JPH1027923A - Group-iii nitride semiconductor light emitting element - Google Patents

Group-iii nitride semiconductor light emitting element

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JPH1027923A
JPH1027923A JP19982696A JP19982696A JPH1027923A JP H1027923 A JPH1027923 A JP H1027923A JP 19982696 A JP19982696 A JP 19982696A JP 19982696 A JP19982696 A JP 19982696A JP H1027923 A JPH1027923 A JP H1027923A
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JP
Japan
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layer
light emitting
gan
concentration
light
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JP19982696A
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Japanese (ja)
Inventor
Norikatsu Koide
典克 小出
Masayoshi Koike
正好 小池
Isamu Akasaki
勇 赤崎
Hiroshi Amano
浩 天野
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Toyoda Gosei Co Ltd
Original Assignee
Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting element which can emit light in a wide wavelength range with a high luminous efficiency. SOLUTION: A luminous layer 5 is made of GaN doped with Fe and Si, and also sandwiched at both its sides by a cladding later 4 of n-Al0.08 Ga0.92 N and a cladding layer 71 got p-Al0.08 Ga0.92 N. As a result of doping the luminous layer withtransition metals, the luminous layer using GaN having a high crystallization can emit having wavelength sufficiently longer than those of a GaN forbidden band width. Because the luminous layer 5 can produce light of long wavelengths, the luminous layer can employ group-III nitride semiconductor having high crystallization and a low In crystallization ratio, thus improving its luminous efficiency.

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】本発明は3族窒化物半導体を
用いた、波長の広い範囲で発光が可能な発光素子に関す
る。特には、青色等の短波長域の発光の輝度を向上させ
た発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device using a group III nitride semiconductor and capable of emitting light in a wide wavelength range. In particular, the present invention relates to a light-emitting element in which luminance of light emission in a short wavelength region such as blue is improved.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、青色や短波長領域の発光素子の材
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の3原色の1つである青色や
緑色を発光色とすること等から注目されている。
2. Description of the Related Art Heretofore, there has been known a material using an AlGaInN-based compound semiconductor as a material for a light emitting device in a blue or short wavelength region. The compound semiconductor has attracted attention because of its direct transition type, which has high luminous efficiency, and that one of the three primary colors of light, blue or green, is used as the luminescent color.

【0003】AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープ
して電子線を照射したり、熱処理によりp型化できる。
この結果、AlGaN のp伝導型のクラッド層と、ZnとSiド
ープのInGaN の発光層と、GaN のn層とを用いたダブル
ヘテロ接合構造を有する発光ダイオード(LED)が提
案されている。この発光ダイオードはサファイア基板の
上にバッファ層、シリコンを高濃度に添加したn+ 形Ga
N 層、シリコンを添加したn形GaN 層からなるクラッド
層、InGaN から成る発光層、p形AlGaN のクラッド層、
p形GaN の第1コンタクト層、p+ 形GaN の第2コンタ
クト層を形成したものである。
An AlGaInN-based semiconductor can also be made p-type by doping with Mg and irradiating an electron beam or by heat treatment.
As a result, a light emitting diode (LED) having a double heterojunction structure using an AlGaN p-type cladding layer, a Zn and Si doped InGaN light emitting layer, and a GaN n layer has been proposed. This light-emitting diode has a buffer layer on a sapphire substrate and an n + -type Ga doped with silicon at a high concentration.
An N layer, a cladding layer composed of an n-type GaN layer doped with silicon, a light emitting layer composed of InGaN, a cladding layer composed of a p-type AlGaN,
A first contact layer of p-type GaN and a second contact layer of p + -type GaN are formed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
造の発光ダイオードは、発光層にInGaN を用いて、Inの
混晶比を増大させて禁制帯幅を狭くすることで、発光波
長を長波長側にシフトさせている。しかし、InGaN の混
晶比の制御は難しく、その結晶性も良くない。このた
め、Inの混晶比が増加するに伴い、発光効率が低下する
という問題がある。
However, in the light emitting diode having such a structure, the emission wavelength is increased by using InGaN for the light emitting layer and increasing the mixed crystal ratio of In to narrow the forbidden band width. It is shifted to the wavelength side. However, it is difficult to control the mixed crystal ratio of InGaN, and its crystallinity is not good. For this reason, there is a problem that the luminous efficiency is reduced as the mixed crystal ratio of In is increased.

