JP3642199B2

JP3642199B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP3642199B2
Application number: JP26789998A
Authority: JP
Inventors: 保成奥; 英徳亀井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP2000101140A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、特に発光輝度の高い青色や緑色の発光ダイオードの分野での実用化や青紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
このＧａＮ系化合物半導体を用いた発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によってＧａＮ系半導体薄膜を成長させるのが近来では主流である。有機金属気相成長法は、基板を設置した反応管内に３族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）等）と、５族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給し、基板温度をおよそ７００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と活性層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。そして、ｎ型層の表面及びｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極及びｐ側電極を接合形成したものとして発光素子を得ることができる。
【０００４】
このようなＧａＮ系化合物半導体を利用した発光素子は、近来では、基板として絶縁性のサファイアが一般的に利用され、このサファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体の薄膜を積層して作製されたダブルヘテロ構造を含むものが多い。
【０００５】
ところで、ＧａＮを含む化合物半導体の結晶成長においては、成長用の基板として、その上に成長させる化合物半導体との格子定数差や熱膨張係数差が小さいことが好ましいことが従来から広く知られている。しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体の薄膜成長においては、ＧａＮ系化合物半導体との格子定数差及び熱膨張係数差が非常に大きいにもかかわらず、従来からサファイアが専ら用いられてきた。これは、ＧａＮ系化合物半導体の結晶成長温度が高く、また結晶成長温度付近での窒素の平衡蒸気圧が高いことから従来の３−５族化合物半導体のように融液からのバルク単結晶を成長させることが困難であるため、比較的安価なＧａＮ系化合物半導体の基板を得ることができないというのが一つの理由である。
【０００６】
一方、ＧａＮ系化合物半導体を用いた基板を得るための種々の方法も既に提案され、たとえば特開平７−２０２２６５号公報や特開平９−３１２４１７号公報等にその方法が開示されている。また、これらの公報に記載の方法によって得られたＧａＮ系化合物半導体を用いた基板を持つ発光素子についても、たとえば特開平７−９４７８４号公報や特開平９−３１２４１７号公報等にその開示がある。図３はこれらの公報に記載された発光素子の断面図である。
【０００７】
図３において、ＧａＮを用いた基板２１の上に、ＧａＮのｎ型層２２と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる活性層２３と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｐ型層２４と、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２５とが順次積層されている。そして、基板２１の底面及びｐ型コンタクト層２５の上面には、それぞれｎ側電極２６及びｐ側電極２７とが形成されている。
【０００８】
このように、先の公報に記載のＧａＮ系化合物半導体を用いた発光素子は、活性層２３をこれ自身よりもバンドギャップの大きなｎ型層２２とｐ型層２４とで挟んだダブルヘテロ構造であり、信頼性に富んだ高効率の発光が可能な発光素子が得られるとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ダブルヘテロ構造の半導体発光素子では、活性層はｐ及びｎのクラッド層で挟まれた構成とする必要がある。そして、活性層としてＩｎＧａＮを用いた半導体発光素子では、クラッド層としてＧａＮを用いることができることは周知であるが、ＧａＮの基板を用いた発光素子においても、基板上にクラッド層と活性層と活性層上に形成されるクラッド層とを順次積層することに変わりはない。したがって、ＧａＮを基板として用いる場合でも、製造工程数が多く製品歩留りにも限界がある。
【００１０】
これに対し、ＧａＮの基板の上にｎ型のクラッド層を形成しないまま活性層を直に接触させて積層するようにすれば、ｎ型クラッド層を形成する工程が省かれ、生産性の面では好ましい。しかしながら、従来の有機金属気相成長法によってＧａＮの基板を製造するとき、サファイアを基板とする場合に比べると、製造工程またはその後の工程において表面にダメージを受けやすい。
【００１１】
すなわち、サファイア基板の製造はサファイアと同一の材料であるアルミナの融液からの引き上げによる結晶成長法を用いるものが一般的であり、サファイア基板に導入される結晶欠陥は非常に少ないとされている。これに対して、ＧａＮの基板の従来の製造方法は、先の挙げた公報に記載のものも含めて、格子定数差が大きいサファイアの上に有機金属気相成長法を用いて成長形成するというものである。この場合、サファイアの上にバッファ層を介して成長させたとしても、サファイアとの間の格子定数や熱膨張係数の差が大きなＧａＮ中には、この差に起因して結晶欠陥が多数存在する。したがって、ＧａＮの結晶成長後にサファイア基板を機械的に除去する工程で、クラックが発生したり、表面の研磨によりＧａＮ中の欠陥が表面露出したりすることがある。このような理由から、サファイアに比べるとＧａＮを用いた基板の表面はダメージを受けやすい。
【００１２】
ＧａＮの基板の表面にダメージを受けると表面の結晶性や平坦性が不良となり、その上に積層形成する活性層の発光特性を大きく損ねることになる。したがって、工程数の削減によって生産性の改善は図れるものの、発光性能の低下を招く可能性が高く、製品品質への影響は無視できない。
【００１３】
本発明において解決すべき課題は、ＧａＮを用いた基板への活性層の積層を最適化するとともに製造工程も削減できるＧａＮの基板を持つ窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた基板の上に直に接触させて活性層を成長させる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造について鋭意検討を行った。その結果、ＧａＮの基板の上に直接ＩｎＧａＮを成長させるに際し、成長前に基板を特定の雰囲気ガス中で熱処理を行うことにより結晶性良く成長させることができることを見いだした。
