JP3561105B2 - P-type semiconductor film and semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体レーザや発光ダイオードなどに用いられるp型半導体膜およびp型層を具備する半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、青色発光ダイオードや半導体レーザ用の材料としてGaNを始めとする窒化物化合物半導体が注目されており、一部では青色発光ダイオードが実現され、半導体レーザも実現されようとしている。このような素子は、p型およびn型といった異なる導電型を有する一対の材料で発光層を挟んだ、いわゆるダブルヘテロ構造を有している。なお、p型およびn型の材料のエネルギーギャップは、発光層のそれより大きい。しかしながら、このうちp型の窒化物化合物半導体層を形成する際には、特開平2−257679号公報や特開平5−183189号公報等に示されているように、有機金属気相成長法(MOCVD法)などで成膜した後、電子線照射や熱的なアニール等の工程を経なければならない。このような工程は、窒化物化合物半導体に特有である窒素空孔等の欠陥を生成することになる。そのため、p型窒化物化合物半導体層の実現は図れたものの、いまだp型キャリア濃度を上げることができず、電極の接触抵抗を含めた素子抵抗の低減を図ることができなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のp型化合物半導体層の製造工程は、その目的に反するような現象を生じさせるものを含んでおり、高キャリア濃度を有するp型窒化物化合物半導体層を形成することができなかった。
そこで本発明は、高キャリア濃度のp型半導体膜、およびこれを具備する半導体素子を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、半導体膜にp型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄、およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物とを含み、下記化学式で表わされる化合物半導体からなることを特徴とするp型半導体膜が提供される。
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)
【0005】
また本発明によると、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物とを含み、下記化学式で表わされる化合物半導体からなるp型半導体層を具備することを特徴とする半導体素子が提供される。
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)
さらに本発明によると、基板、n型クラッド層、p型クラッド層、および、前記n型クラッド層と前記p型クラッド層との間に設けられた活性層を具備し、前記n型クラッド層、前記p型クラッド層、および前記活性層は、下記化学式で表わされる化合物半導体からなり、前記p型クラッド層は、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物を含有することを特徴とする半導体レーザが提供される。
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)
またさらに本発明によると、基板、n型クラッド層、p型クラッド層、および、前記n型クラッド層と前記p型クラッド層との間に設けられた発光層を具備し、前記n型クラッド層、前記p型クラッド層、および前記発光層は、下記化学式で表わされる化合物半導体からなり、前記p型クラッド層は、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物を含有することを特徴とする発光ダイオードが提供される。
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)
【0006】
本発明者らは、高キャリア濃度を有するp型窒化物化合物半導体を製造し得なかった原因について鋭意検討した結果、次のような知見を得た。すなわち、窒化物化合物半導体は、本来、アクセプタとしての性質を有するMg(マグネシウム)をドーパントとして添加するのみでp型伝導を示すはずである。しかしながら、まず第1に、窒化物半導体には窒素空孔や格子間位置に入るGaが生成されやすいことから、p型化された半導体層中における残留ドナー濃度が高い。第2に、窒化物半導体中におけるMgのアクセプターレベルが、一般に考えられている半導体中のアクセプターレベルよりも著しく深い。この2つの現象のため、Mgを添加したのみでは高キャリア濃度の窒化物化合物半導体を形成することができなかった。
【0007】
したがって、通常p型化には関与しない不純物、またはアクセプター性不純物を、Mgとともに添加することによって、生成された窒素空孔によるドナーを補償することができる。すなわち、Mgを添加してp型化を付与する際に阻害となる要因を取り除くことができるので、Mgによる高キャリア濃度のp型結晶を実現することが可能となった。
【0008】
残留不純物を補償し、高キャリア濃度の結晶を実現するための不純物、またはアクセプター性不純物としては、エネルギー的に深いものを用いることが好ましい。かかる不純物を用いることによって、捕獲断面積を大きくすることができ、少ない添加量で多くの残留ドナーを補償することができる。
【0009】
なお、p型層中に残留ドナーを補償するアクセプター性不純物に加えて、さらにSiを添加した場合には、これによってMgの拡散を抑制することができ、エッチングの容易性も高められる。さらに、Siは、Mgが水素や酸素と結合することによりアクセプター化が阻害されるのを抑制するという作用も有している。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を実施例により詳細に説明する。
(実施例1)
図1は、本実施例に関わる半導体レーザ100の断面構造を示す。半導体レーザ100は、p型SiC基板101を有しており、このSiC基板101の上には格子不整合を緩和させることを目的としたGaNバッファ層102が10nmの厚さで形成されている。さらに、GaNバッファ層102の上には、p型GaN層103(2μm)、p型AlGaN層104(500nm)、InGaN活性層105(100nm)、n型AlGaN層106(500nm)、およびn型GaN層107(300nm)が順次積層されている。各層には、故意に不純物を添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、p型GaN103層およびp型AlGaN層104に添加した不純物は、MgおよびC(炭素)であり、n型AlGaN層106およびn型GaN層107に添加した不純物はSiである。このような不純物のうちp型層103および104中のCが、深いアクセプタレベルを形成することから残留ドナーを補償し、比較的浅いアクセプタレベルを形成するMgによる高キャリア濃度化を助ける働きをする。
【0011】
また、n型GaN層107の上には、SiO2 膜110によって10μmの幅でストライプ化されたTi/Au積層電極111が形成されており、p型SiC基板101の裏面にも、同様のTi/Au積層電極111が同一の厚さで形成されている。
【0012】
以下に、半導体レーザ100の製造方法を順に説明する。
この半導体レーザ100は、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)による気相成長を用いて製造した。用いた原料は、有機金属原料としてのトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)であり、ガス原料としてアンモニア、シランおよびプロパンである。また、キャリアガスとしては水素および窒素を用いた。
【0013】
まず、有機洗浄・酸洗浄によってSiC基板101を処理した後、このSiC基板を、MOCVD装置の反応室内に載置され、高周波によって加熱されるサセプタ上に装着した。次に、常圧で水素を20リットル/分の流量で流しながら、1200℃で約10分間、気相エッチングを施すことによって、SiC基板101の表面に形成された自然酸化膜を除去した。
【0014】
基板上への半導体層の成膜に当たっては、まず、SiC基板101を800℃まで降温し、水素、窒素、アンモニアおよびTMGを約5分間流すことにより、GaNバッファ層102を形成した。なお、水素、窒素およびアンモニアの流量はいずれも5リットル/分とし、TMGの流量は30cc/分とした。
【0015】
その後、SiC基板101を1100℃まで昇温・保持し、キャリアガスとしての水素および窒素、ガス原料としてのアンモニアおよびプロパン、有機金属原料としてのTMGおよびCp2 Mgを約30分間流すことにより、p型GaN層103を形成した。キャリアガスの流量はいずれも5リットル/分とし、有機金属原料の流量はいずれも30cc/分とした。また、アンモニアおよびプロパンの流量は、それぞれ5リットル/分および10cc/分とした。さらに引き続いて、これらのガスに100cc/分の流量のTMAを追加して、約8分間流すことによりp型AlGaN層104を形成した。
【0016】
InGaN活性層105の形成に当たっては、SiC基板101を800℃まで降温・保持し、窒素(10リットル/分)、アンモニア(5リットル/分)、TMG(30cc/分)、およびTMI(200cc/分)を約10分間流した。
【0017】
その後、SiC基板101を再び1100℃まで昇温・保持し、キャリアガスとしての水素および窒素、有機金属原料としてのTMGおよびTMA、ガス原料としてのアンモニアおよびシランを約8分間流すことによりn型AlGaN層106を形成した。キャリアガスの流量は、いずれも5リットル/分とし、TMGおよびTMAの流量は、それぞれ30cc/分および100cc/分とした。また、アンモニアおよびシランの流量は、それぞれ5リットル/分および1cc/分とした。これに引き続いてTMAの供給を停止し、残りのガスを約1時間流すことにより、n型GaN層107を形成した。この後、窒素のみを10リットル/分の流量で流しながら室温まで冷却して、反応室から成長ウェハーを取り出した。
【0018】
次いで、n型GaN層107上に周知の熱CVD法などを用いてSiO2 膜110を0.5μmの厚さで成膜した後、このSiO2 膜にフォトエッチングプロセスなどを施して幅10μmの孔を形成した。さらに、この上に周知の真空蒸着法などにより厚さ50nmのTi膜と3μmのAu膜とを順次形成して、Ti/Au積層電極111とした。これと同様の厚さのTi/Au積層電極を、SiC基板101の裏面にも形成した。
【0019】
このような素子においては、p型GaN層103およびp型AlGaN層104中にCはおよそ1×1017cm−3の濃度で含まれている。これはアンドープのGaN膜のキャリア濃度におよそ一致しているためである。なお、Mgの濃度は、p型GaN層103中では約5×1019cm−3であり、p型AlGaN層104中では約3×1019cm−3である。
【0020】
上述した例においては、p型層中の炭素濃度を上記の値に設定したが、炭素濃度はこれに限定されるものではない。残留ドナー濃度は結晶成長の条件によって異なるので、これを補償するための濃度も成長条件に応じて適宜決定することができる。しかしながら、残留ドナー濃度を補償し、p型結晶の阻害要因にならないようにするためには、炭素濃度は1×1016cm−3以上1×1019cm−3以下であることが必要であり、1×1018cm−3以下であることが望ましい。
【0021】
このようにして作製したウェハーを350μm×500μmの大きさにへき開し、レーザダイオードチップとした。このチップは活性層中のIn組成によるが、素子420nmで室温連続発振し、今回作製したものについては、Inの平均組成比が8%程度の場合に420nmで発振した。
(実施例2)
図2に、本発明の他の半導体レーザ200の断面構造を示す。半導体レーザ200は、スピネル基板201を有しており、そのスピネル基板201上にAlNバッファ層202が50nmの厚さで形成されている。さらにバッファ層202の上には、n型GaN層203(4μm)、n型AlGaN層204(500nm)、InGaN活性層205(100nm)、p型AlGaN層206(500nm)、およびp型GaN層207(300nm)が順次形成されている。各層には、故意に不純物を添加することによりp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、p型AlGaN層206およびp型GaN層207に添加した不純物はMgおよびCd(カドミウム)であり、n型GaN層203およびn型AlGaN層204に添加した不純物はSi(ケイ素)である。このような不純物のうちp型層206および207中のCdが残留ドナーを補償する働きをする。
【0022】
p型GaN層207の上には、SiO2 膜211によって10μmの幅でストライプ化されたTi/Au積層電極210が形成されている。なお、このTi/Au積層電極210は、厚さ50nmのTi膜と厚さ3μmのAu膜との積層構造からなり、これと同様の積層電極210が、エッチングにより上方の層を除去して表面を露出させたn型GaN層203の上にも形成されている。
【0023】
