JP3771987B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は青色または紫色発光ダイオード、青色または紫色レーザーダイオード製造方法、特にp型窒化ガリウム系化合物半導体を低抵抗にする製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】
青色発光素子はフルカラーディスプレー用に使用されたり、また高密度記録可能な光ディスク用レーザー光源として期待されている。
【0003】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた高輝度の青色発光ダイオードが実現された。これにより、青色または紫色レーザーダイオードを実現するために窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。
【0004】
有機金属化合物気相成長法では、基板の入った反応炉に有機金属であるトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア等を水素ガス、窒素ガスをキャリアガスとして供給し、成長温度約600℃でGaNやAlNのバッファ層を成長させた後、1000℃前後で窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる。必要に応じて、p型、n型にするため、ドーパントガスを前記有機金属化合物ガスに混合して供給する。p型ドーパントとしてMg、Zn、n型ドーパントとしてSi、Geが用いられている。
【0005】
しかし、従来の有機金属化合物気相成長法では、高抵抗なp型窒化ガリウム系化合物半導体しか得られず、良好なp−n接合を有する発光素子を作製することが困難であった。そこで、低抵抗のp型窒化ガリウム系化合物半導体を得るために、特開平5−183189号公報には、400℃以上の窒素雰囲気中で熱処理する方法、また、特開平7−097300号公報には、成長後に紫外線照射と窒素雰囲気中での熱処理を組み合わせた方法が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術においては、青色半導体レーザや高輝度発光ダイオードを実現するために必要となる抵抗率1Ωcm以下の低抵抗なp型GaN膜や100Ωcm以下のAlGaN膜等、窒化ガリウム系半導体層を実現できておらず、上記素子における動作電圧の駆動中の増加や発光効率の駆動中の低下があり、信頼性の高い素子が実現されていなかった。
【0007】
これは、結晶中に添加されたp型不純物が成長中または成長直後の高温状態において、その結晶が囲まれている雰囲気中に含まれる水素原子と結合し、実使用状態である室温付近ではイオン化しないことが原因と考えられる。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、p型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させる最中、あるいは、該窒化ガリウム系半導体層の成長直後の高温状態において、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を含む窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法であることを特徴としている。
【0009】
また、上記p型不純物として、少なくともMgあるいはZnを含むことも特徴としており、さらに、上記赤外線はMgとH、またはZnとHとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線であることも構成要素となっている。
【0010】
本発明の上記の構成により成長された窒化ガリウム系半導体層は、成長中または成長直後に、p型不純物と水素の結合に共鳴する赤外線を高温状態において照射するため、p型不純物と水素の結合が効率良く切断される。これにより、窒化ガリウム系半導体層中でのp型不純物が室温で効率良くイオン化することが可能となり、結果、p型で低抵抗な窒化ガリウム系半導体を実現するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0012】
(実施例1)サファイア基板2を反応炉内に載置されたサセプター3上に設置する。炉内を真空排気した後、水素雰囲気において、RFコイル4によって1100℃で10分間加熱して、基板のクリーニングを行う。次に基板温度を550℃まで冷却し、トリメチルガリウム(以下TMGと記す)を30×10- 6 モル/分、NH3を4.0リットル/分、キャリアの水素を2.0リットル/分流して、GaNバッファ層を300Å成長させる。次に、TMGの供給のみを停止し、成長温度を1050℃まで上昇させた後、赤外線ランプ11を用いて、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。赤外線の波数は、バンドパスフィルター10を用いて、3200cm- 1 〜3800cm- 1 となるように調整した。これは、結晶中のMg−H結合の吸収波長の±10%の波長範囲に相当する。続いて、再度TMGを60×10- 6 モル/分、さらにCp2 Mgを4.0×10- 6 モル/分流して、MgをドープしたGaN膜を膜厚約4um成長させる。
【0013】
次にTMG、Cp2 Mgの供給を停止した後、赤外線ランプを消灯する。この後、加熱ヒーターを切り、水素とNH3 雰囲気中で冷却する。400℃でNH3 の供給を止めて水素雰囲気で冷却する。
【0014】
上記のMgをドープしたGaN膜のホール測定を行った結果、抵抗率1Ωcm、キャリア濃度8×1017 cm-3 のp型導電性を示した。比較のため、赤外線照射を行わない場合のGaN膜を測定したところ、高抵抗(108 Ωcm以上)であった。また、赤外線照射を行わずに、結晶成長し、その後に窒素雰囲気中において700℃で熱処理したGaN膜の場合は、抵抗率2Ωcm、キャリア濃度3×10 17 cm-3 のp型特性であった。つまり、本発明を適用したサンプルの方がMgが活性化されて低抵抗になり、その活性化率も成長後に熱処理したGaN膜と比較して2倍以上向上させることが可能となった。
【0015】
