JP5136437B2 - 窒化物系半導体光素子を作製する方法 - Google Patents
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Description
Journal of Crystal Growth, 264, (2004), pp.53-57 Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47, No. 2 (2008) pp.829-842 Applied Physics Letters Vol. 92, (2008) 161113
図5は、本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの構造を示す図面である。発光ダイオードを有機金属気相成長法を用いて作製された。有機金属気相成長のための原料として、NH3、TMG、TMI、TMA、SiH4、及びCp2Mgが用いられる。オフ角18度のGaNウエハ41を準備する。成長炉にNH3及びH2を供給して、GaNウエハ41を摂氏1050度の温度において熱処理を行う。GaNウエハ41上に、n型窒化ガリウム系半導体領域43を成長する。まず、GaNウエハ41上に摂氏1150度の温度でn型GaNバッファ層45を成長する。次いで、n型GaNバッファ層45上に摂氏780度の温度でn型In0.04Ga0.96N緩衝層47を成長する。この後に、n型In0.04Ga0.96N緩衝層47上に活性層49を成長する。活性層49の成長では、障壁層の成長温度は摂氏870度であり、井戸層の成長温度は摂氏690度である。活性層49上に、p型窒化ガリウム系半導体領域51を成長する。まず、活性層49上に摂氏1100度の温度でp型AlGaN電子ブロック層53を成長する。次いで、p型AlGaN電子ブロック層53上に摂氏1100度の温度でp型GaNコンタクト層55を成長する。これらの工程によって、エピタキシャルウエハEが得られた。エピタキシャルウエハEでは、半導体層がc軸と異なる軸Axの方向に積層されている。
図5に示される構造の発光ダイオードを有機金属気相成長法を用いて作製された。実施例2発光ダイオードの作製は、活性層49の形成を除いて、実施例1と同様に行われた。活性層49の成長では、障壁層の成長温度は摂氏870度であり、井戸層の成長温度は摂氏690度である。井戸層は、1回のInプリフローと4回のIn中間フローを用いて作製され、5つのInGaN薄層からなる。
図5に示される構造の発光ダイオードを有機金属気相成長法を用いて作製された。実施例3の発光ダイオードの作製は、活性層49の形成を除いて、実施例1と同様に行われた。活性層49の成長では、障壁層の成長温度は摂氏870度であり、井戸層の成長温度は摂氏690度である。井戸層は、1回のInプリフローと、4回のIn中間フローと、1回のInアフターフローとを用いて作製され、5つのInGaN薄層からなる。
特性線F0:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間0秒、Inプリフロー時間0秒
特性線F1:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間10秒、Inプリフロー時間10秒
特性線F2:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間10秒、Inプリフロー時間10秒
特性線F5:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間10秒、Inプリフロー時間10秒
In中間フローの適用及びその回数の増加により、外部量子効率が改善されていく。特に、注入電流量が小さいとき、その改善が顕著である。これは、欠陥密度が抑制されていることを示している。注入電流が大きくなると、欠陥準位の多くが占有されるようになり、欠陥密度の差による発光特性の差が見えにくくなる傾向がある。
特性線IPL0:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間0秒、Inプリフロー時間0秒
特性線IPL5:井戸厚3.0nm、In中間フロー時間10秒、Inプリフロー時間10秒
発光ダイオードのPL発光強度の温度依存性において、In中間フローの回数が増加するにつれて、温度消光が遅くなった。故に、In中間フローの適用及びその回数の増加により、非発光センタ数が低減されている。In中間フローは、InGaN薄層からなる井戸層内部の結晶欠陥数を低減している。
図5に示される構造の発光ダイオードを有機金属気相成長法を用いて作製した。実施例4の発光ダイオードの作製は、活性層49の形成を除いて、実施例1と同様に行われた。活性層49の成長では、障壁層の成長温度は摂氏870度であり、井戸層の成長温度は摂氏690度である。井戸層は、Inプリフローと、連続したInGaN井戸層と、GaN保護層とを用いて作製される。
Claims (19)
- 有機金属気相成長法を用いて、活性層を含む窒化物系半導体光素子を作製する方法であって、
ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、第1の窒化ガリウム系半導体からなる障壁層を第1の温度で成長する工程と、
前記障壁層を成長した後に、前記成長炉に窒素原料を供給すると共にガリウム原料を供給すること無く、インジウム原料のプリフローを行う工程と、
