JP2010212651A - Iii族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びiii族窒化物半導体素子を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III族窒化物半導体光素子11aは、III族窒化物半導体支持体13、GaN系半導体領域15、活性層17及びGaN系半導体領域19を備える。III族窒化物半導体支持体13の主面13aは、基準軸Cxに直交する基準平面Scに対して傾斜する非極性を示しており、基準軸CxはIII族窒化物半導体のc軸方向に延びる。GaN系半導体領域15は半極性主面上13aに設けられる。GaN系半導体領域15のGaN系半導体層21は例えばn型GaN系半導体からなり、n型GaN系半導体にはシリコンが添加されている。GaN系半導体層23の酸素濃度が5×1016cm−3以上であるとき、GaN系半導体層23の主面上に引き続き成長される活性層17の結晶品質が良好になる。
【選択図】図1
Description
レーザダイオードLD1を作製した。m軸方向に75度の角度θ1で傾斜させた半極性主面を有するGaN基板71を準備した。この半極性主面は(20−21)面に相当する。GaN基板71を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、摂氏1050度の雰囲気にGaN基板71を保持した。保持時間は10分であった。この前処理(サーマルクリーニング)の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、n型Al0.04Ga0.96Nクラッド層72を摂氏1050度で成長した。摂氏840度に基板温度を下げた後にIn0.03Ga0.97N光ガイド層73aを成長した。In0.03Ga0.97N光ガイド層73a上に量子井戸活性層74を成長した。さらに、摂氏840度に基板温度で、この活性層74上にIn0.03Ga0.97N光ガイド層73bを成長した。摂氏1000度に基板温度を上昇した後に、Al0.12Ga0.88N電子ブロック層78、p型Al0.06Ga0.94Nクラッド層75及びp型GaNコンタクト層76を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は450nm帯にあった。このレーザ構造において表面モフォロジに最も大きく影響するものは、GaN基板71の直上に位置しかつ大きな膜厚のクラッド層である。この実施例ではクラッド層72の酸素濃度は3×1017cm−3であった。コンタクト層76には絶縁膜77の開口を介してアノードを形成すると共にGaN基板71の裏面71bにカソードを形成して、図8に示される半導体レーザLD1を作製した。
レーザダイオードを作製した。m軸方向に75度の角度θ2で傾斜させた半極性主面を有するGaN基板81を準備した。この半極性主面は(20−21)面に相当する。GaN基板81を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、摂氏1050度の雰囲気にGaN基板81を保持した。保持時間は10分であった。このサーマルクリーニングの後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、n型Al0.04Ga0.96Nクラッド層82を摂氏1050度で成長した。摂氏840度に基板温度を下げた後に、厚さ100nmのIn0.02Ga0.98N光ガイド層83aを成長した。光ガイド層83上に量子井戸活性層84を成長した。さらに、摂氏840度に基板温度で、この活性層84上にIn0.02Ga0.98N光ガイド層83bを成長した。摂氏1000度に基板温度を上昇した後に、Al0.12Ga0.88N電子ブロック層85、p型Al0.06Ga0.94Nクラッド層86及びp型GaNコンタクト層87を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は405nm帯にあった。
発光ダイオードを作製した。a軸方向に18度の角度θ3で傾斜させた半極性主面を有するGaN基板91を準備した。GaN基板91を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、摂氏1050度の雰囲気にGaN基板91を保持した。保持時間は10分であった。このサーマルクリーニングの後に、原料ガスを成長炉に供給して以下の発光ダイオード構造を作製した。まず、厚さ2μmのn型GaN層92を摂氏1050度で成長した。摂氏840度に基板温度を下げた後にIn0.04Ga0.96N緩衝層93を成長した。厚さ100nmの緩衝層93上に量子井戸活性層94を成長した。具体的には、摂氏840度の基板温度で厚さ15nmのGaN障壁層94aを成長すると共に摂氏700度の基板温度で厚さ3nmのInAlGaN井戸層94bを成長して、活性層94を形成した。摂氏1000度に基板温度を上昇した後に、この活性層94上に厚さ20nmのp型Al0.18Ga0.82N電子ブロック層95及び厚さ50nmのp型GaNコンタクト層96を成長した。コンタクト層96にはアノード(Ni/Au)97とパッド電極99aを形成すると共に基板91の裏面91bにカソード(Ti/Al)を形成して、図12に示される発光ダイオードLED1を作製した。異なるインジウム組成のInAlGaN井戸層を有する発光ダイオード構造を作製した。井戸層の酸素濃度と光出力との関係を調べた。
LED構造、In組成、Al組成、酸素濃度(cm−3)、光出力
LED1 :0.18、0、 2×1017、 1
LED2 :0.19、0.03、4×1017、 0.85
LED3 :0.20、0.06、1×1018、 0.54。
450nm付近の発光波長を得るように、井戸層のIn組成を変更した。井戸層中の酸素濃度が増加するに従い、発光出力は低下した。これは、酸素の添加が井戸層の結晶品質を低下させたと考えられる。井戸層のAlは酸素を吸着しやすくまた低温(井戸層にInが取り込まれるような温度)で吸着した酸素が脱離しにくいことを利用して、井戸層の酸素濃度を制御した。
m面主面を有するGaN基板を準備した。このGaN基板上にレーザダイオードLD3を作製した。図13は、実施例4におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。GaN基板101を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、摂氏1050度の雰囲気でサーマルクリーニングを行った後に、実施例1と同様にして、以下のレーザ構造をGaN基板101の無極性主面101a上に作製した。
Al0.04Ga0.96Nクラッド層102:n型、2μm、
In0.03Ga0.97N光ガイド層103a:アンドープ、100nm、
活性層104:In0.18Ga0.82N井戸層(厚さ3nm)/GaN障壁層(厚さ15nm)、
In0.03Ga0.97N光ガイド層103b:アンドープ、100nm、
