JP4107889B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、好ましくは、半導体発光素子などとして使用することのできる半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、半導体発光素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、特に緑色光から青色光用の高輝度光源、さらには、紫外光及び白色光用の光源としての半導体発光素子における半導体膜としても期待されている。
【０００３】
図１は、従来のいわゆるＰＩＮ型の半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【０００４】
図１に示す半導体発光素子１０においては、主としてサファイア単結晶からなる基板１上において、ＧａＮからなるバッファ層２、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮからなる下地層３、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型導電層４、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層５、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなるp型クラッド層６、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなるｐ型導電層７がこの順に形成されている。図１に示す半導体発光素子１０においては、下地層３及びｎ型導電層４がｎ型半導体層群を構成し、ｐ型クラッド層６及びｐ型導電層７がｐ型半導体層群を構成する。
【０００５】
ｎ型導電層４の一部は露出しており、この露出した部分にＡｌ／Ｔｉなどのｎ型電極８が形成されるとともに、ｐ型導電層７上にはＡｕ／Ｎｉなどのｐ型電極９が形成されている。
【０００６】
そして、ｎ型電極８及びｐ型電極９間に所定の電圧を印加することにより、発光層５内でキャリアの再結合が生じ、所定の波長の光を発光する。なお、前記波長は、発光層の構造及び組成などによって決定される。
【０００７】
図１に示す半導体発光素子１０を実用に供するためには、半導体発光素子１０を水素を含まない雰囲気中に配置した後、４００℃以上の温度で加熱処理を行い、ｐ型クラッド層６及びｐ型導電層７からなるｐ型半導体層群を活性化処理することが必要である（特許第２５４０７９９１号）。しかしながら、このような比較的高い温度の活性化処理は、半導体発光素子１０全体の製造工程を煩雑にし、製造コスト増大の原因にもなっていた。また、現在の省エネルギーの要請にも反するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、図１に示すような半導体発光素子において、ｐ型半導体層群を下側に配置し、ｎ型半導体層群を上側に配置した構成のものが考えられる。しかしながら、このような構成の半導体発光素子においては、上述のような条件でｐ型半導体層群の活性化処理を行っても前記ｐ型半導体層群を十分に活性化することができず、実用に供するものを製造できないでいた。
【０００９】
本発明は、所定の基板上において、ｐ型半導体層群が少なくともＡｌを含む高品質なIII族窒化物下地層の上方の積層された構成を呈する実用的な半導体素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の半導体素子の製造方法は、所定の基材上において、少なくともＡｌを含み、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であるIII族窒化物下地層と、このIII族窒化物下地層の上方に形成されたｐ型半導体層群およびその上のｎ型半導体層群とを具える半導体素子の製造方法において、前記III族窒化物下地層を、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃以上の温度で形成したことを特徴とする。
【００１１】
なお、本発明における「上方」とは、前記ｐ型半導体層群が前記基材上に直接的に形成されている場合のみならず、他の層、例えばｎ型半導体層群などを介して形成されている場合をも含むものである。
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を実施した。その結果、所定の基板上において、上述したような高結晶品質のＡｌ含有III族窒化物下地層を設けることにより、上述したような活性化処理を行うことによって前記ｐ型半導体層群を十分に活性化処理することができ、所定の基板上にｐ型半導体層群及びｎ型半導体層群が順次に形成された、基板／ｐ型半導体層群／ｎ型半導体層群なる構成の半導体素子が得られることを見出した。
【００１３】
なお、本発明によれば、上述したようにｐ型半導体層群を直接的に基材上に形成することは要求されないため、従来のような基板／ｎ型半導体層群／ｐ型半導体層群なる構成の半導体素子に対しても十分な活性化処理を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の半導体素子によれば、上記活性化処理の温度を３８０℃以下にまで低減することができ、さらには前記III族窒化物下地層の結晶品質を上記要件を満たす範囲内でさらに向上させるなどの手段によって、上記活性化処理を省略することもできる。