半導体レーザ200は、前述の(実施例1)と同様のMOCVD法により製造し、p型層に添加したCdの原料としては、ジメチルカドミウム(DMCd)を用いた。p型層中におけるCd濃度が高すぎる場合には、p型領域でキャリアが捕獲されこの領域で発光が生じ、活性層への注入が十分に行なわれないおそれがある。このため、Cd濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。しかしながら、濃度が低すぎる場合にはCdを添加する効果が現れないので1×1015cm−3以上の濃度であることが必要とされる。望ましくは1×1016cm−3以上1×1017cm−3以下であるとき、p型結晶のキャリア濃度は極大領域をもった。
【0024】
本実施例において基板として用いたスピネルは、へき開性および導電性がSiCに比べて乏しいので、閾値電流が前述の(実施例1)の場合より2割程度高くなる。しかしながらスピネルは、SiC基板に特有な貫通欠陥を有していないので、出力を3割程度高くすることが可能であった。
(実施例3)
図3に本実施例に関わる発光ダイオード300の断面構造を示す。発光ダイオード300は、サファイア基板301を有しており、サファイア基板301上には、GaNバッファ層302(20nm)、n型GaN層303(4μm)、InGaN発光層304(100nm)、p型AlGaN層305(300nm)、およびp型GaN層306(500nm)が順次積層されている。各層には、不純物を故意に添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、p型AlGaN層305およびp型GaN層306に添加した不純物はMgおよびFe(鉄)であり、n型GaN層303に添加した不純物はSiである。このうちp型層305および306中のFeが、残留ドナーを補償する働きをする。Feはレベルが非常に深いので、p型層中に微量含まれていればよいが、1×1013cm−3以上1×1016cm−3以下であることが望ましい。
【0025】
p型GaN層306の上には、厚さ20nmのNi膜と1μmのAu膜との積層構造からなるNi/Au積層電極310が形成されている。また、エッチングにより上方の層を除去して表面を露出させたn型GaN層303には、厚さ50nmのTi膜と2μmのAu膜との積層構造からなるTi/Auの積層構造311が形成されている。
【0026】
本実施例の発光ダイオードにおける窒化物化合物半導体の積層構造は、前述の(実施例1)と同様のMOCVD法により作製した。各層の成長膜厚は成長時間によって管理し、その後、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定した。なお、残留ドナーを補償するための不純物であるFeは、p型AlGaN層305およびp型GaN層306をエピタキシャル成長した後、イオン注入によって結晶中に導入した。また、InGaN発光層304中には発光中心としてZn(亜鉛)およびSiを導入し、その原料としてはジメチルジンク(DMZn)およびシランを用いた。
【0027】
このようにして積層構造を形成した後、p型GaN層306、p型AlGaN層305およびInGaN発光層304の一部の領域を、塩素ガスを用いたドライエッチングにより除去して、n型GaN層303を露出させ、このn型GaN層303上にn型電極311を形成した。このウェハーを350μm角の大きさにスクライブし、ステム上に設置し、ボンディング、モールドして発光ダイオードランプを得た。このランプは波長450nmで発光し、順方向電流20mAで3mW程度の出力を示した。
【0028】
本実施例においては、残留ドナーを補償する不純物としてFeをp型層に添加したが、発光中心として発光層に添加するZnをp型層305および306に微量添加しても同様の効果が得られる。ただし、Znのエネルギーレベルは鉄より浅いので、Znの濃度は1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下とすることが望ましい。
(実施例4)
図4に本実施例に係る発光ダイオード400の断面構造を示す。発光ダイオード400は、n型SiC基板401を有しており、このSiC基板401上には、n型GaN層402(1μm)、InGaN発光層403(100nm)、p型AlGaN層404(300nm)、およびp型GaN層405(500nm)が順次形成されている。各層には、不純物を故意に添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、p型AlGaN層404およびp型GaN層405に添加した不純物はMgおよびTi(チタン)であり、n型GaN層402に添加した不純物はSiである。このうちp型層404および405中のTiが残留ドナーを補償する働きをする。なお、このTiは、膜成長後に蒸着・熱拡散によってp型層404および405に導入した。
【0029】
p型GaN層405の上には、厚さ50nmのTi膜と2μmのAu膜との積層構造からなるTi/Au積層電極410が形成されている。これと同様のTi/Au積層電極410は、n型SiC基板401の裏面にも形成されている。
【0030】
この発光ダイオード400は、アンモニアガスを用いたガスソースMBE法により製造した。3族用の蒸発用ルツボには、Ga(ガリウム)金属、In(インジウム)金属およびAl(アルミニウム)金属を収容し、それぞれ所定温度に加熱した。Ga金属の加熱温度は1050℃であり、In金属は750℃、Al金属は1060℃にそれぞれ加熱した。ガスの導入には、内部にアルミファイバを充填したクラッキングガスセルを使用し、500℃に加熱して、ガスを直接基板に吹き付けるようにして5cc/分の速度で供給した。
【0031】
まず、SiC基板401を有機洗浄および酸洗浄し、洗浄後の基板を、加熱可能なサセプタに装着して反応室内に導入した。その後、900℃で30分間SiC基板401を加熱し、次いで650℃の温度に保持して基板上への半導体層の成膜を行なう。
【0032】
成膜に当たっては、アンモニアガスをクラッキングガスセルから供給しながら、まずGaおよびSiのシャッタを開けて約0.5μm/時の成膜速度で膜厚1μmのn型GaN層402を形成した。次いで、InおよびGaのシャッタを開けてInGaN発光層403を形成し、さらにAl,GaおよびMgのシャッタを開けてAlGaN層404、GaおよびMgのシャッタを開けてGaN層405を順次形成した。
【0033】
これらの膜を形成した後、アンモニアガスの供給を停止し、続けて反応室内でスパッタ法等により厚さ300nmのTi膜をGaN層405の上に成膜した。その後、1000℃まで昇温し、TiをAlGaN層74およびGaN層405中に拡散させることによって、AlGaN層404およびGaN層405をp型化した。このとき、AlGaN層404およびGaN層405中へのTiの拡散量は、Ti膜の膜厚および熱処理の温度によって制御することができる。Tiのレベルは非常に深いので、TiはMgドープGaN系半導体中に微量含有されていればよい。具体的には、p型層中におけるTi濃度は、1×1013cm−3以上1×1016cm−3以下であることが望ましい。
【0034】
このようにして作製した発光ダイオード70では、Tiをp型層404および405に添加しないときと比べて発光強度に改善がみられ、光出力としては発光波長430nmで5mW程度の値が得られた。
(実施例5)
図5に、本実施例に係るZnSe系半導体レーザ500の断面構造を示す。ZnSe系材料においても、p型高キャリア濃度結晶の実現は困難であり、その阻害要因としてSe空孔が考えられる。半導体レーザ500は、GaAs基板501を有しており、このGaAs基板501上には、GaAsバッファ層502、n型ZnSe層503、CdZnSe活性層504、およびp型ZnSe層505が順次形成されている。各層は、周知のMOCVD法を用いて形成することができ、n型ZnSe層503およびp型ZnSe層505には、故意に不純物を添加することによってそれぞれの導電性を付与している。具体的には、n型ZnSe層503に添加した不純物はClであり、p型ZnSe層505に添加した不純物は窒素(N)およびヒ素(As)である。このうち、p型層505中のAsが残留ドナーを補償する働きをする。
【0035】
ZnSe系半導体層においては、残留ドナー濃度が2×1016cm−3程度であることから、p型層505に添加するAsの濃度は、1×1015cm−3以上1×1017cm−3以下であることが望ましい。このときには、p型層505は2×1018cm−3程度のキャリア濃度を有しており、波長500nmで発振した。
【0036】
上述した例においては、残留ドナーを補償する不純物としてAsを用いたが、O(酸素),P(リン),TiおよびNi(ニッケル)などを用いることも可能である。ここで挙げた不純物の好ましい濃度は、その種類によって異なり、例えば、OおよびPの場合には1×1015cm−3以上1×1017以下であることが好ましく、TiおよびNiの場合には1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であることが好ましい。かかる範囲の濃度で添加した場合には、前述と同等の効果が得られる。
(実施例6)
図6に、本実施例に係る4H型炭化ケイ素(SiC)による電子デバイス(MOSFET)600の断面構造を示す。図示する電子デバイス600においては、n型SiC基板601にイオン注入により2つのp型層602が離間して形成されており、このp型層602上にソースおよびドレイン電極605が設けられている。また、2つのp型層602に挟まれた領域の上には、酸化膜603を介したゲート電極604が形成されている。
【0037】
SiCには、ドナー不純物である窒素が非常に取り込まれやすく、また活性化率が非常に高いため、窒素が残留ドナーとして結晶中に存在している。これに起因して、p型高キャリア濃度結晶を作製することは困難である。SiC層にp型導電性を付与する際には、通常、AlやB(ホウ素)がアクセプター性不純物として用いられるが、同時にIn,GaおよびScなどから選択される不純物を添加することによって、残留ドナーを補償して高キャリア濃度のp型結晶を形成することができる。なお、これらの濃度としては、1×1014cm−3以上5×1016cm−3以下であることが望ましい。
【0038】
上述したような残留ドナーを補償する不純物は、例えばイオン注入によってアクセプター性不純物と同時にp型層に添加することができる。通常、SiCに不純物を注入するに当たっては、1000℃程度の温度で注入した後、1500℃以上の温度での熱処理が必要とされるが、不純物種によっては、このような高温熱処理を必要としないものもある。その場合には、まず、AlやBを高温で注入して熱処理を施し、次いで、600℃程度の温度に降温してInなどの不純物を注入することが可能である。
【0039】
また、アクセプター性不純物としてのBは、高温の熱処理時に外方拡散するおそれがあり、これを抑制するには、熱処理を施す前にIn,GaおよびScなどの残留ドナーを補償する不純物を表面に蒸着し、その後、熱処理を施すことが有効である。さらに、Bよりも2桁程度低い濃度で、第3の不純物としての酸素や水素を注入した場合にも、外方拡散を抑制することができる。
(実施例7)
図7に、本実施例に関わる半導体レーザ700の断面図を示す。半導体レーザ700は、n型SiC基板701を有しており、そのSiC基板701上に格子不整合を緩和させることを目的としたAlNバッファ層702が5nmの膜厚で形成されている。さらに、AlNバッファ層702の上に、n型GaN層703(2μm)、n型AlGaN層704(500nm)、InGaN活性層705(10nm)、p型AlGaN層706(500nm)、およびp型GaN層707(300nm)が順次形成されている。各層には、不純物を故意に添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、n型GaN層703およびn型AlGaN層704に添加した不純物はSiであり、p型AlGaN層706およびp型GaN層707に添加した不純物はMg、CおよびZnである。このうち、p型層706および707に添加したCが残留ドナーを補償するための不純物である。なお、p型層に同時に添加したZnもアクセプター性不純物であるため、C等、他の不純物を添加した場合と同様の効果が期待できる。ただしZnは、Mgと同時に添加した場合でもp型GaN系結晶は得られず、本発明の示す効果は見られなかった。これは、Znの不純物レベルの深さが他の不純物と比較して浅いためと思われる。
【0040】
p型GaN層707の上には、SiO2 膜710によって10μmの幅でストライプ化されたNi/Au積層電極711がオーミック電極として形成されている。このNi/Au積層電極711は、厚さ200nmのNi膜と2μmのAu膜との積層構造により形成されており、これと同様の電極がn型SiC基板701の裏面にも形成されている。
【0041】
この半導体レーザ700は、前述の実施例1と同様の原料および装置を用いて製造した。なお、p型層に添加するZnの原料としてはジメチル亜鉛を用いた。このようにして作製したウェハーを350μm×500μmの大きさにへき開し、レーザダイオードチップとした。このチップは活性層中のIn組成によるが、波長410nm、電流値50mAで室温連続発振した。
(実施例8)
