JP3778344B2 - 発光半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明はIII族窒化物化合物半導体デバイスの製造方法を提供するものである。この半導体デバイスは、エピタキシャル成長時に発生するIII族窒化物化合物の転位を減少させるために半導体デバイス構造中にII族窒化物化合物の結晶島層を形成させることを特徴とする。
【０００２】
発明の背景
III族窒化物化合物半導体、特にＧａＮ基材料を有する半導体は、青緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオードなどの発光デバイスの製造に多く用いられている。これらの材料は、通常、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板または炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の上に成長する。
【０００３】
酸化アルミニウム基板を例にとってみよう。ＧａＮ結晶層は、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮの格子定数の差が１６％を越えるためにＡｌ２Ｏ３基板上に直接成長しにくい。そのために、米国特許第４，８５５，２４９号明細書において、Ａｋａｓａｋｉらは、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮ層との格子定数の差によって生じる問題を低減させるように低温下に非晶質ＡｌＮ緩衝層をＡｌ２Ｏ３基板上に成長させることを最初に開示した。Ｎａｋａｍｕｒａらは、米国特許第５，２９０，３９３号明細書において、緩衝層として成長させるためにＧａＮまたはＡｌＧａＮなどの材料を用いることを開示した。先ず、４００〜９００℃の温度下に、Ａｌ２Ｏ３基板上に非晶質ＧａＮ緩衝層が成長した。次いで、１，０００〜１，２００℃の温度下に、このＧａＮ緩衝層上にＧａＮエピタキシー層が成長した。ＧａＮエピタキシー層の特性および性能は、緩衝層としてＡｌＮを用いて製造したＧａＮエピタキシー層のものより良好であった。
【０００４】
しかし、緩衝層材料として、ＧａＮ基、ＡｌＧａＮ基またはＡｌＮ基材料を用いた場合でも、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮ材料との格子定数の差に起因する転位欠陥のために、ＧａＮ基材料を有するエピタキシー層は依然として１０１０ｃｍ−２〜１０８ｃｍ−２の転位密度を有する。このことが、半導体デバイスの性能欠陥の原因となり、照度および電気特性に悪影響を与える。その結果、転位を減少させるために、多重緩衝層構造、選択横方向成長（ＥＬＯＧ）構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造などの転位密度低減法が次々に提案されている。
【０００５】
発明の要旨本発明は、基板上に直接II族窒化物化合物材料を成長させる方法を提供するものである。このII族窒化物化合物材料は、基板またはIII族窒化物化合物材料上に結晶島構造をなして同じレベルまたは高さに成長する。III族窒化物半導体層の転位を減少させ、エピタキシー特性を改良するために、この結晶島構造の上にIII族窒化物化合物半導体層を成長させる。
【０００６】
本発明は、単結晶島構造を有する発光デバイスの製造方法を開示するものである。単結晶島層の材料はII族窒化物化合物であり、II族元素としては、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）および水銀（Ｈｇ）などが含まれる。単結晶島層は、それぞれ二つの単結晶の島の間にある間隔をおいて基板上に成長する。次いで、単結晶島層上にIII族窒化物化合物半導体層が成長する。III族窒化物化合物半導体層は、II族窒化物化合物単結晶島に沿って成長するので、エピタキシー時に発生する転位は、II族窒化物化合物の単結晶島が存在する場所に限定される。それによって、転位密度が実質的に減少することになる。
【０００７】
発明の詳細な説明
本発明はIII族窒化物化合物半導体デバイスの製造方法を提供するものである。このデバイスは、構造中に少なくとも１つのII族窒化物単結晶島層を形成させることを特徴とする。これによって、エピタキシー時に発生するIII族窒化物化合物の転位が減少する。
【０００８】
本発明によれば、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）、または分子線成長法（ＭＢＥ）を用いることによって、Ａｌ２Ｏ３基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板またはＳｉ基板の上に、３〜５族化合物半導体層、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）、が成長する。Ｇａ源はＴＭＧａまたはＴＥＧａ、Ａｌ源はＴＭＡｌまたはＴＥＡｌ、Ｉｎ源はＴＭＩｎまたはＴＥＩｎ、Ｎ源はＮＨ３またはジメチルヒドラジン（ＤＭｅＮＮＨ２）である。ｐ型ドーパントは、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣａおよびＢａからなる群から選択され、ｎ型ドーパントは、Ｔｅ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる。II族元素は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇからなる群から選ばれる。
【０００９】
図１は、本発明のII族窒化物化合物から成長した単結晶の島を有するIII族窒化物化合物半導体構造を示している。Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＳｉ基板１の上にII族窒化物化合物材料の単結晶島層２が成長している。II族窒化物化合物の成長温度および成長時間を調整することにより、単結晶島層２の単結晶島の数および大きさが制御される。成長温度が２００〜１，２００℃で、成長時間が５秒〜３０分であれば、単結晶島の密度は１０７ｃｍ−２以下に制御される。II族窒化物化合物単結晶島層２の島の数によって転位欠陥の数が決まり、II族窒化物化合物単結晶島層２の島の大きさによってIII族窒化物化合物半導体層３のエピタキシー特性が変わる。ウエハ上でII族窒化物化合物単結晶島層２の成長が終わると、続いてその上にIII族窒化物化合物半導体層３が成長する。III族窒化物化合物半導体層３はII族窒化物化合物単結晶島層２の単結晶島に沿って成長し、転位は隣り合う２つの単結晶島の間で発生する。これによって、転位欠陥の数が実質的に減少する。
【００１０】
図２は、本発明の半導体デバイスの１つの実施態様を示している。先ず、基板１の上に追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。追加のIII族窒化物化合物半導体層４は高転位密度を有している。次いで、追加のIII族窒化物化合物半導体層４の上にII族窒化物化合物単結晶島層２が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の成長温度および成長時間を調整することにより、単結晶島層２の単結晶島の数および大きさが制御される。成長温度が２００〜１，２００℃で、成長時間が５秒〜３０分であれば、単結晶島の密度は１０７ｃｍ−２以下に制御される。続いて、II族窒化物化合物単結晶島層２の上にIII族窒化物化合物半導体層３が成長している。これによって、転位欠陥の数が実質的に減少する。この構造の利点は、III族窒化物化合物半導体層３がII族窒化物化合物単結晶島層２の上にあるために、III族窒化物化合物半導体層３が追加のIII族窒化物化合物半導体層４からより容易に成長できることである。その結果、ＧａＮのエピタキシー特性が改良される。
