(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系発光素子を気相成長法により薄膜の積層構造として作成するＧａＮ系発光素子作成方法において、
薄膜形成基板を所定の温度に加熱し、
ガリウム（Ｇａ）と混晶化させる砒素（Ａｓ）または燐（Ｐ）を含む原料を前記Ｇａに添加する際に、前記薄膜形成基板上にレーザ光を照射することによって前記原料を分解することを特徴とするＧａＮ系発光素子作成方法。
【請求項２】
前記Ｇａと混晶化された薄膜は、前記レーザ光の照射によってマイグレーションされた砒素（Ａｓ）または燐（Ｐ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系発光素子作成方法。
【請求項３】
前記所定の温度は、９００℃から４００℃の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ系発光素子作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体から構成される発光素子を作成するためのＧａＮ系発光素子作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ（窒化ガリウム）は、周期律表を元にした化合物半導体の分類からすると、III−Ｖ族窒化物半導体に属する材料であり、その結晶構造は六方晶系のウルツ鉱型構造である。このIII−Ｖ族窒化物半導体に属する材料としては、他に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。これらはすべてエネルギーバンド構造が直接遷移型なので、ＳｉＣなど間接遷移型に属する材料に比べると発光効率の点で本質的に優れた特性をもつ材料として知られている。
【０００３】
また、これらの混晶である（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎは、混晶比によってバンドギャップエネルギーＥｇを１．９５〜６．２８ｅＶと広い範囲で変えることができる。したがって、紫外から赤色まで可視領域の色のすべてを発色光として実現できる可能性をもっている。さらに、これらの材料に共通する高融点、高硬度、高熱伝導度などの特徴は、耐環境性に優れた信頼性の高いデバイスとなりうるため、発光デバイスの材料として特に有望視されている。
【０００４】
このようにＧａＮ系化合物半導体は、発光材料としての十分なポテンシャルをもっており、特に発色光として青色を有することから、紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の実現が可能である。よって、これに、既存の赤色および緑色のＬＥＤを組み合わせることで、ＬＥＤを用いたフルカラーディスプレイの実現も可能となる。
【０００５】
一般に、ＬＥＤやＬＤ（レーザダイオード）の作成にあたっては、エピタキシャル成長による薄膜を得るために、使用する基板としてその格子定数が発光材料と十分高い整合性を有するものが要求される。この要求を満たさない場合には、薄膜の結晶構造が基板の結晶構造と異なり、格子定数にミスマッチが生じるため、薄膜成長の初期に薄膜構造が乱れたものになりやすく、発光効率や寿命の低下を招いてしまう。
【０００６】
ところが、ＧａＮ系のＬＥＤの作成においては、市販のエピタキシャル成長用基板の中に格子定数の整合したものがなく、実際に成長用として使われているサファイア基板でも１５％近く格子定数がずれている。このことから、良質の結晶を成長させるのは大変困難であり、過去において長く、発光素子としての技術進展がみられなかった。
【０００７】
また、ＧａＮを成長するには、基板を約１０００℃まで加熱しなければならないが、この温度になると、ＧａＮの蒸気圧が高くなってしまうため、ＧａＮ膜の結晶性を向上させるのはきわめて難しく、さらに、ＧａＮにはｐ型結晶ができないという問題もあったため、ＧａＮ系発光素子の実現をより困難にしていた。
【０００８】
このような背景のもと、近年において、基板上にまずＡｌＮまたはＧａＮで薄いバッファ層を形成した後にＧａＮ膜を成長させると、結晶性が飛躍的に向上するということが見出され、これにより格子不整合による結晶性の問題が解決された。また、ＭｇをドープしたＧａＮ膜に対して、電子線の照射あるいは熱的アニーリング処理をおこなうと低抵抗のｐ型ＧａＮ膜が作成されるという知見も得られた。このような結果、現在においては、ＧａＮ系材料のｐｎ接合が実現可能となっており、上記したＩｎＧａＮ等の混晶膜も得ることができるようになった。
【０００９】
