JP2007043161A - ａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物の形成工程 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は別個の活性化工程を必要とせずにａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程を提供する。
【解決手段】ａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程において、反応チャンバ内に基板を導入し、加熱する。Ｎ₂キャリアガスと、ＩＩＩ族元素の源化合物、窒素源化合物及びｐ型不純物を含む反応性化合物とを反応チャンバ内に供給する。化学反応が生じてａｓ−ｇｒｏｗｎのｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にはＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物の製造に関し、更に具体的には、別個の活性化工程を必要としないａｓ−ｇｒｏｗｎ活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物を形成する方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物は発光デバイスの製造で広く使用されている。発光デバイスの層構造は、ｎ型層とｐ型層との間に挟まれた発光層を含む。この発光層は発光デバイスの電極間に印加される電気信号に応答して光を照射するように構成される。この電気刺激によって、ｎ型及びｐ型半導体層から発光層への電子及び正孔の注入が生じて、この発光層で電子及び正孔が再結合して光を生成する。

一般に、発光デバイスを製造するために、米国特許第６８３０９９２号記載されているような有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）成長法が実施される。この方法に従って、キャリアガスとしてのＨ₂、アンモニアＮＨ₃、トリメチルガリウム（「ＴＭＧａ」）、及びシラン（ＳｉＨ₄）を含む気体物質が加熱された反応チャンバ内に導入されて、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層が形成される。ｎ型伝導を生じさせるのに注入されるＳｉ不純物の源としてＳｉＨ₄を用いることができる。バッファ層もｎ型ＧａＮ層とサファイア基板との間に挿置して、これら両者の相互の格子不整合の平衡を保つこともできる。次いで、１つ又は複数の発光層をｎ型ＧａＮ層上で成長させ、この後、その上にｐ型ＧａＮ層を形成する。この成長方法は、反応チャンバ内において、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等の不純物をドープしながら、キャリアガスとしてのＨ₂、ＮＨ₃及びトリメチルガリウム（以下ＴＭＧａ）を導入してｐ型ＧａＮ層を形成する。

しかし、ａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型ＧａＮ層は十分なｐ型伝導性を示さない。実際、水素原子はこの成長法の間にドーピング不純物と結合する恐れがあり、これによってｐ型不純物のアクセプタとしての機能が妨げられる。この結果、水素結合を破壊してアクセプタ不純物を自由にするためには、アニール工程などの次の活性化工程が必要となる。米国特許第５４６８６７８号に記載されているように、一般にアニール工程は、炉内において温度、圧力及び気体環境の特定の条件下でｐ型ＧａＮ層を活性化する。

アニール工程に続いて、インジウムスズ酸化物などの材料から作製される透明導電層もｐ型ＧａＮ層上に形成される。この透明導電層はｐ型ＧａＮ層の比較的低い導電性を補償するために形成される。

ｐ型ＧａＮ層を活性化するために適用されるこの不可欠なアニール工程は、熱に係わる追加コストを構成する。さらに、ｐ型ＧａＮ層を活性化するために適用されるアニール工程は、基板上に先に形成された他の層の格子構造を悪く変化させる恐れもあり、これはデバイス性能に不利になるかもしれない。

本発明は別個の活性化工程を必要とせずにａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程を提供する。

一実施形態では、ｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する方法は、基板が反応温度で設置された反応チャンバ内にＮ₂キャリアガスを導入する工程と、ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物、１つの窒素源化合物、及びｐ型不純物を反応チャンバ内に導入し、これによって化学反応が生じてｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程とを含む。

いくつかの実施形態では、反応温度は約４００℃を超える。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物には、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等のが含まれる。一実施形態では、窒素源化合物にはアンモニアＮＨ₃が含まれる。いくつかの実施形態では、ｐ型不純物にはＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等が含まれる。

一変形実施形態では、本工程は反応チャンバ内にＮ₂キャリアガスを導入する前にＮ₂とは異なる第２のキャリアガスを用いることによって最初のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程を更に含む。いくつかの実施形態では、第２のキャリアガスはＨ₂を含む。いくつかの実施形態では、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物バッファ層は約４００℃を超える温度で形成される。

別の実施形態によれば、ｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の工程は、第１の組成のキャリアガス、ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物、１つの窒素源化合物及びｐ型不純物を、基板が反応温度で設置された反応チャンバ内に導入し、これによって化学反応が生じてｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程と、キャリアガスを第１の組成から第１の組成とは異なる第２の組成に変えるとともにｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物を形成する工程とを含む。これによって、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層が活性状態で形成される。

