JP4170041B2

JP4170041B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体装置

Info

Publication number: JP4170041B2
Application number: JP2002220101A
Authority: JP
Inventors: 士郎酒井; 美貴直井; 政志月原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004031880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体装置、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物層の転位密度低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＧａＮ系化合物は短波長ＬＥＤや半導体レーザの材料として有望視されている。ＧａＮ系半導体デバイスにおいては、転位の存在がデバイス特性に大きく影響する。たとえば、ＩｎＧａＮを活性層とする半導体レーザにおいては、活性層中に存在する転位密度が高いと発振しきい値電流が高くなり、レーザが短時間で劣化してデバイス寿命が短くなる。また、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどを活性層とする波長３００〜４００ｎｍ帯のＬＥＤでは、転位が非発光中心として働くため発光効率を低下させてしまう。
【０００３】
これらの問題を解決するため、従来よりＳｉＯ₂の成長阻害層をストライプ状に形成してＧａＮ層をラテラル方向に成長させるＥＬＯ（ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法が用いられている。この方法においては、サファイアなどの基板上にＧａＮをＭＯＣＶＤ法などで成長させ、成長装置から取り出した後フォトリソグラフィー法でＳｉＯ₂などの成長阻害層をストライプ状に形成する。その後、再び成長装置に搬入してＧａＮの成長を行うと、結晶成長は成長阻害層が形成されていない部分から開始し、厚さ方向と同時にラテラル方向にも進んでやがて表面が平坦化する。成長阻害層上にラテラル方向に成長した部分には転位は伝搬しないので、この部分で転位密度が低減する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＥＬＯ法においては、フォトリソグラフィーを用いて成長阻害層を形成する必要があるため手間がかかり、また成長阻害層を形成するためにデバイスを成長装置から一旦取り出す必要もあることから表面が汚染されるおそれがある。結果として、ＥＬＯ法は高価なプロセスとなり最終製品を安価に製造できない問題があった。
【０００５】
さらに、ＥＬＯ法においては基板表面の一部だけの転位密度を低減しているのみであり、より広範に転位密度を低減できる方法が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡易に転位密度を低減でき、これにより特性に優れたＧａＮ系化合物半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のＧａＮ系化合物半導体装置は、基板と、前記基板上に成長させた第１ＧａＮ系層と、前記第１ＧａＮ系層上に成長させた、ＧａＮＰ層とＧａＮ層を交互に積層してなり前記第１ＧａＮ系層の転位を抑制する多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に成長させた第２ＧａＮ系層と、前記第２ＧａＮ系層上に成長させた発光層とを有し、前記第１ＧａＮ系層と前記第２ＧａＮ系層は同一組成であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記ＧａＮＰ層のＰ組成比は０．０１％以上０．５％以下であることが好適であり、０．０５％以上０．２％以下であることがより好適である。
【０００９】
また、前記ＧａＮＰ層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好適であり、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることがより好適である。
【００１０】
また、前記多重量子井戸層の周期は１周期以上２０周期以下であることが好適である。
【００１１】
ＧａＮＰの代わりに、ＧａＮＡｓを用いることもできる。
【００１２】
このように、本発明のＧａＮ系化合物半導体装置では、ＧａＮ系層の間にＧａＮＰとＧａＮを交互に積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層を挿入することでＧａＮ系層表面の転位密度を低減する。基板上にＧａＮ系層を成長させると、その表面に転位が発生する。ところが、このＧａＮ系層上にＧａＮＰとＧａＮからなるＭＱＷ層を形成すると、ＧａＮＰ層のＰ原子が転位の位置に選択的に取り込まれ、転位をそこで終端する。従来、ＧａＰに少量のＮ原子を混ぜたＧａＮＰ結晶の研究は多くなされており、Ｎの組成がある程度以上になると転位が発生することが知られている。これはＧａＮＰが熱力学的に不安定で、ＧａＮとＧａＰに簡単に相分離するため、及びＧａＰ基板との格子不整合が大きくなるためである。
