JP4465748B2 - Iii族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関する。詳しくは、有機金属気相成長法(MOCVD法)によりIII族窒化物系化合物半導体素子を製造するときのバッファ層の成膜方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、サファイア製の基板上にAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなるバッファ層を介してIII族窒化物系化合物半導体を積層した構造を有するIII族窒化物系化合物半導体素子が知られている。
バッファ層の成膜方法として、例えば、特開昭62−119196号公報には、1000℃程度で熱処理したサファイア基板の上に950〜1150℃の成長温度でAlXGa1−XN(0≦X≦1)バッファ層をMOCVD法により成長させることが記載されている。
一方、その後の研究により、1000℃程度で熱処理したサファイア基板の上に400℃程度の低温でバッファ層を成長させると、その上に成長させるGaN系化合物半導体層の結晶性が向上することがわかった。特開平2−229476号公報等を参照されたい。現在実用化されている主なIII族窒化物系化合物半導体発光素子(LED等)ではかかる低温成長バッファ層を利用している。
なお、MOCVD法を実行するにあたり、成長温度とは加熱された基板の温度をいう。
【0003】
しかしながら、バッファ層の上に成膜させる半導体層の成膜温度は一般的に1000℃程度であるため、上記のような低温成長バッファ層を用いると、表面クリーニングのため1000℃程度で熱処理された基板を400℃程度にまで一旦冷却して、その後再度基板を1000℃程度にまで昇温することとなる。このように基板温度条件を高温→低温→高温と変化させると、基板温度の調節自体に時間と手間がかかる。従って、低温成長バッファ層を介してGaN系化合物半導体層を成長させもって半導体素子を製造する際に、かかる基板温度条件の大きな変化が製造効率向上の足かせとなっている。
【0004】
かかる課題を解決するため、バッファ層を高温で形成することが特開平9−148626号公報、特開平7−321374号公報、特開平9−64477号公報、特開昭59−57997号公報等に開示されている。
また、サファイア基板の表面を窒化することについて特開平5−41541号公報を参照されたい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記各従来公報で提案されている高温バッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成する際の、より好適な条件を提供することを一の目的とする。
本発明者らは、かかる目的を達成すべく下鋭意研究を重ねた結果、III族窒化物系化合物半導体を成長させるときの通常の温度、即ち高温においても、一定の条件下であって、その膜厚を所定のものとすることにより、サファイア基板の上に従来品と同等以上の結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体層を直接成長させることができた。
【0006】
この発明はかかる知見に基づいてなされたものである。即ち、
300Å以下の表面窒化層厚を持つ基板の上に1000〜1180℃の成長温度で膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を成長させるステップを含む、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【0007】
本発明の製造方法によれば、基板の熱処理からIII族窒化物系化合物半導体層の成膜までの一連の製造工程を大きな温度の変化を伴うことなく行うことができる。その結果、従来基板温度を調節するために要していた時間と手間を削減することができ、半導体素子の製造効率を向上することができる。
更に本発明者らの観察によれば、上記の条件で形成した第一のIII族窒化物系化合物半導体層の上に成長された第二のIII族窒化物系化合物半導体層はそのモホロジーが優れたものであった。従って、第一のIII族窒化物系化合物半導体層は素子の機能部分を構成する第二のIII族窒化物系化合物半導体層と基板との間に介在されるバッファ層として優れたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各構成要素について説明する。
基板の材質はIII族窒化物系化合物半導体に適したものであれば特に限定されない。サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガンなどを基板の材料として挙げることができる。
サファイア基板の上に結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体層を形成するためにバッファ層が汎用される。このバッファ層として低温で成長されたAlxGax−1N(0≦x≦1)、特にAlNが好適である。
この発明ではサファイア基板のa面上にIII族窒化物系化合物半導体を成長させるようにすることが好ましい。
【0009】
