JP3147316B2 - 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（赤外）から紫外
で発光する半導体発光素子の作製方法に関する。
で発光する半導体発光素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ，ＧａＮ，
ＡｌＮ，ＩｎＧａＡｌＮでは大型のバルク単結晶が成長
できないため、従来サファイアを基板として用いたエピ
タキシャル成長が一般に行われてきた。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％
の格子不整合および〜２×１０−６〔ｄｏｇ−１〕の熱
膨張係数差が存在し、このために生じる不整合転位 及
び熱歪みがＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル膜の結
晶性・電気的光学的特性の向上の妨げとなっている。ま
た、両者の化学的性質の違いにより生じる界面エネルギ
のため、サファイア上に直接成長したＩＩＩ族窒化物半
導体エピタキシャル膜は顕著な三次元成長を起こし、表
面形態の平坦化・結晶性の向上が難しい。この結果、サ
ファイア基板上に作製したＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙ
Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）発光素子は発光効率
や素子寿命を十分に向上できないという問題があった。
ＡｌＮ，ＩｎＧａＡｌＮでは大型のバルク単結晶が成長
できないため、従来サファイアを基板として用いたエピ
タキシャル成長が一般に行われてきた。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％
の格子不整合および〜２×１０−６〔ｄｏｇ−１〕の熱
膨張係数差が存在し、このために生じる不整合転位 及
び熱歪みがＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル膜の結
晶性・電気的光学的特性の向上の妨げとなっている。ま
た、両者の化学的性質の違いにより生じる界面エネルギ
のため、サファイア上に直接成長したＩＩＩ族窒化物半
導体エピタキシャル膜は顕著な三次元成長を起こし、表
面形態の平坦化・結晶性の向上が難しい。この結果、サ
ファイア基板上に作製したＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙ
Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）発光素子は発光効率
や素子寿命を十分に向上できないという問題があった。
【０００３】格子不整合の大きなヘテロエピタキシャル
成長では、基板・エピタキシャル膜の中間的な物理定数
をもつ材料を介して成長を行うことによりエピタキシャ
ル膜の品質を向上することができる。サファイア上のＩ
ＩＩ族窒化物半導体成長ではＡｌＮ層を介した成長が有
効である。これはＡｌＮがサファイアとＩＩＩ族窒化物
半導体の中間的な格子定数と熱膨張係数をもつため、格
子不整合と熱歪みが効率的に緩和される結果である。ま
た、ＡｌＮとＩＩＩ族窒化物半導体は化学的性質が近
く、両者の間の界面エネルギも小さい。このため、平坦
なＡｌＮ層を形成できさえすればその上に成長するエピ
タキシャル膜の三次元成長を抑制できる。
成長では、基板・エピタキシャル膜の中間的な物理定数
をもつ材料を介して成長を行うことによりエピタキシャ
ル膜の品質を向上することができる。サファイア上のＩ
ＩＩ族窒化物半導体成長ではＡｌＮ層を介した成長が有
効である。これはＡｌＮがサファイアとＩＩＩ族窒化物
半導体の中間的な格子定数と熱膨張係数をもつため、格
子不整合と熱歪みが効率的に緩和される結果である。ま
た、ＡｌＮとＩＩＩ族窒化物半導体は化学的性質が近
く、両者の間の界面エネルギも小さい。このため、平坦
なＡｌＮ層を形成できさえすればその上に成長するエピ
タキシャル膜の三次元成長を抑制できる。
【０００４】従来、以上の目的のＡｌＮ形成方法として
は、 サファイア基板をＮＨ３，Ｎ２Ｈ２、あるいは
有機アミン等の窒素原料ガス雰囲気中で熱処理すること
により基板表面を単結晶ＡｌＮ化する方法、 ＡｌＮ
の単結晶成長が可能な高温に保ったサファイア基板上に
有機アルミニウム，ハロゲン化アルミニウムあるいは金
属アルミニウム蒸気等のアルミニウム原料ガスと窒素原
料ガスを供給し単結晶ＡｌＮ層を堆積する方法、 ５
００〜１０００℃の低温でアルミニウム原料ガスと窒素
原料ガスを供給し、数１００〜１０００Åの多結晶もし
くはアモルファスＡｌＮ層を堆積した後、これより高温
でアニールすることにより単結晶化する方法があった。
