JP2001119106A - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
窒化物半導体素子の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板上に窒化物半導体層を積層する際に活性
層の品質の劣化及び原料の気相中間反応を抑制し、半導
体発光素子のデバイス特性を向上させる。 【解決手段】 基板上に窒化物半導体層を積層する際
に、GaInN活性層成長時に圧力を大気圧以上の加圧に切
り替え、更にp-AlGaN、p-GaN成長時に圧力を大気圧以下
の減圧に切り替えることにより、空孔等の欠陥による活
性層の品質劣化を抑制し、かつTMA、Cp2Mg、NH3の気相
中間反応を抑制して原料の供給効率を上げることがで
き、窒化物半導体デバイスの結晶品質を大きく向上させ
ることができる。
層の品質の劣化及び原料の気相中間反応を抑制し、半導
体発光素子のデバイス特性を向上させる。 【解決手段】 基板上に窒化物半導体層を積層する際
に、GaInN活性層成長時に圧力を大気圧以上の加圧に切
り替え、更にp-AlGaN、p-GaN成長時に圧力を大気圧以下
の減圧に切り替えることにより、空孔等の欠陥による活
性層の品質劣化を抑制し、かつTMA、Cp2Mg、NH3の気相
中間反応を抑制して原料の供給効率を上げることがで
き、窒化物半導体デバイスの結晶品質を大きく向上させ
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光情報処理分野など
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半
導体発光素子の製造方法に関するものである。
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半
導体発光素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】V族元素に窒素（N）を有する窒化物半導
体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素
子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム
系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z
≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイ
オード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光
ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長
を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体
を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベ
ルに達している。
体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素
子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム
系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z
≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイ
オード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光
ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長
を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体
を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベ
ルに達している。
【０００３】図8はレーザ発振が達成されているGaN系半
導体レーザの構造断面図である。サファイア基板801上
に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッファ層
802、n-GaN層803、n-Al0.07Ga0.93N第１クラッド層80
4、n-GaN第１光ガイド層805、Ga 1-xInxN/Ga1-yInyN (0<
y<x<1)から成る多重量子井戸活性層806、p-GaN第２光ガ
イド層807、p-Al0.07Ga0.93N第２クラッド層808、p-GaN
コンタクト層809が成長される。そしてp-GaNコンタクト
層809上に幅3から10ミクロン程度の幅のリッジストライ
プ810が形成され、その両側は絶縁膜811によって埋め込
まれる。その後リッジストライプ810および絶縁膜811上
に例えばNi/Auから成るp電極812、また一部をn-GaN層80
3が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alから
成るn電極813が形成される。本素子においてn電極813を
接地し、p電極812に電圧を印可すると、多重量子井戸活
性層806に向かってp電極812側からホールが、またn電極
813側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層806
内で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を
起こす。多重量子井戸活性層806の材料であるGa1- xInxN
/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化す
る。現在室温以上での連続発振が実現されている。
導体レーザの構造断面図である。サファイア基板801上
に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッファ層
802、n-GaN層803、n-Al0.07Ga0.93N第１クラッド層80
4、n-GaN第１光ガイド層805、Ga 1-xInxN/Ga1-yInyN (0<
y<x<1)から成る多重量子井戸活性層806、p-GaN第２光ガ
イド層807、p-Al0.07Ga0.93N第２クラッド層808、p-GaN
コンタクト層809が成長される。そしてp-GaNコンタクト
層809上に幅3から10ミクロン程度の幅のリッジストライ
プ810が形成され、その両側は絶縁膜811によって埋め込
まれる。その後リッジストライプ810および絶縁膜811上
に例えばNi/Auから成るp電極812、また一部をn-GaN層80
3が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alから
成るn電極813が形成される。本素子においてn電極813を
接地し、p電極812に電圧を印可すると、多重量子井戸活
性層806に向かってp電極812側からホールが、またn電極
813側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層806
内で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を
