JP4173445B2 - 窒化物半導体基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体発光素子 - Google Patents
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Description
造および作製方法、さらに、この基板上に形成した半導体光素子に関するものである。
ベースとして、その上に多層構造から成る発光素子や受光素子が作製されている(例えば
、特許文献1、非特許文献1参照)。第8図に、典型的な従来のGaN系発光ダイオード
の結晶層構造を示す。サファイア基板101上に、GaN、またはAlNからなる低温バ
ッファ層102を介してn−GaN層103、n−GaN第1クラッド層104、GaI
nN/GaN多重量子井戸活性層105、p−AlGaNキャップ層106、p−GaN
第2クラッド層107、p−GaNコンタクト層108が順次積層されている。
層を10nmのGaNバリア層で挟んだ構成を有している。結晶成長後、p−GaNコン
タクト層108の表面には、金属薄膜から成るオーム性半透明電極109およびボンディ
ングパッド電極110、また部分的にn−GaN第1クラッド層104が露出するまでエ
ッチングした表面に、n型電極111が形成されている。GaInN井戸層のInNモル
分率を変化させることにより、波長380nmから620nm程度の範囲の発光ダイオー
ドが作製できる。
囲は発光ダイオードの場合よりも狭い。しかし、上記のようにして作製された窒化物半導
体結晶層には108cm−2以上の貫通転位が含まれており、これが非発光中心として作
用することが知られている。したがって、発光ダイオードでは、外部量子効率の低下、ま
た半導体レーザでは、しきい値電流の増大や素子寿命の低下を引き起こす。さらに、フォ
トダイオード等の光検出器おいては、貫通転位によって暗電流が増大することが知られて
おり、ここでも低転位化が不可欠となっている。
EpitaxialLateral Overgrowth:ELO)技術が用いられる
ようになった。ELO技術による低転位GaN基板の構成を、第9図に示す。サファイア
基板201上に、GaN、あるいはAlNからなる低温バッファ層202を介してGaN
層203が成長されている。
に形成され、その上に再びGaNオーバーグロース層205が成長されている。GaNオ
ーバーグロース層205は、ストライプマスク204のない部分、即ちGaN層203が
露出した領域でのみ成長を開始し、しばらくすると、ストライプマスク204上を横方向
に成長した結晶が、その上を覆いつくす。そして、最終的に、第9図に示すような表面が
平坦な膜となる。
真上に貫通する転位206は、結晶合体部207を除いてストライプマスク204上には
ほとんど存在しない。その結果、中央部を除いたストライプマスク204上のGaNオー
バーグロース層205には、105〜107cm−2程度の極めて転位の少ない領域が形
成される。この基板を用いて発光ダイオードや半導体レーザを作製すると、非発光再結合
が少なく効率の高い、優れた特性が得られる。また、低転位領域に作製した光検出器では
、暗電流が数桁も低減できる。
許文献2)。また、AlInGaN多重量子井戸を用いた305nm紫外発光ダイオード
が報告されている(非特許文献3)。
が困難である。短波長化するためには、AlNモル分率の高いAlGaNクラッド層を積
層する必要がある。活性層にキャリアを閉じ込めるためのバンドギャップ差を確保する必
要があるからである。さらに、半導体レーザの場合、光の閉じ込めを行うためにも一層A
lNモル分率の高い、且つ膜厚の大きいAlGaNクラッド層が必要不可欠である。
と、クラックが発生する。GaN層との格子不整合によって、AlGaNクラッド層内に
引っ張り応力が生じ、ある臨界膜厚を超えるとクラックの発生によって、その応力を解放
するためである。例えば、350nmの発光波長の半導体レーザを得るためには、20%
程度のAlNモル分率のAlGaNクラッド層が必要であるが、GaN上のAlGaNク
ラッド層の臨界膜厚は0.2μm程度であり、デバイス作製上問題となる。キャリアや光
を閉じ込めるためには少なくとも0.4μmのクラッド層が必要だからである。
