JP2007201145A

JP2007201145A - ｎ型ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の成長方法

Info

Publication number: JP2007201145A
Application number: JP2006017552A
Authority: JP
Inventors: Koji Okuno; 浩司奥野; Tetsuya Taki; 瀧　　哲也; Kazuki Nishijima; 和樹西島; Yusuke Toyoda; 優介豊田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】ｎ型III族窒化物系化合物半導体層に好適な結晶性を維持しつつ、その導電率を向上させる。ｎ型III族窒化物系化合物半導体層の導電率を向上するためにｎ型不純物のドープ量を増大すると、その結晶性が低下する。
【解決手段】ｎ型III族窒化物系化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長させるときに用いるキャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用い、水素ガスの混合体積割合を５〜３０％とする。
【選択図】図１

Description

本発明はｎ型III族窒化物系化合物半導体層（以下、「ｎ型層」と略することがある）の成長方法に関する。当該成長方法は半導体発光素子のｎ型コンタクト層の製造に好適である。

サファイア基板を用いるIII族窒化物系化合物半導体発光素子では、基板の上へ最初に形成される層がｎ型III族窒化物系化合物半導体層であり、この層を結晶性良く形成することがその後に形成される発光層及びその他の層に好適な結晶性を確保する上で重要である。
また、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層にはｎ型電極から電子が注入される。従って、注入された電子を発光層まで効率よく電導させ、そこで効率よく正孔と再結合させることにより発光素子の発光出力増大をはかることができる。
本件発明に関連する文献として特許文献１及び特許文献２を参照されたい。

特開平４−１６４９０５号公報特開平１０−９２７４９号公報

ｎ型III族窒化物系化合物半導体へ注入された電子を効率よく発光層へ導電する方策として、当該ｎ型層を低抵抗化することがある。
ｎ型層を低抵抗化するために、従来から、シリコン等のｎ型不純物をドープすることが採用されてきた。当該ｎ型不純物のドープ量が多いほどｎ型層の自由電子量が増大するのでその導電率が向上する。即ち、ｎ型層の抵抗が小さくなる。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、ｎ型層へドープできるｎ型不純物の量に限界があることがわかった。即ち、本発明者らがサファイア基板上にｎ−ＧａＮ層を成長させたときシリコンのドープ量が約６．０×１０^１８／ｃｍ^３を超えると結晶性が低下し、ｎ−ＧａＮ層の表面荒れが発生する。また１．０×１０^１９／ｃｍ^３を超えてシリコンをドープした場合、単結晶を成長させることが困難であった。

本発明者らは、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層に好適な結晶性を維持しつつ、その導電率を向上させるため鋭意検討を重ねてきたところ、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長させる際に用いるキャリアガスに着目した。
そして、このキャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用い、水素ガスの混合体積割合を５〜３０％とすると、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層の結晶性を良好に維持しつつ、これに対するｎ型不純物のドープ量が増大することができ、もって、当該ｎ型層の導電性が向上することを見出した。

上記のように、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層の導電性が向上すると、当該ｎ型層へ注入された電子が発光素子の面内全体に広がる。その結果、発光素子の発光が均一となり、高光度化が達成される。
また、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層の導電率が向上する（低抵抗化する）ことにより、当該ｎ型層とｎ型電極とのコンタクト抵抗や発光素子の直列成分の抵抗も低くできることとなり、発光素子のＶｆが低下する。

本発明者らは、図１に示す試料をＭＯＣＶＤ法により作成した。各層のスペックは次の通りである。

層：組成
ｎ型層：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（２〜４μｍ）
下地層：ｉ−ＧａＮ（２〜３μｍ）
バッファ層：ＡｌＮ
基板：サファイア

なお、ｉ−ＧａＮ層及びｎ−ＧａＮ層の成長温度は１１００〜１１５０℃であり、ｉ−ＧａＮ層のキャリアガスは水素ガス１００％である。

上記試料において、ｎ−ＧａＮ層を成長させるときのキャリアガスの配合を変化させてみた（図２の横軸参照）。そのときのシリコン元素の濃度を図２の縦軸に示した。
同様に、キャリアガスの体積割合とｎ−ＧａＮ層の面抵抗との関係を図３に示す。
キャリアガスの体積割合とｎ−ＧａＮ層の電子濃度との関係を図４に示す。
上記図２〜図４の結果より、窒素ガスと水素ガスとの混合割合の如何によって、ｎ−ＧａＮ層の特性が大きく変化することがわかる。そして、水素ガスの混合体積割合を５〜３０％としたとき、最も導電性が向上することがわかる。更に好ましい水素ガスの混合体積割合は１０〜２０％である。

上記において、図１に示すシリコン元素の濃度はＳＩＭＳにより測定した。
また、図２に示す面抵抗、及び図３に示す電子濃度はホール効果測定装置により測定した。

図２〜図４の結果より、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層におけるシリコン元素を、従来では不可能であった１．０×１０^１９／ｃｍ^３を超えて、多量にドープ可能となったことがわかる。

