JP3458625B2 - 半導体の成長方法 - Google Patents
半導体の成長方法Info
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Description
法に関し、特に、GaInN層などのInを含む窒化物
系III−V族化合物半導体層上にその成長温度よりも
高い成長温度でInを含まない別の窒化物系III−V
族化合物半導体層を成長させる必要がある半導体装置、
例えば半導体発光素子の製造に適用して好適なものであ
る。
窒化物(ナイトライド)系III−V族化合物半導体
は、その禁制帯幅が1.8eVから6.2eVに亘って
おり、赤外から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が
理論上可能であるため、近年、活発に研究開発が行われ
ている。
より発光ダイオードや半導体レーザを製造する場合に
は、GaN、AlGaN、GaInNなどを多層に積層
し、発光層、すなわち活性層をn型クラッド層およびp
型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要があ
る。
には、もっぱら有機金属化学気相成長(MOCVD)法
が用いられているが、このMOCVD法による結晶成長
の基本技術としては、低温成長によるバッファ層の導入
(Appl.Phys.Lett.,48,353(1986)およびJpn.J.Appl.Phy
s.,30,L1620(1991))と、p型GaN層の成長技術(Jpn.
J.Appl.Phys.,28,L2112(1989) およびJpn.J.Appl.Phy
s.,31,L139(1992)) とが挙げられる。また、活性層とし
て用いられるGaInN層の成長には、低温でしかも水
素の少ない条件が良好であることが報告されている(J.E
lectronic Materials,21(2),157(1992))。そして、これ
らの基本技術の開発によって、青色ないし緑色で発光可
能なGaN系発光ダイオードや、400nm台の発光波
長で室温パルス発振可能なGaN系半導体レーザが開発
され、GaN系発光ダイオードについてはすでに実用化
されている。
在用いられているMOCVD法による結晶成長の標準的
なプロセスは、次の通りである。
2 ガス中において1050℃で10分間熱処理すること
により、このc面サファイア基板の表面をサーマルクリ
ーニングする。次に、基板温度を510℃に下げた後、
このc面サファイア基板上にGaNバッファ層を成長さ
せる。次に、成長温度を1020℃に上昇させた後、c
面サファイア基板上にn型GaNコンタクト層、n型A
lGaNクラッド層およびn型GaN光導波層を順次成
長させる。次に、成長温度を800℃に下げた後、c面
サファイア基板上にGaInN活性層を成長させる。次
に、成長温度を1020℃に上昇させた後、c面サファ
イア基板上にp型GaN光導波層、p型AlGaNクラ
ッド層およびp型GaNコンタクト層を順次成長させ
る。
lGaNクラッド層、n型GaN光導波層、p型GaN
光導波層、p型AlGaNクラッド層およびp型GaN
コンタクト層の成長温度を1020℃としているのは、
良好な結晶性を有するGaN系半導体層の成長にはこの
程度の高温が適しているからである。一方、GaInN
活性層の成長時に成長温度を800℃に下げているの
は、GaInNのNの解離圧が非常に大きく、GaNや
AlGaNの成長温度である1020℃では成長させる
ことができないからである。
ようなプロセスで製造されるGaN系半導体レーザにお
いて現在報告されているしきい値電流密度は3〜10k
A/cm2 であり、理論的予想よりかなり大きく、室温
連続発振の達成にはさらなるしきい値電流密度の低減が
必要とされている。
討を行った結果、上述のプロセスで製造されるGaN系
半導体レーザのしきい値電流密度が高い理由としては、
レーザ構造の最適化がなされていないこともあるが、そ
のほかにそのGaInN活性層の品質、特に光学品質が
低く、このGaInN層からの発光強度が理論的予想よ
りもかなり低いことを見い出した。そして、その原因に
ついて検討を進めた結果、GaInN活性層の成長後に
p型GaN光導波層、p型AlGaNクラッド層および
p型GaNコンタクト層を成長させる際に成長温度を1
020℃に上昇させたときに、そのGaInN活性層か
