(57)【要約】【課題】  窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層及びこれに関連する製造方法を開示する。【解決手段】  本発明による装置は、基板及びこの基板上に形成された複数の層を、以下の順で有し、この順は：三重窒化物系バッファ層；第１導電型窒化物系半導体層；発光層；第２導電型窒化物系半導体層である。上記の製造方法は、第１第ＩＩＩ族元素を有する第１反応ソースを第１温度にてチャンバー内に導入するステップを有し、上記の基板の表面上に堆積され、上記の元素の融点は、第１温度よりも低い。第２第ＩＩＩ族元素を有する第２ソースと窒素原子を有する第３反応ソースを、上記の第１第ＩＩＩ族元素の融点よりも低くない第２温度にて上記のチャンバー内に導入し、第１第ＩＩＩ族元素を有する三重窒化物系バッファ層を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層の製造方法であって：
基板を設けるステップ；
第１第ＩＩＩ族元素を有する第１反応ソースを、第１温度にてチャンバーに導入するステップであって、前記第１第ＩＩＩ族元素の融点は、前記第１温度よりも低く、前記第１第ＩＩＩ族元素が前記基板上に堆積される、ステップ；及び
前記基板上に前記第１第ＩＩＩ族元素を有する三重窒化物系バッファ層を形成するように、第２第ＩＩＩ族元素を有する第２反応ソースと窒素元素を有する第３反応ソースとを、第２温度にて、前記チャンバーに導入するステップであって、前記第２温度は、前記第１第ＩＩＩ族元素の融点よりも低くない、ステップ；
を有する、方法。
【請求項２】
前記基板は、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４及びガラス並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１温度は、５００℃以上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】
前記第２温度は、７００℃以上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】
前記第１第ＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２第ＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記三重窒化物系バッファ層の厚みは、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記三重窒化物系バッファ層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＮ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板、
前記基板上に形成された三重窒化物系バッファ層、
前記三重窒化物系バッファ層上に形成された第１導電型窒化物系半導体層、
前記第１導電型窒化物系半導体層上に形成された発光層、及び
前記発光層上に形成された第２導電型窒化物系半導体層、
を有する窒化物系発光装置であって、
前記三重窒化物系バッファ層は：
第１第ＩＩＩ族元素を有する第１反応ソースを第１温度にてチャンバーに導入するステップであって、前記第１第ＩＩＩ族元素の融点が前記第１温度以下であり、前記第１第ＩＩＩ族元素が前記基板上に堆積される、ステップ；及び
前記基板上に前記第１第ＩＩＩ族元素を有する三重窒化物系バッファ層を形成するように、第２第ＩＩＩ族元素を有する第２反応ソースと窒素元素を有する第３反応ソースとを第２温度にて前記チャンバーに導入するステップであって、前記第２温度は、前記第１第ＩＩＩ族元素の融点よりも低くない、ステップ；
により形成されることを特徴とする、窒化物系発光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記基板は、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４及びガラス並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１１】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第１導電型窒化物系半導体層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１２】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記発光層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１３】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第２導電型窒化物系半導体層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１４】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第１温度は、５００℃以上であることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１５】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第２温度は、７００℃以上であることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１６】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第１第ＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１７】
請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層であって、前記第２第ＩＩＩ族元素は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする三重窒化物系バッファ層。
【請求項１８】
１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有することを特徴とする、前記請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層。
【請求項１９】
ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＮ並びにこれらに類似する材料からなる群から選択された材料を少なくとも備えていることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系発光装置に係り、特に、三重窒化物系バッファ層を有する窒化物系発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードの応用は、拡大しており、光学ディスプレイ装置、信号機、データ保存装置、通信装置、照明装置及び医療機器などが挙げられる。発光ダイオードの輝度を増加し、かかる発光ダイオードのコストを低下させるため製造工程を単純化することは重要である。
【０００３】
一般に、先行技術における窒化物系発光装置は、サファイア基板上に形成されたＡｌＧａＩｎＮ群の窒化物系バッファ層を有し、この窒化物系バッファ層上にて窒化物系エピタキシー工程が行われる。結晶格子定数の適合に関連する問題に起因して、（先行技術における窒化物系発光装置の質に影響を及ぼす）転位密度を効果的に減少し得ない。従って、先行技術における窒化物系エピタキシー工程は、２つのステップによる成長方法により先行技術における窒化物系発光装置の質を増加すべく探索されており、この方法は、バッファ層を形成するため低温（５００〜６００℃）のＧａＮ、結晶化に影響を与える加熱工程（１０００〜１２００℃の温度に達する）及び各エピタキシースタック層のためのエピタキシー工程を利用する。バッファ層の厚み及び温度、上記の加熱の回復並びに再結晶化工程とともに、各反応のためのガスの比率及び流量は、正確に制御されなければならず、これにより、この製造工程を複雑かつ困難なものと、結果として製造の効率を増加し得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の初期の目的は、窒化物系発光装置の三重窒化物系バッファ層を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による窒化物系発光装置は、基板、この基板上に形成された三重窒化物系層及びこのバッファ層上に形成された窒化物系発光スタックを有している。三重窒化物系バッファ層の製造方法は以下の工程を有する：（ａ）遷移層を形成するため上記の基板の表面上に第１第ＩＩＩ族元素が堆積／吸収されるように、第１の第ＩＩＩ族元素を有する第１反応ソースを第１温度にてチャンバーに導入する工程を有する。この第１温度は、第１第ＩＩＩ族元素と基板との強固な結合が形成されないことを確実にするため、第１第ＩＩＩ族元素の融点よりも高い。次に、（ｂ）第２第ＩＩＩ族元素の融点よりも低くない第２温度において、上記の第１第ＩＩＩ族元素と反応することにより、上記の基板上に三重窒化物系バッファ層を形成するため、第２第ＩＩＩ族元素を有する第２反応ソースと窒素元素を有する第３反応元素とを第２温度のチャンバー内に導入する工程を有する。
【０００６】
本発明の方法は、複雑で困難な製造工程を単純化することが可能であり、且つ、加熱と冷却という製造時間を減少させるとともに、再結晶化工程の製造時間をも減少させる。本発明は、第１第ＩＩＩ族元素の遷移層を形成した後高温ＧａＮ層の成長を進行させるため、上記の製造工程に従った第２第ＩＩＩ族元素としてＧａを選択することが可能であり、そこでは、三重窒化物系バッファ層は、この製造工程を単純化し得るように、且つ、エピタキシーフィルムの質を増加させ得るように、種々の特別な処理を行うことなく自然に形成され得る。ちなみに、この製造工程のコストを減少することが可能となる。
【０００７】
本発明のこれら及びその他の目的は、種々の図面及び説明にて記載した好適実施例に関する以下の詳細な説明により、当業者に疑いなく明らかとなるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
複雑で困難な製造工程を単純化すると共に製造コストを低減された三重窒化物系発光装置及びその製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、本発明による、ＡｌＧａＮバッファ層を有する窒化物系発光装置１に関する概略図を示す。窒化物系発光装置１は、サファイア製基板１０、サファイア製基板１０上に形成されたＡｌＧａＮバッファ層１１、ＡｌＧａＮバッファ層１１上に形成されたエピタキシー領域１２１及びｎ型電極接触領域１２２を有するｎ型窒化物系半導体スタック層１２、エピタキシー領域１２１上に形成されたＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸発光層１３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸発光層１３上に形成されたｐ型窒化物系半導体スタック層１４、ｐ型窒化物系半導体スタック層１４上に形成された透明導電性金属層１５、ｎ型窒化物系半導体スタック層１２上に形成されたｎ型電極１６並びに透明導電性金属層１５上に形成されたｐ型電極１７を有する。
【００１０】
窒化物系発光装置１における上述のＡｌＧａＮバッファ層の形成方法は、以下のステップ、つまり：（ａ）アルミニウムに富む遷移層を形成するため８００℃においてＡｌ含有有機金属反応ソースＴＭＡ１を導入するステップ；（ｂ）低いＶ／ＩＩＩ比率状態（Ｖ／ＩＩＩ＜１０００）にて、Ｇａ含有有機金属反応ソースＴＭＧａと窒素反応ソースＮＨ３とを導入するステップ；成長温度を１０５０℃に昇温し且つ高いＶ／ＩＩＩ比率（Ｖ／ＩＩＩ＞２０００）にて高温ＧａＮ層を成長させるステップ；を有している。ＧａＮ層の成長の間、アルミニウムに富む遷移層のＡｌ原子並びにこの遷移層に近接する領域におけるＧａ原子及びＮ原子は再配列（ｒｅ−ａｒｒａｎｇｅ）される。上記のＡｌ原子は、上方に拡散し、Ｇａ原子及びＮ原子は、下方に拡散する。その後、これらＡｌ、Ｇａ及びＮ原子は、互いに結合し、ＡｌＧａＮバッファ層を形成する。
【００１１】
窒化物系発光装置１の上述のＡｌＧａＮバッファ層を形成するその他の方法は、以下のステップ、つまり：（ａ）アルミニウムに富む遷移層を形成するため、１０２０℃においてＡｌ含有有機金属反応ソースＴＭＡ１を導入するステップ；並びに（ｂ）高温ＧａＮ層を形成するように、ステップ（ａ）と同一の温度に、Ｇａ含有有機金属反応ソースＴＭＧａと窒素反応ソースＮＨ３とを導入するステップ；を有している。ＧａＮ層の成長の間、アルミニウムに富む遷移層のＡｌ原子並びにこの遷移層に近接する領域におけるＧａ原子及びＮ原子は、再配置される。このＡｌ原子は、上方へと拡散し、Ｇａ原子及びＮ原子は、下方へと拡散する。その後、これらＡｌ、Ｇａ及びＮ原子は、互いに結合し、ＡｌＧａＮバッファ層を形成する。
【００１２】
窒化物系発光装置１において、透明金属接触導電層は、透明酸化接触層のより高い透過率に起因した発光効率を増加させるため、透明酸化接触層に置き換えられてもよい。
【００１３】
図２を参照すると、本発明の他の実施例による、ＡｌＧａＮバッファ層を有する窒化物系発光装置３の概略図を示す。窒化物系発光装置１と窒化物系発光装置３とで最も有意に異なる点は、窒化物系発光装置３の透明酸化接触層２８が窒化物系発光装置１の透明導電性金属層１５と置き換わっており、且つ、オーム接触が透明酸化接触層２８とｎ型リバースタネリング接触層２９との間で形成されるように、１０ｎｍ以下の厚みで１×１０１９ｃｍ−３以上のキャリア濃度を有する、窒化物系発光装置３のｎ型リバースタネリング接触層２９がｐ型窒化物系半導体スタック層１４と透明酸化接触層２８との間に形成されている点である。窒化物系発光装置３が前方バイアスにて作動される際、高濃度のｎ型リバースタネリング接触層２９とｐ型窒化物系半導体スタック層１４との間のインターフェースは、リバースバイアスモード状態にあり、空乏領域を形成する。加えて、透明酸化接触層２８のキャリアは、タネリング効果により、ｐ型窒化物系半導体スタック層１４を貫通してもよく、上記の効果は、透明金属接触層を有する常套的なＬＥＤと同様のレベルにおいて、本発明による窒化物系発光装置３の作動バイアスを実行するものである。加えて、窒化物系発光装置１及び３のＡｌＧａＮバッファ層は、ＩｎＧａＮやＩｎＡｌＮバッファ層などの、他の三重窒化物系バッファ層に置き換えられてもよい。
【００１４】
図３、図４及び図５を参照すると、干渉光学顕微鏡にて検査されたエピウエハーの表面形態を示す写真を表す。図３は、種々のバッファ層を有しない表面を示し；図４は、２ステップ成長にて製造された先行技術におけるＧａＮバッファ層に関する表面を示し；図５は、高温ＧａＮ層を形成した後の本発明によるＡｌＧａＮ三重窒化物系バッファ層に関する表面を示す。種々のバッファ層を有さない表面は、かすんだ表面を形成しており、このことは、単一でない結晶構造を有していることを示し、その一方で、本発明によるＡｌＧａＮ窒化物系バッファ層は、常套的な２ステップ成長にて形成された層と同様のミラー様の表面を形成している。
【００１５】
さらに、本発明の方法を介した他のミラー様表面に対して、バッファ層の厚みは、先行技術のバッファ層の厚みよりも小さいことが分かった。図６を参照すると、透過型電子顕微鏡にて撮影した断面写真を示す。本発明を介した典型的なバッファ層の厚みは、７ｎｍ程度であるが、逆に、常套的な２ステップ成長方法にて作成したバッファ層の厚みは２０〜４０ｎｍであることが明らかである。
【００１６】
図７を参照すると、若干ＳｉをドープしたＧａＮ層を成長させる際、本発明のｉｎ  ｓｉｔｕでの観察による反射率のスペクトルを示す。このスペクトルは、遷移層及びこれに続く高温ＧａＮ層の形成に関する信号を示す。これらの結晶の質は、ＸＲＣ及びホール（Ｈａｌｌ）測定により特徴付けられる。本発明の方法により製造されたＧａＮ層は、２３２アーク秒のＸＲＣの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有している。上記のホールキャリア移動度は、６９０ｃｍ２／Ｖ．ｓ．に達する。１×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度と比較すると、常套的な２ステップ成長方法により製造されたＧａＮ層は、２６９アーク秒よりも広いＸＲＣのＦＷＨＭを有し、且つ、１×１０１７ｃｍ−３という同様のキャリア濃度での６２０ｃｍ２／Ｖ．ｓというホール移動度よりも低い。この結果が強く示すのは、本発明の方法により製造されたＧａＮの結晶の質は、常套的な２ステップ成長方法にて製造されたＧａＮに対して有意に向上している点である。
【００１７】
さらに、本発明の方法及び２ステップ成長方法により製造された青色発光ダイオードに関しても比較した。図８を参照すると、表が示されており、本発明の方法及び２ステップ成長方法により製造された青色発光ダイオードに関する比較である。この表によると、輝度、２０ｍＡでの順電圧、−５Ｖでの漏洩電流及び−１０μＡでの逆電圧の観点において、本発明の方法により製造されたＬＥＤは、常套的な２ステップ成長方法により製造されたＬＥＤに匹敵する。加えて、本発明の方法により製造された青色ＬＥＤの信頼性も、常套的な２ステップ成長方法にて製造されたＬＥＤと同様である。従って、本発明の方法は、単純化された工程を用いているにもかかわらず、当技術分野における従来の方法と同様の特性を有する装置を提供する。
【００１８】
上述の実施例において、ｐ型窒化物系半導体スタック層は、さらに、ｐ型窒化物系接触層及びｐ型窒化物系被覆層をさらに備え、一方、ｎ型窒化物系半導体スタック層は、ｎ型窒化物系接触層及びｎ型窒化物系被覆層をさらに備える。ｐ型窒化物系接触層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。ｎ型窒化物系接触層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。ｐ型窒化物系被覆層又はｎ型窒化物系被覆層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。サファイア製基板は、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯ及びガラスからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料で置き換えられてもよい。三重窒化物系バッファ層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。ｎ型窒化物系半導体スタック層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。窒化物系量子井戸発光層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。ｐ型窒化物系半導体スタック層は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。透明金属接触層は、Ｎｉ／Ａｕ、ＮｉＯ／Ａｕ、Ｔａ／Ａｕ、ＴｉＷＮ及びＴｉＮからなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。透明酸化接触層は、インジウムスズ酸化物、カドミウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、亜鉛アルミニウム酸化物及び亜鉛スズ酸化物からなる材料群から選択された材料又はその他の代替可能材料を有する。
【００１９】
本発明の教示を念頭におけば、当業者は、本発明による装置に関する改変及び変更が可能であることを即座に認識するであろう。従って、上述の開示は、添付した請求項の境界によってのみ限定して解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】三重窒化物系バッファ層を有する本発明の窒化物系発光装置に関する実施例の概略図を示す。
【図２】三重窒化物系バッファ層を有する本発明の窒化物系発光装置に関する実施例の概略図を示す。
【図３】干渉光学顕微鏡を用いて撮影した、エピウエハーの表面形態を示す写真である。
【図４】干渉光学顕微鏡を用いて撮影した、エピウエハーの表面形態を示す写真である。
【図５】干渉光学顕微鏡を用いて撮影した、エピウエハーの表面形態を示す写真である。
【図６】透過型電子顕微鏡による断面写真を示す。
【図７】エピタキシー工程中における瞬間的な反射率の図を示す。
【図８】本発明の方法及び２ステップ成長方法により設けられた青色発光ダイオードを比較した表を示す。
【符号の説明】
【００２１】
１        窒化物系発光装置
３        窒化物系発光装置
１０      サファイア製基板
１１      ＡｌＧａＮバッファ層
１２      ｎ型窒化物系半導体スタック層
１３      ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸発光層
１４      ｐ型窒化物系半導体スタック層
１５      透明導電性金属層
１６      ｎ型電極
１７      ｐ型電極
２８      透明酸化接触層
２９      ｎ型リバースタネリング接触層
１２１    エピタキシー領域
１２２    ｎ型電極接触領域
【図１】
2005260200.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005260200.tif 000007
【図６】
2005260200.tif 000008
【図７】
2005260200.tif 000009
【図８】
2005260200.tif 000010
【外国語明細書】
2005260200000001.pdf
2005260200000002.pdf
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2005260200000004.pdf