JP3304782B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は半導体発光素子に
関し、特に超格子構造を有する半導体発光素子の改良に
関する。この半導体発光素子は、例えば発光ダイオード
やレーザダイオードとして利用できる。
関し、特に超格子構造を有する半導体発光素子の改良に
関する。この半導体発光素子は、例えば発光ダイオード
やレーザダイオードとして利用できる。
【０００２】
【従来の技術】可視光短波長領域の発光素子として化合
物半導体を用いたものが知られている。中でも３族窒化
物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高くか
つ光の３原色の１つである青色を発光することから、昨
今特に注目を集めている。このような半導体発光素子に
おいて、発光効率を高めるために、量子井戸層とバリア
層とを繰り返し積層してなる超格子構造を発光層とした
ものが提案されている。
物半導体を用いたものが知られている。中でも３族窒化
物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高くか
つ光の３原色の１つである青色を発光することから、昨
今特に注目を集めている。このような半導体発光素子に
おいて、発光効率を高めるために、量子井戸層とバリア
層とを繰り返し積層してなる超格子構造を発光層とした
ものが提案されている。
【０００３】従来の超格子構造では、バリア層たるＧａ
Ｎの上に量子井戸層たるＩｎXＧａ1ーXＮを直接成長させ
ていた。この場合、前者の格子定数と後者の格子定数と
の間に相違があるので、両者の界面において格子欠陥の
生じるおそれがある。そこで、バリア層をＩｎYＧａ1-Y
Ｎ（但しＹ＜Ｘ）として、バリア層と量子井戸層との格
子定数の差を緩和しようとする技術が提案されている
（特開平６ー２６８２５７号公報参照）。
Ｎの上に量子井戸層たるＩｎXＧａ1ーXＮを直接成長させ
ていた。この場合、前者の格子定数と後者の格子定数と
の間に相違があるので、両者の界面において格子欠陥の
生じるおそれがある。そこで、バリア層をＩｎYＧａ1-Y
Ｎ（但しＹ＜Ｘ）として、バリア層と量子井戸層との格
子定数の差を緩和しようとする技術が提案されている
（特開平６ー２６８２５７号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにバリア層へＩｎを配合すると、量子井戸層とバリ
ア層との電位障壁、即ちコンダクションバンド側のオフ
セットΔＥcが小さくなる。従って、量子井戸にトラッ
プされる電子及びホールの数が減少することとなり、十
分な発光量を得られないおそれがある。
ようにバリア層へＩｎを配合すると、量子井戸層とバリ
ア層との電位障壁、即ちコンダクションバンド側のオフ
セットΔＥcが小さくなる。従って、量子井戸にトラッ
プされる電子及びホールの数が減少することとなり、十
分な発光量を得られないおそれがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明はこのような課
題を解決するためになされたものである。即ち、３族窒
化物半導体で形成される半導体発光素子であって、ｎ伝
導型の第１の半導体層と、ｐ伝導型の第２の半導体層
と、前記第１と第２の半導体層の間に設けられる超格子
構造の発光層とを備えてなり、前記発光層が量子井戸
層、バリア層及び前記量子井戸層と前記バリア層との間
に形成されるバッファ層を含み、前記量子井戸層と前記
バッファ層との間の電位障壁が、前記量子井戸層と前記
バリア層との電位障壁よりも小さく、前記バッファ層の
格子定数が前記量子井戸層の格子定数と前記バリア層の
格子定数の間にあることを特徴とする半導体発光素子で
ある。
題を解決するためになされたものである。即ち、３族窒
化物半導体で形成される半導体発光素子であって、ｎ伝
導型の第１の半導体層と、ｐ伝導型の第２の半導体層
と、前記第１と第２の半導体層の間に設けられる超格子
構造の発光層とを備えてなり、前記発光層が量子井戸
層、バリア層及び前記量子井戸層と前記バリア層との間
に形成されるバッファ層を含み、前記量子井戸層と前記
バッファ層との間の電位障壁が、前記量子井戸層と前記
バリア層との電位障壁よりも小さく、前記バッファ層の
格子定数が前記量子井戸層の格子定数と前記バリア層の
格子定数の間にあることを特徴とする半導体発光素子で
ある。
【０００６】
【発明の作用及び効果】上記構成の半導体素子によれ
ば、その超格子構造の発光層において量子井戸層とバリ
ア層との間に新規なバッファ層が導入された。このバッ
ファ層の格子定数が量子井戸層の格子定数とバリア層の
格子定数との間にあるので、量子井戸層、バッファ層及
びバリア層において格子定数の変化がなだらかなものと
なる。よって、各層の界面における格子欠陥の発生を抑
制することができる。また、量子井戸層とバリア層との
電位障壁、即ちコンダクションバンド側のオフセットΔ
Ｅcは、バッファ層の存在の如何に拘わらず、自由に設
計できる。従って、量子井戸層とバリア層との障壁の高
さが大きければ、バッファ層が存在していても、量子井
戸にトラップされる電子若しくはホールの数は充分なも
のとなる。よって、本発明の半導体発光素子の発光量は
大きくなる。即ち、本発明の半導体発光素子は格子欠陥
の発生を防止しつつ量子井戸層とバリア層との間に十分
な高さの電位障壁を確保できる。
ば、その超格子構造の発光層において量子井戸層とバリ
ア層との間に新規なバッファ層が導入された。このバッ
ファ層の格子定数が量子井戸層の格子定数とバリア層の
格子定数との間にあるので、量子井戸層、バッファ層及
びバリア層において格子定数の変化がなだらかなものと
なる。よって、各層の界面における格子欠陥の発生を抑
