JP2919788B2 - 半導体装置、半導体装置の製造方法、及び窒化ガリウム系半導体の成長方法 - Google Patents
半導体装置、半導体装置の製造方法、及び窒化ガリウム系半導体の成長方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、窒化ガリウム系
化合物半導体を用いた青色発光素子等の半導体装置及び
その製造方法、さらには、その製造方法に用いる窒化ガ
リウム系半導体の成長方法に関する。
化合物半導体を用いた青色発光素子等の半導体装置及び
その製造方法、さらには、その製造方法に用いる窒化ガ
リウム系半導体の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＮ、ＩｎxＧａ1-xＮ、Ｇａx
Ａｌ1-xＮといった、窒化ガリウム系化合物半導体が、
青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青色レーザーダイオー
ド（ＬＤ）等の半導体装置の材料として、注目されてい
る。これらの化合物半導体を使うことによって、これま
で困難であった十分な強度の青色光を発する発光素子を
提供することが可能となってきたからである。
Ａｌ1-xＮといった、窒化ガリウム系化合物半導体が、
青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青色レーザーダイオー
ド（ＬＤ）等の半導体装置の材料として、注目されてい
る。これらの化合物半導体を使うことによって、これま
で困難であった十分な強度の青色光を発する発光素子を
提供することが可能となってきたからである。
【０００３】窒化ガリウム系化合物半導体を使った半導
体装置としては、例えば、特開平４ー３２１２８０その
他に幾つか提案されている。図７に、このような従来の
窒化ガリウム系化合物半導体を使った半導体装置の一例
としての青色ＬＥＤの基本構造を示す。すなわち、半導
体装置２は、サファイヤ基板２００の上にバッファ層２
０１を介して積層されたｎ型ＧａＮ半導体層２０２、ｐ
型ＧａＮ半導体層２０３からなっている。これらｎ型Ｇ
ａＮ半導体層２０２、ｐ型ＧａＮ半導体層２０３間の空
乏層に、キャリアを注入することによって発光を行うこ
とができる。
体装置としては、例えば、特開平４ー３２１２８０その
他に幾つか提案されている。図７に、このような従来の
窒化ガリウム系化合物半導体を使った半導体装置の一例
としての青色ＬＥＤの基本構造を示す。すなわち、半導
体装置２は、サファイヤ基板２００の上にバッファ層２
０１を介して積層されたｎ型ＧａＮ半導体層２０２、ｐ
型ＧａＮ半導体層２０３からなっている。これらｎ型Ｇ
ａＮ半導体層２０２、ｐ型ＧａＮ半導体層２０３間の空
乏層に、キャリアを注入することによって発光を行うこ
とができる。
【０００４】このような半導体装置（ＬＥＤ）を製造す
るには、サファイヤ基板の上に、各層を形成する窒化ガ
リウム系化合物半導体層を、順次ＭＯＣＶＤ等により積
層していく。その後、適当な大きさに切り分けて個々の
チップを分離する。最後に、そのチップをワイヤーフレ
ームに接続し、必要な配線を行って製品にする。
るには、サファイヤ基板の上に、各層を形成する窒化ガ
リウム系化合物半導体層を、順次ＭＯＣＶＤ等により積
層していく。その後、適当な大きさに切り分けて個々の
チップを分離する。最後に、そのチップをワイヤーフレ
ームに接続し、必要な配線を行って製品にする。
【０００５】このような従来の窒化ガリウム系半導体装
置では、半導体層に導入した不純物元素はエピタキシャ
ル成長しただけでは物理的に存在するだけであって、電
気的には十分に活性化されていない。従って、何らかの
活性化の処理が必要である。
置では、半導体層に導入した不純物元素はエピタキシャ
ル成長しただけでは物理的に存在するだけであって、電
気的には十分に活性化されていない。従って、何らかの
活性化の処理が必要である。
【０００６】従来この不純物元素の活性化の処理として
は、エピタキシャル成長後の「後工程」として、熱アニ
ールを行っていた。
は、エピタキシャル成長後の「後工程」として、熱アニ
ールを行っていた。
【０００７】また、「後工程」としての熱アニールを無
くすための不活性ガス中での自然冷却工程が、特開平８
−１２５２２２号公報において提案されている。
くすための不活性ガス中での自然冷却工程が、特開平８
−１２５２２２号公報において提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、「後工
程」として、熱アニールを行うことは、工程数や処理時
間を増加させるだけでなく、６００℃以上という高温に
窒化ガリウム半導体層を長時間晒すことになるので、結
晶からの窒素の抜けや、表面モホロジーの悪化につなが
る。従って、窒素の抜けによる半導体特性の変化や、表
面モホロジーの悪化によって、半導体装置の発光特性や
歩留まりの向上が困難となっている。
程」として、熱アニールを行うことは、工程数や処理時
間を増加させるだけでなく、６００℃以上という高温に
窒化ガリウム半導体層を長時間晒すことになるので、結
晶からの窒素の抜けや、表面モホロジーの悪化につなが
る。従って、窒素の抜けによる半導体特性の変化や、表
面モホロジーの悪化によって、半導体装置の発光特性や
歩留まりの向上が困難となっている。
【０００９】また、特開平８−１２５２２２号公報に記
載されている従来技術においては、室温までの雰囲気を
不活性ガスに置換するためには、公報に記載されている
とおり、反応管中を高温状態のまま真空に排気しなけれ
ばならない。このような従来技術の工程では、成長温度
程度の高温で、反応管中を真空排気するため、この真空
排気の際に成長した結晶が再蒸発してしまい、成長した
結晶が残らない、あるいは結晶の膜厚が減少してしまう
という問題点があった。
載されている従来技術においては、室温までの雰囲気を
不活性ガスに置換するためには、公報に記載されている
とおり、反応管中を高温状態のまま真空に排気しなけれ
ばならない。このような従来技術の工程では、成長温度
程度の高温で、反応管中を真空排気するため、この真空
排気の際に成長した結晶が再蒸発してしまい、成長した
結晶が残らない、あるいは結晶の膜厚が減少してしまう
という問題点があった。
【００１０】従って、本発明の目的は、製造工程の少な
い窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法を提供す
ることである。
い窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法を提供す
ることである。
【００１１】本発明の他の目的は、簡単に、不純物元素
を電気的に活性化し、高いキャリア濃度を得ることが可
能な窒化ガリウム系半導体の成長方法を提供することで
ある。
を電気的に活性化し、高いキャリア濃度を得ることが可
能な窒化ガリウム系半導体の成長方法を提供することで
ある。
【００１２】本発明の更に他の目的は、結晶からの窒素
の抜けや、表面モホロジーの悪化の無い窒化ガリウム系
半導体の成長方法を提供することである。
の抜けや、表面モホロジーの悪化の無い窒化ガリウム系
半導体の成長方法を提供することである。
【００１３】本発明の更に他の目的は、歩留まりのよい
窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法を提供する
ことである。
窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法を提供する
ことである。
【００１４】本発明の更に他の目的は、量産に適した窒
化ガリウム系半導体装置、その製造方法及び窒化ガリウ
ム系半導体の成長方法を提供することである。
化ガリウム系半導体装置、その製造方法及び窒化ガリウ
ム系半導体の成長方法を提供することである。
【００１５】本発明の更に他の目的は、発光強度が大き
く消費電力の小さい窒化ガリウム系半導体装置及びその
製造方法を提供することである。
く消費電力の小さい窒化ガリウム系半導体装置及びその
製造方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する為
に、本発明は、ｐ型の不純物元素が添加され、そのキャ
リア濃度が２．４ｘ1018cm-3以上である窒化ガリウム系
半導体層とを少なくとも含み、この第２の窒化ガリウム
系半導体層は、ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に
活性化されている半導体装置であることを第１の特徴と
する。
に、本発明は、ｐ型の不純物元素が添加され、そのキャ
リア濃度が２．４ｘ1018cm-3以上である窒化ガリウム系
半導体層とを少なくとも含み、この第２の窒化ガリウム
系半導体層は、ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に
活性化されている半導体装置であることを第１の特徴と
する。
【００１７】本発明の第１の特徴によれば、窒化ガリウ
ム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７％以上
が電気的に活性化されているので、２．４ｘ1018cm-3以
上の高いキャリア濃度が得られる。このような７％以上
という高い活性化率を達成することにより、格子欠陥の
生成やキャリアのトラップ中心の発生を抑制できる。従
って、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の半導体装置に適用すれ
ば、注入されたキャリアは無駄にトラップ中心に捕獲さ
れること無く、有効な発光に寄与できる。このため、高
い効率で、消費電力の小さい窒化ガリウム系化合物半導
体を用いた半導体装置が提供できる。
ム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７％以上
が電気的に活性化されているので、２．４ｘ1018cm-3以
上の高いキャリア濃度が得られる。このような７％以上
という高い活性化率を達成することにより、格子欠陥の
生成やキャリアのトラップ中心の発生を抑制できる。従
って、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の半導体装置に適用すれ
ば、注入されたキャリアは無駄にトラップ中心に捕獲さ
れること無く、有効な発光に寄与できる。このため、高
い効率で、消費電力の小さい窒化ガリウム系化合物半導
体を用いた半導体装置が提供できる。
【００１８】本発明の第２の特徴は、ｎ型の不純物元素
が添加された第１の窒化ガリウム系半導体層と、ｐ型の
不純物元素が添加された第２の窒化ガリウム系半導体層
とを少なくとも含み、第２の窒化ガリウム系半導体層
は、ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に活性化さ
れ、そのキャリア濃度が２．４ｘ1018cm-3以上である層
を少なくとも含む半導体装置であることを第２の特徴と
する。ここで、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の半導体装置に
おいては、第１及び第２の窒化ガリウム系半導体層の間
に、実質的に真性な窒化ガリウム系半導体活性層を挿入
しても良い。
が添加された第１の窒化ガリウム系半導体層と、ｐ型の
不純物元素が添加された第２の窒化ガリウム系半導体層
とを少なくとも含み、第２の窒化ガリウム系半導体層
は、ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に活性化さ
れ、そのキャリア濃度が２．４ｘ1018cm-3以上である層
を少なくとも含む半導体装置であることを第２の特徴と
する。ここで、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の半導体装置に
おいては、第１及び第２の窒化ガリウム系半導体層の間
に、実質的に真性な窒化ガリウム系半導体活性層を挿入
しても良い。
【００１９】本発明の第２の特徴によれば、第２の窒化
ガリウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７
％以上が電気的に活性化されているので、高いキャリア
濃度が得られる。このような高い活性化率を達成するこ
とにより、格子欠陥の生成やキャリアのトラップ中心の
発生を抑制できる。従って、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の
半導体装置においては、注入されたキャリアは無駄にト
