JP2019087710A - 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
つまり、非特許文献1、2の窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層にGaInN層を用いると、MOCVD法によって電気抵抗が小さいトンネル接合層を得ることができる。
具体的には、先ず、MOCVD法を実行することができるMOCVD装置を用いてトンネル接合層のp型不純物を高濃度に添加したGaN層(以下、p++GaN層という)までを基板の表面に積層して作製する。そして、基板をMOCVD装置の反応炉から取り出す。そして、MBE法を実行することができるMBE装置の反応炉に基板をセットして、n型不純物を高濃度に添加したGaN層(以下、n++GaN層という)から後の部分をp++GaN層の表面に積層して形成する。つまり、光吸収ロスを抑制した窒化物半導体発光素子を作る方法とは、MOCVD法と、Mgの表面偏析が少ないMBE法とを用いるハイブリッド成長法である。
このハイブリッド成長法を用いて作製された非特許文献3、4の窒化物半導体発光素子は、p++GaN層とn++GaN層との界面(以下、トンネル接合層の界面という)に極めて高い濃度のO(酸素)(1×1020cm-3以上)が存在する状態を形成し、電流密度7〜10kA/cm2の範囲において1.5×10-4Ωcm2という低い微分抵抗を得ている。
しかし、このハイブリッド成長法は、MOCVD装置の反応炉から取り出した基板をMBE装置の反応炉にセットして窒化物半導体発光素子の再成長を行うことになる。つまり、このハイブリッド成長法は、MOCVD装置の反応炉から一旦基板を取り出して、MBE装置の反応炉にセットする手間が掛かるうえ、高価な二種類の結晶成長装置(MOCVD装置、及びMBE装置)を用いなければならない。
有機金属気相成長法を用い、反応炉内で基板の表面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
p型不純物を添加してp型トンネル接合層を形成するp型トンネル接合層形成工程と、
前記p型トンネル接合層形成工程を実行後、前記p型トンネル接合層の表面に前記反応炉内のO(酸素)を吸着させる成長中断工程と、
前記成長中断工程を実行後、O(酸素)を吸着した前記p型トンネル接合層の表面にn型不純物を添加してn型トンネル接合層を形成するn型トンネル接合層形成工程と、
を備え、
前記p型トンネル接合層形成工程から前記n型トンネル接合層形成工程まで、前記反応炉内に前記基板を保持して実行することを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法のO(酸素)は原料ガスとして意図的に反応炉内に供給されたものではなく、素子を形成するために用いる原料に微量に含有されていたり外界から反応炉内に僅かにリークしたりすることによって反応炉内に少なからず存在するものである。通常、O(酸素)が半導体内に混入することは、半導体の特性の劣化を引き起こす可能性があるため極力抑制すべきものである。しかし、この窒化物半導体発光素子の製造方法は半導体内にO(酸素)が混入する現象を積極的に利用するものである。
また、この窒化物半導体発光素子の製造方法は、還元作用の高い元素であるH2を用いたMOCVD法であっても、成長中断工程を実行することによって、p型トンネル接合層の表面にO(酸素)を吸着させて、トンネル接合層の界面にO(酸素)を存在させることができる。つまり、この窒化物半導体発光素子の製造方法は基板を一度も大気に暴露せず成長中断工程を実行し、トンネル接合層の界面にO(酸素)を存在させることによってトンネル接合層の電気抵抗を小さくすることができる。
窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層は、
p型不純物が添加されたp型トンネル接合層と、
前記p型トンネル接合層の表面に積層され、n型不純物が添加されたn型トンネル接合層と、
を有し、
前記p型トンネル接合層と前記n型トンネル接合層との界面のO(酸素)の濃度は2×1018cm-3以上、かつ3×1018cm-3以下であることを特徴とする。
反応炉内にTEGa、及びCp2Mgを供給する。こうして、2nmの厚みのp++−GaN層15Aを成長させ、p++−GaN層15Aに添加されるMgの濃度が2×1020cm-3以上になるようにする。こうして、p++−GaN層15Aの結晶成長を終了する。そして、反応炉内へのTEGa、及びCp2Mgの供給を停止する。すなわち、NH3以外の原料のガスの供給を停止する。
成長中断工程では、p++−GaN層15Aの表面にn++−GaN層15Bを積層して結晶成長するために、成長温度、成長圧力、キャリアガスや原料ガスの供給量等の成長条件をn++−GaN層15Bの成長条件に変更する。
