JPS6055996B2 - 電場発光半導体装置 - Google Patents

電場発光半導体装置

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JPS6055996B2
JPS6055996B2 JP54158664A JP15866479A JPS6055996B2 JP S6055996 B2 JPS6055996 B2 JP S6055996B2 JP 54158664 A JP54158664 A JP 54158664A JP 15866479 A JP15866479 A JP 15866479A JP S6055996 B2 JPS6055996 B2 JP S6055996B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は窒化ガリウム層（以下ＧａＮと書く）によ
る電場発光半導体装置に関するものである。
ＧａＮによる電場発光半導体装置は、一般に第１図に
示す様な構造を持つている。すなわち、発光にあすかる
絶縁性のＧａＮ結晶層（以下絶縁層と呼ぶ）１と、これ
をその上に得るための導電性のＧａＮ結晶層（以下導電
層と書く）２、及び導電層をその上に得るための基板３
とから成る本体と、絶縁層１に直接接続された第１の接
触４、及び導電眉２に直接接続された他の接触５とから
成つている。導電層２は、絶縁層１に直接接続しており
、電気的には他の接触５の延長として働き、実際にはあ
たかも絶縁層に一対の接触を接続したように働く。６、
７は外部から印加された電圧を導くための導線である。
このような電場発光半導体装置を作成する方法は以下
の様なものである。
例えば、一面を鏡面研磨した直径２．５Ｃ７７Ｚのサフ
ァイア基板上に気相エピ”タキシヤル法により、先ず約
５０μｍ厚のアンドープＧａＮ層を形成する。アンドー
プＧａＮ層は通常内部に高密度の窒素空孔を含み、これ
らがドナーとなるため高導電性を持ち、この層は導電層
２として働く。キャリア密度は通常１０’゜ないしぼ”
？−０、導電率はたとえば１００モー程度である。引き
続き、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｄなどのアクセプタ不純物を気流
中に含ませてドーピングを行いつつ気相エピタキシャル
成長を施こすと、導電層上にはドナーが充分補償された
絶縁層１が形成される。これに適当な金属、例えば１ｎ
により接触４及び５を接続して電場発光半導体装置が形
成される。この様な装置においては、第１の接触４に正
、他の接触５に負の直流電圧を印加することにより絶縁
層１の内部て高電界域を生じ、その結果起つたアバラン
シエ現象により自由電子が生じ、これが再結合した青な
いし緑色の発光が起り、透明な導電層２及びサファイア
基板３を通して外部から観察される。
一般に、本装置を集積回路用電源と共に使用する場合な
どを考慮すると、本装置の動作電圧は少くとも１２■以
下が望ましい。
ところで、この様な電場発光半導体装置の動作電圧は主
に絶縁層の性質、特にその厚さに依存するという事実が
ある。このため、実際に安定に動作する様な装置を作成
すると、動作電圧が高いものになつてしまう。すなわち
動作電圧の低い装置を作成するには、絶縁層を薄くせね
ばならないが、この場合しばしば印加電圧により絶縁層
に破壊が起り装置の動作が不良になり、例えばショート
を起すなどして働かなくなつてしまう。従つて、研究室
段階で試作されたいくつかの例外を除き、動作電圧が数
１０Ｖと高いものしか作成できなかつた。この理由は現
段階で必ずしも明らかではないが、以下の様なものと考
えられる。すなわち、従来より知られた気相エピタキシ
ャル法でサファイア基板上に成長して得られるＧａＮ導
電層はヘテロエピタキシャルであるため必ずしも良質で
なく本質的に内部に欠陥を含む。
この欠陥とは例えば、結晶性の差異に基づく抵抗の不均
一、成長速度の差異から来る厚さの不均一などによるも
のである。この上に引続き成長させる絶縁層もこれらの
欠陥を受継いで成長する。しかも導電層、絶縁層の界面
近傍では、両層の格子定数のわずかな相異などから、こ
れらの欠陥の特性は強調されやすい。装置に動作電圧を
印加した場合、絶縁層中のこれらの欠陥は電界集中を受