は、 サファイア基板をＮＨ３，Ｎ２Ｈ２、あるいは
有機アミン等の窒素原料ガス雰囲気中で熱処理すること
により基板表面を単結晶ＡｌＮ化する方法、 ＡｌＮ
の単結晶成長が可能な高温に保ったサファイア基板上に
有機アルミニウム，ハロゲン化アルミニウムあるいは金
属アルミニウム蒸気等のアルミニウム原料ガスと窒素原
料ガスを供給し単結晶ＡｌＮ層を堆積する方法、 ５
００〜１０００℃の低温でアルミニウム原料ガスと窒素
原料ガスを供給し、数１００〜１０００Åの多結晶もし
くはアモルファスＡｌＮ層を堆積した後、これより高温
でアニールすることにより単結晶化する方法があった。
【０００５】の方法では、数１０Åの窒化層を再現性
良く形成できる上、この単結晶ＡｌＮ層は傾斜的な組成
変化を伴うためわずか数１０Åの領域で効果的に格子不
整合を緩和する。しかしながら詳細な観察の結果、この
方法で作製したＡｌＮ層は１０Åのオーダーで表面荒れ
を起こしていることが明らかになった。このことに起因
して、の方法で作製したＡｌＮ層上にエピタキシャル
成長を行うと、膜厚の増加に伴いこの凹凸が強調され平
坦な表面形状が得られない。
良く形成できる上、この単結晶ＡｌＮ層は傾斜的な組成
変化を伴うためわずか数１０Åの領域で効果的に格子不
整合を緩和する。しかしながら詳細な観察の結果、この
方法で作製したＡｌＮ層は１０Åのオーダーで表面荒れ
を起こしていることが明らかになった。このことに起因
して、の方法で作製したＡｌＮ層上にエピタキシャル
成長を行うと、膜厚の増加に伴いこの凹凸が強調され平
坦な表面形状が得られない。
【０００６】また、の方法で作製したＡｌＮ層は高温
で膜成長を行うため、三次元成長核の形成が避けられな
い。以上のことより、及びの方法で作製したＡｌＮ
バッファ層は、その上に成長したエピタキシャル膜の電
気的光学的特性の向上には効果を有するものの、三次元
成長の抑制には無力である。
で膜成長を行うため、三次元成長核の形成が避けられな
い。以上のことより、及びの方法で作製したＡｌＮ
バッファ層は、その上に成長したエピタキシャル膜の電
気的光学的特性の向上には効果を有するものの、三次元
成長の抑制には無力である。
【０００７】の方法は、三次元成長が起こらないよう
な低温でＡｌＮ膜を堆積するため平坦なバッファ層の形
成が可能となる。この結果、その上に成長するエピタキ
シャル膜の三次元成長が抑制され、表面形態の平坦化・
結晶性の向上を達成できる。ところで、サファイア上に
低温堆積したＡｌＮ層にはアニールによって単結晶化す
るための最大膜厚ｄｍａｘと、連続膜となるために必要
な最低膜厚ｄｍｉｎが存在し、膜厚をｄｍａｘとｄ
ｍｉｎ間に制御する必要がある。通常、ｄｍａｘは１０
００Å程度、ｄｍｉｎは１００〜２００Åである。さら
に、ＡｌＮバッファ層厚がこの範囲であっても、エピタ
キシャル膜の特性はＡｌＮバッファ層厚に強く依存す
る。しかしながら、サファイア基板上に直接ＡｌＮ層を
堆積する従来の方法では、膜厚の制御性が悪いという問
題があった。この原因を把握するため、成長初期段階に
おけるサファイア上ＡｌＮの成長膜厚の成長時間依存性
を詳細に調べた結果、図５に示すような再現性のない１
〜３分の時間遅れが存在することが明らかになった。こ
の時間遅れはサファイアとＡｌＮの化学的性質の差に起
因し、基板上におけるアルミニウム原料ガスの濃度があ
る濃度に達するまで堆積が開始しないことが原因であ
る。これはサファイア上に直接ＡｌＮを堆積しようとす
る限り本質的な問題である。
な低温でＡｌＮ膜を堆積するため平坦なバッファ層の形
成が可能となる。この結果、その上に成長するエピタキ
シャル膜の三次元成長が抑制され、表面形態の平坦化・
結晶性の向上を達成できる。ところで、サファイア上に
低温堆積したＡｌＮ層にはアニールによって単結晶化す
るための最大膜厚ｄｍａｘと、連続膜となるために必要
な最低膜厚ｄｍｉｎが存在し、膜厚をｄｍａｘとｄ
ｍｉｎ間に制御する必要がある。通常、ｄｍａｘは１０
００Å程度、ｄｍｉｎは１００〜２００Åである。さら
に、ＡｌＮバッファ層厚がこの範囲であっても、エピタ
キシャル膜の特性はＡｌＮバッファ層厚に強く依存す
る。しかしながら、サファイア基板上に直接ＡｌＮ層を
堆積する従来の方法では、膜厚の制御性が悪いという問
題があった。この原因を把握するため、成長初期段階に
おけるサファイア上ＡｌＮの成長膜厚の成長時間依存性
を詳細に調べた結果、図５に示すような再現性のない１
〜３分の時間遅れが存在することが明らかになった。こ
の時間遅れはサファイアとＡｌＮの化学的性質の差に起
因し、基板上におけるアルミニウム原料ガスの濃度があ
る濃度に達するまで堆積が開始しないことが原因であ
る。これはサファイア上に直接ＡｌＮを堆積しようとす
