JPH1154795A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を得ることを目的とする。 【解決手段】 有機金属気相成長法により、基板１上に
インジウムを含むバッファ層２を成長させ、このバッフ
ァ２層の上にインジウムを含むｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜３を成長させる。これにより、バッファ層
２とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜３との界面近
傍における歪みや結晶欠陥等の発生が低減される。

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号公報や特開平６−１５１９６２号公報にて
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）や窒化アルミニウムガリウム（Ａ
ｌＧａＮ）からなる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、低温で
成長させるバッファ層を用いる従来の方法によっても、
バッファ層上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜には未だ多くの欠陥等が含まれているため、これを
用いて作製された発光素子の特性は十分でなく、高効率
な発光素子を実現するために窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜のさらなる結晶性の改善が望まれている。

【０００７】ここで、上記した従来の技術は、高温で窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる前に低温で
成長させるバッファ層を用いる方法である。このような
方法においては、専ら低温で成長させるバッファ層の材
料や成長条件等、あるいは高温で成長させる窒化ガリウ
ム系化合物半導体の成長条件等を最適化することによっ
てのみ、バッファ層上に成長させる窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の品質の改善が試みられているのが一般的
であり、バッファ層との界面近傍における窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜自体の構造に着目した薄膜品質の改
善については特別顧みられていない状況にある。

【０００８】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。

【０００９】また、本発明は、結晶性に優れる窒化ガリ
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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の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インジウムを含むバッ
ファ層と、バッファ層上に成膜され、少なくともバッフ
ァ層と接する側にインジウムを含む窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜とを有するものである。

【００１１】これにより、優れた発光特性を有する発光
素子を得ることが可能になる。また、本発明の窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜の製造方法は、基板を用意し、
この基板上にインジウムを含むバッファ層を成長させ、
バッファ層の上にインジウムを含む窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を成長させるものである。

【００１２】これにより、インジウムを含まないバッフ
ァ層を用いる場合に比較して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になる。

【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インジウムを含む
バッファ層と、バッファ層上に成膜され、少なくともバ
ッファ層と接する側にインジウムを含む窒化ガリウム系
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、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
結晶性が改善されて優れた発光特性を有することができ
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、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、この基板上にイン
ジウムを含むバッファ層を成長させ、バッファ層の上に
インジウムを含む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、バッファ層の上に成長される窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の結晶性が改善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
２記載の発明において、窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の成膜で、この窒化ガリウム系化合物半導体薄膜のバ
ッファ層と接する側にインジウムを含ませる窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜の製造方法であり、バッファ層と
このバッファ層の上に成長される窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜との間の歪み等が緩和されて結晶性が改善さ
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
２または３記載の発明において、窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜の成膜で、この窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜のバッファ層と接する側から成長方向にかけてイン
ジウムの濃度が減少するようにインジウムを含ませる窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法であり、バッ
ファ層とこのバッファ層の上に成長される窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜との格子定数差が界面近傍で小さく
なり、歪みや結晶欠陥等の発生が減少されて結晶性が改
善され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
２〜４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中のインジウムを、バッファ層中
のインジウムを拡散などによって移動することによって
供給するようにした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
製造方法であり、バッファ層との界面近傍の窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜に含まれるインジウムの濃度が高
くなり、バッファ層との格子定数差がより小さくなって
歪みや結晶欠陥等が一層減少され、結晶性がより改善さ
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
２〜４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中のインジウムを、この窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜の成長中にインジウムを含む原
料ガスの流量を調整することによって供給するようにし
た窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方法であり、
バッファ層との界面近傍の窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜に含まれるインジウムの濃度が制御性良く高くなる
ので、簡便に結晶性を改善することができるという作用
を有する。

【００１９】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図３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断面図で
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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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１５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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】その後、基板表面温度を６００℃にまで降
下させ、この状態で主キャリアガスとして窒素ガスを１
０リットル／分、アンモニアを５リットル／分で流し、
ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスとＴＭＩを含むＴ
ＭＩ用のキャリアガスを同時に流しながら、Ｉｎ（イン
ジウム）を含むＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）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（０＜ｘ＜１）は、ＡｌＮとＩ
ｎＮ（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が０．７となる
ような流量にＴＭＡ用のキャリアガスとＴＭＩ用のキャ
リアガスを調整して流して試料を作製した。具体的に
は、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分、ＴＭＩ用の
キャリアガスを１４０ｃｃ／分で流した。

