JPH05110139A - 窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法。 - Google Patents
窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法。Info
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- JPH05110139A JPH05110139A JP29230491A JP29230491A JPH05110139A JP H05110139 A JPH05110139 A JP H05110139A JP 29230491 A JP29230491 A JP 29230491A JP 29230491 A JP29230491 A JP 29230491A JP H05110139 A JPH05110139 A JP H05110139A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 結晶性に優れた窒化ガリウムアルミニウムの
混晶膜が得られる結晶成長方法を提供することにより、
シングルヘテロ、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード、
レーザーダイオードを実現する。 【構成】 薄膜のＧａＮ層と薄膜のＡｌＮ層とを交互に
成長させた多層膜層を成長させ、さらにその多層膜層の
ＧａＮ層とＡｌＮ層のそれぞれの総膜厚の比が窒化ガリ
ウムアルミニウム半導体のモル比に対応しているよう
に、ＧａＮ層とＡｌＮ層とを成長させる。
混晶膜が得られる結晶成長方法を提供することにより、
シングルヘテロ、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード、
レーザーダイオードを実現する。 【構成】 薄膜のＧａＮ層と薄膜のＡｌＮ層とを交互に
成長させた多層膜層を成長させ、さらにその多層膜層の
ＧａＮ層とＡｌＮ層のそれぞれの総膜厚の比が窒化ガリ
ウムアルミニウム半導体のモル比に対応しているよう
に、ＧａＮ層とＡｌＮ層とを成長させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般式がＧａXＡｌ1-XＮ
（０＜X＜１）で表される窒化ガリウムアルミニウム半
導体の結晶成長方法にかかり、特に青色発光ダイオー
ド、青色レーザーダイオード等の発光デバイスに用いら
れる窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法に
関する。
（０＜X＜１）で表される窒化ガリウムアルミニウム半
導体の結晶成長方法にかかり、特に青色発光ダイオー
ド、青色レーザーダイオード等の発光デバイスに用いら
れる窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】青色発光デバイスは、II-VI族のＺｎＳ
ｅ、IV-IV族のＳｉＣ、III-V族のＧａＮ等を用いて研究
が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム系化合物半
導体［ＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）］が、常温
で、比較的優れた発光を示すことが発表され注目されて
いる。その青色発光デバイスは、一般に、サファイア基
板の上に一般式がＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）で
表される窒化ガリウム系化合物半導体（以下特に必要で
ない限り、半導体の語句を省略する。）の結晶を基本的
にｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に成長させてそれらを積層
することによって得られる。
ｅ、IV-IV族のＳｉＣ、III-V族のＧａＮ等を用いて研究
が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム系化合物半
導体［ＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）］が、常温
で、比較的優れた発光を示すことが発表され注目されて
いる。その青色発光デバイスは、一般に、サファイア基
板の上に一般式がＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）で
表される窒化ガリウム系化合物半導体（以下特に必要で
ない限り、半導体の語句を省略する。）の結晶を基本的
にｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に成長させてそれらを積層
することによって得られる。
【０００３】窒化ガリウム系化合物の結晶を成長させる
方法として、有機金属化合物気相成長法（以下ＭＯＣＶ
Ｄ法という。）、分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法