る限り本質的な問題である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためなされたもので、その目的は、ＩＩＩ族
窒化物半導体Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦
１，０≦ｘ＋ｙ≦１）エピタキシャル膜の高品質化によ
る高効率・長寿命の半導体発光素子を作製する方法を提
供することにある。
を解決するためなされたもので、その目的は、ＩＩＩ族
窒化物半導体Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦
１，０≦ｘ＋ｙ≦１）エピタキシャル膜の高品質化によ
る高効率・長寿命の半導体発光素子を作製する方法を提
供することにある。
【０００９】
【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、サファイア基板を窒素原料ガス雰囲気中
で熱処理し、基板表面を単結晶ＡｌＮ化する第１の工程
と、窒化層上にアルミニウム原料ガスとの反応により多
結晶もしくはアモルファスＡｌＮバッファ層を堆積する
第２の工程と、前記ＡｌＮバッファ層をその堆積温度よ
りも高温でアニールする第３の工程と、ＩｎＧａＡｌＮ
層を少なくとも１層含む発光層を形成する第４の工程と
を含む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。換言すれば、本発明によっ
て作製された半導体発光素子は、サファイア基板表面に
形成した窒化層と該窒化層上に堆積した多結晶もしくは
アモルファスＡｌＮバッファ層を含むことを最も主要な
特徴とする。
め、本発明は、サファイア基板を窒素原料ガス雰囲気中
で熱処理し、基板表面を単結晶ＡｌＮ化する第１の工程
と、窒化層上にアルミニウム原料ガスとの反応により多
結晶もしくはアモルファスＡｌＮバッファ層を堆積する
第２の工程と、前記ＡｌＮバッファ層をその堆積温度よ
りも高温でアニールする第３の工程と、ＩｎＧａＡｌＮ
層を少なくとも１層含む発光層を形成する第４の工程と
を含む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。換言すれば、本発明によっ
て作製された半導体発光素子は、サファイア基板表面に
形成した窒化層と該窒化層上に堆積した多結晶もしくは
アモルファスＡｌＮバッファ層を含むことを最も主要な
特徴とする。
【００１０】従来のＡｌＮ層を介してサファイア上に作
製した半導体発光素子とはその構造及び作製方法におい
て以下の点が異なる。すなわち、窒化処理により表面を
単結晶ＡｌＮ化したサファイア基板上に作製した半導体
発光素子とは、表面窒化層に接して低温堆積後アニール
により単結晶化したＡｌＮバッファ層を含む点が異な
る。サファイア基板上にＡｌＮの単結晶成長温度以上の
高温で堆積したＡｌＮバッファ層を介して作製した半導
体発光素子とは、ＡｌＮバッファ層をサファイア表面窒
化層を介して堆積している点及びＡｌＮ層の堆積を平坦
なＡｌＮ層が得られる低温で行い、その後、これより高
温でアニールすることにより単結晶化する点が異なる。
また、低温堆積した後これより高温でアニールすること
により単結晶化したＡｌＮバッファ層を介して作製した
半導体発光素子とは、ＡｌＮバッファ層をサファイア表
面窒化層を介して堆積している点が異なる。
製した半導体発光素子とはその構造及び作製方法におい
て以下の点が異なる。すなわち、窒化処理により表面を
単結晶ＡｌＮ化したサファイア基板上に作製した半導体
発光素子とは、表面窒化層に接して低温堆積後アニール
により単結晶化したＡｌＮバッファ層を含む点が異な
る。サファイア基板上にＡｌＮの単結晶成長温度以上の
高温で堆積したＡｌＮバッファ層を介して作製した半導
体発光素子とは、ＡｌＮバッファ層をサファイア表面窒
化層を介して堆積している点及びＡｌＮ層の堆積を平坦
なＡｌＮ層が得られる低温で行い、その後、これより高
温でアニールすることにより単結晶化する点が異なる。
また、低温堆積した後これより高温でアニールすること
により単結晶化したＡｌＮバッファ層を介して作製した
半導体発光素子とは、ＡｌＮバッファ層をサファイア表
面窒化層を介して堆積している点が異なる。
【００１１】
【作用】本発明の作製方法によれば、サファイア基板表
面の窒化層上に多結晶もしくはアモルファスＡｌＮバッ
ファ層を堆積し、その後ＡｌＮバッファ層を高温でアニ
ールして単結晶化している。本発明では、前記構成によ
りバッファ層の膜厚制御性が格段に向上し、さらにその
上に形成するＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ層の平坦性
が向上するという顕著な作用・効果を有する。
面の窒化層上に多結晶もしくはアモルファスＡｌＮバッ
ファ層を堆積し、その後ＡｌＮバッファ層を高温でアニ