具体的には、p++−GaN層15Aを結晶成長した後、トンネル接合層15の形成を所定の時間中断する成長中断工程を実行し、p++−GaN層15Aの表面に反応炉内に存在するO(酸素)原子を吸着させた後、p++−GaN層15Aの表面にn++−GaN層15Bを積層して結晶成長させる。
詳しくは、実施例1〜3、及び比較例1のそれぞれにおいて、反応炉内にTEGa、及びSiH4を供給する。これにより、n++−GaN層15Bを成長させる。n++−GaN層15Bに添加されるSiの濃度は、トンネル接合層15において、3×1020cm-3以上の領域が10nm以上となるようにTEGa、及びSiH4の反応炉内への供給量や成長時間等の成長条件を調整した。その後、反応炉内へのTEGa及びSiH4の供給を停止する。すなわち、NH3以外の反応炉内への原料の供給を停止する。こうして、実施例1〜3、及び比較例1のそれぞれにおいてトンネル接合層15を形成する。トンネル接合層15はp型トンネル接合層形成工程からn型トンネル接合層形成工程まで、反応炉内に基板9を保持して実行する。
そして、反応炉内へのTMGa及びSiH4の供給を停止して結晶成長を終了する。そして、反応炉内へ供給するキャリアガスをH2からN2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板9の温度が400℃以下になった時点で、反応炉内へのNH3の供給を停止する。そして、基板9の温度が室温になった後、反応炉内のパージを行い、基板9を反応炉から取り出す。こうして、図1に示す層構造を有した実施例1〜3、及び比較例1の基板9を作成することができる。
ここで、SIMSの測定条件を以下に示す。測定装置:CAMECA IMS−6F、一次イオン種:Cs+、一次加速電圧、5.0kV、検出領域:60μmφである。測定濃度はそれぞれイオン注入した標準試料を用いて較正した。
図2に示すように、比較例1の試料のトンネル接合層15の界面15C付近(図2の横軸における0nm付近)のO(酸素)の最大の濃度はおよそ4×1017cm-3であり、試料の厚み方向において2×1017cm-3以上の領域が少なくとも5nm以上存在する。
これに対して、実施例1〜3の試料では、トンネル接合層15の界面15C付近のO(酸素)の最大の濃度が少なくとも2×1018cm-3であり、試料の厚み方向において1×1018cm-3以上の領域が少なくとも5nm以上存在する。また、実施例3の試料ではトンネル接合層15の界面15C付近のO(酸素)の最大の濃度が3×1018cm-3である。つまり、実施例1〜3の試料はp++−GaN層15Aとn++−GaN層15Bとの界面のO(酸素)の濃度は少なくとも2×1018cm-3以上、3×1018cm-3以下である。そして、成長中断工程において、トンネル接合層15の形成を中断する所定の時間を3分以上とすることによって、p++−GaN層15Aの表面に反応炉内のO2(酸素)を良好に吸着させることができることがわかった。また、実施例1〜3の試料(成長中断の時間が3分以上である場合)は、p++−GaN層15Aとn++−GaN層15Bとの界面15Cに吸着して取り込まれたO(酸素)の濃度がほぼ同じであることがわかった。
図4に示すように、成長中断時間が0分(比較例1)から3分(実施例1)にかけて、界面15CにおけるO(酸素)の濃度が急激に高くなる。そして、成長中断時間が3分より長くなる(実施例1〜3)と界面15CにおけるO(酸素)の濃度はほぼ一定になる(○印を結ぶ曲線参照。)。
また、成長中断時間が0分(比較例1)の場合に比べて、成長中断時間が3分より長くなる(実施例1〜3)と、トンネル接合層15を含む駆動電圧は大きく低減(およそ1V)し、より小さな駆動電圧を実現できることがわかった(図3、及び図4における□印を結ぶ曲線参照。)。
すなわち、MOCVD法を用いてアクセプタ(p型不純物)であるMgを2×1020cm-3以上含む層(p++−GaN層15A)を所定の厚み(2nm以上)で形成した後、MOCVD装置の反応炉から基板9を取り出すことなく、意図的にトンネル接合層15の形成を所定の時間中断する成長中断工程を実行する。そして、トンネル接合層15の界面15CにおけるO(酸素)濃度のピークの大きさを2×1018cm-3以上にする。そして、ドナー(n型不純物)であるSiを3×1020cm-3以上含む層(n++GaN層15B)を所定の厚み(10nm以上)で形成する。これにより、バンドギャップが大きく、光吸収ロスが少なく、電気抵抗が小さい窒化物半導体のトンネル接合層15を形成できることがわかった。
また、この窒化物半導体発光素子の製造方法のO(酸素)は原料ガスとして意図的に反応炉内に供給されたものではなく、素子を形成するために用いる原料に微量に含有されていたり外界から反応炉内に僅かにリークしたりすることによって反応炉内に少なからず存在するものである。通常、O(酸素)が半導体内に混入することは、半導体の特性の劣化を引き起こす可能性があるため極力抑制すべきものである。しかし、この窒化物半導体発光素子の製造方法は半導体内にO(酸素)が混入する現象を積極的に利用するものである。
