(57)【要約】【課題】比較的高いキャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、六方晶系窒化ガリウム半導体からなるＧａＮ基板３と、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１上に設けられたＩｎＡｌＧａＮからなるクラッド層１７とを備え、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１は、ＧａＮ基板３の六方晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸方向に対してｍ軸方向に傾いており、ＩｎＡｌＧａＮからなるクラッド層１７は、ｐ型ドーパントが添加されており３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内のキャリア濃度を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系窒化ガリウム半導体からなる基板と、
前記基板の主面上に設けられたＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル層と、
５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する発光層と
を備え、
前記基板の前記主面の法線方向は、前記六方晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸方向に対してｍ軸方向へ傾いており、
前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル層は、ｐ型ドーパントが添加されており３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内のキャリア濃度を有する、
ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項２】
前記ｐ型ドーパントはＭｇである、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項３】
前記主面の法線方向は、前記ｃ軸方向に対してｍ軸方向へ、６０度以上９０度以下の範囲内にある角度だけ傾いている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項４】
前記主面の法線方向は、前記ｃ軸方向に対してｍ軸方向へ、６３度以上８０度未満の範囲内にある角度だけ傾いている、ことを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項５】
前記主面の法線方向は、前記ｃ軸方向に対してｍ軸方向へ、７１度以上７９度以下の範囲内にある角度だけ傾いている、ことを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体膜を形成する気相成長装置及び方法についての技術が、特許文献１〜特許文献４に開示されている。特許文献１の化合物半導体気相成長装置は、例えばＮＨ３とＴＭＧ，ＴＭＡ等との原料ガスを用いる系において結晶基板上に成膜する組成の均一性や再現性を得るために、結晶基板を収納する筒状の反応容器と、この反応容器に連通され結晶基板上に堆積する化合物の元素を含む複数の原料ガスをそれぞれ独立に結晶基板近傍まで導く複数のフローチャネルとを有し、複数のフローチャネルの断面形状が略四角形状をなし、近接するフローチャネルは基板近傍の直前で二種類以上の原料ガスによる積層流が形成できるような連通孔により連結される、構成を有する。
【０００３】
特許文献２の気相成長装置は、基板を設置した反応管内に、少なくとも二種類の原料ガスを基板面に対して平行な方向に導入して基板面に二成分系以上の化合物半導体薄膜を形成する。この気相成長装置は、欠陥の少ない良好な二成分系以上の化合物半導体薄膜を形成することができ、原料ガスの利用効率が高く、生産性をも高めるために、基板より上流側に基板面と平行に２枚の仕切板を配設し、反応管内を基板側から第一流路，第二流路及び第三流路の平行な三層の流路に区画するとともに、第一流路に第一気相成長ガス導入管を、第二流路に第二気相成長ガス導入管を、第三流路に成長促進ガス導入管を、それぞれ連設したものとなっている。
【０００４】