前記プリフローの直後に、ガリウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、前記第1の温度よりも低い第2の温度で前記障壁層上に、InGaNからなる井戸層を成長する工程と、
を備え、
井戸層を成長する前記工程は、複数の第1の期間と前記第1の期間の間に位置する第2の期間とを含み、
前記複数の第1の期間では、それぞれ、III族原料としてガリウム原料及びインジウム原料を前記成長炉に供給して複数のInGaN層を成長し、
前記第2の期間では、前記ガリウム原料を供給すること無くインジウム原料を前記成長炉に供給し、
前記井戸層は前記複数のInGaN層からなり、
前記活性層は、前記井戸層及び前記障壁層を含み、窒化ガリウム系半導体領域の主面上に設けられる、ことを特徴とする方法。 - 前記プリフローを行う期間の少なくとも一部分は前記第2の温度で行われる、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。
- インジウム原料はトリメチルインジウムを含み、
前記窒素原料はアンモニアを含む、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。 - 前記井戸層の成長直後に、前記成長炉に、前記ガリウム原料を供給すること無くインジウム原料のアフターフローを行う工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。
- 前記アフターフローを行う期間の少なくとも一部分は前記第2の温度で行われる、ことを特徴とする請求項4に記載された方法。
- 前記アフターフローの後に、第2の窒化ガリウム系半導体からなる別の障壁層を前記井戸層上に前記第1の温度で成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項5に記載された方法。
- 前記井戸層の成長直後に、窒化ガリウム系半導体からなる保護層を前記井戸層上に成長する工程と、
第2の窒化ガリウム系半導体からなる別の障壁層を前記保護層上に前記第1の温度で成長する工程と
を更に備え、
前記保護層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップ以下であり、
前記保護層のバンドギャップは前記井戸層のバンドギャップより大きい、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。 - 前記アフターフローの後に、窒化ガリウム系半導体からなる保護層を前記井戸層上に成長する工程と、
第2の窒化ガリウム系半導体からなる別の障壁層を前記保護層上に前記第1の温度で成長する工程と
を更に備え、
前記保護層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップ以下であり、
前記保護層のバンドギャップは前記井戸層のバンドギャップより大きい、ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載された方法。 - 前記保護層の成長期間の少なくとも一部分において、基板温度を上昇させる、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。
- 前記井戸層のInGaN主面は、半極性を示し、該井戸層のInGaNのc軸に沿って延びる基準軸に対して傾斜し、
前記主面の傾斜は10度以上80度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。 - 前記井戸層のInGaN主面は、該井戸層のInGaNのc軸方向に延びる基準軸に直交する平面に対して−10度以上+10度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。
- 前記井戸層のInGaNの主面は、該井戸層のInGaNの実質的にa軸及びm軸のいずれかの方向に延びる基準軸に直交する平面に対して−10度以上+10度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。
- III族窒化物半導体からなる基板を準備する工程と、
前記基板の主面上に前記窒化ガリウム系半導体領域を成長する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された方法。 - 前記基板はGaNからなる、ことを特徴とする請求項13に記載された方法。
- 前記基板はAlGaNからなる、ことを特徴とする請求項13に記載された方法。
- 前記基板はAlNからなる、ことを特徴とする請求項13に記載された方法。
- 前記基板の前記主面は、半極性を示し、該窒化ガリウム系半導体のc軸方向に延びる基準軸に対して傾斜し、
前記主面の傾斜は、10度以上80度以下である、ことを特徴とする請求項13〜請求項16のいずれか一項に記載された方法。 - 前記基板はGaNからなり、
前記基板の貫通転位密度は、1×10+7cm−2以下である、ことを特徴とする請求項13〜請求項17のいずれか一項に記載された方法。 - サファイアからなる基板を準備する工程と、
前記基板の主面上に前記窒化ガリウム系半導体領域を成長する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された方法。
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