JP2005012193A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、短波長半導体レーザ又は発光ダイオード等に用いられる窒化物系化合物半導体よりなる半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device made of a nitride compound semiconductor used for a short wavelength semiconductor laser, a light emitting diode or the like, and a method for manufacturing the same.
BxAlyGazIn1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表されるIII族窒化物系化合物半導体(以下、単に窒化物系半導体という)は、赤色から紫外までの波長をカバーできる材料である。現在までに、青色発光ダイオード及び緑色発光ダイオードが実現されており、窒化物系半導体は、今後も更に広い波長範囲を実現し得る光デバイス材料として期待されている。 B x Al y Ga z In 1 -xyz N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1,0 ≦ x + y + z ≦ 1) represented by the group III nitride compound semiconductor (hereinafter, A nitride semiconductor is simply a material that can cover wavelengths from red to ultraviolet. To date, blue light-emitting diodes and green light-emitting diodes have been realized, and nitride-based semiconductors are expected as optical device materials capable of realizing a wider wavelength range in the future.
一般に、窒化物系半導体素子はサファイア基板上に作製されることが多い。この場合、窒化物系半導体とサファイアとの格子定数が大きく異なるので、窒化物系半導体の膜中には多くの転位が存在する。にもかかわらず、高効率発光を実現できるのは、窒化物系半導体が特有の性質を有するからである。すなわち、活性層として使用されているInGaNを構成するGaNとInNとの間で大きな格子不整合が存在するので、GaNとInNとが均一に混ざり合わず、局所的にInの組成が大きな領域が形成されることにより、バンドギャップに空間的揺らぎ(以下、単に揺らぎという)が生じる(例えば、特許文献1参照)。このように、Inの組成が大きな領域では、その周辺の領域よりもポテンシャルが小さくなるので、電子又は正孔は、Inの組成が大きな領域に容易に閉じ込められる。電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光が可能になる。 In general, nitride-based semiconductor elements are often produced on a sapphire substrate. In this case, since the lattice constants of the nitride semiconductor and sapphire are greatly different, many dislocations exist in the nitride semiconductor film. Nevertheless, high-efficiency light emission can be realized because nitride-based semiconductors have unique properties. That is, since there is a large lattice mismatch between GaN and InN constituting InGaN used as the active layer, GaN and InN are not mixed uniformly, and there is a region where the composition of In is locally large. As a result of the formation, spatial fluctuation (hereinafter simply referred to as fluctuation) occurs in the band gap (see, for example, Patent Document 1). In this manner, in the region where the In composition is large, the potential is smaller than in the peripheral region, and thus electrons or holes are easily confined in the region where the In composition is large. Once the electrons or holes are locally confined, it becomes difficult to be captured by the non-emission center due to dislocations and the like, so that highly efficient light emission is possible.
また、このような窒化物系半導体素子は、通常、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシャル成長法によって作製されている。 In addition, such a nitride-based semiconductor element is usually fabricated by metal organic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy.
一方、基板上に膜を形成する方法としては、レーザアブレーション法が知られている(例えば、特許文献2参照)。レーザアブレーション法とは、レーザ光を材料に照射し、材料を蒸発させることにより、基板上に膜を形成する方法である。
しかしながら、紫外光源として有望なAlGaNを活性層として用いた場合には、前述したInGaNよりなる活性層の場合と異なり、バンドギャップに揺らぎが生じにくい。これは、AlGaN層において組成のばらつきが起こりにくいため、電子又は正孔は非発光センターにおいて発光に寄与することなく再結合するからである。したがって、活性層としてAlGaNを用いた場合には、バンドギャップに揺らぎが生じにくく、発光効率が低下する。 However, when AlGaN, which is promising as an ultraviolet light source, is used as the active layer, unlike the above-described active layer made of InGaN, the band gap hardly fluctuates. This is because composition variation hardly occurs in the AlGaN layer, so that electrons or holes recombine without contributing to light emission in the non-light emitting center. Therefore, when AlGaN is used as the active layer, fluctuation in the band gap hardly occurs, and the light emission efficiency is lowered.
