JPH1140893A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子及びその製造方法Info
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Abstract
成のAlGaN層を低歪みで形成することができ、短波
長発光素子の素子特性の向上をはかる。 【解決手段】 単結晶基板上にGaN系化合物半導体層
を積層してなる半導体発光素子において、単結晶SiC
基板101上に、AlNバッファ層103と、AlNよ
りも格子定数の大きいGaN格子歪み緩和層105を順
に積層し、さらにGaN格子歪み緩和層105上にAl
Nよりも格子定数が大きくGaNよりも格子定数が小さ
いn型AlGaNコンタクト層107を積層した層構造
を有し、かつGaN格子歪み緩和層105膜厚を0.0
1μmから0.5μmの間に設定した。
Description
を用いた半導体発光素子に係わり、特にGaN系化合物
半導体材料を用いた短波長半導体発光素子及びその製造
方法に関する。
であるGaNは、バンドギャップが3.4eVと大き
く、また直接遷移型であり、短波長発光素子用材料とし
て期待されている。しかし、格子整合する良質な基板が
ないため、便宜上、サファイア基板上に成長することが
多く、この場合、サファイアとGaNは格子不整合が1
5%程度と大きいために島状に成長しやすい。さらに、
良質なGaN層を成長するために膜厚を厚くすると、サ
ファイア基板とGaN間の熱膨張差により冷却時に転位
が増大したりひび割れが生するために、高品質の膜を成
長するのは困難であった。
ァイア基板上に極薄膜のアモルファス状又は多結晶のA
lN又はGaNを低温成長によりバッファ層として形成
した後、その上にGaN層を形成する方法が用いられて
いる。この方法では、アモルファス状又は多結晶の層が
熱歪を緩和し、バッファ層内部に含まれている微結晶が
1000℃の高温時に方位の揃った種結晶となり結晶品
質が向上すると考えられている。
整合による高密度の貫通転移が存在し、残留歪みのため
に、例えば半導体レーザのクラッド層に必要な15%以
上のAl組成のAlGaN層やAlGaInN層等を
0.5μm以上の厚さに成長する場合にはひび割れの発
生を避けられなかった。AlGaN層やAlGaInN
層の厚さが0.2μm以下の場合には明確なひび割れは
認められないが、原子間力表面顕微鏡などで観測される
微細なひびが存在し、基板が絶縁物であり層と平行方向
に電流を流す場合の抵抗となったり、寿命特性を劣化さ
せる。
SiCを用いた場合には、へテロ界面での歪みが小さい
ために転位の運動が遅くかえって残留歪みが大きい。ま
た、SiC基板はサファイア基板に比べて劈開しやすい
ために、基板そのものにひび割れが生じやすい。
ァイアやSiC等の単結晶基板上にGaN系化合物半導
体を成長して短波長の半導体発光素子を作成しても、基
板と半導体結晶層との格子不整合のために、半導体結晶
に歪みが残り、高品質な結晶を成長することは困難であ
った。特に、Al組成の高いAlGaNやAlGaIn
N層を低歪みで形成することは困難であり、これが短波
長半導体発光素子の特性を劣化させる要因となってい
た。
もので、その目的とするところは、格子整合しない基板
上にも高品質な高Al組成のAlGaN層やAlGaI
nN層を低歪みで形成することができ、素子特性の向上
をはかり得る半導体発光素子及びその製造方法を提供す
ることにある。
な構成を採用している。即ち本発明は、単結晶基板上に
GaN系化合物半導体層を積層してなる半導体発光素子
において、前記単結晶基板上に、AlN,AlGaN,
又はSiCからなりバッファ層として機能する第1の半
導体層と、この第1の半導体層よりも格子定数の大きい
GaN,GaInN,又はAlGaNからなり格子歪み
緩和層として機能する第2の半導体層とを順に積層し、
第2の半導体層上に第1の半導体層よりも格子定数が大
きく第2の半導体層よりも格子定数が小さいAlGaN
又はAlGaInNからなり素子形成層として機能する
第3の半導体層を積層した層構造を有し、かつ第2の半
導体層の膜厚を0.01μmから0.5μmの間に設定
してなることを特徴とする。
は次のものがあげられる。 (1) 第2の半導体層の膜厚は、第1及び第3の半導体層
のいずれよりも薄いこと。 (2) 第2の半導体層はGaNからなり、その膜厚が0.
