JP5018037B2 - GaN系発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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(1)少なくともひとつの井戸層を含む活性層を備えたGaN系発光ダイオードの製造方法であって、(a)基板の上にn型GaN系半導体層を成長させる工程と、(b)前記n型GaN系半導体層の上に、GaN系半導体からなる中間層を、その上面に六角形状の開口部を有するピット径0.05μm以上のピットが形成されるように、低くした基板温度にて成長させる工程と、(c)前記中間層の上に、活性層のうち、少なくとも、該中間層から最も離れた位置に形成する井戸層までの部分を、該中間層の上面のピットを埋め込まないように成長させる工程と、(d)(c)の工程の後、前記中間層から前記活性層にわたり形成されたピットを埋め込む工程と、(e)(d)の工程の後、前記活性層の上にp型GaN系半導体層を成長させる工程と、を有し、前記(d)の工程では、前記ピットを埋め込むために基板温度を上昇させることを特徴とする、GaN系発光ダイオードの製造方法。
(2)前記中間層を0.1μm以上の厚さに成長させる、前記(1)に記載の製造方法。
(3)GaN系半導体層の成長に用いる方法がMOVPE法であり、前記中間層を成長させるときの基板温度を650℃〜850℃とする、前記(1)または(2)に記載の製造方法。
(4)前記中間層をGaNまたはAlGaNで形成する、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)前記中間層をアンドープで成長させる、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記中間層の少なくとも一部にn型不純物を添加する、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記(a)の工程で成長させるn型GaN系半導体層と、前記(d)の工程で成長させるp型GaN系半導体層と、の間に形成するGaN系半導体層に、意図的なp型不純物のドーピングを行わない、前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(8)前記(b)の工程と前記(c)の工程との間で基板温度を変化させない、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)前記活性層が、最上層を障壁層とする活性層であり、前記(c)の工程では、活性層を、その最上層まで、前記中間層の上面のピットを埋め込まないように成長させる、前記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)前記活性層が、最上層を障壁層とする活性層であり、前記(d)の工程では、活性層の最上層である障壁層を成長させながら、前記中間層から該活性層にわたり形成されたピットを埋め込む、前記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(11)前記活性層と前記p型GaN系半導体層との間にキャップ層を形成する、(1)〜(10)のいずれかに記載の製造方法。
(12)前記(e)の工程では、p型GaN系半導体層を1000℃未満の基板温度で成長させる、前記(1)〜(11)のいずれかに記載の製造方法。
(13)前記(e)の工程では、p型GaN系半導体層を、その上面にピットが形成されるように、低くした基板温度にて成長させるとともに、更に、その後に、該p型GaN系半導体層の上面のピットを埋め込むために基板温度を上昇させる工程を有する、前記(1)〜(12)のいずれかに記載の製造方法。
(14)前記(d)の工程において、前記(e)の工程でp型GaN系半導体層を成長させるときの基板温度よりも高い温度まで、基板温度を上昇させる、前記(12)または(13)のいずれかに記載の製造方法。
まず、C面を主面とするサファイア基板1を準備し、これをMOVPE装置の成長炉内に設けられたサセプタに装着した。そして、水素ガスを成長炉内に供給しながら、基板を1100℃以上に加熱して、基板表面の有機汚染を除去した。それから、基板温度を500℃に下げ、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)およびアンモニアを供給して、バッファ層2を成長させた。バッファ層2の成長後、基板温度を1000℃に上げ、TMG、アンモニア、シランを供給して、n型コンタクト層3を成長させた。シランガスの供給量は、n型コンタクト層3におけるSi濃度が3×1018cm−3となるように調節した。
p型クラッド層6aを成長させたら、TMAの供給を停止し、p型コンタクト層6bを成長させた。Cp2Mgの供給量は、p型コンタクト層におけるMg濃度が1×1020cm−3となるように調節した。
p型コンタクト層6bの成長が完了したら、成長炉内にアンモニアを流しながら基板温度を室温まで降下させた。その後、得られたウェハをMOVPE装置から取り出し、p型層に不純物として添加したMgを活性化させるために、アニーリング処理を行った。
n側電極P1の形成、p側電極P2の形成、ウェハからのチップの切り出しは、この分野でよく知られた方法を用いて行った。
すなわち、活性層を備えたGaN系LEDは、pn接合部にヘテロ構造を含むために、pn接合部を構成するGaN系半導体層に歪みが加わった状態となっている。そのため、特に通電初期において、通電により活性層で生じる発熱と歪みの作用によってpn接合部の欠陥の数が増え、これが逆方向電流の増加を引き起こすものと思われる。
一方、図1は、上記実施例の方法により形成されるGaN系半導体層の構造(GaN系LEDのpn接合部の構造)を示す説明図(断面図)である。図1(a)は、n型GaN系半導体層3の上に、中間層4を、上面にピットが形成されるように成長させたところである。図1(b)は、中間層4の上に、活性層5を、中間層4の上面のピットを埋め込まないように成長させたところである。図1(c)は、昇温によってピットを埋め込んだところである。この埋め込みはマストランスポートによって生じるものと思われ、図1(c)の斜線部は、ピットを埋め込んだGaN系半導体結晶を示している。そして、図1(d)は、ピットを埋め込んだ後に、p型GaN系半導体層6を成長させたところである。図1(d)の構造が形成されることによって、あるいは、該構造が形成される過程で、歪みが緩和されるなどしてpn接合部が安定化され、そのために逆方向電流の増加が抑えられるものと考えられる。また、p型不純物を高濃度に添加するp型GaN系半導体層6の成長を、ピットを埋め込んだ後に行うことにより、p型GaN系半導体層6の成長時に供給するp型不純物がピット内に拡散して、活性層5や中間層4の内部に逆方向電流のパスとなる欠陥を形成することが防止されているものと考えられる。
