JP5156305B2 - Group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus and group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、電子デバイス等に、好適に用いられるIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置、III族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法、及びIII族窒化物化合物半導体発光素子、並びにIII族窒化物化合物半導体発光素子を用いたランプに関する。 The present invention relates to a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus, a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing method suitably used for a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), an electronic device, and the like, and The present invention relates to a group III nitride compound semiconductor light emitting device and a lamp using the group III nitride compound semiconductor light emitting device.
III族窒化物化合物半導体発光素子は、可視光から紫外光領域の範囲に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有し、発光効率に優れていることから、LEDやLD等の発光素子として用いられている。
また、III族窒化物半導体は、電子デバイスに用いた場合でも、従来のIII−V族化合物半導体を用いた場合に比べ、優れた特性を有する電子デバイスが得られる。
Group III nitride compound semiconductor light emitting devices have a direct transition type band gap of energy corresponding to the range of visible light to ultraviolet light, and are excellent in luminous efficiency. It is used.
Moreover, even when the group III nitride semiconductor is used in an electronic device, an electronic device having excellent characteristics can be obtained as compared with the case where a conventional group III-V compound semiconductor is used.
このようなIII族窒化物化合物半導体は、一般的に、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料として、MOCVD法によって製造されている。
MOCVD法は、キャリアガスに原料の蒸気を含ませて基板表面に運搬し、加熱された基板との反応で原料を分解することにより、結晶を成長させる方法である。
Such a group III nitride compound semiconductor is generally manufactured by MOCVD using trimethyl gallium, trimethyl aluminum and ammonia as raw materials.
The MOCVD method is a method in which a vapor of a raw material is included in a carrier gas and transported to the substrate surface, and the raw material is decomposed by reaction with a heated substrate to grow crystals.
一方、III族窒化物化合物半導体の結晶をスパッタによって製造する研究も行われている。具体的には、例えば、N2ガスを用いた高周波マグネトロンスパッタリングにより、Siの(100)面、及びサファイア(Al2O3)の(0001)面上にGaN層を成膜する方法が提案されている(例えば、非特許文献1)。 On the other hand, studies have also been carried out to produce a group III nitride compound semiconductor crystal by sputtering. Specifically, for example, a method of forming a GaN layer on the (100) plane of Si and the (0001) plane of sapphire (Al 2 O 3 ) by high-frequency magnetron sputtering using N 2 gas has been proposed. (For example, Non-Patent Document 1).
また、カソードと固体状のターゲットとを向かい合わせ、基板とターゲットとの間にメッシュを入れた装置を用いてGaN層を成膜する方法が提案されている(例えば、非特許文献2)。 Further, a method has been proposed in which a GaN layer is formed using an apparatus in which a cathode and a solid target face each other and a mesh is placed between the substrate and the target (for example, Non-Patent Document 2).
また、上述のようなGaNからなるIII族窒化物化合物半導体の結晶を成膜する場合、例えば、GaN層中にSiやMg等のドーパント元素がドーピングされた結晶を成膜する必要がある。この際、母材となるGa元素に対してドーパント元素を混合したターゲットを用い、スパッタ法によってGaN層を成膜する方法が提案されている(例えば、非特許文献3)。
しかしながら、従来のスパッタ法では、ドーピングされたIII族窒化物半導体の結晶を成膜する場合、ドーピング濃度を微調整することは困難であった。
また、MOCVD法を用いて、Mg元素のドープされたAlGaN等を成膜する場合には、Alの組成に応じて結晶内に取り込まれるMgの量が変化するため、Al組成が低い場合にはMgが入りやすいものの、Al組成が高いときにはMgが入りにくいという問題があった。
However, in the conventional sputtering method, it is difficult to finely adjust the doping concentration when a doped group III nitride semiconductor crystal is formed.
In addition, when depositing AlGaN or the like doped with Mg element using MOCVD, the amount of Mg taken into the crystal changes according to the Al composition, so when the Al composition is low Although Mg easily enters, there is a problem that Mg is difficult to enter when the Al composition is high.
さらに、非特許文献3の方法では、母材となるGa元素に対してドーパント元素を混合したターゲットを用いるので、スパッタ法を用いて、基板上にドーパント元素を含む層と含まない層とを連続して積層する場合、複数のチャンバを備えたスパッタ装置を用いて、それぞれのチャンバの間で基板を移動させて成膜する必要があった。このため、スパッタ装置が大掛かりになるとともに工程時間が長くなってしまうという問題があった。
また、非特許文献3の方法には、ドーピングの具体的な方法は記されておらず、例えば、室温で液体となるGa元素に対してドーパント元素を混合した場合、Ga元素が液体になると、Ga元素中のドーパント元素が比重の差によって浮き上がったり沈み込んだりするため、得られたガリウム窒化物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度が均一にならなかった。ここで、Ga元素が液体にならないようにして、スパッタ法によりGaN層を成膜することも考えられるが、この場合、パワーを十分に負荷することができず、成膜レートを十分に早くすることができない場合があった。
Furthermore, in the method of Non-Patent Document 3, since a target in which a dopant element is mixed with a Ga element serving as a base material is used, a layer including a dopant element and a layer not including the dopant element are continuously formed on a substrate using a sputtering method. In the case of stacking, it is necessary to form a film by moving a substrate between the chambers using a sputtering apparatus having a plurality of chambers. For this reason, there existed a problem that process time became long while a sputtering device became large.
In addition, the method of Non-Patent Document 3 does not describe a specific method of doping. For example, when a dopant element is mixed with a Ga element that is liquid at room temperature, Since the dopant element in the Ga element floats or sinks due to the difference in specific gravity, the concentration of the dopant element in the obtained gallium nitride semiconductor crystal is not uniform. Here, it is conceivable to form the GaN layer by sputtering so that the Ga element does not become liquid, but in this case, the power cannot be sufficiently loaded, and the film formation rate is sufficiently increased. There was a case that could not be done.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ガリウム窒化物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜することができる、構成の簡便なIII族窒化物化合物半導体の製造装置を提供することを目的とする。
また、III族窒化物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜することができるIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、上記の製造方法で得られるIII族窒化物化合物半導体発光素子、並びにランプを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and can easily optimize the concentration of the dopant element in the crystal of the gallium nitride semiconductor, and can be efficiently formed using a sputtering method. An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a Group III nitride compound semiconductor.
Also provided is a method for producing a group III nitride compound semiconductor light-emitting device capable of easily optimizing the concentration of a dopant element in a crystal of a group III nitride semiconductor and capable of efficiently forming a film using a sputtering method. With the goal.
Furthermore, it aims at providing the group III nitride compound semiconductor light-emitting device and lamp | ramp which are obtained with said manufacturing method.
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、Ga元素を含有するGaターゲットとドーパント元素からなるドーパントターゲットとに対して、同時にまたは交互にパワーを印加できる製造装置とすることで、装置を大掛かりにすることなく、ガリウム窒化物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
As a result of intensive investigations to solve the above problems, the present inventors made a manufacturing apparatus that can apply power simultaneously or alternately to a Ga target containing a Ga element and a dopant target composed of a dopant element. Thus, the inventors have found that the concentration of the dopant element in the crystal of the gallium nitride semiconductor can be easily optimized without making the apparatus large, and that the film can be efficiently formed using the sputtering method, and the present invention has been completed.
That is, the present invention relates to the following.
[1] III族窒化物化合物半導体発光素子のIII族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法によって形成するための製造装置であって、チャンバと、前記チャンバ内に設置されたGa元素を含有するGaターゲットおよびドーパント元素からなるドーパントターゲットと、前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するパワー印加手段とを備えていることを特徴とするIII族窒化物化合物半導体の製造装置。
[2] 前記ドーパント元素が、SiまたはMgであることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[3] 前記パワー印加手段が、前記Gaターゲットに印加するパワーと、前記ドーパントターゲットに印加するパワーとの比を変化させることにより、前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御するものであることを特徴とする[1]または[2]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[4] 前記パワー印加手段が、前記パワーをパルスDC方式によって印加するものであり、前記Gaターゲットに印加するパルスと、前記ドーパントターゲットに印加するパルスとのパルス比を変化させることにより、前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御するものであることを特徴とする[1]または[2]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[5] 前記ドーパント元素がSiであり、前記パワー印加手段が、前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とSi元素との比を、1:0.001〜1:0.00001の範囲に制御するものであることを特徴とする[3]または[4]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[6] 前記ドーパント元素がMgであり、前記パワー印加手段が、前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とMg元素との比を、1:0.1〜1:0.001の範囲に制御するものであることを特徴とする[3]または[4]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[7] 前記Gaターゲットは、少なくとも表層が液状化されたものであることを特徴とする[1]〜[6]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[1] A manufacturing apparatus for forming a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor of a group III nitride compound semiconductor light emitting device by a sputtering method, comprising a chamber and a Ga element installed in the chamber A group III nitride compound semiconductor comprising: a Ga target and a dopant target composed of a dopant element; and a power application unit that applies power to the Ga target and the dopant target simultaneously or alternately. manufacturing device.
[2] The apparatus for producing a group III nitride compound semiconductor light-emitting element according to [1], wherein the dopant element is Si or Mg.
[3] Ga in the gas phase when the semiconductor layer is formed by changing the ratio of the power applied to the Ga target and the power applied to the dopant target by the power applying means. The apparatus for producing a Group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [1] or [2], wherein the ratio of the element to the dopant element is controlled.
[4] The power application means applies the power by a pulse DC method, and changes the pulse ratio between a pulse applied to the Ga target and a pulse applied to the dopant target, thereby the semiconductor. The group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [1] or [2], wherein the ratio of Ga element to dopant element in the gas phase when forming the layer is controlled Manufacturing equipment.
[5] The dopant element is Si, and the ratio of Ga element to Si element in the gas phase when the power application unit forms the semiconductor layer is set to 1: 0.001 to 1: The apparatus for producing a Group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [3] or [4], which is controlled within a range of 0.00001.
[6] The dopant element is Mg, and the power application means sets the ratio of Ga element and Mg element in the gas phase when the semiconductor layer is formed to 1: 0.1 to 1: The apparatus for producing a Group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [3] or [4], which is controlled within a range of 0.001.
[7] The group III nitride compound semiconductor light-emitting device manufacturing apparatus according to any one of [1] to [6], wherein at least the surface layer of the Ga target is liquefied.
[8] 前記ドーパントターゲットが、2原子以上の前記ドーパント元素からなるクラスタが形成されないようにスパッタされるものであることを特徴とする[1]〜[7]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[9] 前記ドーパントターゲットが、2原子以上の前記ドーパント元素からなるクラスタが形成されない電圧でスパッタされるものであることを特徴とする[1]〜[8]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。
[8] The III according to any one of [1] to [7], wherein the dopant target is sputtered so as not to form a cluster composed of the dopant element having two or more atoms. Group nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus.
[9] The III according to any one of [1] to [8], wherein the dopant target is sputtered at a voltage at which a cluster composed of two or more atoms of the dopant element is not formed. Group nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus.
