JPH0797300A

JPH0797300A - 窒化ガリウム系結晶の熱処理方法

Info

Publication number: JPH0797300A
Application number: JP23974893A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Nakazono; 隆一中園; Tsunehiro Unno; 恒弘海野; Shoji Kuma; 彰二隈
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】少ないドープ量で十分なｐ型キャリアを得るた
めにｐ型不純物の活性化を高め、多量の不純物による結
晶欠陥の発生を抑え、より発光出力の高い青色発光ダイ
オードを得る。【構成】Ａｌ_xＧａ_1-xＮやＩｎ_yＧａ_1-yＮ層を有す
るＧａＮエピタキシャルウェハ１は、有機金属気相成長
法を用い、窒素原料にアンモニアを使って形成する。エ
ピタキシャル層をｐ型結晶とするために、成長時Ｍｇや
Ｚｎなどのｐ型不純物をドープする。ドープしたｐ型不
純物を活性化するために、ＧａＮエピタキシャルウェハ
１を抵抗加熱ヒータ５を巻いた反応管３内に入れて治具
２上に載置し、窒化ガリウム系結晶を窒素雰囲気中で熱
処理する。その際、水銀ランプ４を使って紫外線を照射
する。その波長は、結晶中にｐ型不純物と共に取り込ま
れた水素の電荷を価電子帯へ励起するために２００nm〜
３５０nmとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系結晶の熱
処理方法に係り、特にｐ型不純物を活性化するための熱
処理方法を改善したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】低消費電力で長寿命な発光素子である発
光ダイオードは、インジケータランプ、警告表示、広告
表示などに広く用いられている。現在、実用化されてい
る発光ダイオードの発光色は、赤色、橙色、黄色、緑色
である。赤・緑・青の光の三原色のうち、青色だけが実
用化されていない。青色発光ダイオードが実用化できれ
ばフルカラー表示が可能となり、情報表示を多彩に行う
ことができる。

【０００３】青色を発光させるためには、広い禁制帯幅
をもつ半導体結晶が必要であり、その開発が盛んに行わ
れている。窒化ガリウム系化合物半導体は、広い禁制帯
幅をもち、発光効率の高い直接遷移型であることから注
目されている。

【０００４】窒化ガリウム系の発光ダイオードは、サフ
ァイア基板上に窒化アルミニウムや窒化ガリウムのバッ
ファ層を設け、その上に、ｎ型窒化ガリウムとｐ型窒化
ガリウムとを成長させた構造となっている。ｐ型窒化ガ
リウムを得るためには、不純物を結晶成長時にドープ
し、その後、活性化のために真空中で電子線照射や窒素
雰囲気中で熱処理することが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
方法で得られる発光ダイオードでも、未だ外部量子効率
で約０．２％であり、赤色発光ダイオードの数％に対し
て低く、実用には耐えられない。このように発光効率が
低いのは、窒化ガリウムをｐ型化するために、１０¹⁹〜
１０²⁰cm^-3という多量の不純物をドープしなければなら
ず、その結果、非発光再結合中心となる格子欠陥が多く
なってしまうからである。

【０００６】多量に不純物をドープするのは、その活性
化が低いからである。ドープする不純物の種類はII族元
素であるＺｎもしくはＭｇであるが、それらの活性化が
低いのは結晶成長に用いる窒素原料に起因すると思われ
る。

【０００７】すなわち、窒化ガリウムの結晶成長は気相
成長で行われるが、窒素の原料ガスとして通常アンモニ
アガスを使用する。ところが、このアンモニアのＮ−Ｈ
結合が十分に解離されないまま、水素が結晶に取り込ま
れてしまい、この水素がｐ型不純物と結び付き、不純物
の活性化を抑え込んでいると考えられる。

【０００８】そこで、このｐ型不純物を活性化させるた
めに、真空中にて結晶に電子線照射を行ったり、窒素中
で６００℃以上の熱処理を施したりする方法が検討さ
れ、活性化の改善が進められてきた。しかし、まだ十分
でなく、それを補完するために、上記したような多量の
不純物のドープを必要としているのである。

【０００９】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、高い発光効率をもつ青色発光ダイオードを実
現させることができる新規な窒化ガリウム系結晶の熱処
理方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系
結晶の熱処理方法は、ｐ型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系結晶Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（ただ
し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を窒素雰囲気中で熱処理
する際に、紫外線を照射するようにしたものである。

