JPH08264833A - 発光ダイオード - Google Patents
発光ダイオードInfo
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- JPH08264833A JPH08264833A JP1958696A JP1958696A JPH08264833A JP H08264833 A JPH08264833 A JP H08264833A JP 1958696 A JP1958696 A JP 1958696A JP 1958696 A JP1958696 A JP 1958696A JP H08264833 A JPH08264833 A JP H08264833A
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L33/26—Materials of the light emitting region
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- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高効率発光窒化アルミニウム・ガリウム・イン
ジウム化合物半導体デバイス。 【解決手段】サファイア基板14上に窒化インジウム・
ガリウム化合物から構成され、第1の格子定数と第1の
インジウム含有量とを有するバッファ層12を形成し、
さらにその上に窒化ガリウム・インジウム・アルミニウ
ム化合物から構成され、第2の格子定数と第2のインジ
ウム含有量とを有する上部層を形成する。第1の格子定
数と第2の格子定数の差は0.5%以内であり、発光ダイ
オードに用いられる。
ジウム化合物半導体デバイス。 【解決手段】サファイア基板14上に窒化インジウム・
ガリウム化合物から構成され、第1の格子定数と第1の
インジウム含有量とを有するバッファ層12を形成し、
さらにその上に窒化ガリウム・インジウム・アルミニウ
ム化合物から構成され、第2の格子定数と第2のインジ
ウム含有量とを有する上部層を形成する。第1の格子定
数と第2の格子定数の差は0.5%以内であり、発光ダイ
オードに用いられる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ、及び、LED
のような発光デバイスの構造に用いられる窒化アルミニ
ウム・ガリウム・インジウム化合物半導体デバイスに関
するものである。
のような発光デバイスの構造に用いられる窒化アルミニ
ウム・ガリウム・インジウム化合物半導体デバイスに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム(GaN)化合物は、可視
光の緑及び青の範囲の波長で発光する。単結晶の窒化ガ
リウムを成長させるのは難しいので、市販のGaN基板
は、GaNベースのデバイスのエピタキシャル成長に利
用できない。現在のところ、大部分のGaNベースの発
光デバイス(LED)は、サファイア基板上においてエ
ピタキシャル成長させられる。サファイア基板とGaN
ベースの半導体の間における格子定数の差のため、サフ
ァイア基板上における高品質のGaNベースのエピタキ
シャル層の成長は困難である。さらに、高nタイプのバ
ックグラウンド濃度と低pタイプのドーピング活性度の
組み合わせのために、伝導率の高いpタイプを得るのは
ほとんど不可能である。基本ヘテロ接合デバイスの概念
は、長年にわたって十分に理解されているが、これらの
困難によって、効率のよいヘテロ接合レーザ及びAlG
aInN材料系を利用して緑と青の光を出すLEDの開
発が挫折した。
光の緑及び青の範囲の波長で発光する。単結晶の窒化ガ
リウムを成長させるのは難しいので、市販のGaN基板
は、GaNベースのデバイスのエピタキシャル成長に利
用できない。現在のところ、大部分のGaNベースの発
光デバイス(LED)は、サファイア基板上においてエ
ピタキシャル成長させられる。サファイア基板とGaN
ベースの半導体の間における格子定数の差のため、サフ
ァイア基板上における高品質のGaNベースのエピタキ
シャル層の成長は困難である。さらに、高nタイプのバ
ックグラウンド濃度と低pタイプのドーピング活性度の
組み合わせのために、伝導率の高いpタイプを得るのは
ほとんど不可能である。基本ヘテロ接合デバイスの概念
は、長年にわたって十分に理解されているが、これらの
困難によって、効率のよいヘテロ接合レーザ及びAlG
aInN材料系を利用して緑と青の光を出すLEDの開
発が挫折した。
【0003】1980年代に、研究者が低温でGaNま
たはAlNバッファ層を成長させることの重要さを発見
した時、効率の高いGaNベースのLEDが可能になっ
た。低温でサファイア基板上にバッファ層を成長させる
ことによって、引き続き成長させられるGaN層の形態
が改良され、GaN材料のnタイプのバックグラウンド
濃度が低下する。これと、pタイプ・ドーパントを活性
化するための成長後熱的アニーリングまたは低エネルギ
電子ビーム照射を結び付けることによって、導電性pタ
イプGaNの成長が容易になった。これらの技術的進歩
によって、オプトエレクトロニクス及び他の用途のため
