JP3251046B2 - 化合物半導体の成長方法、化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
化合物半導体の成長方法、化合物半導体発光素子及びその製造方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、Ga1-xAlxN層(0
≦x≦1)又はInxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を
気相成長させる化合物半導体の成長方法に関し、より詳
しくは結晶性が良好で抵抗率の低い化合物半導体の成長
方法、並びにこの成長方法を応用した化合物半導体発光
素子及びその製造方法に関する。
≦x≦1)又はInxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を
気相成長させる化合物半導体の成長方法に関し、より詳
しくは結晶性が良好で抵抗率の低い化合物半導体の成長
方法、並びにこの成長方法を応用した化合物半導体発光
素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN(窒化ガリウム)はIII族元素で
あるガリウム及びV族元素である窒素から構成される化
合物半導体であり、直接遷移型バンド構造を有する。従
って、該化合物半導体を利用して、伝導帯−価電子帯間
遷移による紫外発光素子であって、室温で3.39eV
程度の禁制帯幅及び366nm程度のピーク波長を有す
る紫外発光素子を製造できることが期待されている。
あるガリウム及びV族元素である窒素から構成される化
合物半導体であり、直接遷移型バンド構造を有する。従
って、該化合物半導体を利用して、伝導帯−価電子帯間
遷移による紫外発光素子であって、室温で3.39eV
程度の禁制帯幅及び366nm程度のピーク波長を有す
る紫外発光素子を製造できることが期待されている。
【0003】しかし、発光ダイオード及び半導体レーザ
などの発光素子を得るにはP型結晶とN型結晶とを隣合
わせにしたいわゆるPN接合が必要であるが、従来はG
aNからなるP型結晶を製造することは困難であった。
その理由は、GaNは禁制帯幅が大きいため、本来は室
温では絶縁体となるはずだが、従来の工程でGaNを製
造すると、不純物をドーピングしない結晶(アンドープ
結晶)でも常にN型結晶となり、しかもその自由電子濃
度は1019cm-3以上と極めて高くなるからである。これは
格子欠陥、特に窒素空孔がドナーとして働くためと考え
られている。
などの発光素子を得るにはP型結晶とN型結晶とを隣合
わせにしたいわゆるPN接合が必要であるが、従来はG
aNからなるP型結晶を製造することは困難であった。
その理由は、GaNは禁制帯幅が大きいため、本来は室
温では絶縁体となるはずだが、従来の工程でGaNを製
造すると、不純物をドーピングしない結晶(アンドープ
結晶)でも常にN型結晶となり、しかもその自由電子濃
度は1019cm-3以上と極めて高くなるからである。これは
格子欠陥、特に窒素空孔がドナーとして働くためと考え
られている。
【0004】また、P形結晶を得るために、Mg等のア
クセプター不純物をドーピングしてGa1-xAlxN(0
≦x≦1)層を形成しても、Mgが不活性化された抵抗率
の高い結晶になってしまう。この原因についても格子欠
陥が考えられる。すなわち、Ga1-xAlxN(0≦x≦
1)結晶を形成する際に、V族元素である窒素の空孔が
発生し、該結晶の格子中に拡張性の歪が与えられ、この
拡張性の歪のために、ドーピングされたアクセプター不
純物はGa及びAlの格子位置に入り難くなり、そのた
め不活性化されてしまうからである。
クセプター不純物をドーピングしてGa1-xAlxN(0
≦x≦1)層を形成しても、Mgが不活性化された抵抗率
の高い結晶になってしまう。この原因についても格子欠
陥が考えられる。すなわち、Ga1-xAlxN(0≦x≦
1)結晶を形成する際に、V族元素である窒素の空孔が
発生し、該結晶の格子中に拡張性の歪が与えられ、この
拡張性の歪のために、ドーピングされたアクセプター不
純物はGa及びAlの格子位置に入り難くなり、そのた
め不活性化されてしまうからである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する改善方法として、例えばJapanese Journal of Appl
ied Physics 28(1989)p2112-p2114に開示された方法が
ある。それは、電子線照射によりアクセプター不純物を
活性化する方法であって、MgをドープしたGaNのフ
ィルムに電子線を照射することによってP型結晶を得た
と報告しているが、その抵抗率は35Ω・m、ホール濃度
は2×1016cm-3と依然として高抵抗、低キャリア濃度
である。このP型結晶を用いて製造された発光ダイオー
ド(LED)素子は、紫外領域で発光しているが効率が悪
く、電気的特性の改善が今後の課題となっている。
する改善方法として、例えばJapanese Journal of Appl
ied Physics 28(1989)p2112-p2114に開示された方法が
ある。それは、電子線照射によりアクセプター不純物を
活性化する方法であって、MgをドープしたGaNのフ
ィルムに電子線を照射することによってP型結晶を得た
と報告しているが、その抵抗率は35Ω・m、ホール濃度
は2×1016cm-3と依然として高抵抗、低キャリア濃度
である。このP型結晶を用いて製造された発光ダイオー
ド(LED)素子は、紫外領域で発光しているが効率が悪
く、電気的特性の改善が今後の課題となっている。
【0006】このように従来の技術では、良好なPN接
合を実現できるような良好な結晶性と低い抵抗率とを有
するN型結晶及びP型結晶を製造(成長)することは困
難である。また、このような結晶を応用した発光ダイオ
ード素子等の化合物半導体発光素子についても十分な特
