JP2934337B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子材料 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体発光素子材料Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特にディスプレー用、
光通信用に最適な、紫外域〜青色発光ダイオード、レー
ザダイオード等の半導体発光素子材料に関するものであ
る。
光通信用に最適な、紫外域〜青色発光ダイオード、レー
ザダイオード等の半導体発光素子材料に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体発光素子、特に可視域発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）は、あらゆる分野において機能表示素子
として使用されているが、従来、紫外域〜青色半導体発
光素子は実用化されておらず、特に３原色を必要とする
ディスプレー用として開発が急がれている。紫外域〜青
色半導体発光素子としては、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＳｉＣ
などを用いたものが報告されている。
ード（ＬＥＤ）は、あらゆる分野において機能表示素子
として使用されているが、従来、紫外域〜青色半導体発
光素子は実用化されておらず、特に３原色を必要とする
ディスプレー用として開発が急がれている。紫外域〜青
色半導体発光素子としては、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＳｉＣ
などを用いたものが報告されている。
【０００３】窒化ガリウム（ＧａＮ）は、多くはサファ
イアＣ面上にＭＯＣＶＤ法、ＶＰＥ法により成膜される
〔Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ，５６ Ｐ．２３６７−２３６８（１９８４）〕
が、平坦な表面を得るためには、一般に２０〜３０μｍ
以上の膜厚を要し、ＡｌＮバッファ層を用いても少なく
とも約４μｍ以上の膜厚が必要とされている〔Ａｐｐｌ
ｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，４８ Ｐ．３５
３−３５５（１９８６）〕。
イアＣ面上にＭＯＣＶＤ法、ＶＰＥ法により成膜される
〔Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ，５６ Ｐ．２３６７−２３６８（１９８４）〕
が、平坦な表面を得るためには、一般に２０〜３０μｍ
以上の膜厚を要し、ＡｌＮバッファ層を用いても少なく
とも約４μｍ以上の膜厚が必要とされている〔Ａｐｐｌ
ｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，４８ Ｐ．３５
３−３５５（１９８６）〕。
【０００４】ＧａＮ半導体発光素子は、基板側からの採
光が一般的であり〔Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃ
ａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，２８ Ｐ．８３−９２（１９８
２）〕、厚い膜厚を必要とする半導体発光素子では、光
の取り出し効率の低下は避けられない。このように従来
の半導体発光素子用ＧａＮ系薄膜は、Ｃ面サファイア基
板との格子不整合が大きく１μｍ以下の膜厚では界面に
おける格子不整合がＧａＮ薄膜表面のモフォロジに大き
く影響を及ぼし、平坦な単結晶薄膜は得られない。その
ため格子不整合を緩和するために２０〜３０μｍ以上、
ＡｌＮバッファ層を用いても４μｍ以上の膜厚を必要と
し、光の取り出し効率の低下を招く〔日本結晶学会誌１
５Ｐ．３３４−３４２（１９８８）〕という問題があっ
た。
光が一般的であり〔Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃ
ａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，２８ Ｐ．８３−９２（１９８
２）〕、厚い膜厚を必要とする半導体発光素子では、光
の取り出し効率の低下は避けられない。このように従来
の半導体発光素子用ＧａＮ系薄膜は、Ｃ面サファイア基
板との格子不整合が大きく１μｍ以下の膜厚では界面に
おける格子不整合がＧａＮ薄膜表面のモフォロジに大き
く影響を及ぼし、平坦な単結晶薄膜は得られない。その
ため格子不整合を緩和するために２０〜３０μｍ以上、
ＡｌＮバッファ層を用いても４μｍ以上の膜厚を必要と
し、光の取り出し効率の低下を招く〔日本結晶学会誌１
５Ｐ．３３４−３４２（１９８８）〕という問題があっ
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、光の取り出
し効率を増加させるために、薄い膜厚で平坦なＧａＮ系
単結晶薄膜を得ることを目的とする。
し効率を増加させるために、薄い膜厚で平坦なＧａＮ系
単結晶薄膜を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、サファイアＲ面
から特定の方向に回転させた面を基板面とすることによ
り、ＡｌＮバッファ層を設けるなどの操作をしなくと
も、薄い膜厚でＧａＮ系薄膜の平坦化を実現し得ること
