JP2785254B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半
導体を用いた発光素子に係り、特に順方向電圧（Ｖｆ）
が低く、さらに発光出力が高い窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子に関する。
導体を用いた発光素子に係り、特に順方向電圧（Ｖｆ）
が低く、さらに発光出力が高い窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子に関する。
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変
化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発
光素子の材料として有望視されている。現在、この材料
を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の
窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ
構造の青色発光ダイオードが知られている。
ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変
化するため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発
光素子の材料として有望視されている。現在、この材料
を用いた発光素子には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体の上に、ｐ型ドーパントをドープした高抵抗なｉ型の
窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるＭＩＳ
構造の青色発光ダイオードが知られている。
【０００２】ＭＩＳ構造の発光素子の一例として、特開
平３−２５２１７６号公報、特開平３−２５２１７７号
公報、特開平３−２５２１７８号公報において、ｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体層を、ｉ層に近い順から低キ
ャリア濃度のｎ層と、高キャリア濃度のｎ+層との２層
構造とする技術、および／またはｉ層の不純物濃度をｎ
層に近い順から低不純物濃度のｉ層と、高不純物濃度の
ｉ+層と２層構造とする技術が開示されている。しかし
ながら、これらＭＩＳ構造の発光素子は発光強度、発光
出力共非常に低く、さらに高抵抗なｉ層を発光層として
いるため順方向電圧（Ｖｆ）が２０Ｖ以上と高いため発
光効率が悪く、実用化するには不十分であった。
平３−２５２１７６号公報、特開平３−２５２１７７号
公報、特開平３−２５２１７８号公報において、ｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体層を、ｉ層に近い順から低キ
ャリア濃度のｎ層と、高キャリア濃度のｎ+層との２層
構造とする技術、および／またはｉ層の不純物濃度をｎ
層に近い順から低不純物濃度のｉ層と、高不純物濃度の
ｉ+層と２層構造とする技術が開示されている。しかし
ながら、これらＭＩＳ構造の発光素子は発光強度、発光
出力共非常に低く、さらに高抵抗なｉ層を発光層として
いるため順方向電圧（Ｖｆ）が２０Ｖ以上と高いため発
光効率が悪く、実用化するには不十分であった。
【０００３】一方、ｐ−ｎ接合を有する窒化ガリウム系
化合物半導体を利用した発光素子のアイデアとして、例
えば、特開昭５９−２２８７７６号公報では、ＧａＡｌ
Ｎ層を発光層とするダブルへテロ構造のＬＥＤが提案さ
れており、また、特開平４−２０９５７７号公報では、
ノンドープのＩｎＧａＮを発光層とするダブルへテロ構
造のＬＥＤが提案されている。またこれら公報の他、従
来ｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造の発光素子は数
々の構造が提案されている。しかしながら、これらの技
術は、窒化ガリウム系化合物半導体層のｐ型化が困難で
あったため、実現されてはいなかった。
化合物半導体を利用した発光素子のアイデアとして、例
えば、特開昭５９−２２８７７６号公報では、ＧａＡｌ
Ｎ層を発光層とするダブルへテロ構造のＬＥＤが提案さ
れており、また、特開平４−２０９５７７号公報では、
ノンドープのＩｎＧａＮを発光層とするダブルへテロ構
造のＬＥＤが提案されている。またこれら公報の他、従
来ｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造の発光素子は数
々の構造が提案されている。しかしながら、これらの技
術は、窒化ガリウム系化合物半導体層のｐ型化が困難で
あったため、実現されてはいなかった。
【０００４】高抵抗なｉ型を低抵抗なｐ型とし、発光出
力を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための
技術として、我々は特願平３−３５７０４６号で、ｉ型
窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以上でアニー
リングすることにより低抵抗なｐ型とする技術を提案し
た。
力を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための
技術として、我々は特願平３−３５７０４６号で、ｉ型
窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以上でアニー
リングすることにより低抵抗なｐ型とする技術を提案し
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】我々は、上記技術によ
り窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型化を行い、初めて
ｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造の発光素子を実現
したところ、従来提案されていたダブルヘテロ構造で
は、ｎ型層とｐ型層との間に電流が均一に流れず、窒化
ガリウム系化合物半導体が面内均一に発光しないことを
発見した。また、我々の実験によると、積層する窒化ガ
リウム系化合物半導体の組み合わせ、組成比等の要因で
発光出力に大きな差が現れた。しかも、ｐ型窒化ガリウ
ム系化合物半導体に形成する電極のオーミック性が、そ
のｐ型層の結晶性、種類等の要因によって左右され、定
められた順方向電流に対し、順方向電圧（Ｖｆ）が高く
なり、発光効率が低下するという問題があった。
り窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型化を行い、初めて
ｐ−ｎ接合を用いたダブルヘテロ構造の発光素子を実現
したところ、従来提案されていたダブルヘテロ構造で
は、ｎ型層とｐ型層との間に電流が均一に流れず、窒化
ガリウム系化合物半導体が面内均一に発光しないことを
発見した。また、我々の実験によると、積層する窒化ガ
リウム系化合物半導体の組み合わせ、組成比等の要因で
発光出力に大きな差が現れた。しかも、ｐ型窒化ガリウ
ム系化合物半導体に形成する電極のオーミック性が、そ
のｐ型層の結晶性、種類等の要因によって左右され、定
められた順方向電流に対し、順方向電圧（Ｖｆ）が高く
なり、発光効率が低下するという問題があった。
【０００６】従って、本発明は上記問題点を解決するこ
とを目的として成されたものであり第１の目的は、新規
なダブルヘテロ構造の発光素子の構造を提供することに
より、窒化ガリウム系化合物半導体層を面内均一に発光
させ、発光素子の発光出力を向上させることにあり、第
２の目的は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のＶ
ｆを低下させ、発光効率を向上させることにある。
とを目的として成されたものであり第１の目的は、新規
なダブルヘテロ構造の発光素子の構造を提供することに
より、窒化ガリウム系化合物半導体層を面内均一に発光
させ、発光素子の発光出力を向上させることにあり、第
２の目的は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のＶ
ｆを低下させ、発光効率を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】我々は特定の窒化ガリウ
ム系化合物半導体を発光層とするダブルヘテロ構造の発
光素子をさらに改良し、その発光層を挟むｎ型クラッド
層および／またはｐクラッド層のキャリア濃度を調整す
ることにより、上記問題を解決できることを見いだし
た。即ち、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層との間に、ｎ型Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎ
（０＜X＜１）層を発光層として具備するダブルへテロ
構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、および／また
は前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のキャリア濃
度が、前記Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎ層に接近するにつれて小さく
なるように調整されており、 前記ｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体層は、キャリア濃度の大きいｐ + 型ＧａＮ層
と、ｐ + 型ＧａＮ層よりもキャリア濃度の小さいｐ型Ｇ
ａ 1-Z Ａｌ Z Ｎ（０＜Z＜１）層とからなることを特徴と
する。なお本発明では後に記載してあるように、特にこ
のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を前記２層構造の
みとする必要はなく、３層以上積層した多層膜層構造と
しても良い。
ム系化合物半導体を発光層とするダブルヘテロ構造の発
光素子をさらに改良し、その発光層を挟むｎ型クラッド
層および／またはｐクラッド層のキャリア濃度を調整す
ることにより、上記問題を解決できることを見いだし
た。即ち、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型窒化ガ
リウム系化合物半導体層との間に、ｎ型Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎ
（０＜X＜１）層を発光層として具備するダブルへテロ
構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、および／また
は前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のキャリア濃
度が、前記Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎ層に接近するにつれて小さく
なるように調整されており、 前記ｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体層は、キャリア濃度の大きいｐ + 型ＧａＮ層
と、ｐ + 型ＧａＮ層よりもキャリア濃度の小さいｐ型Ｇ
ａ 1-Z Ａｌ Z Ｎ（０＜Z＜１）層とからなることを特徴と
する。なお本発明では後に記載してあるように、特にこ
のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を前記２層構造の
みとする必要はなく、３層以上積層した多層膜層構造と
しても良い。
【０００８】図１は本発明の一実施例の発光素子の構造
を示す模式断面図であり、基板１の上に、ｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層（以下、ｎクラッド層という。）
として、ｎ+型ＧａＮ層２と、ｎ+ＧａＮ層２よりもキャ
リア濃度の小さいｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とを積層し、
その上に発光層としてＩｎXＧａ1-XＮ層４を積層し、そ
の上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、ｐク
ラッド層という。）として、ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層５
と、ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層よりもキャリア濃度の大きい
ｐ+型ＧａＮ層６とを順に積層したダブルヘテロ構造と
している。
を示す模式断面図であり、基板１の上に、ｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層（以下、ｎクラッド層という。）
として、ｎ+型ＧａＮ層２と、ｎ+ＧａＮ層２よりもキャ
リア濃度の小さいｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とを積層し、
その上に発光層としてＩｎXＧａ1-XＮ層４を積層し、そ
