JPH11307811A - Ultraviolet light emitting element - Google Patents

Ultraviolet light emitting element

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JPH11307811A
JPH11307811A JP10666698A JP10666698A JPH11307811A JP H11307811 A JPH11307811 A JP H11307811A JP 10666698 A JP10666698 A JP 10666698A JP 10666698 A JP10666698 A JP 10666698A JP H11307811 A JPH11307811 A JP H11307811A
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JP
Japan
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layer
gan
source
active layer
doped
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Application number
JP10666698A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyoteru Yoshida
清輝 吉田
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11307811A publication Critical patent/JPH11307811A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the presence of N atom holes and emit ultraviolet rays with high luminance by doping an activated layer with at least one kind selected from the group consisting of In, P, and As at a predetermined concentration. SOLUTION: A buffer layer 2, then a lower barrier layer 3, and further a lower clad layer 4 are laminated sequentially on a substrate 1. An activated layer 5 comprised of a GaN compound semiconductor into which a dopant has been doped is laminated on the layer 4. As the GaN compound semiconductor, a GaN composition or an AlGaN composition having a smaller band gap than the layer 4 is suitable. A dopant to be doped into the GaN compound semiconductor is at least one kind selected from the group consisting of In, P, and As, and the doping concentration of the dopant in the layer 5 is set between 1×10<18> and 1×10<21> cm<-3> .

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は紫外光発光素子に関
し、さらに詳しくは、結晶内の原子空孔の存在が抑制さ
れたGaN系化合物半導体から成る活性層を有し、した
がって高輝度の紫外光の発光が可能な紫外光発光素子に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultraviolet light emitting device, and more particularly, to an ultraviolet light emitting device having an active layer made of a GaN-based compound semiconductor in which the presence of vacancies in a crystal is suppressed, and The present invention relates to an ultraviolet light-emitting element capable of emitting light.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、紫外光を発光する発光素子の開発
が試みられている。とりわけ、GaN系化合物半導体か
ら成る活性層を有する紫外光発光素子に注目が集まって
おり、実用化へ向けて盛んに研究が行われている。この
紫外光発光素子は、例えばシリコン、サファイア、Si
C、GaAs、もしくはGaP等の所定基板の上に、ガ
スソースMBE法やMOCVD法が適用されてエピタキ
シャル成長した所定の半導体材料より成る各層が順次積
層されており、さらに所定箇所には電極が装荷された構
造になっている。
2. Description of the Related Art In recent years, attempts have been made to develop light-emitting elements that emit ultraviolet light. In particular, an ultraviolet light emitting device having an active layer made of a GaN-based compound semiconductor has attracted attention, and has been actively studied for practical use. This ultraviolet light emitting element is made of, for example, silicon, sapphire, Si
On a predetermined substrate such as C, GaAs, or GaP, each layer made of a predetermined semiconductor material epitaxially grown by applying a gas source MBE method or MOCVD method is sequentially laminated, and further, electrodes are loaded at predetermined positions. It has a structure.

【0003】具体的には、以下に示すような構造の素子
があげられる。すなわち、前記基板上に、GaNから成
るバッファ層、AlGaNから成る下部バリア層、バン
ドギャップが前記下部バリア層よりも小さくかつ後述す
る活性層よりも大きくなるように制御された組成であ
り、さらにSi等のn型ドーパントがドープされたn−
AlGaNから成る下部クラッド層、バンドギャップが
前記下部クラッド層よりも小さいGaN系化合物半導
体、例えばGaN、あるいはそのように組成が制御され
たAlGaN等から成る活性層、バンドギャップが前記
活性層よりも大きくなるように制御された組成であり、
かつMg等のp型ドーパントがドープされたp−AlG
aNから成る上部クラッド層、バンドギャップが前記上
部クラッド層よりも大きくなるように制御された組成で
あり、かつMg等のp型ドーパントがドープされたp−
AlGaNから成る上部バリア層が下からこの順序で積
層され、そして、例えばTi/Alから成るn型電極が
前記下部バリア層上に、また、例えばAu/Niから成
るp型電極が前記上部バリア層上に、それぞれ装荷され
ている素子である。
[0003] Specifically, there is an element having the following structure. That is, on the substrate, a buffer layer made of GaN, a lower barrier layer made of AlGaN, a composition controlled so that the band gap is smaller than the lower barrier layer and larger than an active layer described later, N- doped with an n-type dopant such as
A lower cladding layer made of AlGaN, an active layer made of a GaN-based compound semiconductor having a smaller band gap than the lower cladding layer, for example, GaN, or an AlGaN or the like whose composition is controlled as described above, and a band gap larger than the active layer. Is a composition controlled to be
P-AlG doped with a p-type dopant such as Mg
an upper cladding layer made of aN, a composition controlled so that a band gap is larger than that of the upper cladding layer, and p-type doped with a p-type dopant such as Mg.
An upper barrier layer made of AlGaN is laminated in this order from the bottom, and an n-type electrode made of, for example, Ti / Al is placed on the lower barrier layer, and a p-type electrode made of, for example, Au / Ni is made of the upper barrier layer. Above are the elements loaded respectively.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
構成された紫外光発光素子において、活性層であるGa
N系化合物半導体の結晶内にN原子空孔が存在すること
が問題となっている。N原子空孔が多量に存在する活性
層を有する素子においては、空孔存在箇所が非発光中心
となるためにバンド端発光が低輝度になり、発光効率も
低いものになるからである。
By the way, in the ultraviolet light emitting device thus constituted, Ga as an active layer is used.
There is a problem that N atom vacancies exist in the crystal of the N-based compound semiconductor. This is because, in a device having an active layer in which a large amount of N atom vacancies exist, the vacancy location becomes a non-emission center, so that band edge emission becomes low in luminance and luminous efficiency becomes low.

