JP2713095C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】 本発明は、青色発光素子、特には窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有す
る青色発光素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】 発光ダイオード、レーザーダイオード等の半導体発光デバイスに使用される実
用的な半導体材料として窒化ガリウム(ＧａＮ)、窒化インジウムガリウム(Ｉｎ
ＧａＮ)、窒化ガリウムアルミニウム(ＧａＡｌＮ)等の窒化ガリウム系化合物半
導体が注目されている。 【０００３】 従来提案されている窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子として、図 ２に示す構造のものがよく知られている。この発光素子は、基板１上に、ＡｌＮ
よりなるバッファ層２と、ｎ型ＧａＮ層３と、ｐ型ＧａＮ層５とが順に積層され
た構造を有している。通常、基板１には、サファイアが用いられている。基板１
上に設けられたＡｌＮからなるバッファ層２は、特開昭６３−１８８９８３号公
報に記載されているように、その上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体の
結晶性を向上させる。ｎ型ＧａＮ層３は、ｎ型不純物としてＳｉまたはＧｅがド
ープされてｎ型となつている。ｐ型ＧａＮ層５は、ｐ型不純物としてＭｇまたは
Ｚｎがドープされることが多いが、結晶性が悪いためｐ型とはならず、ほぼ絶縁
体に近い高抵抗のｉ型となっている。ｉ型半導体層を低抵抗のｐ型層に変換する
手段として、特開平２−４２７７０号公報には、表面に電子線照射を行う技術が
開示されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】 一般に、図２に示すようなホモ接合構造の発光素子は発光出力が低く、実用的
ではない。発光出力を増大させ、実用的な発光素子を得るためには、窒化ガリウ
ム系化合物半導体積層構造を、好ましくはシングルヘテロ構造、さらに好ましく
はダブルヘテロ構造とする必要がある。例えばダブルヘテロ構造の窒化ガリウム
系化合物半導体素子は特開平４−２０９５７７号公報に示されているが、この公
報に開示された発光素子は実用性に乏しく、発光効率が悪いという欠点がある。 【０００５】 また、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の青色発光素子の発光波長は
、４３０ｎｍ以下の紫色領域にある。発光波長が４５０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲
内にある視感度の良い青色発光を示す素子は未だ開発されていない。発光ダイオ
ードによる平面型ディスプレイ、レーザーダイオード等を実現するためには、前
記したように視感度の良い発光デバイスが求められている。 【０００６】 本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、高発光出力で、視感度の良い新規な構造の窒化ガリウム系化合物半導体を提
供するものである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】 本発明者らは、ダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系半導体発光素子について数
々の実験を重ねた結果、所定量の亜鉛をドープしたＩｎＧａＮ層を発光層として
用い、かつ所定量のＭｇをドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層をクラ
ッド層として用いることによって、得られる半導体発光素子の発光出力が向上し
、しかも視感度も向上することを新たに見い出し、本発明を完成するに至った。 【０００８】 すなわち、本発明によれば、ｎ型Ｇａ_1-aＡｌ_aＮ（０≦ａ＜１）からなる第１
のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、不純物として亜鉛が１×１
０¹⁷ないし１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープされた、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ
（０＜ｘ＜０．５）からなる発光層と、該発光層上に設けられ、ｐ型不純物とし
てマグネシウムが１×１０¹⁸ないし１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープ
されたｐ型Ｇａ_1-bＡｌ_bＮ（０≦ｂ＜１）からなる第２のクラッド層とからなる
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を有することを特徴とする青色発光素子が
提供される。 【０００９】 上記発光層をＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜０．５）で形成すると、高発光出力の
青色発光素子が得られる。 【００１０】 上記発光層は、１０オングストロームないし０．５μｍの厚さを有することが
好ましい。上記第２のクラッド層は、０．０５μｍないし１．５μｍの厚さを有
することが好ましい。 【００１１】 以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１は、本発明の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子の一構造を示すものである。この発光素子は、
基板１１上に、バッファ層１２を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から