という。）等の気相成長法がよく知られている。例え
ば、ＭＯＣＶＤ法を用いた方法について簡単に説明する
と、この方法は、サファイア基板を設置した反応容器内
に反応ガスとして有機金属化合物ガス｛トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、
アンモニア等｝を供給し、結晶成長温度をおよそ９００
℃〜１１００℃の高温に保持して、基板上に窒化ガリウ
ム系化合物のエピタキシャル層を成長させ、必要に応じ
て他の反応ガスを供給しながら窒化ガリウム系化合物を
ｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に積層する方法である。基板
にはサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等もあるが一般的にはサ
ファイアが用いられている。
方法として、有機金属化合物気相成長法（以下ＭＯＣＶ
Ｄ法という。）、分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法
という。）等の気相成長法がよく知られている。例え
ば、ＭＯＣＶＤ法を用いた方法について簡単に説明する
と、この方法は、サファイア基板を設置した反応容器内
に反応ガスとして有機金属化合物ガス｛トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、
アンモニア等｝を供給し、結晶成長温度をおよそ９００
℃〜１１００℃の高温に保持して、基板上に窒化ガリウ
ム系化合物のエピタキシャル層を成長させ、必要に応じ
て他の反応ガスを供給しながら窒化ガリウム系化合物を
ｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に積層する方法である。基板
にはサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等もあるが一般的にはサ
ファイアが用いられている。
【０００４】しかしながら、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等
の気相成長法によって得られた青色発光素子を利用した
青色発光デバイス、例えば、青色発光ダイオードは未だ
その輝度が低く実用化には至っていない。なぜなら、従
来、サファイア基板上に成長される窒化ガリウム系化合
物はそのほとんどがＧａＮであり、そのＧａＮに数種の
不純物をドープして、ｎ型ＧａＮ層と高抵抗なｉ型Ｇａ
Ｎ層とを積層し、そのｎ層とｉ層の接合によって発光さ
せているからである。また、本発明者は先に特願平３−
８９８４０号において、ＧａＮをバッファ層として成長
させることによりｐ型ＧａＮが実現できることを示し
た。
の気相成長法によって得られた青色発光素子を利用した
青色発光デバイス、例えば、青色発光ダイオードは未だ
その輝度が低く実用化には至っていない。なぜなら、従
来、サファイア基板上に成長される窒化ガリウム系化合
物はそのほとんどがＧａＮであり、そのＧａＮに数種の
不純物をドープして、ｎ型ＧａＮ層と高抵抗なｉ型Ｇａ
Ｎ層とを積層し、そのｎ層とｉ層の接合によって発光さ
せているからである。また、本発明者は先に特願平３−
８９８４０号において、ＧａＮをバッファ層として成長
させることによりｐ型ＧａＮが実現できることを示し
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】発光ダイオードの高輝
度化、あるいは未だ実現していない青色レーザーダイオ
ード等を実用化するためには、ＧａＮ同士のｐ−ｎ接合
だけではなく、ＧａＡｌＮの窒化ガリウムアルミニウム
の結晶を成長させ、ＧａＡｌＮをクラッド層とし、Ｇａ
Ｎを活性層とするダブルヘテロ構造、またはシングルヘ
テロ構造のｐ−ｎ接合とする必要がある。これを実現す
るためには高品質のｎ型、あるいはｐ型ＧａＡｌＮの結
晶を成長させる必要がある。
度化、あるいは未だ実現していない青色レーザーダイオ
ード等を実用化するためには、ＧａＮ同士のｐ−ｎ接合
だけではなく、ＧａＡｌＮの窒化ガリウムアルミニウム
の結晶を成長させ、ＧａＡｌＮをクラッド層とし、Ｇａ
Ｎを活性層とするダブルヘテロ構造、またはシングルヘ
テロ構造のｐ−ｎ接合とする必要がある。これを実現す
るためには高品質のｎ型、あるいはｐ型ＧａＡｌＮの結
晶を成長させる必要がある。
【０００６】従来、気相成長法によりＧａＡｌＮの結晶
を成長させる場合、例えばＭＯＣＶＤ法では反応容器内
にＴＭＧガスとＴＭＡガスとを、成長させたいＧａとＡ
ｌのモル比に応じて混合するか、あるいはガス流量を調
整することにより、その混晶膜を成長させていた。また
同様にＭＢＥ法においても反応室内にＧａ原子とＡｌ原
子とを共存させて成長していた。しかし、従来のように
ガス等を混合して一度に気相成長する方法では、ＧａX
Ａｌ1-XＮのXを小さくすると、即ちＡｌＮが混晶中で多
くなるにつれて、その結晶性がＧａＮ単独を成長させる
のに比べて極端に悪くなり、高品質の結晶が得られなか
った。優れた結晶性が得られないことにより、ｐ型Ｇａ