ラップ中心に捕獲されること無く、有効な発光に寄与で
きる。このため、発光強度が大きく、消費電力の小さい
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体装置が提供
できる。
ガリウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７
％以上が電気的に活性化されているので、高いキャリア
濃度が得られる。このような高い活性化率を達成するこ
とにより、格子欠陥の生成やキャリアのトラップ中心の
発生を抑制できる。従って、青色ＬＥＤや青色ＬＤ等の
半導体装置においては、注入されたキャリアは無駄にト
ラップ中心に捕獲されること無く、有効な発光に寄与で
きる。このため、発光強度が大きく、消費電力の小さい
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体装置が提供
できる。
【００２０】本発明の第３の特徴は、基板を真空チャン
バ内に入れる段階と、この真空チャンバ内に、キャリア
ガスとして水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量
比で導入する段階と、真空チャンバ内に、キャリアガス
に加えて、アンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガ
ス、及びドーパントガスを順次切り替えて導入すること
により、ｎ型の不純物元素が添加された第１の窒化ガリ
ウム系半導体層及びｐ型の不純物元素が添加された第２
の窒化ガリウム系半導体層を順に積層する段階と、第２
の窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ちに水素、
３族元素を含むガス、及びドーパントガスの導入を停止
し、不活性ガスの流量を増大する段階と、不活性ガスの
流量を増大した状態で、基板を自然放冷する段階とを少
なくとも有する半導体装置の製造方法であることであ
る。
バ内に入れる段階と、この真空チャンバ内に、キャリア
ガスとして水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量
比で導入する段階と、真空チャンバ内に、キャリアガス
に加えて、アンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガ
ス、及びドーパントガスを順次切り替えて導入すること
により、ｎ型の不純物元素が添加された第１の窒化ガリ
ウム系半導体層及びｐ型の不純物元素が添加された第２
の窒化ガリウム系半導体層を順に積層する段階と、第２
の窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ちに水素、
３族元素を含むガス、及びドーパントガスの導入を停止
し、不活性ガスの流量を増大する段階と、不活性ガスの
流量を増大した状態で、基板を自然放冷する段階とを少
なくとも有する半導体装置の製造方法であることであ
る。
【００２１】本発明の第３の特徴によれば、「第２の窒
化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ちに不活性ガス
の流量を増大」しているので、真空チャンバ中を高温状
態のまま真空に排気することはない。このため、高温状
態における真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の
減少は発生しない。また、エピタキシャル成長後に基板
を室温まで冷却した後の熱アニール工程を施さなくて
も、窒化ガリウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物
元素の７％以上を電気的に活性化することが可能で、そ
の結果、２．４ｘ1018cm-3以上の高いキャリア濃度が簡
単に得られる。また、製造工程が簡略され、歩留まりが
向上する。
化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ちに不活性ガス
の流量を増大」しているので、真空チャンバ中を高温状
態のまま真空に排気することはない。このため、高温状
態における真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の
減少は発生しない。また、エピタキシャル成長後に基板
を室温まで冷却した後の熱アニール工程を施さなくて
も、窒化ガリウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物
元素の７％以上を電気的に活性化することが可能で、そ
の結果、２．４ｘ1018cm-3以上の高いキャリア濃度が簡
単に得られる。また、製造工程が簡略され、歩留まりが
向上する。
【００２２】本発明の第３の特徴において、第２の窒化
ガリウム系半導体層の積層時においては、不活性ガスが
水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガスに対す
る流量比が０．７５％以上であることが好ましい。
ガリウム系半導体層の積層時においては、不活性ガスが
水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガスに対す
る流量比が０．７５％以上であることが好ましい。
【００２３】本発明の第４の特徴は、基板を真空チャン
バ内に入れる段階と、真空チャンバ内に、キャリアガス
として水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量比で
導入する段階と、基板温度を１０００乃至１４００℃に
加熱し、キャリアガスに加えて、アンモニア（ＮＨ3）
及び３族元素を含むガスを導入することにより、窒化ガ
リウム系半導体のバッファ層を形成する段階と、この窒
化ガリウム系半導体バッファ層の形成が終わった後に、
基板温度を５０℃乃至２００℃だけ下げ真空チャンバ内
に、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３族元素
を含むガスの流量を調整し更に、ｎ型のドーパントガス
を導入することにより、窒化ガリウム系半導体からなる
ｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層を順に形成する段
階と、ｎ型のドーパントガスの導入を停止し、基板温度
を、更に３００℃から６００℃だけ下げ、窒化ガリウム
系半導体からなる活性層を形成する段階と、基板温度
を、１０００乃至１４００℃に加熱し、真空チャンバ内
に、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）、３族元素を
含むガスに加えてｐ型のドーパントガスを導入すること
により、窒化ガリウム系半導体からなるｐ型クラッド層
及びｐ型コンタクト層を順に形成する段階と、ｐ型コン
タクト層の積層の完了後直ちに、水素、３族元素を含む
ガス、及びｐ型のドーパントガスの導入を停止し、不活
性ガスの流量を増大する段階と、こうして不活性ガスの
流量を増大した状態で、基板を自然放冷する段階とを少
なくとも有する半導体装置の製造方法であることであ
る。
バ内に入れる段階と、真空チャンバ内に、キャリアガス
として水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量比で
導入する段階と、基板温度を１０００乃至１４００℃に
加熱し、キャリアガスに加えて、アンモニア（ＮＨ3）
及び３族元素を含むガスを導入することにより、窒化ガ
リウム系半導体のバッファ層を形成する段階と、この窒
化ガリウム系半導体バッファ層の形成が終わった後に、
基板温度を５０℃乃至２００℃だけ下げ真空チャンバ内
に、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３族元素
を含むガスの流量を調整し更に、ｎ型のドーパントガス
を導入することにより、窒化ガリウム系半導体からなる
ｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層を順に形成する段
階と、ｎ型のドーパントガスの導入を停止し、基板温度
を、更に３００℃から６００℃だけ下げ、窒化ガリウム
系半導体からなる活性層を形成する段階と、基板温度
を、１０００乃至１４００℃に加熱し、真空チャンバ内
に、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）、３族元素を
含むガスに加えてｐ型のドーパントガスを導入すること
により、窒化ガリウム系半導体からなるｐ型クラッド層
及びｐ型コンタクト層を順に形成する段階と、ｐ型コン
タクト層の積層の完了後直ちに、水素、３族元素を含む
ガス、及びｐ型のドーパントガスの導入を停止し、不活
性ガスの流量を増大する段階と、こうして不活性ガスの
流量を増大した状態で、基板を自然放冷する段階とを少
なくとも有する半導体装置の製造方法であることであ
る。
【００２４】本発明の第４の特徴によれば、「ｐ型コン
タクト層の積層の完了後直ちに不活性ガスの流量を増
大」しているので、真空チャンバ中を高温状態のまま真
空に排気することはない。このため、高温状態における
真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の減少は発生
しない。また、エピタキシャル成長後に基板を室温まで
冷却した後の熱アニール工程を施さなくても、窒化ガリ
ウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７％以
上を電気的に活性化することが可能で、その結果、２．
４ｘ1018cm-3以上の高いキャリア濃度が簡単に得られ
る。また、製造工程が簡略され、歩留まりが向上する。
タクト層の積層の完了後直ちに不活性ガスの流量を増
大」しているので、真空チャンバ中を高温状態のまま真
空に排気することはない。このため、高温状態における
真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の減少は発生
しない。また、エピタキシャル成長後に基板を室温まで
冷却した後の熱アニール工程を施さなくても、窒化ガリ
ウム系半導体層に導入されたｐ型の不純物元素の７％以
上を電気的に活性化することが可能で、その結果、２．
４ｘ1018cm-3以上の高いキャリア濃度が簡単に得られ
る。また、製造工程が簡略され、歩留まりが向上する。
【００２５】本発明の第４の特徴において、ｐ型クラッ
ド層及びｐ型コンタクト層の積層時においては、不活性
ガスが水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガス
に対する流量比が０．７５％以上であることが好まし
い。
ド層及びｐ型コンタクト層の積層時においては、不活性
ガスが水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガス
に対する流量比が０．７５％以上であることが好まし
い。
【００２６】本発明の第５の特徴は、基板を真空チャン
バ内に入れる段階と、この真空チャンバ内に、キャリア
ガスとして水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、不活性ガス
が水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガスに対
する流量比を０．７５％以上として導入する段階と、真
空チャンバ内に、このキャリアガスに加えて、アンモニ
ア（ＮＨ3）、３族元素を含むガス、及びドーパントガ
スを導入することにより窒化ガリウム系半導体層を積層
する段階と、窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直
ちに、水素、３族元素を含むガス、及びドーパントガス
の導入を停止し、不活性ガスの流量を増大する段階と、
こうして不活性ガスの流量を増大した状態で、基板を自
然放冷する段階とを少なくとも有する窒化ガリウム系半
導体の成長方法であることである。
バ内に入れる段階と、この真空チャンバ内に、キャリア
ガスとして水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、不活性ガス
が水素に対して過剰であり、且つ水素の不活性ガスに対
する流量比を０．７５％以上として導入する段階と、真
空チャンバ内に、このキャリアガスに加えて、アンモニ
ア（ＮＨ3）、３族元素を含むガス、及びドーパントガ
スを導入することにより窒化ガリウム系半導体層を積層
する段階と、窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直
