WO1997008759A1 - Dispositif emetteur de lumiere bleue et son procede de fabrication - Google Patents

Dispositif emetteur de lumiere bleue et son procede de fabrication Download PDF

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WO1997008759A1
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gallium nitride
layer
blue light
conductivity type
based semiconductor
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PCT/JP1996/002434
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French (fr)
Inventor
Koichi Nitta
Hidetoshi Fujimoto
Masayuki Ishikawa
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Toshiba
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    • Y10S438/93—Ternary or quaternary semiconductor comprised of elements from three different groups, e.g. I-III-V

Definitions

  • the present invention relates to a blue light-emitting device using a gallium nitride-based compound semiconductor and a method for manufacturing the same.
  • gallium nitride compound semiconductors such as GAN, InGAN, and GAIN have been developed using blue light emitting diodes (LEDs) and blue laser diodes. It has been noted as a material for LD (LD). The use of this compound semiconductor has made it possible to emit blue light of sufficient intensity, which has been difficult so far.
  • FIG. 7 shows the basic structure of such a conventional LED. That is, the blue light-emitting element 2 includes an N-type GaN semiconductor layer 202, which is stacked on a suffix substrate 200 via a buffer layer 201. The P-type GaN semiconductor layer 203 is formed. Light is emitted by pouring a carrier into a depletion layer between the N-type GaN semiconductor layer 202 and the P-type GaN semiconductor layer 203. Power.
  • a CVD method is used.
  • a sapphire substrate is formed by the above method, and a gallium nitride semiconductor forming each layer is laminated thereon. Then, separate the individual chips by cutting them into appropriate sizes. Finally, connect the chip to the wireframe and wire as necessary to make the product
  • an object of the present invention is to provide a gallium nitride-based blue light-emitting element requiring a small number of manufacturing steps and a method for manufacturing the same.
  • An object of the present invention is to provide a gallium nitride-based blue light-emitting element having high strength and low power consumption and a method for manufacturing the same.
  • a blue light-emitting device includes a first gallium nitride-based semiconductor layer to which a first conductivity type impurity is added, and a substantially genuine semiconductor layer.
  • a gallium nitride-based semiconductor active layer and a second gallium nitride-based semiconductor layer to which an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type is added are laminated. ing .
  • the first and second gallium nitride-based semiconductor layers and the gallium nitride-based semiconductor active layer are naturally cooled in an inert gas after being formed by thermal CVD. Re — More than 7% of the added impurities are activated.
  • the first gallium nitride-based semiconductor layer to which the impurity of the first conductivity type is added, and the substantially true gallium nitride semiconductor layer are formed.
  • the lithium-based semiconductor active layer has a second conductivity type opposite to the first conductivity type.
  • the second gallium nitride-based semiconductor layer to which the pure substance is added is formed by thermal CVD in a vacuum chamber, and then naturally cooled in an inert gas.
  • a thermal annealing process is not required, the manufacturing process is simplified, and the yield is improved.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor blue light-emitting element having high emission intensity and low power consumption can be realized.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a layer structure of a semiconductor chip of a gallium nitride-based compound semiconductor blue light emitting diode according to the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a gallium nitride according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a CDV device for forming a layer structure of a semiconductor chip of a blue compound light emitting diode.
  • FIG. 3 is a diagram showing a temperature change in a manufacturing process of a gallium nitride-based compound semiconductor blue light emitting diode according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a gallium nitride according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of a blue light emitting diode based on a compound semiconductor.
  • FIG. 5 shows an example of using a gallium nitride-based compound semiconductor-semiconductor laser of a blue-color light emitting diode according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing another example using a semiconductor laser of a blue-emitting diode of a compound semiconductor.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional example of a layer structure of a semiconductor chip of a gallium nitride-based compound semiconductor blue light emitting diode.
  • the gallium nitride-based compound semiconductor blue light emitting diode 1 is composed of a gallium nitride-based semiconductor buffer layer 101, a gallium nitride
  • the N-type semiconductor three-layered semiconductor layer 102 is formed thereon, and the nitrided N-type semiconductor cladding layer 103 is formed thereon.
  • An electrode 108 connected to the semiconductor contact layer 102 and an electrode 107 connected to the gallium nitride-based P-type semiconductor clad layer 105 are formed. You.
  • an InA1GaN compound semiconductor is used as a gallium nitride-based semiconductor.
  • a wide range of blue light emission is realized.
  • the following is an example of a specific composition.
  • G is I n A
  • the nitrided N-type semiconductor buffer layer 101 is formed of a nitrided N-type semiconductor buffer layer. This is intended to reduce lattice mismatch between the gallium-based semiconductor contact layer 1-2 and the sapphire substrate 1 ⁇ 0.
  • I n (x) A 1 (y) G a (1-xy) N The value of each parameter over time is, for example, 0 ⁇ x ⁇ K 0 ⁇ y ⁇ 1 or preferably 0 ⁇ X ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ 0.5 o
  • the gallium nitride-based N-type semiconductor contact layer 1-2 is for providing a contact surface to the electrode 108.
  • the value of the laminating value is, for example, 0 ⁇ X ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 or 0 ⁇ X ⁇ 1 for the gallium nitride N-type semiconductor contact layer 102. It is selected as X ⁇ 0.3 and 0 ⁇ y ⁇ 0.3.
  • impurities such as silicon and selenium have been added. However, the impurity concentration is 6 Xio 18 cffl " 3-
  • the gallium nitride-based N-type semiconductor cladding layer 103 constitutes the N side of the PIN junction forming the light emitting region. I n (x)
  • each parameter of A 1 (y) G a (1-xy) N is appropriately adjusted according to the wavelength to be emitted, for example, 0 ⁇ X ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 Preferably, 0 ⁇ X ⁇ 0.3 s 0.1 ⁇ y ⁇ 1. After all, some impurities such as silicon and selenium have been added to make them N-type, but the impurity concentration is 3 ⁇ 10 18 cm— ⁇ .
  • the gallium nitride-based semiconductor active layer 104 is a layer of substantially an intrinsic semiconductor that forms a central region of the light emitting region.
  • 0 ⁇ ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 preferably, 0 ⁇ X ⁇ 0
  • Gallium nitride-based p-type semiconductor node, layer 1-5 is composed of In (XN A 1 (y) G a (1) which constitutes the P side of the PIN junction forming the light emitting region. - ⁇ -y)
  • the value of each parameter of N depends on the relationship between the gallium nitride-based semiconductor layer 101 and the gallium nitride-based semiconductor active layer 104.
  • Is adjusted appropriately according to the wavelength to be emitted for example, 0 ⁇ X ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, preferably 0 ⁇ X ⁇ 0.3, 0.1 ⁇ y ⁇ 1.0 o
  • impurities such as magnesium, beryllium, and zinc have been added to make it a P-type. Ru Oh at 3 X 10 lo cm one 3.
  • the gallium nitride based P-type semiconductor contact layer 106 is for providing a contact surface to the electrode 107.
  • each layer over time is the case of a nitrided N-type semiconductor contact layer 102.