【0005】したがって、バンド端発光が高輝度で起こ
り、また発光効率の高い素子とするには、活性層のGa
N系化合物半導体を結晶性の良好なもの、すなわち、N
原子空孔の存在が抑制された結晶にすることが必要であ
る。本発明は、N原子空孔の存在を抑制し、さらには発
光中心となって作用するドーパントがドープされたGa
N系化合物半導体から成る活性層を有し、したがって高
輝度で紫外光を発光することができる紫外光発光素子の
提供を目的とする。
[0005] Therefore, in order to emit light at a high band edge and emit light with high luminous efficiency, the Ga of the active layer must be used.
An N-based compound semiconductor having good crystallinity, ie, N
It is necessary to form a crystal in which the presence of atomic vacancies is suppressed. The present invention suppresses the presence of N atom vacancies, and furthermore, Ga doped with a dopant acting as an emission center.
It is an object of the present invention to provide an ultraviolet light-emitting device having an active layer made of an N-based compound semiconductor and capable of emitting ultraviolet light with high luminance.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記した問題を解決する
ために、本発明においては、GaN系化合物半導体から
成る活性層を有し、前記活性層には、In、P、Asの
群から選ばれる少なくとも1種が1×1018〜1×10
21cm-3の濃度でドープされていることを特徴とする紫
外光発光素子が提供される。
According to the present invention, there is provided an active layer comprising a GaN-based compound semiconductor, wherein the active layer is selected from the group consisting of In, P, and As. At least one type is 1 × 10 18 to 1 × 10
An ultraviolet light emitting device is provided, which is doped at a concentration of 21 cm -3 .

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明の紫外光発光素子を
図面を参照して説明する。図1は、本発明の発光素子の
層構造の一例を示す断面図である。図1において、基板
1の上には、まずバッファ層2が積層されている。基板
1としては、特に限定されるものではなく、シリコン基
板、サファイア基板、SiC基板、GaAs基板、もし
くはGaP基板等が好適例としてあげられる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an ultraviolet light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of the layer structure of the light emitting device of the present invention. In FIG. 1, a buffer layer 2 is first stacked on a substrate 1. The substrate 1 is not particularly limited, and preferable examples include a silicon substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, and a GaP substrate.

【0008】バッファ層2は、この上に成長させる層と
の格子不整合性を緩和してミスフィット転位を防止する
こと等を目的として設けられる層である。バッファ層2
の材質としては、例えば、GaN、AlNがあげられ
る。そして、バッファ層2の上には下部バリア層3が積
層されている。下部バリア層3の材質としては、後述す
る下部クラッド層4よりもバンドギャップが大きいn型
GaN系化合物半導体が選定される。例えば、AlGa
N、GaNをあげることができる。これらのうち、前者
の方がより大きなバンドギャップを有し、したがって下
部クラッド層4の材質としてより多くのものが選択可能
となるので好適である。
[0008] The buffer layer 2 is a layer provided for the purpose of, for example, relaxing lattice mismatch with a layer grown thereon to prevent misfit dislocations. Buffer layer 2
Examples of the material include GaN and AlN. The lower barrier layer 3 is stacked on the buffer layer 2. As a material of the lower barrier layer 3, an n-type GaN-based compound semiconductor having a larger band gap than that of the lower cladding layer 4 described later is selected. For example, AlGa
N and GaN can be given. Of these, the former is preferable because it has a larger band gap and, therefore, allows more materials to be selected as the material of the lower cladding layer 4.

【0009】そして、下部バリア層3上に下部クラッド
層4が積層されている。下部クラッド層4の材質として
は、バンドギャップが前記下部バリア層4よりも小さ
く、かつ後述する活性層5よりも大きなn型GaN系化
合物半導体が選定される。具体的には、下部バリア層3
を構成するAlGaNとは組成が異なり、さらにSi等
のn型ドーパントがドープされたn−AlGaNが好適
である。
Then, a lower cladding layer 4 is laminated on the lower barrier layer 3. As a material of the lower cladding layer 4, an n-type GaN-based compound semiconductor having a band gap smaller than that of the lower barrier layer 4 and larger than an active layer 5 described later is selected. Specifically, the lower barrier layer 3
Is different from the composition of AlGaN, and n-AlGaN doped with an n-type dopant such as Si is preferable.

