JP3505167B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は紫外、青色発光レー
ザーダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光デ
バイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体よりな
る発光素子の製造方法に関する。
ザーダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光デ
バイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体よりな
る発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色発光素子は、ＩＩ−ＶＩ族のＺｎＳ
ｅ、ＩＶ−ＩＶ族のＳｉＣ、ＩＩＩ−Ｖ族のＧａＮ等を
用いて研究が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム
系化合物半導体〔ＩｎｘＡｌＹＧａ１−ｘ−ＹＮ（０≦
X、０≦Y、X+Y≦１）〕が、常温で、比較的優れた発光
を示すことが発表され注目されている。その窒化物半導
体を有する青色発光素子は、基本的に、サファイアより
なる基板の上に一般式がＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ
（０≦X、０≦Y、X+Y≦１）で表される窒化物半導体の
エピタキシャル層が順にｎ型およびｉ型、あるいはｐ型
に積層された構造を有するものである。
ｅ、ＩＶ−ＩＶ族のＳｉＣ、ＩＩＩ−Ｖ族のＧａＮ等を
用いて研究が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム
系化合物半導体〔ＩｎｘＡｌＹＧａ１−ｘ−ＹＮ（０≦
X、０≦Y、X+Y≦１）〕が、常温で、比較的優れた発光
を示すことが発表され注目されている。その窒化物半導
体を有する青色発光素子は、基本的に、サファイアより
なる基板の上に一般式がＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ
（０≦X、０≦Y、X+Y≦１）で表される窒化物半導体の
エピタキシャル層が順にｎ型およびｉ型、あるいはｐ型
に積層された構造を有するものである。
【０００３】窒化物半導体を積層する方法として、有機
金属化合物気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法という。）、
分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法という。）等の気
相成長法がよく知られている。例えば、ＭＯＣＶＤ法を
用いた方法について簡単に説明すると、この方法は、サ
ファイア基板を設置した反応容器内に反応ガスとして有
機金属化合物ガス｛トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア等｝を供
給し、結晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高
温に保持して、基板上に窒化物半導体を成長させ、また
必要に応じて他の不純物ガスを供給しながら窒化物半導
体をｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に積層する方法である。
基板にはサファイアの他にＳｉＣ、Ｓｉ等もあるが一般
的にはサファイアが用いられている。ｎ型不純物として
はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ（但し、窒化物半導体の場合、ｎ型
不純物をドープしなくともｎ型になる性質がある。）が
良く知られており、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｃｄ、Ｂ
ｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ等が挙げられるが、その中でもＭ
ｇ、Ｚｎが最もよく知られている。
金属化合物気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法という。）、
分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法という。）等の気
相成長法がよく知られている。例えば、ＭＯＣＶＤ法を
用いた方法について簡単に説明すると、この方法は、サ
ファイア基板を設置した反応容器内に反応ガスとして有
機金属化合物ガス｛トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア等｝を供
給し、結晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高
温に保持して、基板上に窒化物半導体を成長させ、また
必要に応じて他の不純物ガスを供給しながら窒化物半導
体をｎ型、ｉ型、あるいはｐ型に積層する方法である。
基板にはサファイアの他にＳｉＣ、Ｓｉ等もあるが一般
的にはサファイアが用いられている。ｎ型不純物として
はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ（但し、窒化物半導体の場合、ｎ型
不純物をドープしなくともｎ型になる性質がある。）が
良く知られており、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｃｄ、Ｂ
ｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ等が挙げられるが、その中でもＭ
ｇ、Ｚｎが最もよく知られている。
【０００４】また、ＭＯＣＶＤ法による窒化物半導体の
形成方法の一つとして、高温でサファイア基板上に直接
窒化物半導体を成長させると、その表面状態、結晶性が
著しく悪くなるため、高温で成長を行う前に、まず６０
０℃前後の低温でＡｌＮよりなるバッファ層を形成し、
続いてバッファ層の上に、高温で成長を行うことによ
り、結晶性が格段に向上することが明らかにされている
（特開平２−２２９４７６号公報）。また、本発明者は
特願平３−８９８４０号において、ＡｌＮをバッファ層
とする従来の方法よりも、ＧａＮをバッファ層とする方
が優れた結晶性の窒化物半導体が積層できることを示し
た。
形成方法の一つとして、高温でサファイア基板上に直接
窒化物半導体を成長させると、その表面状態、結晶性が
著しく悪くなるため、高温で成長を行う前に、まず６０
０℃前後の低温でＡｌＮよりなるバッファ層を形成し、
続いてバッファ層の上に、高温で成長を行うことによ
り、結晶性が格段に向上することが明らかにされている
（特開平２−２２９４７６号公報）。また、本発明者は
特願平３−８９８４０号において、ＡｌＮをバッファ層
とする従来の方法よりも、ＧａＮをバッファ層とする方
が優れた結晶性の窒化物半導体が積層できることを示し
た。
【０００５】しかしながら、窒化物半導体を有する青色
発光デバイスは未だ実用化には至っていない。なぜな
ら、窒化物半導体が低抵抗なｐ型にできないため、ダブ
ルヘテロ、シングルヘテロ等の数々の構造の発光素子が
できないからである。気相成長法でｐ型不純物をドープ
した窒化物半導体を成長しても、得られた窒化物半導体
はｐ型とはならず、抵抗率が１０８Ω・ｃｍ以上の高抵
抗な半絶縁材料、すなわちｉ型となってしまうのが実状
であった。このため現在、青色発光素子の構造は基板の
上にバッファ層、ｎ型層、その上にｉ型層を順に積層し
た、いわゆるＭＩＳ構造のものしか知られていない。
発光デバイスは未だ実用化には至っていない。なぜな
ら、窒化物半導体が低抵抗なｐ型にできないため、ダブ
ルヘテロ、シングルヘテロ等の数々の構造の発光素子が
できないからである。気相成長法でｐ型不純物をドープ
した窒化物半導体を成長しても、得られた窒化物半導体
はｐ型とはならず、抵抗率が１０８Ω・ｃｍ以上の高抵
抗な半絶縁材料、すなわちｉ型となってしまうのが実状
であった。このため現在、青色発光素子の構造は基板の
上にバッファ層、ｎ型層、その上にｉ型層を順に積層し
た、いわゆるＭＩＳ構造のものしか知られていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】高抵抗なｉ型を低抵抗
化してｐ型に近づけるための手段として特開平２−２５
７６７９号公報において、ｐ型不純物としてＭｇをドー
プした高抵抗なｉ型窒化ガリウム化合物半導体を最上層
に形成した後に、加速電圧６ｋＶ〜３０ｋＶの電子線を
その表面に照射することにより、表面から約０．５μｍ
の層を低抵抗化する技術が開示されている。しかしなが
ら、この方法では電子線の侵入深さのみ、すなわち極表
面しか低抵抗化できず、また電子線を走査しながらウエ
ハー全体を照射しなければならないため面内均一に低抵
抗化できないという問題があった。
化してｐ型に近づけるための手段として特開平２−２５
７６７９号公報において、ｐ型不純物としてＭｇをドー
プした高抵抗なｉ型窒化ガリウム化合物半導体を最上層
に形成した後に、加速電圧６ｋＶ〜３０ｋＶの電子線を
その表面に照射することにより、表面から約０．５μｍ
の層を低抵抗化する技術が開示されている。しかしなが
ら、この方法では電子線の侵入深さのみ、すなわち極表
面しか低抵抗化できず、また電子線を走査しながらウエ
ハー全体を照射しなければならないため面内均一に低抵
抗化できないという問題があった。
【０００７】従って本発明の目的は、ｐ型不純物がドー
プされた窒化物半導体を低抵抗なｐ型とし、さらに膜厚
によらず抵抗値がウエハー全体に均一であり、発光素子
をダブルヘテロ、シングルヘテロ構造可能な構造とでき
るｐ−ｎ接合を有する窒化物半導体よりなる発光素子の
製造方法を提供するものである。
プされた窒化物半導体を低抵抗なｐ型とし、さらに膜厚
によらず抵抗値がウエハー全体に均一であり、発光素子
をダブルヘテロ、シングルヘテロ構造可能な構造とでき
るｐ−ｎ接合を有する窒化物半導体よりなる発光素子の
製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子の製造方法は、気相成長法によ
り、基板上に、少なくともｎ型窒化ガリウム系化合物半
導体層と、ｐ型不純物のドープされた窒化ガリウム系化
合物半導体層とを成長させている。成長されたｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型不純物を含む窒化ガ
リウム系化合物半導体層の全体を、その温度における窒
化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上に加圧した窒素
雰囲気中でアニーリングすることにより、水素を熱的に
解離してｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体
層からｐ型不純物と結合している水素を出して深さ方向
均一に低抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とす
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する。