ちに、水素、３族元素を含むガス、及びドーパントガス
の導入を停止し、不活性ガスの流量を増大する段階と、
こうして不活性ガスの流量を増大した状態で、基板を自
然放冷する段階とを少なくとも有する窒化ガリウム系半
導体の成長方法であることである。
【００２７】本発明の第５の特徴によれば、「窒化ガリ
ウム系半導体層の積層の完了後直ちに、不活性ガスの流
量を増大」しているので、真空チャンバ中を高温状態の
まま真空に排気することはない。このため、高温状態に
おける真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の減少
は発生しない。また、エピタキシャル成長後に基板を室
温まで冷却した後の熱アニール工程を施さなくても、ド
ーパントガスにより、窒化ガリウム系半導体層に導入さ
れた不純物元素の７％以上を電気的に活性化することが
可能で、その結果、２．４ｘ1018cm-3以上の高いキャリ
ア濃度が簡単に得られる。
ウム系半導体層の積層の完了後直ちに、不活性ガスの流
量を増大」しているので、真空チャンバ中を高温状態の
まま真空に排気することはない。このため、高温状態に
おける真空排気に伴う結晶の再蒸発や結晶の膜厚の減少
は発生しない。また、エピタキシャル成長後に基板を室
温まで冷却した後の熱アニール工程を施さなくても、ド
ーパントガスにより、窒化ガリウム系半導体層に導入さ
れた不純物元素の７％以上を電気的に活性化することが
可能で、その結果、２．４ｘ1018cm-3以上の高いキャリ
ア濃度が簡単に得られる。
【００２８】特に、本発明の第５の特徴に係るドーパン
トガスは、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂ
ｅ）、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型のドーパントガスであるこ
とが好ましい。ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に
活性化され、２．４ｘ1018cm-3以上のｐ型のキャリア濃
度が簡単に得られる。
トガスは、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂ
ｅ）、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型のドーパントガスであるこ
とが好ましい。ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に
活性化され、２．４ｘ1018cm-3以上のｐ型のキャリア濃
度が簡単に得られる。
【００２９】なお、本発明の第３乃至第５の特徴におけ
る基板を自然放冷する段階は、不活性ガスの流量を増大
した状態で、真空チャンバの内部圧力を８０ｋＰａ乃至
１２０ｋＰａに調整し、内部圧力を維持して、２時間乃
至３時間放置するステップを含んでもよい。
る基板を自然放冷する段階は、不活性ガスの流量を増大
した状態で、真空チャンバの内部圧力を８０ｋＰａ乃至
１２０ｋＰａに調整し、内部圧力を維持して、２時間乃
至３時間放置するステップを含んでもよい。
【００３０】また、本発明の第３乃至第５の特徴におい
て、基板を自然放冷する段階により、基板が室温まで降
温した後、再度、基板を４００℃以上まで昇温し、その
温度で１分以内の時間で、熱処理する段階をさらに加え
れば、さらに、活性化率が向上し、更に高いキャリア濃
度が得られる。これは、従来の「後工程」長時間の熱処
理に比して遙かに短時間であるので、結晶からの窒素の
抜けや、表面モホロジーの悪化を生じることもない。従
って、従来技術の熱処理においてみられた窒素の抜けに
よる半導体特性の変化（劣化）や、表面モホロジーの悪
化が防止され、結果として、半導体装置の発光特性の低
下や歩留まりの低下が有効に防止できる。
て、基板を自然放冷する段階により、基板が室温まで降
温した後、再度、基板を４００℃以上まで昇温し、その
温度で１分以内の時間で、熱処理する段階をさらに加え
れば、さらに、活性化率が向上し、更に高いキャリア濃
度が得られる。これは、従来の「後工程」長時間の熱処
理に比して遙かに短時間であるので、結晶からの窒素の
抜けや、表面モホロジーの悪化を生じることもない。従
って、従来技術の熱処理においてみられた窒素の抜けに
よる半導体特性の変化（劣化）や、表面モホロジーの悪
化が防止され、結果として、半導体装置の発光特性の低
下や歩留まりの低下が有効に防止できる。
【００３１】より好ましくは、本発明の第３乃至第５の
特徴において、不活性ガスの流量を増大する段階では、
不活性ガス及びアンモニア（ＮＨ3）を２：１の流量比
に設定すればよい。不活性ガス及びアンモニア（Ｎ
Ｈ3）を２：１の流量比に設定することにより、窒化ガ
リウム系半導体の表面からの窒素抜けを有効に防止でき
る。アンモニアが多すぎると、もう１つの要素である水
素の影響が出てきて好ましくないので、窒素２に対して
アンモニア１の割合程度が最適である。
特徴において、不活性ガスの流量を増大する段階では、
不活性ガス及びアンモニア（ＮＨ3）を２：１の流量比
に設定すればよい。不活性ガス及びアンモニア（Ｎ
Ｈ3）を２：１の流量比に設定することにより、窒化ガ
リウム系半導体の表面からの窒素抜けを有効に防止でき
る。アンモニアが多すぎると、もう１つの要素である水
素の影響が出てきて好ましくないので、窒素２に対して
アンモニア１の割合程度が最適である。
【００３２】また、本発明の第３乃至第５の特徴におい
て、基板を自然放冷する段階は、基板の温度が３５０℃
乃至６００℃の所定の温度まで冷却した後、この所定の
温度において、アンモニア（ＮＨ3）の導入を停止する
ステップを含むようにしてもよい。
て、基板を自然放冷する段階は、基板の温度が３５０℃
乃至６００℃の所定の温度まで冷却した後、この所定の
温度において、アンモニア（ＮＨ3）の導入を停止する
ステップを含むようにしてもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明による窒
化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤの製造方法を説明
する。
化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤの製造方法を説明
する。
【００３４】窒化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤ１
は、サファイヤ基板１００の上に、窒化ガリウム系半導
体バッファ層１０１、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタ
クト層１０２が形成され、その上に、窒化ガリウム系ｎ
型半導体クラッド層１０３、窒化ガリウム系半導体活性
層１０４、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層１０
５、及び窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６
が順に堆積されている。さらに、窒化ガリウム系ｎ型半
導体コンタクト層１０２の上部の一部には、電極１０８
が、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６の上
部の一部には電極１０７がそれぞれ配置されている。窒
化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２及び窒化ガ
リウム系ｎ型半導体クラッド層１０３とにより、本発明
の第１の窒化ガリウム系半導体層が構成されている。ま
た、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層１０５及び窒
化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６は、本発明
の第２の窒化ガリウム系半導体層に対応する。
は、サファイヤ基板１００の上に、窒化ガリウム系半導
体バッファ層１０１、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタ
クト層１０２が形成され、その上に、窒化ガリウム系ｎ
型半導体クラッド層１０３、窒化ガリウム系半導体活性
層１０４、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層１０
５、及び窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６
が順に堆積されている。さらに、窒化ガリウム系ｎ型半
導体コンタクト層１０２の上部の一部には、電極１０８
が、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６の上
部の一部には電極１０７がそれぞれ配置されている。窒
化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２及び窒化ガ
リウム系ｎ型半導体クラッド層１０３とにより、本発明
の第１の窒化ガリウム系半導体層が構成されている。ま
た、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層１０５及び窒
化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１０６は、本発明
の第２の窒化ガリウム系半導体層に対応する。
【００３５】本発明では、窒化ガリウム系半導体とし
て、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮを用いた。ＩｎxＡｌyＧａ
1-x-yＮの組成を調整することで、広範囲の青色発光を
実現することができる。ここで、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1
と、ｘ+ｙ≦1が満たされている。
て、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮを用いた。ＩｎxＡｌyＧａ
1-x-yＮの組成を調整することで、広範囲の青色発光を
実現することができる。ここで、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1
と、ｘ+ｙ≦1が満たされている。
【００３６】窒化ガリウム系ｎ型半導体バッファ層１０
１は、窒化ガリウム系半導体コンタクト層１０２と、サ
ファイヤ基板１００との格子間の不整合を緩和するもの
である。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.5、0≦ｙ≦0.5に選ばれる。
１は、窒化ガリウム系半導体コンタクト層１０２と、サ
ファイヤ基板１００との格子間の不整合を緩和するもの
である。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.5、0≦ｙ≦0.5に選ばれる。
【００３７】窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１
０２は、電極１０８へのコンタクト面を設けるためのも
のである。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２の場
合、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.3、0≦ｙ≦0.3に選ばれる。やはり、ｎ型とするた
めに、シリコン（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）といった不純
物元素が添加されているが、そのキャリア濃度は、6ｘ1
018cm-3である。
０２は、電極１０８へのコンタクト面を設けるためのも
のである。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２の場
合、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.3、0≦ｙ≦0.3に選ばれる。やはり、ｎ型とするた
めに、シリコン（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）といった不純
物元素が添加されているが、そのキャリア濃度は、6ｘ1
018cm-3である。
【００３８】窒化ガリウム系ｎ型半導体クラッド層１０
３は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｎ側を構成す