ールして単結晶化している。本発明では、前記構成によ
りバッファ層の膜厚制御性が格段に向上し、さらにその
上に形成するＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ層の平坦性
が向上するという顕著な作用・効果を有する。
【００１２】
【実施例】次に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、種々の変更あるいは改良を行い得ること
は言うまでもない。
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、種々の変更あるいは改良を行い得ること
は言うまでもない。
【００１３】図１は本発明によって作製された半導体発
光素子の一例を説明する図であって、発光素子の断面を
示す。本発光素子はサファイア（０００１）基板１の表
面に形成した窒化層２（窒化深さ５０Å）、膜厚５００
ÅのＡｌＮバッファ層３、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型
低抵抗ＧａＮ層４、膜厚０．５μｍのＺｎドーピングに
より半絶縁化したＧａＮ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７からなる。電極６に正
の電圧を電極７に負の電圧を加えると発光層５は４８０
ｎｍの波長で発光した。最大光出力は０．８ｍＷであ
り、外部量子効率は０．２％であった。この例では、ｎ
型低抵抗層、半絶縁層としてＧａＮを用いたが、これに
代えてＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦１，０
≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることにより発光波長を３００〜
８００ｎｍの範囲で変化させることができる。
光素子の一例を説明する図であって、発光素子の断面を
示す。本発光素子はサファイア（０００１）基板１の表
面に形成した窒化層２（窒化深さ５０Å）、膜厚５００
ÅのＡｌＮバッファ層３、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型
低抵抗ＧａＮ層４、膜厚０．５μｍのＺｎドーピングに
より半絶縁化したＧａＮ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７からなる。電極６に正
の電圧を電極７に負の電圧を加えると発光層５は４８０
ｎｍの波長で発光した。最大光出力は０．８ｍＷであ
り、外部量子効率は０．２％であった。この例では、ｎ
型低抵抗層、半絶縁層としてＧａＮを用いたが、これに
代えてＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦１，０
≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることにより発光波長を３００〜
８００ｎｍの範囲で変化させることができる。
【００１４】図２は本発明によって作製された半導体発
光素子の他の例の断面を示す。本発光素子はサファイア
（０００１）基板１０の表面に形成した窒化層１１（窒
化深さ５０Å）、膜厚５００ÅのＡｌＮバッファ層１
２、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型ＩｎＡｌＮクラッド層
１３、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層１
４、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＡｌＮ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からなる。ここに示したＩ
ｎＡｌＮ層１３及びＩｎＧａＮ層１４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が活性層の
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１６
に正の電圧を電極１７に負の電圧を加えると活性層１４
は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１３ｍＷ
であり、外部量子効率は３％であった。
光素子の他の例の断面を示す。本発光素子はサファイア
（０００１）基板１０の表面に形成した窒化層１１（窒
化深さ５０Å）、膜厚５００ÅのＡｌＮバッファ層１
２、膜厚５μｍのＳｉドープｎ型ＩｎＡｌＮクラッド層
１３、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層１
