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JPH11145513A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子の製造方法

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Publication number
JPH11145513A
JPH11145513A JP10256249A JP25624998A JPH11145513A JP H11145513 A JPH11145513 A JP H11145513A JP 10256249 A JP10256249 A JP 10256249A JP 25624998 A JP25624998 A JP 25624998A JP H11145513 A JPH11145513 A JP H11145513A
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JP
Japan
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semiconductor
light emitting
doped
semiconductor light
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Masafumi Kondo
雅文 近藤
Shinji Kaneiwa
進治 兼岩
智彦 ▲吉▼田
Tomohiko Yoshida
Hiroyuki Hosobane
弘之 細羽
Takeshi Obayashi
健 大林
Toshio Hata
俊雄 幡
Naohiro Suyama
尚宏 須山
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Publication of JPH11145513A publication Critical patent/JPH11145513A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多色発光可能で、かつ、高輝度、高精細のフ
ラットパネルディスプレイを作製し得る半導体発光素子
の製造方法を提供する。 【解決手段】 上記の課題を解決する本発明の半導体発
光素子の製造方法は、基板上にInGaN系材料からな
る半導体層を積層した半導体発光素子の製造方法であっ
て、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる第1半導体
層上に、前記第1半導体層よりも低い温度で成長させた
AlNあるいはInyGa1-yN(0≦y≦1)からなる
第2半導体層を形成させ、前記第2半導体層上に、前記
第2半導体層よりも高い温度で成長させたInzGa1-z
N(0≦z≦1)からなる第3半導体層を形成させるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高輝度、高精細の
半導体発光素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】発光ダイオード(LED)は、明るいと
ころでも見やすく、各種表示ランプなどのディスプレイ
装置に広く用いられている。緑、黄緑のLEDとしては
発光部にNをドープしたGaPを用いた素子、黄色のL
EDとしては発光部にNをドープしたGaAsPを用い
た素子、赤のLEDとしては発光部にZn−Oをドープ
したGaAsPまたはAlGaAsを用いた素子があ
り、それぞれ製品化されている。
【0003】しかし、上記LEDは、以下のような欠点
を有する。すなわち、GaP,GaAsPは間接遷移型
の半導体であり、不純物を添加して発光中心を形成して
いるため、この発光中心の濃度が低くなる。従って、電
流を増加すると発光出力がすぐに飽和してしまい、高輝
度が得られない。また、AlxGa1-xAs(0≦x≦
1)は、ストップランプなどの高輝度LEDとして使用
されているが、Al組成比xが0.45より大きくなる
と間接遷移となる。よって、Al組成比が増大するほ
ど、すなわち発光波長が短くなるほど効率が低下する。
さらに、GaP、GaAsP、AlGaAs系の半導体
では、青色発光が得られない。
【0004】全波長領域で直接遷移型である半導体材料
として、InGaN系材料の研究が進められている。I
nGaNでは、図7に示すようにIII族の組成を変え
ることにより赤から紫外の発光を得ることができる。特
に、サファイア基板とGaNを用いてなる素子の研究が
進められている。例えば、Appl.Phys.Lett.48(1986)p.3
53に示されるように、サファイア基板とGaNの間にA
lNからなるバッファ層を導入することにより、良好な
GaNの結晶が得られる。また、Jpn.J.Appl.Phys.30(1
991)L1705に示されるように、サファイア基板とGaN
との間に低温成長のGaNからなるバッファ層を導入す
ることにより良好なGaNの結晶が得られる。さらに、
Jpn.J.Appl.Phys.28(1989)L2112に示されるように、M
gドープGaNに電子線を照射することにより、p型G
aNが得られ、高輝度の青色LEDが得られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような直接遷移型のInGaNを用いた発光素子を実現
するためには、複数の化合物半導体層を連続成長させる
必要がある。複数のIII族の組成の異なる半導体層を
連続成長させていくと、生じた格子歪が格子欠陥を誘発