性が得られるものを製造できなかったのが現状である。
合を実現できるような良好な結晶性と低い抵抗率とを有
するN型結晶及びP型結晶を製造(成長)することは困
難である。また、このような結晶を応用した発光ダイオ
ード素子等の化合物半導体発光素子についても十分な特
性が得られるものを製造できなかったのが現状である。
【0007】本発明は、上記の課題を解決するものであ
り、格子欠陥がない良好な結晶が得られる化合物半導体
の成長方法、特に低抵抗の良好なP型結晶が得られる化
合物半導体の成長方法を提供することを目的とする。
り、格子欠陥がない良好な結晶が得られる化合物半導体
の成長方法、特に低抵抗の良好なP型結晶が得られる化
合物半導体の成長方法を提供することを目的とする。
【0008】また、本発明の他の目的は、電気的及び光
学的特性が良好な化合物半導体発光素子及びその製造方
法を提供することにある。
学的特性が良好な化合物半導体発光素子及びその製造方
法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体の
成長方法は、MOCVD法あるいはMOMBE法によっ
て、InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させ
る化合物半導体の成長方法において、InxGayAl
1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させるための材料ガスを
供給すると同時に、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦
x,y≦1)に添加されるPの濃度範囲が、1×1019cm
-3から1×1023cm-3になるようにPを供給するか、
もしくは、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)
に添加されるAsの濃度範囲が、1×1018cm-3から
1×1023cm-3になるようにAsを供給するか、もし
くは、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)に添
加されるSbの濃度範囲が、1×1017cm-3から1×
1021cm-3になるようにSbを供給することを特徴と
する。
成長方法は、MOCVD法あるいはMOMBE法によっ
て、InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させ
る化合物半導体の成長方法において、InxGayAl
1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させるための材料ガスを
供給すると同時に、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦
x,y≦1)に添加されるPの濃度範囲が、1×1019cm
-3から1×1023cm-3になるようにPを供給するか、
もしくは、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)
に添加されるAsの濃度範囲が、1×1018cm-3から
1×1023cm-3になるようにAsを供給するか、もし
くは、前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)に添
加されるSbの濃度範囲が、1×1017cm-3から1×
1021cm-3になるようにSbを供給することを特徴と
する。
【0010】前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦
1)を成長させるための材料ガスとして、トリメチルガ
リウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウ
ムの少なくともいずれかを用いる。
1)を成長させるための材料ガスとして、トリメチルガ
リウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウ
ムの少なくともいずれかを用いる。
【0011】本発明の化合物半導体発光素子は、前記化
合物半導体の成長方法によって形成された層を有するこ
とを特徴とする。
合物半導体の成長方法によって形成された層を有するこ
とを特徴とする。
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【作用】上記のように、Ga1-xAlxN層(0≦x≦1)
の結晶を形成する際に、Ga及びAlよりも原子半径の
大きいIII族元素、例えばInを添加すると、又は、I
nxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)の結晶を形成する
際に、Nよりも原子半径の大きいV族元素、例えばP,
As,Sbを添加すると、成長する結晶に圧縮性歪が与
えられる。これにより、窒素空孔に起因する結晶中の拡
張性歪を緩和することができる。その結果、格子欠陥
(点欠陥)の少ない結晶性の良好な化合物半導体が得ら
れる。
の結晶を形成する際に、Ga及びAlよりも原子半径の
大きいIII族元素、例えばInを添加すると、又は、I
nxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)の結晶を形成する
際に、Nよりも原子半径の大きいV族元素、例えばP,
As,Sbを添加すると、成長する結晶に圧縮性歪が与
えられる。これにより、窒素空孔に起因する結晶中の拡
張性歪を緩和することができる。その結果、格子欠陥
(点欠陥)の少ない結晶性の良好な化合物半導体が得ら
れる。
【0016】また、上記の工程において、さらにアクセ
プター不純物を添加すれば、アクセプター不純物は容易
にIII族格子位置に入り、活性化されるため、低抵抗の
良好なP型結晶が得られる。
プター不純物を添加すれば、アクセプター不純物は容易