起こす。多重量子井戸活性層806の材料であるGa1- xInxN
/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化す
る。現在室温以上での連続発振が実現されている。
【０００４】MOVPE法を用いてGaInNを成長させる際に
は、成長温度を800℃程度とし、またキャリアガスとし
て窒素を用いることが望ましい（アプライド・フィジク
ス・レターズ（Applied Physics Letters）、第59巻、
ｐ．2251、1991年）。これに対し、Al0.07Ga0.93Nクラ
ッド層やGaN光ガイド層などの成長温度は高く（＞1000
℃）またキャリアガスも水素を用いることが一般的であ
る。成長の際の一連のプロセスは、例えば特開平6-1967
57号公報や特開平6-177423号公報に開示されている。サ
ファイア基板801を水素を流しながら1050℃で熱処理
し、続いて温度を510℃まで下げ反応ガスのアンモニア
（NH3）とトリメチルガリウム（TMG）を流してGaNバッ
ファ層802を堆積する。GaNバッファ層802成長後、TMGの
供給を停止し、1030℃まで昇温させ、水素ガスをキャリ
アガスとして、TMG、モノシラン（SiH4）を供給してn-G
aN層やn-AlGaN（AlGaNの場合、III族原料ガスはトリメ
チルアルミニウム（TMA）、TMG）を成長させる。その
後、原料ガスの供給を止め、温度を800℃にしてキャリ
アガスを窒素に切り替え、III族原料ガスとしてトリメ
チルインジウム（TMI）とTMGを供給してGa1-xInxN/Ga1-
yInyN薄膜（多重量子井戸活性層706）を成長させる。多
重量子井戸活性層806成長後、III族原料ガスの供給を止
め、再び温度を1020℃としてTMG、TMA、シクロペンタジ
エニルマグネシウム（Cp2Mg）等を供給してp-AlGaN層や
p-GaN層を成長させる。Ga1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜成長後
の1020℃への昇温の際の保護膜として、GaN層（特開平9
-186363）やAl0.2Ga0.8N層（例えば、ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese J
ournal of Applied Physics）、第35巻、ｐ．L74、1996
年）を堆積する場合がある。気相成長時における雰囲気
の圧力は通常、減圧、大気圧、あるいは1〜1.5atm程度
の加圧状態が用いられている。
は、成長温度を800℃程度とし、またキャリアガスとし
て窒素を用いることが望ましい（アプライド・フィジク
ス・レターズ（Applied Physics Letters）、第59巻、
ｐ．2251、1991年）。これに対し、Al0.07Ga0.93Nクラ
ッド層やGaN光ガイド層などの成長温度は高く（＞1000
℃）またキャリアガスも水素を用いることが一般的であ
る。成長の際の一連のプロセスは、例えば特開平6-1967
57号公報や特開平6-177423号公報に開示されている。サ
ファイア基板801を水素を流しながら1050℃で熱処理
し、続いて温度を510℃まで下げ反応ガスのアンモニア
（NH3）とトリメチルガリウム（TMG）を流してGaNバッ
ファ層802を堆積する。GaNバッファ層802成長後、TMGの
供給を停止し、1030℃まで昇温させ、水素ガスをキャリ
アガスとして、TMG、モノシラン（SiH4）を供給してn-G
aN層やn-AlGaN（AlGaNの場合、III族原料ガスはトリメ
チルアルミニウム（TMA）、TMG）を成長させる。その
後、原料ガスの供給を止め、温度を800℃にしてキャリ
アガスを窒素に切り替え、III族原料ガスとしてトリメ
チルインジウム（TMI）とTMGを供給してGa1-xInxN/Ga1-
yInyN薄膜（多重量子井戸活性層706）を成長させる。多
重量子井戸活性層806成長後、III族原料ガスの供給を止
め、再び温度を1020℃としてTMG、TMA、シクロペンタジ
エニルマグネシウム（Cp2Mg）等を供給してp-AlGaN層や
p-GaN層を成長させる。Ga1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜成長後
の1020℃への昇温の際の保護膜として、GaN層（特開平9
-186363）やAl0.2Ga0.8N層（例えば、ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese J
ournal of Applied Physics）、第35巻、ｐ．L74、1996
年）を堆積する場合がある。気相成長時における雰囲気
の圧力は通常、減圧、大気圧、あるいは1〜1.5atm程度
の加圧状態が用いられている。
【０００５】また、最近サファイア基板上に選択成長等
の手段を用いてGaNを成長し基板とGaNの界面に発生する
欠陥を抑制する手法が試みられており、特に減圧下での
気相成長法により平坦で高品質なGaNが得られることが
報告されている。
の手段を用いてGaNを成長し基板とGaNの界面に発生する
欠陥を抑制する手法が試みられており、特に減圧下での
気相成長法により平坦で高品質なGaNが得られることが
報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この材料系の成長の際
の特徴は、Inを含有する層（即ち多重量子井戸活性層80
6）とInを含有しない層（GaNやAlGaN）のキャリアガス
が異なることである。前者の成長の際には窒素を用い、
後者の場合は水素を用いることが一般的である。半導体
レーザの作製など多層膜を積層する際にはキャリアガス
を途中で切り替える必要がある。また、同時にウエハの
温度も変えている。キャリアガス切り替えの際にはIII
族ガスの供給は停止しており、ウエハは結晶成長を行っ
ていない平衡状態に置かれていると言える。平衡状態に
おいて、1000℃程度の高温や1気圧以下の圧力では、成
長した膜からの構成元素の脱離（再蒸発）を生じる恐れ
がある。特に、多重量子井戸活性層806成長前の下地のn
-GaNやn-AlGaN（特開平6-196757号公報や特開平6-17742
3号公報においてはAl組成は0.1）の品質の劣化は、多重
量子井戸活性層706の品質の低下を引き起こし、発光ダ
イオードや半導体レーザの発光効率の低下、しきい値電
流の増大などの弊害を引き起こす。
の特徴は、Inを含有する層（即ち多重量子井戸活性層80
6）とInを含有しない層（GaNやAlGaN）のキャリアガス
が異なることである。前者の成長の際には窒素を用い、
後者の場合は水素を用いることが一般的である。半導体
レーザの作製など多層膜を積層する際にはキャリアガス
を途中で切り替える必要がある。また、同時にウエハの
温度も変えている。キャリアガス切り替えの際にはIII
族ガスの供給は停止しており、ウエハは結晶成長を行っ
ていない平衡状態に置かれていると言える。平衡状態に
おいて、1000℃程度の高温や1気圧以下の圧力では、成
長した膜からの構成元素の脱離（再蒸発）を生じる恐れ
がある。特に、多重量子井戸活性層806成長前の下地のn
-GaNやn-AlGaN（特開平6-196757号公報や特開平6-17742
