JP5399552B2 - 窒化物半導体素子の製造方法、窒化物半導体発光素子および発光装置 - Google Patents
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Description
図1に、本発明の窒化物半導体素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。
以下、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子100の製造方法の一例について説明する。
基板1としては、たとえば、a面、c面、m面またはr面などの露出面を有するサファイア(Al2O3)単結晶、スピネル(MgAl2O4)単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶またはZrB2などのホウ化物単結晶などからなる基板を用いることができる。なお、基板1の成長面の面方位は特に限定されるものではなく、ジャスト基板やオフ角を付与した基板などを適宜用いることができるが、なかでも、基板1としてサファイア単結晶からなるサファイア基板を用い、サファイア基板のc面上に後述するAlNOバッファ層2を形成した場合には、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のAlNOバッファ層2を積層することができる傾向が大きくなる点で好ましい。
AlNOバッファ層2の積層前の基板1の成長面について前処理を行なってもよい。基板1の成長面の前処理の一例としては、シリコン基板に対してよく行なわれるものと同様のRCA洗浄を行なうことによって、基板1の成長面を水素終端化する処理が挙げられる。これにより、基板1の成長面上に良好な結晶性を有するAlNOバッファ層2を再現性良く積層することができる傾向にある。
図3に、基板1の表面上にAlNOバッファ層2を積層するのに用いられるDCマグネトロンスパッタ装置の一例の模式的な構成を示す。
次に、チャンバ21の内部に、マスフローコントローラ31から窒素ガスを連続的に供給し、マスフローコントローラ32から酸素ガスを連続的に供給することによって、基板1とAlターゲット26との間に窒素ガスおよび酸素ガスを連続的に導入しつつ、チャンバ21の内部のガスを排気口25から外部に連続的に排出する。
AlNOバッファ層2は、窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が0.5%以下である雰囲気において形成され、0.25%以下である雰囲気において形成されることがより好ましい。窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が0.5%以下である場合、特に0.25%以下である場合には、良好な結晶性のAlNOバッファ層2を積層することができるため、そのようなAlNOバッファ層2の表面上には転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいては良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなる。
AlNOバッファ層2は、基板1の表面の90%以上を覆うように形成されることが好ましい。AlNOバッファ層2が基板1の表面の90%以上を覆っている場合には、AlNOバッファ層2上に形成される窒化物半導体層にヒロック(hillock)やピット(pit)が生じるのを抑制することができる傾向にある。
AlNOバッファ層2は、AlNOバッファ層2中の酸素濃度が1原子%以上10原子%以下となるように形成されることが好ましく、2原子%以上9原子%以下となるように形成されることがより好ましく、3原子%以上7原子%以下であることがさらに好ましい。上述したように、従来においては、バッファ層2中の酸素濃度は1原子%以下でなければならないとされていたが、本発明者らが鋭意検討した結果、AlNOバッファ層2中の酸素濃度が1原子%以上10原子%以下である場合、さらに2原子%以上9原子%以下である場合、特に3原子%以上7原子%以下である場合には、転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいてはさらに良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなることが見い出されたためである。
AlNOバッファ層2の波長450nmの光に対する屈折率は2以上2.1以下であることが好ましく、2.03以上2.08以下であることがより好ましく、2.03以上2.05以下であることがより好ましい。AlNOバッファ層2の波長450nmの光に対する屈折率が2以上2.1以下である場合、さらに2.03以上2.08以下である場合、特に2.03以上2.05以下である場合には、転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいてはさらに良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向にある。
基板1の成長面上に積層されるAlNOバッファ層2の厚さは5nm以上100nm以下とすることが好ましい。AlNOバッファ層2の厚さが5nm未満である場合には、AlNOバッファ層2がバッファ層としての機能を十分に発揮しないおそれがある。また、AlNOバッファ層2の厚さが100nmを超える場合にはバッファ層としての機能が向上することなく、AlNOバッファ層2の形成時間だけが長くなるおそれがある。また、AlNOバッファ層2のバッファ層としての機能を面内において均一に発揮させる観点からは、AlNOバッファ層2の厚さを10nm以上50nm以下とすることがより好ましい。
AlNOバッファ層2の積層時における基板1の温度は、300℃以上1000℃以下であることが好ましい。AlNOバッファ層2の積層時における基板1の温度が300℃未満である場合には、AlNOバッファ層2が基板1の成長面を十分に覆うことができず、基板1の成長面がAlNOバッファ層2から多く露出するおそれがある。また、AlNOバッファ層2の積層時における基板1の温度が1000℃を超える場合には、基板1の成長面での原料のマイグレーションが活発になりすぎて、柱状結晶の集合体というよりはむしろ単結晶の膜に近いAlNOバッファ層2が形成されて、AlNOバッファ層2のバッファ層としての機能が低下するおそれがある。
AlNOバッファ層2の積層時においてチャンバ21の内部に不純物が存在しないことが望ましいため、良好な結晶性を有するAlNOバッファ層2を得る観点からは、スパッタ直前のチャンバ21の内部の圧力は1×10-4Pa以下であることが好ましい。すなわち、AlNOバッファ層の形成直前の雰囲気の圧力は1×10-4Pa以下とされることが好ましい。
