JP3771987B2

JP3771987B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP3771987B2
Application number: JP4319597A
Authority: JP
Inventors: 淳小河; 貴之湯浅
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: JPH10242061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は青色または紫色発光ダイオード、青色または紫色レーザーダイオード製造方法、特にp型窒化ガリウム系化合物半導体を低抵抗にする製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色発光素子はフルカラーディスプレー用に使用されたり、また高密度記録可能な光ディスク用レーザー光源として期待されている。
【０００３】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた高輝度の青色発光ダイオードが実現された。これにより、青色または紫色レーザーダイオードを実現するために窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。
【０００４】
有機金属化合物気相成長法では、基板の入った反応炉に有機金属であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア等を水素ガス、窒素ガスをキャリアガスとして供給し、成長温度約６００℃でＧａＮやＡｌＮのバッファ層を成長させた後、１０００℃前後で窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる。必要に応じて、ｐ型、ｎ型にするため、ドーパントガスを前記有機金属化合物ガスに混合して供給する。ｐ型ドーパントとしてＭｇ、Ｚｎ、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅが用いられている。
【０００５】
しかし、従来の有機金属化合物気相成長法では、高抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体しか得られず、良好なｐ−ｎ接合を有する発光素子を作製することが困難であった。そこで、低抵抗のp型窒化ガリウム系化合物半導体を得るために、特開平５−１８３１８９号公報には、４００℃以上の窒素雰囲気中で熱処理する方法、また、特開平７−０９７３００号公報には、成長後に紫外線照射と窒素雰囲気中での熱処理を組み合わせた方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術においては、青色半導体レーザや高輝度発光ダイオードを実現するために必要となる抵抗率１Ωｃｍ以下の低抵抗なｐ型ＧａＮ膜や１００Ωｃｍ以下のＡｌＧａＮ膜等、窒化ガリウム系半導体層を実現できておらず、上記素子における動作電圧の駆動中の増加や発光効率の駆動中の低下があり、信頼性の高い素子が実現されていなかった。
【０００７】
これは、結晶中に添加されたｐ型不純物が成長中または成長直後の高温状態において、その結晶が囲まれている雰囲気中に含まれる水素原子と結合し、実使用状態である室温付近ではイオン化しないことが原因と考えられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させる最中、あるいは、該窒化ガリウム系半導体層の成長直後の高温状態において、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を含む窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法であることを特徴としている。
【０００９】
また、上記ｐ型不純物として、少なくともＭｇあるいはＺｎを含むことも特徴としており、さらに、上記赤外線はＭｇとＨ、またはＺｎとＨとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線であることも構成要素となっている。
【００１０】
本発明の上記の構成により成長された窒化ガリウム系半導体層は、成長中または成長直後に、ｐ型不純物と水素の結合に共鳴する赤外線を高温状態において照射するため、ｐ型不純物と水素の結合が効率良く切断される。これにより、窒化ガリウム系半導体層中でのｐ型不純物が室温で効率良くイオン化することが可能となり、結果、ｐ型で低抵抗な窒化ガリウム系半導体を実現するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
（実施例1）サファイア基板２を反応炉内に載置されたサセプター３上に設置する。炉内を真空排気した後、水素雰囲気において、ＲＦコイル４によって１１００℃で１０分間加熱して、基板のクリーニングを行う。次に基板温度を５５０℃まで冷却し、トリメチルガリウム（以下ＴＭＧと記す）を３０×１０^- ⁶ モル／分、ＮＨ₃を４．０リットル／分、キャリアの水素を２．０リットル／分流して、ＧａＮバッファ層を３００Å成長させる。次に、ＴＭＧの供給のみを停止し、成長温度を１０５０℃まで上昇させた後、赤外線ランプ１１を用いて、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。赤外線の波数は、バンドパスフィルター１０を用いて、３２００ｃｍ^- ¹ 〜３８００ｃｍ^- ¹ となるように調整した。これは、結晶中のＭｇ−Ｈ結合の吸収波長の±１０％の波長範囲に相当する。続いて、再度ＴＭＧを６０×１０^- ⁶ モル／分、さらにＣｐ₂ Ｍｇを４．０×１０^- ⁶ モル／分流して、ＭｇをドープしたＧａＮ膜を膜厚約４ｕｍ成長させる。
【００１３】
次にＴＭＧ、Ｃｐ₂ Ｍｇの供給を停止した後、赤外線ランプを消灯する。この後、加熱ヒーターを切り、水素とＮＨ₃ 雰囲気中で冷却する。４００℃でＮＨ₃ の供給を止めて水素雰囲気で冷却する。
【００１４】
上記のＭｇをドープしたＧａＮ膜のホール測定を行った結果、抵抗率１Ωｃｍ、キャリア濃度８×１０¹⁷ ｃｍ^-3 のｐ型導電性を示した。比較のため、赤外線照射を行わない場合のＧａＮ膜を測定したところ、高抵抗（１０⁸ Ωｃｍ以上）であった。また、赤外線照射を行わずに、結晶成長し、その後に窒素雰囲気中において７００℃で熱処理したＧａＮ膜の場合は、抵抗率２Ωｃｍ、キャリア濃度３×１０ ¹⁷ ｃｍ^-3 のｐ型特性であった。つまり、本発明を適用したサンプルの方がＭｇが活性化されて低抵抗になり、その活性化率も成長後に熱処理したＧａＮ膜と比較して２倍以上向上させることが可能となった。