図１に示す試料へＨｅ−Ｃｄレーザ光（波長：３２６ｎｍ）を照射して励起発光させたときのスペクトルを図５に示す。図５のスペクトルにおいて、約５６０ｎｍのピーク（イエロールミネッセンス）は半導体層の格子欠陥に起因するピークであり、この強度が高いと格子欠陥が多く、結晶品質が劣っている。
他方、３６０ｎｍ付記のピークはバルクＧａＮのバンド端ピークであり、この強度が高いと結晶品質が良好といえる。
図６には、上記２つのピークの比と窒素ガス及び水素ガスの混合割合との関係を示す。図６の関係から、水素ガスの混合体積割合を５〜３０％としたときバンド端ピークとイエローピークとの強度比は１以下であった。これは、電子が均一にかつ効率よく供給されることによるバンドピークの強度向上と、結晶性が向上して結晶格子欠陥が低下することによるイエローピーク強度の低下があいまった結果である。

以上、III族窒化物系化合物半導体層の例としてＧａＮを取り上げて説明してきたが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮ、その他のIII族窒化物系化合物半導体を用いることができる。ここに、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉの他、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
基板もサファイアに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。

図１〜図３の結果は、上記試料においてｎ−ＧａＮ層を１１００〜１１５０℃で成長させたときに得られたものであるが、一般的にｎ型III族窒化物系化合物半導体層を１０００℃〜１２００℃で成長させたときにも同様の効果が得られる。

以下、この発明の実施例及び比較例を説明する。
図７に実施例の発光素子１を示す。
この発光素子１の各層のスペックは次の通りである。
層：組成
ｐコンタクト層１１：ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ１００ｎｍ
ｐクラッド層９：ｐ−ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ：Ｍｇ 3.5〜10.5ペア
ＭＱＷ発光層７：ＩｎＧａＮ／（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ） 3〜8ペア
ｎクラッド層６：ｎ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ：Ｓｉ 5〜20ペア
ＥＳＤ層５：ｉ−ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ
ｎコンタクト層４：ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ
基板２：サファイア

上記において、各半導体層は任意のIII族窒化物系化合物半導体の組成に置換することができる。
ｐ型層にドープされるｐ型不純物としてＭｇの他に、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。

上記構成の発光素子において、ｎ型III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法を実行して形成されている。他の層は、当該ＭＯＣＶＤ法のほか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
ｐ型層、発光層、ｎクラッド層及びｎコンタクト層の一部がエッチングされて、ｎコンタクト層にｎ電極が蒸着により形成される。このｎ電極はＡｌとＶの２層で構成される。
ｐコンタクト層の全面に金を含む薄膜の透光性電極が積層される。透光性電極の上に蒸着により金を含むｐ電極が形成される。
上記の工程により各半導体層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
このように構成された実施例の発光素子に電流を印加すると青色系の発光（波長：４６０ｎｍ）が得られる。

実施例の発光素子では、ｎコンタクト層４を１１００〜１１５０℃の成長温度で窒素ガス：８８体積％、水素ガス：１２体積％の混合割合のキャリアガスを用いて成長させる。ＳＥＤ層５は８００〜９００℃の成長温度で窒素ガス１００体積％のキャリアガスを用いて成長させる。ｎクラッド層６は７５０〜８５０℃の成長温度で窒素ガス１００体積％のキャリアガスを用いて成長させる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

ｎ型III族窒化物系化合物半導体層の特性を調べる試料の構成を示す。キャリアガスの組成比（窒素ガス／（窒素ガス＋水素ガス））とｎ型III族窒化物系化合物半導体層におけるシリコン元素のドープ濃度量との関係を示すグラフである。キャリアガスの組成比（窒素ガス／（窒素ガス＋水素ガス））とｎ型III族窒化物系化合物半導体層の面抵抗値との関係を示すグラフである。キャリアガスの組成比（窒素ガス／（窒素ガス＋水素ガス））とｎ型III族窒化物系化合物半導体層の電子濃度との関係を示すグラフである。図１の試料にＨｅ−Ｃｄレーザ光（波長：３２６ｎｍ）を照射して励起発光させたときのスペクトルを示す。イエローピーク／バンド端ピーク比と窒素ガス及び水素ガスの混合割合との関係を示す。この発明の実施例の発光素子の構成を示す模式図である。

符号の説明

１発光素子
４ｎコンタクト層
５ＥＳＤ層
６ｎクラッド層
７発光層
９ｐクラッド層
１１ｐコンタクト層

Claims

ｎ型III族窒化物系化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法で成長させる方法であって、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用い、前記水素ガスの混合体積割合を５〜３０％とする、ことを特徴とするｎ型III族窒化物系化合物半導体層の成長方法。
前記水素ガスの混合体積割合が１０〜２０％である、ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体層の成長方法。
成長温度を１０００〜１２００℃とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のIII族窒化物系化合物半導体層の成長方法。
請求項１〜３のいずれかに記載のｎ型III族窒化物系化合物半導体層の成長方法を含む、半導体発光素子の製造方法。