JP2795226B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子及びその製造方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/01—Manufacture or treatment
- H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
- H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
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- H10H20/01335—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials the light-emitting regions comprising nitride materials
Landscapes
- Led Devices (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光計測器の光源、
光情報記録用光源もしくは光情報処理用光源である半導
体発光素子およびその製造方法に関するものである。
光情報記録用光源もしくは光情報処理用光源である半導
体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】青色ならびに緑青色半導体発光素子に用
いる材料として、一般式がＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（但
し０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦，以下単にＩｎＧａＡｌＮ
という）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体が注目されて
いるが、ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ，ＧａＮ，Ａｌ
Ｎ，ＩｎＧａＡｌＮでは大型のバルク単結晶が成長でき
ないため、従来サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）を基板とし
て用いたエピタキシャル成長が一般に行われてきた。
いる材料として、一般式がＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（但
し０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦，以下単にＩｎＧａＡｌＮ
という）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体が注目されて
いるが、ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ，ＧａＮ，Ａｌ
Ｎ，ＩｎＧａＡｌＮでは大型のバルク単結晶が成長でき
ないため、従来サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）を基板とし
て用いたエピタキシャル成長が一般に行われてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらサファイ
アとＩｎＧａＡｌＮの間の１１〜２３％という大きな格
子不整合と両者の化学的性質の違いにより生じる界面エ
ネルギのために、サファイア基板上に直接成長したＩｎ
ＧａＡｌＮは顕著な三次元成長を起こし、表面形態の平
坦化及び結晶性の向上が難しく、電気的特性及び光学的
特性の向上の妨げとなっている。この結果サファイア基
板上に作製したＩｎＧａＡｌＮ発光素子は十分な発光効
率や素子寿命を得ることができず、光計測器の光源，光
情報記録用光源もしくは光情報処理用光源として用いる
には必ずしも十分でないという問題があった。
アとＩｎＧａＡｌＮの間の１１〜２３％という大きな格
子不整合と両者の化学的性質の違いにより生じる界面エ
ネルギのために、サファイア基板上に直接成長したＩｎ
ＧａＡｌＮは顕著な三次元成長を起こし、表面形態の平
坦化及び結晶性の向上が難しく、電気的特性及び光学的
特性の向上の妨げとなっている。この結果サファイア基
板上に作製したＩｎＧａＡｌＮ発光素子は十分な発光効
率や素子寿命を得ることができず、光計測器の光源，光
情報記録用光源もしくは光情報処理用光源として用いる
には必ずしも十分でないという問題があった。
【０００４】これに対してサファイア基板上にＡｌＮの
バッファ層を成長させる方法（特開平２−２２９４７
６）やＧａxＡｌ1-xＮ（但し０＜ｘ≦１）で示されるバ
ッファ層を低温で成長させる方法（特開平４−２９７０
２３）が提案されている。
バッファ層を成長させる方法（特開平２−２２９４７
６）やＧａxＡｌ1-xＮ（但し０＜ｘ≦１）で示されるバ
ッファ層を低温で成長させる方法（特開平４−２９７０
２３）が提案されている。
【０００５】しかしながら、これらのバッファ層はサフ
ァイア基板と完全には格子整合しないため、基板・バッ
ファ層界面の格子不整合に起因する不整合転位を十分に
少なくすることができず、さらなる結晶性の改善とＩｎ
ＧａＡｌＮ発光素子の発光効率及び素子寿命の向上は困
難であった。
ァイア基板と完全には格子整合しないため、基板・バッ
ファ層界面の格子不整合に起因する不整合転位を十分に
少なくすることができず、さらなる結晶性の改善とＩｎ
ＧａＡｌＮ発光素子の発光効率及び素子寿命の向上は困
難であった。
【０００６】一方ＩｎＧａＡｌＮの混晶比を選ぶことに
よって格子整合系でのエピタキシャル成長が可能なＺｎ
Ｏ，ＭｎＯ，ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の酸化物
単結晶基板を用いる方法（特開平４−２０９５７７，特
開平４−２３６４７８）や、ＺｎＯ単結晶基板上にホモ
エピタキシャル成長したＺｎＯバッファ層を導入する方
法（特開平５−２８３７４４）も提案されている。
よって格子整合系でのエピタキシャル成長が可能なＺｎ
