JPH08213656A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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- JPH08213656A JPH08213656A JP7310804A JP31080495A JPH08213656A JP H08213656 A JPH08213656 A JP H08213656A JP 7310804 A JP7310804 A JP 7310804A JP 31080495 A JP31080495 A JP 31080495A JP H08213656 A JPH08213656 A JP H08213656A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ｐ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合
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、発光素子をダブルへテ
ロ、シングルへテロ構造可能な構造とできる窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子を提供する。 【構成】 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型不純物がドー
プされた窒化ガリウム系化合物半導体層とを成長させた
後、全体を４００℃以上の温度でアニーリングすること
により得られた、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有す
る。
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、発光素子をダブルへテ
ロ、シングルへテロ構造可能な構造とできる窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子を提供する。 【構成】 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型不純物がドー
プされた窒化ガリウム系化合物半導体層とを成長させた
後、全体を４００℃以上の温度でアニーリングすること
により得られた、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】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
光素子に係り、詳しくは、ｐ−ｎ接合を有する発光素子
に関する。
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
光素子に係り、詳しくは、ｐ−ｎ接合を有する発光素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色発光素子は、II-VI族のＺｎＳｅ、I
V-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
（Ｉｎ XＡｌYＧａ1-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。
V-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
（Ｉｎ XＡｌYＧａ1-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
ルへテロ、シングルへ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、即ち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
ルへテロ、シングルへ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、即ち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、即ち極表面し
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、即ち極表面し
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
をダブルへテロ、シングルへ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
をダブルへテロ、シングルへ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】本発明の窒化物半導体発
光素子は、気相成長法により、基板上に、少なくともｎ
型窒化物半導体層とｐ型不純物がドープされた窒化物半
導体層とを成長させた後、全体を４００℃以上の温度で
アニーリングすることにより得られた、少なくとも一つ
のｐ−ｎ接合を有することを特徴とする。
光素子は、気相成長法により、基板上に、少なくともｎ
型窒化物半導体層とｐ型不純物がドープされた窒化物半
導体層とを成長させた後、全体を４００℃以上の温度で
アニーリングすることにより得られた、少なくとも一つ
のｐ−ｎ接合を有することを特徴とする。
【０００９】アニーリング（Annealing：焼きなまし）
はｐ型不純物をドープした窒化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を用いて行って
もよい。アニーリング雰囲気は真空中、Ｎ2、Ｈｅ、Ｎ
ｅ、Ａｒ等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス雰囲
気中で行い、好ましくは、アニーリング温度における窒
化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。
はｐ型不純物をドープした窒化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を用いて行って
もよい。アニーリング雰囲気は真空中、Ｎ2、Ｈｅ、Ｎ
ｅ、Ａｒ等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス雰囲
気中で行い、好ましくは、アニーリング温度における窒
化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型窒化物半導体が得られる。
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型窒化物半導体が得られる。
【００１２】また、アニーリング中の、窒化物半導体の
分解を抑える手段として、ｐ型不純物をドープした窒化
物半導体層の上にさらにキャップ層を形成させたのち、
アニーリングを行ってもよい。キャップ層とは、即ち保
護膜であって、それをｐ型不純物をドープした窒化物半
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。
分解を抑える手段として、ｐ型不純物をドープした窒化
物半導体層の上にさらにキャップ層を形成させたのち、
アニーリングを行ってもよい。キャップ層とは、即ち保
護膜であって、それをｐ型不純物をドープした窒化物半
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、Ｓｉ
Ｏ2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
０．０１〜５μｍ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５μ
