase in carrier mobility.

【0028】本発明では、発光部の接合構成に創意を加
える。発光部とは、クラッド(clad)層を含むヘテ
ロ接合構成にあっては発光層とクラッド層から構成され
る部位を云う。量子井戸構造にあっては井戸層と障壁層
とからなる多重構造と、これに接合するクラッド層とか
らなる部位を指す。発光素子に限って言及すれば、本発
明では更にインジウムがドーピングされたガリウム系窒
化物化合物半導体層発光層を、同じくインジウムがドー
ピングされたガリウム系窒化物化合物半導体層に接合さ
せることをもって発光部を形成する。インジウムがドー
ピングされた窒化物化合物半導体層相互の接合からなる
構成は勿論、他の素子、例えば耐熱性のホール(Hal
l)素子、ショットキー(Schottky)接合型電
界効果トランジスタ(英略称MESFET)や紫外領域
或いは青色帯領域の受光素子等の活性領域として活用で
きる。インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導
体接合層を活性層に接合する理由は、この接合が活性層
を構成するガリウム系窒化物化合物半導体層の結晶性の
向上をもたらす下地層(被堆積層)として寄与するた
め、結晶性が格段に向上した活性層が得られるからであ
る。活性層の結晶性の改善の程度や品質的な優劣は、X
線回折スペクトルの半値幅やフォトルミネッセンス(P
L)スペクトルのバンド端発光強度の調査などから判定
できる。本発明では被ドーピング体の混晶化を果たす程
高濃度にインジウムをドーピングしないため、被ドーピ
ング体元来の禁止帯幅(バンドギャップ)に対応したバ
ンド端発光波長に移動(所謂、波長シフト)が発生しな
いため、バンド端発光の強度や半値幅がそのまま結晶品
質の良否を判定する指標となり得る。図6に一例とし
て、インジウムを原子濃度にして約8×1015cm-3
添加したn形窒化ガリウム(GaN)接合層上に堆積さ
れた窒化ガリウム層の室温フォトルミネッセンススペク
トル(115)を示す。一方、インジウムのドーピング
を施していないアンドープのn形窒化ガリウム層上に堆
積した窒化ガリウム層からの室温スペクトルをスペクト
ル(116)に示す。両スペクトルの対比から明白な如
く、インジウムがドーピングされた窒化ガリウム接合層
上の窒化ガリウム層からのバンド端発光(図6に記号B
Dで示す)の発光強度は、インジウム無添加の場合に比
較して明らかに増大している。この様に、インジウムが
ドーピングされた窒化物化合物半導体層に接合された窒
化物化合物半導体層の結晶性は格段に改善される。
According to the present invention, the joint structure of the light emitting section is invented. The light emitting portion refers to a portion composed of a light emitting layer and a clad layer in a heterojunction configuration including a clad layer. In the quantum well structure, it refers to a portion including a multiple structure including a well layer and a barrier layer, and a cladding layer bonded to the multiple structure. Referring to the light emitting element only, in the present invention, the light emitting portion is further formed by joining the indium-doped gallium nitride compound semiconductor layer light emitting layer to the indium doped gallium nitride compound semiconductor layer. Form. Other elements such as a heat-resistant hole (Hal) may of course be used for a structure composed of junctions between nitride compound semiconductor layers doped with indium.
l) It can be used as an active region such as a device, a Schottky junction type field effect transistor (MESFET for short), a light receiving device in an ultraviolet region or a blue band region, or the like. The reason why the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer is bonded to the active layer is that the bonding is performed as an underlayer (deposited layer) that improves the crystallinity of the gallium-based nitride compound semiconductor layer that forms the active layer. This is because an active layer with significantly improved crystallinity can be obtained. The degree of improvement in the crystallinity of the active layer and the quality are as follows.
FWHM and photoluminescence (P
L) It can be determined from an examination of the emission intensity at the band edge of the spectrum. In the present invention, indium is not doped at such a high concentration as to achieve the mixed crystal of the material to be doped. Does not occur, the intensity of the band-edge emission and the half-value width can be directly used as an index for determining the quality of the crystal quality. FIG. 6 shows, as an example, a room-temperature photoluminescence spectrum (115) of a gallium nitride layer deposited on an n-type gallium nitride (GaN) junction layer doped with indium at an atomic concentration of about 8 × 10 15 cm −3. . On the other hand, a spectrum (116) shows a room temperature spectrum from the gallium nitride layer deposited on the undoped n-type gallium nitride layer not doped with indium. As is clear from the comparison of the two spectra, the band-edge emission from the gallium nitride layer on the indium-doped gallium nitride junction layer (symbol B in FIG. 6)
D) is clearly increased as compared with the case where no indium is added. As described above, the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer joined to the nitride compound semiconductor layer doped with indium is remarkably improved.

【0029】活性層と接合させるガリウム系III 族窒化
物化合物半導体層にあって、最適なインジウムのドーピ
ング濃度範囲は、8×1017cm-3以上で4×1020
-3以下である。インジウムの原子濃度が約8×1017
cm-3未満であると被ドーピング層のバンド端の室温フ
ォトルミネッセンス強度に増加は見られない。ドーピン
グされたインジウム原子の濃度が8×1017cm-3近傍
であると、時としてバンド端発光強度の増大が認められ
る場合があるが、その効果は不安定である。結晶性に優
れるガリウム系III 族窒化物化合物半導体層を安定して
得るには、インジウムのドーピング濃度を8×1017
-3以上とする必要がある。逆に、原子濃度が4×10
20cm-3を越えるインジウムドーピングを施すと、ハー
ドニング(hardning)効果に起因するためか、
窒化物化合物半導体膜に亀裂が発生する確率が高くな
る。この亀裂の発生により膜の表面状態の劣化を招くと
共に、膜の連続性が損なわれる。発光強度に影響を与え
る因子には窒化物化合物半導体膜の連続性も挙げられ、
連続性に欠ける膜は、発光素子にあっては発光面積の減
少等に加えて電極間抵抗の増大を招くため、発光強度に
優れる化合物半導体発光素子を得るに不都合となる。従
って、本発明では活性層と接合する接合層のインジウム
の原子濃度の上限を4×1020cm-3とする。
In the gallium-based group III nitride compound semiconductor layer to be bonded to the active layer, the optimum indium doping concentration range is 8 × 10 17 cm -3 or more and 4 × 10 20 c
m −3 or less. The atomic concentration of indium is about 8 × 10 17
If it is less than cm -3 , no increase is observed in the room-temperature photoluminescence intensity at the band edge of the layer to be doped. When the concentration of doped indium atoms is around 8 × 10 17 cm −3 , an increase in band edge emission intensity may sometimes be observed, but the effect is unstable. In order to stably obtain a gallium-based group III nitride compound semiconductor layer having excellent crystallinity, the indium doping concentration is set to 8 × 10 17 c
m -3 or more. Conversely, if the atomic concentration is 4 × 10
If indium doping over 20 cm -3 is caused by a hardening effect,
The probability that cracks occur in the nitride compound semiconductor film increases. The generation of the cracks causes deterioration of the surface state of the film, and also impairs the continuity of the film. Factors affecting the emission intensity also include the continuity of the nitride compound semiconductor film,
In a light-emitting element, a film lacking continuity causes an increase in interelectrode resistance in addition to a decrease in a light-emitting area, which is inconvenient for obtaining a compound semiconductor light-emitting element having excellent emission intensity. Therefore, in the present invention, the upper limit of the atomic concentration of indium in the bonding layer bonded to the active layer is set to 4 × 10 20 cm −3 .

【0030】ドーピングされたインジウム原子の濃度分
布については特に制限はない。何故ならば活性層と接合
するインジウムドープ窒化物半導体層は発光層として利
用するのではないからである。従って、上記の様な発光
強度の増大をもたらすためのインジウム原子濃度の分布
を付与する必要はない。インジウムは一様にドーピング
されていても構わない。また、接合層の層厚方向に濃度
勾配を付してドーピングされていても差し支えはない。
しかし、接合層と活性層との界面における原子濃度は、
上記の如く活性層内のインジウム原子の初期濃度(N
0 )に略同等となる様にドーピングされているのが好ま
しい。活性層と接合層との接合界面近傍で、インジウム
の原子濃度差に起因する歪や結晶欠陥等の発生を抑制す
るためである。
The concentration distribution of the doped indium atoms is not particularly limited. This is because the indium-doped nitride semiconductor layer bonded to the active layer is not used as a light emitting layer. Therefore, it is not necessary to provide the distribution of the indium atom concentration for increasing the emission intensity as described above. Indium may be uniformly doped. Further, the doping may be performed with a concentration gradient in the thickness direction of the bonding layer.
However, the atomic concentration at the interface between the bonding layer and the active layer is
As described above, the initial concentration of indium atoms in the active layer (N
Preferably, it is doped so as to be substantially equivalent to 0 ). This is in order to suppress the occurrence of distortion, crystal defects, and the like due to the difference in atomic concentration of indium near the bonding interface between the active layer and the bonding layer.

【0031】ダブルヘテロ接合型の窒化ガリウム系青色
LEDにあっては、活性層と接合するサファイア基板側
の接合層をn形とし、活性層の上部にp形層を配置する
構成が採られている。単一量子井戸構造型とされる緑色
LEDにあっても、伝導形から観た接合構成は同一であ
る。一方、サファイア等の絶縁性結晶を基板とするので
はなく、p形の導電性を呈する材料を基板として利用す
る際には、活性層と接合する基板側に配置される半導体
層はp形層とするのが妥当な構成となる。従って、活性
層と接合させるところのインジウムドープ窒化物半導体
層の伝導形はn形或いはp形の何れでも構わない。本発
明に規定される原子濃度範囲でインジウムがドーピング
され、結晶性の向上した窒化物化合物半導体層であるこ
とが本質的に重要である。但し、インジウムドープn形
ガリウム系窒化物半導体層上に、インジウムが原子濃度
に勾配をもってドーピングされたガリウム系窒化物半導
体活性層を配置する場合は、活性層とn形接合層との界
面近傍に蓄積するキャリアの密度を、対向する活性層と
p形接合層との接合界面に於けるそれよりも小とするた
めに、活性層とn形接合層との界面に於けるインジウム
原子濃度を略同等とすることが重要となる。
In a double hetero junction type gallium nitride blue LED, a configuration is adopted in which the bonding layer on the sapphire substrate side to be bonded to the active layer is n-type, and a p-type layer is disposed above the active layer. I have. Even in a green LED having a single quantum well structure, the junction configuration is the same as viewed from the conduction type. On the other hand, when a material exhibiting p-type conductivity is used as the substrate instead of using an insulating crystal such as sapphire as the substrate, the semiconductor layer disposed on the substrate side to be bonded to the active layer is a p-type layer. Is a reasonable configuration. Therefore, the conduction type of the indium-doped nitride semiconductor layer to be joined to the active layer may be either n-type or p-type. It is essentially important that the nitride compound semiconductor layer is doped with indium in the atomic concentration range defined in the present invention and has improved crystallinity. However, when a gallium-based nitride semiconductor active layer in which indium is doped with a gradient in atomic concentration is arranged on the indium-doped n-type gallium-based nitride semiconductor layer, in the vicinity of the interface between the active layer and the n-type junction layer, In order to make the density of accumulated carriers smaller than that at the junction interface between the opposing active layer and the p-type junction layer, the concentration of indium atoms at the interface between the active layer and the n-type junction layer is substantially reduced. It is important to make them equal.

【0032】これらのインジウムドープ窒化物化合物半
導体接合層と活性層との接合面数は単面(1面)若しく
は2面の何れでも構わない。換言すれば、本発明の云う
接合層は活性層の直下側、直上側或いは活性層の直上及
び直下側の双方に配置するのを許容するものであるが、
活性層の直下の格子不整合系基板側にインジウムのドー
ピングによって結晶性が改善された窒化物化合物半導体
接合層を配置すれば、基板との格子不整合性に基づき、
接合層側に伝搬してくる転位等の結晶欠陥の活性層への
浸透が抑制できる効果が挙げられる。この様な接合構造
を備えた積層体から構成される窒化物化合物半導体発光
素子は、格子不整合性に基づく結晶欠陥の導入を低減す
る措置がなされていない構成層からなる積層体より構成
される従来のLEDに比べれば格段の発光特性の向上が
果たされる。後述の実施例に関する記述に於いて、比較
例をもって具体的に特性を比較する。
The number of bonding surfaces between the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer and the active layer may be either a single surface (one surface) or two surfaces. In other words, the bonding layer according to the present invention allows to be disposed immediately below, immediately above, or both directly above and immediately below the active layer.
If a nitride compound semiconductor bonding layer whose crystallinity has been improved by indium doping is arranged on the lattice mismatching substrate side immediately below the active layer, based on the lattice mismatch with the substrate,
The effect of suppressing permeation of crystal defects such as dislocations propagating to the bonding layer side into the active layer can be obtained. A nitride compound semiconductor light emitting device composed of a laminate having such a junction structure is composed of a laminate composed of constituent layers in which no measures are taken to reduce the introduction of crystal defects based on lattice mismatch. The light emission characteristics are remarkably improved as compared with the conventional LED. In the description of the embodiments described below, the characteristics will be specifically compared with a comparative example.

【0033】接合面数が2である場合は活性層の両側に
インジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体層が
接合していることとなる。本発明に係わるインジウムが
ドーピングされた窒化物化合物半導体層と活性層とのダ
ブルヘテロ接合の構成例には、n形若しくはp形インジ
ウムドープ窒化ガリウム層/n形、p形若しくは絶縁形
(高抵抗)窒化ガリウム・インジウム(Gaz In
1-z ;0≦z≦1)活性層/p形若しくはn形インジウ
ムドープ窒化アルミニウム・ガリウム層接合構造が挙げ
られる。活性層の直上にもインジウムがドーピングされ
た窒化物化合物半導体接合層を配置させる主たる理由
は、活性層とその直上に配置した接合層との格子不整合
に起因して発生し、活性層の直上の接合層に伝搬してく
る結晶欠陥の多くを同接合層の内部に包含するためであ
る。これにより、活性層上部の接合層上に配置される電
流拡散層やコンタクト層への結晶欠陥の伝搬を抑制する
に効果が得られる。しいては、結晶欠陥の少ない結晶層
は結晶欠陥の周辺への電流集中や局所的な漏洩電流の発
生を希有となすなどの素子の安定動作を可能とする利点
をもたらすからである。
When the number of bonding surfaces is 2, it means that indium-doped nitride compound semiconductor layers are bonded on both sides of the active layer. Examples of the configuration of the double heterojunction between the indium-doped nitride compound semiconductor layer and the active layer according to the present invention include an n-type or p-type indium-doped gallium nitride layer / n-type, p-type or insulating (high resistance). ) gallium indium nitride (Ga z an In
1-z ; 0 ≦ z ≦ 1) Active layer / p-type or n-type indium-doped aluminum-gallium nitride layer junction structure. The main reason for disposing the indium-doped nitride compound semiconductor bonding layer also directly above the active layer is that it occurs due to lattice mismatch between the active layer and the bonding layer disposed directly above the active layer, Most of the crystal defects that propagate to the bonding layer are included in the bonding layer. Thus, the effect of suppressing propagation of crystal defects to the current diffusion layer and the contact layer disposed on the bonding layer above the active layer can be obtained. This is because a crystal layer having a small number of crystal defects has an advantage of enabling stable operation of the element, such as rarely causing current concentration around the crystal defect and occurrence of local leakage current.

【0034】活性層と同一の物質から構成される、イン
ジウムドープ窒化物化合物半導体接合層上にインジウム
ドープ活性層を接合させる構成とすると、更に活性層の
結晶性は向上する。接合層と活性層とを同一の物質(マ
トリックス)から構成すれば、接合層と活性層との格子
整合性に依って接合層上の活性層の結晶性は一段と向上
する。この様な構成からなる例には、本発明に規定され
る濃度範囲にインジウムがドーピングされたn形、p形
或いは絶縁形の窒化ガリウム接合層上に、同じくインジ
ウムがドーピングされたn形、p形或いは絶縁形の窒化
ガリウムから成る活性層を形成する構成がある。前述し
た如く本発明のインジウムのドーピングは窒化ガリウム
本来の禁止帯幅の変化を来たすに至らない。従って、上
記の構成例に於ける窒化ガリウム接合層なり活性層は、
窒化ガリウム・インジウム(Ga 1-x Inx N;x≠
0、0<x≦1)混晶となるには至らない。このため、
接合層と活性層とは同一の物質、即ち、窒化ガリウムか
ら構成されていることとなる。従って、例えば、サファ
イア基板上に上記の構成の接合系を設けた場合、基板と
活性層とは格子不整合の関係にあるが、活性層と接合層
とは格子整合関係にある。他には、インジウムがドーピ
ングされたn形、p形或いは絶縁形窒化アルミニウム・
ガリウム(AlGaN)混晶層/インジウムドープのn
形、p形或いは絶縁形窒化アルミニウム・ガリウム混晶
活性層から成る接合構成や、インジウムドープ砒化窒化
ガリウム(GaNAs)層/インジウムドーププ砒化窒
化ガリウム活性層からなる接合構成が例示できる。
The active layer is made of the same material as the active layer.
Indium on the indium-doped nitride compound semiconductor junction layer
If the doped active layer is configured to be joined,
Crystallinity is improved. The bonding layer and the active layer are made of the same
Tricks), the lattice of the bonding layer and the active layer
Crystallinity of active layer on bonding layer is further improved by matching
I do. Examples of such a configuration include those defined in the present invention.
N-type and p-type doped with indium in a certain concentration range
Alternatively, an insulated gallium nitride bonding layer
N-type, p-type or insulated nitride doped with uranium
There is a configuration in which an active layer made of gallium is formed. Mentioned earlier
As described above, the indium doping of the present invention is gallium nitride.
The change in the original bandgap does not come. Therefore, on
In the configuration example described above, the gallium nitride bonding layer and the active layer are:
Gallium indium nitride (Ga 1-x Inx N; x ≠
0, 0 <x ≦ 1) It does not lead to a mixed crystal. For this reason,
The bonding layer and the active layer are made of the same material, that is, gallium nitride.
It is composed of So, for example, safa
When the bonding system having the above configuration is provided on the ear substrate,
Although the active layer has a lattice mismatch, the active layer and the bonding layer
Are in a lattice matching relationship. Another example is indium
N-type, p-type or insulated aluminum nitride
Gallium (AlGaN) mixed crystal layer / Indium doped n
, P-type or insulated aluminum nitride-gallium mixed crystal
Junction structure consisting of active layer, indium-doped arsenide
Gallium (GaNAs) layer / Indium-doped arsenic nitride
An example is a junction configuration including a gallium arsenide active layer.

【0035】活性層の結晶性の改善をもたらす接合層と
結晶性が改善された活性層との接合系に、発光素子にあ
っては更に発光強度の向上をもたらすバンド構造が備え
られた積層構成も提供できる。例えば、活性層の一方に
インジウムがドーピングされたアルミニウム(Al)を
含む窒化物化合物半導体混晶層を接合させる。他方に
は、インジウムがドーピングされた活性層と同一の材料
からなるインジウムドープ窒化物化合物半導体層を接合
させて、非対称型のヘテロ接合構造を得る。活性層によ
り禁止帯幅が大きいアルミニウムを含む窒化物化合物半
導体層を接合させれば、発光強度の増大に寄与する「発
光の閉じ込め効果」が得られる。従って、この様な接合
構造を備えた積層体からは、発光強度に優れる化合物半
導体発光素子がもたらされることとなる。
In a light-emitting element, a laminated structure having a band structure for further improving the emission intensity is provided in a bonding system between the bonding layer for improving the crystallinity of the active layer and the active layer for which the crystallinity is improved. Can also be provided. For example, a nitride compound semiconductor mixed crystal layer containing aluminum (Al) doped with indium is joined to one of the active layers. On the other hand, an indium-doped nitride compound semiconductor layer made of the same material as the active layer doped with indium is joined to obtain an asymmetric heterojunction structure. When a nitride compound semiconductor layer containing aluminum having a large band gap is bonded to the active layer, a "light emission confinement effect" that contributes to an increase in light emission intensity can be obtained. Therefore, a compound semiconductor light emitting device having excellent emission intensity is provided from the laminate having such a bonding structure.

【0036】また本発明では、活性層との接合を成すイ
ンジウム添加窒化物化合物半導体層とインジウム添加窒
化物化合物半導体層との接合構造を含む積層体からなる
窒化物化合物半導体素子を提供する。積層体を構成する
層には、窒化物化合物半導体発光素子にあっては、低温
緩衝層、緩衝層、下部クラッド層、活性層、上部クラッ
ド層、電流拡散層及びコンタクト層等がある。本発明で
は、活性層との接合を成すインジウム添加窒化物化合物
半導体が、下部クラッド層である場合、この下部クラッ
ド層をインジウムがドーピングされた緩衝層と成す窒化
物化合物半導体層に接合させるものである。何故なら
ば、この接合方式により基板と積層体構成層との格子不
整合系に起因する結晶欠陥の活性層と接合をなす窒化物
化合物半導体層への伝搬をより尚一層確実に防止でき
る。これにより、しいてはこの接合層に接合する窒化物
化合物半導体活性層の結晶性をより向上させる波及効果
がもたらされるからである。
Further, the present invention provides a nitride compound semiconductor device comprising a laminate including a junction structure between an indium-doped nitride compound semiconductor layer and a junction with an active layer. The layers constituting the laminate include a low-temperature buffer layer, a buffer layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, a current diffusion layer, a contact layer, and the like in the case of a nitride compound semiconductor light emitting device. In the present invention, when the indium-doped nitride compound semiconductor forming a junction with the active layer is a lower cladding layer, the lower cladding layer is bonded to a nitride compound semiconductor layer forming a buffer layer doped with indium. is there. This is because this bonding method can more reliably prevent the propagation of crystal defects caused by the lattice mismatch between the substrate and the layer constituting the laminate to the nitride compound semiconductor layer that forms a bond with the active layer. Thereby, a ripple effect of further improving the crystallinity of the nitride compound semiconductor active layer bonded to the bonding layer is brought about.

【0037】基板結晶直上の低温緩衝層をインジウムを
ドーピングした層とする必要性は必ずしもないが、イン
ジウムをドーピングした低温緩衝層上により高温で順
次、成膜される緩衝層、下部クラッド層、活性層、上部
クラッド層やコンタクト層をインジウムがドーピングさ
れた層とした積層体構成も考えられる。この構成に依れ
ばインジウムのドーピングによってもたらされる結晶性
の向上の効果を積層構成層全般に亘り波及させることが
できる。具体的には、サファイア基板上に次の窒化物化
合物半導体層を順次堆積してなる発光素子用途の積層体
を挙げることができる。 (1)Alx Ga1-x N(0≦x≦1)低温緩衝層。 (2)インジウムがドーピングされたn形窒化ガリウム
層からなる緩衝層あるいは下部クラッド層。 (3)インジウムに加え第II族元素と第IV族元素、或い
はインジウムと第II族元素と第VI族元素とが共に添加さ
れたn形窒化ガリウム活性層。例えば、インジウム、亜
鉛及びゲルマニウムが添加されたn形窒化ガリウム活性
層。 (4)インジウムが添加されたp形窒化アルミニウム・
ガリウム混晶層からなる上部クラッド層。 (5)インジウムがドーピングされたp形窒化ガリウム
コンタクト層。 発光素子は、(2)の層へn形電極(負極)と(5)へ
p形電極(正極)の形成する工程等を経て形成される。
この積層構造は、活性層とインジウムがドーピングされ
た窒化物化合物半導体層との接合と、接合層と同一の材
料(マトリックス)から構成されたインジウムドープ窒
化物化合物半導体活性層と、加えて低温緩衝層上の積層
体構成層を全てインジウムがドーピングされた窒化物化
合物半導体層とした積層構造例である。
The low-temperature buffer layer immediately above the substrate crystal is not necessarily required to be an indium-doped layer. However, a buffer layer, a lower cladding layer, an active A stacked structure in which the layers, the upper cladding layer, and the contact layer are layers doped with indium is also conceivable. According to this configuration, the effect of improving the crystallinity brought about by the doping of indium can be spread over the whole of the stacked constituent layers. Specifically, there can be mentioned a laminate for a light emitting element in which the following nitride compound semiconductor layers are sequentially deposited on a sapphire substrate. (1) Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) low temperature buffer layer. (2) A buffer layer or lower cladding layer made of an n-type gallium nitride layer doped with indium. (3) An n-type gallium nitride active layer to which a group II element and a group IV element, or an indium, a group II element, and a group VI element are added in addition to indium. For example, an n-type gallium nitride active layer to which indium, zinc and germanium are added. (4) p-type aluminum nitride doped with indium
Upper cladding layer made of gallium mixed crystal layer. (5) A p-type gallium nitride contact layer doped with indium. The light emitting element is formed through a process of forming an n-type electrode (negative electrode) on the layer (2) and a p-type electrode (positive electrode) on the layer (5).
This laminated structure has a junction between the active layer and the nitride compound semiconductor layer doped with indium, an indium-doped nitride compound semiconductor active layer composed of the same material (matrix) as the junction layer, and a low-temperature buffer. This is an example of a stacked structure in which all of the stacked constituent layers on the layers are nitride compound semiconductor layers doped with indium.