化合物半導体発光素子の製造方法は、気相成長法によ
り、基板上に、少なくともｎ型窒化ガリウム系化合物半
導体層と、ｐ型不純物のドープされた窒化ガリウム系化
合物半導体層とを成長させている。成長されたｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型不純物を含む窒化ガ
リウム系化合物半導体層の全体を、その温度における窒
化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上に加圧した窒素
雰囲気中でアニーリングすることにより、水素を熱的に
解離してｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体
層からｐ型不純物と結合している水素を出して深さ方向
均一に低抵抗なｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とす
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する。
【０００９】アニーリング（Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：焼き
なまし、熱処理）は、ｐ型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を成長した後、反応容器内で行っ
てもよいし、ウエハーを反応容器から取り出してアニー
リング専用の装置で行ってもよい。アニーリング雰囲気
は、アニーリング温度における窒化ガリウム系化合物半
導体の分解圧以上で加圧した窒素雰囲気中で行う。なぜ
なら、窒素雰囲気として加圧することにより、アニーリ
ング中に、窒化ガリウム系化合物半導体中のＮが分解し
て出て行くのを防止する作用があるからである。
なまし、熱処理）は、ｐ型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を成長した後、反応容器内で行っ
てもよいし、ウエハーを反応容器から取り出してアニー
リング専用の装置で行ってもよい。アニーリング雰囲気
は、アニーリング温度における窒化ガリウム系化合物半
導体の分解圧以上で加圧した窒素雰囲気中で行う。なぜ
なら、窒素雰囲気として加圧することにより、アニーリ
ング中に、窒化ガリウム系化合物半導体中のＮが分解し
て出て行くのを防止する作用があるからである。
【００１０】例えばＧａＮの場合、ＧａＮの分解圧は８
００℃で約０．０１気圧、１０００℃で約１気圧、１１
００℃で約１０気圧程である。このため、窒化ガリウム
系化合物半導体を４００℃以上でアニーリングする際、
多かれ少なかれ窒化ガリウム系化合物半導体の分解が発
生し、その結晶性が悪くなる傾向にある。従って前記の
ように窒素で加圧することにより分解を防止できる。
００℃で約０．０１気圧、１０００℃で約１気圧、１１
００℃で約１０気圧程である。このため、窒化ガリウム
系化合物半導体を４００℃以上でアニーリングする際、
多かれ少なかれ窒化ガリウム系化合物半導体の分解が発
生し、その結晶性が悪くなる傾向にある。従って前記の
ように窒素で加圧することにより分解を防止できる。
【００１１】アニーリング温度は、たとえば、４００℃
以上、好ましくは７００℃以上で、１分以上保持、好ま
しくは１０分以上保持して行う。１０００℃以上で行っ
ても、前記したように窒素で加圧することにより分解を
防止することができ、後に述べるように、安定して、結
晶性の優れたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体が得られ
る。
以上、好ましくは７００℃以上で、１分以上保持、好ま
しくは１０分以上保持して行う。１０００℃以上で行っ
ても、前記したように窒素で加圧することにより分解を
防止することができ、後に述べるように、安定して、結
晶性の優れたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体が得られ
る。
【００１２】また、アニーリング中の、窒化ガリウム系
化合物半導体の分解を抑える手段として、ｐ型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層の上にさらに
キャップ層を形成させたのち、アニーリングを行う。キ
ャップ層とは、すなわち保護膜であって、それをｐ型不
純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成した後、４００℃以上でアニーリングすることによっ
て、加圧下はいうまでもなく、減圧、常圧中において
も、窒化ガリウム系化合物半導体を分解させることなく
低抵抗なｐ型とすることができる。
化合物半導体の分解を抑える手段として、ｐ型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層の上にさらに
キャップ層を形成させたのち、アニーリングを行う。キ
ャップ層とは、すなわち保護膜であって、それをｐ型不
純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成した後、４００℃以上でアニーリングすることによっ
て、加圧下はいうまでもなく、減圧、常圧中において
も、窒化ガリウム系化合物半導体を分解させることなく
低抵抗なｐ型とすることができる。
【００１３】キャップ層を形成するには、ｐ型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した
後、続いて反応容器内で形成してもよいし、また、ウエ
