JP3727091B2 - ３族窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性の良い素子層を高い成長速度で得るようにした半導体素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、サファイア基板上にバッファ層を形成して、そのバッファ層上にGaN から成る基底層を厚さ２〜３μｍに形成し、その基底層上にAlGaInN から成るヘテロ接合の発光層を形成した発光素子が知られている。この発光素子の各層の形成は有機金属化合物気相成長法(MOVPE) により形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、薄膜の成長方法に膜厚の制御性の良い分子線エピタキー法(MBE) が知られている。
本発明者らは、上記構造の発光素子を分子線エピタキー法(MBE) で形成した。しかし、基底層の厚さは２〜３μｍ必要であり、この厚さの基底層をMBE で成長させるには長時間要した。又、素子の製造速度を向上させるためには、この厚さの基底層の成長速度を速くする必要があるが、その成長速度を速くすると、基底層の結晶性が低下し、従って、基底層の上に形成される発光層の結晶性も低下した。その結果、発光輝度の高い素子は得られなかった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、性能の高い素子を高速で得られるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基底層を有機金属化合物気相成長法(MOVPE)により形成し、素子層を分子線エピタキー法(MBE)により形成した。このことにより、基底層を結晶性良く高速度で形成することができる。その結果、結晶性の高い基底層の上に形成される素子層の結晶性も高くなり、その成膜がMBEで行われるために膜厚の制御性も高くなり、高性能の素子を高速度で得ることができる。
【０００６】
更に、基底層を厚さ２μｍ以上に形成したものであるので、基底層及びその上に形成される素子層の結晶性を良くすることができる。
さらに、請求項２、３、４、５の発明により、発光出力の高い発光ダイオード、レーザを得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１実施例
図１において、発光ダイオード１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500 ÅのAlN のバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約2.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚0.10μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのGaN から成るｎ層４、全膜厚約0.07μｍのInGaN の多重量子井戸から成る発光層５、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度5 ×1017/cm3、濃度1 ×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度 7×1017/cm3、マグネシウム濃度 2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaN から成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にはその層６２に接合するNiから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+ 層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiから成る電極８が形成されている。尚、ｎ+ 層３は基底層であり、ｎ層４、発光層５、ｐ層６１、コンタクト層６２が素子として機能する素子層である。
【０００８】
次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０のバッファ層２と高キャリア濃度ｎ+ 層３とは、有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) による気相成長により製造された。MOVPE で用いられたガスは、NH3 とキャリアガスH2又はＮ2 とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)である。
【０００９】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100 〜400 μｍの単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１０】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル／分で供給してAlN のバッファ層２が約 500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4ル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8mol/分で30分供給して、膜厚約2 μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１１】
次に、上記の層の積層の完了した基板をMBE 装置内に取り付けた。サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h で、膜厚約0.1 μｍ、濃度 2×1018/cm3にシリコンが添加されたGaN から成るｎ層４を形成した。
【００１２】
その後、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10nmのIn0.08Ga0.92N から成るバリア層５１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10nmのIn0.16Ga0.84N から成るシリコンが 5×1018/cm3の濃度に添加された井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バリア層５１と井戸層５２とを交互に、４層と３層だけ積層した多重量子井戸構造で、全体の厚さ70nmの発光層５を形成した。
【００１３】
続いて、温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h で膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は 5×1020/cm3であり、ホール濃度は 2×1018/cm3である。
【００１４】
続いて、温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h 膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は 5×1021/cm3であり、ホール濃度は 3×1018/cm3である。
【００１５】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。
次に、図３に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極形成部位Ａ' のフォトレジスト１０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００１６】
次に、フォトレジスト１０及びSiO2層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図５に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。
【００１７】
次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００１８】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 405nm、発光強度２ｍＷであった。この発光効率は３％であった。上記の構成と同一構成の発光ダイオードの全ての層をMBE で形成した場合に比べて発光出力は105 倍に大きくなった。
【００１９】
このように本願発明では、結晶性が高く厚く形成する必要のある基底層をMOVPE 法で高速に形成し、膜厚の制御が要求される素子層はMBE 法で形成したことを特徴とする。よって、結晶性の高い基底層が高速で得られることから、その上の素子層の結晶性を低下させることなく素子の製造速度を向上させることができる。
