JP2000031539A - 発光ダイオ―ドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】成長層におけるひずみ処理および不純物制御の
施された発光素子およびその製造方法を提供する。 【解決手段】本発明の一実施例によれば、ひずみ処理お
よび不純物ゲッタリングの役目を果たすよう、界面層が
発光ダイオードまたはレーザ・ダイオード構造に加えら
れる。Ｍｇ、Ｚｎ、ＣｄがドープされたＧａＮまたはＡ
ｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）
を、この層に使用することができる。あるいはまた、Ａ
ｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＞０）を使用する場合、その
層はアンドープでよい。界面層は、ｎ型（ＧａＮ：Ｓ
ｉ）層と素子構造体のその他の部分とを成長させる前
に、バッファ層の最上部に直接堆積される。界面層の厚
さは、０．０１〜１０．０μｍの範囲で変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電素子の製造に関
し、特に成長層におけるひずみ処理および不純物制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在のところＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合
物および合金の格子定数と熱膨張係数とに適切に適合で
きる基板材料はない。そのため、サファイアや炭化ケイ
素のような非適合基板上で標準的なエピタキシャル成長
法（例えば有機金属気相成長法（ＯＶＰＥ）、分子線エ
ピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、水素化物気相成長法
（ＨＶＰＥ））を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物（ＡｌＩｎ
ＧａＮ）の高品質膜を成長させることができることは、
高品質層を製造し、最適の素子性能を実現するための重
要要素となる。通常の成長温度（＞１０００°Ｃ）でＡ
ｌＩｎＧａＮ層を成長させると、六方晶系核のモザイク
集合体より成る膜ができる。これらの層は、形態が極め
て粗く、バックグラウンドのドナー濃度が極めて高く亀
裂が生じやすい。

【０００３】高温成長前に低温（４００〜９００°Ｃ）
でサファイア上に堆積された核生成層またはバッファ層
と、高温で炭化ケイ素上に堆積された核生成層またはバ
ッファ層とを使用することにより、結晶成長に携わる者
（当業者）はエピタキシャル窒化膜の品質を劇的に改善
することができる。普通これらのバッファ層は、Ａｌ
Ｎ、ＧａＮまたはこれら２種類の２元系化合物の中間化
合物より成る。この低温バッファ層を入れることによっ
て、例えばサファイアなどの基板と窒化物エピ層との間
の１）格子パラメータ、２）熱拡散、３）表面エネルギ
ー、４）結晶性の大きな相違を克服する手段が提供され
る。窒化物ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）は通常、
基板と、核生成層またはバッファ層と、ｎ型導電層と、
活性層と、ｐ型導電層と、ｎ型層およびｐ型層に対する
金属コンタクトとを含む。一般的ＬＥＤの概略図を図１
に示す。窒化物ＬＥＤは通常、図２に示す構造を有す
る。核生成層は、普通ＡｌＮ、ＧａＮ、またはＡｌＧａ
Ｎである。

【０００４】窒化物のエピタキシャル成長を扱う時、新
たに生じる厄介な問題は亀裂の問題である。亀裂は、
１）基板と膜との間の格子不一致、２）基板と膜との間
の熱膨張係数の不一致、３）高ドーピング・レベル、お
よび４）窒化物素子成長中の意図的成分変化による格子
不一致、のいずれかによる張力によってエピタキシャル
成長膜が引張られる時に現れる。通常窒化物ベースの素
子は、ドーパント濃度が１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3を超える
ことが多い高ドープ層と、数種類の成分より成るヘテロ
界面とを有する。窒化物、一般基板（ＳｉＣおよびサフ
ァイア）の格子パラメータおよび熱膨張係数データを表
Ｉに示す。格子不一致および熱的な不一致に関連する問
題は、現行の核生成層技術を使用し、成長に関わる加熱
および冷却条件を制御することによって適切に処理する
ことができるが、このような方法では、ドーピングおよ
び意図的成分のゆらぎによる亀裂を解決できない。

