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JP2007214378A - 窒化物系半導体素子 - Google Patents

窒化物系半導体素子 Download PDF

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雅之 園部
Norikazu Ito
範和 伊藤
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一陽 堤
Tetsuya Fujiwara
徹也 藤原
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Abstract

【課題】活性層にＭｇ等の不純物が拡散することなく、結晶性を向上させる窒化物系半導体素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体素子は、ｎ−ＧａＮ層１０３と、ｎ−ＧａＮ層１０３上に形成された活性層１０４と、活性層１０４上に、ドーピング濃度５×１０19〜２×１０20個／cm3でＭｇをドーピングし、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された第１のＡｌＧａＮ層１０５と、第１のＡｌＧａＮ層１０５上に、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された第２のＡｌＧａＮ層１０６と、第２のＡｌＧａＮ層１０６上に形成された、ｐ−ＧａＮ層１０７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体素子に関する。
紫外〜緑色、又は、白色の光を発する発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、窒化ガリウム半導体発光素子がある。ＧａＮ系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。
例えば、図３に示すように、サファイア基板２０１の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて、ＧａＮ低温バッファ層２０２、ｎ−ＧａＮ層２０３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２０４等が順に形成され、活性層２０４上には、ｐ−ＧａＮ層２０７等が順に形成される。
しかしながら、図３に示す構造によると、ｐ−ＧａＮ層２０７にドーパントとして含まれるＭｇなどの不純物が、活性層２０４に拡散し、活性層２０４を劣化させることがあった。
このような不純物の拡散を防止するため、活性層とｐ-ＧａＮ層の間に、活性層と同等の成長温度で形成させた、ｐ-ＡｌＧａＮ層を有する構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。即ち、図４に示すように、サファイア基板３０１の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ低温バッファ層３０２、ｎ−ＧａＮ層３０３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０４等が順に形成され、活性層２０４上には、低温でｐ-ＡｌＧａＮ層３０８が形成され、その上に、ｐ−ＧａＮ層３０７等が順に形成される。
特開２０００−２０８８１４号公報
しかしながら、図４に示す構造によると、低温でｐ-ＡｌＧａＮ層３０８を形成するため、結晶性が悪くなり、ｐ型化しにくくなるという問題があった。
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、活性層にＭｇ等の不純物が拡散することなく、結晶性を向上させる窒化物系半導体素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、（ａ）基板上に形成された、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層と、（ｂ）窒化物系半導体層上に形成された活性層と、（ｃ）活性層上に、ドーピング濃度５×１０19〜２×１０20個／cm3のＭｇをドーピングし、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された第１のＡｌＧａＮ層と、（ｄ）第１のＡｌＧａＮ層上に、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された、第２のＡｌＧａＮ層とを備える窒化物系半導体素子であることを要旨とする。
本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子によると、第１のＡｌＧａＮ層が活性層の保護膜の役割を果たし、最適の濃度である第２のＡｌＧａＮ層を成長させることができるため、活性層にＭｇ等の不純物が拡散することなく、窒化物系半導体層の結晶性を向上させることができる。
又、本発明の特徴に係る窒化物系半導体素子において、第１のＡｌＧａＮ層の厚みは、５〜１０ｎｍであることが好ましい。
本発明によると、活性層にＭｇ等の不純物が拡散することなく、結晶性を向上させる窒化物系半導体素子を提供することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（窒化物系発光ダイオード素子）
