JP3348656B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子に関する。
導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、有機金属化合物気相成長法（以下
「ＭＯＶＰＥ」と記す）を用いて、窒化ガリウム系化合
物半導体（ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ；X=0 を含む) 薄膜をサフ
ァイア基板上に気相成長させることや、その窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を発光層とする発光素子が研究さ
れている。窒化ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハ
ーが容易に得られないことから、窒化ガリウム系化合物
半導体をそれと格子定数の近いサファイア基板上にエピ
タキシャル成長させることが行われている。
「ＭＯＶＰＥ」と記す）を用いて、窒化ガリウム系化合
物半導体（ＡｌX Ｇａ1-X Ｎ；X=0 を含む) 薄膜をサフ
ァイア基板上に気相成長させることや、その窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を発光層とする発光素子が研究さ
れている。窒化ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハ
ーが容易に得られないことから、窒化ガリウム系化合物
半導体をそれと格子定数の近いサファイア基板上にエピ
タキシャル成長させることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、サファイア
と発光層としての窒化ガリウム系化合物半導体との格子
不整合や、ガリウムと窒素の蒸気圧が大きく異なるた
め、良質な窒化ガリウム系化合物半導体結晶が得られな
いとう問題があり、このため、青色発光の発光効率の高
い発光素子が得られなかった。
と発光層としての窒化ガリウム系化合物半導体との格子
不整合や、ガリウムと窒素の蒸気圧が大きく異なるた
め、良質な窒化ガリウム系化合物半導体結晶が得られな
いとう問題があり、このため、青色発光の発光効率の高
い発光素子が得られなかった。
【０００４】したがって、本発明は、上記の課題を解決
するために成されたものであり、その目的とするところ
は、サファイア基板上に成長させる窒化ガリウム系化合
物半導体の結晶性を向上させることで発光効率の高い青
色の発光素子を提供することである。
するために成されたものであり、その目的とするところ
は、サファイア基板上に成長させる窒化ガリウム系化合
物半導体の結晶性を向上させることで発光効率の高い青
色の発光素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１の発明は、サファイア基板上に窒化ガリウム
系化合物半導体層（Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）
を有する発光素子において、サファイア基板上に成長温
度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上500Å未満の
厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中に存在割合
が１〜９０％である微結晶又は多結晶の混在した窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）から成るウルツァイト構造とする
バッファ層と、バッファ層上に形成された複数の窒化ガ
リウム系化合物半導体層（Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を
含む）とから成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
である。又、請求項２の発明は、サファイア基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；Ｘ＝
０を含む）を有する発光素子において、サファイア基板
上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上50
0 Å未満の厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中
に大きさが０．１μｍ以下の微結晶又は多結晶の混在し
たウルツァイト構造とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
から成るバッファ層と、バッファ層上に形成された複数
の窒化ガリウム系化合物半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；
Ｘ＝０を含む）とから成る窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子である。請求項３の発明は、請求項２の発明に
おいて、微結晶又は多結晶の存在割合は１〜９０％であ
ることを特徴とする。 請求項４の発明は、請求項１乃至
請求項３の何れか１項の発明において、バッファ層は有
機金属化合物気相成長法により形成されることを特徴と
する。
の請求項１の発明は、サファイア基板上に窒化ガリウム
