JP3642157B2 - p型III族ナイトライド化合物半導体、発光ダイオードおよび半導体レーザ - Google Patents
p型III族ナイトライド化合物半導体、発光ダイオードおよび半導体レーザ Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガリウム(Ga),アルミニウム(Al),ホウ素(B)およびインジウム(In)からなる群のうちの少なくとも1種のIII族元素と、窒素(N)と、マグネシウム(Mg),亜鉛(Zn)および炭素(C)からなる群のうちの少なくとも1種のp型不純物とを含むp型III族ナイトライド化合物半導体、並びにこれを用いた発光ダイオードおよび半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、短波長光源素子,耐環境素子または高周波電子素子などの分野では、これらを構成する材料としてGaN,AlGaN混晶,InGaN混晶またはBAlGaInN混晶などのIII族ナイトライド化合物半導体が有望視されている。特に最近、このIII族ナイトライド化合物半導体を用いた発光ダイオード(LED)が実用化され注目を集めている。また、半導体レーザ(LD)の達成も報告され、光ディスクを初めとした応用が期待されている。
【0003】
このような素子の実用化を図る際には、デバイスとして使用し得る程度の高品質なIII族ナイトライド化合物半導体を効率よく作製することが重要である。特に、光デバイスにおいては、光や電子を正孔に閉じ込めかつ効率よく電流を流すために、高品質のp型およびn型のIII族ナイトライド化合物半導体を作製することが望まれる。
【0004】
ちなみに、III族ナイトライド化合物半導体を作製する方法としては、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;MOCVD)法や分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)などがある。例えばMOCVD法では、ゲルマニウム,アルミニウムおよびインジウムなどのIII族元素の原料ガス(有機金属ガス)を窒素の原料ガス(例えばアンモニア(NH3 )ガス)と共に加熱した基板の上に供給して反応させ、III族ナイトライド化合物半導体を基板の上にエピタキシャル成長させる。また、MBE法では、III族元素および窒素の粒子線を基板に照射して、III族ナイトライド化合物半導体を基板の上にエピタキシャル成長させる。
【0005】
その際、n型の半導体を作製するのであれば、珪素(Si)などのn型不純物の原料ガスあるいは粒子線をIII族元素および窒素の原料ガスあるいは粒子線と共に供給する。これにより、容易に高い結晶性および電気伝導性を有するn型のIII族ナイトライド化合物半導体を作製することができる。一方、p型の半導体を作製するのであれば、マグネシウム,亜鉛あるいは炭素などのp型不純物の原料ガスあるいは粒子線をIII族元素および窒素の原料ガスあるいは粒子線と共に供給して結晶を成長させたのち、必要に応じて低速電子線照射や熱アニールなどによりキャリアを活性化させる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、n型のIII族ナイトライド化合物半導体は容易に作製することができるのに対し、p型のIII族ナイトライド化合物半導体は作製が困難であり、結晶性および電気伝導性が低く、また結晶の成長面内(基板の表面と平行な面内)において組成比やp型不純物濃度が不均一になってしまうという問題があった。これは、III族元素の原料ガスあるいは粒子線とp型不純物の原料ガスあるいは粒子線とが基板に到達する前に反応してしまうためであると考えられる。
【0007】
特に、p型不純物としてマグネシウムを添加したp型AlGaN混晶の作製は困難であり、母体結晶であるAlGaN混晶のアルミニウム組成がマグネシウムを添加しない場合に比べて著しく低くなってしまうと共に、p型としての電気的特性も同程度のマグネシウムを添加したGaNに比べて著しく劣ってしまう。すなわち、III族元素のうち特にアルミニウムとp型不純物のマグネシウムとが反応しやすいものと考えられる。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、結晶性および電気伝導性が高く、かつ結晶の成長面内における組成比やp型不純物濃度が均一のp型III族ナイトライド化合物半導体、並びにこれを用いた発光ダイオードおよび半導体レーザ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p型III族ナイトライド化合物半導体は、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたものである。
【0010】
本発明の第2のp型III族ナイトライド化合物半導体は、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたものである。
【0011】
本発明の発光ダイオードは、p型III族ナイトライド化合物半導体を有し、このp型III族ナイトライド化合物半導体が、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたものである。
