JP3575657B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【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（Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ；０＜Ｘ＜１）から成る活性層を有した素子の有機金属気相成長法を用いた製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、有機金属気相成長法（ 以下「ＭＯＶＰＥ」と略す） を用いて結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ；０＜Ｘ＜１）を得る方法として、例えば特開平６−２０９１２２号公報に示されるように特定範囲内の成長温度と成長速度とに基づく成長条件にて発光層を結晶成長させる方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術では出力可能な光強度の波長、Ｉｎを含むガスのモル比及び成長温度とに関する関係が示されていない。通常、窒化ガリウム系化合物半導体においては発光波長はＩｎの組成比に応じて変化し、それに伴って良好な結晶性を得るための最適なモル比、成長温度も変化するため、上記従来技術は所定の発光波長を得るための最適な成長条件を示したものではない。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、出力光又は入力光の所望の波長に対応した最適な成長条件にて窒化ガリウム系化合物半導体素子を製造し、高光強度の素子を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ；０＜Ｘ＜１）から成る活性層を有した素子のＭＯＶＰＥ法による製造において、得られた素子の出力光又は入力光の強度Ｉは、その波長をλ、供給されるＩｎを含むガスのモル比をＸ、結晶成長温度をＴとして、式（１）の関係式で表される。尚、Ｉは（λ、Ｘ、Ｔ）における出力又は入力可能な最大値である。
【０００６】
【数１】
Ｉ＝ｆ（λ、Ｘ、Ｔ） ─ （１）
【０００７】
式（１）を用い、所望の波長λｄ に対する光強度Ｉは式（２）にて求められる。
【数２】

【０００８】
よって、上記課題を解決するために、出力又は入力可能な光強度の供給されるＩｎを含むガスのモル比と結晶成長温度と波長とに関する特性図に基づいて、モル比と結晶成長温度とを決定し、その条件で活性層を結晶成長させることにより、活性層の結晶性が向上し、所望の波長及び光強度を得ることができる。
【０００９】
供給されるガスのモル比を、（トリメチルインジウム＋トリメチルガリウム）に対するトリメチルインジウムのモル比とすると、所定レベル以上の有効な光強度が得られるためのガスのモル比と結晶成長温度と波長とに関する特性図は図３に示される。よって、所望の波長λd の発光を得るために、λ＝λd の直線と特性図の境界との交点をＸ₁ 、Ｘ₂ とし、それら各交点Ｘ₁ 、Ｘ₂ に対応する結晶成長温度をＴ₁ 、Ｔ₂ とするとき、モル比をＸ₁ 〜Ｘ₂ の間、結晶成長温度をＴ₁ 〜Ｔ₂ の間の値を用いることで活性層を成長させるための最適な条件を容易に決定できる。又、この条件で活性層を結晶成長させることによって、結晶性が向上し、高光強度を有した所望の波長を得ることが可能である。
【００１０】
前述の式（２）に示されるように所望の波長において、光強度はモル比と成長温度との関数であるから、波長が決まれば光強度の最大値を得るためのモル比と成長温度は一義的に決定する。波長に関係する最大光強度を得るための成長条件を示した特性曲線は、図３の曲線Ｌ_P で示される。よって、請求項１に記載の手段の如く、出力光の所望の波長をλd とするとλ＝λd の直線と波長最大強度特性曲線Ｌ_P との交点をＸ₀ とし、その交点Ｘ₀ に対応する結晶成長温度をＴ₀ とするとき、活性層をモル比Ｘ₀ 、結晶成長温度Ｔ₀ で成長させることにより所望の波長λd における最大の光強度を得ることができる。
【００１１】
図３に示される特性図の境界点をＡ、Ｂ、Ｃ及びＤとし、それら各境界点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ間を結ぶ特性曲線で囲まれた領域内の成長条件（モル比は約０．６０〜０．９８の範囲内、成長温度は約５００ 〜１０００℃の範囲内）にて活性層を結晶成長させることにより、結晶性が向上し、高光強度を有した所望の波長を約３６０ 〜５８０ｎｍ の範囲内で得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、サファイア基板１１上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体で形成された発光素子１００の模式的な断面構成図である。基板１１の上には窒化アルミニウム（ＡｌＮ） から成る膜厚約２５ｎｍのバッファ層１２が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ から成る膜厚約４．０ μｍの高キャリア濃度ｎ^＋ 層１３が形成されている。この高キャリア濃度ｎ^＋ 層１３の上に膜厚約３５ÅのＧａＮ から成るバリア層１５１と膜厚約３５ÅのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ から成る井戸層（活性層）１５２とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１５が形成されている。バリア層１５１は６層、井戸層１５２は５層である。発光層１５の上にはｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ から成る膜厚約５０ｎｍのクラッド層１６が形成されている。さらに、クラッド層１６の上にはｐ型ＧａＮ から成る膜厚約１００ｎｍ のコンタクト層１７が形成されている。
