図面 (/)

この項目の情報は公開日時点(2003年4月11日)のものです。
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図面 (5)

課題

Inを多く含ませて600nm以上の長波長発光を可能にする。

解決手段

基板11上にn型GaN層13を1130℃で形成し、640℃で成長したGaInN層と900℃で成長したGaN層の3周期発光層14を形成し、その上に、p型AlGaN層15a、p型GaN層15bを900℃で成長形成し、その後、厚さ200nmのSiO2 膜16を形成し、1000℃の反応室で10分間加熱処理し、その後、SiO2 膜16を除去して電極を付けた。波長600nm以上の発光を確認できた。

概要

背景

この種の発光素子はn型窒化物系化合物半導体層とp型窒化物系化合物半導体層との間にインジウムを含んだ窒化物系化合物半導体発光層が形成されている。この発光層におけるインジウムの量を調整することによりバンドギャップを変更して紫外から可視光領域までの発光が可能である。インジウムの量を多くする程、発光波長が長くなる。窒化物系化合物半導体では窒化インジウム平衡蒸気圧が高いためインジウムを多量に取込むには、成長温度を低くする必要がある。

概要

Inを多く含ませて600nm以上の長波長の発光を可能にする。

基板11上にn型GaN層13を1130℃で形成し、640℃で成長したGaInN層と900℃で成長したGaN層の3周期発光層14を形成し、その上に、p型AlGaN層15a、p型GaN層15bを900℃で成長形成し、その後、厚さ200nmのSiO2 膜16を形成し、1000℃の反応室で10分間加熱処理し、その後、SiO2 膜16を除去して電極を付けた。波長600nm以上の発光を確認できた。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

導電型窒化物系化合物半導体層上にインジウムを含む窒化物系化合物半導体を500〜700℃で成長させて発光層を形成し、その発光層上に他導電型窒化物系化合物半導体層を、上記発光層が破壊されない程度の温度で成長形成し、その後、アニール処理することを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

請求項2

上記アニール処理の前に上記他導電型窒化物系化合物半導体層上に保護膜を形成することを特徴とする請求項1記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

請求項3

上記アニール処理を不活性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

技術分野

0001

この発明は発光層インジウムを含む窒化物系化合物半導体、Bx Aly Ga1-x-y-z Inz N(0<x<1、0<y<1、0<z<1)よりなる発光素子の製造方法に関する。

背景技術

0002

この種の発光素子はn型窒化物系化合物半導体層とp型窒化物系化合物半導体層との間にインジウムを含んだ窒化物系化合物半導体の発光層が形成されている。この発光層におけるインジウムの量を調整することによりバンドギャップを変更して紫外から可視光領域までの発光が可能である。インジウムの量を多くする程、発光波長が長くなる。窒化物系化合物半導体では窒化インジウム平衡蒸気圧が高いためインジウムを多量に取込むには、成長温度を低くする必要がある。

発明が解決しようとする課題

0003

窒化物系化合物半導体の発光素子においては、n型窒化物化合物半導体層及びp型窒化物化合物半導体層にそれぞれ素子電極が形成されるが、この電極が形成される部分の半導体層は高品質と低抵抗が必要とされている。このため、これらの半導体層の結晶成長を、例えば有機金属気相成長法では、基板温度を1000℃以上、具体的には青色発光素子の製造時には、1130℃、緑色発光素子の製造時には1080℃として行っていた。

0004

一方、インジウムを含んだ窒化物系化合物半導体の成長、特に長波長発光用には、インジウムの含有量を多くするためには、窒化インジウムの平衡蒸気圧が高いため、発光層の成長温度を700℃より低い温度で成長させる必要があった。しかしその後のp型窒化物系化合物半導体層の形成を、1000℃以上の高い温度で成長させるため、発光層が破壊されて、発光し難くなる。このp型窒化物系化合物半導体層の成長を、発光層が破壊しない程度の低い温度で行うと、このp型半導体層の結晶性が悪く、表面が粗くでこぼこしており、そこに電極を付けても、素子抵抗が大きくなり、電流が流れず、発光しないという問題があった。従来では560nm以上の波長の発光素子を作るのが困難であった。なお緑色の発光素子の場合、前述したように発光層を700℃程度で成長させ、p型半導体層を1080℃で成長させているが、この場合、緑色の発光をするが、発光層が破壊されて弱い光しか出ない。