し、ピット(穴)、クラック(ひび割れ)により発光効
率が低下する。特に、窒化物系化合物半導体層の場合に
は、原子間の結合力が強いので、積層すればするほど格
子歪みによる格子欠陥が多くなる問題があった。
【0006】本発明は、上記問題点を解決しようとする
ものであり、化合物半導体層を連続成長させる時の格子
歪を緩和して積層させ、高輝度、高精細の半導体発光素
子の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
素子の製造方法では、基板上にInGaN系材料からな
る半導体層を積層した半導体発光素子の製造方法であっ
て、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる第1半導体
層上に、前記第1半導体層よりも低い温度で成長させた
AlNあるいはInyGa1-yN(0≦y≦1)からなる
第2半導体層を形成させ、前記第2半導体層上に、前記
第2半導体層よりも高い温度で成長させたInzGa1-z
N(0≦z≦1)からなる第3半導体層を形成させるこ
とを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。
【0009】(実施例1)図3は本発明の実施例1の半
導体発光素子を示す断面図である。この半導体素子は、
サファイア基板1の(0001)面上に、AlNまたは
GaNからなるバッファ層2、Siドープn−Inx
1-xN層3、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4、
AlNまたはGaNからなるバッファ層2、Siドープ
n−InxGa1-xN層5、Mgドープ高抵抗InxGa
1-xN層6、AlNまたはGaNからなるバッファ層
2、Siドープn−InxGa1-xN層7およびMgドー
プ高抵抗InxGa1-xN層8が積層形成されている。該
AlNまたはGaNからなるバッファ層2、Siドープ
n−InxGa1-xN層5、Mgドープ高抵抗InxGa
1-xN層6、AlNまたはGaNからなるバッファ層
2、Siドープn−InN層7およびMgドープ高抵抗
InN層8は、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4お
よびMgドープ高抵抗InxGa1-xN層6が露出するよ
うに部分的に除去されている。Mgドープ高抵抗Inx
Ga1-xN層8の一部、Mgドープ高抵抗InxGa1-x
N層4およびMgドープ高抵抗InxGa1-xN層6の露
出部分は、p型領域4a、6a、8aとして形成され、
p型領域4a、6a、8aの上には、p型Al電極1
0、11、12が設けられ、半導体を露出させなかった
方の側面には、n型Al電極9が設けられている。
【0010】実施例1の半導体素子を図1から3を参照
して説明する。まず、図1に示すように、サファイア基
板1を基板温度1150℃でサーマルクリーニングし
た。その後、基板温度を600℃に下げ、サファイア基
板1の(0001)面上に、AlNまたはGaNからな
るバッファ層2を成長させ、続いて、基板温度を800
℃に上げ、Siドープn−InxGa1-xN層3およびM
gドープ高抵抗InxGa1-xN層4を成長させた。次
に、基板温度を600℃に下げ、AlNまたはGaNか
らなるバッファ層2を成長させ、続いて、基板温度を8
00℃に上げ、Siドープn−InxGa1-xN層5およ
びMgドープ高抵抗InxGa1-xN層6を成長させた。
さらに、基板温度を600℃に下げ、AlNまたはGa
Nからなるバッファ層2を成長させ、続いて、基板温度
を800℃に上げ、Siドープn−InxGa1-xN層7
およびMgドープ高抵抗InxGa1-xN層8を成長させ
た。
【0011】上記各半導体層の成長方法としては、MO
CVD法(有機金属化合物気相成長法)、ガスソースM
BE法(分子線エピタキシー法)が好ましい。上記各半
導体層を形成する原子のソースおよびドーパント材料と
しては、以下の化合物を用いることができる。
【0012】Gaソース:トリメチルガリウム(TM
G)またはトリエチルガリウム(TEG)など、Alソ
ース:トリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエ
チルアルミニウム(TEA)など、Inソース:トリメ
チルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム
(TEI)など、Nソース:アンモニア(NH3)な
ど、ドーパント材料:シラン(SiH4)(n型ドーパ
ント用)およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(Cp2Mg)(p型ドーパント用)など。
【0013】次に、図2に示すようにドライエッチング
または選択エッチングにより、AlNまたはGaNから
なるバッファ層2、Siドープn−InxGa1-xN層
5、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6、AlNまた
はGaNからなるバッファ層2、Siドープn−Inx
Ga1-xN層7およびMgドープ高抵抗InxGa1-x
層8を、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4およびM
gドープ高抵抗InxGa1-xN層6が露出するように部
分的に除去した。
【0014】さらに、Mgドープ高抵抗InxGa1-x
層8の一部、Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4およ
びMgドープ高抵抗InxGa1-xN層6の露出部分に、
