量子阱結構的製造方法

2023-06-01 23:27:46

專利名稱：量子阱結構的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種量子阱結構的製造方法。
背景技術：
在專利文獻1 (JP特開2002-043618號公報)中公開了在基板上 製造多重量子阱結構的方法，該多重量子阱結構交互層疊了由氮化物 半導體構成的阱層和由帶隙能量大於阱層的氮化物半導體構成的阻擋 層。在該專利文獻1中公開了通過反覆以下工序來形成多重量子阱 在第一基板溫度下使阱層生長，在從第一基板溫度升溫到第二基板溫 度的同時使阻擋層生長，之後保持第二基板溫度同時進一步使阻擋層 生長，然後從第二基板溫度降溫到第一基板溫度。
在由III族氮化物半導體構成的量子阱結構中，根據阱層的銦組成 的大小而左右發光波長。專利文獻1所記載的量子阱結構涉及藍色 LED，阱層的銦組成比較小。但是在想要通過III族氮化物半導體實現 例如綠色等較長發光波長的量子阱結構時，需要進一步提高阱層的銦 組成。
但是在包含銦的m族氮化物半導體中，具有銦組成越大越容易通
過高溫分解結晶結構的特徵。在製造量子阱結構時，生長了阱層後， 為了生長阻擋層，大多需要升高基板溫度，在該升溫過程中阱層的結 晶結構容易分解。隨著阱層的結晶結構的分解，會產生發光強度降低、 短波長化等發光特性的變化。
針對該問題，具有如專利文獻1所記載的那樣在升高基板溫度的 同時使阻擋層生長的方法。但是在專利文獻1所記載的方法中，該阻擋層的膜厚會變得比較厚，在該阻擋層上在高溫下生長的本來的阻擋 層的結晶品質下降，因此難以獲得與銦組成對應的預期的發光特性。

發明內容
本發明鑑於上述問題，其目的在於在包含組成中具有銦的III族氮 化物半導體的量子阱結構中，抑制結晶結構的分解並實現與銦組成對 應的發光特性。
為了解決上述問題，本發明的一個方面的量子阱結構的製造方法， 在基板上形成包括阱層和阻擋層的量子阱結構，所述阱層包含在組成 中具有銦的III族氮化物半導體，所述阻擋層包含帶隙能量大於阱層的 帶隙能量的III族氮化物半導體，其中，包括阱層生長工序，將基板 的溫度保持為第一溫度，並且生長阱層；中間層生長工序，使基板的 溫度從第一溫度逐漸升溫，同時在阱層上生長中間層，該中間層包含 帶隙能量大於阱層的帶隙能量的III族氮化物半導體；以及阻擋層生長 工序，將基板的溫度保持為比第一溫度高的第二溫度，並且在中間層
上生長阻擋層，在中間層生長工序中，使中間層生長為大於lnm且小 於3nm的厚度。
本發明的一個方面的量子阱結構的製造方法，在阱層生長工序和 阻擋層生長工序之間包括中間層生長工序，在該中間層生長工序中， 使基板的溫度從第一溫度逐漸升溫的同時生長中間層，該中間層包含 帶隙能量大於阱層的帶隙能量的III族氮化物半導體。該中間層在之後 的阻擋層生長工序中保護阱層，因此即使在阻擋層生長工序中基板溫 度升溫到高溫(第二溫度)時，也可以抑制阱層的結晶結構的分解。 此外，通過本發明人的研究得知，中間層的膜厚為lnm以下時對阱層 的保護不充分，阱層的結晶結構的分解得以推進，發光特性變化。進 而，由於該中間層以較低的生長溫度生長，因此在中間層的膜厚變為 3nm以上時，在其上生長的阻擋層的結晶品質下降，無法獲得與阱層 的銦組成對應的發光特性。g卩，根據上述第一量子阱結構的製造方法，通過在中間層生長工序中使中間層生長為大於lnm且小於3nm的厚 度，可以抑制阱層的結晶結構的分解並實現與銦組成對應的發光特性。
此外，本發明的一個方面的量子阱結構的製造方法的特徵在於， 在中間層生長工序中，使中間層的生長速度比阻擋層生長工序中的阻 擋層的生長速度慢。從而可以使因在較低的基板溫度下生長而導致結 晶品質低的中間層的膜厚較薄。
本發明的另一方面的量子阱結構的製造方法，在基板上形成包括 阱層和阻擋層的量子阱結構，所述阱層包含在組成中具有銦的III族氮 化物半導體，所述阻擋層包含帶隙能量大於阱層的帶隙能量的III族氮 化物半導體，其中，包括阱層生長工序，將基板的溫度保持為第一 溫度，並且生長阱層；第一中間層生長工序，使基板的溫度從第一溫
度逐漸升溫，同時在阱層上生長中間層，該中間層包含帶隙能量大於
阱層的帶隙能量的in族氮化物半導體；升溫工序，中斷中間層的生長， 在第一中間層生長工序之後使基板的溫度逐漸升溫；第二中間層生長
工序，在升溫工序之後使基板的溫度逐漸升溫到比第一溫度高的第二
溫度，同時進一步生長中間層；以及阻擋層生長工序，將基板的溫度 保持為第二溫度，並且在中間層上生長阻擋層，通過第一中間層生長 工序和第二中間層生長工序，使中間層的合計厚度生長為大於lnm且 小於3nm的厚度。
另一方面的量子阱結構的製造方法，在阱層生長工序和阻擋層生 長工序之間包括第一中間層生長工序、升溫工序及第二中間層生長工 序，在第一中間層生長工序及第二中間層生長工序中，使基板的溫度 從第一溫度逐漸升溫的同時生長中間層。並且通過第一中間層生長工 序生長的中間層保護阱層，因此即使在基板溫度升溫到高溫(第二溫 度)時，也可以抑制阱層的結晶結構的分解。此外，在經過了升溫工 序的第二中間層生長工序中以較高的溫度生長中間層，因此可以提高 中間層及在其上生長的阻擋層的結晶品質。進而，根據該第二量子阱結構的製造方法，與上述第一量子阱結構的製造方法同樣地，通過使