また、窒化物系半導体における組成のばらつきを容易に制御して、電子又は正孔が局在しやすいポテンシャル領域を形成すること(すなわち、バンドギャップの揺らぎを形成すること)はまだまだ困難である。 In addition, it is still difficult to form a potential region in which electrons or holes are likely to be localized by easily controlling variation in composition in a nitride-based semiconductor (that is, to form fluctuations in a band gap).
前記に鑑み、本発明の目的は、窒化物系半導体における組成のばらつきを容易に制御し、窒化物系半導体のバンドギャップに揺らぎを形成することを目的とする。これにより、窒化物系半導体素子の発光効率を増加させる。 In view of the above, an object of the present invention is to easily control variation in composition in a nitride-based semiconductor and form fluctuations in the band gap of the nitride-based semiconductor. This increases the light emission efficiency of the nitride-based semiconductor device.
前記の目的を達成するために、本件本発明者は、種々の検討を加えた結果、レーザアブレーションによってInGaN又はAlGaN等よりなる窒化物系半導体の混晶を作製すると、これらの混晶の組成にばらつきが生じて、バンドギャップに揺らぎを形成できることを見出した。 In order to achieve the above object, the present inventor made various studies, and as a result, when a mixed crystal of a nitride-based semiconductor made of InGaN or AlGaN or the like was produced by laser ablation, the composition of these mixed crystals was changed. It was found that fluctuations occurred and fluctuations could be formed in the band gap.
本発明は、前記の知見に鑑みてなされたものであり、具体的には、本発明に係る半導体装置は、少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる3種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置であって、活性層内においてアルミニウムの組成の分布がばらついていることに基づくバンドギャップの揺らぎを有していることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above knowledge. Specifically, a semiconductor device according to the present invention includes a group III nitride semiconductor layer including at least aluminum and having three or more different constituent elements. A semiconductor device comprising an active layer comprising a band gap fluctuation based on a variation in aluminum composition distribution in the active layer.
本発明に係る半導体装置によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布がばらついていることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎが形成されているので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を得ることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the fluctuation of the aluminum composition distribution in the group III nitride semiconductor layer causes fluctuations in the band gap of the active layer. The hole can be confined. For this reason, once electrons or holes are locally confined, it is difficult to be captured by the non-emission center due to dislocations and the like, so that a semiconductor device capable of realizing highly efficient light emission can be obtained.
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる3種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置の製造方法であって、活性層を形成する工程は、活性層内においてアルミニウムの組成の分布をばらつかせることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成する工程を含むことを特徴とする。 A first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including an active layer made of a group III nitride semiconductor layer having at least three kinds of constituent elements including at least aluminum. The step of forming the active layer includes a step of forming fluctuations in the band gap of the active layer by varying the distribution of the aluminum composition in the active layer.
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布をばらつかせることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成するので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を製造することができる。 According to the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the fluctuation of the aluminum composition in the group III nitride semiconductor layer is made to fluctuate in the band gap of the active layer. It is possible to confine electrons or holes. For this reason, once electrons or holes are locally confined, they are less likely to be captured by the non-emission center due to dislocations and the like, so that a semiconductor device capable of realizing highly efficient light emission can be manufactured.
第1の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、活性層の構成元素を含むターゲットに対してレーザを照射して蒸発させることにより、活性層内においてアルミニウムの組成の分布をばらつかせる工程を含むことが好ましい。 In the first method for manufacturing a semiconductor device, in the step of forming the active layer, the target containing the constituent elements of the active layer is evaporated by irradiating a laser to disperse the aluminum composition distribution in the active layer. It is preferable to include the step of making it stick.
このように、レーザ照射によると、活性層内においてアルミニウムの組成の分布を数ナノメートルオーダーで容易にばらつかせることができる。 Thus, by laser irradiation, the distribution of aluminum composition in the active layer can be easily dispersed on the order of several nanometers.
第1の半導体装置の製造方法において、ターゲットは、III族窒化物半導体、III族金属、又は、V族元素に対するIII属元素の組成比が1よりも大きい組成物よりなることが好ましい。 In the first method for manufacturing a semiconductor device, the target is preferably composed of a Group III nitride semiconductor, a Group III metal, or a composition having a composition ratio of Group III elements to Group V elements greater than 1.
