JP5898347B2 - Method for manufacturing light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、紫外領域に発光波長を有する発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a light emitting element having an emission wavelength in the ultraviolet region.
III族窒化物半導体は、ワイドバンドギャップを有しバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長領域(青〜紫〜紫外)の発光波長を有する発光素子の構成材料として好適である。 A group III nitride semiconductor is suitable as a constituent material of a light-emitting element having a light emission wavelength in a short wavelength region (blue to purple to ultraviolet) because it has a wide band gap and a transition between bands is a direct transition type.
このような発光素子の一例として、III族窒化物からなるn型層にSiドーパントを3×1017cm−3以上5×1019cm−3以下の濃度範囲で添加することでキャリア濃度を制御し、該n型層において高結晶品質と充分な移動度とが実現されており、かつ発光波長が紫外光領域の200nmである発光ダイオードおよび半導体レーザーがすでに公知である(例えば、特許文献1参照)。 As an example of such a light-emitting element, the carrier concentration is controlled by adding Si dopant to the n-type layer made of group III nitride in a concentration range of 3 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. In addition, a light-emitting diode and a semiconductor laser in which high crystal quality and sufficient mobility are realized in the n-type layer and the emission wavelength is 200 nm in the ultraviolet region are already known (for example, see Patent Document 1). ).
いわゆるPN型の半導体発光素子であって、紫外領域に発光波長を有するものは、AlリッチなAlGaNを用いてこれを構成することで実現される。その発光効率を高めるには、n型層を、高い結晶品質を維持しつつ低抵抗化することが重要である。なぜならば、n型層の比抵抗は、キャリア濃度と移動度との積に反比例する関係にあることから、AlリッチなAlGaNを用いて形成したn型層において比抵抗の低減つまりは低抵抗化が実現されていれば、少なくともキャリア濃度の増加もしくは移動度の増加が生じていることになるからである。これらキャリア濃度の増加および移動度の増加はいずれも、発光効率の向上に寄与するものである。 A so-called PN-type semiconductor light emitting device having a light emission wavelength in the ultraviolet region is realized by using Al-rich AlGaN. In order to increase the luminous efficiency, it is important to reduce the resistance of the n-type layer while maintaining high crystal quality. This is because the resistivity of the n-type layer is inversely proportional to the product of the carrier concentration and the mobility, so that the resistivity is reduced or reduced in the n-type layer formed using Al-rich AlGaN. This is because at least an increase in carrier concentration or an increase in mobility occurs. Both the increase in carrier concentration and the increase in mobility contribute to improvement in luminous efficiency.
特許文献1においては、Alリッチな場合にn型層が高抵抗となることについての記載はあるが、係る場合のn型層の低抵抗化を実現する技術については具体的な開示はなされていない。
In