の上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、ｐク
ラッド層という。）として、ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層５
と、ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層よりもキャリア濃度の大きい
ｐ+型ＧａＮ層６とを順に積層したダブルヘテロ構造と
している。
【０００９】基板１にはサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｚ
ｎＯ等の材料が使用されるが、通常はサファイアが用い
られる。また、ｎ+ＧａＮ層２を成長させる前に、基板
１の上にＧａＮ、ＡｌＮ等からなるバッファ層を成長さ
せてもよい。
ｎＯ等の材料が使用されるが、通常はサファイアが用い
られる。また、ｎ+ＧａＮ層２を成長させる前に、基板
１の上にＧａＮ、ＡｌＮ等からなるバッファ層を成長さ
せてもよい。
【００１０】図１では、ｎクラッド層はｎ+型ＧａＮ層
２と、ｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とを積層した２層構造と
しているが、特にこの層を２層構造とする必要はなく、
このｎクラッド層のキャリア濃度を発光層４に接近する
ほど小さく調整してあれば、ｎクラッド層を３層以上積
層した多層膜層構造としてもよいことはいうまでもな
い。好ましくは、最初に成長する層をキャリア濃度の最
も大きいｎ+型ＧａＮとすることにより、結晶性が最も
良くなるため、そのｎ+型ＧａＮ層の上に成長するｎ型
Ｇａ1-YＡｌYＮ層の結晶性も良くなり発光素子の発光出
力が向上する。ｎクラッド層のキャリア濃度は、窒化ガ
リウム系化合物半導体にドープするＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、
Ｔｅ、Ｃ等のｎ型ドーパントのドープ量を適宜変更する
ことにより変化させることができ、前記ドーパントをド
ープして、キャリア濃度を１×１０16／cm3〜１×１０
22／cm3の範囲に調整することが好ましい。
２と、ｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とを積層した２層構造と
しているが、特にこの層を２層構造とする必要はなく、
このｎクラッド層のキャリア濃度を発光層４に接近する
ほど小さく調整してあれば、ｎクラッド層を３層以上積
層した多層膜層構造としてもよいことはいうまでもな
い。好ましくは、最初に成長する層をキャリア濃度の最
も大きいｎ+型ＧａＮとすることにより、結晶性が最も
良くなるため、そのｎ+型ＧａＮ層の上に成長するｎ型
Ｇａ1-YＡｌYＮ層の結晶性も良くなり発光素子の発光出
力が向上する。ｎクラッド層のキャリア濃度は、窒化ガ
リウム系化合物半導体にドープするＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、
Ｔｅ、Ｃ等のｎ型ドーパントのドープ量を適宜変更する
ことにより変化させることができ、前記ドーパントをド
ープして、キャリア濃度を１×１０16／cm3〜１×１０
22／cm3の範囲に調整することが好ましい。
【００１１】発光層４はｎ型Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎとし、X値
は０より大きければ特に限定しないが、０＜X＜０．５
の範囲に調整することが好ましい。X値を増加するに従
い発光色は短波長側から長波長側に移行し、X値が１付
近で赤色にまで変化させることができる。しかしなが
ら、X値が０．５以上では結晶性に優れたＩｎＧａＮが
得られにくくなり、発光効率に優れた発光素子が得られ
にくくなるため、X値は０．５未満が好ましい。
は０より大きければ特に限定しないが、０＜X＜０．５
の範囲に調整することが好ましい。X値を増加するに従
い発光色は短波長側から長波長側に移行し、X値が１付
近で赤色にまで変化させることができる。しかしなが
ら、X値が０．５以上では結晶性に優れたＩｎＧａＮが
得られにくくなり、発光効率に優れた発光素子が得られ
にくくなるため、X値は０．５未満が好ましい。
【００１２】また、ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層３はノンドー
プでもｎ型となる性質があるが、前記したｎ型ドーパン
ト、またはｎ型ドーパントと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃ
ａ、Ｓｒ、Ｂａ等のｐ型ドーパントとをドープしてｎ型
とする方がさらに好ましい。図２は、Ｚｎを１×１０18
／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と、Ｚｎを
１×１０19／cm3およびＳｉを５×１０19／cm3ドープし
たｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層とにＨｅ−Ｃｄレーザーを
照射して、室温でフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定
し、それらの発光強度を比較して示す図である。Ｚｎの
みをドープしたＩｎＧａＮ層のスペクトル強度は実際の
強度を１０倍に拡大して示している。この図に示すよう
に、Ｚｎのみをドープしたｎ型ＩｎＧａＮのＰＬスペク
トル（ｂ）よりも、ＳｉおよびＺｎをドープしたｎ型Ｉ
ｎＧａＮのＰＬスペクトル（ａ）の方がその発光強度は
（ａ）の方が１０倍以上大きくなり、ｎ型ドーパントと
ｐ型ドーパントとを同時にドープしてｎ型としたＩｎＧ
ａＮ層を発光層とする素子が最も発光出力に優れてい
る。なおＳｉのみを１×１０19／cm3ドープしたＩｎ0.1
5Ｇａ0.85Ｎ層の発光スペクトルは４１０ｎｍ付近に発
光ピークがあり、その発光強度は（ａ）のおよそ１／２
であった。
プでもｎ型となる性質があるが、前記したｎ型ドーパン
ト、またはｎ型ドーパントと、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃ
ａ、Ｓｒ、Ｂａ等のｐ型ドーパントとをドープしてｎ型
とする方がさらに好ましい。図２は、Ｚｎを１×１０18
／cm3ドープしたｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と、Ｚｎを
１×１０19／cm3およびＳｉを５×１０19／cm3ドープし
たｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層とにＨｅ−Ｃｄレーザーを
