JPH07183577A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法

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JPH07183577A
JPH07183577A JP7013031A JP1303195A JPH07183577A JP H07183577 A JPH07183577 A JP H07183577A JP 7013031 A JP7013031 A JP 7013031A JP 1303195 A JP1303195 A JP 1303195A JP H07183577 A JPH07183577 A JP H07183577A
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勇 赤崎
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、マグネシウムを添加した窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を有する純青色発光素子の作製方
法を提供することを目的とする。 【構成】 水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内にサ
ファイヤ等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より有機
ガリウム化合物、有機III族元素化合物及びアンモニア
をガス状で導入し、基板上にて気相成長法によりGa1-X
AX N(但しAはB又はInの何れかの元素であり1>
x≧0)の単結晶層からなるn型窒化ガリウム系化合物
半導体層を形成後、原料ガスに有機マグネシウム化合物
をガス状で反応管内に導入し、絶縁層及び発光層として
マグネシウム(Mg)を添加したi型の窒化ガリウム系
化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又はInの何れ
かの元素であり1>x≧0)層を作製することを特徴と
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マグネシウムを添加し
た窒化ガリウム系化合物半導体層を有する純青色発光素
子の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、有機金属化合物気相成長法(以
下、MOVPE法と記す)を用いて、窒化ガリウム系化
合物半導体(Ga1-XAlX N但し1>x≧0)をサファ
イア基板上に気相成長させた構造の青色発光素子が研究
されている。
【0003】これらの材料により青色発光素子を作製す
る場合には、従来絶縁層を形成するため、及び青色発光
中心の形成を狙いとして亜鉛が添加される。亜鉛添加窒
化ガリウム系化合物半導体GaNに於ける発光素子の発
光ピーク波長は425 nm付近の紫色、及び490 nm付近
の青緑色領域であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
半導体を用いて青色発光素子を作製する場合、添加する
不純物に必要となる役割は二つある。一つには絶縁層の
形成が可能であること、もう一つは添加した不純物自体
或はそれが関係して青色発光中心を形成することであ
る。窒化ガリウム系化合物半導体に於て一般的に用いら
れる亜鉛の場合、絶縁層の形成は可能であるが、それが
関係して形成される発光中心に問題があった。即ち、形
成される発光中心は前述のごとく紫色及び青緑色領域に
発光ピークがあった。明所視で目視により青色と観測さ
れる光の波長は450 nmから480 nmの範囲内であり、
亜鉛添加窒化ガリウム系化合物半導体GaNによる発光
素子では色純度の問題があった。
【0005】そこで純青色発光中心が形成され、かつ絶
縁層の形成が可能な不純物を各種探索した結果、Mgが
その二つの役割を果たすことを見いだした。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は水素雰囲気で大
気圧に保たれた反応管内にサファイヤ等の絶縁体基板を
設け、反応管の一方より有機ガリウム化合物、有機III
族元素化合物及びアンモニアをガス状で導入し、基板上
にて気相成長法によりGa1-XAX N(但しAはB又はI
nの何れかの元素であり1>x≧0)の単結晶層からな
るn型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、原料ガ
スに有機マグネシウム化合物をガス状で反応管内に導入
し、絶縁層及び発光層としてマグネシウム(Mg)を添
加したi型の窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAX N
(但しAはB又はInの何れかの元素であり1>x≧
0)層を作製することを特徴とする窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子の作製方法にある。
【0007】
【作用】本発明の好ましい実施例では前記マグネシウム
(Mg)添加窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAX N