制することができる。また、量子井戸層とバリア層との
電位障壁、即ちコンダクションバンド側のオフセットΔ
Ｅcは、バッファ層の存在の如何に拘わらず、自由に設
計できる。従って、量子井戸層とバリア層との障壁の高
さが大きければ、バッファ層が存在していても、量子井
戸にトラップされる電子若しくはホールの数は充分なも
のとなる。よって、本発明の半導体発光素子の発光量は
大きくなる。即ち、本発明の半導体発光素子は格子欠陥
の発生を防止しつつ量子井戸層とバリア層との間に十分
な高さの電位障壁を確保できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の特徴となる発光層
の構成を図面を参照しながら更に詳しく説明する。図１
は発光層を構成する量子井戸層１、バッファ層２及びバ
リア層３の１つのユニットを示しこのユニットを１ない
し４０、好ましくは３ないし１０繰り返すことにより発
光層が形成される。
の構成を図面を参照しながら更に詳しく説明する。図１
は発光層を構成する量子井戸層１、バッファ層２及びバ
リア層３の１つのユニットを示しこのユニットを１ない
し４０、好ましくは３ないし１０繰り返すことにより発
光層が形成される。
【０００８】量子井戸層１はＩｎXＧａ1-XＮからなる。
ここにおいて、Ｘは０．１（格子定数：０．３２２３２
ｎｍ）〜０．３（格子定数：０．３２９３６ｎｍ）とす
ることが好ましい。なお、この明細書において格子定数
は理論上の、即ち何ら歪みのない結晶におけるa軸方向
の単位格子の長さである。量子井戸層の厚さは特に限定
されないが２〜４ｎｍとすることが好ましい。
ここにおいて、Ｘは０．１（格子定数：０．３２２３２
ｎｍ）〜０．３（格子定数：０．３２９３６ｎｍ）とす
ることが好ましい。なお、この明細書において格子定数
は理論上の、即ち何ら歪みのない結晶におけるa軸方向
の単位格子の長さである。量子井戸層の厚さは特に限定
されないが２〜４ｎｍとすることが好ましい。
【０００９】バッファ層２はＩｎYＧａ1-YＮからなる。
ここにおいて、 後述するバリア層３のＺがＺ＝０の場合、即ち、バ
リア層３がＧａＮからなる場合、Ｙは０．０５（格子定
数：０．３２０５６ｎｍ）〜０．１（格子定数：０．３
２２３２ｎｍ）とすることが好ましい。Ｙの配合量が
０．０５に満たないとバッファ層２の格子定数がバリア
層３の格子定数に近づき、また０．１を超えると量子井
戸層１の格子定数に近づき、それぞれ量子井戸層１−バ
ッファ層２−バリア層３の格子定数の変化が滑らかでな
くなるので好ましくない。
ここにおいて、 後述するバリア層３のＺがＺ＝０の場合、即ち、バ
リア層３がＧａＮからなる場合、Ｙは０．０５（格子定
数：０．３２０５６ｎｍ）〜０．１（格子定数：０．３
２２３２ｎｍ）とすることが好ましい。Ｙの配合量が
０．０５に満たないとバッファ層２の格子定数がバリア
層３の格子定数に近づき、また０．１を超えると量子井
戸層１の格子定数に近づき、それぞれ量子井戸層１−バ
ッファ層２−バリア層３の格子定数の変化が滑らかでな
くなるので好ましくない。
【００１０】また、量子井戸層１におけるＩｎの組成比
Ｘに対し、バッファ層２の組成比ＹはＸ＞Ｙの関係にあ
る。
Ｘに対し、バッファ層２の組成比ＹはＸ＞Ｙの関係にあ
る。
【００１１】−(1) バリア層３のＺがＺ＞０の場
合、即ちバリア層がＡｌＧａＮの三元混晶の場合、Ｙは
Ｙ＝０とすることが好ましい。これは、アルミニウムを
含む結晶の上へインジウムを含む結晶を直接成長させる
ことはしばしば困難であるからである（逆の場合も同
じ）。アルミニウムを含む結晶を有機金属化合物気相成
長（ＭＯＶＰＥ）法で成長させるときには気相中のアン
モニアの量を少なくしなければならない。アンモニアが
アルミニウムと反応し易いからである。これに対し、イ
ンジウムを含む結晶をＭＯＶＰＥ法で成長させるときに
は気相中のアンモニアの量を多くする必要がある。即
ち、アルミニウムを含む結晶とインジウムを含む結晶と
を連続して成長させるときには、気相中のアンモニアの
量を大きく変化させなければならない。従って、各結晶
を成長するに当たり、気相成分を安定させるために時間
及び原料のコストが嵩むこととなる。また、一の結晶を
成長させるのに要求される気相の環境が他の結晶に好ま
しくないものであるから、下地となる他の結晶に悪影響
のでるおそれもある。そこで、バッファ層をＡｌ及びＩ
ｎの含まれないＧａＮとすると、気相成分の調整が容易
となる。また、Ａｌ若しくはＩｎを含むところの問題と
なる他の結晶がバッファ層によって被覆されることとな
るので、気相成分によって下地がダメージを受けること
がなくなる。
合、即ちバリア層がＡｌＧａＮの三元混晶の場合、Ｙは
Ｙ＝０とすることが好ましい。これは、アルミニウムを
含む結晶の上へインジウムを含む結晶を直接成長させる
ことはしばしば困難であるからである（逆の場合も同
じ）。アルミニウムを含む結晶を有機金属化合物気相成
長（ＭＯＶＰＥ）法で成長させるときには気相中のアン
モニアの量を少なくしなければならない。アンモニアが
アルミニウムと反応し易いからである。これに対し、イ
ンジウムを含む結晶をＭＯＶＰＥ法で成長させるときに
は気相中のアンモニアの量を多くする必要がある。即
ち、アルミニウムを含む結晶とインジウムを含む結晶と
を連続して成長させるときには、気相中のアンモニアの
量を大きく変化させなければならない。従って、各結晶
を成長するに当たり、気相成分を安定させるために時間
及び原料のコストが嵩むこととなる。また、一の結晶を
成長させるのに要求される気相の環境が他の結晶に好ま
しくないものであるから、下地となる他の結晶に悪影響
のでるおそれもある。そこで、バッファ層をＡｌ及びＩ
ｎの含まれないＧａＮとすると、気相成分の調整が容易
となる。また、Ａｌ若しくはＩｎを含むところの問題と
なる他の結晶がバッファ層によって被覆されることとな