このようにすると、活性層内におけるアルミニウムの組成の分布を容易にばらつかせることができる。 In this way, the distribution of aluminum composition in the active layer can be easily varied.
第1の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、窒素雰囲気下にて行なわれることが好ましい。 In the first method for fabricating a semiconductor device, the step of forming the active layer is preferably performed in a nitrogen atmosphere.
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法によると、III族窒化物半導体層よりなる活性層を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、活性層を形成する工程は、下地層に対する被覆率が1未満となるように、活性層の構成元素を含む第1の原料を供給する工程と、第1の原料を供給する工程の後に、第1の原料とは異なる原料であって且つ活性層の構成元素を含む第2の原料を供給する工程とを備えることを特徴とする。 According to a second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device comprising a step of forming an active layer made of a group III nitride semiconductor layer, the step of forming an active layer comprising: The first raw material is different from the first raw material after the step of supplying the first raw material containing the constituent elements of the active layer and the step of supplying the first raw material so that the coverage with respect to the formation is less than 1. And a step of supplying a second raw material containing a constituent element of the active layer.
第2の半導体装置の製造方法によると、第1の原料の供給によって下地層に対する被覆率が1未満である主面上に、第2の原料の供給を行なうので、活性層内において組成の分布を容易にばらつかせることができる。このため、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成できるので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。したがって、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を製造することができる。なお、ここで、被覆率とは、下地層の面積に対する該下地層上に堆積された堆積物の面積の比をいう。 According to the second method for manufacturing a semiconductor device, since the second raw material is supplied onto the main surface where the coverage of the underlayer is less than 1 by the supply of the first raw material, the composition distribution in the active layer Can be easily dispersed. For this reason, fluctuations can be formed in the band gap of the active layer, so that electrons or holes can be confined in a region having a small band gap. Therefore, once the electrons or holes are locally confined, it becomes difficult to be captured by the non-emission center due to dislocations and the like, so that a semiconductor device capable of realizing highly efficient light emission can be manufactured. Here, the coverage means the ratio of the area of the deposit deposited on the underlayer to the area of the underlayer.
第2の半導体装置の製造方法において、第1の原料を供給する工程は、第1の原料を加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the step of supplying the first raw material preferably includes a step of supplying a particle group generated by thermally decomposing the first raw material.
このようにすると、原料の供給が容易であり、結晶性に優れた膜を形成できる。 In this way, a raw material can be easily supplied and a film having excellent crystallinity can be formed.
第2の半導体装置の製造方法において、第2の原料を供給する工程は、第2の原料を加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the step of supplying the second raw material preferably includes a step of supplying a particle group generated by thermally decomposing the second raw material.
このようにすると、原料の供給が容易であり、結晶性に優れた膜を形成できる。 In this way, a raw material can be easily supplied and a film having excellent crystallinity can be formed.
第2の半導体装置の製造方法において、粒子群は、構成元素としてアルミニウムを含むことが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the particle group preferably includes aluminum as a constituent element.
第2の半導体装置の製造方法において、粒子群は、III族窒化物半導体よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the particle group is preferably formed by irradiating a target made of a group III nitride semiconductor with a laser beam and evaporating it.
第2の半導体装置の製造方法において、粒子群は、III族金属よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the particle group is preferably formed by irradiating a target made of a group III metal with a laser beam and evaporating it.
第2の半導体装置の製造方法において、粒子群は、V族元素に対するIII属元素の組成比が1よりも大きい組成比を有することが好ましい。 In the second method for manufacturing a semiconductor device, the particle group preferably has a composition ratio of a group III element to a group V element that is greater than 1.
第2の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、窒素雰囲気中にて行なわれることが好ましい。 In the second method for fabricating a semiconductor device, the step of forming the active layer is preferably performed in a nitrogen atmosphere.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布がばらついていることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎが形成されているので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を得ることができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the fluctuation of the aluminum composition distribution in the group III nitride semiconductor layer results in fluctuations in the band gap of the active layer. It is possible to confine electrons or holes. For this reason, once electrons or holes are locally confined, it is difficult to be captured by the non-emission center due to dislocations and the like, so that a semiconductor device capable of realizing highly efficient light emission can be obtained.
