JPS59228776A

JPS59228776A - 半導体ヘテロ接合素子

Info

Publication number: JPS59228776A
Application number: JP58102865A
Authority: JP
Inventors: Sakae Maebotoke; 前「ぶつ」　栄; Takao Edahiro; 枝広　隆夫; Juichi Noda; 野田　壽一
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1983-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1984-12-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】広バンド・ギャップ（エネルギー・ギャップＥＩ！＞２
。５ｅＶ）　Ｉ　−　Ｖ族化合物半導体のへテロ接合素
子に関するものである。

導体系としてＳｉＯ等が取り上げられている。ＺｎＳ等
のｎ−ｗ族系の場合、良好な単結晶基板の育成、表面お
よび界面の制御が困難であり、またこの材料の不純物添
加に関する強い自己補償効果のためにｐ型エピタキシャ
ル膜（以下エビ膜という）を成長させることができない
。従って発光素子を形成するには、ＭＩＳ構造をとらな
ければならない。

たとえば半導体領域（Ｓ）としてｎ型ＺｎＳを用い、絶
縁体領域（Ｉ）としてＺｎＯを用い、金属領域（Ｍ）と
してＡｕを用いてＭＩＳ構造を形成するが、動作電圧が
高くまた発光強度も弱く、高効率の発光素子を得ること
ができないという欠点がある。

ＧａｂＴ材料は、通常不純物未添加の状態ではＮの空格
子点のためｎ型になり、ｚｎまたはＭｇなどのアクセプ
ター・ドーパントを添加しても、高抵抗になるだけでｐ
型エピ膜を形成することができない。

従ってＧａＮの場合も通常は発光素子としてＭＩＳ構造
をとる。たとえば（Ｓ）層としてノンドープＧａＮを用
い、ｍＪＭとしてｚｎｎ型ＧａＮ膜い、（Ｍ）としてＩ
ｎを用いてＭ　Ｉ　Ｓを形成するが、動作電圧が７．５
〜ＩＯＶと高くなる欠点がある。

ＳｉＣ材料は、通常アクセプターとしてＡ７！、ドナー
としてＮを添加してｐｎ接合を形成することができるが
、結晶多形の制御が困呵であるうえに、発光機構がバン
ド間の間接遷移によるので、発光効率が低いという欠点
がある。

本発明はこれらの欠点を解決するために、ＩＮ、、Ａｔ
ＸＧａ　Ｉ　ＸＮ　＜　ｏ　＜　ｘ　＜　１　）がｐ、
ｎ両型形成できること、およびこれらの材料がＧａＮと
の格子整合性のよいことに注目して、ＧａＮとＡｌｘＧ
ａ１イＮ（０＜Ｘ＜１）とでヘテロ接合素子をル成する
ようにしたもので、青色領域近傍の可視光領域での高効
率な発光素子を得ることを目的とする。

第１図は本発明のへテロ接合素子を設計するために用い
るＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）の格子定数および
光学吸収端の組成Ｘに対する依存性とＡｌｙＧａ　ｌ□
Ｎ（０＜ｙ＜ｉ）の格子定数および光学吸収端の組成ｙ
に対する依存性を示した図であって、１は格子定数、２
は光学吸収端の組成依存性をそれぞれ示す。

たとえば活性層Ａ匂Ｇａ□−ｙＮ（０＜ｙ＜１）の組成
ｙを０゜２に設定し、ＡｌＸＧａ１９Ｎ（０＜Ｘ＜１．
Ｘ＞ｙ）とのへテロ接合形成の格子不整合を０゜２％以
内に設Ｈ１・するには、第１図を利用してまずｙ−ｏ。

２のときの格子定数（５゜１８人）を読み取り、０．２
％以内の格子不整合の格子定＠（５，１２八から５゜１
３人の範囲）を求め、そして細度ｘ（０，２０＜Ｘ＜：
０．２５　）を決定する。

本発明の素子の作製を以下の各実施例について説明する
。

実施例第２図は絶縁性基板上に作成したシングル・ヘテロ接合
に子の実施例の側断面図であって、３は絶縁性基板、４
はｎ　Ｊ！ｉｉ！ＧａＢＨまたはｎ型”ｘＧａｌ−ｘＮ
（０＜Ｘ＜１）　’ＩＮ、５はオーミック電極、６はｐ
型１ｙＧａ１．Ｎ（０＜Ｙ＜１）膜である。絶縁性基板
としては、０面サファイア基板、Ｒ面すファイア基板、
５ｉ（３基板、ＡＩＮ基板を用いる。ｎ型ＧａＮ膜は気
相エピタキシャル法で数μｍ厚に形成する。