【００１５】
すなわち、本発明は、導電性であって光透過性の窒化ガリウムを基板とし、前記基板の一面側にｎ側電極を形成し、前記基板の他面側に窒化インジウムガリウムの活性層を直に接触させて形成するとともに前記活性層の表面にｐ型の化合物半導体層を積層形成し、前記ｐ型の化合物半導体層の表面にｐ側電極を形成する半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層を成長させる前に、前記基板の表面を、少なくともアンモニアガスを含む雰囲気ガスの中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、導電性であって光透過性の窒化ガリウムを基板とし、前記基板の一面側にｎ側電極を形成し、前記基板の他面側に窒化インジウムガリウムの活性層を直に接触させて形成するとともに前記活性層の表面にｐ型の化合物半導体層を積層形成し、前記ｐ型の化合物半導体層の表面にｐ側電極を形成する半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層を成長させる前に、前記基板の表面を、少なくともアンモニアガスを含む雰囲気ガスの中で熱処理する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、アンモニアガスを含む雰囲気ガス中での熱処理によって、窒化ガリウムの基板の表面の結晶性を高めるとともに活性層の発光特性を劣化させることのない半導体発光素子が得られるという作用を有する。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記雰囲気ガスは、窒素ガスと水素ガスとを含むことを特徴とする混合ガスであることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、窒化ガリウムの基板表面の結晶性を更に一層改善させることができるいう作用を有する。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の製造方法によって得た窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００１９】
図１において、基板１の上にはその表面に直に接触させて、ＧａＮよりもバンドギャップの小さいＩｎＧａＮの活性層２を成長させて形成している。この活性層２は発光層として機能し、ｐ型不純物及びｎ型不純物をドープする方法や、活性層２を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を調整する方法等により、発光波長を調整して所望の発光色が得られる。特に、活性層２の厚さを約１０ｎｍ以下として量子井戸構造とすると、量子井戸効果等により、高効率で単色性の良い発光素子が得られる。
【００２０】
活性層２の上には、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３を形成している。このｐ型クラッド層３は、活性層２よりもバンドギャップの大きい窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであればよい。特に、ＡｌＧａＮをｐ型クラッド層３として用いると、基板１側から活性層２に注入されたキャリアである電子をこの活性層２内に効率良く閉じ込めることができるので好ましい。
【００２１】
さらに、ｐ型クラッド層３の上には、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４を形成し、このｐ型コンタクト層４の上にはｐ側電極６が形成されている。ｐ型コンタクト層４はＧａＮを用いることが好ましいが、Ｉｎを含むＩｎＧａＮ等も好ましく用いることができる。ｐ側電極６はニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属材料を用いたもので、単層または複層あるいは合金で形成することができる。
【００２２】
一方、ＧａＮの半導体層を形成しない側の基板１の表面には、ｎ側電極７が形成されている。このｎ側電極７としては、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）またはＡｕ等の金属材料を用い、単層または複層あるいは合金で形成することができる。
【００２３】
ここで、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮを用いた基板１上に直に接触させてＩｎＧａＮからなる活性層２を成長させるに際して、活性層２を成長させる前に、基板１の表面を、少なくともアンモニアを含む雰囲気ガス中で熱処理する工程を含むことが特徴であり、以下このことについて説明する。
【００２４】
本発明者らは、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた基板の場合、基板自身の製造工程またはその後工程において受けたダメージ等がその表面に少なからず残存していることを発見した。そして、ダブルヘテロ構造の積層体とする製造の場合、従来の技術のように基板上にクラッド層を形成するものでは、このクラッド層が基板１の表面のダメージ等を緩和する緩衝層として作用することが判った。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた基板の表面がクラッド層によってコーティングされた状態となり、クラッド層の上に活性層を積層することで基板表面のダメージの影響が抑えられることを確認した。
【００２５】
以上のことから、表面にダメージを受けたＧａＮの基板の上に直に活性層を積層形成するよりも、クラッド層を介在させることで活性層の表面粗度を適性化でき、発光性能や特性への影響も少ないことが判る。したがって、本発明の製造方法による半導体発光素子の場合では、基板１の上に直に発光層となるＩｎＧａＮの活性層２を成長させるので、基板１の表面のダメージ等が活性層２の結晶性に影響を及ぼし、良好な発光特性が得られにくくなる可能性があることは十分に推測できる。
【００２６】
そこで、種々の検討を重ねた結果、ＧａＮ等の基板１上に直にＩｎＧａＮ等の活性層２を接触させてを成長させるに際し、基板１の表面を、少なくともアンモニアを含む雰囲気ガス中で熱処理することが有効であることを見いだした、また、アンモニアに加えて窒素ガスと水素ガスとを含む雰囲気ガスを用いてもより一層の効果が得られ、基板１の表面のダメージ等を軽減されるとともに基板１の表面の平坦性や結晶性が改善されることが確認できた。
【００２７】
基板１を熱処理するとその表面で原子再配列が起きるための表面の改質や結晶性の改善に有効であることは広く知られている。そして、アンモニアを含む雰囲気ガス中で基板１を熱処理する場合では、雰囲気ガス中のアンモニアが分解して生成された窒素原子が基板１に含まれたＧａＮ組成と反応して原子再配列を促すように作用するものと推測される。したがって、アンモニアを含む雰囲気ガス中での基板１の熱処理を施すことは、基板１表面での原子再配列が一段と促進されて表面改質が進み、これによって基板１の表面のダメージ等の低減に大きく貢献する。