【００１３】
本発明におけるＧａＮＰは、ＧａＮに少量のＰを混ぜた結晶であり、上述した従来のＧａＮＰとは本質的に相違する。しかしながら、本発明においてもＰの量が多くなるとその表面が荒れることになる。すなわち、ＧａＮＰの層が厚い、あるいはＰの組成が多く、ＧａＮ表面の転位や表面荒れを埋めてもなおＰ原子が余ってしまう場合にはＧａＮＰ結晶が均一にＧａＮ上に成長し、層厚が数原子層を超えると転位が発生して表面荒れが生じることになる。
【００１４】
したがって、本発明におけるＧａＮ層の転位を低減するために必要な（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ中のＰ組成比（但し、表面での平均値であって転位点における組成比ではない）及びその厚さは適当な範囲に設定することが好適となる。具体的には、Ｐ組成比あるいは厚さはＧａＮ層表面の荒れの程度及び転位密度に依存して設定できる。通常得られる１０⁹ｃｍ^-2程度の転位密度の場合、Ｐ組成は約１％以下であれば効果が現れる。組成が小さくなればその効果は現れにくい。したがって、Ｐ組成は０．０１％〜０．５％、より好ましくは０．０５〜０．２％である。
【００１５】
一方、ＧａＮＰ層の厚さ（あるいは体積）に関しては、Ｐ組成に依存して設定される。Ｐ組成が０．１％のときは５ｎｍ以下（あるいは厚さ５ｎｍ以下に相当する体積）、より好ましくは３ｎｍ以下（あるいは厚さ３ｎｍ以下に相当する体積）である。但し、１ｎｍ以下にすると効果が現れにくいため、適当な範囲は１ｎｍ〜５ｎｍ、より好適には１ｎｍ〜３ｎｍとなる。
【００１６】
ＭＱＷの最適な周期（層数）はＰ組成及び厚さに依存して設定されるが、本願出願人は実験の結果、１００周期以下であれば効果があり（但し、２０周期以上は効果が飽和する）、それ以上となると表面が荒れてしまうことを確認している。ＭＱＷは１周期でも効果があるため、１周期〜２０周期が好適となる。本発明の装置には、ＬＥＤや半導体レーザ等が含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１には、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体装置の構成図が示されている。サファイアなどの基板１０上に５００度（℃）程度の低温でＧａＮバッファ層１１が形成される。ＧａＮバッファ層１１が形成された後、１０５０度程度まで昇温してＧａＮ結晶層１２が形成される。さらに、ＧａＮ結晶層１２上にＧａＮＰ層とＧａＮ層を交互に数周期積層してなる多重量子井戸層（ＭＱＷ）１４が形成され、多重量子井戸層１４上にさらにＧａＮ結晶層１６が再び形成される。なお、ＧａＮバッファ層１１を形成するに先立ち、数ｎｍ厚のＳｉＮバッファ体を離散的あるいは島状に形成してもよい。このように、ＧａＮ結晶層の間に（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ層１４を挿入することで、ＧａＮ結晶層中の転位密度が大きく低減される。
【００１９】
＜実施例１＞
図１に示されるＧａＮ系化合物半導体装置は以下のようなプロセスで形成される。すなわち、ＭＯＣＶＤ装置にてサファイアｃ面基板を１１００度にて水素雰囲気中で１０分程度熱処理して温度を５００度まで降温させる。そして、厚さ２０ｎｍのＧａＮバッファ層１１をトリメチルガリウムおよびアンモニアガスを供給して成長させる。その後、温度を１０５０度まで昇温して再びトリメチルガリウムおよびアンモニアガスを供給して厚さ２μｍのＧａＮ結晶層１２を形成する。次に、同一温度で５周期の（厚さ２．２ｎｍＧａＮＰ／厚さ２５ｎｍＧａＮ）ＭＱＷ１４を成長させ、再び０．８μｍ厚のＧａＮ結晶層１６を同一温度で成長させる。なお、ＧａＮ結晶の成長条件はトリメチルガリウム流量１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア流量１５ＳＬＭ、水素キャリアガス１７ＳＬＭである。ＧａＮＰの成長条件は、ＧａＮの成長条件に０．１％水素希釈のフォスフィン（ＰＨ₃）２００ｓｃｃｍを追加したものである。また、ＭＱＷ層１４中のＧａＮＰ層とＧａＮ層の成長時間はそれぞれ５秒と６０秒である。
【００２０】