【００１１】
図３および図４は本発明の発光半導体デバイスの２つの異なる実施態様を示しており、図４に示されている半導体デバイスの基板１の上には追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の構造を有するIII族窒化物化合物半導体層３の上にｎ型III族窒化物化合物半導体層５が成長している。ｎ型III族窒化物化合物半導体層５のｎ型ドーパントは、ＳｉＨ４およびＳ２Ｈ６からなる群から選択され、電子キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である。次いで、ｎ型III族窒化物化合物半導体層５の上に、半導体化合物材料としてのＩｎを有する発光領域が成長している。この層の構造は、二重ヘテロ構造、単量子体または多量子体６であってよい。次いで、この発光領域上にｐ型III族窒化物化合物半導体層７が成長しており、これでＬＥＤ構造が完結している。ｐ型III族窒化物化合物半導体層７のドーパントは、ＭｇおよびＺｎなどからなる群から選択され、正孔キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３である。ＬＥＤの順方向電圧は３．０〜３．４Ｖであり、これは、II族窒化物化合物単結晶島層２を有していないＬＥＤの順方向電圧より約０．５〜１．０Ｖ低い。
【００１２】
図５および図６は本発明の発光半導体デバイスの別の２つの異なる実施態様を示しており、図６に示されている半導体デバイスの基板１の上には追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の構造を有するIII族窒化物化合物半導体層３の上にｐ型III族窒化物化合物半導体層７が成長している。ｐ型III族窒化物化合物半導体層７のドーパントは、ＭｇおよびＺｎなどからなる群から選択され、正孔キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３である。次いで、ｐ型III族窒化物化合物半導体層７の上に、半導体化合物材料としてのＩｎを有する発光領域が成長している。この層の構造は、二重へテロ構造、単量子体または多量子体６であってよい。次いで、この発光領域上にｎ型III族窒化物化合物半導体層５が成長しており、これでＬＥＤ構造が完結している。ｎ型III族窒化物化合物半導体層５のｎ型ドーパントはＳｉＨ４およびＳ２Ｈ６からなる群から選択され、電子キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である。ＬＥＤの順方向電圧は３．０〜３．４Ｖであり、これは、II族窒化物化合物単結晶島層２を有していないＬＥＤの順方向電圧より約０．５〜１．０Ｖ低い。
【００１３】
本発明は半導体層の転位欠陥を減少させる構造を提供する。III族窒化物化合物半導体の転位を実質的に減少させ、エピタキシー特性を改良するために、基板または３〜５族化合物半導体層上にII族窒化物化合物単結晶島層を成長させる。
【００１４】
以下の諸例は、本発明の精神を詳細に説明するための種々の工程係数を示している。
【００１５】
［例１］
先ず、反応炉中にエピタキシャル成長用に準備された（ｅｐｉ−ｒｅａｄｙ）Ａｌ２Ｏ３基板を置く。この基板を１，１５０℃に予熱し、次いで、水素ガスを導入してウエハ表面を１０分間清浄にする。次いで、基板の温度をおよそ５１０℃に下げる。Ｚｎ源はＤＭＺｎ、Ｎ源はＮＨ３である。したがって、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流が反応炉に導入され、基板上にＺｎＮの単結晶島層が成長する。単結晶島の平均直径は約０．２μｍであり、島密度は約１０７ｃｍ−２である。次いで、基板温度を１，１４０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、２μｍのＧａＮ半導体層が生成する。ホール効果測定によると、移動度は約６５０ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−２．９３×１０１６ｃｍ−３である。
【００１６】
［例２］
例２のエピタキシー工程は例１のものと類似であるが、Ｍｇ源としてＤＭＺｎをＤＣｐＭｇに置き換える。６００℃の成長温度下に、反応炉に５６μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇガス流を導入する。基板上に、単結晶島の平均直径が約０．２μｍのＭｇＮ単結晶島層が生成する。ホール効果測定によれば、移動度は約６３５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−２．９３×１０１６ｃｍ−３である。
【００１７】
［例３］
例３のＡｌ２Ｏ３基板の予備処理は例１のものと類似である。基板の温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．１９×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡ１と、７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上に約２５ｎｍのＡｌＧａＮ半導体層が成長する。次いで、上記混合ガス流を止め、基板温度を５１０℃に下げる。さらに、反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入する。それによって、ＡｌＧａＮ半導体層上にＺｎＮ単結晶島層が生成する。次いで、基板の温度を１，１４０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層上にドープされていない２μｍのＧａＮ半導体層が形成される。ホール効果測定によれば、移動度は約７１５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−１．９７×１０１６ｃｍ−３である。
【００１８】
［例４］
例４のエピタキシー工程は例３のものと類似であるが、Ｂｅ源としてＤＭＺｎをＥｔ２Ｂｅに置き換える。基板温度を４５０℃に調整し、反応炉に、７５μｍｏｌ／分のＥｔ２Ｂｅと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＢｅＮ単結晶島層が形成される。この単結晶島層上にＧａＮ半導体層を成長させる。ホール効果測定によれば、移動度は約６３０ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ３．１２×１０１６ｃｍ−３である。
【００１９】
［例５］
