JP2007261936A - 窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 <0001>方向より0.05°から0.2°傾斜させた鏡面研磨サファイア(0001)を基板201とする。傾斜角を0.05°から0.2°に保つことによりサファイア基板上のステップ202密度を最適に制御し、極めて平坦かつ欠陥密度を低減し、電気的光学的特性を向上した窒化物系化合物半導体素子が得られる。一般式InxGayAlzN(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される化合物を意味する窒化物系化合物半導体。
【選択図】 図2
Description
<0001>方向から<1−100>方向に0.05°傾斜させて鏡面研磨したサファイア(0001)基板を通常の横形MOCVD装置反応炉にセットして、水素を供給しつつ1100℃まで昇温し10分間サーマルクリーニングを行う。その後600℃まで降温してGaNバッファ層を50nm堆積させ、アンモニアを供給しつつ1000℃まで昇温し、アンドープGaN層を5μm厚成長した。このGaN膜は、段差計による測定で平均表面粗さが1.0nm、二結晶X線回折ピークの半値幅2.5arcmin、電子濃度4×1015cm-3、移動度500cm2/V・secであり、良好な結晶特性が得られた。
比較のため、<0001>から<1−100>方向へ2.1°傾斜したサファイア基板を用いて実施例1と全く同様の工程でアンドープGaN層を成長したところ、二次元成長が阻害されたことによる凹凸が発生し、平均表面粗さ2.0nm、二結晶X線回折ピークの半値幅4arcmin、電子濃度1016cm-3、移動度90cm2/V・secと結晶としての特性が劣化した。
次に実施例1とは傾斜方向が90°異なる方向に傾斜させたサファイア基板を用いた場合の本発明の実施形態について説明する。本実施例では、<0001>方向から<11−20>方向に0.15°傾斜させて鏡面研磨したサファイア(0001)基板を通常の横形MOCVD装置反応炉にセットして、実施例1と同様の工程によりアンドープGaN層を成長した。本実施例で作製されたGaN層の結晶特性は、平均表面粗さ1.1nm、二結晶X線回折半値幅2.6arcmin、電子濃度4×1015cm-3、移動度500cm2/V・secと良好であった。
実施例2との比較のために、<11−20>方向に1.8°傾斜したサファイア(0001)基板を用いて実施例2と同様の工程でGaN層の成長を行ったが、GaN層の結晶特性が実施例2の場合より著しく劣化して、表面に2.0nm以上の平均粗さを有する凹凸が発生した。さらに、実施例2と同様にGaNまたはAlNまたはAlGaNバッファ層の堆積温度を500℃〜650℃、厚さを40nm〜70nmの範囲で変化させたが、GaN層の結晶特性に大きな改善は見られなかった。
図7に本願の窒化物系化合物半導体を用いて作製したLEDの例を示す。図において、701はサファイア(0001)基板、702はGaNバッファ層、703はn型GaNコンタクト層、704はIn0.2Ga0.8N単一量子井戸層からなるInGaN活性層、705はp型AlGaN保護層、706はp型GaNコンタクト層、707はp型電極、708はn型電極である。<0001>方向から<1−100>方向に0.05°傾斜させて鏡面研磨したサファイア(0001)基板701を用いて、基板温度600℃でGaNバッファ層702を50nm厚堆積させ、続いて基板温度を1000℃に上昇させアンモニア、TMGおよびSiH4を用いてn型GaNコンタクト層703を5μm厚成長した。この時のn型GaNコンタクト層703はn型不純物が1×1018cm-3の密度で含まれるようにした。
比較のため、<0001>方向から<1−100>方向に0.25°傾斜させたサファイア基板を用いて実施例3と同様の方法で作製したLEDに20mAの順方向電流を流したところ、発光波長450nmと実施例3と同じであったが、発光スペクトルの半値幅は35nmと実施例3より広がっており、輝度は900mcdと発光効率が低下していることが分かった。さらに、発光パターン評価においても、発光強度の素子面内での分布が±70%と非常に大きいことが分かった。よって、本発明により発光スペクトルの半値幅が大幅に狭帯域化し、色純度と発光強度の著しい向上が実現できた。また、発光強度の素子面内での分布も均一にすることが可能となった。
図8に本発明を適用した窒化物系化合物半導体を用いて作製した半導体レーザの例を示す。図において、801はサファイア基板、802はGaNバッファ層、803はn型コンタクト層、804はn型クラッド層、805は活性層、806はp型蒸発防止層、807はp型クラッド層、808はp型コンタクト層、809は電流狭窄層、810はp型電極、811はn型電極である。
比較のために<0001>方向から<1−100>方向に0.25°傾斜させたサファイア基板を用いて上記手法で作製したレーザ素子に電流を流したところ、閾値電流250mAで432nmのレーザー発振が観測された。立ち上がり電圧は4Vであった。また、5mW出力時の駆動電流は280mA、駆動電圧は4.9Vであった。室温における素子寿命は100時間以下であった。
本実施例では、微傾斜基板を用いて作製した発光ダイオードについて、基板微傾斜角と素子中に存在する貫通転位密度、表面粗さおよび電流注入時の発光強度の関係を示す。
本実施例では、微傾斜基板上に成長中断を用いて作製した障壁層と活性層を持つ発光ダイオードについて電流注入時の発光強度と、活性層及び障壁層成長後の成長中断時間との関係を示す。
