JP5041159B2 - 化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 - Google Patents
化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5041159B2 JP5041159B2 JP2008002605A JP2008002605A JP5041159B2 JP 5041159 B2 JP5041159 B2 JP 5041159B2 JP 2008002605 A JP2008002605 A JP 2008002605A JP 2008002605 A JP2008002605 A JP 2008002605A JP 5041159 B2 JP5041159 B2 JP 5041159B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- algan
- growth
- layer
- superlattice structure
- gan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
外から可視領域の発光材料として使用されており、例えばクラッド層としてAlGaN系の超格子構造を有し、活性層としてInGaN系の量子井戸構造を有し、青色領域で発光可能な化合物半導体レーザダイオード等が実用に供されている。
一つは、基板とエピタキシャル成長層、あるいはエピタキシャル成長層同士の、格子定数や熱膨張係数の違いなどにより、結晶にヒビやクラックが入ったり、甚だしい場合には完全に割れが生じてしまうという問題である。これを防ぐために、例えば特許文献2で開示されているように基板上に予め溝を形成することにより応力を緩和してこれを防ぐ方法や、特許文献3で開示されているようにクラッド層内中にAlxGa1−xN(0≦X≦1)なる緩衝層を単層または複数層形成することなどが提案されており、どちらも非常に効果的である。特許文献3の方法では、膜厚や組成を適当に選ぶことによって超格子構造からなるクラッド層とすることができ、クラック等防止の点以外からも素子設計の自由度を増すことができる。
もう一つは、特にpクラッド層の成長方向の抵抗を下げることが難しいという問題である。pクラッド層は、厚いp型AlGaN層とするか、あるいは極めて薄いAlxGa1−xN(0≦x≦1)層とAlyGa1−yN(0≦y≦1)層とが交互に積層された多層構造(以下、AlGaN系超格子構造と呼ぶ)で作製される場合が多い。p型AlGaN系超格子構造のほうが、厚いp型AlGaN層よりも素子抵抗を下げることが容易であることから、実際のデバイスではAlGaN系超格子構造がpクラッド層に適用されていることが多い。p型AlGaN系超格子構造をp型クラッド層に適用することで、2次元ホールガスによって生じる高いホールキャリア濃度が有効に働く。
しかしながら、これらの改善を行った半導体レーザダイオード素子の抵抗は依然として十分低いわけではなく、抵抗成分による電力損失が生じるだけでなく、その電力損失による発熱で素子の信頼性が低下する原因になっており、p型AlGaN系超格子構造の低抵抗化は今日にあっても重要な課題となっている。
本発明は、上記要請に鑑み、p型AlGaN系超格子構造の低抵抗化を実現できる化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造を提供することを目的とする。
製造された化合物半導体のAlGaN系超格子構造をp型クラッド層として用いて作製されたことを特徴とする半導体レーザダイオードである。
図1に示すように、本実施形態では、ホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のAlGaN層とホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のGaN層とが交互に積層された、Mgを含有しp型導電性を示すAlGaN系超格子構造を備えた化合物半導体の製造方法において、前記AlGaN層の成長時にはMg原料を供給せず、前記GaN層の成長時に供給するMg原料の供給時間tMgを前記GaN層の成長時間tWよりも短く設定すると共に、Ga原料の供給を中断することなく且つ成長温度を同一温度に設定して前記AlGaN層及びGaN層の結晶成長を連続的に行った。
ても、Mg濃度が一定以上存在すると、GaN膜厚の増加により結晶欠陥密度が増加し、抵抗率が増大してゆくことが分かった。例えば、Mg濃度が2×1019cm−3で厚さ1000nmのMgドープGaN層の抵抗率(体積抵抗率)は、およそ1Ω・cmであったが、Mg濃度が同じく2×1019cm−3で厚さ2000nmのMgドープGaN層の抵抗率は、およそ2Ω・cmとなった。
抵抗率の変化の原因は、結晶成長中においてMgが一定濃度以上存在する条件下では、成長方向(膜厚方向)に対して結晶品質が劣化するものであると考えられる。つまり、結晶品質の劣化を抑えるためには、結晶成長中におけるMg原料供給量を停止するか、あるいは一定濃度以下まで抑えることが効果的である。このことはMgドープAlGaN層においても同様である。注目すべき点は、結晶成長中のMg原料の供給量を停止するか、または抑えることが重要であるということである。
また、アクセプタの活性化エネルギーは、GaN層よりもAlGaN層のほうが大きく、Al混晶比が大きいほど活性化エネルギーが上昇することが知られている。このため、MgドープAlGaN層はMgドープGaN層よりも高キャリア濃度とすることは困難である。
近傍の膜厚であれば、高いキャリア濃度を有し、成長方向に対して電圧障壁が小さい超格子構造を製作することができると考えられる。
このような観点から考えると、キャリア供給層としては、アクセプタの活性化エネルギーが相対的に小さいMgドープGaN層が好適である。超格子構造を構成するもう一つの層について考えた場合、結晶品質の低下を抑えるという点からAlGaN層の成長時にMgを供給する必要は無く、Al組成を適切な値に選んだ上で、共鳴トンネル効果を生じせしめるために膜厚をホールのド・ブロイ波長近傍、例えば1〜4nm程度とすればよい。
