JP2008218740A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光強度が高く、かつ駆動電圧が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、n型ドーパント含有障壁層と井戸層とが交互に積層された発光層およびp型半導体層をこの順序で成長させる際に、障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率(M/III)を原子数換算で4.5×10-7≦(M/III)<2.0×10-6の範囲に制御する。
【選択図】なし
【解決手段】基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、n型ドーパント含有障壁層と井戸層とが交互に積層された発光層およびp型半導体層をこの順序で成長させる際に、障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率(M/III)を原子数換算で4.5×10-7≦(M/III)<2.0×10-6の範囲に制御する。
【選択図】なし
Description
本発明は発光強度が高く、かつ駆動電圧が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は発光層を間に挟む形でn型半導体層とp型半導体層を配置するように構成されている。順方向への電圧を印加すると、それぞれに接触して設けられている負極および正極から正孔、電子を注入して発光層内中のPN接合において再結合することで発光を得る。発光層は通常Inを含むGaInN層からなる井戸層と、障壁層としての役割をするGaN層から構成されている。すなわち、バンドギャップが小さい層の両側にバンドギャップの大きい層を配置して、注入されたキャリアを効率よく閉じ込めることで再結合・放射の確率を高めているのである。発光の波長は井戸層を構成するGaInN層のバンドギャップに対応してきまるが、そのバンドギャップはIn組成に依存するので、限られた波長領域ではあるがIn濃度を変えることで発光波長を変えることができる。発光の強さは再結合する正孔と電子のキャリア数に比例するのであって、再結合確率を高めるための発光層の構成要素が選択されるのである。実際には、障壁層および井戸層の厚み、障壁層のドーパント材濃度等であり、これら構成層の製造条件も含まれる。
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光強度の高いことが望まれることはいうまでもないが、実用上では素子が動作する際の駆動電圧Vfも低いことが望まれる。高発光強度であっても、駆動電圧が高い場合は、実用的ではない。
すなわち、ある定電流Ifを供給したときに、より低い駆動電圧Vfでかつ発光強度が強いことが発光素子に望まれるのである。
すなわち、ある定電流Ifを供給したときに、より低い駆動電圧Vfでかつ発光強度が強いことが発光素子に望まれるのである。
発光素子を構成する電極材料を一定とした場合、駆動電圧Vfはn型半導体層とp型半導体層の条件、および発光層の一部を構成する障壁層の条件に依存する。駆動電圧を制御する目的で、障壁層にはSiまたはGeなどのドーパント材を添加することが一般的に行われている。しかし、本発明者は、ドーパント材の濃度を高くすると駆動電圧Vfは小さくなるが、発光素子の発光強度はあまり強くならないことを見出した。ドーパント材の濃度を低くすると発光強度の増大につながるが、駆動電圧Vfが高くなるという副作用が現れる。すなわち障壁層内ドーパント濃度は駆動電圧Vfを制御する要素になりえるが、発光強度への作用も考慮して、適宜選択されなければならない。
例えば、米国特許第6,607,595号明細書では、成長条件としてドーパント材と他の原料との流量の比率を範囲限定して、n型層のキャリア濃度を制御することを行っている。しかし、その比率と発光素子の駆動電圧Vfとの関係までは求めてはおらず、明確にはなっていない。
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、発光強度が高く、かつ駆動電圧が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
本発明者は窒化ガリウム系化合物半導体層から構成される障壁層を製造する際に、その構成材料であるIII族原料とドーパント材の供給量比を限られた範囲において制御することで、この障壁層を持った発光素子が、駆動電圧が低く、かつ発光強度が高くなることを見出した。III族原料とドーパント材の単位時間あたりの供給量比を[M/III]とすると(M:ドーパント材供給量)、限られた範囲とは原子数換算で4.5×10-7≦[M/III]<2.0×10-6である。この条件下で作成した発光層を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、電流20mAという条件のもと、駆動電圧Vfが3.3V、発光強度として14mWの特性を得ることができたのである。[M/III]<4.5×10-7であると、発光素子において、発光強度は高いが駆動電圧が3.5V以上となる。さらに、[M/III]を小さくしてゆくと駆動電圧は高くなり、発光強度は低くなることがわかった。また2.0×10-6 ≦[M/III]の領域において駆動電圧は3.30V前後を推移するものの、[M/III]が大きくなるのに従って、発光強度が低くなる傾向にあった。
