JP3548735B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法、特にGaN層上にAlGaN層を形成する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体は、LED等の短波長発光デバイスその他に広く応用されている。
【0003】
このようなLEDやレーザでは、光を効率良く閉じこめるために、0.4μm以上の厚さのAlGaN(AlGaNとGaNを交互に積層した超格子層を含む)をGaN上に成長させる必要がある。AlGaN層はGaN層よりも屈折率が小さく、GaN層をAlGaN層で挟むことで光を閉じこめることができる。
【0004】
図4には、従来の短波長レーザ(370nm〜450nm)の構成が示されている。サファイア基板10上にn−GaN層12が1μm以上形成され、GaN層12上にn−クラッド層14としてn−AlGaN層が0.5μm程度形成される。AlGaN層上には活性層16としてInGaN層が形成され、さらにInGaN層上にp−クラッド層18としてAlGaN層が形成される。活性層16から射出した光は両側のクラッド層14、18で反射して閉じこめられる。
【0005】
しかしながら、クラッド層の材料であるAlGaNの格子定数はGaNの格子定数よりも小さいため、AlGaN層の中に図中矢印で示されるような面内引っ張り応力が生じ、AlGaNの膜厚が増大するとともに引っ張り応力も増大して臨界値を超え、図に示されるようにクラック14aが生じてしまう問題があった。
【0006】
そこで、例えば特開平11−68256号公報に開示されているように、InGaN層を形成し、このInGaN上にAlGaN層を形成してInGaN層をクラック防止層として機能させることが提案されている。
【0007】
図5には、この場合の構成が示されている。図4と異なる点は、n−GaN層12とn−クラッド層14との間にinGaN層からなるクラック防止層13が形成されていることである。このクラック防止層13は、100オングストローム以上0.5μm以下の膜厚とされる。100オングストロームよりも薄いとクラック防止の効果がなく、0.5μmよりも厚いと結晶自体が黒変するためと説明されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなクラック防止層13を形成してもAlGaN層のクラックを防止できるのはせいぜい0.5μm程度であり、これ以上の膜厚とするとAlGaN層にクラックが生じてしまう問題がある。
【0009】
また、InGaN層をクラック防止層13として用いると、活性層から射出した紫外線をInGaN層で吸収してしまい、発光効率が低下してしまう問題もある。
【0010】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、発光効率を低下させることなく、かつ、クラックもなく従来以上に厚いAlGaN層を形成することができる方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板上にGaN系半導体層とAlGaN系半導体層を順次積層してなる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法であって、前記GaN系半導体層の表面が面内方向に連続膜となっておらず島状となっている状態で前記AlGaN系半導体層を積層することを特徴とする。
【0013】
本方法において、前記AlGaN系半導体層は、AlGaNとGaNを交互に積層してなる超格子層とすることができる。
【0014】
このように、本発明においては、従来のようにGaN層を十分成長させてその表面が平坦化した後にAlGaN層を形成するのではなく、GaN層の表面が未だ平坦化されていない時点でAlGaN層をGaN層上に形成するものである。GaN層の表面が平坦でないため、その上に形成されるAlGaN層もその初期においては平坦ではなく、複数の部位で傾斜形成される。したがって、AlGaN層内には面内に平行な応力だけでなく、傾斜部における傾斜方向の応力も生じ、AlGaN層全体としての合成応力ベクトルは平坦なGaN層上に形成されるよりも小さくなる。したがって、AlGaN層の膜厚を増大させてもクラックの発生を抑制することができる。
【0015】
ここで、AlGaN層としては、AlGaN単層の他、AlGaNを用いた超格子層とすることもできる、このような超格子層の一例はAlGaNとGaNを交互に積層させた層である。超格子層とすることで、AlGaN単層とする場合に比べてAlの比率を低下させて内部応力を低減することができ、GaNの非平坦化表面に形成することと相俟って一層のクラック抑制効果を得ることができる。
【0016】
本発明に係る方法は、GaN系半導体を用いたLEDやレーザの製造に適用できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。ここで、本実施形態に係るレーザの全体構成は図4に示された構成と同様であるためその説明は省略し、n−GaN層12上にn−クラッド層14としてのAlGaN層を形成するステップについて説明する。なお、図4に示された構成に加え、レーザデバイスとしてはn型電極やn型コンタクト層、p型電極、p−コンタクト層等が存在するが、これらは周知の構成であるためその説明も省略する。当業者であれば、図4の構成に加え適宜これらの構成を付加することは容易であろう。
【0018】
図1には、本実施形態においてGaN層上にAlGaN層を形成する際に前提となるGaN層の成長の様子が模式的に示されている。サファイア基板10上にMOCVDを用いて1070度程度でGaNを成長させる際、基板10との界面に結晶格子の荒れた領域が存在するため、成長初期にはGaNは一様に成長するのではなく島状に成長する(図中一点鎖線)。そして、成長が進むにつれ面内方向の成長が支配的となり、最終的に連続膜となってGaN層12が形成される(図中実線)。
【0019】
したがって、GaN層12の膜厚がある程度薄いと、GaN層の表面は未だ平坦になっておらず島状の成長が残っている状態にある。本実施形態では、GaNの表面が平坦ではない段階、あるいは島状成長の段階でGaNの上にAlGaN層を形成する。
