JP3316406B2 - 窒化インジウムガリウム半導体の製造方法 - Google Patents

窒化インジウムガリウム半導体の製造方法

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JP3316406B2 JP2533997A JP2533997A JP3316406B2 JP 3316406 B2 JP3316406 B2 JP 3316406B2 JP 2533997 A JP2533997 A JP 2533997A JP 2533997 A JP2533997 A JP 2533997A JP 3316406 B2 JP3316406 B2 JP 3316406B2
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竜也 國里
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康博 上田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、青色発光ダイオ
ード、青色レーザダイオードなど青色の発光デバイスに
用いられる窒化インジウムガリウム半導体の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】青色発光ダイオード、青色レーザダイオ
ードなど青色の発光デバイスには、窒化ガリウム(Ga
N)膜、窒化インジウムガリウム(InGaN)膜等の
窒化ガリウム系半導体膜が用いられている。例えば、特
開平6−177423号公報(IPC:H01L 33
/00)には、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した
青色発光デバイスが開示されている。
【0003】上記青色発光デバイスは、n型Ga1-a
aN(0≦a<1)層とp型n型Ga1-bAlbN(0
≦b<1)層との間にn型InxGa1-xN膜を備えたダ
ブルヘテロ構造で構成されている。即ち、InxGa1-x
N膜は、2eV〜3.4eVのバンドギャップを有して
おり、青色波長の光を発光する。
【0004】ところで、InxGa1-xN膜を用いて青色
の発光素子を作成せんとすると、そのIn組成(x)を
約0.4〜約0.45の範囲に調整する必要がある。
【0005】しかしながら、従来の製造方法では、In
組成を多くすると結晶性の良好なものが得られず、この
ため発光素子の発光効率が劣悪なものとなっていた。
【0006】この問題を解決するために、良好な結晶性
が得られるIn組成の範囲であるxが約0.06程度の
InxGa1-xN膜を用い、このInxGa1-xN膜中にS
i及びZnを添加することが提案されている(特開平6
−260680号公報(IPC:H01L 33/0
0)参照)。
【0007】この構成によれば、SiとZnをドープし
たことによりInxGa1-xN膜中にドナー準位及びアク
セプタ準位が形成され、これらのドナー・アクセプタの
ペア発光により、ドナー−アクセプタ間のエネルギー差
に応じて青色の光を発光する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の発光素子においても、ドナー・アクセプタ間の
ペア発光を利用するために発光スペクトル値の半値幅が
拡がり、色純度が悪くなるという問題があった。
【0009】また、レーザに用いる場合には、バンド間
発光をさせる必要があり、このためSiとZnをドープ
させたInxGa1-xN膜はレーザに適用できないという
問題もあった。
【0010】この発明は、上述した従来の問題点を解決
するためになされたものにして、SiやZn等のドナー
或いはアクセプタ元素を添加することなく青色の発光が
生じる高品質で結晶性に優れたInxGa1-xN膜を安定
して製造できる方法を提供することをその目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明は、ガリウム源
のガスと、インジウム源のガスと、窒素源のガスを原料
ガスとして形成室内に導入し、気相成長法により窒化イ
ンジウムガリウム半導体膜を製造する窒化インジウムガ
リウム半導体の製造方法であって、前記窒化インジウム
ガリウム半導体の形成時に水素及び窒素を導入すると共
に、窒素量(N2)に対する水素量(H2)の比(H2
2)を1/50以上1/10以下の範囲とし、不純物
を添加することなく前記窒化インジウムガリウム半導体
を製造することを特徴とする。
【0012】
【0013】また、前記気相成長法として有機金属気相
成長法を用いるとよい。
【0014】前記水素及び/又は窒素は、前記原料ガス
のキャリアガスとして形成室内に導入するように構成す
ればよい。
【0015】前記原料ガスを前記基板の表面に平行に導