【0038】本発明に係わる他の窒化物化合物半導体素
子の例には、導電性或いは絶縁性炭化珪素(SiC)或
いは酸化亜鉛(ZnO)等の六方晶系或いは立方晶系等
の結晶構造を有する結晶基板上に、次の各層が順次積層
された構造を備えた積層体からなる発光素子が挙げられ
る。 (1)膜厚を2〜50nmとする窒化アルミニウム・ガ
リウム(Alx Ga1-xN;0≦x≦1)低温緩衝層。 (2)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を1
16cm-3以上1019cm-3以下とし層厚を約0.01
〜5μmとするn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶(Alx Ga1-x N;0<x≦1)からなる
下部クラッド層。 (3)膜厚を2〜10nmとする、インジウムと、カド
ミウム(Cd)と珪素(Si)とが共にドーピングされ
た、キャリア濃度を概ね1015cm-3以上5×18cm-3
以下とするn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウ
ム(Alx Ga1-x N;0≦x≦1)活性層。 (4)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を1
16cm-3以上1019cm-3以下とし、層厚を約0.0
1〜5μmとするn形若しくはn形若しくはp形窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶(Alx Ga1-x N;0<x
≦1)からなる上部クラッド層。 (5)インジウムがドーピングされたキャリア濃度を概
ね1016cm-3以上とし、層厚を約0.01μm以上と
するn形若しくはp形窒化アルミニウム・ガリウム(A
x Ga1-x N;0≦x≦1)コンタクト層。 (6)透明導電膜或いは透光性薄膜電極。 例記される本発明に係わる発光素子用途の積層構造の一
構成層である低温緩衝層には、インジウムをドーピング
しても構わない。インジウムがドーピングされた低温緩
衝層を採用すれば、基板上に全てインジウムがドーピン
グされた窒化物化合物半導体からなる積層体となる。
Another example of the nitride compound semiconductor device according to the present invention has a hexagonal or cubic crystal structure such as conductive or insulating silicon carbide (SiC) or zinc oxide (ZnO). A light-emitting element including a stacked body having a structure in which the following layers are sequentially stacked on a crystal substrate is given. (1) Aluminum-gallium nitride (Al x Ga 1-x N; 0 ≦ x ≦ 1) low-temperature buffer layer having a thickness of 2 to 50 nm. (2) Indium doped carrier concentration is 1
0 16 cm -3 or more and 10 19 cm -3 or less and a layer thickness of about 0.01
A lower cladding layer made of an n-type or p-type aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al x Ga 1 -xN; 0 <x ≦ 1) having a thickness of 55 μm; (3) Indium, cadmium (Cd), and silicon (Si) are co-doped with a film thickness of 2 to 10 nm, and the carrier concentration is approximately 10 15 cm −3 or more and 5 × 18 cm −3.
An n-type or p-type aluminum gallium nitride (Al x Ga 1 -xN; 0 ≦ x ≦ 1) active layer to be described below. (4) Indium doped carrier concentration is 1
0 16 cm -3 or more and 10 19 cm -3 or less, and a layer thickness of about 0.0
N-type or n-type or p-type aluminum nitride-gallium mixed crystal (Al x Ga 1-x N; 0 <x
≦ 1) an upper cladding layer. (5) An n-type or p-type aluminum gallium nitride (A) having a carrier concentration doped with indium of about 10 16 cm -3 or more and a layer thickness of about 0.01 μm or more.
1 x Ga 1-x N; 0 ≦ x ≦ 1) Contact layer. (6) Transparent conductive film or translucent thin film electrode. The low-temperature buffer layer, which is a constituent layer of the laminated structure for use in the light-emitting device according to the present invention as exemplified, may be doped with indium. If a low-temperature buffer layer doped with indium is adopted, a laminated body composed entirely of a nitride compound semiconductor doped with indium is formed on a substrate.

【0039】本発明に係わる他の窒化物化合物半導体素
子の例には、リン化ガリウム(GaP)、砒化ガリウム
(GaAs)、窒化ホウ素(BN)、砒化ホウ素(BA
s)、リン化ホウ素(BP)等のIII −V族化合物半導
体、またはシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等
のIV族元素半導体からなる基板上に、順次次の各層を積
層させた構造からなる発光素子がある。 (1)窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(Al
x Gay In1-x-y N;x+y=1、0≦x≦1、0≦
y≦1)単層若しくはそれらの重層からなる低温緩衝
層。 (2)第IV族元素或いは第VI族元素またはその双方が添
加されたn形Alx Gay In1-x-y N(x+y=1、
0≦x≦1、0≦y≦1)単層若しくはそれらの重層か
らなる緩衝層。 (3)Inが添加されたn形若しくはp形Alx Ga
1-xy1-y (0≦x≦1、0≦y<1)或いはn形
若しくはp形 Alx Ga1-xy As1-y (0≦x≦
1、0≦y<1)等の窒素以外の第V族元素を含む、キ
ャリア濃度を約1016cm-3以上約1019cm-3以下と
し、層厚が0.01〜5μm程度の窒化物化合物半導体
からなる下部クラッド層 (4)インジウムと亜鉛とゲルマニウムとが同時にドー
ピングされたAlx Ga1 -xy1-y (0≦x≦1、
0≦y≦1)或いはAlx Ga1-xy As1-y(0≦
x≦1、0≦y<1)等の窒素以外の第V族元素からな
り、キャリア濃度を約1015cm-3以上1018cm-3
下とし、層厚を0.01〜2μm程度とする発光層。 (5)下部クラッド層とは伝導形を異にする、Alx
y In1-x-y N (x+y=1、0≦x≦1、0≦y
≦1)若しくはInが添加されたAlx Ga1-xN(0
≦x≦1)或いは窒素以外の第V族元素を含みキャリア
濃度を約1016cm-3以上約1019cm-3以下とする、
層厚が0.01〜5μm程度の窒化物化合物半導体から
なる上部クラッド層。 (6)上部クラッド層と伝導形を同じくする、Alx
y In1-x-y N(x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦
1)若しくはInが添加されたAlx Ga1-x N(0≦
x≦1)或いは窒素以外の第V族元素を含む窒化物化合
物半導体であって、キャリア濃度を約1016cm-3以上
とし、層厚を約0.05μm以上約3μm以下とするコ
ンタクト層。 (7)金属窒化物、金属材料からなる透光性薄膜電極層
若しくは透明導電膜層。
Examples of other nitride compound semiconductor devices according to the present invention include gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), boron nitride (BN), and boron arsenide (BA).
s), III-V group compound semiconductors such as boron phosphide (BP), or group IV element semiconductors such as silicon (Si) and germanium (Ge). There are light emitting elements. (1) Aluminum nitride, gallium, indium (Al
x Ga y In 1-xy N ; x + y = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦
y ≦ 1) A low-temperature buffer layer composed of a single layer or a multilayer thereof. (2) Group IV elements or the group VI element or n-type both of which were added Al x Ga y In 1-xy N (x + y = 1,
0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) A buffer layer composed of a single layer or a multilayer thereof. (3) n-type or p-type Al x Ga doped with In
1-x N y P 1-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1) or n-type or p-type Al x Ga 1-x N y As 1-y (0 ≦ x ≦
A nitride containing a Group V element other than nitrogen, such as 1, 0 ≦ y <1), having a carrier concentration of about 10 16 cm −3 to about 10 19 cm −3 and a layer thickness of about 0.01 to 5 μm. object compound lower cladding layer made of a semiconductor (4) Al indium and zinc and the germanium is doped simultaneously x Ga 1 -x N y P 1 -y (0 ≦ x ≦ 1,
0 ≦ y ≦ 1) or Al x Ga 1−x N y As 1−y (0 ≦ y
x ≦ 1, 0 ≦ y <1) or other group V element other than nitrogen, having a carrier concentration of about 10 15 cm −3 to 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.01 to 2 μm. Light emitting layer. (5) Al x G having a different conductivity type from the lower cladding layer
a y In 1-xy N (x + y = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y
≦ 1) or Al x Ga 1 -xN (0
≦ x ≦ 1) or containing a group V element other than nitrogen and having a carrier concentration of about 10 16 cm −3 to about 10 19 cm −3 ,
An upper cladding layer made of a nitride compound semiconductor having a layer thickness of about 0.01 to 5 μm. (6) Al x G having the same conductivity type as the upper cladding layer
a y In 1-xy N (x + y = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦
1) Al x Ga 1 -x N to which In is added (0 ≦
x ≦ 1) or a nitride compound semiconductor containing a Group V element other than nitrogen, having a carrier concentration of about 10 16 cm −3 or more and a layer thickness of about 0.05 μm to about 3 μm. (7) A light-transmitting thin-film electrode layer or a transparent conductive film layer made of a metal nitride or a metal material.

【0040】上記積層体はいずれも活性層(発光層)と
してインジウムがドーピングされた窒化物化合物半導体
層を備えた例であって、従来の如く高いインジウム組成
比の窒化ガリウム・インジウム(GaInN)混晶を活
性層としているのではない。即ち、本発明に係わるイン
ジウムをドーピングした窒化物化合物半導体層を活性層
とするにあっては、活性層の成長のために敢えて成長温
度の変更は要しない。例えば、上記の構造の積層体を得
るに際し、下部クラッド層と同一の成長温度を維持しな
がら、インジウム添加窒化物化合物半導体層からなる発
光層を成長させ、引き続き同一の成長温度で更に、その
上部の窒化物化合物半導体層を成長させることができ
る。何故ならば、本発明ではインジウム系混晶が創生さ
れる程、インジウムを高濃度に添加しているのではない
からである。
Each of the above laminates is an example in which a nitride compound semiconductor layer doped with indium is provided as an active layer (light emitting layer), and a gallium indium nitride (GaInN) mixture having a high indium composition ratio as in the prior art. The crystal is not used as the active layer. That is, when the indium-doped nitride compound semiconductor layer according to the present invention is used as the active layer, it is not necessary to change the growth temperature for the purpose of growing the active layer. For example, in obtaining a laminate having the above structure, a light-emitting layer made of an indium-doped nitride compound semiconductor layer is grown while maintaining the same growth temperature as the lower clad layer, and then the upper layer is further grown at the same growth temperature. Can be grown. This is because in the present invention, indium is not added at a high concentration so that an indium-based mixed crystal is created.

【0041】上述の積層構造の構成層は、有機金属熱分
解気相成長方法(MOCVD法、MOVPE法などと呼
称される。)、分子線エピタキシャル成長法(MB
E)、化学ビーム蒸着法(CBE法)などの気相成長法
で成長できる。MOCVD法にあっては、常圧でも減圧
方式でも構わない。即ち、成膜時の圧力は問わない。ア
ルミニウムを含まない窒化物化合物半導体層を、ハロゲ
ン或いはハイドライド気相成長法で成長させ、アルミニ
ウムを含む窒化物半導体層は他の成長方法を利用して積
層構造を得ることもできる。高周波スパッタリング法等
の物理的堆積法も一つの成膜法として利用できる。成長
原料には特に制限は加わらず、例えば、ガリウム源には
従来からの金属ガリウム、トリメチルガリウム((CH
33 Ga)、トリエチルガリウム((C253
a)等の有機ガリウム化合物やこれらのハロゲン付加物
が利用できる。アルミニウム源には金属アルミニウム、
トリメチルアルミニウム((CH33 Al)、トリエ
チルアルミニウム((C253 Al)やトリイソブ
チルアルミニウム((i−C493 Al)等のトリ
アルキルアルミニウム化合物やアルミニウムと窒素原子
を含む付加物なども利用できる。インジウムドープ窒化
物化合物半導体は金属インジウム、トリアルキルIn化
合物等の脂肪族炭化水素基を有する有機インジウム化合
物やシクロペンタジエニルI合n(C55 In)等の
脂環式インジウム化合物などを添加源として、窒化物化
物半導体層にインジウムを添加すれば得られる。本発明
に係わる積層構成層を得るために特殊な原材料は要しな
い。インジウムの添加方法には、窒化物化合物半導体層
にインジウムイオンを注入する方法もある。
The constituent layers of the above-mentioned laminated structure are formed by a metalorganic pyrolysis vapor deposition method (referred to as MOCVD method or MOVPE method), a molecular beam epitaxial growth method (MB).
E), and can be grown by a vapor phase growth method such as a chemical beam evaporation method (CBE method). In the MOCVD method, a normal pressure or a reduced pressure method may be used. That is, the pressure at the time of film formation does not matter. A nitride compound semiconductor layer containing no aluminum may be grown by a halogen or hydride vapor phase epitaxy method, and a nitride semiconductor layer containing aluminum may be obtained by using another growth method. A physical deposition method such as a high frequency sputtering method can also be used as one film forming method. The growth raw material is not particularly limited. For example, the gallium source may be a conventional metal gallium or trimethylgallium ((CH
3 ) 3 Ga), triethylgallium ((C 2 H 5 ) 3 G
Organic gallium compounds such as a) and their halogen adducts can be used. Aluminum source is aluminum metal,
Trimethylaluminum ((CH 3) 3 Al) , triethylaluminum ((C 2 H 5) 3 Al) and tri-isobutyl aluminum ((i-C 4 H 9 ) 3 Al) the trialkyl aluminum compounds or aluminum and nitrogen atoms, such as And the like can be used. The indium-doped nitride compound semiconductor includes an organic indium compound having an aliphatic hydrocarbon group such as metal indium and a trialkyl In compound, and an alicyclic indium compound such as cyclopentadienyl I n (C 5 H 5 In). It can be obtained by adding indium to the nitride semiconductor layer as an addition source. No special raw materials are required to obtain the laminated constituent layers according to the present invention. As a method of adding indium, there is a method of injecting indium ions into the nitride compound semiconductor layer.

【0042】[0042]

【作用】本発明にかかわるガリウム系III 族窒化物化合
物半導体活性層にインジウムをドーピングする様式及び
同活性層とインジウムドープガリウム系III 族窒化物化
合物半導体接合層との接合方式は、発光素子にあって発
光強度の増大をもたらす。
The gallium-based group III nitride compound semiconductor active layer according to the present invention is doped with indium, and the indium-doped gallium-based group III nitride compound semiconductor bonding layer is bonded to a light emitting device. To increase the emission intensity.

【0043】[0043]

【実施例】【Example】

(実施例1)本発明に係わる窒化物化合物半導体素子を
青色LEDを例にして図を基に詳細に説明する。図7は
本実施例に係わるLEDの平面模式図である。図8は図
7の破線A−A’に沿った断面模式図である。本実施例
では、CZ(チョクラルスキー)法で育成されたインゴ
ットから切断(スライス)され、ケミカルメカニカル研
磨法により表裏両面を鏡面研磨されたサファイアを基板
とした。サファイア基板は直径を50mmとする円形
で、基板の周囲は面取り加工が施され、仕上がり厚さは
約100μmであった。面方位は(0001)であっ
て、基板表面は所謂C面であった。この基板を図8に掲
示する積層体の構成層を形成するための常圧の有機金属
熱分解気相成長反応炉(MOCVD反応炉)内に搬入す
る直前に、市販の半導体工業用のイソプロピルアルコー
ルで脱脂処理し、比抵抗を約18メガオーム(MΩ)と
する超純水で洗浄した。然る後、市販のフッ化アンモニ
ウム水溶液で基板の表面を処理し、再度超純水で表面を
洗浄を施した後、赤外線ランプを利用して水分を蒸発さ
せ乾燥させた。
(Embodiment 1) A nitride compound semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings using a blue LED as an example. FIG. 7 is a schematic plan view of an LED according to this embodiment. FIG. 8 is a schematic sectional view taken along a broken line AA ′ in FIG. In this embodiment, a sapphire substrate was cut (sliced) from an ingot grown by the CZ (Czochralski) method, and the front and rear surfaces of the ingot were mirror-polished by a chemical mechanical polishing method. The sapphire substrate was circular with a diameter of 50 mm, the periphery of the substrate was chamfered, and the finished thickness was about 100 μm. The plane orientation was (0001), and the substrate surface was a so-called C plane. Immediately before loading this substrate into an atmospheric pressure metal-organic pyrolysis vapor deposition reactor (MOCVD reactor) for forming the constituent layers of the laminate shown in FIG. , And washed with ultrapure water having a specific resistance of about 18 megaohms (MΩ). Thereafter, the surface of the substrate was treated with a commercially available aqueous solution of ammonium fluoride, and the surface was again washed with ultrapure water. Then, the water was evaporated using an infrared lamp and dried.

【0044】充分に乾燥させた基板(101)を極く一
般的な真空排気機構を備えたインターロック方式の基板
搬送系を利用してMOCVD反応炉内に外気を侵入させ
ることなく、反応炉及び基板搬送系内部を10-3トール
(Torr)程度の真空度を維持した状態で、高純度グ
ラファイトからなる円筒形の支持台(サセプター)の表
面上に搬送した。次に、内面の粗度をRmax.にして0.
5μm未満となる様に精密に複合電解研磨が施された、
外形1/4インチのJIS:316Lのステンレス鋼製
パイプを介して反応炉内に高純度アルゴン(Ar)ガス
をパージ(purge)ガスとして流入させた。アルゴ
ンガスは分子篩(モレキュラーシーブ)吸着方式により
露点をマイナス90℃程度に精製したものであって、パ
ージガスとしての流量は電子式質量流量計(英略称MF
C)で毎分5リットルに調節、制御した。反応炉内への
アルゴンパージガスの流通を20分間継続した後、反応
炉内に流通するガスをアルゴンガスから流量を毎分8リ
ットルとする高純度水素(H2 )ガスに変換した。
A sufficiently dried substrate (101) is taken into the MOCVD reactor using an interlock-type substrate transfer system equipped with an extremely general vacuum exhaust mechanism without allowing outside air to enter the MOCVD reactor. The substrate was transported onto the surface of a cylindrical support (susceptor) made of high-purity graphite while maintaining the inside of the substrate transport system at a degree of vacuum of about 10 −3 Torr (Torr). Next, the roughness of the inner surface is set to Rmax.
Compound electrolytic polishing was performed precisely so as to be less than 5 μm,
High-purity argon (Ar) gas was introduced as a purge gas into the reactor via a JIS 316L stainless steel pipe having an outer diameter of 1/4 inch. Argon gas is purified by a molecular sieve (molecular sieve) adsorption method with a dew point of about −90 ° C. The flow rate of the purge gas is an electronic mass flowmeter (abbreviated as MF).
In C), the volume was adjusted to 5 liters per minute and controlled. After continuing the flow of the argon purge gas into the reaction furnace for 20 minutes, the gas flowing through the reaction furnace was converted from argon gas to high-purity hydrogen (H 2 ) gas having a flow rate of 8 liters per minute.

【0045】次に、上記の流量の水素をキャリア(原料
搬送)ガスとして反応炉へ流通しながら、上記の高純度
グラファイト製サセプターの載置台としての作用兼ねる
外周をモリブデン(Mo)材から構成した円筒形の準密
閉型の抵抗加熱型ヒーターに電源を投じ、サファイア基
板の温度を室温より15分間を掛けて低温緩衝層を成長
するための450℃に加熱した。サファイア基板の温度
は抵抗加熱ヒーターの中心、即ち、円形の窒化ボロン
(BN)基体上に化学的堆積(英略称CVD)法で被着
した、炭素素材を加熱素(エレメント)とする通称セラ
ミックヒーターエレメントの中心を貫通し、ヒーターの
上面を構成するモリブデン製円板のくり貫き部に到達さ
せた熱電対を利用して測温した。熱電対は白金/白金・
ロジウム合金系熱電対(JIS:R熱電対)を使用した
が、この熱電対の溶接された先端とヒーター上面表面と
の間隔は鉛直方向に1mmであった。サファイア基板は
厚さを2mmとし、直径を120mmとするグラファイ
ト製円形サセプターの中心部に載置されている。更に同
サセプターはヒーターの上面を構成するモリブデン製円
板上に配置されている。従って、サファイア基板と熱電
対の間隔は略3mmとなり、この間隔の存在により当然
ながら熱電対による測温値とサファイア基板の、特に同
基板の表面の実際の温度は相違する。例えば、600℃
〜700℃の温度範囲内では熱電対の熱起電力が686
℃の温度指示値を与えた際の、サファイア基板の表面に
接触したJIS−R熱電対から基板の表面温度として測
温されたのは660℃であり、大凡、26℃の差異が認
められた。この様に実際には上記のヒーター内に配置さ
れた熱電対による温度指示値と、サセプターを介して主
に伝熱により加熱されるサファイア基板の表面温度とに
は差異があるが、本実施例では便宜上、ヒーター内に配
置された熱電対で測温される温度を成長温度と称した。
Next, while flowing hydrogen at the above-mentioned flow rate as a carrier (material feed) gas into the reaction furnace, the outer periphery serving also as a mounting table for the susceptor made of high-purity graphite was made of a molybdenum (Mo) material. Power was supplied to the cylindrical semi-closed resistance heating type heater, and the temperature of the sapphire substrate was raised to 450 ° C. for growing a low-temperature buffer layer over 15 minutes from room temperature. The temperature of the sapphire substrate is the center of the resistance heater, that is, a so-called ceramic heater using a carbon material as a heating element (element) deposited on a circular boron nitride (BN) substrate by chemical deposition (abbreviated CVD). The temperature was measured using a thermocouple that penetrated through the center of the element and reached a cut-out portion of a molybdenum disk constituting the upper surface of the heater. Thermocouple is platinum / platinum
A rhodium alloy-based thermocouple (JIS: R thermocouple) was used, and the distance between the welded tip of the thermocouple and the upper surface of the heater was 1 mm in the vertical direction. The sapphire substrate is placed at the center of a graphite circular susceptor having a thickness of 2 mm and a diameter of 120 mm. Further, the susceptor is disposed on a molybdenum disk constituting the upper surface of the heater. Accordingly, the distance between the sapphire substrate and the thermocouple is approximately 3 mm, and the existence of this distance naturally causes a difference between the temperature measured by the thermocouple and the actual temperature of the sapphire substrate, especially the surface of the substrate. For example, 600 ° C
Within the temperature range of ~ 700 ° C, the thermoelectromotive force of the thermocouple is 686.
The temperature measured as the substrate surface temperature from the JIS-R thermocouple in contact with the surface of the sapphire substrate when the temperature indicated value was given was 660 ° C., and a difference of approximately 26 ° C. was recognized. . As described above, although there is actually a difference between the temperature indicated by the thermocouple arranged in the heater and the surface temperature of the sapphire substrate heated mainly by heat transfer via the susceptor, the present embodiment For convenience, the temperature measured by a thermocouple disposed in the heater is referred to as a growth temperature.