なる第１のクラッド層１３と、亜鉛が所定の濃度でドープされたインジウムとガ
リウムと窒素とを含む窒化ガリウム系化合物半導体Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発 光層１４と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる第２のクラッド層１５と
が順に積層されてなるダブルヘテロ構造の半導体積層構造を有する。 【００１２】 基板１１は、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の材料で形成できるが、通常はサ
ファイアで形成される。バッファ層１２は、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＧａＮ等で形
成することができ、通常０．００２μｍ〜０．５μｍの厚さに形成される。Ｇａ
ＮはＡｌＮよりもその上に結晶性のよい窒化ガリウム系化合物半導体を積層させ
ることができるので、バッファ層１２は、ＧａＮで形成することが好ましい。こ
のＧａＮバッファ層の効果については、本出願人が先に出願した特願平３−８９
８４０号に記載されており、サファイア基板を用いた場合、従来のＡｌＮバッフ
ァ層よりもＧａＮよりなるバッファ層の方が結晶性に優れた窒化ガリウム系化合
物半導体が得られ、さらに好ましくは成長させようとする窒化ガリウム系化合物
半導体と同一組成を有するバッファ層を、まずサファイア基板上に低温で成長さ
せることにより、当該バッファ層の上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶性を向上させることができる。 【００１３】 第１のクラッド層１３は、ｎ型ＧａＮにより、あるいはそのＧａの一部をＡｌ
で置換したＧａＡｌＮにより形成することができる。すなわち、第１のクラッド
層は、Ｇａ_1-aＡｌ_aＮ（０≦ａ＜１）で形成することができる。窒化ガリウム系
化合物半導体は、ノンドープでもｎ型となる性質があるが、例えばＳｉ、Ｇｅ等
のｎ型不純物をドープして好ましいｎ型にすることができる。 【００１４】 このＺｎドープＩｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層１４は、有機金属気相成長法に
より、原料ガスのキャリアガスを窒素として用い、６００℃以上、９００℃以下
の成長温度で成長させることができる。成長させたＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎの比率
、すなわちｘ値を０＜ｘ＜０．５の範囲にすると良好な青色発光が得られる。ｘ
値を０より大きくすることにより、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ層１４が発光層として作用す
る。ｘ値が０．５以上になると、その発光色は黄色となる。 【００１５】 さらに、このＩｎ_xＧａ_1-xＮ層１４中にドープする不純物（ドーパント）はＺ
ｎとし、しかもそのＺｎは１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の濃度範囲、好まし
くは１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度範囲内でＩｎ_xＧａ_1-xＮ層１４にド
ープされることが重要である。これにより青色発光素子の視感度を向上させ、発
光効率を増大させることができるのである。 【００１６】 ＺｎドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ発光層１４は、好ましくは１０オングストローム〜
０．５μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの厚さに形成すること
が望ましい。その厚さが１０オングストロームよりも薄いか、または０．５μｍ
よりも厚いと、十分な発光出力を有する発光素子が得られない傾向にある。 【００１７】 第２のクラッド層１５は、ｐ型ＧａＮにより、あるいはそのＧａの一部をＡｌ
で置換したｐ型ＧａＡｌＮにより形成することができる。すなわち、第２のクラ
ッド層１５は、Ｇａ_1-bＡｌ_bＮ（０≦ｂ＜１）で形成することができる。 【００１８】 この第２のクラッド層（ｐ型層）１５は、それにドープされるｐ型不純物（ド
ーパント）をマグネシウムＭｇとし、しかもそのＭｇが、１×１０¹⁸〜１×１０
²¹／ｃｍ³の濃度範囲内で第２のクラッド層１５にドープされることが重要であ
る。この濃度範囲でＭｇがドープされたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を第
２のクラッド層として用いることにより、ｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ層１４の発光効率
をさらに向上させることができる。 【００１９】 Ｍｇをドープして成長されたままのＧａ_1-bＡｌ_bＮ層は、なお高抵抗であるの
で、その成長後に、例えば本出願人が先に出願した特願平３−３５７０４６号に
記載したように、４００℃以上、好ましくは６００℃より高い温度でアニーリン
グを行って低抵抗のｐ型層１５とすることができる。 【００２０】 第２のクラッド層１５は、０．０５μｍ〜１．５μｍの厚さに形成することが
好ましい。その厚さが０．０５μｍよりも薄いとクラッド層として作用しにくく
、 またその厚さが１．５μｍよりも厚いと前記方法で低抵抗ｐ型層に転化されにく
い傾向にある。 【００２１】 図３は、図１に示す構造を有する青色発光素子において、第２のクラッド層で
あるＭｇドープｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³と一定にし、発