【0005】そこで、本発明の目的は、Inの混晶比を増
加させずに、長波長の効率の高い発光を可能とすること
である。
Accordingly, an object of the present invention is to enable long-wavelength highly efficient light emission without increasing the mixed crystal ratio of In.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、3族
窒化物半導体から成る発光層を有する発光素子におい
て、発光層に遷移金属を添加したことを特徴とする。こ
の遷移金属の添加により禁制帯の深いエネルギー準位に
不純物レベルが形成されるために、この不純物レベルを
介した電子の遷移による発光の波長は長くなる。請求項
2の発明では、発光層にはドナー不純物又は/及びアク
セプタ不純物が添加されているので、遷移金属による不
純物レベルとドナー不純物レベル又はアクセプタ不純物
レベルとの間のレベル差を禁制帯域幅に比べてさらに狭
くすることができる。このために、発光層の半導体の禁
制帯域幅が広くても、その禁制帯域幅に相当する波長よ
りも十分に長い波長の発光を得ることができる。
According to a first aspect of the present invention, in a light emitting device having a light emitting layer made of a group III nitride semiconductor, a transition metal is added to the light emitting layer. Since the impurity level is formed at a deep energy level in the forbidden band by the addition of the transition metal, the wavelength of light emission due to the transition of electrons through the impurity level becomes longer. According to the second aspect of the present invention, since the light emitting layer is doped with the donor impurity and / or the acceptor impurity, the level difference between the impurity level due to the transition metal and the donor impurity level or the acceptor impurity level is compared with the forbidden bandwidth. Can be further narrowed. For this reason, even if the forbidden bandwidth of the semiconductor in the light emitting layer is wide, light emission with a wavelength sufficiently longer than the wavelength corresponding to the forbidden bandwidth can be obtained.

【0007】請求項3の発明では、3族窒化物半導体を
(AlxGa1-x)yIn1-yN(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)で構成したの
で、その混晶比と遷移金属とにより、青色から赤色に到
る広い範囲の波長を有した発光を得ることができる。
According to a third aspect of the present invention, the group III nitride semiconductor is
(Al x Ga 1-x ) y In 1-y N (0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), depending on the mixed crystal ratio and transition metal, a wide range from blue to red Emission having the following wavelength can be obtained.

【0008】請求項4の発明では、発光層をGaN で構成
した結果、Inの混晶比が大きいことによる結晶性の低下
が改善され、しかも、遷移金属が添加されていることか
らGaN の禁制帯幅に相当した波長よりも十分に長い波長
の光を、高い発光効率で得ることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the light emitting layer is made of GaN, a decrease in crystallinity due to a large mixed crystal ratio of In is improved, and a GaN forbidden substance is added because a transition metal is added. Light having a wavelength sufficiently longer than the wavelength corresponding to the bandwidth can be obtained with high luminous efficiency.

【0009】請求項5の発明では、発光層に添加する遷
移金属は、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、クロム(C
r)、マンガン(Mn)、金(Au)、コバルト(Co)とすること
で、発光層の禁制帯幅に相当した波長よりも十分に長い
波長の光を得ることができる。請求項6の発明では、ド
ナー不純物はシリコン(Si)、又は、イオウ(S) であり、
アクセプタ不純物はマグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カド
ミウム(Cd)としたことで、より長い波長の発光を実現で
きる。
In the invention of claim 5, the transition metal added to the light emitting layer is nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), chromium (C
By using r), manganese (Mn), gold (Au), and cobalt (Co), light having a wavelength sufficiently longer than the wavelength corresponding to the band gap of the light emitting layer can be obtained. According to the invention of claim 6, the donor impurity is silicon (Si) or sulfur (S),
By using magnesium (Mg), zinc (Zn), and cadmium (Cd) as the acceptor impurities, light emission of a longer wavelength can be realized.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。図1は本願実施例の発光素子100 の全
体図を示す。発光素子100 は、サファイア基板1を有し
ており、そのサファイア基板1上に0.05μmのAlN バッ
ファ層2が形成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on specific embodiments. The present invention is not limited to the following examples. FIG. 1 shows an overall view of a light emitting device 100 according to an embodiment of the present invention. The light emitting device 100 has a sapphire substrate 1, and a 0.05 μm AlN buffer layer 2 is formed on the sapphire substrate 1.

