JP2004343137A

JP2004343137A - ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体、発光ダイオードおよび半導体レーザ

Info

Publication number: JP2004343137A
Application number: JP2004208283A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Asazuma; 庸紀朝妻; Katsunori Yanashima; 克典簗嶋; Takao Miyajima; 孝夫宮嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】結晶性および電気伝導性を向上させると共に、結晶の成長面内における組成比やｐ型不純物濃度を均一とする。
【解決手段】ＡｌＧａＮ混晶よりなる厚さ１〜１００ｎｍ程度の第１の層１１と、Ｍｇが添加されたｐ型ＧａＮよりなる厚さ１〜１００ｎｍ程度の第２の層１２とを交互にそれぞれ複数積層する。アルミニウムの含有量とｐ型不純物濃度とが互いに異なる第１の層１１と第２の層１２とをそれぞれ別工程で形成でき、全体としてはｐ型ＡｌＧａＮ混晶としての性質を持つ良好なｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種のＩＩＩ族元素と、窒素（Ｎ）と、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）および炭素（Ｃ）からなる群のうちの少なくとも１種のｐ型不純物とを含むｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体、発光ダイオードおよび半導体レーザに関する。

近年、短波長光源素子，耐環境素子または高周波電子素子などの分野では、これらを構成する材料としてＧａＮ，ＡｌＧａＮ混晶，ＩｎＧａＮ混晶またはＢＡｌＧａＩｎＮ混晶などのＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が有望視されている。特に最近、このＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が実用化され注目を集めている。また、半導体レーザ（ＬＤ）の達成も報告され、光ディスクを初めとした応用が期待されている。

このような素子の実用化を図る際には、デバイスとして使用し得る程度の高品質なＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を効率よく作製することが重要である。特に、光デバイスにおいては、光や電子を正孔に閉じ込めかつ効率よく電流を流すために、高品質のｐ型およびｎ型のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を作製することが望まれる。

ちなみに、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を作製する方法としては、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）などがある。例えばＭＯＣＶＤ法では、ゲルマニウム，アルミニウムおよびインジウムなどのＩＩＩ族元素の原料ガス（有機金属ガス）を窒素の原料ガス（例えばアンモニア（ＮＨ₃）ガス）と共に加熱した基板の上に供給して反応させ、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を基板の上にエピタキシャル成長させる。また、ＭＢＥ法では、ＩＩＩ族元素および窒素の粒子線を基板に照射して、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を基板の上にエピタキシャル成長させる。

その際、ｎ型の半導体を作製するのであれば、珪素（Ｓｉ）などのｎ型不純物の原料ガスあるいは粒子線をＩＩＩ族元素および窒素の原料ガスあるいは粒子線と共に供給する。これにより、容易に高い結晶性および電気伝導性を有するｎ型のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を作製することができる。一方、ｐ型の半導体を作製するのであれば、マグネシウム，亜鉛あるいは炭素などのｐ型不純物の原料ガスあるいは粒子線をＩＩＩ族元素および窒素の原料ガスあるいは粒子線と共に供給して結晶を成長させたのち、必要に応じて低速電子線照射や熱アニールなどによりキャリアを活性化させる。

しかしながら、ｎ型のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は容易に作製することができるのに対し、ｐ型のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は作製が困難であり、結晶性および電気伝導性が低く、また結晶の成長面内（基板の表面と平行な面内）において組成比やｐ型不純物濃度が不均一になってしまうという問題があった。これは、ＩＩＩ族元素の原料ガスあるいは粒子線とｐ型不純物の原料ガスあるいは粒子線とが基板に到達する前に反応してしまうためであると考えられる。

特に、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶の作製は困難であり、母体結晶であるＡｌＧａＮ混晶のアルミニウム組成がマグネシウムを添加しない場合に比べて著しく低くなってしまうと共に、ｐ型としての電気的特性も同程度のマグネシウムを添加したＧａＮに比べて著しく劣ってしまう。すなわち、ＩＩＩ族元素のうち特にアルミニウムとｐ型不純物のマグネシウムとが反応しやすいものと考えられる。

