JPH1140845A

JPH1140845A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子および窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH1140845A
Application number: JP26310997A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Oku; 保成奥; Hidemi Takeishi; 英見武石; Hidenori Kamei; 英徳亀井; Shuichi Shinagawa; 修一品川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-09-29
Also published as: JP3653950B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を用いた発
光素子において、バッファ層および窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の平坦性を向上させて優れた発光特性を得
ることを目的とする。【解決手段】基板１と、この基板１上に成膜されたＡ
ｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）から成るバッファ層２
と、このバッファ層２上に成膜されたｎ型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜３と、さらにｎ型窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜３上に成膜されたｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜５とからなる構成の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子および窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光
発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料と
して注目されている。これらのデバイスにおいては、一
般に半導体薄膜を積層させた構造が用いられている。

【０００３】ここで、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長させる方法として、有機金属気相成長法が良く知
られている。この方法は、基板を設置した反応管内にＩ
ＩＩ族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリ
メチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という。）、トリメ
チルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」という。）、トリ
メチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」という。）等）
と、Ｖ族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン
等を供給し、基板温度をおよそ９００℃〜１１００℃の
高温で保持して、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を成長させる方法である。この方法により窒化ガリ
ウム系化合物半導体を成長させる場合、窒化ガリウム系
化合物半導体からなる基板が存在しないため、比較的格
子定数が近いサファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）等の異種
材料が基板として用いられている。

【０００４】しかし、サファイアやＳｉＣ基板と窒化ガ
リウム系化合物半導体の間には格子不整が存在するた
め、これらの基板上に高温で窒化ガリウム系化合物半導
体を直接成長させると、窒化ガリウム系化合物半導体が
島状成長し、平坦な表面が得られない。

【０００５】これを解決する手段として、特開平２−２
２９４７６号公報に開示されているように、窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させる前に基板上に低温でアモ
ルファス状の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる平坦
なバッファ層を成長させ、このバッファ層上に高温で窒
化ガリウム系化合物半導体を成長させる方法がある。そ
して、この方法を用いて窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜を積層させた構造からなる発光素子が作製されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡｌＮ
をバッファ層とした場合、巨視的には二次元的な平面状
の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜が成長可能であるも
のの、微視的には薄膜表面に依然凹凸が残存し、また、
結晶性も不十分であるため、当該薄膜の改善が望まれて
いる。特に、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜からなる
量子井戸構造デバイスにおいては、ヘテロ接合界面で原
子レベルの平坦性が必要とされるが、従来の方法では、
薄膜表面の凹凸によりヘテロ接合界面に位置する発光層
の構造が不均一となるため、十分な発光特性が得られな
いという問題があった。

【０００７】そこで、本発明は、優れた発光特性を有す
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供すること
を目的とする。

【０００８】また、本発明は、表面平坦性と結晶性に優
れた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
は、基板と、この基板上に成膜されたＡｌ１−ｘＩｎｘ
Ｎ（０＜ｘ＜１）から成るバッファ層と、このバッファ
層上に成膜された窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とを
有するもので、バッファ層をＡｌＮとＩｎＮ（窒化イン
ジウム）の混晶した構成にする。

【００１０】これにより、表面平坦性と結晶性が大幅に
改善され、発光特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜からなる発光素子を得ることができる。

【００１１】また、本発明による窒化ガリウム系化合物
薄膜の製造方法は、有機金属気相成長法を用いた窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜の製造方法であって、基板の
上にＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるバッフ
ァ層を成長させ、このバッファ層の上に窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜を成長させる構成にする。

【００１２】これにより、バッファ層の上に形成する窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との格子定
数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結晶欠陥の
発生が低減されて、表面平坦性と結晶性に優れた窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜を製造することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基板と、この基板上に成膜されたＡｌ１−ｘＩｎｘ
Ｎ（０＜ｘ＜１）から成るバッファ層と、このバッファ
層上に成膜された窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とを
有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、Ａ
ｌＮバッファ層に比較してバッファ層の上に形成する窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との格子定
数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結晶欠陥の
発生が低減されるという作用を有する。

