JP4884699B2 - Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same - Google Patents
Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP4884699B2 JP4884699B2 JP2005138368A JP2005138368A JP4884699B2 JP 4884699 B2 JP4884699 B2 JP 4884699B2 JP 2005138368 A JP2005138368 A JP 2005138368A JP 2005138368 A JP2005138368 A JP 2005138368A JP 4884699 B2 JP4884699 B2 JP 4884699B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- crystal
- compound semiconductor
- iii
- heterojunction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 78
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims description 62
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 156
- FFBGYFUYJVKRNV-UHFFFAOYSA-N boranylidynephosphane Chemical compound P#B FFBGYFUYJVKRNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 112
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 6
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 43
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 35
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 8
- WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenezinc Chemical compound [Zn]=S WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 6
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Chemical compound P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 3
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002003 electron diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- LALRXNPLTWZJIJ-UHFFFAOYSA-N triethylborane Chemical compound CCB(CC)CC LALRXNPLTWZJIJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 2
- IHGSAQHSAGRWNI-UHFFFAOYSA-N 1-(4-bromophenyl)-2,2,2-trifluoroethanone Chemical compound FC(F)(F)C(=O)C1=CC=C(Br)C=C1 IHGSAQHSAGRWNI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N arsane Chemical compound [AsH3] RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Description
本発明は、III−V族化合物半導体結晶とリン化硼素結晶とのヘテロ接合構造を含む化合物半導体積層構造及びその積層構造を利用してなる発光素子に関するものである。
The present invention relates to a light emitting element formed by using a laminated structure of a compound semiconductor multilayer structure及patron comprising a heterojunction structure of the III-V compound semiconductor crystal and boron phosphide crystal.
従来から、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型III−V族化合物半導体層とリン化硼素(BP)とからなる異種(ヘテロ)接合構造は、化合物半導体素子を構成するのに広く利用されている。例えば、導電性のリン化ガリウム(GaP)単結晶を基板とし、その基板の表面にヘテロ接合させたマグネシウム(Mg)等の不純物を故意に添加したリン化硼素層からなるヘテロ接合体は、青色帯域半導体レーザを構成するに利用されている。 Conventionally, a heterogeneous (hetero) junction structure comprising a cubic zinc blende crystal type III-V group compound semiconductor layer and boron phosphide (BP) has been widely used to form compound semiconductor devices. For example, a heterojunction made of a boron phosphide layer having a conductive gallium phosphide (GaP) single crystal as a substrate and intentionally added with an impurity such as magnesium (Mg) heterojunction to the surface of the substrate is blue. It is used to construct a band semiconductor laser.
しかしながら、リン化ガリウムとリン化硼素とでは、同一の立方晶の閃亜鉛鉱結晶型ではあるが、格子定数は大きく異なる。BPの格子定数は4.5383Åであるのに対し、GaP及び砒化ガリウム(GaAs)の格子定数は各々、5.4495Å、5.6543Åと大きい。即ち、BPとGaPやGaAs等のIII−V族化合物半導体結晶とでは、格子のミスマッチ(mismatch)が大きい。このため、例えば、GaP結晶やGaAs結晶の表面上ではBP結晶にミスフィット(misfit)転位等が多く発生して、結晶欠陥の少ない良質のBP結晶を安定して得ることができない。
従って、従来技術では、III−V族化合物半導体層とBP結晶層との結晶性に優れたヘテロ接合を充分に安定して形成するに至らず、このような結晶欠陥密度の大きなヘテロ接合構造を含む積層構造を利用しても、性能の良い半導体素子は得られない。例えば、逆方向の耐電圧性に優れる化合物半導体発光素子を安定して得られない問題があった。
However, although gallium phosphide and boron phosphide are the same cubic zinc blende crystal type, the lattice constants are greatly different. The lattice constant of BP is 4.5383Å, whereas the lattice constants of GaP and gallium arsenide (GaAs) are as large as 5.4495Å and 5.6543Å, respectively. That is, lattice mismatch is large between BP and III-V group compound semiconductor crystals such as GaP and GaAs. For this reason, for example, many misfit dislocations or the like occur in the BP crystal on the surface of the GaP crystal or GaAs crystal, and a high-quality BP crystal with few crystal defects cannot be stably obtained.
Therefore, in the prior art, a heterojunction excellent in crystallinity between the III-V compound semiconductor layer and the BP crystal layer cannot be formed sufficiently stably, and such a heterojunction structure having a large crystal defect density is formed. A semiconductor element with good performance cannot be obtained even if a laminated structure including the same is used. For example, there has been a problem that a compound semiconductor light emitting device excellent in reverse voltage resistance cannot be obtained stably.
格子のミスマッチを解消する手段としては、組成勾配層を利用する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この方法はGaAs基板上にGaAs結晶からGaAsP結晶まで組成変化させた組成勾配層を形成し、この組成勾配層表面にInGaAlPからなる下クラッド層、InGaPからなる活性層及びInGaAlPからなる上クラッド層を順次エピタキシャル成長させて、ダブルヘテロ接合構造の発光素子を得るものである。この方法によればGaAs基板とダブルヘテロ接合部との格子整合が達成されるので、発光効率が高く電気伝導率も高くすることができるとされている。
また、非晶質の低温バッファ層を利用する方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
この方法は例えばGaAs基板上に460℃以下の低温でBPからなる低温バッファ層を形成し、この低温バッファ層の表面にpn接合を含む発光構造を形成するものである。
この方法によれば低温バッファ層が非晶質となるため、結晶の格子ミスマッチが避けられるので発光効率の高い発光素子が得られるとされている。
In this method, a composition gradient layer having a composition changed from a GaAs crystal to a GaAsP crystal is formed on a GaAs substrate, and a lower cladding layer made of InGaAlP, an active layer made of InGaP, and an upper cladding layer made of InGaAlP are formed on the surface of the composition gradient layer. A light emitting element having a double heterojunction structure is obtained by epitaxial growth sequentially. According to this method, lattice matching between the GaAs substrate and the double heterojunction is achieved, so that the light emission efficiency is high and the electrical conductivity can be increased.
A method using an amorphous low-temperature buffer layer has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
In this method, for example, a low-temperature buffer layer made of BP is formed on a GaAs substrate at a low temperature of 460 ° C. or lower, and a light emitting structure including a pn junction is formed on the surface of the low-temperature buffer layer.
According to this method, since the low-temperature buffer layer becomes amorphous, a lattice mismatch of crystals can be avoided, so that a light-emitting element with high luminous efficiency can be obtained.