ＡｌＮの混晶膜が得られないため、当然、前記シングル
ヘテロ、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード、レーザー
ダイオード等の実現は不可能であった。
を成長させる場合、例えばＭＯＣＶＤ法では反応容器内
にＴＭＧガスとＴＭＡガスとを、成長させたいＧａとＡ
ｌのモル比に応じて混合するか、あるいはガス流量を調
整することにより、その混晶膜を成長させていた。また
同様にＭＢＥ法においても反応室内にＧａ原子とＡｌ原
子とを共存させて成長していた。しかし、従来のように
ガス等を混合して一度に気相成長する方法では、ＧａX
Ａｌ1-XＮのXを小さくすると、即ちＡｌＮが混晶中で多
くなるにつれて、その結晶性がＧａＮ単独を成長させる
のに比べて極端に悪くなり、高品質の結晶が得られなか
った。優れた結晶性が得られないことにより、ｐ型Ｇａ
ＡｌＮの混晶膜が得られないため、当然、前記シングル
ヘテロ、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード、レーザー
ダイオード等の実現は不可能であった。
【０００７】本発明はこのような事情を鑑み成されたも
のであり、その目的とするところは結晶性に優れた窒化
ガリウムアルミニウムの混晶膜が得られる結晶成長方法
を提供することにより、シングルヘテロ、ダブルヘテロ
構造の発光ダイオード、レーザーダイオードを実現する
ことにある。
のであり、その目的とするところは結晶性に優れた窒化
ガリウムアルミニウムの混晶膜が得られる結晶成長方法
を提供することにより、シングルヘテロ、ダブルヘテロ
構造の発光ダイオード、レーザーダイオードを実現する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者はサファイア基
板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて数々の条件で窒化ガリウ
ムアルミニウム結晶を成長させたところ、ＧａXＡｌ1-X
ＮのＡｌのモル比が大きくなるに従いその結晶性が悪く
なるのは、原料となるガス（ここではＴＭＧ、ＴＭＡ、
アンモニア）を同時に流すことにより、それらが干渉し
あって結晶性が悪くなると考えた。そこでガスを別々に
流す目的でＧａＮ膜とＡｌＮ膜とを交互に別々に成長
し、しかもそれぞれ成長させる膜を薄膜層にすれば、巨
視的にみればあたかもＧａXＡｌ1-XＮが成長しているか
のようにすることができることを見いだし本発明を成す
に至った。
板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて数々の条件で窒化ガリウ
ムアルミニウム結晶を成長させたところ、ＧａXＡｌ1-X
ＮのＡｌのモル比が大きくなるに従いその結晶性が悪く
なるのは、原料となるガス（ここではＴＭＧ、ＴＭＡ、
アンモニア）を同時に流すことにより、それらが干渉し
あって結晶性が悪くなると考えた。そこでガスを別々に
流す目的でＧａＮ膜とＡｌＮ膜とを交互に別々に成長
し、しかもそれぞれ成長させる膜を薄膜層にすれば、巨
視的にみればあたかもＧａXＡｌ1-XＮが成長しているか
のようにすることができることを見いだし本発明を成す
に至った。
【０００９】本発明の結晶成長方法は、一般式がＧａX
Ａｌ1-XＮ（０＜X＜１）で表される窒化ガリウムアルミ
ニウムの結晶成長方法であって、薄膜のＧａＮ層と薄膜
のＡｌＮ層とを交互に成長させた多層膜層を成長させ、
さらにその多層膜層のＧａＮ層とＡｌＮ層のそれぞれの
総膜厚の比が前記窒化ガリウムアルミニウムのモル比に
対応しているように、そのＧａＮ層とＡｌＮ層とを成長
させることを特徴とするものである。即ち、本発明は一
般式がＧａXＡｌ1-XＮ（０＜X＜１）で表される窒化ガ
リウムアルミニウム結晶を成長させるのに際し、従来の
ようにＭＯＣＶＤ法においては有機金属ガス、またはＭ
ＢＥ法においては原子等を反応容器内に混在させて一度
に成長するのではなく、薄膜のＧａＮ層およびＡｌＮ層
を交互に成長させ、それぞれの層の厚さの合計の比がＧ
ａXＡｌ1-XＮのモル比X、1-Xに対応するように、それぞ
れの層を成長させるのである。
Ａｌ1-XＮ（０＜X＜１）で表される窒化ガリウムアルミ
ニウムの結晶成長方法であって、薄膜のＧａＮ層と薄膜
のＡｌＮ層とを交互に成長させた多層膜層を成長させ、
さらにその多層膜層のＧａＮ層とＡｌＮ層のそれぞれの
総膜厚の比が前記窒化ガリウムアルミニウムのモル比に
対応しているように、そのＧａＮ層とＡｌＮ層とを成長
させることを特徴とするものである。即ち、本発明は一
般式がＧａXＡｌ1-XＮ（０＜X＜１）で表される窒化ガ
リウムアルミニウム結晶を成長させるのに際し、従来の
ようにＭＯＣＶＤ法においては有機金属ガス、またはＭ
ＢＥ法においては原子等を反応容器内に混在させて一度
に成長するのではなく、薄膜のＧａＮ層およびＡｌＮ層
を交互に成長させ、それぞれの層の厚さの合計の比がＧ
ａXＡｌ1-XＮのモル比X、1-Xに対応するように、それぞ
れの層を成長させるのである。
【００１０】本発明の結晶成長方法を、例えばＭＯＣＶ
