JP2002208732A - 化合物半導体装置 - Google Patents
化合物半導体装置Info
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Abstract
る発光素子を提供する。 【解決手段】化合物半導体装置は、結晶基板21と、基
板21に支持されるように気相成長により形成され、且
つマグネシウムを含有する、p型若しくはi型の窒化物
系化合物からなる第1半導体層25、26を具備する。
第1半導体層25、26は、1×1016cm-3〜8×1
017cm-3の珪素を含有する。
Description
た窒化物系の化合物半導体からなる化合物半導体装置に
関し、特に、化合物半導体発光装置に関する。
用の材料として、一般式がBAlGaInNで表わされ
る窒化物系化合物半導体が知られている。この材料を利
用した発光ダイオードとして知られているものは、MI
S(Metal−Insulator−Semicon
ductor)構造のものである。このようなMIS型
の発光ダイオードは、動作電圧が高く、発光強度も弱
く、更に素子の寿命も短いという欠点がある。これらの
欠点に対する方策の一つとして、pn接合型にするとい
うことが既に知られている。
法(以下、MOCVD法)や分子線エピタキシー法(M
BE法)により、サファイア基板上に成長されている。
この方法に限らず窒化物系化合物半導体には、様々な問
題点がある。
の問題点の1つは結晶成長過程における問題点である。
通常、MOCVD法やMBE法といった非平衡状態を用
いた結晶成長では、まず成長するための結晶核が形成さ
れ、次に核全体が成長(3次元成長)し、その後複数の
核が結合し平坦膜となり、最後にその膜が成長軸方向に
成長(2次元成長)するという過程を経る。本発明者ら
がサファイアを基板として用いて結晶成長を行なったと
ころ、特に珪素を添加したn型結晶の成長においては、
故意に添加していないいわゆるアンドープ膜やマグネシ
ウムをドープしたp型膜と比較して3次元成長から2次
元成長へ移行する時間が長く、1μm以下の厚さを有す
る薄膜においては特に平坦膜が得られにくいという問題
点が判明した。
関する問題点である。一般に窒化物系化合物半導体で
は、窒素の蒸気圧が非常に高いため、結晶中に窒素空孔
が生成しやすいということがよく知られている。この窒
素空孔はエネルギーレベルの深いドナー準位を形成す
る。そのため特に発光素子においては発光層で生じた光
がこの深いドナー準位に関与した低エネルギーの遷移に
よって吸収され、素子の光取り出し効率が低減する。こ
のような窒素空孔を埋める手段としては特開昭49−2
9770に記載されているように、窒素以外のV族元
素、具体的には燐(P)や砒素(As)を用いることが
知られている。しかしながら、例えば窒化ガリウム(G
aN)にこのような不純物を添加した場合においては、
GaNよりも燐化ガリウム(GaP)或いは砒化ガリウ
ム(GaAs)の方がエネルギーギャップが著しく小さ
い。このため、これらの混晶半導体においてはエネルギ
ーギャップが著しく低下し、窒化物系化合物半導体の特
性である大きなエネルギーギャップを利用した短い波長
の発光を得られないという問題点がある。
体素子形成に通常用いられているSiやGaAsといっ
た半導体基板上に、窒化物系化合物半導体膜を形成した
場合においては、それらの半導体基板が立方晶系である
ために、基板上に成長された窒化物系化合物半導体膜も
基板の結晶型が保存され、エピタキシャル層が立方晶系
の膜となり、六方晶系の膜が得られない。このため、こ
れまではサファイアを基板として使用することで、六方
晶系の窒化物系化合物半導体膜を得ている。しかしなが
ら、このサファイアを基板として用いた場合には基板に
導電性がないために、積層された窒化物系化合物半導体
膜構造を形成した半導体素子、特に通常の発光素子にお
いては、表面に現われていない層へ電気的接触を図る場
合に表面からいくつかの層をエッチング除去する必要が
ある。本発明者らが実験を行なった結果、マグネシウム
を添加した通常のp型窒化物系化合物半導体結晶層では
エッチング処理によって除去することが非常に困難であ
るという問題点が判明した。
る問題である不純物の拡散である。本発明の対象である
窒化物系化合物半導体に限らず、半導体素子の作製工程
では、通常、結晶成長を行なった後に、様々な目的で熱
処理が施される。この場合、熱処理のために所望の領域
に止まっていることを望まれる不純物が拡散し、素子の
諸特性に対して悪影響を及ぼすという問題点がある。本
発明者らが実験を行なったところ、通常用いられる不純
物の中ではマグネシウムの拡散が最も顕著であることが
判明した。
は、その結晶自身の特性或いは結晶成長の観点から、平
坦な薄膜形成の困難さ、窒素空孔の存在、結晶をエッチ
ングする際の困難さ、熱処理工程における不純物の拡散
といった様々な問題点がある。これらの問題点は、特に
サファイアを基板として用いた窒化物系化合物半導体膜
半導体素子、特に発光素子を形成する上で大きな課題と
なっている。
ので、窒化物系化合物半導体層の形成において、不純物
添加という一つの手段を用いてこれらの問題点の解決を
はかることを目的とする。
る化合物半導体装置は、結晶基板と、前記基板に支持さ
れるように気相成長により形成され、且つマグネシウム
を含有する、p型若しくはi型の窒化物系化合物からな
る第1半導体層を具備し、前記第1半導体層は、1×1
016cm-3〜8×1017cm-3の珪素を含有することを
特徴とする。
置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化
