JPH04321279A - Gallium nitride compound semiconductor light emitting device - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

Translated fromJapanese

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【０００１】0001

【産業上の利用分野】本発明は青色発光の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子に関し、特に駆動電圧を低下さ
せ発光波長をより短波長にしたものに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a blue-emitting gallium nitride compound semiconductor light-emitting device, and particularly to one in which the driving voltage is lowered and the emission wavelength is made shorter.

【０００２】0002

【従来技術】従来、青色の発光ダイオードとしてＧａＮ
　系の化合物半導体を用いたものが知られている。その
ＧａＮ　系の化合物半導体は直接遷移であることから発
光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色を発光
色とすること等から注目されている。[Prior Art] Conventionally, GaN was used as a blue light emitting diode.
A type of semiconductor using a compound semiconductor is known. The GaN-based compound semiconductor is attracting attention because it has high luminous efficiency due to its direct transition, and because it emits blue light, which is one of the three primary colors of light.

【０００３】このようなＧａＮ　系の化合物半導体を用
いた発光ダイオードは、サファイア基板上に直接又は窒
化アルミニウムから成るバッファ層を介在させて、ｎ導
電型のＧａＮ　系の化合物半導体から成るｎ層を成長さ
せ、そのｎ層の上にｐ型不純物を添加してｉ型（半絶縁
性）のＧａＮ　系の化合物半導体から成るｉ層を成長さ
せた構造をとっている。又、この発光ダイオードではｉ
層の厚さは約１μｍと厚い。この厚さはｉ層の結晶品質
を良くするために必要である。[0003] Such a light emitting diode using a GaN-based compound semiconductor is produced by growing an n-layer made of an n-conductivity type GaN-based compound semiconductor on a sapphire substrate directly or with a buffer layer made of aluminum nitride interposed therebetween. The structure is such that an i-layer made of an i-type (semi-insulating) GaN-based compound semiconductor is grown on the n-layer by doping p-type impurities. Also, in this light emitting diode, i
The layer thickness is approximately 1 μm. This thickness is necessary to improve the crystal quality of the i-layer.

【０００４】0004

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構造の発
光ダイオードは、発光強度が十分でなく、駆動電圧も約
１２Ｖと高く、発光波長も５００ｎｍ　とやや赤色側に
変位している。このため、発光強度が高く、駆動電圧が
低く、より青色の発光が得られるダイオードの開発が期
待されている。そこで、本発明の目的は、ＧａＮ　系の
化合物半導体の発光ダイオードの青色の発光強度の向上
、駆動電圧の低下、発光波長をより青色の波長に近づけ
ることである。However, the light emitting diode having the above structure does not have sufficient light emission intensity, has a high driving voltage of about 12V, and has a light emission wavelength of 500 nm, which is slightly shifted toward the red side. For this reason, there are expectations for the development of diodes that have high emission intensity, low driving voltage, and can emit bluer light. Therefore, an object of the present invention is to improve the blue light emission intensity of a GaN-based compound semiconductor light emitting diode, reduce the driving voltage, and bring the light emission wavelength closer to the blue wavelength.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、ｎ型の窒化ガ
リウム系化合物半導体（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ；Ｘ＝０を
含む）　からなるｎ層と、ｐ形不純物を添加したｉ型の
窒化ガリウム系化合物半導体（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ；Ｘ
＝０　を含む）　からなるｉ層とを有する窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子において、ｉ層の厚さを２５０
　〜１０００Åとしたことを特徴とする。ｉ層の厚さが
２５０　Åよりも薄いと十分な発光強度が得られない。又、ｉ層の厚さが１０００Åよりも厚いと発光強度、発
光波長は変化しないが駆動電圧が高くなり望ましくない
。[Means for Solving the Problems] The present invention provides an n layer made of an n-type gallium nitride compound semiconductor (AlXGa1-XN; including X=0) and an i-type gallium nitride compound semiconductor doped with p-type impurities. Compound semiconductor (AlXGa1-XN;
In a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device having an i-layer consisting of
It is characterized by having a thickness of ~1000 Å. If the thickness of the i-layer is less than 250 Å, sufficient emission intensity cannot be obtained. Moreover, if the thickness of the i-layer is greater than 1000 Å, the emission intensity and emission wavelength will not change, but the driving voltage will increase, which is not desirable.

