JP2008277714A - GaN系半導体発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】GaN系半導体発光ダイオードの製造方法は、基板上に形成されたn型GaN系半導体層上に、GaN系半導体からなる第1の層を、少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、第1の層の直上に、量子井戸構造の活性層を構成する複数のGaN系半導体層からなる第2の層を、少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、p型不純物を添加したGaN系半導体層を成長させる前に、温度を上昇させて、第2の層の表面を平坦化させる工程と、第2の層の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)からなる第3の層を、p型不純物を添加しながら成長させる工程と、を含む。第3の層は表面に正電極が形成される層である。
【選択図】図1
Description
(1)MOVPE法によって基板上に複数のGaN系半導体層を成長させて積層する工程を有し、
該工程が、(イ)基板上に形成されたn型GaN系半導体層上に、GaN系半導体からなる第1の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、(ロ)前記第1の層の直上に、量子井戸構造の活性層を構成する複数のGaN系半導体層からなる第2の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、
(ハ)p型不純物を添加したGaN系半導体層を成長させる前に、温度を上昇させて、前記第2の層の表面を平坦化させる工程と、(ニ)前記第2の層の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)からなる第3の層を、p型不純物を添加しながら成長させる工程と、を含み、前記第3の層は表面に正電極が形成される層である、GaN系半導体発光ダイオードの製造方法。
(2)前記第1の層及び第2の層を、Inを含むGaN系半導体又はGaNで形成するとともに、前記(ハ)の工程では、外部から3族原料を供給することなく前記第2の層の温度を上昇させて、その表面に形成されたピットを埋め込む、前記(1)に記載の製造方法。
(3)前記(ハ)の工程では、外部から3族原料および5族原料を供給しながら前記第2の層の温度を上昇させて、その表面に形成されたピットを埋め込む、前記(1)に記載の製造方法。
(4)前記(イ)の工程では、前記第1の層を50nm〜500nmの厚さに成長させる、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)前記第1の層の膜厚と前記第2の層の膜厚の合計を600nm以下とする、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記(イ)の工程では、前記第1の層を、少なくとも一部にn型不純物を添加しながら成長させる、前記(1)〜(5)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記(イ)の工程では、前記第1の層を、アンドープの下層部とn型不純物を添加した上層部とからなる二層構造に形成する、前記(6)に記載の製造方法。
(8)前記第1の層がGaN層である、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)前記第2の層がGaN層とInGaN層との交互積層体である、前記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)前記第3の層がAlx1Ga1−x1N(0.08≦x1≦0.4)からなるキャリア閉じ込め層を含む、前記(1)〜(9)のいずれかに記載の製造方法。
本実施例1にて作製したGaN系LEDの断面構造を図1に示す。図1に示すGaN系LED10は、サファイア基板11と、その上に低温バッファ層12を介して形成された、複数のGaN系半導体層13〜18からなる積層体Lと、負電極E1と、正電極E2と、を有している。積層体Lは、バッファ層12側から順に、アンドープのGaN(弱いn型導電性を示す)からなる単結晶層である高温バッファ層13、SiドープしたGaNからなるn型コンタクト層14、部分的にSiドープしたGaNからなるn型クラッド層15、SiドープしたGaN障壁層とアンドープのInGaN井戸層との交互積層体である多重量子井戸構造の活性層16、MgドープしたAl0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層17、MgドープしたAl0.03Ga0.97Nからなるp型コンタクト層18、を有している。n型コンタクト層14の一部が露出しており、その表面上には負電極E1が形成されている。負電極E1は、n型コンタクト層14に接するTiW合金層と、その上に積層されたAu層とから構成されている。p型コンタクト層18上には正電極E2が形成されている。正電極E2は、p型コンタクト層18上の略全面を覆う、ITO(インジウム錫酸化物)からなる透光性の拡散電極E21と、該拡散電極上の一部に形成されたパッド電極E22とから構成されている。パッド電極E22は、拡散電極E21に接するTiW合金層と、その上に積層されたAu層とから構成されている。
まず、C面を主面とする直径2インチのサファイア基板11を準備し、これをMOVPE装置の成長炉内に設けられたサセプタに装着した。そして、水素ガスを成長炉内に供給しながら、このサファイア基板を1100℃に加熱して、基板表面の有機汚染を除去した。
次に、基板温度を500℃に下げ、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)およびアンモニアを供給して、サファイア基板11上にAlGaNからなる低温バッファ層12を20nmの厚さに形成した。低温バッファ層12の形成後、基板温度を1000℃に上げ、TMG、アンモニアを供給して、高温バッファ層13を2μmの厚さに形成した。続いて、基板温度を1000℃に保ったまま、TMG、アンモニアに加えて更にシラン(SiH4)を供給し、Si濃度約5×1018cm−3のn型コンタクト層14を4μmの厚さに形成した。このようにして、n型コンタクト層14の成長までを完了させたウェハの断面図を図2に示す。
れたものであると考えられる。
3族原料を外部から供給しないにもかかわらず、ピットが埋め込まれたのは、マストランスポート現象が生じたためと推定される。図5は、昇温後のウェハの断面を模式的に示したものである。この図5では、活性層16を構成する物質のみが移動したかのように描いているが、詳細は不明であり、n型クラッド層15を構成する物質なども移動した可能性がある。
