JPH0927636A - 化合物半導体装置及び化合物半導体発光装置 - Google Patents

化合物半導体装置及び化合物半導体発光装置

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JPH0927636A
JPH0927636A JP17603495A JP17603495A JPH0927636A JP H0927636 A JPH0927636 A JP H0927636A JP 17603495 A JP17603495 A JP 17603495A JP 17603495 A JP17603495 A JP 17603495A JP H0927636 A JPH0927636 A JP H0927636A
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英俊 藤本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶欠陥の少ない窒化物系化合物半導体膜を
形成することができ、発光素子の信頼性向上をはかる。 【解決手段】 窒化物系化合物半導体結晶を用いた化合
物半導体発光ダイオードにおいて、結晶性基板としてA
lN配向性多結晶基板11を用い、この基板11上にn
型GaN層12とp型GaN層13を成長形成し、各層
12,13にIn膜14,15からなるオーミック電極
を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、結晶性基板上に形
成された窒化物系化合物半導体からなる化合物半導体装
置及び化合物半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、青色或いは紫色の発光ダイオード
用の半導体材料として、AlGalnNで表わされる窒
化物系化合物半導体が知られている。従来、この材料系
は主として有機金属気相成長法(MOCVD法)によ
り、サファイア基板上に成長されてきた。この方法によ
り成長された窒化物系化合物半導体は、基板との格子不
整合が16%程度あることから、結晶欠陥が108 cm
-2から1010cm-2の密度で発生している。
【0003】このような結晶欠陥密度の低減に関して
は、特公平4−15200号公報、特開平2−8148
2号公報や特開平4−297023号公報などに記載さ
れているように、種々のバッファ層を用いた手法が試み
られている。しかし、いずれの場合においても、サファ
イアを基板として用いていることから、基板とバッファ
層との界面に発生する結晶欠陥を低減することができ
ず、基板上に成長した窒化物系化合物半導体膜へ欠陥が
伝播する。そのため、発光素子における発光強度の減少
や、高耐圧素子における耐圧不良などといった素子の信
頼性に不十分な点が多く、或いは素子の劣化が生じやす
く実用化するには問題があった。
【0004】また、従来よりAlN多結晶体について
は、その熱伝導性が優れていることから、放熱を兼ねた
支持基板として用いられている。しかし、このような基
板は、熱伝導性にのみ着目して使用されているもので、
X線回折を測定した場合に特定の角度領域に高強度のピ
ークを持たない、いわゆる配向性を持たないものであっ
た。従って、このような多結晶体を窒化物系化合物半導
体の成長用基板として用いた場合には、基板上に成長さ
せた窒化物系化合物半導体が単結晶とはならず、素子が
形成できないという問題点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、窒化
物系化合物半導体を用いた半導体装置或いは半導体発光
装置においては、基板上に形成された窒化物系化合物半
導体層中に基板と半導体層との間の格子不整合に起因す
る結晶欠陥が多く、発光強度の低下や耐圧の不良などと
いった素子の信頼性に問題点があった。
【0006】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、結晶欠陥の少ない良質
の窒化物系化合物半導体膜を形成することができ、素子
の信頼性向上をはかり得る化合物半導体装置及び化合物
半導体発光装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
(概要)上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、結晶性基板と、
この基板上に成長形成された化合物半導体膜とを備えた
化合物半導体装置において、結晶性基板は配向性多結晶
基板からなり、化合物半導体膜は窒化物系化合物半導体
膜からなることを特徴とする。
【0008】また本発明は、窒化物系化合物半導体結晶
を用いた化合物半導体発光装置において、配向性多結晶
からなる結晶性基板と、この基板上に複数層の窒化物系
化合物半導体膜を成長形成してなり、かつ一部に発光層
となるpn接合又はヘテロ接合を有する半導体積層部と
を具備してなることを特徴とする。