る。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値は、発
光させたい波長によって適宜調整されるが、例えば、0
≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.3、0.1≦ｙ
≦1に選ばれる。又、やはり、ｎ型とするために、シリ
コンやセレンといった不純物元素が添加されているが、
そのキャリア濃度は、3ｘ1018cm-3である。
３は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｎ側を構成す
る。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値は、発
光させたい波長によって適宜調整されるが、例えば、0
≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.3、0.1≦ｙ
≦1に選ばれる。又、やはり、ｎ型とするために、シリ
コンやセレンといった不純物元素が添加されているが、
そのキャリア濃度は、3ｘ1018cm-3である。
【００３９】窒化ガリウム系半導体活性層１０４は、発
光領域の中心となる領域を形成する実質的に真性半導体
の層である。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの
値は、発光させたい波長によって適宜調整されるが、例
えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.6、
0≦ｙ≦0.5に選ばれる。
光領域の中心となる領域を形成する実質的に真性半導体
の層である。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの
値は、発光させたい波長によって適宜調整されるが、例
えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.6、
0≦ｙ≦0.5に選ばれる。
【００４０】窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層１０
５は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｐ側を構成す
る。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値は、窒
化ガリウム系ｎ型半導体クラッド層１０３及び窒化ガリ
ウム系半導体活性層１０４との関係で、発光させたい波
長によって適宜調整されるが、例えば、0≦ｘ≦1、0≦
ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.3、0.1≦ｙ≦ 1.0に選ば
れる。又、ｐ型とするために、マグネシウム（Ｍｇ）、
ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）といった不純物元素
が添加されている。キャリア濃度は、3ｘ1018cm-3であ
る。
５は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｐ側を構成す
る。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値は、窒
化ガリウム系ｎ型半導体クラッド層１０３及び窒化ガリ
ウム系半導体活性層１０４との関係で、発光させたい波
長によって適宜調整されるが、例えば、0≦ｘ≦1、0≦
ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ≦0.3、0.1≦ｙ≦ 1.0に選ば
れる。又、ｐ型とするために、マグネシウム（Ｍｇ）、
ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）といった不純物元素
が添加されている。キャリア濃度は、3ｘ1018cm-3であ
る。
【００４１】窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層１
０６は、電極１０７へのコンタクト面を設けるためのも
のである。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２の場
合、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.3、0≦ｙ≦0.3に選ばれる。又、ｐ型とするため
に、やはりマグネシウム、ベリリウム、亜鉛といった不
純物元素が添加されている。キャリア濃度は、8ｘ1018c
m-3である。
０６は、電極１０７へのコンタクト面を設けるためのも
のである。ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの各パラメータの値
は、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層１０２の場
合、例えば、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1、好ましくは、0≦ｘ
≦0.3、0≦ｙ≦0.3に選ばれる。又、ｐ型とするため
に、やはりマグネシウム、ベリリウム、亜鉛といった不
純物元素が添加されている。キャリア濃度は、8ｘ1018c
m-3である。
【００４２】電極１０７は、窒化ガリウム系半導体活性
層１０４の発光波長に対して透明な電極である。具体的
には、錫（Ｓｎ）をドープした酸化インジウム（ＩＴ
Ｏ：インジウム・ティン・オキサイド）のような金属と
酸素の化合物から形成されるが、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属を十分薄く形成しても
よい。
層１０４の発光波長に対して透明な電極である。具体的
には、錫（Ｓｎ）をドープした酸化インジウム（ＩＴ
Ｏ：インジウム・ティン・オキサイド）のような金属と
酸素の化合物から形成されるが、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属を十分薄く形成しても
よい。
【００４３】電極１０８は、もう一方の電極であるが、
特に透明である必要はない。例えば、チタン（Ｔｉ）、
Ａｌ、Ｎｉ等の金属で形成してもよい。
特に透明である必要はない。例えば、チタン（Ｔｉ）、
Ａｌ、Ｎｉ等の金属で形成してもよい。
【００４４】以上の設定では、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ
の各パラメータの値は、窒化ガリウム系ｎ型半導体クラ
ッド層１０３及び窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層
１０５のバンドギャップが、窒化ガリウム系半導体活性
層１０４のバンドギャップよりも大きくなるよう決めら
れている。このようにすることによって、窒化ガリウム
系半導体活性層１０４へ注入されるキャリアの量を多く
し、発光強度を更に向上させることができる。
の各パラメータの値は、窒化ガリウム系ｎ型半導体クラ
ッド層１０３及び窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層
１０５のバンドギャップが、窒化ガリウム系半導体活性
層１０４のバンドギャップよりも大きくなるよう決めら
れている。このようにすることによって、窒化ガリウム
系半導体活性層１０４へ注入されるキャリアの量を多く
し、発光強度を更に向上させることができる。
【００４５】これらの窒化ガリウム系半導体の積層体
は、サファイヤ基板の上に熱ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等で
形成される。図２に、ＭＯＣＶＤ装置の概略を示す。こ
の装置は、真空チャンバ２０と、その中に設けられた基
板ホルダ２１と、反応ガス導入管２２と、排気管２３
と、基板ホルダ２１に置かれた基板を加熱する高周波コ
イル（図示省略）とからなっている。
は、サファイヤ基板の上に熱ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等で
形成される。図２に、ＭＯＣＶＤ装置の概略を示す。こ
の装置は、真空チャンバ２０と、その中に設けられた基
板ホルダ２１と、反応ガス導入管２２と、排気管２３
と、基板ホルダ２１に置かれた基板を加熱する高周波コ
イル（図示省略）とからなっている。
【００４６】先ず、基板ホルダ（サセプタ）２１にサフ
ァイヤ基板１００を載置し、真空チャンバ２０内を１０
１ｋＰａから１３３ｋＰａまで排気する。その後、水素
（Ｈ2）及び不活性ガス、例えば窒素（Ｎ2）からなるキ
ャリアガスを所定の流量比で導入する。そして、高周波
加熱を開始すると共に、キャリアガスに加えて、アンモ
ニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスを導入する。３
族元素を含むガスとしては、例えば、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ：Gａ(CH3)3）、トリメチルインジウム（Ｔ
ＭＩ：In(CH3)3）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：
Al(CH3)3）等の有機金属ガスを用いればよい。反応圧力
は、約１０１ｋＰａである。
ァイヤ基板１００を載置し、真空チャンバ２０内を１０
１ｋＰａから１３３ｋＰａまで排気する。その後、水素
（Ｈ2）及び不活性ガス、例えば窒素（Ｎ2）からなるキ
ャリアガスを所定の流量比で導入する。そして、高周波
加熱を開始すると共に、キャリアガスに加えて、アンモ
ニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスを導入する。３
族元素を含むガスとしては、例えば、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ：Gａ(CH3)3）、トリメチルインジウム（Ｔ
ＭＩ：In(CH3)3）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：
Al(CH3)3）等の有機金属ガスを用いればよい。反応圧力
は、約１０１ｋＰａである。
【００４７】このようにして、窒化ガリウム系半導体層
の形成が行われる。その際、反応ガスの夫々の成分比率
を切り替えて、各層の成分比を調節する。又、不純物元
素を添加するために、適宜モノシラン（SiH4）等のｎ型
のドーパントガスや、ビスシクロペンタジエニールマグ
ネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）等のｐ型のドーパントガスを導
入する。
の形成が行われる。その際、反応ガスの夫々の成分比率
を切り替えて、各層の成分比を調節する。又、不純物元
素を添加するために、適宜モノシラン（SiH4）等のｎ型
のドーパントガスや、ビスシクロペンタジエニールマグ
ネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）等のｐ型のドーパントガスを導
入する。
【００４８】図３を参照して、窒化ガリウム系半導体層
を形成する際の、真空チャンバ２０内の温度変化を説明
する。
を形成する際の、真空チャンバ２０内の温度変化を説明
する。
【００４９】（イ）先ず、基板を真空チャンバ内に入れ
る； （ロ）続いて、真空チャンバ内に、キャリアガスとして
水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量比で導入す
る； （ハ）そして、基板温度を、１０００乃至１４００℃例
えば１２００℃に上げて、キャリアガスに加えて、アン
モニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスを導入するこ
とにより、窒化ガリウム系半導体バッファ層を形成す
る； （ニ）その後、基板温度を５０℃乃至２００℃分、即ち
８００乃至１２００℃迄下げる。例えば１２００℃の場
合、１１００℃まで下げて、キャリアガス、アンモニア
（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスの流量を調整し更
に、ｎ型のドーパントガスを導入することにより、所定
の不純物元素を添加したｎ型コンタクト層及びｎ型クラ
ッド層を順に形成する； （ホ）次ぎに、ｎ型のドーパントガスの導入を停止し、
キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３族元素を含