Ｏ，ＭｎＯ，ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の酸化物
単結晶基板を用いる方法（特開平４−２０９５７７，特
開平４−２３６４７８）や、ＺｎＯ単結晶基板上にホモ
エピタキシャル成長したＺｎＯバッファ層を導入する方
法（特開平５−２８３７４４）も提案されている。
【０００７】しかしながら、ＺｎＯ，ＭｎＯ，ＭｇＡｌ
2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等は大型のバルク単結晶の成長が
困難であり、ＩｎＧａＡｌＮ発光素子を安価に大量生産
するための基板として用いるには不適当である。また、
これらの酸化物基板は酸やアルカリに対する溶解度が高
く、信頼度の高い半導体発光素子を安価に大量生産する
ための基板として使用するには化学的安定性の点でも問
題がある。
2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等は大型のバルク単結晶の成長が
困難であり、ＩｎＧａＡｌＮ発光素子を安価に大量生産
するための基板として用いるには不適当である。また、
これらの酸化物基板は酸やアルカリに対する溶解度が高
く、信頼度の高い半導体発光素子を安価に大量生産する
ための基板として使用するには化学的安定性の点でも問
題がある。
【０００８】本発明の目的は上記のような問題点を排除
するためになされたものであり、安価に比較的大型のバ
ルク結晶を得ることが可能なサファイア基板あるいはシ
リコン（Ｓｉ）基板上に成長させるＩｎＧａＡｌＮの結
晶性を向上し、発光効率ならびに素子寿命の良好な半導
体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
するためになされたものであり、安価に比較的大型のバ
ルク結晶を得ることが可能なサファイア基板あるいはシ
リコン（Ｓｉ）基板上に成長させるＩｎＧａＡｌＮの結
晶性を向上し、発光効率ならびに素子寿命の良好な半導
体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はサファイア基板あるいはシリコン（Ｓｉ）
基板上に形成されたＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（但し０≦
ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）層を少なくとも１層含む半導
体発光素子であって、前記サファイア基板あるいはＳｉ
基板に接して形成されたバッファ層がＺｎＯからなるこ
とを特徴とする半導体発光素子を発明の要旨とするもの
である。ここでのＺｎＯバッファ層はサファイア基板あ
るいはＳｉ基板上にエピタキシャル成長した単結晶薄膜
であることが望ましいが、結晶表面をエッチングした際
に１×１０8／ｃｍ2以下の欠陥に起因するピットが見出
せる程度の多結晶の混じった単結晶薄膜でも良い。
め、本発明はサファイア基板あるいはシリコン（Ｓｉ）
基板上に形成されたＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（但し０≦
ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）層を少なくとも１層含む半導
体発光素子であって、前記サファイア基板あるいはＳｉ
基板に接して形成されたバッファ層がＺｎＯからなるこ
とを特徴とする半導体発光素子を発明の要旨とするもの
である。ここでのＺｎＯバッファ層はサファイア基板あ
るいはＳｉ基板上にエピタキシャル成長した単結晶薄膜
であることが望ましいが、結晶表面をエッチングした際
に１×１０8／ｃｍ2以下の欠陥に起因するピットが見出
せる程度の多結晶の混じった単結晶薄膜でも良い。
【００１０】ここでＺｎＯをバッファ層として導入する
ことによりＩｎＧａＡｌＮのエピタキシャル成長膜の結
晶性を向上することができる理由をより詳細に説明して
おく。ＩｎＧａＡｌＮ及びＩｎＧａＡｌＮの結晶成長基
板として良く用いられるサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）は
ともに六方晶系の結晶構造を有するが、ＩｎＧａＡｌＮ
の結晶構造はウルツ型，サファイアはコランダム型であ
り、両者は等価ではない。
ことによりＩｎＧａＡｌＮのエピタキシャル成長膜の結
晶性を向上することができる理由をより詳細に説明して
おく。ＩｎＧａＡｌＮ及びＩｎＧａＡｌＮの結晶成長基
板として良く用いられるサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）は
ともに六方晶系の結晶構造を有するが、ＩｎＧａＡｌＮ
の結晶構造はウルツ型，サファイアはコランダム型であ
り、両者は等価ではない。
【００１１】またＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮに関して、横
軸に格子定数，縦軸にバンドギャップ（禁制帯幅）をと
ってプロットすると図１に示したようになり、ここで混
晶系におけるベガード則を仮定すると、３つの２元系半
導体ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮを適当な比率で混合するこ
とにより、同図中実線で囲まれた三角形内の領域におい
ての格子定数とバンドギャップを実現することができ
る。
軸に格子定数，縦軸にバンドギャップ（禁制帯幅）をと
ってプロットすると図１に示したようになり、ここで混
晶系におけるベガード則を仮定すると、３つの２元系半
導体ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮを適当な比率で混合するこ
とにより、同図中実線で囲まれた三角形内の領域におい
ての格子定数とバンドギャップを実現することができ
る。
【００１２】一方、図中点線で示した直線Ｌ1はサファ
イアの格子定数２．７５Åのラインであるが、ＩｎＧａ
ＡｌＮとの格子不整合は１１〜２３％にも及ぶ。このよ
うにサファイア基板に接して良好なＩｎＧａＡｌＮエピ
タキシャル成長層を形成することは両者の結晶構造及び
格子定数の大きな違いのために極めて難しいものとなっ
