JP3867623B2 - 窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−V族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの発光デバイス用あるいは高出力電界効果トランジスタ等の電子デバイス用の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。
【0003】
窒化物系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長は、格子整合する基板の入手が困難なため、一般にサファイアやSiC基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長している。この場合、エピタキシャル膜と基板の格子不整合のため、成長界面から欠陥が導入され、エピタキシャル膜表面には109〜1010cm-2の転位が存在する。このため発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子の信頼性において悪影響を与えるという問題があり、様々な転位密度を減らす方法が試みられている。
【0004】
従来の技術の問題点として、転位密度を減らす方法の一つとして、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース(ELO)という選択成長を用いた方法がある。この方法は、SiO2などのマスク材料を用いて第一窒化物系化合物半導体の表面にパターニングを施与して選択成長を行い、当該マスクが形成された第一窒化物系化合物半導体上に上記マスク材料を埋め込むまで第二窒化物系化合物半導体を成長し、これによりマスク材料により転位が遮断されて第二窒化物系化合物半導体中の転位密度の低減がなされるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のELO法では、例えばSiO2膜をスパッタリングにより堆積させ、フォトリソグラフィー技術によりパターンを形成し、エッチングによりストライプなどのパターンを形成する等多くのプロセスを必要とする。
【0006】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ELO法のようなマスク材料を用いたプロセスを用いずに、転位密度を低減させ、高品質な窒化物系化合物半導体結晶のエピタキシャル膜を得ること、すなわち高品質な窒化物系化合物半導体結晶の製造方法及び窒化物系化合物半導体基材並びに窒化物系化合物半導体デバイスを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0008】
請求項1の発明に係る窒化物系化合物半導体結晶の製造方法は、第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させる窒化物系化合物半導体結晶の製造方法であって、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が0.1%以上、かつ1%以下であることを特徴とする。
【0009】
請求項2の発明は、請求項1記載の製造方法において、上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。
【0010】
請求項3の発明は、請求項1記載の製造方法において、500℃以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。
【0011】
請求項4の発明は、請求項1記載の製造方法において、室温で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする。この場合、上記酸素を含む雰囲気は例えば大気とすることができる。
【0013】
請求項5の発明は、第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させる窒化物系化合物半導体結晶の製造方法であって、上記第一の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスと、その第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすプロセスと、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスを複数回繰り返すことを特徴とする。
【0014】
請求項6の発明に係る窒化物系化合物半導体基材は、請求項1〜5のいずれかに記載の方法で得られた窒化物系化合物半導体結晶を備えている。
【0015】
請求項7の発明に係る窒化物系化合物半導体デバイスは、請求項6に記載の窒化物系化合物半導体基材上に半導体デバイス構造を形成したことを特徴とする。
【0016】
<発明の要点>
本発明の要点は、第一の窒化物系半導体結晶層を成長させた後に成長を中断し、表面を酸素を含む雰囲気にさらし、再びその上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成することで、マスク材料を用いること無しに第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位を低減することにある。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0018】
図1に、製造する窒化物系化合物半導体基材10の構造を示す。サファイア基板1上に、GaN低温堆積緩衝層2、第一の窒化物系半導体結晶層3を成長し、その成長を中断(成長中断部4)して第一の窒化物系半導体結晶層3の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層5を成長させた構造となっている。
