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技術 紫外域の短波長域において発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびにそれを用いた紫外発光素子

出願人 理化学研究所
発明者 平山秀樹青柳克信
出願日 2000年2月23日 (20年4ヶ月経過) 出願番号 2000-045318
公開日 2001年8月31日 (18年10ヶ月経過) 公開番号 2001-237455
状態 特許登録済
技術分野 ナノ構造物 重金属無機化合物(I) CVD 発光ダイオード LED素子(パッケージ以外)
主要キーワード ガス排出孔 窒化インジウムアルミニウム 導入割合 ガス導入孔 マイクロコンピューター ガスフロー 紫外発光素子 短波長域
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この項目の情報は公開日時点(2001年8月31日)のものです。
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図面 (8)

課題

波長360nm以下の紫外域短波長域において室温で高効率発光させる。

解決手段

Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるようにしたものである。

概要

背景

従来、波長360nm以下の紫外域短波長域において発光する紫外発光半導体として用いられてきたGaN(窒化ガリウム)やInGaN(窒化インジウムガリウム)やAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)などの窒化物半導体によってでは、360nm以下の紫外域の短波長域においては室温での高効率発光が得られないため、こうした窒化物半導体を用いて紫外域の短波長域において発光する紫外発光素子を実現することはできないものと認められていた。

即ち、現在までのところ、窒化物半導体を用いた短波長域の発光素子としては、発光ダイオードに関しては波長370nmまでしか実現されておらず、レーザーダイオードでは波長390nmまでしか実現されていなかった。

このため、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子の開発が強く望まれていた。

概要

波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光させる。

Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるようにしたものである。

目的

本発明は、上記したような従来からの強い要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子を提供しようとするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるものである紫外域短波長域において発光するInAlGaN。

請求項2

請求項1に記載の紫外域の短波長域において発光するInAlGaNにおいて、Inの組成比は6%以上である紫外域の短波長域において発光するInAlGaN。

請求項3

材料ガスとしてアンモニアトリメチルガリウムトリメチルインジウムアダクトおよびトリメチルアルミニウムを用いた有機金属気相成長法により、成長温度は830℃乃至950℃でInAlGaNを結晶成長させるものである紫外域の短波長域において発光するInAlGaNの製造方法。

請求項4

請求項3に記載の紫外域の短波長域において発光するInAlGaNの製造方法において、アンモニアの流量が2L/minであり、トリメチルガリウムの流量が2μmol/min乃至5μmol/minであり、トリメチルインジウムアダクトの流量が5μmol/min乃至60μmol/minであり、トリメチルアルミニウムの流量が0.5μmol/min乃至10μmol/minである紫外域の短波長域において発光するInAlGaNの製造方法。

請求項5

Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となる第1のInAlGaN層と、Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるものであって、前記第1のInAlGaN層とは組成比の異なる第2のInAlGaN層とを有し、前記第1のInAlGaN層と前記第2のInAlGaN層とを交互に複数層積層して形成した量子井戸構造を有するものである紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子

請求項6

請求項5に記載の紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子において、前記第1のInAlGaN層のInの組成比は6%以上である紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子。

技術分野

0001

本発明は、紫外域短波長域において発光するInAlGaN(窒化インジウムアルミニウムガリウム)およびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子に関し、さらに詳細には、室温において高効率で紫外域の短波長域において発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに室温において高効率で紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子に関する。

背景技術

0002

従来、波長360nm以下の紫外域の短波長域において発光する紫外発光半導体として用いられてきたGaN(窒化ガリウム)やInGaN(窒化インジウムガリウム)やAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)などの窒化物半導体によってでは、360nm以下の紫外域の短波長域においては室温での高効率発光が得られないため、こうした窒化物半導体を用いて紫外域の短波長域において発光する紫外発光素子を実現することはできないものと認められていた。

0003

即ち、現在までのところ、窒化物半導体を用いた短波長域の発光素子としては、発光ダイオードに関しては波長370nmまでしか実現されておらず、レーザーダイオードでは波長390nmまでしか実現されていなかった。

0004

このため、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子の開発が強く望まれていた。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記したような従来からの強い要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子を提供しようとするものである。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるようにしたものである。

0007

また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、Inの組成比を6%以上としたものである。

0008

また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、材料ガスとしてアンモニアトリメチルガリウムトリメチルインジウムアダクトおよびトリメチルアルミニウムを用いた有機金属気相成長法により、成長温度は830℃乃至950℃でInAlGaNを結晶成長させるようにしたものである。