【0046】サファイア基板の温度が450℃に到達し
た後、JIS:R熱電対の熱起電力信号を変換した温度
指示値を監視して、加熱に伴う基板温度の過渡応答(オ
ーバーシュート)状態が解消し、温度指示値が安定する
迄暫時待機した。サファイア基板を同温度に維持して約
10間経過した後、接ガス部(ガスと接触する部位)等
に在るシール(seal)材を商品名カルレッツなどの
商標名テフロン系の樹脂製o−リング等に変換したアン
モニア(NH3 )ガス専用の電子式質量流量計(MF
C)により流量を毎分1リットルに精密に制御されたア
ンモニアガスを反応炉に至る以前に上記の水素キャリア
に混合した。アンモニアガスを随伴する水素キャリアガ
スは、上記の精密研磨ステンレスパイプを通じてサファ
イア基板表面の略鉛直上方から反応炉内に導入された。
アンモニアガスは内面が鏡面研磨されたアルミニウム
(Al)合金製の内容積をほぼ10リットルの耐圧ボン
ベ内に収納した液化アンモニアを減圧し気化させること
により供給した。アンモニアガスの水素キャリアガスへ
の添加を開始して正確に5分後に、ガリウム(Ga)原
料源としたトリメチルガリウム((CH33 Ga)の
液体をバブリング(発泡)して、トリメチルガリウムの
蒸気を随伴する水素ガスを水素キャリアガスに反応炉の
直前で混合し反応炉内のサファイア基板表面に供給し
た。トリメチルガリウムは内面が鏡面研磨されたJI
S:304及び316Lステンレス鋼で構成される内容
積を約150ミリリットル(ml)とするバブラー(発
泡容器)に、当初約50グラム(g)充填されてあっ
て、その容器の温度、即ち、トリメチルガリウムの温度
はペルチエ(Peltier)効果を利用した電子式恒
温層で0℃の恒温に保持された。トリメチルガリウムは
温度0℃では液体であって、この液体内に電子式質量流
量計(MFC)により流量を毎分5ミリリットルとした
高純度水素ガスをバブリングガスとして流通させた。ト
リメチルガリウムを随伴する水素バブリングガスの成長
炉内への添加をもって、窒化ガリウム(GaN)からな
る低温緩衝(バッファ)層(102)の成長の開始と
し、上記流量の窒素(N)供給源としてのアンモニアガ
ス及びトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリ
ングガスの反応炉内への供給を正確に15分間継続し
た。これより、層厚を約7ナノメーター(nm)とする
アンドープ窒化ガリウム低温緩衝層(102)を形成し
た。正確に15分間が経過した後、原料供給源系統の配
管系に設置されたバルブの開閉操作により、トリメチル
ガリウムの蒸気を随伴する水素バブリングガスの水素キ
ャリアガスへの混合を瞬時に停止した。
After the temperature of the sapphire substrate reaches 450 ° C., the temperature indication value obtained by converting the thermoelectromotive force signal of the JIS: R thermocouple is monitored, and the transient response (overshoot) state of the substrate temperature due to the heating is monitored. It was canceled and waited for a while until the temperature reading became stable. After elapse of about 10 hours while maintaining the sapphire substrate at the same temperature, a seal material in a gas contact portion (a portion that comes into contact with gas) or the like is replaced with a Teflon resin o-trade name such as Kalrez. Electronic mass flow meter (MF) dedicated to ammonia (NH 3 ) gas converted to a ring etc.
Ammonia gas whose flow rate was precisely controlled to 1 liter per minute by C) was mixed with the hydrogen carrier before reaching the reactor. The hydrogen carrier gas accompanying the ammonia gas was introduced into the reaction furnace from above the sapphire substrate surface almost vertically above the precision-polished stainless steel pipe.
Ammonia gas was supplied by decompressing and vaporizing liquefied ammonia contained in a pressure-resistant cylinder of approximately 10 liters made of an aluminum (Al) alloy whose inner surface was mirror-polished. Exactly 5 minutes after the start of the addition of the ammonia gas to the hydrogen carrier gas, a liquid of trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) as a gallium (Ga) material source is bubbled (foamed) to produce trimethylgallium. Hydrogen gas accompanying steam was mixed with a hydrogen carrier gas immediately before the reactor and supplied to the surface of the sapphire substrate in the reactor. Trimethylgallium is JI whose inner surface is mirror-polished
S: A bubbler (foaming container) made of 304 and 316L stainless steel having an inner volume of about 150 milliliters (ml) was initially filled with about 50 grams (g), and the temperature of the vessel, that is, trimethyl The gallium temperature was maintained at 0 ° C. in an electronic thermostat using the Peltier effect. Trimethylgallium is a liquid at a temperature of 0 ° C., and a high-purity hydrogen gas having a flow rate of 5 ml / min by an electronic mass flow meter (MFC) was passed through the liquid as a bubbling gas. Addition of a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium into the growth furnace was used to start the growth of a low-temperature buffer (buffer) layer (102) made of gallium nitride (GaN), and the above flow rate was used as a nitrogen (N) supply source. The supply of the hydrogen bubbling gas accompanying the ammonia gas and the vapor of trimethylgallium into the reactor was continued for exactly 15 minutes. Thus, an undoped gallium nitride low-temperature buffer layer (102) having a layer thickness of about 7 nanometers (nm) was formed. After exactly 15 minutes had elapsed, the mixing of the hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of trimethylgallium into the hydrogen carrier gas was instantaneously stopped by opening and closing a valve provided in the piping system of the raw material supply system.

【0047】併せて、配管系に設けたバルブの開閉操作
により、反応炉内の圧力の変動の抑制を期して、キャリ
アガスを構成するガス種を水素から先ず同流量のアルゴ
ンガスに瞬時に切り換えた。然る後、約2分間アルゴン
ガスの流量を電子式質量流量計(MFC)により毎分8
リットルより毎分5リットルに緩やかに減少させた。ア
ンモニアガスの流量は毎分1リットルとして変更を加え
なかった。キャリアガスをアルゴンに変更し、その流量
を調整した後、上記の抵抗加熱型ヒーターに投入する電
力量をサイリスタ(thyristor)方式の電気回
路を介して制御して、サファイア基板の温度を窒化ガリ
ウム成長層の成長温度である1100℃に上昇させた。
1100℃に到達してから、温度指示値から観て温度の
過渡が減衰したと判断された5分後に、アルゴンガスの
流量を毎分5リットルから毎分3リットルに減ずると同
時に、水素ガスを毎分3リットルの流量をもって再び反
応炉内に供給し始めた。即ち、流量を等しくする水素及
びアルゴンからキャリアガスを構成した。併せて、アン
モニアガスの流量を毎分1リットルより毎分4リットル
に増加させた。これらのガスの流量変更は時間にして約
2分間以内に全て併行して完了した。また、これらの流
量の変更を加えた時間帯域には、高純度水素ガスにより
体積濃度にして約1.2ppmに希釈されたジシラン
(Si26 )ガスを毎分5ミリリットルの流量をもっ
て、次記のガリウム源を供給する以前に珪素(Si)の
ドーピングガス(ドーピング源)として予め反応炉内に
供給しておいた。この流量の変更から正確に3分間経過
後、上記組成のキャリアガスにトリメチルガリウム並び
にトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリ
ングガスを混合させることをもって窒化アルミニウム・
ガリウム成長層の成長を開始した。この際、トリメチル
ガリウムを収納する前記のステンレス鋼製バブラー容器
の温度は前記の電子式恒温層により市販のエチレングリ
コールを伝熱(冷却)媒体として13℃とした。また、
液体トリメチルガリウムをバブリングする水素の流量は
毎分5ミリリットルとした。また、トリメチルアルミニ
ウムを収納する内面を鏡面研磨されたステンレス鋼製バ
ブラー容器の温度は、前記と同様の電子式恒温層により
市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として2
0℃とした。液化したトリメチルアルミニウムをバブリ
ングする水素の流量は毎分5ミリリットルとした。これ
ら各種ガスの流量条件を保持した状態で上記組成のキャ
リアガスへのトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素
バブリングガスの混合を90分間に亘り継続して、層厚
を約3.5μmとする珪素(Si)ドープn形窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶層(117)を成長させた。正
確に、90分経過後、トリメチルガリウム並びにトリメ
チルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス
及びの珪素のドーピングガスであるジシランガスの水素
・アルゴン混合キャリアガスへの添加を遮断して珪素ド
ープn形窒化アルミニウム・ガリウム層の成長を終了し
た。前記と同一の条件下で成長させた窒化ガリウム緩衝
層上に堆積された珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶層のキャリア濃度は層厚方向に略一定ではな
かった。通常のステッピング(stepping)ホー
ル(Hall)測定法に依れば、窒化ガリウム緩衝層と
の界面近傍より厚さ約1μmに至る領域のキャリア濃度
は約3×1018cm-3であり、層の略中央部より表面に
向けてキャリア濃度は層厚の増加に伴い、やや減少する
傾向を呈し、表面でのキャリア濃度は約9×1017cm
-3と層深部(基板側)より減少していた。
At the same time, the gas type constituting the carrier gas is first switched instantaneously from hydrogen to argon gas at the same flow rate in order to suppress fluctuations in the pressure in the reactor by opening and closing a valve provided in the piping system. Was. Thereafter, the flow rate of argon gas was measured at 8 minutes per minute by an electronic mass flow meter (MFC) for about 2 minutes.
It was slowly reduced from 5 liters to 5 liters per minute. The ammonia gas flow rate was 1 liter per minute and was not changed. After changing the carrier gas to argon and adjusting its flow rate, the amount of electric power supplied to the above-mentioned resistance heating type heater is controlled through a thyristor-type electric circuit to raise the temperature of the sapphire substrate to gallium nitride. The temperature was increased to 1100 ° C., the growth temperature of the layer.
After reaching 1100 ° C., 5 minutes after it is judged from the temperature reading that the temperature transient has attenuated, the flow rate of the argon gas is reduced from 5 liters per minute to 3 liters per minute, and at the same time, hydrogen gas is removed. It was again fed into the reactor at a flow rate of 3 liters per minute. That is, the carrier gas was composed of hydrogen and argon having the same flow rate. At the same time, the flow rate of ammonia gas was increased from 1 liter per minute to 4 liters per minute. The changes in the flow rates of these gases were all completed concurrently within about 2 minutes. In the time zone where these flow rates were changed, disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to a volume concentration of about 1.2 ppm with high-purity hydrogen gas was supplied at a flow rate of 5 ml / min. Before supplying the gallium source described above, it was previously supplied into the reactor as a doping gas (doping source) of silicon (Si). After a lapse of exactly 3 minutes from the change in the flow rate, the carrier gas having the above composition is mixed with a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium and trimethylaluminum vapor to form aluminum nitride.
Gallium growth layer growth was started. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was set at 13 ° C. by using the commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. Also,
The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum, whose inner surface is mirror-polished, is controlled by an electronic constant temperature layer similar to that described above, using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium.
0 ° C. The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min. While maintaining the flow rate conditions of these various gases, mixing of the hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium into the carrier gas having the above composition is continued for 90 minutes to form a silicon layer having a layer thickness of about 3.5 μm. A Si) -doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer (117) was grown. Precisely after 90 minutes, addition of hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium and trimethylaluminum vapor and disilane gas, which is a silicon doping gas, to the hydrogen / argon mixed carrier gas is stopped to prevent silicon-doped n-type aluminum nitride. -Gallium layer growth is completed. The carrier concentration of the silicon-doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer deposited on the gallium nitride buffer layer grown under the same conditions as above was not substantially constant in the layer thickness direction. According to a usual stepping hole (Hall) measurement method, the carrier concentration in a region from the vicinity of the interface with the gallium nitride buffer layer to a thickness of about 1 μm is about 3 × 10 18 cm −3 , The carrier concentration tends to decrease slightly as the layer thickness increases from substantially the center toward the surface, and the carrier concentration at the surface is about 9 × 10 17 cm.
-3 and decreased from the layer depth (substrate side).

【0048】アンモニアガスの流量をそのままとし、キ
ャリアガスを構成していた水素ガスの成長反応系への供
給を遮断して、成長反応系に導入されるガスをアルゴン
とアンモニアの2種とした。このガスの切り換えは、上
記のトリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウム
の蒸気を随伴する水素バブリングガス等の成長反応系へ
の供給を遮断した後、約2分間以内に実施した。然る
後、基板温度を1100℃より850℃に25℃/分の
速度で低下させた。850℃に迄降下させ、約3分間で
温度のハンチングが解消された後、トリメチルガリウム
の蒸気を随伴する水素バブリングガス及びインジウム
(In)及び亜鉛(Zn)のドーピング源の供給を開始
することをもってインジウムと亜鉛とをドーピングした
窒化ガリウム(GaN)層からなる活性層(118)を
形成した。トリメチルガリウムを収納する上記のスレン
レス鋼製バブラーの容器を電子式恒温槽により0℃に保
持した。液体トリメチルガリウムをバブリングするため
の高純度水素ガスの流量は電子式質量流量計(MFC)
により毎分5ミリリットルとした。インジウム源として
は電子供与性のアンモニアガスとの複合体化反応を回避
するために、結合価を1価とするシクロペンタジエニル
インジウム(cyclopentadienylind
ium:C55 In)を用いた(特開平1−9461
3及びJ.Crystal Growth,107(1
991)、360〜364頁参照)。このインジウム源
は内面を鏡面研磨した316L−ステンレス鋼などから
構成される円筒状ボトルに収納し、同ボトルは前記と同
様の電子式恒温槽により60℃に保温した。インジウム
源を収納するステンレス鋼製ボトルの内部には、昇華し
たインジウム源を成長反応系内に随伴するための高純度
水素ガスを電子式質量流量計(MFC)を介して当初、
毎分20ミリリットルの流量で流通した。亜鉛は、ジエ
チル亜鉛((C252 Zn)を体積濃度にして約1
00ppm含む高純度水素ガスを成長反応系に添加する
ことをもってドーピングした。このジエチル亜鉛/高純
度水素混合ガスの成長反応系への供給量は電子式質量流
量計により毎分40ミリリットルと、インジウム及び亜
鉛ドープ窒化ガリウム層の成長が終了する迄一定とし
た。一方、昇華したインジウム源を随伴する高純度水素
ガスの成長反応系への供給量は同層の成長開始時には2
0ミリリットルとし、成長時間の経過、即ち、同層の層
厚の増加に伴い、順次線形的に増加させて同層の終了時
には220ミリリットとした。インジウム及び亜鉛ドー
プ窒化ガリウム層の成長には5分間を要したことから、
インジウム源の供給量の時間的増加量は40ミリリット
ル/分となった。また、5分間の成長で得られたインジ
ウム及び亜鉛ドープ窒化ガリウム層の層厚が60nmで
あったことから、単位層厚(1nm)に対するインジウ
ム源の供給量の増加量は約3.3ミリリットルとなっ
た。ガリウム源の蒸気並びに昇華したインジウム源を随
伴する水素ガス及びジエチル亜鉛/高純度水素ガスの成
長反応系への供給を停止して、インジウム及び亜鉛ドー
プ窒化ガリウム層の成長を終了させた。原料系ガス及び
ドーピング系ガスの供給を停止すると同時に、アルゴン
キャリアガスの供給量を毎分3リットルから毎分1リッ
トルに減少させ、アンモニアガス(毎分4リットル)に
対するアルゴンガスの流量比率(アンモニア/アルゴン
流量比)を相対的に低下させた。
While the flow rate of the ammonia gas was kept as it was, the supply of the hydrogen gas constituting the carrier gas to the growth reaction system was cut off, and two types of gas, argon and ammonia, were introduced into the growth reaction system. This gas switching was performed within about 2 minutes after the supply of the above-mentioned trimethylgallium and hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of trimethylaluminum to the growth reaction system was cut off. Thereafter, the substrate temperature was lowered from 1100 ° C. to 850 ° C. at a rate of 25 ° C./min. After the temperature hunting is eliminated in about 3 minutes after the temperature is reduced to 850 ° C., the supply of the hydrogen bubbling gas accompanied with the vapor of trimethylgallium and the doping source of indium (In) and zinc (Zn) is started. An active layer (118) consisting of a gallium nitride (GaN) layer doped with indium and zinc was formed. The above stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was maintained at 0 ° C. by an electronic thermostat. The flow rate of high-purity hydrogen gas for bubbling liquid trimethylgallium is measured by an electronic mass flow meter (MFC).
To 5 milliliters per minute. As an indium source, cyclopentadienyl indium having a monovalent valence is used in order to avoid a complexation reaction with an electron-donating ammonia gas.
ium: C 5 H 5 In) was used (JP-A-1-9461
3 and J.I. Crystal Growth, 107 (1
991), pages 360-364). This indium source was housed in a cylindrical bottle made of 316L-stainless steel or the like whose inner surface was mirror-polished, and the bottle was kept at 60 ° C. in the same electronic thermostat as above. Initially, a high-purity hydrogen gas for entraining the sublimated indium source into the growth reaction system was passed through an electronic mass flow meter (MFC) inside the stainless steel bottle containing the indium source.
It circulated at a flow rate of 20 milliliters per minute. Zinc is about 1% by volume of diethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn).
Doping was performed by adding high-purity hydrogen gas containing 00 ppm to the growth reaction system. The supply amount of the diethyl zinc / high-purity hydrogen mixed gas to the growth reaction system was set at 40 ml / min by an electronic mass flow meter and kept constant until the growth of the indium and zinc-doped gallium nitride layers was completed. On the other hand, the supply amount of the high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source to the growth reaction system is 2 at the start of growth of the same layer.
The volume was set to 0 milliliter, and gradually increased linearly as the growth time elapses, that is, as the layer thickness of the layer increased, and was set to 220 milliliter at the end of the layer. Since it took 5 minutes to grow the indium and zinc doped gallium nitride layers,
The time increase of the supply amount of the indium source was 40 ml / min. Further, since the layer thickness of the indium and zinc-doped gallium nitride layer obtained by the growth for 5 minutes was 60 nm, the increase in the supply amount of the indium source per unit layer thickness (1 nm) was about 3.3 ml. became. The supply of the vapor of the gallium source and the hydrogen gas and the diethyl zinc / high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source to the growth reaction system were stopped to terminate the growth of the indium and zinc doped gallium nitride layers. At the same time as the supply of the raw material gas and the doping gas is stopped, the supply amount of the argon carrier gas is reduced from 3 liters per minute to 1 liter per minute, and the flow ratio of the argon gas to the ammonia gas (4 liters per minute) / Argon flow ratio) was relatively reduced.

【0049】係る状態で基板の温度を850℃から11
50℃へと60℃/分の速度をもって5分間で昇温し
た。1150℃に到達する間にアンモニアに流量を毎分
4リットルから毎分6リットルに増加させた。1150
℃に到達してから5分間経過後、直ちにアルゴンガスの
流量を毎分1リットルから毎分3リットルに増加させる
と同時に水素ガスの供給を再開した。アルゴンと共にキ
ャリアガスを構成する水素の流量は、電子式質量流量計
(MFC)により毎分3リットルに調整した。流量を調
節して正確に1分後、トリメチルガリウムの蒸気を随伴
する水素バブリングガス並びにトリメチルアルミニウム
((CH33 Al)の蒸気を随伴する水素バブリング
ガスをアルゴン・水素混合キャリアガスに添加した。こ
れらIII 族側の原料系ガスの成長反応系への添加と時期
を同じくして、上記の亜鉛とマグネシウム(Mg)のド
ーピングガスを添加した。これにより、第II族のアクセ
プター性不純物である亜鉛とマグネシウムが共にドーピ
ングされた、層厚を120nmとする窒化アルミニウム
・ガリウム混晶(Alx Ga1-x N;xはAl組成比を
表し、0<x<1である)からなる上部クラッド層(1
19)を成長させた。マグネシウムのドーピング源には
ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム(bis-me
thylcyclopentadienylmagnesium :(CH355
2 Mg)を使用した。同マグネシウム源は50℃に保持
し上記のインジウム源と同様に、昇華したマグネシウム
源を高純度水素ガスで成長反応系に随伴した。10分間
に亘り窒化アルミニウム・ガリウム混晶を成膜したる間
の、同層の層厚が約60nmに到達する間は(成長時間
にして約5分間)、マグネシウム源の供給量は毎分40
ミリリットルと一定に保持した。同層の成長の後半(成
長時間にして同層の成長開始から約5分以降10分に到
達する迄)に於いては、マグネシウム源の供給量を毎分
40ミリリットルから毎分20ミリリットルへと漸次減
少させた。一方、ジエチル亜鉛/水素混合ガスの成長形
内への供給量は成長時間に対して一定の毎分40ミリリ
ットルの流量を保持した。
In this state, the temperature of the substrate is changed from 850 ° C. to 11
The temperature was raised to 50 ° C. at a rate of 60 ° C./min for 5 minutes. The ammonia flow rate was increased from 4 liters per minute to 6 liters per minute while reaching 1150 ° C. 1150
Five minutes after the temperature reached, the flow rate of the argon gas was immediately increased from 1 liter per minute to 3 liters per minute, and the supply of hydrogen gas was restarted. The flow rate of hydrogen constituting the carrier gas together with argon was adjusted to 3 liters per minute by an electronic mass flow meter (MFC). After exactly one minute by adjusting the flow rate, a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium vapor and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) vapor were added to the argon / hydrogen mixed carrier gas. . The doping gas of zinc and magnesium (Mg) was added at the same time as the addition of the group III raw material gas to the growth reaction system. As a result, an aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al x Ga 1 -xN; x is an Al composition ratio with a layer thickness of 120 nm, doped with zinc and magnesium, which are group II acceptor impurities, is represented by: 0 <x <1) and the upper cladding layer (1
19) was grown. The doping source of magnesium is bismethylcyclopentadienyl magnesium (bis-me
thylcyclopentadienylmagnesium: (CH 3 C 5 H 5 )
2 Mg) was used. The magnesium source was maintained at 50 ° C., and the sublimated magnesium source was accompanied by a high-purity hydrogen gas to the growth reaction system in the same manner as the indium source described above. During the deposition of the aluminum nitride-gallium mixed crystal for 10 minutes, while the thickness of the layer reaches about 60 nm (about 5 minutes in growth time), the supply rate of the magnesium source is 40 minutes per minute.
It was kept constant at milliliters. In the latter half of the growth of the same layer (in the growth time from the start of growth of the same layer to about 5 minutes to 10 minutes), the supply amount of the magnesium source was increased from 40 ml / min to 20 ml / min. Gradually reduced. On the other hand, the supply amount of the diethyl zinc / hydrogen mixed gas into the growth chamber maintained a constant flow rate of 40 ml / min with respect to the growth time.

【0050】然る後、アルミニウム源に限り反応系への
供給を遮断して、亜鉛及びマグネシウムが共にドーピン
グされた窒化ガリウムからなるコンタクト層(106)
の成膜へと移行した。マグネシウム源の供給量は成長開
始当初は、毎分20ミリリットルとしたが、層厚の増加
に伴い漸次、毎分40ミリリットル迄線形的に増加させ
た。5分間を掛けて層厚10nmを意図した亜鉛及びマ
グネシウムドープ窒化ガリウムコンタクト層の成長を終
了した。図9に本実施例に記載する積層体を得る過程で
の基板温度の変化を、図10から図12に、基板温度の
変化に追従させたアルゴン、水素キャリアガス及び窒素
源としたアンモニアの流量の変化を纏める。また、図1
3及び14にこの基板温度の変化に対応したIII 族原料
系の流量の変化を掲示する。尚、III 族原料の供給源の
温度は成長過程毎に変化させている場合もある(図13
及び14中の括弧内の温度が原料の保持温度であ
る。)。従って、図13及び14に掲げるのはあくまで
も成長過程毎の流量の変化であって、分子濃度(モル濃
度)の絶対値を示すものではない。流量からモル濃度へ
は保持温度に於けるIII 族元素原料の蒸気圧或いは昇華
圧値をもって換算することができる。ちなみに、0℃及
び13℃に於けるトリメチルガリウムの蒸気圧は各々、
64.4トール(Torr)及び128.2Torrで
ある。65℃に於けるシクロペンタジエニルインジウム
の昇華圧は1.8Torrである。トリメチルアルミニ
ウムの保持温度25℃に於ける蒸気圧は11.9Tor
rである。これらのIII 族原料を収納する容器内に流通
させた水素ガスの圧力は、接ガス部に鏡面研磨を施した
半導体工業用の低圧減圧弁により正確にゲージ圧で1気
圧に調整されている。
Thereafter, the supply of the aluminum source to the reaction system is cut off, and the contact layer (106) made of gallium nitride doped with zinc and magnesium together.
The process was shifted to film formation. The supply amount of the magnesium source was 20 ml / min at the beginning of growth, but was gradually increased linearly to 40 ml / min as the layer thickness increased. The growth of the zinc- and magnesium-doped gallium nitride contact layer intended to have a layer thickness of 10 nm was completed over 5 minutes. FIG. 9 shows the change in the substrate temperature in the process of obtaining the laminated body described in the present embodiment. FIGS. 10 to 12 show the flow rates of argon, hydrogen carrier gas, and ammonia used as a nitrogen source, which follow the change in the substrate temperature. Summarize the changes. FIG.
3 and 14 show changes in the flow rate of the group III raw material system corresponding to the change in the substrate temperature. In some cases, the temperature of the supply source of the group III raw material is changed for each growth process (FIG. 13).
And the temperature in parentheses in 14 is the holding temperature of the raw material. ). Therefore, what is shown in FIGS. 13 and 14 is a change in the flow rate in each growth process, and does not indicate the absolute value of the molecular concentration (molar concentration). The flow rate to the molar concentration can be converted by the vapor pressure or sublimation pressure value of the group III element raw material at the holding temperature. Incidentally, the vapor pressures of trimethylgallium at 0 ° C. and 13 ° C. are respectively
64.4 Torr (Torr) and 128.2 Torr. The sublimation pressure of cyclopentadienyl indium at 65 ° C. is 1.8 Torr. The vapor pressure of trimethylaluminum at a holding temperature of 25 ° C. is 11.9 Torr.
r. The pressure of the hydrogen gas circulated in the container containing these group III raw materials is accurately adjusted to 1 atm by gauge pressure by a low pressure reducing valve for semiconductor industry in which the gas contact portion is mirror-polished.

