JP3080155B2 - 窒化ガリウム半導体層を有する半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム半導体層を有する半導体装置及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、結晶性の優れた窒
化ガリウム系化合物半導体層を備えた半導体発光素子又
は半導体装置及びその製造方法に関する。
化ガリウム系化合物半導体層を備えた半導体発光素子又
は半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、窒化ガリウム系化合物半導体Ａｌ
ＧａＩｎＮを用いた青色発光ダイオードが注目されてい
る。この種の発光ダイオードを製作する場合には、窒化
ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハが容易に製造で
きないことから、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定
数が比較的近いサファイア基板上に気相成長方法によっ
て窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する。しかし、
サファイアと窒化ガリウム系化合物半導体、例えば窒化
ガリウム（ＧａＮ）とは、格子定数が比較的近いとはい
っても格子不整合率は１６．１％とかなり大きい。この
ため、サファイア基板上に直接に有機金属化学気相成長
法（ＭＯＣＶＤ法）等によってＧａＮ層を形成すると、
ＧａＮ層に多くの歪みや欠陥が生じる。この歪みや欠陥
はＧａＮ層の上方に形成される半導体層に伝搬されてそ
の結晶性を低下させ、発光効率の低下等を招く。この問
題点を解決するため、特開平４−２９７０２３号公報に
はサファイア基板の上面に窒化アルミニウムガリウム
（ＡｌＧａＮ）から成るバッファ層を介在させて窒化ガ
リウム系化合物半導体層を形成する方法が開示されてい
る。この方法によれば、バッファ層が介在することによ
りその上方に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層
の結晶性が著しく向上することが期待された。
ＧａＩｎＮを用いた青色発光ダイオードが注目されてい
る。この種の発光ダイオードを製作する場合には、窒化
ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハが容易に製造で
きないことから、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定
数が比較的近いサファイア基板上に気相成長方法によっ
て窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する。しかし、
サファイアと窒化ガリウム系化合物半導体、例えば窒化
ガリウム（ＧａＮ）とは、格子定数が比較的近いとはい
っても格子不整合率は１６．１％とかなり大きい。この
ため、サファイア基板上に直接に有機金属化学気相成長
法（ＭＯＣＶＤ法）等によってＧａＮ層を形成すると、
ＧａＮ層に多くの歪みや欠陥が生じる。この歪みや欠陥
はＧａＮ層の上方に形成される半導体層に伝搬されてそ
の結晶性を低下させ、発光効率の低下等を招く。この問
題点を解決するため、特開平４−２９７０２３号公報に
はサファイア基板の上面に窒化アルミニウムガリウム
（ＡｌＧａＮ）から成るバッファ層を介在させて窒化ガ
リウム系化合物半導体層を形成する方法が開示されてい
る。この方法によれば、バッファ層が介在することによ
りその上方に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層
の結晶性が著しく向上することが期待された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
バッファ層を設ける方法によっても、ＧａＮ層の結晶性
を十分なレベルまで向上させることができないのが実情
である。
バッファ層を設ける方法によっても、ＧａＮ層の結晶性
を十分なレベルまで向上させることができないのが実情
である。
【０００４】そこで、本発明は、サファイア基板の上に
結晶性の優れたＧａＮ又はＧａＮを主成分とする半導体
層を備えた半導体装置及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
結晶性の優れたＧａＮ又はＧａＮを主成分とする半導体
層を備えた半導体装置及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための装置の発明は、サファイア基板
と、前記サファイア基板の一方の主面に形成されたバッ
ファ層と、前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ又は
ＧａＮを主成分とする半導体層即ちＧａＮ系半導体層と
を備えた半導体装置であって、前記バッファ層が、Ａｌ
xＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは、０≦ｘ＜１、
０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する値である。）から成り、Ａｌ
の含有率が前記サファイア基板側から前記半導体層側に
向って段階的又は連続的に増大していることを特徴とす
る半導体装置に係わるものである。なお、請求項２に示
すようにバッファ層を、Ａｌを含まないＧａＩｎＮ（窒
化ガリウムインジウム）から成る第１のバッファ層と、
Ａｌを含むＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮから成る第２のバッ
ファ層と、第２のバッファ層よりも多くＡｌを含むＡｌ
x'Ｇａy'Ｉｎ1-x'-y'Ｎ（但し、ｘ´及びｙ´は、ｘ′
＞ｘ、０＜ｘ′＜１、ｘ′＋ｙ′＜１を満足する値であ
る。）から成る第３のバッファ層とを含む層とすること
が望ましい。上記目的を達成するための方法の発明は、