図8に、本実施例に関わる半導体レーザ800の断面構造を示す。半導体レーザ800は、c面を主面とするサファイア基板801を有しており、サファイア基板801上には、厚さ50nmのGaNバッファ層802が形成されている。GaNバッファ層802の上には、n型GaNコンタクト層803(2μm)、n型AlGaNクラッド層804(500nm)、InGaN活性層805(50nm)、p型AlGaNクラッド層806(500nm)、およびp型GaNコンタクト層807(300nm)が順次形成されている。各層中には、不純物を故意の添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、n型GaN層803およびn型AlGaNクラッド層804に添加した不純物はSiであり、p型AlGaN層806およびp型GaN層807に添加した不純物はMg、SiおよびCである。このような不純物のうち、p型層806および807に添加したCが、残留ドナーを補償する働きをする。
【0042】
p型GaN層807の上には、SiO2 膜810によって10μmの幅でストライプ化されたNi/Au積層電極811が形成されている。このNi/Au積層電極811と同一の厚さのTi/Au積層電極812が、エッチングにより上方の層を除去して表面を露出させたn型GaN層803の上にも形成されている。
【0043】
以下に、半導体レーザ800の製造方法を順に説明する。
この半導体レーザ800は、周知のMOCVD法による気相成長を用いて製造した。有機金属原料としては、TMG、TMA、TMIおよびCp2 Mgを用い、ガス原料としては、アンモニア、SiH4 およびC3 H8 を用いた。また、キャリアガスとして水素および窒素を用いた。
【0044】
なお、有機金属原料は上述したものに限定されず、例えば、メチル基の代わりにエチル基の結合したトリエチルガリウム(TEG)を用いることも可能である。さらに、Cp2 Mgの代わりにメチルビスシクロペンタジエニルマグネシウムなどを用いることも可能である。
【0045】
上述した有機金属原料のうち、SiH4 とC3 H8 との2種類のガスを同時に用いれば、p型層にSiとCとを同時に導入することができる。なお、このように2種類の原料を用いる以外にも、ヘキサメチルジシラン((CH3 )6 Si2 )などの有機原料を1種類のみ用いることによって、p型層中にSiとCとを同時に添加することも可能である。
【0046】
まず、有機洗浄・酸洗浄によってサファイア基板801を処理した後、このサファイア基板を、MOCVD装置の反応室内に載置され、高周波によって加熱されるサセプタ上に装着した。次に、常圧で水素を20リットル/分の流量で流しながら、温度を1200℃で約10分間、気相エッチングを施すことによって、サファイア基板801の表面に形成された自然酸化膜を除去した。
【0047】
基板上への半導体膜の成膜に当たっては、まず、サファイア基板801を550℃まで降温し、水素、窒素、アンモニアおよびTMGを約4分間流すことにより、GaNバッファ層802を形成した。なお、水素、窒素、アンモニアおよびTMGの流量は、それぞれ15リットル/分、5リットル/分、10リットル/分、および30cc/分とした。その後、TMGの供給を停止し、12分間かけて温度を1100℃まで上昇させた。
【0048】
続いて、サファイア基板801を1100℃で保持し、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(100cc/分)、およびSiH4 (8cc/分)を約60分間流すことにより、n型GaN層803を形成した。なお、SiH4 は、水素によって10ppmに稀釈して用いた。さらに引き続いて、これらの原料に50cc/分の流量のTMAを追加して、約10分間流すことによりn型AlGaN層804を形成した。
【0049】
次に、サファイア基板801を800℃まで降温・保持し、窒素(20リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(30cc/分)、およびTMI(200cc/分)を約10分間流すことによりInGaN活性層805を形成した。
【0050】
その後、サファイア基板801を再び1100℃まで昇温・保持し、窒素(20リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(30cc/分)、TMA(100cc/分)、Cp2 Mg(150cc/分)、SiH4 (1cc/分)、およびC3 H8 (0.2cc/分)を、約10分間流すことによりp型AlGaN層806を形成した。これに引き続いてTMAの供給を停止し、残りの原料ガスを約10分間流すことによって、p型GaN層807を形成した。
【0051】
p型層806および807中に添加されるSiは、Mgの拡散を抑制する作用を有する。また、このようにSiを添加することによって、結晶のエッチングを容易に行なうことができる。なおMgが、水素や酸素と結合した場合にはアクセプタとなることが阻害されるが、Siを添加することによって、そのような望ましくない結合を抑制することもできる。しかしながら、GaN系半導体中のSiは、それ自身がドナーとして作用するため、過剰に添加した場合にはp型化が阻害されるおそれがある。具体的には、p型層中におけるSiの濃度は6×1016cm−3以上2×1019cm−3以下であることが望ましい。一方、炭素は、同時に添加されたSiと残留ドナーとを同時に補償する必要があるので、その濃度は、1×1016cm−3以上であることが好ましい。
【0052】
この後、アンモニア(10リットル/分)、および窒素(20リットル/分)を流しながら350℃まで冷却した。さらにアンモニアの供給のみを停止した後、室温まで冷却し、反応室からウェハーを取り出した。
【0053】
次いで、p型GaN層807上に周知の熱CVD法などを用いてSiO2 膜810を0.5μmの厚さで成膜し、フォトエッチングプロセスなどを施して幅150μmの縞状構造を形成した。SiO2 膜810が除去されたp型GaN層807部分を、p型AlGaN層806、InGaN活性層805およびn型AlGaN層804とともに、塩素ガス等を用いたエッチングにより除去することによって、n型GaN層803の表面を露出させた。
【0054】
p型GaN層807に形成されたSiO2 膜810には、フォトエッチングプロセスなどにより幅10μmの孔を形成した。この孔に周知の真空蒸着法などにより厚さ50nmのNi膜と3μmのAu膜とを順次形成してNi/Au積層電極811を形成した。また、n型GaN層803上には、厚さ50nmのTi膜と3μmのAu膜とを順次積層してTi/Au積層電極を形成した。
【0055】
なお、電極としては、P型層の上にPt,Pd,In,MgまたはTiなどと上述したNiやAuとの合金あるいは積層構造を用いることもできる。また、n型層の上には、SiまたはCrなどと上述したTiやAuとの合金あるいは積層構造を形成してもよい。
【0056】
このようにして作製したウェハーを350μm×500μmの大きさにへき開し、レーザダイオードチップとした。このチップは、活性層中のIn組成によるが、電流密度5kA/cm2 を流したとき、波長420nm、出力5mWで室温連続発振した。
【0057】
上述した例においては、残留ドナーを補償する不純物としてCを用いたが、Cd、Ti、Ni及びFeを用いることも可能(これら不純物の他にZnを含めることも可能)である。これらは、例えばジメチルカドミウムなどの有機金属原料を用いて、結晶成長中に導入することができる。あるいは、成長後の結晶表面にスパッタなどの方法を用いて上述した金属膜を形成し、その後、この膜を加熱することによって不純物を結晶中に拡散導入してもよい。さらに、結晶成長後にイオン注入によってこれらの原料を導入することもできる。イオン注入した場合には、結晶性が乱れることが知られているので、注入後に熱処理を施すことが好ましい。
【0058】
ここで挙げた不純物の好ましい濃度は、その種類によって異なる。例えば、Cdの場合には、1×1015cm−3以上1×1018cm−3以下であることが好ましく、Ti及びFeの場合には、1×1013cm−3以上1×1016cm−3以下であることが望ましい。またNiの場合には、1×1013cm−3以上4×1016cm−3以下であることが望ましい。いずれの不純物も上限を越えた濃度で添加されると、Mgのアクセプターへの活性化を阻害するおそれがあり、一方、不純物濃度が下限に満たない場合には、残留ドナーを補償するという効果を得ることが困難となる。
【0059】
本実施例においては、MOCVD法を用いて結晶成長を行なったが、分子線エピタキシー法(MBE法)や塩素ガスなどによる原料輸送法を用いることができる。ただし、それぞれの場合において原料を選択しなければならないことはいういまでもない。
【0060】
また、本実施例では、III−V族化合物半導体としてGaN系半導体について説明したが、これに限定されるものではない。Bx Iny Alz Ga(1−x−y−z) N(0≦x,y,z≦1)で表わされる任意の化合物半導体を使用することができる。なお、GaAsやInGaPなどの半導体では、p型層中におけるSi濃度は5×1018cm−3以上であることが必要であった。この場合、Mgはアクセプターレベルが浅いことから、この程度のSi濃度でp型化を完全に阻害されることはなかった。
【0061】
さらに、上述の例では、バッファ層としてGaNを用いたが、これに限定されるものではなく、Gax Aly Inz N(x+y+z=1)で表わされる任意の化合物半導体を使用することができる。
(実施例9)
図9に、本実施例の半導体レーザ900の断面図を示す。半導体レーザ900は、p型SiC基板901を有しており、そのSiC基板901上には、格子不整合を緩和させることを目的としたGaNバッファ層902が10nmの厚さで形成されている。さらにGaNバッファ層902の上に、p型GaN層903(2μm)、p型AlGaN層904(500nm)、厚さ20nmの井戸層と厚さ40nmの障壁層とを有する多重量子井戸(MQW)構造のInGaN活性層905、n型AlGaN層906(500nm)、およびn型GaN層907(300nm)が順次積層されている。GaN系の層902、903、904、905、906および907の全ての層には、Siが添加されており、さらにp型GaN層903およびp型AlGaN層904には、MgおよびCが添加されている。このうちp型層903および904中のCが、深いアクセプタレベルを形成することから残留ドナーを補償し、比較的浅いアクセプタレベルを形成するMgによる高キャリア濃度化を助ける働きをする。
【0062】
n型GaN層907の上には、SiO2 膜910によって10μmの幅でストライプ化されたTi/Au積層電極911が形成されている。このTi/Au積層電極911は、厚さ50nmのTi膜と2μmのAu膜との積層構造により形成されており、これと同一の厚さのTi/Au積層電極911がp型SiC基板901の裏面にも形成されている。
【0063】
以下に、この半導体レーザ900の製造方法を順に説明する。
この半導体レーザ900は、周知のMOCVD法による気相成長を用いて製造した。有機金属原料として、TMG、TMA、TMIおよびCp2 Mgを用い、ガス原料としてアンモニア、シランおよびプロパンを用いた。また、キャリアガスとして水素および窒素を用いた。
【0064】
まず、有機洗浄・酸洗浄によってp型SiC基板901を処理した後、このSiC基板901を、MOCVD装置の反応室内に載置され、高周波によって加熱されるサセプタ上に装着した。次に、常圧で水素を20リットル/分の流量で流しつつ、1200℃で約10分間、気相エッチングを施すことによって基板表面に形成された自然酸化膜を除去した。
【0065】
基板上への半導体層の成膜に当たっては、まず、SiC基板901を800℃まで降温し、水素、窒素、アンモニア、TMGおよびシランを5分間流すことにより、GaNバッファ層902を形成した。なお、水素、窒素およびアンモニアの流量はいずれも5リットル/分とし、TMGの流量は30cc/分、シランの流量は0.2cc/分とした。
【0066】
その後、SiC基板901を1100℃まで昇温・保持し、キャリアガスとしての水素および窒素、ガス原料としてのアンモニア、プロパンおよびシラン、有機金属原料としてのTMGおよびCp2 Mgを約30分間流すことにより、p型GaN層903を形成した。なお、キャリアガスの流量はいずれも5リットル/分とし、有機金属原料の流量はいずれも30cc/分とした。また、アンモニア、プロパンおよびシランの流量は、それぞれ5リットル/分、10cc/分、および0.2cc/分とした。さらに引き続いて、これらのガスに100c/分の流量のTMAを追加し、約8分間流すことによりp型AlGaN層904を形成した。
【0067】
次に、SiC基板901を800℃まで降温・保持し、窒素(10リットル/分)、アンモニア(5リットル/分)、TMG(30cc/分)、シラン(0.2cc/分)を流しつつ、2種類の流量に切り替えてTMIを流して25周期の多重量子井戸を有するInGaN活性層905を形成した。なお、TMIは、200cc/分の流量での1分間の供給と、50cc/分の流量で2分間での供給とを1周期として25周期流した。
【0068】
続いて、SiC基板901を再び1100℃まで昇温・保持し、キャリアガスとしての水素および窒素、有機金属原料としてのTMGおよびTMA、ガス原料としてのアンモニアおよびシランを約8分間流すことによりn型AlGaN層906を形成した。なお、キャリアガスの流量は、いずれも5リットル/分とし、TMGおよびTMAの流量は、それぞれ30cc/分および100cc/分とした。また、アンモニアおよびシランの流量は、それぞれ5リットル/分および1cc/分とした。これに引き続いてTMAの供給を停止し、残りのガスを約1時間流すことにより、n型GaN層907を形成した。この後、窒素のみ10リットル/分の流量で流しながら室温まで冷却して、反応室から成長ウェハーを取り出した。
【0069】