電子の到達深さが0.5μm程度になるように電子線を
照射し、p型領域4a、6a、8aを形成した。
【0015】続いて、図3に示すように、p型領域4
a、6a、8aの上に、500μmφのp型Al電極1
0、11、12を、また、半導体層を露出させなかった
方の側面に、n型Al電極9を蒸着する。各Al電極形
成後、ダイシングによりチップに分割し、半導体発光素
子とした。
【0016】上記のような直接遷移型のInGaNを用
いて多波長発光素子を実現するためには、III族の組
成が異なる半導体層を連続成長させる必要がある。しか
し、図7に示すように、格子定数に違いがあるため、連
続成長させた場合には格子歪が生じる。格子歪は格子欠
陥を誘発し、ピット(穴)、クラック(ひび割れ)によ
り発光効率が低下する。そこで、本発明の半導体素子は
各半導体層の間にAlNまたはGaNからなるバッファ
層を介装している。そのバッファ層により、上記格子歪
を緩和することができる。
【0017】また、各半導体層を連続成長させた場合、
各層の発光を分離、制御するための素子構造が必要であ
る。そこで、本発明の半導体発光素子の製造方法では、
上方の半導体層の一部を欠落させて下方の半導体層を露
出させるエッチング工程と、露出された部分に荷電粒子
を照射する工程とを含む。このため、各半導体層の発光
部が分離独立して形成され、よって、発光を分離制御す
ることができる。
【0018】各半導体層バッファ層の詳細は以下の通り
とした。
【0019】AlNバッファ層2:厚み500オングス
トローム Siドープn−InxGa1-xN層3:In0.3Ga
0.7N、厚み2μm Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層4:In0.3Ga0.7
N、厚み0.5μm Siドープn−InxGa1-xN層5:In0.7Ga
0.3N、厚み1μm Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層6:In0.7Ga0.3
N、厚み0.5μm Siドープn−InxGa1-xN層7:InN、厚み1μ
m Mgドープ高抵抗InxGa1-xN層8:InN、厚み
0.5μm 各半導体層は、ピット、クラックなどの格子欠陥が見ら
れなかった。
【0020】本実施例の半導体発光素子においては、
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
【0021】(実施例2)図4(a)は本発明の実施例
2の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図4(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
【0022】実施例2の半導体発光素子のバッファ層4
0a、40b、40cは、20オングストロームのAl
N層41と20オングストロームのInyGa1-yN(0
≦y≦1)層42とを交互に積層してなる多層体であ
る。
【0023】この実施例では、yの値は、バッファ層4
0aでは0.3、バッファ層40bでは0.7、バッフ
ァ層40cでは1.0としてある。
【0024】この半導体発光素子は、バッファ層とし
て、AlNバッファ層41とInyGa1-yN(0≦y≦
1)バッファ層42とを交互に積層させた以外は、実施
例1と同様の構成とし、同様の成長方法で作成した。
【0025】各半導体層は、ピット、クラックなどの格
子欠陥が見られなかった。
【0026】このバッファ層は超格子構造になっている
ため、実施例1のバッファ層より、さらに格子歪の緩和
効果が高く、また、サーマルクリーニングなどによって
除去されない不純物などが基板上に残留していても、そ
の不純物は超格子にトラップされるので、その悪影響を
除くことができる。
【0027】本実施例の半導体発光素子においては、
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
【0028】(実施例3)図5(a)は本発明の実施例
3の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図5(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
【0029】実施例3の半導体発光素子のバッファ層5
0a、50b、50cは、InGaN層の厚みを変えた
以外は実施例2の半導体発光素子のバッファ層40a、
40b、40cと同様の構成である。具体的には、以下
のような構成となっている。AlN層51の上のIny
Ga1-yN(0≦y≦1)層52は20オングストロー
ムであり、その上のAlN層51の上のInyGa1-y
(0≦y≦1)層53は30オングストロームであり、
その上のAlN層51の上のInyGa1-yN(0≦y≦
1)層54は40オングストロームであり、その上のA
lN層51の上のInyGa1-yN(0≦y≦1)層55
は90オングストロームであり、その上のAlN層51
の上のInyGa1-yN(0≦y≦1)層56は100オ
ングストロームというように、AlN層51とIny
1-yN層(0≦y≦1)とを積層してなる。
【0030】この半導体発光素子は、バッファ層とし
て、AlN層51とInyGa1-yN(0≦y≦1)層5
2、53、54・・・55、56とを交互に積層させた
以外は、実施例1と同様にして作成した。
【0031】各半導体層は、ピット、クラックなどの格
子欠陥が見られなかった。このバッファ層は実施例2と
同様に、超格子構造になっているため、実施例1のバッ
ファ層より、さらに格子歪の緩和効果が高い。本実施例
の半導体発光素子においては、赤、緑、青の高効率、高
