JP2007324421A - Nitride semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、六方晶系の結晶構造を有するＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device using a SiC substrate having a hexagonal crystal structure.
青色、又は紫色の光を発する半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子として、窒化物半導体発光素子がある。窒化物半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。 As a semiconductor light emitting element such as a semiconductor laser element or a light emitting diode emitting blue or violet light, there is a nitride semiconductor light emitting element. When manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, it is difficult to manufacture a substrate made of GaN. Therefore, a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate made of sapphire, SiC, Si, or the like.
例えば、特許文献１に示されるように、６Ｈ−ＳｉＣ基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ノンドープＧａＮ光閉じ込め層、ＭＱＷ活性層、ノンドープＧａＮ光閉じ込め層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に形成される。 For example, as shown in Patent Literature 1, an n-type AlGaN cladding layer, a non-doped GaN optical confinement layer, an MQW active layer, and a non-doped GaN optical confinement are formed on a 6H-SiC substrate using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). A layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer are formed in this order.
ＳｉＣの種類には、その結晶構造によって、立方晶、六方晶、菱面体晶等があるが、６Ｈ−ＳｉＣ基板は、六方晶の結晶構造を有する。６Ｈ−ＳｉＣ基板の上にＧａＮ系半導体層を積層する場合には、ＳｉＣ基板のＣ面（０００１）が用いられ、（０００１）方位のＳｉＣ基板上に積層したＧａＮ系半導体は、（０００１）方位のウルツ鉱型の結晶構造を持ち、Ｇａのカチオン元素が成長表面方向になる結晶極性を有している。すなわち、ＳｉＣ基板の垂直方向がｃ軸＜０００１＞で積層されている。
上記従来技術のように、ＳｉＣ基板のＣ面（０００１）に積層されたＧａＮ系半導体層は、Ｇａ極性面が成長表面方向となるが、成長したＧａＮ系半導体層のＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ結合界面等では、格子定数が異なるために界面において応力が発生する。また、ｃ軸方向に対称性がなく、Ｃ面成長のエピタキシャル膜には表裏が生じるというウルツ鉱構造のため、上記界面における応力と自発分極に起因するピエゾ分極が起こり、分極電荷が発生し、ヘテロ結合界面に電界が発生する。 As in the prior art, the GaN-based semiconductor layer stacked on the C-plane (0001) of the SiC substrate has a Ga-polar plane in the growth surface direction, but the grown GaN-based semiconductor layer has a GaN / AlGaN heterojunction interface, etc. Then, since the lattice constants are different, stress is generated at the interface. In addition, because of the wurtzite structure in which there is no symmetry in the c-axis direction and the front and back sides of the epitaxial film grown on the C-plane, piezo-polarization due to stress and spontaneous polarization occurs at the interface, and polarization charges are generated. An electric field is generated at the heterojunction interface.
この電界は、例えば、ノンドープＧａＮ光閉じ込め層からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層に向かって発生するので、発生した電界によって、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層からノンドープＧａＮ光閉じ込め層に流れ込む正孔が電気的な反発を受けてＭＱＷ活性層に流れ込めなくなり、キャリア空乏化が発生して駆動電圧が上昇する。また、電界の発生方向が逆になった場合には、ｎ側のＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面で同様な現象が発生する。駆動電圧の上昇は、窒化物半導体素子の寿命を短くすることになる。また、発光素子の場合には、量子井戸に生じた電界により、キャリアの分極が起きるため、発光効率の低下、発光波長のシフトを招く。 For example, since this electric field is generated from the non-doped GaN optical confinement layer toward the p-type AlGaN cladding layer, holes that flow from the p-type AlGaN cladding layer into the non-doped GaN optical confinement layer are electrically repelled by the generated electric field. As a result, it cannot flow into the MQW active layer, carrier depletion occurs, and the drive voltage rises. In addition, when the direction of electric field generation is reversed, a similar phenomenon occurs at the n-side GaN / AlGaN interface. An increase in the driving voltage shortens the lifetime of the nitride semiconductor device. In the case of a light-emitting element, carrier polarization occurs due to an electric field generated in the quantum well, resulting in a decrease in light emission efficiency and a shift in light emission wavelength.