らInNが分解することにより劣化が生じることを見い
出した。したがって、GaN系半導体レーザのしきい値
電流密度の低減を図るためには、GaInN活性層の劣
化を抑えることが重要である。
であるが、同様な劣化は、Inを含む窒化物系III−
V族化合物半導体層全般に起こり得るものである。
N層などのInを含む窒化物系III−V族化合物半導
体層上にその成長温度よりも高い成長温度でInを含ま
ない別の窒化物系III−V族化合物半導体層を成長さ
せる必要がある場合に、そのInを含む窒化物系III
−V族化合物半導体層の劣化を防止することができる半
導体の成長方法を提供することにある。
に、この発明による半導体の成長方法は、n型AlGa
N層上にInを含む窒化物系III−V族化合物半導体
層を気相成長させ、Inを含む窒化物系III−V族化
合物半導体層上にInを含まない窒化物系III−V族
化合物半導体層として少なくともp型AlGaN層を気
相成長させるようにした半導体の成長方法において、I
nを含まない窒化物系III−V族化合物半導体層を気
相成長させる前に、Inを含む窒化物系III−V族化
合物半導体層の成長温度とほぼ等しいかまたはより低い
成長温度で気相成長されたp型AlGaNからなる保護
膜により下地の表面を覆っておくとともに、p型AlG
aN層の成長温度をn型AlGaN層の成長温度より低
くするようにしたことを特徴とするものである。
を含まない窒化物系III−V族化合物半導体層を気相
成長させる前に、Inを含む窒化物系III−V族化合
物半導体層の成長温度とほぼ等しいかまたはより低い成
長温度で気相成長されたp型AlGaNからなる保護膜
により下地の表面を覆っておく。この場合には、下地の
Inを含む窒化物系III−V族化合物半導体層がこの
p型AlGaNからなる保護膜により直接的または間接
的に覆われることにより、このInを含む窒化物系II
I−V族化合物半導体層のInNの分解を有効に抑える
ことができるので、その劣化をより有効に防止すること
ができ、あるいは、Inを含まない窒化物系III−V
族化合物半導体層の成長温度を高めに設定することがで
きる。
まない窒化物系III−V族化合物半導体層の成長温度
を、Inを含む窒化物系III−V族化合物半導体層の
成長温度以上980℃以下にする。
III−V族化合物半導体層の劣化を防止しつつ、In
を含まない窒化物系III−V族化合物半導体層の表面
モフォロジーの劣化やキャリア濃度、特に正孔濃度の低
下を防止するために、Inを含まない窒化物系III−
V族化合物半導体層の成長温度を800〜980℃、好
適には900〜960℃、より好適には930〜960
℃とする。
化合物半導体層は、具体的には、Al、Ga、Inおよ
びBからなる群より選ばれた少なくとも一種のIII族
元素とNとからなる。この窒化物系III−V族化合物
半導体層のうちInを含むものの例を挙げるとGaIn
N層であり、Inを含まないものの例を挙げるとGaN
層、AlGaN層などである。
化合物半導体層の成長には、典型的には、有機金属化学
気相成長(MOCVD)法が用いられるが、分子線エピ
タキシー(MBE)法を用いてもよい。
ば、Inを含む窒化物系III−V族化合物半導体層上
にInを含まない窒化物系III−V族化合物半導体層
を成長させても、そのInを含む窒化物系III−V族
化合物半導体層からのInNの分解を抑えることがで
き、その劣化を抑えることができる。
て図面を参照しながら説明する。
に、まず、GaInN活性層の成長後に熱処理を行った
場合にこの熱処理がGaInN活性層の光学品質、具体
的には発光強度に与える影響について調べた結果につい
て説明する。この実験には、それぞれ図1および図2に
示すようなGaInN/GaN単一量子井戸構造の二つ
の試料を用いた。便宜上、図1に示す試料を試料A、図
2に示す試料を試料Bと呼ぶ。これらの試料Aおよび試
料Bの作製方法は次の通りである。
図示省略したMOCVD装置の反応管内にc面サファイ
ア基板1を入れた後、反応管内にキャリアガスとして例
えばH2 とN2 との混合ガスを流し、1050℃で10
分間熱処理を行うことによりそのc面サファイア基板1
の表面をサーマルクリーニングする。次に、基板温度を
530℃に下げた後、Ga原料としてのトリメチルガリ
ウム(TMGa、Ga(CH3 )3 )およびN原料とし
てのアンモニア(NH3 )を反応管内に供給し、c面サ
