(57)【要約】  複数の前駆体及びインジウム表面賦活剤を用いて１つ以上のｎ型層またはｐ型層を多重量子井戸(ＭＱＷ)サブアセンブリに重ねて形成するため、ＭＱＷサブアセンブリが低温気相成長プロセスにかけられる、光電発光半導体素子を作製する方法が提供される。前駆体及びインジウム表面賦活剤は１つ以上のキャリアガスを用いてそれぞれの流量で気相成長プロセスに導入され、キャリアガスの少なくとも１つはＨ２を含む。インジウム表面賦活剤は低温気相成長プロセス中に形成されるｐ型層の結晶品質を向上させるに十分な量のインジウムを含み、それぞれの前駆体の流量及びキャリアガスのＨ２含有量はｎ型層またはｐ型層内のインジウム表面賦活剤からのインジウムのモル分率をほぼ１％未満に維持するように選ばれる。別の実施形態において、低温気相成長プロセスは低温ＴＧにおいて実行され、ここで、ＴＧ≦ＴＢ±５％であり、ＴＢはＭＱＷ障壁層成長温度である。他の実施形態も開示され、特許請求される。
2013513251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重量子井戸(ＭＱＷ)活性領域、１つ以上のｐ型層及び１つ以上のｎ型層を有する光電発光半導体素子の作製方法において、
前記ＭＱＷ活性領域が気相成長プロセスにおいて前記ｎ型層に重ねて量子井戸成長温度ＴＱ及び障壁層成長温度ＴＢで形成され、ここでＴＱ≦ＴＢである、
前記ＭＱＷ活性領域及び前記ｎ型層を含むＭＱＷサブアッセンブリが、前記ＭＱＷサブアッセンブリに重ねて１つ以上の前記ｐ型層を形成するため、複数の前駆体及びインジウム表面賦活剤を利用する低温気相成長プロセスにかけられる、
前記前駆体及び前記インジウム表面賦活剤が１つ以上のキャリアガスを用いてそれぞれの流量で前記気相成長プロセスに導入され、前記キャリアガスの少なくとも１つはＨ２を含む、
前記低温気相成長プロセスが低温ＴＧで実行され、ここでＴＧ≦ＴＢ±５％である、
前記低温気相成長プロセスに用いられる前記前駆体が、前記ｐ型層の前記形成のための材料を供給するように構成される、
前記インジウム表面賦活剤が前記低温気相成長プロセス中に形成される前記ｐ型層の結晶品質を向上させるに十分な量のインジウムを含む、及び
前記低温気相成長プロセス中の前記それぞれの前駆体流量及び前記キャリアガスの前記Ｈ２の含有量が、前記ｐ型層内の前記インジウム表面賦活剤からのインジウムのモル分率をほぼ１％未満に維持するように選ばれる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記インジウム表面賦活剤及び前記キャリアガスの前記Ｈ２成分が、機能的に有意な量のインジウムを含むｐ型層−そのような層に対する組成前駆体は前記層の形成中に表面賦活剤として作用するに十分な量のインジウムを含む−の形成には利用されない、及び
前記インジウム表面賦活剤が前記低温気相成長プロセス中に、導波路層、クラッド層、キャップ層、障壁層、コンタクト層、電子阻止層またはこれらの組合せから選ばれる、１つ以上のｐ型層を形成するために用いられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記低温ＴＧがほぼ７００℃とほぼ９００℃の間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｈ２ベースキャリアガスの前記流量が前記低温気相成長中に前記ｐ型層の表面からインジウムをエッチングするに十分な量の水素を供給するに十分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記キャリアガスが体積でほぼ０.１％とほぼ１００％の間の水素を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００９年１２月８日に出願された米国特許出願第１２/６３３２１６号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は光電発光半導体素子に関し、さらに詳しくは、光電発光半導体素子の作製方法に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示にしたがえば、光電発光半導体素子を、またはその一部を、作製する方法が提供される。一実施形態にしたがえば、多重量子井戸(ＭＱＷ)サブアセンブリが、複数の前駆体及びインジウム表面賦活剤を用いてＭＱＷサブアセンブリを覆う１つ以上のｎ型層またはｐ型層を形成するための、低温気相成長処理にかけられる、光電発光半導体素子を作製する方法が提供される。前駆体及びインジウム表面賦活剤は、１つ以上のキャリアガスを用いてそれぞれの流量で気相成長プロセスに導入され、キャリアガスの少なくとも１つはＨ２を含む。インジウム表面賦活剤は低温気相成長プロセス中に形成されるｐ型層の結晶品質を向上させるに十分な量のインジウムを含み、それぞれの前駆体の流量及びキャリアガスのＨ２含有量はｎ型層またはｐ型層内のインジウム表面賦活剤からのインジウムのモル分率をほぼ１％未満に維持するように選ばれる。別の実施形態において、低温気相成長プロセスは低温ＴＧにおいて実行される。ここで、ＴＧ≦ＴＢ±５％であり、ＴＢはＭＱＷバリア層成長温度である。別の実施形態が開示され、特許請求される。
