(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層して超格子を構成するＧａＮ系化合物半導体の製造方法であって、
前記ＧａＮ層の成長ステップにおいてＩｎ及びＳｉを導入し、かつ、前記ＡｌＧａＮ層の成長ステップにおいてＩｎを導入する
ことを特徴とするＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体及び発光素子の製造方法、特にＡｌＧａＮとＧａＮを積層してなるＧａＮ系化合物半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体、特にＧａＮを用いた青色（発光波長４５０ｎｍ）から緑色（発光波長５００ｎｍ）の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、交通信号機や屋外ディスプレイなどへの適用が考えられている。このＬＥＤの材料は、具体的にはＩｎＧａＮであるが、発光波長をより短くして例えば紫外線の領域での発光を得るためにはＩｎの組成を小さくしてＧａＮに近づける必要がある。しかしながら、Ｉｎの組成を小さくすると発光効率が著しく劣化することが知られており、波長３７０ｎｍより短波長で、かつ実用的な効率を有するＬＥＤは未だ開発されていない。
【０００３】
紫外線の領域で発光するＬＥＤは、多くの分野に応用されることが期待されている。例えば、空間伝搬型の光通信は、ケーブルや電波を用いないため近距離通信に適しているが、太陽光や照明光の妨害により特殊な環境以外では使用することができない。しかし、太陽光線や蛍光灯などの照明は、波長３７０ｎｍより短波長側で急激に強度が弱くなっているため、これより短波長の光を光源とすることが可能となれば、真暗闇で通信を行うのと等価となり、効率的な通信が可能となる。さらに、紫外線領域の発光特性を有するＬＥＤは、微量化学物質の検知やＤＮＡの読み取り用光源としても有望視されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＡｌＧａＮとＧａＮを積層した多層構造を用いることにより、発光効率を劣化させることなく発光波長を３４０ｎｍまで短波長化できることが報告されている。ＩｎＧａＮを発光層とする場合には、Ｉｎの組成ゆらぎのため、非常に高い転位密度にもかかわらず発光効率が非常に高くなる。上述したように最も短い波長はＩｎの組成が０で得られるが、ＧａＮでは組成ゆらぎが生じないため転位の影響で発光効率が著しく低下する。ＩｎをＡｌで置き換えたＡｌＧａＮでは発光波長は短くなるもののＡｌの組成ゆらぎが生じないので発光効率は低下する。ところが、非常に薄い（約２〜３ｎｍ）ＡｌＧａＮとＧａＮを交互に積層して超格子構造とすることにより、各層の膜厚が微妙にゆらぐため組成ゆらぎが生じたのと同一の効果が得られ、単層のＡｌＧａＮのように発光効率が劣化しないと考えられている。
【０００５】
このように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造は有望視されているが、上述したように光通信の光源や記録媒体の読み取り光源などとして実用化するためには、より一層の発光効率あるいは発光強度の改善が求められている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、従来以上に発光効率あるいは発光強度に優れたＧａＮ系化合物半導体及び発光素子の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層して超格子を構成するＧａＮ系化合物半導体の製造方法であって、前記ＧａＮ層の成長ステップにおいてＩｎ及びＳｉを導入し、かつ、前記ＡｌＧａＮ層の成長ステップにおいてＩｎを導入することを特徴とする。
【００１１】
また、上記した方法により製造されたＧａＮ系化合物半導体をＰＮ接合することで発光素子を製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１には、本実施形態におけるＧａＮ系化合物半導体の構成が示されている。
サファイア基板１０上にＮ型ＧａＮ層１２が例えば２μｍ程度形成される。Ｎ型ＧａＮ層１２の上にさらにＮ型超格子（ＳＬＳ）層１４及びＰ型超格子（ＳＬＳ）層１６が積層される。Ｎ型超格子層１４及びＰ型超格子層１６の界面でＰＮ接合が得られ、所定の電圧を印加することにより、Ｐ型超格子層１６からＮ型超格子層１４に正孔（ホール）が注入されて発光する。すなわち、図１の半導体は発光素子として機能する。サファイア基板１０の代わりにＧａＮバルク結晶を用いることも好適である。
【００１４】