【００１１】また、本発明の窒化ガリウム系結晶の熱処
理方法は、窒化ガリウム系結晶が、窒素の原料ガスにア
ンモニアガスを用いた気相成長法により形成されたもの
であり、その場合に熱処理する際の紫外線の波長を、ｐ
型不純物の活性化をより高めるために、２００nm〜３５
０nmとするようにしたものである。

【００１２】

【作用】窒化ガリウム系結晶を窒素雰囲気中で熱処理す
る際に、紫外線を照射すると、解離されないまま結晶中
にに取り込まれてｐ型不純物と結びつき、ｐ型不純物の
活性化を抑え込んでいた結晶原料原子の結びつきが解か
れて、結晶中にドープしたｐ型不純物原子の活性化ある
いはｐ型不純物原子への分解が促進される。その結果、
ｐ型不純物の活性化が向上する。

【００１３】窒化ガリウム結晶が、窒素の原料ガスにア
ンモニアガスを用いた気相成長法により形成されている
場合には、アンモニアのＮ−Ｈ結合が十分に解離されな
いまま、水素が結晶に取り込まれ、この水素がｐ型不純
物と結びつき、不純物の活性化を抑え込んでいる。従っ
て、照射する紫外線の波長が２００〜３５０nmである
と、ｐ型不純物にトラップされている水素の電荷が価電
子帯へ励起され、その結果、ｐ型不純物の活性化率が大
幅に高まる。

【００１４】なお、窒化ガリウムの熱処理時の雰囲気を
構成する窒素の圧力は、熱処理温度によって異なるが、
１０⁴〜１０⁵Pa程度でよい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の窒化ガリウム系結晶の熱処理
方法を窒化ガリウム結晶に適用した実施例を説明する
が、ここでは、次の２つの特性比較に基づいて説明して
いく。

【００１６】(1) ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム
のエピタキシャル成長を行い、従来技術で処理した比較
例の結晶と、本発明方法で処理をした実施例の結晶との
特性比較をウェハレベルで行った。

【００１７】(2) ｐｎ接合を有する窒化ガリウムのエピ
タキシャル成長を行い、比較例の処理をした結晶と本実
施例の処理をした結晶とのそれぞれから発光ダイオード
を作製し、ダイオードレベルの特性比較を行った。

【００１８】ウェハレベルの特性比較窒化ガリウムのエピタキシャル成長は、有機金属気相成
長法（ＭＯＶＰＥ法）により行った。横型炉を使用し、
成長圧力は１．３３×１０⁴Paで行った。基板には、表
面を鏡面仕上げしたサファイア基板を用いた。

【００１９】成長は、まず、流量１０ｌ/minの水素雰囲
気下で１１２５℃にサファイア基板を２０分間保持し表
面処理を行った。

【００２０】次に、５５０℃に降温させた後、２５μmo
l/min のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と５ｌ/min
のアンモニアを３分間流し、窒化アルミニウムのバッフ
ァ層を成長させた。

【００２１】そして、次に１０００℃に昇温し、８０μ
mol/min のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と５ｌ/minの
アンモニアおよび２ｎmol/min のビスシクロペンタディ
エニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を流し、窒化ガリウ
ムのエピタキシャル成長を６０分間行った。

【００２２】窒化ガリウム（ＧａＮ）は約３μm 成長し
た。成長したＧａＮ結晶のキャリア濃度をホール測定し
たところ、１０¹⁵cm^-3以下の低キャリア濃度であった。

【００２３】ここで、図１に示す熱処理装置を用いて、
この結晶の成長したエピタキシャルウェハを２分割し、
従来技術による比較例の方法と、本実施例による方法と
でそれぞれ個別に処理し、両者の特性の比較を行った。
熱処理装置の概要は次の通りである。

【００２４】石英反応管３の中に炭素治具２を設置し、
その上にＧａＮエピタキシャルウェハ１を表面が上にな
るようにセットする。この反応管３の周囲には管状の抵
抗加熱ヒータ５を巻いてある。この抵抗加熱ヒータ５の
ウェハ１が置かれている上部は、ヒータを除いてあり、
代りに紫外線を出す水銀ランプ４を配置した。反応管３
内には、精製装置により高純度化された窒素ガスを流
す。

【００２５】まず、比較例の方法で熱処理した。炭素治
具２の上に分割した一方のＧａＮエピタキシャルウェハ
１を置き、水銀ランプ４を消灯したままで、６５０℃に
ヒータ５で加熱し、３０分間保持した。この時、流した
窒素ガス流量は２ｌ/minであった。

