JPH11168241A - Iii nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
Iii nitride semiconductor light emitting deviceInfo
- Publication number
- JPH11168241A JPH11168241A JP33454197A JP33454197A JPH11168241A JP H11168241 A JPH11168241 A JP H11168241A JP 33454197 A JP33454197 A JP 33454197A JP 33454197 A JP33454197 A JP 33454197A JP H11168241 A JPH11168241 A JP H11168241A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- light emitting
- indium
- barrier layer
- nitride semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、III 族窒化物半
導体から成るn形障壁層とp形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層、或いは
インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層とし
ての井戸層を含む量子井戸構成体を狭持して成る発光部
を備えたIII 族窒化物半導体発光素子に関するものであ
る。The present invention relates to a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor or an indium-containing group III nitride between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. The present invention relates to a group III nitride semiconductor light-emitting device including a light-emitting portion sandwiching a quantum well structure including a well layer as a light-emitting layer made of a semiconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】A.III 族窒化物半導体発光素子 元素周期律表の第III 族に属するアルミニウム(A
l)、ガリウム(Ga)やインジウム(In)等と、第
V族である窒素(N)との化合物は、所謂、禁止帯幅
(band gap)が比較的大きいが、半導体の性質
を呈するためIII 族窒化物半導体と称される。これら一
般式Alx Gay Inz N(0≦x,y,z≦1、x+
y+z=1)で表される第V族元素として窒素のみを含
むIII 族窒化物半導体に加え、窒素以外の第V族元素で
ある砒素(As)や燐(P)等を一構成元素として含む
Alx Gay Inz M1-a Na (0≦x,y,z≦1、
x+y+z=1、0<a≦1、M:窒素以外の第V族の
構成元素)も一般にはIII 族窒化物半導体の範疇とされ
ている。このIII 族窒化物半導体は、炭化珪素(Si
C)やセレン化亜鉛(ZnSe)等のII−VI族化合物半
導体と同様に、ワイドバンドギャップ(wide ba
nd gap)と称され、短波長の可視光或いは紫外光
を放射する発光ダイオード(LED)やレーザダイオー
ド(LD)等の発光素子を構成する材料として活用さ
れ、特に可視短波長光を発するに適する禁止帯幅を有す
るIII 族窒化物半導体は、発光層を構成する材料として
重用されている。2. Description of the Related Art III-nitride semiconductor light-emitting device Aluminum belonging to Group III of the periodic table (A
l), a compound of gallium (Ga), indium (In), and the like and nitrogen (N) which is a Group V has a so-called band gap, which is relatively large, but exhibits semiconductor properties. It is called a group III nitride semiconductor. These general formula Al x Ga y In z N ( 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x +
y + z = 1) In addition to a group III nitride semiconductor containing only nitrogen as a group V element represented by y + z = 1), arsenic (As) and phosphorus (P) which are group V elements other than nitrogen are included as one constituent element. al x Ga y In z M 1 -a N a (0 ≦ x, y, z ≦ 1,
x + y + z = 1, 0 <a ≦ 1, M: group V element other than nitrogen) is also generally included in the group III nitride semiconductor. This group III nitride semiconductor is made of silicon carbide (Si
C) and a wide band gap (wide band gap) like II-VI compound semiconductors such as zinc selenide (ZnSe).
nd gap), which is used as a material for forming light-emitting elements such as light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) that emit short-wavelength visible light or ultraviolet light, and is particularly suitable for emitting visible short-wavelength light. A group III nitride semiconductor having a band gap is widely used as a material for forming a light emitting layer.
【0003】B.発光層を構成するIII 族窒化物半導体
材料 III 族窒化物半導体を用いて構成したLEDを例にすれ
ば、現在では緑色、青緑色、青色或いは紫色等の紫外帯
域に迄及ぶ様々な発光波長を有する短波長LEDが実現
されるに至っている。また、III 族窒化物半導体を用い
て構成したLDを例にすれば、青色LDの実用化に向け
ての研究開発が盛んに進められている。[0003] Group III Nitride Semiconductor Material Constituting Light Emitting Layer For example, an LED constituted by using a group III nitride semiconductor has various emission wavelengths ranging from green, blue-green, blue or purple to the ultraviolet band. Short-wavelength LEDs that have been realized. In addition, for example, an LD configured using a group III nitride semiconductor is being actively researched and developed for practical use of a blue LD.
【0004】このような発光素子にあって発光をもたら
すのは、発光層或いは活性層と呼ばれる機能層である。
III 族窒化物を用いて構成したLEDにあって、量子井
戸構造(Quantum Well:QW)と称する構
成を有し波長を525nmとする高輝度の純緑色LE
D、若しくは波長を大凡490nm前後とする青緑色L
ED、或いは波長を450nm程度とする青色LEDな
どの、短波長可視光を出力するLEDの各発光層には、
窒化ガリウム・インジウム混晶(Gac In1-cN:0
≦c<1)等のインジウムを構成元素として含むIII 族
窒化物半導体(インジウム含有III 族窒化物半導体)が
利用されている(特公昭55−3834号公報明細書参
照)。[0004] In such a light emitting element, a functional layer called a light emitting layer or an active layer causes light emission.
A high-brightness pure green LE having a structure called a quantum well structure (Quantum Well: QW) and having a wavelength of 525 nm, which is an LED formed using a group III nitride.
D or blue-green L whose wavelength is about 490 nm
Each light emitting layer of an LED that outputs short-wavelength visible light, such as an ED or a blue LED having a wavelength of about 450 nm,
Gallium indium nitride mixed crystal (Ga c In 1-c N : 0
Group III nitride semiconductors containing indium such as ≤c <1) (indium-containing group III nitride semiconductors) have been used (see Japanese Patent Publication No. 55-3834).
【0005】窒化ガリウム・インジウム混晶が短波長発
光素子の発光層として特に好ましく利用されるのは、イ
ンジウムの組成比を適宜、選択することをもって都合良
く短波長の発光を与える禁止帯幅と成るからである。例
えば、インジウム組成比を約0.05(5%)から約
0.10(10%)とする窒化ガリウム・インジウム層
は、波長を約450nmとする青色帯域の発光素子の発
光層として利用されている(Appl.Phys.Le
tt.、64(13)(1994)、1687〜168
9頁参照)。インジウム組成比を約0.15から約0.
20とする亜鉛(Zn)がドーピングされた窒化ガリウ
ム・インジウム層は、波長を約490nm前後とする青
緑帯域の発光素子の発光層として用いられている(J.
Crystal Growth、145(1994)、
911〜917頁参照)。A gallium-indium mixed crystal is particularly preferably used as a light-emitting layer of a short-wavelength light-emitting element because the bandgap that gives short-wavelength light emission can be conveniently obtained by appropriately selecting the composition ratio of indium. Because. For example, a gallium indium nitride layer having an indium composition ratio of about 0.05 (5%) to about 0.10 (10%) is used as a light emitting layer of a light emitting element in a blue band having a wavelength of about 450 nm. (Appl. Phys. Le
tt. , 64 (13) (1994), 1687-168.
See page 9.) The indium composition ratio is about 0.15 to about 0.1.
A zinc (Zn) -doped gallium indium layer with a wavelength of about 490 nm is used as a light-emitting layer of a blue-green band light-emitting element having a wavelength of about 490 nm (J.
Crystal Growth, 145 (1994),
911-917).
【0006】C.III 族窒化物発光素子の発光部の構成 LEDを例にして説明すれば、窒化ガリウム・インジウ
ムを発光層とする発光部の構成には大別して3通りあ
る。第一は、n形の窒化ガリウム・インジウム層とp形
の窒化ガリウム・インジウムとの同一の物質相互のpn
接合から成る所謂、ホモ接合から成る発光部である(特
開平3−203388号公報明細書参照)。第2は、単
一ヘテロ(SH)構造の発光部である(特開平5−63
236号公報明細書参照)。C. Structure of Light Emitting Unit of Group III Nitride Light Emitting Element Taking an LED as an example, there are roughly three types of structures of a light emitting unit using gallium indium nitride as a light emitting layer. First, the same material pn between the n-type gallium indium nitride layer and the p-type gallium indium nitride
This is a so-called homojunction light-emitting portion composed of a junction (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-203388). The second is a light emitting section having a single hetero (SH) structure (Japanese Patent Laid-Open No. 5-63).
No. 236).
【0007】第3は、例えばクラッド層等の障壁層を成
すp形とn形のIII 族窒化物半導体層の中間に、窒化ガ
リウム・インジウム発光層を配置した発光部である(特
開平6−209120号公報明細書参照)。ここで、障
壁層とは、一般には、発光層を構成する半導体材料に対
し、室温における電子の熱運動エネルギ(約0.26e
V)を越えるバンドオフセットを発生させるために、キ
ャリア(電子及び正孔)の通行にとって障壁として作用
する半導体層のことを云う。発光層の両側をクラッド層
等のn形とp形のIII 族窒化物半導体の障壁層で狭持し
た構造は、pn接合型のダブルヘテロ(DH)構造と称
されている。発光層を狭持する、発光層より禁止帯幅を
大とする半導体から構成される障壁層は、発光をもたら
す電子と正孔との放射再結合を、限定された領域即ち発
光層内で、効率良く実施させる作用を帰結する。このキ
ャリアの「閉じ込め」効果によりDH接合構造から成る
発光部においては、上記のSH接合の場合に比較すれば
より高い強度の発光が得られる利点がある。このため、
近年では砒化ガリウム(GaAs)系材料等の他のIII
−V族化合物半導体LEDと同じく、窒化ガリウム系L
EDにあってもpn接合を備えたDH構造型のLEDが
主流となっている(特開平6−260682号公報明細
書参照)。The third is a light-emitting portion in which a gallium-indium nitride light-emitting layer is disposed between a p-type and an n-type group III nitride semiconductor layer forming a barrier layer such as a cladding layer (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-1994). 209120). Here, the barrier layer generally means a thermal kinetic energy of electrons (about 0.26 e) at room temperature with respect to a semiconductor material forming the light emitting layer.
A semiconductor layer that acts as a barrier to the passage of carriers (electrons and holes) in order to generate a band offset exceeding V). A structure in which both sides of the light emitting layer are sandwiched between n-type and p-type group III nitride semiconductor barrier layers such as a cladding layer is called a pn junction type double hetero (DH) structure. The barrier layer composed of a semiconductor having a band gap larger than that of the light emitting layer, which sandwiches the light emitting layer, causes radiative recombination of electrons and holes that cause light emission in a limited region, that is, in the light emitting layer. This results in an operation that can be performed efficiently. The light emitting portion having the DH junction structure has an advantage that higher intensity light emission can be obtained as compared with the case of the above-described SH junction due to the effect of “confinement” of the carriers. For this reason,
Recently, other III materials such as gallium arsenide (GaAs) based materials
Gallium nitride-based L
Even in the ED, a DH structure type LED having a pn junction is predominant (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-260682).
【0008】ちなみに、実用化に至っている青色、青緑
色或いは緑色を発する短波長LEDを例にすれば、クラ
ッド層は通常窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Alx
Ga y N:0≦x,y≦1、x+y=1)から構成され
ている(特開平6−260283号公報明細書)。特
に、発光層の下部に配置する下部クラッド層はn形の窒
化ガリウム(GaN)から構成する例がある(Jpn.
J.Appl.Phys.、32(1993)、L8〜
L11頁参照)。一方、p形の上部クラッド層は窒化ア
ルミニウム・ガリウム混晶(Alx Gay N;0≦x,
y≦1、x+y=1)から構成されるのが通例である
(特開平6−268259号公報明細書参照)。[0008] By the way, blue, blue-green that has been put to practical use
Taking a short-wavelength LED that emits color or green as an example,
The pad layer is usually made of aluminum nitride / gallium mixed crystal (Alx
Ga yN: 0 ≦ x, y ≦ 1, x + y = 1)
(JP-A-6-260283). Special
In addition, the lower cladding layer disposed below the light emitting layer has an n-type nitride layer.
There is an example composed of gallium arsenide (GaN) (Jpn.
J. Appl. Phys. ,32(1993), L8-
See page L11). On the other hand, the p-type upper cladding layer
Luminium-gallium mixed crystal (AlxGayN; 0 ≦ x,
y ≦ 1, x + y = 1)
(See JP-A-6-268259).
【0009】発光部の構成は上記のように、大別すると
3通りあるが、この他にさらに、ホモ接合、SH構造或
いはDH構造の発光部に発光層として備えられている窒
化ガリウム・インジウム層を井戸層とする量子井戸(Q
W)構造のものがある(Jpn.J.Appl.Ph
ys.、21(9)(1982)、L574〜L57
6.Phys.Rev.、40(5)(1989)、
3013〜3020.参照)。The structure of the light-emitting portion can be roughly classified into three types as described above. In addition, a gallium-indium nitride layer provided as a light-emitting layer in a light-emitting portion having a homojunction, SH structure or DH structure is further provided. Quantum well (Q
W) structure (Jpn. J. Appl. Ph)
ys. , 21 (9) (1982), L574-L57
6. Phys. Rev .. , 40 (5) (1989),
3013-3020. reference).
【0010】具体的に記述すれば、窒化ガリウム・イン
ジウム混晶の薄層を井戸層とし、窒化ガリウム(Ga
N)或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Ald G
a1-dN:0<d≦1)から成る薄層を障壁層とする単
一量子井戸構造(SingleQW:SQW)或いは多
重量子井戸構造(Multi QW:MQW)である
(特開平9−36430号公報明細書参照)。QW構造
における障壁層は、矩形(方形)ポテンシャル井戸(井
戸層)内に都合良く電子の量子準位の形成を可能にする
バンド構成とするために、発光層(井戸層)と同一の電
気伝導形の半導体層から構成されるのが通例である。し
たがって、電気伝導形から量子井戸の構成単位、すなわ
ち単一量子井戸の構成を省みれば、例えばn形障壁層/
n形井戸層/n形障壁層の積層構成が一例として挙げら
れる。MQWはこのような電気伝導形の積層関係を有す
る構成単位を反復して重層となしたものである。More specifically, a thin layer of gallium nitride / indium mixed crystal is used as a well layer, and gallium nitride (Ga) is used.
N) or mixed crystal of aluminum nitride and gallium (Al d G
a 1-d N: 0 <d ≦ 1) A single quantum well structure (Single QW: SQW) or a multiple quantum well structure (Multi QW: MQW) using a thin layer as a barrier layer (Japanese Patent Laid-Open No. 9-36430). Reference). The barrier layer in the QW structure has the same electric conductivity as that of the light emitting layer (well layer) in order to form a band structure that enables the formation of quantum levels of electrons in a rectangular (square) potential well (well layer). It is customary for it to consist of a semiconductor layer of the shape. Therefore, if the constitutional unit of the quantum well, that is, the constitution of the single quantum well is omitted from the electric conduction type, for example, the n-type barrier layer /
One example is a stacked configuration of an n-type well layer / n-type barrier layer. The MQW is obtained by repeatedly forming the structural units having such an electric conduction type lamination relationship to form a multilayer.
【0011】本発明が対象とするのは、p形及びn形障
壁層に狭持された発光層、或いは量子井戸(QW)構造
に観られるように発光層(井戸層)と同一の電気伝導形
の障壁層と接合を成す井戸層を含む発光部を備えたLE
D若しくはLD等の発光素子である。The present invention is directed to a light emitting layer sandwiched between p-type and n-type barrier layers, or the same electrical conductivity as a light emitting layer (well layer) as seen in a quantum well (QW) structure. Having a light emitting portion including a well layer forming a junction with a barrier layer having a rectangular shape
It is a light emitting element such as D or LD.
【0012】単色性に優れる発光スペクトルをもたらす
量子井戸構造から成る発光部の利点を流用すべく、近年
では、III 族窒化物半導体から成る障壁層と井戸層とか
ら成る量子井戸構造の発光部を備えた窒化ガリウム・イ
ンジウム系の発光素子の例が多数報告されている。例え
ば、特開平6−164055号、特開平6−2682
57号、特開平7−7223号、特開平7−94784
号、及び特開平7−297476号各公報明細書、
J.Vac.Sci.Technol.B、8(199
0)、316頁、Appl.Phys.Lett.、
56(1990)、1257頁、J.Appl.Ph
ys.、74(1993)、3911頁、J.Ele
ctron.Mater.、21(1992)、437
頁、及び同誌21(1992)、609頁、Jpn.
J.Appl.Phys.、30(Part 1)(1
991)、1924頁、同誌34(1995)、L79
7頁、同誌34(Part 2)(1995)、L13
32頁、同誌34(Part2)(1995)、L15
17頁、及び同誌35(1996)、L74頁に、III
族窒化物半導体から構成される量子井戸構造を具備した
発光素子の例が掲げられている。これらの従来例におい
ては、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光
層と、それを狭持する或いはそれに接合する障壁層との
積層関係或いは接合関係が例示されている。In recent years, in order to divert the advantages of a light emitting portion having a quantum well structure which provides an emission spectrum with excellent monochromaticity, a light emitting portion having a quantum well structure having a barrier layer and a well layer made of a group III nitride semiconductor has recently been developed. Many examples of gallium-indium nitride-based light-emitting elements provided have been reported. For example, JP-A-6-164055 and JP-A-6-2682
No. 57, JP-A-7-7223, JP-A-7-94784
No., and Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-297476,
J. Vac. Sci. Technol. B, 8 (199
0), 316, Appl. Phys. Lett. ,
56 (1990), p. 1257; Appl. Ph
ys. 74 (1993), p. 3911; Ele
ctron. Mater. , 21 (1992), 437
Page, and the magazine 21 (1992), 609 pp., Jpn.
J. Appl. Phys. , 30 (Part 1) (1
991), p. 1924, Journal 34 (1995), L79
7, p. 34 (Part 2) (1995), L13
32 pages, Journal 34 (Part 2) (1995), L15
Page 17 and the same magazine 35 (1996), page L74, III
An example of a light emitting device having a quantum well structure composed of a group III nitride semiconductor is listed. In these conventional examples, a stacking relation or a bonding relation between a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor and a barrier layer sandwiching or joining the light emitting layer is exemplified.
【0013】D.インジウム含有III 族窒化物半導体の
発光機構 発光層をp形及びn形障壁層で狭持するDH構造から成
る発光部、或いはp形及びn形障壁層の間に、井戸層と
同一の電気伝導形の障壁層との接合から成る量子井戸構
造を含むDH構造から成る発光部を備えたIII 族窒化物
半導体発光素子にあって、より高出力化を果たすための
技術動向が不鮮明たる一つの理由は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体からの発光の機構(メカニズム)が、
従来において必ずしも明確となっていないことに因って
いる。最近では、発光の機構を説明する一例として、量
子ドット等の発生による低次元のキャリアの遷移を介す
るメカニズムが挙げられている。また、発光層とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体発光層に「閉じ込め」
られた状態の量子を介しての発光の可能性が示唆されて
いる(1997年(平成9年)春季第44回応用物理学
関係連合講演会講演予稿集No.1、講演番号28a−
D−6、178頁参照)。D. Light emission mechanism of indium-containing group III nitride semiconductor Light emitting portion having a DH structure in which the light emitting layer is sandwiched by p-type and n-type barrier layers, or between the p-type and n-type barrier layers, the same electrical conductivity as the well layer Of III-nitride semiconductor light-emitting devices with a DH structure including a quantum well structure consisting of a junction with a barrier layer in the shape of a III-nitride semiconductor, and the technical trend for achieving higher output is unclear Is indium-containing II
The mechanism of light emission from group I nitride semiconductors is
This is because it is not always clear in the past. Recently, as an example for explaining the mechanism of light emission, a mechanism via transition of low-dimensional carriers due to generation of quantum dots or the like has been mentioned. In addition, the confinement of the indium-containing group III nitride semiconductor light emitting layer as the light emitting layer
The possibility of light emission through the quantum of the state is suggested. (Preliminary Lecture No. 1, Lecture No. 28a-
D-6, page 178).
【0014】しかし、キャリアの「閉じ込め」の実態は
不明であって、どのようなバンド構成に因るのかも明か
ではない。どのような分布状態を示すキャリアが発光を
もたらす再結合に寄与しているかは不明である。更に
は、”本来”のバンド端よりも低いレベルにある量子準
位を介した発光も唱えられている(特開平8−3165
28号公報明細書参照)。しかし、”本来”のバンド端
レベルより低いエネルギレベルに量子準位が形成される
とするのはそもそも理に合わない。However, the actual state of "confinement" of the carrier is unknown, and it is not clear what kind of band configuration is caused. It is unclear what distribution of carriers contributes to recombination causing light emission. Furthermore, light emission via a quantum level at a level lower than the "original" band edge has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-3165).
No. 28). However, it is unreasonable to assume that a quantum level is formed at an energy level lower than the “original” band edge level.
【0015】以上纏めれば、従来のインジウム含有III
族窒化物半導体を発光層とする発光部がもたらす発光
は、局在する量子化されたキャリアの放射再結合に起因
するものと推察されるものの、発光出力の向上をもたら
すに適する量子準位を形成するに都合の良いバンド構造
(ポテンシャル構成)が提示或いは特定されておらず、
またそのポテンシャル構成に従い局在するキャリアが存
在する領域についても、提示或いは特定されていないた
めに、III 族窒化物半導体発光素子の尚一層の発光出力
の向上をもたらす技術施策の方向性を不定としているの
が現状である。In summary, the conventional indium-containing III
The light emission provided by the light emitting portion having a group III nitride semiconductor as a light emitting layer is presumed to be caused by radiative recombination of localized quantized carriers. A convenient band structure (potential structure) for forming is not shown or specified.
In addition, since the region where carriers are localized according to the potential configuration is not shown or specified, the direction of the technical measure that further improves the light emission output of the group III nitride semiconductor light emitting device is uncertain. That is the current situation.
【0016】E.発光層内での量子準位の発現 発光層をp形及びn形障壁層で狭持する構成の発光部、
或いは井戸層にその井戸層と同一の電気伝導形の障壁層
を接合させる量子井戸構造を含む発光部の何れにして
も、発光層の内部に量子準位を発現するには、条件の整
備が必要である。その一つの条件として、インジウム含
有III 族窒化物半導体発光層に接合する半導体層が、ポ
テンシャル井戸をもたらすに足る半導体材料から選択さ
れていることが必要である。例えば、従来のIII 族窒化
物半導体発光素子に備えられている量子井戸構造におけ
る発光層を対称中心とする矩形(方形)ポテンシャル井
戸を発現するタイプIとして分類される超格子(上記の
「半導体超格子の物理と応用」((株)培風館発行)、
2頁参照)を得るには、次の式(1)及び式(2)の関
係を満足する半導体材料から障壁層を構成する必要があ
る。 (Eg)a <(Eg)b ・・・・・・(1) (Eg)a +χa <(Eg)b +χb ・・・(2) ここで、(Eg)a :発光層の禁止帯幅 (Eg)b :障壁層の禁止帯幅 χa :発光層の電子親和力 χb :障壁層の電子親和力E. Expression of quantum level in light emitting layer Light emitting portion having a structure in which the light emitting layer is sandwiched by p-type and n-type barrier layers,
Alternatively, in any case of a light emitting portion including a quantum well structure in which a barrier layer of the same conductivity type as the well layer is joined to the well layer, conditions must be developed in order to develop a quantum level inside the light emitting layer. is necessary. One of the conditions is that the semiconductor layer to be bonded to the indium-containing group III nitride semiconductor light emitting layer needs to be selected from semiconductor materials sufficient to provide a potential well. For example, a superlattice categorized as Type I which develops a rectangular (square) potential well with the light-emitting layer as the center of symmetry in a quantum well structure provided in a conventional group III nitride semiconductor light-emitting device (the above-mentioned “semiconductor superlattice”). Lattice physics and applications ”(published by Baifukan Co., Ltd.),
(See page 2), it is necessary to form the barrier layer from a semiconductor material that satisfies the following equations (1) and (2). (Eg) a <(Eg) b ... (1) (Eg) a + χ a <(Eg) b + χ b ... (2) where (Eg) a is a forbidden band of the light emitting layer. Width (Eg) b : band gap of barrier layer χ a : electron affinity of light emitting layer χ b : electron affinity of barrier layer
【0017】F.対称型矩形ポテンシャル井戸構成にお
いて量子準位を安定して発現するための条件 上記のように、発光層及び障壁層を上記の式(1)及び
式(2)を満足するIII 族窒化物半導体材料を用いて量
子井戸構造を形成するのが先ず第1の条件ではあるが、
その第1の条件を満足させても、所望するところのエネ
ルギレベルの量子準位が発現されるとは必ずしも限らな
い。量子準位を確実に発現させるに足るポテンシャル井
戸を形成するにあっては、井戸層(発光層)と井戸層と
のオフセットを生む障壁層との接合界面で、構成元素或
いは構成元素の組成比が急峻に変化していることが必要
である。F. Conditions for Stably Developing Quantum Levels in Symmetrical Rectangular Potential Well Structure As described above, the light emitting layer and the barrier layer are made of a group III nitride semiconductor material satisfying the above equations (1) and (2). The first condition is to form a quantum well structure using
Even if the first condition is satisfied, a quantum level of a desired energy level is not always developed. In forming a potential well sufficient to surely express a quantum level, a constituent element or a composition ratio of a constituent element is formed at a junction interface between a well layer (light emitting layer) and a barrier layer that causes an offset between the well layer and the well layer. Needs to change sharply.