サファイア基板と、前記サファイア基板の一方の主面に
形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成さ
れたＧａＮ系半導体層とを備えた半導体装置の製造方法
であって、前記サファイア基板上にＧａとＩｎとＮとを
含むガスを供給すると共に、このＧａとＩｎとＮとを含
むガスの供給開始と同時又は供給開始から所定時間後
に、前記サファイア基板上への供給量が時間の経過と共
に段階的又は連続的に増大するようにＡｌを含むガスを
供給し、前記サファイア基板に隣接するＧａＩｎＮ層と
このＧａＩｎＮ層に隣接するＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ
（但し、ｘは０より大きく、１より小さい数値であり、
前記サファイア基板側から前記半導体層側に向うに従っ
て段階的又は連続的に大きくなる値である。）とから成
るバッファ層、又はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ
は０よりも大きく、１よりも小さい数値であり、前記サ
ファイア基板側から前記半導体層側に向うに従って連続
的に大きくなる値である。）から成るバッファ層を気相
成長方法で形成する工程と、前記バッファ層の上に気相
成長方法によって前記ＧａＮ又はＧａＮを主成分とする
半導体層を形成する工程とを備えていることを特徴とす
る半導体装置の製造方法に係わるものである。なお、請
求項４に示すように、ＧａとＩｎとＮとを含むガスは、
トリメチルガリウムガスとトリメチルインジウムガスと
アンモニアガスとキャリアガスとから成り、Ａｌを含む
ガスはトリメチルアルミニウムガスから成ることが望ま
しい。
目的を達成するための装置の発明は、サファイア基板
と、前記サファイア基板の一方の主面に形成されたバッ
ファ層と、前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ又は
ＧａＮを主成分とする半導体層即ちＧａＮ系半導体層と
を備えた半導体装置であって、前記バッファ層が、Ａｌ
xＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは、０≦ｘ＜１、
０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する値である。）から成り、Ａｌ
の含有率が前記サファイア基板側から前記半導体層側に
向って段階的又は連続的に増大していることを特徴とす
る半導体装置に係わるものである。なお、請求項２に示
すようにバッファ層を、Ａｌを含まないＧａＩｎＮ（窒
化ガリウムインジウム）から成る第１のバッファ層と、
Ａｌを含むＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮから成る第２のバッ
ファ層と、第２のバッファ層よりも多くＡｌを含むＡｌ
x'Ｇａy'Ｉｎ1-x'-y'Ｎ（但し、ｘ´及びｙ´は、ｘ′
＞ｘ、０＜ｘ′＜１、ｘ′＋ｙ′＜１を満足する値であ
る。）から成る第３のバッファ層とを含む層とすること
が望ましい。上記目的を達成するための方法の発明は、
サファイア基板と、前記サファイア基板の一方の主面に
形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成さ
れたＧａＮ系半導体層とを備えた半導体装置の製造方法
であって、前記サファイア基板上にＧａとＩｎとＮとを
含むガスを供給すると共に、このＧａとＩｎとＮとを含
むガスの供給開始と同時又は供給開始から所定時間後
に、前記サファイア基板上への供給量が時間の経過と共
に段階的又は連続的に増大するようにＡｌを含むガスを
供給し、前記サファイア基板に隣接するＧａＩｎＮ層と
このＧａＩｎＮ層に隣接するＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ
（但し、ｘは０より大きく、１より小さい数値であり、
前記サファイア基板側から前記半導体層側に向うに従っ
て段階的又は連続的に大きくなる値である。）とから成
るバッファ層、又はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ
は０よりも大きく、１よりも小さい数値であり、前記サ
ファイア基板側から前記半導体層側に向うに従って連続
的に大きくなる値である。）から成るバッファ層を気相
成長方法で形成する工程と、前記バッファ層の上に気相
成長方法によって前記ＧａＮ又はＧａＮを主成分とする
半導体層を形成する工程とを備えていることを特徴とす
る半導体装置の製造方法に係わるものである。なお、請
求項４に示すように、ＧａとＩｎとＮとを含むガスは、
トリメチルガリウムガスとトリメチルインジウムガスと
アンモニアガスとキャリアガスとから成り、Ａｌを含む
ガスはトリメチルアルミニウムガスから成ることが望ま
しい。
【０００６】
【発明の効果】各請求項の発明によれば、ＧａＮ又はこ
れを主成分とする化合物半導体層に対して良好なバッフ
ァ層を有する半導体装置を提供することができる。即
ち、バッファ層のサファイア基板側の領域はＡｌを含ま
ないか又はこの含有率が少ないので、これよりもＡｌの
含有率の大きい半導体層側の領域に比べて結晶の柔軟性
が大きい。従って、ＡｌＧａＩｎＮから成るバッファ層
の上にこれと格子定数の異なるＧａＮ又はこれを主成分
とする半導体層を形成した時に歪みが生じても、バッフ
ァ層のＡｌの含有率の低いサファイア基板側の領域に吸
収され、良好なバッファ作用が生じ、ＧａＮ又はこれを
主成分とする半導体層又は更にこの上に形成される別の
半導体層の結晶欠陥の発生を抑制することができる。ま
た、バッファ層の半導体層側の領域はＡｌの含有率が大
きいので、バッファ層内のＩｎＮの蒸発を防止する機能
を有し、ＧａＮ又はこれを主成分とする半導体層が要求
している良好なバッファ層を提供することができる。な
お、請求項３及び４の方法によれば、バッファ層及び半
導体層を容易且つ良好に形成することができる。
れを主成分とする化合物半導体層に対して良好なバッフ
