JP4864766B2 - 半導体層の成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とする半導体層とその成膜方法、及び該半導体層を備えた半導体発光素子に関するものである。
近年、ＧａＮ系材料の開発により半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子の短波長化が進み、３６５ｎｍまでの短波長化が実現されている。現在、さらなる短波長化の研究が活発に行われている。
紫外半導体発光素子として最も大きく期待されているのは、ＧａＮ基板を基板とし、その上に、ＧａＮとＡｌＮ又はＡｌＩｎＮとの混晶材料（具体的にはＡｌＧａＮ混晶又はＡｌＧａＩｎＮ混晶）を成長させるＡｌＧａＮ系である。例えば、非特許文献１には、ＧａＮ基板／ＡｌＧａＮ系量子井戸構造の素子構造において、光励起ではあるが約２４０ｎｍのレーザ発振が報告されている。
しかしながら、紫外半導体発光素子の実用化は見通しが立っていないのが現状である。これは、結晶成長が困難であることが原因の一つと言われている。上記材料系で発光素子を製造する場合、発光波長を短波長化するには、ＡｌＧａＮ混晶又はＡｌＧａＩｎＮ混晶中のＡｌ分量を増やす必要がある。しかしながら、Ａｌ分量を増やすと、結晶欠陥が増加すると共にｐ型化し難くなるという傾向があり、Ａｌ分量の増加には限界がある。
特許文献１，２には、基板としてＭｎＯ基板あるいはＳｉＣ基板を用いたＡｌＧａＮ系半導体発光素子が提案されている。基板を変えても、発光波長を短波長化するには、ＡｌＧａＮ混晶又はＡｌＧａＩｎＮ混晶中のＡｌ分量を増やす必要があることには変わりなく、問題の解決とはならない。
特開平１−１７４８４号公報
特開平５−２０６５１３号公報
"Room-temperature deep-ultraviolet lasing at 241.5nm of AlGaN multiple-quantum-well laser", Appl. Phys. Lett. 84, 3567 (2004)
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、１９０〜３００ｎｍの短波長光を発光する短波長半導体発光素子用として好適な半導体層とその成膜方法、及び該半導体層を備えた半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
ここで言っている発光波長は、半導体レーザでは発振波長、発光ダイオードでは中心発光波長である。
ここで言っている発光波長は、半導体レーザでは発振波長、発光ダイオードでは中心発光波長である。
本発明者は、ＡｌＧａＮ系半導体発光素子における上記問題は、Ａｌという物質が他の物質に比べて活性が高く、単独では非常に不安定であることが原因の一つではないかと推測した。そして、Ａｌ分量が少ない組成条件において、バンドギャップから見て１９０〜３００ｎｍの発光可能性があり、しかも半導体発光素子に必要な複数の半導体層を同一系材料で構成することができる材料を用いることで、実用性の高い短波長半導体発光素子を実現できると考えた。
本発明者は、短波長用材料としてＢＮ（窒化ホウ素）に着目し、上記特性を有する材料として、ＢＮとＡｌＮとＧａＮとの混晶であるＢＡｌＧａＮ系材料が好適であることを見出した。また、基板として、ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板が好適であり、成膜方法としてはレーザアシスト有機金属気相成長法（レーザアシストＭＯＶＰＥ法）が好適であることを見出した。
本発明の半導体層は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とし、レーザアシスト有機金属気相成長法（レーザアシストＭＯＶＰＥ法）により成膜されたものであることを特徴とするものである。
レーザアシストＭＯＶＰＥ法は、基板に対してレーザ光の照射を行いながら、有機金属化合物を含む１種又は複数種の成膜原料を気相で供給し、該成膜原料の少なくとも一部を分解させて、基板上に成膜原料の構成元素を含む膜を気相成長させる方法である。
本明細書において、「主成分」は、含量９９ｍｏｌ％以上の成分と定義する。
本明細書において、「主成分」は、含量９９ｍｏｌ％以上の成分と定義する。
ＢＮについては、物質材料研究機構の渡邊らにより、高純度な六方晶窒化ホウ素結晶の合成が報告され、該結晶が電子線励起によって約２２０ｎｍの発光を示すことが報告されている（”Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal”, nature materials, Vol.3, p404 (2004)）。また、特許第３７１６４４０号公報には、単結晶基板上へのＢＡｌＮ単結晶薄膜の成膜が報告されている。しかしながら、これらの文献には、ＢＡｌＧａＮ又はＢＧａＮについては記載されていない。
本発明の半導体層は、III族原料としてホウ素化合物及び有機金属化合物を用い、Ｖ族原料としてアンモニアを用いて、成膜することができる。本発明の半導体層は、ＢｅＯ基板、ＴｉＢ２基板、ＳｃＢ２基板、ＶＢ２基板、ＹＢ２基板、ＭｎＢ２基板、ＭｇＢ２基板、ＦｅＢ２基板、及びＣｒＢ２基板のうち、いずれかの基板上に成膜されたものであることが好ましい。レーザアシスト有機金属気相成長法を用いることで、１２００℃以下の成膜温度で、上記基板上に本発明の半導体層を成膜することができる。
