JP3858042B2

JP3858042B2 - 紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法

Info

Publication number: JP3858042B2
Application number: JP2005226357A
Authority: JP
Inventors: 秀樹平山; 克信青柳
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JP2005340856A

Description

本発明は、紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルミニウムガリウム）発光層の製造方法に関し、さらに詳細には、室温において高効率で紫外域の短波長域において発光する紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法に関する。

従来、波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において発光する紫外発光半導体として用いられてきたＧａＮ（窒化ガリウム）やＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）やＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）などの窒化物半導体によってでは、３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域においては室温での高効率発光が得られないため、こうした窒化物半導体を用いて紫外域の短波長域において発光する紫外発光素子を実現することはできないものと認められていた。

即ち、現在までのところ、窒化物半導体を用いた短波長域の発光素子としては、発光ダイオードに関しては波長３７０ｎｍまでしか実現されておらず、レーザーダイオードでは波長３９０ｎｍまでしか実現されていなかった。

このため、波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するＩｎＡｌＧａＮおよびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するＩｎＡｌＧａＮを用いた紫外発光素子の開発が強く望まれていた。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、上記したような従来からの強い要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光する紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層を用いたことを特徴とするようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、結晶成長において材料ガスを同時供給して８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長させ、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であり、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％である、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層を製造することを特徴とするようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光する第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層と、結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、かつ、上記第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層とは組成比の異なる、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光する第２のＩｎＡｌＧａＮ発光層とを有し、上記第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層と上記第２のＩｎＡｌＧａＮ発光層とを交互に複数層積層して量子井戸構造を形成し、波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光することを特徴とするようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光する紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による紫外発光素子およびＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。

ここで、本発明による紫外域の短波長域において発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層（以下、「本発明による紫外域の短波長域において発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層」を「紫外発光ＩｎＡｌＧａＮ」と適宜に称する。）は、例えば、有機金属気相成長法を用いて結晶成長装置により半導体ウエハーなどの基板上に結晶薄膜として製造することができるものであり、図１には、こうした結晶成長装置の一例が示されている。

即ち、図１は、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮを製造するための結晶成長装置の概念構成説明図であり、この結晶成長装置１０は、ＲＦ加熱コイル１２により周囲を覆われた結晶成長反応炉１４内に、表面に紫外発光ＩｎＡｌＧａＮを成長させる基板としての半導体ウエハー１６を上面に配置するとともに当該半導体ウエハー１６を加熱するためのサセプター１８が配設されている。

また、ＲＦ加熱コイル１２にはＲＦ電源２０が接続されており、さらに、ＲＦ電源２０にはマイクロコンピューターにより構成されたＲＦ制御装置２２が接続されている。

そして、ＲＦ制御装置２２によって、ＲＦ電源２０はその出力を制御される。即ち、ＲＦ制御装置２２によりＲＦ電源２０からＲＦ加熱コイル１２への給電が制御されるものであり、ＲＦ加熱コイル１２はＲＦ電源２０からの給電に応じてサセプター１８を加熱することになる。

即ち、この結晶成長装置１０においては、ＲＦ電源２０からＲＦ加熱コイル１２への給電による渦電流誘起加熱により、サセプター１８が加熱されるものである。

なお、サセプター１８は、例えば、カーボンなどにより形成されているものである。

一方、結晶成長反応炉１４には、半導体ウエハー１６上に形成する紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの材料となる材料ガスやキャリアガスなどの各種のガスを導入するためのガス導入孔１４ａと、結晶成長反応炉１４内に導入された各種のガスを排出するためのガス排出孔１４ｂとが形成されている。

以上の構成において、サセプター１８に配置された半導体ウエハー１６上に紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜を形成するためには、キャリアガスとともに紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜を形成するために必要な材料となる材料ガスを、ガス導入孔１４ａから７６Ｔｏｒｒに減圧された結晶成長反応炉１４内へ供給する。

