JP7158758B2 - 窒化物半導体デバイスとその基板、および希土類元素添加窒化物層の形成方法、並びに赤色発光デバイスとその製造方法 - Google Patents
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Description
基板上に窒化物半導体層が設けられて構成される窒化物半導体デバイスであって、
前記基板が、オフ角傾斜基板であり、
前記基板の上に、希土類元素が添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として設けられており、
前記希土類元素添加窒化物層の上に、窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体デバイスである。
前記希土類元素添加窒化物層が、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶に前記希土類元素が添加された層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デバイスである。
前記希土類元素添加窒化物層における前記希土類元素の添加濃度が、0.001~10at%であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体デバイスである。
前記希土類元素添加窒化物層の厚みが、0.1nm以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイスである。
前記希土類元素が、Euであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイスである。
前記基板が、サファイア、SiC、Siのいずれか、または、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶からなる窒化物半導体であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイスである。
発光デバイス、高周波デバイス、高出力デバイスのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイスである。
窒化物半導体デバイスの作製に際して使用される基板であって、
オフ角傾斜基板の上に、希土類元素が添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として設けられて構成されていることを特徴とする基板である。
前記希土類元素添加窒化物層が、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶に前記希土類元素が添加された層であることを特徴とする請求項8に記載の基板である。
前記希土類元素添加窒化物層における前記希土類元素の添加濃度が、0.001~10at%であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の基板である。
前記希土類元素添加窒化物層の厚みが、0.1nm以上であることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の基板である。
前記希土類元素が、Euであることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載の基板である。
前記オフ角傾斜基板が、サファイア、SiC、Siのいずれか、または、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶からなる窒化物半導体であることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載の基板である。
オフ角傾斜基板の上に希土類元素添加窒化物層を形成する希土類元素添加窒化物層の形成方法であって、
前記オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層を形成する工程と、
前記希土類元素無添加の窒化物層の上に、希土類元素添加窒化物層を、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として形成する工程とを備えており、
前記各工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって行うと共に、
前記希土類元素添加窒化物層の形成を、900~1100℃の温度下で行うことを特徴とする希土類元素添加窒化物層の形成方法である。
オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としての希土類元素添加窒化物層の順に積層されて形成されていることを特徴とする基板である。
請求項14に記載の希土類元素添加窒化物層の形成方法を用いて形成された希土類元素添加窒化物層の上に、窒化物半導体層を形成させて、窒化物半導体デバイスを作製する窒化物半導体デバイスの作製方法である。
オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としての希土類元素添加窒化物層、窒化物半導体層の順に積層されて形成されていることを特徴とする窒化物半導体デバイスである。
GaN、InN、AlNまたはこれらのいずれか2つ以上の混晶に、希土類元素として、EuまたはPrが添加された希土類元素添加窒化物層が、活性層として形成されており、
前記活性層が、請求項8ないし請求項13のいずれか1項に記載の基板上に形成されていることを特徴とする赤色発光デバイスである。
GaN、InN、AlNまたはこれらのいずれか2つ以上の混晶に、希土類元素としてEuが添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としてオフ角傾斜基板上に形成されていることを特徴とする赤色発光デバイスである。
前記希土類元素添加窒化物層が、酸素が共添加された希土類元素添加窒化物層であることを特徴とする請求項18または請求項19に記載の赤色発光デバイスである。
請求項19に記載の赤色発光デバイスの製造方法であって、
オフ角傾斜基板の上に、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、Euが添加された希土類元素添加窒化物層を形成することを特徴とする赤色発光デバイスの製造方法である。
図1は、本実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの構成を示す模式図である。図1において、10はサファイア基板、40はEu添加GaN層(GaN:Eu)であり、Eu添加GaN層40の上にキャップ層50が形成されている。なお、このキャップ層50は、窒化物半導体層となるEu無添加GaN層(ud-GaN)である。
次に、上記した窒化物半導体デバイスの形成方法について説明する。図2は、本実施の形態における窒化物半導体デバイスの形成プロファイルを示す図である。なお、図2では、上段に原料として供給されるガスと供給速度を示し、下段に成長温度(縦軸)と時間(横軸)との関係を示している。
まず、圧力104kPaに調整された反応容器内に、オフ角1°で傾斜したサファイア基板10を載置し、その後、反応容器内の温度を475℃として、NH3ガス(223mmol/min)およびTMGaガス(52.1μmol/min)を反応容器内へ供給し、成長速度1.3μm/hで、厚み30nmのLT-GaN層20をサファイア基板10上に形成した。
次に、反応容器内の温度を1180℃として、NH3ガス(179mmol/min)およびTMGaガス(102μmol/min)を反応容器内へ供給し、成長速度3.2μm/hで、厚み2μmのud-GaN層30をLT-GaN層20上に形成した。
次に、反応容器内の温度を960℃として、NH3ガス(179mmol/min)、TMGaガス(25.6μmol/min)、およびEuCppm 2ガス(0.586μmol/min)を反応容器内へ供給し、成長速度0.78μm/hで、厚み40nmのEu添加GaN層40をud-GaN層30上に形成した。
次に、反応容器内の温度を再び1180℃として、NH3ガス(179mmol/min)およびTMGaガス(102μmol/min)を反応容器内へ供給し、成長速度3.2μm/hで、厚み5μmのキャップ層50をEu添加GaN層40上に形成し、窒化物半導体デバイスとした。
(1)オフ角傾斜基板におけるマクロステップの発生の確認