  • 0 ⁇ X ⁇ K 0 ⁇ y ⁇ 1 preferably 0
  • impurities such as magnesium, beryllium, and zinc are added in order to obtain a P-type. No! The concentration of the substance is 8 10 18 cm- 3 o
  • the electrode 107 is a transparent electrode for emitting light from the gallium nitride based semiconductor active layer 104.
  • metals and acids such as IT0 (indium ⁇ tin oxide) It is formed from elemental compounds, but may be formed sufficiently thin of metals such as Al and Ni.
  • Electrode 108 is the other electrode, but need not be particularly transparent.
  • it may be formed of a metal such as T i, A 1, and N i.
  • the values of the parameters In (x) A1 (y) Ga (1-xy) N are the same as those of the gallium nitride-based N-type semiconductor cladding layer 1.
  • the band gap of the N 3 and the P-type semiconductor nitride layer 105 is larger than the band gap of the active N 4 semiconductor layer 104. Is also decided to be large. By doing so, the amount of carrier injected into the gallium nitride based semiconductor active layer 104 can be increased, and the emission intensity can be further improved. And can be done.
  • FIG. 2 shows an outline of the CVD device.
  • This apparatus includes a vacuum chamber 20, a substrate holder 21 provided therein, a reaction gas introduction pipe 22, an exhaust pipe 23, and a substrate holder 21. It consists of a high-frequency coil (not shown) and a power to heat the placed substrate.
  • the substrate 100 is placed on the substrate holder 21, and the inside of the vacuum chamber 20 is exhausted to a pressure of 760 to 1 Torr. After that, high-frequency heating is started and a reaction gas containing an organic metal is introduced.
  • a reaction gas for example, Ga (CH 3 ) 3 and In (CH 3 ). , A 1 (CH n) 3 and NH 3, introduced together with a carrier gas consisting of hydrogen, nitrogen, etc. 7/08759
  • the reaction pressure is about 760 Torr.
  • the substrate temperature is set to 10 ⁇ 0 to 140 0.
  • the temperature for forming a gallium nitride based semiconductor buffer layer is set at 50 ° C. C to 200,000, i.e., 800 to
  • Lower to 1200 ° C o For example, at 1200 ° C 100. Lower the temperature to C to form an N-type contact layer or N-type clad layer doped with an appropriate impurity.o In the formation of the active layer, raise the temperature further from 300 V to 6 Decrease by 0 0 c. That is, 0 0 immediately. In the case of C, lower it from, for example, 600 ° C to 900 ° C. Finally, the substrate temperature is raised again to the initial temperature, for example, 0 ° C, and the necessary laminate is completed by forming the P-type cladding layer and the P-type u-contact layer.
  • the reaction gas inside the vacuum chamber 20 is completely replaced with an inert gas.
  • the inert gas it is preferable to use nitrogen, but other inert gases such as H and Ar may be used.
  • the internal pressure is adjusted to 600 to 900 Torr, for example, 760 Torr, and in that state, 2 to 3 hours put .
  • the substrate temperature drops to the room temperature level (for example, about 25.C), so the sapphire substrate is removed from the vacuum chamber 20.
  • the sapphire substrate taken out of the vacuum chamber 20 is cut to a suitable size as it is with a diamond cutter. Divide and get many chips. When a blue light-emitting element is fabricated with that chip, light emission with sufficient intensity can be seen, and it is a component that the heat annealing as post-processing is not required.
  • the present invention it is not necessary to perform thermal annealing as post-processing on the sapphire substrate taken out from the vacuum chamber 20, and the process is simplified, The time required for manufacturing is also reduced.
  • the formed device itself tends to have a higher luminous intensity than before.
  • FIG. 4 is a structural sectional view of a light emitting diode 500 according to another embodiment of the present invention. A method for manufacturing the light emitting diode 500 without using this structural sectional view will be described in order.
  • a sapphire substrate 501 having a c-plane as a main surface subjected to organic cleaning and acid cleaning is placed on a heatable susceptor in a MOCVD apparatus.
  • the heating method may be either a resistor heater or an induction heating method.
  • N buffer layer 502 formed 0
  • the supply of TMG was stopped, and the temperature was reduced to 110 ° C. at a rate of 50 ° C. or less. The temperature rose to C. If the heating rate force at this time is larger than 50 ° C., the surface force of the buffer layer 502 is increased, and irregularities occur on the surface of the single crystal layer.
  • the thickness of the buffer layer 503 of the crystal semiconductor (GaN) is 1.8
  • N contact / injection layer 504 was formed with a thickness of 4 m.
  • the temperature was raised to 110 ° C by applying nitrogen at 20 LZ, hydrogen at 10 L / oCc, and ammonia at 10 L / division, and the temperature was raised to 7 * -0.
  • the P-type layer is a single layer.
  • the contact layer is G aN and the injection layer is AlG aN, and the carrier concentration is higher in the contact layer than in the injection layer.
  • the supply gas was switched to 30 LZ of nitrogen, and the temperature was lowered to room temperature.
  • the activation rate was 8% in the P-type GaN layer for the Mg concentration of 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 13.
  • the activation rate in this case is defined as the value obtained by normalizing the receptor concentration with the Mg concentration.
  • the atmosphere is 20 LZ for nitrogen up to 400 ° C, the ammonia is 10 L / min, and the nitrogen is only 40 ° C to room temperature.
  • the activation rate can be maintained at 7% or more even when the operation is performed at 0 L.
  • the heat treatment for 1 minute can further increase the carrier concentration of the P-type layer 506, and realizes a 2 xlO 1 'cnT 3 P-type crystal. We were able to .
  • Ni was set to 20 nm
  • gold was set to 400 nm (510 in the figure)
  • a well-known vacuum evaporation method and a sputtering method were used.
  • the electrode for the N-type layer 504 was formed to have a Ti of 200 nm and a gold of 400 nm (511 in the figure).
  • the electrodes for the P-type layer include the Ni / Au laminated structure, the single layer of Pd, Ti, Pt, and In, or Ni and Au. A laminated structure or alloy is also possible.
  • As the electrode for the N-type layer in addition to T i and A u, a single layer of A 1 and 1 n, or a laminated structure or alloy containing T i and A u is also possible. You.
  • a protective film such as SiO 2 was formed on the P-type electrode 5 10 to complete the formation of the device.
  • the light emitting diode has been described.
  • the gist of the present invention is the manufacturing process of the P-type layer, Ga is not deviated from the gist unless the gist is deviated.
  • Semiconductor lasers using N-type are also possible.
  • a gallium nitride-based semiconductor buffer layer 702 As shown in FIG. 5, on a sapphire substrate 701, a gallium nitride-based semiconductor buffer layer 702, a gallium nitride-based N -Type semiconductor contact layer 703, gallium nitride-based N-type semiconductor layer 704, gallium nitride-based N-type semiconductor clad layer 7.0
  • gallium nitride-based semiconductor active layer layer 706 gallium nitride-based semiconductor active layer 706. gallium nitride-based P-type semiconductor clad layer 707, gallium nitride-based P-type semiconductor layer 708, gallium nitride A lithium-based P-type semiconductor layer 709 and a gallium nitride-based P-type semiconductor contact layer 710 are stacked.
