JP3809825B2 - 半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法に関し、特に、ＧａＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にその成長温度よりも高い成長温度でＩｎを含まない別の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる必要がある半導体装置、例えば半導体発光素子の製造に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物（ナイトライド）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、その禁制帯幅が１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、赤外から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が理論上可能であるため、近年、活発に研究開発が行われている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により発光ダイオードや半導体レーザを製造する場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどを多層に積層し、発光層、すなわち活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。
【０００４】
このようなＧａＮ系半導体発光素子の製造には、もっぱら有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられているが、このＭＯＣＶＤ法による結晶成長の基本技術としては、低温成長によるバッファ層の導入（Appl.Phys.Lett.,48,353(1986)およびJpn.J.Appl.Phys.,30,L1620(1991))と、ｐ型ＧａＮ層の成長技術（Jpn.J.Appl.Phys.,28,L2112(1989) およびJpn.J.Appl.Phys.,31,L139(1992)) とが挙げられる。また、活性層として用いられるＧａＩｎＮ層の成長には、低温でしかも水素の少ない条件が良好であることが報告されている(J.Electronic Materials,21(2),157(1992))。そして、これらの基本技術の開発によって、青色ないし緑色で発光可能なＧａＮ系発光ダイオードや、４００ｎｍ台の発光波長で室温パルス発振可能なＧａＮ系半導体レーザが開発され、ＧａＮ系発光ダイオードについてはすでに実用化されている。
【０００５】
ＧａＮ系半導体レーザを製造するために現在用いられているＭＯＣＶＤ法による結晶成長の標準的なプロセスは、次の通りである。
すなわち、まず、ｃ面サファイア基板をＨ2 ガス中において１０５０℃で１０分間熱処理することにより、このｃ面サファイア基板の表面をサーマルクリーニングする。次に、基板温度を５１０℃に下げた後、このｃ面サファイア基板上にＧａＮバッファ層を成長させる。次に、成長温度を１０２０℃に上昇させた後、ｃ面サファイア基板上にｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ型ＧａＮ光導波層を順次成長させる。次に、成長温度を８００℃に下げた後、ｃ面サファイア基板上にＧａＩｎＮ活性層を成長させる。次に、成長温度を１０２０℃に上昇させた後、ｃ面サファイア基板上にｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を順次成長させる。
【０００６】
ここで、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層の成長温度を１０２０℃としているのは、良好な結晶性を有するＧａＮ系半導体層の成長にはこの程度の高温が適しているからである。一方、ＧａＩｎＮ活性層の成長時に成長温度を８００℃に下げているのは、ＧａＩｎＮのＮの解離圧が非常に大きく、ＧａＮやＡｌＧａＮの成長温度である１０２０℃では成長させることができないからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなプロセスで製造されるＧａＮ系半導体レーザにおいて現在報告されているしきい値電流密度は３〜１０ｋＡ／ｃｍ2 であり、理論的予想よりかなり大きく、室温連続発振の達成にはさらなるしきい値電流密度の低減が必要とされている。
【０００８】
本発明者は、その原因を究明すべく種々検討を行った結果、上述のプロセスで製造されるＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度が高い理由としては、レーザ構造の最適化がなされていないこともあるが、そのほかにそのＧａＩｎＮ活性層の品質、特に光学品質が低く、このＧａＩｎＮ層からの発光強度が理論的予想よりもかなり低いことを見い出した。そして、その原因について検討を進めた結果、ＧａＩｎＮ活性層の成長後にｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を成長させる際に成長温度を１０２０℃に上昇させたときに、そのＧａＩｎＮ活性層からＩｎＮが分解することにより劣化が生じることを見い出した。したがって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度の低減を図るためには、ＧａＩｎＮ活性層の劣化を抑えることが重要である。
以上は、ＧａＩｎＮ活性層の劣化についてであるが、同様な劣化は、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層全般に起こり得るものである。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、ＧａＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にその成長温度よりも高い成長温度でＩｎを含まない別の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる必要がある場合に、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劣化を防止することができる半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による半導体の成長方法は、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体発光素子の製造方法は、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体の成長方法はまた、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体発光素子の製造方法はまた、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明においては、好適には、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を気相成長させる前に、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度とほぼ等しいかまたはより低い成長温度で気相成長されたＡｌＧａＮからなる保護膜により下地の表面を覆っておく。この場合には、下地のＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がこのＡｌＧａＮからなる保護膜により直接的または間接的に覆われることにより、このＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＩｎＮの分解を有効に抑えることができるので、その劣化をより有効に防止することができ、あるいは、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を高めに設定することができる。
【００１２】
