JP4553457B2 - III-V compound semiconductor device having pn junction - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はGaN系化合物半導体、AlGaAs系化合物半導体、InAlGaP系化合物半導体などの、発光ダイオードやレーザダイオード、太陽電池などに用いられ得るIII-V族化合物半導体装置に関する。さらに詳しくは、pn接合を介してドーパントが相互拡散するのを防止し、各半導体層が低抵抗で、優れた素子特性が得られる半導体発光素子や太陽電池など、光電変換素子のpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
III-V族化合物半導体は、たとえばAlGaAs系、InAlGaP系、GaP、GaN系などの化合物半導体により、赤外から紫外に至る発光ダイオード(LED)や、レーザダイオード(LD)などの半導体発光素子、さらには薄膜太陽電池などに用いられ、種々の方面で利用されている。半導体発光素子は、たとえばn型層とp型層とを接合させ、または活性層をn型層とp型層により挟持するダブルヘテロ構造にして、pn接合に順方向電圧を印加し、電子と正孔を接合部に注入して電子と正孔を再結合させるなどして発光させる。
【0003】
そのため、n型層やp型層はそのキャリア濃度が大きいほど電流を注入しやすく、低い動作電圧で、大きな電流を注入することができて好ましい。しかし、実際にデバイスにすると、前述のAlGaAs系やInAlGaP系の化合物では、n型層で1019〜2×1020cm-3程度、p型層では1×1018cm-3程度しか得られず、たとえばn型層のみの単独の層でのキャリア濃度より小さくなる。
また、最近青色系の発光素子として開発されているGaN系化合物では、さらにキャリア濃度が低くなる。
【0004】
また、前述のLEDやLDでダブルヘテロ構造にする場合、素子によってはドーパントが活性層に拡散すると、活性層の結晶性が低下したり、不純物準位による発光をしたりして好ましくないため、少なくとも活性層に近い側のn型層やp型層のキャリア濃度をできるだけ小さくしてデバイスを構成する例もあり、より一層直列抵抗が増大する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、導電型が単一で、かつ、不純物の濃度勾配のない場合に比べて、pn接合を有するデバイスにすると、それぞれのキャリア濃度は低下し、半導体発光素子ではその動作電圧を上昇させると共にその発光効率が低下し、また、太陽電池ではその光電変換効率が低下するという問題がある。さらに、前述のように活性層へのドーパントの拡散をできるだけ少なくするため活性層を挟持するn型層やp型層のキャリア濃度を下げると、より一層動作電圧を上げ、発光効率が低下するという問題がある。これらの問題は、とくに最近の携帯電話など電池駆動の携帯機器の普及に伴い、より一層電力消費の小さい電子部品が要望されるに至り、深刻な問題になっている。
【0006】
本発明はこのよな問題を解決するためになされたもので、pn接合を形成したデバイスにしてもn型層およびp型層のキャリア濃度を高く維持し、また、活性層に接するn型層やp型層のキャリア濃度を下げなくても、活性層への不純物の拡散を抑制することができ、低抵抗で高効率の動作をするpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の他の目的は、n型層やp型層のキャリア濃度が大きく、低電圧で高効率の発光をするLEDやLDなどの半導体発光素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によるpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置は、III-V族化合物半導体からなるn型層と、III-V族化合物半導体からなるp型層とがアンドープの活性層を挟んで積層されることによりpn接合が形成される半導体装置であって、前記n型層は、n型ドーパントおよびp型ドーパントを含有したドナー・アクセプタ複合物がドナーとして作用し、かつ、前記p型層は、p型ドーパントおよびn型ドーパントを含有したアクセプタ・ドナー複合物がアクセプタとして作用してなるpn接合を有することにより形成されている。
【0009】
ここにpn接合を有するとは、n型層とp型層とが直接接合する場合のみならず、発光素子のダブルヘテロ構造のように、アンドープ層がn型層とp型層とにより挟持される構造も含む意味である。
【0010】