るので、気相成分によって下地がダメージを受けること
がなくなる。
【００１２】−(2) 気相の成分を充分調整すること
によって、従来どおり、アルミニウム（インジウム）を
含む結晶の上へ直接インジウム（アルミニウム）を含む
結晶を成長させることができることは勿論である。この
とき、インジウムの組成比Ｙは上記の条件である。
によって、従来どおり、アルミニウム（インジウム）を
含む結晶の上へ直接インジウム（アルミニウム）を含む
結晶を成長させることができることは勿論である。この
とき、インジウムの組成比Ｙは上記の条件である。
【００１３】量子井戸層１とバッファ層２との間及びバ
ッファ層２とバリア層３との間の格子定数不整はそれぞ
れ、２％以下とすることが好ましい。格子定数不整が２
％を超えると各層の界面で格子欠陥の生じるおそれがあ
る。
ッファ層２とバリア層３との間の格子定数不整はそれぞ
れ、２％以下とすることが好ましい。格子定数不整が２
％を超えると各層の界面で格子欠陥の生じるおそれがあ
る。
【００１４】Ｙを上記のの範囲とすると、図２に示す
ように量子井戸層１とバリア層３の電位障壁よりも量子
井戸層１とバッファ層２の電位障壁が小さくなる。即
ち、量子井戸層１とバリア層３との間のコンダクション
バンド側のオフセットΔＥcbarrier-well より量子井戸
層１とバッファ層２との間のコンダクションバンド側の
オフセットΔＥcbuffer-well が小さくなる。両オフセ
ットの差は特に限定されるものではない。
ように量子井戸層１とバリア層３の電位障壁よりも量子
井戸層１とバッファ層２の電位障壁が小さくなる。即
ち、量子井戸層１とバリア層３との間のコンダクション
バンド側のオフセットΔＥcbarrier-well より量子井戸
層１とバッファ層２との間のコンダクションバンド側の
オフセットΔＥcbuffer-well が小さくなる。両オフセ
ットの差は特に限定されるものではない。
【００１５】バッファ層の厚さは、図２に示すように、
バリア層３からみて量子井戸層１の井戸の部分が充分確
保できるように０．５〜２ｎｍとすることが好ましい。
更に好ましくは、０．５〜１ｎｍである。バッファ層２
が２ｎｍを超えて厚くなると、バッファ層２が実質的な
バリア層となってしまい、量子井戸が浅くなるので好ま
しくない。また、０．５ｎｍに満たないバッファ層２で
はバッファ層の効果がなくなるおそれがある。
バリア層３からみて量子井戸層１の井戸の部分が充分確
保できるように０．５〜２ｎｍとすることが好ましい。
更に好ましくは、０．５〜１ｎｍである。バッファ層２
が２ｎｍを超えて厚くなると、バッファ層２が実質的な
バリア層となってしまい、量子井戸が浅くなるので好ま
しくない。また、０．５ｎｍに満たないバッファ層２で
はバッファ層の効果がなくなるおそれがある。
【００１６】バリア層３はＡｌZＧａ1-ZＮからなる。こ
こにおいて、 バッファ層２にインジウムが含まれていないときに
は、即ち、バッファ層２がＧａＮからなるときには、Ｚ
は０．０５（格子定数：０．３１８４１５ｎｍ）〜０．
０３（格子定数：０．３１８５６９ｎｍ）とすることが
好ましい。バリア層３の厚さは特に限定されないが、２
０〜４０ｎｍとすることが好ましい。
こにおいて、 バッファ層２にインジウムが含まれていないときに
は、即ち、バッファ層２がＧａＮからなるときには、Ｚ
は０．０５（格子定数：０．３１８４１５ｎｍ）〜０．
０３（格子定数：０．３１８５６９ｎｍ）とすることが
好ましい。バリア層３の厚さは特に限定されないが、２
０〜４０ｎｍとすることが好ましい。
【００１７】アルミニウムの原子はＧａより小さいの
で、バリア層３の格子定数は量子井戸層１及びバッファ
層２より小さくなる。従って、量子井戸層より格子定数
の小さいバリア層により量子井戸層１に圧縮応力が加わ
ることとなる。これにより、量子井戸層１に歪みが発生
しそのバンドギャップが小さくなる。従って、発生した
光の波長が長波長側にシフトする。このようにしてアル
ミニウムの組成比を調整することにより、発生する光の
波長を制御できることとなる。発明者らの検討によれ
ば、量子井戸層のインジウムの組成比を小さくしても、
例えば２０％以下としても、波長５００ｎｍ以上の光を
発生することができた。
で、バリア層３の格子定数は量子井戸層１及びバッファ
層２より小さくなる。従って、量子井戸層より格子定数
の小さいバリア層により量子井戸層１に圧縮応力が加わ
ることとなる。これにより、量子井戸層１に歪みが発生
しそのバンドギャップが小さくなる。従って、発生した
光の波長が長波長側にシフトする。このようにしてアル
ミニウムの組成比を調整することにより、発生する光の
波長を制御できることとなる。発明者らの検討によれ
ば、量子井戸層のインジウムの組成比を小さくしても、
例えば２０％以下としても、波長５００ｎｍ以上の光を
発生することができた。
【００１８】−(1) バッファ層２にインジウムが含
まれているときには、上で説明したように製造工程の制
約から、ＺはＺ＝０とすること、即ちバリア層をＧａＮ
からなるものとすることが好ましい。 −(2) 気相の成分を充分調整することによって、バ
ッファ層２にインジウムが含まれている場合において
も、Ｚを上記の条件とすることができる。
まれているときには、上で説明したように製造工程の制
約から、ＺはＺ＝０とすること、即ちバリア層をＧａＮ
からなるものとすることが好ましい。 −(2) 気相の成分を充分調整することによって、バ
ッファ層２にインジウムが含まれている場合において
も、Ｚを上記の条件とすることができる。
【００１９】上記量子井戸層１、バッファ層２及びバリ
ア層３はともに意図的なドーパントを含んでいてもよい
し、含んでいなくてもよい。
ア層３はともに意図的なドーパントを含んでいてもよい
し、含んでいなくてもよい。