合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層上に積
層されるように気相成長により形成され、且つマグネシ
ウムを含有する、p型の窒化物系化合物からなる第1半
導体層を具備し、前記第1半導体層は、1×1016cm
-3〜8×1017cm-3の珪素を含有することを特徴とす
る。
置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化
合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層部は、窒
化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光
層上に積層されるように気相成長により形成され且つマ
グネシウムを含有するp型の窒化物系化合物からなる半
導体領域とを具備し、前記半導体領域は、1×1016c
m-3〜8×1017cm -3の珪素を含有することを特徴と
する。
置は、結晶基板と、前記基板上に支持される窒化物系化
合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層部は、気
相成長により形成された窒化物系化合物からなるn型若
しくはi型の半導体領域と、このn型若しくはi型の半
導体領域上に形成された窒化物系化合物からなる半導体
発光層と、前記半導体発光層上に積層されるように気相
成長により形成され且つマグネシウムを含有する窒化物
系化合物からなるp型の半導体領域とを具備し、前記n
型若しくはi型の半導体領域は、1×1015cm-3〜1
×1017cm-3のマグネシウム若しくは1×1015cm
-3〜1×1017cm-3の亜鉛を含有し、前記p型の半導
体領域は、1×1016cm-3〜8×1017cm-3の珪素
を含有することを特徴とする。
する問題点が異なる。そのため、それらの元素による問
題点への作用を個々に説明する。元素は、マグネシウム
及び亜鉛のグループ、炭素、酸素、セレン及び硫黄のグ
ループ、珪素、水素の4つに分けられる。
ついて説明する。これらの元素は第1の問題点である成
長時の結晶の平坦性に関するものである。本発明者らが
実験を行なった結果、Siを添加したn型窒化物系化合
物半導体結晶膜では3次元成長から2次元成長への移行
が遅いことは上述した通りである。このような成長に対
して、マグネシウムを同時に添加したところ、3次元成
長から2次元成長への移行がマグネシウムを添加しない
場合と比較して早い時間、即ち膜厚が薄い時で起こるこ
とが判明した。即ち、マグネシウムを添加することによ
って平坦な薄膜を形成することができるようになる。し
かしながら、マグネシウムは本来アクセプター性の不純
物であるため、大量に添加することはn型結晶の形成を
阻害する。そのため、本発明者らが実験を行なった結
果、n型結晶の形成を阻害することなく、添加による効
果が得られる不純物濃度の範囲は、マグネシウムでは1
×1015cm-3〜1×1017cm-3であることが判明し
た。同様の効果は亜鉛においても確認されており、その
効果が現われる濃度範囲は1×1015cm-3〜1×10
17cm-3であることが判明した。
ループについて説明する。これらの元素は第2の問題点
である結晶中の窒素空孔の問題に関するものである。こ
れらの元素の原子は、窒化物系化合物半導体において窒
素サイトに入りやすいため、この化合物半導体に特有な
窒素空孔を埋めることができる。そのため、窒素空孔に
起因する深いドナー準位を消失させることができる。ま
た、上述した4種類の不純物元素はそれ自身、比較的浅
いドナーまたはアクセプターを形成する不純物であるこ
とから、不純物添加による深い不純物レベルの形成が生
じない。そのため、取り出し効率の損失を起こすことな
く、深いドナー準位を形成する窒素空孔を埋めることが
できる。一方、これらの不純物を過剰に添加することは
結晶性の低下による発光効率の低下を招くため望ましく
ない。このため、不純物濃度の適当な範囲を求めたとこ
ろ、炭素では1×1016cm-3〜5×1017cm-3、酸
素では1×1018cm-3〜1×1020cm-3、セレンで
は1×1016cm-3〜1×1018cm-3、硫黄1×10
16cm-3〜1×1018cm-3であることが判明した。
は第3の問題点である結晶のエッチングの困難さに関す
るものである。本発明者らが実験を行なった結果、マグ
ネシウムを添加した通常のp型窒化物系化合物半導体結
晶層では、エッチング除去することが非常に困難であっ
た。しかし、これに珪素を微量添加したところ、エッチ
ングが容易に行なえることが判明した。しかしながら、
珪素は本来n型を示すドナー性の不純物であるため、過
剰の添加はp型結晶の形成を阻害する。そのため、本発
明者らが実験を行なった結果、p型結晶の形成を阻害す
ることなく、添加による効果が得られる不純物濃度の範
囲は、1×1016cm-3〜8×1017cm-3の珪素であ
ることが判明した。
形成したn型GaN層とマグネシウム(Mg)を添加し
たp型GaN層とからなるpn接合構造について考え
る。n型層に水素が含まれていない場合、これらの構造
に熱処理を施したところ、Mgはp型層からn型層へ拡
散する。このような熱拡散は、通常用いられる不純物元
素の中でMgについて顕著に見られるものである。Mg
の熱拡散は本来n型であるべき結晶のキャリア濃度を著
しく低下させ、n型層にn型としての役割を果たさせな
い現象を生じさせる。しかしながら、n型層に適量の水