例１と同じ様に、ＺｎＮ単結晶島層とＧａＮ半導体層がＡｌ２Ｏ３基板上に成長させる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧＡａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層上に、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板の温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、多量子体（ＭＱＷ）構造の発光領域が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造の発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．１Ｖである。
【００２０】
［例６］
例５と同じ様に、ＭｇＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層上にＬＥＤ構造を成長させる。ウエハにされたとき、このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．０５Ｖである。
【００２１】
［例７］
例７のエピタキシー工程は例３のものと類似であるが、Ｃｄ源としてＤＭＺｎをＤＭＣｄに置き換える。６８０℃の成長温度下に、７５μｍｏｌ／分のＤＭＣｄガス流を反応炉に導入すると、ＣｄＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層が生成する。次いで、例５と同じ様に、このＧａＮ半導体層上にＬＥＤ構造が成長する。ウエハにされたとき、このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．２Ｖである。
【００２２】
［例８］
例８のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板の温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＩｎＮの結晶島層が成長する。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌの別のガス流を導入すると、ＡｌＩｎＮの結晶島層が生成する。これら２つの結晶島層の厚さはおよそ３５ｎｍである。次いで、ＴＭＩｎガスを止め、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスの導入を続けると、厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＮ層が生成する。次いで、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスを止め、基板温度を５１０℃に下げる。反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＡｌＮ層上にＺｎＮ単結晶島層が成長する。基板温度を１，０００℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。基板温度を６００℃に下げ、反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上にＭｇＮ単結晶島層が生成する。再び、基板温度を１，０００℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が形成される。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を成長させる。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２３】
［例９］
例９のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌと、７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上に２５ｎｍのＡｌＩｎＮ半導体層が形成される。ＴＭＩｎと、ＴＭＡｌと、ＮＨ３との混合ガス流を止め、基板温度を１，０５０℃に上げる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＡｌＩｎＮ半導体層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が成長する。基板の温度を５１０℃に下げ、反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上にＭｇＮ単結晶島層が成長する。基板温度を１，０５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。次いで、基板温度を１，１００℃に上げ、反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上に、Ｍｇがドープされた３μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域が生成する。最後に、基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｓｉがドープされた０．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が形成される。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．６Ｖである。
【００２４】
［例１０］
例１０のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＺｎＮ単結晶島層が形成される。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、基板上に２５ｎｍのＡｌＮ半導体層が形成される。次いで、ＴＭＡｌとＮＨ３との混合ガス流を止め、基板温度を１，０５０℃に上げる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＡｌＮ半導体層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層を成長させる。基板の温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を形成する。最後に、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が成長する。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２５】
［例１１］
例１１のエピタキシー工程は例１０のものと類似であるが、Ｂｅ源としてＤＭＺｎをＥｔ２Ｂｅに置き換える。成長温度を４５０℃に調整し、反応炉に、７５μｍｏｌ／分のＥｔ２Ｂｅと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＢｅＮの単結晶島層が形成される。次いで、例１０と類似の方法でＬＥＤ構造を成長させる。その順方向電圧は２０ｍＡで３．５Ｖである。
【００２６】
［例１２］