  • the negative portion is formed by the reactive ion etching method until the gallium nitride-based N-type semiconductor contact layer 703 appears on the surface.
  • ⁇ -type electrode formed by laminating Ti, Au, Ti, and Au in this order from below on the exposed surface. 200 £ m, 4
  • the thicknesses of the P-type electrodes 71 1, which are 200 ⁇ m, 400 A, and 200 Um ⁇ 1 ⁇ m, respectively, are the lower forces, Pd, T i , P t, and T i may be stacked in this order.
  • the thicknesses are 200 m ⁇ 4 m and 400 m, respectively.
  • Gallium nitride-based semiconductor used for the gallium nitride-based semiconductor active layer 706 includes In (x) G a (l
  • the other gallium nitride-based semiconductor layers are based on GaN, and the thickness is, for example, a sapphire substrate.
  • Buffer layer 70 2 force ⁇ 50 ⁇ A
  • gallium nitride-based N-type semiconductor contact layer 70 3 force m gallium nitride-based N-type semiconductor layer m
  • gallium nitride-based N-type semiconductor cladding layer 705 ⁇ 0.2 m
  • the impurity concentration is, for example, nitride gas re U beam based N-type semiconductor material co te click coat layer 7 0 3 Chikaraku 2 XloiocnT 3 nitride gas re U beam system N-type semiconductor layer 7 0 4 5 x10 17 cnT 3 , Gallium nitride based N-type semiconductor cladding layer 705 is 5 xl0 17 cm " 3.
  • Gallium nitride based P-type semiconductor cladding layer 707 is 5 xl0 17 cnT 3, nitride gas re U beam based P-type semiconductor layer 7 0 8 5 x10 17 cnt 3, nitride gas re U beam based P-type semiconductor layer 7 0 9 3 X 10 1 ° cm- 3, nitride gas re ⁇ beam System P-type semiconductor contact layer 7 10 is 2 xl0 19 cm _3
  • the reactive ion etching is performed up to the gallium nitride-based N-type semiconductor contact layer 703.
  • Etching is performed by the etching method, and the GaN layer, which has been made high resistance by Zn, is buried in the etched portion.
  • the resonance portion may be limited.
  • Figure 6 shows such a structure.
  • the high resistance G a N layer 8 0 0 In here, X 1 0 1 8 cm " 3 of Z n is that introduces.
  • the manufacturing process is simplified, and the yield is improved.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor blue light-emitting device having high emission intensity and low power consumption can be realized.

Description

明 細 書 青色発光素子及びそ の製造方法 技術分野
こ の発明 は、 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体を用 い た青 色発光素子及びそ の製造方法に関す る 。 背景技術
近年、 G a N 、 I n G a N、 G a A l N と い っ た、 窒 化ガ リ ウ ム系化合物半導体が、 青色発光ダイ ォ ー ド （ L E D ) や青色 レ一ザ一 ダイ オ ー ド （ L D ) の材料 と し て 注 目 さ れてい る 。 こ の 化合物半導体を使 う こ と に よ っ て こ れま で困難であ っ た十分な強度の青色光を発す る こ と が可能 と な っ て き た。
窒化ガ リ ゥ ム系化合物'半導体を使 つ た青色発光素子 と し て は、 例え ば、 特開平 4 一 3 2 1 2 8 0 そ の他 に幾つ か提案 さ れてい る 。 図 7 に 、 こ の よ う な 従来 の L E D の 基本構造を示す。 すな わ ち 、 青色発光素子 2 は、 サ フ ァ ィ ャ基板 2 0 0 の上に バ ッ フ ァ 層 2 0 1 を介 し て積層 さ れた N 型 G a N 半導体層 2 0 2 、 P 型 G a N 半導体層 2 0 3 力、 ら な っ て い る 。 こ れ ら N型 G a N 半導体層 2 0 2 P 型 G a N 半導体層 2 0 3 間の空乏層に 、 キ ャ リ ア を注 入す る こ と に よ つ て発光を行 う こ と 力 で き る 。
こ の よ う な青色発光素子を製造す る に は、 先ず C V D 等でサ フ ァ ィ ャ基板を結 ffi成長 さ せ、 そ の上 に 各層を形 成す る 窒化ガ リ ゥ ム の半導体を積層 し て い く 。 そ の後、 適当 な大 き さ に 切 り 分け て個 々 の チ ッ プを分離す る 。 最 後 に 、 そ の チ ッ プを ヮ ィ ヤー フ レ ー ム に接続 し 、 必要な 配線を行 つ て製品 にす る
一方、 不活性ガ ス 中で の 自 然冷却工程 は、 特開平 8 -
1 2 5 2 2 2 号公報に記述があ る 。 し 力、 し な力 ら 、 本公 報に記載 さ れて い る よ う な室温ま での雰囲気を不活性ガ ス に 置換す る た め に は、 公報に記載 さ れてい る と お り 反 応管中を高温状態の ま ま 真空に排気 し な ければな ら な い こ の よ う な工程では、 基板が成長が生 じ る程度の高温で あ る た め、 排気の際 に成長 し た結晶が再蒸発 し て し ま い 成長 し た結晶が残 ら な い 、 あ る い は ^ 曰白 の膜厚が減少 し て し ま う と い う 問題点力《あ つ た。
