JP2009123717A - Iii族窒化物半導体層の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板101上に単結晶のIII族窒化物半導体層103を形成するIII族窒化物半導体層の製造方法において、基板101の(0001)C面上に前記C面に非平行の表面12cからなる複数の凸部12を形成することにより、前記基板101上に前記C面からなる平面11と前記凸部12とからなる上面10を形成する基板加工工程と、前記上面10上に前記III族窒化物半導体層103をエピタキシャル成長させて、前記凸部12を前記III族窒化物半導体層103で埋めるエピ工程とを備えるIII族窒化物半導体層103の製造方法とする。
【選択図】図1
Description
しかしながら、機械的加工あるいは化学的加工により光取り出し面に凹凸を形成した発光素子では、光取り出し面に加工を施すことにより半導体層に負荷を掛けることになり、発光層にダメージを残してしまう。また、光取り出し面に凹凸が形成されるような条件で半導体層を成長した発光素子では、半導体層の結晶性が劣化してしまうため、発光層が欠陥を含んだものになる。このため、光取り出し面に凹凸を形成した場合、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下してしまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。
例えば、サファイア基板のC面上に凸部を形成し、その上に単結晶のGaNを含むIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた場合、凸部の頂部に位置するC面から成長した半導体層と、凸部の基部周辺に位置するC面から成長した半導体層とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性に優れた半導体層を成長させることは困難であった。
また、上記の製造方法によって製造されたIII族窒化物半導体層上にLED構造が形成されている、内部量子効率および光取り出し効率に優れ、しかもリークの少ないIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
さらに、上記のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプを提供することを目的とする。
(2)前記凸部は、基部幅が0.05〜5μm、高さが0.05〜5μm、かつ高さが基部幅の1/4以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の0.5〜5倍のものであることを特徴とする(1)に記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
(4)前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
(5)前記基板がサファイア基板であることを特徴とする(1)ないし(4)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
(6)前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
(7)前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
(10)前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする(8)または(9)に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(11)前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする(8)ないし(10)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(12)前記基板がサファイア基板であることを特徴とする(8)ないし(11)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(13)前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする(8)ないし(12)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(14)前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする(8)ないし(12)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(15)前記LED構造が、III族窒化物半導体から各々なるn型層と発光層とp型層とを有することを特徴とする(8)ないし(14)のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
(16)前記n型層にnクラッド層が備えられているとともに、前記p型層にはpクラッド層が備えられており、前記nクラッド層及び/又は前記pクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする(15)に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
しかも、本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、LED構造の結晶性に優れたものとなるので、内部量子効率の低下を防ぎリーク電流を低減することができ、出力が高く電気特性に優れた発光素子となる。
さらに、本発明においては、nクラッド層及び/又はpクラッド層を超格子構造を含んだ層構成にすることで、出力が格段に向上し、電気特性の優れた発光素子とすることができる。
さらに、本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、発光特性に優れたものとなる。
図1は、本発明のIII族窒化物半導体層の製造方法の一例を説明するための図であって、本発明の製造方法を用いて、基板の表面上に、バッファ層と単結晶のIII族窒化物半導体層とが形成された積層構造を示した断面図である。図1において符号101は基板を示し、符号102はバッファ層を示し、符号103はIII族窒化物半導体層を示している。
