JP5858246B2 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記障壁層のうち前記p型窒化物半導体層と接する位置に形成される最終障壁層は、n型不純物を含み、前記p型窒化物半導体層との界面のn型不純物濃度が4×1017/cm3以下であることを特徴とする。
前記最終障壁層の形成時に、前記最終障壁層の材料を形成するための第1原料ガスに、n型不純物を含有させるための第2原料ガスを含有した混合ガスを供給する工程と、前記第2原料ガスの供給を停止して引き続き前記第1原料ガスを供給する工程とを含むことを特徴とする。
図1は、窒化物半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子1は、n型窒化物半導体層16とp型窒化物半導体層22の間に発光層20を有してなる構成である。より詳細には、窒化物半導体発光素子1は、サファイアなどの支持基板10の上層に、下から順に第1バッファ層12、第2バッファ層14、n型窒化物半導体層16、発光層20、p型窒化物半導体層22、p型クラッド層24、p型コンタクト層26を備える。
支持基板10は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Si,SiC,GaN,YAGなどで構成しても構わない。
第1バッファ層12は、支持基板10(サファイア基板)のc面上で低温成長させたGaN層にて形成される。また、第2バッファ層14は、第1バッファ層12の上層に高温成長させた下地層としてのGaN層である。両層ともにアンドープ層を構成する。
n型窒化物半導体層16は、第2バッファ層14の上層に高温成長させたn−AlnGa1−nN(0≦n<1)で構成される。一例として、本実施形態ではn−Al0.06Ga0.94Nによってn型窒化物半導体層16を形成している。ドーパントとしてのn型不純物としてはSiが好適に用いられるが、Ge、S、Se、Sn、Teなどを用いることもできる。
p型窒化物半導体層22は、発光層20の上層に成長させたp−AlmGa1−mN(0≦m<1)で構成される。また、p型クラッド層24は、p型窒化物半導体層22の上層に成長させたp−AlaGa1−aN(0≦a<1)で構成される。一例として、本実施形態では、p−Al0.3Ga0.7Nによってp型窒化物半導体層22を形成し、p−Al0.13Ga0.87Nによってp型クラッド層24を形成している。ドーパントとしてのn型不純物としてはMgが好適に用いられるが、Be、Zn、Cなどを用いることもできる。
p型コンタクト層26は、p型クラッド層24の上層に成長させた、例えばp+−GaN又はp+−AlGaNで構成される。例えば、Mgが高濃度にドープされたGaN又はAlGaNで形成されるが、Be、Zn、Cなどを高濃度にドープして形成することもできる。
発光層20の構成について、図2を参照して説明する。図2は、窒化物半導体発光素子1のうち、発光層20及びその近傍の部分を拡大して模式的に示した断面図である。
図2に示す構成に関し、発光層10、特に障壁層(20a,20c,20e,20g,20i、20k)に含有させるn型不純物濃度を変更して、素子の特性の評価を行った。
全ての障壁層の厚みを20nmとして、これらに対してn型不純物を含有すると共に、最終障壁層20kに関しては、p型窒化物半導体層22との界面のn型不純物濃度が3×1016/cm3となるように形成した。
最終障壁層20kを形成するに際し、TESiの供給時間を約240秒間とすることでn型不純物を含有させながら10nmを成長させた後、TESiの供給を停止して、窒素、水素、TMG及びTMAを約240秒間供給して成長させることで、最終的に約480秒間をかけて層厚20nmの最終障壁層20kを形成した以外は、実施例1と同様に形成した。これにより、実施例2の素子において、最終障壁層20kとp型窒化物半導体層22の界面のn型不純物濃度は7×1016/cm3であった。
障壁層(20a,20c,20e,20g,20i、20k)のうちの一部の障壁層20gについてアンドープとした以外は、実施例2と同条件として素子を形成した。
最終障壁層20kを形成するに際し、TESiの供給時間を約288秒間とすることでn型不純物を含有させながら12nmを成長させた後、TESiの供給を停止して、窒素、水素、TMG及びTMAを約192秒間供給して成長させることで、最終的に約480秒間をかけて層厚20nmの最終障壁層20kを形成した以外は、実施例1と同様に形成した。これにより、実施例4の素子において、最終障壁層20kとp型窒化物半導体層22の界面のn型不純物濃度は1.5×1017/cm3であった。
最終障壁層20kを形成するに際し、TESiの供給時間を約360秒間とすることでn型不純物を含有させながら15nmを成長させた後、TESiの供給を停止して、窒素、水素、TMG及びTMAを約120秒間供給して成長させることで、最終的に約480秒間をかけて層厚20nmの最終障壁層20kを形成した以外は、実施例1と同様に形成した。これにより、実施例5の素子において、最終障壁層20kとp型窒化物半導体層22の界面のn型不純物濃度は4×1017/cm3であった。
TESiを供給せずに最終障壁層20kを形成したことで、最終障壁層20kをアンドープとした以外は、実施例1と同様に形成した。
最終障壁層20kを形成するに際し、TESiの供給時間を約456秒間とすることでn型不純物を含有させながら19nmを成長させた後、TESiの供給を停止して、窒素、水素、TMG及びTMAを約24秒間供給して成長させることで、最終的に約480秒間をかけて層厚20nmの最終障壁層20kを形成した以外は、実施例1と同様に形成した。これにより、比較例1の素子において、最終障壁層20kとp型窒化物半導体層22の界面のn型不純物濃度は8×1017/cm3であった。
以下、窒化物半導体発光素子1の製造方法の一例について説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。すなわち、各半導体層の成長工程においては、目的とする組成に応じた基板温度および炉内圧力となる条件下で気相成長が行われるものとして構わない。