【００１３】
又、コンタクト層１７の上には金属蒸着による透光性の電極１８Ａが、ｎ^＋ 層１３上には電極１８Ｂが形成されている。透光性の電極１８Ａは、コンタクト層１７に接合する膜厚約４０Åのコバルト（Ｃｏ）と、このＣｏに接合する膜厚約６０Åの金（Ａｕ）とで構成されている。電極１８Ｂは膜厚約２００ Åのバナジウム（Ｖ） と膜厚約１．８ μｍのアルミニウム（Ａｌ）又はＡｌ合金で構成されている。
【００１４】
次に、この発光素子１００の製造方法について説明する。
上記発光素子１００は、ＭＯＶＰＥ法による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ_３） 、キャリアガス（Ｈ_２，Ｎ_２） 、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＧ 」と記す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＡ 」と記す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＩ 」と記す）、シラン（ＳｉＨ_４）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ_５Ｈ_５）_２） （以下「ＣＰ_２Ｍｇ 」と記す）である。
【００１５】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶の基板１１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ_２を流速２ ｌｉｔｅｒ／分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃で基板１１をベーキングした。
【００１６】
次に、温度を４００ ℃まで低下させて、Ｈ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ を１．８ ×１０^−５モル／分で供給してＡｌＮ から成るバッファ層１２を約２５ｎｍの膜厚に形成した。
バッファ層１２の形成後、基板１１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．７ ×１０^−４モル／分、Ｈ_２ガスにより０．８６ｐｐｍ に希釈されたシランを２０×１０^−８モル／分で供給し、膜厚約４．０ μｍ、電子濃度２ ×１０^１８／ｃｍ^３のＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ^＋ 層１３を形成した。
【００１７】
上記のｎ^＋ 層１３を形成した後、続いて、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を２．０ ×１０^−４モル／分で供給して、膜厚約３５ÅのＧａＮ から成るバリア層１５１を形成した。
次に、Ｎ_２又はＨ_２、ＮＨ_３ の供給量を一定とし、基板１１の温度を ７００℃にして、ＴＭＧ を ４．０×１０^−６モル／分、ＴＭＩ を１５×１０^−６モル／分で供給して、膜厚約３５ÅのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ から成る井戸層１５２を形成した。このとき、（ＴＭＧ＋ＴＭＩ）に対するＴＭＩ のモル比Ｘｖ は０．７９である。このバリア層１５１と井戸層１５２を同一条件で５周期形成し、その上にＧａＮ から成るバリア層１５１を形成した。このようにして５周期のＭＱＷ構造の発光層１５を形成した。
【００１８】
次に、基板１１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．０ ×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を１．０ ×１０^−４モル／分、ＣＰ_２Ｍｇ を２ ×１０^−５モル／分で供給して、膜厚約５０ｎｍ、濃度５ ×１０^１９／ｃｍ^３のマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ から成るクラッド層１６を形成した。
【００１９】
次に、基板１１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０^−４モル／分、ＣＰ_２Ｍｇ を２ ×１０^−５モル／分で供給して、膜厚約１００ｎｍ 、濃度５ ×１０^１９／ｃｍ^３のＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ から成るコンタクト層１７を形成した。
【００２０】