図２には、図１におけるＮ型超格子層１４の構成が示されており、図３には図１におけるＰ型超格子層１６の構成が示されている。まず、図２において、Ｎ型超格子層１４は、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学気相成長法）による成長過程においてＩｎ及びＳｉが導入されたＧａＮ１４ａと、成長過程においてＩｎが導入されたＡｌＧａＮ１４ｂが交互に積層されて構成される。Ｉｎ及びＳｉが導入されたＧａＮ１４ａ及びＩｎが導入されたＡｌＧａＮ１４ｂの厚さはともに２ｎｍであり、これらの組は合計２５０ピッチ形成されて超格子構造を構成している（図では、簡略化のため３ピッチのみ示している）。超格子層の膜厚は、注入されるキャリアの拡散長で決定され、それ以下になると発光効率が低下する。一方、超格子層の厚さが１μｍを超えるとクラックが発生するようになるので、超格子層の厚さとしては１ｎｍ以上でクラックが発生しない厚さ、具体的には１０ｎｍ〜５００ｎｍとするのが好適である。
【００１５】
なお、図では成長過程においてＩｎ及びＳｉを導入して成長させたＧａＮ層１４ａをＧａＮ（Ｉｎ、Ｓｉドープ）と称し、Ｉｎを導入して成長させたＡｌＧａＮ層１４ｂをＡｌＧａＮ（Ｉｎドープ）と称しているが、本願明細書及び図面において「ドープ」とは成長過程において当該材料を反応管内に導入することを意味しており、必ずしもその材料が成長させるべき結晶中に付加されることを意味するものではない。
【００１６】
また、図３において、Ｐ型超格子層１６は、ＭＯＣＶＤ法による成長過程においてＭｇが導入されたＧａＮ１６ａとその成長過程において他の材料が導入されていない（アンドープ）ＡｌＧａＮ１６ｂが交互に積層されて構成される。Ｍｇが導入されたＧａＮ１６ａ及びＡｌＧａＮはともに２ｎｍであり、同様に２５０ピッチ形成されて超格子を構成している（図では、簡略化のため３ピッチのみ示している）。
【００１７】
このように、本実施形態においては発光素子の発光層としてその成長過程においてＩｎ及びＳｉを導入したＧａＮ及びその成長過程においてＩｎをドープしたＡｌＧａＮを交互に積層して超格子構造とした半導体を用いているが、これは後述するように従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層に比べて発光効率あるいは発光強度が極めて優れているからである。
【００１８】
図４には、本実施形態におけるＧａＮ系化合物半導体の製造装置が示されており、図５には製造方法のフローチャートが示されている。基本的な製造ステップは従来のＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層膜の製造方法と同様であり、ＡｌＧａＮ層成長工程及びＧａＮ層成長工程においてそれぞれＩｎやＳｉを導入する点が相違している。
【００１９】
まず、反応管２０内にサファイア基板１０をサセプタ２１上に載置し、Ｈ２雰囲気下でヒータ２２を用いてサファイア基板１０を１１５０度まで加熱して熱処理する。熱処置した後、基板温度を４５０度まで下げ、ガス導入部２４から通気性を有する微多孔質部材２５を介してキャリアガスとしてＨ２とＮ２の混合ガスを導入し、ガス導入部２３から原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニアＮＨ３、Ｈ２を供給してＧａＮバッファ層を形成する（Ｓ１０１）。ＧａＮバッファ層の成長時間は例えば約７５秒であり、２０ｎｍ程度成長させる。次に、ヒータ２２で基板１０を１０７５度まで加熱し、ガス導入部２３からＴＭＧ、ＮＨ３、Ｈ２を供給して、ＧａＮ層１２を形成する（Ｓ１０２）。
【００２０】
サファイア基板１０上にＧａＮ層１２を形成した後、Ｎ型超格子層１４の形成を行う（Ｓ１０３）。この形成は、ＧａＮ層１４ａとＡｌＧａＮ層１４ｂを交互に積層することで行われ、ＧａＮ層１４ａはガス導入部２３からＴＭＧを導入することにより行われ、ＡｌＧａＮは、ＴＭＧ及びトリメチルアルミニウムＴＭＡｌを導入することにより行われる。そして、ＧａＮ層１４ａを成長させる際には、Ｉｎ及びＳｉを導入するが、これはＩｎ及びＳｉをそれぞれ含むガス、具体的にはトリメチルインジウムＴＭＩｎ及びシランＳｉＨ４を導入すればよい。また、ＡｌＧａＮ１４ｂを成長させる際には、Ｉｎを導入するが、これも具体的にはＴＭＩｎを導入することにより行われる。ＩｎやＳｉの導入量は、例えばＴＭＩｎ＝１．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ４＝４４６μｍｏｌ／ｍｉｎとすることができる。
【００２１】
Ｎ型超格子層１４を形成した後、Ｐ型超格子層１６を形成する（Ｓ１０４）。この超格子層の形成は、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ及びＡｌＧａＮを交互に積層することで行われ、ＧａＮ１６ａを成長させる際には、ガス導入部からＴＭＧのほかにＭｇを含むガス、具体的にはジシクロペンタジエニルマグネシウムＣＰ２ＭＧを導入することにより行われる。
【００２２】
なお、Ｐ型超格子層１６は、Ｎ型超格子層１４に正孔（ホール）を注入するための層であり、必ずしも超格子層である必要はないが、Ｎ型超格子層１４より実効バンドギャップの広いＰ型層とする必要がある。
【００２３】
