JPH1065270A - 窒化物系半導体を用いた半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板と窒化物系半導体層との間には、格子定
数の差異によって結晶欠陥が発生する。これは高温成長
した緩衝層でも同じである。一方、低温成長した緩衝層
を用いた場合にはその上に成長する結晶の成長軸にずれ
が生じ、高品質の単結晶を形成することができなかっ
た。 【解決手段】 基板側に多結晶に近く、単結晶層側に単
結晶に近い、かつその間を連続的あるいは段階的に変化
する緩衝層を用いることにより、結晶欠陥密度が低く、
結晶軸のそろった良質な単結晶を提供することができ
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、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光半導体素子、
ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等の超高速半
導体素子に用いられる窒化物系半導体を用いた半導体素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、青色ＬＥＤやＬＤ用の材料として
ＧａＮを始めとする窒化物系の化合物半導体が注目され
ており、いくつかのグループでは青色ＬＥＤが販売され
てきている。このような素子ではサファイア基板を用い
ている。しかしながら、サファイア基板と窒化物化合物
半導体層との間には成長面内の格子定数に１６％程度の
格子不整合が存在するため、サファイア基板上に直接、
窒化物化合物半導体層を形成すると、多数の格子欠陥が
入る。これは、特開昭６２−１１９９４０号公報に示さ
れているＡｌＮ単結晶、特開平８−６４８６８号公報に
示されているＡｌＮとＧａＮとの積層構造等、成長方法
を変更しても本質的には変わらないことである。そのた
め、これらの他に特開平２−８１４８２号公報に示され
ている低温成長したＡｌＮ多結晶、特開平４−２９７０
２３号公報に示されているＡｌＧａＮの低温成長層など
を用いることが提案されている。このような低温成長層
は、強い配向性を持つものではなく、成長方向への結晶
軸がきれいに揃っていないものである。したがって、こ
のような低温成長層の上に単結晶層を形成すると、その
単結晶においても結晶軸がきれいに揃っておらず、良質
な単結晶とはならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたよう
に、従来の緩衝層を用いた場合には、格子定数の差異か
ら起因する結晶欠陥の発生を抑制し、かつ成長方向への
結晶軸が揃った単結晶を形成することができなかった。
本発明は結晶欠陥密度が低く、また結晶軸のそろった高
品質な窒化物系化合物半導体層を形成可能な半導体素子
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶基板上
に緩衝層を形成してなる窒化物系半導体素子において、
該緩衝層の結晶性が単結晶基板側から段階的あるいは連
続的に高くなるように変化していることを特徴とする窒
化物系半導体を用いた半導体素子、また、緩衝層を実現
するために、その成長温度を段階的にあるいは連続的に
変化させることを特徴とする製造方法である。本発明に
おける緩衝層は基板側に多結晶に近い層があるため、基
板との界面に結晶欠陥が発生しにくい。このような緩衝
層上に段階的にあるいは連続的に例えば成長温度を上昇
させることにより、徐々に緩衝層の結晶軸が成長方向に
そろってくる。その結果、緩衝層上に成長された半導体
層は、結晶軸のそろった良質な結晶を実現することがで
きる。また温度一定にし、成長速度を段階的あるいは連
続的に変化させても緩衝層の結晶軸が成長方向にそろっ
て、緩衝層上の半導体層も結晶軸のそろった良質な結晶
を得ることができ、ひいては発光効率の高いＬＥＤ，Ｌ
Ｄを得ることができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の実施形態としての必須要件は、以下の通りであ
る。 １）サファイヤや炭化シリコン等の単結晶基板上に窒化
物系化合物半導体層とを形成してなる窒化物系半導体を
用いた半導体素子であって、 ２）上記単結晶基板と窒化物系化合物半導体層との間に
緩衝層が存在し、その緩衝層の結晶性が、基板側で多結
晶近く、単結晶層側が単結晶に近い構造になっており、
それらが段階的にあるいは連続的に変化している点であ
る。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 （実施例１）図１に本発明の第１の実施の形態に関わる
半導体レーザ１００の断面構造を示す。半導体レーザ１
００は、ｃ面を主面とするサファイア１０１を有してお
り、サファイア基板１０１上に厚さ５０ｎｍのＧａＮ緩
衝層１０２が形成されており、その上にレーザ構造のた
めの窒化物系半導体の積層構造１０３〜１０７が形成さ
れている。ＧａＮ緩衝層１０２は本願の必須要件を満た
すものである。同条件でこの緩衝層までを形成した膜の
Ｘ線回折では、基板に近い領域を測定した場合には半値
幅が非常に広い多結晶的なもので、一方、単結晶層を形
成する表面側を測定した場合には半値幅の狭い単結晶的
なものであった。このピークは表面側から深い方向の情
報をも取り込むことによって強度が徐々に低下するよう
な構造を作っている。これは表面側から深さ方向に結晶
性を単結晶的なものから多結晶的なものへ変化させてい
るものとともに、それらの平均的な値が反映されるから
である。窒化物系半導体積層構造１０３〜１０７は、順
に厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１０３、厚さ５００ｎｍの
ｎ型ＡｌＧａＮ層１０４、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮ活
性層１０５、厚さ５００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１０
６、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０７である。これ
らの各層に故意に添加した不純物は、ｎ型ＧａＮ層１０
３及びｎ型ＡｌＧａＮ層１０４がＳｉで、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ層１０６及びｐ型ＧａＮ層１０７がＭｇである。

