JPH10242061A - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 青色半導体レーザや青色発光ダイオードにお
いて動作電圧を低減できるだけでなく、動作中における
動作電圧の上昇の防止や、動作中での発光効率の低下を
抑制でき、ひいては信頼性の高い素子を実現することを
可能とする。 【解決手段】 本発明は、ｐ型不純物をドープした窒化
ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用い
て成長する最中、あるいは、該窒化ガリウム系半導体層
の成長後に、該窒化ガリウム系半導体層を高温の状態に
おいて赤外線を該窒化ガリウム系化合物半導体層に照射
する工程を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は青色または紫色発光
ダイオード、青色または紫色レーザーダイオード製造方
法、特にp型窒化ガリウム系化合物半導体を低抵抗にす
る製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色発光素子はフルカラーディスプレー
用に使用されたり、また高密度記録可能な光ディスク用
レーザー光源として期待されている。

【０００３】近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用い
た高輝度の青色発光ダイオードが実現された。これによ
り、青色または紫色レーザーダイオードを実現するため
に窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。

【０００４】有機金属化合物気相成長法では、基板の入
った反応炉に有機金属であるトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチル
インジウム（ＴＭＩ）、アンモニア等を水素ガス、窒素
ガスをキャリアガスとして供給し、成長温度約６００℃
でＧａＮやＡｌＮのバッファ層を成長させた後、１００
０℃前後で窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる。
必要に応じて、ｐ型、ｎ型にするため、ドーパントガス
を前記有機金属化合物ガスに混合して供給する。ｐ型ド
ーパントとしてＭｇ、Ｚｎ、ｎ型ドーパントとしてＳ
ｉ、Ｇｅが用いられている。

【０００５】しかし、従来の有機金属化合物気相成長法
では、高抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体しか得
られず、良好なｐ−ｎ接合を有する発光素子を作製する
ことが困難であった。そこで、低抵抗のp型窒化ガリウ
ム系化合物半導体を得るために、特開平５−１８３１８
９号公報には、４００℃以上の窒素雰囲気中で熱処理す
る方法、また、特開平７−０９７３００号公報には、成
長後に紫外線照射と窒素雰囲気中での熱処理を組み合わ
せた方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におい
ては、青色半導体レーザや高輝度発光ダイオードを実現
するために必要となる抵抗率１Ωｃｍ以下の低抵抗なｐ
型ＧａＮ膜や１００Ωｃｍ以下のＡｌＧａＮ膜等、窒化
ガリウム系半導体層を実現できておらず、上記素子にお
ける動作電圧の駆動中の増加や発光効率の駆動中の低下
があり、信頼性の高い素子が実現されていなかった。

【０００７】これは、結晶中に添加されたｐ型不純物が
成長中または成長直後の高温状態において、その結晶が
囲まれている雰囲気中に含まれる水素原子と結合し、実
使用状態である室温付近ではイオン化しないことが原因
と考えられる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
決するためになされたものであり、ｐ型不純物をドープ
した窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長
法を用いて成長する最中、あるいは、該窒化ガリウム系
半導体層の成長後に、該窒化ガリウム系半導体層を高温
の状態において赤外線を該窒化ガリウム系化合物半導体
層に照射する工程を含むことを特徴としている。

【０００９】また、上記ｐ型不純物として、少なくとも
ＭｇあるいはＺｎを含むことも特徴としており、さら
に、上記赤外線はＭｇとＨ、またはＺｎとＨとの原子結
合が共鳴する波長近傍の赤外線であることも構成要素と
なっている。

【００１０】本発明の上記の構成により成長された窒化
ガリウム系半導体層は、成長中または成長直後に、ｐ型
不純物と水素の結合に共鳴する赤外線を高温状態におい
て照射するため、ｐ型不純物と水素の結合が効率良く切
断される。これにより、窒化ガリウム系半導体層中での
ｐ型不純物が室温で効率良くイオン化することが可能と
なり、結果、ｐ型で低抵抗な窒化ガリウム系半導体を実
現するものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した形態を図
面を参照して詳細に説明する。

【００１２】（実施例1）サファイア基板２を反応炉内
に載置されたサセプター３上に設置する。炉内を真空排
気した後、水素雰囲気において、ＲＦコイル４によって
１１００℃で１０分間加熱して、基板のクリーニングを
行う。次に基板温度を５５０℃まで冷却し、トリメチル
ガリウム（以下ＴＭＧと記す）を３０×１０^{- 6} モル／
分、ＮＨ₃を４．０リットル／分、キャリアの水素を
２．０リットル／分流して、ＧａＮバッファ層を３００
Å成長させる。次に、ＴＭＧの供給のみを停止し、成長
温度を１０５０℃まで上昇させた後、赤外線ランプ１１
を用いて、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。赤外
線の波長は、バンドパスフィルター１０を用いて、３２
００ｃｍ^{- 1} 〜３８００ｃｍ^{- 1} となるように調整し
た。これは、結晶中のＭｇ−Ｈ結合の吸収波長の±１０
％の波長範囲である。続いて、再度ＴＭＧを６０×１０
^{- 6} モル／分、さらにＣｐ₂ Ｍｇを４．０×１０^{- 6} モ
ル／分流して、ＭｇをドープしたＧａＮ膜を膜厚約４ｕ
ｍ成長させる。

【００１３】次にＴＭＧ、Ｃｐ₂ Ｍｇの供給を停止した
後、赤外線ランプを消灯する。この後、加熱ヒーターを
切り、水素とＮＨ₃ 雰囲気中で冷却する。４００℃でＮ
Ｈ₃の供給を止めて水素雰囲気で冷却する。

