JPH0936426A - 3−5族化合物半導体の製造方法 - Google Patents

3−5族化合物半導体の製造方法

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JPH0936426A
JPH0936426A JP18017095A JP18017095A JPH0936426A JP H0936426 A JPH0936426 A JP H0936426A JP 18017095 A JP18017095 A JP 18017095A JP 18017095 A JP18017095 A JP 18017095A JP H0936426 A JPH0936426 A JP H0936426A
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泰 家近
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善伸 小野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発光素子の輝度、発光効率を高めることが可能
な3−5族化合物半導体の製造方法を提供する。 【解決手段】一般式Inx Gay Alz N(x+y+z
=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表され
る3−5族化合物半導体の積層構造を含み、該積層構造
の中にp型の層を少なくとも1層含む3−5族化合物半
導体を、3族有機金属化合物と分子中にNを有する化合
物とを原料とし、有機金属気相成長法により反応管内で
成長させて3−5族化合物半導体を製造する方法におい
て、p型の層を成長する工程の前に、p型ドーパント原
料を供給し3族原料は供給しない工程を有することを特
徴とする3−5族化合物半導体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は気相成長法による3
−5族化合物半導体の製造方法に関する。特に、発光素
子に用いる3−5族化合物半導体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、青色の発光ダイオードとして一般
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3−5
族化合物半導体を用いたものが利用されている。該3−
5族化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率
が高いこと、In濃度により黄色から紫、紫外線領域ま
での発光波長で発光可能であることから、特に短波長発
光素子用途に有用である。
【0003】該3−5族化合物半導体の製造方法として
は、分子線エピタキシー(以下、MBEと記すことがあ
る。)法、有機金属気相成長(以下、MOVPEと記す
ことがある。)法、ハイドライド気相成長(以下、HV
PEと記すことがある。)法などが用いられている。こ
のうちMOVPE法とは、常圧あるいは減圧中に置かれ
た基板を加熱して、3族元素を含む有機金属化合物と5
族元素を含む原料を気相状態で供給して、基板上で熱分
解反応をさせ、半導体膜を成長させる方法である。この
MOVPE法は、大面積に均一で高品質な該3−5族化
合物半導体が成長できる点で重要である。
【0004】ところで発光素子の発光効率を高める方法
として、p型とn型の半導体層の間に、発光層を挟み、
発光層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを
有する層が発光層の両側で接する構造とした、いわゆる
ダブルヘテロ構造を利用することが広く知られている。
しかしながら、MOVPE法で作製される3−5族化合
物半導体では急峻なpn接合界面を作製することが非常
に難しいために、ダブルヘテロ構造の素子においても、
輝度、発光効率はいまだ充分ではなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、発光
素子の輝度、発光効率を高めることが可能な3−5族化
合物半導体の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、該3−5
族化合物半導体のダブルへテロ構造の発光素子について
種々検討の結果、p型層の成長界面での急峻性を改良す
る目的で、p型層を成長する前にp型ドーパント原料を
供給し、3族原料は供給しない工程(以後、空流し工程
と記すことがある。)を設けると、発光素子の発光効率
が飛躍的に向上することを見いだし、本発明に至った。
【0007】すなわち本発明は次に記す発明である。 〔1〕一般式Inx Gay Alz N(x+y+z=1、
0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される3−
5族化合物半導体の積層構造を含み、該積層構造の中に
p型の層を少なくとも1層含む3−5族化合物半導体
を、3族有機金属化合物と分子中にNを有する化合物と
を原料とし、有機金属気相成長法により反応管内で成長
させて3−5族化合物半導体を製造する方法において、
p型の層を成長する工程の前に、p型ドーパント原料を
供給し3族原料は供給しない工程を有することを特徴と
する3−5族化合物半導体の製造方法。 〔2〕p型ドーパントがMgであることを特徴とする