ハーを反応容器から取り出し、他の結晶成長装置、例え
ばプラズマＣＶＤ装置等で形成してもよい。キャップ層
の材料としては、窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成できる材料で、４００℃以上で安定な材料であればど
のようなものでもよく、好ましくはＧａｘＡｌ１−ＸＮ
（但し０≦X≦１）、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２を挙げるこ
とができ、アニーリング温度により材料の種類を適宜選
択する。また、キャップ層の膜厚は通常０．０１〜５μ
ｍの厚さで形成する。０．０１μｍより薄いと保護膜と
しての効果が十分に得られず、また５μｍよりも厚い
と、アニーリング後、キャップ層をエッチングにより取
り除き、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を露出させ
るのに手間がかかるため、経済的ではない。
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した
後、続いて反応容器内で形成してもよいし、また、ウエ
ハーを反応容器から取り出し、他の結晶成長装置、例え
ばプラズマＣＶＤ装置等で形成してもよい。キャップ層
の材料としては、窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成できる材料で、４００℃以上で安定な材料であればど
のようなものでもよく、好ましくはＧａｘＡｌ１−ＸＮ
（但し０≦X≦１）、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２を挙げるこ
とができ、アニーリング温度により材料の種類を適宜選
択する。また、キャップ層の膜厚は通常０．０１〜５μ
ｍの厚さで形成する。０．０１μｍより薄いと保護膜と
しての効果が十分に得られず、また５μｍよりも厚い
と、アニーリング後、キャップ層をエッチングにより取
り除き、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を露出させ
るのに手間がかかるため、経済的ではない。
【００１４】
【作用】図１は、ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム
系化合物半導体層がアニーリングによって低抵抗なｐ型
に変わることを示す図である。ただし、この図は、ＭＯ
ＣＶＤ法を用いて、サファイア基板上にまずＧａＮバッ
ファ層を形成し、その上にｐ型不純物としてＭｇをドー
プしながらＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成した後、ウエ
ハーを取り出し、温度を変化させて窒素雰囲気中でアニ
ーリングを１０分間行った後、ウエハーのホール測定を
行い、抵抗率をアニーリング温度の関数としてプロット
した図である。
系化合物半導体層がアニーリングによって低抵抗なｐ型
に変わることを示す図である。ただし、この図は、ＭＯ
ＣＶＤ法を用いて、サファイア基板上にまずＧａＮバッ
ファ層を形成し、その上にｐ型不純物としてＭｇをドー
プしながらＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成した後、ウエ
ハーを取り出し、温度を変化させて窒素雰囲気中でアニ
ーリングを１０分間行った後、ウエハーのホール測定を
行い、抵抗率をアニーリング温度の関数としてプロット
した図である。
【００１５】この図からわかるように、アニーリング時
間を１０分に設定すると、４００℃を越えるあたりから
急激にＭｇをドープしたＧａＮ層の抵抗率が減少し、７
００℃以上からはほぼ一定の低抵抗なＰ型特性を示し、
アニーリングの効果が現れている。なお、アニーリング
しないＧａＮ層と７００℃以上でアニーリングしたＧａ
Ｎ層のホール測定結果は、アニーリング前のＧａＮ層は
抵抗率２×１０５Ω・ｃｍ、ホールキャリア濃度８×１
０１０／ｃｍ３であったのに対し、アニーリング後のＧ
ａＮ層は抵抗率２Ω・ｃｍ、ホールキャリア濃度２×１
０１７／ｃｍ３であった。
間を１０分に設定すると、４００℃を越えるあたりから
急激にＭｇをドープしたＧａＮ層の抵抗率が減少し、７
００℃以上からはほぼ一定の低抵抗なＰ型特性を示し、
アニーリングの効果が現れている。なお、アニーリング
しないＧａＮ層と７００℃以上でアニーリングしたＧａ
Ｎ層のホール測定結果は、アニーリング前のＧａＮ層は
抵抗率２×１０５Ω・ｃｍ、ホールキャリア濃度８×１
０１０／ｃｍ３であったのに対し、アニーリング後のＧ
ａＮ層は抵抗率２Ω・ｃｍ、ホールキャリア濃度２×１
０１７／ｃｍ３であった。
【００１６】さらに、７００℃でアニーリングした上記
４μｍのＧａＮ層をエッチングして２μｍの厚さにし、
ホール測定を行った結果、ホールキャリア濃度２×１０
１７／ｃｍ３、抵抗率３Ω・ｃｍであり、エッチング前
とほぼ同一の値であった。すなわちＰ型不純物をドープ
したＧａＮ層がアニーリングによって、深さ方向均一に
全領域にわたって低抵抗なｐ型となっていた。
４μｍのＧａＮ層をエッチングして２μｍの厚さにし、
ホール測定を行った結果、ホールキャリア濃度２×１０
１７／ｃｍ３、抵抗率３Ω・ｃｍであり、エッチング前
とほぼ同一の値であった。すなわちＰ型不純物をドープ
したＧａＮ層がアニーリングによって、深さ方向均一に
全領域にわたって低抵抗なｐ型となっていた。
【００１７】また、図２は、同じくＭＯＣＶＤ法を用い
て、サファイア基板上にＧａＮバッファ層とＭｇをドー
プした４μｍのＧａＮ層を形成したウエハーを用い、１