【００２０】上記各層をＭＯＶＰＥ法で形成する場合、
原料ガスの流量及び／又は成長時間を調整することによ
り層厚を制御できる。また、原料ガスの流量及び／又は
成長温度を調整することにより、各層の組成比を制御で
きる。
原料ガスの流量及び／又は成長時間を調整することによ
り層厚を制御できる。また、原料ガスの流量及び／又は
成長温度を調整することにより、各層の組成比を制御で
きる。
【００２１】以上説明したように、この発明の発光層は
二元混晶系若しくは三元混晶系の３族窒化物半導体で形
成される。
二元混晶系若しくは三元混晶系の３族窒化物半導体で形
成される。
【００２２】
【実施例】以下に、この発明の実施例を説明する。
【００２３】実施例１ 図３に実施例１の発光ダイオード１０の断面図を示す。
図４は発光層の拡大断面図である。実施例の発光ダイオ
ード１０はサファイア基板１１の上にＡｌＮ製のバッフ
ァ層１２が形成されている。このバッファ層１２の上に
は、順に、層厚約４,０００ｎｍのシリコンドープトｎ+
ーＧａＮ層１３、層厚約１,０００ｎｍのシリコンドー
プトｎーＧａＮ層１４、超格子構造の発光層１５、層厚
約５０ｎｍのマグネシウムドープトＡｌＧａＮ層１６、
膜厚約１００ｎｍのマグネシウムドープトｐーＧａＮ層
１７及び層厚約２５ｎｍのマグネシウムドープトｐ+ー
ＧａＮ層１８が積層されている。シリコンドープ量が多
いｎ伝導型の半導体層１３にはアルミニウム製の電極パ
ッド２１が接続され、マグネシウムドープ量が多いｐ伝
導型の半導体層１８（最上層）には金製の透明電極２２
を介して同じく金製の電極パッド２３が接続されてい
る。
図４は発光層の拡大断面図である。実施例の発光ダイオ
ード１０はサファイア基板１１の上にＡｌＮ製のバッフ
ァ層１２が形成されている。このバッファ層１２の上に
は、順に、層厚約４,０００ｎｍのシリコンドープトｎ+
ーＧａＮ層１３、層厚約１,０００ｎｍのシリコンドー
プトｎーＧａＮ層１４、超格子構造の発光層１５、層厚
約５０ｎｍのマグネシウムドープトＡｌＧａＮ層１６、
膜厚約１００ｎｍのマグネシウムドープトｐーＧａＮ層
１７及び層厚約２５ｎｍのマグネシウムドープトｐ+ー
ＧａＮ層１８が積層されている。シリコンドープ量が多
いｎ伝導型の半導体層１３にはアルミニウム製の電極パ
ッド２１が接続され、マグネシウムドープ量が多いｐ伝
導型の半導体層１８（最上層）には金製の透明電極２２
を介して同じく金製の電極パッド２３が接続されてい
る。
【００２４】超格子構造の発光層１５は、図４に示すと
おり、バリア層１５３、バッファ層１５２、量子井戸層
１５１、バッファ層１５２及びバリア層１５３を順に積
層して構成され、実施例では発光層中に５層の量子井戸
層１５１が含まれる。バリア層１５３はノンドープトＧ
ａＮからなり、その膜厚は約３．５ｎｍである。バッフ
ァ層１５２はノンドープトＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（即ち、
Ｙ＝０．１）からなり、その膜厚は約１．０ｎｍであ
る。量子井戸層１５１はノンドープトＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ
（即ち、Ｘ＝０．２）からなり、その膜厚は約３．５ｎ
ｍである。
おり、バリア層１５３、バッファ層１５２、量子井戸層
１５１、バッファ層１５２及びバリア層１５３を順に積
層して構成され、実施例では発光層中に５層の量子井戸
層１５１が含まれる。バリア層１５３はノンドープトＧ
ａＮからなり、その膜厚は約３．５ｎｍである。バッフ
ァ層１５２はノンドープトＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（即ち、
Ｙ＝０．１）からなり、その膜厚は約１．０ｎｍであ
る。量子井戸層１５１はノンドープトＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ
（即ち、Ｘ＝０．２）からなり、その膜厚は約３．５ｎ
ｍである。
【００２５】量子井戸層１５１の格子定数は０．３２５
８４ｎｍである。バッファ層１５２の格子定数は０．３
２２３２ｎｍである。バリア層１５３の格子定数は０．
３１８８ｎｍである。量子井戸層１５１とバッファ層１
５２とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは
３００ｍｅＶである。量子井戸層１５１とバリア層１５
３とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは６
００ｍｅＶである。
８４ｎｍである。バッファ層１５２の格子定数は０．３
２２３２ｎｍである。バリア層１５３の格子定数は０．
３１８８ｎｍである。量子井戸層１５１とバッファ層１
５２とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは
３００ｍｅＶである。量子井戸層１５１とバリア層１５
３とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは６
００ｍｅＶである。
【００２６】上記の発光ダイオード１０はＭＯＶＰＥ法
により製造される。用いるガスは、ＮＨ3、キャリアガ
スとしてのＨ2又はＮ2、トリメチルガリウム（Ｇａ（Ｃ
Ｈ3）3）（以下、「ＴＭＧ」と記す。）、トリメチルア
ルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3）（以下、「ＴＭＡ」と記
す。）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）3）（以
下、「ＴＭＩ」と記す。）、シラン（ＳｉＨ4）及びシ
クロペンタジエンマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2）