素が含まれている場合には、Mgの拡散は抑制され、p
型層からn型層へのMgの拡散は殆ど生じない。このよ
うに水素には不純物の拡散を抑制させる効果があるもの
と考えられる。本発明者らが実験を行なった結果、拡散
を抑制することができる水素濃度の範囲は1×1018c
m-3〜1×1020cm-3であることが判明した。
しながら以下に説明する。
の実施の形態に係る発光ダイオード10の断面を示す。
1を有しており、そのサファイア基板11の一主面11
a上に、格子不整合を緩和することを目的としたバッフ
ァ層12が50nmの厚さで形成されている。更にバッ
ファ層12の上に、順に、厚さ4μmのn型GaN層1
3、厚さ50nmのn型InGaN発光層14、クラッ
ド層として厚さ150nmのp型AlGaN層15、厚
さ300nmのp型GaN層16が積層されている。n
型GaN層13はクラッド層としても働く。
層16までの各層には、2×1017cm-3の炭素が含有
されている。また、第2の実施の形態で述べるように、
p型AlGaN層15及びp型GaN層16にSiが微
量添加され、これらがエッチングしやすいようになって
いる。
InGaN層14までが、n型GaN層13が露出する
までエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ400n
mのSiO2 膜17で覆われる。このSiO2 膜17の
必要な部分に孔が形成され、p型層16に対してAu−
Ni膜18が、n型層13に対してAl膜19が形成さ
れ、オーミック電極が配設される。
実施例を順に説明する。
属気相成長法(MOCVD法)による気相成長により製
造した。用いたガスは、原料ガスとしてアンモニア(N
H3)、シラン(SiH4 )及び四塩化炭素(CC
l4 )を用い、キャリアガスとして水素(H2 )及び窒
素(N2 )を用いた。有機金属原料として、トリメチル
ガリウム((CH3 )3 Ga)(以下、TMGと記
す)、トリメチルアルミニウム((CH3 )3 Al)
(以下、TMAと記す)、トリメチルインジウム((C
H3 )3 In)(以下、TMIと記す)、ジメチル亜鉛
((CH3 )2 Zn)(以下、DMZと記す)、ビスシ
クロペンタジエニルマグネシウム((C5 H5 ) 2 M
g)(以下、Cp2 Mgと記す)を用いた。
て洗浄したc面11aを一主面とした単結晶のサファイ
ア基板11をMOCVD装置の反応室に載置された加熱
可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を10
L/分の流量で流しながら、温度1050℃で約10分
間、サファイア基板11の一主面11aを気相エッチン
グした。
降温し、H2 を15L/分、N2 を5L/分、NH3 を
10L/分、及びTMGを25cc/分の各流量で6分
間流すことによって、バッファ層12を形成した。
で昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を5L/
分、NH3 を10L/分、TMGを25cc/分、10
0ppmのSiH4 を1cc/分、及びCCl4 を5c
c/分の各流量で60分流すことによって、n型GaN
層13を形成した。
降温し、H2 を5L/分、N2 を15L/分、NH3 を
10L/分、TMGを3cc/分、TMIを100cc
/分、SiH4 を1cc/分、DMZを10cc/分、
及びCCl4 を5cc/分の各流量で15分流すことに
よって、n型InGaN層14を形成した。
で昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を5L/
分、NH3 を10L/分、TMGを50cc/分、TM
Aを25cc/分、Cp2 Mgを30cc/分、CCl
4 を25cc/分、及びSiH 4 を0.1cc/分の各
流量で5分流すことによって、p型AlGaN層15を
形成した。
したまま、H2 を15L/分、N2を5L/分、NH3
を10L/分、TMGを25cc/分、Cp2 Mgを3
0cc/分、CCl4 を5cc/分、及びSiH4 を
0.1cc/分の各流量で5分程度流すことによって、
p型GaN層16を形成した。この様にCCl4 を成長
ガスに使用することで各成長層に炭素を含有させること
ができる。
の流れを切り、H2 を15L/分、N2 を5L/分、及
びNH3 を10L/分の各流量で流しながらサファイア
基板11を700℃まで降温した。更に、H2 及びNH
3 を切り、N2 を5L/分で保持しながらサファイア基
板11をサセプタ上に放置し、室温まで降温した(図8
参照)。
にする温度は300℃以上であることが必要であり、5
00℃以上であることが望ましい。これは高温の水素雰
囲気下では成長結晶膜の表面付近の不純物が活性水素に
よって不活性化するためであると考えられる。そのた
め、このような高温の水素雰囲気下では活性化される不
純物の割合は1%程度にすぎない。この様な場合には、
活性化されていない不純物は格子欠陥を作り、非発光再
結合中心となるため素子の効率を著しく低下させる。こ
れに対して上述したような高温で切り替えを行った場合
には、添加された不純物の少なくとも7%以上、多くの
場合10%以上が活性化されていることが判明した。
あることが望ましい。これ以上の速度で冷却した場合に
は、特にAlを加えた混晶系、例えばAlGaN等にお
いて、結晶に熱応力が掛かるため、結晶表面にクラック
が生じることがある。
は、母体結晶の構成元素の1つであるN2 を用いること
が望ましいが、He、Ar等の不活性ガスを用いること
も可能である。
化率を向上させるために従来とられてきた熱アニール等