むガスの流量を調整し、基板温度を更に３００℃から６
００℃分下げることにより、活性層を形成する。即ち、
ｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層の形成が１１００℃
の場合は、そこから例えば６００℃から９００℃まで下
げる； （ヘ）その後、基板温度を再び最初の温度、例えば１１
００℃に上げて、真空チャンバ内に、キャリアガス、ア
ンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガスに加えてｐ型
のドーパントガスを導入することにより、ｐ型クラッド
層及びｐ型コンタクト層を順に形成する； （ト）このｐ型コンタクト層の積層の完了後直ちに、水
素、３族元素を含むガス、及びドーパントガスの導入を
停止し、不活性ガスの導入量を増大し、真空チャンバ２
０内部を、不活性ガスで置き換える。不活性ガスとして
は、窒素を用いるのが好ましいが、ヘリウム（He）、ア
ルゴン（Ar）等他の不活性ガスを用いてもよい； （チ）真空チャンバ２０が不活性ガスで満たされた後、
基板を自然放冷する。この際、内部の圧力を８０ｋＰａ
乃至１２０ｋＰａ例えば１０１ｋＰａに調整し、そのま
まの状態で、２時間から３時間程度放置する。すると、
基板温度が、室温のレベル（例えば約２５℃）まで下が
るので、サファイヤ基板を真空チャンバ２０から取り出
す。
る； （ロ）続いて、真空チャンバ内に、キャリアガスとして
水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、所定の流量比で導入す
る； （ハ）そして、基板温度を、１０００乃至１４００℃例
えば１２００℃に上げて、キャリアガスに加えて、アン
モニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスを導入するこ
とにより、窒化ガリウム系半導体バッファ層を形成す
る； （ニ）その後、基板温度を５０℃乃至２００℃分、即ち
８００乃至１２００℃迄下げる。例えば１２００℃の場
合、１１００℃まで下げて、キャリアガス、アンモニア
（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスの流量を調整し更
に、ｎ型のドーパントガスを導入することにより、所定
の不純物元素を添加したｎ型コンタクト層及びｎ型クラ
ッド層を順に形成する； （ホ）次ぎに、ｎ型のドーパントガスの導入を停止し、
キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３族元素を含
むガスの流量を調整し、基板温度を更に３００℃から６
００℃分下げることにより、活性層を形成する。即ち、
ｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層の形成が１１００℃
の場合は、そこから例えば６００℃から９００℃まで下
げる； （ヘ）その後、基板温度を再び最初の温度、例えば１１
００℃に上げて、真空チャンバ内に、キャリアガス、ア
ンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガスに加えてｐ型
のドーパントガスを導入することにより、ｐ型クラッド
層及びｐ型コンタクト層を順に形成する； （ト）このｐ型コンタクト層の積層の完了後直ちに、水
素、３族元素を含むガス、及びドーパントガスの導入を
停止し、不活性ガスの導入量を増大し、真空チャンバ２
０内部を、不活性ガスで置き換える。不活性ガスとして
は、窒素を用いるのが好ましいが、ヘリウム（He）、ア
ルゴン（Ar）等他の不活性ガスを用いてもよい； （チ）真空チャンバ２０が不活性ガスで満たされた後、
基板を自然放冷する。この際、内部の圧力を８０ｋＰａ
乃至１２０ｋＰａ例えば１０１ｋＰａに調整し、そのま
まの状態で、２時間から３時間程度放置する。すると、
基板温度が、室温のレベル（例えば約２５℃）まで下が
るので、サファイヤ基板を真空チャンバ２０から取り出
す。
【００５０】以上のように真空チャンバ２０から取り出
されたサファイヤ基板は、そのままダイアモンドカッタ
ーで、適当な大きさに切り分けて多数のチップを得る。
そのチップで、青色発光素子を作成すると、十分な強度
の発光が見られるので、後処理としての熱アニールが不
要であることが分かる。
されたサファイヤ基板は、そのままダイアモンドカッタ
ーで、適当な大きさに切り分けて多数のチップを得る。
そのチップで、青色発光素子を作成すると、十分な強度
の発光が見られるので、後処理としての熱アニールが不
要であることが分かる。
【００５１】本発明では、真空チャンバ２０から取り出
されたサファイヤ基板に、後処理としての熱アニールを
行なう必要がなく工程が簡略化され、製造にかかわる時
間も短縮される。
されたサファイヤ基板に、後処理としての熱アニールを
行なう必要がなく工程が簡略化され、製造にかかわる時
間も短縮される。
【００５２】さらに、本発明によれば、形成された素子
自体も、従来に比較して発光強度が大きくなる傾向があ
る。この理由は、次のように考えられる。すなわち、従
来の方法では、不純物元素を活性化するために、熱アニ
ールを行っているが、実測してみると実際に活性化され
るのは、添加された不純物元素の約１％に過ぎないこと
が分かっている。残りの９９％は無駄になるだけでな
く、格子欠陥を作り、キャリアのトラップ中心となって
しまう。従って、注入されたキャリアのかなりの部分
は、そこに捕獲されてしまい、有効な発光を行なうこと
ができない。これに対して、本発明のような方法では、
実測してみると実際に活性化されるのは、添加された不
純物元素の少なくとも７％以上、通常は約１０％あり、
キャリア自体の量が非常に多い。更に、抵抗も減るの
で、低消費電力の素子が実現できる。
自体も、従来に比較して発光強度が大きくなる傾向があ
る。この理由は、次のように考えられる。すなわち、従
来の方法では、不純物元素を活性化するために、熱アニ
ールを行っているが、実測してみると実際に活性化され
るのは、添加された不純物元素の約１％に過ぎないこと
が分かっている。残りの９９％は無駄になるだけでな
く、格子欠陥を作り、キャリアのトラップ中心となって
しまう。従って、注入されたキャリアのかなりの部分
は、そこに捕獲されてしまい、有効な発光を行なうこと
ができない。これに対して、本発明のような方法では、
実測してみると実際に活性化されるのは、添加された不
純物元素の少なくとも７％以上、通常は約１０％あり、
キャリア自体の量が非常に多い。更に、抵抗も減るの
で、低消費電力の素子が実現できる。
【００５３】図４は本発明の別の実施形態であるＬＥＤ
５００の構造断面図である。この構造断面図を用いなが
ら、ＬＥＤ５００の製造方法を順に説明する。
５００の構造断面図である。この構造断面図を用いなが
ら、ＬＥＤ５００の製造方法を順に説明する。
【００５４】（イ）まず、有機洗浄および酸洗浄をほど
こしたｃ面を主面としたサファイア基板５０１をＭＯＣ
ＶＤ装置の真空チャンバ内に配置された基板ホルダ（サ
セプタ）上に載置する。この場合の加熱方法は、抵抗体
ヒーターによってもよいし、高周波誘導加熱による方法
も可能である。このサファイア基板５０１上に水素を１
０Ｌ／分の流量で導入しながら、１１００℃、１０分程
度の熱処理を加え、基板表面の加工ダメージおよび酸化
物を除去する。
こしたｃ面を主面としたサファイア基板５０１をＭＯＣ
ＶＤ装置の真空チャンバ内に配置された基板ホルダ（サ
セプタ）上に載置する。この場合の加熱方法は、抵抗体
ヒーターによってもよいし、高周波誘導加熱による方法
も可能である。このサファイア基板５０１上に水素を１
０Ｌ／分の流量で導入しながら、１１００℃、１０分程
度の熱処理を加え、基板表面の加工ダメージおよび酸化
物を除去する。
【００５５】（ロ）次に、基板温度を５５０℃まで低下
させて、真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素
（Ｈ2）と不活性ガスとしての窒素（Ｎ2）とを、所定の
流量比で導入する。例えば、水素を１５Ｌ／分、窒素を
５Ｌ／分の流量で導入する。さらに、キャリアガスに加
えて、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分
の流量で４分間供給して、厚さ３０ｎｍのＧａＮバッフ
ァ層５０２を形成する。
させて、真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素
（Ｈ2）と不活性ガスとしての窒素（Ｎ2）とを、所定の
流量比で導入する。例えば、水素を１５Ｌ／分、窒素を
５Ｌ／分の流量で導入する。さらに、キャリアガスに加
えて、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分
の流量で４分間供給して、厚さ３０ｎｍのＧａＮバッフ
ァ層５０２を形成する。
【００５６】（ハ）次に、ＴＭＧの供給を停止し、５０
℃／分以下の昇温速度で１１００℃まで昇温する。この
時の昇温速度が５０℃／分より大きいと、バッファ層５
０２の表面があれ、単結晶層の表面に凸凹が生じる。次
に、基板温度を１１００℃で保持し、キャリアガス、ア
ンモニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスの流量を調
整する。即ち、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の流量
で６０分間供給して、窒化ガリウム系単結晶半導体（Ｇ
ａＮ）のバツファ層５０３を厚さ１．８μｍで成長す
る。
℃／分以下の昇温速度で１１００℃まで昇温する。この
時の昇温速度が５０℃／分より大きいと、バッファ層５
０２の表面があれ、単結晶層の表面に凸凹が生じる。次
に、基板温度を１１００℃で保持し、キャリアガス、ア
ンモニア（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスの流量を調
整する。即ち、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／分、ア
ンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の流量
で６０分間供給して、窒化ガリウム系単結晶半導体（Ｇ
ａＮ）のバツファ層５０３を厚さ１．８μｍで成長す
る。
【００５７】（ニ）次に、基板温度を１１００℃で保持
したまま、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３
族元素を含むガスに加えて、ｎ型のドーパントガスとし
てのモノシラン（ＳｉＨ4）を１０ｃｃ／分の流量で加
え、これらのガスを、真空チャンバ内に１３０分間供給
して、ｎ型ＧａＮコンタクト兼注入層５０４を厚さ４μ
ｍで形成する。
したまま、キャリアガス、アンモニア（ＮＨ3）及び３
族元素を含むガスに加えて、ｎ型のドーパントガスとし
てのモノシラン（ＳｉＨ4）を１０ｃｃ／分の流量で加
え、これらのガスを、真空チャンバ内に１３０分間供給
して、ｎ型ＧａＮコンタクト兼注入層５０４を厚さ４μ
ｍで形成する。
【００５８】（ホ）次に、ＴＭＧ、モノシランおよび水
素の供給を停止して７８０℃まで降温する。そして、基
板温度を７８０℃で保持したまま、窒素を２０Ｌ／分、
水素を１００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを１２ｃｃ／分、ＴＭＩを１５０ｃｃ／分、モノシラ
ンを３ｃｃ／分、ＤＭＺ（ジメチルジンク）を２０ｃｃ
／分の流量で６分間供給して、厚さ０．２μｍの発光層
であるｌｎＧａＮ半導体活性層５０５を形成する。
素の供給を停止して７８０℃まで降温する。そして、基
板温度を７８０℃で保持したまま、窒素を２０Ｌ／分、
水素を１００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを１２ｃｃ／分、ＴＭＩを１５０ｃｃ／分、モノシラ
ンを３ｃｃ／分、ＤＭＺ（ジメチルジンク）を２０ｃｃ
／分の流量で６分間供給して、厚さ０．２μｍの発光層
であるｌｎＧａＮ半導体活性層５０５を形成する。
【００５９】（ヘ）次に、窒素を２０Ｌ／分、水素を１
００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しな
がら、１１００℃まで昇温する。そして、基板温度を１
１００℃で保持し、真空チャンバ内に、水素と窒素と
を、水素の窒素に対する流量比が０．７５％以上となる
ように調整して導入する。即ち、窒素を２０Ｌ／分、水
素を１５０ｃｃ／分の流量で導入する。そして、この、
