JP4835662B2 - 窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法 - Google Patents
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前記成長温度TWが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、以下の式(1)
VG=α1×TW+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たす。
前記成長温度TWが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、13.9nm/分である。前記成長温度TWが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、5.5nm/分である。前記成長温度TWが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、以下の式(2)
VG=α2×TW+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。
VG=α1×TW+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、前記成長温度TWが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、13.9nm/分であり、前記成長温度TWが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、5.5nm/分であり、前記成長温度TWが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、以下の式(2)
VG=α2×TW+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。
VG=α1×TW+β1 (1)
で与えられる成長速度の値である。この式(1)のα1、β1は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たす。より具体的には、係数α1、β1を計算すると
α1=(13.9−5.5)/(710−640)=8.4/70=0.12
β1=(640×13.9−710×5.5)/(640−710)=−4991/70=−71.3
である。
VG=α2×TW+β2 (2)
で与えられる成長速度の値である。この式(2)のα2、β2は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。より具体的には、係数α2、β2を計算すると
α2=(13.9−5.5)/(750−690)=0.14
β2=(690×13.9−750×5.5)/(690−750)=−5466/60=−91.1
である。
引き続き本実施の形態の実施例を説明する。有機金属気相成長法を用いて発光ダイオードの作製を行った。図7には、主要な製造条件が示されている。有機金属気相成長のためのガリウム原料、インジウム原料、アルミニウム原料、及び窒素原料として、それぞれ、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)及びアンモニアを用いた。n型及びp型ドーパントとして、SiH4及びCp2Mgを用いた。GaNウエハ41を準備した。GaNウエハ41の主面は、GaNウエハ41のc面に対して18度の角度で傾斜している。GaNウエハ41を成長炉に配置した後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で熱処理を行った。熱処理温度は摂氏1050度であり、熱処理時間は10分程度であった。熱処理の後に、TMG(24.2μmol/分)、TMA(4.3μmol/分)、NH3(5slm)、SiH4を成長炉に供給して、GaNウエハ41上にn型AlGaN層43を摂氏1100度で成長した。n型AlGaN層43の厚さは50nmであった。n型AlGaN層43の成長速度は9.8nm/分であった。n型AlGaN層43のAl組成は0.12であった。
PLスペクトルと井戸層の成膜条件とを示す。
PL名称、成膜温度TW、成長速度VG、半値全幅、ピーク波長;
PL1:660度 、5.5nm/分、54nm、524nm;
PL2:690度 、9.3nm/分、49nm、513nm;
PL3:710度 、13.9nm/分、44nm、520nm。
図9の結果によれば、成長速度が大きくなるにつれて、PL強度が強くなると共にPL半値全幅は小さくなる。成長速度に関しては、上限だけでなく、所望の結果を得るための下限が存在していることが明らかになった。
EP1 :摂氏710度、13.9nm/分、44nm、520nm;
EP2 :摂氏730度、13.9nm/分、46nm、506nm;
EP3 :摂氏740度、13.9nm/分、41nm、495nm;
EP4 :摂氏750度、13.9nm/分、36nm、483nm;
EP5 :摂氏700度、11.4nm/分、49nm、510nm;
EP6 :摂氏675度、 9.3nm/分、43nm、509nm;
EP7 :摂氏690度、 9.3nm/分、46nm、518nm;
EP8 :摂氏700度、 9.3nm/分、45nm、523nm;
EP9 :摂氏710度、 9.3nm/分、81nm、550nm;
EP10:摂氏675度、 7.1nm/分、50nm、518nm;
EP11:摂氏640度、 5.5nm/分、67nm、510nm;
EP12:摂氏660度、 5.5nm/分、60nm、520nm;
EP13:摂氏675度、 5.5nm/分、78nm、507nm;
EP14:摂氏690度、 5.5nm/分、52nm、502nm。
プロット名称、成膜温度TW、成長速度VG;
EQ1 :摂氏760度、13.9nm/分、26nm、459nm;
EQ2 :摂氏730度、 9.3nm/分、30nm、460nm;
EQ3 :摂氏720度、 9.3nm/分、33nm、477nm;
EQ4 :摂氏720度、 5.5nm/分、27nm、444nm;
EQ5 :摂氏690度、 3.5nm/分、30nm、460nm;
EQ6 :摂氏690度、 2.3nm/分、28nm、439nm。
また、c面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している低オフ角の半極性面半導体表面では、c面に比べてマイクロステップ密度が高く、マイグレーションが起こりにくい。このため、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度よりも高くしても、c面に比べて障壁層成長中に井戸層の分解が起こりにくい。
Claims (20)
- 量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、
前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度TW及び成長速度VG(nm/分)で、前記量子井戸構造の井戸層を成長する工程と
を備え、
前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有しており、
前記井戸層はInXGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなり、
前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、
前記成長温度TWが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、以下の式(1)
VG=α1×TW+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、
前記成長温度TWが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、13.9nm/分であり、
前記成長温度TWが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、5.5nm/分であり、
前記成長温度TWが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、以下の式(2)
VG=α2×TW+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす、ことを特徴とする方法。 - 前記エピタキシャル半導体領域上に、前記井戸層の前記成長温度TWより高い成長温度TBで、前記量子井戸構造の障壁層を成長する工程を更に備え、