【0018】構成元素の急峻な変化が要求される一具体
例を挙げれば、窒化ガリウム・インジウムから発光層
(井戸層)を、窒化アルミニウム・ガリウム混晶から障
壁層を構成するポテンシャル井戸系にあって、井戸層と
障壁層との接合界面で物質を窒化ガリウム・インジウム
から窒化アルミニウム・ガリウム混晶へと原子的なレベ
ルで変化させる必要がある。すなわち、インジウム(I
n)原子は井戸層にのみ存在し、アルミニウム(Al)
原子は障壁層のみに存在していることが理想として要求
される。しかし、実際は接合界面を通しての原子の相互
拡散等の理由により、発光層を構成する元素がそれに接
合する障壁層内へと侵入する事態が発生する。One specific example in which a steep change of the constituent elements is required is a potential well system in which a light emitting layer (well layer) is formed from gallium indium nitride and a barrier layer is formed from a mixed crystal of aluminum nitride and gallium. Therefore, it is necessary to change the material at the atomic level from gallium indium nitride to aluminum gallium nitride mixed crystal at the junction interface between the well layer and the barrier layer. That is, indium (I
n) atoms are present only in the well layer, and aluminum (Al)
Ideally, atoms are present only in the barrier layer. However, in practice, elements constituting the light emitting layer invade into the barrier layer bonded thereto due to mutual diffusion of atoms through the bonding interface.
【0019】発光層と障壁層との接合界面における構成
元素の急峻な濃度変化が獲得できない場合の端的な問題
点は、井戸層と障壁層との接合界面におけるバンド変化
が緩慢となることである。発光層(井戸層)と障壁層等
との接合界面でのバンドの緩慢な変化はポテンシャル井
戸幅の不用意な拡副をもたらし、これより形成される量
子準位は所望とするところのレベルより低下したものと
なる。これは、一般に量子準位の「ゆらぎ」として認識
されている現象である(上記の「半導体超格子の物理と
応用」((株)培風館発行)、227頁参照)。量子準
位の「ゆらぎ」はポテンシャルの緩慢な変化のみではな
く、井戸層の層厚が意図する値から僅かに変化した場合
にも発生するが、この量子準位の「ゆらぎ」は、井戸層
内の量子準位間の遷移を基に発光を得る量子井戸構造の
発光素子にあって、量子化されたキャリア間の遷移エネ
ルギの変化、すなわち、発光波長の意図する波長から
の”ずれ”を帰結する不具合をもたらす。したがって、
従来の如くの対称型矩形ポテンシャル井戸構成を有する
量子井戸構造を形成するにあたっては、発光層の両側に
接合する障壁層との接合界面において、発光層の構成元
素の濃度変化を急峻とするのが必須となる。A simple problem when a steep concentration change of constituent elements cannot be obtained at the junction interface between the light emitting layer and the barrier layer is that the band change at the junction interface between the well layer and the barrier layer becomes slow. . The slow change of the band at the junction interface between the light emitting layer (well layer) and the barrier layer or the like causes an inadvertent expansion of the potential well width, and the quantum level formed therefrom is lower than the desired level. It will be reduced. This is a phenomenon generally recognized as "fluctuation" of the quantum level (see "Physics and Application of Semiconductor Superlattice" (published by Baifukan Co., Ltd., p. 227)). The "fluctuation" of the quantum level occurs not only when the potential changes slowly but also when the thickness of the well layer slightly changes from the intended value. In a light-emitting device having a quantum well structure that obtains light emission based on the transition between quantum levels in a cell, a change in the transition energy between the quantized carriers, that is, a “shift” from the intended wavelength of the light emission wavelength. It causes a consequent failure. Therefore,
In forming a quantum well structure having a symmetrical rectangular potential well structure as in the related art, it is necessary to make the concentration change of the constituent elements of the light emitting layer sharp at the junction interface with the barrier layers bonded on both sides of the light emitting layer. Required.
【0020】G.非対称型ポテンシャル井戸構成におい
て量子準位を安定して発現するための条件 矩形ポテンシャル井戸以外の量子構造を利用するデバイ
ス例には、発光素子ではないが、高移動度トランジスタ
(MODFET、TEGFET)等の電子デバイスが挙
げれる(Appl.Phys.Lett.、69(2
5)(1996)、3872〜3874頁参照)。この
MODFETの動作に利用されるキャリアは主に電子で
あり、ポテンシャル井戸内の量子化された2次元的に振
る舞う低次元の電子である。しかし、MODFETに高
速動作性を付与する量子化された電子の存在をもたらす
ポテンシャル井戸の構成は、従来の発光素子用途の対称
型矩形(方形)ポテンシャル井戸のそれとは異にする
(Appl.Phys.Lett.、69(23)(1
996)、3456〜3458頁参照)。G. Conditions for Stably Developing Quantum Levels in Asymmetric Potential Well Configuration Examples of devices using quantum structures other than rectangular potential wells are not light-emitting elements, but include high mobility transistors (MODFET, TEGFET). Electronic devices (Appl. Phys. Lett., 69 (2
5) (1996), pp. 3872-3874). The carriers used for the operation of the MODFET are mainly electrons, and are low-dimensional electrons that behave two-dimensionally and are quantized in the potential well. However, the configuration of the potential well that provides the presence of quantized electrons that imparts high-speed operation to the MODFET is different from that of a symmetrical rectangular (square) potential well used in conventional light emitting device applications (Appl. Phys. Lett., 69 (23) (1
996), pages 3456-3458).
【0021】図15はMODFET用途の積層構造体に
おけるポテンシャル井戸構造を概略的に示す図である。
図において、MODFETは、電子走行層(チャネル
層)S1/スペーサ層S2/電子供給層S3から成る積
層部において、非対称型のポテンシャル井戸構造を有し
ている(Appl.Phys.Lett.、69(6)
(1996)、794〜796頁参照)。FIG. 15 is a diagram schematically showing a potential well structure in a laminated structure for MODFET use.
In the figure, the MODFET has an asymmetric potential well structure in a laminated portion composed of an electron transit layer (channel layer) S1 / spacer layer S2 / electron supply layer S3 (Appl. Phys. Lett., 69 ( 6)
(1996), pages 794-796).
【0022】スペーサ層S2との接合界面510近傍の
電子走行層S3の内部の領域では、伝導帯端と価電子帯
端にバンドが急激に変化する部分501,502が発生
しており、これにより非対称型で非矩形のポテンシャル
構成と成っている。特に、伝導帯端のバンドの曲折部分
503での落ち込みは顕著であって、接合界面510近
傍の領域では、伝導帯のレベルがフェルミレベルF以下
に下降している。この伝導帯がフェルミレベルF以下と
なるポテンシャルの低い領域には、量子準位505a,
505b,505c,505d…が形成され、この量子
準位505a…にキャリア(電子)が蓄積され、局在化
する。この量子準位505a…は、発光層を構成する半
導体の本来の伝導帯が曲折した領域に形成されるが、曲
折した伝導帯とは云え、量子準位505a…はこの本来
の伝導帯より高エネルギ側に形成されるものである。In the region inside the electron transit layer S3 near the junction interface 510 with the spacer layer S2, portions 501 and 502 where the band sharply changes occur at the conduction band edge and the valence band edge. It has an asymmetric and non-rectangular potential configuration. In particular, the drop at the bent portion 503 of the band at the conduction band end is remarkable, and in the region near the junction interface 510, the level of the conduction band drops below the Fermi level F. In the low potential region where the conduction band is below the Fermi level F, the quantum levels 505a,
505b, 505c, 505d... Are formed, and carriers (electrons) are accumulated in the quantum levels 505a. These quantum levels 505a are formed in a region where the original conduction band of the semiconductor constituting the light emitting layer is bent. However, the quantum levels 505a are higher than the original conduction band. It is formed on the energy side.
【0023】非対称型のポテンシャル構造におけるキャ
リアの分布状況を、発光素子に具備されている従来の対
称型矩形ポテンシャル井戸構成におけるそれと対比する
に、従来の対称型矩形ポテンシャル井戸内のキャリア
は、障壁層等との何れか一方の接合界面に偏在するので
はなく、ポテンシャル井戸内に全般に略一様に分布して
いるのに対し、非対称型ポテンシャル構造では接合界面
の内、特定の界面近傍の領域、すなわち、活性層の特定
の領域に偏在して分布しており、この点で双方は明確に
相違している。そして、このMODFET用途の積層構
造体における非対称型ポテンシャル井戸構造のように、
一方の接合界面にポテンシャル井戸を形成するには、そ
の接合界面で構成元素の濃度変化を特に急峻とすれば良
い。The carrier distribution in the conventional symmetric rectangular potential well is compared with that in the conventional symmetric rectangular potential well structure provided in the light-emitting element. Is not distributed unevenly at one of the junction interfaces, but is distributed almost uniformly in the potential well as a whole, whereas in the asymmetric potential structure, the region near the specific interface in the junction interface That is, they are unevenly distributed in a specific region of the active layer, and both are clearly different in this point. And like the asymmetric potential well structure in the stacked structure for MODFET use,
In order to form a potential well at one junction interface, the change in the concentration of the constituent elements at the junction interface should be particularly sharp.
【0024】以上記述した如く、量子化されたキャリア
の放射再結合をもたらす量子井戸構造の発光部にあって
は、対称型或いは非対称型ポテンシャル構造に拘らず、
キャリアを局在或いは偏在させるためのポテンシャル井
戸の形成には、構造的に単に積層構造とするのではな
く、接合界面での構成元素の急峻性を獲得して、確実に
且つ安定に量子準位を特定の領域に創生する必要があ
る。翻って、従来の単純なpn接合型のDH構造の発光
部にあってしても、p形及びn形障壁層との発光層との
間の接合界面での急峻性が損なわれれば、光及びキャリ
アの他層への「滲み出し」が発生し、充分な光及びキャ
リアの「閉じ込め」を得るに至らない不具合が生ずる。As described above, in a light emitting portion having a quantum well structure which causes radiative recombination of quantized carriers, regardless of a symmetric or asymmetric potential structure.
In forming a potential well for localizing or unevenly distributing carriers, the quantum level is obtained stably by acquiring the steepness of the constituent elements at the junction interface, rather than simply forming a laminated structure. Needs to be created in a specific area. In contrast, even in the light emitting portion of the conventional simple pn junction type DH structure, if the steepness at the junction interface between the light emitting layer and the p-type and n-type barrier layers is impaired, light In addition, "bleeding out" to another layer of the carrier occurs, which causes a problem that sufficient light and "confinement" of the carrier cannot be obtained.
【0025】[0025]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、量子化されたキャリアの放射再結合に基づく発光を
より効果的に行わせるべく、発光層との間の接合界面で
構成元素の濃度変化を急峻なものとしようとしても、そ
れ以前にIII 族窒化物半導体発光素子にあっては、発光
出力と色純度の向上をもたらすに適する、キャリアを偏
在させる領域を発光層のどの領域に創生すべきかは未だ
明示されるに至っていない。ましてや、高発光出力で優
れた単色性の獲得を意図した場合、発光層の電気的な性
質に依存させてキャリアをどの領域に偏在させ、その領
域にどのような変化を与えるのが最良であるかも、明確
にされていない。However, as described above, in order to more efficiently perform light emission based on radiative recombination of quantized carriers, the concentration of constituent elements at the junction interface with the light emitting layer is increased. Even if the change is to be steep, a group III nitride semiconductor light-emitting device must have a region where the carriers are unevenly distributed in the light-emitting layer, which is suitable for improving the light emission output and the color purity. Whether or not they should live has not yet been specified. Even better, if it is intended to obtain excellent monochromaticity with high light output, it is best to distribute carriers in any region depending on the electrical properties of the light emitting layer and to give any change to that region. Maybe it's not clear.
【0026】換言すれば、従来技術においては、インジ
ウム含有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムが
充分に解明されていなかった故に、発光層とそれに接合
する半導体層との配置関係において、構成元素の濃度の
急峻化をもって形成すべき、キャリアを偏在させる領域
が不明確であり、したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度(単色性)特性を充分に
発揮させることができないという問題点を有していた。In other words, in the prior art, the mechanism of light emission from the indium-containing group III nitride semiconductor has not been sufficiently elucidated. The region in which carriers are to be unevenly distributed, which should be formed with the steepness of the concentration, is unclear. Therefore, when the light emitting device is configured, the emission intensity characteristics and the color purity (monochromaticity) characteristics cannot be sufficiently exhibited. Had problems.
【0027】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
青色帯から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ
優れた色純度(単色性)で発光することのできるIII 族
窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。The present invention has been proposed in view of the above,
It is an object of the present invention to provide a group III nitride semiconductor light emitting device capable of emitting short-wavelength light from a blue band to a green band with high intensity and excellent color purity (monochromaticity).
【0028】[0028]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、発光出力の増大、色純度(単色性)の
向上、或いは高速応答性の改善には、キャリアとしての
電子の分布様式に、発光層の電気伝導形に依って、発光
層の一構成元素であるインジウム原子の濃度の急峻性の
程度をもって変化を付与するのが有効であるのを見出し
本発明に至ったものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present inventor has proposed a method for increasing the emission output, improving the color purity (monochromaticity), or improving the high-speed response by using electrons as carriers. The present inventors have found that it is effective to impart a change in the distribution mode with the degree of steepness of the concentration of indium atom, which is a constituent element of the light-emitting layer, depending on the electric conductivity type of the light-emitting layer. It is.
【0029】すなわち、本発明において、請求項1に記
載の発明は、III 族窒化物半導体から成るn形障壁層と
p形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物半
導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたIII
族窒化物半導体発光素子において、上記発光層と同一の
電気伝導形の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷
移領域幅ΔtV と、上記発光層とは反対の電気伝導形
の障壁層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δ
tw との関係をΔtw <ΔtV とするインジウム原子
の濃度分布を有する発光部を備えている、ことを特徴と
する。That is, in the present invention, the invention according to claim 1 is a light emitting layer comprising an indium-containing group III nitride semiconductor between a n-type barrier layer comprising a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. With a light-emitting part holding the
In the group nitride semiconductor light emitting device, the transition region width Δt V of the indium atom concentration on the side of the same electric conduction type barrier layer as that of the light emitting layer, and the indium atom on the side of the electric conduction type barrier layer opposite to the above light emitting layer Concentration transition area width Δ
The relationship between t w and a light emitting unit having the concentration distribution of the indium atoms to Δt w <Δt V, characterized in that.
【0030】また、請求項3に記載の発明は、III 族窒
化物半導体から成るn形障壁層とp形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
を狭持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光
素子において、上記発光層と当該発光層と同一の電気伝
導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向けて
発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷移層
ΔSV を配置し、上記発光層と当該発光層とは反対の電
気伝導形の障壁層との中間に、発光層から該障壁層に向
けて発光層内のインジウム原子濃度を減少させる組成遷
移層ΔSW を配置し、組成遷移層ΔSV の層厚を組成遷
移層ΔSW の層厚より大とした、ことを特徴としてい
る。Further, according to a third aspect of the present invention, a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor is sandwiched between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. A III-nitride semiconductor light-emitting device having a light-emitting portion comprising a light-emitting layer and an electrically conductive barrier layer of the same conductivity type as the light-emitting layer. A composition transition layer ΔS V for reducing the indium atom concentration is disposed, and the light emitting layer is disposed between the light emitting layer and the barrier layer of an electric conductivity type opposite to the light emitting layer. It is characterized in that a composition transition layer ΔS W for reducing the indium atom concentration is arranged, and the layer thickness of the composition transition layer ΔS V is larger than the layer thickness of the composition transition layer ΔS W.
【0031】さらに、請求項4に記載の発明は、III 族
窒化物半導体から成るn形障壁層とp形障壁層との中間
に、インジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層
としての井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより
大とするインジウム含有III族窒化物半導体から成り且
つ当該井戸層と同一の電気伝導形を有するバリア層とを
積層して成る量子井戸構成体を挟持して成る発光部を備
えたIII 族窒化物半導体発光素子において、上記量子井
戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側におけるインジ
ウム原子濃度の遷移領域幅ΔtVaと、上記量子井戸構成
体とは反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δtwaとの関係をΔtwa<ΔtVa
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部を備え
ている、ことを特徴としている。Further, according to a fourth aspect of the present invention, a well layer as a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor is provided between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. And a barrier layer made of an indium-containing group-III nitride semiconductor having a larger forbidden band width than the well layer, and a barrier layer having the same electrical conductivity type as the well layer. In the group III nitride semiconductor light emitting device provided with the light emitting portion sandwiching the above, the transition region width Δt Va of the indium atom concentration on the barrier layer side of the same electric conductivity type as the quantum well structure, and the quantum well structure The relationship between the transition region width Δt wa of the indium atom concentration on the side of the electric conduction type barrier layer opposite to the body is Δt wa <Δt Va
A light emitting portion having a concentration distribution of indium atoms.
【0032】請求項6に記載の発明は、III 族窒化物半
導体から成るn形障壁層とp形障壁層との中間に、イン
ジウム含有III 族窒化物半導体から成る発光層としての
井戸層と、その井戸層に比して禁止帯幅をより大とする
III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸層と同一の電
気伝導形を有するバリア層とを積層して成る量子井戸構
成体を挟持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体
発光素子において、上記量子井戸構成体の各終端層が井
戸層の場合、量子井戸構成体と同一の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δt
Vbと、上記量子井戸構成体とは反対の電気伝導形の障壁
層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅Δtwbと
の関係をΔtwb<ΔtVbとするインジウム原子の濃度分
布を有する発光部とし、上記量子井戸構成体の各終端層
がインジウムを含まないバリア層の場合、井戸層と同一
の電気伝導形の障壁層に接する終端層側おけるインジウ
ム原子濃度の遷移領域幅ΔtVcと、井戸層とは反対の電
気伝導形の障壁層に接する終端層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δtwcとの関係をΔtwc<ΔtVc
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部とし
た、ことを特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, a well layer as a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor is provided between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer; Make the bandgap wider than the well layer
A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a light emitting portion formed by sandwiching a quantum well structure composed of a group III nitride semiconductor and laminating a barrier layer having the same electric conductivity type as the well layer, When each of the termination layers of the quantum well structure is a well layer, the transition region width Δt of the indium atom concentration on the barrier layer side of the same electrical conductivity type as the quantum well structure.
And Vb, a light emitting unit having the concentration distribution of the indium atoms and the relationship between the transition region width Delta] t wb indium atomic concentration in the barrier layer side of the opposite electrical conductivity type Δt wb <Δt Vb and the quantum well structure When each of the termination layers of the quantum well structure is a barrier layer containing no indium, the transition region width Δt Vc of the indium atom concentration on the termination layer side in contact with the barrier layer having the same electrical conductivity type as the well layer; The relationship between the transition region width Δt wc of the indium atom concentration and the transition region width Δt wc on the side of the termination layer in contact with the barrier layer of the opposite conductivity type is represented by Δt wc <Δt Vc
Wherein the light emitting section has a concentration distribution of indium atoms.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明のIII 族窒
化物半導体発光素子における発光部を概念的に示す図で
あり、図1(A)はその積層構造を、図1(B)はイン
ジウム原子濃度の変化をそれぞれ示している。図におい
て、本発明のIII 族窒化物半導体発光素子の発光部10
は、III 族窒化物半導体から成るn形障壁層1とp形障
壁層3との中間に、インジウム含有III 族窒化物半導体
から成る発光層2を挟持して構成されている。発光層2
の電気伝導形については特に限定されないが、ここでは
n形として説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram conceptually showing a light emitting portion in a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention. FIG. 1 (A) shows a laminated structure thereof, and FIG. 1 (B) shows a change in indium atom concentration. ing. In the figure, the light emitting portion 10 of the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention is shown.
Is configured such that a light emitting layer 2 made of an indium-containing group III nitride semiconductor is sandwiched between an n-type barrier layer 1 made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer 3. Light emitting layer 2
Is not particularly limited, but is described here as an n-type.
【0034】発光層2を構成するインジウムを含有する
III 族窒化物半導体には、一般式Alx Gay Inz N
(x+y+z=1、0≦x,y<1、z≠0)で表記さ
れる窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム系混晶が
ある。また、燐(P)や砒素(As)等の窒素(N)以
外の元素周期律表の第V族元素(記号Mで示す。)を構
成元素として含む一般式Alx Gay Inz Na M1-a
(x+y+z=1、0≦x,y<1、z≠0、0<a≦
1)で表記される混晶もインジウム含有III族窒化物半
導体とする。The light emitting layer 2 contains indium.
The group III nitride semiconductor, the general formula Al x Ga y In z N
There is an aluminum-gallium-indium mixed crystal represented by (x + y + z = 1, 0 ≦ x, y <1, z ≠ 0). Also, phosphorus (P) or arsenic (As) formula containing nitrogen (N) except the Periodic Table of the Elements of Group V element (indicated by the symbol M.) As an element, such as Al x Ga y In z N a M 1-a
(X + y + z = 1, 0 ≦ x, y <1, z ≠ 0, 0 <a ≦
The mixed crystal represented by 1) is also an indium-containing group III nitride semiconductor.
【0035】発光層2の構成例としては、層厚を0.5
μmとするアンドープの窒化ガリウム・インジウム層を
単層の発光層として利用するものがある。このようなア
ンドープの窒化ガリウム・インジウム薄層から成る発光
層2にあっては、発光スペクトルの半値幅を狭帯化させ
ることができ、単色性(発光の色純度)を向上させるこ
とができる。このため、最近ではアンドープ窒化ガリウ
ム・インジウムから成る発光層2の層厚を以前の約1/
10未満程度と薄くする場合もある。具体的には、層厚
を約10nmとし、発光スペクトルの半値幅を従来の約
1/2以下(約15〜30nm)とする。As a configuration example of the light emitting layer 2, the layer thickness is 0.5
Some use an undoped gallium indium nitride layer having a thickness of μm as a single light emitting layer. In the light emitting layer 2 composed of such an undoped gallium / indium nitride thin layer, the half width of the emission spectrum can be narrowed, and the monochromaticity (color purity of light emission) can be improved. For this reason, recently, the thickness of the light emitting layer 2 made of undoped gallium indium nitride has been reduced to about 1 /
In some cases, it may be as thin as less than 10. Specifically, the layer thickness is set to about 10 nm, and the half width of the emission spectrum is set to about 1/2 or less (about 15 to 30 nm) of the related art.
【0036】一方、不純物をドーピングした発光層2と
して、亜鉛と珪素を共にドーピングした層厚を100Å
(オングストロ−ム)とする窒化ガリウム・インジウム
(Ga0.85In0.15N)を発光層として用いてもよい。
具体的には、珪素をドーピングした層厚を10Å〜0.
5μmとする窒化ガリウム・インジウム(Inx Ga
1 -xN:0<x<0.5)層を発光層とし、また亜鉛を
ドーピングした層厚を10Å〜0.5μmとする窒化ガ
リウム・インジウム(Inx Ga1-x N:0<x<0.
5)層を発光層とする。On the other hand, the light emitting layer 2 doped with impurities is
The thickness of the layer doped with both zinc and silicon is
(Angstrom) gallium indium nitride
(Ga0.85In0.15N) may be used as the light emitting layer.
Specifically, the thickness of the silicon-doped layer is set to 10 ° to 0.
Gallium indium nitride (In)xGa
1 -xN: 0 <x <0.5) layer as a light-emitting layer, and zinc
Gas nitride having a doped layer thickness of 10 ° to 0.5 μm
Lium and indium (InxGa1-xN: 0 <x <0.
5) The layer is a light emitting layer.
【0037】発光層2を構成する半導体材料としては上
記のように、アンドープ或いは不純物ドープの何れをも
選択できるが、不純物をドーピングした層を発光層とす
る場合は、少なくとも、キャリアの偏在を期す接合界面
側の発光層内の領域には、不純物散乱を被らない不純物
を故意に添加しないアンドープ層等の高純度の結晶層を
配置して成る、不純物ドープ層とアンドープ層との重層
構成から成る発光層とするのが好ましい。これは、キャ
リアを特定の接合界面に向けて発光層内を走行させ、特
定の接合界面に選択的に偏在させる本発明の趣旨からす
れば、発光層内に、散乱作用等によりキャリアの走行を
妨げない総不純物が少ない純度の高い層を形成するのが
好ましいからである。As described above, either undoped or impurity-doped semiconductor material can be selected as the semiconductor material constituting the light-emitting layer 2. However, in the case where the layer doped with impurities is used as the light-emitting layer, at least uneven distribution of carriers is expected. In the region in the light emitting layer on the junction interface side, a high-purity crystal layer such as an undoped layer that does not intentionally add impurities that do not undergo impurity scattering is arranged. It is preferable that the light emitting layer is made of This is because the carrier travels in the light emitting layer toward a specific bonding interface and is selectively localized at the specific bonding interface. According to the gist of the present invention, the carrier travels in the light emitting layer due to scattering action or the like. This is because it is preferable to form a high-purity layer containing a small amount of unimpeded total impurities.
