GaN系発光ダイオードに関する研究 : 紫外から赤色領域で発光するInGaN・LEDの作成および発光特性

様 式6 論 文 間 口

f

設 甲 工

報告番号￨区三

j

第 工 修

57

号 ￨氏 名 ￨ 向 井 孝 志 学 位 論 文 題 目 GaN系 発 光 ダ イ オ ) ド に 関 す る 研 究 一 紫 外 か ら 赤 色 領 域 で 発 光 す る InGaN'LEDの 作 成 お よ び 発 光 特 性-論 文 の 目 次 第 1章 序 論 第 2章 GaN系 pn接 合 LEDの 開 発 経 過 と 問 題 点 第 3章 単 一 量 子 井 戸(SQW)活性層を有する LED 第4章 InGaN'LEDの特性と貫通転位 第 5章 InGaN・LEDの発光特性の解析 第 6章 紫 外LED 第 7章 GaN系 LEDの長波長化 第8章 結 論 謝 辞 本 研 究 に 関 す る 発 表 本 研 究 の 成 果 一 覧 本 研 究 に 関 す る 受 賞 一 覧 刀 ロ ベ い 門 ロ ハ 参 文 文 紙 論 論 別 考 主 参 副 論 文 別 紙 参 照

主論文

(1) "High-Power UV lnGaN/AIGaN Doub1e-Hcterostructurc LEDs"， T.Mukai， D. Morita and S. Nakalllllra:.1. Cryst.Growth Vo.l189

ハ

90(1998) pp. 778-781

(2)"Amber InGaN-Bascd Light-Emitting Diodes Opcrablc atトligh八I1lbicntTell1peratures"， T.Mukai， J-l. Narimatsll andS. Nakall1ura: Jpn. J. App.lPhys. Vo.l37 (1998) L479幅L481

(3) "1nGaN-sased slueLight-Elllitting Diodcs Grown 011 Epitaxially Latcrally Ovcrgrown GaN Subslratcs"， T. Mukai， K. Takekawa elnd S. Nakamul・a:J.pn..J.Ap~ヲ1. Phys. Vo.l37 (1998)し839-し841

(4) "Current and Temperaturc Dcpendcncesof Electrolllmincsccnce oflnGaN-sased UV/slue/Grccn Light-Emitting Diodcs"， T.Mukai， M. Yamada and S. Nakamura: I.pn..1.App.lPhys.Vo.l37 (1998) LI358-L1361

(5)"Characleristicsof JnGaN-Based UV/Blue/Grecn/AmberlRed Light-Emitling Diodes"， T.Mukai， M Ya剖madaand S. Nakくamη1孔刊1I山l口r在 Jpn.1.App.JPhys. Vo.l38 (1999)pp. 3976-3981

(6)"Ultraviolet InGaN and GaN Singlc-Quantull1-Wcll-StructureLighl-Emilting DiodcsGrown on Epitaxially Laterally Ovcrgrown GaN Substrates"， T.Mukai andS. Nakamura: Jpn. J.App.lPhys. Vol.38 (1999) pp. 5735・5739

副論文

(1)"Highly P-TypedMg-Doped GaN Filll1s Grown with GaN Buffer Layelγ， S. Nakamura， M. Senoh andT. Mukai: Jpn. J. App.lPhys.. Vo.l30(1991)pp. L1708・Ll711

(2) "High-Power GaN P-N Ju.nction sluc-Ligllt-Ell1itting Diodcs"， S. Nakamura， 1.Mukai and M. Scnoh: Jpn. J.App.lPhys. Vo.130 (1991) pp. L1998-L2001

(3)"Thermal AnnealingEffectson P-Type Mg-Doped GaN Filll1s"， S. Nakamura， T.Mulくai，M. SCl10h and N. Iwasa:Jpn.J.App.lPhys. Vo.l31 (1992)pp.し139-L142

(4)"Ho1e Cornpensation Mechanism of P-Type GaN r:'ilms"， S. NakamuI司 N.Iwasa， M. Senoh and1.Mukai: Jpn. J. App.lPhys. Vo.l31(1992)pp. 1258-1266

(5)"In situ monitoringandHall measurell1enls of GaN grown with GaN buffer laycrs"， S. NakamuI孔T.Mukai andM. Senoh: J. App.lPbys. Vo.l71 (1992) pp. 5543-5549

(6) "Si-and Ge-Doped GaN Fill11s Grown with GaN Buffer Layers"， S. Nakc:lIllUrel， T.Mukai and M. Senoh Jpn. J. App.lPhys. Vo.l31 (1992)pp. 2883-2888

(7)"High-Quality lnGaN Filrns Grown on GaN Fill1lsll， S. Nakamura andT. Mukai: Jpn. J. App.lPhys. Vo_J.31 (1992)pp.L1457-L 1459

(8)IIP-GaN斤J・InGaN/N-GaNDouble-I-1clcrostructure Bluc-Light-Emitting Diodes"， S. Nakamura， M. Senoh andT. Mukai: Jpn. J. AppJ.Phys. VoJ.32(1993)pp. L8・し11

(9) "Si-Doped InGaN Films Grown on GaN Films"， S. Nelkall1ura， T. Mukai andM. Scnoh:Jpn..1.App.lPhys. Vol.32 (1993) pp.L16-Ll9

(10)什Candcla-class high-brightncss lnGaN/AIGaN cloublc-helcrostruclurc bluc-light-cmittingdiodcs"， S. Nakall1ura， T. Mukai and M. Senoh: App.lPhys. Lett.Vo.l64 (1994) pp. 1687・1689

(11 ) 勺-liglトbrightnessInGaNん久IGaNdouble-hetel・ostructurcbIuc-grccn-lighl-ell1itting diodes"， S. Nakamura， T. Mukai andM. Senoh: J. App.lPhys. Vol.76 (1994) pp. 818チ8191

(12) "Superbright GI・cenlnGaN Singlc-Quelntum-Well-Structure Light-Emitting Diodesll， S. Nakamura， M. Senoh， N. Iwasa， S. Nagahama， T.Yal1ladaandT.Mukai: Jpn. J. App.lPhys. 34 (1995) pp.し1332-L 1335 (13) "lnGaN-bascduv/blue/green/al1lber/red LEDsl，IT.Mukai， M. Yamada and S. Nakamura: SPIE confercnce

ヌ

J 様 式7 甲 工 報 告 番 号

I

I

G

I

I

第 工 修 論 文 内 容 要 旨

57

号 ￨ 氏 名 ￨ 向 井 孝 志 学位論文題目

GaN

系発光ダイオードに関する研究 一紫外から赤色領域で発光する

I

n

G

a

N

'

L

E

D

の作成および、発光特性一 内容要旨 発光ダイオード

(

L

E

D

)

は、発光効率、単色性、寿命、等に優れ、￨幅広く応用されている。しかしな がら、高い発光効率を有するし

ED

は赤色

LED

のみで、あったO 本研究では

GaN

系材料-を用いる ことにより、

1

)

従来実現していなかった高発光効率の青色

LED

の実現、

2

)

高 発 光 効 率 緑 色

LED

の実現、

3

)

G

a

N

系

LED

における発光波長の短波化と長波化、

4

)

G

a

N

系

LED

の発光に関する機 構の解明、を目的とした。 ツーアロー

MOCVD

装置を用いて、結品性の優れた

GaN

単結晶j撲を成長することに成功した。

n

型 GaN では、 Sì 及び Ge を用いて広範囲にわたりキャリア濃度を制1û~i1で、きることを明らかにした。 p 型

GaN

では

Mg

をトeーバントとして用い、高抵抗

G

a

N

:

M

g

を窒素雰囲気中で熱処理することで低抵 抗

p

型

GaN

が得られることを明らかにした。発光効率の高い

LED

を作成するために、ゲプ/レヘテ ロ構造を用いた。活性層として

I

n

G

a

N

:

Z

n

+

S

i

を用いることにより

lmW

を超える発光出力を有する 青 色

LED

を作成することに成功した。

[

η

G

a

N

:

Z

n

+

S

i

を活性層とする

LED

の問題点を解決するために、

I

n

G

a

N

単 一 量 子 井 戸

(

S

Q

W

)

を 活性層とすることで、

1

)

発光出力アップ。[1.

5

→

5mWJ

、

2

)

狭い発光スへ。クト/レ半値幅

[

7

0

→

2

0

n

m

J

、

3

)

高 出力緑色

LED[3mWJ

の実現、ができた。青色

SQW

・

LED

では、その発光スへ。クト/レの短波長成分 が、

I

n

G

a

N

:

Z

n

+

S

i

を活性層とする

LED

より少ないため

LED

の寿命が長くなることが判った。これは 結晶の劣化よりもエホ。キシ樹脂の光吸収による劣化の影響が大きいためであることが明らかになっ た。 サファイア基板上に成長した

GaN

系単結晶膜には高密度の貫通転位が存在している。それにも かかわらず高い発光効率の

LED

が得られる理由について検討した。これについて、

I

n

G

a

N

活 性 層の

l

n

モ/レ分率の揺らぎにより形成される

1

n

リッチ領域に注入キャリアが局在することで、転位が作る 非 発 光 再 結 合 中 心lこキャリアが捕獲されないためである、と結論付けた。 電流増加により発光スへ。ク卜jレがプツレーシフトする現象について検討した。その原因として 1)ヒ。エソ守電 界のスクリーニンク'__

2

)

1

1

1

リッチ領域のハットヲィリンク。、を考え、

1

1

1

~ッチ領域のノぐンドフィリンクヲこよりフソレーシフト していると結論付けた。一般的に周囲温度の上昇によりノゾントVヤツブ。ナローイングが生じ発光スへ。クトjレ がレッドシフトする。しかし、

1

1

1

モjレ分率の高い

1

n

G

a

N

'

LEDでは発光波長の温度依存性が見られな

いロこの原因を検討し、

1

1

1

そ/レ分率の揺らぎによる

l

n

~ッチf~J~i/~ハツドテイ/レを形成し、そのノインドテイ /レ部のキャリアが温度上昇により高エネ/片手一倶JIへ分布を広げることによると結論付けた。 紫 外

LED

の検討を行い、発光波長

3

7

1

n

m

、外部量子効率

7

.