前記障壁層はInYGa1−YN(インジウム組成Y:0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなり、
前記井戸層の前記成長温度TWと前記障壁層の前記成長温度TBとの差は60度以上230度以下である、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。 - 前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備え、
前記井戸層の前記成長温度TWは、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度T2よりも低く、
前記井戸層の前記成長温度TWと前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の前記成長温度T2との差は、140度以上510度以下である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された方法。 - 前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層上に、別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備え、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層を含み、
前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長速度は前記井戸層及び前記量子井戸構造の障壁層の成長速度よりも大きい、ことを特徴とする請求項3に記載された方法。 - 前記井戸層の前記InXGa1−XNにおけるインジウム組成Xは、0.15より大きく、0.4より小さい、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。
- 前記エピタキシャル半導体領域の前記主面の傾斜の方向は、前記窒化ガリウム系半導体のa軸の方向である、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された方法。
- 六方晶系半導体InSAlTGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなる基板を準備する工程を更に備え、
前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載された方法。 - 前記成膜に先立って、前記基板の前記主面に熱処理を行って前記基板に、改質された主面を形成する工程を更に備え、
前記熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われる、ことを特徴とする請求項7に記載された方法。 - 前記熱処理の後に、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記基板上にエピタキシャルに成長する工程を更に備え、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載された方法。 - 前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層、及び前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、前記基板の前記主面の法線の方向に配列されており、
該六方晶系半導体のc軸の方向は前記基板の前記主面の法線の方向と異なる、ことを特徴とする請求項9に記載された方法。 - 前記傾斜の方向と前記窒化ガリウム系半導体のm軸の方向とは89度以上91度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか一項に記載された方法。
- 前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域とを含み、
前記第1および第2の領域は交互に配置されており、
前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている、ことを特徴とする請求項7〜請求項11のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×107cm−2未満である、ことを特徴とする請求項12に記載された方法。
- m面劈開を行って共振器面を作製する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された方法。
- 前記井戸層を成長した後に、前記量子井戸構造の障壁層を成長する前に、前記成長温度TWから前記障壁層の成長温度TBに温度を変更しながら、窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載された方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体層の厚さは前記障壁層の厚さより薄い、ことを特徴とする請求項15に記載された方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体層の成長における成長速度は前記障壁層の成長における成長速度より小さい、ことを特徴とする請求項15または請求項16に記載された方法。
- 窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法であって、
第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を基板上にエピタキシャルに成長する工程と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域上に、窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、
前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度TW及び成長速度VG(nm/分)で、活性層のための井戸層を成長する工程と、
前記井戸層上に、前記井戸層の前記成長温度TWより高い成長温度TBで、前記活性層のための障壁層を成長する工程と、
前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度より大きく45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有しており、
前記井戸層はInXGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなり、
前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、
前記成長温度TWが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、以下の式(1)
VG=α1×TW+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、
前記成長温度TWが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの上限は、13.9nm/分であり、
前記成長温度TWが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、5.5nm/分であり、
前記成長温度TWが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度VGの下限は、以下の式(2)
VG=α2×TW+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度TW、成長速度VG)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす、ことを特徴とする方法。 - 前記基板は、六方晶系半導体InSAlTGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなり、
前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項18に記載された方法。 - 前記成膜に先立って、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で基板の主面に熱処理を行う工程を更に備える、ことを特徴とする請求項18または請求項19に記載された方法。
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