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、紫外領域に発光波長を有する、高発光効率の発光素子を製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light-emitting element having a light emission wavelength in the ultraviolet region and having a high light emission efficiency.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、発光素子の製造方法であって、所定の基板の上に第1のIII族窒化物からなるn型層をエピタキシャル形成するn型層形成工程と、前記n型層の上に、第2のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、前記発光層の上に、第3のIII族窒化物からなるp型層をエピタキシャル形成する形成するp型層形成工程と、を備え、前記第1のIII族窒化物が波長が300nm以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のAlxGa1−xN(0≦x≦1)であり、前記第2のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のAlyGa1−yN(0≦y≦1)であり、前記n型層形成工程においては、形成温度を1150℃以上1200℃以下とし、かつ、形成圧力を10Torr以上50Torr以下とすることにより比抵抗が1.5Ωcm以下の前記n型層を形成する、ことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載の発光素子の製造方法であって、前記基板が、単結晶サファイアからなる基材と、前記基材上にエピタキシャル形成されてなる、AlpGa1−pN(0.8≦p≦1)からなる成長下地層と、からなり、前記n型層形成工程においては、前記成長下地層の上に前記成長下地層よりAlモル濃度が低い前記n型層を形成する、ことを特徴とする。
According to a second aspect of the invention a method of manufacturing a light emitting device according to
請求項3の発明は、発光素子の製造方法であって、単結晶サファイアからなる基材の上にAlpGa1−pN(0.8≦p≦1)からなる成長下地層をエピタキシャル形成してなる基板を、少なくとも1250℃以上に加熱する熱処理工程と、前記基板の上に、前記成長下地層よりもAlモル濃度の低い第1のIII族窒化物にてエピタキシャル形成するn型層形成工程と、前記n型層の上に、第2のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、前記発光層の上に、第3のIII族窒化物からなるp型層をエピタキシャル形成する形成するp型層形成工程と、を備え、前記第1のIII族窒化物が波長が300nm以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のAlxGa1−xN(0≦x≦1)であり、前記第2のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のAlyGa1−yN(0≦y≦1)であり、前記n型層形成工程においては、形成温度を1150℃以上1200℃以下とし、かつ、形成圧力を10Torr以上50Torr以下とすることにより比抵抗が1.5Ωcm以下の前記n型層を形成する、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項1ないし請求項3の発明によれば、n型層において低抵抗と高い結晶品質とが実現されてなる、発光効率に優れた、紫外領域に発光波長を有する発光素子を実現することができる。
According to the first to third aspects of the present invention, it is possible to realize a light emitting device having a light emitting wavelength in the ultraviolet region, which is excellent in light emission efficiency and has a low resistance and high crystal quality in the n-type layer. it can.
<発光素子の構成概要>
図1は、本発明の実施の形態に係る発光素子10の断面構造の一例を模式的に示す図である。発光素子10は、基板1の上に、n型層2と、発光層3と、p型層4とがこの順にエピタキシャル形成されてなる積層構造体である。ここで、基板1は、基材1aと、その上にエピタキシャル形成されてなる成長下地層1bとからなる、いわゆるエピタキシャル基板である(あるいはテンプレート基板とも称される)。また、発光素子10においては、p型層4の上に、Au/Niなどでp型電極5が形成されてなる。さらに、発光層3およびp型層4の一部をエッチング等にて除去することにより露出させたn型層2の上に、Al/Tiなどのn型電極6が形成されてなる。なお、図示の都合上、図1の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。
<Configuration outline of light emitting element>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a cross-sectional structure of a light-emitting
発光素子10は、いわゆるPN型の半導体発光素子である。p型電極5とn型電極6との間の電圧印加による発光層3へのキャリア閉じ込めとその再結合によって、所定波長の光を発光するものである。発光波長は、発光層3の組成などによって定まる。本実施の形態に係る発光素子10は、紫外領域に発光波長を有するよう構成される。
The
基材1aは、その上に形成する成長下地層1bの有無に関わらず、その上に形成される層を含む各層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、SiC(炭化ケイ素)やサファイアなどの基板を用いる。あるいは、ZnO、LiAlO2、LiGaO2、MgAl2O4、(LaSr)(AlTa)O3、NdGaO3、MgOといった各種酸化物材料、Si、Ge、Cといった各種IV族単結晶、SiGeといった各種IV−IV族化合物、GaAs、AlN、GaN、AlGaNといった各種III−V族化合物およびZrB2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。