(但しAはB又はInの何れかの元素であり1>x>
0)層に於て、添加するマグネシウム(Mg)のIII族
元素に対する濃度は絶縁層形成のため1018cm-3以上であ
ることが好ましい。また必要以上に高濃度に添加された
場合、他の発光中心が形成され、純青色発光の効率が低
下するため2×1020cm-3以内であることが好ましい。ま
た作製した発光素子に於て、最も大きい光強度を示す発
光波長が430 nmから480 nmの範囲であることが特徴
である。
【0008】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明による純青
色発光素子の作製法の実施例を説明する。しかし、図示
し且つ以下に説明する実施例は、本発明の方法を例示す
るものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【0009】図1は純青色発光素子を作製するために使
用する窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシアル結
晶成長装置の概略図である。図1において、1は反応
管、2は基板加熱用サセプタ、3はその上に載置した基
板を示し、4は原料ガス供給管、5は反応管に連設した
試料予備室、6はターボ真空ポンプ、7,8はロータリ
ー真空ポンプを示す。9は原料ガスと水素との供給装置
であって、10は水素供給口、11はアンモニアガス(NH
3 )供給口、12A,12B,12C,12D,12E,12F,12
Gは水素流量計、13はビスシクロペンタジエニルマグネ
シウム(CP2 Mg)又はビスメチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウム(MCP2 Mg)の貯留槽、14はトリ
メチルアルミニウム(TMA)の貯留槽、15はトリメチ
ルガリウム(TMG)の貯留槽、16〜31は流量制御弁、
32〜34は切換混合弁を示す。
【0010】サファイア等の絶縁体基板上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体を気相でエピタキシアル成長させて単
結晶を形成するには、上記の反応管1は予め真空に吸引
し、水分、酸素その他の不純物を除き大気圧の水素雰囲
気として、反応管1をヒーター35により加熱して結晶成
長温度に保つようにし、反応管1内に設けた基板加熱用
サセプタ2上に例えばサファイア等の結晶成長用絶縁体
基板3を設置し、高周波誘導加熱等により外部より反応
管1を加熱し、結晶成長温度に基板加熱用サセプタ2を
保持しつつ、結晶成長効率及び不純物添加効率をあげる
ために設置された原料導入管4により原料ガスを導入
し、導入ガスを基板上で気相でエピタキシアル成長法で
必要な結晶成長層厚さになるまで結晶成長を行う。発光
ダイオードを作製するにはサファイア等の基板3の上に
故意に不純物を添加していないn型の該窒化ガリウム系
化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又はInの何れ
かの元素である1>x≧0)の単結晶を形成の後、Mg
成分をビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2
Mg)又はビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウ
ム(MCP2 Mg)等の有機マグネシウム化合物をガス
態で原料ガスに混合し、Mg成分を添加した窒化ガリウ
ム系化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又はInの
何れかの元素であり1>x≧0)層を作製する。固体中
のMg添加量の制御は、MgとGa の流量比を切換混合
弁32〜34により行い、図2に示すようにMg原料ガス供
給量の加減により制御する。
【0011】図3にMgを適量添加した場合(a:4×
1019cm-3)、及び適量以上添加した場合(b:3×1020
cm-3)の窒化ガリウムのフォトルミネッセンス(PL)
スぺクトルを示す。Mgを適量添加した場合には純青色
発光が明瞭に観測されるが、ある濃度を越えると純青色
発光強度は小さくなり、長波長緑色発光が主体となる。
Mg添加量に関する詳細な実験の結果、発光色の変化す
るMg添加量が2×1020cm-3程度であることを見いだし
た。またこれらの試料を用いて発光ダイオードを作製
し、フォトルミネッセンスと同様、エレクトロルミネッ
センスに於いても同様の結果を示すことが確かめられ
た。
【0012】この結果は、窒化ガリウムの例を示したが
Alを含む窒化ガリウム系化合物半導体Ga1-XAX N
(但しAはB又はInの何れかの元素で1>x≧0)に
於いても同様の結果を示すことが確かめられた。
【0013】以上の結果より、添加するMgの量は2×
1020cm-3以下であることが好ましい。また添加するMg
量が1018cm-3より少なくなると発光ダイオードに於ける
絶縁層の形成が困難となるため、それ以上添加する必要
がある。窒化ガリウム系化合物半導体の気相エピタキシ
アル成長に際して、Ga 成分に対するMg成分の混合割
合は0.1 〜10 atm%であり、Ga の原料ガスとして使用
するトリメチルガリウム(TMG)の蒸気圧は30 mm H
g /−15℃である。
【0014】