この発明においては、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を気相成長させる前に、ＡｌＧａＮからなる保護膜により下地の表面を覆わない場合には、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９６０℃以下にする。
【００１３】
この発明においては、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劣化を防止しつつ、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面モフォロジーの劣化やキャリア濃度、特に正孔濃度の低下を防止するために、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を８００〜９８０℃、好適には９００〜９６０℃、より好適には９３０〜９６０℃とする。
【００１４】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、具体的には、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素とＮとからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちＩｎを含むものの例を挙げるとＧａＩｎＮ層であり、Ｉｎを含まないものの例を挙げるとＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などである。
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長には、典型的には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられるが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてもよい。
【００１５】
上述のように構成されたこの発明によれば、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９８０℃以下にしているので、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＩｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのＩｎＮの分解を抑えることができ、その劣化を抑えることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
この発明の実施形態について説明する前に、まず、ＧａＩｎＮ活性層の成長後に熱処理を行った場合にこの熱処理がＧａＩｎＮ活性層の光学品質、具体的には発光強度に与える影響について調べた結果について説明する。この実験には、それぞれ図１および図２に示すようなＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の二つの試料を用いた。便宜上、図１に示す試料を試料Ａ、図２に示す試料を試料Ｂと呼ぶ。これらの試料Ａおよび試料Ｂの作製方法は次の通りである。
【００１７】
図１に示す試料Ａを作製するには、まず、図示省略したＭＯＣＶＤ装置の反応管内にｃ面サファイア基板１を入れた後、反応管内にキャリアガスとして例えばＨ2 とＮ2 との混合ガスを流し、１０５０℃で１０分間熱処理を行うことによりそのｃ面サファイア基板１の表面をサーマルクリーニングする。次に、基板温度を５３０℃に下げた後、Ｇａ原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）およびＮ原料としてのアンモニア（ＮＨ3 ）を反応管内に供給し、ｃ面サファイア基板１上に厚さ約２５ｎｍのＧａＮバッファ層２を成長させる。次に、反応管内へのＴＭＧａの供給を停止し、ＮＨ3 の供給はそのまま続けながら、成長温度を９９０℃まで上昇させた後、反応管内にＴＭＧａおよびｎ型不純物（ドナー不純物）であるＳｉのドーパントとしてのシラン（ＳｉＨ4 ）を供給し、厚さ２μｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
【００１８】
次に、反応管内へのＴＭＧａの供給を停止し、成長温度を７８０℃に下げた後、反応管内にＴＭＧａを供給し、ｎ型ＧａＮ層３を薄く成長させる。このｎ型ＧａＮ層３は、成長温度を下げる間に下地のｎ型ＧａＮ層３の表面が汚染されることがあることから、次に成長させるｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の成長直前にこの薄いｎ型ＧａＮ層３を成長させ、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を清浄な表面に成長させるためのものである。次に、成長温度をそのまま７８０℃に保持した状態で、反応管内にＮ原料としてのＮＨ3 に加えてＧａ原料としてのトリエチルガリウム（ＴＥＧａ、Ｇａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 ）およびＩｎ原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）を供給し、厚さ約３ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を成長させる。ここで、このｎ型ＧａＩｎＮ活性層４のＩｎ組成比は０．２である。
【００１９】
次に、成長温度をそのまま７８０℃に保持した状態で、反応管内へのＴＭＩｎの供給を停止するとともに、Ｇａ原料をＴＭＧａに切り換え、厚さ１００ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層５を成長させる。
以上により、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料Ａが作製される。
【００２０】
図２に示す試料Ｂの作製方法は、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を成長させた後に、成長温度を７８０℃に保持した状態で、厚さ８０ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層５および厚さ２０ｎｍのＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６を順次成長させることを除いて、試料Ａの作製方法と同様である。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６のＡｌ組成比は０．１５である。
【００２１】
以上のようにして作製された試料Ａおよび試料Ｂを、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内において、ＮＨ3 雰囲気中で、温度を８００℃、９００℃および９９０℃に変えて１時間熱処理を行った。そして、これらの試料Ａおよび試料Ｂを用いて、室温でｎ型ＧａＩｎＮ活性層４からの発光スペクトルを測定した。図３および図４はそれぞれ試料Ａおよび試料Ｂの発光スペクトルの測定結果を示す。なお、試料Ａおよび試料Ｂの温度は、それらの表面の温度を放射温度計で石英製の反応管を通して測定することにより測定した。
【００２２】
図３および図４より、試料Ａおよび試料Ｂとも、波長４００ｎｍ付近に発光が観測される。このうち試料Ａについては、発光強度は熱処理温度が９００℃までは熱処理前とほとんど変わらないが、熱処理温度が９９０℃のときには熱処理前の約１／２０に減少している。また、試料Ｂについては、発光強度は熱処理温度が９００℃までは試料Ａと同様に熱処理前とほとんど変わらないが、熱処理温度が９９０℃のときには熱処理前の約１／２に減少しているに過ぎず、発光強度の減少は少ない。
【００２３】
図５は試料Ａおよび試料Ｂの発光強度の熱処理温度依存性を測定した結果を示す。ただし、熱処理は、ＮＨ3 雰囲気中で、温度を８００℃、９００℃、９３０℃、９６０℃および９９０℃に変えて１時間行った。また、発光強度の測定は室温および７７Ｋ（液体窒素温度）で行った。
図５より、試料Ａおよび試料Ｂとも、熱処理温度（Ｔ）が高くなるにつれて発光強度が減少していく様子がよくわかる。このうち試料Ａについては、熱処理温度が９６０℃を超えると発光強度が急激に減少する。一方、試料Ｂについては、熱処理温度の増大に伴う発光強度の減少は試料Ａに比べて緩やかであり、９６０℃で熱処理を行った試料Ａと同一の発光強度になる熱処理温度は約９８０℃と試料Ａに比べて約２０℃高い。
