JP2001068733A - 半導体素子、半導体発光素子およびその製造方法ならびに量子箱の形成方法 - Google Patents
半導体素子、半導体発光素子およびその製造方法ならびに量子箱の形成方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 反応装置から取り出すことなく量子箱を容易
に形成することが可能な量子箱の形成方法を提供するこ
とである。 【解決手段】 ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１
上にＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層２、アンドープＧ
ａＮ層３およびアンドープＩｎＧａＮ層４を順に成長さ
せる。その後、Ｈ2 を含むガスを供給し、アンドープＩ
ｎＧａＮ層４をＨ 2 を含むガスに晒す。それにより、ア
ンドープＩｎＧａＮ層４の格子欠陥の多い領域がＨ2 に
よりエッチングされ、量子箱４０が形成される。
に形成することが可能な量子箱の形成方法を提供するこ
とである。 【解決手段】 ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１
上にＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層２、アンドープＧ
ａＮ層３およびアンドープＩｎＧａＮ層４を順に成長さ
せる。その後、Ｈ2 を含むガスを供給し、アンドープＩ
ｎＧａＮ層４をＨ 2 を含むガスに晒す。それにより、ア
ンドープＩｎＧａＮ層４の格子欠陥の多い領域がＨ2 に
よりエッチングされ、量子箱４０が形成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ（窒化ガリ
ウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ
素）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化
タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系
半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる化合物
半導体層を有する半導体素子、半導体発光素子およびそ
の製造方法ならびに量子箱の形成方法に関する。
ウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ
素）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化
タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系
半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる化合物
半導体層を有する半導体素子、半導体発光素子およびそ
の製造方法ならびに量子箱の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、青色または紫色の光を発する発光
ダイオード素子、半導体レーザ素子等の半導体発光素子
として、ＧａＮ系等の窒化物系半導体発光素子の実用化
が進んできている。
ダイオード素子、半導体レーザ素子等の半導体発光素子
として、ＧａＮ系等の窒化物系半導体発光素子の実用化
が進んできている。
【０００３】図５は従来のＧａＮ系発光ダイオード素子
の例を示す断面図である。図５に示す発光ダイオード素
子においては、サファイア基板３１のｃ（０００１）面
上に、ＧａＮバッファ層３２、ｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−
ＡｌＧａＮクラッド層３４、ＩｎＧａＮ活性層３５、ｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層３６およびｐ−ＧａＮ層３７が
順に形成されている。ｐ−ＧａＮ層３７からｎ−ＧａＮ
層３３までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮ層３７の上面にｐ電極５１が形成され、
ｎ−ＧａＮ層３３の露出した上面にｎ電極５０が形成さ
れている。
の例を示す断面図である。図５に示す発光ダイオード素
子においては、サファイア基板３１のｃ（０００１）面
上に、ＧａＮバッファ層３２、ｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−
ＡｌＧａＮクラッド層３４、ＩｎＧａＮ活性層３５、ｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層３６およびｐ−ＧａＮ層３７が
順に形成されている。ｐ−ＧａＮ層３７からｎ−ＧａＮ
層３３までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮ層３７の上面にｐ電極５１が形成され、
ｎ−ＧａＮ層３３の露出した上面にｎ電極５０が形成さ
れている。
【０００４】図５に示す発光ダイオード素子は、ＩｎＧ
ａＮ活性層３５をｎ型半導体であるｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層３４とｐ型半導体であるｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層３６とで挟んだダブルヘテロ構造のｐｎ接合を有す
る。このような発光ダイオード素子においては、ｎ電極
５０から注入された電子が、ｎ−ＧａＮ層３３およびｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層３４を経てＩｎＧａＮ活性層３
５に達する。また、ｐ電極５１から注入された正孔は、
ｐ−ＧａＮ層３７およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６
を経てＩｎＧａＮ活性層３５に達する。ＩｎＧａＮ活性
層３５において、電子および正孔が再結合して励起子
（エキシトン）となる。このとき、青色の光が発生す
る。なお、青色の光を発生するＧａＮ系半導体レーザ素
子もこのようなダブルヘテロ構造を有する。
ａＮ活性層３５をｎ型半導体であるｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層３４とｐ型半導体であるｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層３６とで挟んだダブルヘテロ構造のｐｎ接合を有す
る。このような発光ダイオード素子においては、ｎ電極
５０から注入された電子が、ｎ−ＧａＮ層３３およびｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層３４を経てＩｎＧａＮ活性層３
５に達する。また、ｐ電極５１から注入された正孔は、
ｐ−ＧａＮ層３７およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６
を経てＩｎＧａＮ活性層３５に達する。ＩｎＧａＮ活性
層３５において、電子および正孔が再結合して励起子
（エキシトン）となる。このとき、青色の光が発生す
る。なお、青色の光を発生するＧａＮ系半導体レーザ素
子もこのようなダブルヘテロ構造を有する。
【０００５】一方、半導体素子において、量子井戸構
造、量子細線構造または量子箱構造（量子ドット構造）
を有する素子領域を形成し、量子サイズ効果により素子
特性の向上を図る試みがなされている。
造、量子細線構造または量子箱構造（量子ドット構造）
を有する素子領域を形成し、量子サイズ効果により素子
特性の向上を図る試みがなされている。
【０００６】量子井戸構造、量子細線構造または量子箱
構造を有する活性層を含むダブルヘテロ構造の半導体発
光素子においては、次のような量子サイズ効果が現れ
る。
構造を有する活性層を含むダブルヘテロ構造の半導体発
光素子においては、次のような量子サイズ効果が現れ
る。
【０００７】すなわち、エネルギー障壁層によって囲ま
れた量子井戸層、量子細線または量子箱（量子ドット）
内に電子および正孔が閉じ込められる。閉じ込められた
電子および正孔は、量子井戸層、量子細線または量子箱
内において効率よく再結合し、励起子となる。この再結
合の際に、光が発生する。また、励起子は、量子井戸
層、量子細線または量子箱内に閉じ込められ、安定した
状態が保たれる。
れた量子井戸層、量子細線または量子箱（量子ドット）
内に電子および正孔が閉じ込められる。閉じ込められた
電子および正孔は、量子井戸層、量子細線または量子箱
内において効率よく再結合し、励起子となる。この再結
合の際に、光が発生する。また、励起子は、量子井戸
層、量子細線または量子箱内に閉じ込められ、安定した
状態が保たれる。
【０００８】以上のような量子サイズ効果により、量子
井戸構造、量子細線構造または量子箱構造を有する活性
層を含むダブルヘテロ構造の半導体発光素子において
は、発光出力が向上するとともに、発光効率が向上する
ものと考えられる。
井戸構造、量子細線構造または量子箱構造を有する活性
層を含むダブルヘテロ構造の半導体発光素子において
は、発光出力が向上するとともに、発光効率が向上する
ものと考えられる。
【０００９】特に、量子箱構造を有する活性層において
は、量子井戸構造または量子細線構造の場合よりもさら
に狭い領域、すなわちエネルギー障壁層により囲まれた
２００Å以下の寸法の微小な量子箱内にキャリアおよび
励起子が閉じ込められる。このため、量子箱構造を有す
る活性層を含む半導体発光素子においては、量子井戸構
造または量子細線構造を有する活性層を含む半導体発光
素子に比べて、発光出力および発光効率のさらなる向上
が期待される。
は、量子井戸構造または量子細線構造の場合よりもさら
に狭い領域、すなわちエネルギー障壁層により囲まれた
２００Å以下の寸法の微小な量子箱内にキャリアおよび
励起子が閉じ込められる。このため、量子箱構造を有す
る活性層を含む半導体発光素子においては、量子井戸構
造または量子細線構造を有する活性層を含む半導体発光
素子に比べて、発光出力および発光効率のさらなる向上
が期待される。
【００１０】上記のような量子箱構造を有する活性層を
含む半導体発光素子に関しては、赤色もしくは赤外光を
発生するＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子において研究が
進められている。
含む半導体発光素子に関しては、赤色もしくは赤外光を
発生するＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子において研究が
進められている。
【００１１】このようなＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子
においては、酸等のエッチング液を用いたウエットエッ
チングおよび再成長技術により、量子箱構造を有する活
性層が得られている。
においては、酸等のエッチング液を用いたウエットエッ
チングおよび再成長技術により、量子箱構造を有する活
性層が得られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】一方、青色光を発生す
るＧａＮ系半導体発光素子においては、ＧａＮ系半導体
層が化学的に安定であるため、上記のＡｌＧａＡｓ系半
導体発光素子のようにウエットエッチングにより各Ｇａ
Ｎ系半導体層をエッチングすることができない。このた
め、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）、ＲＩＢＥ
法（反応性イオンビームエッチング法）等によりエッチ
ングを行うが、この場合には量子箱のような微細な構造
を形成するのが困難である。
るＧａＮ系半導体発光素子においては、ＧａＮ系半導体
層が化学的に安定であるため、上記のＡｌＧａＡｓ系半
導体発光素子のようにウエットエッチングにより各Ｇａ
Ｎ系半導体層をエッチングすることができない。このた
め、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）、ＲＩＢＥ
法（反応性イオンビームエッチング法）等によりエッチ
ングを行うが、この場合には量子箱のような微細な構造
を形成するのが困難である。
【００１３】また、ＲＩＥ法等によりエッチングを行う
ためには一旦ウエハを反応装置から外部に取り出さなけ
ればならず、この際にウエハの表面が汚染されるおそれ
がある。ウエハの表面が汚染されると、半導体発光素子
において素子特性の劣化および歩留りの低下が生じる。
ためには一旦ウエハを反応装置から外部に取り出さなけ
ればならず、この際にウエハの表面が汚染されるおそれ
がある。ウエハの表面が汚染されると、半導体発光素子
において素子特性の劣化および歩留りの低下が生じる。
【００１４】さらに、ＧａＮ系半導体発光素子の製造の