【００１４】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘ
ＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘが０．２≦ｘ≦０．８
である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、Ａ
ｌＮバッファ層に比較してバッファ層の上に形成する窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との格子定
数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結晶欠陥の
発生が低減されるという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
１記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘ
ＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘが０．６≦ｘ≦０．８
である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との格子定
数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結晶欠陥の
発生が低減されるという作用を有する。

【００１６】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
１記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘ
ＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘが基板側よりも窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜側において小さい窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子であり、窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜とバッファ層との界面における格子定数差
を小さくできるという作用を有する。

【００１７】本発明の請求項５に記載の発明は、請求項
１〜４の何れか一項に記載の発明において、バッファ層
の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍである窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子であり、バッファ層の上に形成する窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との格子定数
差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結晶欠陥の発
生が低減されるという作用を有する。

【００１８】本発明の請求項６に記載の発明は、請求項
１〜５の何れか一項に記載の発明において、窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜である
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ＡｌＮバ
ッファ層に比較してバッファ層の上に形成するｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とｐ型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜に生じる結晶欠陥の発生が低減されるとい
う作用を有する。

【００１９】本発明の請求項７に記載の発明は、有機金
属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
の製造方法であって、基板を用意し、この基板の上にＡ
ｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるバッファ層を
成長させ、このバッファ層の上に窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜を成長させる窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の製造方法であり、ＡｌＮバッファ層に比較してバッ
ファ層の上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
とバッファ層との格子定数差に起因する歪みが吸収され
やすくなり、結晶欠陥の発生が低減されるという作用を
有する。

【００２０】本発明の請求項８に記載の発明は、請求項
７記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘ
ＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘが、０．２≦ｘ≦０．
８である窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法で
あり、ＡｌＮバッファ層に比較してバッファ層の上に形
成する窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層と
の格子定数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結
晶欠陥の発生が低減されるという作用を有する。

【００２１】本発明の請求項９に記載の発明は、請求項
７記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘ
ＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘが、０．６≦ｘ≦０．
８である窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法で
あり、ＡｌＮバッファ層に比較してバッファ層の上に形
成する窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とバッファ層と
の格子定数差に起因する歪みが吸収されやすくなり、結
晶欠陥の発生が低減されるという作用を有する。

【００２２】本発明の請求項１０に記載の発明は、請求
項７記載の発明において、バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎ
ｘＮにおけるＩｎＮの固相モル比ｘは、基板側よりも窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜側において小さい窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜の製造方法であり、窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜とバッファ層との界面における
格子定数差を小さくできるという作用を有する。

【００２３】本発明の請求項１１に記載の発明は、請求
項７〜１０の何れか一項に記載の発明において、バッフ
ァ層の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍである窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜の製造方法であり、バッファ層としての
効果を良好に保ち、バッファ層をアモルファス状に形成
することができるという作用を有する。

【００２４】本発明の請求項１２に記載の発明は、請求
項７〜１１の何れか一項に記載の発明において、バッフ
ァ層の基板表面温度が４００℃〜７００℃である窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜の製造方法であり、バッファ
層をアモルファス状に、且つ表面平坦性を安定に保って
形成することができるという作用を有する。

【００２５】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図４を用いて説明する。（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態で用いられ
る有機金属気相成長装置の主要部を示す概略図であり、
反応部の構造およびその反応部に通じるガス系統が示さ
れている。

【００２６】図１において、一方端にガス導入口１１ａ
が、他方端にガス排出口１１ｂが開口された反応管１１
の上部には、基板１２の薄膜成長面を下向きに保持する
基板ホルダ１３が配設されている。反応管１１の外部で
且つ基板ホルダ１３の近傍には発熱体１４が設置されて
おり、基板ホルダ１３および基板１２は発熱体１４によ
って加熱される。

