JPH08288552A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子及びその製造方法

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JPH08288552A
JPH08288552A JP9342995A JP9342995A JPH08288552A JP H08288552 A JPH08288552 A JP H08288552A JP 9342995 A JP9342995 A JP 9342995A JP 9342995 A JP9342995 A JP 9342995A JP H08288552 A JPH08288552 A JP H08288552A
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JP
Japan
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substrate
buffer layer
film
semiconductor light
light emitting
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Pending
Application number
JP9342995A
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English (en)
Inventor
Takashi Matsuoka
隆志 松岡
Masahiro Sasaura
正弘 笹浦
Shintaro Miyazawa
信太郎 宮澤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 格子不整合を良好とし、InGaAlNの三
元組成に格子定数を合わせられ、基板表面を保護して多
結晶化を防止する半導体発光素子及びその製造方法を提
供する。 【構成】 基板1にLaNdGaO3 を用い、基板表面
に300℃以上〜1000℃以下の成長温度のバッファ
層2を形成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、可視(赤色)領域から
紫外領域にわたって発光する半導体発光素子及びその製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】半導体発
光素子は、その発光部をIII 族窒化物半導体InN,G
aN,AlN,In1-x-y Gax Aly N(0≦x≦
1、0≦x+y≦1)(以下InGaAlNと称す)を
サファイア基板上にエピタキシャル成長させることによ
って得られる。ところが、このIII 族窒化物半導体と基
板であるサファイアとの間には、11%〜23%程度の
格子不整合が存在しており、このため光素子として必要
な半導体厚膜を成長させた場合、格子不整合に基づくク
ラックが入ることがあり、歩留りが悪い。しかも、サフ
ァイア基板とその上に成長させた光素子としての半導体
結晶との間に不整合転位が生じると、発光素子として発
光効率が十分でなくまた素子寿命も短いという問題があ
る。
【0003】他方、上述の問題を抱えたサファイア基板
とIII 族窒化物半導体の組合せの外に、基板としてNd
GaO3 を用いる場合もある。このNdGaO3 の採用
は上述のInGaAlNの格子定数に近く不整合転位が
低減できるためであるが、結晶成長の容易なGaNから
格子定数が離れてしまうので、この場合もやはり不整合
転位が生じてしまうという問題がある。また、実際の結
晶成長において酸化物基板は、エピタキシャル成長方法
や成長条件によっては高温還元雰囲気中で不安定になる
ことがある。例えば還元雰囲気中の加熱処理によって基
板中の酸素が引き抜かれ基板表面に凹凸が生じることが
あり、また、極端な場合には表面に窒化物が形成される
こともあって、基板表面が変質する温度よりも高温で成
長を行なおうとすると窒化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。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
作製が難しいとか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。エピタキシャル成長膜の結晶性は、成長温度の上昇
にともない飛躍的に向上することを鑑みると、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ことは製
造上重大な問題である。
【0004】本発明は、上述の問題に鑑みIII 族窒化物
半導体InGaAlNエピタキシャル膜にクラックが生
じない、また不整合転位を低減して高効率かつ長寿命と
し、更には、不整合転位を低減する酸化物基板表面の変
質を生じることなく、結晶性の良好なるエピタキシャル
膜を成長させる半導体発光素子及びその製造方法の提供
を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の構成を特徴とする。 (1)In1-x-y Gax Aly N(0≦x≦1、0≦x
+y≦1)薄膜を少なくとも一層含む半導体発光素子に
おいて、基板にLaz Nd1-z GaO3 (0<z≦1)
単結晶を用いることを特徴とする。 (2)基板と半導体発光素子層間に、該半導体発光素子
を構成する層の内最も基板に近接した半導体層と基板と
の間の格子定数を有するバッファ層In1-x-yGax
y N(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を挿入したこと
を特徴とする。 (3)基板と半導体発光層との間に挿入されるIn
1-x-y Gax Aly N(0≦x≦1、0≦x+y≦1)
バッファ層を300℃以上1000℃以下の成長温度で
堆積することを特徴とする。
【0006】
【作用】基板としてLaz Nd1-z GaO3 単結晶を用
いることによってInGaAlNの格子定数に近づけて
格子不整合や不整合転位を減少でき、またNdGaO3
基板のように転位が入りやすいことがなくて、素子構成
にて三元組成のInGaAlNを用いる場合その三元組
成に格子定数を合わせることができる。図1はInGa
AlNのGa組成xとAl組成yと(0001)面内の
格子定数との関係を示しており、図中実線上の組成によ
り基板とエピタキシャル膜とが格子整合する。また、図
2に示すようにエピタキシャル膜であるInGaAlN
の格子定数とバンドギャップエネルギとの関係にて示す
如く、図中の斜線で示す領域のInGaAlNを基板と
格子整合することにより成長できる。更に、酸化物基板
表面の変質が起きない低温で基板上に生長したInGa
AlNバッファ層を設けているため基板表面を多結晶化
することなく単結晶膜を成長することができる。また、
バッファ層の成長に当っては、300℃以上1000℃
以下の成長温度とすることにより、十分なマイグレーシ
ョンが起きず、平坦で連続なInGaAlNバッファ層
を堆積することができ、この上に結晶性の良好なエピタ
キシャル膜を成長することができる。
【0007】
【実施例】ここで、図3,図4とを参照して本発明の実
施例を説明する。図3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。本発光素子は
(101)面のLa0.2 Nd0.8 GaO3 基板1の上に
成長した膜厚50nmのアンドープInAlNバッファ
層2、膜厚5μmのSiドープn型InGaAlN層
3、膜厚0.1μmのZnドープGaAlN発光層4、
膜厚2μmのMgドープp型InGaAlN層5、アル
ミニウム電極6、金電極7からなる。ここに示したすべ
ての半導体層は、図1,図2にも合致するよう基板に格
子整合するように組成を選んだ。電極7に正の電圧を電
極6に負の電圧を加えると発光層4は420nmの波長
で発光した。その外部量子効率は1.2%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。
【0008】次に本実施例の素子の製造方法について説
明する。図4は原料ガスとしてIII族有機金属とNH3
を用いる場合について、本実施例の半導体発光素子の製
造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。図において、8は成長基板、9はカーボン・サセプ
タ、10は石英反応管、11は高周波誘導コイル、12
は熱電対、13は有機金属ガス導入管、14はNH3
ス導入管、15はH2ガス及びN2 ガス導入管、16は
排気口である。この装置で、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10内を真空排気
装置により排気する。次に、石英反応管10内に0.5
〜20 l/分の不活性ガスであるN2 ガスをガス導入管
15より導入した後、高周波誘導コイル11に通電する
ことによりカーボン・サセプタ9を300℃〜1000
℃に加熱し、N2 ガスを0.5〜20 l/分のNH3
スに切り替える。この状態で、バブラの温度を−30〜
50℃に設定したトリメチルインジウム(TMIn)、
トリメチルガリウム(TMGa)及びトリメチルアルミ
ニウム(TMAl)のうち必要な原料を1〜1000c
c/分のH2 ガス(あるいはN2 ガス)でバブリング
し、0〜10 l/分のH2 ガス(あるいはN2 ガス)と
合流させた後導入管15より石英反応管10へ供給し、
InGaAlN層を堆積する。成長中の石英反応管10
内の総ガス圧は40〜1000Torrに調整する。こ
れに続けて、必要な膜厚を堆積したInGaAlNバッ
ファ層をNH3 雰囲気中600〜1300℃の温度で1
〜60分保持した後、600〜1300℃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を作
製する。上記の実施例では、III 族原料及び窒素原料と
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
2 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。
【0009】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板としてサファイア基板を用いることがなくてしかもL
aNdGaO3 の単結晶基板を用いるために格子整合性
が良好となり、クラックの発生が防止でき高効率、長寿
命化が図れ、エピタキシャル膜の品質が向上し高性能化
でき、基板に格子整合したDH構造も実現できる。ま
た、NdGaO3 を基板に用いず、LaNdGaO3
板のためにGaNから格子定数が離れることもなくてI
nGaAlNの三元組成に格子定数を合わせることがで
きる。更に、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、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
く、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。また、本発明の半導体発光素
子において、InGaAlNバッファ層のAl組成y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
ると言う利点を持つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】InGaAlNの(0001)面内の格子定数
とGa組成x、Al組成yとの関係を示す図。
【図2】本実施例の基板LaNdGaO3 を用いること
により格子整合成長できるInGaAlNのバンドギャ
ップエネルギの選択範囲を示す図。
【図3】一実施例の素子構造概略断面図。
【図4】本実施例の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。
【符号の説明】
1 (101)面La0.2 Nd0.8 GaO3 基板 2 アンドープInAlNバッファ層 3 Siドープn型InGaAlN層 4 ZnドープGaAlN発光層 5 Mgドープp型InGaAlN層 6 アルミニウム電極 7 金電極 8 成長基板 9 カーボン・サセプタ 10 石英反応管 11 高周波誘導コイル 12 熱電対 13 有機金属ガス導入管 14 NH2 ガス導入管 15 H2 ガス及びN2 ガス導入管 16 排気口