輝度な発光が得られた。
【0032】(実施例4)図6(a)は本発明の実施例
4の半導体発光素子の露出部分を形成する前の状態を示
す断面図であり、図6(b)はその半導体発光素子のバ
ッファ層を示す断面図である。
【0033】実施例4の半導体発光素子のバッファ層6
0a、60b、60cは、AlNまたはGaNからなる
層61とAlN層62およびInyGa1-yN(0≦y≦
1)層63とを積層してなる。この実施例では、yの値
は、バッファ層40aでは0.3、バッファ層40bで
は0.7、バッファ層40cでは1.0としてある。
【0034】この半導体発光素子は、バッファ層とし
て、AlN層61と、AlN層62およびInyGa1-y
N(0≦y≦1)層63とを交互に積層させた以外は、
実施例1と同様にして作成した。
【0035】各半導体層は、ピット、クラックなどの格
子欠陥が見られなかった。
【0036】このバッファ層は実施例2と同様に、超格
子構造になっているため、実施例1のバッファ層より、
さらに格子歪の緩和効果が高い。
【0037】本実施例の半導体発光素子においては、
赤、緑、青の高効率、高輝度な発光が得られた。
【0038】なお、上記実施例では、赤、緑、青の三原
色の半導体発光素子について述べたが、半導体層のII
I族元素の組成を変えることにより、赤から紫外領域ま
での発光が得られる。例えば、x=0.75ならば、黄
色の半導体発光素子が、x=0.9ならば、オレンジ色
の半導体発光素子が、x=0ならば、紫外域の半導体発
光素子が得られる。
【0039】また、基板としては、サファイア基板を用
いたが、それ以外に半絶縁性のZnO基板またはSiC
基板などを用いることができる。
【0040】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、直接遷移型のInGaNを格子歪みを緩和して
積層できるので、高輝度、高効率の発光が得られる半導
体発光素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の半導体発光素子の製造工程
を示す図である。
【図2】本発明の実施例1の半導体発光素子の製造工程
を示す図である。
【図3】本発明の実施例1の半導体発光素子を示す断面
図である。
【図4】(a)は本発明の実施例2の半導体発光素子の
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例2の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
【図5】(a)は本発明の実施例3の半導体発光素子の
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例3の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
【図6】(a)は本発明の実施例4の半導体発光素子の
露出部分を形成する前の状態を示す断面図であり、
(b)は本発明の実施例4の半導体発光素子のバッファ
層を示す断面図である。
【図7】InxGa1-xNのIII族元素の組成と格子定
数との関係およびエネルギーギャップとの関係を表す図
である。
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 AlNまたはGaNからなるバッファ層 3 Siドープn−In0.3Ga0.7N層 4 Mgドープ高抵抗In0.3Ga0.7N層 5 Siドープn−In0.7Ga0.3N層 6 Mgドープ高抵抗In0.7Ga0.3N層 7 Siドープn−InN層 8 Mgドープ高抵抗InN層 4a、6a、8a p型領域 10、11、12 p型Al電極 9 n型Al電極 40a、40b、40c AlN層/InyGa1-y
(0≦y≦1)層の周期的多層体からなるバッファ層 50a、50b、50c AlN層/InyGa1-y
(0≦y≦1)層の不規則多層体からなるバッファ層 60a、60b、60c AlNまたはGaNからなる
層とAlN層/InyGa1-yN(0≦y≦1)層の周期
的多層体とからなるバッファ層 41、51、61、63 AlNバッファ層 42、52、53、54、55、56、62 Iny
1-yN(0≦y≦1)バッファ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細羽 弘之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 大林 健 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 幡 俊雄 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 須山 尚宏 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上にInGaN系材料からなる半導
    体層を積層した半導体発光素子の製造方法であって、 InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる第1半導体層上
    に、前記第1半導体層よりも低い温度で成長させたAl
    NあるいはInyGa1-yN(0≦y≦1)からなる第2
    半導体層を形成させ、 前記第2半導体層上に、前記第2半導体層よりも高い温
    度で成長させたInzGa1-zN(0≦z≦1)からなる
    第3半導体層を形成させることを特徴とする半導体発光
    素子の製造方法。
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