気相エピタキシャル法としては、キャリアガス七してＮ
２１用い、金属ＧａとＨＯ７を反応させてＧａの塩化物
であるＧａＣｔ８を形成せしめ、これをＮＨ８ガスと熱
分解反応させてＧａＮエピ膜を成長させる方法、または
キャ１）アガスをＮ２またはＨ２として（ＣＨ３）３Ｇ
ａなどの有機金属をＮＨ８ガスと熱分解反応させてＧａ
Ｎエピ膜を成長させる方法を用いる。

基板温度は前者の方法による場合１０００°Ｃ〜１１０
０°Ｃに設定し、後者の場合は７００°Ｃ以下適当な温
度に設定する。通常、このようにして作られたノンドー
プＧａＮエピ膜は、Ｎ−空格子点の影響でｎ型になって
おり、キャリア濃度１０　　　０１１１、特にドナーを
添加せず、そのままｎ型エピ膜として用いる。ｎ型Ａｌ
ｘＧａ□−ｘＮ（０〈Ｘり）エピ膜の成長は、前記ｎ型
ＧａＮ気相エピタキシャル法に、塩化物の場合はＡ１０
４８を、有機金属の場合は、＜Ｃ！Ｈ８）８１ノを加え
て行われる。

ｎ型”ｘＧａｌ−ｘＮ（０＜Ｘ＜１　）の場合、ドナー
としてＳｉをＳｉＨ，などのガスを用いて添加する。組
成ＸはｈｔおよびＧａに関するガス流量比を制御するこ
とで定められる。ｐ型Ａ％Ｇａ１　ｘＮ（０＜Ｘ＜１）
エビ膜は、前記ｎ型の場合と同様の気相エピタキシャル
法を用い、アクセプターとしてＡｌ置換体であるＢｅ、
　Ｍｇ、　ＺｎやＮ置換体であるＣを添加して形成し、
ｎ型エピ膜上に堆積させてヘテロ接合を形成せしめる。

オーミック電極は金属Ｉｎを真空蒸着法により第２図に
示すように、ｐ型Ａ匂詰０．Ｎ　（ｏ（Ｘ＜ｉ　”）と
ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＡｌｘＧａ１９Ｎ（０〈Ｘ＜１）
の上に取り付けられる。

このシングル・ヘテロ接合素子を動作させるには、第２
図に示すように、ｐ型上の電極に十極性、ｎ型上の電極
に一極性の直流電圧を付加し、ｐ　−ｎ接合部で発光さ
せる。付加電圧は青色発光波畏に対応するエネルギー（
〉２゜５　ｅＶを目安にすればよく、２．５〜８■に設
定され、従来のＭＩＳ構造に比べて１／３〜１／４の印
加電圧ですむ。電流は１０ｍＡ　〜１００　ｍＡである
。

−実」１性１第３図は導電性基板上に作製したシングル・へテロ接合
素子の実施例の側断面図であって、７は導電性基板、８
は導電性基板側に取り付けたオーミック電極、４　＋　
５　＃６よび６は各々実施例１で述べたｎ型ＧａＮまた
はｎ型Ａ７ｘＧａ１．Ｎ（０＜Ｘ＜１）膜、オーミック
電極、ｐ型１ｙＧａ１．ＩＪ（０＜ｙ＜１）　ＩＭであ
る。導電性基板としては導電率数Ｖｃｍのｎ型Ｓｉ基板
を用いる。この導電性基板上に、実施例１で述べた方法
によりｎ型ＧａＮまたはｎ型”ｘＧａｌ−ｘＮ（０＜Ｘ
＜１）　ｘビ膜上にｐ型ｈｔｙａａ□、Ｎ（ｏ＜ｙ＜１
）エビ膜を実施例１で述べたのと同じ膜厚で成長させ、
ヘテロ接合を形成せしめる。エビ膜（ＤＱのオーミック
電極としては実施例１と同じく、金ｒ４工ｎを真空蒸着
法により取り付は形成する。導電性基板側のオーミック
電極としては、Ａｕを真空蒸着法により、形成４−る。