際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、図５に
示すようにサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板３１等の基板
上に各層３２〜３７を成長させる。このため、ＧａＮお
よびサファイア基板３１の格子定数の違いから、サファ
イア基板３１上に成長したＧａＮ系半導体結晶には、通
常１０9 個／ｃｍ2 程度の格子欠陥５５が存在する。こ
のような格子欠陥５５はサファイア基板３１の表面から
各層３２〜３７へ伝播する。したがって、この格子欠陥
５５のために、サファイア基板３１上の各層３２〜３７
からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の
劣化が生じる。特に、素子領域であるＩｎＧａＮ活性層
３５に格子欠陥５５が存在する場合、素子特性および信
頼性が著しく劣化する。
際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、図５に
示すようにサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板３１等の基板
上に各層３２〜３７を成長させる。このため、ＧａＮお
よびサファイア基板３１の格子定数の違いから、サファ
イア基板３１上に成長したＧａＮ系半導体結晶には、通
常１０9 個／ｃｍ2 程度の格子欠陥５５が存在する。こ
のような格子欠陥５５はサファイア基板３１の表面から
各層３２〜３７へ伝播する。したがって、この格子欠陥
５５のために、サファイア基板３１上の各層３２〜３７
からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の
劣化が生じる。特に、素子領域であるＩｎＧａＮ活性層
３５に格子欠陥５５が存在する場合、素子特性および信
頼性が著しく劣化する。
【００１５】本発明の目的は、量子箱構造を有しかつ格
子欠陥が低減された素子領域を含む信頼性および素子特
性の高い半導体素子を提供することである。
子欠陥が低減された素子領域を含む信頼性および素子特
性の高い半導体素子を提供することである。
【００１６】本発明の他の目的は、量子箱構造を有しか
つ格子欠陥が低減された活性層を含む信頼性および素子
特性の高い半導体発光素子を提供することである。
つ格子欠陥が低減された活性層を含む信頼性および素子
特性の高い半導体発光素子を提供することである。
【００１７】本発明のさらに他の目的は、量子箱構造を
有しかつ格子欠陥が低減された素子領域を含む半導体素
子を反応装置から取り出すことなく高い歩留りで製造す
ることが可能な半導体素子の製造方法を提供することで
ある。
有しかつ格子欠陥が低減された素子領域を含む半導体素
子を反応装置から取り出すことなく高い歩留りで製造す
ることが可能な半導体素子の製造方法を提供することで
ある。
【００１８】本発明のさらに他の目的は、反応装置から
取り出すことなく量子箱を容易に形成することが可能な
量子箱の形成方法を提供することである。
取り出すことなく量子箱を容易に形成することが可能な
量子箱の形成方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明に係る半導体素子は、少なくともインジウムを含む
窒化物系半導体からなる量子箱を備えたものである。
発明に係る半導体素子は、少なくともインジウムを含む
窒化物系半導体からなる量子箱を備えたものである。
【００２０】本発明に係る半導体素子は、量子箱を備え
るため、量子サイズ効果により素子特性の向上が図られ
る。
るため、量子サイズ効果により素子特性の向上が図られ
る。
【００２１】また、上記の半導体素子の製造の際には、
少なくともインジウムを含む窒化物系半導体を水素を含
むガスでエッチングする。それにより、容易に量子箱を
形成することができる。したがって、このような半導体
素子は製造が容易である。
少なくともインジウムを含む窒化物系半導体を水素を含
むガスでエッチングする。それにより、容易に量子箱を
形成することができる。したがって、このような半導体
素子は製造が容易である。
【００２２】また、上記のエッチングにおいては、格子
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体素子が得られる。
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体素子が得られる。
【００２３】また、ガリウム、アルミニウム、ホウ素お
よびタリウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層
上に量子箱を有する素子領域が形成されることが好まし
い。この場合、量子箱を有する素子領域が形成されるた
め、量子サイズ効果による素子特性の向上が図られる。
よびタリウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層
上に量子箱を有する素子領域が形成されることが好まし
い。この場合、量子箱を有する素子領域が形成されるた
め、量子サイズ効果による素子特性の向上が図られる。
【００２４】上記の半導体素子の製造の際には、ガリウ
ム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも
１つを含む窒化物系半導体層が水素を含むガスによりエ
ッチングされないため、この窒化物系半導体層上の少な
くともインジウムを含む窒化物系半導体を選択エッチン
グすることができる。それにより、容易に量子箱を形成
することができる。したがって、このような半導体素子
は製造が容易である。
ム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも
１つを含む窒化物系半導体層が水素を含むガスによりエ
ッチングされないため、この窒化物系半導体層上の少な
くともインジウムを含む窒化物系半導体を選択エッチン
グすることができる。それにより、容易に量子箱を形成
することができる。したがって、このような半導体素子
は製造が容易である。
【００２５】さらに、前述のように、上記のエッチング
により形成された量子箱は結晶性が高いため、半導体素
子において、信頼性および素子特性の向上が図られる。
により形成された量子箱は結晶性が高いため、半導体素
子において、信頼性および素子特性の向上が図られる。
【００２６】第２の発明に係る半導体発光素子は、ガリ
ウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくと
も１つを含む窒化物系半導体層上に、少なくともインジ
ウムを含む窒化物系半導体からなる量子箱を有する活性
層が形成されたものである。
ウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくと
も１つを含む窒化物系半導体層上に、少なくともインジ
ウムを含む窒化物系半導体からなる量子箱を有する活性
層が形成されたものである。
【００２７】本発明に係る半導体発光素子は、量子箱を
有する活性層を含むため、量子サイズ効果により、発光
出力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
有する活性層を含むため、量子サイズ効果により、発光
出力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
【００２８】このような半導体発光素子の製造の際に
は、少なくともインジウムを含む窒化物系半導体を水素
を含むガスでエッチングして量子箱を形成する。この場
合、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの
少なくとも１つを含む窒化物系半導体層が水素を含むガ
スによりエッチングされないため、少なくともインジウ
ムを含む窒化物系半導体を選択エッチングすることがで
きる。それにより、容易に量子箱を形成することができ
る。したがって、このような半導体発光素子は製造が容
易である。
は、少なくともインジウムを含む窒化物系半導体を水素
を含むガスでエッチングして量子箱を形成する。この場
合、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの
少なくとも１つを含む窒化物系半導体層が水素を含むガ
スによりエッチングされないため、少なくともインジウ
ムを含む窒化物系半導体を選択エッチングすることがで
きる。それにより、容易に量子箱を形成することができ
る。したがって、このような半導体発光素子は製造が容
易である。
【００２９】また、上記のエッチングにおいては、格子
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体素子が得られる。
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体素子が得られる。
【００３０】第３の発明に係る半導体発光素子は、ガリ
ウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくと
も１つを含む窒化物系半導体からなる第１のクラッド層
と、少なくともインジウムを含む窒化物系半導体からな
る量子箱を有する活性層と、ガリウム、アルミニウム、
ホウ素およびタリウムの少なくとも１つを含む窒化物系
半導体からなる第２のクラッド層とをこの順に備えるも
のである。
ウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくと
も１つを含む窒化物系半導体からなる第１のクラッド層
と、少なくともインジウムを含む窒化物系半導体からな
る量子箱を有する活性層と、ガリウム、アルミニウム、
ホウ素およびタリウムの少なくとも１つを含む窒化物系
半導体からなる第２のクラッド層とをこの順に備えるも
のである。
【００３１】本発明に係る半導体発光素子は、量子箱を
有する活性層を含むため、量子サイズ効果により、発光
出力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
有する活性層を含むため、量子サイズ効果により、発光
出力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
【００３２】特に、この場合においては、活性層が第１
および第２のクラッド層に挟まれた構造となるため、活
性層の量子箱内にキャリアおよび励起子を閉じ込めるこ
とができる。このような量子サイズ効果により、発光出
力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
および第２のクラッド層に挟まれた構造となるため、活
性層の量子箱内にキャリアおよび励起子を閉じ込めるこ
とができる。このような量子サイズ効果により、発光出
力、発光効率等の素子特性の向上が図られる。
【００３３】上記の半導体発光素子の製造の際には、第
１のクラッド層上の活性層を、水素を含むガスを用いて
エッチングすることにより量子箱を形成する。この場
合、第１のクラッド層が水素を含むガスによりエッチン
グされないため、活性層を選択エッチングすることがで
きる。それにより、容易に量子箱を形成することができ
る。したがって、このような半導体発光素子は製造が容
易である。
１のクラッド層上の活性層を、水素を含むガスを用いて
エッチングすることにより量子箱を形成する。この場
合、第１のクラッド層が水素を含むガスによりエッチン
グされないため、活性層を選択エッチングすることがで
きる。それにより、容易に量子箱を形成することができ
る。したがって、このような半導体発光素子は製造が容
易である。
【００３４】また、上記のエッチングにおいては、格子
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体発光素子が得られる。
欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいため、
格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。したがっ
て、量子箱の結晶性が高く、高い信頼性および良好な素
子特性を有する半導体発光素子が得られる。
【００３５】第４の発明に係る量子箱の形成方法は、少
なくともインジウムを含む窒化物系半導体層を形成し、
窒化物系半導体層を水素を含むガスに晒すことにより少
なくともインジウムを含む窒化物系半導体からなる量子
箱を形成するものである。
なくともインジウムを含む窒化物系半導体層を形成し、
窒化物系半導体層を水素を含むガスに晒すことにより少
なくともインジウムを含む窒化物系半導体からなる量子
箱を形成するものである。
【００３６】本発明に係る量子箱の形成方法において
は、結晶成長装置内において窒化物系半導体層を形成し
た後、この結晶成長装置内に水素を含むガスを供給して
窒化物系半導体層をこのガスに晒す。それにより、窒化
物系半導体層が水素を含むガスによりエッチングされて
