JP2004014675A

JP2004014675A - 窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイス

Info

Publication number: JP2004014675A
Application number: JP2002164030A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Suzuki; 鈴木　貴征; Tsuneaki Fujikura; 藤倉　序章; Kazuyuki Iizuka; 飯塚　和幸
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP3867623B2

Abstract

【課題】ＥＬＯ法のようなマスク材料を用いたプロセスを用いずに転位密度を低減させ、高品質な窒化物系化合物半導体結晶のエピタキシャル膜を得ること。
【解決手段】第一の窒化物系半導体結晶層３の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を５形成し、第一の窒化物系半導体結晶層３よりも第二の窒化物系半導体結晶層５の転位密度を減少させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの発光デバイス用あるいは高出力電界効果トランジスタ等の電子デバイス用の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に応用されている。
【０００３】
窒化物系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長は、格子整合する基板の入手が困難なため、一般にサファイアやＳｉＣ基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長している。この場合、エピタキシャル膜と基板の格子不整合のため、成長界面から欠陥が導入され、エピタキシャル膜表面には１０^９〜１０^１０ｃｍ^−２の転位が存在する。このため発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子の信頼性において悪影響を与えるという問題があり、様々な転位密度を減らす方法が試みられている。
【０００４】
従来の技術の問題点として、転位密度を減らす方法の一つとして、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース（ＥＬＯ）という選択成長を用いた方法がある。この方法は、ＳｉＯ_２などのマスク材料を用いて第一窒化物系化合物半導体の表面にパターニングを施与して選択成長を行い、当該マスクが形成された第一窒化物系化合物半導体上に上記マスク材料を埋め込むまで第二窒化物系化合物半導体を成長し、これによりマスク材料により転位が遮断されて第二窒化物系化合物半導体中の転位密度の低減がなされるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のＥＬＯ法では、例えばＳｉＯ_２膜をスパッタリングにより堆積させ、フォトリソグラフィー技術によりパターンを形成し、エッチングによりストライプなどのパターンを形成する等多くのプロセスを必要とする。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＥＬＯ法のようなマスク材料を用いたプロセスを用いずに、転位密度を低減させ、高品質な窒化物系化合物半導体結晶のエピタキシャル膜を得ること、すなわち高品質な窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【０００８】
請求項１の発明に係る窒化物系化合物半導体結晶の製造方法は、第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の製造方法において、上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１記載の製造方法において、５００℃以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１記載の製造方法において、室温で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。この場合、上記酸素を含む雰囲気は例えば大気とすることができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１〜４記載の製造方法において、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が１％以下であることを特徴とする。上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度は、転位密度の低減効果を得る上からは１％以下の少ない酸素濃度で十分である。従って０．１％以下の酸素濃度とすることもできる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１〜５記載の製造方法において、上記第一の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスと、その第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすプロセスと、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスを複数回繰り返すことを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明に係る窒化物系化合物半導体基材は、請求項１〜６のいずれかに記載の方法で得られた窒化物系化合物半導体結晶を備えてなる。
【００１５】
請求項８の発明に係る窒化物系化合物半導体デバイスは、請求項７に記載の窒化物系化合物半導体基材上に半導体デバイス構造を形成したことを特徴とする。
