JPH03252177A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

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】 【産業上の利用分野】

本発明は青色発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子に関する。

【従来技術】

従来、青色の発光ダイオードとしてＧａＮ系の化合物半
導体を用いたものが知られている。そのＧａＮ系の化合
物半導体は直接遷移であることから発光効率が高いこと
、光の３原色の１つである青色を発光色とすること等か
ら注目されている。 このようなＧａＮ系の化合物半導体を用いた発光ダイオ
ードは、サファイア基板上に直接又は窒化アルミニウム
から成るバッファ層を介在させて、Ｎ導電型のＧａＮ系
の化合物半導体から成るＮＮを成長させ、そのＮ層の上
にＰ型不純物を添加してＩ型のＧａＮ系の化合物半導体
から成る１層を成長させた構造をとっている（特開昭６
２−１１９１９６号公報、特開昭６３−ＩＨ８９７７号
公報）。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、上記構造の発光ダイオードの発光強度は未だ十
分ではなく、改良が望まれている。 そこで、本発明の目的は、ＧａＮ系の化合物半導体の発
光ダイオードの青色の発光強度を向上させることである
。

【課題を解決するための手段】

本発明は、Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（ＡＩ！
ＸＧａ１−Ｘ！ＩＩ；Ｘ＝０を含む）からなるＮ層き、
Ｐ型不純物を添加したＩ型の窒化ガリウム系化合物半導
体（ＡムＧａ、−ｘＮ：Ｘ＝０を含む）からなる１層と
を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において
、Ｎ層を１層と接合する側から順に、低キャリア濃度Ｎ
層と高キャリア濃度Ｎ＋層との二重層構造とし、１層を
Ｎ層と接合する側から順に、Ｐ型不純物が比較的低濃度
の低不純物濃度ＩＬ層とＰ型不純物が比較的高濃度の高
不純物濃度１１１層との二重層構造としたことを特徴と
する。 尚、上記低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度はｌＸ１０
”〜ｌＸｌ０１７／ａｄで膜厚は０．５〜２μｓが望ま
しい。キャリア濃度がＩＸＩＱ”／ｃａｒ以上となると
発光強度が低下するので望ましくなく、ｌＸｌ０”／ｄ
以下となると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を
流すと発熱するので望ましくない。又、膜厚が２７層以
上となると発光素子の直列抵抗が高くなりすぎ電流を流
すと発熱するので望ましくなく、膜厚が０．　ｓＩａ以
下となると発光強度が低下するので望ましくない。 更に、高キャリア濃度Ｎ７層のキヤｑＴｓ度はＩ　Ｘ　
１０１７〜Ｉ　Ｘ　１０１ｓ／　ａｌ　テ膜厚ハ１〜１
ｏρカ望マしい。キャリア濃度が１×１０′９／ｄ以上
となると結晶性が悪化するので望ましくなく、ｌＸｌ０
”／ｄ以下となると高抵抗となるので望ましくない。 又、膜厚が１０μｓ以上となると基板が湾曲するので望
ましくなく、膜厚が１即以下となると高抵抗となるので
望ましくない。 又、上記低不純物濃度１５層のＰ型不純物濃度ハＩ　Ｘ
　１０”〜５　ｘ　１０”／　ｃｏｆ　テ膜厚ハｏ、０
１〜１即カ望ましい。Ｐ型不純物濃度が５　Ｘ　１０”
／　ｃｘ１以上となると発光ダイオードの直列抵抗が増
大したり立上がり電圧が上昇するので望ましくなく、１
×１０”／ｃｄ以下となるとＮ導電型となるので望まし
くない。又、膜厚が１７層以上となると発光ダイオード
の直列抵抗が増大したり立上がり電圧が上昇するので望
ましくなく、膜厚が０．　ｏｌ、ｉｎ以下となると従来
構造と等しくなるので望ましくない。　更に、高不純物
濃度１．層の不純物濃度はｌＸｌ０”〜５ＸＩＯ”／ｃ
ａｔで膜厚は０．０２〜０．３ｕｍが望ましい。不純物
濃度が５Ｘ１０”１０１以上となると結晶性が悪化する
ので望ましくなく、ｌＸｌ０”／ｃａｌ以下となると発
光強度が低下するので望ましくない。又、膜厚が０．３
層ｍ以上となると高抵抗となるので望ましくなく、膜厚
が０．０２層ｍ以下となると１層が破壊されるので望ま
しくない。