４、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＡｌＮ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からなる。ここに示したＩ
ｎＡｌＮ層１３及びＩｎＧａＮ層１４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が活性層の
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１６
に正の電圧を電極１７に負の電圧を加えると活性層１４
は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１３ｍＷ
であり、外部量子効率は３％であった。
【００１５】この例では、ｎ型及びｐ型クラッド層とし
てＩｎＡｌＮを、また活性層としてＩｎＧａＮを用いた
が、互いに格子整合し、クラッド層のバンドギャップエ
ネルギが活性層のバンドギャップエネルギに比べ０．３
ｅＶ以上大きくなるという条件の下で組成を変化させる
ことにより、発光波長を１９０〜６５０ｎｍの範囲で変
化させることができる。
てＩｎＡｌＮを、また活性層としてＩｎＧａＮを用いた
が、互いに格子整合し、クラッド層のバンドギャップエ
ネルギが活性層のバンドギャップエネルギに比べ０．３
ｅＶ以上大きくなるという条件の下で組成を変化させる
ことにより、発光波長を１９０〜６５０ｎｍの範囲で変
化させることができる。
【００１６】図３は、原料ガスとしてＩＩＩ族有機金属
とＮＨ３ を用いる場合について、本発明による半導体
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。図において、２０はサファイア（００
０１）基板、２１はカーボン・サセプタ、２２は石英反
応管、２３は高周波誘導コイル、２４は熱電対、２５は
有機金属ガス導入管、２６はＮＨ３ガス導入管、２７は
Ｈ２ガス及びＮ２ガス導入管、２８は排気口を示す。
とＮＨ３ を用いる場合について、本発明による半導体
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。図において、２０はサファイア（００
０１）基板、２１はカーボン・サセプタ、２２は石英反
応管、２３は高周波誘導コイル、２４は熱電対、２５は
有機金属ガス導入管、２６はＮＨ３ガス導入管、２７は
Ｈ２ガス及びＮ２ガス導入管、２８は排気口を示す。
【００１７】この装置で、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２２内を真空排気装
置により排気する。次に、石英反応管２２内に０．５〜
２０ｌ／分のＨ２ガスを導入した後、高周波誘導コイル
２３を通電することによりカーボン・サセプタ２１を１
０００〜１３００℃に加熱し１〜６０分保持することに
より、サファイア（０００１）基板２０表面を清浄化す
る。続いて、Ｈ２ガスを０．５〜２０ｌ／分のＮＨ３ガ
スに切り替え１〜６０分保持することより、サファイア
（０００１）基板２０表面を単結晶ＡｌＮ化する。次
に、カーボン・サセプタ２１の温度を５００〜１０００
℃まで降温する。この状態で、バブラの温度を１５〜６
０℃に設定したトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を
１〜１０００ｃｃ／分のＨ２ガス（あるいはＮ２もしく
はＡｒガス）でバブリングし、０〜２０ｌ／分のＨ２ガ
ス（あるいはＮ２もしくはＡｒガス）と合流させた後導
入管２５より石英反応管２２へ供給し単結晶もしくはア
モルファスのＡｌＮ層を堆積する。成長中の石英反応管
２２内の総ガス圧は４０〜１０００Ｔｏｒｒに調整す
る。ＡｌＮを１０〜２０００Å堆積させたところでＴＭ
Ａｌの石英反応管２２への供給を止め、カーボン・サセ
プタ２１を１０００〜１３００℃に加熱しＮＨ３雰囲気
中で１〜６０分保持することにより堆積したＡｌＮ膜を
単結晶化する。これに続けて、発光素子用のクラッド
層、活性層等の多層膜構造を作製する。
造を作製するには、まず石英反応管２２内を真空排気装
置により排気する。次に、石英反応管２２内に０．５〜
２０ｌ／分のＨ２ガスを導入した後、高周波誘導コイル
２３を通電することによりカーボン・サセプタ２１を１
０００〜１３００℃に加熱し１〜６０分保持することに
より、サファイア（０００１）基板２０表面を清浄化す
る。続いて、Ｈ２ガスを０．５〜２０ｌ／分のＮＨ３ガ
スに切り替え１〜６０分保持することより、サファイア
（０００１）基板２０表面を単結晶ＡｌＮ化する。次
に、カーボン・サセプタ２１の温度を５００〜１０００
℃まで降温する。この状態で、バブラの温度を１５〜６
０℃に設定したトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を