【0051】亜鉛及びマグネシウムが共にドーピングさ
れた窒化ガリウム層の成長が終了した段階で、全てのII
I 族元素原料の成長反応系への供給を停止した。III 族
元素原料の供給を停止した後、直ちに抵抗加熱ヒーター
への電源を停止して基板の冷却を開始した。特に、基板
を強制的に冷却する措置は施さなかったが1150℃よ
り750℃近傍の温度迄は約30℃/分の速度で基板温
度が低下するのが認められた。750℃近傍から450
℃近辺の温度へは毎分約20℃から約25℃の速度で冷
却するのが観測された。基板温度が450℃近傍に低下
したところで、成長反応系へのアンモニアガスの供給を
打ち切った。450℃近傍から室温に低下するには約4
0分を要した。
When the growth of the gallium nitride layer doped with both zinc and magnesium is completed, all the II
Supply of group I element materials to the growth reaction system was stopped. Immediately after the supply of the group III element raw material was stopped, the power supply to the resistance heater was stopped to start cooling the substrate. In particular, no measures were taken to forcibly cool the substrate, but it was observed that the substrate temperature dropped at a rate of about 30 ° C./min from 1150 ° C. to a temperature near 750 ° C. 450 from around 750 ° C
Cooling at a rate of about 20 ° C./minute to about 25 ° C. per minute to a temperature near ° C. was observed. When the substrate temperature dropped to around 450 ° C., the supply of ammonia gas to the growth reaction system was stopped. Approximately 4 to decrease from around 450 ° C to room temperature
It took 0 minutes.

【0052】反応炉への水素ガスの供給を停止して、替
わりにアルゴンを供給した。暫時、アルゴンの反応炉へ
の供給を継続した後、今度はアルゴンの供給を停止して
反応炉内を通常のロータリー式ベーンポンプで約2×1
-3Torrに到達する迄排気した。炉内の真空脱気及
びアルゴンガスによるパージ(purge)を数回反復
して、最後はアルゴンガスのパージにより反応炉内の圧
力をほぼ大気圧に復帰させておいた。しかして、反応炉
内よりウェハを炉外へ取り出した後、この時点でウェハ
表面に間隔を約1mmにして2本のタングステン製プロ
ーブ(探針)を接触させ、探針間で導通の有無を調査し
たが導通性は認められなかった。次に、ウエハを最大加
速電圧を200キロボルト(KV)とするイオン注入装
置の注入ステーション内の金属製サセプターに載置し
た。イオン注入開始前の真空排気操作を実施した後、加
速電圧を180KVとし、ドーズ量を7×1012cm-2
として質量数24のマグネシウムイオンを、固体ソース
法で注入した。マグネシウムイオンは基板として用いた
(0001)面に垂直に入射させ、特に面心立方格子型
結晶へのイオン注入に於ける面チャネリング(chan
eling)及び軸チャネリングには特に注意を払わな
かった。本実施例で使用した基板の面方位加工精度は
(0001)±0.5゜程度の範囲内であり、従って、
入射イオンビームの入射角度のサファイアC面に対する
(六方晶系結晶のc軸方向に対する)ずれも、最大でも
±0.5゜の範囲である。マグネシウムイオンの注入を
施したウェハをイソプロピルアルコール等の有機溶剤、
高純度の塩酸(HCl)で表面処理を施した後、超純水
で洗浄して乾燥させた。その後、ウェハに窒素雰囲気内
でハロゲンランプによるランプ加熱を施した。ウェハは
室温より1050℃に約30秒で昇温され、1050℃
で10分間保持された後、水冷による強制冷却及び自然
放冷を併用して室温迄約20分間で冷却された。冷却
後、2本のプローブを表面に1mmの間隔をもって接触
させ導通性を計測したところ、ブローブ間に印荷した電
圧に略比例して電流が直線的に増加する傾向が認められ
た。一例として挙げれば、プローブ間の印荷電圧が10
ボルト(V)であると流通する電流は約300ミリアン
ペア(mA)に達した。単にプローブ間の電流−電圧特
性であって、プローブ周囲への電界の拡散などの理由に
よりこれらの数値から直ちに正確な抵抗率等は求められ
ないが、電気的特性の予備的な評価データの一例として
図16に上記したウェハ成長直後の曲線(120)及び
イオン注入後のアニールを施した後の曲線(121)と
して電流−電圧特性を比較して掲げる。
The supply of hydrogen gas to the reactor was stopped, and argon was supplied instead. After a while, the supply of argon to the reaction furnace was continued, and then the supply of argon was stopped, and the inside of the reaction furnace was moved to about 2 × 1 with a normal rotary vane pump.
Evacuation was performed until the pressure reached 0 -3 Torr. Vacuum degassing in the furnace and purging with argon gas were repeated several times, and finally the pressure in the reactor was returned to almost atmospheric pressure by purging with argon gas. Then, after the wafer is taken out of the reactor from the furnace, two tungsten probes (probes) are brought into contact with the surface of the wafer at this time at an interval of about 1 mm, and the presence or absence of conduction between the probes is checked. Inspection revealed no conductivity. Next, the wafer was placed on a metal susceptor in an implantation station of an ion implantation apparatus with a maximum acceleration voltage of 200 kilovolts (KV). After performing the evacuation operation before the start of ion implantation, the acceleration voltage was set to 180 KV, and the dose was set to 7 × 10 12 cm −2.
And magnesium ions having a mass number of 24 were injected by a solid source method. Magnesium ions are perpendicularly incident on the (0001) plane used as the substrate, and are particularly subjected to plane channeling in ion implantation into a face-centered cubic crystal.
Eling) and axial channeling were not particularly noted. The plane orientation processing accuracy of the substrate used in the present embodiment is in the range of about (0001) ± 0.5 °.
The deviation of the incident angle of the incident ion beam from the sapphire C plane (with respect to the c-axis direction of the hexagonal crystal) is at most ± 0.5 °. An organic solvent such as isopropyl alcohol,
After surface treatment with high-purity hydrochloric acid (HCl), it was washed with ultrapure water and dried. Thereafter, the wafer was subjected to lamp heating by a halogen lamp in a nitrogen atmosphere. The temperature of the wafer is raised from room temperature to 1050 ° C. in about 30 seconds.
And then cooled to room temperature in about 20 minutes using both forced cooling by water cooling and natural cooling. After cooling, two probes were brought into contact with the surface at an interval of 1 mm, and the conductivity was measured. As a result, a tendency was found that the current increased linearly substantially in proportion to the voltage applied between the probes. As an example, if the imprint voltage between the probes is 10
The current flowing at volts (V) reached about 300 milliamps (mA). It is simply a current-voltage characteristic between probes, and an accurate resistivity or the like cannot be immediately obtained from these values due to diffusion of an electric field around the probe, but an example of preliminary evaluation data of electrical characteristics FIG. 16 compares current-voltage characteristics as a curve (120) immediately after wafer growth and a curve (121) after annealing after ion implantation.

【0053】一般的な微分干渉顕微鏡によるウェハの表
面の観察では、50倍程度の低倍下では極く緩やかな表
面の”うねり”が在る様に見受けられた。倍率を5×1
3或いは104 倍とした走査型電子顕微鏡(英略称S
EM)による表面観察では、高倍率のため観測対象が微
小の領域に限定されるため、上記のマクロ的な“うね
り”はもはや明瞭に観測されず、また、開孔部を略六角
形とするピット(細孔)もウェハの周縁部以外の領域に
は殆ど認められなかった。ウェハの周縁部、特に直径2
インチ基板の縁からウェハの中心部に向かって内側に入
った約3〜6mm程度の輪帯領域には、一辺の長さを1
μm未満とする略正六角形の細孔が密度にして5×10
3 cm-2と多数存在した。このため、ウェハの中央部は
自然光に対しても透明であると視認されたが、周縁の輪
帯領域は高輝度の白色光を敢えて照射する迄もなく、細
孔による光散乱のために白濁するものとなった。
Observation of the surface of the wafer with a general differential interference microscope revealed that there was an extremely gentle "undulation" of the surface under a low magnification of about 50 times. Magnification 5 × 1
Scanning electron microscope with a magnification of 0 3 or 10 4 (English abbreviation S
In the surface observation by EM), the observation target is limited to a small area due to high magnification, so that the macro-like “undulation” is no longer clearly observed, and the aperture is made substantially hexagonal. Pits (pores) were hardly observed in the region other than the peripheral portion of the wafer. Wafer periphery, especially diameter 2
An annular zone of about 3 to 6 mm inward from the edge of the inch substrate toward the center of the wafer has a side length of 1 mm.
The pores of approximately regular hexagons having a size of less than μm have a density of 5 × 10
There were as many as 3 cm -2 . For this reason, the central part of the wafer was recognized as being transparent to natural light, but the annular zone around the periphery did not need to be illuminated with high-intensity white light, and was turbid due to light scattering by pores. It became something to do.

【0054】セシウム(Cs)若しくは酸素イオンを1
次イオンビーム(入射イオンビーム)とする2次イオン
質量分析法(英略称SIMS)により解析された、ウェ
ハの表面より深さ方向の構成元素及びドーパントの濃度
分布を図17に示す。先ず構成元素及びドーパントの濃
度分布からウェハの積層構成を同定すると、最表面は成
膜時に亜鉛及びマグネシウムがドープされ、成長終了後
マグネシウムのイオン注入が施された窒化ガリウムから
なるコンタクト層(106)であり、それより順次、深
さ方向に積層構成を辿れば、亜鉛及びマグネシウムが成
膜時ドープされ、且つ成長終了後にマグネシウムイオン
が注入された層厚を約110nmとする窒化アルミニウ
ムガリウム混晶からなる上部クラッド層(119)、イ
ンジウム及び亜鉛がドープされた層厚を約60nmとす
る窒化ガリウム発光層(118)及び珪素がドープされ
た窒化アルミニウム・ガリウム下部クラッド層(11
7)から構成されているのが判別された。しかし、珪素
ドープ窒化アルミニウム・ガリウム層と窒化ガリウムか
らなる低温緩衝層との界面の存在は、SIMS分析によ
る元素プロファイルからは明瞭に認められなかった。最
表面近傍でガリウム及び窒素の濃度が急激に増加してお
り、表面にこれらの構成元素があたかも蓄積したが如く
見受けられるが、これはSIMS分析上の化学的干渉
(chemical interference)など
によるものと推察された。最表層の窒化ガリウムコンタ
クト層(106)の層厚は意図した層厚が100nmで
あるのに対して、SIMSによるガリウムのデプスプロ
ファイル(depth−profile)から求めた層
厚は約97nm程度であった。また、窒化アルミニウム
・ガリウム混晶からなる上部クラッド層(105)を構
成するアルミニウムとガリウムの原子濃度比から換算さ
れるアルミニウム組成比(x)は大凡、0.12であっ
た。
Cesium (Cs) or oxygen ion
FIG. 17 shows the concentration distributions of constituent elements and dopants in the depth direction from the surface of the wafer, as analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) using a secondary ion beam (incident ion beam). First, when the laminated structure of the wafer is identified from the concentration distributions of the constituent elements and the dopants, a contact layer (106) made of gallium nitride doped with zinc and magnesium at the outermost surface and ion-implanted with magnesium after the growth is completed. From there on, if the layered structure is traced sequentially in the depth direction, zinc and magnesium are doped at the time of film formation, and after the growth is completed, magnesium ions are implanted. Upper cladding layer (119), a gallium nitride light emitting layer (118) doped with indium and zinc and having a thickness of about 60 nm, and an aluminum-gallium nitride lower cladding layer (11) doped with silicon.
7). However, the existence of the interface between the silicon-doped aluminum gallium nitride layer and the low-temperature buffer layer made of gallium nitride was not clearly recognized from the elemental profile by SIMS analysis. The concentrations of gallium and nitrogen are rapidly increasing near the outermost surface, and it appears as if these constituent elements had accumulated on the surface. This is due to chemical interference in SIMS analysis and the like. It was speculated. The intended thickness of the outermost gallium nitride contact layer (106) is 100 nm, whereas the thickness of the gallium nitride layer determined by SIMS from a depth-profile is about 97 nm. . The aluminum composition ratio (x) calculated from the atomic concentration ratio of aluminum and gallium constituting the upper cladding layer (105) made of the mixed crystal of aluminum nitride and gallium was approximately 0.12.

【0055】同様にSIMSによる分析結果から各層内
のドーパントの濃度並びにその分布は次の如くであるこ
とが示された。最表層の窒化ガリウムコンタクト層(1
06)の表面側近傍に上記のマトリックス(matri
x)元素の場合と同様に亜鉛並びにマグネシウムのドー
ピング不純物があたかも蓄積している態様を示している
が、これはやはり上記の化学的干渉に起因するものであ
ると推定された。表面状態が微妙に2次イオンの検出感
度に影響を与えるこの表面近傍の領域でのデータを割愛
すれば、窒化ガリウムコンタクト層(106)内の亜鉛
の濃度分布は略一定の9×1018-3であった。一方、
同層(106)内のマグネシウム原子の濃度は表面近傍
で約8×1018cm-3と高く、深さ方向に一旦原子濃度
を6×1018cm-3に減じた後、再びイオン注入時に於
ける注入原子の分布として一般的な正規分布曲線状に分
布し、同層(106)とその下層(119)との界面近
傍では2×1019cm-3と増加していた。アルミニウム
組成比(x)を12%とする窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶(Al0.12Ga0.88N)からなる活性層(11
8)内では、マグネシウムの原子濃度は窒化ガリウムコ
ンタクト層(106)側から深さ方向にやはり正規分布
曲線状に増加し、層厚の約半分より深部の領域で段階的
に急激に約5×1019cm-3の濃度に増加していた。特
に、活性層(118)との界面近傍でマグネシウムの原
子濃度に増加が認められるのは、上記した上部クラッド
層(119)の成長時にマグネシウム源の成長反応系へ
の添加量の増減に因るものと判断された。即ち、マグネ
シウムイオンの注入では、注入原子の濃度分布が原理的
に正規分布(ガウス分布)曲線状となり、表面側よりも
特に深部の界面側での注入原子の濃度を急峻に変化させ
られないために、予めその界面近傍の領域に成長時にマ
グネシウムがドーピングされた領域(本実施例では活性
層(118)との界面より約60nmの領域)を配置し
たことが投影飛程(projection rang
e)を越えたより深部の領域でのマグネシウム原子の濃
度の低下を回避するのに効を奏していると解釈された。
ここでも亜鉛は深さ方向に略一様に分布しており、その
濃度は8×1018cm-3であった。
Similarly, the analysis results by SIMS showed that the concentration and distribution of the dopant in each layer were as follows. The outermost gallium nitride contact layer (1
06) near the surface side of the matrix
x) As in the case of the element, a mode is shown in which doping impurities of zinc and magnesium accumulate, but this was also presumed to be caused by the above-mentioned chemical interference. If the data in the region near the surface where the surface condition subtly affects the detection sensitivity of secondary ions is omitted, the concentration distribution of zinc in the gallium nitride contact layer (106) is substantially constant at 9 × 10 18 c Was -3 . on the other hand,
The concentration of magnesium atoms in the same layer (106) is as high as about 8 × 10 18 cm −3 in the vicinity of the surface, and once the atomic concentration is reduced to 6 × 10 18 cm −3 in the depth direction, the ion implantation is performed again during ion implantation. The distribution of implanted atoms in the layer was distributed in a general normal distribution curve, and increased to 2 × 10 19 cm −3 near the interface between the same layer (106) and the lower layer (119). An active layer (11) made of an aluminum nitride-gallium mixed crystal (Al 0.12 Ga 0.88 N) having an aluminum composition ratio (x) of 12%
Within 8), the atomic concentration of magnesium also increases in the form of a normal distribution curve in the depth direction from the gallium nitride contact layer (106) side, and abruptly increases by about 5 × in a region deeper than about half of the layer thickness. The concentration had increased to 10 19 cm -3 . In particular, the increase in the atomic concentration of magnesium near the interface with the active layer (118) is due to the increase or decrease in the amount of the magnesium source added to the growth reaction system during the growth of the upper clad layer (119). Was determined to be. That is, in the implantation of magnesium ions, the concentration distribution of the implanted atoms becomes a normal distribution (Gaussian distribution) curve in principle, and the concentration of the implanted atoms cannot be changed steeply particularly at the interface side deeper than the surface side. In addition, a region in which magnesium is doped at the time of growth (a region of about 60 nm from the interface with the active layer (118) in this embodiment) is previously arranged in a region near the interface, which indicates that the projection range is higher.
It was interpreted to be effective in avoiding a decrease in the concentration of magnesium atoms in a deeper region beyond e).
Here, zinc was distributed almost uniformly in the depth direction, and its concentration was 8 × 10 18 cm −3 .

【0056】窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる
上部クラッド層(119)直下のインジウムをドーピン
グした窒化ガリウム活性層(118)にあっては、SI
MS分析結果はインジウム原子の濃度が同層(118)
の下層である珪素ドープ窒化アルミニウム・ガリウム下
部クラッド層(117)との界面(下方界面)から上部
クラッド層(119)の窒化アルミニウム・ガリウム混
晶層との界面(上方界面)に向けて、インジウム源供給
量の増加に応じて線形的に確実に増加していることを示
した。インジウム原子の濃度は下方界面に於いて9×1
17cm-3であり、上方界面で3×1020cm-3であっ
た。一方、活性層(118)内の亜鉛原子の濃度は成膜
時に供給するジエチル亜鉛/高純度水素混合ガスの流量
を一定に保持したことに対応して略一定の8×1018
-3となった。また、このインジウムドープ窒化ガリウ
ム活性層(118)には、インジウムと亜鉛以外の元素
は故意に添加していないが、珪素(Si)が約4×10
17cm-3の濃度で検出された。この珪素の原子濃度は濃
度的には亜鉛からのルミネッセンス発光の強度を増加さ
せるに足るものであると判断された(Solid St
ate Commun.、57(6)(1991)、4
05〜409頁参照の408頁の図5.参照)。
In the indium-doped gallium nitride active layer (118) immediately below the upper cladding layer (119) made of aluminum nitride / gallium mixed crystal, the SI
The MS analysis results show that the concentration of indium atoms is the same (118)
From the interface (lower interface) with the silicon-doped aluminum-gallium nitride lower cladding layer (117), which is the lower layer, from the interface (upper interface) with the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer of the upper cladding layer (119). It was shown that it increased steadily linearly with the increase in source supply. The concentration of indium atoms was 9 × 1 at the lower interface.
0 17 cm -3 and 3 × 10 20 cm -3 at the upper interface. On the other hand, the concentration of zinc atoms in the active layer (118) is substantially constant at 8 × 10 18 c corresponding to the fact that the flow rate of the diethyl zinc / high-purity hydrogen mixed gas supplied during film formation is kept constant.
m -3 . Elements other than indium and zinc were not intentionally added to the indium-doped gallium nitride active layer (118), but silicon (Si) was added to about 4 × 10
It was detected at a concentration of 17 cm -3 . It has been determined that the atomic concentration of silicon is sufficient to increase the intensity of luminescence emission from zinc (Solid St).
ate Commun. 57 (6) (1991), 4
FIG. 5 on page 408 with reference to pages 05-409. reference).

【0057】一般的なイオンスパッタリング法を利用し
てウェハの表面からエッチングを施し、上記のインジウ
ムと亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム層の表層部を
露呈させた別の試料を作製した。104 倍程度の高倍率
下でのSEMによる表面観察では、高倍率ほど視野が狭
まるためにマクロ的なモフォロジーは明瞭に観察されな
かったが、50倍程度の低倍率での微分干渉型光学顕微
鏡による表面観察では、インジウム及び亜鉛ドープ窒化
ガリウム層の表面には略円形或いは楕円形の突起が観察
された。波長325nmのヘリウム(He)−カドミウ
ム(Cd)レーザー光を入射ビームとする室温でのPL
測定では、窒化ガリウム・インジウム混晶が形成されて
いれば出現するとされる波長を380nm前後とする近
紫外帯のスペクトルは認められず、単に波長365nm
前後に窒化ガリウムのバンド端発光が認められるに過ぎ
なかった。即ち、本例に於けるインジウムのドーピング
では窒化ガリウム・インジウム混晶が形成されているこ
とを証す結果は得られなかった。
Another sample in which the surface layer of the gallium nitride layer doped with indium and zinc was exposed by performing etching from the surface of the wafer using a general ion sputtering method was manufactured. In surface observation by SEM at a high magnification of about 10 4 times, macroscopic morphology was not clearly observed because the field of view became narrower at a higher magnification, but a differential interference optical microscope at a low magnification of about 50 times. In the surface observation by the method described above, substantially circular or elliptical protrusions were observed on the surface of the indium and zinc-doped gallium nitride layer. PL at room temperature using a helium (He) -cadmium (Cd) laser beam having a wavelength of 325 nm as an incident beam
In the measurement, a spectrum in the near-ultraviolet band having a wavelength of about 380 nm, which is assumed to appear when a gallium nitride-indium mixed crystal is formed, is not recognized, and the wavelength is simply 365 nm.
Only band edge emission of gallium nitride was observed before and after. That is, in the doping of indium in this example, no result was proved that gallium nitride / indium mixed crystal was formed.

【0058】この亜鉛とインジウムがドーピングされた
窒化ガリウム活性層(118)の下層はSIMSによる
分析結果からアルミニウム混晶比(x)を0.01とす
る窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる下部クラッ
ド層(117)であると判断された。同下部クラッド層
(117)内の珪素の原子濃度は同じくSIMS分析か
ら4×1018cm-3と定量された。従って、活性層(発
光層)となるインジウムと亜鉛とが共にドーピングされ
た窒化ガリウム層(118)には、上面でx=0.12
のAl0.12Ga0.88N混晶層が接合し、下面でx=0.
01のn形Al0.01Ga0.99N混晶層が接合する構成と
なった。双方の窒化アルミニウム・ガリウム混晶の格子
定数の大小を想定するに、窒化アルミニウムの格子定数
は3.111オングストローム(A)であり、窒化ガリ
ウムの格子定数は3.180(A)である(何れの格子
定数も、赤崎勇編著、「III −V族化合物半導体」
((株)培風館、1994年5月20日発行)、148
頁の表7.1.に依る。)。ベガード(Vegard)
則の成立を仮定して(特開昭59−228776号公報
明細書の第1図及び特開平4−192585号公報明細
書の第(2)頁上段左欄下から8〜3行目)、両混晶の
格子定数を算出するとAl0.12Ga0.88N混晶の格子定
数は3.172(A)、Al0.01Ga0.99N混晶層の格
子定数は3.179(A)と算出される。発光層を構成
するインジウム及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウ
ムを基準として、発光層と発光層へ接合する層との間の
格子の不整合度をδ(本文参照)で表せば、Al0.12
0.88N混晶についてのδは0.264%、Al0.01
0.99N混晶層のδは2.2×10-2%となる。発光層
との格子の不整合度(δ)の大小と活性層内の上述のイ
ンジウム原子濃度との対応の観ると、図17に示す如く
インジウム原子は発光層との格子不整合度(δ)をより
大とするAl0.12Ga0.88N混晶層との接合界面に向け
て原子濃度が増加する様に分布している。電子線の照射
により誘起される電流の発生の有無を確認してpn接合
の存在を確認できるEBIC(lectron
am nduced urrent)法による評価
では、pn接合がAl0.12Ga0.88N混晶層と上記発光
層との界面近傍に存在するのが確認された。従って、発
光層内のインジウムは格子不整合度(δ)をより大と
し、且つp形である接合層との界面に向けて原子濃度が
増加する様に分布していると換言される。即ち、本実施
例のウェハはインジウムが層厚方向に分布をもってドー
ピングされ、尚且、インジウムが格子整合度をより大と
する活性層との接合界面に向けて濃度が増加する様に分
布をもってドーピングされた活性(発光)層を備えたも
のとなった。
The lower layer of the gallium nitride active layer (118) doped with zinc and indium is a lower cladding layer made of aluminum nitride / gallium mixed crystal having an aluminum mixed crystal ratio (x) of 0.01 based on the result of SIMS analysis. (117) was determined. The atomic concentration of silicon in the lower cladding layer (117) was determined to be 4 × 10 18 cm −3 by SIMS analysis. Therefore, the gallium nitride layer (118) doped with both indium and zinc, which becomes the active layer (light emitting layer), has x = 0.12 on the upper surface.
Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layers are joined, and x = 0.
01 n-type Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer was formed. Assuming the magnitude of the lattice constant of both aluminum nitride and gallium mixed crystals, the lattice constant of aluminum nitride is 3.111 Å (A) and the lattice constant of gallium nitride is 3.180 (A). Lattice constants, edited by Isamu Akasaki, “III-V Group Compound Semiconductors”
(Baifukan Co., Ltd., issued on May 20, 1994), 148
Table 7.1. Depends on ). Vegard
Assuming that the rule is satisfied (FIG. 1 in JP-A-59-228776, and page 8 of JP-A-4-192585, lines 8 to 3 from the lower left column in the upper column) When the lattice constants of both mixed crystals are calculated, the lattice constant of the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal is calculated to be 3.172 (A), and the lattice constant of the Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer is calculated to be 3.179 (A). Based on the gallium nitride indium and zinc constituting-doped light-emitting layer, if indicated a mismatch of lattice between the layer of bonding to the light-emitting layer and the light-emitting layer in [delta] (see text), Al 0.12 G
a 0.88 % for N mixed crystal is 0.264%, Al 0.01 G
δ of the a 0.99 N mixed crystal layer is 2.2 × 10 −2 %. Looking at the correspondence between the degree of lattice mismatch (δ) with the light emitting layer and the above-mentioned indium atom concentration in the active layer, as shown in FIG. 17, the degree of lattice mismatch (δ) between indium atoms and the light emitting layer is shown. Are distributed in such a manner that the atomic concentration increases toward the junction interface with the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer in which the ratio is larger. EBIC that confirm the presence or absence of the occurrence of the current induced by the electron beam irradiation can confirm the presence of the pn junction (E lectron B e
The evaluation by am I nduced C urrent) method, the pn junction is present in the vicinity of the interface between the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer and the light emitting layer was confirmed. Therefore, it can be said that indium in the light emitting layer is distributed so as to increase the degree of lattice mismatch (δ) and increase the atomic concentration toward the interface with the p-type bonding layer. That is, in the wafer of this embodiment, indium is doped with distribution in the layer thickness direction, and indium is doped with distribution such that the concentration of indium increases toward the junction interface with the active layer having a higher degree of lattice matching. The active (light emitting) layer was provided.