また、本発明の半導体レーザは、p型III族ナイトライド化合物半導体を有し、このp型III族ナイトライド化合物半導体が、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたものである。
【0012】
本発明のp型III族ナイトライド化合物半導体では、組成とp型不純物(マグネシウム)の濃度とが互いに異なる第1の層と第2の層とが交互に複数層それぞれ積層されており、全体で1つのp型III族ナイトライド化合物半導体としての性質を有している。これにより、共に含まれると良好な結晶を成長させることができないIII族元素とp型不純物とを、第1の層と第2の層とに分けて形成することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の一実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体の構成を表すものである。このp型III族ナイトライド化合物半導体は、III族元素であるアルミニウムおよびガリウムと窒素とからなる母体結晶にp型不純物としてマグネシウムが添加されたものである。但し、このp型III族ナイトライド化合物半導体は、組成あるいは含有するIII族元素の種類およびp型不純物濃度が全体にわたって均一なわけではなく、それらが互いに異なる第1の層11と第2の層12とを交互に複数層それぞれ備えている。
【0015】
例えば、図1において括弧書きにより例示したように、第1の層11はAlGaN混晶により構成され、第2の層12はp型不純物としてマグネシウムを含むp型GaNにより構成される。すなわち、このp型III族ナイトライド化合物半導体は、構成元素であるIII族元素のアルミニウムとp型不純物のマグネシウムとのうち、アルミニウムを含みマグネシウムを含まない第1の層11とマグネシウムを含みアルミニウムを含まない第2の層12とを交互に積層したものである。
【0016】
また、図1においては例示してないが、第1の層11は第2の層12よりもp型不純物濃度が低くIII族元素のアルミニウム組成比が高いマグネシウム含有p型AlGaN混晶により構成され、第2の層12は第1の層11よりもp型不純物濃度が高くアルミニウム組成比が低いマグネシウム含有p型AlGaN混晶により構成される場合もある。すなわち、このp型III族ナイトライド化合物半導体は、第2の層12よりもアルミニウムを多く含む第1の層11と、第1の層11よりもマグネシウムを多く含む第2の層12とを交互に積層したものである。
【0017】
なお、第1の層11および第2の層12の厚さは、例えばそれぞれ1〜100nm程度である。このように、本実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体は第1の層11および第2の層12の厚さがそれぞれ薄いので、マグネシウムを含まない第1の層11とアルミニウムを含まない第2の層12とを積層したものであっても、全体としてはp型AlGaN混晶としての性質を持つことができる。また、マグネシウムの濃度およびアルミニウムの組成比が異なる第1の層11と第2の層12とを積層したものであっても、全体としては1つのp型AlGaN混晶としての性質を持つことができる。ちなみに、第1の層11と第2の層12の厚さは同一でも同一でなくてもよい。
【0018】
このような構成を有するp型III族ナイトライド化合物半導体は次のようにして製造することができる。
【0019】
まず、適宜な基板(例えばサファイア基板)を用意し、適宜な炉内においてMOCVD法あるいはMBE法などにより、第1の層11としてマグネシウムを添加しないAlGaN混晶層と、第2の層12としてマグネシウムを添加したp型GaN層とを交互に積層する(積層工程)。
【0020】
例えば、MOCVD法であれば、基板を適宜に加熱(例えば800〜1000℃)しながら適宜な原料ガスをキャリアガスと共に選択的に炉内に供給し、基板の上に各結晶層を成長させる。例えば、アルミニウムの原料ガスとしてはトリメチルアルミニウムガス((CH3 )3 Al),ガリウムの原料ガスとしてはトリメチルガリウムガス((CH3 )3 Ga),窒素の原料ガスとしてはアンモニアガス,マグネシウムの原料ガスとしてはビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガス(MeCp2 Mg)やビス=シクロペンタジエニルマグネシウムガス(Cp2 Mg)を用いる。キャリアガスとしては、水素ガス(H2 )や窒素ガス(N2 )などを用いる。なお、AlGaN混晶層を成長させる時には原料ガスのうちアルミニウム,ガリウムおよび窒素の原料ガスを選択的に供給し、p型GaN層を成長させる時にはマグネシウム,ガリウムおよび窒素の原料ガスを選択的に供給する。
【0021】
また、MBE法であれば、アルミニウム,ガリウム,窒素およびマグネシウムの各粒子線を基板に対して選択的に照射し、各結晶層を成長させる。
【0022】
このようにして第1の層11と第2の層12とを成長させたのち、必要に応じて熱処理を行う。これにより、第1の層11(AlGaN混晶層)のアルミニウムと第2の層12(p型GaN層)のマグネシウムとが一部において互いに拡散する。よって、この熱処理を行った場合、第1の層11はマグネシウムの濃度が低くアルミニウムの組成比が高いp型AlGaN混晶層となり、第2の層12はマグネシウムの濃度が高くアルミニウムの組成比が低いp型AlGaN混晶層となる。以上により、本実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体が形成される。
