JP2007194410A - 窒化物系半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌの結合による発光効率の低下を抑制する、窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体素子の製造方法は、基板上に、少なくとも１層以上のｎ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層上に、活性層を形成する工程と、活性層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が大きい条件で、Ａｌを供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する工程と、ｐ型ＡｌＧａＮ層上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する条件と同様の条件で、Ａｌの供給のみを停止し、第１のｐ型ＧａＮ層を形成する工程と、第１のｐ型ＧａＮ層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が小さい条件で、第２のｐ型ＧａＮ層を形成する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法に関する。

青色、又は紫色の光を発する半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子として、窒化ガリウム半導体発光素子がある。ＧａＮ系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。

例えば、サファイア基板の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて、ＧａＮ低温バッファ層、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層等が順に形成され、活性層上には、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層等が順に形成される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−７７４１６号公報

しかしながら、ｐ−ＡｌＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との形成条件は、通常大きく異なっているため、ｐ−ＡｌＧａＮ層を形成した後、一度成膜を中断し、形成条件を切り替える必要があった。この際、表面にＡｌが存在すると、ＡｌとＯやＣとが結合してしまい、発光を妨げる要因となっていた。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、Ａｌの結合による発光効率の低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、（ａ）基板上に、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層を形成する工程と、（ｂ）窒化物系半導体層上に、活性層を形成する工程と、（ｃ）活性層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が大きい条件で、Ａｌを供給し、ＡｌＧａＮ層を形成する工程と、（ｄ）ＡｌＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮ層を形成する条件と同様の条件で、Ａｌの供給のみを停止し、第１のＧａＮ層を形成する工程と、（ｅ）第１のＧａＮ層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が小さい条件で、第２のＧａＮ層を形成する工程とを含む窒化物系半導体素子の製造方法であることを要しとする。

本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、ＡｌＧａＮ層と同様の条件で、Ａｌの供給のみを停止し、表層を第１のＧａＮ層で覆うことにより、Ａｌの結合による発光効率の低下を抑制することができる。

又、本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、第１のＧａＮ層の厚みは、０．００１〜０．０５μｍであることが好ましい。第１のＧａＮ層は、ＡｌＧａＮ層の成長条件で成長させているため、第２のＧａＮ層よりも特性が悪い。従って、第１のＧａＮ層を薄くすることが好ましい。

本発明によると、Ａｌの結合による発光効率の低下を抑制する、窒化物系半導体素子の製造方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（窒化物系発光ダイオード素子の製造方法）
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法を説明するための断面図である。又、図２は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法における成長温度の推移を示し、図３は、図２のＡ段階における各原料の供給量を示している。

まず、図１（ａ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板１０１上に、ｎ型半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４を形成する。

例えば、サファイア基板１０１を約４００〜７００℃の温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）からなる原料ガスを用いて、サファイア基板１０１の（０００１）面上に、アンドープの非単結晶のＧａＮからなるバッファ層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスを用いて、バッファ層上に、アンドープの単結晶のＧａＮからなる下地層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＳｉＨ₄からなるドーパントガスとを用いて、下地層上に、Ｓｉがドープされた単結晶のＧａＮからなるｎ型コンタクト層を成長させる。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）からなる原料ガスと、ＳｉＨ₄からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型コンタクト層上に、Ｓｉがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を成長させる。

このように、ｎ型半導体層１０２は、バッファ層、下地層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層等から構成される。又、ｎ型半導体層１０２の厚みは、約５μｍであることが好ましい。

次に、サファイア基板１０１を約７００〜８００℃（例えば、７６０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ₃、ＴＭＧあるいはＴＭＩ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスを用いて、ｎ型半導体層１０２上に、アンドープの単結晶のＧａＮ、あるいは、ＩｎＧａＮからなる障壁層と、アンドープの単結晶のＩｎＧａＮからなる井戸層とを交互に成長させる。これにより、例えば、４つの障壁層及び３つの井戸層を有するＭＱＷ構造の活性層１０３を成長させる（図３の２０１部分）。又、活性層１０３の厚みは、約０．１〜０．２μｍであることが好ましい。

次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ₂及びＮ₂からなるキャリアガスと、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＴＭＡからなる原料ガスと、ＣＰ₂Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、活性層１０３上に、Ｍｇがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなるｐ型ＡｌＧａＮ層１０４を成長させる（図３の２０２部分）。このとき、各ガスの流量比は、Ｈ₂：Ｎ₂：ＮＨ₃＝４：３０：４程度であり、ＴＭＧの流量は、約３．８３×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡの流量は、約１．７２×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉｎであることが好ましい。又、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の成長時間としては、４〜８分程度が好ましい。又、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の厚みは、約０．２μｍであることが好ましい。

次に、図１（ｂ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４上に、第１のｐ型ＧａＮ層１０５を形成する。