これにより、1Ωcm以下の抵抗率を有するp型窒化ガリウム系半導体層を形成することが可能となり、青色レーザや青色発光ダイオードの動作電圧の駆動中の上昇や発光効率の低下を防ぎ、信頼性の高い素子を実現することができた。
【0016】
(実施例2)GaN基板2を反応炉内に設置されたサセプター3上に置く。反応炉1内を真空排気した後、水素雰囲気中で1100℃で10分間加熱して基板の清浄化を行う。次に基板温度を550℃まで冷却し、トリエチルガリウム(以下TEGと記す)とトリメチルアルミニウム(以下TMAと記す)をそれぞれ30×10- 6 モル/分、NH3 を4.0リットル/分、キャリアの水素ガスを2.0リットル/分流して、AlGaNバッファ層を300Å成長させる。次に、TEGとTMAの供給を停止した後、成長温度1050℃まで上昇させ、基板成長面へ赤外線の照射を開始する。この場合の赤外線の波数帯は、バンドパスフィルター10を使って、2700cm- 1 〜4200cm- 1 とした。この赤外線の波数域は本発明を実施して作製したp型窒化ガリウム系半導体層の抵抗率を低下できる実験的に最適化した値である。
【0017】
赤外線照射と同時に、TEGを60×10- 6 モル/分、TMAを10×10- 6 モル/分、NH3 を2.0リットル/分、キャリアのN2 を4.0リットル/分さらにジエチル亜鉛(DEZ)を40×10- 6 モル/分を混合して流し、ZnドープのAlGaN膜を約0.3um成長させた。
【0018】
次にTEG、TMA、DEZの供給を停止した後、赤外線ランプ11を消し、加熱ヒーターを切り、窒素とアンモニア雰囲気内でウェハーを冷却する。400℃でアンモニアの供給を止めて窒素雰囲気で室温まで冷却する。
【0019】
このようにして作製した、AlGaN膜の抵抗率は1Ωcmと従来方法で得られている、200Ωcmに比べて十分に小さくすることができた。
【0020】
(実施例3)
本実施例においては、実施例1と基本的には同様の方法を用いてGaN膜を作製したが、赤外線の照射を成長終了後にウェハーを冷却する時にも照射し続けた。これにより、実施例1において1Ωcmであったp型GaN膜の抵抗率はさらに0.4Ωcmにまで低減することができた。
【0021】
これは、成長中には赤外線照射によりマグネシウムと水素の原子間結合を効率良く切断されていたが、ウェハー冷却時に雰囲気の水素が再びマグネシウムと結合を形成するのを赤外線照射により防止した結果を考えられる。
【0022】
(実施例4)
本実施例においては、実施例2と基本的には同様の方法を利用してAlGaN膜を形成したが、赤外線の照射を、AlGaN膜成長時ではなく、成長終了後、雰囲気ガスを窒素とアンモニアに置換した後に、800℃にて25分間実施した。
【0023】
このようにして、作製したAlGaN膜の抵抗率は5Ωcmであり、従来の200Ωcmに比べて一桁以上の低減が可能となった。
【0024】
【発明の効果】
上記のように、本発明を適用することにより効率良く水素とp型不純物との結合を切断することが可能となり、結果、低抵抗のp型GaN系半導体層を形成することができた。これにより、青色半導体レーザや青色発光ダイオードにおいて動作電圧を低減できるだけでなく、動作中における動作電圧の上昇の防止や、動作中での発光効率の低下を抑制でき、ひいては信頼性の高い素子を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に使用した有機金属化合物気相成長装置の主要部の構成をす概略断面図である。
【符号の説明】
1 反応炉
2 サファイア基板
3 サセプター
4 RFコイル
Claims (7)
- 窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
p型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させる最中に、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を備える、
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
ウエハー上に、有機金属化合物気相成長法を用いて加熱条件下で、p型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を成長させる工程と、
該成長工程の後、該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射しつつ該ウエハーを冷却する工程と、
を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 上記p型不純物が、MgあるいはZnを含む、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 上記赤外線は、MgとH、またはZnとHとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線である、
ことを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 上記赤外線は、波数2700cm-1〜4200cm-1の赤外線である、
ことを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 窒化ガリウム系半導体の製造方法において、
p型不純物をドープした窒化ガリウム系半導体層を有機金属化合物気相成長法を用いて成長させた直後の高温状態において上記窒化ガリウム系半導体層の周囲の雰囲気ガスを窒素とアンモニアに置換し、この雰囲気中で該窒化ガリウム系半導体層に赤外線を照射する工程を備え、
前記p型不純物が、MgまたはZnを含み、
上記赤外線が、MgとH、またはZnとHとの原子結合が共鳴する波長近傍の赤外線である、
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 - 上記赤外線は、波数2700cm -1 〜4200cm -1 の赤外線である、
ことを特徴とする請求項6に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
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