このような条件で成長させたＧａＮＰ中のＰの組成を１００×１００μｍ²の領域でＳＩＭＳで測定した結果、およそ０．１％であることを確認した。比較のため、同一条件で（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ１４を成長させずにＧａＮ結晶層のみを成長させた試料も準備した。成長後の表面ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した結果、（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ層１４を挟んでＧａＮ結晶を成長させた試料では明らかに転位密度が低減していることが確認された。図２は、ＧａＮ結晶のみをサファイア基板１０上に成長させたＡＦＭ写真であり、図３は（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ層１４をＧａＮ結晶成長中に挿入したＡＦＭ写真である。両図を比較すると、ＭＱＷ層１４の効果は明らかであろう。この例では、転位密度が約１／４に低減されていることがわかる。なお、ＭＱＷ層１４中のＧａＮ_1-yＰ_y（０＜ｙ≦１）の成長条件を変化させてその固相組成ｙおよび膜厚の転位への影響を検討した。その結果、Ｐの組成が大きい場合、あるいはＧａＮＰ膜厚が厚い場合にはかえって転位密度が増加する結果が観測された。最適な固相比は膜厚に依存して決定される。たとえば、Ｐ組成を０．１％で固定してＧａＮＰ層の厚さのみを変化させた場合、ＧａＮＰ層の成長時間が１０秒越えると表面が次第に荒れてくることが観測された。さらに、フォスフィン流量を倍にしても次第に表面が荒れてくることも観測された。以上のことから、Ｐの組成比およびＧａＮＰ層の厚さは適宜調整する必要があることがわかる。
【００２１】
＜実施例２＞
さらに、（ＧａＮＰ／ＧａＮ）ＭＱＷ層１４をＧａＮ結晶中に挿入することで転位密度が低減する理由を明らかにすべく、ＧａＮ結晶層１２上にＧａＮＰを成長させてそのまま成長を止め、その表面を観察した。その結果を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、この場合、ＧａＮＰ層の効果を明確にするため、ＧａＮ表面が比較的荒れるようにＧａＮバッファ層１１の成長条件をあえて調整している。このように表面が荒れたＧａＮ結晶１２上にＧａＮＰを成長させるとその表面は次第に平坦化していく。また、欠陥に相当する点も低減している。ＧａＮＰの成長時間が５秒の時、その成長した厚さはおよそ２．２ｎｍ、１５秒の時はおよそ６．６ｎｍである。なお、図４（ａ）はＧａＮ結晶表面、（ｂ）はＧａＮＰを５秒間成長させた場合、（ｃ）はＧａＮＰを１５秒だけ成長させたものである。
【００２２】
＜実施例３＞
一方、ＧａＮ表面の荒れの深さが５０ｎｍほどもあり、２．２ｎｍ程度の膜が均一に形成されたとするとこのような表面状態の改善は説明できない。そこで、Ｐ原子が表面上の穴（点）に選択的に取り込まれると仮定し、穴の体積とＧａＮＰ層の体積を比較した。その結果、これらは非常によい相関を示し、ＧａＮＰが表面の穴や点などの欠陥に選択的に取り込まれることが推測された。本来、転位は自由表面あるいは転位ループを作ることでしか消滅しない。ＧａＮＰにより転位密度が低減するのは、Ｐ原子が転位の位置に選択的に取り込まれ、Ｐ原子がその部分で転位ループを作るという転位のターミネータ（終端）として働くためである。これらの仮説を証明するため、断面電子顕微鏡観察を行った。図５（ａ）、（ｂ）には、実施例１に記載の構造の断面電子顕微鏡写真が示されている。両像は同一場所で観測されており、（ａ）、（ｂ）はそれぞれｇベクトル１１−２０、０００２についての像である。電子線回折の禁止則により、図５（ａ）、（ｂ）にはそれぞれ純粋刃状転位＋混合転位、純粋渦転位＋混合転位のみが観測されている。両者の比較から、純粋渦転位がＭＱＷ層の位置で消滅していることがわかる。ＡＦＭで観測される点は渦転位であることが示されているので、この結果は妥当である。Ｐ原子はＧａＮ表面の渦転位の部分に選択的に取り込まれ、転位をそこで終端することが確認された。渦転位の部分は、原子レベルで平坦な部分と比べるとダングリングボンドが多く、そこに到達する原子を強くトラップするので、Ｐ原子のようにＧａＮの成長温度１０５０度で高い蒸気圧を持つ原子が渦転位の部分に選択的に取り込まれるとする考えも妥当である。
【００２３】
＜実施例４＞
ＧａＮＰ／ＧａＮＭＱＷによる転位密度低減を利用して、波長３５０ｎｍ帯の紫外線ＬＥＤを以下のように作成した。
【００２４】
サファイアｃ面基板／離散的ＳｉＮバッファ／ｕｎｄｏｐｅｄＧａＮ０．４μｍ／Ｓｉ−ｄｏｐｅｄＧａＮ１．５μｍ／（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷ５周期／Ｓｉ−ｄｏｐｅｄＧａＮ０．５μｍ／（Ｓｉ−ｄｏｐｅｄＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ２ｎｍ／ＧａＮ２ｎｍ）ＭＱＷ１００周期／ＧａＮＳＱＷ２ｎｍ／（Ｍｇ−ｄｏｐｅｄＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ２ｎｍ／ＧａＮ１ｎｍ）ＭＱＷ５０周期／Ｍｇ−ｄｏｐｅｄＧａＮ１０ｎｍ