本発明は、禁制帯幅の大きなBP結晶を発光素子の電流拡散層または窓層として利用することを前提に、GaPやGaAs等のIII−V族化合物半導体結晶層上にBP結晶層をヘテロ接合させて設けるに際し、両者間の格子ミスマッチを緩和して、結晶性に優れたBP結晶層を得ることを目的とする。
すなわち、III−V族化合物半導体結晶とBP結晶とのヘテロ接合界面の近傍領域に於ける結晶組織の構成を開示するものである。
さらに、III−V族化合物半導体結晶層とBP結晶層とのヘテロ接合を含む、電気的及び光学的特性に優れた化合物半導体素子を提供することを目的とする。
The present invention provides a heterojunction of a BP crystal layer on a III-V compound semiconductor crystal layer such as GaP or GaAs on the premise that a BP crystal having a large forbidden band width is used as a current diffusion layer or window layer of a light emitting device. It is an object of the present invention to provide a BP crystal layer having excellent crystallinity by relaxing the lattice mismatch between the two.
That is, the structure of the crystal structure in the region near the heterojunction interface between the III-V compound semiconductor crystal and the BP crystal is disclosed .
Et al. And contains a heterojunction between the III-V compound semiconductor crystal layer and the BP crystal layer, and to provide an excellent compound semiconductor device in electrical and optical properties.
本発明III−V族化合物半導体積層構造は、GaAs結晶面と単量体のリン化硼素結晶面とからなるヘテロ接合を含む化合物半導体積層構造であって、前記ヘテロ接合はGaAs結晶面とリン化硼素結晶面との面数の比率が5対6である領域を含むことを特徴とするIII−V族化合物半導体積層構造とした。
ある狭いスパン内での格子定数の小さなBP結晶面を1面多くすることにより、格子ミスマッチを大幅に緩和することができる。このような構造の化合物半導体積層体とすれば、GaAs結晶と単量体のリン化硼素結晶との格子ミスマッチが緩和されて、ミスフィット転位等が少なく結晶性に優れたBP結晶とすることができる。
The III-V compound semiconductor multilayer structure of the present invention is a compound semiconductor multilayer structure including a heterojunction composed of a GaAs crystal plane and a monomeric boron phosphide crystal plane, wherein the heterojunction is phosphideated with a GaAs crystal plane. A III-V compound semiconductor multilayer structure including a region having a ratio of the number of faces to the boron crystal face of 5 to 6 was obtained.
By increasing the number of BP crystal planes having a small lattice constant within a narrow span, lattice mismatch can be greatly reduced. With the compound semiconductor laminate having such a structure, the lattice mismatch between the GaAs crystal and the monomeric boron phosphide crystal is alleviated, and a BP crystal with less misfit dislocations and the like and excellent crystallinity can be obtained. it can.
本発明III−V族化合物半導体積層構造においては、前記ヘテロ接合をなすGaAs結晶面が、面指数(HKL)をミラー指数で表したときに{100}、{110}もしくは{111}で表される結晶面であるIII−V族化合物半導体積層構造を利用することができる。
また、前記ヘテロ接合をなすGaAs結晶面とBP結晶面のミラー指数が同一であることが好ましい。
閃亜鉛鉱結晶型のIII−V族化合物半導体結晶であるGaAs結晶は立方晶であるので、上記のどの面を利用しても効果的なヘテロ接合を形成することが可能である。また、同じ結晶面を接合させた方がミスフィット転位等が発生しにくいからである。
In the III-V compound semiconductor multilayer structure of the present invention, the GaAs crystal plane forming the heterojunction is represented by {100}, {110} or {111} when the plane index (HKL) is expressed by the Miller index. It is possible to use a III-V compound semiconductor multilayer structure having a crystal plane.
Further, it is preferable that the GaAs crystal plane and the BP crystal plane forming the heterojunction have the same Miller index.
Since the GaAs crystal, which is a zinc blende crystal type III-V group compound semiconductor crystal , is a cubic crystal, an effective heterojunction can be formed using any of the above surfaces. Moreover, it is because misfit dislocations and the like are less likely to occur when the same crystal planes are joined.
これらのIII−V族化合物半導体積層構造は、禁制帯幅が高くしかもミスフィット転位等が少ない結晶性に優れたBP結晶を有しているので、発光素子やレーザ素子の電流拡散層や窓層として極めて有用なものとなる。
Group III-V compound semiconductor stacked structure of these, since the forbidden band width has a higher addition BP crystal having excellent little crystallinity such as misfit dislocation, the current diffusion layer of a light-emitting element and a laser element Ya It becomes extremely useful as a window layer.
本発明の発光素子は、上述した本発明のIII−V族化合物半導体積層構造を含む発光素子である。
III−V族化合物半導体積層構造のBP層は電流拡散層として含まれていても良いし、窓層として含まれていても良い。
本発明のBP層はミスフィット転位等が少なく結晶性に優れており、しかも禁制帯幅を発光層の禁制帯幅よりも大きくできるので、電気的及び光学的特性に優れた発光素子を得ることができる。
The light emitting device of the present invention is a light emitting device including the above-described III-V group compound semiconductor multilayer structure of the present invention.
The BP layer of the III-V compound semiconductor multilayer structure may be included as a current diffusion layer or may be included as a window layer.
The BP layer of the present invention has few misfit dislocations and is excellent in crystallinity, and the forbidden band width can be made larger than the forbidden band width of the light emitting layer. Can do.
本発明のIII−V族化合物半導体積層構造に依れば、閃亜鉛鉱結晶型III−V族化合物半導体であるGaAsの5個の(HKL)結晶格子面に対し、6個のリン化硼素結晶格子面が配列しており、格子ミスマッチに因る結晶性の悪化が緩和されて良質なヘテロ接合を備えた積層構造を提供することができる。
本発明の積層構造をGaPやGaAs等のIII−V族化合物半導体に適用すれば、格子ミスマッチに因る結晶性の悪化が回避された良質なBP結晶とのヘテロ接合を提供できるので、このヘテロ接合を使用して化合物半導体発光素子を構成すれば、例えば逆方向の耐電圧性に優れ高発光効率を有する高性能の発光素子を提供できる。
According to the III-V group compound semiconductor laminated structure of the present invention, six boron phosphide crystals are formed on five (HKL) crystal lattice planes of GaAs which is a zinc blende type III-V compound semiconductor. Since the lattice planes are arranged, deterioration of crystallinity due to lattice mismatch is alleviated, and a stacked structure including a high-quality heterojunction can be provided.