系化合物半導体層（Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）
を有する発光素子において、サファイア基板上に成長温
度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上500Å未満の
厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中に存在割合
が１〜９０％である微結晶又は多結晶の混在した窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）から成るウルツァイト構造とする
バッファ層と、バッファ層上に形成された複数の窒化ガ
リウム系化合物半導体層（Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を
含む）とから成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
である。又、請求項２の発明は、サファイア基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；Ｘ＝
０を含む）を有する発光素子において、サファイア基板
上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上50
0 Å未満の厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中
に大きさが０．１μｍ以下の微結晶又は多結晶の混在し
たウルツァイト構造とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
から成るバッファ層と、バッファ層上に形成された複数
の窒化ガリウム系化合物半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；
Ｘ＝０を含む）とから成る窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子である。請求項３の発明は、請求項２の発明に
おいて、微結晶又は多結晶の存在割合は１〜９０％であ
ることを特徴とする。 請求項４の発明は、請求項１乃至
請求項３の何れか１項の発明において、バッファ層は有
機金属化合物気相成長法により形成されることを特徴と
する。
【０００６】
【作用及び効果】サファイア基板上に、成長温度400 ℃
以上600 ℃未満で、膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに
成長され、結晶構造を無定形結晶中に存在割合が１〜９
０％である微結晶又は多結晶の混在したウルツァイト構
造とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ
層を設けたため、そのバッファ層上に成長する窒化ガリ
ウム系化合物半導体の結晶性が良くなった。同様に、サ
ファイア基板上に、成長温度400 ℃以上600 ℃未満で、
膜厚100 Å以上500 Å未満の厚さに成長され、結晶構造
を無定形結晶中に大きさが０．１μｍ以下の窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を設けたため、そ
のバッファ層上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶性が良くなった。又、本発明の発光素子は、同様
な構成のバッファ層を設けたため、青色発光特性が改善
された。
以上600 ℃未満で、膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに
成長され、結晶構造を無定形結晶中に存在割合が１〜９
０％である微結晶又は多結晶の混在したウルツァイト構
造とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ
層を設けたため、そのバッファ層上に成長する窒化ガリ
ウム系化合物半導体の結晶性が良くなった。同様に、サ
ファイア基板上に、成長温度400 ℃以上600 ℃未満で、
膜厚100 Å以上500 Å未満の厚さに成長され、結晶構造
を無定形結晶中に大きさが０．１μｍ以下の窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を設けたため、そ
のバッファ層上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶性が良くなった。又、本発明の発光素子は、同様
な構成のバッファ層を設けたため、青色発光特性が改善
された。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図１は本発明を実施するための気相
成長装置の構成を示した断面図である。石英管１０はそ
の左端でＯリング１５でシールされてフランジ１４に当
接し、緩衝材３８と固定具３９を用い、ボルト４６，４
７とナット４８，４９等により数箇所にてフランジ１４
に固定されている。又、石英管１０の右端はＯリング４
０でシールされてフランジ２７に螺子締固定具４１，４
２により固定されている。
基づいて説明する。図１は本発明を実施するための気相
成長装置の構成を示した断面図である。石英管１０はそ
の左端でＯリング１５でシールされてフランジ１４に当
接し、緩衝材３８と固定具３９を用い、ボルト４６，４
７とナット４８，４９等により数箇所にてフランジ１４
に固定されている。又、石英管１０の右端はＯリング４
