JP5626123B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特にｐクラッド層の形成方法に関する。
従来、III 族窒化物半導体発光素子において発光層に電子を閉じ込めて発光効率を高めるために、ｐクラッド層が設けられている。電子閉じ込めの効果をより高めるため、ｐクラッド層としてはバンドギャップエネルギーの大きなｐ−ＡｌＧａＮを用いる。しかし、ｐ−ＡｌＧａＮは発光層への熱ダメージを低減するために低温で成長させる必要があり、その結果、結晶品質が悪化してしまう。そこで、ｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＩｎＧａＮ、あるいはｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＧａＮの超格子構造とすることで結晶品質の低下を抑制している。ｐ−ＩｎＧａＮは、低温成長での結晶品質がｐ−ＧａＮよりも良好なため、ｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＩｎＧａＮの超格子構造とするのがよい。
特許文献１には、ｐクラッド層として、ｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＩｎＧａＮとを繰り返し積層させた超格子構造を用いることが示されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮの厚さは１〜５ｎｍ、ｐ−ＩｎＧａＮの厚さは１〜５ｎｍとすることも示されている。
特許文献２には、ｐクラッド層として、ｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＧａＮとを繰り返し積層させたものを用いることが示されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮ、ｐ−ＧａＮの厚さは最低１原子層あればよいことが示されている。
しかし、ｐクラッド層としてｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮやｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮの超格子構造を用いると、電子閉じ込めには寄与しないｐ−ＩｎＧａＮあるいはｐ−ＧａＮの存在のためにｐクラッド層全体としての厚さが増大してしまい、直列抵抗が大きくなって駆動電圧が高くなるという問題があった。
そこで本発明の目的は、駆動電圧の低いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を実現することである。
第１の発明は、ｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、ｐクラッド層は、成長温度を８００〜９５０℃として、厚さ０．５〜１０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層とをＭＯＣＶＤ法によって繰り返し成長させて形成し、ｐ−ＡｌＧａＮ層上にＩｎＧａＮ層を形成する際、ｐ−ＡｌＧａＮ層の成長温度を保持したまま、Ａｌ源ガスの供給を停止してＩｎ源ガスを供給し、Ｇａ源ガスの供給量を増やし、厚さ１〜２分子層のＩｎＧａＮ層を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
第４の発明は、ｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、ｐクラッド層は、成長温度を８００〜９５０℃として、厚さ０．５〜１０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させる第１工程と、ｐ−ＡｌＧａＮ層の成長温度を保持したまま、Ａｌ源ガスの供給を停止してＩｎ源ガスを供給し、Ｇａ源ガスの供給量を増やし、ＩｎＧａＮの成長が１分子層に達する前の期間だけ、ｐ−ＡｌＧａＮ層表面をＩｎＧａＮを形成するためのガスによって晒すことによりｐ−ＡｌＧａＮ層の表面状態を回復させる第２工程と、を繰り返して形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
第１、４の発明においてIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。III 族窒化物半導体を形成する際のＡｌ源ガスは、たとえばＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）であり、Ｉｎ源ガスは、たとえばＴＭＩ（トリメチルインジウム）であり、Ｇａ源ガスは、たとえばＴＭＧ（トリメチルガリウム）である。
なお、ｐ−ＩｎＧａＮの１分子層は、ｐ−ＩｎＧａＮのｃ軸の格子定数の１／２であり、Ｉｎの組成比などにもよるが、およそ２．５〜２．６Åである。
ｐ−ＡｌＧａＮ層の厚さを０．５〜１０ｎｍとするのは、０．５ｎｍよりも薄いとｐクラッド層としての機能、すなわち電子閉じ込めの効果が薄くなり望ましくなく、１０ｎｍよりも厚いとｐ−ＡｌＧａＮの結晶品質が劣化してしまうからである。より望ましいｐ−ＡｌＧａＮ層の厚さは、１〜５ｎｍであり、さらに望ましいのは１．５〜３．５ｎｍである。
ｐ−ＡｌＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の成長温度は８００〜９５０℃とすることが望ましい。この範囲であれば、ｐ−ＡｌＧａＮ層表面がＩｎＧａＮを形成するためのガスによって晒されることによるｐ−ＡｌＧａＮ層の結晶品質の改善効果を十分に発揮させることができる。より望ましいのは８３０〜９２０℃であり、さらに望ましいのは８５０〜９００℃である。
ｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、１５〜５０％であることが望ましい。この範囲であれば、ｐクラッド層の電子閉じ込め効果を十分に高めることができる。より望ましいのは２０〜４０％であり、さらに望ましいのは２５〜３５％である。