【００１５】
さらに、図１に示す半導体発光素子１０において、バッファ層２は、基板１と下地層３との格子定数差を補完して、基板１上方に形成されるべき下地層３などのエピタキシャル成長を可能とすべく、緩衝層としての作用を果たすものである。したがって、通常はその結晶性を無視して５００〜７００℃の低温において形成される。
【００１６】
この結果、バッファ層２中には比較的多量の転位が含有されてしまい、この転位の一部が貫通転位として下地層３、ｎ型導電層４、発光層５、ｐ型クラッド層６、及びｐ型導電層７中に伝搬し、これら層中の結晶品質が劣化してしまっていた。この結果、ｎ型電極８及びｐ型電極９間の抵抗が増加してしまい、十分な電流を流すことができないために、十分な発光効率を得ることができないでいた。
【００１７】
これに対して、本発明の半導体素子では、上述したようなバッファ層を有することなく、基板上に形成した高結晶品質のＡｌ含有III族窒化物下地層上方にｐ型半導体層群を形成している。したがって、このｐ型半導体層群の結晶品質も向上する。この結果、本発明の半導体素子を半導体発光素子として使用した場合に、電極間の抵抗が減少するために発光効率も十分に改善される。
【００１８】
なお、本発明において「半導体層群」とは、必ずしも複数の半導体層から構成されている場合のみならず、単一の半導体層から構成されている場合をも含むものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図２は、本発明の半導体素子の一例を示す構成図である。図２に示す半導体素子２０は、基板１１上において、下地層１３、ｐ型導電層１４、発光層１５、ｎ型クラッド層１６、及びｎ型導電層１７を順次具えている。そして、ｐ型導電層１４の一部は露出しており、この露出したｐ型導電層１４上には、例えばＡｕ／Ｎｉからなるｐ型電極１８が形成され、ｎ型導電層１７上には例えばＡｌ／Ｔｉからなるｎ型電極１９が形成されて、いわゆるＰＩＮ型の半導体発光素子を構成している。
【００２０】
図２において、ｐ型導電層１４がｐ型半導体層群を構成し、ｎ型クラッド層１６及びｎ型導電層１７がｎ型半導体層群を構成している。なお、ｎ型クラッド層１６は必要に応じて省略することもできる。
【００２１】
下地層１３は、本発明にしたがって、Ａｌを含み、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下のIII族窒化物から構成されていることが必要である。これによって、ｐ型導電層１４に対して水素を含有しない雰囲気内で加熱処理を行って活性化処理を実施することにより、実用に供することのできる半導体素子２０を提供することができる。
【００２２】
なお、上記転位密度は５×１０^１０／ｃｍ^２以下であることが好ましく、さらには１×１０^１０／ｃｍ^２以下であることが好ましい。また、前記半値幅は１００秒以下であることが好ましく、さらには６０秒以下であることが好ましい。この場合、上記活性化処理における加熱温度を３８０℃以下にすることができ、さらには活性化処理自体を省略することもできる。
【００２３】
また、表面粗さＲａは２Å以下であることが好ましい。本測定は、ＡＦＭを用いて５μｍ角の範囲で測定する。
【００２４】
下地層１３を構成するIII族窒化物中のＡｌ含有量が多いほど、基板１１に起因した転位が基板１１と下地層１３との界面で絡み、下地層１３中に伝搬する割合が減少する。その結果、下地層１３中の転位密度が減少し、下地層１３の結晶品質がさらに向上する。このため、下地層１３を構成する前記III族窒化物はできるだけ多くのＡｌを含むことが好ましく、具体的には全III族元素に対して５０原子％以上の割合でＡｌを含むことが好ましく、さらには総てのIII族元素がＡｌからなり、下地層１３がＡｌＮから構成されていることが好ましい。
【００２５】
なお、下地層１３の膜厚は大きい方が好ましく、具体的には０．１μｍ以上、さらには０．５μｍ以上の厚さに形成することが好ましい。下地層１３の厚さの上限値は特に限定されるものではなく、クラックの発生や用途などを考慮して適宜選択し、設定する。
【００２６】
また、下地層１３は、Ａｌの他に、Ｇａ及びＩｎなどのIII族元素、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００２７】
下地層１３は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法を用い、その成膜温度を１１００℃以上に設定することによって簡易に得ることができる。なお、本特許の成膜温度は、基板１１の設定温度を意味する。なお、下地層１３の表面の粗れなどを抑制する観点より、前記成膜温度は１２５０℃以下であることが好ましい。
【００２８】