続いて、n型GaN層907上に周知の熱CVD法などを用いてSiO2 膜910を0.5μmの厚さで形成し、このSiO2 膜にフォトエッチングプロセスなどにより幅10μmの孔を形成した。さらに、この上に周知の真空蒸着法などにより厚さ50nmのTi膜と厚さ3μmのAu膜とを順次形成してTi/Au積層電極911とした。これと同様の厚さのTi/Au積層電極911をp型SiC基板901の裏面にも形成した。
【0070】
このような素子においては、p型GaN層903およびp型AlGaN層904中にCは約1×1017cm−3の濃度で含まれている。これは、アンドープのGaN膜のキャリア濃度におよそ一致している値である。上述した例においては、p型層中の炭素濃度を上記の値に設定したが、炭素濃度はこれに限定されるものではない。残留ドナー濃度は結晶成長の条件によって異なるので、これを補償するための不純物の濃度も、成長条件に応じて適宜決定することができる。
【0071】
このようにして作製したウェハーを350μm×500μmの大きさにへき開し、レーザダイオードチップとした。このチップは、活性層中にIn組成にもよるが、波長420nmで室温連続発振した。
【0072】
上述した例においては、残留ドナーを補償する不純物としてCを用いたが、Cd、Ti又はFeを用いることも可能である。これらは、例えばジメチルカドミウムなどの有機金属原料を用いて、結晶成長中に導入することができる。あるいは、成長後の結晶表面にスパッタなどの方法を用いて上述した金属膜を形成し、その後、この膜を加熱することによって不純物を結晶中に拡散導入してもよい。さらに、結晶成長後にイオン注入によりこれらの原料を導入することもできる。イオン注入した場合には、結晶性が乱れることが知られているので、注入後に熱処理を施すことが好ましい。
【0073】
ここで挙げた不純物の好ましい濃度は、その種類によって異なる。例えば、Cdの場合には、1×1015cm−3以上1×1018cm−3以下であることが好ましく、Ti及びFeの場合には、1×1013cm−3以上1×1016cm−3以下であることが望ましい。いずれの不純物も上限を越えた濃度で添加されると、Mgのアクセプターへの活性化を阻害するおそれがあり、一方、不純物濃度が下限に満たない場合には、残留ドナーを補償するという効果を得ることが困難となる。
【0074】
また本実施例においては、SiC基板として6H型の基板を用いたが、6H型SiCとGaN系半導体との間にはエネルギーギャップ差が0.5V程度あるため、動作電圧が上昇してしまう傾向がある。そのため、エネルギーギャップ差の小さい4H型や2H型のSiCを基板として用いることがさらに好ましい。
【0075】
ここで基板として用いたSiCも、GaN系半導体と同様にエッチングするのが困難な材料である。そのため、エッチング性の容易性の向上のために窒素を1×1017cm−3以上添加することが望ましい。しかしながら、SiC中では窒素は有効なドナー不純物である。また、残留ドナーは2×1016cm−3程度の濃度で含まれている。これらのドナーをアクセプタ性不純物によって補償することによって、より高キャリア濃度のp型SiC結晶を実現することが必要である。特にp型層と基板表面の電極との界面においては、動作電圧の低減のためにその必要性が高い。このアクセプター不純物としては、Al,Ga,In,Sc,YおよびTiなどが挙げられる。このような不純物のp型層中における好ましい濃度は、その種類によって異なり、例えば、GaやScの場合には、1×1017cm−3程度とすることが好ましい。
(実施例10)
図10(a)に、本実施例の発光ダイオード1000の断面図を示す。発光ダイオード1000は、サファイア基板1001を有しており、このサファイア基板1001上には、GaNバッファ層1002が20nmの膜厚で形成されている。さらにバッファ層1002の上には、n型GaN層1003(4μm)、InGaN発光層1004(100nm)、およびp型GaN層1005(500nm)が順次積層されている。各層には、不純物を故意に添加することによってp型またはn型の導電性を付与している。具体的には、p型GaN層1005に添加した不純物は、アクセプタとしてのMgおよび残留ドナーを補償するためのCであり、n型GaN層1003に添加した不純物はドナーとしてのSiである。また、InGaN発光層1004には、発光中心としてZnおよびSiを導入した。
【0076】
p型GaN層1005上には、厚さ20nmのNi膜と1μmのAu膜との積層構造からなるNi/Auの積層電極1010が形成されている。また、エッチングによりその上方の層を除去して表面を露出させたn型GaN層1003上には、厚さ50nmのTi膜と2μmのAu膜との積層構造からなるTi/Auの積層電極1011が形成されている。
【0077】
本実施例の発光ダイオードにおける窒化物化合物半導体の積層構造は、前述の(実施例1)と同様のMOCVD法により作製した。なお、各層の成長膜厚は成長時間によって管理し、その後、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定した。
【0078】
このようにして積層構造を作製した後、p型GaN層1005およびInGaN活性層1004の一部の領域を、塩素ガスを用いたドライエッチングにより除去して、n型GaN層1003を露出させ、ここにn型電極1011を形成した。このウェハーを350μm角の大きさにスクライプし、ステム上に設置し、ボンディング、モールドして発光ダイオードランプを得た。このランプは、波長450nmで発光し、順方向電流20mAで3mW程度の出力を示した。
【0079】
本実施例のように、発光中心としてSiを用いる場合には、特にp型層/発光層界面にSiが蓄積したり、あるいはp型層へSiが拡散するおそれがある。Siの蓄積や拡散が生じると、ヘテロバリアの生成やp型層のn型反転が生じるので、かかる現象は極力避けることが望まれる。p型層中に添加するCの濃度を高めにすることによって、そのような不都合は避けることができ、具体的には、p型層中における炭素濃度は、8×1017cm−3以上とすることが好ましい。
【0080】
なお、p型層中における残留ドナーの発生要因としては、窒素空孔が挙げられる。この空孔は、As,OおよびPなどで埋めることができるものの、これらの元素が単独で添加されると、エネルギーギャップの低下や電気的な不活性の要因を生じさせてしまう。その結果、不純物を添加した効果を発揮できなくなるおそれがあるので、このような元素は、Cと同時に添加することが望まれる。また、深いレベルで形成するアクセプタ性不純物であるCd,Fe,TiおよびNiなどで、残留ドナーを補償することができる。しかしながら、これらの不純物も単独では電気的な不活性を生じさせるだけであるので、Cと同時に添加することが望まれる。
【0081】
図10(a)に示した発光ダイオードは、図10(b)に示すように変更することができる。図10(a)に示す例においては、図10(b)におけるp型GaN層1005を、p型GaN注入層1105とp型コンタクト層1106との2つの層に分けたものである。ここでは、注入層1105には不純物としてMgのみを添加し、コンタクト層1106にはMgとCとを添加した。このような構造とすることにより、コンタクト層の抵抗を下げることができるため、動作電圧の低減を図ることができる。具体的には、図10(a)に示した構造では、電流20mAにおける電圧が4Vであったのに対し、図10(b)に示した構造とすることで、3.5Vにまで低下することができた。
【0082】
さらに、コンタクト層1106にSiを添加してもよい。SiはMgの拡散を抑制したり、結晶のエッチングの容易性を増加させる働きがある。また、SiはIV族元素であるので、窒素位置に置換させることによりアクセプタとして用いることができる。このためには、通常の成長温度より低温で成長させるという手法が挙げられる。あるいは、窒素/ III族元素供給比を下げることによって、 III族元素の供給を窒素の供給より過剰にすることで III族元素位置に置換することを抑制することができる。このような成長によって、Siをアクセプタとして機能させることも可能である。
【0083】
また、Siの代わりにAs,P,O,Cd,Fe,TiまたはNiをコンタクト層1106に添加しても、同様の効果を得ることができる。
(実施例11)
図11に、本実施例に関わる半導体レーザ断面構造を示す。半導体レーザ1200は、c面を主面とするサファイア基板1201を有しており、サファイア基板1201上にはGaNバッファ層1202(約50nm)、アンドープGaN層1203(約2μm)、およびn型GaNコンタクト層1204(約4μm)が順次形成されている。さらに、n型GaNコンタクト層1204上には、n型AlGaNクラッド層1205(約0.2μm)、n型GaNガイド層1206(約0.1μm)、厚さ2nmの井戸層と4nmの障壁層とを有する多重量子井戸(MQW)構造のInGaN活性層1207、p型GaNガイド層1208(約0.1μm)、p型AlGaNクラッド層1209(約0.2μm)、p型GaN層1210(約0.5μm)、n型GaN層1211(1μm)、p型GaN層1212(約2μm)、および高濃度p型GaNコンタクト層1213(約0.2μm)が順次積層されている。
【0084】
p型GaNコンタクト層1213の上には、厚さ0.5μmのSiO2 膜1220によって所定の幅にストライプ化されたPt/Ti/Pt/Au積層電極1222が形成されている。この積層電極は、厚さ約10nmのPt膜、約50nmのTi膜、約30nmのPt膜、および約1μmのAu膜を順次積層したものである。また、エッチングによりその上方の層を除去して表面を露出させたn型GaNコンタクト層1204の上には、厚さ50nmのTi膜と0.5μmのAu膜との積層構造からなるTi/Au積層電極1221が形成されている。
【0085】
図示する半導体レーザ1200においては、特に低抵抗であることが要求されるp型GaNコンタクト層1213に、不純物としてMg,SiおよびCが添加されており、これらのなかのCが残留ドナーを補償する働きをする。なお、p型GaNコンタクト層1213におけるMgの濃度は、2×1020cm−3程度であることが好ましい。Siは、前述の(実施例8)において説明したように、Mgの拡散を抑制する作用を有し、Siを添加することによって結晶のエッチングを容易に行なうことが可能となる。しかしながら、Siが過剰に添加された場合には、p型化が阻害されるおそれがあるため、p型GaNコンタクト層1213におけるSiの濃度は、6×1016cm−3以上1×1018cm−3以下であることが好ましく、1×1017cm−3以下であることが好ましい。一方、Cは同時に添加されたSiと残留ドナーとを同時に補償する必要があるので、その濃度は、1×1016cm−3以上1×1017cm−3以下であることが好ましい。
【0086】
なお、p型GaNコンタクト層1213以外のp型層、すなわちp型GaNガイド層1208、p型AlGaNクラッド層1209、p型GaN層1210、およびp型GaN層1212にも同様の不純物を添加してもよい。これによって、Mgの拡散を抑制するとともに活性化率の向上を図ることができる。
【0087】
以下に、この半導体レーザ1200の製造方法を順に説明する。
まず、有機洗浄・酸洗浄によってサファイア基板1201を処理した後、このサファイア基板1201を、MOCVD装置の反応室内に載置され、高周波によって加熱されるサセプタ上に装着した。次に、常圧で水素を10リットル/分の流量で流しつつ、1100℃で約10分間、気相エッチングを施すことによって基板表面に形成された自然酸化膜を除去した。
【0088】
基板表面への半導体層の成膜に当たっては、まず、サファイア基板1201を530℃まで降温し、水素、窒素、アンモニアおよびTMGを約4分間流すことにより、GaNバッファ層1202を形成した。なお、各ガスの流量は、水素15リットル/分、窒素5リットル/分、アンモニア10リットル/分、TMG25cc/分とした。
【0089】
次いで、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)およびアンモニア(10リットル/分)を流しながら、サファイア基板1201を1100℃に昇温した後、前述のガスにTMG(100cc/分)を追加して60分間流すことにより、アンドープGaN層1203を形成した。その後、水素で10ppmに稀釈したシラン(3cc/分)を追加して約130分間流すことによってn型GaN層1204を形成し、TMA(50cc/分)をさらに追加して約10分間流すことにより、n型GaN層1204上にn型AlGaN層1205を形成した。なお、n型AlGaN層1205におけるAlの組成比は0.15であった。
【0090】
続いて、サファイア基板1201を1100℃に保持し、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)およびTMG(100cc/分)を約3分間流すことにより、GaNガイド層1206を形成した。ガイド層は、光の閉じ込めを向上させる作用を有しているので、この層に微量のInを追加してもよい。ただしこの場合には、ガイド層の厚さを適宜変化させることが望まれる。
【0091】
その後、窒素(20リットル/分)およびアンモニア(10リットル/分)を流しながら、約3分間かけてサファイア基板1201を800℃まで降温した。さらに、前述のガスに加えてTMG(10cc/分)を流すとともに、2種類の流量に切り替えてTMIを流して15周期の多重量子井戸を有するInGaN層1207を形成した。なお、TMIは、50cc/分の流量で約1分間の供給と、460cc/分の流量で約30秒間の供給とを1周期として15周期流した後、最後に50cc/分の流量で3分間流した。得られた活性層1207における障壁層は、In含有量5%であってその厚さは4nmであり、井戸層はIn含有量20%であってその厚さは2nmである。