【0010】下部バリア層3、下部クラッド層4をAl
GaNで構成する場合、下部バリア層3を例えばAl
0.2Ga0.8Nで構成し、下部クラッド層4を例えばAl
0.1Ga0.9Nで構成し、両者間のバンドギャップ差を発
現させればよい。そして、この下部クラッド層4の上
に、N原子空孔の存在を抑制するドーパントがドープさ
れたGaN系化合物半導体から成る活性層5が積層され
ている。
The lower barrier layer 3 and the lower cladding layer 4 are made of Al
When composed of GaN, the lower barrier layer 3
0.2 Ga 0.8 constituted by N, the lower cladding layer 4, for example Al
It may be made of 0.1 Ga 0.9 N to express a band gap difference between the two. On the lower cladding layer 4, an active layer 5 made of a GaN-based compound semiconductor doped with a dopant for suppressing the presence of N atom vacancies is laminated.

【0011】GaN系化合物半導体としては、紫外光域
の波長の光を発光し、かつ、下部クラッド層4および後
述する上部クラッド層6よりもバンドギャップが小さい
のものであれば特に限定はされず、具体的には、Ga
N、もしくは下部クラッド層4よりもバンドギャップが
小さい組成のAlGaNが好適である。上記GaN系化
合物半導体にドープされるドーパントとしては、In、
P、Asの群から選ばれる少なくとも1種が用いられ
る。上記ドーパントは、GaN系化合物半導体の結晶内
に固溶し、N原子空孔の存在を抑制する。さらには、後
述するように、それ自身も周囲のGa原子やN原子とと
もに発光中心となる役割も果たす。なお、これらは、G
aN系化合物半導体結晶内においては電気的に中性とな
るので、ドナーもしくはアクセプタとしては作用しな
い。
The GaN compound semiconductor is not particularly limited as long as it emits light having a wavelength in the ultraviolet region and has a smaller band gap than the lower cladding layer 4 and an upper cladding layer 6 described later. Specifically, Ga
N or AlGaN having a composition whose band gap is smaller than that of the lower cladding layer 4 is preferable. As the dopant doped into the GaN-based compound semiconductor, In,
At least one selected from the group consisting of P and As is used. The dopant forms a solid solution in the crystal of the GaN-based compound semiconductor and suppresses the presence of N atom vacancies. Further, as will be described later, it itself also serves as a luminescence center together with surrounding Ga atoms and N atoms. These are G
Since it becomes electrically neutral in the aN-based compound semiconductor crystal, it does not act as a donor or an acceptor.

【0012】上記ドーパントの活性層におけるドーピン
グ濃度は、1×1018〜1×1021cm-3に設定され
る。ドーピング濃度が1×1018cm-3よりも低いと、
N原子空孔の存在を抑制する効果に乏しいからである。
また、1×1021cm-3よりも高いと、GaNにInを
ドープした場合を例として説明すれば、活性層はGaN
とInNとの混晶を形成してしまい、その結果、活性層
のバンドギャップが小さくなって発光波長が紫外光域波
長よりも長くなってしまうからである。活性層が他のG
aN系化合物半導体の場合、あるいはドーパントがPも
しくはAsの場合についても同様である。
The doping concentration of the dopant in the active layer is set to 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm -3 . If the doping concentration is lower than 1 × 10 18 cm −3 ,
This is because the effect of suppressing the existence of N atom vacancies is poor.
On the other hand, if it is higher than 1 × 10 21 cm −3 , the active layer will be GaN
This is because a mixed crystal of InN and InN is formed, and as a result, the band gap of the active layer becomes small, and the emission wavelength becomes longer than the wavelength in the ultraviolet region. The active layer is other G
The same applies to the case of an aN-based compound semiconductor or the case where the dopant is P or As.

【0013】なお、活性層5には、上記ドーパントの他
に、さらにSi等のn型ドーパントがドープされていて
もよい。そして、活性層5の上には、上部クラッド層6
が積層されている。上部クラッド層の材質としては、p
型GaN系化合物半導体であって、かつ活性層5よりも
バンドギャップが大きいものが選定される。具体的に
は、Mg等のp型ドーパントがドープされたp−AlG
aNが好適である。
The active layer 5 may be doped with an n-type dopant such as Si, in addition to the above dopant. Then, on the active layer 5, the upper clad layer 6
Are laminated. The material of the upper cladding layer is p
A GaN-based compound semiconductor having a larger band gap than the active layer 5 is selected. Specifically, p-AlG doped with a p-type dopant such as Mg
aN is preferred.

【0014】そして、上部クラッド層6の上には、上部
バリア層7が積層されている。上部バリア層7の材質と
しては、上部クラッド層6よりもバンドギャップが大き
いp型GaN系化合物半導体が選定される。例えば、上
部クラッド層6を構成するp−AlGaNとは組成が異
なるp−AlGaN、p−GaN等があげられ、前者の
方がより大きなバンドギャップを有し、したがって上部
クラッド層6の材質としてより多くのものが選択可能と
なるので好適である。
On the upper cladding layer 6, an upper barrier layer 7 is laminated. As the material of the upper barrier layer 7, a p-type GaN-based compound semiconductor having a larger band gap than the upper cladding layer 6 is selected. For example, p-AlGaN, p-GaN, or the like having a different composition from p-AlGaN constituting the upper cladding layer 6 can be given, and the former has a larger band gap, and thus is more suitable as the material of the upper cladding layer 6. This is preferred because many things can be selected.