量子箱が形成される。
は、結晶成長装置内において窒化物系半導体層を形成し
た後、この結晶成長装置内に水素を含むガスを供給して
窒化物系半導体層をこのガスに晒す。それにより、窒化
物系半導体層が水素を含むガスによりエッチングされて
量子箱が形成される。
【００３７】このような量子箱の形成方法によれば、容
易に量子箱を形成することができる。また、この場合、
結晶成長装置の外部にウエハを取り出すことなく量子箱
を形成できるため、ウエハの表面が汚染されるおそれが
ない。
易に量子箱を形成することができる。また、この場合、
結晶成長装置の外部にウエハを取り出すことなく量子箱
を形成できるため、ウエハの表面が汚染されるおそれが
ない。
【００３８】ここで、上記のエッチングにおいては、格
子欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいた
め、格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。した
がって、結晶性の高い量子箱を形成することができる。
子欠陥の多い領域におけるエッチング速度が大きいた
め、格子欠陥の少ない領域に量子箱が形成される。した
がって、結晶性の高い量子箱を形成することができる。
【００３９】第５の発明に係る半導体素子の製造方法
は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの
少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層上に、少
なくともインジウムを含む第２の窒化物系半導体層を形
成し、第２の窒化物系半導体層を水素を含むガスに晒す
ことにより少なくともインジウムを含む窒化物系半導体
からなる量子箱を有する素子領域を形成するものであ
る。
は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの
少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層上に、少
なくともインジウムを含む第２の窒化物系半導体層を形
成し、第２の窒化物系半導体層を水素を含むガスに晒す
ことにより少なくともインジウムを含む窒化物系半導体
からなる量子箱を有する素子領域を形成するものであ
る。
【００４０】本発明に係る半導体素子の製造方法におい
ては、結晶成長装置内において第１および第２の窒化物
系半導体層を順に成長させた後、結晶成長装置内に水素
を含むガスを供給して第２の窒化物系半導体層をこのガ
スに晒す。それにより、第２の窒化物系半導体層が水素
を含むガスによりエッチングされて量子箱が形成され
る。この場合、第１の窒化物系半導体層が水素を含むガ
スによりエッチングされないため、第２の窒化物系半導
体層を選択エッチングすることができる。それにより、
容易に量子箱を形成することができる。
ては、結晶成長装置内において第１および第２の窒化物
系半導体層を順に成長させた後、結晶成長装置内に水素
を含むガスを供給して第２の窒化物系半導体層をこのガ
スに晒す。それにより、第２の窒化物系半導体層が水素
を含むガスによりエッチングされて量子箱が形成され
る。この場合、第１の窒化物系半導体層が水素を含むガ
スによりエッチングされないため、第２の窒化物系半導
体層を選択エッチングすることができる。それにより、
容易に量子箱を形成することができる。
【００４１】このように、上記の半導体素子の製造方法
によれば容易に量子箱を形成することができるため、素
子領域に量子箱を有し良好な素子特性を有する半導体素
子を容易に製造することが可能となる。
によれば容易に量子箱を形成することができるため、素
子領域に量子箱を有し良好な素子特性を有する半導体素
子を容易に製造することが可能となる。
【００４２】また、結晶成長装置の外部にウエハを取り
出すことなく量子箱を形成することができるため、ウエ
ハの表面が汚染されるおそれがない。したがって、素子
特性の劣化および歩留りの低下を防止することが可能と
なる。
出すことなく量子箱を形成することができるため、ウエ
ハの表面が汚染されるおそれがない。したがって、素子
特性の劣化および歩留りの低下を防止することが可能と
なる。
【００４３】さらに、上記の第２の窒化物系半導体層の
エッチングにおいては、格子欠陥の多い領域におけるエ
ッチング速度が大きいため、格子欠陥の少ない領域に量
子箱が形成される。それにより、結晶性の高い量子箱を
素子領域に形成することができるため、信頼性および素
子特性の向上が図られる。
エッチングにおいては、格子欠陥の多い領域におけるエ
ッチング速度が大きいため、格子欠陥の少ない領域に量
子箱が形成される。それにより、結晶性の高い量子箱を
素子領域に形成することができるため、信頼性および素
子特性の向上が図られる。
【００４４】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る量子箱の形成
方法の一例を示す模式的な工程断面図である。
方法の一例を示す模式的な工程断面図である。
【００４５】まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成
長）装置の反応炉内にサファイア基板１を配置し、キャ
リアガスであるＨ2 およびＮ2 の混合ガスを反応炉内に
供給しつつ１１５０℃で１０分間保持する。このようし
て、サファイア基板１のｃ（０００１）面をサーマルク
リーニングする。その後、基板温度を６００℃に下げ
る。
長）装置の反応炉内にサファイア基板１を配置し、キャ
リアガスであるＨ2 およびＮ2 の混合ガスを反応炉内に
供給しつつ１１５０℃で１０分間保持する。このようし
て、サファイア基板１のｃ（０００１）面をサーマルク
リーニングする。その後、基板温度を６００℃に下げ
る。
【００４６】次に、図１（ａ）に示すように、ＭＯＣＶ
Ｄ法により、サファイア基板１のｃ面上に、ＡｌＮ／Ｇ
ａＮ超格子バッファ層２、アンドープＧａＮ層３および
アンドープＩｎＧａＮ層４を順に成長させる。この場
合、アンドープＩｎＧａＮ層４が素子領域に相当する。
また、各層２〜４の成長時の基板温度、原料ガスおよび
キャリアガスは表１に示す通りである。
Ｄ法により、サファイア基板１のｃ面上に、ＡｌＮ／Ｇ
ａＮ超格子バッファ層２、アンドープＧａＮ層３および
アンドープＩｎＧａＮ層４を順に成長させる。この場
合、アンドープＩｎＧａＮ層４が素子領域に相当する。
また、各層２〜４の成長時の基板温度、原料ガスおよび
キャリアガスは表１に示す通りである。
【００４７】
【表１】
【００４８】ここで、表１中の原料ガスＴＭＧはトリメ
チルガリウムを表わし、ＴＭＡはトリメチルアルミニウ
ムを表わし、ＴＭＩはトリメチルインジウムを表わして
いる。また、原料ガス中のＮＨ3 は窒素源であり、ＴＭ
Ｇはガリウム源であり、ＴＭＡはアルミニウム源であ
り、ＴＭＩはインジウム源である。
チルガリウムを表わし、ＴＭＡはトリメチルアルミニウ
ムを表わし、ＴＭＩはトリメチルインジウムを表わして
いる。また、原料ガス中のＮＨ3 は窒素源であり、ＴＭ
Ｇはガリウム源であり、ＴＭＡはアルミニウム源であ
り、ＴＭＩはインジウム源である。
【００４９】なお、アンドープＩｎＧａＮ層４の成長時
に、インジウム源としてＴＭＩの代わりにＴＥＩ（トリ
エチルインジウム）を用いてもよい。また、アンドープ
ＩｎＧａＮ層４の成長時に、ガリウム源としてＴＭＧの
代わりにＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いてもよ
い。このようなＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＥＩおよび
ＴＥＧは有機金属である。
に、インジウム源としてＴＭＩの代わりにＴＥＩ（トリ
エチルインジウム）を用いてもよい。また、アンドープ
ＩｎＧａＮ層４の成長時に、ガリウム源としてＴＭＧの
代わりにＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いてもよ
い。このようなＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＥＩおよび
ＴＥＧは有機金属である。
【００５０】詳細には、表１に示す条件下において、サ
ファイア基板１のｃ面上にアンドープＡｌＮ層およびア
ンドープＧａＮ層を順に成長させ、ＡｌＮ／ＧａＮ超格
子バッファ層２を形成する。その後、ＴＭＧおよびＴＭ
Ａの供給を停止させ、ＮＨ3、Ｈ2 およびＮ2 の供給を
続けつつ基板温度を１１５０℃に上げる。昇温後、再び
ＴＭＧを供給し、アンドープＧａＮ層３を成長させる。
ファイア基板１のｃ面上にアンドープＡｌＮ層およびア
ンドープＧａＮ層を順に成長させ、ＡｌＮ／ＧａＮ超格
子バッファ層２を形成する。その後、ＴＭＧおよびＴＭ
Ａの供給を停止させ、ＮＨ3、Ｈ2 およびＮ2 の供給を
続けつつ基板温度を１１５０℃に上げる。昇温後、再び
ＴＭＧを供給し、アンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００５１】アンドープＧａＮ層３の成長後、再びＴＭ
Ｇの供給を停止させ、ＮＨ3 、Ｈ2およびＮ2 の供給を
続けつつ基板温度を８００℃に下げる。その後、Ｈ2 の
供給を停止させるとともに再びＴＭＧおよびＴＭＩを供
給し、アンドープＩｎＧａＮ層４を成長させる。なお、
アンドープＩｎＧａＮ層４の成長時の基板温度は、７０
０〜９００℃の範囲内であれば８００℃に限定されるも
のではない。
Ｇの供給を停止させ、ＮＨ3 、Ｈ2およびＮ2 の供給を
続けつつ基板温度を８００℃に下げる。その後、Ｈ2 の
供給を停止させるとともに再びＴＭＧおよびＴＭＩを供
給し、アンドープＩｎＧａＮ層４を成長させる。なお、
アンドープＩｎＧａＮ層４の成長時の基板温度は、７０
０〜９００℃の範囲内であれば８００℃に限定されるも
のではない。
【００５２】このようにして成長させた各層２〜４にお
いては、サファイア基板１の表面から上下方向に延びる
格子欠陥５５が存在する。
いては、サファイア基板１の表面から上下方向に延びる
格子欠陥５５が存在する。
【００５３】上記においては、アンドープＩｎＧａＮ層
４の成長時に、キャリアガスとしてＮ2 のみを供給して
いる。これは、Ｉｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層４が
Ｈ2を含む雰囲気中において成長しにくいためである。
一方、Ｉｎを含まないＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層
２およびアンドープＧａＮ層３は、Ｈ2 を含む雰囲気中
においても容易に成長する。このため、これらの層２，
３の成長時にはキャリアガスとしてＨ2 およびＮ2 の混
合ガスを供給している。
４の成長時に、キャリアガスとしてＮ2 のみを供給して
いる。これは、Ｉｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層４が
Ｈ2を含む雰囲気中において成長しにくいためである。
一方、Ｉｎを含まないＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層
２およびアンドープＧａＮ層３は、Ｈ2 を含む雰囲気中
においても容易に成長する。このため、これらの層２，
３の成長時にはキャリアガスとしてＨ2 およびＮ2 の混
合ガスを供給している。
【００５４】ここで、ＩｎＮの結合力がＧａＮまたはＡ
ｌＮの結合力に比べて弱いため、Ｉｎを含む層、例えば
ＩｎＧａＮから構成される層は、Ｉｎを含まない層、例
えばＧａＮから構成される層またはＡｌＧａＮから構成
される層に比べて格子欠陥が多く、また、Ｈ2 を含む雰
囲気中においてエッチングされやすい。この場合、格子
欠陥が多い領域が容易にエッチングされる。本例におい
ては、Ｉｎを含む層のこのような性質を利用し、以下の
ようにして量子箱を形成する。
ｌＮの結合力に比べて弱いため、Ｉｎを含む層、例えば
ＩｎＧａＮから構成される層は、Ｉｎを含まない層、例
えばＧａＮから構成される層またはＡｌＧａＮから構成
される層に比べて格子欠陥が多く、また、Ｈ2 を含む雰
囲気中においてエッチングされやすい。この場合、格子
欠陥が多い領域が容易にエッチングされる。本例におい
ては、Ｉｎを含む層のこのような性質を利用し、以下の
ようにして量子箱を形成する。
【００５５】すなわち、図１（ｂ）に示すように、アン
ドープＩｎＧａＮ層４を成長させた後、ＴＭＧおよびＴ
ＭＩの供給を停止させるとともに、Ｈ2 を再び供給す
る。このようにＨ2 を供給した状態で例えば１分間保持
し、アンドープＩｎＧａＮ層４をＨ2 に晒す。なお、こ
こでのＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮ
Ｈ3、Ｎ2 およびＨ2 の混合ガス全体の０．１％以上と
する。例えばこの場合においては５％としている。それ
により、Ｉｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層４がＨ2に