半導体でしか実現できない300nm以下の波長領域で動作する素子が求められている。
したがって、発光素子よりもさらにAlNモル分率の高いAlGaNを用いなければなら
ない。このため低転位でクラックのない高品質結晶の実現は困難である。
、または比較的AlNモル分率の低いAlGaNシード結晶を成長し、さらに、低温で堆
積したAlNなどのIII族窒化物半導体を介し、AlNモル分率の高いAlGaN層を
成長させることにより、クラックが発生せず、しかも、広い領域で低転位AlGaN結晶
基板、および高性能光素子を実現することを可能とするものである。
lxGal−x−yInyN(0.1≦x≦1,0≦y≦0.5)から成るクラッド層と
、前記クラッド層よりもバンドギャップの小さいAlxGal−x−yInyN(0≦x
≦1,0≦y≦1)から成る活性層を備えた半導体発光素子である。
ext)が0.1%以上である上記の半導体発光素子である。
ηext=Po/(I×V)(Po:光出力(W)I:素子の動作電流(A)V:素子の
動作電圧(V))
xGal−x−yInyN(0.1≦x≦1,0≦y≦0.5)から成る半導体層と、A
lxGal−x−yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)から成る光吸収層を備えた光検
出器である。
のいずれかを用いることができる。ここで、斜面というのは、基板面に対して垂直または
水平でないという意味であるが、実際に現れる斜面は、GaN等のシード結晶の(1−1
01)面か(11−22)面である。基板面に対して垂直な面と、これらの斜面とはシー
ド結晶の成長条件を変えることにより切り替えることができる。
、パターニングに用いるフォトリソグラフィの解像度で下限が規定され、周期1ミクロン
以下は作製が困難となる。上限は、上の結晶を平坦化する時間に依存するが、20ミクロ
ンであると10時間を超えるので製造上不利となる。したがって周期1〜20ミクロン程
度が好ましいといえる。
なり、GaN等のシード結晶とその上のAlGaN等の層との間の格子歪によりAlGa
N等の層にクラックが発生する。また、300℃未満では、原料ガスの熱分解が生じず、
層は全く堆積しなくなる。300〜800℃の範囲で堆積した中間層は、細かい粒結晶の
集まりで、格子不整合を緩和する働きを持っており、このためクラックを抑制できる。
1,0≦b≦1)から成る半導体層を備えているが、この層が平坦化されていないと、例
えば、光素子では、非常に膜厚の薄い量子井戸と呼ばれる層を活性層に用いるが、表面に
凹凸があると均一な膜厚にならない問題が生じる。
(実施の形態1)
第1図に、本発明の第1の実施の形態による低転位III窒化物半導体基板の構造、およ
び作製方法を示す。有機金属化合物気相成長法により(0001)サファイア基板1上に
およそ500℃でAlN低温バッファ層2、約1000℃でGaN層3が作製されている
。一旦成長装置から取り出した後、例えば、幅5μm、間隔10μmのSiO2マスク4
から成るストライプマスクを結晶方位〈11−20〉に沿って形成し、再び適切な条件で
GaNの選択成長を行うと、第1図の(b)に示すような形状のGaNシード結晶5を形
成することができる。このときのGaNシード結晶5の斜面は(1−101)面である。
ように、基板温度を例えば500℃まで下げ、AlN低温堆積中間層6を成長し、引き続
き、第1図の(d)に示すように、約1000℃でAl0.2Ga0.8N層7を成長す
る。Al0.2Ga0.8N層7は成長と伴に平坦化が進み、最終的に完全に平坦な表面
が得られる。このようにして作製したAl0.2Ga0.8N層7においては、転位9は
結晶合体部8、即ち隣接するGaNシード結晶5間のほぼ中央付近のみに集中し、それ以
外の領域では転位9が極めて少ない。したがって、ほぼ全面にわたって低転位かつクラッ
クフリーの高品質AlGaN基板が実現できる。
は、通常109cm−2程度の貫通転位が存在している。この転位はGaNシード結晶5
にもそのまま引き継がれるが、ここでは(1−101)面を保持しながら成長するため、
第2図からわかるように、転位はほぼ直角に屈曲する。
屈曲して成長方向に対して垂直な方向へ伝搬する転位は、その後成長されるAl0.2G
