JP3654738B2

JP3654738B2 - Group 3 nitride semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP3654738B2
Application number: JP10384697A
Authority: JP
Inventors: 道成佐々; 直樹柴田; 慎也浅見; 正好小池; 潤一梅崎; 隆弘小澤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JPH1051030A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は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、青色の発光ダイオードとしてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知られている。その化合物半導体は直接遷移型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。
【０００３】
最近、AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半絶縁層（ｉ層）とを接合させたMIS 型に換えて、AlGaN のｐ層と、ZnドープのInGaN の発光層と、AlGaN のｎ層とを用いたダブルヘテロｐｎ接合を有する発光ダイオードが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のダブルヘテロｐｎ接合型の発光ダイオードにおいて、ｐ層に対するコンタクト層はマグネシウムが１０¹⁹／cm³のオーダで添加されたGaN が用いられている。このコンタクト層のキャリア濃度は７×１０¹⁷／cm³で高濃度であり、ホールの注入効率が高い。しかしながら、本発明者らは、このコンタクト層は金属電極に対してショットキー障壁を形成するため、このことが駆動電圧を低下できない原因となっいることを初めて明らかにした。
【０００５】
従って、本発明の目的は、ホールの注入効率を低下させることなく、且つ、金属電極に対して良好なオーミック接触が得られるコンタクト層の構造を新たに考案することで、発光素子の駆動電圧を低下することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN(0 ≦X ≦1 、0 ≦Y ≦1 、0 ≦X+Y ≦1)から成り、ｐ伝導型を示すｐ層、発光層、ｎ伝導型を示すｎ層とがヘテロ接合した発光素子において、ｐ層を少なくとも、１×１０¹⁹ /cm³ より大きく５×１０²⁰/cm³ 以下の濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第１層と、第１層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高く、駆動電圧が5V以下となるような濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第２層で構成し、第２層上に電極を形成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN(0 ≦X ≦1 、0 ≦Y ≦1 、0 ≦X+Y ≦1)から成り、マグネシウム(Mg)が添加されてｐ伝導型を示すｐ層、発光層、ｎ伝導型を示すｎ層とがヘテロ接合し、電極と前記ｐ層との間にｐ型コンタクト層を有する発光素子において、ｐ型コンタクト層に、マグネシウム (Mg) 濃度が１×１０ ²⁰ /cm ³ より大きく２×１０ ²¹ /cm ³ 以下の範囲で、ｐ層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高くホール濃度が最大値をとるマグネシウム(Mg)濃度よりも高濃度にマグネシウム(Mg)を添加したことを特徴とする。
【０００８】
さらに、請求項３の発明は、ホール濃度が最大値をとるマグネシウム(Mg)濃度は、５×１０¹⁹/cm³としたことを特徴とし、請求項４の発明は、駆動電圧が5V以下となり、最小値をとるマグネシウム(Mg)濃度は、２×１０²⁰/cm³であることを特徴とし、請求項５の発明は、ｐ型コンタクト層を、窒化ガリウム(GaN) としたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の作用及び効果】
本発明は、マグネシウム濃度とホール濃度とが比例関係にないこと及びホール濃度が最大値をとる時に接触抵抗が最小とはならないという本発明者らの発見に基づくものである。即ち、ホール濃度が最大となるマグネシウム濃度が存在し、接触抵抗が最小値をとるマグネシウム濃度が存在し、両者は一致しない。接触抵抗が最小値をとる層に電極を接合し、ホール濃度が最大値をとる層を発光層、又は、ｐ層に接合することで、駆動電圧の低下と発光層に対するホールの注入効率を向上させることができる。
【００１０】
上記のように、ｐ層を少なくとも、１×１０¹⁹/cm³ より大きく５×１０²⁰/cm³ 以下の濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第１層と、第１層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高く、駆動電圧が5V以下となるような濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第２層で構成し、第２層上に電極を形成したことにより、駆動電圧を低下させることができた。
【００１１】
又、ｐ型コンタクト層に、マグネシウム (Mg) 濃度が１×１０ ²⁰ /cm ³ より大きく２×１０ ²¹ /cm ³ 以下の範囲で、ｐ層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高くホール濃度が最大値をとるマグネシウム(Mg)濃度よりも高濃度にマグネシウム(Mg)を添加することで、駆動電圧を低下させることができた。
【００１２】
【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2.0 μｍ、電子濃度2 ×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2.0 μｍ、電子濃度 2×10¹⁸/cm³のシリコンドープの(Al_x2Ga_1-x2)_y2In_1-y2N から成る高キャリア濃度ｎ⁺層４、膜厚約0.5 μｍ、マグネウシム(Mg)、カドミウム(Cd)及びシリコンドープの(Al_x1Ga_1-x1)_y1In_1-y1N から成るｐ伝導型の発光層５、膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度1 ×10²⁰/cm³のマグネシウムドープの(Al_x2Ga_1-x2)_y2In_1-y2N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度5 ×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度1 ×10²⁰/cm³のマグネシウムドープのGaN から成る第２コンタクト層６２、膜厚約500 Å、ホール濃度 2×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度2 ×10²⁰/cm³のマグネシウムドープのGaN から成る第１コンタクト層６３が形成されている。そして、第１コンタクト層６３に接続するニッケルで形成された電極７と高キャリア濃度ｎ⁺層４に接続するニッケルで形成された電極８が形成されている。電極７と電極８とは、溝９により電気的に絶縁分離されている。
【００１３】
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、ダイメチルカドミニウム(Cd(CH₃)₂)（以下「DMCd」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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、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。
【００１６】
以下、カドミウム(Cd)とシリコン(Si)を発光中心として発光ピーク波長を430nm に設定した場合の発光層５（アクティブ層）及びクラッド層４、６の組成比及び結晶成長条件の実施例を記す。上記の高キャリア濃度ｎ⁺層３を形成した後、続いて、サファイア基板１の温度を850 ℃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、TMA を0.47×10^-4モル／分、TMI を0.1 ×10^-4モル／分、及び、シランを導入し、膜厚約0.5 μｍ、濃度1 ×10¹⁸/cm³のシリコンドープの(Al_0.47Ga_0.53)_0.9In_0.1N から成る高キャリア濃度ｎ⁺層４を形成した。
【００１７】
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、TMA を0.47×10^-4モル／分、TMI を0.02×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分とDMCdを2 ×10^-7モル／分とシランを10×10^-9モル／分導入し、膜厚約0.5 μｍのマグネシウム(Mg)とカドミウム(Cd)とシリコン(Si)ドープの(Al_0.3Ga_0.7)_0.94In_0.06N から成る発光層５を形成した。この状態で発光層５は、まだ、高抵抗である。この発光層５におけるマグネシウム(Mg)の濃度は 1×10¹⁹/cm³、カドミウム(Cd)の濃度は5 ×10¹⁸/cm³であり、シリコン(Si)の濃度は1 ×10¹⁸/cm³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、TMA を0.47×10^-4モル／分、TMI を0.1 ×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分導入し、膜厚約1.0 μｍのマグネシウム(Mg)ドープの(Al_0.47Ga_0.53)_0.9In_0.1N 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10⁸Ωcm以上の絶縁体である。次に、温度を850 ℃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 2×10^-4モル／分の割合で導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第２コンタクト層６２を形成した。第２コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は1 ×10²⁰/cm³である。この状態では、第２コンタクト層６２は、まだ、抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。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1.12×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を 4×10^-4モル／分の割合で導入し、膜厚約500 Åのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層６３を形成した。第１コンタクト層６３のマグネシウムの濃度は 2×10²⁰/cm³である。この状態では、第１コンタクト層６３は、まだ、抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。
