JP4457609B2 - 窒化ガリウム(GaN)の製造方法 - Google Patents
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Description
また、本発明の第3の手段は、上記の第2の手段において、RC<RBとなる様に設定することである。
また、半導体層Cの結晶成長過程において、横方向の成長作用と縦方向の成長作用とが最も理想的な割合で獲得できるので、結晶品質の高い窒化ガリウム(GaN)(半導体層C)を得ることができる。
「RA<RC」とすべき理由は、半導体層Aでは横方向の結晶成長速度vLAを極力抑制した方が良いためである。一方、「RC≦RB」とすべき理由は、半導体層Bでは横方向の結晶成長速度vLBを十分に得る必要があるためである。言い換えれば、半導体層Cの結晶成長過程においては、縦方向の結晶成長作用をより強調すべき第1の結晶成長工程と、横方向の結晶成長作用をより強調すべき第2の結晶成長工程との間の中間的な条件設定が望ましい。これにより、両方向の成長作用が適度にバランスされ、その結果、表面が平坦で結晶品質の高い窒化ガリウム(GaN)(半導体層C)を得ることができる。
これらの設定条件に従えば、例えばLEDを製造する際などには、駆動電圧(Vf)が低く、高輝度で、高静電耐圧の製品を製造することができる。例えば「RC≦RB」と成る様に比RCの値を比RBの値よりも幾分か小さく設定すれば、特に、発光素子の駆動電圧の抑制に、顕著な効果があることが経験的に確認されている(本発明の第3の手段)。
特に、サファイア基板上にバッファ層を介して、窒化ガリウム(GaN)から成る本発明の半導体層A,B,Cを順次積層する場合においては、RCとRBの間の最適な境界値Rthは、約1200程度であった(本発明の第2の手段)。
この最適な境界値Rth(RC≦Rth≦RB)は、勿論、積層するIII族窒化物系化合物半導体(半導体層B,C)の混晶比や、或いは添加/置換する不純物の量等にも依存するが、概ね1000以上が適当である。
(1)第1の結晶成長工程(:半導体層103の結晶成長)
次に、基板101を1100℃にまで昇温し、H2、NH3、及びTMGを供給し、膜厚約500nmのGaNから成る前述の半導体層Aを形成した。この時のIII族元素ガス(TMG)の供給量aIIIとV族元素ガス(NH3)の供給量aVは、以下の結晶成長条件1の通りであった。
〔結晶成長条件1〕
ガス供給量aIII: 570[μmol/min]
ガス供給量aV : 131100[μmol/min]
V/III比RA : 230(≡aV/aIII)
(2)第2の結晶成長工程(:半導体層103の結晶成長)
次に、基板101の温度を保持したまま、H2、NH3、及びTMGを供給し、膜厚約200nmのGaNから成る前述の半導体層Bを形成した。この時のIII族元素ガス(TMG)の供給量aIIIとV族元素ガス(NH3)の供給量aVは、以下の結晶成長条件2の通りであった。
〔結晶成長条件2〕
ガス供給量bIII: 570[μmol/min]
ガス供給量bV :672600[μmol/min]
V/III比RB : 1180(≡bV/bIII)
(3)第3の結晶成長工程(:n型コンタクト層104の結晶成長)
次に、基板101の温度を保持したまま、H2、NH3、TMG及びシランを供給し、膜厚約4.0μm、電子濃度2×1018cm-3のシリコン(Si)ドープのGaNから成るn型コンタクト層104(前述の半導体層C)を形成した。この時のIII族元素ガス(TMG)の供給量cIIIとV族元素ガス(NH3)の供給量cVは、以下の結晶成長条件3の通りであった。
〔結晶成長条件3〕
ガス供給量cIII: 570[μmol/min]
ガス供給量cV :672600[μmol/min]
V/III比RC : 1180(≡cV/cIII)
その後、各半導体層105、106、107、108を以下の通り、結晶成長により順次積層した。
(多重層105の結晶成長)
静電耐圧向上作用を奏する多重層105は、膜厚3nmのノンドープIn0.03Ga0.97Nから成る層1051と膜厚20nmのノンドープGaNから成る層1052とを5ペア積層して構成される。
(発光層106の結晶成長)
多重量子井戸構造の発光層106は、膜厚3nmのノンドープIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層1061と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層1062とを3ペア積層することにより構成される。
(p型半導体層107の結晶成長)
その後、基板101の温度を1000℃に昇温し、キャリアガスをH2に変更して、TMGと、TMAと、CP2Mgを供給することにより、膜厚約20nm、濃度5×1019/cm3のマグネシウム(Mg)をドープしたp型Al0.15Ga0.85Nから成るp型半導体層107を形成した。
(p型コンタクト層108の結晶成長)
最後に、基板101の温度を1000℃に保持し、H2をキャリアガスとして、NH3と、TMGと、CP2Mgを供給して、膜厚約85nm、濃度5×1019/cm3のMgをドープしたp型GaNから成るp型コンタクト層108を形成した。
