JP2000101140A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧａＮを用いた基板への活性層の積層を最適
化するとともに製造工程も削減できるＧａＮの基板を持
つ窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の提
供。 【解決手段】 ＧａＮを用いた基板１の表面にＩｎＧａ
Ｎの活性層２を直に接触させて形成し、この活性層２の
表面にｐ型の化合物半導体層を積層形成してその表面に
ｐ側電極を形成する半導体発光素子の製造方法におい
て、活性層２を成長させる前に、基板１の表面を、少な
くともアンモニアガスまたはこれに加えて窒素ガス及び
水素ガスを含む雰囲気ガスの中で熱処理し、基板１の表
面の結晶性を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
レーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体
は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半
導体材料として多用されるようになり、特に発光輝度の
高い青色や緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青
紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。

【０００３】このＧａＮ系化合物半導体を用いた発光素
子の製造においては、有機金属気相成長法によってＧａ
Ｎ系半導体薄膜を成長させるのが近来では主流である。
有機金属気相成長法は、基板を設置した反応管内に３族
元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチル
ガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメチ
ルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）、ト
リメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）
等）と、５族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラ
ジン等を供給し、基板温度をおよそ７００℃〜１１００
℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と活性層とｐ型層
とを成長させてこれらを積層形成するというものであ
る。そして、ｎ型層の表面及びｐ型層の表面のそれぞれ
にｎ側電極及びｐ側電極を接合形成したものとして発光
素子を得ることができる。

【０００４】このようなＧａＮ系化合物半導体を利用し
た発光素子は、近来では、基板として絶縁性のサファイ
アが一般的に利用され、このサファイア基板上にＧａＮ
系化合物半導体の薄膜を積層して作製されたダブルヘテ
ロ構造を含むものが多い。

【０００５】ところで、ＧａＮを含む化合物半導体の結
晶成長においては、成長用の基板として、その上に成長
させる化合物半導体との格子定数差や熱膨張係数差が小
さいことが好ましいことが従来から広く知られている。
しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体の薄膜成長におい
ては、ＧａＮ系化合物半導体との格子定数差及び熱膨張
係数差が非常に大きいにもかかわらず、従来からサファ
イアが専ら用いられてきた。これは、ＧａＮ系化合物半
導体の結晶成長温度が高く、また結晶成長温度付近での
窒素の平衡蒸気圧が高いことから従来の３−５族化合物
半導体のように融液からのバルク単結晶を成長させるこ
とが困難であるため、比較的安価なＧａＮ系化合物半導
体の基板を得ることができないというのが一つの理由で
ある。

【０００６】一方、ＧａＮ系化合物半導体を用いた基板
を得るための種々の方法も既に提案され、たとえば特開
平７−２０２２６５号公報や特開平９−３１２４１７号
公報等にその方法が開示されている。また、これらの公
報に記載の方法によって得られたＧａＮ系化合物半導体
を用いた基板を持つ発光素子についても、たとえば特開
平７−９４７８４号公報や特開平９−３１２４１７号公
報等にその開示がある。図３はこれらの公報に記載され
た発光素子の断面図である。

【０００７】図３において、ＧａＮを用いた基板２１の
上に、ＧａＮのｎ型層２２と、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）からなる活性層２３と、窒化アルミニウ
ムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｐ型層２４と、Ｇａ
Ｎからなるｐ型コンタクト層２５とが順次積層されてい
る。そして、基板２１の底面及びｐ型コンタクト層２５
の上面には、それぞれｎ側電極２６及びｐ側電極２７と
が形成されている。

【０００８】このように、先の公報に記載のＧａＮ系化
合物半導体を用いた発光素子は、活性層２３をこれ自身
よりもバンドギャップの大きなｎ型層２２とｐ型層２４
とで挟んだダブルヘテロ構造であり、信頼性に富んだ高
効率の発光が可能な発光素子が得られるとしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ダブルヘテロ構造の半
導体発光素子では、活性層はｐ及びｎのクラッド層で挟
まれた構成とする必要がある。そして、活性層としてＩ
ｎＧａＮを用いた半導体発光素子では、クラッド層とし
てＧａＮを用いることができることは周知であるが、Ｇ
ａＮの基板を用いた発光素子においても、基板上にクラ
ッド層と活性層と活性層上に形成されるクラッド層とを
順次積層することに変わりはない。したがって、ＧａＮ
を基板として用いる場合でも、製造工程数が多く製品歩
留りにも限界がある。

【００１０】これに対し、ＧａＮの基板の上にｎ型のク
ラッド層を形成しないまま活性層を直に接触させて積層
するようにすれば、ｎ型クラッド層を形成する工程が省
かれ、生産性の面では好ましい。しかしながら、従来の
有機金属気相成長法によってＧａＮの基板を製造すると
き、サファイアを基板とする場合に比べると、製造工程
またはその後の工程において表面にダメージを受けやす
い。