こ の よ う な従来の窒化ガ リ ゥ ム 系青色発光素子では、 半導体に導入 し た不純物は積層 し た だけで は、 十分に活 性化 さ れて い な い。 従 つ て、 後工程と し て、 熱ァニー ル を行 う 必要が あ つ
こ の よ う な熱ァ ニー ル工程を設け る こ と は、 工程数や 処理時間を増加 さ せ る だけでな く 、 6 0 0 °C以上 と い う— 高温に窒化ガ リ ゥ ム半導体を長時間晒す こ と に な る ので 結晶か ら の窒素の抜けや、 表面モ ホ ロ ジ 一 の悪化につ な が る 。 従 つ て、 窒素の抜け に よ る 半導体特性の変化や、 表面モ ホ ロ ジ一の悪化に よ っ て、 青色発光特性や歩留ま り の向上が困難 と な っ てい る 。 発明 の開示
従 っ て、 本発明の 目 的は、 製造工程の少な い窒化ガ リ ゥ ム系青色発光素子及びそ の製造方法を提供す る こ と で め る o
本発明 の他の 目 的は、 歩留 ま り の よ い窒化ガ リ ウ ム系 青色発光素子及びそ の製造方法を提供す る こ と であ る 。
本発明の更に他の 目 的は、 量産 に適 し た窒化ガ リ ウ ム 系青色発光素子及びそ の製造方法を提供す る こ と であ る 本発明の更 に他の 目 的は、 発光強度が大 き く 消費電力 の小 さ い窒化ガ リ ゥ ム系青色発光素子及びそ の製造方法 を提供す る こ と であ る 。
前記目 的を達成す る 為に、 本発明 に よ る 青色発光素子 は、 第 1 の導電型の不純物が添加 さ れた第 1 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層 と 、 実質的に真正な窒化ガ リ ウ ム系半導 体活性層 と 、 前記第 1 の導電型 と は反対の第 2 の導電型 の不純物が添加 さ れた第 2 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層が 積層 さ れて い る 。 そ し て、 前記第 1 及び第 2 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層及び前記窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 は 熱 C V D で形成 さ れた後不活性ガ ス 中で 自 然放冷 さ れ — 添加 さ れた不純物の 7 %以上が活性化 さ れて い る 。
又、 本発明 に よ る 青色発光素子の製造方法に よ れば、 第 1 の導電型の不純物が添加 さ れた第 1 の窒化ガ リ ウ ム 系半導体層 と 、 実質的 に真正な窒化ガ リ ウ ム系半導体活 性層 と 、 前記第 1 の導電型 と は反対の第 2 の導電型の不 純物が添加 さ れた第 2 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層 と を、 真空チ ャ ン バ内で熱 C V D で形成 し た後、 不活性ガ ス 中 で 自然放冷 さ れ る 。
以上の よ う な構成に よ り 、 本発明 に よ れば、 熱ァニ ー ル工程を必要 と せず、 製造工程が簡略 さ れ、 歩留 ま り が 向上す る 。 又、 本発明 に よ れば、 発光強度が大 き く 消費 電力の小 さ い窒化ガ リ ゥ ム系化合物半導体青色発光素が 実現す る 。 図面の 簡単な説明
図 1 は、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体青 色発光ダイ ォ ー ド の半導体チ ッ プの層構造を示す断面図 図 2 は、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体青 色発光ダイ ォ 一 ド の半導体チ ッ プの層構造を形成す る C D V装置を示す概略図。
図 3 は、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体青 色発光ダイ ォ 一 ドの製造工程に お け る 温度変化を示す図 図 4 は、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体青 色発光ダイ ォ ー ドの別の例を示す図。
図 5 は、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体-青— 色発光ダイ ォ ー ド の半導体 レ ー ザー を利用 し た例を示す 図 6 は 、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ウ ム系化合物半導体青 色発光ダィ ォ ー ドの半導体 レ ー ザー を利用 し た別の例を 示す図。 図 7 は、 窒化ガ リ ウ ム 系化合物半導体青色発光ダ イ ォ ドの半導体チ ッ プの層構造の従来例を示す断面図。 発明を実施す る た めの最良の形態
図 1 を参照 し て、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ゥ ム 系化合物 半導体青色発光ダイ ォ ー ドの製造方法を説明す る 。
窒化ガ リ ゥ ム系化合物半導体青色発光ダイ オ ー ド 1 は . サ フ ア イ ャ基板 1 0 0 の上に、 窒化ガ リ ウ ム系半導体バ ヅ フ ァ 層 1 0 1 、 窒化ガ リ ウ ム系 N型半導体 3 ン タ ク 卜 層 1 0 2 が形成 さ れ、 そ の上に、 窒化ガ リ ゥ ム系 N型半 導体 ク ラ ッ ド層 1 0 3 窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 1 0 4 、 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 5 、 窒 化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 ン タ ク ト 層 1 0 6 及び窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 1 0 2 に接続 し た電極 1 0 8 と 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 5 に 接铳 し た電極 1 0 7 が形成 さ れてい る。
本発明で は、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体 と し て I n A 1 G a N 化合物半導体を用 い た o れ は、 そ の組成を調整 す る こ と で 、 広範囲の青色発光を実現す る こ と がで き る ， 以下に具体的な組成の例を記載す る G は、 I n A
1 G a N 化合物半導体の 各成分比を表すた め に 、 I n ( X ) A 1 ( y ) G a ( 1 - x - y ) N と い う 表記を便 う o こ こ で、 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ 1 と X + y ≤ 1 が満 た さ れてい る
窒化ガ リ ゥ ム系 N型半導体バ ッ フ ァ 層 1 0 1 は、 窒化 ガ リ ゥ ム 系半導体 コ ン タ ク ト 層 1 〇 2 と 、 サ フ ア イ ャ基 板 1 ◦ 0 と の格子間の不整合を緩和す る も の で あ る 。 I n (x) A 1 (y) G a ( 1-x-y) N < 各パ ラ メ 一 夕 の値は 、 例え ば、 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ 1 好ま し く は、 0 ≤ X ≤ 0 . 5、 0 ≤ y ≤ 0 . 5 に選ばれ る o
窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク 卜 層 1 〇 2 は、 電 極 1 0 8 への コ ン タ ク ト 面を設け る た め の も の で あ る 。 I n (x) A 1 (y) G a ( 1-x-y) N の各ハ。 ラ メ 一 夕 の値 は 窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 1 0 2 の場合、 例え ば、 0 ≤ X ≤ 1、 0 ≤ y ≤ 1 好 ま し く は、 0 ≤ X ≤ 0 . 3、 0 ≤ y ≤ 0 . 3 に選ばれ る o や は り 、 N 型 と す る た め に 、 シ リ コ ン ゃ セ レ ン と い つ た不純物が 添加 さ れて い る が、 そ の不純物濃度は、 6 X io18cffl"3- め る o
窒化ガ リ ゥ ム系 N型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 3 は、 発光 領域を形成す る P I N接合の N側を構成す る 。 I n (x)
A 1 (y) G a ( 1-x-y) N の 各パ ラ メ ー タ の値は 、 発光 さ せ た い波長 に よ っ て適宜調整 さ れ る が、 例え ば、 0 ≤ X ≤ 1、 0 ≤ y ≤ 1 好ま し く は、 0 ≤ X ≤ 0 . 3 s 0 . 1 ≤ y ≤ 1 に選ばれ る 。 又、 や は り 、 N 型 と す る た め に 、 シ リ コ ン ゃ セ レ ン と い つ た不純物が添加 さ れて い る が 、 そ の不純物濃度は、 3 X 1 018 c m— ΰで あ る 。
窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 1 0 4 は、 発光領域の 中 心 と な る 領域を形成す る 実質的に真正半導体の層であ る I n (X) A 1 (y) G a ( 1-x-y) N の各パ ラ メ 一 夕 の値は 発光 さ せた い波長に よ っ て適宜調整 さ れ る が、 例え ば、
0 ≤ ≤ 1、 0 ≤ y ≤ 1 好 ま し く は、 0 ≤ X ≤ 0
.6、 0 ≤ y≤ 0.5に選ばれ る 。
窒化ガ リ ゥ ム系 p 型半導体 ク ラ 'ソ ド、層 1 〇 5 は、 発光 領域を形成す る P I N 接合の P 側を構成す る I n (Xノ A 1 (y) G a (1-χ -y) N の 各パ ラ メ ー タ の値は、 窒化ガ リ ゥ ム系 Ν 型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 3 及び窒化ガ リ ウ ム 系半導体活性層 1 〇 4 と の関係で、 発光 さ せた い波長に よ っ て適宜調整 さ れ る が、 例え ば、 0 ≤ X ≤ 1、 0 ≤ y ≤ 1 好 ま し く は、 0 ≤ X ≤ 0.3、 0. 1 ≤ y ≤ 1.0 に選ばれ る o 又、 P 型 と す る た め に、 マ グネ シ ュ ー ム、 ベ リ リ ュ ー ム 、 亜鉛 と い つ た不純物が添加 さ れて い る 。 不純物濃度は 、 3 X 10l ocm一3で あ る 。
窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体 コ ン タ ク ト 層 1 0 6 は、 電 極 1 0 7 への コ ン タ ク ト 面を設け る た めの も の で あ る 。
1 n (x) A 1 (y) G a (1-x-y) N の各ノヽ'ラ メ 一 夕 の値は 窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 1 0 2 の場合、 例え ば、 0 ≤ X ≤ K 0 ≤ y ≤ 1 好 ま し く は、 0
≤ X ≤ 0.3> 0 ≤ y ≤ 0.3 に選ばれ る 。 又、 P 型 と す る た め に、 やは り マ グネ シ ュ ー 厶 、 ベ リ リ ユ ー ム 、 亜鉛 と い っ た不純物が添加 さ れて い る 。 不！ ¾物濃度は、 8 1018 c m— 3であ る o
電極 1 0 7 は、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 1 0 4 の 発光に た い し て透明 な電極であ る 。 具体的 に は、 I T 0 ( イ ン ジ ユ ー ム ♦ チ ン · ォ キ サ イ ド） の よ う な 金属 と 酸 素の 化合物か ら 形成 さ れ る が、 A l 、 N i 等の金属を十 分薄 く 形成 し て も よ い。
電極 1 0 8 は、 も う 一方の電極で あ る が、 特に透明で あ る 必要はな い。 例え ば、 T i 、 A 1 、 N i 等の金属で 形成 し て も よ い。
以上の設定で は、 I n (x) A 1 (y) G a (1-x-y) N の 各パ ラ メ ー タ の 値は、 窒化ガ リ ウ ム系 N型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 3 及び窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 1 0 5 のバ ン ドギ ヤ ッ プが、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 1 0 4 のバ ン ドギ ヤ ッ プよ り も大 き く な る よ う 決め ら れ て い る 。 こ の よ う にす る こ と に よ っ て、 窒化ガ リ ウ ム系 半導体活性層 1 0 4 へ注入さ れ る キ ヤ リ ア の量を多 く し 発光強度を更に 向上 さ せ る こ と がで き る 。
こ れ ら の窒化ガ リ ゥ ム系半導体の積層体は、 サ フ ア イ ャ基板の上に熱 C V D 等で形成 さ れ る 。 図 2 に、 C V D 装置の概略を示す。 こ の装置 は、 真空チ ャ ン バ 2 0 と 、 そ の中 に設 け ら れた基板ホ ルダ 2 1 と 、 反応ガス導入管 2 2 と 、 排気管 2 3 と 、 基板ホ ルダ 2 1 に置かれた基板 を加熱す る 高周波 コ イ ル （図不示） と 力、 ら な っ て い る 。
先ず、 基板ホ ルダ 2 1 にサ フ ア イ ャ基板 1 0 0 を載置 し 、 真空チ ャ ン バ 2 0 内を 7 6 0 力、 ら l T o r r ま で排 気す る。 そ の後、 高周波加熱を開始す る と 共に、 有機金 属 を含む反応ガス を導入す る 。 反応ガス と し て は、 例え ば、 Ga(CH 3 ) 3 、 I n (CH 3 ) 。 、 A 1 (CH n ) 3 及び N H 3 で、 水素や窒素等か ら な る キ ャ リ アガス と 共に導入 7/08759
さ れ る 。 反応圧力 は、 約 7 6 0 T o r r であ る 。
の よ う に し て、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体の形成が行わ れ る 0 そ の 際、 反応ガス の夫 々 の成分比率を切 り 替え て 各層の成分比を調節す る 。 又、 不純物を添加す る た め に 適宜 S i H 4 や C P 2 M g 等を導入す る 。
図 3 を参照 し て、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体を形成す る 際 の、 真空チ ャ ン バ 2 0 内の温度変化を説明す O 先ず、 基板温度を 、 1 0 〇 0 乃至 1 4 0 0 °c例え ば 1 2 0 0 て に上げて、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体 ' ッ フ ァ 層を形成す る そ の 1¾、 im.度を 5 0 。C 乃至 2 0 0 て分、 即ち 8 0 0 乃至
1 2 0 0 °c迄下げ る o 例えば 1 2 0 0 °C の場 1 0 0 。C ま で下げて、 適当な 不純物を添加 し た N 型 コ ン 夕 ク ト 層や N型 ク ラ ッ ド層を形成す o 活性層の形成で は、 温度を更に 3 0 0 V か ら 6 0 0 c分下げ る 。 即 ち 、 0 0 。C の場合、 そ こ か ら例え ば 6 0 0 °C か ら 9 0 0 °C ま で下げ る 。 最後に、 基板温度を再び最初の温度、 例え ば 0 0 °c に上げて、 P 型 ク ラ ッ ド層や P 型 u ン タ ク 卜 層を形成 し て必要な積層体が完成す る