ている。また六方晶系ダイヤモンド構造を有するＳｉの
（１１１）面をＩｎＧａＡｌＮの結晶成長基板として使
用する場合、Ｓｉ（１１１）上での２次元格子の格子間
距離は３．８４ÅとＩｎＧａＡｌＮとの格子不整合は９
〜２５％と大きく、両者の結晶構造の大きな違いもあっ
て、Ｓｉ基板上に接して良好なＩｎＧａＡｌＮエピタキ
シャル成長層を形成することは極めて困難である。
イアの格子定数２．７５Åのラインであるが、ＩｎＧａ
ＡｌＮとの格子不整合は１１〜２３％にも及ぶ。このよ
うにサファイア基板に接して良好なＩｎＧａＡｌＮエピ
タキシャル成長層を形成することは両者の結晶構造及び
格子定数の大きな違いのために極めて難しいものとなっ
ている。また六方晶系ダイヤモンド構造を有するＳｉの
（１１１）面をＩｎＧａＡｌＮの結晶成長基板として使
用する場合、Ｓｉ（１１１）上での２次元格子の格子間
距離は３．８４ÅとＩｎＧａＡｌＮとの格子不整合は９
〜２５％と大きく、両者の結晶構造の大きな違いもあっ
て、Ｓｉ基板上に接して良好なＩｎＧａＡｌＮエピタキ
シャル成長層を形成することは極めて困難である。
【００１３】一方本発明においてバッファ層として導入
したＺｎＯの結晶構造はＩｎＧａＡｌＮと同じウルツ型
で、しかもその格子定数は３．２５Åと図１中は線Ｌ2
に示すように適当な混晶比のＩｎＧａＡｌＮと格子整合
が可能である。このためＺｎＯ上に結晶性の良好なＩｎ
ＧａＡｌＮエピタキシャル膜を作製することは比較的容
易なものとなる。
したＺｎＯの結晶構造はＩｎＧａＡｌＮと同じウルツ型
で、しかもその格子定数は３．２５Åと図１中は線Ｌ2
に示すように適当な混晶比のＩｎＧａＡｌＮと格子整合
が可能である。このためＺｎＯ上に結晶性の良好なＩｎ
ＧａＡｌＮエピタキシャル膜を作製することは比較的容
易なものとなる。
【００１４】またＺｎＯは３００〜７００℃という比較
的低温でもサファイア基板あるいはＳｉ基板上に極めて
結晶性に優れたエピタキシャル単結晶薄膜を、さらにＳ
ｉ基板上に形成したＳｉ酸化膜やガラス基板等の非晶質
上にも結晶性に優れたｃ軸配向多結晶薄膜を成長するこ
とが可能であるという特徴を有している。
的低温でもサファイア基板あるいはＳｉ基板上に極めて
結晶性に優れたエピタキシャル単結晶薄膜を、さらにＳ
ｉ基板上に形成したＳｉ酸化膜やガラス基板等の非晶質
上にも結晶性に優れたｃ軸配向多結晶薄膜を成長するこ
とが可能であるという特徴を有している。
【００１５】本発明においてバッファ層として導入した
ＺｎＯは、従来サファイア基板上にＩｎＧａＡｌＮを成
長させる際のバッファ層として用いられているＡｌＮや
ＧａＡｌＮと比較すると、サファイア基板あるいはＳｉ
基板上にエピタキシャル成長することの容易さ、ならび
に、サファイア基板あるいはＳｉ基板上に得られるエピ
タキシャル成長膜の結晶性の良さの点で大きく異なって
いる。
ＺｎＯは、従来サファイア基板上にＩｎＧａＡｌＮを成
長させる際のバッファ層として用いられているＡｌＮや
ＧａＡｌＮと比較すると、サファイア基板あるいはＳｉ
基板上にエピタキシャル成長することの容易さ、ならび
に、サファイア基板あるいはＳｉ基板上に得られるエピ
タキシャル成長膜の結晶性の良さの点で大きく異なって
いる。
【００１６】このことは種々の基板上に成長したＺｎＯ
薄膜がその優れた結晶性，電気的特性，表面平滑性から
低損失の表面弾性波フィルタとして実用化されており、
またその優れた光学的性質から、低損失の光導波路を形
成し、音響光学効果，電気光学効果や非線形光学効果等
を利用した機能素子としての実用化の研究が行われてい
るといった事からも明らかである。
薄膜がその優れた結晶性，電気的特性，表面平滑性から
低損失の表面弾性波フィルタとして実用化されており、
またその優れた光学的性質から、低損失の光導波路を形
成し、音響光学効果，電気光学効果や非線形光学効果等
を利用した機能素子としての実用化の研究が行われてい
るといった事からも明らかである。
【００１７】このように種々の基板上に作製したＺｎＯ
単結晶薄膜、あるいはｃ軸配向膜はバルク単結晶に匹敵
する優れ多結晶性を有し、かつ表面平滑性に優れた薄膜
が比較的安価で大型の基板上に形成することが可能であ
るため、ＩｎＧａＡｌＮとの格子不整合が小さいものの
大型のバルク単結晶を得ることが困難なＺｎＯ，Ｍｎ
Ｏ，ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の単結晶基板を用
いずとも、結晶性に優れた格子整合系でのＩｎＧａＡｌ
Ｎエピタキシャル成長が可能となる。
単結晶薄膜、あるいはｃ軸配向膜はバルク単結晶に匹敵
する優れ多結晶性を有し、かつ表面平滑性に優れた薄膜
が比較的安価で大型の基板上に形成することが可能であ
るため、ＩｎＧａＡｌＮとの格子不整合が小さいものの
大型のバルク単結晶を得ることが困難なＺｎＯ，Ｍｎ
Ｏ，ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の単結晶基板を用
いずとも、結晶性に優れた格子整合系でのＩｎＧａＡｌ
Ｎエピタキシャル成長が可能となる。
【００１８】本発明においては、化学的に安定かつ、大
型で高品質なバルク単結晶を安価に得ることができるサ
ファイア基板あるいはＳｉ基板上に、ＩｎxＧａyＡｌ
1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と格子整数が
可能なＺｎＯバッファ層を導入することにより、ＩｎＧ
ａＡｌＮのエピタキシャル成長膜の格子不整合転位を低
減し、高効率・長寿命の高輝度短波長発光素子を安価に
大量生産することが可能となる。
型で高品質なバルク単結晶を安価に得ることができるサ
ファイア基板あるいはＳｉ基板上に、ＩｎxＧａyＡｌ
1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と格子整数が
可能なＺｎＯバッファ層を導入することにより、ＩｎＧ
ａＡｌＮのエピタキシャル成長膜の格子不整合転位を低
減し、高効率・長寿命の高輝度短波長発光素子を安価に
大量生産することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して詳細に説明する。なお実施形態は一つの例示であっ