本発明の半導体層の成膜方法は、基板上に、レーザアシスト有機金属気相成長法により、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とする半導体層を成膜することを特徴とするものである。
本発明の半導体層の成膜方法において、前記基板の直上を該基板の基板面に対して略水平方向にレーザ光が通るように、前記基板に対して少なくとも一方向からレーザ光を照射しながら、前記基板に対する成膜原料の供給を実施して、前記成膜を行うことが好ましい。
本明細書において、「レーザ光の照射方向が基板面に対して略水平方向」であるとは、レーザ光の照射方向と基板の法線方向とのなす角が９０±２度の範囲と定義する。
本明細書において、「レーザ光の照射方向が基板面に対して略水平方向」であるとは、レーザ光の照射方向と基板の法線方向とのなす角が９０±２度の範囲と定義する。
さらに、前記基板面に対して平行方向のレーザ光強度分布が略均一であり、前記基板面に対して垂直方向のレーザ光強度分布がガウス分布に近似される分布であるレーザプロファイルで、前記レーザ光の照射を行うと共に、前記基板面から垂直方向に２ｍｍ以内の範囲に、前記垂直方向のレーザ光強度分布のピークが存在するように、前記レーザ光を照射することが好ましい。
本発明の第１の半導体発光素子は、上記の本発明の半導体層を備えたことを特徴とするものである。
本発明の第２の半導体発光素子は、第１導電型半導体基板に、第１導電型電極と第１導電型クラッド層と半導体活性層と第２導電型クラッド層と第２導電型電極とが設けられた半導体発光素子において、
前記第１導電型半導体基板が、ＢｅＯ基板、ＴｉＢ２基板、ＳｃＢ２基板、ＶＢ２基板、ＹＢ２基板、ＭｎＢ２基板、ＭｇＢ２基板、ＦｅＢ２基板、及びＣｒＢ２基板のうち、いずれかの基板であり、
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層が、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたＢＡｌＧａＮ層であり、
前記半導体活性層が、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたＢＧａＮ層及び／又はＢＡｌＧａＮ層を含む単層又は積層構造からなることを特徴とするものである。
前記第１導電型半導体基板が、ＢｅＯ基板、ＴｉＢ２基板、ＳｃＢ２基板、ＶＢ２基板、ＹＢ２基板、ＭｎＢ２基板、ＭｇＢ２基板、ＦｅＢ２基板、及びＣｒＢ２基板のうち、いずれかの基板であり、
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層が、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたＢＡｌＧａＮ層であり、
前記半導体活性層が、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたＢＧａＮ層及び／又はＢＡｌＧａＮ層を含む単層又は積層構造からなることを特徴とするものである。
本明細書において、「第１導電型」及び「第２導電型」はｐ型又はｎ型に相当し、導電型の異なることを示している。
本発明の半導体発光素子において、第１導電型電極と第２導電型電極とは、半導体基板の異なる面に形成されてもよく、同一面に形成されていてもよい。
本発明の半導体発光素子において、第１導電型電極と第２導電型電極とは、半導体基板の異なる面に形成されてもよく、同一面に形成されていてもよい。
本発明の第２の半導体発光素子において、前記半導体活性層は、ＢＧａＮ量子井戸層と、ＢＧａＮ障壁層又はＢＡｌＧａＮ障壁層との積層構造からなる多重量子井戸活性層であることが好ましい。
本発明の第２の半導体発光素子において、前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層が、該第１導電型半導体基板に略格子整合していることが好ましい。
本明細書において、「略格子整合している」とは、２つの層の格子定数をａ１、ａ２とした場合に（ａ１−ａ２）／ａ１＜３％と定義する。
本明細書において、「略格子整合している」とは、２つの層の格子定数をａ１、ａ２とした場合に（ａ１−ａ２）／ａ１＜３％と定義する。
本発明によれば、上記本発明第２の半導体発光素子の素子構成を有し、発振波長が２１０〜２８０ｎｍの波長域内にある半導体レーザ、若しくは、中心発光波長が１９０〜３００ｎｍの波長域内にある発光ダイオードを提供することができる。
本発明の半導体層は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とし、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたものであることを特徴とするものである。
かかる組成の本発明の半導体層は、バンドギャップから見て１９０〜３００ｎｍの発光が可能であり、短波長半導体発光素子用として好適である。ここで言っている発光波長は、半導体レーザでは発振波長、発光ダイオードでは中心発光波長である。