5

%

の 紫 外

LED

を開発した。紫外

LED

では、

1

)

その活性層の

I

I1モjレ分率が低いこと、

2

)

G

a

N

層による光の自己吸収、により波長が短 くなるにつれ発光効率が低くなることを明らかにした。

長 波 長

LED

の検討では発光出力1.

4mW

のこはく色

LED

を実現した。こはく色

1

I1

GaN'LED

は

A

lI

n

G

a

P

のこはく色

LED

と比べ、発光出力の周囲温度依存性が優れることを明らかにした口赤色

LED

について検討し、

I

n

G

a

N

層の相分離が起きている可能性があることを示した。

本研究の成果により、青色

LED

、緑色し

ED

、こはく色

LED

、紫外

LED

が実用化されるに至っ た。

GaN

系発光ダイオードに関する研究

-紫外から赤色領域で発光する

I

n

G

a

N

.

L

E

D

の作成および発光特性

一

2000

年

3

月

向 井 孝 志

GaN

系発光ダイオードに関する研究

一紫外から赤色領域で発光する InGaN

・

LED

の作成および発光特性-2000

年

3

月

目次 第 1章 序 論 .. . . 1 1 -1 本 研 究 の 背 景 f

1-2

本 研 究 の 目 的

3

1-3 論 文 の 構 成 4 第

2

章

G

a

N

系

p

n

接 合

L

E

D

の開発経過と問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

6

2-0 緒 言 5 2 -1

G

a

N

の 成 長 法 及 び 原 材 料 6

2-2

ア ン ド ー フ

G

a

N

の 特 性

9

2 -3

n

型

G

a

N

10

2

-

4

p型 G

a

N

12

2-5

ホ モ 型

p

n

接 合

L

E

D

の 作 成 と 評 価

17

2

-

6 D

H

型

L

E

D

の 設 計 と 良 質

I

n

G

a

N

結 晶 の 必 要 性

1

9

2

-

7 I

n

G

a

N

結 晶 成 長 と 評 価 20

2

-

8 D

H

型

L

E

D

の 試 作 と 評 価 1

(

I

n

G

a

N

:

S

i)

22

2

-

9 D

H

型

L

E

D

の 試 作 と 評 価

I

I

(

l

n

G

a

N

:

Z

n

，

S

i

)

21

2

-10

D

H

型

L

E

D

の 問 題 点 30 2 -11 結 言 32 第

3

章 単 一 量 子 井 戸

(

S

Q

W

)

活 性 層 を 有 す る

L

E

D

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

3

4

3-0

緒 言

3

4

3 -

1

S

Q

W

活 性 層 を 有 す る

L

E

D

の 作 成 ( 青 及 び 緑 ) 31

3

-

2

S

Q

W

構 造

L

E

D

の 特 性 評 価

3

9

3-3

酸 素 不 純 物 と

L

E

D

の 特 性

46

3-4

結 言

49

第 4草 InGaN'LEDの特性と頁通転位...51

4

-

0

緒言 51 第 8章 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・100 4 1 4-2 4-3 4-4 4-[-) 貫 通 転 位 密 度 と 発 光 効 率 51 低 転 位 密 度 GaN基 板 の 作 成 51 ELOG基 板 を 使 用 し た 青 お よ び 緑 色 LEDの 作 成 と 評 価 貫 通 転 位 に 関 す る 考 察 61 結 言 63 K U F h u 4 5 0 1 ハ U ハ U 7 i T i y i r i F i y i 覧 表 一 賞 発 覧 受 る 一 る す 果 す 関 成 関 に の に 究 究 究 辞 研 研 研 謝 本 本 本 第 5章 InGaN'LEDの発光特性の解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65 5-0 緒 言 65 5 -1 JI慎 方 向 電 流 及 び 周 囲 温 度 と 発 光 ス ペ ク ト ノ レ 65 5 -2 1 nGaN . LEDの 発 光 特 性 の 考 察 11 5-3 結 言 16 第 6章 紫 外 LED.. . .

1

8

6

-

0

緒 言

1

8

6 -1 紫 外 LEDの 作 成 と 評 価

1

8

6 -2 ELOG基 板 を 用 い た 紫 外 LEDの 作 成 と 評 価 82 6-3 結 言 88 第 7章 GaN系 LEDの 長 波 長 化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 90 7-0 緒 言 90 7 -1 こ は く 色 InGaN'LEDの 作 成 と 評 価 90 7-2 赤 色 InGaN'LEDの 作 成 と 評 価 94 7 :3 結 言 "

第 1章 序 論

1 -1 本 研 究 の 背 景

発 光 ダ イ オ ー ド (LED) は 1960年 代 に GaAsP、GaPと い っ た 皿

-v

属 化 合 物 半 導 体 に よ り 作 成 さ れ 、 パ イ ロ ッ ト ラ ン プ 、 数 字 表 示 素 子 、 デ ィ ス プ レ イ 、 等 の 応 用 分 野 で 広 く 使 わ れ る よ う に な っ た 。 赤 色 LEDで 当 初 用 い ら れ た GaAsPで は 、 そ の バ ン ド 構 造 が 間 接 遷 移 型 で あ る た め 外 部 量 子 効 率 は 0.6犯と低かったo 1980年 代 に は AIGaAs、AllnGaP材 料 に よ る 赤 色 LEDが 開 発 さ れ 、 そ の 発 光 効 率 は 桁 の オ ー ダ ー で 高 く な り 、 赤 色 LEDと し て は 完 成 の 域 に 至 っ て い る 口 赤 色 LEDが こ の よ う に 発 光 効 率 が 高 く な っ た 理 由 は 、 結 品 性 の 良 い 基 板 が 有 る こ と 、 基 板 に 格 子 整 合 が と れ た 状 態 で 3元 あ る い は 4元 混 晶 が 成 長 で き る こ と 、 発 光 層 の バ ン ド 構 造 が 直 接 遷 移 型 で あ る こ と 、の 全 て を 満 足 す る 材 料 系 が 有 っ た こ と に よ る と 考 え る こ と が できる口 緑 色 LEDは GaPにより 1970年 代 に 開 発 さ れ た 。 発 光 中 心 と し て 活 性 層 に 窒 素 が ド ー プ さ れ た も の で は O.7%の 外 部 量 子 効 率 、 ア ン ドープ の も の で は 0.2%の 外 部 量 子 効 率 を 有 す る 。 効 率 の 値 と し て は 低 い が 緑 色 は 視 感 度 が 最 も 高 い 波 長 領 域 で あ る た め 実 用 化 さ れ た。 しかし AllnGaP赤 色 LEDと比べると 視 感 効 率 は 1/5以 下 で あ り 、 発 光 効 率 が 低 い こ と は 否 め な い口GaP材 料 に よ る 緑 色 LEDの 発 光 波 長 は 窒 素 ド ー プ の も の で 565nrn、 ア ン ドー プ の も ので 555nrnで あ り 、 厳 密 に 色 表 現 し た 場 合 は 黄 緑 色 で あ る 。 これ は三原 色 の一つ で あ る 緑 色 そ の も の を 再 現 で き な い と い う こ と を 意 味 す る 。

青 色 LEDは SiCとGaNに よ る LEDが 開 発 さ れ て い た が 、 外 部 量 子 効 率 が SiC で 0.02弘、 GaNで O.1 % と 非 常 に 低 く 、 そ れ ら の 特 性 は 実 用 的 な レ ベ ノ レ に は 達 し て い る と は 言 え な か っ たロ高 効 率 な 青 色 LEDが 実 現 す る こ と に よ り LEDに よ る 光 の 三 原 色 が 揃 い 、 フ ノ レ カ ラ ーLEDデ ィ ス プ レ イ を は じ め と し て LEDの 応 用 分 野 が 飛 躍 的 に 広 が る の は 明 ら か で あ る 。す な わ ち 青 色 LEDの 高 効 率 化 は LED分 野 に お い て 最 も 切 望 さ れ て い る 課 題 で あ っ た。 -1ー

青 色 LEDの 材 料 の 候 補 と し て 、 SiC、Zn旬、 ZnS、GaNが 代 表 的 材 料 と し て 挙 げ ら れ る。ZnSeと ZnSは バ ン ド 構 造 が 直 接 遷 移 型 で あ る た め 高 い 発 光 効 率 が 期 待 で き る。 しかし p型 結 晶 を 作 成 す る こ と が 困 難 で あ る と い う 問 題 が あ

り 、 高 効 率 LEDの 実 現 に は 至 っ て い な い。

SiCを 用 い た 青 色 LEDは、SiC基 板 上 に pn接 合 を 成 長 し て 作 成 さ れ て い る 。 しカミし SiCの バ ン ド 構 造 が 間 接 遷 移 型 で あ る こ と か ら 外 部 量 子 効 率 は 0.02協 と 低 か った口SiC に 対 す る 良 好 な オ ー ム 性 電 極 が あ っ た こ と か ら 、 駆 動 電 圧 が 3Vと 低 く 他 材 料 に 対 し 優 位 で あ っ た。本 研 究 に 着 手 し た 時 点 で は SiCによ る 青 色 LEDが 商 品 化 さ れ る に 至 っ て い た が 、 そ の 光 度 は 20mcd程 度 で あ っ た た め 、 応 用 分 野 が 限 定 さ れ る も の で あ っ た 。

GaNで は p型 結 品 を 得 る こ と が 困 難 で あ っ た た め 、 MIS型 LEDに よ り 青 色

LEDが 研 究 さ れ て い た。GaNの 結 晶 性 が 良 く な か っ た こ と 、 MIS構 造 で あ る こ と 、 に よ り 外 部 量 子 効 率 は

O

.