０でシールされてフランジ２７に螺子締固定具４１，４
２により固定されている。
【０００８】石英管１０で囲われた内室１１には、反応
ガスを導くライナー管１２が配設されている。そのライ
ナー管１２の一端１３はフランジ１４に固設された保持
プレート１７で保持され、その他端１６の底部１８は保
持脚１９で石英管１０に保持されている。石英管１０の
Ｘ軸方向に垂直なライナー管１２の断面は、図２〜図５
に示すように、Ｘ軸方向での位置によって異なる。即
ち、反応ガスはＸ軸方向に流れるが、ガス流の上流側で
は円形であり、下流側（Ｘ軸正方向）に進むに従って、
紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）を長軸とし、長軸方向に
拡大され、短軸方向に縮小された楕円形状となり、サセ
プタ２０を載置するやや上流側のＡ位置では上下方向
（Ｚ軸）方向に薄くＹ軸方向に長い偏平楕円形状となっ
ている。Ａ位置におけるIV−IV矢視方向断面図における
開口部のＹ軸方向の長さは 7.0cmであり、Ｚ軸方向の長
さは 1.2cmである。
ガスを導くライナー管１２が配設されている。そのライ
ナー管１２の一端１３はフランジ１４に固設された保持
プレート１７で保持され、その他端１６の底部１８は保
持脚１９で石英管１０に保持されている。石英管１０の
Ｘ軸方向に垂直なライナー管１２の断面は、図２〜図５
に示すように、Ｘ軸方向での位置によって異なる。即
ち、反応ガスはＸ軸方向に流れるが、ガス流の上流側で
は円形であり、下流側（Ｘ軸正方向）に進むに従って、
紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）を長軸とし、長軸方向に
拡大され、短軸方向に縮小された楕円形状となり、サセ
プタ２０を載置するやや上流側のＡ位置では上下方向
（Ｚ軸）方向に薄くＹ軸方向に長い偏平楕円形状となっ
ている。Ａ位置におけるIV−IV矢視方向断面図における
開口部のＹ軸方向の長さは 7.0cmであり、Ｚ軸方向の長
さは 1.2cmである。
【０００９】ライナー管１２の下流側には、サセプタ２
０を載置するＸ軸に垂直な断面形状が長方形の試料載置
室２１が一体的に連設されている。その試料載置室２１
の底部２２にサセプタ２０が載置される。そのサセプタ
２０はＸ軸に垂直な断面は長方形であるが、その上面２
３はＸ軸に対して緩やかにＺ軸正方向に傾斜している。
そのサセプタ２０の上面２３に試料、即ち、長方形のサ
ファイア基板５０が載置されるが、そのサファイア基板
５０とそれに面するライナー管１２の上部管壁２４との
間隙は、上流側で12mm，下流側で 4mmである。
０を載置するＸ軸に垂直な断面形状が長方形の試料載置
室２１が一体的に連設されている。その試料載置室２１
の底部２２にサセプタ２０が載置される。そのサセプタ
２０はＸ軸に垂直な断面は長方形であるが、その上面２
３はＸ軸に対して緩やかにＺ軸正方向に傾斜している。
そのサセプタ２０の上面２３に試料、即ち、長方形のサ
ファイア基板５０が載置されるが、そのサファイア基板
５０とそれに面するライナー管１２の上部管壁２４との
間隙は、上流側で12mm，下流側で 4mmである。
【００１０】サセプタ２０には操作棒２６が接続されて
おり、フランジ２７を取り外してその操作棒２６によ
り、サファイア基板５０を載置したサセプタ２０を試料
載置室２１へ設置したり、結晶成長の終わった時に、試
料載置室２１からサセプタ２０を取り出せるようになっ
ている。又、ライナー管１２の上流側には、第１ガス管
２８が開口し、第２ガス管２９は端部で封止されて第１
ガス管２８を覆っている。そして、それらの両管２８，
２９は同軸状に２重管構造をしている。第１ガス管２８
の第２ガス管２９から突出した部分と第２ガス管２９の
側周部には、多数の穴３０が開けられており、第１ガス
管２８と第２ガス管２９により導入された反応ガスは、
それぞれ、多数の穴３０を介してライナー管１２の内部
に吹出される。そして、そのライナー管１２の内部で、
両反応ガスは初めて混合される。
おり、フランジ２７を取り外してその操作棒２６によ
り、サファイア基板５０を載置したサセプタ２０を試料
載置室２１へ設置したり、結晶成長の終わった時に、試
料載置室２１からサセプタ２０を取り出せるようになっ
ている。又、ライナー管１２の上流側には、第１ガス管
２８が開口し、第２ガス管２９は端部で封止されて第１
ガス管２８を覆っている。そして、それらの両管２８，
２９は同軸状に２重管構造をしている。第１ガス管２８
の第２ガス管２９から突出した部分と第２ガス管２９の
側周部には、多数の穴３０が開けられており、第１ガス
管２８と第２ガス管２９により導入された反応ガスは、
それぞれ、多数の穴３０を介してライナー管１２の内部
に吹出される。そして、そのライナー管１２の内部で、
両反応ガスは初めて混合される。
【００１１】その第１ガス管２８は第１マニホールド３
１に接続され、第２ガス管２９は第２マニホールド３２
に接続されている。そして、第１マニホールド３１には
ＮＨ3 の供給系統Ｈとキャリアガスの供給系統Ｉとトリ
メチルガリウム（以下「ＴＭＧ」と記す）の供給系統Ｊ
とトリメチルアルミニウム（以下「ＴＭＡ」と記す）の
供給系統Ｋとが接続され、第２マニホールド３２にはキ
ャリアガスの供給系統Ｉとジエチル亜鉛（以下「ＤＥ
Ｚ」と記す）の供給系統Ｌとが接続されている。
１に接続され、第２ガス管２９は第２マニホールド３２
に接続されている。そして、第１マニホールド３１には
ＮＨ3 の供給系統Ｈとキャリアガスの供給系統Ｉとトリ