【０００５】

【表１】

【０００６】ＧａＮ層にＳｉをドープしてｎ型にする場
合（Ｓｉのイオン半径は、Ｓｉが置き換わる原子、すな
わちＧａより３０％小さい）、および成分を異にする層
を互いに堆積させる場合、亀裂によって無視できない問
題がもたらされる。後者の場合は、最上層に成長させた
層のａ軸格子パラメータがその下の層、例えばＧａＮ上
に堆積されたＡｌＮまたはＡｌＧａＮのａ軸格子パラメ
ータよりも小さい時、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物が示す極めて
剛性の弾性定数により、特に厄介となる。更に、窒化物
層より成るヘテロ構造体は一般に、基板−膜界面に平行
であるａ軸に沿ったレジストリ（registry）を示し、基
板−膜界面に垂直なｃ軸に沿ってのみ歪曲される。従っ
て、成長層の緩和ａ軸パラメータがその下の層より小さ
い場合、その層内には界面をレジストリ状態に保つため
引張り応力が生じる。当業者が通常直面する問題は、そ
れ以外の点では純粋な結晶中の不要不純物の問題であ
る。どのような方法を使用するかに関わらず、結晶成長
のプロセス中に生じることのある共通不純物の中では一
般に、酸素が最も厄介であると考えられる。当業者は、
酸素により、導電率、ひずみ、光学的ルミネセンスの制
御能力を厳しく制限される。酸素源には、これらに限定
されないが、反応源と、リアクタ壁と、ハードウェア
と、グラファイト・サセプタまたはボートと、更に基板
ウェーハ自体も含まれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、成長
層におけるひずみ処理および不純物制御の施された発光
素子を提供することにある。本発明の別の課題は、その
ような発光素子を製造するための製造方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、発光ダイオ
ード構造体またはレーザ・ダイオード構造体に界面層が
追加されており、ひずみ処理および不純物ゲッタリング
（gettering）の役目を果たす。Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄがド
ープされたＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１）を、この層に使用することができる。あるい
はまた、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＞０）を使用する
場合、その層はアンドープでよい。界面層は、ｎ型（Ｇ
ａＮ：Ｓｉ）層と素子構造体のその他の部分とを成長さ
せる前に、バッファ層の最上部に直接堆積させる。界面
層の厚さは、０．０１〜１０．０μｍの範囲で変化す
る。

【０００９】亀裂と、層合体（layer coalescence）
と、不純物トラップとに関連した問題が素子動作中アク
ティブでない素子領域に追いやられるため、界面層によ
り素子の信頼性と再現性とが向上する。図解のため、界
面層は、構造体の最初の層で（Ｏのような）残留不純物
を「ゲッタリング」またはトラップするものとする。加
得るにこのプロセスでは、チャンバーおよびリアクタ部
品の清浄化も行い、構造体中の活性層またはｐ型層な
ど、更に重要な層が成長した後も存在する不要不純物を
無い状態にする。ＭｇおよびＡｌとも酸素に対する親和
力が大きいため、この層の好適な実施形態では界面層の
成分にＧａＮ：ＭｇとＡｌＧａＮとを含む。加えて、こ
の界面層を使用すれば、窒化物エピ層のひずみ状態の性
質を変更することによってひずみが減少し、また亀裂を
生じさせる力が小さくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図３は本発明１０の実施形態を示
す。界面層１６が発光ダイオード構造体またはレーザ・
ダイオード構造体に加えられており、ひずみ処理および
不純物ゲッタリングの役目を果たす。Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ
をドープしたＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮの層（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）は、界面層に使用することができる。
またこの代わりにｘ＞０としたＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ
を使用する場合は、界面層はアンドープでよい。界面層
１６は、ｎ型（ＧａＮ：Ｓｉ）層１８、活性領域２０、
ｐ型層２２の成長前にバッファ層１４の最上部に直接堆
積される。界面層の厚さは、０．０１〜１０．０μｍで
変化するが、好適な厚さは０．２５〜１．０μｍの範囲
である。金属コンタクト層２４Ａ、２４Ｂはそれぞれ、
ｐ型層２２、ｎ型層１８に堆積される。

【００１１】界面層は、構造体の最初の層で酸素などの
残留不純物を「ゲッタリング」またはトラップすること
によって素子信頼性と再現性とを向上させる。このプロ
セスでは、チャンバーおよびリアクタ部品の清浄化も行
い、構造体中の活性層またはｐ型層など、更に重要な層
が成長した後に存在する更なる不純物を無い状態にす
る。ＭｇおよびＡｌとも酸素に対する親和力が大きいた
め、好適な実施形態では界面層の成分にＧａＮ：Ｍｇお
よび／またはＡｌＧａＮを使用する。一般に、例えばＭ
ｇ、Ｚｎ、Ａｌを含有する不純物など、酸素含有不純物
の存在により悪影響を受ける反応源は使用し易く、また
界面層成長後、事前反応する傾向が比較的に少なく、最
終的には気相を涸渇させる傾向も比較的に少ない。

