JP2965709B2 - 半導体発光素子の作製方法 - Google Patents
半導体発光素子の作製方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可視（赤色）から紫外
で発光する半導体発光素子及びその作製方法に関するも
のである。
で発光する半導体発光素子及びその作製方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ、Ｇ
ａＮ、ＡｌＮ、Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピタキシャル成長には、基材
としてサファイアが用いられてきた。しかし、サファイ
アと上記ＩＩＩ族窒化物半導体の間には１１〜２３％の
格子不整合があり、このために生じる不整合転位により
サファイア基板上に作製した発光素子は発光効率や素子
寿命を十分に向上できない。実際、サファイア上に作製
した発光素子では外部量子効率が０．１２％までのもの
しか得られていない。（Y. Ohki, Y. Toyoda, H. Kobay
ashi and I. Akasaki, Int. Symp. GaAs and Related C
ompounds. Japan(1981)p.479.)
ａＮ、ＡｌＮ、Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピタキシャル成長には、基材
としてサファイアが用いられてきた。しかし、サファイ
アと上記ＩＩＩ族窒化物半導体の間には１１〜２３％の
格子不整合があり、このために生じる不整合転位により
サファイア基板上に作製した発光素子は発光効率や素子
寿命を十分に向上できない。実際、サファイア上に作製
した発光素子では外部量子効率が０．１２％までのもの
しか得られていない。（Y. Ohki, Y. Toyoda, H. Kobay
ashi and I. Akasaki, Int. Symp. GaAs and Related C
ompounds. Japan(1981)p.479.)
【０００３】これに比較してＭｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ
2 Ｏ4 、ＭｇＯ、あるいはＣａＯ基板は上記ＩＩＩ族窒
化物半導体及びその混晶に格子定数が近い。図１は、Ｉ
ｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）のＧａ組成ｘ、Ａｌ組成ｙと（０００１）面内の格
子定数の関係を示すものであって、図中実線上の組成で
上記酸化物基板とエピタキシャル膜の格子整合を得るこ
とができる。しかし、これらの酸化物基板には高温還元
雰囲気中で不安定であるという問題があり、例えばＺｎ
Ｏ基板をＮＨ3 雰囲気中で加熱処理すると５００〜６０
０℃以上の温度で、表面が多結晶層に変質してしまう。
これは、還元雰囲気中で加熱処理することにより基板中
の酸素が引き抜かれ、さらに極端な場合には表面に窒化
物が形成されることが原因である。この結果、基板表面
が変質する温度よりも高温で成長を行うとすると、窒素
原料ガスを流すと同時に表面が多結晶化し、その上には
多結晶膜しか成長しないという問題が生じる。エピタキ
シャル膜の結晶性は成長温度の上昇にともない飛躍的に
向上するため、基板の表面変質が起こらない温度でしか
成長を行えないと言うことは極めて重大な問題である。
2 Ｏ4 、ＭｇＯ、あるいはＣａＯ基板は上記ＩＩＩ族窒
化物半導体及びその混晶に格子定数が近い。図１は、Ｉ
ｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）のＧａ組成ｘ、Ａｌ組成ｙと（０００１）面内の格
子定数の関係を示すものであって、図中実線上の組成で
上記酸化物基板とエピタキシャル膜の格子整合を得るこ
とができる。しかし、これらの酸化物基板には高温還元
雰囲気中で不安定であるという問題があり、例えばＺｎ
Ｏ基板をＮＨ3 雰囲気中で加熱処理すると５００〜６０
０℃以上の温度で、表面が多結晶層に変質してしまう。
これは、還元雰囲気中で加熱処理することにより基板中
の酸素が引き抜かれ、さらに極端な場合には表面に窒化
物が形成されることが原因である。この結果、基板表面
が変質する温度よりも高温で成長を行うとすると、窒素
原料ガスを流すと同時に表面が多結晶化し、その上には
多結晶膜しか成長しないという問題が生じる。エピタキ
シャル膜の結晶性は成長温度の上昇にともない飛躍的に
向上するため、基板の表面変質が起こらない温度でしか
成長を行えないと言うことは極めて重大な問題である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
解決するために提案されたもので、その目的は、ＩＩＩ
族窒化物半導体Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピタキシャル膜の不整合転位
を低減した高効率・長寿命の半導体発光素子を提供する
こと、及び不整合転位を低減するために用いたＭｎＯ、
ＺｎＯあるいはＭｇＯの酸化物基板表面の変質を起こす
ことなく、結晶性の良好なエピタキシャル膜を成長する