1

%であったD

本 研 究 で LED作 成 の 材 料 と し て 用 い た GaN、InN、A1Nは 直 接 遷 移 型 の バ ン ド 、 構 造 を 有 し 、 発 光 素 子 材 料 と し て 適 し て い る 。 ま た 、 こ れ ら の バ ン ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー の 値 か ら 原 理 的 に は 紫 外 領 域 か ら 赤 色 領 域 ま で を 一 つ の 材 料 系 で カ バ ー で き る 可 能 性 が あ り 、 非 常 に 魅 力 的 な 材 料 系 で あ る と い え る 。 GaN に よ る LED作 成 に お け る 問 題 点 と し て 基 板 の 問 題 が 有 る。GaNの 大 型 イ ン ゴ ッ 卜 の 作 成 が 困 難 で あ る こ と か ら 、 GaN以 外 の 材 料 の 基 板 に GaNを 成 長 す る ヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ー を せ ざ る を 得 な いD 様 々 な 基 板 を 用 い た 試 み が 報 告 さ れ て い る が 、 サ フ ァ イ ア (A1₂0₃) が 用 い ら れ る こ と が 多 い。そ の 理 由 は 、 成 長 時 に お け る 基 板 の 化 学 的 安 定 性 や 熱 的 安 定 性 が 優 れ て い る た め 、 結 晶 性 の 良 い も の が あ っ た た め 、 と 推 測 さ れ る。 こ の よ う に 異 種 基 板 上 に エ ピ タ キ シ ヤ ル 成 長 す る た め 、 基 板 結 晶 と の 格 子 定 数 差 や 熱 膨 張 係 数 差 に よ り 結 晶 性 の 良 い GaN膜 の 作 成 が 困 難 で あ っ た。 1970年 代 か ら 80年代前半では、 GaNの 結 晶 成 長 に は ハ イ ド ラ イ ド 気 相 エ ヒ タ キ シ 一 法 (HVPE法 ) が 用 い ら れ た。HVPE法では、 N源 と し て ア ン モ ニ ア ( NH:J、 Ga源 と し て 金 属 Ga、Gaの 輸 送 に は HClが 用 い ら れ た。成 長 速 度 は 数 10'"'-'100~m/h と速いため厚膜の成長には適しているが、薄膜の厚み制御は 難 で あ った。HVPE法 に よ り 作 成 さ れ た GaNの 結 品 性 は 良 い と は 言 え ず 、 表 -2 -面 平 坦 性 や ク ラ ッ ク の 問 題 が あ っ たG 例 え ば 、 結 晶 性 を 良 く す る た め に 成 長 膜 厚 を 厚 く す る と サ フ ァ イ ア 基 板 と の 熱 膨 張 係 数 差 に よ り ク ラッ ク が 発 生 す る こ と で あ る。 また p型 GaNが 得 ら れ ず 、 作 成 さ れ た LEDは MIS構 造であっ た。 GaNを 発 光 層 に す る 場 合 、 そ の バ ン ド ギ ャ ッ プ が 紫 外 領 域に有 る た め Zn を ド ー フ す る こ と に よ り 深 い 準 位 を 形 成 し 青 色 発 光 を 得ていた。 しかしIiVPE 法 で は Znの ド ー ヒ ン グ 制 御 が 容 易 で な かった。 分 子 線 エ ピ タ キ シ 一 法 (MBE法 ) は 成 長 温 度 が HVPE法 よ り 数 百 度 低 い た め 、 残 留 ド ナ ー の 原 因 の 一 つ で あ る 窒 素 空 孔 を 減 少 さ せ る こ と が で き る と 期 待 さ れ る が 、 実 際 に は そ れ ほ ど 下 が ら な か っ た。Yoshida らはサファ イ ア 基 板 と に 単 結 品 A1Nを 中 間 層 と し て 成 長 し 、 そ の 上 に GaNを 成 長 すること で結 晶 性 を 改 善 す る 方 法 を 見 出 し た。しかし MBE法 に よ る 方 法 で は 発 光 効 率 の 高 い LED を 作 成 す る に は 至 っ て い な い。 1970年 代 後 半 か ら は 有 機 金 属 化 学 気 相 成 長 法 (MOCVD法 ) に よ る GaNの 研 究 が 多 く な っ た。MOCVD法 に よ り 作 成 さ れ た GaNの 結 晶 性 も 他 の 成 長 法 と 同 様 良 く は な か っ た。表 面 平 坦 性 、 ク ラ ック、 p型 GaNが得られない、とし、っ た 問 題 が あ っ た た め で あ る口1986年 Amanoら 1)に よ り 低 混 堆 績 AIN緩 衝j習を サ フ ァ イ ア 基 板 と GaN層 の 聞 に 入 れ る 方 法 が 見 出 さ れ 、 GaNの 質 が 大 き く改 善 さ れ た。p型 GaNを 得 る 方 法 と し て Mgド ー プ さ れ た GaNに 電 子 線 照 射 す る と と で p型 GaNが 得 ら れ た と い う 報 告 が 1989年 に Amanoらど)に よ り な さ れた。 し か し 高 効 率 青 色 LEDの 実 現 に は 至 ら な か っ た。 こ の よ う に 様 々 な 材 料 や 成 長 方 法 が 試 み ら れ て い る が 、 高 効 率 な 青 色 LED が 実 現 し て い な か っ た こ と 、 GaN系 材 料 の バ ン ド ギ ャ ッ フ 値 か ら 青 色 だ けで な く 紫 外 、 こ は く 色 、 赤 色 等 の LEDの 可 能 性 が あ る に も ん 、 か わ ら ず 殆 ど の 研 究 者 が 青 色 発 光 を 対 象 に し て い た。 これ らが 本 研 究 に 着 手 す る こ と に な っ た 動 機 で あ る口 1-2 本 研 究 の 目 的 本 研 究 の 目 的 は GaN系 材 料 を 用 い て 実 用 化 可 能 な 多 色 の 高 効 率 LEDを 作 成

-3-す る こ と 、 作 成 した LEDの 特 性 を 明 らか にする こ と で あ る 。検 討 す る LEDの 発 光 色は青 色 を は じ め と して緑 色 、 こ は く色 、 赤 色 、 お よ び 紫 外 で あ る。特 性 研 究 と し て 、 開 発 の キ ー ポ イ ン ト と な る InGaN活 性 層 を 有 す る LEDの 特 徴 的 現 象 で あ る 波 長 シ フ ト 現 象 の 原 因 、 発 光 効 率 と 転 位 の 関 係 、 に つ い て 検 討 し 、 解 明 す る こ と で あ る。 色 LEDの 作 成 と 評 価 を 述べる。 第 8章 で は 、 本 研 究 を 総括 し 、 本 研 究の成 果の ま と め と 、今 後 の 課 題 及 び 将 来 展 望 を ま と め る白 参 考 文 献

1 -3 論 文 の 構 成 1) H. J¥mano， N. Sawaki， 1.Akasaki and Y.Toyoda: Appl.Phys. Lett. 48(l986) 353 第 2章では、 GaNの 結 晶 成 長 に お け る 成 長 法 と 使 用 す る 原 料 に つ い て 述 べ 、 ア ン ド ー プ GaNに お け る 低 温 成 長 GaNバ ッ フ ァ 層 と キ ャ リ ア 濃 度 の 関 係 を 述 べる。 さ ら に 伝 導 型 の 制 御 に つ い て 検 討 す る。次に、 LED の 最 も 基 本 的 構 造 で あ る ホ モ 型 pn接 合 LEDの 作 成 と そ の 特 性 に つ い て 述 べ る。ま た 、 発 光 効 率 を 改 善 す る た め に は InGaN結 晶 が 必 要 で あ る こ と を 示 し 、 InGaNを 用 い た DH 型 LEDの 設 計 、 作 成 お よ び 評 価 に つ い て 述 べ る。 第 3章では、 DH型 LEDの 特 性 改 良 の た め に 単一量 子 井 戸 (SQW)活 性 層 を 有 す る LEDの 作 成 を し て 、 そ の 特 性 を 評 価 す る口 第 4章 で は 、 貫 通 転 位 密 度 と GaN系 LEDの 発 光 効 率 の 関 係 を 調 べ る た め に 、 サ フ ァ イ ア 基 板 上 と 貫 通 転 位 密 度 が 低 い 基 板 上 そ れ ぞ れ に LEDを 作 成 し 、 青 お よ び 緑 色 LEDに お い て 貫 通 転 位 が LED特 性 に ど の よ う な 影 響 を 及 ぼ す か に つ い て 検 討 す る。 第 5章では、 GaN系 LEDの 特 徴 的 性 質 で あ る 電 流 に よ る 発 光 ス ペ ク ト ル の 波 長 シ フ ト 、 周 囲 温 度 に よ る 発 光 ス ペ ク ト ノ レ の 波 長 シ フ ト 、 に つ い て 考 察 す

2) H. Amano， M. Kito， K. Hiramatsu and 1.Akasaki: Jpn. J.J¥ppl.Phys. 28(1989) L2112 る 第 6章 で は 、 高 効 率 紫 外 LEDの 作 成 を 行 い 、 そ の 活 性 層 に InGaNを 用 い る こ と に よ り 高 効 率 に な る こ と を 示 す口 さ ら に 高 効 率 を 実 現 す る た め に 貫 通 転 位 密 度 を 低 減 す る こ と が 有 効 で あ る こ と を 示 すD 第 7章では、 GaN系 LEDの 長 波 長 化 に つ い て 述 べ る。最 初 に 590nmの 発 光 波 長 の こ は く 色 LEDの 試 作 と 評 価 を 行 い 、 同一波 長 の AllnGaP材 料 の LED と 比 較 し て 発 光 出 力 の 周 囲 温 度 依 存 性 が 非 常 に 優 れ て い る こ と を 示 す。次 に 赤

-第 2章 Gaf¥系 pn接 合 LEDの 開 発 経 過 と 問 題 点 2-0 緒 言 本 研 究 に お い て 最 初 に 検 討 し た こ と は 、 成 長 装 置 の リ ア ク タ 一 部 の 構 造 で あ る 。 良 質 な GaNを 得 る た め に 10000

C

以 上 の 高 温 で 成 長 す る 必 要 が あ る 。 成 長 温 度 が 高 温 で あ る こ と は い く つ か の 副 作 用 を も た ら す 。 そ の 解 決 の た め の リ ア ク タ 一 部 の 構 造 、 そ の 構 造 が 何 を 意 図 し て い る か 、 に つ い て 2-1節 で 述 べる。 2-2節 で は ア ン ド ー ブ GaNの 成 長 と 評 価 に つ い て 述 べ る 。 2-3、 2

