(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ伝導型のｐ層とｎ伝導型のｎ層とで発光層を挟んだダブルヘテロ接合構造の３族窒化物半導体を用いた発光素子において、
前記発光層をGaY1In1-Y1N(0.92≦Y1≦1)半導体で、正孔の拡散長よりも厚く構成し、
前記ｎ層を、GaX1In1-X1N(0.92≦X1≦1)の格子定数の範囲の格子定数を有する、ドナー不純物が添加されたAlx2GaY2In1-X2-Y2N 半導体で構成し、
前記ｐ層を、前記発光層に注入された電子を閉じ込めるのに十分なだけ、前記発光層よりも禁制帯幅が大きいアクセプタ不純物が添加されたAlx3GaY3In1-X3-Y3N 半導体で構成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ｎ層はドナー不純物が添加されたGaN で構成されてい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ｎ層に接合する下層として、前記ｎ層よりも高濃度にドナー不純物が添加されたGaN から成るｎ+ 層を有することを特徴とする請求項２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５】
前記発光層にはシリコンが添加されてい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】
本発明は紫外線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紫外線発光素子においては、ｎ＋  層にＧａＮ  、ｎ層にＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  、発光層にＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  、ｐ層にＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  を用いていた。この構造の発光ダイオードで、バンド間遷移により、波長３８０ｎｍ  以下の紫外線が得られている。
【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、まだ、発光効率が低いという問題がある。その原因として、発光層Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ  の結晶性が悪いことがあげられる。発光層の結晶性が低い理由には、ｎ＋  層、ｎ層、発光層の３者の結晶の格子定数の相違によるミスフィット転移が発生し、発光層に格子欠陥を誘発することが考えられる。
【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を用いた紫外線発光素子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伝導型のｐ層とｎ伝導型のｎ層とで発光層を挟んだダブルヘテロ接合構造の３族窒化物半導体を用いた発光素子において、発光層をGaY1In1-Y1N(0.92≦Y1≦1)半導体で正孔の拡散長さより厚く構成し、ｎ層を、GaX1In1-X1N(0.92≦X1≦1)の格子定数の範囲の格子定数を有する、ドナー不純物が添加されたAlx2GaY2In1-X2-Y2N 半導体で構成し、ｐ層を、発光層に注入された電子を閉じ込めるのに十分なだけ、発光層よりも禁制帯幅が大きいアクセプタ不純物が添加されたAlx3GaY3In1-X3-Y3N 半導体で構成したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、ｎ層をドナー不純物が添加されたGaN で構成したことを特徴とし、請求項３の発明は、ｎ層に接合する下層として、ｎ層よりも高濃度にドナー不純物が添加されたGaN から成るｎ+ 層を設けたことを特徴とし、請求項４の発明はドナー不純物をシリコンとし、請求項５の発明は発光層にシリコンを添加したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の作用及び効果】
上記のように、ｎ層は発光層と格子不整合が小さくなるように、GaX1In1-X1N(0.92≦X1≦1)の格子定数の範囲の格子定数を有するよう、Alx2GaY2In1-X2-Y2N の組成比X2,Y2 が決定され、ｐ層は発光層に対してｎ層から注入された電子を十分に閉じ込めれるだけ、禁制帯幅が大きくなるように、Alx3GaY3In1-X3-Y3N の組成比X3, Y3が決定される。このようにｎ層を決定することで、ｎ層と発光層との格子定数の相違によるミスフィットが少なく、発光層の結晶性が向上する。
【０００８】
ｎ層と発光層との接合による障壁は、ｐ層から発光層に注入された正孔を閉じ込める作用をする。ところが、正孔の拡散長は数1000Åであり、発光層はその拡散長よりも厚く構成されている。よって、ｎ層と発光層との接合による障壁は、正孔の発光層内での閉じ込めに有効に寄与しない。したがって、ｎ層と発光層間の障壁は小さくても良いので、ｎ層は発光層に対して格子不整合が小さくなるように、Alx2GaY2In1-X2-Y2N の組成比X2,Y2を決定することで、ｎ層と発光層との間の格子不整合を極力小さくすることができ、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この結果、紫外線の発光効率が向上する。
【０００９】
紫外線を発光するために、発光層をGaY1In1-Y1N(0.92≦Y1≦1)で構成した場合には、ｎ層をGaNとすることで、格子不整合を小さくすることができる。
【００１０】
上記の発光ダイオードはサファイア基板上に、バッファ層を形成し、その上にｎ層に対する電流のリードとして機能する高濃度にシリコンが添加されたＧａＮ  から成るｎ＋  層が形成されている。この場合には、ｎ層をＧａＮ  で構成することで、ｎ＋  層とｎ層との格子定数は完全に一致し、ミスフィット転位は発生しない。よって、発光層の結晶性がより向上する。
【００１１】
【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５００  Å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５．０  μｍ、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０．５  μｍ、濃度  ５×１０１７／ｃｍ３のシリコンドープのＧａＮ  から成るｎ層４、膜厚約０．５  μｍのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ  から成る発光層５、膜厚約０．５  μｍ、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１  μｍ、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。
【００１２】