基板の表面には窒化層が形成されている。MOCVD法を実行する際には、水素ガスなどの流通下、基板を昇温してその表面をクリーニングした後、基板の温度を保ったまま、水素ガスをキャリアガスとしてIII族窒化物系化合物半導体の窒素材料元となる第1のガス(アンモニア、ヒドラジン、有機アミンなど)を流通させることによりこの窒化層は形成される。本発明の1の局面では、かかる表面窒化層の厚さ(深さ)を10〜300Åとした。300Åを超える厚さの表面窒化層も使用可能であるが、そうすると表面窒化層の形成に長時間を要することとなる。
例えば、水素ガス(10リットル/分)とアンモニアガス(3リットル/分)との混合ガスを1190℃に加熱されたサファイア基板上に30分間流通させたとき、約200Åの厚さの表面窒化層が形成された。水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスの流通時間を調整することにより、この表面窒化層の厚さを制御できる。更には、アンモニアガスの濃度及び/又は基板温度の調整によっても表面窒化層の厚さを制御できると考えられる。
【0010】
この発明の第2の局面においては、表面窒化層の厚さが10Å未満である。基板の表面クリーニング終了後、最初、アンモニアガスなどの窒素材料元ガスを流通させる。そして、その流通が安定した後、速やかに、TMAなどのIII族金属元素材料ガスを流通させる。本発明者らの経験によれば、アンモニアガスを導入するバルブを開いてから30秒〜90秒後(通常は、30〜60秒未満)にはアンモニアガスの流通は安定する。これにより、10Å未満の厚さの表面窒化層が形成される。この場合、短時間であるがアンモニアガスのみが基板表面へ供給されるので、当該基板表面が窒化されると考えられるが、その厚さは測定困難である。
第2の局面ではアンモニアガスの流通が安定した後、速やかにIII族金属元素材料ガスを流通させるという製造ステップ自体が重要である。
【0011】
III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0≦x≦1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。発光素子の素子機能部分は上記2元系若しくは3元系のIII族窒化物系化合物半導体より構成することが好ましい。
III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。なお、かかるp型不純物をドープしたのみではIII族窒化物系化合物半導体を低抵抗のp型半導体とすることは困難であり、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことが好ましい。
本発明において、基板の上に形成される第一のIII族窒化物系化合物半導体層の形成方法は有機金属化合物気相成長法(この明細書で、「MOCVD法」という。)である。この第一のIII族窒化物系化合物半導体としては3元系のAlXGa1−XN(0≦X≦1)とすることが好ましい。また、2元系のAlN、GaN、InNとすることも好ましい。
【0012】
当該第一のIII族窒化物系化合物半導体の上に形成される第二のIII族窒化物系化合物半導体の形成方法は特に限定されない。本願の効果が、第一のIII族窒化物系化合物半導体層をMOCVD法で高温成長できることに鑑みれば、当該第一のIII族窒化物系化合物半導体層とその成長温度が実質的に同じとなるMOCVD法で第二のIII族窒化物系化合物半導体層を形成することが、製造効率向上の点で好ましい。
この第二のIII族窒化物系化合物半導体は、周知の分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、液相成長法等によっても形成することができる。
【0013】
以下、第1の局面について、すなわち10〜300Åの表面窒化層を持つ基板を用いた場合の第一のIII族窒化物系化合物半導体層に要求される条件について詳細に説明する。
(第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長温度条件について)
本発明者らは厚さ200Åの表面窒化層を有するサファイア基板のa面の上にAlN層(膜厚:2.3μm)をMOCVD法により成長温度を変化させて形成した。更にAlN層の上にGaN層(膜厚:2μm、成長温度:AlN層と同じ)を同じくMOCVD法で形成した。当該GaN層の表面を光学顕微鏡で観察した結果を以下に示す。
【0014】
ここで、◎:鏡面
〇:ほぼ鏡面
△:鏡面ではないがこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成可能
×:モホロジーが悪くこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成不可能
【0015】
表1の結果より、サファイア基板上にMOCVD法により形成されるAlN層の成長温度は1000〜1180℃とすることが好ましい。更に好ましくは、1050〜1170℃であり、更に更に好ましくは1100〜1150℃であり、更に更に更に好ましくは1120〜1140℃であり、最も好ましくは1130℃である。
以上より、基板上にMOCVD法により形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の成長温度は1000〜1180℃とすることが好ましい。更に好ましくは、1050〜1170℃であり、更に更に好ましくは1100〜1150℃であり、更に更に更に好ましくは1120〜1140℃であり、最も好ましくは1130℃である。
