JP4361553B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
GaNP/GaN MQW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。
Claims (5)
- MOCVD法により窒化ガリウム系化合物半導体を製造する方法であって、
基板上にGaN系層を成長させ、
前記GaN系層の成長を中断してGaNP層とGaN層を交互に積層することで多重量子井戸層を成長させ、
前記多重量子井戸層上に前記GaN系層を再び成長させ、
前記GaN系層上に発光層を成長させる
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の方法において、
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の製造方法。 - 請求項1記載の方法において、
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の製造方法。 - 請求項1記載の方法において、
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の製造方法。 - MOCVD法により窒化ガリウム系化合物半導体を製造する方法であって、
基板上にGaN系層を成長させ、
前記GaN系層の成長を中断してGaNAs層とGaN層を交互に積層することで多重量子井戸層を成長させ、
前記多重量子井戸層上に前記GaN系層を再び成長させ、
前記GaN系層上に発光層を成長させる
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体装置の製造方法。
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