【００１９】
次に、反射電子線回折装置を用いて、第１コンタクト層６３、第２コンタクト層６２、ｐ層６１及び発光層５に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、試料電流1 μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10^-5Torrである。この電子線の照射により、第１コンタクト層６３、第２コンタクト層６２、ｐ層６１及び発光層５は、それぞれ、ホール濃度 2×10¹⁷/cm³， 5×10¹⁷/cm³， 5×10¹⁷/cm³、抵抗率 2Ωcm，0.8 Ωcm，0.8 Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして、図２に示すような多層構造のウエハが得られた。
【００２０】
以下に述べられる図３から図７は、ウエハ上の１つの素子のみを示す断面図であり、実際は、この素子が連続的に繰り返されたウエハについて、処理が行われ、その後、各素子毎に切断される。
【００２１】
図３に示すように、第１コンタクト層６３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を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、第１コンタクト層６３上において、高キャリア濃度ｎ⁺層４に至るように形成される孔１５に対応する電極形成部位Ａとその電極形成部をｐ層６１の電極と絶縁分離する溝９を形成する部位Ｂのフォトレジストを除去した。
【００２２】
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をフッ化水素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ｐ層６とその下の発光層５、高キャリア濃度ｎ⁺層４の上面一部を、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、高キャリア濃度ｎ⁺層４に対する電極取出しのための孔１５と絶縁分離のための溝９が形成された。
【００２３】
次に、図６に示すように、ｐ層６１上に残っているSiO₂層１１をフッ化水素酸で除去した。次に、図７に示すように、試料の上全面に、Ni層１３を蒸着により形成した。これにより、孔１５には、高キャリア濃度ｎ⁺層４に電気的に接続されたNi層１３が形成される。そして、図７に示すように、そのNi層１３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４及びｐ層６１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。
【００２４】
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１３の露出部を硝酸系エッチング液でエッチングした。この時、絶縁分離のための溝９に蒸着されたNi層１３は、完全に除去される。次に、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４の電極８、第１コンタクト層６３の電極７が残された。その後、上記の如く処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示すｐｐｎ構造の窒化ガリウム系発光素子を得た。
【００２５】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで駆動電圧４Ｖで、発光ピーク波長430nm 、発光強度1cd であった。
【００２６】
又、上記の発光層５におけるカドミウム(Cd)とシリコン(Si)の濃度は、それぞれ、１×１０¹⁷〜１×１０²⁰の範囲が発光強度を向上させる点で望ましい。又、シリコン(Si)の濃度は、カドミウム(Cd)に比べて、1/2 〜1/10の程度少ない方がより望ましい。
【００２７】
上記の実施例では、発光層５のバンドギャップが両側に存在するｐ層６と高キャリア濃度ｎ⁺層４のバンドギャップよりも小さくなるようなダブルヘテロ接合に形成されている。又、これらの３つの層のAl、Ga、Inの成分比は、GaN の高キャリア濃度ｎ⁺層の格子定数に一致するように選択されている。
【００２８】
第２実施例
第１実施例の発光層５は、マグネシウム(Mg)とカドミウム(Cd)とシリコン(Si)とが添加されているが、第２実施例の発光層５は、図８に示すように、マグネシウム(Mg)と亜鉛(Zn)とシリコン(Si)とが添加されている。上記の高キャリア濃度ｎ⁺層３を形成した後、続いて、サファイア基板１の温度を800 ℃に保持し、N₂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、TMI を0.1 ×10^-4モル／分、及び、シランを導入し、膜厚約0.5 μｍ、濃度 2×10¹⁹/cm³のシリコンドープの(Al_0.3Ga_0.7)_0.94In_0.06N から成る高キャリア濃度ｎ⁺層４を形成した。
【００２９】
続いて、温度を1150℃に保持し、N₂を20 liter／分、NH₃を 10liter／分、TMG を1.53×10^-4モル／分、TMA を0.47×10^-4モル／分、TMI を0.02×10^-4モル／分、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分、シランを10×10^-9モル／分、DEZ を2 ×10^-4モル／分で7 分導入し、膜厚約0.5 μｍのマグネシウム(Mg)とシリコン(Si)と亜鉛(Zn)のドープされた(Al_0.09Ga_0.91)_0.99In_0.01N から成る発光層５を形成した。この発光層５におけるマグネシウムの濃度は1 ×10¹⁹/cm³であり、亜鉛(Zn)の濃度は 2×10¹⁸/cm³であり、シリコン(Si)の濃度は1 ×10¹⁸/cm³である。
【００３０】
続いて、温度を1100℃に保持し、N₂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、TMI を0.1 ×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分導入し、膜厚約1.0 μｍのマグネシウム(Mg)ドープの(Al_0.3Ga_0.7)_0.94In_0.06N 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10⁸Ωcm以上の絶縁体である。
【００３１】
さらに、温度を850 ℃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 2×10^-4モル／分の割合で導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第２コンタクト層６２を形成した。第２コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は1 ×10²⁰/cm³である。この状態では、第２コンタクト層６２は、まだ、抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。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1.12×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を 4×10^-4モル／分の割合で導入し、膜厚約500 Åのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層６３を形成した。第１コンタクト層６３のマグネシウムの濃度は 2×10²⁰/cm³である。この状態では、第１コンタクト層６３は、まだ、抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。
【００３２】
次に、反射電子線回折装置を用いて、第１実施例と同様に、第１コンタクト層６３、第２コンタクト層６２、ｐ層６１及び発光層５に一様に電子線を照射した。これにより、第１コンタクト層６３、第２コンタクト層６２、ｐ層６１及び発光層５をｐ伝導型化することができた。この発光ダイオード１０は駆動電流20mAで駆動電圧４Ｖであり、発光ピーク波長は、430nm であり、発光強度は1000mcd である。
【００３３】
第３実施例
第３実施例の発光ダイオードは、第２実施例の発光ダイオードと異なり、図９に示すように、ｐ伝導型の発光層５にはマグネシウム(Mg)と亜鉛(Zn)とシリコン(Si)が同時にドープされたGa_yIn_1-yN 、ｐ層６１はマグネシウム(Mg)のドープされたAl_x1Ga_1-x1N 、高キャリア濃度ｎ⁺層４はシリコン(Si)のドープされたAl_x2Ga_1-x2N で形成した。そして、組成比x1,y,x2 は、発光層５のバンドギャップが高キャリア濃度ｎ⁺層４、ｐ層６１のバンドギャップに対して小さくなるダブルヘテロ接合が形成されるように設定される。尚、第１コンタクト層６２、第２コンタクト層６３は第１実施例、第２実施例と同様である。
【００３４】