〔1〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
【0008】〔3〕3−5族化合物半導体が、n型の第
1の層と、p型の第2の層と、前記2層の間に挾まれた
少なくとも1層の第3の層とを含み、第3の層が該層の
両側でこれよりもバンドギャップの大きな2つの層と接
してなることを特徴とする〔1〕または〔2〕記載の3
−5族化合物半導体の製造方法。 〔4〕第3の層の層厚が5Å以上90Å以下であること
を特徴とする〔3〕記載の3−5族化合物半導体の製造
方法。 〔5〕第3の層の層中に含まれるSi、Ge、Mg、Z
nおよびCdの各濃度がいずれも1×1019cm-3以下
であることを特徴とする〔3〕記載の3−5族化合物半
導体の製造方法。
【0009】次に、本発明を詳細に説明する。該3−5
族化合物半導体はバルク成長では良好な結晶が得られな
いため、該3−5族化合物半導体そのものを基板として
用いるホモエピタキシャル成長は困難である。このため
該3−5族化合物半導体の結晶成長用基板としては、サ
ファイア、ZnO、GaAs、Si、SiC等が用いら
れる。特に、サファイアは、AlN等のバッファ層を用
いることで結晶性の良好な該3−5族化合物半導体を成
長できるため好ましい。
【0010】本発明では、以下のような原料を用いるこ
とができる。3族原料としては、トリメチルガリウム
[(CH3 3 Ga、以下TMGと記すことがあ
る。]、トリエチルガリウム[(C2 5 3 Ga、以
下TEGと記すことがある。]等の一般式R1 2 3
Ga(ここでR1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示
す。)で表されるトリアルキルガリウム;トリメチルア
ルミニウム[(CH3 3 Al]、トリエチルアルミニ
ウム[(C2 5 3 Al、以下TEAと記すことがあ
る。]、トリイソブチルアルミニウム[(i−C
4 9 3 Al]等の一般式R1 2 3 Al(ここで
1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表され
るトリアルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン
[(CH3 3 N:AlH3 ];トリメチルインジウム
[(CH3 3 In、以下TMIと記すことがあ
る。]、トリエチルインジウム[(C2 5 3 In]
等の一般式R1 2 3 In(ここでR1 、R2 、R3
は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルイ
ンジウム等が挙げられる。これらは単独または混合して
用いられる。
【0011】次に、5族原料としては、アンモニア、ヒ
ドラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラ
ジン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミ
ン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独
または混合して用いられる。これらの原料のうち、アン
モニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないた
め、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。該3
−5族化合物半導体のp型ドーパントとして、2族元素
が好ましい。具体的にはMg、Zn、Cd、Hg、Be
が挙げられるが、このなかでは低抵抗のp型のものが作
りやすいMgが好ましい。
【0012】Mgドーパントの原料としては、ビスシク
ロペンタジエニルマグネシウム(以下、Cp2 Mgと記
すことがある。)、ビスメチルシクロペンタジエニルマ
グネシウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシ
ウム、ビスn−プロピルシクロペンタジエニルマグネシ
ウム、ビスi−プロピルシクロペンタジエニルマグネシ
ウム等の一般式(RC5 4 2 Mg(ここでRはHま
たは炭素数1以上4以下の低級アルキル基を示す。)で
表される有機金属化合物が、適当な蒸気圧を有するため
に好適である。
【0013】該3−5族化合物半導体のn型ドーパント
として、4族元素と6族元素が好ましい。具体的にはS
i、Ge、Oが挙げられるが、この中では低抵抗のn型
がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるSiが
好ましい。Siドーパントの原料としては、SiH4
Si2 6 などが好適である。
【0014】本発明の3−5族化合物半導体の製造方法
は、p型の半導体層を成長する工程の前に、p型ドーパ
ント原料を供給し3族原料は供給しない工程を有するこ
とを特徴とする(空流し工程)。この空流し工程は、図
1に示す概念図のように、p型層の成長工程の前に行わ
れる工程であり、p型ドーパント原料を供給し、かつ3
族原料を供給しない工程である。空流し工程とその後に
行うp型層の成長工程は、連続して行っても、時間間隔
をおいて行ってもよい(図1の場合)が、結晶の品質の
変化を防ぐために、時間間隔はできるだけ短い方がよ
く、連続して行うのが好ましい。また、空流し工程にお
けるp型ドーパント原料の流量は、p型層の成長工程に
おけるp型ドーパント原料の流量と同じであっても、異
なっていてもよいが、連続して両工程を行う場合には流
量の変動があると、結晶の品質低下を引き起こす恐れが
あるので、流量の変動はない方が好ましい。
【0015】空流し工程における反応管内の温度は、そ
の後で行うp型層の成長温度と同じであっても、異なっ
ていてもよいが、同じ温度の方がさらに好ましい。空流
し工程の温度がp型層の成長温度と異なる場合には昇
温、または降温のために必要な時間の分だけ成長時間が
長くなる上に、温度を変える間に、空流し工程までに成
長した結晶の品質が低下してしまうことがあるので好ま
しくない。空流し工程における反応管内の圧力は、その
後に行うp型層の成長時における圧力と同じであって
も、異なっていてもよいが、同じ圧力の方が両工程を連
続して行え、しかも成長プロセスの煩雑さを低減できる
のでさらに好ましい 空流し工程において、5族原料ガスは同時に供給して
も、しなくてもよい。ただし、空流し工程の温度が65
0℃以上の場合には、5族原料ガスの供給をしないと、
この工程の前までに成長した結晶の品質が低下してしま
うことがあるので5族原料ガスは同時に供給する方が好
ましい。
【0016】空流し工程での主な制御因子としては、p
型ドーパント原料の種類、流量、供給時間、温度および
圧力等がある。これらの制御因子の好ましい範囲は、成
長装置によって変化するため、一概に好ましい範囲を特
定することはできないが、成長装置が大きくなるに従
い、好ましい範囲の流量は大きくなる方向に、供給時間
は長くなる方向に変化する。
【0017】Mg原料の流量の好ましい範囲の例とし
て、本発明者らの用いた装置における範囲をあげると、
ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを使用する場
合、原料バブラーを30℃に保持した状態で、キャリア
ガス流量50sccm以上、500sccm以下であ
る。50sccmより少なくても、500sccmより
多くてもこの工程を設ける効果が得られず好ましくな
い。ここで、sccmは気体の流量の単位で、1分当た
り標準状態で1ccの体積を占める重量の気体が流れて
いることを示す。
【0018】Mg原料供給時間の好ましい例として、本
発明者らの用いた装置における範囲を挙げると、110
0℃、常圧、流量200sccmの条件でビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウムを用いた空流し工程を行う場
合、1秒以上3分未満であり、さらに好ましくは10秒
以上2分以下である。1秒よりも短くても、3分以上長
くても、この工程の効果が得られず好ましくない。空流
し工程の好ましい温度範囲は600℃以上1200℃以
下である。600℃よりも低い温度でも、1200℃よ
りも高い温度でも、この工程の効果が得られず好ましく
ない。
【0019】本発明の3−5族化合物半導体の製造方法
により得られる3−5族化合物半導体として、n型の第
1の層およびp型ドーパントをドープした第2の層で、
発光層である第3の層を挟んだ構造を有しているものが
挙げられる。第1の層および第2の層から電荷を注入
し、第3の層で電荷を再結合させ、発光させることがで
きる。特に、第3の層がこれよりバンドギャップの大き
い2つの層に接して挟まれているいわゆるダブルヘテロ
構造は、電荷を第3の層に閉じ込める効果があるため、
発光効率を高くできるので好ましい。ただし、該積層構
造中に2つ以上のp型の層の間にn型の層がある場合、
または2つ以上のn型の層の間にp型の層がある場合、
積層構造中に互いに逆向きのpn接合ができるため、ダ
イオードとしての電気特性が低下することになるので好
ましくない。該3−5族化合物半導体は、バンドギャッ
プが5eVを越えると高抵抗となり、電荷の移動が困難
となるため、該3−5族化合物半導体における積層構造
のいずれの層もバンドギャップは5eV以下であること
が好ましい。本発明における3−5族化合物半導体でダ
ブルヘテロ構造により効率良く第3の層に電荷を閉じ込
めるためには、第3の層に接する2つの層のバンドギャ
ップは第3の層のバンドギャップより0.1eV以上大
きいことが好ましい。さらに好ましくは0.3eV以上
である。
【0020】第3の層は、発光層として機能する複数の
層からなる層であってもよい。具体的に複数の層からな
る層が発光層として機能する例としては、2つ以上の発
光層がこれよりバンドギャップの大きい層と積層されて
いる構造が挙げられる。
【0021】発光層である第3の層としてはIn組成が
10%以上の該3−5族化合物半導体が、バンドギャッ
プを可視部にできるため表示用途に好ましい。Alを含
むものは酸素等の不純物を取り込みやすく、発光層とし
て用いた場合、発光効率が下がる場合がある。このよう
な場合には、発光層としてはAlを含まない一般式In
x Gay N(ただし、x+y=1、0<x≦1、0≦y
<1)で表されるものを利用することができる。
【0022】該3−5族化合物半導体の格子定数は、組
成により大きく変化する。とくにInNの格子定数はG
aNまたはAlNに対して約12%またはそれ以上大き
い。このため、該3−5族化合物半導体の各層の組成に
よっては、層と層との間の格子定数に大きな差が生じる
ことがある。大きな格子不整合がある場合、結晶に欠陥
が生じる場合があり、結晶性を低下させる原因となる。
格子不整合による欠陥の発生を抑えるためには、格子不
整合による歪みの大きさに応じて層の厚さを小さくしな
ければならない。好ましい厚さの範囲は歪みの大きさに
依存する。Ga x Al1-x N(ただし、0≦x≦1)上
にInを10%以上含む該3−5族化合物半導体を積層
する場合、Inを含む層の好ましい厚さは5Å以上50
0Å以下である。Inを含む層の厚さが5Åより小さい
場合、発光効率が充分でなくなる。また、500Åより
大きい場合、欠陥が発生し、やはり発光効率が充分でな
くなる。さらに好ましい厚みの範囲は5Å以上90Å以
下である。
【0023】第3の層に不純物をドープすることで、第
3の層のバンドギャップとは異なる波長で発光させるこ
とができる。これは不純物からの発光であるため、不純
物発光とよばれる。不純物発光の場合、発光波長は第3
の層の3族元素の組成と不純物元素により決まる。この
場合、第3の層のIn組成は5%以上が好ましい。In
組成が5%より小さい場合、発光する光はほとんど紫外
線であり、充分な明るさを感じることができない。In
組成を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波長を
紫から青、緑へと調整できる。不純物発光に適した不純
物としては、2族元素が好ましい。2族元素のなかで
は、Mg、Zn、Cdをドープした場合、発光効率が高
いので好適である。とくにZnが好ましい。これらの元
素の濃度は、1018〜1022cm-3が好ましい。第3の
層はこれらの2族元素とともにSiあるいはGeを同時
にドープしてもよい。Si、Geの好ましい濃度範囲は
1018〜1022cm-3である。
【0024】不純物発光の場合、一般に発光スペクトル
がブロードになり、注入電荷量が増すにつれて発光スペ
クトルがシフトしたり、バンド端発光のピークが現われ
てくるなど好ましくない発光特性を有しており、また発
光効率を高くすることが難しい。このため、高い色純度
が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中さ
せることが必要な場合、または高い発光効率の素子が必
要な場合にはバンド端発光を利用する方が有利である。
バンド端発光による発光素子を実現するためには、第3
の層に含まれる不純物の量を低く抑えなければならな
い。具体的には、Si、Ge、Mg、CdおよびZnの
各元素について、いずれも濃度が1019cm-3以下が好
ましく、1018cm-3以下がさらに好ましい。バンド端
発光の場合、発光色は第3の層の3族元素の組成で決ま
る。可視部で発光させる場合、In組成は10%以上が
好ましい。In組成が10%より小さい場合、発光する
光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じること
ができない。In組成が増えるにつれて発光波長が長く
なり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。
【0025】発光層である第3の層がInを含む場合、
熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、または半導体
プロセスで劣化を起こす場合がある。このような発光層
の劣化を防止する目的のために発光層とp型層の間に、
保護層を入れる場合がある。充分な保護機能をもたせる
ためには、保護層のIn組成は10%以下、Al組成は
5%以上が好ましい。より好ましくはIn組成が5%以
下、Al組成が10%以上である。保護層の膜厚は10
Å以上1μm以下が好ましい。さらに好ましくは、50
Å以上5000Å以下である。保護層の膜厚が10Åよ
り小さいと充分な効果が得られない。また1μmより大
きい場合には発光効率が減少するので好ましくない。
【0026】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。 実施例1 MOVPE法により図2に示す構造の3−5族化合物半
導体を作製し、これから発光素子を作製した。基板はサ
ファイアC面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用い
た。成長は低温成長バッファ層を用いる2段階成長法に
よった。基板温度550℃で、水素をキャリアガスと
し、TMGとアンモニアを供給して膜厚500ÅのGa
Nのバッファ層2を形成した。次に基板温度を1100
℃まで上げ、該バッファ層2の上に、TMG、アンモニ
アおよびシランガスとを供給して、Siをドーパントと
するn型キャリア濃度1×1019/cm3 、膜厚約3μ
mのGaN層3を成長し、さらに同じ温度にてTMG、
アンモニアを供給して、ノンドープのGaN層4を15
00Å成長した。
【0027】次に、基板温度を785℃まで下げ、キャ
リアガスを窒素に換え、TEG、TMIおよびアンモニ
アをそれぞれ0.04sccm、0.08sccm、4
slm供給して、発光層であるIn0.3 Ga0.7 N層5
を70秒間成長した。さらに、同じ温度にてTEG、T
EAおよびアンモニアをそれぞれ0.032sccm、
0.008sccm、4slm供給して、保護層である
Ga0.8 Al0.2 N層6を10分間成長した。ただし、