Regardless of the presence or absence of the
ただし、紫外領域に発光波長を有することから、基材1aとしては、当該領域の波長の光に対し透明な材料を用いることが望ましい。次述する成長下地層1bを構成するIII族窒化物の結晶構造との相性から鑑みると、基材1aとしてはサファイアが最も好適である。(0001)面を主面とするIII族窒化物結晶を成長下地層1bとして得る場合には、例えば(11−20)面及び(0001)面サファイアを基材1aとして用いることができる。また、(11−20)面を主面とするIII族窒化物結晶を成長下地層1bとして得る場合には、例えば(10−12)面サファイアを基材1aとして用いることができる。基材1aの厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μm〜数mmの厚みのものが好適である。
However, since the substrate 1a has an emission wavelength in the ultraviolet region, it is desirable to use a material that is transparent to light having a wavelength in the region. Considering the compatibility with the crystal structure of the group III nitride constituting the
成長下地層1bは、例えばMOCVD法、MBE法、HVPE法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ここでいうIII族窒化物結晶とは、例えばAlpGa1−pN(0<p≦1)である。好ましくはAlpGa1−pN(0.8≦p≦1)である。より好ましくはAlNである。ここで、AlNは単一組成で形成できるため、組成分布等の問題がなく、最も好ましい形態であるが、AlpGa1−pN(0.8≦p≦1)とすることにより、AlNに物性が近似し、結晶品質、物性の面からほぼ同等の効果を有する。なお、MOCVD法には、PALE法(パルス原子層エピタキシ法;Pulsed Atomic Layer Epitaxy)、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。MBE法及びHVPE法に関しても、同様の技術を併用可能である。MOCVD法、MBE法及びHVPE法といった成長方法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。これらの成長方法に関しては、以降の各層の形成についても同様である。
The
成長下地層1bは、数百nm〜数μm程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。下地層1bの表面形態については、例えば、ELO成長を促進するために加工された凹凸形状を有するもの、下地層1bの形成時にテキスチャー構造を有するもの、原子レベルで平坦な面を有するものなどを得ることができるが、好適な一例として、作製条件を適宜に定めることにより、最表面の表面粗さが0.3nm以下の成長下地層1bを有する基板1を得ることができる。すなわち、原子レベルの平坦性が実現されてなる基板1が得られる。本願においては、AFM(原子間力顕微鏡)によって評価される5μm×5μmの正方形領域における算術平均粗さRaを表面粗さとしている。
The
MOCVD法にて成長下地層1bを形成する場合、基材1aの加熱温度を1300℃〜1400℃の範囲に設定し、反応管内の圧力は10Torr〜50Torrに設定して作製するのが、好適な一例である。
When the
なお、成長下地層1bは、一般的には1×1010/cm2程度ないしはそれ以上の転位を含んでいる。III族窒化物結晶においては、らせん転位および刃状転位という二種類の転位が存在しうるが、成長下地層1bにおいては刃状転位が主に存在する。なお、本実施の形態において、転位密度は平面TEMによって評価している。また、X線ロッキングカーブ測定による(0002)面の半値幅は150秒以下であり、(10−12)面の半値幅は1500秒以下である。
The
成長下地層1bの厚みは、特に限定されるものではなく、最終的に利用されるデバイス構造あるいは使用形態に最適な膜厚を選択する。例えば、数nm〜数mm程度の膜厚が想定される。また、成長下地層1bの組成は、平均組成を示しており、必ずしも組成を全て均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。
The thickness of the
また、成長下地層1b内には、成長下地層1bを形成する際に不可避的に含まれてしまうH、C、O、Si、B、In、遷移金属等の不純物が存在する場合もあるし、導電率制御のために意図的に導入される、Si、Ge、Be、Mg、Zn、Cdといった不純物を含んでいてもよい。
In addition, impurities such as H, C, O, Si, B, In, and transition metals that are unavoidably included when the
n型層2は、上述のような基板1の上に、例えばMOCVD法、MBE法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ただし、ここでいうIII族窒化物結晶とは、具体的には、波長が300nm以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のAlxGa1−xN(0≦x≦1)である。係る要件をみたす場合、発光層3から発せられる紫外光は吸収されることなくn型層を透過するので、発光素子10において高い発光効率が実現される。少なくとも、x>0.5であればこの要件をみたすことが、本発明の発明者によって確認されている。x=0.6がその好適な一例である。