(基板加工工程)
図2は、図1に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であって、本実施形態の基板加工工程の終了した基板を示した斜視図である。
基板加工工程では、基板の(0001)C面上にC面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、図1および図2に示すように、基板101上にC面からなる平面11と凸部12とからなる上面10を形成する。基板加工工程においては、基板101上における凸部12の平面配置を規定するマスクを形成するパターニング工程と、パターニング工程によって形成されたマスクを使って基板101をエッチングして凸部12を形成するエッチング工程とを行なう。
例えば、基板101がサファイア単結晶からなるものである場合、例えば、250℃以上の高温とした燐酸と硫酸との混酸などの酸を用いることによりウェットエッチングすることができる。
ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、例えば、マスクが消失するまで基板101をドライエッチングした後、高温の酸を用いて所定量ウェットエッチングする方法によって形成できる。このような方法を用いて凸部12を形成することにより、凸部12の側面を構成する斜面に結晶面が露出され、再現性よく凸部12の斜面の角度を形成できる。また、表面11にきれいな結晶面を再現性よく露出させることができる。
また、ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせる方法としては、上記の方法の他、マスクとしてSiO2などの酸に耐性のある材料からなるマスクを形成してウェットエッチングを行なった後、マスクを剥離し、横方向のエッチングを促進させる所定の条件でドライエッチングを行なう方法によっても形成できる。この方法で形成された凸部12は、高さの面内均一性に優れたものとなる。また、この方法を用いて凸部12を形成した場合も、再現性よく凸部12の側面を構成する斜面の角度を形成できる。
基板加工工程の終了した基板101の上面10には、図2に示すように、複数の凸部12が形成されている。そして、図2に示すように、基板101の上面10において凸部12の形成されていない部分は、(0001)C面からなる平面11とされている。従って、図1および図2に示すように、基板101の上面10は、(0001)C面からなる平面11と、複数の凸部12とから構成されている。
また、凸部12の平面配置も、図2に示す例に限定されるものではなく、等間隔であってもよいし、等間隔でなくてもよい。また、凸部12の平面配置は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、ランダムであってもよい。
本実施形態の発光素子において、上述したような基板101に用いることができる材料としては、III族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
また、上記基板材料の中でも、特に、サファイアを用いることが好ましく、サファイア基板のc面上に中間層(バッファ層)102が形成されていることが望ましい。
また、中間層102をスパッタ法により形成した場合、基板101の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板101を用いた場合でも、基板101にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
本実施形態では、基板加工工程の後、エピ工程の前に、基板101の上面10上に図1に示すバッファ層102を積層する。
バッファ層102は、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるものが好ましく、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)のものがより好ましい。
バッファ層102は、上述のように、例えば、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのものとすることができる。バッファ層102の厚みが0.01μm未満であると、バッファ層102により基板101とIII族窒化物半導体層103との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層102の厚みが0.5μmを超えると、バッファ層102としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層102の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板101を配置し、バッファ層102を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板101をArやN2のプラズマ中に曝す事によって上面10を洗浄する前処理を行なうことができる。ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板101の上面10に作用させることで、基板101の上面10に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板101とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板101に作用する。
ここで、基板の表面から有機物や酸化物等のコンタミを除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。
本実施形態においては、基板101への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板101に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板101表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板101表面に与えるダメージが抑制されることと、基板101表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
