JP3449358B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
発光素子及びその製造方法Info
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Description
製造方法に関し、詳しくは、窒化ガリウム系化合物半導
体を用いた発光素子及びその製造方法に関する。
Ga1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+
y≦1)等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いると、
紫外から緑色までの波長帯の光を発光できることから、
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が近年注
目されている。このような発光素子は、一般に、サファ
イアまたはシリコンカーバイドから形成された基板上
に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光機能層を
積層し、基板をダイシング、スクライビング、または劈
開することにより形成されている。
から形成された基板は硬質であるため、ダイシング等を
容易に行うことができず、発光素子の生産性が悪くなっ
てしまうという問題があった。また、サファイアやシリ
コンカーバイドから形成された基板は高価であり、材料
コスト面からも問題があった。
シリコンカーバイドではなく、シリコンによって構成
し、シリコン基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から
なる発光機能層を積層して、発光素子を製造する試みが
なされている。発光素子の基板にシリコン基板を用いる
場合には、シリコン基板上に窒化アルミニウム(Al
N)からなるバッファ層を介して発光機能層が形成され
ている。窒化アルミニウムからなるバッファ層を配した
のは、バッファ層がシリコン基板の面方位を受け継ぎ、
バッファ層の上面に結晶性の良好な窒化ガリウム系化合
物半導体からなる発光機能層を形成できるためである。
ニウムのバンドギャップは約6.2evであり、Inx
AlyGa1−x−yN系化合物半導体の中で最も広い
バンドギャップを有している。このため、シリコン基板
上に窒化アルミニウムからなるバッファ層を介して発光
機能層を形成すると、AlNバッファ層がシリコン基板
と発光機能層との間に電位障壁を形成し、発光素子の駆
動電圧が高くなるという問題がある。例えば、サファイ
ア等から形成された基板上にバッファ層を介して発光機
能層を形成した発光素子の駆動電圧に比較して、順方向
電圧が2.5倍以上大きくなってしまう。
であり、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層を
形成でき、駆動電圧を低減することができる発光素子及
びその製造方法を提供することを目的とする。
め、この発明の第1の観点にかかる発光素子は、シリコ
ン基板と、前記シリコン基板上に形成され、ガリウムと
インジウムとを含む窒化アルミニウム層と、前記窒化ア
ルミニウム層上に形成され、ガリウムとインジウムとを
含む第1窒化物系化合物半導体層と、前記第1窒化物系
化合物半導体層上に形成され、発光機能を有する第2窒
化物系化合物半導体層とを備える、ことを特徴とする。
ガリウムとインジウムとが含まれているので、発光素子
の駆動電圧が低減される。また、シリコン基板と第1窒
化物系化合物半導体層との間に窒化アルミニウム層が形
成されているので、シリコン基板上の第1窒化物系化合
物半導体層及び第2窒化物系化合物半導体層の結晶性が
良好になる。
物系化合物半導体層から拡散されるガリウム及びインジ
ウムの拡散開始時期を遅延可能な厚さに形成されている
ことが好ましい。この場合、さらにシリコン基板上の第
1窒化物系化合物半導体層及び第2窒化物系化合物半導
体層の結晶性が良好になる。拡散開始時期を遅延可能な
厚さとしては、例えば、1nm〜6nmの厚さに形成さ
れていることが好ましい。
量のガリウム及びインジウムを前記窒化アルミニウム層
に拡散可能な厚さに形成されていることが好ましい。こ
のような厚さとしては、例えば、1nm〜100nmの
厚さに形成されていることが好ましい。
2窒化物系化合物半導体層の一部を構成することが好ま
しい。この場合、発光素子が簡易な構造になる。
製造方法は、シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を
形成する工程と、前記窒化アルミニウム層上に、ガリウ
ムとインジウムとを含む第1窒化物系化合物半導体層を
形成する工程と、前記第1窒化物系化合物半導体層から
ガリウムとインジウムとを前記窒化アルミニウム層に拡
散させる工程と、前記第1窒化物系化合物半導体層上
に、発光機能を有する第2窒化物系化合物半導体層を形
成する工程とを備える、ことを特徴とする。