【0011】そのバッファ層2の上には、順に、膜厚約
4.0 μm、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープ
GaN から成る高キャリア濃度n+ 層3、膜厚約0.5 μm
の電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープのn-Al
0.08Ga0.92N 成るクラッド層4、膜厚約200 nm,鉄(F
e)とシリコン(Si)が、それぞれ、 5×1018/cm3にドープ
されたGaN から成る発光層5,膜厚約10nm,ホール濃
度 2×1017/cm3, マグネシウム(Mg) が濃度 5×1019/c
m3にドープされたp-Al0.08Ga0.92N から成るクラッド層
71、膜厚約100 nm,ホール濃度 3×1017/cm3のマグ
ネシウム(Mg) が濃度 5×1019/cm3にドープされたGaN
から成る第1コンタクト層72、膜厚約50nm,ホール
濃度 6×1017/cm3、マグネシウム(Mg) が濃度 1×1020
/cm3にドープされたGaN から成るp+ 形の第2コンタク
ト層73が形成されている。そして、第2コンタクト層
73の上面全体にNi/Au の2重層からなる透明電極9が
形成されその透明電極9の隅の部分にNi/Au の2重層か
らなるボンディングのためのパッド10が形成されてい
る。又、n+ 層3上にはAlから成る電極8が形成されて
いる。
On the buffer layer 2, a film thickness of about
4.0 μm, silicon (Si) doped with 2 × 10 18 / cm 3 electron concentration
High carrier concentration n + layer 3 made of GaN, thickness about 0.5 μm
Electron concentration of 5 × 10 17 / cm 3 silicon (Si) doped n-Al
Cladding layer 4 of 0.08 Ga 0.92 N, thickness of about 200 nm, iron (F
e) and silicon (Si) are 5 × 10 18 / cm 3 doped GaN light-emitting layer 5, thickness of about 10 nm, hole concentration 2 × 10 17 / cm 3 , magnesium (Mg) concentration 5 × 10 19 / c
A cladding layer 71 made of p-Al 0.08 Ga 0.92 N doped with m 3 , magnesium (Mg) having a thickness of about 100 nm and a hole concentration of 3 × 10 17 / cm 3 doped with a concentration of 5 × 10 19 / cm 3 GaN
A first contact layer 72 of about 50 nm, a hole concentration of 6 × 10 17 / cm 3 , and a concentration of magnesium (Mg) of 1 × 10 20
A p + -type second contact layer 73 made of GaN doped at / cm 3 is formed. A transparent electrode 9 composed of a double layer of Ni / Au is formed on the entire upper surface of the second contact layer 73, and a pad 10 for bonding composed of a double layer of Ni / Au is formed at a corner of the transparent electrode 9. Have been. Further, an electrode 8 made of Al is formed on the n + layer 3.

【0012】次に、この構造の半導体素子の製造方法に
ついて説明する。上記発光素子100 は、有機金属気相成
長法(以下MOVPE)による気相成長により製造され
た。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガ
ス(H2)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG
」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以
下「TMA 」と記す) 、シラン(SiH4)、シクロペンタジエ
ニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記す)
とシクロペンタジエニル鉄(Fe(C5H5)2)(以下「CP2Fe 」
と記す) である。
Next, a method of manufacturing a semiconductor device having this structure will be described. The light emitting device 100 was manufactured by vapor phase growth using metal organic chemical vapor deposition (hereinafter, MOVPE). The gases used were ammonia (NH 3 ), carrier gas (H 2 ), and trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) (hereinafter “TMG
), Trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMA”), silane (SiH 4 ), cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) (hereinafter “CP 2 Mg ”)
Cyclopentadienyl iron (Fe (C 5 H 5) 2) ( hereinafter "CP 2 Fe"
).

【0013】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
a面を主面とし、単結晶のサファイア基板1をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板1をベーキングした。
First, a single-crystal sapphire substrate 1 is mounted on a susceptor placed in a reaction chamber of an MOVPE apparatus, with the a-plane cleaned by organic cleaning and heat treatment as a main surface. Next, the sapphire substrate 1 was baked at a temperature of 1100 ° C. while flowing H 2 into the reaction chamber at a flow rate of 2 liter / min at normal pressure for about 30 minutes.

【0014】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMA を 1.8×10-5
モル/分で約90秒間供給してAlN のバッファ層2を約0.
05μmの厚さに形成した。次に、サファイア基板1の温
度を1150℃に保持し、H2を20liter/分、NH3 を10 lite
r/分、TMG を 1.7×10-4モル/分、H2ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10-8モル/分で40分導入
し、膜厚約4.0 μm、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン
濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度n+ 層3を形成した。
[0014] Next, by lowering the temperature to 400 ° C., and H 2
20 liter / min, NH 3 10 liter / min, TMA 1.8 × 10 -5
The AlN buffer layer 2 was supplied at about 0.1 mol / min for about 90 seconds.
It was formed to a thickness of 05 μm. Next, the temperature of the sapphire substrate 1 was maintained at 1150 ° C., H 2 was 20 liter / min, and NH 3 was 10 lite.
r / min, TMG 1.7 × 10 -4 mol / min, 0.86p by H 2 gas
Silane diluted at 20 × 10 −8 mol / min was introduced for 40 minutes at a film thickness of about 4.0 μm, an electron concentration of 1 × 10 18 / cm 3 , and a silicon concentration of 4 × 10 18 / cm 3 (Si). 3.) A high carrier concentration n + layer 3 made of doped GaN was formed.