When the stacked structure of the present invention is applied to a III-V group compound semiconductor such as GaP or GaAs, a heterojunction with a high-quality BP crystal in which deterioration of crystallinity due to lattice mismatch is avoided can be provided. If a compound semiconductor light-emitting device is configured using a junction, for example, a high-performance light-emitting device with excellent reverse voltage resistance and high light emission efficiency can be provided .
本発明で使用する閃亜鉛鉱結晶型III−V族化合物半導体は、周期律表IIIb族のアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)と、周期律表Vb族のリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)とが原子比1:1で結合したものであって、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型を有する結晶である。実用上優れた半導体あって、純粋な結晶の他不純物元素をドープしたものが広く用いられている。組成は一般式で示せばAlαGaβIn1−α−βP1−γ−δAsγSbδ(0≦α、β≦1、0≦α+β≦1、0≦γ、δ≦1、0≦γ+δ≦1、)で表されるものである。
本発明で好適に利用できるのは、構成元素数が少なくて形成が容易な、例えばリン化アルミニウム・インジウム混晶(組成式:AlαInδP)や砒化アルミニウム・ガリウム混晶(組成式:AlαGaβAs)である。また特に、混晶比を制御する必要のない2元III−V族化合物半導体のリン化ガリウム(GaP)や砒化ガリウム(GaAs)である。
The zincblende crystal type III-V compound semiconductor used in the present invention includes group IIIb group aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and group Vb group phosphorus (P). , Arsenic (As), and antimony (Sb) are combined at an atomic ratio of 1: 1, and have a cubic zinc blende crystal type. A semiconductor that is practically excellent and is purely doped with an impurity element in addition to a pure crystal. The composition can be expressed as a general formula: Al α Ga β In 1-α-β P 1-γ-δ As γ Sb δ (0 ≦ α, β ≦ 1, 0 ≦ α + β ≦ 1, 0 ≦ γ, δ ≦ 1, 0 ≦ γ + δ ≦ 1,)).
Can suitably used in the present invention, formed with a small number of constituent elements is easy, for example, aluminum phosphide, indium mixed crystal (compositional formula: Al α In δ P) and aluminum gallium arsenide mixed crystal (compositional formula: Al α Ga β As). In particular, gallium phosphide (GaP) and gallium arsenide (GaAs), which are binary III-V compound semiconductors that do not require a mixed crystal ratio to be controlled.
一方、単量体のリン化硼素(BP)は、やはり周期律表IIIb族の硼素(B)と周期律表Vb族のリン(P)が結合した2元III−V族化合物半導体である。硼素(B)はB、B2、B6等の単位で他の元素と結合し、例えば、B6P等の多量体のリン化硼素を形成するが、これらのうち半導体として有用なのはB原子とP原子とが原子比1:1で結合した単量体のリン化硼素であって、組成式(BP)で表されるものである。
単量体のリン化硼素(BP)は、立方晶の閃亜鉛鉱結晶型を有し、結晶の格子定数は4.538Åである(寺元 巌著、「半導体デバイス概論」、(株)培風館、1995年3月30日発行、初版、28頁参照)。また、間接遷移型であり、旧来から室温での禁制帯幅は2.0eVとされている(特開平2−275682号公報参照)。また、他のIII−V族化合物半導体であるGaPやGaAsと比較して共有結合性が高く、高い融点を有する半導体の一つとなっている。以下、この単量体のリン化硼素を単にリン化硼素(BP)と記載することがある。
On the other hand, monomeric boron phosphide (BP) is a binary III-V compound semiconductor in which boron (B) of group IIIb of the periodic table and phosphorus (P) of group Vb of the periodic table are bonded. Boron (B) combines with other elements in units such as B, B2, and B6 to form multimeric boron phosphides such as B6P. Among these, B and P atoms are useful as semiconductors. Is a monomeric boron phosphide bonded at an atomic ratio of 1: 1 and represented by the composition formula (BP).
Monomeric boron phosphide (BP) has a cubic zinc blende crystal type and the crystal lattice constant is 4.538 Å (Akira Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices”, Baifukan Co., Ltd.) , Published March 30, 1995, first edition, page 28). Moreover, it is an indirect transition type, and the forbidden band width at room temperature has been 2.0 eV from the past (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-275682). In addition, it is one of the semiconductors having higher covalent bond and higher melting point than other III-V group compound semiconductors such as GaP and GaAs. Hereinafter, this monomeric boron phosphide may be simply referred to as boron phosphide (BP).
リン化硼素半導体結晶は、ハロゲン(halogen)法、ハイドライド(hydride;水素化物)法やMOCVD(有機金属化学的気相堆積)法等の気相成長手段に依り形成することができる。また、分子線エピタキシャル法でも形成できる(J.Solid
State Chem.,133(1997)、269〜272頁参照)。例えば、トリエチル硼素((C2H5)3B)とホスフィン(PH3)を原料とする常圧(略大気圧)或いは減圧MOCVD法で形成する。
MOCVD法に依り、III−V族化合物半導体結晶上に、750℃以上で950℃以下の温度に於いて、V族原料ガスとIII族原料ガスとの混合比率を故意に大にして成長を開始すると、III−V族化合物半導体結晶との接合界面に、特有の結晶格子配列を有するBP結晶層を成長させることができる。形成時の原料ガス供給比率(V/III比率)、例えば、PH3/(C2H5)3Bの濃度比率を、200以上とするのが適する。
n形BP結晶層を成長させる場合には、200以上のV/III比率で成長を継続する。
例えば、GaP層上に成長の初期段階からV/III比率を200と一定として、所望の層厚に到達する迄原料ガスを供給して成長を継続する。また、別の例では、ヘテロ接合界面の近傍領域をV/III比率を400として形成し、その後、V/III比率を600として、所望の層厚に到達する迄原料ガスを供給して成長を継続する。一般にV/III比率を高値に設定するほど、キャリア濃度の高いn形BP結晶層が得られる。
The boron phosphide semiconductor crystal can be formed by vapor phase growth means such as a halogen method, a hydride method, or a MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method. It can also be formed by molecular beam epitaxy (J. Solid
State Chem. 133 (1997), pages 269-272). For example, it is formed by atmospheric pressure (substantially atmospheric pressure) or reduced pressure MOCVD using triethylboron ((C 2 H 5 ) 3 B) and phosphine (PH 3 ) as raw materials.
By MOCVD method, growth is started on III-V compound semiconductor crystal by deliberately increasing the mixing ratio of group V source gas and group III source gas at a temperature of 750 ° C. to 950 ° C. Then, a BP crystal layer having a specific crystal lattice arrangement can be grown at the junction interface with the III-V group compound semiconductor crystal. It is suitable that the raw material gas supply ratio (V / III ratio) at the time of formation, for example, the concentration ratio of PH 3 / (C 2 H 5 ) 3 B is 200 or more.