【0015】上部クラッド層6、上部バリア層7をp−
AlGaNで構成する場合、上部クラッド層6を例えば
Al0.1Ga0.9Nで構成し、上部バリア層7を例えばA
0. 2Ga0.8Nで構成し、両者間のバンドギャップ差を
発現させればよい。そして、前記下部バリア層3の上に
は、例えばTi/Alから成るn型電極E1が、また、
前記上記バリア層7の上には、例えばAu/Niから成
るp型電極E2が、それぞれ装荷されている。
The upper cladding layer 6 and the upper barrier layer 7 are
When composed of AlGaN, the upper cladding layer 6 is composed of, for example, Al 0.1 Ga 0.9 N, and the upper barrier layer 7 is composed of, for example, A.
composed of l 0. 2 Ga 0.8 N, it is sufficient to express the band gap difference between them. An n-type electrode E1 made of, for example, Ti / Al is provided on the lower barrier layer 3.
On the barrier layer 7, a p-type electrode E2 made of, for example, Au / Ni is loaded.

【0016】このようにして構成されている素子の前記
電極E1、E2間に、所定値の電圧を印加することによ
り、活性層5は所定波長の紫外光を発光し、素子全体で
は紫外光発光素子として機能する。図1で示した本発明
の発光素子は、ガスソースMBE法やMOCVD法等の
公知のエピタキシャル成長法を適用して製造することが
できる。
By applying a voltage of a predetermined value between the electrodes E1 and E2 of the device thus constructed, the active layer 5 emits ultraviolet light of a predetermined wavelength, and the entire device emits ultraviolet light. Functions as an element. The light emitting device of the present invention shown in FIG. 1 can be manufactured by applying a known epitaxial growth method such as a gas source MBE method or a MOCVD method.

【0017】以下に、ガスソースMBE法により製造す
る場合の一例を説明する。まず、所定の結晶成長装置
に、上記した材料から成る基板、例えばシリコン基板1
をセットする。そして、Ga源として例えば金属Gaも
しくはトリメチルガリウムを、また、N源として例えば
ジメチルヒドラジン、アンモニア、プラズマ窒素、もし
くはラジカル窒素を供給し、前記基板1上にGaNバッ
ファ層2を成膜する。
An example of the case of manufacturing by the gas source MBE method will be described below. First, a substrate made of the above-described material, for example, a silicon substrate 1 is placed in a predetermined crystal growth apparatus.
Is set. Then, for example, metal Ga or trimethylgallium is supplied as a Ga source, and dimethylhydrazine, ammonia, plasma nitrogen, or radical nitrogen is supplied as an N source, and a GaN buffer layer 2 is formed on the substrate 1.

【0018】上記したGa源およびN源を供給しなが
ら、さらにAl源を供給し、バッファ層2上にAlGa
Nから成る下部バリア層3を成膜する。Al源として
は、例えば金属Alもしくはトリメチルアルミニウムが
あげられる。上記したGa源、N源およびAl源を供給
しながら、さらにn型ドーパント源を供給し、下部バリ
ア層3上に、下部バリア層3よりもバンドギャップの小
さな組成のn−AlGaNから成る下部クラッド層4を
成膜する。n型ドーパント源としては、例えば金属Si
もしくはシラン等のSi源があげられる。
While supplying the above-mentioned Ga source and N source, an Al source is further supplied, and AlGa is supplied on the buffer layer 2.
A lower barrier layer 3 made of N is formed. Examples of the Al source include metal Al or trimethyl aluminum. While supplying the above-mentioned Ga source, N source and Al source, an n-type dopant source is further supplied, and a lower clad made of n-AlGaN having a composition smaller in band gap than the lower barrier layer 3 is formed on the lower barrier layer 3. The layer 4 is formed. As the n-type dopant source, for example, metal Si
Alternatively, a Si source such as silane may be used.

【0019】次いで、下部クラッド層4上に、In、
P、Asの群から選ばれた少なくとも1種がドープされ
たGaN系化合物半導体から成る活性層5を成膜する。
GaN系化合物半導体をGaNとする場合は、上記した
Al源およびSi源の供給を絶ち、さらにIn源、P
源、As源から少なくとも1種を選定して供給する。上
記In源としては金属Inもしくはトリメチルインジウ
ムが、また、P源としては金属P、ホスフィン、あるい
はトリメチルリンもしくはジメチルアミノリン等の有機
リン化合物が、As源としては金属As、アルシン、あ
るいはトリメチルヒ素もしくはジメチルアミノヒ素等の
有機ヒ素化合物が、それぞれ好適例としてあげられる。
ドーパントを2種類以上とする場合には、上記したよう
なIn源、P源、As源から2種類以上を選定し、これ
らを同時に供給するか、あるいは1種類ずつ供給すれば
よい。
Next, on the lower cladding layer 4, In,
An active layer 5 made of a GaN-based compound semiconductor doped with at least one selected from the group consisting of P and As is formed.
When GaN is used as the GaN-based compound semiconductor, supply of the above-mentioned Al source and Si source is cut off, and the In source, P source
Source and at least one source selected from As source. As the In source, metal In or trimethylindium, as the P source, metal P, phosphine, or an organic phosphorus compound such as trimethyl phosphorus or dimethylamino phosphorus, and as the As source, metal As, arsine, or trimethyl arsenic or dimethyl Organic arsenic compounds such as amino arsenic are preferred examples.
When two or more dopants are used, two or more dopants may be selected from the above-mentioned In source, P source, and As source, and these may be supplied simultaneously or one by one.