図１０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4.0 μｍ、電子濃度2 ×10¹⁸/cm³のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ⁺層４、膜厚約0.5 μｍ、マグネシウム、亜鉛及シリコンドープのGa_0.94In_0.06N から成る発光層５、膜厚約0.5 μｍ、ホール濃度 5×10¹⁷/cm³のマグネシウムドープのAl_0.1Ga_0.9N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度 5×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度1 ×10²⁰/cm³のマグネシウムドープのGaN から成る第２コンタクト層６２、膜厚約500 Å、ホール濃度 2×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度 2×10²⁰/cm³のマグネシウムドープのGaN から成る第１コンタクト層６３が形成されている。そして、第１コンタクト層６３に接続するニッケルで形成された電極７と高キャリア濃度ｎ⁺層４に接続するニッケルで形成された電極８が形成されている。電極７と電極８とは、溝９により電気的に絶縁分離されている。
【００３５】
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。第１実施例と同様に、AlN のバッファ層２まで形成する。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、膜厚約4.0 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４を形成した。
【００３６】
以下、亜鉛(Zn)とシリコン(Si)を発光中心として発光ピーク波長を450nm に設定した場合の発光層５、クラッド層、即ち、ｐ層６１、第２コンタクト層６２、第１コンタクト層６３の組成比及び結晶成長条件の実施例を記す。上記の高キャリア濃度ｎ⁺層４を形成した後、続いて、サファイア基板１の温度を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、TMI を0.02×10^-4モル／分、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分、DMZ を2 ×10^-7モル／分、シランを10×10^-9モル／分で導入し、膜厚約0.5 μｍのマグネシウム(Mg)と亜鉛(Zn)とシリコン(Si)ドープのGa_0.94In_0.06N の発光層５を形成した。この状態で発光層５は、まだ、高抵抗である。
【００３７】
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1.12×10^-4モル／分、TMA を0.47×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-7モル／分で7 分導入し、膜厚約0.5 μｍのマグネシウム(Mg)のドープされたAl_0.1Ga_0.9N から成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１は未だこの状態で抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。ｐ層６１におけるマグネシウム(Mg)の濃度は、 1×10¹⁹/cm³である。
【００３８】
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1.12×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分導入し、膜厚約0.5 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第２コンタクト層６２を形成した。第２コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は1 ×10²⁰/cm³である。この状態では、第２コンタクト層６２は、まだ、抵抗率10⁸Ωcm以上の絶縁体である。
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1.12×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を 4×10^-4モル／分の割合で導入し、膜厚約500 Åのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成る第１コンタクト層６３を形成した。マグネシウムの濃度は 2×10²⁰/cm³である。
【００３９】
次に、反射電子線回折装置を用いて、発光層５、ｐ層６１、第２コンタクト層６２及び第１コンタクト層６３に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、第１実施例と同一である。この電子線の照射により、ｐ層６１、第２コンタクト層６２及び第１コンタクト層６３は、それぞれ、ホール濃度5 ×10¹⁷/cm³，5 ×10¹⁷/cm³,2×10¹⁷/cm³、抵抗率0.8 ，0.8, 2Ωcmのｐ伝導型半導体となった。
【００４０】
電極面積6 ×10^-4cm²の時、この発光素子の駆動電圧は電流２０mA時４Ｖであり、接触抵抗は３０〜４０Ωであった。又、電極面積1.6 ×10^-3cm²の時、この発光素子の駆動電圧は電流２０mA時3.5 Ｖであり、接触抵抗は１０〜１５Ωであった。
【００４１】
尚、GaN の第１コンタクト層６３を形成する時に、Mg濃度を1 ×10¹⁹/cm³から2 ×10²¹/cm³まで変化させて発光素子を形成した。図１１は、この時の電流20mA時の素子の駆動電圧を示したものである。駆動電圧は11.2V から4.0Vまで変化し、電極７と第１コンタクト層６３との接触抵抗は250 Ω〜30Ωまで変化した。そして、Mgの濃度が 2×10²⁰/cm³の時、駆動電圧は最低値4.0 Ｖ、接触抵抗30Ωの最低値を示し、Mgの濃度が2 ×10²¹/cm³の時、駆動電圧は5.0 Ｖ、接触抵抗70Ωと上昇した。このことから、駆動電圧を５Ｖ以下とするには、第１コンタクト層６３のMg濃度を1 ×10²⁰〜1 ×10²¹/cm³の範囲とするのが望ましいのが分った。
【００４２】
又、図１２は第２コンタクト層６２又はｐ層６１を形成する時のMg濃度とその層におけるホール濃度との関係を示したものである。 Mg 濃度を5 ×10¹⁹/cm³まで増加させるとホール濃度は7 ×10¹⁷/cm³まで増加して飽和する。その後、Mg濃度を増加させると、ホール濃度は低下し、素子の発光効率が低下して好ましくない。従って、第２コンタクト層６２又はｐ層６１のMg濃度を 1×10¹⁹〜 5×10²⁰/cm³の範囲で第１コンタクト層６３の Mg 濃度より低濃度とするのが望ましく、その電極のホール濃度を大きくすることができるため、素子の発光効率を低下させることがない。
【００４３】
上記の実施例において、発光層５における亜鉛(Zn)とシリコン(Si)の濃度は、それぞれ、１×１０¹⁷〜１×１０²⁰の範囲が発光強度を向上させる点で望ましいことが分かった。さらに好ましくは1 ×10¹⁸〜1 ×10¹⁹の範囲が良い。1 ×10¹⁸より少ないと効果が少なく、1 ×10¹⁹より多いと結晶性が悪くなる。又、シリコン(Si)の濃度は、亜鉛(Zn)に比べて、10倍〜1/10が好ましく、さらに好ましくは
1 〜1/10の間程度か、少ないほうがより望ましい。
【００４４】
又、上記の実施例において、コンタクト層として、高濃度にマグネシウム(Mg)を添加した第１コンタクト層６３と、第１コンタクト層６３よりも低い濃度にマグネシウム(Mg)を添加した第２コンタクト層６２との２層構造とした。しかし、ｐ層６１のマグネシウム(Mg)濃度よりも高いマグネシウム(Mg)濃度のコンタクト層を１層だけ電極７、８の直下に設けても良い。又、コンタクト層としてGaN を用いたが、ｐ層６１と同一組成比の混晶を用いても良い。
【００４５】
又、アクセプタ不純物は、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)を用いても良い。さらに、ドナー不純物には、炭素(C) 、シリコン(Si)、ゲルマニウユ(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)を用いることができる。
【００４６】
さらに、ドナー不純物として、イオウ(S) 、セレン(Se)、テルル(Te)を用いることもできる。ｐ型化は、電子線照射の他、熱アニーリング、N₂プラズマガス中での熱処理、レーザ照射により行うことができる。
【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。
【図６】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７】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８】第２実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図９】第３実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図１０】第３実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図１１】第１コンタクト層におけるマグネシウム濃度と素子の駆動電圧との関係を示した測定図。
【図１２】第２コンタクト層又はｐ層におけるマグネシウム濃度とホール濃度との関係を示した測定図。
【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…高キャリア濃度ｎ⁺層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…第２コンタクト層
６３…第１コンタクト層
７，８…電極
９…溝[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a light emitting device using a group 3 nitride semiconductor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a blue light emitting diode using an AlGaInN compound semiconductor is known. Since the compound semiconductor is a direct transition type, it has been attracting attention because of its high luminous efficiency and the fact that one of the three primary colors of light is blue.
[0003]