When growing the n-type BP crystal layer, the growth is continued at a V / III ratio of 200 or more.
For example, the V / III ratio is kept constant at 200 from the initial stage of growth on the GaP layer, and the growth is continued by supplying the source gas until the desired layer thickness is reached. In another example, a region near the heterojunction interface is formed with a V / III ratio of 400, and then a V / III ratio of 600 is used to supply a source gas until a desired layer thickness is reached for growth. continue. In general, as the V / III ratio is set to a higher value, an n-type BP crystal layer having a higher carrier concentration can be obtained.
一方、p形のBP結晶層を得るには、成長初期に於いてのみ暫時V/III比率を200以上としてヘテロ接合界面の近傍の領域を形成した後、瞬時にV/III比率を低下させて成長させる。p形BP層を成長させる場合、上記の様な高いV/III比率で成長させるのは、BP層の層厚がヘテロ接合界面から10nm以上で30nm以下に達する迄とする。
V/III比率を高比率のままで成長を続行した場合、十分に低抵抗のp形BP層を安定して形成できないことがあるからである。GaP層或いはGaAs層にヘテロ接合する低抵抗のp形BP層のBPを安定して形成するには、気相成長後期のV/III比率を5以上で50以下とするのが適する。
On the other hand, in order to obtain a p-type BP crystal layer, only in the initial stage of growth, the V / III ratio is temporarily set to 200 or more to form a region near the heterojunction interface, and then the V / III ratio is instantaneously reduced. Grow. When the p-type BP layer is grown, the p-type BP layer is grown at a high V / III ratio as described above until the layer thickness of the BP layer reaches 10 nm or more and 30 nm or less from the heterojunction interface.
This is because when the growth is continued with the V / III ratio kept high, a sufficiently low resistance p-type BP layer may not be stably formed. In order to stably form the BP of the low-resistance p-type BP layer heterojunction with the GaP layer or GaAs layer, it is suitable that the V / III ratio in the latter phase of vapor phase growth is 5 or more and 50 or less.
また、GaPやGaAs等のIII−V族化合物半導体結晶とヘテロ接合させるリン化硼素(BP)結晶にあっては、その内部に双晶、特に、(111)双晶を含むリン化硼素結晶を用いると、GaP層或いはGaAs層とで良好なヘテロ接合を形成できる。双晶がGaP或いはGaAsとの格子のミスマッチを緩和するに寄与して、これらのIII−V族化合物半導体層とヘテロ接合を形成するのに好都合となるミスフィット転位が少なく、かつ結晶性に優れたリン化硼素結晶をもたらすのに有効に作用する。 Further, in a boron phosphide (BP) crystal heterojunction with a III-V group compound semiconductor crystal such as GaP or GaAs, a boron phosphide crystal containing a twin crystal, in particular, a (111) twin crystal is formed inside. When used, a good heterojunction can be formed with a GaP layer or a GaAs layer. The twins contribute to alleviating the lattice mismatch with GaP or GaAs, and there are few misfit dislocations that are convenient for forming a heterojunction with these III-V compound semiconductor layers, and excellent crystallinity. It works effectively to produce boron phosphide crystals.
III−V比率に加えて、GaP結晶或いはGaAs結晶上でのBP層の成長速度を精密に制御すれば、禁止帯幅の大きなn形またはp形のBP層を形成できる。例えば、MOCVD法に依りGaP層上にBP層を形成するに際し、成長速度を毎分2nm以上で30nm以下の範囲に設定すると、室温での禁止帯幅を2.8eV以上とするBP半導体層が得られる。GaPやGaAs結晶上に成長させたBP層の禁止帯幅は、吸収係数の光子エネルギー(=h・ν)依存性などから求められる。
特に、室温での禁止帯幅を2.8eV以上で5.0eV以下とするn形またはp形の低抵抗のBP半導体層は、例えば、化合物半導体発光素子を構成するための電流拡散層として有用である。また、この様な高い禁止帯幅のBP半導体層は、発光層から放射される紫外帯光や短波長可視光を外部へ透過するための窓(window)層として有効に利用できる。しかし、禁止帯幅が5.0eVを超えるBP半導体層では、GaP或いはGaAs結晶との禁止帯幅の差異が顕著に大となり、順方向電圧或いは閾値電圧の低い化合物半導体発光素子を得るに不利となる。
If the growth rate of the BP layer on the GaP crystal or GaAs crystal is precisely controlled in addition to the III-V ratio, an n-type or p-type BP layer having a large forbidden band width can be formed. For example, when a BP layer is formed on a GaP layer by MOCVD, if a growth rate is set to a range of 2 nm / min to 30 nm / min, a BP semiconductor layer having a forbidden band width of 2.8 eV or more at room temperature is obtained. can get. The forbidden band width of a BP layer grown on a GaP or GaAs crystal is obtained from the photon energy (= h · ν) dependence of the absorption coefficient.
In particular, an n-type or p-type low-resistance BP semiconductor layer having a forbidden band width of 2.8 eV or more and 5.0 eV or less at room temperature is useful as, for example, a current diffusion layer for constituting a compound semiconductor light-emitting device. It is. In addition, such a BP semiconductor layer having a high forbidden bandwidth can be effectively used as a window layer for transmitting ultraviolet band light and short wavelength visible light emitted from the light emitting layer to the outside. However, in a BP semiconductor layer having a forbidden band width exceeding 5.0 eV, the difference in the forbidden band width from a GaP or GaAs crystal becomes significantly large, which is disadvantageous for obtaining a compound semiconductor light emitting device having a low forward voltage or low threshold voltage. Become.
本発明のヘテロ接合を含むIII−V族化合物半導体積層構造は、立方晶のIII−V族化合物半導体結晶の表面をなす面指数を(HKL)とする結晶面に接合させて設けた、単量体のリン化硼素(BP)結晶面とから構成されるものである。面指数を(HKL)とする結晶面とは、結晶面をミラー(Miller)指数を用いて表した場合に、{100}、{110}、或いは{111}で表される結晶面である。立方晶の結晶であることから、これらはいずれも等価面である。H,K,及びLは通常、0(零)か正または負の整数である。BP結晶を接合させるIII−V族化合物半導体の表面は、上記の様な低次のミラー指数面の結晶面が好ましく、これらの面より特定の結晶方位に角度にして数度から十数度の範囲で僅かに傾斜した結晶面であっても構わない。 The group III-V compound semiconductor multilayer structure including a heterojunction of the present invention is provided by bonding to a crystal plane having a plane index (HKL) forming the surface of a cubic group III-V compound semiconductor crystal. And a body of boron phosphide (BP) crystal plane. The crystal plane whose plane index is (HKL) is a crystal plane represented by {100}, {110}, or {111} when the crystal plane is expressed using a Miller index. Since these are cubic crystals, they are all equivalent planes. H, K, and L are usually 0 (zero) or positive or negative integers. The surface of the group III-V compound semiconductor to which the BP crystal is bonded is preferably a crystal plane with a low-order Miller index plane as described above. The crystal plane may be slightly inclined in the range.