【００１２】図４はＧａＮ：Ｍｇ層の２次イオン質量分
析（ＳＩＭＳ）プロファイルを示しており、この図では
界面に酸素が存在することがはっきりと分かる。最初の
０．２５〜０．３５μｍの後、酸素濃度はＳＩＭＳのバ
ックグラウンド・レベルにまで減少しており、これは、
その構造体のこの非重要部分に酸素がトラップされたこ
とを示す。図５はＧａＮベースＬＥＤ中のＭｇプロファ
イルを示す。図中右側のＭｇドープ領域は、本発明で説
明する界面層である。Ｉｎプロファイルはマーカーであ
り、活性領域の位置を示すものである。

【００１３】ＧａＮ：Ｓｉ層がバッファ層に直接堆積さ
れる場合（ＧａＮベース光電子素子では典型的）、亀裂
が問題になることが多い。Ｓｉの原子半径はＧａよりも
小さく（Ｓｉ：０．４１オングストロームに対しＧａ：
０．６２オングストローム）、Ｓｉは格子から変位す
る。Ｓｉをドープした膜は、張力を受けた状態、すなわ
ちＧａＮのような脆弱な物質にとっては好ましくない状
態で成長する。ＭｇおよびＺｎのイオン半径の大きさ
は、ドープした時に置換される原子の半径と互換である
（Ｇａ＝０．６２オングストローム；Ｍｇ＝０．６６オ
ングストローム；Ｚｎ＝０．７４オングストローム）。
更にＣｄのイオン半径は０．９４オングストロームであ
る。これらの原子をＧａＮ層へ注入すると、ドーパント
不純物に関わるひずみ状態が、ＧａＮにとって極めて好
適な状態である圧縮状態へシフトする。同様に、ＡｌＧ
ａＮ上に成長させたＧａＮについては、ＡｌＧａＮの格
子定数がＧａＮよりも小さく、ＧａＮ層が圧縮状態にな
り、その結果亀裂が著しく減少する。

【００１４】従来技術においてＭｇをドーパント源とし
て使用するあらゆる製造プロセスに見られた主要な問題
の１つは、ターンオン時間の問題である。リアクタの配
管系統や壁と同様、水分および酸素に対するその反応性
と強い吸引力とにより、Ｍｇは結晶成長中に制御が難し
い不純物となることが多い。Ｍｇの化学プロファイル
は、余分な時間、つまり実質的膜厚を経てから平衡濃度
に達する。一般に、ＧａＮ：Ｍｇ中の正孔は寿命が短く
キャリア移動度が低いため、Ｍｇの配置、従ってｐ−ｎ
接合位置は、効率的なＬＥＤの動作にとって重要であ
る。一般に、界面層の厚さはマグネシウムを平衡濃度に
するのに必要な厚さよりも大きいため、本発明は、平衡
濃度に達するのに必要な時間を大幅に短縮するために使
用することができる。その結果、かなり急峻なＭｇプロ
ファイルが得られ、これにより構造体中のｎ型層とｐ型
層との間に急峻な接合が造られて素子効率が改善され
る。従来技術を使用して得たプロファイルと、本明細書
において説明した方法を使用して得たプロファイルとを
比較したものを図５に示す。なお両ｙ軸は、５×１０¹⁸
〜５×１０²¹ｃｍ^-3のＭｇの絶対濃度を反映するように
規格化されている。

【００１５】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。

【００１６】[実施態様１]基板（１２）と、前記基板上
に形成されたバッファ層（１４）と、前記バッファ層上
に形成され、特定不純物に対して親和力を持つ成分を有
する界面層（１６）と、前記界面層上に形成されたｎ型
層（１８）と、前記ｎ型層上に形成された活性領域（２
０）と、前記活性領域上に形成されたｐ型層（２２）
と、一方が前記ｎ型層に接続されており、他方が前記ｐ
型層に接続された２つの電気コンタクト（２４Ａ、２４
Ｂ）と、を備えて成る発光ダイオード（１０）。

【００１７】[実施態様２]前記界面層（１６）の成分
が、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、およびＡｌＩｎ
ＧａＡｓの合金を含むグループから選択されることを特
徴とする、実施態様１に記載の発光ダイオード。

【００１８】[実施態様３]前記界面層（１６）の成分
が、ＧａＮ、ＧａＰ、およびＧａＡｓの合金を含むグル
ープから選択されることを特徴とする、実施態様２に記
載の発光ダイオード。