【発明の作用及び効果】

本発明は、Ｎ層を１層と接合する側から順に、低キャリ
ア濃度Ｎ層と高キャリア濃度Ｎ＋層との二重層構造とし
、１層をＮ層と接合する側から順に、Ｐ型不純物が比較
的低濃度の低不純物濃度ＩＬ層とＰ型不純物が比較的高
濃度の高不純物濃度Ｉ１層との二重層構造としたことで
、発光ダイオードの青色の発光強度を増加させることが
できた。 即ち、高キャリア濃度Ｎ＋層によりＮ層全体の電気抵抗
を小さくでき、１層と低キャリア濃度Ｎ層との接合に有
効に電圧を印加することができる。 又、１層に接合するＮ層は低キャリア濃度とすることで
、１層にＮ層の非発光不純物原子が拡散または混入する
のが防止される。又、Ｎ層から１層に電子が注入される
とき、Ｎ層に接合する１層を低不純物濃度ＩＬ層とする
ことで、電子はその低不純物濃度１．層でトラップされ
ることなく、次の高不純物濃度１層１層に注入される。 このため、電子は発光効率の悪いＮ層に接合した低不純
物濃度ＩＬ層を通過して、高不純物濃度Ｉ）１層に至り
、その層で高効率で発光することになる。 この結果、発光効率が従来の単純なＩ−Ｎ接合に比べて
、飛躍的に向上した。