例えば、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ₂及びＮ₂からなるキャリアガスと、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＣＰ₂Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４上に、第１のｐ型ＧａＮ層１０５を成長させる（図３の２０３部分）。第１のｐ型ＧａＮ層１０５の形成条件は、ＴＭＡの供給を停止した以外は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の形成条件と同様である。従って、各ガスの流量比は、Ｈ₂：Ｎ₂：ＮＨ₃＝４：３０：４程度であり、ＴＭＧの流量は、約３．８３×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎであることが好ましい。又、第１のｐ型ＧａＮ層１０５の成長時間としては、１分程度が好ましい。又、第１のｐ型ＧａＮ層１０５の厚みは、約０．００１〜０．０５μｍであることが好ましく、０．０５μｍ程度であることが更に好ましい。

次に、図１（ｃ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、第１のｐ型ＧａＮ層１０５上に、第２のｐ型ＧａＮ層１０６を形成する。

例えば、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ₂及びＮ₂からなるキャリアガスと、ＮＨ₃及びＴＭＧからなる原料ガスとを用いて、第１のｐ型ＧａＮ層１０５上に、第２のｐ型ＧａＮ層１０６を成長させる（図３の２０４部分）。このとき、各ガスの流量比は、Ｈ₂：Ｎ₂：ＮＨ₃＝４：１：２程度であり、ＴＭＧの流量は、約８．９３×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎであることが好ましい。又、第２のｐ型ＧａＮ層１０６の成長時間としては、６分程度が好ましい。又、第２のｐ型ＧａＮ層１０６の厚みは、約０．０５〜０．２μｍであることが好ましく、０．１μｍ程度であることが更に好ましい。

この後、例えば、Ａｇ層と、Ｐｔ層と、Ａｕ層とからなるｐ型電極を、真空蒸着法により順次形成する。

（作用及び効果）
従来、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の形成条件は、ｐ型ＧａＮ層の形成条件と異なっているため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４を形成した後、一度成膜を中断し、形成条件を切り替えていた。この際、表面にＡｌが存在すると、ＡｌとＯやＣなどの不純物とが結合してしまい、発光を妨げる要因となっていた。

本実施形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４と同様の条件で、Ａｌの供給のみを停止し、表層を第１のｐ型ＧａＮ層１０５で覆うことにより、Ａｌの結合による発光効率の低下を抑制することができる。

又、このことは、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤにおける、バンド図からのシミュレーションによって、ｐ型ＧａＮ層下にＡｌＧａＮ電子ブロック層を挿入すると、活性層１０３の再結合が抑制できることが確認されることからも、効果が期待される。

又、第１のｐ型ＧａＮ層１０５は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４とＡｌの供給のみで条件が異なり、その他の形成条件（成長温度、各ガスの流量等）は、すべて同じである。このため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４形成後に、中断することなく、連続的に第１のｐ型ＧａＮ層１０５を形成することができる。従って、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の表面にＡｌが存在していても、ＯやＣと結合する可能性が低い。

又、第１のｐ型ＧａＮ層１０５は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０４の成長条件で成長させているため、第２のｐ型ＧａＮ層１０６よりも特性が悪い。このため、第１のｐ型ＧａＮ層１０５の膜厚は、０．００１〜０．０５μｍと薄くすることが好ましい。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の実施の形態では、主として、窒化物半導体素子層の活性層から放出される光を利用する発光ダイオードの製造方法について例示したが、本発明はこれに限らず、半導体レーザやこれら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。又、窒化物系半導体素子層を有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、受光素子への応用が可能である。

又、本発明の実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させる説明したが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法やガスソースＭＢＥ法などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。又、窒化物系化合物半導体の結晶構造として、ウルツ鉱型であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。又、成長の面方位は、（０００１）に限るものではなく、（１１−２０）や（１−１００）でもよい。

又、本発明の実施の形態では、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮからなる層以外の層を含む窒化物系半導体素子層を用いてもよい。又、半導体素子層の形状は、メサ構造、リッジ構造などの電流狭窄造を有するものでもよい。

又、本発明の実施の形態では、窒化物系半導体素子層の成長用基板として、サファイア基板を用いたが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の成長の可能な基板、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル、そしてＧａＮ等が使用可能である。

又、本発明の実施の形態では、原料ガスのＧａ源としてＴＭＧを、Ａｌ源としてＴＭＡを使用したが、これに限られるわけではない。同様に、ドーパントガスのＭｇ源としてＣＰ₂Ｍｇを使用したが、これに限られるわけではない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法における、成長温度の推移を示すグラフである。 図２のＡ段階における、成長温度及び各原料の供給量の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０１…基板
１０２…ｎ型半導体層
１０３…活性層
１０４…ＡｌＧａＮ層
１０５…第１のＧａＮ層
１０６…第２のＧａＮ層

Claims (2)

1. 基板上に、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層を形成する工程と、
   前記窒化物系半導体層上に、活性層を形成する工程と、
   前記活性層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が大きい条件で、Ａｌを供給し、ＡｌＧａＮ層を形成する工程と、
   前記ＡｌＧａＮ層上に、前記ＡｌＧａＮ層を形成する条件と同様の条件で、Ａｌの供給のみを停止し、第１のＧａＮ層を形成する工程と、
   前記第１のＧａＮ層上に、キャリアガスとしてＨ₂よりもＮ₂の流量が小さい条件で、第２のＧａＮ層を形成する工程と
   を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
2. 前記第１のＧａＮ層の厚みは、０．００１〜０．０５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。

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