【発明の効果】以上の説明のように、本発明による発光
素子の作製方法によれば結晶成長用基板上にn型該窒化
ガリウム系化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又は
Inの何れかの元素であり1>x≧0)単結晶からなる
n型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成後、絶縁層及
び発光層としてマグネシウム(Mg)を添加した窒化ガ
リウム系化合物半導体(Ga1-XAX N,但しAはB又は
Inの何れかの元素であり1>x≧0)層を形成するこ
とにより、純青色発光ダイオードを作製することが可能
である。従来知られている青色発光ダイオードとよばれ
ているものは発光波長が紫色または青緑色領域にかたよ
っているもの、或はより長波長の発光が無視できず色純
度に問題のあるものが殆どであった。図3(a)のよう
に450 nm付近に発光ピーク波長を持ち、かつより長波
長の発光が殆ど観測されない発光スぺクトルを示すダイ
オードは現在まで報告された例はなかった。
【0015】本発明による発光素子の作製方法を用いれ
ば、特別な色フィルターを使用することなく純青色発光
ダイオードの作製が可能となるため、フィルターによる
損失がなく従来のものと比較して効率の高い青色発光ダ
イオードの実現が可能である。本発明により現在まで実
用化の遅れている青色発光ダイオードの実用化が可能と
なる工業上大なる利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明を実現するための結晶成長装置の
概略構成図である。
【図2】図2はMg原料ガス供給量と窒化ガリウムに添
加されたMg量の関係を示す特性図である。
【図3】図3は本発明の発光素子において、発光波長と
発光強度フォトルミネッセンスPLとの特性図であり、
図3(a)は曲線はMgを4×1019cm-3添加した試料の
室温でのフォトルミネッセンススぺクトル特性図であ
る。図3(b)は曲線はMgを3×1020cm-3添加した試
料の室温でのフォトルミネッセンススぺクトル特性図で
ある。
【符号の説明】
1 結晶成長用反応管 2 基板加熱用サセプタ 3 基板 4 原料導入管 5 試料予備室 6 ターボ真空ポンプ 7,8 ロータリー真空ポンプ 9 原料ガスと水素との供給装置 10 水素供給口 11 アンモニアガス(NH3 )供給口 12A〜12G 水素流量計 13 CP2 Mg 又はMCP2 Mg 等の有機Mg化
合物の貯留槽 14 トリメチルアルミニウム(TMA)の貯留槽 15 トリメチルガリウム(TMG)の貯留槽 16〜31 流量制御弁 32〜34 切換混合弁 35〜36 排出口 37〜40 流量制御弁

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素雰囲気で大気圧に保たれた反応管内
    にサファイヤ等の絶縁体基板を設け、反応管の一方より
    有機ガリウム化合物、有機III族元素化合物及びアンモ
    ニアをガス状で導入し、基板上にて気相成長法によりG
    a1-XAX N(但しAはB又はInの何れかの元素であり
    1>x≧0)の単結晶層からなるn型窒化ガリウム系化
    合物半導体層を形成後、原料ガスに有機マグネシウム化
    合物をガス状で反応管内に導入し、絶縁層及び発光層と
    してマグネシウム(Mg)を添加したi型の窒化ガリウ
    ム系化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又はInの
    何れかの元素であり1>x≧0)層を作製することを特
    徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方
    法。
  2. 【請求項2】 前記マグネシウム(Mg)添加窒化ガリ
    ウム系化合物半導体Ga1-XAX N(但しAはB又はIn
    の何れか元素であり1>x≧0)層に於て、添加するマ
    グネシウム(Mg)のIII 族元素に対する濃度が1018cm
    -3から2×10 20cm-3の範囲内である請求項1記載の窒化
    ガリウム系化合物半導体発光素子の作製方法。
  3. 【請求項3】 作製した発光素子に於て、最も大きい光
    強度を示す発光波長が430 nmから480 nmの範囲内で
    あることを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系化
    合物半導体発光素子の作製方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2745584A1 (fr) * 1996-02-29 1997-09-05 Futaba Denshi Kogyo Kk Luminophore et son procede de fabrication

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH069257A (ja) * 1991-12-27 1994-01-18 Yamaha Corp 人工大理石およびその製法

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