【０００７】結晶成長の後、ｐ型層上にＳｉＯ₂ 膜１１
０によって１０μｍの幅でストランプ化されたＮｉ／Ａ
ｕ積層電極１１１が、エッチング除去して表面に露出さ
せたｎ型ＧａＮ層にも同じ厚さのＴｉ／Ａｕ積層電極１
１２が形成されている。

【０００８】以下に、半導体レーザ１００の製造方法を
順に説明する。この半導体レーザ１００は、周知の有機
金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による気相成長を用い
て製造した。用いた原料は、有機金属原料として、トリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシ
クロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）であ
り、ガス原料としてアンモニア及びシランである。ま
た、キャリアガスとして水素及び窒素を用いた。

【０００９】まず、有機洗浄、酸洗浄によって処理した
サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に載
置され、高周波によって加熱されるサセプタ上に装着し
た。次に常圧で水素を２０Ｌ／分の流量で流しながら、
温度１２００℃で約１０分間、気相エッチングを施し、
表面にできた自然酸化膜を除去した。

【００１０】次に、サファイア基板１０１を５５０℃ま
で降温し、水素、窒素、アンモニアをそれぞれ５Ｌ／
分、ＴＭＧを３０ｃｃ／分を約２分間流し、その後、ガ
スを流したまま温度１１００℃まで１２分間かけて上昇
させる。その後、さらに温度１１０００℃で約２分間保
持する。このような工程を経ることにより、ＧａＮ緩衝
層１０２を形成した。このような緩衝層をＸ線回折を測
定した時には、基板側では半値幅が６０ａｒｃｍｉｎ程
度の比較的多結晶に近いものとなっており、表面側では
半値幅が５ａｒｃｍｉｎ程度の比較的単結晶に近いもの
となっている。また、この緩衝層１０２の表面では、Ｘ
線回折における逆格子空間マッピングによって求められ
る結晶軸のずれに関係する値が従来のものの約２分の１
とすることができた。すなわち、緩衝層１０２の成長温
度を連続的に変化させることにより同一組成の緩衝層中
に異なる性質を持った部分を合わせ持たせることができ
た。

【００１１】ここで、ＧａＮ緩衝層１０２は以下に述べ
るｎ型ＧａＮ層１０３からｐ型ＧａＮ層１０７までの成
長中に８００〜１１００℃程度の高温状態を経験するた
め、ＧａＮ緩衝層１０２全体が単結晶に近い状態にな
る。しかしながら、この状態においても、例えば室温で
のＰＬ測定などを行なうと、バンド端付近の発光におけ
る半値幅が基板側では広く、表面側では狭くなってお
り、成長時の傾向を維持している。