Recently, it has become clear that AlGaInN semiconductors can also be made p-type by doping Mg and irradiating them with an electron beam, or by heat treatment. As a result, instead of the conventional n-layer and semi-insulating layer (i-layer) MIS type, a double layer using an AlGaN p-layer, a Zn-doped InGaN light-emitting layer, and an AlGaN n-layer is used. A light emitting diode having a hetero pn junction has been proposed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the double hetero pn junction type light emitting diode described above, GaN doped with magnesium in the order of 10 ¹⁹ / cm ³ is used for the contact layer for the p layer. The carrier concentration of this contact layer is 7 × 10 ¹⁷ / cm ³ and is high, and the hole injection efficiency is high. However, the present inventors have clarified for the first time that this contact layer forms a Schottky barrier with respect to the metal electrode, which causes the drive voltage not to be lowered.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to devise a contact layer structure that can obtain a good ohmic contact with a metal electrode without reducing the hole injection efficiency, thereby reducing the driving voltage of the light emitting element. It is to decline.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention described in claim 1 is made of a group III nitride semiconductor (Al _x Ga _Y In _1-XY N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1) p layer indicating the type, light emitting layer, the light emitting element and the n-layer is a heterojunction showing an n conductivity type, at least a p-layer, 1 × 10 ¹⁹ / greater than ^{^{c m 3 5 × 10 20 /}} cm 3 or less of the concentration The first layer to which magnesium (Mg) is added in the range, and the second layer to which magnesium (Mg) is added in a concentration range in which the magnesium (Mg) concentration is higher than the first layer and the driving voltage is 5 V or less. It is composed of layers, and an electrode is formed on the second layer.
[0007]
The invention described in claim 2 comprises a group III nitride semiconductor (Al _x Ga _Y In _1-XY N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1), and magnesium ( In a light emitting device having a p-type contact layer between an electrode and the p layer, the p layer exhibiting p-conductivity with the addition of Mg), a light-emitting layer, and an n-layer exhibiting n-conductivity are heterojunctioned. maximum -type contact layer, in the range of 2 × 10 ²¹ / cm ³ or less larger than magnesium (Mg) concentration of 1 × 10 ²⁰ / cm ^3, magnesium than p layer (Mg) concentration is high Kuho Lumpur concentration It is characterized by adding magnesium (Mg) at a higher concentration than the magnesium (Mg) concentration taking a value.
[0008]
Further, the invention of claim 3 is characterized in that the magnesium (Mg) concentration at which the hole concentration reaches a maximum value is 5 × 10 ¹⁹ / cm ^3, and the invention of claim 4 has a drive voltage of 5 V or less. magnesium taking the minimum value (Mg) concentration is characterized by a 2 × 10 ²⁰ / cm ^3, wherein the fifth aspect of the present invention, the p-type contact layer, and a gallium nitride (GaN) And
[0009]
[Action and effect of the invention]
The present invention is based on the discovery of the inventors that the magnesium concentration and the hole concentration are not in a proportional relationship and that the contact resistance is not minimized when the hole concentration takes the maximum value. That is, there is a concentration of magnesium hole concentration is maximized, the contact resistance is present magnesium concentration to take the minimum value, it does not coincide. The electrode is bonded to the layer having the minimum contact resistance, and the layer having the maximum hole concentration is bonded to the light emitting layer or p layer, so that the drive voltage is lowered and the hole injection efficiency into the light emitting layer is improved. Can be made.
[0010]
As described above, the p-layer is at least a first layer to which magnesium (Mg) is added in a concentration range of greater than 1 × 10 ¹⁹ / cm ^{3 and} less than or equal to 5 × 10 ²⁰ / cm ³ , and magnesium than the first layer. It is composed of a second layer to which magnesium (Mg) is added in a concentration range where the (Mg) concentration is high and the drive voltage is 5 V or less, and the drive voltage is reduced by forming an electrode on the second layer. I was able to.
[0011]
Further, p-type contact layer, magnesium (Mg) concentration is 1 × 10 ²⁰ / greater than ^{^{cm 3 2 × 10 21 / cm}} 3 or less of the range, the magnesium than p layer (Mg) concentration of high Kuho Lumpur The drive voltage could be reduced by adding magnesium (Mg) at a higher concentration than the magnesium (Mg) concentration at which the concentration reached its maximum value.