例１２のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＩｎＮ単結晶島層が形成される。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌを導入すると、ＩｎＮ単結晶島層上にＡｌＩｎＮ単結晶島層が形成される。これら２つの層の厚さは約３５ｎｍである。ＴＭＩｎガスを止め、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスの導入を続けると、２５ｎｍのＡｌＧａＮ層が形成される。次いで、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスとを止め、基板温度を５１０℃に下げる。反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＡｌＮ層上にＭｇＮ単結晶島層を成長させる。基板の温度を１，０５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＭｇＮ単結晶島層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が生成する。次いで、基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべての混合ガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を形成する。最後に、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が成長する。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２７】
［例１３］
例１３のエピタキシー工程は例１２のものと類似であるが、Ｃｄ源としてＤＣｐＭｇをＤＭＣｄに置き換える。成長温度を６８０℃に調整し、反応炉に７５μｍｏｌ／分のＤＭＣｄガス流を導入すると、ＣｄＮの単結晶島層が形成される。次いで、この層の上に例１２と類似の方法でＬＥＤ構造を成長させる。このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．２Ｖである。
【００２８】
本発明をいくつかの好ましい実施態様に関して説明した。本発明の他の実施態様は、本明細書を検討し、本発明を実施することにより、当業者には明らかになろう。さらに、説明を明確にするためにいくつかの専門用語を用いたが、それらの専門用語は本発明を限定するものではない。上述の実施態様および好ましい特徴は代表例とみなすべきであり、本発明は付随の特許請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のII族窒化物化合物から成長した単結晶島を有するIII族窒化物化合物半導体構造を示す図。
【図２】本発明の半導体デバイスの１つの実施態様を示す図。
【図３】本発明の発光半導体デバイスの第１実施態様を示す図。
【図４】本発明の発光半導体デバイスの第２実施態様を示す図。
【図５】本発明の発光半導体デバイスの第３実施態様を示す図。
【図６】本発明の発光半導体デバイスの第４実施態様を示す図。
【符号の説明】
１ 基板
２ II族窒化物化合物単結晶島層
３ III族窒化物化合物半導体層
４ 追加のIII族窒化物化合物半導体層
５ ｎ型III族窒化物化合物半導体層
６ 多量子体（ＭＱＷ）
７ ｐ型III族窒化物化合物半導体層
発明の分野
本発明はIII族窒化物化合物半導体デバイスの製造方法を提供するものである。この半導体デバイスは、エピタキシャル成長時に発生するIII族窒化物化合物の転位を減少させるために半導体デバイス構造中にII族窒化物化合物の結晶島層を形成させることを特徴とする。
【０００２】
発明の背景
III族窒化物化合物半導体、特にＧａＮ基材料を有する半導体は、青緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオードなどの発光デバイスの製造に多く用いられている。これらの材料は、通常、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板または炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の上に成長する。
【０００３】
酸化アルミニウム基板を例にとってみよう。ＧａＮ結晶層は、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮの格子定数の差が１６％を越えるためにＡｌ２Ｏ３基板上に直接成長しにくい。そのために、米国特許第４，８５５，２４９号明細書において、Ａｋａｓａｋｉらは、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮ層との格子定数の差によって生じる問題を低減させるように低温下に非晶質ＡｌＮ緩衝層をＡｌ２Ｏ３基板上に成長させることを最初に開示した。Ｎａｋａｍｕｒａらは、米国特許第５，２９０，３９３号明細書において、緩衝層として成長させるためにＧａＮまたはＡｌＧａＮなどの材料を用いることを開示した。先ず、４００〜９００℃の温度下に、Ａｌ２Ｏ３基板上に非晶質ＧａＮ緩衝層が成長した。次いで、１，０００〜１，２００℃の温度下に、このＧａＮ緩衝層上にＧａＮエピタキシー層が成長した。ＧａＮエピタキシー層の特性および性能は、緩衝層としてＡｌＮを用いて製造したＧａＮエピタキシー層のものより良好であった。
【０００４】
しかし、緩衝層材料として、ＧａＮ基、ＡｌＧａＮ基またはＡｌＮ基材料を用いた場合でも、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮ材料との格子定数の差に起因する転位欠陥のために、ＧａＮ基材料を有するエピタキシー層は依然として１０１０ｃｍ−２〜１０８ｃｍ−２の転位密度を有する。このことが、半導体デバイスの性能欠陥の原因となり、照度および電気特性に悪影響を与える。その結果、転位を減少させるために、多重緩衝層構造、選択横方向成長（ＥＬＯＧ）構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造などの転位密度低減法が次々に提案されている。
【０００５】
発明の要旨本発明は、基板上に直接II族窒化物化合物材料を成長させる方法を提供するものである。このII族窒化物化合物材料は、基板またはIII族窒化物化合物材料上に結晶島構造をなして同じレベルまたは高さに成長する。III族窒化物半導体層の転位を減少させ、エピタキシー特性を改良するために、この結晶島構造の上にIII族窒化物化合物半導体層を成長させる。
【０００６】
本発明は、単結晶島構造を有する発光デバイスの製造方法を開示するものである。単結晶島層の材料はII族窒化物化合物であり、II族元素としては、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）および水銀（Ｈｇ）などが含まれる。単結晶島層は、それぞれ二つの単結晶の島の間にある間隔をおいて基板上に成長する。次いで、単結晶島層上にIII族窒化物化合物半導体層が成長する。III族窒化物化合物半導体層は、II族窒化物化合物単結晶島に沿って成長するので、エピタキシー時に発生する転位は、II族窒化物化合物の単結晶島が存在する場所に限定される。それによって、転位密度が実質的に減少することになる。
【０００７】
発明の詳細な説明
本発明はIII族窒化物化合物半導体デバイスの製造方法を提供するものである。このデバイスは、構造中に少なくとも１つのII族窒化物単結晶島層を形成させることを特徴とする。これによって、エピタキシー時に発生するIII族窒化物化合物の転位が減少する。