なお、本発明の先行技術として、例えば特許文献１に記載の窒化物半導体素子がある。この窒化物半導体素子は、超格子層を組成の異なる２層構造により形成することにより、閾値電流，電圧を低下させるものであるが、バンドキャップエネルギーが大きな層の不純物濃度を大きくする等、本発明とは異なる構成を有している。
特開平１０−３３５７５７号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、結晶性および電気伝導性が高く、かつ結晶の成長面内における組成比やｐ型不純物濃度が均一のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体、並びにそれを備えた発光ダイオードおよび半導体レーザを提供することにある。

本発明のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えた構成を有するものである。

また、本発明の発光ダイオードおよび半導体レーザは、それぞれ本発明のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体により構成された層を備えたものである。

本発明のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体では、アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えたものであり、これら複数の層が全体で１つのｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体としての機能を有する。

本発明のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体によれば、アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、これら複数の層に全体として１つのｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体としての機能を持たせることができ、しかも、各層の結晶性などをそれぞれ容易に高めることができる。よって、全体の結晶性および電気伝導性を向上させることができると共に、成長面内における組成およびｐ型不純物濃度の均一性も向上させることができる。従って、このｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を用いて、発光ダイオードおよび半導体レーザなどの短波長光源素子や耐環境素子や高周波電子素子などを構成すれば、その品質を改善することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の構成を表すものである。このｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムおよびガリウムと窒素とからなる母体結晶にｐ型不純物としてマグネシウムが添加されたものである。但し、このｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、組成あるいは含有するＩＩＩ族元素の種類およびｐ型不純物濃度が全体にわたって均一なわけではなく、それらが互いに異なる第１の層１１と第２の層１２とを交互に複数層それぞれ備えている。

例えば、図１において括弧書きにより例示したように、第１の層１１はＡｌＧａＮ混晶により構成され、第２の層１２はｐ型不純物としてマグネシウムを含むｐ型ＧａＮにより構成される。すなわち、このｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、構成元素であるＩＩＩ族元素のアルミニウムとｐ型不純物のマグネシウムとのうち、アルミニウムを含みマグネシウムを含まない第１の層１１とマグネシウムを含みアルミニウムを含まない第２の層１２とを交互に積層したものである。

また、図１においては例示してないが、第１の層１１は第２の層１２よりもｐ型不純物濃度が低くＩＩＩ族元素のアルミニウム組成比が高いマグネシウム含有ｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成され、第２の層１２は第１の層１１よりもｐ型不純物濃度が高くアルミニウム組成比が低いマグネシウム含有ｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成される場合もある。すなわち、このｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、第２の層１２よりもアルミニウムを多く含む第１の層１１と、第１の層１１よりもマグネシウムを多く含む第２の層１２とを交互に積層したものである。

なお、第１の層１１および第２の層１２の厚さは、例えばそれぞれ１〜１００ｎｍ程度である。このように、本実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は第１の層１１および第２の層１２の厚さがそれぞれ薄いので、マグネシウムを含まない第１の層１１とアルミニウムを含まない第２の層１２とを積層したものであっても、全体としてはｐ型ＡｌＧａＮ混晶としての性質を持つことができる。また、マグネシウムの濃度およびアルミニウムの組成比が異なる第１の層１１と第２の層１２とを積層したものであっても、全体としては１つのｐ型ＡｌＧａＮ混晶としての性質を持つことができる。ちなみに、第１の層１１と第２の層１２の厚さは同一でも同一でなくてもよい。

このような構成を有するｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は次のようにして製造することができる。

まず、適宜な基板（例えばサファイア基板）を用意し、適宜な炉内においてＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法などにより、第１の層１１としてマグネシウムを添加しないＡｌＧａＮ混晶層と、第２の層１２としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮ層とを交互に積層する（積層工程）。

