JPH04209577A - 半導体発光素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、可視（赤色）から紫外
で発光する半導体発光素子及びその作製方法に関するも
のである。 ［０００２］ 【従来の技術】従来、ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ、Ｇ
ａＮ、　Ａ　Ｉ　Ｎ、　　Ｉ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇａｘ　
Ａ　ｌｙ　Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピ
タキシャル成長には、基板としてサファイアが用いられ
てきた。しかし、サファイアと上記ＩＩＩ族窒化物半導
体の間には１１〜２３％の格子不整合があり、このため
に生じる不整合転位によりサファイア基板上に作製した
発光素子は発光効率や素子寿命を十分に向上できない。 実際、サファイア上に作製した発光素子では外部量子効
率が０．１２％までのものしか得られていない。　（Ｙ
、　０ｈｋｉ、　Ｙ、　Ｔｏｙｏｄａ、　Ｈ，Ｋｏｂａ
ｙａｓｈｉ　　ａｎｄ　　１．　　Ａｋａｓａｋｉ、　
　　Ｉｎｔ、　　Ｓｙｍｐ　　、　　ＧａＡｓ　　ａｎ
ｄ　　Ｒｅ１ａｔｅｄ　　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、　Ｊａ
ｐａｎ（１９８１）ｐ、４７９．）［０００３］これに
比較してＭ　ｎ　Ｏ１ＺｎＯ９ＭｇＡ１２０４　、Ｍｇ
Ｏ１あるいはＣａＯ基板は上記ＩＩＩ族窒化物半導体及
びその混晶に格子定数が近い。図１は、Ｉｎ、、−ｙ　
Ｇａｙ　　ＡＩｙ　Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１
）のＧａ組成ｘ、ＡＩ組組成と（０００１）面内の格子
定数の関係を示すものであって、図中実線上の組成で上
記酸化物基板とエピタキシャル膜の格子整合を得ること
ができる。しかし、これらの酸化物基板には高温還元雰
囲気中で不安定であるという問題があり、例えばＺｎＯ
基板をＮＨ３雰囲気中で加熱処理すると５００〜６００
℃以上の温度で、表面が多結晶層に変質してしまう。 これは、還元雰囲気中で加熱処理することにより基板中
の酸素力弓（き抜かれ、さらに極端な場合には表面に窒
化物が形成されることが原因である。この結果、基板表
面が変質する温度よりも高温で成長を行うとすると、窒
素原料ガスを流すと同時に表面が多結晶化し、その上に
は多結晶膜しか成長しないという問題が生じる。エピタ
キシャル膜の結晶性は成長温度の上昇にともない飛躍的
に向上するため、基板の表面変質が起こらない温度でし
か成長を行えないと言うことは極めて重大な問題である
。 ［０００４］

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
解決するために提案されたもので、その目的は、ＩＩＩ
族窒化物半導体１　ｎｌ−＋−ｙ　Ｇａｘ　Ａ　ｌｙ　
Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）のエピタキシャル
膜の不整合転位を低減した高効率・長寿命の半導体発光
素子を提供すること、及び不整合転位を低減するために
用いたＭｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ＋、ＭｇＯ１ある
いはＣａＯ等の酸化物基板表面の変質を起こすことなく
、結晶性の良好なエピタキシャル膜を成長する方法を提
供することにある。 ［０００５］

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明はＩ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇ　ａｘ　Ａ　ｌｙ　Ｎ
　（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）薄膜を少なくとも一
層を含む、基板、バッファ層、クラッド層または低抵抗
層、発光層を備える半導体発光素子において、前記基板
はＭｎＯ，ＺｎＯ１ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ，ＣａＯの
いずれかであり、かつ基板上に接して形成されたバッフ
ァ層はＪｎｔ−ｘ−ｙ　Ｇａｘ　　ＡｌｙＮ　（ｏ≦ｘ
≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなることを特徴とする半導
体発光素子を発明の要旨とするものである。さらに本発
明はＩ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇａｘ　Ａｌｙ　Ｎ（０≦ｘ≦
１；０≦ｘ＋ｙ≦１）薄膜を少なくとも一層を含み、基
板、バッファ層、クラッド層または低抵抗層、発光層を
備え、前記基板はＭｎＯ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ２０４、　
Ｍｇ、○、ＣａＯのいずれかであり、かつ基板上に接し
て形成されたバッファ層はＩ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇａｙ　
ＡｌｙＮ　（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる半
導体発光素子の製造において、前記バッファ層を１００
０℃以下の成長温度で基板上に堆積することを特徴とす
る半導体発光素子の作製方法を発明の要旨とするもので
ある。 ［０００６］

【作用】本発明の半導体素子は、酸化物基板ＭｎＯ，Ｚ
ｎｏ、ＭｇＡｌ２０４　、ＭｇＯ、あるいはＣａＯと、
該基板上に接して形成したＩ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇａｇ　
Ａ　ｌｙ　Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）バッフ
ァ層を備えることを最も主要な特徴とするものであり、
本発明は従来のサファイア上に作製したＩＩＩ族窒化物
半導体発光素子とは、酸化物基板〜Ｉｎｋ、ＺｎＯ，Ｍ
ｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ１あるいは、ＣａＯを用いる点が
、また従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の作製法と
は、上記酸化物基板に接して１０００℃以下の成長温度
でＩ　ｎ　ｌ−ｘ　−ｙ　Ｇ　ａ　ｔＡｌｙ　Ｎ　（０
≦ｘ≦１．０≦ｙ、　＋　ｖ≦１）バッファ層を堆積す
る点が異なる。これによって従来の基板としてサファイ
ア上に作製したＩＩＩ族窒化物層とに比べ、格子整合が
良好であり、この結果、半導体素子の品質が向上し、高
性能化することができる。 （０００７］

【実施例】本発明の実施例について説明する。なお実施
例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範
囲で、種々変更あるいは改良を行いうることは云うまで
もない。 ［０００８］本発明は従来のサファイア上に作製したＩ
ＩＩ族窒化物半導体発光素子とは、酸化物基板ＭｎＯ、
ＺｎＯ、ＭｇＡｌ２０４　、ＭｇＯ１あるいは、ＣａＯ
を用いる点が、また従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素
子の作製方法とは、上記酸化物基板に接して１０００℃
以下の成長温度でＩ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇａｘ　Ａ　ｌｙ
　Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層を堆
積する点が異なる。 ［０００９］　　（実施例１）図２は本発明の第一の実
施例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。こ
の発光素子はＭｎＯ（１１１）基板１の上に成長した膜
厚５００ＡのアンドープＧａＡＩＮバッファ層２、膜厚
５μｍのＳｎドープｎ型低抵抗ＧａＡＩＮ層３、膜厚０
．５１ＬｍのＺｎドーピングにより半絶縁化したＧａＡ
ＩＮ発光層４、前記発光層上に設けた半絶縁層の電極５
、及び低抵抗層３上に設けたｎ型抵抗層のオーミック電
極６からなる。ここに示したすべてのＧａＡＩＮ層は、
基板に格子整合するように組成を選んだ。電極５に正の
電圧を電極６に負の電圧を加えると発光層４は４２０　
ｎｍの波長で発光した。その外部量子効率は０．４５％
であった。発光効率がこのように向上した原因は、基板
とエピタキシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシ
ャル膜の結晶性が高くなったためである。 ［０００１０１（実施例２）図３は本発明の第二の実施
例を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この
発光素子はＭｇＯ（１１１）基板１０の上に成長した膜
厚５００人のアンドープＩｎＧａＮバッファ層１１、膜
厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡＩＮクラッド層１
２、膜厚０．　５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層１
３、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡ］Ｎクラッ
ド層１４、ｎ型クラッド層のオーミック電極１５、ｎ型
クラッド層のオーミック電極１６からなる。ここに示し
たすべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡＩＮ層は、基板に格
子整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性
層のバンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大き
くなるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈
折率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極
１５に正の電圧を電極１６に負の電圧を加えると活性層
１３は４２０　ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１
３ｍＷであり、外部量子効率は３％であった。発光効率
がこのように向上した原因は、基板とエピタキシャル膜
の格子定数の整合によりエピタキシャル膜の結晶性が高
くなったこと、及び電子及びホールが注入される活性層
をそれよりバンドギャップエネルギが大きく屈折率が小
さいクラッド層で挟むことによりキャリアと放出光が効
率よく活性層に閉じ込められるダブルへテロ（ＤＨ）構
造となっていることの２点である。 （００１１１（実施例３）図４は本発明の第三の実施例
を説明する図であって、発光素子の断面を示す。この発
光素子は低抵抗Ｚｎ○（１１１）基板１７の上に成長し
た膜厚５００ＡのアンドープＡＩＮバッファ層１８、膜
厚５μｍのＳｎドープｎ型ＩｎＧａＡＩＮクラッド層１
９、膜厚０．５μｍのアンドープＩｎＧａＮ活性層２０
、膜厚２μｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＡＩＮクラッド
層２１．ｎ型クラッド層のオーミック電極２２、ｎ型ク
ラッド層のオーミック電極２３からなる。ここに示した
すべてのＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡＩＮ層は、互いに格子
整合し、クラッド層のバンドギャップエネルギは活性層
のバンドギャップエネルギに比べ０．３ｅＶ以上大きく
なるように組成を選んだ。この結果、クラッド層の屈折
率は活性層の屈折率に比べ約１０％小さくなる。電極２
２に正の電圧を電極２３に負の電圧を加えると活性層２
０は４２０ｎｍの波長で発光した。最大光出力は１０ｍ
Ｗであり、外部量子効率は２．５％であった。発光効率
がこのように向上した原因は、バッファ層を除くエピタ
キシャル膜の格子定数の整合によりエピタキシャル膜の
結晶性が高くなったこと、及び電子及びホールが注入さ
れる活性層をそれよりバンドギャップエネルギが大きく
屈折率が小さいクラッド層で挟むことによりキャリアと
放出光が効率よく活性層に閉じ込められるダブルへテロ
（ＤＨ）構造となっていることの２点である。ＡＩＮバ
ッファ層は極めて良好な半絶縁性を示し、わずか５００
人の厚さでも基板と発光素子を絶縁分離できる。この結
果、低抵抗基板上に複数のプレーナ型半導体素子を作製
し、かつこれらの半導体素子を互いに絶縁分離できると
言う利点を有するものである。 ［００１２］次に本発明の素子の作製方法について説明
する。図５は、原料ガスとしてＩＩＩ族有機金属とＮＨ
３を用いる場合について、本発明の半導体発光素子の作
製方法を実施するための成長装置の一例を示すものであ
る。石英反応管３２の内部に成長基板３０を保持するカ
ーボン・サセプタ３１を収めると共に石英反応管の外部
に高周波誘導コイル３３を配置する。また石英反応管３
２に対して有機金属ガス導入管３５、ＮＨ３ガス導入管
３６、Ｈ２ガス及びＮ２ガス導入管３７、及び排気口３
８を設ける。３４は熱電対を示す。 ［００１３］この装置で、本発明の半導体発光素子用の
多層膜構造を作製するには、まず石英反応管３０内を真
空排気装置により排気する。次に、石英反応管３２内に
０．５〜２０１７分の不活性ガスであるＮ２ガスを導入
した後、高周波誘導コイル３３に通電することによりカ
ーボン・サセプタ３１を５００〜６００℃に加熱し、Ｎ
２　ガスを０．　５〜２０１／分のＮＨ３ガスに切り替
える。この状態で、バブラの温度を一３０〜５０℃に設
定したトリメチルインジウム（ＴＭＩ　ｎ）　、　　ト
リメチルガノウム（ＴＭＧａ）及びトリメチルアルミニ
ウム（Ｔ〜ＩＡＩ）のうち必要な原料を１〜１０００ｃ
ｃ／分のＨ！ガス（あるいはＮ２ガス）でバブリングし
、０〜１０１／分のＨ２ガス（あるいはＮ２　ガス）と
合流させた後、導入管３７より石英反応管３２へ供給し
、成長基板上にＩｎ１−ｘ−ｙ　Ｇａｘ　　Ａｌｙ　Ｎ
　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層を堆積す
る。成長中の石英反応管３２内の総ガス圧は４０〜１０
００Ｔｏｒｒに調整する。 ［００１４］これに続けて、必要な膜厚を堆積したＩｎ
１−！−Ｖ　Ｇａｘ　Ａｌｙ　Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦
ｘ＋ｙ≦１）バッファ層をＮＨｓ雰囲気中６００〜１３
００℃の温度で１〜６０分保持した後、６００〜１３０
０℃に基板温度を設定し上記と同様の手順で発光素子用
の多層膜構造（例えばクラッド層、活性層）を作製する
。なお、上記の過程において、ＩｎＧａＡＩＮバッファ
層の堆積温度を１０００℃を超えた温度にすると、表面
が多結晶化し、その上に成長したＩｎＧａＡＩＮ単結晶
とはならなかった。 ［００１５］上記の実施例では、ＩＩＩ族原料及び窒素
原料膜としてＩＩＩ族有機金属及びＮＨ３を用いたが、
これに代えてＩＩＩ族ハライド化物等のその他のＩＩＩ
族原料及びＮ２　Ｈ２や有機アミン等のその他の窒素原
料を用いても同様の効果が得られる。また、上記の実施
例では、キャリアガス、バブリングガスとしてＨ２また
はＮ２　を用いたが、これに代えてＨｅやＡｒ等のその
他の不活性ガスを用いても同様の効果が得られる。 ［００１６］