特許文献３の気相薄膜成長装置は、ＩＩＩ族有機金属化合物（ＭＯ：ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩ等）供給系、Ｖ族化合物（ＰＨ３，ＡＳＨ３等）供給系、及びドーピング物質（Ｃｐ２Ｍｇ：（Ｂｉｓ−（ｃｙｃｒｏ−ｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ５等）供給系からなる。この気相薄膜成長装置は、有機金属気相結晶成長装置により成膜する化合物半導体に、Ｍｇは高濃度のドーピングをするため、メモリー効果を抑制するために、Ｃｐ２Ｍｇ供給配管系は、ＭＯ（有機金属）供給配管系、ＰＨ３（或いはＡｓＨ３）供給配管系及びＣｐ２Ｍｇ以外のドーピング物質供給系とは切り離して単独に設け、配管内でＣｐ２Ｍｇが凝結するのを防止するために凝結温度以上で且つ分解しない程度の範囲内の温度（通常：摂氏４０度〜摂氏６０程度）に保温し、配管は最短（Ｃｐ２Ｍｇの供給経路を開閉する反応炉（リアクター）直前の開閉バルブとガス供給ノズルとの間の配管長：０ｃｍ〜３０ｃｍ）で噴射ノズルに直結した配管システム構造を有する。
【０００５】
特許文献４の気相成長装置は、窒化物半導体素子の特性を面内で均一にするために、基板と平行にＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとを含むガスを流すフローチャネルを備える。この気相成長装置は、基板の上流側からフローチャネル内に原料ガスを導入して窒化物半導体を結晶成長させるものであり、フローチャネルの内壁には、複数の凸状の突起部が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２１６０３０号公報
【特許文献２】特開平９−２６０２９１号公報
【特許文献３】特開２００５−１９７３２６号公報
【特許文献４】特開２００６−８０３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜特許文献４に記載の技術によって、窒化ガリウム系半導体を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体膜の成長が行える。しかし、このような半導体膜をｐ型化する場合、Ｍｇ等のｐ型ドーパントの供給が必要となる。しかしながら、特許文献１〜特許文献４に記載の技術では、ｐ型ドーパントの導入に好適な温度と窒化ガリウム系半導体膜の成長に好適な温度との関係や、更には、ｐ型ドーパントの原料ガスとＩＩＩ−Ｖ族半導体膜の原料ガスとの気相反応等が原因となって、ｐ型ドーパントを効率よく導入して高キャリア濃度の窒化ガリウム系半導体膜を製造するのが困難となる。そこで、本発明は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、比較的高いキャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、六方晶系窒化ガリウム半導体からなる基板と、前記基板の主面上に設けられたＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル層と、５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する発光層とを備え、前記基板の前記主面の法線方向は、前記六方晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸方向に対してｍ軸方向へ傾いており、前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル層は、ｐ型ドーパントが添加されており３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内のキャリア濃度を有する、ことを特徴とする。このように、３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内にある比較的高いキャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体素子が提供される。
【０００９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子では、緑色光に対応する５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する発光層を更に備えてもよく、更に、前記ｐ型ドーパントをＭｇとしてもよい。