【０００６】[0006]

【発明の作用及び効果】本発明は、ｉ層の厚さを２５０
　〜１０００Åとしたことで、発光強度５０　ｍｃｄ、
駆動電圧８　Ｖ、発光波長４８０ｎｍ　の発光ダイオー
ドが得られた。又、ｉ層の厚さを２５０　〜１０００Å
の範囲で変化させることで、発光波長が４８０　Å〜４
９０Åの範囲で正確に制御することができた。Effects and Effects of the Invention The present invention provides an i-layer with a thickness of 250 mm.
~1000 Å, the emission intensity was 50 mcd,
A light emitting diode with a driving voltage of 8 V and an emission wavelength of 480 nm was obtained. Also, the thickness of the i layer is 250 to 1000 Å.
By changing the emission wavelength within the range of 480 Å to 4
Accurate control was possible within a range of 90 Å.

【０００７】[0007]

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。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に５０
０　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２．２　μｍの
ＧａＮ　から成る高キャリア濃度ｎ＋　層３と膜厚約１
．５　μｍのＧａＮ　から成る低キャリア濃度ｎ層４が
形成されており、更に、低キャリア濃度ｎ層４の上に膜
厚約８００　ÅのＧａＮ　から成るｉ層５が形成されて
いる。そして、ｉ層５に接続するアルミニウム、チタン
、ニッケルの３層構造で形成された電極７と高キャリア
濃度ｎ＋　層３に接続するアルミニウム、チタン、ニッ
ケルの３層構造で形成された電極８とが形成されている
。尚、アルミニウム層７ａ，８ａの厚さは１５００Åで
あり、チタン層７ｂ，８ｂの厚さは１０００Åであり、
ニッケル層７ｃ　，８ｃ　の厚さは２５００Åである。EXAMPLES The present invention will be explained below based on specific examples. In FIG. 1, a light emitting diode 10 has a sapphire substrate 1, and a sapphire substrate 1 has a
A buffer layer 2 of AlN with a thickness of 0 Å is formed. On top of the buffer layer 2, a high carrier concentration n+ layer 3 made of GaN with a film thickness of about 2.2 μm and a film thickness of about 1 μm are formed.
．． A low carrier concentration n-layer 4 made of GaN with a thickness of 5 μm is formed, and an i-layer 5 made of GaN with a thickness of about 800 Å is further formed on the low carrier concentration n-layer 4. An electrode 7 formed of a three-layer structure of aluminum, titanium, and nickel is connected to the i-layer 5, and an electrode 8 is formed of a three-layer structure of aluminum, titanium, and nickel and connected to the high carrier concentration n+ layer 3. It is formed. Note that the thickness of the aluminum layers 7a and 8a is 1500 Å, the thickness of the titanium layers 7b and 8b is 1000 Å,
The thickness of the nickel layers 7c and 8c is 2500 Å.

【０００８】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）　とシラン（ＳｉＨ４）とジエ
チル亜鉛（以下「ＤＥＺ　」と記す）　である。Next, a method for manufacturing the light emitting diode 10 having this structure will be explained. The light emitting diode 10 is
It was manufactured by vapor phase growth using organometallic compound vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as "M0VPE"). The gases used were NH3, carrier gas H2, and trimethyl gallium (Ga(CH3)3) (hereinafter referred to as "TMG").
and trimethylaluminum (Al(CH3)3) (hereinafter referred to as "TMA"), silane (SiH4), and diethylzinc (hereinafter referred to as "DEZ").

【０００９】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面（１１−２０）　を主面とする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　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ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。First, a single-crystal sapphire substrate 1 having an a-plane (11-20) main surface that has been cleaned by organic cleaning and heat treatment is mounted on a susceptor placed in a reaction chamber of an M0VPE apparatus. Next, the sapphire substrate 1 was subjected to vapor phase etching at a temperature of 1100° C. while flowing H2 into the reaction chamber at a flow rate of 2 liters/min at normal pressure.

【００１０】次に、温度を４００　℃まで低下させて、
Ｈ２を２６　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、ＮＨ３　を１０
　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、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。[0010] Next, the temperature was lowered to 400°C,
H2 at 26 liters/min, NH3 at 10
liters/min, TMA 1.8×10
The buffer layer 2 of AlN is supplied at a rate of -5 mol/min.
It was formed to a thickness of 500 Å.