０００℃で窒素雰囲気中２０分間のアニーリングを行
い、２０気圧の加圧下で行ったウエハー（ａ）と、大気
圧で行ったウエハー（ｂ）のｐ型ＧａＮ層にそれぞれＨ
ｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として照射し、そのフォト
ルミネッセンス強度で結晶性を比較して示す図であり、
そのフォトルミネッセンスの４５０ｎｍにおける青色発
光強度が強いほど、結晶性が優れていると評価すること
ができる。
て、サファイア基板上にＧａＮバッファ層とＭｇをドー
プした４μｍのＧａＮ層を形成したウエハーを用い、１
０００℃で窒素雰囲気中２０分間のアニーリングを行
い、２０気圧の加圧下で行ったウエハー（ａ）と、大気
圧で行ったウエハー（ｂ）のｐ型ＧａＮ層にそれぞれＨ
ｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として照射し、そのフォト
ルミネッセンス強度で結晶性を比較して示す図であり、
そのフォトルミネッセンスの４５０ｎｍにおける青色発
光強度が強いほど、結晶性が優れていると評価すること
ができる。
【００１８】図２に示すように、１０００℃以上の高温
でアニーリングを行った場合、ＧａＮ層が熱分解するこ
とにより、その結晶性が悪くなる傾向にあるが、加圧す
ることにより熱分解を防止でき、優れた結晶性のｐ型Ｇ
ａＮ層が得られる。
でアニーリングを行った場合、ＧａＮ層が熱分解するこ
とにより、その結晶性が悪くなる傾向にあるが、加圧す
ることにより熱分解を防止でき、優れた結晶性のｐ型Ｇ
ａＮ層が得られる。
【００１９】また、図３は、同じくサファイア基板上に
ＧａＮバッファ層とＭｇをドープした４μｍのＧａＮ層
を形成したウエハー（ｃ）と、さらにその上にキャップ
層としてＡｌＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させたウエ
ハー（ｄ）とを、今度は大気圧中において、１０００
℃、窒素雰囲気で２０分間のアニーリングを行った後、
エッチングによりキャップ層を取り除いて露出させたｐ
型ＧａＮ層の結晶性を、同じくフォトルミネッセンス強
度で比較して示す図である。
ＧａＮバッファ層とＭｇをドープした４μｍのＧａＮ層
を形成したウエハー（ｃ）と、さらにその上にキャップ
層としてＡｌＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させたウエ
ハー（ｄ）とを、今度は大気圧中において、１０００
℃、窒素雰囲気で２０分間のアニーリングを行った後、
エッチングによりキャップ層を取り除いて露出させたｐ
型ＧａＮ層の結晶性を、同じくフォトルミネッセンス強
度で比較して示す図である。
【００２０】図３に示すように、キャップ層を成長させ
ずにアニーリングを行ったｐ型ＧａＮ層（ｃ）は高温で
のアニーリングになるとｐ型ＧａＮ層の分解が進むた
め、４５０ｎｍでの発光強度は弱くなってしまう。しか
し、キャップ層（この場合ＡｌＮ）を成長させることに
より、キャップ層のＡｌＮは分解するがｐ型ＧａＮ層は
分解しないため、発光強度は依然強いままである。
ずにアニーリングを行ったｐ型ＧａＮ層（ｃ）は高温で
のアニーリングになるとｐ型ＧａＮ層の分解が進むた
め、４５０ｎｍでの発光強度は弱くなってしまう。しか
し、キャップ層（この場合ＡｌＮ）を成長させることに
より、キャップ層のＡｌＮは分解するがｐ型ＧａＮ層は
分解しないため、発光強度は依然強いままである。
【００２１】アニーリングにより低抵抗なｐ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体が得られる理由は以下のとおりであ
ると推察される。
ウム系化合物半導体が得られる理由は以下のとおりであ
ると推察される。
【００２２】すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体層
の成長において、Ｎ源として、一般にＮＨ３が用いられ
ており、成長中にこのＮＨ３が分解して原子状水素がで
きると考えられる。この原子状水素がアクセプター不純
物としてドープされたＭｇ、Ｚｎ等と結合することによ
り、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物がアクセプターとして働
くのを妨げていると考えられる。このため、反応後のｐ
型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体は高
抵抗を示す。
の成長において、Ｎ源として、一般にＮＨ３が用いられ
ており、成長中にこのＮＨ３が分解して原子状水素がで
きると考えられる。この原子状水素がアクセプター不純
物としてドープされたＭｇ、Ｚｎ等と結合することによ
り、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物がアクセプターとして働
くのを妨げていると考えられる。このため、反応後のｐ
型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体は高
抵抗を示す。
【００２３】ところが、成長後アニーリングを行うこと
により、Ｍｇ−Ｈ、Ｚｎ−Ｈ等の形で結合している水素
が熱的に解離されて、ｐ型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層から出て行き、正常にｐ型不純物
がアクセプターとして働くようになるため、低抵抗なｐ
型窒化ガリウム系化合物半導体が得られるのである。従
って、アニーリング雰囲気中にＮＨ３、Ｈ２等の水素原
子を含むガスを使用することは好ましくない。また、キ