次に、コンタクト層１７の上にエッチングマスクを形成し、所定領域のエッチングマスクを除去して、エッチングマスクで覆われていない部分のコンタクト層１７、クラッド層１６、発光層１５、ｎ^＋ 層１３の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ^＋ 層１３の表面を露出させた。
【００２１】
次に、エッチングマスクを残した状態で、全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ^＋ 層１３の露出面上の所定領域に窓を形成し、１０^−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約２００ Åのバナジウム（Ｖ） と膜厚約１．８ μｍのＡｌを蒸着する。この後、フォトレジスト及びエッチングマスクを除去することにより、ｎ^＋ 層１３の露出面上に電極１８Ｂが形成される。
【００２２】
続いて、表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフによりコンタクト層１７上の電極形成部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、コンタクト層１７を露出させる。露出させたコンタクト層１７の上に、１０^−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空に排気した後、Ｃｏを膜厚約４０Åに成膜し、このＣｏ上にＡｕを膜厚約６０Åに成膜する。次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したＣｏとＡｕとを除去し、コンタクト層１７に対する透光性の電極１８Ａを形成する。
【００２３】
次に、電極１８Ａ上の一部にボンディング用の電極パッド２０を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、その電極パッド２０の形成部分のフォトレジストに窓を形成する。次に、ＣｏもしくはＮｉとＡｕ、Ａｌ、又は、それらの合金を膜厚１．５ μｍ程度に、蒸着により成膜させ、リフトオフ法により、フォトレジスト上に蒸着により堆積したＣｏもしくはＮｉとＡｕ、Ａｌ、又はそれらの合金から成る膜を除去して、電極パッド２０を形成する。
その後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、Ｏ_２ガスを供給して圧力３Ｐａとし、その状態で雰囲気温度を約５５０ ℃にして、３分程度、加熱し、コンタクト層１７、クラッド層１６をｐ型低抵抗化すると共にコンタクト層１７と電極１８Ａとの合金化処理、ｎ^＋ 層１３と電極１８Ｂとの合金化処理を行った。このようにして、ｎ^＋ 層１３に対する電極１８Ｂとコンタクト層１７に対する電極１８Ａを形成した。
【００２４】
上記に示すように、成長温度を ７００℃とし、ＴＭＩ のモル比Ｘｖ を０．７９として井戸層１５２を成長させることで、約 ４７０ｎｍの波長発光が得られ、結晶性が良好で有効な発光強度が得られた。
発光波長はＩｎの組成比、即ち成長時のモル比Ｘｖ によって定まり、さらに良好な結晶性を得て有効な発光強度を得るためには適切な結晶成長温度が必要とされる。前述の式（２）に示されるように、所望の波長λｄ に対する発光の最大強度Ｉは、モル比Ｘｖ と成長温度Ｔとの２変数関数であるから、波長毎の関係を模式的に示せば図４のようになる。ここで、波長は、一例として４００ｎｍ 、４８０ｎｍ 、５５０ｎｍ の３つの場合を記した。この図に見られるように各波長毎に特性曲面Ｌ_１ 、Ｌ_２ 、Ｌ_３ が得られ、各条件での最大強度Ｉが閾値Ｉ_ＴＨを越えた有効な最大強度Ｉを得るための成長条件は閾線Ｌ_ＴＨより上側の領域で示される。
【００２５】
図４に基づいて、各波長毎に成長温度を一定に保持したときの最大強度Ｉとモル比Ｘｖ との関係を示せば図５のようになる。図５（ａ）より、モル比Ｘｖ を約０．７８〜０．９８とし、成長温度Ｔを約７８０ 〜１０００℃としたとき、閾値Ｉ_ＴＨを越えた有効な発光強度を有した４００ｎｍ の波長が得られる。又、この図より４００ｎｍ の波長においてモル比Ｘｖ を約０．９０とし、成長温度Ｔを約８５０ ℃としたとき、最大の発光強度が得られることがわかる。
同様に図５（ｂ）よりモル比Ｘｖ を約０．６６〜０．８７とし、成長温度Ｔを約６００ 〜７３０ ℃としたとき、有効な発光強度を有した４８０ｎｍ の波長が得られ、モル比Ｘｖ を約０．７５とし、成長温度Ｔを約６５０ ℃としたとき、最大の発光強度が得られる。図５（ｃ）ではモル比Ｘｖ を約０．６１〜０．７１とし、成長温度Ｔを約５２０ 〜５７０ ℃としたとき、有効な発光強度を有した５５０ｎｍ の波長が得られ、モル比Ｘｖ を約０．６３とし、成長温度Ｔを約５２０ ℃としたとき、最大の発光強度が得られる。このように有効な発光強度を有した所望の波長を得るための適切な成長条件、及び最大の発光強度を得るための適切な成長条件が存在する。
【００２６】
図３は、図４、５を基に発光強度が所定レベルのときの波長λ、モル比Ｘｖ 及び成長温度Ｔの関係を示したものである。図３より、モル比Ｘｖ の増加に伴って閾値Ｉ_ＴＨ以上の最大強度Ｉが得られる発光波長が短波長化し、所定の波長においてはモル比Ｘｖ の増加に伴って成長温度Ｔが高温化することがわかる。この図を用いて所望の波長を得るためのモル比Ｘｖ と成長温度Ｔとを容易に決定することが可能となる。例えば、本実施例では成長温度を ７００℃とし、ＴＭＩ のモル比Ｘｖ を０．７９として井戸層１５２を成長させることにより、有効な発光強度を有する約 ４７０ｎｍの発光波長を得たが、図３を用いることでこの発光波長を得るためのモル比Ｘｖ と成長温度Ｔの範囲を容易に設定することが可能である。