コノシフナル・ヘテロ接合素子を動作させるには、実施
例１で述べたのと同様に、第３図に示す極性で２．５〜
３■の電圧を印加し発光させる。

実施例８第４図はサファイア等の絶縁性基板上に作製したダブル
・ヘテロ接合素子の実施例の側断面図であって、３，５
は実施例１で述べた絶縁性基板、オーミック電極、９は
ｎ”ＱＡｌｘＧａｌ　、Ｎ（０＜Ｘ＜：１）、１０はｎ
”７Ｊ　Ａｌ、４Ｇ、□、（Ｎ（ｏ＜ｘ＜１．　＊＞ｘ
）、１１はｎ型またはｐ型のｈｔｙＧａｌｙＮ（０＜Ｖ
＜１．　ｘ＞Ｙ）、１２はｐ＋型ｈｔ；ａａｌ；Ｎ（ｏ
＜＊＜１）である。絶縁性基板８の上に、ｎＪ　ＡｌＸ
Ｇａ１　ｘＮ　（０＜　Ｘ　（ｌ　）を実施例１と同様
の方法により数μｍ厚に成長させる。

ｎｌにするため、ｎ型よりもドナーを多く添加する。こ
の上にｎＪ　ｈｐ、６ａａ１，６Ｎ＜ｏ　＜ｘ＜　１．
　、　ｘ＞ｘ）を０．４〜１μｍ厚程度に成長させる。

さらにこの上に活性層であるｎ型またはｐ型ｈｔｙａａｌ、Ｎ（ｏ＜ｙ＜１．　ｘ＞ｙ）を０．１μ
ｍ〜０．４μｍ厚程度成長させる。組成従と組成ｙの値
は、格子不整合を〜０゜１％程度とし、第１図を使って
設定する。活性層の上にｐ”Ｍ　Ａ蕨Ｇユ、−イＮ（０
＜ｘ＜１）を０゜４〜１μｍ厚程度に成長させる。ｐ＋
型にするため実施例１で述べたアクセプター添加量をｐ
型に比べ多くする。ｐ”ｍ　ｈｔ；ａ、、３Ｎｔｇ　１
２とｎ１ＡｌｘＧａ１９Ｎ層９の上に、第４図に示すよ
うに、Ｉｎオーミック電極５を真空蒸着により取り付け
る。

この実施例では、９，１０をｎＪ、１２をｐｌにしたが
、逆に９，１ｏをｐｌ、１２をｎｌにもできる。

このダブル・ヘテロ接合素子を動作させるには、第４図
に示すように、ｐ型上の電極に十極性、ｎ型上の電極に
一極性の直流電圧を付加し、ｐ−ｎ接合部で発光させる
。この際、活性層の屈折率が両隣接層に比べて大きいの
で、活性層が導波路となり、光はこの導波路に添って伝
搬する。また印加電圧は先のシングル・ヘテロ接合素子
に比べ、キャリアの閉込め効果により減少する。

一実施例４第５図は導電性基板上に作製したストライプ構造のダブ
ル・ヘテロ接合素子の実施例の側断面図であって、７，
８は実施例２で述べた導電性基板、導電性基板制電ネＶ
（，９，ｔｏ、’ｉ１．１２は各々実施例３で述べたｎ
＋型ＡｌＸＧａ１．Ｎ　（０＜　Ｘ　＜１　）、ｎ＋型
”ｘＧａｌ　＊Ｎ（０＜’＜Ｄ　ｊ＞ｘ）　、ｎ型また
はｐ型ＡｌｙＧａ０−ｙＮ（０〈ｙ＜１．ｘ′〉ｙ）、
ｐ懺ｈｔ、、；ａａ□、＜Ｎ（ｏ＜ｘ＜ｇ、１３はＳ土
０□絶縁層、５はオーミック電極である。導電性基板上
に実施例３に述べたのと同様にして、９，１０，１１，
１２゜の各エビ膜層を形成する。さらにこの上に絶縁層
として５１０２Ｍを０．１５〜０゜３μｍ厚にスパッタ
法により形成する。ストライプ（【７な）幅は５〜３０
μｍ程度にする。さらにオーミック電極５および８を第
５図に示すように形成する。また実施例８と同じく、９
，１０をｐ＋型、１２をｎｌにする構造もできる。