ァ層を有する半導体装置を提供することができる。即
ち、バッファ層のサファイア基板側の領域はＡｌを含ま
ないか又はこの含有率が少ないので、これよりもＡｌの
含有率の大きい半導体層側の領域に比べて結晶の柔軟性
が大きい。従って、ＡｌＧａＩｎＮから成るバッファ層
の上にこれと格子定数の異なるＧａＮ又はこれを主成分
とする半導体層を形成した時に歪みが生じても、バッフ
ァ層のＡｌの含有率の低いサファイア基板側の領域に吸
収され、良好なバッファ作用が生じ、ＧａＮ又はこれを
主成分とする半導体層又は更にこの上に形成される別の
半導体層の結晶欠陥の発生を抑制することができる。ま
た、バッファ層の半導体層側の領域はＡｌの含有率が大
きいので、バッファ層内のＩｎＮの蒸発を防止する機能
を有し、ＧａＮ又はこれを主成分とする半導体層が要求
している良好なバッファ層を提供することができる。な
お、請求項３及び４の方法によれば、バッファ層及び半
導体層を容易且つ良好に形成することができる。
【０００７】
【実施形態及び実施例】次に、本発明の実施形態及び実
施例を図１〜図５を参照して説明する。図１は実施例に
従う窒化ガリウム系化合物半導体装置としての青色発光
ダイオードを示す。この青色発光ダイオードは、サファ
イア基板１、バッファ層２、ｎ形のＧａＮ化合物半導体
領域から成る第１のｎ形クラッド層３、ｎ形のＡｌＧａ
Ｎ半導体領域から成る第２のｎ形クラッド層４、ｐ形の
ＧａＩｎＮ半導体領域から成る発光層（活性層）５、ｐ
形のＡｌＧａＮ半導体領域から成る第１のｐ形クラッド
層６、ｐ形のＧａＮ半導体領域から成る第２のｐ形クラ
ッド層７、及び第２のｐ形クラッド層７よりも不純物濃
度の高いＧａＮ半導体領域から成るコンタクト層８を有
する半導体基体９と、半導体基体９の一方の主面側にお
いて第１のｎ形クラッド層３に低抵抗接触しているカソ
ード電極１０と、半導体基体９の一方の主面においてコ
ンタクト層８に低抵抗接触しているアノード電極１１と
を備えている。図１の青色発光ダイオードの従来の青色
発光ダイオードと異なる点は、バッファ層２がＡｌの含
有率の異なる第１、第２及び第３のバッファ層２ａ、２
ｂ、２ｃから成ることである。以下、これについて詳細
に説明する。
施例を図１〜図５を参照して説明する。図１は実施例に
従う窒化ガリウム系化合物半導体装置としての青色発光
ダイオードを示す。この青色発光ダイオードは、サファ
イア基板１、バッファ層２、ｎ形のＧａＮ化合物半導体
領域から成る第１のｎ形クラッド層３、ｎ形のＡｌＧａ
Ｎ半導体領域から成る第２のｎ形クラッド層４、ｐ形の
ＧａＩｎＮ半導体領域から成る発光層（活性層）５、ｐ
形のＡｌＧａＮ半導体領域から成る第１のｐ形クラッド
層６、ｐ形のＧａＮ半導体領域から成る第２のｐ形クラ
ッド層７、及び第２のｐ形クラッド層７よりも不純物濃
度の高いＧａＮ半導体領域から成るコンタクト層８を有
する半導体基体９と、半導体基体９の一方の主面側にお
いて第１のｎ形クラッド層３に低抵抗接触しているカソ
ード電極１０と、半導体基体９の一方の主面においてコ
ンタクト層８に低抵抗接触しているアノード電極１１と
を備えている。図１の青色発光ダイオードの従来の青色
発光ダイオードと異なる点は、バッファ層２がＡｌの含
有率の異なる第１、第２及び第３のバッファ層２ａ、２
ｂ、２ｃから成ることである。以下、これについて詳細
に説明する。
【０００８】第１のバッファ層２ａはＧａＩｎＮ半導体
から成り、サファイア基板１に接するように配置されて
いる。第２のバッファ層２ｂはＡｌ0.1 Ｇａ0.7 Ｉｎ
0.2 Ｎ半導体領域から成り、第１のバッファ層２ａに隣
接している。この第２のバッファ層２ｂは 組成式 Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ （但し、ｘはＡｌのモル比を示すための数値であって、
０≦ｘ＜１を満たす値である。またｙはＧａモル比を示
すための数値であって、０≦ｘ＋ｙ＜１を満たす値であ
る。）で示すことができるものであり、この例ではｘが
０．１、ｙが０．７の窒化アルミニウムガリウムインジ
ウムから成る。第３のバッファ層２ｃはＡｌ0.2 Ｇ0.6
Ｉｎ0.2 Ｎから成り、第２のバッファ層２ｂと第１のｎ
形クラッド層３との間に配置されている。この第３のバ
ッファ層２ｃは、 組成式 Ａｌx ′Ｇａy ′Ｉｎ1-x ′-y′Ｎ （但し、ｘ′はＡｌのモル比を示すための数値であっ
て、ｘ′＞ｘ、０＜ｘ＜１を満たす値である。またｙ′
はＧａモル比を示すための数値であって、０＜ｘ′＋
ｙ′＜１を満たす値である。）で示すことができるもの
であり、この例ではｘ′が０．２、ｙ′が０．６の窒化
アルミニウムガリウムインジウムから成る。従って、バ
ッファ層２におけるＡｌの含有率がサファイア基板１か
ら第１のｎ形クラッド層３に向って段階的に増大してい
る。なお、第１、第２及び第３のバッファ層２ａ、２
ｂ、２ｃはサファイア基板１の一方の主面の全部を覆う
ように形成されている。また、第１、第２及び第３のバ
ッファ層２ａ、２ｂ，２ｃの厚さは実質的に同一であっ
て、約２００オングストロ−ムである。
から成り、サファイア基板１に接するように配置されて
いる。第２のバッファ層２ｂはＡｌ0.1 Ｇａ0.7 Ｉｎ
0.2 Ｎ半導体領域から成り、第１のバッファ層２ａに隣
接している。この第２のバッファ層２ｂは 組成式 Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ （但し、ｘはＡｌのモル比を示すための数値であって、
０≦ｘ＜１を満たす値である。またｙはＧａモル比を示
すための数値であって、０≦ｘ＋ｙ＜１を満たす値であ
る。）で示すことができるものであり、この例ではｘが
０．１、ｙが０．７の窒化アルミニウムガリウムインジ
ウムから成る。第３のバッファ層２ｃはＡｌ0.2 Ｇ0.6
Ｉｎ0.2 Ｎから成り、第２のバッファ層２ｂと第１のｎ
形クラッド層３との間に配置されている。この第３のバ
ッファ層２ｃは、 組成式 Ａｌx ′Ｇａy ′Ｉｎ1-x ′-y′Ｎ （但し、ｘ′はＡｌのモル比を示すための数値であっ
て、ｘ′＞ｘ、０＜ｘ＜１を満たす値である。またｙ′