また、スパッタ法によって、柱状結晶(多結晶)有するバッファ層102を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1%〜50%、望ましくは25%となるようにすることが望ましい。
本実施形態では、バッファ層形成工程の後、バッファ層102の形成された基板101の上面10上に、単結晶のIII族窒化物半導体層103をエピタキシャル成長させて、凸部12をIII族窒化物半導体層103で埋めるエピ工程を行なう。
III族窒化物半導体層103としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)が挙げられるが、AlxGa1−xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良いIII族窒化物半導体103を形成できるため好ましい。
このため、凸部12の形成された基板101の上面10にIII族窒化物半導体層103をMOCVD法でエピタキシャル成長させる場合、十分な表面平坦性や良好な結晶性を得るために、以下に示す成長条件とすることが望ましい。
凸部12の形成された基板101の上面10にIII族窒化物半導体層103をMOCVD法でエピタキシャル成長させる場合、成長圧力および成長温度を以下に示す条件とすることが好ましい。成長圧力を低くし成長温度を高くすると、横方向の結晶成長が促進され、成長圧力を高くし成長温度を低くすると、ファセット成長モード(△形状)になる。また、成長初期の成長圧力を高くすると、X線ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)が小さくなり、結晶性が向上する傾向がある。
前半は、成長圧力を40kPa以上とすることが好ましく、60kPa程度とすることがより好ましい。成長圧力を40kPa以上とすると、ファセット成長モード(△形状)になり、転位が横方向に屈曲し、エピ表面に貫通しない。このため、成長圧力を高くすると、低転位化され、結晶性が良好となると推定される。また、成長圧力を40kPa未満とすると、結晶性が悪化し、X線ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)が大きくなるため好ましくない。
本実施形態のIII族窒化物半導体層の製造方法では、C面からなる平面11と、C面に非平行の表面12cからなる複数の凸部12とからなる上面10を形成する基板加工工程と、上面10上に凸部12を埋めるIII族窒化物半導体層103を成長させるエピ工程とを備えるので、III族窒化物半導体層103の結晶中に転位などの結晶欠陥が生じにくく、良好な結晶性を有するIII族窒化物半導体層103が形成できる。
図3は、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の一例を示した断面図である。図3に示すIII族窒化物半導体発光素子(以下、発光素子と略称することがある)1は、図1に示す積層構造のIII族窒化物半導体層103上にLED構造20が形成されてなるものである。また、図3において、符号107は正極ボンディングパッドを示し、符号108は負極ボンディングパッドを示している。また、図4は、図3に示す発光素子1の内、n型層104、発光層105及びp型層106を示す部分拡大断面図である。
LED構造20は、III族窒化物半導体から各々なるn型層104と発光層105とp型層106とを有する。LED構造20は、MOCVD法で形成すると結晶性の良いものが得られる。
n型層104は、通常nコンタクト層104aとnクラッド層104bとから構成される。nコンタクト層104aはnクラッド層104bを兼ねることも可能である。
また、多重量子井戸構造の発光層105の場合は、上記Ga1−yInyNを井戸層105bとし、井戸層105bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlxGa1−xN(0≦z<0.3)を障壁層105aとする。井戸層105bおよび障壁層105aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
また、pクラッド層106aは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
正極ボンディングパッド107は、p型層106と接する透光性導電酸化膜層からなる透光性正極109上の一部に設けられている。
透光性正極109は、ITO(In2O3−SnO2)、AZnO(ZnO−Al2O3)、IZnO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)から選ばれる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、透光性正極109の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性正極109は、p型層106上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極109を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明のIII族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。III族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、III族窒化物半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
[実施例1]
サファイア基板の(0001)C面上に、表1に示す「基部幅」「高さ」「基部幅/4」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面C面の有無」の複数の凸部を、以下に示すようにして形成した(基板加工工程)。すなわち、直径2インチのC面サファイア基板に公知のフォトリソグラフィー法でマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板をエッチングすることにより凸部を形成した。なお、露光法として、紫外光を用いたステッパー露光法を用いた。また、ドライエッチングにはBCl3とCl2の混合ガスを用いた。
露光時のマスクをそれぞれ異ならせたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1および比較例2の凸部を形成した。