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の断面図である。窒化物系発光ダイオード素子は、図１に示すように、サファイア基板１０１上に、ＧａＮ低温バッファ層１０２が形成され、ＧａＮ低温バッファ層１０２上に、ｎ型ＧａＮ層１０３が形成され、ｎ型ＧａＮ層１０３上に、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１０４が形成され、活性層１０４上に、第１のＡｌＧａＮ層１０５が形成され、第１のＡｌＧａＮ層１０５上に、第２のＡｌＧａＮ層１０６が形成され、第２のＡｌＧａＮ層１０６上に、ｐ型ＧａＮ層１０７が形成される。
このように、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子では、活性層１０４の直上にあるＡｌＧａＮ層は、２層構造である。活性層１０４に近い、第１のＡｌＧａＮ層１０５は、Ｍｇのドーピング濃度が高く、高温で成長させる。又、ｐ型半導体層１０７に近い、第２のＡｌＧａＮ層１０６は、高温で成長させ、ＡｌＧａＮそのものの結晶性を向上させる。
具体的には、第１のＡｌＧａＮ層１０５は、ドーピング濃度５×１０19〜２×１０20個／cm3のＭｇをドーピングし、９００〜１２００℃の範囲（例えば、１０１０℃）の成長温度で形成される。
又、第２のＡｌＧａＮ層１０６は、ドーピング濃度２〜４×１０19個／cm3のＭｇをドーピングし、９００〜１２００℃の範囲（例えば、１０６０℃）の成長温度で形成される。
（窒化物系発光ダイオード素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法について、説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法を説明するための断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板１０１上に、低温ＧａＮバッファ層１０２を形成する。
例えば、サファイア基板１０１を約４００〜７００℃の温度に保持した状態で、ＮＨ3及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）からなる原料ガスを用いて、サファイア基板１０１の（０００１）面上に、アンドープの非単結晶のＧａＮからなるバッファ層を成長させる。
次に、低温ＧａＮバッファ層１０２上に、ｎ型ＧａＮ層１０３を形成する。
例えば、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ3及びＴＭＧからなる原料ガスを用いて、バッファ層上に、アンドープの単結晶のＧａＮからなる下地層を成長させる。
次に、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０５０℃）の成長温度に保持した状態で、ＮＨ3及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＳｉＨ4からなるドーパントガスとを用いて、下地層上に、Ｓｉがドープされた単結晶のＧａＮからなるｎ型コンタクト層を成長させる。
このように、ｎ型ＧａＮ層１０３は、下地層、ｎ型コンタクト層等から構成される。又、例えば、ｎ型ＧａＮ層１０３の厚みは、約４〜６μｍである。
次に、サファイア基板１０１を約７００〜８００℃（例えば、７６０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｎ2からなるキャリアガスを導入しつつ、ＮＨ3、ＴＭＧあるいはＴＭＩ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスを用いて、ｎ型ＧａＮ層１０３上に、アンドープの単結晶のＩｎＧａＮからなる活性層１０４を成長させる。活性層１０４は、井戸層と障壁層を交互に成長させたＭＱＷ構造であり、例えば、井戸層を５層、障壁層を６層交互に有する。又、例えば、活性層１０４の厚みは、約０．１μｍである。
次に、図２（ｂ）に示すように、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ2及びＮ2からなるキャリアガスと、ＮＨ3、ＴＭＧ及びＴＭＡからなる原料ガスと、ＣＰ2Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、活性層１０４上に、Ｍｇがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなる第１のＡｌＧａＮ層１０５を成長させる。このとき、Ｍｇのドーピング濃度は、５×１０19〜２×１０20個／cm3と高濃度である。又、例えば、第１のＡｌＧａＮ層１０５のＡｌ組成は、５〜１５％であり、第１のＡｌＧａＮ層１０５の厚みは、約５ｎｍである。
次に、図２（ｃ）に示すように、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０６０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ2及びＮ2からなるキャリアガスと、ＮＨ3、ＴＭＧ及びＴＭＡからなる原料ガスと、ＣＰ2Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、第１のＡｌＧａＮ層１０５上に、Ｍｇがドープされた単結晶のＡｌＧａＮからなる第２のＡｌＧａＮ層１０６を成長させる。このとき、Ｍｇのドーピング濃度は、２〜４×１０19個／cm3と、第１のＡｌＧａＮ層１０５と比べ、低濃度である。又、第２のＡｌＧａＮ層１０６の成長温度は、第１のＡｌＧａＮ層１０５の成長温度よりも高い。又、例えば、第２のＡｌＧａＮ層１０６のＡｌ組成は、５〜１５％であり、第２のＡｌＧａＮ層１０６の厚みは、約１５ｎｍである。