【００２７】ガス導入口１１ａには、反応管１１内にキ
ャリアガスおよび原料ガスを導入するためのガス配管が
接続されている。ガス配管は、主キャリアガスである窒
素ガスおよび水素ガスがそれぞれ流れる第１の配管１７
ａおよび第２の配管１７ｂと、第２の配管１７ｂから分
岐してＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩおよびビスシクロペンタ
ジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ₂Ｍｇ」とい
う。）をそれぞれ取り込むための水素ガスである副キャ
リアガスがそれぞれ流れる第３の配管１７ｃ、第４の配
管１７ｄ、第５の配管１７ｅおよび第６の配管１７ｆ
と、アンモニアが流れる第７の配管１７ｇと、モノシラ
ン（以下、「ＳｉＨ₄」という。）が流れる第８の配管
１７ｈとから構成されている。これらの配管１７ａ〜１
７ｈ上には、ガス流量を制御する流量制御器１５ａ〜１
５ｈがそれぞれ設置されている。また、第３の配管１７
ｃ上にはＴＭＧが収容されたシリンダ１８ｃが、第４の
配管１７ｄ上にはＴＭＡが収容されたシリンダ１８ｄ
が、第５の配管１７ｅ上にはＴＭＩが収容されたシリン
ダ１８ｅが、第６の配管１７ｆ上にはＣｐ₂Ｍｇが収容
されたシリンダ１８ｆがそれぞれ設置されている。そし
て、第１〜第８の配管１７ａ〜１７ｈは反応管１１に向
かって順次相互に合流されており、最終的に１本のガス
配管となってガス導入口１１ａに接続されている。

【００２８】このような有機金属気相成長装置では、原
料ガスである有機金属化合物ガスは、流量制御器１５
ｃ、１５ｄ、１５ｅによって流量を制御された水素ガス
からなるキャリアガスを、それぞれＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｔ
ＭＩを内包したシリンダ１８ｃ〜１８ｅ内に導入してバ
ブリングさせることによって気化されて取り出される。
そして、これらの有機金属化合物ガスは、流量制御器１
５ｇによって流量を制御されたアンモニアとともに、流
量制御器１５ａ、１５ｂによって流量を制御された窒素
ガスおよび水素ガスの混合ガスからなる主キャリアガス
によって効率良く反応管１１に供給される。

【００２９】反応管１１内においては、原料ガスである
アンモニアと有機金属化合物ガスが反応した後、加熱さ
れた基板１２上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜が形
成される。なお、原料ガスの残りは排気ガス１６として
排出される。

【００３０】ここで、ｐ型あるいはｎ型不純物のドープ
された窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる場
合には、流量制御器１５ｆによって流量を制御された水
素ガスからなるキャリアガスによってバブリングされて
取り出されたＣｐ₂Ｍｇガス、あるいは流量制御器１５
ｈによって流量を制御されたＳｉＨ₄ガスを、前記有機
金属化合物ガスと同時に流す。なお、Ｃｐ₂Ｍｇガスは
ｐ型不純物であるＭｇを含んでいるので、ｐ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜を成長させる場合に、ＳｉＨ₄
ガスはｎ型不純物であるＳｉを含んでいるので、ｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる場合に用い
られる。

【００３１】次に、有機金属気相成長装置を用いた成膜
の工程を説明する。まず、表面を鏡面に仕上げられたサ
ファイアの基板１２を準備する。次に、これを良く洗浄
して反応管１１内の基板ホルダ１３に設置する。そし
て、第２の配管１７ｂから水素ガスを流しながら基板１
２の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、基板１２を
加熱することにより表面に付着している有機物等の汚れ
や水分を取り除くためのクリーニングを行う。