【0038】発光層2を構成する結晶層の内部結晶組織
には特に、限定を加えない。上記の一般式 Alx Ga
y Inz Nで表記される混晶系に包含される窒化ガリウ
ム・インジウム混晶を例にすれば、同混晶がインジウム
組成を均一とする単一相構造であっても、また、被熱に
よりインジウム濃度を相違する、インジウム組成(濃
度)に”ゆらぎ”を有する複数の相から成る多相構造で
あっても構わない。代表的な多相構造例には、窒化ガリ
ウム或いはインジウム濃度を比較的希薄とする窒化ガリ
ウム・インジウム混晶から成る母相と、母相の構成物質
よりもインジウム濃度を大とする窒化ガリウム・インジ
ウム混晶から成るドット状の微結晶体を従属相とする複
数の相から成る多相構造が挙げられる。本発明では、特
に、放射される発光の強度の観点からして、より強い発
光を帰結する多相構造から成るインジウム含有III 族窒
化物半導体材料から発光層2を構成することを推奨す
る。多相構造には、発光層2の内部に従属相が空間的に
略均一の密度で存在する場合と発光層2と他層との接合
界面若しくはその近傍の領域に集中して従属相が存在す
る場合がある。例えば、インジウム含有III 族窒化物半
導体発光層2とクラッド層等のn形障壁層1との接合界
面4に、当界面4の特定の領域に凝縮したインジウムを
核として発達したと見受けられる島状或いは球状のイン
ジウム含有従属相が集中して存在する場合がある。本発
明では、従属相の発光層内での分布状況に拘らず、何れ
も多相構造とみなす。The internal crystal structure of the crystal layer constituting the light emitting layer 2 is not particularly limited. The above general formula Al x Ga
In the case of a gallium-indium nitride mixed crystal included in the mixed crystal system represented by y In z N, even if the mixed crystal has a single-phase structure in which the indium composition is uniform, it is difficult to heat the mixed crystal. May have a multiphase structure composed of a plurality of phases having "fluctuations" in the indium composition (concentration). A typical example of a multi-phase structure includes a gallium nitride or a gallium indium nitride mixed crystal in which the indium concentration is relatively dilute, and a gallium indium nitride in which the indium concentration is higher than the constituent material of the mother phase. A multiphase structure composed of a plurality of phases having a dot-like microcrystal composed of a mixed crystal as a subordinate phase is exemplified. In the present invention, in particular, from the viewpoint of the intensity of emitted light, it is recommended that the light-emitting layer 2 be formed of an indium-containing group III nitride semiconductor material having a multiphase structure that results in stronger light emission. In the multi-phase structure, when the dependent phase exists in the light-emitting layer 2 at a spatially substantially uniform density, the dependent phase exists at the junction interface between the light-emitting layer 2 and another layer or in a region in the vicinity thereof. May be. For example, at an interface 4 between the indium-containing group III nitride semiconductor light-emitting layer 2 and the n-type barrier layer 1 such as a cladding layer, an island-like structure which seems to have developed with indium condensed in a specific region of the interface 4 as a nucleus. Alternatively, the spherical indium-containing dependent phase may exist in a concentrated manner. In the present invention, regardless of the distribution state of the dependent phases in the light emitting layer, any of them is regarded as a multi-phase structure.
【0039】n形障壁層1及びp形障壁層3は、発光層
2を構成するインジウム含有III 族窒化物半導体材料に
対し、伝導帯側でのバンドオフセットを室温での電子の
熱運動エネルギーである約0.26エレクトロンボルト
(eV)以上とし、発光層より禁止帯幅を大とするする
III 族窒化物半導体材料から構成する。特に、n形発光
層2とは反対の電気伝導形のp形障壁層3とのバンドオ
フセットは、室温での電子の熱運動エネルギ(約0.2
6eV)を越え、約0.3eV以上とするのが好まし
い。The n-type barrier layer 1 and the p-type barrier layer 3 make the band offset on the conduction band side of the indium-containing group III nitride semiconductor material constituting the light emitting layer 2 by the thermal kinetic energy of electrons at room temperature. At least about 0.26 electron volts (eV) or more to make the band gap wider than the light emitting layer.
It is composed of a group III nitride semiconductor material. In particular, the band offset between the n-type light-emitting layer 2 and the electrically conductive p-type barrier layer 3 opposite to the n-type light-emitting layer 2 is caused by the thermal kinetic energy of electrons at room temperature (about 0.2
6 eV) and preferably about 0.3 eV or more.
【0040】そして、易昇華性の窒化ガリウム・インジ
ウムから成る発光層の高温での昇華、揮散、或いは熱変
質を防止するために、発光層上に「蒸発防止層」と称す
る層を設ける場合があるが、このような層も「蒸発防止
層」の機能を果たす障壁層の一種であるとして取り扱
う。例えば、インジウム組成比を0.2とする珪素(S
i)ドープ窒化ガリウム・インジウム(Ga0.8 In
0.2 N)発光層に対し、アルミニウム組成比を0.4と
する窒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.4 Ga
0 .6N)から成る「蒸発防止層」を冠する場合、Ga
0.8 In0.2 Nの室温での禁止帯幅は約2.9eVで、
Al0.4 Ga0.6 Nのそれは約4.4eVである。した
がって、両者の禁止帯幅の差は約1.5eVと大であ
り、窒化ガリウム/窒化インジウムヘテロ接合系におけ
る伝導帯側のバンドオフセット率を仮に69%として
も、伝導帯側のオフセット量は1.0eVを越えるもの
となり、このような「蒸発防止層」も障壁層として取り
扱う。In order to prevent sublimation, volatilization, or thermal deterioration of the light-emitting layer made of gallium indium nitride, which is easily sublimable, at a high temperature, a layer called an "evaporation preventing layer" may be provided on the light-emitting layer. However, such a layer is also treated as a kind of a barrier layer that functions as an “evaporation preventing layer”. For example, silicon (S) having an indium composition ratio of 0.2
i) Doped gallium indium nitride (Ga 0.8 In
Aluminum nitride / gallium mixed crystal (Al 0.4 Ga) with an aluminum composition ratio of 0.4 for the 0.2 N) light emitting layer
0.6 If N) consisting bears "evaporation-preventing layer", Ga
The band gap of 0.8 In 0.2 N at room temperature is about 2.9 eV,
That of Al 0.4 Ga 0.6 N is about 4.4 eV. Therefore, the difference between the band gaps is as large as about 1.5 eV. Even if the band offset ratio on the conduction band side in the gallium nitride / indium nitride heterojunction system is 69%, the offset amount on the conduction band side is 1%. It exceeds 0.0 eV, and such an “evaporation preventing layer” is also treated as a barrier layer.
【0041】また、発光層とは反対の電気伝導形の障壁
層との接合界面の近傍領域で発光層の伝導帯端がフェル
ミレベル以下に落ち込むが如くの伝導帯のバンドの曲折
が発現できれば、尚更好ましい。このようなバンドの曲
折は、上記の図15で示したようなMODFET用途の
積層構造において見られるが、この図15でのバンドの
曲折は、電子走行層S1とスペーサS2との同一の電気
伝導形(実際にはn形)の半導体層のn/nヘテロ接合
界面におけるものである。これに対し、この実施形態で
は、バンドの曲折を電気伝導形を互いに異にする半導体
のp/n接合界面で発現させている。In addition, if a conduction band band can be bent such that the conduction band edge of the light emitting layer falls below the Fermi level in a region near the junction interface with the electric conduction type barrier layer opposite to the light emitting layer, Still more preferred. Such band bending is observed in the stacked structure for MODFET application as shown in FIG. 15 described above, but the band bending in FIG. 15 is caused by the same electric conduction between the electron transit layer S1 and the spacer S2. At the n / n heterojunction interface of the n-type (actually n-type) semiconductor layer. On the other hand, in this embodiment, the bending of the band is developed at the p / n junction interface of the semiconductor having different electric conduction types.
【0042】その理由を、この実施形態の図1を用いて
説明すれば、図1では、バンドの曲折をn形発光層2と
は反対の電気伝導形を有するp形障壁層3との接合界面
5に形成し、その部分にキャリア(電子)を蓄積させて
いるが、それは、蓄積した電子と、順方向電流の注入
(電流注入)によってp形障壁層3からより多く供給さ
れる正孔との再結合を生じさせるのに都合が良いからで
ある。n形障壁層1側との接合界面4に、電子の局在を
もたらすバンドの曲折を発生させた発光層にあっては、
電子が蓄積された領域にp形障壁層3からの正孔が到達
するは、正孔の拡散長を考慮しても不合理である。すな
わち、pn接合界面の急峻性を重視するのは、偏在させ
るキャリア、例えば電子を、電子に比較すれば拡散長が
極めて小さい正孔に隣接して存在させ、放射再結合の結
合効率の向上を目指してのことである。The reason for this will be described with reference to FIG. 1 of this embodiment. In FIG. 1, the bending of the band is caused by bonding with the p-type barrier layer 3 having an electric conductivity type opposite to that of the n-type light emitting layer 2. The carrier (electrons) are formed at the interface 5 and accumulate carriers (electrons) in the portions. The accumulated electrons and holes are more supplied from the p-type barrier layer 3 by forward current injection (current injection). This is because it is convenient to cause recombination. In a light emitting layer in which a band bending that causes localization of electrons is generated at a junction interface 4 with the n-type barrier layer 1 side,
It is irrational that holes from the p-type barrier layer 3 reach the region where electrons are accumulated, even if the diffusion length of holes is considered. In other words, the emphasis on the steepness of the pn junction interface is that carriers that are unevenly distributed, for example, electrons, are present adjacent to holes whose diffusion length is extremely small as compared with electrons, thereby improving the coupling efficiency of radiative recombination. That is the aim.
【0043】そして、上記のように、接合界面5に電子
の局在をもたらすバンドの曲折を発生させるには、その
接合界面5の急峻性を特に優れるものとする必要があ
る。すなわち、n形発光層2と、p形障壁層3との接合
界面5でのバンドオフセットを確実に創生するために
は、そのn形障壁層3との接合界面5の急峻性を良好と
なす必要がある。As described above, the steepness of the bonding interface 5 needs to be particularly excellent in order to generate a band bending that causes the localization of electrons at the bonding interface 5. That is, in order to surely create a band offset at the junction interface 5 between the n-type light emitting layer 2 and the p-type barrier layer 3, the steepness of the junction interface 5 with the n-type barrier layer 3 must be good. It needs to be done.
【0044】そこで、この発明では、図1(B)に示す
ように、n形発光層2と同一の電気伝導形の障壁層側、
すなわちn形障壁層1側におけるインジウム原子濃度N
Iの遷移領域幅ΔtV と、n形発光層2とは反対の電気
伝導形の障壁層側、すなわちp形障壁層3側におけるイ
ンジウム原子濃度NIの遷移領域幅Δtw との関係をΔ
tw <ΔtV として規定している。以下に、その説明を
行う。Therefore, according to the present invention, as shown in FIG. 1B, the same electric conduction type barrier layer as the n-type light emitting layer 2 is used.
That is, the indium atom concentration N on the n-type barrier layer 1 side
A transition region width Delta] t V of I, n-type light-emitting layer 2 opposite electrical conductivity type barrier layer side of the, i.e. the relationship between the transition region width Delta] t w indium atomic concentration NI in the p-type barrier layer 3 side Δ
It is defined as t w <Δt V. The description is given below.
【0045】発光層2内に一構成元素として存在するイ
ンジウムは、発光層2の成膜過程、或いは発光層2上へ
のp形障壁層3の重層過程での加温により、p形障壁層
3またはn形障壁層1内部に拡散し遷移し、遷移領域幅
ΔtV 、Δtw を形成する。この遷移領域幅ΔtV 、Δ
tw は、濃度分布曲線Cによって示されるインジウム原
子濃度NIが、発光層2内部の濃度Roから、例えば2
桁減少する、その減少し始めの起点D1、D2からの距
離を指す。この起点D1、D2が発光層2と障壁層1,
3との接合界面4,5にそれぞれ一致する場合は、これ
らの接合界面4,5からの距離が遷移領域幅を表す。遷
移領域幅ΔtV はn形障壁層1との接合側でインジウム
原子濃度NIが遷移する幅であり、遷移領域幅ΔtW は
p形障壁層3との接合側でインジウム原子濃度NIが遷
移する幅である。また、遷移領域幅ΔtV1、ΔtW1はイ
ンジウム原子濃度NIが発光層2の内部濃度Roより2
桁減少を来すに要する深さ(距離)である。インジウム
濃度NIが発光層2の内部の平均的な濃度Roより2桁
減少する深さ(距離)をもって、ΔtV1及びΔtw1を定
義したのは、発光層2内に比してインジウム濃度NIが
1%程度まで減じれば、もはや構成元素としてそれが存
在する層の物性値に影響を与える濃度とは殆どならない
からである。The indium present as a constituent element in the light emitting layer 2 is heated during the process of forming the light emitting layer 2 or in the process of laminating the p-type barrier layer 3 on the light emitting layer 2 so that the p-type barrier layer is heated. 3 or a transition diffuse into 1 internal n-type barrier layer to form a transition region width Δt V, Δt w. The transition region width Δt V , Δ
tw is the indium atom concentration NI indicated by the concentration distribution curve C, for example, 2 from the concentration Ro in the light emitting layer 2.
It refers to the distance from the starting point D1, D2 where the digit starts decreasing. The origins D1 and D2 correspond to the light emitting layer 2 and the barrier layers 1,
In the case where they correspond to the bonding interfaces 4 and 5 respectively, the distance from these bonding interfaces 4 and 5 indicates the transition region width. The transition region width Δt V is the width at which the indium atom concentration NI transitions on the junction side with the n-type barrier layer 1, and the transition region width Δt W transitions with the indium atom concentration NI on the junction side with the p-type barrier layer 3. Width. Further, the transition region widths Δt V1 and Δt W1 are such that the indium atom concentration NI is 2 times higher than the internal concentration Ro of the light emitting layer 2.
This is the depth (distance) required to reduce the order of magnitude. The reason why Δt V1 and Δtw 1 are defined as the depth (distance) at which the indium concentration NI is reduced by two orders of magnitude from the average concentration Ro inside the light emitting layer 2 is that the indium concentration NI is lower than that in the light emitting layer 2. This is because if the concentration is reduced to about 1%, the concentration which no longer affects the physical properties of the layer in which it is present as a constituent element will hardly be reached.
【0046】本発明では、上記したように、接合界面
4,5における急峻性を発光層2の一構成元素であるイ
ンジウムのn形、p形障壁層内部への拡散距離をもって
表している。そして、発光層2の電気伝導形を基準にし
て発光層2と障壁層1,3との接合界面4,5における
組成急峻性(インジウム原子濃度NIの遷移領域幅)の
関係を規定し、p形障壁層3との接合界面5における遷
移領域幅Δtw (Δtw1)を、n形障壁層1との接合界
面4における遷移領域幅ΔtV (ΔtV1)より小とする
ものである。In the present invention, as described above, the steepness at the junction interfaces 4 and 5 is represented by the diffusion distance of indium, which is a constituent element of the light emitting layer 2, into the n-type and p-type barrier layers. Then, the relationship of the composition steepness (transition region width of the indium atom concentration NI) at the junction interfaces 4 and 5 between the light emitting layer 2 and the barrier layers 1 and 3 is defined based on the electric conduction type of the light emitting layer 2, and p transition region width Δt w (Δt w1) at a joint interface 5 of the form barrier layer 3, it is an less than the transition region width Δt V (Δt V1) at a joint interface 4 between the n-type barrier layer 1.
【0047】一般に、発光層との接合界面でキャリアの
局在或いは偏在を果たすには、その接合界面にキャリア
を偏在させるに有効な”明瞭な”ポテンシャル井戸構造
を創生する必要がある。”明瞭な”ポテンシャル井戸構
造とは、接合界面においてバンドのオフセットが急激に
発生しているポテンシャル構成を有するものを云う。急
激なバンドオフセットを発現させるには、そもそも接合
界面における構成元素の濃度の急峻な変化が要求される
のは、上述の如くである。In general, in order to achieve localization or uneven distribution of carriers at the junction interface with the light emitting layer, it is necessary to create a “clear” potential well structure effective for unevenly distributing carriers at the junction interface. The “clear” potential well structure refers to a structure having a potential configuration in which a band offset occurs rapidly at a junction interface. As described above, a sharp change in the concentration of a constituent element at the junction interface is required in order to develop a sharp band offset.
【0048】本発明が発光層2と障壁層1,3との接合
界面4,5の急峻性につき規定を加えるのは、より急峻
性に優れるp形障壁層3との接合界面5に選択的に且つ
優先的にキャリアを偏在させるのを目的としているから
である。そして、このキャリアの特定領域への偏在をよ
り効率的に達成するため、本発明では、他方のn形障壁
層1との接合界面4側のインジウム濃度の急峻性を悪化
させる構成とする。バンド構成の観点からすれば、発光
層2とn形障壁層1との接合界面4でのバンドオフセッ
トを、発光層2とp形障壁層3とのバンドオフセットに
比較して小とするのを特徴とする。これにより、発光層
2とn形障壁層1との接合界面4近傍の領域にキャリア
が捕獲される事態を抑制すると併せて、発光層2とp形
障壁層3との接合界面5にキャリアを選択的に且つ優先
的に偏在できるバンド(ポテンシャル)構成を創出する
ものである。In the present invention, the steepness of the junction interfaces 4 and 5 between the light-emitting layer 2 and the barrier layers 1 and 3 is added because the junction interface 5 with the p-type barrier layer 3 having more excellent steepness is selectively provided. This is because the purpose is to make the carrier unevenly and preferentially distributed. In order to more efficiently achieve the uneven distribution of the carriers in the specific region, the present invention adopts a configuration in which the steepness of the indium concentration on the side of the junction interface 4 with the other n-type barrier layer 1 is deteriorated. From the viewpoint of the band configuration, the band offset at the junction interface 4 between the light emitting layer 2 and the n-type barrier layer 1 should be smaller than the band offset between the light emitting layer 2 and the p-type barrier layer 3. Features. This suppresses the situation in which carriers are trapped in a region near the junction interface 4 between the light emitting layer 2 and the n-type barrier layer 1, and at the same time, transports the carriers to the junction interface 5 between the light emitting layer 2 and the p-type barrier layer 3. This is to create a band (potential) configuration that can be selectively and preferentially unevenly distributed.
【0049】この実施形態では、p形障壁層3との接合
界面5での遷移領域幅ΔtV1を250ナノメータ(n
m)以下とする。そして、n形障壁層1との接合界面4
での遷移領域幅Δtw1と、ΔtV1との関係をΔtV1>Δ
tw1とするため、Δtw1も250nm以下とする。した
がって、発光層2の電気伝導形に拘らず、発光層2と接
合を成すn形及びp形障壁層1,3との接合界面4,5
の急峻性(遷移領域幅)は、双方とも250nm以下と
する。インジウム濃度の遷移領域幅ΔtV1、Δt w1がそ
もそもこの幅(250nm)を越えると、たとえ発光層
2とのバンドオフセットが障壁足るものとしても、イン
ジウム濃度の緩慢な変化により接合界面で禁止帯幅の変
化が急峻とは成らず、したがって”明瞭な”境界を呈す
るオフセットを充分に発現するに至らず、このため充分
な障壁作用をもたらす”明瞭な”エネルギの境界を有す
る矩形ポテンシャル構造が創出できないからである。し
たがって、本発明では、発光層2と障壁層1,3との接
合界面4,5において、界面急峻性の指標となるインジ
ウム濃度の遷移領域幅を少なくとも250nm以下とす
ることをもって、充分な障壁作用をもたらすバンドのオ
フセットを発生させるようにしている。In this embodiment, the junction with the p-type barrier layer 3
Transition region width Δt at interface 5V1To 250 nanometers (n
m) Then, the junction interface 4 with the n-type barrier layer 1
Transition region width atw1And ΔtV1ΔtV1> Δ
tw1Δtw1Is also set to 250 nm or less. did
Therefore, regardless of the electrical conductivity type of the light emitting layer 2, the light emitting layer 2 is in contact with the light emitting layer 2.
Bonding interfaces 4 and 5 with n-type and p-type barrier layers 1 and 3 forming a combination
(Transition region width) is 250 nm or less in both cases.
I do. Transition region width Δt of indium concentrationV1, Δt w1But
If the width (250 nm) is exceeded in the first place, even if the light emitting layer
Even if the band offset with 2 is sufficient for the barrier,
Bandwidth change at the junction interface due to slow change of the
Is not steep and therefore has a "clear" boundary
Offset does not appear sufficiently,
Has a "clear" energy boundary that provides a great barrier
This is because a rectangular potential structure cannot be created. I
Therefore, in the present invention, the contact between the light emitting layer 2 and the barrier layers 1 and 3 is made.
In the joint interfaces 4 and 5, an index indicating an interface steepness
The width of the transition region of the
Of the band that provides sufficient barrier action
We are trying to generate a fset.
【0050】さらに、本発明では、発光層2とn形及び
p形障壁層1,3との双方での接合界面4,5でのイン
ジウム濃度の急峻性を250nm以下とする条件下で、
p形障壁層3との接合界面5での急峻性(Δtw 、Δt
w1)につき、ΔtV >ΔtwまたはΔtV1>Δtw1の関
係を保持しながら、尚且つ遷移領域幅Δtw1を20nm
以下に規定するのが好ましい。その理由は、発光層2
に、発光層2より禁止帯幅を大とする半導体層を接合さ
せて単に障壁たる”明瞭な”境界を有する矩形ポテンシ
ャル構造を形成するのではなく、キャリアの偏在を可能
とするポテンシャル構造を組成急峻性をもって発現さ
せ、p形障壁層3との接合界面5での組成急峻性を有す
る領域に、キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させる
ためである。Further, according to the present invention, under the condition that the steepness of the indium concentration at the junction interfaces 4 and 5 of both the light emitting layer 2 and the n-type and p-type barrier layers 1 and 3 is 250 nm or less,
steepness at the bonding interface 5 between the p-type barrier layer 3 (Δt w, Δt
per w1), 20 nm of Δt V> Δt w or Delta] t V1> while maintaining the relationship between Delta] t w1, besides the transition region width Delta] t w1
It is preferable to define the following. The reason is that the light emitting layer 2
In addition, instead of forming a semiconductor layer having a larger band gap than the light emitting layer 2 to form a rectangular potential structure having a "clear" boundary, which is a barrier, a potential structure that enables uneven distribution of carriers is formed. This is because the carrier is selectively and preferentially localized in a region having a steep composition and having a steep composition at the junction interface 5 with the p-type barrier layer 3.
【0051】例えば、キャリアの偏在をもたらすバンド
の曲折を得るには、本発明者の見識に依れば、遷移領域
幅Δtw1を約100nm程度以下とすれば達成され得
る。しかしながら、例えば、伝導帯端をフェルミレベル
以下に落ち込ませるようなバンドの曲折を発現するに
は、更なる界面急峻性が要求され、その値は概ね、50
nm程度以下である。遷移領域幅Δtw1は0(零)であ
るのが理想である。遷移領域幅Δtw1=0である状態
は、インジウム原子の濃度がp形障壁層3との接合界面
5で、遷移距離を要さずに一挙に2桁減少することを意
味している。インジウム濃度の分析手法或いは分析条件
に依って一見、Δtw1=0に近い状態であると見受けら
れる分析結果が得られる場合があるが、実際には、熱拡
散し易いインジウムにあっては特に、Δtw1=0となる
場合は希有である。界面でのインジウム濃度に関する急
峻性を獲得するに優れる接合界面の形成方法をもってし
ても、安定してもたらされる最良のΔtw1は実状、大
凡、約10nm前後である。このような点を鑑みて、遷
移領域幅Δtw1を20nm以下に規定している。For example, according to the inventor's insight, the inflection of the band that causes the uneven distribution of carriers can be achieved by setting the transition region width Δtw 1 to about 100 nm or less. However, for example, in order to develop band bending that causes the conduction band edge to fall below the Fermi level, further interface steepness is required, and the value is approximately 50%.
nm or less. Ideally, the transition region width Δtw 1 is 0 (zero). The state where the transition region width Δtw 1 = 0 means that the concentration of indium atoms is reduced by two digits at once at the junction interface 5 with the p-type barrier layer 3 without requiring a transition distance. At first glance, depending on the analysis method or the analysis conditions of the indium concentration, an analysis result that can be seen as being in a state close to Δt w = 0 may be obtained. The case where Δt w1 = 0 is rare. Even with a method of forming a junction interface that is excellent in obtaining steepness in the indium concentration at the interface, the best Δtw 1 stably provided is about 10 nm in actual conditions. In consideration of such a point, the transition region width Δtw1 is set to 20 nm or less.
【0052】発光部10を構成する各III 族窒化物半導
体層の成長方法には、有機化合物熱分解気相成長法(M
OCVD法)、分子線エピタキシャル成長法(MBE
法)やハロゲン化物或いはハイドライド(水素化物)を
原料とする気相成長法(VPE法)がある。そして、界
面の急峻性に関する基本的な達成能力についての従来か
らの経験的な見識から、MOCVD法或いはMBE法が
多用されている。The growth method of each group III nitride semiconductor layer constituting the light emitting section 10 includes an organic compound pyrolysis vapor deposition method (M
OCVD), molecular beam epitaxial growth (MBE)
Method) or a vapor phase growth method (VPE method) using a halide or hydride (hydride) as a raw material. The MOCVD method or the MBE method is often used from the conventional empirical insight on the basic achievement ability regarding the steepness of the interface.