中間層的合計厚度生長為大於lnm且小於3nm的厚度，可以抑制阱層 的結晶結構的分解並實現與銦組成對應的發光特性。
此外，另一方面的量子阱結構的製造方法的特徵在於，在第二中 間層生長工序中，使中間層的生長速度比阻擋層生長工序中的阻擋層 的生長速度慢。
此外， 一個方面及另一方面的量子阱結構的製造方法的特徵在於， 阱層的發光波長為500nm以上。上述第一及第二量子阱結構的製造方 法，對於具有這種比綠色波長區域長的發光波長的量子阱結構特別有 效。
此外， 一個方面及另一方面的量子阱結構的製造方法的特徵在於， 基板由InsAlTGa,.s-TN半導體(0《S《1， 0《T《1, 0《S+T《1)構成。


圖1 (a)是作為本發明的第一實施方式而簡要表示半導體發光元 件的構成的側剖面圖，圖1 (b)是更詳細地表示第一實施方式的活性 層的構成的側剖面圖。
圖2是表示第一實施方式的製造半導體發光元件的方法的主要工 序的流程圖。
圖3 (a)及圖3 (b)是用於說明圖2所示的各工序的圖。 圖4 (a)及圖4 (b)是用於說明圖2所示的各工序的圖。 圖5 (a)表示使活性層生長時藍寶石基板的溫度(基板溫度Tg) 的轉變，圖5 (b)表示鎵原料氣體(三甲基鎵，TMGa)的供給量的轉 變，圖5 (c)表示氮原料氣體(氨，NH3)的供給量的轉變。
圖6是表示通過第一實施方式的製造方法製造的半導體發光元件 (裸晶片/barechip)的供給電流量所對應的光輸出特性的圖表。
圖7是表示通過第一實施方式的製造方法製造的半導體發光元件(裸晶片)的供給電流量所對應的發光波長特性的圖表。
圖8是作為與第一實施方式相對的比較例，在厚度lnm的時刻停 止中間層的生長然後直接升高基板溫度Tg而使阻擋層生長的情況下 的、(a)基板溫度Tg的轉變、(b) TMGa的供給量的轉變、(c) NH3 的供給量的轉變的圖。
圖9是用於比較多重量子阱結構中的光致發光(PL)譜的圖表。 圖IO是表示由通過圖8所示的方法製造的多重量子阱結構構成的 活性層、和由通過第一實施方式的方法製造的多重量子阱結構構成的 活性層中的X線衍射(XRD)的結果的圖表。
圖11是表示阱層和阻擋層之間設置的中間層的層厚和阱層的PL 波長的關係的圖表。
圖12 (a)表示PL譜的峰值波長和中間層的層厚的關係，圖12 (b)表示PL強度和中間層的層厚的關係。
圖13 (a)表示基板溫度Tg的轉變，圖13 (b)表示TMGa的供 給量的轉變，圖13 (c)表示NH3的供給量的轉變。
圖14 (a)是作為本發明的第三實施方式而簡要表示半導體發光元 件的構成的側剖面圖，圖14 (b)是更詳細地表示第三實施方式的活性 層的構成的側剖面圖。
圖15是表示第三實施方式的製造半導體發光元件IB的方法的主 要工序的流程圖。
圖16 (a)及圖16 (b)是用於說明圖15所示的各工序的圖。 圖17 (a)及圖17 (b)是用於說明圖15所示的各工序的圖。 圖18 (a)表示使活性層生長時n型GaN基板的溫度(基板溫度 Tg)的轉變，圖18 (b)表示TMGa的供給量的轉變，圖18 (c)表示 NH3的供給量的轉變，圖18 (d)表示TMIn的供給量的轉變。
具體實施例方式
參照

本發明的量子阱結構的製造方法、量子阱結構及半 導體發光元件的實施方式。在可能的情況下對相同及類似部分標以相 同標號。(第一實施方式)
圖1 (a)是作為本發明的第一實施方式而簡要表示半導體發光元 件1A的構成的側剖面圖。作為半導體發光元件1A例如包括面發光的 發光二極體。半導體發光元件1A例如從其厚度方向看是呈一邊為 400pm的正方形的元件(晶片)。半導體發光元件1A包括n型氮化 鎵類半導體層3;具有包含銦(In)的III族氮化物半導體層的活性層5; p型AlGaN半導體層7;和p型氮化鎵類半導體層9。活性層5設置在 n型氮化鎵類半導體層3上。p型AlGaN半導體層7設置在活性層5 上。p型氮化鎵類半導體層9設置在p型AlGaN半導體層7上。另外， n型氮化鎵類半導體層3的一部分從半導體發光元件1A的上方觀察而 露出，在該n型氮化鎵類半導體層3的露出區域設置有未圖示的電極 (陰極)。此外，在p型氮化鎵類半導體層9上設置有未圖示的另外 的電極(例如陽極)。
n型氮化鎵類半導體層3作為下部包覆層發揮作用。作為n型氮 化鎵類半導體層3的一例，可以使用厚度5000nm的n型GaN半導體 層。此外，p型AlGaN半導體層7作為用於降低來自活性層5的電子 洩漏並提高發光效率的電子阻擋層發揮作用。p型AlGaN半導體層7 的厚度例如為20nm。此外，p型氮化鎵類半導體層9作為用於與電極 電導通的接觸層發揮作用。作為p型氮化鎵類半導體層9的一例，可 以使用厚度50nm的p型GaN半導體層。
半導體發光元件IA還包括藍寶石基板15。藍寶石基板15具有主 面15a。在藍寶石基板15的主面15a上設置有低溫生長的LT-GaN層 17。 n型氮化鎵類半導體層3設置在LT-GaN層17上。LT-GaN層17 的厚度例如為25nm。