この際に、サセプター１８内に埋め込まれた熱電対（図示せず）のモニターに基づいて、ＲＦ制御装置２２により制御されたＲＦ電源２０からの給電に応じてＲＦ加熱コイル１２によってサセプター１８が加熱されており、加熱されたサセプター１８からの熱伝導によって、半導体ウエハー１６も結晶成長により紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜を形成するのに最適な成長温度に加熱されるものである。

このため、結晶成長反応炉１４内に導入された材料ガスは熱により分解、反応して、半導体ウエハー１６上に結晶成長により紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜が形成されることになる。

ここで、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜を形成するために必要とされる材料ガスは、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムアダクトおよびトリメチルアルミニウムである。また、キャリアガスは、水素および窒素である。

なお、これら材料ガスの流量としては、例えば、アンモニアが２Ｌ／ｍｉｎであり、トリメチルガリウムが２μｍｏｌ／ｍｉｎ乃至５μｍｏｌ／ｍｉｎであり、トリメチルインジウムアダクトが５μｍｏｌ／ｍｉｎ乃至６０μｍｏｌ／ｍｉｎであり、トリメチルアルミニウムが０．５μｍｏｌ／ｍｉｎ乃至１０μｍｏｌ／ｍｉｎである。

また、キャリアガスの流量としては、水素が１００ｃｃ／ｍｉｎであり、窒素が２Ｌ／ｍｉｎである。

そして、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶成長の成長温度は８３０℃乃至９５０℃であるので、半導体ウエハー１６は８３０℃乃至９５０℃の温度に設定されるように加熱されるものである。

また、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの結晶薄膜の成長速度は、１２０ｎｍ／ｈｏｕｒに設定されている。

なお、図２には、成長温度とガスフローとの関連図が示されており、図２に示すようなタイミングならびに成長温度で材料ガスが結晶成長反応炉１４内に供給されるものである。

ところで、図３に示すようにＩｎＧａＮの結晶成長の成長温度は６５０℃乃至７５０℃であり、また、図２ならびに図３に示すようにＡｌＧａＮの結晶成長の成長温度は１０００℃乃至１２００℃であって、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとは結晶成長の成長温度が大きく異なっているため、これまでＩｎＡｌＧａＮの高品質結晶の作成は不可能であると見なされていた。

しかしながら、本発明者による実験によれば、図２ならびに図３に示すように、ＩｎＧａＮの結晶成長の成長温度とＡｌＧａＮの結晶成長の成長温度との間の温度である８３０℃乃至９５０℃において、ＩｎＡｌＧａＮの高品質な結晶成長が行われ、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮを得ることができるものであった。

そして、こうして得られた紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの組成比は、Ｉｎが２％乃至２０％であり、Ａｌが１０％乃至９０％である（なお、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となる。）。なお、Ｉｎの組成比は、６％以上であることが好ましい。

ここで、上記した紫外発光ＩｎＡｌＧａＮの気相成長においては、図４乃至図６を参照しながら後述するように、Ａｌの導入により、Ｉｎの結晶への含有率が誘発的に増加されるものである。

そして、ＡｌＧａＮへの数％のＩｎの導入により、紫外発光強度が著しく増強されることになった。

即ち、紫外発光ＩｎＡｌＧａＮは、波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域において室温で高効率発光が可能であり、この紫外発光ＩｎＡｌＧａＮを用いることにより、波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの波長域において発光する紫外発光素子を作成することができるようになる。

次に、材料ガスの流量についてアンモニアを２Ｌ／ｍｉｎとし、トリメチルガリウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎとし、トリメチルインジウムアダクトを６０μｍｏｌ／ｍｉｎとし、トリメチルアルミニウムを０．５μｍｏｌ／ｍｉｎとするとともに、キャリアガスの流量について水素を１００ｃｃ／ｍｉｎとし、窒素を２Ｌ／ｍｉｎとした場合において、成長温度８３０℃、成長速度１２０ｎｍ／ｈｏｕｒで得られた紫外発光ＩｎＡｌＧａＮについての室温での実験結果を、図４乃至図６を参照しながら説明する。