にIII族格子位置に入り、活性化されるため、低抵抗の
良好なP型結晶が得られる。
【0017】このようにして得られた結晶からなるPN
接合は、電気的及び光学的特性が良好である。このPN
接合を利用すれば、紫外から青色にかけての発光ダイオ
ード(LED)及び半導体レーザ(LD)等の発光素子が実
現できる。
接合は、電気的及び光学的特性が良好である。このPN
接合を利用すれば、紫外から青色にかけての発光ダイオ
ード(LED)及び半導体レーザ(LD)等の発光素子が実
現できる。
【0018】
【実施例】[実施例1]Ga1-xAlxN層(0≦x≦1)
を気相成長させるために、MOCVD(有機金属気相成
長法)装置を使用し、Gaの材料ガスとしてTMG(ト
リメチルガリウム)を、Alの材料ガスとしてTMA
(トリメチルアルミニウム)を、Nの材料としてNH3
(アンモニア)又はN2(窒素ガス)をそれぞれ使用し
た。
を気相成長させるために、MOCVD(有機金属気相成
長法)装置を使用し、Gaの材料ガスとしてTMG(ト
リメチルガリウム)を、Alの材料ガスとしてTMA
(トリメチルアルミニウム)を、Nの材料としてNH3
(アンモニア)又はN2(窒素ガス)をそれぞれ使用し
た。
【0019】また、Ga1-xAlxN層に添加される元素
として、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族元
素を用いた。下記表1にIII族元素の共有結合半径を示
す。本実施例1では、表1に示したIII族元素の共有結
合半径をもとにInを選択し、Inの材料ガスとしてT
MI(トリメチルインジウム)を使用した。
として、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族元
素を用いた。下記表1にIII族元素の共有結合半径を示
す。本実施例1では、表1に示したIII族元素の共有結
合半径をもとにInを選択し、Inの材料ガスとしてT
MI(トリメチルインジウム)を使用した。
【0020】
【表1】
【0021】初めに、アンドープ結晶を製造(成長)す
る場合について説明する。
る場合について説明する。
【0022】MOCVD装置内でGaAs基板上にTM
G,TMA及びNH3を供給し、同時にTMIを供給
し、Inの濃度範囲が1×1016cm-3から1×1023cm
-3になるGa1-xAlxN層(x=0.50)を成長した。
G,TMA及びNH3を供給し、同時にTMIを供給
し、Inの濃度範囲が1×1016cm-3から1×1023cm
-3になるGa1-xAlxN層(x=0.50)を成長した。
【0023】図1に、得られた結晶中の自由電子濃度
と、In濃度との関係を示す。図1から明らかなよう
に、In濃度が1×1017cm-3から1×1023cm-3まで
の範囲で自由電子濃度が減少している。そして、In濃
度が1×1021cm-3のときに自由電子濃度は1×1016
cm-3となり最小値を示した。この結果は、Inを添加し
ない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上であった
ことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー濃度が
1000分の1以下に減少したことを意味している。す
なわち格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN層(x=
0.50)の結晶が得られたことを示している。
と、In濃度との関係を示す。図1から明らかなよう
に、In濃度が1×1017cm-3から1×1023cm-3まで
の範囲で自由電子濃度が減少している。そして、In濃
度が1×1021cm-3のときに自由電子濃度は1×1016
cm-3となり最小値を示した。この結果は、Inを添加し
ない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上であった
ことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー濃度が
1000分の1以下に減少したことを意味している。す
なわち格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN層(x=
0.50)の結晶が得られたことを示している。
【0024】同様の条件でGaN層及びAlN層を成長
させたところ、それぞれ自由電子の濃度が1×1016cm
-3から3×1016cm-3まで低減できた。従って、全ての
組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN層について、In
の添加による効果があるといえる。
させたところ、それぞれ自由電子の濃度が1×1016cm
-3から3×1016cm-3まで低減できた。従って、全ての
組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN層について、In
の添加による効果があるといえる。
【0025】次に、N型結晶を製造する場合について説
明する。
明する。
【0026】上記と同様の条件でInを添加しながらG
a1-xAlxN層を成長させる際に、ドナー不純物として
SiH4ガスを、Siの濃度が1×1019cm-3程度となる
ようにドーピングしたところ、2000cm2/V・Sの移
動度を有するN型結晶(N型伝導型結晶)が得られ、I
nを添加しないで得られたN型結晶に比べて移動度が大
幅に改善された。
a1-xAlxN層を成長させる際に、ドナー不純物として
SiH4ガスを、Siの濃度が1×1019cm-3程度となる
ようにドーピングしたところ、2000cm2/V・Sの移
動度を有するN型結晶(N型伝導型結晶)が得られ、I
nを添加しないで得られたN型結晶に比べて移動度が大
幅に改善された。
【0027】次に、P型結晶(P型伝導型結晶)を製造