[10] III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層が積層された半導体層を有するIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の少なくとも一部をスパッタ法によって形成する工程を含み、前記半導体層をスパッタ法によって成膜する際に、スパッタターゲットとしてGa元素を含有するGaターゲットとドーパント元素からなるドーパントターゲットとを用い、前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加することを特徴とするIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[11] 前記ドーパント元素として、Siを用いることにより前記n型半導体層を成膜することを特徴とする[10]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[12] 前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とSi元素との比が、1:0.001〜1:0.00001の範囲であることを特徴とする[11]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[13] 前記ドーパント元素として、Mgを用いることにより前記p型半導体層を成膜することを特徴とする[10]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[14] 前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とMg元素との比が、1:0.1〜1:0.001の範囲であることを特徴とする[13]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[15] 前記Gaターゲットの前記基板と対向する面の面積と、前記ドーパントターゲットの前記基板と対向する面の面積との比により、
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする[10]〜[14]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[16] 前記Gaターゲットに印加するパワーと、前記ドーパントターゲットに印加するパワーとの比を変化させることにより、
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする[10]〜[14]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[17] 前記パワーをパルスDC方式によって印加し、前記Gaターゲットに印加するパルスと、前記ドーパントターゲットに印加するパルスとのパルス比を変化させることにより、
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする[10]〜[14]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[18] 前記基板と前記半導体層との間に、柱状結晶からなる中間層を形成することを特徴とする[10]〜[17]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[19] 前記Gaターゲットとして、少なくとも表層が液状化されたものを用いることを特徴とする[10]〜[18]の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[10] A method for producing a group III nitride compound semiconductor light emitting device having a semiconductor layer in which an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p type semiconductor layer each made of a group III nitride semiconductor are stacked, Including a step of forming at least a part by a sputtering method, and when forming the semiconductor layer by a sputtering method, a Ga target containing a Ga element and a dopant target made of a dopant element are used as the sputtering target, and the Ga target A method of manufacturing a group III nitride compound semiconductor light emitting device, wherein power is applied simultaneously or alternately to the dopant target.
[11] The method for producing a group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [10], wherein the n-type semiconductor layer is formed by using Si as the dopant element.
[12] The ratio of Ga element to Si element in the gas phase during the formation of the semiconductor layer is in the range of 1: 0.001 to 1: 0.00001 [11] ] The manufacturing method of the group III nitride compound semiconductor light-emitting device of description.
[13] The method for producing a group III nitride compound semiconductor light-emitting device according to [10], wherein the p-type semiconductor layer is formed by using Mg as the dopant element.
[14] The ratio of Ga element to Mg element in the gas phase during the formation of the semiconductor layer is in the range of 1: 0.1 to 1: 0.001 [13] ] The manufacturing method of the group III nitride compound semiconductor light-emitting device of description.
[15] By the ratio of the area of the surface of the Ga target facing the substrate and the area of the surface of the dopant target facing the substrate,
The group III nitride according to any one of [10] to [14], wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled A method for producing a compound semiconductor light emitting device.
[16] By changing the ratio of the power applied to the Ga target and the power applied to the dopant target,
The group III nitride according to any one of [10] to [14], wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled A method for producing a compound semiconductor light emitting device.
[17] By applying the power by a pulse DC method and changing a pulse ratio between a pulse applied to the Ga target and a pulse applied to the dopant target,
The group III nitride according to any one of [10] to [14], wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled A method for producing a compound semiconductor light emitting device.
[18] The group III nitride compound semiconductor light emitting device according to any one of [10] to [17], wherein an intermediate layer made of a columnar crystal is formed between the substrate and the semiconductor layer. Device manufacturing method.
[19] The method for producing a group III nitride compound semiconductor light-emitting element according to any one of [10] to [18], wherein at least a surface layer is liquefied as the Ga target.
本発明のIII族窒化物化合物半導体の製造装置は、前記チャンバ内に設置されたGa元素を含有するGaターゲットおよびドーパント元素からなるドーパントターゲットと、前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するパワー印加手段とを備えているので、スパッタ法を用いて成膜される半導体層の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適値に制御できる。 The apparatus for producing a group III nitride compound semiconductor according to the present invention includes a Ga target containing a Ga element and a dopant target composed of a dopant element installed in the chamber, and the Ga target and the dopant target simultaneously or Since power application means for alternately applying power is provided, the concentration of the dopant element in the crystal of the semiconductor layer formed by sputtering can be easily controlled to the optimum value.
しかも、本発明のIII族窒化物化合物半導体の製造装置は、チャンバ内にGaターゲットとドーパントターゲットとが設置されているので、1つのチャンバ内で、基板上にドーパント元素を含む層と含まない層とを連続して積層することが可能なものとなる。したがって、チャンバ内に1つのターゲットのみ配置したスパッタ装置と比較して、コンパクトな装置とすることができるとともに、成膜工程に要する時間を短縮できる。
また、本発明のIII族窒化物化合物半導体の製造装置は、スパッタ法を用いて成膜するので、MOCVD法やMBE法により成膜する場合と比較して、高速で効率よく成膜することができるとともに、簡便な構成の装置となる。
Moreover, since the Ga target and the dopant target are installed in the chamber of the group III nitride compound semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, the layer containing the dopant element and the layer not containing the dopant element on the substrate in one chamber. Can be laminated continuously. Therefore, as compared with a sputtering apparatus in which only one target is disposed in the chamber, the apparatus can be made compact and the time required for the film forming process can be shortened.
In addition, since the group III nitride compound semiconductor manufacturing apparatus of the present invention forms a film using a sputtering method, the film can be formed efficiently at a higher speed than when forming a film using the MOCVD method or the MBE method. In addition, the apparatus has a simple configuration.
また、本発明のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法によれば、半導体層をスパッタ法によって成膜する際に、スパッタターゲットとしてGa元素を含有するGaターゲットとドーパント元素からなるドーパントターゲットとを用い、前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するので、Gaを含有するIII族窒化物化合物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適値に制御でき、スパッタ法を用いて効率よく成膜することができる。 In addition, according to the method for producing a group III nitride compound semiconductor light emitting device of the present invention, when a semiconductor layer is formed by sputtering, a Ga target containing a Ga element as a sputtering target and a dopant target composed of a dopant element, Since the power is applied to the Ga target and the dopant target simultaneously or alternately, the concentration of the dopant element in the crystal of the group III nitride compound semiconductor containing Ga can be easily controlled to the optimum value. The film can be efficiently formed using a sputtering method.
さらに、本発明のIII族窒化物化合物半導体発光素子並びにランプは、本発明の製造方法によって得られたものであるので、Gaを含有するIII族窒化物化合物半導体の結晶中のドーパント濃度が最適なものとなり、優れた発光特性を備えたものとなる。 Furthermore, since the group III nitride compound semiconductor light-emitting device and lamp of the present invention are obtained by the manufacturing method of the present invention, the dopant concentration in the crystal of the group III nitride compound semiconductor containing Ga is optimal. And have excellent light emission characteristics.
以下、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置、III族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法、及びIII族窒化物化合物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus, a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing method, a group III nitride compound semiconductor light emitting device, and a lamp according to an embodiment of the present invention. The description will be given with reference as appropriate.
[III族窒化物化合物半導体発光素子]
図1は、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子の一例を模式的に示した概略断面図である。また、図2は、図1に示すIII族窒化物化合物半導体発光素子の平面構造を示す概略図である。
本実施形態の発光素子は、図1に示すように、一面電極型のものであり、基板11上に、中間層12と、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物化合物半導体からなる半導体層20とが形成されているものである。半導体層20は、図1に示すように、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16の各層がこの順で積層されてなるものである。
[Group III nitride compound semiconductor light emitting device]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of a group III nitride compound semiconductor light emitting device according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a planar structure of the group III nitride compound semiconductor light emitting device shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the light-emitting element of the present embodiment is of a single-sided electrode type, and is a semiconductor made of a group III nitride compound semiconductor containing an
[発光素子の積層構造]
<基板>
本実施形態の発光素子1において、基板11に用いることができる材料としては、III族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
[Laminated structure of light-emitting elements]
<Board>
In the light emitting device 1 of the present embodiment, the material that can be used for the
なお、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずに中間層12を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のn型半導体層14を構成する下地層を成膜した場合には、詳細を後述する中間層12がコート層としても作用するので、基板11の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
また、一般的に、スパッタ法は基板11の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板11を用いた場合でも、基板11にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
Of the above-described substrate materials, an oxide substrate or a metal substrate that is known to cause chemical modification by contact with ammonia at a high temperature is used, and the
In general, since the sputtering method can keep the temperature of the
<中間層>
本実施形態の発光素子1においては、基板11上に、III族窒化物化合物の柱状結晶の集合体からなる中間層12が成膜されている。中間層12は、基板11を高温における化学反応から守る目的や、基板11の材料と半導体層20との格子定数の違いを緩和する目的、あるいは、半導体層結晶成長のための核生成を促すための層として形成される。
<Intermediate layer>
In the light emitting device 1 of the present embodiment, an
また、中間層12は、基板11の表面11aの少なくとも60%以上、好ましくは80%以上を覆っている必要があり、90%以上を覆うように形成されていることが好ましい。また、中間層12は、表面11aの100%、即ち、基板11の表面11a上を隙間無く覆うように形成されていることが最も好ましい。
中間層12が基板11の表面11aを覆う領域が小さくなると、基板11が大きく露出した状態となる。このため、中間層12上に成膜される下地層14aと基板11上に直接成膜される下地層14aとの格子定数が異なるものとなり、均一な結晶とならず、ヒロックやピットを生じてしまう恐れがある。
Further, the
When the region where the
また、中間層12は、基板11の表面11aに加え、側面を覆うようにして形成されていても良く、さらに、基板11の裏面を覆うようにして形成しても良い。
Further, the
<半導体層>
図1に示すように、半導体層20は、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16を備えている。
III族窒化物化合物半導体からなる下地層14aの上には、半導体積層構造が積層された構成とすることができる。例えば、発光素子のための半導体積層構造を形成する場合、Si、Ge、Sn等のn型ドーパントをドープしたn型導電性の層や、マグネシウム等のp型ドーパントをドープしたp型導電性の層等を積層することができる。また、材料としては、発光層等にはInGaNを用いることができ、クラッド層等にはAlGaNを用いることができる。このように、下地層14a上に、さらに機能を持たせたIII族窒化物半導体結晶層を形成することにより、発光ダイオードやレーザダイオード、あるいは電子デバイス等の作製に用いられる、半導体積層構造を有するウェーハを作製することが出来る。
「n型半導体層」
n型半導体層14は、中間層12上に積層され、下地層14a、n型コンタクト層14b及びn型クラッド層14cから構成されている。なお、n型コンタクト層は、下地層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることが可能であるが、下地層が、n型コンタクト層、及び/又はn型クラッド層を兼ねることも可能である。
<Semiconductor layer>
As shown in FIG. 1, the
A semiconductor multilayer structure may be laminated on the
"N-type semiconductor layer"
The n-
(下地層)
本実施形態のn型半導体層14の下地層14aは、III族窒化物化合物半導体からなる。下地層14aの材料は、中間層12と同じであっても異なっていても構わないが、本発明者等が実験したところ、Gaを含むIII族窒化物化合物、即ちGaN系化合物半導体が好ましく、AlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることがより好ましいことが明らかとなった。
(Underlayer)
The
下地層14aには、必要に応じて、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ(<1×1017/cm3)とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。
例えば、基板11が導電性を有する場合には、下地層14aにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子1の上下に電極を形成することができる。一方、基板11として絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子1の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、基板11直上の層はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となることから好ましい。
n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
If necessary, the
For example, when the
Although it does not specifically limit as an n-type impurity, For example, Si, Ge, Sn, etc. are mentioned, Preferably Si and Ge are mentioned.
(n型コンタクト層)
n型コンタクト層14bは、III族窒化物化合物半導体からなる。n型コンタクト層14bは、下地層14aと同様にAlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、n型コンタクト層14bには、n型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeである。
(N-type contact layer)
The n-
The n-
なお、下地層14a及びn型コンタクト層14bを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1〜20μm、好ましくは0.5〜15μm、さらに好ましくは1〜12μmの範囲に設定することが好ましい。
膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
The gallium nitride compound semiconductor constituting the
When the film thickness is within this range, the crystallinity of the semiconductor is maintained satisfactorily.