けやすい箇所となる性質がある。従つて、動作電圧を低
くするために絶縁層を１μｍ以下と薄くした場合には、
これらの欠陥が無視できないものとなつてくる。印加電
圧により装置が破壊する過程は以下の様であると考えら
れる。
今、装置に動作電圧を印加すると、絶縁層中にアバラン
シエ現象を生じ、絶縁層の抵抗は瞬時に低下する。発光
はこのアバランシエ現象により生じた電子が再結合する
過程で得られるものてある。もし、絶縁層中に欠陥が存
在すると、そこに電界集中が起り、この部分のアバラン
シエ現象は過度となり、抵抗の低下が更に起り、更に電
界集中が起る。外部により適当に電流規制のない限り、
集中的に過大な電流が流れ、遂にはその箇所での絶縁層
の破壊に至る。この結実装置の動作は不良となる。本発
明は、上記欠点を改良し、低電圧で安定に動作するＧａ
Ｎによる電場発光半導体装置を提供するものである。
すなわち、この目的を達するために、絶縁層に直接接続
された第１の接触と、所定の高抵抗層を介して絶縁層に
電気的に接続された他の接触とを具えて成る電場発光半
導体装置を与えるものである。以下、本発明の実施例を
詳細に説明する。
第２図は、本発明の一実施例を示す構造断面図であり、
１１はＧａＮ絶縁層、１２は本発明の特徴部分であるＧ
ａＮ高抵抗層、１３はＧａＮ導電層、１４はサファイア
基板である。また、１５は絶縁層１１に直接接続された
第１の接触、１６はＧａＮ導電層１３、高抵抗層１２を
介して絶縁層１１に電気的に接続された他の接触である
。１７，１８は導線である。
今、本装置に動作電圧を印加すると、絶縁層中にアバラ
ンシエ現象を生じ絶縁層１１の中での発光が見られるが
、たとえ絶縁層を薄くして、動作電圧を低くしても本装
置は安定に動作する。この理由は以下の様に考えられる
。すなわち、アバランシエ現象により絶縁層の抵抗は瞬
時に低下するにもかかわらす新たに具備された高抵抗層
１２により電流の流れに制限を受け、それ以上の抵抗の
低下が防止され、安定なアバランシエ電流が流れる。高
抵抗層１２の抵抗値は１００Ωないし１０ＫΩが適当で
ある。この時の高抵抗層１２のキャリア密度は１０１５
ないし７×１０１７ＣＴｆｔ−３となつている。本発明
の半導体装置は、例えば以下の様にして作成される。
先ずサファイア基板１４上に気相エピタキシヤル法によ
りＧａＮを成長させるに先立つて、サファイア基板をＧ
ａＸ（Ｘ＝Ｃｌ．ｌ．Ｂｒ）の雰囲気中で熱処理を行う
。
この熱処理法については本出願人の先願（特願昭５４−
４５６４１）に詳しく述べられている。しかる後にサフ
ァイア基板１４上にアンドープでＧａＮエピタキシャル
成長を行うと、先ず基板１４とエピタキシャル層との界
面近傍に導電層１３が得られ、引続き以後の成長で高抵
抗層１２が得られる。この原因は以下の様に考えられる
。成長初期には基板１４表面上に多数の小さな島状のＧ
ａＮが先ず析出し、夫々成長して、順次近くにある同様
の島状結晶と融合してゆき、最後に全面に結晶層が形成
される。融合初期段階の結晶層は未だ融合が不完全のた
め比較的良質でなくドナーも多く含まれるため導電層１
３となる。しかるに本熱処理法による熱処理を施したこ
とにより、各島状結晶は結晶学的によくそろつているた
め、引続き成長する層は融合が完全となり、良質でドナ
ーが少なく、結果的に、アンドープにもかかわらず高抵
抗層１２を形成すると考えられる。この高抵抗層１２は
、キャリア密度１０１５ないし７×１０１７ｃｍ−３の
範囲を持つ。
第３図はこの様にして得たＧａＮ層の表面の紫外反射ス
ペクトルである。ＧａＮの紫外反射スペクトルの形は、
キャリア密度によつて変化するため、その形からキャリ
ア密度を知ることができる。従来法で成長した、キャリ
ア密度１０１８ｃｍ−３以上の層表面のスペクトルａに
対して、本方法により得た高抵抗層１２の例はスペクト
ルの形ｂよりリキヤリア密度が１０１６Ｃ７１−３程度
であることを示している。また６電気的測定によれば、
これらの層の抵抗は１００Ωないし１０ＫΩを示す。こ
の様にした得た基板との界面近くの導電層１３、及びそ
の上に引続き成長した約５０ｐｍの高抵抗層１２の上に
、更に続いて通常の方法により、アクセプタ不純物のド
ープされた、１μｍ程度以下の極めて薄い絶縁層１１を