入すると共に、前記水素及び/又は窒素を前記原料ガス
の上層となるように導入すればよい。
【0016】上記のように、形成室内の窒素量(N2
に対する水素量(H2)の比(H2/N2)を制御するこ
とで、成膜したInxGa1-xN膜は、フォトルミネッセ
ンスにより青色の発光波長を含む365nm〜535n
mの範囲で発光ピークが測定され、良好な結晶性を有す
るInxGa1-xN膜が得られていることが分かった。
【0017】特に、形成室内の窒素量(N2)に対する
水素量(H2)の比(H2/N2)が1/50以上1/1
0以下の場合には、製造したInxGa1-xN膜をフォト
ルミネッセンスで測定したところ、欠陥や不純物による
ピークは観察されずに、365nm〜535nmの青色
領域に単一の発光ピークを測定することができた。しか
も表面にInのドロップレットの発生は全くなく、結晶
性の良好なInGaN膜が得られた。
【0018】また、本発明の製造方法により成膜したI
xGa1-xN膜を用いた発光素子の半値幅は、約30n
mとSi及びZnを添加したものに比べ約半分であっ
た。
【0019】
【実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図面を参
照して説明する。図1は、この発明の製造方法に使用し
たMOCVD装置の主要部の構成を示す概略断面図であ
る。
【0020】形成室1内にはサファイア基板10を載置
するサセプタ11が設けられている。尚、この基板10
としては、予めGa1-X-YAlYInxN(0≦X<1,
0≦Y<1)が形成された基板を用いてもよい。この形
成室1は図示しない真空ポンプにより所定の真空度に排
気される。また、サセプタ11は高周波コイルなどによ
り所定の成長温度に加熱されるようになっている。
【0021】そして、形成室1内には、原料ガス供給ラ
イン5、6より原料ガスが基板の表面に平行に供給され
ると共に、その原料ガス供給ライン5、6より上層に配
置された上層流ガスライン7より水素及び/又は窒素ガ
スが供給される。この上層流ガスライン7は、バルブ7
1、72を介して、水素(H2)ガスボンベ、窒素
(N2)ガスボンベに接続されている。この上層流ガス
ライン7から供給されるガスにより、原料ガスを基板1
0面に押圧し、原料ガスを基板10に接触させる。従っ
て、本実施例の形態にあっては、基板10の表面に平行
に、下層流ガスとなる原料ガスと、上層ガスとの2層の
ガス流が導入された2層流方式のMOCVD流を用いて
いる。
【0022】また、水素(H2)ガスボンベ、窒素
(N2)ガスボンベからのガスがバルブ51及び52を
介して原料ガス供給ライン5に与えられる。バルブ5
1、52を介して与えられる水素(H2)ガス及び/又
は窒素(N2)ガスはキャリアガスとして用いられる。
【0023】TMG2、TMI3、TEG4の有機金属
化合物ソースは、微量のバブリングガスにより気化さ
れ、バルブ21、31、41を介して原料ガス供給ライ
ン5に与えられる。バブリングガスはバルブ22、2
3、32、33、42、43によりその供給が制御され
る。
【0024】原料ガスとしてのアンモニア(NH3)ガ
スはバルブ61を介して原料ガスライン6から形成室1
内に供給される。
【0025】上記のように構成されたMOCVD装置を
用いて、表1に示す反応条件でサファイア基板10上に
InxGa1-xN膜を成長させた。
【0026】
【表1】
【0027】上記表1の条件でサンプルを作成し、In
xGa1-xN膜の表面を顕微鏡で観察すると共に、フォト
ルミネッセンスにより発光スペクトルを観察し、膜の良
否を判定した結果を図2に示す。尚、成長温度が900
℃以上ではInxGa1-xN組成が1%以下と低くなるた
め実用的ではないので、成長温度は900℃までとし
た。また、結晶性は温度が高くなるほどよくなるので、
成長温度750度以下では成長させていない。
【0028】図2より、形成室1内にキャリアガス或い
は上層ガスとして導入される総窒素量(N2)に対する
総水素量(H2)の比(H2/N2)が1/5を越えると
全ての成長温度でInのドロップレットが発生し、結晶
性の良くないInxGa1-xN膜しか得られなかった。こ
れに対し、総窒素量に対する総水素量の比(H2/N2
を1/5以下として成長させたInxGa1-xN膜では、
その成長速度に応じてフォトルミネッセンスにより青色
の発光波長を含む365〜535nmの領域に発光ピー
クが測定され、良好な結晶性のInxGa1-xN膜が得ら
れていることがわかった。さらに上記比(H2/N2)を
1/10以下とすることで、全ての成長温度で結晶性の
InxGa1-xN膜が得られると共に、Inのドロップレ
ットが発生することもなかった。
【0029】また、上記製造方法により成長させたIn
xGa1-xN膜を用いた発光素子の半値幅は約30nmで
