(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ層、ｎ層、ｐ層とｎ層とに挟まれた発光層を有し、各層が３族窒化物半導体から成る発光素子において、
前記発光層には、ドナー不純物とアクセプタ不純物とが共に1×1017〜5×1018/cm3の濃度で添加されており、
前記発光層の厚さを15〜200nmとし、出力される光をドナー不純物レベルと価電子帯、伝導帯とアクセプタ不純物レベル間、又は、伝導帯と価電子帯との間の電子の遷移による発光波長としたことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層はAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)を少なくとも１層以上積層した量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層はGaxIn1-xN(0≦x≦1)であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ドナー不純物はシリコン(Si)、テルル(Te)、イオウ(S)、又は、セレン(Se)であり、前記アクセプタ不純物は、マグネシウム(Mg)、又は、亜鉛(Zn)であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバンド端発光の効率を向上させた３族窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、３族窒化物半導体を用いたバンド端発光による発光素子として、発光層にIn0.08Ga0.92N又はSiが添加されたIn0.08Ga0.92Nを用いた素子が知られている。この素子では、Siのドナーレベルと価電子帯との間、又は、価電子帯と伝導帯との間での電子・正孔再結合により波長380nmの光を発光する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この構造の発光素子は、発光層に注入するキャリアの濃度が低く、電子・正孔再結合が起こり難く、発光効率が良くない。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、３族窒化物化合物半導体発光素子においてバンド端発光の発光効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ｐ層、ｎ層、ｐ層とｎ層とに挟まれた発光層を有し、各層が３族窒化物半導体から成る発光素子において、発光層にドナー不純物とアクセプタ不純物とを共に1×1017〜5×1018/cm3の濃度で添加し、発光層の厚さを15〜200nmとし、出力される光をドナー不純物レベルと価電子帯、伝導帯とアクセプタ不純物レベル間、又は、伝導帯と価電子帯との間の電子の遷移による発光波長としたことを特徴とする。発光層の厚さを15〜200nmとすることで、注入されたキャリアの閉じ込め効果が向上する。この結果、不純物レベルの存在に応じて、ドナー不純物レベルと価電子帯、伝導帯とアクセプタ不純物レベル間、伝導帯と価電子帯との間の電子の遷移が増加し、不純物レベルとバンド端間又はバンド間の発光強度及び発光効率が増加する。発光層の厚さが1nmよりも薄い場合には結晶性が良くなく望ましくない。但し、15nmより薄いと界面の良好な均一性を得るのが困難となるので、15nm以上の厚さがより望ましい。又、発光層の厚さが200nmよりも厚くなると注入されたキャリアの閉じ込め効果が低下し望ましくない。
【０００６】
又、発光層は、４元系、３元系、２元系、即ち、一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)で表現される３族窒化物半導体を用いることが可能である。組成比は、発光波長と禁制帯幅との関係及び格子整合の観点から適正に選択すれば良い。又、少なくとも１周期以上の量子井戸構造としても良い。特に、380nm付近の発光を得るには、発光層をGaxIn1-xN(0≦x≦1)とするのが望ましい。
【０００７】
発光層の厚さを15〜200nmとして、ドナー不純物とアクセプタ不純物とを共に添加することで、ドナー不純物だけを添加した場合に比べて、ドナー不純物レベルと価電子帯との間の遷移がより大きくなることが確認されている。
【０００８】
ドナー不純物には、シリコン(Si)、テルル(Te)、イオウ(S)、又は、セレン(Se)を用い、アクセプタ不純物には、マグネシウム(Mg)、又は、亜鉛(Zn)を用いることができる。これらは、発光波長と禁制帯幅との関係で選択すれば良い。
【０００９】
【実施例】
〔第１実施例〕
図１において、発光ダイオード１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500ÅのAlNのバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約5.0μm、濃度5×1018/cm3のシリコンドープGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３、膜厚約0.5μm、濃度5×1017/cm3のシリコンドープのGaNから成るｎ層４、膜厚が約50nmでシリコンと亜鉛が、それぞれ、5×1018/cm3にドープされたIn0.08Ga0.92Nから成る発光層５、膜厚約0.5μm、ホール濃度5×1017/cm3、濃度5×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92Nから成るｐ層６１、膜厚約1μm、ホール濃度7×1018/cm3、マグネシウム濃度5×1021/cm3のマグネシウムドープのGaNから成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にコンタクト層６２に接合するNiから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiから成る電極８が形成されている。
【００１０】
次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０は、有機金属化合物気相成長法(以下「M0VPE」と記す)による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3とキャリアガスH2又はＮ2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す)とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す)とトリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI」と記す)とシラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg」と記す）とジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2)（以下、「DEZ」と記す)である。
【００１１】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100〜400μmの単結晶のサファイア基板１をM0VPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2Liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１２】
次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20Liter/分、NH3を10Liter/分、TMAを1.8×10-5モル/分で供給してAlNのバッファ層２が約500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20Liter/分、NH3を10Liter/分、TMGを1.7×10-4モル/分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを200ml/分で７０分供給して、膜厚約5μm、濃度5×1018/cm3のシリコンドープのGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３を形成した。
【００１３】