の工程を必要としなくなるため、工程の簡略化を図るこ
とができ、製造に要する時間の短縮も図ることができ
る。更に、熱アニール等の後工程を経るよりも高い活性
化率を得ることができる。
サファイア基板11をMOCVD装置から取り出し、レ
ジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系
の水溶液によってn型GaN層13が露出するまでエッ
チングし、メサ構造とした。その後、CVD装置によっ
て、表面にSiO2 膜17を約400nm形成した。こ
の膜によってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近
のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
いて、p型GaN層16が約100μm角の大きさで、
またn型GaN層13が約100μmφの大きさで露出
するように孔を形成した。この孔を通して、p型層16
に対して約1μmのAu−Ni膜18を、n型層13に
対して約600nmのAl膜19を形成し、オーミック
電極とした。以上の工程で発光ダイオードが完成した。
不純物濃度はp型GaN層16中のMg濃度のみが1×
1020cm-3であり、n型GaN層13、n型InGa
N層14、及びp型AlGaN層15に各々含まれるS
i、Zn、Mgの濃度は2×1019cm-3であった。ま
た、n型GaN層13からp型GaN層16までの各層
中に含まれる炭素濃度は2×1017cm-3であった。
0を約350μm角の大きさでダイシングして、ステム
上にマウント、モールドし、ランプ化した。このように
して形成された発光ダイオードにおいては、順方向電流
20mAに対して2〜3mW程度の光出力を得ることが
でき、寿命も約2万時間を実現することができた。これ
らの値は、炭素を実質的に含まない、即ち、測定時の検
出限界以下であるような場合の同様の構造を有する発光
ダイオードの特性と比較して約2〜3倍の向上となって
いる。
から5×1017cm-3までの領域でこれまで述べてきた
ような効果が見られた。これより少ない場合には、窒素
空孔による深い準位の形成によって取り出し効率に低下
が見られた。即ち、炭素添加による効果が現われなかっ
た。一方、この範囲よりも多い場合には、炭素が結晶内
において析出し、非発光再結合センターや、結晶欠陥の
要因となり、効果が現われなくなった。効果が顕著に現
われるためには、炭素濃度が5×1016cm-3以上で且
つ5×1017cm-3以下であることが望ましく、更には
炭素濃度が1×1017cm-3から3×1017cm-3まで
の範囲にあるとき、取り出し効率が極大値をとった。
について述べたが、発光層がGaN、InGaAlNで
形成されている場合でも同様の効果が得られた。
の実施の形態に係る発光ダイオード20の断面を示す。
1を有しており、そのサファイア基板21上に、格子不
整合を緩和するためにGaNのバッファ層22が50n
mの厚さで形成されている。そのバッファ層22の上
に、順に、厚さ3μmのn型GaN層23、厚さ100
nmのn型InGaN発光層24、クラッド層として厚
さ300nmのp型AlGaN層25、厚さ500nm
のp型GaN層26が積層されている。
型GaN層26ではMg濃度が1×1020cm-3、Si
濃度は1×1017cm-3である。p型AlGaN層25
ではMg濃度が2×1019cm-3、Si濃度は1×10
17cm-3である。n型InGaN層24ではSi濃度が
2×1019cm-3、Zn濃度が1×1018cm-3であ
る。n型GaN層23中のSi濃度は2×1019cm-3
である。
実施例を順に説明する。
て洗浄したa面((11-20)面)を主面とした単結晶
のサファイア基板21をMOCVD装置の反応室に載置
された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧で
H2 を10L/分の流量で流しながら、温度1050℃
で約10分間、サファイア基板21の一主面を気相エッ
チングした。
降温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3
を5L/分、TMGを25cc/分の各流量で流すこと
によって、バッファ層22を形成した。
で昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/
分、NH3 を5L/分、TMGを25cc/分、SiH
4 を5cc/分の各流量で60分流すことによって、n
型GaN層23を形成した。
降温し、H2 を10L/分、N2 を15L/分、NH3
を5L/分、トリエチルガリウム((C2 H5 )3 G
a)(以下、TEGと記す)を3cc/分、TMIを3
0cc/分、DMZを1cc/分、SiH4 を1cc/
分の各流量で30分流すことによって、n型InGaN
層24を形成した。この層形成においてのZn添加は発
光中心としての役割と同時に、平坦な薄膜成長を助ける
役割をも合わせ持っている。
で昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/
分、NH3 を5L/分、TMGを50cc/分、TMA
を25cc/分、Cp2 Mgを50cc/分、SiH4
を1cc/分の各流量で10分間流すことによって、p
型AlGaN層25を形成した。
保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3
を5L/分、TMGを25cc/分、Cp2 Mgを10
0cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で10分程
度流すことによって、p型GaN層26を形成した。
4 を切り、H2 を15L/分、N2を10L/分、NH
3 を5L/分の各流量で流したまま、サファイア基板2
1を800℃まで降温した。その後、N2 を10L/分
流しながらサファイア基板21をサセプタ上に放置し、
室温まで降温した。
サファイア基板21をMOCVD装置から取り出し、レ
ジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系
の水溶液によってn型GaN層23が露出するまでエッ
チングし、メサ構造とした。その後、CVD装置によっ
て、表面にSiO2 膜27を約200nm形成した。こ
の膜によってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近
のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
いて、p型GaN層26が約100μm角の大きさで、
またn型GaN層23が約120μmφの大きさで露出
するように孔を形成した。この孔を通して、p型GaN
層26に対して約2μmのAu−Ni膜28を、n型層
23に対して約1μmのAl−Ti膜29を形成し、オ
ーミック電極とした。
20を約350μm角の大きさでダイシングして、ステ
ム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このよう
にして形成された発光ダイオード20は、発光強度にお
いても信頼性においても第1の実施の形態で示した発光
ダイオード10と同程度の性能を示した。
明の主旨であるp型GaN層26及びp型AlGaN層
25におけるSi濃度は上述した通り、いずれの層も2
×1017cm-3であった。この濃度においてp型GaN
層26及びp型AlGaN層25はエッチング除去する
ことができ、素子を形成することが可能であった。この
ようにエッチングが可能であった濃度は1×1016cm
-3以上を必要とした。一方、Siは本来ドナー性の不純
物であるため、過剰の添加は本来p型であるべきGaN
層26及びAlGaN層25をn型に変化させてしまう
という問題を生じる。そのため、Si濃度の上限は、そ
の層のアクセプター濃度に依存するが、素子形成に必要
なp型のキャリア濃度が1×1018cm-3であることか
ら、Si濃度が8×1017cm-3以下ではn型に転じる
ことが少ないということが判明した。更に、Si濃度が
5×1017cm-3以下であることが望ましく、5×10
16cm-3以上5×1017cm-3以下の濃度であることが
素子形成に最も望ましいものであった。
の実施の形態に係る発光ダイオード30の断面を示す。
板31を有しており、そのAlN基板31上に、順に、
厚さ4μmのn型AlGaN層33、厚さ100nmの
n型GaN発光層34、クラッド層として厚さ300n
mのp型AlGaN層35、厚さ500nmのp型Ga
N層36が積層されている。また、n型AlN層33か
らp型GaN層36までの各層中には酸素が1×1018
cm-3含有されている。
実施例を順に説明する。
て洗浄したAlN基板31をMOCVD装置の反応室に
載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常
圧でH2 を10L/分の流量で流しながら、温度105
0℃で約10分間、AlN基板の一主面を気相エッチン
グした。
温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、
NH3 を5L/分、TMAを25cc/分、TMGを5
0cc/分、SiH4 を1cc/分、0.1%に希釈し
た酸素(O2 )を20cc/分の各流量で60分流すこ
とによって、n型AlGaN層33を形成した。
したまま、H2 を10L/分、N2を15L/分、NH
3 を5L/分、TEGを3cc/分、DMZを10cc
/分、SiH4 を1cc/分、希釈した酸素O2 を30
0cc/分の各流量で4分流すことによって、n型Ga
N層34を形成した。
H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/
分、TMGを50cc/分、TMAを25cc/分、C
p2Mgを100cc/分、希釈したO2 を200cc
/分の各流量で5分間流すことによって、p型AlGa
N層35を形成した。
まま、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を
5L/分、TMGを50cc/分、Cp2 Mgを30c
c/分、希釈したO2 を200cc/分の各流量で20
分程度流すことによって、p型GaN層36を形成し
た。
温し、常圧でNH3 を10L/分、N2 を10L/分の
各流量で流しながらこれをサセプタ上に放置した。
基板31をMOCVD装置から取り出し、レジスト等を
用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液に
よってn型AlGaN層33が露出するまでエッチング
し、メサ構造とした。その後、CVD装置によって、表
面にSiO2 膜37を約300nm形成した。この膜に
よってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近のリー
ク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