そこで、窒化物半導体の成長方向が、ＧａＮのＮ（窒素）極性やＧａ極性とは異なる無極性面になるようにするために、ＳｉＣ基板の成長面として、Ｓｉ極性面（＋Ｃ面）やＣ（炭素）極性面（−Ｃ面）ではない無極性のＭ面（１０−１０）を用いることが考えられる。しかし、ＳｉＣ基板としてＭ面（１０−１０）ジャスト基板を用い、このＭ面上に、ＳｉＣ基板のｍ軸と窒化物半導体のｍ軸とが一致するように窒化物半導体層が形成された場合、平坦な成長面を得ることが困難であるという問題があった。 Therefore, in order for the growth direction of the nitride semiconductor to be a nonpolar surface different from the N (nitrogen) polarity or Ga polarity of GaN, the Si substrate (+ C surface) or C is used as the growth surface of the SiC substrate. It is conceivable to use a nonpolar M-plane (10-10) that is not a (carbon) polar plane (-C plane). However, when an M-plane (10-10) just substrate is used as the SiC substrate, and the nitride semiconductor layer is formed on the M-plane so that the m-axis of the SiC substrate coincides with the m-axis of the nitride semiconductor There is a problem that it is difficult to obtain a flat growth surface.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、六方晶系のＳｉＣ基板上に形成された窒化物半導体において、半導体層間の界面に発生する自発分極やピエゾ分極によるキャリア空乏化を低減させて、駆動電圧を安定させることができるとともに、平坦な窒化物半導体層を成長させることができる窒化物半導体素子を提供することを目的としている。 The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and in a nitride semiconductor formed on a hexagonal SiC substrate, carrier depletion due to spontaneous polarization or piezo polarization generated at the interface between semiconductor layers. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device that can stabilize the driving voltage and can grow a flat nitride semiconductor layer.
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、六方晶系の結晶構造を有するＳｉＣ基板の露出したＭ面上に窒化物半導体を結晶成長させた窒化物半導体素子において、前記ＳｉＣ基板のｍ軸＜１０−１０＞と前記窒化物半導体のｍ軸＜１０−１０＞との間にオフ角が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子半導体発光素子である。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a nitride semiconductor device in which a nitride semiconductor is crystal-grown on an exposed M-plane of an SiC substrate having a hexagonal crystal structure. The nitride semiconductor device is a semiconductor light emitting device characterized in that an off-angle is formed between the m-axis <10-10> and the m-axis <10-10> of the nitride semiconductor.
また、請求項２記載の発明は、前記オフ角は、ａ軸方向への傾斜角度よりもｃ軸方向への傾斜角度の方が大きいことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子である。 According to a second aspect of the present invention, in the nitride semiconductor device according to the first aspect, the off angle is larger in the inclination angle in the c-axis direction than in the a-axis direction. is there.
また、請求項３記載の発明は、前記オフ角は、０．１度以上、４度以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である The invention according to claim 3 is characterized in that the off-angle is not less than 0.1 degrees and not more than 4 degrees, and the nitride semiconductor device according to claim 1 or 2 Is
また、請求項４記載の発明は、前記ＳｉＣ基板の露出したＭ面上に結晶成長させた窒化物半導体側のＭ面が前記オフ角を有することを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である。 According to a fourth aspect of the present invention, the M-plane on the side of the nitride semiconductor grown on the exposed M-plane of the SiC substrate has the off-angle. It is a nitride semiconductor device given in any 1 paragraph.
また、請求項５記載の発明は、前記窒化物半導体側のＭ面のオフ角は、０．１度以上、１０度以下であることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子である。 The invention according to claim 5 is the nitride semiconductor device according to claim 4, wherein an off angle of the M-plane on the nitride semiconductor side is not less than 0.1 degrees and not more than 10 degrees. .