4節 で lよ GaNの 伝 導 型 制 御 に つ い て 述 べ る 。 n型 GaNで は Si及 び Geを ド ー パ ン ト に 用 い 、 キ ャ リ ア 濃 度 が ド ー パ ン ト 供 給 量 に 対 し て 直 線 的 に制 御 で き る こ と を 示 す 。 従 来 、 p型 GaNで は Mg ド ー プ と 電 子 線 照 射 に よ る p型 化 が 報 占 こ さ れ て い る が 、 本 研 究 で は p型 GaNを 得 る た め に 熱 処 理 を 施 す こ と に よ り 低 抵 抗 な p型 GaNを 得 る こ と に 成 功 し たD また Mg ドーブ GaNが 未 処 理 で 高 抵 抗 を 示 す 機 構 に つ い て 検 討 す るo 2 -5節 で は n-GaN/p-GaNホ モ 接 合 の 青 色 LEDを 作 成 し 評 価 す る 、2-6'"'-'2-8節 で は 発 光 出 力 を 高 め る た め に DH接 合 型 LEDの 検 討 を す るoDH型 LEDを 実 現 す る た め に InGaNの 成 長 に つ い て 検 討 す る。2-9節 で は InGaN活 性 層 に Zn と Si を 同 時 ド ー プ す る こ と に よ り 、 高 出 力 な 青 色 LEDが 得 ら れ る こ と に つ い て 述 べ る 。 2-1 0節 で InGaN: Zn， Si を 活 性 層 と す る LEDの 問 題 点 に つ い て 述 べ る 口 2 1 GaNの 成 長 法 及 び 原 材 料 本 研 究 に お い て 用 い た 成 長 方 法 は 有 機 金 属 化 学 気 相 成 長 法 (MOCVD 法 ) で ある。 MOCVD 法 は 装 置 の 形 状 、 特に ガ ス ア ロ ー に 係 わ る 部 分 に よ り 成 長 す る 膜 質 が 大 き く 影 響 さ れ 、 GaN系 材 料 の 成 長 に 用 い る MOCVD装 置 で は 標 準 的 ス タ イ ル'と い う も の が 現 在 の と こ ろ 確 立 し て い な い 本 研 究 で 用 い た MOCVD装 置 の リ ア ク タ 一 部 の 概 略 肉 11を凶 2- 1に 示 ナ。 -6

-S

T

A

I

N

L

E

S

S

STEEL

CHA

島

1BER

SUBSTRATE

ROTATING

SUSCEPTOR

HEATER

VACUUM

E

氾

IAUST

CONICAL

QUARTZ

TUBE

N 2

+H 2

口

¥

H2

+

NH3

+

TMG

図 2 - 1 MOCVD装 置 リ ア ク タ 一 部 の 概 略 ( ツ ー フ ロ ー MOCVD装 置 ) 本 装 置 の 特 徴 は 、 二 つ の 異 な る 目 的 を 有 す る ガ ス フ ロ ー が あ る こ と で あ る 。 基 板 に 対 し で ほ ぼ 水 平 に 流 れ る 原 料 ガ ス フ ロ ー ( メ イ ン フ ロ ー ) と メ イ ン フ ロ ー に 対 し て 垂 直 上 方 か ら 流 れ る 押 圧 ガ ス フ ロ ー ( サ ブ フ ロ ー ) の 二 つ で あ る 口 メ イ ン フ ロ ー の 目 的 は 原 料 輸 送 で あ り 、 サ ブ フ ロ ー の 働 き は 基 板 上 に 発 生 す る 強 い 上 昇 気 流 を 相 殺 し メ イ ン フ ロ ー を 基 板 上 全 体 に 接 触 さ せ る こ と で あ る 口 本 装 置 の 他 の 特 徴 と し て は 、 円 錐 型 石 英 サ ブ フ ロ ー 管 を 通 し て 赤 外 放 7

-成 長 条 件 の う ち 、 低 温 -成 長 GaNバ ッ フ ァ 層 (GaNバ ッ フ ァ 層 ) の 厚 み を (a)7.5nm、 射 温 度 計 に よ る 赤 外 放 射 を モ ニ タ ー す る こ と に よ り 成 長 表 面 の そ の 場 観 察 が (b)25nm、(c)50nm、 と 変 化 さ せ た と き の 、 高 温 で の GaN層 成 長 中 の 赤 外 放 射 ( 波 長 960nm)を モ ニ タ ー し た。 同 図 か ら 分 か る よ う に GaNバ ッ フ ァ 層 の 厚 み の 違

N

H

3 GaNバ ッ フ ァ 層 を 25nm GaNを 4

ぃ

m成 長 し た。 石 英 部 品 の 内 壁 面 の 汚 れ に よ り 赤 外 線 の 減 石 英 部 品 を 通 こ の パ タ ー ン に お い て (b)の よ う に 大 き な 振 幅 を 有 成 に 対 応 し て 振 動 す (a)の 場 合 、 成 長 表 面 は 六 角 形 GaNの 融 点 に お け る 窒 素 成長ノ。 (尚、 成 長 表 面 の 状 態 が 間 接 的 に そ の の 蒸 気 圧 は 1万 気 圧 以 上 に な る た め 3)バ ル ク GaNの 成 長 が 困 難 で あ る こ と が サ セ で 表 面 が 平 坦 に な っ 子 渉 す る こ と に よ っ 立 の 混 合 ガ ス サ フ ァ 20分 間 の 熱 ク 平I凡な h 成 長 膜 厚 が 増 加 し て も 表 面 は 平 担 に な ら な か っ た口 このように、 サ ブ フ ロ ー ガ ス に は 11リと -9-窒素源、として い に よ る 赤 外 放 射 強 度 の 時 間 変 化 の パ タ ー ン は 著 し い 差 違 が 見 ら れ る D ま ず 最 も 基 本 的 な 評 価 と し て ア ン ド ー プ GaNの 成 長 と 評 価 を 行 っ た。 成長した口 基 板 と し て 直 径 2イ ン チ の C面 サ フ ァ イ ア を 用 い たD なぜなら、 本 実 験 に お い て 赤 外 放 射 温 度 計 に よ る 絶 対 温 度 は 正 確 で な い。 プタ上にセットしたサファイア基板を H~ 雰囲気中で 10500 C 成 長 膜 厚 が 約 2).lmで 表 面 が 平 坦 に な っ たロ リ ー ニ ン グ を し た 後 、 Ga源 と し て ト リ メ チ ル ガ リ ウ ム (TMG)、 ( す な わ ち 成 長 膜 厚 ) (b)の 場 合 、 成 長 初 期 の 段 階 ( お よ そ 500nmの 成 長 膜 厚 ) 成 長 表 面 は 平 坦 で あ る。 サ セ プ タ か ら の 赤 外 線 放 射 が GaN層 で 多 重 反 射 し 基 板 温 度 を

S

l

O

O

C

まで降温し、 イ ア を 使 用 し た 理 由 は GaN基 板 が 無 い た め で あ る。 次 に 基 板 温 度 を 103S0

C

まで昇温し、 同 図 に お い て 、 長 中 に 赤 外 放 射 を モ ニ タ ー す る こ と に よ り 、 て 上 方 へ の 透 過 光 の 強 度 が 成 長 時 間 キ ャ リ ア ガ ス と し て

H

₂、 を使用した。 し て モ ニ タ リ ン グ し て い る た め 、 ア ン ド ー プ GaNの 特 性 す る 放 射 強 度 の 振 動 が あ る 時 、 と 考 え ら れ る か ら で あ る。 衰 が 生 じ る た め で あ る。) の ピ ラ ミ ッ ド 状 に な り 、 そ の 理 由 で あ る 口 (c)の場合、 原 材 料 で は 、 場 観 察 で き る 。 を用いた。 2-2 ば、 る た。 70 を 成 長 中 に 赤 外 放 射 を モ ニ タ ー し た 例 で あ る 。 -8-(b) 2)図 2-2に 赤 外 放 射 モ ニ タ ー 例 を 示 す。 ω 20 30 40 .50 Growth Tune (min) 70 放 射 温 度 計 に よ る 赤 外 放 射 モ ニ タ 一 例 で Ga 、‘ . ， ， c ， ， a_{‘ 、} ω 10 20 30 40 50 Growth Time (min) 1010 ， 、 ， m u ‘ J 2 2 i n M a u n u

σ

・

)

b

E

U

2

B

E

g

s

山 口 O 宕 否 認 出 1030 70 (a) ω 10 20 30 40 .50 Growth Time (min) 100S l日25 u b E 1020 u

a

c O vl vl 目1015 ' "

_E

H 口

。

高 1010 ℃ 忍 国 図 2-2 (10350 C) で き る こ と で あ る 。 10 本 図 は 高 温 電 d 内 υ ε J ω 0 0 ( U ・₎ b E U 沼 田

0

5

百 明 日 巴 ド ロ O 宕 否 認 出 1010 1030

ラ メ ー タ を 以 下 に 示 す。 _{方 法 と 同 様 で 、 パ ッ ク グ ラ ウ ン ド の キ ャ リ ア 濃 度 は 4X101i/}l_cm3_である

u

Si ドープ GaNについては、 Si H.j供給量を 1010から 10→mol/minま で 変 化 さ せ、 Ge ドープ GaNで は GeH₄供 給 量 を 109から 107mol/minま で 変 化 さ せ た。

作 成 し た 試 料 の 光 学 顕 微 鏡 に よ る 成 長 面 観 察 で は 、 Si ドープ GaNの 全 試 料 に 対 し て は ピ ッ ト 、 ク ラ ッ ク は 認 め ら れ な か っ た が 、 Ge ドープ GaN で は 10 7mol/min の Ge 供 給 量 に 対 し て 多 数 の ピ ッ ト が 発 生 し た口 図 2- 3に (a) SiH₄の供給量、 (b)GeH_{4の 供 給 量 と キ ャ リ ア 濃 度 の 関 係 を 示 す 。} サ ブ フ ロ ー ガ ス :H₂ 10Q/min， N₂ 10Q/min メ イ ン フ ロ ー キ ャ リ ア ガ ス : H₂ 2Q/min 11₃: 4Q/min TMG: 27日mol/min (バッファ層)

54

ロ

mol/min (アンドープ GaN層)

成 長 し た GaN膜 の 評 価 を 、 微 分 下 渉 金 属 顕 微 鏡 ( 以 下 光 学 顕 微 鏡 ) に よ る 表 面 観 察 、 二 結 品

X

線 ロ ッ キ ン グ カ ー ブ

(

X

R

C

)