以下に、活性層をＩｎＧａＮとしたＧａＮ系ＬＥＤの代表的な作成方法について説明する。ＧａＮ系ＬＥＤは、薄膜の多層構造として提供されるが、ここでは、その薄膜の作成方法としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ‐Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を採用した場合について説明する。
【００１０】
まず、ＧａＮ系ＬＥＤを作成するにあたって、半絶縁性のサファイア基板または導電性のＳｉＣ基板上に、アンモニア（ＮＨ3）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、ＡｌＮバッファ層を成長させる。
【００１１】
さらにその上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）およびシラン（ＳｉＨ4）をガス原料として、成長温度１０５０℃のもと、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層を成長させる。さらにその上に、上記原料にＴＭＡを加えて、成長温度１０５０℃のもと、クラッド層として機能するｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。そしてその上に、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧおよびＮＨ3をガス原料として、同温度で、活性層となるノンドープのＩｎＧａＮ層を形成する。
【００１２】
さらにその上に、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）をドーパントとして、同温度で、もう一方のクラッド層となるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。そして最後に、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂＣｐＭｇ）をドーパントとして、同温度のもと、ｐ型ＧａＮ層を成長させる。
【００１３】
このように、ＬＥＤを構成する積層膜は、サファイア基板の上に低温で堆積されたバッファ層、ｎ型低抵抗層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型低抵抗層の順とするのが一般的である。
【００１４】
上記薄膜の積層後、電極を形成するためのパターニングをおこなうために、ＳｉＯ2等をその表面にプラズマＣＶＤ装置を用いて堆積させた後、ｎ型電極を形成するためにフォトレジストおよび化学エッチング等を用いてエッチングしパターニングする。この場合、上記したｎ型ＧａＮの一部までがエッチングされ、その上面にＴｉ／Ａｌ等の金属を蒸着することで、ｎ型電極を形成する。一方、ｐ型電極は、上記したｐ型ＧａＮの上面に、Ａｕ／Ｎｉ等の金属を蒸着することで形成する。
【００１５】
このように、ＩｎＧａＮを活性層としたＧａＮ系ＬＥＤは、その作成方法も確立されており、さらに、Ｉｎの添加による発光中心の形成によって高輝度の発光が得られることから、実際の製品として市場に多く出回っている。ところが、このＩｎＧａＮを活性層としたＬＥＤでは、青紫色の発光は十分な実用を満たすものの、Ｉｎのドープ量を変化させることで他の発色を実現しようとした場合、長波長側においてせいぜい橙色までの発光が確認されるだけであり、ＲＧＢの基本色の一つである赤色の発光は実現されていないのが現状である。すなわち、ＩｎＧａＮを活性層としたＬＥＤのみで、そのドープ率を変化させることによるＲＧＢ全基本色の発光は、実現されていなかった。
【００１６】
ところが、近年、燐（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を添加したＧａＮ系材料も青色ＬＥＤの材料として有望であることがわかってきた。これら添加物をドープしたＧａＮＰやＧａＮＡｓは、その添加物のドープ量に応じて、紫外から赤色まで幅広い発色が可能であり、ＲＧＢ全基本色の発光が実現されるものと期待されている。
【００１７】
例えば、ＧａＮＡｓは、１０％以内のＡｓの添加により、紫外から赤色までの発色が可能であり、ＧａＮＰは、１５％以内のＰの添加により、紫外から赤外までの発色が可能である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＰやＧａＡｓがＰやＡｓのドープ量に対して略線形の変化範囲の小さなエネルギーギャップを有する一方で、ＧａＮＡｓやＧａＮＰは、上記したようにＰやＡｓのドープ量に対してエネルギーギャップの変化が大きく、その変化の形態も非線形であるので制御しにくいという問題があった。
【００１９】
また、薄膜の形成においては、基板や薄膜の表面に衝突した原子・分子は、一部反射し、他は表面上に留まることが知られている。表面上に留まった原子・分子は、自らの持つエネルギーと基板の温度によるエネルギーで表面拡散（マイグレーション）をし、一部は再蒸発（脱離）し、他はポテンシャルの谷に落ち着く（吸着）。すなわち、薄膜が形成されるには、材料原子・分子の脱離を低減させ、基板全体亘る十分なマイグレーションと吸着が必要とされる。
【００２０】
しかしながら、ＧａＮＰやＧａＮＡｓをＭＯＣＶＤ法等で成膜する場合、基板が１０００℃程度の高温状態では、ＰまたはＡｓが脱離しやすく、高品質のＧａＮＰやＧａＮＡｓが得られにくいという問題があった。そのため、良質な活性層が得られず、発光効率が小さいという問題が生じていた。
【００２１】
この脱離の発生は、ＧａＮＰやＧａＮＡｓの結晶構造とサファイア基板等の結晶構造との整合性が悪いため、バッファ層が介在したとしても、上記したような１０００℃程度の比較的高温状態にある基板上では、ＰやＡｓは長時間定位置にとどまっていられないことを起因としていた。なお、以下において、マイグレーションとは、ＧａＮＰやＧａＮＡｓ等の所望の混晶を得るために必要とされる表面吸着の状態を意味するものとする。
【００２２】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ＧａＮＰやＧａＮＡｓのように、結晶基板を高温とした状態では良質な混晶薄膜が得られない材料に対し、レーザ光の照射を併用することで、結晶基板を低温とした場合においても、原料ガスの分解とマイグレーションとを促進させることができるＧａＮ系発光素子作成方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、ＧａＮ系発光素子を気相成長法により薄膜の積層構造として作成するＧａＮ系発光素子作成装置において、ガリウム（Ｇａ）と混晶化させる原料を前記Ｇａに添加する際に、薄膜形成基板上にレーザ光を照射するレーザ光照射手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、Ｇａと混晶化される原料ガスの分解や薄膜形成基板上へのマイグレーションをレーザ光の照射による光エネルギーによっておこなうことができる。
【００２５】
また、この発明は、ＧａＮ系発光素子を気相成長法により薄膜の積層構造として作成するＧａＮ系発光素子作成方法において、薄膜形成基板を所定の温度に加熱し、ガリウム（Ｇａ）と混晶化させる原料を前記Ｇａに添加する際に、前記薄膜形成基板上にレーザ光を照射することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、Ｇａと混晶化される原料ガスの分解や薄膜形成基板上へのマイグレーションを薄膜形成基板の加熱によって与えられる熱エネルギーとともに、レーザ光の照射による光エネルギーによっておこなうことができる。
【００２７】
また、この発明は、上記発明のＧａＮ系発光素子作成方法において、前記原料が、前記レーザ光の照射によって分解された砒素（Ａｓ）または燐（Ｐ）を含むことを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、従来の薄膜形成基板の加熱のみによっては十分な量のガス分解を図ることが困難であったＡｓやＰについても、レーザ光の照射の併用によって、そのガス分解を促進させることができる。
【００２９】
また、この発明は、上記発明のＧａＮ系発光素子作成方法において、前記Ｇａと混晶化された結晶構造の薄膜は、前記レーザ光の照射によってマイグレーションされた砒素（Ａｓ）または燐（Ｐ）を含むことを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、従来の薄膜形成基板の加熱のみによっては十分なマイグレーションを図ることが困難であったＡｓやＰについても、レーザ光の照射の併用によって、そのマイグレーションを促進させることができる。
【００３１】
また、この発明は、上記発明のＧａＮ系発光素子作成方法において、前記所定の温度が、９００℃から４００℃の範囲であることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、従来の高い温度による薄膜形成基板の加熱によっては、原料の十分なマイグレーションを図ることが困難であった場合についても、レーザ光の照射の併用によって、そのマイグレーションを促進させることができるため、薄膜形成基板の加熱温度を、１０００℃程度であった従来の成長温度と比較して低い９００℃から４００℃の範囲に設定することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３４】
実施の形態１．
まず、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法について説明する。特に、実施の形態１は、ＭＯＣＶＤ法によって薄膜形成をおこなう場合のＧａＮ系発光素子作成装置を示すものである。図１は、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。図１に示すＧａＮ系発光素子作成装置１０は、薄膜が形成される成長室となる反応器２０と、反応器２０に種々の原料ガスを導入するためのガス導入系３０と、レーザ光源４０と、レーザ光源４０の発振制御をおこなうレーザ発振制御部４２と、ＲＦコイル２２を制御するＲＦコイル制御部４４と、サセプタ２４またはその上に設置される基板９の温度を測定する温度測定部４６と、を備えて構成される。なお、図中においては、反応器２０やガス導入系３０において通常必要とされる真空排気系統等は省略されている。
【００３５】
ここで、反応器２０は、原料ガスがガス導入系３０からライン１およびライン２を介して供給されるツーフロー型の反応器であり、従来において用いられているＧａＮ系の薄膜作成に適した構造である。また、ＲＦコイル２２は、ＲＦコイル制御部４４によって与えられる高周波電流により、サセプタ２４を加熱させることができるものである。なお、このＲＦコイル２２およびＲＦコイル制御部４４に代えて、サセプタ２４に設けたヒータおよびヒータ制御部を用いてもよい。
【００３６】
また、温度測定部４６は、反応器２０の外部から基板９等の温度測定が可能な赤外放射温度計や、基板９等の測定対象物に直接接続された熱電対から得られる信号を処理する回路である。
【００３７】
レーザ光源４０は、高エネルギーの紫外光が発振可能な光源であり、例えば、１０Ｗ出力のＡｒＦレーザ（１９３ｎｍ）を使用する。このＡｒＦレーザのオン／オフ制御や後述するスキャン制御は、レーザ発振制御部４２によって制御される。なお、このレーザ光源４０は、反応器２０の外部にかつレーザ光照射先が基板９上となる位置に固定される。反応器２０は、一般に石英等のガラス材のベルジャーで覆われているため、このような外部から内部への光の照射を可能とする構成は容易に実現できる。また、ステンレス曹のベルジャーであってもガラスのビューポートを設ける等、レーザ光の入射領域を確保することは容易である。
【００３８】
ガス導入系３０は、従来のＭＯＣＶＤ法において用いられるガスラインと同様な構成である。すなわち、上記したライン１とライン２の２系統のラインから構成されており、原料のキャリアガスとして、水素ガスボンベ３８と水素純化器３７によって供給される水素ガスを用い、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２によって流量を制御させながら、有機金属ボンベ３４によって有機金属原料のバブリングにより得られる一定量の有機金属ガスや、原料ガスボンベ３６によって得られる気相原料ガスを、反応器２０まで輸送するライン系統である。
【００３９】
つぎに、このＧａＮ系発光素子作成装置によって実現されるＧａＮ系発光素子作成方法について説明する。図２は、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成方法により実行されるＬＥＤの作成手順を示すフローチャートである。また、図３は、図２に示すフローチャートにしたがって作成されるＬＥＤを説明するためのＬＥＤ断面図である。ここでは、特に、活性層をＧａＮＰとしたＬＥＤの作成手順を例に挙げる。
【００４０】
まず、サファイア基板、ＳｉＣまたはシリコン基板等の結晶基板をサセプタ２４上に設置する。なお、ここでは、結晶基板としてサファイア基板を用いることとする。そして、この状態において、ＲＦコイル２２の発振により、サファイア基板５１の温度を６４０℃に維持する（ステップＳ１０１）。
【００４１】
温度測定部４６によって、サファイア基板５１が６４０℃に達したことが検出されると、つぎに、ＧａＮバッファ層の形成を開始する（ステップＳ１０２）。このＧａＮバッファ層５２は、ガス導入系３０から反応器２０へと、２００ｓｃｃｍ程度のジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）および２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧを供給することで、サファイア基板５１上に厚さ５０Åの結晶構造として形成される（図３（ａ））。
【００４２】
そして、ＲＦコイル２２の発振により、基板温度を８５０℃に維持する（ステップＳ１０３）。温度測定部４６によって、サファイア基板５１が６４０℃に達したことが検出されると、つぎに、レーザ光源４０によるレーザ照射をおこなう（ステップＳ１０４）。この段階におけるレーザ照射は、上記した８５０℃程度の基板温度では、後述するＮＨ3等の原料ガスの分解を促進させるにはエネルギーが不足するため、それを補助する役割を担う。
【００４３】
この状態において、つぎにｎ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０５）。このｎ型ＧａＮ層５３は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、２ｓｃｃｍ程度のＳｉＨ4の原料ガスを、上記したＧａＮバッファ層５２上に成長させ、Ｓｉがドープされた厚み２μｍのＧａＮ層として得られる（図３（ｂ））。
【００４４】
つぎに、クラッド層として機能するｎ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０６）。このｎ型ＡｌＧａＮ層５４は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、２ｓｃｃｍ程度のＳｉＨ4と、５ｓｃｃｍ程度のＴＭＡの原料ガスを、上記したｎ型ＧａＮ層５３上に成長させ、Ｓｉがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる（図３（ｃ））。
【００４５】
つぎに、活性層となるノンドープのＧａＮ1-xＰx層（ここで、０＜ｘ＜１）を形成する（ステップＳ１０７）。このＧａＮ1-xＰx層５５は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、５００ｓｃｃｍ程度のフォスフィン（ＰＨ3）の原料ガスを、上記したｎ型ＡｌＧａＮ層５４上に成長させ、厚み１０ｎｍ程度のＧａＮＰ層として得られる（図３（ｄ））。
【００４６】
なお、この際、レーザ光源４０から照射されるレーザ光は、基板全面に照射されるように一定範囲でスキャンされる。これにより、ＮＨ3およびＰＨ3のガス分解が促進されるとともに、基板表面へのＰのマイグレーションを促進させることが可能になる。すなわち、レーザ光の照射により、多くのＰＨ3が分解されて、十分な量のＰ原子・分子を基板表面上の一定領域内に供給できる一方、基板温度が従来の設定温度（１０００℃程度）に比較して低い（８５０℃）ために、これらＰ原子・分子が基板上から脱離することなく、かつレーザエネルギーにより下地の結晶構造に割り込んだマイグレーションも達成される。これにより、１０ｎｍといった十分大きな厚みを有するＧａＮＰ層を得ることができる。
【００４７】
つづいて、もう一方のクラッド層として機能するｐ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０８）。このｐ型ＡｌＧａＮ層５６は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、３ｓｃｃｍ程度のシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）と、５ｓｃｃｍ程度のＴＭＡの原料ガスを、上記したＧａＮ1-xＰx層５５上に成長させ、Ｍｇがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる（図３（ｅ））。
【００４８】
最後に、ｐ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０９）。このｐ型ＧａＮ層５７は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、３ｓｃｃｍ程度のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂＣｐＭｇ）の原料ガスを、上記したｐ型ＡｌＧａＮ層５６上に成長させ、Ｍｇがドープされた厚み１０００ÅのＧａＮ層として得られる（図３（ｆ））。
【００４９】
そして、上記薄膜の積層後、電極を形成するためのパターニングをおこなうために、ＳｉＯ2等をその表面にプラズマＣＶＤ装置を用いて堆積させた後、ｎ型電極を形成するためにフォトレジストおよび化学エッチング等を用いてエッチングしパターニングする（ステップＳ１１０）。
【００５０】
図４は、電極形成後のＬＥＤ構造の断面図である。図４に示すように、上記した積層膜に対し、ｎ型ＧａＮ層５３の一部までがエッチングされ、その上面にＴｉ／Ａｌ／Ａｕ等の金属を蒸着することで、ｎ型電極６２が形成される。一方、ｐ型電極６１は、上記したｐ型ＧａＮ層５７の上面に、Ａｕ／Ｎｉ等の金属を蒸着することで形成される。
【００５１】
このようにして作成されたＬＥＤに電圧を印加して発光を調べたところ、印加電圧４Ｖで、バンド幅４００ｎｍ付近に著しく強い発光ピークが観察された。また、その他のピークは観察されなかった。すなわち、高輝度の紫外ＬＥＤが作成されていることが確認された。
【００５２】
なお、上記したレーザ光照射は、連続波でもパルス波でもよいが、連続波の場合には、そのレーザ光の連続照射による材料の温度上昇を考慮して、さらにＲＦコイル２２によって加熱される基板温度を小さく設定することもできる。
【００５３】
さらに、図１に示した装置構成では、レーザ光源を一つのみとしたが、ガス分解用とマイグレーション用の２つのレーザ光源を設けてもよい。図５は、レーザ光源を２つ設けた場合のレーザ照射を説明するための説明図である。図５においては、レーザ光源７２がマイグレーション用であり、レーザ光源７４がガス分解用である。例えば、図５に示すように、レーザ光源７４を、基板９の上面領域７４を照射する位置に設置し、レーザ光源７４を、プリズム、反射ミラーまたは回折格子等の回転制御によるスキャン機構７６を伴うことで、基板９の全面を照射するような位置に設置する。
【００５４】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法によれば、ＧａＮ系化合物半導体のうち特に、マイグレーションが困難とされるＡｓやＰ等の添加物の混晶を作成するためのＭＯＣＶＤ法に従ったＧａＮ系発光素子作成方法において、ＮＨ3等の気相原料ガスが供給される際に、基板９上にレーザ光を照射するので、そのレーザ光エネルギーにより、それら気相原料ガスの分解が促進されて、多くの混晶構成分子を基板９上に滞在させることができるとともに、基板９の温度を比較的低温に設定していることから、基板９の高温状態によるそれら混晶構成分子の脱離をも回避することが可能になる。
【００５５】
特に、従来の基板温度条件等では十分なマイグレーションを図ることができなかったＡｓやＰ等をＧａＮに添加した混晶を得ようとする際に、上記したレーザ照射によりガス分解が促進されるとともに、そのレーザ光エネルギーにより、基板９へのマイグレーションも促進させることができる。これにより、ＧａＮＡｓやＧａＮＰの良質な薄膜を形成させることができる。すなわち、ＡｓやＰのドープ量制御を精密におこなうことが可能となり、ＧａＮＡｓやＧａＮＰのみで構成したＬＥＤによるフルカラーディスプレイや白色ＬＥＤの作成を高効率に実現することができる。
【００５６】
実施の形態２．
つぎに、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法について説明する。特に、実施の形態２は、ガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法によって薄膜形成をおこなう場合のＧａＮ系発光素子作成装置を示すものである。図６は、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。
【００５７】
図６に示すＧａＮ系発光素子作成装置１１０は、薄膜が形成される成長室となる反応器１２０と、レーザ光源１４０と、レーザ光源１４０の発振制御をおこなうレーザ発振制御部１４２と、ヒータ１２２を制御するヒータ制御部１４４と、サセプタ１２４またはその上に設置される基板１０９の温度を測定する温度測定部１４６と、を備えて構成される。なお、図中においては、通常必要とされる真空排気系統等は省略されている。
【００５８】
ここで、反応器１２０には、従来のガスソースＭＢＥ装置と同様に、原料を装填する複数の分子線セル１５２が設けられており、ここでは、原料としてＧａやＡｌが装填され、特に、ｎ型の薄膜を形成するためのドーパントとしてジシランやＳｉ、ｐ型の薄膜を形成するためのドーパントとしてＭｇが装填されている。
【００５９】
これら分子線セル１５２からの原料の分子線放出は、ヒータ１５６による加熱によっておこなわれ、シャッター１５４の開閉により選択的に切り替えられる。なお、プラズマガン１５０からはラジカル化した窒素が射出される。
【００６０】
また、温度測定部１４６は、反応器１２０の外部から基板１０９等の温度測定が可能な赤外放射温度計や、基板１０９等の測定対象物に直接接続された熱電対から得られる信号を処理する回路である。
【００６１】
レーザ光源１４０は、実施の形態１と同様な光源であり、レーザ発振制御部１４２が、このレーザ光源１４０のオン／オフ制御やスキャン制御をおこなう。なお、このレーザ光源１４０は、反応器１２０の外部にかつレーザ光照射先が基板１０９上となる位置に固定される。
【００６２】