【0009】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 結晶性基板は、AlN,GaN,SiC又はこれら
の固溶体からなる配向性多結晶基板であること。 (2) 結晶性基板は、c軸方向に配向性を有する配向性多
結晶基板であること。 (3) 発光層は、365nmから530nmまでの領域を
発光波長として有すること。 (4) 結晶成長法として、MOCVD法を用いること。 (作用)本発明によれば、結晶性基板としてAlN,G
aN,SiC等の配向性多結晶基板を用いることから、
基板とその上に形成された窒化物系化合物半導体膜との
間の格子不整合が小さくなる。このため、窒化物系化合
物半導体膜の欠陥密度が減少し、これにより素子の信頼
性が向上する。具体的には、発光素子における発光強度
の向上や高耐圧素子における耐圧向上等をはかることが
できる。また、この基板は特定の方向に配向性を有する
ことから、窒化物系化合物半導体膜の成長においても単
結晶が形成される。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しながら説明する。 (実施形態1)図1は、本発明の第1の実施形態に係わ
る発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【0011】結晶性基板としてc軸に配向したAlN多
結晶基板が用いられ、このAlN多結晶基板11の一主
面11a上に、厚さ4μmのn型GaN層12と厚さ1
μmのp型GaN層13が積層されている。p型GaN
層13は発光層として働く。p型GaN層13の一部は
n型GaN層12が露出するまでエッチング除去されて
いる。そして、オーミック電極として、p型GaN層1
3上にIn膜14が形成され、n型GaN層12の露出
部分にIn膜15が形成されている。
【0012】次に、本実施形態における発光ダイオード
の製造方法について説明する。結晶成長法としては、M
OCVD法を用いた。このMOCVD法では、キャリア
ガスとして水素(H2 )、原料ガスとしてトリメチルガ
リウム((CH33Ga:TMG),アンモニア(N
3 ),シラン(SiH4 ),ビスシクロペンタジエニ
ルマグネシウム((C552 Mg:Cp2 Mg)を
用いた。
【0013】まず、有機洗浄及び酸洗浄によって表面を
洗浄したAlN多結晶基板11をMOCVD装置の反応
室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着する。そし
て、常圧でH2 を10L/分流しなから、温度1100
℃で約10分間、AlN多結晶基板11の一主面11a
を気相エッチングした。なお、AlNの配向性多結晶基
板の作成方法については後述する。
【0014】次いで、AlN多結晶基板11を1050
℃に降温・保温し、H2 を10L/分、NH3 を5L/
分、TMGを25cc/分、SiH4 を10cc/分、
それぞれ流すことによりGaN層12を約1時間形成し
た。
【0015】次いで、AlN多結晶基板11を1050
℃で保温したまま、H2 を10L/分、NH3 を5L/
分、TMGを25cc/分、SiH4 を10cc/分、
Cp2 Mgを100cc/分、それぞれ流すことにより
p型GaN層13を約15分形成した。
【0016】GaN層12及び13が成長したAlN多
結晶基板11を室温まで降温した後にMOCVD装置か
ら取り出し、SiO2 等をマスクとし、高温の酸又はア
ルカリによってn型GaN層12が露出するまでp型G
aN層13を選択エッチングした。
【0017】次いで、Inを周知の真空蒸着法によって
約1μm形成し、窒素雰囲気中、300℃の加熱処理に
より良好なオーミック電極とした。なお、各層のキャリ
ア濃度は、n型GaN層12が3×1018cm-3、p型
GaN層13が6×1016cm-3であった。
【0018】このようにして形成された発光ダイオード
を350μm角の大きさに切り分け、ステム上にマウン
トし、モールドすることにより、ランプが完成する。こ
のようにして形成された発光ダイオードにおいては、n
型GaN層12やp型GaN層13における結晶欠陥は
極めて少ないものであった。そして、従来のサファイア
基板を用いた場合の同様の構造の発光ダイオードと比較
して、通電劣化が起こりにくく、寿命を約1桁改善する
ことができた。
【0019】なお、AlNの配向性多結晶基板は次のよ
うにして作成すれば良い。AlNやSiCなどの配向性
多結晶基板は、これらの材料系に常圧においては液相が
見られないことから、昇華法によって作成することがで
きる。例えば、SiCでは、周知のレーリー法を用いる
ことによって作成することができる。これは、SiCの
粉末を2400℃程度の高温で熱することによってSi
Cが気化(昇華)し、これに対して2200℃程度の低
温部を作ることによって、その低温部分に結晶が析出す
るものである。このとき、これらの材料系はある種の方
向に配列の規則性を持ちやすいことから、配向性多結晶