Ｄ法を用いてサファイア基板のＣ面に、ｎ型ＧａＡｌＮ
層とｐ型ＧａＡｌＮ層とをクラッド層とし、ｐ型ＧａＮ
層を活性層とするダブルヘテロ構造として、窒化ガリウ
ム系化合物を成長させる場合について説明する。まず、
予め洗浄されたサファイア基板を反応容器内のサセプタ
ーに設置し、還元雰囲気中、高周波加熱等でサセプター
を１０００℃以上に加熱して基板上の酸化物を除去す
る。加熱後、徐冷し、サセプターの温度を６００℃前後
にまで下げた後、反応容器内に反応ガスを供給し、まず
基板上にＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）のバッファ
層を成長させる。反応ガスはＧａ源として、例えばＴＭ
Ｇ、Ａｌ源としてＴＭＡ等の有機金属化合物ガス、Ｎ源
としてアンモニアガスを用いる。バッファ層を成長させ
た後、サセプターの温度を９００℃以上の高温にし、１
０５０℃に保持して、ＴＭＧガスとアンモニアガスを流
しながらＧａＮの結晶を成長させる。ｎ型のＧａＮ層を
得る場合には、通常、それらのガスと共にシランガスを
流しＧａＮ結晶中にＳｉをドープする。
Ｄ法を用いてサファイア基板のＣ面に、ｎ型ＧａＡｌＮ
層とｐ型ＧａＡｌＮ層とをクラッド層とし、ｐ型ＧａＮ
層を活性層とするダブルヘテロ構造として、窒化ガリウ
ム系化合物を成長させる場合について説明する。まず、
予め洗浄されたサファイア基板を反応容器内のサセプタ
ーに設置し、還元雰囲気中、高周波加熱等でサセプター
を１０００℃以上に加熱して基板上の酸化物を除去す
る。加熱後、徐冷し、サセプターの温度を６００℃前後
にまで下げた後、反応容器内に反応ガスを供給し、まず
基板上にＧａXＡｌ1-XＮ（但し０≦X≦１）のバッファ
層を成長させる。反応ガスはＧａ源として、例えばＴＭ
Ｇ、Ａｌ源としてＴＭＡ等の有機金属化合物ガス、Ｎ源
としてアンモニアガスを用いる。バッファ層を成長させ
た後、サセプターの温度を９００℃以上の高温にし、１
０５０℃に保持して、ＴＭＧガスとアンモニアガスを流
しながらＧａＮの結晶を成長させる。ｎ型のＧａＮ層を
得る場合には、通常、それらのガスと共にシランガスを
流しＧａＮ結晶中にＳｉをドープする。
【００１１】引き続き、ｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎの結晶層
をその上に成長させる場合、１０５０℃に保持したま
ま、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスを交互に流しながらＧａＮ
とＡｌＮの薄膜を十数層積層し、多層膜層の結晶を成長
する。この多層膜層にはＧａＮ膜とＡｌＮ膜の結晶が交
互に積層されているが、それぞれの膜厚の合計がＧａ
Ｎ：ＡｌＮ＝３：７になるように成長する。それにはＴ
ＭＧガス流量とＴＭＡガス流量の比を３：７にして成長
させてもよいし、ガスを流す時間を変えることにより膜
厚を調整して成長させてもよい。
をその上に成長させる場合、１０５０℃に保持したま
ま、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスを交互に流しながらＧａＮ
とＡｌＮの薄膜を十数層積層し、多層膜層の結晶を成長
する。この多層膜層にはＧａＮ膜とＡｌＮ膜の結晶が交
互に積層されているが、それぞれの膜厚の合計がＧａ
Ｎ：ＡｌＮ＝３：７になるように成長する。それにはＴ
ＭＧガス流量とＴＭＡガス流量の比を３：７にして成長
させてもよいし、ガスを流す時間を変えることにより膜
厚を調整して成長させてもよい。
【００１２】続いてｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎ層の上にｐ型
ＧａＮ層を形成するには、ＴＭＧガスに加えてジエチル
ジンク（ＤＥＺ）、シクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）ガス等を流してＧａＮ層にｐ型不純物で
あるＺｎまたはＭｇをドープする。さらにその上にｐ型
Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎを成長させる場合、前述と同様にして
多層膜層を成長できる。なお多層膜層をｐ型にするた
め、ＺｎまたはＭｇ源のガスは成長中も流し続ける。こ
のようにして得られた窒化ガリウム系化合物を有する素
子の断面図を図１に示す。この素子はｎ型Ｇａ0.3Ａｌ
0.7Ｎ層とｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎ層とをクラッド層と
し、ｐ型ＧａＮ層を活性層とするダブルヘテロ構造とし
ている。
ＧａＮ層を形成するには、ＴＭＧガスに加えてジエチル
ジンク（ＤＥＺ）、シクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ2Ｍｇ）ガス等を流してＧａＮ層にｐ型不純物で
あるＺｎまたはＭｇをドープする。さらにその上にｐ型
Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎを成長させる場合、前述と同様にして
多層膜層を成長できる。なお多層膜層をｐ型にするた
め、ＺｎまたはＭｇ源のガスは成長中も流し続ける。こ
のようにして得られた窒化ガリウム系化合物を有する素
子の断面図を図１に示す。この素子はｎ型Ｇａ0.3Ａｌ
0.7Ｎ層とｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ｎ層とをクラッド層と
し、ｐ型ＧａＮ層を活性層とするダブルヘテロ構造とし
ている。
【００１３】本発明の結晶成長方法において、まずサフ
ァイア基板の上に成長させるバッファ層は、これから成
長させる窒化ガリウム系化合物の結晶性を向上させるた
めに成長させることがより好ましい。その一般式はＧａ
XＡｌ1-XＮ（０≦X≦１）で表すことができるものであ
るが、以前本発明者が明らかにしたようにＡｌＮをバッ
ファ層とするよりも、ＧａＡｌＮをバッファ層とする方
が結晶性が好ましく、最も好ましいのはＧａＮのバッフ
ァ層である。バッファ層の成長温度は通常２００℃〜９
００℃の低温である。例えばＭＯＣＶＤ法においては５
００℃前後であるが、ＭＢＥ法ではそれ以下の温度で成
長させることができる。
ァイア基板の上に成長させるバッファ層は、これから成
長させる窒化ガリウム系化合物の結晶性を向上させるた
めに成長させることがより好ましい。その一般式はＧａ
XＡｌ1-XＮ（０≦X≦１）で表すことができるものであ
るが、以前本発明者が明らかにしたようにＡｌＮをバッ
ファ層とするよりも、ＧａＡｌＮをバッファ層とする方
が結晶性が好ましく、最も好ましいのはＧａＮのバッフ
ァ層である。バッファ層の成長温度は通常２００℃〜９
００℃の低温である。例えばＭＯＣＶＤ法においては５
００℃前後であるが、ＭＢＥ法ではそれ以下の温度で成
長させることができる。
【００１４】多層膜層の成長温度は、窒化ガリウム系化
合物を成長させる際の温度と同一温度で形成できる。ま
た、ＧａＮ層およびＡｌＮ層はそれぞれ１０〜３０００
オングストロームの膜厚で２層以上積層し、通常は２０
〜５００オングストローム前後の膜厚で１０〜１００層
積層する。多層膜の総膜厚が２０オングストロームより
薄いと、後に述べる格子欠陥を止めることが困難であ
り、また、それぞれの膜厚が３０００オングストローム
より大きいと、その多層膜層の結晶性が悪くなる傾向に
ある。
合物を成長させる際の温度と同一温度で形成できる。ま
た、ＧａＮ層およびＡｌＮ層はそれぞれ１０〜３０００
オングストロームの膜厚で２層以上積層し、通常は２０
〜５００オングストローム前後の膜厚で１０〜１００層
積層する。多層膜の総膜厚が２０オングストロームより
薄いと、後に述べる格子欠陥を止めることが困難であ
り、また、それぞれの膜厚が３０００オングストローム
より大きいと、その多層膜層の結晶性が悪くなる傾向に
ある。
【００１５】
【作用】本発明の多層膜層は、前記したようにＧａＮ膜
とＡｌＮ膜とを交互に別々に成長し、多層膜層として成
長することにより、ＧａXＡｌ1-XＮが成長しているかの
ようにすることができる。また他の作用としてこの多層
膜層によってサファイア基板上に成長する窒化ガリウム
系化合物の格子欠陥を止めることができる。サファイア
基板（Ｃ面）と例えばＧａＮとは格子定数が約１６％も
ずれている。ＡｌＮに至ってはそのズレがさらに大き
い。この格子定数の違いによりサファイア基板とＧａＮ
層との間に大きな歪が発生する。さらにこの歪によりＧ
ａＮ層中に格子欠陥ができ、この欠陥がＧａＮ成長中最
後まで連続して走っていく。このためこの連続してでき
る欠陥を、途中に異なる薄膜材料を積層することによ
り、ここで止めることができる作用を有するのが本発明
の多層膜層である。
とＡｌＮ膜とを交互に別々に成長し、多層膜層として成
長することにより、ＧａXＡｌ1-XＮが成長しているかの
ようにすることができる。また他の作用としてこの多層
膜層によってサファイア基板上に成長する窒化ガリウム
系化合物の格子欠陥を止めることができる。サファイア
基板（Ｃ面）と例えばＧａＮとは格子定数が約１６％も
ずれている。ＡｌＮに至ってはそのズレがさらに大き
い。この格子定数の違いによりサファイア基板とＧａＮ
層との間に大きな歪が発生する。さらにこの歪によりＧ
ａＮ層中に格子欠陥ができ、この欠陥がＧａＮ成長中最
後まで連続して走っていく。このためこの連続してでき
る欠陥を、途中に異なる薄膜材料を積層することによ
り、ここで止めることができる作用を有するのが本発明
の多層膜層である。
【００１６】
【実施例】以下実施例で本発明の結晶成長方法を詳説す
る。 ［実施例１］ まず良く洗浄したサファイア基板を反応容器内のサ
セプターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガ
スを流しながら基板を１０５０℃で、２０分間加熱し、
表面の酸化物を除去した。その後、温度を５００℃にま
で冷却し、５００℃においてＧａ源としてＴＭＧガス、
Ｎ源としてアンモニアガス、キャリアガスとして水素ガ
スを流しながら、ＧａＮバッファ層を２００オングスト
ロームの膜厚で成長した。
る。 ［実施例１］ まず良く洗浄したサファイア基板を反応容器内のサ
セプターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガ
スを流しながら基板を１０５０℃で、２０分間加熱し、
表面の酸化物を除去した。その後、温度を５００℃にま
で冷却し、５００℃においてＧａ源としてＴＭＧガス、
Ｎ源としてアンモニアガス、キャリアガスとして水素ガ
スを流しながら、ＧａＮバッファ層を２００オングスト
ロームの膜厚で成長した。
【００１７】 次にＴＭＧガスのみを止め、温度を１
０３０℃にまで上昇させた後、再びＴＭＧガス、ＳｉＨ
4（モノシラン）ガスを流し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
を４μｍの膜厚で成長した。
０３０℃にまで上昇させた後、再びＴＭＧガス、ＳｉＨ
4（モノシラン）ガスを流し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
を４μｍの膜厚で成長した。
【００１８】 次に、ＴＭＧガスを止め、Ａｌ源とし
てＴＭＡガスを流しＡｌＮ層を２０オングストローム成
長させた後、ＴＭＡガスを止め、再びＴＭＧガスをＴＭ
Ａガスの４倍の時間で流しＧａＮ層を同じく８０オング
ストローム成長させた。この操作を交互に１５回繰り返
し、膜厚２０オングストロームのＡｌＮ層３０層と、膜
厚８０オングストロームのＧａＮ層３０層とからなるＳ
ｉドープの多層膜層を成長した。即ちｎ型Ｇａ0.8Ａｌ
0.2Ｎの窒化ガリウムアルミニウム混晶層を３０００オ
ングストローム成長したということである。
てＴＭＡガスを流しＡｌＮ層を２０オングストローム成
長させた後、ＴＭＡガスを止め、再びＴＭＧガスをＴＭ
Ａガスの４倍の時間で流しＧａＮ層を同じく８０オング
ストローム成長させた。この操作を交互に１５回繰り返
し、膜厚２０オングストロームのＡｌＮ層３０層と、膜
厚８０オングストロームのＧａＮ層３０層とからなるＳ
ｉドープの多層膜層を成長した。即ちｎ型Ｇａ0.8Ａｌ
0.2Ｎの窒化ガリウムアルミニウム混晶層を３０００オ
ングストローム成長したということである。
【００１９】 ＳｉＨ4ガス、ＡｌＮガスを止め、新
たにＣｐ2Ｍｇガスを流しながら、引き続き多結晶膜層
の上にＭｇドープｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの厚さで成
長させた。
たにＣｐ2Ｍｇガスを流しながら、引き続き多結晶膜層
の上にＭｇドープｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの厚さで成
長させた。
【００２０】 引き続きと同様にしてＳｉＨ4ガス
の代わりに、Ｃｐ2Ｍｇガスを流し、ｐ型ＧａＮ層の上
にＧａＮ膜およびＡｌＮ膜を積層しながら多層膜層を形
成することにより、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの窒化ガリウ
ムアルミニウム混晶層を３０００オングストローム成長
して、窒化ガリウム系化合物を有する素子を作製した。
の代わりに、Ｃｐ2Ｍｇガスを流し、ｐ型ＧａＮ層の上
にＧａＮ膜およびＡｌＮ膜を積層しながら多層膜層を形
成することにより、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの窒化ガリウ
ムアルミニウム混晶層を３０００オングストローム成長
して、窒化ガリウム系化合物を有する素子を作製した。
【００２１】［比較例１］およびにおいて、ＴＭＧ
ガスおよびＴＭＡガスのモル比を８：２にして、同時に
反応容器内に流すことにより、ｎ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ、
ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの混晶膜をそれぞれ３０００オン
グストロームの膜厚で形成する他は実施例１と同様にし
て窒化ガリウム系化合物素子を作製した。
ガスおよびＴＭＡガスのモル比を８：２にして、同時に
反応容器内に流すことにより、ｎ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ、
ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの混晶膜をそれぞれ３０００オン
グストロームの膜厚で形成する他は実施例１と同様にし
て窒化ガリウム系化合物素子を作製した。
【００２２】このようにして得られた実施例１と比較例
１との素子の、窒化ガリウムアルミニウム結晶の結晶性
を評価するため以下の試験を行った。
１との素子の、窒化ガリウムアルミニウム結晶の結晶性
を評価するため以下の試験を行った。
【００２３】まず、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ層のダブルク
リスタルＸ線ロッキングカーブを測定し、その半値幅
（ＦＷＨＭ：full width at half-maximum）を求めた。
ＦＷＨＭは小さいほどその結晶性が優れていると見なす
ことができる。その結果、実施例１のｐ型層は３分であ
ったのに対し、比較例のそれは７分であった。
リスタルＸ線ロッキングカーブを測定し、その半値幅
（ＦＷＨＭ：full width at half-maximum）を求めた。
ＦＷＨＭは小さいほどその結晶性が優れていると見なす
ことができる。その結果、実施例１のｐ型層は３分であ
ったのに対し、比較例のそれは７分であった。
【００２４】次に、ホール測定によりｐ型Ｇａ0.8Ａｌ
0.2Ｎ層のホールキャリア濃度を測定すると実施例１の
それは１×１０18/cm3であったのに対し、比較例のそれ
は高抵抗であり測定不可能であった。これは本発明の方
法による窒化ガリウムアルミニウムの結晶性が格段に優
れていることを示すものである。
0.2Ｎ層のホールキャリア濃度を測定すると実施例１の
それは１×１０18/cm3であったのに対し、比較例のそれ
は高抵抗であり測定不可能であった。これは本発明の方
法による窒化ガリウムアルミニウムの結晶性が格段に優
れていることを示すものである。
【００２５】さらに、得られた素子をダイシングにより
０．５ｍｍ角のチップにした後、常法に従って、ｐ型層
とｎ型層から電極を取り出しリードフレームにセットし
て樹脂モールドを施すことにより、青色発光ダイオード
（ＬＥＤ）を作製し、発光させた。その結果、順方向電
流２０ｍＡにおいて、実施例１の素子より得られたＬＥ
Ｄは、４３０ｎｍの発光出力１５０μＷであったのに対
し、比較例１のＬＥＤは２０μＷにしかすぎなかった。
また順方向電圧も実施例１のＬＥＤは４Ｖであったのに
対し、比較例のそれは３０Ｖであった。
０．５ｍｍ角のチップにした後、常法に従って、ｐ型層
とｎ型層から電極を取り出しリードフレームにセットし
て樹脂モールドを施すことにより、青色発光ダイオード
（ＬＥＤ）を作製し、発光させた。その結果、順方向電
流２０ｍＡにおいて、実施例１の素子より得られたＬＥ
Ｄは、４３０ｎｍの発光出力１５０μＷであったのに対
し、比較例１のＬＥＤは２０μＷにしかすぎなかった。
また順方向電圧も実施例１のＬＥＤは４Ｖであったのに
対し、比較例のそれは３０Ｖであった。
【００２６】［実施例２］およびの工程において、
ＡｌＮ層４０オングストローム、およびＧａＮ層を１６
０オングストロームの膜厚で交互に２０層ずつ積層し、
それぞれｎ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ
の混晶膜とする他は、実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物の結晶を有する素子を得た。
ＡｌＮ層４０オングストローム、およびＧａＮ層を１６
０オングストロームの膜厚で交互に２０層ずつ積層し、
それぞれｎ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ
の混晶膜とする他は、実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物の結晶を有する素子を得た。
【００２７】この素子も、ＦＷＨＭ測定、ホール測定、
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
【００２８】［実施例３］、およびの工程におい
て、成長させる多層膜層を２０オングストロームのＡｌ
Ｎ層を１０層、６０オングストロームのＡｌＮ層を１０
層、８０オングストロームのＧａＮ層を１０層、２４０
オングストロームのＧａＮ層を１０層と、それぞれの膜
厚を変えながらＧａＮ層とＡｌＮ層とを交互にランダム
に積層して、総膜厚が４０００オングストロームのＧａ
0.8Ａｌ0.2Ｎ、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの混晶膜を成長さ
せた。他は、実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合
物の結晶を有する素子を得た。
て、成長させる多層膜層を２０オングストロームのＡｌ
Ｎ層を１０層、６０オングストロームのＡｌＮ層を１０
層、８０オングストロームのＧａＮ層を１０層、２４０
オングストロームのＧａＮ層を１０層と、それぞれの膜
厚を変えながらＧａＮ層とＡｌＮ層とを交互にランダム
に積層して、総膜厚が４０００オングストロームのＧａ
0.8Ａｌ0.2Ｎ、ｐ型Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎの混晶膜を成長さ
せた。他は、実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合
物の結晶を有する素子を得た。
【００２９】この素子も、ＦＷＨＭ測定、ホール測定、
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
【００３０】［実施例４］、およびの工程におい
て、ＡｌＮ層、およびＧａＮ層をそれぞれ５０オングス
トロームの膜厚で１０層ずつ積層し、それぞれｎ型Ｇａ
0.5Ａｌ0.5Ｎ、ｐ型Ｇａ0.5Ａｌ0.5Ｎの混晶膜とする他
は実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物の結晶を
有する素子を得た。
て、ＡｌＮ層、およびＧａＮ層をそれぞれ５０オングス
トロームの膜厚で１０層ずつ積層し、それぞれｎ型Ｇａ
0.5Ａｌ0.5Ｎ、ｐ型Ｇａ0.5Ａｌ0.5Ｎの混晶膜とする他
は実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物の結晶を
有する素子を得た。
【００３１】この素子も、ＦＷＨＭ測定、ホール測定、
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
青色発光ダイオードと同様にして結晶性の評価を行った
ところ、実施例１で得られた素子とほぼ同一の結果が得
られた。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリ
ウムアルミニウムの結晶成長方法はＧａＮ膜とＡｌＮ膜
とを交互に別々に成長し、多層膜層として成長すること
により、ＧａXＡｌ1-XＮが成長しているかのようにする
ことができる。また、サファイア基板上に成長させる窒
化ガリウム系化合物の格子欠陥を止めることができるた
め、積層した結晶の結晶性を格段に向上させることがで
きる。さらに従来不可能であった窒化ガリウム系化合物
を積層した素子をダブルへテロ構造、シングルへテロ構
造とする事ができるため、高輝度な発光ダイオード、レ
ーザーダイオード等を実現することができ、青色発光デ
バイス等の実用化に向けて、産業上のメリットは多大な
ものがある。
ウムアルミニウムの結晶成長方法はＧａＮ膜とＡｌＮ膜
とを交互に別々に成長し、多層膜層として成長すること
により、ＧａXＡｌ1-XＮが成長しているかのようにする
ことができる。また、サファイア基板上に成長させる窒
化ガリウム系化合物の格子欠陥を止めることができるた
め、積層した結晶の結晶性を格段に向上させることがで
きる。さらに従来不可能であった窒化ガリウム系化合物
を積層した素子をダブルへテロ構造、シングルへテロ構
造とする事ができるため、高輝度な発光ダイオード、レ
ーザーダイオード等を実現することができ、青色発光デ
バイス等の実用化に向けて、産業上のメリットは多大な
ものがある。
【図１】 本発明の結晶成長方法の一実施例による素子
の断面を表す模式図。
の断面を表す模式図。
Claims (1)
- 【請求項１】 一般式がＧａXＡｌ1-XＮ（０＜X＜１）
で表される窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長
方法であって、薄膜のＧａＮ層と薄膜のＡｌＮ層とを交
互に成長させた多層膜層を成長させ、さらにその多層膜
層のＧａＮ層とＡｌＮ層のそれぞれの総膜厚の比が前記
窒化ガリウムアルミニウム半導体のモル比に対応してい
るように、ＧａＮ層とＡｌＮ層とを成長させることを特
徴とする窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29230491A JP2795294B2 (ja) | 1991-10-12 | 1991-10-12 | 窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法。 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29230491A JP2795294B2 (ja) | 1991-10-12 | 1991-10-12 | 窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法。 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05110139A true JPH05110139A (ja) | 1993-04-30 |
| JP2795294B2 JP2795294B2 (ja) | 1998-09-10 |
Family
ID=17780030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29230491A Expired - Fee Related JP2795294B2 (ja) | 1991-10-12 | 1991-10-12 | 窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶成長方法。 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2795294B2 (ja) |
Cited By (21)
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-
1991
- 1991-10-12 JP JP29230491A patent/JP2795294B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2795294B2 (ja) | 1998-09-10 |
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