【００２７】次に、ＴＭＡおよび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８リットル／分、水素
ガスを２リットル／分と、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３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
を成長させる。

【００２８】次に、原料ガスであるＴＭＧガスを止め、
主キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分で流
しながら基板表面温度を１０５０℃に５分間保ち、バッ
ファ層に含まれるＩｎを、成長させた窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜中に拡散させる。ここで、Ｉｎを拡散さ
せるために、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長初
期段階における成長速度を遅くする方法や、窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させた後に基板表面温度を
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜成長時の温度以上に上
昇させる方法、等を用いることもできる。なお、偏析や
マストランスポートなどの移動によってバッファ層中の
Ｉｎを窒化ガリウム系化合物半導体薄膜に供給するよう
にしてもよい。

【００２９】次に、基板表面温度を１０５０℃に保った
状態で、主キャリアガスとして窒素ガスを８リットル／
分、水素ガスを２リットル／分と、ＴＭＧを含むＴＭＧ
用のキャリアガスを４ｃｃ／分で流しながら、引き続き
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる。このよ
うにして、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。

【００３０】成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとアンモ
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。

【００３１】ここで、本発明者は、このようにして得ら
れた本実施の形態のウェハーの他に、比較例１として次
のようなプロセスによる試料を得た。

【００３２】すなわち、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用のキャリ
アガスの代わりにＴＭＡ用のキャリアガスのみを２０ｃ
ｃ／分で流す以外は同様にして、ＩｎＮ固相モル比ｘを
０．０にして、Ｉｎを含まないＡｌＮからなるバッファ
層を成長させる。次に、ＴＭＡおよび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８リットル／分、
水素ガスを２リットル／分と、新たにＴＭＧを含むＴＭ
Ｇ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。成長後、ＴＭＧ用
のキャリア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から取り出して、これを比較例１
とするものである。

【００３３】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。評価
として二結晶Ｘ線回折装置によるＸ線ロッキングカーブ
の測定と二次イオン質量分光（以下、「ＳＩＭＳ」とい
う。）分析を行った。Ｘ線ロッキングカーブは、その半
値幅が小さいほど窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の結
晶性が良好であることを示す。

【００３４】Ｉｎを含まないＡｌＮバッファ層を用いた
比較例１の試料においては、Ｘ線ロッキングカーブ半値
幅は約９分であり、Ｉｎを含むバッファ層を用いた本実
施の形態におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が約５分
であることと比較すると、大きな差が認められた。

【００３５】ここで、図２に本実施の形態に示すような
Ｉｎを含むバッファ層の上に成長させた窒化ガリウム化
合物系半導体薄膜のＳＩＭＳ深さプロファイルを示す。
図２からわかるように、Ｉｎを含むバッファ層を用いた
ウェハーでは、バッファ層に含まれるＩｎがその上に成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体層に拡散し、その
濃度が成長方向に減少している。一方、ＡｌＮバッファ
層を用いた比較例１の試料においては、図示しないが、
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
半導体が比較的急峻な界面を形成していることがわかっ
た。

【００３６】本発明におけるＩｎを含むバッファ層を用
いた場合に、従来のＩｎを含まない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。

【００３７】（１）Ｉｎを含むバッファ層を用いた場
合、ＡｌＮよりも硬度の低いＩｎＮが含まれることにな
るため、ＡｌＮやＡｌＧａＮをバッファ層として用いた
場合に比べ、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、基板と窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜層との格子定数差によってこれらの間
に生じる歪みを吸収しやすくなり、歪みによって発生す
る結晶欠陥を低減できる効果があると考えられる。

【００３８】（２）Ｉｎを含むバッファ層を用いると、
バッファ層に含まれるＩｎを拡散させることにより、高
温で成長させる窒化ガリウム系化合物半導体薄膜のバッ
ファ層側の一部にＩｎを含ませることができる。窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜に含まれるＩｎはバッファ層
との界面近傍でその濃度が高いので、この界面近傍にお
いてバッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の格
子定数差を小さくすることができ、格子定数差に起因す
る歪みや結晶欠陥の発生を減少させることができる。後
述の実施の形態２のように、成長時の原料供給により窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜にＩｎを含ませる場合に
も、Ｉｎを含むバッファ層を用いるとバッファ層へのＩ
ｎの拡散を抑えることができるので、バッファ層との界
面近傍における窒化ガリウム系化合物半導体薄膜のＩｎ
の濃度を制御性良く、かつ安定に維持することができ
る。