活性層5具有量子阱結構，包括阱層5a及阻擋層5b。阱層5a由 在組成中具有In的III族氮化物半導體構成，例如可以由InxGai.xN
9(0<X<1)構成。阱層5a的發光波長例如為500nm以上。阻擋層5b 由具有比阱層5a的帶隙能量大的帶隙能量的m族氮化物半導體構成， 例如可以由In組成比阱層5a少的InyGa|.YN (0《Y<1， Y<X)構成。 另外，作為阻擋層5b的材料，在必要的情況下可以為GaN。阱層5a 的每一層的厚度為IOnm以下，例如為3nm。阻擋層5b的厚度優選比 阱層5a厚，阻擋層5b的每一層的厚度例如為12.5nm，來自活性層5 的光經由設於p型氮化鎵類半導體層9上的電極射出。
半導體發光元件1A還包括氮化鎵層19。氮化鎵層19設置在活性 層5和p型AlGaN半導體層7之間。氮化鎵層19由在氮氣氛圍下生長 的GaN構成。氮化鎵層19的厚度例如為3nm。
圖1 (b)是更詳細地表示本實施方式的活性層5的側剖面圖。如 該圖所示，活性層5包括交互層疊有阱層5a及阻擋層5b的多重量子 阱結構。此外，活性層5在阱層5a和阻擋層5b之間還具有中間層5c。 即，本實施方式的活性層5以如下順序進行層疊在阱層5a上設置中 間層5c，在中間層5c上設置阻擋層5b，進而在阻擋層5b上設置阱層 5a。該中間層5c由具有比阱層5a的帶隙能量大的帶隙能量的III族氮 化物半導體構成，例如可以由InzGai.zN (0《Z<1)構成。中間層5c 的每一層的厚度優選大於lnm且小於3nm，作為一個實施例為2.5mn。
圖2是表示本實施方式的製造半導體發光元件1A的方法的主要工 序的流程圖。此外，圖3及圖4是用於說明圖2所示的各工序的圖。 首先，在圖2的工序S101中，如圖3 (a)所示準備具有主面40a的藍 寶石基板40。接著在工序S103中製造外延晶圓等基板生產物。在工序 S103a中，如圖3 (b)所示在藍寶石基板40上外延生長LT-GaN層41 及n型氮化鎵類半導體層42。關於這些層各自的厚度，例如LT-GaN 層41為20nm,n型氮化鎵類半導體層42為5000nm。優選的是，LT-GaN 層41為低溫生長的半絕緣性GaN， n型氮化鎵類半導體層42由GaN 構成。接著在S103b中，如圖4 (a)所示在n型氮化鎵類半導體層42 上形成由m族氮化物半導體構成的活性層43。在本實施方式中，在n 型氮化鎵類半導體層42上依次反覆外延生長阱層43a、中間層43c及 阻擋層43b，從而形成活性層43。活性層43的阱層43a通過生長 InxGai-XN(0<X<l )而形成，活性層43的中間層43c通過生長InzGa,.zN (0《Z<1)而形成，活性層43的阻擋層43b通過生長InYGa，.yN (0《 Y<1， Y<X)而形成。阱層43a的每一層的厚度為lOnm以下，例如為 3nm。中間層43c的厚度大於lnm且小於3nm，例如為2.5nm。阻擋層 43b的厚度例如為12.5nm。
接著在工序S103c中，如圖4 (b)所示在活性層43上外延生長p 型AlGaN半導體層44及p型氮化鎵類半導體層45。 p型AlGaN半導 體層44例如為電子阻擋層，p型氮化鎵類半導體層45例如為接觸層。 關於這些層各自的厚度，例如p型AlGaN半導體層44為25nm， p型 氮化鎵類半導體層45為50nm。 p型氮化鎵類半導體層45例如通過生 長GaN而形成。通過以上工序製作外延晶圓。
在工序S105中，在外延晶圓的p型氮化鎵類半導體層45上形成 電極(陽極)。該電極例如由Ni/Au構成，電極面積例如為1.6X10'3 (cm2)。此外，通過乾式蝕刻除去p型氮化鎵類半導體層45、 p型 AlGaN半導體層44及活性層43的一部分區域，使n型氮化鎵類半導 體層42露出，在n型氮化鎵類半導體層42的該露出區域上形成另外 的電極(陰極)。該電極例如由Ti/Al/Au構成。最後，通過將該外延 晶圓分割為晶片狀，而完成本實施方式的半導體發光元件1A。
在此，參照圖5更詳細地說明構成活性層43的量子阱結構的製造 方法的具體例。圖5 (a)表示生長活性層43時的藍寶石基板40的溫 度(基板溫度Tg)的轉變，圖5(b)表示鎵原料氣體(三甲基鎵，TMGa) 的供給量的轉變，圖5 (c)表示氮原料氣體(氨，NH3)的供給量的轉變。
首先，在圖中的期間TI中生長成為阱層43a的InGaN結晶。在 生長阱層43a的工序中，將基板溫度Tg保持在第一溫度、例如76(TC 等較低的溫度並進行阱層43a的生長。設定為這種低溫是為了確保 InGaN結晶的充分的結晶性。此外在生長阱層43a的工序中，TMGa 的流量Qca例如設為15.6 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv例如設 為8(slm，標準狀態升/分)，TMIn的流量Q(J列如設為58.0(pmol/min)。 此外，阱層43a的生長速度例如設為0.2 (pm/小時)。