【００１１】次に、サファイア基板１の温度を１１５０
℃に保持し、Ｈ２を２０　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、Ｎ
Ｈ３　を１０　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、ＴＭＧ　を　
１．７×１０−４モル／分、Ｈ２で０．８６ｐｐｍ　ま
で希釈したシラン（ＳｉＨ４　）　を　２００ｍｌ／分
の割合で３０分間供給し、膜厚約　２．２μｍ、キャリ
ア濃度１．５×１０１８／　ｃｍ３　のＧａＮ　から成
る高キャリア濃度ｎ＋　層３を形成した。Next, the temperature of the sapphire substrate 1 is set to 1150°C.
℃, H2 at 20 liters/min, N
H3 at 10 liters/min, TMG at
Silane (SiH4) diluted to 0.86 ppm with H2 was supplied at a rate of 200 ml/min for 30 minutes at 1.7 x 10-4 mol/min, resulting in a film thickness of about 2.2 μm and a carrier concentration of 1.5 x 1018/min. A high carrier concentration n+ layer 3 made of GaN of cm3 was formed.

【００１２】続いて、サファイア基板１の温度を１１５
０℃に保持し、Ｈ２を２０　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、
ＮＨ３　を１０　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、ＴＭＧ　を
１．７　×１０−４モル／分の割合で２０分間供給し、
膜厚約１．５　μｍ、キャリア濃度　１×１０１５／　
ｃｍ３　のＧａＮ　から成る低キャリア濃度ｎ層４を形
成した。[0012] Subsequently, the temperature of the sapphire substrate 1 was increased to 115
Maintained at 0°C, supplied H2 at 20 liters/min,
Supplying NH3 at a rate of 10 liters/min and TMG at a rate of 1.7 x 10-4 mol/min for 20 minutes,
Film thickness approximately 1.5 μm, carrier concentration 1×1015/
A low carrier concentration n-layer 4 made of GaN of cm3 was formed.

【００１３】次に、サファイア基板１を　９００℃にし
て、　Ｈ２　を２０　ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ　、ＮＨ３
　を１０ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ、ＴＭＧ　を　１．４×
１０−４モル／分、ＤＥＺ　を　３．８×１０−４モル
／分の割合で１．５　分間供給して、膜厚　４００Åの
ＧａＮ　から成るｉ層５を形成した。このようにして、
図２に示すような多層構造が得られた。Next, the sapphire substrate 1 was heated to 900°C, H2 was heated at 20 liters/min, NH3
10liters/min, TMG 1.4×
DEZ was supplied at a rate of 3.8×10 −4 mol/min for 1.5 minutes to form an i-layer 5 of GaN having a thickness of 400 Å. In this way,
A multilayer structure as shown in FIG. 2 was obtained.

【００１４】次に、図３に示すように、ｉ層５の上に、
スパッタリングによりＳｉＯ２層１１を２０００Åの厚
さに形成した。次に、そのＳｉＯ２層１１上にフォトレ
ジスト１２を塗布して、フォトリソグラフにより、その
フォトレジスト１２を高キャリア濃度ｎ＋　層３に対す
る電極形成部位のフォトレジストを除去したパターンに
形成した。Next, as shown in FIG. 3, on the i-layer 5,
A SiO2 layer 11 was formed to a thickness of 2000 Å by sputtering. Next, a photoresist 12 was coated on the SiO2 layer 11, and the photoresist 12 was formed by photolithography into a pattern in which the photoresist at the electrode formation site for the high carrier concentration n+ layer 3 was removed.

【００１５】次に、図４に示すように、フォトレジスト
１２によって覆われていないＳｉＯ２層１１をフッ酸系
エッチング液で除去した。次に、図５に示すように、フ
ォトレジスト１２及びＳｉＯ２層１１によって覆われて
いない部位のｉ層５とその下の低キャリア濃度ｎ層４と
高キャリア濃度ｎ＋　層３の上面一部を、真空度０．０
４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ｃｍ３　、ＣＣｌ
２Ｆ２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。Next, as shown in FIG. 4, the SiO2 layer 11 not covered with the photoresist 12 was removed using a hydrofluoric acid etching solution. Next, as shown in FIG. 5, a portion of the upper surface of the i layer 5, the lower carrier concentration n layer 4, and the high carrier concentration n+ layer 3, which are not covered by the photoresist 12 and the SiO2 layer 11, are Vacuum degree 0.0
4Torr, high frequency power 0.44W/cm3, CCl
After dry etching was performed by supplying 2F2 gas at a rate of 10 ml/min, dry etching was performed with Ar.