【0053】両方法の成膜時の圧力を比較すれば、MB
E法或いはそれの一複合法である気体原料(気化させた
原料)を用いるガスソース(gas−source)M
BE(GS−MBE)法などでは、成膜が高真空中で実
施されるのに対し、MOCVD法では、常圧(大気圧)
下でも成膜が実施できる。成長が蒸発の進行が促進され
る真空中ではなく、略大気圧下で実施できる利便性は、
窒化ガリウム・インジウム等の易昇華性の物質の昇華を
抑制するに効果を奏することから、現在では、もっぱら
MOCVD法がIII 族窒化物半導体膜の成膜手段として
利用されている。When the pressures at the time of film formation in both methods are compared, MB
Gas source (gas-source) M using gaseous raw material (vaporized raw material) which is the method E or a combined method thereof
In the BE (GS-MBE) method and the like, film formation is performed in a high vacuum, whereas in the MOCVD method, atmospheric pressure (atmospheric pressure) is used.
Film formation can also be performed underneath. The convenience that the growth can be carried out at about atmospheric pressure, not in a vacuum where the progress of evaporation is promoted,
At present, the MOCVD method is exclusively used as a means for forming a group III nitride semiconductor film because it has an effect of suppressing the sublimation of an easily sublimable substance such as gallium indium or indium.
【0054】しかし、一般的に利用されるMOCVD法
を例にすれば、同法を利用すれば所望する急峻性を有す
るヘテロ接合界面が形成されるとは限らない。接合界面
の急峻化を妨害する様々な要因を排除する配慮を施した
成長反応炉等の部位の装置構成や成長環境の創出が必要
である。ヘテロ接合界面の急峻性を損なう、所謂、界面
の”弛れ”と俗称される原因には、バルブ等の配管系の
構成、成長反応炉内の原料ガス等の熱対流、成長反応炉
の管壁への原料ガスの吸着、脱着等が挙げられている。
特に、III 族窒化物半導体層の成膜は砒化ガリウム(G
aAs)等の他のIII −V族化合物半導体に比較して、
より高い温度である約800℃〜約1200℃で実施さ
れるのが通常である。このため、成長反応炉内で原料ガ
ス等の熱対流がより激しく発生し、滞留した一部のガス
は成長反応炉の管壁に沈積物として残留する。このよう
な沈積物が窒化ガリウム層の安定成長を阻害する原因と
なっていることは既に知られている。III 族窒化物半導
体系から成るヘテロ接合にあって、その接合界面の急峻
性を求める場合もこの沈積物の堆積の抑制が重要な因子
である。However, taking a commonly used MOCVD method as an example, a heterojunction interface having a desired steepness is not always formed by using the MOCVD method. It is necessary to create a device configuration and a growth environment of a part such as a growth reactor which takes into consideration various factors that hinder the steepening of the bonding interface. Causes of the so-called "flagging" of the interface, which impair the steepness of the heterojunction interface, include the configuration of piping systems such as valves, thermal convection of raw material gas in the growth reactor, and tubes of the growth reactor. There are mentioned adsorption and desorption of a raw material gas to a wall.
In particular, the formation of a group III nitride semiconductor layer is performed using gallium arsenide (G
aAs) and other III-V compound semiconductors,
It is usually carried out at a higher temperature, from about 800C to about 1200C. For this reason, thermal convection such as a source gas is generated more vigorously in the growth reactor, and a part of the retained gas remains as a deposit on the tube wall of the growth reactor. It is already known that such deposits hinder stable growth of the gallium nitride layer. In the case of a heterojunction made of a group III nitride semiconductor, where the steepness of the junction interface is required, suppression of the deposition of the deposit is an important factor.
【0055】図2はIII 族窒化物半導体からなる接合界
面の急峻性を達成するための創意を施した成長反応炉の
構成例を示す図である。図において、成長反応炉90は
基板100の表面(被堆積面)に略平行に原料ガス等を
流通させる方式であり、横型形式の反応炉の範疇に属す
るものである。従来の如く原料ガス及び不活性ガス等か
らなるキャリア(輸送)ガスを、基板100の表面に対
し、略垂直及び略水平の2方向から個別に供給する縦
(垂直)方向及び横(水平)方向流通方式ではない。特
徴は、原料ガスを基板100の表面に導入するための第
1流路91及び第2流路92の他に、成長反応炉90の
内壁94、特に基板100が載置されている領域及びそ
の前方の領域に在る内壁94への沈積物の析出を抑制す
るための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路93を
配備したことにある。すなわち、従来の横型形式の成長
反応炉に観られるように、窒素(N)等の第V族元素の
原料ガスと、ガリウム(Ga)、アルミニウム(A
l)、インジウム(In)等の第III 族元素の原料ガス
を互い分離、隔離して炉内に導入するための2つの流路
91,92に加え、掃引ガスの内壁94周辺への供給を
目的とした掃引ガス流路93を設けた3流路方式とした
ことにある。原料ガスの流路91,92とは区画された
掃引ガス流路93を設けて掃引ガスを導入できる流路構
成とすると、反応炉内壁94への反応による分解生成物
の沈積を防止する格別の効果が上げられる。これは、ヘ
テロ接合界面の急峻性を安定して得るに顕著な効果を奏
する。FIG. 2 is a view showing an example of the configuration of a growth reactor which is devised for achieving steepness of a junction interface made of a group III nitride semiconductor. In the figure, a growth reactor 90 is a system in which a source gas or the like flows substantially parallel to the surface (deposited surface) of a substrate 100, and belongs to the category of a horizontal type reactor. Conventionally, a carrier (transport) gas composed of a source gas and an inert gas or the like is individually supplied to the surface of the substrate 100 from two directions, substantially vertical and substantially horizontal, in the vertical (vertical) direction and the horizontal (horizontal) direction. It is not a distribution system. The feature is that, in addition to the first flow path 91 and the second flow path 92 for introducing the source gas to the surface of the substrate 100, the inner wall 94 of the growth reaction furnace 90, particularly the region where the substrate 100 is placed and its This is because a dedicated sweep gas flow passage 93 for circulating a sweep gas for suppressing the deposition of deposits on the inner wall 94 located in the front area is provided. That is, as seen in a conventional horizontal growth reactor, a source gas of a Group V element such as nitrogen (N), gallium (Ga), aluminum (A
l) In addition to two flow paths 91 and 92 for separating and isolating the source gas of a group III element such as indium (In) from each other and introducing them into the furnace, supply of the sweep gas to the vicinity of the inner wall 94 is performed. The present invention is based on a three-channel system in which a desired sweep gas channel 93 is provided. By providing a sweep gas flow path 93 which is separated from the flow paths 91 and 92 of the raw material gas and having a flow path structure capable of introducing a sweep gas, an exceptional case for preventing the deposition of decomposition products due to the reaction on the inner wall 94 of the reactor is prevented. Effective. This has a remarkable effect in stably obtaining the steepness of the heterojunction interface.
【0056】掃引ガス流路93は、基板100上方の領
域に在る内壁94を被覆するが如く掃引ガスが選択的に
流れる形状とするのが望ましい。すなわち、基板100
表面を水平の基準として最も遠隔に在る流路を掃引ガス
の流路とするのが好ましい。更には、原料ガスの周囲へ
の拡散を抑制するが如く原料ガスを中央部に囲繞し、基
板100の周囲の領域に在る反応炉内壁94に直接、原
料ガスあるいは原料ガスの分解生成物が接触するのを抑
制できるように、掃引ガスを流通させるのが好ましい。It is desirable that the sweep gas flow channel 93 has a shape in which the sweep gas selectively flows so as to cover the inner wall 94 in the region above the substrate 100. That is, the substrate 100
It is preferred that the most remote channel be the sweep gas channel with the surface as the horizontal reference. Further, the raw material gas is surrounded in the center so as to suppress the diffusion of the raw material gas to the periphery, and the raw material gas or a decomposition product of the raw material gas is directly formed on the inner wall 94 of the reaction furnace in the region around the substrate 100. It is preferable to flow a sweep gas so that contact can be suppressed.
【0057】掃引ガスを構成するガス種としては、MO
CVD法においてキャリアガスとし一般に使用される水
素ガス(H2 )や窒素ガス(N2 )の他、アルゴン(A
r)等の不活性ガスを用いる。また、III 族窒化物半導
体の一般的な成膜温度で分解し、その分解により金属性
の分解生成物、例えば、ガリウム、アルミニウムあるい
はインジウムを発生する恐れの無い、例えば、第V族元
素の原料として一般的に使用さているアンモニア(NH
3 )を混合したH2 、N2 やArの混合ガスも使用で
きる。図2に図示した構成の成長反応炉90にあって、
各流路91,92及び93に流通させるガスの種類、流
量、構成、混合比等の諸条件は、成膜温度、反応圧力等
の基本条件に照合して、また帰結される膜の均一性等に
鑑みて適宜、決定すれば良い。The gas species constituting the sweep gas is MO
In addition to hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) which are generally used as carrier gas in the CVD method, argon (A)
r) or another inert gas. Further, it is decomposed at a general film forming temperature of a group III nitride semiconductor, and is not likely to generate a metallic decomposition product such as gallium, aluminum or indium by the decomposition. Ammonia (NH
A mixed gas of H 2 , N 2 and Ar mixed with 3 ) can also be used. In the growth reactor 90 having the configuration shown in FIG.
Various conditions such as the type, flow rate, composition, and mixing ratio of the gas flowing through each of the flow paths 91, 92, and 93 are compared with basic conditions such as a film forming temperature and a reaction pressure, and the resulting film uniformity is obtained. It may be appropriately determined in view of the above.
【0058】上述の内容から思量される如く、界面の急
峻性は、成長操作法や成長条件の影響を受け、また成長
装置の構成自体にも影響される。勿論、インジウムの拡
散特性の温度依存性も界面の急峻性に影響する。このよ
うな背景からして、界面の急峻性を制御する手法として
次の3つの例が挙げられる。As can be understood from the above description, the steepness of the interface is affected by the growth operation method and growth conditions, and also by the structure of the growth apparatus itself. Of course, the temperature dependence of the diffusion characteristics of indium also affects the steepness of the interface. Against this background, there are the following three examples of techniques for controlling the steepness of the interface.
【0059】(1)帰結される界面の急峻性に差異を生
ずる成長系を利用してΔtV1>Δt w1の関係を達成する
手法。 他方に比較して劣る界面の急峻性を帰結する成長系を利
用して、n形障壁層1との界面4を形成する。その後発
光層2を成長させた後、成長系をより優れた界面急峻性
を与える成長系に変更する。その系により、発光層2上
にp形障壁層3を、ΔtV1>Δtw1の関係を保持する界
面急峻性を付して堆積する。(1) A difference is generated in the resulting steepness of the interface.
Δt using a tricky growth systemV1> Δt w1Achieve a relationship
Technique. Use a growth system that results in inferior interface steepness compared to the other.
To form an interface 4 with the n-type barrier layer 1. Afterwards
After growing the optical layer 2, the growth system is made to have better interface steepness.
Change to a growth system that gives Depending on the system, on the light emitting layer 2
P-type barrier layer 3 and ΔtV1> Δtw1The world that holds the relationship
It is deposited with surface steepness.
【0060】(2)インジウムの熱的挙動、特に窒化ガ
リウム系結晶へのインジウムの取り込まれ量の温度依存
性を利用してΔtV1>Δtw1の関係を達成する手法。 窒化ガリウム系結晶、例えば、窒化ガリウム(GaN)
結晶へ取り込まれるインジウムの量が高温であれば減少
し、逆に、低温である程、増加する特性を利用する方法
である。n形障壁層1上に発光層2を堆積するに際し、
発光層2の成長の初期段階で成長温度を漸次、経時的に
低下させながら界面を形成する。発光層2より高い成長
温度で成膜されるn形障壁層1を先ず形成したる後、成
長温度を発光層2のそれに適する温度に降温させる過程
において、適度に温度が低下した時点からインジウム原
料を成長系に流入せしめ、然るべき温度或いは層厚に到
達した時点でn形障壁層1との接合界面4の形成を終え
る。これにより、n形障壁層1から発光層2の内部に向
けてインジウム原子濃度を漸増する接合界面4を得る。(2) A method of achieving the relationship of Δt V1 > Δtw 1 by utilizing the thermal behavior of indium, particularly the temperature dependence of the amount of indium incorporated into the gallium nitride crystal. Gallium nitride based crystal, for example, gallium nitride (GaN)
This method utilizes the characteristic that the amount of indium incorporated into the crystal decreases when the temperature is high, and increases when the amount is low. When depositing the light emitting layer 2 on the n-type barrier layer 1,
At the initial stage of the growth of the light emitting layer 2, the interface is formed while the growth temperature is gradually lowered over time. After the n-type barrier layer 1 formed at a growth temperature higher than that of the light-emitting layer 2 is first formed, the growth temperature is lowered to a temperature suitable for that of the light-emitting layer 2. Is allowed to flow into the growth system, and the formation of the junction interface 4 with the n-type barrier layer 1 is completed when the temperature reaches the appropriate temperature or layer thickness. As a result, a junction interface 4 where the indium atom concentration is gradually increased from the n-type barrier layer 1 toward the inside of the light emitting layer 2 is obtained.
【0061】(3)インジウム原料を、要求される界面
急峻性に応じて、急峻性に関して相違する性能を発揮す
る配管系を通じて別途に供給し、ΔtV1>Δtw1の関係
を達成する手法。 例えば、インジウム原料の供給系に関して優れた急峻性
を与える配管系と、その配管系からすればデッドスペー
スを多く内包する配管系とを備えた成長系を利用する方
法である。n形障壁層1上に発光層2を成長させる際に
は、デッドスペース(滞留空間)を多く内包する配管系
を介してインジウム原料を成長系に供給する。逆に、発
光層2上にp形障壁層3を堆積する際には、急峻性をも
たらす配管系を介してインジウム原料を供給する。これ
により、ΔtV1>Δtw1とする関係を得る。(3) A method of separately supplying an indium raw material through a piping system exhibiting different performances with respect to the required steepness of the interface, thereby achieving the relationship of Δt V1 > Δtw 1 . For example, there is a method of using a growth system including a piping system that provides excellent steepness with respect to a supply system of an indium raw material, and a piping system that includes a large amount of dead space in the piping system. When growing the light emitting layer 2 on the n-type barrier layer 1, an indium raw material is supplied to the growth system through a piping system including many dead spaces (residence spaces). Conversely, when depositing the p-type barrier layer 3 on the light emitting layer 2, an indium raw material is supplied via a piping system that provides steepness. As a result, a relationship of Δt V1 > Δtw 1 is obtained.
【0062】発光層2の障壁層1,3側との接合界面
4,5の急峻性を確保するために、格別に留意を施して
遷移領域幅ΔtV1を250nm以下に、且つ遷移領域幅
Δtw1を好ましい20nm以下とする界面急峻性を確実
に与える条件が設定された場合にあっても、不意の事態
により本発明の規定を満たす範囲内でΔtV1及びΔtw1
が変動する場合がある。端的な例を挙げれば、発光部1
0を構成する各層の構成元素が相違するのに伴う原料種
の切り替え時における第III 族元素の液体原料或いは昇
華性原料を、バブリング(発泡)或いは随伴するガスの
流量が一時的に変動する、若しくはその変動量が一定で
はない等の不意の事情により、接合界面4,5の急峻性
(遷移領域幅)に変動を来す場合がある。このような不
安定性を回避する一手段として、予めΔtV1及びΔtw1
の要求を満足するインジウム濃度に勾配を付した組成遷
移層を配置する方法を提示する。In order to ensure the steepness of the junction interfaces 4 and 5 of the light emitting layer 2 with the barrier layers 1 and 3, the transition region width Δt V1 is set to 250 nm or less and the transition region width Δt Even when the condition for surely providing the interface steepness to set w1 to 20 nm or less is set, Δt V1 and Δt w1 should be kept within a range satisfying the specification of the present invention due to an unexpected situation.
May fluctuate. As a simple example, the light emitting unit 1
The liquid material or the sublimable material of the Group III element is bubbling (foaming) or the flow rate of the accompanying gas is temporarily fluctuated when the raw material type is changed due to the difference in the constituent elements of each layer constituting 0. Alternatively, the steepness (transition region width) of the bonding interfaces 4 and 5 may fluctuate due to unexpected circumstances such as the fluctuation amount is not constant. As one means for avoiding such instability, Δt V1 and Δt w1
A method for arranging a composition transition layer having a gradient in indium concentration that satisfies the above requirement is presented.
【0063】例えば、発光層2とn形障壁層1との接合
界面4における遷移領域幅ΔtV1を100nmと略一定
とし、安定した組成勾配を所望するならば、予め100
nmの層厚でインジウム原子濃度を2桁減ずる勾配を付
した組成遷移層を設けるようにすればよい。この場合、
インジウム濃度はn形障壁層1より発光層2側に向けて
増ずるように勾配を付す。このような組成勾配を敢えて
付す場合には、III 族元素の原料に係わる流量を経時的
に漸次、変化させる操作を行うため、インジウムの濃度
分布上での突出した或いはその逆の分布が発生するのを
抑制できる。For example, the transition region width Δt V1 at the junction interface 4 between the light emitting layer 2 and the n-type barrier layer 1 is set to be substantially constant at 100 nm, and if a stable composition gradient is desired, 100
What is necessary is just to provide a composition transition layer with a layer thickness of nm and a gradient that reduces the indium atom concentration by two orders of magnitude. in this case,
The indium concentration has a gradient so as to increase from the n-type barrier layer 1 toward the light emitting layer 2 side. When such a composition gradient is intentionally applied, an operation for gradually changing the flow rate of the raw material of the group III element over time is performed, so that a prominent or reverse distribution of the indium concentration distribution occurs. Can be suppressed.
【0064】一方、p形障壁層3との接合界面5での急
峻性の安定化も同様の手段によって達成される。すなわ
ち、20nmの層厚でインジウム原子の濃度を2桁減少
する組成遷移層を発光層2とp形障壁層との間に設けれ
ば良い。インジウム濃度は発光層2側からp形障壁層3
側に向けて減少するように勾配を付すものとする。遷移
領域幅Δtw1は、そもそも好ましい範囲を20nmとし
ている。このような組成勾配を付す場合には、III 族元
素の原料に係わる流量をパルス的に瞬時に変化させる操
作を行う。On the other hand, stabilization of the steepness at the junction interface 5 with the p-type barrier layer 3 is also achieved by the same means. That is, a composition transition layer having a layer thickness of 20 nm and reducing the concentration of indium atoms by two digits may be provided between the light emitting layer 2 and the p-type barrier layer. The indium concentration is determined from the light emitting layer 2 side to the p-type barrier layer 3.
It shall be graded so as to decrease towards the side. The preferred range of the transition region width Δtw 1 is 20 nm in the first place. When such a composition gradient is provided, an operation of instantaneously changing the flow rate of the group III element raw material in a pulsed manner is performed.
【0065】組成遷移層の機械的な層厚と、遷移領域幅
ΔtV (ΔtV1)またはΔtw (Δtw1)とは厳密に一
致しないのが一般的である。通常は、組成遷移層の層厚
の方が遷移領域幅ΔtV (ΔtV1)またはΔtw (Δt
w1)より大であるのがもっぱらである。インジウムが所
定の濃度に達するに至る迄に、たとえ優れた急峻性を帰
結する配管系であっても、インジウム原子の取り込まれ
率等の結晶成長上の成長機構に係わる理由などにより、
組成遷移層の機械的な層厚は、遷移領域幅Δt V (Δt
V1)またはΔtw (Δtw1)より大となるのが通例であ
る。The mechanical thickness of the composition transition layer and the width of the transition region
ΔtV(ΔtV1) Or Δtw(Δtw1) Is exactly one
It is common not to do it. Usually, the thickness of the composition transition layer
Is the transition region width ΔtV(ΔtV1) Or Δtw(Δt
w1It is exclusively larger. Indium
By the time it reaches a certain concentration, even if it has excellent steepness,
Even if the piping system is connected, indium atoms are
For reasons related to the crystal growth mechanism such as the rate of crystal growth,
The mechanical thickness of the composition transition layer is the transition region width Δt V(Δt
V1) Or Δtw(Δtw1) Is usually larger
You.
【0066】図3は発光部に組成遷移層を設けた場合を
示す図である。図において、発光部10sには、上記の
手法を用いて組成遷移層7,8を形成してある。すなわ
ち、発光部10sには、発光層2とn形障壁層1との中
間に、発光層2から該障壁層1に向けて発光層2内のイ
ンジウム原子濃度を減少させる組成遷移層7を形成し、
発光層2とp形障壁層3との中間に、発光層2から該障
壁層3に向けて発光層2内のインジウム原子濃度を減少
させる組成遷移層8を形成してある。そして、この発光
部10sでは、組成遷移層7の層厚は組成遷移層8の層
厚より大きく形成し、例えば発光層2からn形障壁層1
に向けて発光層2内のインジウム原子濃度を2桁減少さ
せる組成遷移層7の膜厚を250nm以下、発光層2か
らp形障壁層3に向けて発光層2内のインジウム原子濃
度を2桁減少させる組成遷移層8の膜厚を20nm以下
となるように形成する。FIG. 3 is a diagram showing a case where a composition transition layer is provided in the light emitting section. In the figure, the composition transition layers 7 and 8 are formed in the light emitting portion 10s by using the above-described method. That is, the composition transition layer 7 for reducing the indium atom concentration in the light emitting layer 2 from the light emitting layer 2 toward the barrier layer 1 is formed between the light emitting layer 2 and the n-type barrier layer 1 in the light emitting section 10 s. And
Between the light emitting layer 2 and the p-type barrier layer 3, a composition transition layer 8 for reducing the indium atom concentration in the light emitting layer 2 is formed from the light emitting layer 2 toward the barrier layer 3. In the light emitting section 10s, the layer thickness of the composition transition layer 7 is formed to be larger than the layer thickness of the composition transition layer 8, and, for example, the light emitting layer 2 to the n-type barrier layer 1
The thickness of the composition transition layer 7 for reducing the indium atom concentration in the light emitting layer 2 by two orders of magnitude toward 250 nm or less, and the indium atom concentration in the light emitting layer 2 from the light emitting layer 2 toward the p-type barrier layer 3 by two orders of magnitude The thickness of the composition transition layer 8 to be reduced is formed to be 20 nm or less.
【0067】接合界面の急峻性をインジウム原子濃度の
分布状況をもって判断するに当たって、その急峻性は例
えば、2次イオン質量分析法によるインジウム原子の深
さ方向の濃度分布、所謂、デプスプロファイル(dep
th profile)をもって、定常的に計測され
る。その他、オージェ(Auger)電子分光法等の物
理分析による深さ方向の元素分析からも急峻性を評価で
きる。In determining the steepness of the junction interface based on the distribution state of the indium atom concentration, the steepness is determined, for example, by the concentration distribution of indium atoms in the depth direction by secondary ion mass spectrometry, a so-called depth profile (depth profile).
th profile), and is constantly measured. In addition, steepness can also be evaluated from elemental analysis in the depth direction by physical analysis such as Auger electron spectroscopy.
【0068】インジウム以外の他の構成元素、例えば、
ガリウム(Ga)やアルミニウム(Al)原子の濃度の
分布状況からも原理的には、界面の急峻性を測定でき
る。しかし、III 族窒化物半導体発光素子にあっては、
発光部の各層は、ガリウムを構成元素として共通して含
むIII 族窒化物半導体層から構成されるのが通例である
ため、接合界面でガリウムのデプスプロファイル上に急
激な濃度変化が明瞭に認められない場合もあり、ガリウ
ムの原子濃度分布をもって界面の急峻性を評価する手法
は正確さを欠くものとなる。一方、例えば、窒化ガリウ
ム・インジウムを発光層とし、発光層の両側に窒化アル
ミニウム・ガリウム混晶を障壁層として配置した構成の
発光部にあっては、アルミニウム原子の濃度分布状況か
ら接合界面の急峻性を知ることもできる。アルミニウム
原子の濃度分布状況から求めた界面の急峻性は通常は、
インジウム原子濃度の分布状況から計測したそれに比較
しても略同一である。すなわち、インジウム原子濃度の
遷移領域幅をアルミニウム原子の濃度のそれに代替して
調査することができる。Other constituent elements than indium, for example,
In principle, the steepness of the interface can be measured from the distribution of the concentration of gallium (Ga) or aluminum (Al) atoms. However, in a group III nitride semiconductor light emitting device,
Since each layer of the light emitting portion is usually composed of a group III nitride semiconductor layer containing gallium as a constituent element, a sharp concentration change is clearly observed on the gallium depth profile at the junction interface. In some cases, the method of evaluating the steepness of the interface based on the atomic concentration distribution of gallium lacks accuracy. On the other hand, for example, in a light emitting portion having a structure in which gallium indium nitride is used as a light emitting layer and aluminum nitride / gallium mixed crystals are arranged as barrier layers on both sides of the light emitting layer, a steep junction interface is formed from the concentration distribution of aluminum atoms. You can also know the gender. The steepness of the interface determined from the concentration distribution of aluminum atoms is usually
It is almost the same as compared with that measured from the distribution state of the indium atom concentration. That is, the transition region width of the indium atom concentration can be examined instead of the aluminum atom concentration.