本発明の半導体層では、短波長発光の条件で、従来、半導体発光素子の材料として広く用いられているＡｌＧａＮ系に比してＡｌ分量を少なくすることができる。これによって、ＡｌＧａＮ系における短波長化の妨げの要因の一つと考えられる「Ａｌの増量による結晶欠陥の増加やｐ型化の困難化の問題」が解消され、結晶性や半導体特性等に優れた本発明の半導体層が得られると考えられる。
本発明の半導体層は、ＢｅＯ基板、ＴｉＢ２基板、ＳｃＢ２基板、ＶＢ２基板、ＹＢ２基板、ＭｎＢ２基板、ＭｇＢ２基板、ＦｅＢ２基板、及びＣｒＢ２基板のうち、いずれかの基板上に成膜されたものであることが好ましい。レーザアシスト有機金属気相成長法を用いることで、１２００℃以下の成膜温度で、上記基板上に結晶性が良好な本発明の半導体層を成膜することができる。
本発明の半導体層は、従来のＧａＮ基板を利用した半導体層と比較して格子定数が小さくなる、即ち各原子間距離が短くなるために、強い結合力となる。その分膜が破壊し難くなり、膜単体として見た場合においては摩耗し難い性質を備えたり、本発明の半導体層を利用した発光・受光素子や電子デバイスでは信頼性が向上するという効果も生まれる。
上記の本発明の半導体層を用いて半導体発光素子を構成することで、１９０〜３００ｎｍの短波長光を発光する短波長半導体発光素子を提供することができる。本発明によれば、高効率で発光特性に優れた短波長半導体発光素子を提供することができる。
本発明の短波長半導体発光素子は、新規な短波長光源として利用可能なものである。本発明の短波長半導体発光素子は、水銀ランプ等の従来の紫外光源に比して小型化が可能であり、各種殺菌用光源、蛍光体と組み合わせた可視光照明用光源、フォトレジスト等の露光光源、加工用レーザなど、様々な用途への利用が可能である。
「半導体層と成膜方法」
本発明の半導体層は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とし、レーザアシスト有機金属気相成長法（レーザアシストＭＯＶＰＥ法）により成膜されたものであることを特徴とするものである。
本発明の半導体層は、ｐ型又はｎ型のドーパントがドープされたものでもよいし、ノンドープでもよい。
本発明の半導体層は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とし、レーザアシスト有機金属気相成長法（レーザアシストＭＯＶＰＥ法）により成膜されたものであることを特徴とするものである。
本発明の半導体層は、ｐ型又はｎ型のドーパントがドープされたものでもよいし、ノンドープでもよい。
本発明の半導体層では、短波長発光の条件で、従来、半導体発光素子の材料として広く用いられているＡｌＧａＮ系に比してＡｌ分量を少なくすることができる。これによって、ＡｌＧａＮ系における短波長化の妨げの要因の一つと考えられる「Ａｌの増量による結晶欠陥の増加やｐ型化の困難化の問題」が解消され、結晶性や半導体特性等に優れた本発明の半導体層が得られると考えられる。
具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体素子で１９０〜３００ｎｍの短波長発光を得るには、ＡｌＧａＩｎＮ中のＡｌ量を７５〜１００モル％とすることが必要と考えられるが、本発明では、ＢＡｌＧａＮ中のＡｌ量を１５〜３０モル％とすることができる。
基板は特に制限されず、本発明者は、ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板が好ましいことを見出している。ＢｅＯ基板としては、ｎ型ＢｅＯ（０００１）基板が好ましく用いられる。
ＢｅＯ基板は、良質な六方晶の単結晶基板が既に実用化されており、入手容易である。また、ＢｅＯは格子定数がａ軸で２．６９８Åであり、ＢｅＯ基板と本発明の半導体層とを良好に格子整合させることが可能である。また、ＢｅＯはバンドギャップが１１．２ｅＶであり、紫外光に対しても透明な材料であるので、基板側からの光の取出しも可能であり、発光ダイオード等の用途にも好適である。
図１に、III−Ｖ族半導体化合物の格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す。図１には、ＢｅＯ基板上にＢＡｌＧａＮ系材料を成長した場合、約５〜６ｅＶの範囲内でバンドギャップを制御可能であることが示されている。このバンドギャップは発光波長に換算すれば、約２１０〜２５０ｎｍに相当する。
本発明者らが検討したところ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板も、格子定数２．５〜３．０Åの範囲内で結晶系を構成可能な材料であり、本発明の半導体層の基板として好ましく使用できる。
先に述べたように、ＢｅＯは格子定数がａ軸で２．６９８Åであり、原子間距離が短く、結合エネルギーが高い。かかる基板上にＢＡｌＧａＮ系材料を成長することは、高エネルギーを要するため、通常の成膜方法では難しいと考えられる。
本発明者は、レーザアシスト有機金属気相成長法（レーザアシストＭＯＶＰＥ法）を用いることで、上記基板上に、結晶性が良好な本発明の半導体層を成膜することができることを見出している。