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）である。
【００１３】
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  〜４００  μｍ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２  ｌｉｔｅｒ／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。
【００１４】
次に、温度を  ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／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２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を  １．７×１０−４ル／分、Ｈ２ガスにより０．８６ｐｐｍ  に希釈されたシランを２００ｍｌ／分で３０分供給して、膜厚約２．２  μｍ、電子濃度  ２×１０１８／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。
【００１５】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／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０．５  μｍ、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。
【００１６】
続いて、温度を８５０  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を  １０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．５３×１０−４モル／分、及び、ＴＭＩ  を０．０２×１０−４モル／分で、６０分間供給して０．５  μｍのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ  から成る発光層５を形成した。
【００１７】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／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６０分間導入し、膜厚約１．０  μｍ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１  ×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１８】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を  １０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を  ４×１０−４モル／分の割合で  ４分間導入し、膜厚約０．２  μｍ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  ２×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１９】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。次に、このウエハを、４５０℃で４５分間、熱処理した。この熱処理により、コンタクト層６２、ｐ層６１は、それぞれ、正孔濃度  ７×１０１７／ｃｍ３，  ５×１０１７／ｃｍ３、抵抗率  ２Ωｃｍ，０．８  Ωｃｍ    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。
【００２０】
次に、図３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３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４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。
【００２１】
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１０  ｍｌ／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５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。
【００２２】
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。
【００２３】
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３８０  ｎｍ、発光強度１ｍＷであった。この発光効率は１．５％であり、従来の構成のものに比べて５倍に向上した。
【００２４】
上記の実施例において、ｎ＋  層３とｎ層４とは共にＧａＮ  であるので、これらの層間での格子不整合は存在しない。よって、この格子不整合によるミスフィット転位が発光層５に発生することはない。又、ＧａＮ  とＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ  との間の格子不整合は小さく、ｎ層４と発光層５との格子不整合に伴う発光層５のミスフィット転位は少ない。よって、発光層５の結晶性が良くなった。又、発光層５は厚さ０．５  μｍにしているので、正孔の拡散長よりも厚くなり、ｎ層４と発光層５との間の障壁が小さくても、発光効率を低下させることはない。以上のことから、従来の構造の発光ダイオードに比べて、紫外線の発光効率が極めて向上した。
【００２５】
上記実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても良い。さらに、ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、電子線照射によってｐ型化しても良い。
上記の実施例では、発光層５は不純物を添加していないが、シリコン等のドナー不純物や亜鉛等のアクセプタ不純物を添加しても良い。
【００２６】
上記実施例は、発光ダイオードの例を示したが、レーザダイオードであっても同様に構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１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】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【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…コンタトク層
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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