【００２８】
更に、熱処理の際の雰囲気ガスとして、アンモニアに加えて窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを用いることにより、原子再配列の際の原子のマイグレーションが促進されるものと思われる。
【００２９】
熱処理の温度は９００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。９００℃よりも低いと熱処理により基板１の表面の結晶性を改善する効果が低下し、１２００℃よりも高いと基板１を構成するＧａＮから窒素が解離する傾向にあるからである。
【００３０】
図２は本発明の製造方法によって得た別の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面図である。なお、図１に示した発光素子と同じ構成部材については同一の符号を付して示している。
【００３１】
図２において、図１に示したｐ型クラッド層３に相当する半導体積層部を、ＧａＮからなる第１のクラッド層３１とＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層３２との二重層構造としている。すなわち、活性層３に直に接する側にＧａＮからなる第１のクラッド層３１を設けることにより、ＧａＮからなる基板１上に直に成長形成された活性層２の結晶性を良好に保持できる構成となっている。これにより、さらに一層高効率の発光素子を実現することが可能となる。
【００３２】
【実施例】
図２に示した発光素子の製造方法は次のとおりであり、これは有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものである。
【００３３】
まず、十分に洗浄されたＧａＮからなる基板１を反応管内の基板ホルダーに載置する。
【００３４】
次に、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板１を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。
【００３５】
基板１の表面のクリーニング後、基板１の温度を約１１００℃に保持し、アンモニアを１リットル／分、窒素ガスを４リットル／分、及び水素ガスを５リットル／分で流しながら、基板１の表面を１５分間熱処理する。
【００３６】
基板１の表面を熱処理した後、アンモニアと窒素ガスと水素ガスとを流しながら基板１の表面温度を７５０℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、及びＴＭＩ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３０秒間成長させて、アンドープのＩｎＧａＮからなる活性層２を３ｎｍの厚さで成長させる。
【００３７】
活性層２を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガスのみを止め、主キャリアガスとアンモニアとをそのままの流量で流し、ＴＭＧ用のキャリアガスを０．５ｃｃ／分で流すとともに、基板１の温度を１０５０℃に向けて上昇させながら、活性層２の成長に連続してＧａＮからなる第１のクラッド層３１を成長させる。そして、第１のクラッド層３１の膜厚が４０Åに達したら、ＴＭＧ用のキャリアガスを止め、そのまま基板１の温度を１０５０℃まで上昇させる。
【００３８】
基板１の温度が１０５０℃に達したら、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分、Ｍｇ源であるＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを５０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層３２を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００３９】
引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層４を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００４０】
成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００４１】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対して、フォトリソグラフィーと蒸着法により、基板１の表面にｎ側電極７を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層４の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極６を蒸着形成する。
【００４２】
この後、ダイシング等によりチップ状に分離して、図２に示すような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、アンモニアガスまたはこれに加えて窒素ガスや水素ガスを含む雰囲気ガス中で熱処理して窒化ガリウムの基板表面の結晶性を改善できるので、窒化ガリウムの基板の表面に直に活性層を積層しても、その発光特性を劣化させることのない製品が得られる。また、基板と活性層との間にクラッド層を形成する工程が省かれるので、製品歩留り及び生産性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって得た窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の製造方法によって得た別の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面図
【図３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【符号の説明】
１基板
２活性層
３ｐ型クラッド層
４ｐ型コンタクト層
６ｐ側電極
７ｎ側電極
３１第１のクラッド層
３２第２のクラッド層

Claims

導電性であって光透過性の窒化ガリウムを基板とし、前記基板の一面側にｎ側電極を形成し、前記基板の他面側に窒化インジウムガリウムの活性層を直に接触させて形成するとともに前記活性層の表面にｐ型の化合物半導体層を積層形成し、前記ｐ型の化合物半導体層の表面にｐ側電極を形成する半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層を成長させる前に、前記基板の表面を、少なくともアンモニアガスを含む雰囲気ガスの中で熱処理する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記雰囲気ガスは、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。