この構造にすることにより、n型層中には、たとえばSi-Mg-Si(III-V族化合物構成元素を省略)などのドナー・アクセプタ複合物が形成され、相互の強い引力による化学結合により質量的に安定になり、熱や電場による拡散のないドナーを実現することができる。この状態は、p型層中でも同様に、たとえばMg-Si-Mgのアクセプタ・ドナー複合物が形成されることにより安定なアクセプタを実現することができる。その結果、半導体層を成長中の温度やその後のアニール、また動作中の温度上昇や電圧の印加などにより、ドーパントが拡散したり、外部に蒸発して抜けるというような現象が抑制される。さらに、ドナーとアクセプタの相互作用による共有エネルギーが強いため、ドナーやアクセプタの準位が浅くなり、活性化エネルギーが小さくなるため、より一層キャリア濃度が大きくなる。その結果、従来構造よりも、n型層で2〜3倍の、またp型層で1桁以上の高いキャリア濃度と共に、非常に安定したドーパントを有する半導体層が得られ、高効率の半導体装置になる。
【0011】
前記III-V族化合物半導体がGaN系化合物からなり、前記n型層は、n型ドーパントのSiがp型ドーパントのMgより多く含み、Si-N-Mg-N-Siの結合した状態でn型ドーパントとして作用し、前記p型層は、p型ドーパントとしてMgがn型ドーパントのSiより多く含み、Mg-N-Si-N-Mgの結合した状態でp型ドーパントとして作用するように形成されることにより、n型ドーパントとp型ドーパントとの結合力が強く得られ、熱拡散などを抑制することができるためとくに好ましい。
【0012】
前記n型層のn型ドーパントとp型ドーパントとの原子濃度比、または前記p型層のp型ドーパントとn型ドーパントとの原子濃度比が、それぞれ1.3:1から3:1であることが、大きなキャリア濃度を得るのに好ましい。
【0013】
前記n型層とp型層との積層構造が、活性層をn型クラッド層とp型クラッド層とで挟持する発光層形成部であれば、ダブルヘテロ接合の高輝度のLEDやLDを低い動作電圧で得ることができる。とくに青色系の発光をすることができるGaN系化合物半導体を用いることにより、従来とくにp型層のキャリア濃度を上げることが困難であると共に、動作電圧が高いという問題があるため、p型層を含め、n型層もキャリア濃度を大きくすることができ、その効果がより顕著になる。
【0014】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置について説明をする。本発明によるpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置は、図1にGaN系化合物半導体を用いたLEDの断面説明図が示されるように、III-V族化合物半導体、たとえばGaN化合物半導体からなるn型層(クラッド層)3と、III-V族化合物半導体、たとえばGaN化合物半導体からなるp型層(クラッド層)5とが積層されることによりpn接合が形成されている(図1に示される例では、n型層3とp型層5との間にアンドープのInGaN系化合物半導体からなる活性層4が介在している)。本発明では、このn型層3が、たとえばSiのようなn型ドーパントだけでなく、たとえばMgのようなp型ドーパントを含有しており、また、p型層5も、たとえばMgのようなp型ドーパントだけでなく、たとえばSiのようなn型ドーパントを含有していることに特徴がある。
【0015】
n型層3は、GaNなどのIII-V族化合物にn型ドーパントの、たとえばSiとp型ドーパントの、たとえばMgがドーピングされることにより形成されている。すなわち、SiがMgより多くドーピングされることによりn型に形成され、たとえば図2にその結合モデルが示されるように、GaNの隣接するGaの位置にSiおよびMgが入ることにより、Si-N-Mg-N-Siの結合した状態で入り、安定した状態でSiのn型ドーパントとして作用する。このようにSiとMgとは、Nを介して結合した構造になっているが、これらは電気的に正と負との関係にあり、クーロン引力によっても相互に引き付ける力が働き、非常に安定した状態で入りこみながら、量的にMgより多いSiがドナーとして作用する。
【0016】
図2に示されるモデルでは、2個のSiが1個のMgとNを介して結合するSi:Mg=2:1の関係でドーピングされている例であるが、ドーピング状況により、必ずしも常に2:1の関係でドーピングされるとは限らない。しかし、SiとMgとの間には、前述のような相互作用が働くため、隣接するGaの位置にSiとMgとが入らないで、離れた位置にそれぞれが入っても、相互間のクーロン引力により相互に安定した構造を保ち、局所的に質量が3倍になったのと同様に作用し、温度が上昇しても非常に拡散し難くなり、SiがMgより多いことによりドナーとして作用する。
【0017】