【００３９】（３）Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半
導体はＩｎを含まない窒化ガリウム系化合物半導体より
も柔らかいので、上述した（１）のバッファ層の効果や
（２）のバッファ層との格子定数差の低減の効果と相乗
させて、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜における歪み
や結晶欠陥の発生を低減させることができる。

【００４０】なお、以上の説明では、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
せた場合についても同様の効果が得られる。

【００４１】（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。

【００４２】そして、上記した実施の形態１の製造方法
と同様にしてＡｌＩｎＮからなるバッファ層を成長させ
た後、ＴＭＡおよびＴＭＩのキャリアガスを止め、基板
表面温度を８５０℃まで上昇させた後、主キャリアガス
として窒素ガスを１０リットル／分、新たにＴＭＧを含
むＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＩ用のキャリアガスを
流しながら３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０．１μｍの厚さで成長させ
る。成長中、ＴＭＧ用のキャリアガスの流量を２ｃｃ／
分から４ｃｃ／分まで、ＴＭＩ用のキャリアガスの流量
を１２０ｃｃ／分から０．１ｃｃ／分までそれぞれ線形
的に変化させながら流し、窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜の成長方向にＩｎの濃度を減少させる。

【００４３】次に、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℃まで
上昇させた後、主キャリアガスとして窒素ガスを８リッ
トル／分、水素ガスを２リットル／分と、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５７分間成長させる。このようにして、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。そして、アンモニアと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。

【００４４】上述のようにして得られた本実施の形態の
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
ブを測定したところ、その半値幅は約５分であり、実施
の形態１と同様に結晶性が良好であることがわかった。

【００４５】また、本実施の形態の窒化ガリウム化合物
系半導体薄膜のＳＩＭＳ分析を行ったところ、実施の形
態１の試料と同様に、バッファ層上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜に含まれるＩｎの濃度がバッ
ファ層に接する側から成長方向になだらかに減少してい
ることがわかった。

【００４６】したがって、本実施の形態においても、バ
ッファ層の上に成長される窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜の結晶性が大幅に改善される。

【００４７】なお、本実施の形態においては、バッファ
層上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体薄膜のバ
ッファ層側の一部にＩｎを含ませる際に、ＴＭＩ及びＴ
ＭＧの流量を線形的に変化させたが、これらを階段状に
変化させて窒化ガリウム系化合物半導体薄膜に含まれる
Ｉｎの濃度を成長方向に階段状に減少させても良い。

【００４８】（実施の形態３）図３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。

【００４９】図３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Ｉｎを含むＡｌ１−ｘＩ
ｎｘＮ（０＜ｘ＜１）からなり、これはＡｌＮとＩｎＮ
の混晶からなる。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】前述のような実施の形態１と同様の製造方
法によりＩｎを含むＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜１）
からなるバッファ層２を成長させ、次に、ＴＭＡ用とＴ
ＭＩ用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８リットル／分、水素ガスを２リットル／分で流しな
がら、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓ
ｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ₄ガスを１０ｃｃ／分で
流しながら窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を３分間成
長させる。

【００５３】次に、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ₄
ガスを止め、主キャリアガスとして窒素ガスを１０リッ
トル／分で流しながら基板表面温度を１０５０℃に５分
間保ち、バッファ層に含まれるＩｎを成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜に拡散させる。基板表面温度
を１０５０℃に保った状態で、再び主キャリアガスとし
て窒素ガスを８リットル／分、水素ガスを２リットル／
分と、ＴＭＧを含むＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／
分、ＳｉＨ₄ガスを１０ｃｃ／分で流しながら窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜を成長させる。このようにし
て、バッファ層上にＳｉをドープしたｎ型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜を２μｍの厚さで成長させる。

【００５４】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。

【００５５】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８リットル／分、水素ガスを
１．９５リットル／分と、ＴＭＧを含むＴＭＧ用のキャ
リアガスを４ｃｃ／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０．５μ
ｍの厚さで成長させる。成長後、ＴＭＧ用のキャリアガ
スとＣｐ₂Ｍｇ用のキャリア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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】ここで、本発明者は、このようにして得ら
れた本実施の形態の発光ダイオードの他に、比較例２と
して次のようなプロセスによる試料を得た。