[0012]
【Example】
First embodiment In Fig. 1, a light emitting diode 10 has a sapphire substrate 1, and a 500 サファイア AlN buffer layer 2 is formed on the sapphire substrate 1. Of On the buffer layer 2, in turn, a film thickness of about 2.0 [mu] m, the electron concentration of 2 × 10 ¹⁸ / cm high carrier concentration comprising a silicon-doped GaN of ³ n ⁺ layer 3, a thickness of about 2.0 [mu] m, an electron concentration 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ silicon-doped (Al _x2 Ga ₁ -x2) _y2 In ₁ -y2 N high carrier concentration n ⁺ layer 4, film thickness about 0.5 μm, magnesium (Mg), cadmium (Cd) and silicon P-conducting light-emitting layer 5 made of doped (Al _x1 Ga _1-x1 ) _y1 In _1-y1 N, film thickness of about 1.0 μm, hole concentration 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , magnesium concentration 1 × 10 ²⁰ / cm ³ Mg doped p-layer 61 of (Al _x2 Ga _1-x2 ) _y2 In _1-y2 N, film thickness of about 0.2 μm, hole concentration 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , magnesium concentration 1 × 10 ²⁰ / cm ³ Second contact layer 62 made of magnesium-doped GaN having a thickness of about 500 mm, a first contact made of magnesium-doped GaN having a hole concentration of 2 × 10 ¹⁷ / cm ³ and a magnesium concentration of 2 × 10 ²⁰ / cm ^3. An contact layer 63 is formed. An electrode 7 made of nickel connected to the first contact layer 63 and an electrode 8 made of nickel connected to the high carrier concentration n ⁺ layer 4 are formed. The electrode 7 and the electrode 8 are electrically insulated and separated by the groove 9.
[0013]
Next, a method for manufacturing the light emitting diode 10 having this structure will be described.
The light emitting diode 10 was manufactured by vapor phase growth using a metal organic compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “M0VPE”).
The gases used were NH ₃ and carrier gas H ₂ or N ₂ , trimethylgallium (Ga (CH ₃ ) ₃ ) (hereinafter referred to as “TMG”) and trimethylaluminum (Al (CH ₃ ) ₃ ) (hereinafter referred to as “TMA”). ), Trimethylindium (In (CH ₃ ) ₃ ) (hereinafter referred to as “TMI”), dimethylcadmium (Cd (CH ₃ ) ₂ ) (hereinafter referred to as “DMCd”) and silane (SiH ₄ ) And cyclopentadienylmagnesium (Mg (C ₅ H ₅ ) ₂ ) (hereinafter referred to as “CP ₂ Mg”).
[0014]
First, the single crystal sapphire substrate 1 having the a-plane as a main surface cleaned by organic cleaning and heat treatment is mounted on a susceptor mounted in the reaction chamber of the M0VPE apparatus. Next, the sapphire substrate 1 was vapor-phase etched at a temperature of 1100 ° C. while flowing H ₂ at normal pressure and a flow rate of 2 liter / min into the reaction chamber.
[0015]
Next, the temperature is lowered to 400 ° C., H ₂ is supplied at 20 liter / min, NH ₃ is supplied at 10 liter / min, and TMA is supplied at 1.8 × 10 ⁻⁵ mol / min. The thickness was formed. Then, maintaining the temperature of the sapphire substrate 1 to 1150 ° C., to form a film thickness of about 2.2 [mu] m, an electron concentration of 2 × 10 ¹⁸ / cm high carrier concentration n ⁺ layer 3 made of GaN of silicon doped ^3.
[0016]
Hereinafter, examples of composition ratios and crystal growth conditions of the light emitting layer 5 (active layer) and the cladding layers 4 and 6 in the case where the emission peak wavelength is set to 430 nm with cadmium (Cd) and silicon (Si) as emission centers will be described. . After the above high carrier concentration n ⁺ layer 3 is formed, the temperature of the sapphire substrate 1 is kept at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 10 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, and TMG is 1.12. × 10 ^-4 mol / min, TMA 0.47 × 10 ^-4 mol / min, TMI 0.1 × 10 ^-4 mol / min, and silane introduced, film thickness about 0.5 μm, concentration 1 × 10 ¹⁸ / cm ^A high carrier concentration n ⁺ layer 4 composed of ³ silicon-doped (Al _0.47 Ga _0.53 ) _0.9 In _0.1 N was formed.
[0017]
Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.53 × 10 ⁻⁴ mol / min, and TMA is 0.47 × 10 ⁻⁴ mol / min. , TMI 0.02 × 10 ⁻⁴ mol / min, CP ₂ Mg 2 × 10 ⁻⁴ mol / min, DMCd 2 × 10 ⁻⁷ mol / min and silane 10 × 10 ⁻⁹ mol / min. Then, the light emitting layer 5 made of magnesium (Mg), cadmium (Cd) and silicon (Si) doped (Al _0.3 Ga _0.7 ) _0.94 In _0.06 N having a thickness of about 0.5 μm was formed. In this state, the light emitting layer 5 still has high resistance. The concentration of magnesium (Mg) in the light emitting layer 5 is 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ , the concentration of cadmium (Cd) is 5 × 10 ¹⁸ / cm ³ , and the concentration of silicon (Si) is 1 × 10 ¹⁸ / cm 3. ³ .
[0018]
Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and TMA is 0.47 × 10 ⁻⁴ mol / min. , TMI of 0.1 × 10 ⁻⁴ mol / min and CP ₂ Mg of 2 × 10 ⁻⁴ mol / min were introduced, and the magnesium (Mg) -doped (Al _0.47 Ga _0.53 ) _0.9 In _0.1 with a film thickness of about 1.0 μm was introduced. A p-layer 61 made of N was formed. The concentration of magnesium in the p layer 61 is 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the p layer 61 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more. Next, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 2 × 10 ^{− A} second contact layer 62 made of GaN doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 0.2 μm was formed at a rate of ⁴ mol / min. The concentration of magnesium in the second contact layer 62 is 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the second contact layer 62 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more. Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 4 × 10 ^{− A} first contact layer 63 made of GaN doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 500 mm was introduced at a rate of ⁴ mol / min. The concentration of magnesium in the first contact layer 63 is 2 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the first contact layer 63 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more.
[0019]
Next, the first contact layer 63, the second contact layer 62, the p layer 61, and the light emitting layer 5 were uniformly irradiated with an electron beam using a reflection electron beam diffractometer. The electron beam irradiation conditions are an acceleration voltage of about 10 KV, a sample current of 1 μA, a beam moving speed of 0.2 mm / sec, a beam diameter of 60 μmφ, and a degree of vacuum of 5.0 × 10 ⁻⁵ Torr. By this electron beam irradiation, the first contact layer 63, the second contact layer 62, the p layer 61, and the light emitting layer 5 have a hole concentration of 2 × 10 ¹⁷ / cm ³ , 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , and 5 ×, respectively. A p-conductivity semiconductor with 10 ¹⁷ / cm ³ and resistivity of 2 Ωcm, 0.8 Ωcm, and 0.8 Ωcm was obtained. In this way, a wafer having a multilayer structure as shown in FIG. 2 was obtained.