本発明の半導体層は、III族原料としてホウ素化合物（好ましくはホウ素水素化合物）及び有機金属化合物を用い、Ｖ族原料としてアンモニアを用いて、成膜することができる。III族原料としては、例えば、Ｂ２Ｈ６（ジボラン）／ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）／ＴＭＧ（トリメチルガリウム）又はＴＥＧ（トリエチルガリウム）が好ましく使用される。
通常のＭＯＶＰＥ法によりＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層を成長する場合、上記原料、及び必要に応じて水素又は窒素等のキャリアガスを基板上に供給し、基板温度１５００℃程度の条件で成膜を行う必要があると考えられる。ホウ素及びアルミニウムを高励起ラジカル状態とするのに必要なエネルギーを得るために、かかる高温が必要であると考えられる。
しかしながら、気相成長法において、基板温度を１２００℃以上の高温にすると、ガスの対流現象が無視できなくなり、反応管内での原料ガスの乱流が生じて、基板上への原料供給が妨げられる恐れがあり、好ましくない。
本発明者は、レーザ光を照射しながら有機金属気相成長を行うレーザアシストＭＯＶＰＥ法を採用することで、レーザ光のフォトンエネルギーにより、ホウ素及びアルミニウムの高エネルギー状態への励起を促進し、ＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層を通常のＭＯＶＰＥ法より低温で成長できることを見出している。具体的には、レーザアシストＭＯＶＰＥ法を採用することで、本発明の半導体層を、原料ガスの対流が生じにくい１２００℃以下の成膜温度で成膜することができ、１０００℃以下の成膜温度で成膜することも可能である。
本発明者はまた、レーザ光のフォトンエネルギーにより、ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板上における結晶成長時のマイグレーションが促進され、より安定なサイトでの結晶化が起こると考えている。
レーザアシストＭＯＶＰＥ法を用いることで、上記効果が相俟って、上記基板上に結晶性が良好な本発明の半導体層を成膜することができる。
本発明者はまた、レーザ光のフォトンエネルギーにより、ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板上における結晶成長時のマイグレーションが促進され、より安定なサイトでの結晶化が起こると考えている。
レーザアシストＭＯＶＰＥ法を用いることで、上記効果が相俟って、上記基板上に結晶性が良好な本発明の半導体層を成膜することができる。
図２に、本発明の半導体層の成膜に用いて好適なレーザアシストＭＯＶＰＥ装置の構成例について説明する。図２（ａ）では基板を上面図で図示してあり、図２（ｂ）では基板を側面図で図示してある。
図２に示す成膜装置１００は、少なくともレーザ光Ｌが通る部分が透光性を有する反応管１１０と、反応管１１０内にレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射光学系１２０とから概略構成されている。レーザ光Ｌは炭酸ガスレーザ光に代表されるような連続光でもよいし、エキシマレーザ光に代表されるパルス光でも構わない。
反応管１１０内には、基板２００（ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板）が載置されるカーボン製等のサセプタ１１１が設置されている。サセプタ１１１及び基板２００が円板状である場合について図示してある。サセプタ１１１はヒータ（図示略）にて所望の温度に加熱可能とされており、これによって基板２００が所望の温度に加熱可能とされている。本発明では、上記した如く、１２００℃以下の成膜温度（基板温度）で成膜することができる。
反応管１１０内には、III族原料（例えばＢ２Ｈ６／ＴＭＡ／ＴＥＧ）、Ｖ族原料（例えばアンモニア）、及び必要に応じて水素等のキャリアガスを含む原料ガスＧが、導入されるようになっている。
レーザ光照射光学系１２０は、レーザ光源１２１と、レーザ光源１２１からの出射光の光径を拡大する拡大レンズ１２２と、拡大レンズ１２２からの出射光を平行光束化するコリメートレンズ１２３と、コリメートレンズ１２３からの出射光を基板２００側に反射させる反射ミラー１２４とから構成されている。レーザ光照射光学系１２０は、基板２００にレーザ光Ｌを照射できればよく、その光学系は適宜設計変更可能である。
レーザ光源１２１としては特に制限なく、フォトンエネルギーが高く、結合エネルギーから見て原料分解の促進効果が高いことから、発振波長が１５０〜３１０ｎｍの波長域にある紫外レーザが好ましく用いられる。紫外レーザとしては、エキシマレーザ（ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦ、Ｆ２等）、及び紫外固体レーザ等が挙げられる。
レーザ光Ｌが、基板２００の直上を一方向から基板面に対して略水平方向に通過するように、レーザ光照射光学系１２０の配置が設計されている。また、基板２００の全面にレーザ光Ｌが照射されるように、レーザ光照射光学系１２０の拡大光学系等が設計されている。
レーザ光Ｌの照射方向は適宜設計でき、基板面に対して垂直方向又は斜め方向からレーザ光Ｌを照射しても構わない。ただし、かかる方向からレーザ光Ｌを照射する場合、照射条件によっては、レーザ光Ｌが基板面に対して強く衝突して、基板２００あるいは成長中の結晶に対してダメージを与える恐れがある。
