JP2003209285A - ３−５族化合物半導体の製造方法及び発光素子 - Google Patents
３−５族化合物半導体の製造方法及び発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高品質の量子井戸層を発光波長の短波長化を
抑えて製造できるようにすること。 【解決手段】 一般式Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｎ（ただし、
０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝
１）で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造であ
り、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）４Ａをこれよりバンド
ギャップの大きなＧａＮ層（障壁層）５Ａ及び５Ｂによ
って挟むようにしてＩｎＧａＮ層４ＡにＧａＮ層５Ａ及
び５Ｂを接合させた層構造を有している３−５族化合物
半導体１の製造方法において、量子井戸層の成長温度を
障壁層の成長温度より高くすることにより、発光に寄与
するバンドギャップの小さな量子井戸層の結晶品質を高
くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを小さく
抑えるようにした。
抑えて製造できるようにすること。 【解決手段】 一般式Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｎ（ただし、
０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝
１）で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造であ
り、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）４Ａをこれよりバンド
ギャップの大きなＧａＮ層（障壁層）５Ａ及び５Ｂによ
って挟むようにしてＩｎＧａＮ層４ＡにＧａＮ層５Ａ及
び５Ｂを接合させた層構造を有している３−５族化合物
半導体１の製造方法において、量子井戸層の成長温度を
障壁層の成長温度より高くすることにより、発光に寄与
するバンドギャップの小さな量子井戸層の結晶品質を高
くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを小さく
抑えるようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般式Ｉｎx Ｇａ
y Ａｌz Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ
＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる窒化物系３−５族
化合物半導体の製造方法及びこれを用いた発光素子に関
するものである。
y Ａｌz Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ
＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる窒化物系３−５族
化合物半導体の製造方法及びこれを用いた発光素子に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦
１）で表される窒化物系３−５族化合物半導体は、３族
元素の組成を変えることにより直接型のバンドギャップ
エネルギーを調整して、紫外から赤色の波長の光エネル
ギーに対応させることができるため、紫外から可視領域
にわたる高効率の発光デバイス用材料として広く利用さ
れている。
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦
１）で表される窒化物系３−５族化合物半導体は、３族
元素の組成を変えることにより直接型のバンドギャップ
エネルギーを調整して、紫外から赤色の波長の光エネル
ギーに対応させることができるため、紫外から可視領域
にわたる高効率の発光デバイス用材料として広く利用さ
れている。
【０００３】そこで、上述した技術を用いてＩｎＧａＮ
量子井戸構造を用いた紫外青色領域を含む比較的短い発
光波長領域の発光デバイスが製作されている。この発光
デバイスは、一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０
≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造であり、
少なくともＩｎとＧａを含む層の両面にこれよりバンド
ギャップの大きな層を接合させた層構造を有している。
量子井戸構造を用いた紫外青色領域を含む比較的短い発
光波長領域の発光デバイスが製作されている。この発光
デバイスは、一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０
≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造であり、
少なくともＩｎとＧａを含む層の両面にこれよりバンド
ギャップの大きな層を接合させた層構造を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の如きＩｎＧａＮ
量子井戸構造を含む３−５族化合物半導体の製作には、
例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等による製
