JP2003017744A - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＬＥＤやレ
ーザにおいて、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層をクラックな
く形成する。 【解決手段】 サファイア基板１０上にＧａＮ層１２を
形成し、さらにＡｌＧａＮ層１４あるいはＡｌＧａＮと
ＧａＮの超格子層を形成する。ＧａＮ層１２は界面から
島状に成長し、やがて連続膜として表面が平坦化する。
ＧａＮ層１２の表面が平坦化する前の段階で成長を止
め、ＡｌＧａＮ層１４を形成する。これにより、ＡｌＧ
ａＮ層１４内の面内合成応力を抑制してクラックの発生
を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体の製造方法、特にＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を
形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体
は、ＬＥＤ等の短波長発光デバイスその他に広く応用さ
れている。
【０００３】このようなＬＥＤやレーザでは、光を効率
良く閉じこめるために、０．４μｍ以上の厚さのＡｌＧ
ａＮ（ＡｌＧａＮとＧａＮを交互に積層した超格子層を
含む）をＧａＮ上に成長させる必要がある。ＡｌＧａＮ
層はＧａＮ層よりも屈折率が小さく、ＧａＮ層をＡｌＧ
ａＮ層で挟むことで光を閉じこめることができる。
【０００４】図４には、従来の短波長レーザ（３７０ｎ
ｍ〜４５０ｎｍ）の構成が示されている。サファイア基
板１０上にｎ−ＧａＮ層１２が１μｍ以上形成され、Ｇ
ａＮ層１２上にｎ−クラッド層１４としてｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層が０．５μｍ程度形成される。ＡｌＧａＮ層上には
活性層１６としてＩｎＧａＮ層が形成され、さらにＩｎ
ＧａＮ層上にｐ−クラッド層１８としてＡｌＧａＮ層が
形成される。活性層１６から射出した光は両側のクラッ
ド層１４、１８で反射して閉じこめられる。
【０００５】しかしながら、クラッド層の材料であるＡ
ｌＧａＮの格子定数はＧａＮの格子定数よりも小さいた
め、ＡｌＧａＮ層の中に図中矢印で示されるような面内
引っ張り応力が生じ、ＡｌＧａＮの膜厚が増大するとと
もに引っ張り応力も増大して臨界値を超え、図に示され
るようにクラック１４ａが生じてしまう問題があった。
【０００６】そこで、例えば特開平１１−６８２５６号
公報に開示されているように、ＩｎＧａＮ層を形成し、
このＩｎＧａＮ上にＡｌＧａＮ層を形成してＩｎＧａＮ
層をクラック防止層として機能させることが提案されて
いる。
【０００７】図５には、この場合の構成が示されてい
る。図４と異なる点は、ｎ−ＧａＮ層１２とｎ−クラッ
ド層１４との間にｉｎＧａＮ層からなるクラック防止層
１３が形成されていることである。このクラック防止層
１３は、１００オングストローム以上０．５μｍ以下の
膜厚とされる。１００オングストロームよりも薄いとク
ラック防止の効果がなく、０．５μｍよりも厚いと結晶
自体が黒変するためと説明されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなクラック防止層１３を形成してもＡｌＧａＮ層のク
ラックを防止できるのはせいぜい０．５μｍ程度であ
り、これ以上の膜厚とするとＡｌＧａＮ層にクラックが
生じてしまう問題がある。
【０００９】また、ＩｎＧａＮ層をクラック防止層１３
として用いると、活性層から射出した紫外線をＩｎＧａ
Ｎ層で吸収してしまい、発光効率が低下してしまう問題
もある。
【００１０】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、発光効率を低下さ
せることなく、かつ、クラックもなく従来以上に厚いＡ
ｌＧａＮ層を形成することができる方法を提供すること
にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板上にＧａＮ系半導体層とＡｌＧａＮ
系半導体層を順次積層してなる窒化ガリウム系化合物半
導体の製造方法であって、前記ＧａＮ系半導体層の表面
が実質的に非平坦の状態で前記ＡｌＧａＮ系半導体層を
積層することを特徴とする。
【００１２】また、本発明は、基板上にＧａＮ系半導体
層とＡｌＧａＮ系半導体層を順次積層してなる窒化ガリ
ウム系化合物半導体の製造方法であって、前記ＧａＮ系
半導体の膜厚を０．３μｍ以上０．５μｍ以下とするこ
とを特徴とする。
【００１３】本方法において、前記ＡｌＧａＮ系半導体
層は、ＡｌＧａＮとＧａＮを交互に積層してなる超格子
層とすることができる。
【００１４】このように、本発明においては、従来のよ
うにＧａＮ層を十分成長させてその表面が平坦化した後
にＡｌＧａＮ層を形成するのではなく、ＧａＮ層の表面
が未だ平坦化されていない時点でＡｌＧａＮ層をＧａＮ
層上に形成するものである。ＧａＮ層の表面が平坦でな