よりエッチングされる。このとき、Ｉｎを含まないアン
ドープＧａＮ層３およびＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ
層２は、Ｈ2 によりエッチングされない。したがって、
Ｈ2 により、アンドープＩｎＧａＮ層４を選択的にエッ
チングすることができる。
ドープＩｎＧａＮ層４を成長させた後、ＴＭＧおよびＴ
ＭＩの供給を停止させるとともに、Ｈ2 を再び供給す
る。このようにＨ2 を供給した状態で例えば１分間保持
し、アンドープＩｎＧａＮ層４をＨ2 に晒す。なお、こ
こでのＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮ
Ｈ3、Ｎ2 およびＨ2 の混合ガス全体の０．１％以上と
する。例えばこの場合においては５％としている。それ
により、Ｉｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層４がＨ2に
よりエッチングされる。このとき、Ｉｎを含まないアン
ドープＧａＮ層３およびＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ
層２は、Ｈ2 によりエッチングされない。したがって、
Ｈ2 により、アンドープＩｎＧａＮ層４を選択的にエッ
チングすることができる。
【００５６】特に、Ｈ2 によるアンドープＩｎＧａＮ層
４のエッチングにおいては、エッチングが均一に行われ
ず、格子欠陥５５の多い領域においてエッチング速度が
大きくなる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ層４に
おいて、格子欠陥５５の少ない領域がエッチングされず
に残り、この領域が量子箱４０となる。
４のエッチングにおいては、エッチングが均一に行われ
ず、格子欠陥５５の多い領域においてエッチング速度が
大きくなる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ層４に
おいて、格子欠陥５５の少ない領域がエッチングされず
に残り、この領域が量子箱４０となる。
【００５７】以上のようにして、量子箱構造を有する素
子領域を形成する。上記の量子箱の形成方法によれば、
Ｈ2 を供給することにより、２００Å以下の寸法、例え
ば２０Å×２０Å×２０Åの寸法を有するアンドープＩ
ｎＧａＮからなる量子箱４０を容易に形成することがで
きる。このような量子箱構造により、量子サイズ効果が
発現する。
子領域を形成する。上記の量子箱の形成方法によれば、
Ｈ2 を供給することにより、２００Å以下の寸法、例え
ば２０Å×２０Å×２０Åの寸法を有するアンドープＩ
ｎＧａＮからなる量子箱４０を容易に形成することがで
きる。このような量子箱構造により、量子サイズ効果が
発現する。
【００５８】また、この場合においては、アンドープＩ
ｎＧａＮ層４の格子欠陥５５の少ない領域に量子箱４０
が形成されるため、量子箱４０の結晶性が高い。したが
って、素子領域の結晶性が高くなる。
ｎＧａＮ層４の格子欠陥５５の少ない領域に量子箱４０
が形成されるため、量子箱４０の結晶性が高い。したが
って、素子領域の結晶性が高くなる。
【００５９】さらに、上記の量子箱の形成方法において
は、ウエハをＭＯＣＶＤ装置の外部に取り出すことな
く、Ｈ2 を用いて量子箱４０を形成することができる。
このため、ウエハの表面が汚染されることがない。
は、ウエハをＭＯＣＶＤ装置の外部に取り出すことな
く、Ｈ2 を用いて量子箱４０を形成することができる。
このため、ウエハの表面が汚染されることがない。
【００６０】なお、上記においてはＭＯＣＶＤ法により
各層２〜４を成長させているが、ＭＢＥ法（分子線エピ
タキシャル成長法）により各層２〜４を成長させてもよ
い。この場合においても、ＭＢＥ装置からウエハを取り
出すことなく、結晶性の高いアンドープＩｎＧａＮから
なる量子箱４０を容易に形成することが可能となる。
各層２〜４を成長させているが、ＭＢＥ法（分子線エピ
タキシャル成長法）により各層２〜４を成長させてもよ
い。この場合においても、ＭＢＥ装置からウエハを取り
出すことなく、結晶性の高いアンドープＩｎＧａＮから
なる量子箱４０を容易に形成することが可能となる。
【００６１】また、上記のアンドープＩｎＧａＮ層４の
エッチングにおいて、ＴＭＩ等の有機金属をＨ2 ととも
に供給してもよい。なお、供給する有機金属は、ＴＭＧ
およびＴＥＧに代表されるガリウム源となる有機金属以
外およびＴＭＡに代表されるアルミニウム源となる有機
金属以外であることが好ましい。
エッチングにおいて、ＴＭＩ等の有機金属をＨ2 ととも
に供給してもよい。なお、供給する有機金属は、ＴＭＧ
およびＴＥＧに代表されるガリウム源となる有機金属以
外およびＴＭＡに代表されるアルミニウム源となる有機
金属以外であることが好ましい。
【００６２】例えば、上記において、アンドープＩｎＧ
ａＮ層４を成長させた後に、ＴＭＧの供給のみを停止さ
せ、ＴＭＩをＨ2 とともに供給して１分間保持してもよ
い。この場合のＨ2 の供給濃度は、この状態で供給され
るＮＨ3 、Ｎ2 、Ｈ2 およびＴＭＩの混合ガス全体の５
％とする。このようにＨ2 とともにＴＭＩを供給した場
合においても、前述のＨ2 のみを供給した場合と同様、
アンドープＩｎＧａＮ層４がエッチングされる。それに
より、量子箱４０を形成することができる。
ａＮ層４を成長させた後に、ＴＭＧの供給のみを停止さ
せ、ＴＭＩをＨ2 とともに供給して１分間保持してもよ
い。この場合のＨ2 の供給濃度は、この状態で供給され
るＮＨ3 、Ｎ2 、Ｈ2 およびＴＭＩの混合ガス全体の５
％とする。このようにＨ2 とともにＴＭＩを供給した場
合においても、前述のＨ2 のみを供給した場合と同様、
アンドープＩｎＧａＮ層４がエッチングされる。それに
より、量子箱４０を形成することができる。
【００６３】また、素子領域として、アンドープＩｎＧ
ａＮ層４の代わりに、ｎ型にドープされたｎ−ＩｎＧａ
Ｎ層を形成してもよい。この場合、原料ガスにドーパン
トガスであるＳｉＨ4 （シランガス）を加えた以外は前
述と同様の方法でｎ−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、Ｔ
ＭＧ、ＴＭＩおよびＳｉＨ4 の供給を停止させ、Ｈ2を
供給した状態で例えば１分間保持する。それにより、ｎ
−ＩｎＧａＮからなる量子箱４０を形成することができ
る。また、上記のｎ−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、Ｔ
ＭＧおよびＴＭＩの供給を停止させ、Ｈ2 とともにＳｉ
Ｈ4 を供給した状態で１分間保持してもよい。この場合
のＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮＨ3 、Ｎ
2 、Ｈ2 およびＳｉＨ4 の混合ガス全体の５％とする。
このようにＨ2 とともにＳｉＨ4 を供給した場合におい
ても、Ｈ2 のみを供給した場合と同様、ｎ−ＩｎＧａＮ
層がエッチングされ、それにより量子箱４０を形成する
ことができる。
ａＮ層４の代わりに、ｎ型にドープされたｎ−ＩｎＧａ
Ｎ層を形成してもよい。この場合、原料ガスにドーパン
トガスであるＳｉＨ4 （シランガス）を加えた以外は前
述と同様の方法でｎ−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、Ｔ
ＭＧ、ＴＭＩおよびＳｉＨ4 の供給を停止させ、Ｈ2を
供給した状態で例えば１分間保持する。それにより、ｎ
−ＩｎＧａＮからなる量子箱４０を形成することができ
る。また、上記のｎ−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、Ｔ
ＭＧおよびＴＭＩの供給を停止させ、Ｈ2 とともにＳｉ
Ｈ4 を供給した状態で１分間保持してもよい。この場合
のＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮＨ3 、Ｎ
2 、Ｈ2 およびＳｉＨ4 の混合ガス全体の５％とする。
このようにＨ2 とともにＳｉＨ4 を供給した場合におい
ても、Ｈ2 のみを供給した場合と同様、ｎ−ＩｎＧａＮ
層がエッチングされ、それにより量子箱４０を形成する
ことができる。
【００６４】さらに、素子領域として、アンドープＩｎ
ＧａＮ層４の代わりに、ｐ型にドープされたｐ−ＩｎＧ
ａＮ層を形成してもよい。この場合、原料ガスにドーパ
ントガスであるＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム）を加えた以外は前述と同様の方法でｐ−
ＩｎＧａＮ層を成長させた後、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣ
ｐ2 Ｍｇの供給を停止させ、Ｈ2 を供給した状態で例え
ば１分間保持する。それにより、ｐ−ＩｎＧａＮからな
る量子箱４０を形成することができる。また、上記のｐ
−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、ＴＭＧおよびＴＭＩの
供給を停止させ、Ｈ2 とともにＣｐ2 Ｍｇを供給した状
態で１分間保持してもよい。この場合のＨ2 の供給濃度
は、この状態で供給されるＮＨ3 、Ｎ2 、Ｈ2 およびＣ
ｐ2 Ｍｇの混合ガス全体の５％とする。このようにＨ2
とともにＣｐ2 Ｍｇを供給した場合においても、Ｈ2 の
みを供給した場合と同様、ｐ−ＩｎＧａＮ層がエッチン
グされ、それにより量子箱４０を形成することができ
る。
ＧａＮ層４の代わりに、ｐ型にドープされたｐ−ＩｎＧ
ａＮ層を形成してもよい。この場合、原料ガスにドーパ
ントガスであるＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム）を加えた以外は前述と同様の方法でｐ−
ＩｎＧａＮ層を成長させた後、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣ
ｐ2 Ｍｇの供給を停止させ、Ｈ2 を供給した状態で例え
ば１分間保持する。それにより、ｐ−ＩｎＧａＮからな
る量子箱４０を形成することができる。また、上記のｐ
−ＩｎＧａＮ層を成長させた後、ＴＭＧおよびＴＭＩの
供給を停止させ、Ｈ2 とともにＣｐ2 Ｍｇを供給した状
態で１分間保持してもよい。この場合のＨ2 の供給濃度
は、この状態で供給されるＮＨ3 、Ｎ2 、Ｈ2 およびＣ
ｐ2 Ｍｇの混合ガス全体の５％とする。このようにＨ2
とともにＣｐ2 Ｍｇを供給した場合においても、Ｈ2 の
みを供給した場合と同様、ｐ−ＩｎＧａＮ層がエッチン
グされ、それにより量子箱４０を形成することができ
る。
【００６５】なお、上記においては、素子領域がＩｎＧ
ａＮから構成される場合について説明したが、Ｉｎを含
んでいれば素子領域の構成はこれ以外であってもよい。
例えば、素子領域がＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＢＮ、Ｉ
ｎＴｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＢＮ、ＩｎＧａＴ
ｌＮ、ＩｎＡｌＢＮ、ＩｎＡｌＴｌＮ、ＩｎＢＴｌＮな
ど、Ｇａ、Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つとＩｎ
とを含む窒化物系半導体から構成されてもよく、また、
これらがｎ型またはｐ型にドープされていてもよい。こ
のような素子領域はＩｎを含むため、アンドープＩｎＧ
ａＮ層４の場合と同様、Ｈ2 によりエッチングされる。
それにより、素子領域に量子箱を形成することができ
る。
ａＮから構成される場合について説明したが、Ｉｎを含
んでいれば素子領域の構成はこれ以外であってもよい。
例えば、素子領域がＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＢＮ、Ｉ
ｎＴｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＢＮ、ＩｎＧａＴ
ｌＮ、ＩｎＡｌＢＮ、ＩｎＡｌＴｌＮ、ＩｎＢＴｌＮな
ど、Ｇａ、Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つとＩｎ
とを含む窒化物系半導体から構成されてもよく、また、
これらがｎ型またはｐ型にドープされていてもよい。こ
のような素子領域はＩｎを含むため、アンドープＩｎＧ
ａＮ層４の場合と同様、Ｈ2 によりエッチングされる。
それにより、素子領域に量子箱を形成することができ
る。
【００６６】また、上記においては、アンドープＧａＮ
層３上に素子領域、すなわちアンドープＩｎＧａＮ層４
を形成しているが、素子領域の下の層はＧａＮ以外の窒
化物系半導体から構成されてもよい。特に、Ｇａ、Ａ
ｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半導
体であってＩｎを含まないものから構成されることが好