本発明に係わる特有の結晶格子の配列を有する結晶組織の構造を、図1に模式的に例示する。III−V族化合物半導体層4の内部の或る幅の区域Sにはn個の結晶格子面が存在している。ここでnは10以下の正の整数であり、通常は5または6である。図1ではn=5の場合を示しており、(1)〜(5)の5面のIII−V族化合物半導体結晶面が存在している。
一方、同じこの区域SのBP層5には1〜6の6個のリン化硼素結晶格子面が存在している。すなわち、(n+1)個のリン化硼素結晶格子面が存在している。この場合リン化硼素結晶格子面の数は、先のIII−V族化合物半導体結晶面の数5に対して1つ多い5+1=6となっている。従って区域S内のヘテロ接合面12の結晶格子面の数は、n対(n+1)の関係になっているのが特徴である。
本発明においてはヘテロ接合面のある狭いスパン内(結晶格子面で10面以内)で見ると、格子定数の小さなBP結晶面を1面多くすることにより、格子ミスマッチを大幅に緩和するようにしている。
本発明においては、このような構造のヘテロ接合が少なくとの1箇所含まれていればよい。本発明のヘテロ接合の形成方法によれば、通常はこのような構造が繰り返し連続して得られる場合が多い。
The structure of a crystal structure having a specific crystal lattice arrangement according to the present invention is schematically illustrated in FIG. There are n crystal lattice planes in an area S having a certain width inside the group III-V
On the other hand, six boron phosphide
In the present invention, when viewed within a narrow span with a heterojunction surface (within 10 crystal lattice planes), by increasing one BP crystal plane with a small lattice constant, the lattice mismatch is greatly relaxed. Yes.
In the present invention, at least one heterojunction having such a structure may be included. According to the method for forming a heterojunction of the present invention, usually such a structure is often obtained repeatedly and continuously.
特に、BP結晶をヘテロ接合させるIII−V族化合物半導体結晶の(HKL)結晶面と、面指数を同じくするBP結晶格子面との数量的な比率として、n:n+1の関係が保たれている場合、双方の層間における格子ミスマッチは効果的に緩和される。
例えば、III−V族化合物半導体結晶がGaPである場合、GaPの(100)結晶格子面とBP層の(100)結晶格子面との数的比率が6:7(n=6、n+1=7)となっていれば、6個の結晶格子面の範囲の格子ミスマッチ度は、(4.5383×7−5.449×6)/5.4495×6=0.02840となり、2.84%である。通常の6個の6個の(100)−GaP結晶面と6個の(100)−BP結晶面との接合では、格子ミスマッチ度は(4.5383×6−5.4495×6)/5.4495×6=−0.1671となり、16.7%にも達する。従って本発明においては格子ミスマッチ度は大幅に縮小されることになる。
また、III−V族化合物半導体結晶がGaAsである場合、GaAsの(100)結晶格子面とBP層の(100)結晶格子面との数的比率が5:6(n=5、n+1=6)となっていれば、図1の領域Sの5個の結晶格子面の範囲の格子ミスマッチ度は、(4.5383×6−5.6543×5)/5.6543×5=0.03684となり、3.68%である。通常の5個のIII−V族化合物半導体結晶面と5個のBP結晶面との接合では、格子ミスマッチ度は(5.6543×5−4.5383×5)/5.6543×5=0.1973となり、19.73%にも達する。従って本発明においては格子ミスマッチ度は大幅に縮小されることになる。
In particular, the relationship of n: n + 1 is maintained as the quantitative ratio between the (HKL) crystal plane of the III-V compound semiconductor crystal that heterojunctions the BP crystal and the BP crystal lattice plane with the same plane index. In this case, the lattice mismatch between both layers is effectively mitigated.
For example, when the III-V compound semiconductor crystal is GaP, the numerical ratio between the (100) crystal lattice plane of GaP and the (100) crystal lattice plane of the BP layer is 6: 7 (n = 6, n + 1 = 7). ), The degree of lattice mismatch in the range of the six crystal lattice planes is (4.5383 × 7−5.449 × 6) /5.4495×6=0.02840, which is 2.84%. It is. The lattice mismatch degree is (4.5383 × 6-5.4495 × 6) / 5 at the junction of six normal (100) -GaP crystal faces and six (100) -BP crystal faces. .4495 × 6 = −0.1671, reaching 16.7%. Therefore, in the present invention, the degree of lattice mismatch is greatly reduced.
When the III-V compound semiconductor crystal is GaAs, the numerical ratio between the (100) crystal lattice plane of GaAs and the (100) crystal lattice plane of the BP layer is 5: 6 (n = 5, n + 1 = 6). ), The degree of lattice mismatch in the range of the five crystal lattice planes in the region S in FIG. 1 is (4.5383 × 6−5.6543 × 5) /5.6543×5=0.03684. And 3.68%. The lattice mismatch degree is (5.6543 × 5-4.5383 × 5) /5.6543×5=0 at the junction of five normal III-V compound semiconductor crystal planes and five BP crystal planes. 1973, reaching 19.73%. Therefore, in the present invention, the degree of lattice mismatch is greatly reduced.
高分解能の透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して、III−V族化合物半導体層とBP層との接合界面近傍の領域に於ける格子像を観察すれば、上記の様な数量的な面の構成比率をもってなる結晶組織構成の存在の有無、及びその結晶組織を構成する結晶格子面の数量的比率を知ることができる。リン化硼素系半導体層の内部の双晶の存在の有無は、例えば、電子線回折(TED)像に、双晶に起因する特有の異常回折点が出現することから知れる(P.Hirsch他著、“ELECTRON MICROSCOPY OF THIN CRYSTAL” ,Krieger Pub.Com.(1977,U.S.A),141−148頁参照)。双晶の密度は、BP層の断面TEM像に撮像された双晶粒界を計数すれば求められる。 By using a high-resolution transmission electron microscope (TEM) and observing a lattice image in the vicinity of the junction interface between the group III-V compound semiconductor layer and the BP layer, the quantitative surface as described above is obtained. It is possible to know the presence or absence of a crystal structure having the composition ratio and the quantitative ratio of crystal lattice planes constituting the crystal structure. Presence or absence of twins in the boron phosphide-based semiconductor layer is known, for example, from the appearance of unique anomalous diffraction points due to twins in an electron diffraction (TED) image (P. Hirsch et al. "ELECTRON MICROSCOPY OF THIN CRYSTAL", Krieger Pub. Com. (1977, USA), pages 141-148). The density of twins can be obtained by counting the twin grain boundaries imaged in the cross-sectional TEM image of the BP layer.