(n型クラッド層)
n型コンタクト層14bと発光層15との間には、n型クラッド層14cを設けることが好ましい。n型クラッド層14cを設けることにより、活性層への電子供給、格子定数差の緩和、などの効果を持たせることができる。
n型クラッド層14cは、AlGaN、GaN、GaInN等により成膜することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。
n型クラッド層14cをGaInNとする場合には、発光層15のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
(N-type cladding layer)
It is preferable to provide an n-
The n-
Needless to say, when the n-
n型クラッド層14cのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3の範囲が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
The n-type doping concentration of the n-
<発光層>
発光層15は、n型半導体層14上に積層されるとともにp型半導体層16がその上に積層される層である。発光層は多重量子井戸構造、単一井戸構造、バルク構造、などを採ることができる。本実施形態において、発光層15は、図1に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層15aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型半導体層14側及びp型半導体層16側に障壁層15aが配されている。図1に示す例では、発光層15は、6層の障壁層15aと5層の井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、発光層15の最上層及び最下層に障壁層15aが配され、各障壁層15a間に井戸層15bが配される多重量子井戸構造とされている。
<Light emitting layer>
The
障壁層15aとしては、例えば、井戸層15bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c<0.3)等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層15bには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInsN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
As the
Furthermore, the
<p型半導体層>
p型半導体層16は、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bから構成されている。なお、p型コンタクト層がp型クラッド層を兼ねる構成であってもよい。
<P-type semiconductor layer>
The p-
(p型クラッド層)
p型クラッド層16aとしては、発光層15のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層15へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)のものが挙げられる。p型クラッド層16aが、このようなAlGaNからなると、発光層15へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
(P-type cladding layer)
The p-
p型クラッド層16aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはMgが挙げられる。
The p-type doping concentration of the p-
(p型コンタクト層)
p型コンタクト層16bは、少なくともAleGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極(後述の透光性電極17を参照)との良好なオーミック接触の点で好ましい。
(P-type contact layer)
The p-
また、p型コンタクト層16bは、p型ドーパントを1×1018〜1×1021/cm3の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の範囲である。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはMgが挙げられる。
Further, when the p-
なお、本発明の発光素子1を構成する半導体層20は、上述した実施形態のものに限定されるものではない。
例えば、本発明を構成する半導体層の材料としては、上記のものの他、例えば一般式AlXGaYInZN1−AMA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
また、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P及びAs等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
In addition, the
For example, as the material of the semiconductor layer constituting the present invention, addition to the foregoing, for example, the general formula Al X Ga Y In Z N 1 -A M A (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1 and X + Y + Z = 1, the symbol M represents a group V element different from nitrogen (N), and 0 ≦ A <1)) is known. Also in the present invention, these known gallium nitride compound semiconductors can be used without any limitation.
In addition, a group III nitride compound semiconductor containing Ga as a group III element can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In. If necessary, Ge, Si, Mg, Ca, Zn , Be, P, and As can also be contained. Furthermore, it is not limited to the element added intentionally, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.
<透光性正極>
透光性正極17は、p型半導体層16上に形成された透光性を有する電極である。
透光性正極17の材質としては、特に限定されず、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)等の材料を用いることができる。また、透光性正極17としては、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
また、透光性正極17は、p型半導体層16上の全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。
<Translucent positive electrode>
The translucent
The material of the translucent
The translucent
<正極ボンディングパッド>
正極ボンディングパッド18は、図2に示すように透光性正極17上に形成された略円形の電極である。
正極ボンディングパッド18の材料としては、Au、Al、NiおよびCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド18の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド18の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
<Positive electrode bonding pad>
The positive
As the material of the positive
The thickness of the positive
<負極>
負極19は、半導体層20を構成するn型半導体層14のn型コンタクト層14bに接するものである。このため、負極19は、図1および図2に示すように、p型半導体層16、発光層15、及びn型半導体層14の一部を除去してn型コンタクト層14bを露出させてなる露出領域14dの上に略円形状に形成されている。
負極19の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができる。
<Negative electrode>
The
As materials for the
ここで、本発明の発光素子の製造方法を説明するにあたり、最初に、発光素子の半導体層の製造装置および製造方法を説明する。
[発光素子の半導体層の製造装置]
図3は、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置の一例を模式的に示す概略図である。図3に示すIII族窒化物化合物半導体発光素子(以下、発光素子と略称することがある)の製造装置40は、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物化合物半導体からなる発光素子を構成する半導体層を、基板11上にスパッタ法によって成膜するために用いられるものである。
Here, in explaining the manufacturing method of the light emitting element of the present invention, first, the manufacturing apparatus and manufacturing method of the semiconductor layer of the light emitting element will be described.
[Device for manufacturing semiconductor layer of light-emitting element]
FIG. 3 is a schematic view schematically showing an example of a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus according to the present invention. A
この発光素子の製造装置40は、図3に示すように、チャンバ41と、チャンバ41内に設置されたスパッタターゲット47と、スパッタターゲット47に対してパワーを印加するパワー印加手段45とを備えている。また、図3に示すように、発光素子の製造装置40のチャンバ41内には、基板11をスパッタターゲット47に対向させて下向きに取り付けるためのホルダー11bと、基板11を加熱するためのヒータ44とが備えられており、チャンバ41の外には、ホルダー11bに導電接続されたマッチングボックス46cと、マッチングボックス46cに導電接続される電源48と、チャンバ41内の圧力を制御するポンプなどからなる圧力制御手段49a、49b、49cと、チャンバ41内にガスを供給するガス供給手段42a、42bとが備えられている。
As shown in FIG. 3, the light emitting
本実施形態において、スパッタターゲット47は、図3に示すように、Gaターゲット47aと、ドーパント元素からなるドーパントターゲット47bとからなる。Gaターゲット47aは、Gaターゲット47aにパワーを供給するための電極43a上に載置され、ドーパントターゲット47bは、ドーパントターゲット47bにパワーを供給するための電極43b上に載置されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
Gaターゲット47aは、Ga元素を含有するものであり、Ga元素のみからなるものであってもよいし、他の元素を含むものであってもよく、成膜される半導体層の組成に対応する材料からなるものである。また、本実施形態においては、Gaターゲット47aとして固体状のものを用いてもよいし、液状化されたものを用いてもよい。液状化されたGaターゲット47aとしては、全体が液状化されているものであってもよいし、表層のみが液状化した状態のものであってもよい。
The
図3に示す発光素子の製造装置40において、ドーパントターゲット47bを構成するドーパント元素としては、Si、Ge、Sn、Mg、Be、Zn、Cd、Caなどを挙げることができ、特に限定されないが、成膜される半導体層がn型半導体層である場合にはSiであることが好ましく、成膜される半導体層がp型半導体層である場合にはMgであることが好ましい。
In the light emitting
また、パワー印加手段45は、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとに対して、同時にまたは交互に所定のパワーを印加するものであり、図3に示すように、電極43a、43bと、電極43a、43bに導電接続されたマッチングボックス46a、46bと、マッチングボックス46a、46bに導電接続される電源48とから構成されている。そして、Gaターゲット47aに印加されるパワーは、マッチングボックス46aに制御させることによって調整可能とされており、ドーパントターゲット47bに印加されるパワーは、マッチングボックス46bに制御させることによって調整可能とされている。このことにより、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bに印加されるパワーは、個別に独立して制御可能となっている。
The power applying means 45 applies predetermined power to the
また、本実施形態では、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bに印加されるパワー(印加電力)が、パルスDC方式またはRF(高周波)方式により印加されるようになっている。なお、図3に示す製造装置40を用いてリアクティブスパッタ法により半導体層を成膜する場合には、成膜レートを容易にコントロールできる点から、印加電力をRF(高周波)方式とすることがより好ましい。また、図3に示す製造装置40を用いてリアクティブスパッタ法により半導体層を成膜する場合、DCで電場を連続してかけた状態にするとGaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bがチャージアップしてしまい、成膜レートを高くすることが困難になるので、印加電力を、パルス的にバイアスを与えるパルスDC方式とすることが好ましい。
In the present embodiment, the power (applied power) applied to the
また、本実施形態では、パワー印加手段45のマッチングボックス46a、46bが、Gaターゲット47aに印加するパワーと、ドーパントターゲット47bに印加するパワーとの比を変化させることにより、気相中に供給されるGaおよびドーパント元素の粒子の量を変化させて、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することができるようにされている。
気相中に供給されるGaおよびドーパント元素の粒子の量は、成膜される半導体層の結晶中におけるGaとドーパント元素との比と一致するので、気相中に供給されるGaおよびドーパント元素の粒子の量を制御することにより、成膜される半導体層の結晶中のドーピング濃度を制御できる。
ここで、Gaターゲット47aに印加するパワーと、ドーパントターゲット47bに印加するパワーとの比は、マッチングボックス46a、46bに供給する電力を制御させることによって任意に変化させることができる。
In this embodiment, the matching
Since the amount of Ga and dopant element particles supplied in the gas phase matches the ratio of Ga and dopant element in the crystal of the semiconductor layer to be deposited, Ga and dopant element supplied in the gas phase By controlling the amount of the particles, the doping concentration in the crystal of the semiconductor layer to be formed can be controlled.
Here, the ratio of the power applied to the
なお、パワーをパルスDC方式によって印加するものである場合には、パワー印加手段45のマッチングボックス46a、46bは、Gaターゲット47aに印加するパルスと、ドーパントターゲット47bに印加するパルスとのパルス比を変化させることによって、気相中に供給されるGaおよびドーパント元素の粒子の量を変化させて、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御するものであってもよい。
ここで、Gaターゲット47aに印加するパルスと、ドーパントターゲット47bに印加するパルスとのパルス比は、マッチングボックス46a、46bにパワーのオン・オフの時間を制御させることによって任意に変化させることができる。
In the case where the power is applied by the pulse DC method, the matching
Here, the pulse ratio between the pulse applied to the
また、ドーパント元素がSiである場合には、パワー印加手段45により、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とSi元素との比が(Ga元素:Si元素)1:0.001〜1:0.00001の範囲に制御されることが望ましい。
また、ドーパント元素がMgである場合には、パワー印加手段45により、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とMg元素との比が(Ga元素:Mg元素)1:0.1〜1:0.001の範囲に制御されることが望ましい。
When the dopant element is Si, the ratio of Ga element to Si element in the gas phase when the semiconductor layer is formed by the power application means 45 is (Ga element: Si element) 1: It is desirable to be controlled in the range of 0.001 to 1: 0.00001.
When the dopant element is Mg, the ratio of Ga element to Mg element in the gas phase when the semiconductor layer is formed by the power application means 45 is (Ga element: Mg element) 1: It is desirable to be controlled in the range of 0.1 to 1: 0.001.
また、図3に示す発光素子の製造装置40は、ドーパントターゲット47bが、2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されないようにスパッタできるものである。
ドーパント元素は、キャリアを効率よく発生させるために、III族窒化物化合物半導体の結晶中に均一に存在していることが好ましい。結晶中に均一にドーパント元素を存在させるためには、結晶中のドーパント元素が単原子の状態で分散されてドープされていることが好ましい。また、III族窒化物化合物半導体の結晶中のドーパント元素が、2原子以上の原子が結合してなるクラスタとして存在している場合、ドーパント元素が有効にキャリアを生成できないと考えられる。
In addition, the light emitting
The dopant element is preferably present uniformly in the crystal of the group III nitride compound semiconductor in order to efficiently generate carriers. In order to make the dopant element uniformly exist in the crystal, the dopant element in the crystal is preferably dispersed and doped in a single atom state. Moreover, when the dopant element in the crystal | crystallization of a group III nitride compound semiconductor exists as a cluster formed by combining two or more atoms, it is considered that the dopant element cannot effectively generate carriers.
