JP2008034510A - Iii族窒化物化合物半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板11上に、少なくともIII族窒化物化合物からなる中間層12が積層され、該中間層12上に、n型半導体層14、発光層15、及びp型半導体層16が順次積層されてなり、中間層12が、金属原料とV族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することによって成膜されたものとして構成されている。
【選択図】図1
Description
また、電子デバイスに用いた場合でも、III族窒化物半導体発光素子は、従来のIII−V族化合物半導体を用いた場合に比べ、優れた特性を有する電子デバイスが得られる。
一般に、上述のような大きな格子不整合が存在する場合、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることが困難となり、また、成長させた場合であっても結晶性の良好な結晶が得られないという問題がある。
特許文献3及び4に記載の方法では、基板上に、スパッタ法によって、バッファ層を構成するコート層を成膜するとともに、基板材料として、サファイア、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等が用いられ、中でもサファイアのa面基板が好適とされている。
このため、上述のような基板と原料との反応は、基板の表側のみならず、反応装置内において原料を含む気体に曝される全ての基板面に生じる虞があった。
即ち、本発明は以下に関する。
[2] 前記基板が、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなるものであることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[3] 前記基板が、ハフニウム、タングステン、モリブデンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなるものであることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[5] 前記中間層が、少なくとも前記基板の側面を覆うように形成されていることを特徴とする[1]〜[4]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[6] 前記中間層が、前記基板の側面及び裏面を覆うように形成されていることを特徴とする[5]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[7] 前記中間層が、柱状結晶の集合体からなることを特徴とする[1]〜[6]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[8] 前記中間層は、前記柱状結晶の各々のグレインの幅の平均値が、1〜100nmの範囲とされていることを特徴とする[7]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[9] 前記中間層は、前記柱状結晶の各々のグレインの幅の平均値が、2〜70nmの範囲とされていることを特徴とする[7]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[10] 前記中間層の膜厚が、10〜500nmの範囲とされていることを特徴とする[1]〜[9]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[11] 前記中間層の膜厚が、20〜100nmの範囲とされていることを特徴とする[1]〜[9]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[12]前記中間層が、Alを含有する組成とされていることを特徴とする[1]〜[11]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[13] 前記中間層が、AlNからなることを特徴とする[12]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[14] 前記n型半導体層が少なくともIII族窒化物化合物半導体からなる下地層を有しており、前記中間層上に、前記下地層が積層されてなることを特徴とする[1]〜[13]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[15] 前記下地層が、GaN系化合物半導体からなることを特徴とする[14]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[16] 前記下地層が、GaNからなることを特徴とする[15]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[17] 前記下地層が、AlGaNからなることを特徴とする[15]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
[19] 前記基板として、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる基板を用いたことを特徴とする[18]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[20] 前記基板として、ハフニウム、タングステン、モリブデンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる基板を用いたことを特徴とする[18]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[22] 前記中間層を、スパッタ法によって成膜することを特徴とする[21]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[23] 前記中間層を、V族原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜することを特徴とする[22]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[24] 前記中間層を、RFスパッタ法によって成膜することを特徴とする[22]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[25] 