3号公報においてはAl組成は0.1）の品質の劣化は、多重
量子井戸活性層706の品質の低下を引き起こし、発光ダ
イオードや半導体レーザの発光効率の低下、しきい値電
流の増大などの弊害を引き起こす。
【０００７】また、気相成長の際に大気圧以上の圧力で
成長を行うと原料ガスの濃度が高まりTMA及びCp2MgがNH
3ガスと気相反応して基板に原料が効率的に供給でき
ず、成長レートが極端に低下したり、p型ドーパントで
あるMgが添加されない等の問題が生じる。また、この問
題を回避するために原料のキャリアガス流量を増加させ
て流速を速める等の方法を用いると大量のガスが反応管
に流れ渦や対流等が生じて安定な条件で成長ができない
等の問題が生じる。
成長を行うと原料ガスの濃度が高まりTMA及びCp2MgがNH
3ガスと気相反応して基板に原料が効率的に供給でき
ず、成長レートが極端に低下したり、p型ドーパントで
あるMgが添加されない等の問題が生じる。また、この問
題を回避するために原料のキャリアガス流量を増加させ
て流速を速める等の方法を用いると大量のガスが反応管
に流れ渦や対流等が生じて安定な条件で成長ができない
等の問題が生じる。
【０００８】従って、本発明は上記の事情を鑑みてなさ
れたものであり、窒化物半導体素子の活性領域やその周
辺の結晶品質の向上更には欠陥の低減により、特性の優
れた窒化物半導体素子を提供するものである。特に発光
素子の発光効率の向上を可能とする。
れたものであり、窒化物半導体素子の活性領域やその周
辺の結晶品質の向上更には欠陥の低減により、特性の優
れた窒化物半導体素子を提供するものである。特に発光
素子の発光効率の向上を可能とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子の製造方法は、基板上に窒化物半導体層を積層して窒
化物半導体素子を作製する方法であって、該窒化物半導
体層を積層する工程のいずれかの間に第一の成長雰囲気
圧力から第二の成長雰囲気圧力へ変更する工程を有する
ことを特徴とする。各層の成長に適切な雰囲気圧力にす
ることにより、転位の低減、ドーピングの効率化、活性
層結晶の高品質化を行うことができる。特に、少なくと
もInを含有する活性層を大気圧以上の加圧状態で成長
し、他の層を減圧下で成長することにより、原料ガスの
供給流量を高めることなしに気相中における原料同士の
中間反応を抑制でき、効率的で安定に窒化物半導体素子
構造の結晶成長が可能となる。
子の製造方法は、基板上に窒化物半導体層を積層して窒
化物半導体素子を作製する方法であって、該窒化物半導
体層を積層する工程のいずれかの間に第一の成長雰囲気
圧力から第二の成長雰囲気圧力へ変更する工程を有する
ことを特徴とする。各層の成長に適切な雰囲気圧力にす
ることにより、転位の低減、ドーピングの効率化、活性
層結晶の高品質化を行うことができる。特に、少なくと
もInを含有する活性層を大気圧以上の加圧状態で成長
し、他の層を減圧下で成長することにより、原料ガスの
供給流量を高めることなしに気相中における原料同士の
中間反応を抑制でき、効率的で安定に窒化物半導体素子
構造の結晶成長が可能となる。
【００１０】また、本発明の窒化物半導体素子の製造方
法は、Inを含有する活性層とInを含有しない窒化物半導
体層を第一の雰囲気圧力において堆積する工程と、該In
を含有しない窒化物半導体層を堆積した後、第二の雰囲
気圧力に切り換える工程とを備えることを特徴とする。
法は、Inを含有する活性層とInを含有しない窒化物半導
体層を第一の雰囲気圧力において堆積する工程と、該In
を含有しない窒化物半導体層を堆積した後、第二の雰囲
気圧力に切り換える工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】また、本発明の窒化物半導体素子の製造方
法は、窒化物半導体層上に選択的にマスクされた基板ま
たは選択的に窒化物半導体の種結晶を備えた基板上に第
一の雰囲気圧力において窒化物半導体層を堆積する工程
と、該基板の上部に第二の雰囲気圧力において窒化物半
導体層を堆積する工程とを備えることを特徴とする。特
に第一の雰囲気圧力は減圧下において行うと窒化物半導
体層の横方向の成長が促進されマスク上と合わせて基板
全面に平坦な窒化物半導体層が形成され、第二の雰囲気
圧力を減圧から大気圧以上の加圧の範囲で適切に切り換
えることにより、低欠陥な下地の窒化物半導体層上に高
品質な窒化物半導体素子の形成が可能となる。
法は、窒化物半導体層上に選択的にマスクされた基板ま
たは選択的に窒化物半導体の種結晶を備えた基板上に第
一の雰囲気圧力において窒化物半導体層を堆積する工程
と、該基板の上部に第二の雰囲気圧力において窒化物半
導体層を堆積する工程とを備えることを特徴とする。特
に第一の雰囲気圧力は減圧下において行うと窒化物半導
体層の横方向の成長が促進されマスク上と合わせて基板
全面に平坦な窒化物半導体層が形成され、第二の雰囲気
圧力を減圧から大気圧以上の加圧の範囲で適切に切り換
えることにより、低欠陥な下地の窒化物半導体層上に高
品質な窒化物半導体素子の形成が可能となる。
【００１２】また、本発明の窒化物半導体素子の製造方
法は、窒化物半導体層上に選択的にマスクされた基板ま
たは選択的に窒化物半導体の種結晶を備えた基板上に第
一の温度において窒化物半導体層を堆積する工程と、該
基板の上部に第二の温度において窒化物半導体層を堆積
する工程とを備えることを特徴とする。特に、第二の温
度を第一の温度よりも高くすることにより、平坦で低欠
陥な下地の窒化物半導体層上により配向性の高い高品質
な窒化物半導体素子の形成が可能となる。
法は、窒化物半導体層上に選択的にマスクされた基板ま
たは選択的に窒化物半導体の種結晶を備えた基板上に第
一の温度において窒化物半導体層を堆積する工程と、該
基板の上部に第二の温度において窒化物半導体層を堆積
する工程とを備えることを特徴とする。特に、第二の温
度を第一の温度よりも高くすることにより、平坦で低欠
陥な下地の窒化物半導体層上により配向性の高い高品質
な窒化物半導体素子の形成が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法は有機金属気相成長法（MOVP
E）法に限定するものではなく、ハイドライド気相成長
法（H-VPE法）や分子線エピタキシー法（MBE法）など、
窒化物半導体層を成長させるためにこれまで提案されて
いる全ての方法に適用できる。
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法は有機金属気相成長法（MOVP
E）法に限定するものではなく、ハイドライド気相成長
法（H-VPE法）や分子線エピタキシー法（MBE法）など、
窒化物半導体層を成長させるためにこれまで提案されて
いる全ての方法に適用できる。
【００１４】（実施の形態１）図1は第１の実施例を示
すGaN系半導体レーザの製造方法を工程順に示した構造
断面図である。
すGaN系半導体レーザの製造方法を工程順に示した構造
断面図である。
【００１５】図１(a)において、MOVPE法によりサファイ
ア基板101上に500℃でTMGとNH3とを供給してバッファ層
102を堆積する。その後、1020℃まで昇温させ、TMG、Si
H4、TMA等を供給してn-GaNコンタクト層103、n-Al0.1Ga
0.9Nクラッド層104、n-GaN光ガイド層105、n-Al0.2Ga0.