【0019】
[実施例1]
この実施例1は、第一の窒化物系半導体結晶層3の表面を、その第一の窒化物系半導体結晶層3の成長温度以下である常温で、酸素を含む雰囲気である大気中にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層5を形成し、これにより第一の窒化物系半導体結晶層3よりも第二の窒化物系半導体結晶層5の転位密度を減少させるようにしたものである。
【0020】
まず、サファイア基板1を有機金属気相成長(以下MOCVDと略す)装置にセットし、水素雰囲気下で1200℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を500℃まで下げ、Ga原料としてトリメチルガリウム(以下TMGと略す)、N原料としてアンモニア(以下NH3と略す)を流し、GaN低温堆積緩衝層2を30nm成長させた。
【0021】
成長温度を1000℃に昇温し、Ga原料としてTMG、N原料としてNH3を流し、第一の窒化物系半導体結晶層3として第一のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた後、成長中断し、NH3雰囲気で常温まで降温して、得られたGaN薄膜を炉から大気中に出した。
【0022】
前記第一のGaNエピタキシャル層の表面に現れるピットの数で転位密度を評価したところ、表1に示すように、転位密度は2×109cm-2であった。なお、表1は窒化物系化合物半導体結晶表面のAFMで測定した転位ビット密度を示す。
【0023】
【表1】
【0024】
次に、得られたGaN薄膜を再び炉に戻し、成長温度を1000℃に昇温し、Ga原料としてTMG、N原料としてNH3を流し、第二の窒化物系半導体結晶層5としての第二のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた。
【0025】
このようにして得られた窒化物系化合物半導体基材10のGaNエピタキシャル層表面の転位密度を測定したところ、1×107cm-2であった。すなわち、ELO法を用いた場合と同程度の107cm-2オーダーに転位密度が低減された。
【0026】
[実施例2]
この実施例2は、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が1%以下である例である。
【0027】
すなわち、MOCVDにより、図1のように第一の窒化物系半導体結晶層3として前記第一のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた後、成長中断し、温度をそのままにして、酸素の原料として酸素ガス(酸素濃度1%)を10秒間供給した。その後再び、Ga原料としてTMG、N原料としてNH3を流し、第二の窒化物系半導体結晶層5としての第二のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた。
【0028】
このようにして得られた実施例2のGaNエピタキシャル層表面の転位密度を測定したところ、2×107cm-2(表1参照)であった。すなわち、転位密度は、ELO法を用いた場合と同程度の107cm-2オーダーに低減された。
【0029】
[実施例3]
この実施例3は、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が0.1%以下である例である。
【0030】
図1のように第一の窒化物系半導体結晶層3として前記第一のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた後、成長中断し、温度をそのままとして、酸素の原料として酸素ガス(酸素濃度0.1%)を10秒間供給した。その後再び、Ga原料としてTMG、N原料としてNH3を流し、第二の窒化物系半導体結晶層5としての第二のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた。
【0031】
このようにして得られた実施例3のGaN表面の転位密度を測定したところ、2×107cm-2(表1参照)であった。すなわち、転位密度は、ELO法を用いた場合と同程度の107cm-2オーダーに低減され、上記酸素濃度1%〜0.1%の間では同じ効果が得られることが確認された。
【0032】
要するに、酸素を含む雰囲気の酸素濃度は、転位密度の低減効果を得る上からは1%以下の少ない酸素濃度で十分である。従って0.1%以下の酸素濃度とすることもできる。
【0033】
[実施例4]
この実施例4は、第一の窒化物系半導体結晶層3の表面を、その第一の窒化物系半導体結晶層3の成長温度以下である500℃以下で、実施例3と同じ条件の酸素を含む雰囲気(酸素濃度0.1%)にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層5を形成し、これにより第一の窒化物系半導体結晶層3よりも第二の窒化物系半導体結晶層5の転位密度を減少させるようにした例である。
【0034】
図1のように第一の窒化物系半導体結晶層3として前記第一のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた後、成長中断し、温度を500℃に降温して、酸素の原料として酸素ガス(酸素濃度0.1%)を10秒間供給した。その後再び成長温度を1000℃に昇温し、Ga原料としてTMG、N原料としてNH3を流し、第二のGaNエピタキシャル層を2μm成長させた。
【0035】