課題を解決するための手段

0005

この発明によれば、1導電型窒化物系化合物半導体層上にインジウムを含む窒化物系化合物半導体を500℃以上、700℃より低い温度で成長させて発光層を形成し、その発光層上に他導電型窒化物系化合物半導体層を、上記発光層が破壊されない程度の低い温度で成長形成し、その後、アニール処理する。アニール処理の好ましい温度は900℃〜1000℃である。

0006

好ましくは上記アニール処理の前に上記他導電型窒化物系化合物半導体層上に保護膜を形成する。また好ましくは上記アニール処理を不活性雰囲気中で行う。

発明を実施するための最良の形態

0007

この発明の実施形態を図面を参照して説明する。まず結晶成長工程において、1導電型層−発光層−他導電型層を同一の成長装置、例えばMOCVD有機金属気相成長)装置内で成長形成する。例えば図1及び図2Aに示すようにサファイア基板11のC面(0001)上に導電型を構成する不純物を含まないGaNのバッファ層12を成長形成する(S1)、バッファ層12の厚さは例えば30nm程度であり、基板温度は500℃とした。またバッファ層12の成長形成は、反応室原料ガスを供給して化学反応させ、所望の窒化物系化合物半導体の単結晶を成長させる。これは従来のこの種の成長形成方法と同様であり、以下の成長形成も同様である。

0008

次にn型不純物例えばシリコンSiをドーピングしたn−GaN層13を、基板温度1130℃で4μm程度の厚さに成長形成する(S2)。その後、インジウムInを含む窒化物系化合物半導体を、基板温度500℃以上、700℃より低い温度で発光層14を形成する(S3)。発光層14は例えば図2Bに示すように、インジウムInを含む窒化物系化合物半導体GaInNの層14aとインジウムを含まない窒化物系化合物半導体GaNの層14bとの積層体が3層形成された3周期多重量子井戸層として構成される。この発光層14は例えば図1に示すように、640℃程度の基板温度で厚さ3nm程度Ga0.7 In0.3N層14aを成長形成し(S3a)、そのGaInN層14a上に900℃程度の基板温度で厚さ9nm程度のGaN層14bを成長形成し(S3b)、その後、このGaInN層14aの成長形成工程(S3a)とGaN層14bの成長形成工程(S3b)とを順次行うことを2回繰り返して3周期多重量子井戸層よりなる発光層14を形成する。

0009

次に発光層14上にp型窒化物系化合物半導体層15を、発光層14が破壊されない程度の低い基板温度、900℃〜1000℃で成長形成する(S4)。例えばp型層として、p型不純物となる例えばマグネシウムMgをドーピングした窒化物系化合物半導体Al0.15Ga0.85Nの層15a、基板温度900℃で厚さ20nm程度成長形成し(S4a)、その後、マグネシウムをドーピングしたGaN層15bを同一基板温度で厚さ200nm程度成長形成する(S4b)。以上の結晶成長工程の後、この発明ではその結晶成長体をアニール加熱処理)するが、この実施形態では図3に示すように処理する。つまり上記図1に示した結晶成長工程(S5)の後、p型半導体層(p−GaN層15b)15上に保護膜16を形成する(S6)。保護膜形成工程(S6)においては、結晶成長体を成長装置(反応室)から取出し、必要に応じて外部に露出されることに基づく汚染酸化膜を除去するため、アセトンメタノールなどの液により洗浄した後(S6a)、例えば塩酸HClにより表面エッチングして表面酸化膜を除去する(S6b)。

0010

次にn型半導体層15上に有機系溶剤に溶された二酸化シリコンSiO2 を塗布し(S6c)、乾燥し(S6d)、更に約500℃、1時間程度焼成して、厚さ200〜250nm程度の保護膜16を得る(S6e)。次に保護膜16が形成された結晶成長体をアニール処理、つまり加熱処理する(S7)。この加熱処理は、例えば900℃〜1000℃に加熱された反応室に結晶成長体を投入して、5〜10分程度加熱する。このアニール処理により低温度で形成したp型半導体層15(p−AlGaN層15a、p−GaN層15b)の結晶が成長して高品質なものとなる。