【００１２】次に、サファイア基板１０１を１１００℃
で保持し、水素、窒素、アンモニアをそれぞれ５Ｌ／
分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、水素によって１０ｐｐｍ
に希釈したＳｉＨ₄ を８ｃｃ／分を約６０分間流すこと
により、ｎ型ＧａＮ層１０３を形成した。この後さらに
引き続いて、これらに原料にＴＭＡ５０ｃｃ／分を追加
し、約１０分間流すことによりｎ型ＡｌＧａＮ層１０４
を形成した。

【００１３】次に、サファイア基板１０１を８００℃ま
で降温・保持し、窒素を１０Ｌ／分、アンモニアを５Ｌ
／分、ＴＭＧを３０ｃｃ／分、ＴＭＩを２００ｃｃ／分
を約１０分間流すことによりＩｎＧａＮ活性層１０５を
形成した。

【００１４】次に、サファイア基板１０１を再び１１０
０℃まで昇温・保持し、水素、窒素、アンモニアをそれ
ぞれ５Ｌ／分、ＴＭＧを３０ｃｃ／分、ＴＭＡ１００ｃ
ｃ／分Ｃｐ₂ Ｍｇを５０ｃｃ／分で約１０分間流すこと
によりｐ型ＡＩＧａＮ層１０６を形成した。これに引き
続いてＴＭＡの供給を停止し、残りの原料ガスを約１０
分間流すことにより、ｐ型ＧａＮ層１０７を形成した。
この後、窒素のみを１０Ｌ／分流しながら、室温まで冷
却し、反応室から成長ウェーハを取り出した。

【００１５】次にｐ型ＧａＮ層１０７上に周知の熱ＣＶ
Ｄ法などを用いてＳｉＯ₂ 膜１１０を厚さ０．５μｍ形
成し、フォトエッチングプロセスなどにより幅１５０μ
ｍの縞状構造を形成した。ＳｉＯ₂ 膜１１０のない部分
を塩素ガス等を用いてｎ型ＧａＮ層１０３が露出するま
でエッチングした。

【００１６】次にｐ型ＧａＮ層１０７上のＳｉＯ₂ 膜１
１０にフォトエッチングプロセスなどにより幅１０μｍ
の孔を形成した。この孔に周知の真空蒸着法などにより
Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを３μｍの厚さで積層させて電極
１１１とした。また、ｎ型ＧａＮ層１０３上にも同じ厚
さでＴｉおよびＡｕを形成した。

【００１７】このようにして作製したウェーハを３５０
μｍ×５００μｍの大きさにへき開し、レーザダイオー
ドチップとした。このチップは活性層中のＩｎ組成によ
るが、波長４２０ｎｍで５ｍＷの出力で室温連続発振し
た。

【００１８】（比較例１）以下に、本発明の第１の実施
形態に関わる半導体レーザにおける比較例について説明
する。半導体レーザの素子構造としては第１の実施例と
同じ構造である。ここで異なる点は、ＧａＮ緩衝層１０
２が連続的な温度上昇ではなく、一定の温度、５５０℃
で成長させた点である。このような成長を行なうことに
より、緩衝層１０２はＸ線回折の半値幅が６０ａｒｃｍ
ｉｎ程度の比較的多結晶に近いものとなっている。この
上にｎ型Ｇａ層１０３からｐ型ＧａＮ層１０７までの成
長を行なう。この時、単結晶１０３から１０７までの結
晶軸のずれの大きさは、第１の実施例に比べて２倍であ
った。この違いにより、第１の実施例は比較例に対して
不純物の活性化率が約３０％程度改善された。それらの
要因が関係して、効率が約５０％改善され、素子の寿命
が約２倍伸びた。