ドーパントターゲット47bをスパッタすることによってドーパント元素を供給する場合、アルゴンなどのドーパントターゲット47bを叩くスパッタ粒子の運動エネルギーが大きすぎると、ドーパント元素がクラスタとしてドーパントターゲット47bから飛び出してくる可能性がある。このため、スパッタ粒子の運動エネルギーを小さくして、クラスタが形成されないようにドーパントターゲット47bをスパッタすることが好ましい。具体的には、クラスタが形成されないように、ドーパントターゲット47bを叩くスパッタ粒子を加速するための電圧を十分に小さくする装置・方法や、スパッタ粒子として原子量の小さい元素を用いる方法が挙げられる。
When supplying a dopant element by sputtering the
本実施形態においては、パワー印加手段45によりドーパントターゲット47bを叩くスパッタ粒子を加速するための電圧が制御されることによって、ドーパントターゲット47bがスパッタされる際に2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されないようになっている。
また、例えば、高周波スパッタを行う場合などには、プラズマを発生させるための電力をターゲットと内壁とに掛けている場合がある。この場合には、ターゲットにスパッタ粒子を引き込む電圧を小さくすると、プラズマを発生させられなくなる場合がある。このため、プラズマを発生させる電力と、ターゲットにスパッタ粒子を引き込む電圧とを、個別に制御できる製造装置を用いることが望ましい。具体的には例えば、図6に示す製造装置50などを好ましく用いることができる。
図6は、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置の他の一例を模式的に示す概略図である。なお、図6において、図3と同じ部材については同じ符号を付し説明を省略する。図6に示す製造装置50では、チャンバ41内のドーパントターゲット47bの上空に高周波誘電結合プラズマ発生装置22が設置されている。そして、図6に示す製造装置50では、高周波誘電結合プラズマ発生装置22にプラズマを発生させることにより、ドーパントターゲット47bを叩く粒子の加速電圧を自由に設定できるようになっている。
In the present embodiment, the power application means 45 controls the voltage for accelerating the sputtered particles hitting the
Further, for example, when performing high-frequency sputtering, there is a case where power for generating plasma is applied to the target and the inner wall. In this case, if the voltage for attracting the sputtered particles to the target is reduced, plasma may not be generated. For this reason, it is desirable to use a manufacturing apparatus that can individually control the power for generating plasma and the voltage for attracting sputtered particles to the target. Specifically, for example, the
FIG. 6 is a schematic view schematically illustrating another example of a group III nitride compound semiconductor light emitting device manufacturing apparatus according to the present invention. In FIG. 6, the same members as those in FIG. In the
2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されているかどうかは、例えば、図6に示す製造装置50などを用いて調べることができる。図6に示す発光素子の製造装置50は、チャンバ41内の基板11近傍に設けられた吸気口21aと、配管により吸気口21aに接続された質量スペクトル分析装置21bとを備えている。そして、図6に示す発光素子の製造装置50では、ドーパントターゲット47bがスパッタされることによって形成された粒子を、吸気口21aから吸気して質量スペクトル分析装置21bにより測定させるようになっている。
例えば、ドーパント元素がSiである場合、吸気口21aから吸気したドーパント元素からなる粒子が単原子であると質量数28に質量スペクトルのピークが出現し、2原子分子であると質量数56に質量スペクトルのピークが出現する。
Whether or not a cluster composed of a dopant element having two or more atoms is formed can be examined using, for example, the
For example, when the dopant element is Si, if the particle made of the dopant element sucked from the
なお、本実施形態においては、質量スペクトル分析装置を用いて、2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されているかどうかを調べる場合を例に挙げて説明したが、2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されているかどうかは、例えば、プラズマ分光を用いる方法など、他の装置および方法を用いて調べてもよい。プラズマ分光を用いる方法では、元素によって発光波長が異なるが、発光スペクトルがバックグラウンドに隠れてしまって発光スペクトルの分離が困難となる場合がある。また、プラズマ分光を用いる方法では、元素によって発光スペクトルを示さなかったり、粒子がクラスタである場合とそうでない場合との違いが僅かで、クラスタが形成されているかどうかが分かりにくかったりする場合がある。したがって、クラスタが形成されているかどうかを調べる際には、プラズマ分光を用いるよりも質量スペクトル分析装置を用いることが好ましい。 In the present embodiment, the case where a cluster composed of two or more dopant elements is examined using a mass spectrum analyzer has been described as an example. Whether or not a cluster is formed may be examined using other apparatuses and methods such as a method using plasma spectroscopy. In the method using plasma spectroscopy, the emission wavelength differs depending on the element, but the emission spectrum may be hidden in the background, making it difficult to separate the emission spectrum. Also, in the method using plasma spectroscopy, the emission spectrum may not be shown depending on the element, or the difference between the case where the particle is a cluster and the case where the particle is not so is small, and it may be difficult to understand whether the cluster is formed. . Therefore, when examining whether or not clusters are formed, it is preferable to use a mass spectrum analyzer rather than using plasma spectroscopy.
図3に示す発光素子の製造装置40は、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとからなるスパッタターゲット47と、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するパワー印加手段とを備えているので、パワー印加手段45により、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を任意に制御することができ、成膜されるGaを含有するIII族窒化物化合物半導体の結晶中におけるドーパント元素の濃度を容易に最適化できる。
The light emitting
また、図3に示す発光素子の製造装置40において、Gaターゲット47aの少なくとも表層が液状化されている場合、高エネルギーを有する粒子を取り出して基板11上に供給することができるので、基板11上に、結晶性の良好なIII族窒化物半導体からなる半導体層を、より高効率で成長させることが可能となる。また、Gaターゲット47aの少なくとも表層が液状化されている場合、Gaターゲット47aを部分的に偏ること無く均一に使用することができるので、Gaターゲット47aを構成している材料を効率良く使用することができる。
In the light emitting
また、一般に、スパッタ法を用いて基板上に複数の材料からなる層を成膜する場合、材料ターゲットの数と同数のチャンバを備え、各チャンバに1つのターゲットを配置したスパッタ装置を用い、基板をそれぞれのチャンバの間を移動させて成膜する方法を用いていた。このような方法で用いられるスパッタ装置は、チャンバの数が多いため大掛かりであることや、成膜に要する時間が長時間必要であることが問題となっていた。
これに対し、本実施形態の製造装置は、チャンバ内にGaターゲット47aとドーパントターゲット47bとを配置し、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するものであるので、製造装置を大幅に簡易化することができ、しかも各チャンバに1つのターゲットを配置したスパッタ装置を用いた場合のようにチャンバ間を移動させる必要はなく、成膜に要する時間を短縮することができる。
In general, when a layer made of a plurality of materials is formed on a substrate by using a sputtering method, a sputtering apparatus having the same number of chambers as the number of material targets and one target in each chamber is used. The method of forming a film by moving between each chamber was used. The sputtering apparatus used in such a method has a problem that it is large due to the large number of chambers and requires a long time for film formation.
On the other hand, the manufacturing apparatus of this embodiment arranges the
なお、本実施形態では、図3に示すように、チャンバ41内にGaターゲット47aとドーパントターゲット47bとの2つのスパッタターゲットが備えられたスパッタ装置40を例に挙げて説明したが、本発明の製造装置はこれには限定されない。
例えば、基板上に組成の異なる複数層の半導体層を成膜する場合には、成膜しようとする半導体層の組成に対応する複数のターゲットをチャンバ内に設置することで、同一チャンバ内において、それぞれ所定の組成を有する複数の半導体層を連続して基板上に成膜することが可能となる。本発明の製造装置をこのような構成とすることで、製造装置を簡易化することができるとともに、工程時間を短縮することができ、高効率で成膜を行うことができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
For example, in the case where a plurality of semiconductor layers having different compositions are formed on a substrate, a plurality of targets corresponding to the composition of the semiconductor layer to be formed are placed in the chamber. A plurality of semiconductor layers each having a predetermined composition can be successively formed on the substrate. When the manufacturing apparatus of the present invention has such a configuration, the manufacturing apparatus can be simplified, the process time can be shortened, and film formation can be performed with high efficiency.
また、図3に示す発光素子の製造装置40は、クラスタが形成されないようにドーパントターゲット47bがスパッタされるものであるので、ドーパント元素が結晶中に均一に単原子の状態で分散されてドープされているIII族窒化物化合物半導体を製造することができ、キャリアを効率よく発生させることが可能なIII族窒化物化合物半導体が得られる。
また、図3に示す発光素子の製造装置40では、ドーパントターゲット47bがクラスタの形成されない電圧でスパッタされるものであるので、スパッタ粒子の運動エネルギーを容易に制御することができ、クラスタを形成させることなくドーパントターゲット47bをスパッタすることができる。
Further, in the light emitting
Further, in the light emitting
[発光素子の半導体層の製造方法]
本実施形態では、図3に示す製造装置40を用いる発光素子の製造方法の一例として、リアクティブスパッタ法によって基板11上に発光素子の半導体層を成膜する方法を例に挙げて説明する。
図3に示す製造装置40を用いてスパッタ法によって基板11上に発光素子の半導体層を成膜するには、まず、圧力制御手段49a、49b、49cによって、チャンバ41内の圧力を所定の圧力にするとともに、ガス供給手段42a、42bを用いて、チャンバ41内にアルゴンガスと窒化物原料となる活性ガスとをそれぞれ所定の供給量で供給し、チャンバ41内を所定の雰囲気とする。
[Method for Manufacturing Semiconductor Layer of Light-Emitting Element]
In the present embodiment, a method for forming a semiconductor layer of a light emitting element on a
In order to form a semiconductor layer of a light emitting element on the
チャンバ41内の圧力は、0.3Pa以上とすることが好ましい。チャンバ41内の圧力を0.3Pa未満とすると、窒素の存在量が小さくなり過ぎ、スパッタされた金属が窒化物とならない状態で基板11上に付着する虞がある。また、チャンバ41内の圧力の上限は特に限定されないが、プラズマを発生させることができる程度の圧力に抑制することが必要である。
The pressure in the
また、本実施形態で活性ガスとして用いる窒化物原料としては、一般に知られている窒素化合物を何ら制限されることなく用いることができるが、アンモニアや窒素(N2)は取り扱いが簡単であるとともに、比較的安価で入手可能であることから好ましい。
アンモニアは分解効率が良好であり、高い成長速度で成膜することが可能であるが、反応性や毒性が高いため、除害設備やガス検知器が必要となり、また、反応装置に使用する部材の材料を化学的に安定性の高いものにする必要がある。
また、窒素(N2)を用いた場合には、装置としては簡便なものを用いることができるが、高い反応速度が得られない。しかしながら、窒素を電界や熱等により分解してから装置に導入する方法とすれば、アンモニアより反応速度は低いものの工業生産的に利用可能な程度の十分な成膜速度を得ることができる。このため、装置コストとの兼ね合いを考えると、活性ガスとしては窒素(N2)が最も好適である。
Moreover, as a nitride raw material used as an active gas in the present embodiment, generally known nitrogen compounds can be used without any limitation, but ammonia and nitrogen (N 2 ) are easy to handle. It is preferable because it is relatively inexpensive and available.