【0020】なお、ドーパント源の種類や各ソースガス
の供給圧力等の諸条件を調整することにより、活性層5
のドーパント濃度を調整することができる。したがっ
て、ドーパント濃度が上記した範囲となるよう、成膜条
件が設定される。次いで、ドーパント源のみ供給を絶
ち、さらに上記したAl源およびp型ドーパント源を供
給して、活性層5上にp−AlGaNから成る上部クラ
ッド層6を成膜する。p型ドーパント源としては、例え
ば金属Mgもしくはビスシクロペンタジエニルマグネシ
ウム等のMg源があげられる。
By adjusting various conditions such as the type of the dopant source and the supply pressure of each source gas, the active layer 5 is formed.
Can be adjusted. Therefore, the film forming conditions are set so that the dopant concentration falls within the above range. Next, the supply of only the dopant source is stopped, and the above-described Al source and p-type dopant source are further supplied to form an upper clad layer 6 made of p-AlGaN on the active layer 5. Examples of the p-type dopant source include a Mg source such as metallic Mg or biscyclopentadienyl magnesium.

【0021】次いで、例えばAl源の供給圧力を上部ク
ラッド層6を成膜する場合よりも大きくして、上部クラ
ッド層6よりもバンドギャップの大きな組成のp−Al
GaNから成る上部バリア層7を上部クラッド層6上に
成膜する。そして、このようにして得られた積層構造か
ら成る全体の表面をマスキング材でマスクし、さらに所
定のパターニング、各層のエッチング処理を行う。
Next, for example, the supply pressure of the Al source is made higher than that in the case of forming the upper clad layer 6, and the p-Al having a composition larger in band gap than the upper clad layer 6 is formed.
An upper barrier layer 7 made of GaN is formed on the upper clad layer 6. Then, the entire surface of the thus-obtained laminated structure is masked with a masking material, and predetermined patterning and etching of each layer are performed.

【0022】最後に、表面が露出した下部バリア層3上
に、例えばTi/Alから成るn型電極E1を、また、
上部バリア層7上に例えばAu/Niから成るp型電極
E2をそれぞれ装荷する。このようにして、図1に示し
た構造の発光素子が製造される。なお、上記した製造例
の場合は、活性層5の成膜の際にAl源およびSi源の
供給を絶って、活性層5をGaNとしたが、Al源の供
給を続行すればAlGaNから成る活性層が得られる。
この場合には、例えばAl源の供給圧力を調整して、A
0.08Ga0.92N等の下部クラッド層4および上部クラ
ッド層6よりもバンドギャップの小さな組成とすること
は言うまでもない。
Finally, an n-type electrode E1 made of, for example, Ti / Al is formed on the lower barrier layer 3 whose surface is exposed.
A p-type electrode E2 made of, for example, Au / Ni is loaded on the upper barrier layer 7, respectively. Thus, the light emitting device having the structure shown in FIG. 1 is manufactured. In the case of the above-described manufacturing example, the supply of the Al source and the Si source was cut off during the formation of the active layer 5, and the active layer 5 was changed to GaN. An active layer is obtained.
In this case, for example, by adjusting the supply pressure of the Al source, A
l 0.08 Ga 0.92 lower cladding layer of N 4 or the like and it is needless to say than the upper cladding layer 6, a small composition of the bandgap.

【0023】また、Si等のn型ドーパントは、GaN
系化合物半導体結晶内におけるIn、P、AsのN原子
空孔の存在抑制効果を相殺するものではないので、活性
層5を成膜する際に、Si源の供給を続行してもよい。
さらに、上記した製造例はガスソースMBE法によって
行うものであるが、上記したような各種の有機金属化合
物をソースとして使用して、MOCVD法により各層を
成膜し、次いでエッチング、各電極の装荷を行うことに
よっても図1の発光素子を製造することができる。この
方法においては、有機金属化合物ではないが、N源とし
てアンモニアを用いてよく、Si源としてシランを用い
てよい。
The n-type dopant such as Si is GaN
Since it does not cancel out the effect of suppressing the existence of N vacancies of In, P, and As in the system compound semiconductor crystal, the supply of the Si source may be continued when the active layer 5 is formed.
Further, the above-mentioned production example is performed by the gas source MBE method. However, using the above-mentioned various organometallic compounds as a source, each layer is formed by the MOCVD method, and then, etching and loading of each electrode are performed. The light emitting device of FIG. 1 can also be manufactured by performing the above. In this method, although not an organometallic compound, ammonia may be used as the N source, and silane may be used as the Si source.