する場合について説明する。
する場合について説明する。
【0028】MOCVD装置内でGaAs基板上にTM
G及びNH3を供給し、同時にInの濃度範囲が1×1
016cm-3から1×1023cm-3になるようにTMIを供給
し、この時さらに、アクセプター不純物としてDMZn
(ジメチル亜鉛)をドーピングした。
G及びNH3を供給し、同時にInの濃度範囲が1×1
016cm-3から1×1023cm-3になるようにTMIを供給
し、この時さらに、アクセプター不純物としてDMZn
(ジメチル亜鉛)をドーピングした。
【0029】図2に、得られたP型結晶中の活性化した
アクセプター濃度と、In濃度との関係を示す。図2か
らわかるように、In濃度が1×1017cm-3から7×1
022cm-3までの範囲で活性化したアクセプター濃度が増
加している。そして、In濃度が1×1021cm-3の時に
活性化したアクセプター濃度は5×1018cm-3と最大値
を示した。このIn濃度を有するGaN層の抵抗率は5
Ωm、移動度は80cm2/V・Sであり、同様の条件でIn
を添加せずに得られた結晶に比べて大幅に低抵抗化が実
現できた。
アクセプター濃度と、In濃度との関係を示す。図2か
らわかるように、In濃度が1×1017cm-3から7×1
022cm-3までの範囲で活性化したアクセプター濃度が増
加している。そして、In濃度が1×1021cm-3の時に
活性化したアクセプター濃度は5×1018cm-3と最大値
を示した。このIn濃度を有するGaN層の抵抗率は5
Ωm、移動度は80cm2/V・Sであり、同様の条件でIn
を添加せずに得られた結晶に比べて大幅に低抵抗化が実
現できた。
【0030】これは原子半径の大きいIII族元素のIn
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化されたためと考えられる。
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化されたためと考えられる。
【0031】また、アクセプター不純物としてZn以外
に、Mg、Be等の他のII族元素を用いてもよく、同様
の条件でGaN層を成長させたところ低抵抗のP型結晶
が得られた。
に、Mg、Be等の他のII族元素を用いてもよく、同様
の条件でGaN層を成長させたところ低抵抗のP型結晶
が得られた。
【0032】また、AlN層及びGa1-xAlxN層(x
=0.50)を同様の条件で成長させた場合も、アクセプタ
ー不純物及びInの添加によって良好なP型結晶が得ら
れた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-xAl
xN層について、Inの添加による効果があるといえ
る。
=0.50)を同様の条件で成長させた場合も、アクセプタ
ー不純物及びInの添加によって良好なP型結晶が得ら
れた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-xAl
xN層について、Inの添加による効果があるといえ
る。
【0033】[実施例2]本実施例2では、Ga1-xA
lxN層(0≦x≦1)を気相成長させるために、MOMB
E(有機金属分子線エピタキシー法)装置を使用し、G
aの材料ガスとしてTMGを、Alの材料ガスとしてT
MAを、Nの材料としてNH3又はN2を使用した。
lxN層(0≦x≦1)を気相成長させるために、MOMB
E(有機金属分子線エピタキシー法)装置を使用し、G
aの材料ガスとしてTMGを、Alの材料ガスとしてT
MAを、Nの材料としてNH3又はN2を使用した。
【0034】また、Ga1-xAlxN層に添加される元素
として、Nよりも原子半径の大きいV族元素を用いた。
下記表2にV族元素の共有結合半径を示す。本実施例2
では、表2に示したV族元素の共有結合半径をもとに
P、As、及びSbを選択し、材料ガスとして、それぞ
れPH3、AsH3、及びSbを使用した。
として、Nよりも原子半径の大きいV族元素を用いた。
下記表2にV族元素の共有結合半径を示す。本実施例2
では、表2に示したV族元素の共有結合半径をもとに
P、As、及びSbを選択し、材料ガスとして、それぞ
れPH3、AsH3、及びSbを使用した。
【0035】
【表2】
【0036】初めに、アンドープ結晶を製造する場合に
ついて説明する。
ついて説明する。
【0037】MOMBE装置内でGaAs基板上に、成
長温度600℃で、TMG、TMA及びNH3を供給してG
a1-xAlxN層を(x=0.30)成長し、この結晶中のV
族元素(P、As又はSb)の濃度範囲が1×1016cm
-3から1×1023cm-3になるように、PH3、AsH3、
又はSbを供給した。
長温度600℃で、TMG、TMA及びNH3を供給してG
a1-xAlxN層を(x=0.30)成長し、この結晶中のV
族元素(P、As又はSb)の濃度範囲が1×1016cm
-3から1×1023cm-3になるように、PH3、AsH3、
又はSbを供給した。
【0038】図3に得られた結晶中の自由電子濃度と、
P、As及びSb濃度との関係を示す。図3から明らか
なように、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3から
1×1023cm-3までの範囲で、自由電子濃度が減少して
いる。そして、Pの場合は濃度が4×1021cm-3のとき
に自由電子濃度は1×1016cm-3となり最小値を示し
た。この結果は、Nよりも原子半径の大きいV族元素を
添加しない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上で
あったことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー
濃度が1000分の1以下に減少したことを意味してい