いため、その上に形成されるＡｌＧａＮ層もその初期に
おいては平坦ではなく、複数の部位で傾斜形成される。
したがって、ＡｌＧａＮ層内には面内に平行な応力だけ
でなく、傾斜部における傾斜方向の応力も生じ、ＡｌＧ
ａＮ層全体としての合成応力ベクトルは平坦なＧａＮ層
上に形成されるよりも小さくなる。したがって、ＡｌＧ
ａＮ層の膜厚を増大させてもクラックの発生を抑制する
ことができる。
【００１５】ここで、ＡｌＧａＮ層としては、ＡｌＧａ
Ｎ単層の他、ＡｌＧａＮを用いた超格子層とすることも
できる、このような超格子層の一例はＡｌＧａＮとＧａ
Ｎを交互に積層させた層である。超格子層とすること
で、ＡｌＧａＮ単層とする場合に比べてＡｌの比率を低
下させて内部応力を低減することができ、ＧａＮの非平
坦化表面に形成することと相俟って一層のクラック抑制
効果を得ることができる。
【００１６】本発明に係る方法は、ＧａＮ系半導体を用
いたＬＥＤやレーザの製造に適用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。ここで、本実施形態に係るレー
ザの全体構成は図４に示された構成と同様であるためそ
の説明は省略し、ｎ−ＧａＮ層１２上にｎ−クラッド層
１４としてのＡｌＧａＮ層を形成するステップについて
説明する。なお、図４に示された構成に加え、レーザデ
バイスとしてはｎ型電極やｎ型コンタクト層、ｐ型電
極、ｐ−コンタクト層等が存在するが、これらは周知の
構成であるためその説明も省略する。当業者であれば、
図４の構成に加え適宜これらの構成を付加することは容
易であろう。
【００１８】図１には、本実施形態においてＧａＮ層上
にＡｌＧａＮ層を形成する際に前提となるＧａＮ層の成
長の様子が模式的に示されている。サファイア基板１０
上にＭＯＣＶＤを用いて１０７０度程度でＧａＮを成長
させる際、基板１０との界面に結晶格子の荒れた領域が
存在するため、成長初期にはＧａＮは一様に成長するの
ではなく島状に成長する（図中一点鎖線）。そして、成
長が進むにつれ面内方向の成長が支配的となり、最終的
に連続膜となってＧａＮ層１２が形成される（図中実
線）。
【００１９】したがって、ＧａＮ層１２の膜厚がある程
度薄いと、ＧａＮ層の表面は未だ平坦になっておらず島
状の成長が残っている状態にある。本実施形態では、Ｇ
ａＮの表面が平坦ではない段階、あるいは島状成長の段
階でＧａＮの上にＡｌＧａＮ層を形成する。
【００２０】図２（Ａ）、（Ｂ）には、本実施形態にお
けるＡｌＧａＮ層の形成の様子が示されている。図中一
点鎖線はＧａＮ層１２であり、従来のように面内方向に
連続膜となっておらず、表面が非平坦で島状となってい
る。ＧａＮ層１２の膜厚としては、従来のように１μｍ
以上（例えば２μｍ）とした場合には表面がほぼ平坦化
するが、０．４μｍ程度であれば未だ平坦化しておら
ず、島状の凹凸が存在している。この段階で（Ａ）に示
されるようにＡｌＧａＮ層１４を成長させるのである。
ＡｌＧａＮ層１４の各領域には従来と同様に引っ張り応
力（図中ａ、ｂ）が生ずるが、島状成長部分の斜面では
その応力の向きが面内に平行ではない。このため、Ａｌ
ＧａＮ層１４を厚く成長させると応力は大きくなるが、
応力はベクトルであるため合成応力はＡｌＧａＮ層の膜
厚に比例して増大することはない。
【００２１】したがって、最終的に（Ｂ）に示されるよ
うにＡｌＧａＮ層１４を従来以上に厚く形成しても、合
成応力は大きく増大せず、クラックの発生を抑制するこ
とができる。これにより、ＡｌＧａＮ層１４をクラッド
層などに用いた場合でも、従来以上に膜厚を大きくする
ことができるので、光閉じこめ効果あるいはキャリア閉
じこめ効果を増大させることができる。
【００２２】図３には、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ積層構造に
おける厚さ方向の応力変化が示されている。図におい
て、（Ａ）は表面が非平坦（島状）なＧａＮ層上にＡｌ
ＧａＮ層を形成した場合の応力変化であり、（Ｂ）は表
面が平坦（連続的）なＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成
した場合（従来）の応力変化である。図において、Ｇａ
Ｎ層内では圧縮応力が生じ、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層と
の界面で応力が変化してＡｌＧａＮ層内では引っ張り応
力となる。（Ａ）の場合にはＧａＮ層とＡｌＧａＮ層と
の界面で比較的応力がゆっくり変化するため、クラック
の原因となる最大応力が小さくなる。すなわち、それぞ
れの最大応力をσａ及びσｂとすると、σａ＜σｂであ
る。したがって、本実施形態ではクラックの発生しない
臨界膜厚を従来以上に増大させることが可能となる。
【００２３】なお、本実施形態においてはＧａＮ層１２
上にＡｌＧａＮ層を形成しているが、ＧａＮ層１２上に
ＡｌＧａＮとＧａＮの超格子層を形成してもよい。
【００２４】
【実施例】サファイアｃ面上に、厚さｔのＧａＮを１０
７０度にて成長させ、その後続けてＮ周期のＡｌ0.2Ｇ