本実施例では、<0001>方向から<1−100>方向に0.15°傾斜角をつけて鏡面研磨した(0001)面サファイア基板を用いて、活性層の障壁層成長後に一定の成長中断時間をおいて成長し、その後、活性層の井戸層成長後にも同様に、一定の成長中断期間を設けて成長した場合の発光ダイオードの電流注入に於ける発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を調査した例について報告する。発光ダイオードを形成する各層の成長方法は実施例2に示した方法と同様である。以下、活性層を成長する条件について記述する。
本実施例では、基板として<0001>方向から<1−100>方向に0.15°傾斜角をつけて鏡面研磨した(0001)面サファイアを用いて、実施例5に示す方法で、発光ダイオードを作製した際、活性層を形成する障壁層成長後の成長中断を行う期間に流すキャリアガスの水素ガスと窒素ガスの混合比を変化させた場合の発光ダイオードの発光特性を調査した結果について記述する。
本実施例では、基板として<0001>方向から<1−100>方向に0.15°傾斜角をつけて鏡面研磨した(0001)面サファイアを用いて、実施例1に示す方法で、発光ダイオードを作製した際、活性層を形成する障壁層成長後の成長中断を行う期間に流すNH3ガスの導入量を変化させた場合の成長中断時間と発光強度の関係を調査した結果について記述する。
本実施例では、GaN微傾斜基板を用いて作製した発光ダイオードについて、GaN基板の微傾斜角と素子中に存在する貫通転位密度、表面粗さおよび電流注入時の発光強度の関係を示す。
本実施例では、微傾斜GaN基板上に成長中断を用いて作製した障壁層と活性層を持つ発光ダイオードについて電流注入時の発光強度と、活性層及び障壁層成長後の成長中断時間との関係を示す。
本実施例では、<0001>方向から<1−100>方向に0.15°傾斜角をつけて鏡面研磨した(0001)面GaN基板を用いて、活性層の障壁層成長後に一定の成長中断時間をおいて成長し、その後、活性層の井戸層成長後にも同様に、一定の成長中断期間を設けて成長した場合の発光ダイオードの電流注入に於ける発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を調査した例について報告する。発光ダイオードを形成する各層の成長方法は実施例6に示した方法と同様である。以下、活性層を成長する条件について記述する。
102…ステップ
103…成長核
201…基板
202…ステップ
203…成長核
401…基板
402…バッファ層としてのGaN膜
403…n型GaN
404…n型Al0.15Ga0.85N膜
405…GaN膜
406…活性層
407…AlGaN膜
408…p型GaN膜
409…p型Al0.15Ga0.85N膜
410…p型GaNコンタクト層
411…絶縁膜
412a…p型電極
412b…n型電極
501…成長中断期間
502…障壁層の成長期間
503…井戸層の成長期間
504…n型GaNの成長期間
505…p型GaNの成長期間
506…昇華防止層の成長期間
701…サファイア(0001)基板
702…GaNバッファ層
703…n型GaNコンタクト層
704…InGaN活性層
705…p型AlGaN保護層
706…p型GaNコンタクト層
707…p型電極
708…n型電極
801…サファイア基板
802…GaNバッフア層
803…n型コンタクト層
804…n型クラッド層
805…活性層
806…p型蒸発防止層
807…p型クラッド層
808…p型コンタクト層
809…電流狭窄層
810…p型電極
811…n型電極
Claims (6)
- サファイア基板上に、窒化物系化合物半導体を形成した窒化物系化合物半導体素子であって、
前記サファイア基板表面の結晶方位が<0001>方向より0.05°以上0.2°以下の範囲で傾斜していることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。 - サファイア基板上に、窒化物系化合物半導体を形成した窒化物系化合物半導体素子であって、
前記窒化物系化合物半導体はInを含む窒化物系化合物半導体層を含み、
前記Inを含む窒化物系化合物半導体層の積層面が<0001>方向より0.05°以上0.2°以下の範囲で傾斜していることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。 - 前記傾斜の方向が、<11−20>方向又は<1−100>方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物系化合物半導体素子。
- サファイア基板上に、窒化物系化合物半導体を気相成長させる工程を有する窒化物系化合物半導体素子の製造方法において、
前記サファイア基板表面の結晶方位が<0001>方向より0.05°以上0.2°以下の範囲で傾斜していることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 前記窒化物系化合物半導体層を気相成長させる工程は、500〜800℃で窒化物系化合物半導体からなるバッファ層を前記サファイア基板上に気相成長する工程を含み、
前記バッファ層を気相成長する前に、前記サファイア基板を前記バッファ層の成長温度よりも高い温度でサーマルクリーニングする工程を有することを特徴とする請求項4に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 前記サファイア基板表面の結晶方位が<0001>方向より<11−20>方向又は<1−100>方向に0.05°以上0.2°以下の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項4又は5に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
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