The n-
また、n型層2には、Siがn型のドーパントとして所定の濃度でドープされてなる。MOCVD法にてn型層2を作製する場合であれば、III族窒化物形成用の原料ガスの供給に併せて、シラン(SiH4)ガスを所定の供給流量で流すことにより、係るドープが実現される。また、一方で、n型層2には、C原子、O原子その他の不純物も不可避的に存在する。
The n-
n型層2は、1〜5μm程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。作製条件を適宜に定めることにより、転位密度が1×1010/cm2以下で、X線ロッキングカーブ測定による(0002)面の半値幅が300秒以下であり、かつ(10−12)面の半値幅が1200秒以下である、結晶品質の良いn型層2を得ることができる。これにより、その上に形成する発光層3およびp型層4においても良好な結晶品質を得ることが可能となる。
The n-
n型層2の比抵抗には、作製条件によって違いが生じる。本実施の形態においては、MOCVD法を用いる場合に、成長温度を1150℃〜1200℃と設定し、成長圧力を10Torr〜50Torrとすることが、n型層2の低抵抗化およびキャリア濃度の増加を実現するうえで好適であることが、本発明の発明者によって確認されている。その詳細については後述する。
The specific resistance of the n-
発光層3は、n型層2の上に、例えばMOCVD法、MBE法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ただし、ここでいうIII族窒化物結晶とは、具体的には、紫外領域に発光波長を有する組成範囲のAlyGa1−yN(0≦y≦1)である。例えば、y=0.5であれば、紫外領域に属する波長260nmの発光が実現される。発光層3は、5nm〜30nm程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。なお、発光層3はInやBを含んでいてもよく、複数周期の量子井戸構造とすることもできる。
The
p型層4は、発光層3の上に、例えばMOCVD法、MBE法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ここでいうIII族窒化物結晶とは、例えばAlzGa1−zN(0≦z≦1)である。z=0.6がその一例である。
The p-
また、p型層4には、Mg、Be、Mg、Sr、Zn、Cdなどがp型のドーパントとして所定の濃度でドープされてなる。p型層4は、0.1〜0.3μm程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。
The p-
基板1上へのn型層2、発光層3、およびp型層4の形成は、その全て、あるいは一部について、同一のMOCVD装置やMBE装置などを用いて、連続的に行う態様であってもよい。また、基板1がエピタキシャル基板である場合、基材1a上への成長下地層1bの形成からp型層4の形成に至るまでを、同一装置で行う態様であってもよい。
The formation of the n-
<n型層の低抵抗化>
次に、上述したn型層2の低抵抗化を実現する好適な作製条件について説明する。図2、図3、図4、および図5はこれを説明するための図である。ここでは、基材1aとしてサファイアを用い、成長下地層1bとしてAlNを形成してなる基板1を用い、MOCVD法によって、種々の条件でn型層2を形成した場合について示す。原料ガスとしては、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、およびNH3を用い、それぞれの毎分の供給流量比が1:1:4000となるように供給している。また、Siドープのためのシランガスは、n型層2中のSi濃度が1×1019/cm2となるように供給している。
<Low resistance of n-type layer>
Next, a description will be given of suitable manufacturing conditions for realizing the low resistance of the n-
図2および図3はそれぞれ、成長温度を種々に変えてn型層2を形成した場合の、成長温度と生成されたn型層2の比抵抗の関係、および成長温度とn型層2のキャリア濃度との関係を示す図である。その際の圧力は15Torrである。なお、比抵抗は、渦電流抵抗測定器によって得られた値である。キャリア濃度は、水銀プローブを用いたCV測定によって得られた値である。また、成長温度とは、基板1の加熱温度を指し示しており、MOCVD装置を用いる場合であれば、基板1を設置するトレー(例えば耐腐食性コーティング付カーボン部材(4mm厚)で構成される)に近接する熱電対により測定される。圧力とは、MOCVD装置の反応管内の圧力を指し示している。これは図4および図5の場合についても同様である。
2 and 3 respectively show the relationship between the growth temperature and the specific resistance of the generated n-
図4および図5はそれぞれ、同じくMOCVD法によって、種々の成長圧力を与えてn型層2を形成した場合の成長温度と生成されたn型層2の比抵抗との関係、および成長圧力とn型層2のキャリア濃度の関係を示す図である。その際の温度は1200℃である。
4 and 5 show the relationship between the growth temperature and the specific resistance of the generated n-