ｍ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、Ｓｉ
Ｏ2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
０．０１〜５μｍ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５μ
ｍ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。これは、ＭＯＣＶＤ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４μ
ｍ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。
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。これは、ＭＯＣＶＤ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４μ
ｍ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、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、７００℃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ＧａＮ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８×１０10／cm3であったのに対し、アニーリング後
のＧａＮ層は抵抗率２Ω・cm、ホールキャリア濃度２×
１０17／cm3であった。また、この図はＧａＮについて
示した図であるが、同じくｐ型不純物をドープしたＩｎ
XＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）におい
ても同様の結果が得られることが確かめられた。
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、７００℃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ＧａＮ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８×１０10／cm3であったのに対し、アニーリング後
のＧａＮ層は抵抗率２Ω・cm、ホールキャリア濃度２×
１０17／cm3であった。また、この図はＧａＮについて
示した図であるが、同じくｐ型不純物をドープしたＩｎ
XＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）におい
ても同様の結果が得られることが確かめられた。
【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。即ち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。即ち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。
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】即ち、窒化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
た窒化物半導体は高抵抗を示す。
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。
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。
【００２４】
【実施例】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５
１０℃にまで冷却し、５１０℃においてＧａ源としてＴ
ＭＧ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。
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５
１０℃にまで冷却し、５１０℃においてＧａ源としてＴ
ＭＧ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ガスのみを止めて温度を１０３
０℃まで上昇させた後、再びＴＭＧガスを５４×１０-6
モル／分、新たにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）ガスを３．６×１０-6モル／分で流しなが
ら６０分間成長させて、ＭｇをドープしたＧａＮ層を４
μｍの膜厚で成長させる。
０℃まで上昇させた後、再びＴＭＧガスを５４×１０-6
モル／分、新たにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）ガスを３．６×１０-6モル／分で流しなが
ら６０分間成長させて、ＭｇをドープしたＧａＮ層を４
μｍの膜厚で成長させる。
【００２６】冷却後、以上を成長させたウエハーを反応
容器から取り出し、アニーリング装置に入れ、常圧、窒
素雰囲気中で８００℃で２０分間保持してアニーリング
を行った。
容器から取り出し、アニーリング装置に入れ、常圧、窒
素雰囲気中で８００℃で２０分間保持してアニーリング
を行った。
【００２７】アニーリングして得られたｐ型ＧａＮ層の
ホール測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、ホールキャ
リア濃度２×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示した。
ホール測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、ホールキャ
リア濃度２×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示した。
【００２８】［実施例２］実施例１において、Ｍｇドー
プＧａＮ層を成長させた後、Ｃｐ2Ｍｇガスを止め、続
いてキャップ層としてＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成
長させる。
プＧａＮ層を成長させた後、Ｃｐ2Ｍｇガスを止め、続
いてキャップ層としてＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成
長させる。
【００２９】実施例１と同様にアニーリング装置におい
て、常圧下、窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気中、８０
０℃で２０分間アニーリングを行う。その後、ドライエ
ッチングにより、表面から０．５μｍの層を取り除き、
キャップ層を除去してｐ型ＧａＮ層を露出させ、同様に
ホール測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、キャリア濃
度１．５×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示した。な
おフォトルミネッセンスの４５０ｎｍの青色発光強度
は、実施例１と比較して約４倍強かった。
て、常圧下、窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気中、８０
０℃で２０分間アニーリングを行う。その後、ドライエ
ッチングにより、表面から０．５μｍの層を取り除き、
キャップ層を除去してｐ型ＧａＮ層を露出させ、同様に