接下來在期間T2中生長成為中間層43c的GaN結晶。在生長中 間層43c的工序中，使基板溫度Tg從阱層43a生長時的第一溫度(例 如76CTC)逐漸升溫到阻擋層43b生長時的第二溫度(例如86(TC)， 同時在阱層43a上生長GaN結晶。此外，在生長中間層43c的工序中， TMGa的流量Qca例如設為2.6 (,1/min),氨(NH3)的流量Qv例 如設為6 (slm)，停止TMIn的供給。此外，使中間層43c的生長速 度比後述阻擋層43b的生長速度慢，例如為0.04pm/小時。
接下來在圖中的期間T3中生長成為阻擋層43b的GaN結晶。在 生長阻擋層43b的工序中，將基板溫度Tg保持在第二溫度、例如860 。C等較高的溫度，並且在中間層43c上生長阻擋層43b。此外在生長阻 擋層43b的工序中，TMGa的流量Qcja例如設為24.4 (jumol/min)，氨 (NH3)的流量Qv例如設為6 (slm)。此外，阻擋層43b的生長速度 例如設為0.4pm/小時。
接著在圖中的期間T4中將基板溫度Tg從第二溫度(860°C)降溫 到第一溫度(760°C)。此時，停止TMGa的供給，僅供給氨(NH3) 而使其流量例如為8 (slm)。
以預定次數反覆進行以上的阱層生長工序、中間層生長工序及阻擋層生長工序，從而形成圖4 (a)所示的活性層43。
圖6是表示通過以上製造方法製造的半導體發光元件1A(裸晶片) 的與供給電流量對應的光輸出特性的圖表。圖7是表示通過以上製造 方法製造的半導體發光元件1A (裸晶片)的與供給電流量對應的發光 波長特性的圖表。如圖7所示，供給電流為20mA時發光波長為530nm， 光輸出為2.0mW (外部量子效率為4.2%)，此外，用環氧樹脂澆鑄該 裸晶片，燈泡化時的光輸出為6.0mW (外部量子效率為12.6%)
對通過上述量子阱結構的製造方法及半導體發光元件1A獲得的 作用效果進行說明。本實施方式的量子阱結構的製造方法，在生長阱 層43a的工序和生長阻擋層43b的工序之間包括生長中間層43c的工 序，在該生長中間層43c的工序中，使藍寶石基板40的基板溫度Tg 從第一溫度(例如76(TC)逐漸升溫的同時生長中間層43c，該中間層 43c包括帶隙能量大於阱層43a的帶隙能量的III族氮化物半導體。該 中間層43c在之後的生長阻擋層43b的工序中保護阱層43a，因此在生 長阻擋層43b的工序中，即使將基板溫度Tg升溫到高溫(第二溫度、 例如86(TC)，也可以抑制阱層43a的結晶結構的分解。
在此，通過本發明人的研究得知，中間層43c的膜厚為lnm以下 時對阱層43a的保護不充分，阱層43a的結晶結構的分解得以推進，發 光特性變化。圖8表示作為與本實施方式相對的比較例，使中間層的 生長在厚度lnm的時刻停止，直接使基板溫度Tg上升而生長阻擋層時 的(a)基板溫度丁g的轉變、(b) TMGa的供給量的轉變、(c) NH3 的供給量的轉變。
參照圖8，首先在期間Tll中生長成為阱層的InGaN結晶。在該 工序中，將基板溫度Tg保持為例如76(TC等較低的低溫，並且生長阱 層。此外，TMGa的流量Qca例如設為15.6 (pmol/min)，氨(NH3) 的流量Qv例如設為8( slm) ， TMIn的流量QIn例如設為58.0( pmoI/min)。接下來在期間T12中生長成為中間層的GaN結晶。在該工序中， 使基板溫度Tg為阱層生長時的溫度(例如760°C ) ， TMGa的流量Q&、 氨(NH3)的流量Qv分別與阱層生長時相同，停止TMIn的供給。並 且使成為中間層的GaN結晶生長到lnm的厚度。接著在期間T13中停止除了氨(NH3)以外的所有原料氣體的供 給，將基板溫度Tg從阱層生長時的溫度(例如76(TC)升溫到阻擋層 生長時的溫度(例如86(TC)。並且在期間T14中生長成為阻擋層的 GaN結晶。在該工序中，將基板溫度保持為例如86(TC等較高的高溫， 並且在中間層上生長阻擋層。此外，TMGa的流量Qoa例如設為24.4 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv例如設為6 (slm)，停止TMIn 的供給。其後，在圖中的期間T15中，將基板溫度rg從阻擋層生長時 的溫度(例如86(TC)降溫到阱層生長時的溫度(例如76(TC)。此時， 停止TMGa及TMIn的供給，僅供給氨(NH3)而使其流量例如為8(slm)。對由通過圖8所示的方法製造的多重量子阱結構構成的活性層， 與由通過本實施方式的方法製造的多重量子阱結構構成的活性層43進 行比較，如下所示。圖9是表示這些多重量子阱結構中的光致發光(PL) 譜的圖表。在圖9中，特性線Gl表示本實施方式的活性層43 (中間 層43c的厚度為2.5nm)的PL譜，特性線G2表示通過圖8所示的方 法製造的活性層(中間層的厚度為lnm)的PL譜。另外，圖9的橫軸 表示發光波長(nm)，縱軸表示PL強度(任意單位)。如圖9所示， 在本實施方式的多重量子阱結構(特性線G1)中，在500nm以上的較 長的波長區域中良好地獲得PL，與之相對，在通過圖8所示的方法制 造的多重量子阱結構(特性線G2)中，其PL波長變短。