方法を提供することにある。
解決するために提案されたもので、その目的は、ＩＩＩ
族窒化物半導体Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピタキシャル膜の不整合転位
を低減した高効率・長寿命の半導体発光素子を提供する
こと、及び不整合転位を低減するために用いたＭｎＯ、
ＺｎＯあるいはＭｇＯの酸化物基板表面の変質を起こす
ことなく、結晶性の良好なエピタキシャル膜を成長する
方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、Ｉｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ≦１；
0≦ｘ＋ｙ≦1）薄膜を少なくとも一層含み、基板、バッ
ファ層、クラッド層または低抵抗層、発光層を備え、前
記基板は、ＭｎＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯであり、かつ基
板上に接して成長温度が５００〜６００℃で形成された
バッファ層はＩｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ≦１；
0≦ｘ＋ｙ≦1）よりなる半導体発光素子の製造におい
て、前記バッファ層形成に先だって、バッファ層成長温
度までの昇温を不活性ガスであるＮ2雰囲気中で行い、
その後前記バッファ層形成時の雰囲気をＮＨ３雰囲気と
し、バッファ層形成後、ＮＨ３雰囲気中で６００〜１３
００℃の温度で１〜６０分保持し、６００〜１３００℃
の温度でバッファ層上に発光素子用多層構造を作製する
ことを特徴とする半導体発光素子の作製方法を発明の要
旨とするものである。
め本発明は、Ｉｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ≦１；
0≦ｘ＋ｙ≦1）薄膜を少なくとも一層含み、基板、バッ
ファ層、クラッド層または低抵抗層、発光層を備え、前
記基板は、ＭｎＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯであり、かつ基
板上に接して成長温度が５００〜６００℃で形成された
バッファ層はＩｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ≦１；
0≦ｘ＋ｙ≦1）よりなる半導体発光素子の製造におい
て、前記バッファ層形成に先だって、バッファ層成長温
度までの昇温を不活性ガスであるＮ2雰囲気中で行い、
その後前記バッファ層形成時の雰囲気をＮＨ３雰囲気と
し、バッファ層形成後、ＮＨ３雰囲気中で６００〜１３
００℃の温度で１〜６０分保持し、６００〜１３００℃
の温度でバッファ層上に発光素子用多層構造を作製する
ことを特徴とする半導体発光素子の作製方法を発明の要
旨とするものである。
【０００６】
【作用】本発明の半導体素子は、酸化物基板ＭｎＯ、Ｚ
ｎＯあるいはＭｇＯと、該基板上に接して形成したＩｎ
1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
バッファ層を備えることを最も主要な特徴とするもので
あり、本発明は従来のサファイア上に作製したＩＩＩ族
窒化物半導体発光素子とは、酸化物基板ＭｎＯ、ＺｎＯ
あるいは、ＭｇＯを用いる点が、また従来のＩＩＩ族窒
化物半導体発光素子の作製法とは、上記酸化物基板に接
して１０００℃以下の成長温度でＩｎ1-x-y Ｇａx Ａｌ
y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層を堆積
する点が異なる。これによって従来の基板としてサファ
イア上に作製したＩＩＩ族窒化物層とに比べ、格子整合
が良好であり、この結果、半導体素子の品質が向上し、
高性能化することができる。
ｎＯあるいはＭｇＯと、該基板上に接して形成したＩｎ
1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
バッファ層を備えることを最も主要な特徴とするもので
あり、本発明は従来のサファイア上に作製したＩＩＩ族
窒化物半導体発光素子とは、酸化物基板ＭｎＯ、ＺｎＯ
あるいは、ＭｇＯを用いる点が、また従来のＩＩＩ族窒
化物半導体発光素子の作製法とは、上記酸化物基板に接
して１０００℃以下の成長温度でＩｎ1-x-y Ｇａx Ａｌ
y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層を堆積
する点が異なる。これによって従来の基板としてサファ
イア上に作製したＩＩＩ族窒化物層とに比べ、格子整合
が良好であり、この結果、半導体素子の品質が向上し、
高性能化することができる。
【０００７】
【実施例】本発明の実施例について説明する。なお実施
例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範
囲で、種々変更あるいは改良を行いうることは云うまで
もない。
例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範
囲で、種々変更あるいは改良を行いうることは云うまで
もない。
【０００８】本発明は従来のサファイア上に作製したＩ
ＩＩ族窒化物半導体発光素子とは、酸化物基板ＭｎＯ、
ＺｎＯあるいはＭｇＯを用いる点が、また従来のＩＩＩ
族窒化物半導体発光素子の作製方法とは、上記酸化物基
板に接して１０００℃以下の成長温度でＩｎ1-x-y Ｇａ
x Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層
を堆積する点が異なる。
ＩＩ族窒化物半導体発光素子とは、酸化物基板ＭｎＯ、
ＺｎＯあるいはＭｇＯを用いる点が、また従来のＩＩＩ
族窒化物半導体発光素子の作製方法とは、上記酸化物基
板に接して１０００℃以下の成長温度でＩｎ1-x-y Ｇａ
x Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層
を堆積する点が異なる。
【０００９】（実施例１）図２は本発明の第一の実施例
を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この発
光素子はＭｎＯ（１１１）基板１の上に成長した膜厚５
００ÅのアンドープＧａＡｌＮバッファ層２、膜厚５μ
ｍのＳｎドープｎ型低抵抗ＧａＡｌＮ層３、膜厚０．５
μｍのＺｎドーピングにより半絶縁化したＧａＡｌＮ発
光層４、前記発光層上に設けた半絶縁層の電極５、及び
低抵抗層３上に設けたｎ型抵抗層のオーミック電極６か
らなる。ここに示したすべてのＧａＡｌＮ層は、基板に
格子整合するように組成を選んだ。電極５に正の電圧を
電極６に負の電圧を加えると発光層４は４２０ｎｍの波
長で発光した。その外部量子効率は０．４５％であっ
た。発光効率がこのように向上した原因は、基板とエピ
タキシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシャル膜
の結晶性が高くなったためである。
を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この発
光素子はＭｎＯ（１１１）基板１の上に成長した膜厚５
００ÅのアンドープＧａＡｌＮバッファ層２、膜厚５μ
ｍのＳｎドープｎ型低抵抗ＧａＡｌＮ層３、膜厚０．５
μｍのＺｎドーピングにより半絶縁化したＧａＡｌＮ発
光層４、前記発光層上に設けた半絶縁層の電極５、及び
低抵抗層３上に設けたｎ型抵抗層のオーミック電極６か
らなる。ここに示したすべてのＧａＡｌＮ層は、基板に
格子整合するように組成を選んだ。電極５に正の電圧を
電極６に負の電圧を加えると発光層４は４２０ｎｍの波
長で発光した。その外部量子効率は０．４５％であっ
た。発光効率がこのように向上した原因は、基板とエピ
タキシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシャル膜
の結晶性が高くなったためである。
【０００１０】（実施例２）図３は本発明の第二の実施
例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この
発光素子はＭｇＯ（１１１）基板１０の上に成長した膜
厚５００ÅのアンドープＩｎＧａＮバッファ層１１、膜
厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層１
２、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層１
３、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッ
ド層１４、ｐ型クラッド層のオーミック電極１５、ｎ型
クラッド層のオーミック電極１６からなる。ここに示し
たすべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ層は、基板に格
子整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性
層のハンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大き
くなるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈
折率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極
１５に正の電圧を電極１６に負の電圧を加えると活性層
１３は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１３
ｍＷであり、外部量子効率は３％であった。発光効率が
このように向上した原因は、基板とエピタキシャル膜の
格子定数の整合によりエピタキシャル膜の結晶性が高く
なったこと、及び電子及びホールが注入される活性層を
それよりバンドギャップエネルギが大きく屈折率が小さ
いクラッド層で挟むことによりキャリアと放出光が効率
よく活性層に閉じ込められるダブルヘテロ（ＤＨ）構造
となっていることの２点である。
例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この
発光素子はＭｇＯ（１１１）基板１０の上に成長した膜
厚５００ÅのアンドープＩｎＧａＮバッファ層１１、膜
厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層１
２、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層１
３、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッ
ド層１４、ｐ型クラッド層のオーミック電極１５、ｎ型
クラッド層のオーミック電極１６からなる。ここに示し
たすべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ層は、基板に格
子整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性
層のハンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大き
くなるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈
折率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極
１５に正の電圧を電極１６に負の電圧を加えると活性層
１３は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１３
ｍＷであり、外部量子効率は３％であった。発光効率が
このように向上した原因は、基板とエピタキシャル膜の
格子定数の整合によりエピタキシャル膜の結晶性が高く
なったこと、及び電子及びホールが注入される活性層を
それよりバンドギャップエネルギが大きく屈折率が小さ
いクラッド層で挟むことによりキャリアと放出光が効率
よく活性層に閉じ込められるダブルヘテロ（ＤＨ）構造
となっていることの２点である。
【００１１】（実施例３）第４図は本発明の第三の実施
例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この
発光素子は低抵抗ＺｎＯ（１１１）基板１７の上に成長
した膜厚５００ÅのアンドープＡｌＮバッファ層１８、
膜厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層
１９、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層２
０、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッ
ド層２１、ｐ型クラッド層のオーミック電極２２、ｎ型
クラッド層のオーミック電極２３からなる。ここに示し
たすべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ層は、互いに格
子整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性
層のバンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大き
くなるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈
折率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極
２２の正の電圧を電極２３に負の電圧を加えると活性層
２０は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１０
ｍＷであり、外部量子効率は２．５％であった。発光効
率がこのように向上した原因は、バッファ層を除くエピ
タキシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシャル膜
の結晶性が高くなったこと、及び電子及びホールが注入
される活性層をそれよりバンドギャップエネルギが大き
く屈折率が小さいクラッド層で挟むことによりキャリア
と放出光が効率よく活性層の閉じ込められるダブルヘテ
ロ（ＤＨ）構造となっていることの２点である。ＡｌＮ
バッファ層は極めて良好な半絶縁性を示し、わずか５０
０Åの厚さでも基板と発光素子を絶縁分離できる。この
結果、低抵抗基板上に複数のプレーナ型半導体素子を作
製し、かつこれらの半導体素子を互いに絶縁分離できる
と言う利点を有するものである。
例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この
発光素子は低抵抗ＺｎＯ（１１１）基板１７の上に成長
した膜厚５００ÅのアンドープＡｌＮバッファ層１８、
膜厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層
１９、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層２
０、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッ
ド層２１、ｐ型クラッド層のオーミック電極２２、ｎ型
クラッド層のオーミック電極２３からなる。ここに示し
たすべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ層は、互いに格