本発明で は、 こ の後、 真空チ ャ ン バ 2 0 内部の反応ガ ス を、 不活性ガ スで完全に置 き 換え る。 不活性ガス と し て は、 窒素を用 い る のが好ま し いが ヽ H 、 A r等他の不活 性ガス を用 い て も よ い
空チ ヤ ン バ 2 0 が不活性ガスで満た さ れた後、 内部 の圧力を 6 0 0 乃至 9 0 0 T o r r 例え ば 7 6 0 T o r r に調整 し 、 そ の ま ま の状態で、 2 時間か ら 3 時間程度 放置す る 。 す る と 、 基板温度が、 室温の レベル （例え ば 約 2 5 。C ) ま で下が る の で 、 サ フ ア イ ャ基板を真空チ ヤ ン バ 2 0 か ら 取 り 出す。
以上の よ う に真空チ ヤ ン バ 2 0 か ら取 り 出 さ れた サ フ ア イ ャ基板は、 そ の ま ま ダイ ア モ ン ドカ ツ 夕 一 で、 適当 な大 き さ に切 り 分けて多数の チ ッ プを得 る 。 そ の チ ッ プ で、 青色発光素子を作成す る と 、 十分な 強度の発光が見 ら れ る ので、 後処理 と し て の熱ァニ ー ルが不要であ る こ と が分力、 る
本発明では、 真空チ ヤ ンバ 2 0 か ら取 り 出 さ れた サ フ ア イ ャ基板に、 後処理 と し ての熱ァニー ルを行な う 必要 がな く 工程が簡略化 さ れ、 製造にかかわ る 時間 も 短縮 さ れ る。 し か し 、 形成 さ れた素子 自 体 も 、 従来 に比較 し て 発光強度が大 き く な る 傾向があ る
こ の理由 は、 次の よ う に考え ら れ る 。 すな わ ち 、 従来 の方法では、 不純物を活性化す る た め に、 熱ァニ一ノレを 行 っ てい る が、 実測 し てみ る と 実際に活性化 さ れ る の は 添加 さ れた不純物の約 1 % に過 ぎな い こ と が分か つ て い る 。 残 り の 9 9 % は無駄に な る だけでな く 、 格子欠陥を 作 り 、 キ ヤ リ ァ の ト ラ ッ プ中心と な っ て し ま ラ 。 従 っ て 注入 さ れた キ ャ リ ア の かな り の部分は 、 そ こ に捕獲さ れ て し ま い、 有効な発光を行な ラ こ と がで き な い
こ れ に対 し て、 本発明の よ う な方法では 、 実測 し てみ る と 実際に活性化 さ れ る の は 添加 さ れた不純物の少な く と も 7 %以上、 通常は約 1 0 % あ り 、 キ ャ リ ア 自 体の
0 一 量が非常 に 多 い。 更に 、 抵抗 も減 る の で 、 低消費電力 の 素子が実現で き る 。
図 4 は本発明 の別の実施形態であ る 発光ダイ ォ 一 ド 5 0 0 の構造断面図であ る 。 こ の構造断面図を用 い な 力《 ら 発光ダイ ォ一 ド 5 0 0 の製造方法を順に説明す る 。
ま ず、 有機洗浄およ び酸洗浄を ほ ど こ し た c 面を主面 と し た サ フ ア イ ァ基板 5 0 1 を M O C V D 装置内の加熱 可能な サ セ プ タ 上に載置す る 。 こ の場合の加熱方法 は、 抵抗体 ヒ ー タ ー に よ っ て も よ い し 、 誘導加熱に よ る 方法 も可能で あ る 0
こ の サ フ ア イ ァ基板 5 0 1 に水素を 1 0 L 分流 し な 力《 ら 、 1 1 0 0 °C、 1 0 分程度の熱処理を加え 、 基板表 面の加エダ メ ー ジ お よ び酸化物を除去 し た。
次に、 温度を 5 5 0 °C ま で低下 さ せて、 水素を 1 5 L
Z分、 窒素を 5 L Z分、 ア ン モニア を 1 0 L Z分、 T M G ( 卜 リ メ チ ルガ リ ウ ム ） を 2 5 c c /分で 4 分間供給 し て、 厚 さ 3 0 n m の G a N バ ッ フ ァ 層 5 0 2 を形成 し た 0
次に、 T M G の供給を停止 し 、 5 0 °C Z分以下の速度 で 1 1 0 0 。C ま で昇温 し た。 こ の時の昇温速度力《 5 0 °C よ り 大 き い と 、 バ ッ フ ァ 層 5 0 2 の表面力《あ れ、 単結晶 層の表面に 凸凹が生 じ る 。
次に 、 温度を 1 1 0 0 °Cで保持 し 、 水素を 1 5 L Z分 窒素を 5 L ノ分、 ア ン モニア を 1 0 L Z分、 T M G を 1 0 0 c c /分で 6 0 分間供給 し て、 窒化ガ リ ウ ム系単結 一 1 晶半導体 （ G a N ) の バ ッ フ ァ 層 5 0 3 を厚 さ 1 . 8
ΠΊ で成 JSC L 0
次に 、 温度を 1 1 ◦ 0 °Cで保持 し た ま ま 、 原料ガ ス に シ ラ ン ガ ス 1 0 c c /分を加え て さ ら に 1 3 〇 分間供給 し て、 N型 G a N コ ン タ ク ト 兼注入層 5 0 4 を厚 さ 4 mで形成 し た。
次に 、 T M G 、 シ ラ ン ガス お よ び水素の供耠を停止 し て 7 8 0 °C ま で降 し 7こ。
次に、 温度を 7 8 0 °Cで保持 し た ま ま 、 窒素を 2 0 L /分、 水素を 1 0 0 c c Z分、 ア ン モ ニ ア を 1 0 L Z分、 T M G を 1 2 c c 分、 T M I ( ト リ メ チ ノレ イ ン ジ ウ ム ） を 1 5 0 c c /分、 シ ラ ン ガ ス を 3 c c Z分、 D M Z ( ジ メ チ ノレ ジ ン ク ） を 2 0 c c Z分で 6 分間供給 し て、 厚 さ 0 . 2 mの発光層であ る 1 n G a N半導体活性層 5 0 5 を形成 し た 0
次に、 窒素を 2 0 L Z分、 水素を l O O c c ノ分、 ァ ン モニァ を 1 0 L /分流 し な力 ら 、 1 1 0 0 °C ま で昇温 し 7*- 0
次に 、 温度を 1 1 0 0 °Cで保持 し 、 窒素を 2 0 L Z分、 水素を 1 5 0 c c /分、 ア ン モ ニ ア を 1 0 L Z分、 T M
Gを 1 0 0 c c ノ分、 C p 2 M g ( シ ク ロ ペ ン 夕 ジェニ ルマ グネ シ ゥ ム ) を 5 0 c c Z分で 1 0 分間流 し なが ら 、 厚 さ 0 . 3 mの P 型 G a N コ ン タ ク ト 兼注入層 5 0 6 を形成 し 0
本実施例に お い て は P 型層 は 1 層 と し た力《、 コ ン タ ク
2 一 ト 層 と 注入層 と を分離す る こ と も 可能であ る 。 こ の場合 は 、 コ ン タ ク 卜 層を G a N 、 注入層を A l G a N と し 、 キ ャ リ ア 濃度を注入層 よ り も コ ン タ ク ト 層の方を高 く す る こ と が望 ま し い o
次に 、 供給ガス を窒素 3 0 L Z分に 切 り 換え て室温 ま で降温 し た 。 こ の よ う な成長の結杲、 P 型 G a N層中で は M g 濃度 3 X 1019cm一 3に対 し て、 活性化率 8 % を示 し た。 こ の場合の活性化率 と は、 ァ ク セ プ タ 濃度を M g 濃 度で規格化 し た も の で定義す る も の と す る 。 一方、 降温 時の雰囲気を 4 0 0 °C ま での範囲で窒素 2 0 L Z分、 ァ ン モ ニ ァ を 1 0 L /分、 4 0 0 °C か ら室温 ま でを窒素の み 3 0 L ノ分で行な つ て も 、 活性化率は 7 %以上を維持 す る こ と がで き