このように、本実施形態におけるＧａＮ系化合物半導体は、ＭＯＣＶＤ法により製造することができるが、発光層であるＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層の成長に際してＩｎ、Ｓｉを導入する場合（ドープする場合）と導入しない場合（ドープしない場合）について、その発光強度を測定した。なお、ＡｌＧａＮとＧａＮの成長温度は高いので、その成長中にＩｎやＳｉを導入してもこれらがＡｌＧａＮやＧａＮの結晶中に取り込まれることはなく、「ドープ」とは必ずしもＩｎやＳｉが結晶中に付加されることを意味しないことは上述した通りである。表１に、測定結果が示されている。
【００２４】
【表１】
0004757976.tif 000002
ここで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層において、ドープしていない（アンドープ）結晶はＮ型であり、Ｓｉなどのドナーをドープする、しないの有無により４種類のＮ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層が存在する。すなわち、ｕ−をドープしていない（アンドープ）ことを示し、ｎ−をＳｉ等のドナーをドープしたことを示すものとすると、ｕ−ＡｌＧａＮ／ｕ−ＧａＮ、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｕ−ＧａＮ、ｕ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮの４種類が存在する。同様に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層に対しアクセプタをドープすることによりＰ型となり、ｐ−をアクセプタをドープしたことを示すものとすると、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｕ−ＧａＮ、ｕ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮの３種類のＰ型が存在する。結局、Ｐ型、Ｎ型併せて７種類のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層が存在することになり、このような７種類のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層に対して、さらにＩｎをドープする、しない場合を考慮すると、ＡｌＧａＮにドープする場合としない場合、及びＧａＮにドープする場合としない場合の４通り存在するから、結局４×７＝２８通りのドーピング組み合わせが存在することになる。表１においては、これら２８通りの組み合わせのうち、比較的発光強度が強いものについて示している。
【００２５】
表１において、「Ｉｎ  ｄｏｐｉｎｇ」は、成長過程においてＩｎを導入（ドーピング）することを示しており、表中×はドープしておらず、○はドープしていることを示す。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層形成過程において、ＡｌＧａＮ及びＧａＮのいずれの成長過程においてもＩｎをドープしない場合の発光強度は０．０５（相対単位）であり、発光波長は３４４ｎｍである。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層形成過程において、ＡｌＧａＮ成長中にＩｎをドープせず、ＧａＮ成長中にＩｎをドープした場合には発光強度は０．０７、発光波長は３４４ｎｍである。また、ＡｌＧａＮ成長中及びＧａＮ成長中にともにＩｎをドープした場合には発光強度は０．１１、発光波長は３４５ｎｍである。
【００２６】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層形成過程において、ＡｌＧａＮ成長中にＳｉをドープした場合には発光強度は０．８２、発光波長は３４６ｎｍであり、ＡｌＧａＮ成長中にＳｉ及びＩｎをドーピングし、ＧａＮ成長中にＩｎをドーピングした場合には発光強度０．６６、発光波長３３８ｎｍが得られている。
【００２７】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層形成過程において、ＡｌＧａＮ成長中にＳｉをドープし、ＧａＮ成長中にもＳｉをドープした場合には発光強度は０．８７、発光波長３４６ｎｍが得られ、ＡｌＧａＮ成長中にＳｉをドープし、ＧａＮ成長中にＳｉ及びＩｎをドープした場合には発光強度０．６１、発光波長３４３ｎｍが得られている。
【００２８】
さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層形成過程において、ＧａＮ成長中にＳｉ及びＩｎをドープした場合には発光強度０．７４、発光波長３４７が得られ、ＡｌＧａＮ成長中にＩｎをドープし、ＧａＮ成長中にＳｉ及びＩｎをドープした場合には発光強度１（最高強度）、発光波長３４６ｎｍが得られている。
【００２９】