あり、Si及びZnを添加したものに比べて約半分であ
った。
【0030】また、総窒素量に対する総水素量の比(H
2/N2)が0より1/50の範囲にあっては、結晶性の
InxGa1-xN膜が得られるものの、その表面が荒れた
り、不純物の混入に因るものと考えられる不所望の発光
ピークが観察された。また、発光ピークの経時劣化も観
察され、この範囲で形成されたInxGa1-xN膜は結晶
性を有するものの、その結晶性があまり良好でないこと
がわかった。
【0031】上記のことから形成室1内の総窒素量(N
2)に対する総水素量(H2)の比(H2/N2)が0より
1/5以下になるように水素及び窒素の導入量を制御す
ることで結晶性のInxGa1-xN膜を得ることができ
る。さらに、1/50以上1/10以下になるように水
素及び窒素の導入量を制御することで良好な結晶性を有
するInxGa1-xN膜を得られることが分かる。
【0032】このように、本発明により製造したInx
Ga1-xN膜を用いることで、色純度が良好な発光素子
が提供できると共に、レーザへの適用も可能となる。
【0033】尚、本発明はMOCVD法を用いたもので
あれば、本実施の形態で説明した2層流方式以外の方式
を用いたものにも適用することができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、この発明は、気相
成長法により、InxGa1-xN膜を形成する際に、形成
室内の窒素量(N2)に対する水素量(H2)の比(H2
/N2)を制御することで、良好な結晶性を有する青色
発光のInxGa1-xN膜を得ることができる。
【0035】また、この発明により製造したInxGa
1-xN膜を用いることで、色純度が良好な発光素子を提
供できると共に、レーザへの適用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の製造方法に使用したMOCVD装置
の主要部の構成を示す概略断面図である。
【図2】この発明によるInGaN膜の結晶性とH2
2比との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 形成室 2、3、4 有機化合物ソース 5、6 原料供給ライン 7 上層流ガスライン 10 基板 11 サセプタ
フロントページの続き (72)発明者 八木 克己 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−325094(JP,A) 特開 平8−97149(JP,A) 特開 平9−129929(JP,A) 特開 平10−135575(JP,A) 特開 平6−177423(JP,A) 特開 平6−260680(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 33/00 H01S 3/0933

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガリウム源のガスと、インジウム源のガ
    スと、窒素源のガスを原料ガスとして形成室内に導入
    し、気相成長法により窒化インジウムガリウム半導体膜
    を製造する窒化インジウムガリウム半導体の製造方法で
    あって、前記窒化インジウムガリウム半導体の形成時に
    水素及び窒素を導入すると共に、窒素量(N2)に対す
    る水素量(H2)の比(H2/N2)を1/50以上1/
    10以下の範囲とし、不純物を添加することなく前記窒
    化インジウムガリウム半導体を製造することを特徴とす
    る窒化インジウムガリウム半導体の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記気相成長法として有機金属気相成長
    法を用いることを特徴とする請求項1に記載の窒化イン
    ジウムガリウム半導体の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記水素及び/又は窒素は、前記原料ガ
    スのキャリアガスとして形成室内に導入されることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の窒化インジウムガリウ
    ム半導体の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記原料ガスを前記基板の表面に平行に
    導入すると共に、前記水素及び/又は窒素ガスを前記原
    料ガスの上層となるように導入することを特徴とする請
    求項3に記載の窒化インジウムガリウム半導体の製造方
    法。
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