JP2001028473A - n型窒化物半導体の成長方法 - Google Patents
n型窒化物半導体の成長方法Info
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Abstract
D)を作製するにあたり、Alを含む窒化物半導体層よ
りなるn型クラッド層を膜質良く、厚膜で成長できる方
法を提供する。 【解決手段】 少なくともAlを含むn型窒化物半導
体、若しくはn型GaNよりなる第一のn型層の上に、
少なくともInを含むn型窒化物半導体よりなる第二の
n型層を成長させ、第二のn型層の上に少なくともAl
を含むn型窒化物半導体よりなる第三のn型層を成長さ
せることにより、第三のn型層にクラックが入らず厚膜
で成長できる。
Description
(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)
の成長方法に係り、特にAlを含むn型の窒化物半導体
層の成長方法に関する。
Y、X+Y≦1)で示される窒化物半導体はMOVPE
(有機金属気相成長法)、MBE(分子線ビーム気相成
長法)、HDVPE(ハライド気相成長法)等の気相成
長法を用いて基板上にエピタキシャル成長されている。
またこの半導体材料は直接遷移型の広ワイドギャップ半
導体であるため、紫外から赤色までの発光素子の材料と
して知られており、最近この材料で高輝度な青色LE
D、緑色LEDが実現され、次の目標としてレーザダイ
オード(LD)の実現が望まれている。
p型のクラッド層で挟まれたダブルへテロ構造が採用さ
れる。窒化物半導体でLDを作製する際、例えばInG
aNを活性層とするダブルへテロ構造を実現する場合に
は、n型、p型のクラッド層をGaN、AlGaN等と
して、InGaN活性層と屈折率差の大きい材料を成長
させる必要がある。特にn型のクラッド層はそのクラッ
ド層の上に活性層、及びp型クラッド層を成長させなけ
ればならないため、膜質に優れた結晶を成長させる必要
がある。n型クラッド層にクラック、凹凸等の欠陥が発
生すると、その上に成長する活性層、p型クラッド層が
結晶性良く成長できず、素子作製ができない状態とな
る。
層で活性層の光を閉じ込めるため、クラッド層に例えば
0.1μm以上の厚膜を必要とする。しかしながらAl
を含む窒化物半導体は結晶成長方法が非常に難しく、厚
膜を形成すると結晶中にクラックが入りやすいという性
質がある。例えばGaN層、AlGaN層の上に直接A
lGaN層を厚膜で成長させるのは非常に困難である。
LDを実現する場合、まずクラッド層の上に成長させる
窒化物半導体層を結晶性良く成長させるために、Alを
含む窒化物半導体層よりなるクラッド層を膜質良く成長
させる必要がある。さらにそのクラッド層を光閉じ込
め、光ガイド層として作用させるには例えば0.1μm
以上の厚膜で成長させる必要がある。
されたものであって、その目的とするところは、窒化物
半導体よりなるLDを作製するにあたり、Alを含む窒
化物半導体層よりなるn型クラッド層を膜質良く、厚膜
で成長できる方法を提供することにある。
体の成長方法は、n型AlGaN若しくはn型GaNよ
りなる第一のn型層の上に、n型InGaNよりなり、
膜厚が100オングストローム以上、0.5μm以下の
第二のn型層を成長させ、その第二のn型層の上にn型
AlGaNよりなる第三のn型層を成長させることを特
徴とする。
長方法はさらに、前記第三のn型層の上にn型InGa
N、若しくはn型GaNよりなる第四のn型層を成長さ
せることを含んでいてもよい。またさらに、本発明に係
るn型窒化物半導体の成長方法では、前記第四のn型層
の上に量子井戸構造を有する活性層を成長させることを
含んでいてもよい。
ついて説明する。本発明に係る実施の形態のn型窒化物
半導体の成長方法は、少なくともAlを含むn型窒化物
半導体、若しくはn型GaNよりなる第一のn型層の上
に、少なくともInを含むn型窒化物半導体よりなる第
二のn型層を成長させ、第二のn型層の上に少なくとも
Alを含むn型窒化物半導体よりなる第三のn型層を成
長させることを特徴とするものである。本発明の方法に
おいて、第一のn型層はAlXGa1-XN(0≦X≦1)
の三元混晶又は二元混晶とする方が結晶性の良いものが
得られる。またこの第一のn型層は基板の上に成長する
ことが望ましい。基板にはサファイア(Al2O3)、ス
ピネル111面(MgAl2O4)、SiC、MgO、S
i、ZnO等の単結晶よりなる従来より知られている基
板が用いられる。さらに、基板の上にGaN、AlN、
AlGaNよりなるバッファ層を成長させてもよい。特
に第一のn型層にAlGaNを成長させる場合にはバッ
ファ層を成長させると、結晶性が良くなる。このバッフ
ァ層を成長させることにより、基板の上に成長させる第
一のn型層の結晶性が良くなることが知られているが、