8N層106を成長させる。この間のキャリアガスは主に水
素であり、成長圧力は約300Torr（約0.4気圧）である。
その後、III族原料ガスの供給を止め、圧力を840Torr
に、温度を780℃にしてキャリアガスを窒素に切り替
え、図2(b)に示すようにTMGとSiH4を供給してn-GaN層10
7、TMIとTMGを供給して活性層108を成長させる。活性層
108の成長後、図1(c)のように温度を1020℃まで昇温し
ながらTMG、TMA、Cp2Mg等を供給してp-AlGaN活性層蒸発
抑制層109を成長した後、III族原料ガスの供給を停止し
て、圧力を再び400Torrに切り替え、p-GaN光ガイド層11
0、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層111、p-GaNコンタクト層11
2を成長させる。活性層108はAlGaInN系多重量子井戸で
構成されており、本実施例では3nm厚のIn0.09Ga0.91N井
戸層と6nm厚のIn0.0.1Ga0.91N障壁層が3周期構成されて
いる多重量子井戸構造を用いた。また、活性層108にはS
i等のドーパントが添加されていても構わない。780℃に
おけるキャリアガスは不活性ガスであるアルゴン等でも
良い。更に、基板はサファイア以外にもSiC、Siでも構
わない。
ア基板101上に500℃でTMGとNH3とを供給してバッファ層
102を堆積する。その後、1020℃まで昇温させ、TMG、Si
H4、TMA等を供給してn-GaNコンタクト層103、n-Al0.1Ga
0.9Nクラッド層104、n-GaN光ガイド層105、n-Al0.2Ga0.
8N層106を成長させる。この間のキャリアガスは主に水
素であり、成長圧力は約300Torr（約0.4気圧）である。
その後、III族原料ガスの供給を止め、圧力を840Torr
に、温度を780℃にしてキャリアガスを窒素に切り替
え、図2(b)に示すようにTMGとSiH4を供給してn-GaN層10
7、TMIとTMGを供給して活性層108を成長させる。活性層
108の成長後、図1(c)のように温度を1020℃まで昇温し
ながらTMG、TMA、Cp2Mg等を供給してp-AlGaN活性層蒸発
抑制層109を成長した後、III族原料ガスの供給を停止し
て、圧力を再び400Torrに切り替え、p-GaN光ガイド層11
0、p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層111、p-GaNコンタクト層11
2を成長させる。活性層108はAlGaInN系多重量子井戸で
構成されており、本実施例では3nm厚のIn0.09Ga0.91N井
戸層と6nm厚のIn0.0.1Ga0.91N障壁層が3周期構成されて
いる多重量子井戸構造を用いた。また、活性層108にはS
i等のドーパントが添加されていても構わない。780℃に
おけるキャリアガスは不活性ガスであるアルゴン等でも
良い。更に、基板はサファイア以外にもSiC、Siでも構
わない。
【００１６】図2は前記圧力可変型MOVPE装置の概念図で
ある。原料はステンレスや石英等を用いてIII族及びV族
原料をそれぞれ独立に供給し、基板203直前で混合す
る。対流等による基板上でのガスの舞い上がりを抑制す
るために、窒素、水素、アルゴン等の不活性ガスをサブ
フローガスとして原料ガスと平行に流す。基板加熱は熱
電対201を用いてヒーター202で加熱する。排気系はロー
タリーポンプ209と反応管206の間に開閉度を調節できる
コンダクタンスバルブ208を挿入し、反応管206の圧力を
モニターする圧力計207と連動させて、開閉度を調整す
る等して、減圧から大気圧、さらには数気圧程度の加圧
雰囲気に保つことができる。
ある。原料はステンレスや石英等を用いてIII族及びV族
原料をそれぞれ独立に供給し、基板203直前で混合す
る。対流等による基板上でのガスの舞い上がりを抑制す
るために、窒素、水素、アルゴン等の不活性ガスをサブ
フローガスとして原料ガスと平行に流す。基板加熱は熱
電対201を用いてヒーター202で加熱する。排気系はロー
タリーポンプ209と反応管206の間に開閉度を調節できる
コンダクタンスバルブ208を挿入し、反応管206の圧力を
モニターする圧力計207と連動させて、開閉度を調整す
る等して、減圧から大気圧、さらには数気圧程度の加圧
雰囲気に保つことができる。
【００１７】これらの結晶成長後、図3のGaN系半導体レ
ーザの素子断面図に示すように、p-GaNコンタクト層112
およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層111を5ミクロン程度の
幅のリッジストライプ状に加工し、その両側をSiO2 301
によって埋め込む。その後p-GaNコンタクト層112上にp
側電極302を形成し、またn-GaNコンタクト層103の一部
が露出するまでエッチングを行った表面にn側電極303が
形成される。本素子においてn側電極303とp側電極302の
間に電圧を印可すると、活性層108に向かってp側電極30
2側からホールが、またn側電極303側から電子が注入さ
れ、活性層108内で光学利得を生じ、405nmの波長でレー
ザ発振を起こす。
ーザの素子断面図に示すように、p-GaNコンタクト層112
およびp-Al0.1Ga0.9Nクラッド層111を5ミクロン程度の
幅のリッジストライプ状に加工し、その両側をSiO2 301
によって埋め込む。その後p-GaNコンタクト層112上にp
側電極302を形成し、またn-GaNコンタクト層103の一部
が露出するまでエッチングを行った表面にn側電極303が
形成される。本素子においてn側電極303とp側電極302の
間に電圧を印可すると、活性層108に向かってp側電極30
2側からホールが、またn側電極303側から電子が注入さ
れ、活性層108内で光学利得を生じ、405nmの波長でレー
ザ発振を起こす。
【００１８】次に、圧力可変型MOVPE法の有効性につい
て説明する。
て説明する。