【０００４】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は本開示の教示にしたがって作製することができる光電発光半導体素子の一タイプの略図である。
【図２】図２は本開示にしたがう気相成長プロセスの略図である。
【図３】図３は、ＧａＮの成長に対して本開示の方法において用いられる適する前駆体及び流量のいくつかの略図である。
【図４】図４は、ＡｌＧａＮの成長に対して本開示の方法において用いられる適する前駆体及び流量のいくつかの略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１は、多重量子井戸(ＭＱＷ)活性領域１０，ｐ型ＧａＮ層２０，ｎ型層３０，ｐ側コンタクト層４０及びｎ側コンタクト層５０を有する、レーザダイオードウエハ１００を示す。レーザダイオードウエハは一般に、ｐ型電子阻止層１２(例えば、ＡｌＧａＮまたは他の適する材料)、１つ以上の導波路層１５(例えば、ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，等)及び１つ以上のクラッド層２５(例えば、ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＮ/ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ/ＧａＮの超格子、等)をさらに有するであろう。一般に、ＭＱＷ活性領域１０の上にある層はｐ型層であり、ＭＱＷ活性層１０の下になる層はｎ型層であろう。ＭＱＷ活性領域１０は、活性領域１０への電子の注入に応答して発光し、ｎ型層３０に重ねて形成される。本明細書に開示される技術にかかわる技術者には当然であろうように、本開示の方法は、図１に示される構成と同様の構成並びに、レーザダイオード及び発光ダイオードに対する、従来の構成及び今後開発されるであろう構成を含むが、これらには限定されない、多重量子井戸(ＭＱＷ)活性領域、ｐ型ＧａＮ層及びｎ型層を有する、様々な発光半導体素子に適用できるであろう。
【０００７】
図２を参照すれば、ｎ型層３０は、一般にほぼ９００℃より高い、ｎ型成長温度ＴＮを特徴とする比較的高温の気相成長プロセスにより、気相成長チャンバ２００内で成長させることができる。ＭＱＷ活性領域１０は、ＭＱＷ活性領域１０の量子井戸の成長に対して選ばれた量子井戸成長温度ＴＱ及びＭＱＷ活性領域１０の障壁層の成長に対して選ばれた障壁層成長温度ＴＢにおける気相成長プロセスにより、同じ気相成長チャンバ内でｎ型層３０に重ねて形成することができる。障壁層成長温度ＴＢは一般に場合に応じて変わるであろうが、一般には量子井戸成長温度ＴＱ以上である。得られたＭＱＷ活性領域１０及びｎ型層３０を有するＭＱＷサブアセンブリは、図２に簡略に示されるように、ｐ型ＧａＮ層２０を、またＭＱＷサブアセンブリに重なるその他のいずれのウエハ層も形成するために低温気相成長プロセスにかけられる。
【０００８】
さらに図２に簡略に示されるように、低温気相成長プロセスでは複数の前駆体及びインジウム表面賦活剤Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４及びＰ５が用いられる。低温気相成長プロセスに用いられる前駆体はｐ型ＧａＮ層２０の形成のための材料を供給するように構成され、前駆体には、例えば、窒素源(例えばアンモニア)、１つ以上の有機金属Ｇａ源(例えばＴＭＧ)、及び１つ以上の有機金属結晶格子ドーパント源(例えばＣｐ２Ｍｇ(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム))を含めることができる。インジウム界面活性剤は、低温気相成長プロセス中にＭＱＷサブアセンブリに重ねて形成される、ｐ型ＧａＮ層２０の結晶品質を、また他のいずれのウエハ層の結晶品質も、向上させるに十分な量のインジウムを含み、インジウム界面活性剤には、例えば、ＴＭＩ，ＴＥＩ，等から選ばれる有機金属源を含めることができる。
【０００９】