【0024】[0024]

【実施例】[実施例1]ガスソースMBE法により、以
下のようにして紫外光発光素子を製造した。まず、所定
の結晶成長装置に、シリコン基板10をセットした。G
a源として金属Ga(5×10-7Torr)、N源としてジ
メチルヒドラジン(5×10-5Torr)を供給し、温度6
40℃で、シリコン基板10上に厚さ50ÅのGaNバ
ッファ層20を成膜した。
EXAMPLES Example 1 An ultraviolet light emitting device was manufactured by the gas source MBE method as follows. First, the silicon substrate 10 was set in a predetermined crystal growth apparatus. G
Metal Ga (5 × 10 −7 Torr) is supplied as a source, dimethylhydrazine (5 × 10 −5 Torr) is supplied as N source,
At 40 ° C., a 50 ° -thick GaN buffer layer 20 was formed on the silicon substrate 10.

【0025】一旦これらの供給を停止し、温度を850
℃に上昇させた後、Ga源として金属Ga(5×10-7
Torr)、N源としてアンモニア(5×10-6Torr)、A
l源として金属Al(2×10-7Torr)を供給し、Ga
Nバッファ層20上にAlGaN(組成;Al0.8Ga
0.2N)から成る厚さ1μmの下部バリア層30を成膜
した。
Once these supplies are stopped, the temperature is reduced to 850.
° C, and then metal Ga (5 × 10 −7) as a Ga source.
Torr), ammonia (5 × 10 −6 Torr) as N source, A
Metal Al (2 × 10 −7 Torr) is supplied as
AlGaN (composition; Al 0.8 Ga) is formed on the N buffer layer 20.
A lower barrier layer 30 of 0.2 N) having a thickness of 1 μm was formed.

【0026】金属Ga、アンモニアを上記圧力で供給し
ながら、金属Alの供給圧力を1×10-7Torrに変更
し、さらに、n型ドーパント源として金属Si(5×1
-9Torr)を供給し、n−AlGaN(組成;Al0.1
Ga0.8N)から成る厚さ1000Åの下部クラッド層
40を下部バリア層30上に成膜した。一旦これらの供
給を停止し、温度を800℃とした後、Ga源として金
属Ga(5×10-7Torr)、N源としてアンモニア(5
×10-6Torr)、ドーパント源として金属In(1×1
-8Torr)を供給し、InがドープされたGaNから成
る厚さ500Åの活性層50を下部クラッド層40上に
成膜した。
The supply pressure of metal Al was changed to 1 × 10 -7 Torr while supplying metal Ga and ammonia at the above pressure, and metal Si (5 × 1 Torr) was used as an n-type dopant source.
0 -9 Torr) and n-AlGaN (composition: Al 0.1
A lower cladding layer 40 of Ga 0.8 N) having a thickness of 1000 ° was formed on the lower barrier layer 30. Once the supply was stopped and the temperature was set to 800 ° C., metallic Ga (5 × 10 −7 Torr) was used as a Ga source, and ammonia (5
× 10 -6 Torr) and metal In (1 × 1
0 -8 Torr), and an active layer 50 made of In-doped GaN and having a thickness of 500 ° was formed on the lower cladding layer 40.

【0027】一旦これらの供給を停止し、温度を850
℃とした後、Ga源として金属Ga(5×10-7Tor
r)、N源としてアンモニア(5×10-6Torr)、Al
源として金属Al(1×10-7Torr)、p型ドーパント
源として金属Mg(1×10-8Torr)を供給し、p−A
lGaN(組成;Al0.1Ga0.8N)から成る厚さ10
00Åの上部クラッド層60を活性層50上に成膜し
た。
Once the supply was stopped, the temperature was reduced to 850.
° C, and then metal Ga (5 × 10 −7 Tor) as a Ga source
r), ammonia (5 × 10 −6 Torr), Al as N source
Metal Al (1 × 10 −7 Torr) as a source, metal Mg (1 × 10 −8 Torr) as a p-type dopant source, and p-A
Thickness 10 made of lGaN (composition; Al 0.1 Ga 0.8 N)
An upper cladding layer 60 of 00 ° was formed on the active layer 50.

【0028】金属Ga、アンモニア、金属Mgを上記圧
力で供給しながら、金属Alの供給圧力を2×10-7To
rrに変更し、p−AlGaN(組成;Al0.2Ga
0.8N)から成る厚さ1000Åの上記バリア層70を
上部クラッド層60に成膜した。以上の条件下で作製さ
れた積層構造を図2に示した。この積層構造の活性層5
0について質量分析を行ったところ、活性層50を構成
するGaNにドープされたInの濃度は1×1019cm
-3であった。
While supplying the metal Ga, ammonia, and metal Mg at the above pressure, the supply pressure of the metal Al was increased to 2 × 10 -7 To
rr, p-AlGaN (composition: Al 0.2 Ga
The barrier layer 70 of 0.8 N) having a thickness of 1000 ° was formed on the upper cladding layer 60. FIG. 2 shows a laminated structure manufactured under the above conditions. Active layer 5 of this laminated structure
When the mass spectrometry was performed on 0, the concentration of In doped in GaN constituting the active layer 50 was 1 × 10 19 cm
Was -3 .