すなわち、本発明は下記の発明を提供する。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、n型ドーパント含有障壁層と井戸層とが交互に積層された発光層およびp型半導体層をこの順序で成長させた後、該n型半導体層およびp型半導体層に負極および正極をそれぞれ形成することからなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率(M/III)が原子数換算で4.5×10-7≦(M/III)<2.0×10-6の範囲にあ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の製造方法。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、n型ドーパント含有障壁層と井戸層とが交互に積層された発光層およびp型半導体層をこの順序で成長させた後、該n型半導体層およびp型半導体層に負極および正極をそれぞれ形成することからなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率(M/III)が原子数換算で4.5×10-7≦(M/III)<2.0×10-6の範囲にあ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の製造方法。
(2)障壁層がn型GaN層である上記1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
(3)井戸層がGaInN層である上記1または2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
(3)井戸層がGaInN層である上記1または2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
(4)n型ドーパント原料がSiまたはGeである上記1〜3項のいず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の製造方法。
(5)発光層を成長させる際の成長装置内圧力が20〜60kPaである上記1〜4項のいず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の製造方法。
(5)発光層を成長させる際の成長装置内圧力が20〜60kPaである上記1〜4項のいず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の製造方法。
(6)上記1〜5項のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(7)上記6項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
(8)上記7項に記載のランプが組み込まれている電子機器。
(9)上記8項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
(7)上記6項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
(8)上記7項に記載のランプが組み込まれている電子機器。
(9)上記8項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率を特定の範囲に制御して製造した本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光強度が高く、かつ駆動電圧が低い。
以下に本発明の詳細な内容を述べる。
図1は本発明に係わる発光層を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例の断面を示した模式図である。図1において1は基板、2はバッファ層、3は例えばアンドープGaNからなる下地層、4は例えばGaNからなるn型コンタクト層、5は例えばGaxIn1-xNからなるn型クラッド層、6は発光層である。発光層はGaNからなる障壁層とInを含むGaxIn1-xNから構成される井戸層が交互に積層されている。7と8はそれぞれp型クラッド層とp型コンタクト層である。9は負極材でn型コンタクト層に接するように配置されている。p型コンタクト層上には10で示された透明電極材が配置され、その上に11で示されたボンディングパッド層が配置される。透明電極材とボンディングパッド層とが正極を構成している。
図1は本発明に係わる発光層を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例の断面を示した模式図である。図1において1は基板、2はバッファ層、3は例えばアンドープGaNからなる下地層、4は例えばGaNからなるn型コンタクト層、5は例えばGaxIn1-xNからなるn型クラッド層、6は発光層である。発光層はGaNからなる障壁層とInを含むGaxIn1-xNから構成される井戸層が交互に積層されている。7と8はそれぞれp型クラッド層とp型コンタクト層である。9は負極材でn型コンタクト層に接するように配置されている。p型コンタクト層上には10で示された透明電極材が配置され、その上に11で示されたボンディングパッド層が配置される。透明電極材とボンディングパッド層とが正極を構成している。
次に図1を用いて、本発明の詳細を述べる。
本発明において、図1中の1に示す基板には、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶またはGa2O3単結晶などの酸化物単結晶基板、およびSi単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶またはZrB2などのホウ化物単結晶などの非酸化物単結晶基板から選ばれた公知の基板材料を用いることができ、その選択に制限はない。なお、基板の面方位は特に限定されず、そのオフ角は任意に選らばれたもので可能である。また、表面加工された基板も使用可能である。