【0023】
このように本実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体によれば、AlGaN混晶よりなる第1の層11とp型不純物としてマグネシウムを含むp型GaNよりなる第2の層12とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、あるいはわずかにマグネシウムを含むp型AlGaN混晶よりなる第1の層11とわずかにアルミニウムを含むp型AlGaN混晶よりなる第2の層12とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、第1の層11および第2の層12の結晶性などをそれぞれ容易に高めることができる。よって、全体としてはp型AlGaN混晶としての性質を持たせつつ、結晶性および電気伝導性を向上させることができると共に、成長面内における組成およびp型不純物濃度の均一性も向上させることができる。
【0024】
また、本実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体の製造方法によれば、第1の層11としてのAlGaN混晶層と第2の層12としてのp型GaN層とを交互に積層するようにしたので、同時に供給すると良好な結晶を成長させることができないアルミニウムの原料とマグネシウムの原料とを時間的に分離して供給することができ、結晶性または電気伝導性が高く成長面内における組成またはp型不純物濃度が均一の第1の層11および第2の層12をそれぞれ形成することができる。従って、全体としてはp型AlGaN混晶としての性質を持つ良好なp型III族ナイトライド化合物半導体を容易に製造することができる。
【0025】
【実施例】
更に、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。
【0026】
本実施例では、まず、図2に示したように、サファイアよりなる基板21の上に厚さ約20nmのGaNよりなるバッファ層22および厚さ約1μmのGaN層23を形成し、その上に厚さ10nmのAlGaN混晶よりなる第1の層11と厚さ10nmのマグネシウムを添加したp型GaNよりなる第2の層12とを交互に20層づつ積層した。
【0027】
なお、これらの各層は図3に示したようにしてMOCVD法により形成した。すなわち、適宜な反応炉31の内部に設けられた載置台32の上に基板21を載置し、原料ガスをキャリアガスと共に基板21の表面(すなわち成長面)に対して平行に流した。また、基板21を載置台32に設けた図示しない加熱装置によって1000℃に加熱した。
【0028】
ちなみに、アルミニウムの原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウムの原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、窒素の原料ガスにはアンモニアガスを、マグネシウムの原料ガスにはビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガスをそれぞれ用い、成長させる層に応じて選択的に炉内に供給した。すなわち、第1の層11を成長させる際にはトリメチルアルミニウムガスとトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとをそれぞれ供給し、第2の層12を成長させる際にはビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウムガスとトリメチルガリウムガスとアンモニアガスとをそれぞれ供給した。また、キャリアガスには水素ガスと窒素ガスを用いた。
【0029】
次いで、キャリアを活性化するための熱処理を行った。以上により、本実施例の試料を作製した。
【0030】
そののち、この作製した試料に関し、第1の層11と第2の層12について積層方向全体を平均したアルミニウムの組成比をX線回折により分析した。分析は試料の成長面内における複数の位置(中心と上流側と下流側の3点)について行った。その分析結果を従来例と比較して図4に示す。なお、従来例は、本実施例の第1の層11および第2の層12に代えて、アルミニウムとガリウムと窒素とマグネシウムの各原料ガスを同時にそれぞれ供給してp型AlGaN混晶層を形成したことを除き、本実施例と同様にして作製した。
【0031】
図4からわかるように、従来例はアルミニウムの組成比が原料ガスの上流側で大きく、中央から下流側にかけては急速に小さくなっていた。これは、アルミニウムとマグネシウムの原料ガスが上流側で反応してしまい、成長面内におけるアルミニウムの組成比が不均一になってしまったものと考えられる。これに対して、本実施例は試料の位置によるアルミニウムの組成比の差が小さく、平均的にアルミニウムの組成比が高くなっていた。すなわち、本実施例によれば従来例に比べて結晶性および成長面内における組成の均一性が向上することがわかった。
【0032】
また、この作製した試料に関し、キャリア濃度を測定したところ1〜3×1017cm-3であった。従来例についてもキャリア濃度を測定しようとしたが、抵抗が高く電極を設置してもオーミックコンタクトを取ることができず、測定不能であった。すなわち、本実施例によれば従来例に比べて電気伝導性も向上することがわかった。