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の半導体発光
素子では基板としてサファイアより格子整合性の良好な
ＭｎＯ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌｚ　０４、ＭｇＯ１あるいは
ＣａＯ等の酸化物基板を用いるため、エピタキシャル膜
の品質が向上し高性能化できる。さらに本発明の半導体
発光素子では、基板に格子整合したＤＨ槽構造実現でき
る。また、本発明の作製方法を用いれば、これら酸化物
基板表面を表面の変質が起こらない低温で成長したバッ
ファ層で基板表面を保護するため、基板表面を多結晶化
することなくその上に単結晶膜を成長できる。 ［００１７］一般にヘテロエピタキシャル成長では基板
・エピタキシャル膜間の界面エネルギが高い場合、十分
な表面マイグレーションが起こる高温で直接成長を行う
と顕著な三次元成長が起こり、凹凸の激しい表面モホロ
ジを示すばかりでなく、１０〜１００分の方位分布を持
った結晶性の不十分な膜が成長することが知られている
。このことは発光素子を作製する際、多層膜構造の作製
が難しい、発光効率が低いあるいは素子寿命が短い等の
問題の原因となる。界面エネルギは基板結晶とエピタキ
シャル膜結晶の結合の性質の差によって決まり、イオン
結晶である酸化物基板と共有結合性の強いＩＩＩ族窒化
物半導体では界面エネルギが高いものと考えられる。 本発明の作製方法は、不十分な表面マイグレーションし
か起こらない低温で平坦なＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ｎ
バッファ層を堆積し、この上に結晶性の良好なエピタキ
シャル膜を得るため高温で成長する構成となっている。 高温成長層とバッファ層はいずれもＩＩＩ族窒化物半導
体であるため、これらの間の界面エネルギは低い。この
ように、本発明の作製方法は、基板・エピタキシャル膜
の界面エネルギを下げ三次元成長を抑制する作用を持つ
ため、膜を平坦化し、方位分布を低減するという効果も
持つ。 ［００１８］また、本発明の半導体発光素子において。 Ｉ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇ　ａｘ　Ａ　ｌｙ　Ｎ　（０≦ｘ
≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）バッファ層のＡ１組組成が大き
い場合にはバッファ層が半絶縁化するため、低抵抗基板
を用いても基板と発光素子を絶縁分離できる。この結果
、低抵抗基板上に複数のプレーナ型半導体素子を作製し
、かつこれらの半導体素子を互いに絶縁分離できると言
う利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図’］　　Ｉ　ｎｌ−ｘ−ｙ　Ｇ　ａｘ　Ａ　ｌｙ　
Ｎ　（０≦ｘ≦１．０≦ｘ＋ｙ≦１）の（０００１）面
内の格子定数とＧａ組組成Ａ１組成ｙとの関係を示す図
である。 【図２〜４】実施例１〜３の構造の概略図である。

【図５】半導体発光素子を作製する際に用いた化合物半
導体薄膜のエピタキシャル成長装置の構成図である。

【符号の説明】

Ｉ　　ＭｎＯ（１１１）基板 ２　アンドープＧａＡＩＮバッファ層 ３　　Ｓｎドープｎ型低抵抗ＩｎＧａＡＩＮ層４　　Ｚ
ｎドープ半絶縁性ＩｎＤａＡＩＮ発光層５　半絶縁層の
電極 ６　ｎ型低抵抗層のオーミック電極 １０　　Ｍｇ０（１１１）基板 １１　アンドープＩｎＧａＮバッファ層１２　　Ｓｎド
ープｎ型ＩｎＧａＡＩＮグラット層１３　アンドープＩ
ｎＧａＮ活性層 １４Ｍｇ４ドープｐ型ＩｎＧａＡＩＮクラツド層１５　
　ｐ型クラッド層のオーミック電極１６　　ｎ型クラッ
ド層のオーミック電極１７　　Ｚｎ０（１１１）基板 １８　アンドープＡＩＮバッファ層 １９　　Ｓｎドープｎ型ＩｎＧａＡＩＮクラッド層２０
　アンドープＩｎＧａＮ活性層 ２１Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＡＩＮクラッド層２２　　
ｐ型クラッド層のオーミック電極２３　　ｎ型クラッド
層のオーミック電極３０　成長基板 ３１　カーボン・サセプタ ３２　石英反応管 ３３　高周波誘導コイル ３４　熱電対 ３５　有機金属ガス導入管 ３６　　ＮＨＩガス導入管 ３７　Ｈ２ガス及びＮ２ガス導入管 ３８　排気口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿
   ｙＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）薄膜を少なくとも
   一層を含む、基板、バッファ層、クラッド層または低抵
   抗層、発光層を備える半導体発光素子において、前記基
   板はＭｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ＿２Ｏ＿４、ＭｇＯ、Ｃ
   ａＯのいずれかであり、かつ基板上に接して形成された
   バッファ層はＩｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿
   ｙＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなることを特
   徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】Ｉｎ＿１＿−＿
   ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋
   ｙ≦１）薄膜を少なくとも一層を含み、基板、バッファ
   層、クラッド層または低抵抗層、発光層を備え、前記基
   板はＭｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ＿２Ｏ＿４、ＭｇＯ、Ｃ
   ａＯのいずれかであり、かつ基板上に接して形成された
   バッファ層はＩｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿
   ｙＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる半導体発
   光素子の製造において、前記バッファ層を１０００℃以
   下の成長温度で基板上に堆積することを特徴とする半導
   体発光素子の作製方法。