ャップ層においても、水素原子を含む材料を使用するこ
とは以上の理由で好ましくない。なお、本発明におい
て、ｐ型不純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体
から除去される水素とは、必ずしも水素が全て除去され
るのではなく、一部の水素が除去されることも、本発明
の範囲内であることは言うまでもない。
により、Ｍｇ−Ｈ、Ｚｎ−Ｈ等の形で結合している水素
が熱的に解離されて、ｐ型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層から出て行き、正常にｐ型不純物
がアクセプターとして働くようになるため、低抵抗なｐ
型窒化ガリウム系化合物半導体が得られるのである。従
って、アニーリング雰囲気中にＮＨ３、Ｈ２等の水素原
子を含むガスを使用することは好ましくない。また、キ
ャップ層においても、水素原子を含む材料を使用するこ
とは以上の理由で好ましくない。なお、本発明におい
て、ｐ型不純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体
から除去される水素とは、必ずしも水素が全て除去され
るのではなく、一部の水素が除去されることも、本発明
の範囲内であることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下実施例で本発明を詳述する。
［実施例１］
まず良く洗浄したサファイア基板を反応容器内のサセプ
ターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガスを
流しながら基板を１０５０℃で、２０分間加熱し、表面
の酸化物を除去する。その後、温度を５１０℃にまで冷
却し、５１０℃においてＧａ源としてＴＭＧガスを２７
×１０−６モル／分、Ｎ源としてアンモニアガスを４．
０リットル／分、キャリアガスとして水素ガスを２．０
リットル／分で流しながら、ＧａＮバッファ層を２００
オングストロームの膜厚で成長させる。
ターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガスを
流しながら基板を１０５０℃で、２０分間加熱し、表面
の酸化物を除去する。その後、温度を５１０℃にまで冷
却し、５１０℃においてＧａ源としてＴＭＧガスを２７
×１０−６モル／分、Ｎ源としてアンモニアガスを４．
０リットル／分、キャリアガスとして水素ガスを２．０
リットル／分で流しながら、ＧａＮバッファ層を２００
オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２５】次にＴＭＧガスのみを止め、温度を１０３
０℃にまで上昇させた後、再びＴＭＧガスを５４×１０
−６モル／分と、新たにＳｉＨ４（モノシラン）ガスを
２．２×１０−１０モル／分で流しながら６０分間成長
させて、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮ層を４μｍの膜
厚で成長する。
０℃にまで上昇させた後、再びＴＭＧガスを５４×１０
−６モル／分と、新たにＳｉＨ４（モノシラン）ガスを
２．２×１０−１０モル／分で流しながら６０分間成長
させて、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮ層を４μｍの膜
厚で成長する。
【００２６】続いてＳｉＨ４ガスを止め、Ｃｐ２Ｍｇガ
スを３．６×１０−６モル／分で流しながら３０分間成
長させて、ＭｇドープＧａＮ層を２．０μｍの厚さで成
長させる。
スを３．６×１０−６モル／分で流しながら３０分間成
長させて、ＭｇドープＧａＮ層を２．０μｍの厚さで成
長させる。
【００２７】ＴＭＧガス、Ｃｐ２Ｍｇガスを止め、水素
ガスとアンモニアガスを流しながら、室温まで冷却した
後、反応容器内に流れるガスを窒素ガスに置換し、窒素
ガスを流しながら反応容器内の温度を１０００℃まで上
昇させ、反応容器内で２０分間保持してアニーリングを
行う。
ガスとアンモニアガスを流しながら、室温まで冷却した
後、反応容器内に流れるガスを窒素ガスに置換し、窒素
ガスを流しながら反応容器内の温度を１０００℃まで上
昇させ、反応容器内で２０分間保持してアニーリングを
行う。
【００２８】このようにして得られた素子を発光ダイオ
ードにして発光させたところ４３０ｎｍ付近に発光ピー
クを持つ青色発光を示し、発光出力は２０ｍＡで５０μ
Ｗであり、順方向電圧は同じく２０ｍＡで４Ｖであっ
た。またアニーリングを行わず同様の構造の素子を作製
し発光ダイオードとしたところ、２０ｍＡにおいてわず
かに黄色に発光し、すぐにダイオードが壊れてしまっ
た。
ードにして発光させたところ４３０ｎｍ付近に発光ピー
クを持つ青色発光を示し、発光出力は２０ｍＡで５０μ
Ｗであり、順方向電圧は同じく２０ｍＡで４Ｖであっ
た。またアニーリングを行わず同様の構造の素子を作製
し発光ダイオードとしたところ、２０ｍＡにおいてわず
かに黄色に発光し、すぐにダイオードが壊れてしまっ
た。
【００２９】
【発明の効果】本発明は、下記の極めて優れた特長を実
現する。 これまで、ｐ型不純物をドープしても、低
抵抗なｐ型層にするのが極めて難しかった窒化ガリウム
系化合物半導体層を、アニーリングして低抵抗なｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体にできる。このため、アニー
リングするときに、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化
合物半導体層から除去される水素を速やかに除去でき