て、本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ある
いは改良を行いうることはいうまでもない。
して詳細に説明する。なお実施形態は一つの例示であっ
て、本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ある
いは改良を行いうることはいうまでもない。
【００２０】（実施形態１）図２は本発明の実施形態１
を説明する図であり、発光素子の断面を示したものであ
る。本発光素子はサファイア（０００１）基板１の表面
に成長した膜厚５００ÅのＺｎＯ（０００１）エピタキ
シャル単結晶薄膜バッファ層２，膜厚２００ÅのＩｎＧ
ａＡｌＮの低温成長バッファ層３，膜厚５μｍのＳｉド
ープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡｌＮクラッド層４，膜厚０．
５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ活性層５，膜厚２μ
ｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層６，ｐ型
クラッド層のオーミック電極７，ｎ型クラッド層のオー
ミック電極８からなる。
を説明する図であり、発光素子の断面を示したものであ
る。本発光素子はサファイア（０００１）基板１の表面
に成長した膜厚５００ÅのＺｎＯ（０００１）エピタキ
シャル単結晶薄膜バッファ層２，膜厚２００ÅのＩｎＧ
ａＡｌＮの低温成長バッファ層３，膜厚５μｍのＳｉド
ープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡｌＮクラッド層４，膜厚０．
５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ活性層５，膜厚２μ
ｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層６，ｐ型
クラッド層のオーミック電極７，ｎ型クラッド層のオー
ミック電極８からなる。
【００２１】ここに示したＩｎＧａＡｌＮバッファ層
３，ｎ型クラッド層４，活性層５及びｐ型クラッド層６
はＺｎＯに格子整合し、かつＩｎＧａＡｌＮバッファ層
３及びクラッド層４，６のバンドギャップエネルギが活
性層５のバンドギャップよりも０．３ｅＶ以上大きくな
るように組成を選んだ。
３，ｎ型クラッド層４，活性層５及びｐ型クラッド層６
はＺｎＯに格子整合し、かつＩｎＧａＡｌＮバッファ層
３及びクラッド層４，６のバンドギャップエネルギが活
性層５のバンドギャップよりも０．３ｅＶ以上大きくな
るように組成を選んだ。
【００２２】この結果、活性層５の屈折率はバッファ層
３及びクラッド層４，５の屈折率よりも１割程度大きく
なり、キャリア及び光子を効率的に活性層５に閉じ込め
ることが可能となる。電極７に正の電圧を、電極８に負
の電圧を加えると活性層は４４０ｎｍの波長で発光し、
その外部量子効率は２．７％であった。
３及びクラッド層４，５の屈折率よりも１割程度大きく
なり、キャリア及び光子を効率的に活性層５に閉じ込め
ることが可能となる。電極７に正の電圧を、電極８に負
の電圧を加えると活性層は４４０ｎｍの波長で発光し、
その外部量子効率は２．７％であった。
【００２３】次に有機金属化合物気相成長法（以下ＭＯ
ＣＶＤ法という）を用いて本実施形態の素子の結晶成長
を行う方法について説明する。まず、予め洗浄されたサ
ファイア基板１を反応容器内のサセプタに設置し、還元
雰囲気中で高周波加熱等によりサセプタを１０００℃以
上に加熱して基板上の酸化物を除去する。
ＣＶＤ法という）を用いて本実施形態の素子の結晶成長
を行う方法について説明する。まず、予め洗浄されたサ
ファイア基板１を反応容器内のサセプタに設置し、還元
雰囲気中で高周波加熱等によりサセプタを１０００℃以
上に加熱して基板上の酸化物を除去する。
【００２４】その後サセプタ温度を６００℃前後まで徐
冷し、反応容器内に反応ガスを供給し、まずサファイア
（０００１）基板１上にＺｎＯ（０００１）単結晶薄膜
バッファ層２を５００Åエピタキシャル成長させる。Ｚ
ｎＯバッファ層をエピタキシャル成長させる際のサセプ
タ温度は本実施形態では６００℃としているが、３００
〜７００℃の範囲内が望ましい。３００℃より低い成長
温度では良好なＺｎＯ単結晶薄膜をエピタキシャル成長
するには不十分であり、逆に７００℃よりも高い成長温
度では表面平滑性が損なわれて、バッファ層としては不
適当となる。
冷し、反応容器内に反応ガスを供給し、まずサファイア
（０００１）基板１上にＺｎＯ（０００１）単結晶薄膜
バッファ層２を５００Åエピタキシャル成長させる。Ｚ
ｎＯバッファ層をエピタキシャル成長させる際のサセプ
タ温度は本実施形態では６００℃としているが、３００
〜７００℃の範囲内が望ましい。３００℃より低い成長
温度では良好なＺｎＯ単結晶薄膜をエピタキシャル成長
するには不十分であり、逆に７００℃よりも高い成長温
度では表面平滑性が損なわれて、バッファ層としては不
適当となる。
【００２５】またＺｎＯバッファ層２の膜厚は１００Å
以上５０００Å以下が望ましい。ＺｎＯバッファ層の膜
厚が１００Åよりも小さくなるとサファイア基板とＩｎ
ＧａＡｌＮの格子不整合を緩和するバッファ層としての
働きが十分に得られず、また５０００Åよりも大きくな
るとＺｎＯバッファ層の表面平滑性の悪化に伴い、バッ
ファ層上に形成するＩｎＧａＡｌＮ結晶の表面平滑性及
び結晶性が悪くなる傾向にある。
以上５０００Å以下が望ましい。ＺｎＯバッファ層の膜
厚が１００Åよりも小さくなるとサファイア基板とＩｎ
ＧａＡｌＮの格子不整合を緩和するバッファ層としての
働きが十分に得られず、また５０００Åよりも大きくな
るとＺｎＯバッファ層の表面平滑性の悪化に伴い、バッ
ファ層上に形成するＩｎＧａＡｌＮ結晶の表面平滑性及
び結晶性が悪くなる傾向にある。
【００２６】ＺｎＯバッファ層２の成長後、ＩｎＧａＡ
ｌＮ成長用の反応ガスを反応容器内に供給するが、Ｉｎ
ＧａＡｌＮクラッド層及びＩｎＧａＡｌＮ活性層をエピ
タキシャル成長するために必要な１０００℃前後の高温
でＺｎＯバッファ層がＮの供給源となるＮＨ3ガス等の