Al0.12Ga0.88N電子ブロック層105:p型、20nm、
Al0.06Ga0.94Nクラッド層106:p型、400nm、
GaNコンタクト層107:p型、50nm。
ストライプ窓(幅10μm)を有する絶縁膜(例えばSiO2)108及びコンタクト層107上にアノード109aを形成すると共に、GaN基板101の裏面101bにカソード109bを形成した。この後に、へき開によりゲインガイド型半導体レーザLD3を作製した。
レーザダイオードLD4を作製した。図15は、実施例5におけるレーザダイオードの構造を示す図面である。m軸方向に68度の角度θ4で傾斜させた半極性主面を有するGaN基板111を準備した。GaN基板111を成長炉に配置した後に、成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、摂氏1050度の雰囲気にGaN基板111を保持した。この前処理の後に、原料ガスを成長炉に供給して以下のレーザ構造を作製した。まず、n型Al0.04Ga0.96Nクラッド層112を摂氏1050度で成長した。摂氏840度に基板温度を下げた後にIn0.03Ga0.97N光ガイド層113aを成長した。In0.03Ga0.97N光ガイド層113a上に活性層114を成長した。さらに、摂氏840度に基板温度で、この活性層114上にIn0.03Ga0.97N光ガイド層113bを成長した。摂氏1000度に基板温度を上昇した後に、Al0.12Ga0.88N電子ブロック層115、p型Al0.06Ga0.94Nクラッド層116及びp型GaNコンタクト層117を成長した。このレーザ構造のフォトルミネッセンス波長は450nm帯にあった。
Claims (29)
- III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のc軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体支持体と、
5×1016cm−3以上5×1018cm−3以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体支持体の前記主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記窒化ガリウム系半導体領域は、第1導電型窒化ガリウム系半導体層を含む、ことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。 - 前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第2導電型窒化ガリウム系半導体層と
を更に備え、
前記活性層は、前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる、ことを特徴とする請求項1に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 前記活性層における酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、前記活性層における酸素濃度は5×1018cm−3以下である、ことを特徴とする請求項2に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は5×1018cm−3以下である、ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は5×1018cm−3以下であり、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の炭素濃度は5×1018cm−3以下であり、
前記活性層の炭素濃度は5×1018cm−3以下である、ことを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、
前記活性層の酸素濃度は5×1016cm−3以上である、ことを特徴とする請求項2〜請求項5のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 前記活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、
前記井戸層の酸素濃度は6×1017cm−3以下である、ことを特徴とする請求項2〜請求項6のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記活性層の酸素濃度よりも大きく、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層と前記活性層との間に設けられており、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する、ことを特徴とする請求項2〜請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 前記活性層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備え、
前記活性層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在しており、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層である、ことを特徴とする請求項2〜請求項8のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。 - 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は10度以上170度以下である、ことを特徴とする請求項2〜請求項9のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は10度以上80度以下及び100度以上170度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項2〜請求項10のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲にある、請求項2〜請求項11のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
- III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャルウエハであって、
III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のc軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす主面を有するIII族窒化物半導体基板と、