【0015】上記の高キャリア濃度n+ 層3を形成した
後、続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 lit
er/分、NH3 を10 liter/分、TMG を0.5 ×10-4モル/
分、TMA を0.47×10-5モル/分、及び、H2ガスにより0.
86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル/分で30分導
入し、膜厚約0.5 μm、電子濃度 5×1017/cm3、シリコ
ン濃度 1×1018/cm3のAl0.08Ga0.92N から成るクラッド
層4を形成した。
After forming the high carrier concentration n + layer 3, the temperature is maintained at 1100 ° C. and N 2 or H 2 is reduced to 20 lit.
er / min, NH 3 at 10 liter / min, TMG at 0.5 × 10 -4 mol /
Min, 0.47 × 10 -5 mol / min TMA, and by H 2 gas 0.
Silane diluted to 86 ppm was introduced at 10 × 10 −9 mol / min for 30 minutes, and Al 0.08 Ga having a film thickness of about 0.5 μm, an electron concentration of 5 × 10 17 / cm 3 , and a silicon concentration of 1 × 10 18 / cm 3. A cladding layer 4 of 0.92 N was formed.

【0016】続いて、温度を1100℃に保持し、H2を20 l
iter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を 1.7×10-4モル
/分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを25×
10-8モル/分、CP2Fe を2 ×10-7モル/分で、2分間供
給して厚さ200nm のシリコンと鉄が、それぞれ、 5×10
18/cm3にドープさたGaN から成る発光層5を形成した。
Subsequently, the temperature was maintained at 1100 ° C., and H 2 was reduced to 20 l.
iter / min, NH 3 at 10 liter / min, TMG at 1.7 × 10 −4 mol / min, and silane diluted to 0.86 ppm with H 2 gas at 25 ×
10 -8 mol / min, CP 2 Fe was supplied at 2 × 10 -7 mol / min for 2 minutes, and silicon and iron having a thickness of 200 nm were converted to 5 × 10
The light emitting layer 5 made of GaN doped at 18 / cm 3 was formed.

【0017】続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2
を20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を0.5 ×10
-4モル/分、TMA を0.47×10-5モル/分、及び、CP2Mg
を2×10-7モル/分で2分間導入し、膜厚約10nmのマ
グネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るクラッ
ド層71を形成した。クラッド層71のマグネシウム濃
度は 5×1019/cm3である。この状態では、クラッド層7
1は、まだ、抵抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C. and N 2 or H 2
20 liter / min, NH 3 10 liter / min, TMG 0.5 × 10
-4 mol / min, TMA 0.47 × 10 -5 mol / min, and CP 2 Mg
Was introduced at 2 × 10 −7 mol / min for 2 minutes to form a cladding layer 71 made of magnesium (Mg) -doped Al 0.08 Ga 0.92 N and having a thickness of about 10 nm. The magnesium concentration of the cladding layer 71 is 5 × 10 19 / cm 3 . In this state, the cladding layer 7
1 is an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.

【0018】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を0.5 ×10-4
モル/分、及び、CP2Mg を 2×10-8モル/分で5分間導
入し、膜厚約100 nmのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成る第1コンタクト層72を形成した。第1コンタ
クト層72のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。
この状態では、第1コンタクト層72は、まだ、抵抗率
108 Ωcm以上の絶縁体である。
Next, the temperature is maintained at 1100 ° C. and N 2 or H 2 is added.
20 liter / min, NH 3 10 liter / min, TMG 0.5 × 10 -4
Mol / min and CP 2 Mg were introduced at 2 × 10 −8 mol / min for 5 minutes, and magnesium (Mg) -doped GaN having a thickness of about 100 nm was used.
The first contact layer 72 made of was formed. The magnesium concentration of the first contact layer 72 is 5 × 10 19 / cm 3 .
In this state, the first contact layer 72 still has the resistivity
It is an insulator of 10 8 Ωcm or more.

【0019】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2
20 liter/分、NH3 を10 liter/分、TMG を0.5 ×10-4
モル/分、及び、CP2Mg を 4×10-8モル/分で2分間導
入し、膜厚約50nmのマグネシウム(Mg)ドープのGaN か
ら成るp+ の第2コンタクト層73を形成した。第2コ
ンタクト層73のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3であ
る。この状態では、第2コンタクト層73は、まだ、抵
抗率108 Ωcm以上の絶縁体である。
Next, the temperature was maintained at 1100 ° C. and N 2 or H 2 was added.
20 liter / min, NH 3 10 liter / min, TMG 0.5 × 10 -4
Mol / min and CP 2 Mg were introduced at 4 × 10 −8 mol / min for 2 minutes to form a p + second contact layer 73 of magnesium (Mg) -doped GaN having a thickness of about 50 nm. The magnesium concentration of the second contact layer 73 is 1 × 10 20 / cm 3 . In this state, the second contact layer 73 is still an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.