上述したように本発明においては、III−V族化合物半導体結晶と禁制帯幅の高いBP結晶とのヘテロ接合を形成する場合に格子ミスマッチの悪影響を緩和することができるので、結晶性に優れ低抵抗のBP結晶が得られる。この結晶性に優れ低抵抗のBP結晶は禁制帯幅も大きいので、電流拡散層や窓層として利用した発光素子やレーザ素子を構成すれば、発光効率の高い発光素子とすることができる。 As described above, in the present invention, when forming a heterojunction between a III-V compound semiconductor crystal and a BP crystal having a high forbidden band width, the adverse effect of lattice mismatch can be alleviated. A resistive BP crystal is obtained. Since the BP crystal having excellent crystallinity and low resistance has a large forbidden band, if a light emitting element or a laser element used as a current diffusion layer or a window layer is formed, a light emitting element with high luminous efficiency can be obtained.
(作用)
閃亜鉛鉱結晶型のIII−V族化合物半導体結晶面と、その表面に接合させて設けたBP半導体結晶面とからなるヘテロ接合に於いてIII−V族化合物半導体結晶のn個の(HKL)結晶格子面に対して、1面多い(n+1)個のBP結晶面を配列することにより、GaP結晶やGaAs結晶とBP結晶との格子ミスマッチを緩和して、結晶性に優れるBP層をもたらす作用を有する。このようにしてIII−V族化合物半導体結晶よりも格子定数の小さなBP結晶をヘテロ接合させても、格子ミスマッチの弊害を実質的に排除することを可能にした。
(Function)
In a heterojunction consisting of a zinc blende crystal group III-V compound semiconductor crystal surface and a BP semiconductor crystal surface bonded to the surface, n (HKL) III-V compound semiconductor crystals By arranging one (n + 1) more BP crystal planes than the crystal lattice plane, the lattice mismatch between GaP crystal, GaAs crystal, and BP crystal is alleviated, and a BP layer having excellent crystallinity is produced. Have Thus, even if a BP crystal having a smaller lattice constant than that of a III-V group compound semiconductor crystal is heterojunctioned, it is possible to substantially eliminate the adverse effects of lattice mismatch.
(実施例1)
リン化ガリウム(GaP)結晶層と、リン化硼素(BP)結晶層とのヘテロ接合構造を備えた化合物半導体積層構造体を使用して発光素子を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
Example 1
The present invention is illustrated by taking as an example the case where a light-emitting element is formed using a compound semiconductor stacked structure having a heterojunction structure of a gallium phosphide (GaP) crystal layer and a boron phosphide (BP) crystal layer. I will explain it.
図2に、GaPとBPとのヘテロ接合を含む化合物半導体積層構造体を利用して構成した、pn接合型発光素子10の断面構造を模式的に示す。
化合物半導体積層構造体11は、亜鉛(Zn)をドーピングしたp形の砒化ガリウム(GaAs)単結晶を基板100として形成した。基板100の表面には、亜鉛(Zn)をドープしたp形のGaAsからなる緩衝層101、亜鉛(Zn)をドープしたリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム((Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P)混晶からなる下部クラッド層102、アンドープでn形の(Al0.14Ga0.86)0.50In0.50Pからなる発光層103、及びセレン(Se)をドープしたn形の(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50Pからなる上部クラッド層104を順次堆積して形成した。
緩衝層101のキャリア濃度は1×1018cm−3、層厚は500nmとし、下部クラッド層102のキャリア濃度は1×1017cm−3、層厚は1000nmとし、発光層103のキャリア濃度は1×1016cm−3、層厚は500nmとし、上部クラッド層104のキャリア濃度は2×1018cm−3、層厚は5000nmとして形成した。
これらの101〜104の各層は一般的な減圧MOCVD法に依り気相成長させた。
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of a pn junction light-emitting
The compound
The
Each of these
上部クラッド層104上には、珪素(Si)をドーピングしたn形のリン化ガリウム(GaP)層105を堆積した。GaP層105は、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)をガリウム源とし、ホスフィン(PH3)をリン源とする減圧MOCVD法により形成した。GaP層105は730℃で形成した。GaP層105のキャリア濃度は1×1018cm−3とし、層厚は250nmとした。
An n-type gallium phosphide (GaP) layer 105 doped with silicon (Si) was deposited on the
GaP層105上には、アンドープでn形のリン化硼素(BP)層106を形成した。
BP層106は、トリエチル硼素((C2H5)3B)を硼素(B)源とし、ホスフィン(PH3)をリン源とする常圧(略大気圧)MOCVD法を利用して形成した。BP層106は、775℃で成長初期よりPH3/(C2H5)3B比率を450と一定にして形成した。BP層106の層厚は650nmとし、キャリア濃度は3×1019cm−3とした。
An undoped n-type boron phosphide (BP)
The
高分解能の透過型電子顕微鏡(HRTEM)を使用して、このGaP層105とBP層106とのヘテロ接合部に於ける結晶組織構造を観察した。断面TEM像から、GaPの(100)結晶格子面と、BPの(100)結晶格子面とは鉛直方向に平行に配列しているのが確認された。また、ヘテロ接合が形成されている界面に於いて、GaPの(100)結晶格子面が6面であるのに対し、同一の区域に7面のBPの(100)結晶格子面が配列してなる結晶組織の存在が確認された。
Using a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM), the crystal structure at the heterojunction between the GaP layer 105 and the
また、BP層106は、成長速度を毎分25nmとしてGaP層105に接合させて構成したため、室温での禁止帯幅は3.1eVとなった。従って、BP層106は、発光層103からの発光を外部へ透過するための窓層として利用するのに十分に広い禁止帯幅を有する低抵抗半導体層となった。
Further, since the
BP層106の表面の中央部には、金(Au)−ゲルマニウム(Ge)合金膜、ニッケル(Ni)膜、及び金(Au)膜を順次重層させた、結線用のパッド電極を兼ねるn形オーミック電極107を設けた。一方、p形GaAs単結晶からなる基板100の裏面の全面には、一般の真空蒸着法に依り、金(Au)−ベリリウム(Be)膜を被着させてp形オーミック電極108を形成した。その後、基板100を<110>結晶方位に平行に設けた線幅を50μmとする帯状の溝に沿って裁断して、一辺が350μmの正方形の発光素子10のチップに分割した。