はＧａモル比を示すための数値であって、０＜ｘ′＋
ｙ′＜１を満たす値である。）で示すことができるもの
であり、この例ではｘ′が０．２、ｙ′が０．６の窒化
アルミニウムガリウムインジウムから成る。従って、バ
ッファ層２におけるＡｌの含有率がサファイア基板１か
ら第１のｎ形クラッド層３に向って段階的に増大してい
る。なお、第１、第２及び第３のバッファ層２ａ、２
ｂ、２ｃはサファイア基板１の一方の主面の全部を覆う
ように形成されている。また、第１、第２及び第３のバ
ッファ層２ａ、２ｂ，２ｃの厚さは実質的に同一であっ
て、約２００オングストロ−ムである。
【０００９】次に、図１の第１、第２及び第３のバッフ
ァ層２ａ、２ｂ、２ｃを有する青色発光ダイオードの製
造方法を説明する。まず、図２に示すようにサファイア
基板１を用意し、この上面に第１のバッファ層２ａ、第
２のバッファ層２ｂ、第３のバッファ層２ｃを周知のＭ
ＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）によって順次形
成する。即ち、表面を十分に洗浄したサファイア基板１
を周知のＭＯＣＶＤ装置の反応室内に設けられたアセプ
タ上に配置する。その後、反応室内を十分に排気してか
ら、室内を水素ガスで置換する。続いて、常圧で水素ガ
スを流速５リットル／分で供給しながらサファイア基板
１を１２００℃で１０分間程度加熱し、サフアイァ基板
１を気相エッチングする。次にサフアイァ基板１の温度
を６００℃まで低下させ、水素ガスを流速１０リットル
／分で供給する。続いて、サファイア基板１の上面に第
１のバッファ層２ａを形成するために、反応室内にトリ
メチルガリウムガス（以下、ＴＭＧガスという）、トリ
メチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）、Ｎ
Ｈ3 （アンモニア）ガス、を供給する。なお、この工程
でのＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量は約２２×１０
-6mol ／分であり、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量
は約５×１０-6mol ／分であり、ＮＨ3 ガスの流量即ち
ＮＨ3 の供給量は約０．１１mol ／分である。この第１
のバッファ層２ａを形成するための第１の期間では、反
応室内にトリメチルアルミニウムガス（以下、ＴＭＡガ
スという）を供給しない。この結果、第１の期間で形成
された第１のバッファ層２ａはＡｌを含有せず、ＧａＩ
ｎＮから成る。
ァ層２ａ、２ｂ、２ｃを有する青色発光ダイオードの製
造方法を説明する。まず、図２に示すようにサファイア
基板１を用意し、この上面に第１のバッファ層２ａ、第
２のバッファ層２ｂ、第３のバッファ層２ｃを周知のＭ
ＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）によって順次形
成する。即ち、表面を十分に洗浄したサファイア基板１
を周知のＭＯＣＶＤ装置の反応室内に設けられたアセプ
タ上に配置する。その後、反応室内を十分に排気してか
ら、室内を水素ガスで置換する。続いて、常圧で水素ガ
スを流速５リットル／分で供給しながらサファイア基板
１を１２００℃で１０分間程度加熱し、サフアイァ基板
１を気相エッチングする。次にサフアイァ基板１の温度
を６００℃まで低下させ、水素ガスを流速１０リットル
／分で供給する。続いて、サファイア基板１の上面に第
１のバッファ層２ａを形成するために、反応室内にトリ
メチルガリウムガス（以下、ＴＭＧガスという）、トリ
メチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）、Ｎ
Ｈ3 （アンモニア）ガス、を供給する。なお、この工程
でのＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量は約２２×１０
-6mol ／分であり、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量
は約５×１０-6mol ／分であり、ＮＨ3 ガスの流量即ち
ＮＨ3 の供給量は約０．１１mol ／分である。この第１
のバッファ層２ａを形成するための第１の期間では、反
応室内にトリメチルアルミニウムガス（以下、ＴＭＡガ
スという）を供給しない。この結果、第１の期間で形成
された第１のバッファ層２ａはＡｌを含有せず、ＧａＩ
ｎＮから成る。
【００１０】第１のバッファ層２ａの形成を終えたら、
反応室内に上記のＴＭＧガス、ＴＭＩガス、ＮＨ3 ガ
ス、水素ガスに加えてＴＭＡガスを供給して第１のバッ
ファ層２ａの上面に連続して第２のバッファ層２ｂを形
成する。この第２のバッファ層２ｂを形成するための第
２の期間におけるＴＭＩガス、ＮＨ3 ガスの流量即ちＩ
ｎ、ＮＨ3 の供給量、及び水素ガスの流量は第１の期間
におけるこれらと同一とする。また、ＴＭＧガス、ＴＭ
Ａガスの流量即ちＧａ、Ａｌの供給量は、それぞれ１８
〜２０×１０-6mol ／分、２〜４×１０-6mol ／分とす
る。この第２の期間で形成された第２のバッファ層２ｂ
はＡｌを含有するＡｌＧａＩｎＮから成る。
反応室内に上記のＴＭＧガス、ＴＭＩガス、ＮＨ3 ガ
ス、水素ガスに加えてＴＭＡガスを供給して第１のバッ
ファ層２ａの上面に連続して第２のバッファ層２ｂを形
成する。この第２のバッファ層２ｂを形成するための第
２の期間におけるＴＭＩガス、ＮＨ3 ガスの流量即ちＩ
ｎ、ＮＨ3 の供給量、及び水素ガスの流量は第１の期間
におけるこれらと同一とする。また、ＴＭＧガス、ＴＭ
Ａガスの流量即ちＧａ、Ａｌの供給量は、それぞれ１８
〜２０×１０-6mol ／分、２〜４×１０-6mol ／分とす
る。この第２の期間で形成された第２のバッファ層２ｂ
はＡｌを含有するＡｌＧａＩｎＮから成る。
【００１１】次に、ＴＭＩガスとＮＨ3 ガスの流量即ち
Ｉｎ、ＮＨ3 の供給量は前述の第１及び第２の期間と同
一に保ち、反応室内に供給し、ＴＭＧガスの供給量即ち