例えば、ＭＯＣＶＤ法であれば、基板を適宜に加熱（例えば８００〜１０００℃）しながら適宜な原料ガスをキャリアガスと共に選択的に炉内に供給し、基板の上に各結晶層を成長させる。例えば、アルミニウムの原料ガスとしてはトリメチルアルミニウムガス（（ＣＨ₃）₃Ａｌ），ガリウムの原料ガスとしてはトリメチルガリウムガス（（ＣＨ₃）₃Ｇａ），窒素の原料ガスとしてはアンモニアガス，マグネシウムの原料ガスとしてはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガス（ＭｅＣｐ₂Ｍｇ）やビス＝シクロペンタジエニルマグネシウムガス（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いる。キャリアガスとしては、水素ガス（Ｈ₂）や窒素ガス（Ｎ₂）などを用いる。なお、ＡｌＧａＮ混晶層を成長させる時には原料ガスのうちアルミニウム，ガリウムおよび窒素の原料ガスを選択的に供給し、ｐ型ＧａＮ層を成長させる時にはマグネシウム，ガリウムおよび窒素の原料ガスを選択的に供給する。

また、ＭＢＥ法であれば、アルミニウム，ガリウム，窒素およびマグネシウムの各粒子線を基板に対して選択的に照射し、各結晶層を成長させる。

このようにして第１の層１１と第２の層１２とを成長させたのち、必要に応じて熱処理を行う。これにより、第１の層１１（ＡｌＧａＮ混晶層）のアルミニウムと第２の層１２（ｐ型ＧａＮ層）のマグネシウムとが一部において互いに拡散する。よって、この熱処理を行った場合、第１の層１１はマグネシウムの濃度が低くアルミニウムの組成比が高いｐ型ＡｌＧａＮ混晶層となり、第２の層１２はマグネシウムの濃度が高くアルミニウムの組成比が低いｐ型ＡｌＧａＮ混晶層となる。以上により、本実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が形成される。

このように本実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体によれば、ＡｌＧａＮ混晶よりなる第１の層１１とｐ型不純物としてマグネシウムを含むｐ型ＧａＮよりなる第２の層１２とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、あるいはわずかにマグネシウムを含むｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなる第１の層１１とわずかにアルミニウムを含むｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなる第２の層１２とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、第１の層１１および第２の層１２の結晶性などをそれぞれ容易に高めることができる。よって、全体としてはｐ型ＡｌＧａＮ混晶としての性質を持たせつつ、結晶性および電気伝導性を向上させることができると共に、成長面内における組成およびｐ型不純物濃度の均一性も向上させることができる。

また、本実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の製造方法によれば、第１の層１１としてのＡｌＧａＮ混晶層と第２の層１２としてのｐ型ＧａＮ層とを交互に積層するようにしたので、同時に供給すると良好な結晶を成長させることができないアルミニウムの原料とマグネシウムの原料とを時間的に分離して供給することができ、結晶性または電気伝導性が高く成長面内における組成またはｐ型不純物濃度が均一の第１の層１１および第２の層１２をそれぞれ形成することができる。従って、全体としてはｐ型ＡｌＧａＮ混晶としての性質を持つ良好なｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を容易に製造することができる。

更に、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。

本実施例では、まず、図２に示したように、サファイアよりなる基板２１の上に厚さ約２０ｎｍのＧａＮよりなるバッファ層２２および厚さ約１μｍのＧａＮ層２３を形成し、その上に厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮ混晶よりなる第１の層１１と厚さ１０ｎｍのマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮよりなる第２の層１２とを交互に２０層づつ積層した。

なお、これらの各層は図３に示したようにしてＭＯＣＶＤ法により形成した。すなわち、適宜な反応炉３１の内部に設けられた載置台３２の上に基板２１を載置し、原料ガスをキャリアガスと共に基板２１の表面（すなわち成長面）に対して平行に流した。また、基板２１を載置台３２に設けた図示しない加熱装置によって１０００℃に加熱した。

ちなみに、アルミニウムの原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウムの原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、窒素の原料ガスにはアンモニアガスを、マグネシウムの原料ガスにはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガスをそれぞれ用い、成長させる層に応じて選択的に炉内に供給した。すなわち、第１の層１１を成長させる際にはトリメチルアルミニウムガスとトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとをそれぞれ供給し、第２の層１２を成長させる際にはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガスとトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとをそれぞれ供給した。また、キャリアガスには水素ガスと窒素ガスを用いた。