【００１９】図4(a)はAlGaNの成長レートと雰囲気圧力
との関係である。圧力が高くなるに従いレートが極端に
減少することがわかった。同様に、図4(b)に示すように
p型GaN中のMg濃度の成長圧力依存性から圧力上昇と共に
Mgの取り込まれが激減することがわかった。これらの現
象は圧力を上昇すると気相中において原料同士の衝突確
率的が増大し、特にTMAとNH3、またはCp2MgとNH3とが中
間反応を起こしやすいために基板上に原料が効率的に供
給できなくなることが原因と考えられる。図4(c)にAlGa
N中Mg濃度の成長圧力依存性を示す。圧力の上昇と共にM
gの取り込まれがGaN以上に激減することがわかった。従
ってp-AlGaNの成長には減圧雰囲気下が有効であること
がわかる。
との関係である。圧力が高くなるに従いレートが極端に
減少することがわかった。同様に、図4(b)に示すように
p型GaN中のMg濃度の成長圧力依存性から圧力上昇と共に
Mgの取り込まれが激減することがわかった。これらの現
象は圧力を上昇すると気相中において原料同士の衝突確
率的が増大し、特にTMAとNH3、またはCp2MgとNH3とが中
間反応を起こしやすいために基板上に原料が効率的に供
給できなくなることが原因と考えられる。図4(c)にAlGa
N中Mg濃度の成長圧力依存性を示す。圧力の上昇と共にM
gの取り込まれがGaN以上に激減することがわかった。従
ってp-AlGaNの成長には減圧雰囲気下が有効であること
がわかる。
【００２０】一方Inを含むAlInGaN系の成長では、InNの
蒸気圧が高いために窒素抜けによる欠陥を抑制するため
に、低温で成長するか圧力を上げて蒸発を抑制すること
が有効と考えられる。そのため従来は大気圧下での常圧
MOVPE法の成長手法が大半で、時に加圧MOVPE法の手法も
とられていた。しかしながら何れの成長も圧力は常に一
定であり、上記のようにAlInGaN系活性層の高品質性を
保ちかつその後に続くp-GaN及びp-AlGaNの成長の際に気
相中での中間反応抑制を考慮した圧力切り替えの手法は
開示されていない。
蒸気圧が高いために窒素抜けによる欠陥を抑制するため
に、低温で成長するか圧力を上げて蒸発を抑制すること
が有効と考えられる。そのため従来は大気圧下での常圧
MOVPE法の成長手法が大半で、時に加圧MOVPE法の手法も
とられていた。しかしながら何れの成長も圧力は常に一
定であり、上記のようにAlInGaN系活性層の高品質性を
保ちかつその後に続くp-GaN及びp-AlGaNの成長の際に気
相中での中間反応抑制を考慮した圧力切り替えの手法は
開示されていない。
【００２１】840Torrの加圧成長において中間反応を抑
制するために、原料ガス濃度を薄めて原料同士の衝突確
率を低減させる目的で、III族原料のキャリアガスであ
る水素や窒素の流量を増大させて成長を行った。図5に
示すように気相中間反応が起こるトータル流量が40slm
程度ではGaNの成長レートは成長回数を重ねてもほぼ一
定で安定なのに対し、それ以上の流量になると流速が速
くなり過ぎて原料の熱分解効率が低下してレートが減少
したり、渦の発生やほんの少しの反応生成物でガスの流
れが変わる等、不安定なガス流となって成長レートが成
長回数を重ねる度に安定しなくなるという問題が発生す
ることを見いだした。
制するために、原料ガス濃度を薄めて原料同士の衝突確
率を低減させる目的で、III族原料のキャリアガスであ
る水素や窒素の流量を増大させて成長を行った。図5に
示すように気相中間反応が起こるトータル流量が40slm
程度ではGaNの成長レートは成長回数を重ねてもほぼ一
定で安定なのに対し、それ以上の流量になると流速が速
くなり過ぎて原料の熱分解効率が低下してレートが減少
したり、渦の発生やほんの少しの反応生成物でガスの流
れが変わる等、不安定なガス流となって成長レートが成
長回数を重ねる度に安定しなくなるという問題が発生す
ることを見いだした。
【００２２】そこで、本発明のように圧力可変型MOVPE
法を用いることにより、Inを含む活性層は圧力を高めて
窒素抜け等の欠陥が少なく、他は減圧成長することによ
り気相中間反応を抑制できるので、安定でかつ高効率に
窒化物半導体素子の結晶成長を行えることが可能となっ
た。
法を用いることにより、Inを含む活性層は圧力を高めて
窒素抜け等の欠陥が少なく、他は減圧成長することによ
り気相中間反応を抑制できるので、安定でかつ高効率に
窒化物半導体素子の結晶成長を行えることが可能となっ
た。
【００２３】In系の活性層を成長した後、p型のGaNガイ
ド層やAlGaNクラッド層を活性層よりも高温かつ減圧で
成長する前に、p型AlGaNを圧力は活性層と同じ加圧のま
ま成長しながら活性層の成長温度から昇温する目的は、
昇温により活性層のInNが分解して品質を低下させるこ
とを抑制するためであり、成長レートを1nm/分程度に十
分遅くすれば、活性層蒸発抑制層としての機能を十分に
はたせるMgドープのp型AlGaNが成長できる。Inを含む活
性層をp-AlGaNで覆いつくせば、ここで雰囲気圧力を加
圧から減圧に、またキャリアガス種を窒素から水素に切
り替えても活性層に何らのダメージも与えることもな
い。
ド層やAlGaNクラッド層を活性層よりも高温かつ減圧で
成長する前に、p型AlGaNを圧力は活性層と同じ加圧のま
ま成長しながら活性層の成長温度から昇温する目的は、
昇温により活性層のInNが分解して品質を低下させるこ
とを抑制するためであり、成長レートを1nm/分程度に十
分遅くすれば、活性層蒸発抑制層としての機能を十分に
はたせるMgドープのp型AlGaNが成長できる。Inを含む活
性層をp-AlGaNで覆いつくせば、ここで雰囲気圧力を加
圧から減圧に、またキャリアガス種を窒素から水素に切
り替えても活性層に何らのダメージも与えることもな
い。
【００２４】本発明の製造方法に従って加圧成長により
デバイスを作製した結果、半導体レーザのしきい値電流
が約1/2に大きく低減できた。
デバイスを作製した結果、半導体レーザのしきい値電流
が約1/2に大きく低減できた。