図2および図3より、成長温度が1150℃〜1200℃の場合に、高いキャリア濃度が得られ、かつ、1.5Ωcm以下という顕著な低抵抗が実現されてなることが確認される。また、図4および図5より、圧力が10Torr〜50Torrの範囲で、高いキャリア濃度が得られ、やはり1.0Ωcm以下という低抵抗な状態が実現されてなる。これらより、成長温度を1150℃〜1200℃と設定し、成長圧力を10Torr〜50Torrとすることが、n型層2の低抵抗化およびキャリア濃度の増加を実現するうえで好適であるといえる。なお、これらの低抵抗な状態のn型層2において、良好な結晶品質が実現されているのは、上述の通りである。
2 and 3, it is confirmed that when the growth temperature is 1150 ° C. to 1200 ° C., a high carrier concentration is obtained and a remarkable low resistance of 1.5 Ωcm or less is realized. 4 and 5, a high carrier concentration is obtained in the pressure range of 10 Torr to 50 Torr, and a low resistance state of 1.0 Ωcm or less is also realized. From these, it can be said that it is preferable to set the growth temperature to 1150 ° C. to 1200 ° C. and the growth pressure to 10 Torr to 50 Torr in order to realize low resistance of n-
図2ないし図5の結果によれば、n型層2の抵抗値が成長温度および圧力に対して単調に変化せず、いずれに対してもある値のところで減少から増加に転じている。つまりは、極小の状態が存在することになる。係る結果を生じさせると考えられる因子について、以下に示す。
According to the results of FIGS. 2 to 5, the resistance value of the n-
図6は、n型層2に存在するSi原子の濃度に対する、該n型層2に不純物として存在するO原子とC原子の濃度の比(これらを不純物濃度比と称する)と、成長温度との関係について示す図である。また、図6には、O原子とC原子の濃度の総和についても、不純物濃度比を示している(これを特に、総和不純物濃度比と称することがある)。また、図7は同様に、不純物濃度比と圧力との関係について示す図である。なお、各原子の濃度は、SIMS(2次イオン質量分析装置)によって測定している。SIMS測定にはPhysical Electronics社製の四重極型SIMS装置を用い、一次イオン(セシウムイオン)を加速電圧5keV、入射角60°で入射して測定を行った。また、絶対値校正用標準試料としてAlNとGaNを用いた。
FIG. 6 shows the ratio of the concentration of O atoms and C atoms present as impurities in the n-
図6における不純物濃度の成長温度に対する変化と、図2における比抵抗の変化とを比較すると、図6におけるO原子とC原子それぞれについての不純物濃度比の温度に対する変化は、必ずしも、図2における比抵抗の変化と一致していない。しかしながら、総和不純物濃度比の成長温度に対する変化、具体的には、成長温度が1200℃までは成長温度が高いほど総和不純物濃度比が減少するが、1200℃より高温になると増加に転じるという変化、つまりは極小が存在するという変化は、比抵抗の成長温度に対する変化とよく一致している。図7における不純物濃度比の成長圧力に対する変化と、図4における比抵抗の変化とを比較してみても、同様のことがいえる。 Comparing the change of the impurity concentration with respect to the growth temperature in FIG. 6 and the change of the specific resistance in FIG. 2, the change in the impurity concentration ratio with respect to the temperature for each of the O atom and the C atom in FIG. Not consistent with resistance change. However, the change of the total impurity concentration ratio with respect to the growth temperature, specifically, the change that the total impurity concentration ratio decreases as the growth temperature increases until the growth temperature is 1200 ° C., but starts to increase when the growth temperature is higher than 1200 ° C. In other words, the change that the minimum exists is in good agreement with the change of the resistivity with respect to the growth temperature. The same can be said by comparing the change in the impurity concentration ratio with respect to the growth pressure in FIG. 7 with the change in the specific resistance in FIG.
