JP2007200933A - 窒化物系半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎの偏析を防止し、結晶性を向上させる窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】量子井戸構造を有する活性層を備える窒化物系半導体素子の製造方法であって、基板１０１上に、ｎ型半導体層１０２を形成する工程と、ｎ型半導体層１０２上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、井戸層１０３ａを形成する工程と、井戸層１０３ａ形成後に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスの０．０１〜１％の体積割合のＨ₂ガスを導入する工程と、井戸層１０３ａ上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、障壁層１０３ｂを形成する工程とを含む。
【選択図】図３

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、赤色、白色の光を発する発光ダイオード、半導体レーザ素子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が偏析し、本来は透明の膜であるにもかかわらず、黒色化してしまう問題があった。このため、素子の結晶性を悪化させ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の偏析を防止し、結晶性を向上させ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、量子井戸構造を有する活性層を備える窒化物系半導体素子の製造方法であって、（ａ）基板上に、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層を形成する工程と、（ｂ）窒化物系半導体層上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、井戸層を形成する工程と、（ｃ）井戸層形成後に、前記Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスの０．０１〜１％の体積割合のＨ₂ガスを導入する工程と、（ｄ）井戸層上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、障壁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、Ｈ₂ガスを導入することにより、Ｉｎの偏析を飛ばすことができ、結晶性を向上させることができる。

又、本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法のＨ₂ガスを導入する工程において、５０〜２００℃昇温することが好ましい。

本発明によると、ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎの偏析を防止し、結晶性を向上させ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）
図１及び図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断面図である。又、本実施形態における活性層は、高Ｉｎ組成であり、例えば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０．２５（緑）＜ｘ＜０．４（黄〜赤））である。

窒化物系発光ダイオード素子は、図１に示すように、サファイア基板１０１上に、バッファ層、下地層、ｎ型コンタクト層等から構成されるｎ型半導体層１０２が形成され、ｎ型半導体層１０２上に、多重量子井戸構造を有する活性層１０３が形成され、活性層１０３上に、ＡｌＧａＮ層１０４、ＧａＮ層１０５等ｐ型半導体層が形成される。

活性層１０３は、図２に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１０３ａとＩｎＧａＮからなる障壁層１０３ｂとを交互に積層した多重量井戸（ＭＱＷ）構造を有する。

（窒化物系発光ダイオード素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法について、説明する。図３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。

まず、図３（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を形成する。

まず、サファイア基板１０１にバッファ層を成膜する前に通常、Ｈ2だけを流して１２００℃の処理（サーマルクリーニング）を行う。

次に、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。

このように、ｎ型半導体層１０２は、バッファ層、下地層、ｎ型コンタクト層等から構成される。

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、Ｎ₂からなるキャリアガスを導入しつつ、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からなる井戸層１０３ａを成長させる。このとき、Ｎ₂及びＮＨ₃ガスの流量は、合計で２０〜５０ｌ／ｍｉｎである。

次に、井戸層１０３ａ形成後に、Ｎ₂及びＮＨ₃ガスの０．０１〜１％の体積割合のＨ₂ガスを導入する。このとき、井戸層１０３ａを成長させていた温度から、５０〜２００℃昇温すること好ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、Ｎ₂からなるキャリアガスを導入しつつ、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、井戸層１０３ａ上に、アンドープの単結晶のＩｎＧａＮからなる障壁層１０３ｂを成長させる。このとき、障壁層１０３ｂは、井戸層の成長温度と同じ温度で成長させても良く、あるいは、５０〜２００℃昇温させたそのままの温度で成長させても良い。

このように、井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとを交互に成長させ、例えば、３つの井戸層及び３つの障壁層を有するＭＱＷ構造の活性層１０３を成長させる。又、活性層１０３の厚みは、約０．０５〜０．２μｍであることが好ましい。

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、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、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ等からなる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、緑色ＬＥＤなどのＩｎＧａＮ活性層のように、Ｉｎ組成の高いＬＥＤを結晶成長させる場合、本来は透明の膜であるにもかかわらず、黒色化しやすい。本発明者らは、この黒色化の原因を調査したところ、ＩｎＧａＮからなる井戸層１０３ａ表面に発生したＩｎ偏析であることを見出した。更に、これらのＩｎ偏析を減少させるためには、キャリアガスとしてＨ₂を導入することが有効であることを見出した。

図４に、ＩｎＧａＮからなる井戸層の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて撮影した写真を示す。図４（ａ）は、従来の、井戸層形成後にＨ₂ガスを導入しない状態の表面であり、図４（ｂ）は、本発明による、井戸層形成後にＨ₂ガスを導入した状態の表面である。図４（ｂ）は、井戸層形成時に導入したＮ₂ガス及びＮＨ₃ガスの０．５％の体積割合のＨ₂ガスを導入したものである。

このように、図４（ｂ）では、図４（ａ）と比較して、欠陥である黒いピット状の穴が小さくなっていることが分かる。従って、本実施形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、Ｈ₂ガスがＩｎの偏析を飛ばすことにより、結晶性を向上させることができる。

又、Ｈ₂ガスを導入する際に、５０〜２００℃昇温すると、Ｈ₂ガスが活性化し、より確実にＩｎの偏析を飛ばすことができる。

（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。

又、本発明の実施の形態では、井戸層の層数が３層である場合を説明しているが、井戸層の数はこれに限られるわけではない。井戸層は１層でも２層でもよく、４層以上でも構わない。

又、本発明の実施の形態では、ｎ型半導体層上に活性層、ｐ型半導体層を積層したが、ｐ型半導体層上に活性層、ｎ型半導体層を積層しても構わない。

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断面図である。 図１の活性層を拡大した断面図である。 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を説明するための断面図である。 （ａ）は、従来の井戸層の表面ＡＦ像であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の井戸層の表面ＡＦＭ像である。

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 (2)

1. 量子井戸構造を有する活性層を備える窒化物系半導体素子の製造方法であって、
   基板上に、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層を形成する工程と、
   前記窒化物系半導体層上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、井戸層を形成する工程と、
   前記井戸層形成後に、前記Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスの０．０１〜１％の体積割合のＨ₂ガスを導入する工程と、
   前記井戸層上に、Ｎ₂ガス及びＮＨ₃ガスを導入しつつ、障壁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。
2. 前記Ｈ₂ガスを導入する工程において、５０〜２００℃昇温す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。