ファイア基板1上に厚さ約25nmのGaNバッファ層
2を成長させる。次に、反応管内へのTMGaの供給を
停止し、NH3 の供給はそのまま続けながら、成長温度
を990℃まで上昇させた後、反応管内にTMGaおよ
びn型不純物(ドナー不純物)であるSiのドーパント
としてのシラン(SiH4 )を供給し、厚さ2μmのS
iドープのn型GaN層3を成長させる。
し、成長温度を780℃に下げた後、反応管内にTMG
aを供給し、n型GaN層3を薄く成長させる。このn
型GaN層3は、成長温度を下げる間に下地のn型Ga
N層3の表面が汚染されることがあることから、次に成
長させるn型GaInN活性層4の成長直前にこの薄い
n型GaN層3を成長させ、n型GaInN活性層4を
清浄な表面に成長させるためのものである。次に、成長
温度をそのまま780℃に保持した状態で、反応管内に
N原料としてのNH3 に加えてGa原料としてのトリエ
チルガリウム(TEGa、Ga(C2 H5 )3 )および
In原料としてのトリメチルインジウム(TMIn、I
n(CH3 )3 )を供給し、厚さ約3nmのSiドープ
のn型GaInN活性層4を成長させる。ここで、この
n型GaInN活性層4のIn組成比は0.2である。
した状態で、反応管内へのTMInの供給を停止すると
ともに、Ga原料をTMGaに切り換え、厚さ100n
mのSiドープのn型GaN層5を成長させる。
井戸構造の試料Aが作製される。
InN活性層4を成長させた後に、成長温度を780℃
に保持した状態で、厚さ80nmのSiドープのn型G
aN層5および厚さ20nmのSiドープのn型AlG
aNキャップ層6を順次成長させることを除いて、試料
Aの作製方法と同様である。ここで、n型AlGaNキ
ャップ層6のAl組成比は0.15である。
試料Bを、MOCVD装置の反応管内において、NH3
雰囲気中で、温度を800℃、900℃および990℃
に変えて1時間熱処理を行った。そして、これらの試料
Aおよび試料Bを用いて、室温でn型GaInN活性層
4からの発光スペクトルを測定した。図3および図4は
それぞれ試料Aおよび試料Bの発光スペクトルの測定結
果を示す。なお、試料Aおよび試料Bの温度は、それら
の表面の温度を放射温度計で石英製の反応管を通して測
定することにより測定した。
とも、波長400nm付近に発光が観測される。このう
ち試料Aについては、発光強度は熱処理温度が900℃
までは熱処理前とほとんど変わらないが、熱処理温度が
990℃のときには熱処理前の約1/20に減少してい
る。また、試料Bについては、発光強度は熱処理温度が
900℃までは試料Aと同様に熱処理前とほとんど変わ
らないが、熱処理温度が990℃のときには熱処理前の
約1/2に減少しているに過ぎず、発光強度の減少は少
ない。
処理温度依存性を測定した結果を示す。ただし、熱処理
は、NH3 雰囲気中で、温度を800℃、900℃、9
30℃、960℃および990℃に変えて1時間行っ
た。また、発光強度の測定は室温および77K(液体窒
素温度)で行った。
理温度(T)が高くなるにつれて発光強度が減少してい
く様子がよくわかる。このうち試料Aについては、熱処
理温度が960℃を超えると発光強度が急激に減少す
る。一方、試料Bについては、熱処理温度の増大に伴う
発光強度の減少は試料Aに比べて緩やかであり、960
℃で熱処理を行った試料Aと同一の発光強度になる熱処
理温度は約980℃と試料Aに比べて約20℃高い。
熱処理温度の増大に対する発光強度の減少が少ないの
は、試料Bにおいてはn型GaN層5上にn型AlGa
Nキャップ層6を成長させているからである。すなわ
ち、このn型AlGaNキャップ層6がn型GaInN
活性層4の劣化を防止しているためである。ここで、A
lGaNはGaNよりもNの平衡蒸気圧が高いことを考
えると、n型GaInN活性層4の劣化はその表面から
内部への空格子欠陥の拡散が関与していると考えられ
る。
第1の実施形態について説明する。この第1の実施形態
においては、この発明をGaN系発光ダイオードの製造
に適用した場合について説明する。
発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図であ
る。また、図7はこの第1の実施形態における成長シー
ケンスを示す。
イオードの製造方法においては、図6および図7に示す
ように、試料Aおよび試料Bの作製の場合と同様にし