次に、このLEDチップに、順方向に100mAの電流を50時間連続して流した後、再び、逆方向に5Vの電圧を印加して逆方向電流を測定したところ、0.5μA未満であった。また、通電を行う前の初期状態のLEDチップの、静電破壊に対する耐性を、静電破壊試験の規格(ESDA規格のSTM5.1−1998)で定められている人体帯電モデル(Human Body Model;HBM)の方法に基づいて評価したところ、測定に用いたサンプルの大部分(全数の90%)は、2000V以下では破壊されなかった。
実施例2では、n型クラッド層15の全体をアンドープのGaNで形成したこと以外は、実施例1と同様にしてLEDチップを作製した。この実施例2のLEDチップについて、実施例1と同様にして、通電前の初期状態と、100mAの電流を順方向に50時間流して劣化させた後の、逆方向電流を測定したところ、初期状態においては0.05μA未満であり、劣化後においても0.1μA未満という低い値であった。一方、この実施例2のLEDチップの、通電前の初期状態における静電破壊に対する耐性を、実施例1と同様の方法で評価したところ、測定に用いたサンプルの全数が150V以下で破壊された。
実施例3では、n型クラッド層15の全体に、Siを約5×1018cm−3の濃度で添加したこと以外は、実施例1と同様にしてLEDチップを作製した。この実施例3のLEDチップについて、実施例1と同様にして、通電前の初期状態と、100mAの電流を順方向に流して劣化させた後の、逆方向電流を測定した。その結果、初期状態においては0.05μA未満であったが、10時間の通電後には1μAを超える値となり、50時間の通電後には約5μAとなった。一方、通電前の初期状態のLEDチップについて、静電破壊に対する耐性を実施例1と同様の方法で評価したところ、実施例1のLEDチップと同等であった。
比較例では、n型クラッド層15の形成を省略したこと以外は、実施例1と同様にしてLEDチップを作製した。この比較例のLEDチップについて、実施例1と同様にして、通電前の初期状態と、100mAの電流を順方向に流して劣化させた後の、逆方向電流を測定した。その結果、初期状態においては0.05μA未満であったが、5時間の通電後には、10μAを超える値となった。
ことが必要であることが分かる。
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。前述のように、本発明の好適な実施形態に係るGaN系発光ダイオードの製造方法は、MOVPE法によって基板上に複数のGaN系半導体層を成長させて積層する工程を有し、該工程が、(イ)基板上に形成されたn型GaN系半導体層上に、GaN系半導体からなる第1の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、(ロ)前記第1の層の直上に、量子井戸構造の活性層を構成する複数のGaN系半導体層からなる第2の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、(ハ)p型不純物を添加したGaN系半導体層を成長させる前に、温度を上昇させて、前記第2の層の表面を平坦化させる工程と、(ニ)前記第2の層の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)からなる第3の層を、p型不純物を添加しながら成長させる工程と、を含み、前記第3の層は表面に正電極が形成される層である、という特徴を有している。
11 サファイア基板
12 低温バッファ層
13 高温バッファ層
14 n型コンタクト層
15 n型クラッド層
16 活性層
17 p型クラッド層
18 p型コンタクト層
E1 負電極
E2 正電極
Claims (10)
- MOVPE法によって基板上に複数のGaN系半導体層を成長させて積層する工程を有し、
該工程が、
(イ)基板上に形成されたn型GaN系半導体層上に、GaN系半導体からなる第1の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、
(ロ)前記第1の層の直上に、量子井戸構造の活性層を構成する複数のGaN系半導体層からなる第2の層を、不純物を添加することなく又は少なくとも一部にn型不純物を添加しながら、表面にピットが形成されるように成長させる工程と、
(ハ)p型不純物を添加したGaN系半導体層を成長させる前に、温度を上昇させて、前記第2の層の表面を平坦化させる工程と、
(ニ)前記第2の層の上に、AlxGa1−xN(0<x<1)からなる第3の層を、p型不純物を添加しながら成長させる工程と、
を含み、
前記第3の層は表面に正電極が形成される層である、
GaN系半導体発光ダイオードの製造方法。 - 前記第1の層及び第2の層を、Inを含むGaN系半導体又はGaNで形成するとともに、前記(ハ)の工程では、外部から3族原料を供給することなく前記第2の層の温度を上昇させて、その表面に形成されたピットを埋め込む、請求項1に記載の製造方法。
- 前記(ハ)の工程では、外部から3族原料および5族原料を供給しながら前記第2の層の温度を上昇させて、その表面に形成されたピットを埋め込む、請求項1に記載の製造方法。
- 前記(イ)の工程では、前記第1の層を50nm〜500nmの厚さに成長させる、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第1の層の膜厚と前記第2の層の膜厚の合計を600nm以下とする、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記(イ)の工程では、前記第1の層を、少なくとも一部にn型不純物を添加しながら成長させる、請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- 前記(イ)の工程では、前記第1の層を、アンドープの下層部とn型不純物を添加した上層部とからなる二層構造に形成する、請求項6に記載の製造方法。
- 前記第1の層がGaN層である、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第2の層がGaN層とInGaN層との交互積層体である、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第3の層がAlx1Ga1−x1N(0.08≦x1≦0.4)からなるキャリア閉じ込め層を含む、請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。
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