ガリウムとインジウムとが拡散され、発光素子の駆動電
圧が低減される。また、シリコン基板と第1窒化物系化
合物半導体層との間に窒化アルミニウム層が形成され、
シリコン基板上に結晶性が良好な第1窒化物系化合物半
導体層及び第2窒化物系化合物半導体層が形成される。
インジウムとを含む第1窒化物系化合物半導体層を形成
しながら、該第1窒化物系化合物半導体層からガリウム
とインジウムとを前記窒化アルミニウム層に拡散させる
ことが好ましい。
物系化合物半導体層から拡散されるガリウム及びインジ
ウムの拡散開始時期を遅延可能な厚さに形成することが
好ましい。この場合、さらに結晶性が良好な第1窒化物
系化合物半導体層及び第2窒化物系化合物半導体層を形
成することができる。
量のガリウム及びインジウムを前記窒化アルミニウム層
に拡散可能な厚さに形成することが好ましい。
素子及びその製造方法について説明する。図1に本実施
の形態の発光素子の構造を示す。図1に示すように、発
光素子1は、半導体基体2と、半導体基体2の上面に電
気的に接続されたアノード電極3と、半導体基体2の下
面に電気的に接続されたカソード電極4とを備えてい
る。
コン基板5上に形成され、ガリウムとインジウムとを含
む窒化アルミニウム層6と、窒化アルミニウム層6上に
形成され、ガリウムとインジウムとを含む第1窒化物系
化合物半導体層としての反応源供給層7と、反応源供給
層7上に形成された第2窒化物系化合物半導体層として
の発光機能層8とを備えている。
例えば、砒素(As)が5×101 8cm−3〜5×1
019cm−3程度の比較的高濃度にドープされたn+
形のシリコン単結晶基板から構成されている。そして、
その抵抗率は0.001Ω・cm〜0.01Ω・cm程
度に形成されている。このため、シリコン基板5は、実
質的に導電体であり、カソード電極4とともに電極とし
て機能する。また、シリコン基板5は、発光機能層8等
の支持部材として機能し、発光機能層8等を良好に支持
できるように、例えば、350μm程度の厚みに形成さ
れている。
上に形成されている。窒化アルミニウム層6は、窒化ア
ルミニウムに、後述する反応源供給層7から拡散された
ガリウム(Ga)とインジウム(In)とが含まれてい
る。この窒化アルミニウム層6は、シリコン基板5上に
窒化物系化合物半導体(反応源供給層7、発光機能層
8)を膜成長させるためのバッファ層として機能する。
シリコン基板5の表面に、窒化物系化合物半導体、例え
ば、GaN、GaInNからなる発光機能層8を直接膜
成長させることは困難であるが、バッファ層として機能
する窒化アルミニウム層6を介して形成させることによ
り、シリコン基板5上に窒化物系化合物半導体を膜成長
させることができる。これは、窒化アルミニウム層6は
シリコン基板5の面方位を受け継ぐことができ、窒化ア
ルミニウム層6を介することで、シリコン基板5上に結
晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する
ことができるためである。
から拡散されるガリウム及びインジウムの拡散開始時期
を遅延可能な厚さに形成されている。ここで、拡散開始
時期を遅延可能な厚さとは、反応源供給層7を形成する
初期段階において、反応源供給層7から供給されるガリ
ウム及びインジウムが窒化アルミニウム層6に拡散する
ことを抑制可能な厚さをいい、窒化アルミニウム層6
は、例えば、1nm〜6nmの厚さに形成されているこ
とが好ましい。
上に形成されている。反応源供給層7は、InxAl
1−x−yGayN(0<x≦1、0<y≦1、0<x
+y≦1)から構成されている。すなわち、反応源供給
層7は、インジウム(In)とガリウム(Ga)とを必
須の構成元素とする窒化物系化合物半導体であり、本実
施の形態ではn形Ga0.5In0.5Nから構成され
ている。
るガリウム及びインジウムを窒化アルミニウム層6に拡
散するためのガリウム及びインジウムの供給源として機
能する。このため、反応源供給層7の厚さは、窒化アル
ミニウム層6に必要な量のガリウム及びインジウムが拡
散できる所定厚、例えば、1nm以上にすることが好ま
しい。ただし、反応源供給層7をあまり厚くしすぎる
と、反応源供給層7とシリコン基板5との線膨張係数差
に起因するクラックが反応源供給層7に生じるおそれが
ある。反応源供給層7にクラックが発生すると、反応源
供給層7上に形成される発光機能層8の結晶性を損なう
原因となるため、反応源供給層7の厚さは、100nm
以下に設定することが好ましい。本実施の形態では、反
応源供給層7の厚さを30nmに形成している。
されている。発光機能層8は、n形クラッド層9と、活
性層10と、p形クラッド層11とが順次積層された構
成に形成されている。
成され、その厚さが500nmのn形GaNからなるn
形半導体領域である。活性層10はn形クラッド層9上
に形成され、その厚さが3nmのGaInNから構成さ
れている。p形クラッド層11は活性層10上に形成さ
れ、その厚さが500nmのp形GaNからなるp形半