（以下、「ＣＰ2Ｍｇ」と記す。）である。
により製造される。用いるガスは、ＮＨ3、キャリアガ
スとしてのＨ2又はＮ2、トリメチルガリウム（Ｇａ（Ｃ
Ｈ3）3）（以下、「ＴＭＧ」と記す。）、トリメチルア
ルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3）（以下、「ＴＭＡ」と記
す。）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）3）（以
下、「ＴＭＩ」と記す。）、シラン（ＳｉＨ4）及びシ
クロペンタジエンマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2）
（以下、「ＣＰ2Ｍｇ」と記す。）である。
【００２７】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
a面を主面とする単結晶サファイア基板１１を周知のＭ
ＯＶＰＥ装置の反応室内のサセプタに装着した（例え
ば、特公平５ー７３２５１号公報参照）。次に、常圧で
H2を流速２ liter/min で反応室に流しながら温度１１
００℃でサファイア基板１１を気相エッチングした。
a面を主面とする単結晶サファイア基板１１を周知のＭ
ＯＶＰＥ装置の反応室内のサセプタに装着した（例え
ば、特公平５ー７３２５１号公報参照）。次に、常圧で
H2を流速２ liter/min で反応室に流しながら温度１１
００℃でサファイア基板１１を気相エッチングした。
【００２８】次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ
2を２０ liter/min、ＮＨ3を１０ liter/min、ＴＭＡを
１．８ X １０ー5 mol/min で供給してＡｌＮのバッファ
層１２を約５０ｎｍの厚さに形成した。次にサファイア
基板１１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１
０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/min、ＴＭＧを２．０
X １０ー4 mol/min及びシランを４．２ X １０ー8 mol/mi
nを導入し、膜厚約４，０００ｎｍのシリコンドープト
ＧａＮからなる高キャリア濃度ｎ+層１３を形成した。
2を２０ liter/min、ＮＨ3を１０ liter/min、ＴＭＡを
１．８ X １０ー5 mol/min で供給してＡｌＮのバッファ
層１２を約５０ｎｍの厚さに形成した。次にサファイア
基板１１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１
０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/min、ＴＭＧを２．０
X １０ー4 mol/min及びシランを４．２ X １０ー8 mol/mi
nを導入し、膜厚約４，０００ｎｍのシリコンドープト
ＧａＮからなる高キャリア濃度ｎ+層１３を形成した。
【００２９】高キャリア濃度ｎ+層１３の形成に引き続
いて、サファイア基板１１の温度を１１５０℃に保持
し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/mi
n、ＴＭＧを２．０ X １０ー4 mol/min及びシランを２．
０ X １０ー8 mol/min 導入して、膜厚約１０ｎｍのシリ
コンドープトＧａＮからなる低キャリア濃度ｎ層１４を
形成した。
いて、サファイア基板１１の温度を１１５０℃に保持
し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/mi
n、ＴＭＧを２．０ X １０ー4 mol/min及びシランを２．
０ X １０ー8 mol/min 導入して、膜厚約１０ｎｍのシリ
コンドープトＧａＮからなる低キャリア濃度ｎ層１４を
形成した。
【００３０】続いて、（ステップ１）基板１１の温度を
８５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ
3を２０ liter/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min
導入して、膜厚約３．５ｎｍのノンドープトＧａＮか
らなるバリア層１５３を形成した。
８５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ
3を２０ liter/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min
導入して、膜厚約３．５ｎｍのノンドープトＧａＮか
らなるバリア層１５３を形成した。
【００３１】更に、（ステップ２）温度を８５０℃に保
持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を２０ lite
r/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min、ＴＭＩを
１．０X １０ー4 mol/min導入し、膜厚約１．０ｎｍのノ
ンドープトＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるバッファ層１５
２を形成した。
持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を２０ lite
r/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min、ＴＭＩを
１．０X １０ー4 mol/min導入し、膜厚約１．０ｎｍのノ
ンドープトＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるバッファ層１５
２を形成した。
【００３２】引き続き、（ステップ３）温度を６５０℃
に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を２０
liter/min、ＴＭＧを４．０ X １０ー6 mol/min、ＴＭＩ
を１．０ X １０ー5 mol/min導入し、膜厚約３．５ｎｍ
のノンドープトＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる量子井戸層１
５１を形成した。
に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を２０
liter/min、ＴＭＧを４．０ X １０ー6 mol/min、ＴＭＩ
を１．０ X １０ー5 mol/min導入し、膜厚約３．５ｎｍ
のノンドープトＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる量子井戸層１
５１を形成した。
【００３３】更に、ステップ２及びステップ１を実行し
て図４に参照番号を付すことにより示した１のユニット
を形成した。そして、ステップ２、ステップ３、ステッ
プ２と更に工程を進めることにより５つのユニットを備
えた、即ち５つの量子井戸層１５１を備えた実施例の発
光層１５を形成した。
て図４に参照番号を付すことにより示した１のユニット
を形成した。そして、ステップ２、ステップ３、ステッ
プ２と更に工程を進めることにより５つのユニットを備
えた、即ち５つの量子井戸層１５１を備えた実施例の発
光層１５を形成した。
【００３４】次に、基板１１の温度を１０００℃に保持
し、Ｈ2又はＮ2を２５ liter/min、ＮＨ3を１０ liter/
min、ＴＭＧを２．０ X １０ー5 mol/min、ＴＭＡを１．
０ X１０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを３．０ X １０ー7 mol
/min導入して層厚約５０ｎｍのマグネシウムドープトＡ
ｌＧａＮ層１６を形成した。
し、Ｈ2又はＮ2を２５ liter/min、ＮＨ3を１０ liter/
min、ＴＭＧを２．０ X １０ー5 mol/min、ＴＭＡを１．
０ X１０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを３．０ X １０ー7 mol
/min導入して層厚約５０ｎｍのマグネシウムドープトＡ
ｌＧａＮ層１６を形成した。
【００３５】続いて、基板の温度を１０００℃に保持
し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/mi
n、ＴＭＧを２．０ X １０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを
７．０ X１０ー9 mol/min導入し、膜厚約１００ｎｍの
マグネシウムドープトｐーＧａＮ層１７を形成した。し
かし、この状態で層１７は高抵抗の半絶縁体である。
し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/mi
n、ＴＭＧを２．０ X １０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを
７．０ X１０ー9 mol/min導入し、膜厚約１００ｎｍの
マグネシウムドープトｐーＧａＮ層１７を形成した。し
かし、この状態で層１７は高抵抗の半絶縁体である。
【００３６】更に、基板の温度を１０００℃に保持し、
Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/min、
ＴＭＧを２ X １０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを２．１ X
１０ー8mol/min導入し、膜厚約２５ｎｍのマグネシウム
ドープトｐ+ーＧａＮ層１８を形成した。しかし、この
状態で層１８は高抵抗の半絶縁体である。
Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ3を５ liter/min、
ＴＭＧを２ X １０ー5 mol/min、ＣＰ2Ｍｇを２．１ X
１０ー8mol/min導入し、膜厚約２５ｎｍのマグネシウム
ドープトｐ+ーＧａＮ層１８を形成した。しかし、この
状態で層１８は高抵抗の半絶縁体である。
【００３７】その後、電子線照射装置を用いて、層１８
及び１７へ一様に電子線を照射した。電子線の照射条件
は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビーム移動
速度０．２mm/sec、ビーム径６０μmΦ、真空度５．０
X １０ー5Torrである。このような電子線照射によって層
１８及び１７はそれぞれ所望のｐ+伝導型及びｐ伝導型
となる。
及び１７へ一様に電子線を照射した。電子線の照射条件
は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビーム移動
速度０．２mm/sec、ビーム径６０μmΦ、真空度５．０
X １０ー5Torrである。このような電子線照射によって層
１８及び１７はそれぞれ所望のｐ+伝導型及びｐ伝導型
となる。
【００３８】このようにして形成された半導体ウエハを
周知の方法でエッチングして、図３に示した半導体層構
成とした。そして、透明電極２２を最上層１８の上に蒸
着し、電極パッド２１及び２３を形成した。その後、図
３の構成の発光ダイオード１０を半導体ウエハから切り
離した。
周知の方法でエッチングして、図３に示した半導体層構
成とした。そして、透明電極２２を最上層１８の上に蒸
