JP4583523B2 - Iii−v族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素を主成分とするIII−V族化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、GaN系化合物半導体によって高輝度の青色発光ダイオードが商品化され、III−V族窒化物系半導体は発光デバイス材料として大きく期待されている。従来から窒化物系半導体はハイドライド気相成長法(以下、HVPE法)や有機金属気相成長法(以下、MOCVD法)や、分子線エピタキシー法(以下、MBE法)等により成長されている。
【0003】
その成長に用いる基板としては、本来、成長膜と同種のものを使用することが理想的ではあるが、III−V族窒化物単結晶の基板は大きな物を得ることが困難な為、代用としてIII−V族窒化物以外のサファイア基板、SiC基板等を用いてIII−V族窒化物系半導体の結晶成長が行われてきた。III−V族窒化物以外の基板、例えばサファイア及びSiC等の基板を用いた場合、基板と成長するIII−V族窒化物系半導体の格子不整合が大きく、基板上に直接単結晶III−V族窒化物系半導体をうまく成長させることができず、基板上にまず非単結晶バッファ層を成長させ(例えば、Japanese Journal Applied Physics vol.30 L1705)、その上にIII−V族窒化物系半導体単結晶を成長させていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、III−V族窒化物系半導体は六方晶を有することから、バッファ層上に成長したIII−V族窒化物系半導体の成長初期には、6角柱状の島が3次元成長し、その後、6角柱状の島が合体して2次元成長を行う。このような成長形態をとるため、成長したIII−V族窒化物系半導体膜には成長方向に貫通転位とそれより大きい6角形のパイプ状の穴構造が存在し、作製した素子の特性および歩留まりに悪影響をおよぼしていた。
【0005】
また、サファイア基板上に形成した窒化物系化合物半導体を成長させるための結晶成長過程における問題点として、特に、Siドープされたn型結晶の成長において、3次元膜から2次元膜への移行する時間が長く平坦な膜を得るための時間がかかるという問題があった。そこで、3次元成長から2次元成長への変化を促進させる為、特開平8−148718号公報ではn型もしくはi型窒化物半導体層にMgもしくはZnを添加して2次元成長を速めることを行っているが、特開平8−148718号公報では3次元成長から2次元成長を促進することが目的の為、バッファ層上に直接上記MgもしくはZn添加層を成長させていた。
【0006】
しかし、この方法で成長した場合には、2次元膜に移行したSiドープしたn型窒化物半導体と比較して、MgもしくはZnを添加した窒化物半導体層は、X線回折におけるピークの半値幅が広くなり、結晶性が悪化していた。また、2次元膜に移行した場合の表面の平坦性を比較すると、Siドープした窒化物半導体よりもMgもしくはZnを添加した窒化物半導体層の方が平坦性が悪いという欠点がある。
【0007】
III−V族窒化物系半導体発光素子の活性層は10nm以下の単層もしくは10nm以下の膜の多層構造であり、活性層を成長する前に成長させる膜の平坦性が素子の特性の優劣に大きく影響し、当然、平坦性の良い膜の素子特性の方が良い。つまり、バッファ層上に直接上記MgもしくはZn添加した膜上に発光素子構造を成長させることによって、素子特性に悪影響をおよぼしていた。
【0008】
従って、本発明は従来の技術における、上述の問題点を解消することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者が実験を行った結果、2次元成長しているが貫通転位およびパイプ状の穴構造を有するn型およびi型層上にMgもしくはZnドープ層を成長させた場合、上記課題である6角形のパイプ状の穴構造を無くすことができ、貫通転位密度も低減させる効果があることが判明した。
【0010】
よって本発明では基板上にバッファ層を成長させ、その上にMg、Znをドーピングしない、すなわち、n型もしくはi型のIII−V族窒化物系半導体層を2次元成長するまで成長させる。本層はn型もしくはi型のIII−V族窒化物系半導体の積層構造でも良く、III−V族窒化物系半導体成長後、基板を剥離させたIII−V族窒化物系半導体基板でも良い。
【0011】