子整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性
層のバンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大き
くなるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈
折率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極
２２の正の電圧を電極２３に負の電圧を加えると活性層
２０は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１０
ｍＷであり、外部量子効率は２．５％であった。発光効
率がこのように向上した原因は、バッファ層を除くエピ
タキシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシャル膜
の結晶性が高くなったこと、及び電子及びホールが注入
される活性層をそれよりバンドギャップエネルギが大き
く屈折率が小さいクラッド層で挟むことによりキャリア
と放出光が効率よく活性層の閉じ込められるダブルヘテ
ロ（ＤＨ）構造となっていることの２点である。ＡｌＮ
バッファ層は極めて良好な半絶縁性を示し、わずか５０
０Åの厚さでも基板と発光素子を絶縁分離できる。この
結果、低抵抗基板上に複数のプレーナ型半導体素子を作
製し、かつこれらの半導体素子を互いに絶縁分離できる
と言う利点を有するものである。
【００１２】次に本発明の素子の作製方法について説明
する。図５は、原料ガスとしてＩＩＩ族有機金属とＮＨ
3 を用いる場合について、本発明の半導体発光素子の作
製方法を実施するための成長装置の一例を示すものであ
る。石英反応管３２の内部に成長基板３０を保持するカ
ーボン・サセプタ３１を収めると共に石英反応管の外部
に高周波誘導コイル３３を配置する。また石英反応管３
２に対して有機金属ガス導入管３５、ＮＨ3 ガス導入管
３６、Ｈ2 ガス及びＮ2 ガス導入管３７、及び排気口３
８を設ける。３４は熱電対を示す。
する。図５は、原料ガスとしてＩＩＩ族有機金属とＮＨ
3 を用いる場合について、本発明の半導体発光素子の作
製方法を実施するための成長装置の一例を示すものであ
る。石英反応管３２の内部に成長基板３０を保持するカ
ーボン・サセプタ３１を収めると共に石英反応管の外部
に高周波誘導コイル３３を配置する。また石英反応管３
２に対して有機金属ガス導入管３５、ＮＨ3 ガス導入管
３６、Ｈ2 ガス及びＮ2 ガス導入管３７、及び排気口３
８を設ける。３４は熱電対を示す。
【００１３】この装置で、本発明の半導体発光素子用の
多層膜構造を作製するには、まず石英反応管３０内を真
空排気装置により排気する。次に、石英反応管３２内に
０．５〜２０１／分の不活性ガスであるＮ2 ガスを導入
した後、高周波誘導コイル３３に通電することによりカ
ーボン・サセプタ３１を５００〜６００℃に加熱し、Ｎ
2 ガスを０．５〜２０１／分のＮＨ3 ガスに切り替え
る。この状態で、バブラの温度を−３０〜５０℃に設定
したトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルガ
リウム（ＴＭＧａ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａｌ）のうち必要な原料を１〜１０００cc／分のＨ2 ガ
ス（あるいはＮ2 ガス）でバブリングし、０〜１０１／
分のＨ2 ガス（あるいはＮ2 ガス）と合流させた後、導
入管３７より石英反応管３２へ供給し、成長基板上にＩ
ｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）バッファ層を堆積する。成長中の石英反応管３２内
の総ガス圧は４０〜１０００Torrに調整する。
多層膜構造を作製するには、まず石英反応管３０内を真
空排気装置により排気する。次に、石英反応管３２内に
０．５〜２０１／分の不活性ガスであるＮ2 ガスを導入
した後、高周波誘導コイル３３に通電することによりカ
ーボン・サセプタ３１を５００〜６００℃に加熱し、Ｎ
2 ガスを０．５〜２０１／分のＮＨ3 ガスに切り替え
る。この状態で、バブラの温度を−３０〜５０℃に設定
したトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルガ
リウム（ＴＭＧａ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａｌ）のうち必要な原料を１〜１０００cc／分のＨ2 ガ
ス（あるいはＮ2 ガス）でバブリングし、０〜１０１／
分のＨ2 ガス（あるいはＮ2 ガス）と合流させた後、導
入管３７より石英反応管３２へ供給し、成長基板上にＩ
ｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）バッファ層を堆積する。成長中の石英反応管３２内
の総ガス圧は４０〜１０００Torrに調整する。
【００１４】これに続けて、必要な膜厚を堆積したＩｎ