なお、ｐ型導電層１４、発光層１５、ｎ型クラッド層１６、及びｎ型導電層１７は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎなどを少なくとも一つ含むIII族窒化物から構成することができる。そして、ｐ型導電層１４はＺｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含み、ｎ型クラッド層１６及びｎ型導電層１７は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅの添加元素を含む。これらの各層は所定の公知の成膜方法によって形成することができ、上記同様にＭＯＣＶＤ法によって簡易に形成することができる。さらには、ＬＰＥ法又はＭＢＥ法によっても形成することができる。
【００２９】
発光層１５は単一の窒化物半導体層から構成することもできるが、多重量子井戸構造などのような多層膜から構成することもできる。
【００３０】
基板１１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、Ｚｒ_２Ｂなどのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００３１】
【実施例】
（実施例）
本実施例においては、図２に示すＰＩＮ型の半導体発光素子２０を作製した。基板１１として２インチ径の厚さ５００μｍのＣ面サファイア単結晶を用い、これをＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。ＭＯＣＶＤ装置には、ガス系としてＨ₂、Ｎ₂、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｃｐ₂Ｍｇ、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄が取り付けてある。圧力を１００Ｔｏｒｒに設定した後、Ｈ₂を平均流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板１１を１１００℃まで昇温した。
【００３２】
その後、ＴＭＡとＮＨ₃とを、所定量供給して、下地層１３としてのＡｌＮ層を厚さ１μｍまで成長させた。この際、成膜速度を０．３μｍ／ｈｒとなるように、ＴＭＡ及びＮＨ_３の供給量を設定した。このＡｌＮ層中の転位密度をＴＥＭによって観察したところ、１×１０^１０／ｃｍ^２であった。ＡｌＮの（００２）面のＸ線ロッキングカーブを測定したところ、その半値幅は６０秒であり、表面粗さ（Ｒａ）は１．５Å以下と良好な結晶品質を有することが確認された。
【００３３】
次いで、基板温度を１０８０℃に設定した後、圧力を常圧にし、ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びＣｐ₂Ｍｇを全ガス平均流速１ｍ／ｓｅｃで流して、ｐ型導電層１４としてＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層を厚さ３μｍ成長させた。原料供給量は成膜速度が３μｍ／ｈｒとなるように設定した。なお、Ｃｐ₂Ｍｇはキャリア濃度が１．０×１０^１８／ｃｍ^３となるように供給した。
【００３４】
次いで、各原料ガスの供給を停止し、キャリアガスをＮ_２に変更した後、基板温度を７００℃とした。そして、前記ｐ−ＧａＮ層上に、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＮＨ_３を全ガス流速１ｍ／ｓｅｃで流して、発光層１５としてのｉ−ＩｎＧａＮ層をＭＱＷ構造として形成した。その後、ＴＭＩをＴＭＡに切り替えると共にＳｉＨ_４をキャリア濃度が１×１０^１８／ｃｍ^２となるようにして供給し、ｎ型クラッド層１６としてのｎ−ＡｌＧａＮ層を厚さ２０ｎｍに成長させた。その後、ＴＭＡを停止して基板温度を１０００℃に上昇した後ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、ｎ型導電層１７としてのＳｉをドープしたｎ−ＧａＮ層を厚さ０．２μｍに形成した。
【００３５】
その後、得られた半導体発光素子を水素を含まない窒素雰囲気中に配置し、３５０℃に加熱して５時間保持して活性化処理を実施した。次いで、これらの各層を部分的にエッチング除去することによって、ｐ型導電層１４を構成するｐ−ＧａＮ層の一部を露出させ、この露出部分に対してＡｕ／Ｎｉからなるｐ型電極１８を形成した。また、ｎ型導電層１７を構成するｎ−ＧａＮ層上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ型電極１９を形成した。
【００３６】
Ａｕ／Ｎｉ電極及びＡｌ／Ｔｉ電極間に電圧を印加して駆動させ、その発光効率を調べたところ、３０（ｌｍ／Ｗ）なる値が得られた。
【００３７】
（比較例１）
ＡｌＮ下地層に代えて、６００℃の低温でＧａＮ下地層を厚さ０．０３μｍに形成した以外は、実施例と同様にして半導体発光素子を作製した。この場合においては、前記半導体発光素子中を電流が流れず、発光しなかった。
【００３８】
（比較例２）
本比較例においては、図１に示すＰＩＮ型の半導体発光素子を作製した。
基板１としてのサファイア単結晶基板を用い、実施例と同様のＭＯＣＶＤ装置内に設置した。基板１を４００℃に加熱した後、ＴＭＧ及びＮＨ_３を供給してバッファ層２としてのＧａＮ層を厚さ０．０３μｍに形成した。
【００３９】