【００１６】次に、図６に示すように、ｉ層５上に残っ
ているＳｉＯ２層１１をフッ酸で除去した。次に、図　
７に示すように、試料の上全面に、Ａｌ層１３ａ、Ｔｉ
層１３ｂ、Ｎｉ層１３ｃをそれぞれその順に蒸着により
１５００Å、１０００Å、２５００Åの厚さに形成した
。そして、そのＮｉ層１３ｃの上にフォトレジスト１４
を塗布して、フォトリソグラフにより、そのフォトレジ
スト１４が高キャリア濃度ｎ＋　層３及びｉ層５に対す
る電極部が残るように、所定形状にパターン形成した。Next, as shown in FIG. 6, the SiO2 layer 11 remaining on the i-layer 5 was removed using hydrofluoric acid. Then, figure
As shown in Fig. 7, an Al layer 13a, a Ti layer 13a, and a Ti
Layer 13b and Ni layer 13c were formed in that order by vapor deposition to thicknesses of 1500 Å, 1000 Å, and 2500 Å, respectively. Then, a photoresist 14 is placed on the Ni layer 13c.
was coated, and the photoresist 14 was patterned into a predetermined shape by photolithography so that electrode portions for the high carrier concentration n+ layer 3 and i layer 5 remained.

【００１７】次に、図７に示すようにそのフォトレジス
ト１４をマスクとして下層のＮｉ層１３ｃ、Ｔｉ層１３
ｂ、Ａｌ層１３ａの露出部を硝酸系エッチング液でエッ
チングし、フォトレジスト１４をアセトンで除去し、高
キャリア濃度ｎ＋　層３の電極８、ｉ層５の電極７を形
成した。このようにして、図１に示すＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎ
ｓｕ−　ｌａｔｏｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構
造の窒化ガリウム系発光素を製造することができる。Next, as shown in FIG. 7, the lower Ni layer 13c and Ti layer 13 are formed using the photoresist 14 as a mask.
b. The exposed portion of the Al layer 13a was etched with a nitric acid-based etching solution, and the photoresist 14 was removed with acetone to form the electrode 8 of the high carrier concentration n+ layer 3 and the electrode 7 of the i-layer 5. In this way, the MIS (Metal-In
It is possible to manufacture a gallium nitride-based light emitting device having a s-lator semiconductor structure.

【００１８】このようにして製造された発光ダイオード
１０の発光強度を測定したところ、５０　ｍｃｄであっ
た。駆動電圧は８Ｖ（ＩＦ　＝１０　ｍＡ）であり、発
光波長は４８０ｎｍ　であった。When the light emitting intensity of the light emitting diode 10 manufactured in this way was measured, it was 50 mcd. The driving voltage was 8 V (IF = 10 mA), and the emission wavelength was 480 nm.

【００１９】次に、ｉ層５の厚さを各種変化させてＬＥ
Ｄを製作した。そして、ｉ層５の厚さと発光波長との関
係を測定した。その結果を図８に示す。図８からｉ層５
の厚さが２５０　Å〜１０００Åと変化するに伴い、発
光波長は４８０ｎｍ　から４９０ｎｍ　に変化させるこ
とができた。この結果、ｉ層５をより薄くすることでよ
り青色に近い発光を得ることができた。Next, by varying the thickness of the i-layer 5, the LE
I made D. Then, the relationship between the thickness of the i-layer 5 and the emission wavelength was measured. The results are shown in FIG. From Figure 8, i layer 5
As the thickness changed from 250 Å to 1000 Å, the emission wavelength could be changed from 480 nm to 490 nm. As a result, by making the i-layer 5 thinner, it was possible to obtain light emission closer to blue.