のAlGaInN材料系のデバイス開発の進捗が大幅に
加速された。
たはAlNバッファ層を成長させることの重要さを発見
した時、効率の高いGaNベースのLEDが可能になっ
た。低温でサファイア基板上にバッファ層を成長させる
ことによって、引き続き成長させられるGaN層の形態
が改良され、GaN材料のnタイプのバックグラウンド
濃度が低下する。これと、pタイプ・ドーパントを活性
化するための成長後熱的アニーリングまたは低エネルギ
電子ビーム照射を結び付けることによって、導電性pタ
イプGaNの成長が容易になった。これらの技術的進歩
によって、オプトエレクトロニクス及び他の用途のため
のAlGaInN材料系のデバイス開発の進捗が大幅に
加速された。
【0004】図1には、GaN材料の質を向上させて、
効率のよい青発光LEDを得るため、AlN層を備えた
先行技術による半導体(米国特許第5,122,845
号においてマナベ他によって教示)が示されている。図
2には、同じ目的で、ただし、効率のよい緑のLEDを
目指してAlxGa1-xN(0<x<1)を備えた先行技
術によるもう1つの半導体(米国特許第5,290,3
93号においてナカムラによって教示)が示されてい
る。しかしながら、いずれの方法とも同様の問題を生ず
る。
効率のよい青発光LEDを得るため、AlN層を備えた
先行技術による半導体(米国特許第5,122,845
号においてマナベ他によって教示)が示されている。図
2には、同じ目的で、ただし、効率のよい緑のLEDを
目指してAlxGa1-xN(0<x<1)を備えた先行技
術によるもう1つの半導体(米国特許第5,290,3
93号においてナカムラによって教示)が示されてい
る。しかしながら、いずれの方法とも同様の問題を生ず
る。
【0005】主たる問題の1つは、これらのLEDの色
純度である。先行技術に関する両事例とも、LEDによ
って、スペクトルの広い紫外波長と可視波長から構成さ
れる、人間の目には白っぽい色が発生する。さらに、強
いUV光に目を長時間さらすと、目に損傷を生じる可能
性がある。従って、これらのLEDは、色が不純であ
り、また、安全でもないので、多くの用途にとって不適
当である。
純度である。先行技術に関する両事例とも、LEDによ
って、スペクトルの広い紫外波長と可視波長から構成さ
れる、人間の目には白っぽい色が発生する。さらに、強
いUV光に目を長時間さらすと、目に損傷を生じる可能
性がある。従って、これらのLEDは、色が不純であ
り、また、安全でもないので、多くの用途にとって不適
当である。
【0006】先行技術に関する第2の問題点は、バッフ
ァ層のために選択された材料によって、インジウムの含
有量が25%未満に、Ga1-x InxN活性層の厚さが2
00nm未満に制限されるということである。これは、ヘ
テロ接合インターフェイスにおける不整合転位の発生を
回避して、デバイスの効率を維持できるようにするため
である。不整合転位は、レーザ及びLEDのような光子
デバイスの性能に有害である。結果として、このデバイ
スは、活性層の禁止帯の幅の同調可能なエネルギ範囲が
インジウムの含有量に比例するので、バンド間再結合プ
ロセスを制限する薄い歪んだGa1-x InxN活性層に限
定される。該LEDのドナー・アクセプタ対の再結合プ
ロセスの結果生じる発光は、可視スペクトルの色範囲で
はない。青と緑の光を発生するために用いられる場合、
ドナー・アクセプタ対の再結合のスペクトル幅は、バン
ド間再結合と比較すると極めて広く、非効率的である。
ァ層のために選択された材料によって、インジウムの含
有量が25%未満に、Ga1-x InxN活性層の厚さが2
00nm未満に制限されるということである。これは、ヘ
テロ接合インターフェイスにおける不整合転位の発生を
回避して、デバイスの効率を維持できるようにするため
である。不整合転位は、レーザ及びLEDのような光子
デバイスの性能に有害である。結果として、このデバイ
スは、活性層の禁止帯の幅の同調可能なエネルギ範囲が
インジウムの含有量に比例するので、バンド間再結合プ
ロセスを制限する薄い歪んだGa1-x InxN活性層に限
定される。該LEDのドナー・アクセプタ対の再結合プ
ロセスの結果生じる発光は、可視スペクトルの色範囲で
はない。青と緑の光を発生するために用いられる場合、
ドナー・アクセプタ対の再結合のスペクトル幅は、バン
ド間再結合と比較すると極めて広く、非効率的である。
【0007】AlyGa1-x-yInxN二重ヘテロ構造層
の厚さまたはインジウム含有量を制限することなく、可
視範囲の光を放出する安全で効率のよいLEDが所望さ
れる。実用的な市販の発光デバイスに適用できるように
するために、活性層の二重ヘテロ構造をより効率よく利
用することが可能であれば、やはり望ましい。
の厚さまたはインジウム含有量を制限することなく、可
視範囲の光を放出する安全で効率のよいLEDが所望さ
れる。実用的な市販の発光デバイスに適用できるように
するために、活性層の二重ヘテロ構造をより効率よく利
用することが可能であれば、やはり望ましい。
【0008】
【発明の概要】サファイア基板上にAlyGa1-x-yIn