これらを鑑みると、n型層2における比抵抗の大小と、不純物であるO原子とC原子についての総和不純物濃度比との間には、相関があるものと判断される。その一方で、成長条件の変化に対する不純物濃度比の変化の挙動はO原子とC原子とで異なることから、これらを個別に制御するよりもむしろ、総和不純物濃度比を制御することが、n型層2の低抵抗化には有効であるといえる。例えば、総和不純物濃度比が概ね0.8以下であれば、1.5Ωcm以下という、比抵抗が充分に小さいn型層2の形成が実現されることになる。具体的には、上述したように、成長温度が1150℃〜1200℃であり、成長圧力が10Torr〜50Torrである場合に、係る低比抵抗のn型層2の形成が実現される。
In view of these, it is determined that there is a correlation between the magnitude of the specific resistance in the n-
図8は、こうした総和不純物濃度比と比抵抗との相関の持つ意味について補足的に説明すべく示す、発光素子10においてドナーとして作用するSi原子の活性化率と、総和不純物濃度比との関係を示す図である。図8からは、総和不純物濃度比が0.8より小さい領域では、高い活性化率が得られることが分かる。活性化率が高いほどキャリア濃度は高くなることから、上述のような低抵抗状態の実現は、つまりはキャリア濃度の増加をもたらしているものと解される。また、図8は、O原子およびC原子をそれぞれ単独に減少させようとするよりもむしろ、その総和を減少させることが、キャリア濃度の増加にとって有効であること、つまりは発光効率の向上にとって有効であることを意味している。
FIG. 8 illustrates the meaning of the correlation between the total impurity concentration ratio and the specific resistance. The relationship between the activation rate of Si atoms acting as a donor in the
以上、説明したように、本実施の形態によれば、紫外領域に発光波長を有する、高発光効率の発光素子が実現される。具体的には、低抵抗かつ高結晶品質で紫外領域の光に対する吸収能を持たないn型層を有する発光素子が実現できる。特に、低抵抗に関しては、n型層におけるSi原子の濃度値に対する、酸素原子と炭素原子の濃度値の総和の比率を0.8以下とすることで、1.5Ωcm以下という、充分に小さい比抵抗が実現される。 As described above, according to the present embodiment, a light-emitting element having a light emission wavelength in the ultraviolet region and having a high light emission efficiency is realized. Specifically, a light-emitting element having an n-type layer that has low resistance, high crystal quality, and has no ability to absorb light in the ultraviolet region can be realized. In particular, for low resistance, the ratio of the sum of the concentration values of oxygen atoms and carbon atoms to the concentration value of Si atoms in the n-type layer is set to 0.8 or less so that a sufficiently small ratio of 1.5Ωcm or less Resistance is realized.
<変形例>
上述したような、基材1aとその上にIII族窒化物結晶膜がエピタキシャル形成されてなる成長下地層1bとから構成される基板1を用いて発光素子10を形成する場合、n型層2の形成に先立って、基板1を、所定の処理装置によって少なくとも1250℃以上に、好ましくは1500℃以上に加熱する熱処理を行ってもよい。これにより、成長下地層1bを構成するIII族窒化物結晶の結晶品質の改善が実現される。係る熱処理は、特に成長下地層1bの転位の低減や表面におけるピットの解消に対して有効である。例えば、転位密度は、おおよそ1/10以下にまで減少する。特に、刃状転位を効果的に合体消失させることができる。上述の実施の形態において述べたように、成長下地層1bにおいては1×1010/cm2程度ないしはそれ以上の転位を含んでいるが、n型層2の形成に先立って、熱処理を適宜に行うことにより、成長下地層1bの転位は熱処理前よりも1オーダー程度減少する。また、熱処理せずに形成したn型層2においては、1×1010/cm2以下という転位密度が実現されてなるが、係る熱処理後に形成したn型層2においても、やはり、熱処理しない場合よりも転位密度が1オーダー程度減少することが、本発明の発明者によって確認されている。また、n型層2における転位の進行方向を、膜厚成長方向に平行に貫通する方向から、傾きを生じせしめ、転位密度の合体消失を促進するという効果も有する。併せて、n型層2をAlNの格子定数にコヒーレントに成長させ大きな圧縮応力を生じさせることも確認されている。
<Modification>
When the
すなわち、このような熱処理を行った上でn型層2を形成することで、n型層の結晶品質をさらに良好なものとすることができる。また、このような熱処理を加えた場合、O原子・C原子の不純物の取り込みを抑制するという効果も確認されている。
That is, the crystal quality of the n-type layer can be further improved by forming the n-
なお、加熱温度を少なくとも1250℃以上とするのは、一般に、MOCVD法などで成長下地層1bを形成する際の基板自体の温度が1250℃以下であることから、それ以上の温度で加熱を行うことで、少なくとも転位の低減という効果が得られるからである。MOCVD法などの成膜手法は、一般に非平衡反応によって成膜を行う手法であるので、形成されるエピタキシャル膜には、熱平衡状態において存在する数よりも多くの結晶欠陥(転位など)が、いわば凍結されたような状態で存在していると考えられるが、1250℃以上に加熱することで、熱平衡状態に近づき、転位が低減されるものと推察される。ただし、これは、MOCVD法による成長下地層1bの形成温度を1250℃以下に限定するものではなく、それ以上の温度で形成するものであっても良い。Alを主成分とするIII族窒化物、特にAlNの場合、MOCVD法による形成温度を1250℃以上に高くすることが想定される。もちろん、1250℃以上の基板温度で成膜した場合においても、基板温度以上の温度で加熱処理を行うことにより、転位低減の効果は得られる。
The reason for setting the heating temperature to at least 1250 ° C. or higher is that the temperature of the substrate itself is generally 1250 ° C. or lower when the
なお、このような加熱処理による結晶品質の改善は、成長下地層1bを構成するIII族窒化物において全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上である場合に特に有効であり、なかでもAlNの場合に有効である。III族窒化物がAlNの場合、組成揺らぎ等のばらつきの問題が無いので、品質管理上はこの場合が最も望ましいが、全III族元素におけるAlの割合が80モル%以上であれば、AlNの場合と同じ温度の加熱処理において、同様の結晶品質の改善効果が確認され、加熱処理前の成長下地層1bの品質もAlNの場合とほぼ同程度の品質が得られる。全III族元素におけるAlの割合が80%未満の場合、AlNの場合と同じ温度で加熱処理を行うと、他のIII族元素、例えばGa成分の蒸発によるピットの発生が問題となり、表面平坦性が損なわれる場合がある。
The improvement in crystal quality by such heat treatment is particularly effective when the proportion of Al in all group III elements in the group III nitride constituting the
熱処理中の雰囲気に関しては、III族窒化物の分解を防ぐためにも窒素元素を含有する雰囲気であるのが望ましい。例えば、窒素ガス、アンモニアガスを含む雰囲気を用いることができる。熱処理時の圧力条件に関しては、減圧から加圧までどの圧力で行っても結晶品質が改善されることが、確認されている。 The atmosphere during the heat treatment is preferably an atmosphere containing nitrogen element in order to prevent the decomposition of the group III nitride. For example, an atmosphere containing nitrogen gas or ammonia gas can be used. Regarding the pressure conditions during the heat treatment, it has been confirmed that the crystal quality can be improved at any pressure from reduced pressure to increased pressure.
なお、係る熱処理は、単結晶である基材1aの結晶配列の規則性を利用して、その上に形成された成長下地層1bの結晶品質の改善を行うものでもある。そのため、基材1aとして用いる材料は、結晶品質の改善のために行う熱処理の温度帯で分解、融解しないもの、あるいは、成長下地層1bを形成するIII族窒化物結晶と強く反応しないものが望ましい。ただし、熱処理により基材1aと成長下地層1bとの界面において全体的にあるいは局所的に極薄の反応生成物が生成されることは、本発明からは除外されない。転位の低減等のためのバッファ層的な役割を果たすなど、こうした極薄の反応生成物が存在した方がむしろ好ましい場合もある。
Note that the heat treatment is to improve the crystal quality of the
従って、熱処理は、基材1aの融点を超えない温度範囲で、あるいは、基材1aと成長下地層1bとの反応生成物の生成が顕著に起こらない温度範囲つまりは過度な反応による成長下地層1bの結晶品質の劣化が生じない温度範囲で行うことが望ましい。特に、基材1aとしてサファイアを用い、成長下地層1bをAlを含むIII族窒化物にて形成する場合には、両者の界面にγ−ALONが顕著に形成されない温度範囲で熱処理を行うことが好ましい。γ−ALONが顕著に形成されてしまうと、成長下地層1bの表面粗さが大きくなり、デバイス応用が困難となってしまうからである。
Accordingly, the heat treatment is performed in a temperature range that does not exceed the melting point of the base material 1a, or in a temperature range in which the formation of a reaction product between the base material 1a and the
1 基板
1a 基材
1b 成長下地層
2 n型層
3 発光層
4 p型層
5 p型電極
6 n型電極
10 発光素子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
所定の基板の上に第1のIII族窒化物からなるn型層をエピタキシャル形成するn型層形成工程と、
前記n型層の上に、第2のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上に、第3のIII族窒化物からなるp型層をエピタキシャル形成する形成するp型層形成工程と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物が波長が300nm以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のAlxGa1−xN(0≦x≦1)であり、
前記第2のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のAlyGa1−yN(0≦y≦1)であり、
前記n型層形成工程においては、形成温度を1150℃以上1200℃以下とし、かつ、形成圧力を10Torr以上50Torr以下とすることにより比抵抗が1.5Ωcm以下の前記n型層を形成する、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 A method of manufacturing a light emitting device,
An n-type layer forming step of epitaxially forming an n-type layer made of a first group III nitride on a predetermined substrate;
A light emitting layer forming step of epitaxially forming a light emitting layer made of a second group III nitride on the n-type layer;
A p-type layer forming step of epitaxially forming a p-type layer made of a third group III nitride on the light emitting layer;
With