得られた比較例1の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。また、比較例2は、凸部の形状は実施例1と同じであるが「隣接する凸部間の間隔」が実施例1と異なっていた。
ウェットエッチング法を用いてエッチングしたこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の凸部を形成した。得られた比較例3の凸部は、基部の平面形状が円形、断面形状が台形であった。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して500℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を1Paに保持して、基板側に500Wの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した(前処理)。
まず、スパッタ成膜装置から取り出したバッファ層まで形成された基板を、MOCVD法によるIII族窒化物半導体層の成長のための反応炉内に導入し、高周波(RF)誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ(susceptor)上に載置した。その後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、反応炉内をパージした。
また、比較例2では、実施例1よりもよくないが、実施例1と同様に凸部の表面にC面がないため結晶性は悪くない(XRC−FWHMが(0002)面で100arcsec以下、(10−10)面で200arcsec以下)。しかし、比較例2では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の0.5倍より小さいので、実施例1と比較して表面の平坦性が悪い(△)。
また、比較例3では、「隣接する凸部間の間隔」が基部幅の0.5倍以上であるので、表面の平坦性が良い(○)。しかし、比較例3では、凸部の表面にC面があるので、実施例1と比較して結晶性が悪い(XRC−FWHMが(0002)面で150arcsec以上(10−10)面で200arcsec以上)。
実施例1、比較例3と同様の方法で作製したIII族窒化物半導体層上に、以下に示す方法でLED構造のn型層、発光層、p型層となる各層を積層した。
(n型層)
n型層として、nコンタクト層とnクラッド層を形成した。まず、実施例1、比較例3と同様の方法でIII族窒化物半導体層を成長させた後、V族(N)/III族(Ga)比が450になるようにアンモニアの量を調整し、III族窒化物半導体層の上にアンドープのGaN層を1μm成長させ、続いて同じ条件下で、ドーパントガスであるモノシラン(SiH4)ガスを用いて2μmのn型GaN層からなるnコンタクト層を形成した。Siのドープ量は5×1018/cm3とした。nコンタクト層を成長させた後、TMGのバルブを閉めて、TMGの反応炉内への供給を停止した。
発光層として、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸構造を形成した。まず、nクラッド層を形成した後の反応炉内へのSiH4の供給量の設定を変更した。反応炉内に流通させるSiH4の量は事前に検討してあり、SiドープGaN層からなる障壁層の電子濃度が3×1017cm-3となるように調整した。そして、基板温度を750℃とし、TEGとSiH4の反応炉内への供給を開始し、所定の時間SiをドープしたGaN層からなる薄層の障壁層Aを形成し、TEGとSiH4の供給を停止した。
続いて、サセプタ温度を750℃に下げ、TEGとSiH4の反応炉内への供給を開始し、SiドープGaN層からなる障壁層Cの成長を行った。その後、再びバルブを切り替えてTEGとSiH4の反応炉内への供給を停止して障壁層Cの成長を終了した。これにより、障壁層A、障壁層Bおよび障壁層Cからなる3層構造の総膜厚20nmのSiドープGaN層からなる障壁層を形成した。
このようにして得られたSiドープGaNからなる障壁層で終了する発光層上に、pクラッド層とpコンタクト層とからなるp型層を形成した。
まず、発光層上にMgドープのp型Al0.08Ga0.92Nからなるpクラッド層を形成した。 発光層を構成するSiドープGaNからなる障壁層の成長が終了した後、基板の温度を1050℃へ昇温し、キャリアガスの種類を水素に切り替え、反応炉内の圧力を15kPaに変更した。反応炉内の圧力が安定するのを待って、TMGとTMAとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の反応炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡ってMgドープのp型Al0.08Ga0.92Nからなるpクラッド層の成長を行ない、TMGとTMAとCp2Mgの供給を停止した。これにより、12nmの膜厚を有するMgドープのp型Al0.08Ga0.92Nからなるpクラッド層を形成した。
ここでMgドープp型Al0.02Ga0.98Nからなるpコンタクト層は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもp型を示した。
まず、公知のフォトリソグラフィー技術によって、LED構造となる各層の形成された基板のpコンタクト層上に、ITOからなる透明p電極と、透明p電極上にチタン、アルミニウム、金を順に積層した構造を持つ正極ボンディングパッドを形成した。
続いて、正極ボンディングパッドの形成された基板にドライエッチングを行い、負極ボンディングパッドを形成する部分のn型層を露出させ、露出したn型層上にNi、Al、TiおよびAuの4層よりなる負極ボンディングパッドを作製した。
一方、比較例4では、比較例3で作製したIII族窒化物半導体層の結晶性が良くなかったため、逆方向電流は5μA以上と不良であった。
「基部幅」「高さ」「基部幅/4」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面C面の有無」を表3に示すものとしたこと以外は、実施例1と同様の方法によりIII族窒化物半導体層まで形成し、実施例2と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例3、実施例4、比較例6の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例3、実施例4、比較例6の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に20mAの電流を印加して、発光出力(Po)を測定した。その結果を表3に示す。