１〜１０００ｃｃ／分のＨ２ガス（あるいはＮ２もしく
はＡｒガス）でバブリングし、０〜２０ｌ／分のＨ２ガ
ス（あるいはＮ２もしくはＡｒガス）と合流させた後導
入管２５より石英反応管２２へ供給し単結晶もしくはア
モルファスのＡｌＮ層を堆積する。成長中の石英反応管
２２内の総ガス圧は４０〜１０００Ｔｏｒｒに調整す
る。ＡｌＮを１０〜２０００Å堆積させたところでＴＭ
Ａｌの石英反応管２２への供給を止め、カーボン・サセ
プタ２１を１０００〜１３００℃に加熱しＮＨ３雰囲気
中で１〜６０分保持することにより堆積したＡｌＮ膜を
単結晶化する。これに続けて、発光素子用のクラッド
層、活性層等の多層膜構造を作製する。
【００１８】上記の実施例では、ＩＩＩ族原料及び窒素
原料としてＴＭＡｌ及びＮＨ３を用いたが、これに代え
てＴＥＡｌ等の他のＩＩＩ族有機金属あるいはＩＩＩ族
ハライド化物等の他のＩＩＩ族原料及びＮ２Ｈ２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。上記の実施例では、サファイア基板の面方位と
して（０００１）面を用いたが、これに代えて（０１１
２）面、（０１１０）面、（２１１０）面を用いても同
様の効果が得られる。
原料としてＴＭＡｌ及びＮＨ３を用いたが、これに代え
てＴＥＡｌ等の他のＩＩＩ族有機金属あるいはＩＩＩ族
ハライド化物等の他のＩＩＩ族原料及びＮ２Ｈ２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。上記の実施例では、サファイア基板の面方位と
して（０００１）面を用いたが、これに代えて（０１１
２）面、（０１１０）面、（２１１０）面を用いても同
様の効果が得られる。
【００１９】
【発明の効果】本発明では予め窒化処理することによっ
てＡｌＮ化したサファイア表面に多結晶もしくはアモル
ファスＡｌＮバッファ層を低温堆積するため、図４の示
すとおり成長初期の時間遅れを生ずることなく成長を開
始できる。このため、ＡｌＮバッファ層の膜厚制御を精
密に再現性よく行うことができる。これはＡｌＮの堆積
に先立ってサファイア表面をＡｌＮ化させておいたた
め、アルミニウム原料ガスの基板表面への到達と同時に
堆積が開始するためである。また、表面窒化層上にＡｌ
Ｎを堆積する場合には、未処理のサファイア基板に直接
堆積する場合に比べより薄い膜厚で連続膜となる上、平
坦性にも優れるという利点をもつ。さらに、サファイア
基板上に形成した窒化層はその上に堆積したＡｌＮバッ
ファ層の結晶性を向上させる効果を有するため、その上
に成長したエピタキシャル膜の特性をも向上させる。ま
た、低温堆積したＡｌＮ層は窒化処理によりサファイア
表面に生じた原子オーダーの凹凸を平坦化する作用を有
するため、サファイア表面窒化層上に直接ＩＩＩ族窒化
物半導体薄膜をエピタキシャル成長する際に問題となる
三次元成長を抑制することができる。
てＡｌＮ化したサファイア表面に多結晶もしくはアモル
ファスＡｌＮバッファ層を低温堆積するため、図４の示
すとおり成長初期の時間遅れを生ずることなく成長を開
始できる。このため、ＡｌＮバッファ層の膜厚制御を精
密に再現性よく行うことができる。これはＡｌＮの堆積
に先立ってサファイア表面をＡｌＮ化させておいたた
め、アルミニウム原料ガスの基板表面への到達と同時に
堆積が開始するためである。また、表面窒化層上にＡｌ
Ｎを堆積する場合には、未処理のサファイア基板に直接
堆積する場合に比べより薄い膜厚で連続膜となる上、平
坦性にも優れるという利点をもつ。さらに、サファイア
基板上に形成した窒化層はその上に堆積したＡｌＮバッ
ファ層の結晶性を向上させる効果を有するため、その上
に成長したエピタキシャル膜の特性をも向上させる。ま
た、低温堆積したＡｌＮ層は窒化処理によりサファイア
表面に生じた原子オーダーの凹凸を平坦化する作用を有
するため、サファイア表面窒化層上に直接ＩＩＩ族窒化
物半導体薄膜をエピタキシャル成長する際に問題となる
三次元成長を抑制することができる。
【００２０】この結果、本発明によれば高効率・長寿命
の半導体発光素子を再現性よく作製することができる。
特に、サファイア基板上に形成した窒化層がその上に堆
積するＡｌＮ層の初期段階における膜厚制御性及びその
平坦性や結晶性を向上させることは、全く新規の効果で
ある。
の半導体発光素子を再現性よく作製することができる。
特に、サファイア基板上に形成した窒化層がその上に堆
積するＡｌＮ層の初期段階における膜厚制御性及びその
平坦性や結晶性を向上させることは、全く新規の効果で
ある。
【図１】本発明によって作製された半導体発光素子の一
例。
例。
【図２】本発明によって作製された半導体発光素子の他
の例。
の例。