メチルガリウム（以下「ＴＭＧ」と記す）の供給系統Ｊ
とトリメチルアルミニウム（以下「ＴＭＡ」と記す）の
供給系統Ｋとが接続され、第２マニホールド３２にはキ
ャリアガスの供給系統Ｉとジエチル亜鉛（以下「ＤＥ
Ｚ」と記す）の供給系統Ｌとが接続されている。
【００１２】又、石英管１０の外周部には冷却水を循環
させる冷却管３３が形成され、その外周部には高周波電
界を印加するための高周波コイル３４が配設されてい
る。又、ライナー管１２はフランジ１４を介して外部管
３５と接続されており、その外部管３５からはキャリア
ガスが導入されるようになっている。又、試料載置室２
１には、側方から導入管３６がフランジ１４を通過して
外部から伸びており、その導入管３６内に試料の温度を
測定する熱電対４３とその導線４４，４５が配設されて
おり、試料温度を外部から測定できるように構成されて
いる。このような装置構成により、第１ガス管２８で導
かれたＮＨ3 とＴＭＧとＴＭＡとＨ2 との混合ガスと、
第２ガス管２９で導かれたＤＥＺとＨ2 との混合ガスが
それらの管の出口付近で混合され、その混合反応ガスは
ライナー管１２により試料載置室２１へ導かれ、サファ
イア基板５０とライナー管１２の上部管壁２４との間で
形成された間隙を通過する。この時、サファイア基板５
０上の反応ガスの流れが均一となり、場所依存性の少な
い良質な結晶が成長する。
させる冷却管３３が形成され、その外周部には高周波電
界を印加するための高周波コイル３４が配設されてい
る。又、ライナー管１２はフランジ１４を介して外部管
３５と接続されており、その外部管３５からはキャリア
ガスが導入されるようになっている。又、試料載置室２
１には、側方から導入管３６がフランジ１４を通過して
外部から伸びており、その導入管３６内に試料の温度を
測定する熱電対４３とその導線４４，４５が配設されて
おり、試料温度を外部から測定できるように構成されて
いる。このような装置構成により、第１ガス管２８で導
かれたＮＨ3 とＴＭＧとＴＭＡとＨ2 との混合ガスと、
第２ガス管２９で導かれたＤＥＺとＨ2 との混合ガスが
それらの管の出口付近で混合され、その混合反応ガスは
ライナー管１２により試料載置室２１へ導かれ、サファ
イア基板５０とライナー管１２の上部管壁２４との間で
形成された間隙を通過する。この時、サファイア基板５
０上の反応ガスの流れが均一となり、場所依存性の少な
い良質な結晶が成長する。
【００１３】Ｎ型のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ薄膜を形成する場
合には、第１ガス管２８だけから混合ガスを流出させれ
ば良く、Ｉ型のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ薄膜を形成する場合に
は、第１ガス管２８と第２ガス管２９とからそれぞれの
混合ガスを流出させれば良い。Ｉ型のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ
薄膜を形成する場合には、ドーパントガスであるＤＥＺ
は第１ガス管２８から流出する反応ガスとサファイア基
板５０の近辺のライナー間１２の内部で初めて混合され
ることになる。そして、ＤＥＺはサファイア基板５０に
吹き付けられ熱分解し、ドーパント元素は成長するＡｌ
X Ｇａ1-X Ｎにドーピングされて、Ｉ型のＡｌX Ｇａ
1-X Ｎが得られる。この場合、第１ガス管２８と第２ガ
ス管２９とで分離して、反応ガスとドーパントガスがサ
ファイア基板５０の付近まで導かれるので、良好なドー
ピングが行われる。
合には、第１ガス管２８だけから混合ガスを流出させれ
ば良く、Ｉ型のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ薄膜を形成する場合に
は、第１ガス管２８と第２ガス管２９とからそれぞれの
混合ガスを流出させれば良い。Ｉ型のＡｌX Ｇａ1-X Ｎ
薄膜を形成する場合には、ドーパントガスであるＤＥＺ
は第１ガス管２８から流出する反応ガスとサファイア基
板５０の近辺のライナー間１２の内部で初めて混合され
ることになる。そして、ＤＥＺはサファイア基板５０に
吹き付けられ熱分解し、ドーパント元素は成長するＡｌ
X Ｇａ1-X Ｎにドーピングされて、Ｉ型のＡｌX Ｇａ
1-X Ｎが得られる。この場合、第１ガス管２８と第２ガ
ス管２９とで分離して、反応ガスとドーパントガスがサ
ファイア基板５０の付近まで導かれるので、良好なドー
ピングが行われる。
【００１４】次に本装置を用いて、サファイア基板５０
上に次のようにして結晶成長をおこなった。まず、有機
洗浄及び熱処理により洗浄した(0001)面を主面とする単
結晶のサファイア基板５０をサセプタ２０に装着する。
次に、Ｈ2 を 0.3 liter／分で、第１ガス管２８及び第
２ガス管２９及び外部管３５を介してライナー管１２に
流しながら、温度1100℃でサファイア基板５０を気相エ
ッチングした。次に温度を650 ℃まで低下させて、第１
ガス管２８からＨ2 を 3 liter／分、ＮＨ3 を 2 liter
／分、１５℃のＴＭＡを５０cc／分で２分間供給した。
上に次のようにして結晶成長をおこなった。まず、有機
洗浄及び熱処理により洗浄した(0001)面を主面とする単
結晶のサファイア基板５０をサセプタ２０に装着する。
次に、Ｈ2 を 0.3 liter／分で、第１ガス管２８及び第
２ガス管２９及び外部管３５を介してライナー管１２に
流しながら、温度1100℃でサファイア基板５０を気相エ