したがって、図示する例のように、基板２００の直上を基板面に対して略水平方向にレーザ光Ｌが通るように、基板２００に対してレーザ光Ｌを照射することが最も好ましい。かかる方向でレーザ光Ｌを照射すれば、基板２００へのダメージを抑制することができ、成長中の結晶がレーザ光Ｌによって分解されて再脱離することを抑制することができる。
基板面に対して平行方向のレーザ光強度分布が略均一であり、基板面に対して垂直方向のレーザ光強度分布がガウス分布に近似される分布であるレーザプロファイルで、レーザ光Ｌの照射を行うことができる。かかるレーザプロファイルでレーザ光Ｌの照射を行うことで、基板２００の略全面を略均一に処理することができ、均質な膜を成長させることができる。
図２（ｃ）に、レーザ光Ｌの基板面に垂直方向のレーザ光強度分布の例を示す。
基板面から垂直方向に２ｍｍ以内の範囲に、垂直方向のレーザ光強度分布のピークが存在するように、レーザ光Ｌを照射することが好ましい。かかるレーザプロファイルでレーザ光Ｌの照射を行えば、基板２００の直上を通るレーザ光Ｌの光強度を大きく確保することができ、基板２００上での気相成長の反応を効果的に実施することができる。
基板面から垂直方向に２ｍｍ以内の範囲に、垂直方向のレーザ光強度分布のピークが存在するように、レーザ光Ｌを照射することが好ましい。かかるレーザプロファイルでレーザ光Ｌの照射を行えば、基板２００の直上を通るレーザ光Ｌの光強度を大きく確保することができ、基板２００上での気相成長の反応を効果的に実施することができる。
レーザ光源１２１は、単数又は複数備えることができる。レーザ光源１２１の数が多い程、基板２００に照射されるトータルのレーザ光量が増し、使用する原料によっては原料分解がより促進されることが期待される。
レーザ光源１２１を複数備える場合には、複数のレーザ光源１２１からのレーザ光Ｌを基板２００に対して異なる方向から各々独立に基板２００に照射してもよいし、複数のレーザ光源１２１からのレーザ光Ｌを合波して、照射しても構わない。
レーザ光源１２１を複数備える場合には、複数のレーザ光源１２１の発振波長は同一でも非同一でも構わない。
複数種の成膜原料を用いる場合などには、発振波長の異なる複数のレーザ光源１２１を用い、発振波長の異なる複数のレーザ光Ｌを各々独立に、又は発振波長の異なる複数のレーザ光Ｌを合波して、基板２００に照射することが好ましい。結合エネルギーの異なる複数種の成膜原料を用いる場合には、複数種の成膜原料の結合エネルギーに応じて複数のレーザ光源１２１の発振波長を変えることで、複数種の成膜原料を効率よく分解することができる。
複数種の成膜原料を用いる場合などには、発振波長の異なる複数のレーザ光源１２１を用い、発振波長の異なる複数のレーザ光Ｌを各々独立に、又は発振波長の異なる複数のレーザ光Ｌを合波して、基板２００に照射することが好ましい。結合エネルギーの異なる複数種の成膜原料を用いる場合には、複数種の成膜原料の結合エネルギーに応じて複数のレーザ光源１２１の発振波長を変えることで、複数種の成膜原料を効率よく分解することができる。
上記構成の成膜装置１００を用いることで、基板２００にレーザ光Ｌ（好ましくは紫外レーザ光）を照射しながら有機金属気相成長を行い、原料ガスの対流が生じにくい１２００℃以下の成膜温度で、ＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層を成長させることができる。
以上説明したように、本発明の半導体層は、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とし、レーザアシスト有機金属気相成長法により成膜されたものである。かかる組成の本発明の半導体層は、バンドギャップから見て１９０〜３００ｎｍの発光が可能であり、短波長半導体発光素子用として好適である（ここで言っている発光波長は、半導体レーザでは発振波長、発光ダイオードでは中心発光波長である。）。
本発明では、短波長発光の条件で、ＡｌＧａＮ系に比してＡｌ分量を少なくすることができるので、結晶性や半導体特性等に優れた半導体層が得られると考えられる。
本発明の半導体層は、ＢｅＯ、ＴｉＢ２、ＳｃＢ２、ＶＢ２、ＹＢ２、ＭｎＢ２、ＭｇＢ２、ＦｅＢ２、及びＣｒＢ２等の基板上に成膜されたものであることが好ましい。レーザアシスト有機金属気相成長法を用いることで、１２００℃以下の成膜温度で、上記基板上に結晶性が良好な本発明の半導体層を成膜することができる。
「第１実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ）」
図３に基づいて、本発明に係る第１実施形態の半導体発光素子である半導体レーザの構成について説明する。図３（ａ）は素子の全体断面図、図３（ｂ）は半導体活性層の拡大断面図である。
図３に基づいて、本発明に係る第１実施形態の半導体発光素子である半導体レーザの構成について説明する。図３（ａ）は素子の全体断面図、図３（ｂ）は半導体活性層の拡大断面図である。