成長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されな
い場合もある。
1)の三元混晶又は二元混晶とする方が結晶性の良いも
のが得られる。この第二のn型層は第一のn型層の上に
成長させることにより結晶性良く成長させることができ
る。第二のn型層の成長方法に関しては、例えば我々が
先に出願した特開平6−209121号公報に記載され
ている。第二のn型層は100オングストローム以上、
0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ましく、1
00オングストロームよりも薄いと前記のようにバッフ
ァ層として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結
晶自体が黒変する傾向にある。
Z≦1)の三元混晶又は二元混晶とする方が結晶性の良
いものが得られる。第三のn型層は例えば0.1μm以
上の厚膜で成長させても、あるいはLDのクラッド層と
して使用する際に0.5μm以上の厚膜で成長させて
も、結晶中にクラックが入ることなく膜質良く成長でき
る。
ープしない状態)でもn型となる性質があるが、Si、
Ge、Sn等のドナー不純物を結晶成長中にドープする
ことにより、キャリア濃度が大きい好ましいn型を得る
ことができる。
法では、第二のn型層がバッファ層として作用する。つ
まり、第一のn型層の上に、直接第三のn型層を成長さ
せると、第三のn型層は非常にクラックが入りやすい状
態となる。そこでInを含む窒化物半導体よりなる第二
のn型層を第一のn型層の上に成長させることにより、
第二のn型層がバッファ層となり第三のn型層にクラッ
クが入るのを防止することができる。しかも第三のn型
層を厚膜で成長させても、第二のn型層が存在するため
に膜質良く成長できる。
を説明するが、本発明の方法はMOVPE方だけではな
く、MBE、HDVPE法等の窒化物半導体をエピタキ
シャル成長させる他の方法にも適用できることは云うま
でもない。
板(0001)をMOVPE装置の反応容器内に設置し
た後、原料ガスにTMG(トリメチルガリウム)と、ア
ンモニアを用い、温度500℃でサファイア基板の表面
にGaNよりなるバッファ層を200オングストローム
の膜厚で成長させた。このバッファ層は他にAlN、A
lGaN等を成長させることも可能である。
にTMG、アンモニア、ドナー不純物としてSiH
4(シラン)ガスを用いて、SiドープGaNよりなる
第一のn型層を4μmの膜厚で成長させた。
TEG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、SiドープIn
0.1Ga0 .9Nよりなる第二のn型層を200オングスト
ロームの膜厚で成長させた。
スにTEG、TMA(トリメチルアルミニウム)、アン
モニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Siドープ
n型Al0.3Ga0.7Nよりなる第三のn型層を0.5μ
mの膜厚で成長させた。
器から取り出し、第三のn型層の表面を顕微鏡観察した
ところ、クラックは全く発生しておらず、また鏡面均一
な面が得られていた。さらに第三のn型層のX線ロッキ
ングカーブの半値幅を測定したところ、2分であり、非
常に結晶性の良いものが得られていることが分かった。
際、原料ガスにTMAを添加してSiドープAlGaN
層を成長させる他は実施例1と同様にして第三のn型層
まで成長させたところ、実施例1と同じく第三のn型層
の表面にクラックは発生せず、鏡面均一の結晶面が得ら
れていた。なお、X線ロッキングカーブの半値幅は4分
であり、第一のn型層をAl0.1Ga0.9Nとしたために
第三のn型層の結晶性がやや悪くなっていた。
られたレーザ素子の構造を示す断面図であり、この実施
例はこの図を参照して説明する。
して200オングストロームの膜厚のGaNよりなるバ
ッファ層2を成長させた。
上にSiドープGaNよりなる第一のn型層3を4μm
の膜厚で成長させた。この第一のn型層3は電極を形成
すべきn型コンタクト層として作用する。特にn型のコ
ンタクト層をGaNとすることにより、キャリア濃度が
高い層が得られ、負電極と良好なオーミックを得ること
ができる。
3の上にSiドープn型In0.1Ga0.9Nよりなる第二
のn型層4を500オングストロームの膜厚で成長させ
た。
4の上にSiドープn型Al0.3Ga0.7Nよりなる第三
のn型層5を0.5μmの膜厚で成長させた。この第三
のn型層5は、LDの場合光閉じ込め層として作用し、
0.1μm〜1μmの膜厚で成長させることが望まし
い。
不純物ガスにシランガスを用い、Siドープn型GaN
よりなる第四のn型層6を500オングストロームの膜
厚で成長させた。この第四のn型層6は、LDの場合光