【0020】次に、電子線照射装置を用いて、第2コン
タクト層73,第1コンタクト層72及びクラッド層7
1に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加
速電圧約10KV、資料電流1μA、ビームの移動速度0.2m
m/sec 、ビーム径60μmφ、真空度5.0 ×10-5Torrであ
る。この電子線の照射により、第2コンタクト層73,
第1コンタクト層72及びクラッド層71は、それぞ
れ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2×1017/c
m3、抵抗率 2Ωcm, 1 Ωcm,0.7Ωcmのp伝導型半導体と
なった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
Next, the second contact layer 73, the first contact layer 72, and the cladding layer 7 are formed by using an electron beam irradiation device.
1 was uniformly irradiated with an electron beam. Electron beam irradiation conditions are: acceleration voltage about 10KV, data current 1μA, beam moving speed 0.2m
m / sec, beam diameter 60 μmφ, vacuum degree 5.0 × 10 −5 Torr. By the irradiation of the electron beam, the second contact layer 73,
The first contact layer 72 and the cladding layer 71 have a hole concentration of 6 × 10 17 / cm 3 , 3 × 10 17 / cm 3 , 2 × 10 17 / c, respectively.
It became a p-conduction type semiconductor having m 3 and resistivity of 2Ωcm, 1Ωcm, 0.7Ωcm. Thus, a wafer having a multilayer structure was obtained.

【0021】次に、図2に示すように、第2コンタクト
層73の上に、スパッタリングによりSiO2層11を2000
Åの厚さに形成し、そのSiO2層11上にフォトレジスト
12を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図
2に示すように、第2コンタクト層73上において、高
キャリア濃度n+ 層3に対する電極形成部位A' のフォ
トレジスト12を除去した。次に、図3に示すように、
フォトレジスト12によって覆われていないSiO2層11
をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
Next, as shown in FIG. 2, an SiO 2 layer 11 is formed on the second contact
Then, a photoresist 12 was applied on the SiO 2 layer 11. Then, by photolithography, as shown in FIG. 2, on the second contact layer 73, the photoresist 12 at the electrode formation site A for the high carrier concentration n + layer 3 was removed. Next, as shown in FIG.
SiO 2 layer 11 not covered by photoresist 12
Was removed with a hydrofluoric acid-based etching solution.

【0022】次に、フォトレジスト12及びSiO2層11
によって覆われていない部位の第2コンタクト層73、
第1コンタクト層72、クラッド層71、発光層5、n
層4を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3
ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした
後、Arでドライエッチングした。この工程で、図4に示
すように、高キャリア濃度n+ 層3に対する電極取出し
のための孔Aが形成された。その後、フォトレジスト1
2及びSiO2層11を除去した。
Next, the photoresist 12 and the SiO 2 layer 11
The second contact layer 73 not covered by the second contact layer 73,
First contact layer 72, cladding layer 71, light emitting layer 5, n
The layers 4, vacuum 0.04 Torr, RF power 0.44W / cm 2, BCl 3
After gas was supplied at a rate of 10 ml / min to perform dry etching, dry etching was performed using Ar. In this step, as shown in FIG. 4, a hole A for extracting an electrode from the high carrier concentration n + layer 3 was formed. Then, photoresist 1
2 and the SiO 2 layer 11 were removed.

【0023】次に、一様にNi/Au の2層を蒸着し、フォ
トレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチ
ング工程を経て、第2コンタクト層73の上に透明電極
9を形成した。そして、その透明電極9の一部にNi/Au
の2層を蒸着してパッド10を形成した。一方、n+
3に対しては、アルミニウムを蒸着して電極8を形成し
た。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子
毎に切断され、図1に示す構造の発光ダイオードを得
た。この発光素子は駆動電流20mAで発光ピーク波長45
0 nm、発光強度2000mCd であった。発光層5を結晶性
の高いGaN として、GaN の禁制帯幅に相当する波長より
も十分に長い波長の発光を得ることができた。又、発光
層5を結晶性の良いGaN としている結果、発光効率は従
来構造のLEDに比べて2倍になった。
Next, two layers of Ni / Au were uniformly deposited, and a transparent electrode 9 was formed on the second contact layer 73 through application of a photoresist, a photolithography step, and an etching step. Then, Ni / Au is applied to a part of the transparent electrode 9.
Were deposited to form the pad 10. On the other hand, the electrode 8 was formed on the n + layer 3 by evaporating aluminum. Thereafter, the wafer processed as described above was cut into individual devices to obtain light emitting diodes having the structure shown in FIG. This light-emitting element emits light at a peak emission wavelength of 45 at a driving current of 20 mA.
The emission intensity was 0 nm and the emission intensity was 2000 mCd. By using the luminescent layer 5 as GaN having high crystallinity, light emission having a wavelength sufficiently longer than the wavelength corresponding to the band gap of GaN could be obtained. In addition, as a result of using GaN having good crystallinity for the light emitting layer 5, the luminous efficiency was doubled as compared with the LED having the conventional structure.

【0024】又、発光層5にニッケル(Ni)を 5×1019/c
m3の濃度に添加したLEDを製造したが、同様に、駆動
電流20mAで発光ピーク波長450 nm、発光強度2000mC
d が得られた。
The light emitting layer 5 is made of nickel (Ni) at 5 × 10 19 / c
was prepared an LED was added to a concentration of m 3, likewise, the emission peak wavelength of 450 nm by driving current 20 mA, the emission intensity 2000mC
d is obtained.