る。すなわち、格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN
層(x=0.30)の結晶が得られたことを示している。
P、As及びSb濃度との関係を示す。図3から明らか
なように、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3から
1×1023cm-3までの範囲で、自由電子濃度が減少して
いる。そして、Pの場合は濃度が4×1021cm-3のとき
に自由電子濃度は1×1016cm-3となり最小値を示し
た。この結果は、Nよりも原子半径の大きいV族元素を
添加しない場合の自由電子濃度が1×1019cm-3以上で
あったことを考えると、窒素空孔に起因する残留ドナー
濃度が1000分の1以下に減少したことを意味してい
る。すなわち、格子欠陥の少ない良好なGa1-xAlxN
層(x=0.30)の結晶が得られたことを示している。
【0039】同様の条件でGaN層及びAlN層を成長
させたところ、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3
から1×1023cm-3までの範囲で、それぞれ自由電子濃
度が低減できた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)の
Ga1-xAlxN層について、Nよりも原子半径の大きい
V族元素の添加による効果があるといえる。
させたところ、P、As及びSb濃度が1×1016cm-3
から1×1023cm-3までの範囲で、それぞれ自由電子濃
度が低減できた。従って、全ての組成比(0≦x≦1)の
Ga1-xAlxN層について、Nよりも原子半径の大きい
V族元素の添加による効果があるといえる。
【0040】次に、N型結晶を製造する場合について説
明する。
明する。
【0041】上記と同様の条件でNよりも原子半径の大
きいV族元素を添加しながらGa1- xAlxN層を成長さ
せる際に、ドナー不純物としてSiH4ガスを、Siの
濃度が1×1019cm-3程度となるようにドーピングしたと
ころ、2000cm2/V・Sの移動度を有するN型結晶が
得られ、Nよりも原子半径の大きいV族元素を添加しな
いで得られたN型結晶に比べて移動度が大幅に改善され
た。
きいV族元素を添加しながらGa1- xAlxN層を成長さ
せる際に、ドナー不純物としてSiH4ガスを、Siの
濃度が1×1019cm-3程度となるようにドーピングしたと
ころ、2000cm2/V・Sの移動度を有するN型結晶が
得られ、Nよりも原子半径の大きいV族元素を添加しな
いで得られたN型結晶に比べて移動度が大幅に改善され
た。
【0042】次に、P型結晶を製造する場合について説
明する。
明する。
【0043】MOMBE装置内でGaAs基板上に、T
MG、TMA及びNH3を供給してGa1-xAlxN層(x
=0.30)を成長し、同時にこのGa1-xAlxN層中の
P、As又はSbの濃度範囲が1×1016cm-3から1×
1023cm-3になるように、PH3、AsH3、又はSb固
体をそれぞれ供給した。この時さらに、アクセプター不
純物としてZnをドーピングした。
MG、TMA及びNH3を供給してGa1-xAlxN層(x
=0.30)を成長し、同時にこのGa1-xAlxN層中の
P、As又はSbの濃度範囲が1×1016cm-3から1×
1023cm-3になるように、PH3、AsH3、又はSb固
体をそれぞれ供給した。この時さらに、アクセプター不
純物としてZnをドーピングした。
【0044】図4に、得られた結晶中の活性化したアク
セプター濃度と、P、As及びSb濃度との関係を示
す。図4からわかるように、P、As及びSb濃度が1
×1016cm-3から1×1023cm-3までの範囲で、活性化
したアクセプター濃度が増加している。そして、Pの場
合は濃度が1×1022cm-3の時に活性化したアクセプタ
ー濃度が1.1×1019cm-3と最大値を示した。このP
濃度を有するGa1-xAlxN層の抵抗率は5Ωm、移動
度は80cm2/V・Sであり、同様の条件でNよりも原子半
径の大きいV族元素を添加せずに得られた結晶に比べ、
大幅に低抵抗化を実現できた。
セプター濃度と、P、As及びSb濃度との関係を示
す。図4からわかるように、P、As及びSb濃度が1
×1016cm-3から1×1023cm-3までの範囲で、活性化
したアクセプター濃度が増加している。そして、Pの場
合は濃度が1×1022cm-3の時に活性化したアクセプタ
ー濃度が1.1×1019cm-3と最大値を示した。このP
濃度を有するGa1-xAlxN層の抵抗率は5Ωm、移動
度は80cm2/V・Sであり、同様の条件でNよりも原子半
径の大きいV族元素を添加せずに得られた結晶に比べ、
大幅に低抵抗化を実現できた。
【0045】これはNよりも原子半径の大きいV族元素
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化され易くなったためと考え
られる。
を添加することにより窒素空孔に起因する格子歪を緩和
し、II族元素のアクセプター不純物がIII族元素の格子
位置に入り易く、かつ活性化され易くなったためと考え
られる。
【0046】また、アクセプター不純物としてZn以外
にMg、Be等の他のII族元素を利用して、同様の条件
でGa1-xAlxN層を成長させた場合も、P、As又は
Sbを添加することにより低抵抗のP型結晶が得られ
た。
にMg、Be等の他のII族元素を利用して、同様の条件
でGa1-xAlxN層を成長させた場合も、P、As又は
Sbを添加することにより低抵抗のP型結晶が得られ
た。
【0047】また、AlN層及びGaN層を同様の条件
で成長させた場合も、アクセプター不純物、及びP、A
s又はSbの添加によって良好なP型結晶が得られた。
従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN層