ホール測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、キャリア濃
度１．５×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示した。な
おフォトルミネッセンスの４５０ｎｍの青色発光強度
は、実施例１と比較して約４倍強かった。
【００３０】［実施例３］実施例１において、Ｍｇドー
プＧａＮ層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、アニーリング装置において、２０気圧、窒素雰
囲気中、８００℃で２０分間アニーリングを行う。ホー
ル測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、キャリア濃度
２．０×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示し、フォト
ルミネッセンスの４５０ｎｍの発光強度は、実施例１に
比較して約４倍強かった。
プＧａＮ層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、アニーリング装置において、２０気圧、窒素雰
囲気中、８００℃で２０分間アニーリングを行う。ホー
ル測定を行った結果、抵抗率２Ω・cm、キャリア濃度
２．０×１０17／cm3と優れたｐ型特性を示し、フォト
ルミネッセンスの４５０ｎｍの発光強度は、実施例１に
比較して約４倍強かった。
【００３１】［実施例４］実施例１において、Ｍｇドー
プＧａＮ層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、プラズマＣＶＤ装置を用い、その上にキャップ
層としてＳｉＯ2層を０．５μｍの膜厚で形成する。
プＧａＮ層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、プラズマＣＶＤ装置を用い、その上にキャップ
層としてＳｉＯ2層を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００３２】アニーリング装置において、窒素雰囲気、
大気圧中、１０００℃で２０分間アニーリングを行う。
その後、フッ酸でＳｉＯ2キャップ層を取り除き、ｐ型
ＧａＮ層を露出させ、同様にホール測定を行った結果、
抵抗率２Ω・cm、キャリア濃度２．０×１０17／cm3と優
れたｐ型特性を示した。またフォトルミネッセンスの４
５０ｎｍの発光強度は、キャップ層を形成せず同一条件
でアニーリングを行ったものと比較して、約２０倍も強
かった。
大気圧中、１０００℃で２０分間アニーリングを行う。
その後、フッ酸でＳｉＯ2キャップ層を取り除き、ｐ型
ＧａＮ層を露出させ、同様にホール測定を行った結果、
抵抗率２Ω・cm、キャリア濃度２．０×１０17／cm3と優
れたｐ型特性を示した。またフォトルミネッセンスの４
５０ｎｍの発光強度は、キャップ層を形成せず同一条件
でアニーリングを行ったものと比較して、約２０倍も強
かった。
【００３３】［実施例５］実施例１において、Ｍｇドー
プＧａＮ層を成長させた後、引き続き、Ｃｐ2Ｍｇガス
を止め、新たにＴＭＡガスを６×１０-6モル／分とＳｉ
Ｈ4（モノシラン）ガスを２．２×１０-10モル／分を２
０分間流して、Ｓｉがドープされたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1
Ｎ層を０．８μｍの厚さで成長させる。
プＧａＮ層を成長させた後、引き続き、Ｃｐ2Ｍｇガス
を止め、新たにＴＭＡガスを６×１０-6モル／分とＳｉ
Ｈ4（モノシラン）ガスを２．２×１０-10モル／分を２
０分間流して、Ｓｉがドープされたｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1
Ｎ層を０．８μｍの厚さで成長させる。
【００３４】ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＳｉＨ4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、ウエハーを取りだして、アニーリング装
置に入れ、窒素雰囲気中で７００℃で２０分間保持して
アニーリングを行う。
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、ウエハーを取りだして、アニーリング装
置に入れ、窒素雰囲気中で７００℃で２０分間保持して
アニーリングを行う。
【００３５】このようにしてサファイア基板上にｐ型Ｇ
ａＮ層とｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層が順に積層されたシン
グルへテロ構造の素子ができた。この素子の窒化物半導
体層を、常法に従いｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層の一部をエ
ッチングしてｐ型ＧａＮ層の一部を露出させ、それぞれ
の層にオーミック電極をつけた後、ダイシングソーでチ
ップ状にカットした。露出したｎ型層およびｐ型層から
電極を取りだし、その後モールドして青色発光ダイオー
ドを作製した。この発光ダイオードの特性は順方向電流
２０ｍＡ、順方向電圧５Ｖで発光出力９０μＷの青色発
光を示し、ピーク波長は４３０ｎｍであった。この発光
出力は青色発光ダイオードの出力としては過去に報告さ
れたことがない高い値である。
ａＮ層とｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層が順に積層されたシン
グルへテロ構造の素子ができた。この素子の窒化物半導
体層を、常法に従いｎ型Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層の一部をエ
ッチングしてｐ型ＧａＮ層の一部を露出させ、それぞれ
の層にオーミック電極をつけた後、ダイシングソーでチ
ップ状にカットした。露出したｎ型層およびｐ型層から
電極を取りだし、その後モールドして青色発光ダイオー
ドを作製した。この発光ダイオードの特性は順方向電流
２０ｍＡ、順方向電圧５Ｖで発光出力９０μＷの青色発
光を示し、ピーク波長は４３０ｎｍであった。この発光
出力は青色発光ダイオードの出力としては過去に報告さ
れたことがない高い値である。
【００３６】一方、アニーリングをせず、同様のシング
ルへテロ構造を有する発光ダイオードを製作したとこ
ろ、この発光ダイオードは順方向電流２０ｍＡにおい
て、順方向電圧は６０Ｖ近くもあり、しかも発光は微か
には黄色っぽく光るのみで、すぐに壊れてしまい発光出
力は測定不能であった。
ルへテロ構造を有する発光ダイオードを製作したとこ
ろ、この発光ダイオードは順方向電流２０ｍＡにおい
て、順方向電圧は６０Ｖ近くもあり、しかも発光は微か
には黄色っぽく光るのみで、すぐに壊れてしまい発光出
力は測定不能であった。
【００３７】［実施例６］実施例１と同様にしてサファ
イア基板の上にＧａＮバッファ層を２００オングストロ
ームの膜厚で形成する。
イア基板の上にＧａＮバッファ層を２００オングストロ
ームの膜厚で形成する。
【００３８】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。
【００３９】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。
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。
【００４０】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。