Ｇａの供給量を１４〜１６×１０-6 mol／分に減少し、
ＴＭＡガスの供給量即ちＡｌの供給量を６〜８×１０mo
l ／分に増加して第２のバッファ層２ｂの上面に第３の
バッファ層２ｃを形成する。この第３のバッファ層２ｃ
を形成するための第３の期間におけるＴＭＡガスの流量
（供給量）は第２のバッファ層２ｂを形成する第２の期
間におけるこれよりも多いので、第３のバッファ層２ｃ
のＡｌ含有率は第２のバッファ層２ｂのＡｌ含有率より
も大きい。以上の第１、第２及び第３のバッファ層２
ａ、２ｂ、２ｃの形成は、一連の連続したＭＯＣＶＤ工
程で行い、この間サファイア基板１の温度は６００℃を
保った状態とする。なお、サファイア基板１の温度は５
００℃〜７００℃の範囲で増減が可能である。
Ｉｎ、ＮＨ3 の供給量は前述の第１及び第２の期間と同
一に保ち、反応室内に供給し、ＴＭＧガスの供給量即ち
Ｇａの供給量を１４〜１６×１０-6 mol／分に減少し、
ＴＭＡガスの供給量即ちＡｌの供給量を６〜８×１０mo
l ／分に増加して第２のバッファ層２ｂの上面に第３の
バッファ層２ｃを形成する。この第３のバッファ層２ｃ
を形成するための第３の期間におけるＴＭＡガスの流量
（供給量）は第２のバッファ層２ｂを形成する第２の期
間におけるこれよりも多いので、第３のバッファ層２ｃ
のＡｌ含有率は第２のバッファ層２ｂのＡｌ含有率より
も大きい。以上の第１、第２及び第３のバッファ層２
ａ、２ｂ、２ｃの形成は、一連の連続したＭＯＣＶＤ工
程で行い、この間サファイア基板１の温度は６００℃を
保った状態とする。なお、サファイア基板１の温度は５
００℃〜７００℃の範囲で増減が可能である。
【００１２】以上のようにして第１、第２及び第３のバ
ッファ層２ａ、２ｂ、２ｃを形成後、ＮＨ3 ガスと水素
ガスと窒素ガスを供給しながらサファイア基板１の温度
を１１００℃まで上昇させる。続いて、反応室内にＴＭ
Ｇガス及びシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給する。ここ
で、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを
導入するためのものである。これにより、図３に示すよ
うに、サファイア基板１の上面にバッファ層２を介して
ＧａＮから成る第１のｎ形クラッド層３が形成される。
更に、サファイア基板１の温度を１１００℃に維持した
状態で反応室内にＴＭＧガス、ＮＨ3 ガス、水素ガス、
シランガス、窒素ガスに加えてＴＭＡガスを供給して、
図３に示すように第１のｎ形クラッド層３の上面にＡｌ
ＧａＮから成る第２のｎ形クラッド層４を形成する。
ッファ層２ａ、２ｂ、２ｃを形成後、ＮＨ3 ガスと水素
ガスと窒素ガスを供給しながらサファイア基板１の温度
を１１００℃まで上昇させる。続いて、反応室内にＴＭ
Ｇガス及びシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給する。ここ
で、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを
導入するためのものである。これにより、図３に示すよ
うに、サファイア基板１の上面にバッファ層２を介して
ＧａＮから成る第１のｎ形クラッド層３が形成される。
更に、サファイア基板１の温度を１１００℃に維持した
状態で反応室内にＴＭＧガス、ＮＨ3 ガス、水素ガス、
シランガス、窒素ガスに加えてＴＭＡガスを供給して、
図３に示すように第１のｎ形クラッド層３の上面にＡｌ
ＧａＮから成る第２のｎ形クラッド層４を形成する。
【００１３】第１及び第２のｎ形クラッド層３、４の形
成後、窒素ガスを供給しながらサファイア基板１の温度
を８００℃まで下降させる。続いて反応室内にＴＭＧガ
ス、ＴＭＩガス、アンモニアガス、シランガス及びビス
シクロペンタジエニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ2
Ｍｇガスという）を供給して、図４に示すように第２の
ｎ形クラッド層４の上面にｐ形ＧａＩｎＮから成る活性
層即ち発光層５を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは
形成膜中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入する
ためのものである。発光層５の形成後、窒素ガのみを供
給しながらサフアィア基板１の温度を１１００℃まで上
昇させる。続いて、反応室内にＴＭＧガス、アンモニア
ガス、水素ガス及びＣｐ2 Ｍｇガスを供給して、図４に
示すように、発光層５の上面にｐ形ＡｌＧａＮから成る
第１のｐ形クラッド層６を続けて形成する。
成後、窒素ガスを供給しながらサファイア基板１の温度
を８００℃まで下降させる。続いて反応室内にＴＭＧガ
ス、ＴＭＩガス、アンモニアガス、シランガス及びビス
シクロペンタジエニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ2
Ｍｇガスという）を供給して、図４に示すように第２の
ｎ形クラッド層４の上面にｐ形ＧａＩｎＮから成る活性
層即ち発光層５を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは
形成膜中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入する
ためのものである。発光層５の形成後、窒素ガのみを供
給しながらサフアィア基板１の温度を１１００℃まで上
昇させる。続いて、反応室内にＴＭＧガス、アンモニア
ガス、水素ガス及びＣｐ2 Ｍｇガスを供給して、図４に
示すように、発光層５の上面にｐ形ＡｌＧａＮから成る
第１のｐ形クラッド層６を続けて形成する。
【００１４】次に、サファイア基板１の温度を１１００
℃に維持した状態で図５に示すように、第１のｐ形クラ
ッド層６の上面にｐ形ＧａＮから成る第２のｐ形クラッ
ド層７を形成する。更に、反応室内に供給するＣｐ2 Ｍ
ｇガスの流量を増加して第２のｐ形クラッド層７の上面
にこれよりもｐ形不純物であるＭｇの含有率が高いｐ形