体を作成することが可能である。このような方法は、A
lNやGaNにも適用できる。この場合には、窒素が非
常に解離しやすいことから、窒素雰囲気中で作成するこ
とが望ましい。 (実施形態2)図2は、本発明の第2の実施形態に係わ
る発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【0020】結晶性基板としてc軸に配向性を有したA
lN多結晶基板21を用い、この基板21上に、基板側
から順に厚さ20nmのGaNバッファ層22、厚さ4
μmのn型GaN層23、厚さ1μmのp型GaN層2
4が積層されている。GaNバッファ層22は、AlN
配向性多結晶基板とGaN層との間にある2.2%の格
子不整合を緩和し、格子欠陥の発生を抑制するために形
成したものである。また、p型GaN層24の一部はn
型GaN層23が露出するまでエッチング除去され、各
層23,24にオーミック電極としてのIn層25,2
6が形成されている。
【0021】このような構造で素子を形成した結果、A
lN配向性多結晶基板上に直接窒化物系化合物半導体層
を形成した第1の実施形態と比較して、窒化物系化合物
半導体層の結晶性がさらに向上しており、素子の寿命に
も改善が見られた。このようにして形成された発光ダイ
オード20では、同様の構造を従来のサファイア基板を
用いて作製した場合と比較して、寿命を1桁以上改善す
ることができた。 (実施形態3)図3は、本発明の第3の実施形態に係わ
る発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【0022】結晶性基板としてc軸に配向性を有したA
lN多結晶基板31を用い、この基板31上に、基板側
から順に厚さ20nmのGaNバッファ層32、厚さ4
μmのp型GaN層33、厚さ1μmのn型GaN層3
4が積層されている。また、n型GaN層34の一部は
p型GaN層33が露出するまで除去され、各層33,
34にオーミック電極としてのIn層35,36が形成
されている。
【0023】このような構造では、同じキャリア濃度を
有していても移動度の差異によって比較的低抵抗になり
やすいn型GaN層が表面に形成されているため、電流
の広がりが生じやすく、従って発光領域を広くとること
ができる。そのため、第3の実施形態と比較して発光強
度に3〜5倍の増加が見られるようになった。 (実施形態4)図4は、本発明の第4の実施形態に係わ
る発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【0024】結晶性基板としてc軸に配向したAlN多
結晶基板41を用い、この基板41上に、基板側から順
に厚さ20nmのGaNバッファ層42、Siを添加し
た厚さ3μmのn型AlGaN(Alの組成比=15
%)層43、SiとZnとを同時に添加した厚さ50n
mのn型InGaN(Inの組成比=6%)発光層4
4、Mgを添加した厚さ300nmのp型GaN層45
が第1の実施形態と同様のMOCVD法を用いて形成さ
れている。
【0025】MOCVD法において、キャリアガスとし
てH2 及び窒素(N2 )、原料ガスとしてTMG、トリ
メチルアルミニウム((CH33 Al:TMA)、ト
リメチルインジウム((CH33 In:TMI)、N
3 、SiH4 、Cp2 Mg、ジエチル亜鉛((C2
52 Zn:DEZ)を用いた。
【0026】本実施形態の発光ダイオードでは、ダブル
ヘテロ構造が形成されているため、第1から第3までの
実施形態に示したような単純なホモ接合と比較して発光
層におけるキャリアの閉じ込め効果が強く生じ、従って
発光強度が著しく増加する。
【0027】また、本実施形態において、InGaN発
光層44はInとGaとの間の組成比が6%と設定した
が、この組成比によって発光波長を変えることができ
る。しかしながら、Inの組成比が大きくなり、長波長
に発光波長を設定しようとすると発光層44の結晶性に
低下が見られることから、発光波長が365nmから5
30nmまでの範囲に入るInの組成比が望ましい。さ
らにはInの組成比が発光波長が365nmから480
nmにはいる範囲にあることが望ましい。 (実施形態5)図5は、本発明の第5の実施形態に係わ
るレーザダイオードの素子構造を示す断面図である。
【0028】本実施形態においては、結晶性基板として
m軸(<1-100>軸)に配向したAlN多結晶基板5
1を用い、その上にGaNバッファ層52を厚さ20n
m、n型GaN層53を4μm、アンドープInGaN
層54を100nm、p型GaN層55を300nm形
成している。そして、p型GaN層55上にSiO2
56をパターンニングして形成した幅10μmのストラ
イプに、In−Zn電極57を形成している。さらに、
n型GaN層53にはIn電極58を形成している。
【0029】このような構造の半導体レーザでは、発光
波長はInGaN層54中のInの組成によって変化す
るが、波長365nmから480nmの間でレーザ発振