Ammonia has good decomposition efficiency and can be deposited at a high growth rate. However, because of its high reactivity and toxicity, it requires a detoxification facility and a gas detector. It is necessary to make these materials chemically stable.
When nitrogen (N 2 ) is used, a simple apparatus can be used, but a high reaction rate cannot be obtained. However, if the nitrogen is decomposed by an electric field, heat, or the like and then introduced into the apparatus, a sufficient film formation rate that can be used for industrial production can be obtained although the reaction rate is lower than that of ammonia. For this reason, considering the balance with the apparatus cost, nitrogen (N 2 ) is most preferable as the active gas.
次いで、ヒータ台44内に設けられた図示略の加熱手段によってヒータ台44を発熱させ、基板11を所定の温度、つまり、基板11上に成長される半導体層に最適な成長温度となるように加温する。
半導体層を成膜する時の基板11の温度は、室温〜1200℃の範囲とすることが好ましく、300〜1000℃の範囲とすることがより好ましく、500〜800℃の範囲とすることが最も好ましい。なお、ここでの室温とは、工程の環境等にも影響される温度であるが、具体的な温度としては、0〜30℃の範囲である。
基板11の温度が上記下限未満だと、基板11上でのマイグレーションが抑制され、結晶性の良い半導体層の結晶を成膜することができない場合がある。また、基板11の温度が上記上限を超えると、半導体層の結晶が分解する虞がある。
Next, the heater table 44 is heated by heating means (not shown) provided in the heater table 44 so that the
The temperature of the
When the temperature of the
そして、基板11が加温された状態で、マッチングボックス46a、46bを介して電極43a、43bに電流を供給し、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bの各々に同時にまたは交互にパワーを印加するとともに、ホルダー11bに電流を供給して、基板11にバイアスを印加する。
Then, while the
このことにより、チャンバ41内の気相中には、Gaターゲット47aからGaの粒子を含む粒子が飛び出し、ドーパントターゲット47bからはドーパント元素の粒子が飛び出す。そして、気相中のGa粒子やドーパント元素の粒子などの粒子が、ホルダー11bに取り付けられた基板11の表面にぶつかるように供給されて堆積されることにより、基板11上に半導体層が成膜される。
As a result, particles containing Ga particles are ejected from the
なお、本実施形態では、ドーパントターゲット47bは、2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されない電圧でスパッタされる。
In the present embodiment, the
ここで、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比は、例えば、以下に示す3つの方法のうちの少なくとも1つの方法を用いて、気相中に供給されるGaおよびドーパント元素の粒子の量を変化させて制御する。
(1)Gaターゲット47aの基板11と対向する面(図3においては上面)の面積と、ドーパントターゲット47bの基板11と対向する面(図3においては上面)の面積との比により制御する。
(2)Gaターゲット47aに印加するパワーと、ドーパントターゲット47bに印加するパワーとの比を制御する。ここで、Gaターゲット47aに印加するパワーと、ドーパントターゲット47bに印加するパワーとの比は、マッチングボックス46a、46bに供給する電力を制御させることよって変化させることができる。
(3)パワーをパルスDC方式によって印加し、Gaターゲット47aに印加するパルスと、ドーパントターゲット47bに印加するパルスとのパルス比を制御する。ここで、Gaターゲット47aに印加するパルスと、ドーパントターゲット47bに印加するパルスとのパルス比は、マッチングボックス46a、46bにパワーのオン・オフの時間を制御させることよって変化させることができる。
Here, the ratio of the Ga element and the dopant element in the vapor phase when forming the semiconductor layer is determined by using, for example, at least one of the following three methods in the vapor phase. The amount of Ga and dopant element particles to be supplied is changed and controlled.
(1) It is controlled by the ratio of the area of the surface of the
(2) The ratio of the power applied to the
(3) The power is applied by the pulse DC method, and the pulse ratio between the pulse applied to the
例えば、図3に示す製造装置40を用いて基板11上にn型半導体層を成膜する場合、ドーパント元素として、Siを用い、上記の(1)〜(3)の少なくとも1つの方法を用いて、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とSi元素との比を、1:0.001〜1:0.00001の範囲として行なうことが望ましい。
これにより、ドーパント元素としてSiを用いたn型半導体層におけるドーピング濃度を1×1017cm−3〜1×1019cm−3の範囲に制御することが可能となる。
For example, when an n-type semiconductor layer is formed on the
This makes it possible to control the doping concentration in the n-type semiconductor layer using Si as the dopant element in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .
また、例えば、図3に示す製造装置40を用いて基板11上にp型半導体層を成膜する場合、ドーパント元素として、Mgを用い、上記の(1)〜(3)の少なくとも1つの方法を用いて、半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とMg元素との比を、1:0.1〜1:0.001の範囲として行なうことが望ましい。
これにより、ドーパント元素としてMgを用いたp型半導体層におけるドーピング濃度を1×1019cm−3〜1×1021cm−3の範囲に制御することが可能となる。
Further, for example, when forming a p-type semiconductor layer on the
This makes it possible to control the doping concentration in the p-type semiconductor layer using Mg as the dopant element in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .
また、半導体層を成膜している際のスパッタ装置40のGaターゲット47a周辺の温度が29℃以上であると、Gaは融点が29℃である低融点の金属であるため、Gaターゲット47aが液体状となる場合がある。また、半導体層を成膜している際のスパッタ装置40のGaターゲット47a周辺の温度が29℃未満である場合には、Gaターゲット47aは固体状となる。
Further, when the temperature around the
半導体層を成膜している際に、Gaターゲット47aが固体状である場合には、Gaターゲット47aの少なくとも表層を液状化させることが好ましい。
Gaターゲット47aを液状化させる方法としては、例えば、Gaターゲット47aに印加するパワーを一定以上とする方法を挙げることができる。ここで、Gaターゲット47aを液状化させるためにGaターゲット47aに印加されるパワーは、0.1W/cm2以上とすることが好ましい。0.1W/cm2以上のパワーをGaターゲット47aに印加すると、Gaターゲット47aが固体状となっている場合であっても、Gaターゲット47aの表層がプラズマに曝されて融解するので、確実に液状化させることができる。
また、Gaターゲット47aに印加するパワーが0.1W/cm2未満だと、Gaターゲット47aが固体状となっている場合に液状化することができない虞がある。
When forming the semiconductor layer, when the
As a method for liquefying the
Further, if the power applied to the
また、Gaターゲット47aを液状化させる他の方法としては、Gaターゲット47aを加熱手段によって加熱する方法を挙げることができる。この場合に用いる加熱手段としては特に限定されず、電熱ヒータ等、適宜選択して用いることができる。
Further, as another method for liquefying the
また、本実施形態では、Gaターゲット47aに印加するパワーを0.1W/cm2〜100W/cm2の範囲とすることが好ましく、1W/cm2〜50W/cm2の範囲とすることがより好ましく、1.5W/cm2〜50W/cm2の範囲とすることが最も好ましい。
Gaターゲット47aに印加するパワーを上記範囲とすることにより、大きなパワーの反応種が生成することができ、また、この反応種を高い運動エネルギーで基板11へ供給することができる。このことにより、基板11上におけるマイグレーションが活発になり、成膜される半導体層が、その下地となる層の結晶性を引き継がないように転位をループ化させるのが容易になる。
Further, in the present embodiment, more it is preferably in the range of power applied to the
By setting the power applied to the
また、本実施形態において半導体層を成膜する際の成膜レートは、0.01nm/s〜10nm/sの範囲とすることが好ましい。成膜レートが0.01nm/s未満だと、成膜プロセスが長時間となってしまい、工業生産的に無駄が大きくなる。また、成膜レートが10nm/sを超えると、良好な膜を得ることが困難となる。 In the present embodiment, the film formation rate when forming the semiconductor layer is preferably in the range of 0.01 nm / s to 10 nm / s. If the film formation rate is less than 0.01 nm / s, the film formation process takes a long time, and waste is increased in industrial production. Further, when the film formation rate exceeds 10 nm / s, it is difficult to obtain a good film.
本実施形態の製造方法では、半導体層をスパッタ法によって成膜する際に、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとを用い、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するので、Gaを含有するIII族窒化物化合物半導体の結晶中におけるドーパント元素のドーピング濃度を容易に最適化でき、スパッタ法を用いて効率よく半導体層を成膜することができる。
In the manufacturing method of this embodiment, when the semiconductor layer is formed by sputtering, the
また、本実施形態の製造方法では、半導体層をスパッタ法で成膜するので、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)などにより成膜する場合と比較して、成膜レートを高くすることができ、成膜(製造)時間を短縮することができる。さらに、製造時間が短縮されることにより、チャンバ内に不純物が入り込むのを最小限に抑制することができ、汚染の少ない良好な半導体層を得ることができる。
また、本実施形態の製造方法では、窒化物原料からなる活性ガスをチャンバ内に供給するリアクティブスパッタ法を用いたので、得られた半導体層の結晶性が良好で均一なものとなる。
In the manufacturing method of this embodiment, since the semiconductor layer is formed by sputtering, the film formation rate is increased as compared with the case where the film is formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). The film formation (manufacturing) time can be shortened. Further, by reducing the manufacturing time, impurities can be prevented from entering the chamber to a minimum, and a good semiconductor layer with little contamination can be obtained.
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, since the reactive sputtering method for supplying an active gas made of a nitride material into the chamber is used, the crystallinity of the obtained semiconductor layer becomes good and uniform.
また、本実施形態の製造方法において、Gaターゲット47aの少なくとも表層を液状化する場合、高エネルギーを有する粒子を取り出して基板11上に供給することができるので、基板11上に、結晶性の良好なIII族窒化物半導体からなる半導体層を、より高効率で成長させることができる。
また、Gaターゲット47aの少なくとも表層を液状化させる場合、Gaターゲット47aを部分的に偏ること無く均一に使用することができるので、Gaターゲット47aを構成している材料を効率良く使用することができる。
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, when at least the surface layer of the
Further, when at least the surface layer of the
なお、本実施形態の製造方法では、窒化物原料からなる活性ガスをチャンバ内に供給するリアクティブスパッタ法を例に挙げて説明したが、本発明はリアクティブスパッタ法に限定されるものではない。 In the manufacturing method of the present embodiment, the reactive sputtering method for supplying an active gas made of a nitride material into the chamber has been described as an example, but the present invention is not limited to the reactive sputtering method. .