a0.8N層7にも引き継がれ、隣接するGaNシード結晶5から横方向に成長してきた
Al0.2Ga0.8N層7と合体した部分で転位は消滅するか、再び成長方向へ曲がっ
て結晶表面へと伸びていく。
度は107cm−2以下である。このような低転位基板上に発光素子を作製すると、非発
光再結合が極めて抑制されるために、高い量子効率が得られる。また、同低転位基板上に
受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現できる。
、他の組成のAlGaInN結晶についても適用可能である。GaN層3およびGaNシ
ード結晶5については、AlGaN層またはAlGaInN層に置き換えてもかまわない
が、シード結晶5のAlNモル分率が高いとストライプマスクであるSiO2マスク4上
への多結晶の析出が顕著となり、好ましくない。
層の代わりに、同じく低温で形成したAlGaInNを用いてもよい。また、本発明では
〈11−20〉方向に沿ったストライプマスクであるSiO2マスク4を用い、シード結
晶5の斜面が(1−101)面となるものを示したが、〈1−100〉方向のストライプ
マスクを用いてもシード結晶5の斜面が(11−22)面となり、同様の効果が得られる
。さらに、ここではサファイア(0001)基板を用いているが、他の面方位のサファイ
ア基板、あるいはSiCやSi、ZrB2等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得
られることは言うまでもない。
第3図に、本発明の第2の実施の形態による低転位III族窒化物半導体基板の構造、お
よび作製方法を示す。窒化物半導体の結晶成長を行う前に、予め、(0001)サファイ
ア基板11上に、例えば、幅5μm、周期10μm、深さ2μmの周期溝12を形成して
おく。周期溝12の方位はサファイア基板11の結晶方位〈1−100〉に対して平行と
する。そして、第3図の(b)、(c)に示すように、有機金属化合物気相成長法により
前記サファイア基板11上におよそ500℃でAlN低温バッファ層13、約1000℃
でGaNシード結晶14を成長する。このとき、適切な条件でGaNシード結晶14の成
長を行うと、サファイア基板凸部15上のGaNシード結晶14の斜面に(1−101)
面が現れる。
板凸部15上の結晶が繋がることにより原料の供給が遮断され、途中で成長が停止する。
ここで、一旦基板温度を500℃付近まで下げ、AlN低温堆積中間層16を成長し、第
3図の(d)に示すように、再び1000℃に加熱した後、Al0.2Ga0.8N層1
7を成長する。Al0.2Ga0.8N層17は成長と伴に平坦化が進み、最終的に完全
に平坦な表面が得られる。
部18、即ち、隣接するGaNシード結晶12間のほぼ中央付近のみに集中し、それ以外
の領域では、転位19が極めて少ない。したがって、ほぼ全面にわたって低転位かつクラ
ックフリーの高品質AlGaN基板が実現できる。
ド結晶14下部には、通常109cm−2程度の貫通転位が存在している。しかし、ここ
では(1−101)面を保持しながら成長するため、第4図からわかるように転位19は
ほぼ直角に屈曲する。このため、GaNシード結晶14の上部においてはほとんど転位1
9は見られなくなる。屈曲して成長方向に対して垂直な方向へ伝搬する転位は、その後成
長されるAl0.2Ga0.8N層17にも引き継がれ、隣接するGaNシード結晶14
から横方向に成長してきたAl0.2Ga0.8N層17と合体した部分で転位は消滅す
るか、再び成長方向へ曲がって結晶表面へと伸びていく。
度は107cm−2以下である。このような低転位基板上に発光素子を作製すると、非発
光再結合が極めて抑制されるために、高い量子効率が得られる。また、同低転位基板上に
受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現できる。
が、他の組成のAlGaInN結晶についても適用可能である。GaNシード結晶14に
ついても、AlGaInN層は使用可能である。低温AlN中間層も、AlGaInNに
変えてもよい。また、本発明では〈11−20〉方向に沿った周期溝12を用い、GaN