ＧａＮから成るコンタクト層８を形成する。なお、上述
したバッファ層２の上方の第１及び第２のクラッド層
３、４、発光層５、第１及び第２のｐ形クラッド層６、
７、コンタクト層８の形成方法は従来の青色発光ダイオ
ードの形成方法と同様であるので、各ガスの流量等の詳
細な説明は省略する。
℃に維持した状態で図５に示すように、第１のｐ形クラ
ッド層６の上面にｐ形ＧａＮから成る第２のｐ形クラッ
ド層７を形成する。更に、反応室内に供給するＣｐ2 Ｍ
ｇガスの流量を増加して第２のｐ形クラッド層７の上面
にこれよりもｐ形不純物であるＭｇの含有率が高いｐ形
ＧａＮから成るコンタクト層８を形成する。なお、上述
したバッファ層２の上方の第１及び第２のクラッド層
３、４、発光層５、第１及び第２のｐ形クラッド層６、
７、コンタクト層８の形成方法は従来の青色発光ダイオ
ードの形成方法と同様であるので、各ガスの流量等の詳
細な説明は省略する。
【００１５】次に、コンタクト層８、第１及び第２のｐ
形クラッド層６、７、発光層５、第２のｎ形クラッド層
４及び第１のｎ形クラッド層３の上方部分の図５の右側
部分を選択的にエッチング除去して、半導体基体９の一
方の主面に第１のｎ形クラッド層３を露出させる。
形クラッド層６、７、発光層５、第２のｎ形クラッド層
４及び第１のｎ形クラッド層３の上方部分の図５の右側
部分を選択的にエッチング除去して、半導体基体９の一
方の主面に第１のｎ形クラッド層３を露出させる。
【００１６】最後に、周知の蒸着法及びリフトオフ法等
を使用して、半導体基体９の一方の主面に、図１に示す
ように、第１のｎ形クラッド層３及びコンタクト層８に
それぞれ接続されたカソード電極１０及びアノード電極
１１を形成して、図１に示す青色発光ダイオード素子を
完成させる。
を使用して、半導体基体９の一方の主面に、図１に示す
ように、第１のｎ形クラッド層３及びコンタクト層８に
それぞれ接続されたカソード電極１０及びアノード電極
１１を形成して、図１に示す青色発光ダイオード素子を
完成させる。
【００１７】本実施例によれば、バッファ層２の上方に
結晶欠陥や歪みのない結晶性の良好なＧａＮ系化合物半
導体層を形成することができる。このため、発光効率の
諸特性が良好な発光素子を得ることができる。バッファ
層２の上方に結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体層を
形成できる理由は、以下のように考えられる。第１のバ
ッファ層２ａはＡｌを含有しないＧａＩｎＮから成り、
第２のバッファ層２ｂはＡｌの含有率の低いＡｌＧａＩ
ｎＮから成り、共にサファイア基板１に格子定数が比較
的近く、柔軟性を有してバッファ層として良好に機能す
る。しかし、Ａｌを含有しない第１のバッファ層２ａ又
はＡｌの含有率の低い第２のバッファ層２ｂの上にＧａ
Ｎのクラッド層３、４を続けて形成すると、バッファ層
２ａ、２ｂの中のＩｎＮが蒸発し易く、クラッド層３を
形成するための良好な核を第１のバッファ層２ａ又は第
２のバッファ層２ｂに得ることが不可能になり、クラッ
ド層３を良好に形成することができなくなる。一方、本
発明に従ってＡｌの含有率の大きい第３のバッファ層２
ｃを設けると、バッファ層２ａ、２ｂ、２ｃ中のＩｎＮ
の蒸発が抑制され、クラッド層３のための良好な核を得
ることができ、クラッド層３を良好に形成することがで
きる。なお、クラッド層３、４等の半導体層を形成した
後に、冷却等による温度変化が生じると、バッファ層２
とクラッド層３との格子定数の差に起因する歪みが発生
し、バッファ層２、クラッド層３、４及び更に上の半導
体層の結晶欠陥の原因になるが、本実施例では結晶に柔
軟性を有する第１及び第２のバッファ層２ａ、２ｂが設
けられているので、これによって歪みが吸収され、半導
体層の結晶欠陥が抑制される。
結晶欠陥や歪みのない結晶性の良好なＧａＮ系化合物半
導体層を形成することができる。このため、発光効率の
諸特性が良好な発光素子を得ることができる。バッファ
層２の上方に結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体層を
形成できる理由は、以下のように考えられる。第１のバ
ッファ層２ａはＡｌを含有しないＧａＩｎＮから成り、
第２のバッファ層２ｂはＡｌの含有率の低いＡｌＧａＩ
ｎＮから成り、共にサファイア基板１に格子定数が比較
的近く、柔軟性を有してバッファ層として良好に機能す
る。しかし、Ａｌを含有しない第１のバッファ層２ａ又
はＡｌの含有率の低い第２のバッファ層２ｂの上にＧａ
Ｎのクラッド層３、４を続けて形成すると、バッファ層
２ａ、２ｂの中のＩｎＮが蒸発し易く、クラッド層３を
形成するための良好な核を第１のバッファ層２ａ又は第
２のバッファ層２ｂに得ることが不可能になり、クラッ
ド層３を良好に形成することができなくなる。一方、本
発明に従ってＡｌの含有率の大きい第３のバッファ層２
ｃを設けると、バッファ層２ａ、２ｂ、２ｃ中のＩｎＮ
の蒸発が抑制され、クラッド層３のための良好な核を得
ることができ、クラッド層３を良好に形成することがで
きる。なお、クラッド層３、４等の半導体層を形成した
後に、冷却等による温度変化が生じると、バッファ層２
とクラッド層３との格子定数の差に起因する歪みが発生
し、バッファ層２、クラッド層３、４及び更に上の半導
体層の結晶欠陥の原因になるが、本実施例では結晶に柔
軟性を有する第１及び第２のバッファ層２ａ、２ｂが設
けられているので、これによって歪みが吸収され、半導
体層の結晶欠陥が抑制される。
【００１８】
【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第２及び第３のバッファ層２ｂ、２ｃを形成す
る時に、Ａｌを含むＴＭＡガスの供給量を時間の経過と
共に徐々に増大させ、第２及び第３のバッファ層２ｂ、
２ｃの代りにＡｌの含有率がサファイア基板１側からク
ラッド層３側に向って連続的に増大する層を形成するこ
とができる。また、実施例では第１のバッファ層２ａに
Ａｌを含有させなかったが、低いレベルでＡｌを含有さ
せることができる。また、バッファ層２を形成する時に