照射して、室温でフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定
し、それらの発光強度を比較して示す図である。Ｚｎの
みをドープしたＩｎＧａＮ層のスペクトル強度は実際の
強度を１０倍に拡大して示している。この図に示すよう
に、Ｚｎのみをドープしたｎ型ＩｎＧａＮのＰＬスペク
トル（ｂ）よりも、ＳｉおよびＺｎをドープしたｎ型Ｉ
ｎＧａＮのＰＬスペクトル（ａ）の方がその発光強度は
（ａ）の方が１０倍以上大きくなり、ｎ型ドーパントと
ｐ型ドーパントとを同時にドープしてｎ型としたＩｎＧ
ａＮ層を発光層とする素子が最も発光出力に優れてい
る。なおＳｉのみを１×１０19／cm3ドープしたＩｎ0.1
5Ｇａ0.85Ｎ層の発光スペクトルは４１０ｎｍ付近に発
光ピークがあり、その発光強度は（ａ）のおよそ１／２
であった。
【００１３】図１において、ｐクラッド層はｐ型Ｇａ
1-ZＡｌZＮ層４と、ｐ+型ＧａＮ層５とを積層した２層
構造としているが、ｎクラッド層と同じく、特にこの層
を２層構造とする必要はなく、このｐクラッド層のキャ
リア濃度を発光層４に接近するほど小さく調整してあれ
ば、ｐクラッド層を３層以上積層した多層膜層構造とし
てもよい。好ましくは、電極を形成する層をキャリア濃
度の最も大きいｐ+型ＧａＮとすることにより、電極材
料と好ましいオーミックコンタクトが得られ、発光素子
のＶｆを低下させて、発光効率を向上させることができ
る。また、ｐクラッド層のキャリア濃度を変化させるに
は、前記したｐ型ドーパントのドープ量を適宜変更する
ことにより実現でき、キャリア濃度を１×１０16／cm3
〜１×１０22／cm3の範囲に調整することが好ましい。
1-ZＡｌZＮ層４と、ｐ+型ＧａＮ層５とを積層した２層
構造としているが、ｎクラッド層と同じく、特にこの層
を２層構造とする必要はなく、このｐクラッド層のキャ
リア濃度を発光層４に接近するほど小さく調整してあれ
ば、ｐクラッド層を３層以上積層した多層膜層構造とし
てもよい。好ましくは、電極を形成する層をキャリア濃
度の最も大きいｐ+型ＧａＮとすることにより、電極材
料と好ましいオーミックコンタクトが得られ、発光素子
のＶｆを低下させて、発光効率を向上させることができ
る。また、ｐクラッド層のキャリア濃度を変化させるに
は、前記したｐ型ドーパントのドープ量を適宜変更する
ことにより実現でき、キャリア濃度を１×１０16／cm3
〜１×１０22／cm3の範囲に調整することが好ましい。
【００１４】さらに、前記ｐクラッド層は、前にも述べ
たように我々が先に出願した特願平３−３５７０４６号
に開示するように、４００℃以上でアニーリングするこ
とにより、さらに低抵抗なｐ型を得ることができ、発光
素子の発光出力を向上させることができる。
たように我々が先に出願した特願平３−３５７０４６号
に開示するように、４００℃以上でアニーリングするこ
とにより、さらに低抵抗なｐ型を得ることができ、発光
素子の発光出力を向上させることができる。
【００１５】
【作用】図１を元に本発明の発光素子の作用を説明す
る。正電極８と、負電極７とに通電すると、電流は高キ
ャリア濃度のｐ+型ＧａＮ層６で面内均一に広がる。電
流値を増加させ、ある程度の電界がかかると、ｐ+型Ｇ
ａＮ層６に広がった電流は低キャリア濃度のｐ型Ｇａ
1-ZＡｌZＮ層にも均一に広がり、ＩｎXＧａ1-XＮ層３を
均一に発光させることができる。ｎクラッド層について
も同様の作用があり、ｎクラッド層をｎ+型ＧａＮ層２
とｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とに分けることにより、Ｉｎ
XＧａ1-XＮ層３に均一に電流が流れて均一な発光が得ら
れ、発光出力を増大させることができる。
る。正電極８と、負電極７とに通電すると、電流は高キ
ャリア濃度のｐ+型ＧａＮ層６で面内均一に広がる。電
流値を増加させ、ある程度の電界がかかると、ｐ+型Ｇ
ａＮ層６に広がった電流は低キャリア濃度のｐ型Ｇａ
1-ZＡｌZＮ層にも均一に広がり、ＩｎXＧａ1-XＮ層３を
均一に発光させることができる。ｎクラッド層について
も同様の作用があり、ｎクラッド層をｎ+型ＧａＮ層２
とｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層３とに分けることにより、Ｉｎ
XＧａ1-XＮ層３に均一に電流が流れて均一な発光が得ら
れ、発光出力を増大させることができる。
【００１６】さらに、ｎクラッド層で最もキャリア濃度
の大きい層をＧａＮと限定することにより、その上に積
層するｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層の結晶性が向上し、結晶性
が向上することにより、発光出力を増大させることがで
きる。
の大きい層をＧａＮと限定することにより、その上に積
層するｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層の結晶性が向上し、結晶性
が向上することにより、発光出力を増大させることがで
きる。
【００１７】また、ｐクラッド層で最もキャリア濃度の
大きい層をＧａＮと限定することにより、そのｐ+型Ｇ
ａＮ層の上に形成する正電極とのオーミック性が良くな
り、Ｖｆを低下させて発光効率を向上させることができ
る。
大きい層をＧａＮと限定することにより、そのｐ+型Ｇ
ａＮ層の上に形成する正電極とのオーミック性が良くな
り、Ｖｆを低下させて発光効率を向上させることができ
る。
【００１８】
【実施例】以下有機金属気相成長法により、本発明の発
光素子を製造する方法を述べる。
光素子を製造する方法を述べる。
【００１９】［実施例１］ よく洗浄したサファイア基板を反応容器内にセットし、
反応容器内を水素で十分置換した後、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させサファイア基
板のクリーニングを行う。
反応容器内を水素で十分置換した後、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させサファイア基
板のクリーニングを行う。
【００２０】続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリ
アガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとＴＭＧ
（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上に
ＧａＮよりなるバッファ層を約２００オングストローム
の膜厚で成長させる。
アガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとＴＭＧ
（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上に
ＧａＮよりなるバッファ層を約２００オングストローム
の膜厚で成長させる。
【００２１】バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温
度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、ドーパ
ントガスにシランガスを用い、Ｓｉをドープしたｎ+型
ＧａＮ層を３．５μｍ成長させる。なお、このＳｉドー
プｎ+ＧａＮ層のキャリア濃度は１×１０19／cm3であっ
た。
度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、ドーパ
ントガスにシランガスを用い、Ｓｉをドープしたｎ+型
ＧａＮ層を３．５μｍ成長させる。なお、このＳｉドー
プｎ+ＧａＮ層のキャリア濃度は１×１０19／cm3であっ
た。
【００２２】続いて、シランガスの流量を少なくして、
キャリア濃度１×１０18／cm3のｎ型ＧａＮ層を０．５
μｍ成長させる。このようにして、ｎクラッド層をキャ
リア濃度の異なる２層構造とする。
キャリア濃度１×１０18／cm3のｎ型ＧａＮ層を０．５
μｍ成長させる。このようにして、ｎクラッド層をキャ
リア濃度の異なる２層構造とする。
【００２３】ｎ型ＧａＮ層成長後、原料ガス、ドーパン
トガスを止め、温度を８００℃にして、キャリアガスを
窒素に切り替え、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）とアンモニア、ドーパントガスとし
てＤＥＺ（ジエチルジンク）とシランガスとを用い、Ｚ
ｎおよびＳｉをドープしたｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層を
１００オングストローム成長させる。
トガスを止め、温度を８００℃にして、キャリアガスを
窒素に切り替え、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）とアンモニア、ドーパントガスとし
てＤＥＺ（ジエチルジンク）とシランガスとを用い、Ｚ
ｎおよびＳｉをドープしたｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層を
１００オングストローム成長させる。
【００２４】次に、原料ガス、ドーパントガスを止め、
再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスとしてＴ
ＭＧとアンモニア、ドーパントガスとしてＣｐ2Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）とを用い、Ｍｇ
をドープしたｐ型ＧａＮ層を０．２μｍ成長させる。
再び温度を１０２０℃まで上昇させ、原料ガスとしてＴ
ＭＧとアンモニア、ドーパントガスとしてＣｐ2Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）とを用い、Ｍｇ
をドープしたｐ型ＧａＮ層を０．２μｍ成長させる。
【００２５】続いてＣｐ2Ｍｇガスの流量を多くして、
Ｍｇをｐ型ＧａＮ層よりも多くドープしたｐ+型ＧａＮ
層を０．３μｍ成長させる。このようにしてｐクラッド
層をキャリア濃度の異なる２層構造とする。
Ｍｇをｐ型ＧａＮ層よりも多くドープしたｐ+型ＧａＮ
層を０．３μｍ成長させる。このようにしてｐクラッド
層をキャリア濃度の異なる２層構造とする。
【００２６】ｐ+型ＧａＮ層成長後、基板を反応容器か
ら取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７０
０℃で２０分間アニーリングを行い、ｐ型ＧａＮ層、お
よびｐ+型ＧａＮ層をさらに低抵抗化する。なお、ｐ型
ＧａＮ層のキャリア濃度は１×１０16／cm3、ｐ+ＧａＮ
層のキャリア濃度は１×１０17／cm3であった。
ら取り出し、アニーリング装置にて窒素雰囲気中、７０
０℃で２０分間アニーリングを行い、ｐ型ＧａＮ層、お
よびｐ+型ＧａＮ層をさらに低抵抗化する。なお、ｐ型
ＧａＮ層のキャリア濃度は１×１０16／cm3、ｐ+ＧａＮ
層のキャリア濃度は１×１０17／cm3であった。
【００２７】以上のようにして得られたウエハーのｐク
ラッド層、ｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層、およびｎ型Ｇａ
Ｎ層の一部をエッチングにより取り除き、ｎ+型ＧａＮ
層を露出させ、ｐ+型ＧａＮ層と、ｎ+型ＧａＮ層とにオ
ーミック電極を設け、５００μｍ角のチップにカットし
た後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、サファ
イア基板面から観測して全面に均一な発光が得られ、２
０ｍＡにおいてＶｆ４．０Ｖ、発光出力７００μＷ、発
光波長４９０ｎｍ、輝度１．１ｃｄが得られた。
ラッド層、ｎ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層、およびｎ型Ｇａ
Ｎ層の一部をエッチングにより取り除き、ｎ+型ＧａＮ
層を露出させ、ｐ+型ＧａＮ層と、ｎ+型ＧａＮ層とにオ
ーミック電極を設け、５００μｍ角のチップにカットし
た後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、サファ
イア基板面から観測して全面に均一な発光が得られ、２
０ｍＡにおいてＶｆ４．０Ｖ、発光出力７００μＷ、発
光波長４９０ｎｍ、輝度１．１ｃｄが得られた。
【００２８】［実施例２］ 実施例１において、ｎ型ＧａＮ層を成長する際、新たに
原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、
同じくキャリア濃度１×１０18／cm3のＳｉドープｎ型
Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を３．５μｍ成長させる。
原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、
同じくキャリア濃度１×１０18／cm3のＳｉドープｎ型
Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を３．５μｍ成長させる。
【００２９】さらに、ｐ型ＧａＮ層を成長する際、新た
に原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加
え、同じくキャリア濃度１×１０16／cm3のＭｇドープ
ｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を０．２μｍ成長させる。
に原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加
え、同じくキャリア濃度１×１０16／cm3のＭｇドープ
ｐ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層を０．２μｍ成長させる。
【００３０】以上の他は実施例１と同様にして青色発光
ダイオードを得たところ、同じく均一な全面発光が得ら
れ、２０ｍＡにおいてＶｆ４．０Ｖ、発光出力７００μ
Ｗ、発光波長４９０ｎｍ、輝度１．１ｃｄであった。
ダイオードを得たところ、同じく均一な全面発光が得ら
れ、２０ｍＡにおいてＶｆ４．０Ｖ、発光出力７００μ
Ｗ、発光波長４９０ｎｍ、輝度１．１ｃｄであった。
【００３１】［実施例３］ 実施例１において、ｎクラッド層をキャリア濃度１×１
０18／cm3、膜厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１層
とする他は、同様にして青色発光ダイオードを得たとこ
ろ、同じく均一な全面発光が得られ、２０ｍＡにおいて
Ｖｆ４．２Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波長４９０ｎ
ｍ、輝度１ｃｄであった。
０18／cm3、膜厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１層
とする他は、同様にして青色発光ダイオードを得たとこ
ろ、同じく均一な全面発光が得られ、２０ｍＡにおいて
Ｖｆ４．２Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波長４９０ｎ
ｍ、輝度１ｃｄであった。
【００３２】［実施例４］ 実施例１において、ｐクラッド層をキャリア濃度１×１
０17／cm3、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ+型ＧａＮ層
１層とする他は、同様にして青色発光ダイオードを得た
ところ、同じく均一な全面発光が得られ、２０ｍＡにお
いてＶｆ４．２Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波長４９
０ｎｍ、輝度１ｃｄであった。
０17／cm3、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ+型ＧａＮ層
１層とする他は、同様にして青色発光ダイオードを得た
ところ、同じく均一な全面発光が得られ、２０ｍＡにお
いてＶｆ４．２Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波長４９
０ｎｍ、輝度１ｃｄであった。
【００３３】［実施例５］ 実施例１において、ｐクラッド層をキャリア濃度１×１
０16／cm3、膜厚０．２μｍのＭｇドープｐ型Ｇａ0.9Ａ
ｌ0.1Ｎ層１層とする他は同様にして青色発光ダイオー
ドを得たところ、同じく均一な全面発光が得られ、２０
ｍＡにおいてＶｆ１０Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波
長４９０ｎｍ、輝度１ｃｄであった。Ｖｆが増加したの
は、ｐクラッド層をＧａＡｌＮとしたためにオーミック
性が悪くなったからである。
０16／cm3、膜厚０．２μｍのＭｇドープｐ型Ｇａ0.9Ａ
ｌ0.1Ｎ層１層とする他は同様にして青色発光ダイオー
ドを得たところ、同じく均一な全面発光が得られ、２０
ｍＡにおいてＶｆ１０Ｖ、発光出力５００μＷ、発光波
長４９０ｎｍ、輝度１ｃｄであった。Ｖｆが増加したの
は、ｐクラッド層をＧａＡｌＮとしたためにオーミック
性が悪くなったからである。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型ＩｎＧａＮを発光
層とするｐ−ｎ接合のダブルへテロ構造としているた
め、従来のＭＩＳ構造の発光素子に比して、格段に発光
効率、発光出力が増大する。また好ましくはｎ型ＩｎＧ
ａＮ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントがドー
プされたｎ型であれば、さらに発光出力が増大する。
ウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型ＩｎＧａＮを発光
層とするｐ−ｎ接合のダブルへテロ構造としているた
め、従来のＭＩＳ構造の発光素子に比して、格段に発光
効率、発光出力が増大する。また好ましくはｎ型ＩｎＧ
ａＮ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントがドー
プされたｎ型であれば、さらに発光出力が増大する。
【００３５】さらに本発明の発光素子は、ＩｎＧａＮ層
を挟むｎクラッド層、および／またはｐクラッド層のキ
ャリア濃度を活性層であるＩｎＧａＮに接近するほど小
さくしているため、活性層全体に均一に電流が流れ、均
一な発光が得られる。発光素子の発光出力を最大にする
ためには、ｎクラッド層、ｐクラッド層とも前記構造と
することが好ましいが、いずれか一方でもよい。このよ
うにクラッド層を変化させることにより、発光素子の発
光出力を格段に向上させることができる。また、好まし
くｐクラッド層の電極形成層をｐ+ＧａＮ層とすること
により、電極とのオーミック性が良くなりＶｆを低下さ
せて発光効率を向上させることができる。
を挟むｎクラッド層、および／またはｐクラッド層のキ
ャリア濃度を活性層であるＩｎＧａＮに接近するほど小
さくしているため、活性層全体に均一に電流が流れ、均
一な発光が得られる。発光素子の発光出力を最大にする
ためには、ｎクラッド層、ｐクラッド層とも前記構造と
することが好ましいが、いずれか一方でもよい。このよ
うにクラッド層を変化させることにより、発光素子の発
光出力を格段に向上させることができる。また、好まし
くｐクラッド層の電極形成層をｐ+ＧａＮ層とすること
により、電極とのオーミック性が良くなりＶｆを低下さ
せて発光効率を向上させることができる。
【図１】 本発明の一実施例の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子の構造を示す模式断面図。
導体発光素子の構造を示す模式断面図。
【図２】 ドーパントの違いによるｎ型ＩｎＧａＮ層の
フォトルミネッセンス強度を比較して示す図。
フォトルミネッセンス強度を比較して示す図。
１・・・・ 基板 ２・・・・ ｎ