05〜0.15μmであること。
り、第3の半導体層の格子定数よりも0.05〜0.1
5%大きな格子定数の組成であって、その膜厚が0.1
〜0.5μmであること。 (4) 単結晶基板は、サファイア又はSiCであること。 (5) 第3の半導体層は、該層のAl組成が10%から3
0%の間にあり、その膜厚が0.2μm以上であるこ
と。
合物半導体層を積層してなる半導体発光素子の製造方法
において、単結晶基板上に、AlN,AlGaN,又は
SiCからなりバッファ層として機能する第1の半導体
層を形成する工程と、第1の半導体層上に、第1の半導
体層よりも格子定数の大きいGaN,GaInN,又は
AlGaNからなり格子歪み緩和層として機能する第2
の半導体層を0.01μm〜0.5μmの厚さに形成す
る工程と、第2の半導体層上に、第1の半導体層よりも
格子定数が大きく第2の半導体層よりも格子定数が小さ
いAlGaNからなり素子形成層として機能する第3の
半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
上にバッファ層として成長するAlNやGaN等と素子
構造を形成するためのAlGaNとの格子定数差にあ
る。従来使用されてきたGaAlAs系材料やInGa
AlP系の材料では、500℃程度の成長温度より低温
でも転位が十分に移動するために、Si等の異種基板に
成長した場合にもこのような問題は顕著ではなかった。
しかし、AlGaNではAl組成が10%以上では10
00℃を越える温度でも転位の移動が遅く、格子定数差
による歪みの除去が不十分と考えられる。
上へ成長した場合の残留歪みと表面平坦性の関係につい
て調べた。一般的に、性質が大きく異なる基板に成長し
た場合には成長初期では島状の成長が生じ、表面はでこ
ぼこしているが次第に平坦化する傾向にある。バッファ
層としては平坦化しやすい必要がある。その結果、平坦
な表面が得られたのはGaNとAlNでありAlGaN
ではAl組成が5%を越えると平坦な表面は得られなか
った。
では800℃から1100℃であり、AlGaNでもほ
ぼ同様であった。AlNではより高い1150℃から1
400℃が必要であった。また、十分に平坦な膜を得る
には少なくとも0.1μm必要であり、0.2μm以上
が望ましいことが判った。しかし、3μm以上では残留
歪みの蓄積によりひび割れが発生した。
lGaNを成長して歪み緩和について調べた。AlGa
Nでは、Al組成が10%を越える時には歪みの緩和は
遅くひび割れが発生した。AlNでは、1300℃から
1400℃では緩やかではあるが歪み緩和が認められ厚
膜成長が可能であった。GaNでは、ひび割れの発生は
殆ど認められなかったが、薄膜ではかなり歪みは残留し
ていると考えられる。即ち、GaN層の面内の格子定数
がAlNとGaNの中間の値をとると予想される。従っ
て、AlN層上に適切な厚さの歪み緩和しやすいGa
N,GaInN、又はAl組成が5%以下のAlGa
N,AlGaInN層を積層することによって、AlN
からGaNまでの任意の格子定数を有する混晶に格子整
合できる。
格子定数の小さいAlN等のバッファ層を形成し、その
上に、AlGaNよりも格子定数が大きいGaN等の格
子歪み緩和層を形成し、その膜厚を最適に制御すること
により、GaN上に素子形成のためのAlGaNを大き
な格子ずれなく成長することが可能となる。
更にGaNを成長すると、GaNには面内に圧縮歪みを
生じ、成長に従い緩和する。この残留歪みと成長膜厚と
の関係は、図6に示すようになる。ここで、AlNの膜
厚は0.5μm、GaNの成長温度は1100℃とし
た。
05μmより薄い場合、島状成長のための表面の平坦性
が悪い。圧縮歪みは、膜厚0.05〜0.15μmの範
囲で急峻に低下し、膜厚0.15〜0.5μmの間で緩
やかに緩和し、それ以上では一定となる。従って、Ga
N中の残留歪みを制御するには、0.05〜0.5μm
の膜厚が必要であり、より望ましくは0.05〜0.1
5μmの範囲である。その理由は、0.05μm以下に
なると、不安定な膜厚となり、表面が凹凸となってしま
い、素子特性が悪くなるからである。また、0.15μ
mを越えると、GaAlNとの格子整合に必要な残留歪
が好ましい範囲外になるからである。
も同様である。残留歪みと膜厚の関係は、歪みが0.0