5×1016cm−3以上5×1018cm−3以下の酸素濃度を有しており、前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に設けられた第1導電型窒化ガリウム系半導体層と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられた第2導電型窒化ガリウム系半導体層と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示す、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 - 別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップは前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きく、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられており、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層と接合を形成する、ことを特徴とする請求項13に記載されたエピタキシャルウエハ。 - 前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は5×1018cm−3以下であり、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層であり、
前記発光層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を有する活性層を含み、
前記発光層は、窒化ガリウム系半導体からなる光ガイド層を更に備え、該光ガイド層は、前記活性層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられ、
前記発光層の前記光ガイド層は、前記基準平面に対して傾斜する平面に沿って延在している、ことを特徴とする請求項13または請求項14に記載されたエピタキシャルウエハ。 - 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は10度以上170度以下である、ことを特徴とする請求項13〜請求項15のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は10度以上80度以下及び100度以上170度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項13〜請求項16のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項13〜請求項17のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
- III族窒化物半導体素子を作製する方法であって、
III族窒化物半導体からなり、主面を有するIII族窒化物半導体基板を準備する工程と、
III族原料及び窒素原料を成長炉に供給して、5×1016cm−3以上5×1018cm−3以下の酸素濃度を有する第1導電型窒化ガリウム系半導体層を前記III族窒化物半導体基板の前記主面上に成長する工程と、
III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層上に発光層を成長する工程と、
III族原料及び窒素原料を前記成長炉に供給して、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を前記発光層上に成長する工程と
を備え、
前記主面は半極性及び無極性のいずれか一方を示し、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素は、前記III族原料及び前記窒素原料の少なくともいずれか一つに含まれる不純物として提供され、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面は、該III族窒化物半導体のc軸方向に延びる基準軸に直交する基準平面に対して有限の角度をなす、ことを特徴とする方法。 - 前記窒素原料はアンモニアを含み、
前記窒素原料は不純物として水を含み、
前記発光層における平均酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、前記発光層における酸素濃度は5×1018cm−3以下であり、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は5×1016cm−3以上であり、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層における酸素濃度は5×1018cm−3以下であり、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の酸素濃度は、前記発光層の酸素濃度よりも大きい、ことを特徴とする請求項19に記載された方法。 - 前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度は前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度よりも低い、ことを特徴とする請求項19または請求項20に記載された方法。
- 前記発光層はInGaN層を含む、ことを特徴とする請求項19〜請求項21のいずれか一項に記載された方法。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は10度以上170度以下である、ことを特徴とする請求項19〜請求項22のいずれか一項に記載された方法。
- 前記主面の法線と前記基準軸との成す角度は63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項19〜請求項23のいずれか一項に記載された方法。
- 前記窒素原料の原料源と前記成長炉との間に設けられた精製装置を用いて前記窒素原料の水分濃度を調整した後に、前記成長炉に前記窒素原料を供給し、
前記窒素原料はアンモニアからなる、ことを特徴とする請求項19〜請求項24のいずれか一項に記載された方法。 - 前記窒素原料として、水分含有量500ppb%以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項19〜請求項25のいずれか一項に記載された方法。
- 前記窒素原料として、水分含有量50ppb%以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項19〜請求項26のいずれか一項に記載された方法。
- 前記窒素原料として、水分含有量1ppb%以下のアンモニアを用いる、ことを特徴とする請求項19〜請求項27のいずれか一項に記載された方法。
- 前記窒素原料の前記水分濃度は1ppb%以下である、ことを特徴とする請求項25に記載された方法。
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