ッチングした。次に温度を650 ℃まで低下させて、第１
ガス管２８からＨ2 を 3 liter／分、ＮＨ3 を 2 liter
／分、１５℃のＴＭＡを５０cc／分で２分間供給した。
【００１５】この成長工程で、図６に示すように、Ａｌ
Ｎのバッファ層５１が約300 Åの厚さに形成された。こ
のバッファ層のRHEED 像を測定した。その結果を図７に
示す。図７のRHEED 像から、結晶構造は非単結晶、即
ち、アモルファス、微結晶、多結晶となっていることが
理解される。
Ｎのバッファ層５１が約300 Åの厚さに形成された。こ
のバッファ層のRHEED 像を測定した。その結果を図７に
示す。図７のRHEED 像から、結晶構造は非単結晶、即
ち、アモルファス、微結晶、多結晶となっていることが
理解される。
【００１６】又、上記装置を用いて他のサファイア基板
上に成長温度650 ℃で膜厚を50〜1000Å範囲で変化させ
て、各種のＡｌＮのバッファ層を形成した。その時の表
面のRHEED 像を測定した。その結果を図８(a),(b) に示
す。膜厚が100 Å以下だと単結晶性が強く、膜厚が500
Å以上だと多結晶性が強くなっている。又、ＡｌＮのバ
ッファ層の膜厚が50〜1000Å範囲の上記の各種の試料に
おいて、試料温度を 970℃に保持し、第１ガス管２８か
らＨ2 を 2.5 liter／分、ＮＨ3 を 1.5liter／分、−
１５℃のＴＭＧを100 cc／分で60分間供給し、図９に示
すように、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成るＮ層５
２をそれぞれ形成した。そして、このＮ層５２のSEM 像
及びRHEED 像を測定した。その結果を図１０(a),(b) 、
図１１(a),(b) に示す。SEM 像の倍率は4100倍である。
バッファ層５１の膜厚が100 Å以下だどＮ層５２はピッ
トの発生した状態となり、バッファ層５１の膜厚が500
Å以上においてもＮ層５２は100 Å以下と同じ状態とな
る。従って、結晶性の良いＮ層を得るには、ＡｌＮのバ
ッファ層５１の膜厚は100 〜500 Åの範囲が望ましい。
上に成長温度650 ℃で膜厚を50〜1000Å範囲で変化させ
て、各種のＡｌＮのバッファ層を形成した。その時の表
面のRHEED 像を測定した。その結果を図８(a),(b) に示
す。膜厚が100 Å以下だと単結晶性が強く、膜厚が500
Å以上だと多結晶性が強くなっている。又、ＡｌＮのバ
ッファ層の膜厚が50〜1000Å範囲の上記の各種の試料に
おいて、試料温度を 970℃に保持し、第１ガス管２８か
らＨ2 を 2.5 liter／分、ＮＨ3 を 1.5liter／分、−
１５℃のＴＭＧを100 cc／分で60分間供給し、図９に示
すように、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成るＮ層５
２をそれぞれ形成した。そして、このＮ層５２のSEM 像
及びRHEED 像を測定した。その結果を図１０(a),(b) 、
図１１(a),(b) に示す。SEM 像の倍率は4100倍である。
バッファ層５１の膜厚が100 Å以下だどＮ層５２はピッ
トの発生した状態となり、バッファ層５１の膜厚が500
Å以上においてもＮ層５２は100 Å以下と同じ状態とな
る。従って、結晶性の良いＮ層を得るには、ＡｌＮのバ
ッファ層５１の膜厚は100 〜500 Åの範囲が望ましい。
【００１７】又、他の試料として、サファイア基板上
に、膜厚300 ÅのＡｌＮのバッファ層を成長温度を300
〜1200℃の範囲で変化させて、各種成長させた。そし
て、同様にＡｌＮのバッファ層のRHEED 像を測定した。
その結果を１２図(a),(b) に示す。このことから、成長
温度が300 ℃以下であるとＡｌＮバッファ層の所望の膜
厚が得られず、成長温度が900 ℃以上となるとＡｌＮの
結晶化が進んでしまい所望の膜質が得られないことが分
る。
に、膜厚300 ÅのＡｌＮのバッファ層を成長温度を300
〜1200℃の範囲で変化させて、各種成長させた。そし
て、同様にＡｌＮのバッファ層のRHEED 像を測定した。
その結果を１２図(a),(b) に示す。このことから、成長
温度が300 ℃以下であるとＡｌＮバッファ層の所望の膜
厚が得られず、成長温度が900 ℃以上となるとＡｌＮの
結晶化が進んでしまい所望の膜質が得られないことが分
る。
【００１８】更に、上記の膜厚300 ÅのＡｌＮのバッフ
ァ層を成長温度300 〜1200℃の範囲で成長させた各種試
料に対し、さらにＡｌＮのバッファ層上に、上記と同一
条件で、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成るＮ層を成
長させた。そして、このＮ層のSEM 像及びRHEED 像を測
定した。その結果を図１３(a),(b) 、図１４(a),(b)に
示す。SEM 像の倍率は3700倍である。ＡｌＮのバッファ
層の成長温度を400 ℃より低くすると、Ｎ型のＧａＮか
ら成るＮ層はピットが発生した結晶となり、ＡｌＮのバ
ッファ層の成長温度を 900℃以上とすると、六角形のモ
ホロジーをもつ結晶となる。その結果から、結晶性の良
いＮ層を得るには、ＡｌＮのバッファ層の成長温度は40
0 〜900 ℃が望ましいことが分る。
ァ層を成長温度300 〜1200℃の範囲で成長させた各種試
料に対し、さらにＡｌＮのバッファ層上に、上記と同一
条件で、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成るＮ層を成
