JPH0864868A - 発光ダイオード、窒化ガリウム結晶および窒化ガリウム結晶の製造方法 - Google Patents

発光ダイオード、窒化ガリウム結晶および窒化ガリウム結晶の製造方法

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JPH0864868A
JPH0864868A JP19977894A JP19977894A JPH0864868A JP H0864868 A JPH0864868 A JP H0864868A JP 19977894 A JP19977894 A JP 19977894A JP 19977894 A JP19977894 A JP 19977894A JP H0864868 A JPH0864868 A JP H0864868A
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JP
Japan
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buffer layer
gallium nitride
gan
layer
growth
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Ryuichi Nakazono
隆一 中園
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Hitachi Cable Ltd
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】サファイア基板を用いたGaN成長結晶の質を
大幅に高め、発光光率を上げる。 【構成】サファイア基板に、水素を流しながら1150
℃で20分間保持し表面処理を行う。次に600℃〜7
00℃に降温させ、TMAとNH3 と水素を流して、1
分間AlNのバッファ層を成長させる。AlNバッファ
層成長後、さらに500℃〜550℃に降温し、TMG
とNH3 と水素を流してGaNバッファ層を2分30秒
成長させる。バッファ層成長後、1000℃に昇温し、
TMGとNH3 、水素を流して、90分間GaN層を成
長させた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード、窒化
ガリウム結晶および窒化ガリウム結晶の製造方法に関す
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・公告
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。光の三原色−赤色・緑色・青色−の内、青色だ
けが、まだ、実用化に至っていない。青色発光ダイオー
ドが実用化できればLEDでフルカラー表示が可能とな
る。青色を発光させるためには広い禁制帯幅の半導体結
晶が必要である。そのため、窒化ガリウム(GaN)、
SiC、ZnSe等の広い禁制帯幅の半導体結晶につい
て開発が進められている。窒化ガリウムは直接遷移型半
導体であるため、高い発光効率が期待されている。
【0003】発光ダイオード用窒化ガリウムのエピタキ
シャルウェハの構造は、基板にサファイアを使用し、そ
の上に窒化アルミニウム(AlN)もしくはGaNのバ
ッファ層の一層を設け、さらにその上にn型GaN、p
型GaNを成長させた構造となっている。
【0004】このウェハの成長には、水素ガスをキャリ
アガスとして、有機金属ガスであるトリメチルガリウム
(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、及び
アンモニア(NH3 )ガスを用いて行う。添加不純物に
は、n型としてはシラン(SiH4 )を、p型にはビス
シクロペンタディエニルマグネシウム(CP2 Mg)を
用いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のGaN
結晶の製造方法における問題は、良質なGaN結晶が得
られていないことにある。これは、基板であるサファイ
アとGaNの物性が大きく異なるために、良好なエピタ
キシャル成長が困難であるためである。良好な結晶を得
ることを目的に、前記したように、サファイア基板とG
aN結晶との間に、AlN層、もしくはGaN層の一層
からなるバッファ層を設ける工夫が検討されている。こ
のバッファ層をどのように作製するかが、その上に成長
するGaNの結晶性を左右している。結晶性は、発光ダ
イオードの発光効率に大きな影響を及ぼし、結晶性が悪
いと著しく発光光率が低くなってしまう。
【0006】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、発光光率を高めることが可能な発光ダイオー
ドを提供することにある。
【0007】また、本発明の目的は、サファイア基板を