【実施例】

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 第１図において、発光ダイオード１ｏは、サファイア基
板１を有しており、そのサファイア基板１に５００人の
ＡＩＮのバッファ層２が形成されている。そのバッファ
層２の上には、順に、膜厚的２゜２Ｉｉｍ、キャリア濃
度１．５Ｘ　１０”／　Ｃｆｆ１のＧａＮから成る高キ
ャリア濃度Ｎ９層３、膜厚的１．５層ｍ、キャリア濃度
Ｉ　Ｘ　１０”／　ｅａｔのＧａＮから成る低キャリア
濃度Ｎ層４、Ｚｎ濃度５×１０１９／ｃｄの低不純物濃
度ＩＬ層５及びＺｎ濃度２Ｘ　１０２ｏ／　ｃｒｌの高
不純物濃度１、層６とが形成されている。そして、高不
純物濃度１□層６に接続するアルミニウムで形成された
電極７と高キャリア濃度Ｎ１層３に接続するアルミニウ
ムで形成された電極８とが形成されている。 次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法につい
て説明する。 上記発光ダイオード１０は、有機金属化合物気相成長法
（以下ｒＭＯＶＰＥ　Ｊと記す）による気相成長により
製造された。 用いられたガスは、ＮＨ５とキャリアガスＨ３とトリメ
チルガリウム（Ｇａ（ＣＨ＝）−）　（以下ｒＴＭＧ　
Ｊと記す）とトリメチルアルミニウム（ＡＩ　（ＣＨｓ
）　ｓ）　（以下ｒＴＭＡ」と記す）とシラン（ＳｉＨ
４）とジエチル亜鉛（以下ｒＤＥＺＪと記す）である。 まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した０面を主面と
する単結晶のサファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応
室に載置されたサセプタに装着する・次に、常圧でＨ３
を２Ｉ！／分で反応室に流しながら温度１１００℃でサ
ファイア基板１を気相エツチングした。 次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０ｆ／
分、ＮＨ３を１０１／分、ＴＭＡを１．８Ｘ　１０−Ｓ
モル７分で供給してＡＩＮのバッファ層２が約５００人
の厚さに形成された。 次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、
■、を２０１／分、ＮＨ５を１０１／分、ＴＭＧを１．
７Ｘ　１０−’モル／分、＋１２で０．８６ｐｐｍまで
希釈したシラン（ＳｉＨ４）を２００ｍｆｆ　／分の割
合で３０分間供給し、膜厚的２．２．ａ、キャリア濃度
１．５Ｘ　１０”／　ｃｄのＧａＮから成る高キャリア
濃度Ｎ１層３を形成した。 続いて、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し
、Ｈ２を２０１／分、ＮＨ８を１０１／分、ＴＭＧを１
゜７Ｘ　１０−’モル／分の割合で２０分間供給し、膜
厚的１．５μｓ、キャリア濃度ｌＸｌ０”／　ｃａｔＯ
ＧａＮから成る低キャリア濃度Ｎ層４を形成した。 次に、サファイア基板１を１０００℃にして、Ｈ２を２
０１／分、ＮＨ，を１０１／分、ＴＭＧを１．７Ｘ　１
０−’モル／分、ＤＢＺを１．５Ｘ　１０−’モル／分
の割合で２分間供給して、膜厚０．２層ｍ、　ＧａＮか
ら成るＺｎ濃度５ｘ　１０”／　ＣＩｌ＋の低不純物濃
度ＩＬ層５を形成した。 続いて、サファイア基板１を９００℃にしてＮＨ２を２
０１／分、ＮＨ，を１０１／分、ＴＭＧを１．７Ｘ　１
０−’モル／分、ＤＥＺを１．５Ｘ　１０−’モル／分
の割合で２分間供給して、膜厚０．２μｓ、ＧａＮから
成るＺｎ濃度２Ｘ　１０２ａ／　ｃｏ！（７）高不純物
波Ｊｔ　Ｉ　ＲＦｉｔ　６　ヲ形ｊｍ　Ｌり。 このようにして、第２図に示すような多層構造が得られ
た。 次に、第３図に示すように、高不純物濃度Ｉ。 層６の上に、スパッタリングによりＳｉ０７層１１を２
０００人の厚さに形成した。次に、そのＳｔｅｗ層１１
上にフォトレジスト１２を塗布して、フォトリソグラフ
により、そのフォトレジスト１２を高キャリア濃度Ｎ＋
層３に対する電極形成部位のフォトレジストを除去した
パターンに形成した。 次に、第４図に示すように、フォトレジスト１２によっ
て覆われていない５ｉＯ−層１１をフッ酸系エツチング
液で除去した。 次に、第５図に示すように、フォトレジスト１２及び５
ｉＯａ層１１によって覆われていない部位の高不純物濃
度１．層６とその下の低不純物濃度Ｉ、層５と低キャリ
ア濃度Ｎ層４と高キャリア濃度Ｎ十層３の上面一部を、
真空度０．０４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ａｎ
！、　ＣＣＡ、Ｆ、ガスを１０ｃｃ／分でドライエツチ
ングした後、Ａｒでドライエツチングした。 次に、第６図に示すように、１．層６上に残っている５
１０２層１１をフッ酸で除去した。 次に、第７図に示すように、試料の上全面に、ＡＪ層１
３を蒸着により形成した。そして、そのＡＩ！層１３の
上にフォトレジスト１４を塗布して、フォトリソグラフ
により、そのフォトレジスト１４が高キャリア濃度Ｎ“
層３及び高不純物濃度１層１層６に対する電極部が残る
ように、所定形状にパターン形成した。 次に、第７図に示すようにそのフォトレジスト１４をマ
スクとして下層のＡＩ層１３の露出部を硝酸系エツチン
グ液でエツチングし、フォトレジスト１４をアセトンで
除去し、高キャリア濃度Ｎ◆層３の電極８、高不純物濃
度ＩＨ層６の電極７を形成した。 このようにして、第１図に示すように旧Ｓ　（Ｍｅｔａ
−１−１ｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒ）構造の窒化ガリウム系発光素を製造することができ
る。 このようにして製造された発光ダイオード１０の発光強
度を測定したところ、０．２＋ｎｃｄであった。 これは、単純にキャリア濃度２Ｘ　１０”／　ｃｉ、厚
さ０．２顯の１層とキャリア濃度５ｘ　１０”／　Ｃ１
＋！、厚さ４層ｍのＮ層とを接続した従来の発光ダイオ
ードに比べて、発光強度が８倍に向上した。 又、発光面を観察した所、発光点の数が飛躍的に増加し
ていることも観察された。 尚、低キャリア濃度Ｎ層４のキャリア濃度を各種変化さ
せた上記試料を製造して、発光強度及び発光スペクトラ
ムを測定した。その結果を、第８図に示す。 キャリア濃度が増加するに連れて、発光強度が減少し、
且つ、発光波長が赤色側に変位することが分かる。 又、高不純物濃度１１１層６の不純物濃度を各種変化さ
せた上記構造の試料を製造して、不純物濃度と発光強度
及び発光スペクトラムとの関係を測定した。その結果を
、第９図に示す。 不純物濃度が増加するに連れて、発光強度が増加する。 しかし、発光波長は幾分、赤色側に変位するが約４８５
ＯＡで安定することが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオー
ドの構成を示した構成図、第２図乃至第７図は同実施例
の発光ダイオードの製造工程を示した断面図、第８図は
低キャリア濃度Ｎ層のキャリア濃度と発光強度及び発光
波長との関係を示した測定図、第９図は高不純物濃度１
．層の不純物濃度と発光強度及び発光波長との関係を示
した測定図である。 １０°°゛発光ダイオード　１°゛サフアイア基板２　
バッファ層　３−高キャリア濃度Ｎ＋層４−低キャリア
濃度Ｎ層 ５−低不純物濃度１１層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ＿ｘＧａ＿１
   ＿−＿ｘＮ；Ｘ＝０を含む）からなるＮ層と、Ｐ型不純
   物を添加したＩ型の窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ
   ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＮ；Ｘ＝０を含む）からなるＩ層
   とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子におい
   て、 前記Ｎ層を前記Ｉ層と接合する側から順に、低キャリア
   濃度Ｎ層と高キャリア濃度Ｎ＾＋層との二重層構造とし
   、 前記Ｉ層を前記Ｎ層と接合する側から順に、前記Ｐ型不
   純物が比較的低濃度の低不純物濃度Ｉ＿Ｌ層と前記Ｐ型
   不純物が比較的高濃度の高不純物濃度Ｉ＿Ｈ層との二重
   層構造としたことを特徴とする発光素子。