また、本実施形態では、ターゲットを叩く電圧を小さく設定する方法や、チャンバ内に配置された高周波誘電結合プラズマ発生装置を利用してターゲットを叩く電圧をプラズマ発生電圧と別に制御する方法など、ドーパントターゲット47bが2原子以上のドーパント元素からなるクラスタが形成されない電圧でスパッタされる好ましい製造装置および製造方法を例に挙げて説明したが、本発明はクラスタが形成されない製造装置および製造方法のみに限定されるものではなく、スパッタにより単原子とクラスタとを含むドーパント元素が供給されるものであってもよい。
Further, in the present embodiment, dopants such as a method of setting a target hitting voltage to a small value and a method of controlling the target hitting voltage separately from the plasma generating voltage using a high frequency dielectric coupled plasma generator disposed in the chamber are used. Although the preferred manufacturing apparatus and manufacturing method in which the
また、本発明の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、半導体層を成膜する際に、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bとに対し、磁場を回転させるか、又は磁場を揺動させる方法としてもよい。具体的なマグネットの運動方法は、スパッタ装置の種類によって適宜選択することができ、例えば、マグネットを揺動させたり、又は回転運動させたりすることができる。
The manufacturing method of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, when the semiconductor layer is formed, the magnetic field is rotated with respect to the
また、成膜される半導体層を、基板11の表面に加え、側面を覆うように形成しても良く、さらに、基板11の裏面も覆うように形成しても良い。
基板の表面及び側面を成膜する方法としては、例えば、基板を揺動させたり又は回転運動させたりすることにより、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bと対向する基板の位置を変更させつつ、成膜する方法が挙げられる。このような方法とすることにより、基板11の表面及び側面を一度の工程で成膜することが可能となり、次いで基板11の裏面への成膜工程を行うことにより、計2回の工程で基板全面を覆うことが可能となる。また、基板11の表面及び側面を成膜する他の方法としては、基板11を保持せずにチャンバ41内に設置することにより、基板全面に成膜する方法などが挙げられる。
In addition, the semiconductor layer to be formed may be formed so as to cover the side surface in addition to the surface of the
As a method of forming a film on the surface and side surfaces of the substrate, for example, the film is formed while changing the position of the substrate facing the
さらに、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bとして、大面積で、位置の移動が可能なものを用いることにより、基板11を移動させずに基板11の全面に成膜しても良い。このような方法としては、マグネットを揺動させたり又は回転運動させたりすることにより、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bのマグネットの位置をターゲット内で移動させつつ成膜するRF(高周波)方式のスパッタ法が挙げられる。
Further, the
さらに、RF(高周波)方式のスパッタ法で成膜を行なう場合、基板11側とGaターゲット47aおよびドーパントターゲット47b側の両方を移動させる方法としても良い。また、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bを基板11の近傍に配することにより、発生するプラズマを基板11に対してビーム状に供給するのではなく、基板11を包み込むように供給するような構成とすることで、基板11の表面及び側面の同時成膜が可能となる。
Further, in the case of performing film formation by an RF (high frequency) sputtering method, a method of moving both the
[発光素子の製造方法]
図1に示す発光素子1を製造するには、まず、基板11上に半導体層20が形成された図4に示す積層半導体10を形成する。図4に示す積層半導体10を形成するには、まず、基板11を用意する。基板11は、前処理を施してから使用することが望ましい。
基板11の前処理としては、例えば、基板11としてシリコンからなる基板11を用いる場合には、よく知られたRCA洗浄方法などの湿式の方法を行いて、表面を水素終端させておく方法を用いることができる。このことにより、成膜プロセスが安定する。
[Method for Manufacturing Light-Emitting Element]
To manufacture the light emitting device 1 shown in FIG. 1, first, the
As the pretreatment of the
また、基板11の前処理は、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板11を配置し、中間層12を形成する前にスパッタする方法によって行ってもよい。具体的には、チャンバ内において、基板11をArやN2のプラズマ中に曝す事によって表面を洗浄する前処理を行なうことができる。ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板11の表面に作用させることで、基板11表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板11とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板11に作用する。
Further, the pretreatment of the
基板11に前処理を行なった後、基板11上に、スパッタ法によって、図4に示す中間層12を成膜する。
その後、上述した半導体層の製造方法に準じて、中間層12の成膜された基板11上に、上述した図3に示す発光素子の製造装置40を用いるリアクティブスパッタ法によって、図4に示すn型半導体層14の下地層14aとn型コンタクト層14bとを連続して成膜する。
After pre-processing the
Then, in accordance with the semiconductor layer manufacturing method described above, the reactive sputtering method using the light emitting
まず、チャンバ41内に、中間層12の成膜された基板11と、Gaターゲット47aと、ドーパント元素からなるドーパントターゲット47bとが設置された図3に示す製造装置40を用意する。ここでのドーパント元素は、n型コンタクト層14bを成膜する際、または、下地層14aおよびn型コンタクト層14bを成膜する際に用いるSi、GeおよびSn等のn型不純物である。
First, the
次いで、チャンバ41内の圧力を所定の圧力にするとともに、チャンバ41内にアルゴンガスと窒化物原料からなる活性ガスとをそれぞれ所定の供給量で供給し、下地層14aを成膜するためのチャンバ41内を所定の雰囲気とし、基板11を所定の温度に加温する。
ここで、下地層14aを成膜する際の基板11の温度、つまり、下地層14aの成長温度は、800℃以上とすることが好ましい。これは、下地層14aを成膜する際の基板11の温度を高くすることによって原子のマイグレーションを生じやすくし、転位のループ化を容易に進行させるためである。なお、下地層14aを成膜する際の基板11の温度は、結晶の分解する温度よりも低温にする必要があるため、1200℃未満とすることが好ましい。下地層14aを成膜する際の基板11の温度が上記温度範囲内であれば、結晶性の良い下地層14aが得られる。
Next, the pressure in the
Here, it is preferable that the temperature of the
また、下地層14aとしてアンドープの半導体層を成膜する場合には、マッチングボックス46aを介して電極43aのみに所定の電流を供給し、ドーパントターゲット47bにパワーを印加せず、Gaターゲット47aにのみパワーを印加するとともに、ホルダー11bに電流を供給して、基板11にバイアスを印加し、基板11の中間層12上に所定の成膜レートで下地層14aを成膜する。
When an undoped semiconductor layer is formed as the
また、下地層14aとしてドープされた半導体層を成膜する場合には、マッチングボックス46a、46bを介して電極43a、43bに所定の電流を供給し、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bの各々に同時にまたは交互にパワーを印加するとともに、ホルダー11bに電流を供給して、基板11にバイアスを印加し、中間層12上に所定の成膜レートで下地層14aを成膜する。
In addition, when a doped semiconductor layer is formed as the
続いて、ドープされた半導体層からなる下地層14aを成膜する場合と同様にして、n型コンタクト層14bを成膜するためのチャンバ41内を所定の雰囲気とし、下地層14aの形成された基板11を所定の温度に加温する。n型コンタクト層14bの成膜温度は下地層14aと同様である。そして、ドープされた半導体層からなる下地層14aを成膜する場合と同様に、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bの各々に同時にまたは交互に所定のパワーを印加して、基板11の下地層14a上に所定の成膜レートでn型コンタクト層14bを成膜する。
Subsequently, as in the case of forming the
なお、下地層14aおよびn型コンタクト層14bがドープされた半導体層からなる場合、ドーパント元素は同じであってもよいし、異なっていてもよい。上記の2層においてドーパント元素が異なっている場合には、発光素子の製造装置40として、ドーパントターゲットと、そのドーパントターゲットにパワーを印加するためのマッチングボックスおよび電極とが2つずつ設置されたものを用い、成膜する半導体層のドーパント元素に応じて、パワーを印加するドーパントターゲットを選択することによって容易に成膜できる。
When the
次いで、n型半導体層14のn型クラッド層14c、障壁層15aと井戸層15bとからなる発光層15、p型半導体層16のp型クラッド層16aを、結晶性が良好なMOCVD(有機金属化学気相成長法)法で成膜する。
Next, the n-
MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などが用いられる。 In the MOCVD method, hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) as a carrier gas, trimethyl gallium (TMG) or triethyl gallium (TEG) as a Ga source which is a group III source, trimethyl aluminum (TMA) or triethyl aluminum as an Al source (TEA), trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) as an In source, ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), or the like as an N source as a group V source.
また、ドーパント元素のn型不純物には、Si原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
ドーパント元素のn型不純物には、Mg原料として例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を用いることができる。
In addition, as the n-type impurity of the dopant element, monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) is used as a Si raw material, germane gas (GeH 4 ) is used as a Ge raw material, and tetramethyl germanium ((CH 3 ) 4 Ge ) And tetraethylgermanium ((C 2 H 5 ) 4 Ge) can be used.
For the n-type impurity of the dopant element, for example, biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) or bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp 2 Mg) can be used as the Mg raw material.
次いで、p型半導体層16のp型クラッド層16a上に、上述した図3に示す発光素子の製造装置40を用いるリアクティブスパッタ法によって、p型半導体層16のp型コンタクト層16bを成膜する。
Next, the p-
p型半導体層16のp型コンタクト層16bは、ドーパントターゲット47bのドーパント元素としてMg等のp型不純物を用いて行なう。より詳細には、チャンバ41内を、p型コンタクト層16bを成膜するための所定の雰囲気とし、p型クラッド層16aまでの各層の形成された基板11を所定の温度に加温する。そして、Gaターゲット47aとドーパントターゲット47bの各々に同時にまたは交互に所定のパワーを印加して所定の成膜レートでp型コンタクト層16bを成膜する。
The p-
このようにして得られた図4に示す積層半導体10のp型コンタクト層16b上に、フォトリソグラフィー法を用いて透光性正極17および正極ボンディングパッド18を順次形成する。
次いで、透光性正極17および正極ボンディングパッド18の形成された積層半導体10をドライエッチングすることにより、n型コンタクト層14b上の露出領域14dを露出させる。
その後、露出領域14d上に、フォトリソグラフィー法を用いて負極19を形成することにより、図1および図2に示す発光素子1が得られる。
The translucent
Next, the exposed
Thereafter, the
本実施形態の発光素子は、半導体層20のうち、n型半導体層14の下地層14aおよびn型コンタクト層14bと、p型半導体層16のp型コンタクト層16bとが図3に示す発光素子の製造装置を用いる上述したスパッタ法によって成膜されたものであるので、生産性に優れたものとなる。
また、本実施形態の発光素子は、n型半導体層14の下地層14aおよびn型コンタクト層14bと、p型半導体層16のp型コンタクト層16bのうちの、ドープされた半導体層からなる層における結晶中のドーパント元素のドーピング濃度が最適な濃度であるものとなる。従って、本実施形態の発光素子1は、優れた発光特性を備えたものとなる。
In the light emitting device of this embodiment, among the semiconductor layers 20, the
In addition, the light emitting device of this embodiment is a layer made of a doped semiconductor layer among the
なお、本実施形態では、発光素子1の半導体層20のうち、n型半導体層14の下地層14aおよびn型コンタクト層14bと、p型半導体層16のp型コンタクト層16bのみを図3に示す発光素子の製造装置を用いる上述したスパッタ法によって成膜したが、本発明は上述した例に限定されるものではなく、半導体層20のうち少なくとも一部が本発明のスパッタ法によって成膜されていればよい。
例えば、本実施形態では、n型半導体層14のn型クラッド層14cやp型半導体層16のp型クラッド層16aをMOCVD法で成膜したが、n型クラッド層14cやp型クラッド層16aも本発明のスパッタ法によって成膜できる。
In the present embodiment, only the
For example, in the present embodiment, the n-
また、本発明の発光素子1は、半導体層20のうち少なくとも一部が本発明のスパッタ法によって成膜されていればよく、半導体層20の成膜は、本発明のスパッタ法と、従来のスパッタ法、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシー法)等、半導体層を成長させることのできる如何なる方法とを組み合わせて行なってもよい。
The light-emitting element 1 of the present invention only needs to be formed at least part of the
なお、本発明のIII族窒化物化合物半導体発光素子は、上述の発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、HBTやHEMT等の電子デバイスなどに用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るIII族窒化物化合物積層半導体10の構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
The group III nitride compound semiconductor light-emitting device of the present invention can be used for a photoelectric conversion device such as a laser device or a light receiving device, or an electronic device such as HBT or HEMT, in addition to the above light-emitting device. Many of these semiconductor elements have various structures, and the structure of the group III nitride compound laminated
[ランプ]
本発明のランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明の発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
[lamp]
The lamp of the present invention uses the light emitting device of the present invention.
As a lamp | ramp of this invention, the thing formed by combining the light emitting element of this invention and fluorescent substance can be mentioned, for example. A lamp in which a light emitting element and a phosphor are combined can have a configuration well known to those skilled in the art by means well known to those skilled in the art. Conventionally, a technique for changing the emission color by combining a light emitting element and a phosphor is known, and such a technique can be adopted in the lamp of the present invention without any limitation.