これに対し、凸部の高さが基部幅の1/4以上である実施例3および実施例4では、発光出力が13mW以上と高かった。
実施例5においては、基板表面を洗浄する際の条件と中間層を成膜する条件以外は、実施例1と同様にして、基板上に中間層および下地層を形成した。
スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を持ち、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことができる機構を持っているものを使用した。まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して750℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を0.08Paに保持して、基板側に500Wの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した(前処理)。
実施例5と同様の方法で作製したIII族窒化物半導体層上に、実施例2と同様の方法により発光素子を作製した。
表1および表2より、実施例6では、実施例5で作製したIII族窒化物半導体層の結晶性が良く平坦性も良好であったため、発光素子の逆方向電流は3μA以下と良好であった。
「基部幅」「高さ」「基部幅/4」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面C面の有無」を表3に示すものとしたこと以外は、実施例5と同様の方法によりIII族窒化物半導体層まで形成し、実施例2と同様の方法により発光素子を作製した。
なお、実施例7、実施例8、比較例7の凸部は、基部の平面形状が円形で上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状の形状であった。また、実施例7、実施例8、比較例7の凸部は、エッチング時間を変更することにより、凸部の高さを変えて得られたものである。
そして、得られた発光素子に順方向に20mAの電流を印加して、発光出力(Po)を測定した。その結果を表3に示す。
これに対し、凸部の高さが基部幅の1/4以上である実施例7および実施例8では、発光出力が13mW以上と高かった。
次に、実施例9として、図3(図4も参照)に示すような発光素子1を作成し、図5に示すような、発光素子1が用いられてなるランプ3(発光ダイオード:LED)を作成した。
本例においては、まず、サファイアからなる基板101のc面上に、バッファ層102としてRFスパッタ法を用いてAlNからなる単結晶の層を形成したものの上に、下地層103として、MOCVD法を用いて、GaN(III族窒化物半導体)からなる層を以下の方法で形成した後、各層を積層した。
まず、表面を鏡面研磨した直径2インチの(0001)c面サファイアからなる基板101を、チャンバ中へ導入した。この際、高周波式のスパッタ装置を用い、ターゲットとしては、金属Alからなるものを用いた。
そして、チャンバ内で基板101を500℃まで加熱し、窒素ガスを導入した後、基板101側に高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことによって基板101表面を洗浄した。
次いで、AlN(バッファ層102)が成膜された基板101を、スパッタ装置内から取り出してMOCVD装置内に搬送し、バッファ層102上に、以下の手順でGaNからなる下地層103を成膜した。
まず、当該基板101を反応炉(MOCVD装置)内に導入した。次いで、反応炉内に窒素ガスを流通させた後、ヒータを作動させて、基板温度を室温から500℃に昇温した。そして、基板の温度を500℃に保ったまま、NH3ガスおよび窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を95kPa(圧力単位:Pa)とした。続いて、基板温度を1000℃まで昇温させ、基板の表面をサーマルクリーニング(thermal cleaning)した。なお、サーマルクリーニングの終了後も、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を継続させた。
以上の工程により、基板101上に成膜された単結晶組織のAlNからなるバッファ層102の上に、アンドープで8μmの膜厚のGaNからなる下地層103を成膜した。
下地層103の形成に引き続き、同じMOCVD装置によってGaNからなるnコンタクト層104aの初期層を形成した。この際、nコンタクト層104aにはSiをドープした。結晶成長は、Siのドーパント原料としてSiH4を流通させた以外は、下地層と同じ条件によって行った。
上記手順で作製したnコンタクト層104a上に、MOCVD法により、nクラッド層104b及び発光層105を積層した。
上記手順でnコンタクト層104aを成長させた基板をMOCVD装置に導入した後、アンモニアを流通させながら、キャリアガスを窒素として、基板温度を760℃へ低下させた。
この際、炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を設定した。流通させるSiH4の量については事前に計算を行い、Siドープ層の電子濃度が4×1018cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
発光層105は、GaNからなる障壁層105aと、Ga0.92In0.08Nからなる井戸層105bとから構成され、多重量子井戸構造を有する。この発光層105の形成にあたっては、SiドープのGaInNとGaNの超格子構造からなるnクラッド層104c上に、まず、障壁層105aを形成し、この障壁層105a上に、In0.2Ga0.8Nからなる井戸層105bを形成した。このような積層手順を6回繰り返した後、6番目に積層した井戸層105b上に、7番目の障壁層105aを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層105の両側に障壁層105aを配した構造とした。