【００１６】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、第一の窒化物系半導体結晶層を成長させた後に成長を中断し、表面を酸素を含む雰囲気にさらし、再びその上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成することで、マスク材料を用いること無しに第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位を低減することにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１８】
図１に、製造する窒化物系化合物半導体基材１０の構造を示す。サファイア基板１上に、ＧａＮ低温堆積緩衝層２、第一の窒化物系半導体結晶層３を成長し、その成長を中断（成長中断部４）して第一の窒化物系半導体結晶層３の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層５を成長させた構造となっている。
【００１９】
［実施例１］
この実施例１は、第一の窒化物系半導体結晶層３の表面を、その第一の窒化物系半導体結晶層３の成長温度以下である常温で、酸素を含む雰囲気である大気中にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層５を形成し、これにより第一の窒化物系半導体結晶層３よりも第二の窒化物系半導体結晶層５の転位密度を減少させるようにしたものである。
【００２０】
まず、サファイア基板１を有機金属気相成長（以下ＭＯＣＶＤと略す）装置にセットし、水素雰囲気下で１２００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を５００℃まで下げ、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧと略す）、Ｎ原料としてアンモニア（以下ＮＨ_３と略す）を流し、ＧａＮ低温堆積緩衝層２を３０ｎｍ成長させた。
【００２１】
成長温度を１０００℃に昇温し、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ_３を流し、第一の窒化物系半導体結晶層３として第一のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた後、成長中断し、ＮＨ_３雰囲気で常温まで降温して、得られたＧａＮ薄膜を炉から大気中に出した。
【００２２】
前記第一のＧａＮエピタキシャル層の表面に現れるピットの数で転位密度を評価したところ、表１に示すように、転位密度は２×１０^９ｃｍ^−２であった。なお、表１は窒化物系化合物半導体結晶表面のＡＦＭで測定した転位ビット密度を示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
次に、得られたＧａＮ薄膜を再び炉に戻し、成長温度を１０００℃に昇温し、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ_３を流し、第二の窒化物系半導体結晶層５としての第二のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた。
【００２５】
このようにして得られた窒化物系化合物半導体基材１０のＧａＮエピタキシャル層表面の転位密度を測定したところ、１×１０^７ｃｍ^−２であった。すなわち、ＥＬＯ法を用いた場合と同程度の１０^７ｃｍ^−２オーダーに転位密度が低減された。
【００２６】
［実施例２］
この実施例２は、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が１％以下である例である。
【００２７】
すなわち、ＭＯＣＶＤにより、図１のように第一の窒化物系半導体結晶層３として前記第一のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた後、成長中断し、温度をそのままにして、酸素の原料として酸素ガス（酸素濃度１％）を１０秒間供給した。その後再び、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ_３を流し、第二の窒化物系半導体結晶層５としての第二のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた。
【００２８】
このようにして得られた実施例２のＧａＮエピタキシャル層表面の転位密度を測定したところ、２×１０^７ｃｍ^−２（表１参照）であった。すなわち、転位密度は、ＥＬＯ法を用いた場合と同程度の１０^７ｃｍ^−２オーダーに低減された。
【００２９】
［実施例３］
この実施例３は、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が０．１％以下である例である。
【００３０】
図１のように第一の窒化物系半導体結晶層３として前記第一のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた後、成長中断し、温度をそのままとして、酸素の原料として酸素ガス（酸素濃度０．１％）を１０秒間供給した。その後再び、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ_３を流し、第二の窒化物系半導体結晶層５としての第二のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた。
【００３１】
このようにして得られた実施例３のＧａＮ表面の転位密度を測定したところ、２×１０^７ｃｍ^−２（表１参照）であった。すなわち、転位密度は、ＥＬＯ法を用いた場合と同程度の１０^７ｃｍ^−２オーダーに低減され、上記酸素濃度１％〜０．１％の間では同じ効果が得られることが確認された。
【００３２】
要するに、酸素を含む雰囲気の酸素濃度は、転位密度の低減効果を得る上からは１％以下の少ない酸素濃度で十分である。従って０．１％以下の酸素濃度とすることもできる。
【００３３】
［実施例４］
この実施例４は、第一の窒化物系半導体結晶層３の表面を、その第一の窒化物系半導体結晶層３の成長温度以下である５００℃以下で、実施例３と同じ条件の酸素を含む雰囲気（酸素濃度０．１％）にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層５を形成し、これにより第一の窒化物系半導体結晶層３よりも第二の窒化物系半導体結晶層５の転位密度を減少させるようにした例である。
【００３４】