を起こすことができる。 (実施形態6)図6は、本発明の第6の実施形態に係わ
る高速素子HEMT(高電子移動度トランジスタ)を示
す素子構造断面図である。
【0030】本実施形態では、c軸に配向したAlN多
結晶基板61を結晶性基板として用いており、その上に
アンドープのn型GaN層62とSiドープのn型Al
0.15 Ga 0.85 N層63をこの順で積層した構造にな
っている。ソース電極64及びドレイン電極66はTi
/Auの積層構造からなり、熱処理によりn型GaN層
62に接触をとっている。ゲート電極65はTiWから
なる。n型GaN層62の膜厚は0.6μmで、キャリ
ア濃度は1×1017cm-3である。n型AlGaN層6
3の膜厚は25nmであり、キャリア濃度は4×1018
cm-3である。
【0031】このような素子においては、その素子特性
であるカットオフ周波数fT が20GHz、最大振動周
波数fmax が50GHzの特性を持っている。また、デ
バイスの寿命もそれまでのサファイア基板上に形成した
場合と比べて、3倍程度の改善を見ることができた。 (実施形態7)図7は、本発明の第7の実施形態に係わ
るレーザダイオードを示す素子構造断面図である。
【0032】本実施形態においては、c軸に配向したG
aN多結晶71を基板として用い、この上に周知のMO
CVD法において、厚さ100nmのSiドープn型G
aN層72を成長した。さらにその上に厚さ0.1μm
のアンドープGaN層74を、厚さ1μmのSiドープ
n型AlGaN層73及びp型AlGaN層75(いず
れもAl組成比は0.25)で挟み込んだ形で成長し
た。さらにその上に、AlGaN層の表面酸化を抑制す
ることを目的とするキャップ層として、p型GaN層7
6を0.3μmの厚さで形成した。
【0033】キャリア濃度はそれぞれ、n型GaN層7
2が1×1019cm-3、n型AlGaN層73が3×1
18cm-3、p型AlGaN層75が1×1018
-3、p型GaN層76が1×1018cm-3とした。n
型GaN層72を露出させる手段としてはCl2 ガスに
よる反応性イオンエッチング(RIE)法を用いた。
【0034】電極としては、n型に対してはTi/Au
の積層構造77を、p型層に対してNi/Auの積層構
造78を用い、700℃の熱処理を施すことによりオー
ミック電極とした。なお、電流狭窄のために、p型Ga
N層76の上にSiO2 膜79を形成し、積層構造78
はp型GaN層76の一部に接触するようにした。
【0035】このような構成のレーザダイオードにおい
ては、電圧約5V、しきい値電流密度8×103 A/c
mでレーザ発振が生じた。 (実施形態8)図8は、本発明の第8の実施形態に係わ
る発光ダイオードを示す素子構造断面図である。
【0036】本実施形態においては、c軸に配向したS
iC多結晶基板81を結晶性基板として用い、この上に
周知のCVD法においてジシラン(Si26 )及びア
セチレン(C22 )を用いて、約500nmのSiC
バッファ層82、さらにTMG及びNH3 を用いて厚さ
約100nmのGaNバッファ層83を形成した。この
上に連続してn型AlGaN層84(厚さ3μm,キャ
リア濃度2×1018cm-3,Al組成比0.3)、アン
ドープGaN層85(厚さ0.2μm)、p型AlGa
N層86(厚さ1μm,キャリア濃度2×1017
-3,Al組成比0.3)、p型GaN層87(厚さ3
00nm,キャリア濃度2×1018cm-3)をこの順で
積層した。
【0037】また、n型AlGaN層84への電気的な
接触をする手段として、n型層84までの各層をBCl
3 ガスによってドライエッチングした。電極には、n型
AlGaN層84に対してはIn層88を、p型GaN
層87に対してはIn−Zn層89を用いた。
【0038】このような構成のレーザダイオードにおい
ては、電圧約5Vで光出力1mWの波長380nmの発
振を得た。 (実施形態9)図9は、本発明の第9の実施形態に係わ
るレーザダイオードを示す構造断面図である。本実施形
態においては、c軸に配向したSiC多結晶91を基板
として用いている。この基板91は、基板形成の過程に
おいて窒素を添加することによりn型の導電性を強く持
たせている。この基板91上に周知のCVD法において
厚さ約100nmのSiCバッファ層92、周知のMO
CVD法において連続して厚さ3μmのn型GaN層9
3、厚さ500nmのn型AlGaNクラッド層94
(Al組成比=30%)、厚さ100nmのアンドープ
にInGaN活性層95(In組成比=10%)、厚さ
500nmのp型GaNコンタクト層97をこの順で積
層した。また、電極としてはSiC多結晶基板91及び
p型GaN層97に対して、それぞれ厚さ300nmの
Niと厚さ1μmのAuとの積層構造99をSiO2
98によってストライプ幅を制御することによって形成
した。
【0039】このような構成のレーザダイオードにおい
ては、エピタキシャル成長層93から97に対してエッ