膜技術が用いられているが、その高品質化を図るには、
少なくともＩｎとＧａを含む層の成長温度を高くするこ
とが必要であり、成長温度が低いと格子欠陥が生じやす
く良好な単結晶構造を実現することができないので、発
光強度の低下という問題を生じる。
量子井戸構造を含む３−５族化合物半導体の製作には、
例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等による製
膜技術が用いられているが、その高品質化を図るには、
少なくともＩｎとＧａを含む層の成長温度を高くするこ
とが必要であり、成長温度が低いと格子欠陥が生じやす
く良好な単結晶構造を実現することができないので、発
光強度の低下という問題を生じる。
【０００５】しかしながら、少なくともＩｎとＧａを含
む層の成長温度を高くすると、Ｉｎの取り込み量を所定
レベルに保つことが難しく、発光デバイスとして出来上
がった場合に発光波長が短くなってしまい、所要の仕様
を満足しなくなってしまうので発光波長の調整が難しい
という問題を有している。このように、ＩｎＧａＮ量子
井戸構造を用いて所望の発光波長の光デバイス用の３−
５族化合物半導体を製造する場合に、高品質の結晶構造
を有するＩｎＧａＮ量子井戸層を発光波長の短波長化を
抑えながら形成することが難しいという問題点を有して
いる。
む層の成長温度を高くすると、Ｉｎの取り込み量を所定
レベルに保つことが難しく、発光デバイスとして出来上
がった場合に発光波長が短くなってしまい、所要の仕様
を満足しなくなってしまうので発光波長の調整が難しい
という問題を有している。このように、ＩｎＧａＮ量子
井戸構造を用いて所望の発光波長の光デバイス用の３−
５族化合物半導体を製造する場合に、高品質の結晶構造
を有するＩｎＧａＮ量子井戸層を発光波長の短波長化を
抑えながら形成することが難しいという問題点を有して
いる。
【０００６】本発明の目的は、したがって、従来技術に
おける上述の問題点を解決することができる、３−５族
化合物半導体の製造方法及び発光素子を提供することに
ある。
おける上述の問題点を解決することができる、３−５族
化合物半導体の製造方法及び発光素子を提供することに
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、一般式Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｎ（ただ
し、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ
＝１）で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造で
あり、少なくともＩｎとＧａを含む層をこれよりバンド
ギャップの大きな層によって挟むようにして接合させた
層構造を有している３−５族化合物半導体の製造方法に
おいて、上記の相対的にバンドギャップの小さな層の成
長温度をその後に成長するこれよりバンドギャップの大
きな層の成長温度より高くすることにより、発光に寄与
するバンドギャップの小さな量子井戸層の結晶品質を高
くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを小さく
抑えるようにしたものである。
め、本発明では、一般式Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｎ（ただ
し、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ
＝１）で表わされる３−５族化合物半導体の積層構造で
あり、少なくともＩｎとＧａを含む層をこれよりバンド
ギャップの大きな層によって挟むようにして接合させた
層構造を有している３−５族化合物半導体の製造方法に
おいて、上記の相対的にバンドギャップの小さな層の成
長温度をその後に成長するこれよりバンドギャップの大
きな層の成長温度より高くすることにより、発光に寄与
するバンドギャップの小さな量子井戸層の結晶品質を高
くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを小さく
抑えるようにしたものである。
【０００８】請求項１の発明によれば、一般式Ｉｎa Ｇ
ａb Ａｌc Ｎ（ただし、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦
ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物
半導体よりなる第１の層と、該第１の層よりバンドギャ
ップが小さく一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０
＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
で表わされる３−５族化合物半導体よりなる第２の層
と、該第２の層よりバンドギャップが大きく一般式Ｉｎ
s Ｇａt Ａｌu Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０＜ｔ≦１、
０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）で表わされる第３の層と
を、下地結晶上にこの順序で気相成長させることによる
３−５族化合物半導体の製造方法において、前記第２の
層を、前記第３の層の成長温度よりも高い温度で成長さ
せることを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法
が提案される。