【0092】
本実施例においては、In含有量が5%のInGaNを障壁層とし、In含有量が20%のInGaNを井戸層としたが、これに限定されるものではない。多重量子井戸構造においては、障壁層のバンドギャップエネルギーが井戸層のそれよりも大きいことが必要であるため、GaNやAlGaNを障壁層として用いることもできる。この場合には、ガイド層1206および1208には、活性層の平均的な屈折率より値が小さくなるような材料系を用いることが必要である。例えば、障壁層としてGaN層を用い、井戸層としてIn含有量が20%のInGaN層を同じ厚さで形成した場合には、ガイド層としては、In含有量が10%未満のInGaN、GaN、またはAlGaNを用いることができる。ただし、この場合のIn含有量は、クラッド層よりも小さくしなければならないことはいうまでもない。
【0093】
続いて、窒素(20リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)を流しながら、約3分間でサファイア基板1201を1100℃まで昇温した。この温度に基板を保持し、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(100cc/分)およびCp2 Mg(50cc/分)を約3分間流すことにより、p型GaNガイド層1208を形成した。さらに、これらの原料にTMA(50cc/分)を加え、約10分間流すことによりp型AlGaNクラッド層1209を形成した。その後、TMAの供給を停止し、残りのガスを約15分間流すことによりp型GaN層1210を形成した。
【0094】
次に、Cp2 Mgの供給を停止し、残りのガスにシラン(3cc/分)を追加してn型GaN層1211を形成した後、TMGおよびシランの供給を停止してサファイア基板を350℃まで降温した。さらにこの温度に保持して水素およびアンモニアの供給を停止し、室温まで冷却した後、反応室から成長ウェハーを取り出した。
【0095】
続いて、熱CVD法で形成したSiO2 膜およびフォトレジスト膜をマスクとして、Cl2 ガスを用いたエッチングによりn型GaN層1211の所定領域を5μmのストライプ幅で除去して、p型GaN層1210表面を露出させた。
【0096】
このプロセスを施したウェハーを再びMOCVD装置内のサセプタに戻して、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)、およびアンモニア(10リットル/分)を流しつつ、1100℃まで昇温した。さらにこれらのガスにTMG(100cc/分)およびCp2 Mg(50cc/分)を追加し、約60分間流すことによりp型GaN層1212を形成した。
【0097】
この成長過程においては、低温成長の工程を経ることが好ましい。低温成長の工程とは、まず、窒素(約20リットル/分)およびアンモニア(10リットル/分)を流しながら、約3分間かけて550℃まで昇温する。次に、この温度に基板を保持し、水素(15リットル/分)、窒素(5リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(25cc/分)およびCp2 Mg(50cc/分)を約4分間流すことにより、厚さ約50nmのp型GaN層を形成するものである。ここで形成した直後のGaN層は、c軸に配向性を有した多結晶体であった。
【0098】
上述のようにして形成されたp型GaN層1212上には、窒素(20リットル/分)、アンモニア(10リットル/分)、TMG(100cc/分)、Cp2 Mg(150cc/分)、シラン(1cc/分)、およびプロパン(2cc/分)を6分間流すことにより、p型GaNコンタクト層1213を形成した。このようにコンタクト層にSiおよびCを添加することにより、活性化率は約3倍に向上し、またMgの拡散も、これらを添加しない場合よりも抑制された。この後、窒素のみを10リットル/分の流量で流しながら室温まで冷却し、反応室から成長ウェハーを取り出した。
【0099】
p型GaNコンタクト層1213上には、周知の熱CVD法などを用いて、厚さ0.5μmのSiO2 膜1220を形成し、フォトエッチングプロセスなどによりSiO2 膜の一部を除去した。このSiO2 膜1220およびフォトエッチングマスクとしてのレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素ガス等による反応性イオンエッチング法を用いて上方の層を除去して、n型GaN層1204表面を露出させた。
【0100】
n型GaN層1204表面の一部には、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて、厚さ50nmのTi膜と0.5μmのAu膜との積層構造を形成し、窒素雰囲気中、450℃で約30秒間の熱処理を施すことによりn側電極1221を形成した。
【0101】
一方、p型GaN層1213のほぼ全面には、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて、厚さ約10nmのPt膜、約50nmのTi膜、約30nmのPt膜、および約1μmのAu膜を積層し、窒素雰囲気中、300℃で約30秒間熱処理を施すことによりp側電極1222を形成した。なお、ここでは、p側電極としてPt/Ti/Pt/Auの積層構造を用いたがこれに限定されず、例えば、Al,Ag,Ni,Cr,Mg,Si,Zn,Be,Ge,In,Pd,およびSnなどを用いてもよい。これらの金属は、単層、積層構造、あるいは合金として用いることができる。
【0102】
上述のようにして形成されたの電極1221および1222の上には、ボンディングの密着性を高めるために、厚さ約5nmのCr膜と、約1μmのAu膜とを順次積層し、電極パッドを形成した。ここにAuなどによるボンディングすることによって素子は動作する。
【0103】
電極形成まで終了した素子は、サファイア基板1201の裏面(素子が形成された側と反対側の面)を60μm以下の厚さまで研磨し、基板側からのラインスクライブ、およびへき開により約500μm×1mmの大きさに素子を分離した。このとき、レーザの端面は、GaN系材料のA面、すなわち(11−20)面となるようにした。
【0104】
この後、レーザの端面となる面にSiO2 膜とTiO2 膜との多層膜を形成し、レーザの端面反射率の向上を図った。
このようにして作製した半導体レーザ1200は、しきい電流密度3kA/cm2 で動作した。発振波長は、活性層1207の平均的なIn組成に依存するが、390〜450nmの波長で発振させることが可能である。
【0105】
なお、本実施例の段差構造は、エッチングによって作製したが選択成長によって作製することも可能である。
以上、特定のp型半導体層を有する半導体素子を例に挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物に加えて、残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物をさらに含むp型半導体膜は、本発明の範囲である。
【0106】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、わずかな不純物を同層に存在せしめることにより高キャリア濃度のp型結晶が実現できるため、素子の効率を上げることができる。このことは、素子の信頼性の向上にもつながり、またp型半導体膜を有する全ての素子に適用し得るので、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のGaN系半導体レーザの一例を示す断面図。
【図2】本発明のGaN系半導体レーザの他の例を示す断面図。
【図3】本発明のGaN系発光ダイオードの一例を示す断面図。
【図4】本発明のGaN系発光ダイオードの他の例を示す断面図。
【図5】本発明のZnSe系半導体レーザの一例を示す断面図。
【図6】本発明の4H型SiCによるMOSFETの一例を示す断面図。
【図7】本発明のGaN系半導体レーザの他の例を示す断面図。
【図8】本発明のGaN系半導体レーザの他の例を示す断面図。
【図9】本発明のGaN系半導体レーザの他の例を示す断面図。
【図10】本発明の発光ダイオードの他の例を示す断面図。
【図11】本発明の半導体レーザの他の例を示す断面図。
【符号の説明】
100…半導体レーザ
101…p型SiC基板
102…GaNバッファ層
103…p型GaN層
104…p型AlGaN層
105…InGaN活性層
106…n型AlGaN層
107…n型GaN層
110…SiO2 膜
111…Ti/Au積層電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a p-type semiconductor film used for, for example, a semiconductor laser or a light-emitting diode, and a semiconductor device having a p-type layer.
[0002]
[Prior art]
At present, nitride compound semiconductors such as GaN have attracted attention as a material for blue light emitting diodes and semiconductor lasers, and blue light emitting diodes have been realized in some parts, and semiconductor lasers are about to be realized. Such an element has a so-called double hetero structure in which a light emitting layer is sandwiched between a pair of materials having different conductivity types such as p-type and n-type. Note that the energy gap of the p-type and n-type materials is larger than that of the light emitting layer. However, when the p-type nitride compound semiconductor layer is formed, as described in JP-A-2-257679 and JP-A-5-183189, metalorganic vapor phase epitaxy ( After the film is formed by the MOCVD method or the like, a process such as electron beam irradiation or thermal annealing must be performed. Such a process generates defects such as nitrogen vacancies that are unique to the nitride compound semiconductor. For this reason, although a p-type nitride compound semiconductor layer was realized, the p-type carrier concentration could not be increased yet, and the element resistance including the contact resistance of the electrodes could not be reduced.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional manufacturing process of the p-type compound semiconductor layer includes a process that causes a phenomenon contrary to the purpose, and it is difficult to form a p-type nitride compound semiconductor layer having a high carrier concentration. could not.
Therefore, an object of the present invention is to provide a p-type semiconductor film having a high carrier concentration and a semiconductor element having the same.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, an acceptor impurity for imparting p-type conductivity to a semiconductor film is provided.Selected from the group consisting of, titanium, iron, and nickelAnd acceptor impurities to compensate for residual donors.Consisting of a compound semiconductor represented by the following chemical formulaA p-type semiconductor film is provided.