ましい。また、Ｉｎの組成がアンドープＩｎＧａＮ層４
のＩｎの組成に比べて小さければ、素子領域の下の層は
Ｉｎを含む構成であってもよい。この場合においても、
ＧａＮの場合と同様、素子領域のみを選択的にエッチン
グすることができる。
層３上に素子領域、すなわちアンドープＩｎＧａＮ層４
を形成しているが、素子領域の下の層はＧａＮ以外の窒
化物系半導体から構成されてもよい。特に、Ｇａ、Ａ
ｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半導
体であってＩｎを含まないものから構成されることが好
ましい。また、Ｉｎの組成がアンドープＩｎＧａＮ層４
のＩｎの組成に比べて小さければ、素子領域の下の層は
Ｉｎを含む構成であってもよい。この場合においても、
ＧａＮの場合と同様、素子領域のみを選択的にエッチン
グすることができる。
【００６７】また、アンドープＧａＮ層３の代わりに、
ｎ型にドープされたｎ−ＧａＮ層を形成してもよい。こ
の場合、例えばドーパントガスとしてＳｉＨ4 を成長時
に供給し、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ−ＧａＮ層
を形成する。あるいは、ｐ型にドープされたｐ−ＧａＮ
層を形成してもよい。この場合、例えばドーパントガス
としてＣｐ2 Ｍｇを成長時に供給し、Ｍｇによりｐ型に
ドープされたｐ−ＧａＮ層を形成する。
ｎ型にドープされたｎ−ＧａＮ層を形成してもよい。こ
の場合、例えばドーパントガスとしてＳｉＨ4 を成長時
に供給し、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ−ＧａＮ層
を形成する。あるいは、ｐ型にドープされたｐ−ＧａＮ
層を形成してもよい。この場合、例えばドーパントガス
としてＣｐ2 Ｍｇを成長時に供給し、Ｍｇによりｐ型に
ドープされたｐ−ＧａＮ層を形成する。
【００６８】さらに、アンドープＧａＮ層３の代わり
に、アンドープＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを順に積層し
た多層構造を有するＧａＮ／ｎ−ＧａＮ層を形成しても
よい。また、アンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層とを順
に積層した多層構造を有するＧａＮ／ｐ−ＧａＮ層を形
成してもよい。この場合、アンドープＧａＮ層とｎ−Ｇ
ａＮ層との間、またはアンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ
層との間に、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層を形成することが
好ましい。それにより、アンドープＧａＮ層とｎ−Ｇａ
Ｎ層との間、またはアンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層
との間にクラック等の欠陥が発生するのを防止できる。
なお、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層は、ＡｌＮ層およびＧａ
Ｎ層を順に積層したものである。
に、アンドープＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを順に積層し
た多層構造を有するＧａＮ／ｎ−ＧａＮ層を形成しても
よい。また、アンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層とを順
に積層した多層構造を有するＧａＮ／ｐ−ＧａＮ層を形
成してもよい。この場合、アンドープＧａＮ層とｎ−Ｇ
ａＮ層との間、またはアンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ
層との間に、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層を形成することが
好ましい。それにより、アンドープＧａＮ層とｎ−Ｇａ
Ｎ層との間、またはアンドープＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層
との間にクラック等の欠陥が発生するのを防止できる。
なお、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層は、ＡｌＮ層およびＧａ
Ｎ層を順に積層したものである。
【００６９】上記において、サファイア基板１上に形成
したＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層２の代わりに、Ｇ
ａＮの単一層からなるバッファ層を形成してもよく、あ
るいはＡｌＮの単一層からなるバッファ層を形成しても
よい。
したＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層２の代わりに、Ｇ
ａＮの単一層からなるバッファ層を形成してもよく、あ
るいはＡｌＮの単一層からなるバッファ層を形成しても
よい。
【００７０】また、上記のバッファ層は、Ｇａ、Ａｌ、
Ｂ、ＩｎおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半
導体から構成されていれば、ＧａＮおよびＡｌＮ以外の
構成であってもよい。
Ｂ、ＩｎおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半
導体から構成されていれば、ＧａＮおよびＡｌＮ以外の
構成であってもよい。
【００７１】以上のような量子箱の形成方法は、半導体
レーザ素子、発光ダイオード素子等の半導体発光素子お
よび半導体発光素子以外の半導体素子、例えば高温下で
使用されるトランジスタ、高周波ハイパワートランジス
タ等の電子素子、フォトダイオード等の受光素子の製造
方法において適用可能である。
レーザ素子、発光ダイオード素子等の半導体発光素子お
よび半導体発光素子以外の半導体素子、例えば高温下で
使用されるトランジスタ、高周波ハイパワートランジス
タ等の電子素子、フォトダイオード等の受光素子の製造
方法において適用可能である。
【００７２】なお、ダブルヘテロ構造を有する発光ダイ
オード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子において
は素子領域が活性層に相当し、シングルヘテロ構造を有
する発光素子においては素子領域がｐｎ接合部分の発光
領域に相当し、フォトダイオード等の受光素子において
は素子領域がｐｎ接合領域またはｐｉｎ接合部における
ｉ層に相当し、トランジスタ等の電子素子においては素
子領域がチャネル領域に相当する。
オード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子において
は素子領域が活性層に相当し、シングルヘテロ構造を有
する発光素子においては素子領域がｐｎ接合部分の発光
領域に相当し、フォトダイオード等の受光素子において
は素子領域がｐｎ接合領域またはｐｉｎ接合部における
ｉ層に相当し、トランジスタ等の電子素子においては素
子領域がチャネル領域に相当する。
【００７３】以下においては、上記の量子箱の形成方法
を半導体発光素子の製造方法に適用した例について説明
する。
を半導体発光素子の製造方法に適用した例について説明
する。
【００７４】図２は本発明に係る半導体発光素子の一例
を示す模式的断面図である。なお、本例においては、半
導体発光素子としてＧａＮ系発光ダイオード素子につい
て説明する。
を示す模式的断面図である。なお、本例においては、半
導体発光素子としてＧａＮ系発光ダイオード素子につい
て説明する。
【００７５】図２に示すＧａＮ系発光ダイオード素子に
おいては、サファイア基板１１のｃ（０００１）面上に
ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層１２、第１アンドープ
ＧａＮ層１３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４、ｎ−Ｇａ
Ｎ層１５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンド
ープＧａＮ層１７、活性層２５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層１９およびｐ−ＧａＮ層２０が順に積層されてい
る。この場合、活性層２５が素子領域に相当する。
おいては、サファイア基板１１のｃ（０００１）面上に
ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層１２、第１アンドープ
ＧａＮ層１３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４、ｎ−Ｇａ
Ｎ層１５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンド
ープＧａＮ層１７、活性層２５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層１９およびｐ−ＧａＮ層２０が順に積層されてい
る。この場合、活性層２５が素子領域に相当する。
【００７６】ｐ−ＧａＮ層２０からｎ−ＧａＮ層１５ま
での一部領域がエッチングされ、露出したｎ−ＧａＮ層
１５上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−Ｇａ
Ｎ層２０上にｐ電極５１が形成されている。
での一部領域がエッチングされ、露出したｎ−ＧａＮ層
１５上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−Ｇａ
Ｎ層２０上にｐ電極５１が形成されている。
【００７７】図２に示す発光ダイオード素子は、活性層
２５をｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６とｐ−ＡｌＧａＮ
クラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造のｐｎ接合を有
する。
２５をｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６とｐ−ＡｌＧａＮ
クラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造のｐｎ接合を有
する。
【００７８】なお、この場合のｎ型ドーパントとしては
Ｓｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしてはＭｇが
用いられている。
Ｓｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしてはＭｇが
用いられている。
【００７９】活性層２５は量子箱構造を有しており、ア
ンドープのＩｎＧａＮからなる量子箱４０がｎ−ＩｎＧ
ａＮ層１８中に形成されている。量子箱４０は２００Å
以下の寸法を有し、例えば２０Å×２０Å×２０Åの寸
法を有する。ここで、量子箱４０を構成するＩｎＧａＮ
のＩｎ組成は、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８を構成するＩｎＧ
ａＮのＩｎ組成に比べて大きい。したがって、量子箱４
０のバンドギャップは、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８のバンド
ギャップに比べて小さく、この場合においてはｎ−Ｉｎ
ＧａＮ層１８がエネルギー障壁層となる。また、量子箱
４０のバンドギャップは、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１
６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９のバンドギャッ
プに比べて小さい。このような量子箱構造により、量子
サイズ効果が発現する。
ンドープのＩｎＧａＮからなる量子箱４０がｎ−ＩｎＧ
ａＮ層１８中に形成されている。量子箱４０は２００Å
以下の寸法を有し、例えば２０Å×２０Å×２０Åの寸
法を有する。ここで、量子箱４０を構成するＩｎＧａＮ
のＩｎ組成は、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８を構成するＩｎＧ
ａＮのＩｎ組成に比べて大きい。したがって、量子箱４
０のバンドギャップは、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８のバンド
ギャップに比べて小さく、この場合においてはｎ−Ｉｎ
ＧａＮ層１８がエネルギー障壁層となる。また、量子箱
４０のバンドギャップは、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１
６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９のバンドギャッ