成長条件では重要なパラメータの一つとされている)、Mg原料の気相比、AlGaN層とGaN層の成長界面におけるガスフロー条件、などが重要なパラメータとして考えられる。
aN系超格子構造であったが、1030℃における−1次ピークの半値幅は約72arcsec(秒)、1070℃における値は約75arcsecであるのに対し、1100℃における値は約115arcsecであった。これらの試料はGaN層成長時のみMg原料を供給した(tMg=tWの場合)。Mg原料とGa原料との気相比は約0.07%であった。後述するイ
ンターバル時間t1、t2は無しとした。X線回折測定の一例を図3に示す。但し、図3は後述する試料の測定結果の一例であって、平均周期約5nm、平均Al組成約0.05
のもの(実施例1のAlGaN系超格子構造)である。
質を維持しつつ、なるべく高速に設定したいところであるが、成長圧力を大気圧とした場合には成長炉内での気相反応がやや激しいため、この程度の成長速度が適切な値である。なお、成長速度をこれ以上落としてゆくと成長炉内の残留不純物、特にシリコン(Si)が結晶内に取り込まれやすくなるため、例えば0.1nm/sec以下とすることは、ほ
とんどメリットが無いといえる。
V/III比はAlGaN系半導体の条件として標準的と考えられる約3000〜100
00とした。10000を超えるV/III比では気相反応による成長速度の低下が著しい
。大気圧成長としたため、V/III比は数千程度あれば十分であった。
6nm/secとなった。エッチング速度はインターバル時の温度に大きく依存し、また水素の供給量にも依存したが、いずれにしてもGaNのエッチング速度のほうがAlGaNのエッチング速度より大きかった。
GaNのエッチング速度のほうがAlGaNのエッチング速度より大きいので、例えば、インターバルを設ける場合には、GaN層成長終了からAlGaN層成長開始までのインターバル時間よりも、AlGaN層成長終了からGaN層の成長開始までのインターバル時間の方を長くするのが好ましい。
図4においてインターバル時間t1、t2を、t1=t2=0とし、更にGaN井戸層成長時とAlGaN障壁層成長時のGa原料供給量を同一とし、成長温度をT1=T2とし、Mg原料の供給時間tMgをGaN井戸層の成長時間tWよりも短くした場合が、図1に示した上記実施形態となるわけである。もちろん、成長装置にGa原料を供給する供給系を2系統準備しておき、GaN井戸層とAlGaN障壁層との成長時のGa原料供給量を同一としなくともよい。また、Mg原料の供給を停止する期間をGaN成長期間の中で、ずらしてもよい。図1の実施形態において、tMg<tW、すなわちGaN井戸層の成長時にMg原料を一時的に供給停止することが重要である。
なお、前述の成長中の気相エッチング速度は、図4において種々のt1=t2において作製したAlGaN系超格子に対して、X線回折測定による周期測定及び成長時間tW、tbより求められたものである。
料の総投入量(100ペアあたり)は0.6μmolとした。すなわちtMgの値によっ
て単位時間あたりのMg原料の供給量を変化させることにより、Mg原料の供給量の総量は全ての試料で等しくなるようにして比較を行った。
図5で最も抵抗率の下がった成長条件(t1=t2=0、T1=T2=1030℃、tMg=tW)をベースとし、GaN層の成長時間tWに対するGaN層成長時のMg原料の供給時間tMgを変化させて検討を行ったところ、図6のような結果が得られた。図6に示すように、−1次ピークの半値幅は何れの場合もほとんど同じであったが、抵抗率はtMg<tWの場合には大きく低減できることが分かった。つまりAlGaN層及びGaN層は少なくともGa原料の供給を中断することなく、しかも同一温度で連続的に結晶成長し、Mg原料はGaN層成長時において一時的にのみ供給しながら、言い換えると、GaN井戸層の成長時にMg原料を一時的に供給停止して結晶成長を行うことによって、MgドープしたAlGaN系超格子構造の抵抗率を下げることができることが明らかとなった。
tMg<tWの場合に、抵抗率が大きく低減する理由は、AlGaN層とGaN層との界面の劣化が抑えられるためと考えられる。特に、図1に示すように、Mg原料の供給を停止する期間を、GaN層の成長期間内の成長開始直後および成長終了直前に設けると、抵抗率をより大きく低減できる。
以下の実施例はMOVPE法(有機金属気相成長法)について示すものであるが、本発明の方法はMOVPE法に限るものではなく、HVPE法(ハライド気相成長法)、MBE法(分子線気相成長法)等、窒化物化合物半導体を成長させるために知られている全ての方法について適用できる。
実施例1として、図7に示すように、GaN自立基板1上にGaNバッファ層2を介して、GaN層3とAlGaN層4とが交互に積層されたp型導電性を示すAlGaN系超格子5をMOVPE法により作製した。なお、基板1はGaN自立基板に限定されるものではなく、サファイア基板や炭化シリコン基板等、窒化物化合物半導体用基板として用いられる基板を用いても良い。
また、有機金属原料としてトリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、Mg原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いたが、十分な純度を有する安定な金属化合物原料であれば上記に限定されるものではない。ガス原料としてはアンモニア(NH3)、水素(H2)、窒素(N2)を用いたが、例えばアンモニアの代わりにヒドラジン系原料を単独で、もしくは混合して使用してもよいし、窒素等の代わりにアルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。
0.05で全厚500nmとなった。AlGaN層4の成長時間tb=13.3sec、G
aN層3の成長時間tW=16.2secとした。但しtMg=10.2sec(tMg=0.63tW)とし、GaN層3の成長時間の最初3secと最後3secはMg原料の
