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JP3100644B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子及びその製造方法

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JP3100644B2
JP3100644B2 JP2835491A JP2835491A JP3100644B2 JP 3100644 B2 JP3100644 B2 JP 3100644B2 JP 2835491 A JP2835491 A JP 2835491A JP 2835491 A JP2835491 A JP 2835491A JP 3100644 B2 JP3100644 B2 JP 3100644B2
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JP
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gaaln
lattice
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light emitting
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敏英 泉谷
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    • H01L2224/48221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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Description

【発明の詳細な説明】[発明の目的]
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、短波長の半導体発光素
子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒素を含むIII −V族化合物半導体であ
るGaN、AlNは、バンドギャップがそれぞれ3.4eV
、6eVで、また直接遷移型であり、短波長発光素子用
材料として期待されている。
【0003】従来、Gax Al1-x N(0≦x≦1)
(以下GaAlNと記す)層を形成する際、これらと格
子整合する良質な基板が無いため、便宜上、格子定数が
15%程度大きいサファイア基板上に結晶成長することが
多いが、転位、歪により格子欠陥が多く生じ、良質な結
晶が得られなかった。さらに、得られた結晶にp型ド−
プを行う際、p型ド−パントが欠陥の周りに集中し、有
効に働かない等の理由によりp型結晶が得られなかっ
た。そこで、サファイア基板上に結晶成長する際には、
一旦アモルファス状のAlNによりAlNバッファ層を
形成してからGaAlN層を成長させたり、予め基板表
面をNH3 により窒化してからGaAlN層の成長を行
うといった方法が採られた。これによりアンド−プ時の
キャリア濃度が1019cm-3以上であったのを1017cm-3程度
まで低下させることができたが、実用的な素子の実現の
ためには未だ不十分な値であり、ド−ピングにより良好
なp型結晶を得ることはできなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように、GaAl
N層の成長には、格子整合をする基板がないために格子
欠陥が生じ、伝導型の制御が十分に行われないといった
問題があった。
【0005】本発明は、上記事情を考慮したもので、格
子欠陥が少なく、伝導型の制御を十分に行うことができ
る半導体発光素子と、その製造方法を提供することを目
的とする。[発明の構成]
【0006】
【課題を解決するための手段】GaAlN層と基板を完
全に格子整合させるためには、格子定数を合わせるだけ
ではなく格子型が等しいことが重要である。GaAlN
と同じ六方晶で格子定数が最も近い基板としてはSiC
が考えられる。特に2H−SiCはGaAlNと同じウ
ルツ鉱型である。SiCは発光波長に対して透明であ
り、短波長発光素子用の基板として最適であるが、Ga
AlNより3%程度格子が短い。一方、同じIII −V族
結合であるBNの格子定数はGaAlNに比べ、20%程
度も小さい。そこで、Bを少量、GaAlN中に添加す
ることができれば、SiCと格子整合させることが可能
となる。通常格子定数に大きな違いのある物質同士を混
合させることは非常に困難で、単にGaAlN中にBを
添加した場合には、Bが析出したり、多結晶化したりし
てGaAlN結晶中にBを取り込ませることはできなか
った。しかし、SiCのような、格子定数が比較的近い
基板上においてGaAlNを成長させながらBを添加し