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、ここで、以下で説明する各実施形態に係る半導体装置の製造方法を適用できる具体的な装置について、一例として図1を参照しながら説明する。 First, a specific apparatus to which a semiconductor device manufacturing method according to each embodiment described below can be applied will be described with reference to FIG. 1 as an example.
図1は、紫外発光ダイオード(LED)についての一般的な構造断面図を示している。 FIG. 1 shows a general cross-sectional view of an ultraviolet light emitting diode (LED).
図1に示すように、サファイア基板1上には、GaN層2が形成されている。GaN層2の上には、n−AlGaN層よりなるクラッド層3、AlGaNよりなる活性層4、p−AlGaNよりなるクラッド層5が順に形成されている。クラッド層5の上には、p型電極6が形成されている。また、GaN層2の上に形成されたクラッド層3の上には、n型電極7が形成されている。
As shown in FIG. 1, a GaN layer 2 is formed on the sapphire substrate 1. On the GaN layer 2, a clad layer 3 made of an n-AlGaN layer, an
このように、図1に示した発光ダイオードは、AlGaNの多層構造を有している。同様の構造を有する素子としては、LEDの他に、半導体レーザ素子(LD)、電界効果トランジスタ(FET)、又はバイポーラトランジスタ等がある。以下で説明する半導体装置の製造方法は、これらの素子の製造方法に適用できるものであって、前述したAlGaNよりなる活性層4の製造方法に関わるものである。
As described above, the light emitting diode shown in FIG. 1 has an AlGaN multilayer structure. As an element having a similar structure, there is a semiconductor laser element (LD), a field effect transistor (FET), a bipolar transistor, or the like in addition to an LED. The semiconductor device manufacturing method described below can be applied to these element manufacturing methods, and relates to the above-described method for manufacturing the
以下に、具体的に各実施形態について説明する。 Each embodiment will be specifically described below.
(第1の実施形態)
以下に、本発明に係る半導体装置の製造方法について、図2及び図3を参照しながら説明する。図2は、レーザアブレーション装置の構造を示す概略図である。また、図3は、本発明に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
(First embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the laser ablation apparatus. FIG. 3 is a fragmentary process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
まず、レーザアブレーション装置について説明する。 First, the laser ablation apparatus will be described.
図2に示すように、チャンバー11内には、基板設置用のサセプタ12が設置されていると共に、基板加熱用のヒーター13が設置されている。また、サセプタ12と対向する位置には、ステンレス製のターゲット保持用円盤14が複数設置されている。外部から石英製光学窓15を介してレーザ光16を収束してターゲット17に照射することにより、ターゲット17から原料を放出される。なお、ターゲット17を載せるターゲット保持用円盤14はその中心を軸に回転する機構を有している。
As shown in FIG. 2, a
次に、レーザアブレーション装置を用いた本発明に係る半導体装置の製造方法について、前記図2及び図3を参照しながら具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention using a laser ablation apparatus will be specifically described with reference to FIGS.