【０００８】
本発明によれば、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）、または分子線成長法（ＭＢＥ）を用いることによって、Ａｌ２Ｏ３基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板またはＳｉ基板の上に、３〜５族化合物半導体層、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）、が成長する。Ｇａ源はＴＭＧａまたはＴＥＧａ、Ａｌ源はＴＭＡｌまたはＴＥＡｌ、Ｉｎ源はＴＭＩｎまたはＴＥＩｎ、Ｎ源はＮＨ３またはジメチルヒドラジン（ＤＭｅＮＮＨ２）である。ｐ型ドーパントは、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣａおよびＢａからなる群から選択され、ｎ型ドーパントは、Ｔｅ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる。II族元素は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇからなる群から選ばれる。
【０００９】
図１は、本発明のII族窒化物化合物から成長した単結晶の島を有するIII族窒化物化合物半導体構造を示している。Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＳｉ基板１の上にII族窒化物化合物材料の単結晶島層２が成長している。II族窒化物化合物の成長温度および成長時間を調整することにより、単結晶島層２の単結晶島の数および大きさが制御される。成長温度が２００〜１，２００℃で、成長時間が５秒〜３０分であれば、単結晶島の密度は１０７ｃｍ−２以下に制御される。II族窒化物化合物単結晶島層２の島の数によって転位欠陥の数が決まり、II族窒化物化合物単結晶島層２の島の大きさによってIII族窒化物化合物半導体層３のエピタキシー特性が変わる。ウエハ上でII族窒化物化合物単結晶島層２の成長が終わると、続いてその上にIII族窒化物化合物半導体層３が成長する。III族窒化物化合物半導体層３はII族窒化物化合物単結晶島層２の単結晶島に沿って成長し、転位は隣り合う２つの単結晶島の間で発生する。これによって、転位欠陥の数が実質的に減少する。
【００１０】
図２は、本発明の半導体デバイスの１つの実施態様を示している。先ず、基板１の上に追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。追加のIII族窒化物化合物半導体層４は高転位密度を有している。次いで、追加のIII族窒化物化合物半導体層４の上にII族窒化物化合物単結晶島層２が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の成長温度および成長時間を調整することにより、単結晶島層２の単結晶島の数および大きさが制御される。成長温度が２００〜１，２００℃で、成長時間が５秒〜３０分であれば、単結晶島の密度は１０７ｃｍ−２以下に制御される。続いて、II族窒化物化合物単結晶島層２の上にIII族窒化物化合物半導体層３が成長している。これによって、転位欠陥の数が実質的に減少する。この構造の利点は、III族窒化物化合物半導体層３がII族窒化物化合物単結晶島層２の上にあるために、III族窒化物化合物半導体層３が追加のIII族窒化物化合物半導体層４からより容易に成長できることである。その結果、ＧａＮのエピタキシー特性が改良される。
【００１１】
図３および図４は本発明の発光半導体デバイスの２つの異なる実施態様を示しており、図４に示されている半導体デバイスの基板１の上には追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の構造を有するIII族窒化物化合物半導体層３の上にｎ型III族窒化物化合物半導体層５が成長している。ｎ型III族窒化物化合物半導体層５のｎ型ドーパントは、ＳｉＨ４およびＳ２Ｈ６からなる群から選択され、電子キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である。次いで、ｎ型III族窒化物化合物半導体層５の上に、半導体化合物材料としてのＩｎを有する発光領域が成長している。この層の構造は、二重ヘテロ構造、単量子体または多量子体６であってよい。次いで、この発光領域上にｐ型III族窒化物化合物半導体層７が成長しており、これでＬＥＤ構造が完結している。ｐ型III族窒化物化合物半導体層７のドーパントは、ＭｇおよびＺｎなどからなる群から選択され、正孔キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３である。ＬＥＤの順方向電圧は３．０〜３．４Ｖであり、これは、II族窒化物化合物単結晶島層２を有していないＬＥＤの順方向電圧より約０．５〜１．０Ｖ低い。
【００１２】
図５および図６は本発明の発光半導体デバイスの別の２つの異なる実施態様を示しており、図６に示されている半導体デバイスの基板１の上には追加のIII族窒化物化合物半導体層４が成長している。II族窒化物化合物単結晶島層２の構造を有するIII族窒化物化合物半導体層３の上にｐ型III族窒化物化合物半導体層７が成長している。ｐ型III族窒化物化合物半導体層７のドーパントは、ＭｇおよびＺｎなどからなる群から選択され、正孔キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３である。次いで、ｐ型III族窒化物化合物半導体層７の上に、半導体化合物材料としてのＩｎを有する発光領域が成長している。この層の構造は、二重へテロ構造、単量子体または多量子体６であってよい。次いで、この発光領域上にｎ型III族窒化物化合物半導体層５が成長しており、これでＬＥＤ構造が完結している。ｎ型III族窒化物化合物半導体層５のｎ型ドーパントはＳｉＨ４およびＳ２Ｈ６からなる群から選択され、電子キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３である。ＬＥＤの順方向電圧は３．０〜３．４Ｖであり、これは、II族窒化物化合物単結晶島層２を有していないＬＥＤの順方向電圧より約０．５〜１．０Ｖ低い。
【００１３】
本発明は半導体層の転位欠陥を減少させる構造を提供する。III族窒化物化合物半導体の転位を実質的に減少させ、エピタキシー特性を改良するために、基板または３〜５族化合物半導体層上にII族窒化物化合物単結晶島層を成長させる。
【００１４】
以下の諸例は、本発明の精神を詳細に説明するための種々の工程係数を示している。
【００１５】
［例１］
先ず、反応炉中にエピタキシャル成長用に準備された（ｅｐｉ−ｒｅａｄｙ）Ａｌ２Ｏ３基板を置く。この基板を１，１５０℃に予熱し、次いで、水素ガスを導入してウエハ表面を１０分間清浄にする。次いで、基板の温度をおよそ５１０℃に下げる。Ｚｎ源はＤＭＺｎ、Ｎ源はＮＨ３である。したがって、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流が反応炉に導入され、基板上にＺｎＮの単結晶島層が成長する。単結晶島の平均直径は約０．２μｍであり、島密度は約１０７ｃｍ−２である。次いで、基板温度を１，１４０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、２μｍのＧａＮ半導体層が生成する。ホール効果測定によると、移動度は約６５０ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−２．９３×１０１６ｃｍ−３である。