還元雰囲気中にさらされると、ＺｎＯ表面から酸素が脱
離してしまい、ＺｎＯバッファ層表面の結晶配列が悪化
し、バッファ層上に形成するＩｎＧａＡｌＮの結晶性が
悪くなる傾向がある。
ｌＮ成長用の反応ガスを反応容器内に供給するが、Ｉｎ
ＧａＡｌＮクラッド層及びＩｎＧａＡｌＮ活性層をエピ
タキシャル成長するために必要な１０００℃前後の高温
でＺｎＯバッファ層がＮの供給源となるＮＨ3ガス等の
還元雰囲気中にさらされると、ＺｎＯ表面から酸素が脱
離してしまい、ＺｎＯバッファ層表面の結晶配列が悪化
し、バッファ層上に形成するＩｎＧａＡｌＮの結晶性が
悪くなる傾向がある。
【００２７】このため、先ずサセプタ温度を６００℃前
後に保持、あるいは４００℃前後まで降温した後にＺｎ
Ｏバッファ層表面にＩｎＧａＡｌＮバッファ層３を２０
０Å程度成長させる。この低温成長ＩｎＧａＡｌＮバッ
ファ層の厚さは５０〜２０００Å程度が望ましく、Ｉｎ
ＧａＡｌＮバッファ層の厚さが５０Åよりも小さくなる
とやはりバッファ層としての作用が不十分となり、逆に
２０００Å以上では表面平滑性の悪化によりその上に高
温成長するＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル層の結晶性が
悪化する傾向にある。
後に保持、あるいは４００℃前後まで降温した後にＺｎ
Ｏバッファ層表面にＩｎＧａＡｌＮバッファ層３を２０
０Å程度成長させる。この低温成長ＩｎＧａＡｌＮバッ
ファ層の厚さは５０〜２０００Å程度が望ましく、Ｉｎ
ＧａＡｌＮバッファ層の厚さが５０Åよりも小さくなる
とやはりバッファ層としての作用が不十分となり、逆に
２０００Å以上では表面平滑性の悪化によりその上に高
温成長するＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル層の結晶性が
悪化する傾向にある。
【００２８】その後サセプタ温度を１０００℃前後に加
熱し、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラ
ッド層４，膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ
活性層５，膜厚２μｍＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮク
ラッド層６を順次エピタキシャル成長させる。これらの
結晶成長に用いる反応ガスとしては、ジエチルジンク
（ＤＥＺ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリメ
チルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）等の有機金属や、窒素原料としてのＮＨ3等を用
いることができるが、ハイランド化物その他の金属原料
及びＮ2Ｈ2や有機アミン等のその他の窒素原料を用いて
も同様の効果が得られる。
熱し、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラ
ッド層４，膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ
活性層５，膜厚２μｍＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮク
ラッド層６を順次エピタキシャル成長させる。これらの
結晶成長に用いる反応ガスとしては、ジエチルジンク
（ＤＥＺ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリメ
チルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）等の有機金属や、窒素原料としてのＮＨ3等を用
いることができるが、ハイランド化物その他の金属原料
及びＮ2Ｈ2や有機アミン等のその他の窒素原料を用いて
も同様の効果が得られる。
【００２９】またキャリアガス，バブリングガスとして
Ｈ2やＮ2を用いることができるが、これに替えてＨｅや
Ａｒ等の不活性ガスを用いても良く、ドーパント材料も
ＳｉやＭｇに限定されるものではない。
Ｈ2やＮ2を用いることができるが、これに替えてＨｅや
Ａｒ等の不活性ガスを用いても良く、ドーパント材料も
ＳｉやＭｇに限定されるものではない。
【００３０】上記の実施形態では結晶成長方法としてＭ
ＯＣＶＤ法を用いた場合について説明したが、分子線エ
ピタキシー法（ＭＢＥ法）等、他の結晶成長法を用いて
もＺｎＯバッファ層を導入することにより結晶性の良い
ＩｎＧａＡｌＮを得ることができる。また、ＺｎＯバッ
ファ層の成長とＩｎＧａＡｌＮの成長を異なる結晶成長
方法、あるいは異なる結晶成長装置で別々に行っても構
わない。
ＯＣＶＤ法を用いた場合について説明したが、分子線エ
ピタキシー法（ＭＢＥ法）等、他の結晶成長法を用いて
もＺｎＯバッファ層を導入することにより結晶性の良い
ＩｎＧａＡｌＮを得ることができる。また、ＺｎＯバッ
ファ層の成長とＩｎＧａＡｌＮの成長を異なる結晶成長
方法、あるいは異なる結晶成長装置で別々に行っても構
わない。
【００３１】（実施形態２）図３は本発明の実施形態２
に係る発光素子の断面を示したものである。本発光素子
はｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板９の表面に成長した膜
厚１０００ÅのＡｌドープＺｎＯ（０００１）エピタキ
シャル単結晶薄膜低抵抗バッファ層１０，膜厚２００Å
のＳｉドープＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層１１，
膜厚２μｍのＳｉドープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡｌＮクラ
ッド層４，膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ
活性層５，膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮ
クラッド層４，ｐ型クラッド層のオーミック電極７，ｎ
型ｓｉ基板のオーミック電極１２からなる。
に係る発光素子の断面を示したものである。本発光素子
はｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板９の表面に成長した膜
厚１０００ÅのＡｌドープＺｎＯ（０００１）エピタキ
シャル単結晶薄膜低抵抗バッファ層１０，膜厚２００Å
のＳｉドープＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層１１，
膜厚２μｍのＳｉドープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡｌＮクラ
ッド層４，膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＮ
活性層５，膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮ
クラッド層４，ｐ型クラッド層のオーミック電極７，ｎ
型ｓｉ基板のオーミック電極１２からなる。
【００３２】本実施形態の素子においてもＩｎＧａＡｌ
Ｎバッファ層３，ｎ型クラッド層４，活性層５及びｐ型
クラッド層６はＺｎＯに格子整合し、かつＩｎＧａＡｌ
Ｎバッファ層１１及びクラッド層４，６のバンドギャッ
プエネルギが活性層５のバンドギャップよりも０．３ｅ
Ｖ以上大きくなるように組成を選び、キャリア及び光子
を効率的に活性層５に閉じ込めることを可能としてい
る。
Ｎバッファ層３，ｎ型クラッド層４，活性層５及びｐ型
クラッド層６はＺｎＯに格子整合し、かつＩｎＧａＡｌ
Ｎバッファ層１１及びクラッド層４，６のバンドギャッ
プエネルギが活性層５のバンドギャップよりも０．３ｅ
Ｖ以上大きくなるように組成を選び、キャリア及び光子
を効率的に活性層５に閉じ込めることを可能としてい
る。
【００３３】また本実施形態においてはＺｎＯバッファ
層１０及びＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層１１はそ
れぞれＡｌ，Ｓｉをドープすることにより低抵抗化し、
ｎ型低抵抗Ｓｉ基板９に直接ｎ電極１２を設けることを
可能としている。
層１０及びＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層１１はそ
れぞれＡｌ，Ｓｉをドープすることにより低抵抗化し、
ｎ型低抵抗Ｓｉ基板９に直接ｎ電極１２を設けることを
可能としている。
【００３４】これにより従来サファイア基板を用いた場
合基板の極めて高い絶縁性のために、本発明の実施形態
１の如くｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層６，ＩｎＧａＡ
ｌＮ活性層５及びｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層４の一
部をエッチング除去し、ｎ型クラッド層４にオーミック
電極１３を作製する必要があることに比べ、ｎ電極の作
製工程を大幅に簡略化することが可能となる。電極７に
正の電圧を、電極１２に負の電圧を加えると活性層は４
４０ｎｍの波長で発光し、その外部量子効率は２．５％
とサファイア基板を用いた場合とほとんど遜色のない高
効率発光が得られた。
合基板の極めて高い絶縁性のために、本発明の実施形態
１の如くｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層６，ＩｎＧａＡ
ｌＮ活性層５及びｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層４の一
部をエッチング除去し、ｎ型クラッド層４にオーミック
電極１３を作製する必要があることに比べ、ｎ電極の作
製工程を大幅に簡略化することが可能となる。電極７に
正の電圧を、電極１２に負の電圧を加えると活性層は４
４０ｎｍの波長で発光し、その外部量子効率は２．５％
とサファイア基板を用いた場合とほとんど遜色のない高
効率発光が得られた。
【００３５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、サファイ
ア基板上に極めて結晶性の良好なエピタキシャル単結晶
薄膜を得ることができ、しかもＩｎＧａＡｌＮと格子整
合可能なＺｎＯをバッファ層として導入したため、格子
整合系でのエピタキシャル成長が可能ではあるが大型の
バルク単結晶を作製することが困難なＺｎＯ，ＭｎＯ，
ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の酸化物単結晶基板を
用いなくとも比較的安価で大型の基板が入手可能なサフ
ァイア基板上に作製するＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル
薄膜の結晶性を向上することができる。これにより、発
光効率ならびに素子寿命の良好なＩｎＧａＡｌＮ半導体
発光素子を安価に提供することができる。
ア基板上に極めて結晶性の良好なエピタキシャル単結晶
薄膜を得ることができ、しかもＩｎＧａＡｌＮと格子整
合可能なＺｎＯをバッファ層として導入したため、格子
整合系でのエピタキシャル成長が可能ではあるが大型の
バルク単結晶を作製することが困難なＺｎＯ，ＭｎＯ，
ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＭｇＯ，ＣａＯ等の酸化物単結晶基板を
用いなくとも比較的安価で大型の基板が入手可能なサフ
ァイア基板上に作製するＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル
薄膜の結晶性を向上することができる。これにより、発
光効率ならびに素子寿命の良好なＩｎＧａＡｌＮ半導体
発光素子を安価に提供することができる。
【００３６】またＩｎＧａＡｌＮと格子整合が可能なＺ
ｎＯは極めて高品質大口径の結晶基板が安価に入手可能
なＳｉ基板上においても、結晶性の良好な単結晶薄膜を
作製することが可能であるため、Ｓｉを基板としても結
晶性の良好なＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル薄膜を得る
ことができる。これにより、発光効率ならびに素子寿命
の良好なＩｎＧａＡｌＮ半導体発光素子をより安価に提