ガイド層として作用し、通常100オングストローム〜
1μmの膜厚で成長させることが望ましく、GaNの他
にInGaN等のInを含むn型窒化物半導体で成長さ
せることもでき、特にInGaN、GaNとすることに
より次の活性層を量子井戸構造とすることが可能にな
る。
アを用いて活性層7を成長させた。活性層7は温度を7
50℃に保持して、まずノンドープIn0.2Ga0.8Nよ
りなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にTMIのモル比を変化させて、ノンドープIn
0.01Ga0.95Nよりなる障壁層を50オングストローム
の膜厚で成長させる。この操作を13回繰り返し、最後
に井戸層を成長させ総膜厚0.1μmの膜厚の多重量子
井戸構造よりなる活性層7を成長させた。井戸層の好ま
しい膜厚は100オングストローム以下、障壁層は15
0オングストローム以下の膜厚で成長することにより、
井戸層、障壁層が弾性的に変形して結晶欠陥が少なくな
り、素子の出力が飛躍的に向上するので、レーザ発振が
可能となる。さらに井戸層はInGaN等のInGaN
を含む窒化物半導体、障壁層はGaN、InGaN等で
構成することが望ましく、特に井戸層、障壁層ともIn
GaNとすると、成長温度が一定に保持できるので生産
技術上非常に好ましい。
TMG、TMA、アンモニア、アクセプター不純物源と
してCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)
を用い、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第一
のp型層8を100オングストロームの膜厚で成長させ
た。この第一のp型層8は0.1μm以下の膜厚で成長
させることにより、InGaNよりなる活性層が分解す
るのを防止するキャップ層としての作用があり、また活
性層の上にAlを含むp型窒化物半導体よりなる第一の
p型層を成長させることにより、発光出力が向上する。
またp型窒化物半導体層はZn、Mg、Cd、Ca、B
e、C等のアクセプター不純物を成長中にドープするこ
とにより得られるが、その中でもMgが最も好ましいp
型特性を示す。さらに、アクセプター不純物をドープし
た後、不活性ガス雰囲気中で400℃以上のアニーリン
グを行うとさらに好ましいp型が得られる。
MG、アンモニア、Cp2Mgを用いMgドープp型G
aNよりなる第二のp型層9を500オングストローム
の膜厚で成長させた。この第二のp型層9はLDの場
合、光ガイド層として作用し、通常100オングストロ
ーム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましく、Ga
Nの他にInGaN等のInを含むp型窒化物半導体で
成長させることもでき、特にInGaN、GaNとする
ことにより次のAlを含む第三のp型層10を結晶性良
く成長できる。
p2Mgを用いてMgドープAl0.3Ga0.7Nよりなる
第三のp型層10を0.5μmの膜厚で成長させた。こ
の第三のp型層10はLDの場合、光閉じ込め層として
作用し、0.1μm〜1μmの膜厚で成長させることが
望ましく、AlGaNのようなAlを含むp型窒化物半
導体とすることにより、好ましく光閉じ込め層として作
用する。
を用い、Mgドープp型GaNよりなるp型コンタクト
層11を0.5μmの膜厚で成長させた。このp型コン
タクト層はMgを含むGaNとすると、最もキャリア濃
度の高いp型層が得られて、正電極の材料と良好なオー
ミック接触が得られる。
ウェーハを反応容器から取り出し、図1に示すように最
上層のp型コンタクト層11より選択エッチングを行
い、n型コンタクト層3の表面を露出させ、露出したn
型コンタクト層3と、p型コンタクト層11の表面にそ
れぞれストライプ状の電極を形成した後、ストライプ状
の電極に直交する方向から、さらにエッチングを行い垂
直なエッチング端面を形成して、そのエッチング面に常
法に従って反射鏡を形成して共振面とした。共振面側か
ら見たレーザ素子の断面図が図1に示す断面図である。
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、LDとしたと
ころ、非常に優れた結晶が積層できていたため、常温に
おいて、しきい値電流密度4.0kA/cm2で発光波長
410nm、半値幅2nmのレーザ発振を示した。
Alを含むn型窒化物半導体が結晶性良く、しかも厚膜
で成長できるので、Alを含む窒化物半導体を光閉じ込
め層、光ガイド層のように、活性層と屈折率差の大きい
クラッド層にすることができ、LDを実現することがで
きる。しかも結晶性良く成長できるため、n型層の上に
成長させる活性層、p型クラッド層等の結晶性も良くな
るために、容易にレーザ発振する。特に本発明の方法に
よる第三のn型層を利用すると、実施例に示すように、