5〜0.15%の範囲では傾きが緩やかになっており、
この範囲では制御しやすい。また、残留歪みが小さいた
めに結晶品質的にも有利である。従って、格子歪み緩和
層の組成はAlGaN等の素子形成層の格子定数よりも
0.05〜0.15%大きな格子定数の組成であるのが
望ましく、その膜厚は0.1〜0.5μmが望ましい。
その理由は、AlGaNでは、組成により歪緩和速度が
異なるため、制御が困難となるが、残留歪がほぼ一定と
なる0.1〜0.5μmの範囲であれば、この困難が避
けられるからである。
晶基板上にAlN,AlGaN,又はSiCからなるバ
ッファ層、格子歪み緩和用のGaN,GaInN,Al
GaNを積層し、この上にGaNとAlNの中間の値の
格子定数を有するAlGaN又はAlGaInNを積層
した構造を有する素子において、格子歪み緩和層の膜厚
をAlGaN又はAlGaInNの格子定数に応じて
0.01μmから0.5μmの間に設定している。
る緩和効果により表面付近の面内の格子定数をGaNと
AlNの中間の値に設定可能であり、AlGaN又はA
lGaInNの歪みを制御可能である。この効果は、高
品質のGaN,AlGaN結晶層成長が期待できるにも
拘らずひび割れ発生のためにこれまで使用不可能であっ
たSiCを基板とした場合に特に有効である。
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる青色レーザダイオードを示す素子構造断面図であ
る。
mのノンドープAlN単結晶バッファ層103、厚さ
0.2μmのGaN格子歪み緩和層105、厚さ1μm
のn型Al0.2 Ga0.8 Nコンタクト層107(Si,
Se又はSドープ:2×1018〜3×1019cm-3)、
厚さ0.5μmのn型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層1
09(Si,Se又はSドープ:5×1017〜3×10
18cm-3)、厚さ0.1μmのAl0.1 Ga0.9 N第1
光ガイド層111、厚さ5nmのGaN活性層112、
厚さ0.1μmのAl0.1 Ga0.9 N第2光ガイド層1
13、厚さ0.5μmのp型Al0.2 Ga0.8 Nクラッ
ド層114(Mgドーブ:5×1018〜1×1020cm
-3)、厚さ0.07μmのp型GaN中間コンタクト層
115(Mgドープ:5×1018〜1×1020c
m-3)、が順次積層されている。
5は、再成長時に表面を保護する役割を果たしており、
p型クラッド114層との界面は必要に応じて組成変化
を緩やかにして通電抵抗の低減をはかっている。
114,第2光ガイド層113に対し、幅が2〜5μm
のストライプ状の凸部を反応性イオンエッチングにて形
成し、その周囲にn型Ga0.9 In0.1 N(Siドー
プ:5×1018cm-3、厚さ0.5μm)からなる電流
阻止層116が選択成長により埋込み形成されている。
そして、中間コンタクト層115及び電流阻止層116
上には、p型GaNコンタクト層117(Mgドープ:
9×1019cm-3、厚さ0.5μm)が形成されてい
る。
側電極121としてAu/Prが被着されている。さら
に、p型コンタクト層117からn型クラッド層109
までを一部エッチングして露出させたn型コンタクト層
107上に、n側電極122としてAl/Tiが被着さ
れている。
の小さなAlNバッファ層103上に格子定数の大きな
GaN格子歪み緩和層105を形成することにより、G
aN格子歪み緩和層105の表面における格子定数を、
その上に形成するAlGaNに近付けることができ、n
型AlGaNコンタクト層107を高品質に形成するこ
とができ、それに続く各層も高品質に形成することがで
きる。また本実施形態では、GaN格子歪み緩和層10
5の膜厚を0.2μmとしているので、前記図6に示す
ように、GaN中の残留歪みを制御し易くなる。従っ
て、半導体素子として機能する各層におけるひび割れの
発生が抑制されると共に、低欠陥化をはかることがで
き、素子特性の向上をはかることが可能となる。
例えば、バッファ層103の厚さは0.1〜10.0μ
m、格子歪み緩和層105の厚さは0.05〜0.5μ
m、コンタクト層107の厚さは0.5〜3.0μm、
クラッド層109,114の厚さは0.3〜0.7μ
m、光ガイド層111,113の厚さは0.05〜0.