本実施形態の半導体レーザ（半導体発光素子）１は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１１の図示上面に、該基板側から、ｎ型クラッド層１２と、ノンドープ下部光ガイド層１３と、半導体活性層１４と、ノンドープ上部光ガイド層１５と、ｐ型（第２導電型）クラッド層１６と、ｐ型コンタクト層１７と、絶縁膜２０と、ｐ型電極２１とが順次積層された積層構造を有している。
ｎ型クラッド層１２〜ｐ型電極２１の積層は、ｎ型クラッド層１２が露出するまで図示左端部がドライエッチングされており、エッチングによりｎ型クラッド層１２が露出した部分にｎ型電極２２が形成されている。ｎ型電極２２は、ｎ型クラッド層１２にのみ接し、他の層には接しないように形成されている。
本実施形態において、半導体活性層１４は、量子井戸層１４Ａと障壁層１４Ｂとが交互に積層された積層構造の多重量子井戸活性層である。
本実施形態の素子においては、絶縁膜２０が開口部２０Ａを有するパターンで形成されている。すなわち、本実施形態の素子は、絶縁膜２０の開口部２０Ａの開口領域にみ選択的に電流が流れるストライプ構造を有している。
以下に、基板と各層の組成、及び各層の厚みの設計例を挙げる。
ｎ型半導体基板１１：ｎ−ＢｅＯ（０００１）基板、
ｎ型クラッド層１２：ｎ−ＢＡｌＧａＮ層（１．２μｍ厚）、
ノンドープ下部光ガイド層１３：ＢＡｌＧａＮ層（０．１μｍ厚）、
半導体活性層１４：ＢＧａＮ量子井戸層（各層３ｎｍ厚，計３層）とＢＡｌＧａＮ障壁層（各層５ｎｍ厚，計２層）とが交互に積層された積層構造、
ノンドープ上部光ガイド層１５：ＢＡｌＧａＮ層（０．１μｍ厚）、
ｐ型クラッド層１６：ｐ−ＢＡｌＧａＮ層（１．２μｍ厚）、
ｐ型コンタクト層１７：ｐ−ＢＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
絶縁膜２０：ＳｉＯ２。
ｎ型半導体基板１１：ｎ−ＢｅＯ（０００１）基板、
ｎ型クラッド層１２：ｎ−ＢＡｌＧａＮ層（１．２μｍ厚）、
ノンドープ下部光ガイド層１３：ＢＡｌＧａＮ層（０．１μｍ厚）、
半導体活性層１４：ＢＧａＮ量子井戸層（各層３ｎｍ厚，計３層）とＢＡｌＧａＮ障壁層（各層５ｎｍ厚，計２層）とが交互に積層された積層構造、
ノンドープ上部光ガイド層１５：ＢＡｌＧａＮ層（０．１μｍ厚）、
ｐ型クラッド層１６：ｐ−ＢＡｌＧａＮ層（１．２μｍ厚）、
ｐ型コンタクト層１７：ｐ−ＢＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
絶縁膜２０：ＳｉＯ２。
ｎ型半導体基板１１としては、ｎ−ＴｉＢ２、ｎ−ＳｃＢ２、ｎ−ＶＢ２、ｎ−ＹＢ２、ｎ−ＭｎＢ２、ｎ−ＭｇＢ２、ｎ−ＦｅＢ２、及びｎ−ＣｒＢ２等の基板を使用することもできる。
本実施形態では、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７のすべての半導体層が、ｎ型半導体基板１１に略格子整合するよう、層組成を調整してある。
半導体活性層１４は、上記層構成の代わりに、ＢＧａＮ歪量子井戸層とＢＧａＮ障壁層とが交互に積層された積層構造でもよい。
本実施形態では、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７のすべての半導体層が、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とする本発明の半導体層であり、これらの半導体層１２〜１７はすべてレーザアシストＭＯＶＰＥ法により成膜されたものである。半導体層１２〜１７はレーザアシストＭＯＶＰＥ法により成膜されたものであるので、結晶性が良好である。
本実施形態の半導体レーザ１は、以上のように構成されている。
本実施形態の半導体レーザ１は、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７がＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層であるＢＡｌＧａＮ系半導体レーザである。
本実施形態の構成により、発振波長が２１０〜２８０ｎｍの波長域内にある短波長半導体レーザを提供することができ、高効率で発光特性に優れた短波長半導体レーザを提供することができる（後記実施例１を参照）。
本実施形態の半導体レーザ１は、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７がＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層であるＢＡｌＧａＮ系半導体レーザである。
本実施形態の構成により、発振波長が２１０〜２８０ｎｍの波長域内にある短波長半導体レーザを提供することができ、高効率で発光特性に優れた短波長半導体レーザを提供することができる（後記実施例１を参照）。
「第２実施形態の半導体発光素子（発光ダイオード）」
図４に基づいて、本発明に係る第２実施形態の半導体発光素子である発光ダイオードの構成について説明する。図４は素子の全体断面図であり、第１実施形態と同様の構成要素には同じ参照符号を付してある。
図４に基づいて、本発明に係る第２実施形態の半導体発光素子である発光ダイオードの構成について説明する。図４は素子の全体断面図であり、第１実施形態と同様の構成要素には同じ参照符号を付してある。