前記中間層を、RFスパッタ法を用いて、カソードのマグネットを移動させつつ成膜することを特徴とする[24]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[26] 前記基板の温度を室温〜1000℃の範囲として、前記中間層を形成することを特徴とする[18]〜[25]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[27] 前記基板の温度を200〜800℃の範囲として、前記中間層を形成することを特徴とする[18]〜[25]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[28] 前記中間層上に、III族窒化物化合物半導体からなり、前記n型半導体層を構成する下地層を積層することを特徴とする[18]〜[27]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[29] 前記下地層を、MOCVD法によって、前記中間層上に成膜することを特徴とする[28]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[30] 前記下地層を、リアクティブスパッタ法によって、前記中間層上に成膜することを特徴とする[28]に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[31] 前記基板の温度を500℃以上として、前記下地層を形成することを特徴とする[28]〜[30]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[32] 前記基板の温度を800℃以上として、前記下地層を形成することを特徴とする[28]〜[30]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
[34] 上記[1]〜[17]、及び[33]の何れかに記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
従って、基板上に結晶性の良好なIII族窒化物化合物からなる中間層、並びにIII族窒化物半導体を効率良く成長させることができ、生産性に優れるとともに、優れた発光特性を備えたIII族窒化物化合物半導体発光素子が得られる。
また、本実施形態の積層半導体10は、基板11が、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる構成とすることができる。
また、本実施形態の積層半導体10では、前記基板11が、ハフニウム、タングステン、モリブデンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる構成とすることができる。
そして、本実施形態の積層半導体10は、図2及び図3に示す例のように、p型半導体層16上に透光性正極17が積層され、その上に正極ボンディングパッド18が形成されるとともに、基板11の半導体層積層面と反対側の面に負極19が積層されてなる発光素子1を構成することができる。
本実施形態において、III族窒化物化合物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板11には、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等を用いることが好ましい。上記材料を基板11に用いることが好ましい理由としては、これらの材料がIII族窒化物化合物半導体結晶と格子定数が近いことが挙げられる。
これらの基板材料は、アンモニア、ガリウム、水素等の雰囲気下に高温で曝された際、これらのガスとの間で反応を引き起こす性質があるが、本発明に係る発光素子では、詳細を後述する中間層が設けられていることにより、このような反応が防止される。
これらの条件より、上記材料の内、さらに好ましい材料としては、酸化亜鉛、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム等が挙げられる。
また、基板11を、安価で大型の基板として製造することが可能な、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、等の材料を用いることが最も好ましい。
本実施形態の積層半導体10は、基板11上に、金属原料とV族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することにより、III族窒化物化合物からなる中間層12が成膜されている。
中間層12が基板11の表面11aを覆う領域が小さくなると、基板11が大きく露出するためにコート層として機能せず、III族窒化物半導体結晶を成長させる半導体原料と基板との間で反応が生じ、中間層12上に形成されるn型半導体層の平坦性を損なう虞がある。
上述したように、MOCVD法では、原料ガスが基板の側面、もしくは裏面にまで回りこむことがあるので、原料ガスと基板との反応を回避するためには、基板側面、もしくは裏面をも保護できるように、中間層を、図5(c)に示す中間層12cのように構成することが好ましい。
III族窒化物化合物半導体の結晶は、六方晶系の結晶構造を有し、六角柱を基本とした集合組織を形成しやすい。特に、プラズマ化した金属材料を用いる成膜方法によって形成された膜は、柱状結晶となりやすい。
このような、柱状結晶からなる中間層12を基板11上に成膜した場合、中間層12はバッファ層として有効に作用するため、その上に成膜されたIII族窒化物化合物半導体は良好な結晶性を持つ結晶膜となる。
III族窒化物化合物半導体の結晶層の結晶性を良好にするためには、柱状結晶の各々の結晶のグレインの幅を適正に制御する必要があり、具体的には、上記範囲とすることが好ましい。
結晶のグレインの幅は、断面TEM観察などにより容易に測定することが可能である。
ここで、上述したグレインの幅とは、中間層12が柱状グレインの集合体である場合は、結晶の界面と界面の距離のことをいう。一方、グレインが島状に点在する場合には、グレインの幅とは、結晶グレインが基板面に接する面の最も大きい部分の大きさを言う。
中間層12の膜厚が10nm未満だと、上述したようなコート層としての機能が充分でなくなる。また、500nmを超える膜厚で中間層12を形成し場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず、成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