【0059】(実施例2)本実施例では、層内のインジ
ウム原子の濃度分布に対応する、ドナー不純物の濃度分
布を有する窒化ガリウムを発光層としたウェハを例にし
て本発明を説明する。基板には上記の実施例1と機械的
な仕様を同一とする(0001)(c面)サファイアを
使用した。本実施例で使用したサファイアは予め水素気
流中で1200℃前後の温度で表面処理されたものであ
ったが、実施例1に記載した窒化ガリウム緩衝層並びに
珪素のみがドーピングされた窒化ガリウム層を実施例1
に記すと同一の条件下で形成する以前に、MOCVD反
応炉内で毎分約8リットルの高純度水素が流通させた状
態で1100℃で40分間に亘り基板表面の清浄化を意
図した熱処理を施した。
(Embodiment 2) In this embodiment, the present invention will be described by taking as an example a wafer in which gallium nitride having a donor impurity concentration distribution corresponding to the indium atom concentration distribution in the layer is used as a light emitting layer. The substrate used was (0001) (c-plane) sapphire having the same mechanical specifications as in the first embodiment. The sapphire used in this example had been previously surface-treated at a temperature of about 1200 ° C. in a hydrogen stream, but the gallium nitride buffer layer described in Example 1 and the gallium nitride layer doped only with silicon were used. Example 1
Before forming under the same conditions as described in (1), a heat treatment intended to clean the substrate surface at 1100 ° C. for 40 minutes in a MOCVD reactor with approximately 8 liters of high-purity hydrogen flowing per minute was performed. gave.

【0060】サファイア基板の熱処理が終了した後、瞬
時にMOCVD炉内に流通するガス種並びに流量を、実
施例1に記す窒化ガリウム緩衝層を成長させる際のそれ
に設定し直した。この切り換えに伴うガスの流量変動が
収拾した後、実施例1と全く同一の条件で順次窒化ガリ
ウム低温緩衝層並びに珪素をドープした窒化ガリウム層
をサファイア基板上に堆積した。
After the heat treatment of the sapphire substrate was completed, the gas species and flow rate flowing in the MOCVD furnace were instantaneously reset to those used when growing the gallium nitride buffer layer described in Example 1. After the change in the gas flow rate caused by the switching was corrected, a gallium nitride low-temperature buffer layer and a silicon-doped gallium nitride layer were sequentially deposited on the sapphire substrate under exactly the same conditions as in Example 1.

【0061】実施例1と同様の層厚を有し、表面側に向
かってキャリア濃度をやや減じた上記の珪素ドープ窒化
ガリウム層上には、基本的には実施例1と同一の層厚を
有するインジウムと亜鉛とをドープした窒化ガリウム層
を発光層として堆積した。インジウムは発光層の層厚の
増加方向に実施例1と同じく増加する分布を有するのを
意図して、条件を発光層の成長時間の経過に伴って徐々
に変化させた。即ち実施例1では、インジウム源とした
シクロペンタジエニルインジウムの蒸気を随伴する水素
ガスの流量を、成長時間の増加に伴い線形的に増加させ
ることをもって原子濃度の分布を創出したが、本実施例
に於いては、発光層の成長開始時より終了時に至る間に
基板温度を時間的に変化させることをもってインジウム
の原子濃度に分布を付した。基板温度は850℃から7
70℃に至るまでの5分間に16℃/分の割合で低下さ
せた。基板温度の降温を開始する初期温度を850℃
に、降下到達温度を770℃としたのは、上記の昇華し
たインジウム源を随伴する高純度水素ガスの供給量を毎
分20ミリリットルに設定した場合、これらの基板温度
で窒化ガリウム層にドーピングされるインジウムの原子
濃度が約9〜10×1017cm-3及び約2〜3×1020
cm-3であるのが、予め本発明者による実験から知れて
いたためである。成長時間に対する基板温度の変化(低
下)量は、PID方式のプログラマブル温度調節器で精
密に制御した。更に、実施例1と異なるのは故意にドナ
ー不純物である珪素(Si)を発光層にドーピングした
ことである。この珪素のドーピングは、体積濃度にして
1.2ppm(百万分率)のジシラン(Si26 )を
含む高純度水素ガスを、内面が研磨処理された内容積を
10リットルとするマンガン(Mn)鋼製高圧ボンベから
供給することをもって果たした。このジシラン・高純度
水素混合ガスの成長反応系内への添加量(流量)は、発
光層の成長開始時に毎分8ミリリットルとし、正確に5
分後には毎分1ミリリットルに迄線形的に減少させた。
即ち、インジウム原子の濃度分布は相対する珪素元素の
層厚方向の分布の付与を意図して毎分1.4ミリリット
ルの割合で流量を減じた。一方、ジエチル亜鉛(体積濃
度100ppm)・高純度水素混合ガスの成長反応系内
への供給流量は一定に保持し、実施例1と同じく発光層
内の亜鉛原子の濃度分布をほぼ一定とすることを意図し
た。図18から図20に発光層の成長時の基板温度、原
料系及びドーピングガスの流量の時間的変化を模式的に
示す。図19及び図20に示すのは流量の変化であっ
て、実際の分子濃度(モル濃度)の絶対値の変化を示す
のではない。成長反応系に供給されるドーパントのモル
濃度は、上記した混合ガス中のドーパントの体積濃度と
ドーピングガスの供給系の温度に於けるモル(mol)
体積から算出できる。
On the above-mentioned silicon-doped gallium nitride layer having the same layer thickness as in Example 1 and having a slightly reduced carrier concentration toward the surface side, basically the same layer thickness as in Example 1 is applied. A gallium nitride layer doped with indium and zinc was deposited as a light emitting layer. The conditions were gradually changed with the elapse of the growth time of the light emitting layer, with the intention that indium had a distribution increasing in the direction of increasing the thickness of the light emitting layer as in Example 1. That is, in the first embodiment, the distribution of the atomic concentration was created by linearly increasing the flow rate of the hydrogen gas accompanying the vapor of cyclopentadienylindium as the indium source with the growth time. In the example, the atomic concentration of indium was distributed by changing the substrate temperature with time from the start to the end of the growth of the light emitting layer. Substrate temperature from 850 ° C to 7
The temperature was reduced at a rate of 16 ° C./min for 5 minutes up to 70 ° C. The initial temperature at which to start lowering the substrate temperature is 850 ° C
The reason why the temperature attained by the drop was 770 ° C. is that when the supply rate of the high-purity hydrogen gas accompanying the sublimated indium source was set to 20 ml / min, the gallium nitride layer was doped at these substrate temperatures. The atomic concentration of indium is about 9 to 10 × 10 17 cm −3 and about 2 to 3 × 10 20
cm -3 is because it was previously known from experiments by the present inventors. The amount of change (decrease) in the substrate temperature with respect to the growth time was precisely controlled by a PID type programmable temperature controller. Further, the difference from the first embodiment is that silicon (Si) as a donor impurity is intentionally doped into the light emitting layer. This silicon doping is performed by using a high-purity hydrogen gas containing 1.2 ppm (parts per million) of disilane (Si 2 H 6 ) in volume concentration, and polishing the inner volume of which the inner surface is polished.
This was accomplished by feeding from a 10 liter manganese (Mn) steel high pressure cylinder. The addition amount (flow rate) of the disilane / high-purity hydrogen mixed gas into the growth reaction system was 8 ml / min at the start of the growth of the light-emitting layer, and was accurately 5 ml / min.
After one minute, it was reduced linearly to 1 milliliter per minute.
That is, the flow rate of the indium atom concentration was reduced at a rate of 1.4 ml / min for the purpose of providing the distribution of the silicon element in the layer thickness direction. On the other hand, the supply flow rate of the diethyl zinc (volume concentration: 100 ppm) / high-purity hydrogen mixed gas into the growth reaction system is kept constant, and the concentration distribution of zinc atoms in the light emitting layer is made almost constant as in Example 1. Intended. 18 to 20 schematically show changes over time in the substrate temperature, the raw material system, and the flow rate of the doping gas during the growth of the light emitting layer. FIG. 19 and FIG. 20 show the change in the flow rate, not the change in the absolute value of the actual molecular concentration (molar concentration). The molar concentration of the dopant supplied to the growth reaction system depends on the volume concentration of the dopant in the above mixed gas and the mole (mol) at the temperature of the supply system of the doping gas.
It can be calculated from the volume.

【0062】発光層の上部には実施例1に記載の方法に
従い、アルミニウム組成比を0.12とする窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層を順次堆積
した。両層には実施例1に記した如く成長時に亜鉛及び
マグネシウムのドーピングを施した。更に、両層には成
長後、実施例1の条件に従いマグネシウムのイオン注入
を施した。かかるイオン注入の実施後に、流量を毎分2
リットルとするアンモニアガスと流量を同じく毎分2リ
ットルとするアルゴンガスとから構成されるアンモニア
・アルゴン混合気流中で、1050℃で40分間のいわ
ゆるイオン注入アニールを実施した。タングステン
(W)製プローブ(探針)間での電流の流通の程度によ
り導通性の有無を簡便に評価する探針法では、このイオ
ン注入後のアニールの実施後、初めて導通性が確認され
た。ウェハ成長後のアズグローン(as−grown)
状態ではプローブ間に明瞭な導通性は得られず、電流−
電圧特性からはむしろ高抵抗であると判断された。
According to the method described in Example 1, an aluminum gallium nitride mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.12 and a gallium nitride layer were sequentially deposited on the light emitting layer. Both layers were doped with zinc and magnesium during growth as described in Example 1. Further, both layers were subjected to magnesium ion implantation according to the conditions of Example 1 after the growth. After performing such ion implantation, the flow rate is reduced to 2 per minute.
The so-called ion implantation annealing was carried out at 1050 ° C. for 40 minutes in an ammonia / argon mixed gas flow composed of ammonia gas at 1 liter and argon gas at 2 liters per minute. In the probe method in which the presence or absence of conductivity is easily evaluated based on the degree of current flow between tungsten (W) probes (probes), the conductivity was first confirmed after annealing after the ion implantation. . As-grown after wafer growth
In this state, no clear conductivity was obtained between the probes, and the current-
It was determined from the voltage characteristics that the resistance was rather high.

【0063】セシウムイオン(Cs+ )或いは酸素イオ
ン(O2 +)を一次ビームとする飛行型(ime
light:TOF)SIMSにより、特に発光層
部のインジウム、珪素及び亜鉛の濃度分布を測定した。
図21は発光層部に於けるこれらドーパントの発光層の
層厚方向についての濃度分布を示す。発光層の層厚をド
ーパントのデプス(depth)プロファイルから求め
ると57nmとなった。インジウム原子濃度は活性層
(118)の下層(基板側)のアルミニウム組成比
(x)を1%とするn形窒化アルミニウム・ガリウム混
晶(Al0.01Ga0.99N)からなる下部クラッド層(1
17)との界面では1×1018cm-3となった。一方、
活性層(118)の上方で接合するp形Al0.12Ga
0.88N混晶からなる上部クラッド層(119)との界面
では2×1020cm-3に単調に増加していた。これよ
り、発光層内に層厚の増加方向にインジウムの原子濃度
に分布を付与するのは、実施例1に記載のインジウム源
の供給量(流量)を変化させる手段に限らず、基板温度
を経時的に変化さる手段によっても達成され得るのが判
明した。ただ、基板の成長温度を経時的に変化させる手
段に依って帰結されるインジウムの原子濃度の分布は、
インジウムの原子濃度が層厚が増加する方向に単調に増
加する傾向を示すと云えども、インジウム原子の濃度分
布は実施例1の如くインジウム源の供給流量を経時的に
増加させる手段に依る場合に比較し、若干下方に凸の分
布曲線(プロファイル)を描くが如く増加している様に
認められる(図17及び21を比較参照)。これが基板
温度を経時的に変化させる手段に依ってもたらされる特
有の分布であるのか、或いはMOCVD炉の構造等の機
械的な要因に依存ずるのかは現時点では定かではない。
[0063] cesium ions (Cs +) or oxygen ions (O 2 +) flight type to the primary beam (T ime o f
F light (TOF) SIMS was used to measure the concentration distribution of indium, silicon, and zinc, particularly in the light emitting layer.
FIG. 21 shows the concentration distribution of these dopants in the light emitting layer portion in the thickness direction of the light emitting layer. The thickness of the light-emitting layer was 57 nm when determined from the depth profile of the dopant. The lower cladding layer (1) made of an n-type aluminum nitride-gallium mixed crystal (Al 0.01 Ga 0.99 N) having an aluminum composition ratio (x) of 1% in the lower layer (substrate side) of the active layer (118) is indium atom concentration.
At the interface with (17), it was 1 × 10 18 cm −3 . on the other hand,
P-type Al 0.12 Ga bonded above the active layer (118)
At the interface with the upper cladding layer (119) made of 0.88 N mixed crystal, it monotonically increased to 2 × 10 20 cm −3 . Thus, the distribution of the indium atomic concentration in the light emitting layer in the increasing direction of the layer thickness is not limited to the means for changing the supply amount (flow rate) of the indium source described in the first embodiment. It has been found that this can also be achieved by means that change over time. However, the distribution of the atomic concentration of indium resulting from the means for changing the growth temperature of the substrate over time is as follows:
Although the atomic concentration of indium tends to increase monotonically in the direction of increasing the layer thickness, the distribution of the concentration of indium atoms depends on the means for increasing the supply flow rate of the indium source over time as in the first embodiment. In comparison, it can be seen that the distribution increases as a distribution curve (profile) slightly convex downward (see FIGS. 17 and 21). It is unclear at this time whether this is a unique distribution caused by the means for changing the substrate temperature over time, or whether it depends on mechanical factors such as the structure of the MOCVD furnace.

【0064】活性層(118)内部の珪素は、その原子
の濃度分布(プロファイル)に明示される様にインジウ
ム原子の場合とは逆の傾向を呈した。即ち、活性層(1
18)の下方に接合するn形Al0.01Ga0.99N)から
なる下部クラッド層(117)との界面での濃度1×1
18cm-3から、活性層(118)の上部のp形Al
0.12Ga0.88N混晶からなる上部クラッド層(119)
との界面に向けて1×1018cm-3まで単調に減少して
いた(図21参照)。一方、亜鉛はインジウム及び珪素
の原子濃度分布の態様に関係なく、ほぼ発光層の層厚方
向に一様に8×1018cm-3の濃度で分布していた。
The silicon inside the active layer (118) exhibited a tendency opposite to that of indium atoms, as evident from the concentration distribution (profile) of the atoms. That is, the active layer (1)
18) a concentration of 1 × 1 at the interface with the lower cladding layer (117) made of n-type Al 0.01 Ga 0.99 N) joined below
0 18 cm -3 , p-type Al on top of active layer (118)
Upper cladding layer made of 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal (119)
It monotonically decreased to 1 × 10 18 cm −3 toward the interface with the substrate (see FIG. 21). On the other hand, zinc was distributed almost uniformly in the thickness direction of the light emitting layer at a concentration of 8 × 10 18 cm −3 irrespective of the mode of atomic concentration distribution of indium and silicon.

【0065】SIMS分析時のイオンスパッタリング法
と同様のエッチング作用をもたらすアルゴン(Ar)を
用いるスパッタリング法で、発光層の上部に在る成膜時
に亜鉛とマグネシウムが共にドーピングされ、成膜後マ
グネシウムのイオン注入が施されてなるp形の窒化ガリ
ウム層及びp形Al0.12Ga0.88N混晶層をエッチング
により除去して、インジウム、珪素及び亜鉛ドープの窒
化ガリウム発光層の表面を露出させた。露呈した発光層
の表面は極く僅かではあるがやや黄色に帯色している様
に見受けられた。更に表面を低倍率の微分干渉型光学顕
微鏡で偏光を付与して観察したところ、円形或いは楕円
形の丘状の突起(起伏)が観察された。室温に於けるフ
ォトルミネッセンス(PL)測定では、窒化ガリウムの
バンド端が365nm近傍に、また亜鉛に関連した準位
に起因すると推定される430nm近傍のスペクトルが
観測されるのみであった。珪素を故意にドーピングした
際に出現し易いとされる窒化ガリウム・インジウム混晶
に特有の約380〜390nm近傍の近紫外領域のPL
発光は認められなかった。
In a sputtering method using argon (Ar) having an etching effect similar to the ion sputtering method in SIMS analysis, zinc and magnesium are doped together at the time of film formation above the light emitting layer. the ion implantation gallium nitride layer of p-type formed by subjected and the p-type Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer is removed by etching to expose indium, the surface of the silicon and zinc-doped gallium nitride light emitting layer. The surface of the exposed light-emitting layer was very slightly, but slightly yellowish. Furthermore, when the surface was polarized and observed with a low-power differential interference optical microscope, circular or elliptical hill-like projections (undulations) were observed. In photoluminescence (PL) measurement at room temperature, only a band edge of gallium nitride near 365 nm and a spectrum near 430 nm estimated to be caused by a level related to zinc were observed. PL in the near-ultraviolet region around 380-390 nm, which is peculiar to gallium-indium nitride mixed crystals, which is likely to appear when silicon is intentionally doped.
No luminescence was observed.

【0066】以上要約すれば、本実施例では窒化ガリウ
ム・インジウム混晶の形成を果たすに至らない濃度でイ
ンジウムがドーピングされ、且つ実施例1とは異なる手
段をもってインジウム原子の濃度分布が付与された、窒
化ガリウム層を発光層として具備したウェハが形成され
た。
In summary, in this embodiment, indium was doped at a concentration that did not achieve the formation of the gallium nitride-indium mixed crystal, and the concentration distribution of indium atoms was given by means different from that of the first embodiment. Thus, a wafer having a gallium nitride layer as a light emitting layer was formed.

【0067】(実施例3)本実施例では、実施例1に記
載と同一の基板、発光層及び発光層より上部の層構成を
有しながら、発光層の下方に接合する層としてインジウ
ムがドープされた窒化ガリウム層を具備したウェハの構
成例を示す。先ず、実施例1に記載のサファイア基板上
に、実施例1の条件で窒化ガリウムからなる緩衝層を堆
積した。正確に15分間緩衝層の成長を実施した後、II
I 族原料供給源系統の配管系に設置されたバルブの開閉
操作により、トリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素
バブリングガスの水素キャリアガスへの混合を瞬時に停
止した。
(Embodiment 3) In this embodiment, while having the same substrate, light emitting layer, and layer structure above the light emitting layer as described in Embodiment 1, indium is doped as a layer to be bonded below the light emitting layer. 2 shows a configuration example of a wafer provided with a gallium nitride layer. First, a buffer layer made of gallium nitride was deposited on the sapphire substrate described in Example 1 under the conditions of Example 1. After performing the growth of the buffer layer for exactly 15 minutes, II
By opening and closing a valve installed in the piping system of the Group I raw material supply system, mixing of the hydrogen bubbling gas accompanying the vapor of trimethylgallium with the hydrogen carrier gas was instantaneously stopped.

【0068】次に、反応炉内の圧力の変動の抑制を期し
て、配管系に設けたバルブの開閉操作によりキャリアガ
スを構成するガス種を、先ず水素から同流量のアルゴン
ガスに瞬時に切り換えた。然る後、約2分間でアルゴン
ガスの流量を電子式質量流量計(MFC)により毎分8
リットルより毎分5リットルに緩やかに減少させた。ア
ンモニアガスの流量は毎分1リットルとして変更を加え
なかった。キャリアガスをアルゴンに変更し、その流量
を調整した後、上記の抵抗加熱型ヒーターに投入する電
力量をサイリスタ(thyristor)方式の電気回
路を介し制御して、サファイア基板の温度を珪素ドープ
窒化ガリウム成長層の成長温度である1100℃に上昇
させた。1100℃に到達した後、温度指示値からみて
温度の過渡が減衰したと判断してから、約5分後にアル
ゴンガスの流量を毎分5リットルから毎分3リットルに
減ずると同時に、水素ガスを毎分3リットルの流量をも
って再び反応炉内に供給し始めた。即ち、流量を等しく
する水素及びアルゴンからキャリアガスを構成した。併
せて、アンモニアガスの流量を毎分1リットルより毎分
4リットルに増加させた。これらのガスの流量変更は時
間にして約2分間以内に全て並行して完了した。また、
これらの流量の変更を加えた時間帯域には、高純度水素
ガスにより体積濃度にして約1.2ppmに希釈された
ジシラン(Si26 )ガスを毎分5ミリリットルの流
量をもって、次のガリウム源を供給する以前に珪素(S
i)のドーピングガス(ドーピング源)として予め反応
炉内に供給しておいた。この流量の変更から正確に3分
間経過後、上記組成のキャリアガスにトリメチルガリウ
ム並びにトリメチルアルミニウムの蒸気を随伴する水素
バブリングガスを混合させることをもって窒化ガリウム
成長層の成長を開始した。この際、トリメチルガリウム
を収納する前記のステンレス鋼製バブラー容器の温度
は、前記の電子式恒温層により市販のエチレングリコー
ルを伝熱(冷却)媒体として13℃とした。また、液体
トリメチルガリウムをバブリングする水素の流量は毎分
5ミリリットルとした。また、トリメチルアルミニウム
を収納する内面を鏡面研磨されたステンレス鋼製バブラ
ー容器の温度は、前記と同様の電子式恒温層により市販
のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒体として25℃
とした。液化したトリメチルアルミニウムをバブリング
する水素の流量は毎分5ミリリットルとした。これら各
種ガスの流量条件を保持した状態で、上記組成のキャリ
アガスへのトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バ
ブリングガスの混合を90分間に亘り継続して、層厚を
約3.5μmとする珪素(Si)ドープn形窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層を成長させた。正確に90分経
過後、トリメチルガリウム並びにトリメチルアルミニウ
ムの蒸気を随伴する水素バブリングガス及びの珪素のド
ーピングガスであるジシランガスの水素・アルゴン混合
キャリアガスへの添加を遮断して、珪素ドープn形窒化
アルミニウム・ガリウム層の成長を終了した。これと同
一の条件下に於いて、上記の窒化ガリウム緩衝層層上に
堆積された珪素ドープn形窒化アルミニウム・ガリウム
混晶層のキャリア濃度は約3×1018cm-3と一定であ
った。
Next, in order to suppress the fluctuation of the pressure in the reactor, the gas type constituting the carrier gas is instantaneously switched from hydrogen to argon gas at the same flow rate by opening and closing a valve provided in the piping system. Was. Thereafter, the flow rate of argon gas was measured at about 8 minutes per minute by an electronic mass flow meter (MFC) in about 2 minutes.
It was slowly reduced from 5 liters to 5 liters per minute. The ammonia gas flow rate was 1 liter per minute and was not changed. After changing the carrier gas to argon and adjusting its flow rate, the amount of electric power supplied to the above-mentioned resistance heating type heater is controlled through a thyristor-type electric circuit to control the temperature of the sapphire substrate to silicon-doped gallium nitride. The temperature was raised to 1100 ° C., which is the growth temperature of the growth layer. After reaching 1100 ° C., it is judged from the temperature indication value that the transient of the temperature has attenuated. After about 5 minutes, the flow rate of the argon gas is reduced from 5 liters per minute to 3 liters per minute, and at the same time, the hydrogen gas is reduced. It was again fed into the reactor at a flow rate of 3 liters per minute. That is, the carrier gas was composed of hydrogen and argon having the same flow rate. At the same time, the flow rate of ammonia gas was increased from 1 liter per minute to 4 liters per minute. The changes in the flow rates of these gases were all completed in parallel within about two minutes. Also,
In the time zone where these flow rates were changed, disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to a volume concentration of about 1.2 ppm with high-purity hydrogen gas at a flow rate of 5 ml / min and the next gallium Before supplying the source, silicon (S
The doping gas (doping source) of i) was previously supplied into the reactor. Exactly three minutes after the change of the flow rate, the growth of the gallium nitride growth layer was started by mixing trimethylgallium and a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylaluminum vapor with the carrier gas having the above composition. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was 13 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum, whose inner surface is mirror-polished, is set at 25 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the same electronic thermostat as described above.
And The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min. While maintaining the flow rate conditions of these various gases, the mixing of the hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium into the carrier gas having the above composition is continued for 90 minutes to obtain a silicon gas having a layer thickness of about 3.5 μm. A (Si) -doped n-type aluminum nitride-gallium mixed crystal layer was grown. After exactly 90 minutes, the addition of hydrogen bubbling gas accompanied by vapors of trimethylgallium and trimethylaluminum and disilane gas, which is a doping gas for silicon, to the hydrogen / argon mixed carrier gas is stopped, and silicon-doped n-type aluminum nitride is removed. -Gallium layer growth is completed. Under the same conditions, the carrier concentration of the silicon-doped n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer deposited on the above-mentioned gallium nitride buffer layer was constant at about 3 × 10 18 cm −3 . .