導体領域である。
上面に、例えば、低抵抗性接触して形成されている。ア
ノード電極3は、例えば、ニッケルと金を真空蒸着して
形成されている。また、カソード電極4は、シリコン基
板5の下面に、例えば、低抵抗性接触して形成されてい
る。カソード電極4は、例えば、チタンとアルミニウム
とを真空蒸着して形成されている。アノード電極3及び
カソード電極4は、他の金属材料により形成することも
可能であり、例えば、カソード電極4は、チタンと金ゲ
ルマニウムニッケル合金と金とが順次積層されてなる電
極を用いてもよい。
の製造方法について、図2に示すタイムシーケンスを参
照して説明する。
al Vapor Deposition)装置の反応室内に、洗浄等の前
処理を施したシリコン基板5を配置する。そして、シリ
コン基板5に1120℃で10分程度の熱処理を施し、
その表面をサーマルクリーニングして表面の酸化膜を完
全に除去する(サーマルクリーニング工程)。
理を施す(水素終端処理工程)。水素終端処理とは、シ
リコン基板5の表面のダングリングボンド、すなわちシ
リコンの4つの結合手のうちで、結合に使用されていな
い結合手(ボンド)に水素を結合させる処理である。
リメチルアルミニウムガス(TMAガス)を所定量、例
えば、63μmol/min、アンモニアガス(N
H3)を所定量、例えば、0.14mol/min供給
して、シリコン基板5の上面に所定厚の窒化アルミニウ
ムからなる窒化アルミニウム層6を形成する(窒化アル
ミニウム層形成工程)。
供給層7から供給されるガリウム及びインジウムの拡散
開始時期を遅延可能な厚さ、例えば、1nm〜6nmに
形成することが好ましい。窒化アルミニウム層6が1n
mより薄い場合には、窒化アルミニウム層6の上面に窒
化ガリウム系化合物半導体(反応源供給層7)を堆積形
成する間(反応源供給層7を形成する初期段階)に、堆
積された反応源供給層7からガリウム及びインジウムが
窒化アルミニウム層6に拡散する。このため、成長直後
の反応源供給層7の結晶性が劣化し、これを核として成
長する発光機能層8等の結晶性が全体的に低下してしま
うおそれが生じる。また、窒化アルミニウム層6がバッ
ファ層としての本来の機能を果たさなくなってしまうお
それが生じる。一方、窒化アルミニウム層6が6nmよ
り厚い場合には、反応源供給層7を形成する初期段階以
降に、反応源供給層7から窒化アルミニウム層6の下部
にまでガリウム及びインジウムが拡散されないおそれが
生じる。本実施の形態では、窒化アルミニウム層6の厚
さを3nmに形成している。
を停止し、シリコン基板5の温度を700℃まで下げ
る。シリコン基板5の温度が700℃にまで下がると、
MOCVD装置の反応室内に、トリメチルインジウムガ
ス(TMIガス)を所定量、例えば、59μmol/m
in、トリメチルガリウムガス(TMGガス)を所定
量、例えば、6.2μmol/min、アンモニアガス
を所定量、例えば、0.23mol/min、及びシラ
ンガスを所定量、例えば、21nmol/min供給
し、窒化アルミニウム層6の上面に厚さ約30nmのn
形Ga0.5In0. 5Nからなる反応源供給層7を形
成する(反応源供給層形成工程)。なお、シランガスを
供給したのは、反応源供給層7中にn形不純物としての
シリコンを導入するためである。
供給層7から供給されるガリウム及びインジウムの拡散
開始時期を遅延可能な厚さに形成されているので、反応
源供給層7を形成する初期段階では、反応源供給層7か
ら供給されるガリウム及びインジウムが窒化アルミニウ
ム層6に拡散しにくくなる。従って、形成される反応源
供給層7の結晶性が劣化することがなくなる。
以降では、図3(a)に示すように、既に形成された反
応源供給層7から窒化アルミニウム層6にガリウム及び
インジウムが拡散される。そして、図3(b)に示すよ
うに、窒化アルミニウム層6にはガリウム及びインジウ
ムが拡散される。従って、反応源供給層7を形成しなが
ら、窒化アルミニウム層6にガリウム及びインジウムが
拡散される。
ウム及びインジウムが拡散されると、シリコン基板5と
窒化アルミニウム層6との間の電気的接続を良好にする
ことができる。これは、窒化アルミニウム層6にガリウ
ム及びインジウムを拡散させることにより、シリコン基
板5と窒化アルミニウム層6との界面に、結果的にガリ
ウム及びインジウムを含む金属化合物領域等が形成さ
れ、この形成された金属化合物領域等の存在により、シ
リコン基板5と窒化アルミニウム層6との間の電位障壁
を乗り越えやすくなると考えられるためである。
との間に、バッファ層として機能する窒化アルミニウム
層6が形成されているので、シリコン基板5上に結晶性
の良好な反応源供給層7を形成することができる。
形成する。まず、シリコン基板5の温度を1040℃ま
で上げる。シリコン基板5の温度が1040℃まで上が
ると、MOCVD装置の反応室内に、トリメチルガリウ
ムガス(TMGガス)を所定量、例えば、4.3μmo
l/min、アンモニアガスを所定量、例えば、53.