【0069】また、透過型電子顕微鏡(TEM)を利用
したウェッジ(wedge)TEM、或いはCAT法
(Composition Analysis by
Thickness−fringe)(外村彰編著、
「電子顕微鏡技術」(平成元年8月31日、丸善(株)
発行)、83頁参照)でも接合界面における”弛れ”を
半定量的ではあるが判断できる。CAT法では、供する
試料の端面が特に平坦であることが要求され、試料とし
ては壁開等により平坦で平滑な端面が露呈されたもので
あるのが望ましい。ウェッジTEMに依れば、薄層化し
た接合界面近傍の領域の格子像からも、界面での組成の
変化の模様を知ることができる。例えば、接合界面から
距離を隔てるに伴う格子面間隔の変化から界面近傍にお
ける組成の変化を知ることができる。特性X線の波長並
びに強度から元素を同定し、その元素の濃度を分析でき
るEPMA装置を付帯するTEMであれば、被検体に照
射する電子ビーム(beam)の径に依存するが、接合
界面近傍の数nm〜数十nmの微小領域における元素濃
度の分布を調査することができる。[0069] Further, the wedge using a transmission electron microscope (TEM) (wedge) TEM, or CAT method (C omposition A nalysis by
T hickness-fringe) (Akira Tonomura ed.,
"Electron microscope technology" (August 31, 1989, Maruzen Co., Ltd.)
Issue), page 83), it is possible to judge "slack" at the joint interface although it is semi-quantitative. In the CAT method, it is required that the end face of a sample to be provided is particularly flat, and it is desirable that the sample has a flat and smooth end face exposed by opening a wall or the like. According to the wedge TEM, it is possible to know the pattern of the change in the composition at the interface from the lattice image of the region near the thinned bonding interface. For example, a change in the composition in the vicinity of the interface can be known from a change in the lattice spacing as the distance from the bonding interface increases. In the case of a TEM provided with an EPMA device capable of identifying an element from the characteristic X-ray wavelength and intensity and analyzing the concentration of the element, it depends on the diameter of an electron beam (beam) irradiating the subject, but the vicinity of the bonding interface The distribution of element concentration in a small region of several nm to several tens nm can be investigated.
【0070】偏在するキャリアの有無は、シュブニコフ
・ド・ハース(Shubnikov−de Haas:
SdH)効果による磁気抵抗の振動の測定から調査でき
る。特に、磁場方向が接合界面(被検体)に対して垂直
である場合の磁気抵抗のSdH振動におけるランダウ準
位の出現から、局在化した低次元(2次元)のキャリア
の存在を知ることができる。したがって、キャリアの濃
度が適当であるか否かは発光層のキャリア面密度、すな
わち、シートキャリア濃度をもって判断すれば良い。発
光層とするインジウム含有III 族窒化物半導体層のシー
トキャリア濃度は、概ね1×1011cm-2以上とし、約
5×1013cm-2以下とするのが好ましい。その理由
は、次の通りである。The presence or absence of unevenly distributed carriers is determined by the method of Shubnikov-de Haas:
It can be investigated from the measurement of the oscillation of the magnetoresistance due to the SdH) effect. In particular, from the appearance of the Landau level in the SdH oscillation of the magnetoresistance when the direction of the magnetic field is perpendicular to the bonding interface (test object), it is possible to know the presence of localized low-dimensional (two-dimensional) carriers from the appearance of the Landau level. it can. Therefore, whether or not the carrier concentration is appropriate may be determined based on the carrier surface density of the light emitting layer, that is, the sheet carrier concentration. The sheet carrier concentration of the indium-containing group III nitride semiconductor layer to be used as the light emitting layer is preferably about 1 × 10 11 cm −2 or more and about 5 × 10 13 cm −2 or less. The reason is as follows.
【0071】或る決められた”深さ”のポテンシャル井
戸に蓄積するキャリアの量には限りがある。形成される
量子準位に許容される状態密度を越える程の多量のキャ
リアが存在する状態となると、ポテンシャル井戸から逸
脱して通常の3次元的な挙動を呈するようになるキャリ
アの量も増加する。すなわち、素子の高速動作をもたら
す量子化された低次元の挙動をするキャリアが、他の3
次元的キャリアの量に占有する割合が低下する。したが
って、発光層の内部には、3次元的に振る舞うキャリア
が優勢的に存在する事態となり、量子効果に基づく優れ
た素子特性を明瞭に顕現するに妨げとなる。一方、逆に
ポテンシャル井戸内に蓄積するキャリアの量が、形成さ
れる量子準位を満たすに充分でないと、やはり、量子化
された低次元のキャリアが、3次元のキャリアに占める
比率は小となる。したがって、量子デバイスの特徴を発
現するに困難となる。そして、上記の1×1011cm-2
以上で、5×1013cm-2以下の範囲外の、低いシート
キャリア濃度を有する発光層では、量子化したキャリア
は存在するものの、量子化されたキャリアが3次元的な
バルク的な非量子化キャリアに占める割合が低下するた
め、量子化されたキャリアの再結合に起因する優れた発
光特性を充分に顕現するに至らず、逆に、この範囲を越
える高いシートキャリア濃度下では、3次元的なキャリ
アが優勢となるため、発光の高速応答性等の低次元キャ
リアによってもたらされる特有の優れた発光特性が充分
に顕現されるに至らない。There is a limit to the amount of carriers that can accumulate in a given “depth” potential well. When a state in which a large amount of carriers exceeds the density of states allowed in the formed quantum level is present, the amount of carriers that deviate from the potential well and exhibit normal three-dimensional behavior also increases. . That is, the carriers having a quantized low-dimensional behavior that provides a high-speed operation of the element are the other three.
The proportion occupying the amount of dimensional carriers is reduced. Therefore, carriers that behave three-dimensionally predominantly exist inside the light emitting layer, which hinders clear manifestation of excellent device characteristics based on the quantum effect. On the other hand, if the amount of carriers accumulated in the potential well is not enough to satisfy the formed quantum level, the ratio of the quantized low-dimensional carriers to the three-dimensional carriers is small. Become. Therefore, it becomes difficult to express the features of the quantum device. And the above 1 × 10 11 cm -2
As described above, in the light emitting layer having a low sheet carrier concentration outside the range of 5 × 10 13 cm −2 or less, although quantized carriers exist, the quantized carriers are three-dimensional bulk non-quantum. However, since the ratio of the carrier to the reduced carrier decreases, the excellent emission characteristics due to the recombination of the quantized carrier cannot be sufficiently exhibited. Since the specific carriers are dominant, the unique excellent light-emitting characteristics provided by the low-dimensional carriers such as the high-speed response of light emission are not sufficiently exhibited.
【0072】本発明の云う遷移領域幅Δtw (Δtw1)
を遷移領域幅ΔtV (ΔtV1)以下とする規定は、一発
光層をp形及びn形障壁層で狭持するDH構造の発光部
に適用されるだけでなく、発光層を井戸層としこの井戸
層と、発光層と同一の電気伝導形の障壁層足るバリア層
との接合を含む、所謂、単一或いは多重量子井戸構成を
含むDH構造の発光部にも適用される。発光部を単一或
いは多重量子井戸構造を含むとする場合にあっても、こ
れら量子井戸構成とそれを狭持するp形及びn形障壁層
との接合面における界面急峻性は、本発明が規定すると
ころの関係を踏襲する。以下に、その詳細を図4、図5
及び図6を用いて説明する。[0072] referred to the present invention the transition region width Δt w (Δt w1)
Not more than the transition region width Δt V (Δt V1 ) is applied not only to a light emitting portion having a DH structure in which one light emitting layer is sandwiched between p-type and n-type barrier layers, but also to a light emitting layer formed as a well layer. The present invention is also applied to a light emitting portion having a so-called DH structure including a single or multiple quantum well structure including a junction between the well layer and a barrier layer of the same electrical conductivity type as the light emitting layer. Even when the light-emitting portion includes a single or multiple quantum well structure, the present invention provides a steep interface between the quantum well structure and the p-type and n-type barrier layers sandwiching the structure. Follow the prescribed relationship. The details will be described below with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG.
【0073】図4は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第1の構成例を示す図であり、図4(A)はそ
の積層構造を、図4(B)はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
(図1)での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。FIG. 4 is a diagram showing a first configuration example in which the present invention is applied to a multiple quantum well structure. FIG. 4A shows the laminated structure, and FIG. Changes are shown respectively. In the figure, the same components as those of the above-described embodiment (FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0074】この第1の構成例における発光部11は、
III 族窒化物半導体から成るn形障壁層1とp形障壁層
3との中間に、量子井戸構成体21を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体21は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体(例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム)から成る発光層としてのn形の井戸層21
2と、その井戸層212を挟持する2つのバリア層21
1,213から構成されている。バリア層211,21
3は、井戸層212に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウム含有III 族窒化物半導体から成り且つ当該井戸
層212と同一の電気伝導形であるn形を有している。The light emitting section 11 in the first configuration example includes:
A quantum well structure 21 is sandwiched between an n-type barrier layer 1 and a p-type barrier layer 3 made of a group III nitride semiconductor. This quantum well structure 21 has an indium-containing II
Group I nitride semiconductors (eg undoped gallium nitride
N-type well layer 21 as a light emitting layer made of indium)
2 and two barrier layers 21 sandwiching the well layer 212
1 and 213. Barrier layers 211 and 21
Numeral 3 is made of an indium-containing group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layer 212 and has the same n-type conductivity as the well layer 212.
【0075】このように、量子井戸構成体21の終端層
がバリア層211,213であってそのバリア層21
1,213がインジウムを含有しているこの構成例1で
は、この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、
図4(B)に示すように、バリア層211,213と障
壁層1,3との間で成立させる。すなわち、n形障壁層
1とバリア層211との接合界面41におけるインジウ
ム原子濃度NIの遷移領域幅Δtvaと、p形障壁層3と
バリア層213との接合界面51におけるインジウム原
子濃度NIの遷移領域幅Δtwaとの関係を、Δtwa<Δ
tVaと規定する。これにより、キャリアを特に量子構成
体21(井戸層212)とは電気伝導形を反対とするp
形障壁層3との接合界面51に偏在させることができ
る。As described above, the termination layers of the quantum well structure 21 are the barrier layers 211 and 213
In the configuration example 1 in which 1,213 contains indium, the difference in the composition steepness at the bonding interface according to the present invention is as follows.
As shown in FIG. 4B, it is established between the barrier layers 211 and 213 and the barrier layers 1 and 3. That is, transition region width Δt va of indium atom concentration NI at junction interface 41 between n-type barrier layer 1 and barrier layer 211 and transition of indium atom concentration NI at junction interface 51 between p-type barrier layer 3 and barrier layer 213. The relationship with the region width Δt wa is defined as Δt wa <Δ
Defined as t Va . Thereby, the carrier is made to have p conductivity opposite to that of the quantum structure 21 (well layer 212).
It can be localized at the junction interface 51 with the shaped barrier layer 3.
【0076】図5は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第2の構成例を示す図であり、図5(A)はそ
の積層構造を、図5(B)はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
(図1)での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。FIG. 5 is a diagram showing a second configuration example in which the present invention is applied to a multiple quantum well structure. FIG. 5 (A) shows the laminated structure, and FIG. Changes are shown respectively. In the figure, the same components as those of the above-described embodiment (FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0077】この第2の構成例における発光部12は、
III 族窒化物半導体から成るn形障壁層1とp形障壁層
3との中間に、量子井戸構成体22を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体22は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体(例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム)から成る発光層としての2つのn形の井戸
層221,223を終端層とし、その2つの井戸層22
1,223の間にバリア層222を配置して構成されて
いる。バリア層222は、井戸層221,223に比し
て禁止帯幅をより大とするIII 族窒化物半導体から成り
且つ当該井戸層221,223と同一の電気伝導形であ
るn形を有している。The light emitting section 12 in the second configuration example includes:
A quantum well structure 22 is sandwiched between an n-type barrier layer 1 and a p-type barrier layer 3 made of a group III nitride semiconductor. This quantum well structure 22 has an indium-containing II
Group I nitride semiconductors (eg undoped gallium nitride
Two n-type well layers 221 and 223 as light emitting layers made of indium) are used as termination layers, and the two well layers 22
A barrier layer 222 is arranged between the first and second 223. The barrier layer 222 is made of a group III nitride semiconductor having a larger band gap than the well layers 221 and 223, and has the same n-type conductivity as the well layers 221 and 223. I have.
【0078】このように、量子井戸構成体22の終端層
が井戸層221,223であるこの構成例2では、この
発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図5
(B)に示すように、井戸層221,223と障壁層
1,3との間で成立させる。すなわち、n形障壁層1と
井戸層221との接合界面42におけるインジウム原子
濃度NIの遷移領域幅Δtvbと、p形障壁層3と井戸層
223との接合界面52におけるインジウム原子濃度N
Iの遷移領域幅Δtwbとの関係を、Δtwb<ΔtVbと規
定する。これにより、キャリアを特に量子構成体22と
は電気伝導形を反対とするp障壁層3との接合界面52
に偏在させることができる。As described above, in the configuration example 2 in which the termination layers of the quantum well structure 22 are the well layers 221 and 223, the difference in the composition steepness at the junction interface according to the present invention is as shown in FIG.
As shown in FIG. 2B, it is established between the well layers 221 and 223 and the barrier layers 1 and 3. That is, the transition region width Δt vb of the indium atom concentration NI at the junction interface 42 between the n-type barrier layer 1 and the well layer 221 and the indium atom concentration Nt at the junction interface 52 between the p-type barrier layer 3 and the well layer 223.
The relationship between the transition region width Delta] t wb of I, is defined as Δt wb <Δt Vb. Thereby, the carrier is connected to the p-barrier layer 3, which has an electric conductivity type opposite to that of the quantum structure 22 in particular, at the junction interface 52.
Can be unevenly distributed.
【0079】図6は本発明を多重量子井戸構造に適用し
た場合の第3の構成例を示す図であり、図6(A)はそ
の積層構造を、図6(B)はインジウム原子濃度の変化
をそれぞれ示している。図において、上記の実施形態
(図1)での積層構造と同一の構成要素には同一の符号
を付して、その説明を省略する。FIG. 6 is a diagram showing a third configuration example in which the present invention is applied to a multiple quantum well structure. FIG. 6 (A) shows the laminated structure, and FIG. Changes are shown respectively. In the figure, the same components as those of the above-described embodiment (FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0080】この第3の構成例における発光部13は、
III 族窒化物半導体から成るn形障壁層1とp形障壁層
3との中間に、量子井戸構成体23を挟持して構成され
ている。この量子井戸構成体23は、インジウム含有II
I 族窒化物半導体(例えばアンドープの窒化ガリウム・
インジウム)から成る発光層としてのn形の井戸層23
2と、その井戸層232を挟持する2つのバリア層23
1,233から構成されている。バリア層231,23
3は、井戸層232に比して禁止帯幅をより大とするイ
ンジウムを含まないIII 族窒化物半導体から成り且つ当
該井戸層232と同一の電気伝導形であるn形を有して
いる。The light emitting section 13 in the third configuration example includes:
A quantum well structure 23 is sandwiched between an n-type barrier layer 1 and a p-type barrier layer 3 made of a group III nitride semiconductor. This quantum well structure 23 has an indium-containing II
Group I nitride semiconductors (eg undoped gallium nitride
N-type well layer 23 as a light emitting layer made of indium)
2 and two barrier layers 23 sandwiching the well layer 232
1,233. Barrier layers 231 and 23
Numeral 3 is made of a group III nitride semiconductor containing no indium and having a larger band gap than the well layer 232, and has the same n-type conductivity as the well layer 232.
【0081】このように、量子井戸構成体23の終端層
がバリア層231,233であってそのバリア層23
1,233がインジウムを含まないこの構成例3では、
この発明に係る接合界面での組成急峻性の差異は、図6
(B)に示すように、井戸層232とバリア層231,
233との間で成立させる。すなわち、n形障壁層1に
接する終端層(バリア層)231と井戸層232との接
合界面43におけるインジウム原子濃度NIの遷移領域
幅Δtvcと、p形障壁層3に接する終端層(バリア層)
233と井戸層232との接合界面53におけるインジ
ウム原子濃度NIの遷移領域幅Δtwcとの関係を、Δt
wc<ΔtVcと規定する。これにより、キャリアを特に井
戸層232とは電気伝導形を反対とするp形障壁層3側
に接するバリア層233との接合界面53に偏在させる
ことができる。As described above, the termination layers of the quantum well structure 23 are the barrier layers 231 and 233,
In this configuration example 3 in which 1,233 does not contain indium,
The difference in the composition steepness at the bonding interface according to the present invention is shown in FIG.
As shown in (B), the well layer 232 and the barrier layers 231 and 231 are formed.
233. That is, the transition region width Δt vc of the indium atom concentration NI at the junction interface 43 between the termination layer (barrier layer) 231 in contact with the n-type barrier layer 1 and the well layer 232, and the termination layer (barrier layer) in contact with the p-type barrier layer 3 )
The relationship between the transition region width Δt wc of the indium atom concentration NI at the junction interface 53 between the 233 and the well layer 232 is represented by Δt
Define wc <Δt Vc . Thereby, the carriers can be localized at the junction interface 53 with the barrier layer 233 which is in contact with the p-type barrier layer 3 whose electric conductivity type is opposite to that of the well layer 232.
【0082】このように、この発明では、インジウム含
有III 族窒化物半導体からの発光のメカニズムを充分に
解明し、発光部における発光層とそれに接合する障壁層
との接合界面において、インジウム原子濃度の急峻化に
差異を設けることで、発光層とは反対の電気伝導形を有
する障壁層側にキャリアを選択的に且つ優先的に偏在さ
せることができるようになった。したがって、キャリア
の一方の接合界面に向けての流通、走行を促進するでき
るとともに、正孔と電子との再結合を効果的に行わせる
ことができ、発光素子として構成した場合、発光強度特
性及び色純度(単色性)特性を充分に発揮でき、青色帯
から緑色帯にかけての短波長光を、高強度でかつ優れた
色純度(単色性)で発光させることができる。As described above, according to the present invention, the mechanism of light emission from the indium-containing group III nitride semiconductor is sufficiently elucidated, and the indium atom concentration at the junction interface between the light emitting layer in the light emitting portion and the barrier layer joined thereto is reduced. By providing a difference in the steepening, carriers can be selectively and preferentially localized on the barrier layer side having the opposite electrical conductivity type to the light emitting layer. Therefore, it is possible to promote the flow and traveling of the carrier toward one of the bonding interfaces, and it is possible to effectively perform the recombination of holes and electrons. The color purity (monochromaticity) characteristics can be sufficiently exhibited, and short-wavelength light from the blue band to the green band can be emitted with high intensity and excellent color purity (monochromaticity).
【0083】なお、上記の実施形態では、各発光層
(2,212,221,223,232)の電気伝導形
をn形とし、p形障壁層との接合界面側により急峻な遷
移領域幅を形成し、その接合界面側にキャリアを偏在さ
せるようにしたが、発光層の電気伝導形は特に限定する
必要はなく、例えば発光層をp形とし、n形障壁層との
接合界面側により急峻な遷移領域幅を形成し、キャリア
をその接合界面側に偏在させるように構成してもよい。In the above embodiment, the electric conduction type of each light-emitting layer (2, 212, 221, 223, 232) is n-type, and the steep transition region width is set closer to the junction interface with the p-type barrier layer. Although the carrier is unevenly distributed on the junction interface side, the electric conduction type of the light emitting layer does not need to be particularly limited. For example, the light emitting layer is p-type and the junction interface with the n-type barrier layer is steeper. It is also possible to form such that the transition region has an appropriate width and carriers are localized on the bonding interface side.
【0084】次に、この発明のIII 族窒化物半導体発光
素子を、より具体的な実施例を以て説明する。Next, the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to more specific examples.
【実施例】(第1実施例)本発明を、アンドープ窒化ガ
リウムインジウムから成るn形発光層を、窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶からなるp形障壁層と、窒化ガリウ
ムから成るn形障壁層とで挟持して構成された、pn接
合を含むヘテロ接合構造から成る発光ダイオード(LE
D)に適用した場合について説明する。LED用途の積
層構造体を構成する各構成層は一般的な常圧(大気圧)
方式のMOCVD成長装置を利用して、基板上に次の手
順により順次形成した。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) The present invention relates to a method of forming an n-type light emitting layer made of undoped gallium indium nitride by using a p-type barrier layer made of a mixed crystal of aluminum gallium nitride and an n-type barrier layer made of gallium nitride. A light emitting diode (LE) having a heterojunction structure including a pn junction and sandwiched between
The case where the method is applied to D) will be described. Each constituent layer of the laminated structure for LED use is a general normal pressure (atmospheric pressure)
Utilizing a MOCVD growth apparatus of the type, the layers were sequentially formed on the substrate by the following procedure.
【0085】図7は本発明の第1実施例に係る積層構造
体を示す図である。図において、積層構造体10aは、
基板100上に積層して構成されている。基板100と
して直径約2インチ(直径約50mm)、厚さを約90
μmとする両面(表裏面)を機械的化学的研磨法により
鏡面に研磨した(0001)(c面)−サファイア(α
−Al2 O3 単結晶)を使用した。基板100上への積
層構造体10aの各構成層の堆積には、上記したMOC
VD成長反応炉90(図2)を利用した。この結晶基板
100を反応炉90内の高純度グラファイト製サセプタ
99上に略水平に載置した。FIG. 7 is a view showing a laminated structure according to the first embodiment of the present invention. In the figure, a laminated structure 10a is
It is configured to be laminated on the substrate 100. The substrate 100 has a diameter of about 2 inches (about 50 mm in diameter) and a thickness of about 90
(0001) (c-plane) -sapphire (α)
-Al 2 O 3 single crystal) was used. The above-described MOC is used for depositing each constituent layer of the laminated structure 10a on the substrate 100.
A VD growth reactor 90 (FIG. 2) was utilized. The crystal substrate 100 was placed substantially horizontally on a high-purity graphite susceptor 99 in a reaction furnace 90.
【0086】この反応炉90の具体的な構成例は次の通
りである。反応炉90は、アルカリ金属類の含有量が低
い半導体工業用高純度石英から構成した。反応炉90の
鉛直断面の形状は長方形であって、その中央部の断面積
は約20cm2 である。この反応炉90の特徴は、上
記したように、元素周期律表の第III 族元素と第V族元
素の原料ガス(正確には、原料を随伴するガス)を分別
して反応炉内に導入するための互いに隔離された第1、
第2流路91,92に加え、反応炉90の内壁94へ
の、原料ガスの分解により生成した分解物の付着を防止
するための掃引ガスを流通する専用の掃引ガス流路93
を設けてあることにある。したがって、炉内に合計して
3つの流路91,92,93を備えたものとなってい
る。The specific configuration example of the reaction furnace 90 is as follows. The reaction furnace 90 was made of high-purity quartz for industrial use having a low content of alkali metals. The vertical cross section of the reaction furnace 90 is rectangular, and the cross section at the center is about 20 cm 2 . The feature of this reactor 90 is that, as described above, the source gases (more precisely, the gas accompanying the raw materials) of the group III element and the group V element of the periodic table of the element are introduced into the reactor. First, isolated from each other for
In addition to the second flow paths 91 and 92, a dedicated sweep gas flow path 93 for flowing a sweep gas for preventing the decomposition products generated by decomposition of the raw material gas from adhering to the inner wall 94 of the reaction furnace 90.
Is provided. Therefore, the furnace is provided with a total of three flow paths 91, 92, and 93.
【0087】基板100をサセプタ99上に載置した
後、反応炉90内を通常の油回転式真空ポンプを具備し
た真空排気経路(図示省略)を介して真空に排気した。
約10 -3トール(Torr)の真空度に到達してから約
10分間保持した後に、3流路の各々から毎分1リット
ルの併せて合計約3リットル/分の流量の精製アルゴン
ガス(Ar)を反応炉90内に流通させて炉内の圧力を
ほぼ大気圧に復帰させた。The substrate 100 was placed on the susceptor 99
Then, a normal oil rotary vacuum pump is provided inside the reaction furnace 90.
It was evacuated through a vacuum evacuation path (not shown).
About 10 -3After reaching the degree of vacuum of Torr
After holding for 10 minutes, 1 liter per minute from each of the three channels
And a total of about 3 liters / minute of purified argon
The gas (Ar) is passed through the reaction furnace 90 to reduce the pressure in the furnace.
It was returned to almost atmospheric pressure.
【0088】約5分間に亘り反応炉90内を精製された
高純度のアルゴンガスで掃気した後、アルゴンガスの反
応炉90への供給を停止した。代わりに露点を約マイナ
ス(−)90℃とする精製水素ガス(H2 )を反応炉9
0内へ供給した。水素ガスの流量は各流路91,92,
93につき均等に3リットル/分に電子式質量制御計
(マスフローコントロラー(MFC))で維持した。す
なわち、各流路91,92,93には、予め3リットル
/分の水素ガスが流通する状態としておいた。After purging the inside of the reaction furnace 90 with purified high-purity argon gas for about 5 minutes, the supply of the argon gas to the reaction furnace 90 was stopped. Instead, purified hydrogen gas (H 2 ) having a dew point of about minus (−) 90 ° C. is supplied to the reactor 9.
0 was supplied. The flow rate of the hydrogen gas is determined by the flow paths 91, 92,
It was maintained at 3 liters / minute evenly with an electronic mass controller (mass flow controller (MFC)). That is, the flow paths 91, 92, and 93 were previously set in a state where hydrogen gas at a rate of 3 liters / minute was circulated.