中間層12を構成する材料としては、一般式AlGaInNで表されるIII族窒化物化合物半導体であれば、どのような材料でも用いることができる。さらに、V族として、AsやPが含有される構成としても良い。
中間層12を、Alを含んだ組成とした場合、中でも、GaAlNとすることが好ましく、この際、Alの組成が50%以上とされていることが好ましい。
また、中間層12は、AlNからなる構成とすることにより、効率的に柱状結晶集合体とすることができるので、より好ましい。
金属原料とV族元素を含んだガスとをプラズマで活性化して反応させることにより、中間層12を成膜する方法としては、スパッタ法、PLD法、PED法、CVD法等を挙げることができる。
プラズマを発生させる方法としては、特定の真空度で高電圧をかけて放電するスパッタ法、高いエネルギー密度のレーザを照射してプラズマを発生させるPLD法、電子線を照射させることでプラズマを発生させるPED法等、幾つかの方法があるが、この内、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な方法である。なお、DCスパッタを用いる場合、ターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性があるので、パルスDCスパッタ法とするか、RFスパッタ法とすることが望ましい。
このような、カソードのマグネットを揺動、又は回転等の方法で移動させつつ成膜するRFスパッタ法は、詳細を後述する、基板11側面に中間層12を成膜する際の成膜効率に優れる点で好適である。
スパッタ法を用いて中間層12を成膜する際の炉内の圧力は、0.3Pa以上であることが好ましい。この炉内の圧力が0.3Pa未満だと、窒素の存在量が小さく、スパッタされた金属が窒化物とならずに基板11に付着する虞がある。この炉内の圧力の上限は特に限定されないが、プラズマを発生させることができる程度の圧力に抑制することが必要である。
窒素(N2)とArの流量に対する窒素流量の比は、特に好ましくは、50%以上90%以下の範囲である。
例えば、ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板11表面に作用させることで、基板11表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、基板11とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板11に作用する。
なお、本発明で説明する室温とは、工程の環境等にも影響される温度であるが、具体的な温度としては、0〜30℃の範囲である。
アンモニアは分解効率が良好であり、高い成長速度で成膜することが可能であるが、反応性や毒性が高いため、除害設備やガス検知器が必要となり、また、反応装置に使用する部材の材料を安定性の高いものにする必要がある。
また、窒素(N2)を原料として用いた場合には、装置としては簡便なものを用いることができるが、高い反応速度は得られない。しかしながら、窒素を電界や熱等により分解してから装置に導入する方法とすれば、アンモニアよりは低いものの工業生産的に利用可能な程度の成膜速度を得ることができるため、装置コストとの兼ね合いを考えると、最も好適な窒素源である。
図1に示すように、本実施形態の積層半導体10は、基板11上に、上述のような中間層12を介して、窒化物系化合物半導体からなるn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16からなる発光半導体層が積層されている。
そして、n型半導体層14は、少なくともIII族窒化物化合物半導体からなる下地層14aを有しており、中間層12上に下地層14aが積層されている。
以下に、積層半導体10について詳述する。
n型半導体層14は、通常、前記中間層12上に積層され、下地層14a、n型コンタクト層14b及びn型クラッド層14cから構成される。なお、n型コンタクト層は、下地層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることが可能であるが、下地層が、n型コンタクト層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることも可能である。
下地層14aは、III族窒化物化合物半導体からなり、中間層12上に積層して成膜される。
下地層14aの材料としては、基板11上に成膜された中間層12と異なる材料を用いても構わないが、AlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
前記中間層12をAlNからなる構成とした場合、下地層14aは、柱状結晶の集合体である中間層12の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させる必要がある。転位のループ化を生じやすい材料としては、GaN系化合物半導体が挙げられ、特に、AlGaN、又はGaNが好適である。
n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
また、基板11に絶縁性の基板を用いる場合には、発光素子のチップの同じ面に電極が形成されるチップ構造を採用することになるので、基板11上に中間層12を介して積層される下地層14aはドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となる。
本実施形態では、上述した方法で基板11に中間層12を成膜した後、III族窒化物化合物半導体からなる下地層14aを成膜することができるが、該下地層14aを成膜する前に、アニール処理を行うことは特段に必要ではない。しかしながら、一般に、III族窒化物化合物半導体の成膜をMOCVD、MBE、VPE等の気相化学成膜方法で行なう場合、成膜を伴わない昇温過程及び温度の安定化過程を経て処理されるが、これらの過程においてV族の原料ガスをチャンバ内に流通させることが多いので、結果としてアニール効果が生じることがある。
また、MOCVD成長炉内の圧力は15〜40kPaに調整することが好ましい。
n型コンタクト層14bとしては、下地層14aと同様にAlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。また、n型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeである。成長温度は下地層と同様である。また、上述したように、n型コンタクト層14bは、下地層を兼ねた構成とすることもできる。