本実施形態の発光ダイオード（半導体発光素子）２は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１１の図示上面に、該基板側から、ｎ型クラッド層１２と、ノンドープ下部光ガイド層１３と、半導体活性層１４と、ノンドープ上部光ガイド層１５と、ｐ型（第２導電型）クラッド層１６と、ｐ型コンタクト層１７と、ｐ型電極２１とが順次積層された積層構造を有している。
本実施形態においても、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型電極２１の積層は、ｎ型クラッド層１２が露出するまで図示左端部がドライエッチングされており、エッチングによりｎ型クラッド層１２が露出した部分にｎ型電極２２が形成されている。ｎ型電極２２は、ｎ型クラッド層１２にのみ接し、他の層には接しないように形成されている。
本実施形態の素子では、ｎ型半導体基板１１側から外部に光が取り出される構成となっている。
本実施形態においても、半導体活性層１４は、量子井戸層１４Ａと障壁層１４Ｂとが交互に積層された積層構造の多重量子井戸活性層である（図示略、図３（ｂ）を参照）。
本実施形態においても、半導体活性層１４は、量子井戸層１４Ａと障壁層１４Ｂとが交互に積層された積層構造の多重量子井戸活性層である（図示略、図３（ｂ）を参照）。
以下に、基板と各層の組成、及び各層の厚みの設計例を挙げる。
ｎ型半導体基板１１：ｎ−ＢｅＯ（０００１）基板、
ｎ型クラッド層１２：ｎ−ＢＡｌＧａＮ層（３μｍ厚）、
ノンドープ下部光ガイド層１３：ＢＡｌＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
半導体活性層１４：ＢＧａＮ量子井戸層（各層２．６ｎｍ，計５層）とＢＡｌＧａＮ障壁層（各層４ｎｍ，計４層）とが交互に積層された積層構造、
ノンドープ上部光ガイド層１５：ＢＡｌＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
ｐ型クラッド層１６：ｐ−ＢＡｌＧａＮ層（３μｍ厚）、
ｐ型コンタクト層１７：ｐ−ＢＧａＮ層（０．２μｍ厚）。
ｎ型半導体基板１１：ｎ−ＢｅＯ（０００１）基板、
ｎ型クラッド層１２：ｎ−ＢＡｌＧａＮ層（３μｍ厚）、
ノンドープ下部光ガイド層１３：ＢＡｌＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
半導体活性層１４：ＢＧａＮ量子井戸層（各層２．６ｎｍ，計５層）とＢＡｌＧａＮ障壁層（各層４ｎｍ，計４層）とが交互に積層された積層構造、
ノンドープ上部光ガイド層１５：ＢＡｌＧａＮ層（０．２μｍ厚）、
ｐ型クラッド層１６：ｐ−ＢＡｌＧａＮ層（３μｍ厚）、
ｐ型コンタクト層１７：ｐ−ＢＧａＮ層（０．２μｍ厚）。
ｎ型半導体基板１１としては、ｎ−ＴｉＢ２、ｎ−ＳｃＢ２、ｎ−ＶＢ２、ｎ−ＹＢ２、ｎ−ＭｎＢ２、ｎ−ＭｇＢ２、ｎ−ＦｅＢ２、及びｎ−ＣｒＢ２等の基板を使用することもできる。
本実施形態においても、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７のすべての半導体層が、ｎ型半導体基板１１に略格子整合するよう、層組成を調整してある。
本実施形態においても、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７のすべての半導体層が、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とする本発明の半導体層であり、これらの半導体層１２〜１７はすべてレーザアシストＭＯＶＰＥ法により成膜されたものである。半導体層１２〜１７はレーザアシストＭＯＶＰＥ法により成膜されたものであるので、結晶性が良好である。
本実施形態の発光ダイオード２は、以上のように構成されている。
本実施形態の発光ダイオード２は、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７がＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層であるＢＡｌＧａＮ系半導体レーザである。
本実施形態の構成により、中心発光波長が１９０〜３００ｎｍの波長域内にある発光ダイオードを提供することができ、高効率で発光特性に優れた短波長発光ダイオードを提供することができる（後記実施例２を参照）。
本実施形態の発光ダイオード２は、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型コンタクト層１７がＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層であるＢＡｌＧａＮ系半導体レーザである。
本実施形態の構成により、中心発光波長が１９０〜３００ｎｍの波長域内にある発光ダイオードを提供することができ、高効率で発光特性に優れた短波長発光ダイオードを提供することができる（後記実施例２を参照）。
（設計変更例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、素子構造は適宜設計変更可能である。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、素子構造は適宜設計変更可能である。
本発明に係る実施例について説明する。
（実施例１）