【００４１】このようにして得られた素子を実施例４と
同様にして発光ダイオードにして発光させたところ４３
０ｎｍ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５０μＷであり、順方向電圧は同じく２
０ｍＡ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、２
０ｍＡ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。
同様にして発光ダイオードにして発光させたところ４３
０ｎｍ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５０μＷであり、順方向電圧は同じく２
０ｍＡ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、２
０ｍＡ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。
【００４２】
【発明の効果】以上述べたように本発明の発光素子は、
従来ｐ型不純物をドープしても低抵抗なｐ型とならなか
った窒化物半導体に対して、低抵抗なｐ型を有してｐ−
ｎ接合が実現できるため、数々の構造の素子を提供する
ことができる。さらに、従来の電子線照射による方法で
は最上層の極表面しか低抵抗化できなかったが、本発明
ではアニーリングによってｐ型不純物がドープされた窒
化物半導体層を全体をｐ型化できるため、面内均一にし
かも深さ方向均一にｐ型化でき、しかもどこの層にでも
ｐ型層を形成できる。また厚膜の層を形成することがで
きるため、高輝度な青色発光素子を得ることができる。
従来ｐ型不純物をドープしても低抵抗なｐ型とならなか
った窒化物半導体に対して、低抵抗なｐ型を有してｐ−
ｎ接合が実現できるため、数々の構造の素子を提供する
ことができる。さらに、従来の電子線照射による方法で
は最上層の極表面しか低抵抗化できなかったが、本発明
ではアニーリングによってｐ型不純物がドープされた窒
化物半導体層を全体をｐ型化できるため、面内均一にし
かも深さ方向均一にｐ型化でき、しかもどこの層にでも
ｐ型層を形成できる。また厚膜の層を形成することがで
きるため、高輝度な青色発光素子を得ることができる。
【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。
をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
Claims (1)
- 【請求項１】 気相成長法により、基板上に、少なくと
もｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型不純物が
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
せた後、全体を４００℃以上の温度でアニーリングする
ことにより得られた、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7310804A JPH08213656A (ja) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7310804A JPH08213656A (ja) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35704691A Division JP2540791B2 (ja) | 1991-11-08 | 1991-12-24 | ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08213656A true JPH08213656A (ja) | 1996-08-20 |
Family
ID=18009641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7310804A Pending JPH08213656A (ja) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08213656A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0940490A (ja) * | 1995-07-27 | 1997-02-10 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム結晶の製造方法 |
| US6117700A (en) * | 1998-09-09 | 2000-09-12 | Matsushita Electronics Corporation | Method for fabricating semiconductor device having group III nitride |
| US6562129B2 (en) | 2000-04-21 | 2003-05-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Formation method for semiconductor layer |
| JPWO2007007589A1 (ja) * | 2005-07-08 | 2009-01-29 | 日本電気株式会社 | 電界効果トランジスタおよびその製造方法 |
| JP2011084469A (ja) * | 1997-10-30 | 2011-04-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ＧａＮ単結晶基板の製造方法及びインゴット |
-
1995
- 1995-11-29 JP JP7310804A patent/JPH08213656A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0940490A (ja) * | 1995-07-27 | 1997-02-10 | Hitachi Cable Ltd | 窒化ガリウム結晶の製造方法 |
| JP2011084469A (ja) * | 1997-10-30 | 2011-04-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ＧａＮ単結晶基板の製造方法及びインゴット |
| US6117700A (en) * | 1998-09-09 | 2000-09-12 | Matsushita Electronics Corporation | Method for fabricating semiconductor device having group III nitride |
| US6562129B2 (en) | 2000-04-21 | 2003-05-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Formation method for semiconductor layer |
| US7108745B2 (en) | 2000-04-21 | 2006-09-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Formation method for semiconductor layer |
| JPWO2007007589A1 (ja) * | 2005-07-08 | 2009-01-29 | 日本電気株式会社 | 電界効果トランジスタおよびその製造方法 |
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