いて、p型GaN層36が約100μm角の大きさで、
またn型AlGaN層33が約100μmφの大きさで
露出するように孔を形成した。この孔を通して、p型G
aN層36に対して約2μmのAu−Ni膜38を、n
型AlGaN層33に対して約1μmのAl膜39を形
成し、オーミック電極とした。
30を約400μm角の大きさでダイシングして、ステ
ム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このよう
にして形成された発光ダイオード30は、発光強度にお
いても信頼性においても第1の実施の形態で示した発光
ダイオード10と同程度の性能を示した。
不純物濃度はp型GaN層36中のMg濃度のみが1×
1020cm-3であり、n型AlGaN層33からp型A
lGaN層35までに含まれるSi、Zn、Mg濃度は
2×1019cm-3であった。また、本実施の形態の特徴
である酸素濃度は上述した値1×1018cm-3を含む1
×1018cm-3から1×1020cm-3までの領域で窒素
空孔を埋めることによる効果が見られた。これより少な
い場合には、発光強度に効果が見られなかった。一方、
この範囲よりも多い場合には、装置内で爆発する恐れが
あるため、装置の安全性に問題が生じる。この中でも1
×1018cm-3から1×1019cm-3の酸素濃度の場合
に発光素子として特性が最も向上した。
の実施の形態に係る発光ダイオード40の断面を示す。
1を有しており、そのサファイア基板11の一主面上
に、格子不整合を緩和するためにバッファ層42が50
nmの厚さで形成されている。そのバッファ層42の上
に、順に、厚さ4μmのn型GaN層43、厚さ50n
mのn型InGaN発光層44、クラッド層として厚さ
150nmのp型AlGaN層45、厚さ300nmの
p型GaN層46が積層されている。これらのn型Ga
N層43及びn型InGaN発光層44には、夫々水素
が5×1018cm-3含まれている。
4からp型GaN層46までが、n型GaN層43が露
出するまでエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ4
00nmのSiO2 膜47で覆われる。このSiO2 膜
47の必要な部分に孔が形成され、p型層46に対して
Au−Ni膜48が、n型層43に対してAl膜49が
形成され、オーミック電極が配設される。
実施例を順に説明する。
て洗浄したC面を主面とした単結晶のサファイア基板1
1をMOCVD装置の反応室に載置された加熱可能なサ
セプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を20L/分の
流量で流しながら、温度1100℃で約10分間、サフ
ァイア基板11を気相エッチングした。
降温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3
を5L/分、TMGを25cc/分、TMAを40cc
/分の各流量で流すことによって、バッファ層42を形
成した。
で昇温且つ保温し、H2 を20L/分、N2 を10L/
分、NH3 を10L/分、TMGを25cc/分、Si
H4を1cc/分の各流量で60分流すことによって、
n型GaN層43を形成した。
降温し、H2 を20L/分、N2 を15L/分、NH3
を10L/分、TEGを3cc/分、TMIを30cc
/分、DMZを1cc/分、SiH4 を1cc/分の各
流量で15分流すことによってn型InGaN層44を
形成した。
で昇温し、保温した状態で、H2 を15L/分、N2 を
10L/分、NH3 を10L/分、TMGを50cc/
分、TMAを25cc/分、Cp2 Mgを30cc/
分、SiH4 を0.1cc/分の各流量で5分間流すこ
とによって、p型AlGaN層45を形成した。
保温したまま、H2 を15L/分、N2 を10L/分、
NH3 を10L/分、TMGを50cc/分、Cp2 M
gを100cc/分、SiH4 を0.1cc/分の各流
量で5分程度流すことによって、p型GaN層46を形
成した。上記p型AlGaN層45及びp型GaN層4
6の成長では第2の実施の形態で述べたエッチングの容
易性のためにSiを添加した。
で降温し、常温でN2 を10L/分流しながらサセプタ
上に放置した。
イア基板11をMOCVD装置から取り出し、CVD装
置によって、表面にSiO2 膜47を約400nm形成
した。このSiO2 膜47をマスクとして、周知の反応
性イオンエッチング法(RIE法)によってn型GaN
層43が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。
このSiO2 膜47に弗酸系の溶液を用いて、p型Ga
N層46が約100μm角の大きさで露出するように孔
を形成した。この孔を通して、p型層46に対して約1
μmのAu−Ni膜48を形成し、またn型層43に対
して約600nmのAl膜49を形成し、夫々オーミッ
ク電極とした。
40を約350μm角の大きさでダイシングした後、ラ
ンプ化した。このようにして形成された発光ダイオード
40においては、先に述べた発光ダイオード10と同程
度の発光強度、信頼性を有していた。
不純物濃度はp型GaN層46中のMg濃度のみが1×
1020cm-3であり、n型GaN層43からp型AlG
aN層45までに含まれるSi、Zn、Mg濃度は2×
1019cm-3であった。また、本発明の主旨であるn型
GaN層43及びn型InGaN層44に含まれる水素
濃度5×1018cm-3であるが、3×1018cm-3から