【００１９】[実施態様４]前記界面層（１６）が、置換
される原子と同程度のイオン半径を有するドーパントを
さらに備えて成ることを特徴とする、実施態様３に記載
の発光ダイオード。

【００２０】[実施態様５]前記ドーパントが、Ｍｇ、Ｚ
ｎ、およびＣｄを含むグループから選択されることを特
徴とする、実施態様４に記載の発光ダイオード。

【００２１】[実施態様６]前記界面層（１６）の成分が
ＡｌＩｎＧａＮベース化合物であることを特徴とする、
実施態様２に記載の発光ダイオード。

【００２２】[実施態様７]透明基板上にバッファ層を形
成するステップと、前記バッファ層上に界面層を形成す
るステップであって、前記界面層は選択された不純物に
対する親和力を持つ成分を有する、ステップと、前記界
面層上にｎ型層を形成するステップと、前記ｎ型層上に
活性領域を形成するステップと、前記活性領域上にｐ型
層を形成するステップと、少なくとも２つの金属コンタ
クトを堆積させるステップであって、前記金属コンタク
トの一方が前記ｎ型層に接続され、他方が前記ｐ型層に
接続される、ステップと、を備えて成る発光ダイオード
の製造方法。

【００２３】[実施態様８]前記界面層の成分が酸素に対
する親和力を有することを特徴とする、実施態様７に記
載の発光半導体素子の製造方法。

【００２４】[実施態様９]前記界面層の成分がＡｌＩｎ
ＧａＮベース化合物であることを特徴とする、実施態様
８に記載の発光半導体素子の製造方法。

【００２５】[実施態様１０]前記界面層の成分がＧａ
Ｎ：Ｍｇベース化合物であることを特徴とする、実施態
様８に記載の発光半導体素子の製造方法。

【００２６】[実施態様１１]透明基板と、前記透明基板
上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成
され、特定不純物に対して親和力を持つ成分を有する界
面層と、第１のタイプを有し、前記界面層上に形成され
た第１の層と、前記第１の層上に形成された活性領域
と、第２のタイプを有し、前記活性領域上に形成された
第２の層と、第１コンタクトが前記第１の層に接続され
ており、第２コンタクトが前記第２の層に接続された第
１および第２電気コンタクトと、を備えて成る発光ダイ
オード。

【００２７】[実施態様１２]前記界面層が、置換される
原子と同程度のイオン半径を有するドーパントをさらに
備えて成ることを特徴とする、実施態様１１に記載の発
光ダイオード。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、成長層におけるひずみ処理および不純物制御
の施された発光素子を提供することができる。また、そ
のような発光素子を製造するための製造方法を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による一般的発光ダイオードを示す図
である。

【図２】従来技術による代表的窒化物ベースＬＥＤを示
す図である。

【図３】本発明による発光ダイオオードを示す図であ
る。

【図４】界面における酸素の存在が明示されたＧａＮ：
Ｍｇ層のＳＩＭＳプロファイルを示す図である。

【図５】従来型ＬＥＤにおけるＭｇデプス・プロファイ
ルを示す図である。

【図６】本発明による方法を使用した場合のＭｇの深さ
プロファイルを示す図である。

【符号の説明】

１２：基板 １４：核生成（バッファ）層 １６：界面層 １８：ｎ型層 ２０：活性領域 ２２：ｐ型層 ２４Ａ：ｐコンタクト ２４Ｂ：ｎコンタクト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャンフア・チェン アメリカ合衆国カリフォルニア州サンノゼ アルバニー・サークル 4685 ナンバー 102 (72)発明者 ウエルナー・ゲッツ アメリカ合衆国カリフォルニア州パロ・ア ルト ジー・ミドルフィールド・ロード 3909 (72)発明者 チーピング・クオ アメリカ合衆国カリフォルニア州ミルピタ ス ミードウランド・ドライブ 185

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 前記基板上に形成されたバッファ層と、 前記バッファ層上に形成され、特定不純物に対して親和
   力を持つ成分を有する界面層と、 前記界面層上に形成されたｎ型層と、 前記ｎ型層上に形成された活性領域と、 前記活性領域上に形成されたｐ型層と、 一方が前記ｎ型層に接続されており、他方が前記ｐ型層
   に接続された２つの電気コンタクトと、 を備えて成る発光ダイオード。