JP2011018852A - 半導体素子の製造方法およびランプ、電子機器、機械装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1有機金属化学気相成長装置において、基板11上に、第1n型半導体層12aを積層する第1工程と、第2有機金属化学気相成長装置において、第1n型半導体層12a上に、第1n型半導体層12aの再成長層12dと第2n型半導体層12bと活性層13とp型半導体層14とを順次積層する第2工程とを具備してなる半導体素子の製造方法とする。
【選択図】図1
Description
(1) 第1有機金属化学気相成長装置において、基板上に、第1n型半導体層を積層する工程(第1工程)と、
第2有機金属化学気相成長装置において、前記第1n型半導体層上に、前記第1n型半導体層の再成長層と第2n型半導体層と活性層とp型半導体層とを順次積層する工程(第2工程)とを具備してなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
(2) 前記第2工程において、薄膜層を20層〜40層繰り返し成長させてなる超格子構造からなる前記第2n型半導体層を形成することを特徴とする前項1に記載の半導体素子の製造方法。
(3) 前記第1工程における前記第1n型半導体層の成長条件と、前記第2工程における前記再成長層の成長条件とが同一であることを特徴とする前項1または前項2に記載の半導体素子の製造方法。
(4) 前記第1n型半導体層が、nコンタクト層であり、前記第2n型半導体層が、nクラッド層であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
(6) 前記再成長層を形成する前に、窒素を含む雰囲気で熱処理温度500℃〜1000℃の熱処理を行うことを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
(7) (1)〜(6)のいずれかに記載の半導体素子の製造方法を用いて製造された半導体素子を備えることを特徴とするランプ。
(8) (7)に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
(9) (8)に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
しかも、本発明の半導体素子の製造方法では、第2工程において、第1n型半導体層上に、第1n型半導体層の再成長層を形成してから第2n型半導体層を積層と活性層とp型半導体層とを順次積層するので、高い出力の得られる半導体素子が得られる。
図1は、本発明の半導体素子の製造方法を用いて製造された半導体素子の一例を示した断面模式図である。本実施形態においては、半導体素子の一例として図1に示す半導体発光素子1を例に挙げて説明する。
図1に示す本実施形態の半導体発光素子1は、基板11と、基板11上に積層された積層半導体層20と、積層半導体層20の上面に積層された透光性電極15と、透光性電極15上に積層されたp型ボンディングパッド電極16と、積層半導体層20の露出面20a上に積層されたn型電極17とを具備している。
また、p型半導体層14の上面14aには、透光性電極15及びp型ボンディングパッド電極16が積層されている。これら、透光性電極15及びp型ボンディングパッド電極16によって、p型電極18が構成されている。
基板11としては、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、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、c面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
バッファ層21は、設けられていなくてもよいが、基板11と下地層22との格子定数の違いを緩和して、基板11の(0001)C面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。バッファ層21の上に単結晶の下地層22を積層すると、より一層結晶性の良い下地層22が積層できる。
バッファ層21は、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21の厚みが0.01μm未満であると、バッファ層21により基板11と下地層22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21の厚みが0.5μmを超えると、バッファ層21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21の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
下地層22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下地層22を形成できるため好ましい。
下地層22の膜厚は0.1μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1−xN層が得られやすい。
下地層22の結晶性を良くするために、下地層22には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合には、下地層22にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
(n型半導体層)
n型半導体層12は、nコンタクト層12a(第1工程成長層および再成長層)と、nクラッド層12b(第2n型半導体層)とから構成されている。
また、再成長層12dの膜厚は、0.05〜2μmとされることが好ましく、0.2μm〜1μmであることがより好ましい。再成長層12dの膜厚が0.2μm以上であると、後述するように、nコンタクト層12aを形成している途中の段階でnコンタクト層12aの成長を中断し、成長室内から取り出して別の装置の成長室に移動し、その後nコンタクト層12aの成長を再開したことによるnコンタクト層12aの結晶性への影響を少なくすることができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。また、再成長層12dの膜厚が2μmを超えると、p型半導体層14を形成する際に用いられる第2有機金属化学気相成長装置の成長室内に、n型半導体層12を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、n型半導体層12を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するp型半導体層14の不良が生じやすくなる。さらに再成長層12dの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題が発生する。