― kに窒化ガ リ ウ ム系半導体に は窒素抜け の 問題があ る 力《、 そ の防止に は窒素そ の も の よ り も 窒素イ オ ン を生 成す る こ と の 出来 る 化合物の方が効果があ る 。 そ の意味 で、 窒素に加え ア ン 乇ニァ を導入す る 意味があ る 。 し か し 、 ア ン モ ニ ァが多す ぎ る と 、 も う 1 つ の要素であ る 水 素の影響が出 て き て好 ま し く な い。 実験的 に は、 窒素 2 に対 し てア ン モニァ 1 の割合程度が良い こ と が分か っ て い る
こ の よ う に し て形成 し た層構造につ い て、 7 5 0 。C 、
1 分の熱処理を施す こ と に よ り 、 P 型層 5 0 6 の キ ヤ リ ァ 濃度を さ ら に増加 さ せ る こ と 力 で き 、 2 xlO1 ' cnT3の P 型結晶を実現す る こ と がで き た 。
3 - 次に 、 以上の よ う に し て形成 し た層構造を、 S 0 2 な どでパ タ ー ニ ン グ し 、 C 1 2 や、 れに B C 1 g を加 え た ガ ス な どを用 い て 、 反応性イ オ ン エ ッ チ ン グ （ R I
E ) 法で一部を N 型 G a N 層 5 0 4 が表面 に現われ る ま でエ ッ チ ン グ し た
次に 、 P 型層 5 0 6 に対す る 電極 と し て、 N i を 2 0 n m 、 金を 4 0 0 n m (図中 5 1 0 ) 、 周知の真空蒸着 法ゃス パ ッ 夕 法な どを用 い て形成 し よ フ 、 N型層 5 0 4 に対す る 電極 と し て T i を 2 〇 n m 、 金を 4 0 0 n m (図中 5 1 1 ) を形成 し た。 P 型層への電極 と し て は N i / A u の積層構造の ほ力、 に 、 P d 、 T i 、 P t ， I n の単層、 あ る い は N i や A u を含め た積層構造、 合金 で も可能であ る 。 N 型層への電極 と し ては、 T i 、 A u の ほかに、 A 1 、 1 n の単層、 あ る い は T i や A u を含 め た積層構造や合金 も可能であ る。
次に、 P 型電極 5 1 0 上に S i 0 2 な どの保護膜を形 成 し 、 素子の形成が完成 し た。
本実施例で は、 発光ダ ィ ォ ー ド につ い て説明 し たが、 本発明の主 旨は P 型層の製造工程であ る ので、 主旨を逸 脱 し な い 限 り 、 G a N 系を用 い た半導体 レ ー ザでも 可 ½ であ る 。
図 5 を参照 し て、 こ の よ う な半導体 レ ー ザを利用 し た 青色発光素子の構造の例を説明す る 。
図 5 に示すよ う に サ フ ア イ ャ基板 7 0 1 の上に、 窒化 ガ リ ウ ム系半導体バ ッ フ ァ 層 7 0 2 、 窒化ガ リ ウ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 0 3、 窒化ガ リ ゥ ム 系 N型半導 体層 7 0 4 、 窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 ク ラ ッ ド層 7.0
5 、 窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層層 7 0 6 . 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 7 0 7、 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型 半導体層 7 0 8 , 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体層 7 0 9 , 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 1 0が積層 さ れてい る 。
こ で も 図 4 の例 と 同様に、 反応性ィ ォ ン エ ツ チ ン グ 法で—部を窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク 卜 層 7 0 3が表面に現われ る ま でェ ッ チ ン グ し 、 露出 し た表面に 下か ら T i 、 A u 、 T i 、 A u の順序で積層 し て Ν 型電 極を形成 し た 0 そ の場合の厚み は、 夫 々 2 0 0 £ m 、 4
0 0 0 A . 2 0 0 m、 1 mであ る 。 又、 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体 コ ン タ ク 卜 層 7 1 0 の上に は、 S i o 2 膜を介 し て P 型電極 7 1 1 を、 下か ら P t 、 T i 、 P t
T i の順序で積層 し て形成 し た。 そ の場合の厚み は、 夫 々 2 0 0 ^ m 、 4 0 0 0 A、 2 0 0 U m ^ 1 β mであ る P 型電極 7 1 1 は、 下力、 ら P d 、 T i 、 P t 、 T i を、 こ の順序で積層 し て形成 し て も よ い。 そ の場合の厚み は 夫 々 2 0 0 ^ m、 4 0 0 0 A . 2 0 0 1 " mで あ O
窒化ガ リ ゥ ム系半導体活性層 7 0 6 に用 い る 窒化ガ リ ゥ ム系半導体 と し て は、 量子井戸構造の I n (x) G a (l
-X) N 化合物半導体を用 い て い る 。 そ の組成 は、 X -. 0. 05、 y - 0.95の も のを 2 5 Aの厚み に 、 又、 x = 0.20、 y - 0.80の も の を 2 5 A の厚み に夫 々 交互 に 2 0 周期 ほ ど積層 し 、 多層の量子井戸を形成 し て い る 。
そ の他の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層 は G a N を基本 と し てお り 、 厚み は例え ばサ フ ア イ ャ基板 7 0 1 力《 7 0 m 窒化ガ リ ウ ム 系半導体バ ッ フ ァ 層 7 0 2 力《 5 0 ◦ A、 窒 化ガ リ ウ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 0 3 力 m 窒化ガ リ ウ ム系 N型半導体層 7 0 4 が 0.3 m 、 窒化ガ リ ウ ム系 N 型半導体 ク ラ ッ ド層 7 0 5 力《 0.2 m 、 窒化 ガ リ ウ ム 系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 7 0 7 力 0.2 m、 窒 化ガ リ ウ ム系 P 型半導体層 7 0 8 が 0.3 m、 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体層 7 0 9 が 0.9 /z m、 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 1 0 力 O. l i mであ る 。
又、 不純物濃度は、 例えば、 窒化ガ リ ウ ム系 N型半導 体 コ ン タ ク ト 層 7 0 3 力く 2 xloiocnT3 窒化ガ リ ウ ム系 N型半導体層 7 0 4 が 5 xl017cnT3、 窒化ガ リ ゥ ム系 N 型半導体 ク ラ ッ ド層 7 0 5 が 5 xl017cm"3. 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体 ク ラ ッ ド層 7 0 7 が 5 xl017cnT3、 窒化 ガ リ ウ ム系 P 型半導体層 7 0 8 が 5 xl017cnT3、 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体層 7 0 9 が 3 X 101 ° c m— 3、 窒化ガ リ ゥ ム系 P 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 1 0 が 2 xl019cm_3—で' め る