このドーピングの状況は、たとえば図3(a)〜(c)に、ドナーの入り得る可能性が一般的な4配位化合物(III-V族化合物は4配位化合物になる)で2次元的にモデル化した例で示されるように、(ドナー):(アクセプタ)が3:1から1.3:1の割合で入ることが好ましい。すなわち、図3(a)は、ドナー(たとえばSi)2個とアクセプタ(たとえばMg)1個の組と、アクセプタ1個が単独で入った例(Si:Mg=3:1)で、この組が全体に存在する例である。これよりドナーが増えると、ドナー間での反発力が大きくなり、溶解度としては、ほぼ上限と考えられる。また、図3(b)に示される例は、前述のドナー2個とアクセプタ1個が結合した組が素子全体に存在する例(Si:Mg=2:1)で、最もエネルギー的に安定な状態である。また、図3(c)は、前述のドナー2個とアクセプタ1個のペア1組と、ドナーおよびアクセプタがそれぞれ1個のペア2組が存在する例(Si:Mg=1.3:1)で、ドナーとして作用する最低限の例に相当する。なお、図3で白丸が化合物を構成する元素、黒丸がアクセプタ(Mg)、白丸の外側を黒丸で囲んだのがドナー(Si)をそれぞれ示している。
【0018】
n型ドーパントとしては、前述のSiに限定されるものではなく、酸素でもよく、原子番号の小さい元素ができるだけ好ましいが、これら以外のIV族元素またはVI族元素を用いることもできる。n型ドーパントとしてOが用いられる場合、OはGaNのNの位置に入る。そのため、隣接するGaとNにそれぞれMgとOとが入り、O-Mg-Oのより強固な結合になる。また、p型ドーパントとしては、前述のMgの他にZnなどのII族元素またはCなどのIV族元素を用いることもできる。
【0019】
このSiとMgの両方をドーピングするには、たとえば有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により成長する場合、GaN成長用の反応ガスであるトリメチルガリウム(TMG)およびアンモニア(NH3)と共に、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)とを2:1程度の割合で導入することにより得られる。余りSiの量が多すぎると、従来のSiを単独でドーピングするのと同様にSiが動きやすい状態で、p型層側に拡散しやすく、また、格子侵入型として薄膜結晶を歪んだ状態にさせ、導電性が悪くなる。また、前述のSiとMgとの結合は、成膜後のアニール処理などの温度が余り高いと、分解して変動する虞れがあるため、アニール時に余り温度を上昇しないようにする必要がある。
【0020】
p型層5は、n型層3とは逆に、GaNなどのIII-V族化合物にp型ドーパントのMgを多く、n型ドーパントのSiを少なくドーピングすることにより形成されている。すなわち、MgがSiより多くドーピングされることによりp型に形成され、たとえば図2に示される結合モデルのSiとMgとが逆になった構造で、GaNのGaの位置にMgとSiが入り、前述のn型の場合と同様に、Mg-N-Si-N-Mgの結合した状態になり、安定した状態でMgがp型ドーパントとして作用する。なお、このp型ドーパントの入り方も、前述のn型の場合と同様に、図3に示されるモデルで、ドナーとアダプタとが逆になるだけで、Mg:Si=(1.3〜3):1になるようにドーピングされることが好ましい。
【0021】
このMgとSiの両方をドーピングしたp型層5を成長するにも、MOCVD法の場合、前述のn型層3の場合と同様のガスを導入しながら、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)をシラン(SiH4)より2倍以上の割合で導入することにより得られる。すなわち、MgはSiより蒸発しやすいため、Mg:Siの割合を2:1程度にドーピングするには、MgのドーパントガスをSiのドーパントガスの2倍より多く導入する必要がある。そして、最終的にドーピングされるMgとSiの割合は、前述のように、Mg:Si=(1.3〜3):1にすることが、Mgの熱拡散を防止する点および深いアクセプタが形成されるのを防止する点から好ましい。この場合は、とくにMgが蒸発しやすいため、アニール処理の温度を900℃以上に上げないように注意する必要がある。
【0022】
図1に示されるLEDを製造するには、サファイア(Al2O3)基板1上に400〜600℃程度の低温で、バッファ層2を0.01〜2μm程度堆積し、ついで、600〜1000℃程度の高温でクラッド層となる前述のn型層3を1〜5μm程度、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばInGaN系化合物半導体からなる活性層4が0.05〜0.3μm程度、前述のp型層5が0.2〜1μm程度、それぞれ順次積層されることによりpn接合部が形成されている。なお、簡単のため、n型層3およびp型層5をGaNで形成したが、バンドギャップエネルギーを大きくするため、AlGaN系化合物で構成したり、活性層4側にAlGaN系化合物半導体層を設け、GaN層などとの複合層などで構成することもできる。
【0023】