xNベースの化合物半導体層を成長させることによっ
て、青の光が効率の高い放出光である発光ダイオード
(LED)を得ることが可能である。 AlyGa1-x-y
InxNの二重ヘテロ(DH)構造から構成される活性層
が、低温で成長させたGa1-x InxNバッファ層に重ね
て形成される。DH構造及びバッファ層のインジウム含
有量は同様であるため、DH構造の格子定数もバッファ
層と同様である。バッファ層の転位がDH構造の活性層
に伝搬するのを防ぐため、バッファ層とDH構造の間に
は、 AlyGa1-x-yInxN合金の歪み層または非歪み
層あるいはAlyGa1-x-yInxN合金の線形傾斜層の
いずれかを含む超格子構造とすることが可能な、転位低
減層を選択して挿入することが可能である。
xNベースの化合物半導体層を成長させることによっ
て、青の光が効率の高い放出光である発光ダイオード
(LED)を得ることが可能である。 AlyGa1-x-y
InxNの二重ヘテロ(DH)構造から構成される活性層
が、低温で成長させたGa1-x InxNバッファ層に重ね
て形成される。DH構造及びバッファ層のインジウム含
有量は同様であるため、DH構造の格子定数もバッファ
層と同様である。バッファ層の転位がDH構造の活性層
に伝搬するのを防ぐため、バッファ層とDH構造の間に
は、 AlyGa1-x-yInxN合金の歪み層または非歪み
層あるいはAlyGa1-x-yInxN合金の線形傾斜層の
いずれかを含む超格子構造とすることが可能な、転位低
減層を選択して挿入することが可能である。
【0009】結果として、合金にインジウムを添加する
と、ドナー・アクセプタ対の再結合プロセス及びこの歪
み活性層が利用されなくなるので、可視光用途のための
AlyGa1-x-yInxNのDH構造のLEDの効率をさ
らに向上させることが可能になる。青及び緑のAlyG
a1-x-yInxNをベースにしたLEDの色純度も向上す
る。
と、ドナー・アクセプタ対の再結合プロセス及びこの歪
み活性層が利用されなくなるので、可視光用途のための
AlyGa1-x-yInxNのDH構造のLEDの効率をさ
らに向上させることが可能になる。青及び緑のAlyG
a1-x-yInxNをベースにしたLEDの色純度も向上す
る。
【0010】
【実施例】図3は、半導体構造10の実施例に関する断
面図である。窒化ガリウム・インジウム化合物半導体の
バッファ層から構成されるバッファ層12が、サファイ
ア基板14上に形成されている。窒化ガリウム・アルミ
ニウム・インジウム化合物半導体の活性層16Aを含む
DH構造層16が、バッファ層12に重ねて形成されて
いる。
面図である。窒化ガリウム・インジウム化合物半導体の
バッファ層から構成されるバッファ層12が、サファイ
ア基板14上に形成されている。窒化ガリウム・アルミ
ニウム・インジウム化合物半導体の活性層16Aを含む
DH構造層16が、バッファ層12に重ねて形成されて
いる。
【0011】Ga1-x InxN(0<x<=1)から構成
されるバッファ層12が、400℃〜950℃の範囲の
成長温度で、サファイア基板14上に直接形成される
が、バッファ層12の厚さは5〜50nmの間で変更可能
である。成長温度は、バッファ層12のインジウム含有
量と直接比例して変化し、インジウム含有量が多くなる
ほど、成長温度は低くなる。 AlyGa1-x-yInxN
(0<x1;0y<1)から構成されるDH構造層16
が、700℃〜1050℃の範囲の成長温度で、バッフ
ァ層12に重ねて形成される。
されるバッファ層12が、400℃〜950℃の範囲の
成長温度で、サファイア基板14上に直接形成される
が、バッファ層12の厚さは5〜50nmの間で変更可能
である。成長温度は、バッファ層12のインジウム含有
量と直接比例して変化し、インジウム含有量が多くなる
ほど、成長温度は低くなる。 AlyGa1-x-yInxN
(0<x1;0y<1)から構成されるDH構造層16
が、700℃〜1050℃の範囲の成長温度で、バッフ
ァ層12に重ねて形成される。
【0012】インジウムをバッファ層12に導入するこ
とによって、DH構造層16のインジウム含有量を増す
ことが可能になる。バッファ層12のインジウム含有量
と活性層16Aのインジウム含有量の差は、20%以内
が望ましい。結果として、DH構造層16の格子定数
は、バッファ層12の格子定数とよりよく整合すること
になる。活性層16Aのインジウム含有量がバッファ層
12のインジウム含有量と等しくなると、格子定数はさ
らによく整合する。バッファ層12の格子定数とDH構
造層16の格子定数の差を、できれば±0.5%の公差
内内に減少させると、DH構造層16の結晶の質が向上
する。活性層16Aからの発光は主としてバンド間遷移
になるため、インジウムによって、デバイスのスペクト
ル幅がいっそう狭くなる。この結果、多くのLED用途
に純粋でより望ましい発光が得られることになる。
とによって、DH構造層16のインジウム含有量を増す
ことが可能になる。バッファ層12のインジウム含有量
と活性層16Aのインジウム含有量の差は、20%以内
が望ましい。結果として、DH構造層16の格子定数
は、バッファ層12の格子定数とよりよく整合すること