を見いだし、本発明を実現した。
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、サファイアＲ面
から特定の方向に回転させた面を基板面とすることによ
り、ＡｌＮバッファ層を設けるなどの操作をしなくと
も、薄い膜厚でＧａＮ系薄膜の平坦化を実現し得ること
を見いだし、本発明を実現した。
【０００７】すなわち本発明は、サファイアＲ面から、
サファイアｃ軸のＲ面射影を回転軸として９．２度回転
させた面を基準面として、オフ角がプラスマイナス２度
以下の面を基板面とし、その基板上に少なくとも１種類
の窒化ガリウム系半導体層を積層した構造をもつことを
特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子材料を提供す
るものである。
サファイアｃ軸のＲ面射影を回転軸として９．２度回転
させた面を基準面として、オフ角がプラスマイナス２度
以下の面を基板面とし、その基板上に少なくとも１種類
の窒化ガリウム系半導体層を積層した構造をもつことを
特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子材料を提供す
るものである。
【０００８】以下、本発明についてさらに詳細に説明す
る。本発明におけるサファイアＲ面とは、単結晶サファ
イア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）において（１，−１，０，２）
面（Ｒ面）表面のことである。また、サファイアｃ軸の
Ｒ面射影とは、サファイア単結晶（コランダム型六方
晶）単位格子における単位ベクトルのうちのｃ軸のＲ面
への射影のことである（図１）。
る。本発明におけるサファイアＲ面とは、単結晶サファ
イア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）において（１，−１，０，２）
面（Ｒ面）表面のことである。また、サファイアｃ軸の
Ｒ面射影とは、サファイア単結晶（コランダム型六方
晶）単位格子における単位ベクトルのうちのｃ軸のＲ面
への射影のことである（図１）。
【０００９】また、本発明における基準面とは、サファ
イアＲ面からサファイアｃ軸のＲ面射影を回転軸として
９．２度回転させた面のことである（図２）。そして、
この基準面からのずれ角をオフ角と称し、オフ角がプラ
スマイナス２度以下の面を、ＧａＮ系薄膜を形成させる
基板面とする。この基板面を用いることにより、サファ
イア基板とＧａＮ系薄膜との格子不整合を約１パーセン
トに抑えることができ、膜厚１μｍ以下においても表面
が平坦で、かつ単結晶性の良好なＧａＮ系薄膜を得るこ
とができる。オフ角が大きくなると、表面に凹凸がで
き、単結晶性も低下する。また、このオフ角は、Ｘ線回
析法によって確認することができる。
イアＲ面からサファイアｃ軸のＲ面射影を回転軸として
９．２度回転させた面のことである（図２）。そして、
この基準面からのずれ角をオフ角と称し、オフ角がプラ
スマイナス２度以下の面を、ＧａＮ系薄膜を形成させる
基板面とする。この基板面を用いることにより、サファ
イア基板とＧａＮ系薄膜との格子不整合を約１パーセン
トに抑えることができ、膜厚１μｍ以下においても表面
が平坦で、かつ単結晶性の良好なＧａＮ系薄膜を得るこ
とができる。オフ角が大きくなると、表面に凹凸がで
き、単結晶性も低下する。また、このオフ角は、Ｘ線回
析法によって確認することができる。
【００１０】つぎに本発明における少なくとも１種の窒
化ガリウム系化合物層とは、例えばＧａＮの他Ｇａ1-x
Ａｌx Ｎ、Ｇａ1-x Ｉｎx Ｎ、Ｇａ1-x Ｂx ＮなどのＧ
ａＮを主とした混晶化合物、またはこれらの化合物にＺ
ｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎ、Ｈｇ等
を不純物として少量添加したもののことである。このよ
うな窒化ガリウム系化合物層を組合せて、ダフルヘテロ
構造、量子井戸構造、超格子構造等の複雑な構造をもっ
た素子を製作することも可能である。
化ガリウム系化合物層とは、例えばＧａＮの他Ｇａ1-x
Ａｌx Ｎ、Ｇａ1-x Ｉｎx Ｎ、Ｇａ1-x Ｂx ＮなどのＧ
ａＮを主とした混晶化合物、またはこれらの化合物にＺ
ｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎ、Ｈｇ等
を不純物として少量添加したもののことである。このよ
うな窒化ガリウム系化合物層を組合せて、ダフルヘテロ
構造、量子井戸構造、超格子構造等の複雑な構造をもっ
た素子を製作することも可能である。
【００１１】一例として、図３にｍｉｓ型発光素子の構
造を示す。サファイアＲ面から、サファイアｃ軸のＲ面
射影を回転軸として９．２度回転させた面（オフ角０．
５度以下）（５）上にｎ型ＧａＮ単結晶膜（６）を膜厚
０．８μｍまで積層し、さらにＭｇドープＧａＮ単結晶
高抵抗膜（７）を膜厚０．０５μｍ積層したものであ
る。また、電極（８）、（９）にはＡｌを使用した。
造を示す。サファイアＲ面から、サファイアｃ軸のＲ面
射影を回転軸として９．２度回転させた面（オフ角０．
５度以下）（５）上にｎ型ＧａＮ単結晶膜（６）を膜厚
０．８μｍまで積層し、さらにＭｇドープＧａＮ単結晶
高抵抗膜（７）を膜厚０．０５μｍ積層したものであ
る。また、電極（８）、（９）にはＡｌを使用した。
【００１２】成膜法としては、一般的に知られている、