について、Nよりも原子半径の大きいV族元素の添加に
よる効果があるといえる。
で成長させた場合も、アクセプター不純物、及びP、A
s又はSbの添加によって良好なP型結晶が得られた。
従って、全ての組成比(0≦x≦1)のGa1-xAlxN層
について、Nよりも原子半径の大きいV族元素の添加に
よる効果があるといえる。
【0048】また、InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y
≦1)を、Nよりも原子半径の大きいV族元素を添加し
て、同様の条件で成長させたところ、Ga1-xAlxN層
(0≦x≦1)の場合よりもさらに良好な結晶が得られ
た。すなわち、本実施例2における結果は、Ga1-xA
lxN層(0≦x≦1)をInxGayAl1-x-yN層(0≦x,
y≦1)に置き換えることにより、さらに改善されるもの
である。
≦1)を、Nよりも原子半径の大きいV族元素を添加し
て、同様の条件で成長させたところ、Ga1-xAlxN層
(0≦x≦1)の場合よりもさらに良好な結晶が得られ
た。すなわち、本実施例2における結果は、Ga1-xA
lxN層(0≦x≦1)をInxGayAl1-x-yN層(0≦x,
y≦1)に置き換えることにより、さらに改善されるもの
である。
【0049】以上の実施例1、2ではMOCVD装置又
はMOMBE装置を利用したが、MBE(分子線エピタ
キシー法)装置等の他の装置でもよい。Ga、Al及び
Nの材料、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族
元素の材料、及びNよりも原子半径の大きいV族元素の
材料も、本実施例以外の他の化合物を用いてもよい。基
板についても、GaAs基板以外にSi、InP、Ga
P等の他の半導体基板及びサファイヤ基板を用いても効
果があることは言うまでもない。
はMOMBE装置を利用したが、MBE(分子線エピタ
キシー法)装置等の他の装置でもよい。Ga、Al及び
Nの材料、Ga及びAlよりも原子半径の大きいIII族
元素の材料、及びNよりも原子半径の大きいV族元素の
材料も、本実施例以外の他の化合物を用いてもよい。基
板についても、GaAs基板以外にSi、InP、Ga
P等の他の半導体基板及びサファイヤ基板を用いても効
果があることは言うまでもない。
【0050】[実施例3]実施例2によって得られる化
合物半導体を利用して、図5(a)〜(b)に示す半導体レー
ザ素子を製造した。以下にその製造方法を説明する。
合物半導体を利用して、図5(a)〜(b)に示す半導体レー
ザ素子を製造した。以下にその製造方法を説明する。
【0051】まず、MOMBE装置内でN型GaAs基
板301を、温度600℃まで加熱し、TMG、N2、
SiH4及びPH3を供給して、N型GaNからなるバッ
ファ層302をその厚さが0.2μmとなるように成長
させる。ここで、バッファ層302は2種以上の半導体
層による超格子でもよい。
板301を、温度600℃まで加熱し、TMG、N2、
SiH4及びPH3を供給して、N型GaNからなるバッ
ファ層302をその厚さが0.2μmとなるように成長
させる。ここで、バッファ層302は2種以上の半導体
層による超格子でもよい。
【0052】次に、図5(a)に示すように、TMG、
N2、SiH4及びPH3を供給したままでさらにTMA
の供給を開始し、N型Ga1-XAlXN層(x=0.30)を
その厚さが1μmとなるように成長させて、N型クラッ
ド層303を形成する。
N2、SiH4及びPH3を供給したままでさらにTMA
の供給を開始し、N型Ga1-XAlXN層(x=0.30)を
その厚さが1μmとなるように成長させて、N型クラッ
ド層303を形成する。
【0053】次に、TMG、N2及びPH3を供給したま
まで、TMA及びSiH4の供給を停止し、GaN層を
その厚さが0.1μmとなるように成長させて、活性層
304を形成する。ここで該活性層304は、同時にT
MAを供給して得られるGa1- XAl2N層であっても、
SiH4、DEZn等のドーパントを供給して得られる
結晶であってもよい。
まで、TMA及びSiH4の供給を停止し、GaN層を
その厚さが0.1μmとなるように成長させて、活性層
304を形成する。ここで該活性層304は、同時にT
MAを供給して得られるGa1- XAl2N層であっても、
SiH4、DEZn等のドーパントを供給して得られる
結晶であってもよい。
【0054】次に、TMG、N2及びPH3を供給したま
まで、さらにTMA及びDEZnの供給を開始し、P型
Ga1-XAlxN層(x=0.30)をその厚さが1μmとな
るように成長させて、P型クラッド層305を形成す
る。
まで、さらにTMA及びDEZnの供給を開始し、P型
Ga1-XAlxN層(x=0.30)をその厚さが1μmとな
るように成長させて、P型クラッド層305を形成す
る。
【0055】次に、図5(b)に示すように、TMG、
N2、PH3及びDEZnを供給したままでTMAの供給
を停止して、P型GaN層をその厚さが0.5μmとな
るように成長させて、P型コンタクト層306を形成す
る。
N2、PH3及びDEZnを供給したままでTMAの供給
を停止して、P型GaN層をその厚さが0.5μmとな
るように成長させて、P型コンタクト層306を形成す
る。
【0056】続いて、P型電極310及びN型電極31
1を積層させ、これにより図5(c)に示す半導体レーザ
素子を作製する。ここで、PH3は全ての層の成長中に
おいてその濃度が1×1022cm-3程度になるように供給
した。
1を積層させ、これにより図5(c)に示す半導体レーザ
素子を作製する。ここで、PH3は全ての層の成長中に
おいてその濃度が1×1022cm-3程度になるように供給
した。
【0057】本実施例では、全面電極型の半導体レーザ
素子を例にとって説明しているが、同様の製造方法を利
用してストライプ構造をもつ半導体レーザ素子を製造す