此外，圖IO是表示由通過圖8所示的方法製造的多重量子阱結構 構成的活性層、和由通過本實施方式的方法製造的多重量子阱結構構 成的活性層43中的X線衍射(XRD)的結果的圖表。在圖10中，特性線G3表示本實施方式的活性層43的分析結果，特性線G4表示圖8 所示的方法下的活性層的分析結果。如圖10所示，在本實施方式的多 重量子阱結構(特性線G3)中良好地獲得了包括阱層43a及阻擋層43b 的周期結構，與之相對，在通過圖8所示的方法製造的多重量子阱結 構(特性線G4)中，其周期結構崩潰。該多重量子阱結構的PL波長 (圖9)短波長化的原因推測為基於這種周期結構的不正確性。圖11是表示設於阱層43a及阻擋層43b之間的中間層43c的層厚 與阱層43a的PL強度的關係的圖表。在圖U中，特性線G5 G10分 別表示中間層43c的厚度為Onm、 1.3nm、 2.5nm、 29nm、 3.3nm及3.8nm 時的PL譜。此外，圖12 (a)表示PL譜的峰值波長和中間層43c的 層厚的關係，圖12 (b)表示PL強度和中間層43c的層厚的關係。如 圖11及圖12 (a)所示，沒有中間層43c時(圖11的特性線G5)， 多重量子阱結構的周期結構崩潰，從而PL波長短波長化，光譜形狀向 短波長區域變化。與之相對，在中間層43c的厚度適當時(圖ll的特 性線G6 G8)，中間層43c越厚則阱層43a的結晶結構的分解越被抑 制，獲得較長的PL波長。此外，根據圖11及圖12 (b)可知，中間層43c過厚時(圖11 的特性線G9、 G10) ， PL強度本身下降。其原因推測為，由於中間層 43c在較低的生長溫度下生長，因此中間層43c的膜厚變為3nm以上時， 在其上生長的阻擋層43b的結晶品質下降，無法獲得與阱層43a的In 組成對應的發光特性。根據本實施方式的量子阱結構的製造方法，在生長中間層43c的 工序中，使中間層43c生長為大於lnm且小於3nm的厚度，因此可以 有效地抑制在生長阻擋層43b時的高溫下的阱層43a的結晶結構的分 解，實現與In組成對應的發光特性。此外優選如本實施方式那樣，使生長中間層43c的工序中中間層43c的生長速度小於生長阻擋層43b的工序中阻擋層43b的生長速度。 由此，可以使因以較低的基板溫度Tg生長而導致結晶品質低的中間層 43c的膜厚較薄。(第二實施方式)圖13是表示第二實施方式的量子阱結構的製造方法的圖。圖13 (a)表示通過與圖5所示的方法不同的方法生長活性層43時的藍寶石基板40的溫度(基板溫度Tg)的轉變，圖13 (b)表示鎵原料氣體 (三甲基鎵，TMGa)的供給量的轉變，圖13 (c)表示氮原料氣體(氨，NH3)的供給量的轉變。首先，在圖中的期間T21中生長成為阱層43a的InGaN結晶。在 生長阱層43a的工序中，將基板溫度Tg保持在第一溫度、例如760'C 等較低的低溫並進行阱層43a的生長。此外在生長阱層43a的工序中， TMGa的流量QGa例如設為15.6 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv 例如設為8 (slm) ， TMIn的流量Q^例如設為58.0 (,1/min)。此 外，阱層43a的生長速度例如設為0.2 (pm/小時)。接下來在期間T22中生長成為中間層43c的一部分的InGaN結晶 (第一中間層生長工序)。在該第一中間層生長工序中，使基板溫度 Tg從阱層43a生長時的第一溫度(例如76(TC)逐漸升溫，同時在阱 層43a上生長InGaN結晶。此外，在第一中間層生長工序中，TMGa 的流量Qck例如設為15.6 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv例如設 為6 (slm)，停止TMIn的供給。此外，使中間層43c的生長速度比 後述阻擋層43b的生長速度慢，例如為0.2pm/小時。接下來在圖中的期間T23中中斷中間層43c的生長(即，停止 TMGa及TMIn的供給)，在上述第一中間層生長工序之後繼續使基板 溫度Tg逐漸升溫(升溫工序)。另外，在該升溫工序中，繼續供給氨 (NH3)而使其流量Qv例如設為6 (slm)。接著在圖中的期間T24中，在升溫工序之後使基板溫度Tg逐漸升 溫到第二溫度、例如86(TC等較高的高溫，同時進一步生長中間層43c 的剩餘部分(第二中間層生長工序)。此時，使通過第一中間層生長 工序及第二中間層生長工序獲得的中間層43c的合計厚度大於lnm且 小於3nm。在該第二中間層生長工序中，TMGa的流量Qca例如設為 4.2 ((imoI/min)，氨(NH3)的流量Qv例如設為6 (slm)。此外，使 中間層43c的生長速度比後述阻擋層43b的生長速度慢，例如為0.04pm/ 小時。接下來在圖中的期間T25中生長成為阻擋層43b的GaN結晶。在 生長阻擋層43b的工序中，將基板溫度Tg保持在第二溫度(86(TC), 並且在中間層43c上生長阻擋層43b。