【0069】アンモニアガスの流量をそのままとし、キ
ャリアガスを構成していた水素ガスの成長反応系への供
給を遮断して、成長反応系に導入されるガスをアルゴン
とアンモニアの2種とした。このガスの切り換えは、上
記のトリメチルガリウムの蒸気を随伴する水素バブリン
グガス等の成長反応系への供給を遮断した後、約2分間
以内に実施した。然る後、基板温度を1100℃より8
50℃に20℃/分の速度で降下させた。850℃に降
下した後、約3分間で温度のハンチングが解消され基板
温度が安定した後、トリメチルガリウムの蒸気を随伴す
る水素バブリングガス、インジウム源及び珪素ドーピン
グ源の供給を開始することをもってインジウムと珪素と
をドーピングした窒化ガリウム層を形成した。この際、
トリメチルガリウムを収納する上記のスレンレス鋼製バ
ブラーの容器を電子式恒温槽により0℃に保持した。液
体トリメチルガリウムをバブリングするための高純度水
素ガスの流量は電子式質量流量計(MFC)により毎分
3.2ミリリットルとした。インジウム源としては電子
供与性のアンモニアと気相反応を起こし難いシクロペン
タジエニルインジウムを利用した。同インジウム源は実
施例1乃至2の場合と同様に内面が鏡面研磨されたステ
ンレス鋼製ボトル内に収納されている。同ボトルは電子
制御式恒温槽により60℃に保持した。インジウム源を
収納するボトル内に昇華したインジウム源を随伴して成
長反応系に供給するための高純度水素ガスを毎分20の
流量をもって供給した。インジウム及び珪素がドープさ
れたn形の窒化ガリウム層の成長は時間にして60分間
行った。珪素のドーピング条件は上記の珪素ドープn形
窒化ガリウムの成長時と同一とした。これにより、珪素
がドーピングされたn形窒化ガリウム層上にインジウム
と珪素が共にドーピングされたn形の窒化ガリウム層を
発光層の下側(基板側)で接合する接合層として堆積し
た。
While the flow rate of the ammonia gas was kept as it was, the supply of the hydrogen gas constituting the carrier gas to the growth reaction system was cut off, and two kinds of gas, argon and ammonia, were introduced into the growth reaction system. The switching of the gas was performed within about 2 minutes after the supply of the hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium to the growth reaction system was cut off. After that, the substrate temperature is reduced from 1100 ° C. to 8
The temperature was lowered to 50 ° C. at a rate of 20 ° C./min. After the temperature dropped to 850 ° C., the hunting of the temperature was eliminated in about 3 minutes and the substrate temperature was stabilized. After that, the supply of hydrogen bubbling gas accompanied by the vapor of trimethylgallium, the indium source and the silicon doping source were started to supply indium and indium. A gallium nitride layer doped with silicon was formed. On this occasion,
The above stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was maintained at 0 ° C. by an electronic thermostat. The flow rate of the high-purity hydrogen gas for bubbling the liquid trimethylgallium was 3.2 ml / min by an electronic mass flow meter (MFC). As the indium source, cyclopentadienyl indium, which hardly causes a gas phase reaction with electron-donating ammonia, was used. The indium source is housed in a stainless steel bottle whose inner surface is mirror-polished as in the case of the first and second embodiments. The bottle was kept at 60 ° C. by an electronically controlled thermostat. A high-purity hydrogen gas was supplied at a flow rate of 20 per minute to supply the sublimated indium source to the growth reaction system in the bottle containing the indium source. The n-type gallium nitride layer doped with indium and silicon was grown for 60 minutes. The silicon doping conditions were the same as those for the growth of the silicon-doped n-type gallium nitride. Thus, an n-type gallium nitride layer doped with both indium and silicon was deposited on the silicon-doped n-type gallium nitride layer as a bonding layer to be bonded below the light emitting layer (substrate side).

【0070】然る後、実施例1に記載のキャリアガスの
流量及び基板温度等の条件をそのまま踏襲して、インジ
ウム、珪素及び亜鉛をドーピングした窒化ガリウム発光
層、亜鉛及びマグネシウムをドーピングした窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層及び亜鉛及びマグネシウムをド
ーピングした窒化ガリウム層を、順次上記のインジウム
及び珪素がドーピングされた窒化ガリウム接合層上に形
成した。亜鉛及びマグネシウムをドーピングした窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層につい
ては、質量数24のマグネシウムのイオンを実施例1と
同一の条件をもって注入した。イオン注入を完了したウ
ェハには実施例1に記載の条件下でイオン注入アニール
を施した。
Thereafter, the conditions such as the flow rate of the carrier gas and the substrate temperature described in Example 1 are directly followed, and the gallium nitride light emitting layer doped with indium, silicon and zinc, and the aluminum nitride doped with zinc and magnesium are used. A gallium mixed crystal layer and a gallium nitride layer doped with zinc and magnesium were sequentially formed on the above-mentioned gallium nitride bonding layer doped with indium and silicon. As for the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer and the gallium nitride layer doped with zinc and magnesium, magnesium ions having a mass number of 24 were implanted under the same conditions as in Example 1. The wafer on which the ion implantation was completed was subjected to ion implantation annealing under the conditions described in Example 1.

【0071】イオン注入アニール後、構成元素並びにド
ーパントのウェハの表面より基板側の深部に至る深さ方
向の濃度分布をSIMS法で測定した。SIMS分析に
より判別された積層構成は次の如くであった。即ち、ウ
ェハの表面側から先ず、層厚を約100nmとする窒化
ガリウム層、層厚を約113nmとし、アルミニウム組
成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶
層、インジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた層厚
を約60nmとする窒化ガリウム層、インジウム及び珪
素がドーピングされた層厚を約200nmとする窒化ガ
リウム層、及び珪素のみがドーピングされた窒化ガリウ
ム層からなる構成であった。窒化ガリウム低温緩衝層の
存在はSIMS分析からは明瞭に認められなかった。一
方、ドーパントは実施例1に記載の分布形態と際たる相
違は確認されなかった。特に、発光層として成長させた
インジウム、亜鉛及び珪素をドーピングした窒化ガリウ
ム層内のインジウム、珪素及び亜鉛の層厚の増加方向に
ついての分布はほぼ同様であると認められた。発光層の
下層側に配置され、発光層と接合するインジウム及び珪
素がドーピングされた窒化ガリウム層接合内のインジウ
ム及び珪素原子はそれらの深さ方向の分布態様(濃度プ
ロファイル)から、層内でほぼ一様に分布しているのが
認められた。接合層内のインジウムの原子濃度は約6×
1019cm-3であると計測された。接合層内で珪素は同
層の層厚方向の略一様にほぼ一定の濃度(約6×1019
cm-3)で分布していた。接合層内部に於けるこの珪素
の原子濃度は接合層の下部に配置した珪素ドープn形窒
化ガリウム層の珪素原子の濃度(約3×1019cm-3
に比較すれば大であるが、接合層のキャリア濃度は、接
合層の下部に配置した珪素ドープn形窒化ガリウム層の
それに(9×1017cm-3)比較すれば、逆に10〜1
5%程度、低濃度に測定された。この比較は上記の窒化
ガリウム緩衝層上に本実施例に記載の条件下で別途、成
長させた珪素ドープn形窒化ガリウム層並びに同層上に
インジウム及び珪素をドーピングした窒化ガリウム層を
個別に作製し、各々について、一般的な電解C−V法に
より零(0)バイアス下で測定され、いわばドナー濃度
上での比較である。
After the ion implantation annealing, the concentration distribution of the constituent elements and the dopant in the depth direction from the surface of the wafer to the deep portion on the substrate side was measured by SIMS. The lamination structure determined by SIMS analysis was as follows. That is, first, a gallium nitride layer having a layer thickness of about 100 nm, an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.12, indium, silicon, and zinc are formed from the front side of the wafer. The structure was composed of a gallium nitride layer having a doped layer thickness of about 60 nm, a gallium nitride layer having a layer thickness of about 200 nm doped with indium and silicon, and a gallium nitride layer doped only with silicon. The presence of the gallium nitride low temperature buffer layer was not clearly observed from SIMS analysis. On the other hand, no difference was observed between the dopant and the distribution form described in Example 1. In particular, it was recognized that the distributions of indium, silicon, and zinc in the gallium nitride layer doped with indium, zinc, and silicon grown in the light emitting layer were almost the same in the increasing direction of the layer thickness. The indium and silicon atoms in the indium and silicon-doped gallium nitride layer junction, which is disposed below the light emitting layer and is in contact with the light emitting layer, are substantially in the layer due to their distribution in the depth direction (concentration profile). Uniform distribution was observed. The atomic concentration of indium in the bonding layer is about 6 ×
It was measured to be 10 19 cm -3 . In the bonding layer, silicon has a substantially uniform concentration (about 6 × 10 19) in the thickness direction of the same layer.
cm -3 ). The atomic concentration of silicon in the bonding layer is determined by the concentration of silicon atoms (about 3 × 10 19 cm −3 ) in the silicon-doped n-type gallium nitride layer disposed below the bonding layer.
The carrier concentration of the bonding layer is larger than that of the silicon-doped n-type gallium nitride layer disposed below the bonding layer (9 × 10 17 cm −3 ).
It was measured at a low concentration of about 5%. In this comparison, a silicon-doped n-type gallium nitride layer and a gallium nitride layer doped with indium and silicon were separately formed on the above gallium nitride buffer layer separately under the conditions described in this example. However, each was measured under a zero (0) bias by a general electrolytic CV method, that is, a comparison on a donor concentration.

【0072】別途、上記の条件下で作製し、同一の積層
構成とほぼ同様のドーパント分布を有するものとSIM
S分析により確認されたウェハを、アルゴンイオン(A
+)スパッタリング法により表層部からエッチングし
た。一試料はスパッタエッチングによりインジウム、珪
素及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム発光層の表
面が露呈するまでエッチングした。他の試料は更にエッ
チングを進行させて発光層の下部に接合するインジウム
及び珪素ドープ窒化ガリウム層の表面を露出させたもの
とした。発光層の表面が露出された試料に波長を325
nmとするHe−Cdレーザ光を照射してPLスペクト
ルを観測した。室温でのPLスペクトルには波長約36
5nmに窒化ガリウム結晶のバンド端発光と約430n
m近傍に亜鉛に起因すると推定される発光が認められ
た。これとは別のアンドープ窒化ガリウム結晶から得ら
れるバンド端発光の波長位置はやはり約365nmであ
った。この発光層とほぼ同一の層厚の亜鉛と珪素のみが
ドーピングされたn形窒化ガリウム層に認められる波長
約430nm近傍の青色発光の強度は本実施例の場合と
比較し、約50分の1程度であった。これより、本実施
例が記す如く波長430nm帯に高強度の青色ルミネッ
センス発光が得られるのはインジウムのドーピングによ
る効果であると解釈された。一方、発光層の下方に配置
したインジウムドープ接合層からの室温PLにも、発光
層の場合に比べれば発光強度的に微弱とはなっているも
のの、波長を約365nmとする窒化ガリウム結晶のバ
ンド端発光が出現するのみであった。発光層表面からの
PLスペクトルと同様に珪素のドーピングにより出現し
易くなるとされる波長約380〜390nm近傍の近紫
外帯域に発光は認められなかった。また、この接合層に
は亜鉛のドーピングを施してはいないため、波長430
nm近傍の青色ルミネッセンス発光は出現しなかった。
従って、窒化ガリウム発光層及び発光層に接合する窒化
ガリウム層には、双方共にインジウムがドーピングされ
ているものの、バンド端発光が出現する位置(波長)が
窒化ガリウム結晶のそれと一致することから混晶化した
窒化ガリウム・インジウムではなく、紛れもなく単にイ
ンジウムがドーピングされた窒化ガリウムであると判断
された。また、バンド端発光の出現する波長が双方で一
致することは双方の層が同一のバンドギャップ(禁止帯
幅)を保有していることを意味する。即ち、接合構造の
観点からすれば、発光層との接合を形成する計2層の窒
化物化合物半導体層にあって、その一方の窒化物半導体
層は発光層と同一の材料、即ち、窒化ガリウムから構成
される接合層となった。
Separately manufactured under the above conditions and having the same layered structure and almost the same dopant distribution as SIM
The wafer confirmed by the S analysis was replaced with argon ions (A
r + ) The surface layer was etched by a sputtering method. One sample was etched by sputter etching until the surface of the gallium nitride light emitting layer doped with indium, silicon and zinc was exposed. In other samples, the etching was further advanced to expose the surface of the indium and silicon-doped gallium nitride layer bonded to the lower portion of the light emitting layer. A wavelength of 325 was applied to the sample where the surface of the light emitting layer was exposed.
The PL spectrum was observed by irradiating He-Cd laser light having a wavelength of nm. The PL spectrum at room temperature has a wavelength of about 36.
Band edge emission of gallium nitride crystal at 5nm and about 430n
Light emission presumed to be caused by zinc was observed near m. The wavelength position of band edge emission obtained from another undoped gallium nitride crystal was also about 365 nm. The intensity of blue emission near a wavelength of about 430 nm observed in an n-type gallium nitride layer doped only with zinc and silicon having substantially the same thickness as that of the light emitting layer is about 1/50 of that of the present embodiment. It was about. From this, it was interpreted that the effect of indium doping is to obtain high-intensity blue luminescence in the 430 nm wavelength band as described in this example. On the other hand, even at room temperature PL from the indium-doped junction layer disposed below the light-emitting layer, the band of the gallium nitride crystal having a wavelength of about 365 nm is slightly weaker in emission intensity than that of the light-emitting layer. Only edge emission appeared. As in the PL spectrum from the surface of the light-emitting layer, no light was observed in the near-ultraviolet band near the wavelength of about 380 to 390 nm, which tends to appear due to silicon doping. In addition, since this bonding layer is not doped with zinc, the wavelength 430
Blue luminescence emission in the vicinity of nm did not appear.
Therefore, although the gallium nitride light-emitting layer and the gallium nitride layer bonded to the light-emitting layer are both doped with indium, the position (wavelength) at which band edge emission appears coincides with that of the gallium nitride crystal. It was determined that it was not gallium indium nitride converted but gallium nitride doped with indium without doubt. In addition, the coincidence of the wavelengths at which the band edge emission appears in both layers means that both layers have the same band gap (forbidden band width). That is, from the viewpoint of the junction structure, there are a total of two nitride compound semiconductor layers that form a junction with the light emitting layer, and one of the nitride semiconductor layers is made of the same material as the light emitting layer, that is, gallium nitride. Was formed.

【0073】本実施例で得られたウェハの一部を垂直方
向に切断して短冊状の薄片を作製した。薄片作製後、ア
ルゴン(Ar)イオンエッチングにより薄片の断面の一
部を更に薄層化させて、断面TEM(透過電子顕微鏡)
観察に供した。元素分析であるSIMS法では不明瞭で
あった窒化ガリウム緩衝層は、断面TEM法によればそ
の存在が明瞭に判別された。撮像された明視野像から測
長して求めた窒化ガリウム緩衝層の層厚は約6.5nm
であった。明視野法で撮像された窒化ガリウム緩衝層に
相当する領域には、転位の存在に起因すると想像される
暗線像(コントラスト像)が100オングストローム
(A)の幅に少なくとも1本以上、単純に面積密度にし
て1012cm-2程度と多量に存在した。しかし、サファ
イアc面基板と窒化ガリウム緩衝層との界面の格子像が
確認できる程度の高倍率下での観察では、サファイア基
板表面上には少なくとも数層の格子像が配列しているの
が認められた。窒化ガリウム緩衝層を直線的に上方に突
き抜けた暗線、即ち、転位は窒化ガリウム緩衝層上の層
厚3.5μmの窒化アルミニウム・ガリウム混晶層のほ
ぼ中央部で、積層欠陥等の介入によって鉛直上方に伝搬
するのが抑制されている様な兆候が認められた。窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層の層厚のほぼ中途より上方
の、インジウムドープ窒化ガリウム接合層及び発光層へ
と伝搬する転位はその密度を明らかに減じていた。これ
に加え、インジウムドープ窒化ガリウム接合層と同じく
インジウムドープ発光層との界面には、ミスフィット転
位に因ると思われる暗コントラストの新たな発生は殆ど
認められなかった。このため、インジウムドープ発光層
の明視野断面TEM像には、暗線像が観測されない領域
が拡大しているのが確認された。これは、発光層と接合
層とは格子整合の関係にあり、両層の接合部で発生する
転位や結晶欠陥の発生が密度が抑制されるためであると
解釈された。観測領域幅が累計にして約1μmに到達し
た場合、暗線が発光層及び接合層内部の1乃至2箇所の
極く限られた領域に集中して観測されたが、これらは主
にサファイア基板と窒化ガリウム緩衝層との界面若しく
はその近傍を起源とする貫通転位に因る暗コントラスト
であった。一部領域に於いては、これらの貫通転位は発
光層上部の上記した窒化アルミニウム・ガリウム混晶及
び最表層の窒化ガリウム層の表面迄到達していた。貫通
転位が突き抜ける位置に相当する窒化ガリウム層の表面
にはピットが存在した。
A part of the wafer obtained in this example was cut in the vertical direction to produce a strip-shaped thin piece. After preparing the flake, a part of the cross section of the flake is further thinned by argon (Ar) ion etching, and the TEM (transmission electron microscope) is used.
It was subjected to observation. The presence of the gallium nitride buffer layer, which was unclear by the SIMS method as the elemental analysis, was clearly determined by the cross-sectional TEM method. The thickness of the gallium nitride buffer layer obtained by measuring the length from the captured bright field image is about 6.5 nm.
Met. In a region corresponding to the gallium nitride buffer layer imaged by the bright field method, at least one dark line image (contrast image) supposed to be caused by the presence of dislocations has a simple area of at least one in a width of 100 Å (A). It was present in a large amount at a density of about 10 12 cm -2 . However, observation under a high magnification such that a lattice image of the interface between the sapphire c-plane substrate and the gallium nitride buffer layer can be confirmed shows that at least several lattice images are arranged on the sapphire substrate surface. Was done. A dark line that linearly penetrates upward through the gallium nitride buffer layer, that is, the dislocation is substantially at the center of the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having a thickness of 3.5 μm on the gallium nitride buffer layer, and is vertical due to stacking faults and the like. There were signs that propagation upwards was suppressed. The dislocation propagating to the indium-doped gallium nitride junction layer and the light-emitting layer, which is almost halfway up the thickness of the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer, clearly reduced its density. In addition, almost no new occurrence of dark contrast attributable to misfit dislocations was observed at the interface between the indium-doped gallium nitride junction layer and the indium-doped light-emitting layer. For this reason, in the bright-field cross-sectional TEM image of the indium-doped light emitting layer, it was confirmed that the region where no dark line image was observed was enlarged. This was interpreted to be because the light emitting layer and the bonding layer had a lattice matching relationship, and the density of dislocations and crystal defects generated at the bonding portion between the two layers was suppressed. When the observation area width reached about 1 μm in total, dark lines were observed concentrated in one or two extremely limited areas inside the light emitting layer and the bonding layer. The dark contrast was due to threading dislocations originating at or near the interface with the gallium nitride buffer layer. In some regions, these threading dislocations reached the surface of the above-described aluminum-gallium nitride mixed crystal and the outermost gallium nitride layer above the light-emitting layer. Pits were present on the surface of the gallium nitride layer corresponding to positions where threading dislocations penetrated.

【0074】(実施例4)本実施例では上記の発光層と
の接合をなす第一の接合層に加え、更に第一接合層と接
合する第二の接合層をインジウムがドーピングされたII
I 族窒化物半導体から構成する例を示す。端的に云え
ば、上記の実施例3に記載のインジウムがドーピングさ
れた窒化ガリウム接合層(第一の接合層)を、同じくイ
ンジウムがドープされた窒化ガリウム層(第二の接合
層)に設けた構成からなるウェハを例示する。
(Embodiment 4) In this embodiment, in addition to the above-described first bonding layer for bonding to the light emitting layer, a second bonding layer for bonding to the first bonding layer is further doped with indium.
An example composed of a group I nitride semiconductor will be described. In short, the indium-doped gallium nitride bonding layer (first bonding layer) described in Example 3 above was provided on the indium-doped gallium nitride layer (second bonding layer) as well. An example of a wafer having the above configuration will be described.

【0075】上記実施例3に記載の窒化ガリウム緩衝層
上に、インジウムと珪素を共にドーピングしたn形の窒
化アルミニウム・ガリウム混晶層を成長させた。同混晶
層の成長は毎分3リットルに流量を設定されたアルゴン
ガス及び水素ガス並びに毎分4リットルに流量を設定さ
れたアンモニアガスとからなる混合気流(キャリアガ
ス)中で1100℃で実施した。混晶の成長開始時以前
には予め、高純度水素ガスにより体積濃度にして約1.
2ppmに希釈されたジシラン(Si26 )ガスを毎
分5ミリリットルの流量をもって添加した。次に、上記
組成のキャリアガスにトリメチルガリウム並びにトリメ
チルアルミニウムの蒸気を随伴する水素バブリングガス
を混合させることをもって窒化ガリウム成長層の成長を
開始した。この際、トリメチルガリウムを収納する前記
のステンレス鋼製バブラー容器の温度は前記の電子式恒
温層により市販のエチレングリコールを伝熱(冷却)媒
体として13℃とした。また、液体トリメチルガリウム
をバブリングする水素の流量は毎分5ミリリットルとし
た。また、トリメチルアルミニウムを収納する内面を鏡
面研磨されたステンレス鋼製バブラー容器の温度は前記
と同様の電子式恒温層により市販のエチレングリコール
を伝熱(冷却)媒体として25℃とした。液化したトリ
メチルアルミニウムをバブリングする水素の流量は毎分
5ミリリットルとした。
On the gallium nitride buffer layer described in Example 3, an n-type aluminum-gallium nitride mixed crystal layer doped with both indium and silicon was grown. The mixed crystal layer was grown at 1100 ° C. in a mixed gas flow (carrier gas) composed of argon gas and hydrogen gas set at a flow rate of 3 liters per minute and ammonia gas set at a flow rate of 4 liters per minute. did. Before the start of mixed crystal growth, a volume concentration of about 1.
Disilane (Si 2 H 6 ) gas diluted to 2 ppm was added at a flow rate of 5 ml / min. Next, the growth of the gallium nitride growth layer was started by mixing the carrier gas of the above composition with a hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium and trimethylaluminum vapor. At this time, the temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylgallium was set at 13 ° C. by using the commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the electronic constant temperature layer. The flow rate of hydrogen for bubbling liquid trimethylgallium was 5 ml / min. The temperature of the stainless steel bubbler container containing trimethylaluminum and having an inner surface mirror-polished was set at 25 ° C. using commercially available ethylene glycol as a heat transfer (cooling) medium by the same electronic thermostat as described above. The flow rate of hydrogen for bubbling the liquefied trimethylaluminum was 5 ml / min.

【0076】本実施例では、トリメチルガリウム及びト
リメチルアルミニウムを各々随伴する水素バブリングガ
スを、キャリアガスへの添加を開始すると同時にインジ
ウム源を随伴する高純度水素ガスの添加を開始した。イ
ンジウムがドーピングされた窒化アルミニウム・ガリウ
ム混晶層を得るためである。インジウム源としてはルイ
ス(Lewis)塩基性のアンモニアと気相反応を起こ
し難いルイス酸性的なシクロペンタジエニルインジウム
を利用した。同インジウム源は実施例1乃至3の場合と
同様に内面が鏡面研磨されたステンレス鋼製ボトル内に
収納した。同ボトルは電子制御式恒温槽により60℃に
保持した。インジウム源を収納するボトル内に昇華した
インジウム源を随伴して成長反応系に供給するための高
純度水素ガスを毎分20ミリリットルの流量をもって供
給した。インジウム及び珪素がドープされたn形の窒化
ガリウム層の成長は、約3.5μmの層厚を意図して時
間にして90分間継続した。珪素はジシラン(Si2
6 )を体積濃度にして約1.2ppm含む高純度水素−
ジシラン(Si26 )混合ガスを毎分5ミリリットル
の流量で上記のキャリアガス中に添加することをもって
ドーピングした。これにより、窒化ガリウム緩衝層上に
インジウムと珪素が共にドーピングされたn形の窒化ガ
リウム層を第二の接合層として堆積した。
In this embodiment, the addition of the hydrogen bubbling gas accompanying trimethylgallium and trimethylaluminum to the carrier gas was started, and at the same time, the addition of the high-purity hydrogen gas accompanying the indium source was started. This is for obtaining an aluminum-gallium nitride mixed crystal layer doped with indium. As the indium source, Lewis acidic cyclopentadienyl indium, which hardly causes a gas phase reaction with Lewis basic ammonia, was used. The indium source was housed in a stainless steel bottle whose inner surface was mirror-polished as in Examples 1 to 3. The bottle was kept at 60 ° C. by an electronically controlled thermostat. A high-purity hydrogen gas was supplied at a flow rate of 20 ml / min for supplying the sublimated indium source to the growth reaction system together with the sublimated indium source in the bottle containing the indium source. The growth of the n-type gallium nitride layer doped with indium and silicon was continued for 90 minutes, with a time intended for a layer thickness of about 3.5 μm. Silicon is disilane (Si 2 H
6 ) High purity hydrogen containing about 1.2 ppm by volume of
Doping was performed by adding a mixed gas of disilane (Si 2 H 6 ) at a flow rate of 5 ml / min into the above carrier gas. Thus, an n-type gallium nitride layer doped with both indium and silicon was deposited as a second bonding layer on the gallium nitride buffer layer.