In the central portion of the surface of the
n形及びp形オーミック電極107,108の間に、順方向に20mAの素子駆動電流を流通したところ、発光素子10からは中心の波長を610nmとする橙色を帯びた赤色光が放射された。また、広い禁止帯幅を有しながら低抵抗であるBP層106とGaP層105とのヘテロ接合体を設けたため、n形オーミック電極107の射影領域以外に在る発光層103の平面領域の略全面から発光が外部へもたらされるのが視認された。さらに、発光パターンの近視野像から、上記の射影領域以外の発光層103の領域からの発光の強度は略一定であり、また、一般的な積分球を利用して測定される樹脂でモールドする以前のチップ状態での輝度は40ミリカンデラ(mcd)に達した。
When a device drive current of 20 mA was passed between the n-type and p-
また、n形オーミック電極107を、結晶性に優れ低抵抗のBP層106上に設ける構成としたため、順方向電圧(Vf)は2.4Vと低値となった。一方、逆方向電流を10μAとした際の逆方向電圧は12Vを越える高値となった。
これはGaPとの格子のミスマッチを緩和するのに有効に作用するBP結晶を利用した結果であり、特にn形オーミック電極107を設ける半導体層を格子ミスフィットに起因する欠陥の少ないBP層106としたため、局所的な耐電圧不良(ローカルブレークダウン)の少ない発光素子をもたらすのに効果的となった。
In addition, since the n-
This is a result of using a BP crystal that effectively acts to alleviate the lattice mismatch with GaP. In particular, the semiconductor layer provided with the n-
(実施例2)
砒化ガリウム(GaAs)結晶層とリン化硼素(BP)層とのヘテロ接合を備えた化合物半導体積層構造体を使用してpn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光素子を構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
(Example 2)
Example of a case where a light emitting device having a pn junction type double hetero (DH) junction structure is formed using a compound semiconductor stacked structure having a hetero junction of a gallium arsenide (GaAs) crystal layer and a boron phosphide (BP) layer The contents of the present invention will be specifically described below.
上記の実施例1に記載のp形GaAsからなる基板100上に、実施例1に記載した手法に依り、(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50Pからなる上部クラッド層104迄を順次堆積した。その後、上部クラッド層104上に、珪素(Si)をドーピングしたn形の砒化ガリウム(GaAs)層を堆積した。n形GaAs層は、(CH3)3Gaをガリウム源とし、アルシン(AsH3 )を砒素源とする減圧MOCVD法により形成した。n形GaAs層は700℃で形成した。n形GaAs層のキャリア濃度は1×1018cm−3とし、層厚は3nmとした。
An upper cladding made of (Al 0.70 Ga 0.30 ) 0.50 In 0.50 P is formed on the p-
n形GaAs層上には、アンドープでn形のリン化硼素(BP)層を形成した。n形BP層は、上記の実施例1に記載の場合と同じく、(C2H5)3Bを硼素源とし、PH3をリン源とする常圧MOCVD法を利用して形成した。n形BP層は、750℃で成長させ、成長初期よりPH3/(C2H5)3B比率を600と一定として形成した。n形BP層の層厚は950nmとし、キャリア濃度は2×1019cm−3とした。また、BP層は成長速度を毎分30nmとして成長させた。一般的な分光エリプソメーターで計測した消衰係数から算出した吸収係数を利用して求めたBP層の室温禁止帯幅は3.0eVとなった。 An undoped n-type boron phosphide (BP) layer was formed on the n-type GaAs layer. The n-type BP layer was formed using the atmospheric pressure MOCVD method using (C 2 H 5 ) 3 B as a boron source and PH 3 as a phosphorus source, as described in Example 1 above. The n-type BP layer was grown at 750 ° C. and formed at a constant PH 3 / (C 2 H 5 ) 3 B ratio of 600 from the beginning of growth. The thickness of the n-type BP layer was 950 nm, and the carrier concentration was 2 × 10 19 cm −3 . The BP layer was grown at a growth rate of 30 nm per minute. The room temperature forbidden band width of the BP layer obtained by using the absorption coefficient calculated from the extinction coefficient measured with a general spectroscopic ellipsometer was 3.0 eV.
高分解能TEM(HRTEM)を使用して撮像したGaAs層とBP層とのヘテロ接合界面近傍の領域の断面TEM像から、GaAsの(100)結晶格子面が5面配列している区域に、BPの(100)結晶格子面が6面配列している結晶組織の存在が確認された。また、制限視野電子線回折像に出現した双晶に因る異常回折スポットの位置から、GaAs層にヘテロ接合させたBP層の内部には(111)双晶が存在することが示された。
また、ヘテロ接合界面近傍の領域の断面TEM像から(111)双晶が存在する領域は、上記の同一領域に於いてn:n+1の数量比率でGaAsとBPとの結晶格子面が存在してなる結晶組織が存在するのとは異なる領域であった。断面TEM像内に認められる(111)双晶の粒界の面密度は約1×106cm−2であった。
From the cross-sectional TEM image of the region in the vicinity of the heterojunction interface between the GaAs layer and the BP layer imaged using a high-resolution TEM (HRTEM), BP The existence of a crystal structure in which six (100) crystal lattice planes were aligned was confirmed. In addition, from the position of the extraordinary diffraction spot due to twins appearing in the limited-field electron diffraction image, it was shown that (111) twins exist inside the BP layer heterojunction to the GaAs layer.
Further, from the cross-sectional TEM image of the region in the vicinity of the heterojunction interface, the region where the (111) twins exist is a crystal lattice plane of GaAs and BP in the same region as described above at a quantity ratio of n: n + 1. This is a different region from the existence of the crystal structure. The surface density of the grain boundaries of (111) twins observed in the cross-sectional TEM image was about 1 × 10 6 cm −2 .