+型ＧａＮ層 ３・・・・ ｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層 ４・・・・ ｎ
型ＩｎXＧａ1-XＮ層 ５・・・・ ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層 ６・・・・ ｐ
+型ＧａＮ層 ７、８・・ 電極
+型ＧａＮ層 ３・・・・ ｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ層 ４・・・・ ｎ
型ＩｎXＧａ1-XＮ層 ５・・・・ ｐ型Ｇａ1-ZＡｌZＮ層 ６・・・・ ｐ
+型ＧａＮ層 ７、８・・ 電極
Claims (4)
- 【請求項１】 ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ
型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、ｎ型Ｉｎ X
Ｇａ 1-X Ｎ（０＜X＜１）層を発光層として具備するダブ
ルへテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子で
あって、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、およ
び／または前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のキ
ャリア濃度が、前記Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ｎ層に接近するにつれ
て小さくなるように調整されており、前記ｐ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層は、キャリア濃度の大きいｐ + 型
ＧａＮ層と、ｐ + 型ＧａＮ層よりもキャリア濃度の小さ
いｐ型Ｇａ 1-Z Ａｌ Z Ｎ（０＜Z＜１）層とからなること
を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
は、キャリア濃度の大きいｎ+型ＧａＮ層と、ｎ+型Ｇａ
Ｎ層よりもキャリア濃度の小さいｎ型Ｇａ1-YＡｌYＮ
（０≦Y＜１）層とからなることを特徴とする請求項１
に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記ｎ型ＩｎXＧａ1-XＮ層は、ｎ型ドー
パントとｐ型ドーパントとがドープされてｎ型とされて
いることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
は４００℃以上でアニーリングされてｐ型とされている
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15721993A JP2785254B2 (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15721993A JP2785254B2 (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP254698A Division JP3216596B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0715041A JPH0715041A (ja) | 1995-01-17 |
| JP2785254B2 true JP2785254B2 (ja) | 1998-08-13 |
Family
ID=15644829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15721993A Expired - Lifetime JP2785254B2 (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2785254B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US8044430B2 (en) | 2006-01-18 | 2011-10-25 | Panasonic Corporation | Nitride semiconductor light-emitting device comprising multiple semiconductor layers having substantially uniform N-type dopant concentration |
| US8395165B2 (en) | 2011-07-08 | 2013-03-12 | Bridelux, Inc. | Laterally contacted blue LED with superlattice current spreading layer |
| US8525221B2 (en) | 2009-11-25 | 2013-09-03 | Toshiba Techno Center, Inc. | LED with improved injection efficiency |
| US8536601B2 (en) | 2009-06-10 | 2013-09-17 | Toshiba Techno Center, Inc. | Thin-film LED with P and N contacts electrically isolated from the substrate |
| US8564010B2 (en) | 2011-08-04 | 2013-10-22 | Toshiba Techno Center Inc. | Distributed current blocking structures for light emitting diodes |
| US8581267B2 (en) | 2011-11-09 | 2013-11-12 | Toshiba Techno Center Inc. | Series connected segmented LED |
| US8624482B2 (en) | 2011-09-01 | 2014-01-07 | Toshiba Techno Center Inc. | Distributed bragg reflector for reflecting light of multiple wavelengths from an LED |
| US8664679B2 (en) | 2011-09-29 | 2014-03-04 | Toshiba Techno Center Inc. | Light emitting devices having light coupling layers with recessed electrodes |