そして、その表面に真空蒸着などによりNiおよびAuを蒸着して400〜700℃程度でシンターすることにより導電性で光を透過する電流拡散層7を2〜100nm程度の厚さに形成する。その後、電流拡散層7の表面にレジスト膜などを設けてパターニングをし、塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングなどにより、電流拡散層7および半導体層3〜5の一部をエッチングしてn型層3を露出させ、TiおよびAlを真空蒸着などにより成膜し、シンターすることによりn側電極9を、また、電流拡散層7上にTiとAuをそれぞれ積層することによりp側電極8を、それぞれ形成し、チップ化することにより、活性層4をn型層3とp型層5とで挟持するダブルヘテロ構造の図1に示されるLEDチップが得られる。
【0024】
本発明によれば、n型層3およびp型層5をそれぞれn型ドーパント(ドナー)またはp型ドーパント(アクセプタ)の単独のドーパントをドーピングするだけでなく、本来の導電型のドーパントを主としながらも反対導電型のドーパントも、主たるドーパントの半分程度同時にドーピングされている。そのため、化合物半導体中で、ドナーとアクセプタの相互の強い引力により結合して、熱や電場に対して移動し難い非常に安定した状態を維持し、ドナーまたはアクセプタとして作用する。その結果、半導体層を成長中の温度または成長後のアニール処理などによる温度上昇に対しても、相互拡散をすることなく、高い濃度のドナーおよびアクセプタを維持することができ、低抵抗の半導体層を実現することができる。とくに、n型層のキャリア濃度は、従来1019〜1020cm-3程度で飽和状態に達していると考えられていたが、本発明によれば、6×1020cm-3程度のキャリア濃度が得られ、2〜3倍程度のキャリア濃度が得られた。またp型層に関しても、従来1018cm-3程度が限界であったのが、2〜3×1020cm-3程度のキャリア濃度が得られた。
【0025】
さらに、ドナーとアクセプタとが共存することにより、共有エネルギーが強いため、ドナーやアクセプタの準位が浅くなり、その結果、より多くのキャリアが活性化され、かつ、移動度が大きくなり、少ないドーパントでより抵抗を小さくすることができる。その結果、内部量子効率がより一層向上し、発光素子にした場合大きな光出力が得られる。
【0026】
以上のように、従来は、たとえばGaN系化合物のように、p型層に関してはさらにキャリア濃度を上昇させることが研究されてはいたが、n型層に関しては、キャリア濃度も充分で、ドーパントの入り方による移動度に関しても殆ど問題にされていなかったが、本発明によれば、n型層に関してもその拡散を防止すると共に移動度が向上し、非常に低抵抗のn型層となり、pn接合を有するデバイスにする場合に、とくにその効果が顕著に現れた。また、本発明によれば、ドーパントの熱拡散を防止することができるため、従来活性層にドーパントが拡散して活性層の結晶性を低下させることによる発光効率の低下を避ける観点から、活性層と接するクラッド層などのキャリア濃度を非常に小さくする場合もあったが、このような場合でも、その必要がなく、n型層とp型層の全体を高いキャリア濃度で形成することができ、より一層低い動作電圧で大きな電流が得られ、高効率の発光素子が得られる。
【0027】
前述の例では、LEDの例であったが、LDの場合でも、半導体層の積層構造が若干異なるだけで、そのn型層およびp型層に主たるドーパントの他に他の導電型のドーパントを若干少なくなるようにドーピングすることにより動作電圧が低く、大きな出力の半導体レーザが得られる。さらに、発光素子に限らず、太陽電池など、n型層とp型層とをpn接合を形成するように積層するデバイスに同様に適用することができることはいうまでもない。
【0028】
さらに、前述の例では、GaN系化合物半導体の例であったが、GaN系化合物では、キャリア濃度の大きい半導体層を得にくいこと、バンドギャップエネルギーの大きいことから動作電圧が高くなりやすいこと、などの点からとくに好ましいが、他のAlGaAs系化合物、AlGaInP系化合物、GaP化合物などでもよりキャリア濃度を大きくすることができると共に、その不純物準位を浅くして電子の移動度を大きくすることができ、発光効率などそのデバイス効率が向上すると共に、動作電圧を下げることができ、電池駆動の携帯機器に使用する場合に特に効果が大きい。
【0029】
また、前述の例では、MOCVD法により各半導体層を成長したが、分子線エピタキシー(MBE)法によっても同様に成長することができる。この場合、反応ガスではなく、各金属を直接照射することにより基板上で反応して成長することにより、複合物ドーパント(ドナーとアクセプタとが結合したクラスター)を有する化合物半導体層が得られる。なお、Nの原料としては、プラズマチッ素を用いる。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、pn接合を有するIII-V族化合物半導体のn型層およびp型層の両方共に高濃度のドナーおよびアクセプタを有すると共に、その不純物準位を浅くすることができるため、キャリア濃度が高く、かつ、移動度が大きく、さらには熱的にも電場的にも安定な経時変化の少ない発光効率の優れた半導体発光素子や光電変換効率の優れた太陽電池など、特性の優れたpn接合を有するIII-V族化合物半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の化合物半導体装置の一実施形態であるLEDチップの説明図である。