このダブル・ヘテロ接合素子を動作させるには、実施例
３で述べたのと同様に、第５図に示す極性で直流電圧を
印加して発光させる。

なお、実施例１−４のいずれの場合でも、絶縁性基板ま
たは導電性基板とＧａＮまたはＡｌｘＧａ□−ｘＮ（０
〈Ｘ＜１）との格子不整による歪緩和のためバッファ層
としてＡ４；Ｇａ□３Ｎ（ｘ’＋ｘ、　ｏ＜ｘ＜ｘ）を
入れてもよい。

以上説明したように、本発明の半導体へテロ接合素子は
、発光素子構造としてヘテロ接合を用いているので、Ｍ
工Ｓ構造素子に比べて動作電圧が低く、高効率の発光が
可能であるという利点がある。また、ＡｌｘＧａ１よＮ
（０＜ｘ＜１）は直接遷移型であるので、ＳＩＣなどの
間接Ｂ移型に比べて高効率になる利点がある。また、ダ
ブル・ヘテロ接合素子構造にすることにより、光の閉込
め効果を大きくシ、さらに効率を高めることができる利
点がある。またエビ膜成長法として有機金属気相エピタ
キシャル法を用いると、低温プロセスで制御性がよく、
量産性に優れているので、経済性の観点からも安価の素
子を供給できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡｌｘＧａ１４Ｎ（０＜Ｘ＜１）の格子定数お
よび光学吸収端の組成依存性とＡｌｙＧａ１□Ｎ（０＜
ｙ＜１）の格子定数および光学吸収端の組成依存性を示
す図、第２図は本発明の絶縁性基板上に作製したシングル・ヘ
テロ素子の側断面図、第３図は本発明の導電性基板上に作製したシングル・ヘ
テロ素子の側断面図、第４図は本発明の絶縁性基板上に作製したダブル・ヘテ
ロ素子の側断面図、第５図は本発明の導電性基板上に作製したストライプ構
造ダブルヘテｏｈ子の側断面図である。 ■・・・格子定数組成依存線、２・・・光学吸収端組成
依存線、８・・・絶縁性基板、４・・・ｎ型ＧａＮまた
はｎ型”ｘＧａｌ−ＸＮ（０＜Ｘ＜、　１　）膜、５・
・・オーミック′電極、６　・ｐ型ＡｌｙＧａ１ｙＮ（
ｏ＜ｙ＜１）　ｌＦａ、７・・・導電性基板、８・・・
基板側オーミック電極、９・・・ｎ１ＡノｘＧａｘ−ｘ
Ｎ（０＜Ｘ＜ｉ）膜、１ｏ−、ｎ”ＥＪｊ”％Ｇａ１−
ｘＮ（０＜ｘ＜１　、　ｘ＞幻膜、１１−・−ｎ型また
はｐ型のｈｔ戸ユＩ　ＶＮ　（ｏ　＜　ｙ＜１　を従＞
Ｙ）膜、１２・・・ｐ懺１．：Ｇ、□−従Ｎ（０〈ジ＜
１）膜、１３・・・ＳｉＯ□絶縁層。　　。第１図￥社云第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】Ｌ　ｎ型ｍ−ｖ族化合物半導体であるＡｌｘＧａ１９Ｎ（０＜Ｘ＜１）と、その上のｐ型ｍ−
ｖ族化合物半導体であるＡｌｙＧａ□−ｙＮ（０〈ｙ＜
１）とから、シングル・ヘテロ接合を形成することを特
徴とする半導体へテロ接合素子。ａｎ＋型ＡｌｘＧａ１．Ｎ（０＜Ｘ＜１）膜と、その上
のｎ型もしくはｐ型ＡｌｙＧａ１　ｙ’　（０＜ｙ＜’
、Ｘ＞Ｖ　）膜と、さらにその上のｐ＋型ＡｌｘＧａ１
イＮ（ｏぐ〈ｌ）膜とから、または’９”１１　Ａｌｘ
Ｇａ１ツＮ　（０＜　ｘ　＜１　）膜と、その上のｎ型
もしくはｐ型ｈｔｙｃ、ａｌ、Ｎ（ｏ＜ｙ＜１．ｘ＞ｙ）膜と、さら
にその上のｎ＋型ＡｌｘＧａ１．Ｎ（ｏ＜Ｘ＜１）膜と
から、ダブルへテロ接合を形成することを特徴とする半
導体へテロ接合素子。