評価試料として、オフ角1°で傾斜したサファイア基板(オフ角傾斜基板)上にOMVPE法を用いて、厚み7.6μmのEu無添加GaN層を成長させた。一方、比較のために、傾斜していないサファイア基板(オンアクシス基板)上に、同様にして、厚み7.6μmのEu無添加GaN層を成長させた。
次いで、評価試料として、上記と同様の基板(オフ角傾斜基板およびオンアクシス基板)上に、厚み30nmのLT-GaN層、厚み2μmのud-GaN層、厚み40nmのEu添加GaN層および厚み5μmのキャップ層(ud-GaN層)を成長させた。一方、比較のために、各基板上に、総厚が同じ厚みとなるまでud-GaN層を成長させた。
以上のように、本実施の形態においては、オフ角傾斜基板上にEu添加GaN層を設けることにより、低欠陥密度の基板の提供が可能となる。このため、従来に比べて、飛躍的に高発光効率の青色・緑色LEDを実現することが可能となる。また、オフ角傾斜基板上で低転位密度を実現しているため、リーク電流の少ない素子の実現が可能となり、高信頼度の窒化物パワーデバイスの作製が可能となる。
次に、本実施の形態に係る赤色発光デバイスについて、詳細に説明する。
最初に、従来のオンアクシス基板上でのEu添加GaN層の成長における問題点、具体的には、Eu添加GaN層の最適な成長条件が、何故、Eu/Ga比で2.4%とされていたかについて説明する。
次に、本実施の形態として、オフ角傾斜基板上にEu添加GaN層を形成させた場合における表面状態および発光強度について説明する。
上記の通り、本実施の形態に係る赤色発光デバイスにおいては、オフ角傾斜基板上に高Eu濃度のEu添加GaN層を形成させることが可能となり、強い発光強度の発現に直接寄与することができるため、高効率な赤色発光デバイスの作製が可能となり、GaN系材料を中心に開発が進んでいる可視光領域の半導体LEDへの適用により、高輝度な発光ダイオードを実現することが可能となる。また、近年注目を集めている赤色発光層を含む希土類添加半導体層を活性層としたレーザーダイオードの開発において、Euなどの希土類元素の高濃度添加により、高い材料利得が可能となる。
20 LT-GaN層
30 ud-GaN層
40 Eu添加GaN層
50 キャップ層
c c面間の距離
θ オフ角
Claims (21)
- 基板上に窒化物半導体層が設けられて構成される窒化物半導体デバイスであって、
前記基板が、オフ角傾斜基板であり、
前記基板の上に、希土類元素が添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として設けられており、
前記希土類元素添加窒化物層の上に、窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体デバイス。 - 前記希土類元素添加窒化物層が、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶に前記希土類元素が添加された層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デバイス。
- 前記希土類元素添加窒化物層における前記希土類元素の添加濃度が、0.001~10at%であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体デバイス。
- 前記希土類元素添加窒化物層の厚みが、0.1nm以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイス。
- 前記希土類元素が、Euであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイス。
- 前記基板が、サファイア、SiC、Siのいずれか、または、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶からなる窒化物半導体であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイス。
- 発光デバイス、高周波デバイス、高出力デバイスのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の窒化物半導体デバイス。
- 窒化物半導体デバイスの作製に際して使用される基板であって、
オフ角傾斜基板の上に、希土類元素が添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として設けられて構成されていることを特徴とする基板。 - 前記希土類元素添加窒化物層が、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶に前記希土類元素が添加された層であることを特徴とする請求項8に記載の基板。
- 前記希土類元素添加窒化物層における前記希土類元素の添加濃度が、0.001~10at%であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の基板。
- 前記希土類元素添加窒化物層の厚みが、0.1nm以上であることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の基板。
- 前記希土類元素が、Euであることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載の基板。
- 前記オフ角傾斜基板が、サファイア、SiC、Siのいずれか、または、GaN、InN、AlN、またはこれらのいずれか2つ以上の混晶からなる窒化物半導体であることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載の基板。
- オフ角傾斜基板の上に希土類元素添加窒化物層を形成する希土類元素添加窒化物層の形成方法であって、
前記オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層を形成する工程と、
前記希土類元素無添加の窒化物層の上に、希土類元素添加窒化物層を、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層として形成する工程とを備えており、
前記各工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって行うと共に、
前記希土類元素添加窒化物層の形成を、900~1100℃の温度下で行うことを特徴とする希土類元素添加窒化物層の形成方法。 - オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としての希土類元素添加窒化物層の順に積層されて形成されていることを特徴とする基板。
- 請求項14に記載の希土類元素添加窒化物層の形成方法を用いて形成された希土類元素添加窒化物層の上に、窒化物半導体層を形成させて、窒化物半導体デバイスを作製する窒化物半導体デバイスの作製方法。
- オフ角傾斜基板の上に、希土類元素無添加の窒化物層、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としての希土類元素添加窒化物層、窒化物半導体層の順に積層されて形成されていることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
- GaN、InN、AlNまたはこれらのいずれか2つ以上の混晶に、希土類元素として、EuまたはPrが添加された希土類元素添加窒化物層が、活性層として形成されており、
前記活性層が、請求項8ないし請求項13のいずれか1項に記載の基板上に形成されていることを特徴とする赤色発光デバイス。 - GaN、InN、AlNまたはこれらのいずれか2つ以上の混晶に、希土類元素としてEuが添加された希土類元素添加窒化物層が、マクロステップの発生を抑制して表面を平坦化させる下地処理層としてオフ角傾斜基板上に形成されていることを特徴とする赤色発光デバイス。
- 前記希土類元素添加窒化物層が、酸素が共添加された希土類元素添加窒化物層であることを特徴とする請求項18または請求項19に記載の赤色発光デバイス。
- 請求項19に記載の赤色発光デバイスの製造方法であって、
オフ角傾斜基板の上に、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、Euが添加された希土類元素添加窒化物層を形成することを特徴とする赤色発光デバイスの製造方法。
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