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 In1-x-y Gax Aly N(0≦x≦
    1、0≦x+y≦1)薄膜を少なくとも一層含む半導体
    発光素子において、基板にLaz Nd1-z GaO3 (0
    <z≦1)単結晶を用いることを特徴とする半導体発光
    素子。
  2. 【請求項2】 基板と半導体発光素子層間に、該半導体
    発光素子を構成する層の内最も基板に近接した半導体層
    と基板との間の格子定数を有するバッファ層In1-x-y
    Gax Aly N(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を挿入
    したことを特徴とする半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 基板と半導体発光層との間に挿入される
    In1-x-y Gax Aly N(0≦x≦1、0≦x+y≦
    1)バッファ層を300℃以上1000℃以下の成長温
    度で堆積することを特徴とした半導体発光素子の製造方
    法。
JP9342995A 1995-04-19 1995-04-19 半導体発光素子及びその製造方法 Pending JPH08288552A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905517B4 (de) * 1998-06-05 2011-02-03 Philips Lumileds Lighting Company, LLC, San Jose Mehrschichtige Indium-enthaltende Nitridpufferschicht für die Nitrid-Epitaxie
WO2024012888A1 (en) * 2022-07-12 2024-01-18 Ams-Osram International Gmbh Method for producing a semiconductor chip and semiconductor chip

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Legal Events

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A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20020416