形成し、これに第２図の様に接触１５及び１６を接続し
、本発明の電場発光半導体装置が得られる。
さらに本方法で成長させた高抵抗層１２は均一性がよく
、欠陥の少い導電層が得られるという利点も有している
。
このため、本方法を用いて得た本発明装置は、良質な絶
縁層１１を薄くすることが可能となり、容易に動作電圧
の低いものが得られる。一方、７×１０１７Ｃｒｆｔ−
３よりキャリア密度の多い結晶層にあつては、従来の導
電層と抵抗値が近く、かつ、欠陥を多く含む様になる。
また、１０１５ｃｍ−３より低いキャリア密度の場合に
は、装置に電流を流すのが困難となり、不適当となる。
導線１７，１８を介して、第１の接触１５に正、他の接
触１６に負の直流電圧約５■を印加することにより、本
装置は青ないし緑色の発光を示し、かつ極めて安定に動
作する。
第４図は、本発明の他の実施例を示したものである。
図において、２１〜２６は、先の実施例の１１〜１６と
夫々同じものを表す。本例の導電性結晶部分２９は、気
相エピタキシャル成長前に基板２４に予めスクラツチ３
０をつけておくことにより、成長中に導電層２３、高抵
抗層２２、絶縁層２１の各層を通して形成されたもので
あり、他の接触２６がこの上に接続されている。導電性
結晶部分２９は他の接触２６と導電層２３とを電気的に
接続する役目をはたす。本例では、他の接触２６は第１
の接触２５と同一平面上に形成することができ、かつ先
の実施例と同様の特性が得られる。第５図は更に他の実
施例を示している。
３１〜３６はそれぞれ２１〜２６と夫々同じものを表す
。
３９は、絶縁層３１を貫いて高抵抗層３２に達する穴で
あり、絶縁層３１の形成後にあけられる。
他の接触３６はこの穴を埋めるように設けられる。この
場合高抵抗層３２の厚さは電極間隔に比して、数分の１
以下のため、電流は図中イの様に流れる。先の実施例と
同様に約７Ｖの直流電圧を印加することにより青色ない
し緑色の発光が見られ、かつ極めて安定に動作させるこ
とができる。上記の実施例において、他の接触１６，２
６，３６は絶縁層ないし高抵抗層の表面ないし側面のい
ずれに接して接続されても本質的に動作に影響がない。
以上のように本発明は、絶縁層に直接接続され”た第１
の接触と、所定の高抵抗層を介して絶縁層に電気的に接
続された他の接触とを具備した電場発光半導体装置を提
供するものて、低電圧て安定に動作する利点を有する。
図面の簡単な説明第１図は従来の電場発光半導体装置の
構造を示す断面図、第２図、第４図、および第５図は本
発明の一実施例における電場発光半導体装置の構造を示
す断面図、第３図は従来装置および本発明装置に使用さ
れる結晶のキャリア密度を表す紫外反射スペクトルの例
を示す図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ サファイア基板上に、アンドープの導電性窒化ガリ
    ウム層と、アンドープの高抵抗性窒化ガリウム層と、絶
    縁性の窒化ガリウム層とを順次形成し、前記絶縁性の窒
    化ガリウム層に第１の接触を直接接続し、少なくとも前
    記高抵抗性窒化ガリウム層を介して前記絶縁性の窒化ガ
    リウム層に第２の接触を電気的に接続したことを特徴と
    する電場発光半導体装置。 ２ 第２の接触が導電性窒化ガリウム層に接続された特
    許請求の範囲第１項に記載した電場発光半導体装置。 ３ アンドープの高抵抗窒化ガリウム層のキャリア密度
    が１０＾１＾５乃至７×１０＾１＾７ｃｍ＿−＿３であ
    る特許請求の範囲第１項に記載した電場発光半導体装置
    。 ４ 第２の接触が第１の接触と離れた位置で絶縁性の窒
    化ガリウム層上に形成され、この第２の接触より絶縁性
    および高抵抗性窒化ガリウム層を貫通して導電性窒化ガ
    リウム層に達する導電領域が形成された特許請求の範囲
    第１項に記載した電場発光半導体装置。 ５ 絶縁性の窒化ガリウム層を貫通して高抵抗性の窒化
    ガリウム層に達する穴が設けられ、この穴内に第２の接
    触を形成した特許請求の範囲第１項に記載した電場発光
    半導体装置。
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