ることも可能である。また、2回以上の成長を用いて導
波路を作製することも可能である。
素子を例にとって説明しているが、同様の製造方法を利
用してストライプ構造をもつ半導体レーザ素子を製造す
ることも可能である。また、2回以上の成長を用いて導
波路を作製することも可能である。
【0058】また、Ga1-XAlXN層の組成比xを適宜
に変更できることは言うまでもなく、導電型は全て逆で
もよい。また、Ga1-XAlXN層の成長時に同時にIn
の材料ガスを供給して、InxGayAl1-x-yN層(0≦
x,y≦1)として成長させてもよい。
に変更できることは言うまでもなく、導電型は全て逆で
もよい。また、Ga1-XAlXN層の成長時に同時にIn
の材料ガスを供給して、InxGayAl1-x-yN層(0≦
x,y≦1)として成長させてもよい。
【0059】さらに、クラッド層303及び305のG
a1-XAlxN層又はInxGayAl1-x-yN層の組成比
であるx又は/及びyは積層方向に沿って変化していて
もよく、SCH構造やGDIN−SCH構造も可能であ
る。また、活性層304についても量子井戸構造及び多
重量子井戸構造でもよい。
a1-XAlxN層又はInxGayAl1-x-yN層の組成比
であるx又は/及びyは積層方向に沿って変化していて
もよく、SCH構造やGDIN−SCH構造も可能であ
る。また、活性層304についても量子井戸構造及び多
重量子井戸構造でもよい。
【0060】本実施例の製造方法により製造された半導
体レーザは室温で連続発振が得られ、ピーク波長は37
0nm付近であった。光出力は3mWであったが、紫外
発光素子が実現できた。
体レーザは室温で連続発振が得られ、ピーク波長は37
0nm付近であった。光出力は3mWであったが、紫外
発光素子が実現できた。
【0061】また、同様の製造方法で、活性層304の
厚さが1μm程度となるようにしたところ、ピーク波長
367nmで発光し、LED(発光ダイオード)として
使用可能な発光素子が得られた。
厚さが1μm程度となるようにしたところ、ピーク波長
367nmで発光し、LED(発光ダイオード)として
使用可能な発光素子が得られた。
【0062】
【発明の効果】本発明の化合物半導体の成長方法によれ
ば、原子半径がGa及びAlよりも大きいIII族元素を
添加してGa1-xAlxN層(0≦x≦1)を、又は、原子
半径がNよりも大きいV族元素を添加してInxGayA
l1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させるので、点欠陥が
なく結晶性が良好な、かつ抵抗率の低い化合物半導体を
製造することができる。
ば、原子半径がGa及びAlよりも大きいIII族元素を
添加してGa1-xAlxN層(0≦x≦1)を、又は、原子
半径がNよりも大きいV族元素を添加してInxGayA
l1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させるので、点欠陥が
なく結晶性が良好な、かつ抵抗率の低い化合物半導体を
製造することができる。
【0063】また、特に請求項2、3及び請求項6記載
の化合物半導体の成長方法によれば、良好なPN接合を
実現できるN型結晶を得ることができる。
の化合物半導体の成長方法によれば、良好なPN接合を
実現できるN型結晶を得ることができる。
【0064】また、特に請求項4及び請求項7記載の化
合物半導体の成長方法によれば、良好なPN接合を実現
できるP型結晶を得ることができる。
合物半導体の成長方法によれば、良好なPN接合を実現
できるP型結晶を得ることができる。
【0065】また、特に請求項8〜請求項10記載の化
合物半導体発光素子の製造方法によれば、電気的特性及
び光学的特性が良好な化合物半導体発光素子を実現でき
る。
合物半導体発光素子の製造方法によれば、電気的特性及
び光学的特性が良好な化合物半導体発光素子を実現でき
る。
【図1】Ga1-xAlxN層(x=0.50)中のIn濃度と自
由電子濃度との関係を示すグラフ。
由電子濃度との関係を示すグラフ。
【図2】アクセプター不純物を添加したGaN層中のI
n濃度と活性化したアクセプター濃度との関係を示すグ
ラフ。
n濃度と活性化したアクセプター濃度との関係を示すグ
ラフ。
【図3】InxGayAl1-x-yN層(x=0.30)中のP、A
s及びSb濃度と自由電子濃度との関係を示すグラフ。
s及びSb濃度と自由電子濃度との関係を示すグラフ。
【図4】アクセプター不純物を添加したInxGayAl
1-x-yN層(x=0.30)中のP、As及びSb濃度と活性化
したアクセプター濃度との関係を示すグラフ。
1-x-yN層(x=0.30)中のP、As及びSb濃度と活性化
したアクセプター濃度との関係を示すグラフ。
【図5】本発明の方法によって製造される化合物半導体
レーザー素子の断面図。
レーザー素子の断面図。
301 GaAs基板 302 バッファ層 303 クラッド層 304 活性層 305 クラッド層 306 コンタクト層 310,311 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 兼岩 進治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 近藤 雅文 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 幡 俊雄 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 大林 健 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−218625(JP,A) 特開 平3−211888(JP,A) 特開 昭64−39082(JP,A) 特開 昭49−29770(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/205