1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
バッファ層をＮＨ3 雰囲気中６００〜１３００℃の温度
で１〜６０分保持した後、６００〜１３００℃に基板温
度を設定し上記と同様の手順で発光素子用の多層膜構造
（例えばクラッド層、活性層）を作製する。なお、上記
の過程において、ＩｎＧａＡｌＮバッファ層の堆積温度
を１０００℃を超えた温度にすると、表面が多結晶化
し、その上に成長したＩｎＧａＡｌＮ単結晶とはならな
かった。
1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）
バッファ層をＮＨ3 雰囲気中６００〜１３００℃の温度
で１〜６０分保持した後、６００〜１３００℃に基板温
度を設定し上記と同様の手順で発光素子用の多層膜構造
（例えばクラッド層、活性層）を作製する。なお、上記
の過程において、ＩｎＧａＡｌＮバッファ層の堆積温度
を１０００℃を超えた温度にすると、表面が多結晶化
し、その上に成長したＩｎＧａＡｌＮ単結晶とはならな
かった。
【００１５】上記の実施例では、ＩＩＩ族原料及び窒素
原料膜としてＩＩＩ族有機金属及びＮＨ3 を用いたが、
これに代えてＩＩＩ族ハライド化物等のその他のＩＩＩ
族原料及びＮ2 Ｈ2 や有機アミン等のその他の窒素原料
を用いても同様の効果が得られる。また、上記の実施例
では、キャリアガス、バブリングガスとしてＨ2 または
Ｎ2 を用いたが、これに代えてＨｅやＡｒ等のその他の
不活性ガスを用いても同様の効果が得られる。
原料膜としてＩＩＩ族有機金属及びＮＨ3 を用いたが、
これに代えてＩＩＩ族ハライド化物等のその他のＩＩＩ
族原料及びＮ2 Ｈ2 や有機アミン等のその他の窒素原料
を用いても同様の効果が得られる。また、上記の実施例
では、キャリアガス、バブリングガスとしてＨ2 または
Ｎ2 を用いたが、これに代えてＨｅやＡｒ等のその他の
不活性ガスを用いても同様の効果が得られる。
【００１６】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の半導体発光
素子では基板としてサファイアより格子整合性の良好な
ＭｎＯ、ＺｎＯあるいはＭｇＯの酸化物基板を用いるた
め、エピタキシャル膜の品質が向上し高性能化できる。
さらに本発明の半導体発光素子では、基板に格子整合し
たＤＨ構造も実現できる。また、本発明の作製方法を用
いれば、これら酸化物基板表面を表面の変質が起こらな
い低温で成長したバッファ層で基板表面を保護するた
め、基板表面を多結晶化することなくその上に単結晶膜
を成長できる。
素子では基板としてサファイアより格子整合性の良好な
ＭｎＯ、ＺｎＯあるいはＭｇＯの酸化物基板を用いるた
め、エピタキシャル膜の品質が向上し高性能化できる。
さらに本発明の半導体発光素子では、基板に格子整合し
たＤＨ構造も実現できる。また、本発明の作製方法を用
いれば、これら酸化物基板表面を表面の変質が起こらな
い低温で成長したバッファ層で基板表面を保護するた
め、基板表面を多結晶化することなくその上に単結晶膜
を成長できる。
【００１７】一般にヘテロエピタキシャル成長では基板
・エピタキシャル膜間の界面エネルギが高い場合、十分
な表面マイグレーションが起こる高温で直接成長を行う
と顕著な三次元成長が起こり、凹凸の激しい表面モホロ
ジを示すばかりでなく、１０〜１００分の方位分布を持
った結晶性の不十分な膜が成長することが知られてい
る。このことは発光素子を作製する際、多層膜構造の作
製が難しい、発光効率が低いあるいは素子寿命が短い等
の問題の原因となる。界面エネルギは基板結晶とエピタ
キシャル膜結晶の結合の性質の差によって決まり、イオ
ン結晶である酸化物基板と共有結合性の強いＩＩＩ族窒
化物半導体では界面エネルギが高いものと考えられる。
本発明の作製方法は、不十分な表面マイグレーションし
か起こらない低温で平坦なＩｎＧａＡｌＮバッファ層を
堆積し、この上に結晶性の良好なエピタキシャル膜を得
るため高温で成長する構成となっている。高温成長層と
バッファ層はいずれもＩＩＩ族窒化物半導体であるた
め、これらの間の界面エネルギは低い。このように、本
発明の作製方法は、基板・エピタキシャル膜の界面エネ
ルギを下げ三次元成長を抑制する作用を持つため、膜を
平坦化し、方位分布を低減するという効果も持つ。
・エピタキシャル膜間の界面エネルギが高い場合、十分
な表面マイグレーションが起こる高温で直接成長を行う
と顕著な三次元成長が起こり、凹凸の激しい表面モホロ
ジを示すばかりでなく、１０〜１００分の方位分布を持
った結晶性の不十分な膜が成長することが知られてい
る。このことは発光素子を作製する際、多層膜構造の作
製が難しい、発光効率が低いあるいは素子寿命が短い等
の問題の原因となる。界面エネルギは基板結晶とエピタ
キシャル膜結晶の結合の性質の差によって決まり、イオ
ン結晶である酸化物基板と共有結合性の強いＩＩＩ族窒
化物半導体では界面エネルギが高いものと考えられる。
本発明の作製方法は、不十分な表面マイグレーションし
か起こらない低温で平坦なＩｎＧａＡｌＮバッファ層を
堆積し、この上に結晶性の良好なエピタキシャル膜を得
るため高温で成長する構成となっている。高温成長層と