【００２０】
尚、上記実施例では、ｎ層４にGaN を用いているが、ｎ伝導型のAlGaN を用いても良い。さらに、ｐ層６１はなくても良い。又、発光層５の多重量子井戸構造の周期は任意であり、又、単量子井戸構造でも良い。井戸層、バリア層にはInGaN を用いたがInxGayAl1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)等の３族窒化物半導体を用いても良い。さらに、井戸層にシリコンを添加したが、他のドナー不純物でも良く、無添加でも良い。
【００２１】
又、図６に示すように、バリア層５１３は無添加で、井戸層５２３にのみドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良い。又、図７に示すように、バリア層５１０は無添加で、井戸層５２０について、ドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を交互に添加しても良い。さらに、図８に示すように、井戸層５２１にドナー不純物（例えば、シリコン）を添加し、バリア層５１１にアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良いし、逆に、井戸層５２１にアクセプタ不純物を添加し、バリア層５１１にドナー不純物を添加しても良い。これらの不純物分布に関する特徴は、発光波長を変化させることができる。井戸層、バリア層は、ｎ型でもｐ型でも半絶縁性でも良い。
【００２２】
又、発光層５は、各層を厚くして量子井戸構造にはならない多重層としても良い。この場合も同様に、図６〜図７の構造が考えられる。この場合、不純物の分布のみに注目しているので、層５１３と層５２３、層５１０と層５２０、層５１１と層５２１を同一組成比としても良い。上記の不純物分布は、発光波長を変化させることができる。この場合も発光層５の各層は、ｎ型、ｐ型、半絶縁性であっても良い。
【００２３】
さらに、発光層５は図９に示すように単層にしても良い。上記実施例では、サファイア基板を用いたがSiC 、MgAl2O4 等を用いることができる。又、バッファ層にはAlN を用いたがAlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。さらに、基底層にはGaN を用いているが、InxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。同様に、素子層にも任意組成比のInxGayAl1-x-yN 等の３族窒化物半導体を用いることができる。ＭＢＥで成長させるとき熱処理なしにｐ型化できるが、成長後に熱処理を加えても良い。
【００２４】
又、本発明は発光ダイオードの他、青色や紫外領域のレーザダイオード、光検出素子、その他の機能素子に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】発光層の他の構造を示した断面図。
【図７】発光層の他の構造を示した断面図。
【図８】発光層の他の構造を示した断面図。
【図９】他の実施例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【符号の説明】
１０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４…ｎ層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…コンタトク層
７，８…電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性の良い素子層を高い成長速度で得るようにした半導体素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、サファイア基板上にバッファ層を形成して、そのバッファ層上にGaN から成る基底層を厚さ２〜３μｍに形成し、その基底層上にAlGaInN から成るヘテロ接合の発光層を形成した発光素子が知られている。この発光素子の各層の形成は有機金属化合物気相成長法(MOVPE) により形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、薄膜の成長方法に膜厚の制御性の良い分子線エピタキー法(MBE) が知られている。
本発明者らは、上記構造の発光素子を分子線エピタキー法(MBE) で形成した。しかし、基底層の厚さは２〜３μｍ必要であり、この厚さの基底層をMBE で成長させるには長時間要した。又、素子の製造速度を向上させるためには、この厚さの基底層の成長速度を速くする必要があるが、その成長速度を速くすると、基底層の結晶性が低下し、従って、基底層の上に形成される発光層の結晶性も低下した。その結果、発光輝度の高い素子は得られなかった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、性能の高い素子を高速で得られるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基底層を有機金属化合物気相成長法(MOVPE)により形成し、素子層を分子線エピタキー法(MBE)により形成した。このことにより、基底層を結晶性良く高速度で形成することができる。その結果、結晶性の高い基底層の上に形成される素子層の結晶性も高くなり、その成膜がMBEで行われるために膜厚の制御性も高くなり、高性能の素子を高速度で得ることができる。
【０００６】
更に、基底層を厚さ２μｍ以上に形成したものであるので、基底層及びその上に形成される素子層の結晶性を良くすることができる。
さらに、請求項２、３、４、５の発明により、発光出力の高い発光ダイオード、レーザを得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１実施例
図１において、発光ダイオード１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500 ÅのAlN のバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約2.0 μｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３、膜厚0.10μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのGaN から成るｎ層４、全膜厚約0.07μｍのInGaN の多重量子井戸から成る発光層５、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度5 ×1017/cm3、濃度1 ×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度 7×1017/cm3、マグネシウム濃度 2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaN から成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にはその層６２に接合するNiから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+ 層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiから成る電極８が形成されている。尚、ｎ+ 層３は基底層であり、ｎ層４、発光層５、ｐ層６１、コンタクト層６２が素子として機能する素子層である。
【０００８】
次に、この構造の発光ダイオード１０の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０のバッファ層２と高キャリア濃度ｎ+ 層３とは、有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) による気相成長により製造された。MOVPE で用いられたガスは、NH3 とキャリアガスH2又はＮ2 とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)である。
【０００９】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100 〜400 μｍの単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１０】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル／分で供給してAlN のバッファ層２が約 500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4ル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8mol/分で30分供給して、膜厚約2 μｍ、電子濃度 2×1018/cm3のシリコンドープのGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１１】