また、この窒化物半導体発光素子の製造方法は、還元作用の高い元素であるH2を用いたMOCVD法であっても、成長中断工程を実行することによって、p型トンネル接合層の表面にO(酸素)を吸着させて、トンネル接合層15の界面15CにO(酸素)を存在させることができる。つまり、この窒化物半導体発光素子の製造方法は基板9を一度も大気に暴露せず成長中断工程を実行し、トンネル接合層15の界面15CにO(酸素)を存在させることによってトンネル接合層15の電気抵抗を小さくすることができる。
(1)実施例1〜3では、トンネル接合層の裏面側は一般的な青色LED構造であるが、これに限らず、高電流密度領域における電圧降下が大きく改善されることから、端面レーザダイオードや、第1n−GaN層の裏面側に、多層膜反射鏡を設けた面発光レーザ構造としても良い。
(2)実施例1〜3では、p型不純物としてMgを用いているが、これに限らず、p型不純物である、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等であっても良い。
(3)実施例1〜3では、n型不純物としてSiを用いているが、これに限らず、n型不純物である、Ge、Te等であっても良い。
(4)実施例1〜3では、GaInN/GaN5重量子井戸活性層の表面にp−AlGaN層を積層して形成しているが、これに限らず、GaInN量子井戸活性層の表面にp−AlGaN層を積層して形成しなくても良い。
(5)実施例1〜3では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、窒化ガリウム基板やAlN基板等の他の基板を用いても良い。
(6)実施例1〜3では、トンネル接合層のp++−GaN層の厚みを2nmとしているが、これに限らず、トンネル接合層のp++−GaN層の厚みを2nmより小さくしても良く、2nmより大きくしても良い。
(7)実施例1〜3では、トンネル接合層のn++−GaN層の厚みを10nm以上としているが、これに限らず、トンネル接合層のn++−GaN層の厚みを10nmより小さくしても良い。
(8)実施例1〜3では、トンネル接合層にGaNを用いているが、活性層の発光波長の長さに応じて、GaInNやAlGaNをトンネル接合層の材料として用いても良い。
(9)実施例1〜3では、リークによって反応炉内に存在するO2(酸素)をトンネル接合層の界面に吸着しているが、原料ガスとしてO2やNO等を反応炉内に供給しても良い。
(10)実施例1〜3では、結晶成長を中断する時間が3分以上であるが、p++−GaN層の表面によりO(酸素)が吸着しやすい条件、例えば、キャリアガスとして還元作用の高いH2を用いず、全てN2用いたり、p++−GaN層の結晶成長中よりNH3の供給量を小さくしたり、成長温度よりも低い基板温度にしたりする等で結晶成長を中断する時間をより短くすることもできる。
15…トンネル接合層
15A…p++−GaN層(p型トンネル接合層)
15B…n++−GaN層(n型トンネル接合層)
15C…界面
Claims (3)
- 有機金属気相成長法を用い、反応炉内で基板の表面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
p型不純物を添加してp型トンネル接合層を形成するp型トンネル接合層形成工程と、
前記p型トンネル接合層形成工程を実行後、前記p型トンネル接合層の表面に前記反応炉内のO(酸素)を吸着させる成長中断工程と、
前記成長中断工程を実行後、O(酸素)を吸着した前記p型トンネル接合層の表面にn型不純物を添加してn型トンネル接合層を形成するn型トンネル接合層形成工程と、
を備え、
前記p型トンネル接合層形成工程から前記n型トンネル接合層形成工程まで、前記反応炉内に前記基板を保持して実行することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記成長中断工程における、前記トンネル接合層の形成を中断する時間は3分以上であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層は、
p型不純物が添加されたp型トンネル接合層と、
前記p型トンネル接合層の表面に積層され、n型不純物が添加されたn型トンネル接合層と、
を有し、
前記p型トンネル接合層と前記n型トンネル接合層との界面のO(酸素)の濃度は少なくとも2×1018cm-3以上、かつ3×1018cm-3以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
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