【００１１】すなわち、サファイア基板の製造はサファ
イアと同一の材料であるアルミナの融液からの引き上げ
による結晶成長法を用いるものが一般的であり、サファ
イア基板に導入される結晶欠陥は非常に少ないとされて
いる。これに対して、ＧａＮの基板の従来の製造方法
は、先の挙げた公報に記載のものも含めて、格子定数差
が大きいサファイアの上に有機金属気相成長法を用いて
成長形成するというものである。この場合、サファイア
の上にバッファ層を介して成長させたとしても、サファ
イアとの間の格子定数や熱膨張係数の差が大きなＧａＮ
中には、この差に起因して結晶欠陥が多数存在する。し
たがって、ＧａＮの結晶成長後にサファイア基板を機械
的に除去する工程で、クラックが発生したり、表面の研
磨によりＧａＮ中の欠陥が表面露出したりすることがあ
る。このような理由から、サファイアに比べるとＧａＮ
を用いた基板の表面はダメージを受けやすい。

【００１２】ＧａＮの基板の表面にダメージを受けると
表面の結晶性や平坦性が不良となり、その上に積層形成
する活性層の発光特性を大きく損ねることになる。した
がって、工程数の削減によって生産性の改善は図れるも
のの、発光性能の低下を招く可能性が高く、製品品質へ
の影響は無視できない。

【００１３】本発明において解決すべき課題は、ＧａＮ
を用いた基板への活性層の積層を最適化するとともに製
造工程も削減できるＧａＮの基板を持つ窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子の製造方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化ガリ
ウム系化合物半導体を用いた基板の上に直に接触させて
活性層を成長させる窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子の製造について鋭意検討を行った。その結果、ＧａＮ
の基板の上に直接ＩｎＧａＮを成長させるに際し、成長
前に基板を特定の雰囲気ガス中で熱処理を行うことによ
り結晶性良く成長させることができることを見いだし
た。

【００１５】すなわち、本発明は、導電性であって光透
過性の窒化ガリウムを基板とし、前記基板の一面側にｎ
側電極を形成し、前記基板の他面側に窒化インジウムガ
リウムの活性層を直に接触させて形成するとともに前記
活性層の表面にｐ型の化合物半導体層を積層形成し、前
記ｐ型の化合物半導体層の表面にｐ側電極を形成する半
導体発光素子の製造方法であって、前記活性層を成長さ
せる前に、前記基板の表面を、少なくともアンモニアガ
スを含む雰囲気ガスの中で熱処理する工程を含むことを
特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、導電性
であって光透過性の窒化ガリウムを基板とし、前記基板
の一面側にｎ側電極を形成し、前記基板の他面側に窒化
インジウムガリウムの活性層を直に接触させて形成する
とともに前記活性層の表面にｐ型の化合物半導体層を積
層形成し、前記ｐ型の化合物半導体層の表面にｐ側電極
を形成する半導体発光素子の製造方法であって、前記活
性層を成長させる前に、前記基板の表面を、少なくとも
アンモニアガスを含む雰囲気ガスの中で熱処理する工程
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子の製造方法であり、アンモニアガスを含む雰囲気
ガス中での熱処理によって、窒化ガリウムの基板の表面
の結晶性を高めるとともに活性層の発光特性を劣化させ
ることのない半導体発光素子が得られるという作用を有
する。

【００１７】請求項２に記載の発明は、前記雰囲気ガス
は、窒素ガスと水素ガスとを含むことを特徴とする混合
ガスであることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、窒化ガ
リウムの基板表面の結晶性を更に一層改善させることが
できるいう作用を有する。

【００１８】以下に、本発明の実施の形態の具体例を、
図面を参照しながら説明する。図１は本発明の製造方法
によって得た窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構
造を示す断面図である。

【００１９】図１において、基板１の上にはその表面に
直に接触させて、ＧａＮよりもバンドギャップの小さい
ＩｎＧａＮの活性層２を成長させて形成している。この
活性層２は発光層として機能し、ｐ型不純物及びｎ型不
純物をドープする方法や、活性層２を構成するＩｎＧａ
ＮのＩｎ組成を調整する方法等により、発光波長を調整
して所望の発光色が得られる。特に、活性層２の厚さを
約１０ｎｍ以下として量子井戸構造とすると、量子井戸
効果等により、高効率で単色性の良い発光素子が得られ
る。