シード結晶14の斜面が(1−101)面となるものを示したが、〈1−100〉方向の
周期溝12を用いてもGaNシード結晶14の斜面が(11−22)面となり、同様の効
果が得られる。さらに、ここではサファイア(0001)基板を用いているが、他の面方
位のサファイア基板、あるいはSiCやSi、ZrB2等の他の単結晶基板を用いても同
様の効果が得られることは言うまでもない。
第5図に、本発明の第3の実施の形態による紫外発光ダイオードの素子構造を示す。第1
図に示した低転位窒化物半導体基板上に、引き続き有機金属化合物気相成長法により、n
−Al0.2Ga0.8N第1クラッド層21、多重量子井戸活性層22、p−Al0.
4Ga0.6Nキャップ層23、p−Al0.2Ga0.8N第2クラッド層24、p−
GaNコンタクト層25を連続的に成長している。
Al0.1Ga0.9Nバリア層によって構成されている。結晶成長後、p−GaNコン
タクト層25の表面には、金属薄膜から成るオーム性半透明電極26およびボンディング
パッド電極27、また部分的にn−Al0.2Ga0.8N第1クラッド層21が露出す
るまでエッチングした表面に、n型電極28が形成されている。
電圧を印加し、電流を流すことにより、多重量子井戸活性層22に電子および正孔が注入
され、そのバンドギャップに相当する約350nmの波長の光を放出する。発光ダイオー
ドを構成する各層は、前述のように低転位のAl0.2Ga0.8N層7上に積層される
ため、多重量子井戸活性層22も同様、低転位となっている。したがって、非発光再結合
の割合は極めて少なく、大部分の電子−正孔対は、光の放出を伴って再結合する。その結
果、非常に高い量子効率が実現できる。なお、本実施の形態では、第1の実施の形態で示
した低転位AlGaN基板を用いたが、第2の実施の形態で示した低転位AlGaN基板
を用いても同様の効果が得られる。
第6図に、本発明の第4の実施形態による紫外半導体レーザの素子構造を示す。第1図に
示した低転位窒化物半導体基板上に、引き続き有機金属化合物気相成長法により、n−A
l0.2Ga0.8N第1クラッド層31、n−Al0.1Ga0.9N第1光ガイド層
32、多重量子井戸活性層33、p−Al0.4Ga0.6Nキャップ層34、p−Al
0.1Ga0.9N第2光ガイド層35、p−Al0.2Ga0.8N第2クラッド層3
6、p−GaNコンタクト層37を連続的に成長している。
Al0.1Ga0.9Nバリア層によって構成されている。結晶成長後p−GaNコンタ
クト層37の表面には、例えば、幅2mmのリッジストライプ38が形成され、リッジス
トライプ38の両側に、例えば、SiO2から成る低屈折率の誘電体層39が形成される
。
また、その上部にはp型電極40が形成されている。さらに、部分的にn−Al0.2G
a0.8N第1クラッド層31が露出するまでエッチングした表面に、n型電極41が形
成されている。また、劈開、あるいはエッチングにより、素子の両端には共振ミラーが形
成されている。
を流すことにより、多重量子井戸活性層33に電子および正孔が注入され、そのバンドギ
ャップに相当する約350nmの波長の光の放出および光増幅作用により、レーザ光を放
出する。半導体レーザを構成する各層は、前述のように低転位のAl0.2Ga0.8N
層7上に積層されるため、多重量子井戸活性層33も同様、低転位となっている。
い値電流密度、また高微分効率のレーザ発振が実現できる。なお、本実施の形態では、第
1の実施の形態で示した低転位AlGaN基板を用いたが、第2の実施の形態で示した低
転位AlGaN基板を用いても同様の効果が得られる。
第7図に、本発明の第5の実施の形態による紫外光検出器の素子構造を示す。第1図に示
した低転位窒化物半導体基板上と同様の構成であるが、最上層をAl0.2Ga0.8N
層7に変えてAl0.4Ga0.6N層7’とした基板に、引き続き有機金属化合物気相
成長法によりn−Al0.4Ga0.6N層51、およびn−−Al0.4Ga0.6N
光吸収層52を連続的に成長している。結晶成長後、n−−Al0.4Ga0.6N光吸
収層52の表面には、金属薄膜から成るショットキー半透明電極53およびボンディング
パッド電極54、また部分的にn−Al0.4Ga0.6N層51が露出するまでエッチ