次いで、キャリアを活性化するための熱処理を行った。以上により、本実施例の試料を作製した。

そののち、この作製した試料に関し、第１の層１１と第２の層１２について積層方向全体を平均したアルミニウムの組成比をＸ線回折により分析した。分析は試料の成長面内における複数の位置（中心と上流側と下流側の３点）について行った。その分析結果を従来例と比較して図４に示す。なお、従来例は、本実施例の第１の層１１および第２の層１２に代えて、アルミニウムとガリウムと窒素とマグネシウムの各原料ガスを同時にそれぞれ供給してｐ型ＡｌＧａＮ混晶層を形成したことを除き、本実施例と同様にして作製した。

図４からわかるように、従来例はアルミニウムの組成比が原料ガスの上流側で大きく、中央から下流側にかけては急速に小さくなっていた。これは、アルミニウムとマグネシウムの原料ガスが上流側で反応してしまい、成長面内におけるアルミニウムの組成比が不均一になってしまったものと考えられる。これに対して、本実施例は試料の位置によるアルミニウムの組成比の差が小さく、平均的にアルミニウムの組成比が高くなっていた。すなわち、本実施例によれば従来例に比べて結晶性および成長面内における組成の均一性が向上することがわかった。

また、この作製した試料に関し、キャリア濃度を測定したところ１〜３×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。従来例についてもキャリア濃度を測定しようとしたが、抵抗が高く電極を設置してもオーミックコンタクトを取ることができず、測定不能であった。すなわち、本実施例によれば従来例に比べて電気伝導性も向上することがわかった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その均等の範囲で種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および上記実施例においては、ＩＩＩ族元素であるアルミニウムおよびガリウムと窒素とからなる母体結晶にｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体について説明したが、本発明は、ガリウム，アルミニウム，ホウ素およびインジウムからなる群のうちの少なくとも１種のＩＩＩ族元素と、窒素と、マグネシウム，亜鉛および炭素からなる群のうちの少なくとも１種のｐ型不純物とを含むｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体について広く適用することができる。

なお、その製造に際しては、積層工程において、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種を第１の層および第２の層のうちの第１の層のみに含み、かつｐ型不純物のうちの少なくとも１種を第１の層および第２の層のうちの第２の層のみに含む第１の層と第２の層とを交互にそれぞれ複数積層すればよい。

また、上記実施の形態においては、ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を第１の層１１と第２の層１２とにより構成するようにしたが、本発明は、第１の層１１および第２の層１２に加えて他の層を備えていてもよい。例えば、上記実施の形態において熱処理により第１の層１１（ＡｌＧａＮ混晶層）のアルミニウムと第２の層１２（ｐ型ＧａＮ層）のマグネシウムとがごく狭い範囲で拡散した場合など、ＡｌＧａＮ混晶よりなる第１の層１１とｐ型ＧａＮよりなる第２の層１２との間にｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなる第３の層をそれぞれ備えていてもよい。

更に、上記実施の形態および上記実施例においては、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いて本発明のｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を製造する場合について説明したが、本発明は、他の方法を用いて製造する場合についても広く適用することができる。

本発明の一実施の形態に係るｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の構成図である。本発明の一実施例においてＭＯＣＶＤ法により成長させた試料の構成図である。図２に示した試料をＭＯＣＶＤ法により成長させる際の説明図である。本発明の実施例で作製した試料の成長面内における位置とアルミニウムの組成比との関係を表す特性図である。

符号の説明

１１…第１の層、１２…第２の層、２１…基板、２２…バッファ層、２３…ＧａＮ層、３１…反応炉、３２…載置台

Claims

アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とするｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体。
ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体により構成された発光ダイオードであって、
前記ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、
アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とする発光ダイオード。
ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体により構成された半導体レーザであって、
前記ｐ型ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、
アルミニウム，ガリウムおよび窒素を含むと共にマグネシウムを含まない第１の層と、ガリウムおよび窒素を含み、マグネシウムが添加された第２の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とする半導体レーザ。