6mmol/min、シランガスを所定量、例えば、
1.5nmol/min供給し、反応源供給層7の上面
にn形GaNからなる厚さ約500nmのn形クラッド
層9を形成する(n形クラッド層形成工程)。なお、n
形クラッド層9の不純物濃度は3×1018cm−3で
あり、シリコン基板5の不純物濃度よりも十分に低い。
で下げる。シリコン基板5の温度が800℃まで下がる
と、MOCVD装置の反応室内に、トリメチルガリウム
ガス(TMGガス)を所定量、例えば、1.1μmol
/min、アンモニアガスを所定量、例えば、67mm
ol/min、トリメチルインジウムガス(TMIガ
ス)を所定量、例えば、4.5μmol/min、ビス
シクロペンタジェニルマグネシウムガス(Cp2Mgガ
ス)を所定量、例えば、12nmol/min供給し、
n形クラッド層9上に厚さ約3nmのp形GaInNか
らなる活性層10を形成する(活性層形成工程)。な
お、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガスを供給
したのは、活性層10中にp形導電形の不純物としての
Mgを導入するためである。また、活性層10の不純物
濃度は3×1017cm−3である。
℃まで上げる。シリコン基板5の温度が1040℃まで
上がると、MOCVD装置の反応室内に、トリメチルガ
リウムガス(TMGガス)を所定量、例えば、4.3μ
mol/min、アンモニアガスを所定量、例えば、5
3.6μmol/min、ビスシクロペンタジェニルマ
グネシウムガス(Cp2Mgガス)を所定量、例えば、
0.12μmol/min供給し、活性層10上に厚さ
約500nmのp形GaNからなるp形クラッド層11
を形成する(p形クラッド層形成工程)。なお、p形ク
ラッド層11の不純物濃度は3×1018cm−3であ
る。
形クラッド層9、活性層10、p形クラッド層11)
は、結晶性の良好な反応源供給層7上に形成(反応源供
給層7を核として成長)されている。このため、形成さ
れる発光機能層8の結晶性が低下せず、反応源供給層7
上に結晶性の良好な発光機能層8を形成することができ
る。
ノード電極3を低抵抗性接触させて、p形クラッド層1
1の上面に設置する。また、真空蒸着法によって形成さ
れたカソード電極4を低抵抗性接触させて、シリコン基
板5の下面に設置する(電極形成工程)。このような工
程により、図1に示すような発光素子1が製造される。
ば、シリコン基板5と反応源供給層7との間に、ガリウ
ム及びインジウムを含む窒化アルミニウム層6を形成し
ているので、シリコン基板5と窒化アルミニウム層6と
の電気的接続を良好にすることができる。このため、発
光素子1の駆動電圧を低減することができる。また、シ
リコン基板5と反応源供給層7との間に窒化アルミニウ
ム層6を形成しているので、シリコン基板5上に結晶性
の良好な反応源供給層7及び発光機能層8を形成するこ
とができる。
層6を反応源供給層7から供給されるガリウム及びイン
ジウムの拡散開始時期を遅延可能な厚さに形成している
ので、反応源供給層7から供給されるガリウム及びイン
ジウムが短期間に拡散することを抑制して、その拡散開
始時期が遅延される。この結果、窒化アルミニウム層6
上に結晶性の良好な反応源供給層7を形成した後に、窒
化アルミニウム層6にガリウム及びインジウムの拡散が
生じる。このため、膜成長の初期における窒化ガリウム
系化合物半導体層(反応源供給層7)の結晶性が良好と
なり、反応源供給層7上に形成される発光機能層8等の
結晶性を全体にわたって良好にすることができる。
れず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に
適用可能な他の実施の形態について説明する。
6と発光機能層8との間に反応源供給層7を形成する場
合を例に本発明を説明したが、反応源供給層7は、窒化
アルミニウム層6にガリウム及びインジウムを拡散可能
であればよく、例えば、図4に示すように、窒化アルミ
ニウム層6と発光機能層8との間に反応源供給層7を形
成せずに、発光機能層8から窒化アルミニウム層6にガ
リウム及びインジウムを拡散させてもよい。すなわち、
反応源供給層が発光機能層8の一部を構成し、n形クラ
ッド層9を反応源供給層として機能させてもよい。この