[0020]
3 to 7 described below are cross-sectional views showing only one element on the wafer. Actually, processing is performed on a wafer in which this element is continuously repeated, and thereafter, for each element. Disconnected.
[0021]
As shown in FIG. 3, the SiO ₂ layer 11 was formed on the first contact layer 63 to a thickness of 2000 mm by sputtering. Next, a photoresist 12 was applied on the SiO ₂ layer 11. Then, the electrode formation portion A corresponding to the hole 15 formed so as to reach the high carrier concentration n ⁺ layer 4 on the first contact layer 63 and its electrode formation portion are insulated from the electrode of the p layer 61 by photolithography. The photoresist at the site B where the trench 9 to be separated was formed was removed.
[0022]
Next, as shown in FIG. 4, the SiO ₂ layer 11 not covered with the photoresist 12 was removed with a hydrofluoric acid etching solution. Next, as shown in FIG. 5, the p layer 6 at a portion not covered with the photoresist 12 and the SiO ₂ layer 11, the light emitting layer 5 thereunder, and a part of the upper surface of the high carrier concentration n ⁺ layer 4 are vacuum-treated. After dry etching by supplying 0.04 Torr, high frequency power of 0.44 W / cm ² and BCl ₃ gas at a rate of 10 ml / min, dry etching was performed with Ar. In this step, a hole 15 for extracting an electrode for the high carrier concentration n ⁺ layer 4 and a groove 9 for insulating separation were formed.
[0023]
Next, as shown in FIG. 6, the SiO ₂ layer 11 remaining on the p layer 61 was removed with hydrofluoric acid. Next, as shown in FIG. 7, the Ni layer 13 was formed on the entire upper surface of the sample by vapor deposition. As a result, the Ni layer 13 electrically connected to the high carrier concentration n ⁺ layer 4 is formed in the hole 15. Then, as shown in FIG. 7, a photoresist 14 is applied on the Ni layer 13, and the photoresist 14 leaves electrode portions for the high carrier concentration n ⁺ layer 4 and the p layer 61 by photolithography. Then, a pattern was formed in a predetermined shape.
[0024]
Next, as shown in FIG. 7, the exposed portion of the lower Ni layer 13 was etched with a nitric acid-based etchant using the photoresist 14 as a mask. At this time, the Ni layer 13 deposited in the groove 9 for insulation separation is completely removed. Next, the photoresist 14 was removed with acetone, leaving the electrode 8 of the high carrier concentration n ⁺ layer 4 and the electrode 7 of the first contact layer 63. Thereafter, the wafer processed as described above was cut into each element to obtain a gallium nitride light emitting element having a ppn structure shown in FIG.
[0025]
The light-emitting device thus obtained had a drive current of 20 mA, a drive voltage of 4 V, an emission peak wavelength of 430 nm, and an emission intensity of 1 cd.
[0026]
Further, the concentration of cadmium (Cd) and silicon (Si) in the light emitting layer 5 is preferably in the range of 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²⁰ in terms of improving the light emission intensity. Further, the concentration of silicon (Si) is more preferably about 1/2 to 1/10 less than that of cadmium (Cd).
[0027]
In the above embodiment, the light emitting layer 5 is formed in a double heterojunction in which the band gap is smaller than the band gap of the p layer 6 and the high carrier concentration n ⁺ layer 4 existing on both sides. The component ratios of Al, Ga, and In in these three layers are selected to match the lattice constant of the high carrier concentration n ⁺ layer of GaN.
[0028]
Second embodiment The light emitting layer 5 of the first embodiment is doped with magnesium (Mg), cadmium (Cd) and silicon (Si), but the light emitting layer 5 of the second embodiment is As shown in FIG. 8, magnesium (Mg), zinc (Zn), and silicon (Si) are added. After the above high carrier concentration n ⁺ layer 3 is formed, the temperature of the sapphire substrate 1 is maintained at 800 ° C., N ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, and TMG is 1.12 × 10 ^{− 4} mol / min, TMA 0.47 × 10 ⁻⁴ mol / min, TMI 0.1 × 10 ⁻⁴ mol / min, and silane introduced, with a film thickness of about 0.5 μm and a concentration of 2 × 10 ¹⁹ / cm ³ A high carrier concentration n ⁺ layer 4 made of doped (Al _0.3 Ga _0.7 ) _0.94 In _0.06 N was formed.
[0029]
Subsequently, the temperature is maintained at 1150 ° C., N ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.53 × 10 ^-4 mol / min, TMA is 0.47 × 10 ^-4 mol / min, and TMI is Introduce 0.02 × 10 ^-4 mol / min, CP ₂ Mg 2 × 10 ^-4 mol / min, silane 10 × 10 ^-9 mol / min, DEZ 2 × 10 ^-4 mol / min for 7 min. A light emitting layer 5 made of (Al _0.09 Ga _0.91 ) _0.99 In _0.01 N doped with magnesium (Mg), silicon (Si) and zinc (Zn) having a thickness of about 0.5 μm was formed. The concentration of magnesium in the light emitting layer 5 is 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ , the concentration of zinc (Zn) is 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ , and the concentration of silicon (Si) is 1 × 10 ¹⁸ / cm ^3. It is.
[0030]
Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C., N ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ^-4 mol / min, TMA is 0.47 × 10 ^-4 mol / min, and TMI is 0.1 × 10 ^-4 mol / min and CP ₂ Mg are introduced at 2 × 10 ^-4 mol / min, and consists of magnesium (Mg) -doped (Al _0.3 Ga _0.7 ) _0.94 In _0.06 N with a film thickness of about 1.0 μm. A p-layer 61 was formed. The concentration of magnesium in the p layer 61 is 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the p layer 61 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more.
[0031]
Furthermore, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 2 × 10 ^−4. A second contact layer 62 made of GaN doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 0.2 μm was formed by introducing at a rate of mol / min. The concentration of magnesium in the second contact layer 62 is 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the second contact layer 62 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more. Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 4 × 10 ^{− A} first contact layer 63 made of GaN doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 500 mm was introduced at a rate of ⁴ mol / min. The concentration of magnesium in the first contact layer 63 is 2 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the first contact layer 63 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more.