1×1020cm-3までの領域で、p型AlGaN層45
及びp型GaN層46からのMgの拡散を抑制すること
ができた。これより少ない場合には、n型層43及び4
4へのMgの拡散が著しく、これらの層が補償効果によ
って絶縁層化する、或いはp型に変化してしまう現象が
見られた。一方、これより水素は多い場合にはキャリア
の要因となる不純物元素に対して水素が結合し、キャリ
ア不活性化の要因となった。従って、水素濃度が上記の
範囲3×1018cm-3から1×1020cm-3である必要
がある。更に望ましくは、3×1018cm-3から1×1
019cm-3程度の濃度である場合にその効果が顕著に現
われた。
の実施の形態に係る発光ダイオード50の断面を示す。
形態と大きく異なる点は基板にSiCを使用した点であ
る。各窒化物半導体層における主たる不純物は、SiC
基板51がN(窒素)、n型GaN層53がSi、n型
InGaN発光層54がSi及びZn、クラッド層であ
るp型AlGaN層55及びp型GaN層56がMgで
ある。これらの濃度については、上述4つの実施の形態
と同様、n型InGaN層54中のZn、p型AlGa
N層55中のMgについては2×1019cm-3であり、
p型GaN層56中のMgについては1×1020cm-3
である。また、Siについては、n型層53及び54で
1×1019cm-3程度、p型層55及び56で8×10
16cm-3である。その他の不純物としては、n型GaN
層53からp型GaN層56までの各層に夫々炭素が1
×1018cm-3、酸素が1×10 18cm-3含まれてい
る。
4つの実施の形態と同様にMOCVD法を用いた。この
実施の形態でも第1及び第2の実施の形態と同様の効果
を奏することに加えて、結晶欠陥密度も非常に低減し、
発光ダイオード10と比較して、発光強度について約2
倍、寿命について約3倍の性能向上をはかることができ
た。
の実施の形態に係るレーザダイオード60の断面を示
す。
61を有しており、そのサファイア基板上61に順に、
厚さ50nmのGaNバッファ層62、厚さ2μmのn
型GaN層63、厚さ500nmのn型AlGaN(A
lの組成比0.3)層64、厚さ100nmのアンドー
プGaN層65、厚さ500nmのp型AlGaN(A
lの組成比0.3)層66、厚さ300nmのp型Ga
N層67が形成されている。
層63ではSiが2×1019cm-3及びMgが5×10
16cm-3、n型AlGaN層64ではSiが2×1019
cm -3及びMgが8×1016cm-3、アンドープGaN
層65ではMgが1×1017cm-3、p型AlGaN層
66ではMgが3×1019cm-3、p型GaN層67で
はMgが1×1020cm-3である。
実施の形態と同様に行った。n型GaN層63からアン
ドープGaN層65までの各層には平坦な薄膜形成のた
めに上述した濃度でMgを添加した。かかるMgの濃度
は1×1015cm-3〜1×1017cm-3で効果が見られ
た。これより少ない場合には平坦な薄膜が得られなかっ
た。一方、これより多い場合においてはn型層ではキャ
リア濃度に低減が見られ、更にSiを添加しなければな
らず、平坦な膜が得られにくくなった。このため、Mg
濃度は1×1015cm-3〜1×1017cm-3が適当で、
1×1016cm -3〜1×1017cm-3の濃度であること
が望ましい。
の実施の形態に係る発光ダイオード70の断面を示す。
0)面)を主面とするサファイア基板71上に形成され
たものである。層構造はサファイア基板71から順に、
GaNバッファ層72、ZnドープGaN層73、Si
ドープn型GaN層74、n型InGaN発光層75、
Mgドープp型AlGaN層76、Mgドープp型Ga
N層77である。
であり、サファイア基板とGaN層との格子不整合とを
緩和するためにある。GaN層73は厚さが0.3μm
であり、本発明の主旨である2次元成長の促進をはかる
ためにZnを添加している。Znの濃度は1×1015c
m-3〜1×1017cm-3が適当で、1×1015cm-3〜
3×1016cm-3の濃度であることが望ましい。Siド
ープn型GaN層74は厚さが4μmであり、発光層に
電子を注入するためにある。また、基板に絶縁物である
サファイアを用いているためにエッチングによってn型
層を露出させなければならないため、層74は厚めに形
成している。層74のキャリア濃度は2×1018cm-3
程度である。
μmである。また、発光波長を450nm程度に合わせ
るため、Inの組成比は6%である場合には、SiとZ
nとを同時に添加している。In組成を30%程度まで
上げた場合にはSiのみを添加することで発光波長を調
整することが可能である。
0.2μmであり、発光層に正孔を注入する働きをす
る。また、Alの組成比については、電子のオーバーフ
ローを抑制するためには大きいことが望ましい一方、p
型キャリア濃度を確保するためには組成比は小さい方が
望ましい。これらの条件の複合により、Alの組成比は
5%から25%までの範囲にあることが望ましく、更に
は10%から20%の間にあることがより望ましい。
2μmであり、AlGaN層76では良好なオーミック
接触をとることが困難であることから形成されたもので
ある。キャリア濃度は1×1018cm-3以上程度あるこ
とが望ましく、ここでは2×1018cm-3と設定した。
また、p型層76及び77にはエッチングの実現を考慮
してSiを微量添加した。
にNi20nm、Au300nmの積層構造78を形成
し、良好なオーミック電極形成のための熱処理をほどこ
した後、ボンディング用として更にTi50nm、Au