プに比べて小さい。このような量子箱構造により、量子
サイズ効果が発現する。
【００８０】ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層１２およ
びＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４は、アンドープＡｌＮ層
およびアンドープＧａＮ層を順に積層した多層構造を有
する。
びＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４は、アンドープＡｌＮ層
およびアンドープＧａＮ層を順に積層した多層構造を有
する。
【００８１】上記の発光ダイオード素子の各層１２〜１
７，２５，１９，２０においては、サファイア基板１か
ら上下方向に延びる格子欠陥５５が存在する。ここで、
活性層２５の量子箱４０内に存在する格子欠陥５５は、
量子箱４０以外の領域に存在する格子欠陥５５に比べて
少ない。
７，２５，１９，２０においては、サファイア基板１か
ら上下方向に延びる格子欠陥５５が存在する。ここで、
活性層２５の量子箱４０内に存在する格子欠陥５５は、
量子箱４０以外の領域に存在する格子欠陥５５に比べて
少ない。
【００８２】このような発光ダイオード素子において
は、ｎ電極５０からｎ−ＧａＮ層１５へ電子が注入さ
れ、ｐ電極５１からｐ−ＧａＮ層２０に正孔が注入され
る。注入された電子はｎ−ＧａＮ層１５内を移動し、さ
らにｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６および第２アンドー
プＧａＮ層１７を順に経て、活性層２５に達する。一
方、注入された正孔はｐ−ＧａＮ層２０およびｐ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層１９を順に経て、活性層２５に達す
る。
は、ｎ電極５０からｎ−ＧａＮ層１５へ電子が注入さ
れ、ｐ電極５１からｐ−ＧａＮ層２０に正孔が注入され
る。注入された電子はｎ−ＧａＮ層１５内を移動し、さ
らにｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６および第２アンドー
プＧａＮ層１７を順に経て、活性層２５に達する。一
方、注入された正孔はｐ−ＧａＮ層２０およびｐ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層１９を順に経て、活性層２５に達す
る。
【００８３】ここで、活性層２５においては、次のよう
な量子サイズ効果が現れる。すなわち、前述のように量
子箱４０のバンドギャップがｎ−ＩｎＧａＮ層１８、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層１６およびｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層１９のバンドギャップに比べて小さいことから、
移動してきた電子および正孔が量子箱４０内に閉じ込め
られる。閉じ込められた電子および正孔は、量子箱４０
内において効率よく再結合して励起子となる。このと
き、青色の光を発生する。また、この場合においては励
起子が量子箱４０内に閉じ込められるため、安定した状
態が保たれる。
な量子サイズ効果が現れる。すなわち、前述のように量
子箱４０のバンドギャップがｎ−ＩｎＧａＮ層１８、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層１６およびｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層１９のバンドギャップに比べて小さいことから、
移動してきた電子および正孔が量子箱４０内に閉じ込め
られる。閉じ込められた電子および正孔は、量子箱４０
内において効率よく再結合して励起子となる。このと
き、青色の光を発生する。また、この場合においては励
起子が量子箱４０内に閉じ込められるため、安定した状
態が保たれる。
【００８４】以上のように、活性層２５が量子箱構造を
有する上記の発光ダイオード素子においては、量子サイ
ズ効果により、発光出力、発光効率等の素子特性の向上
が図られる。
有する上記の発光ダイオード素子においては、量子サイ
ズ効果により、発光出力、発光効率等の素子特性の向上
が図られる。
【００８５】特に、量子箱４０は前述のように格子欠陥
５５が少なく結晶性が高いため、良好な素子特性を有す
るとともに高い信頼性を有しかつ寿命の長い発光ダイオ
ード素子が得られる。
５５が少なく結晶性が高いため、良好な素子特性を有す
るとともに高い信頼性を有しかつ寿命の長い発光ダイオ
ード素子が得られる。
【００８６】上記の発光ダイオード素子において、第１
アンドープＧａＮ層１３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１
４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンドープＧ
ａＮ層１７、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８およびｐ−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層１９の各層の形成は任意であり、これら各
層１３，１４，１６，１７，１８，１９のうち少なくと
も１つを除いた構造であってもよい。
アンドープＧａＮ層１３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１
４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンドープＧ
ａＮ層１７、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８およびｐ−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層１９の各層の形成は任意であり、これら各
層１３，１４，１６，１７，１８，１９のうち少なくと
も１つを除いた構造であってもよい。
【００８７】なお、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４を形成
することにより、第１アンドープＧａＮ層１３とｎ−Ｇ
ａＮ層１５との間にクラック等の欠陥が発生するのを防
止できる。それにより、ｎ−ＧａＮ層１５の結晶性が良
くなる。
することにより、第１アンドープＧａＮ層１３とｎ−Ｇ
ａＮ層１５との間にクラック等の欠陥が発生するのを防
止できる。それにより、ｎ−ＧａＮ層１５の結晶性が良
くなる。
【００８８】また、第２アンドープＧａＮ層１７を形成
することにより、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６上に直
接ＩｎＧａＮからなる活性層２５を形成する場合に比べ
て活性層２５の結晶性が良くなる。
することにより、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６上に直
接ＩｎＧａＮからなる活性層２５を形成する場合に比べ
て活性層２５の結晶性が良くなる。
【００８９】また、ｎ−ＩｎＧａＮ層１８の代わりに、
アンドープＩｎＧａＮ層またはｐ−ＩｎＧａＮ層を形成
してもよい。ただし、形成するアンドープＩｎＧａＮ層
またはｐ−ＩｎＧａＮ層は、量子箱４０を構成するＩｎ
ＧａＮに比べてＩｎ組成が小さいものとする。このよう
なアンドープＩｎＧａＮ層またはｐ−ＩｎＧａＮ層は、
Ｉｎ組成の大きな量子箱４０に比べてバンドギャップが
大きい。このため、この場合においても量子箱４０内に
キャリアおよび励起子を閉じ込めることが可能となる。
アンドープＩｎＧａＮ層またはｐ−ＩｎＧａＮ層を形成
してもよい。ただし、形成するアンドープＩｎＧａＮ層
またはｐ−ＩｎＧａＮ層は、量子箱４０を構成するＩｎ
ＧａＮに比べてＩｎ組成が小さいものとする。このよう
なアンドープＩｎＧａＮ層またはｐ−ＩｎＧａＮ層は、
Ｉｎ組成の大きな量子箱４０に比べてバンドギャップが
大きい。このため、この場合においても量子箱４０内に
キャリアおよび励起子を閉じ込めることが可能となる。
【００９０】さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９の
代わりに、アンドープＡｌＧａＮクラッド層を形成して
もよい。
代わりに、アンドープＡｌＧａＮクラッド層を形成して
もよい。
【００９１】上記においては、量子箱４０がＩｎＧａＮ
から構成されているが、Ｉｎを含んでいれば量子箱４０
の構成はこれに限定されるものではない。例えば、量子
箱４０がＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＢＮ、ＩｎＴｌＮ、
ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＢＮ、ＩｎＧａＴｌＮ、Ｉｎ
ＡｌＢＮ、ＩｎＡｌＴｌＮ、ＩｎＢＴｌＮなど、Ｇａ、
Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つとＩｎとを含む窒
化物系半導体から構成されてもよい。
から構成されているが、Ｉｎを含んでいれば量子箱４０
の構成はこれに限定されるものではない。例えば、量子
箱４０がＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＢＮ、ＩｎＴｌＮ、
ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＢＮ、ＩｎＧａＴｌＮ、Ｉｎ
ＡｌＢＮ、ＩｎＡｌＴｌＮ、ＩｎＢＴｌＮなど、Ｇａ、
Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つとＩｎとを含む窒
化物系半導体から構成されてもよい。
【００９２】また、上記においては量子箱４０が第２ア
ンドープＧａＮ層１７上に形成されているが、量子箱４
０の下の層の構成はＧａＮに限定されるものではない。
特に、Ｇａ、Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含
む窒化物系半導体であってＩｎを含まないものから構成
されることが好ましい。なお、Ｉｎの組成が量子箱４０
のＩｎの組成に比べて小さければ、量子箱４０の下の層
がＩｎを含んでもよい。
ンドープＧａＮ層１７上に形成されているが、量子箱４
０の下の層の構成はＧａＮに限定されるものではない。
特に、Ｇａ、Ａｌ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含
む窒化物系半導体であってＩｎを含まないものから構成
されることが好ましい。なお、Ｉｎの組成が量子箱４０
のＩｎの組成に比べて小さければ、量子箱４０の下の層
がＩｎを含んでもよい。
【００９３】さらに、各層１２〜１６，１８，１９，２
０は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌの少なくとも１
つを含む窒化物系半導体から構成されていれば、上記の
構成に限定されるものではない。
０は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌの少なくとも１
つを含む窒化物系半導体から構成されていれば、上記の
構成に限定されるものではない。
【００９４】また、上記においては、サファイア基板１
１上にｎ型半導体層、素子領域およびｐ型半導体層が順
に形成されているが、ｐ型半導体層、素子領域およびｎ
型半導体層の順に形成されてもよい。
１上にｎ型半導体層、素子領域およびｐ型半導体層が順
に形成されているが、ｐ型半導体層、素子領域およびｎ
型半導体層の順に形成されてもよい。
【００９５】以下において、図２に示す発光ダイオード
素子の製造方法について説明する。図３および図４は、
図２に示す発光ダイオード素子の製造方法を示す模式的
工程断面図である。
素子の製造方法について説明する。図３および図４は、
図２に示す発光ダイオード素子の製造方法を示す模式的
工程断面図である。
【００９６】まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にサファ
イア基板１を配置し、キャリアガスであるＨ2 およびＮ
2 の混合ガスを反応炉内に供給しつつ１１５０℃で１０
分間保持する。このようにしてサファイア基板１のｃ
（０００１）面をサーマルクリーニングする。その後、
基板温度を６００℃に下げる。
イア基板１を配置し、キャリアガスであるＨ2 およびＮ
2 の混合ガスを反応炉内に供給しつつ１１５０℃で１０
分間保持する。このようにしてサファイア基板１のｃ
（０００１）面をサーマルクリーニングする。その後、
基板温度を６００℃に下げる。
【００９７】次に、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶ
Ｄ法により、サファイア基板１のｃ面上にＡｌＮ／Ｇａ
Ｎ超格子バッファ層１２、第１アンドープＧａＮ層１