【００１６】
［例２］
例２のエピタキシー工程は例１のものと類似であるが、Ｍｇ源としてＤＭＺｎをＤＣｐＭｇに置き換える。６００℃の成長温度下に、反応炉に５６μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇガス流を導入する。基板上に、単結晶島の平均直径が約０．２μｍのＭｇＮ単結晶島層が生成する。ホール効果測定によれば、移動度は約６３５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−２．９３×１０１６ｃｍ−３である。
【００１７】
［例３］
例３のＡｌ２Ｏ３基板の予備処理は例１のものと類似である。基板の温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．１９×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡ１と、７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上に約２５ｎｍのＡｌＧａＮ半導体層が成長する。次いで、上記混合ガス流を止め、基板温度を５１０℃に下げる。さらに、反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入する。それによって、ＡｌＧａＮ半導体層上にＺｎＮ単結晶島層が生成する。次いで、基板の温度を１，１４０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層上にドープされていない２μｍのＧａＮ半導体層が形成される。ホール効果測定によれば、移動度は約７１５ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ−１．９７×１０１６ｃｍ−３である。
【００１８】
［例４］
例４のエピタキシー工程は例３のものと類似であるが、Ｂｅ源としてＤＭＺｎをＥｔ２Ｂｅに置き換える。基板温度を４５０℃に調整し、反応炉に、７５μｍｏｌ／分のＥｔ２Ｂｅと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＢｅＮ単結晶島層が形成される。この単結晶島層上にＧａＮ半導体層を成長させる。ホール効果測定によれば、移動度は約６３０ｃｍ２／Ｖ−ｓであり、キャリア濃度はおよそ３．１２×１０１６ｃｍ−３である。
【００１９】
［例５］
例１と同じ様に、ＺｎＮ単結晶島層とＧａＮ半導体層がＡｌ２Ｏ３基板上に成長させる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧＡａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層上に、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板の温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、多量子体（ＭＱＷ）構造の発光領域が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造の発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．１Ｖである。
【００２０】
［例６］
例５と同じ様に、ＭｇＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層上にＬＥＤ構造を成長させる。ウエハにされたとき、このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．０５Ｖである。
【００２１】
［例７］
例７のエピタキシー工程は例３のものと類似であるが、Ｃｄ源としてＤＭＺｎをＤＭＣｄに置き換える。６８０℃の成長温度下に、７５μｍｏｌ／分のＤＭＣｄガス流を反応炉に導入すると、ＣｄＮ単結晶島層を有するＧａＮ半導体層が生成する。次いで、例５と同じ様に、このＧａＮ半導体層上にＬＥＤ構造が成長する。ウエハにされたとき、このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．２Ｖである。
【００２２】
［例８］
例８のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板の温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＩｎＮの結晶島層が成長する。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌの別のガス流を導入すると、ＡｌＩｎＮの結晶島層が生成する。これら２つの結晶島層の厚さはおよそ３５ｎｍである。次いで、ＴＭＩｎガスを止め、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスの導入を続けると、厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＮ層が生成する。次いで、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスを止め、基板温度を５１０℃に下げる。反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＡｌＮ層上にＺｎＮ単結晶島層が成長する。基板温度を１，０００℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＺｎＮ単結晶島層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。基板温度を６００℃に下げ、反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上にＭｇＮ単結晶島層が生成する。再び、基板温度を１，０００℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が形成される。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を成長させる。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２３】
［例９］