The first group III nitride is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) in a composition range in which the wavelength is not more than 300 nm and does not have the ability to absorb light,
The second group III nitride is Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) in a composition range having an emission wavelength in the ultraviolet region,
In the n-type layer forming step, the n-type layer having a specific resistance of 1.5 Ωcm or less is formed by setting a forming temperature to 1150 ° C. or more and 1200 ° C. or less and forming pressure to 10 Torr or more and 50 Torr or less .
A method for manufacturing a light-emitting element.
前記基板が、
単結晶サファイアからなる基材と、
前記基材上にエピタキシャル形成されてなる、Al p Ga 1−p N(0.8≦p≦1)からなる成長下地層と、
からなり、
前記n型層形成工程においては、前記成長下地層の上に前記成長下地層よりAlモル濃度が低い前記n型層を形成する、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the light emitting element according to claim 1 ,
The substrate is
A substrate made of single crystal sapphire,
A growth foundation layer made of Al p Ga 1-p N (0.8 ≦ p ≦ 1) , which is epitaxially formed on the substrate;
Consists of
In the n-type layer forming step, the n-type layer having an Al molar concentration lower than that of the growth base layer is formed on the growth base layer.
A method for manufacturing a light-emitting element.
単結晶サファイアからなる基材の上にAl p Ga 1−p N(0.8≦p≦1)からなる成長下地層をエピタキシャル形成してなる基板を、少なくとも1250℃以上に加熱する熱処理工程と、
前記基板の上に、前記成長下地層よりもAlモル濃度の低い第1のIII族窒化物にてエピタキシャル形成するn型層形成工程と、
前記n型層の上に、第2のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上に、第3のIII族窒化物からなるp型層をエピタキシャル形成する形成するp型層形成工程と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物が波長が300nm以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)であり、
前記第2のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のAl y Ga 1−y N(0≦y≦1)であり、
前記n型層形成工程においては、形成温度を1150℃以上1200℃以下とし、かつ、形成圧力を10Torr以上50Torr以下とすることにより比抵抗が1.5Ωcm以下の前記n型層を形成する、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 A method of manufacturing a light emission element,
A heat treatment step of heating a substrate formed by epitaxially forming a growth base layer made of Al p Ga 1-p N (0.8 ≦ p ≦ 1) on a base material made of single crystal sapphire to at least 1250 ° C. or more; ,
An n-type layer forming step of epitaxially forming the first group III nitride having a lower Al molar concentration than the growth base layer on the substrate;
A light emitting layer forming step of epitaxially forming a light emitting layer made of a second group III nitride on the n-type layer;
A p-type layer forming step of epitaxially forming a p-type layer made of a third group III nitride on the light emitting layer;
With
The first group III nitride is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) in a composition range in which the wavelength is not more than 300 nm and does not have the ability to absorb light ,
The second group III nitride is Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) in a composition range having an emission wavelength in the ultraviolet region ,
In the n-type layer forming step, the n-type layer having a specific resistance of 1.5 Ωcm or less is formed by setting a forming temperature to 1150 ° C. or more and 1200 ° C. or less and forming pressure to 10 Torr or more and 50 Torr or less.
A method for manufacturing a light-emitting element.
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