次に、Mg、Znを含有しないIII−V族窒化物系半導体層もしくはIII−V族窒化物系半導体基板上に、MgもしくはZnドープさせたIII−V族窒化物系半導体層を成長させる。この層を成長させることにより上記課題である6角形のパイプ状の穴を無くすことができ、貫通転位密度も低減させることが可能である。また、MgもしくはZnドープさせたIII−V族窒化物系半導体層は、膜状のn型もしくはi型のIII−V族窒化物系半導体層上に成長させる為、表面モホロジーも良好であり、素子特性の向上と共に歩留まりも向上させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
これより、本発明を実施した形態を具体的に挙げながら詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は実施例1のLED素子の断面図である。サファイア(0001面)基板10上にMOCVD法でAlNバッファ層11を基板温度550℃で成長し、基板温度1100℃でGaN:Si層12を5μm成長させ、その上に基板温度1100℃でGaN:Mg層13を0.5μm成長させた。本実施例では550℃でバッファ層を形成したが、700℃以下で形成しても同様にバッファ層として機能する。
【0013】
その後、同温度でGaN:Mg層13上にn型GaN:Siコンタクト層14を5μm成長させた。次に基板温度を760℃に下降させ、In0.35Ga0.65N活性層15を2nm、その上に同温度でAl0.1Ga0.9N:Mg蒸発防止層16を10nm成長させた。その後、基板温度を1050℃に上昇させ、p型GaN:Mgコンタクト層17を0.4μm成長させた。n型コンタクト層14からp型コンタクト層17までの積層構造を、本実施例では発光素子構造とする。
【0014】
得られた膜について透過電子顕微鏡(以下、TEM)解析を行い、貫通欠陥及び格子欠陥を測定した結果、n型コンタクト層14より上の積層層には貫通欠陥は発見されなかった。
【0015】
次に、p型コンタクト層のドーパントであるMg活性化のために窒素雰囲気中、800℃で20分アニールを行い、その後、n型コンタクト層14が露出するまでエッチングを行い、n型コンタクト層14の表面にはN型電極18を、p型コンタクト層17の表面にはP型電極19を形成する。
【0016】
本発明で得られたLEDランプの輝度を測定したところ、駆動電流20mAで発光波長470nm、輝度3.5cdで従来の1.5倍の輝度が得られた。またLEDランプの発光パターンを顕微鏡で観察しても均一な面状の発光であることを確認した。
【0017】
一方、GaN:Mg層13を成長しないで作製したLEDランプの発光パターンを顕微鏡観察したところ、輝点の集まりで発光していることが判明した。
【0018】
尚、GaN:Mg層13の膜厚および不純物濃度を変化させて図1に示すLED構造を作製し、素子化したLEDランプの輝度を測定した。GaN:Mg層13(不純物濃度1×1020cm-3)の膜厚に対する発光輝度を調査した結果を図2に示す。GaN:Mg層13(膜厚100nm)の不純物濃度に対する発光輝度を調査した結果を図3に示す。図2に示すように、Mgの不純物濃度が1×1020cm-3ではGaN:Mg層13の膜厚が10nm以上、図3に示すようにGaN:Mg層13の膜厚が100nmではMgの不純物濃度が1×1015≦不純物濃度≦1×1021cm-3で、GaN:Mg層13が無いものに比べ、LEDランプの輝度が強くなった。またGaN:Si層12の膜厚に対する発光輝度を調査した結果を図4に示す。図4に示すようにGaN:Mg層13が無いものに比べLEDの輝度を強くするには、1μm以上のGaN:Si層12の膜厚が必要であることが判明した。
【0019】
また、GaN:Mg層13はGaNに限るわけでは無くIII−V族窒化物系半導体であればどれでもよく、混晶でもかまわない。またGaN:Si層12はSiドープである必要は無く、Mg、Znを含まない層で1μm以上の膜厚があれば、本発明の効果が得られることを確認している。また、用いることが可能な成長法は、MOCVD法に限るわけでは無く、MBE法、HPE法でもよい。
【0020】
本実施の形態において、MOCVD法で成長したGaN:Mg層13(0.5μm)をハイドライドVPE法で成長したGaN:Mg層(80μm)に変えても同様に六角形のパイプ穴構造の導入を防止する効果が得られた。この場合、GaN:Si層12上に周期的開口部を持つ格子状パターンのSiO2膜を設けることにより、サファイア上にGaN膜を厚く積層したことに伴うクラックの導入を防止できた。
【0021】
(実施の形態2)