【図３】本発明の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。
化合物半導体薄膜のエピタキシャル成長装置。
【図４】窒化処理したサファイア基板上でのＡｌＮ成長
初期段階における成長膜厚の成長時間依存性を示す。
初期段階における成長膜厚の成長時間依存性を示す。
【図５】未処理サファイア基板上でのＡｌＮ成長初期段
階における成長膜厚の成長時間依存性を示す。
階における成長膜厚の成長時間依存性を示す。
１ サファイア（０００１）基板 ２ サファイア表面窒化層 ３ ＡｌＮバッファ層 ４ Ｓｉドープｎ型低抵抗ＧａＮ層 ５ Ｚｎドープ半絶縁ＧａＮ発光層 ６ 半絶縁層の電極 ７ ｎ型低抵抗層のオーミック電極 １０ サファイア（０００１）基板 １１ サファイア表面窒化層 １２ ＡｌＮバッファ層 １３ Ｓｉドープｎ型ＩｎＡｌＮクラッド層 １４ アンドープＩｎＧａＮ活性層 １５ Ｍｇドープｐ型ＩｎＡｌＮクラッド層 １６ ｐ型クラッド層のオーミック電極 １７ ｎ型クラッド層のオーミック電極 ２０ サファイア（０００１）基板 ２１ カーボン・サセプタ ２２ 石英反応管 ２３ 高周波誘導コイル ２４ 熱電対 ２５ 有機金属ガス導入管 ２６ ＮＨ３ガス導入管 ２７ Ｈ２ガス及びＮ２ガス導入管 ２８ 排気口
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−203388（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−229476（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−178516（ＪＰ，Ａ) 1990年（平成２年）秋季第51回応用物 理学会学術講演会予稿集第１分冊 28ａ −ＳＸ−18 ｐ．305 日本結晶成長学会誌 Ｖｏｌ．13 Ｎ ｏ．４（1986）ｐ．218−225 電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏ ｌ．88 Ｎｏ．199 ＥＤ88−79（1988) ｐ．７−12 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/205
Claims (2)
- 【請求項１】 サファイア基板を窒素原料ガス雰囲気中
で熱処理し、基板表面を単結晶ＡｌＮ化する第１の工程
と、窒化層上にアルミニウム原料ガスとの反応により多
結晶もしくはアモルファスＡｌＮバッファ層を堆積する
第２の工程と、前記ＡｌＮバッファ層をその堆積温度よ
りも高温でアニールする第３の工程と、ＩｎＧａＡｌＮ
層を少なくとも１層含む発光層を形成する第４の工程と
を含むことを特徴とする半導体発光素子の作製方法。 - 【請求項２】 アルミニウム原料ガスとして有機アルミ
ニウム，ハロゲン化アルミニウムあるいは金属アルミニ
ウム蒸気のいずれか１つ、窒素原料ガスとしてはＮ
Ｈ３，Ｎ２Ｈ２あるいは有機アミンのいずれか１つから
選ばれることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素
子の作製方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP21917991A JP3147316B2 (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 半導体発光素子の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21917991A JP3147316B2 (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 半導体発光素子の作製方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0541541A JPH0541541A (ja) | 1993-02-19 |
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Family
ID=16731440
Family Applications (1)
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| JP21917991A Expired - Fee Related JP3147316B2 (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 半導体発光素子の作製方法 |
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| JP (1) | JP3147316B2 (ja) |