【0016】
(第一のIII族窒化物系化合物半導体層の膜厚条件について)
本発明者らは厚さ200Åの表面窒化層を有するサファイア基板のa面の上にAlN層(成長温度:1130℃)をその膜厚を変化させてMOCVD法により形成した。更にAlN層の上にGaN層(膜厚:2μm、成長温度:AlN層と同じ)を同じくMOCVD法で形成した。当該GaN層の表面を光学顕微鏡で観察した結果を以下に示す。
【0017】
ここで、◎:鏡面
○:ほぼ鏡面
△:鏡面ではないがこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成可能
×:モホロジーが悪くこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成不可能
【0018】
表2の結果より、サファイア基板上へMOCVD法により形成されるAlN層の膜厚は、1130℃の成長温度において、1.2〜3.2μmとすることが好ましい。更に好ましくは、1.5〜3.0μmであり、更に更に好ましくは2.0〜2.7μmであり、最も好ましくは2.3μmである。
以上より、基板上にMOCVD法により形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の膜厚は、既述の第一のIII族窒化物系化合物半導体の成長温度条件において、1.2〜3.2μmとすることが好ましい。更に好ましくは、1.5〜3.0μmであり、更に更に好ましくは2.0〜2.7μmであり、最も好ましくは2.3μmである。
【0019】
(第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長速度条件について)
量産の観点から、1μm以上のIII族窒化物系化合物半導体層を形成するためには、少なくともIII族窒化物系化合物半導体層の成長速度として10nm/分が必要である。一方、成長速度向上を図ってIII族元素材料ガスの流量を増加してもIII族窒化物系化合物半導体層の成長速度は単調には増加せず、原料利用率が低下する。従って、コスト面から、III族窒化物系化合物半導体層の成長速度の上限を250nm/分とする。
【0020】
(第一のIII族窒化物系化合物半導体層の圧力条件について)
III族元素材料ガスであるTMAは反応性が高いので、これをMOCVD装置のチャンバへ過剰に導入すると、気相中(キャリアガス中)でアンモニアガス等と反応してしまい基板まで到達することが困難になる。従って、TMAの流量を増大させることをもって第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長速度を上げることは困難である。気相中での反応を抑えるために減圧下で第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長を行ったところ、良好なモフォロジーをもった第二のIII族窒化物系化合物半導体層の形成が可能になった。
【0021】
本発明者らの検討によれば、200Åの表面窒化層を有するサファイア基板のa面にMOCVD法を実行したときのAlN層の最高成長速度とチャンバ内の圧力との関係は次の通りであった。
換言すれば、反応時圧力と成長速度とをそれぞれパラメータとしたとき、AlN層の適正成長速度は上記の各値で囲まれた範囲である。
このことから、有意な成長速度を得るには、反応時の圧力を2500〜40000Paとすることが好ましい。
かかる反応時圧力と成長速度との関係はAlN以外のIII族窒化物系化合物半導体にも当てはまる。
【0022】
次に、第2の局面について、すなわち0〜10Åの表面窒化層を持つ基板を用いた場合に第一のIII族窒化物系化合物半導体層に要求される条件について説明する。
なお、成長温度条件、成長速度条件、成長時圧力条件については第1の局面と同じである。
【0023】
(第一のIII族窒化物系化合物半導体の膜厚条件について)
第2の局面では、第1の局面と比較して、第一のIII族窒化物系化合物半導体層に要求される膜厚条件が異なる(比較的薄くなる)。
サファイア基板のa面をクリーニングした後、基板温度を1130℃に維持してキャリアガスとしての水素ガス中へアンモニアガスを導入し、ほぼ1分後(その流通状態が安定したので)、TMAを更に導入し膜厚の異なるAlN層をMOCVD法により成長させた。更にAlN層の上にGaN層(膜厚:2μm、成長温度:AlN層と同じ)を同じくMOCVD法で形成した。当該GaN層の表面を光学顕微鏡で観察した結果を以下に示す。
【0024】
ここで、◎:鏡面
○:ほぼ鏡面
△:鏡面ではないがこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成可能
×:モホロジーが悪くこの上に第二のIII族窒化物系化合物半導体を形成不可能
【0025】
表4の結果より、0〜10Åの表面窒化層を有するサファイア基板上へMOCVD法により形成されるAlN層の膜厚は、1130℃の成長温度において、0.01〜2.3μmとすることが好ましい。AlN層の膜厚が0.01μm未満である場合にはその上に成長するGaN層のモホロジーが悪化するという不具合がある。更に好ましくは、0.1〜1.5μmであり、更に更に好ましくは0.2〜0.5μmであり、最も好ましくはほぼ0.45μmである。