此外在生長阻擋層43b的工序中， TMGa的流量Qca例如設為24.4 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv 例如設為6 (slm)，停止TMIn的供給。此外，阻擋層43b的生長速 度例如設為0.化m/小時。接著在圖中的期間T26中將基板溫度Tg從第二溫度(860°C)降 溫到第一溫度(760°C)。此時，停止TMGa及TMIn的供給，僅供給 氨(NH3)而使其流量例如為8 (slm)。以預定次數反覆進行以上的阱層生長工序、第一中間層生長工序、 升溫工序、第二中間層生長工序及阻擋層生長工序，從而形成第二實 施方式的活性層43。另外，關於為了製造半導體發光元件1A的除了 活性層43以外的其他構成的工序，與第一實施方式相同，因此省略詳 細的說明。以上說明的第二實施方式的量子阱結構的製造方法，在生長阱層 43a的工序和生長阻擋層43b的工序之間包括第一中間層生長工序、升 溫工序及第二中間層生長工序，在第一中間層生長工序中，使基板溫度Tg從第一溫度(例如76(TC)逐漸升溫的同時生長中間層43c的一 部分。並且，中間層43c的該一部分保護阱層43a，因此即使將基板溫 度Tg升溫到高溫(第二溫度、例如860°C)時，也可以抑制阱層43a 的結晶結構的分解。此外，在經過了升溫工序的第二中間層生長工序 中，以較高的高溫生長中間層43c的剩餘部分，因此可以提高中間層 43c及在其上生長的阻擋層43b的結晶品質。進而，根據該第二實施方 式的量子阱結構的製造方法，通過與上述第一實施方式同樣地使中間 層43c的合計厚度生長為大於lnm且小於3nm的厚度，可以抑制阱層 43a的結晶結構的分解，實現與阱層43a的In組成對應的發光特性。(第三實施方式)圖14 (a)是作為本發明的第三實施方式而簡要表示半導體發光元 件IB的構成的側剖面圖。作為半導體發光元件1B例如包括面發光的 發光二極體。半導體發光元件IB例如從其厚度方向看是呈一邊為 40(Him的正方形的元件(晶片)。半導體發光元件1B包括n型氮化 鎵類半導體層23;具有包含In的III族氮化物半導體層的活性層25; p 型AlGaN半導體層27;和p型氮化鎵類半導體層29。活性層25設置 在n型氮化鎵類半導體層23上。p型AlGaN半導體層27設置在活性 層25上。p型氮化鎵類半導體層29設置在p型AlGaN半導體層27上。 另外，在p型氮化鎵類半導體層29上設置有未圖示的電極(例如陽極)。n型氮化鎵類半導體層23作為下部包覆層發揮作用。作為n型氮 化鎵類半導體層23的一例，可以使用厚度2000nm的n型GaN半導體 層。此外，p型AlGaN半導體層27作為用於降低來自活性層25的電 子洩漏並提高發光效率的電子阻擋層發揮作用。p型AlGaN半導體層 27的厚度例如為20nm。此外，p型氮化鎵類半導體層29作為用於與 電極電導通的接觸層發揮作用。作為p型氮化鎵類半導體層29的一例， 可以使用厚度50nm的p型GaN半導體層。半導體發光元件1B還包括由InsAlTGa"s.TN半導體(0《S《1， 0《T《1， 0《S+T《1)構成的基板35。基板35在一個實施例中為n型 GaN基板。在基板35的正面35a上設置有n型氮化鎵類半導體層23， 此外在基板35的背面上設置有未圖示的電極(陰極)。活性層25具有量子阱結構，包括阱層25a及阻擋層25b。阱層25a 由在組成中具有In的III族氮化物半導體構成，例如可以由InxGai_xN (0<X<1)構成。阱層25a的發光波長例如為500nm以上。阻擋層25b 由具有比阱層25a的帶隙能量大的帶隙能量的III族氮化物半導體構 成，例如可以由In組成比阱層25a少的InYGai-YN (0《Y<1， Y<X) 構成。另外，作為阻擋層25b的材料，在必要的情況下可以為GaN。 阱層25a的每一層的厚度為10nm以下，例如為4nm。阻擋層25b的厚 度優選比阱層25a厚，阻擋層25b的每一層的厚度例如為12.5nm。來 自活性層25的光經由設於p型氮化鎵類半導體層29上的電極射出。半導體發光元件IB還包括氮化鎵層31。氮化鎵層31設置在活性 層25和p型AlGaN半導體層27之間。氮化鎵層31由在氮氣氛圍下生 長的GaN構成。氮化鎵層31的厚度例如為3nm。此外，半導體發光元件lB還包括n型氮化鎵類緩衝層33。 n型氮 化鎵類緩衝層33設置在n型氮化鎵類半導體層23和活性層25之間。 由InGaN構成的阱層25a的c軸晶格常數大於由GaN構成的n型氮化 鎵類半導體層23的c軸晶格常數(0.51851nm)。在該半導體發光元 件1B中，為了補償n型氮化鎵類半導體層23和活性層25的晶格常數 的不同，而使用n型氮化鎵類緩衝層33。從而活性層25不會受到GaN 的影響便可生長。n型氮化鎵類緩衝層33優選由InGaN構成，n型氮化鎵類緩衝層 33的厚度例如為100nm。 InGaN的生長溫度例如優選為卯O'C以下， 此外例如優選為70(TC以上。圖14 (b)是更詳細地表示本實施方式的活性層25的側剖面圖。如該圖所示，活性層25包括交互層疊有阱層25a及阻擋層25b的多重 量子阱結構。