【0089】然る後、反応炉90の外周に設けた円状に
巻いた高周波加熱コイルに高周波電源を投入した。これ
により、基板100の温度を室温(約25℃)から45
0℃に上昇させた。基板100の温度は上記のサセプタ
99の中腹に開けた直径約5mmの貫通孔に挿入したモ
リブデン(Mo)シース型の白金(Pt)−白金・ロジ
ウム(Pt・Rh)合金熱電対(日本工業規格JIS−
R規格に準拠した熱電対)により測温した。基板100
の温度は、熱電対から発生される熱起電力信号を入力す
るPID方式の市販の温度制御器により、±1℃以内に
精密に制御した。基板100の温度が450℃に到達し
てから約20分経過し、温度の変動が450℃±1℃に
確実に制御されるようになった時点で、窒素源とした液
化アンモニアガスの気化により発生したアンモニアガス
(NH3 )を毎分1リットルの割合で反応炉90への供
給し始めた。アンモニアは3重に重ねられた上記の3流
路の内、第V族元素の原料ガスであるアンモニアの流通
用途としての中央の第2流路92を介して反応炉90内
に供給した。すなわち、中央の第2流路92には上記の
予め流通させておいた3リットル/分の水素と共に毎分
1リットルのアンモニアガスが流れる状態となった。Thereafter, a high-frequency power supply was applied to a high-frequency heating coil wound around a circle provided on the outer periphery of the reaction furnace 90. As a result, the temperature of the substrate 100 is raised from room temperature (about 25 ° C.) to 45 °.
Increased to 0 ° C. The temperature of the substrate 100 is controlled by a molybdenum (Mo) sheath-type platinum (Pt) -platinum-rhodium (Pt.Rh) alloy thermocouple (Japanese Industrial Standard) JIS-
(Thermocouple conforming to R standard). Substrate 100
Was precisely controlled within ± 1 ° C. by a commercially available PID-type temperature controller that inputs a thermoelectromotive force signal generated from a thermocouple. Approximately 20 minutes have passed since the temperature of the substrate 100 reached 450 ° C., and when the temperature fluctuation was surely controlled to 450 ° C. ± 1 ° C., the liquefied ammonia gas used as a nitrogen source was vaporized. The supply of the generated ammonia gas (NH 3 ) to the reaction furnace 90 at a rate of 1 liter per minute was started. Ammonia was supplied into the reaction furnace 90 through the central second flow path 92 for the purpose of distribution of ammonia, which is a raw material gas of the group V element, among the three flow paths stacked three-fold. That is, 1 liter per minute of ammonia gas was flown through the central second flow path 92 together with the previously circulated 3 liter / minute of hydrogen.
【0090】アンモニアガスの供給と同時に反応炉90
へアルミニウム(Al)源としてのトリメチルアルミニ
ウム((CH3 )3 Al)を3流路の中で最下段の第1
流路91から供給した。トリメチルアルミニウムを収納
した316ステンレス鋼製バブラ容器はペルチェ効果を
利用した電子式恒温槽で20℃に保持した。この容器内
のトリメチルアルミニウムを毎分20ccの流量の水素
ガスでバブリングし、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、最下段の第1流路91
に流れる毎分3リットルの水素ガスと共に反応炉90へ
供給した。各々個別の第1、第2流路91,92を介し
ての、トリメチルアルミニウムを随伴する水素ガスと、
アンモニアガスとの反応炉90への供給を正確に6分間
継続した。これより、層厚を20nmとする窒化アルミ
ニウム(AlN)から成る緩衝層100aを形成した。
緩衝層100aの成長は、反応炉90へのトリメチルア
ルミニウムの蒸気を随伴する水素ガスの供給の停止をも
って終了した。At the same time as the supply of ammonia gas,
Trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) as a source of aluminum (Al) is supplied to the first lowermost stage in the three flow paths.
It was supplied from the flow path 91. The bubbler container made of 316 stainless steel containing trimethylaluminum was kept at 20 ° C. in an electronic thermostat using the Peltier effect. Trimethylaluminum in this container is bubbled with hydrogen gas at a flow rate of 20 cc / min.
And 3 liters per minute of hydrogen gas flowing into the reactor 90. Hydrogen gas accompanied by trimethylaluminum via respective first and second flow paths 91 and 92;
The supply of the ammonia gas to the reaction furnace 90 was continued for exactly 6 minutes. Thus, a buffer layer 100a made of aluminum nitride (AlN) having a thickness of 20 nm was formed.
The growth of the buffer layer 100a was terminated when the supply of hydrogen gas accompanied by the vapor of trimethylaluminum to the reaction furnace 90 was stopped.
【0091】然る後、各流路91,92,93を介して
の反応炉90への水素ガスの供給を停止し、代わりに各
流路につき流量を2リットル/分とする合計6リットル
/分の流量のアルゴンガスの供給を開始した。高周波加
熱コイルに印加する電力量を増し、基板100の温度を
450℃から1050℃に平均して約100℃/分の速
度で昇温した。途中、基板100の温度が約500℃を
通過した時点で流量を1リットル/分とするアンモニア
ガスの供給を、上記の中央の第2流路92を介して開始
した。熱電対で測温される基板100の温度が1050
℃となった時点で、アンモニアの反応炉90への供給量
を毎分1リットルから毎分3.5リットルへと電子式質
量流量計をもって増加させた。同時に最上段の掃引ガス
流路93のみから毎分2リットルのアルゴンが供給され
る状態としたままで、最下段及び中央の第1、第2流路
91,92からのアルゴンガスの供給を停止した。最下
段及び中央の第1、第2流路91,92からは、アルゴ
ンの供給を停止すると同時に、中央の流路92からは1
リットル/分の水素ガスを、最下段の第1流路91から
は毎分2リットルの水素ガスを流通させた。これによ
り、高純度石英管から構成される反応炉90へは合計し
て8.5リットル/分の水素、アルゴン及びアンモニア
が流通する状況となった。Thereafter, the supply of hydrogen gas to the reaction furnace 90 via the flow paths 91, 92, and 93 is stopped, and the flow rate is changed to 2 liters / minute for each flow path, for a total of 6 liters / minute. The supply of argon gas at a flow rate of 1 minute was started. The amount of electric power applied to the high-frequency heating coil was increased, and the temperature of the substrate 100 was increased from 450 ° C. to 1050 ° C. at an average rate of about 100 ° C./min. On the way, when the temperature of the substrate 100 passed about 500 ° C., the supply of ammonia gas at a flow rate of 1 liter / min was started via the above-mentioned second flow path 92 at the center. The temperature of the substrate 100 measured by the thermocouple is 1050
When the temperature reached ° C, the supply amount of ammonia to the reaction furnace 90 was increased from 1 liter per minute to 3.5 liters per minute using an electronic mass flow meter. At the same time, the supply of argon gas from the lowermost and central first and second flow paths 91 and 92 is stopped while 2 liters of argon per minute is supplied only from the uppermost sweep gas flow path 93. did. At the same time, the supply of argon is stopped from the first and second flow paths 91 and 92 at the bottom and the center, and at the same time, 1
2 L / min of hydrogen gas per minute was passed through the first flow path 91 at the lowermost stage. As a result, a total of 8.5 liters / minute of hydrogen, argon, and ammonia flowed into the reaction furnace 90 including the high-purity quartz tube.
【0092】基板100の温度が1050℃に到達して
5分間待機した後、緩衝層100a上にn形障壁層10
1として珪素(Si)をドーピングしたn形窒化ガリウ
ム層を成長させた。n形窒化ガリウム層の成長時には、
0℃に保持し液化したトリメチルガリウムに毎分30c
cの流量の水素ガスでバブリング操作を施し、トリメチ
ルガリウムを随伴した水素バブリングガスを反応炉90
内に供給した。珪素は高純度の水素で体積濃度にして約
1ppmに希釈されたジシラン(Si2 H6 )をドーピ
ング源として添加した。ジシランドーピングガスの流量
は電子式質量流量計により毎分20ccに設定し、中央
の第2流路92からアンモニアガスと共に流通させた。
ガリウム源を随伴する水素バブリングガス、及び珪素ド
ーピング源ガスの反応炉90への供給を正確に60分間
に亘り継続して、層厚を3μmとするSiドープn形窒
化ガリウム層からなるn形障壁層101を得た。n形障
壁層101のキャリア濃度は約1×1018cm-3であっ
た。After the temperature of the substrate 100 reaches 1050 ° C. and waits for 5 minutes, the n-type barrier layer 10 is formed on the buffer layer 100a.
As No. 1, an n-type gallium nitride layer doped with silicon (Si) was grown. During the growth of the n-type gallium nitride layer,
Keep at 0 ° C and liquefy trimethylgallium at 30 c / min
C., a bubbling operation is performed with hydrogen gas at a flow rate of c, and hydrogen bubbling gas accompanied by trimethylgallium is supplied to the reaction furnace 90.
Supplied within. For silicon, disilane (Si 2 H 6 ) diluted to about 1 ppm by volume with high-purity hydrogen was added as a doping source. The flow rate of the disilane doping gas was set to 20 cc / min by an electronic mass flow meter, and the disilane doping gas was circulated together with ammonia gas from the second flow path 92 at the center.
An n-type barrier composed of a Si-doped n-type gallium nitride layer having a thickness of 3 μm by continuously supplying hydrogen bubbling gas accompanied by a gallium source and a silicon doping source gas to the reactor 90 for exactly 60 minutes. Layer 101 was obtained. The carrier concentration of the n-type barrier layer 101 was about 1 × 10 18 cm −3 .
【0093】下部クラッド層たるn形障壁層101の成
長を終えた後、各流路91,92,93に流通するガス
をアルゴンに変換しその流量を全て毎分2リットルとし
た。中央の第2流路92には毎分3.0リットルの流量
のアンモニアガスを加えて流通させた。然る後、基板1
00の温度を1050℃から870℃に平均して60℃
/分の速度で降温した。この降温過程の中途、基板10
0の温度が950℃となった時点で、最下段の第III 族
元素原料用の第1流路91からアルゴンと共にガリウム
源及びインジウム源の供給を開始した。ガリウム(G
a)源には上記のトリメチルガリウムを使用した。ガリ
ウム源のバブラ容器の温度は0℃とした。インジウムの
供給源にはトリメチルインジウム((CH3 )3 In)
を使用した。トリメチルインジウムは内容積を約100
ccとするステンレス鋼製のシリンダ容器内に収納し、
シリンダ容器は電子式恒温槽を利用して正確に35℃に
保持した。成長初期におけるトリメチルガリウムの蒸気
を随伴するためのバブリング用水素ガスの流量は、電子
式質量流量計により毎分10ccに制御した。After the growth of the n-type barrier layer 101 as the lower cladding layer was completed, the gas flowing through each of the flow paths 91, 92, and 93 was converted to argon, and the flow rate was all 2 liters per minute. Ammonia gas at a flow rate of 3.0 liters per minute was added to the center second flow path 92 and allowed to flow. After that, substrate 1
Average temperature of 00 from 1050 ° C to 870 ° C, 60 ° C
/ Min. In the course of this temperature lowering process, the substrate 10
When the temperature of 0 became 950 ° C., the supply of the gallium source and the indium source together with argon was started from the lowermost first channel 91 for the Group III element material. Gallium (G
a) The above-mentioned trimethylgallium was used as a source. The temperature of the bubbler vessel of the gallium source was 0 ° C. The source of indium is trimethylindium ((CH 3 ) 3 In)
It was used. Trimethylindium has an internal volume of about 100
cc in a stainless steel cylinder container,
The cylinder container was maintained at exactly 35 ° C. using an electronic thermostat. The flow rate of bubbling hydrogen gas to accompany trimethylgallium vapor in the initial stage of growth was controlled at 10 cc / min by an electronic mass flow meter.
【0094】また、インジウム源を収納するシリンダ容
器内において昇華したトリメチルインジウムの蒸気を反
応炉90内に随伴するための水素ガスの流量は、毎分6
2.0ccとした。基板100の温度が870℃に降下
した後は、7.5分間に亘り、双方の第III 族元素の原
料を随伴する水素ガスの流量を変更せずに一定に保ち、
インジウム組成比を約0.15と一定とする窒化ガリウ
ム・インジウムから成るアンドープでn形の発光層10
2を成膜した。以上の一連の成長操作により、降温中途
で成長させた厚みを含めて合計の層厚を約50nmとす
る窒化ガリウム・インジウムから成る発光層102を得
た。Further, the flow rate of hydrogen gas for entraining the vapor of trimethylindium sublimated in the cylinder container accommodating the indium source into the reaction furnace 90 is 6 / min.
2.0 cc. After the temperature of the substrate 100 has dropped to 870 ° C., the flow rate of the hydrogen gas accompanying the raw materials of both Group III elements is kept constant for 7.5 minutes,
Undoped n-type light emitting layer 10 of gallium indium nitride having a constant indium composition ratio of about 0.15
2 was formed. Through the above series of growth operations, the light emitting layer 102 made of gallium indium nitride having a total layer thickness of about 50 nm including the thickness grown during the cooling was obtained.
【0095】上記のガリウム源及びインジウム源の反応
炉90への供給を中断して発光層102の形成を終えた
後は、反応炉90内へのアルゴン及びアンモニアガスの
供給を継続したままで、熱電対からの熱起電力信号を基
に、高周波加熱コイルに印荷する高周波電源からの電力
量を自動的に調節して、基板100の温度を870℃か
ら1050℃に昇温した。昇温過程での不用意に緩やか
な昇温に因るインジウムを含有する発光層102の揮散
を抑制する目的で、870℃から1050℃へは1.5
分間で昇温した。After the supply of the gallium source and the indium source to the reaction furnace 90 was interrupted to complete the formation of the light emitting layer 102, the supply of argon and ammonia gas into the reaction furnace 90 was continued. The temperature of the substrate 100 was increased from 870 ° C. to 1050 ° C. by automatically adjusting the amount of power from the high-frequency power supply applied to the high-frequency heating coil based on the thermoelectromotive force signal from the thermocouple. In order to suppress volatilization of the indium-containing light-emitting layer 102 due to a carelessly gradual rise in temperature during the heating process, the temperature is increased from 870 ° C. to 1050 ° C. by 1.5%.
The temperature rose in minutes.
【0096】デッドスペース(dead space:
淀み空間)が小さく、高速応答性の良好なバルブの動作
を信頼して、発光層102の成長後に直ちにp形接合層
の成長に移行する成長手段も有り得る。しかし、本実施
例では、昇温中に掃引ガスを流通した効果によりMOC
VD反応炉90の内壁94には茶褐色の薄い膜が付着し
ているのみで、ガリウム等の金属の液滴等が視覚上存在
しないのを確認した上で、掃気ガスとしてのアルゴンの
流量を毎分2リットルから5リットルに増加させ、尚か
つこの状態を5分間継続し待機した。このアルゴン流量
の増加と5分間継続により、反応炉90内に滞留或いは
残存すると杞憂される未分解の原料ガス等を確実に炉外
へ排出し、次層(p形障壁層)103との接合界面10
5の急峻化を図った。このように、本実施例では、デッ
ドスペースの小さいバルブ等の部品を備えた界面の急峻
化に利する配管系を利用した上に更に、次層(p形障壁
層)103の成膜に移行する間に、上記の昇温時間
(1.5分)と待機時間(5分)とを併せて合計6.5
分間に亘る成長中断時間(インターバル時間)を設け
た。Dead space:
There is also a growth means which is small in stagnation space and relies on the operation of the valve having good high-speed response, and immediately shifts to the growth of the p-type junction layer after the growth of the light emitting layer 102. However, in the present embodiment, the MOC was reduced due to the effect of flowing the sweep gas during the temperature rise.
Only a brownish thin film is adhered to the inner wall 94 of the VD reactor 90, and after confirming that there is no visually visible droplets of metal such as gallium, the flow rate of argon as a scavenging gas is changed every time. The amount was increased from 2 liters to 5 liters, and this state was continued for 5 minutes and waited. By increasing the flow rate of argon and continuing for 5 minutes, undecomposed raw material gas or the like that is not likely to remain or remain in the reaction furnace 90 is reliably discharged to the outside of the furnace, and joined to the next layer (p-type barrier layer) 103. Interface 10
5 steepened. As described above, in the present embodiment, the piping system having components such as valves having a small dead space is used for steepening the interface, and further, the film formation of the next layer (p-type barrier layer) 103 is started. In addition, the above-mentioned heating time (1.5 minutes) and the waiting time (5 minutes) are combined for a total of 6.5.
A growth interruption time (interval time) over a period of one minute was provided.
【0097】基板100の温度が1050℃に到達した
後、各流路91,92,93に流すアルゴン、アンモニ
ア及び水素の流量を、n形障壁層101の形成の場合と
同一とした。最下段の第1流路91には、ガリウム源を
含む随伴ガスに加え、アルミニウム源の蒸気を随伴する
水素ガスを添加した。また、マグネシウム源を含む水素
ガスも添加した。ガリウム源にはトリメチルガリウムを
使用した。トリメチルガリウムを収容する316ステン
レス鋼製バブラ容器は電子式恒温槽により正確に0℃に
保持した。バブリング用且つトリメチルガリウムの蒸気
の随伴用の水素ガスの流量は、毎分30ccとした。ア
ルミニウム源は緩衝層100aの成膜時に使用したトリ
メチルアルミニウムとした。アルミニウム源の供給量は
アルミニウム組成比を0.1とする窒化アルミニウム・
ガリウム混晶が得られるように設定した。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−(CH3 C5 H4 )2 Mg)を
使用した。マグネシウムドーピング源を収容するステン
レス鋼製のシリンダ容器は、電子式恒温槽により45℃
の恒温に保持した。同温度に保持し液化させたビス−メ
チルシクロペンタジエニルマグネシウム内には、バブリ
ング用ガスとして、電子式質量流量計により流量を毎分
20ccに精密に調整して制御された水素ガスを流通さ
せた。ガリウム源、アルミニウム源及びマグネシウム源
の蒸気を随伴する水素ガスの反応炉90への供給は、発
光層102との接合界面105との急峻化を期して、高
速スイッチングバルブを介して、同時に且つ瞬時に行っ
た。5分間に亘り継続して反応炉90へ原料を供給し、
層厚を0.2μmとする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(Al0.1 Ga
0.9 N)混晶から成るp形障壁層103を成膜した。ア
ルミニウム源の蒸気を随伴する水素ガスの供給を遮断し
て、p形障壁層103の成膜を終了した。After the temperature of the substrate 100 reached 1050 ° C., the flow rates of argon, ammonia and hydrogen flowing through the respective flow paths 91, 92 and 93 were the same as in the case of forming the n-type barrier layer 101. In addition to the accompanying gas containing the gallium source, a hydrogen gas accompanying the steam of the aluminum source was added to the lowermost first flow path 91. Hydrogen gas containing a magnesium source was also added. Trimethylgallium was used as the gallium source. The bubbler container made of 316 stainless steel containing trimethylgallium was maintained at exactly 0 ° C. in an electronic thermostat. The flow rate of hydrogen gas for bubbling and entrainment of trimethylgallium vapor was 30 cc / min. The aluminum source was trimethyl aluminum used when forming the buffer layer 100a. The supply amount of the aluminum source is aluminum nitride with an aluminum composition ratio of 0.1.
It was set so that gallium mixed crystal could be obtained. The doping source magnesium bis - using cyclopentadienyl magnesium (bis- (CH 3 C 5 H 4) 2 Mg). The stainless steel cylinder container containing the magnesium doping source is heated to 45 ° C by an electronic thermostat.
Was kept at a constant temperature. In the bis-methylcyclopentadienyl magnesium liquefied at the same temperature, a hydrogen gas controlled as a bubbling gas with a flow rate precisely controlled to 20 cc / min by an electronic mass flow meter is passed. Was. The supply of the hydrogen gas accompanied by the vapors of the gallium source, the aluminum source and the magnesium source to the reaction furnace 90 is performed simultaneously and instantaneously via the high-speed switching valve in order to steepen the junction interface 105 with the light emitting layer 102. I went to. Raw materials are continuously supplied to the reaction furnace 90 for 5 minutes,
Aluminum-gallium nitride mixed crystal doped with magnesium having a layer thickness of 0.2 μm (Al 0.1 Ga
A p-type barrier layer 103 made of 0.9 N) mixed crystal was formed. The supply of the hydrogen gas accompanying the vapor of the aluminum source was stopped, and the formation of the p-type barrier layer 103 was completed.
【0098】このようにして、珪素をドーピングした窒
化ガリウム(GaN)から成るn形障壁層101と、窒
化ガリウム・インジウム(Ga0.85In0.15N)から成
る発光層102と、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(Al0.1 Ga0.9 N)か
ら成るp形障壁層103とを備えたヘテロ接合構造体を
構成した。そして、このへテロ接合構造体の構成時に、
n形障壁層101に発光層102を積層させる際には、
経時的に成長温度を変遷させるとともに、原料ガス流量
を経時的に漸次変化させて成膜することで、接合界面1
04における組成急峻性を比較的緩やかにしてあり、ま
た発光層102にp形障壁層103を積層させる際に
は、デッドスペースの小さいバルブ等を備えた配管系を
利用したこと、次層(p形障壁層)103の成膜に移行
する間にインターバル時間を設けたこと、原料ガス流量
をパルス的に瞬時に変化させること等により、接合界面
105における組成急峻性を顕著なものとしている。Thus, the n-type barrier layer 101 made of gallium nitride (GaN) doped with silicon, the light emitting layer 102 made of gallium indium nitride (Ga 0.85 In 0.15 N), and the aluminum nitride doped with magnesium A heterojunction structure including the p-type barrier layer 103 made of gallium mixed crystal (Al 0.1 Ga 0.9 N) was formed. And at the time of construction of this heterojunction structure,
When stacking the light emitting layer 102 on the n-type barrier layer 101,
By changing the growth temperature over time and changing the flow rate of the source gas gradually over time to form a film, the bonding interface 1
04, the steepness of the composition is relatively moderate, and when the p-type barrier layer 103 is laminated on the light emitting layer 102, a piping system having a valve or the like with a small dead space is used. The steepness of the composition at the junction interface 105 is remarkable by providing an interval time during the transition to the formation of the barrier layer 103 and by instantaneously changing the flow rate of the source gas in a pulsed manner.
【0099】引き続き、基板100の温度を1050℃
に維持し、アンモニア、ガリウム源及びマグネシウム源
の供給流量を不変としたままで、窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るp形障壁層103上に、最表層11
0を堆積した。最表層110の成長時には、ジエチル亜
鉛((C2 H5 )2 Zn)を含むガスを、亜鉛(Zn)
のドーピング源として添加した。亜鉛のドーピング源に
は、体積濃度にして100ppmのジエチル亜鉛を含む
高純度水素ガスを使用した。原料ガス及びドーピングガ
スの供給を3分間に亘り継続し、層厚を0.1μmとす
るマグネシウム及び亜鉛を共にドーピングした窒化ガリ
ウムから成る最表層110となした。窒化ガリウムから
成る最表層110の成膜は、ガリウム源の反応炉90内
への流通を停止することをもって終了した。同時にマグ
ネシウム及び亜鉛のドーピングガス及び水素ガスの反応
炉90内への供給も停止した。Subsequently, the temperature of the substrate 100 is set to 1050 ° C.
While the supply flow rates of the ammonia, the gallium source and the magnesium source are kept unchanged, the outermost layer 11 is formed on the p-type barrier layer 103 made of aluminum nitride-gallium mixed crystal.
0 was deposited. During the growth of the outermost layer 110, a gas containing diethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn) is supplied with zinc (Zn).
Was added as a doping source. A high-purity hydrogen gas containing 100 ppm by volume of diethyl zinc was used as a zinc doping source. The supply of the source gas and the doping gas was continued for 3 minutes to form a top layer 110 of gallium nitride doped with both magnesium and zinc having a layer thickness of 0.1 μm. The formation of the outermost layer 110 made of gallium nitride was terminated by stopping the flow of the gallium source into the reaction furnace 90. At the same time, the supply of the doping gas of magnesium and zinc and the supply of hydrogen gas into the reactor 90 were also stopped.
【0100】一方、アンモニアガスの流量は毎分3.5
リットルに維持した。高周波加熱コイルに印加する高周
波電力量を低減して、基板100の温度を1050℃か
ら約2分間で950℃に低下させた。950℃から65
0℃へは毎分15℃の速度で20分間を要して降温し
た。650℃に降温した時点でアンモニアガスの反応炉
90内への供給を遮断し、反応炉90に流通するガスを
アルゴンのみとした。かかる状態で室温に至る迄冷却し
た。On the other hand, the flow rate of ammonia gas was 3.5 per minute.
Liters. The amount of high-frequency power applied to the high-frequency heating coil was reduced, and the temperature of the substrate 100 was reduced from 1050 ° C. to 950 ° C. in about 2 minutes. 950 ° C to 65
The temperature was lowered to 0 ° C at a rate of 15 ° C per minute for 20 minutes. When the temperature was lowered to 650 ° C., the supply of the ammonia gas into the reaction furnace 90 was stopped, and only the gas flowing through the reaction furnace 90 was argon. In this state, the system was cooled down to room temperature.
【0101】以上の成長操作をもって、n形障壁層10
1と、n形の発光層102と、p形障壁層103とから
成るヘテロ接合構造体に、マグネシウムと亜鉛とを共に
ドーピングした窒化ガリウムから成るp形の最表層11
0を積層することで、積層構造体10aの形成を終了し
た。With the above growth operation, the n-type barrier layer 10
, An n-type light emitting layer 102, and a p-type barrier layer 103, and a p-type outermost layer 11 of gallium nitride doped with both magnesium and zinc.