なお、比較のため、ＧａＮ単層にＩｎやＳｉ等をドープした場合の発光強度や発光波長も検出しており、例えば２μｍのＧａＮ成長中にＩｎをドープした場合には発光強度は０．０１、発光波長は３６２ｎｍであり、ＧａＮ単層成長中にＳｉをドープすると発光強度０．０４、発光波長３６３ｎｍが得られ、ＧａＮ単層成長中にＳｉ及びＩｎをドープすると発光強度０．０５、発光波長３６３ｎｍとなっている。なお、ＧａＮ単層成長中にＭｇをドープすると、Ｉｎのドープの有無にかかわらず発光強度が著しく低下し、測定不能となった。
【００３０】
図６には、表１におけるいくつかの組み合わせのスペクトルが示されている。横軸は発光波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（相対単位）である。Ｉｎをドープした場合をＩｎ−、Ｓｉをドープした場合をＳｉ−と表記すると、図においてａはＩｎ−ＡｌＧａＮ／Ｉｎ−Ｓｉ−ＧａＮ（すなわち、ＡｌＧａＮの成長中にＩｎをドープし、ＧａＮ成長中にＳｉとＩｎをドープ）、ｂはＳｉ−ＡｌＧａＮ／Ｓｉ−Ｇａｎ、ｃはＳｉ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ｄはＡｌＧａＮ／Ｉｎ−Ｓｉ−ＧａＮ、ｅはＩｎ−ＡｌＧａＮ／Ｓｉ−ＧａＮ、ｆはＡｌＧＡＮ／Ｓｉ−ＧａＮ、ｇはＩｎ−Ｓｉ−ＡｌＧａＮ／Ｉｎ−ＧａＮ、ｈはＳｉ−ＡｌＧａＮ／Ｉｎ−Ｓｉ−ＧａＮ、ｉはＩｎ−Ｓｉ−ＡｌＧａＮ／Ｉｎ−Ｓｉ−ＧａＮ、ｊはＡｌＧａＮ／ＧａＮのスペクトルをそれぞれ示している。
【００３１】
表１及び図６からわかるように、厚い（２ｕｍ）ＧａＮ単層にＩｎをドープすると発光強度は３倍程度になり、ＧａＮ単層にＳｉをドープすると発光強度は１０倍程度になる。また、ＧａＮ単層にＩｎとＳｉをドープしても発光強度はそれほど変化しない。また、Ｍｇをドープすると発光強度は非常に弱くなる。
【００３２】
そして、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造にすると厚いＧａＮ単層に比べて発光強度が１６倍程度となり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層にＩｎをドープすると２０〜４０倍程度になる。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層にＳｉをドープすると２２０〜２９０倍程度となり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子にＩｎとＳｉをドープすると１８０〜３３０倍程度となることが分かる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造にＩｎやＳｉをドープし、あるいはＩｎとＳｉをともにドープすることの有効性が理解されよう。特に、ＡｌＧａＮにＩｎをドープし、ＧａＮにＩｎ及びＳｉをドープした場合に最も発光強度が強くなり、このときの発光波長は３４６ｎｍと、短波長の光を効率良く得ることができる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造の形成過程においてＩｎやＳｉをドープすることにより発光強度が向上する原因としては、Ｓｉをドープした場合にはＡｌＧａＮの組成や膜厚にゆらぎが生じるためと考えられ、また、Ｉｎをドープした場合には、結晶成長のメカニズムにＩｎが影響を及ぼしているためと考えられる。
【００３３】
このように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層の成長過程においてＩｎやＳｉをドープすることにより、波長が３７０ｎｍより短く、かつ、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層より発光強度に優れた半導体を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層より発光強度に優れた半導体及び発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態のＧａＮ系化合物半導体の構成図である。
【図２】  図１におけるＮ型超格子層の構成図である。
【図３】  図１におけるＰ型超格子層の構成図である。
【図４】  実施形態における製造装置の概略構成図である。
【図５】  実施形態の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】  実施形態における発光波長と発光強度との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０  サファイア基板、１２  Ｎ型ＧａＮ層、１４  Ｎ型超格子層、１６  Ｐ型超格子層。
【図１】
0004757976.tif 000003
【図２】
0004757976.tif 000004
【図３】
0004757976.tif 000005
【図４】
0004757976.tif 000006
【図５】
0004757976.tif 000007
【図６】
0004757976.tif 000008