また、第１の発明においてＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、２〜１０％であることが望ましい。この範囲であれば、ＩｎＧａＮ層によるｐ−ＡｌＧａＮ層の結晶品質改善効果を十分に高めることができる。より望ましいのは４〜８％であり、さらに望ましいのは６〜８％である。また、ＩｎＧａＮ層は、ｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させるためのガスへの切り替え中、あるいはｐ−ＡｌＧａＮ層の成長初期において蒸発して一部ないし全部が消滅していてもよい。また、ＩｎＧａＮ層はＭｇなどがドープされたｐ−ＩｎＧａＮ層であってもよい。
第２の発明は、第１の発明において、ｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１５〜５０％であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は２〜１０％であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
第５の発明は、第４の発明において、ｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１５〜５０％であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
第１の発明では、電子閉じ込めに寄与しないＩｎＧａＮ層の厚さを１〜２分子層と薄くすることで、ｐ−ＡｌＧａＮ層の結晶品質を向上させつつ、直列抵抗成分を小さくすることができ、駆動電圧を低下させることができる。また、ＩｎＧａＮ層の成長温度をｐ−ＡｌＧａＮ層と同じくし、ＩｎＧａＮ層形成時のＧａ源ガスの供給量をｐ−ＡｌＧａＮ層形成時よりも増やすことで、ＩｎＧａＮ層によるｐ−ＡｌＧａＮ層の結晶品質改善効果をより高めることができる。
また、第４の発明では、ｐ−ＡｌＧａＮ表面を繰り返しＩｎＧａＮを形成するためのガスに晒すことで、ｐ−ＡｌＧａＮ上にＩｎＧａＮを形成しないにもかかわらず、ｐ−ＡｌＧａＮの結晶品質を向上させることができる。また、ＩｎＧａＮを形成しないため、直列抵抗成分を小さくすることができ、駆動電圧を低下させることができる。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０上に低温バッファ層（図示しない）を介してIII 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層１１、ｎＥＳＤ層１２、ｎクラッド層１３、発光層１４、ｐクラッド層１５、ｐコンタクト層１６が順に積層されている。ｐコンタクト層１６表面の一部領域には、その表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝が形成されていて、その溝の底面に露出したｎコンタクト層表面にはｎ電極１９が形成されている。また、ｐコンタクト層１６表面の溝が形成されていない領域にはＩＴＯからなる透明電極１７が設けられ、透明電極１７上にはｐ電極１８が設けられている。
ｐクラッド層１５は、図２のように、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０とｐ−ＩｎＧａＮ層１５１とが繰り返し積層された超格子構造である。繰り返し数は５〜１５である。ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の厚さは０．５〜１０ｎｍ、Ａｌ組成比は１５〜５０％、Ｍｇ濃度は１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3 である。ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の厚さは１〜２分子層、Ｉｎ組成比は２〜１０％、Ｍｇ濃度は１×１０19〜２×１０20／ｃｍ3 である。ＩｎＧａＮの１分子層は、ＩｎＧａＮのｃ軸の格子定数の１／２であり、Ｉｎの組成比にもよるが、およそ２．５〜２．６Åである。ｐクラッド層１５全体の厚さは１０〜９０ｎｍである。
ｐクラッド層１５以外については、従来知られた任意の構造を用いてよい。たとえば、以下のような構造である。ｎコンタクト層１１はｎ−ＧａＮであり、Ｓｉ濃度の異なる複数の層としてもよい。また、ｎＥＳＤ層１２は、ｉ−ＧａＮ層、ｎ−ＧａＮ層の２層からなる構造である。また、ｎクラッド層１３は、ｉ−ＧａＮとｉ−ＩｎＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造である。また、発光層１４は、ノンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とを交互に繰り返し３回積層させたＭＱＷ構造である。また、ｐコンタクト層１６はｐ−ＧａＮであり、Ｍｇ濃度の異なる複数の層としてもよい。
次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について図３を参照に説明する。なお、ｐ型のIII 族窒化物半導体は、実際にはＭｇがドープされたIII 族窒化物半導体を後工程において熱処理することにより作製されるが、以下の説明においては、熱処理前であってもｐ−ＡｌＧａＮやｐ−ＩｎＧａＮ等と表記して簡略化する。
まず、表面が凹凸加工されたサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に入れ、水素雰囲気中で熱処理してサーマルクリーニングを行う。
次に、サファイア基板１０上に低温バッファ層（図示しない）を形成し、低温バッファ層上にｎコンタクト層１１、ｎＥＳＤ層１２、ｎクラッド層１３、発光層１４を順にＭＯＣＶＤ法によって形成する（図３（ａ））。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｎ型ドーパントガスにはＳｉＨ4 （シラン）を用いる。
次に、以下のようにしてｐクラッド層１５を形成する。