図４には、ＩｎＧａＮにＡｌを導入した効果について示されている。この図４に示されているように、ＩｎＧａＮへのＡｌの導入により、Ｉｎが誘発的に結晶に導入されることになる。そして、ＩｎＧａＮの組成比において、Ｉｎが６％であり、Ａｌが１６％のときに、最も発光強度が大きくなるものである。

また、図５には、ＡｌＧａＮにＩｎを導入した効果について示されている。この図５に示されているように、ＡｌＧａＮへのＩｎの導入割合大きくするにつれて、発光強度が著しく増大してするものである。

さらに、図６には、図７に示すようにＳｉＣ上にＡｌＧａＮのバッファー層を介して組成比の異なるＩｎＡｌＧａＮ層を積層して量子井戸構造を形成し、この量子井戸構造に波長２５７ｎｍのレーザー光を照射した際の紫外発光の結果が示されている。

このように、ＩｎＡｌＧａＮは量子井戸構造で紫外発光するものであるので、組成比の異なるＩｎＡｌＧａＮ層を積層して形成した量子井戸構造を備えた発光ダイオードやレーザーダイオードなどの紫外発光素子を構成することができることになる。

具体的に、図７に示すようにＳｉＣ上にＡｌＧａＮのバッファー層を介して形成するＩｎＡｌＧａＮ層をｐ型やｎ型にドーピングして積層することにより量子井戸構造を形成し、この量子井戸構造に電極を配設すればよい。

図１は、本発明による紫外域の短波長域において発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層を有機金属気相成長法を用いて半導体ウエハーなどの基板上に結晶薄膜として製造する結晶成長装置の概念構成説明図である。図２は、成長温度とガスフロートの関連図である。図３は、窒化物半導体の気相成長に於ける成長温度範囲を示す説明図である。図４は、ＩｎＧａＮにＡｌを導入した効果を示すグラフである。図５は、ＡｌＧａＮにＩｎを導入した効果を示すグラフである。図６は、ＩｎＡｌＧａＮの量子井戸からの紫外発光を示すグラフである。図７は、ＳｉＣ上にＡｌＧａＮのバッファー層を介してＩｎＡｌＧａＮを積層して形成した量子井戸構造を示す概念構成説明図である。

符号の説明

１０結晶成長装置
１２ＲＦ加熱コイル
１４結晶成長反応炉
１４ａガス導入孔
１４ｂガス排出孔
１６半導体ウエハー
１８サセプター
２０ＲＦ電源
２２ＲＦ制御装置

Claims

結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層を用いた
ことを特徴とする紫外発光素子。
結晶成長において材料ガスを同時供給して８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長させ、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であり、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％である、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光するＩｎＡｌＧａＮ発光層を製造する
ことを特徴とするＩｎＡｌＧａＮ発光層の製造方法。
結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光する第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層と、
結晶成長において８３０℃乃至９５０℃の成長温度で結晶成長されたＩｎＡｌＧａＮ発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に結晶に導入してＩｎの結晶への含有率を誘発的に増加させ、Ｉｎの組成比が２％乃至２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％乃至９０％であって、ＩｎとＡｌとＧａとの組成比の合計が１００％となり、かつ、前記第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層とは組成比の異なる、発光強度のピークが波長２８０ｎｍ乃至波長３６０ｎｍの深紫外域の短波長域においてシングルピークをもって室温で高効率発光する第２のＩｎＡｌＧａＮ発光層と
を有し、
前記第１のＩｎＡｌＧａＮ発光層と前記第２のＩｎＡｌＧａＮ発光層とを交互に複数層積層して量子井戸構造を形成し、
波長３６０ｎｍ以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光する
ことを特徴とする紫外発光素子。