【００２５】本発明では活性層を加圧に、他の層は減圧
にする場合で説明したが、p型GaN及びp型AlGaNを除く他
の層では大気圧と同等以上の圧力で成長しても良い。こ
れは気相中間反応の影響がほとんど無いためである。ま
た圧力の切り替え時は本実施例のように必ずしも成長中
断を行う必要はなく、III族原料の供給を低減させる等
して成長レートを下げ連続的に成長を行ってもよい。
にする場合で説明したが、p型GaN及びp型AlGaNを除く他
の層では大気圧と同等以上の圧力で成長しても良い。こ
れは気相中間反応の影響がほとんど無いためである。ま
た圧力の切り替え時は本実施例のように必ずしも成長中
断を行う必要はなく、III族原料の供給を低減させる等
して成長レートを下げ連続的に成長を行ってもよい。
【００２６】本発明では、GaN系半導体レーザを例に取
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードでは発光効率を向上さ
せることができる。また、電子デバイスではキャリアの
移動度が大きく向上する。
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードでは発光効率を向上さ
せることができる。また、電子デバイスではキャリアの
移動度が大きく向上する。
【００２７】（実施の形態２）実施の形態１では活性層
の結晶品質を向上と原料の気相中間反応を抑制するため
に、活性層周辺において圧力を成長中に変化させる方法
について説明した。ここでは、活性層の品質を向上させ
るためのもう一つの方法について述べる。
の結晶品質を向上と原料の気相中間反応を抑制するため
に、活性層周辺において圧力を成長中に変化させる方法
について説明した。ここでは、活性層の品質を向上させ
るためのもう一つの方法について述べる。
【００２８】図6に示すようにサファイア基板601上に選
択的にGaNリッジストライプ602を形成し、GaNリッジス
トライプ602を種結晶としてn-AlGaN層603、n-AlGaNクラ
ッド層604を形成する。MOVPE結晶成長方法や原料は実施
例1と同様である。ただし、圧力は100Torrの減圧で、n-
AlGaN層603、n-AlGaNクラッド層604の成長温度はそれぞ
れ950℃、1050℃である。リッジストライプを種結晶と
してAlGaN層603の結晶成長を行う場合、基板上の種周辺
に原料を集めるために成長温度を低くし、かつ圧力を減
圧（400Torr）にして原料同士の衝突を抑えて種結晶か
ら一様に横方向（基板面に平行）に成長させることが有
効であることが実験で判明した。更に、低温で成長した
AlGaN層はc軸配向性等の結晶性が低いので、これより約
100℃程度高い温度においてn-AlGaNクラッド層604を成
長することにより高い結晶性のn-AlGaNが成長できるこ
とがわかった。
択的にGaNリッジストライプ602を形成し、GaNリッジス
トライプ602を種結晶としてn-AlGaN層603、n-AlGaNクラ
ッド層604を形成する。MOVPE結晶成長方法や原料は実施
例1と同様である。ただし、圧力は100Torrの減圧で、n-
AlGaN層603、n-AlGaNクラッド層604の成長温度はそれぞ
れ950℃、1050℃である。リッジストライプを種結晶と
してAlGaN層603の結晶成長を行う場合、基板上の種周辺
に原料を集めるために成長温度を低くし、かつ圧力を減
圧（400Torr）にして原料同士の衝突を抑えて種結晶か
ら一様に横方向（基板面に平行）に成長させることが有
効であることが実験で判明した。更に、低温で成長した
AlGaN層はc軸配向性等の結晶性が低いので、これより約
100℃程度高い温度においてn-AlGaNクラッド層604を成
長することにより高い結晶性のn-AlGaNが成長できるこ
とがわかった。
【００２９】燐酸/硫酸系のエッチャントを用いてエッ
チピット密度を観察すると、通常のようにサファイア上
に成長したn-AlGaNに比べて約2桁程度、表面全体にわた
り欠陥が低減されていることを確認した。なお、本発明
では基板はサファイアで説明したが、基板はサファイア
以外にもSiC、Siでも構わない。また、GaNリッジストラ
イプはAlやInを含んでいてもAlGaN層の種結晶になり得
るので構わない。
チピット密度を観察すると、通常のようにサファイア上
に成長したn-AlGaNに比べて約2桁程度、表面全体にわた
り欠陥が低減されていることを確認した。なお、本発明
では基板はサファイアで説明したが、基板はサファイア
以外にもSiC、Siでも構わない。また、GaNリッジストラ
イプはAlやInを含んでいてもAlGaN層の種結晶になり得
るので構わない。
【００３０】次に実施例1と同様に、n-GaNガイド層60
5、InGaN/InGaN多重量子井戸活性層606、p-AlGaN蒸発抑
制層607、p-GaNガイド層608、p-AlGaNクラッド層609、p
-GaNコンタクト層610を順次成長し、p型層にリッジを形
成して絶縁膜613で電流狭窄を行う。最後に陽電極611、
陰電極612を形成する。成長圧力は実施例1と同様にInGa
N/InGaN多重量子井戸活性層606の成長直前に840Torrに
切り替え、p-AlGaN蒸発抑制層607の成長後、再び減圧40
0Torrに切り替える。
5、InGaN/InGaN多重量子井戸活性層606、p-AlGaN蒸発抑
制層607、p-GaNガイド層608、p-AlGaNクラッド層609、p
-GaNコンタクト層610を順次成長し、p型層にリッジを形
成して絶縁膜613で電流狭窄を行う。最後に陽電極611、
陰電極612を形成する。成長圧力は実施例1と同様にInGa
N/InGaN多重量子井戸活性層606の成長直前に840Torrに
切り替え、p-AlGaN蒸発抑制層607の成長後、再び減圧40
0Torrに切り替える。
【００３１】本実施例では活性層を加圧に、他の層は減
圧にする場合で説明したが、実施例1と同様にp型GaN及
びp型AlGaNを除く他の層では大気圧と同等以上の圧力で