発光層13は、障壁層13aと井戸層13bとが交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる。多重量子井戸構造における積層数は3層から10層程度が好ましく、4層から7層程度がさらに好ましい。
井戸層13bの厚みは、15オングストローム以上50オングストローム以下の範囲が好ましい。井戸層13bの厚みが上記の以外の厚みであると、発光出力の低下を招く場合がある。
また、障壁層13aは、GaNやAlGaNのほか、井戸層を構成するInGaNよりもIn比率の小さいInGaNで形成することができる。中でも、GaNが好適である。
p型半導体層14は、通常、pクラッド層14aおよびpコンタクト層14bから構成される。また、pコンタクト層14bがpクラッド層14aを兼ねることも可能である。
n型電極17はボンディングパットを兼ねており、積層半導体層20のn型半導体層12に接するように形成されている。このため、n型電極17を形成する際には、少なくとも発光層13およびp半導体層14の一部を除去してn型半導体層12を露出させ、n型半導体層12の露出面20a上にボンディングパッドを兼ねるn型電極17を形成する。n型電極17としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、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。
透光性電極15は、p型半導体層14の上に積層されるものであり、p型半導体層14との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極15は、発光層13からの光を効率良く半導体発光素子1の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極15は、p型半導体層14の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
p型ボンディングパッド電極16はボンディングパットを兼ねており、透光性電極15の上に積層されている。p型ボンディングパッド電極16としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、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。
保護膜層は、必要に応じて透光性電極15の上面及び側面と、n型半導体層12の露出面20a、発光層13およびp型半導体層14の側面、n型電極17およびp型ボンディングパッド電極16の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子1の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子1の劣化を抑制できる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、300〜550nmの範囲の波長において80%以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タンタル(Ta2O5)、窒化シリコン(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いることができる。このうちSiO2、Al2O3は、CVD成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
図1に示す半導体発光素子1を製造するには、まず、図2に示す積層半導体層20を製造する。図2に示す積層半導体層20を製造するには、はじめに、サファイア基板等の基板11を用意する。
次に、基板11を第1MOCVD(有機金属化学気相成長)装置の成長室内に設置し、MOCVD法によって、基板11上に、バッファ層21と、下地層22と、nコンタクト層12a(第1n型半導体層)の一部を構成する第1工程成長層12cとを順次積層する(第1工程)。
第1工程成長層12cを成長させる原料としては、トリメチルガリウム(TMG)などのIII族金属の有機金属原料とアンモニア(NH3)などの窒素原料とを用い、熱分解によりバッファ層上にIII族窒化物半導体層を堆積させる。MOCVD装置の成長室内の圧力は15〜80kPaとすることが好ましく、15〜60kPaとすることがより好ましい。キャリアガスは水素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
また、本実施形態においては、再成長層12dの厚みを0.05μm〜2μmとすることが好ましい。
以上のようにして、図2に示す積層半導体層20が製造される。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、所定の領域の積層半導体層20の一部をエッチングしてnコンタクト層12aの第1工程成長層12cの一部を露出させ、nコンタクト層12aの露出面20aにn型電極17を形成する。
その後、透光性電極15の上にp型ボンディングパッド電極16を形成する。
以上のようにして、図1に示す半導体発光素子1が製造される。
しかも、本発明の半導体素子の製造方法では、第2工程において、第1工程成長層12c上に、再成長層12を形成してからnクラッド層12bと発光層13とp型半導体層14とを順次積層するので、高い出力の得られる半導体発光素子1が得られる。
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子を備えるものであり、上記の半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、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、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、本実施形態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。
以下に示す方法により、図1に示す半導体発光素子1を製造した。
実施例1の半導体発光素子1では、サファイアからなる基板11上に、AlNからなるバッファ層21、厚さ5μmのアンドープGaNからなる下地層22、厚さ3μmのSiドープn型GaNからなる第1工程成長層12cと表1に示すように厚さ0.2μmのSiドープn型GaNからなる再成長層12dとからなる厚さ3.2μmのnコンタクト層12a、GaInNからなる厚さ2nmのn側第1層と、GaNからなる厚さ2nmのn側第2層とからなる薄膜層を表1に示すように20層(ペア数)繰り返し成長させてなる厚さ80nmの超格子構造のnクラッド層12b、厚さ5nmのSiドープGaN障壁層および厚さ3.5nmのIn0.15Ga0.85N井戸層を6回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層13、厚さ0.01μmのMgドープ単層Al0.07Ga0.93Nからなるpクラッド層14a、厚さ0.15μmのMgドープp型GaNからなるpコンタクト層14bとを順に積層した。