そして、Ga0.92In0.08Nからなる井戸層105bの成長終了後、TEGaの供給量の設定を変更した。引き続いて、TEGaおよびSiH4の供給を再開し、2層目の障壁層105aの形成を行なった。
上述の各工程に引き続き、同じMOCVD装置を用いて、4層のノンドープのAl0.06Ga0.94Nと3層のMgをドープしたGaNよりなる超格子構造を持つpクラッド層106aを成膜し、更に、その上に膜厚が200nmのMgドープGaNからなるpコンタクト層106bを成膜し、p型半導体層106とした。
以上のような操作を3回繰り返し、最後にアンドープAl0.06Ga0.94Nの層を形成することにより、超格子構造よりなるpクラッド層106aを形成した。
上記実施例9で説明したような発光層105を形成する工程において、7層の障壁層105aの内、最後に形成する障壁層についてはノンドープとした点を除き、実施例9と同様の操作手順により、n型半導体層104、発光層105、p型半導体層106が順次積層されてなる、LED用のエピタキシャルウェーハを製造した。
上記実施例9及び実施例10で説明したような、発光層105上にp型半導体層106を形成する工程を以下に説明するような手順とした点を除き、実施例9と同様の操作手順により、LED用のエピタキシャルウェーハを製造した。
本例では、発光層105の上に、該発光層105の形成に用いたものと同じMOCVD装置を用いて、4層のノンドープのAl0.06Ga0.94Nと3層のMgをドープしたAl0.01Ga0.99よりなる超格子構造を持つp型クラッド層106aを、TMGa、TMAl及びCp2Mgの供給量を適宜調整して成膜し、更に、その上に膜厚が200nmのMgドープGaNからなるp型コンタクト層106bを成膜し、p型半導体層106とした。
次いで、上記各実施例の方法で得られたLED用のエピタキシャルウェーハを用いて、LEDを作製した。
すなわち、例えば、上記エピタキシャルウェーハのMgドープGaN層(pコンタクト層106b)の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってIZOからなる透光性正極109を形成し、その上に、クロム、チタン及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド107(p電極ボンディングパッド)を形成し、p側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、nコンタクト層104bのn側電極(負極)を形成する領域を露出させ、この露出領域にCr、Ti及びAuの3層が順に積層されてなる負極108(n側電極)を形成した。このような手順により、ウェーハ上に、図3に示すような形状を有する各電極を形成した。
Claims (17)
- 基板上に単結晶のIII族窒化物半導体層を形成するIII族窒化物半導体層の製造方法において、
基板の(0001)C面上に前記C面に非平行の表面からなる複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記C面からなる平面と前記凸部とからなる上面を形成する基板加工工程と、
前記上面上に前記III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、前記凸部を前記III族窒化物半導体層で埋めるエピ工程とを備えることを特徴とするIII族窒化物半導体層の製造方法。 - 前記凸部は、基部幅が0.05〜5μm、高さが0.05〜5μm、かつ高さが基部幅の1/4以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の0.5〜5倍のものであることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のIII族窒化物半導体層の製造方法。
- 基板上に形成された単結晶のIII族窒化物半導体層上にLED構造が形成されているIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記基板は、前記C面からなる平面と、前記C面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる上面を有するものであり、
III族窒化物半導体層は、前記上面上に前記凸部を埋める前記III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて形成されたものであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記凸部は、基部幅が0.05〜5μm、高さが0.05〜5μm、かつ高さが基部幅の1/4以上のものであって、隣接する前記凸部間の間隔が前記基部幅の0.5〜5倍のものであることを特徴とする請求項8に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が上部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板加工工程の後、前記エピ工程の前に、前記上面上に単結晶構造を有するAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層をスパッタ法により積層するバッファ層形成工程を備えることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記LED構造が、III族窒化物半導体から各々なるn型層と発光層とp型層とを有することを特徴とする請求項8ないし請求項14のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記n型層にnクラッド層が備えられているとともに、前記p型層にはpクラッド層が備えられており、前記nクラッド層及び/又は前記pクラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする請求項15に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 請求項8ないし請求項16のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
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