0009

また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項3に記載の発明において、アンモニアの流量が2L/minであり、トリメチルガリウムの流量が2μmol/min乃至5μmol/minであり、トリメチルインジウムアダクトの流量が5μmol/min乃至60μmol/minであり、トリメチルアルミニウムの流量が0.5μmol/min乃至10μmol/minであるようにしたものである。

0010

また、本発明のうち請求項5に記載の発明は、Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となる第1のInAlGaN層と、Inの組成比が2%乃至20%であり、Alの組成比が10%乃至90%であって、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となるものであって、上記第1のInAlGaN層とは組成比の異なる第2のInAlGaN層とを有し、上記第1のInAlGaN層と上記第2のInAlGaN層とを交互に複数層積層して形成した量子井戸構造を有するようにしたものである。

0011

また、本発明のうち請求項6に記載の発明は、本発明のうち請求項5に記載の発明において、上記第1のInAlGaN層のInの組成比は6%以上であるようにしたものである。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による紫外域の短波長域において発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。

0013

ここで、本発明による紫外域の短波長域において発光するInAlGaN(以下、「本発明による紫外域の短波長域において発光するInAlGaN」を「紫外発光InAlGaN」と適宜に称する。)は、例えば、有機金属気相成長法を用いて結晶成長装置により半導体ウエハーなどの基板上に結晶薄膜として製造することができるものであり、図1には、こうした結晶成長装置の一例が示されている。

0014

即ち、図1は、紫外発光InAlGaNを製造するための結晶成長装置の概念構成説明図であり、この結晶成長装置10は、RF加熱コイル12により周囲を覆われた結晶成長反応炉14内に、表面に紫外発光InAlGaNを成長させる基板としての半導体ウエハー16を上面に配置するとともに当該半導体ウエハー16を加熱するためのサセプター18が配設されている。

0015

また、RF加熱コイル12にはRF電源20が接続されており、さらに、RF電源20にはマイクロコンピューターにより構成されたRF制御装置22が接続されている。

0016

そして、RF制御装置22によって、RF電源20はその出力を制御される。即ち、RF制御装置22によりRF電源20からRF加熱コイル12への給電が制御されるものであり、RF加熱コイル12はRF電源20からの給電に応じてサセプター18を加熱することになる。

0017

即ち、この結晶成長装置10においては、RF電源20からRF加熱コイル12への給電による渦電流誘起加熱により、サセプター18が加熱されるものである。

0018

なお、サセプター18は、例えば、カーボンなどにより形成されているものである。

0019

一方、結晶成長反応炉14には、半導体ウエハー16上に形成する紫外発光InAlGaNの材料となる材料ガスやキャリアガスなどの各種のガスを導入するためのガス導入孔14aと、結晶成長反応炉14内に導入された各種のガスを排出するためのガス排出孔14bとが形成されている。

0020

以上の構成において、サセプター18に配置された半導体ウエハー16上に紫外発光InAlGaNの結晶薄膜を形成するためには、キャリアガスとともに紫外発光InAlGaNの結晶薄膜を形成するために必要な材料となる材料ガスを、ガス導入孔14aから76Torrに減圧された結晶成長反応炉14内へ供給する。

0021

この際に、サセプター18内に埋め込まれた熱電対(図示せず)のモニターに基づいて、RF制御装置22により制御されたRF電源20からの給電に応じてRF加熱コイル12によってサセプター18が加熱されており、加熱されたサセプター18からの熱伝導によって、半導体ウエハー16も結晶成長により紫外発光InAlGaNの結晶薄膜を形成するのに最適な成長温度に加熱されるものである。

0022

このため、結晶成長反応炉14内に導入された材料ガスは熱により分解、反応して、半導体ウエハー16上に結晶成長により紫外発光InAlGaNの結晶薄膜が形成されることになる。

0023

ここで、紫外発光InAlGaNの結晶薄膜を形成するために必要とされる材料ガスは、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムアダクトおよびトリメチルアルミニウムである。また、キャリアガスは、水素および窒素である。

0024

なお、これら材料ガスの流量としては、例えば、アンモニアが2L/minであり、トリメチルガリウムが2μmol/min乃至5μmol/minであり、トリメチルインジウムアダクトが5μmol/min乃至60μmol/minであり、トリメチルアルミニウムが0.5μmol/min乃至10μmol/minである。

0025

また、キャリアガスの流量としては、水素が100cc/minであり、窒素が2L/minである。

0026

そして、紫外発光InAlGaNの結晶成長の成長温度は830℃乃至950℃であるので、半導体ウエハー16は830℃乃至950℃の温度に設定されるように加熱されるものである。