着し、電極パッド２１及び２３を形成した。その後、図
３の構成の発光ダイオード１０を半導体ウエハから切り
離した。
【００３９】このようにして得られた実施例の発光ダイ
オード１０によれば、常温下、２０ｍＡの印加電流に対
し、波長５２０ｎｍの光を発生させることができた。
オード１０によれば、常温下、２０ｍＡの印加電流に対
し、波長５２０ｎｍの光を発生させることができた。
【００４０】実施例２ この実施例の発光ダイオードは発光層に構成においての
み実施例１の発光ダイオード１０と異なっており、他の
構成は同一であるのでその説明を省略する。
み実施例１の発光ダイオード１０と異なっており、他の
構成は同一であるのでその説明を省略する。
【００４１】この実施例の発光層は、図５に示すとお
り、バリア層２５３、バッファ層２５２、量子井戸層２
５１、バッファ層２５２及びバリア層２５３を順に積層
して構成され、発光層中に５層の量子井戸層２５１が含
まれている。各層の膜厚は第１実施例と同じである。バ
リア層２５３はノンドープトＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからな
り、バッファ層２５２はノンドープトＧａＮからなり、
量子井戸層２５１はノンドープトＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎか
らなる。
り、バリア層２５３、バッファ層２５２、量子井戸層２
５１、バッファ層２５２及びバリア層２５３を順に積層
して構成され、発光層中に５層の量子井戸層２５１が含
まれている。各層の膜厚は第１実施例と同じである。バ
リア層２５３はノンドープトＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからな
り、バッファ層２５２はノンドープトＧａＮからなり、
量子井戸層２５１はノンドープトＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎか
らなる。
【００４２】量子井戸層２５１の格子定数は０．３２４
０８ｎｍである。バッファ層２５２の格子定数は０．３
１８８ｎｍである。バリア層２５３の格子定数は０．３
１８４１５ｎｍである。量子井戸層２５１とバッファ層
２５２とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥc
は４５０ｍｅＶである。量子井戸層２５１とバリア層２
５３とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは
６００ｍｅＶである。
０８ｎｍである。バッファ層２５２の格子定数は０．３
１８８ｎｍである。バリア層２５３の格子定数は０．３
１８４１５ｎｍである。量子井戸層２５１とバッファ層
２５２とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥc
は４５０ｍｅＶである。量子井戸層２５１とバリア層２
５３とのコンダクションバンド側のオフセットΔＥcは
６００ｍｅＶである。
【００４３】この実施例の発光ダイオード１０によれ
ば、常温下、２０ｍＡの印加電流に対し、波長５２０ｎ
ｍの光を発生させることができた。
ば、常温下、２０ｍＡの印加電流に対し、波長５２０ｎ
ｍの光を発生させることができた。
【００４４】ＡｌＧａＮからなるバリア層２５３は基板
１１の温度を１０００℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を２５ l
iter/min、ＮＨ3を１０ liter/min、ＴＭＧを４ X １０
ー5 mol/min、ＴＭＡを１ X １０ー5 mol/min導入して形
成した。ＧａＮからなるバッファ層２５２は基板温度を
８５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ
3を２０ liter/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min
導入して形成した。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる量子井
戸層は基板温度を６５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０
liter/min、ＮＨ3を２０ liter/min、ＴＭＧを４．０
X １０ー5mol/min、ＴＭＩを１．０ X １０ー5 mol/min導
入して形成した。
１１の温度を１０００℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を２５ l
iter/min、ＮＨ3を１０ liter/min、ＴＭＧを４ X １０
ー5 mol/min、ＴＭＡを１ X １０ー5 mol/min導入して形
成した。ＧａＮからなるバッファ層２５２は基板温度を
８５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０ liter/min、ＮＨ
3を２０ liter/min、ＴＭＧを１．５ X １０ー5 mol/min
導入して形成した。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる量子井
戸層は基板温度を６５０℃に保持し、Ｈ2又はＮ2を１０
liter/min、ＮＨ3を２０ liter/min、ＴＭＧを４．０
X １０ー5mol/min、ＴＭＩを１．０ X １０ー5 mol/min導
入して形成した。
【００４５】この発明は上記実施例の記載に何ら限定さ
れるものではなく、請求項の記載を逸脱しない範囲で、
当業者が予想できる各種の変形態様を含むものである。
れるものではなく、請求項の記載を逸脱しない範囲で、