例えばＣＢＥ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、真空蒸着
法、スパッタリング法等を用いることができるが、中で
もＣＢＥ法が最も好ましい。以下実施例によりさらに詳
細に説明する。
例えばＣＢＥ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、真空蒸着
法、スパッタリング法等を用いることができるが、中で
もＣＢＥ法が最も好ましい。以下実施例によりさらに詳
細に説明する。
【００１３】
【実施例】ＣＢＥ法により窒化ガリウムｍｉｓ型積層膜
を成膜した例について説明する。装置には、図４に示す
ような真空容器（１０）内に、蒸発用坩堝（クヌードセ
ンセル）（１１）、（１２）、（１３）、ガス導入用ガ
スセル（１４）、基板加熱ホルダー（１５）を備えたＣ
ＢＥ装置を使用した。
を成膜した例について説明する。装置には、図４に示す
ような真空容器（１０）内に、蒸発用坩堝（クヌードセ
ンセル）（１１）、（１２）、（１３）、ガス導入用ガ
スセル（１４）、基板加熱ホルダー（１５）を備えたＣ
ＢＥ装置を使用した。
【００１４】蒸発用坩堝（１１）にはＧａ金属、（１
２）にはＭｇ金属を入れ、それぞれ１０２０℃、２７０
℃に加熱した。ガスの導入にはガスセル（１４）を用
い、ガスを直接基板（１６）に吹き付けるように設置し
た。導入ガスにはＮＨ3 ガスを使用し、導入量を５ｃｃ
／ｍｉｎとした。真空容器内の真空度は、成膜時で１〜
５×１０-6Ｔｏｒｒ程度であった。
２）にはＭｇ金属を入れ、それぞれ１０２０℃、２７０
℃に加熱した。ガスの導入にはガスセル（１４）を用
い、ガスを直接基板（１６）に吹き付けるように設置し
た。導入ガスにはＮＨ3 ガスを使用し、導入量を５ｃｃ
／ｍｉｎとした。真空容器内の真空度は、成膜時で１〜
５×１０-6Ｔｏｒｒ程度であった。
【００１５】基板にはサファイアＲ面から、サファイア
ｃ軸のＲ面射影を回転軸として９．２度回転させた面
（オフ角０．５度以下）を使用し、８００℃に加熱し
た。まず、ＮＨ3 ガスを供給しながらＧａの坩堝のシャ
ッタを開け成膜を行ない、膜厚０．８μｍのＧａＮ薄膜
を形成させ、つづいてＭｇの坩堝のシャッタを開けドー
ピングを行いながらさらに膜厚０．２μｍ積層させた。
ｃ軸のＲ面射影を回転軸として９．２度回転させた面
（オフ角０．５度以下）を使用し、８００℃に加熱し
た。まず、ＮＨ3 ガスを供給しながらＧａの坩堝のシャ
ッタを開け成膜を行ない、膜厚０．８μｍのＧａＮ薄膜
を形成させ、つづいてＭｇの坩堝のシャッタを開けドー
ピングを行いながらさらに膜厚０．２μｍ積層させた。
【００１６】この積層膜をＳＥＭにより表面モフォロジ
を観察したところ、きわめて平坦で凹凸のない表面であ
ることがわかった。また、ＲＨＥＥＤ（高速電子線反射
回折）像によれば、ストリークをもつ単結晶パターンを
示し、面内で配向した単結晶ＧａＮ薄膜が生成している
ことがわかった。また、この積層膜に励起光としてＨｅ
−Ｃｄレーザーを照射し、室温においてフォトルミネッ
センス（ＰＬ）を観測したところ、図５に示すような波
長０．４７μｍ付近にピークをもつ青色発光が得られ
た。また、図３に示すような発光素子を試作し、電流電
圧特性を測定したところ、図６に示すようなダイオード
特性を示した。
を観察したところ、きわめて平坦で凹凸のない表面であ
ることがわかった。また、ＲＨＥＥＤ（高速電子線反射
回折）像によれば、ストリークをもつ単結晶パターンを
示し、面内で配向した単結晶ＧａＮ薄膜が生成している
ことがわかった。また、この積層膜に励起光としてＨｅ
−Ｃｄレーザーを照射し、室温においてフォトルミネッ
センス（ＰＬ）を観測したところ、図５に示すような波
長０．４７μｍ付近にピークをもつ青色発光が得られ
た。また、図３に示すような発光素子を試作し、電流電
圧特性を測定したところ、図６に示すようなダイオード
特性を示した。
【００１７】
【発明の効果】本発明による窒化ガリウム系発光素子材
料は、独自のサファイア基板面を用いることにより、基
板と膜との格子不整合を約１パーセントに抑え、薄い膜
厚において平坦かつ単結晶性の良好な青色〜紫外域の発
光素子材料を提供するものである。
料は、独自のサファイア基板面を用いることにより、基
板と膜との格子不整合を約１パーセントに抑え、薄い膜
厚において平坦かつ単結晶性の良好な青色〜紫外域の発
光素子材料を提供するものである。
【図１】サファイアのコランダム型六方晶と、結晶のＲ
面、ｃ軸を示す説明図である。
面、ｃ軸を示す説明図である。
【図２】サファイアＲ面から、サファイアｃ軸のＲ面射
影を回転軸として９．２度回転させた面を示す説明図で
ある。
影を回転軸として９．２度回転させた面を示す説明図で
ある。
【図３】試作した半導体発光素子の一例を示す構造の概
略図である。
略図である。
【図４】実施例を行なう際に用いた、実験装置の概略図
である。
である。
【図５】実施例１で得られた積層膜のフォトルミネセン
ス測定結果を示すスペクトル図である。
ス測定結果を示すスペクトル図である。
【図６】実施例１で得られた半導体発光素子の電圧電流
測定結果を示すグラフである。
測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】 １ サファイアＲ面 ２ サファイアｃ軸 ３ サファイアｃ軸のＲ面射影 ４ サファイアＲ面から、サファイアｃ軸のＲ面射影を