図１のように第一の窒化物系半導体結晶層３として前記第一のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた後、成長中断し、温度を５００℃に降温して、酸素の原料として酸素ガス（酸素濃度０．１％）を１０秒間供給した。その後再び成長温度を１０００℃に昇温し、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ_３を流し、第二のＧａＮエピタキシャル層を２μｍ成長させた。
【００３５】
このようにして得られたＧａＮ表面の転位密度を測定したところ、５×１０^６ｃｍ^−２（表１参照）であった。すなわち、転位密度は実施例３の場合よりも更に低減されて１０^６ｃｍ^−２オーダーとなり、このことから酸素を含む雰囲気にさらす場合には温度を低くすることが有効であることが確認された。従って、第一の窒化物系半導体結晶層３の表面を、５００℃よりも低い温度で酸素を含む雰囲気にさらすことも有効である。
【００３６】
［実施例５］
次に、上記窒化物系化合物半導体基材１０上に半導体デバイス構造を形成した実施例について説明する。半導体デバイス構造としては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの発光デバイス用、あるいは高出力電界効果トランジスタ等の電子デバイス用の構造でよいが、ここでは青色ＬＥＤの構造とした。
【００３７】
すなわち、上記した実施例１〜４の方法で作製した窒化物系化合物半導体基材１０の上に、発光デバイス構造を順次成長して発光波長４６０ｎｍの青色ＬＥＤ（実施例５〜８）を作製した。また比較のため、従来例として、本発明の成長方法を用いずにＥＬＯ法で成長した窒化物系化合物半導体基材（従来）の上に同じ発光デバイス構造を順次成長して発光波長４６０ｎｍの青色ＬＥＤ（従来例）を作製した。
【００３８】
発光デバイス部は実施例５〜８及び従来例の計５種類とも活性領域が同様な単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を持つものとした。すなわち、図２に示すように、ｎ−ＧａＮ層１１（濃度：ｎ＝２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ：ｔ＝２μｍ）、無添加Ｉｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ層１２（厚さ：ｔ＝５０ｎｍ）、ｐ−ＧａＮ層１３（濃度：ｐ＝１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ：ｔ＝１μｍ）を順次成長した。
【００３９】
これら実施例５〜８及び従来例の発光素子に対し、２０ｍＡを通電し、この時の発光出力を比較した。その結果を表２に示す。従来例のＬＥＤは発光出力が２．０ｍＷであるのに対し、実施例５〜８のものは４．２〜５．８ｍＷであり、従来例のものに比べて本発明の成長方法を用いた実施例５〜８のものは２倍以上発光効率が高くなった。なお、表２は図２で示した構造の発光素子に対し、２０ｍＡを通電した時の発光出力を示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
上記実施例ではサファイア基板を用いているが、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ基板などを用いることができる。ＧａＮ基板の場合は、ＧａＮ基板結晶表面を直接酸素を含む雰囲気にさらし、その上にＧａＮエピタキシャル層を成長してもよい。
【００４２】
また、ここでの成長方法は、気相成長が好ましく、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）法を用いたが、塩化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）法、有機金属塩化物気相エピタキシー（ＭＯＣ）法であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させるものであるため、本発明によれば、ＥＬＯ法のようなマスク材料を用いること無しに転位密度を低減させることができ、より高品質な窒化物系化合物半導体結晶の作製が可能となる。したがって、この上にＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子や受光素子、電子デバイスを作製すれば、その特性を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法により作製した窒化物系化合物半導体基材の断面を示す概略図である。
【図２】図１の窒化物系化合物半導体基材上に成長した発光デバイス構造の概略図である。
【符号の説明】
１　サファイア基板
２　ＧａＮ低温堆積緩衝層
３　第一の窒化物系半導体結晶層
４　成長中断部
５　第二の窒化物系半導体結晶層
１０　窒化物系化合物半導体基材

Claims

第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
５００℃以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
室温で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が１％以下であることを特徴とする請求項１〜４に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
上記第一の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスと、その第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすプロセスと、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１〜５に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
請求項１〜６のいずれかに記載の方法で得られた窒化物系化合物半導体結晶を備えてなる窒化物系化合物半導体基材。
請求項７に記載の窒化物系化合物半導体基材上に半導体デバイス構造を形成したことを特徴とする窒化物系化合物半導体デバイス。