本発明において、図1中の1に示す基板には、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶またはGa2O3単結晶などの酸化物単結晶基板、およびSi単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶またはZrB2などのホウ化物単結晶などの非酸化物単結晶基板から選ばれた公知の基板材料を用いることができ、その選択に制限はない。なお、基板の面方位は特に限定されず、そのオフ角は任意に選らばれたもので可能である。また、表面加工された基板も使用可能である。
バッファ層、下地層、n型コンタクト層、n型クラッド層、発光層、p型クラッド層およびp型コンタクト層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式AlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1,0≦y<1,0≦x+y≦1)で表わされる各種組成の半導体が周知である。本発明におけるバッファ層、下地層、n型コンタクト層、n型クラッド層、発光層、p型クラッド層およびp型コンタクト層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体においても、一般式AlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1,0≦y<1,0≦x+y≦1)で表わされる各種組成の半導体を使用可能で、それには制限はない。
これらの窒化ガリウム系化合物半導体を成長する方法としては、有機金属気層相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキシー成長法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)などがあり、本発明においてもいずれの方法も適用可能である。望ましくは組成制御が容易であり、量産性を備えたMOCVD法が適しているが、必ずしも同法に限定されるものではない。
MOCVD法を上記半導体層の成長方法として採用する場合は、III族であるGaの原料としてはおもに、有機金属材料であるトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)が選ばれる。同じくIII族のAlの原料としては、トリメチルアルミニウム(TMAl)またはトリエチルアルミニウム(TEAl)を用いる。また発光層内井戸層の構成材料原料の一つであるInについては、その原料としてトリメチルインジウム(TMIn)またはトリエチルインジウム(TEIn)を用いる。V族のN源として、アンモニア(NH3)またはヒドラジン(N2H4)などを用いる。
発光層内の障壁層およびn型コンタクト層にはドーパント材料として、SiあるいはGeを用いる。Si原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマン(GeH4)または有機ゲルマニウム化合物を用いる。
p型クラッド層とp型コンタクト層では、ドーパントとしてMgを使用する。その原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム((EtCp)2Mg)を用いる。
p型クラッド層とp型コンタクト層では、ドーパントとしてMgを使用する。その原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム((EtCp)2Mg)を用いる。
ここからは窒化ガリウム系化合物半導体の成長法として一般的であるMOCVD法を採用した、各半導体層について述べる。
(バッファ層)
バッファ層としては、特許第3026087号公報等に開示された低温バッファ層や特開2003−243302号公報等に開示された高温バッファ層が知られているが、これらのバッファ層を何ら制限無く用いることができる。
(バッファ層)
バッファ層としては、特許第3026087号公報等に開示された低温バッファ層や特開2003−243302号公報等に開示された高温バッファ層が知られているが、これらのバッファ層を何ら制限無く用いることができる。
成長に供する基板は前記記載の中から選択できるが、ここではサファイア基板を使用した場合について述べる。
同基板を温度、圧力の制御の可能な反応空間に設置されたSiC膜付グラファイト製治具(サセプター)上に配置する。その場所に所定の供給量に制御された水素キャリアガス、窒素キャリアガスともにNH3ガスとTMAlを送りこむ。SiC膜付グラファイト製治具はRFコイルによる誘導加熱によって必要な温度にまで加熱され、その際に基板上ではAlNバッファ層が形成される。この時の炉内圧力は10〜40kPa(100〜400mbar)が適当である。温度として、AlNの低温バッファ層を成長させるには500℃から700℃の温度に制御し、その後結晶化のために1100℃前後にまで上昇させる。高温AlNバッファ層を成長させる場合は2段の加熱ではなく、一度に1000℃から1200℃の温度下において成長させることが可能である。なお、前記記載中のAlN単結晶基板、GaN単結晶基板を使う場合はかならずしもバッファ層を成長させる必要はなく、上記基板上に後述するアンドープGaN層を直接成長させることが可能である。
同基板を温度、圧力の制御の可能な反応空間に設置されたSiC膜付グラファイト製治具(サセプター)上に配置する。その場所に所定の供給量に制御された水素キャリアガス、窒素キャリアガスともにNH3ガスとTMAlを送りこむ。SiC膜付グラファイト製治具はRFコイルによる誘導加熱によって必要な温度にまで加熱され、その際に基板上ではAlNバッファ層が形成される。この時の炉内圧力は10〜40kPa(100〜400mbar)が適当である。温度として、AlNの低温バッファ層を成長させるには500℃から700℃の温度に制御し、その後結晶化のために1100℃前後にまで上昇させる。高温AlNバッファ層を成長させる場合は2段の加熱ではなく、一度に1000℃から1200℃の温度下において成長させることが可能である。なお、前記記載中のAlN単結晶基板、GaN単結晶基板を使う場合はかならずしもバッファ層を成長させる必要はなく、上記基板上に後述するアンドープGaN層を直接成長させることが可能である。
(下地層およびn型コンタクト層)
図1の3で示した下地層および4で示したn型コンタクト層を説明する。
バッファ層の形成に引き続いて、バッファ層上に下地層を成長させる。下地層としては各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、アンドープGaN層から構成されることが好ましい。
図1の3で示した下地層および4で示したn型コンタクト層を説明する。
バッファ層の形成に引き続いて、バッファ層上に下地層を成長させる。下地層としては各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、アンドープGaN層から構成されることが好ましい。
温度は1000〜1200℃として、圧力制御下のもと、NH3ガスとTMGaを窒素ガス、あるい水素ガス、またはその混合ガスからなるキャリアガスとともにバッファ層上に送りこむ。TMGaの供給量は、同時に流すNH3との比率によって制限されるが、成長速度として1μm/時〜3μm/時の間に制御することが転位など結晶欠陥の発生を抑制することに有効である。成長圧力については上記の成長速度を確保するうえで、20〜60kPa(200〜600mbar)の領域が最適である。
下地層の成長に引き続いて、n型コンタクト層を成長させる。n型コンタクト層としても各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、n型不純物をドーピングされたGaN層から構成されることが好ましい。
n型GaN層の成長条件は上述のアンドープGaN層の成長条件と同じである。ドーパントはSiまたはGeが用いられ、キャリアガスとともに供給される。その供給濃度はTMGa供給量との比率で制御する。本発明は、後述する発光層内の障壁層へのドーパント材供給量とGa原料の供給量の比率を制御することで低い駆動電圧を備えた高発光半導体素子を実現したものであるが、駆動電圧はn型コンタクト層のドーパント濃度、およびp型半導体層のドーパント濃度にも影響されるので、これらの濃度は成長条件に合わせながら決定する。n型GaNコンタクト層へのドーパントの供給条件としてはM/III比(M=SiまたはGe)を1.0×10-5〜6.0×10-5の範囲にする。
膜厚については、例えばアンドープGaNからなる下地層は4〜7μm、例えばGaNからなるn型コンタクト層は2〜4μmの間にすることが好ましいが、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。基板およびバッファ層からの結晶欠陥の上層への伝播を抑えるための手段として、下地層およびn型コンタクト層の膜厚を増加させることも可能であるが、厚膜化により、ウェーハ自体の反りを誘発するのであまり得策ではない。本発明においては、前記の範囲内においてそれぞれの層の膜厚を設定することが好ましい。
(n型クラッド層)
n型コンタクト層の上にn型クラッド層を成長させる。n型クラッド層としても各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、GaxIn1-xN層から構成されることが好ましい。
n型コンタクト層の上にn型クラッド層を成長させる。n型クラッド層としても各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、GaxIn1-xN層から構成されることが好ましい。
GaxIn1-xN層を形成するためのGa原料はTEGaあるいはTMGaを、またIn原料はTMInを用いる。成長温度は700℃から1000℃の間を選択することができ、この温度間に保持したn型コンタクト層上に上記原料とNH3とがキャリアガスによって供給される。
TMInを供給することからキャリアガスは窒素ガスが望ましい。水素キャリアであるとInを取り込むことが困難になる。圧力は本発明では、成長圧力は20〜60kPa(200〜600mbar)の間が好ましいが、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。
TMInを供給することからキャリアガスは窒素ガスが望ましい。水素キャリアであるとInを取り込むことが困難になる。圧力は本発明では、成長圧力は20〜60kPa(200〜600mbar)の間が好ましいが、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。
GaxIn1-xNのIn組成は構成比として制限はないが、10%以下が望ましい。この組成はGa原料に対するTMInの供給量比で制御できる。
n型とするために同時にドーパントガスを供給するが、その条件としてはM/III比(M=SiまたはGe)を1.0×10-6〜2.0×10-6の範囲にする。
n型とするために同時にドーパントガスを供給するが、その条件としてはM/III比(M=SiまたはGe)を1.0×10-6〜2.0×10-6の範囲にする。
(発光層)
発光層は障壁層と井戸層を交互に積層させながら形成する。キャリアガスはN2を選択使用する。NH3とTEGaあるいはTMGaはこのキャリアガスとともに供給する。本発明では、障壁層にはドーパント材が含まれる。
発光層は障壁層と井戸層を交互に積層させながら形成する。キャリアガスはN2を選択使用する。NH3とTEGaあるいはTMGaはこのキャリアガスとともに供給する。本発明では、障壁層にはドーパント材が含まれる。
井戸層としては各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、GaxIn1-xN層から構成されることが好ましい。
井戸層であるGaxIn1-xN層の成長ではTEGaとTMInを供給する。Inの濃度はTMInの供給量から決定されるが、その供給量は目的とする発光波長によって決定される。なおキャリアガス中にH2が介在することでIn濃度の制御が難しくなるので、この層ではキャリアガスとしてH2を使うことは得策ではない。GaxIn1-xN層の膜厚は発光強度が最も高くなる条件を選択する。
井戸層であるGaxIn1-xN層の成長ではTEGaとTMInを供給する。Inの濃度はTMInの供給量から決定されるが、その供給量は目的とする発光波長によって決定される。なおキャリアガス中にH2が介在することでIn濃度の制御が難しくなるので、この層ではキャリアガスとしてH2を使うことは得策ではない。GaxIn1-xN層の膜厚は発光強度が最も高くなる条件を選択する。
成長温度は700℃から1000℃の間が好ましいが、必ずしもこの範囲に限定されない。しかし、井戸層の成長においては高い温度ではInが成長膜中に取り込まれにくくなり、実質的に井戸層を形成することは困難である。そのため、成長温度はあまり高くならない範囲内で選択する。また井戸層の成長時にはドーパント材の供給は行わないことが好ましい。
障壁層としても各種組成および構造のものが公知である。本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができるが、必ずドーパント材を含む。ドーパント材を含むGaN層を用いることが好ましい。
ドーパント材を含む窒化ガリウム系化合物半導体層からなる障壁層の成長において、ドーパント材の供給量とIII族元素の供給量の比率M/IIIが重要である。それぞれの供給量は、使用するマスフローコントローラの設定条件から求められるので、これらの比率を[M/III]とする。そしてこの[M/III]が原子数に換算して4.5×10-7≦M/III<2×10-6の範囲になるように制御する。なお、ドーパントとしてはSiあるいはGeのどちらでもよい。III族元素であるGa原料はTMGaまたはTEGaから選択できるが、供給濃度の制御性と前述の井戸層との交互積層のし易さとからTEGaを使うことが望ましい。またキャリアガスは窒素ガスが望ましい。成長温度は700℃から1000℃の間であればよく、また井戸層と障壁層の成長温度を変えても支障はない。
ドーパント材を含む窒化ガリウム系化合物半導体層からなる障壁層の成長において、ドーパント材の供給量とIII族元素の供給量の比率M/IIIが重要である。それぞれの供給量は、使用するマスフローコントローラの設定条件から求められるので、これらの比率を[M/III]とする。そしてこの[M/III]が原子数に換算して4.5×10-7≦M/III<2×10-6の範囲になるように制御する。なお、ドーパントとしてはSiあるいはGeのどちらでもよい。III族元素であるGa原料はTMGaまたはTEGaから選択できるが、供給濃度の制御性と前述の井戸層との交互積層のし易さとからTEGaを使うことが望ましい。またキャリアガスは窒素ガスが望ましい。成長温度は700℃から1000℃の間であればよく、また井戸層と障壁層の成長温度を変えても支障はない。
成長圧力は成長速度とのバランスを取りながら設定する。本発明では、成長圧力は20〜60kPa(200〜600mbar)の間が好ましいが、必ずしもこの範囲に限定されるものではない。
障壁層と井戸層の数であるが、どちらも3層から7層が適切であるが、かならずしもこの範囲に限定されない。発光層は最後に障壁層を成長させて終了となる。この障壁層は井戸層からのキャリアのオーバーフローを防ぐとともに、つづくp型クラッド層の成長時に最終井戸層からのInの再脱離を防ぐ役割を果たす。
障壁層と井戸層の数であるが、どちらも3層から7層が適切であるが、かならずしもこの範囲に限定されない。発光層は最後に障壁層を成長させて終了となる。この障壁層は井戸層からのキャリアのオーバーフローを防ぐとともに、つづくp型クラッド層の成長時に最終井戸層からのInの再脱離を防ぐ役割を果たす。
(p型クラッド層およびp型コンタクト層)
発光層の最終バリア層の上に直接接してp型クラッド層を、その上にp型コンタクト層を積層させる。p型クラッド層およびp型コンタクト層にはGaNまたはGaAlNを用いることが好ましい。この際には、これらの層内で組成または格子定数の異なる層を交互に積層させてもよく、層の厚みとドーパントであるMgの濃度を変化させてもよい。Al濃度はp型クラッド層のAl濃度をp型コンタクト層のそれよりも高くすることが望ましい。またp型コンタクト層は必ずしもAlを含んでいる必要はない。なお、p型クラッド層とp型コンタクト層中には、Mgドーパントと共に水素原子が1×1018〜1×1021原子/cm3程度の濃度で存在していてもよい。
発光層の最終バリア層の上に直接接してp型クラッド層を、その上にp型コンタクト層を積層させる。p型クラッド層およびp型コンタクト層にはGaNまたはGaAlNを用いることが好ましい。この際には、これらの層内で組成または格子定数の異なる層を交互に積層させてもよく、層の厚みとドーパントであるMgの濃度を変化させてもよい。Al濃度はp型クラッド層のAl濃度をp型コンタクト層のそれよりも高くすることが望ましい。またp型コンタクト層は必ずしもAlを含んでいる必要はない。なお、p型クラッド層とp型コンタクト層中には、Mgドーパントと共に水素原子が1×1018〜1×1021原子/cm3程度の濃度で存在していてもよい。
p型クラッド層とp型コンタクト層の成長過程において、使用するMgドーパントの供給量は特に制限はないが、結晶性の確保のためには、p型層中のドーパント濃度が0.9×1020〜2×1020原子/cm3となるようにコントロールすることが好ましい。
p型クラッド層とp型コンタクト層の成長は次のように行う。TMGa、TMAlおよびドーパントであるCp2Mgを、キャリアガス(水素または窒素、ないしは両者の混合ガス)およびNH3ガスと共に上記の発光層上に送りこむ。
この時の成長温度は980〜1100℃の範囲が望ましい。980℃より低い温度であると、結晶性の低いエピタキシャル層が形成されてしまい、結晶欠陥起因の膜抵抗が大きくなる。また1100℃より高い温度では、下方に位置する発光層のうち、井戸層がp型半導体層成長過程において高温度の環境下に置かれてしまい、熱ダメージを受けてしまう可能性がある。この場合は、発光素子にした時点での発光強度の低下、または耐性試験下での発光強度劣化をもたらす危険がある。
この時の成長温度は980〜1100℃の範囲が望ましい。980℃より低い温度であると、結晶性の低いエピタキシャル層が形成されてしまい、結晶欠陥起因の膜抵抗が大きくなる。また1100℃より高い温度では、下方に位置する発光層のうち、井戸層がp型半導体層成長過程において高温度の環境下に置かれてしまい、熱ダメージを受けてしまう可能性がある。この場合は、発光素子にした時点での発光強度の低下、または耐性試験下での発光強度劣化をもたらす危険がある。
成長圧力については、特に制限はないが、好ましくは50kPa(500mbar)以下がよい。この理由としては、この圧力以下で成長を行うと、面内方向のAl濃度を均一にすることができ、必要に応じてGaAlNのAl組成を変化させたp型クラッド層とp型コンタクト層を成長させる場合に、制御が容易であるからである。この圧力より高い条件では、供給したTMAlとNH3の反応が顕著になり、基板に到達する前にTMAlが消費されてしまい、目的とするAl組成を得ることが困難になる。ドーパントとして送りこんだMgについても同様なことが言える。すなわち、50kPa(500mbar)以下の成長条件であると、p型半導体層中の2次元方向(成長基板の面内方向)のMg濃度分布が均一になる。
使用するキャリアガス流量によってAlGaNコンタクト層中の面内方向のAl組成、Mg濃度の分布が変化することも知られている。しかし、キャリアガス条件よりも、成長圧力の条件によってコンタクト層中のAl組成、Mgの面内均一性が大きく左右されることが見出された。従って50kPa(500mbar)以下で10kPa(100mbar)以上の成長圧力とすることが適切である。
p型コンタクト層の成長のあと、基板加熱を停止するとともにN2ガスを送りこみ、反応空間内をパージするとともに、ウェーハを冷却し、成長装置外に取り出す。なお、本方法ではこの時点においてp型コンタクト層が、目的とするp型となっていることを確認した。従って、このあとにおいて活性化のための熱処理は必要ではない。
(負極と正極)
負極と正極は、各種組成および構造のものが公知であり、本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができる。その製造方法も各種の製法が公知であり、それら公知の方法を用いることができる。
負極と正極は、各種組成および構造のものが公知であり、本発明においてもこれら公知のものを含めて、如何なる組成および構造のものも用いることができる。その製造方法も各種の製法が公知であり、それら公知の方法を用いることができる。
n型GaNコンタクト層上への負極形成面の作製には公知のフォトリソグラフィー技術および一般的なエッチング技術が利用可能である。これらの技術により、ウェーハの最上層からn型コンタクト層の位置にまで掘り込みができ、負極形成予定の領域のn型コンタクト層を露出させることができる。負極材料としては、n型コンタクト層に接するコンタクトメタルとしてAl、Ti、Ni、Auのほか、Cr、W、Vなどの金属材料が利用可能である。n型コンタクト層への密着性を向上させるために、コンタクトメタルを上記金属から複数選択した多層構造としてもよい。なお、最表面はAuであるとボンディング性が良好となる。
p型コンタクト層上に設けられる正極には、反射性正極またはITO膜などの透明電極材など、各種組成および構造のものが周知であり、これら周知のものを含めて如何なる組成および構造のものも使用することができる。
ボンディングパッド層の材料としても各種組成および構造のものが周知であり、本発明においても、これら周知のものを含めて如何なる組成および構造のものも特に制限されることなく用いることが可能である。その厚さは、ボンディング時の応力が正極へダメージを与えないように、十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料、例えばAuとすることが望ましい。
ボンディングパッド層の材料としても各種組成および構造のものが周知であり、本発明においても、これら周知のものを含めて如何なる組成および構造のものも特に制限されることなく用いることが可能である。その厚さは、ボンディング時の応力が正極へダメージを与えないように、十分厚くする必要がある。また最表層はボンディングボールとの密着性の良い材料、例えばAuとすることが望ましい。
本発明の製造方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。また、本発明の製造方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
また、本発明の製造方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子から作製したランプは発光強度が高く、駆動電圧が低いので、この技術によって作製したランプを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮する。
以下に実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるわけではない。
(実施例1)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
(実施例1)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は原子数換算で5.7×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.42Vと14.4mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.42Vと14.4mWであった。
(実施例2)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は8.4×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.29Vと14.2mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.29Vと14.2mWであった。
(実施例3)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は14×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.27Vと13.4mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.27Vと13.4mWであった。
(実施例4)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は19×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
バリア層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
バリア層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.30Vと13.3mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.30Vと13.3mWであった。
(比較例1)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3を供給しながら障壁層を7分間成長した。ドーパントガスは供給しなかった。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。また井戸層の成長時においてもSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.95Vと11.0mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.95Vと11.0mWであった。
(比較例2)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は2.8×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.56Vと13.9mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.56Vと13.9mWであった。
(比較例3)
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
サセプター上にサファイア基板をセットし、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1100℃に制御して、TMAlとNH3をH2キャリアガスともに基板上に送りこみ、AlNバッファ層を形成した。この成長時間は10分とした。
その後、圧力を40kPa(400mbar)、温度を1030℃としてTMGaとNH3を供給してAlNバッファ層上にアンドープGaNからなる下地層を3時間成長した。圧力と温度を維持しながら、n型ドーパントとしてSiH4を供給し、n型GaN層を1時間成長した。これによってn型コンタクト層を形成した。
この後、圧力は40kPa(400mbar)、温度を750℃としてキャリアガスをH2からN2に切り替え、TEGaとTMInを供給してn型GaxIn1-xN層を90分間成長させた。またドーパントとしてのSiH4も同時に供給した。ここでIn組成として1−X=0.02となるようにTMIn供給量を調整した。これによってn型クラッド層を形成した。
このあと、成長圧力と成長温度は変えないで、TEGaとNH3、ドーパントとしてSiH4を供給しながら障壁層を7分間成長した。単位時間当たりの[Si/Ga]は23×10-7とした。このあとさらにTMInを追加供給してGaxIn1-xNからなる井戸層を5分間成長させた。ここでIn組成として1−X=0.08となるようにTMIn供給量を調整した。ただし井戸層の成長時にはSiH4の供給は停止した。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
障壁層と井戸層の成長を交互に5回繰り返して、最後に最終の障壁層を成長して、発光層とした。
この後、圧力を20kPa(200mbar)、温度を1000℃としてキャリアガスを再びH2に切り替え、TMGaとTMAlを供給して、ドーパントとしてCp2Mgを送りこんでp型クラッド層を3分間成長した。この後圧力と温度を維持しながら、p型コンタクト層の成長を15分間行なった。このときTMAlの供給量はp型クラッド層のそれより少なくした。
このあと、誘導コイルへの電力投入をやめて、加熱を停止しキャリアガスをN2に切り替えて、炉内をパージするとともに得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層物を炉外に取り出せる温度にまで冷却した。
炉外に取り出した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のn型コンタクト層の一部をフォトリソグラフとドライエッチングにより露出させ、その上にCrとTiの金属層からなる負極を作製した。またp型コンタクト層上には蒸着法により厚さ350nmのITO膜を作製し、その上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層したボンディングパッド層を作製し、正極とした。その後、基板裏面研磨とスクライブをした後、各発光素子に分割した。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.23Vと12.6mWであった。
得られた発光素子に20mAの電流を流して発光させるとともに、駆動電圧Vfと発光出力Poを測定したところ3.23Vと12.6mWであった。
表1は上述の実施例および比較例の結果を一覧表にしたものであり、図2はそれをグラフ化したものである。これらの表および図から分かるように、障壁層成膜時の[Si/Ga]が原子数換算で4.5×10-7よりも小さい比較例1および2は駆動電圧が高い。また、障壁層成膜時の[Si/Ga]が原子数換算で2.0×10-6よりも大きい比較例3は発光出力が小さい。
本発明の製造方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、良好な発光出力を有し、駆動電圧が低下するので、その産業上の利用価値は非常に大きい。
1 基板
2 バッファ層
3 下地層
4 n型コンタクト層
5 n型クラッド層
6 発光層
7 p型クラッド層
8 p型コンタクト層
9 負極
10 透明電極材料
11 ボンディングパッド層
2 バッファ層
3 下地層
4 n型コンタクト層
5 n型クラッド層
6 発光層
7 p型クラッド層
8 p型コンタクト層
9 負極
10 透明電極材料
11 ボンディングパッド層
Claims (9)
- 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、n型ドーパント含有障壁層と井戸層とが交互に積層された発光層およびp型半導体層をこの順序で成長させた後、該n型半導体層およびp型半導体層に負極および正極をそれぞれ形成することからなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、障壁層を成長させる際のn型ドーパントとIII族元素の供給比率(M/III)が原子数換算で4.5×10-7≦(M/III)<2.0×10-6の範囲にあ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の製造方法。
- 障壁層がn型GaN層である請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 井戸層がGaInN層である請求項1または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- n型ドーパント原料がSiまたはGeである請求項1〜3のいず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の製造方法。
- 発光層を成長させる際の成長装置内圧力が20〜60kPaである請求項1〜4のいず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の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 請求項6に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
- 請求項7に記載のランプが組み込まれている電子機器。
- 請求項8に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。
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