の 半 値 幅 測 定 、 ホ ー ル 測 定 に よ る キ ャ リ ア 移 動 度 お よ び キ ャ リ ア 濃 度 の 決 定 に よ っ て 行 っ た。 光 学 顕 微 鏡 に よ る 表 面 観 察 で は 、 成 長 表 面 に は ピ ッ ト 、 ク ラ ッ ク お よ び ヒ ロック (hillock)は 無 く 、 平 滑 な 鏡 面 で あ っ た 。 ま た 目 視 で 無 色 透 明 で あ っ た 。

X

R

C

の 半 値 幅 は

4

分 で あ っ た。 ホ ー ル 測 定 の 結 果 、 伝 導 型 は n型 で キ ャ リ ア 移 動 度 は 室 温 お よ び 70Kでそ れぞれ 900 と 3000cm~/V・s、 キ ャ リ ア 濃 度 は 室 温 で 3X 1016/crn3_{で あ っ た} D こ れ ら の 測 定 結 果 は 従 来 の 報 告 例 4--7)と 比 較 し て 、 室 温 で の キ ャ リ ア 濃 度 、 す な わ ち 残 留 ド ナ ー 濃 度 が 最 も 低 く 、 キ ャ リ ア 移 動 度 が 最 も 高 い 値 で あ る 口 す な わ ち 、本 MOCVD装置は、 (1)GaN成 長 に 適 し た 構 造 で あ る 、 (2)低 温 成 長 GaNバ ッ フ ァ 層 が GaN成 長 に 適 し て い る 、 (3)成 長 ノ ぐ ラ メ ー タ ( 温 度 条 件 、 ガ ス 条 件 ) が う ま く 最 適 化 さ れ て い る 、 と い え る 。ま た 室 温 に お け る キ ャ リ ア 濃 度 が 3X1016/cm3_{と 低 い こ と は 、 次 に 述 べ る 伝 導 型 制 御 が 広 い キ ャ リ ア 濃 度} 範 囲 に 渡 り 可 能 で あ る こ と を 意 味 す る。 - B 判 白 河 )

r

';j

5

3

10 lO10 10-9

F

1

0w

R

a

te (moVmin) - g n H V E -2 -3 n型 Ga 図 2- 3 ﹄ ω 官 旬 U

(

b

)

石、

3

3

IO9 lO8

F

1

0w

R

a

te (moVmin) ‘ ， ， A H U - - A

本節では、 n型 ド ー パ ン ト と し て Siお よ び Ge8_{)を GaNに ド ー プ し て n型 GaN}

の 作 成 を 行 い 、 キ ャ リ ア 濃 度 制 御 が 可 能 で あ る こ と を 示 す 。 Si、Ge源 と し て H2希 釈 さ れ た SiH1(10pprn)、GeH.J(100ppm)を 使 用 し たD 成 長 法 は 前 節 で 述 べ た

ド ー パ ン ト 供 給 量 と キ ャ リ ア 濃 度 の 関 係 (a) SiH₄

Si ドープ、 Ge ド ー プ 共 に ド ー パ ン ト 量 増 加 に よ り キ ャ リ ア 濃 度 は 直 線 的 に高くなり、 Si ド ー プ で は 1

x

1017"'2X 1019_/cm3_{の範囲、 Ge ド ー プ で は 1X} 1017，，-， 1 X 1019/cm3の 範 囲 で リ ニ ア に 制 御 で き る こ と が 判 っ た 口 ま た 同 一 キ ャ リ ア 濃 度 を 得 る た め に は 、 GeH₄の 場 合 、 約 一 桁 多 く 供 給 す る 必 要 が あ り 、 ド ー ピ ン グ 効 率 で は Si H₄の 方 が 高 い こ と が 判 明 し た。 二 次イ オ ン 質 量 分 析 (SIMS)法 に よ る 不 純 物 濃 度 測 定 、 ホ ー ル 測 定 に よ る キ ャ リ ア 濃 度 決 定 、 の 結 果 、 不 純 物 濃 度 と キ ャ リ ア 濃 度 は 殆 ど 同 じ で あ っ た 。 す な わ ち Si 及 び Geは Gaサ イ ト に 入 り (IV属 元 素 で あ る Siと Geは GaNに 対 し て 両 性 不 純 物 で あ る 可 能 性 を 考 慮 、 ) 、 か つ 殆 ど が イ オ ン 化 し て い る と 考 え ら れ る 。 Ge の 方 が Siより GaNへ の 取 り 込 み 効 率 が 低 く な っ た 原 因 と し て 、 (1)Geの 方 が Siよ り 原 子 半 径 が 大 き い 、 (2)GeH₄が GaN表 面 へ 到 達 す る ま で に 何 ら か の 気 相 反 応 を 起 こ し GaN中 に 取 り 込 ま れ に く く な っ て い る (Ge-Hの 結 合 エ ネ ル ギ

ー は 290kJ/mol、Si-Hは 393kJ/mol)、ことが考えられる。 1X1019_/cm3_のキャ

リア濃度において、 Geド ー プ の 場 合 の み 多 数 の ピ ッ ト が 見 ら れ た こ と を 考 慮 、 す る と 、 (1)の 理 由 の 方 が 可 能 性 が 高 い と 推 測 さ れ る。 参照) 本 研 究 で は 上 記 の 結 果 を 踏 ま え て 、 熱 処 理 法 10)に よ っ て Mg ドーフ GaN層 全 体 を 低 抵 抗 な p型 と す る こ と を 検 討 し た 。 前 述 と 同 様 に 作 成 し た 4υmの Mg ドープ GaNをN₂雰 囲 気 中 で 熱 処 理 し 、 抵 抗 率 の 変 化 を 調 べ た 。 熱 処 理 条 件 は 、 温 度 が 室 温 か ら 10000

C

ま で 、 熱 処 理 時 間 は 20分 と し た 。 結 果 を 図 2-4に 示す。 107 6 10 5 10

g

g

lo3 E

下

5

b

回a目凶a l 1O 02 10 2 -4 p型 GaN

従来、 p型 GaNを 得 る こ と は 困 難 で あ っ た 。 最 近 、 Amanoらが Mgドープ GaN に 低 速 電 子 線 照 射 (LEEBI)することにより p型 GaNが 得 ら れ る 5)と い う 報 告 を

し た 。 本 節 で は Mg ドープ GaNの p型化について述べる口 ま ず 4)-lm厚 の Mgドープ GaNを作成した。 Mg源 と し て ビ ス シ ク ロ ペ ン タ ジ エ ニ ル マ グ ネ シ ウ ム (CP2Mg)を 使 用 し 、 供 給 量 は 3.6)-lmol/minとした。この試 料 の 抵 抗 率 は 4X 10・IQ・cmで あ っ た 。 次 に 5kVの 加 速 電 圧 で LEEBI処 理 を す る と 抵 抗 率 が 3Q・cmに下がった。 5kVの加速電圧では、 GaNへ の 電 子 線 の 侵 入 深 さ は 約 200nmと見積もられている。 5)実際、 試 料 表 面 を 段 階 的 に エ ッ チ ン グ し て 抵 抗 率 を 測 定 し た と こ ろ 、 最 表 面 は 低 抵 抗 化 し て い る が 、 表 面 か ら 700nm以 上 の 深 部 は 低 抵 抗 化 し て い な い こ と が 確 認 さ れ た。このように LEEBI 処 理 に よ り 試 料 表 面 部 の み が 低 抵 抗 化 1 .9)す る こ と が 確 認 さ れ た 口 ( 図 2-5 10

。

200 400 600 800 1000

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

e

CC)

図 2-4 Mgドープ GaNの 抵 抗 率 と 熱 処 理 温 度 の 関 係 り ふ 寸 ' A 円 ︽ U 可 ， ょ

処 理 あ る い は 熱 処 理 温 度 が 4000 Cま で は 抵 抗 率 の 変 化 が 殆 ど 見 ら れ ず 106_{0 . cm程 度 で あ っ た。400}0 Cを 越 え る と 抵 抗 率 が 急 激 に 小 さ く な り 、 7000_C 以 上 で 数 Q・cm程 度 に 落 ち 着 い た口 Mgドープ GaNの 全 領 域 に お い て 熱 処 理 に よ る 低 抵 抗 化 が な さ れ て い る か を 調 べ る た め 、 試 料 表 面 を 段 階 的 に エ ッ チ ン グ し て 低 抗 率 を 測 定 し た 結 果 を 図 2 - 5に 示 す。試 料 は LEEBI処 理 し た も の (...印)と 7500_{C熱 処 理 し た も の} (・印 ) で あ るロ

1

0

1

0

g

(.)

。

〉、 l

吉

1

0

∞

v) ω 出

1

0

" n u -E ・ E

・

-熱処理した試料では 3μm までエッチングしたが抵抗率は、 2~30 ・ cm とほ ぼ 一 定 の 値 で あ っ たoLEEBI処理した試料では、 700nm以 上 の エ ッ チ ン グ 深 さ で 100"'-'3000・cmと 表 面 部 の み 低 抵 抗 で あ っ た。こ の よ う に 札 雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 に よ り Mgドープした GaNを 表 面 部 の み な ら ず 試 料 深 部 ま で 低 抵 抗 化 で き る こ と が 判 っ た。 図

2- 5

に お い て 、 エ ッ チ ン グ 深 さ が 増 す に つ れ て ほ 抗 率 が 徐 々 に 小 さ く な っ て い る D こ の 理 由 に つ い て 考 え る 。 ま ず 、 Mg濃 度 の 膜 厚 方 向 の プ ロ フ ァ イ ル は 表 面 側 の 方 が 高 い ( 次 章 の 図 3- 3を参照)口これは Mgドープ GaNの 成 長 に お い て 良 く 知 ら れ て い る Mgの ( 反 応 室 、 配 管 な ど へ の ) メ モ リ ー 効 果 と 考 え ら れ る 口 表 面 側 の 方 の Mg濃 度 が 高 い に も か か わ ら ず 、 図