前駆体及びインジウム表面賦活剤Ｐ１〜Ｐ５は、窒素は気相成長に用いられる一般的なキャリアガスであるから、またキャリアガスの少なくとも１つは水素であるから、図２に簡略に‘Ｎ２，Ｈ２’として表示される、１つ以上のキャリアガスを用いてそれぞれの流量で気相成長プロセスに導入される。この低温気相成長プロセスは低温ＴＧにおいて実行され、ここでＴＧ≦ＴＢ±５％であり、この関係は、ＴＧをＴＢより低くするか、ＴＢに等しくするか、またはＴＢより若干高くし得るであろうことを意味する。それぞれの前駆体の流量及びＨ２ベースキャリアガスのＨ２含有量は、ｐ型ＧａＮ層２０内、または低温気相成長プロセス中にＭＱＷサブアセンブリに重ねて成長される−機能的に有意な量のＩｎを含有するように設計されているいずれのウエハ層も除く−他のいずれのウエハ層内の、インジウム表面賦活剤からのインジウムモル分率もほぼ１％未満に維持されるように選ばれる。一般に、インジウム表面賦活剤からのインジウムモル分率は、ｐ型ＧａＮ層２０内でほぼ０.１%未満であり、本明細書で考えられる方法にしたがえば、ｐ型ＧａＮ層２０内で０.０２５％未満になり得る。機能的に有意な量のＩｎを含有するように設計されたウエハ層に対し、本発明の発明者は、Ｉｎ含有ウエハ層、例えばＧａＩｎＮの成長に用いられる前駆体は既に有意な量のＩｎを含んでいるであろうから、表面賦活剤としてさらにＩｎを供給する必要はないことを認めた。これらのタイプのＩｎ含有層の形成に用いられるキャリアガスは一般に、Ｈ２には層へのＩｎの導入を妨げる傾向があるから、Ｈ２を含まないであろう。
【００１０】
発明者は、青緑色及び緑色の波長帯で発光する窒化ガリウム層が、インジウム含有量が高い、ＧａＩｎＮ量子井戸を有することを認めた。高インジウム含有量は量子井戸を熱損傷を非常に受け易くするので、量子井戸上に井戸を損傷させずに導波路層、クラッド層及びコンタクト層を成長することは難題になり得る。本開示の方法にしたがえば、障壁層成長温度ＴＢより低いかまたは若干高い、低温ＴＧで低温気相成長プロセスが実行されるから、そのような損傷が軽減され得る。例えば、考えられる実施形態の１つにおいて、障壁層成長温度ＴＢはほぼ８７５℃であり、低温ＴＧはほぼ９００℃より低い。他の実施形態において、低温ＴＧはほぼ７００℃とほぼ９００℃の間とすることができる。
【００１１】
本明細書に開示される方法の別の態様において、Ｈ２ベースキャリアガスの流量は、低温気相成長中にｐ型ＧａＮ層の表面からインジウムをエッチングするに十分な量の水素を供給するように選ばれる。このようにすれば、インジウム表面賦活剤からのインジウムのレベルを上述したレベルより低くしておくことができる。限定としてではなく、例として、キャリアガスは実質的に純粋な水素とすることができ、あるいは限定された量だけの水素を他の適するキャリアガスとともに含むことができる。例えば、僅かにほぼ０.１体積％の水素しか含んでいないキャリアガスを供給することで、本開示のコンセプトを実施することができると考えられる。
【００１２】
好ましい流量に関し、前駆体または表面賦活剤の流量への本明細書における言及が、モル/分またはμモル/分で表される前駆体または表面賦活剤の絶対流量を指していることに注意されたい。窒素前駆体の場合、流量は標準状態におけるリットル/分(ｓｌｐｍ)で与えられる。上記説明を受け、ＧａＮに対する図３に与えられる流量の略記を参照すれば、窒素前駆体が流量ＦＲＮで導入され、Ｇａ前駆体が流量ＦＲＧａで導入され、ドーパント前駆体が流量ＦＲＤで導入され、インジウム表面賦活剤が流量ＦＲＩで導入されることに注意されたい。本開示の一実施形態にしたがえば、流量ＦＲＮ,ＦＲＧａ,ＦＲＤ及びＦＲＩのそれぞれは、本明細書に説明される成長特性及び層特性が得られるように選ばれる。
【００１３】
実流量に関し、流量ＦＲＮ,ＦＲＧａ,ＦＲＤ及びＦＲＩのそれぞれは：
ＦＲＮ≒１.０〜１５ ｓｌｐｍ，
ＦＲＩ≒０.７５〜７６.０ μモル/分，
ＦＲＤ≒０.００５〜０.５００ μモル/分，
ＦＲＧａ≒４.００〜４４０ μモル/分，
を満たすように選ぶことができるが、使用できる特定の成長炉の寸法及び構造にしたがい、流量は上に示される値より小さくするかまたは大きくすることができるであろうと考えられる。特定の実施形態の１つに対し、流量ＦＲＮ,ＦＲＧａ,ＦＲＤ及びＦＲＩのそれぞれは：
ＦＲＮ≒１.０〜１５ ｓｌｐｍ，
ＦＲＩ≒１９ μモル/分，
ＦＲＤ≒０.００８４３ μモル/分，
ＦＲＧａ≒４４ μモル/分，
を満たすように選ぶことができる。一般に、本開示のコンセプトは、インジウムモル分率が５％と７０％の間の成長炉を用い、関係：
ＦＲＧａ＞ＦＲＩ＞ＦＲＤ，
にしたがうことにより、実施できると考えられるが、これらの一般的パラメータから外れた実施も考えられる。
【００１４】
成長に続いて、ほぼ６５０℃より低い温度で、さらに好ましくはほぼ５５０℃の温度で、ｐ型ＧａＮ層をアニールにかけることができる。発明者は、そのような比較的低いアニール温度が素子の動作完全性の維持に特に良く適していて、成長チャンバ２００から素子を取り出さずにその場で実行できることを認めた。さらに、発明者は、実質的に無酸素のアニール雰囲気においてさえも上述したアニールが有効であることを認めたが、アニールは酸素含有雰囲気においても行い得ると考えられる。
【００１５】
最後に、図４を参照すれば、ＡｌＧａＮ層の成長に本開示の方法を適合させ得ると考えられる。この場合、ＴＭＡのような、Ａｌの有機金属源の形態にあることが好ましい前駆体がさらに供給されるであろう。Ａｌ前駆体の流量は固相内の所望のＡｌモル分率に依存する。一般に、Ａｌ前駆体はＧａの有機金属源に関わる流量より低流量で供給される。