キャリアガスに加えて、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを１００ｃｃ／分、更に、ｐ型のドーパントガスとし
てのビスシクロペンタジエニールマグネシウム（Ｃｐ2
Ｍｇ）を５０ｃｃ／分の流量で１０分間流しながら、厚
さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト兼注入層５０６を
形成する。本実施例においてはｐ型層は１層としたが、
コンタクト層と注入層とを分離することも可能である。
この場合は、コンタクト層をＧａＮ、注入層をＡ１Ｇａ
Ｎとし、キャリア濃度を注入層よりもコンタクト層の方
を高くすることが望ましい。
００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しな
がら、１１００℃まで昇温する。そして、基板温度を１
１００℃で保持し、真空チャンバ内に、水素と窒素と
を、水素の窒素に対する流量比が０．７５％以上となる
ように調整して導入する。即ち、窒素を２０Ｌ／分、水
素を１５０ｃｃ／分の流量で導入する。そして、この、
キャリアガスに加えて、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを１００ｃｃ／分、更に、ｐ型のドーパントガスとし
てのビスシクロペンタジエニールマグネシウム（Ｃｐ2
Ｍｇ）を５０ｃｃ／分の流量で１０分間流しながら、厚
さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト兼注入層５０６を
形成する。本実施例においてはｐ型層は１層としたが、
コンタクト層と注入層とを分離することも可能である。
この場合は、コンタクト層をＧａＮ、注入層をＡ１Ｇａ
Ｎとし、キャリア濃度を注入層よりもコンタクト層の方
を高くすることが望ましい。
【００６０】（ト）ｐ型ＧａＮコンタクト兼注入層５０
６の積層の完了後直ちに、水素、アンモニア、ＴＭＧ、
及びビスシクロペンタジエニールマグネシウムの導入を
停止し、不活性ガスである窒素の流量を増大する。即
ち、供給ガスを窒素３０Ｌ／分の流量に切り換える。
６の積層の完了後直ちに、水素、アンモニア、ＴＭＧ、
及びビスシクロペンタジエニールマグネシウムの導入を
停止し、不活性ガスである窒素の流量を増大する。即
ち、供給ガスを窒素３０Ｌ／分の流量に切り換える。
【００６１】（チ）こうして不活性ガスである窒素の流
量を増大した状態で、基板を室温まで自然放冷（降温）
する。
量を増大した状態で、基板を室温まで自然放冷（降温）
する。
【００６２】（リ）このようにしてエピタキシャル成長
した積層構造について、室温までの冷却後に、更に７５
０℃、１分の熱処理を施す。
した積層構造について、室温までの冷却後に、更に７５
０℃、１分の熱処理を施す。
【００６３】（ヌ）次に、以上のようにして形成した積
層構造の一部を、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）などを
マスクとして用いて、塩素（Ｃｌ2）や、これに三塩化
硼素（ＢＣｌ3 ）を加えたガスなどを用いて、反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）法で選択的にエッチングす
る。このエッチングは、ｎ型ＧａＮ層５０４が露出する
まで行う。
層構造の一部を、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）などを
マスクとして用いて、塩素（Ｃｌ2）や、これに三塩化
硼素（ＢＣｌ3 ）を加えたガスなどを用いて、反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）法で選択的にエッチングす
る。このエッチングは、ｎ型ＧａＮ層５０４が露出する
まで行う。
【００６４】（ル）次に、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型ＧａＮコ
ンタクト兼注入層）５０６に対する電極として、ニッケ
ル（Ｎｉ）を２０ｎｍ、金（Ａｕ）を４００ｎｍ（図中
５１０）、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて
形成する。また、ｎ型層５０４に対する電極としてチタ
ン（Ｔｉ）を２０ｎｍ、金を４００ｎｍ（図中５１１）
を形成する。ｐ型層への電極としては、Ｎｉ／Ａｕの積
層構造のほかに、パラジウム（Ｐｄ）、Ｔｉ、白金（Ｐ
ｔ），インジウム（Ｉｎ）の単層、あるいはＮｉやＡｕ
を含めた積層構造、合金でも可能である。ｎ型層への電
極としては、Ｔｉ、Ａｕのほかに、Ａｌ、Ｉｎの単層、
あるいはＴｉやＡｕを含めた積層構造や合金も可能であ
る。
ンタクト兼注入層）５０６に対する電極として、ニッケ
ル（Ｎｉ）を２０ｎｍ、金（Ａｕ）を４００ｎｍ（図中
５１０）、周知の真空蒸着法やスパッタ法などを用いて
形成する。また、ｎ型層５０４に対する電極としてチタ
ン（Ｔｉ）を２０ｎｍ、金を４００ｎｍ（図中５１１）
を形成する。ｐ型層への電極としては、Ｎｉ／Ａｕの積
層構造のほかに、パラジウム（Ｐｄ）、Ｔｉ、白金（Ｐ
ｔ），インジウム（Ｉｎ）の単層、あるいはＮｉやＡｕ
を含めた積層構造、合金でも可能である。ｎ型層への電
極としては、Ｔｉ、Ａｕのほかに、Ａｌ、Ｉｎの単層、
あるいはＴｉやＡｕを含めた積層構造や合金も可能であ
る。
【００６５】（ヲ）次に、ｐ型電極５１０上にＳｉＯ2
などの保護膜を形成すれば、本発明の実施例に係る半導
体装置が完成する。
などの保護膜を形成すれば、本発明の実施例に係る半導
体装置が完成する。
【００６６】上記の（イ）乃至（チ）に係る成長の結
果、ｐ型ＧａＮ層５０６のキャリア濃度は、２．４ｘ10
18cm-3であった。つまり、このｐ型ＧａＮ層５０６中で
はＭｇ濃度 3ｘ1019cm-3に対して、活性化率８％を示し
た。なお、本発明においては、「活性化率」とは、キャ
リア濃度を不純物元素の濃度で規格化したもので定義し
ている。したがって、本実施例においては、ｐ型ＧａＮ
層５０６にＭｇをドーピングしているので、活性化率
は、キャリア濃度をＭｇ濃度で規格化して８％となるの
である。一方、降温時の雰囲気を４００℃までの範囲で
窒素２０Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、４００℃か
ら室温までを窒素のみ３０Ｌ／分の流量で行なっても、
活性化率は７％以上を維持することができた。
果、ｐ型ＧａＮ層５０６のキャリア濃度は、２．４ｘ10
18cm-3であった。つまり、このｐ型ＧａＮ層５０６中で
はＭｇ濃度 3ｘ1019cm-3に対して、活性化率８％を示し
た。なお、本発明においては、「活性化率」とは、キャ
リア濃度を不純物元素の濃度で規格化したもので定義し
ている。したがって、本実施例においては、ｐ型ＧａＮ
層５０６にＭｇをドーピングしているので、活性化率
は、キャリア濃度をＭｇ濃度で規格化して８％となるの
である。一方、降温時の雰囲気を４００℃までの範囲で
窒素２０Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、４００℃か
ら室温までを窒素のみ３０Ｌ／分の流量で行なっても、
活性化率は７％以上を維持することができた。
【００６７】一般に窒化ガリウム系半導体には窒素抜け
の問題があるが、その防止には窒素そのものよりも窒素
イオンを生成することの出来る化合物の方が効果があ
る。その意味で、窒素に加えアンモニアを導入する意味
がある。しかし、アンモニアが多すぎると、もう１つの
要素である水素の影響が出てきて好ましくない。実験的
には、窒素２に対してアンモニア１の割合程度が良いこ
とが分かっている。
の問題があるが、その防止には窒素そのものよりも窒素
イオンを生成することの出来る化合物の方が効果があ
る。その意味で、窒素に加えアンモニアを導入する意味
がある。しかし、アンモニアが多すぎると、もう１つの
要素である水素の影響が出てきて好ましくない。実験的
には、窒素２に対してアンモニア１の割合程度が良いこ
とが分かっている。
【００６８】また、上記の（リ）に係る室温までの冷却
後に、更に７５０℃、１分の熱処理を施すことにより、
ｐ型ＧａＮ層５０６のキャリア濃度をさらに増加させる
ことができた。
後に、更に７５０℃、１分の熱処理を施すことにより、
ｐ型ＧａＮ層５０６のキャリア濃度をさらに増加させる
ことができた。
【００６９】本実施例では、半導体装置の一例としてＬ
ＥＤについて説明したが、本発明の主旨はｐ型層の製造
工程であるので、主旨を逸脱しない限り、ＧａＮ系を用
いた青色半導体レーザ（ＬＤ）等の他の半導体装置にも
適用可能である。
ＥＤについて説明したが、本発明の主旨はｐ型層の製造
工程であるので、主旨を逸脱しない限り、ＧａＮ系を用
いた青色半導体レーザ（ＬＤ）等の他の半導体装置にも
適用可能である。
【００７０】図５を参照して、このような青色ＬＤの構
造例を説明する。図５に示すようにサファイヤ基板７０
１の上に、窒化ガリウム系半導体バッファ層７０２、窒
化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層７０３、窒化ガリ
ウム系ｎ型半導体層７０４、窒化ガリウム系ｎ型半導体
クラッド層７０５、窒化ガリウム系半導体活性層７０
６、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７、窒化
ガリウム系ｐ型半導体層７０８，窒化ガリウム系ｐ型半
導体層７０９，窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層
７１０が積層されている。
造例を説明する。図５に示すようにサファイヤ基板７０
１の上に、窒化ガリウム系半導体バッファ層７０２、窒
化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層７０３、窒化ガリ
ウム系ｎ型半導体層７０４、窒化ガリウム系ｎ型半導体
クラッド層７０５、窒化ガリウム系半導体活性層７０
６、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７、窒化
ガリウム系ｐ型半導体層７０８，窒化ガリウム系ｐ型半
導体層７０９，窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層
７１０が積層されている。
【００７１】ここでも図４の例と同様に、反応性イオン
エッチング法で一部を窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタ
クト層７０３が表面に現われるまでエッチングし、露出
した表面に下からチタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、Ｔｉ、
Ａｕの順序で積層してｎ型電極を形成した。その場合の
厚みは、夫々２０ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍ
である。又、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層７
１０の上には、ＳｉＯ2 膜を介してｐ型電極７１１を、
下から白金（Ｐｔ）、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉの順序で積層し
て形成した。その場合の厚みは、夫々２０ｎｍ、４００
ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍである。或いは、ｐ型電極７１
１を、下からパラジウム（Ｐｄ）、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉ
を、この順序で積層して形成してもよい。その場合の厚
みは、夫々２０ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍで
ある。
エッチング法で一部を窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタ
クト層７０３が表面に現われるまでエッチングし、露出
した表面に下からチタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、Ｔｉ、
Ａｕの順序で積層してｎ型電極を形成した。その場合の
厚みは、夫々２０ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍ
である。又、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層７