此外，活性層25在阱層25a和阻擋層25b之間還具有中 間層25c。即，本實施方式的活性層25以如下順序進行層疊在阱層 25a上設置中間層25c，在中間層25c上設置阻擋層25b，進而在阻擋 層25b上設置阱層25a。另外，關於該中間層25c的構成及組成，與上 述第一實施方式的中間層5c相同。圖15是表示本實施方式的製造半導體發光元件1B的方法的主要 工序的流程圖。此外，圖16及圖17是用於說明圖15所示的各工序的 圖。首先，在圖15的工序S201中，如圖16 (a)所示準備具有主面 60a的n型GaN基板60。接著在工序S203中製造外延晶圓等基板生產 物。在工序S203a中，如圖16 (b)所示在n型GaN基板60上外延生 長n型氮化鎵類半導體層61及n型氮化鎵類緩衝層62。關於這些層各 自的厚度，例如n型氮化鎵類半導體層61為2000nm， n型氮化鎵類緩 衝層62為100nm。 n型氮化鎵類半導體層61優選為GaN， n型氮化鎵 類緩衝層62優選為InGaN。接著在S203b中，如圖17 (a)所示在n型氮化鎵類緩衝層62上 形成由III族氮化物半導體構成的活性層63。在本實施方式中，在n型 氮化鎵類緩衝層62上依次反覆外延生長阱層63a、中間層63c及阻擋 層63b，從而形成活性層63。活性層63的阱層63a通過生長InxGai.xN (0<X<1)而形成，活性層63的中間層63c通過生長InzGai.zN (0《 Z<1)而形成，活性層63的阻擋層63b通過生長InYGa^N (0《Y<1， Y<X)而形成。阱層63a的每一層的厚度為10nm以下，例如為4nm。 中間層63c的厚度大於lnm且小於3nm，例如為2.5nm。阻擋層63b 的厚度例如為12.5nm。接著在工序S203c中，如圖17 (b)所示在活性層63上外延生長 p型AlGaN半導體層64及p型氮化鎵類半導體層65。 p型AlGaN半導體層64例如為電子阻擋層，p型氮化鎵類半導體層65例如為接觸層。 關於這些層各自的厚度，例如p型AlGaN半導體層64為20nm， p型 氮化鎵類半導體層65為50nm。 p型氮化鎵類半導體層65例如通過生 長GaN而形成。通過以上工序製作外延晶圓。在工序S205中，在外延晶圓的p型氮化鎵類半導體層65上形成 電極(例如陽極)。該電極例如由Ni/Au構成，電極面積例如為1.6X l(T3 (cm2)。此外，在n型GaN基板60的背面上形成另外的電極(例 如陰極)。該電極例如由Ti/Al/Au構成。最後，通過將該外延晶圓分 割為晶片狀，而完成本實施方式的半導體發光元件1B。在此，參照圖18更詳細地說明構成活性層63的量子阱結構的制 造方法的具體例。圖18 (a)表示生長活性層63時的n型GaN基板60 的溫度(基板溫度Tg)的轉變，圖18 (b)表示TMGa的供給量的轉 變，圖18 (c)表示NH3的供給量的轉變，圖18 (d)表示TMIn的供給量的轉變。首先，在圖中的期間T31中生長成為阱層63a的InGaN結晶。在 生長阱層63a的工序中，將基板溫度Tg保持在第一溫度、例如66(TC 等較低的溫度並進行阱層63a的生長。設定為這種低溫是為了在具有 傾斜角(OFF角，主面相對於結晶面傾斜)的n型GaN基板60上確保 InGaN結晶的充分的In組成。此外在生長阱層63a的工序中，TMGa 的流量Qca例如設為24.4 (pmol/min)，氨(NH3)的流量Qv例如設 為8 (slm) , TMIn的流量QU列如設為36.5 (jumol/min)。此外，阱 層63a的生長速度例如設為0.3itim/小時。接下來在期間T32中生長成為中間層63c的InGaN結晶。在生長 中間層63c的工序中，使基板溫度Tg從阱層63a生長時的第一溫度(例 如66(TC)逐漸升溫到阻擋層63b生長時的第二溫度(例如86(TC)， 同時在阱層63a上生長InGaN結晶。此外，在生長中間層63c的工序中，TMGa的流量Qca例如設為2.6 (pmol/min)，氨(NH3)的流量 Qv例如設為6 (slm) ， TMIn的流量QtJ列如設為0.3 (阿ol/min)。 此外，使中間層63c的生長速度比後述阻擋層63b的生長速度慢，例 如為0.04fim/小曰寸。接下來在圖中的期間T33中生長成為阻擋層63b的InGaN結晶。 在生長阻擋層63b的工序中，將基板溫度Tg保持在第二溫度、例如860 。C等較高的溫度，並且在中間層63c上生長阻擋層63b。此外在生長阻 擋層63b的工序中，TMGa的流量Qca例如設為24.4 imol/min)，氨 (NH3)的流量Qv例如設為6 (slm) ， TMIn的流量Qd列如設為1.6 (ILimol/min)。此外，阻擋層63b的生長速度例如設為0.4)im/小時。接著在圖中的期間T34中將基板溫度Tg從第二溫度(860°C)降 溫到第一溫度(760°C)。此時，停止TMGa及TMIn的供給，僅供給 氨(NH3)而使其流量例如為8 (slm)。以預定次數反覆進行以上的阱層生長工序、中間層生長工序及阻 擋層生長工序，從而形成圖17 (a)所示的活性層63。