ａb Ａｌc Ｎ（ただし、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦
ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物
半導体よりなる第１の層と、該第１の層よりバンドギャ
ップが小さく一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０
＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
で表わされる３−５族化合物半導体よりなる第２の層
と、該第２の層よりバンドギャップが大きく一般式Ｉｎ
s Ｇａt Ａｌu Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０＜ｔ≦１、
０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）で表わされる第３の層と
を、下地結晶上にこの順序で気相成長させることによる
３−５族化合物半導体の製造方法において、前記第２の
層を、前記第３の層の成長温度よりも高い温度で成長さ
せることを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法
が提案される。
【０００９】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
において、前記第２の層を前記第１の層の成長温度より
も高い温度で成長させることを特徴とする３−５族化合
物半導体の製造方法が提案される。
において、前記第２の層を前記第１の層の成長温度より
も高い温度で成長させることを特徴とする３−５族化合
物半導体の製造方法が提案される。
【００１０】請求項３の発明によれば、請求項１又は２
の発明において、前記第２の層の厚みが５Å以上９０Å
以下であることを特徴とする３−５族化合物半導体の製
造方法が提案される。
の発明において、前記第２の層の厚みが５Å以上９０Å
以下であることを特徴とする３−５族化合物半導体の製
造方法が提案される。
【００１１】請求項４の発明によれば、請求項１、２又
は３の発明において、気相成長を有機金属気相成長法に
より実施することを特徴とする３−５族化合物半導体の
製造方法が提案される。
は３の発明において、気相成長を有機金属気相成長法に
より実施することを特徴とする３−５族化合物半導体の
製造方法が提案される。
【００１２】請求項５の発明によれば、請求項１、２、
３又は４の製造方法により製造されたことを特徴とする
３−５族化合物半導体発光素子が提案される。
３又は４の製造方法により製造されたことを特徴とする
３−５族化合物半導体発光素子が提案される。
【００１３】本発明による製造方法では、発光に寄与す
るバンドギャップの小さな層である第２の層を高い成長
温度で成長させるので、その結晶品質を高くすることが
できる。そして、その他の層を成長させるための成長温
度はこれより低くしたので、発光波長の短波長化を小さ
く抑えることができる。この結果、所望の発光波長を有
する高効率の発光デバイスの製造に有効である。特に、
バンドギャップの小さな層である第２の層の厚みが５Å
以上９０Å以下である、いわゆる量子井戸構造の場合に
その効果が大きい。なお、複数の量子井戸層を有する層
構造を形成する場合においては、量子井戸層の内の少な
くとも１つについて本発明の製造方法を用いることがで
きる。本発明の方法は、とくにＭＯＶＰＥ法を用いて良
好に実施することができる。
るバンドギャップの小さな層である第２の層を高い成長
温度で成長させるので、その結晶品質を高くすることが
できる。そして、その他の層を成長させるための成長温
度はこれより低くしたので、発光波長の短波長化を小さ
く抑えることができる。この結果、所望の発光波長を有
する高効率の発光デバイスの製造に有効である。特に、
バンドギャップの小さな層である第２の層の厚みが５Å
以上９０Å以下である、いわゆる量子井戸構造の場合に
その効果が大きい。なお、複数の量子井戸層を有する層
構造を形成する場合においては、量子井戸層の内の少な
くとも１つについて本発明の製造方法を用いることがで
きる。本発明の方法は、とくにＭＯＶＰＥ法を用いて良
好に実施することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例につき詳細に説明する。
施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１５】図１は、本発明の方法により製造された３
−５族化合物半導体の構造を模式的に示す断面図であ
る。３−５族化合物半導体１は、サファイア基板２の上
に、ＭＯＶＰＥ法によって下地結晶層３が形成されてい
る。ここでは、下地結晶層３は、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
ＡｌＮ、ＳｉＣ等の公知のバッファ層３Ａ上にＧａＮ層
３Ｂを例えば４（μｍ）程度の厚さの厚膜に成長させて
成る２段階成長法によって形成されている。
−５族化合物半導体の構造を模式的に示す断面図であ
る。３−５族化合物半導体１は、サファイア基板２の上
に、ＭＯＶＰＥ法によって下地結晶層３が形成されてい
る。ここでは、下地結晶層３は、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
ＡｌＮ、ＳｉＣ等の公知のバッファ層３Ａ上にＧａＮ層
３Ｂを例えば４（μｍ）程度の厚さの厚膜に成長させて
成る２段階成長法によって形成されている。
【００１６】上述の如くして形成されている下地結晶層
３上には、複数の量子井戸層としてＩｎＧａＮ層４Ａ〜
４Ｅが形成されている。ここではＩｎＧａＮ層は５つ形
成されているが、少なくとも１つあればよい。
３上には、複数の量子井戸層としてＩｎＧａＮ層４Ａ〜
４Ｅが形成されている。ここではＩｎＧａＮ層は５つ形
成されているが、少なくとも１つあればよい。
【００１７】ＩｎＧａＮ層４ＡはＧａＮ層３Ｂの上に形
成された障壁層であるＧａＮ層５Ａの上に接するように
して設けられている。ＩｎＧａＮ層４Ａの上にはさらに
別の障壁層であるＧａＮ層５ＢがＩｎＧａＮ層４Ａに接
するようにして設けられている。ＩｎＧａＮ層４Ａのバ
ンドギャップはＧａＮ層５Ａのバンドギャップよりも小
さい。そして、ＧａＮ層５ＢのバンドギャップはＩｎＧ
ａＮ層４Ａのバンドギャップよりも大きい。
成された障壁層であるＧａＮ層５Ａの上に接するように
して設けられている。ＩｎＧａＮ層４Ａの上にはさらに
別の障壁層であるＧａＮ層５ＢがＩｎＧａＮ層４Ａに接
するようにして設けられている。ＩｎＧａＮ層４Ａのバ
ンドギャップはＧａＮ層５Ａのバンドギャップよりも小
さい。そして、ＧａＮ層５ＢのバンドギャップはＩｎＧ
ａＮ層４Ａのバンドギャップよりも大きい。
【００１８】すなわち、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ
（ただし、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋
ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体よりな
り障壁層として働くＧａＮ層５Ａと、ＧａＮ層５Ａより
バンドギャップが小さく一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ
（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で表わされＩｎとＧａを含む３−５族化合
物半導体よりなるＩｎＧａＮ層４Ａと、ＩｎＧａＮ層４
Ａよりバンドギャップが大きく一般式Ｉｎs ＧａtＡｌ
u Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０＜ｔ≦１、０≦ｕ≦１、
ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）で表わされる障壁層であるＧａＮ層５
Ｂとが、下地結晶層３上にこの順に接するようにして設
けられており、これにより量子井戸構造が形成されてい
る。
（ただし、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋
ｂ＋ｃ＝１）で表わされる３−５族化合物半導体よりな
り障壁層として働くＧａＮ層５Ａと、ＧａＮ層５Ａより
バンドギャップが小さく一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ
（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で表わされＩｎとＧａを含む３−５族化合
物半導体よりなるＩｎＧａＮ層４Ａと、ＩｎＧａＮ層４
Ａよりバンドギャップが大きく一般式Ｉｎs ＧａtＡｌ
u Ｎ（ただし、０≦ｓ＜１、０＜ｔ≦１、０≦ｕ≦１、
ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）で表わされる障壁層であるＧａＮ層５
Ｂとが、下地結晶層３上にこの順に接するようにして設
けられており、これにより量子井戸構造が形成されてい
る。
【００１９】ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層４Ａ及びＧａ
Ｎ層５Ｂは、下地結晶層３上に順次ＭＯＶＰＥ法による
エピタキシャル成長によって形成されている。ここで
は、ＧａＮ層５Ａ、ＧａＮ層５Ｂの厚みはいずれも２０
０Åであり、ＩｎＧａＮ層４Ａの厚みは３０Åとなって
いる。
Ｎ層５Ｂは、下地結晶層３上に順次ＭＯＶＰＥ法による
エピタキシャル成長によって形成されている。ここで
は、ＧａＮ層５Ａ、ＧａＮ層５Ｂの厚みはいずれも２０
０Åであり、ＩｎＧａＮ層４Ａの厚みは３０Åとなって
いる。
【００２０】バンドギャップの小さなＩｎＧａＮ層４Ａ
は、発光に寄与する層であり、ここではＩｎＧａＮ層４
Ａはその厚みが５Å以上９０Å以下の範囲内となってお
り、量子井戸層として良好に働くことができる。このよ
うな量子井戸構造にあっては、発光に寄与する層である
ＩｎＧａＮ層４Ａに対してはより高品質の結晶性が要求
される。このため、ＩｎＧａＮ層４Ａを形成するための
成長温度は、ＧａＮ層５Ｂを成長させる場合に比べて、
その成長温度を高くしている。
は、発光に寄与する層であり、ここではＩｎＧａＮ層４
Ａはその厚みが５Å以上９０Å以下の範囲内となってお
り、量子井戸層として良好に働くことができる。このよ
うな量子井戸構造にあっては、発光に寄与する層である
ＩｎＧａＮ層４Ａに対してはより高品質の結晶性が要求
される。このため、ＩｎＧａＮ層４Ａを形成するための
成長温度は、ＧａＮ層５Ｂを成長させる場合に比べて、
その成長温度を高くしている。
【００２１】具体的には、例えばＧａＮ層５Ｂの成長温
度を７６０℃とし、ＩｎＧａＮ層４Ａの成長温度を７７
５℃とすることができる。従来においては一般にＩｎＧ
ａＮ層４Ａの成長温度はＧａＮ層５Ｂの成長温度と同じ
７６０℃程度に選ばれる。
度を７６０℃とし、ＩｎＧａＮ層４Ａの成長温度を７７
５℃とすることができる。従来においては一般にＩｎＧ
ａＮ層４Ａの成長温度はＧａＮ層５Ｂの成長温度と同じ
７６０℃程度に選ばれる。
【００２２】なお、本発明の第１の層（上記の例ではＧ
ａＮ層５Ａ）の成長と本発明の第２の層（上記の例では
ＩｎＧａＮ層４Ａ）の成長の間、および本発明の第２の
層（上記の例ではＩｎＧａＮ層４Ａ）の成長と本発明の
第３の層（上記の例ではＧａＮ層５Ｂ）の成長の間に
は、結晶成長を伴わない、いわゆる成長中断工程を設け
るのが一般的である。以下、本発明の第２の層の成長前
に設けられる成長中断工程を前パージ、本発明の第２の
層の成長後に設けられる成長中断工程を後パージと記す
ことがある。
ａＮ層５Ａ）の成長と本発明の第２の層（上記の例では
ＩｎＧａＮ層４Ａ）の成長の間、および本発明の第２の
層（上記の例ではＩｎＧａＮ層４Ａ）の成長と本発明の
第３の層（上記の例ではＧａＮ層５Ｂ）の成長の間に
は、結晶成長を伴わない、いわゆる成長中断工程を設け
るのが一般的である。以下、本発明の第２の層の成長前
に設けられる成長中断工程を前パージ、本発明の第２の
層の成長後に設けられる成長中断工程を後パージと記す
ことがある。
【００２３】本発明では、第２の層の成長温度を第３の
層の成長温度より高くすることを特徴とするが、これら
の層の成長温度を正確に制御するためには、結晶成長温
度を後パージ中に第２の層の成長温度から第３の層の成
長温度に変更することが好ましい。また、本発明の効果
をより効率的に発揮させるためには、後パージ開始直後
に温度の変更を開始することが好ましい。
層の成長温度より高くすることを特徴とするが、これら
の層の成長温度を正確に制御するためには、結晶成長温
度を後パージ中に第２の層の成長温度から第３の層の成
長温度に変更することが好ましい。また、本発明の効果
をより効率的に発揮させるためには、後パージ開始直後
に温度の変更を開始することが好ましい。
【００２４】前パージ時間、後パージ時間については、
成長における温度、圧力、成長速度、原料の供給比等の
結晶成長条件に基づいて適宜決めることができる。とく
に後パージ時間については、本発明の第２の層の結晶性
に強く影響する。短すぎる場合には、本発明の第２の層
の結晶性が十分でなく、長すぎる場合には、本発明の第
２の層のバンドギャップを増大させ、所望の発光波長を
得ることが難しい。一般的には、後パージ時間の具体例
としては、１秒以上１時間以下が挙げられる。好ましく
は１秒以上１０分以下である。
成長における温度、圧力、成長速度、原料の供給比等の
結晶成長条件に基づいて適宜決めることができる。とく
に後パージ時間については、本発明の第２の層の結晶性
に強く影響する。短すぎる場合には、本発明の第２の層
の結晶性が十分でなく、長すぎる場合には、本発明の第
２の層のバンドギャップを増大させ、所望の発光波長を
得ることが難しい。一般的には、後パージ時間の具体例
としては、１秒以上１時間以下が挙げられる。好ましく
は１秒以上１０分以下である。
【００２５】本発明においては第２の層の成長温度を第
３の層の層の成長温度より高くすることを特徴とする
が、これらの成長温度の差が大きすぎる場合、第２の層
のバンドギャップが大きくなる傾向があり、最終的な発
光素子で目的の発光波長を得ることが難しい。また、こ
れらの成長温度の差が小さすぎる場合には、本発明の効
果を得ることができない。上記の成長温度の差の好まし
い範囲は、成長における温度、圧力、成長速度、原料の
供給比等の結晶成長条件に基づいて適宜決めることがで
きる。上記の成長温度の差の好ましい範囲の具体例とし
ては、５℃以上１００℃以下が挙げられる。より好まし
くは、１０℃以上、８０℃以下、最も好ましくは、１５
℃以上５０℃以下である。
３の層の層の成長温度より高くすることを特徴とする
が、これらの成長温度の差が大きすぎる場合、第２の層
のバンドギャップが大きくなる傾向があり、最終的な発
光素子で目的の発光波長を得ることが難しい。また、こ
れらの成長温度の差が小さすぎる場合には、本発明の効
果を得ることができない。上記の成長温度の差の好まし
い範囲は、成長における温度、圧力、成長速度、原料の
供給比等の結晶成長条件に基づいて適宜決めることがで
きる。上記の成長温度の差の好ましい範囲の具体例とし
ては、５℃以上１００℃以下が挙げられる。より好まし
くは、１０℃以上、８０℃以下、最も好ましくは、１５
℃以上５０℃以下である。
【００２６】以上、ＩｎＧａＮ層４Ａを含む量子井戸構
造について説明したが、他の量子井戸層であるＩｎＧａ
Ｎ層４Ｂ〜４Ｅによる量子井戸構造も同様の構成となっ
ている。すなわち、ＩｎＧａＮ層４Ｂとこれに接するＧ
ａＮ層５Ｂ及びＧａＮ層５Ｃとによって量子井戸構造が
構成されている。ＩｎＧａＮ層４Ｃとこれに接するＧａ
Ｎ層５Ｃ及びＧａＮ層５Ｄとによって量子井戸構造が構
成されている。ＩｎＧａＮ層４Ｄとこれに接するＧａＮ
層５Ｄ及びＧａＮ層５Ｅとによって量子井戸構造が構成
されている。ＩｎＧａＮ層４Ｅとこれに接するＧａＮ層
５Ｅ及びＡｌＧａＮ層６とによって量子井戸構造が構成
されている。
造について説明したが、他の量子井戸層であるＩｎＧａ
Ｎ層４Ｂ〜４Ｅによる量子井戸構造も同様の構成となっ
ている。すなわち、ＩｎＧａＮ層４Ｂとこれに接するＧ
ａＮ層５Ｂ及びＧａＮ層５Ｃとによって量子井戸構造が
構成されている。ＩｎＧａＮ層４Ｃとこれに接するＧａ
Ｎ層５Ｃ及びＧａＮ層５Ｄとによって量子井戸構造が構
成されている。ＩｎＧａＮ層４Ｄとこれに接するＧａＮ
層５Ｄ及びＧａＮ層５Ｅとによって量子井戸構造が構成
されている。ＩｎＧａＮ層４Ｅとこれに接するＧａＮ層
５Ｅ及びＡｌＧａＮ層６とによって量子井戸構造が構成
されている。
【００２７】上記の例は、量子井戸層を複数含む場合の
例であり、２つ以上の量子井戸層について本発明を適用
することにより、本発明の効果をより高めることができ
る場合がある。具体的には２つ以上の連続した量子井戸
構造に含まれる量子井戸層、あるいは多重量子井戸構造
に含まれるすべての量子井戸層について本発明を適用す
ることができる。連続した２つ以上の量子井戸構造に含
まれる井戸層に本発明を適応した場合の具体例として
は、本発明の第１の層を成長した後、前パージ中に成長
温度を上げ、本発明の第２の層を成長し、後パージ中に
成長温度を下げ、本発明の第３の層であり、次に成長す
る量子井戸に対しては本発明の第１の層となる層を成長
するという一連の工程を繰り返して実施するという例が
挙げられる。
例であり、２つ以上の量子井戸層について本発明を適用
することにより、本発明の効果をより高めることができ
る場合がある。具体的には２つ以上の連続した量子井戸
構造に含まれる量子井戸層、あるいは多重量子井戸構造
に含まれるすべての量子井戸層について本発明を適用す
ることができる。連続した２つ以上の量子井戸構造に含
まれる井戸層に本発明を適応した場合の具体例として
は、本発明の第１の層を成長した後、前パージ中に成長
温度を上げ、本発明の第２の層を成長し、後パージ中に
成長温度を下げ、本発明の第３の層であり、次に成長す
る量子井戸に対しては本発明の第１の層となる層を成長
するという一連の工程を繰り返して実施するという例が
挙げられる。
【００２８】前記例において前パージにおける成長温度
の上昇のさせ方については、第１の層の成長直後に成長
温度の変更を開始する、第２の層の成長直前に成長温度
の変更を開始する、あるいは前パージ中緩やかに成長温
度の変更を行うなどの方法を行うことができる。これら
のなかでは、すでに成長した層の熱劣化をなるべく小さ
くするという点では、第２の層の成長直前に成長温度の
変更を行う方法が好ましい。
の上昇のさせ方については、第１の層の成長直後に成長
温度の変更を開始する、第２の層の成長直前に成長温度
の変更を開始する、あるいは前パージ中緩やかに成長温
度の変更を行うなどの方法を行うことができる。これら
のなかでは、すでに成長した層の熱劣化をなるべく小さ
くするという点では、第２の層の成長直前に成長温度の
変更を行う方法が好ましい。
【００２９】上述の如く、量子井戸構造をＭＯＶＰＥ法
により形成する場合、ＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅの成長温
度を高くすることにより、その結晶品質は良好となり、
３−５族化合物半導体１を用いて発光素子を製作した場
合、出来上がった発光素子の発光強度は高いものとする
ことができる。しかも、ＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅ以外の
層の成長温度はＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅの成長温度より
低くするので、発光波長のシフトが小さくなり、所望の
波長領域での発光が可能となる。
により形成する場合、ＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅの成長温
度を高くすることにより、その結晶品質は良好となり、
３−５族化合物半導体１を用いて発光素子を製作した場
合、出来上がった発光素子の発光強度は高いものとする
ことができる。しかも、ＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅ以外の
層の成長温度はＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅの成長温度より
低くするので、発光波長のシフトが小さくなり、所望の
波長領域での発光が可能となる。
【００３０】
【実施例】次に、図１に示した構造を有する発光素子用
の３−５族化合物半導体の本発明の実施例について説明
する。以下に説明する本発明の実施例は、サファイア基
板２の（０００１）面上に以下の手順で多重量子井戸構
造を作製したものである。まず、キャリアガスとして水
素を用い、原料としてアンモニア、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）、シランを用い、５５０℃でＧａＮをバッフ
ァ層３Ａとして約５０ｎｍ成長した後、１０４０℃でＳ
ｉをドープしたｎ型のＧａＮを約３μｍ、ノンドープの
ＧａＮを０．２５μｍ成長させてＧａＮ層３Ｂを形成し
た。つぎに降温し、キャリアガスを窒素として、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）、シラン、およびアンモニアを用いてＳｉをドープ
した２０ｎｍのＧａＮ層（障壁層）と３ｎｍのＩｎＧａ
Ｎ層（量子井戸層）を５回繰り返して成長させ、ＩｎＧ
ａＮ層４Ａ〜４Ｅ及びＧａＮ層５Ａ〜５Ｅを形成した。
ここでの温度条件は、図２の実施例の欄に示した通りで
ある。
の３−５族化合物半導体の本発明の実施例について説明
する。以下に説明する本発明の実施例は、サファイア基
板２の（０００１）面上に以下の手順で多重量子井戸構
造を作製したものである。まず、キャリアガスとして水
素を用い、原料としてアンモニア、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）、シランを用い、５５０℃でＧａＮをバッフ
ァ層３Ａとして約５０ｎｍ成長した後、１０４０℃でＳ
ｉをドープしたｎ型のＧａＮを約３μｍ、ノンドープの
ＧａＮを０．２５μｍ成長させてＧａＮ層３Ｂを形成し
た。つぎに降温し、キャリアガスを窒素として、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）、シラン、およびアンモニアを用いてＳｉをドープ
した２０ｎｍのＧａＮ層（障壁層）と３ｎｍのＩｎＧａ
Ｎ層（量子井戸層）を５回繰り返して成長させ、ＩｎＧ
ａＮ層４Ａ〜４Ｅ及びＧａＮ層５Ａ〜５Ｅを形成した。
ここでの温度条件は、図２の実施例の欄に示した通りで
ある。
【００３１】詳しい成長の手順は次の通りである。シラ
ン、アンモニアおよびＴＥＧを用いて２０ｎｍのＳｉを
ドープしたＧａＮ層５Ａを成長した後、１分３０秒の３
族原料を供給しない成長中断工程（以下、前パージ工程
と記すことがある。）、引き続いてＴＥＧ、ＴＭＩ、ア
ンモニアを用いてＩｎＧａＮ層４Ａを３ｎｍ成長させ
た。その後３族原料を止めた成長中断工程（以下、後パ
ージ工程と記すことがある。）を５分とした。この手順
を５回繰り返すことによってＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅ及
びＧａＮ層５Ａ〜５Ｅを形成した後、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ層を２５０Å成長させてＡｌＧａＮ層６とした。冷却
後、試料を反応炉より取り出し、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（波
長３２５ｎｍ）を励起光として、室温でのフォトルミネ
ッセンス（以下、ＰＬと記すことがある。）を測定し
た。その結果は図２に示されている。
ン、アンモニアおよびＴＥＧを用いて２０ｎｍのＳｉを
ドープしたＧａＮ層５Ａを成長した後、１分３０秒の３
族原料を供給しない成長中断工程（以下、前パージ工程
と記すことがある。）、引き続いてＴＥＧ、ＴＭＩ、ア
ンモニアを用いてＩｎＧａＮ層４Ａを３ｎｍ成長させ
た。その後３族原料を止めた成長中断工程（以下、後パ
ージ工程と記すことがある。）を５分とした。この手順
を５回繰り返すことによってＩｎＧａＮ層４Ａ〜４Ｅ及
びＧａＮ層５Ａ〜５Ｅを形成した後、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ層を２５０Å成長させてＡｌＧａＮ層６とした。冷却
後、試料を反応炉より取り出し、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（波
長３２５ｎｍ）を励起光として、室温でのフォトルミネ
ッセンス（以下、ＰＬと記すことがある。）を測定し
た。その結果は図２に示されている。
【００３２】上述した実施例の他、温度条件を変えたこ
と以外は上記実施例と同様にして参考、比較のための試
料を作製した。それらの温度条件は、図２に示されてい
る通りである。図２に示したそれぞれの温度条件で製作
した参考例、比較例１、比較例２及び比較例３の各試料
について、実施例の場合と同様にして室温でのフォトル
ミネッセンスを測定した。それらの測定結果を図２に示
す。図２では、ＰＬの強度は参考例に対する相対強度で
示している。
と以外は上記実施例と同様にして参考、比較のための試
料を作製した。それらの温度条件は、図２に示されてい
る通りである。図２に示したそれぞれの温度条件で製作
した参考例、比較例１、比較例２及び比較例３の各試料
について、実施例の場合と同様にして室温でのフォトル
ミネッセンスを測定した。それらの測定結果を図２に示
す。図２では、ＰＬの強度は参考例に対する相対強度で
示している。
【００３３】図２から、ＩｎＧａＮ層である量子井戸層
の成長温度だけを７７５℃と高くし、ＧａＮ層成長温
度、前パージ温度及び後パージ温度を７６０℃と低くし
た実施例の場合には、室温ＰＬ強度が、従来例である参
考例の場合の３倍であり、比較例１〜３のいずれよりも
顕著に高く、また、ＰＬ発光波長が４４０（ｎｍ）とな
って、比較例に比べて参考例からの波長の変化量が抑え
られていることが判る。
の成長温度だけを７７５℃と高くし、ＧａＮ層成長温
度、前パージ温度及び後パージ温度を７６０℃と低くし
た実施例の場合には、室温ＰＬ強度が、従来例である参
考例の場合の３倍であり、比較例１〜３のいずれよりも
顕著に高く、また、ＰＬ発光波長が４４０（ｎｍ）とな
って、比較例に比べて参考例からの波長の変化量が抑え
られていることが判る。
【００３４】すなわち、本発明に従う場合には、参考例
として示した従来の成長温度条件のものに比べ、発光強
度を高くしつつ、発光波長の短波長化を有効に抑えるこ
とができるようにした発光素子用の３−５族化合物半導
体を製造できることが判る。
として示した従来の成長温度条件のものに比べ、発光強
度を高くしつつ、発光波長の短波長化を有効に抑えるこ
とができるようにした発光素子用の３−５族化合物半導
体を製造できることが判る。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、量子井戸
層として働く第２の層をこれよりバンドギャップの大き
な障壁層として働く第１及び第３の層によって挟むよう
にして第２の層に第１及び第３の層を接合させた層構造
を有している３−５族化合物半導体の製造方法におい
て、第２の層の成長温度を、第１の層の成長温度および
第３の層の成長温度よりも高くするようにしたので、発
光に寄与するバンドギャップの小さな第２の層の結晶品
質を高くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを
小さく抑えることができる。したがって、このようにし
て製造された３−５族化合物半導体を用いて発光素子を
製作した場合、出来上がった発光素子の発光強度を高い
ものとすることができ、しかも、発光波長のシフトが小