また、請求項６記載の発明は、前記窒化物半導体のうち、前記ＳｉＣ基板に接して形成される半導体は、Ａｌを含む窒化物であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である。 According to a sixth aspect of the present invention, in the nitride semiconductor, a semiconductor formed in contact with the SiC substrate is a nitride containing Al. The nitride semiconductor device according to claim 1.
また、請求項７記載の発明は、前記窒化物半導体のうち、前記ＳｉＣ基板に接して形成される半導体は、不純物としてＳｉがドーピングされていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である。 According to a seventh aspect of the present invention, in the nitride semiconductor, a semiconductor formed in contact with the SiC substrate is doped with Si as an impurity. It is a nitride semiconductor device given in any 1 paragraph.
本発明によれば、ＳｉＣ基板の露出したＭ面上に窒化物半導体を積層しているので、窒化物半導体の成長面は、ＧａＮのＮ（窒素）極性やＧａ極性とは異なる無極性面で形成され、自発分極やピエゾ分極により発生する電界の影響を非常に小さくすることができる。また、ＳｉＣ基板のｍ軸＜１０−１０＞と前記窒化物半導体のｍ軸＜１０−１０＞との間にオフ角が形成されているので、ＳｉＣ基板上に積層された窒化物半導体の成膜の平坦性が良くなる。 According to the present invention, since the nitride semiconductor is laminated on the exposed M surface of the SiC substrate, the growth surface of the nitride semiconductor is a nonpolar surface different from the N (nitrogen) polarity or Ga polarity of GaN. The influence of the electric field generated and generated by spontaneous polarization or piezo polarization can be made very small. In addition, since an off angle is formed between the m-axis <10-10> of the SiC substrate and the m-axis <10-10> of the nitride semiconductor, the formation of the nitride semiconductor stacked on the SiC substrate is performed. The flatness of the film is improved.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の窒化物半導体素子の概略構成を示す。窒化物半導体素子は、ＳｉＣ基板１上に窒化物半導体結晶２をエピタキシャル成長させた構造となっている。ＳｉＣの種類には、その結晶構造によって、立方晶、六方晶、菱面体晶などがあるが、ＳｉＣ基板１には、六方晶（頭文字の表記はＨ）の結晶構造を有するものを用いる。例えば、４Ｈ−ＳｉＣ基板、６Ｈ−ＳｉＣ基板等を用いる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a nitride semiconductor device of the present invention. The nitride semiconductor element has a structure in which a nitride semiconductor crystal 2 is epitaxially grown on a SiC substrate 1. There are cubic, hexagonal, rhombohedral and the like depending on the crystal structure of the SiC, but the SiC substrate 1 having a hexagonal crystal (the initial letter is H) is used. For example, a 4H—SiC substrate, a 6H—SiC substrate, or the like is used.
図５は、六方晶系の結晶構造の模式図を示す。六方晶系の結晶構造は、ウルツ鉱型の結晶構造とも言われ、図５に示す結晶の面や方位はいわゆるミラー指数で表され、例えば、Ｃ面は（０００１）、ｃ軸は＜０００１＞、ａ軸は＜１１−２０＞、ｍ軸は＜１−１００＞と表示する。なお、物理学上の慣用の約束として、（ｈｋｌｍ）はある特定面を指すのではなく、その結晶が持つ空間群において（ｈｋｌｍ）と等価な面全体を表す。同じく＜ｈｋｌｍ＞は、ある特定軸方向と等価な軸方向全体を表す。 FIG. 5 shows a schematic diagram of a hexagonal crystal structure. The hexagonal crystal structure is also called a wurtzite type crystal structure, and the plane and orientation of the crystal shown in FIG. 5 are expressed by so-called Miller indices. For example, the C plane is (0001) and the c axis is <0001>. The a-axis is displayed as <11-20>, and the m-axis is displayed as <1-100>. As a convention in physics, (hklm) does not indicate a specific plane, but represents the entire plane equivalent to (hklm) in the space group of the crystal. Similarly, <hklm> represents the entire axial direction equivalent to a specific axial direction.