以上說明的本實施方式的量子阱結構的製造方法，在生長阱層63a 的工序和生長阻擋層63b的工序之間包括生長中間層63c的工序，在 該工序中，使基板溫度Tg從第一溫度(例如66(TC)逐漸升溫的同時 生長中間層63c。該中間層63c在之後的生長阻擋層63b的工序中保護 阱層63a，因此在生長阻擋層63b的工序中，即使在將基板溫度Tg升 溫到高溫(第二溫度、例如86(TC)時，也可以抑制阱層63a的結晶結 構的分解。此外，通過與上述第一實施方式同樣地在生長中間層63c 的工序中使中間層63c生長為大於lmn且小於3nm的厚度，可以抑制 阱層63a的結晶結構的分解，實現與In組成對應的發光特性。此外，如本實施方式所示在n型GaN基板60 (35)上生長用於發光波長500nm以上的發光元件的外延晶圓時，需要使基板溫度Tg更低 (在本實施方式中為66(TC)，從而會產生更容易通過生長阻擋層63b (25b)時的高溫分解阱層63a (25a)的結晶結構的問題。針對該問題，根據本實施方式的方法，可以更為顯著地獲得如下效果抑制阱層63a (25a)的結晶結構的分解，實現與阱層63a(25a)的In組成對應的發光特性。本發明的量子阱結構的製造方法、量子阱結構及半導體發光元件， 不限於上述實施方式，還可以進行各種變形。例如，在上述實施方式 中作為具有半導體發光元件的基板的例子，示例了藍寶石基板及GaN基板，但本發明的半導體發光元件也可以使用這以外的基板來實施。 此外，在上述實施方式中作為阱層的組成例示例了 InGaN，但本發明的阱層不限於此，只要是包含in的m族氮化物半導體，也可以具有其他組成。
權利要求
1.一種量子阱結構的製造方法，在基板上形成包括阱層和阻擋層的量子阱結構，所述阱層包含在組成中具有銦的III族氮化物半導體，所述阻擋層包含帶隙能量大於上述阱層的帶隙能量的III族氮化物半導體，上述量子阱結構的製造方法的特徵在於，包括阱層生長工序，將上述基板的溫度保持為第一溫度，並且生長上述阱層；中間層生長工序，使上述基板的溫度從上述第一溫度逐漸升溫，同時在上述阱層上生長中間層，該中間層包含帶隙能量大於上述阱層的帶隙能量的III族氮化物半導體；以及阻擋層生長工序，將上述基板的溫度保持為比上述第一溫度高的第二溫度，並且在上述中間層上生長上述阻擋層，在上述中間層生長工序中，使上述中間層生長為大於1nm且小於3nm的厚度。
2. 根據權利要求1所述的量子阱結構的製造方法，其特徵在於， 在上述中間層生長工序中，使上述中間層的生長速度比上述阻擋層生長工序中的上述阻擋層的生長速度慢。
3. —種量子阱結構的製造方法，在基板上形成包括阱層和阻擋層的量子阱結構，所述阱層包含在組成中具有銦的m族氮化物半導體，所述阻擋層包含帶隙能量大於上述阱層的帶隙能量的III族氮化物半導 體，上述量子阱結構的製造方法的特徵在於，包括阱層生長工序，將上述基板的溫度保持為第一溫度，並且 生長上述阱層；第一中間層生長工序，使上述基板的溫度從上述第一溫度逐漸升 溫，同時在上述阱層上生長中間層，該中間層包含帶隙能量大於上述阱層的帶隙能量的III族氮化物半導體；升溫工序，中斷上述中間層的生長，在上述第一中間層生長工序之後使上述基板的溫度逐漸升溫；第二中間層生長工序，在上述升溫工序之後使上述基板的溫度逐 漸升溫到比上述第 一 溫度高的第二溫度，同時進 一 步生長上述中間層； 以及阻擋層生長工序，將上述基板的溫度保持為上述第二溫度，並且 在上述中間層上生長上述阻擋層，通過上述第一中間層生長工序和上述第二中間層生長工序，使上 述中間層的合計厚度生長為大於lnm且小於3nm的厚度。
4. 根據權利要求3所述的量子阱結構的製造方法，其特徵在於， 在上述第二中間層生長工序中，使上述中間層的生長速度比上述阻擋層生長工序中的上述阻擋層的生長速度慢。
5. 根據權利要求1 4的任一項所述的量子阱結構的製造方法， 其特徵在於，上述阱層的發光波長為500nm以上。
6. 根據權利要求
5的任一項所述的量子阱結構的製造方法， 其特徵在於，上述基板由InsAlTGa,.s.TN半導體構成，其中0《S《1， 0《T《1， 0《S+T《1。
全文摘要
本發明提供一種包含在組成中具有In的III族氮化物半導體的量子阱結構的製造方法，在通過該方法製造的量子阱結構中，可以抑制結晶結構的分解並實現與In組成對應的發光特性。上述方法包括阱層生長工序，將藍寶石基板(15)的溫度保持為第一溫度，並且生長InGaN阱層(5a)；中間層生長工序，使基板(15)的溫度從第一溫度逐漸升溫，同時在阱層(5a)上生長GaN中間層(5c)；以及阻擋層生長工序，將基板(15)的溫度保持為比第一溫度高的第二溫度，並且在中間層(5c)上生長GaN阻擋層(5b)。在中間層生長工序中，使中間層(5c)生長為大於1nm且小於3nm的厚度。
文檔編號H01L33/00GK101626059SQ200910140219
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者上野昌紀, 京野孝史, 住友隆道, 鹽谷陽平, 秋田勝史 申請人:住友電氣工業株式會社