図5は実施の形態2のLED素子の断面図である。SiC(0001面)基板20上にMOCVD法でGaNバッファ層21を成長温度550℃で成長し、その上に基板温度1100℃でGaN:Si層22を3μm成長させ、基板温度1100℃でp型GaN:Mgコンタクト層23を2μm成長させた。次に基板温度を760℃に下降させ、In0.35Ga0.65N活性層24を2nm、その上に同温度でGaN:Si蒸発防止層25を10nm成長させた。その後、基板温度を900℃に上昇させ、n型GaN:Siコンタクト層26を1μm成長させた。
【0022】
得られた膜について透過電子顕微鏡(以下、TEM)解析を行い、貫通欠陥およじ格子欠陥を測定した結果、p型コンタクト層23より上の層には貫通欠陥は発見されなかった。
【0023】
次にp型コンタクト層23が露出するまでエッチングを行い、p型コンタクト層23のドーパントであるMg活性化のために窒素雰囲気中、800℃で20分アニールを行った。その後、n型コンタクト層26の表面にはN型電極18を、p型コンタクト層23の表面にはP型電極19を形成する。
【0024】
本発明で得られたLEDランプの輝度を測定したところ、駆動電流20mAで発光波長470nm、輝度3.5cdで従来の1.5倍の輝度が得られた。またLEDランプの発光パターンを顕微鏡で観察しても均一な面状の発光であることを確認した。
【0025】
(実施の形態3)
図6は実施の形態3のLED素子の断面図である。サファイア(0001面)基板上にハイドライドVPE法で100μm厚のun−dope:GaN膜を成長させた後、研摩によりサファイア基板を除去したGaN(0001面)基板30上に、基板温度1100℃でGaN:Zn層31を0.3μm成長させた。
【0026】
その後、同温度でGaN:Zn層31上に、n型GaN:Siコンタクト層32を3μm成長し、次に基板温度を760℃に下降させ、In0.35Ga0.65N活性層33を2nm、その上に同温度でAl0.1Ga0.9N:Mg蒸発防止層34を10nm成長させた。
【0027】
その後、基板温度を1050℃に上昇させ、p型コンタクト層35を0.3μm成長させた。
【0028】
次に、p型コンタクト層35のドーパントであるMg活性化のために窒素雰囲気中、800℃で20分アニールを行い、その後、n型コンタクト層32が露出するまでエッチングを行い、n型コンタクト層32の表面にはN型電極18を、p型コンタクト層35の表面にはP型電極19を形成する。
【0029】
本発明で得られたLEDランプの輝度を測定したところ、駆動電流20mAで発光波長470nm、輝度4.0cdで従来の1.7倍の輝度が得られた。またLEDランプの発光パターンを顕微鏡で観察しても均一な面状の発光であることを確認した。
【0030】
また、GaN基板30はハイドライドVPE膜を用いたが、製法はハイドライドVPE法に限るものでは無く、MOCVD法、LPE法、MBEによるによるGaN膜をGaN基板30として用いてもよく、MOCVD膜をGaN基板として用いた場合も、上述のLEDと同じ特性が得られるのを確認している。
【0031】
(実施の形態4)
図7は実施の形態4のLD素子の断面図である。サファイア(0001面)基板40上にMOCVD法でGaNバッファ層41を基板温度550℃で成長させ、次に、基板温度1100℃でGaN層42を4μm成長させ、その上に基板温度1100℃でGaN:Zn層43を0.2μm成長させた。
【0032】
その後、同温度でGaN:Zn層43上にn型GaN:Siコンタクト層(キャリア濃度:1×1018cm-3)44を5μm成長させ、n型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層45を0.4μm、n型SiドープGaNガイド層46(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm成長させた。
【0033】
その後、In0.15Ga0.85N(2nm)/In0.05Ga0.95N(4nm)の10周期の多重量子井戸活性層47、Al0.1Ga0.9N蒸発防止層48を10nm成長させる。そして、その上に、p型MgドープGaNガイド層49(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm成長させ、p型MgドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層50を0.4μm、p型MgドープGaNコンタクト層51を0.5μm成長させた。
【0034】