【図2】図1のn型層のドーピングした状態をモデル化して示した図である。
【図3】本発明のドーピングした状態を4配位化合物でモデル化して示した図である。
【符号の説明】
3 n型層
5 p型層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a group III-V compound semiconductor device that can be used for light emitting diodes, laser diodes, solar cells, and the like, such as GaN-based compound semiconductors, AlGaAs-based compound semiconductors, and InAlGaP-based compound semiconductors. More specifically, it has a pn junction of a photoelectric conversion element such as a semiconductor light-emitting element or a solar cell that prevents dopants from interdiffusion through a pn junction and each semiconductor layer has low resistance and excellent device characteristics. The present invention relates to a III-V compound semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Group III-V compound semiconductors are, for example, compound semiconductors such as AlGaAs, InAlGaP, GaP, and GaN, light emitting diodes (LEDs) ranging from infrared to ultraviolet, semiconductor light emitting devices such as laser diodes (LD), Is used in thin film solar cells and the like, and is used in various fields. The semiconductor light emitting device has a double hetero structure in which, for example, an n-type layer and a p-type layer are joined, or an active layer is sandwiched between the n-type layer and the p-type layer, and a forward voltage is applied to the pn junction. Light is emitted by injecting holes into the junction and recombining electrons and holes.
[0003]
Therefore, it is preferable that the n-type layer and the p-type layer have a higher carrier concentration, so that current can be easily injected, and a large current can be injected at a low operating voltage. However, in actual devices, the AlGaAs-based and InAlGaP-based compounds described above can obtain only about 10 19 to 2 × 10 20 cm −3 for the n-type layer and about 1 × 10 18 cm −3 for the p-type layer. For example, it becomes smaller than the carrier concentration in a single layer of only the n-type layer.