【００２７】
同様に、例えば有効な発光強度を有する約４５０ｎｍ の波長を得るためには、図３上に４５０ｎｍ の線を横軸に平行に引き、この線と特性図の境界との交点の座標を求めると約０．７０、０．９８である。この各交点における成長温度Ｔは図より約６８０ ℃、１０００℃である。よって、井戸層１５２の成長条件（Ｘｖ 、Ｔ）を約（０．７０、６８０ ℃）〜（０．９８、１０００℃）の範囲とすることにより有効な発光強度を有する約４５０ ｎｍの発光波長を得ることが可能である。このように、図３を用いて成長条件を設定することにより有効な発光強度を有した所望の波長を得ることができる。
又、図３に示される特性図の境界点Ａ（Ｘｖ＝約０．５９、Ｔ＝ 約５００ ℃）、Ｂ（Ｘｖ＝約０．６７、Ｔ＝ 約５００ ℃）、Ｃ（Ｘｖ＝約０．９８、Ｔ＝ 約１０００℃）及びＤ（Ｘｖ＝約０．８７、Ｔ＝ 約１０００℃）の各点を結んだ特性曲線Ａ−Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ｃ−Ｄ及びＤ−Ａで囲まれた領域内の成長条件を用いることにより、約３６０ｎｍ（点Ｄ） 〜５８０ｎｍ（点Ｂ） の範囲内で所望の波長を得ることができる。このとき、モル比Ｘｖ は約０．５９（ 点Ａ） 〜０．９８（ 点Ｃ） の範囲内で、成長温度Ｔは約５００ ℃（ 点Ａ、Ｂ）〜１０００℃（ 点Ｃ、Ｄ） の範囲内で用いられる。
又、発光強度がＩ_ＴＨを越えた有効な全範囲での、波長、モル比及び成長温度の関係を示せば図２のようになる。図２に示される領域内の成長条件を用いることで有効な発光強度を有した所望の波長を得ることができる。
【００２８】
所望の波長において最大の発光強度を得るためのモル比Ｘｖ と成長温度Ｔは一義的に決定される。図４の各特性曲面Ｌ_１ 、Ｌ_２ 及びＬ_３ の各ピーク値Ｐ_１ 、Ｐ_２ 及びＰ_３ を結ぶ線Ｌ_Ｐ は、最大発光強度を得ることが可能な成長条件を示す波長最大発光強度特性曲線を示し、この特性曲線Ｌ_Ｐ は図３上にも示される。このように、図３に示される特性曲線Ｌ_Ｐ 上の成長条件にて井戸層１５２を成長させることにより所望の波長における最大の発光強度を得ることができる。
【００２９】
本実施例では、井戸層１５２の組成をＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ としたが、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）であればよい。
又、本実施例では、発光素子１００の発光層１５はＭＱＷ構造としたが、ＳＱＷやＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）から成る単層としてもよい。
又、本発明はＬＥＤやＬＤなどの発光素子や受光素子に適用できる。
【００３０】
上記に示されるように、本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ；０＜Ｘ＜１）から成る活性層を有した素子において、出力又は入力可能な光強度の供給されるＩｎを含むガスのモル比と結晶成長温度と波長とに関する特性図に基づいて、所望の波長を得るように最適なモル比と結晶成長温度とを決定し、その条件にてＭＯＶＰＥ法により活性層を結晶成長させることにより、所望の波長及び所望の光強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係わる発光素子の構成を示した模式的断面図。
【図２】本発明の具体的な実施例に係わる発光素子の製造方法における活性層の最適成長条件を示した特性図。
【図３】本発明の具体的な実施例に係わる発光素子の製造方法における活性層の最適成長条件及び波長最大強度特性曲線を示した特性図。
【図４】本発明の具体的な実施例に係わる発光素子の製造方法において、強度、モル比及び成長温度との関係を波長毎に示した模式図。
【図５】本発明の具体的な実施例に係わる発光素子の製造方法において、成長温度を一定にしたときの強度とモル比との関係を波長毎に示した模式図。
【符号の説明】
１１ サファイア基板
１２ バッファ層
１３ 高キャリア濃度ｎ^＋ 層
１５ 発光層
１６ クラッド層
１７ コンタクト層
１８Ａ ｐ電極
１８Ｂ ｎ電極
２０ 電極パッド
１００ 発光素子
１５１ バリア層
１５２ 井戸層

Claims (1)

1. 窒化ガリウム系化合物半導体(In_XGa_1-XN;0<X<1)から成る活性層を有した素子の有機金属気相成長法を用いた製造方法であって、
   Inを含むガスのモル比と結晶成長温度と波長とに関する図３に示す特性図に基づいて、所望の波長λd の発光を得るために、λ＝λd の直線と波長最大強度特性曲線Ｌ_P との交点をＸ₀ とし、その交点Ｘ₀ に対応する前記結晶成長温度をＴ₀ とするとき、前記モル比をＸ₀ 、前記結晶成長温度をＴ₀ にして前記活性層を結晶成長させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。

Images