当業者が予想できる各種の変形態様を含むものである。
【図１】図１は、本発明の特徴部分を説明するための、
発光層の構成を示す断面図である。
発光層の構成を示す断面図である。
【図２】図２は同じく発光層のエネルギー帯図である。
【図３】図３は本発明の一の実施例の発光ダイオードの
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
【図４】図４は本発明の一の実施例の発光ダイオードの
発光層の構成を示す断面図である。
発光層の構成を示す断面図である。
【図５】図５は本発明の他の実施例の発光ダイオードの
発光層の構成を示す断面図である。
発光層の構成を示す断面図である。
１、１５１、２５１ 量子井戸層 ２、１５２、２５２、バッファ層 ３、１５３、２５３ バリア層 １０ 発光ダイオード １３、１４ ｎ伝導型の第１の半導体層 １５ 発光層 １７、１８ ｐ伝導型の第２の半導体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅崎 潤一 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−228025（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−41564（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−183614（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−65271（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259571（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−235730（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/28 301 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 ３族窒化物半導体で形成される半導体発
光素子であって、 ｎ伝導型の第１の半導体層と、 ｐ伝導型の第２の半導体層と、 前記第１と第２の半導体層の間に設けられる超格子構造
の発光層とを備えてなり、 前記発光層が量子井戸層、バリア層及び前記量子井戸層
と前記バリア層との間に形成されるバッファ層を含み、 前記量子井戸層と前記バッファ層との間の電位障壁が、
前記量子井戸層と前記バリア層との電位障壁よりも小さ
く、 前記バッファ層の格子定数が前記量子井戸層の格子定数
と前記バリア層の格子定数の間にある半導体発光素子に
おいて、前記量子井戸層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０＜Ｘ）からなり、
前記バッファ層がＩｎ Y Ｇａ 1-Y Ｎ（０≦Ｙ＜Ｘ）からな
り、前記バリア層はＡｌ Z Ｇａ 1-Z Ｎ（Ｚ：０．０５〜
０．０３）からなる ことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 ３族窒化物半導体で形成される半導体発
光素子であって、 ｎ伝導型の第１の半導体層と、 ｐ伝導型の第２の半導体層と、 前記第１と第２の半導体層の間に設けられる超格子構造
の発光層とを備えてなり、 前記発光層が量子井戸層、バリア層及び前記量子井戸層
と前記バリア層との間に形成されるバッファ層を含み、 前記量子井戸層と前記バッファ層との間の電位障壁が、
前記量子井戸層と前記バリア層との電位障壁よりも小さ
く、 前記バッファ層の格子定数が前記量子井戸層の格子定数
と前記バリア層の格子定数の間にある半導体発光素子に
おいて、 前記量子井戸層がＩｎ X Ｇａ 1-X Ｎ（０＜Ｘ）からなり、
前記バッファ層がＩｎ Y Ｇａ 1-Y Ｎ（０＜Ｙ＜Ｘ）からな
り、前記バリア層はＧａＮからなることを特徴とする半
導体発光素子。 - 【請求項３】 ３族窒化物半導体で形成される半導体発
光素子であって、 ｎ伝導型の第１の半導体層と、 ｐ伝導型の第２の半導体層と、 前記第１と第２の半導体層の間に設けられる超格子構造
の発光層とを備えてなり、 前記発光層が量子井戸層、バリア層及び前記量子井戸層
と前記バリア層との間に形成されるバッファ層を含み、 前記量子井戸層と前記バッファ層との間の電位障壁が、
前記量子井戸層と前記バリア層との電位障壁よりも小さ
く、 前記バッファ層の格子定数が前記量子井戸層の格子定数
と前記バリア層の格子定数の間にある半導体発光素子に
おいて、 前記量子井戸層がＩｎＧａＮからなり、前記バッファ層
がＧａＮからなり、前記バリア層はＡｌＧａＮからなる
ことを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25781796A JP3304782B2 (ja) | 1996-09-08 | 1996-09-08 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25781796A JP3304782B2 (ja) | 1996-09-08 | 1996-09-08 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1084132A JPH1084132A (ja) | 1998-03-31 |
| JP3304782B2 true JP3304782B2 (ja) | 2002-07-22 |
Family
ID=17311545
Family Applications (1)
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