ていくと、SiC基板付近で急激にBの取り込まれが増
大し、格子整合させることができる。このような方法に
よれば、SiC基板上にBを添加して格子整合したGa
AlN層を成長することが可能となる。
【0007】
【作用】SiC基板上に、Bを添加したGaAlNを成
長することにより、格子不整合により発生する転位や、
歪みが飛躍的に減少し低欠陥のGaAlN結晶の成長が
可能となる。低欠陥結晶の成長が可能になると欠陥まわ
りに集中し有効に働かなかったド−パントの活性化率を
高め、ド−ピングをすることにより低抵抗のp型結晶を
得ることが可能となる。図5に格子不整合とp型ド−ピ
ング後のキャリア濃度の関係について1例を示す。成長
温度において±0.5%の以内の格子不整合であれば、構成
材料等により異なるが、キャリア濃度は1016から1018
度が得られる。格子不整合が大きくなるとキャリア濃度
は急激に減少する。これらより、格子不整合を緩和する
ことが低抵抗のp型結晶を得るために重要であることが
わかる。
【0008】また、青色域だけではなく紫外域において
も発光波長に対して透明であるSiC基板を用いること
により光取り出しが効率よく行われ、高効率の青色光お
よび紫外光発光素子の実現が可能となる。本発明によ
り、高品質で伝導型の制御も行なえるGaAlN層の作
成が可能となり、高輝度短波長発光素子が実現できる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の第1の実施例であるLEDの概
略構成図である。n−6H−SiC基板11上にn−Ga
0.850.15N層12(Siド−プ、1×1017cm-3)が3μ
m形成され、その上にp−Ga0.850.15層13(Mgド
−プ、1×1017cm-3)が2μm形成されている。図中1
4、15は金属電極である。以下に、このLEDにおける
結晶成長方法について説明する。
【0010】図2は、本発明の実施例に用いた成長装置
を示す概略構成図である。図中21は石英製の反応管(反
応炉)であり、この反応管21内にはガス導入口22から原
料混合ガスが導入される。そして、反応管21内のガスは
ガス排気口23から排気されるものとなっている。反応管
21内には、カ−ボン製のサセプタ24が配置されており、
試料基板25はこのサセプタ24上に載置される。またサセ
プタ24は高周波コイル26により誘導加熱されるものとな
っている。
【0011】まず、SiC基板25を前記サセプタ24上に
載置する。ガス導入管22から高純度水素を毎分2.5 l導
入し、反応管21内の大気を置換する。次いで、ガス排気
口23をロ−タリ−ポンプに接続し、反応管21内を減圧
し、内部の圧力を20〜300torrの範囲に設定する。その
後ガス導入口22からH2 ガスを導入し、高周波コイル26
によりサセプタ及び基板25を加熱し基板温度1150〜1850
℃で30分間保持して基板の清浄化を行う。
【0012】次いで、基板温度を1150〜1350℃に低下さ
せた後、H2 ガスをN供給ガス(例えばNH3 ガス)に
切り替えると共に、Ga供給ガス(例えばGa(C
3 3、Ga(C2 5 3 )、Al供給ガス(例え
ばAl(CH3 3 、Al(C25 3 を導入して成
長を行う。同時にB供給ガス(例えばB2 6 、B(C
3 3 、B(C2 53 )を導入してBの添加を行
う。
【0013】具体的には、図1のLED製造には、原料
としてNH3 を1×10-3mol /min、Ga(C2 5
3 を1×10-5mol /min 、B2 6 を1×10-7mol /mi
n 導入して成長を行った。基板温度は1150℃、圧力220t
orr 、原料ガスの総流量は1l/min とする。ここでア
ンド−プではキャリア濃度1016cm-3の良好なGa0.85
0.15N結晶が得られる。これに、シラン(SiH4 )を
原料ガスに混入することによりSiをド−プし、キャリ
ア濃度1×1017/cm-3のn型Ga0.850.15N結晶を、
シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)を原
料ガスに導入することによりMgをド−プし、キャリア
濃度1×1017/cm-3p型Ga0.850.15N結晶が得られ
た。図3はこの実施例によるLEDチップ31をレンズを
兼ねた樹脂ケ−ス32に埋めこんだ状態を示す。33は内部
リ−ド、34は外部リ−ドである。この実施例によるLE
Dは、基板面を光取りだし面として樹脂ケ−スに埋め込
んで約50mcd の青色発光が確認された。
【0014】図4は、本発明の第2の実施例であるLE
Dの概略構成図である。n−6H−SiC基板41上にn
−Ga0.8 Al0.1 0.1 N層42(Siド−プ、1×10
17cm-3)が3μm形成され、その上にp−Ga0.8 Al
0.1 0.1 N層43(Mgド−プ、1×1017cm-3)が2μ