供給を停止した。成長時間tb、tWは成長速度によって適宜変えて良いし、tMgもtW>tMgの範囲で適宜変化させても良い。Mg原料とGa原料の気相比は約0.11%
、Mg原料の総投入量(100ペアあたり)は0.6μmolとしたが、これらの値に限
定されるものではない。
一方、tW=tMgとして作製した比較例の場合には1.4Ω・cmまでしか抵抗率を
低減できなかった。さらに、比較例としてのAl組成0.05で厚さ500nmのMgド
ープAlGaN層の抵抗率は2〜5Ω・cm程度までしか低減することができなかった。
実施例2として、実施例1記載のp型の導電性を示すAlGaN系超格子構造を具備する、半導体レーザダイオードを作製した。
GaN基板上にGaNバッファ層を介し、SiドープAlGaNからなるクラッド層、ガイド層、InGaN系量子井戸活性層からなる活性層、ガイド層、MgドープAlGaNからなる電子ブロック層を順次形成した後、実施例1と同等のAlGaN系超格子構造をp型クラッド層として形成した。さらにp型GaN層からなるコンタクト層を形成した。
比較のために、tW=tMgとして作製したAlGaN系超格子構造をpクラッド層とする半導体レーザダイオードと、Al組成0.05で厚さ500nmのMgドープAlG
aN層をp型クラッド層とする半導体レーザダイオードも作製し、半導体レーザダイオードの閾電圧を比較した。
実施例2の半導体レーザダイオードの場合には閾電圧は5Vであったが、tW=tMgとして作製した比較例のAlGaN系超格子構造をpクラッド層とする半導体レーザダイオードの閾電圧は6Vであり、Al組成0.05で厚さ500nmのMgドープAlGa
N層をp型クラッド層とする半導体レーザダイオードの閾電圧は12Vであった。実施例1記載と同等のAlGaN系超格子構造をp型クラッド層とする半導体レーザダイオードは、閾電圧を低減できることが分かった。
2 GaNバッファ層
3 GaN層
4 AlGaN層
5 AlGaN系超格子
tMg Mg原料の供給時間
tW GaN層の成長時間
tb AlGaN層の成長時間
Claims (5)
- ホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のAlGaN層とホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のGaN層とが交互に積層された、Mgを含有しp型導電性を示すAlGaN系超格子構造を含む化合物半導体の製造方法において、
前記AlGaN層の成長時にはMg原料を供給せず、前記GaN層の成長時に供給するMg原料の供給時間を前記GaN層の成長時間よりも短く設定したことを特徴とする化合物半導体の製造方法。 - Ga原料の供給を中断することなく前記AlGaN層及びGaN層の結晶成長を連続的に行うことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記AlGaN層及びGaN層の成長温度を同一温度に設定して結晶成長を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導体の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の化合物半導体の製造方法により製造された化合物半導体のAlGaN系超格子構造をp型クラッド層として用いて作製されたことを特徴とする半導体レーザダイオード。
- ホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のAlGaN層と、成長時に一時的にMg原料供給がなされたホールのド・ブロイ波長近傍の膜厚のGaN層とが交互に積層された、Mgを含有しp型導電性を示すAlGaN系超格子構造であって、
前記AlGaN層は、Mgが意図的にドープされていないAlGaN層からなり、
前記GaN層は、Mgが意図的にドープされていない部分とMgが意図的にドープされた部分とからなり、
前記AlGaN系超格子構造の抵抗率が1.4Ω・cm未満であることを特徴とするAlGaN系超格子構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008002605A JP5041159B2 (ja) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | 化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008002605A JP5041159B2 (ja) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | 化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009164489A JP2009164489A (ja) | 2009-07-23 |
JP5041159B2 true JP5041159B2 (ja) | 2012-10-03 |
Family
ID=40966724
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008002605A Expired - Fee Related JP5041159B2 (ja) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | 化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5041159B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5783893B2 (ja) | 2011-12-16 | 2015-09-24 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置 |
CN104380546B (zh) * | 2012-07-06 | 2017-02-22 | 松下知识产权经营株式会社 | 半导体发光元件 |
JP5874592B2 (ja) | 2012-09-21 | 2016-03-02 | 豊田合成株式会社 | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003086903A (ja) * | 2001-09-07 | 2003-03-20 | Sony Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
-
2008
- 2008-01-09 JP JP2008002605A patent/JP5041159B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009164489A (ja) | 2009-07-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sun et al. | Room-temperature continuous-wave electrically pumped InGaN/GaN quantum well blue laser diode directly grown on Si | |
JP3909605B2 (ja) | 窒化物半導体素子およびその製造方法 | |
EP2615650B1 (en) | III-nitride epitaxial substrate and deep ultraviolet light emitting device using the same | |
US6518082B1 (en) | Method for fabricating nitride semiconductor device | |
US20020008245A1 (en) | Semiconductor devices with selectively doped iii-v nitride layers | |
EP2472605A1 (en) | Nitride semiconductor element and process for production thereof | |
US8048702B2 (en) | Method of fabricating nitride-based semiconductor optical device | |
US20130181188A1 (en) | Iii nitride epitaxial substrate and deep ultraviolet light emitting device using the same | |
JP5018433B2 (ja) | 半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及び半導体発光素子 | |
JP2009252861A (ja) | 半導体レーザ素子 | |
JP2013014450A (ja) | 窒化物半導体エピタキシャル基板及び窒化物半導体デバイス | |
JP3545197B2 (ja) | 半導体素子およびその製造方法 | |
EP3879583A1 (en) | Group iii nitride semiconductor light-emitting element and production method therefor | |
JP2007227832A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP5041159B2 (ja) | 化合物半導体の製造方法、半導体レーザダイオード及びAlGaN系超格子構造 | |
JP5334501B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP2007335854A (ja) | 半導体光素子 | |
JP4284944B2 (ja) | 窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法 | |
JP2007214548A (ja) | GaN系発光素子およびその製造方法 | |
JP2009239084A (ja) | 半導体レーザ素子 | |
JP2007189028A (ja) | p型窒化ガリウム系半導体の製造方法及びAlGaInN系発光素子の製造方法 | |
JP2000058917A (ja) | Iii族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 | |
JP2001308464A (ja) | 窒化物半導体素子、窒化物半導体結晶の作製方法および窒化物半導体基板 | |
JP2002314204A (ja) | p型超格子構造とその作製方法、III族窒化物半導体素子及びIII族窒化物半導体発光素子 | |
US8318515B2 (en) | Growth methodology for light emitting semiconductor devices |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100219 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111220 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20111221 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120203 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120613 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120626 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150720 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |