(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００Ｔｏｒｒの圧力、７００℃〜７９０℃の成長温度、３０Å／分〜９３Å／分の成長速度及び０．８８２×１０−５モル／分〜３．５３×１０−５モル／分のトリメチルインジウムの流量（３５℃、９００Ｔｏｒｒに換算した流量）、１．８８×１０―５モル／分〜５．０２×１０−５モル／分のトリエチルガリウムの流量の条件下でＩｎＧａＮ層を成長させることを特徴とするＩｎＧａＮの製造方法。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＮ層を成長させる際に、水素を供給しないことを特徴とする請求項１記載のＩｎＧａＮの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ等に用いられるＩｎＧａＮの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代ＤＶＤなどの光情報記録システムの光源として、青紫色領域の光を発光することができ、高密度で情報を書き込むことが可能なＩｎＧａＮ層を含む活性層を有する半導体発光素子が注目されている。
【０００３】
一般に、ＩｎＧａＮ層を有する半導体発光素子を作製する場合、基板上にｎ−ＧａＮ層を形成した後、そのｎ−ＧａＮ層上にＩｎＧａＮ層を形成する。そして、このＩｎＧａＮ層の様々な製造方法が知られている。例えば、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの取り込み量を多くするために、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）を過剰に流した状態で、ＩｎＧａＮ層を形成する反応律速モードによる製造方法が知られている。この反応律速モードにおいては、ＴＭＩｎを過剰に流した状態で、成長温度を制御することによって、ｎ−ＧａＮ層等の表面にＩｎＧａＮ層を成長させる。
【０００４】
しかしながら、この反応律速モードでＩｎＧａＮ層を成長させた場合、ＴＭＩｎを過剰に流しているため、成長中のＩｎＧａＮ層の表面に、ＩｎＧａＮ層の成長に関与できない過剰なＩｎが偏析する。そして、この状態のままＩｎＧａＮ層を更に成長させると、ＩｎＧａＮ層内に略Ｉｎ金属のみからなる塊りが形成されて、ＩｎＧａＮ層の結晶性が低くなる。
【０００５】
この結果、特に、青から緑色の光を発光させるためにＩｎの組成比を高くしたい場合には、ＩｎＧａＮ層が黒くなり光の透過性が低下する。また、このようなＩｎＧａＮ層上にｐ−ＧａＮ層を成長させると、高抵抗層が形成される。この結果、半導体発光素子の性能の低下といった問題があった。
【０００６】
そこで、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの偏析を防ぐために、反応律速モードに比べてＴＭＩｎの流量を減少させてＩｎＧａＮ層を成長させる流量律速モードによる製造方法が行われている。この流量律速モードにおいては、ＩｎＧａＮ層の成長温度に合わせて、ＴＭＩｎの流量を調整することによって、ＩｎＧａＮ層を成長させる。
【特許文献１】特開平６−２０９１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、反応律速モードに比べてＴＭＩｎの流量を大幅に減少させた流量律速モードによりＩｎＧａＮ層を成長させると、Ｉｎの偏析を防ぐことができるが、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比が低くなるといった問題が生じる。ここで、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を増加させるためには、ＩｎＧａＮ層の成長温度を下げなければならないが、成長温度を下げると、ＩｎＧａＮ層の結晶性が低下するといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、Ｉｎの偏析が少なく、且つ、Ｉｎの組成比を向上させつつＩｎＧａＮ層の結晶性が高いＩｎＧａＮの製造方法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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、２００Ｔｏｒｒの圧力、７００℃〜７９０℃の成長温度、３０Å／分〜９３Å／分の成長速度及び０．８８２×１０−５モル／分〜３．５３×１０−５モル／分のトリメチルインジウムの流量、１．８８×１０―５モル／分〜５．０２×１０−５モル／分のトリエチルガリウムの流量の条件下でＩｎＧａＮ層を成長させることを特徴とするＩｎＧａＮ層の製造方法である。尚、ここでのＴＭＩｎの流量は、３５℃、９００ｔｏｒｒに換算したものである。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、前記ＩｎＧａＮ層を成長させる際に、水素を供給しないことを特徴とする請求項１記載のＩｎＧａＮ層の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、０．８８２×１０−５モル／分〜３．５３×１０−５モル／分のトリメチルインジウムの流量でＩｎＧａＮ層を結晶成長させているので、Ｉｎの偏析を減少させることができるとともに、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を向上させることができる。また、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を向上させることができるので、ＩｎＧａＮ層の成長温度を高くすることができ、ＩｎＧａＮ層の結晶性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明によるＩｎＧａＮ層を含む半導体発光素子の断面構成を示す図である。
【００１３】
図２に示すように、本発明の製造方法によって製造されたＩｎＧａＮ層を含む半導体発光素子は、サファイア基板１、ｎ型バッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ活性層４、ｐ−ＡｌＧａＮ層５、ｐ−ＧａＮ層６が積層されている。
【００１４】
図３は、上記半導体発光素子を製造するための製造装置の概略図である。この製造装置は、成長室１１と、ロードロック室１２と、成長室１１とロードロック室１２とを分離するバルブ１３とを備えている。
【００１５】
成長室１１は、常に真空状態にされており、大気圧と同じ気圧にされることがない。ロードロック室１２は、基板Ｗが導入される際には大気圧に設定される。また、導入された基板Ｗを基板ホルダー１４とともに成長室１１に送る場合には、ロードロック室１２は、成長室１１と同じ真空状態に設定される。
【００１６】
そして、ロードロック室１２が真空状態にされると、バルブ１３が開口されて、搬送棒１５によってロードロック室１２から成長室１１に基板ホルダー１４に載置された基板Ｗが搬送される。そして、バルブ１３が閉められた後、成長室１１に搬送された基板Ｗ上に各層が形成される。
【００１７】
また、成長室１１における製造工程が全て終了した後には、ロードロック室１２が真空状態にされた後、バルブ１３が開口されて、ロードロック室１２に基板ホルダー１４と基板Ｗが搬送される。そして、ロードロック室１２が大気圧に開放された後、基板Ｗが取り出される。
【００１８】
次に、本発明に係るＩｎＧａＮ層を含む半導体発光素子の製造方法について説明する。図１は、半導体発光素子の製造時の時間と温度の関係を示す図である。
【００１９】
まず、サファイア基板１が成長室１１に搬送された状態で、成長室１１内を真空状態にする。そして、図３に示すように、成長温度を約１１００℃に設定した後、Ｈ２と少量のＮ２を成長室１１に供給して、サファイア基板１をクリーニングする。次に、クリーニングが終了すると、成長温度を約５００℃まで下げた後、サファイア基板１上にｎ型バッファ層２を成長させる。
【００２０】
次に、成長温度が約１０６０℃まで上げられた後、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２及びトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）の混合ガスを成長室１１に供給して、ｎ−ＧａＮ層３を成長させる。尚、ｎ−ＧａＮ層３を成長させる際には、ｎ−ＧａＮ層３をｎ型にするＳｉをドーピングするために、ＳｉＨ４も同時に成長室１１に供給する。
【００２１】
次に、成長温度を約７００℃〜約７９０℃まで下げ、成長室１１の圧力を２００ｔｏｒｒに設定した状態で、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＩｎ、トリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）及びＳｉＨ４の混合ガスを成長室１１に供給して、ＩｎＧａＮ活性層４を成長させる。
【００２２】
具体的には、ＴＭＩｎを固体の状態でバブラーに準備し、バブラー内の圧力を９００ｔｏｒｒに設定する。次に、バブラーにキャリアガスとしてＮ２を約０．１４３ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で流すことにより、ＴＭＩｎとＮ２の混合ガスとして成長室１１に供給する。これにより、ＴＭＩｎは、約０．８８２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ〜約３．５３×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で成長室１１に供給される。尚、ここでのＴＭＩｎの流量は、３５℃、９００Ｔｏｒｒに換算したものである。
【００２３】
また、ＴＥＧの流量を約１．８８×１０―５ｍｏｌ／ｍｉｎ〜約５．０２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３の流量を約０．６７０ｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ２の流量を約４．４６×１０−３ｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｎ２の流量を約０．２２３ｍｏｌ／ｍｉｎに設定した状態で、それぞれのガスを成長室１１に供給する。
【００２４】