ところで、図１に示すように、Ｍ面（１０−１０）を露出させたＳｉＣ基板１上に窒化物半導体結晶２を成長させるが、そのときにＳｉＣ基板１のｍ軸（このｍ軸をｍ軸１とする）方向と、窒化物半導体結晶２のｍ軸（このｍ軸をｍ軸２とする）方向とが一致していなくて、ずれが生じるように形成している。例えば、ＳｉＣ基板１として、その表面がＭ面（１０−１０）ジャスト基板を用いるとして、ＳｉＣ基板１の露出したＭ面上に座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚをとり、各々ａ軸、ｃ軸、ｍ軸１に一致させ、ｍ軸１とｍ軸２とのなす角度、すなわちオフ角をθとする。ここで、ａ軸、ｃ軸、ｍ軸１の各軸は各々直交している。 By the way, as shown in FIG. 1, a nitride semiconductor crystal 2 is grown on an SiC substrate 1 with the M-plane (10-10) exposed. At that time, the m-axis of the SiC substrate 1 (this m-axis is represented by m The direction of the axis 1) and the m-axis direction of the nitride semiconductor crystal 2 (this m-axis is referred to as the m-axis 2) do not coincide with each other, so that a shift occurs. For example, assuming that the surface of the SiC substrate 1 is an M-plane (10-10) just substrate, the coordinate axes X, Y, and Z are taken on the exposed M-plane of the SiC substrate 1, and the a-axis, c-axis, m The angle formed by the m-axis 1 and the m-axis 2, that is, the off-angle is set to θ. Here, the axes of the a-axis, c-axis, and m-axis 1 are orthogonal to each other.
ＳｉＣ基板１上に成長させた窒化物半導体結晶２の表面は、窒化物半導体結晶２におけるＭ面（１０−１０）の面方位から、ＳｉＣ基板１のｍ軸方向にθ度傾斜していることになる。また、オフ角θの成分のうち、ＳｉＣ基板１におけるａ軸とのなす角をθａ、ｃ軸とのなす角をθｃとすると、ｍ軸２は、ａ軸方向にθａ度傾斜し、ｃ軸方向にはθｃ度傾斜していることになる。 The surface of nitride semiconductor crystal 2 grown on SiC substrate 1 is inclined by θ degrees in the m-axis direction of SiC substrate 1 from the plane orientation of the M plane (10-10) in nitride semiconductor crystal 2. become. Of the components of the off-angle θ, if the angle between the SiC substrate 1 and the a-axis is θ a and the angle with the c-axis is θ c , the m-axis 2 is inclined by θ a degrees in the a-axis direction. , It is inclined by θ c degrees in the c-axis direction.
図１を正面から見た図を図３に示す。Ｍ面（１０−１０）ジャスト基板のＳｉＣ基板１上に窒化物半導体結晶２が形成されており、ＳｉＣ基板１のｍ軸１と窒化物半導体結晶２のｍ軸２とのオフ角がθとなっており、窒化物半導体結晶２の表面とＭ面とのオフ角がθとなるように形成される。 The figure which looked at FIG. 1 from the front is shown in FIG. Nitride semiconductor crystal 2 is formed on SiC substrate 1 of the M-plane (10-10) just substrate, and the off angle between m-axis 1 of SiC substrate 1 and m-axis 2 of nitride semiconductor crystal 2 is θ. Thus, the off-angle between the surface of the nitride semiconductor crystal 2 and the M plane is θ.