【0077】第二の接合層上には、実施例3に記載の条
件に従いインジウムと珪素がドーピングされた第一の接
合層となるn形の窒化ガリウム層、インジウムと珪素と
亜鉛とがドーピングされた発光層となる窒化ガリウム
層、亜鉛とマグネシウムがドーピングされた窒化アルミ
ニウム・ガリウム混晶層(上部クラッド層)及び亜鉛と
マグネシウムがドーピングされた窒化ガリウム層(コン
タクト層)を順次、堆積した。亜鉛とマグネシウムがド
ーピングされた窒化アルミニウム・ガリウム層並びに窒
化ガリウム層には成膜後、実施例3に記載した注入条件
下でマグネシウムのイオン注入を施した。これより、発
光層、発光層と接合する第一の接合層及び第一の接合層
に接合する第二の接合層の何れをもインジウムがドーピ
ングされた窒化ガリウム系半導体層とする接合構成を備
えたウェハを作製した。
On the second bonding layer, an n-type gallium nitride layer serving as a first bonding layer doped with indium and silicon according to the conditions described in Embodiment 3, and indium, silicon and zinc are doped. A gallium nitride layer serving as a light emitting layer, an aluminum / gallium nitride mixed crystal layer doped with zinc and magnesium (upper cladding layer), and a gallium nitride layer doped with zinc and magnesium (contact layer) were sequentially deposited. On the aluminum-gallium nitride layer and the gallium nitride layer doped with zinc and magnesium, magnesium ions were implanted under the implantation conditions described in Example 3. Accordingly, a light emitting layer, a first bonding layer bonded to the light emitting layer, and a second bonding layer bonded to the first bonding layer are each provided with a bonding structure in which a gallium nitride based semiconductor layer doped with indium is used. A wafer was prepared.

【0078】得られたウェハをイオンシニング(ion
thinning)法で薄片となした。次に、断面TE
M法により撮像した明視野像を基に第一と第二の接合層
界面及び第一の接合層と発光層との界面近傍の転位の発
生状況を中心に観察した。窒化アルミニウム・ガリウム
層内での線条の暗コントラストの本数は、実施例3の場
合に比較すれば15%程度減少していた。また、第一と
第二の接合層との界面近傍には極く希に新たな転位の発
生が認められたものの、第一の接合層と発光層との接合
界面では転位の発生は実施例3の場合に比べれば明らか
に減少していた。発光層の転位密度は概して5〜10×
104 cm-2と見積もられた。要約すれば、窒化ガリウ
ム緩衝層からほぼ直線的に発光層を貫通して最表層の窒
化ガリウムコンタクト層表面に到達する転位は依然とし
て存在するものの、第一及び第二の接合層を共にインジ
ウムドープ層とする構成は発光層の転位密度の減少に効
果があるものと認められた。
The obtained wafer was subjected to ion thinning (ion).
Thinning was performed by the thinning method. Next, the cross section TE
Based on the bright field image picked up by the M method, observation was made mainly on the state of occurrence of dislocation near the interface between the first and second bonding layers and the interface between the first bonding layer and the light emitting layer. The number of dark contrast lines in the aluminum gallium nitride layer was reduced by about 15% as compared with the case of the third embodiment. In addition, although a very rare occurrence of dislocations was found near the interface between the first and second bonding layers, the occurrence of dislocations was observed at the bonding interface between the first bonding layer and the light emitting layer. The number was clearly lower than in the case of No. 3. The dislocation density of the light emitting layer is generally 5 to 10 ×
It was estimated to be 10 4 cm -2 . In summary, although there are still dislocations penetrating the light emitting layer from the gallium nitride buffer layer almost linearly to reach the surface of the outermost gallium nitride contact layer, both the first and second bonding layers are indium doped layers. Was found to be effective in reducing the dislocation density of the light emitting layer.

【0079】(比較例1)実施例1と同一のアルミニウ
ム組成比を0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム
混晶層(Al0.01Ga0.99N)上に、実施例1に記載と
同一のインジウム源、珪素源及び亜鉛源を利用して発光
層としてインジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた
窒化ガリウム層を積層した。但し、本比較例に於ける発
光層にあっては珪素及び亜鉛の各原子濃度の分布は実施
例1と同一としたが、インジウムの原子濃度については
発光層の層厚方向に分布を付与せずに一定とした。即
ち、本比較例に於ける発光層は実施例1と同じく窒化ガ
リウムから構成されるものの、インジウムの原子濃度分
布に関して実施例1とは相違するものである。
Comparative Example 1 The same indium source as described in Example 1 was placed on an aluminum nitride / gallium mixed crystal layer (Al 0.01 Ga 0.99 N) having the same aluminum composition ratio as in Example 1 as 0.01. A gallium nitride layer doped with indium, silicon and zinc was stacked as a light emitting layer using a silicon source and a zinc source. However, in the light emitting layer in this comparative example, the distribution of the atomic concentrations of silicon and zinc was the same as in Example 1, but the distribution of the atomic concentration of indium was given in the thickness direction of the light emitting layer. And constant. That is, the light emitting layer in this comparative example is composed of gallium nitride as in Example 1, but differs from Example 1 in the atomic concentration distribution of indium.

【0080】発光層成長時には、発光層の層厚の増加方
向に略一定のインジウム原子の濃度分布を付すために、
成長反応系内へのインジウム源(シクロペンタジエニル
インジウム(I))の供給量(昇華したインジウム源を
随伴する水素ガスの流量)を毎分20ミリリットルに一
定に保持した。同インジウム源を収納するステンレス鋼
製の収納容器の保持温度は60℃の恒温とした。層厚方
向に略一定のインジウム原子の濃度分布を付した発光層
上には、実施例1に記載と全く同一の条件及び操作で窒
化アルミニウム・ガリウム混晶層及び窒化ガリウム層を
形成し、ウェハとなした。
During the growth of the light emitting layer, in order to give a substantially constant concentration distribution of indium atoms in the increasing direction of the thickness of the light emitting layer,
The supply amount of the indium source (cyclopentadienyl indium (I)) (the flow rate of the hydrogen gas accompanying the sublimated indium source) into the growth reaction system was kept constant at 20 ml / min. The holding temperature of the stainless steel storage container storing the indium source was a constant temperature of 60 ° C. An aluminum nitride-gallium mixed crystal layer and a gallium nitride layer were formed on the light-emitting layer having a substantially constant concentration distribution of indium atoms in the thickness direction under exactly the same conditions and operations as described in Example 1, and And

【0081】(比較例2)比較例1と同様にインジウム
原子濃度の分布をほぼ一定とする窒化ガリウム層を発光
層とした。本比較例2に於いては窒化ガリウム発光層内
のインジウム原子の濃度分布を略一定とすると共に、珪
素(Si)の原子濃度も発光層内の層厚の増加方向に一
定となる様にドーピングした。
Comparative Example 2 As in Comparative Example 1, a gallium nitride layer in which the distribution of indium atom concentration was almost constant was used as the light emitting layer. In Comparative Example 2, the doping was performed so that the concentration distribution of indium atoms in the gallium nitride light emitting layer was substantially constant, and the atomic concentration of silicon (Si) was also constant in the increasing direction of the layer thickness in the light emitting layer. did.

【0082】窒化ガリウム発光層内のインジウム原子濃
度を発光層の層厚方向に略一定とするため、成長系内へ
のインジウム源の供給量を経時的に変化させずに一定と
した。インジウム源としては一貫して、結合価を1価と
するシクロペンタジエニルインジウム(C55 In)
を利用した。発光層となすインジウム、珪素及び亜鉛を
ドーピングした窒化ガリウム層をアルミニウム組成比を
0.01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層上に
成長させるに際し、昇華した上記のインジウム源を随伴
する水素ガスの成長反応系への供給量を毎分20ミリリ
ットルに固定した。正確に5分後にインジウム源を随伴
する水素ガスの成長反応系内への添加を停止した。亜鉛
のドーピングは実施例1記載の方法及び条件に従った。
この発光層上には実施例1に記載と同様の窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層並びに窒化
ガリウムコンタクト層を積層させた。
In order to make the concentration of indium in the gallium nitride light emitting layer substantially constant in the thickness direction of the light emitting layer, the supply amount of the indium source into the growth system was kept constant without changing over time. As an indium source, cyclopentadienyl indium (C 5 H 5 In) having a monovalent valence is used consistently.
Was used. In growing a gallium nitride layer doped with indium, silicon, and zinc as a light emitting layer on an aluminum nitride-gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.01, hydrogen gas accompanying the sublimated indium source was used. The supply rate to the growth reaction system was fixed at 20 ml / min. Exactly 5 minutes later, the addition of hydrogen gas accompanying the indium source into the growth reaction system was stopped. The zinc doping was performed according to the method and conditions described in Example 1.
On this light emitting layer, an upper clad layer composed of an aluminum nitride / gallium mixed crystal and a gallium nitride contact layer similar to those described in Example 1 were laminated.

【0083】SIMS法により発光層内の層厚方向のド
ーパントの濃度の分布を分析し、比較例1に於ける濃度
分布と対比した。その結果、当比較例2に於けるインジ
ウムは比較例1のそれとほぼ同様に発光層の層厚方向に
分布していた。インジウム等がドーピングされた窒化ガ
リウム発光層と、その下層のアルミニウム組成比を0.
01とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との接合
界面でのインジウム原子濃度は約9×1017cm-3であ
った。他方、アルミニウム組成比を0.12とする窒化
アルミニウム・ガリウム混晶(上部クラッド層)との接
合界面でのインジウム濃度も約1×1018cm-3であっ
た。即ち、インジウム原子濃度は比較例1と同様にほぼ
一定であった。珪素及び亜鉛の原子濃度も発光層の層厚
方向にほぼ一定となった。SIMS分析により得られた
濃度プロファイルから求めた発光層の層厚は約56nm
であった。要約すれば本比較例2で得られた窒化ガリウ
ム発光層はインジウム、珪素及び亜鉛のドーパントが層
厚の増加方向にほぼ一定となる様にドーピングされてな
るものであった。また、本比較例2の窒化ガリウム発光
層内では、ドナー不純物(珪素)及び亜鉛(アクセプタ
ー不純物)は何れもインジウムの原子の濃度分布に対し
て略反比例となる様に分布してはおらず、インジウム原
子とほぼ同様の濃度分布となった。
The concentration distribution of the dopant in the layer thickness direction in the light emitting layer was analyzed by the SIMS method, and compared with the concentration distribution in Comparative Example 1. As a result, indium in Comparative Example 2 was distributed in the thickness direction of the light emitting layer almost similarly to that in Comparative Example 1. The gallium nitride light emitting layer doped with indium or the like and the aluminum composition ratio of the lower layer are set to 0.1.
The indium atom concentration at the bonding interface with the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer, which was 01, was about 9 × 10 17 cm −3 . On the other hand, the indium concentration at the joint interface with the aluminum nitride-gallium mixed crystal (upper cladding layer) having an aluminum composition ratio of 0.12 was also about 1 × 10 18 cm −3 . That is, the indium atom concentration was almost constant as in Comparative Example 1. The atomic concentrations of silicon and zinc were also substantially constant in the thickness direction of the light emitting layer. The thickness of the light emitting layer determined from the concentration profile obtained by SIMS analysis is about 56 nm.
Met. In summary, the gallium nitride light emitting layer obtained in Comparative Example 2 was doped with dopants of indium, silicon, and zinc so as to be substantially constant in the increasing direction of the layer thickness. In the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 2, neither the donor impurity (silicon) nor the zinc (acceptor impurity) was distributed so as to be substantially in inverse proportion to the concentration distribution of indium atoms. The concentration distribution was almost the same as that of atoms.

【0084】(比較例3)窒化ガリウム発光層を除いて
実施例1と同一の構成とした。即ち、窒化ガリウム発光
層の基板側の下部にアルミニウム組成比を0.01とす
る窒化アルミニウム・ガリウム混晶層を、発光層の上部
にアルミニウム組成比を0.12とする窒化アルモニウ
ム・ガリウム混晶層を接合させた構成とした。従って、
窒化ガリウム発光層と接合する双方の窒化アルミニウム
・ガリウム混晶層を発光層を構成する窒化ガリウムとの
格子不整合度(本文にδで定義する)で比較すれば、窒
化ガリウム発光層と格子不整合度(δ)を小とするのは
アルミニウム組成比を0.01とする窒化アルミニウム
・ガリウム接合層となる。
Comparative Example 3 The structure was the same as that of Example 1 except for the gallium nitride light emitting layer. That is, an aluminum nitride / gallium mixed crystal layer having an aluminum composition ratio of 0.01 is provided below the gallium nitride light emitting layer on the substrate side, and an aluminum monium / gallium mixed crystal having an aluminum composition ratio of 0.12 is provided above the light emitting layer. The layers were joined. Therefore,
Comparing the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer bonded to the gallium nitride light-emitting layer with the degree of lattice mismatch (defined by δ in the text) of the gallium nitride constituting the light-emitting layer, the gallium nitride light-emitting layer and the lattice mismatch The smaller the degree of matching (δ) is the aluminum-gallium nitride bonding layer having an aluminum composition ratio of 0.01.

【0085】本比 本比較例3では、インジウムに関し
て上記実施例1乃至4及び比較例1乃至2とは相違した
原子濃度分布を保有する窒化ガリウム層を発光層とし
た。本比較例3の窒化ガリウム発光層はインジウムの原
子濃度を発光層と接合する窒化ガリウム系接合層にあっ
て、より格子不整合度を小とする接合層、即ち、発光層
の下部に接合するアルミニウム組成比を0.12とする
窒化アルミニウム・ガリウム混晶層との界面の方向に大
として分布させたものである。珪素のドーピング実施例
2の条件に、亜鉛のドーピング条件は実施例1に記載の
手法に準じた。従って、本比較例3の窒化ガリウム発光
層は発光層の層厚方向にインジウム原子濃度を漸次、減
じ、珪素及び亜鉛がほぼ一定の原子濃度となる様にドー
ピングされたものである。
Comparative Example In Comparative Example 3, a gallium nitride layer having an atomic concentration distribution different from that of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 with respect to indium was used as the light emitting layer. The gallium nitride light-emitting layer of Comparative Example 3 is a gallium nitride-based bonding layer that bonds the atomic concentration of indium to the light-emitting layer, and is bonded to a bonding layer having a smaller degree of lattice mismatch, that is, a lower portion of the light-emitting layer. It is distributed largely in the direction of the interface with the aluminum nitride-gallium mixed crystal layer where the aluminum composition ratio is 0.12. The doping condition of silicon was the same as that of Example 2, and the doping condition of zinc was according to the method described in Example 1. Therefore, the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 3 is one in which the indium atom concentration is gradually reduced in the thickness direction of the light emitting layer, and silicon and zinc are doped so as to have a substantially constant atomic concentration.

【0086】インジウムの原子濃度の分布は窒化ガリウ
ム発光層の成長時に経時的に成長温度を変化させること
をもって調整した。即ち、珪素をドーピングした窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層(Al0.01Ga0.99N)を
1100℃で成長させたる後、基板温度を直ちに770
℃に低下させた。基板温度が安定したる後、発光層の成
長時に於けるインジウム源としたシクロペンタジエニル
インジウム(I)(C55 In(I))の成長反応系
へ供給する量(流量)を毎分220ミリリットルと一定
に固定した状態で発光層の成長を開始した。成長開始時
より成長温度を成長時間の経過と共に線形的に成長温度
まで上昇させた。正確に5分後の発光層の成長が終了し
た時点では成長温度は850℃迄に変化させた。従っ
て、単位時間の成長温度変化率は16℃/分となった。
インジウム、珪素及び亜鉛をドーピングした発光層の成
長を終えた後は、再び成長温度を1100℃に瞬時に上
昇させ、実施例1に記載の成長方法及び条件に従いアル
ミニウム組成比を0.12とする窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶(上部クラッド層)及び窒化ガリウムコンタ
クト層を順次積層した。
The distribution of the atomic concentration of indium was adjusted by changing the growth temperature over time during the growth of the gallium nitride light emitting layer. That is, after growing an aluminum-gallium nitride mixed crystal layer (Al 0.01 Ga 0.99 N) doped with silicon at 1100 ° C., the substrate temperature is immediately increased to 770 ° C.
° C. After the substrate temperature was stabilized, the amount (flow rate) of cyclopentadienyl indium (I) (C 5 H 5 In (I)) supplied to the growth reaction system as an indium source during the growth of the light-emitting layer was changed every time. The growth of the light emitting layer was started in a state of being fixed at a constant value of 220 ml. From the start of the growth, the growth temperature was linearly increased to the growth temperature with the elapse of the growth time. The growth temperature was changed to 850 ° C. when the growth of the light emitting layer was completed exactly 5 minutes later. Therefore, the growth temperature change rate per unit time was 16 ° C./min.
After the growth of the light emitting layer doped with indium, silicon, and zinc is completed, the growth temperature is instantaneously increased to 1100 ° C. again, and the aluminum composition ratio is adjusted to 0.12 according to the growth method and conditions described in Example 1. An aluminum nitride-gallium mixed crystal (upper cladding layer) and a gallium nitride contact layer were sequentially laminated.

【0087】図22にSISM分析により得られた窒化
ガリウム発光層インジウム、珪素及び亜鉛の各ドーパン
トの原子濃度分布を掲示する。インジウム原子の濃度
(図22中に記号(In)で示す)は発光層内に於いて
Al0.01Ga0.99N層との接合面近傍からAl0.12Ga
0.88Nとの接合界面の方向に漸次減少するものであっ
た。インジウム原子の濃度は約2×1020cm-3から1
×1018cm-3へとほぼ直線的に減少していた。一方、
珪素及び亜鉛原子の濃度分布(各々、記号(Si)及び
(Zn)で図22に示す)らの伝導形を左右するドーパ
ントの濃度は発光層内部で層厚方向にほぼ一定となって
いた。ドーパントの分布様態から観た本比較例3の窒化
ガリウム発光層の特徴は、インジウムの原子濃度は実施
例1とは反対に格子不整合度を小とする方向に大とな
る、即ち、層厚を大とする方向に漸次原子濃度を小とす
る様に分布しているものである。要約すれば上記実施例
1に記載の発光層とは層厚方向のインジウム原子の濃度
分布を逆とするものである。
FIG. 22 shows the atomic concentration distributions of the indium, silicon, and zinc dopants in the gallium nitride light emitting layer obtained by the SISM analysis. The concentration of indium atoms (indicated by the symbol (In) in FIG. 22) is determined from the vicinity of the junction surface with the Al 0.01 Ga 0.99 N layer in the light emitting layer from Al 0.12 Ga
It gradually decreased in the direction of the bonding interface with 0.88 N. The concentration of indium atoms is about 2 × 10 20 cm -3 to 1
It decreased almost linearly to × 10 18 cm −3 . on the other hand,
The concentration distribution of silicon and zinc atoms (indicated by (Si) and (Zn) in FIG. 22 respectively) and the dopants which influence the conductivity type were almost constant in the layer thickness direction inside the light emitting layer. The feature of the gallium nitride light emitting layer of Comparative Example 3 from the viewpoint of the distribution of the dopant is that the atomic concentration of indium increases in the direction to reduce the degree of lattice mismatch, as opposed to Example 1, ie, the layer thickness Are distributed so that the atomic concentration gradually becomes smaller in the direction of increasing. In summary, the concentration distribution of indium atoms in the layer thickness direction is reversed from that of the light emitting layer described in the first embodiment.

【0088】実施例1乃至4及び比較例1乃至2に記載
の方法により形成したウェハに同一の条件下でプロセス
加工を施し、青色の発光ダイオード(LED)を作製し
た。先ず、各ウェハの表面全面に一般的な高周波スパッ
タリング法により膜厚約100nmの窒化チタン(Ti
N)被膜を形成した。窒化チタン被膜上には、プラズマ
CVD法によりシランガス(SiH4 )及びアンモニア
ガス(NH3 )を原料として膜厚を約150nmとする
窒化珪素(SiN)膜を被着させた。次に、窒化珪素被
膜上にポジ型の商品名AZ−1350フォトレジストを
回転塗布した。然る後、公知の紫外線フォトリソグラフ
ィー技術を駆使して上記レジスト材にパターニングを施
した。パターニングにより描画するLEDのチップ形状
は各ウェハに共通とし、一辺を約350μmとする正方
形とした。
The wafers formed by the methods described in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were processed under the same conditions to produce blue light emitting diodes (LEDs). First, titanium nitride (Ti) having a film thickness of about 100 nm is formed on the entire surface of each wafer by a general high frequency sputtering method.
N) A coating was formed. A silicon nitride (SiN) film having a thickness of about 150 nm was deposited on the titanium nitride film by plasma CVD using silane gas (SiH 4 ) and ammonia gas (NH 3 ) as raw materials. Next, a positive type AZ-1350 photoresist was spin-coated on the silicon nitride film. Thereafter, the resist material was patterned using a known ultraviolet photolithography technique. The chip shape of the LED drawn by patterning was common to each wafer, and was a square having a side of about 350 μm.

【0089】正方形のチップの外周部のスクライブライ
ンとn形電極(正電極)を配置する予定の領域のレジス
ト材のみを、芳香族化合物を主体とする剥離材で除去し
た後、その領域に露出した窒化珪素膜を緩衝(バッファ
ード)弗酸(HF)で溶解し除去した。これにより、ス
クライブランとn形電極の形成予定領域に限り、ウェハ
の最表層である亜鉛及びマグネシウムがドーピングさ
れ、更にマグネシウムがイオン注入された窒化ガリウム
コンタクト層の表面上の窒化チタン被膜を露呈させた。
次に、アルゴン/メタン/水素の混合ガス等を使用する
一般的なプラズマエッチング法で露呈した窒化チタン膜
並びにウェハの構成層をn形電極及びスクライブライン
の形成予定領域に限りエッチングにより除去した。プラ
ズマエッチングは実施例1乃至2並びに比較例1乃至2
に記載の4ウェハにあっては、窒化ガリウム低温緩衝層
上に堆積したn形窒化アルミニウム・ガリウム混晶の表
層部が露呈する迄進行させた。実施例3乃至4に記載の
ウェハについては、n形窒化ガリウム層の表層部が露呈
する迄、このプラズマエッチングを施した。このエッチ
ングによって、n形電極並びにスクライブライン形成予
定領域の露出した表面とエッチングを被らない最表層の
窒化ガリウム層表面とには段差が生じた。エッチング終
了後、窒化珪素膜上のフォトレジスト材を有機溶剤混合
液により剥離して、窒化珪素膜のみを残置させた。再
び、ウェハ全面上に上記のフォトレジスト材を回転塗布
した後、形成する予定のn形及びp形電極(負電極)の
形状に合わせてレジスト材を露光し現像してパターニン
グを施した。このパターニング後、p形電極の形状にレ
ジスト材が剥離された領域には上記の窒化チタン膜が露
出した。一方、n形電極の形状にレジスト材が剥離され
た領域にはn形の窒化ガリウム層若しくはn形の窒化ア
ルミニウム・ガリウム層の表層部が露出することとなっ
た。然る後に、公称純度6N(99.9999%)の棒
状の高純度アルミニウム(Al)を真空蒸着法によりウ
ェハ全面に被着した。真空蒸着装置からウェハを取り出
した後、アルミニウムを蒸着したウェハをレジスト剥離
液に浸して、通常のリフトオフ(lift−off)法
によりレジスト材上に被着したアルミニウム蒸着膜をレ
ジスト材より剥離した。このリフトオフ工程に依って横
幅を約100μm長さを約300μmとする長方形の互
いに対向したn形及びp形電極を形成した。
After removing only the resist material in the area where the scribe line and the n-type electrode (positive electrode) are to be arranged on the outer periphery of the square chip with a peeling material mainly composed of an aromatic compound, the resist material is exposed to the area. The silicon nitride film thus obtained was dissolved and removed with buffered hydrofluoric acid (HF). As a result, zinc and magnesium, which are the outermost layers of the wafer, are doped only in the area where the scribe line and the n-type electrode are to be formed, and the titanium nitride film on the surface of the gallium nitride contact layer into which magnesium is ion-implanted is exposed. Was.
Next, the titanium nitride film and the constituent layers of the wafer exposed by a general plasma etching method using a mixed gas of argon / methane / hydrogen and the like were removed by etching only in a region where an n-type electrode and a scribe line were to be formed. Plasma etching was performed in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
In the four wafers described in the above section, the process was advanced until the surface portion of the n-type aluminum nitride / gallium mixed crystal deposited on the low temperature buffer layer of gallium nitride was exposed. The plasma etching was performed on the wafers described in Examples 3 and 4 until the surface portion of the n-type gallium nitride layer was exposed. Due to this etching, a step was formed between the exposed surface of the region where the n-type electrode and the scribe line were to be formed and the surface of the outermost gallium nitride layer which was not etched. After completion of the etching, the photoresist material on the silicon nitride film was peeled off with an organic solvent mixed solution, leaving only the silicon nitride film. Again, after the above photoresist material was spin-coated on the entire surface of the wafer, the resist material was exposed and developed according to the shapes of the n-type and p-type electrodes (negative electrodes) to be formed, and patterned. After this patterning, the above-mentioned titanium nitride film was exposed in a region where the resist material was removed in the shape of the p-type electrode. On the other hand, the surface layer of the n-type gallium nitride layer or the n-type aluminum / gallium nitride layer was exposed in the region where the resist material was stripped in the shape of the n-type electrode. Thereafter, rod-shaped high-purity aluminum (Al) having a nominal purity of 6N (99.9999%) was applied to the entire surface of the wafer by a vacuum evaporation method. After taking out the wafer from the vacuum deposition apparatus, the aluminum-deposited wafer was immersed in a resist stripping solution, and the aluminum-deposited film deposited on the resist material was peeled off from the resist material by a normal lift-off method. By this lift-off step, rectangular opposing n-type and p-type electrodes each having a width of about 100 μm and a length of about 300 μm were formed.