In addition, GaN-based compounds that have recently been developed as blue light-emitting elements have a lower carrier concentration.
[0004]
In addition, when a double heterostructure is used in the above-described LED or LD, depending on the element, if the dopant diffuses into the active layer, it is not preferable because the crystallinity of the active layer is reduced or light is emitted due to impurity levels. There is an example in which the device is configured by reducing the carrier concentration of at least the n-type layer or p-type layer close to the active layer as much as possible, and the series resistance is further increased.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a device having a pn junction is used as compared with a device having a single conductivity type and no impurity concentration gradient, each carrier concentration decreases, and the operating voltage of a semiconductor light emitting element increases. In addition, the luminous efficiency of the solar cell is reduced, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is reduced. Further, as described above, if the carrier concentration of the n-type layer or p-type layer sandwiching the active layer is lowered in order to minimize the diffusion of the dopant into the active layer, the operating voltage is further increased and the luminous efficiency is reduced. There's a problem. These problems have become serious problems with the recent spread of battery-powered portable devices such as mobile phones, and the demand for electronic components with even lower power consumption.
[0006]
The present invention has been made to solve such a problem. Even in a device in which a pn junction is formed, the carrier concentration of the n-type layer and the p-type layer is maintained high, and the n-type layer in contact with the active layer is provided. There is provided a III-V group compound semiconductor device having a pn junction that can suppress the diffusion of impurities into the active layer without reducing the carrier concentration of the p-type layer and that operates with low resistance and high efficiency. For the purpose.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device such as an LED or an LD that emits light with high efficiency at a low voltage with a high carrier concentration in the n-type layer and the p-type layer.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The III-V compound semiconductor device having a pn junction according to the present invention includes an n-type layer made of a III-V compound semiconductor and a p-type layer made of a III-V compound semiconductor , sandwiching an undoped active layer. In the semiconductor device in which a pn junction is formed, the n-type layer has a donor-acceptor complex containing an n-type dopant and a p-type dopant acting as a donor , and the p-type layer is An acceptor-donor composite containing a p-type dopant and an n-type dopant has a pn junction formed by acting as an acceptor .
[0009]
Having a pn junction here means not only when the n-type layer and the p-type layer are directly joined, but also when the undoped layer is sandwiched between the n-type layer and the p-type layer as in the double hetero structure of the light-emitting element. This also includes the structure.
[0010]
By adopting this structure, a donor-acceptor complex such as Si—Mg—Si (III-V compound constituent elements are omitted) is formed in the n-type layer, and is formed by a chemical bond due to mutual strong attraction. A donor that becomes stable in mass and does not diffuse due to heat or electric field can be realized. Similarly, in this state, a stable acceptor can be realized by forming, for example, an Mg—Si—Mg acceptor-donor complex in the p-type layer. As a result, the phenomenon that the dopant diffuses or evaporates to the outside due to the temperature during the growth of the semiconductor layer, the subsequent annealing, the temperature rise during the operation, or the application of voltage is suppressed. Further, since the shared energy due to the interaction between the donor and the acceptor is strong, the level of the donor and the acceptor becomes shallow, and the activation energy becomes small, so that the carrier concentration is further increased. As a result, it is possible to obtain a semiconductor layer having a highly stable dopant with a carrier concentration that is two to three times higher than that of the conventional structure and one digit or more higher than that of the p-type layer. become.
[0011]
The group III-V compound semiconductor is made of a GaN-based compound, and the n-type layer includes n-type dopant Si more than p-type dopant Mg, and n-state in a state where Si-N-Mg-N-Si is bonded. The p-type layer is formed such that Mg as the p-type dopant is more than the n-type dopant Si, and acts as the p-type dopant in a state where Mg—N—Si—N—Mg is bonded. This is particularly preferable because a strong bonding force between the n-type dopant and the p-type dopant can be obtained and thermal diffusion can be suppressed.