成長しても良い。
圧にする場合で説明したが、実施例1と同様にp型GaN及
びp型AlGaNを除く他の層では大気圧と同等以上の圧力で
成長しても良い。
【００３２】本発明のように、成長圧力を減圧と加圧と
の間で切り替えることにより、低欠陥密度のn-AlGaNク
ラッド層上に高品質なInGaN系多重量子井戸を作製で
き、かつ気相中間反応を抑制して効率的、安定にP-AlGa
N、p-GaN層を成長させることが可能となった。
の間で切り替えることにより、低欠陥密度のn-AlGaNク
ラッド層上に高品質なInGaN系多重量子井戸を作製で
き、かつ気相中間反応を抑制して効率的、安定にP-AlGa
N、p-GaN層を成長させることが可能となった。
【００３３】本発明の製造方法に従って加圧成長により
デバイスを作製した結果、半導体レーザのしきい値電流
が約1/2に大きく低減でき、またデバイス寿命も室温に
おいて連続動作で1万時間以上可能となり飛躍的な特性
の向上が見られた。
デバイスを作製した結果、半導体レーザのしきい値電流
が約1/2に大きく低減でき、またデバイス寿命も室温に
おいて連続動作で1万時間以上可能となり飛躍的な特性
の向上が見られた。
【００３４】本発明では、GaN系半導体レーザを例に取
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードでは発光効率を向上さ
せることができる。また、電子デバイスではキャリアの
移動度が大きく向上する。
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードでは発光効率を向上さ
せることができる。また、電子デバイスではキャリアの
移動度が大きく向上する。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子の製造方法は、Inを含有する活性層を加圧で、
Al、Mgを含有する層を減圧雰囲気で積層させることで、
活性層の結晶品質を大きく向上させかつp型層を成長す
る際に原料効率の低下や成長レートの不安定化を招く気
相中間反応を回避することができるので、発光ダイオー
ド、半導体レーザ等のデバイス特性を向上させることが
できる。
導体素子の製造方法は、Inを含有する活性層を加圧で、
Al、Mgを含有する層を減圧雰囲気で積層させることで、
活性層の結晶品質を大きく向上させかつp型層を成長す
る際に原料効率の低下や成長レートの不安定化を招く気
相中間反応を回避することができるので、発光ダイオー
ド、半導体レーザ等のデバイス特性を向上させることが
できる。
【００３６】また、本発明の窒化物半導体素子の製造方
法は、GaNリッジストライプを有した基板を用いて成長
圧力を減圧と加圧との間で切り替えることにより選択成
長で低欠陥なAlGaN層上に高品質なInを含有する活性層
を形成できるので、発光ダイオード、半導体レーザ等の
デバイス特性を向上させることができる。
法は、GaNリッジストライプを有した基板を用いて成長
圧力を減圧と加圧との間で切り替えることにより選択成
長で低欠陥なAlGaN層上に高品質なInを含有する活性層
を形成できるので、発光ダイオード、半導体レーザ等の
デバイス特性を向上させることができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すGaN系半導体
レーザの製造方法を工程順に示した構造断面図
レーザの製造方法を工程順に示した構造断面図
【図２】本発明の第１及び第2の実施の形態に用いる気
相成長装置の概念図
相成長装置の概念図
【図３】本発明の第1の実施の形態を示すGaN系半導体レ
ーザの素子断面図
ーザの素子断面図
【図４】本発明の第1及び第２の実施の形態における圧
力切り替え効果を示す図
力切り替え効果を示す図
【図５】本発明の第1及び第２の実施の形態におけるト
ータル流量と成長レートの関係を示す図
ータル流量と成長レートの関係を示す図
【図６】本発明の第2の実施の形態を示すGaN系半導体レ
ーザの製造方法の1工程を示した構造断面図
ーザの製造方法の1工程を示した構造断面図
【図７】本発明の第2の実施の形態を示すGaN系半導体レ
ーザの素子断面図
ーザの素子断面図
【図８】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面
図
図
101 サファイア基板 102 バッファ層 103 n-GaNコンタクト層 104 n-Al0.1Ga0.9Nクラッド層 105 n-GaN光ガイド層 106 n-Al0.2Ga0.8N層 107 n-GaN層 108 活性層 109 p-AlGaN蒸発抑制層 110 p-GaN光ガイド層 111 p-Al0.1Ga0.9Nクラッド層 112 p-GaNコンタクト層 201 熱電対 202 ヒーター 203 基板 204 サセプター 205 原料ガス供給ノズル 206 反応室 207 圧力計 208 コンダクタンスバルブ 209 ロータリーポンプ 210 排ガス処理装置 301 SiO2 302 p側電極 303 n側電極 601 サファイア基板 602 GaNリッジストライプ 603 n-AlGaN層 604 n-AlGaNクラッド層 605 n-GaNガイド層 606 InGaN/InGaN多重量子井戸活性層 607 p-Al0.1Ga0.9N蒸発抑制層 608 p-GaNガイド層 609 p-Al0.07Ga0.9.3Nクラッド層 610 p-GaNコンタクト層 611 陽電極 612 陰電極 613 絶縁膜 801 サファイア基板 802 GaNバッファ層 803 n-GaN層 804 n-Al0.07Ga0.93N第１クラッド層 805 GaN第１光ガイド層 806 多重量子井戸層活性層 807 GaN第２光ガイド層 808 p-Al0.07Ga0.93N第第２クラッド層 809 p-GaNコンタクト層 810 リッジストライプ 811 絶縁膜 812 p電極 813 n電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服藤 憲司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 伴 雄三郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AB18 AB32 AC01 AC08 AC12 AC15 AC19 AD09 AD11 AD13 AD14 AE25 AE30 AF02 AF03 AF09 AF14 BB12 BB16 CA10 CA12 DA53 DA55 EE12 EE14 EK27 GB06 5F073 AA45 AA51 AA74 CA07 CA17 CB05 DA05 EA23 EA28