バッファ層はいずれもＩＩＩ族窒化物半導体であるた
め、これらの間の界面エネルギは低い。このように、本
発明の作製方法は、基板・エピタキシャル膜の界面エネ
ルギを下げ三次元成長を抑制する作用を持つため、膜を
平坦化し、方位分布を低減するという効果も持つ。
【００１８】また、本発明の半導体発光素子において、
Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）バッファ層のＡｌ組成ｙが大きい場合にはバッファ
層が半絶縁化するため、低抵抗基板を用いても基板と発
光素子を絶縁分離できる。この結果、低抵抗基板上に複
数のプレーナ型半導体素子を作製し、かつこれらの半導
体素子を互いに絶縁分離できると言う利点を有するもの
である。
Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）バッファ層のＡｌ組成ｙが大きい場合にはバッファ
層が半絶縁化するため、低抵抗基板を用いても基板と発
光素子を絶縁分離できる。この結果、低抵抗基板上に複
数のプレーナ型半導体素子を作製し、かつこれらの半導
体素子を互いに絶縁分離できると言う利点を有するもの
である。
【図１】Ｉｎ1-x-y Ｇａx Ａｌy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦
ｘ＋ｙ≦１）の（０００１）面内の格子定数とＧａ組成
ｘＡｌ組成ｙとの関係を示す図である。
ｘ＋ｙ≦１）の（０００１）面内の格子定数とＧａ組成
ｘＡｌ組成ｙとの関係を示す図である。
【図２〜４】実施例１〜３の構造の概略図である。
【図５】半導体発光素子を作製する際に用いた化合物半
導体薄膜のエピタキシャル成長装置の構成図である。
導体薄膜のエピタキシャル成長装置の構成図である。
１ ＭｎＯ（１１１）基板 ２ アンドープＧａＡｌＮバッファ層 ３ Ｓｎドープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡｌＮ層 ４ Ｚｎドープ半絶縁性ＩｎＤａＡｌＮ発光層 ５ 半絶縁層の電極 ６ ｎ型低抵抗層のオーミック電極 １０ ＭｇＯ（１１１）基板 １１ アンドープＩｎＧａＮバッファ層 １２ Ｓｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮグラット層 １３ アンドープＩｎＧａＮ活性層 １４ Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層 １５ ｐ型クラッド層のオーミック電極 １６ ｎ型クラッド層のオーミック電極 １７ ＺｎＯ（１１１）基板 １８ アンドープＡｌＮバッファ層 １９ Ｓｎドープｎ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層 ２０ アンドープＩｎＧａＮ活性層 ２１ Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層 ２２ ｐ型クラッド層のオーミック電極 ２３ ｎ型クラッド層のオーミック電極 ３０ 成長基板 ３１ カーボン・サセプタ ３２ 石英反応管 ３３ 高周波誘導コイル ３４ 熱電対 ３５ 有機金属ガス導入管 ３６ ＮＨ3 ガス導入管 ３７ Ｈ2 ガス及びＮ2 ガス導入管 ３８ 排気口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝井 明憲 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−229475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−17484（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−229476（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (1)
- 【請求項１】Ｉｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ≦１；
0≦ｘ＋ｙ≦1）薄膜を少なくとも一層含み、基板、バッ
ファ層、クラッド層または低抵抗層、発光層を備え、 前記基板は、ＭｎＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯであり、 かつ基板上に接して成長温度が５００〜６００℃で形成
されたバッファ層はＩｎ1-ｘ-ｙＧａｘＡｌｙＮ（0≦ｘ
≦１；0≦ｘ＋ｙ≦1）よりなる半導体発光素子の製造に
おいて、 前記バッファ層形成に先だって、バッファ層成長温度ま
での昇温を不活性ガスであるＮ2雰囲気中で行い、その
後 前記バッファ層形成時の雰囲気をＮＨ３雰囲気とし、バ
ッファ層形成後、ＮＨ３雰囲気中で６００〜１３００℃
の温度で１〜６０分保持し、６００〜１３００℃の温度
でバッファ層上に発光素子用多層構造を作製することを