になる。活性層16Aのインジウム含有量がバッファ層
12のインジウム含有量と等しくなると、格子定数はさ
らによく整合する。バッファ層12の格子定数とDH構
造層16の格子定数の差を、できれば±0.5%の公差
内内に減少させると、DH構造層16の結晶の質が向上
する。活性層16Aからの発光は主としてバンド間遷移
になるため、インジウムによって、デバイスのスペクト
ル幅がいっそう狭くなる。この結果、多くのLED用途
に純粋でより望ましい発光が得られることになる。
【0013】図4は、半導体構造10のもう1つの実施
例に関する断面図である。窒化ガリウム・アルミニウム
・インジウム化合物及び窒化ガリウム・インジウム化合
物を含む転位低減層18が、バッファ層12とDH構造
層16の間に配置されている。転位低減層18によっ
て、バッファ層12の格子定数とDH構造16の格子定
数の差が吸収される。
例に関する断面図である。窒化ガリウム・アルミニウム
・インジウム化合物及び窒化ガリウム・インジウム化合
物を含む転位低減層18が、バッファ層12とDH構造
層16の間に配置されている。転位低減層18によっ
て、バッファ層12の格子定数とDH構造16の格子定
数の差が吸収される。
【0014】転位減少層18が、バッファ層12と同様
に、400℃〜950℃の範囲の成長温度で形成され
る。転位減少層18は、構造的には、窒化アルミニウム
・ガリウム・インジウム化合物から構成される歪み超格
子構造または線形傾斜構造とすることが可能である。
に、400℃〜950℃の範囲の成長温度で形成され
る。転位減少層18は、構造的には、窒化アルミニウム
・ガリウム・インジウム化合物から構成される歪み超格
子構造または線形傾斜構造とすることが可能である。
【図1】先行技術による半導体構造を示す図である。
【図2】先行技術によるもう1つの半導体構造を示す図
である。
である。
【図3】本発明による半導体構造の実施例に関する断面
図である。
図である。
【図4】本発明による半導体構造のもう1つの実施例に
関する断面図である。
関する断面図である。
10 半導体構造 12 バッファ層 14 サファイア基板 16 DH構造 16A 活性層 18 転位低減層
Claims (7)
- 【請求項1】サファイア基板と、 窒化インジウム・ガリウム化合物から構成され、第1の
格子定数と第1のインジウム含有量とを有する、前記サ
ファイア基板上に形成されたバッファ層と、 窒化ガリウム・インジウム・アルミニウム化合物から構
成され、第2の格子定数と第2のインジウム含有量とを
有する、前記バッファ層上の上部層とを有し、 第1の格子定数と第2の格子定数の差が0.5%以内であ
ることを特徴とする、 発光ダイオード。 - 【請求項2】前記バッファ層の厚さが5nm〜500nmで
あることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項3】前記バッファ層が400℃〜950℃の温
度で成長させられることを特徴とする請求項1に記載の
発光ダイオード。 - 【請求項4】さらに、第1の格子定数と第2の格子定数
の差を吸収するため前記バッファ層と前記上部層との間
に転位低減層を設けたことを特徴とする請求項1に記載
の発光ダイオード。 - 【請求項5】前記転位低減層が歪み超格子構造であるこ
とを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオード - 【請求項6】前記転位低減層が窒化アルミニウム・ガリ
ウム・インジウムから構成される線形傾斜構造であるこ
とを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオード。 - 【請求項7】前記第1と第2のインジウム含有量の差が
20%以内であることを特徴とする請求項1に記載の発
光ダイオード。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US40154395A | 1995-03-10 | 1995-03-10 | |
US401,543 | 1995-03-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08264833A true JPH08264833A (ja) | 1996-10-11 |
Family
ID=23588185
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1958696A Pending JPH08264833A (ja) | 1995-03-10 | 1996-02-06 | 発光ダイオード |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0731512A3 (ja) |
JP (1) | JPH08264833A (ja) |
KR (1) | KR960036159A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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