チャンバ21の到達真空度をより向上させるため、AlNOバッファ層2の形成前に、チャンバ21内において、ダミー放電を行なうことが好ましい。このようなダミー放電を行なうことにより、チャンバー21内より叩き出される不純物を予め除去することが可能となる。
AlNOバッファ層2の積層時におけるチャンバ21の内部の圧力は、0.2Pa以上であることが好ましい。AlNOバッファ層2の積層時におけるチャンバ21の内部の圧力が0.2Pa未満である場合には、チャンバ21の内部における窒素量が少なくなって、Alターゲット26からスパッタされたアルミニウムが窒化物とならない状態で基板1の成長面上に付着するおそれがある。また、AlNOバッファ層2の積層時におけるチャンバ21の内部の圧力の上限は特に限定されず、チャンバ21の内部にプラズマを発生させることができる程度の圧力であればよい。
AlNOバッファ層2の形成速度は、0.01nm/秒以上1nm/秒以下であることが好ましい。AlNOバッファ層2の形成速度が0.01nm/秒未満である場合にはAlNOバッファ層2が基板1の成長面上に均一に広がって成長せずに島状に成長して基板1の成長面を均一にAlNOバッファ層2が覆うことができず、基板1の成長面がAlNOバッファ層2から露出するおそれがある。また、AlNOバッファ層2の形成速度が1nm/秒を超える場合には、AlNOバッファ層2が非晶質となって、AlNOバッファ層2上に転位密度が小さく優れた結晶性を有する窒化物半導体層を成長させることができなくなるおそれがある。
次に、図5の模式的断面図に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、AlNOバッファ層2の表面上に窒化物半導体下地層3を積層する。
次に、図6の模式的断面図に示すように、MOCVD法によって、窒化物半導体下地層3の表面上に、n型窒化物半導体コンタクト層4、n型窒化物半導体クラッド層5、窒化物半導体活性層6、p型窒化物半導体クラッド層7およびp型窒化物半導体コンタクト層8をこの順に積層して積層体を形成する。
n型窒化物半導体コンタクト層4としては、たとえば、Alx2Gay2Inz2Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2≠0)にn型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。
n型窒化物半導体クラッド層5としては、たとえば、Alx3Gay3Inz3Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x3≦1、0≦y3≦1、0≦z3≦1、x3+y3+z3≠0)にn型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。n型窒化物半導体クラッド層5は、III族窒化物半導体からなる複数の窒化物半導体層をヘテロ接合した構造や超格子構造であってもよい。また、n型窒化物半導体クラッド層5のバンドギャップは、後述する窒化物半導体活性層6への光閉じ込めの観点から、窒化物半導体活性層6のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。n型窒化物半導体クラッド層5の厚さは特に限定されないが、好ましくは0.005μm以上0.5μm以下であり、より好ましくは0.005μm以上0.1μm以下である。n型窒化物半導体クラッド層5へのn型ドーパントのドーピング濃度については、良好な結晶性維持および素子の動作電圧低減の観点から、1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であることが好ましく、1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下であることがより好ましい。
また、窒化物半導体活性層6がたとえば単一量子井戸(SQW)構造を有する場合には、窒化物半導体活性層6としては、たとえば、Ga1-z4Inz4Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0<z4<0.4)を量子井戸層とするものを用いることができ、所望の発光波長となるようにIn組成や厚さを制御する。窒化物半導体活性層6の厚みは特に限定されないが、発光出力を向上させる観点からは、1nm以上10nm以下であることが好ましく、1nm以上6nm以下であることがより好ましい。
p型窒化物半導体クラッド層7としては、たとえばAlx6Gay6Inz6Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x6≦1、0≦y6≦1、0≦z6≦1、x6+y6+z6≠0)にp型ドーパントをドーピングした層などを積層することができ、なかでもAlx6Ga1-x6Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0<x6≦0.4、好ましくは0.1≦x6≦0.3)にp型ドーパントをドーピングした層を積層することが好ましい。なお、p型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムなどを用いることができる。
p型窒化物半導体コンタクト層8としては、たとえばAlx7Gay7Inz7Nの式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層(0≦x7≦1、0≦y7≦1、0≦z7≦1、x7+y7+z7≠0)にp型ドーパントをドーピングした層などを積層することができ、なかでもGaN層にp型ドーパントをドーピングした層を用いることが良好な結晶性の維持および良好なオーミック接触を得る観点から好ましい。
上記のn型窒化物半導体コンタクト層4、n型窒化物半導体クラッド層5、窒化物半導体活性層6、p型窒化物半導体クラッド層7およびp型窒化物半導体コンタクト層8がそれぞれIII族窒化物半導体から構成される場合には、これらの層はたとえば以下のようにしてMOCVD法によって積層される。
次に、図7の模式的断面図に示すように、p型窒化物半導体コンタクト層8の表面上にたとえばITO(Indium Tin Oxide)、ZnOまたはIZO(Indium Zinc Oxide)からなる透光性電極層9を形成した後に、透光性電極層9の表面上にp側電極10を形成する。その後、p側電極10の形成後の積層体の一部をエッチングにより除去することによって、n型窒化物半導体コンタクト層4の表面の一部を露出させる。