まず、レーザアブレーション装置のチャンバー11内のサセプタ12の上に、直径2インチのC面を主面とするサファイア基板20を設置する(図2参照)。次に、真空ポンプでチャンバー11内を十分に排気した後、サファイア基板20を1050℃まで加熱する。次に、チャンバー11内に窒素を導入して、チャンバー11内の真空度を6.65×10-4Paに保つ。レーザアブレーション用のレーザには、ArFエキシマレーザ(波長193nm、エネルギー密度1J/cm2 、周波数100Hz)を使用する。
First, on the
次に、GaNよりなるターゲット17にレーザ光16を照射する(図2参照)。この場合、GaNよりなるターゲット17の表面がレーザ光16によって局所的に急激に加熱されるので、電子、原子、分子、又はイオン等よりなるプルーム18と呼ばれる粒子群が生成される。生成されたプルーム18は、雰囲気中の窒素と衝突及び反応しながらターゲット17と対向している位置に設置されたサファイア基板20に到達し、再凝縮することによってGaN層21が成膜される。すなわち、サファイア基板20の上に、膜厚が1μmであるGaN層21を形成する(図3(a) 参照)。なお、サファイア基板20の上にGaN層21を形成する前に、サファイア基板20の上に、AlN又はGaNよりなるバッファ層を形成した後に、該バッファ層の上にGaN層21を形成してもよい。
Next, the
次に、ヒーター13を加熱して、サファイア基板20の温度を1200℃まで上昇させた後に、ターゲット17として、GaNターゲットから、Al組成が20%であるSiドープのn型AlGaNターゲットに交換する。その後、n型AlGaNよりなるターゲット17にレーザ光16を照射し、n型AlGaNを蒸発させることにより、GaN層21の上に、膜厚が500nmであるn型AlGaN層22を形成する(図3(b) 参照)。
Next, the
次に、ターゲット17として、Al組成が20%であるSiドープのn型AlGaNターゲットから、AlターゲットとAl組成が10%であるAlGaNターゲットとが各々半分に分割して配置されたターゲットに交換する。その後、1分間に120回転の速度でターゲット17を回転させながら、レーザ光16をターゲット17に照射することにより、n型AlGaN層22の上に、活性層となる膜厚が30nmであるアンドープのAlGaN層23aを形成する(図3(c) 参照)。
Next, the
ここで、AlGaN層23aについて、詳細に説明する。
Here, the
ターゲット17の半分を構成しているAlターゲットにレーザ光16が照射されると、Alターゲットから飛散したプルーム18は、その周囲から雰囲気中の窒素と反応して、Al過剰のAlNx (0<x<1)を形成する。一方、ターゲット17の残りの半分を構成しているAlGaNターゲットにレーザ光16が照射されると、AlGaNターゲットからはその組成を反映したAlGaNが形成される。このため、n型AlGaN層22の上には、Al過剰の領域がナノオーダーで膜中に存在するアンドープのAlGaN層23aが成膜される。Al過剰の領域の近傍においては、局所的にAlGaNのバンドギャップが大きくなるので、AlGaN層23aのバンドギャップに揺らぎが生じることになる。このようにして、AlGaN層23a内にAl組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、AlGaN層23aのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
When the
すなわち、レーザアブレーション法によると、石英製光学窓15を通してチャンバー11の外部から収束したレーザ光16を導入し、チャンバー11内に設置された固体原料表面(ターゲット17の表面)に照射することによって、原料が気相に放出されて、原料表面がレーザ光16により局所的に急激に加熱し蒸発する。このため、飛散原子の組成比が、ターゲット17を構成する各原子の蒸気圧等にほとんど依存することなく、ターゲット17の組成比を反映したものになる。したがって、活性層(AlGaN層23a)を構成する元素の組成制御が容易となり、組成分布のばらつきを容易に作り出すことができるので、活性層(AlGaN層23a)のバンドギャップに揺らぎを容易に形成することができる。また、レーザアブレーション法に用いる原料は、複数個の装置内に充填できるので、原料の変更が容易であり、相互の汚染の発生を防止することができる。
That is, according to the laser ablation method, the
また、ここで、AlGaN層23a内にAl組成の分布のばらつきを形成する方法として、次のような方法も考えられる。
Here, as a method for forming the variation in Al composition distribution in the
すなわち、AlGaN層23aを構成する元素、例えばAlを含む原料を、下地層であるn型AlGaN層22に対する被覆率が1未満となるように、n型AlGaN層22の上に供給する。次に、AlGaNを含む原料を供給して、AlGaN層23を形成する。このように、AlGaN層23a内にAl組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、AlGaN層23aのバンドギャップに揺らぎを生じさせることもできる。
That is, an element constituting the
次に、ターゲット17として、AlターゲットとAl組成が10%であるAlGaNターゲットとが各々半分に分割して配置されたターゲットから、Al組成が20%であるp型AlGaNよりなるターゲットに交換する。p型AlGaNターゲットにレーザ光16を照射し、p型AlGaNを蒸発させることにより、AlGaN層23aの上に、膜厚が500nmであるp型AlGaN層24を形成する(図3(d) 参照)。以上のようにして、図3(d) に示すようなダブルへテロ構造が作製される。
Next, the
図3(d) に示したようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図1に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、AlGaN層23a内にAl過剰の領域が形成されていない場合と比較して、約10倍の発光強度を得ることができた。
When an electrode as shown in FIG. 1 is formed on the element having a double hetero structure as shown in FIG. 3D and a voltage is applied, an Al-excess region is formed in the
以上のように、本発明に係る第1の実施形態によると、活性層としてのAlGaN層23a内でAl組成の分布をばらつかせることにより、AlGaN層23aのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、AlGaN層23aを形成することにより、AlGaN層23a内でAl組成の分布を容易にばらつかせることができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, fluctuations in the band gap of the
なお、本実施形態では、AlGaN層23aを形成する際、ターゲット17としてAlターゲットとAlGaNターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いたが、GaターゲットとAlGaNターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いてもよい。この場合は、AlGaN層内にナノオーダーでGa過剰の領域が形成され、Ga過剰の領域の近傍においては、AlGaN層のバンドギャップが局所的に小さくなる。このように、GaターゲットとAlGaNターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いた場合であっても、AlGaN層のバンドギャップに揺らぎを形成することができる。また、ターゲット17の半分を構成する金属ターゲットとして、Alターゲット又はGaターゲットを用いることを示したが、金属ターゲットは1種類に限定されるものではなく、AlとGaとの両方の金属を用いてもよい。
In the present embodiment, when the
また、本実施形態では、AlGaN層23aを形成する際、2種類のターゲットを半分に分割して配置したターゲットを用いたが、分割する割合は均等でなくてもよく、割合を変えることにより過剰領域の密度を変化させることもできる。
Further, in the present embodiment, when forming the
また、AlGaN層23aを形成する際、窒素雰囲気ガスの希釈度を調整することにより、Al過剰の領域の密度を変化させることも可能である。すなわち、He又はNe等の希ガスの割合を増加させることで、金属原子を窒素雰囲気ガスと反応させることなく供給することが可能となる。完全な希ガス雰囲気中においては、金属原子はそのまま供給されるので、膜中に金属ドロップレットが形成される。
Further, when forming the
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、前記図2及び図3(a) 〜(d) を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 and 3 (a) to 3 (d).
まず、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前述の第1の実施形態と同様に、レーザアブレーション法によって、サファイア基板20の上に、GaN層21、及びn型AlGaN層22を順に形成する(図3(a) 及び(b) 参照)。
First, in the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, the
次に、ターゲット17として、AlxGa1-xN(x=0.0095)ターゲットとAlyGa1-yN(y=0.01)ターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いる。そして、1分間に120回転の速度でターゲット17を回転させながら、レーザ光16を照射することにより、n型AlGaN層22の上に、膜厚が30nmであるアンドープのAlGaN層23bを形成する(図3(c) 参照)。組成が異なる2種類の窒化物系半導体よりなるターゲット17を用いることにより、2種類の窒化物系半導体が混合されたアンドープのAlGaN層23bを形成することができる。すなわち、AlGaN層23bは、AlxGa1-xN(x=0.0095)とAlyGa1-yN(y=0.01)とが混合された層であり、局所的に組成が異なる領域がナノオーダーで形成されているので、AlGaN層23bは、2種類の窒化物系半導体のバンドギャップを反映したバンドギャップの揺らぎを有している。このようにして、AlGaN層23b内にAl組成の分布のばらつきを形成することにより、AlGaN層23bのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
Next, as the
次に、ターゲット17として、AlxGa1-xN(x=0.0095)ターゲットとAlyGa1-yN(y=0.01)ターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットから、Al組成が20%であるp型AlGaNよりなるターゲットに交換する。p型AlGaNターゲットにレーザ光16を照射し、p型AlGaNを蒸発させることにより、AlGaN層23bの上に、膜厚が500nmであるp型AlGaN層24を形成する(図3(d) 参照)。以上のようにして、図3(d) に示すダブルへテロ構造が作製される。
Next, as a
ここで、以上のようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図1に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、ターゲット17として1種類のAlGaNターゲットを用いた場合と比較して、約10倍の発光強度を得ることができた。これは、活性層としてのアンドープのAlGaN層23b中に局所的なバンドギャップの揺らぎが生じるので、電子又は正孔が局在化し、非発光センターに捕獲されにくくなり、発光効率が上がるためである。
Here, when a voltage is applied to the device having the double hetero structure as described above after the electrodes as shown in FIG. 1 are formed, it is compared with the case where one type of AlGaN target is used as the
以上のように、本発明に係る第2の実施形態によると、活性層としてのAlGaN層23b内でAl組成の分布をばらつかせることにより、AlGaN層23bのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、AlGaN層23bを形成することにより、AlGaN層23b内でAl組成の分布を容易にばらつかせることができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, fluctuations in the band gap of the