て、例えば1050℃でc面サファイア基板11のサー
マルクリーニングを行った後、このc面サファイア基板
11上に例えば530℃の成長温度で例えば厚さ25n
mのGaNバッファ層12を成長させる。次に、成長温
度を例えば990℃に上昇させた後、このGaNバッフ
ァ層12上に例えば厚さ3μmのn型GaN層13を成
長させる。次に、成長温度を例えば780℃に下げた
後、薄いn型GaN層13、例えば厚さ3nmのGaI
nN活性層14および例えば厚さ20nmのp型AlG
aNキャップ層15を順次成長させる。ここで、GaI
nN活性層14のIn組成比は例えば0.2、p型Al
GaNキャップ層15のAl組成比は例えば0.15で
ある。次に、成長温度を例えば930℃まで上昇させた
後、例えば厚さ1.5μmのp型GaN層16を成長さ
せる。このp型GaN層16の成長時間は例えば約1時
間である。ここで、n型GaN層13のn型不純物とし
ては例えばSiを用い、そのドーパントとしては例えば
SiH4 を用いる。また、p型AlGaNキャップ層1
5およびp型GaN層16のp型不純物(アクセプタ不
純物)としては例えばMgを用い、そのドーパントとし
ては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(C
p2 Mg)を用いる。この後、p型不純物の活性化のた
めに、例えば、N2 雰囲気中において800℃で10分
間熱処理を行う。
ングを行った後、p型GaN層16上にp側電極を形成
するとともに、n型GaN層13にn側電極をコンタク
トさせ、GaN系発光ダイオードを製造する。
系発光ダイオード(試料C)の発光スペクトルの測定結
果を示す。図8には、比較のために、p型GaN層16
を990℃の成長温度で成長させることだけが試料Cと
異なるGaN系発光ダイオード(試料D)を製造し、こ
の試料Dの発光スペクトルを測定した結果も併せて示
す。
成長温度で成長させた試料Cの発光強度は、p型GaN
層16を990℃の成長温度で成長させた試料Dに比べ
て、約5倍も大きいことがわかる。
ば、GaInN活性層14およびp型AlGaNキャッ
プ層15上に成長させるp型GaN層16の成長温度を
930℃としているので、GaInN活性層14からの
InNの分解を抑えてその劣化を防止することができ、
GaInN活性層14からの発光強度の劣化を防止する
ことができる。また、p型GaN層16を成長させる前
に下地表面をp型AlGaNキャップ層15により覆っ
ているので、GaInN活性層14の劣化をより有効に
防止することができ、GaInN活性層14からの発光
強度の劣化をより有効に防止することができる。これに
よって、高効率、高出力のGaN系発光ダイオードを実
現することができる。
説明する。この第2の実施形態においては、この発明を
GaN系半導体レーザの製造に適用した場合について説
明する。このGaN系半導体レーザは、SCH(Separa
te Confinement Heterostructure) 構造を有するもので
ある。
半導体レーザの製造方法を説明するための断面図であ
る。また、図10はこの第2の実施形態における成長シ
ーケンスを示す。
レーザの製造方法においては、図9および図10に示す
ように、まず、試料Aおよび試料Bの作製の場合と同様
にして、例えば1050℃でc面サファイア基板21の
サーマルクリーニングを行った後、このc面サファイア
基板21上に例えば530℃の成長温度で例えば厚さ2
5nmのGaNバッファ層22を成長させる。次に、成
長温度を例えば990℃に上昇させた後、このGaNバ
ッファ層22上に例えば厚さ3μmのn型GaNコンタ
クト層23、例えば厚さ0.5μmのn型AlGaNク
ラッド層24および例えば厚さ0.1μmのn型GaN
光導波層25を順次成長させる。次に、成長温度を例え
ば780℃に下げた後、薄いn型GaN光導波層25、
例えば厚さ3nmのGaInN活性層26、例えば厚さ
0.1μmのp型GaN光導波層27および例えば厚さ
20nmのp型AlGaNキャップ層28を順次成長さ
せる。次に、成長温度を例えば930℃まで上昇させた
後、例えば厚さ0.5μmのp型AlGaNクラッド層
29および例えば厚さ0.5μmのp型GaNコンタク
ト層30を順次成長させる。ここで、n型AlGaNク
ラッド層24、p型AlGaNキャップ層28およびp
型AlGaNクラッド層29のAl組成比は例えば0.