ングした表面に、n型電極55が形成されている。
ス電圧を印加し、波長300nm以下の光をショットキー半透明電極53を通して入射さ
せるとショットキー半透明電極53下のn−−Al0.4Ga0.6N光吸収層52内部
で光吸収により、電子−正孔対が生じる。これらが逆バイアス電圧による電界で加速され
、電子はn型電極55へ、また正孔はボンディングパッド電極54へと移動し、光電流と
して素子外部へ取り出される。
に積層されるため、n−Al0.4Ga0.6N光吸収層52も同様、低転位となってい
る。したがって、量子効率が高く、同時に暗電流が極めて少ない、優れた素子特性が実現
できる。特に、暗電流低減の効果は絶大であり、10Vの逆バイアス電圧において10p
A/cm2以下であった。従来の転位の多い結晶上に作製した素子と比較すると、約8桁
の低減に相当する。
第2の実施の形態で示した低転位AlGaN基板を用いても同様の効果が得られる。また
、紫外光検出器としてショットキー型フォトダイオードを示したが、pin型フォトダイ
オード、フォトトランジスタ、等の他の構造についても適用可能である。さらに、これら
を2次元アレイに集積した、イメージセンサー等への応用にも使用できる。
に示した低転位窒化物半導体基板上に、有機金属化合物気相成長法により、第5図に示す
ように、n−Al0.2Ga0.8N第1クラッド層21、多重量子井戸活性層22、p
−Al0.4Ga0.6Nキャップ層23、p−Al0.2Ga0.8N第2クラッド層
24、p−GaNコンタクト層25を連続的に成長した。なお、多重量子井戸活性層22
はGaN井戸層と、Al0.1Ga0.9Nバリア層によって構成されており、GaN井
戸層を2nmから4nmまで変化させることで発光波長を320nmから360nmまで
変えることができる。結晶成長後、p−GaNコンタクト層25の表面には、金属薄膜か
ら成るオーム性半透明電極26およびボンディングパッド電極27、また部分的にn−A
l0.2Ga0.8N第1クラッド層21が露出するまでエッチングした表面に、n型電
極28を形成した。
時の電圧で323nm→7.4V、338nm→7.1V、352nm→5.0V、36
3nm→4.7Vであった。第10図には、前記した非特許文献2で報告されている結果
を比較例1として示す。また、非特許文献3で報告されている結果を比較例2として示す
。第10図から分るように、発光波長が370nm以下で外部量子効率(ηext)が0
.1%以上であり、どの発光波長においても、比較例と比べて高い効率を持っている。
が作製可能となり、高性能短波長発光素子や受光素子が実現できる。
Claims (13)
- 単結晶基板と、前記単結晶基板の上方に形成された(0001)面AlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶の第1半導体層と、前記第1半導体層上に、上面が斜面で、周期的ストライプ状に形成されたAlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶のシード結晶と、前記シード結晶の前記斜面及び前記シード結晶に被覆されていない前記第1半導体層の表面上に300〜800℃の低温で堆積されたAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る細かい粒結晶の集合である多結晶の中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る単結晶の第2半導体層を備えた窒化物半導体基板。
- 前記斜面が(1−101)面または(11−22)面である、請求の範囲第1項記載の窒化物半導体基板。
- 前記第1半導体層及び前記シード結晶のAlxGal−x−yInyNがGaNである、請求の範囲第1項記載の窒化物半導体基板。
- 前記単結晶基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ZrB2のいずれかである、請求の範囲第1項記載の窒化物半導体基板。