【００１０】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子では、前記主面の法線方向は、前記ｃ軸方向に対してｍ軸方向へ、６０度以上９０度以下の範囲内にある角度だけ傾いたものとなっているか、又は、６３度以上８０度未満の範囲内にある角度だけ傾いているのが好ましく、又は、７１度以上７９度以下の範囲内にある角度だけ傾いているのがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、比較的高いキャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る発光素子の構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る発光素子を製造する装置を説明するための図である。
【図３】実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係る発光素子１の構成を示す図である。発光素子１は、ＧａＮ基板３、クラッド層５、光ガイド層７、発光層９、光ガイド層１１、電子ブロック層１３、光ガイド層１５、クラッド層１７、コンタクト層１９、ｐ側電極２１、パッド電極２３及びｎ側電極２５を備える。光ガイド層７は、第１の領域７ａ及び第２の領域７ｂを有する。発光層９は、複数のバリア層９ａと複数の井戸層９ｂとを有する。
【００１４】
ＧａＮ基板３は、六方晶系窒化ガリウム半導体であるＧａＮからなる。ＧａＮ基板３は半極性のＧａＮ基板であり、ＧａＮ基板３を成す六方晶系窒化ガリウム半導体のｃ軸とＧａＮ基板３の主面Ｓ１の法線Ｌ１との成す角度θは、６０度以上９０度以下の範囲内にあり、好ましくは６３度以上８０度未満の範囲内にあり、より好ましくは７１度以上７９度以下の範囲内にある。法線Ｌ１は、ｃ軸に対して、ＧａＮ基板３を成す六方晶系窒化ガリウム半導体のｍ軸方向に、角度θだけ傾いている（すなわち、法線Ｌ１、ｃ軸及びｍ軸はほぼ同一平面内にある。）。クラッド層５は、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１上に設けられており、ＧａＮ基板３に格子整合している。そして、クラッド層５、第１の領域７ａ、第２の領域７ｂ、発光層９、光ガイド層１１、電子ブロック層１３、光ガイド層１５、クラッド層１７及びコンタクト層１９は、この順に、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１上においてエピタキシャル成長によって積層されたものとなっている。
【００１５】
クラッド層５は、ｎ型にドープされたＩｎＡｌＧａＮからなり、１１００ｎｍ程度の厚みを有する。クラッド層５のＩｎ組成比は０．０３であり、Ａｌ組成比は０．１１である。第１の領域７ａは、ｎ型にドープされたＧａＮからなり、２５０ｎｍ程度の厚みを有する。第２の領域７ｂは、ｎ型にドープされたＩｎＧａＮからなり、１００ｎｍ程度の厚みを有する。第２の領域７ｂのＩｎ組成比は０．０２である。
【００１６】
発光層９は、例えば、三重量子井戸構造（３ＱＷ）を有するものとする。発光層９は、５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する。バリア層９ａはＧａＮからなり、１０ｎｍ程度の厚みを有する。井戸層９ｂは、ＩｎＧａＮからなり、３ｎｍ程度の厚みを有する。井戸層９ｂのＩｎ組成比は、０．３０である。
【００１７】
光ガイド層１１は、アンドープのＩｎＧａＮからなり、１００ｎｍ程度の厚みを有する。光ガイド層１１のＩｎ組成比は０．０２である。電子ブロック層１３は、例えばＭｇを用いてｐ型ドープされたＡｌＧａＮからなり、２０ｎｍ程度の厚みを有する。電子ブロック層１３のＡｌ組成比は、０．１１である。光ガイド層１５は、例えばＭｇを用いてｐ型ドープされたＧａＮからなり、２５０ｎｍ程度の厚みを有する。クラッド層１７は、例えばＭｇを用いてｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなり、４００ｎｍ程度の厚みを有する。クラッド層１７のＩｎ組成比は０．０３であり、Ａｌ組成比は０．１１である。クラッド層１７は、３×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内のキャリア濃度を有する。コンタクト層１９は、例えばＭｇを用いて比較的高濃度にｐ型ドープされたＧａＮからなり、１０ｎｍ程度の厚みを有する。
【００１８】