初期からＴＭＡガスを供給し、この供給量を時間の経過
と共に増大させ、サファイア基板１側からクラッド層３
側に向って徐々にＡｌの含有率が増大するようにバッフ
ァ層２を形成することができる。 （２） 第２及び第３のバッファ層２ｂ、２ｃのＡｌの
含有率を変えることができる。しかし、クラッド層３の
ための核を良好に得るために、第３のバッファ層２ｃに
おけるＡｌとＧａとのモル比を、Ａｌ １５〜５０モル
％、Ｇａ ５０〜８０モル％の範囲にすることが望まし
い。また、第２のバッファ層２ｂのＡｌとＧａとのモル
比を、Ａｌ ５〜２０モル％、Ｇａ ６０〜９０モル％
とすることが望ましい。 （３） ＧａＮから成るクラッド層３を形成する代りに
ＧａＮを主成分とする半導体層を形成することができ
る。また、クラッド層３の上には、図１に示す層４〜８
以外の種々の半導体層を形成することができる。
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 第２及び第３のバッファ層２ｂ、２ｃを形成す
る時に、Ａｌを含むＴＭＡガスの供給量を時間の経過と
共に徐々に増大させ、第２及び第３のバッファ層２ｂ、
２ｃの代りにＡｌの含有率がサファイア基板１側からク
ラッド層３側に向って連続的に増大する層を形成するこ
とができる。また、実施例では第１のバッファ層２ａに
Ａｌを含有させなかったが、低いレベルでＡｌを含有さ
せることができる。また、バッファ層２を形成する時に
初期からＴＭＡガスを供給し、この供給量を時間の経過
と共に増大させ、サファイア基板１側からクラッド層３
側に向って徐々にＡｌの含有率が増大するようにバッフ
ァ層２を形成することができる。 （２） 第２及び第３のバッファ層２ｂ、２ｃのＡｌの
含有率を変えることができる。しかし、クラッド層３の
ための核を良好に得るために、第３のバッファ層２ｃに
おけるＡｌとＧａとのモル比を、Ａｌ １５〜５０モル
％、Ｇａ ５０〜８０モル％の範囲にすることが望まし
い。また、第２のバッファ層２ｂのＡｌとＧａとのモル
比を、Ａｌ ５〜２０モル％、Ｇａ ６０〜９０モル％
とすることが望ましい。 （３） ＧａＮから成るクラッド層３を形成する代りに
ＧａＮを主成分とする半導体層を形成することができ
る。また、クラッド層３の上には、図１に示す層４〜８
以外の種々の半導体層を形成することができる。
【図１】本発明の実施例の発光ダイオードを示す断面図
である。
である。
【図２】図１の発光ダイオードを形成するためにサファ
イア基板の上にバッファ層を形成したものを示す断面図
である。
イア基板の上にバッファ層を形成したものを示す断面図
である。
【図３】図２のバッファ層の上に第１及び第２のｎ形ク
ラッド層を形成したものを示す断面図である。
ラッド層を形成したものを示す断面図である。
【図４】図３のクラッド層の上に発光層と第１のｐ形ク
ラッド層を形成したものを示す断面図である。
ラッド層を形成したものを示す断面図である。
【図５】図４のｐ形クラッド層の上に第２のｐ形クラッ
ド層及びコンタクト層を形成したものを示す断面図であ
る。
ド層及びコンタクト層を形成したものを示す断面図であ
る。
１ サファイア基板 ２ バッファ層 ２ａ、２ｂ、２ｃ 第１、第２、第３のバッファ層 ３ ｎ形クラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/365 H01L 21/31 C23C 16/00
Claims (4)
- 【請求項１】 サファイア基板と、 前記サファイア基板の一方の主面に形成されたバッファ
層と、 前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ系半導体層とを
備えた半導体装置であって、 前記バッファ層が、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ
及びｙは、０≦ｘ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する値で
ある。）から成り、Ａｌの含有率が前記サファイア基板
側から前記半導体層側に向って段階的又は連続的に増大
していることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 前記バッファ層は、 前記サファイア基板の一方の主面に形成されたＧａＩｎ
Ｎから成る第１のバッファ層と、 前記第１のバッファ層の上に形成されたＡｌxＧａyＩｎ
1-x-y（但し、ｘ及びｙは、０＜ｘ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜
１を満足する値である。）から成る第２のバッファ層
と、 前記第２のバッファ層の上に形成されたＡｌx'Ｇａy'Ｉ
ｎ1-x'-y'Ｎ（但し、ｘ′及びｙ´は、ｘ′＞ｘ、０＜
ｘ′＜１、０＜ｘ′＋ｙ′＜１を満足する値である。）
から成る第３のバッファ層とを備えたものである請求項
１記載の半導体装置。 - 【請求項３】 サファイア基板と、 前記サファイア基板の一方の主面に形成されたバッファ
層と、 前記バッファ層の上に形成されたＧａＮ系半導体層とを
備えた半導体装置の製造方法であって、 前記サファイア基板上にＧａとＩｎとＮとを含むガスを
供給すると共に、このＧａとＩｎとＮとを含むガスの供
給開始と同時又は供給開始から所定時間後に、前記サフ
ァイア基板上への供給量が時間の経過と共に段階的又は
連続的に増大するようにＡｌを含むガスを供給し、前記
サファイア基板に隣接するＧａＩｎＮ層とこのＧａＩｎ
Ｎ層に隣接するＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及び
ｙは、０＜ｘ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１を満足する値であ
り、且つｘは前記サファイア基板側から前記半導体層側
に向うに従って段階的又は連続的に大きくなる値であ
る。）とから成るバッファ層、又はＡｌxＧａyＩｎ
1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは、０＜ｘ＜１、０＜ｘ＋ｙ
＜１を満足する値であり、且つｘは前記サファイア基板
側から前記半導体層側に向うに従って連続的又は段階的
に大きくなる値である。）から成るバッファ層を気相成
長方法で形成する工程と、 前記バッファ層の上に気相成長方法によって前記ＧａＮ
又はＧａＮを主成分とする半導体層を形成する工程とを
備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項４】 前記ＧａとＩｎとＮとを含むガスは、ト
リメチルガリウムガスとトリメチルインジウムガスとア
ンモニアガスとキャリアガスとから成り、前記Ａｌを含
むガスはトリメチルアルミニウムガスである請求項３記
載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32049897A JP3080155B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム半導体層を有する半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32049897A JP3080155B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム半導体層を有する半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11145063A JPH11145063A (ja) | 1999-05-28 |
| JP3080155B2 true JP3080155B2 (ja) | 2000-08-21 |
Family
ID=18122132
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32049897A Expired - Fee Related JP3080155B2 (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 窒化ガリウム半導体層を有する半導体装置及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| US6495894B2 (en) * | 2000-05-22 | 2002-12-17 | Ngk Insulators, Ltd. | Photonic device, a substrate for fabricating a photonic device, a method for fabricating the photonic device and a method for manufacturing the photonic device-fabricating substrate |
| US6495867B1 (en) * | 2000-07-26 | 2002-12-17 | Axt, Inc. | InGaN/AlGaN/GaN multilayer buffer for growth of GaN on sapphire |
| JP5013238B2 (ja) * | 2001-09-11 | 2012-08-29 | 信越半導体株式会社 | 半導体多層構造 |
| KR100583163B1 (ko) * | 2002-08-19 | 2006-05-23 | 엘지이노텍 주식회사 | 질화물 반도체 및 그 제조방법 |
| KR100525545B1 (ko) | 2003-06-25 | 2005-10-31 | 엘지이노텍 주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
| JP2007027417A (ja) * | 2005-07-15 | 2007-02-01 | Sanken Electric Co Ltd | 窒化物半導体装置及びその製造方法 |
| RU2326993C2 (ru) * | 2006-07-25 | 2008-06-20 | Самсунг Электро-Меканикс Ко., Лтд. | Способ выращивания монокристалла нитрида на кремниевой пластине, нитридный полупроводниковый светоизлучающий диод, изготовленный с его использованием, и способ такого изготовления |
| US8765509B2 (en) * | 2010-09-30 | 2014-07-01 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Method for producing group III nitride semiconductor light-emitting device |
| KR102175320B1 (ko) * | 2014-04-07 | 2020-11-06 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템 |
| CN114361303B (zh) * | 2021-03-08 | 2022-07-12 | 常熟理工学院 | 一种铝镓氮基紫外发光二极管外延层结构及其制备方法 |
| CN113594315B (zh) * | 2021-07-27 | 2023-04-04 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | Led芯片外延结构及其制备方法 |
-
1997
- 1997-11-05 JP JP32049897A patent/JP3080155B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH11145063A (ja) | 1999-05-28 |
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