0011

その後、保護膜16を例えば弗酸HFによりエッチング除去(S8)、その除去されて露出されたp型半導体層15上に電極を形成する(S9)。なおn型半導体層(n−GaN層)13に対する電極も形成して発光素子が構成される。上述において、発光層14の成長形成、上記実施形態ではGaInN層14aの形成は基板温度を500℃以上、700℃より低い温度とするが、500℃より低い温度にすると、GaInN層14aが結晶として成長しない、また700℃以上にすると、インジウムInを十分取込むことができず、560nm(緑色)以上より長い波長の発光を得ることができない。前記GaInN層14aとGaN層14bとを交互に形成する場合、GaN層14bの形成時の基板温度は500℃〜900℃程度であり、これら両層14aと14bの形成時に基板温度を変更することなく同一としたままでもよい。

0012

p型半導体層15の成長形成時の基板温度は900℃〜1000℃(1000℃は含まない)とするが、900℃以下の温度にすると、良質な結晶が成長しない、1000℃以上にすると、結晶性がよくなるが発光層14が破壊され、発光しない。従って発光層14が破壊されない範囲でなるべく高い温度が望ましい。アニール処理の温度を900℃より低くすると、p型半導体層15の結晶性を良くすることができない。1000℃以上にすると発光層14が破壊される。またアニール処理時間を5分以下にするとp型半導体層15の結晶性がよくならず、高抵抗素子となり電流を流すことができず発光しない。アニール処理時間は10分程度が好ましいが、20分間にすると発光層14が破壊され、完全に発光しなくなる。

0013

保護膜16はうす過ぎるとp型半導体層15の結晶が破壊するおそれがあり、厚さは100〜1000nm程度がよい。また保護膜16としてはSiO2 膜に限らず、アニール処理中におけるp型半導体層15に対する保護をすることができ、発光素子に悪影響を与えないものならどのようなもの、例えば窒化シリコン膜などでもよい。場合によっては保護膜16を省略してもよい。上述において、アニール処理は不活性雰囲気中で行い、酸化が生じたりしないようにすることが望ましく、特に、窒素ガスまたはアンモニアを含む窒素ガスが、安価な点、および結晶の主成分の組成比の変化を防止できる。

0014

上述ではn型半導体層13を形成した後、発光層14を形成し、その後、p型半導体層15を形成したが、p型半導体層を形成した後、発光層を形成し、その上にn型半導体層を形成してもよい。また結晶成長方法としては有機金属気相成長法に限らず、分子線エピタキシー法ハイドライド気相成長法昇華法、液相成長法など他の手法を用いてもよい。上述において、発光層14のGaInN層14aを640℃、GaN層14bを900℃として3周期量子井戸層を構成し、p型AlGaN層15a、p型GaN層15bをそれぞれ900℃で形成し、1000℃、10分間のアニール処理を行って発光素子を作成した。その発光素子の発光スペクトル図4に示すようになった。従来のこの種の発光素子ではせいぜい540nm程度の波長しか得られなかったが、この図よりこの発明によれば波長600nm以上で最大ピークが得られている。これは発光層14の成長基板温度を低くしたため、Inが十分含まれたこと、またp型半導体層15の型を900℃と低い温度にしているため発光層15の結晶が破壊されなかったこと、更にアニール処理により、p型半導体層15の結晶品質が良好になり、電極との電気的接触が良好であり、その層15自体の電気抵抗が小さく、大きな発光強度が得られるためある。また540nm付近に小さいピークがあることからすると前記アニール処理により、発光層14中にInの組成が多い所が部分的に生じ、このためにも長波長発光が行われると推定される。

発明の効果

0015

以上述べたようにこの発明によれば窒化物系化合物半導体で構成し、発光層にInを含む発光素子として従来よりも長波長の発光を行うものを容易に作ることができる。

図面の簡単な説明

0016

図1この発明の実施形態における結晶成長体の形成処理工程の例を示す図。
図2Aは発光素子の一例を示す側面図、Bはその発光層14の具体例を示す側面図である。
図3この発明の実施形態における結晶成長体工程後の処理工程の例を示す図。
図4この発明の実施形態により作成された発光素子の発光スペクトルの例を示す図。

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