次に、図２（ｄ）に示すように、サファイア基板１０１を約９００〜１２００℃（例えば、１０１０℃）の成長温度に保持した状態で、Ｈ2及びＮ2からなるキャリアガスと、ＮＨ3及びＴＭＧからなる原料ガスと、ＣＰ2Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、第２のＡｌＧａＮ層１０６上に、ｐ型ＧａＮ層１０７を成長させる。又、例えば、ｐ型ＧａＮ層１０７の厚みは、約０．０５〜０．２μｍである。
この後、例えば、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＺｎＯ等からなるｐ型電極を、真空蒸着法、スパッタ法等により順次形成する。
（作用及び効果）
本実施形態に係る窒化物系半導体素子は、活性層１０４の直上のＡｌＧａＮ層が２層構造であり、活性層１０４に近い第１のＡｌＧａＮ層１０５は、高ドーピング濃度で、活性層１０４の成長温度よりも高い高温で成長させる。本実施形態に係る窒化物系半導体素子によると、第１のＡｌＧａＮ層１０５が活性層１０４の保護膜の役割を果たし、最適の濃度である第２のＡｌＧａＮ層１０６を成長させることができるため、活性層１０４にＭｇ等の不純物が拡散することなく、第２のＡｌＧａＮ層１０６及びｐ型ＧａＮ層１０７の結晶性を向上させることができる。
又、第１のＡｌＧａＮ層１０５における、Ｍｇのドーピング濃度が高いため、ホールが多くなり、発光効率が向上する。このとき、低温で第１のＡｌＧａＮ層１０５を形成すると、欠陥が多くなるため、高温で第１のＡｌＧａＮ層１０５を形成させている。
又、第１のＡｌＧａＮ層１０５を高温で成長させることにより、活性層１０４中のＩｎなどが飛ぶことを防止するため、第１のＡｌＧａＮ層１０５は、短時間で薄く形成する必要がある。このため、第１のＡｌＧａＮ層１０５の厚みは、５〜１０ｎｍであることが好ましい。
更に、第１のＡｌＧａＮ層１０５はＭｇを多く含むが、高温で成長させているため結晶性が良く、Ｍｇの活性層１０４への拡散は発生しにくい。
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、本発明の実施の形態では、主として、窒化物半導体素子層の活性層から放出される光を利用する発光ダイオードの製造方法について例示したが、本発明はこれに限らず、半導体レーザやこれら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。又、窒化物系半導体素子層を有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、受光素子への応用が可能である。
又、本発明の実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させる説明したが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法やガスソースＭＢＥ法などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。又、窒化物系化合物半導体の結晶構造として、ウルツ鉱型であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。又、成長の面方位は、（０００１）に限るものではなく、（１１−２０）や（１−１００）でもよい。
又、本発明の実施の形態では、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮからなる層以外の層を含む窒化物系半導体素子層を用いてもよい。又、半導体素子層の形状は、メサ構造、リッジ構造などの電流狭窄造を有するものでもよい。
又、本発明の実施の形態では、窒化物系半導体素子層の成長用基板として、サファイア基板を用いたが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の成長の可能な基板、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル、そしてＧａＮ等が使用可能である。
又、本発明の実施の形態では、ｎ型半導体層上に活性層、ｐ型半導体層を積層したが、ｐ型半導体層上に活性層、ｎ型半導体層を積層しても構わない。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。 従来の窒化物系半導体素子の断面図である（その１）。 従来の窒化物系半導体素子の断面図である（その２）。
符号の説明
１０１、２０１、３０１…基板
１０２、２０２、３０２…低温バッファ層
１０３、２０３、３０３…ｎ−ＧａＮ層
１０４、２０４、３０４…活性層
１０５…第１のＡｌＧａＮ層
１０６…第２のＡｌＧａＮ層
１０７、２０７、３０７…ｐ−ＧａＮ層
３０８…ｐ-ＡｌＧａＮ層

Claims (2)

  1. 基板上に形成された、少なくとも１層以上の窒化物系半導体層と、
    前記窒化物系半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に、ドーピング濃度５×１０19〜２×１０20個／cm3でＭｇをドーピングし、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された第１のＡｌＧａＮ層と、
    前記第１のＡｌＧａＮ層上に、９００〜１２００℃の範囲の成長温度で形成された第２のＡｌＧａＮ層と
    を備えることを特徴とする窒化物系半導体素子。
  2. 前記第１のＡｌＧａＮ層の厚みは、５〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子。

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