Claims (3)
- 【請求項1】 MOCVD法あるいはMOMBE法によ
って、InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長さ
せる化合物半導体の成長方法において、 InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y≦1)を成長させるた
めの材料ガスを供給すると同時に、前記InxGayAl
1-x-yN層(0≦x,y≦1)に添加されるPの濃度範囲が、
1×1019cm-3から1×1023cm-3になるようにP
を供給するか、もしくは、前記InxGayAl1-x-yN
層(0≦x,y≦1)に添加されるAsの濃度範囲が、1×
1018cm-3から1×1023cm-3になるようにAsを
供給するか、もしくは、前記InxGayAl1-x-yN層
(0≦x,y≦1)に添加されるSbの濃度範囲が、1×1
017cm-3から1×1021cm-3になるようにSbを供
給することを特徴とする化合物半導体の成長方法。 - 【請求項2】 前記InxGayAl1-x-yN層(0≦x,y
≦1)を成長させるための材料ガスとして、トリメチル
ガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジ
ウムの少なくともいずれかを用いる、請求項1記載の化
合物半導体の成長方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の化合物半導体の成長方
法によって形成された層を有することを特徴とする化合
物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP4580992A JP3251046B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 化合物半導体の成長方法、化合物半導体発光素子及びその製造方法 |
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JP04800499A Division JP3432444B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 半導体発光素子 |
JP2001190817A Division JP3859990B2 (ja) | 2001-06-25 | 2001-06-25 | 化合物半導体の製造方法 |
JP2001190818A Division JP3561243B2 (ja) | 2001-06-25 | 2001-06-25 | 化合物半導体の成長方法及び化合物半導体発光素子 |
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JPH05243614A JPH05243614A (ja) | 1993-09-21 |
JP3251046B2 true JP3251046B2 (ja) | 2002-01-28 |
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JPH08264835A (ja) * | 1995-03-27 | 1996-10-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 化合物半導体発光素子およびその製造方法 |
JPH08264836A (ja) * | 1995-03-27 | 1996-10-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 化合物半導体発光素子およびその製造方法 |
DE19613265C1 (de) * | 1996-04-02 | 1997-04-17 | Siemens Ag | Bauelement in stickstoffhaltigem Halbleitermaterial |
JP3461112B2 (ja) * | 1997-12-19 | 2003-10-27 | 昭和電工株式会社 | Iii族窒化物半導体発光素子 |
JP3770014B2 (ja) * | 1999-02-09 | 2006-04-26 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
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 |
US7786550B2 (en) | 2003-03-06 | 2010-08-31 | Panasonic Corporation | P-type semiconductor and semiconductor hetero material and manufacturing methods thereof |
JP4188750B2 (ja) * | 2003-05-12 | 2008-11-26 | 豊田合成株式会社 | 発光素子 |
JP2012104528A (ja) * | 2010-11-08 | 2012-05-31 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子 |
JP2015002239A (ja) * | 2013-06-14 | 2015-01-05 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法 |
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1992
- 1992-03-03 JP JP4580992A patent/JP3251046B2/ja not_active Expired - Fee Related
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