次に、上記の層の積層の完了した基板をMBE 装置内に取り付けた。サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h で、膜厚約0.1 μｍ、濃度 2×1018/cm3にシリコンが添加されたGaN から成るｎ層４を形成した。
【００１２】
その後、サファイア基板１の温度を660 ℃に保持し、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10nmのIn0.08Ga0.92N から成るバリア層５１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、成長速度0.1 μm/h で、膜厚約10nmのIn0.16Ga0.84N から成るシリコンが 5×1018/cm3の濃度に添加された井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バリア層５１と井戸層５２とを交互に、４層と３層だけ積層した多重量子井戸構造で、全体の厚さ70nmの発光層５を形成した。
【００１３】
続いて、温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h で膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は 5×1020/cm3であり、ホール濃度は 2×1018/cm3である。
【００１４】
続いて、温度を660 ℃に保持し、成長速度0.2 μm/h 膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は 5×1021/cm3であり、ホール濃度は 3×1018/cm3である。
【００１５】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。
次に、図３に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極形成部位Ａ' のフォトレジスト１０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００１６】
次に、フォトレジスト１０及びSiO2層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10 ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図５に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。
【００１７】
次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ+ 層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００１８】
このようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 405nm、発光強度２ｍＷであった。この発光効率は３％であった。上記の構成と同一構成の発光ダイオードの全ての層をMBE で形成した場合に比べて発光出力は105 倍に大きくなった。
【００１９】
このように本願発明では、結晶性が高く厚く形成する必要のある基底層をMOVPE 法で高速に形成し、膜厚の制御が要求される素子層はMBE 法で形成したことを特徴とする。よって、結晶性の高い基底層が高速で得られることから、その上の素子層の結晶性を低下させることなく素子の製造速度を向上させることができる。
【００２０】
尚、上記実施例では、ｎ層４にGaN を用いているが、ｎ伝導型のAlGaN を用いても良い。さらに、ｐ層６１はなくても良い。又、発光層５の多重量子井戸構造の周期は任意であり、又、単量子井戸構造でも良い。井戸層、バリア層にはInGaN を用いたがInxGayAl1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)等の３族窒化物半導体を用いても良い。さらに、井戸層にシリコンを添加したが、他のドナー不純物でも良く、無添加でも良い。
【００２１】
又、図６に示すように、バリア層５１３は無添加で、井戸層５２３にのみドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良い。又、図７に示すように、バリア層５１０は無添加で、井戸層５２０について、ドナー不純物（例えば、シリコン）とアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を交互に添加しても良い。さらに、図８に示すように、井戸層５２１にドナー不純物（例えば、シリコン）を添加し、バリア層５１１にアクセプタ不純物（例えば、亜鉛）を添加しても良いし、逆に、井戸層５２１にアクセプタ不純物を添加し、バリア層５１１にドナー不純物を添加しても良い。これらの不純物分布に関する特徴は、発光波長を変化させることができる。井戸層、バリア層は、ｎ型でもｐ型でも半絶縁性でも良い。
【００２２】
又、発光層５は、各層を厚くして量子井戸構造にはならない多重層としても良い。この場合も同様に、図６〜図７の構造が考えられる。この場合、不純物の分布のみに注目しているので、層５１３と層５２３、層５１０と層５２０、層５１１と層５２１を同一組成比としても良い。上記の不純物分布は、発光波長を変化させることができる。この場合も発光層５の各層は、ｎ型、ｐ型、半絶縁性であっても良い。
【００２３】
さらに、発光層５は図９に示すように単層にしても良い。上記実施例では、サファイア基板を用いたがSiC 、MgAl2O4 等を用いることができる。又、バッファ層にはAlN を用いたがAlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。さらに、基底層にはGaN を用いているが、InxGayAl1-x-yN等の３族窒化物半導体を用いることができる。同様に、素子層にも任意組成比のInxGayAl1-x-yN 等の３族窒化物半導体を用いることができる。ＭＢＥで成長させるとき熱処理なしにｐ型化できるが、成長後に熱処理を加えても良い。
【００２４】
又、本発明は発光ダイオードの他、青色や紫外領域のレーザダイオード、光検出素子、その他の機能素子に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】発光層の他の構造を示した断面図。
【図７】発光層の他の構造を示した断面図。
【図８】発光層の他の構造を示した断面図。
【図９】他の実施例の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【符号の説明】
１０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４…ｎ層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…コンタトク層
７，８…電極
Claims (5)
- 基板と基板上に形成されたバッファ層とそのバッファ層上に形成された３族窒化物半導体から成る基底層とその基底層上に形成された３族窒化物半導体から成る素子層とを有する半導体素子において、
前記基底層は有機金属化合物気相成長法(MOVPE)により形成された層であり、
前記基底層は２μｍ以上の厚さに形成されており、
前記素子層は分子線エピタキー法(MBE)により形成された層である
ことを特徴とする３族窒化物半導体素子。 - 前記基底層はGaNから成り前記素子層は３族窒化物半導体から成る少なくともｐ層とｎ層とを有した発光素子を形成していることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体素子。
- 前記素子層はｐ層とｎ層とその間に介在する量子井戸構造の発光層とから成ることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体素子。
- 前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体素子。
- 前記バッファ層はAlNであることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体素子。
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