特徴とする半導体発光素子の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40624690A JP2965709B2 (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 半導体発光素子の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40624690A JP2965709B2 (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 半導体発光素子の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04209577A JPH04209577A (ja) | 1992-07-30 |
| JP2965709B2 true JP2965709B2 (ja) | 1999-10-18 |
Family
ID=18515861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP40624690A Expired - Lifetime JP2965709B2 (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 半導体発光素子の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2965709B2 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH088217B2 (ja) † | 1991-01-31 | 1996-01-29 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
| JP2751963B2 (ja) † | 1992-06-10 | 1998-05-18 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化インジウムガリウム半導体の成長方法 |
| US5578839A (en) | 1992-11-20 | 1996-11-26 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device |
| JPH0856018A (ja) * | 1994-08-11 | 1996-02-27 | Rohm Co Ltd | 半導体発光素子、および半導体発光素子の製造方法 |
| JP3340859B2 (ja) * | 1994-09-29 | 2002-11-05 | ローム株式会社 | 半導体発光素子 |
| US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2006-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| JP2795226B2 (ja) * | 1995-07-27 | 1998-09-10 | 日本電気株式会社 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP3223810B2 (ja) * | 1996-09-17 | 2001-10-29 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP3726252B2 (ja) * | 2000-02-23 | 2005-12-14 | 独立行政法人理化学研究所 | 紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法 |
| US6881983B2 (en) | 2002-02-25 | 2005-04-19 | Kopin Corporation | Efficient light emitting diodes and lasers |
| US6911079B2 (en) | 2002-04-19 | 2005-06-28 | Kopin Corporation | Method for reducing the resistivity of p-type II-VI and III-V semiconductors |
| US6734091B2 (en) | 2002-06-28 | 2004-05-11 | Kopin Corporation | Electrode for p-type gallium nitride-based semiconductors |
| US20070045638A1 (en) | 2005-08-24 | 2007-03-01 | Lumileds Lighting U.S., Llc | III-nitride light emitting device with double heterostructure light emitting region |
-
1990
- 1990-12-07 JP JP40624690A patent/JP2965709B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04209577A (ja) | 1992-07-30 |
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