３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４、ｎ−ＧａＮ層１５、
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンドープＧａＮ
層１７およびアンドープＩｎＧａＮ層２１を順に成長さ
せる。この場合の各層１２〜１７，２１の成長時の基板
温度、原料ガスおよびキャリアガスは表２に示す通りで
ある。
Ｄ法により、サファイア基板１のｃ面上にＡｌＮ／Ｇａ
Ｎ超格子バッファ層１２、第１アンドープＧａＮ層１
３、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１４、ｎ−ＧａＮ層１５、
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６、第２アンドープＧａＮ
層１７およびアンドープＩｎＧａＮ層２１を順に成長さ
せる。この場合の各層１２〜１７，２１の成長時の基板
温度、原料ガスおよびキャリアガスは表２に示す通りで
ある。
【００９８】
【表２】
【００９９】ここで、表２中のＴＭＧ、ＴＭＡおよびＴ
ＭＩについては表１において前述した通りである。
ＭＩについては表１において前述した通りである。
【０１００】詳細には、表２の条件下において、サファ
イア基板１のｃ面上にアンドープＡｌＮ層およびアンド
ープＧａＮ層を順に成長させ、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バ
ッファ層１２を形成する。その後、ＴＭＧおよびＴＭＡ
の供給を停止させ、ＮＨ3 、Ｈ2 およびＮ2 の供給を続
けつつ基板温度を１１５０℃に上げる。昇温後、再びＴ
ＭＧを供給し、第１アンドープＧａＮ層１３を成長させ
る。
イア基板１のｃ面上にアンドープＡｌＮ層およびアンド
ープＧａＮ層を順に成長させ、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バ
ッファ層１２を形成する。その後、ＴＭＧおよびＴＭＡ
の供給を停止させ、ＮＨ3 、Ｈ2 およびＮ2 の供給を続
けつつ基板温度を１１５０℃に上げる。昇温後、再びＴ
ＭＧを供給し、第１アンドープＧａＮ層１３を成長させ
る。
【０１０１】第１アンドープＧａＮ層１３の成長後、再
びＴＭＡを供給し、アンドープＡｌＮ層およびアンドー
プＧａＮ層を順に成長させてＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１
４を形成する。この後、ＴＭＡの供給を停止させるとと
もにドーパントガスとしてＳｉＨ4 （シランガス）を供
給する。それにより、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ
−ＧａＮ層１５が成長する。ｎ−ＧａＮ層１５の成長
後、再びＴＭＡを供給する。それにより、Ｓｉによりｎ
型にドープされたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６を成長
させる。さらに、ＴＭＡおよびＳｉＨ4 の供給を停止さ
せ、第２アンドープＧａＮ層１７を成長させる。
びＴＭＡを供給し、アンドープＡｌＮ層およびアンドー
プＧａＮ層を順に成長させてＡｌＮ／ＧａＮ超格子層１
４を形成する。この後、ＴＭＡの供給を停止させるとと
もにドーパントガスとしてＳｉＨ4 （シランガス）を供
給する。それにより、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ
−ＧａＮ層１５が成長する。ｎ−ＧａＮ層１５の成長
後、再びＴＭＡを供給する。それにより、Ｓｉによりｎ
型にドープされたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６を成長
させる。さらに、ＴＭＡおよびＳｉＨ4 の供給を停止さ
せ、第２アンドープＧａＮ層１７を成長させる。
【０１０２】上記のようにして第２アンドープＧａＮ層
１７を成長させた後、ＴＭＧの供給を停止させ、Ｎ
Ｈ3 、Ｈ2 およびＮ2 の供給を続けつつ基板温度を８０
０℃に下げる。その後、Ｈ2 の供給を停止させるととも
に再びＴＭＧおよびＴＭＩを供給し、アンドープＩｎＧ
ａＮ層２１を成長させる。
１７を成長させた後、ＴＭＧの供給を停止させ、Ｎ
Ｈ3 、Ｈ2 およびＮ2 の供給を続けつつ基板温度を８０
０℃に下げる。その後、Ｈ2 の供給を停止させるととも
に再びＴＭＧおよびＴＭＩを供給し、アンドープＩｎＧ
ａＮ層２１を成長させる。
【０１０３】なお、アンドープＩｎＧａＮ層２１の成長
時にはキャリアガスとしてＮ2 のみを供給しているが、
これはＩｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層２１がＨ2 を
含む雰囲気中では成長しにくいためである。
時にはキャリアガスとしてＮ2 のみを供給しているが、
これはＩｎを含むアンドープＩｎＧａＮ層２１がＨ2 を
含む雰囲気中では成長しにくいためである。
【０１０４】このようにして成長させた各層１２〜１
７，２１においては、サファイア基板１の表面から上下
方向に延びる格子欠陥５５が存在する。
７，２１においては、サファイア基板１の表面から上下
方向に延びる格子欠陥５５が存在する。
【０１０５】ここで、ＩｎＮの結合力がＧａＮまたはＡ
ｌＮの結合力に比べて弱いため、図１において前述した
ように、Ｉｎを含む層、例えばＩｎＧａＮから構成され
る層は、Ｉｎを含まない層、例えばＧａＮから構成され
る層またはＡｌＧａＮから構成される層に比べて格子欠
陥が多く、また、Ｈ2 を含む雰囲気中においてエッチン
グされやすい。この場合、格子欠陥が多い領域が容易に
エッチングされる。本例においては、Ｉｎを含む層のこ
のような性質を利用し、以下のようにして量子箱を形成
する。
ｌＮの結合力に比べて弱いため、図１において前述した
ように、Ｉｎを含む層、例えばＩｎＧａＮから構成され
る層は、Ｉｎを含まない層、例えばＧａＮから構成され
る層またはＡｌＧａＮから構成される層に比べて格子欠
陥が多く、また、Ｈ2 を含む雰囲気中においてエッチン
グされやすい。この場合、格子欠陥が多い領域が容易に
エッチングされる。本例においては、Ｉｎを含む層のこ
のような性質を利用し、以下のようにして量子箱を形成
する。
【０１０６】すなわち、アンドープＩｎＧａＮ層２１を
成長させた後、図３（ｂ）に示すように、ＴＭＧおよび
ＴＭＩの供給を停止させるとともにＨ2 を再び供給す
る。このようにＨ2 を供給した状態で例えば１分間保持
し、アンドープＩｎＧａＮ層２１をＨ2 に晒す。なお、
ここでのＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮＨ
3 、Ｎ2 およびＨ2 の混合ガス全体の０．１％以上とす
る。例えばこの場合においては５％としている。それに
より、アンドープＩｎＧａＮ層２１がＨ2 によりエッチ
ングされる。このとき、第２アンドープＧａＮ層１７は
Ｈ2 によりエッチングされない。したがって、Ｈ2 によ
り、アンドープＩｎＧａＮ層２１を選択的にエッチング
することができる。
成長させた後、図３（ｂ）に示すように、ＴＭＧおよび
ＴＭＩの供給を停止させるとともにＨ2 を再び供給す
る。このようにＨ2 を供給した状態で例えば１分間保持
し、アンドープＩｎＧａＮ層２１をＨ2 に晒す。なお、
ここでのＨ2 の供給濃度は、この状態で供給されるＮＨ
3 、Ｎ2 およびＨ2 の混合ガス全体の０．１％以上とす
る。例えばこの場合においては５％としている。それに
より、アンドープＩｎＧａＮ層２１がＨ2 によりエッチ
ングされる。このとき、第２アンドープＧａＮ層１７は
Ｈ2 によりエッチングされない。したがって、Ｈ2 によ
り、アンドープＩｎＧａＮ層２１を選択的にエッチング
することができる。
【０１０７】特に、Ｈ2 によるアンドープＩｎＧａＮ層
２１のエッチングにおいては、エッチングが均一に行わ
れず、格子欠陥５５の多い領域においてエッチング速度
が大きくなる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ層２
１において、格子欠陥５５の少ない領域がエッチングさ
れずに残り、この領域が量子箱４０となる。
２１のエッチングにおいては、エッチングが均一に行わ
れず、格子欠陥５５の多い領域においてエッチング速度
が大きくなる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ層２
１において、格子欠陥５５の少ない領域がエッチングさ
れずに残り、この領域が量子箱４０となる。
【０１０８】続いて、図４（ｃ）に示すように、量子箱
４０上および第２アンドープＧａＮ層１７上に、量子箱
４０に比べてバンドギャップの大きなｎ−ＩｎＧａＮ層
１８を成長させる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ
から構成される量子箱４０がｎ−ＩｎＧａＮ層１８中に
形成されてなる活性層２５が形成される。さらに、活性
層２５上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ−
ＧａＮ層２０を成長させる。なお、各層１８〜２０の成
長時の基板温度、原料ガスおよびキャリアガスは表３に
示す通りである。
４０上および第２アンドープＧａＮ層１７上に、量子箱
４０に比べてバンドギャップの大きなｎ−ＩｎＧａＮ層
１８を成長させる。それにより、アンドープＩｎＧａＮ
から構成される量子箱４０がｎ−ＩｎＧａＮ層１８中に
形成されてなる活性層２５が形成される。さらに、活性
層２５上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ−
ＧａＮ層２０を成長させる。なお、各層１８〜２０の成
長時の基板温度、原料ガスおよびキャリアガスは表３に
示す通りである。
【０１０９】
【表３】
【０１１０】詳細には、量子箱４０の形成後にＨ2 の供
給を停止させ、再びＴＭＧ、ＴＭＩおよびＳｉＨ4 を供
給する。それにより、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ
−ＩｎＧａＮ層１８を成長させる。その後、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩおよびＳｉＨ4 の供給を停止させ、ＮＨ3 およびＮ
2 の供給を続けつつ基板温度１１５０℃に上げる。昇温
後、Ｈ2 、ＴＭＧおよびＴＭＡを再び供給し、さらにド
ーパントガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウム）を供給する。それにより、Ｍｇによ
りｐ型にドープされたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９を
成長させる。さらに、ＴＭＡの供給を停止させ、ｐ−Ｇ
ａＮ層２０を成長させる。
給を停止させ、再びＴＭＧ、ＴＭＩおよびＳｉＨ4 を供
給する。それにより、Ｓｉによりｎ型にドープされたｎ
−ＩｎＧａＮ層１８を成長させる。その後、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩおよびＳｉＨ4 の供給を停止させ、ＮＨ3 およびＮ
2 の供給を続けつつ基板温度１１５０℃に上げる。昇温
後、Ｈ2 、ＴＭＧおよびＴＭＡを再び供給し、さらにド
ーパントガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウム）を供給する。それにより、Ｍｇによ
りｐ型にドープされたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９を
成長させる。さらに、ＴＭＡの供給を停止させ、ｐ−Ｇ
ａＮ層２０を成長させる。
【０１１１】続いて、図４（ｄ）に示すように、ｐ−Ｇ
ａＮ層２０上の所定領域上にＮｉマスク（図示せず）を
形成し、これを用いて、ｐ−ＧａＮ層２０からｎ−Ｇａ
Ｎ層１５までの一部領域をＲＩＥ法等によりエッチング
する。それにより、ｎ−ＧａＮ層１５の所定領域を露出
させる。露出したｎ−ＧａＮ層１５上にｎ電極５０を形
成する。一方、ｐ−ＧａＮ層２０上にｐ電極５１を形成
する。
ａＮ層２０上の所定領域上にＮｉマスク（図示せず）を
形成し、これを用いて、ｐ−ＧａＮ層２０からｎ−Ｇａ
Ｎ層１５までの一部領域をＲＩＥ法等によりエッチング
する。それにより、ｎ−ＧａＮ層１５の所定領域を露出
させる。露出したｎ−ＧａＮ層１５上にｎ電極５０を形
成する。一方、ｐ−ＧａＮ層２０上にｐ電極５１を形成
する。
【０１１２】以上のようにして、図２に示す発光ダイオ
ード素子が製造される。上記の発光ダイオード素子の製
造方法によれば、Ｈ2 によるエッチングにより、量子箱
構造を有する活性層２５を容易に形成することができ
る。したがって、量子サイズ効果により発光出力、発光
効率等の素子特性の向上が図られた発光ダイオード素子
を容易に製造することが可能となる。
ード素子が製造される。上記の発光ダイオード素子の製