【0025】上記実施例では、遷移金属としてFe、又
は、Niを用いたが、Fe,Ni の他、銅(Cu)、クロム(Cr)、
マンガン(Mn)、金(Au)、コバルト(Co)等の金属を用いる
ことが可能である。遷移金属を添加するための有機金属
ガスとしては、遷移金属M に対して、シクロペンタジエ
ニルM 金属(M(C5H5)2)( 「CP2M」) を用いることができ
る。
In the above embodiment, Fe or Ni was used as the transition metal, but in addition to Fe and Ni, copper (Cu), chromium (Cr),
Metals such as manganese (Mn), gold (Au), and cobalt (Co) can be used. As an organic metal gas for adding a transition metal, cyclopentadienyl M metal (M (C 5 H 5 ) 2 ) (“CP 2 M”) can be used for the transition metal M 2 .

【0026】又、上記実施例では、発光層5にGaN を用
いたが、InxGa1-xN を用いることもできる。その場合に
は、遷移金属M が添加されるために、Inの混晶比X は小
さくとも、長い波長の発光を得ることができる。具体的
には450 〜550nm の範囲の発光が可能である。さらに、
一般には、発光層5には、(AlxGa1-x)yIn1-yN(0 ≦x≦
1;0 ≦y ≦1)を用いることができる。これにより、混晶
比x,yを変化させることで、さらに、短波長から長波
長までの広範囲での発光が可能な素子を得ることができ
る。
Although GaN is used for the light emitting layer 5 in the above embodiment, In x Ga 1 -xN may be used. In this case, since the transition metal M is added, emission of a long wavelength can be obtained even if the mixed crystal ratio X of In is small. Specifically, light emission in the range of 450 to 550 nm is possible. further,
Generally, (Al x Ga 1-x ) y In 1-y N (0 ≦ x ≦
1; 0 ≤ y ≤ 1) can be used. Thus, by changing the mixed crystal ratios x and y, it is possible to obtain an element capable of emitting light over a wide range from a short wavelength to a long wavelength.

【0027】又、発光層5の厚さは、1000〜3000Åが望
ましい。1000Å以下、又は、3000Å以上となると、発光
強度が低下するので望ましくない。上記実施例では、発
光層5を単層で構成したが、単一又は多重の量子井戸構
造としても良い。多重量子井戸構造とした場合には、遷
移金属は井戸層に添加すること、井戸層とバリア層の両
方に添加すること、さらに、ドナー不純物やアクセプタ
不純物を添加する場合には、ドナー不純物やアクセプタ
不純物を井戸層に添加すること、バリア層に添加するこ
と、ドナー不純物を井戸層にアクセプタ不純物をバリア
層に添加すること、その逆の方法で添加すること、等、
様々な添加の方法が考えられる。
The thickness of the light emitting layer 5 is desirably 1000 to 3000 °. If the angle is 1000 ° or less, or 3000 ° or more, the emission intensity is undesirably reduced. In the above embodiment, the light emitting layer 5 is constituted by a single layer. However, a single or multiple quantum well structure may be employed. In the case of a multiple quantum well structure, the transition metal is added to the well layer, to both the well layer and the barrier layer, and further to the case where a donor impurity or an acceptor impurity is added, a donor impurity or an acceptor is added. Adding impurities to the well layer, adding to the barrier layer, adding donor impurities to the well layer, acceptor impurities to the barrier layer, adding the impurities in a reverse manner, and so on.
Various methods of addition are conceivable.

【0028】上記実施例では発光層5にSiをドナー不純
物として添加しているが、遷移金属だけ添加するように
しても良い。遷移金属の添加濃度の範囲は、1 ×1017
1 ×1020/cm3が望ましい。1×1017/cm3 以下である
と、発光中心不足により発光効率が低下し、1×1020
/cm3 以上となると、結晶性が悪くなり、又、オージェ
効果が発生するので望ましくない。さらに好ましくは1
×1018〜1 ×1019/cm3 の範囲が良い。又、Siに代え
て、4族元素である炭素(C) 、シリコン(Si)、ゲルマニ
ウユ(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、6族元素のイオウ(S) 、セ
レン(Se)、テルル(Te)を用いることができる。又、アク
セプタ不純物として、2族元素のベリリウム(Be)、マグ
ネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)を
用いても良い。その濃度範囲は、1 ×1017〜1 ×1020/c
m3が望ましい。さらに好ましくは1×1018〜1 ×1019/c
m3 の範囲が良い。その範囲の望ましい理由は、遷移金
属の濃度範囲の理由と同様である。
In the above embodiment, Si is added to the light emitting layer 5 as a donor impurity, but only the transition metal may be added. The range of the addition concentration of the transition metal is 1 × 10 17 to
1 × 10 20 / cm 3 is desirable. When the concentration is 1 × 10 17 / cm 3 or less, the luminous efficiency is reduced due to the shortage of the luminescent center, and 1 × 10 20
If it exceeds / cm 3 , the crystallinity deteriorates and the Auger effect occurs, which is not desirable. More preferably 1
The range of × 10 18 to 1 × 10 19 / cm 3 is good. Also, instead of Si, group 4 elements such as carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), and group 6 element sulfur (S) and selenium (Se) , Tellurium (Te) can be used. In addition, beryllium (Be), magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), or mercury (Hg) of a Group 2 element may be used as the acceptor impurity. Its concentration range is 1 × 10 17 to 1 × 10 20 / c
m 3 is preferred. More preferably, 1 × 10 18 to 1 × 10 19 / c
range of m 3 is good. Desirable reasons for the range are the same as those for the transition metal concentration range.