さいので、所定の仕様に従う波長領域での発光が可能と
なる。
層として働く第２の層をこれよりバンドギャップの大き
な障壁層として働く第１及び第３の層によって挟むよう
にして第２の層に第１及び第３の層を接合させた層構造
を有している３−５族化合物半導体の製造方法におい
て、第２の層の成長温度を、第１の層の成長温度および
第３の層の成長温度よりも高くするようにしたので、発
光に寄与するバンドギャップの小さな第２の層の結晶品
質を高くする一方、発光波長が短波長にシフトするのを
小さく抑えることができる。したがって、このようにし
て製造された３−５族化合物半導体を用いて発光素子を
製作した場合、出来上がった発光素子の発光強度を高い
ものとすることができ、しかも、発光波長のシフトが小
さいので、所定の仕様に従う波長領域での発光が可能と
なる。
【図１】本発明の方法により製造された３−５族化合物
半導体の構造を模式的に示す断面図。
半導体の構造を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の実施例、参考例及び比較例についての
電気的特性の測定結果を成長条件と共に示す図。
電気的特性の測定結果を成長条件と共に示す図。
１ ３−５族化合物半導体
２ サファイア基板
３ 下地結晶層
４Ａ〜４Ｅ ＩｎＧａＮ層
５Ａ〜５Ｅ ＧａＮ層
６ ＡｌＧａＮ層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 清水 誠也
茨城県つくば市北原６番 住友化学工業株
式会社内
Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA11 AA40 CA03 CA40
CA65
5F045 AA04 AB09 AB14 AD11 BB16
CA09 DA55 EK26
5F073 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05
EA24 EA28 HA10
Claims (5)
- 【請求項１】 一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、
０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝
１）で表わされる３−５族化合物半導体よりなる第１の
層と、該第１の層よりバンドギャップが小さく一般式Ｉ
ｎx Ｇａy Ａｌ z Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜
１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされる３−５
族化合物半導体よりなる第２の層と、該第２の層よりバ
ンドギャップが大きく一般式Ｉｎs Ｇａt Ａｌu Ｎ（た
だし、０≦ｓ＜１、０＜ｔ≦１、０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋
ｕ＝１）で表わされる第３の層とを、下地結晶上にこの
順序で気相成長させることによる３−５族化合物半導体
の製造方法において、 前記第２の層を、前記第３の層の成長温度よりも高い温
度で成長させることを特徴とする３−５族化合物半導体
の製造方法。 - 【請求項２】 前記第２の層を前記第１の層の成長温度
よりも高い温度で成長させることを特徴とする請求項１
記載の３−５族化合物半導体の製造方法。 - 【請求項３】 前記第２の層の厚みが５Å以上９０Å以
下であることを特徴とする請求項１又は２記載の３−５
族化合物半導体の製造方法。 - 【請求項４】 気相成長を有機金属気相成長法により実
施することを特徴とする請求項１、２又は３記載の３−
５族化合物半導体の製造方法。 - 【請求項５】 請求項１、２、３又は４の製造方法によ
り製造されたことを特徴とする３−５族化合物半導体発
光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002004098A JP2003209285A (ja) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | ３−５族化合物半導体の製造方法及び発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002004098A JP2003209285A (ja) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | ３−５族化合物半導体の製造方法及び発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003209285A true JP2003209285A (ja) | 2003-07-25 |
Family
ID=27643516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002004098A Pending JP2003209285A (ja) | 2002-01-11 | 2002-01-11 | ３−５族化合物半導体の製造方法及び発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003209285A (ja) |
-
2002
- 2002-01-11 JP JP2002004098A patent/JP2003209285A/ja active Pending
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