る。ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層か
ら除去される水素が、基板とｎ型窒化ガリウム系化合物
半導体層とを透過することなく除去されるからである。
本発明は、基板にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と
ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層
とを成長させた後、これをアニーリングするという極め
て簡単な方法で、ｐ型不純物を含む層をｐ型化して、極
めて低コストに、優れた発光特性の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子を多量生産できる特長がある。 本
発明は、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体
層の全面を均一に能率よくｐ型化できる特長がある。ｐ
型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層のアニー
リングは、層体を均一に加熱してｐ型化させる。ｐ型不
純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全体を均一
にｐ型化できることは、半導体ウエハーを製作するとき
に極めて大切なことである。それは、窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子は、大きな、ウエハーを製作し、こ
れを小さく切断して窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子のチップを製作するので、窒化ガリウム系化合物半導
体層が均一にｐ型化されていないと、製作されたチップ
の歩留が著しく低下してしまうからである。 ｐ型不
純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層が、深くｐ型
化されて、全体としてより均一にｐ型化されて、優れた
発光特性を実現する。これに対して、ｐ型不純物を含む
半導体層を、電子ビームでｐ型化している従来の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子は、ｐ型不純物を含む半
導体層を最上層とし、しかも、その極表面しかｐ型化し
て低抵抗化されていない。加速された電子ビームを深く
打ち込むことができないからである。本発明は、ｐ型不
純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体層の全体
を、アニーリングにより加熱して、ｐ型化しているの
で、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の
全体が加熱されてより均一にｐ型化されて、極めて高輝
度な発光素子を実現できる。
現する。 これまで、ｐ型不純物をドープしても、低
抵抗なｐ型層にするのが極めて難しかった窒化ガリウム
系化合物半導体層を、アニーリングして低抵抗なｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体にできる。このため、アニー
リングするときに、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化
合物半導体層から除去される水素を速やかに除去でき
る。ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層か
ら除去される水素が、基板とｎ型窒化ガリウム系化合物
半導体層とを透過することなく除去されるからである。
本発明は、基板にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と
ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層
とを成長させた後、これをアニーリングするという極め
て簡単な方法で、ｐ型不純物を含む層をｐ型化して、極
めて低コストに、優れた発光特性の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子を多量生産できる特長がある。 本
発明は、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体
層の全面を均一に能率よくｐ型化できる特長がある。ｐ
型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層のアニー
リングは、層体を均一に加熱してｐ型化させる。ｐ型不
純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全体を均一
にｐ型化できることは、半導体ウエハーを製作するとき
に極めて大切なことである。それは、窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子は、大きな、ウエハーを製作し、こ
れを小さく切断して窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子のチップを製作するので、窒化ガリウム系化合物半導
体層が均一にｐ型化されていないと、製作されたチップ
の歩留が著しく低下してしまうからである。 ｐ型不
純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層が、深くｐ型
化されて、全体としてより均一にｐ型化されて、優れた