slmとは気体の流量の単位で1slmは1000sc
cmに相当する。なお、この2層の層厚に関しては、同
一の条件でより長い時間成長した層の厚さから求めた成
長速度が43Å/分、30Å/分であるので、上記成長
時間から求められる層厚はそれぞれ50Å、300Åで
ある。
【0028】次に、基板温度を1100℃まで上げ、C
2 Mgおよびアンモニアを供給して40秒間の空流し
工程を行ったのち、TMG、Cp2 Mgおよびアンモニ
アを供給してMgをドープしたGaN層7を5000Å
成長した。以上により作製した3−5族化合物半導体試
料を反応炉から取り出したのち、窒素中で800℃、2
0分アニール処理を施し、MgをドープしたGaN層を
低抵抗のp型層にした。こうして得た試料に常法により
電極を形成し、LEDとした。p電極としてNi−Au
合金、n電極としてAlを用いた。このLEDに順方向
に電流を流したところ、発光波長4570Åの明瞭な青
色発光を示した。20mAでの輝度1240mcdであ
った。
【0029】比較例1 Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程を行
わなかったことを除いては、実施例1と同様にして、比
較用の試料を作製した。これに電流を流したところ、発
光波長4400Åの青色の発光が認められたが、順方向
20mAでの輝度は390mcdであった。
【0030】実施例2、3 Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程の時
間を40秒間にかえて30秒(実施例2)、60秒(実
施例3)としたことを除いては、実施例1と同様にして
半導体およびLEDを作製した。このLEDに順方向に
電流を流したところ、明瞭な青色発光を示した。20m
Aでの輝度、効率、発光波長を表1に示す。
【0031】比較例2 Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程の時
間を40秒間にかえて180秒としたことを除いては、
実施例1と同様にして、比較用の試料を成長した。これ
に電流を流したところ、目視では青色の発光が認められ
なかった。図3に空流し工程の時間と20mAでの輝度
の関係を示す。この図から30秒、40秒、60秒の空
流しにより、空流しを行わない場合よりも輝度が大幅に
向上していることがわかる。
【0032】
【表1】
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、p型の3−5族化合物
半導体層を成長する前に、p型ドーパント原料を供給
し、3族原料は供給しない工程を設けることによって、
輝度および発光効率の向上した、発光素子が作製できる
ため、きわめて有用であり工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における空流し工程の概念図。
【図2】本発明の実施例1に示す3−5族化合物半導体
の構造を示す図。
【図3】実施例1〜3、比較例1、2におけるMg原料
の空流し工程の時間とLEDの輝度との関係を示す図。
【符号の説明】
1……サファイア基板 2……GaNバッファー層 3……n型GaN:Si層 4……ノンドープGaN層 5……第1の層であるn型GaN層 6……第3の層であるInGaN層 7……保護層であるAlGaN層 8……第2の層であるp型GaN:Mg層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式Inx Gay Alz N(x+y+z
    =1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表され
    る3−5族化合物半導体の積層構造を含み、該積層構造
    の中にp型の層を少なくとも1層含む3−5族化合物半
    導体を、3族有機金属化合物と分子中にNを有する化合
    物とを原料とし、有機金属気相成長法により反応管内で
    成長させて3−5族化合物半導体を製造する方法におい
    て、p型の層を成長する工程の前に、p型ドーパント原
    料を供給し3族原料は供給しない工程を有することを特
    徴とする3−5族化合物半導体の製造方法。
  2. 【請求項2】3−5族化合物半導体が、n型の第1の層
    と、p型の第2の層と、前記2層の間に挾まれた少なく
    とも1層の第3の層とを含み、第3の層が該層の両側で
    これよりもバンドギャップの大きな2つの層と接してな
    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。
  3. 【請求項3】第3の層の層厚が5Å以上90Å以下であ
    ることを特徴とする請求項2記載の3−5族化合物半導
    体の製造方法。
  4. 【請求項4】第3の層の層中に含まれるSi、Ge、M
    g、ZnおよびCdの各濃度がいずれも1×1019cm
    -3以下であることを特徴とする請求項2または3記載の
    3−5族化合物半導体の製造方法。
JP18017095A 1995-07-17 1995-07-17 3−5族化合物半導体の製造方法 Expired - Fee Related JP3598591B2 (ja)

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