【００２６】次に、もう片方のＧａＮエピタキシャルウ
ェハ１を、今度は本実施例の方法である水銀ランプ４を
点灯させ、紫外線を照射した状態で６５０℃に加熱し、
３０分間保持した。窒素ガス流量は先程と同様に２ｌ/m
inであった。

【００２７】この２つのウェハ１のｐ型キャリア濃度を
ホール測定したところ、比較例の方法で処理した結晶で
はキャリア濃度は５×１０¹⁷cm^-3であり、本実施例の方
法では、キャリア濃度は２×１０¹⁸cm^-3であった。本実
施例の処理方法の方が４倍も高いキャリア濃度を得るこ
とができ、ｐ型不純物の活性化に非常に有効であること
が分かった。

【００２８】発光ダイオードレベルの特性比較次に、図２に示した青色発光ダイオードチップを製作
し、発光出力を比較した。結晶成長は上記したＭＯＶＰ
Ｅ法を用いて同様に行った。すなわち、サファイア基板
６上に、ＡｌＮバッファ層７を成長した後、Ｓｉを不純
物としてドープして２．５μm 厚，キャリア濃度１×１
０¹⁸cm^-3のｎ型ＧａＮ層８を成長させ、その上にＭｇを
ドープして１．５μm のＧａＮ層９を成長させた。

【００２９】Ｍｇのドープ量は、比較例の熱処理を施す
結晶と本実施例の上記処理を施す結晶とでは変えるよう
にした。両結晶とも、処理後のｐ型キャリア濃度が１×
１０¹⁸cm^-3となるように調節した。つまり、比較例の熱
処理を施す結晶には、本実施例の処理を施す結晶の４倍
のＭｇ量をドープした。これらの結晶に所定のプロセス
を施し、電極１０を取り付けて図２の発光ダイオードチ
ップを得た。

【００３０】得られた各チップに電流２０mAを流し、発
光出力を測定した。比較例で処理した発光ダイオードチ
ップの出力は９０μＷであったが、本実施例で処理した
発光ダイオードチップの出力は、２１５μＷであった。
本実施例の方が約２．３倍発光出力が大きくなった。

【００３１】このように本実施例によれば、窒化ガリウ
ム化合物半導体結晶にドープしたｐ型不純物Ｍｇの活性
化を高めることができ、少ないドープ量で十分なｐ型キ
ャリアを得ることが可能となる。その結果、不純物によ
る非発光中心となる結晶欠陥の導入を抑えることができ
発光ダイオードの発光効率を高めることができ、発光出
力の高い青色発光ダイオードの作製が可能となる。

【００３２】なお、本発明の熱処理方法は窒化ガリウム
結晶に限定されない。アンモニアを用いて成長させた窒
化ガリウムアルミニウム（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、ｘ＝１を
含む）、窒化ガリウムインジウム（Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ、
ｙ＝１を含む）に対しても有効である。

【００３３】

【発明の効果】

(1) 請求項１に記載の発明によれば、窒化ガリウム系結
晶にドープしたｐ型不純物の活性化を高めることがで
き、少ないドープ量で十分なｐ型キャリアを得ることが
可能となる。従って、この不純物による非発光中心とな
る結晶欠陥の導入を抑えることができ、高い発光効率を
もつ青色発光ダイオードの実現が可能となる。

【００３４】(2) 請求項２に記載の発明によれば、ｐ型
不純物の活性化をより高めることができ、発光効率のよ
り高い青色発光ダイオードを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による熱処理方法と従来技術の
比較例による熱処理方法とを比較検討するために用いた
熱処理装置の概略構成図である。

【図２】本実施例と比較例の特性比較に用いた青色発光
ダイオードチップの構造図である。

【符号の説明】

１ＧａＮエピタキシャルウェハ２炭素治具３石英反応管４水銀ランプ５抵抗加熱ヒータ６サファイア基板７ＡｌＮバッファ層８ｎ型ＧａＮ層９ｐ型ＧａＮ層１０電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系結
晶Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（ただし、０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を窒素雰囲気中で熱処理する際
に、紫外線を照射することを特徴とする窒化ガリウム系
結晶の熱処理方法。
【請求項２】窒素の原料ガスにアンモニアガスを用いた
気相成長法により上記窒化ガリウム系結晶が形成された
請求項１に記載の窒化ガリウム系結晶の熱処理方法にお
いて、上記紫外線の波長が２００nm〜３５０nmであるこ
とを特徴とする窒化ガリウム系結晶の熱処理方法。