【0029】上記実施例において、コンタクト層は2層
構造としたが1層構造でも良い。又、クラッド層71の
厚さは2nm〜70nm、第1コンタクト層72の厚さは2nm
〜100nm 、第2コンタクト層73の厚さは2nm〜50nmが
望ましい。クラッド層71の厚さが2nmよりも薄いと、
キャリアの閉じ込め効果が低下するため発光効率が低下
するので望ましくない。第1コンタクト層72の厚さが
2nmよりも薄いと、注入されるホール数が減少するので
発光効率が低下するので望ましくない。第2コンタクト
層73が2nmよりも薄いと、オーミック性が悪くなり接
触抵抗が増大するので望ましくない。又、各層が上記の
上限厚さを越えると、発光層がその成長温度以上に曝さ
れる時間が長くなり発光層の結晶性の改善効果が低下す
るので望ましくない。
In the above embodiment, the contact layer has a two-layer structure, but may have a one-layer structure. The thickness of the cladding layer 71 is 2 nm to 70 nm, and the thickness of the first contact layer 72 is 2 nm.
To 100 nm, and the thickness of the second contact layer 73 is preferably 2 nm to 50 nm. When the thickness of the cladding layer 71 is smaller than 2 nm,
Since the effect of confining carriers is reduced, the luminous efficiency is reduced, which is not desirable. If the thickness of the first contact layer 72 is smaller than 2 nm, the number of holes to be injected is reduced, so that the luminous efficiency is reduced, which is not desirable. If the second contact layer 73 is thinner than 2 nm, the ohmic property becomes poor and the contact resistance increases, which is not desirable. On the other hand, when the thickness of each layer exceeds the above upper limit thickness, the time during which the light emitting layer is exposed to a temperature higher than its growth temperature becomes longer, and the effect of improving the crystallinity of the light emitting layer is not desirable.

【0030】又、クラッド層71のホール濃度は1 ×10
17〜 1×1018/cm3 が望ましい。ホール濃度が 1×1018
/cm3 以上となると、不純物濃度が高くなり結晶性が低
下し発光効率が低下するので望ましくなく、 1×1017
cm3 以下となると、直列抵抗が高くなり過ぎるので望ま
しくない。
The hole concentration of the cladding layer 71 is 1 × 10
17 to 1 × 10 18 / cm 3 is desirable. Hall concentration 1 × 10 18
/ Cm 3 or more and becomes undesirable since crystallinity becomes higher impurity concentration is lowered luminous efficiency decreases, 1 × 10 17 /
If it is less than cm 3 , the series resistance becomes too high, which is not desirable.

【0031】第1コンタクト層72は、マグネシウム(M
g)が1×1019〜5×1020/cm3の範囲で第2コンタ
クト層73のマグネシウム(Mg)濃度より低濃度に添加さ
れp伝導型を示す層とすることで、その層のホール濃度
を3×1017〜8×1017/cm3と最大値を含む領域とする
ことができる。これにより、発光効率を低下させること
がない。
The first contact layer 72 is made of magnesium (M
g) is added at a concentration lower than the magnesium (Mg) concentration of the second contact layer 73 in the range of 1 × 10 19 to 5 × 10 20 / cm 3 to form a layer exhibiting the p-conduction type, so that the hole of the layer is formed. The concentration can be an area including the maximum value of 3 × 10 17 to 8 × 10 17 / cm 3 . Thus, the luminous efficiency does not decrease.

【0032】第2コンタクト層73は、マグネシウム(M
g)濃度を1×1020〜1×1021/cm3 とする場合が望
ましい。マグネシウム(Mg)が1×1020〜1×1021
cm3に添加されたp伝導型を示す層は、金属電極に対し
てオーミック性を向上させることができるが、ホール濃
度が1×1017〜8×1017/cm3 とやや低下する。(駆動
電圧5V以下にできる範囲を含む、オーミック性の改善
からMg濃度が上記の範囲が良い。)
The second contact layer 73 is made of magnesium (M
g) It is desirable that the concentration be 1 × 10 20 to 1 × 10 21 / cm 3 . Magnesium (Mg) is 1 × 10 20 -1 × 10 21 /
The p-type layer added to the cm 3 layer can improve the ohmic property of the metal electrode, but the hole concentration is slightly reduced to 1 × 10 17 to 8 × 10 17 / cm 3 . (The Mg concentration is preferably in the above range from the viewpoint of improving ohmic properties, including the range in which the driving voltage can be reduced to 5 V or less.)

【0033】その他、アクセプタ不純物は、2族元素の
ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミ
ウム(Cd)、水銀(Hg)を用いても良い。2族元素をアクセ
プタ不純物とした場合には、ドナー不純物として、4族
元素である炭素(C) 、シリコン(Si)、ゲルマニウユ(G
e)、錫(Sn)、鉛(Pb)を用いることができる。又、4族元
素をアクセプタ不純物とした場合には、ドナー不純物と
して、6族元素のイオウ(S) 、セレン(Se)、テルル(Te)
を用いることもできる。p型化は、電子線照射の他、熱
アニーリング、N2プラズマガス中での熱処理、レーザ照
射により行うことができる。
In addition, as the acceptor impurity, beryllium (Be), magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), or mercury (Hg) of a Group 2 element may be used. When a group II element is used as an acceptor impurity, carbon (C), silicon (Si), germanium (G)
e), tin (Sn), and lead (Pb) can be used. When the group 4 element is used as an acceptor impurity, the group 6 element sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te) is used as the donor impurity.
Can also be used. The p-type conversion can be performed by electron beam irradiation, thermal annealing, heat treatment in N 2 plasma gas, or laser irradiation.

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

【図1】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオード
の構成を示した構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a specific embodiment of the present invention.

【図2】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the embodiment.

【図3】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing step of the light-emitting diode of the embodiment.

【図4】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing step of the light-emitting diode of the same embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 …半導体素子 1…サファイア基板 2…バッファ層 3…高キャリア濃度n+ 層 4…クラッド層 5…発光層 71…クラッド層 72…第1コンタクト層 73…第2コンタクト層 8…電極 9…透明電極 10…パッド100 semiconductor device 1 sapphire substrate 2 buffer layer 3 high carrier concentration n + layer 4 cladding layer 5 light emitting layer 71 cladding layer 72 first contact layer 73 second contact layer 8 electrode 9 transparent Electrode 10 ... Pad

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小出 典克 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小池 正好 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心1丁目1番38− 805 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手2丁目104 宝マンション山の手508号 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Norikatsu Koide, No. 1, Nagahata, Ochiai, Kasuga-machi, Nishikasugai-gun, Aichi Prefecture Inside Toyoda Gosei Co., Ltd. (72) Masayoshi Koike, Nagahata, Ochiai, Kasuga-cho, Nishikasugai-gun, Aichi No. 1 Toyoda Gosei Co., Ltd. (72) Inventor Isamu Akasaki 1-38-805, Nishi-ku, Nagoya-shi, Aichi 1-38-805 (72) Inventor Hiroshi Amano 2-104 Yamanote, Meito-ku, Nagoya-shi, Aichi No. 508 Takara Mansion Yamanote

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】3族窒化物半導体から成る発光層を有する
発光素子において、 前記発光層に遷移金属を添加したことを特徴とする発光
素子。
1. A light emitting device having a light emitting layer made of a Group III nitride semiconductor, wherein a transition metal is added to the light emitting layer.
【請求項2】前記発光層にはドナー不純物又は/及びア
クセプタ不純物がさらに添加されていることを特徴とす
る請求項1に記載の発光素子。
2. The light emitting device according to claim 1, wherein a donor impurity and / or an acceptor impurity are further added to the light emitting layer.
【請求項3】前記3族窒化物半導体は(AlxGa1-x)yIn1-y
N(0 ≦x ≦1;0 ≦y ≦1)であることを特徴とする請求項
1又は請求項2に記載の発光素子。
3. The group III nitride semiconductor is (Al x Ga 1-x ) y In 1-y
The light emitting device according to claim 1, wherein N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1).
【請求項4】前記発光層はGaN から成ることを特徴とす
る請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の発光素子。
4. The light emitting device according to claim 1, wherein said light emitting layer is made of GaN.
【請求項5】前記発光層に添加する遷移金属は、ニッケ
ル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、
金(Au)、コバルト(Co)であることを特徴とする請求項1
に記載の発光素子。
5. The transition metal added to the light emitting layer includes nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), chromium (Cr), manganese (Mn),
2. The method according to claim 1, wherein the material is gold (Au) or cobalt (Co).
The light-emitting device according to item 1.
【請求項6】前記ドナー不純物はシリコン(Si)、又は、
イオウ(S) であり、前記アクセプタ不純物はマグネシウ
ム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)であることを特徴と
する請求項2に記載の発光素子。
6. The method according to claim 1, wherein the donor impurity is silicon (Si) or
3. The light emitting device according to claim 2, wherein the element is sulfur (S), and the acceptor impurities are magnesium (Mg), zinc (Zn), and cadmium (Cd).
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