チング処理を施す必要がないため、低抵抗の素子を形成
することができる。即ち、低しきい値でレーザ発振を生
じさせることができた。 (実施形態10)図10は、本発明の第10の実施形態
に係わる発光ダイオードを示す構造断面図である。本実
施形態においては、c軸に配向したSiCとAlNとの
固溶体101を基板として用い、この上に周知のMOC
VD法を用いて連続して、厚さ50nmのGaNバッフ
ァ層102、厚さ3μmのn型GaN層103、厚さ1
00nmのInGaN(In組成比=6%)層104、
厚さ500nmのp型GaN層105をこの順で積層す
る。また、電極として基板101及びp型GaN層10
5に対してそれぞれ厚さ300nmのNiと厚さ1μm
のAuとの積層構造106を形成している。
【0040】このような発光ダイオード100において
は、基板の電子親和力が小さいことから容易に低抵抗の
オーミック電極を形成することができる。そのため、素
子にかかる電力を低減することができる。
【0041】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。例えば、実施形態に
ついてはc軸及びm軸に配向した多結晶を基板として用
いたが、a軸(<11-20>軸)やR軸(<1-102>
軸)などに配向したものを基板とした場合でも同様の効
果を得ることができる。
【0042】また、窒化物系化合物半導体膜の成長法も
MOCVD法に限られるものではなく、MBE法(分子
線エピタキシー法)や、ハイドライド気相成長法など一
般に知られている結晶成長法を用いることも可能であ
る。
【0043】また、実施形態では発光素子及び光速素子
HEMTについて説明したが、格子定数が近いAlN,
GaN,SiCの配向性多結晶を窒化物系化合物半導体
成長用の基板に用いることにより、高耐圧のパワーデバ
イスなどを作成することも可能である。
【0044】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、窒
化物系化合物半導体の結晶成長用基板として、AlN,
GaN,SiC等の配向性多結晶を用いることにより、
結晶欠陥の発生が抑制され、結晶性の向上をはかること
ができた。これにより、素子特性の向上及び長寿命化を
達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わる発光ダイオードの素子
構造を示す断面図。
【図2】第2の実施形態に係わる発光ダイオードの素子
構造を示す断面図。
【図3】第3の実施形態に係わる発光ダイオードの素子
構造を示す断面図。
【図4】第4の実施形態に係わる発光ダイオードの素子
構造を示す断面図。
【図5】第5の実施形態に係わるレーザダイオードの素
子構造を示す断面図。
【図6】第6の実施形態に係わるHEMTの素子構造を
示す断面図。
【図7】第7の実施形態に係わるレーザダイオードの素
子構造を示す断面図。
【図8】第8の実施形態に係わるレーザダイオードの素
子構造を示す断面図。
【図9】第9の実施形態に係わるレーザダイオードの素
子構造を示す断面図。
【図10】第10の実施形態に係わる発光ダイオードの
素子構造を示す断面図。
【符号の説明】
11…AlN多結晶基板(結晶性基板) 12…n型GaN層 13…p型GaN層 14,15…In膜(電極)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】配向性多結晶からなる結晶性基板と、この
    基板上に成長形成された窒化物系化合物半導体膜とを具
    備してなることを特徴とする化合物半導体装置。
  2. 【請求項2】前記結晶性基板は、AlN,GaN,Si
    C又はこれらの固溶体からなる配向性多結晶基板である
    ことを特徴する請求項1記載の化合物半導体装置。
  3. 【請求項3】前記結晶性基板は、c軸方向に配向性を有
    する配向性多結晶基板であることを特徴する請求項1又
    は2記載の化合物半導体装置。
  4. 【請求項4】配向性多結晶からなる結晶性基板と、この
    基板上に複数層の窒化物系化合物半導体膜を成長形成し
    てなり、かつ一部に発光層となるpn接合又はヘテロ接
    合を有する半導体積層部とを具備してなることを特徴と
    する化合物半導体発光装置。
  5. 【請求項5】前記結晶性基板は、AlN,GaN,Si
    C又はこれらの固溶体からなる配向性多結晶基板である
    ことを特徴する請求項4記載の化合物半導体発光装置。
  6. 【請求項6】前記結晶性基板は、c軸方向に配向性を有
    する配向性多結晶基板であることを特徴する請求項4又
    は5記載の化合物半導体発光装置。
  7. 【請求項7】前記発光層は、365nmから530nm
    までの領域を発光波長として有することを特徴する請求
    項4記載の化合物半導体発光装置。
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