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、上記の実施例1では、異種基板(サファイア基板)の上にバッファ層を成膜してから、本発明の半導体層A,B,Cを順次積層したが、窒化ガリウム(GaN)のバルク結晶からなる基板を最初の結晶成長基板として用いても良い。この場合には、バッファ層の成膜が必要なく、また、応力の発生する恐れも殆どないため、製造上の制約が少なくなり、よって、生産性や結晶品質の面で更に有利となる点が増える。
1 : 基板
2 : バッファ層
A : 第1の結晶成長工程で積層する半導体層(GaN)
B : 第2の結晶成長工程で積層する半導体層(GaN)
C : 第3の結晶成長工程で積層する半導体層(GaN)
aIII: 半導体層Aの結晶成長時のIII族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
aV : 半導体層Aの結晶成長時のV族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
RA : 半導体層Aの結晶成長時のV/III比(≡aV/aIII)
TA : 半導体層Aの結晶成長温度[℃]
bIII: 半導体層Bの結晶成長時のIII族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
bV : 半導体層Bの結晶成長時のV族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
RB : 半導体層Bの結晶成長時のV/III比(≡bV/bIII)
TB : 半導体層Bの結晶成長温度[℃]
cIII: 半導体層Cの結晶成長時のIII族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
cV : 半導体層Cの結晶成長時のV族元素の材料ガス供給量[μmol/min]
RC : 半導体層Cの結晶成長時のV/III比(≡cV/cIII)
TC : 半導体層Cの結晶成長温度[℃]
100: 半導体発光素子(LED)
101: サファイヤ基板
102: バッファ層
103: ノンドープGaN層(…半導体層A,B)
104: n型コンタクト層(…半導体層C)
105: 多重層(…静電耐圧向上層)
106: 発光層
107: p型半導体層
108: p型コンタクト層
110: 透光性薄膜p電極
120: p電極
130: 保護膜
140: n電極
150: 反射金属層
Claims (9)
- 基板上に有機金属気相成長法により窒化ガリウム(GaN)を製造する方法であって、
前記基板上にバッファ層を形成する工程と、
III族元素の材料ガスを単位時間当たりaIII[μmol/min]の割合で供給し、かつ、V族元素の材料ガスを単位時間当たりaV[μmol/min]の割合で供給して、前記バッファ層上に窒化ガリウム(GaN)から成る半導体層Aを成長させる第1の結晶成長工程と、
III族元素の材料ガスを単位時間当たりbIII[μmol/min]の割合で供給し、かつ、V族元素の材料ガスを単位時間当たりbV[μmol/min]の割合で供給して、前記半導体層Aの上に窒化ガリウム(GaN)から成る半導体層Bを成長させる第2の結晶成長工程と、
前記半導体層Bの上に窒化ガリウム(GaN)から成る半導体層Cを成長させる第3の結晶成長工程と、
を有し、
比RA(≡aV/aIII)を比RB(≡bV/bIII)よりも小さくすることにより、第1の結晶成長工程における前記半導体層Aの横方向の結晶成長速度vLAを、第2の結晶成長工程における前記半導体層Bの横方向の結晶成長速度vLBよりも小さくし、
第3の結晶成長工程における、III族元素の材料ガスの単位時間当たりの供給量c III [μmol/min]に対するV族元素の材料ガスの単位時間当たりの供給量c V [μmol/min]の比をR C (=c V /c III )と置くと、R A <R C ≦R B とした
ことを特徴とする窒化ガリウム(GaN)の製造方法。 - RC≦1200≦RBであることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- RC<RBであることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- RA<900<RBであることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- 100<RA<800であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- 第2の結晶成長工程における前記半導体層Bの結晶成長温度TBを、第1の結晶成長工程における前記半導体層Aの結晶成長温度TA以上に設定することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- TA[℃]≦1000[℃]≦TB[℃]であることを特徴とする請求項6に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- 前記半導体層Aの膜厚は0.3μm以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
- 前記半導体層Aの膜厚は1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の窒化ガリウム(GaN)の製造方法。
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