造方法によれば、Ｈ2 によるエッチングにより、量子箱
構造を有する活性層２５を容易に形成することができ
る。したがって、量子サイズ効果により発光出力、発光
効率等の素子特性の向上が図られた発光ダイオード素子
を容易に製造することが可能となる。
【０１１３】この場合、ウエハをＭＯＣＶＤ装置の外部
に取り出すことなく量子箱４０を形成することができ
る。このため、ウエハの表面が汚染されることがない。
それにより、発光ダイオード素子における素子特性の劣
化および歩留りの低下を抑制することが可能となる。
に取り出すことなく量子箱４０を形成することができ
る。このため、ウエハの表面が汚染されることがない。
それにより、発光ダイオード素子における素子特性の劣
化および歩留りの低下を抑制することが可能となる。
【０１１４】また、この場合においては、アンドープＩ
ｎＧａＮ層２１の格子欠陥５５の少ない領域に量子箱４
０が形成されるため、量子箱４０の結晶性が高い。それ
により、素子特性および信頼性が高くかつ寿命の長い発
光ダイオード素子を製造することが可能となる。
ｎＧａＮ層２１の格子欠陥５５の少ない領域に量子箱４
０が形成されるため、量子箱４０の結晶性が高い。それ
により、素子特性および信頼性が高くかつ寿命の長い発
光ダイオード素子を製造することが可能となる。
【０１１５】なお、上記においてはＭＯＣＶＤ法により
各層１２〜２１を成長させているが、ＭＢＥ法により各
層１２〜２１を成長させてもよい。この場合において
も、上記と同様の効果が得られる。
各層１２〜２１を成長させているが、ＭＢＥ法により各
層１２〜２１を成長させてもよい。この場合において
も、上記と同様の効果が得られる。
【０１１６】本発明に係る半導体素子の製造方法は、上
記の発光ダイオード素子の製造方法以外に、半導体レー
ザ素子の製造方法においても適用可能である。この場
合、Ｉｎを含む活性層をＨ2 でエッチングすることによ
り、結晶性の高い量子箱を形成することができる。それ
により、発光出力、発光効率等の素子特性が高く、寿命
の長い半導体レーザ素子が得られる。
記の発光ダイオード素子の製造方法以外に、半導体レー
ザ素子の製造方法においても適用可能である。この場
合、Ｉｎを含む活性層をＨ2 でエッチングすることによ
り、結晶性の高い量子箱を形成することができる。それ
により、発光出力、発光効率等の素子特性が高く、寿命
の長い半導体レーザ素子が得られる。
【０１１７】さらに、本発明に係る半導体素子の製造方
法は、上記のような半導体発光素子以外に、トランジス
タ等の電子素子、フォトダイオード等の受光素子の製造
方法においても適用可能である。この場合、Ｉｎを含む
チャネル層等の素子領域をＨ 2 でエッチングすることに
より、結晶性の高い量子箱を形成することができる。そ
れにより、素子特性が高く、寿命の長い電子素子および
受光素子が得られる。
法は、上記のような半導体発光素子以外に、トランジス
タ等の電子素子、フォトダイオード等の受光素子の製造
方法においても適用可能である。この場合、Ｉｎを含む
チャネル層等の素子領域をＨ 2 でエッチングすることに
より、結晶性の高い量子箱を形成することができる。そ
れにより、素子特性が高く、寿命の長い電子素子および
受光素子が得られる。
【図１】本発明に係る量子箱の形成方法の一例を示す模
式的な工程断面図である。
式的な工程断面図である。
【図２】本発明に係る半導体発光素子の一例を示す模式
的断面図である。
的断面図である。
【図３】図２に示す半導体発光素子の製造方法を示す模
式的工程断面図である。
式的工程断面図である。
【図４】図２に示す半導体発光素子の製造方法を示す模
式的断面図である。
式的断面図である。
【図５】従来のＧａＮ系発光ダイオード素子の例を示す
断面図である。
断面図である。
１，１１ サファイア基板 ２，１２ ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バッファ層 ３ アンドープＧａＮ層 ４ アンドープＩｎＧａＮ層 １３ 第１アンドープＧａＮ層 １４ ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層 １５ ｎ−ＧａＮ層 １６ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 １７ 第２アンドープＧａＮ層 １８ ｎ−ＩｎＧａＮ層 １９ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２０ ｐ−ＧａＮ層 ２１ アンドープＩｎＧａＮ層 ２５ 発光層 ４０ 量子箱 ５０ ｎ電極 ５１ ｐ電極 ５５ 格子欠陥
Claims (6)
- 【請求項１】 少なくともインジウムを含む窒化物系半
導体からなる量子箱を備えたことを特徴とする半導体素
子。 - 【請求項２】 ガリウム、アルミニウム、ホウ素および
タリウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層上に
前記量子箱を有する素子領域が形成されたことを特徴と
する請求項１記載の半導体素子。 - 【請求項３】 ガリウム、アルミニウム、ホウ素および
タリウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層上
に、少なくともインジウムを含む窒化物系半導体からな
る量子箱を有する活性層が形成されたことを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項４】 ガリウム、アルミニウム、ホウ素および
タリウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体からな
る第１のクラッド層と、少なくともインジウムを含む窒
化物系半導体からなる量子箱を有する活性層と、ガリウ
ム、アルミニウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも
１つを含む窒化物系半導体からなる第２のクラッド層と
をこの順に備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項５】 少なくともインジウムを含む窒化物系半
導体層を形成し、前記窒化物系半導体層を水素を含むガ
スに晒すことにより少なくともインジウムを含む窒化物
系半導体からなる量子箱を形成することを特徴とする量
子箱の形成方法。 - 【請求項６】 ガリウム、アルミニウム、ホウ素および
タリウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体
層上に、少なくともインジウムを含む第２の窒化物系半
導体層を形成し、前記第２の窒化物系半導体層を水素を
含むガスに晒すことにより少なくともインジウムを含む
窒化物系半導体からなる量子箱を有する素子領域を形成
することを特徴とする半導体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23666999A JP3773713B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 量子箱の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23666999A JP3773713B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 量子箱の形成方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001068733A true JP2001068733A (ja) | 2001-03-16 |
| JP3773713B2 JP3773713B2 (ja) | 2006-05-10 |
Family
ID=17004038
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23666999A Expired - Fee Related JP3773713B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 量子箱の形成方法 |
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| JP (1) | JP3773713B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003077835A (ja) * | 2001-09-06 | 2003-03-14 | Ngk Insulators Ltd | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
| JP2008277867A (ja) * | 2008-08-19 | 2008-11-13 | Sony Corp | 半導体発光素子の製造方法 |
| JP2009010168A (ja) * | 2007-06-28 | 2009-01-15 | Toshiba Corp | 半導体量子ドット素子、その製造方法、光スイッチ、半導体レーザ、および光検出器 |
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| US8642992B2 (en) | 2008-12-03 | 2014-02-04 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Group III nitride compound semiconductor light emitting device |
| CN103710757A (zh) * | 2013-12-04 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种改善铟镓氮外延材料表面质量的生长方法 |
| CN109346563A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-02-15 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片 |
| US10263141B2 (en) | 2015-11-12 | 2019-04-16 | Sony Corporation | Semiconductor light-emitting device and method of manufacturing semiconductor light-emitting device |
| EP1990841B1 (en) * | 2005-11-14 | 2020-01-08 | Palo Alto Research Center Incorporated | Superlattice strain relief layer for semiconductor devices |
| WO2024116358A1 (ja) * | 2022-11-30 | 2024-06-06 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光電極 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115398653A (zh) * | 2020-09-14 | 2022-11-25 | 安徽三安光电有限公司 | 发光二极管及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0945670A (ja) * | 1995-07-29 | 1997-02-14 | Hewlett Packard Co <Hp> | Ｉｉｉ族−ｎ系結晶の気相エッチング方法および再成長方法 |
| JPH10126006A (ja) * | 1995-11-06 | 1998-05-15 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体デバイス |
| JPH10215029A (ja) * | 1997-01-29 | 1998-08-11 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| JPH11150296A (ja) * | 1997-11-19 | 1999-06-02 | Toshiba Corp | 窒化物系半導体素子及びその製造方法 |
| JPH11186603A (ja) * | 1997-12-25 | 1999-07-09 | Showa Denko Kk | 窒化物半導体発光素子 |
-
1999
- 1999-08-24 JP JP23666999A patent/JP3773713B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3773713B2 (ja) | 2006-05-10 |
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