例９のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌと、７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上に２５ｎｍのＡｌＩｎＮ半導体層が形成される。ＴＭＩｎと、ＴＭＡｌと、ＮＨ３との混合ガス流を止め、基板温度を１，０５０℃に上げる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＡｌＩｎＮ半導体層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が成長する。基板の温度を５１０℃に下げ、反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上にＭｇＮ単結晶島層が成長する。基板温度を１，０５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が形成される。次いで、基板温度を１，１００℃に上げ、反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＧａＮ層上に、Ｍｇがドープされた３μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が形成される。すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域が生成する。最後に、基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｓｉがドープされた０．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が形成される。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．６Ｖである。
【００２４】
［例１０］
例１０のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、６３μｍｏｌ／分のＤＭＺｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＺｎＮ単結晶島層が形成される。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、基板上に２５ｎｍのＡｌＮ半導体層が形成される。次いで、ＴＭＡｌとＮＨ３との混合ガス流を止め、基板温度を１，０５０℃に上げる。反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＡｌＮ半導体層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層を成長させる。基板の温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべてのガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を形成する。最後に、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が成長する。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２５】
［例１１］
例１１のエピタキシー工程は例１０のものと類似であるが、Ｂｅ源としてＤＭＺｎをＥｔ２Ｂｅに置き換える。成長温度を４５０℃に調整し、反応炉に、７５μｍｏｌ／分のＥｔ２Ｂｅと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＢｅＮの単結晶島層が形成される。次いで、例１０と類似の方法でＬＥＤ構造を成長させる。その順方向電圧は２０ｍＡで３．５Ｖである。
【００２６】
［例１２］
例１２のＡｌ２Ｏ３基板の前処理は例１のものと類似である。基板温度を５３０℃に調整し、反応炉に、１．０２×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＩｎと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、基板上にＩｎＮ単結晶島層が形成される。次いで、反応炉に、５．２３×１０−６ｍｏｌ／分のＴＭＡｌを導入すると、ＩｎＮ単結晶島層上にＡｌＩｎＮ単結晶島層が形成される。これら２つの層の厚さは約３５ｎｍである。ＴＭＩｎガスを止め、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスの導入を続けると、２５ｎｍのＡｌＧａＮ層が形成される。次いで、ＴＭＡｌガスとＮＨ３ガスとを止め、基板温度を５１０℃に下げる。反応炉に、５７μｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと７．１４×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＡｌＮ層上にＭｇＮ単結晶島層を成長させる。基板の温度を１，０５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３との混合ガス流を導入すると、ＭｇＮ単結晶島層上に、ドープされていない０．５μｍのＧａＮ半導体層が生成する。次いで、基板温度を１，１５０℃に上げ、反応炉に、５．９７×１０−５ｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．３４×１０−１ｍｏｌ／分のＮＨ３と、１．７７×１０−１０ｍｏｌ／分のＳｉＨ４との混合ガス流を導入すると、Ｓｉがドープされた２．５μｍのｎ型ＧａＮ半導体層が生成する。次いで、すべての混合ガス流を止め、基板温度を８２０℃に下げる。反応炉に、８．６１μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、４．７３μｍｏｌ／分のＴＭＩｎと、０．１３４ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造を有する発光領域を形成する。最後に、すべてのガス流を止め、基板温度を１，１１０℃に上げる。反応炉に、４７．５μｍｏｌ／分のＴＭＧａと、１．２５×１０−７ｍｏｌ／分のＤＣｐＭｇと、８．９３×１０−２ｍｏｌ／分のＮＨ３との別の混合ガス流を導入すると、ＭＱＷ構造を有する発光領域上に、Ｍｇがドープされた０．５μｍのｐ型ＧａＮ半導体層が成長する。これで、このＬＥＤ構造は完結し、その順方向電圧は２０ｍＡで３．３Ｖである。
【００２７】
［例１３］
例１３のエピタキシー工程は例１２のものと類似であるが、Ｃｄ源としてＤＣｐＭｇをＤＭＣｄに置き換える。成長温度を６８０℃に調整し、反応炉に７５μｍｏｌ／分のＤＭＣｄガス流を導入すると、ＣｄＮの単結晶島層が形成される。次いで、この層の上に例１２と類似の方法でＬＥＤ構造を成長させる。このＬＥＤ構造の順方向電圧は２０ｍＡで３．２Ｖである。
【００２８】
本発明をいくつかの好ましい実施態様に関して説明した。本発明の他の実施態様は、本明細書を検討し、本発明を実施することにより、当業者には明らかになろう。さらに、説明を明確にするためにいくつかの専門用語を用いたが、それらの専門用語は本発明を限定するものではない。上述の実施態様および好ましい特徴は代表例とみなすべきであり、本発明は付随の特許請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のII族窒化物化合物から成長した単結晶島を有するIII族窒化物化合物半導体構造を示す図。
【図２】本発明の半導体デバイスの１つの実施態様を示す図。
【図３】本発明の発光半導体デバイスの第１実施態様を示す図。
【図４】本発明の発光半導体デバイスの第２実施態様を示す図。
【図５】本発明の発光半導体デバイスの第３実施態様を示す図。
【図６】本発明の発光半導体デバイスの第４実施態様を示す図。
【符号の説明】
１ 基板
２ II族窒化物化合物単結晶島層
３ III族窒化物化合物半導体層
４ 追加のIII族窒化物化合物半導体層
５ ｎ型III族窒化物化合物半導体層
６ 多量子体（ＭＱＷ）
７ ｐ型III族窒化物化合物半導体層
Claims (23)
- 基板を準備し、
前記基板上に、前記基板の一部を露出させる隙間を伴った複数のII族窒化物化合物単結晶島からなるII族窒化物化合物単結晶島層を、前記II族窒化物化合物単結晶島の数および大きさを成長温度および成長時間を調整することにより制御して形成させ、
前記II族窒化物化合物単結晶島層上に第１のIII族窒化物化合物半導体層を形成させ、
前記第１のIII族窒化物化合物半導体層上にIII族窒化物発光領域を形成させ、
前記III族窒化物発光領域上に第２のIII族窒化物化合物半導体層を形成させる、
ことからなる発光半導体デバイスの製造方法。 - 前記第１のIII族窒化物化合物半導体層がｎ型III族窒化物化合物半導体層であり、前記第２のIII族窒化物化合物半導体層がｐ型III族窒化物化合物半導体層である、請求項１に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記基板の材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＳｉおよびＧａＡｓからなる群から選ばれる、請求項１に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記II族窒化物化合物単結晶島層が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素から生成される、請求項１に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記II族窒化物化合物単結晶島層の成長温度が２００℃〜１，２００℃である、請求項１に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記III族窒化物化合物発光領域が、ＩｎからなるIII族窒化物化合物半導体層である、請求項１に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記III族窒化物化合物発光領域の構造が、二重へテロ構造、単量子体および多量子体からなる群から選ばれる、請求項６に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｎ型III族窒化物化合物半導体層のドーパントが、以下の元素：Ｔｅ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎのうちの少なくとも１種の元素からなる、請求項２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｐ型III族窒化物化合物半導体層のドーパントが、以下の元素：Ｍｇ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１種の元素からなる、請求項２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｎ型III族窒化物化合物半導体層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）である、請求項２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｐ型III族窒化物化合物半導体層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，０≦ｘ＋ｙ≦１である、請求項２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 基板を準備し、
前記基板上にIII族窒化物化合物半導体層を形成させ、
前記III族窒化物化合物半導体層上に、前記III族窒化物化合物半導体層の一部を露出させる隙間を伴った複数のII族窒化物化合物単結晶島からなるII族窒化物化合物単結晶島層を、前記II族窒化物化合物の数および大きさを成長温度および成長時間を調整することにより制御して形成させ、
前記II族窒化物化合物単結晶島層上に第１のIII族窒化物化合物半導体層を形成させ、
前記第１のIII族窒化物化合物半導体層上にIII族窒化物発光領域を形成させ、
前記III族窒化物化合物発光領域上に第２のIII族窒化物化合物半導体層を形成させる、
ことからなる発光半導体デバイスの製造方法。 - 前記第１のIII族窒化物化合物半導体層がｎ型III族窒化物化合物半導体層であり、前記第２のIII族窒化物化合物半導体層がｐ型III族窒化物化合物半導体層である、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記基板の材料が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＳｉおよびＧａＡｓからなる群から選ばれる、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記II族窒化物化合物単結晶島層が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記II族窒化物化合物単結晶島層の成長温度が２００〜１，２００℃である、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記III族窒化物化合物半導体層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）である、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記III族窒化物化合物発光領域が、ＩｎからなるIII族窒化物化合物半導体層である、請求項１２に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記III族窒化物化合物発光領域の構造が、二重へテロ構造、単量子体および多量子体からなる群から選ばれる、請求項１８に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｎ型III族窒化物化合物半導体層のドーパントが、以下の元素：Ｔｅ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎのうちの少なくとも１種の元素からなる、請求項１３に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｐ型III族窒化物化合物半導体層のドーパントが、以下の元素：Ｍｇ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１種の元素からなる、請求項１３に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｎ型III族窒化物化合物半導体層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）である、請求項１３に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
- 前記ｐ型III族窒化物化合物半導体層がＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ＋ｙ≦１）である、請求項１３に記載の発光半導体デバイスの製造方法。
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