2μmの積層構造79を形成した。このような発光ダイ
オード70においては20mAで2cd程度の輝度を示
した。
ではなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施することができる。上記実施の形態では発光素子につ
いて説明したが、上記実施の形態で説明した膜をチャネ
ル領域に使用した薄膜トランジスタやエミッタ、ベー
ス、コレクタに使ったヘテロ接合型バイポーラトランジ
スタ等も実現することができる。この場合結晶性が向上
した膜でトランジスタを形成できることから高速動作の
可能なデバイスの提供を期待できる。
半導体層中に炭素、珪素などの原子を含むことにより、
窒化物系化合物半導体結晶において、結晶成長、窒素空
孔、エッチング、及び不純物拡散といった諸問題が解決
され、良質で扱いやすい結晶を得ることができる。更
に、発光素子の発光強度や信頼性を向上させることがで
きる。
造断面図。
造断面図。
造断面図。
造断面図。
造断面図。
造断面図。
造断面図。
造方法における降温時の操作を説明するための図。
N基板、51…SiC基板、12、22、42、62、
72…バッファ層、13、23、43、53、63、7
4…n型GaN層、33…AlGaN層、14、24、
44、54、75…n型InGaN発光層、34…Ga
N発光層、15、25、35、45、55、66、76
…p型AlGaN層、16、26、36、46、56、
67、77…p型GaN層、64…n型AlGaN層、
65…アンドープGaN層、73…ZnドープGaN
層。
Claims (10)
- 【請求項1】結晶基板と、前記基板に支持されるように
気相成長により形成され、且つマグネシウムを含有す
る、p型若しくはi型の窒化物系化合物からなる第1半
導体層を具備し、前記第1半導体層は、1×1016cm
-3〜8×1017cm-3の珪素を含有することを特徴とす
る化合物半導体装置。 - 【請求項2】結晶基板と、前記基板上に支持される窒化
物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導体発光層
上に積層されるように気相成長により形成され、且つマ
グネシウムを含有する、p型の窒化物系化合物からなる
第1半導体層を具備し、前記第1半導体層は、1×10
16cm-3〜8×1017cm-3の珪素を含有することを特
徴とする化合物半導体装置。 - 【請求項3】前記基板と前記第1半導体層との間に介在
する、気相成長により形成されたn型若しくはi型の窒
化物系化合物からなる第2半導体層を更に具備し、前記
第2半導体層は、1×1015cm-3〜1×1017cm-3
のマグネシウム若しくは1×1015cm-3〜1×1017
cm-3の亜鉛を含有することを特徴とする請求項1また
は2に記載の化合物半導体装置。 - 【請求項4】前記基板と前記第2半導体層との間に窒化
物系化合物からなるバッファ層を備えることを特徴とす
る請求項3に記載の化合物半導体装置。 - 【請求項5】前記第2半導体層は、3×1018cm-3〜
1×1020cm-3の水素を含有することを特徴とする請
求項3または4に記載の化合物半導体装置。 - 【請求項6】前記発光層及び前記半導体層のいずれか
は、1×1016cm-3〜5×1017cm-3の炭素、1×
1018cm-3〜1×1020cm-3の酸素、1×1016c
m-3〜1×1018cm-3のセレン、若しくは1×1016
cm-3〜1×1018cm-3の硫黄を含有することを特徴
とする請求項1乃至5のいずれかに記載の化合物半導体
装置。 - 【請求項7】前記半導体装置は、前記基板に支持され且
つ発光素子を構成する窒化物系化合物からなる半導体積
層部を具備し、前記発光層及び前記半導体層は前記半導
体積層部に含まれることを特徴とする請求項2乃至6の
いずれかに記載の化合物半導体装置。 - 【請求項8】前記半導体積層部に含まれる各層が、Ga
N、InGaN、AlGaN、InGaAlNからなる
群から選択された材料からなることを特徴とする請求項
7に記載の化合物半導体装置。 - 【請求項9】結晶基板と、前記基板上に支持される窒化
物系化合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層部
は、窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記半導
体発光層上に積層されるように気相成長により形成され
且つマグネシウムを含有するp型の窒化物系化合物から
なる半導体領域とを具備し、前記半導体領域は、1×1
016cm-3〜8×1017cm-3の珪素を含有することを
特徴とする化合物半導体装置。 - 【請求項10】結晶基板と、前記基板上に支持される窒
化物系化合物からなる半導体積層部とを備え、前記積層
部は、気相成長により形成された窒化物系化合物からな
るn型若しくはi型の半導体領域と、このn型若しくは
i型の半導体領域上に形成された窒化物系化合物からな
る半導体発光層と、前記半導体発光層上に積層されるよ
うに気相成長により形成され且つマグネシウムを含有す
る窒化物系化合物からなるp型の半導体領域とを具備
し、前記n型若しくはi型の半導体領域は、1×1015
cm-3〜1×1017cm-3のマグネシウム若しくは1×
1015cm-3〜1×1017cm-3の亜鉛を含有し、前記
p型の半導体領域は、1×1016cm-3〜8×1017c
m-3の珪素を含有することを特徴とする化合物半導体装
置。
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