15、GaInN活性層26のIn組成比は0.2であ
る。ここで、n型GaNコンタクト層23、n型AlG
aNクラッド層24およびn型GaN光導波層25のn
型不純物としては例えばSiを用い、そのドーパントと
しては例えばSiH4 を用いる。また、p型GaN光導
波層27、p型AlGaNキャップ層28、p型AlG
aNクラッド層29およびp型GaNコンタクト層30
のp型不純物としては例えばMgを用い、そのドーパン
トとしては例えばCp2Mgを用いる。この後、p型不
純物の活性化のために、例えば、N2 雰囲気中において
800℃で10分間熱処理を行う。
ングを行った後、p型GaNコンタクト層20上にp側
電極を形成するとともに、n型GaNコンタクト層23
にn側電極をコンタクトさせ、GaN系半導体レーザを
製造する。
活性層26、p型GaN光導波層27およびp型AlG
aNキャップ層28上に成長させるp型AlGaNクラ
ッド層29およびp型GaNコンタクト層30の成長温
度を930℃にしているので、GaInN活性層26か
らのInNの分解を抑えてその劣化を防止することがで
き、GaInN活性層26からの発光強度の劣化を防止
することができる。また、p型AlGaNクラッド層2
9を成長させる前に下地表面をp型AlGaNキャップ
層28により覆っているので、GaInN活性層26の
劣化をより有効に防止することができ、GaInN活性
層26からの発光強度の劣化をより有効に防止すること
ができる。これによって、高効率、低しきい値電流密度
のGaN系半導体レーザを実現することができる。
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。
において挙げた数値、基板および原料ガスはあくまでも
例に過ぎず、必要に応じて異なる数値、基板、原料ガス
および不純物を用いてもよい。具体的には、c面サファ
イア基板1、11、21の代わりに、GaN基板やSi
C基板などを用いてもよい。また、GaInN活性層1
4、26の成長用のGa原料としては、TEGaの代わ
りにTMGaを用いてもよい。また、p型不純物として
は、Mgのほかに例えばZnを用いてもよい。さらに、
GaInN活性層14、26の成長温度は、一般的には
700〜800℃の範囲であればよい。
おいては、この発明をGaN系半導体発光素子の製造に
適用した場合について説明したが、この発明は、GaN
系電界効果トランジスタ(FET)などのGaN系電子
走行素子の製造に適用してもよい。
導体の成長方法によれば、Inを含む窒化物系III−
V族化合物半導体層上にInを含まない窒化物系III
−V族化合物半導体層を成長させても、そのInを含む
窒化物系III−V族化合物半導体層からのInNの分
解を抑えることができ、その劣化を抑えることができ
る。
InN/GaN単一量子井戸構造の試料を示す断面図で
ある。
InN/GaN単一量子井戸構造の試料を示す断面図で
ある。
トルを示す略線図である。
トルを示す略線図である。
発光強度の熱処理温度依存性を示す略線図である。
ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
ンスを示す略線図である。
GaN系発光ダイオードの発光スペクトルを示す略線図
である。
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
ケンスを示す略線図である。
型GaInN活性層、6・・・n型AlGaNキャップ
層、14、26・・・GaInN活性層、15・・・p
型AlGaNキャップ層、16・・・p型GaN層、2
9・・・p型AlGaNクラッド層、30・・・p型G
aNコンタクト層
Claims (6)
- 【請求項1】 n型AlGaN層上にInを含む窒化物
系III−V族化合物半導体層を気相成長させ、上記I
nを含む窒化物系III−V族化合物半導体層上にIn
を含まない窒化物系III−V族化合物半導体層として
少なくともp型AlGaN層を気相成長させるようにし
た半導体の成長方法において、 上記Inを含まない窒化物系III−V族化合物半導体
層を気相成長させる前に、上記Inを含む窒化物系II
I−V族化合物半導体層の成長温度とほぼ等しいかまた
はより低い成長温度で気相成長されたp型AlGaNか
らなる保護膜により下地の表面を覆っておくとともに、 上記p型AlGaN層の成長温度を上記n型AlGaN
層の成長温度より低くするようにしたことを特徴とする
半導体の成長方法。 - 【請求項2】 上記Inを含まない窒化物系III−V
族化合物半導体層の成長温度を、上記Inを含む窒化物
系III−V族化合物半導体層の成長温度以上980℃
以下にすることを特徴とする請求項1記載の半導体の成
長方法。 - 【請求項3】 上記Inを含まない窒化物系III−V
族化合物半導体層の成長温度を800〜980℃にする
ことを特徴とする請求項1記載の半導体の成長方法。 - 【請求項4】 上記Inを含まない窒化物系III−V
族化合物半導体層の成長温度を900〜960℃にする
ことを特徴とする請求項1記載の半導体の成長方法。 - 【請求項5】 上記Inを含まない窒化物系III−V
族化合物半導体層の成長温度を930〜960℃にする
ことを特徴とする請求項1記載の半導体の成長方法。 - 【請求項6】 上記Inを含む窒化物系III−V族化
合物半導体層はGaInN層であることを特徴とする請
求項1記載の半導体の成長方法。
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