以上より、基板上にMOCVD法により形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の膜厚は、既述の第一のIII族窒化物系化合物半導体の成長温度条件において、0.01〜2.3μmとすることが好ましい。更に好ましくは、0.1〜1.5μmであり、更に更に好ましくは0.2〜0.5μmであり、最も好ましくはほぼ0.45μmである。
【0026】
次に、この発明の実施例の説明をする。
この実施例は発光ダイオード10であり、その構成を図1に示す。
【0027】
各層のスペックは次の通りである。
【0028】
n型層16は発光層17側の低電子濃度n−層とバッファ層15側の高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができる。
発光層17は超格子構造のものに限定されない。発光素子の構成としてはシングルヘテロ型、ダブルヘテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。その他、MIS接合、PIN接合を用いて発光層を構成することもできる。
発光層17とp型層18との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いAlXInYGa1−X−YN(X=0,Y=0,X=Y=0を含む)層を介在させることができる。これは発光層17中に注入された電子がp型層18に拡散するのを防止するためである。
p型層18を発光層17側の低ホール濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができる。
また、n型層、p型層を上記のような2層構造(クラッド層、コンタクト層)とするとともに各層の機能を向上させるために、超格子構造としてもよい。
【0029】
上記構成の発光ダイオードは次のようにして製造される。
まず、MOCVD装置の反応装置内へ水素ガスを流通させながら当該サファイア基板を1000℃まで昇温させて5分間維持する。そして、基板11を1130℃まで昇温し、材料ガスとして先ずアンモニアガスのみを15分間導入する。これにより、厚さ(深さ)100Åの表面窒化層13が形成される。
その後、基板温度を1130℃に維持しながらTMAを導入してAlN製のバッファ層15をMOCVD法で成長させ、更に基板温度を維持してn型層16を形成し、それ以降の第二のIII族窒化物系化合物半導体層17、18を常法(MOCVD法)に従い形成する。この成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)やトリメチルインジウム(TMI)とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
このようにして形成された本実施例の第二のIII族窒化物系化合物半導体層はそのモホロジー及び結晶性において好ましいものである。
【0030】
透光性電極19は金を含む薄膜であり、p型層18の上面の実質的な全面を覆って積層される。p電極20も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極19の上に形成される。
n電極21はエッチングにより露出されたn−GaN層16の面へ蒸着により形成される。
【0031】
本発明が適用される素子は上記の発光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、FET等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスにも適用できる。
また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
【0032】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0033】
以下、次の事項を開示する。
(21) サファイア基板を1000〜1180℃に維持して、
該基板上にIII族窒化物系化合物半導体の窒素材料元となる第1のガスを流通させて、前記基板表面に厚さが300Å以下の表面窒化層を形成し、
続いて、前記第1のガスと共に前記III族窒化物系化合物半導体のIII族元素材料元となる第2のガスを流通させて、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を形成する、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
(22) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(21)に記載の製造方法。
(23) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(21)に記載の製造方法。
(24) 前記成長温度が1050〜1180℃である、ことを特徴とする請求項1〜14、(21)〜(23)のいずれかに記載の製造方法。
(25) 前記成長温度が1110〜1150℃である、ことを特徴とする請求項1〜14、(21)〜(23)のいずれかに記載の製造方法。
(26) 前記膜厚が1.5〜3.0μmである、ことを特徴とする請求項2、11及び(22)のいずれかに記載の製造方法。
(27) 前記膜厚が2.0〜2.7μmである、ことを特徴とする請求項2、11及び(22)のいずれかに記載の製造方法。
(28) 前記膜厚が0.01〜1.7μmである、ことを特徴とする請求項3、12及び(23)のいずれかに記載の製造方法。
(29) 前記膜厚が0.3〜1.0μmである、ことを特徴とする請求項3、12及び(23)のいずれかに記載の製造方法。
(31) 300Å以下の表面窒化層厚を持つ基板の上に1000〜1180℃の成長温度で形成され、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を含む、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
(32) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(31)に記載の素子。
(33) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(31)に記載の素子。
(34) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長速度が10〜250nm/分である、ことを特徴とする(31)〜(33)のいずれかに記載の素子。
(35) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長時の圧力が2500〜40000Paである、ことを特徴とする(31)〜(33)のいずれかに記載の素子。
(36) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなる、ことを特徴とする(31)〜(35)のいずれかに記載の素子。
(37) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlNからなる、ことを特徴とする(36)に記載の素子。
(38) 前記基板はサファイアである、ことを特徴とする(31)〜(37)のいずれかに記載の素子。
(39) 前記サファイア基板のa面に前記III族窒化物系化合物半導体層が形成される、ことを特徴とする(38)に記載の素子。
(40) 300Å以下の表面窒化層厚を持つサファイア基板の上に形成された膜厚が0.01〜3.2μmの第一のIII族窒化物系化合物半導体層と、該第一のIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成された第二のIII族窒化物系化合物半導体層を備えてなるIII族窒化物系化合物半導体素子において、前記第一と第二のIII族窒化物系化合物半導体層は実質的に同じ成長温度により、若しくは前者の成長温度を後者の成長温度より高くして、MOCVD法で形成される、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
(41) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(40)に記載の素子。
(42) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(40)に記載の素子。
(43) 30〜90秒間窒化処理されたサファイア基板と、
該窒化処理しされたサファイア基板の上に1000〜1180℃で形成されたIII族窒化物系化合物半導体層を含む、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
(44) 前記窒化処理の時間が30秒以上60秒未満である、ことを特徴とする(43)に記載の素子。
(51) サファイア基板を1000〜1180℃に維持して、
該基板上にIII族窒化物系化合物半導体の窒素材料元となる第1のガスを流通させて、前記基板表面に厚さが300Å以下の表面窒化層を形成し、
続いて、前記第1のガスと共に前記III族窒化物系化合物半導体のIII族元素材料元となる第2のガスを流通させて、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を形成する、ことにより得られるIII族窒化物系化合物半導体素子。
(52) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(51)に記載の素子。
(53) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(51)に記載の素子。
(54) 前記成長温度が1050〜1180℃である、ことを特徴とする(31)〜(53)のいずれかに記載の素子。
(55) 前記成長温度が1110〜1150℃である、ことを特徴とする(31)(53)のいずれかに記載の素子。
(56) 前記膜厚が1.5〜3.0μmである、ことを特徴とする(32)、(41)及び(52)のいずれかに記載の素子。
(57) 前記膜厚が2.0〜2.7μmである、ことを特徴とする(32)、(41)及び(52)のいずれかに記載の素子。
(58) 前記膜厚が0.01〜1.7μmである、ことを特徴とする(33)、(442)及び(53)のいずれかに記載の素子。
(59) 前記膜厚が0.3〜1.0μmである、ことを特徴とする請求項(33)、(42)及び(53)のいずれかに記載の素子。
(37−1) 前記AlN層の上にGaN層が形成されている、ことを特徴とする(37)に記載の素子。
(61) 300Å以下の表面窒化層厚を持つ基板の上に1000〜1180℃の成長温度で膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を成長させるステップを含む、ことを特徴とする積層体の製造方法。