[0012]
The atomic concentration ratio between the n-type dopant and the p-type dopant in the n-type layer, or the atomic concentration ratio between the p-type dopant and the n-type dopant in the p-type layer is 1.3: 1 to 3: 1, respectively. It is preferable to obtain a large carrier concentration.
[0013]
If the laminated structure of the n-type layer and the p-type layer is a light-emitting layer forming part that sandwiches the active layer between the n-type clad layer and the p-type clad layer, the double heterojunction high-brightness LED or LD is low. It can be obtained at the operating voltage. In particular, by using a GaN-based compound semiconductor capable of emitting blue light, it has been difficult to increase the carrier concentration of the p-type layer, and the operating voltage is high. In addition, the n-type layer can also increase the carrier concentration, and the effect becomes more remarkable.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a group III-V compound semiconductor device having a pn junction according to the present invention will be described with reference to the drawings. A group III-V compound semiconductor device having a pn junction according to the present invention comprises a group III-V compound semiconductor, for example, a GaN compound semiconductor, as shown in FIG. A pn junction is formed by laminating an n-type layer (clad layer) 3 and a p-type layer (clad layer) 5 made of a III-V compound semiconductor, for example, a GaN compound semiconductor (shown in FIG. 1). In this example, an
[0015]
The n-
[0016]
The model shown in FIG. 2 is an example in which two Si are doped in a relationship of Si: Mg = 2: 1 in which one Mg and N are bonded through N. It is not necessarily doped in the relationship of: 1. However, since the interaction as described above works between Si and Mg, even if Si and Mg do not enter the adjacent Ga positions, and they enter each other, they are coulombs between them. Maintains a mutually stable structure due to attractive force, acts as if the mass has tripled locally, becomes very difficult to diffuse even when the temperature rises, and acts as a donor due to the fact that Si is more than Mg To do.
[0017]
For example, FIGS. 3A to 3C show the state of this doping in a two-dimensional manner with a tetracoordinate compound in which a donor can possibly enter (a III-V compound becomes a tetracoordinate compound). It is preferable that (donor) :( acceptor) is contained in a ratio of 3: 1 to 1.3: 1 as shown in the modeled example in FIG. That is, FIG. 3 (a) shows an example (Si: Mg = 3: 1) in which two donors (for example, Si) and one acceptor (for example, Mg) are combined and one acceptor is included. Is an example that exists throughout. If donors increase more than this, the repulsive force between donors will become large and it will be considered that it is the upper limit about solubility. Further, the example shown in FIG. 3B is an example in which the above-described combination of two donors and one acceptor is present in the entire element (Si: Mg = 2: 1), and is the most energy stable. State. FIG. 3C shows an example in which one pair of two donors and one acceptor and two pairs each having one donor and one acceptor exist (Si: Mg = 1.3: 1). This corresponds to the minimum example of acting as a donor. In FIG. 3, white circles represent elements constituting the compound, black circles represent acceptors (Mg), and white circles surrounded by black circles represent donors (Si).
[0018]
The n-type dopant is not limited to the above-mentioned Si, but may be oxygen, and an element having a small atomic number is preferable as much as possible. However, other group IV elements or group VI elements may be used. When O is used as the n-type dopant, O enters the N position of GaN. Therefore, Mg and O enter adjacent Ga and N, respectively, resulting in a stronger bond of O—Mg—O. Further, as the p-type dopant, a group II element such as Zn or a group IV element such as C can be used in addition to the above-mentioned Mg.
[0019]
In order to dope both Si and Mg, for example, when growing by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), together with trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) which are reaction gases for GaN growth, It is obtained by introducing silane (SiH 4 ) and cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) in a ratio of about 2: 1. If the amount of Si is too large, Si is easy to move and diffuses to the p-type layer side as in the case of doping Si alone, and the thin film crystal is distorted as a lattice penetration type. The conductivity becomes worse. In addition, since the bond between Si and Mg described above may be decomposed and fluctuated if the temperature of annealing after film formation is too high, it is necessary not to increase the temperature during annealing. .