【００２０】活性層２の上には、ＡｌＧａＮからなるｐ
型クラッド層３を形成している。このｐ型クラッド層３
は、活性層２よりもバンドギャップの大きい窒化ガリウ
ム系化合物半導体からなるものであればよい。特に、Ａ
ｌＧａＮをｐ型クラッド層３として用いると、基板１側
から活性層２に注入されたキャリアである電子をこの活
性層２内に効率良く閉じ込めることができるので好まし
い。

【００２１】さらに、ｐ型クラッド層３の上には、Ｇａ
Ｎからなるｐ型コンタクト層４を形成し、このｐ型コン
タクト層４の上にはｐ側電極６が形成されている。ｐ型
コンタクト層４はＧａＮを用いることが好ましいが、Ｉ
ｎを含むＩｎＧａＮ等も好ましく用いることができる。
ｐ側電極６はニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）、白金（Ｐ
ｔ）等の金属材料を用いたもので、単層または複層ある
いは合金で形成することができる。

【００２２】一方、ＧａＮの半導体層を形成しない側の
基板１の表面には、ｎ側電極７が形成されている。この
ｎ側電極７としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン
（Ｔｉ）またはＡｕ等の金属材料を用い、単層または複
層あるいは合金で形成することができる。

【００２３】ここで、本発明の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子の製造方法は、ＧａＮを用いた基板１上に
直に接触させてＩｎＧａＮからなる活性層２を成長させ
るに際して、活性層２を成長させる前に、基板１の表面
を、少なくともアンモニアを含む雰囲気ガス中で熱処理
する工程を含むことが特徴であり、以下このことについ
て説明する。

【００２４】本発明者らは、窒化ガリウム系化合物半導
体を用いた基板の場合、基板自身の製造工程またはその
後工程において受けたダメージ等がその表面に少なから
ず残存していることを発見した。そして、ダブルヘテロ
構造の積層体とする製造の場合、従来の技術のように基
板上にクラッド層を形成するものでは、このクラッド層
が基板１の表面のダメージ等を緩和する緩衝層として作
用することが判った。すなわち、窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた基板の表面がクラッド層によってコーテ
ィングされた状態となり、クラッド層の上に活性層を積
層することで基板表面のダメージの影響が抑えられるこ
とを確認した。

【００２５】以上のことから、表面にダメージを受けた
ＧａＮの基板の上に直に活性層を積層形成するよりも、
クラッド層を介在させることで活性層の表面粗度を適性
化でき、発光性能や特性への影響も少ないことが判る。
したがって、本発明の製造方法による半導体発光素子の
場合では、基板１の上に直に発光層となるＩｎＧａＮの
活性層２を成長させるので、基板１の表面のダメージ等
が活性層２の結晶性に影響を及ぼし、良好な発光特性が
得られにくくなる可能性があることは十分に推測でき
る。

【００２６】そこで、種々の検討を重ねた結果、ＧａＮ
等の基板１上に直にＩｎＧａＮ等の活性層２を接触させ
てを成長させるに際し、基板１の表面を、少なくともア
ンモニアを含む雰囲気ガス中で熱処理することが有効で
あることを見いだした、また、アンモニアに加えて窒素
ガスと水素ガスとを含む雰囲気ガスを用いてもより一層
の効果が得られ、基板１の表面のダメージ等を軽減され
るとともに基板１の表面の平坦性や結晶性が改善される
ことが確認できた。

【００２７】基板１を熱処理するとその表面で原子再配
列が起きるための表面の改質や結晶性の改善に有効であ
ることは広く知られている。そして、アンモニアを含む
雰囲気ガス中で基板１を熱処理する場合では、雰囲気ガ
ス中のアンモニアが分解して生成された窒素原子が基板
１に含まれたＧａＮ組成と反応して原子再配列を促すよ
うに作用するものと推測される。したがって、アンモニ
アを含む雰囲気ガス中での基板１の熱処理を施すこと
は、基板１表面での原子再配列が一段と促進されて表面
改質が進み、これによって基板１の表面のダメージ等の
低減に大きく貢献する。

【００２８】更に、熱処理の際の雰囲気ガスとして、ア
ンモニアに加えて窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガス
を用いることにより、原子再配列の際の原子のマイグレ
ーションが促進されるものと思われる。

【００２９】熱処理の温度は９００℃〜１２００℃の範
囲とすることが好ましい。９００℃よりも低いと熱処理
により基板１の表面の結晶性を改善する効果が低下し、
１２００℃よりも高いと基板１を構成するＧａＮから窒
素が解離する傾向にあるからである。

【００３０】図２は本発明の製造方法によって得た別の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面図である。
なお、図１に示した発光素子と同じ構成部材については
同一の符号を付して示している。