2- 5

で は 表 面 側 の 方 の 抵 抗 率 が 高 く な っ て い る D 従って、 1)表 面 側 の キ ャ リ ア 移 動 度 が 低い、 2)表面偵JIの Mgの 活 性 化 率 が 低 い ( キ ャ リ ア 濃 度 が 低 し ¥)、ということ が考えられる白 1)について考察する口 Mgドープ GaNの 成 長 で は 、 成 長 膜 厚 の 増 加 と と も に 成 長 表 面 の 平 坦 性 が 悪 く な る 口 す な わ ち 表 面 側 の 結 晶 性 が 悪 い (結晶欠陥が多し¥) と 考 え ら れ る 。 従 っ て 表 面 側 で は 、 結 晶 欠 陥 に よ る キ ャ リ ア の 散 乱 に よ り キ ャ リ ア 移 動 度 が 低 く な り 、 抵 抗 率 が 高 く な る と 考 え る こ とができる口 2)で は 1)と 同 様 に 、 結 晶 欠 陥 が Mgア ク セ ブ タ を 補 償 す る こ と に よ り ( 結 晶 欠 陥 が ド ナ ー と し て 振 舞 う と し て ) 、 表 面 側 の キ ャ リ ア 濃 度 が 低 く な り 抵 抗 率 が 高 い と 考 え る こ と が で き る。 抵 抗 率 の 変 化 が 、 (1)可逆的であるか、 (2)雰 囲 気 ガ ス に 依 存 す る か 、 を 調 べ る た め に 以 下 の 実 験 を し た 。 LEEBI処 理 に よ り 低 抵 抗 化 し た GaNの、 NH₃お よび

N

₂雰 囲 気 中 で 熱 処 理 温 度 を 変 え た 時 の 抵 抗 率 を 調 べ た。例 え ば GaAsで は、 Znア ク セ プ タ が 水 素 に よ り 補 償 さ れ る こ と が 知 ら れ て い る D i l)そ の た め 水 素 を 含 む ガ ス と い う 意 味 で 雰 囲 気 ガ ス に NH₃を 使 用 し た。結 果 を 図 2- 6 に 示 す。N2雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 で は 、 抵 抗 率 は 温 度 に よ ら ず 数Q・cmと変化 が 見 ら れ な か っ た が 、 NH₃雰 囲 気 中 で 熱 処 理 し た 試 料 で は 、 4000 Cを 越 え る と 急 激 に 抵 抗 率 が 高 く な り 、 6000 C以 上 で は 約 1

x

106_{0・cmで一定となった。} AIIfII‘~ : LE回EBIT而r陀ea伽加e削ntt • :1百百1百ne恥児ennalAnn町m附 叩n悶1児 悶ee伺叫a

。

1

.0

2

.

0

3

.

0

E

t

c

h

i

n

g

De

p

t

h

(μm)

図 2- 5 7500 Cで 熱 処 理 し た Mgドープ GaNとLEEBI処 理 し た Mg ド、ープ GaNの抵抗率とエッチング深さの関係、

107 圃 :NH3Ambient . 内 A n 的nt 5 10

0

写

104 -・

M

t

を

ー

HU h む活の 1 032 10 10

。

10 10 子 は ク ー ロ ン 力 で ぺ ア を 形 成 し て い る 。 こ の 状 態 が Mgドーフ GaNの 高 抵 抗 状 態であり、 N:!雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 に よ り Mg-Hの 結 合 を 熱 エ ネ ル ギ ー で 切 り 、 結 晶 中 か ら Hが 抜 け た 状 態 が 低 抵 抗 状 態 で あ る と 考 察 さ れ る 。 ま た 、 高 低 抗 率 状 態 と 低 抵 抗 率 状 態 は 可 逆 的 な 変 化 で あ る こ と が 判 明 し た。 2-3、 2-4節 で GaNの 伝 導 型 制 御 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た。そ の 方 法 により pn接 合 を 有 す る LEDを 試 作 す る。成 長 層 の 構 成 は サ ブア イ ア 基 板 側 か

らGaNバッファ層、 n型 GaN層 (Si ドープ)、 p型 GaN層 (Mgドーブ)のIJ頃に

成長した口 n型 GaN層 は キ ャ リ ア 濃 度 が 5XI018_/cm3_{、 厚 み が 4μmで あ る。p} 型 GaN層 は 、 キ ャ リ ア 濃 度 が 8XI018_/cm3_{、 厚 み が 800nmで あ る。成 長 後} LEEBI(5kV)処理をした。 LEEBI処 理 で は 、 試 料 表 面 部 の み が 低 抵 抗 化 す る の で 厳 密 に は p/p-/nの層構成である。 LEDの 作 成 方 法 に つ い て 述 べ る 。 p層 表 面 の 一 部 を n層 が 露 出 す る ま で エ ッ チ ン グ し 、 露 出 し た n層 に Al、p層 表 面 に Auを 蒸 着 し た口次 に O.6mmXO. 5rnm の サ イ ズ に 切 断 分 離 し 、 リ ー ド フ レ ー ム に 載 せ 砲 弾 型 に モ ー ノ レ ド し た。図 2

- 7

に チ ッ プ 断 面 図 12)を示す。

2-5

ホ モ 型 pn接 合 LEDの 作 成 と 評 価

o

200 400 600 800 1000

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

e

(

O

C

)

図 2-6 低 抵 抗 化 さ れ た GaNの NH3お よ び N2雰 囲 気 中 に お け る 熱 処 理 温 度 と 抵 抗 率 の 関 係 以 上 の 様 に 、 ①Mgドープ GaNが N2雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 に よ り 低 抵 抗 化 す る 境 目 の 温 度 、 ま た NH₃雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 に よ り 高 抵 抗 化 す る 境 目 の 温 度 は 4000_{Cで あ る こ と 、 ② 低 抵 抗 化 し た} GaNが NH₃雰 囲 気 中 で の 熱 処 理 に よ り 再 び 高抵抗化するが、 Nっ雰 囲 気 中 で は 低 抵 抗 を 維 持 す る こ と 、 が 判 っ た 。 ① 、 ② の 結 果 か ら 、 Mgドープ GaNが 高 抵 抗 に な る 理 由 と し て 、 原 料 ガ ス の NH₃の Hが ア ク セ プ タ を 補 償 し て い る と い う モ デ ル が 考 え ら れ る 。すなわち、 Mgドープ GaNに 取 り 込 ま れ た 原 子 状 水 素 は Mgに 電 子 を 与 え 、 水 素 及 び Mg原 p h u 唱 E A ヴ t 1 i

P

-

E

l

e

c

t

r

o

d

e

P-GaN L

a

y

e

r

c y

QU

L

ρ し v

一

・

ρ し_V

W

一

出

L

一

n m

N

一

- w

a

一

J U

G

一

α

N

一

S

a

p

p

h

i

r

e

S

u

b

s

t

r

a

t

e

図 2- 7 pn接 合 GaN.LEDの チ ッ プ 断 面 図

作 成 し た LEDの 特 性 の 測 定 は 室 温 、 直 流 に て 行 っ た。20mAの1)慎方向電流(If)

にお け る 順 方 向 電 圧 (Vf)は り で あ っ た。10、30、50mAの Ifに お け る 発 光 ス ペ クトノレを図 2- 8に示す。 10mAの Ifで の 発 光 ピ ー ク 波 長 は 430nm、スペク トノレ半値幅は 55nmで あ っ た。_Ifを 50mAま で 増 加 さ せ た と き 390nm付 近 に シ ョル ダ ー が 見 ら れ た。同 様 の 現 象 が Amanoら 13)に よ り 報 告 さ れ て い る が 、 そ の ピ ー ク 位 置 は 370nm で あ り 本 結 果 と は 異 な る o (Amano ら の 報 告 で は 1 r=30mAに お いて 370nmに 明 ら か な ピ ー ク が 見 ら れ る。)Amanoら の 実 験 で は n-GaN層 は ア ン ド ー プ で あ る が 、 本 研 究 で は n-GaN層 は Si ド ー プ で あ り キ ャ リ ア 濃 度 は 5XIOJ8_/cm3_{と 比 較 的 高 濃 度 で あ る。そ の た め n-GaNの バ ン ド テ イ} ル に よ り Amanoら の 結 果 よ り 長 波 長 に な っ た と 考 え ら れ る。発 光 出 力 は 20mA の 1₁に お い て 42μWで あ っ た。外 部 量 子 効 率 は 2mAの Ifで O.18%で あ っ た。 ， 、ch

ロ

，d 、，，、

j

八)ご

50mA

a

u 〉u

ロ

q 、 ー凶

」

I

1

¥

¥

IF=30 mA IF=10 mA 3

∞

4

∞

5

∞

600 7

∞

8

∞

m

L u

g

n

v

w

図 2-8 pn接 合 GaN.LEDの 発 光 ス ペ ク ト ル 2 -6 DH型 LEDの 設 計 と 良 質 InGaN結 品 の 必 要 性 一 般 的 に 実 用 レ ベ ル の LEDと し て は lmW程 度 の 発 光 出 力 が 必 要 で あ る。前 n δ t E_ム 日_刊 d 吋 l ム

節 で 述 べ た ホ モ 型 pn接 合 LEDの 発 光 出 力 は 42

ぃ

Wで あ り 、 実 用 レ ベ ル と は 言 い 難 い口発 光 出 力 を 上 げ る 方 法 と し て シ ン グ ル ヘ テ ロ 構 造 あ る い は ダ ブ ル ヘ

テロ(DH)構 造 を 用 い る 方 法 が あ る が 、 こ こ で は 原 理 的 に 発 光 効 率 を 高 く で き る DH構 造 を 用 い た LEDの 検 討 を す る。ク ラ ッ ド 層 に GaNを 用 い る こ と を 前 提

に考 え ると 、活性層は GaNよ り バ ン ド ギ ャ ッ プ が 小 さ い 層 に す る 必 要 が あ る。

GaN、AIN、InNの バ ン ドギャッ フ エ 不 ル ギ ー が そ れ ぞ れ 3.4eV、6.2eV、1.geV

で あ る。 そ れ ゆ え GaN と InN の 混 晶 を 活 性 層 に 用 い る こ と に よ り GaN/lnGaN/GaNの DH構 造 LEDが 有 望 で あ る こ と が 判 る。しかし InGaNの 研 究 報 告 の 数 は 少 な く 、 報 告 さ れ た InGaNの 結 品 性 も 不 十 分 で あ っ た 1416)。InGaN 結 晶 を 作 成 す る こ と が 青 色 LEDの 高 出 力 化 に 必 要 不 可 欠 で あ る と 考 え 、 そ の た め の 研 究 を 次 の よ う に 行 っ た。 (a) 〆'圏、_{コ GaN} . m w ) h = 凶 ロ ω } 口 ︼ ロ ♀ ち