例えば、ランプに用いる蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。 For example, by appropriately selecting the phosphor used for the lamp, it becomes possible to obtain light emission having a longer wavelength than the light emitting element, and by mixing the emission wavelength of the light emitting element itself with the wavelength converted by the phosphor. A lamp that emits white light can also be used.
図5は、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図5に示すランプ3は、砲弾型のものであり、図1に示す発光素子1が用いられている。図5に示すように、発光素子1の正極ボンディングパッド(図1に示す符号18参照)がワイヤー33で2本のフレーム31、32の内の一方(図5ではフレーム31)に接着され、発光素子1の負極(図1に示す符号19参照)がワイヤー34で他方のフレーム32に接合されることにより、発光素子1が実装されている。また、発光素子1の周辺は、透明な樹脂35でモールドされている。
FIG. 5 is a schematic view schematically showing an example of a lamp configured using the group III nitride compound semiconductor light emitting device according to the present invention. The lamp 3 shown in FIG. 5 is a cannonball type, and the light emitting element 1 shown in FIG. 1 is used. As shown in FIG. 5, the positive electrode bonding pad (see
本発明のランプは、本発明の発光素子が用いられてなるものであるので、生産性に優れ、しかも、優れた発光特性を備えたものとなる。
また、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
Since the lamp of the present invention uses the light emitting device of the present invention, the lamp is excellent in productivity and has excellent light emission characteristics.
Further, the lamp of the present invention can be used for any purpose such as a bullet type for general use, a side view type for portable backlight use, and a top view type used for a display.
次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited only to these Examples.
[実施例1]
以下に示すようにして図4に示す積層半導体10を作製し、図1および図2に示す発光素子を作製した。
まず、鏡面研磨したサファイアからなる基板11を用意し、以下に示す前処理を行った。すなわち、基板11を、中間層12を成膜するための金属Alからなるターゲットの設置されたスパッタ装置のチャンバ内に設置し、基板11を500℃に加熱した状態で、窒素ガスを15sccmの流量で導入しながら、チャンバ内の圧力を1.0Paに保持し、ターゲットにパワーを印加せずに、基板11側に50Wの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに曝すことによって基板11表面を洗浄した。
[Example 1]
As shown below, the
First, the
そして前処理後、チャンバ内の圧力を0.5Paにするとともに、チャンバ内にアルゴンガスを5sccm、窒素ガスを15sccm流通させ(ガス全体における窒素の比は75%)、中間層12を成膜させるための雰囲気とした。次いで、基板11を500℃に保持したまま、金属Alターゲットに1W/cm2のパワーを印加し、基板11にバイアスを印加せず、スパッタ法によって0.12nm/sの成膜レートで基板11上にAlNの柱状結晶の集合体からなる厚み50nmの中間層12を成膜した。
After the pretreatment, the pressure in the chamber is set to 0.5 Pa, and 5 sccm of argon gas and 15 sccm of nitrogen gas are circulated in the chamber (the ratio of nitrogen in the whole gas is 75%) to form the
次いで、中間層12が成膜された基板11をスパッタ装置から取り出し、図3に示す発光素子の製造装置40を用いるリアクティブスパッタ法によって、アンドープのGaNからなる下地層14aと、SiがドープされたGaN層からなるn型コンタクト層14bとを連続して成膜した。
Next, the
まず、図3に示す製造装置40のチャンバ41内に、中間層12の成膜された基板11と、GaからなるGaターゲット47aと、Siからなるドーパントターゲット47bとを設置した。ここで用いたGaターゲット47aとドーパントターゲット47bは、チャンバ内に露出した面積の比(Gaターゲット:ドーパントターゲット=1:0.01)が、成膜しようとするn型コンタクト層14b中におけるSiの濃度が1×1019cm−3となるように予め設定したものである。
First, the
次いで、チャンバ41内の圧力を0.5Paにするとともに、チャンバ41内にアルゴンガスを5sccm、窒素ガスを15sccm流通させ(ガス全体における窒素の比は75%)、下地層14aならびにn型コンタクト層14bを成膜させるための雰囲気とした。
Next, the pressure in the
次いで、基板11を1000℃に加温し、Gaターゲット47a内にマグネットをスイープさせることにより磁場のかかる位置を動かしながら、マッチングボックス46aを介して電極43aに電力を供給し、Gaターゲット47aに1W/cm2のパワーを印加するとともに、ヒータ44を備えたホルダー11bに電力を供給して基板11に0.5W/cm2のRF(高周波)バイアスを印加したまま90分間成膜し、基板11上に1nm/sの成膜レートで6μm成膜し、下地層14aを形成した。
Next, the
その後、基板11の温度とバイアスを同じとしたまま、Gaターゲット47aおよびSiターゲットに1W/cm2のパワーを連続的に印加して、更に30分成膜を続けた。これにより、下地層14a上にSiがドープされたGaN層からなる、膜厚2μmのn型コンタクト層14bを得た。
Thereafter, with the temperature and bias of the
ここで得られたn型コンタクト層14b層中におけるSi濃度を一般的なSIMS(二次イオン質量スペクトル)法により定量した。その結果、Siが1×1019cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Si concentration in the n-
次に、n型半導体層14のn型コンタクト層14bまでの各層が成膜された基板11を、MOCVD炉に導入し、n型コンタクト層14b上に、SiをドープしたIn0.02Ga0.98Nからなるn型クラッド層14cと、障壁層15aと井戸層15bとからなる発光層15を成膜した。
まず、膜厚20nmのn型クラッド層14cを成膜し、その上に、障壁層15aに始まり、障壁層15aに終わる、各層の膜厚を16nmとしたGaNからなる6層の障壁層15aと、各層の膜厚を3nmとしたIn0.2Ga0.8Nからなる5層の井戸層とが交互に積層されてなる発光層(多重量子井戸構造)15を成膜した。
Next, the
First, an n-
次いで、発光層15の最終の障壁層15bまでの各層が積層された基板11をMOCVD炉から取り出し、図3に示す発光素子の製造装置40を用いるリアクティブスパッタ法によって、p型クラッド層16aおよびp型コンタクト層16bを成膜した。
はじめに、p型クラッド層16aを成膜した。まず、p型クラッド層16aを成膜するためのチャンバ41として、下地層14aおよびn型コンタクト層14bを成膜したチャンバとは別のチャンバ41を用意し、チャンバ41内に、Gaターゲット47aとしてAlとGaとを混合した金属からなるものを設置し、ドーパントターゲット47bとしてMgからなるものを設置した。p型クラッド層16aを成膜するチャンバ41内に設置したGaターゲット47aのGaとAlの混合の比率はAl組成7%とした。また、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bのチャンバ41内に露出した面積の比は、1:0.01とした。
Next, the
First, a p-
そして、発光層15の最終の障壁層15bまでの各層が積層された基板11をp型クラッド層16aの成膜用のチャンバ41に導入し、マッチングボックス46a、46bを介して電極43a、43bに電流を供給し、Gaターゲット47aにRF(高周波)方式により1W/cm2のパワーを印加すると同時に、ドーパントターゲット47bにも1.5W/cm2の密度のパワーを印加し、基板側へのバイアスは印加せずに1nm/sの成膜レートで発光層15上に20nm成膜することにより、MgがドープされたAl0.07Ga0.93N層からなるp型クラッド層16aを成膜した。
Then, the
ここで得られたp型クラッド層16a中におけるMg濃度を、上述したSi濃度と同様に、一般的なSIMS法により定量した。その結果、Mgが1.5×1020cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Mg concentration in the p-
次に、p型コンタクト層16bを成膜した。p型コンタクト層16bを成膜するためのチャンバ41内に、Gaターゲット47aとしてAlとGaとを混合した金属からなるものを設置し、ドーパントターゲット47bとしてMgからなるものを設置した。p型コンタクト層16bを成膜するチャンバ41内に設置したGaターゲット47aのGaとAlの混合の比率はAl組成3%とした。また、Gaターゲット47aおよびドーパントターゲット47bのチャンバ41内に露出した面積の比は、1:0.01とした。
Next, a p-
そして、p型クラッド層16aまでの各層が積層された基板11をp型コンタクト層16bの成膜用のチャンバに導入し、マッチングボックス46a、46bを介して電極43a、43bに電流を供給し、Gaターゲット47aにRF(高周波)方式により1W/cm2のパワーを印加すると同時に、ドーパントターゲット47bにも同じだけの密度のパワーを印加し、基板側へのバイアスは印加せずに1nm/sの成膜レートでp型クラッド層16a上に20nm成膜することにより、MgがドープされたAl0.02Ga0.98N層からなるp型コンタクト層16bを成膜した。
Then, the
ここで得られたp型コンタクト層16b中におけるMg濃度を、上述したSi濃度と同様に、一般的なSIMS法により定量した。その結果、Mgが1×1020cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Mg concentration in the p-
このようにして得られた図4に示す積層半導体10のp型コンタクト層16b上に、フォトリソグラフィー法を用いてITOからなる透光性電極17と、透光性電極17の表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を有する正極ボンディングパッド18とを順次形成した。
次いで、透光性電極17および正極ボンディングパッド18の形成された積層半導体10をドライエッチングすることにより、n型コンタクト層14b上の露出領域14dを露出させ、露出領域14d上に、フォトリソグラフィー法を用いてNi、Al、Ti及びAuの4層よりなる負極19を形成し、図1および図2に示す発光素子1を得た。
On the p-
Next, the
このようにして得られた発光素子1の基板11の裏側を研削及び研磨してミラー状の面とし、350μm角の正方形に切断しチップとした。そして、チップを電極が上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することにより、発光ダイオードとした。
The back side of the
このように得られた発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流した。
その結果、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p型半導体層16側の透光性電極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は460nmであり、発光出力は15mWであった。このことより、実施例1の発光素子1は、優れた発光特性を備えていることが確認できた。
A forward current was passed between the positive
As a result, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.0V. Moreover, when the light emission state was observed through the
[実施例2]
図6に示す発光素子の製造装置50を用い、Gaターゲット47aの面積とドーパントターゲット47bの面積との比を1:1にしたことと、n型コンタクト層14bの成膜条件以外は、実施例1と同様にして図4に示す積層半導体10を作製し、図1および図2に示す発光素子を作製した。
より詳細には、実施例2では、実施例1と異なり、Gaターゲット47aの面積とドーパントターゲット47bの面積との露出面積を同じとし、Gaターゲット47aに印加するパワーとドーパントターゲット47bに印加するパワーとの比を、成膜しようとするn型コンタクト層14b中におけるSiの濃度が8×1018cm−3となるように予め設定した。つまり、ドーパントターゲット47bにかけるRFパワーの値を、Gaターゲット47aの1/100、すなわち0.01W/cm2とした。この際、プラズマの発生は、図6に示す発光素子の製造装置50のチャンバ41内に設置された高周波誘電結合プラズマ発生装置22によって行い、ドーパントターゲット47bにかける電圧を100Vとした。その他のバイアス値、基板温度、成膜レート、などの条件は、実施例1と同じとした。
[Example 2]
The light emitting
More specifically, in the second embodiment, unlike the first embodiment, the exposed area of the area of the
このようにして得られたn型コンタクト層14b層中におけるSi濃度を一般的なSIMS(二次イオン質量スペクトル)法により定量した。その結果、Siが8×1018cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Si concentration in the n-
このようにして得られた積層構造を、実施例1と同様にして発光ダイオードとし、得られた発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流した。その結果、電流20mAにおける順方向電圧は3.2Vであった。また、p型半導体層16側の透光性電極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は13.5mWであった。このことより、実施例2の発光素子1は、優れた発光特性を備えていることが確認できた。
The laminated structure thus obtained was used as a light emitting diode in the same manner as in Example 1, and a forward current was passed between the positive
[実施例3]
図3に示す実施例1の発光素子作製と同様の製造装置40を用い、Gaターゲット47aの面積とドーパントターゲット47bの面積との比を1:1にしたことと、n型コンタクト層14bの成膜条件以外は、実施例1と同様にして図4に示す積層半導体10を作製し、図1および図2に示す発光素子を作製した。
より詳細には、実施例3では、実施例1と異なり、Gaターゲット47aの面積とドーパントターゲット47bの面積との露出面積を同じとし、Gaターゲット47aに印加するパルスとドーパントターゲット47bに印加するパルスとのパルス比を、成膜しようとするn型コンタクト層14b中におけるSiの濃度が1.1×1019cm−3となるように予め設定した。つまり、ドーパントターゲット47bにかけるRFパワーのパルス比をGaターゲット47aの1/100すなわち、Gaターゲット47aには連続的にパワーを印加するが、ドーパントターゲット47bには1ミリ秒間パワーを印加したあと、100ミリ秒間パワーを停止するシーケンスとした。その他のバイアス値、基板温度、成膜レート、などの条件は、実施例1と同じとした。
[Example 3]
Using the
More specifically, in the third embodiment, unlike the first embodiment, the exposed area of the
このようにして得られたn型コンタクト層14b層中におけるSi濃度を一般的なSIMS(二次イオン質量スペクトル)法により定量した。その結果、Siが1.1×1019cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Si concentration in the n-