2μm、活性層112の厚さは1〜10nm、中間コン
タクト層115の厚さは0.05〜0.1μmに設定す
ればよい。
してSiCを用いたが、この代わりにサファイア基板を
用いることもできる。また、バッファ層103としては
AlNの代わりに、AlGaNやSiCを用いても良
い。さらに、格子歪み緩和層105としてはGaNの代
わりに、AlGaNやGaInNを用いても良い。但し
格子定数の関係で、バッファ層103が小、格子歪み緩
和層105が大、コンタクト層107が中の関係を満た
す必要があり、例えばバッファ層にAlGaNを用いる
場合は、コンタクト層107のAlGaNよりもAl組
成を多くする必要がある。格子歪み緩和層105にAl
GaNを用いる場合は、コンタクト層107のAlGa
NよりもAl組成を少なくする必要がある。
lGaNの代わりにGaNを用いることも可能であり、
さらに活性層112としてはGaNの代わりにAlGa
N又はGaInNを用いることも可能である。また、p
側電極121としてAu/Prの代わりに、Pd/Pt
/Au又はNiを用いることができ、さらにn側電極1
22としてAl/Tiの代わりに、Ti/Pt/Au又
はAlを用いることができる。
の実施形態に係わる青色レーザダイオードを示す素子構
造断面図である。なお、図2中の201〜222は図1
中の101〜122に相当している。
iC又はAl組成が80%以上のAlGaNを用いたも
のであり、それ以外の構成は図1と同様である。この場
合、バッファ層203の格子定数は、GaN緩和層20
5及びAlGaNコンタクト層207(Al組成20
%)よりも小さくなり、第1の実施形態と同様に、格子
定数の小さなバッファ層203上に格子定数の大きな緩
和層205を形成し、緩和層205の表面の格子定数を
コンタクト層207のそれに近付けることができる。従
って、先の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
態で説明した各種の変形が可能である。 (第3の実施形態)図3は、本発明の第3の実施形態に
係わる青色レーザダイオードを示す素子構造断面図であ
る。なお、図3中の301〜322は図1中の101〜
122に相当している。
層(又はAl組成が80%以上のAlGaN層)上に形
成した例である。即ち、AlNバッファ層303上にn
型AlNコンタクト層304が形成され、その上にn型
GaN格子歪み緩和層305が形成され、その上にn型
AlGaNクラッド層309が形成されている。これ以
外の構成は図1と同様である。
AlNコンタクト層304の格子定数は小であり、Ga
N格子歪み緩和層305の格子定数は大であり、n型A
lGaNクラッド層309の格子定数は中であり、第1
の実施形態と同様の関係が成り立つ。コンタクト層30
4をAlGaNとした場合もそのAl組成を80%以上
と高くすることにより、上記の関係が成り立つ。従っ
て、GaN格子歪み緩和層305の表面における格子定
数をAlGaNクラッド層109に近付けることがで
き、クラッド層109及びそれに続く各層の結晶品質の
向上をはかることができる。
態で説明した各種の変形が可能である。 (第4の実施形態)図4は、本発明の第4の実施形態に
係わる青色レーザダイオードを示す素子構造断面図であ
る。なお、図4中の401〜422は図1中の101〜
122に相当している。
略し、基板側の電極を格子歪み緩和層に形成した例であ
る。即ち、AlNバッファ層403上にn型GaN格子
歪み緩和層405が形成され、その上にn型AlGaN
クラッド層409が形成されており、さらにn型格子歪
み緩和層405上にn側電極422が形成されており、
それ以外の構成は図1と同様である。
ト層を省略した構成であり、バッファ層403,格子歪
み緩和層405,クラッド層409の間に前記した小,
大,中の格子定数の関係があり、従って第1の実施形態
と同様の効果が得られる。
態で説明した各種の変形が可能である。 (第5の実施形態)図5は、本発明の第5の実施形態に
係わる青色レーザダイオードを示す素子構造断面図であ
る。なお、図5中の501〜522は図1中の101〜
122に相当している。
裏面に電極を設け、p型GaN側を放熱器に載置可能と
したものである。即ち、SiC基板501及びSiCバ
ッファ層503は不純物ドープによりn型に形成されて
おり、n型SiC基板501の裏面にn側電極522が
形成されている。これ以外の基本的な構成は図1と同様
である。
施形態と同様の効果が得られるのは勿論のことである。
また、本実施形態においても第1の実施形態で説明した
各種の変形が可能である。
における製造方法について説明しておく。使用する成長
装置は減圧MOCVD装置である。まず、SiC基板又
はサファイア基板をヒータを兼ねたサセプタ上に載置す
る。ガス導入管から高純度水素を毎分20l導入し、反
応管内の大気を置換する。次いで、ガス排気口をロータ
リーポンプに接続し、反応管内を減圧し、内部の圧力を
10〜40 torr の範囲に設定する。
する場合には、基板を水素中で加熱し、表面を清浄化す
る。次いで、1050〜1300℃の基板温度でH2 ガ
スの一部をNH3 ガスに切り替えると共に、有機金属A
l化合物、例えばAl(CH3 )3 或いはAl(C2 H
5 )3 を導入して結晶方位の揃った第1のAlN層を5
nmから500nmm成長する。次いで、基板温度を1
350〜1450℃に昇温しAlN層を0.1μmから
5μm成長し表面を平坦化する。場合によっては、成長
を中断しアニールを行い残留歪みを緩和させる。
るためにはV族原料と III族原料の供給比の制御が重要
であり、穴のない高品質膜の成長には0.7〜5.0の
範囲が必要であり十分な品買を再現性良く得るには0.
7〜5.0の範囲に制御することが望ましい。SiC基
板上に成長する場合には第1のAlN層は必ずしも必要
ではないが、より均一な成長が得られる。
原料としてプロパンガスを毎分10cc程度、Si原料
としてSiH4 ガスを毎分3cc程度導入してn型Si
Cバッファ層を形成する。次いで、基板温度を再び11
00℃から1200℃に低下させた後、GaN歪み緩和
層、ダブルヘテロ構造部を成長する。
として例えばGa(CH3 )3 或いはGa(C2 H5 )
3 、有機金属In化合物として例えばIn(CH3 )3
或いはIn(C2 H5 )3 を使用する。ドーピング用原
料としては、n型用にSi水素化物として例えばSiH
4 或いは有機金属Si化合物として例えばSi(CH
3 )4 、p型用に有機金属Mg化合物として例えばCp
2 Mg又はm−Cp2 Mgを使用する。p型ドーパント
の活性化率を上げるためには、降温中での結晶中への水
素の混入とN原子の脱離を抑制することが重要である。
素供給停止と共にアンモニア分圧を0.2〜1.0 Tor
r に設定することにより良好な結果が得られることが判
明している。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。
ファイアやSiC等の単結晶基板上に格子定数の小さな
AlN,AlGaN又はSiCからなるバッファ層を形
成し、この上に格子定数の大きなGaN,GaInN又
はAlGaNからなる格子歪み緩和層を積層し、この上
に中間の格子定数を有するAlGaN又はAlGaIn
Nからなる素子形成層を積層した構造を有し、格子歪み
緩和層の膜厚をバッファ層と素子形成層の格子定数に応
じて0.01μmから0.5μmの間に設定することに
より、格子整合しない基板上にも高品質な高Al組成の
AlGaN層やAlGaInN層を低歪みで形成するこ
とができ、素子特性の向上をはかることができる。
を示す素子構造断面図。
を示す素子構造断面図。
を示す素子構造断面図。
ドを示す素子構造断面図。
を示す素子構造断面図。
厚との関係を示す図。
Claims (6)
- 【請求項1】単結晶基板上にGaN系化合物半導体層を
積層してなる半導体発光素子において、 前記単結晶基板上に、AlN,AlGaN,又はSiC
からなりバッファ層として機能する第1の半導体層と、
この第1の半導体層よりも格子定数の大きいGaN,G
aInN,又はAlGaNからなり格子歪み緩和層とし
て機能する第2の半導体層とを順に積層し、第2の半導
体層上に第1の半導体層よりも格子定数が大きく第2の
半導体層よりも格子定数が小さいAlGaN又はAlG
aInNからなり素子形成層として機能する第3の半導
体層を積層した層構造を有し、かつ第2の半導体層の膜
厚を0.01μmから0.5μmの間に設定してなるこ
とを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項2】第2の半導体層はGaNからなり、その膜
厚が0.05〜0.15μmであることを特徴とする請
求項1記載の半導体発光素子。 - 【請求項3】第2の半導体層の膜厚は、第1及び第3の
半導体層のいずれよりも薄いことを特徴とする請求項1
記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】第2の半導体層はAlGaNからなり、第
3の半導体層の格子定数よりも0.05〜0.15%大
きな格子定数の組成であって、その膜厚が0.1〜0.
5μmであることを特徴とする請求項1記載の半導体発
光素子。 - 【請求項5】前記単結晶基板は、サファイア又はSiC
であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素
子。 - 【請求項6】単結晶基板上にGaN系化合物半導体層を
積層してなる半導体発光素子の製造方法において、単結
晶基板上に、AlN,AlGaN,又はSiCからなり
バッファ層として機能する第1の半導体層を形成する工
程と、第1の半導体層上に、該層よりも格子定数の大き
いGaN,GaInN,又はAlGaNからなり格子歪
み緩和層として機能する第2の半導体層を0.01μm
〜0.5μmの厚さに形成する工程と、第2の半導体層
上に、第1の半導体層よりも格子定数が大きく第2の半
導体層よりも格子定数が小さいAlGaN又はAlGa
InNからなり素子形成層として機能する第3の半導体
層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。
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