光層であるＺｎドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のＺｎ濃度を変えた場合において、そ
のＺｎ濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。図３に示す
ように、Ｚｎ濃度が増加するに従い、発光素子の発光強度は大きくなり、１×１
０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³付近で発光強度が最も大きくなり、その範囲を超える
と発光強度は徐々に減少する傾向にある。本発明では、実用域として９０％以上
の相対強度を有する発光素子を提供するために、発光層１４中にドープされるＺ
ｎ濃度を１×１０¹⁷〜１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内とするものである。 【００２２】 また、図４は、同じく図１の構造を有する青色発光素子において、発光層であ
るＺｎドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層中のＺｎ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³と一定にし
、第２のクラッド層であるＭｇドープｐ型ＧａＮ層中のＭｇ濃度を変えた場合に
おいて、そのＭｇ濃度と青色発光素子の相対発光強度との関係を表す図である。
図４に示すように、Ｍｇドープｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を第２のクラ
ッド層とした場合、Ｍｇ濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³を超えると急激に発光強度が
増大し、１×１０²¹／ｃｍ³付近を超えると急激に発光強度が減少する傾向にあ
る。従って、本発明では、Ｍｇドープｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層のＭｇ
濃度を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³としている。なお、上記Ｚｎ濃度および
Ｍｇ濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）により測定したものである。 【００２３】 図５は、同じく図１の構造を有する発光素子において、発光層であるＺｎドー
プＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層の膜厚と、その発光素子の相対発光強度との関係を示す図
である。図５に示すように、本発明の発光素子において発光層の膜厚を変化させ
ることにより、発光素子の発光強度が変化する。特に発光層の膜厚が０．５μｍ
を超えると発光強度が急激に減少する傾向にある。従って、発光層の膜厚は、 発光素子が９０％以上の相対発光強度を示すためには、１０オングストローム〜
０．５μｍの範囲が好ましい。 【００２４】 【実施例】 以下、本発明をより具体的な例により説明する。これら例において、各半導体
層は以下記載するように有機金属気相成長法により成長させた。本発明の半導体
発光素子を製造する方法を述べる。 【００２５】 例１ まず、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。 【００２６】 続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガス
としてアンモニア（ＮＨ₃）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用いて、サフ
ァイア基板上にＧａＮバッファ層を約２００オングストロームの厚さに成長させ
る。 【００２７】 バッファ層成長後、ＴＭＧのみの供給を停止し、温度を１０３０℃まで上昇さ
せる。１０３０℃に達した後、同じく水素をキャリアガスとして用い、ＴＭＧと
シランガス（ＳｉＨ₄）とアンモニアガスとを用いて、第１のクラッド層として
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍの厚さに成長させる。 【００２８】 ｎ型ＧａＮ層成長後、全原料ガスの供給を停止し、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、ＴＭＩ(トリメチルイン
ジウム)、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）ガスおよびアンモニアガスを用いて、発光層
としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドープしたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層を２
００オングストロームの厚さに成長させる。 【００２９】 ＺｎドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層成長後、原料ガスの供給を停止し、再び温度
を１０２０℃まで上昇させ、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネ
シウム）およびアンモニアガスを用いて、第２のクラッド層としてＭｇを２×１
０²⁰／ｃｍ³の濃度でドープしたｐ型ＧａＮ層を０．８μｍの厚さに成長させる
。 【００３０】 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、７００℃で２０分間アニーリングを行い、最上層のｐ型ＧａＮ層を
さらに低抵抗化する。 【００３１】 以上のようにして得られた発光素子のｐ型ＧａＮ層、およびＺｎドープＩｎ_0.