このようにして得られた積層構造を、実施例1と同様にして発光ダイオードとし、得られた発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流した。その結果、電流20mAにおける順方向電圧は3.1Vであった。また、p型半導体層16側の透光性電極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は13.2mWであった。このことより、実施例3の発光素子1は、優れた発光特性を備えていることが確認できた。
The laminated structure thus obtained was used as a light emitting diode in the same manner as in Example 1, and a forward current was passed between the positive
[実施例4]
図3に示す実施例1の発光素子作製と同様の製造装置40を用い、n型クラッド層14cの成膜条件以外は、実施例1と同様にして図4に示す積層半導体10を作製し、図1および図2に示す発光素子を作製した。
より詳細には、実施例3では、実施例1と異なり、InとGaの合金からなるGaターゲット47aと、Siからなるドーパントターゲット47bとを設置した。ここで用いたGaターゲット47aとドーパントターゲット47bのチャンバ内に露出した面積の比はGaターゲット:ドーパントターゲット=1:0.01である。また、Gaターゲット47aは、成膜されるInGaN中におけるInの組成が2%となるようにInとGaを混合したものである。
[Example 4]
Using the
More specifically, unlike Example 1, Example 3 was provided with a
n型クラッド層14cの形成は、n型コンタクト層14bまでの各層が成膜された基板11をチャンバ41内に設置して700℃に加温し、Gaターゲット47a内にマグネットをスイープさせることにより磁場のかかる位置を動かしながら、マッチングボックス46aを介して電極43aに電力を供給し、Gaターゲット47aに1W/cm2のパワーを印加するとともに、Siターゲット47bに0.1W/cm2のRFパワーを、1/10の時間比にて断続的に印加し、更に、ヒータ44を備えたホルダー11bに電力を供給して基板11に0.5W/cm2のRF(高周波)バイアスを印加したまま10分間成膜し、基板11上に0.03nm/sの成膜レートで20nm成膜し、n型クラッド層14cを形成した。
The n-
このようにして得られたn型コンタクト層14b層中におけるSi濃度を一般的なSIMS(二次イオン質量スペクトル)法により定量した。その結果、Siが1×1017cm−3cm−3の濃度でドープされていることが確認できた。
The Si concentration in the n-
このようにして得られた積層構造を、実施例1と同様にして発光ダイオードとし、得られた発光ダイオードの正極ボンディングパッド18及び負極19の電極間に順方向電流を流した。その結果、電流20mAにおける順方向電圧は3.3Vであった。また、p型半導体層16側の透光性電極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は14.1mWであった。このことより、実施例4の発光素子1は、優れた発光特性を備えていることが確認できた。
The laminated structure thus obtained was used as a light emitting diode in the same manner as in Example 1, and a forward current was passed between the positive
[比較例1]
Ga中に粒状のSiを混入したスパッタターゲットを備えたチャンバを有するスパッタ装置を用いて、積層半導体10のn型コンタクト層14bを形成したこと以外は、実施例1と同様にして、図1および図2に示す発光素子1を作製した。
[Comparative Example 1]
1 and FIG. 1 except that the n-
[実施例1〜実施例3、比較例1]
また、実施例1〜実施例3、比較例1の発光素子1を構成するn型コンタクト層14bの成膜を1週間に渡って続け、得られたn型コンタクト層14bに含まれるSiの量の変動を調べた。
その結果、実施例1〜実施例3では、Siの量の変動は1.01×1019cm−3〜0.99×1019cm−3の範囲であった。これに対し、比較例1では、Siの量が0.8×1019cm−3〜1.5×1019cm−3の範囲で変動した。
このことより、実施例1〜実施例3では、比較例1と比較して、n型コンタクト層14b中に含まれるSiの量が精度良く制御されており、n型コンタクト層14b中に含まれるSiの量が最適化されていることが確認できた。
[Examples 1 to 3, Comparative Example 1]
Further, the film formation of the n-
As a result, in Example 1 to Example 3, the variation in the amount of Si was in the range of 1.01 × 10 19 cm −3 to 0.99 × 10 19 cm −3 . On the other hand, in Comparative Example 1, the amount of Si varied in the range of 0.8 × 10 19 cm −3 to 1.5 × 10 19 cm −3 .
Accordingly, in Examples 1 to 3, the amount of Si contained in the n-
また、実施例1〜実施例3、比較例1の発光素子1を構成するn型コンタクト層14bの成膜を1週間に渡って続け、n型コンタクト層14bを成膜するためのGaターゲット47aの状態を調べた。
その結果、実施例1〜実施例3、比較例1のいずれにおいても、パワーの変動や冷却水の温度の変動により、Gaターゲット47aがたびたび液状化した。
この際、比較例1のGaターゲット47aでは、混入させた粒状のSiが比重の違いによりGaの表面に浮上し、凝集する現象が見られた。
このことより、比較例1では、得られたn型コンタクト層14bに含まれるSiの量の変動が、実施例1〜実施例3よりも大きくなったと推定される。
Further, the formation of the n-
As a result, in any of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the
At this time, in the
From this, in Comparative Example 1, it is presumed that the variation in the amount of Si contained in the obtained n-
また、実施例1〜実施例3、比較例1の発光素子1のリーク電流の大きさを調べた。
その結果、実施例1〜実施例3では、逆方向に20Vの電圧を印加した場合に流れるリーク電流は1μA〜3μAの範囲であった。これに対し、比較例1では、リーク電流が10μAであった。
このことより、実施例1〜実施例3では、比較例1と比較して、結晶性が優れていることが確認できた。
Moreover, the magnitude | size of the leakage current of the light emitting element 1 of Example 1- Example 3 and the comparative example 1 was investigated.
As a result, in Examples 1 to 3, the leak current that flows when a voltage of 20 V was applied in the reverse direction was in the range of 1 μA to 3 μA. On the other hand, in Comparative Example 1, the leakage current was 10 μA.
From this, it was confirmed that in Examples 1 to 3, the crystallinity was excellent as compared with Comparative Example 1.
本発明で得られるIII族窒化物化合物半導体発光素子は、良好な結晶性を持つIII族窒化物化合物半導体層を有し、優れた発光特性を有する。従って、優れた発光特性を有する発光ダイオード、レーザダイオード、或いは電子デバイス等の半導体素子を作製することが可能となる。 The group III nitride compound semiconductor light-emitting device obtained by the present invention has a group III nitride compound semiconductor layer having good crystallinity and has excellent light emission characteristics. Therefore, a semiconductor element such as a light emitting diode, a laser diode, or an electronic device having excellent light emission characteristics can be manufactured.
1…III族窒化物化合物半導体発光素子(発光素子)、3…ランプ、10…積層半導体、11…基板、11a…表面、12…中間層、14a…下地層、14…n型半導体層、15…発光層、16…p型半導体層、17…透光性正極、40…製造装置、41…チャンバ、43a、43b…電極、45…パワー印加手段、46a、46b…マッチングボックス、47…スパッタターゲット、47a…Gaターゲット、47b…ドーパントターゲット。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Group III nitride compound semiconductor light emitting element (light emitting element), 3 ... Lamp, 10 ... Multilayer semiconductor, 11 ... Substrate, 11a ... Surface, 12 ... Intermediate layer, 14a ... Underlayer, 14 ... N-type semiconductor layer, 15 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Light emitting layer, 16 ... p-type semiconductor layer, 17 ... Translucent positive electrode, 40 ... Manufacturing apparatus, 41 ... Chamber, 43a, 43b ... Electrode, 45 ... Power application means, 46a, 46b ... Matching box, 47 ...
Claims (19)
チャンバと、
前記チャンバ内に設置されたGa元素を含有するGaターゲットおよびドーパント元素からなるドーパントターゲットと、
前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加するパワー印加手段とを備えていることを特徴とするIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置。 A manufacturing apparatus for forming a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor of a group III nitride compound semiconductor light emitting device by a sputtering method,
A chamber;
A dopant target comprising a Ga target containing a Ga element and a dopant element installed in the chamber;
An apparatus for manufacturing a Group III nitride compound semiconductor light emitting device, comprising: a power applying unit that applies power to the Ga target and the dopant target simultaneously or alternately.
前記半導体層の少なくとも一部をスパッタ法によって形成する工程を含み、
前記半導体層をスパッタ法によって成膜する際に、スパッタターゲットとしてGa元素を含有するGaターゲットとドーパント元素からなるドーパントターゲットとを用い、前記Gaターゲットと前記ドーパントターゲットとに対して同時にまたは交互にパワーを印加することを特徴とするIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。 A method of manufacturing a group III nitride compound semiconductor light emitting device having a semiconductor layer in which an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p type semiconductor layer each made of a group III nitride semiconductor are stacked,
Forming at least a part of the semiconductor layer by sputtering,
When forming the semiconductor layer by sputtering, a Ga target containing a Ga element and a dopant target made of a dopant element are used as a sputtering target, and power is applied to the Ga target and the dopant target simultaneously or alternately. A method for producing a Group III nitride compound semiconductor light-emitting device, wherein:
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする請求項10〜14の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。 By the ratio of the area of the surface of the Ga target facing the substrate and the area of the surface of the dopant target facing the substrate,
The group III nitride compound semiconductor according to any one of claims 10 to 14, wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled. Manufacturing method of light emitting element.
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする請求項10〜14の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。 By changing the ratio of the power applied to the Ga target and the power applied to the dopant target,
The group III nitride compound semiconductor according to any one of claims 10 to 14, wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled. Manufacturing method of light emitting element.
前記半導体層を成膜している際の気相中におけるGa元素とドーパント元素との比を制御することを特徴とする請求項10〜14の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。 By applying the power by a pulse DC method and changing a pulse ratio between a pulse applied to the Ga target and a pulse applied to the dopant target,
The group III nitride compound semiconductor according to any one of claims 10 to 14, wherein a ratio of a Ga element and a dopant element in a gas phase when the semiconductor layer is formed is controlled. Manufacturing method of light emitting element.
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