【００２４】
上述のように試料Ａに比べて試料Ｂの方が熱処理温度の増大に対する発光強度の減少が少ないのは、試料Ｂにおいてはｎ型ＧａＮ層５上にｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６を成長させているからである。すなわち、このｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６がｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の劣化を防止しているためである。ここで、ＡｌＧａＮはＧａＮよりもＮの平衡蒸気圧が高いことを考えると、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の劣化はその表面から内部への空格子欠陥の拡散が関与していると考えられる。
【００２５】
さて、以上のことを前提としてこの発明の第１の実施形態について説明する。この第１の実施形態においては、この発明をＧａＮ系発光ダイオードの製造に適用した場合について説明する。
図６はこの第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。また、図７はこの第１の実施形態における成長シーケンスを示す。
【００２６】
この第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法においては、図６および図７に示すように、試料Ａおよび試料Ｂの作製の場合と同様にして、例えば１０５０℃でｃ面サファイア基板１１のサーマルクリーニングを行った後、このｃ面サファイア基板１１上に例えば５３０℃の成長温度で例えば厚さ２５ｎｍのＧａＮバッファ層１２を成長させる。次に、成長温度を例えば９９０℃に上昇させた後、このＧａＮバッファ層１２上に例えば厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層１３を成長させる。次に、成長温度を例えば７８０℃に下げた後、薄いｎ型ＧａＮ層１３、例えば厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ活性層１４および例えば厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５を順次成長させる。ここで、ＧａＩｎＮ活性層１４のＩｎ組成比は例えば０．２、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５のＡｌ組成比は例えば０．１５である。次に、成長温度を例えば９３０℃まで上昇させた後、例えば厚さ１．５μｍのｐ型ＧａＮ層１６を成長させる。このｐ型ＧａＮ層１６の成長時間は例えば約１時間である。ここで、ｎ型ＧａＮ層１３のｎ型不純物としては例えばＳｉを用い、そのドーパントとしては例えばＳｉＨ4 を用いる。また、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５およびｐ型ＧａＮ層１６のｐ型不純物（アクセプタ不純物）としては例えばＭｇを用い、そのドーパントとしては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用いる。この後、ｐ型不純物の活性化のために、例えば、Ｎ2 雰囲気中において８００℃で１０分間熱処理を行う。
【００２７】
次に、図示は省略するが、所定のパターニングを行った後、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ側電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＮ層１３にｎ側電極をコンタクトさせ、ＧａＮ系発光ダイオードを製造する。
【００２８】
図８は、このようにして製造されたＧａＮ系発光ダイオード（試料Ｃ）の発光スペクトルの測定結果を示す。図８には、比較のために、ｐ型ＧａＮ層１６を９９０℃の成長温度で成長させることだけが試料Ｃと異なるＧａＮ系発光ダイオード（試料Ｄ）を製造し、この試料Ｄの発光スペクトルを測定した結果も併せて示す。
図８より、ｐ型ＧａＮ層１６を９３０℃の成長温度で成長させた試料Ｃの発光強度は、ｐ型ＧａＮ層１６を９９０℃の成長温度で成長させた試料Ｄに比べて、約５倍も大きいことがわかる。
【００２９】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＩｎＮ活性層１４およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５上に成長させるｐ型ＧａＮ層１６の成長温度を９３０℃としているので、ＧａＩｎＮ活性層１４からのＩｎＮの分解を抑えてその劣化を防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層１４からの発光強度の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ層１６を成長させる前に下地表面をｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５により覆っているので、ＧａＩｎＮ活性層１４の劣化をより有効に防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層１４からの発光強度の劣化をより有効に防止することができる。これによって、高効率、高出力のＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。
【００３０】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、この発明をＧａＮ系半導体レーザの製造に適用した場合について説明する。このＧａＮ系半導体レーザは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure) 構造を有するものである。
図９はこの第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。また、図１０はこの第２の実施形態における成長シーケンスを示す。
【００３１】
この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においては、図９および図１０に示すように、まず、試料Ａおよび試料Ｂの作製の場合と同様にして、例えば１０５０℃でｃ面サファイア基板２１のサーマルクリーニングを行った後、このｃ面サファイア基板２１上に例えば５３０℃の成長温度で例えば厚さ２５ｎｍのＧａＮバッファ層２２を成長させる。次に、成長温度を例えば９９０℃に上昇させた後、このＧａＮバッファ層２２上に例えば厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層２３、例えば厚さ０．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４および例えば厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光導波層２５を順次成長させる。次に、成長温度を例えば７８０℃に下げた後、薄いｎ型ＧａＮ光導波層２５、例えば厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ活性層２６、例えば厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光導波層２７および例えば厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８を順次成長させる。次に、成長温度を例えば９３０℃まで上昇させた後、例えば厚さ０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９および例えば厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０を順次成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９のＡｌ組成比は例えば０．１５、ＧａＩｎＮ活性層２６のＩｎ組成比は０．２である。ここで、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４およびｎ型ＧａＮ光導波層２５のｎ型不純物としては例えばＳｉを用い、そのドーパントとしては例えばＳｉＨ4 を用いる。また、ｐ型ＧａＮ光導波層２７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０のｐ型不純物としては例えばＭｇを用い、そのドーパントとしては例えばＣｐ2 Ｍｇを用いる。この後、ｐ型不純物の活性化のために、例えば、Ｎ2 雰囲気中において８００℃で１０分間熱処理を行う。