結晶性の良い多重量子井戸構造の活性層が成長できるた
めLDの発振が可能となる。このように本発明の方法で
LDが実現されたことは、短波長半導体レーザを実用化
するうえにおいて、非常にその利用価値は大きい。
式断面図。
層) 4・・・n型InGaN(第二のn型層) 5・・・n型AlGaN(第三のn型層) 6・・・n型GaN(第四のn型層) 7・・・活性層 8・・・p型AlGaN(第一のp型層) 9・・・p型GaN(第二のp型層) 10・・・p型AlGaN(第三のp型層) 11・・・p型GaN(p型コンタクト層)
Claims (3)
- 【請求項1】 n型AlGaN若しくはn型GaNより
なる第一のn型層の上に、n型InGaNよりなり、膜
厚が100オングストローム以上、0.5μm以下の第
二のn型層を成長させ、その第二のn型層の上にn型A
lGaNよりなる第三のn型層を成長させることを特徴
とするn型窒化物半導体の成長方法。 - 【請求項2】 前記第三のn型層の上にn型InGa
N、若しくはn型GaNよりなる第四のn型層を成長さ
せることを特徴とする請求項1記載のn型窒化物半導体
の成長方法。 - 【請求項3】 前記第四のn型層の上に量子井戸構造を
有する活性層を成長させることを特徴とする請求項2記
載のn型窒化物半導体の成長方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000184901A JP3888036B2 (ja) | 1995-11-24 | 2000-06-20 | n型窒化物半導体の成長方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30528095 | 1995-11-24 | ||
JP2000184901A JP3888036B2 (ja) | 1995-11-24 | 2000-06-20 | n型窒化物半導体の成長方法 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP30527995A Division JP3235440B2 (ja) | 1995-11-06 | 1995-11-24 | 窒化物半導体レーザ素子とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2001028473A true JP2001028473A (ja) | 2001-01-30 |
JP3888036B2 JP3888036B2 (ja) | 2007-02-28 |
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ID=18685291
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---|---|---|---|
JP2000184901A Expired - Lifetime JP3888036B2 (ja) | 1995-11-24 | 2000-06-20 | n型窒化物半導体の成長方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3888036B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002374002A (ja) * | 2001-06-15 | 2002-12-26 | Seiwa Electric Mfg Co Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2008053640A (ja) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | Iii−v族窒化物層およびその製造方法 |
JP2008124485A (ja) * | 2001-02-14 | 2008-05-29 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子およびそれを用いた光学式情報再生装置 |
JPWO2006088261A1 (ja) * | 2005-02-21 | 2008-07-17 | 財団法人神奈川科学技術アカデミー | InGaN層生成方法及び半導体素子 |
-
2000
- 2000-06-20 JP JP2000184901A patent/JP3888036B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JP2008053640A (ja) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | Iii−v族窒化物層およびその製造方法 |
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