【００１９】（実施例２）図２に本発明の第２の実施形
態に関わる半導体レーザ２００の断面構造を示す。半導
体レーザ２００は、スピネル基板２０１を有しており、
そのスピネル基板２０１上にＡｌＮ緩衝層２０２が５０
ｎｍの厚さで形成されている。この緩衝層２０２は積層
構造になっており、スピネル基板２０１側からＸ線回折
の半値幅の異なる層を成長時間３０秒ごとに成長温度６
００℃から１１００℃まで変えて形成している。この上
に第１の実施例と同様の構造を形成した。この結果、基
板のへき開性がサファイアよりもスピネルの方がいいた
め、素子特性としては低しきい値で発振した。

【００２０】（実施例３）図３に本発明における第３の
実施形態に関わる発光ダイオード３００の断面構造を示
す。発光ダイオード３００はサファイア基板３０１を有
しており、サファイア基板３０１上にＧａＮ緩衝層３０
２が厚さ２０ｎｍで形成されている。さらにこの上にｎ
型ＧａＮコンタクト層３０３、ＩｎＧａＮ発光層３０
４、ｐ型ＡｌＧａＮ層３０５、ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０６がこの順で形成されている。

【００２１】本実施例における緩衝層３０２は、温度５
０５℃で４分間成長した後、原料ガスを流したまま１２
分間かけてｎ型ＧａＮコンタクト層３０３を成長する１
１００℃まで昇温することにより形成する。これ以降の
成長過程によって緩衝層３０２は単結晶化する。この緩
衝層について結晶成長後に室温でフォトルミネッセンス
測定を行なった。励起光源にはＡｒレーザのＳＨＧ光
（波長２５７ｎｍ）を用いた。この励起光によって得ら
れるＰＬ光を分光器により分光し、波長３５０ｎｍから
３８０ｎｍまでの領域に得られるピークの半値幅を測定
したところ、単結晶層３０６からレーザ光を照射した場
合には１１０ｎｍであったが、サファイア基板３０１側
からレーザ光を照射した場合には１５ｎｍであった。こ
の違いは緩衝層３０２の単結晶性が基板側の方で弱いこ
とを示している。また、このような半値幅について、比
を単結晶側からの測定した場合の半値幅に対する基板側
から測定した場合の半値幅と定義する。その場合、緩衝
層が均一であれば比は１であるが、本願のような手法で
は比は大きくなる。この比は１より大きく、３０以下で
ある場合に効果が現われ、特に１０以下であることが望
ましい。

【００２２】このようにして作製した発光ダイオード３
００は電流２００ｍＡで１ｃｄの強さで発光した。この
結果は、緩衝層３０２が成長温度一定の状況で作製した
発光ダイオードの光強度に比べて約３０％増加した。

【００２３】（実施例４）図４に本発明における第４の
実施例形態に関わる半導体レーザ４００の断面構造を示
す。半導体レーザ４００は、ｃ面を主面とするサファイ
ア４０１を有しており、サファイア基板４０１上にＧａ
Ｎからなる緩衝層が形成されている。さらにこの上にレ
ーザ構造のための窒化物系半導体の積層構造４０４〜４
０８が形成されている。４０４から４０８までは第１の
実施例の１０３から１０７までに対応している。

【００２４】ここで、緩衝層は温度５５０℃、３分で成
長した層４０２と、温度１０００℃、２分で成長した層
４０３とを交互に成長した。緩衝層をこのような構造と
することにより、この上に成長する単結晶層の結晶軸の
ずれをさらに改善することができるので、不純物の活性
化率を２０％程度改善することができた。また、このよ
うな緩衝層は周期構造であることから、基板と窒化物系
半導体結晶との格子不整合に起因する格子欠陥の伝播を
抑制することができ、窒化物系半導体結晶内における格
子欠陥密度を約１桁低減することができた。本実施例に
おいては、５５０℃で成長した層を３分、１０００℃で
成長した層を２分で成長したが、これらの時間を短く
し、すなわち層厚を薄くし、それらの周期を多くするほ
ど結晶性の向上をはかることができた。この時間比の場
合には、５５０℃の成長時間を９０秒以下にし、５回以
上の周期で繰り返すことが望ましい。しかしながら、成
長時間を２０秒以下にすることは、本実施例に用いたＭ
ＯＣＶＤ法では緩衝層が全面に一様に形成することに課
題が生じることからあまり望ましいものではない。