【００２０】又、ｉ層５の厚さと立上がり電圧ＶＦ　（
ＩＦ　＝１ｍＡ）との関係を測定した。その結果を図９
に示す。図９からｉ層５の厚さが２５０　Å〜１０００
Åと変化するに伴い、立上がり電圧ＶＦ　（ＩＦ　＝１
０ｍＡ）は６．５　Ｖ〜８．５　Ｖに変化する。このよ
うに、ｉ層５の厚さを２５０　Å〜１０００Åの範囲で
薄くすることにより、駆動電圧が約９Ｖとなり従来の窒
化ガリウムＬＥＤの駆動電圧１２Ｖに比べて低くするこ
とができた。Furthermore, the thickness of the i-layer 5 and the rising voltage VF (
IF = 1 mA) was measured. The results are shown in Figure 9.
Shown below. From FIG. 9, the thickness of the i-layer 5 is 250 Å to 1000 Å.
As the rising voltage VF (IF = 1
0 mA) changes from 6.5 V to 8.5 V. In this way, by reducing the thickness of the i-layer 5 in the range of 250 Å to 1000 Å, the driving voltage was approximately 9V, which was lower than the driving voltage of 12V of the conventional gallium nitride LED.

【００２１】又、ｉ層５の厚さとＰＬピーク波長との関
係を測定した。その結果を図１０に示す。ｉ層５の厚さ
が２５０　Å〜１０００Åと変化しても、ＰＬピーク波
長には変化が見られなかった。Furthermore, the relationship between the thickness of the i-layer 5 and the PL peak wavelength was measured. The results are shown in FIG. Even when the thickness of the i-layer 5 changed from 250 Å to 1000 Å, no change was observed in the PL peak wavelength.

【００２２】このようなｉ層５の厚さと、駆動電圧及び
発光波長との関係が生じる原因は、発明者の考察によれ
ば、ｉ層５の薄膜化により高電界がかかりバンドの曲が
りが急峻になり、ｎ層４から注入された電子がより高エ
ネルギー状態から遷移するために生じるものと思われる
。According to the inventor's study, the reason for such a relationship between the thickness of the i-layer 5, the driving voltage, and the emission wavelength is that the thinning of the i-layer 5 causes a high electric field to be applied, resulting in a sharp bending of the band. This is thought to occur because electrons injected from the n-layer 4 transition from a higher energy state.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図１】本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオー
ドの構成を示した構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a light emitting diode according to a specific example of the present invention.

【図２】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図３】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図４】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図５】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図６】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図７】発光ダイオードの製造工程を示した断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a light emitting diode.

【図８】発光ダイオードのｉ層の厚さと発光波長との関
係を示した測定図。FIG. 8 is a measurement diagram showing the relationship between the thickness of the i-layer of a light emitting diode and the emission wavelength.

【図９】発光ダイオードのｉ層の厚さと駆動電圧との関
係を示した測定図。FIG. 9 is a measurement diagram showing the relationship between the thickness of the i-layer of a light emitting diode and the driving voltage.

【図１０】発光ダイオードのｉ層の厚さとＰＬピーク波
長との関係を示した測定図。FIG. 10 is a measurement diagram showing the relationship between the thickness of the i-layer of a light emitting diode and the PL peak wavelength.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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…低キャリア濃度ｎ
層　　５…ｉ層７，８…電極10...Light emitting diode 1...Sapphire substrate 2...
Buffer layer 3...High carrier concentration n+ layer 4...Low carrier concentration n
Layer 5...i layer 7, 8...electrode

Claims (1)

Translated fromJapanese

【特許請求の範囲】[Claims]【請求項１】　　ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ；Ｘ＝０を含む）　からなるｎ層と
、ｐ形不純物を添加したｉ型の窒化ガリウム系化合物半
導体（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ；Ｘ＝０を含む）　からなる
ｉ層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に
おいて、前記ｉ層の厚さを２５０　〜１０００Åとした
ことを特徴とする発光素子。[Claim 1] An n-type gallium nitride compound semiconductor (
gallium nitride having an n-layer consisting of an i-type gallium nitride-based compound semiconductor doped with p-type impurities (AlXGa1-XN; including x=0); 1. A light emitting device based on compound semiconductors, characterized in that the i-layer has a thickness of 250 to 1000 Å.