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| JP3423897B2 (ja) | 1999-04-01 | 2003-07-07 | 宮崎沖電気株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| KR20010029852A (ko) | 1999-06-30 | 2001-04-16 | 도다 다다히데 | Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자 및 그 제조방법 |
| JP3589114B2 (ja) * | 1999-09-21 | 2004-11-17 | 日立電線株式会社 | 殺虫装置 |
| JP4963763B2 (ja) * | 2000-12-21 | 2012-06-27 | 日本碍子株式会社 | 半導体素子 |
| JP4260380B2 (ja) * | 2001-06-12 | 2009-04-30 | 日本碍子株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物膜の製造方法、ｉｉｉ族窒化物膜製造用サファイア単結晶基板、及びエピタキシャル成長用基板 |
| JP4712450B2 (ja) | 2004-06-29 | 2011-06-29 | 日本碍子株式会社 | ＡｌＮ結晶の表面平坦性改善方法 |
| JP2007073975A (ja) * | 2004-06-29 | 2007-03-22 | Ngk Insulators Ltd | Ｉｉｉ族窒化物結晶の品質改善方法、エピタキシャル成長用基板、および半導体素子 |
| JP5159040B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2013-03-06 | 株式会社光波 | 低温成長バッファ層の形成方法および発光素子の製造方法 |
| JP5236148B2 (ja) * | 2005-05-12 | 2013-07-17 | 日本碍子株式会社 | エピタキシャル基板、半導体素子、エピタキシャル基板の製造方法、半導体素子の製造方法、およびｉｉｉ族窒化物結晶における転位偏在化方法 |
| KR100667506B1 (ko) * | 2005-08-02 | 2007-01-10 | 엘지전자 주식회사 | 금속 질화막을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
| KR100766858B1 (ko) * | 2006-03-16 | 2007-10-12 | 서울옵토디바이스주식회사 | 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층 형성 방법 및 그 질화물반도체 발광소자 |
| JP5071703B2 (ja) * | 2006-08-08 | 2012-11-14 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 半導体製造装置 |
| JP4823856B2 (ja) * | 2006-11-01 | 2011-11-24 | 国立大学法人三重大学 | ＡｌＮ系ＩＩＩ族窒化物単結晶厚膜の作製方法 |
| JP6131908B2 (ja) * | 2014-05-08 | 2017-05-24 | 豊田合成株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法、発光素子の製造方法 |
| US10260146B2 (en) * | 2015-09-11 | 2019-04-16 | Mie University | Method for manufacturing nitride semiconductor substrate |
-
1991
- 1991-08-05 JP JP21917991A patent/JP3147316B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| １９９０年（平成２年）秋季第５１回応用物理学会学術講演会予稿集第１分冊 ２８ａ−ＳＸ−１８ ｐ．３０５ |
| 日本結晶成長学会誌 Ｖｏｌ．１３ Ｎｏ．４（１９８６）ｐ．２１８−２２５ |
| 電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏｌ．８８ Ｎｏ．１９９ ＥＤ８８−７９（１９８８）ｐ．７−１２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0541541A (ja) | 1993-02-19 |
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