15Ｇａ_0.85Ｎ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、およびｎ型ＧａＮ層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、本発明の青色発光ダイオードを作製した。この
発光ダイオードの発光出力は２０ｍＡにおいて２００μＷであり、ピーク波長は
４８０ｎｍであり、輝度は５００ｍｃｄ（ミリカンデラ）であった。 【００３２】 例２ 例１において、第１のクラッド層を成長させる工程において、原料ガスとして
ＴＭＧ、シランガス、アンモニアおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用
いて、Ｓｉドープｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層を２μｍの厚さに成長させる。 【００３３】 Ｓｉドープｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層の上に、例１と同様にしてＺｎを１×１０
¹⁹／ｃｍ³の濃度でドープしたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ発光層を２００オングストロ
ームの厚さに成長させる。 【００３４】 さらに、ＺｎドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層の上に、原料ガスとしてＴＭＧ、Ｃ
ｐ₂Ｍｇ、アンモニアガスおよびＴＭＡガスを用い、第２のクラッド層としてＭ
ｇを２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドープしたｐ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎ層を０．８ μｍ成長させる。 【００３５】 これ以降は例１と同様にしてアニーリングを行い、最上層をさらに低抵抗化し
た後、同様にして本発明の発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードは、
発光出力、ピーク波長、輝度のいずれも例１の発光ダイオードと同じであった。 【００３６】 比較例１ 例１において、ＤＥＺガスの流量を多くして、発光層であるＺｎドープＩｎ_0.
15Ｇａ_0.85Ｎ層のＺｎ濃度を１×１０²²／ｃｍ³とした以外は実施例１と同様に
して青色発光ダイオードを得た。この発光ダイオードの発光出力は例１の発光ダ
イオードの約５％であった。 【００３７】 比較例２ 例１において、Ｃｐ₂Ｍｇガスの流量を少なくして、第２のクラッド層であるｐ
型ＧａＮ層のＭｇ濃度を１×１０¹⁷／ｃｍ³とした以外は例１と同様にして青色
発光ダイオードを得たが、この発光ダイオードの出力は例１の発光ダイオードの
約１０％であった。 【００３８】 【発明の効果】 以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物
半導体層を第１のクラッド層とし、特定量のＺｎをドープしたＩｎ_xＧａ_1-xＮ層
を発光層とし、かつ特定量のＭｇをドープしたｐ型窒化ガリウム化合物半導体層
を第２のクラッド層としたダブルヘテロ構造を有するため、非常に発光効率が高
い。 【００３９】 また本発明の発光素子の発光出力はホモ接合構造の発光素子の４倍以上ある。 【００４０】 本発明の半導体発光素子は、以上述べた優れた効果を奏するため、信頼性に優
れている。本発明は、レーザーダイオードにも適用でき、その産業上の利用価値 は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。 【図２】従来の半導体発光素子の一構造を示す模式断面図。 【図３】本発明の半導体発光素子の発光層中のＺｎ濃度と、その発光素子の相対
発光強度との関係を示す図。 【図４】本発明の半導体発光素子第２のクラッド層中のＭｇ濃度と、その発光素
子の相対発光強度との関係を示す図。 【図５】本発明の半導体発光素子の発光層の膜厚と、その発光素子の相対発光強
度との関係を示す図。 【符号の説明】 １１…基板 １２…バッファ層 １３…第１のクラッド層 １４…発光層 １５…第２のクラッド層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ｎ型Ｇａ_1-aＡｌ_aＮ(０≦ａ＜１)からなる第１のクラッド層と
   、該第１のクラッド層上に設けられ、不純物として亜鉛が１×１０¹⁷ないし１×
   １０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープされた、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ(０＜ｘ＜０．５
   )からなる発光層と、該発光層上に設けられ、ｐ型不純物としてマグネシウムが
   １×１０¹⁸ないし１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内の濃度でドープされたｐ型Ｇａ_1-b
   Ａｌ_bＮ(０≦ｂ＜１)からなる第２のクラッド層とからなる窒化ガリウム系化合
   物半導体積層構造を有することを特徴とする青色発光素子。 【請求項２】 発光層が、１０オングストロームないし０．５μｍの厚さを有
   することを特徴とする請求項１記載の青色発光素子。 【請求項３】 第２のクラッド層が、０．０５μｍないし１．５μｍの厚さを
   有することを特徴とする請求項１記載の青色発光素子。 【請求項４】 半導体積層構造が、バッファ層を介して基板上に設けられてい
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の青色発光素子。