用いたGaN成長結晶の質を大幅に高めることができる
窒化ガリウム結晶および窒化ガリウム結晶の製造方法を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の発光ダイオード
は、サファイア基板上にバッファ層とGaN層とを有す
る発光ダイオードにおいて、上記バッファ層がAlN層
からなる第1のバッファ層と、GaN層からなる第2の
バッファ層とを備えたものである。
【0009】また、本発明のGaN結晶は、サファイア
基板上にバッファ層とGaN層とを有するGaN結晶に
おいて、上記バッファ層がAlN層からなる第1のバッ
ファ層と、GaN層からなる第2のバッファ層とを備え
たものである。
【0010】本発明の窒化ガリウム結晶の製造方法は、
有機金属及びアンモニアを用いてサファイア基板上にバ
ッファ層及び窒化ガリウム層を形成する工程を有し、上
記バッファ層の形成時、サファイア基板上に第1のバッ
ファ層として成長温度600℃から700℃で窒化アル
ミニウム層を形成し、第2のバッファ層として500℃
から550℃で窒化ガリウム層を形成するものである。
【0011】
【作用】サファイア基板上へのバッファ層が、成長温度
600〜700℃で成長させたAlN層からなる第1の
バッファ層と、成長温度500℃から530℃で成長さ
せたGaN層からなる第2のバッファ層との2つのバッ
ファ層で構成すると、なぜ、効果があるのかは不明であ
るが、次のように推定することができる。
【0012】サファイア基板上へのGaN層の成長のよ
うに両者の物性が大きく異なる場合のエピタキシャル成
長では、アモルファス状のバッファ層がよく用いられ
る。これは、基板側の結晶のくせをある程度ぼかし、そ
の上に、成長させる結晶のくせを損ねることが少ないか
らと思われる。サファイア基板上にGaN層を成長させ
るバッファ層として、本発明方法がそれに適していると
考えられる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。アンドープGaNのエピタキシャル成長を、本実施
例の方法と比較例の方法で成長させ、結晶の特性比較を
行った。本実施例の方法はバッファ層を2層成長させた
ものであり、比較例の方法は1層のバッファ層でAlN
とGaNとの2通りで成長させたものである。成長は、
有機金属気相成長法(MOVPE法)で行った。横型炉
を使用し、成長圧力は1.3×104 Paで行った。基
板表面の面方位がC面のサファイア基板を用いた。
【0014】(実施例)成長の温度プログラムを図1に
示す。成長は、まず、サファイア基板に、10l/min で
水素を流しながら、1150℃で20分間保持し表面処
理を行った。その次に、620℃に降温させ、20μmo
l/min のトリメチルアルミニウム(TMA)と5l/min
のアンモニア(NH3 )と5l/min の水素を流して、1
分間AlNのバッファ層を成長させた。ちなみに、この
流量比で60分間成長させ、断面を観察したところ、
1.1μm層の膜が形成していた。このことから1分間
の成長では、18nm成長したと考えられる。このAlN
バッファ層成長後、さらに520℃に降温し、30μmo
l/min のTMGと5l/min のNH3 と5l/min の水素を
流してGaNバッファ層を2分30秒成長させた。バッ
ファ層成長後、1000℃に昇温し、80μmol/min の
TMGと5l/min のNH3 、5l/min の水素を流して、
90分間GaNエピタキシャル層を成長させた。断面を
観察したところ、6.1μm成長していた。図2に構造
を示す。サファイア基板1上にAlNバッファ層4、G
aNバッファ層5、GaNエピタキシャル層3が順次積
層されている。この結晶の質を調べるために、ホール測
定を行った。電極には、真空蒸着させたアルミニウムを
用いた。測定の結果はn型を示し、キャリア濃度が3×
1016cm-3、移動度が720cm2 /V・Sであった。
【0015】(比較例1)成長温度プログラムを図3に
示す。成長は、実施例1の成長方法の表面処理までは同
様に行った。その次に、1150℃から620℃に降温
し、20μmol/min のTMAと5l/min のNH3 と5l/
min の水素を流して、AlNバッファ層を3分間成長さ
せた。バッファ層成長後、1000℃に昇温し、80μ
mol/min のTMGと5l/min のNH3 、5l/min の水素
を流して、90分間GaNエピタキシャル層を成長させ
た。GaN成長は、実施例1と同様に行った。図4に構
造を示す。また、同様にホール測定を行った。測定の結
果はn型を示し、キャリア濃度が1×1017cm-3で移動
度が400cm2 /V・Sであった。
【0016】(比較例2)一層のバッファ層として、G
aNを用いた成長も行った。温度プログラムを図5に示
す。バッファ層の成長条件は、525℃でTMG60μ