(62) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(61)に記載の製造方法。
(63) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(61)に記載の製造方法。
(64) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長速度が10〜250nm/分である、ことを特徴とする(61)〜(63)のいずれかに記載の製造方法。
(65) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長時の圧力が2500〜40000Paである、ことを特徴とする(61)〜(63)のいずれかに記載の製造方法。
(66) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなる、ことを特徴とする(61)〜(65)のいずれかに記載の製造方法。
(67) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlNからなる、ことを特徴とする(66)に記載の製造方法。
(68) 前記基板はサファイアである、ことを特徴とする(61)〜(67)のいずれかに記載の製造方法。
(69) 前記サファイア基板のa面に前記III族窒化物系化合物半導体層が形成される、ことを特徴とする(68)に記載の製造方法。
(70) 300Å以下の表面窒化層厚を持つサファイア基板の上に膜厚が0.01〜3.2μmの第一のIII族窒化物系化合物半導体層を形成し、該第一のIII族窒化物系化合物半導体層の上に第二のIII族窒化物系化合物半導体層を形成するIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法において、前記第一と第二のIII族窒化物系化合物半導体層は実質的に同じ成長温度により、若しくは前者の成長温度を後者の成長温度より高くして、MOCVD法で形成される、ことを特徴とする積層体の製造方法。
(71) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(70)に記載の製造方法。
(72) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(70)に記載の製造方法。
(73) サファイア基板を30〜90秒間窒化処理する工程と、
該窒化処理したサファイア基板の上に1000〜1180℃でIII族窒化物系化合物半導体層を成長させる工程を含む、ことを特徴とする積層体の製造方法。
(74) 前記窒化処理の時間が30秒以上60秒未満である、ことを特徴とする(73)に記載の製造方法。
(81) サファイア基板を1000〜1180℃に維持して、
該基板上にIII族窒化物系化合物半導体の窒素材料元となる第1のガスを流通させて、前記基板表面に厚さが300Å以下の表面窒化層を形成し、
続いて、前記第1のガスと共に前記III族窒化物系化合物半導体のIII族元素材料元となる第2のガスを流通させて、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を形成する、ことを特徴とする積層体の製造方法。
(82) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(81)に記載の製造方法。
(83) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(81)に記載の製造方法。
(84) 前記成長温度が1050〜1180℃である、ことを特徴とする(61)〜(83)のいずれかに記載の製造方法。
(85) 前記成長温度が1110〜1150℃である、ことを特徴とする(61)〜(83)のいずれかに記載の製造方法。
(86) 前記膜厚が1.5〜3.0μmである、ことを特徴とする(62)、(71)及び(82)のいずれかに記載の製造方法。
(87) 前記膜厚が2.0〜2.7μmである、ことを特徴とする(62)、(71)及び(82)のいずれかに記載の製造方法。
(88) 前記膜厚が0.01〜1.7μmである、ことを特徴とする(63)、(72)及び(83)のいずれかに記載の製造方法。
(89) 前記膜厚が0.3〜1.0μmである、ことを特徴とする(63)、(72)及び(83)のいずれかに記載の製造方法。
(91) 300Å以下の表面窒化層厚を持つ基板の上に1000〜1180℃の成長温度で形成され、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を含む、ことを特徴とする積層体。
(92) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(91)に記載の積層体。
(93) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(91)に記載の積層体。
(94) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長速度が10〜250nm/分である、ことを特徴とする(91)〜(93)のいずれかに記載の積層体。
(95) 前記III族窒化物系化合物半導体層の成長時の圧力が2500〜40000Paである、ことを特徴とする(91)〜(93)のいずれかに記載の積層体。
(96) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなる、ことを特徴とする(91)〜(95)のいずれかに記載の積層体。
(97) 前記III族窒化物系化合物半導体層はAlNからなる、ことを特徴とする(96)に記載の積層体。
(98) 前記基板はサファイアである、ことを特徴とする(91)〜(97)のいずれかに記載の積層体。
(99) 前記サファイア基板のa面に前記III族窒化物系化合物半導体層が形成される、ことを特徴とする(98)に記載の積層体。
(100) 300Å以下の表面窒化層厚を持つサファイア基板の上に形成された膜厚が0.01〜3.2μmの第一のIII族窒化物系化合物半導体層と、該第一のIII族窒化物系化合物半導体層の上に形成された第二のIII族窒化物系化合物半導体層を備えてなる積層体において、前記第一と第二のIII族窒化物系化合物半導体層は実質的に同じ成長温度により、若しくは前者の成長温度を後者の成長温度より高くして、MOCVD法で形成される、ことを特徴とする積層体。
(101) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(100)に記載の積層体。
(102) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(100)に記載の積層体。
(103) 30〜90秒間窒化処理されたサファイア基板と、
該窒化処理しされたサファイア基板の上に1000〜1180℃で形成されたIII族窒化物系化合物半導体層を含む、ことを特徴とする積層体。
(104) 前記窒化処理の時間が30秒以上60秒未満である、ことを特徴とする(103)に記載の積層体。
(111) サファイア基板を1000〜1180℃に維持して、
該基板上にIII族窒化物系化合物半導体の窒素材料元となる第1のガスを流通させて、前記基板表面に厚さが300Å以下の表面窒化層を形成し、
続いて、前記第1のガスと共に前記III族窒化物系化合物半導体のIII族元素材料元となる第2のガスを流通させて、膜厚が0.01〜3.2μmのIII族窒化物系化合物半導体層を形成する、ことにより得られるIII族窒化物系化合物半導体積層体。
(112) 前記表面窒化層の膜厚が10〜300Åであり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が1.2〜3.2μmである、ことを特徴とする(111)に記載の積層体。
(113) 前記表面窒化層の膜厚が10Å未満であり、前記III族窒化物系化合物半導体の膜厚が0.01〜2.3μmである、ことを特徴とする(111)に記載の積層体。
(114) 前記成長温度が1050〜1180℃である、ことを特徴とする(91)〜(113)のいずれかに記載の積層体。
(115) 前記成長温度が1110〜1150℃である、ことを特徴とする(91)(113)のいずれかに記載の積層体。
(116) 前記膜厚が1.5〜3.0μmである、ことを特徴とする(92)、(101)及び(112)のいずれかに記載の積層体。
(117) 前記膜厚が2.0〜2.7μmである、ことを特徴とする(92)、(101)及び(112)のいずれかに記載の積層体。
(118) 前記膜厚が0.01〜1.7μmである、ことを特徴とする(93)、(1042)及び(113)のいずれかに記載の積層体。
(119) 前記膜厚が0.3〜1.0μmである、ことを特徴とする請求項(93)、(102)及び(113)のいずれかに記載の積層体。
(97−1) 前記AlN層の上にGaN層が形成されている、ことを特徴とする(97)に記載の積層体。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はこの発明の実施例の発光ダイオードを示す。
【符号の説明】
10 発光ダイオード
13 表面窒化層
15 バッファ層
16 n型層
17 発光層
18 p型層
Claims (5)
- 10Å以下の表面窒化層厚を持つ基板の上に1000〜1180℃の成長温度で膜厚が0.1〜1.5μmの第一のIII族窒化物系化合物半導体層を形成し、該第一のIII族窒化物系化合物半導体層の上に第二のIII族窒化物系化合物半導体層を形成し、前記第一のIII族窒化物系化合物半導体層がAlNからなり、前記第二のIII族窒化物系化合物半導体層がGaNからなる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長速度が10〜250nm/分である、ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記第一のIII族窒化物系化合物半導体層の成長時の圧力が2500〜40000Paである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記基板はサファイアである、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記サファイア基板のa面に前記第一のIII族窒化物系化合物半導体層が形成される、ことを特徴とする請求項4に記載の製造方法。
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