その後、一旦、ＴＭＧ及びＮＨ_３の供給を中断し、基板温度を１１２０℃に設定して、ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びＳｉＨ_４を供給し、下地層３としてのｎ−ＧａＮ層を、成膜速度３μｍ／ｈｒで厚さ３μｍに形成した。次いで、実施例と同様にして、ｎ型導電層４からｐ型導電層７までを形成した。その後、得られた半導体発光素子を水素を含まない窒素雰囲気中に配置して８００℃に加熱し、１時間保持して活性化処理を実施した。
【００４０】
そして、Ａｌ／Ｔｉのｎ型電極８、Ａｕ／Ｎｉのｐ型電極９を形成し、Ａｕ／Ｎｉ電極及びＡｌ／Ｔｉ電極間に電圧を印加して駆動させ、その発光効率を調べたところ、３０（ｌｍ／Ｗ）なる値が得られた。
【００４１】
以上、実施例及び比較例１より、本発明にしたがって高結晶品質のＡｌＮ下地膜を形成し、このＡｌＮ下地膜上にｐ−ＧａＮ、ｎ−ＡｌＧａＮ及びｎ−ＧａＮを形成して得た基板／ｐ型半導体層群／ｎ型半導体層群なる構成の半導体発光素子は、低結晶品質のＧａＮ下地膜を形成し、このＧａＮ下地膜上に形成した前記構成の半導体発光素子に比べて、素子全体が低抵抗化され、発光効率が向上していることが分かる。
【００４２】
また、実施例及び比較例２より、実施例で得た上記基板／ｐ型半導体層群／ｎ型半導体層群なる構成の半導体発光素子は、従来の基板／ｎ型半導体層群／ｐ型半導体層群なる構成の従来の半導体発光素子と比較した場合においても、十分な発光効率を呈することが分かる。
【００４３】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００４４】
例えば、基板に窒化処理を加えたり、III族原料による基板の前処理などを行なうこともできる。また、下地層の組成を連続的に変化させたり、成膜条件を段階に分けて変化させたりすることも可能である。さらに、導電層や発光層などの結晶性をさらに向上させる目的で、下地層と導電層との間などにバッファ層やひずみ超格子などの多層積層構造を温度、流量、圧力、原料供給量、及び添加ガスなどの成長条件を変化させることにより、挿入することもできる。
【００４５】
また、上記半導体発光素子において、ｐ型半導体層群はｐ型導電層のみから構成しているが、このｐ型導電層上にｐ型クラッド層を設け、前記ｐ型半導体層群を前記ｐ型導電層及び前記ｐ型クラッド層から構成することもできる。
【００４６】
さらに、上記発明の実施の形態においては、本発明の半導体素子として半導体発光素子を中心に説明してきたが、本発明は基板／ｐ型半導体層群／ｎ型半導体層群なる積層構造を有する他の素子に対しても適用することができる。例えば、ＨＢＴ素子及びＰＩＮタイプの受光素子を挙げることができる。この場合においても各素子の低抵抗化に伴って、素子効率などの特性が向上する。
【００４７】
また、ｐ型半導体層群に対する活性化処理において、活性化処理を行うべき雰囲気をプラズマ化したり、前記雰囲気に対して高周波を印加したりすることによって、前記活性化処理を促進させることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定の基板上において、高結晶品質のＡｌ含有III族窒化物下地膜を介して、ｐ型半導体層群及びｎ型半導体層群をこの順に積層するようにしているので、基板／ｐ型半導体層群／ｎ型半導体層群なる構成の実用的な半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板、２ バッファ層、３，１３ 下地層、４ ｎ型導電層、５，１５ 発光層、６ ｐ型クラッド層、７ ｐ型導電層、８ ｎ型電極、９ ｐ型電極、１０，２０ 半導体発光素子、１４ ｐ型導電層、１６ ｎ型クラッド層、１７ ｎ型導電層、１８ ｐ型電極、１９ ｎ型電極

Claims (5)

1. 所定の基材上において、少なくともＡｌを含み、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であるIII族窒化物下地層と、このIII族窒化物下地層の上方に形成されたｐ型半導体層群およびその上のｎ型半導体層群とを具える半導体素子の製造方法において、前記III族窒化物下地層を、ＭＯＣＶＤ法により１１００℃以上の温度で形成したことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
2. 前記III族窒化物下地層中の、全III族元素に対するＡｌ含有量が５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記III族窒化物下地層は、ＡｌＮからなることを特徴とする、請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記ｐ型半導体層群を、水素を含まない雰囲気下において３８０℃以下の温度で加熱し、前記ｐ型半導体層群に対して活性化処理を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記ｐ型半導体層群に対して、前記活性化処理を行わないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体素子の製造方法。

Images