[0032]
Next, using the backscattered electron beam diffractometer, the first contact layer 63, the second contact layer 62, the p layer 61 and the light emitting layer 5 were uniformly irradiated with an electron beam as in the first example. As a result, the first contact layer 63, the second contact layer 62, the p layer 61, and the light emitting layer 5 were made p-conductive. The light emitting diode 10 has a driving current of 20 mA, a driving voltage of 4 V, an emission peak wavelength of 430 nm, and an emission intensity of 1000 mcd.
[0033]
Third embodiment The light emitting diode of the third embodiment is different from the light emitting diode of the second embodiment, as shown in FIG. 9, the p-conduction type light emitting layer 5 has magnesium (Mg) and zinc ( Zn _y and silicon (Si) simultaneously doped Ga _y In _1-y N, p layer 61 doped with magnesium (Mg) Al _x1 Ga _1-x1 N, high carrier concentration n ⁺ layer 4 made of silicon ( Si) doped Al _x2 Ga _1-x2 N. The composition ratios x1, y, and x2 are set such that a double heterojunction is formed in which the band gap of the light emitting layer 5 is smaller than the band gap of the high carrier concentration n ⁺ layer 4 and the p layer 61. The first contact layer 62 and the second contact layer 63 are the same as those in the first and second embodiments.
[0034]
In FIG. 10, the light emitting diode 10 has a sapphire substrate 1, and a 500 Å AlN buffer layer 2 is formed on the sapphire substrate 1. On the buffer layer 2, a high carrier concentration n ⁺ layer 4 made of silicon-doped GaN having a film thickness of about 4.0 μm and an electron concentration of 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ , a film thickness of about 0.5 μm, magnesium, zinc, and so on. Light emitting layer 5 made of silicon-doped Ga _0.94 In _0.06 N, film thickness of about 0.5 μm, p layer 61 made of magnesium-doped Al _0.1 Ga _0.9 N with a hole concentration of 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , film thickness of about 0.2 μm, Second contact layer 62 made of magnesium-doped GaN having a hole concentration of 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ and a magnesium concentration of 1 × 10 ²⁰ / cm ³ , a film thickness of about 500 mm, a hole concentration of 2 × 10 ¹⁷ / cm ³ , and a magnesium concentration A first contact layer 63 made of magnesium doped GaN of 2 × 10 ²⁰ / cm ³ is formed. An electrode 7 made of nickel connected to the first contact layer 63 and an electrode 8 made of nickel connected to the high carrier concentration n ⁺ layer 4 are formed. The electrode 7 and the electrode 8 are electrically insulated and separated by the groove 9.
[0035]
Next, a method for manufacturing the light emitting diode 10 having this structure will be described. Similar to the first embodiment, the AlN buffer layer 2 is formed. Next, the temperature of the sapphire substrate 1 was maintained at 1150 ° C., and a high carrier concentration n ⁺ layer 4 made of silicon-doped GaN having a film thickness of about 4.0 μm and an electron concentration of 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ was formed.
[0036]
Hereinafter, the emission layer 5, the cladding layer, that is, the p layer 61, the second contact layer 62, and the first contact layer 63 when the emission peak wavelength is set to 450 nm with the emission center of zinc (Zn) and silicon (Si). Examples of composition ratios and crystal growth conditions will be described. After the high carrier concentration n ⁺ layer 4 is formed, the temperature of the sapphire substrate 1 is kept at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, and TMG is 1.53. × 10 ^-4 mol / min, TMI 0.02 × 10 ^-4 mol / min, CP ₂ Mg 2 × 10 ^-4 mol / min, DMZ 2 × 10 ^-7 mol / min, silane 10 × 10 ^-9 The light emitting layer 5 of Ga _0.94 In _0.06 N doped with magnesium (Mg), zinc (Zn), and silicon (Si) having a thickness of about 0.5 μm was formed. In this state, the light emitting layer 5 still has high resistance.
[0037]
Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and TMA is 0.47 × 10 ⁻⁴ mol / min. CP ₂ Mg was introduced at 2 × 10 ⁻⁷ mol / min for 7 minutes to form a p layer 61 made of Al _0.1 Ga _0.9 N doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 0.5 μm. The p layer 61 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more in this state. The concentration of magnesium (Mg) in the p layer 61 is 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ .
[0038]
Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 2 × 10 ^{− A} second contact layer 62 made of GaN doped with magnesium (Mg) and having a thickness of about 0.5 μm was formed by introducing ⁴ mol / min. The concentration of magnesium in the second contact layer 62 is 1 × 10 ²⁰ / cm ³ . In this state, the second contact layer 62 is still an insulator having a resistivity of 10 ⁸ Ωcm or more.
Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N ₂ or H ₂ is 20 liter / min, NH ₃ is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 ⁻⁴ mol / min, and CP ₂ Mg is 4 × 10 ^{− A} first contact layer 63 made of GaN doped with magnesium (Mg) having a thickness of about 500 mm was introduced at a rate of ⁴ mol / min. The concentration of magnesium is 2 × 10 ²⁰ / cm ³ .
[0039]
Next, the light emitting layer 5, the p layer 61, the second contact layer 62, and the first contact layer 63 were uniformly irradiated with an electron beam using a reflection electron beam diffractometer. The electron beam irradiation conditions are the same as in the first embodiment. By this electron beam irradiation, the p layer 61, the second contact layer 62, and the first contact layer 63 have a hole concentration of 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , 5 × 10 ¹⁷ / cm ³ , and 2 × 10 ¹⁷ / cm, respectively. ^3. It became p-conductivity type semiconductor with resistivity 0.8, 0.8, 2Ωcm.
[0040]
When the electrode area was 6 × 10 ⁻⁴ cm ² , the driving voltage of the light emitting element was 4 V at a current of 20 mA, and the contact resistance was 30 to 40Ω. When the electrode area was 1.6 × 10 ⁻³ cm ² , the driving voltage of this light emitting element was 3.5 V at a current of 20 mA, and the contact resistance was 10 to 15Ω.
[0041]
When forming the first contact layer 63 of GaN, the Mg concentration was changed from 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ to 2 × 10 ²¹ / cm ³ to form a light emitting device. FIG. 11 shows the drive voltage of the element when the current is 20 mA. The driving voltage changed from 11.2 V to 4.0 V, and the contact resistance between the electrode 7 and the first contact layer 63 changed from 250 Ω to 30 Ω. When the Mg concentration is 2 × 10 ²⁰ / cm ³ , the drive voltage shows a minimum value of 4.0 V and a contact resistance of 30Ω. When the Mg concentration is 2 × 10 ²¹ / cm ³ , the drive voltage is It increased to 5.0 V and contact resistance 70Ω. From this, it was found that the Mg concentration of the first contact layer 63 is preferably in the range of 1 × 10 ²⁰ to 1 × 10 ²¹ / cm ³ in order to set the drive voltage to 5 V or less.