ε

ヒ

-Q

h

S

H

I

X

A V GaN 2-7 InGaN結 晶 成 長 と 評 価 -2000 -1000

。

1000 2000 InGaNの成長は、 GaNの 成 長 温 度 よ り 低 い 8300 C と 7800 Cで行った口これは、 InGaNの 成 長 中 に お い て 成 長 表 面 か ら InGaNが 昇 華 す る こ と を 防 ぐ た め で あ る。成 長 は ま ず ア ン ド ー プ GaNを 2pm成 長 し て か ら そ の 上 に 成 長 し た。17)1 n 源 に は ト リ メ チ ル イ ン ジ ウ ム (TMI)を用いた。InGaN 層 の 成 長 条 件 は 、 NH₃、 TMI、 TMG供 給 量 を そ れ ぞ れ 4s/min、 24pmol/min、 2pmol/min、 サ ブ フ ロ ー 流 量 は N2を 20s/min、 メ イ ン フ ロ ー キ ャ リ ア ガ ス は N2を 2Q/minとした。 成 長 し た InGaNの 評 価 は 光 学 顕 微 鏡 に よ る 観 察 、 XRC法 、 フ ォ ト ル ミ ネ ッ セ ン ス (PL)法 に よ り 行 っ た。 光 学 顕 微 鏡 に よ る 観 察 で は TnGaN 表 面 は 平 滑 な 鏡 面 で あ っ た。 目 視 で は 8300 Cで 成 長 し た 試 料 は 無 色 透 明 、 7800 Cで 成 長 し た 試 料 は 薄 い 黄 色 を 帯 び て い た。XRC測 定 の 結 果 を 図 2- 9に 示 す口8300 Cで 成 長 し た 試 料 は Inモ ル 分 率 が

O

.

14、7800 Cで 成 長 し た 試 料 は Inモノレ分率が 0.24で あ った。InNがより 昇 華 し や す い 高 温 で の 成 長 に お い て In モ ル 分 率 が 低 く な る 結 果 に な っ たD InGaNか ら の 回 折 ピ ー ク の 半 値 幅 は 8300

C

_{成 長 お よ び 780}0_{C成 長 試 料 に 対 し そ} れ ぞ れ 8分、 9分であった。

D

i

f

丑

a

c

t

i

o

n

A

碍

l

e8

(

s

e

c

)

図 2-9 GaN上 に 成 長 し た InGaNの XRC (a) 8300

C

(b) 7800_C PLによる評価では、 8300 C成 長 お よ び 7800 C成 長 試 料 に 対 し そ れ ぞ れ の ピ ー ク 波 長 は 400問、 438nmで あ っ た口Inモ ル 分 率 が 高 い 7800

C

_{成長試料では、} PLの ピ ー ク 強 度 が 8300

C

_{成 長 試 料 の 1/3程 度 で あ っ た。Inモノレ分率が高くな} ると PLの ピ ー ク 強 度 が 弱 く な る ( 結 晶 性 が 悪 く な る ) 理 由 は、Inモノレ分率 が 高 い InGaNは Inモ ル 分 率 が 低 い InGaNよ り 成 長 温 度 が 低 い た め で あ る と 考 え ら れ るD 成 長 温 度 が 低 い 場 合 、 成 長 表 面 の 原 子 の マ イ グ レ ー シ ョ ン が 少 な くなり In、 Ga及 び Nが 正 規 原 子 位 置 に 収 ま る 率 が 低 く な る と 推 測 さ れ る 。

100ト (c) ミ〆ヌー‘、 、._"

a

g

b

50

出

+司apb ud JS

。

300 400 500 600 700

W

a

v

e

l

e

n

g

t

h

(

n

m

)

一般的に、 PL強 度 と EL強 度 は 強 い 相 関 が あ る た め 、 発 光 効 率 が 高 い LED を得 る た め に は PL強 度 が 強 い 必 要 が あ る白そこで、 InGaNの PL強 度 を 強 く す る た め に Si ドーフ InGaN の 成 長 を 行 っ た。成 長 条 件 は 8300

C

で 成 長 し た InGaNと同様で、 Si _{H4供 給 量 を 0.22nmol}/min、l.50nmol/min、 4.46nmol/min

と 変 え て 実 験 し た。PL強 度 は 3試 料 と も ア ン ド ープ InGaNよ り 一 桁 以 上 強 く なり、 18lSiH4供給量がl.50nmol/minの 試 料 が 最 大 の PL強 度 を 示 し 、 ア ン ド ープ InGaNの そ れ の 36倍 の 強 度 で あ っ た。Si _{H4供 給 量 が 4.46nmol}/minの 試 料 で は バ ン ド 端 近 傍 の 鋭 い ピ ー ク 以 外 に 550nm付 近 を 中 心 と す る ブ ロ ー ド な ピ ー ク が 現 れ た。過 剰 な SiH4供 給 に よ る 結 晶 性 低 下 が 原 因 と 考 え ら れ る 。 Mg

ドープ GaNの PL強度と Si_{H4供 給 量 が} 1.50nmol/minの 試 料 の PL強度では、 Si ドープ InGaNの 方 が お よ そ 20倍 の PL強 度 を 示 し た。

こ の よ う に Si ドープ InGaNで 強 い PL強 度 が 得 ら れ る こ と が 半jIっ た。 この こ と は 、 こ の 層 を DH構 造 LEDの 活 性 層 に 用 い る こ と に よ り 発 光 出 力 の 高 い LEDが 作 成 可 能 に な る こ と を 意 味 す る 。

図 2- 1 0 (a)5mA， (b)10mA， (c) _{20mAの Ifに お け る 発 光 ス ペ ク ト ル}

2 -8 DH型 LEDの 試 作 と 評 価 1 (InGaN:Si)

強 い PL 強 度 が 得 ら れ る Si ド ー プ InGaN を 活 性 層 と し て n-GaN/n-InGaN/p-GaN構 成 で DH型 LED19)を 作 成 し た。n-GaNお よ び p-GaNの 厚 み は そ れ ぞ れ 印m、 800nmと し た。n-InGaNの 成 長 温 度 は 8000

C

_、

Si _{H4流 量} は lnmol/min と し 、 厚 み は 20nm とした。Inモノレ分率は O.2で あ る。InGaN 層 成 長 の そ の 他 の パ ラ メ ー タ は 前 節 で 述 べ た 値 と 同 じ と し た。Mg ドープ GaN の 低 抵 抗 化 は LEEBIで 行 っ た。LED ラ ン プ の 作 成 方 法 は 2- 5節 で 述 べ た 方 法 と 同 様 で あ る。 特 性 の 浪IJ定 は 室 温 、 直 流 に て 行 っ た。作 成 し た DH型 LEDの 発 光 出 力 と 外 部 量 子 効 率 は 20mAの し で そ れ ぞ れ 125pW、 O.22切であった。発 光 ピ ー ク 波 長 お よ びスペ ク卜ノレ半値幅はそれぞれ 20mAの Ifで 440nm、 28nmで あ っ たD 図 2- 1 0に 示 し た 発 光 ス ペ ク ト ル か ら わ か る よ う に 、 I_fを 5mAから 20mA ま で 変 化 さ せ た 時 の ス ベ ク ト ル の 変 化 は 殆 ど 見 ら れ な か っ た。_{Vfは 20mA の} Ifに お い て 19Vと 高 い 値 で あ っ た。2-5節 の ホ モ 型 pn接 合 LEDで は 、 同 じ Ifに お い て 4Vと 低 い 値 で あ っ た の に 対 し こ れ は か な り 高 いロこ の 原 因 と し て は p-GaN層 の キ ャ リ ア 濃 度 が 低 く 良 好 な オ ー ミ ッ ク コ ン タ ク ト が 形 成 さ れ な か っ た こ と が 考 え ら れ る。p-GaN 層 の キ ャ リ ア 濃 度 が 低 く な っ た 理 由 は 、 p-GaN層 の 下 地 で あ る InGaN層 の 結 晶 性 が 悪 い た め で あ る と 考 え ら れ る。 2 - 7節 で 述 べ た よ う に InGaNは Inモ ル 分 率 が 高 く な る に つ れ そ の 結 晶 性 が 悪 く な る 傾 向 が あ る。す な わ ち 結 品 性 の 悪 い InGaN層 上 に p-GaNを 成 長 し た た め p-GaN層 に 結 品 欠 陥 が 導 入 さ れ こ れ に よ り ア ク セ プ タ の 補 償 が 起 き キ ャ リ ア 濃 度 が 低 く な っ た と 考 え ら れ る 。 以 上 の よ う に ホ モ 型 LEDで は 42pWで あ っ た 発 光 出 力 を Si ドープ InGaNを o b n L

-23-用 い た DH型 LEDを 作 成 す る こ と に よ っ て 125μWま で 上 げ る こ と が で き た口

1

0

0

2

-9

DH型 LEDの 試 作 と 評 価

n

(InGaN:Zn，

S

i

)

310

・

P

富

田山4 ョ

-

a

4

叫 青 色 LED の 理 想 的 な 発 光 ピ ー ク 波 長 は お よ そ 450'"'-'470nmで あ る が 、 前 節 に お い て 試 作 し た LEDの ピ ー ク 波 長 は 440nmで あ っ た。波 長 を 長 く す る た め には 1nGaNの 1nモノレ分率を上げることで可能になるが、

2-

7

節 で 述 べ た よ うに 1n モ ル 分 率 を 高 く す る と 結 晶 性 の 悪 化 を 招 く の で 発 光 効 率 が 低 下 し て しまう o1 nモ ル 分 率 を 低 く 抑 え た ま ま ピ ー ク 波 長 を 長 く す る 方 法 と し て 深 い 準 位 を 形 成 す る 不 純 物 を ド ー ピ ン グ す る 方 法 が 考 え ら れ る。そ こ で Zn ドーフ。 1 nGaN20)の 試 作 、 評 価 を し た。Zn 源 と し て ジ エ チ ル 亜 鉛 (DEZ)を 用 い た。1n モ ル 分 率 は 0.23 とした。 こ の モ ル 分 率 で は 、 ア ン ド ー プ ま た は

S

i

ドープ InGaNの場合、 PLの ピ ー ク 波 長 は お よ そ 430nmであったが、 Zn ドープの場合、 発 光 ピ ー ク 波 長 は 520nmで あ っ た口次 に InGaNへ の Zn、

S

i

同 時 ド ー プ の 実 験 を 行 っ たoZn 、

S

i

の 供 給 量 を 変 え て キ ャ リ ア 濃 度 と PL強度の関係、を調べた。 図 2- 1 1に 結 果 を 示 す口

0

.