【００３２】その後、基板表面温度を６００℃にまで降
下させ、主キャリアガスとして窒素ガス、ＴＭＡを含む
ＴＭＡ用のキャリアガス、ＴＭＩを含むＴＭＩ用のキャ
リアガスおよびアンモニアを流しながら、Ａｌ１−ｘＩ
ｎｘＮからなるバッファ層をたとえば２５ｎｍの厚さに
成長させる。Ａｌ１−ｘＩｎｘＮは、ＡｌＮとＩｎＮ
（窒化インジウム）の混晶の状態となっており、本実施
の形態では、ＩｎＮの固相モル比ｘをパラメータとし
て、ｘが０．２、０．５、０．８の３種類のサンプルを
作製した。

【００３３】各々のサンプルを作製する際に、主キャリ
アガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニ
アを５リットル／分の流量で流し、ＴＭＡを含むＴＭＡ
用のキャリアガス、ＴＭＩを含むＴＭＩ用のキャリアガ
スの流量は、それぞれ、ｘが０．２の場合、１５ｃｃ／
分、５０ｃｃ／分、ｘが０．５の場合、１０ｃｃ／分、
１００ｃｃ／分、ｘが０．８の場合、５ｃｃ／分、１５
０ｃｃ／分とした。

【００３４】次に、ＴＭＡとＴＭＩのキャリアガスを止
め、基板表面温度を１０５０℃まで上昇させた後、主キ
ャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガス
を０．９５リットル／分、新たにＴＭＧを含むＴＭＧ用
のキャリアガスを４ｃｃ／分で流しながら６０分間成長
させて、バッファ層上に窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜を２μｍの厚さで成長させる。

【００３５】成長後、原料ガスであるＴＭＧガスとアン
モニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で
流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管１１
から取り出す。なお、ウェハーとは基板１２に上記の薄
膜が成膜されたものを指す。

【００３６】ここで、本発明者は、このようにして得ら
れた実施の形態１のウェハーの他に、比較例１および２
として次のようなプロセスによるサンプルを得た。

【００３７】（比較例１）比較例１のサンプルの製造プ
ロセスは、上述のようなバッファ層を成長させる工程に
おいて、ＴＭＡ用およびＴＭＩ用の混合のキャリアガス
の代わりにＴＭＡ用のキャリアガスのみを２０ｃｃ／分
で流す以外は同様にして、ＩｎＮの固相モル比ｘを０．
０とし、ＡｌＮからなるバッファ層を成長させる。次
に、前述と同様の方法で、バッファ層上へ窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜を成膜する、というものである。

【００３８】（比較例２）比較例２のサンプルの製造プ
ロセスは、やはり上述のようなバッファ層を成長させる
工程において、ＴＭＡ用およびＴＭＩ用の混合のキャリ
アガスの代わりにＴＭＩ用のキャリアガスのみを２００
ｃｃ／分で流す以外は同様にして、ＩｎＮの固相モル比
ｘを１．０とし、ＩｎＮからなるバッファ層を成長させ
る。次に、前述と同様の方法で、バッファ層上へ窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜を成膜する、というものであ
る。

【００３９】次に、以上の製造方法によって成膜された
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の評価を行った。

【００４０】評価としては、顕微鏡による窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜の表面観察、および窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜の表面の算術平均粗さ（以下、「Ｒ
ａ」という。）の測定とした。測定装置はＤｅｋｔａｋ
３０３０表面粗さ測定装置を用い、先端半径２μｍの触
針を用い、針圧を３０ｍｇ、測定長さを１０００μｍと
した。

【００４１】図２は、バッファ層のＩｎＮ固相モル比と
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面のＲａとの関係
を示すグラフである。