【００３２】
次に、図示は省略するが、所定のパターニングを行った後、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０上にｐ側電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３にｎ側電極をコンタクトさせ、ＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第２の実施形態によれば、ＧａＩｎＮ活性層２６、ｐ型ＧａＮ光導波層２７およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８上に成長させるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０の成長温度を９３０℃にしているので、ＧａＩｎＮ活性層２６からのＩｎＮの分解を抑えてその劣化を防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層２６からの発光強度の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９を成長させる前に下地表面をｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８により覆っているので、ＧａＩｎＮ活性層２６の劣化をより有効に防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層２６からの発光強度の劣化をより有効に防止することができる。これによって、高効率、低しきい値電流密度のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００３３】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００３４】
例えば、上述の第１および第２の実施形態において挙げた数値、基板および原料ガスはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて異なる数値、基板、原料ガスおよび不純物を用いてもよい。具体的には、ｃ面サファイア基板１、１１、２１の代わりに、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いてもよい。また、ＧａＩｎＮ活性層１４、２６の成長用のＧａ原料としては、ＴＥＧａの代わりにＴＭＧａを用いてもよい。また、ｐ型不純物としては、Ｍｇのほかに例えばＺｎを用いてもよい。さらに、ＧａＩｎＮ活性層１４、２６の成長温度は、一般的には７００〜８００℃の範囲であればよい。
【００３５】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をＧａＮ系半導体発光素子の製造に適用した場合について説明したが、この発明は、ＧａＮ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのＧａＮ系電子走行素子の製造に適用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９８０℃以下にしているので、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＩｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのＩｎＮの分解を抑えることができ、その劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明において発光強度の測定に用いたＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料を示す断面図である。
【図２】この発明において発光強度の測定に用いたＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料を示す断面図である。
【図３】図１に示す試料を用いて測定された発光スペクトルを示す略線図である。
【図４】図２に示す試料を用いて測定された発光スペクトルを示す略線図である。
【図５】図１および図２に示す試料を用いて測定された発光強度の熱処理温度依存性を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第１の実施形態における成長シーケンスを示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態において製造されたＧａＮ系発光ダイオードの発光スペクトルを示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態における成長シーケンスを示す略線図である。
【符号の説明】
１、１１、２１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＩｎＮ活性層、６・・・ｎ型ＡｌＧａＮキャップ層、１４、２６・・・ＧａＩｎＮ活性層、１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、１６・・・ｐ型ＧａＮ層、２９・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３０・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法に関し、特に、ＧａＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にその成長温度よりも高い成長温度でＩｎを含まない別の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる必要がある半導体装置、例えば半導体発光素子の製造に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物（ナイトライド）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、その禁制帯幅が１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、赤外から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が理論上可能であるため、近年、活発に研究開発が行われている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により発光ダイオードや半導体レーザを製造する場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどを多層に積層し、発光層、すなわち活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。
【０００４】
このようなＧａＮ系半導体発光素子の製造には、もっぱら有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられているが、このＭＯＣＶＤ法による結晶成長の基本技術としては、低温成長によるバッファ層の導入（Appl.Phys.Lett.,48,353(1986)およびJpn.J.Appl.Phys.,30,L1620(1991))と、ｐ型ＧａＮ層の成長技術（Jpn.J.Appl.Phys.,28,L2112(1989) およびJpn.J.Appl.Phys.,31,L139(1992)) とが挙げられる。また、活性層として用いられるＧａＩｎＮ層の成長には、低温でしかも水素の少ない条件が良好であることが報告されている(J.Electronic Materials,21(2),157(1992))。そして、これらの基本技術の開発によって、青色ないし緑色で発光可能なＧａＮ系発光ダイオードや、４００ｎｍ台の発光波長で室温パルス発振可能なＧａＮ系半導体レーザが開発され、ＧａＮ系発光ダイオードについてはすでに実用化されている。
【０００５】
ＧａＮ系半導体レーザを製造するために現在用いられているＭＯＣＶＤ法による結晶成長の標準的なプロセスは、次の通りである。
すなわち、まず、ｃ面サファイア基板をＨ2 ガス中において１０５０℃で１０分間熱処理することにより、このｃ面サファイア基板の表面をサーマルクリーニングする。次に、基板温度を５１０℃に下げた後、このｃ面サファイア基板上にＧａＮバッファ層を成長させる。次に、成長温度を１０２０℃に上昇させた後、ｃ面サファイア基板上にｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ型ＧａＮ光導波層を順次成長させる。次に、成長温度を８００℃に下げた後、ｃ面サファイア基板上にＧａＩｎＮ活性層を成長させる。次に、成長温度を１０２０℃に上昇させた後、ｃ面サファイア基板上にｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を順次成長させる。
【０００６】
ここで、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層の成長温度を１０２０℃としているのは、良好な結晶性を有するＧａＮ系半導体層の成長にはこの程度の高温が適しているからである。一方、ＧａＩｎＮ活性層の成長時に成長温度を８００℃に下げているのは、ＧａＩｎＮのＮの解離圧が非常に大きく、ＧａＮやＡｌＧａＮの成長温度である１０２０℃では成長させることができないからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなプロセスで製造されるＧａＮ系半導体レーザにおいて現在報告されているしきい値電流密度は３〜１０ｋＡ／ｃｍ2 であり、理論的予想よりかなり大きく、室温連続発振の達成にはさらなるしきい値電流密度の低減が必要とされている。
【０００８】
本発明者は、その原因を究明すべく種々検討を行った結果、上述のプロセスで製造されるＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度が高い理由としては、レーザ構造の最適化がなされていないこともあるが、そのほかにそのＧａＩｎＮ活性層の品質、特に光学品質が低く、このＧａＩｎＮ層からの発光強度が理論的予想よりもかなり低いことを見い出した。そして、その原因について検討を進めた結果、ＧａＩｎＮ活性層の成長後にｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を成長させる際に成長温度を１０２０℃に上昇させたときに、そのＧａＩｎＮ活性層からＩｎＮが分解することにより劣化が生じることを見い出した。したがって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度の低減を図るためには、ＧａＩｎＮ活性層の劣化を抑えることが重要である。
以上は、ＧａＩｎＮ活性層の劣化についてであるが、同様な劣化は、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層全般に起こり得るものである。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、ＧａＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にその成長温度よりも高い成長温度でＩｎを含まない別の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる必要がある場合に、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劣化を防止することができる半導体の成長方法および半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による半導体の成長方法は、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体発光素子の製造方法は、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体の成長方法はまた、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とするものである。
この発明による半導体発光素子の製造方法はまた、
基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明においては、好適には、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を気相成長させる前に、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度とほぼ等しいかまたはより低い成長温度で気相成長されたＡｌＧａＮからなる保護膜により下地の表面を覆っておく。この場合には、下地のＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がこのＡｌＧａＮからなる保護膜により直接的または間接的に覆われることにより、このＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＩｎＮの分解を有効に抑えることができるので、その劣化をより有効に防止することができ、あるいは、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を高めに設定することができる。
【００１２】
この発明においては、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を気相成長させる前に、ＡｌＧａＮからなる保護膜により下地の表面を覆わない場合には、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９６０℃以下にする。
【００１３】
この発明においては、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劣化を防止しつつ、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面モフォロジーの劣化やキャリア濃度、特に正孔濃度の低下を防止するために、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を８００〜９８０℃、好適には９００〜９６０℃、より好適には９３０〜９６０℃とする。
【００１４】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、具体的には、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素とＮとからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちＩｎを含むものの例を挙げるとＧａＩｎＮ層であり、Ｉｎを含まないものの例を挙げるとＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などである。
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長には、典型的には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられるが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてもよい。
【００１５】
上述のように構成されたこの発明によれば、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９８０℃以下にしているので、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＩｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのＩｎＮの分解を抑えることができ、その劣化を抑えることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
この発明の実施形態について説明する前に、まず、ＧａＩｎＮ活性層の成長後に熱処理を行った場合にこの熱処理がＧａＩｎＮ活性層の光学品質、具体的には発光強度に与える影響について調べた結果について説明する。この実験には、それぞれ図１および図２に示すようなＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の二つの試料を用いた。便宜上、図１に示す試料を試料Ａ、図２に示す試料を試料Ｂと呼ぶ。これらの試料Ａおよび試料Ｂの作製方法は次の通りである。
【００１７】
図１に示す試料Ａを作製するには、まず、図示省略したＭＯＣＶＤ装置の反応管内にｃ面サファイア基板１を入れた後、反応管内にキャリアガスとして例えばＨ2 とＮ2 との混合ガスを流し、１０５０℃で１０分間熱処理を行うことによりそのｃ面サファイア基板１の表面をサーマルクリーニングする。次に、基板温度を５３０℃に下げた後、Ｇａ原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）およびＮ原料としてのアンモニア（ＮＨ3 ）を反応管内に供給し、ｃ面サファイア基板１上に厚さ約２５ｎｍのＧａＮバッファ層２を成長させる。次に、反応管内へのＴＭＧａの供給を停止し、ＮＨ3 の供給はそのまま続けながら、成長温度を９９０℃まで上昇させた後、反応管内にＴＭＧａおよびｎ型不純物（ドナー不純物）であるＳｉのドーパントとしてのシラン（ＳｉＨ4 ）を供給し、厚さ２μｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
【００１８】
次に、反応管内へのＴＭＧａの供給を停止し、成長温度を７８０℃に下げた後、反応管内にＴＭＧａを供給し、ｎ型ＧａＮ層３を薄く成長させる。このｎ型ＧａＮ層３は、成長温度を下げる間に下地のｎ型ＧａＮ層３の表面が汚染されることがあることから、次に成長させるｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の成長直前にこの薄いｎ型ＧａＮ層３を成長させ、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を清浄な表面に成長させるためのものである。次に、成長温度をそのまま７８０℃に保持した状態で、反応管内にＮ原料としてのＮＨ3 に加えてＧａ原料としてのトリエチルガリウム（ＴＥＧａ、Ｇａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 ）およびＩｎ原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）を供給し、厚さ約３ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を成長させる。ここで、このｎ型ＧａＩｎＮ活性層４のＩｎ組成比は０．２である。
【００１９】
次に、成長温度をそのまま７８０℃に保持した状態で、反応管内へのＴＭＩｎの供給を停止するとともに、Ｇａ原料をＴＭＧａに切り換え、厚さ１００ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層５を成長させる。
以上により、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料Ａが作製される。
【００２０】
図２に示す試料Ｂの作製方法は、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４を成長させた後に、成長温度を７８０℃に保持した状態で、厚さ８０ｎｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層５および厚さ２０ｎｍのＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６を順次成長させることを除いて、試料Ａの作製方法と同様である。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６のＡｌ組成比は０．１５である。
【００２１】
以上のようにして作製された試料Ａおよび試料Ｂを、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内において、ＮＨ3 雰囲気中で、温度を８００℃、９００℃および９９０℃に変えて１時間熱処理を行った。そして、これらの試料Ａおよび試料Ｂを用いて、室温でｎ型ＧａＩｎＮ活性層４からの発光スペクトルを測定した。図３および図４はそれぞれ試料Ａおよび試料Ｂの発光スペクトルの測定結果を示す。なお、試料Ａおよび試料Ｂの温度は、それらの表面の温度を放射温度計で石英製の反応管を通して測定することにより測定した。
【００２２】
図３および図４より、試料Ａおよび試料Ｂとも、波長４００ｎｍ付近に発光が観測される。このうち試料Ａについては、発光強度は熱処理温度が９００℃までは熱処理前とほとんど変わらないが、熱処理温度が９９０℃のときには熱処理前の約１／２０に減少している。また、試料Ｂについては、発光強度は熱処理温度が９００℃までは試料Ａと同様に熱処理前とほとんど変わらないが、熱処理温度が９９０℃のときには熱処理前の約１／２に減少しているに過ぎず、発光強度の減少は少ない。
【００２３】
図５は試料Ａおよび試料Ｂの発光強度の熱処理温度依存性を測定した結果を示す。ただし、熱処理は、ＮＨ3 雰囲気中で、温度を８００℃、９００℃、９３０℃、９６０℃および９９０℃に変えて１時間行った。また、発光強度の測定は室温および７７Ｋ（液体窒素温度）で行った。
図５より、試料Ａおよび試料Ｂとも、熱処理温度（Ｔ）が高くなるにつれて発光強度が減少していく様子がよくわかる。このうち試料Ａについては、熱処理温度が９６０℃を超えると発光強度が急激に減少する。一方、試料Ｂについては、熱処理温度の増大に伴う発光強度の減少は試料Ａに比べて緩やかであり、９６０℃で熱処理を行った試料Ａと同一の発光強度になる熱処理温度は約９８０℃と試料Ａに比べて約２０℃高い。
【００２４】
上述のように試料Ａに比べて試料Ｂの方が熱処理温度の増大に対する発光強度の減少が少ないのは、試料Ｂにおいてはｎ型ＧａＮ層５上にｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６を成長させているからである。すなわち、このｎ型ＡｌＧａＮキャップ層６がｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の劣化を防止しているためである。ここで、ＡｌＧａＮはＧａＮよりもＮの平衡蒸気圧が高いことを考えると、ｎ型ＧａＩｎＮ活性層４の劣化はその表面から内部への空格子欠陥の拡散が関与していると考えられる。
【００２５】
さて、以上のことを前提としてこの発明の第１の実施形態について説明する。この第１の実施形態においては、この発明をＧａＮ系発光ダイオードの製造に適用した場合について説明する。
図６はこの第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。また、図７はこの第１の実施形態における成長シーケンスを示す。
【００２６】
この第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法においては、図６および図７に示すように、試料Ａおよび試料Ｂの作製の場合と同様にして、例えば１０５０℃でｃ面サファイア基板１１のサーマルクリーニングを行った後、このｃ面サファイア基板１１上に例えば５３０℃の成長温度で例えば厚さ２５ｎｍのＧａＮバッファ層１２を成長させる。次に、成長温度を例えば９９０℃に上昇させた後、このＧａＮバッファ層１２上に例えば厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層１３を成長させる。次に、成長温度を例えば７８０℃に下げた後、薄いｎ型ＧａＮ層１３、例えば厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ活性層１４および例えば厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５を順次成長させる。ここで、ＧａＩｎＮ活性層１４のＩｎ組成比は例えば０．２、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５のＡｌ組成比は例えば０．１５である。次に、成長温度を例えば９３０℃まで上昇させた後、例えば厚さ１．５μｍのｐ型ＧａＮ層１６を成長させる。このｐ型ＧａＮ層１６の成長時間は例えば約１時間である。ここで、ｎ型ＧａＮ層１３のｎ型不純物としては例えばＳｉを用い、そのドーパントとしては例えばＳｉＨ4 を用いる。また、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５およびｐ型ＧａＮ層１６のｐ型不純物（アクセプタ不純物）としては例えばＭｇを用い、そのドーパントとしては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用いる。この後、ｐ型不純物の活性化のために、例えば、Ｎ2 雰囲気中において８００℃で１０分間熱処理を行う。
【００２７】
次に、図示は省略するが、所定のパターニングを行った後、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ側電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＮ層１３にｎ側電極をコンタクトさせ、ＧａＮ系発光ダイオードを製造する。
【００２８】
図８は、このようにして製造されたＧａＮ系発光ダイオード（試料Ｃ）の発光スペクトルの測定結果を示す。図８には、比較のために、ｐ型ＧａＮ層１６を９９０℃の成長温度で成長させることだけが試料Ｃと異なるＧａＮ系発光ダイオード（試料Ｄ）を製造し、この試料Ｄの発光スペクトルを測定した結果も併せて示す。
図８より、ｐ型ＧａＮ層１６を９３０℃の成長温度で成長させた試料Ｃの発光強度は、ｐ型ＧａＮ層１６を９９０℃の成長温度で成長させた試料Ｄに比べて、約５倍も大きいことがわかる。
【００２９】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＩｎＮ活性層１４およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５上に成長させるｐ型ＧａＮ層１６の成長温度を９３０℃としているので、ＧａＩｎＮ活性層１４からのＩｎＮの分解を抑えてその劣化を防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層１４からの発光強度の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ層１６を成長させる前に下地表面をｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５により覆っているので、ＧａＩｎＮ活性層１４の劣化をより有効に防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層１４からの発光強度の劣化をより有効に防止することができる。これによって、高効率、高出力のＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。
【００３０】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、この発明をＧａＮ系半導体レーザの製造に適用した場合について説明する。このＧａＮ系半導体レーザは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure) 構造を有するものである。
図９はこの第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。また、図１０はこの第２の実施形態における成長シーケンスを示す。
【００３１】
この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においては、図９および図１０に示すように、まず、試料Ａおよび試料Ｂの作製の場合と同様にして、例えば１０５０℃でｃ面サファイア基板２１のサーマルクリーニングを行った後、このｃ面サファイア基板２１上に例えば５３０℃の成長温度で例えば厚さ２５ｎｍのＧａＮバッファ層２２を成長させる。次に、成長温度を例えば９９０℃に上昇させた後、このＧａＮバッファ層２２上に例えば厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層２３、例えば厚さ０．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４および例えば厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光導波層２５を順次成長させる。次に、成長温度を例えば７８０℃に下げた後、薄いｎ型ＧａＮ光導波層２５、例えば厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ活性層２６、例えば厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光導波層２７および例えば厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８を順次成長させる。次に、成長温度を例えば９３０℃まで上昇させた後、例えば厚さ０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９および例えば厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０を順次成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９のＡｌ組成比は例えば０．１５、ＧａＩｎＮ活性層２６のＩｎ組成比は０．２である。ここで、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４およびｎ型ＧａＮ光導波層２５のｎ型不純物としては例えばＳｉを用い、そのドーパントとしては例えばＳｉＨ4 を用いる。また、ｐ型ＧａＮ光導波層２７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０のｐ型不純物としては例えばＭｇを用い、そのドーパントとしては例えばＣｐ2 Ｍｇを用いる。この後、ｐ型不純物の活性化のために、例えば、Ｎ2 雰囲気中において８００℃で１０分間熱処理を行う。
【００３２】
次に、図示は省略するが、所定のパターニングを行った後、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０上にｐ側電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３にｎ側電極をコンタクトさせ、ＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第２の実施形態によれば、ＧａＩｎＮ活性層２６、ｐ型ＧａＮ光導波層２７およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８上に成長させるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０の成長温度を９３０℃にしているので、ＧａＩｎＮ活性層２６からのＩｎＮの分解を抑えてその劣化を防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層２６からの発光強度の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９を成長させる前に下地表面をｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２８により覆っているので、ＧａＩｎＮ活性層２６の劣化をより有効に防止することができ、ＧａＩｎＮ活性層２６からの発光強度の劣化をより有効に防止することができる。これによって、高効率、低しきい値電流密度のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００３３】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００３４】
例えば、上述の第１および第２の実施形態において挙げた数値、基板および原料ガスはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて異なる数値、基板、原料ガスおよび不純物を用いてもよい。具体的には、ｃ面サファイア基板１、１１、２１の代わりに、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いてもよい。また、ＧａＩｎＮ活性層１４、２６の成長用のＧａ原料としては、ＴＥＧａの代わりにＴＭＧａを用いてもよい。また、ｐ型不純物としては、Ｍｇのほかに例えばＺｎを用いてもよい。さらに、ＧａＩｎＮ活性層１４、２６の成長温度は、一般的には７００〜８００℃の範囲であればよい。
【００３５】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をＧａＮ系半導体発光素子の製造に適用した場合について説明したが、この発明は、ＧａＮ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのＧａＮ系電子走行素子の製造に適用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Ｉｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度を、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長温度以上９８０℃以下にしているので、Ｉｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＩｎを含まない窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても、そのＩｎを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのＩｎＮの分解を抑えることができ、その劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明において発光強度の測定に用いたＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料を示す断面図である。
【図２】この発明において発光強度の測定に用いたＧａＩｎＮ／ＧａＮ単一量子井戸構造の試料を示す断面図である。
【図３】図１に示す試料を用いて測定された発光スペクトルを示す略線図である。
【図４】図２に示す試料を用いて測定された発光スペクトルを示す略線図である。
【図５】図１および図２に示す試料を用いて測定された発光強度の熱処理温度依存性を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第１の実施形態における成長シーケンスを示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態において製造されたＧａＮ系発光ダイオードの発光スペクトルを示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態における成長シーケンスを示す略線図である。
【符号の説明】
１、１１、２１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＩｎＮ活性層、６・・・ｎ型ＡｌＧａＮキャップ層、１４、２６・・・ＧａＩｎＮ活性層、１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、１６・・・ｐ型ＧａＮ層、２９・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３０・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層
Claims (8)
- 基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、上記活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、上記ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ上記活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とする半導体の成長方法。 - 上記活性層はＧａＩｎＮ層であることを特徴とする請求項１記載の半導体の成長方法。
- 上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を８００〜９８０℃にすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体の成長方法。
- 上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を９００〜９６０℃にすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体の成長方法。
- 上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を９３０〜９６０℃にすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体の成長方法。
- 基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、上記活性層上にｐ型ＡｌＧａＮキャップ層を気相成長させ、上記ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ上記活性層の成長温度以上９８０℃以下にするようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、上記活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体の成長方法において、
上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ上記活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、上記活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とする半導体の成長方法。 - 基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させ、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎを含む活性層を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低い成長温度で気相成長させ、上記活性層上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させるようにした半導体発光素子の製造方法において、
上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度を上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度より低く、かつ上記活性層の成長温度以上９８０℃以下にするとともに、上記活性層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＮ 2 を用い、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を気相成長させる際のキャリアガスとしてＨ 2 とＮ 2 との混合ガスを用いるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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