成長後、表面の一部をエッチングしてｎ型ＧａＮを表面に露出させ、透明ｐ電極とｎ電極を形成してＬＥＤを作製した。同一構造で（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷ５周期のみを除いたＬＥＤも同時に作製した。両方のＬＥＤとも発光ピーク波長は３５５ｎｍであった。発光強度は（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷ５周期を挿入したＬＥＤの方が約３倍あった。このことから、（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷが、ＧａＮ及びその上に成長された層の結晶性を改善し、デバイス特性を改善できることが分かる。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について、ＧａＮ系層としてＧａＮ層を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＧａＮ系層としてＡｌＧａＮ層を用いることもできる。すなわち、ＡｌＧａＮ層内にＧａＮＰ／ＧａＮＭＱＷ層を挿入しても、ＡｌＧａＮ層の転位密度を低減することができる。
【００２６】
図６には、ＧａＮ系層としてＡｌＧａＮ層を用いた場合の結果が示されている。（ａ）はＧａＮバッファ層上にＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を２００ｎｍ成長させた場合、（ｂ）はその上にさらにＧａＮＰを５秒間（約２．２ｎｍ）成長させた場合である。両図を比較すると、ＧａＮ層の場合と同様にＡｌＧａＮ層の欠陥に対応する点が低減していることが分かる。
【００２７】
なお、同様の効果をＧａＮＡｓについても試みたが、ほぼ同一効果が得られるものの、Ａｓの場合にはＰと比べると最適な厚さがやや薄く、最適な組成がやや低いことが判明した。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればＧａＮ系層の転位密度を低減でき、デバイス特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の構成図である。
【図２】ＧａＮ層のみを成長させた場合のＡＦＭ写真説明図である。
【図３】（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷを成長させた場合のＡＦＭ写真説明図である。
【図４】ＧａＮＰを成長させた場合の表面状態説明図である。
【図５】断面顕微鏡写真説明図である。
【図６】ＡｌＧａＮ層を用いた場合のＡＦＭ写真説明図である。
【符号の説明】
１０基板、１１ＧａＮバッファ層、１２ＧａＮ層、１４（ＧａＮ／ＧａＮＰ）ＭＱＷ層、１６ＧａＮ層。

Claims

基板と、
前記基板上に成長させた第１ＧａＮ系層と、
前記第１ＧａＮ系層上に成長させた、ＧａＮＰ層とＧａＮ層を交互に積層してなり前記第１ＧａＮ系層の転位を抑制する多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に成長させた第２ＧａＮ系層と、
前記第２ＧａＮ系層上に成長させた発光層と、
を有し、前記第１ＧａＮ系層と前記第２ＧａＮ系層は同一組成であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記ＧａＮＰ層のＰ組成比は０．０１％以上０．５％以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記ＧａＮＰ層のＰ組成比は０．０５％以上０．２％以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記ＧａＮＰ層の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記ＧａＮＰ層の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記多重量子井戸層の周期は１周期以上２０周期以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
基板と、
前記基板上に成長させた第１ＧａＮ系層と、
前記第１ＧａＮ系層上に成長させた、ＧａＮＡｓ層とＧａＮ層を交互に積層してなり前記第１ＧａＮ系層の転位を抑制する多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に成長させた第２ＧａＮ系層と、
前記第２ＧａＮ系層上に成長させた発光層と、
を有し、前記第１ＧａＮ系層と前記第２ＧａＮ系層は同一組成であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
基板上にＧａＮ層を成長させ、前記ＧａＮ層上に発光層を成長させてなる窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、
前記ＧａＮ層内に、ＧａＮＰ層あるいはＧａＮＡｓ層とＧａＮ層を交互に複数周期積層してなり前記ＧａＮ層の転位を抑制する多重量子井戸層を挿入してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。
基板上にＡｌＧａＮ層を成長させ、前記ＡｌＧａＮ層上に発光層を成長させてなる窒化ガリウム系化合物半導体装置であって、
前記ＡｌＧａＮ層内に、ＧａＮＰ層あるいはＧａＮＡｓ層とＧａＮ層を交互に複数周期積層してなり前記ＡｌＧａＮ層の転位を抑制する多重量子井戸層を挿入してなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置。