【００３１】図２において、図１に示したｐ型クラッド
層３に相当する半導体積層部を、ＧａＮからなる第１の
クラッド層３１とＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層
３２との二重層構造としている。すなわち、活性層３に
直に接する側にＧａＮからなる第１のクラッド層３１を
設けることにより、ＧａＮからなる基板１上に直に成長
形成された活性層２の結晶性を良好に保持できる構成と
なっている。これにより、さらに一層高効率の発光素子
を実現することが可能となる。

【００３２】

【実施例】図２に示した発光素子の製造方法は次のとお
りであり、これは有機金属気相成長法を用いた窒化ガリ
ウム系化合物半導体の成長方法を示すものである。

【００３３】まず、十分に洗浄されたＧａＮからなる基
板１を反応管内の基板ホルダーに載置する。

【００３４】次に、基板１の表面温度を１１００℃に１
０分間保ち、水素ガスを流しながら基板１を加熱するこ
とにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れ
や水分を取り除くためのクリーニングを行う。

【００３５】基板１の表面のクリーニング後、基板１の
温度を約１１００℃に保持し、アンモニアを１リットル
／分、窒素ガスを４リットル／分、及び水素ガスを５リ
ットル／分で流しながら、基板１の表面を１５分間熱処
理する。

【００３６】基板１の表面を熱処理した後、アンモニア
と窒素ガスと水素ガスとを流しながら基板１の表面温度
を７５０℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして
窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガス
を２ｃｃ／分、及びＴＭＩ用のキャリアガスを１００ｃ
ｃ／分で流しながら３０秒間成長させて、アンドープの
ＩｎＧａＮからなる活性層２を３ｎｍの厚さで成長させ
る。

【００３７】活性層２を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガ
スのみを止め、主キャリアガスとアンモニアとをそのま
まの流量で流し、ＴＭＧ用のキャリアガスを０．５ｃｃ
／分で流すとともに、基板１の温度を１０５０℃に向け
て上昇させながら、活性層２の成長に連続してＧａＮか
らなる第１のクラッド層３１を成長させる。そして、第
１のクラッド層３１の膜厚が４０Åに達したら、ＴＭＧ
用のキャリアガスを止め、そのまま基板１の温度を１０
５０℃まで上昇させる。

【００３８】基板１の温度が１０５０℃に達したら、新
たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、
水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリア
ガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／
分、Ｍｇ源であるＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを５０ｃ
ｃ／分で流しながら４分間成長させて、Ｍｇをドープし
たｐ型のＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層３２を
０．１μｍの厚さで成長させる。

【００３９】引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを
止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒
素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル
／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ₂
Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３
分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コ
ンタクト層４を０．１μｍの厚さで成長させる。

【００４０】成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリ
アガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをその
ままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハー
を反応管から取り出す。

【００４１】このようにして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対し
て、フォトリソグラフィーと蒸着法により、基板１の表
面にｎ側電極７を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ
型コンタクト層４の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側
電極６を蒸着形成する。

【００４２】この後、ダイシング等によりチップ状に分
離して、図２に示すような窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子が得られる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、アンモニアガスまたは
これに加えて窒素ガスや水素ガスを含む雰囲気ガス中で
熱処理して窒化ガリウムの基板表面の結晶性を改善でき
るので、窒化ガリウムの基板の表面に直に活性層を積層
しても、その発光特性を劣化させることのない製品が得
られる。また、基板と活性層との間にクラッド層を形成
する工程が省かれるので、製品歩留り及び生産性の向上
が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法によって得た窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子の構造を示す断面図

【図２】本発明の製造方法によって得た別の窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子の断面図

【図３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の
構造を示す断面図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 活性層 ３ ｐ型クラッド層 ４ ｐ型コンタクト層 ６ ｐ側電極 ７ ｎ側電極 ３１ 第１のクラッド層 ３２ 第２のクラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA40 AA42 CA04 CA40 CA65 CA73 CA83 CA92 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AC15 AD11 AD14 AF04 AF12 BB08 BB12 CA10 DA55 EB11 EB15 HA06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性であって光透過性の窒化ガリウムを
   基板とし、前記基板の一面側にｎ側電極を形成し、前記
   基板の他面側に窒化インジウムガリウムの活性層を直に
   接触させて形成するとともに前記活性層の表面にｐ型の
   化合物半導体層を積層形成し、前記ｐ型の化合物半導体
   層の表面にｐ側電極を形成する半導体発光素子の製造方
   法であって、前記活性層を成長させる前に、前記基板の
   表面を、少なくともアンモニアガスを含む雰囲気ガスの
   中で熱処理する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウ
   ム系化合物半導体発光素子の製造方法。
2. 【請求項２】前記雰囲気ガスは、窒素ガスと水素ガスと
   を含む混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載
   の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。