ａ0.8Ｎ／ＧａＮ超格子（ＳＬＳ：strained layer supe
r lattice）を成長させた。すなわち、基板／ＧａＮ層
／ＡｌＧａＮとＧａＮのＳＬＳ層である。なお、成長に
はＭＯＣＶＤ装置を用い、具体的には反応管内にサファ
イア基板をサセプタ上に載置し、Ｈ2雰囲気下でヒータ
を用いてサファイア基板を１１５０度まで加熱して熱処
理した後に、ガス導入部からトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、ＮＨ3、Ｈ2を供給して基板温度を１０７５度に維
持しながらＧａＮ及びＡｌＧａＮ層を順次成長させた。
超格子におけるＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの厚さは２ｎｍ、Ｇａ
Ｎの厚さは２ｎｍである。以上のようにして成長させた
後、超格子表面のクラックの発生状況を光学顕微鏡、Ａ
ＦＭ（原子間力顕微鏡）で詳細に観察した。肉眼ではク
ラックが見られない場合であっても、光学顕微鏡あるい
はＡＦＭでクラックが観察される場合があった。以下に
その結果を示す。
【００２５】
【表１】 ＧａＮ層の膜厚ｔが０．４μｍと薄い場合には、ＳＬＳ
層の合計厚さが２μｍと非常に厚い場合であってもクラ
ックが発生していないのに対し、ＧａＮ層の厚さが０．
６μｍ以上になるとＳＬＳ層の合計厚さが１．８μｍ以
下でもクラックが発生してしまう。
【００２６】なお、ＳＬＳ層の代わりにＡｌ0.2Ｇａ0.8
Ｎの単層をＧａＮ層上に成長させた場合には、クラック
が発生する臨界厚さは約１／３となった。これは、ＳＬ
Ｓ層の平均Ａｌ組成が０．１と小さいことと、ＳＬＳ内
部の歪み分布が応力をさらに下げる方向に作用している
ためと考えられる。
【００２７】また、ＧａＮ層の膜厚ｔが０．４μｍ以上
の場合にはＳＬＳ層中に発生する転位密度はｔが２μｍ
の場合と同程度に低い値であったが、ｔが０．２μｍ以
下になると転位密度が急激に増大することが観察され
た。
【００２８】以上より、良好な結晶性を確保するために
はＧａＮ層の厚さは０．２μｍ以上、好ましくは０．３
μｍ以上必要であり、また、クラックの発生を防止する
ためには必要なＡｌＧａＮ層あるいはＳＬＳ層の厚さに
も依存するが、従来以上（例えば２μｍ）とするために
０．５μｍ以下とすることが必要であることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
クラックの発生を抑制しつつＧａＮ層上に厚いＡｌＧａ
Ｎ系層を形成することができ、これによりＬＥＤやレー
ザなどのデバイス構造とした場合に発光効率の増大や動
作の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係るＧａＮ層の成長説明図であ
る。
【図２】 実施形態のＧａＮ層上のＡｌＧａＮ層成長説
明図である。
【図３】 応力と厚さとの関係を示すグラフ図である。
【図４】 ＵＶレーザの構成図である。
【図５】 ＵＶレーザの他の構成図である。
【符号の説明】
１０ サファイア基板、１２ ＧａＮ層、１４ ＡｌＧ
ａＮ層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 タオ ワン 徳島県徳島市南常三島町２−１ 徳島大学 内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 DB01 DB13 EF05 TB01 TC14 5F041 AA03 AA09 CA04 CA40 CA65 CA73 5F073 AA74 CA07 CB05 DA05 DA16 EA15 EA29 HA12

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上にＧａＮ系半導体層とＡｌＧａＮ
    系半導体層を順次積層してなる窒化ガリウム系化合物半
    導体の製造方法であって、 前記ＧａＮ系半導体層の表面が実質的に非平坦の状態で
    前記ＡｌＧａＮ系半導体層を積層することを特徴とする
    窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
  2. 【請求項２】 基板上にＧａＮ系半導体層とＡｌＧａＮ
    系半導体層を順次積層してなる窒化ガリウム系化合物半
    導体の製造方法であって、 前記ＧａＮ系半導体の膜厚を０．３μｍ以上０．５μｍ
    以下とすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導
    体の製造方法。
  3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれかに記載の方法に
    おいて、 前記ＡｌＧａＮ系半導体層は、ＡｌＧａＮとＧａＮを交
    互に積層してなる超格子層であることを特徴とする窒化
    ガリウム系化合物半導体の製造方法。
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