回転軸として９．２度回転させた面 ５ サファイア基板 ６ ｎ型ＧａＮ単結晶膜 ７ ＭｇドープＧａＮ単結晶膜 ８ Ａｌ電極 ９ Ａｌ電極 １０ 真空容器 １１ 蒸発用坩堝 １２ 蒸発用坩堝 １３ 蒸発用坩堝 １４ ガス導入用セル １５ 基板加熱ホルダー １６ 基板 １７ クライオパネル １８ 弁 １９ 液体窒素トラップ ２０ 油拡散ポンプ ２１ 油回転ポンプ ２２ シャッタ ２３ シャッタ ２４ シャッタ
回転軸として９．２度回転させた面 ５ サファイア基板 ６ ｎ型ＧａＮ単結晶膜 ７ ＭｇドープＧａＮ単結晶膜 ８ Ａｌ電極 ９ Ａｌ電極 １０ 真空容器 １１ 蒸発用坩堝 １２ 蒸発用坩堝 １３ 蒸発用坩堝 １４ ガス導入用セル １５ 基板加熱ホルダー １６ 基板 １７ クライオパネル １８ 弁 １９ 液体窒素トラップ ２０ 油拡散ポンプ ２１ 油回転ポンプ ２２ シャッタ ２３ シャッタ ２４ シャッタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−299876（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−183511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−228776（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−3233（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 サファイアＲ面から、サファイアｃ軸の
Ｒ面射影を回転軸として９．２度回転させた面を基準面
として、オフ角がプラスマイナス２度以下の面を基板面
とし、その基板上に少なくとも１種類の窒化ガリウム系
半導体層を積層した構造をもつことを特徴とする窒化ガ
リウム系半導体発光素子材料。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9222591A JP2934337B2 (ja) | 1991-04-23 | 1991-04-23 | 窒化ガリウム系半導体発光素子材料 |
| TW81106237A TW233371B (ja) | 1991-02-08 | 1992-08-06 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9222591A JP2934337B2 (ja) | 1991-04-23 | 1991-04-23 | 窒化ガリウム系半導体発光素子材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04323880A JPH04323880A (ja) | 1992-11-13 |
| JP2934337B2 true JP2934337B2 (ja) | 1999-08-16 |
Family
ID=14048500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9222591A Expired - Lifetime JP2934337B2 (ja) | 1991-02-08 | 1991-04-23 | 窒化ガリウム系半導体発光素子材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2934337B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2560963B2 (ja) * | 1993-03-05 | 1996-12-04 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP2560964B2 (ja) * | 1993-03-05 | 1996-12-04 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP2698796B2 (ja) * | 1994-04-20 | 1998-01-19 | 豊田合成株式会社 | ３族窒化物半導体発光素子 |
| JP3321369B2 (ja) | 1996-09-27 | 2002-09-03 | 日本碍子株式会社 | 表面弾性波装置およびその基板およびその製造方法 |
| JP2000201050A (ja) * | 1998-11-02 | 2000-07-18 | Ngk Insulators Ltd | 表面弾性波装置用基板およびその製造方法 |
| US6576932B2 (en) | 2001-03-01 | 2003-06-10 | Lumileds Lighting, U.S., Llc | Increasing the brightness of III-nitride light emitting devices |
| JP2006324465A (ja) | 2005-05-19 | 2006-11-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
-
1991
- 1991-04-23 JP JP9222591A patent/JP2934337B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04323880A (ja) | 1992-11-13 |
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