上記の実施例1に記載したのと同様に、n形及びp形オーミック電極を形成した。その後双方のオーミック電極間に順方向に20mAの素子駆動電流を流通した。発光素子からは中心の波長を610nmとする橙色を帯びた赤色光が放射された。また、GaAs層と、広い禁止帯幅を有する低抵抗のBP層とからヘテロ接合を構成したため、BP層上のn形オーミック電極から平面的に広範に素子駆動電流を拡散でき、発光層の略全域から発光がもたらされることが視認された。さらに、発光パターンの近視野像から、n形オーミック電極の射影領域以外の領域から放射される発光の強度は略一定であるのが示された。一般的な積分球を利用して測定される樹脂でモールドする以前のチップ状態での輝度は36ミリカンデラ(mcd)であった。 In the same manner as described in Example 1 above, n-type and p-type ohmic electrodes were formed. Thereafter, an element driving current of 20 mA was passed between the ohmic electrodes in the forward direction. The light emitting element emitted orange-red light having a central wavelength of 610 nm. Further, since the heterojunction is formed of the GaAs layer and the low-resistance BP layer having a wide band gap, the device driving current can be diffused widely in a plane from the n-type ohmic electrode on the BP layer, and the light emitting layer It was observed that light emission was brought from the entire area. Furthermore, from the near-field image of the light emission pattern, it was shown that the intensity of light emission emitted from a region other than the projection region of the n-type ohmic electrode is substantially constant. The luminance in a chip state before molding with a resin measured using a general integrating sphere was 36 millicandela (mcd).
また、n形オーミック電極を結晶性に優れた低抵抗のBP層上に設ける構成としたため、順方向電圧(Vf)は2.3Vと低値となった。一方、逆方向電流を10μAとした際の逆方向電圧は12Vを越える高値となった。
これはGaAsとの格子のミスマッチを緩和するに有効に作用するBP層を利用したためであり、特に、オーミック電極を格子ミスフィットに起因する欠陥の少ないBP層上に設けたため、局所的な耐電圧不良(local breakdown)の少ない発光素子をもたらすのに効果的となった。
Further, since the n-type ohmic electrode was provided on the low-resistance BP layer having excellent crystallinity, the forward voltage (Vf) was a low value of 2.3V. On the other hand, the reverse voltage when the reverse current was 10 μA was a high value exceeding 12V.
This is because a BP layer that effectively acts to alleviate the lattice mismatch with GaAs is used. In particular, since the ohmic electrode is provided on the BP layer having few defects due to the lattice misfit, the local withstand voltage is reduced. It has become effective to provide a light emitting device with less local breakdown.
4・・・・・III−V族半導体層、5・・・・・BP層、10・・・・・発光素子、11・・・・・化合物半導体積層体構造、12・・・・・ヘテロ接合面、100・・・・・基板、101・・・・・緩衝層、102・・・・・下クラッド層、103・・・・・発光層、104・・・・・上クラッド層、105・・・・・GaP層、106・・・・・BP層、107・・・・・n形オーミック電極、108・・・・・p形オーミック電極、
4... III-V group semiconductor layer, 5... BP layer, 10... Light emitting element, 11. Bonding surface, 100 ... substrate, 101 ... buffer layer, 102 ... lower clad layer, 103 ... light emitting layer, 104 ... upper clad layer, 105 ... GaP layer, 106 ... BP layer, 107 ... n-type ohmic electrode, 108 ... p-type ohmic electrode,
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005138368A JP4884699B2 (en) | 2004-05-12 | 2005-05-11 | Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004142610 | 2004-05-12 | ||
| JP2004142610 | 2004-05-12 | ||
| JP2005138368A JP4884699B2 (en) | 2004-05-12 | 2005-05-11 | Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005354047A JP2005354047A (en) | 2005-12-22 |
| JP4884699B2 true JP4884699B2 (en) | 2012-02-29 |
Family
ID=35588203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005138368A Expired - Fee Related JP4884699B2 (en) | 2004-05-12 | 2005-05-11 | Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4884699B2 (en) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2768742B2 (en) * | 1989-06-30 | 1998-06-25 | 株式会社東芝 | Bipolar transistor |
| JP2000012896A (en) * | 1998-06-19 | 2000-01-14 | Showa Denko Kk | Group iii nitride semiconductor element |
| JP3975763B2 (en) * | 2002-01-30 | 2007-09-12 | 昭和電工株式会社 | Boron phosphide-based semiconductor light-emitting device, manufacturing method thereof, and light-emitting diode |
| JP3711966B2 (en) * | 2002-07-25 | 2005-11-02 | 昭和電工株式会社 | Vapor phase growth method of group III nitride semiconductor layer and group III nitride semiconductor device |
-
2005
- 2005-05-11 JP JP2005138368A patent/JP4884699B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005354047A (en) | 2005-12-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2564024B2 (en) | Compound semiconductor light emitting device | |
| JPH04199752A (en) | Compound semiconductor light-emitting element and manufacture thereof | |
| JP3646655B2 (en) | Group III nitride semiconductor light emitting diode | |
| US6531716B2 (en) | Group-III nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method for the same | |
| JP2000349336A (en) | Iii-family nitride semiconductor light-emitting device | |
| JP4285837B2 (en) | AlGaInP light emitting device with window layer | |
| JP4282976B2 (en) | BORON PHOSPHIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LIGHT EMITTING DIODE | |
| JP4374720B2 (en) | Group III nitride semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same | |
| JPWO2004047188A1 (en) | Boron phosphide-based semiconductor light-emitting device, manufacturing method thereof, and light-emitting diode | |
| JP2001119065A (en) | P-type nitride semiconductor and method of manufacturing the same | |
| JP3659174B2 (en) | Group III nitride semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same | |
| JP4884699B2 (en) | Compound semiconductor laminated structure and light emitting device using the same | |
| JP4791075B2 (en) | Compound semiconductor light emitting device | |
| TWI296160B (en) | Pn junction-type compound semiconductor light emitting diode | |
| JP4705384B2 (en) | Gallium nitride semiconductor device | |
| JP2000022211A (en) | Iii group nitride semiconductor light emitting element substrate | |
| JP2001015803A (en) | AlGaInP LIGHT EMITTING DIODE | |
| TW502461B (en) | Group III nitrides luminescence element for semiconductor and process of preparing the same | |
| JP3646706B2 (en) | Boron phosphide-based semiconductor light-emitting diode and manufacturing method thereof | |
| JP2002270896A (en) | Group III nitride semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same | |
| JP4864435B2 (en) | Compound semiconductor laminated structure, compound semiconductor device and lamp | |
| JP2003023181A (en) | GaP BASED LIGHT EMITTING DIODE AND ITS FABRICATING METHOD | |
| JP4987240B2 (en) | Compound semiconductor device, method of manufacturing compound semiconductor device, diode device | |
| JP3651422B2 (en) | Laminated structure, light emitting element, lamp, and light source | |
| JP2002305322A (en) | Group iii nitride semiconductor light emitting device and its manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080324 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101026 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101102 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101224 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111004 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111110 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111129 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111207 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141216 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |