JPH11274649A - 半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体光素子及びその製造方法Info
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- JPH11274649A JPH11274649A JP7882598A JP7882598A JPH11274649A JP H11274649 A JPH11274649 A JP H11274649A JP 7882598 A JP7882598 A JP 7882598A JP 7882598 A JP7882598 A JP 7882598A JP H11274649 A JPH11274649 A JP H11274649A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化ガリウム系半導体を用いた高信頼性の光
デバイスを得る。 【解決手段】 光デバイス本体の結晶成長前に、基板上
に低温成長ＧａＮ層と高温成長ＧａＮ層を積層したバッ
ファ層を形成する。 【効果】 上記構造を用いる事により、光デバイス本体
における結晶欠陥が低減され、容易に高信頼性の窒化ガ
リウム系化合物半導体の発光デバイスの作製が可能とな
る。
デバイスを得る。 【解決手段】 光デバイス本体の結晶成長前に、基板上
に低温成長ＧａＮ層と高温成長ＧａＮ層を積層したバッ
ファ層を形成する。 【効果】 上記構造を用いる事により、光デバイス本体
における結晶欠陥が低減され、容易に高信頼性の窒化ガ
リウム系化合物半導体の発光デバイスの作製が可能とな
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
係り、構成元素として少なくともＮ（窒素）を含むIII-
Ｖ族化合物半導体（以下、本明細書では窒化ガリウム系
化合物半導体と記述する）を用いた発光ダイオードやレ
ーザダイオードなどの発光デバイスに好適な素子構造及
びその製造方法に関する。
係り、構成元素として少なくともＮ（窒素）を含むIII-
Ｖ族化合物半導体（以下、本明細書では窒化ガリウム系
化合物半導体と記述する）を用いた発光ダイオードやレ
ーザダイオードなどの発光デバイスに好適な素子構造及
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた青紫色の半導体レーザの開発は目覚しく発展しお
り、1997年秋期第58回応用物理学会学術講演会において
日亜化学から、3000時間を越える寿命のレーザ発振が報
告された。この長寿命化の鍵となった技術は、クラッド
層に用いているAlGaNのAl組成を増加させ、かつ、低抵
抗化を実現した事と酸化シリコンをマスクとした選択成
長を用い、結晶欠陥を減少させたことにある。
いた青紫色の半導体レーザの開発は目覚しく発展しお
り、1997年秋期第58回応用物理学会学術講演会において
日亜化学から、3000時間を越える寿命のレーザ発振が報
告された。この長寿命化の鍵となった技術は、クラッド
層に用いているAlGaNのAl組成を増加させ、かつ、低抵
抗化を実現した事と酸化シリコンをマスクとした選択成
長を用い、結晶欠陥を減少させたことにある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
半導体の結晶成長に於ける結晶欠陥の起源は、成長初期
段階の三次元成長であると考えられている。そのため、
前記の選択成長では酸化シリコンのマスク上で２次元成
長を促進し結晶欠陥の低減を実現している。しかしなが
ら、この選択成長法は、結晶成長の初期に成長炉から試
料を取り出し、酸化シリコンのマスクをパターニングす
る必要がある。また、マスクパターンの中間に形成され
る結晶欠陥を抑制することが困難である。
半導体の結晶成長に於ける結晶欠陥の起源は、成長初期
段階の三次元成長であると考えられている。そのため、
前記の選択成長では酸化シリコンのマスク上で２次元成
長を促進し結晶欠陥の低減を実現している。しかしなが
ら、この選択成長法は、結晶成長の初期に成長炉から試
料を取り出し、酸化シリコンのマスクをパターニングす
る必要がある。また、マスクパターンの中間に形成され
る結晶欠陥を抑制することが困難である。
【０００４】一方、サファイア基板（Ａｌ2Ｏ3）や炭化
珪素基板（ＳｉＣ）等、窒化ガリウム系化合物半導体と
同じ六方晶系の結晶構造を有しながら、その格子定数の
違いのために当該基板上部に形成される窒化ガリウム系
化合物半導体層に結晶欠陥をもたらす基板材料を利用す
るに際し、基板上にバッファ層を設け、これで基板と窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶との格子不整合を緩和
する技術が検討されてきた。この技術は、特開平４−２
９７０２３号公報に記載され、またその改良技術が特願
平９−５８７９８号の出願明細書に記載されている。し
かしながら、これらの技術を以ても上記基板上に形成さ
れる窒化ガリウム系化合物半導体結晶の欠陥を光素子へ
の利用に十分なほど解消するに到っていない。
珪素基板（ＳｉＣ）等、窒化ガリウム系化合物半導体と
同じ六方晶系の結晶構造を有しながら、その格子定数の
違いのために当該基板上部に形成される窒化ガリウム系
化合物半導体層に結晶欠陥をもたらす基板材料を利用す
るに際し、基板上にバッファ層を設け、これで基板と窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶との格子不整合を緩和
する技術が検討されてきた。この技術は、特開平４−２
９７０２３号公報に記載され、またその改良技術が特願
平９−５８７９８号の出願明細書に記載されている。し
かしながら、これらの技術を以ても上記基板上に形成さ
れる窒化ガリウム系化合物半導体結晶の欠陥を光素子へ
の利用に十分なほど解消するに到っていない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】そこで本発明では、通常
は成長基板上にのみ形成される７００℃以下で成長する
窒化ガリウム系半導体層（低温バッファ層）を高温成長
層と積層する事により結晶欠陥の低減を実現した。本方
法を用では、酸化シリコン等のマスクの形成などの外部
プロセスが不用のため、結晶成長中の試料を成長炉から
取り出す事無く、容易に結晶欠陥低減のための構造を形
成する事が可能となった。
は成長基板上にのみ形成される７００℃以下で成長する
窒化ガリウム系半導体層（低温バッファ層）を高温成長
層と積層する事により結晶欠陥の低減を実現した。本方
法を用では、酸化シリコン等のマスクの形成などの外部
プロセスが不用のため、結晶成長中の試料を成長炉から
取り出す事無く、容易に結晶欠陥低減のための構造を形
成する事が可能となった。
【０００６】通常窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成
長では、サファイア基板上に５００℃程度の低温で数十
ｎｍの厚さのＧａＮバッファ層を成長し、続いて１００
０℃程度に昇温し、デバイス構造の成長を行う。ここで
低温で形成されたバッファ層を昇温することにより、均
一で平坦な核の形成が行われていると考えられている。
長では、サファイア基板上に５００℃程度の低温で数十
ｎｍの厚さのＧａＮバッファ層を成長し、続いて１００
０℃程度に昇温し、デバイス構造の成長を行う。ここで
低温で形成されたバッファ層を昇温することにより、均
一で平坦な核の形成が行われていると考えられている。
【０００７】しかしながら、ＧａＮと基板のサファイア
の格子定数の不整合が非常に大きいため、この方法では
完全に均一なＧａＮ表面を形成する事は不可能である。
そこで、本発明では、この低温バッファ層と高温ＧａＮ
層を積層する事により、ＧａＮバッファ層の表面の均一
化を計り結晶欠陥の低減を実現した。
の格子定数の不整合が非常に大きいため、この方法では
完全に均一なＧａＮ表面を形成する事は不可能である。
そこで、本発明では、この低温バッファ層と高温ＧａＮ
層を積層する事により、ＧａＮバッファ層の表面の均一
化を計り結晶欠陥の低減を実現した。
【０００８】以上の検討及び議論に基づき、本発明者
は、以下に記す窒化ガリウム系化合物半導体からなる半
導体光素子（発光素子、受光素子、光導波路等）の製造
方法及び構成を着想した。
は、以下に記す窒化ガリウム系化合物半導体からなる半
導体光素子（発光素子、受光素子、光導波路等）の製造
方法及び構成を着想した。
【０００９】まず、本発明による基板上部に窒化ガリウ
ム系化合物半導体（少なくとも窒素を構成元素として含
むIII−Ｖ族化合物半導体）からなる半導体層を積層す
る半導体光素子の製造方法の基本的な特徴は、上記基板
の主面上に上記III−Ｖ族化合物半導体（窒化ガリウム
系化合物半導体のこと）からなる第１の半導体層及び第
２の半導体層を夫々少なくとも１層含めてこの順に積層
して第１の半導体領域を形成する第１の工程と、この第
１の半導体領域上に上記III−Ｖ族化合物半導体からな
り且つ光学的に活性な領域（発光領域、受光領域、光導
波層等）を含む第２の半導体領域を形成する第２の工程
とを有し、上記第１の工程では第１の半導体層を基板温
度を７００度未満に設定して且つ第２の半導体層を基板
温度を７００度以上に設定して夫々形成し、上記第２の
工程では第２の半導体領域を基板温度を７００度以上に
設定して形成することにある。即ち、上記特開平４−２
９７０２３号公報等で論じられたバッファ層は本発明に
於いて、上記第１の半導体領域に置き換わる。
ム系化合物半導体（少なくとも窒素を構成元素として含
むIII−Ｖ族化合物半導体）からなる半導体層を積層す
る半導体光素子の製造方法の基本的な特徴は、上記基板
の主面上に上記III−Ｖ族化合物半導体（窒化ガリウム
系化合物半導体のこと）からなる第１の半導体層及び第
２の半導体層を夫々少なくとも１層含めてこの順に積層
して第１の半導体領域を形成する第１の工程と、この第
１の半導体領域上に上記III−Ｖ族化合物半導体からな
り且つ光学的に活性な領域（発光領域、受光領域、光導
波層等）を含む第２の半導体領域を形成する第２の工程
とを有し、上記第１の工程では第１の半導体層を基板温
度を７００度未満に設定して且つ第２の半導体層を基板
温度を７００度以上に設定して夫々形成し、上記第２の
工程では第２の半導体領域を基板温度を７００度以上に
設定して形成することにある。即ち、上記特開平４−２
９７０２３号公報等で論じられたバッファ層は本発明に
於いて、上記第１の半導体領域に置き換わる。
【００１０】この第１の半導体領域を構成する第１の半
導体層は、７００℃未満の低温で形成される。このた
め、第１の半導体層は結晶粒の集合体（広義の多結晶
体）となる。そして、形成温度が低いほど結晶粒は小さ
くなり、その個々の結晶方位の配向もランダムになる。
このように形成された、第１の半導体層は、その上に形
成される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶格子の基板
への延伸を遮断する。従って、特に基板としてサファイ
ア、シリコン及び炭化シリコンの群から選ばれる単結晶
基板を用いる場合に、その上部に形成される窒化ガリウ
ム系化合物半導体の結晶格子における当該単結晶基板の
結晶構造に起因する格子欠陥を解消する。勿論、上記基
板は単結晶でなくとも本発明の実施を阻むものでない
（窒化ガリウム系化合物半導体が非晶質基板上にてエピ
タキシャル成長に近い挙動…但し、原因不明…を示すこ
とも報告されているため）。
導体層は、７００℃未満の低温で形成される。このた
め、第１の半導体層は結晶粒の集合体（広義の多結晶
体）となる。そして、形成温度が低いほど結晶粒は小さ
くなり、その個々の結晶方位の配向もランダムになる。
このように形成された、第１の半導体層は、その上に形
成される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶格子の基板
への延伸を遮断する。従って、特に基板としてサファイ
ア、シリコン及び炭化シリコンの群から選ばれる単結晶
基板を用いる場合に、その上部に形成される窒化ガリウ
ム系化合物半導体の結晶格子における当該単結晶基板の
結晶構造に起因する格子欠陥を解消する。勿論、上記基
板は単結晶でなくとも本発明の実施を阻むものでない
（窒化ガリウム系化合物半導体が非晶質基板上にてエピ
タキシャル成長に近い挙動…但し、原因不明…を示すこ
とも報告されているため）。
【００１１】上記第１の半導体層の形成直後に於ける結
晶粒は小さいほど、そしてこれらの結晶方位がばらつい
ているほど、上記第２の半導体領域を構成する窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶の欠陥を低減するに望ましい。
なぜなら、上記第２の半導体領域の形成に際し、当該第
１半導体層が形成された基板も７００℃以上の高温環境
に置かれるため、この内部の結晶粒が次第に結晶方位を
揃え、そして隣接するもの同士が合体して大きな結晶粒
に変わるからである。その究極の姿は、第１の半導体層
が一つの単結晶層となることである。こうなると、上記
第２の半導体領域の結晶格子は第１の半導体層を経て上
記基板側に到達し、特に基板が単結晶である場合、格子
不整合による積層欠陥を自らの内部に招き入れる。これ
に対し、第１の半導体層の形成時に於ける結晶粒を小さ
くし且つその結晶方位をばらつかせることは、第１の半
導体層を上記究極の形状への到達から遠ざけるに望まし
いのである。
晶粒は小さいほど、そしてこれらの結晶方位がばらつい
ているほど、上記第２の半導体領域を構成する窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶の欠陥を低減するに望ましい。
なぜなら、上記第２の半導体領域の形成に際し、当該第
１半導体層が形成された基板も７００℃以上の高温環境
に置かれるため、この内部の結晶粒が次第に結晶方位を
揃え、そして隣接するもの同士が合体して大きな結晶粒
に変わるからである。その究極の姿は、第１の半導体層
が一つの単結晶層となることである。こうなると、上記
第２の半導体領域の結晶格子は第１の半導体層を経て上
記基板側に到達し、特に基板が単結晶である場合、格子
不整合による積層欠陥を自らの内部に招き入れる。これ
に対し、第１の半導体層の形成時に於ける結晶粒を小さ
くし且つその結晶方位をばらつかせることは、第１の半
導体層を上記究極の形状への到達から遠ざけるに望まし
いのである。
【００１２】しかしながら、望ましき第１の半導体層の
形成時の形状には弱点がある。その一つは、第１の半導
体層が単結晶の如き堅牢さを持たないため、その上面に
凹凸の形成を許してしまうことである。このような表面
（成長表面）を有する第１の半導体層の主面に７００℃
以上の高温で上記第２の半導体領域を形成する場合、そ
の成長表面に第１の半導体層の主面の凹凸が若干の緩和
を受けながらも継承される。第２の半導体層は、発光素
子の活性領域や導波路型光素子（スラブ状ウェイブ・ガ
イド）の光導波領域が形成されるため、これらの領域を
構成する半導体層の界面の形状には平坦性が要請される
が、上記第１の半導体層主面から継承される凹凸は、こ
の平坦性を損ない、その結果、光素子に於ける著しい光
学損失を招く。さらに、上記弱点のもう一つは、第１半
導体層とこれが形成される下地層（基板等）との接着性
が弱くなることである。
形成時の形状には弱点がある。その一つは、第１の半導
体層が単結晶の如き堅牢さを持たないため、その上面に
凹凸の形成を許してしまうことである。このような表面
（成長表面）を有する第１の半導体層の主面に７００℃
以上の高温で上記第２の半導体領域を形成する場合、そ
の成長表面に第１の半導体層の主面の凹凸が若干の緩和
を受けながらも継承される。第２の半導体層は、発光素
子の活性領域や導波路型光素子（スラブ状ウェイブ・ガ
イド）の光導波領域が形成されるため、これらの領域を
構成する半導体層の界面の形状には平坦性が要請される
が、上記第１の半導体層主面から継承される凹凸は、こ
の平坦性を損ない、その結果、光素子に於ける著しい光
学損失を招く。さらに、上記弱点のもう一つは、第１半
導体層とこれが形成される下地層（基板等）との接着性
が弱くなることである。
【００１３】そこで上記第１の半導体層上に第２の半導
体層を７００℃以上の高温で形成する。第２の半導体層
の形成温度を、この層が単結晶層として成長するように
設定することで、第１の半導体層の主面から継承される
凹凸が緩和される。
体層を７００℃以上の高温で形成する。第２の半導体層
の形成温度を、この層が単結晶層として成長するように
設定することで、第１の半導体層の主面から継承される
凹凸が緩和される。
【００１４】第１の半導体層の主面から継承される凹凸
を緩和する一つの望ましい形態としては、第１の半導体
層と第２の半導体層の厚さの配分にある。即ち、第１の
半導体層の厚さを５０ｎｍ以下に抑え、第２の半導体層
は第１の半導体層より厚く形成する。第１の半導体層と
第２の半導体層の厚さの差は大きいほど、上記第１の半
導体層主面から継承される凹凸の解消に効果的である
が、第１の半導体層を薄くしすぎると、本発明の本来の
目的（第２の半導体領域の結晶欠陥低減）を果たせなく
なる。従って、第１の半導体層の厚さは、その構成元素
の組成にもよるがＡｌＮにして５ｎｍ以上、ＧａＮにし
て１０ｎｍ以上を確保することが要請される。
を緩和する一つの望ましい形態としては、第１の半導体
層と第２の半導体層の厚さの配分にある。即ち、第１の
半導体層の厚さを５０ｎｍ以下に抑え、第２の半導体層
は第１の半導体層より厚く形成する。第１の半導体層と
第２の半導体層の厚さの差は大きいほど、上記第１の半
導体層主面から継承される凹凸の解消に効果的である
が、第１の半導体層を薄くしすぎると、本発明の本来の
目的（第２の半導体領域の結晶欠陥低減）を果たせなく
なる。従って、第１の半導体層の厚さは、その構成元素
の組成にもよるがＡｌＮにして５ｎｍ以上、ＧａＮにし
て１０ｎｍ以上を確保することが要請される。
【００１５】第１の半導体層の主面から継承される凹凸
を緩和する別の望ましい形態としては、複数の第１の半
導体層と第２の半導体層とで上記第１の半導体領域を構
成し、基板側から第１の半導体層、第２の半導体層の順
で交互に積層して、上記凹凸を順次緩和することにあ
る。ここで注意されたいのは、第２の半導体領域が第２
の半導体層の主面に形成されるように積層構造を構成す
ることである。第１の半導体層が、第１の半導体領域の
最上部に配置されると、上記積層構造の効果が薄れるの
である。
を緩和する別の望ましい形態としては、複数の第１の半
導体層と第２の半導体層とで上記第１の半導体領域を構
成し、基板側から第１の半導体層、第２の半導体層の順
で交互に積層して、上記凹凸を順次緩和することにあ
る。ここで注意されたいのは、第２の半導体領域が第２
の半導体層の主面に形成されるように積層構造を構成す
ることである。第１の半導体層が、第１の半導体領域の
最上部に配置されると、上記積層構造の効果が薄れるの
である。
【００１６】これらの望ましき形態は、相互に組み合わ
せることにより本発明の効果をより高めることは明らか
である。後述の実施例においては、本発明のベストモー
ドの実施形態を記す。
せることにより本発明の効果をより高めることは明らか
である。後述の実施例においては、本発明のベストモー
ドの実施形態を記す。
【００１７】以上の第１の半導体層は、低温成長に実績
のあるAlxGa1-xN(1≧x≧0)なる組成のIII−Ｖ族化合物
半導体で形成するとよく、また上記第２の半導体層並び
に上記第２の半導体領域をAlyGa1-(y+z)InzN(1≧y≧0、
1≧z≧0)なる組成のIII−Ｖ族化合物半導体で形成する
ことよい。上記第２の半導体領域は、Ｖ族の構成元素と
して窒素(N)以外のリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)
の群から選ばれる元素を適宜含ませても本発明の実施を
妨げるものでないが、Ｖ族元素の構成比にてＮが0.5以
上となるように設定することが望ましい。また、上記第
１の半導体層と上記第２の半導体層の夫々の化合物組成
は、後述の実施例の如く同じとしても、また違えても本
発明の実施を阻むものでない。
のあるAlxGa1-xN(1≧x≧0)なる組成のIII−Ｖ族化合物
半導体で形成するとよく、また上記第２の半導体層並び
に上記第２の半導体領域をAlyGa1-(y+z)InzN(1≧y≧0、
1≧z≧0)なる組成のIII−Ｖ族化合物半導体で形成する
ことよい。上記第２の半導体領域は、Ｖ族の構成元素と
して窒素(N)以外のリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)
の群から選ばれる元素を適宜含ませても本発明の実施を
妨げるものでないが、Ｖ族元素の構成比にてＮが0.5以
上となるように設定することが望ましい。また、上記第
１の半導体層と上記第２の半導体層の夫々の化合物組成
は、後述の実施例の如く同じとしても、また違えても本
発明の実施を阻むものでない。
【００１８】なお、上記第１の半導体領域の形成工程に
置いて、結晶成長装置に電子線回折装置又はＸ線回折装
置を設け、第１の半導体層及び第２の半導体層の夫々の
成長膜の回折パターンをモニタすることを推奨する。前
者の回折パターンは、少なくともデバイ・シェラ・リン
グのパターンを示すことが不可欠であり、そのリング状
の回折パターンがぼやける、即ち非晶質材料に見られる
ハロ・パターンに近づくほど望ましい。また、後者は六
方晶系のラウエ・スポットが明瞭に測定できることが不
可欠である。
置いて、結晶成長装置に電子線回折装置又はＸ線回折装
置を設け、第１の半導体層及び第２の半導体層の夫々の
成長膜の回折パターンをモニタすることを推奨する。前
者の回折パターンは、少なくともデバイ・シェラ・リン
グのパターンを示すことが不可欠であり、そのリング状
の回折パターンがぼやける、即ち非晶質材料に見られる
ハロ・パターンに近づくほど望ましい。また、後者は六
方晶系のラウエ・スポットが明瞭に測定できることが不
可欠である。
【００１９】以上の本発明による半導体光素子の製造方
法に特徴づけられる本発明の半導体光素子の構造は、次
のとおりである。
法に特徴づけられる本発明の半導体光素子の構造は、次
のとおりである。
【００２０】即ち、単結晶構造を有する基板と、この基
板上に少なくとも窒素を構成元素として含むIII−Ｖ族
化合物半導体材料（窒化ガリウム系化合物半導体）から
なる複数の半導体層を積層して形成された第１の半導体
領域と、この第１の半導体領域上に上記III−Ｖ族化合
物半導体材料（窒化ガリウム系化合物半導体）からなる
複数の半導体層を積層して形成され且つ光学的に活性を
有する領域を含む第２の半導体領域とを有し、上記第１
の半導体領域は結晶粒が集合してなる結晶粒領域を含
み、上記第２の半導体領域は所定の方位に配向してなる
単結晶構造を有し、且つ第２の半導体領域から上記基板
へ延伸する結晶格子と上記基板の結晶格子とは上記結晶
粒領域で分離されている半導体光素子の構造に基本的な
特徴を有する。ここでいう結晶粒領域とは、上記電子線
又はＸ線回折によりデバイー・シェラー・リング又はハ
ロ・パターンを示す領域である。これに対し、単結晶構
造を有する領域は、ラウエ・スポットを示す領域である
ことは言うまでもない。
板上に少なくとも窒素を構成元素として含むIII−Ｖ族
化合物半導体材料（窒化ガリウム系化合物半導体）から
なる複数の半導体層を積層して形成された第１の半導体
領域と、この第１の半導体領域上に上記III−Ｖ族化合
物半導体材料（窒化ガリウム系化合物半導体）からなる
複数の半導体層を積層して形成され且つ光学的に活性を
有する領域を含む第２の半導体領域とを有し、上記第１
の半導体領域は結晶粒が集合してなる結晶粒領域を含
み、上記第２の半導体領域は所定の方位に配向してなる
単結晶構造を有し、且つ第２の半導体領域から上記基板
へ延伸する結晶格子と上記基板の結晶格子とは上記結晶
粒領域で分離されている半導体光素子の構造に基本的な
特徴を有する。ここでいう結晶粒領域とは、上記電子線
又はＸ線回折によりデバイー・シェラー・リング又はハ
ロ・パターンを示す領域である。これに対し、単結晶構
造を有する領域は、ラウエ・スポットを示す領域である
ことは言うまでもない。
【００２１】上述のように第２の半導体領域から基板へ
向けて延伸する結晶格子を第１の半導体領域中に形成さ
れた結晶粒領域で遮ることは、プロセス上のみならず、
完成された光素子、特に発光素子を連続的に動作させる
場合に於ける、上記第２の半導体領域の結晶の劣化によ
る素子性能の経時変化をなくす上でも重要である。
向けて延伸する結晶格子を第１の半導体領域中に形成さ
れた結晶粒領域で遮ることは、プロセス上のみならず、
完成された光素子、特に発光素子を連続的に動作させる
場合に於ける、上記第２の半導体領域の結晶の劣化によ
る素子性能の経時変化をなくす上でも重要である。
【００２２】そして、上記第１の半導体領域を上記結晶
粒領域を有する第１の半導体層と単結晶構造を有する第
２の半導体層を上記基板に対してこの順に積層すること
が推奨される理由は、上述の製造方法に於けるプロセス
で述べたとおりである。さらに第１の半導体領域を第１
の半導体層と第２の半導体層を夫々複数層交互に積層し
て構成することや、第１の半導体層を５乃至５０ｎｍの
厚さで且つ第２の半導体層を第１の半導体層より厚く夫
々形成することも推奨される。
粒領域を有する第１の半導体層と単結晶構造を有する第
２の半導体層を上記基板に対してこの順に積層すること
が推奨される理由は、上述の製造方法に於けるプロセス
で述べたとおりである。さらに第１の半導体領域を第１
の半導体層と第２の半導体層を夫々複数層交互に積層し
て構成することや、第１の半導体層を５乃至５０ｎｍの
厚さで且つ第２の半導体層を第１の半導体層より厚く夫
々形成することも推奨される。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態を、
以下の実施例１及び２を以て説明する。いずれの例も、
半導体発光素子（レーザダイオード、発光ダイオード）
への本発明の適用を記すが、実施例１の素子構成をスラ
ブ状の光導波路として使用し、また実施例２の素子構成
をそのｐ−ｉ−ｎ接合に逆方向の電界を印加して受光素
子として使用できることから、本発明は発光素子以外の
光素子にも適用可能であることは明らかである。
以下の実施例１及び２を以て説明する。いずれの例も、
半導体発光素子（レーザダイオード、発光ダイオード）
への本発明の適用を記すが、実施例１の素子構成をスラ
ブ状の光導波路として使用し、また実施例２の素子構成
をそのｐ−ｉ−ｎ接合に逆方向の電界を印加して受光素
子として使用できることから、本発明は発光素子以外の
光素子にも適用可能であることは明らかである。
【００２４】＜実施例１＞本実施例では、ＧａＮの低温
バッファ層と高温成長層の積層構造を有する窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製した。
バッファ層と高温成長層の積層構造を有する窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製した。
【００２５】図1に素子の一部の断面図を示す。図１に
おいて、101はc面サファイア基板、102は低温GaNバッフ
ァ層（d=20nm)、103は高温GaN層（d=50nｍ）、104はn型
SiドープGaN層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、105はn型Si
ドープAl0.1Ga0.9N層（n=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、10
6はn型SiドープGaN層（n=5×1017cm-3,d=0.1μｍ）、10
7はノンドープIn0.15Ga0.85N-GaN歪量子井戸発光層(各
膜厚5nm,3周期)、108はp型MgドープGaN層（p=2×1017cm
-3,d=0.1μｍ）,109はp型MgドープAl0.1Ga0.9N層（p=2
×1017cm-3,d=1.5μｍ）、110はp型MgドープGaN層（p=2
×1018cm-3,d=0.2μｍ）で、111はSiO2絶縁膜、112はn
型電極、113はp型電極である。
おいて、101はc面サファイア基板、102は低温GaNバッフ
ァ層（d=20nm)、103は高温GaN層（d=50nｍ）、104はn型
SiドープGaN層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、105はn型Si
ドープAl0.1Ga0.9N層（n=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、10
6はn型SiドープGaN層（n=5×1017cm-3,d=0.1μｍ）、10
7はノンドープIn0.15Ga0.85N-GaN歪量子井戸発光層(各
膜厚5nm,3周期)、108はp型MgドープGaN層（p=2×1017cm
-3,d=0.1μｍ）,109はp型MgドープAl0.1Ga0.9N層（p=2
×1017cm-3,d=1.5μｍ）、110はp型MgドープGaN層（p=2
×1018cm-3,d=0.2μｍ）で、111はSiO2絶縁膜、112はn
型電極、113はp型電極である。
【００２６】上記102から111までの層は、有機金属気相
成長装置を用いて基板結晶101の上に成長した。原料に
はTMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミ
ニウム)、 NH3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニル
マグネシウム)を用いた。成長温度は、低温バッファ層1
02は520℃、In0.15Ga0.85N-GaN歪量子井戸活性層107は7
60℃、その他の層は1050℃とした。
成長装置を用いて基板結晶101の上に成長した。原料に
はTMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミ
ニウム)、 NH3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニル
マグネシウム)を用いた。成長温度は、低温バッファ層1
02は520℃、In0.15Ga0.85N-GaN歪量子井戸活性層107は7
60℃、その他の層は1050℃とした。
【００２７】サファイア基板101を水素気流中１１００
℃で加熱処理した後、５２０℃に降温し、ＧａＮ層を２
０ｎｍ形成し、続いて１０５０℃に昇温し、ＧａＮを５
０ｎｍを形成した。この低温成長と高温成長の組合わせ
を４回繰り返した後、通常の方法でｎ型ＧａＮ104から
ｐ型ＧａＮ110まで成長を行った。結晶成長が終了した
後、ドライエッチングによりメサ構造と絶縁膜111の形
成を行い、続いて、n型電極112、p型電極113を真空蒸着
により形成した。これらの試料を用い、劈開法により共
振器端面を形成し、それらの端面に誘電体高反射膜ミラ
ーを形成した後、各素子を分離して発光ダイオード素子
を作製した。
℃で加熱処理した後、５２０℃に降温し、ＧａＮ層を２
０ｎｍ形成し、続いて１０５０℃に昇温し、ＧａＮを５
０ｎｍを形成した。この低温成長と高温成長の組合わせ
を４回繰り返した後、通常の方法でｎ型ＧａＮ104から
ｐ型ＧａＮ110まで成長を行った。結晶成長が終了した
後、ドライエッチングによりメサ構造と絶縁膜111の形
成を行い、続いて、n型電極112、p型電極113を真空蒸着
により形成した。これらの試料を用い、劈開法により共
振器端面を形成し、それらの端面に誘電体高反射膜ミラ
ーを形成した後、各素子を分離して発光ダイオード素子
を作製した。
【００２８】この素子に５Ｖで２０ｍＡの電流を流した
ところ、光出力５ｍＷで４１０ｎｍの紫外レーザ光が得
られた。この素子の欠陥密度を測定した場合、２×１０
3ｃｍ-2であり、６０℃の劣化試験において５０００時
間以上の寿命を示した。
ところ、光出力５ｍＷで４１０ｎｍの紫外レーザ光が得
られた。この素子の欠陥密度を測定した場合、２×１０
3ｃｍ-2であり、６０℃の劣化試験において５０００時
間以上の寿命を示した。
【００２９】＜実施例２＞本実施例では、ＧａＮの低温
バッファ層と高温成長層の積層構造を有する窒化ガリウ
ム系化合物半導体の高出力発光ダイオードを作製した。
バッファ層と高温成長層の積層構造を有する窒化ガリウ
ム系化合物半導体の高出力発光ダイオードを作製した。
【００３０】図1に素子の一部の断面図を示す。図１に
おいて、101はc面サファイア基板、102は低温GaNバッフ
ァ層（d=20nm)、103は高温GaN層（d=50nｍ）、104はn型
SiドープGaN層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、105はn型Si
ドープAl0.1Ga0.9N層（n=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、10
6はn型SiドープGaN層（n=5×1017cm-3,d=0.1μｍ）、20
1はＳｉドープIn0.3Ga0.7N-GaN歪量子井戸発光層(各膜
厚5nm,3周期)、108はp型MgドープGaN層（p=2×1017c
m-3,d=0.1μｍ）,109はp型MgドープAl0.1Ga0.9N層（p=2
×1017cm-3,d=1.5μｍ）、110はp型MgドープGaN層（p=2
×1018cm-3,d=0.2μｍ）で、111はSiO2絶縁膜、112はn
型電極、113はp型電極である。
おいて、101はc面サファイア基板、102は低温GaNバッフ
ァ層（d=20nm)、103は高温GaN層（d=50nｍ）、104はn型
SiドープGaN層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、105はn型Si
ドープAl0.1Ga0.9N層（n=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、10
6はn型SiドープGaN層（n=5×1017cm-3,d=0.1μｍ）、20
1はＳｉドープIn0.3Ga0.7N-GaN歪量子井戸発光層(各膜
厚5nm,3周期)、108はp型MgドープGaN層（p=2×1017c
m-3,d=0.1μｍ）,109はp型MgドープAl0.1Ga0.9N層（p=2
×1017cm-3,d=1.5μｍ）、110はp型MgドープGaN層（p=2
×1018cm-3,d=0.2μｍ）で、111はSiO2絶縁膜、112はn
型電極、113はp型電極である。
【００３１】上記102から111までの層は、有機金属気相
成長装置を用いて基板結晶101の上に成長した。原料に
はTMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミ
ニウム)、 NH3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニル
マグネシウム)を用いた。成長温度は、低温バッファ層1
02は520℃、In0.3Ga0.7N-GaN歪量子井戸活性層107は760
℃、その他の層は1050℃とした。
成長装置を用いて基板結晶101の上に成長した。原料に
はTMGa(トリメチルガリウム)、TMAl(トリメチルアルミ
ニウム)、 NH3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニル
マグネシウム)を用いた。成長温度は、低温バッファ層1
02は520℃、In0.3Ga0.7N-GaN歪量子井戸活性層107は760
℃、その他の層は1050℃とした。
【００３２】サファイア基板101を水素気流中１１００
℃で加熱処理した後、５２０℃に降温し、ＧａＮ層を２
０ｎｍ形成し、続いて１０５０℃に昇温し、ＧａＮを５
０ｎｍを形成した。この低温成長と高温成長の組合わせ
を４回繰り返した後、通常の方法でｎ型ＧａＮ104から
ｐ型ＧａＮ110まで成長を行った。結晶成長が終了した
後、ドライエッチングによりメサ構造と絶縁膜111の形
成を行い、続いて、n型電極112、p型電極113を真空蒸着
により形成した。これらの試料を用い、ドライエッチン
グにより発光端面を形成し、それらの端面に誘電体高反
射膜ミラーと低反射ミラーを形成した後、各素子を分離
して発光ダイオード素子を作製した。
℃で加熱処理した後、５２０℃に降温し、ＧａＮ層を２
０ｎｍ形成し、続いて１０５０℃に昇温し、ＧａＮを５
０ｎｍを形成した。この低温成長と高温成長の組合わせ
を４回繰り返した後、通常の方法でｎ型ＧａＮ104から
ｐ型ＧａＮ110まで成長を行った。結晶成長が終了した
後、ドライエッチングによりメサ構造と絶縁膜111の形
成を行い、続いて、n型電極112、p型電極113を真空蒸着
により形成した。これらの試料を用い、ドライエッチン
グにより発光端面を形成し、それらの端面に誘電体高反
射膜ミラーと低反射ミラーを形成した後、各素子を分離
して発光ダイオード素子を作製した。
【００３３】この素子に１０Ｖで１００ｍＡの電流を流
したところ光出力１００ｍＷで４５０ｎｍの青色光が得
られ、６０℃の劣化試験において１万時間以上の寿命を
示した。
したところ光出力１００ｍＷで４５０ｎｍの青色光が得
られ、６０℃の劣化試験において１万時間以上の寿命を
示した。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のようにＧ
ａＮの低温成長層と高温成長を積層する事により、容易
に低欠陥の結晶が得られ、信頼性の高い青色〜紫外色の
発光デバイスが作製可能となり、その産業上の利用価値
は非常に大きい。
ａＮの低温成長層と高温成長を積層する事により、容易
に低欠陥の結晶が得られ、信頼性の高い青色〜紫外色の
発光デバイスが作製可能となり、その産業上の利用価値
は非常に大きい。
【図１】実施例１に記載の紫外ＬＤ（レーザ・ダイオー
ド）の断面図。
ド）の断面図。
【図２】実施例２に記載の青色ＬＥＤ（発光ダイオー
ド）の断面図。
ド）の断面図。
１０１…c面サファイア基板、１０２…低温GaNバッファ
層、１０３…ノント゛ーフ゜GaN層、１０４…n型SiドープGa
N、１０５…n型SiドープAlGaN、１０６…n型SiドープGa
N、１０７…ノンドープIn1-xGaxN-GaN歪量子井戸発光
層、１０８…p型MgドープGaN層、１０９…ｐ型Mgドープ
AlGaN、１１０…ｐ型MgドープGaN、１１１…SiO2絶縁
膜、１１２…p型電極、１１３…n型電極、２０1… Siド
ープIn1-xGaxN-GaN歪量子井戸発光層。
層、１０３…ノント゛ーフ゜GaN層、１０４…n型SiドープGa
N、１０５…n型SiドープAlGaN、１０６…n型SiドープGa
N、１０７…ノンドープIn1-xGaxN-GaN歪量子井戸発光
層、１０８…p型MgドープGaN層、１０９…ｐ型Mgドープ
AlGaN、１１０…ｐ型MgドープGaN、１１１…SiO2絶縁
膜、１１２…p型電極、１１３…n型電極、２０1… Siド
ープIn1-xGaxN-GaN歪量子井戸発光層。
Claims (8)
- 【請求項１】基板上部に少なくとも窒素を構成元素とし
て含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を積層
する半導体光素子の製造方法において、上記基板の主面
上に上記III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の半導体
層及び第２の半導体層を夫々少なくとも１層含めてこの
順に積層して第１の半導体領域を形成する第１の工程
と、上記第１の半導体領域上に上記III−Ｖ族化合物半
導体からなり且つ光学的に活性な領域を含む第２の半導
体領域を形成する第２の工程とを有し、上記第１の工程
は上記第１の半導体層を上記基板温度を７００度未満に
設定して且つ上記第２の半導体層を該基板温度を７００
度以上に設定して夫々形成し、上記第２の工程は上記第
２の半導体領域を上記基板温度を７００度以上に設定し
て形成することを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 【請求項２】上記基板は、サファイア、シリコン及び炭
化シリコンの群から選ばれる単結晶基板を用いることを
特徴とする請求項１に記載の半導体光素子の製造方法。 - 【請求項３】上記第１の半導体層をAlxGa1-xN(1≧x≧0)
なる組成のIII−Ｖ族化合物半導体で形成し、且つ上記
第２の半導体層並びに上記第２の半導体領域をAlyGa
1-(y+z)InzN(1≧y≧0、1≧z≧0)なる組成のIII−Ｖ族化
合物半導体で形成することを特徴とする請求項１又は２
に記載の半導体光素子の製造方法。 - 【請求項４】上記第１の半導体層は、50nm以下の厚さに
形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
に記載の半導体光素子。 - 【請求項５】単結晶構造を有する基板と、該基板上に少
なくとも窒素を構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半
導体材料からなる複数の半導体層を積層して形成された
第１の半導体領域と、該第１の半導体領域上に上記III
−Ｖ族化合物半導体材料からなる複数の半導体層を積層
して形成され且つ光学的に活性を有する領域を含む第２
の半導体領域とを有し、上記第１の半導体領域は結晶粒
が集合してなる結晶粒領域を含み、上記第２の半導体領
域は所定の方位に配向してなる単結晶構造を有し、且つ
該第２の半導体領域から上記基板へ延伸する結晶格子と
上記基板の結晶格子とは該結晶粒領域で分離されている
ことを特徴とする半導体光素子。 - 【請求項６】上記第１の半導体領域は上記結晶粒領域を
有する第１の半導体層と単結晶構造を有する第２の半導
体層を上記基板に対してこの順に積層してなることを特
徴とする請求項５に記載の半導体光素子。 - 【請求項７】上記第１の半導体領域は上記第１の半導体
層と上記第２の半導体層を夫々複数層交互に積層してな
ることを特徴とする請求項６に記載の半導体光素子。 - 【請求項８】上記第１の半導体層は５乃至５０ｎｍの厚
さを有し且つ上記第２の半導体層は該第１の半導体層よ
り厚く形成されていることを特徴とする請求項６又は７
に記載の半導体光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7882598A JPH11274649A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体光素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7882598A JPH11274649A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体光素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11274649A true JPH11274649A (ja) | 1999-10-08 |
Family
ID=13672619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7882598A Pending JPH11274649A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 半導体光素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11274649A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100489039B1 (ko) * | 2002-08-19 | 2005-05-11 | 엘지이노텍 주식회사 | 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법 |
| US7141444B2 (en) | 2000-03-14 | 2006-11-28 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Production method of III nitride compound semiconductor and III nitride compound semiconductor element |
| CN108198913A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-06-22 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片的生长方法 |
-
1998
- 1998-03-26 JP JP7882598A patent/JPH11274649A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7141444B2 (en) | 2000-03-14 | 2006-11-28 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Production method of III nitride compound semiconductor and III nitride compound semiconductor element |
| KR100489039B1 (ko) * | 2002-08-19 | 2005-05-11 | 엘지이노텍 주식회사 | 질화 갈륨계 반도체 발광 다이오드 제조방법 |
| CN108198913A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-06-22 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片的生长方法 |
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