以上のような構成の実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子作成装置においても、実施の形態１に示した場合と同様な基板温度制御および同様なタイミングによるレーザ光照射をおこなう。すなわち、ＮＨ3およびＧａを原料ガスとして、従来の成長温度よりも低い成長温度８５０℃でｎ型ＧａＮ層を形成する際に、基板１０９上にレーザ光を照射する。特に、ＮＨ3、ＰＨ3およびＧａを原料ガスとしてＧａＮＰ層を形成する際に、基板１０９上の全面にレーザ光を照射する。その他の薄膜作成手順は、従来と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００６３】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法によれば、ＧａＮ系化合物半導体のうち特に、マイグレーションが困難とされるＡｓやＰ等の添加物の混晶を作成するためのガスソースＭＢＥ法に従ったＧａＮ系発光素子作成方法においても、実施の形態１に示した効果と同様の効果を享受することができる。
【００６４】
実施の形態３．
つぎに、実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法について説明する。特に、実施の形態３は、プラズマＣＶＤ法によって薄膜形成をおこなう場合のＧａＮ系発光素子作成装置を示すものである。図７は、実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。
【００６５】
図７に示すＧａＮ系発光素子作成装置２１０は、薄膜が形成される成長室となる反応器２２０と、レーザ光源２４０と、レーザ光源２４０の発振制御をおこなうレーザ発振制御部２４２と、ヒータ２２２を制御するヒータ制御部２４４と、サセプタ２２４またはその上に設置される基板２０９の温度を測定する温度測定部２４６と、を備えて構成される。なお、図中においては、通常必要とされる真空排気系統等は省略されている。
【００６６】
ここで、反応器２２０には、従来のプラズマＣＶＤ装置と同様に、原料ガスの導入ラインとして機能するとともにプラズマ発生のための一方の電極となる電極２５４が設けられており、他方の電極としても機能するサセプタ２２４との間に、ＲＦ発振器２５２により高周波電圧が与えられることで、基板１０９の上面にプラズマが発生する。
【００６７】
なお、原料ガスは、実施の形態１と同様な組成のものを用いる。したがって、図７においては、図１に示したガス導入系３０と同様な原料ガス供給ラインが必要となるが、ここではその図示を省略している。
【００６８】
また、温度測定部２４６は、反応器２２０の外部から基板２０９等の温度測定が可能な赤外放射温度計や、基板２０９等の測定対象物に直接接続された熱電対から得られる信号を処理する回路である。
【００６９】
レーザ光源２４０は、実施の形態１と同様な光源であり、レーザ発振制御部２４２が、このレーザ光源２４０のオン／オフ制御やスキャン制御をおこなう。なお、このレーザ光源２４０は、反応器２２０の外部にかつレーザ光照射先が基板２０９上となる位置に固定される。
【００７０】
以上のような構成の実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置においても、実施の形態１に示した場合と同様な基板温度制御および同様なタイミングによるレーザ光照射をおこなう。すなわち、ＴＭＧ、ＮＨ3およびＳｉＨ4を原料ガスとして、従来の成長温度よりも低い成長温度８５０℃でｎ型ＧａＮ層を形成する際に、基板２０９上にレーザ光を照射する。特に、ＴＭＧ、ＮＨ3およびＰＨ3を原料ガスとしてＧａＮＰ層を形成する際に、基板２０９上の全面にレーザ光を照射する。その他の薄膜作成手順は、従来と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００７１】
以上に説明したとおり、実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置およびＧａＮ系発光素子作成方法によれば、ＧａＮ系化合物半導体のうち特に、マイグレーションが困難とされるＡｓやＰ等の添加物の混晶を作成するためのプラズマＣＶＤ法に従ったＧａＮ系発光素子作成方法においても、実施の形態１に示した効果と同様の効果を享受することができる。
【００７２】
なお、プラズマＣＶＤ法は、プラズマの活性エネルギーを利用してガス分解をおこなうことを特徴としているため、ガス分解を促進するにあたっては、上記したヒータ２２２は必要ないが、マイグレーションを促進するためのエネルギーを与える手段として必要となる。よって、実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置においては、上記したレーザ光源２４０によるレーザ光照射を、マイグレーションを促進させる場合のみにおこなってもよい。
【００７３】
以上に説明した実施の形態１〜３においては、活性層をＧａＮＰやＧａＮＡｓとした場合を例にして説明したが、ＡｌＧａＩｎＮＡｓまたはＡｌＧａＩｎＮＰ等のその他の多元系のＧａＮ系化合物半導体の薄膜成長にも適用することができることはいうまでもない。また、上記したＭＯＣＶＤ法等の薄膜作成法以外にも、原料に塩化ガリウム等の塩化物を用いるクロライド系または水素化物を用いるハライド系の気相成長にも適用することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したようにこの発明によれば、レーザ光を薄膜形成基板上に照射するレーザ光照射手段を備えているので、Ｇａと混晶化される原料ガスの分解や薄膜形成基板上へのマイグレーションをレーザ光の照射による光エネルギーによっておこなうことができ、薄膜形成基板の高温加熱によっては実現できないＧａＮの多元混晶の作成が可能となるという効果を奏する。
【００７５】
また、この発明によれば、Ｇａと混晶化される原料ガスの分解や薄膜形成基板上へのマイグレーションを薄膜形成基板の加熱によって与えられる熱エネルギーとともに、レーザ光の照射による光エネルギーによっておこなうことができるので、薄膜形成基板の高温加熱を起因としてＧａとの混晶化が困難である原料についても、薄膜形成基板の加熱を低下させてその混晶を実現することができるという効果を奏する。
【００７６】
また、この発明によれば、従来の薄膜形成基板の加熱のみによっては十分な量のガス分解を図ることが困難であったＡｓやＰについても、レーザ光の照射の併用によって、そのガス分解を促進させることができるという効果を奏する。
【００７７】
また、この発明によれば、薄膜形成基板の高温加熱を起因としてマイグレーションを図ることができずにＧａとの混晶化が困難であったＡｓやＰについても、レーザ光の照射の併用によって、そのマイグレーションを促進させることができるので、そのような原料についても、薄膜形成基板の加熱を低下させてその混晶を実現することができるという効果を奏する。
【００７８】
また、この発明によれば、従来の高い温度による薄膜形成基板の加熱によっては、原料の十分なマイグレーションを図ることが困難であった場合についても、レーザ光の照射の併用によって、そのマイグレーションを促進させることができるため、薄膜形成基板の加熱温度を、１０００℃程度であった従来の成長温度と比較して低い９００℃から４００℃の範囲に設定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成方法により実行される薄膜の作成手順を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成方法により作成されるＬＥＤを説明するためのＬＥＤ断面図である。
【図４】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成方法において、電極形成後のＬＥＤ構造の断面図である。
【図５】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子作成方法において、レーザ光源を２つ設けた場合のレーザ照射を説明するための説明図である。
【図６】実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。
【図７】実施の形態３にかかるＧａＮ系発光素子作成装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
９，１０９，２０９  基板
１０，１１０，２１０  ＧａＮ系発光素子作成装置
２０，１２０，２２０  反応器
２２  ＲＦコイル
２４，１２４，２２４  サセプタ
３０  ガス導入系
３４  有機金属ボンベ
３６  原料ガスボンベ
３７  水素純化器
３８  水素ガスボンベ
４０，７２，７４，１４０，２４０  レーザ光源
４２，１４２，２４２  レーザ発振制御部
４４  ＲＦコイル制御部
４６，１４６，２４６  温度測定部
５１  サファイア基板
５２  ＧａＮバッファ層
５３  ｎ型ＧａＮ層
５４  ｎ型ＡｌＧａＮ層層
５５  ＧａＮ1-xＰx層
５６  ｐ型ＡｌＧａＮ層
５７  ｐ型ＧａＮ層
６１  ｐ型電極
６２  ｎ型電極
７６  スキャン機構
１２２，１５６，２２２  ヒータ
１４４，２４４  ヒータ制御部
１５０  プラズマガン
１５２  分子線セル
１５４  シャッター
２５２  ＲＦ発振器
２５４  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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