【００６０】すなわち、上記した比較例１と同様にして
Ｉｎを含まないＡｌＮからなるバッファ層２を成長さ
せ、次に、ＴＭＡ用のキャリアガスを止め、基板表面温
度を１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとし
て、窒素ガスを８リットル／分、水素ガスを２リットル
／分で流しながら、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを４
ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ₄ガスを１
０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させ、バッファ層
上にＳｉをドープしたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜３を２μｍの厚さで成長させる。以下、本実施の形
態において述べたものと同等の方法で発光ダイオードを
作製し、これを比較例２とするものである。

【００６１】この比較例２の発光ダイオードを２０ｍＡ
の順方向電流で駆動したところ、順方向電圧や波長は上
記実施の形態３に記載のプロセスで得られた試料とほぼ
同一であったが、発光出力は１５０μＷと約１／６に低
下し、スペクトル半値幅は３１ｎｍと広くなった。

【００６２】なお、以上の実施の形態においては、Ｉｎ
を含むバッファ層としてＡｌ１−ｘＩｎｘＮ（０＜ｘ＜
１）を用いたが、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）や
ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１，０＜ｂ≦
１，ａ＋ｂ≦１）を用いても同様の効果が得られること
は明らかである。

【００６３】

【発明の効果】以上のように、本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子によれば、基板上にインジウムを
含むバッファ層を成膜し、その上にインジウムを含む窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成膜した構造で発光素
子を作製しているので、窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の結晶性が改善されて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。

【００６４】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。

【００６５】また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜の製造方法によれば、基板上にインジウムを含む
バッファ層を成膜し、その上にインジウムを含む窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜を成膜しているので、バッフ
ァ層と窒化ガリウム系化合物半導体薄膜との間の歪みや
結晶欠陥等の発生が低減され、従来のインジウムを含ま
ない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。

【００６６】この発明において、窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜のバッファ層と接する側にインジウムを含ま
せることにより、バッファ層とこのバッファ層の上に成
長される窒化ガリウム系化合物半導体薄膜との間の歪み
等が緩和されてより結晶性が改善されるという有効な効
果が得られる。

【００６７】窒化ガリウム系化合物半導体薄膜のバッフ
ァ層と接する側から成長方向にかけてインジウムの濃度
が減少するようにインジウムを含ませることにより、バ
ッファ層とこのバッファ層の上に成長される窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜との格子定数差が界面近傍で小さ
くなるので、歪みや結晶欠陥等の発生が減少されてより
結晶性が改善されるという有効な効果が得られる。

【００６８】窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中のイン
ジウムを、バッファ層中のインジウムから供給すること
により、バッファ層との界面近傍の窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜に含まれるインジウムの濃度が高くなるの
で、バッファ層との格子定数差がより小さなって歪みや
結晶欠陥等が一層減少され、結晶性がより改善されると
いう有効な効果が得られる。

【００６９】窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中のイン
ジウムを、この窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長
中にインジウムを含む原料ガスの流量を調整することに
よって供給することにより、バッファ層との界面近傍の
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜に含まれるインジウム
の濃度が制御性良く高くなるので、簡便に結晶性を改善
す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断面図

【図２】インジウムを含むバッファ層の上に成長させた
窒化ガリウム化合物系半導体薄膜のバッファ層近傍のＳ
ＩＭＳ深さプロファイルを示すグラフ

【図３】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 ３ ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜 ４ アンドープＩｎＧａＮ層 ５ ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜 ６ ｐ側電極 ７ ｎ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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 前記基板上に成膜されたインジウムを含むバッファ層
   と、 前記バッファ層上に成膜され、少なくとも前記バッファ
   層と接する側にインジウムを含む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。
2. 【請求項２】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、 この基板上にインジウムを含むバッファ層を成長させ、 前記バッファ層の上にインジウムを含む窒化ガリウム系
   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。
3. 【請求項３】前記窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成
   膜においては、この窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
   前記バッファ層と接する側にインジウムを含ませること
   を特徴とする請求項２記載の窒化ガリウム系化合物半導
   体薄膜の製造方法。
4. 【請求項４】前記窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成
   膜においては、この窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
   前記バッファ層と接する側から成長方向にかけてインジ
   ウムの濃度が減少するようにインジウムを含ませること
   を特徴とする請求項２または３記載の窒化ガリウム系化
   合物半導体薄膜の製造方法。
5. 【請求項５】前記窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中の
   インジウムは、前記バッファ層中のインジウムから供給
   されていることを特徴とする請求項２〜４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。
6. 【請求項６】前記窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中の
   インジウムは、この窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の
   成長中にインジウムを含む原料ガスの流量を調整するこ
   とによって供給されていることを特徴とする請求項２〜
   ４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。