【0029】次に、上記した積層構造から成る全体の表
面に、プラズマCVD法によってSiO2マスクを施し
た。さらに、フォトレジストを用いて所定のパターニン
グを行い、その後ドライエッチングを行って各層を順次
エッチング処理した。最後に、表面が露出した下部バリ
ア層30上にTi/Alから成るn型電極を、上部バリ
ア層70上にAu/Niから成るp型電極を、それぞれ
蒸着により装荷して、図1に示した構造の発光素子とし
た。
Next, an SiO 2 mask was applied to the entire surface having the above-mentioned laminated structure by a plasma CVD method. Further, predetermined patterning was performed using a photoresist, and thereafter, each layer was sequentially etched by performing dry etching. Finally, an n-type electrode made of Ti / Al is loaded on the lower barrier layer 30 whose surface is exposed, and a p-type electrode made of Au / Ni is loaded on the upper barrier layer 70 by vapor deposition, as shown in FIG. The light-emitting element had the following structure.

【0030】次に、上記したガスソースMBE法におい
て、金属Inの供給圧力を様々に変更して、GaN活性
層のInのドーピング濃度が異なる以外は同じ構造の素
子を製造した。また、後述するエレクトロルミネッセン
ス(EL)測定において比較を行うために、ノンドープ
GaNから成る活性層を有する素子も製造した(以下、
この素子を比較例素子という)。
Next, in the above-mentioned gas source MBE method, an element having the same structure was manufactured by changing the supply pressure of metal In variously and changing the doping concentration of In in the GaN active layer. For comparison in electroluminescence (EL) measurement described later, an element having an active layer made of non-doped GaN was also manufactured (hereinafter, referred to as an element).
This element is referred to as a comparative element).

【0031】これらの各素子に対して電圧を4V印加し
てEL測定を行い、発光スペクトルを調べた。このEL
測定における発光波長が、素子の発光波長に対応する。
また、ピーク強度が輝度に対応し、ピーク強度が高いほ
ど高輝度の発光が実現している。まず、比較例素子につ
いての発光スペクトルは、紫外光域の波長380nmに
ピークが出現していたが、その強度は低く、また、それ
以外の波長において、N原子空孔の存在に基づくピーク
が無視できない強度で出現した。
An EL spectrum was measured by applying a voltage of 4 V to each of these devices, and the emission spectrum was examined. This EL
The emission wavelength in the measurement corresponds to the emission wavelength of the device.
The peak intensity corresponds to the luminance, and the higher the peak intensity, the higher the luminance of the light emission. First, in the emission spectrum of the comparative example device, a peak appeared at a wavelength of 380 nm in the ultraviolet region, but the intensity was low, and at other wavelengths, the peak based on the presence of N atom vacancies was ignored. Appeared with inability to do so.

【0032】これに対して、In濃度が1×1018〜1
×1021cm-3であるGaN活性層を有する素子につい
ての発光スペクトルは、いずれも、紫外光域の波長38
0nmに著しく高い強度のピークが出現し、また、それ
以外の波長ではピークが認められなかった。これは、G
aNにInがドープされることによって、その結晶内の
N原子空孔の存在が抑制されていること、そしてさらに
はInが周囲のGa原子やN原子とともに発光中心とし
て作用することに基づく結果であると考えられる。
On the other hand, when the In concentration is 1 × 10 18 to 1
The emission spectrum of the device having a GaN active layer of × 10 21 cm −3 was found to be 38% in the ultraviolet region.
A peak with extremely high intensity appeared at 0 nm, and no peak was observed at other wavelengths. This is G
By doping aN with In, the existence of N atom vacancies in the crystal is suppressed, and furthermore, the result based on the fact that In acts as an emission center together with surrounding Ga atoms and N atoms. It is believed that there is.

【0033】次に、In濃度が1×1018cm-3よりも
低い活性層を有する素子の発光スペクトルは、比較例素
子とほぼ同様の形状であった。すなわち、波長380n
mに低い強度のピークが出現し、また、それ以外の波長
においても、ピークが無視できない強度で出現した。ま
た、In濃度が1×1021cm-3よりも高い活性層を有
する素子の発光スペクトルは、発光波長が長波長側にシ
フトし、紫外光域外となる傾向が認められた。
Next, the device having an active layer with an In concentration lower than 1 × 10 18 cm −3 had an emission spectrum almost similar to that of the device of the comparative example. That is, the wavelength 380n
m, a peak of low intensity appeared, and also at other wavelengths, peaks appeared with insignificant intensity. Also, in the emission spectrum of an element having an active layer having an In concentration higher than 1 × 10 21 cm −3 , the emission wavelength was shifted to a longer wavelength side and tended to be outside the ultraviolet light range.

【0034】[実施例2、3]活性層へのドーパント源
として金属Pまたは金属Asを用いた以外は実施例1に
準拠して各層を成膜し、図3、図4に示す積層構造をそ
れぞれ作製した。次いで、実施例1に準拠して各層のエ
ッチング、電極の装荷を行って、PまたはAsがドープ
されたGaNから成る活性層51、52を有する素子を
製造した。また、活性層51、52の成膜の際に、金属
Pまたは金属Asの供給圧力を様々に変更して、GaN
活性層のPまたはAsの濃度が異なる以外は同じ構造の
素子を製造した。
Embodiments 2 and 3 Each layer was formed in accordance with Embodiment 1 except that metal P or metal As was used as a dopant source for the active layer, and the laminated structure shown in FIGS. Each was produced. Next, each layer was etched and the electrodes were loaded in accordance with Example 1 to manufacture devices having active layers 51 and 52 made of GaN doped with P or As. In addition, when forming the active layers 51 and 52, the supply pressure of the metal P or the metal As is variously changed so that the GaN
An element having the same structure was manufactured except that the concentration of P or As in the active layer was different.