- (0001)面AlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶の第1半導体層上に、選択成長により、上面が斜面で、周期的ストライプ状に形成されたAlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶のシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶の前記斜面及び前記シード結晶に被覆されていない前記第1半導体層の表面上にAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る中間層を300〜800℃の低温で、細かい粒結晶の集合である多結晶として堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る単結晶の第2半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法。
- 周期的に形成されたストライプ状の凹部と凸部からなる溝を有する単結晶基板と、前記単結晶基板の上方に周期的ストライプ状に形成された、上面が斜面で、前記凸部に沿って隣接する前記斜面の上端部が前記凸部の上方で互いに接し、前記凹部に沿って隣接する前記斜面の下端部が前記凹部の上方で互いに接するAlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶のシード結晶と、前記シード結晶の前記斜面上に300〜800℃の低温で堆積されたAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る細かい粒結晶の集合である多結晶の中間層と、前記中間層上に形成された平坦な表面を有するAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る単結晶の半導体層を備えた窒化物半導体基板。
- 前記斜面が(1−101)面または(11−22)面である、請求の範囲第6項記載の窒化物半導体基板。
- 周期的ストライプ状に形成された前記シード結晶がGaNである、請求の範囲第6項記載の窒化物半導体基板。
- 前記単結晶基板が、サファイア、炭化珪素、珪素、ZrB2のいずれかである、請求の範囲第6項記載の窒化物半導体基板。
- 周期的に形成されたストライプ状の凹部と凸部からなる溝を有する単結晶基板の上方に、周期的ストライプ状に形成された、上面が斜面で、前記凸部に沿って隣接する前記斜面の上端部が前記凸部の上方で互いに接し、前記凹部に沿って隣接する前記斜面の下端部が前記凹部の上方で互いに接するAlxGal−x−yInyN(0≦x≦0.1,0≦y≦0.5)から成る単結晶のシード結晶を作製する工程と、前記シード結晶の前記斜面上にAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る中間層を300〜800℃の低温で、細かい粒結晶の集合である多結晶として堆積する工程と、前記中間層上に表面が平坦化するまでAlaGal−a−bInbN(0.1≦a≦1,0≦b≦1)から成る単結晶の半導体層を成長する工程を含む、窒化物半導体基板の製造方法。
- 請求の範囲第1項または請求の範囲第6項記載の窒化物半導体基板上に、第1の導電型および第2の導電型AlxGal−x−yInyN(0.1≦x≦1,0≦y≦0.5)から成るクラッド層と、前記クラッド層よりもバンドギャップの小さいAlxGal−x−yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)から成る活性層を備えた半導体発光素子。
- 発光波長が370nm以下でかつ以下の式で表される外部量子効率(ηext)が0.1%以上である請求の範囲第11項記載の半導体発光素子。
ηext=Po/(I×V)(Po:光出力(W)I:素子の動作電流(A)V:素子の動作電圧(V)) - 請求の範囲第1項または請求の範囲第6項記載の窒化物半導体基板上に、第1の導電型および第2の導電型AlxGal−x−yInyN(0.1≦x≦1,0≦y≦0.5)から成る半導体層と、AlxGal−x−yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)から成る光吸収層を備えた光検出器。
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