ｐ側電極２１は、コンタクト層１９の表面に設けられており、コンタクト層１９にオーミック接触している。ｐ側電極２１は、Ｎｉ／Ａｕからなる。パッド電極２３は、コンタクト層１９上及びｐ側電極２１上に設けられている。パッド電極２３は、ｐ側電極２１に設けられているコンタクトホールを介してコンタクト層１９の表面に接触している。パッド電極２３は、Ｔｉ／Ａｕからなる。ｎ側電極２５は、ＧａＮ基板３の裏面（主面Ｓ１の反対側の面）に設けられており、ＧａＮ基板３にオーミック接触している。ｎ側電極２５は、Ｔｉ／Ａｌからなる。
【００１９】
次に、発光素子１の製造方法（実施例）について説明する。図２に示す結晶成長装置３０を用いて、まず、成長基板３７を作製する。発光素子１は、成長基板３７から製造される。結晶成長装置３０は、結晶成長炉３１、原料ガス流路３３、ガス流入口３５及びヒータ３９を備え、原料ガス流路３３は原料ガス導入ライン３３ａ、原料ガス導入ライン３３ｂ及び原料ガス導入ライン３３ｃを有する。ヒータ３９は、成長基板３７を加熱するためのものである。原料ガス導入ライン３３ａは、原料ガス導入ライン３３ａ〜原料ガス導入ライン３３ｃのうち、成長基板３７に最も近い側にガスを導入する。原料ガス導入ライン３３ａから原料ガス流路３３内には、Ｖ族原料のＮＨ３とともにｐ型ドーパントの添加に用いるＣｐ２Ｍｇが導入される。
【００２０】
また、原料ガス導入ライン３３ｂから原料ガス流路３３内にＩＩＩ族原料のＭＯ（ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＴＭＡ）が導入され、原料ガス導入ライン３３ｃから原料ガス流路３３内にＮ２及びＨ２が導入される。原料ガス導入ライン３３ｃから導入されるＮ２及びＨ２は、原料ガス流路３３の内壁に原料ガスが接触するのを抑制し、更に、原料ガス流路３３内において原料ガスを成長基板３７側に集中させて成長基板３７の成長を促進させるためのものである。ガス流入口３５から結晶成長炉３１内にＮ２及びＨ２が導入される。ガス流入口３５から導入されるＮ２及びＨ２は、結晶成長炉３１内に原料ガスが流入するのを抑制し、更に、結晶成長炉３１の内壁及びヒータ３９に対する原料ガスの接触を抑制するためのものである。
【００２１】
以下、成長基板３７の製造方法について説明する。まず、成長基板３７を構成するＧａＮ基板（ＧａＮ基板３に対応）を用意し、ＧａＮ基板をＮＨ３雰囲気で熱処理をした後に、結晶成長装置３０の原料ガス流路３３内に設置し、成長基板３７を構成するｎ型層（クラッド層５及び光ガイド層７に対応）をエピタキシャル成長させた。具体的には、摂氏９００度程度のもとでｎ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（クラッド層５に対応）を成長させ、このｎ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層の成長後に、摂氏１０００度程度のもとでｎ−ＧａＮガイド層（光ガイド層７の第１の領域７ａに対応）を成長させ、このｎ−ＧａＮガイド層の成長後に、摂氏８７０度程度のもとでｎ−ＩｎＧａＮガイド層（光ガイド層７の第２の領域７ｂに対応）を成長させた。このｎ−ＩｎＧａＮガイド層の成長後に、成長基板３７を構成する発光層（発光層９に対応）をエピタキシャル成長させた。
【００２２】
次に、上記の発光層の成長後に、摂氏８７０度程度のもとで、成長基板３７を構成するアンドープのＩｎＧａＮガイド層（光ガイド層１１に対応）をエピタキシャル成長させた。次に、このアンドープのＩｎＧａＮガイド層の成長後に、成長基板３７を構成するｐ型層（電子ブロック層１３、光ガイド層１５、クラッド層１７及びコンタクト層１９に対応）をエピタキシャル成長させた。具体的には、上記のアンドープのＩｎＧａＮガイド層の成長後に、摂氏８９０度程度のもとでｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層（電子ブロック層１３に対応）を成長させ、このｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層の成長後に、摂氏８８０度程度のもとでｐ−ＧａＮガイド層（光ガイド層１５に対応）を成長させ、このｐ−ＧａＮガイド層の成長後に、摂氏８８０度程度のもとでｐ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（クラッド層１７に対応）を成長させ、このｐ−ＩｎＡｌＧａＮクラッド層の成長後に、摂氏８８０度程度のもとでｐ＋ＧａＮコンタクト層（コンタクト層１９に対応）を成長させた。以上によって、成長基板３７を作製した。
【００２３】