このようにして得られたGaN表面の転位密度を測定したところ、5×106cm-2(表1参照)であった。すなわち、転位密度は実施例3の場合よりも更に低減されて106cm-2オーダーとなり、このことから酸素を含む雰囲気にさらす場合には温度を低くすることが有効であることが確認された。従って、第一の窒化物系半導体結晶層3の表面を、500℃よりも低い温度で酸素を含む雰囲気にさらすことも有効である。
【0036】
[実施例5]
次に、上記窒化物系化合物半導体基材10上に半導体デバイス構造を形成した実施例について説明する。半導体デバイス構造としては、III−V族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザなどの発光デバイス用、あるいは高出力電界効果トランジスタ等の電子デバイス用の構造でよいが、ここでは青色LEDの構造とした。
【0037】
すなわち、上記した実施例1〜4の方法で作製した窒化物系化合物半導体基材10の上に、発光デバイス構造を順次成長して発光波長460nmの青色LED(実施例5〜8)を作製した。また比較のため、従来例として、本発明の成長方法を用いずにELO法で成長した窒化物系化合物半導体基材(従来)の上に同じ発光デバイス構造を順次成長して発光波長460nmの青色LED(従来例)を作製した。
【0038】
発光デバイス部は実施例5〜8及び従来例の計5種類とも活性領域が同様な単一量子井戸(SQW)構造を持つものとした。すなわち、図2に示すように、n−GaN層11(濃度:n=2×1018cm-3、厚さ:t=2μm)、無添加In0.20Ga0.80N層12(厚さ:t=50nm)、p−GaN層13(濃度:p=1×1018cm-3、厚さ:t=1μm)を順次成長した。
【0039】
これら実施例5〜8及び従来例の発光素子に対し、20mAを通電し、この時の発光出力を比較した。その結果を表2に示す。従来例のLEDは発光出力が2.0mWであるのに対し、実施例5〜8のものは4.2〜5.8mWであり、従来例のものに比べて本発明の成長方法を用いた実施例5〜8のものは2倍以上発光効率が高くなった。なお、表2は図2で示した構造の発光素子に対し、20mAを通電した時の発光出力を示す。
【0040】
【表2】
【0041】
上記実施例ではサファイア基板を用いているが、SiC、GaN、Si基板などを用いることができる。GaN基板の場合は、GaN基板結晶表面を直接酸素を含む雰囲気にさらし、その上にGaNエピタキシャル層を成長してもよい。
【0042】
また、ここでの成長方法は、気相成長が好ましく、有機金属気相エピタキシー(MOCVD)法を用いたが、塩化物気相エピタキシー(HVPE)法、有機金属塩化物気相エピタキシー(MOC)法であってもよい。
【0043】
【発明の効果】
本発明は、第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させる方法であって、酸素を含む雰囲気の酸素濃度が0.1 %以上、かつ1%以下であるため、本発明によれば、ELO法のようなマスク材料を用いること無しに転位密度を低減させることができ、より高品質な窒化物系化合物半導体結晶の作製が可能となる。したがって、この上にLEDやLDなどの半導体発光素子や受光素子、電子デバイスを作製すれば、その特性を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法により作製した窒化物系化合物半導体基材の断面を示す概略図である。
【図2】図1の窒化物系化合物半導体基材上に成長した発光デバイス構造の概略図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 GaN低温堆積緩衝層
3 第一の窒化物系半導体結晶層
4 成長中断部
5 第二の窒化物系半導体結晶層
10 窒化物系化合物半導体基材
Claims (7)
- 第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させる窒化物系化合物半導体結晶の製造方法であって、上記酸素を含む雰囲気の酸素濃度が0.1%以上、かつ1%以下であることを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
- 上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
- 500℃以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
- 室温で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の成長温度以下で、上記第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
- 第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらし、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成し、第一の窒化物系半導体結晶層よりも第二の窒化物系半導体結晶層の転位密度を減少させる窒化物系化合物半導体結晶の製造方法であって、上記第一の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスと、その第一の窒化物系半導体結晶層の表面を酸素を含む雰囲気にさらすプロセスと、その上に第二の窒化物系半導体結晶層を形成するプロセスを複数回繰り返すことを特徴とする窒化物系化合物半導体結晶の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の方法で得られた窒化物系化合物半導体結晶を備えてなる窒化物系化合物半導体基材。
- 請求項6に記載の窒化物系化合物半導体基材上に半導体デバイス構造を形成したことを特徴とする窒化物系化合物半導体デバイス。
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