【0033】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その均等の範囲で種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および上記実施例においては、III族元素であるアルミニウムおよびガリウムと窒素とからなる母体結晶にp型不純物としてマグネシウムを添加したp型III族ナイトライド化合物半導体について説明したが、本発明は、ガリウム,アルミニウム,ホウ素およびインジウムからなる群のうちの少なくとも1種のIII族元素と、窒素と、マグネシウム,亜鉛および炭素からなる群のうちの少なくとも1種のp型不純物とを含むp型III族ナイトライド化合物半導体について広く適用することができる。
【0034】
なお、その製造に際しては、積層工程において、III族元素のうちの少なくとも1種を第1の層および第2の層のうちの第1の層のみに含み、かつp型不純物のうちの少なくとも1種を第1の層および第2の層のうちの第2の層のみに含む第1の層と第2の層とを交互にそれぞれ複数積層すればよい。
【0035】
また、上記実施の形態においては、p型III族ナイトライド化合物半導体を第1の層11と第2の層12とにより構成するようにしたが、本発明は、第1の層11および第2の層12に加えて他の層を備えていてもよい。例えば、上記実施の形態において熱処理により第1の層11(AlGaN混晶層)のアルミニウムと第2の層12(p型GaN層)のマグネシウムとがごく狭い範囲で拡散した場合など、AlGaN混晶よりなる第1の層11とp型GaNよりなる第2の層12との間にp型AlGaN混晶よりなる第3の層をそれぞれ備えていてもよい。
【0036】
更に、上記実施の形態および上記実施例においては、MOCVD法あるいはMBE法を用いて本発明のp型III族ナイトライド化合物半導体を製造する場合について説明したが、本発明は、他の方法を用いて製造する場合についても広く適用することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のp型III族ナイトライド化合物半導体によれば、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えるようにしたので、第1の層および第2の層の結晶性などをそれぞれ容易に高めることができる。よって、全体の結晶性および電気伝導性を向上させることができると共に、成長面内における組成およびp型不純物濃度の均一性も向上させることができる。従って、このp型III族ナイトライド化合物半導体を用いて、発光ダイオード,半導体レーザなどの短波長光源素子や耐環境素子や高周波電子素子などを構成すれば、その品質を改善することができるという効果を奏する。
【0038】
また、本発明のp型III族ナイトライド化合物半導体の製造方法によれば、III族元素のうちの少なくとも1種を第1の層および第2の層のうちの第1の層のみに含みかつp型不純物のうちの少なくとも1種を第1の層および第2の層のうちの第2の層のみに含む第1の層と第2の層とを交互に積層するようにしたので、同時に供給すると良好な結晶を成長させることができないIII族元素の原料とp型不純物の原料を時間的に分離して供給することができる。よって、結晶性または電気伝導性が高く成長面内における組成またはp型不純物濃度が均一の第1の層と第2の層とをそれぞれ形成することができる。従って、全体としてはp型AlGaN混晶としての性質を持つ良好なp型III族ナイトライド化合物半導体を容易に製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係るp型III族ナイトライド化合物半導体の構成図である。
【図2】本発明の一実施例においてMOCVD法により成長させた試料の構成図である。
【図3】図2に示した試料をMOCVD法により成長させる際の説明図である。
【図4】本発明の実施例で作製した試料の成長面内における位置とアルミニウムの組成比との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
11…第1の層、12…第2の層、21…基板、22…バッファ層、23…GaN層、31…反応炉、32…載置台
Claims (3)
- アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とするp型III族ナイトライド化合物半導体。
- p型III族ナイトライド化合物半導体を有する発光ダイオードであって、
前記p型III族ナイトライド化合物半導体は、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とする発光ダイオード。 - p型III族ナイトライド化合物半導体を有する半導体レーザであって、
前記p型III族ナイトライド化合物半導体は、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に高く、かつマグネシウムが相対的に低い濃度で添加された第1の層と、アルミニウム,ガリウムおよび窒素を含むと共に、アルミニウムの含有量が相対的に低く、かつマグネシウムが相対的に高い濃度で添加された第2の層とを交互に複数層それぞれ備えたことを特徴とする半導体レーザ。
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