By laminating 0, the formation of the laminated structure 10a was completed.
【0102】積層構造体10aから一片(約5mm×約
5mm×t(厚さ))を切り出し、構成元素の深さ方向
の分析用試料に供した。積層構造体10aの最表層11
0より深さ方向のマトリックス元素の濃度分布(デプス
プロファイル)は市販のSIMS分析装置((仏)CA
MECA社製IMS−6F型2次イオン質量分析装置)
で定量した。インジウム及びアルミニウムの濃度分析に
ついては、共にセシウム(Cs)イオンビームを一次イ
オンビームとして用いた。ビーム加速電圧は5.5KV
とした。このSIMS分析装置を用いて測定した、発光
層102との接合界面104,105におけるインジウ
ムとアルミニウムとの濃度分布は、次のようであった。One piece (about 5 mm × about 5 mm × t (thickness)) was cut out from the laminated structure 10 a and provided as a sample for analysis of the constituent elements in the depth direction. Outermost layer 11 of laminated structure 10a
The matrix element concentration distribution (depth profile) in the depth direction from 0 is obtained using a commercially available SIMS analyzer (CA of France).
(IMCA-6F secondary ion mass spectrometer manufactured by MECA)
Quantified. For the concentration analysis of indium and aluminum, a cesium (Cs) ion beam was used as a primary ion beam for both. Beam acceleration voltage is 5.5KV
And The concentration distributions of indium and aluminum at the bonding interfaces 104 and 105 with the light-emitting layer 102 measured using this SIMS analyzer were as follows.
【0103】図8は発光層との接合界面におけるインジ
ウムとアルミニウムの濃度分布を示す図である。横軸は
積層構造体表面からの深さ、縦軸は原子濃度をそれぞれ
示している。インジウム原子の濃度分布曲線C1が示す
通り、インジウム原子の濃度が発光層102の内部での
平均的な濃度RoIから、2桁低い濃度に減ずるに要する
遷移領域幅Δtwi、Δtviを比較すれば、n形窒化ガリ
ウム・インジウム発光層102と窒化アルミニウム・ガ
リウム混晶から成るp形障壁層103との接合界面10
5側での遷移領域幅Δtwiは、上記のように瞬時的に原
料ガスを変化させたこと等により、起点D4から約18
nmと極めて狭小であった。ここでは、起点D4は接合
界面105に一致している。一方のn形窒化ガリウム障
壁層101との接合界面104側での遷移領域幅Δtvi
は、上記のように経時的に成長温度を変遷させて成膜し
たこと等により、起点D3から約30nmと、Δtwiに
比べて幅広であった。ここで、起点D3は、接合界面1
04に一致せず、発光層102の内部に位置している。FIG. 8 is a diagram showing the concentration distribution of indium and aluminum at the junction interface with the light emitting layer. The horizontal axis indicates the depth from the surface of the multilayer structure, and the vertical axis indicates the atomic concentration. As shown by the concentration distribution curve C1 of indium atoms, when comparing the transition region widths Δtwi and Δtvi required for reducing the concentration of indium atoms from the average concentration RoI inside the light emitting layer 102 to a concentration two orders of magnitude lower, n Interface 10 between p-type gallium indium nitride indium light emitting layer 102 and p-type barrier layer 103 made of aluminum nitride / gallium mixed crystal
The transition region width Δtwi on the 5th side is about 18% from the starting point D4 due to the instantaneous change of the source gas as described above.
It was extremely narrow as nm. Here, the starting point D4 coincides with the bonding interface 105. Transition region width Δt vi on the junction interface 104 side with one n-type gallium nitride barrier layer 101
Was about 30 nm from the starting point D3, which was wider than Δtwi, due to the fact that the growth temperature was changed over time as described above. Here, the starting point D3 is set at the bonding interface 1
04 and is located inside the light emitting layer 102.
【0104】一方、アルミニウム原子の濃度について
は、アルミニウム原子の濃度分布曲線C2が示す通り、
発光層102の内部での平均的なアルミニウム原子濃度
Roaから、2桁低い濃度に減ずるに要する遷移領域幅Δ
twaが、インジウムの遷移領域幅Δtwiの18nmより
さらに小さくなっている。このように、接合界面105
におけるインジウム原子と、アルミニウム原子とは、接
合界面105を越えるといずれも急激に落ち込んでお
り、接合界面105での顕著な急峻性の要求を充分に満
たしていることが分かった。On the other hand, regarding the concentration of aluminum atoms, as shown by the concentration distribution curve C2 of aluminum atoms,
Transition region width Δ required to reduce the average aluminum atom concentration Roa inside the light emitting layer 102 to a concentration two orders of magnitude lower.
twa is smaller than the transition region width Δtwi of indium of 18 nm. Thus, the bonding interface 105
The indium atom and the aluminum atom in Example 1 all dropped sharply after passing over the junction interface 105, and it was found that the requirement for the remarkable steepness at the junction interface 105 was sufficiently satisfied.
【0105】(第2実施例)図9は本発明の第2実施例
に係る積層構造体を示す図である。図において、第1実
施例の積層構造体10aと同一の構成要素には同じ符号
を付してその説明を省略する。(Second Embodiment) FIG. 9 is a view showing a laminated structure according to a second embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those of the laminated structure 10a of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0106】この第2実施例では、n形障壁層101と
p形障壁層103との間に量子井戸構成体200を挟持
して積層構造体100bを構成している。この積層構造
体100bを形成するため、第2実施例では、インジウ
ム原料を個別に且つ独立して供給できる2つの配管系を
備えた常圧MOCVD成長装置を成膜装置として利用し
た。配管系は接合界面の急峻性については、異なる達成
能力を有するものである。In the second embodiment, a stacked structure 100b is formed by sandwiching a quantum well structure 200 between an n-type barrier layer 101 and a p-type barrier layer 103. In order to form the laminated structure 100b, in the second embodiment, an atmospheric pressure MOCVD growth apparatus having two piping systems capable of supplying an indium raw material individually and independently was used as a film forming apparatus. The piping system has a different ability to achieve the steepness of the joint interface.
【0107】上記成長装置により第1実施例に記載のサ
ファイア基板100上に堆積した窒化アルミニウム緩衝
層100aとn形障壁層101上に、図9に示すよう
に、n形窒化ガリウムから成るバリア層201を終端層
として形成した。バリア層201はn形のアンドープ窒
化ガリウムから構成し、層厚は30nmに設定した。バ
リア層201は、第1実施例に記載のn形障壁層101
の成長に引き続き、1050℃で成長させた。バリア層
201の成長が終了した後は、成長温度を870℃に低
下させて、インジウム組成比を0.15と一定とするア
ンドープでn形の窒化ガリウム・インジウム(Ga0.85
In0.15N)井戸層202を成長させた。井戸層202
は第1実施例に記載のガリウム源及びインジウム源に関
する流量条件で成膜した。但し、層厚は量子準位の発現
に足る層厚とするため、層厚は第1実施例1に対し成長
時間の短縮をもって変更を加え、6nmとした。このn
形障壁層101に最も近接する井戸層202の形成に
は、意識して急峻性に劣るインジウム配管系を利用し
た。以後、基板温度100を1000℃に昇温して温度
の安定を観た後、アンドープn形窒化ガリウムから成る
バリア層203を堆積した。As shown in FIG. 9, a barrier layer made of n-type gallium nitride is formed on the aluminum nitride buffer layer 100a and the n-type barrier layer 101 deposited on the sapphire substrate 100 described in the first embodiment by the above growth apparatus. 201 was formed as a termination layer. The barrier layer 201 was made of n-type undoped gallium nitride, and the layer thickness was set to 30 nm. The barrier layer 201 is the same as the n-type barrier layer 101 described in the first embodiment.
Was grown at 1050 ° C. After the growth of the barrier layer 201 is completed, the growth temperature is lowered to 870 ° C., and the undoped n-type gallium indium nitride (Ga 0.85
An In 0.15 N) well layer 202 was grown. Well layer 202
Was formed under the flow conditions for the gallium source and the indium source described in the first embodiment. However, in order to make the layer thickness sufficient to express the quantum level, the layer thickness was changed to 6 nm by shortening the growth time with respect to the first embodiment. This n
In order to form the well layer 202 closest to the shape barrier layer 101, an indium piping system, which is inferior in steepness, was used. Thereafter, the substrate temperature was raised to 1000 ° C. to observe the temperature stability, and then a barrier layer 203 made of undoped n-type gallium nitride was deposited.
【0108】2層目のバリア層203の成長が終了した
後は、基板100の温度を870℃に降温してn形アン
ドープ窒化ガリウム・インジウム井戸層204を成長さ
せた。この際には、上記のn形障壁層側の井戸層202
の形成に使用したインジウムの配管系とは異なり、接合
界面でインジウム濃度分布上での”弛れ”の発生を極
力、抑制でき、急峻な界面を与えることが予め判明して
いる別のインジウムの配管系を利用した。位置的にp形
障壁層103側に配置されたこととなる井戸層204の
成長が終了した後は、再び、基板温度を1000℃と
し、p形障壁層103と接合することとなるn形窒化ガ
リウムから成るバリア層205を成長させた。これによ
り、両方の終端層をアンドープのn形窒化ガリウムから
成るバリア層201,205とし、これらの終端層を含
めて、2層の井戸層202,204と、3層のバリア層
201,203,205とから成る多重量子井戸構造の
量子井戸構成体200を形成した。この量子井戸構成体
200の電気伝導形はn形である。After the growth of the second barrier layer 203 was completed, the temperature of the substrate 100 was lowered to 870 ° C. to grow the n-type undoped gallium indium nitride well layer 204. In this case, the well layer 202 on the n-type barrier layer side
Unlike the indium piping system used to form the indium, the occurrence of "slack" on the indium concentration distribution at the joint interface can be suppressed as much as possible, and another indium that has been found in advance to give a steep interface A piping system was used. After the growth of the well layer 204, which is to be positioned on the p-type barrier layer 103 side, is completed, the substrate temperature is again set to 1000 ° C., and the n-type nitride layer to be joined to the p-type barrier layer 103 is formed. Gallium barrier layer 205 was grown. As a result, both terminal layers are made of barrier layers 201 and 205 made of undoped n-type gallium nitride, and two well layers 202 and 204 and three barrier layers 201, 203 and Thus, a quantum well structure 200 having a multiple quantum well structure consisting of S.205 and S.205 was formed. The electrical conductivity type of the quantum well structure 200 is an n-type.
【0109】上記の多重量子井戸構造の一終端をなすn
形窒化ガリウムバリア層205上に量子井戸構成体20
0とは電気伝導形を反対(逆)とするp形障壁層103
を接合させた。この場合も、急峻な界面を与えることが
予め判明しているインジウムの配管系を利用した。n形
窒化ガリウムバリア層205上に接合させるp形障壁層
103及びその層上の窒化ガリウム最表層110は、第
1実施例と同一の条件をもって成長させた。以上をもっ
て、n形障壁層101と、窒化ガリウム・インジウム/
窒化ガリウム多重量子井戸構造の量子井戸構成体200
と、p形障壁層103とから成る発光部を含むpn接合
型のDH構造から成る積層構造体10bを形成した。N which is one end of the above multiple quantum well structure
Quantum well structure 20 on the gallium nitride barrier layer 205
P-type barrier layer 103 whose electric conductivity type is opposite (reverse) to 0
Was joined. In this case, too, an indium piping system known to give a steep interface was used. The p-type barrier layer 103 bonded on the n-type gallium nitride barrier layer 205 and the outermost gallium nitride layer 110 on the p-type barrier layer 103 were grown under the same conditions as in the first embodiment. As described above, the n-type barrier layer 101 and the gallium-indium nitride /
Gallium nitride multiple quantum well structure quantum well structure 200
Then, a laminated structure 10b having a pn junction type DH structure including a light emitting portion composed of the p-type barrier layer 103 and the p-type barrier layer 103 was formed.
【0110】積層構造体10bについての構成元素の深
さ方向の濃度分布に関するSIMS分析結果から測定し
た界面急峻性は、n形窒化ガリウム・インジウム井戸層
202と一終端層を成すn形窒化ガリウム・インジウム
バリア層201との接合界面211で約45nmであっ
た。一方、p形障壁層103側に配置したアンドープn
形窒化ガリウム・インジウム井戸層204とアンドープ
n形窒化ガリウムバリア層205との接合界面214に
おけるインジウム原子濃度の遷移領域幅は約14nmで
あった。また、p形障壁層103に配置した窒化ガリウ
ム・インジウム井戸層204の両バリア層203,20
5の接合界面213,214におけるインジウム原子濃
度の急峻性は、n形障壁層側に配置した井戸層202の
両バリア層201,203との接合界面211,212
におけるそれよりも”弛れ”も少なく優れるものとなっ
ているのが特徴であった。The interface steepness measured from the result of SIMS analysis of the concentration distribution of the constituent elements in the depth direction of the laminated structure 10b is as follows. It was about 45 nm at the junction interface 211 with the indium barrier layer 201. On the other hand, the undoped n disposed on the p-type barrier layer 103 side
The transition region width of the indium atom concentration at the junction interface 214 between the gallium nitride indium well layer 204 and the undoped n-type gallium nitride barrier layer 205 was about 14 nm. Further, both barrier layers 203 and 20 of the gallium-indium indium well layer 204 disposed on the p-type barrier layer 103 are formed.
The sharpness of the indium atom concentration at the junction interfaces 213 and 214 of No. 5 is due to the junction interfaces 211 and 212 of the well layer 202 disposed on the n-type barrier layer side with both the barrier layers 201 and 203.
It was characterized by having less "slack" than that of.
【0111】(第3実施例)図10は本発明の第3実施
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第1
実施例の積層構造体10aと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。(Third Embodiment) FIG. 10 is a view showing a laminated structure according to a third embodiment of the present invention. In the figure, the first
The same components as those of the laminated structure 10a of the embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0112】この第3実施例では、n形障壁層101と
発光層102との間に、インジウム濃度の変化の安定化
をもたらすインジウム濃度に関する第1組成遷移層71
を設けている。この第1組成遷移層71は、層厚を50
nmとするアンドープのn形窒化ガリウム・インジウム
層から構成した。この第1組成遷移層71は、層厚が5
0nmに到達する間にインジウムの原子濃度が2桁増加
して発光層102内の平均的なインジウム濃度となるよ
うにしたものである。In the third embodiment, between the n-type barrier layer 101 and the light emitting layer 102, the first composition transition layer 71 relating to the indium concentration which stabilizes the change of the indium concentration.
Is provided. The first composition transition layer 71 has a thickness of 50
It was composed of an undoped n-type gallium indium nitride layer having a thickness of nm. The first composition transition layer 71 has a thickness of 5
In this case, the atomic concentration of indium is increased by two orders of magnitude while reaching 0 nm, so that the average indium concentration in the light emitting layer 102 is obtained.
【0113】成膜手順を記すに先ず、第1実施例に記載
の通り、n形窒化ガリウムから成る障壁層101を10
50℃で成膜した後、基板100の温度を870℃に低
下させた。次に、基板100の温度が870℃に安定す
るに至る迄3分間、同温度で待機した後、n形のアンド
ープ窒化ガリウム・インジウム発光層102を成膜する
に当たりインジウム源の、ガリウム源とインジウム源の
供給量の総和であるIII 族元素源に対する供給比率(イ
ンジウム原料の気相組成比)を経時的に変化させること
をもって、インジウムの第1組成遷移層71を形成し
た。First, as described in the first embodiment, the barrier layer 101 made of n-type gallium nitride was formed by a 10-layer process.
After forming the film at 50 ° C., the temperature of the substrate 100 was lowered to 870 ° C. Next, after waiting at the same temperature for 3 minutes until the temperature of the substrate 100 stabilizes at 870 ° C., when forming the n-type undoped gallium nitride-indium light emitting layer 102, the indium sources of gallium source and indium are used. The first composition transition layer 71 of indium was formed by changing the supply ratio (the gas phase composition ratio of the indium raw material) to the group III element source, which is the sum of the supply amounts of the sources, with time.
【0114】具体的には、発光層102の成長の初期段
階において、35℃の恒温に保持されたインジウム源と
したトリメチルインジウムを収納す容器内に水素ガスを
流通させ、昇華したトリメチルインジウムを随伴する水
素ガスの流量を0(零)から毎分62.0ccに15分
間を費して時間的に一律に増加させた。この間、0℃の
恒温に保持されたガリウム源のトリメチルガリウムをバ
ブリングする水素ガスの流量は、毎分10ccと一定を
保ち、インジウムの第1組成遷移層71を形成した。然
る後、インジウム源を随伴する水素ガスの流量を最終的
な62.0cc/分とし、ガリウム源を随伴する水素ガ
スの流量を10cc/分とした上で、更に1.5分間に
亘り、III 族元素原料の供給を継続して層厚を5nmと
し、インジウム組成を0.15と深さ方向に一定とする
アンドープでn形の窒化ガリウム・インジウム(Ga
0.85In0.15N)から成る発光層102を成長させた。
発光層102上には、p形障壁層103とp形窒化ガリ
ウムから成る最表層110を順次、堆積した。このよう
にして、n形発光層102とn形障壁層101との中間
に、n形発光層/n形障壁層の接合界面におけるインジ
ウム原子の濃度の安定な変化をもたらすための第1組成
遷移層71を配置した構成を含む積層構造体10cを形
成した。More specifically, in the initial stage of the growth of the light emitting layer 102, hydrogen gas is passed through a container containing trimethylindium as an indium source maintained at a constant temperature of 35 ° C., and sublimated trimethylindium is added. The flow rate of the generated hydrogen gas was uniformly increased in time from 0 (zero) to 62.0 cc / min for 15 minutes. During this time, the flow rate of hydrogen gas for bubbling trimethylgallium as a gallium source kept at a constant temperature of 0 ° C. was kept constant at 10 cc / min, and the first composition transition layer 71 of indium was formed. Thereafter, the flow rate of the hydrogen gas accompanying the indium source was finally set to 62.0 cc / min, and the flow rate of the hydrogen gas accompanying the gallium source was set to 10 cc / min. An undoped n-type gallium indium nitride (Ga) layer having a thickness of 5 nm and a constant indium composition of 0.15 in the depth direction by continuously supplying the group III element material is provided.
A light emitting layer 102 of 0.85 In 0.15 N) was grown.
On the light emitting layer 102, a p-type barrier layer 103 and an outermost layer 110 made of p-type gallium nitride were sequentially deposited. In this manner, the first composition transition for providing a stable change in the concentration of indium atoms at the junction interface of the n-type light-emitting layer / n-type barrier layer between the n-type light-emitting layer 102 and the n-type barrier layer 101. The laminated structure 10c including the configuration in which the layer 71 was arranged was formed.
【0115】SIMS分析によるインジウム原子の深さ
方向の濃度分析結果から急峻性を観れば、n形障壁層1
01とn形発光層102との接合界面側におけるインジ
ウムの原子濃度の遷移領域幅は約30nmであった。す
なわち、層厚を50nmとするインジウム濃度に関する
第1組成遷移層71にあって、実際にインジウム原子濃
度が2桁増加して発光層2の内部の平均的な濃度に到達
するに要する幅(距離)は約30nmであった。この第
1組成遷移層71内では、インジウム原子濃度はn形障
壁層101側からn形発光層102側に向けて単調に増
加していた。一方、n形発光層102とp形障壁層10
3との接合界面側におけるインジウム原子濃度の遷移領
域幅は約15nmであった。From the result of the analysis of the concentration of indium atoms in the depth direction by SIMS analysis, it can be seen that the n-type barrier layer 1
The transition region width of the atomic concentration of indium on the bonding interface side between 01 and the n-type light emitting layer 102 was about 30 nm. That is, in the first composition transition layer 71 relating to the indium concentration where the layer thickness is 50 nm, the width (distance) required for the indium atom concentration to actually increase by two orders to reach the average concentration inside the light emitting layer 2 ) Was about 30 nm. In the first composition transition layer 71, the indium atom concentration monotonically increased from the n-type barrier layer 101 side to the n-type light emitting layer 102 side. On the other hand, the n-type light emitting layer 102 and the p-type barrier layer 10
The transition region width of the indium atom concentration on the bonding interface side with No. 3 was about 15 nm.
【0116】(第4実施例)図11は本発明の第4実施
例に係る積層構造体を示す図である。図において、第3
実施例の積層構造体10cと同一の構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。(Fourth Embodiment) FIG. 11 is a view showing a laminated structure according to a fourth embodiment of the present invention. In the figure, the third
The same components as those of the laminated structure 10c of the embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0117】この第4実施例では、n形発光層102と
p形障壁層103との中間にインジウム組成についての
第2組成遷移層81を設けてある。上記の第3実施例に
記載の手順に従い、n形発光層102迄成長させた後、
n形発光層102の成長温度とした870℃に基板10
0の温度を保持しながら、優れた界面急峻性を与えるイ
ンジウム供給用配管系を利用して層厚を20nmとする
第2組成遷移層81を形成した。この第2組成遷移層8
1の形成の初期においては、昇華したインジウム原料を
随伴する水素ガスの供給量を毎分62.0ccとした。
このインジウム源を随伴する水素ガスの流量は、10分
間に亘る第2組成遷移層81の成長時間内に一律に0c
c/分に低下させた。この間、0℃に保持したガリウム
源(トリメチルガリウム)の蒸気を随伴するバブリング
用水素ガスの流量は毎分10ccに固定した。このよう
にして形成した第2組成遷移層81上には、第1実施例
に記載の条件、操作に従い、p形障壁層103及びp形
最表層110を順次、積層させた。これにより、発光層
102の両側にインジウム原子濃度の安定した変化をも
たらす第2組成遷移層81を配置した構成を含む積層構
造体10dを得た。In the fourth embodiment, a second composition transition layer 81 for indium composition is provided between the n-type light emitting layer 102 and the p-type barrier layer 103. After growing up to the n-type light emitting layer 102 according to the procedure described in the third embodiment,
The substrate 10 was heated to 870 ° C., which was the growth temperature of the n-type light emitting layer 102.
While maintaining the temperature of 0, a second composition transition layer 81 having a layer thickness of 20 nm was formed using an indium supply piping system that provides excellent interface steepness. This second composition transition layer 8
In the early stage of the formation of No. 1, the supply rate of hydrogen gas accompanying the sublimated indium raw material was 62.0 cc / min.
The flow rate of the hydrogen gas accompanying the indium source is uniformly set to 0c during the growth time of the second composition transition layer 81 over 10 minutes.
c / min. During this time, the flow rate of the bubbling hydrogen gas accompanying the vapor of the gallium source (trimethylgallium) maintained at 0 ° C. was fixed at 10 cc / min. On the second composition transition layer 81 thus formed, the p-type barrier layer 103 and the p-type outermost layer 110 were sequentially laminated according to the conditions and operations described in the first embodiment. As a result, a laminated structure 10d including a configuration in which the second composition transition layer 81 that causes a stable change in the indium atom concentration is disposed on both sides of the light emitting layer 102 was obtained.
【0118】図12は第4実施例における発光層との接
合界面におけるインジウム原子の濃度分布を示す図であ
る。横軸は積層構造体表面からの深さ、縦軸はインジウ
ム原子の濃度である。このインジウム原子濃度の分布状
況はSIMS分析により測定した。FIG. 12 is a diagram showing the concentration distribution of indium atoms at the junction interface with the light emitting layer in the fourth embodiment. The horizontal axis represents the depth from the surface of the multilayer structure, and the vertical axis represents the concentration of indium atoms. The distribution of the indium atom concentration was measured by SIMS analysis.
【0119】図において、インジウム原子の濃度分布C
3が示すように、n形障壁層101側の膜厚を50nm
とする組成遷移層71内のインジウム原子濃度の遷移領
域幅ΔtvMは、第3実施例の場合と略同一で約30nm
であった。すなわち、第1組成遷移層71にあって、実
際にインジウム原子濃度が2桁増加して発光層2の内部
の平均的な濃度に到達するに要する幅(距離)は約30
nmであった。一方、p形障壁層103側の組成遷移層
81のインジウム原子濃度の遷移領域幅ΔtWMは約18
nmであった。すなわち、層厚を20nmとするインジ
ウム濃度に関する第2組成遷移層81にあって、実際に
発光層2の内部の平均的なインジウム原子濃度が2桁減
少するに要する幅(距離)は約18nmであった。In the figure, the concentration distribution C of indium atoms is shown.
As shown in FIG. 3, the film thickness on the n-type barrier layer 101 side is 50 nm.
The transition region width Δt vM of the indium atom concentration in the composition transition layer 71 is substantially the same as that of the third embodiment and is about 30 nm.
Met. That is, in the first composition transition layer 71, the width (distance) required for the indium atom concentration to actually increase by two digits and reach the average concentration inside the light emitting layer 2 is about 30.
nm. On the other hand, the transition region width Δt WM of the indium atom concentration of the composition transition layer 81 on the p-type barrier layer 103 side is about 18
nm. That is, in the second composition transition layer 81 relating to the indium concentration where the layer thickness is 20 nm, the width (distance) required for actually reducing the average indium atom concentration inside the light emitting layer 2 by two digits is about 18 nm. there were.