mol/min 、NH36l/min 、水素4l/min であった。成
長は2分間行った。他の成長条件は、実施例1と同様で
ある。図6に構造を示す。ホール測定の結果、n型を示
し、キャリア濃度は2.5×1017cm-3、移動度は30
0cm2 /V・Sであった。
【0017】(本実施例と比較例との比較)GaNで
は、結晶欠陥は一般的にn型のキャリアとなるので、低
キャリア程結晶性がよい。ホール測定の結果、比較例
1、2よりも本実施例の方がキャリア濃度が大幅に低
く、しかも、移動度が大きくなっており、結晶の質が良
好であることがわかった。
【0018】(本実施例のバッファ層成長条件の検討)
本実施例の成長方法において、AlN、GaNバッファ
層の成長温度条件の検討を行った。まず、AlNバッフ
ァ層成長温度の検討を行った。GaNバッファ層の成長
条件は、先の実施例と同様に520℃固定し、AlNバ
ッファ層の成長温度を550℃から750℃の間で変え
て成長を行った。ホール測定を行った結果、図7のよう
になった。図7は、AlNバッファ層成長温度とキャリ
ア濃度の関係を示している。図からわかるように、60
0℃から700℃の間でキャリア濃度は低くなり、結晶
性がよかった。
【0019】次に、AlNバッファ層の成長温度を62
0℃に固定し、GaNバッファ層の成長温度を450℃
から650℃の間で変えた成長を行った。ホール測定の
結果は図8のようになった。図8はGaNバッファ層成
長温度とキャリア濃度の関係を示している。図からわか
るように、500℃から550℃の間でキャリア濃度
は、低くなり、結晶性がよかった。
【0020】本実施例による成長方法を用いれば、結晶
性のよいGaNを成長することができる。この方法は、
発光光率が良好な発光ダイオード用GaN結晶の成長に
応用できる。
【0021】
【発明の効果】本発明の発光ダイオード及び窒化ガリウ
ム結晶によれば、バッファ層を窒化アルミニウム層と窒
化ガリウム層との2層で構成したので、窒化ガリウムの
結晶性が向上し、発光光率を高めることができる。
【0022】本発明の窒化ガリウム結晶の製造方法によ
れば、サファイア基板上に窒化アルミニウムの第1バッ
ファ層と窒化ガリウムの第2バッファ層とをそれぞれ最
適温度で形成するようにしたので、結晶欠陥の少ない結
晶性の良好なGaNエピタキシャル成長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の窒化ガリウム結晶の製造方法の実施例
を説明するための温度プログラムを示す図。
【図2】本発明の窒化ガリウム結晶の構造の実施例を示
す断面図。
【図3】従来例の窒化ガリウム結晶の製造方法の温度プ
ログラムを示す図。
【図4】従来例の窒化ガリウム結晶の構造を示す断面
図。
【図5】他の従来例の窒化ガリウム結晶の製造方法の温
度プログラムを示す図。
【図6】他の従来例の窒化ガリウム結晶の構造を示す断
面図。
【図7】本発明の成長方法の条件を検討するためのAl
Nバッファ層成長温度とキャリア濃度の関係を示すグラ
フ。
【図8】本発明の成長方法の条件を検討するためのGa
Nバッファ層成長温度とキャリア濃度の関係を示すグラ
フ。
【符号の説明】
1 サファイア基板 3 GaNエピタキシャル層 4 AlNバッファ層 5 GaNバッファ層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】サファイア基板上にバッファ層と窒化ガリ
    ウム層とを有する発光ダイオードにおいて、上記バッフ
    ァ層が窒化アルミニウム層からなる第1のバッファ層
    と、窒化ガリウム層からなる第2のバッファ層とを備え
    たことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 【請求項2】サファイア基板上にバッファ層と窒化ガリ
    ウム層とを有する窒化ガリウム結晶において、上記バッ
    ファ層が窒化アルミニウム層からなる第1のバッファ層
    と、窒化ガリウム層からなる第2のバッファ層とを備え
    たことを特徴とする窒化ガリウム結晶。
  3. 【請求項3】有機金属及びアンモニアを用いてサファイ
    ア基板上にバッファ層及び窒化ガリウム層を形成する工
    程を有し、上記バッファ層の形成時、サファイア基板上
    に第1のバッファ層として成長温度600℃から700
    ℃で窒化アルミニウム層を形成し、第2のバッファ層と
    して500℃から550℃で窒化ガリウム層を形成する
    ことを特徴とする窒化ガリウム結晶の製造方法。
JP19977894A 1994-08-24 1994-08-24 発光ダイオード、窒化ガリウム結晶および窒化ガリウム結晶の製造方法 Pending JPH0864868A (ja)

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