0027

また、紫外発光InAlGaNの結晶薄膜の成長速度は、120nm/hourに設定されている。

0028

なお、図2には、成長温度とガスフローとの関連図が示されており、図2に示すようなタイミングならびに成長温度で材料ガスが結晶成長反応炉14内に供給されるものである。

0029

ところで、図3に示すようにInGaNの結晶成長の成長温度は650℃乃至750℃であり、また、図2ならびに図3に示すようにAlGaNの結晶成長の成長温度は1000℃乃至1200℃であって、InGaNとAlGaNとは結晶成長の成長温度が大きく異なっているため、これまでInAlGaNの高品質結晶の作成は不可能であると見なされていた。

0030

しかしながら、本発明者による実験によれば、図2ならびに図3に示すように、InGaNの結晶成長の成長温度とAlGaNの結晶成長の成長温度との間の温度である830℃乃至950℃において、InAlGaNの高品質な結晶成長が行われ、紫外発光InAlGaNを得ることができるものであった。

0031

そして、こうして得られた紫外発光InAlGaNの組成比は、Inが2%乃至20%であり、Alが10%乃至90%である(なお、InとAlとGaとの組成比の合計が100%となる。)。なお、Inの組成比は、6%以上であることが好ましい。

0032

ここで、上記した紫外発光InAlGaNの気相成長においては、図4乃至図6を参照しながら後述するように、Alの導入により、Inの結晶への含有率が誘発的に増加されるものである。

0033

そして、AlGaNへの数%のInの導入により、紫外発光強度が著しく増強されることになった。

0034

即ち、紫外発光InAlGaNは、波長280nm乃至波長360nmの深紫外域の短波長域において室温で高効率発光が可能であり、この紫外発光InAlGaNを用いることにより、波長280nm乃至波長360nmの波長域において発光する紫外発光素子を作成することができるようになる。

0035

次に、材料ガスの流量についてアンモニアを2L/minとし、トリメチルガリウムを3μmol/minとし、トリメチルインジウムアダクトを60μmol/minとし、トリメチルアルミニウムを0.5μmol/minとするとともに、キャリアガスの流量について水素を100cc/minとし、窒素を2L/minとした場合において、成長温度830℃、成長速度120nm/hourで得られた紫外発光InAlGaNについての室温での実験結果を、図4乃至図6を参照しながら説明する。

0036

図4には、InGaNにAlを導入した効果について示されている。この図4に示されているように、InGaNへのAlの導入により、Inが誘発的に結晶に導入されることになる。そして、InGaNの組成比において、Inが6%であり、Alが16%のときに、最も発光強度が大きくなるものである。

0037

また、図5には、AlGaNにInを導入した効果について示されている。この図5に示されているように、AlGaNへのInの導入割合大きくするにつれて、発光強度が著しく増大してするものである。

0038

さらに、図6には、図7に示すようにSiC上にAlGaNのバッファー層を介して組成比の異なるInAlGaN層を積層して量子井戸構造を形成し、この量子井戸構造に波長257nmのレーザー光照射した際の紫外発光の結果が示されている。

0039

このように、InAlGaNは量子井戸構造で紫外発光するものであるので、組成比の異なるInAlGaN層を積層して形成した量子井戸構造を備えた発光ダイオードやレーザーダイオードなどの紫外発光素子を構成することができることになる。

0040

具体的に、図7に示すようにSiC上にAlGaNのバッファー層を介して形成するInAlGaN層をp型やn型にドーピングして積層することにより量子井戸構造を形成し、この量子井戸構造に電極を配設すればよい。

発明の効果

0041

本発明は、以上説明したように構成されているので、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率発光するInAlGaNおよびその製造方法ならびに紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを用いた紫外発光素子を提供することができるという優れた効果を奏する。

図面の簡単な説明

0042

図1本発明による紫外域の短波長域において発光するInAlGaNを有機金属気相成長法を用いて半導体ウエハーなどの基板上に結晶薄膜として製造する結晶成長装置の概念構成説明図である。
図2成長温度とガスフロートの関連図である。
図3窒化物半導体の気相成長に於ける成長温度範囲を示す説明図である。
図4InGaNにAlを導入した効果を示すグラフである。
図5AlGaNにInを導入した効果を示すグラフである。
図6InAlGaNの量子井戸からの紫外発光を示すグラフである。
図7SiC上にAlGaNのバッファー層を介してInAlGaNを積層して形成した量子井戸構造を示す概念構成説明図である。

--

0043

10結晶成長装置
12 RF加熱コイル
14結晶成長反応炉
14aガス導入孔
14bガス排出孔
16半導体ウエハー
18サセプター
20RF電源
22 RF制御装置

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