まず、発光層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ０．５〜１０ｎｍ、Ａｌ組成比１５〜５０％、Ｍｇ濃度１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3 のｐ−ＡｌＧａＮ層１５０を形成する。キャリアガス、原料ガスは同上であり、ｐ型ドーパントガスにはビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。成長温度は、８００〜９５０℃である。
次に、温度を維持したまま、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＩの供給を開始し、ＴＭＧの供給量を増加させて、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０上に、厚さ１〜２分子層、Ｉｎ組成比２〜１０％、Ｍｇ濃度１×１０19〜２×１０20／ｃｍ3 のｐ−ＩｎＧａＮ層１５１を形成する。
このｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の形成工程と、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の形成工程とを交互に５〜１５回繰り返して積層させることにより、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮの超格子構造であるｐクラッド層１５を形成する（図３（ｂ））。なお、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１上にｐ−ＡｌＧａＮ層１５０を形成する際のガス切り替え中に、もしくはｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の成長初期段階において、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の一部ないし全部が蒸発して消滅してしまってもかまわない。
ｐクラッド層１５の形成において、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０を８００〜９５０℃という低温で成長させるのは、発光層１４への熱ダメージを低減させるためである。ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０を低温で成長させると縦方向の成長が強く、表面状態が荒れやすいため結晶品質が悪化する。そこで低温成長でも横方向成長が強く、結晶品質のよいｐ−ＩｎＧａＮ層１５１を用いて超格子構造としている。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の厚さを０．５〜１０ｎｍとすることで結晶性の悪化を抑えている。また、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の厚さを１〜２分子層として、発光層１４に電子を閉じ込めるクラッドとして機能しないｐ−ＩｎＧａＮ層１５１を極力薄くしている。また、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の形成時に、Ｇａ源ガスであるＴＭＧの供給量を増加させることにより、Ｉｎの蒸発を抑え、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１によるｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の結晶品質改善効果をより高めている。このように、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の結晶品質が良好に保たれ、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１が薄くなってｐクラッド層１５全体としての厚さが薄くなる結果、ｐクラッド層１５の直列抵抗成分が低減され、III 族窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低下させることができる。
なお、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の厚さは１〜５ｎｍとすることがより望ましい。クラッドとしての機能および結晶品質をより高めるためである。さらに望ましくは１．５〜３．５ｎｍである。
また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０のＡｌ組成比は、２０〜４０％とすることがより望ましい。クラッドとしての機能をより高めることができるからである。さらに望ましいのは２５〜３５％である。
また、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１のＩｎ組成比は、４〜８％とすることがより望ましい。ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１によるｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の結晶品質改善効果がより高まるためである。さらに望ましいのは６〜８％である。また、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１に替えてｐ型ドーパントがドープされていないＩｎＧａＮ層としてもよい。
また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５０およびｐ−ＩｎＧａＮ層１５１の成長温度は８３０〜９２０℃とすることがより望ましい。ｐ−ＩｎＧａＮ層１５１によるｐ−ＡｌＧａＮ層１５０の結晶品質改善効果がより高まるためである。さらに望ましいのは８５０〜９００℃である。
次に、ｐクラッド層１５上にＭＯＣＶＤ法によってｐコンタクト層１６を形成する（図３（ｃ））。原料ガス、キャリアガス、ドーパントガスについてはｐクラッド層１５の形成に用いたものと同様である。そして、ｐコンタクト層１６の一部領域に透明電極１７を形成し、ｐコンタクト層１６表面の透明電極１７を形成していない領域に、ｎコンタクト層１１に達する深さの溝を形成し、その溝の底面にｎ電極１９、透明電極１７上にｐ電極１８を形成する。以上により図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。