n型層、中間層、活性層、p型層、その他積層体に含めることのできるGaN系半導体層は、任意のGaN系半導体で形成することができる。中間層は、表面にピットが形成される温度で成長することから、結晶品質の低下が避けられないが、この問題を軽減するためには、中間層を二元結晶のGaNで形成することが好ましい。活性層に含まれる障壁層についても、同様のことがいえる。n型層、中間層およびp型層は、クラッド層(キャリア閉じ込め層)、コンタクト層、その他各種の機能層を兼用させてもよく、あるいは、かかる機能層を、n型層、中間層およびp型層の内部に設けてもよい。
p型層成長時の基板温度を低くすることにより、p型層の表面にピットが形成される場合があるが、そのときは、p型層の成長後(3族原料の供給を停止した後)に、基板温度を上げることによって、これを埋め込むことができる。p型層を多層構造とする場合に、先に成長させた層の表面にピットが形成されるときには、その次の層を成長させる前に基板温度を上げて該ピットを埋め込んだ後、再び基板温度を下げて、その次の層を成長させてもよい。p型層の表面のピットを埋め込む場合にも、埋め込みに優先して分解が生じないように、5族原料を供給しながら昇温を行うことが好ましい。
基板上に最後に成長させるGaN系半導体層を、その表面にピットが形成されるように成長させ、その後の昇温により該ピットを埋め込む実施形態では、ピットの埋め込み完了後に基板加熱を停止して、基板を成長炉から取り出せる温度となるまで基板温度を降下させる。このとき、ピットの埋め込みが完了してから、基板温度が600℃以下に下がるまでの間に、基板への水素源ガス(水素ガス、アンモニアなど)の供給を停止することにより、p型層に添加したp型不純物(Mg、Znなど)の水素パッシベーションによる不活性化を抑制することができる。
2 バッファ層
3 n型コンタクト層
4 中間層
5 活性層
6a p型クラッド層
6b p型コンタクト層
P1 n側電極
P2 p側電極
Claims (12)
- 少なくともひとつの井戸層を含む活性層を備えたGaN系発光ダイオードの製造方法であって、
(a)基板の上にn型GaN系半導体層を第1の基板温度で成長させる工程と、
(b)前記n型GaN系半導体層の上に、GaN系半導体からなり、n型ドープした層とアンドープ層とを積層した構造の中間層を、その上面に六角形状の開口部を有するピット径0.05μm以上の第1のピットが形成されるように、前記第1の基板温度よりも低くした基板温度にて成長させる工程と、
(c)前記中間層の上に、活性層のうち、少なくとも、該中間層から最も離れた位置に形成する井戸層までの部分を、前記第1のピットを埋め込まないようにすることで前記第1のピットのピット径よりも大なるピット径を有する第2のピットが上面に開口するように成長させる工程と、
(d)(c)の工程の後、基板温度を上昇させて、前記第2のピットを埋め込む工程と、(e)(d)の工程の後、前記活性層の上にp型GaN系半導体層を成長させる工程と、を有することを特徴とする、GaN系発光ダイオードの製造方法。 - 前記中間層を0.1μm以上1μm未満の厚さに成長させる、請求項1に記載の製造方法。
- 前記(c)の工程では、前記中間層の上面に形成される六角形状の開口部を有するピットのピット径が0.3μm未満となるように前記中間層を成長させる、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記(a)の工程から前記(e)の工程までの各工程でGaN系半導体層を成長させる方法がMOVPE法であり、前記中間層を成長させるときの基板温度を650℃以上900℃未満とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記中間層をGaNまたはAlGaNで形成する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記(a)の工程で成長させるn型GaN系半導体層と、前記(e)の工程で成長させるp型GaN系半導体層と、の間に形成するGaN系半導体層に、意図的なp型不純物のドーピングを行わない、請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記(b)の工程と前記(c)の工程との間で基板温度を変化させない、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記活性層が、最上層を障壁層とする活性層であり、前記(c)の工程では、活性層を、その最上層まで、前記第1のピットを埋め込まないように成長させる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記活性層が、最上層を障壁層とする活性層であり、前記(d)の工程では、活性層の最上層である障壁層を成長させながら、前記第2のピットを埋め込む、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 前記活性層と前記p型GaN系半導体層との間にキャップ層を形成する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記(e)の工程では、p型GaN系半導体層を1000℃未満の基板温度で成長させる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記(d)の工程において、前記(e)の工程でp型GaN系半導体層を成長させるときの基板温度よりも高い温度まで、基板温度を上昇させる、請求項11に記載の製造方法。
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