【００１４】上記のＭｇをドープしたＧａＮ膜のホール
測定を行った結果、抵抗率１Ωｃｍ、キャリア濃度８×
１０^{1 7} ｃｍ^{- 3} のｐ型導電性をを示した。比較のた
め、赤外線照射を行わない場合のＧａＮ膜を測定したと
ころ、高抵抗（１０⁸ Ωｃｍ以上）であった。また、赤
外線照射を行わずに、結晶成長し、その後に窒素雰囲気
中において７００℃で熱処理したＧａＮ膜の場合は、抵
抗率２Ωｃｍ、キャリア濃度３×^{1 7} ｃｍ^{- 3} のｐ型特
性であった。つまり、本発明を適用したサンプルの方が
Ｍｇが活性化されて低抵抗になり、その活性化率も成長
後に熱処理したＧａＮ膜と比較して２倍以上向上させる
ことが可能となった。

【００１５】これにより、１Ωｃｍ以下の抵抗率を有す
るｐ型窒化ガリウム系半導体層を形成することが可能と
なり、青色レーザや青色発光ダイオードの動作電圧の駆
動中の上昇や発光効率の低下を防ぎ、信頼性の高い素子
を実現することができた。

【００１６】(実施例２)ＧａＮ基板２を反応炉内に設置
されたサセプター３上に置く。反応炉１内を真空排気し
た後、水素雰囲気中で１１００℃で１０分間加熱して基
板の清浄化を行う。次に基板温度を５５０℃まで冷却
し、トリエチルガリウム（以下ＴＥＧと記す）とトリメ
チルアルミニウム（以下ＴＭＡと記す）をそれぞれ３０
×１０^{- 6}モル／分、ＮＨ₃ を４．０リットル／分、キ
ャリアの水素ガスを２．０リットル／分流して、ＡｌＧ
ａＮバッファ層を３００Å成長させる。次に、ＴＥＧと
ＴＭＡの供給を停止した後、成長温度１０５０℃まで上
昇させ、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。この場
合の赤外線の波長帯は、バンドパスフィルター１０を使
って、２７００ｃｍ^{- 1} 〜４２００ｃｍ^{- 1} とした。こ
の赤外線の波長域は本発明を実施して作製したｐ型窒化
ガリウム系半導体層の抵抗率を低下できる実験的に最適
化した値である。

【００１７】赤外線照射と同時に、ＴＥＧを６０×１０
^{- 6} モル／分、ＴＭＡを１０×１０^{- 6} モル／分、ＮＨ
₃ を２．０リットル／分、キャリアのＮ₂ を４．０リッ
トル／分さらにジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を４０×１０^-
6 モル／分を混合して流し、ＺｎドープのＡｌＧａＮ膜
を約０．３ｕｍ成長させた。

【００１８】次にＴＥＧ、ＴＭＡ、ＤＥＺの供給を停止
した後、赤外線ランプ１１を消し、加熱ヒーターを切
り、窒素とアンモニア雰囲気内でウェハーを冷却する。
４００℃でアンモニアの供給を止めて窒素雰囲気で室温
まで冷却する。

【００１９】このようにして作製した、ＡｌＧａＮ膜の
抵抗率は１Ωｃｍと従来方法で得られている、２００Ω
ｃｍに比べて十分に小さくすることができた。

【００２０】（実施例３）本実施例においては、実施例
１と基本的には同様の方法を用いてＧａＮ膜を作製した
が、赤外線の照射を成長終了後にウェハーを冷却する時
にも照射し続けた。これにより、実施例１において１Ω
ｃｍであったｐ型ＧａＮ膜の抵抗率はさらに０．４Ωｃ
ｍにまで低減することができた。

【００２１】これは、成長中には赤外線照射によりマグ
ネシウムと水素の原子間結合を効率良く切断されていた
が、ウェハー冷却時に雰囲気の水素が再びマグネシウム
と結合を形成するのを赤外線照射により防止した結果を
考えられる。

【００２２】（実施例４）本実施例においては、実施例
２と基本的には同様の方法を利用してＡｌＧａＮ膜を形
成したが、赤外線の照射を、ＡｌＧａＮ膜成長時ではな
く、成長終了後、雰囲気ガスを窒素とアンモニアに置換
した後に、８００℃にて２５分間実施した。

【００２３】このようにして、作製したＡｌＧａＮ膜の
抵抗率は５Ωｃｍであり、従来の２００Ωｃｍに比べて
一桁以上の低減が可能となった。

【００２４】

【発明の効果】上記のように、本発明を適用することに
より効率良く水素とｐ型不純物との結合を切断すること
が可能となり、結果、低抵抗のｐ型ＧａＮ系半導体層を
形成することができた。これにより、青色半導体レーザ
や青色発光ダイオードにおいて動作電圧を低減できるだ
けでなく、動作中における動作電圧の上昇の防止や、動
作中での発光効率の低下を抑制でき、ひいては信頼性の
高い素子を実現することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に使用した有機金属化合物気
相成長装置の主要部の構成をす概略断面図である。

【符号の説明】

１ 反応炉 ２ サファイア基板 ３ サセプター ４ ＲＦコイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系
   半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長する
   最中、あるいは、該窒化ガリウム系半導体層の成長後
   に、該窒化ガリウム系半導体層を高温の状態において赤
   外線を該窒化ガリウム系化合物半導体層に照射する工程
   を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の
   製造方法。
2. 【請求項２】 上記ｐ型不純物として、少なくともＭｇ
   あるいはＺｎを含むことを特徴とする請求項第１記載の
   窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
3. 【請求項３】 上記赤外線はＭｇとＨ、またはＺｎとＨ
   との原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線であることを
   特徴とする請求項第１記載の窒化ガリウム系化合物半導
   体の製造方法。