【００４２】窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面を
顕微鏡で観察した結果によれば、バッファ層がＡｌＮあ
るいはＩｎＮからなる比較例１および比較例２において
は、実施の形態１の場合と比較して凹凸が顕著な表面で
あった。また、図２から分かるように、Ｒａの測定値
は、各々、約７ｎｍ、約２３ｎｍであり、ＡｌＮとＩｎ
Ｎが混合したバッファ層を用いた実施の形態１における
サンプルの表面粗さＲａが２〜３ｎｍであることと比較
すると、大きな違いが認められた。そして、図２より、
Ａｌ１−ｘＩｎｘＮからなるバッファ層のＩｎＮ固相モ
ル比ｘを、好ましくは、０．２以上且つ０．８以下とし
たときに、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面粗さ
が低減された値になる。

【００４３】（実施の形態２）実施の形態２において
も、実施の形態１にて説明した有機金属気相成長装置が
用いられる。

【００４４】そして、本実施の形態では、前述の実施の
形態１のバッファ層を成長させる工程において、ＩｎＮ
の固相モル比ｘをパラメータとして、ｘを０．６、０．
７、０．９とし、バッファ層上への窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の形成を実施の形態１における製造方法と
同等の方法で実施し、３種類のサンプルを作製した。

【００４５】各々のサンプルを作製する際に、主キャリ
アガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニ
アを５リットル／分の流量で流し、ＴＭＡを含むＴＭＡ
用のキャリアガス、ＴＭＩを含むＴＭＩ用のキャリアガ
スの流量を、ｘが０．６の場合、６．７ｃｃ／分、１３
４ｃｃ／分、ｘが０．７の場合、６ｃｃ／分、１４０ｃ
ｃ／分、ｘが０．９の場合、２．５ｃｃ／分、１７５ｃ
ｃ／分とした。

【００４６】次に、実施の形態１、実施の形態２、比較
例１および比較例２の製造方法によって成膜された窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜の二結晶Ｘ線ロッキングカ
ーブの測定を行った。

【００４７】ここで、図３は、バッファ層のＩｎＮ固相
モル比と窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の二結晶Ｘ線
ロッキングカーブ半値幅との関係を示すグラフである。

【００４８】図３から分かるように、バッファ層がＡｌ
ＮあるいはＩｎＮからなる上記比較例１（ＩｎＮ固相モ
ル比：０．０）と比較例２（ＩｎＮ固相モル比：１．
０）の半値幅の値は、各々、約９分、約１１分であり、
また、ＡｌＮとＩｎＮが混合したバッファ層を用いた実
施の形態１および２におけるサンプルのうち、ＩｎＮ固
相モル比を０．２、０．５、０．９としたものは、バッ
ファ層がＡｌＮからなる比較例１のサンプルとほぼ同程
度の半値幅であったのに対し、ＩｎＮ固相モル比を０．
６、０．７、０．８としたものは、半値幅の値が約４分
から５分となり、大きな差が認められた。

【００４９】したがって、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮからなる
バッファ層のＩｎＮ固相モル比ｘを、好ましくは、０．
６以上且つ０．８以下としたときに、窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜の結晶性が大幅に低減されることがわか
る。

【００５０】なお、このようにＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０
＜ｘ＜１）をバッファ層として用いた場合に、従来のＡ
ｌＮバッファ層を用いた場合よりも、その上に成長され
る窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面平坦性と結晶
性が改善される理由は、以下のように推察することがで
きる。

【００５１】即ち、ＡｌＩｎＮをバッファ層として用い
た場合には、硬度の低いＩｎＮを含むために、比較例１
のようにＡｌＮをバッファ層として用いた場合に比べ
て、バッファ層上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を
高温で成長させる際に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
層とバッファ層との格子定数の差によりこれらの間に生
じる歪みが吸収されやすく、歪みによって発生する結晶
欠陥が低減されるため、窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の結晶成長を良好なものにでき、表面平坦性と結晶性
に優れた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を得ることが
可能となる。