場合、窒化アルミニウム層6に拡散されるガリウム及び
インジウムはn形クラッド層9から供給され、発光素子
を簡易な構造にすることができる。
形Ga0.5In0.5N、n形クラッド層9がn形G
aNからなるn形半導体領域等の場合を例に本発明を説
明したが、シリコン基板5、反応源供給層7、n形クラ
ッド層9、活性層10、p形クラッド層11の導電形を
反転してもよい。この場合にも、シリコン基板5上に結
晶性の良好な発光機能層8を形成でき、また、発光素子
の駆動電圧を低減することができる。
応室内で発光素子を製造する場合を例に本発明を説明し
たが、例えば、MOCVD装置に反応室を複数設け、各
製造工程ごとに別々の反応室を用いてもよい。
によれば、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層
を形成できる。また、その駆動電圧を低減することがで
きる。
した概略図である。
明するためのタイムシーケンスを示した図である。
リウム及びインジウムを拡散させる過程を説明するため
の概略図である。
を示した概略図である。
Claims (10)
- 【請求項1】シリコン基板と、 前記シリコン基板上に形成され、ガリウムとインジウム
とを含む窒化アルミニウム層と、 前記窒化アルミニウム層上に形成され、ガリウムとイン
ジウムとを含む第1窒化物系化合物半導体層と、 前記第1窒化物系化合物半導体層上に形成され、発光機
能を有する第2窒化物系化合物半導体層と、を備える、
ことを特徴とする発光素子。 - 【請求項2】前記窒化アルミニウム層は、前記第1窒化
物系化合物半導体層から拡散されるガリウム及びインジ
ウムの拡散開始時期を遅延可能な厚さに形成されてい
る、ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 【請求項3】前記窒化アルミニウム層は、1nm〜6n
mの厚さに形成されている、ことを特徴とする請求項2
に記載の発光素子。 - 【請求項4】前記第1窒化物系化合物半導体層は、所定
量のガリウム及びインジウムを前記窒化アルミニウム層
に拡散可能な厚さに形成されている、ことを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光素子。 - 【請求項5】前記第1窒化物系化合物半導体層は、1n
m〜100nmの厚さに形成されている、ことを特徴と
する請求項4に記載の発光素子。 - 【請求項6】前記第1窒化物系化合物半導体層は前記第
2窒化物系化合物半導体層の一部を構成する、ことを特
徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発光素
子。 - 【請求項7】シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を
形成する工程と、 前記窒化アルミニウム層上に、ガリウムとインジウムと
を含む第1窒化物系化合物半導体層を形成する工程と、 前記第1窒化物系化合物半導体層からガリウムとインジ
ウムとを前記窒化アルミニウム層に拡散させる工程と、 前記第1窒化物系化合物半導体層上に、発光機能を有す
る第2窒化物系化合物半導体層を形成する工程と、を備
える、ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 【請求項8】前記窒化アルミニウム層上に、ガリウムと
インジウムとを含む第1窒化物系化合物半導体層を形成
しながら、該第1窒化物系化合物半導体層からガリウム
とインジウムとを前記窒化アルミニウム層に拡散させ
る、ことを特徴とする請求項7に記載の発光素子の製造
方法。 - 【請求項9】前記窒化アルミニウム層を、前記第1窒化
物系化合物半導体層から拡散されるガリウム及びインジ
ウムの拡散開始時期を遅延可能な厚さに形成する、こと
を特徴とする請求項7または8に記載の発光素子の製造
方法。 - 【請求項10】前記第1窒化物系化合物半導体層を、所
定量のガリウム及びインジウムを前記窒化アルミニウム
層に拡散可能な厚さに形成する、ことを特徴とする請求
項7乃至9のいずれか1項に記載の発光素子の製造方
法。
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