いくつかの実施形態では、キャリアガスの第１及び第２の組成の少なくとも１つはＮ₂を含む。いくつかの実施形態では、キャリアガスの第１及び第２の組成の少なくとも１つはＨ₂を含む。いくつかの実施形態では、反応温度は約４００℃を超える。

上記は要約であり、特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。本明細書に開示されている動作及び構造は様々な用途で実施することができ、そのような変更及び改変は、本発明及びその更に広範な態様から逸脱することなく行うことができる。特許請求の範囲によってのみ定められる通り、本発明の他の態様、独創的な特徴及び利点は以下に記載の非限定的な詳細な説明に記載される。

本出願はａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程、及び例えば発光デバイスの製造におけるその実施について説明する。

本明細書の説明では、「ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層」とは、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎといったＶ族窒化物元素及びＩＩＩ族元素を含む化合物から成る層を意味し、この化合物は一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎにより表すことができる（式中、ｘ、ｙ及び（１−ｘ−ｙ）はそれぞれ［０，１］の範囲である）。典型的なＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等が含まれる。

「ａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物」とは、付加的なアニール工程等を必要としないように、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物が活性状態で成長されることを意味する。

有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）成長法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）成長法、ハイドライド気相エピキタシー（ＨＶＰＥ）成長法等の気相成長法が挙げられる。本発明によれば、ある気相成長法を実施してｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層が形成される。本出願の出願人らは、付加的なアニール工程等を必要としないように、特定のキャリアガス条件下においてｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を活性状態で成長させることができることを見出した。

図１は本発明の一実施形態のａｓ−ｇｒｏｗｎのｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程において実施されるＭＯＶＰＥリアクタの概略図である。リアクタ１００は反応チャンバ１０２を備え、成長工程を受けるために基板１０４がサセプタ１０６上に設置されている。基板１０４を加熱するために加熱装置１０８がサセプタ１０６に設置されている。ガス状化学物質が容器１１２に接続されている入口管１１０をそれぞれ介して反応チャンバ１０２に導入される。機械式ポンプ１１４は出口管１１６を介して反応チャンバ１０２の外でガスを放出するように動作可能である。さらに、反応チャンバ１０２内の圧力を調節するために、制御及び調節機構１１８が機械式ポンプ１１４に接続されている。

図２Ａ〜２Ｆは、本発明のａｓ−ｇｒｏｗｎのｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する成長法を実施する発光デバイス製造工程の概略図である。図２Ａでは、透明基板２０２は有機洗浄及び熱処理を受ける。基板２０２はサファイアから作成することができる。

図２Ｂを参照すると、ｎ型ＧａＮ層２０４が基板２０２上に形成される。ｎ型ＧａＮ層２０４は、Ｈ₂キャリアガス及びトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）アンモニア（ＮＨ₃）及びシランを含む反応性化合物が反応チャンバに供給される有機金属気相エピタキシー成長法によって形成され、ここで基板２０２は約１１００℃の温度で加熱される。ＡｌＮから成るバッファ層（図示せず）をｎ型ＧａＮ層２０４と基板２０２との間に接合して、これら２層間の格子不整合を補償することもできる。万一、ｎ型層２０４がＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ等のＧａＮ以外の化合物から作製されている場合、この化学混合物は相応してトリメチルインジウム及びトリメチルアルミニウム等の付加的な反応性化合物を含みうる。

図２Ｃを参照すると、発光層２０６がｎ型ＧａＮ層２０４上に形成される。発光層２０６はＩｎＧａＮ（図示せず）から作製された井戸層で交互に積層されたＧａＮから作られたバリア層から成る複数の量子井戸構造を有しうる。複数の量子井戸構造のＧａＮバリア層は、約７４０℃の一定温度で、又はさらに一般的には約４００〜１１００℃でＮ₂、ＴＭＧａ及びＮＨ₃を供給することにより形成することができる。複数の量子井戸構造のＩｎＧａＮ井戸層は、Ｎ₂、ＴＭＧａ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＮＨ₃を供給することによって形成できる。

図２Ｄを参照すると、ｐ型ＧａＮ層２０８を形成する工程が示されている。この実施形態では、Ｎ₂キャリアガス、並びにＴＭＧａ又はＴＥＧａとアンモニアＮＨ₃とを含んだ反応性化合物が、ｐ型不純物として用いられるＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等の元素と共に導入される有機金属気相エピタキシー成長法が、反応チャンバ内で行われる。この成長工程は約４００℃を超える温度、例えば約７４０℃、約５００ｍｂａｒの圧力で約１２０秒間行われる。この成長工程が終了すると、形成された層２０８はａｓ−ｇｒｏｗｎのｐ型ＧａＮ層である。このｐ型ＧａＮ層２０８を活性化するのに、アニール工程等の活性化工程は一切必要ではない。

万一、ｐ型層２０８がＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＧａＮ以外の化合物から作製されている場合、この化学混合物はトリメチルインジウム及びトリメチルアルミニウム等の付加的な反応性化合物を含みうる。

図２Ｅを参照すると、透明導電層２１０がｐ型ＧａＮ層２０８上に形成される。この透明導電層２１０はインジウムスズ酸化物等の金属酸化物から作製される。

図２Ｆを参照すると、ｎ型ＧａＮ層２０４、発光層２０６、ｐ型ＧａＮ層２０８及び透明導電層２１０から成る積層体の一部分が、ｎ型ＧａＮ層２０４の領域２１２が露出するまでエッチダウンされている。次いで、コンタクトパッド２１４が透明導電層２１０のある領域及びｎ型ＧａＮ層２０４の領域２１２上にそれぞれ形成される。これにより、発光デバイスがｐ型ＧａＮ層の活性化工程を必要とせずに完成される。

図３Ａは本発明の別の実施形態に従って活性化工程を必要とせずにｐ型ＧａＮ層を形成する工程を示している。この変形実施形態では、異なる組成の２つのキャリアガスが反応チャンバ内に順に供給されてａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＧａＮ層が形成される。本明細書に記載したキャリアガスを供給する具体的な順序は単に説明のためのものであって、別の場合には、ａｓ−ｇｒｏｗｎのｐ型活性層を適切に形成できる任意の順序に変更することができる。

Ｈ₂キャリアガス、及びＴＭＧａ又はＴＥＧａとＮＨ₃とを含んだ反応性化合物をｐ型不純物であるＭｇと共に供給することによって、発光層２０６上に第１のｐ型ＧａＮ層３０８ａを成長させる。この成長工程は、約４００℃を超える温度、例えば約７４０℃で、約５００ｍｂａｒの圧力で行われる。次に、第１のｐ型ＧａＮ層３０８ａを形成するために先に供給した同じ反応性化合物と共に、キャリアガスとしてＨ₂の代わりにＮ₂を供給することによって、第１のｐ型ＧａＮ層３０８ａ上に第２のｐ型ＧａＮ層３０８ｂを成長させる。第２のｐ型ＧａＮ層３０８ｂのために実施されるこの圧力及び温度条件は、第１のｐ型ＧａＮ層３０８ａに使用されるものと類似するものであり得る。Ｎ₂環境下において、ｐ型ＧａＮ層３０８ｂを活性に成長させ、先に形成したｐ型ＧａＮ層３０８ａを同時に活性化することができる。このようにして成長されたｐ型ＧａＮ層構造は活性であり、付加的な活性化工程を必要としない。

図３Ｂを参照すると、透明導電層２１０をｐ型ＧａＮ層３０８の上に形成することができ、エッチングを行って発光デバイスの構造を完成することができる。

図４Ａ〜４Ｃはｐ型ＧａＮ層に活性化工程を適用して製造した発光デバイス及び該工程を適用せずに製造した発光デバイスそれぞれの代表的サンプルに関して行った性能試験の成績を示す概略グラフである。図４Ａ及び４Ｂでは、サンプルＡ〜Ｊは１０種類の異なるサンプルウエハであり、アニール工程をｐ型ＧａＮ層に適用する従来の方法に従って形成した発光デバイスを含む第１の半分とアニール工程を行わない本発明に従って形成した発光デバイスを含む第２の半分とに各サンプルのウエハを二等分した。第１及び第２の半分において形成された発光デバイスは図２Ｆに例示したものと同じ層構造を有し、第２の半分のウエハにおいて実行される製造工程は発光デバイスのｐ型ＧａＮ層を活性化するために、約７００℃〜８０℃の温度で約５〜１０分間行われる活性化工程を更に含むという点で主に異なっている。

図４Ａ及び４Ｂに示すように、アニール工程を用いる従来の方法に従って製造される発光デバイスと比較して、活性化工程を用いない本発明に従って製造される発光デバイスはより低い動作電圧で動作し、より高い光強度を発する。

図４Ｃは動作電流の関数で変化する光強度曲線を描いている。
ｐ型ＧａＮ層に活性化工程を適用して製造した発光デバイス及び該工程を適用せずに製造した発光デバイスそれぞれについて、２つの光強度曲線を得た。図示のように、光強度は動作電圧の増大とともに大きくなる。しかし、活性化工程を用いずに製造した発光デバイスの光強度は、活性化工程を用いて製造した発光デバイスから放出される光強度よりも大きい。

上記試験成績から、ｐ型ＧａＮ層に活性化工程を用いない本発明に従って製造した発光デバイスは、活性化工程を用いて製造した従来の発光デバイスよりも優れた性能を示すことがわかる。活性化工程の必要性を失くすことによって、本発明は有利には製造工程の熱に係わるコストを低減させ、処理時間も短縮する。

本明細書に記載の独創的な特徴は、発光デバイス及びドープされた不純物を活性化するのに従来はアニール工程を必要とする他の半導体デバイスのどのような実施形態にも一般に適用可能であることを理解されたい。さらに、本明細書に記載の独創的な特徴は、ＧａＮをベースにした化合物とは異なる化合物から作製されるａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性層の形成に実施することができる。

このようにして本発明に従った実現化を具体的な実施形態に関して記載してきた。これらの実施形態は例示のためのものであって、限定的なものではない。多数の変更例、改変例、付加例及び改善例が可能である。したがって、単一の例として本明細書に記載した構成要素に複数の例を提供することができる。例示的な構成において別個の構成要素として示した構造及び機能性は、組み合わせた構造又は構成要素として実施することができる。これら及び他の変更例、改変例、付加例及び改善例は、以下の特許請求の範囲に定める本発明の範囲内にあり得る。

本発明の一実施形態を実施するのに用いられる例示的なＭＯＶＰＥリアクタを示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って基板を洗浄する工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って発光デバイスの製造中にｎ型ＧａＮ層を形成する工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って発光デバイスの製造中に発光層を形成する工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って発光デバイスの製造中にａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＧａＮ層を形成する工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って発光デバイスの製造中に透明導電層を形成する工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って発光デバイスの製造中にコンタクトパッドを形成する工程を示す概略図である。 本発明の別の実施形態に従ってａｓ−ｇｒｏｗｎｐ型活性ＧａＮ層を形成する工程を示す概略図である。 本発明の別の実施形態に従って製造された発光デバイスを示す概略図である。 ｐ型ＧａＮベース層の活性化工程を用いて製造した発光デバイス及び該工程を用いずに製造した発光デバイスからそれぞれ放出された光強度レベルを示す概略グラフである。 それぞれｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の活性化工程を用いて製造した発光デバイス及び該工程を用いずに製造した発光デバイスの動作電圧を示す概略グラフである。 ｐ型窒化化合物層の活性化工程を用いて製造した発光デバイス及び該工程を用いずに製造した発光デバイスからそれぞれ得られた光強度曲線を示す概略グラフである。

Claims (16)

1. 基板が反応温度で設置された反応チャンバ内にＮ₂キャリアガスを導入する工程と、
   ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物、１つの窒素源化合物、及びｐ型不純物を、前記反応チャンバ内に導入し、これによって化学反応が生じてｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物を形成する、ｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程。
2. 前記反応温度は約４００℃を超える、請求項１に記載の工程。
3. ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの化合物は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等を含む、請求項１に記載の工程。
4. 前記窒素源化合物はアンモニアＮＨ₃を含む、請求項１に記載の工程。
5. 前記ｐ型不純物はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等を含む、請求項１に記載の工程。
6. 前記反応チャンバ内にＮ₂キャリアガスを導入する前に第２のキャリアガスを用いることによって最初のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程を更に含む、請求項１に記載の工程。
7. 前記第２のキャリアガスはＨ₂を含む、請求項６に記載の工程。
8. 前記最初のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層は約４００℃を超える温度で形成される、請求項６に記載の工程。
9. 前記最初のｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する工程は、ｐ型不純物と、ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物及び１つの窒素源化合物を含む反応性化合物を供給することを含む、請求項６に記載の工程。
10. ｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層を形成する方法であって、
    第１の組成のキャリアガス、ＩＩＩ族元素の少なくとも１つの源化合物、１つの窒素源化合物、及びｐ型不純物を基板が反応温度で設置された反応チャンバ内に導入し、これによって化学反応が生じてｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物を形成する工程と、
    前記第１の組成から前記第１の組成と異なる第２の組成に前記キャリアガスを変えるとともに前記ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物を形成する工程とを含むｐ型活性ＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物層の形成工程。
11. 前記キャリアガスの第１及び第２の組成の少なくとも１つがＮ₂を含む、請求項１０に記載の工程。
12. 前記キャリアガスの第１及び第２の組成の少なくとも１つがＨ₂を含む、請求項１０に記載の工程。
13. 前記反応温度が約４００℃を超える、請求項１０に記載の工程。
14. ＩＩＩ族元素の化合物の少なくとも１つは、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等を含む、請求項１０に記載の工程。
15. 前記窒素源化合物はアンモニアＮＨ₃を含む、請求項１０に記載の工程。
16. 前記ｐ型不純物はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等を含む、請求項１０に記載の工程。

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