実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法におけるｐクラッド層１５の形成工程を、以下に説明するｐクラッド層２５の形成工程に替えたものである。
まず、発光層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ０．５〜１０ｎｍ、Ａｌ組成比１５〜５０％、Ｍｇ濃度１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3 のｐ−ＡｌＧａＮ層２５０を形成する（図４（ａ））。成長温度は、８００〜９５０℃である。
次に、温度を保持したまま、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＩを供給し、ＴＭＧの供給量を増加させる。これにより、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０表面をＩｎＧａＮを形成するためのガスによって晒す。この工程は、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０上にＩｎＧａＮが形成される前に終了させ、再びｐ−ＡｌＧａＮ層２５０の形成工程を行う（図４（ｂ））。
ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０の形成工程と、ＩｎＧａＮ形成ガスに晒す工程とを交互に５〜１５回繰り返すことにより、図４（ｃ）に示すｐクラッド層２５を形成する。
以上のｐクラッド層２５形成工程によると、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０の表面状態がＩｎＧａＮを形成するためのガスによって晒されることによって回復するため、結晶性の悪化を抑制することができる。ｐ−ＡｌＧａＮ層２５０の結晶品質が良好に保たれ、ＩｎＧａＮを形成しないためｐクラッド層２５全体としての厚さが薄くなる結果、ｐクラッド層２５の直列抵抗成分が低減され、III 族窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低下させることができる。
なお、実施例１、２のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型の素子であるが、本発明はフリップチップ型の素子などにも適用することができる。
本発明によって製造されるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などの光源として利用することができる。
１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：ｎＥＳＤ層
１３：ｎコンタクト層
１４：発光層
１５：ｐクラッド層
１６：ｐコンタクト層
１７：透明電極
１８：ｐ電極
１９：ｎ電極
１５０、２５０：ｐ−ＡｌＧａＮ層
１５１：ｐ−ＩｎＧａＮ層
１１：ｎコンタクト層
１２：ｎＥＳＤ層
１３：ｎコンタクト層
１４：発光層
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１７：透明電極
１８：ｐ電極
１９：ｎ電極
１５０、２５０：ｐ−ＡｌＧａＮ層
１５１：ｐ−ＩｎＧａＮ層
Claims (5)
- ｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐクラッド層は、成長温度を８００〜９５０℃として、厚さ０．５〜１０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層とをＭＯＣＶＤ法によって繰り返し成長させて形成し、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ層上にＩｎＧａＮ層を形成する際、前記ｐ−ＡｌＧａＮ層の前記成長温度を保持したまま、Ａｌ源ガスの供給を停止してＩｎ源ガスを供給し、Ｇａ源ガスの供給量を増やし、厚さ１〜２分子層のＩｎＧａＮ層を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記ｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１５〜５０％であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は２〜１０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- ｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐクラッド層は、
成長温度を８００〜９５０℃として、厚さ０．５〜１０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させる第１工程と、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ層の前記成長温度を保持したまま、Ａｌ源ガスの供給を停止してＩｎ源ガスを供給し、Ｇａ源ガスの供給量を増やし、ＩｎＧａＮの成長が１分子層に達する前の期間だけ、前記ｐ−ＡｌＧａＮ層表面をＩｎＧａＮを形成するためのガスによって晒すことにより前記ｐ−ＡｌＧａＮ層の表面状態を回復させる第２工程と、
を繰り返して形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記ｐ−ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１５〜５０％であることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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