【0020】
図2(A)、(B)には、本実施形態におけるAlGaN層の形成の様子が示されている。図中一点鎖線はGaN層12であり、従来のように面内方向に連続膜となっておらず、表面が非平坦で島状となっている。GaN層12の膜厚としては、従来のように1μm以上(例えば2μm)とした場合には表面がほぼ平坦化するが、0.4μm程度であれば未だ平坦化しておらず、島状の凹凸が存在している。この段階で(A)に示されるようにAlGaN層14を成長させるのである。AlGaN層14の各領域には従来と同様に引っ張り応力(図中a、b)が生ずるが、島状成長部分の斜面ではその応力の向きが面内に平行ではない。このため、AlGaN層14を厚く成長させると応力は大きくなるが、応力はベクトルであるため合成応力はAlGaN層の膜厚に比例して増大することはない。
【0021】
したがって、最終的に(B)に示されるようにAlGaN層14を従来以上に厚く形成しても、合成応力は大きく増大せず、クラックの発生を抑制することができる。これにより、AlGaN層14をクラッド層などに用いた場合でも、従来以上に膜厚を大きくすることができるので、光閉じこめ効果あるいはキャリア閉じこめ効果を増大させることができる。
【0022】
図3には、GaN/AlGaN積層構造における厚さ方向の応力変化が示されている。図において、(A)は表面が非平坦(島状)なGaN層上にAlGaN層を形成した場合の応力変化であり、(B)は表面が平坦(連続的)なGaN層上にAlGaN層を形成した場合(従来)の応力変化である。図において、GaN層内では圧縮応力が生じ、GaN層とAlGaN層との界面で応力が変化してAlGaN層内では引っ張り応力となる。(A)の場合にはGaN層とAlGaN層との界面で比較的応力がゆっくり変化するため、クラックの原因となる最大応力が小さくなる。すなわち、それぞれの最大応力をσa及びσbとすると、σa<σbである。したがって、本実施形態ではクラックの発生しない臨界膜厚を従来以上に増大させることが可能となる。
【0023】
なお、本実施形態においてはGaN層12上にAlGaN層を形成しているが、GaN層12上にAlGaNとGaNの超格子層を形成してもよい。
【0024】
【実施例】
サファイアc面上に、厚さtのGaNを1070度にて成長させ、その後続けてN周期のAl0.2Ga0.8N/GaN超格子(SLS:strained layer super lattice)を成長させた。すなわち、基板/GaN層/AlGaNとGaNのSLS層である。なお、成長にはMOCVD装置を用い、具体的には反応管内にサファイア基板をサセプタ上に載置し、H2雰囲気下でヒータを用いてサファイア基板を1150度まで加熱して熱処理した後に、ガス導入部からトリメチルガリウム(TMG)、NH3、H2を供給して基板温度を1075度に維持しながらGaN及びAlGaN層を順次成長させた。超格子におけるAl0.2Ga0.8Nの厚さは2nm、GaNの厚さは2nmである。以上のようにして成長させた後、超格子表面のクラックの発生状況を光学顕微鏡、AFM(原子間力顕微鏡)で詳細に観察した。肉眼ではクラックが見られない場合であっても、光学顕微鏡あるいはAFMでクラックが観察される場合があった。以下にその結果を示す。
【0025】
【表1】
GaN層の膜厚tが0.4μmと薄い場合には、SLS層の合計厚さが2μmと非常に厚い場合であってもクラックが発生していないのに対し、GaN層の厚さが0.6μm以上になるとSLS層の合計厚さが1.8μm以下でもクラックが発生してしまう。
【0026】
なお、SLS層の代わりにAl0.2Ga0.8Nの単層をGaN層上に成長させた場合には、クラックが発生する臨界厚さは約1/3となった。これは、SLS層の平均Al組成が0.1と小さいことと、SLS内部の歪み分布が応力をさらに下げる方向に作用しているためと考えられる。
【0027】
また、GaN層の膜厚tが0.4μm以上の場合にはSLS層中に発生する転位密度はtが2μmの場合と同程度に低い値であったが、tが0.2μm以下になると転位密度が急激に増大することが観察された。
【0028】
以上より、良好な結晶性を確保するためにはGaN層の厚さは0.2μm以上、好ましくは0.3μm以上必要であり、また、クラックの発生を防止するためには必要なAlGaN層あるいはSLS層の厚さにも依存するが、従来以上(例えば2μm)とするために0.5μm以下とすることが必要であることがわかる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、クラックの発生を抑制しつつGaN層上に厚いAlGaN系層を形成することができ、これによりLEDやレーザなどのデバイス構造とした場合に発光効率の増大や動作の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係るGaN層の成長説明図である。
【図2】実施形態のGaN層上のAlGaN層成長説明図である。
【図3】応力と厚さとの関係を示すグラフ図である。
【図4】UVレーザの構成図である。
【図5】UVレーザの他の構成図である。
【符号の説明】
10 サファイア基板、12 GaN層、14 AlGaN層。
Claims (2)
- 基板上にGaN系半導体層とAlGaN系半導体層を順次積層してなる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法であって、
前記GaN系半導体層の表面が面内方向に連続膜となっておらず島状となっている状態で前記AlGaN系半導体層を積層することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 請求項1記載の方法において、
前記AlGaN系半導体層は、AlGaNとGaNを交互に積層してなる超格子層であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
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