B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
[0005]
Further, according to the present invention, an acceptor impurity for imparting p-type conductivity is provided.Selected from the group consisting of, titanium, iron and nickelAnd acceptor impurities to compensate for residual donors.And a p-type semiconductor layer comprising a compound semiconductor represented by the following chemical formula:A semiconductor device is provided.
B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
Furthermore, according to the present invention, a substrate, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and an active layer provided between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, wherein the n-type cladding layer, The p-type cladding layer and the active layer are made of a compound semiconductor represented by the following chemical formula, and the p-type cladding layer is made of an acceptor impurity for imparting p-type conductivity and titanium, iron and nickel. There is provided a semiconductor laser containing an acceptor impurity for compensating for a residual donor selected from the group.
B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
According to still another aspect of the present invention, the n-type cladding layer includes a substrate, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a light-emitting layer provided between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer. , The p-type cladding layer, and the light-emitting layer are made of a compound semiconductor represented by the following chemical formula, and the p-type cladding layer is formed of an acceptor impurity for imparting p-type conductivity and titanium, iron, and nickel. There is provided a light emitting diode comprising an acceptor impurity for compensating for a residual donor selected from the group consisting of:
B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
[0006]
The present inventors have earnestly studied the reason why a p-type nitride compound semiconductor having a high carrier concentration could not be manufactured, and have obtained the following knowledge. That is, the nitride compound semiconductor should originally exhibit p-type conduction only by adding Mg (magnesium) having an acceptor property as a dopant. However, first, since the nitride semiconductor easily generates nitrogen vacancies and Ga in interstitial positions, the residual donor concentration in the p-type semiconductor layer is high. Second, the acceptor level of Mg in the nitride semiconductor is significantly deeper than the generally accepted acceptor level in the semiconductor. Due to these two phenomena, it was not possible to form a nitride compound semiconductor having a high carrier concentration only by adding Mg.
[0007]
Therefore, by adding an impurity which is not usually involved in p-type conversion or an acceptor impurity together with Mg, a donor due to the generated nitrogen vacancies can be compensated. That is, it is possible to remove a factor that hinders the addition of Mg to provide p-type crystal, thereby realizing a p-type crystal with a high carrier concentration using Mg.
[0008]
As an impurity for compensating for a residual impurity and realizing a crystal with a high carrier concentration or an acceptor impurity, an impurity deep in energy is preferably used. By using such impurities, the capture cross section can be increased, and a large amount of the remaining donor can be compensated with a small amount of addition.
[0009]
When Si is further added to the p-type layer in addition to the acceptor impurity for compensating the residual donor, the diffusion of Mg can be suppressed and the ease of etching can be increased. Further, Si also has an effect of suppressing the inhibition of acceptor formation due to the binding of Mg to hydrogen or oxygen.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Example 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a
[0011]
On the n-
[0012]
Hereinafter, a method for manufacturing the
The
[0013]
First, after treating the
[0014]
In forming the semiconductor layer on the substrate, first, the temperature of the
[0015]
Thereafter, the temperature of the
[0016]
In forming the InGaN active layer 105, the temperature of the
[0017]
Thereafter, the temperature of the
[0018]
Next, SiO 2 is formed on the n-
[0019]
In such an element, C is approximately 1 × 10 in the p-
[0020]
In the example described above, the carbon concentration in the p-type layer is set to the above value, but the carbon concentration is not limited to this. Since the residual donor concentration varies depending on the crystal growth conditions, the concentration for compensating for the residual donor concentration can be appropriately determined according to the growth conditions. However, in order to compensate for the residual donor concentration and not to be a hindrance to the p-type crystal, the carbon concentration is 1 × 1016cm-3More than 1 × 1019cm-3Must be less than or equal to 1 × 1018cm-3It is desirable that:
[0021]
The wafer thus fabricated was cleaved to a size of 350 μm × 500 μm to obtain a laser diode chip. This chip oscillated continuously at room temperature at 420 nm, depending on the In composition in the active layer, and oscillated at 420 nm when the average composition ratio of In was about 8%.
(Example 2)
FIG. 2 shows a sectional structure of another
[0022]
On the p-
[0023]
The
[0024]
The spinel used as a substrate in this embodiment has a lower cleavage current and conductivity than SiC, and thus has a threshold current about 20% higher than that in the case of the first embodiment. However, since spinel does not have a penetrating defect peculiar to the SiC substrate, it was possible to increase the output by about 30%.
(Example 3)
FIG. 3 shows a cross-sectional structure of the
[0025]
On the p-
[0026]
The stacked structure of the nitride compound semiconductor in the light emitting diode of this example was manufactured by the same MOCVD method as in the above (Example 1). The growth thickness of each layer was controlled by the growth time, and then measured by a scanning electron microscope (SEM). Note that Fe, which is an impurity for compensating for the residual donor, was introduced into the crystal by ion implantation after the p-type AlGaN layer 305 and the p-
[0027]
After forming the stacked structure in this manner, a part of the p-
[0028]
In this embodiment, Fe was added to the p-type layer as an impurity for compensating for the residual donor. However, the same effect can be obtained by adding a small amount of Zn to the p-
(Example 4)
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the
[0029]
On the p-
[0030]
The
[0031]
First, the
[0032]
In film formation, while supplying ammonia gas from the cracking gas cell, first, the Ga and Si shutters were opened to form an n-
[0033]
After forming these films, the supply of ammonia gas was stopped, and then a 300-nm-thick Ti film was formed on the
[0034]
In the light emitting diode 70 thus manufactured, the light emission intensity was improved as compared with the case where Ti was not added to the p-
(Example 5)
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a ZnSe-based
[0035]
In the ZnSe-based semiconductor layer, the residual donor concentration is 2 × 1016cm-3Therefore, the concentration of As added to the p-
[0036]
In the above-described example, As is used as the impurity for compensating the residual donor. However, O (oxygen), P (phosphorus), Ti, Ni (nickel), or the like may be used. The preferred concentration of the impurities mentioned here differs depending on the type thereof. For example, in the case of O and P, 1 × 10Fifteencm-3More than 1 × 1017And preferably 1 × 10 5 in the case of Ti and Ni.14cm-3More than 1 × 1017cm-3The following is preferred. When added in such a concentration range, the same effect as described above can be obtained.
(Example 6)
FIG. 6 shows a cross-sectional structure of an electronic device (MOSFET) 600 made of 4H silicon carbide (SiC) according to the present embodiment. In the illustrated
[0037]
Nitrogen as a donor impurity is very easily taken into SiC and has a very high activation rate, so that nitrogen is present in the crystal as a residual donor. Due to this, it is difficult to produce a p-type high carrier concentration crystal. When imparting p-type conductivity to the SiC layer, Al or B (boron) is usually used as an acceptor impurity. However, by simultaneously adding an impurity selected from In, Ga, Sc, and the like, residual impurities are added. A p-type crystal with a high carrier concentration can be formed by compensating for the donor. In addition, as these concentrations, 1 × 1014cm-35 × 10 or more16cm-3It is desirable that:
[0038]
The impurity for compensating the residual donor as described above can be added to the p-type layer simultaneously with the acceptor impurity by, for example, ion implantation. Usually, when implanting impurities into SiC, heat treatment at a temperature of about 1500 ° C. or more is required after implantation at a temperature of about 1000 ° C., but such a high-temperature heat treatment is not required depending on the kind of impurities. There are also things. In that case, it is possible to first implant Al or B at a high temperature to perform a heat treatment, and then reduce the temperature to about 600 ° C. to implant an impurity such as In.
[0039]
Further, B as an acceptor impurity may diffuse outward during a high-temperature heat treatment. To suppress this, B is doped with an impurity for compensating for residual donors such as In, Ga, and Sc on the surface before the heat treatment. It is effective to perform vapor deposition and then heat treatment. Further, even when oxygen or hydrogen as the third impurity is implanted at a concentration approximately two orders of magnitude lower than that of B, outward diffusion can be suppressed.
(Example 7)
FIG. 7 is a sectional view of a
[0040]
On the p-
[0041]
This
(Example 8)
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of a
[0042]
On the p-
[0043]
Hereinafter, a method of manufacturing the
The
[0044]
The organometallic raw material is not limited to those described above, and for example, triethylgallium (TEG) having an ethyl group bonded thereto instead of the methyl group can be used. Furthermore, Cp2 It is also possible to use methyl biscyclopentadienyl magnesium or the like instead of Mg.
[0045]
Among the organometallic raw materials described above, SiH4 And C3 H8 When these two gases are simultaneously used, Si and C can be simultaneously introduced into the p-type layer. It should be noted that, besides using two kinds of raw materials, hexamethyldisilane ((CH3 )6 Si2 ), It is possible to add Si and C simultaneously into the p-type layer.
[0046]
First, after treating the sapphire substrate 801 by organic cleaning and acid cleaning, the sapphire substrate was placed in a reaction chamber of a MOCVD apparatus and mounted on a susceptor heated by high frequency. Next, a natural oxide film formed on the surface of the sapphire substrate 801 was removed by performing gas phase etching at a temperature of 1200 ° C. for about 10 minutes while flowing hydrogen at a flow rate of 20 liters / minute at normal pressure. .
[0047]
In forming a semiconductor film on the substrate, first, the sapphire substrate 801 was cooled to 550 ° C., and hydrogen, nitrogen, ammonia, and TMG were allowed to flow for about 4 minutes to form a
[0048]
Subsequently, the sapphire substrate 801 is kept at 1100 ° C., and hydrogen (15 liter / min), nitrogen (5 liter / min), ammonia (10 liter / min), TMG (100 cc / min), and SiH4 By flowing (8 cc / min) for about 60 minutes, an n-
[0049]
Next, the temperature of the sapphire substrate 801 is lowered and maintained at 800 ° C., and nitrogen (20 l / min), ammonia (10 l / min), TMG (30 cc / min), and TMI (200 cc / min) are flowed for about 10 minutes. Thus, an InGaN
[0050]
Thereafter, the temperature of the sapphire substrate 801 is raised and maintained again at 1100 ° C., and nitrogen (20 l / min), ammonia (10 l / min), TMG (30 cc / min), TMA (100 cc / min), Cp2 Mg (150cc / min), SiH4 (1 cc / min), and C3 H8 (0.2 cc / min) for about 10 minutes to form a p-type AlGaN layer 806. Subsequently, the supply of TMA was stopped, and the remaining source gas was allowed to flow for about 10 minutes to form the p-
[0051]
Si added to the p-
[0052]
Thereafter, the mixture was cooled to 350 ° C. while flowing ammonia (10 l / min) and nitrogen (20 l / min). Further, only the supply of ammonia was stopped, and then cooled to room temperature, and the wafer was taken out of the reaction chamber.
[0053]
Next, the SiO 2 is formed on the p-
[0054]
SiO formed on p-type GaN layer 8072 A hole having a width of 10 μm was formed in the
[0055]
In addition, as the electrode, an alloy or a laminated structure of Pt, Pd, In, Mg, Ti, or the like and the above-described Ni or Au on the P-type layer can also be used. Further, on the n-type layer, an alloy or a laminated structure of Si or Cr and the above-described Ti or Au may be formed.
[0056]
The wafer thus fabricated was cleaved to a size of 350 μm × 500 μm to obtain a laser diode chip. This chip has a current density of 5 kA / cm, depending on the In composition in the active layer.2 , A continuous oscillation at room temperature was performed at a wavelength of 420 nm and an output of 5 mW.
[0057]
In the above-described example, C is used as the impurity for compensating the residual donor, but Cd, Ti, Ni, and Fe can be used (Zn can be included in addition to these impurities). These can be introduced during crystal growth using an organic metal raw material such as dimethylcadmium. Alternatively, the above-described metal film may be formed on the crystal surface after growth by using a method such as sputtering, and then the film may be heated to diffuse and introduce impurities into the crystal. Furthermore, these materials can be introduced by ion implantation after crystal growth. Since it is known that crystallinity is disturbed when ion implantation is performed, it is preferable to perform heat treatment after implantation.
[0058]
The preferred concentrations of the impurities mentioned here differ depending on the type. For example, in the case of Cd, 1 × 10Fifteencm-3More than 1 × 1018cm-3Or less, and in the case of Ti and Fe, 1 × 10Thirteencm-3More than 1 × 1016cm-3It is desirable that: In the case of Ni, 1 × 10Thirteencm-34 × 10 or more16cm-3It is desirable that: If any of the impurities is added at a concentration exceeding the upper limit, the activation of Mg to the acceptor may be hindered. On the other hand, when the impurity concentration is below the lower limit, the effect of compensating for the residual donor is reduced. It is difficult to obtain.
[0059]
In this embodiment, the crystal growth is performed by using the MOCVD method. However, a material beam transport method using a molecular beam epitaxy method (MBE method) or a chlorine gas can be used. However, it is not surprising that raw materials must be selected in each case.
[0060]
In this embodiment, a GaN-based semiconductor has been described as a III-V compound semiconductor, but the present invention is not limited to this. Bx Iny Alz Ga(1-xyz) Any compound semiconductor represented by N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) can be used. In a semiconductor such as GaAs or InGaP, the Si concentration in the p-type layer is 5 × 1018cm-3It was necessary to be above. In this case, since the acceptor level of Mg was shallow, p-type conversion was not completely inhibited at such a Si concentration.
[0061]
Further, in the above-described example, GaN was used as the buffer layer, but the present invention is not limited to this.x Aly Inz Any compound semiconductor represented by N (x + y + z = 1) can be used.
(Example 9)
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the
[0062]
On the n-type GaN layer 907, SiO2 A Ti / Au laminated electrode 911 striped by the
[0063]
Hereinafter, a method of manufacturing the
The
[0064]
First, after treating the p-
[0065]
In forming the semiconductor layer on the substrate, first, the temperature of the
[0066]
Thereafter, the temperature of the
[0067]
Next, the temperature of the
[0068]
Subsequently, the temperature of the
[0069]
Subsequently, SiO 2 is formed on the n-type GaN layer 907 by using a well-known thermal CVD method or the like.2 A
[0070]
In such an element, C is contained in the p-type GaN layer 903 and the p-type AlGaN layer 904 at about 1 × 1017cm-3It is contained at a concentration of. This is a value that approximately matches the carrier concentration of the undoped GaN film. In the example described above, the carbon concentration in the p-type layer is set to the above value, but the carbon concentration is not limited to this. Since the residual donor concentration varies depending on the crystal growth conditions, the concentration of the impurity for compensating for the residual donor concentration can be appropriately determined according to the growth conditions.
[0071]
The wafer thus fabricated was cleaved to a size of 350 μm × 500 μm to obtain a laser diode chip. This chip oscillated continuously at room temperature at a wavelength of 420 nm, depending on the In composition in the active layer.
[0072]
In the above-described example, C is used as the impurity for compensating the residual donor, but Cd, Ti, or Fe may be used. These can be introduced during crystal growth using an organic metal raw material such as dimethylcadmium. Alternatively, the above-described metal film may be formed on the crystal surface after growth by using a method such as sputtering, and then the film may be heated to diffuse and introduce impurities into the crystal. Further, these materials can be introduced by ion implantation after crystal growth. Since it is known that crystallinity is disturbed when ion implantation is performed, it is preferable to perform heat treatment after implantation.
[0073]
The preferred concentrations of the impurities mentioned here differ depending on the type. For example, in the case of Cd, 1 × 10Fifteencm-3More than 1 × 1018cm-3Or less, and in the case of Ti and Fe, 1 × 10Thirteencm-3More than 1 × 1016cm-3It is desirable that: If any of the impurities is added at a concentration exceeding the upper limit, the activation of Mg to the acceptor may be hindered. On the other hand, when the impurity concentration is below the lower limit, the effect of compensating for the residual donor is reduced. It is difficult to obtain.
[0074]
In this embodiment, a 6H-type substrate is used as the SiC substrate. However, since the energy gap difference between the 6H-type SiC and the GaN-based semiconductor is about 0.5 V, the operating voltage tends to increase. There is. Therefore, it is more preferable to use 4H-type or 2H-type SiC having a small energy gap difference as the substrate.
[0075]
Here, SiC used as the substrate is also a material that is difficult to be etched like the GaN-based semiconductor. Therefore, nitrogen is added to 1 × 1017cm-3It is desirable to add above. However, nitrogen is an effective donor impurity in SiC. The residual donor is 2 × 1016cm-3It is contained in a concentration of about. It is necessary to realize a p-type SiC crystal having a higher carrier concentration by compensating these donors with acceptor impurities. Particularly at the interface between the p-type layer and the electrode on the substrate surface, the necessity for reducing the operating voltage is high. Examples of the acceptor impurities include Al, Ga, In, Sc, Y, and Ti. The preferable concentration of such an impurity in the p-type layer depends on the type thereof. For example, in the case of Ga or Sc, 1 × 1017cm-3It is preferable to set the degree.
(Example 10)
FIG. 10A is a cross-sectional view of the
[0076]
On the p-
[0077]
The stacked structure of the nitride compound semiconductor in the light emitting diode of this example was manufactured by the same MOCVD method as in the above (Example 1). The growth thickness of each layer was controlled by the growth time, and then measured by a scanning electron microscope (SEM).
[0078]
After manufacturing the stacked structure in this manner, a part of the p-
[0079]
When Si is used as the light emission center as in this embodiment, there is a possibility that Si may be accumulated at the interface between the p-type layer and the light-emitting layer, or may be diffused into the p-type layer. When the accumulation or diffusion of Si occurs, a heterobarrier is generated and the n-type inversion of the p-type layer occurs. Therefore, it is desired to avoid such a phenomenon as much as possible. Such a disadvantage can be avoided by increasing the concentration of C added to the p-type layer. Specifically, the carbon concentration in the p-type layer is 8 × 1017cm-3It is preferable to make the above.
[0080]
Note that nitrogen vacancies can be cited as a cause of the generation of residual donors in the p-type layer. These vacancies can be filled with As, O, P, and the like, but if these elements are added alone, a reduction in the energy gap and a factor of electrical inactivity will occur. As a result, there is a possibility that the effect of adding the impurity may not be exhibited. Therefore, it is desired that such an element be added simultaneously with C. In addition, residual donors can be compensated by acceptor impurities such as Cd, Fe, Ti, and Ni formed at a deep level. However, these impurities alone cause only electrical inactivity, and therefore it is desirable to add them simultaneously with C.
[0081]
The light emitting diode shown in FIG. 10A can be modified as shown in FIG. In the example shown in FIG. 10A, the p-
[0082]
Further, Si may be added to the
[0083]
The same effect can be obtained by adding As, P, O, Cd, Fe, Ti or Ni to the
(Example 11)
FIG. 11 shows a cross-sectional structure of a semiconductor laser according to this embodiment. The
[0084]
On the p-type
[0085]
In the illustrated
[0086]
Similar impurities are added to the p-type layers other than the p-type
[0087]
Hereinafter, a method for manufacturing the
First, after treating the
[0088]
In forming the semiconductor layer on the substrate surface, first, the temperature of the
[0089]
Next, the
[0090]
Subsequently, the
[0091]
Thereafter, the temperature of the
[0092]
In this embodiment, the barrier layer is made of InGaN having an In content of 5%, and the well layer is made of InGaN having an In content of 20%. However, the present invention is not limited to this. In the multiple quantum well structure, since the band gap energy of the barrier layer needs to be larger than that of the well layer, GaN or AlGaN can be used as the barrier layer. In this case, it is necessary to use, for the guide layers 1206 and 1208, a material system having a value smaller than the average refractive index of the active layer. For example, when a GaN layer is used as a barrier layer and an InGaN layer having an In content of 20% is formed with the same thickness as a well layer, InGaN, GaN, and GaN having an In content of less than 10% are used as guide layers. Alternatively, AlGaN can be used. However, it goes without saying that the In content in this case must be smaller than that of the cladding layer.
[0093]
Subsequently, the temperature of the
[0094]
Next, Cp2 The supply of Mg was stopped, and silane (3 cc / min) was added to the remaining gas to form an n-type GaN layer 1211. Then, the supply of TMG and silane was stopped, and the temperature of the sapphire substrate was lowered to 350 ° C. Furthermore, the supply of hydrogen and ammonia was stopped at this temperature, and after cooling to room temperature, the growth wafer was taken out of the reaction chamber.
[0095]
Then, the SiO formed by the thermal CVD method2 Using the film and the photoresist film as masks, Cl2 A predetermined region of the n-type GaN layer 1211 was removed with a stripe width of 5 μm by etching using gas to expose the surface of the p-type GaN layer 1210.
[0096]
The wafer subjected to this process is returned to the susceptor in the MOCVD apparatus, and heated to 1100 ° C. while flowing hydrogen (15 liters / minute), nitrogen (5 liters / minute), and ammonia (10 liters / minute). did. In addition, TMG (100 cc / min) and Cp2 The p-
[0097]
In this growth process, it is preferable to go through a low-temperature growth process. In the low-temperature growth step, first, the temperature is raised to 550 ° C. over about 3 minutes while flowing nitrogen (about 20 liters / minute) and ammonia (10 liters / minute). Next, the substrate was kept at this temperature, and hydrogen (15 l / min), nitrogen (5 l / min), ammonia (10 l / min), TMG (25 cc / min) and Cp2 By flowing Mg (50 cc / min) for about 4 minutes, a p-type GaN layer having a thickness of about 50 nm is formed. The GaN layer immediately after being formed here was a polycrystal having c-axis orientation.
[0098]
On the p-
[0099]
A 0.5 μm thick SiO 2 is formed on the p-type
[0100]
On a part of the surface of the n-
[0101]
On the other hand, on a substantially entire surface of the p-
[0102]
On the
[0103]
For the device completed up to the electrode formation, the back surface of the sapphire substrate 1201 (the surface opposite to the side on which the device was formed) was polished to a thickness of 60 μm or less, and about 500 μm × 1 mm by line scribe and cleavage from the substrate side. The elements were separated into different sizes. At this time, the end face of the laser was set to the A-plane of the GaN-based material, that is, the (11-20) plane.
[0104]
Thereafter, the surface serving as the laser end surface is coated with SiO 2.2 Film and TiO2 By forming a multilayer film with the film, the end face reflectivity of the laser was improved.
The
[0105]
Note that the step structure of this embodiment is manufactured by etching, but can be manufactured by selective growth.
As described above, the present invention has been described by taking a semiconductor element having a specific p-type semiconductor layer as an example. However, the present invention is not limited to this, and in addition to an acceptor impurity for imparting p-type conductivity, A p-type semiconductor film that further includes an acceptor impurity for compensating the donor is within the scope of the present invention.
[0106]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a p-type crystal having a high carrier concentration can be realized by allowing a small amount of impurities to exist in the same layer, so that the efficiency of the device can be increased. This leads to an improvement in the reliability of the device, and can be applied to all devices having a p-type semiconductor film, so that its industrial value is large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a GaN-based semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing another example of the GaN-based semiconductor laser of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a GaN-based light emitting diode of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing another example of the GaN-based light emitting diode of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing an example of a ZnSe-based semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing an example of a MOSFET using 4H SiC of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing another example of the GaN-based semiconductor laser of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing another example of the GaN-based semiconductor laser of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing another example of the GaN-based semiconductor laser of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing another example of the light emitting diode of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing another example of the semiconductor laser of the present invention.
[Explanation of symbols]
100 ... Semiconductor laser
101 ... p-type SiC substrate
102: GaN buffer layer
103 ... p-type GaN layer
104: p-type AlGaN layer
105 ... InGaN active layer
106 ... n-type AlGaN layer
107 ... n-type GaN layer
110 ... SiO2 film
111 ... Ti / Au laminated electrode
Claims (10)
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1) See containing and an acceptor impurity for imparting p-type conductivity to the semiconductor film, titanium, iron, and the acceptor impurity to compensate residual donor selected from the group consisting of nickel, represented by the following chemical formula A p-type semiconductor film comprising a compound semiconductor .
B x In y Al z Ga ( 1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
B x In y Al z Ga (1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1) An acceptor impurity for imparting p-type conductivity, and an acceptor impurity for compensating for a residual donor selected from the group consisting of titanium, iron and nickel, comprising a compound semiconductor represented by the following chemical formula: A semiconductor element comprising a semiconductor layer .
B x In y Al z Ga ( 1-xyz) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
前記n型クラッド層、前記p型クラッド層、および前記活性層は、下記化学式で表わされる化合物半導体からなり、前記p型クラッド層は、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物を含有することを特徴とする半導体レーザ。The n-type cladding layer, the p-type cladding layer, and the active layer are made of a compound semiconductor represented by the following chemical formula, and the p-type cladding layer has an acceptor impurity for imparting p-type conductivity, A semiconductor laser containing an acceptor impurity for compensating for a residual donor selected from the group consisting of iron and nickel.
BB xx InIn yy AlAl zz GaGa (1-x-y-z)(1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
前記n型クラッド層、前記p型クラッド層、および前記発光層は、下記化学式で表わされる化合物半導体からなり、前記p型クラッド層は、p型導電性を付与するためのアクセプター性不純物と、チタン、鉄およびニッケルからなる群から選択される残留ドナーを補償するためのアクセプター性不純物を含有することを特徴とする発光ダイオード。The n-type cladding layer, the p-type cladding layer, and the light emitting layer are made of a compound semiconductor represented by the following chemical formula, and the p-type cladding layer has an acceptor impurity for providing p-type conductivity, A light emitting diode comprising an acceptor impurity for compensating for a residual donor selected from the group consisting of iron and nickel.
BB xx InIn yy AlAl zz GaGa (1-x-y-z)(1-x-y-z) N (0≦x,y,z≦1)N (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
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