n型コンタクト層14bと後述の発光層15との間には、n型クラッド層14cを設けることが好ましい。n型クラッド層14cを設けることにより、n型コンタクト層14bの最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできる。n型クラッド層14cはAlGaN、GaN、GaInN等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。GaInNとする場合には、発光層15のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
また、n型クラッド層14cのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3の範囲が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
p型半導体層16は、通常、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bから構成される。しかし、p型コンタクト層がp型クラッド層を兼ねてもよい。
p型クラッド層16aとしては、発光層15のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層15へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)のものが挙げられる。p型クラッド層16aが、このようなAlGaNからなると、発光層15へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。p型クラッド層16aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。p型クラッド層16aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
p型コンタクト層16bとしては、少なくともAleGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極(後述の透光性電極17を参照)との良好なオーミック接触の点で好ましい。
また、p型ドーパントを1×1018〜1×1021/cm3の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の範囲である。
p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはMgが挙げられる。
p型コンタクト層16bの膜厚は、特に限定されないが、10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
発光層15は、n型半導体層14上に積層されるとともにp型半導体層16がその上に積層される層であり、図1に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層15aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型半導体層14側及びp型半導体層16側に障壁層15aが配される順で積層して形成される。
また、図1に示す例では、発光層15は、6層の障壁層15aと5層の井戸層15bとが交互に繰り返して積層され、発光層15の最上層及び最下層に障壁層15aが配され、各障壁層15a間に井戸層15bが配される構成とされている。
また、井戸層15bには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInsN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
透光性正極17は、上述のようにして作製される積層半導体10のp型半導体層16上に形成される透光性の電極である。
透光性正極17の材質としては、特に限定されず、ITO(In2O3−SnO2)、AZnO(ZnO−Al2O3)、IZnO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−GeO2)等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
正極ボンディングパッド18は、上述の透光性正極17上に形成される電極である。
正極ボンディングパッド18の材料としては、Au、Al、NiおよびCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド18の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド18の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
負極ボンディングパッド19の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
また、負極19は、基板11の全面にわたって形成された構成としても良いし、基板11の面上の一部のみに形成された構成とすることもできる。
以上説明したような、本発明に係るIII族窒化物化合物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。従来より、発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、このような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
例えば、蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。
また、ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
図1に、本実験例で作製したIII族窒化物化合物半導体発光素子の積層半導体の断面模式図を示す。
本例では、ZnOからなる基板11のZn面上に、中間層12としてRFスパッタ法を用いてAlNからなる柱状結晶の集合体を形成し、その上に、下地層14aとして、MOCVD法を用いてGaNからなる層を形成した。この、GaNからなる、下地層14aの上に、同様にMOCVD法を用いて各半導体層を積層した。
そして、スパッタ装置内で基板11を750℃まで加熱し、窒素ガスのみを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を0.08Paに保持し、基板11側に50Wの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことによって基板11表面を洗浄した。
ターゲット内のマグネットは、基板11の洗浄時、及び成膜時の何れにおいても揺動させた。
そして、予め測定した成膜速度に従い、規定した時間の処理により、50nmのAlN(中間層12)を成膜後、プラズマ動作を停止し、基板11の温度を低下させた。
まず、基板11を反応炉中に導入した。基板11は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製のサセプタ上に載置した。そして、窒素ガスを炉内に流通させた後、ヒータによって基板11の温度を1150℃に昇温させた。基板11が1150℃の温度で安定したことを確認した後、アンモニア配管のバルブを開き、アンモニアの炉内への流通を開始した。次いで、TMGaの蒸気を含む水素を炉内へ供給し、基板11上に成膜された中間層12の上に、下地層14aを構成するGaN系半導体を付着させる処理を行った。アンモニアの量は、V/III比が6000となるように調節した。約1時間に渡って上記GaN系半導体の成長を行った後、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉内への供給を停止して成長を停止させた。そして、GaN系半導体の成長を終了させた後、ヒータへの通電を停止して、基板11の温度を室温まで降温した。
本例では、実施例1と同じ条件で成膜した2μmのSiドープGaN結晶(下地層14a)上に、InGaNとGaNとを交互に積層して構成されるMQW層を成膜し、最終的に、図1に示すようなIII族窒化物化合物半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハ(積層半導体10)を作製した。
このエピタキシャルウェーハは、Zn面のc面を有するZnOからなる基板11上に、実施例1と同様の成長方法により、柱状構造を有するAlNからなる中間層12を成膜した後、基板11側から順に、2μmのSiドープGaNからなる下地層14a、1×1019cm−3の電子濃度を持つ2μmのSiドープGaNからなるn型コンタクト層14b、1×1018cm−3の電子濃度を持つ20nmのIn0.1Ga0.9N型クラッド層(n型クラッド層14c)、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる積層構造であって、層厚を16nmとしたGaNからなる6層の障壁層15aと、層厚を3nmとしたノンドープのIn0.2Ga0.8Nからなる5層の井戸層15bとが交互に積層されてなる発光層(多重量子井戸構造)15、5nmのMgをドープしたAl0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層16a、及び膜厚200nmのMgドープAl0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層16bとを具備したp型半導体層16を積層した構造を有する。図2に、本例で作製した半導体発光素子の電極構造の平面図を示す。
その後の半導体積層構造の積層も、同じMOCVD装置を用いて、下地層14aの成膜と同様にして行った。
まず、作製したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによってMgドープAl0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層16bの表面上に、ITOからなる透光性正極17と、その上に表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を有する正極ボンディングパッド18を形成した。また、基板11の裏側(図3を参照)の全面に、Cr、Al、Ti、Auの4層よりなる負極19を作製した。これらの工程により、ウェーハ上に、図2及び3に示すような形状を持つ各電極を作製した。
比較例1では、ZnOからなる基板上に、中間層を設けずにMOCVDによるIII族窒化物化合物半導体の成膜を行った。
比較例1では、MOCVD法によるGaN層の成長後、反応装置内に基板が残っておらず、GaN層の成長中に基板が昇華してしまったことが認められた。
本例では、酸化ガリウムからなる基板上に、中間層として、回転カソード式のRFスパッタ装置を用いてAlNの柱状結晶の集合体を形成した。
まず、スパッタ装置内で基板を750℃まで加熱し、窒素ガスのみを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を0.08Paに保持しながら基板側に50Wの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことで、基板表面を洗浄した。
次いで、チャンバ内にアルゴンガス及び窒素ガスを導入した後、基板温度を200℃まで低下させた。そして、200Wの高周波バイアスを金属Alターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.1Paに保ち、Arガスを2sccm、窒素ガスを18sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は90%)で、ZnOからなる基板上にAlNからなる中間層を成膜した。この際の成長レートは0.08nm/sであった。また、成膜されたAlN層(中間層)は100nmとなるように調節した。
そして、上記中間層上に、下地層として、スパッタ法を用いてGaN層を形成し、更にその上に、実施例2と同様の発光素子半導体積層構造を成膜した。ここで、スパッタ時の基板の温度は700℃とした。
実施例3では、スパッタ法によって発光素子半導体積層構造を成長させた後、反応装置からウェーハを取り出したところ、ウェーハ表面が鏡面であることが確認できた。
次いで、上述のようにして作製したウェーハを、実施例2と同様にして発光ダイオードチップとした。電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.1Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は460nmであり、発光出力は13mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
本例では、Si(111)基板上に、中間層として、回転カソード式のRFスパッタ装置を用いてAlGaNの柱状結晶の集合体を形成した。
まず、スパッタ装置内で基板を750℃まで加熱し、窒素ガスのみを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を0.08Paに保持しながら基板側に50Wの高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことで、基板表面を洗浄した。
次いで、チャンバ内にアルゴンガス及び窒素ガスを導入した後、基板温度を800℃まで低下させた。そして、1000Wの高周波バイアスを金属Alターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.6Paに保ち、Arガスを2sccm、窒素ガスを18sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素ガスの比は90%)で、Siからなる基板上にAlNからなる中間層を成膜した。この際の成長レートは0.1nm/sであった。また、成膜されたAlN層(中間層)は30nmとなるように調節した。
そして、上記中間層上に、下地層として、MOCVD法を用いてSiをドープしたAlGaNの層を形成し、更にその上に、実施例2と同様の発光素子半導体積層構造を成膜した。ここで、中間層のAl組成は70%とし、下地層のAl組成は15%とした。また、MOCVD法による下地層の成膜時の基板温度は900℃とした。
実施例4では、MOCVD法によって発光素子半導体積層構造を成長させた後、反応装置からウェーハを取り出したところ、ウェーハ表面が鏡面であることが確認できた。
次いで、上記のようにして作製したウェーハを、実施例2と同様にして発光ダイオードチップとした。本例では、各電極を、積層構造側と基板側の上下に設置した。電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は2.9Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は460nmであり、発光出力は10mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
本例では、酸化ストロンチウムチタン基板上に、中間層として、CO2レーザでターゲットを励起するPLD装置を用いてGaNの柱状結晶の集合体を形成した。
まず、チャンバ内に窒素ガスを導入した後、基板温度を400℃まで低下させた。そして、2000Wの高周波によって窒素ガスをプラズマ化し、炉内の圧力を0.05Paに保った。更に、Al金属ターゲットにCO2レーザをパルス状に照射してAlのプラズマを発生させ、気相の窒素と反応させて基板上にAlNからなる中間層を成膜した。この際の成長レートは0.3nm/sであった。また、成膜したAlN層(中間層)は、40nmとなるように調節した。
そして、上記中間層上に、下地層として、MOCVD法を用いてGeをドープしたAlGaNの層を形成し、更にその上に、実施例2と同じ発光素子半導体積層構造を成膜した。ここで、下地層のAl組成は10%とした。また、本例では、発光波長が525nm付近の緑色LEDの作製を試みたため、発光層に含有されるInの原料流量を増量した。
実施例5では、MOCVD法によって発光素子半導体積層構造を成長させた後、反応装置からウェーハを取り出したところ、ウェーハ表面が鏡面であることが確認できた。
上述のようにして作製したウェーハを、実施例2と同様の方法で発光ダイオードチップとし、また、実施例4と同様に、各電極を積層構造側と基板側の上下に設置した。そして、電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.3Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は525nmであり、発光出力は10mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
本例では、Hf(100)基板上に、中間層として、回転カソード式のRFスパッタ法を用いてAlNの柱状結晶の集合体を形成し、その上に下地層として、MOCVD法を用いてSiをドープしたAlGaNの層を形成した。この際、下地層のAl組成は15%とし、中間層をスパッタする際の基板温度を500℃、下地層を成膜する際の基板温度を800℃とした。そして、さらにその上に、実施例2と同様の発光素子半導体積層構造を成膜した。
実施例6では、MOCVD法によって発光素子半導体積層構造を成長させた後、反応装置からウェーハを取り出したところ、ウェーハ表面が鏡面であることが確認できた。
上述のようにして作製したウェーハを、実施例2と同様の方法で発光ダイオードチップとし、また、実施例4と同様に、各電極を積層構造側と基板側の上下に設置した。そして、電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は2.9Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は460nmであり、発光出力は10mWを示した。このような発光ダイオードの発光特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
Claims (34)
- 基板上に、少なくともIII族窒化物化合物からなる中間層が積層され、該中間層上に、n型半導体層、発光層、及びp型半導体層が順次積層されてなるIII族窒化物化合物半導体発光素子であって、
前記中間層が、金属原料とV族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することによって成膜されたものであることを特徴とするIII族窒化物化合物半導体発光素子。 - 前記基板が、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなるものであることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記基板が、ハフニウム、タングステン、モリブデンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなるものであることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、前記基板表面の少なくとも90%以上を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、少なくとも前記基板の側面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、前記基板の側面及び裏面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、柱状結晶の集合体からなることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層は、前記柱状結晶の各々のグレインの幅の平均値が、1〜100nmの範囲とされていることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層は、前記柱状結晶の各々のグレインの幅の平均値が、2〜70nmの範囲とされていることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層の膜厚が、10〜500nmの範囲とされていることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層の膜厚が、20〜100nmの範囲とされていることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、Alを含有する組成とされていることを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記中間層が、AlNからなることを特徴とする請求項12に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記n型半導体層が少なくともIII族窒化物化合物半導体からなる下地層を有しており、前記中間層上に、前記下地層が積層されてなることを特徴とする請求項1〜13の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記下地層が、GaN系化合物半導体からなることを特徴とする請求項14に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記下地層が、GaNからなることを特徴とする請求項15に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 前記下地層が、AlGaNからなることを特徴とする請求項15に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 基板上に、少なくともIII族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、n型半導体層、発光層、及びp型半導体層を順次積層するIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記中間層を、金属原料とV族元素を含んだガスとをプラズマで活性化して反応させることを特徴とするIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板として、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる基板を用いたことを特徴とする請求項18に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板として、ハフニウム、タングステン、モリブデンの群から選ばれる少なくとも1種以上からなる基板を用いたことを特徴とする請求項18に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層を、スパッタ法、PLD法、PED法、CVD法の内の何れかの方法によって成膜することを特徴とする請求項18〜20の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層を、スパッタ法によって成膜することを特徴とする請求項21に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層を、V族原料をリアクタ内に流通させるリアクティブスパッタ法によって成膜することを特徴とする請求項22に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層を、RFスパッタ法によって成膜することを特徴とする請求項22に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層を、RFスパッタ法を用いて、カソードのマグネットを移動させつつ成膜することを特徴とする請求項24に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の温度を室温〜1000℃の範囲として、前記中間層を形成することを特徴とする請求項18〜25の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の温度を200〜800℃の範囲として、前記中間層を形成することを特徴とする請求項18〜25の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記中間層上に、III族窒化物化合物半導体からなり、前記n型半導体層を構成する下地層を積層することを特徴とする請求項18〜27の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記下地層を、MOCVD法によって、前記中間層上に成膜することを特徴とする請求項28に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記下地層を、リアクティブスパッタ法によって、前記中間層上に成膜することを特徴とする請求項28に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の温度を500℃以上として、前記下地層を形成することを特徴とする請求項28〜30の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の温度を800℃以上として、前記下地層を形成することを特徴とする請求項28〜30の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項18〜32の何れか1項に記載の製造方法で得られるIII族窒化物化合物半導体発光素子。
- 請求項1〜17、及び請求項33の何れか1項に記載のIII族窒化物化合物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
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