【００５２】また、比較例２のようにバッファ層がＩｎ
Ｎから成る場合には、このＩｎＮは高温で分解し易く、
窒素を解離するため、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
の成膜の準備のためにバッファ層を昇温する過程でＩｎ
Ｎの窒素が解離しバッファ層がＩｎ過剰な表面となる。
このため、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜との格子定数の差が増加し、その上に成長させた窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜の結晶に欠陥が生じやすく
なり、表面の平坦性に優れた窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜が得られない。

【００５３】ここで、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
の表面平坦性を確保するためには、ＡｌＩｎＮバッファ
層の厚さを５ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下とすることが好
ましい。これは、ＡｌＩｎＮバッファ層の厚さが５ｎｍ
未満になると、バッファ層としての効果が弱くなり、そ
の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜表面
には、基板上に直接成長させた場合と同様に、六角錐状
の凹凸が著しい表面形態が現れるからである。一方、Ａ
ｌＩｎＮバッファ層の厚さを５０ｎｍよりも厚くする
と、その後の昇温過程で単結晶化しにくくなり後述する
種結晶としての作用を果たさなくなるため、その上に成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜表面の平坦性
が劣化するからである。

【００５４】また、バッファ層を４００℃〜７００℃と
いう低温で成長させることにより、バッファ層がアモル
ファス状になるため、基板の鏡面状態の平坦性を保って
バッファ層表面も平坦な表面となる。そして、この上に
成長させる窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、例えば
１０００℃という高温で成長させる必要があるために、
この高温での成長過程でバッファ層は部分的にアモルフ
ァス状態から単結晶化し、窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜成長用の種結晶として作用する。バッファ層の成長
温度が４００℃よりも低くなると、バッファ層の原料と
して用いている有機金属化合物ガスやアンモニアが分解
しにくくなり、バッファ層が成長されなくなる傾向があ
る。一方、成長温度が７００℃よりも高くなると、Ａｌ
ＩｎＮバッファ層が多結晶となるため、島状に成長しや
すくなり平坦性が劣化する。また、成長温度が７００℃
よりも高くなると、ＩｎＮが解離しやすくなるため、バ
ッファ層成長中にＡｌＩｎＮがＡｌＮになりやすい傾向
にある。

【００５５】このように、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ
＜１）をバッファ層とすることで、その上に成長させる
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面を平坦にし、結
晶性を良好なものにすることができる。

【００５６】ここで、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮバッファ層の
ＩｎＮ固相モル比をバッファ層の成長方向に小さくなる
ように変化させることも有効である。

【００５７】これは、バッファ層の基板側よりも窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜側においてＩｎＮ固相モル比
を小さくすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体
とＡｌＩｎＮバッファ層との格子定数差を小さくするこ
とができるので、この界面における格子定数差に起因す
る歪みや結晶欠陥の発生が低減されるからである。ま
た、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜側に対して基板側
のＩｎＮ固相モル比が高くなるので、上述のＡｌＩｎＮ
バッファ層の効果、すなわちＩｎを含むバッファ層とそ
の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体との界面
における歪み等の低減の効果を保持することが可能とな
るからである。

【００５８】例えば、バッファ層を２５ｎｍの厚さで形
成する場合、まず、ＩｎＮ固相モル比が０．７となるよ
うにＴＭＧ用とＴＭＩ用のキャリアガスの流量を調整し
て流して１５ｎｍの厚さで成長させる。次に、ＩｎＮ固
相モル比が０．２となるようにＴＭＧ用とＴＭＩ用のキ
ャリアガスの流量を調整して流して１０ｎｍの厚さで成
長させる。このようにして、バッファ層の基板側でＩｎ
Ｎ固相モル比を高く、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
側でＩｎＮ固相モル比を小さくすることができる。

【００５９】そして、ＩｎＮ固相モル比をバッファ層の
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜側で小さく、基板側で
大きくなるように調整する場合、バッファ層成長時に流
すＴＭＧ用とＴＭＩ用のキャリアガスの流量を調整する
ことにより、ＩｎＮ固相モル比を成長方向に単調に減少
させたり、あるいは階段状に変化させたりしてもよい。