m形成されている。図中44、45は金属電極である。第1
の実施例と異なるのは、Alを添加しているという点で
あり,このことにより、GaBNより広いバンドギャッ
プが得られる。すなわち、Alを添加することによって
発光波長を青色から紫外の領域とすることができる。
【0015】第2の実施例のLEDも第1の実施例と同
様にして作成される。原料としてNH3 を1×10-3mol
/min 、Ga(C2 5 3 を8×10-6mol /min 、A
l(CH3 3 を1×10-6mol /min 、B2 6 を1×
10-7mol /min 導入して成長を行った。基板温度は1150
℃、圧力220torr 、原料ガスの総流量は1l/minとす
る。ここでアンド−プではキャリア濃度1016cm-3の良好
なGa0.8 Al0.1 0.1 N結晶が得られる。これに、
シラン(SiH4 )を原料ガスに混入することによりS
iをド−プし、キャリア濃度1×1017/cm-3のn型Ga
0.8 Al0.10.1 N結晶を、シクロペンタジエニルマ
グネシウム(Cp2 Mg)を原料ガスに導入することに
よりMgをド−プし、キャリア濃度1×1017/cm-3p型
Ga0.8 Al0.1 0.1 N結晶が得られた。第1の実施
例と同様に樹脂ケ−スに埋め込んで、約50mcd の第1の
実施例より短波長の青色発光が得られた。
【0016】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、実施例において、n型基板を
用いた例について示したが、p型基板を用いても同様に
実施できる。また、BをGaAlN中に平均的に添加し
ているが、例えばGaAlN,BNの薄膜を交互に堆積
するなど層状に添加しても良い。さらに、Ga,Alの
供給源として、Ga若しくはAlとCとの結合が2つ以
下であるものを用いたり、Nの供給源として、NがH以
外の元素と結合を持っているものを用いることも有効で
ある。またBの添加量としては、基板と略格子を整合す
る範囲であればよく、特にSiC基板上においては、G
x Al1-x-y y N(0<y≦0.2 )で添加するのが
よい。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種
々変形して実施することができる。
【0017】
【発明の効果】基板上に、Bを添加したGaAlNを成
長することにより、格子不整合により発生する転位や歪
みが飛躍的に減少し,低欠陥のGax Al1-x-y y
(0<x<1、0<y<1)層の成長が可能となり、高
輝度で短波長の半導体発光素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例において作成したLE
Dの概略構成図。
【図2】 本発明の実施例において用いた成長装置の概
略構成図。
【図3】 本発明の実施例のLEDを樹脂ケ−スに埋め
込んだ図。
【図4】 本発明の第2の実施例において作成したLE
Dの概略構成図。
【図5】 本発明の作用を説明するための図。
【符号の説明】
11…n−SiC基板 12…n−GaBN 13…p−GaBN 14,15…電極 21…反応管 22…ガス導入口 23…ガス排気口 24…サセプタ 25…基板 26…高周波コイル 27…熱電対 31…LEDチップ 32…レンズを兼ねた樹脂ケ−ス 33…内部リ−ド 34…外部リ−ド 41…n−SiC基板 42…n−GaAlBN 43…p−GaAlBN 44,45…電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−275682(JP,A) 特開 平2−288371(JP,A) 特開 昭59−228776(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01L 21/205 H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiC基板と、 このSiC基板上に形成されたGax Al1-x-yy
    (0<x<1、0<y≦0.2)層とを具備することを
    特徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 SiC基板上に、GaAlNを成長さ
    せながらBを添加することにより、 Gax Al1-x-y
    y N(0<x<1、0<y≦0.2)層を形成するこ
    とを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
JP2835491A 1991-02-22 1991-02-22 半導体発光素子及びその製造方法 Expired - Lifetime JP3100644B2 (ja)

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