以上のようにして作製された実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子100においては、上述のように、基板1の成長面の法線方向(垂直方向)に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のAlNOバッファ層2の表面上に窒化物半導体下地層3、n型窒化物半導体コンタクト層4、n型窒化物半導体クラッド層5、窒化物半導体活性層6、p型窒化物半導体クラッド層7およびp型窒化物半導体コンタクト層8がこの順序で積層されているため、AlNOバッファ層2の表面上に積層されたこれら層については転位密度が低くなり優れた結晶性を有している。したがって、このような優れた結晶性を有する層から形成された実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子100は、動作電圧が低く、発光出力の高い素子となる。
図8に、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子100を用いた発光装置の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図8に示す構成の発光装置200は、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子100を第1のリードフレーム41上に設置した構成を有している。そして、窒化物半導体発光ダイオード素子100のp側電極10と第1のリードフレーム41とが第1のワイヤ45で電気的に接続されているとともに、窒化物半導体発光ダイオード素子100のn側電極11と第2のリードフレーム42とが第2のワイヤ44で電気的に接続されている。さらに、透明なモールド樹脂43で窒化物半導体発光ダイオード素子100がモールドされていることによって、発光装置200は砲弾型の形状とされている。
(a)全く酸素ガスを流さないで形成したサンプル1のAlNOバッファ層2の特性と、酸素ガスを微量(0.05%)流して形成したサンプル2のAlNOバッファ層2の特性はほぼ同等であった。サンプル1、2のAlNOバッファ層2のX線半値幅は、それぞれ、282[arcsec]、286[arcsec]であり、酸素濃度はともに2原子%であった。しかしながら、450nmの波長の光に対する屈折率は、サンプル1と2のAlNOバッファ層2において、それぞれ、2.11、2.08となっており、わずかながら違いがあった。一方、サンプル1とサンプル2のGaN層の特性は、大きな差が生じており、サンプル1とサンプル2のGaN層のGaN(004)を反射面とするX線半値幅は、それぞれ、642[arcsec]、53[arcsec]であった。
Claims (16)
- 基板(1)上にアルミニウムと窒素と酸素とを少なくとも含有するAlNOバッファ層(2)を形成する工程と、
前記AlNOバッファ層(2)上に窒化物半導体層(3,4,5,6,7,8)を形成する工程と、を含み、
前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、窒素ガスと酸素ガスとを連続的に導入して排気する雰囲気中においてアルミニウムをターゲット(26)とした反応性スパッタ法で形成され、
前記雰囲気は、前記窒素ガスの流量と前記酸素ガスの流量の合計に対する前記酸素ガスの流量の比が0.5%以下の雰囲気であることを特徴とする、窒化物半導体素子(100)の製造方法。 - 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記AlNOバッファ層(2)の酸素濃度が1原子%以上10原子%以下となるように形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記AlNOバッファ層(2)の酸素濃度が前記AlNOバッファ層(2)中で均一となるように形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記AlNOバッファ層(2)の波長450nmの光に対する屈折率が2以上2.1以下となるように形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記AlNOバッファ層(2)の膜厚が5nm以上100nm以下となるように形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記基板(1)の表面の90%以上を覆うように形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、前記基板(1)の温度が300℃以上1000℃以下の温度で形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)の形成直前の雰囲気の圧力が1×10-4Pa以下であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程に先立って、スパッタ装置のチャンバ内のダミー放電を行なう工程をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、0.2Pa以上の雰囲気の圧力下で形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記AlNOバッファ層(2)は、0.01nm/秒以上1nm/秒以下の形成速度で形成されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記基板(1)はサファイア基板を含み、
前記窒化物半導体層(3,4,5,6,7,8)は、n型窒化物半導体層(4,5)と、窒化物半導体活性層(6)と、p型窒化物半導体層(7,8)と、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。 - 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記反応性スパッタ法は100mm以上250mm以下の距離に配置された前記基板(1)と前記ターゲット(26)との間にDC−continuous方式により電圧を印加して行なわれるDCマグネトロンスパッタ法により行なわれることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 前記AlNOバッファ層(2)を形成する工程において、前記ターゲット(26)は前記基板(1)の表面に対して傾けて配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法。
- 請求項1に記載の窒化物半導体素子(100)の製造方法により製造された、窒化物半導体発光素子(100)。
- 請求項15に記載の窒化物半導体発光素子(100)を含む、発光装置(200)。
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