基板の温度を1080℃とし、トリメチルガリウム(TMG)とアンモニア(NH3)とを用い、水素雰囲気で成長室内の圧力を20kPaとして行った。アンモニアの量はV族とIII族とのモル(V/III)が400となるように調節した。
「再成長層12dの成膜条件」
基板の温度を1080℃とし、トリメチルガリウム(TMG)とアンモニア(NH3)とを用い、水素雰囲気で成長室内の圧力を20kPaとして行った。アンモニアの量はV族とIII族とのモル(V/III)が400となるように調節した。
キャリアガスとして窒素ガスを用い、基板温度を750℃、成長室内の圧力を40kPaとして行った。
「熱処理条件」
窒素ガスとアンモニアを9:1の体積比率で流通させた雰囲気中で、成長室内の圧力を95kPaとし、基板温度950℃で、10分間の熱処理を行った。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にnコンタクト層12aの露出面20aを形成し、その上にTi/Auの二層構造のn型電極17を形成した。
また、透光性電極15の上に、200nmのAlからなる金属反射層と80nmのTiからなるバリア層と1100nmのAuからなるボンディング層とからなる3層構造のp型ボンディングパッド構造16を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、図1に示す実施例1の半導体発光素子1を得た。
nクラッド層12bを、Ga0.99In0.01Nの単層構造からなるものとしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例3)
nクラッド層12bの薄膜層の積層数を30層(表1にはペア数を記載)にしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例4)
nクラッド層12bの薄膜層の積層数を40層にしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
再成長層の膜厚を0.4μmにしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例6)
再成長層の膜厚を0.6μmとしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例7)
再成長層の膜厚を1μmとしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
再成長層を形成する前に熱処理を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例9)
nクラッド層12bの薄膜層の積層数を10層にしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
再成長層の膜厚を2μmとしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(実施例11)
再成長層の膜厚を0.05μmとしたこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
バッファ層21からpコンタクト層14bまでの各層を1つのMOCVD装置を用いて連続して積層した(一貫成長した)こと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
(比較例2)
再成長層を設けないこと以外は実施例1と同様にして半導体発光素子1を得た。
また、実施例1〜実施例11、比較例1および比較例2の半導体発光素子について、TO−18缶パッケージに実装してテスターによって、印加電流20mAにおける発光出力(Po)を測定した。
逆方向電流(IR)として、発光素子に対して端子を逆方向に20V印加した時の漏れ電流を測定した。静電気放電(ESD)耐圧、EIAJED−470(HMM)試験方法304人体モデル静電破壊試験法に準じて測定した。
実施例1〜実施例11、比較例1および比較例2の半導体発光素子の順方向電圧、発光出力(Po)、逆方向電流(IR)、静電気放電(ESD)耐圧の結果を表1に示す。
一方、バッファ層21からpコンタクト層14bまでの各層を1つのMOCVD装置を用いて連続して積層した比較例1、再成長層を設けない比較例2では、実施例1〜実施例11と比較して発光出力(Po)が低かった。
Claims (9)
- 第1有機金属化学気相成長装置において、基板上に、第1n型半導体層を積層する工程(第1工程)と、
第2有機金属化学気相成長装置において、前記第1n型半導体層上に、前記第1n型半導体層の再成長層と第2n型半導体層と活性層とp型半導体層とを順次積層する工程(第2工程)とを具備してなることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記第2工程において、薄膜層を20層〜40層繰り返し成長させてなる超格子構造からなる前記第2n型半導体層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1工程における前記第1n型半導体層の成長条件と、前記第2工程における前記再成長層の成長条件とが同一であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1n型半導体層が、nコンタクト層であり、前記第2n型半導体層が、nクラッド層であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記再成長層の厚みを0.05μm〜2μmとすることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記再成長層を形成する前に、窒素を含む雰囲気で熱処理温度500℃〜1000℃の熱処理を行うことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の半導体素子の製造方法を用いて製造された半導体素子を備えることを特徴とするランプ。
- 請求項7に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
- 請求項8に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
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