【００６０】なお、以上の説明では、ＡｌＩｎＮバッフ
ァ層の上に不純物をドープしない窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜を成長させる構成について説明したが、窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜にｐ型あるいはｎ型不純物
をドープさせた窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の場合
についても同様の効果が得られることは明らかである。

【００６１】（実施の形態３）図４は本発明の実施の形
態３に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造
を示す断面図である。

【００６２】図４において、基板１上にはバッファ層
２、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜３、アンドー
プＩｎＧａＮ層４、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜５が順次積層されている。また、ｐ型窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜５上にはｐ側電極６が、一部が露出さ
れたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜３上にはｎ側
電極７が、それぞれ形成されている。このような窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子において、基板１はサフ
ァイア製が好ましく、また、このサファイア製の基板１
上に形成されたバッファ層２はＡｌ１−ｘＩｎｘＮから
なり、これはＡｌＮとＩｎＮの混晶からなる。

【００６３】ここで、アンドープとは薄膜形成時にｐ型
不純物、ｎ型不純物が添加されていないということであ
り、アンドープＩｎＧａＮ層４が発光層となる。

【００６４】本実施の形態における窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子の製造方法は以下の通りである。

【００６５】前述のような実施の形態１と同様の製造方
法によりＡｌ１−ｘＩｎｘＮからなるバッファ層２を成
長させ、次に、ＴＭＡとＴＭＩのキャリアガスのみを止
めて基板表面を１０５０℃まで昇温させた後、主キャリ
アガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを
０．９５リットル／分で流しながら、新たにＴＭＧのキ
ャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳ
ｉＨ₄ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長さ
せて、Ｓｉをドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜を２μｍの厚さで成長させる。

【００６６】ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜３を
成長させた後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ₄ガス
を止め、基板表面温度を７５０℃にまで下降させ、新た
に主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分、
ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、ＴＭＩ用のキャ
リアガスを１００ｃｃ／分で流しながら１分間成長させ
て、アンドープＩｎＧａＮ層４を３ｎｍの厚さで成長さ
せる。

【００６７】ＩｎＧａＮ層４を成長させた後、ＴＭＧ用
のキャリアガスとＴＭＩ用のキャリアガスを止め、基板
表面温度を１０５０℃にまで上昇させ、新たに主キャリ
アガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを
０．９５リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４
ｃｃ／分、Ｃｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを５０ｃｃ／分
で流しながら１５分間成長させて、Ｍｇをドープした窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を０．５μｍの厚さで成
長させる。

【００６８】成長後、原料ガスであるＴＭＧガスとＣｐ
₂Ｍｇガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素ガス
をそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウ
ェハーを反応管から取り出す。

【００６９】取り出されたウェハーを顕微鏡で観察した
ところ、その表面は凹凸がほとんどない平坦面であり、
Ｒａは３．２ｎｍであった。

【００７０】このようにして形成したｎ型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜３とアンドープＩｎＧａＮ層４とｐ
型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜５との積層構造から
なる量子井戸構造を含むｐｎ接合に対して、ｐ型窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜５およびＩｎＧａＮ層４の一
部をエッチングしてｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜３の一部を露出させ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜５およびｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜３
それぞれの層にオーミック電極であるｐ側電極６とｎ側
電極７を形成する。

【００７１】この後、サファイアの基板１の裏面を研磨
して１００μｍ程度まで薄くし、スクライブによりチッ
プ状に分離する。このチップをｐｎ接合形成面を上向き
にしてステムに接着した後、チップのｎ側電極７および
ｐ側電極６を各々ステム上の電極にワイヤで結線し、そ
の後樹脂モールドして発光ダイオードを作製する。