【0120】上記第4実施例の積層構造体10dを母体
材料としてLEDを作製した。図13はLEDの断面構
造を模式的に示す図で図14のA−A断面であり、図1
4はLEDの平面模式図である。図13、図14に示す
LED60を構成するために、先ず図11の積層構造体
10dにおいて、n形電極(負電極)61を形成する予
定領域のn形障壁層101上に在る発光層102、p形
障壁層103及び最表層110を、アルゴン−メタン
(CH4 )−水素混合ガスを使用するマイクロ波プラズ
マエッチング技術によりエッチングして除去した。この
エッチングはn形障壁層101の表層部を約150nm
除去するに至る迄継続した。然る後、エッチングにより
露呈したn形障壁層101の表面に透光性、透過性の電
極を付帯しないパッド電極61を形成した。パッド電極
61はアルミニウム(Al)単体から構成した。An LED was manufactured using the laminated structure 10d of the fourth embodiment as a base material. FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the LED, and is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
4 is a schematic plan view of the LED. In order to construct the LED 60 shown in FIGS. 13 and 14, first, in the laminated structure 10d of FIG. , The p-type barrier layer 103 and the outermost layer 110 were removed by etching using a microwave plasma etching technique using an argon-methane (CH 4 ) -hydrogen mixed gas. This etching removes the surface of the n-type barrier layer 101 by about 150 nm.
Continued until removal. Thereafter, on the surface of the n-type barrier layer 101 exposed by etching, a pad electrode 61 having no translucent or transmissive electrode was formed. The pad electrode 61 was made of aluminum (Al) alone.
【0121】一方、最表層110上には、金・ベリリウ
ム(Au・Be)合金と金(Au)との重層から成るパ
ッド電極62と全体の膜厚を約20nmとする2層から
成る透過性(透光性)電極63を被着した。透過性電極
63は上記のエッチングによりメサ型に残存させた最表
層110のほぼ全域に形成した。透過性電極63の表面
上に直接、パッド電極を形成する方法もあるが、本実施
例では透過性電極63の表層を形成する金属酸化物膜の
みを選択的除去して、残存させた下層の金(Au)薄膜
電極上にパッド電極62を形成した。On the other hand, on the outermost layer 110, a pad electrode 62 composed of a multilayer of gold-beryllium (Au-Be) alloy and gold (Au) and a transmissive layer composed of two layers having a total film thickness of about 20 nm. (Light transmitting) electrode 63 was applied. The transparent electrode 63 was formed on almost the entire surface of the outermost layer 110 left in a mesa shape by the above-described etching. Although there is a method of forming a pad electrode directly on the surface of the transparent electrode 63, in this embodiment, only the metal oxide film forming the surface layer of the transparent electrode 63 is selectively removed, and the remaining lower layer is removed. The pad electrode 62 was formed on the gold (Au) thin film electrode.
【0122】このようにして形成したLED60におい
て、隣接する電極61及び62間に直流電圧を印加し
た。5ボルト(V)未満の直流電圧、例えば3.5Vの
印加により既に青色の発光が得られた。印加する電圧値
の増大と共に青色発光の強度は増加した。積分球を利用
した測定では、順方向電流を20ミリアンペア(mA)
通流した際の発光出力は17.0マイクロワット(μ
W)となった。ちなみに、発光層と障壁層との接合界面
におけるインジウム原子濃度に関する急峻性の求められ
る差異に注意を払わず、単に機械的に接合をなした従来
のDH構造のLEDの発光出力は、約11μW〜約14
μWであった。これにより、本発明の規定する条件を満
足する界面急峻性を備えることをもって、発光強度に優
れる発光素子が提供されるのは明かとなった。ヘリウム
(He)−カドミウム(Cd)レーザ光を励起光とする
通常のフォトルミネッセンス測光装置を利用した発光ス
ペクトルの測定では、主たる発光スペクトルの発光波長
は約445〜462nmであることが分かった。また、
主たる発光スペクトルの半値幅は、大凡12〜15nm
であり、このため、LED60からの発光は単色性(色
純度)に優れたものであることも分かった。In the LED 60 thus formed, a DC voltage was applied between the adjacent electrodes 61 and 62. Blue light emission was already obtained by applying a DC voltage of less than 5 volts (V), for example, 3.5 V. The intensity of blue light emission increased as the applied voltage increased. In the measurement using an integrating sphere, the forward current was set to 20 milliamperes (mA).
The light output when flowing was 17.0 microwatts (μ
W). Incidentally, without paying attention to the required difference in steepness regarding the indium atom concentration at the junction interface between the light emitting layer and the barrier layer, the light emission output of the conventional DH structure LED which is simply mechanically joined is about 11 μW or more. About 14
μW. As a result, it has become clear that a light-emitting element having excellent emission intensity is provided by providing an interface steepness satisfying the conditions defined by the present invention. In the measurement of the emission spectrum using a normal photoluminescence photometer using helium (He) -cadmium (Cd) laser light as the excitation light, it was found that the emission wavelength of the main emission spectrum was about 445 to 462 nm. Also,
The half-value width of the main emission spectrum is approximately 12 to 15 nm.
Therefore, it was also found that the light emission from the LED 60 was excellent in monochromaticity (color purity).
【0123】他の各実施例で形成した積層構造体につい
ても、その積層構造体からLEDを作製し、上記と同様
に、発光出力、発光スペクトルの発光波長、発光スペク
トルの半値幅を測定したが、上記のLED60とほぼ同
等の品質結果が得られた。With respect to the laminated structure formed in each of the other examples, an LED was manufactured from the laminated structure, and the light emission output, the light emission wavelength of the light emission spectrum, and the half width of the light emission spectrum were measured in the same manner as described above. A quality result almost equivalent to that of the above LED 60 was obtained.
【0124】上記の各実施例では、本発明を発光ダイオ
ード(LED)に適用した場合について説明したが、本
発明は、他の発光素子、例えばレーザダイオード(L
D)にも同様に適用することができる。In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a light emitting diode (LED) has been described.
The same can be applied to D).
【0125】[0125]
【発明の効果】以上説明したように、この発明のIII 族
窒化物半導体発光素子によれば、発光部における発光層
とそれに接合する障壁層との接合界面において、インジ
ウム原子濃度の勾配の急峻化に差異を設けるようにした
ので、発光層とは反対の電気伝導形を有する障壁層側に
キャリアを選択的に且つ優先的に偏在させることができ
るようになり、正孔と電子との再結合を効果的に行わせ
ることができる。したがって、発光素子として構成した
場合、発光強度特性及び色純度(単色性)特性を充分に
発揮させることができ、青色帯から緑色帯にかけての短
波長光を、高強度でかつ優れた色純度(単色性)で発光
させることができる。As described above, according to the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the gradient of the indium atom concentration at the junction interface between the light emitting layer in the light emitting portion and the barrier layer joined thereto is increased. , Carriers can be selectively and preferentially localized on the side of the barrier layer having the opposite electrical conductivity type to the light emitting layer, and recombination of holes and electrons can be achieved. Can be performed effectively. Therefore, when configured as a light emitting element, it is possible to sufficiently exhibit emission intensity characteristics and color purity (monochromaticity) characteristics, and to convert short-wavelength light from a blue band to a green band into high intensity and excellent color purity ( (Monochromatic).
【図1】本発明のIII 族窒化物半導体発光素子における
発光部を概念的に示す図である。FIG. 1 is a diagram conceptually showing a light emitting portion in a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
【図2】III 族窒化物半導体からなる接合界面の急峻性
を達成するための創意を施した成長反応炉の構成例を示
す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a growth reaction furnace invented for achieving steepness of a junction interface made of a group III nitride semiconductor.
【図3】発光部に組成遷移層を設けた場合を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram illustrating a case where a composition transition layer is provided in a light emitting unit.
【図4】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
1の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a first configuration example when the present invention is applied to a multiple quantum well structure.
【図5】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
2の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a second configuration example when the present invention is applied to a multiple quantum well structure.
【図6】本発明を多重量子井戸構造に適用した場合の第
3の構成例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a third configuration example when the present invention is applied to a multiple quantum well structure.
【図7】本発明の第1実施例に係る積層構造体を示す図
である。FIG. 7 is a view showing a laminated structure according to the first embodiment of the present invention.
【図8】第1実施例における発光層との接合界面におけ
るインジウムとアルミニウムの濃度分布を示す図であ
る。FIG. 8 is a diagram showing a concentration distribution of indium and aluminum at a bonding interface with a light emitting layer in the first embodiment.
【図9】本発明の第2実施例に係る積層構造体を示す図
である。FIG. 9 is a view showing a laminated structure according to a second embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第3実施例に係る積層構造体を示す
図である。FIG. 10 is a view showing a laminated structure according to a third embodiment of the present invention.
【図11】本発明の第4実施例に係る積層構造体を示す
図である。FIG. 11 is a view showing a laminated structure according to a fourth embodiment of the present invention.
【図12】第4実施例における発光層との接合界面にお
けるインジウム原子の濃度分布を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a concentration distribution of indium atoms at a junction interface with a light emitting layer in a fourth embodiment.
【図13】LEDの断面構造を模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of an LED.
【図14】LEDの平面模式図である。FIG. 14 is a schematic plan view of an LED.
【図15】MODFET用途の積層構造体におけるポテ
ンシャル井戸構造を概略的に示す図である。FIG. 15 is a diagram schematically showing a potential well structure in a laminated structure for MODFET use.
1 n形障壁層 2 n形発光層 3 p形障壁層 4 n形障壁層と発光層との接合界面 5 p形障壁層と発光層との接合界面 6 散乱防止層(薄層) 7 組成遷移層 8 組成遷移層 10,10s,11,12 発光部 10a,10b,10c,10d 積層構造体 41,42,43,51,52,53 接合界面 60 LED 61 パッド電極(負電極) 62 パッド電極(正電極) 63 透過性電極 71 第1組成遷移層 81 第2組成遷移層 90 成長反応炉 91 第1流路 92 第2流路 93 掃引ガス流路 94 内壁 99 サセプタ 100 基板 101 n形障壁層 102 発光層 103 p形障壁層 104 n形障壁層と発光層との接合界面 105 p形障壁層と発光層との接合界面 110 最表層 200 量子井戸構成体 201,203,205 バリア層 C,C1,C3 インジウム原子の濃度分布曲線 C2 アルミニウム原子の濃度分布曲線 D1,D2,D3,D4 インジウム原子の濃度が減少
する起点 Δtv ,Δtv1,Δtva,Δtvb,Δtvc,ΔtvM,Δ
tvi,ΔtvZ発光層と、発光層と同じ電気伝導形を有す
る障壁層との間での遷移領域幅 ΔtW ,ΔtW1,ΔtWa,ΔtWb,ΔtWc,ΔtWM,Δ
tWi,ΔtWZ発光層と、発光層と反対の電気伝導形を有
する障壁層との間での遷移領域幅REFERENCE SIGNS LIST 1 n-type barrier layer 2 n-type light-emitting layer 3 p-type barrier layer 4 junction interface between n-type barrier layer and light-emitting layer 5 junction interface between p-type barrier layer and light-emitting layer 6 anti-scattering layer (thin layer) 7 composition transition Layer 8 Composition transition layer 10, 10s, 11, 12 Light emitting portion 10a, 10b, 10c, 10d Laminated structure 41, 42, 43, 51, 52, 53 Bonding interface 60 LED 61 Pad electrode (negative electrode) 62 Pad electrode ( (Positive electrode) 63 Transmissive electrode 71 First composition transition layer 81 Second composition transition layer 90 Growth reaction furnace 91 First passage 92 Second passage 93 Sweep gas passage 94 Inner wall 99 Susceptor 100 Substrate 101 N-type barrier layer 102 Light-emitting layer 103 p-type barrier layer 104 junction interface between n-type barrier layer and light-emitting layer 105 junction interface between p-type barrier layer and light-emitting layer 110 outermost layer 200 quantum well structure 201, 203, 205 barrier C, C1, C3 concentration distribution curve of the density distribution curve C2 aluminum atoms indium atoms D1, D2, D3, origin concentrations of D4 indium atoms decreases Δt v, Δt v1, Δt va , Δt vb, Δt vc, Δt vM , Δ
transition region widths Δt W , Δt W1 , Δt Wa , Δt Wb , Δt Wc , Δt WM , and Δt W , Δt W1 , Δt Wa , Δt Wb between the t vi , Δt vZ light-emitting layer and the barrier layer having the same electrical conductivity type as the light-emitting layer.
transition region width between the t Wi , Δt WZ light emitting layer and the barrier layer having the opposite conductivity type to the light emitting layer
Claims (7)
とp形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたII
I 族窒化物半導体発光素子において、 上記発光層と同一の電気伝導形の障壁層側におけるイン
ジウム原子濃度の遷移領域幅ΔtV と、上記発光層とは
反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム原子濃
度の遷移領域幅Δtw との関係をΔtw <ΔtV とする
インジウム原子の濃度分布を有する発光部を備えてい
る、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。1. A light-emitting section comprising a light-emitting portion formed by sandwiching a light-emitting layer made of an indium-containing group-III nitride semiconductor between a n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer.
In the group I nitride semiconductor light emitting device, the transition region width Δt V of the indium atom concentration on the side of the same electric conduction type barrier layer as that of the light emitting layer, and the indium on the side of the electric conduction type barrier layer opposite to the above light emitting layer. III-nitride semiconductor light emitting device of the relationship between the transition region width Delta] t w of the atomic density and a light emitting unit having the concentration distribution of the indium atoms to Δt w <Δt V, that said.
ジウム原子濃度が発光層内インジウム原子濃度より2桁
減少する発光層から各障壁層に向けての距離で表し、こ
の発光層から各障壁層に向けて2桁減少する距離として
の遷移領域幅ΔtV 、Δtw においてΔtV を250ナ
ノメータ(nm)以下、ΔtW を20ナノメータ(n
m)以下とする、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。Wherein said transition region width Delta] t V, the Delta] t w, expressed from the light-emitting layer is an indium atomic concentration reduced by two orders of magnitude than the indium atom concentration in the light emitting layer at a distance towards the barrier layers, each of the light-emitting layer transition region width Delta] t V of the distance to two orders of magnitude decrease toward the barrier layer, hereinafter 250 nanometers to Delta] t V in Delta] t w (nm), a Delta] t W 20 nanometers (n
m): The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein
とp形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層を狭持して成る発光部を備えたII
I 族窒化物半導体発光素子において、 上記発光層と当該発光層と同一の電気伝導形の障壁層と
の中間に、発光層から該障壁層に向けて発光層内のイン
ジウム原子濃度を減少させる組成遷移層ΔSVを配置
し、上記発光層と当該発光層とは反対の電気伝導形の障
壁層との中間に、発光層から該障壁層に向けて発光層内
のインジウム原子濃度を減少させる組成遷移層ΔSW を
配置し、組成遷移層ΔSV の層厚を組成遷移層ΔSW の
層厚より大とした、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。3. A light-emitting element comprising a light-emitting portion formed by sandwiching a light-emitting layer made of an indium-containing group-III nitride semiconductor between a n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer.
In the group I nitride semiconductor light emitting device, a composition for reducing the concentration of indium atoms in the light emitting layer from the light emitting layer toward the barrier layer between the light emitting layer and the barrier layer of the same electrical conductivity type as the light emitting layer. A composition in which a transition layer ΔS V is disposed, and a concentration of indium atoms in the light emitting layer is reduced from the light emitting layer toward the barrier layer between the light emitting layer and the electrically conductive barrier layer opposite to the light emitting layer. A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein a transition layer ΔS W is disposed, and a layer thickness of the composition transition layer ΔS V is larger than a layer thickness of the composition transition layer ΔS W.
とp形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層としての井戸層と、その井戸層に
比して禁止帯幅をより大とするインジウム含有III 族窒
化物半導体から成り且つ当該井戸層と同一の電気伝導形
を有するバリア層とを積層して成る量子井戸構成体を挟
持して成る発光部を備えたIII 族窒化物半導体発光素子
において、 上記量子井戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側にお
けるインジウム原子濃度の遷移領域幅ΔtVaと、上記量
子井戸構成体とは反対の電気伝導形の障壁層側における
インジウム原子濃度の遷移領域幅Δtwaとの関係をΔt
wa<ΔtVaとするインジウム原子の濃度分布を有する発
光部を備えている、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。4. A well layer as a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor, which is located between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. A light-emitting portion comprising a quantum well structure sandwiched between the well layer and a barrier layer having the same electrical conductivity type and made of an indium-containing group III nitride semiconductor having a larger band gap; In the group III nitride semiconductor light emitting device, the transition region width Δt Va of the indium atom concentration on the barrier layer side of the same electrical conductivity type as the quantum well structure, and the electrical conductivity type opposite to the quantum well structure. The relationship between the transition region width Δt wa of the indium atom concentration on the barrier layer side and Δt wa
A group III nitride semiconductor light emitting device, comprising: a light emitting portion having a concentration distribution of indium atoms satisfying wa <Δt Va .
ジウム原子濃度が量子井戸構成体内インジウム原子濃度
より2桁減少する量子井戸構成体から各障壁層に向けて
の距離で表し、この量子井戸構成体から各障壁層に向け
て2桁減少する距離としての遷移領域幅ΔtVa、Δtwa
においてΔtVaを250ナノメータ(nm)以下、Δt
Waを20ナノメータ(nm)以下とする、 ことを特徴とする請求項4に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。5. The transition region widths Δt Va and Δt wa are represented by distances from the quantum well structure in which the indium atom concentration is reduced by two orders of magnitude from the indium atom concentration in the quantum well structure toward each barrier layer. Transition region widths Δt Va and Δt wa as distances reduced by two digits from the well structure toward each barrier layer
At 250 nm or less, Δt Va
The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein Wa is set to 20 nanometers (nm) or less.
とp形障壁層との中間に、インジウム含有III 族窒化物
半導体から成る発光層としての井戸層と、その井戸層に
比して禁止帯幅をより大とするIII 族窒化物半導体から
成り且つ当該井戸層と同一の電気伝導形を有するバリア
層とを積層して成る量子井戸構成体を挟持して成る発光
部を備えたIII 族窒化物半導体発光素子において、 上記量子井戸構成体の各終端層が井戸層の場合、量子井
戸構成体と同一の電気伝導形の障壁層側におけるインジ
ウム原子濃度の遷移領域幅ΔtVbと、上記量子井戸構成
体とは反対の電気伝導形の障壁層側におけるインジウム
原子濃度の遷移領域幅Δtwbとの関係をΔtwb<ΔtVb
とするインジウム原子の濃度分布を有する発光部とし、 上記量子井戸構成体の各終端層がインジウムを含まない
バリア層の場合、井戸層と同一の電気伝導形の障壁層に
接する終端層側おけるインジウム原子濃度の遷移領域幅
ΔtVc と、井戸層とは反対の電気伝導形の障壁層に接
する終端層側におけるインジウム原子濃度の遷移領域幅
Δtwcとの関係をΔtwc<ΔtVcとするインジウム原子
の濃度分布を有する発光部とした、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。6. A well layer as a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor, which is located between an n-type barrier layer made of a group III nitride semiconductor and a p-type barrier layer. A light-emitting portion comprising a quantum well structure sandwiched between a well layer and a barrier layer having the same electrical conductivity type and made of a group III nitride semiconductor having a larger forbidden band width. In the group nitride semiconductor light-emitting device, when each of the termination layers of the quantum well structure is a well layer, the transition region width Δt Vb of the indium atom concentration on the barrier layer side of the same electrical conductivity type as the quantum well structure; The relationship between the transition region width Δt wb of the indium atom concentration on the side of the electric conduction type barrier layer opposite to the quantum well structure is represented by Δt wb <Δt Vb
In the case where each of the terminal layers of the quantum well structure is a barrier layer containing no indium, the indium on the terminal layer side in contact with the barrier layer of the same electrical conductivity type as the well layer is used. indium atoms and a transition region width Delta] t Vc of atomic concentration, and relationship Δt wc <Δt Vc of the transition region width Delta] t wc indium atomic concentration at the end layer side in contact with the barrier layer of opposite electrical conductivity type is the well layer A group III nitride semiconductor light-emitting device, characterized in that the light-emitting portion has a concentration distribution of:
ジウム原子濃度が井戸層内インジウム原子濃度より2桁
減少する井戸層から各障壁層に向けての距離で表し、こ
の井戸層から各障壁層に向けて2桁減少する距離として
の遷移領域幅ΔtVb、ΔtwbにおいてΔtVbを250ナ
ノメータ(nm)以下、ΔtWbを20ナノメータ(n
m)以下とし、 上記遷移領域幅ΔtVc、Δtwcを、インジウム原子濃度
が井戸層内インジウム原子濃度より2桁減少する井戸層
から各終端層に向けての距離で表し、この井戸層から各
終端層に向けて2桁減少する距離としての遷移領域幅Δ
tVc、ΔtwcにおいてΔtVcを250ナノメータ(n
m)以下、ΔtWcを20ナノメータ(nm)以下とし
た、 ことを特徴とする請求項6に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。7. The transition region widths Δt Vb and Δt wb are represented by a distance from a well layer in which the indium atom concentration is reduced by two orders of magnitude from the indium atom concentration in the well layer toward each barrier layer. At the transition region width Δt Vb , Δt wb as a distance reduced by two digits toward the barrier layer, Δt Vb is 250 nm or less, and Δt Wb is 20 nm (n).
m) or less, and the transition region widths Δt Vc and Δtwc are represented by distances from the well layer in which the indium atom concentration is reduced by two orders of magnitude from the indium atom concentration in the well layer to each termination layer. Transition region width Δ as distance reduced by two digits toward termination layer
At t Vc and Δt wc , Δt Vc is set to 250 nanometers (n
The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein Δt Wc is not more than 20 nanometers (nm) or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33454197A JP3577206B2 (en) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | Group III nitride semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33454197A JP3577206B2 (en) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | Group III nitride semiconductor light emitting device |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004157282A Division JP2004253819A (en) | 2004-05-27 | 2004-05-27 | Group iii nitride semiconductor light-emitting element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11168241A true JPH11168241A (en) | 1999-06-22 |
JP3577206B2 JP3577206B2 (en) | 2004-10-13 |
Family
ID=18278574
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33454197A Expired - Fee Related JP3577206B2 (en) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | Group III nitride semiconductor light emitting device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3577206B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005217421A (en) * | 2004-01-30 | 2005-08-11 | Lumileds Lighting Us Llc | Group iii nitride light-emitting device of improved high current efficiency |
JP2007318044A (en) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2009253164A (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Method for forming quantum well structure and method for manufacturing semiconductor light-emitting element |
-
1997
- 1997-12-04 JP JP33454197A patent/JP3577206B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005217421A (en) * | 2004-01-30 | 2005-08-11 | Lumileds Lighting Us Llc | Group iii nitride light-emitting device of improved high current efficiency |
JP2007318044A (en) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2009253164A (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Method for forming quantum well structure and method for manufacturing semiconductor light-emitting element |
JP4539752B2 (en) * | 2008-04-09 | 2010-09-08 | 住友電気工業株式会社 | Method for forming quantum well structure and method for manufacturing semiconductor light emitting device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3577206B2 (en) | 2004-10-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3090057B2 (en) | Short wavelength light emitting device | |
US5076860A (en) | Algan compound semiconductor material | |
US6627552B1 (en) | Method for preparing epitaxial-substrate and method for manufacturing semiconductor device employing the same | |
US6861271B2 (en) | Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD) | |
JP2809690B2 (en) | Compound semiconductor material, semiconductor device using the same, and method of manufacturing the same | |
US7227172B2 (en) | Group-III-element nitride crystal semiconductor device | |
US6017774A (en) | Method for producing group III-V compound semiconductor and fabricating light emitting device using such semiconductor | |
US6541797B1 (en) | Group-III nitride semiconductor light-emitting device | |
WO2007129773A1 (en) | Iii nitride compound semiconductor laminated structure | |
JPH0888345A (en) | Semiconductor device utilizing three-dimensional quantum confinement | |
WO2012053331A1 (en) | Group-iii-nitride semiconductor element, multi-wavelength-emitting group-iii-nitride semiconductor layer, and method for forming multi-wavelength-emitting group-iii-nitride semiconductor layer | |
JP3700283B2 (en) | Nitride compound semiconductor device | |
JP3399374B2 (en) | Light emitting device with quantum well structure | |
JP3577206B2 (en) | Group III nitride semiconductor light emitting device | |
JP3757544B2 (en) | Group III nitride semiconductor light emitting device | |
JP2010021547A (en) | Method for prepareing epitaxial nitride film for semiconductor device in growth environment | |
JP2001119065A (en) | P-type nitride semiconductor and producing method thereof | |
JP3276911B2 (en) | III-nitride semiconductor light emitting device | |
JP2992933B2 (en) | III-nitride semiconductor light emitting device | |
JP2006128653A (en) | Group iii-v compound semiconductor, its manufacturing method and its use | |
JP2004253819A (en) | Group iii nitride semiconductor light-emitting element | |
JP3090063B2 (en) | Compound semiconductor device | |
JPH10247761A (en) | Semiconductor blue light emitting device | |
JP3279226B2 (en) | III-nitride semiconductor light emitting device | |
Kosiel | MBE—Technology for nanoelectronics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040420 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040518 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040706 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040709 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100716 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716 Year of fee payment: 9 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716 Year of fee payment: 9 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |