JP2007194493A

JP2007194493A - 窒化物系半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP2007194493A
Application number: JP2006012869A
Authority: JP
Inventors: Ichiyo Tsutsumi; 一陽堤; Norikazu Ito; 範和伊藤; Tetsuya Fujiwara; 徹也藤原; Masayuki Sonobe; 雅之園部
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎの析出による発光効率の低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体素子の製造方法は、基板上に、ｎ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層上に、第１の成長温度で、ＩｎＧａＮを含む活性層を形成する工程と、活性層の形成後に、第１の成長温度よりも低い温度に降温する工程と、第１の成長温度よりも高い第２の成長温度に昇温し、活性層上に、ｐ型ＧａＮ層を形成する工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法に関する。

青色、緑色又は紫色の光を発する半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子として、窒化ガリウム半導体発光素子がある。ＧａＮ系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。

例えば、サファイア基板の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて、ＧａＮ低温バッファ層、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層等が順に形成され、活性層上には、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層等が順に形成される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−７７４１６号公報

しかしながら、緑色ＬＥＤに用いられるＩｎＧａＮ活性層のように、Ｉｎ組成の高い活性層を結晶成長させる場合、Ｉｎが析出し、本来は透明の膜であるにもかかわらず、異色化してしまう問題があった。このため、素子の発光強度が落ちる要因ともなっていた。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎの析出による発光効率の低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、（ａ）基板上に、少なくとも１層以上の第１の窒化物系半導体層（例えば、ｎ型半導体層）を形成する工程と、（ｂ）第１の窒化物系半導体層上に、第１の成長温度で、ＩｎＧａＮを含む活性層を形成する工程と、（ｃ）活性層の形成後に、第１の成長温度よりも低い温度に降温する工程と、（ｄ）第１の成長温度よりも高い第２の成長温度に昇温し、活性層上に、少なくとも１層以上の第２の窒化物系半導体層（例えば、ｐ型半導体層）を形成する工程とを含む窒化物系半導体素子の製造方法であることを要旨とする。

本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、活性層の形成後に、一度温度を下げることにより、ＩｎＧａＮ中のＩｎの析出を防ぐことができ、素子の発光効率の低下を抑制することができる。

又、本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、第１の成長温度よりも低い温度は、４００〜５００℃であることが好ましい。

又、本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、降温速度は、１０００℃／ｈであることが好ましい。

本発明によると、ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎの析出による発光効率の低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（窒化物系発光ダイオード素子の製造方法）
本実施形態に係る窒化物系発光ダイオードの製造方法について、図１及び図２を用いて説明する。又、本実施形態における活性層は、高Ｉｎ組成であり、例えば、１２〜２０％のＩｎを含む組成である。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法を説明するための断面図である。又、図２は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法における成長温度の推移を示す。

まず、図１（ａ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板１０１上に、ｎ型半導体層１０２、活性層１０３を形成する。

例えば、サファイア基板１０１を約４００〜７００℃の温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）からなる原料ガスを用いて、サファイア基板１０１の（０００１）面上に、アンドープの非単結晶のＧａＮからなるバッファ層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスを用いて、バッファ層上に、アンドープの単結晶のＧａＮからなる下地層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＳｉＨ₄からなるドーパントガスとを用いて、下地層上に、Ｓｉがドープされた単結晶のＧａＮからなるｎ型コンタクト層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）からなる原料ガスと、ＳｉＨ₄からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型コンタクト層上に、Ｓｉがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を成長させる。

このように、ｎ型半導体層１０２は、バッファ層、下地層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層等から構成される。又、ｎ型半導体層１０２の成長時間は、３〜４時間程度である。

次に、サファイア基板１０１を約７００〜８００℃（例えば、７６０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃、ＴＭＧあるいはＴＭＩ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスを用いて、ｎ型半導体層１０２上に、アンドープの単結晶のＩｎＧａＮからなる障壁層と、アンドープの単結晶のＩｎＧａＮからなる井戸層とを交互に成長させる。これにより、例えば、４つの障壁層及び３つの井戸層を有するＭＱＷ構造の活性層１０３を成長させる。又、ＩｎＧａＮを含む活性層１０３の成長時間は、１〜５時間程度である。

図１（ａ）に示す活性層１０３の形成後、図２に示すように、活性層１０３の成長温度よりも低い温度に降温する。活性層１０３の成長温度よりも低い温度とは、４００〜５００℃であることが好ましく、４５０℃程度であることが更に好ましい。又、降温速度は、１０００℃／ｈであることが好ましい。尚、図２では、活性層１０３の成長温度よりも低い温度に降温した後、一定時間温度を保持しているが、低温を保持しなくてもよい。即ち、活性層１０３の成長温度よりも低い温度に降温し、すぐに昇温してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、活性層上１０３に、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４、ｐ型ＧａＮ層１０５を形成する。

例えば、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ₂及びＮ₂からなるキャリアガスと、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＴＭＡからなる原料ガスと、ＣＰ₂Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、活性層１０３上に、Ｍｇがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなるｐ型ＡｌＧａＮ層１０４を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ₂及びＮ₂からなるキャリアガスと、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＣＰ₂Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４上に、ｐ型ＧａＮ層１０５を成長させる。

この後、例えば、Ａｇ層と、Ｐｔ層と、Ａｕ層とからなるｐ型電極を、真空蒸着法により順次形成する。

（作用及び効果）
従来、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＮの結合は、非常に外れやすいことが知られている。通常、ＩｎＧａＮを含む活性層１０３の成膜直後に、図３に示すように、同一又は更に高い温度で保持するシーケンスをとっている。このため、本発明者らは、Ｉｎ−Ｎの結合は不安定となっていることに着目した。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子層の製造方法によると、図２に示すように、活性層１０３の形成後に、一度温度を下げることにより、ＩｎとＮとの結合を安定化させることができる。そして、その後、成膜を行うことにより、ＩｎＧａＮ中のＩｎの析出を防ぐことができ、素子の発光効率の低下を抑制することができる。

又、Ｉｎ−Ｎ結合の強化により、その後に積層する膜を更なる高温で成膜しても、Ｉｎの析出が発生しないようにすることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の実施の形態では、主として、窒化物半導体素子層の活性層から放出される光を利用する発光ダイオードの製造方法について例示したが、本発明はこれに限らず、半導体レーザやこれら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。又、窒化物系半導体素子層を有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、受光素子への応用が可能である。

又、本発明の実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させる説明したが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法やガスソースＭＢＥ法などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。又、窒化物系化合物半導体の結晶構造として、ウルツ鉱型であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。又、成長の面方位は、（０００１）に限るものではなく、（１１−２０）や（１−１００）でもよい。

又、本発明の実施の形態では、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮからなる層以外の層を含む窒化物系半導体素子層を用いてもよい。又、半導体素子層の形状は、メサ構造、リッジ構造などの電流狭窄造を有するものでもよい。

又、本発明の実施の形態では、窒化物系半導体素子層の成長用基板として、サファイア基板を用いたが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の成長の可能な基板、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル、そしてＧａＮ等が使用可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法における、成長温度の推移を示すグラフである。従来の窒化物系半導体素子の製造方法における、成長温度の推移を示すグラフである。

符号の説明

１０１…基板
１０２…ｎ型半導体層
１０３…活性層
１０４…ＡｌＧａＮ層
１０５…ＧａＮ層

Claims

基板上に、少なくとも１層以上の第１の窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物系半導体層上に、第１の成長温度で、ＩｎＧａＮを含む活性層を形成する工程と、
前記活性層の形成後に、前記第１の成長温度よりも低い温度に降温する工程と、
第１の成長温度よりも高い第２の成長温度に昇温し、前記活性層上に、少なくとも１層以上の第２の窒化物系半導体層を形成する工程と
を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
前記第１の成長温度よりも低い温度は、４００〜５００℃であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
前記第１の成長温度よりも低い温度に降温する工程において、降温速度は、１０００℃／ｈであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。