[0042]
FIG. 12 shows the relationship between the Mg concentration when forming the second contact layer 62 or the p layer 61 and the hole concentration in that layer. When the Mg concentration is increased to 5 × 10 ¹⁹ / cm ³ , the hole concentration is increased to 7 × 10 ¹⁷ / cm ³ and saturated. Thereafter, when the Mg concentration is increased, the hole concentration is lowered, and the luminous efficiency of the device is lowered, which is not preferable. Therefore, it is desirable that the Mg concentration of the second contact layer 62 or the p layer 61 is lower than the Mg concentration of the first contact layer 63 in the range of 1 × 10 ¹⁹ to 5 × 10 ²⁰ / cm ³ . Since the hole concentration can be increased, the light emission efficiency of the device is not lowered.
[0043]
In the above examples, it has been found that the concentration of zinc (Zn) and silicon (Si) in the light emitting layer 5 is preferably in the range of 1 × 10 ¹⁷ to 1 × 10 ²⁰ in terms of improving the light emission intensity. The range of 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ¹⁹ is more preferable. If it is less than 1 × 10 ¹⁸ , the effect is small, and if it is more than 1 × 10 ¹⁹ , the crystallinity becomes poor. Further, the concentration of silicon (Si) is preferably 10 to 1/10, more preferably zinc (Zn).
It is more desirable that it is between 1 and 1/10 or less.
[0044]
In the above embodiment, as the contact layer, the first contact layer 63 added with magnesium (Mg) at a high concentration and the second contact layer added with magnesium (Mg) at a lower concentration than the first contact layer 63 are used. 62 and a two-layer structure. However, only one contact layer having a magnesium (Mg) concentration higher than the magnesium (Mg) concentration of the p layer 61 may be provided immediately below the electrodes 7 and 8. Further, although GaN is used as the contact layer, a mixed crystal having the same composition ratio as that of the p layer 61 may be used.
[0045]
As the acceptor impurity, beryllium (Be), magnesium (Mg), zinc (Zn), cadmium (Cd), or mercury (Hg) may be used. Further, carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and lead (Pb) can be used as the donor impurity.
[0046]
Furthermore, sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) can also be used as donor impurities. The p-type can be formed by electron beam irradiation, thermal annealing, heat treatment in N ₂ plasma gas, or laser irradiation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a light emitting diode according to a first specific example of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the same example.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the example.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the same example.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the example.
6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the example. FIG.
7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light-emitting diode of the example. FIG.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a second embodiment.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a third embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a third embodiment.
FIG. 11 is a measurement diagram showing the relationship between the magnesium concentration in the first contact layer and the drive voltage of the element.
FIG. 12 is a measurement diagram showing the relationship between magnesium concentration and hole concentration in the second contact layer or the p layer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light emitting diode 1 ... Sapphire substrate 2 ... Buffer layer 3 ... High carrier concentration n ^<+> layer 4 ... High carrier concentration n ^<+> layer 5 ... Light emitting layer
6 1 ... p layer 62 ... second contact layer 63 ... first contact layer 7,8 ... electrode 9 ... groove

Claims

３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN(0 ≦X ≦1 、0 ≦Y ≦1 、0 ≦X+Y ≦1)から成り、ｐ伝導型を示すｐ層、発光層、ｎ伝導型を示すｎ層とがヘテロ接合した発光素子において、
前記ｐ層を少なくとも、１×１０¹⁹ /cm ³ より大きく５×１０²⁰/cm³ 以下の濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第１層と、第１層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高く、駆動電圧が5V以下となるような濃度範囲でマグネシウム(Mg)が添加された第２層で構成し、前記第２層上に電極を形成したことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。Group III nitride semiconductor (Al _x Ga _Y In _1-XY N (0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1), p layer showing p conductivity type, light emitting layer, In a light emitting device in which an n layer having n conductivity type is heterojunctioned,
The p layer includes at least a first layer to which magnesium (Mg) is added in a concentration range of greater than 1 × 10 ¹⁹ / cm ^{3 and} less than or equal to 5 × 10 ²⁰ / cm ^3, and magnesium (Mg) concentration than the first layer. A group III nitride semiconductor comprising a second layer to which magnesium (Mg) is added in a concentration range such that the driving voltage is 5 V or less, and an electrode is formed on the second layer Light emitting element.

３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN(0 ≦X ≦1 、0 ≦Y ≦1 、0 ≦X+Y ≦1)から成り、マグネシウム(Mg)が添加されてｐ伝導型を示すｐ層、発光層、ｎ伝導型を示すｎ層とがヘテロ接合し、電極と前記ｐ層との間にｐ型コンタクト層を有する発光素子において、
前記ｐ型コンタクト層に、マグネシウム (Mg) 濃度が１×１０ ²⁰ /cm ³ より大きく２×１０ ²¹ /cm ³ 以下の範囲で、ｐ層よりもマグネシウム(Mg)濃度が高くホール濃度が最大値をとるマグネシウム(Mg)濃度よりも高濃度にマグネシウム(Mg)を添加したことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。Group III nitride semiconductor (Al _x Ga _Y In _1-XY N (0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1), added with magnesium (Mg) and p-conductivity type In a light emitting device having a p-type contact layer between the electrode and the p layer, the p layer showing, a light emitting layer, and an n layer showing n conductivity type are heterojunctioned.
The p-type contact layer, magnesium (Mg) concentration is 1 × 10 ²⁰ / greater than ^{^{cm 3 2 × 10 21 / cm}} 3 or less of the range, p layer of magnesium than (Mg) concentration of high Kuho Lumpur concentration A group 3 nitride semiconductor light-emitting device, characterized in that magnesium (Mg) is added at a higher concentration than the magnesium (Mg) concentration at which the maximum value is reached.

前記ホール濃度が最大値をとるマグネシウム(Mg)濃度は、５×１０¹⁹/cm³であ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。3. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein a magnesium (Mg) concentration at which the hole concentration takes a maximum value is 5 × 10 ¹⁹ / cm ³ .

前記駆動電圧が5V以下となり、最小値をとるマグネシウム(Mg)濃度は、２×１０²⁰/cm³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。The driving voltage becomes less 5V, magnesium taking the minimum value (Mg) concentration of group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, characterized in that the 2 × 10 ²⁰ / cm ^3.

前記ｐ型コンタクト層は、窒化ガリウム(GaN) であ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。 3. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the p-type contact layer is gallium nitride (GaN).