| US8686430B2 (en) | 2011-09-07 | 2014-04-01 | Toshiba Techno Center Inc. | Buffer layer for GaN-on-Si LED |
| US8698163B2 (en) | 2011-09-29 | 2014-04-15 | Toshiba Techno Center Inc. | P-type doping layers for use with light emitting devices |
| US8865565B2 (en) | 2011-08-02 | 2014-10-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | LED having a low defect N-type layer that has grown on a silicon substrate |
| US8916906B2 (en) | 2011-07-29 | 2014-12-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Boron-containing buffer layer for growing gallium nitride on silicon |
| US8994064B2 (en) | 2011-09-03 | 2015-03-31 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Led that has bounding silicon-doped regions on either side of a strain release layer |
| US9012921B2 (en) | 2011-09-29 | 2015-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light emitting devices having light coupling layers |
| US9012939B2 (en) | 2011-08-02 | 2015-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | N-type gallium-nitride layer having multiple conductive intervening layers |
| US9018643B2 (en) | 2011-09-06 | 2015-04-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | GaN LEDs with improved area and method for making the same |
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| US9142743B2 (en) | 2011-08-02 | 2015-09-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High temperature gold-free wafer bonding for light emitting diodes |
| US9159869B2 (en) | 2011-08-03 | 2015-10-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | LED on silicon substrate using zinc-sulfide as buffer layer |
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| US9617656B2 (en) | 2011-07-25 | 2017-04-11 | Toshiba Corporation | Nucleation of aluminum nitride on a silicon substrate using an ammonia preflow |
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| US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2006-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US6900465B2 (en) | 1994-12-02 | 2005-05-31 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor light-emitting device |
| US5777350A (en) | 1994-12-02 | 1998-07-07 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting device |
| JP3448450B2 (ja) | 1996-04-26 | 2003-09-22 | 三洋電機株式会社 | 発光素子およびその製造方法 |
| SG115549A1 (en) | 2002-07-08 | 2005-10-28 | Sumitomo Chemical Co | Epitaxial substrate for compound semiconductor light emitting device, method for producing the same and light emitting device |
| WO2006025571A2 (en) | 2004-08-31 | 2006-03-09 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Gan based luminescent device on a metal substrate |
| JP6036830B2 (ja) | 2012-08-21 | 2016-11-30 | 王子ホールディングス株式会社 | 半導体発光素子用基板及び半導体発光素子、並びにこれらの製造方法 |
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-
1993
- 1993-06-28 JP JP15721993A patent/JP2785254B2/ja not_active Expired - Lifetime
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