また、本実施の形態では、AlGaN層23bを形成する際、2種類のターゲットを半分に分割して配置したターゲットを用いたが、分割する割合は均等でなくてもよく、割合を変えることにより過剰領域の密度を変化させることもできる。
Further, in the present embodiment, when the
また、AlGaN層23bを形成する際、窒素雰囲気ガスの希釈度を調整することにより、Al過剰の領域の密度を変化させることも可能である。すなわち、He又はNe等の希ガスの割合を増加させることで、金属原子を窒素雰囲気ガスと反応させることなく供給することが可能となる。完全な希ガス雰囲気中においては、金属原子はそのまま供給されるので、膜中に金属ドロップレットが形成される。
Further, when forming the
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、前記図2及び図3(a) 〜(d) を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 and 3 (a) to 3 (d).
まず、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前述の第1の実施形態と同様に、レーザアブレーション法によって、サファイア基板20の上に、GaN層21、及びn型AlGaN層22を順に形成する(図3(a) 及び(b) 参照)。
First, in the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention, the
次に、ターゲット17として、窒素欠乏によりストイキオメトリがずれたAl0.10Ga0.90N0.98ターゲットを用いる。すなわち、通常、V族原子に対するIII族原子の化学組成比は1であるが、窒素が欠乏しているために、V族原子に対するIII族原子の化学組成比が1よりも小さくなる。1分間に120回転の速度でこのターゲット17を回転させながら、レーザ光16を照射することにより、膜厚が30nmであるアンドープのAlGaN層23cを形成する。この場合、ターゲット17にレーザ光16が照射されて発生したプルーム18は、その先端から雰囲気中ガスの窒素と反応し、窒素の欠乏分を補う。一方、プルーム18の中心部は、雰囲気ガスからシールドされた状態であるので、窒素が欠乏した状態のままである。したがって、AlGaN層23cは、窒素の欠乏分が補われた領域と窒素が欠乏した領域とが混在した膜として形成される。このようにして、AlGaN層23c内にAl組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、AlGaN層23cのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
Next, an Al 0.10 Ga 0.90 N 0.98 target whose stoichiometry is shifted due to nitrogen deficiency is used as the
次に、窒素欠乏によりストイキオメトリがずれたAl0.10Ga0.90N0.98ターゲットから、Al組成が20%であるp型AlGaNよりなるターゲットに交換する。p型AlGaNターゲットにレーザ光16を照射し、p型AlGaNを蒸発させることにより、AlGaN層23cの上に、膜厚が500nmであるp型AlGaN層24を形成する(図3(d) 参照)。以上のようにして、図3(d) に示すダブルへテロ構造が作製される。
Next, the Al 0.10 Ga 0.90 N 0.98 target whose stoichiometry is shifted due to nitrogen deficiency is replaced with a target made of p-type AlGaN having an Al composition of 20%. By irradiating the p-type AlGaN target with
ここで、以上のようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図1に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、ターゲット17としてストイキメトリにずれがない通常のAlGaNターゲットを用いた場合と比較して、約10倍の発光強度を得ることができた。これは、活性層としてのAlGaN層23c中に局所的なバンドギャップの揺らぎが生じるので、電子又は正孔が局在化し、非発光センターに捕獲されにくくなり、発光効率が上がるためである。
Here, when an electrode as shown in FIG. 1 is formed on the element having the double hetero structure as described above and a voltage is applied, a normal AlGaN target having no deviation in stoichiometry is obtained as the
以上のように、本発明に係る第3の実施形態によると、活性層としてのAlGaN層23c内でAl組成の分布をばらつかせることにより、AlGaN層23cのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、AlGaN層23cを形成することにより、AlGaN層23c内でAl組成の分布を容易にばらつかせることができる。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, fluctuations in the band gap of the
なお、以上の各実施形態では、レーザアブレーション法によって一連の成膜を行なう場合について説明したが、他の成膜方法を用いてもよく、例えばMOVPE法又はMBE法を用いると共に原料を交互に供給するようにしても、本発明は同様に実施可能である。 In each of the above embodiments, the case where a series of film formation is performed by the laser ablation method has been described. However, other film formation methods may be used. For example, the MOVPE method or the MBE method is used and the raw materials are alternately supplied. However, the present invention can be similarly implemented.
また、レーザアブレーション用のレーザとして、ArFエキシマレーザを用いる場合について説明したが、他の紫外光レーザであってもよい。例えば、XeCl(波長308nm)若しくはKrF(波長248nm)等のエキシマレーザ、又はYAGレーザの第4高調波(波長266nm)を用いてもよい。 Moreover, although the case where the ArF excimer laser is used as the laser for laser ablation has been described, other ultraviolet lasers may be used. For example, an excimer laser such as XeCl (wavelength 308 nm) or KrF (wavelength 248 nm), or the fourth harmonic (wavelength 266 nm) of a YAG laser may be used.
また、活性層としてAlGaN層を用いた場合について説明したが、BxAlyGazIn1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)よりなる活性層であっても、本発明は同様に実施可能である。 Further, the description has been given of the case of using an AlGaN layer as an active layer, B x Al y Ga z In 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1,0 ≦ x + y + z ≦ The present invention can be similarly implemented even with an active layer comprising 1).
以上に説明したように、本発明は、窒化物系半導体の多層構造を有する半導体装置、例えば、LED、半導体レーザ素子(LD)、電界効果トランジスタ(FET)、又はバイポーラトランジスタ等に有用である。 As described above, the present invention is useful for a semiconductor device having a nitride semiconductor multilayer structure, such as an LED, a semiconductor laser element (LD), a field effect transistor (FET), or a bipolar transistor.
1 サファイア基板
2 GaN層
3 n−クラッド層
4 活性層
5 クラッド層
6 p型電極
7 n型電極
11 チャンバー
12 サセプタ
13 ヒーター
14 ターゲット保持用円盤
15 石英製光学窓
16 レーザ光
17 ターゲット
20 サファイア基板
21 GaN層
22 n型AlGaN層
23a、23b、23c アンドープのAlGaN層
24 p型AlGaN層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 GaN layer 3 n-
Claims (13)
前記活性層は、
前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布がばらついていることに基づくバンドギャップの揺らぎを有していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising an active layer made of a group III nitride semiconductor layer containing at least aluminum and having three or more different constituent elements,
The active layer is
A semiconductor device characterized by having a band gap fluctuation based on variation in the distribution of the aluminum composition in the active layer.
前記活性層を形成する工程は、
前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布をばらつかせることにより、前記活性層のバンドギャップに揺らぎを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device comprising an active layer comprising a group III nitride semiconductor layer containing at least three kinds of constituent elements including at least aluminum,
The step of forming the active layer includes:
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming fluctuations in a band gap of the active layer by varying the distribution of the aluminum composition in the active layer.
前記活性層の構成元素を含むターゲットに対してレーザを照射して蒸発させることにより、前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布をばらつかせる工程を含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the active layer includes:
3. The method according to claim 2, further comprising a step of varying a distribution of the composition of the aluminum in the active layer by irradiating the target containing the constituent elements of the active layer with a laser and evaporating the target. Semiconductor device manufacturing method.
前記活性層を形成する工程は、
下地層に対する被覆率が1未満となるように、前記活性層の構成元素を含む第1の原料を供給する工程と、
前記第1の原料を供給する工程の後に、前記第1の原料とは異なる原料であって且つ前記活性層の構成元素を含む第2の原料を供給する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming an active layer made of a group III nitride semiconductor layer,
The step of forming the active layer includes:
Supplying a first raw material containing the constituent elements of the active layer so that the coverage of the underlayer is less than 1,
And a step of supplying a second raw material different from the first raw material and including a constituent element of the active layer after the step of supplying the first raw material. Device manufacturing method.
Priority Applications (1)
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