1

1

0

1

4 _l(

_f

_S

₁

₀

_.

6

₁

₀

_.

7

₁

₀

18

₁

₀

19

₁

₀

20

₁

₀

21

C

a

r

r

i

e

r

C

o

n

c

e

n

t

r

a

t

i

o

n

(cm

・3) 図 2-1 1 InGaN:Zn，

S

i

の キ ャ リ ア 濃 度 と PL強 度 キ ャ リ ア 濃 度 が lX1019/cm3_{に お い て PL強 度 が 最 大 と な る こ と が 判 った。} こ の 理 由 は 、 (1)発 光 再 結 合 寿 命 は キ ャ リ ア 濃 度 の 逆 数 で あ る の で 、 InGaN層 の キ ャ リ ア 濃 度 が 高 い ほ ど PL 強度が高くなる、 (2) lXl01リ /cm3のキャリ ア 濃 度 で は 、 キ ャ リ ア 濃 度 を 高 く す る た め に 過 剰 の

S

i

を ドープ して IllGa の 結 晶 性 が 悪 化 し て PL強 度 が 低 下 し た 、 た め と 考 え ら れ る 白こ の よ う に InGaN へ の Zn ドープにより 1nモ ル 分 率 を 上 げ る こ と 無 く 長 波 長 化 で き 、 Zn、

S

i

の 同 時 ド ー プ に よ り 発 光 強 度 の 最 適 化 が 可 能 で あ る こ と が わ か っ た。Zn、

S

i

同 時 ド ー プ し た 1nGaNを 活 性 層 に し た DH型 LE020，21)の 試 作 を した。層 構 成 は Ga

ノくッファ、 n-GaN、n-AI_O・15GaO.85N、n-1nO. OGGa_O. 94N、p-Al(J15GaO.85N、p-GaNとし

た。 ク ラ ッ ド 層 を AIGaNに し た 理 由 は 、 活 性 層 の 1nモ ル 分 率 が 低 い た め DH 接 合 の バ ン ド オ フ セ ッ ト を 卜 分 に 取 る た め で あ る。チ ッ プ 作 成 、 ラ ン プ 作 成 は

2-

5

節 で 述 べ た 方 法 と 同 様 で あ る 口p層 の 低 抵 抗 化 は 7000 C、N_z雰 囲 気 で A 斗 畠 ワ 白

-25-の 熱 処 理 で 行 っ た。 試 作 し た LEDの室温、 20mAの I_fに お け る 発 光 出 力 、 外 部 量 子 効 率 、 V_f、ピ ー ク 波 長 、 スペ ク ト ル 半 値 幅 は そ れ ぞ れ 150011W、2.7目、 3.6V、450nm、70nm で あ っ た。 I_fを O.5mAから 20mAま で 変 化 さ せ た 時 の 発 光 ス ベ ク ト ル の 変 化 を 図 2 -1 2に 示 す。スペクトルの測定には、 InGaN活 性 層 の 成 長 条 件 が 異 な る 試 料 で、 20mAの 1fで 500nmの ピ ー ク 波 長 を 有 す る も の を 用 い た 。

1

ω

Ifが O.5mA、lmAの 時 に は 520nmから 530nmに 主 ピ ー ク の み が 見 ら れ る が 、20mA

の Ifに お い て は 425nm付 近 に シ ョ ル ダ ー が 見 ら れ た。図 中 に は 示 さ れ て い な い が 、 さ ら に Ifを 増 加 さ せ た 時 に は シ ョ ル ダ ー か ら 明 ら か な ピ ー ク に な っ た。 Ifの 増 加 に 伴 い シ ョ ル ダ ー が 現 れ る 原 因 を 考 え る 。 本 LEDの発光は、 InGaN 層 に ド ー プ し た ZnとSiの ド ナ ー ア ク セ プ タ ー ベ ア (DAP)に よ る 発 光 、 あ る い は 自 由 電 子 と ア ク セ プ タ に よ る 発 光 、 と 考 え ら れ る ロ 従 っ て I_fの 増 加 に よ っ て 中 性 ア ク セ プ タ が 枯 渇 し ( ア ク セ プ タ 不 純 物 の 多 く が イ オ ン 化 し ) 、 ノ く ン ド間近傍の発光の害Ij合が大きくなってくるためであると考えられる。 試 作 し た LEDの寿命特性は、 20mAの I_fに お い て 300時 間 の 通 電 後 に 初 期 の 98協 の 発 光 出 力 で あ っ た 。 劣 化 し た 原 因 の ー っ と し て 、 モ ー ル ド 材 料 の エ ポ キ シ 樹 脂 が LED光 の 短 波 長 成 分 を 吸 収 し て 光 劣 化 し た 可 能 性 が 考 え ら れ る。 比 較 の た め に 金 属 ス テ ム 上 に LEDチ ッ プ を マ ウ ン ト し た LED(エポキシ樹脂 に よ る モ ー ル ド 無 し ) を 作 成 し 、 そ の 寿 命 特 性 を 測 定 し たo 20mAの Ifにおけ る 300時 間 の 通 電 後 で は 発 光 出 力 の 低 下 は 全 く 見 ら れ な か っ た 。 こ の 結 果 か ら 発 光 出 力 低 下 の 原 因 は 、 エ ポ キ シ 樹 脂 の 劣 化 に よ る 影 響 で あ る 可 能 性 が 高 いD こ れ を 確 認 す る た め に InGaN活 性 層 の Znド ー プ 量 を 変 え た LEDを作成し、 意 図 的 に 発 光 ス ペ ク ト ル の シ ョ ル ダ ー ( バ ン ド 開 発 光 ) 強 度 が 異 な る LEDを 作 成 し た 。 こ れ ら の LEDの 寿 命 を 40mAの I_fで測定した。 40mAで 測 定 し た 理

由 は シ ョ ル ダ ー が よ り 強 く 出 る た め で あ る 。 結 果 を 図 2- 1 3に示す。 p- h a d 加

o

“

u

炉回

E

・

a

，

4

、

s

o

吋 同

。

4

0

0

4

5

0

5

0

0

5

5

0

6

0

0

6

5

0

7

0

0

Wavelength (om)

図 2- 1 2 Ifを 0.5mAから 20mAま で 変 化 さ せ た 時 の 発 光 ス ペ ク ト ル の 変 化 ρ h v n 〆 臼 _-27一

図 2-1 3 バ ン ド開発光 強 度 と LED寿 命 の 関 係 120 3

。

¥

100ト 、、../ ト ト ト ト 白 り の り の o h o e o r 0 4 噌 司 ， M M_吋 乾 繋 h h 召架 線

Q

溺

E

世 0 0 の

。

120

. " . ，

'

H

W

・

‘

.•

・

••

•

•

_きミ100

•

、._/

.

.

.

，

e • 鴇 ト

•

•

•

党 議

2

80

•

_ε

、

:

••

千

ミ

，

召 当 世Q

ミ

R

60

••

.

、

••

話 回

.

.

E 包・ー… 『 40

•

・

.

世

•

•

•

•

-

_•

•

•

•

•

_・

_.

•

•

• 量

。

。

の

•

•

o

20 40 60 80 バンド、開発光強度 /主ピーク強度(%) 20ト

。

ー ー

。

500 1000 1500 発光出力 (μW) 2000 図 2-1 4 発 光 出 力 (I_f二20mA)と 寿 命 (I _f二40mA) の 関 係 横 車 自 は 主 ピ ー ク 強 度 に 対 す る バ ン ド間発 光強度 で あ る口図 に 示 さ れ る 様 に バ ン ド 開 発 光 が 多 く 出 て い る LEDほ ど 通 電 300時 間 後 の 発 光 出 力 維 持 率 が 低 く な っ て い る。通電後、 LEDチ ッ プ 上 の エ ポ キ シ 樹 脂 は 発 光 出 力 の 低 下 が 激 しい LEDほ ど 濃 く 変 色 ( 透 明 → 褐 色 ) し た。 こ れ ら の LEDで 20mAの Ifにお け る 発 光 出 力 と 40mAで 通 電 し た 時 の 寿 命 特 性 を 図 2- 1 4に示す口同図から 20mAに お け る 発 光 出 力 と 40mAに お け る 通 電 300時 間 後 の 発 光 出 力 維持率に は 相 関 が 見 ら れ な か っ た口 こ の こ と は、I_f=20mA の 発 光 出 力 の 値 で 寿 命 を 予 測 す る こ と は 出 来 な い と い う こ と 、 寿 命 は バ ン ド 開 発 光 の 強 度 に 強 く 依 存 す る と い う こ と 、 を 意 味 す る。 これらの結果から、 (1)LEDの 劣 化 は LEDチ ッ プ の 劣 化 よ り も 短 波 長 成 分 吸 収 に よ る エ ポ キ シ 樹 脂 の 劣 化 の 方 が 支配的である、 (2)大 電 流 領 域 で は イ オ ン 化 し て い な い ア ク セ プ タ ー (Zn)の枯渇 に よ り バ ン ド 開 発 光 が 多 く 出 る た め LED 寿 命 が 悪 く な る 、 こ と が 分 か っ た口 こ の よ う に Zn、Si同 時 ド ー フ し た InGaNを 活 性 層 に し た DH型 LEDは 発 光 出力、スペク トル、Vf等 の 特 性 が 実 用 的 レ ベ ル の 青 色 LElJとなることが確認 で き た。ま た 発 光 ピ ー ク に シ ョ ノ レ ダ ー が 現 れ る よ う な 大 電 流 通 電 の 場 合 、 発 光 出 力 が 低 下 す る 原 因 は エ ポ キ シ 樹 脂 の 光 吸 収 に よ る 劣 化 で あ る こ と が 分 か n o n L -29