【００２５】また、本実施例においては、活性層４０６
をＩｎＧａＮの単一層としたが、ＧａＮとＩｎＧａＮ、
あるいはＩｎ組成の異なるＩｎＧａＮの多重量子井戸構
造（ＭＱＷ）とすることにより、発振しきい電流密度を
低減することができる。さらに、活性層４０６の上下に
ＧａＮからなる光ガイド層を設けることも可能である。
また、効率のいい電流注入をはかるために、少なくとも
活性層４０６を図５に示すようなメサ構造とすることも
可能である。この場合、活性層に隣接する領域５０６は
高抵抗層であることが望ましい。このような高抵抗層は
例えばＧａＮのＺｎを添加することによって実現でき
る。

【００２６】本発明の実施例においては緩衝層として、
ＧａＮ、ＡｌＮのみについて述べたが、他の材料系、例
えばこれらの材料にＩｎ、Ａｓ、Ｐなどが加えられてい
るものでも可能である。また上述した実施例では基板と
してサファイヤまたはスピネルを用いたが、ＳｉＣ等の
半導体でも良く、さらに緩衝層の成長方法も成長温度変
化させずに成長時間を変えるようにしても良く、さらに
はＬＤやＬＥＤに限らず、ＨＢＴやＨＥＭＴ等の電子デ
バイスにも適用可能である。要するに本発明の意図する
ところは、緩衝層の結晶性を連続的あるいは段階的に変
化させるところにある。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、よ
り品質の高い窒化物半導体層を提供できることから、こ
れまで市販されてきた発光ダイオードよりも高注入であ
るために高品質の結晶を求められる半導体レーザや発光
ダイオード、さらにはＨＢＴ，ＨＥＭＴ等の電子デバイ
スを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態に関わるＧａＮ系半導体レ
ーザの断面構造図。

【図２】 第２の実施の形態に関わるＧａＮ系半導体レ
ーザの断面構造図。

【図３】 第３の実施の形態に関わるＧａＮ系発光ダイ
オードの断面構成図。

【図４】 第４の実施の形態に関わるＧａＮ系半導体レ
ーザの断面構成図。

【図５】 第４の実施の形態の変形例を示す断面構成
図。

【符号の説明】

１００…半導体レーザ １０１…サファイア基板 １０２…ＧａＮバッファ層 １０３…ｎ型ＧａＮ層 １０４…ｎ型ＡｌＧａＮ層 １０５…ＩｎＧａＮ活性層 １０６…ｐ型ＡｌＧａＮ層 １０７…ｐ型ＧａＮ層 １１０…ＳｉＯ₂ 膜 １１１…Ｎｉ／Ａｕ積層電極 １１２…Ｔｉ／Ａｕ積層電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶基板上に緩衝層を形成してなる窒化
   物系半導体を用いた半導体素子において、前記緩衝層の
   結晶性が単結晶基板側から窒化物系半導体層に向けて、
   段階的にあるいは連続的に変化するように構成したこと
   を特徴とする窒化物系半導体を用いた半導体素子。
2. 【請求項２】単結晶基板上に緩衝層を結晶成長法により
   形成してなる窒化物系半導体を用いた半導体素子の製造
   方法において、前記緩衝層の成長温度を段階的にあるい
   は連続的に変化させて形成することを特徴とする窒化物
   系半導体素子の製造方法。
3. 【請求項３】緩衝層の成長温度を段階的にあるいは連続
   的に上昇させることを特徴とする請求項２に記載の窒化
   物系半導体を用いた半導体素子の製造方法。