【００１５】
これにより、１Ωｃｍ以下の抵抗率を有するｐ型窒化ガリウム系半導体層を形成することが可能となり、青色レーザや青色発光ダイオードの動作電圧の駆動中の上昇や発光効率の低下を防ぎ、信頼性の高い素子を実現することができた。
【００１６】
(実施例２)ＧａＮ基板２を反応炉内に設置されたサセプター３上に置く。反応炉１内を真空排気した後、水素雰囲気中で１１００℃で１０分間加熱して基板の清浄化を行う。次に基板温度を５５０℃まで冷却し、トリエチルガリウム（以下ＴＥＧと記す）とトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡと記す）をそれぞれ３０×１０^- ⁶モル／分、ＮＨ₃ を４．０リットル／分、キャリアの水素ガスを２．０リットル／分流して、ＡｌＧａＮバッファ層を３００Å成長させる。次に、ＴＥＧとＴＭＡの供給を停止した後、成長温度１０５０℃まで上昇させ、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。この場合の赤外線の波数帯は、バンドパスフィルター１０を使って、２７００ｃｍ^- ¹ 〜４２００ｃｍ^- ¹ とした。この赤外線の波数域は本発明を実施して作製したｐ型窒化ガリウム系半導体層の抵抗率を低下できる実験的に最適化した値である。
【００１７】
赤外線照射と同時に、ＴＥＧを６０×１０^- ⁶ モル／分、ＴＭＡを１０×１０^- ⁶ モル／分、ＮＨ₃ を２．０リットル／分、キャリアのＮ₂ を４．０リットル／分さらにジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を４０×１０^- ⁶ モル／分を混合して流し、ＺｎドープのＡｌＧａＮ膜を約０．３ｕｍ成長させた。
【００１８】
次にＴＥＧ、ＴＭＡ、ＤＥＺの供給を停止した後、赤外線ランプ１１を消し、加熱ヒーターを切り、窒素とアンモニア雰囲気内でウェハーを冷却する。４００℃でアンモニアの供給を止めて窒素雰囲気で室温まで冷却する。
【００１９】
このようにして作製した、ＡｌＧａＮ膜の抵抗率は１Ωｃｍと従来方法で得られている、２００Ωｃｍに比べて十分に小さくすることができた。
【００２０】
（実施例３）
本実施例においては、実施例１と基本的には同様の方法を用いてＧａＮ膜を作製したが、赤外線の照射を成長終了後にウェハーを冷却する時にも照射し続けた。これにより、実施例１において１Ωｃｍであったｐ型ＧａＮ膜の抵抗率はさらに０．４Ωｃｍにまで低減することができた。
【００２１】
これは、成長中には赤外線照射によりマグネシウムと水素の原子間結合を効率良く切断されていたが、ウェハー冷却時に雰囲気の水素が再びマグネシウムと結合を形成するのを赤外線照射により防止した結果を考えられる。
【００２２】
（実施例４）
本実施例においては、実施例２と基本的には同様の方法を利用してＡｌＧａＮ膜を形成したが、赤外線の照射を、ＡｌＧａＮ膜成長時ではなく、成長終了後、雰囲気ガスを窒素とアンモニアに置換した後に、８００℃にて２５分間実施した。
【００２３】
このようにして、作製したＡｌＧａＮ膜の抵抗率は５Ωｃｍであり、従来の２００Ωｃｍに比べて一桁以上の低減が可能となった。
【００２４】
【発明の効果】
上記のように、本発明を適用することにより効率良く水素とｐ型不純物との結合を切断することが可能となり、結果、低抵抗のｐ型ＧａＮ系半導体層を形成することができた。これにより、青色半導体レーザや青色発光ダイオードにおいて動作電圧を低減できるだけでなく、動作中における動作電圧の上昇の防止や、動作中での発光効率の低下を抑制でき、ひいては信頼性の高い素子を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に使用した有機金属化合物気相成長装置の主要部の構成をす概略断面図である。
【符号の説明】
１反応炉
２サファイア基板
３サセプター
４ＲＦコイル

Claims

窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させる最中に、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を備える、
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。
窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
ウエハー上に、有機金属化合物気相成長法を用いて加熱条件下で、ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を成長させる工程と、
該成長工程の後、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射しつつ該ウエハーを冷却する工程と、
を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体の製造方法。
上記ｐ型不純物が、ＭｇあるいはＺｎを含む、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
上記赤外線は、ＭｇとＨ、またはＺｎとＨとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線である、
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の製造方法。
上記赤外線は、波数２７００ｃｍ^-1〜４２００ｃｍ^-1の赤外線である、
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の製造方法。
窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させた直後の高温状態において上記窒化ガリウム系半導体層の周囲の雰囲気ガスを窒素とアンモニアに置換し、この雰囲気中で該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を備え、
前記ｐ型不純物が、ＭｇまたはＺｎを含み、
上記赤外線が、ＭｇとＨ、またはＺｎとＨとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線である、
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。
上記赤外線は、波数２７００ｃｍ ^-1 〜４２００ｃｍ ^-1 の赤外線である、
ことを特徴とする請求項６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。