次に、サファイア基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を10Liter/分、NH3を10Liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、及び、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを10×10-9mol/分で、30分供給して、膜厚約0.5μm、濃度5×1017/cm3のシリコンドープのGaNから成るｎ層４を形成した。
【００１４】
続いて、温度を850℃に保持し、N2又はH2を20Liter/分、NH3を10Liter/分、TMGを1.53×10-4モル/分、及び、TMIを0.02×10-4モル/分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを10×10-8mol/分で、DEZを2×10-4モル/分で、15分間供給して厚さ50nmのシリコンと亜鉛が、それぞれ、5×1018/cm3にドープされたIn0.08Ga0.92Nから成る活性層５を形成した。
【００１５】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20Liter/分、NH3を10Liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、TMAを0.47×10-4モル/分、及び、CP2Mgを2×10-4モル/分で30分間導入し、膜厚約0.5μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は5×1020/cm3である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１６】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20Liter/分、NH3を10Liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、及び、CP2Mgを4×10-3モル/分の割合で4分間導入し、膜厚約1μmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は5×1021/cm3である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１７】
このようにして得られたウエハに、反射電子線回折装置を用いて電子線を照射した。電子線照射条件は、加速電圧10kv、試料電流1μA、ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μmφ、真空度2.1×10-5Torrである。この電子線照射により、コンタクト層６２、ｐ層６１は、それぞれ、ホール濃度7×1017/cm3，5×1017/cm3、抵抗率2Ωcm，0.8Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得られた。
【００１８】
次に、図２に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図２に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+層３に対する電極形成部位Ａ'のフォトレジスト１０を除去した。次に、図３に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００１９】
次に、フォトレジスト１０及びSiO2層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2、BCl3ガスを10ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図４に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。
【００２０】
次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００２１】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長380nm、発光強度2mWであった。この発光効率は３％であり、従来の構成のものに比べて１０倍に向上した。
【００２２】
又、以上のように製造された発光ダイオード１０の発光スペクトルを測定した。図５の曲線Ｘ１に示す。380nmのピーク波長が得られていることが分かる。一方、Siドナー準位とZnアクセプタ準位間の発光に相当する440nm付近にも発光が見られるが、380nmの発光強度は440nmの発光強度に比べて約５倍程大きいことが理解される。
【００２３】
比較のために、発光層５におけるSiとZnの濃度を上記実施例と同一にして、発光層５の厚さを400nmにした発光ダイオードの発光スペクトルを測定した。その結果を図５の曲線Ｘ２に示す。この場合には、逆に、440nmの発光が支配的であり、その強度は、380nmの発光強度に比べて約５倍程大きい。このことは、発光層５の厚さが400nmの場合には、380nmの発光強度を増加させる効果がないことを意味している。
【００２４】
さらに、発光層５にSiだけを上記実施例と同一濃度に添加して、発光層５の厚さを300nmにした発光ダイオードを製造し、その発光ダイオードの発光スペクトルを測定した。その結果を、図５の曲線Ｘ３に示す。この場合には、Znが添加されていないので、440nmの発光は見られないが、380nmの発光強度は、発光層５にSiとZnを共に添加した場合の曲線Ｘ２と同程度に得られている。このことは、発光層５の厚さが300nmでは、Siドナー準位と価電子帯間の遷移が未だ小さいことを意味している。発光層５の厚さが200nm以下となると、380nmの発光強度が約５倍以上大きくなることが確認されている。
【００２５】
注入されたキャリアの閉じ込め効果を大きくすることができる発光層５の厚さは200nm以下であり、1nmよりも薄くなると結晶性が悪くなるため、逆に、発光効率は低下する。よって、発光層５の厚さは1〜200nmの範囲が望ましい。又、界面の均一性を向上させるには、15〜200nmの範囲がより望ましい。さらに、発光層５に添加するSiとZnの濃度は、1×1017〜5×1018/cm3の時に、380nm以下の紫外線領域の発光強度を増加させることができる。
【００２６】
このように、本発明は、発光層５の厚さを1〜200nmとすることで、ドナー不純物レベルと価電子帯、伝導帯とアクセプタ不純物レベル間、又は、伝導帯と価電子帯との間の電子の遷移を増加させることで、発光効率の向上と発光波長の制御を可能としたものである。
【００２７】
発光層５にIn0.08Ga0.92Nを用いたが、Al0.03Ga0.89In0.08N等の４元系の３族窒化物半導体を用いてもよい。又、添加する不純物はSi,Zn以外の元素も用いることが可能でる。要は、要求される発光波長に応じて、禁制帯幅、添加する不純物の種類を考慮して決定すれば良い。即ち、上記実施例では、発光波長は紫外線領域であるが、発光波長を青や緑と言った可視領域となるように禁制帯幅を決めても良い。又、発光層はAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)を少なくとも１層以上積層した量子井戸構造であっても良い。さらに、発光層５は他の層３、４、６１等と格子整合しているのが良い。
尚、上記実施例では、発光ダイオードについて示したが、本発明をレーザダイオードにも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】  同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】  同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】  同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】  発光層の厚さを変化させた各種の発光ダイオードの発光スペクトルを示した測定図。
【符号の説明】
１０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+層
４…ｎ層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…コンタクト層
７，８…電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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