Claims (10)
- 【請求項１】基板上に窒化物半導体層を積層して窒化物
半導体素子を作製する方法であって、該窒化物半導体層
を積層する工程のいずれかの間に第一の成長雰囲気圧力
から第二の成長雰囲気圧力へ変更する工程とを有するこ
とを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項２】第一の成長雰囲気圧力が大気圧以下で第二
の成長雰囲気圧力が大気圧以上、または第二の成長雰囲
気圧力が大気圧以上で第二の成長雰囲気圧力が大気圧以
下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導
体素子の製造方法。 - 【請求項３】大気圧以上の圧力で成長する窒化物半導体
層にInを含むことを特徴とする請求項2に記載の窒化物
半導体素子の製造方法。 - 【請求項４】大気圧以下の圧力で成長する窒化物半導体
層に少なくともAlまたはMgを含むことを特徴とする請求
項2に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項５】活性領域が半導体発光素子の活性層であっ
て、量子井戸から成ることを特徴とする請求項1から3の
いずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項６】基板上に窒化物半導体層を積層して窒化物
半導体素子を作製する方法であって、窒化物半導体層上
に選択的にマスクされた基板または選択的に窒化物半導
体の種結晶を備えた基板上に第一の雰囲気圧力において
窒化物半導体層を堆積する工程と、該基板の上部に第二
の雰囲気圧力において窒化物半導体層を堆積する工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方
法。 - 【請求項７】第一の成長雰囲気圧力が大気圧以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子の
製造方法。 - 【請求項８】窒化物半導体層上に選択的にマスクされた
基板または選択的に窒化物半導体の種結晶を備えた基板
上に第一の温度において窒化物半導体層を堆積する工程
と、該基板の上部に第二の温度において窒化物半導体層
を堆積する工程とを備えることを特徴とする請求項4に
記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項９】第二の温度を第一の温度よりも高くするこ
とを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体素子の製
造方法。 - 【請求項１０】選択的に種結晶を備えた基板上に堆積す
る窒化物半導体層がAlGaN（1≧Al>0）であることを特徴
とする請求項6に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29964099A JP3438674B2 (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 窒化物半導体素子の製造方法 |
| US09/692,211 US6867112B1 (en) | 1999-10-21 | 2000-10-20 | Method of fabricating nitride semiconductor device |
| US10/355,069 US6667185B2 (en) | 1999-10-21 | 2003-01-31 | Method of fabricating nitride semiconductor device |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29964099A JP3438674B2 (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 窒化物半導体素子の製造方法 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002217880A Division JP2003115608A (ja) | 2002-07-26 | 2002-07-26 | 窒化物半導体素子の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001119106A true JP2001119106A (ja) | 2001-04-27 |
| JP3438674B2 JP3438674B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=17875215
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29964099A Expired - Fee Related JP3438674B2 (ja) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | 窒化物半導体素子の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP3438674B2 (ja) |
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