次に、p型ドーパントのMg活性化のために窒素雰囲気中、800℃で20分アニールを行い、その後、200μm幅のストライプ状にn型コンタクト層44が露出するまでエッチングを行い、n型コンタクト層44の表面にはN型電極52を、p型コンタクト層51の表面にはP型電極53を10μm幅のストライプ状に形成する。
【0035】
この素子は、室温においてレーザー発振した。しきい電流、電圧は130mA、5.2Vであった。一方、同条件でGaN層42の無いレーザー素子を作製したが発振しなかった。
【0036】
(実施の形態5)
図8は実施の形態5のLD素子の断面図である。サファイア(0001面)基板60上にMOCVD法でGaNバッファ層61、基板温度1100℃でGaN:Si層62を4μm成長させ、基板温度1100℃でGaN:Mg層63を2μm成長させた。
【0037】
その後、基板温度を800℃でp型In0.05Ga0.95N:Mgコンタクト層64を50nm成長させ、p型MgドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層65を0.4μm、p型MgドープGaNガイド層66(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm成長させた。その後、成長温度を760℃にしてIn0.15Ga0.85N:Si(2nm)/In0.05Ga0.95N:Si(4nm)の10周期の多重量子井戸活性層67、Al0.1Ga0.9N:Si蒸発防止層68を10nm成長させる。そしてその上に、成長温度1100℃でn型SiドープGaNガイド層69(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm、n型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層70を0.4μm、n型GaN:Siコンタクト層(キャリア濃度:1×1018cm-3)71を1μm成長させた。
【0038】
次に、200μm幅のストライプ状にp型GaNコンタクト層64が露出するまでエッチングを行い、p型ドーパントのMg活性化のために窒素雰囲気中、800℃で20分アニールを行った。その後、n型GaN:Siコンタクト層71の表面にはN型電極を10μm幅のストライプ状に、GaN:Mg層63の表面にはP型電極を形成する。
【0039】
この素子は、室温においてレーザー発振した。しきい電流、電圧は160mA、5.8Vであった。
【0040】
(実施の形態6)
図9は実施の形態6のLD素子の断面図である。サファイア(0001面)基板上にハイドライドVPE法で100μm厚のun−dope:GaN膜を成長させた後、研摩によりサファイア基板を除去したGaN(0001面)基板80上に、基板温度1100℃でGaN層81を4μm成長させ、同温度でGaN:Mg層82を0.2μm成長させた。
【0041】
その後、同温度でGaN:Mg層82上にn型GaN:Siコンタクト層(キャリア濃度:1×1018cm-3)83を4μm成長させた後、基板温度を800℃でIn0.05Ga0.95N:Siクラック防止層84を50nm成長させ、n型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層85を0.45μm、n型SiドープGaNガイド層86(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm成長させた。
その後、In0.15Ga0.85N(2nm)/In0.05Ga0.95N(4nm)の5周期の多重量子井戸活性層87、Al0.1Ga0.9N蒸発防止層88を10nm成長させる。そしてその上に、p型MgドープGaNガイド層89(キャリア濃度:1×1018cm-3)を0.1μm成長させ、p型MgドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層90を0.45μm、p型MgドープGaNコンタクト層91を0.5μm成長させた。
【0042】
次に、p型ドーパントのMg活性化のために窒素雰囲気中、700℃で20分アニールを行い、その後、200μm幅のストライプ状にn型GaNコンタクト層83が露出するまでエッチングを行い、n型GaNコンタクト層83の表面にはN型電極92を、p型GaNコンタクト層91の表面にはP型電極93を5μm幅のストライプ状に形成する。なおこのLD素子の共振器長は500μmである。
【0043】
この素子は、室温においてレーザー発振した。しきい電流、電圧は100mA、5.0Vであった。一方、同条件でGaN:Mg層82の無いレーザー素子のしきい値電流、電圧は150mA、5.5Vであった。
【0044】