長させた。そして、このＮ層のSEM 像及びRHEED 像を測
定した。その結果を図１３(a),(b) 、図１４(a),(b)に
示す。SEM 像の倍率は3700倍である。ＡｌＮのバッファ
層の成長温度を400 ℃より低くすると、Ｎ型のＧａＮか
ら成るＮ層はピットが発生した結晶となり、ＡｌＮのバ
ッファ層の成長温度を 900℃以上とすると、六角形のモ
ホロジーをもつ結晶となる。その結果から、結晶性の良
いＮ層を得るには、ＡｌＮのバッファ層の成長温度は40
0 〜900 ℃が望ましいことが分る。
【００１９】尚、上記の実験により、ＡｌＮのバッファ
層の結晶構造は、無定形構造の中に、多結晶又は微結晶
が混在したウルツァイト構造であるときに、その上に成
長するＧａＮ層の結晶性が良くなることが分かった。そ
して、その多結晶又は微結晶の存在割合は１〜９０％が
良いことや、その大きさは0.1 μｍ以下であることが望
ましいことが分かった。このような結晶構造のＡｌＮの
バッファ層の形成は、膜厚や成長温度が上記条件の他、
反応ガス流量として１５℃のＴＭＡが0.1 〜1000cc/
分、ＮＨ3 が100cc 〜10liter/分、Ｈ2 が1 liter 〜50
liter/分の範囲で行ったが、いずれもウルツァイト構造
が得られた。
層の結晶構造は、無定形構造の中に、多結晶又は微結晶
が混在したウルツァイト構造であるときに、その上に成
長するＧａＮ層の結晶性が良くなることが分かった。そ
して、その多結晶又は微結晶の存在割合は１〜９０％が
良いことや、その大きさは0.1 μｍ以下であることが望
ましいことが分かった。このような結晶構造のＡｌＮの
バッファ層の形成は、膜厚や成長温度が上記条件の他、
反応ガス流量として１５℃のＴＭＡが0.1 〜1000cc/
分、ＮＨ3 が100cc 〜10liter/分、Ｈ2 が1 liter 〜50
liter/分の範囲で行ったが、いずれもウルツァイト構造
が得られた。
【００２０】次に、発光ダイオードの作成方法について
説明する。次に本装置を用いて、図１５に示す構成に、
サファイア基板６０上に次のようにして結晶成長をおこ
なった。上記と同様にして、単結晶のサファイア基板６
０上に、成長温度650 ℃で、第１ガス管２８からＨ2 を
３liter ／分、ＮＨ3 を 2liter ／分、１５℃のＴＭＡ
を５００cc／分で１分間供給して350 ÅのＡｌＮのバッ
ファ層６１を形成した。次に、１分経過した時にＴＭＡ
の供給を停止して、サファイア基板６０の温度を970℃
に保持し、第１ガス管２８からＨ2 を 2.5liter ／分、
ＮＨ3 を 1.5liter ／分、−１５℃のＴＭＧを 100cc／
分で60分間供給し、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成
るＮ層６２を形成した。そのＮ層６２の形成されたサフ
ァイア基板６０を気相成長装置から取り出し、Ｎ層６２
の主面にホトレジストを塗布して所定パターンのマスク
を使って露光した後エッチングを行って所定パターンの
ホトレジストを得た。
説明する。次に本装置を用いて、図１５に示す構成に、
サファイア基板６０上に次のようにして結晶成長をおこ
なった。上記と同様にして、単結晶のサファイア基板６
０上に、成長温度650 ℃で、第１ガス管２８からＨ2 を
３liter ／分、ＮＨ3 を 2liter ／分、１５℃のＴＭＡ
を５００cc／分で１分間供給して350 ÅのＡｌＮのバッ
ファ層６１を形成した。次に、１分経過した時にＴＭＡ
の供給を停止して、サファイア基板６０の温度を970℃
に保持し、第１ガス管２８からＨ2 を 2.5liter ／分、
ＮＨ3 を 1.5liter ／分、−１５℃のＴＭＧを 100cc／
分で60分間供給し、膜厚約 7μｍのＮ型のＧａＮから成
るＮ層６２を形成した。そのＮ層６２の形成されたサフ
ァイア基板６０を気相成長装置から取り出し、Ｎ層６２
の主面にホトレジストを塗布して所定パターンのマスク
を使って露光した後エッチングを行って所定パターンの
ホトレジストを得た。
【００２１】次に、このホトレジストをマスクにして膜
厚 100Å程度のＳｉ０2 膜６３をパターン形成した。そ
の後、ホトレジストを除去しＳｉ０2 膜６３のみがパタ
ーン形成されたサファイア基板６０を洗浄後、再度、サ
セプタ２０に装着し気相エッチングした。そして、サフ
ァイア基板６０の温度を 970℃に保持し、第１ガス管２
８からは、Ｈ2 を 2.5liter ／分、ＮＨ3 を 1.5liter
／分、−１５℃のＴＭＧを 100cc／分供給し、第２ガス
管２９からは、３０℃のＤＥＺを 500cc／分で５分間供
給して、Ｉ型のＧａＮから成るＩ層６４を膜厚 1.0μｍ
に形成した。
厚 100Å程度のＳｉ０2 膜６３をパターン形成した。そ
の後、ホトレジストを除去しＳｉ０2 膜６３のみがパタ
ーン形成されたサファイア基板６０を洗浄後、再度、サ
セプタ２０に装着し気相エッチングした。そして、サフ
ァイア基板６０の温度を 970℃に保持し、第１ガス管２
８からは、Ｈ2 を 2.5liter ／分、ＮＨ3 を 1.5liter
／分、−１５℃のＴＭＧを 100cc／分供給し、第２ガス
管２９からは、３０℃のＤＥＺを 500cc／分で５分間供
給して、Ｉ型のＧａＮから成るＩ層６４を膜厚 1.0μｍ
に形成した。
【００２２】この時、ＧａＮの露出している部分は、単
結晶のＩ型のＧａＮが成長しＩ層６４が得られるが、Ｓ
ｉ０2 膜６３の上部には多結晶のＧａＮから成る導電層