１０の上には、ＳｉＯ2 膜を介してｐ型電極７１１を、
下から白金（Ｐｔ）、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉの順序で積層し
て形成した。その場合の厚みは、夫々２０ｎｍ、４００
ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍである。或いは、ｐ型電極７１
１を、下からパラジウム（Ｐｄ）、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉ
を、この順序で積層して形成してもよい。その場合の厚
みは、夫々２０ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、１μｍで
ある。
【００７２】窒化ガリウム系半導体活性層７０６に用い
る窒化ガリウム系半導体としては、量子井戸構造のＩｎ
x Ｇａ1-x Ｎ化合物半導体を用いている。その組成は、
ｘ =0.05のものを２．５ｎｍの厚みに、又、ｘ = 0.20
のものを２．５ｎｍの厚みに夫々交互に２０周期ほど積
層し、多層の量子井戸を形成している。
る窒化ガリウム系半導体としては、量子井戸構造のＩｎ
x Ｇａ1-x Ｎ化合物半導体を用いている。その組成は、
ｘ =0.05のものを２．５ｎｍの厚みに、又、ｘ = 0.20
のものを２．５ｎｍの厚みに夫々交互に２０周期ほど積
層し、多層の量子井戸を形成している。
【００７３】この窒化ガリウム系半導体活性層７０６以
外の各層の厚みは、例えばサファイヤ基板７０１が７０
μｍ、窒化ガリウム系半導体バッファ層７０２が５０ｎ
ｍ、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層７０３が４
μｍ、窒化ガリウム系ｎ型半導体層７０４が 0.3μｍ、
窒化ガリウム系ｎ型半導体クラッド層７０５が 0.2μ
ｍ、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７が 0.2
μｍ、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０８が 0.3μｍ、
窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０９が 0.9μｍ、窒化ガ
リウム系ｐ型半導体コンタクト層７１０が 0.1μｍであ
る。
外の各層の厚みは、例えばサファイヤ基板７０１が７０
μｍ、窒化ガリウム系半導体バッファ層７０２が５０ｎ
ｍ、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタクト層７０３が４
μｍ、窒化ガリウム系ｎ型半導体層７０４が 0.3μｍ、
窒化ガリウム系ｎ型半導体クラッド層７０５が 0.2μ
ｍ、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７が 0.2
μｍ、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０８が 0.3μｍ、
窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０９が 0.9μｍ、窒化ガ
リウム系ｐ型半導体コンタクト層７１０が 0.1μｍであ
る。
【００７４】又、キャリア濃度は、例えば、窒化ガリウ
ム系ｎ型半導体コンタクト層７０３が 2ｘ1018cm-3、窒
化ガリウム系ｎ型半導体層７０４が 5ｘ1017cm-3、窒化
ガリウム系ｎ型半導体クラッド層７０５が 5ｘ1017c
m-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７が 5
ｘ1017cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０８が 5
ｘ1017cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０９が 3ｘ
1018cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層７１
０が 2ｘ1019cm-3である。
ム系ｎ型半導体コンタクト層７０３が 2ｘ1018cm-3、窒
化ガリウム系ｎ型半導体層７０４が 5ｘ1017cm-3、窒化
ガリウム系ｎ型半導体クラッド層７０５が 5ｘ1017c
m-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体クラッド層７０７が 5
ｘ1017cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０８が 5
ｘ1017cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０９が 3ｘ
1018cm-3、窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト層７１
０が 2ｘ1019cm-3である。
【００７５】又、窒化ガリウム系ｐ型半導体層７０８ま
で積層した段階で、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタク
ト層７０３まで反応性イオンエッチング法でエッチング
し、このエッチングした部分に、亜鉛（Ｚｎ）をドープ
して高抵抗としたＧａＮ層を埋め込み、共振器領域の電
流通路を限定しても良い。その様な他の青色ＬＤの構造
を図６に示す。図６に示す青色ＬＤの高抵抗ＧａＮ層８
００には、2ｘ1018cm-3の亜鉛（Ｚｎ）が導入されてい
る。
で積層した段階で、窒化ガリウム系ｎ型半導体コンタク
ト層７０３まで反応性イオンエッチング法でエッチング
し、このエッチングした部分に、亜鉛（Ｚｎ）をドープ
して高抵抗としたＧａＮ層を埋め込み、共振器領域の電
流通路を限定しても良い。その様な他の青色ＬＤの構造
を図６に示す。図６に示す青色ＬＤの高抵抗ＧａＮ層８
００には、2ｘ1018cm-3の亜鉛（Ｚｎ）が導入されてい
る。
【００７６】
【発明の効果】本発明によれば、発光強度が大きく消費
電力の小さい窒化ガリウム系半導体装置を提供すること
ができる。
電力の小さい窒化ガリウム系半導体装置を提供すること
ができる。
【００７７】また、本発明によれば、製造工程が少な
く、歩留まりの高い窒化ガリウム系半導体装置の製造方
法を提供することができる。
く、歩留まりの高い窒化ガリウム系半導体装置の製造方
法を提供することができる。
【００７８】さらに、本発明によれば、成長層に導入さ
れた不純物元素を、簡単に、電気的に活性化し、高いキ
ャリア濃度を得ることが可能な窒化ガリウム系半導体の
成長方法を提供することができる。
れた不純物元素を、簡単に、電気的に活性化し、高いキ
ャリア濃度を得ることが可能な窒化ガリウム系半導体の
成長方法を提供することができる。
【００７９】さらに、本発明によれば、結晶からの窒素
の抜けや、表面モホロジーの悪化の無い窒化ガリウム系
半導体の成長方法を提供することができる。
の抜けや、表面モホロジーの悪化の無い窒化ガリウム系
半導体の成長方法を提供することができる。
【００８０】さらに、本発明によれば、量産に適した窒
化ガリウム系半導体装置、その製造方法及び窒化ガリウ
ム系半導体の成長方法を提供することができる。
化ガリウム系半導体装置、その製造方法及び窒化ガリウ
ム系半導体の成長方法を提供することができる。
【図１】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体青色
ＬＥＤの構造を示す断面図である。
ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図２】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体青色
ＬＥＤの各層を形成するためのＭＯＣＶＤ装置を示す概
略図である。
ＬＥＤの各層を形成するためのＭＯＣＶＤ装置を示す概
略図である。
【図３】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体青色
ＬＥＤの製造工程における温度変化を示す図である。
ＬＥＤの製造工程における温度変化を示す図である。
【図４】本発明による窒化ガリウム系化合物半導体青色
ＬＥＤの別の例を示す断面図である。
ＬＥＤの別の例を示す断面図である。
【図５】本発明による青色半導体レーザ（ＬＤ）の構造
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図６】本発明による他の青色ＬＤの構造を示す断面図
である。
である。
【図７】窒化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤの構造
の従来例を示す断面図である。
の従来例を示す断面図である。
１、２ 窒化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤの半導
体チップ ２０ 真空チャンバ ２１ 基板ホルダ（サセプタ） ２２ 反応ガス導入管 ２３ 排気管 １００、２００、５０１、７０１ サファイヤ基板 １０１、２０１、７０２ 窒化ガリウム系ｎ型半導体バ
ッファ層 １０２、５０４、７０３ 窒化ガリウム系ｎ型半導体コ
ンタクト層 １０３、２０２ 窒化ガリウム系ｎ型半導体層 １０４、５０５、７０６ 窒化ガリウム系半導体活性層 １０５、２０３ 窒化ガリウム系ｐ型半導体層 １０６、７１０ 窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト
層 １０７、１０８、２０４、２０５、５１２ 電極
体チップ ２０ 真空チャンバ ２１ 基板ホルダ（サセプタ） ２２ 反応ガス導入管 ２３ 排気管 １００、２００、５０１、７０１ サファイヤ基板 １０１、２０１、７０２ 窒化ガリウム系ｎ型半導体バ
ッファ層 １０２、５０４、７０３ 窒化ガリウム系ｎ型半導体コ
ンタクト層 １０３、２０２ 窒化ガリウム系ｎ型半導体層 １０４、５０５、７０６ 窒化ガリウム系半導体活性層 １０５、２０３ 窒化ガリウム系ｐ型半導体層 １０６、７１０ 窒化ガリウム系ｐ型半導体コンタクト
層 １０７、１０８、２０４、２０５、５１２ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−125222（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−115880（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−8460（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−32113（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/205 H01S 3/18
Claims (29)
- 【請求項１】 ｐ型の不純物元素が添加され、そのキャ
リア濃度が２．４ｘ1018cm-3以上である窒化ガリウム系
半導体層を少なくとも含み、該窒化ガリウム系半導体層
は、前記ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的に活性化
されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 ｎ型の不純物元素が添加された第１の窒
化ガリウム系半導体層と、 ｐ型の不純物元素が添加された第２の窒化ガリウム系半
導体層とを少なくとも含み、前記第２の窒化ガリウム系
半導体層は、前記ｐ型の不純物元素の７％以上が電気的
に活性化され、そのキャリア濃度が２．４ｘ1018cm-3以
上である層を少なくとも含むことを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項３】 前記ｐ型の不純物元素は、マグネシウム
（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）のいずれ
かであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体
装置。 - 【請求項４】 前記第１及び第２の窒化ガリウム系半導
体層は、下から前記第１及び第２の窒化ガリウム系半導
体層の順に、サファイヤ基板上に積層されていることを
特徴とする請求項２記載の半導体装置。 - 【請求項５】 前記サファイヤ基板と前記第１の窒化ガ
リウム系半導体層との間には、前記ｎ型の不純物元素が
添加された窒化ガリウム系半導体からなるバッファ層が