まず、支持基板10としてc面サファイア基板を準備し、このクリーニングを行う。より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
次に、炉内圧力100kPa、基板温度480℃の状態で、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスを流量5slm及び水素ガスを流量5slmで供給しながら、アンモニアを流量250000μmol/min及びTMGを流量50μmol/minで70秒間供給することにより、支持基板10の表面に層厚20nmのGaN層を成長させて第1バッファ層(LT−GaN)12を形成する。
次に、基板温度1150℃の状態で、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスを流量20slm及び水素ガスを流量15slmで供給しながら、アンモニアを流量250000μmol/min及びTMGを流量100μmol/minで30分間供給することにより、第1バッファ層12上に層厚1.7μmのアンドープのGaN層を成長させて第2バッファ層(u−GaN)14を形成する。
次に、第2バッファ層14の上層に、n−AlnGa1−nN(0≦n<1)で構成されるn型窒化物半導体層16を形成する。より具体的には、ステップS3と同様に、処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスを流量20slm及び水素ガスを流量15slmで供給しながら、基板温度1150℃、炉内圧力30kPaの状態で、TMAを流量5.2μmol/min、TESiを流量0.013μmol/minで供給することにより、第2バッファ層14上に層厚2.3μmのn−Al0.06Ga0.94N層よりなるn型窒化物半導体層16を形成する。
次に、n型窒化物半導体層16の上層にIncGa1−cN(0<c≦1)からなる井戸層とAlbGa1−bN(0<b≦1)からなる障壁層が交互に繰り返されてなる発光層20を形成する。
炉内圧力100kPaで処理炉内にキャリアガスとして窒素ガスを流量15slm及び水素ガスを流量25slmで供給しながら、基板温度を1025℃にし、その状態でTMGを流量100μmol/min、TMAを流量24μmol/min、Cp2Mgを流量0.1μmol/minで20秒間供給することにより、発光層20上に層厚20nmのp−Al0.3Ga0.7N層を成長させてp型窒化物半導体層22を形成する。
続いて、TMAの流量を12μmol/minに変更して成長を100秒間継続することにより、p型窒化物半導体層22上に層厚100nmのp−Al0.13Ga0.87Nよりなるp型クラッド層24を形成する。
ステップS7の後、Cp2Mgの流量を0.2μmol/minに変更して成長を20秒間継続することにより、p型クラッド層24上に層厚20nmのp+型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型コンタクト層26を形成する。
次に、ステップS1〜S8を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、大気中700℃で15分間の活性化処理を行う。
その後は、フォトリソグラフィと誘導結合型プラズマ処理装置(ICP)により、n型窒化物半導体層の一部をエッチングして露出させることによりnパッド部を形成し、当該nパッド部及びp型コンタクト層26の表面に設定されたpパッド部の各々に、電極材料(例えばNi5nm及び金5nm)を形成後、大気中において温度500℃で5分間アニールを行い、nパッド部及びpパッド部の各々にAlを蒸着してn電極及びp電極を形成する。
10 : 支持基板
12 : 第1バッファ層
14 : 第2バッファ層
16 : n型窒化物半導体層
20 : 発光層
20a,20c,20e,20g,20i、20k : 障壁層
20b,20d,20f,20h,20j : 井戸層
20ka : 最終障壁層20kにおける最もp型窒化物半導体層22に近い測定点
21 : 最終障壁層20kとp型窒化物半導体層22との界面
22 : p型窒化物半導体層
22a : p型窒化物半導体層22における最も最終障壁層20kに近い測定点
24 : p型クラッド層
26 : p型コンタクト層
Claims (3)
- n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間に、窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層とを交互に積層してなる発光層を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記障壁層のうち前記p型窒化物半導体層と接する位置に形成される最終障壁層は、n型不純物を含み、前記p型窒化物半導体層との界面のn型不純物濃度が4×1017/cm3以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記最終障壁層を含む全ての前記障壁層が、n型不純物を含む構成であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 請求項1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記最終障壁層の形成時に、前記最終障壁層の材料を形成するための第1原料ガスに、n型不純物を含有させるための第2原料ガスを含有した混合ガスを供給する工程と、前記第2原料ガスの供給を停止して引き続き前記第1原料ガスを供給する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
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