発光特性を実現する。これに対して、ｐ型不純物を含む
半導体層を、電子ビームでｐ型化している従来の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子は、ｐ型不純物を含む半
導体層を最上層とし、しかも、その極表面しかｐ型化し
て低抵抗化されていない。加速された電子ビームを深く
打ち込むことができないからである。本発明は、ｐ型不
純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体層の全体
を、アニーリングにより加熱して、ｐ型化しているの
で、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の
全体が加熱されてより均一にｐ型化されて、極めて高輝
度な発光素子を実現できる。
【図１】 本発明の一実施例に係るアニーリング温度
と、抵抗率の関係を示す図。
と、抵抗率の関係を示す図。
【図２】 本発明の一実施例に係るｐ型ＧａＮ層の結晶
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
【図３】 本発明の一実施例に係るｐ型ＧａＮ層の結晶
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
Claims (4)
- 【請求項１】 気相成長法により、基板上に、少なくと
もｎ型窒化化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型不純物
および水素を含む窒化ガリウム系化合物半導体層とを成
長させた後、成長されたｎ型窒化ガリウム系化合物半導
体層と、ｐ型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体
層の全体をその温度における窒化ガリウム系化合物半導
体の分解圧以上に加圧した窒素雰囲気中でアニーリング
することにより、水素を熱的に解離してｐ型不純物を含
む窒化ガリウム系化合物半導体層からｐ型不純物と結合
している水素を出して深さ方向均一に低抵抗なｐ型窒化
ガリウム系化合物半導体層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。 - 【請求項２】 前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ
のいずれかである請求項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。 - 【請求項３】 前記基板とｎ型窒化ガリウム系化合物半
導体層との間にさらにバッファ層を形成する請求項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。 - 【請求項４】 前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＧａＮのい
ずれかである請求項３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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002040852A JP3505167B2 (ja) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002040852A JP3505167B2 (ja) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9849797A Division JP3298454B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003064147A Division JP3884717B2 (ja) | 2003-03-10 | 2003-03-10 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
| JP2003171428A Division JP2003347592A (ja) | 2003-06-16 | 2003-06-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002305325A JP2002305325A (ja) | 2002-10-18 |
| JP3505167B2 true JP3505167B2 (ja) | 2004-03-08 |
Family
ID=19192721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002040852A Expired - Lifetime JP3505167B2 (ja) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3505167B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100519753B1 (ko) * | 2002-11-15 | 2005-10-07 | 삼성전기주식회사 | ＧａＮ계 화합물 반도체가 사용된 발광소자의 제조방법 |
-
2002
- 2002-02-18 JP JP2002040852A patent/JP3505167B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002305325A (ja) | 2002-10-18 |
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