また、GaN基板80はハイドライドVPE膜を用いたが、製法はハイドライドVPE法に限るものでは無く、Zn、Mgが含有されていない膜であれば、MOCVD法、LPE法、MBE法によるによるGaN膜をGaN基板として用いてもよく、上述のLDと同じ特性が得られている。
【0045】
また、本実施の形態ではGaN基板上にGaN膜81を成長させたが、GaN膜81はZn、Mgを含有しないGaN系膜であれってもよい。またGaN膜81は必ずしも必要では無く、Zn、Mgを含有しないGaN基板上に直接、GaN:MgもしくはGaN:Zn層82を成長させてもかまわない。
【0046】
【発明の効果】
上記のように、nもしくはi型GaN上にGaN:MgもしくはGaN:Zn層を成長することで、6角形のパイプ状の穴を無くすことができ、貫通転位密度も低減させることが可能になった。
【0047】
また、本発明の方法で歩留まり、再現よく、高品質、高信頼性および面上発光のデバイスを作製することができた。また、平坦な膜を形成するまでの膜厚を薄くすることができ、発光素子の製造時間を短縮できるので、スループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるLED素子の断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1におけるGaN:Mg層13の膜厚に対するLED素子の輝度の依存性を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるGaN:Mg層13のMgの不純物濃度に対するLED素子の輝度の依存性を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態1におけるGaN:Si層12の膜厚に対するLED素子の輝度の依存性を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態2におけるLED素子の断面図である。
【図6】本発明の実施の形態3におけるLED素子の断面図である。
【図7】本発明の実施の形態4におけるレーザ素子の断面図である。
【図8】本発明の実施の形態5におけるレーザ素子の断面図である。
【図9】本発明の実施の形態6におけるレーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
10、40、60 サファイア基板
20 SiC基板
30、80 GaN基板
11、21、41、61 バッファ層
12、22、32、44、62、83 GaN:Si層
42、81 GaN層
13、63、82 GaN:Mg層
31、43 GaN:Zn層
14、26、32、44、71、83 n型コンタクト層
15、24、33、47、67、87 活性層
16、25、34、48、68、88 蒸発防止層
17、23、35、51、64、91 p型コンタクト層
45、70、85 n型クラッド層
46、68、86 型ガイド層
49、66、89 p型ガイド層
50、65、90 p型クラッド層
84 クラック防止層
18、52、72、92 N型電極
19、53、73、93 P型電極
Claims (4)
- Siを含有しMg、Znを含有しない膜厚1μm以上のGaN層上に、MgもしくはZnドープGaN層を有し、前記MgもしくはZnドープGaN層上に発光素子構造を有することを特徴とするIII−V族窒化物半導体発光素子。
- III−V族窒化物半導体発光素子の製造方法において、基板上に基板温度700℃以下のバッファ層を成長させ、前記バッファ層上にSiを含有しMg、Znを含有しない膜厚1μm以上のGaN層、MgもしくはZnドープGaN層を順次成長させ、前記MgもしくはZnドープGaN層上に発光素子構造を成長させることを特徴とするIII−V族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記MgもしくはZnドープGaN層上に前記発光素子構造を有する半導体発光素子は、前記MgもしくはZnドープGaN層に近い側にn型層を有することを特徴とする請求項1に記載のIII−V族窒化物半導体発光素子。
- 前記MgもしくはZnドープGaN層を有する半導体発光素子は、前記発光素子構造と前記基板を含み、該基板に近い側にn型層を形成させることを特徴とする請求項2に記載のIII−V族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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