６５が形成される。その後、反応室２０からサファイア
基板６０を取り出し、Ｉ層６４と導電層６５の上にアル
ミニウム電極６６、６７を蒸着し、サファイア基板６０
を所定の大きさにカッティングして発光ダイオードを形
成した。この場合、電極６６はＩ層６４の電極となり、
電極６７は導電層６５と極めて薄いＳｉ０2 膜６３を介
してＮ層６２の電極となる。そして、Ｉ層６４をＮ層６
２に対し正電位とすることにより、接合面から光が発光
する。このようにして得られた発光ダイオードは発光波
長485 nmで、光度10 mcdであった。ＡｌＮバッファ層を
単結晶で形成したものに比べて、発光光度において、１
０倍の改善が見られた。
結晶のＩ型のＧａＮが成長しＩ層６４が得られるが、Ｓ
ｉ０2 膜６３の上部には多結晶のＧａＮから成る導電層
６５が形成される。その後、反応室２０からサファイア
基板６０を取り出し、Ｉ層６４と導電層６５の上にアル
ミニウム電極６６、６７を蒸着し、サファイア基板６０
を所定の大きさにカッティングして発光ダイオードを形
成した。この場合、電極６６はＩ層６４の電極となり、
電極６７は導電層６５と極めて薄いＳｉ０2 膜６３を介
してＮ層６２の電極となる。そして、Ｉ層６４をＮ層６
２に対し正電位とすることにより、接合面から光が発光
する。このようにして得られた発光ダイオードは発光波
長485 nmで、光度10 mcdであった。ＡｌＮバッファ層を
単結晶で形成したものに比べて、発光光度において、１
０倍の改善が見られた。
【図１】本発明を実施するのに使用した気相成長装置の
構成図
構成図
【図２】同実施例のライナー管の断面図
【図３】同実施例のライナー管の断面図
【図４】同実施例のライナー管の断面図
【図５】同実施例のライナー管の断面図
【図６】結晶成長される半導体の構成を示した断面図
【図７】ＡｌＮのバッファ層のRHEED による結晶構造を
示した写真
示した写真
【図８】ＡｌＮのバッファ層の膜厚を変化させたときの
ＡｌＮのバッファ層のRHEED による結晶構造を示した写
真
ＡｌＮのバッファ層のRHEED による結晶構造を示した写
真
【図９】Ｎ型ＧａＮ層の成長した半導体の構造を示した
断面図
断面図
【図１０】ＡｌＮのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたＧａＮ層の顕微鏡（SEM)に
よる結晶構造を示した写真
のバッファ層上に成長させたＧａＮ層の顕微鏡（SEM)に
よる結晶構造を示した写真
【図１１】ＡｌＮのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたＧａＮ層のRHEED による結
晶構造を示した写真
のバッファ層上に成長させたＧａＮ層のRHEED による結
晶構造を示した写真
【図１２】成長温度を変化させて成長させたＡｌＮバッ
ファ層のRHEED による結晶構造を示した写真
ファ層のRHEED による結晶構造を示した写真
【図１３】成長温度を変化させて成長させた各種のＡｌ
Ｎバッファ層上に成長させたＧａＮ層の顕微鏡（SEM)に
よる結晶構造を示した写真
Ｎバッファ層上に成長させたＧａＮ層の顕微鏡（SEM)に
よる結晶構造を示した写真
【図１４】成長温度を変化させて成長させた各種のＡｌ
Ｎバッファ層上に成長させたＧａＮ層のRHEED による結
晶構造を示した写真
Ｎバッファ層上に成長させたＧａＮ層のRHEED による結
晶構造を示した写真
【図１５】発光ダイオードを作成する場合の結晶構造を
示した断面図
示した断面図
１０─石英管 １２─ライナー管 ２０─サセプタ ２１─試料載置室 ２８─第１ガス管 ２９─第２ガス管 ５０、６０─サファイア基板 ５１、６１─ＡｌＮバッファ層 ５２、６２─Ｎ層 ５３、６３─Ｉ層 ６４─導電層 ６５、６６─電極 Ｈ─ＮＨ3 の供給系統 Ｉ─キャリアガスの供給系統 Ｊ─ＴＭＧの供給系統 Ｋ─ＴＭＡの供給系統 Ｌ─ＤＥＺの供給系統
フロントページの続き (73)特許権者 396020800 科学技術振興事業団 埼玉県川口市本町４丁目１番８号 (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (72)発明者 平松 和政 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (56)参考文献 日本結晶成長学会誌，Ｖｏｌ．15，Ｎ ｏ．３，４，ｐｐ．334−342（1988) 日本結晶成長学会誌，Ｖｏｌ．13，Ｎ ｏ．４，ｐｐ．218−225（1986)
Claims (4)
- 【請求項１】サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体層（Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）を有する
発光素子において、 前記サファイア基板上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満
で膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに成長された、結晶
構造を無定形結晶中に存在割合が１〜９０％である微結
晶又は多結晶の混在したウルツァイト構造とする窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層と、 前記バッファ層上に形成された複数の窒化ガリウム系化
合物半導体層（ＡｌxＧａ1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）とか
ら成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項２】サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）を有する
発光素子において、 前記サファイア基板上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満
で膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに成長された、結晶
構造を無定形結晶中に大きさが０．１μｍ以下の微結晶
又は多結晶の混在したウルツァイト構造とする窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層と、 前記バッファ層上に形成された複数の窒化ガリウム系化
合物半導体層（Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ；Ｘ＝０を含む）とか
ら成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】前記微結晶又は前記多結晶の存在割合は１
〜９０％であることを特徴とする請求項２に記載の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項４】前記バッファ層は有機金属化合物気相成長
法により形成されることを特徴とする請求項１乃至請求
項３の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23636498A JP3348656B2 (ja) | 1989-03-01 | 1998-08-07 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23636498A JP3348656B2 (ja) | 1989-03-01 | 1998-08-07 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5045889A Division JP3026087B2 (ja) | 1989-03-01 | 1989-03-01 | 窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長方法 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001220507A Division JP3418384B2 (ja) | 2001-07-19 | 2001-07-19 | 気相成長方法 |
| JP2001222016A Division JP2002118282A (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11121801A JPH11121801A (ja) | 1999-04-30 |
| JP3348656B2 true JP3348656B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=16999711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23636498A Expired - Lifetime JP3348656B2 (ja) | 1989-03-01 | 1998-08-07 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3348656B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3886341B2 (ja) | 2001-05-21 | 2007-02-28 | 日本電気株式会社 | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法及び窒化ガリウム結晶基板 |
| JP3785970B2 (ja) | 2001-09-03 | 2006-06-14 | 日本電気株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法 |
| CN105190842B (zh) | 2013-03-14 | 2017-07-28 | 佳能安内华股份有限公司 | 成膜方法、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件和照明装置 |
-
1998
- 1998-08-07 JP JP23636498A patent/JP3348656B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 日本結晶成長学会誌，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，ｐｐ．２１８−２２５（１９８６） |
| 日本結晶成長学会誌，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．３，４，ｐｐ．３３４−３４２（１９８８） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11121801A (ja) | 1999-04-30 |
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