【００１６】
特定の特性を、特定の態様で機能を、具現化するために「構成されている」本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述ではなく、構造叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成される」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造特性の限定された叙述としてとられるべきである。さらに、別の層、サブアセンブリまたは他の構造に「重ねて」形成されている層への本明細書における言及には、形成される層とその層が重ねて形成される構造の間の１つ以上の介在層の存在を排除する目的はないことに注意されたい。
【００１７】
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定するため、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が、必須であるか、肝要であるか、または重要であることさえも意味するために用いられてはいないことにも注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示の一実施形態の特定の態様を識別すること、あるいは本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、代わりのまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。
【００１８】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「ほぼ」は、本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定またはその他の表現に帰因させ得る固有の不確定性の大きさを表すために用いられることに注意されたい。
【００１９】
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照することで、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、ＭＱＷサブアセンブリに重ねてｐ型ＧａＮ層が形成される発光半導体素子を参照して本開示のコンセプトを説明したが、本開示のコンセプトは、ｎ型ＧａＮ層がＭＱＷサブアセンブリに重ねて形成され、ｐ型ＧａＮ層がＭＱＷサブアセンブリの下側に形成される場合にも等しく適用可能であろうと考えられ、この場合は、障壁層成長温度ＴＢ及びｎ型層のための低温ＴＧはいずれもｐ型層成長温度より低いであろう。本質的に、ＭＱＷの上に成長させる層は、それがｎ型層であるかまたはｐ型層であるかにかかわらず、障壁層成長温度に近い温度で成長させることになろう。
【００２０】
同様に、ｐ型及びｎ型のＧａＮ層に関して本開示の概念を説明したが、ｐ型層及びｎ型層は、ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＮ/ＧａＮ超格子、ＡｌＧａＩｎＮ/ＧａＮ超格子及びこれらの組合せとすることができると考えられる。さらに、本開示のいくつかの態様は本明細書において、好ましいまたはある程度有利であるとされているが、本開示はそれらの態様に限定される必要はないと考えられる。
【００２１】
添付される特許請求項の１つ以上において「〜を特徴とする(wherein)」が移行句として用いられていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い移行句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置句「含む(comprising)」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
【符号の説明】
【００２２】
１０    多重量子井戸(ＭＱＷ)活性領域
１２    ｐ型電子阻止層
１５    導波路層
２０    ｐ型ＧａＮ層
２５    クラッド層
３０    ｎ型層
４０    ｐ側コンタクト層
５０    ｎ側コンタクト層
１００    レーザダイオードウエハ
２００    気相成長チャンバ
【図１】
2013513251.tif 000003
【図２】
2013513251.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013513251.tif 000006
【国際調査報告】
2013513251.tif 000007
2013513251.tif 000008
2013513251.tif 000009
2013513251.tif 000010