ＩｎＧａＮ活性層４を成長させる際には、ＩｎＧａＮ活性層４をｎ型にするＳｉをドーピングするために、ＳｉＨ４を約２．２３×１０−１０ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で供給する。
【００２５】
これらの条件に基づいて、約３０Å／分〜約９３Å／分の成長速度で、ＩｎＧａＮ活性層４を成長させる。尚、ＩｎＧａＮ活性層４を成長させる際において、Ｈ２は、必ずしも流さなくてはならないものではない。
【００２６】
次に、成長温度を１０６０℃まで上げた後、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＧ及びＴＭＡｌを供給して、ｐ−ＡｌＧａＮ層５を成長させる。次に、同じ成長温度を保ちながら、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２及びＴＭＧを供給して、ｐ−ＧａＮ層６を成長させる。尚、ｐ−ＡｌＧａＮ層５及びｐ−ＧａＮ層６を成長させる際には、ｐ−ＡｌＧａＮ層５及びｐ−ＧａＮ層６をｐ型にするＭｇをドーピングするために、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）も成長室１１に供給する。
【００２７】
これにより、図２に示すＩｎＧａＮ活性層を含む半導体発光素子が完成する。
【００２８】
次に、図４及び図５を参照して、本発明によるＩｎＧａＮの製造方法に基づいて製造されたＩｎＧａＮ活性層と、それ以外の製造方法によって製造されたＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの偏析について比較する。
【００２９】
図４は、上記本発明に係るＩｎＧａＮの製造方法によって製造されたＩｎＧａＮ活性層の断面を蛍光顕微鏡で撮影した像である。図５は、上記ＩｎＧａＮの製造方法におけるＴＭＩｎの流量を変えて製造された比較例によるＩｎＧａＮ活性層の断面を蛍光顕微鏡で撮影した像である。尚、図４及び図５に示すＩｎＧａＮ活性層は、ＴＥＧの流量が約５．０２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ、成長温度が約７８０℃の条件下でＨ２を供給せずに成長させたものである。
【００３０】
図４に示すように、本発明による製造方法に基づいて、ＴＭＩｎの流量を約２．５８×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎに設定して製造されたＩｎＧａＮ活性層の断面構造には、Ｉｎの偏析がほとんど見られない。一方、図５に示すように、本発明による製造方法よりもＴＭＩｎの流量を多い流量（約７．０６×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ）に設定して成長させたＩｎＧａＮ活性層には、多くのＩｎの偏析が見られる（写真内の黒点参照）。
【００３１】
次に、本発明の製造方法に基づいて作成したＩｎＧａＮ活性層の試料と、他の製造方法に基づいて作成したＩｎＧａＮ活性層の比較用の試料とを比較して、ＴＭＩｎの流量及び成長温度とＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比（％）との関係を説明する。
【００３２】
図６は、ＩｎＧａＮ活性層の各成長温度（７３０℃、７４０℃、７５０℃、７７０℃、８００℃）における、ＴＭＩｎの流量とＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比の関係とを表したものである。尚、ここでのＴＭＩｎの流量は、３５℃、９００Ｔｏｒｒに換算したものである。
【００３３】
まず、成長温度とＩｎの組成比について説明する。図６に示すように、本発明の製造方法に基づいて、ＴＭＩｎの流量を調整するとともに、成長温度を約７３０℃〜約７７０℃に設定した場合には、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比を約９．８％以上にすることができる。一方、本発明の製造方法と異なり、成長温度を約８００℃に設定した場合には、ＴＭＩｎの流量を増やしても、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比は、約８．２％と低い値になった。
【００３４】
次に、ＴＭＩｎの流量とＩｎの組成比について説明する。図６に示すように、本発明の製造方法に基づいて、成長温度を設定するとともに、ＴＭＩｎの流量を約０．８８２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ以上に設定した場合には、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比は、約９．８％以上にすることができる。一方、本発明の製造方法と異なり、ＴＭＩｎの流量を約０．４４１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎにしてＩｎＧａＮ活性層を成長させた場合には、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比は、約８．９％と低い値になった。
【００３５】