【００７２】本発明者がこの発光ダイオードを２０ｍＡ
の順方向電流で駆動したところ、順方向電圧は３．９
Ｖ、発光出力は８９０μＷ、スペクトル半値幅は１４ｎ
ｍであり、波長４３０ｎｍで青紫色発光を呈した。

【００７３】ここで、本発明者は、このようにして得ら
れた実施の形態３の発光ダイオードの他に、比較例３と
して、バッファ層をＡｌＮとする以外は実施の形態２と
同様にして作製された発光ダイオードを得た。

【００７４】（比較例３）この比較例３の発光ダイオー
ドは、順方向電流２０ｍＡにおいて、順方向電圧および
波長は実施の形態３の発光ダイオードとほぼ同一であっ
た。しかし、発光出力は１５０μＷと約１／６に低下
し、また、スペクトル半値幅は３１ｎｍと２倍以上に広
くなった。

【００７５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、バッフ
ァ層をＡｌＮとＩｎＮの混晶とすることにより、バッフ
ァ層の上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体薄膜と
バッファ層との格子定数差に起因する歪みが吸収されや
すくなり、従来のＡｌＮからなるバッファ層を用いる場
合と比較して、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の表面
平坦性と結晶性が大幅に改善されるという有効な効果が
得られる。

【００７６】また、本発明によれば、表面平坦性と結晶
性が大幅に改善され、原子レベルの平坦性が必要とされ
る量子井戸構造のための窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜を形成した場合でも良好なヘテロ界面が得られるの
で、量子井戸の構造の不均一性が小さく、優れた発光特
性を有する発光素子を得ることができるという有効な効
果が得られる。

【００７７】これにより、窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの発光
デバイスや電子デバイスの特性を向上させることができ
るという有効な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１で用いられる有機金属気
相成長装置の主要部を示す概略図

【図２】バッファ層のＩｎＮ固相モル比と窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜の表面のＲａとの関係を示すグラフ

【図３】バッファ層のＩｎＮ固相モル比と窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜のＸ線ロッキングカーブ半値幅との
関係を示すグラフ

【図４】本発明の実施の形態３に係る窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子の構造を示す断面図

【符号の説明】

１基板２バッファ層３ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜４アンドープＩｎＧａＮ層５ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜６ｐ側電極７ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者品川修一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に成膜されたＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜
１）から成るバッファ層と、前記バッファ層上に成膜された窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜とを有することを特徴とする窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子。
【請求項２】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮにお
けるＩｎＮの固相モル比ｘは、０．２≦ｘ≦０．８であ
ることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子。
【請求項３】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮにお
けるＩｎＮの固相モル比ｘは、０．６≦ｘ≦０．８であ
ることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子。
【請求項４】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮにお
けるＩｎＮの固相モル比ｘは、前記基板側よりも前記窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜側において小さいことを
特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子。
【請求項５】前記バッファ層の厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍ
であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記
載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項６】前記窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とｐ型窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜とであることを特徴とする請求項
１〜５の何れか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子。
【請求項７】有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜の製造方法であって、基板を用意し、前記基板の上にＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）から
なるバッファ層を成長させ、前記バッファ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜の製造方法。
【請求項８】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮにお
けるＩｎＮの固相モル比ｘは、０．２≦ｘ≦０．８であ
ることを特徴とする請求項７記載の窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮにお
けるＩｎＮの固相モル比ｘは、０．６≦ｘ≦０．８であ
ることを特徴とする請求項７記載の窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】前記バッファ層のＡｌ１−ｘＩｎｘＮに
おけるＩｎＮの固相モル比ｘは、前記基板側よりも前記
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜側において小さいこと
を特徴とする請求項７記載の窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜の製造方法。
【請求項１１】前記バッファ層の厚さは５ｎｍ〜５０ｎ
ｍであることを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項
に記載の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】前記バッファ層の基板表面温度は４００
℃〜７００℃であることを特徴とする請求項７〜１１の
何れか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
製造方法。