[0020]
Contrary to the n-
[0021]
In order to grow the p-
[0022]
In order to manufacture the LED shown in FIG. 1, the
[0023]
Then, Ni and Au are deposited on the surface by vacuum deposition or the like, and sintered at about 400 to 700 ° C., thereby forming a current diffusion layer 7 that is conductive and transmits light to a thickness of about 2 to 100 nm. Thereafter, a resist film or the like is provided on the surface of the current diffusion layer 7 for patterning, and the current diffusion layer 7 and part of the semiconductor layers 3 to 5 are etched by reactive ion etching using chlorine gas or the like to form an n-type layer. 3 is exposed, Ti and Al are formed by vacuum deposition or the like, and the n-
[0024]
According to the present invention, the n-
[0025]
Furthermore, the coexistence of the donor and the acceptor makes the shared energy strong, so that the level of the donor and acceptor becomes shallow, and as a result, more carriers are activated and mobility is increased, resulting in less dopant. The resistance can be further reduced. As a result, the internal quantum efficiency is further improved, and a large light output can be obtained when the light emitting device is used.
[0026]
As described above, conventionally, for example, GaN-based compounds have been studied to further increase the carrier concentration for the p-type layer, but for the n-type layer, the carrier concentration is sufficient, Although the mobility due to the entry has hardly been a problem, according to the present invention, the diffusion of the n-type layer is prevented, the mobility is improved, and the n-type layer has a very low resistance. In the case of a device having a junction, the effect is particularly remarkable. In addition, according to the present invention, since the thermal diffusion of the dopant can be prevented, the active layer is conventionally used from the viewpoint of avoiding a decrease in luminous efficiency due to the dopant diffusing into the active layer and reducing the crystallinity of the active layer. In some cases, the carrier concentration of the cladding layer in contact with the substrate is very small, but even in such a case, the entire n-type layer and p-type layer can be formed with a high carrier concentration. A large current can be obtained at a much lower operating voltage, and a highly efficient light-emitting element can be obtained.
[0027]
In the above example, the LED is an example, but even in the case of the LD, only the semiconductor layer stack structure is slightly different, and in addition to the main dopant in the n-type layer and the p-type layer, other conductive type dopants are added. By doping so as to be slightly reduced, a semiconductor laser having a low operating voltage and a large output can be obtained. Furthermore, it is needless to say that the present invention can be similarly applied to a device in which an n-type layer and a p-type layer are stacked so as to form a pn junction, such as a solar battery.
[0028]
Furthermore, in the above-mentioned example, it was an example of a GaN-based compound semiconductor. However, with a GaN-based compound, it is difficult to obtain a semiconductor layer with a high carrier concentration, the operating voltage tends to be high due to the large band gap energy, etc. However, other AlGaAs compounds, AlGaInP compounds, GaP compounds, etc. can increase the carrier concentration, and can reduce the impurity level to increase the electron mobility. The device efficiency such as luminous efficiency is improved and the operating voltage can be lowered, which is particularly effective when used for a battery-driven portable device.
[0029]
In the above-described example, each semiconductor layer is grown by the MOCVD method. However, it can be similarly grown by the molecular beam epitaxy (MBE) method. In this case, a compound semiconductor layer having a composite dopant (cluster in which a donor and an acceptor are bonded) is obtained by reacting and growing on the substrate by directly irradiating each metal instead of a reactive gas. Note that plasma nitrogen is used as a raw material of N.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, since both the n-type layer and the p-type layer of the III-V group compound semiconductor having a pn junction have high-concentration donors and acceptors and the impurity levels thereof can be shallow, Excellent characteristics, such as high concentration, high mobility, stable thermal and electric field, little change with time, excellent light emitting efficiency of semiconductor light emitting devices and solar cells with excellent photoelectric conversion efficiency A group III-V compound semiconductor device having a pn junction can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an LED chip which is an embodiment of a compound semiconductor device of the present invention.
2 is a diagram showing a modeled state of doping of the n-type layer of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the doped state of the present invention modeled with a tetracoordinate compound.
[Explanation of symbols]
3 n-type layer 5 p-type layer
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