また、本発明の製造方法と異なり、ＴＭＩｎの流量を約３．５３×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ以上にしたとしても、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比がほとんど増加しないことが、図６の実験結果から予測することができる。従って、ＴＭＩｎの流量を約３．５３×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎ以上にした場合には、Ｉｎの偏析が増加するだけで利点がないことがわかる。
【００３６】
以上述べたように、ＩｎＧａＮ活性層の成長条件を、約７００℃〜約７９０℃の成長温度、約３０Å／分〜約９３Å／分の成長速度及び約０．８８２×１０−５モル／分〜約３．５３×１０−５モル／分のＴＭＩｎの流量にすることにより、ＩｎＧａＮ活性層のＩｎの偏析を防ぎつつ、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比を高めることができる。また、一般にＩｎの組成比は高温では低くなるが、上記成長条件下では、Ｉｎの組成比を高めることができるので、ＩｎＧａＮ活性層の成長時の温度を高くすることができる。この結果、Ｉｎの組成比の高い、青色又は緑色の光を発光可能なＩｎＧａＮ活性層の結晶性を高めることができる。
【００３７】
以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００３８】
例えば、上述したようにＨ２を供給せずにＩｎＧａＮ活性層を成長させてもよい。以下、Ｈ２を供給せずにＩｎＧａＮ活性層を成長させた場合について、図７を参照して説明する。図７は、Ｈ２を供給せずにＩｎＧａＮ活性層を成長させた場合の、ＴＭＩｎの流量とＩｎの組成比との関係を示すグラフである。
【００３９】
図７及び図６に示すグラフを比較すると、他の成長条件を同じにして、Ｈ２を供給せずにＩｎＧａＮ活性層を成長させた方が、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比が増加することがわかる。例えば、成長温度を約７５０℃、ＴＭＩｎの流量を約１．７６×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎに設定した場合には、Ｈ２を供給せずに成長させたＩｎＧａＮ活性層ではＩｎの組成比が約１７．０％になったのに対し、Ｈ２を供給して成長させたＩｎＧａＮ活性層ではＩｎの組成比が約１４．０％になった。これにより、Ｈ２を供給せずにＩｎＧａＮ活性層を成長させた方が、Ｉｎの組成比を向上させることができることがわかる。
【００４０】
また、ＩｎＧａＮ活性層を成長させる際のＴＥＧの流量を変更することも可能である。次に、ＴＥＧの流量と、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比との関係を説明する。尚、以下の説明では、ＴＭＩｎの流量を約３．５３×１０―５ｍｏｌ／ｍｉｎ、成長温度を約７６０℃に設定し、Ｈ２を供給せずに、ＩｎＧａＮ活性層を成長させた。
【００４１】
ＩｎＧａＮ活性層形成時のＴＥＧの流量を約１．８８×１０―５ｍｏｌ／ｍｉｎにした場合では、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比が約１７．６％となった。一方、ＩｎＧａＮ活性層形成時のＴＥＧの流量を約５．０２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｎに増加させた場合は、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比が約１９．４％に増加した。これにより、ＴＥＧの流量を増加させた方が、ＩｎＧａＮ活性層内のＩｎの組成比を増加させることができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】半導体発光素子を成長させる際の時間と温度の関係を示す図である。
【図２】本発明のＩｎＧａＮ層の製造方法により製造された半導体発光素子の断面構造を示す図である。
【図３】半導体発光素子を成長させるための成長装置の全体概略図である。
【図４】本発明のＩｎＧａＮ層の製造方法により製造されたＩｎＧａＮ層の蛍光顕微鏡写真である。
【図５】本発明とは異なる製造方法により製造されたＩｎＧａＮ層の蛍光顕微鏡写真である。
【図６】ＴＭＩｎの流量とＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比の関係を示すグラフである。
【図７】Ｈ２を供給せずにＩｎＧａＮ層を成長させた際の、ＴＭＩｎの流量とＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１    サファイア基板
２    ｎ型バッファ層
３    ｎ−ＧａＮ層
４    ＩｎＧａＮ活性層
５    ｐ−ＡｌＧａＮ層
６    ｐ−ＧａＮ層
１１  成長室
１２  ロードロック室
１３  バルブ
１４  基板ホルダー
１５  搬送棒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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