形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体
装置。 - 【請求項６】 基板を真空チャンバ内に入れる段階と、 前記真空チャンバ内に、キャリアガスとして、水素（Ｈ
2）と不活性ガスとを、所定の流量比で導入する段階
と、 前記真空チャンバ内に、前記キャリアガスに加えて、ア
ンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガス、及びドーパ
ントガスを順次切り替えて導入することにより、ｎ型の
不純物元素が添加された第１の窒化ガリウム系半導体層
及びｐ型の不純物元素が添加された第２の窒化ガリウム
系半導体層を順に積層する段階と、 前記第２の窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ち
に、前記水素、３族元素を含むガス、及びドーパントガ
スの導入を停止し、前記不活性ガスの流量を増大する段
階と、 前記不活性ガスの流量を増大した状態で、前記基板を自
然放冷する段階とを少なくとも有することを特徴とする
半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】 前記第２の窒化ガリウム系半導体層の積
層時においては、前記不活性ガスが前記水素に対して過
剰であり、且つ前記水素の前記不活性ガスに対する流量
比が０．７５％以上であることを特徴とする請求項６記
載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項８】 前記キャリアガスを、前記所定の流量比
で導入する段階の前に、更に、前記真空チャンバ内に、
キャリアガスとして水素（Ｈ2）と不活性ガスとを、該
水素の流量が該不活性ガスの流量よりも多くなるように
して導入し、且つ該キャリアガスに加えて、アンモニア
（ＮＨ3）及び３族元素を含むガスを導入することによ
りバッファ層を形成する段階を有することを特徴とする
請求項６又は７記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】 前記第１及び第２の窒化ガリウム系半導
体層の少なくとも１は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ半導体
層（ｘ+ｙ≦1、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦ 1）であることを特
徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項１０】 基板を真空チャンバ内に入れる段階
と、 基板温度を１０００乃至１４００℃に加熱し、窒化ガリ
ウム系半導体のバッファ層を形成する段階と、 前記窒化ガリウム系半導体バッファ層の形成が終わった
後に、前記基板温度を５０℃乃至２００℃だけ下げ、前
記真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素（Ｈ2）
と不活性ガスとを、所定の流量比で導入する段階と、 前記真空チャンバ内に、前記キャリアガスに加えて、ア
ンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガス、及びｎ型の
ドーパントガスを導入することにより、窒化ガリウム系
半導体からなるｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層を
順に形成する段階と、 ｎ型のドーパントガスの導入を停止し、前記基板温度
を、更に３００℃から６００℃だけ下げ、窒化ガリウム
系半導体からなる活性層を形成する段階と、 前記基板温度を、１０００乃至１４００℃に加熱し、前
記真空チャンバ内に、前記キャリアガス、アンモニア
（ＮＨ3）、３族元素を含むガスに加えてｐ型のドーパ
ントガスを導入することにより、窒化ガリウム系半導体
からなるｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順に形
成する段階と、 前記ｐ型コンタクト層の積層の完了後直ちに、前記水
素、３族元素を含むガス、及びｐ型のドーパントガスの
導入を停止し、前記不活性ガスの流量を増大する段階
と、 前記不活性ガスの流量を増大した状態で、前記基板を自
然放冷する段階とを少なくとも有することを特徴とする
半導体装置の製造方法。 - 【請求項１１】 前記ｐ型クラッド層及びｐ型コンタク
ト層の積層時においては、前記不活性ガスが前記水素に
対して過剰であり、且つ前記水素の前記不活性ガスに対
する流量比が０．７５％以上であることを特徴とする請
求項１０記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１２】 前記バッファ層を形成する段階は、前
記真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素（Ｈ2）
と不活性ガスとを、該水素の流量が該不活性ガスの流量
よりも多くなるように導入し、且つ該キャリアガスに加
えて、アンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガスを導
入することにより実行することを特徴とする請求項９又
は１０記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１３】 前記ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド
層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の少
なくとも１は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ半導体層（ｘ+ｙ
≦1、0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1）であることを特徴とする請
求項１０乃至１２のいずれか１項記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項１４】 前記基板を自然放冷する段階は、前記
不活性ガスの流量を増大した状態で、前記真空チャンバ
の内部圧力を８０ｋＰａ乃至１２０ｋＰａに調整し、該
内部圧力を維持して、２時間乃至３時間放置するステッ
プを含むことを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか
１項記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１５】 前記基板を自然放冷する段階により、
前記基板が室温まで降温した後、再度、前記基板を４０
０℃以上まで昇温し、該温度で１分以内の時間で、熱処
理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６乃至
１４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１６】 前記不活性ガスの流量を増大する段階
は、前記不活性ガス及び前記アンモニア（ＮＨ3）を
２：１の流量比に設定することを特徴とする請求項６乃
至１５のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１７】 前記基板を自然放冷する段階は、前記
基板の温度が３５０℃乃至６００℃の所定の温度まで冷
却した後、該所定の温度において、前記アンモニア（Ｎ
Ｈ3）の導入を停止するステップを含むことを特徴とす
る請求項６乃至１６のいずれか１項記載の半導体装置の
製造方法。 - 【請求項１８】 前記不活性ガスは、窒素（Ｎ2）、ヘ
リウム（He）及びアルゴン（Ar）のいずれかであること
を特徴とする請求項６乃至１７のいずれか１項記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項１９】 前記バッファ層は、ＧａＮからなるこ
とを特徴とする請求項６乃至１８のいずれか１項記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項２０】 前記バッファ層は、ＡｌaＧａ1-aＮ
（0≦ａ≦1）からなるからなることを特徴とする請求項
６乃至１８のいずれか１項記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項２１】 前記３族元素を含むガスは、有機金属
ガスからなることを特徴とする請求項６乃至２０のいず
れか１項記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項２２】 基板を真空チャンバ内に入れる段階
と、 前記真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素
（Ｈ2）と不活性ガスとを、該不活性ガスが該水素に対
して過剰であり、且つ、該水素の該不活性ガスに対する
流量比が０．７５％以上となるように調整して導入する
段階と、 前記真空チャンバ内に、前記キャリアガスに加えて、ア
ンモニア（ＮＨ3）、３族元素を含むガス、及びドーパ
ントガスを導入することにより窒化ガリウム系半導体層
を積層する段階と、 前記窒化ガリウム系半導体層の積層の完了後直ちに、前
記水素、３族元素を含むガス、及びドーパントガスの導
入を停止し、前記不活性ガスの流量を増大する段階と、 前記不活性ガスの流量を増大した状態で、前記基板を自
然放冷する段階とを少なくとも有することを特徴とする
窒化ガリウム系半導体の成長方法。 - 【請求項２３】 前記ドーパントガスはｐ型のドーパン
トガスであることを特徴とする請求項２２記載の窒化ガ
リウム系半導体の成長方法。 - 【請求項２４】 前記流量比が０．７５％以上となるよ
うに調整してキャリアガスを導入する段階の前に、更
に、前記真空チャンバ内に、キャリアガスとして水素
（Ｈ2）と不活性ガスとを、該水素の流量が該不活性ガ
スの流量よりも多くなるようにして導入し、且つ該キャ
リアガスに加えて、アンモニア（ＮＨ3）及び３族元素
を含むガスを導入することによりバッファ層を形成する
段階を有することを特徴とする請求項２２又は２３記載
の窒化ガリウム系半導体の成長方法。 - 【請求項２５】 前記基板を自然放冷する段階は、前記
不活性ガスの流量を増大した状態で、前記真空チャンバ
の内部圧力を８０ｋＰａ乃至１２０ｋＰａに調整し、該
内部圧力を維持して、２時間乃至３時間放置するステッ
プを含むことを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれ
か１項記載の窒化ガリウム系半導体の成長方法。 - 【請求項２６】 前記基板を自然放冷する段階により、
前記基板が室温まで降温した後、再度、前記基板を４０
０℃以上まで昇温し、該温度で１分以内の時間で、熱処
理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２２乃
至２５のいずれか１項記載の窒化ガリウム系半導体の成
長方法。 - 【請求項２７】 前記不活性ガスの流量を増大する段階
は、前記不活性ガス及び前記アンモニア（ＮＨ3）を
２：１の流量比に設定することを特徴とする請求項２２
乃至２６のいずれか１項記載の窒化ガリウム系半導体の
成長方法。 - 【請求項２８】 前記基板を自然放冷する段階は、前記
基板の温度が３５０℃乃至６００℃の所定の温度まで冷
却した後、該所定の温度において、前記アンモニア（Ｎ
Ｈ3）の導入を停止するステップを含むことを特徴とす
る請求項２２乃至２７のいずれか１項記載の窒化ガリウ
ム系半導体の成長方法。 - 【請求項２９】 前記不活性ガスは、窒素（Ｎ2）、ヘ
リウム（He）及びアルゴン（Ar）のいずれかであること
を特徴とする請求項２２乃至２８のいずれか１項記載の
窒化ガリウム系半導体の成長方法。
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| JP23067996A JP2919788B2 (ja) | 1995-08-31 | 1996-08-30 | 半導体装置、半導体装置の製造方法、及び窒化ガリウム系半導体の成長方法 |
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-
1996
- 1996-08-30 JP JP23067996A patent/JP2919788B2/ja not_active Expired - Lifetime
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