又、 窒化ガ リ ウ ム系 P 型半導体層 7 0 8 ま で積層 し た 段階で、 窒化ガ リ ウ ム系 N 型半導体 コ ン タ ク ト 層 7 0 3 ま で反応性イ オ ン エ ッ チ ン グ法でエ ッ チ ン グ し 、 Z n で 高抵抗 と し た G a N 層をエ ッ チ ン グ し た部分に埋め こ ん で、 共鳴部分を限定 し て も良い。 そ の様な構造を図 6 に 示す。 こ こ で高抵抗 G a N 層 8 0 0 に は 、 X 1 0 1 8 c m " 3 の Z n が導入 さ れてい る 。 産業上の利用可能性
従 っ て、 本発明 に よ る 窒化ガ リ ゥ ム系化合物半導体青 色発光素子で は、 製造工程が簡略 さ れ、 歩留 ま り が向上 す る 。
又、 本発明 よ れば、 発光強度が大 き く 消費電力の小 さ ぃ窒化ガ リ ゥ ム系化合物半導体青色発光素子が実現で き 。
7

Claims

求 の 範 囲
1 . 第 1 の導電型の不純物が添加 さ れた第 1 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層 と 、 実質的に真正な窒化ガ リ ウ ム系半導 体活性層 と 、 前記青第 1 の導電型 と は反対の第 2 の導電型 の不純物が添加 さ れた第 2 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層が 積層 さ れ、 前記第 1 及び第 2 の窒化ガ リ ウ ム系半導体層 及び前記窒化ガ リ ウ ム系半導体活性層 は、 熱 C V D で形 成 さ れた後不活性ガス 中で 自 然放冷 さ れ、 添加 さ れた不 純物の 7 %以上が活性化 さ れて い る こ と を特徴 と す る 青 色発光素子。
2 . 前記第 1 及び第 2 の窒化ガ リ ウ ム系半導体層及び前 記窒化ガ リ ウ ム系半導体活性層 は、 サ フ ア イ ャ基板上に 形成 さ れて い る こ と を特徵 と す る 請求項 1 記載の青色発 光素子。
3 . 前記サ フ ア イ ャ基板 と前記第 1 の窒化ガ リ ウ ム系半 導体層間に は、 第 1 の導電型を持つ窒化ガ リ ウ ム系半導 体バ ッ フ ァ 層が形成 さ れて い る こ と を特徴 と す る 請求項 1 記載の青色発光素子。
4 . 第 1 の導電型の不純物が添加 さ れた第 1 の窒化ガ リ' ゥ ム系半導体層 と 、 実質的に真正な窒化ガ リ ウ ム系半導 体活性層 と 、 前記第 1 の導電型 と は反対の第 2 の導電型 の不純物が添加 さ れた第 2 の窒化ガ リ ゥ ム系半導体層 と を、 真空チ ャ ン バ内で形成 し た後、 不活性ガス 中で 自 然 放冷す る こ と を特徴 と す る青色発光素子の製造方法。
5 . 基板を真空チ ャ ン バ内 に入れ る 段階 と 、 基板温度を 1 0 0 0 乃至 1 4 0 ◦ °C に 加熱 し 窒化ガ リ ゥ ム系半導体 バ ッ フ ァ 層 を形成す る 段階 と 、 前記窒化ガ リ ウ ム系半導 体バ ッ フ ァ 層の形成が終わ っ た後 に基板温度を 5 0 °C 乃 至 2 ◦ 0 °C だけ下げ不純物を添加 し た窒化ガ リ ゥ ム系半 導体力、 ら な る N 型 コ ン タ ク 卜 層及び N型 ク ラ ッ ド層を形 成す る 段階 と 、 温度を更に 3 ◦ 0 で か ら 6 0 ◦ °C だ け下 げ窒化ガ リ ゥ ム系半導体か ら な る 活性層を形成す る 段階 と 、 基板温度を 1 0 0 0 乃至 1 4 0 0 °C に加熱 し 、 P 型 ク ラ ッ ド層及び P 型 コ ン タ ク ト 層を形成す る 段階 と 、 真 空チ ヤ ン バ内部の反応ガ ス を不活性ガス で置 き 換え る 段 階 と 、 前記真空チ ャ ン バ が不活性ガスで满た さ れた後、 内部の圧力 を 6 0 0 乃至 9 0 0 T o r r 例え ば 7 6 0 T o r r に調整す る 段階 と 、 そ の ま ま の状態で、 2 時間力、 ら 3 時間程度放置 し て基板温度を、 室温ま で 自 然冷却す る 段階 と か ら な る 青色発光素子の製造方法。
6 . 前記不活性ガ ス は、 窒素又は He、 A rであ る こ と を特 徵 と す る 青色発光素子の製造方法。
7 . サ フ ァ イ ア基板上 に、 G a N 力、 ら な る バ ッ フ ァ 層 と . 第 1 の導電型の I n (x) A 1 (y) G a (z) N 半導体層
( + y + z ≤ 1 、 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ 1、 0 ≤ z ≤ 1) と 、 第 1 導電型の I n (x) A 1 (y) G a (z ) N 半導体層 （ x + y + z ≤ l 、 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ K 0 ≤ z ≤ 1) 力、 ら な る 活性層 と 、 第 2 の導 電型の I n (x) A 1 (y) G a (z) N 半導体層 （ x + y + z ≤ 1 , 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ i Ό ≤ ζ ≤ 1) と を具備 し た 青色発光素子の製造方法 に お い て、 Ρ 型 I n (x) A 1 (y) G a (z) N半導体層 （ x + y + ζ ≤ i 、 0 ≤ x ≤ l、 0 ≤ y ≤ K 0 ≤ z ≤ 1) を形成す る 工程が、 キ ャ リ ア ガ スが実質的に不活性ガ ス であ り 、 原料ガ ス が有機金属 ガ ス と ア ン モ ニ ア ガ ス と を用 い た成 長工程 と 、 成長後た だ ち に不活性ガス 中で 自 然冷却す る 工程 と か ら な る こ と を特徵 と す る 青色発光素子の製造方 法。
8 . 上記請求項 7 に お い て、 P型不純物の活性化率が 7 %以上であ る こ と を特徵 と す る 青色発光素子の製造方法。
9 . サ フ ァ イ ア基板上に A 1 (a) G a (b) N ( a + b ≤
1 、 0 ≤ a ≤ 1 ) 力、 ら な る バ ッ フ ァ 層 と 、 第 1 導 電型の I n (x) A 1 (y) G a (z) N半導体層 （ X + y + z ≤ 1 、 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ K 0 ≤ z ≤ 1) と ' 第 1 導電型の I n (x) A 1 (y) G a (z) N半導体層
( x + y + z ≤ 1 0 ≤ x ≤ K 0 ≤ y ≤ 1、 0 ≤ z ≤ 1) 力、 ら な る 活性層 と 、 第 2 の導電型の I n (X ) A 1 (y) G a (z) N半導体層 （ x + y + Z ≤ 1 、 0 ≤ x ≤ U 0 ≤ y ≤ K 0 ≤ z ≤ 1) と 、 を具備 し た青色発光素子の製造方法に おい て、 P 型 I n (X) A 1 (y) G a (z) N半導体層 （ X + y + z ≤ 1 、 0 ≤ x
≤ K 0 ≤ y ≤ K 0 ≤ ζ ≤ 1) を形成す る 工程 が、 キ ヤ リ ア ガ スが実質的に不活性ガ スで あ り 、 原料ガ スが有機金属ガ ス と ァ ン モニァ ガス と を用 い た成長工程 と 、 成長後 た だ ち に不活性ガス 中で 自 然冷却す る 工程 と 室温降温後、 再度 4 0 0 °C以上の温度で熱処理す る 工程 と を含む ご と を特徴 と す る 青色発光素子の製造方法。
1 0 . 上記請求項 7 に お いて、 自 然冷却工程中の一部に ア ン モニ ア ガス を同時に流 し てお く こ と を特徵 と す る 青 色発光素子の製造方法。
1 1 . 上記請求項 1 0 に おいて、 自然冷却工程中の一部 が、 成長温度か ら 3 5 0 t： 〜 6 0 0 °C の温度 ま でであ る こ と を特徴 と す る 青色発光素子の製造方法。
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