次に、成長基板３７に各種電極を形成した。Ｎｉ／Ａｕのｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）をｐ＋ＧａＮコンタクト層（コンタクト層１９に対応）の表面に設け、Ｔｉ／Ａｌのｎ側電極（ｎ側電極２５に対応）をＧａＮ基板（ＧａＮ基板３に対応）の裏面に設け、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極（パッド電極２３に対応）をｐ＋ＧａＮコンタクト層（コンタクト層１９に対応）上及び上記ｐ側電極（ｐ側電極２１に対応）上に設けた後にチップ化し、発光素子１とした。以上のようにして製造した発光素子１に電圧を加えて実際に動作させ、その結果、発振波長５２０ｎｍ、閾値電流密度６０ｋＡ／ｃｍ２という結果を得た。
【００２４】
以上のように、ｐ型ドーパントの添加に用いるＣｐ２Ｍｇを、原料ガス導入ライン３３ａ〜原料ガス導入ライン３３ｃのうち成長基板３７に最も近い原料ガス導入ライン３３ａから原料ガス流路３３内に導入した。ｐ型のＩｎＡｌＧａＮ層（クラッド層１７）を成長する場合、Ｉｎを導入するためにＡｌＧａＮに比べて低温で成長させる必要がある。低温の場合、Ｃｐ２Ｍｇの分解効率が低下するので多量のＣｐ２Ｍｇを導入する必要があるが、Ｃｐ２Ｍｇ量を増加しても、ＭＯ（特に、ＴＭＡ）とＣｐ２Ｍｇとの気相反応が結晶成長炉３１内において増大することとなってＩｎＡｌＧａＮ層の膜中に取り込まれるＭｇ量は増加しない（図３を参照）。これに対し、上記の発光素子１の製造方法によれば、ＭＯ原料（ＴＭＧ、ＴＭＡ）を導入するための原料ガス導入ライン３３ｂよりも成長基板３７により近い位置にある原料ガス導入ライン３３ａからＣｐ２Ｍｇが導入されるので、Ｃｐ２ＭｇとＭＯ原料（特にＴＭＡ）とが気相反応を起こすことによって成長膜中に取り込まれるＭｇの量が低減するのを抑制できた。
【００２５】
図３に、実測によって得られたＣｐ２Ｍｇ流量とｐ型のキャリア濃度（ECV carrier）との相関を示す。図３に示すグラフＡ１は、Ｃｐ２Ｍｇが原料ガス導入ライン３３ａから導入された場合を示し、グラフＡ２は、Ｃｐ２Ｍｇが原料ガス導入ライン３３ｂから導入された場合を示している。図３に示すように、成長基板３７に最も近い側の原料ガス導入ライン３３ａからＣｐ２Ｍｇを導入した場合のほうが、原料ガス導入ライン３３ａよりも成長基板３７から離れたところにある原料ガス導入ライン３３ｂからＣｐ２Ｍｇを導入した場合よりも、キャリア濃度を向上できることがわかる。原料ガス導入ライン３３ｂからＣｐ２Ｍｇを導入した場合には、ｐ型のキャリア濃度は、Ｃｐ２Ｍｇ流量が４．００（μｍｏｌ／ｍｉｎ）以上の範囲においてほぼ飽和していることがわかる。
【００２６】
また、成長基板３７がヒータ３９によって加熱されるので、原料ガス導入ライン３３ａ〜原料ガス導入ライン３３ｃのうち、原料ガス導入ライン３３ａが最も温度の高いラインとなる（図４を参照）。上記の発光素子１の製造方法によれば、Ｃｐ２Ｍｇは、温度の最も高いラインから原料ガス流路３３内に導入されるので、Ｃｐ２Ｍｇの分解効率が上がりＩｎＡｌＧａＮ層の膜中に取り込まれるＭｇの量を増加できる。図４は、成長基板３７の表面上の温度と成長基板３７の表面からの高さとの相関を示すシミュレーション結果である。図４に示すように、成長基板３７の表面から離れるに従って、温度が低下することがわかる。
【００２７】
また、上記の発光素子１の製造方法によれば、原料ガス導入ライン３３ａからＭＯを原料ガス流路３３内に導入し、且つ、原料ガス導入ライン３３ｂからＮＨ３とＣｐ２Ｍｇとを原料ガス流路３３内に導入した場合よりも、Ｃｐ２ＭｇがＭＯ原料（特にＴＭＡ）と接触する機会が少なくなるので気相反応を低減でき、よって、ＩｎＡｌＧａＮ層の膜中に添加するＭｇの量を増加できた。
【符号の説明】
【００２８】
１…発光素子、１１，１５，７…光ガイド層、１３…電子ブロック層、１７，５…クラッド層、１９…コンタクト層、２１…ｐ側電極、２３…パッド電極、２５…ｎ側電極、３…ＧａＮ基板、３０…結晶成長装置、３１…結晶成長炉、３３…原料ガス流路、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…原料ガス導入ライン、３５…ガス流入口、３７…成長基板、３９…ヒータ、７ａ…第１の領域、７ｂ…第２の領域、９…発光層、９ａ…バリア層、９ｂ…井戸層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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