供することができる。
ｎＯは極めて高品質大口径の結晶基板が安価に入手可能
なＳｉ基板上においても、結晶性の良好な単結晶薄膜を
作製することが可能であるため、Ｓｉを基板としても結
晶性の良好なＩｎＧａＡｌＮエピタキシャル薄膜を得る
ことができる。これにより、発光効率ならびに素子寿命
の良好なＩｎＧａＡｌＮ半導体発光素子をより安価に提
供することができる。
【図１】ＩＩＩ族窒化物化合物半導体とその混晶のバン
ドギャップと格子定数を示す図である。
ドギャップと格子定数を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１におけるダブルヘテロ半導
体発光素子の構成を示す断面図である。
体発光素子の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態２におけるダブルヘテロ半導
体発光素子の構成を示す断面図である。
体発光素子の構成を示す断面図である。
１ サファイア（０００１）基板 ２ ＺｎＯ（０００１）単結晶薄膜バッファ層 ３ ＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層 ４ ｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層 ５ ＩｎＧａＡｌＮ活性層 ６ ｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層 ７ ｐ型クラッドのオーミック電極 ８ ｎ型クラッドのオーミック電極 ９ ｎ型低抵抗Ｓｉ（１１１）基板 １０ Ａｌドープ低抵抗ＺｎＯ（０００１）単結晶薄膜
バッファ層 １１ ＳｉドープＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層 １２ ｎ型Ｓｉ基板のオーミック電極
バッファ層 １１ ＳｉドープＩｎＧａＡｌＮ低温成長バッファ層 １２ ｎ型Ｓｉ基板のオーミック電極
Claims (6)
- 【請求項１】 ＺｎＯバッファ層と、第１のＩｎＧａＡ
ｌＮ層と、第２のＩｎＧａＡｌＮ層とを少なくとも有す
る半導体発光素子であって、 前記ＺｎＯバッファ層は、サファイア基板の表面に形成
されたものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層は、前記ＺｎＯバッファ層
上に形成されたバッファ層であり、 前記第２のＩｎＧａＡｌＮ層は、前記第１のＩｎＧａＡ
ｌＮ層上に形成されたものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層と第２のＩｎＧａＡｌＮ層
とは、Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ（但し０≦ｘ≦１，０≦
ｘ＋ｙ≦１）層からなるものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層は、 前記第２のＩｎＧａ
ＡｌＮ層より低温で成長させたものであることを特徴と
する半導体発光素子。 - 【請求項２】 ＺｎＯバッファ層と、第１のＩｎＧａＡ
ｌＮ層と、第２のＩｎＧａＡｌＮ層とを少なくとも有す
る半導体発光素子であって、 前記ＺｎＯバッファ層は、シリコン基板の表面に形成さ
れたものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層は、前記ＺｎＯバッファ層
上に形成されたバッファ層であり、 前記第２のＩｎＧａＡｌＮ層は、前記第１のＩｎＧａＡ
ｌＮ層上に形成されたものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層と第２のＩｎＧａＡｌＮ層
とは、Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ（但し０≦ｘ≦１，０≦
ｘ＋ｙ≦１）層からなるものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層は、前記第２のＩｎＧａＡ
ｌＮ層より低温で成長させたものであることを特徴とす
る半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層の膜厚は、
５０〜２０００Åとしたものであることを特徴とする請
求項１又は２に記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 ＺｎＯバッファ層形成工程と、第１のＩ
ｎＧａＡｌＮ層形成工程と、第２のＩｎＧａＡｌＮ層形
成工程とを少なくとも有する半導体発光素子の製造方法
であって、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層と第２のＩｎＧａＡｌＮ層
とは、Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ（但し０≦ｘ≦１，０≦
ｘ＋ｙ≦１）層からなるものであり、 前記ＺｎＯバッファ層形成工程は、ＺｎＯバッファ層を
サファイア基板の表面に形成する処理を行うものであ
り、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層形成工程は、バッファ層と
しての前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層を前記ＺｎＯバッフ
ァ層上に形成する処理を行うものであり、 前記第２のＩｎＧａＡｌＮ層形成工程は、前記第２のＩ
ｎＧａＡｌＮ層を前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層上に形成
する処理を行うものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層を前記第２のＩｎＧａＡｌ
Ｎ層より低温で成長させることを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。 - 【請求項５】 ＺｎＯバッファ層形成工程と、第１のＩ
ｎＧａＡｌＮ層形成工程と、第２のＩｎＧａＡｌＮ層形
成工程とを少なくとも有する半導体発光素子の製造方法