【0090】チップの各外周に格子状に交差する様に設
けたスクライブラインに沿って、ダイヤモンドブレード
(切削刃)を走行させ、各LEDチップ間のアイソレー
ション(絶縁化)を図った。各チップ間での絶縁性(i
solation)が保持されているのが確認した後、
一般的なプローバーを利用してLEDチップの主要な光
学的並びに電気的特性を抜き取り検査した。測定結果を
各実施例並びに各比較例毎に表1に纏める。発光強度は
エポキシ樹脂によるモールドを施さずにチップ状態でフ
ォトデテクター(英略称PD)を利用して測光されたも
のである。順方向或いは逆方向電圧は何れも電流値10
マイクロアンペア(μA)に於けるボルト(V)単位の
電圧値である。
A diamond blade (cutting blade) was moved along a scribe line provided so as to intersect the outer periphery of each chip in a lattice pattern, thereby achieving isolation (insulation) between the LED chips. Insulation between each chip (i
resolution) is retained,
The main optical and electrical characteristics of the LED chip were sampled and inspected using a general prober. Table 1 summarizes the measurement results for each example and each comparative example. The light emission intensity was measured using a photodetector (abbreviated as PD) in a chip state without molding with an epoxy resin. Both forward and reverse voltages have a current value of 10
It is the voltage value in volts (V) in microamps (μA).

【0091】[0091]

【表1】 [Table 1]

【0092】表1に総括する如く発光中心波長にはさし
たる相違は生じていない。発光中心波長の微妙な相違は
亜鉛のドーピング濃度の成長回毎の微妙な変動に依るも
のと推定される。特性上、特に顕著な差異が生じたのは
発光強度であった。実施例1と比較例2との対比から珪
素及び亜鉛の原子濃度分布が同様である場合、インジウ
ム原子濃度に分布を付すと明らかに発光強度は増大し
た。窒化ガリウム発光層内のインジウム原子の濃度を発
光層との格子不整合度をより大とする窒化ガリウム系接
合層との接合界面に向けて漸次増加させた場合にあっ
て、珪素の原子濃度をインジウム原子濃度の増減傾向と
は略反対とすることにより発光強度は増大した(実施例
1及び2との対比による)。一方、珪素の原子濃度分布
を同一とした場合、発光強度はインジウム原子濃度に分
布を付すことをもって発光強度の増大が達成された(実
施例2と比較例1との対比による)。インジウム原子濃
度が同様であっても、得られる発光強度はインジウムを
格子不整合度(本文中のδ)をより大とする窒化ガリウ
ム系接合層との界面に向けて増加させると発光強度の増
大が達成された(実施例1と比較例3との対比によ
る)。
As summarized in Table 1, there is no significant difference in the emission center wavelength. It is presumed that the subtle difference in the emission center wavelength is due to the subtle variation in the doping concentration of zinc for each growth. It was the emission intensity that caused a particularly significant difference in characteristics. From the comparison between Example 1 and Comparative Example 2, when the atomic concentration distributions of silicon and zinc were similar, the emission intensity clearly increased when the distribution of indium atomic concentration was assigned. In the case where the concentration of indium atoms in the gallium nitride light emitting layer is gradually increased toward the bonding interface with the gallium nitride based bonding layer, which increases the degree of lattice mismatch with the light emitting layer, the atomic concentration of silicon is reduced. The emission intensity was increased by making the opposite to the increasing / decreasing tendency of the indium atom concentration (as compared with Examples 1 and 2). On the other hand, when the distribution of the atomic concentration of silicon was the same, the emission intensity was increased by assigning the distribution to the indium atom concentration (according to the comparison between Example 2 and Comparative Example 1). Even when the indium atom concentration is the same, the emission intensity obtained increases when indium is increased toward the interface with the gallium nitride-based bonding layer, which has a higher degree of lattice mismatch (δ in the text). Was achieved (by comparison between Example 1 and Comparative Example 3).

【0093】実施例1〜4に記載のウェハから作製され
たLEDチップをスクライブラインに沿ってダイヤモン
ドスクライバーで単一チップに裁断した。その後、n形
及びp形電極にワイヤボンデングを施しリードワイヤー
(lead wire)を介して両電極間の電流が測定
される状態とした。この状態で通常の電子線誘導励起電
流法、所謂略称EBIC(lectron aam
nduced urrennt)法でLEDチッ
プ断面を観察した。その結果、亜鉛とマグネシウムが添
加された窒化アルミニウム・ガリウム混晶とn形のイン
ジウム、珪素及び亜鉛がドーピングされた窒化ガリウム
発光層との界面近傍の領域に於いて帯状のコントラスト
が観測された。これより、上記両層間でのpn接合の形
成が明かとなった。このEBIC測定は一般のSEM
(走査型電子顕微鏡)を利用したため、層厚が概ね50
〜60nmと薄い発光層を高分解能下で撮像する程、充
分な高倍率とすることが出来なかった。従って、pn接
合に起因するコントラストが最大となる領域が上記の窒
化アルミニウム・ガリウム混晶からなる上部クラッド層
と窒化ガリウム発光層との界面か、或いは上部クラッド
層の内部に在るのか明確に判別出来なかった。
The LED chips produced from the wafers described in Examples 1 to 4 were cut into single chips along a scribe line with a diamond scriber. Thereafter, the n-type and p-type electrodes were subjected to wire bonding so that the current between the two electrodes was measured via a lead wire. Typical electron beam induced excitation current method in this state, so-called abbreviated EBIC (E lectron B aam
It was observed LED chip cross section I nduced C urrennt) method. As a result, a band-like contrast was observed in a region near the interface between the aluminum-gallium nitride mixed crystal to which zinc and magnesium were added and the n-type gallium nitride light-emitting layer to which indium, silicon, and zinc were doped. Thus, the formation of a pn junction between the two layers became clear. This EBIC measurement is a general SEM
(Scanning electron microscope), the layer thickness is about 50
It was not possible to obtain a sufficiently high magnification to image a light emitting layer as thin as 〜60 nm with high resolution. Therefore, it is clearly determined whether the region where the contrast caused by the pn junction is maximum is located at the interface between the upper cladding layer made of the aluminum nitride-gallium mixed crystal and the gallium nitride light emitting layer or inside the upper cladding layer. I could not do it.

【0094】高分解能の分析電子顕微鏡(略称:分析電
顕)により窒化ガリウム発光層とそれに接合する窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶層との界面近傍の領域をカソ
ードルミネッセンス(CL)法により観察した。試料に
は上記のEBIC法で利用したチップをアルゴンイオン
によるイオンエッチング法で薄層化したものを用いた。
実施例1に記載の如くインジウムの原子濃度を窒化ガリ
ウム発光層との格子不整合度(本文中のδ)をより大と
するAl0.12Ga0.88N混晶層との界面に向けて増大さ
せてなる場合にあっては、上部クラッド層と発光層との
界面近傍でのCL強度が他の領域より強いと見受けられ
た。比較例1乃至2の様にインジウムの原子がほぼ一定
の濃度で存在する発光層にあっては、特に界面近傍でC
L強度が増加する傾向は見受けられなかった。インジウ
ム原子を発光層を構成する窒化ガリウムとの格子不整合
度を小とするAl0.01Ga0.99N混晶層に向けて増加さ
せたチップ(比較例3参照)にあっては、Al0.01Ga
0.99N混晶層と窒化ガリウム発光層との界面でのCL強
度が他の領域に比べて若干ながら増大している様にも見
受けられた。発光層部のCL強度の分布はともあれ、目
視観察のため定性的な判断ではあるが、発光層部からの
全般的な強度は発光層内のインジウム原子の濃度分布を
本文中で記述したδを大とする接合層に向けて増大させ
た場合が最も大であった。インジウム原子の濃度分布を
逆にδを小とする接合層との界面方向に増大させた場合
のCL強度は、発光層内部のインジウムの原子濃度分布
を略一定とした場合に比較してむしろ弱であった。イン
ジウムの原子濃度分布を同様とする場合は、ドナー或い
はアクセプター性不純物の何れかにドーピング濃度の分
布を付すことにより(本実施例及び本比較例ではドナー
不純物に濃度分布を付した)CL強度に増大傾向が認め
られた。特に、ドーピングされた珪素の原子濃度分布が
インジウム原子のそれと略反対であるとCL強度は増加
した。このCL強度の強弱は発光強度の大小と符合した
(表1の実施例1と2の発光強度参照)。インジウム原
子濃度をδを大とする接合層の界面方向に増大させ、且
つ珪素の原子濃度分布をその略逆とした場合、発光層部
から観測されるCL強度は、発光層にインジウムをドー
ピングした窒化ガリウム系化合物半導体層を接合するこ
とにより更に増大した。CL強度は発光層下部に配置す
るからインジウムドープ窒化ガリウム系化合物半導体層
の層数の増加に伴って、より増大する傾向にある様にも
見受けられた。このCL強度の増大は表1に掲げた実施
例3及び4のLEDチップについての発光強度の増加傾
向に対応するものと考えられた。
A region near the interface between the gallium nitride light-emitting layer and the aluminum-gallium nitride mixed crystal layer bonded thereto was observed by a cathodoluminescence (CL) method using a high-resolution analytical electron microscope (abbreviation: analytical electron microscope). As the sample, a chip obtained by thinning a chip used in the above EBIC method by an ion etching method using argon ions was used.
It is increased toward the interface between the Al 0.12 Ga 0.88 N mixed crystal layer that the atomic concentration of indium larger lattice mismatch between the gallium nitride light emitting layer ([delta] in the text) as described in Example 1 In some cases, the CL intensity near the interface between the upper cladding layer and the light emitting layer was found to be stronger than in other regions. In a light emitting layer in which indium atoms are present at a substantially constant concentration as in Comparative Examples 1 and 2, C
There was no tendency for the L intensity to increase. In a chip in which indium atoms are increased toward an Al 0.01 Ga 0.99 N mixed crystal layer that reduces the degree of lattice mismatch with gallium nitride constituting the light emitting layer (see Comparative Example 3), Al 0.01 Ga
It was observed that the CL intensity at the interface between the 0.99 N mixed crystal layer and the gallium nitride light emitting layer was slightly increased as compared with the other regions. Regardless of the distribution of CL intensity in the light emitting layer, it is a qualitative judgment for visual observation, but the overall intensity from the light emitting layer is expressed by It was the largest when increasing toward the larger bonding layer. Conversely, when the concentration distribution of indium atoms is increased in the direction of the interface with the bonding layer where δ is small, the CL intensity is rather weak as compared with the case where the atomic concentration distribution of indium in the light emitting layer is substantially constant. Met. In the case where the atomic concentration distribution of indium is the same, the distribution of the doping concentration is given to either the donor or the acceptor impurity (in the present embodiment and this comparative example, the donor impurity is given a concentration distribution) to increase the CL intensity. An increasing trend was observed. In particular, the CL intensity increased when the atomic concentration distribution of doped silicon was substantially opposite to that of indium atoms. The magnitude of the CL intensity matched the magnitude of the emission intensity (see the emission intensity of Examples 1 and 2 in Table 1). When the indium atom concentration is increased in the interface direction of the bonding layer where δ is large and the silicon atom concentration distribution is substantially reversed, the CL intensity observed from the light emitting layer portion is obtained by doping the light emitting layer with indium. It further increased by joining the gallium nitride based compound semiconductor layer. Since the CL intensity is arranged below the light emitting layer, it seems that the CL intensity tends to increase as the number of indium-doped gallium nitride-based compound semiconductor layers increases. This increase in CL intensity was considered to correspond to the tendency of increase in light emission intensity of the LED chips of Examples 3 and 4 shown in Table 1.

【0095】上記のCL強度の大小は、概ねLEDチッ
プの発光強度の強弱に対応したものとなっている。ここ
で、CL測定結果から推量される要点を端的に記せば、
発光層を構成する窒化物化合物半導体と格子不整合度を
大とする接合層との界面の方向にインジウム原子の濃度
分布を大とした場合にCL強度が増大することである。
この原因については断定は出来ないが、そもそも格子の
不整合によって格子歪が存在している接合領域にインジ
ウムを他の領域より多量にドーピングすることによっ
て、その領域にインジウムがより多く蓄積することにも
関係があるものと推定される。格子不整合度の小さい界
面の方向にインジウム原子の濃度を大とする様に分布さ
せても格子歪が小であるため、さしたる濃度のインジウ
ムの蓄積が発生しないためと推定される。発光強度の増
大に関する適当なインジウム原子のドーピング濃度範囲
は、この界面でのインジウムの蓄積量に依存して決定さ
れているものと思われる。接合界面に向けて蓄積したイ
ンジウムが界面近傍で局所的に更に歪を発生させて、界
面近傍に於ける発光中心不純物等の電子状態への影響の
有無は定かではない。
The magnitude of the CL intensity substantially corresponds to the intensity of the light emission intensity of the LED chip. Here, if the key points inferred from the CL measurement result are simply described,
The CL intensity is increased when the concentration distribution of indium atoms is increased in the direction of the interface between the nitride compound semiconductor constituting the light emitting layer and the bonding layer having a large degree of lattice mismatch.
Although the cause cannot be conclusively determined, the doping of indium in the junction region where lattice strain exists due to lattice mismatch in the first place in a larger amount than in other regions results in the accumulation of more indium in that region. Is also presumed to be relevant. It is presumed that even if the concentration of indium atoms is distributed so as to increase in the direction of the interface having a small degree of lattice mismatch, the lattice strain is small, so that accumulation of indium at a very small concentration does not occur. It is considered that an appropriate doping concentration range of indium atoms for increasing the emission intensity is determined depending on the amount of indium accumulated at this interface. It is not clear whether or not indium accumulated toward the junction interface locally causes further strain near the interface, and influences on the electronic state such as emission center impurities near the interface.

【0096】[0096]

【発明の効果】窒化物化合物半導体からなる発光素子に
あって、発光強度の増大させる効果がある。
According to the present invention, there is provided a light emitting device made of a nitride compound semiconductor, which has an effect of increasing light emission intensity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の青色LEDの構造を示す断面模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a conventional blue LED.

【図2】従来の緑色LEDの構造を示す断面模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a conventional green LED.

【図3】インジウム濃度とフォトルミネッセンス強度と
の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an indium concentration and photoluminescence intensity.

【図4】本発明に係わる活性層内部のインジウムの濃度
分布を例示した図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an indium concentration distribution inside an active layer according to the present invention.

【図5】インジウムの初期濃度(N0 )と最終濃度
(N)を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining an initial concentration (N 0 ) and a final concentration (N) of indium.

【図6】ルミネッセンス強度の相違を対比させて示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing a difference in luminescence intensity in comparison.

【図7】実施例1に係わる青色LEDの平面模式図であ
る。
FIG. 7 is a schematic plan view of a blue LED according to the first embodiment.

【図8】図7に示すLEDの破線A−A’に沿った断面
模式図である。
8 is a schematic cross-sectional view of the LED shown in FIG. 7 taken along a broken line AA ′.

【図9】実施例1に記載の積層体の成長過程に於ける基
板の温度の経時的変化を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a change over time in the temperature of the substrate during the growth process of the laminate described in Example 1.

【図10】実施例1における水素ガス流量の経時的変化
を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a change over time of a hydrogen gas flow rate in Example 1.

【図11】実施例1におけるアルゴンガス流量の経時的
変化を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a change over time in the flow rate of argon gas in Example 1.

【図12】実施例1におけるアンモニアガス流量の経時
的変化を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a change over time in the flow rate of ammonia gas in Example 1.

【図13】実施例1に記載の積層体の成長過程における
III 族原料の供給量の変化を示す図である。
FIG. 13 shows a growth process of the laminate described in Example 1.
It is a figure which shows the change of the supply amount of a group III raw material.

【図14】実施例1に記載の積層体の成長過程における
トリメチルガリウムの供給量の変化を示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a change in the supply amount of trimethylgallium during the growth process of the stacked body described in Example 1.

【図15】実施例1に記載の積層体の成長過程における
トリメチルアルミニウムの供給量の変化を示す図であ
る。
FIG. 15 is a diagram showing a change in the supply amount of trimethylaluminum during the growth process of the laminate described in Example 1.

【図16】実施例1に記載の積層体の表層部を対象とし
た電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing current-voltage characteristics for a surface layer portion of the laminate described in Example 1.

【図17】実施例1に記載の積層体の内部の構成元素及
びドーパントの深さ方向の濃度分布を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a concentration distribution in the depth direction of a constituent element and a dopant inside the laminate described in Example 1.

【図18】実施例2の成長温度プロファイルを示す図で
ある。
FIG. 18 is a view showing a growth temperature profile of Example 2.

【図19】実施例2の原料キャリアガス流量の経時変化
を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing a change over time in the flow rate of a raw material carrier gas in Example 2.

【図20】実施例2のドーパントガス流量の経時変化を
示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a change over time in a flow rate of a dopant gas in Example 2.

【図21】実施例2のドーパントの深さ方向の濃度分布
を示した図である。
FIG. 21 is a diagram showing a concentration distribution of a dopant in a depth direction in Example 2.

【図22】比較例3のドーパントの深さ方向の濃度分布
を示した図である。
FIG. 22 is a diagram showing a concentration distribution in a depth direction of a dopant of Comparative Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(101) 基板 (102) 緩衝(バッファ)層 (103) 下部クラッド層 (104) 活性層(発光層) (105) 上部クラッド層 (106) コンタクト層 (107) 中間層 (108) 活性層に接合する接合層 (109) 活性層に接合する接合層 (110) 活性層と活性層との格子不整合度をより大
とする接合層との接合界面 (111) インジウム原子の濃度分布を示す曲線。 (112) インジウム原子の濃度が段階的に増加して
いることを示す分布曲線 (113) インジウム原子の濃度が段階的に増加して
いることを示す他の分布曲線 (114) インジウム原子の濃度が単調に増加してい
ることを示す分布曲線 (115) 実施例1の室温フォトルミネッセンスペク
トルを示す図である。 (116) 比較例1の室温フォトルミネッセンスペク
トルを示す図である。 (117) 下部クラッド層 (118) 活性層(発光層) (119) 上部クラッド層 (120) 窒化物化合物半導体積層体形成後の電流−
電圧特性を示す曲線 (121) 窒化物化合物半導体積層体にイオン注入し
アニールを施した後に於ける電流−電圧特性を示す曲線 (122) p形電極 (123) n形電極 (124) 活性層と活性層との格子不整合度をより小
とする接合層との接合界面
(101) Substrate (102) Buffer layer (103) Lower cladding layer (104) Active layer (light emitting layer) (105) Upper cladding layer (106) Contact layer (107) Intermediate layer (108) Joining to active layer Bonding layer (109) bonding layer bonded to the active layer (110) bonding interface between the active layer and the bonding layer that increases the degree of lattice mismatch between the active layer and (111) a curve showing the concentration distribution of indium atoms. (112) Distribution curve indicating that the concentration of indium atoms is increasing stepwise (113) Other distribution curve indicating that the concentration of indium atoms is increasing stepwise (114) 5 is a diagram showing a room temperature photoluminescence spectrum of Example 1; (116) A diagram showing a room temperature photoluminescence spectrum of Comparative Example 1. FIG. (117) Lower cladding layer (118) Active layer (light emitting layer) (119) Upper cladding layer (120) Current after forming nitride compound semiconductor laminate
Curve indicating voltage characteristics (121) Curve indicating current-voltage characteristics after ion-implanting and annealing a nitride compound semiconductor laminate (122) P-type electrode (123) N-type electrode (124) Active layer and Bonding interface with the bonding layer to make the degree of lattice mismatch with the active layer smaller

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶基板上にガリウム(Ga)系III
族窒化物化合物半導体からなる活性層と第1の伝導形の
第1の窒化物化合物半導体層と第2の伝導形の第2の窒
化物化合物半導体層とから構成される接合構造を備えた
窒化物化合物半導体素子であって、活性層中に原子濃度
が8×1017cm-3以上4×1020cm-3以下で、層厚
の一方向に濃度分布を付してインジウム(In)がドー
ピングされていることを特徴とする窒化物化合物半導体
素子。
1. A gallium (Ga) -based III on a single crystal substrate
A nitride having a junction structure composed of an active layer made of a group III nitride compound semiconductor, a first nitride compound semiconductor layer of a first conductivity type, and a second nitride compound semiconductor layer of a second conductivity type Compound semiconductor device, wherein the active layer has an atomic concentration of not less than 8 × 10 17 cm −3 and not more than 4 × 10 20 cm −3 , and a concentration distribution is applied in one direction of the layer thickness to form indium (In). A nitride compound semiconductor device, which is doped.
【請求項2】 活性層は活性層との格子不整合度をより
大とする第1または第2の窒化物化合物半導体との接合
界面に向けてインジウムの原子濃度を大とする濃度分布
を有することを特徴とする請求項1記載の窒化物化合物
半導体素子。
2. The active layer has a concentration distribution that increases the atomic concentration of indium toward a junction interface with a first or second nitride compound semiconductor that increases the degree of lattice mismatch with the active layer. The nitride compound semiconductor device according to claim 1, wherein:
【請求項3】 ドナー及びアクセプター不純物の双方が
ドーピングされてなる活性層にあって、ドナー或いはア
クセプターの何れか一方の不純物が活性層の層厚方向に
略一定の原子濃度にドーピングされ、他方の不純物がイ
ンジウムの原子濃度に略反比例する濃度分布をもって層
厚方向にドーピングされてなることを特徴とする請求項
1乃至2に記載の窒化物化合物半導体素子。
3. An active layer doped with both a donor and an acceptor impurity, wherein one of the donor and the acceptor is doped at a substantially constant atomic concentration in the thickness direction of the active layer, and the other is doped with the other impurity. 3. The nitride compound semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity is doped in a layer thickness direction with a concentration distribution substantially inversely proportional to an atomic concentration of indium.
【請求項4】 活性層と活性層と接合する上記の第1及
び第2の窒化物化合物半導体層の一方が、インジウムが
ドーピングされた活性層と同一の窒化物化合物半導体材
料からなることを特徴とする請求項1乃至3記載の窒化
物化合物半導体素子。
4. An active layer, wherein one of the first and second nitride compound semiconductor layers to be joined to the active layer is made of the same nitride compound semiconductor material as the active layer doped with indium. 4. The nitride compound semiconductor device according to claim 1, wherein
【請求項5】 インジウムがドーピングされた上記の第
1若しくは第2の窒化物化合物半導体層はインジウムが
ドーピングされた窒化物化合物半導体層と接合している
ことを特徴とする請求項5記載の窒化物化合物半導体素
子。
5. The nitride according to claim 5, wherein the first or second nitride compound semiconductor layer doped with indium is joined to the nitride compound semiconductor layer doped with indium. Compound semiconductor device.
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