【0035】これらの各素子についてもEL測定を行っ
たところ、実施例1における結果と同様の結果が得られ
た。 [実施例4]活性層を成膜する際に、Ga源およびN源
とともにさらにAl源として金属Alを供給した以外は
実施例1に準拠して、InがドープされたAlGaN
(組成;Al0.08Ga0.92N)から成る活性層を有する
素子を製造した。また、活性層の成膜の際に金属Inの
供給圧力を種々変更して、In濃度が異なる素子や、ノ
ンドープAlGaN活性層を有する素子を製造した。
When an EL measurement was performed on each of these devices, the same result as that in Example 1 was obtained. [Example 4] An InGaN-doped AlGaN according to Example 1 except that a metal Al was supplied as an Al source together with a Ga source and an N source when forming an active layer.
A device having an active layer composed of (composition: Al 0.08 Ga 0.92 N) was manufactured. In addition, the supply pressure of metal In was changed variously during the formation of the active layer, and devices having different In concentrations and devices having a non-doped AlGaN active layer were manufactured.

【0036】これらの各素子についてもEL測定を行っ
た。その結果も、実施例1における結果と同様であっ
た。
EL measurement was also performed on each of these devices. The result was the same as the result in Example 1.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
紫外光発光素子は、所定波長の紫外光を高輝度で発光す
る。これは、原子空孔の発生を抑制し、かつ発光中心と
しても作用するドーパントがドープされたGaN系化合
物半導体から成る活性層を有するからである。
As is apparent from the above description, the ultraviolet light emitting device of the present invention emits ultraviolet light of a predetermined wavelength with high luminance. This is because it has an active layer made of a GaN-based compound semiconductor doped with a dopant that suppresses generation of atomic vacancies and also acts as a light emission center.

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

【図1】本発明の発光素子の層構造の一例を示す断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a layer structure of a light-emitting element of the present invention.

【図2】InがドープされたGaNから成る活性層を有
する発光素子を製造するときの、各層の積層構造を示す
断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a layered structure of each layer when a light emitting device having an active layer made of GaN doped with In is manufactured.

【図3】PがドープされたGaNから成る活性層を有す
る発光素子を製造するときの、各層の積層構造を示す断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a layered structure of each layer when a light emitting device having an active layer made of GaN doped with P is manufactured.

【図4】AsがドープされたGaNから成る活性層を有
する発光素子を製造するときの、各層の積層構造を示す
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a stacked structure of each layer when a light emitting device having an active layer made of GaN doped with As is manufactured.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 バッファ層 3 上部バリア層 4 下部クラッド層 5 活性層 6 上部クラッド層 7 上部バリア層 10、11、12 シリコン基板 20、21、22 GaNバッファ層 30、31、32 AlGaN下部バリア層 40、41、42 n−AlGaN(SiドープAlG
aN)下部クラッド層 50 InドープGaN活性層 51 PドープGaN活性層 52 AsドープGaN活性層 60、61、62 p−AlGaN(MgドープAlG
aN)上部クラッド層 70、71、72 p−AlGaN(MgドープAlG
aN)上部バリア層 E1 n型電極 E2 p型電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 Upper barrier layer 4 Lower cladding layer 5 Active layer 6 Upper cladding layer 7 Upper barrier layer 10, 11, 12 Silicon substrate 20, 21, 22 GaN buffer layer 30, 31, 32 AlGaN lower barrier layer 40, 41, 42 n-AlGaN (Si-doped AlG
aN) Lower cladding layer 50 In-doped GaN active layer 51 P-doped GaN active layer 52 As-doped GaN active layer 60, 61, 62 p-AlGaN (Mg-doped AlG)
aN) Upper cladding layer 70, 71, 72 p-AlGaN (Mg-doped AlG
aN) Upper barrier layer E1 n-type electrode E2 p-type electrode

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 GaN系化合物半導体から成る活性層を
有し、前記活性層には、In、P、Asの群から選ばれ
る少なくとも1種が1×1018〜1×1021cm -3の濃
度でドープされていることを特徴とする紫外光発光素
子。
1. An active layer comprising a GaN-based compound semiconductor
Wherein the active layer is selected from the group consisting of In, P, and As.
At least one is 1 × 1018~ 1 × 10twenty onecm -3No
Ultraviolet light emitting element characterized by being doped at a certain degree
Child.
【請求項2】 前記GaN系化合物半導体が、GaN、
またはAlGaNである請求項1の紫外光発光素子。
2. The method according to claim 1, wherein the GaN-based compound semiconductor is GaN,
2. The ultraviolet light emitting device according to claim 1, wherein the ultraviolet light emitting device is AlGaN.
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