であって、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層と第２のＩｎＧａＡｌＮ層
とは、Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ（但し０≦ｘ≦１，０≦
ｘ＋ｙ≦１）層からなるものであり、 前記ＺｎＯバッファ層形成工程は、ＺｎＯバッファ層を
シリコン基板の表面に形成する処理を行うものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層形成工程は、バッファ層と
しての前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層を前記ＺｎＯバッフ
ァ層上に形成する処理を行うものであり、 前記第２のＩｎＧａＡｌＮ層形成工程は、前記第２のＩ
ｎＧａＡｌＮ層を前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層上に形成
する処理を行うものであり、 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層を前記第２のＩｎＧａＡｌ
Ｎ層より低温で成長させることを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記第１のＩｎＧａＡｌＮ層を５０〜２
０００Åの膜厚に成長させることを特徴とする請求項４
又は５に記載の半導体発光素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19207595A JP2795226B2 (ja) | 1995-07-27 | 1995-07-27 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| US08/670,717 US5815520A (en) | 1995-07-27 | 1996-06-21 | light emitting semiconductor device and its manufacturing method |
| DE19629720A DE19629720C2 (de) | 1995-07-27 | 1996-07-23 | Herstellungsverfahren für eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19207595A JP2795226B2 (ja) | 1995-07-27 | 1995-07-27 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0945960A JPH0945960A (ja) | 1997-02-14 |
| JP2795226B2 true JP2795226B2 (ja) | 1998-09-10 |
Family
ID=16285226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19207595A Expired - Lifetime JP2795226B2 (ja) | 1995-07-27 | 1995-07-27 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5815520A (ja) |
| JP (1) | JP2795226B2 (ja) |
| DE (1) | DE19629720C2 (ja) |
Families Citing this family (72)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6291257B1 (en) * | 1991-07-21 | 2001-09-18 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Semiconductor photonic device having a ZnO film as a buffer layer and method for forming the ZnO film |
| ATE550461T1 (de) | 1997-04-11 | 2012-04-15 | Nichia Corp | Wachstumsmethode für einen nitrid-halbleiter |
| JP3813740B2 (ja) * | 1997-07-11 | 2006-08-23 | Ｔｄｋ株式会社 | 電子デバイス用基板 |
| EP1014455B1 (en) | 1997-07-25 | 2006-07-12 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| DE19855476A1 (de) * | 1997-12-02 | 1999-06-17 | Murata Manufacturing Co | Lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis, Verfahren zur Herstellung desselben und Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis |
| US6147363A (en) * | 1997-12-25 | 2000-11-14 | Showa Denko K.K. | Nitride semiconductor light-emitting device and manufacturing method of the same |
| US6051849A (en) | 1998-02-27 | 2000-04-18 | North Carolina State University | Gallium nitride semiconductor structures including a lateral gallium nitride layer that extends from an underlying gallium nitride layer |
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