図２に示した成膜装置１００を用いて、ＢｅＯ基板１１上にＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層である半導体層１２〜１７を成膜し、上記第１実施形態の半導体レーザ１を製造した。層組成と厚みは、上記実施形態に記載の通りとした。
図２に示した成膜装置１００を用いて、ＢｅＯ基板１１上にＢＡｌＧａＮ層又はＢＧａＮ層である半導体層１２〜１７を成膜し、上記第１実施形態の半導体レーザ１を製造した。層組成と厚みは、上記実施形態に記載の通りとした。
レーザ光源１２１としてＡｒＦエキシマレーザを用い、レーザ光の出力を２００ｍＪ、パルス周期を１００Ｈｚとした。レーザ光源１２１からの出射光を拡大レンズ１２２及びコリメートレンズ１２３により１インチ大のコリメート光とし、レーザ光Ｌが基板直上を基板面に対して略水平方向に通過するように照射した。基板の昇温開始から降温終了までの間、基板上へのレーザ光Ｌの照射を続けた。基板温度は１０００℃とした。
III族原料として、Ｂ２Ｈ６／ＴＭＡ／ＴＥＧを用い、Ｖ族原料としてアンモニアを用い、水素をキャリヤガスとして、反応管１１０内に導入した。ｎ型ド−パント源としてはＳｉＨ４（シラン）、ｐ型ド−パント源としてはＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。反応管内１１０内の圧力は、４０ｋＰａとした。
ｐ型コンタクト層１７を成膜し、ＳｉＯ２絶縁膜２０を所定のパターンで形成した後、ｐ型電極２１を蒸着及び熱処理により形成した。その後、ｎ型クラッド層１２〜ｐ型電極２１の積層に対して、ｎ型クラッド層１２が露出するまで図示左端部をドライエッチングした。エッチングによりｎ型クラッド層１２が露出した部分にｎ型電極２２を蒸着及び熱処理により形成した。最後に素子の全体厚みが１００μｍ程度になるまで基板１１を研磨して、半導体レーザ１を得た。
半導体レーザ１のストライプ幅は５μｍ、共振器長は３００μｍとした。素子の前方端面に反射率３０％、後方端面に反射率９０％の誘電体多層膜コーティングを施した。
得られた素子を、実装基板の銅製ヒートシンクにジャンクションダウン方式にて実装した。得られた素子は、外部量子効率が１０％であり、高効率な素子であった。発振波長は室温で２４０ｎｍであった。
（実施例２）
実施例１と同様の方法にて、上記第２実施形態の発光ダイオード２を製造した。層組成と厚みは、上記実施形態に記載の通りとした。得られた素子のｐ型電極２１側を実装基板の鉄製ヒートシンクに実装し、ｎ型半導体基板１１側から光を取り出すようにした。
得られた素子は、発光効率が２０％であり、高効率な素子であった。中心発光波長は室温で２５０ｎｍであった。
実施例１と同様の方法にて、上記第２実施形態の発光ダイオード２を製造した。層組成と厚みは、上記実施形態に記載の通りとした。得られた素子のｐ型電極２１側を実装基板の鉄製ヒートシンクに実装し、ｎ型半導体基板１１側から光を取り出すようにした。
得られた素子は、発光効率が２０％であり、高効率な素子であった。中心発光波長は室温で２５０ｎｍであった。
本発明の技術は、半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子に好ましく適用することができる。
１ 半導体レーザ（半導体発光素子）
２ 発光ダイオード（半導体発光素子）
１１ ｎ型ＢｅＯ基板（第１導電型半導体基板）
１２ ｎ型ＢＡｌＧａＮクラッド層（第１導電型クラッド層）
１４ 半導体活性層
１４Ａ ＢＧａＮ量子井戸層
１４Ｂ ＢＧａＮ障壁層又はＢＡｌＧａＮ障壁層
１６ ｐ型ＢＡｌＧａＮクラッド層（第２導電型クラッド層）
２１ ｐ型電極（第２導電型電極）
２２ ｎ型電極（第１導電型電極）
１００ 成膜装置
２００ 基板
Ｌ レーザ光
２ 発光ダイオード（半導体発光素子）
１１ ｎ型ＢｅＯ基板（第１導電型半導体基板）
１２ ｎ型ＢＡｌＧａＮクラッド層（第１導電型クラッド層）
１４ 半導体活性層
１４Ａ ＢＧａＮ量子井戸層
１４Ｂ ＢＧａＮ障壁層又はＢＡｌＧａＮ障壁層
１６ ｐ型ＢＡｌＧａＮクラッド層（第２導電型クラッド層）
２１ ｐ型電極（第２導電型電極）
２２ ｎ型電極（第１導電型電極）
１００ 成膜装置
２００ 基板
Ｌ レーザ光
Claims (1)
- 基板上に、レーザアシスト有機金属気相成長法により、一般式ＢｘＡｌｙＧａｚＮ（式中、０＜ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII−Ｖ族半導体化合物を主成分とする半導体層を成膜する際に、
前記基板の直上を該基板の基板面に対して略水平方向にレーザ光が通るように、前記基板に対して少なくとも一方向からレーザ光を照射しながら、前記基板に対する成膜原料の供給を実施し、
前記基板面に対して平行方向のレーザ光強度分布が略均一であり、前記基板面に対して垂直方向のレーザ光強度分布がガウス分布に近似される分布であるレーザプロファイルで、前記レーザ光の照射を行うと共に、
前記基板面から垂直方向に２ｍｍ以内の範囲に、前記垂直方向のレーザ光強度分布のピークが存在するように、前記レーザ光を照射することを特徴とする半導体層の成膜方法。
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