一方、ＳｉＣ基板１のｍ軸１と、窒化物半導体結晶２のｍ軸２との間にθのオフ角が生じるように構成する方法としては、図３の他に、図４のように構成することもできる。図４の場合は、結晶成長の基礎となるＳｉＣ基板１側をＭ面（１０−１０）ジャスト基板とせずに、傾斜基板を用いるものである。ＳｉＣ基板１として傾斜基板を用いる場合には、ＳｉＣ基板１の面方位が、＜１０−１０＞軸方向とθのオフ角が生じるように、研磨しておく。そして、ＳｉＣ基板１の面方位と同方向に窒化物半導体結晶２の＜１０−１０＞軸が揃うように窒化物半導体結晶２をエピタキシャル成長させる。このようにして、ＳｉＣ基板１のｍ軸１と窒化物半導体結晶２のｍ軸２との間にθのオフ角を形成することができる。 On the other hand, in addition to FIG. 3, a configuration as shown in FIG. 4 is used as a method of forming an θ off angle between the m axis 1 of the SiC substrate 1 and the m axis 2 of the nitride semiconductor crystal 2. You can also In the case of FIG. 4, the inclined substrate is used without using the M-plane (10-10) just substrate on the SiC substrate 1 side that is the basis of crystal growth. When an inclined substrate is used as the SiC substrate 1, the surface orientation of the SiC substrate 1 is polished so that an <10-10> axial direction and an off angle of θ are generated. Then, nitride semiconductor crystal 2 is epitaxially grown so that the <10-10> axis of nitride semiconductor crystal 2 is aligned in the same direction as the plane orientation of SiC substrate 1. In this way, an off angle of θ can be formed between the m-axis 1 of the SiC substrate 1 and the m-axis 2 of the nitride semiconductor crystal 2.
図４でＳｉＣ基板１の面方位が、＜１０−１０＞軸方向とθのオフ角が生じるように、研磨して、傾斜基板とした場合の結晶構造を模式的に表したのが図２である。説明を簡単にするために、θのオフ角が＜１０−１０＞軸からａ軸方向のみに傾斜していると仮定する。Ａ−Ｂは基板表面であり、階段状になっているのは、原子ステップである。この基板は、（１０−１０）面の面方位からθ度、＜１０−１０＞軸方向に傾斜していることがわかる。また、基板表面上では、Ｍ面（１０−１０）だけではなく、ステップ面となっているＡ面（１１−２０）も現われていることがわかる。また、この結晶構造は、図３に示す窒化物半導体結晶２の表面でも同じように発生する。 FIG. 2 schematically shows the crystal structure when the SiC substrate 1 is polished to form an inclined substrate so that the plane orientation of the SiC substrate 1 has a <10-10> axis direction and an off angle of θ. It is. For simplicity of explanation, it is assumed that the off angle of θ is inclined only in the a-axis direction from the <10-10> axis. AB is the substrate surface, and it is atomic steps that are stepped. It can be seen that this substrate is inclined in the direction of [theta] degrees and <10-10> axis from the (10-10) plane orientation. Further, it can be seen that not only the M plane (10-10) but also the A plane (11-20), which is a step plane, appears on the substrate surface. This crystal structure is similarly generated on the surface of the nitride semiconductor crystal 2 shown in FIG.
以上のように、まず、成長面としてＳｉＣ基板１のＭ面を用いることで、その上に結晶成長させた窒化物半導体結晶２の結晶構造も、成長方向面がＧａ極性面やＮ（窒素）極性面ではなく、無極性面となるので、自発分極やピエゾ分極の発生がほとんどなく、キャリア空乏化等を防止できる。 As described above, first, by using the M plane of the SiC substrate 1 as a growth plane, the crystal structure of the nitride semiconductor crystal 2 grown on the M plane is also a Ga polar plane or N (nitrogen). Since it is not a polar surface but a nonpolar surface, there is almost no spontaneous polarization or piezo polarization, and carrier depletion can be prevented.
また、ＳｉＣ基板１のｍ軸＜１０−１０＞と窒化物半導体結晶２のｍ軸＜１０−１０＞との間にオフ角が形成されるように構成しているので、ＳｉＣ基板１に成長した窒化物半導体結晶２の成長表面の平坦性を良くすることができ、良質な窒化物半導体素子を構成することができる。 In addition, since the off-angle is formed between the m-axis <10-10> of the SiC substrate 1 and the m-axis <10-10> of the nitride semiconductor crystal 2, it grows on the SiC substrate 1. The flatness of the grown surface of the nitride semiconductor crystal 2 can be improved, and a high-quality nitride semiconductor device can be configured.
ところで、ｍ軸１とｍ軸２とのオフ角θが形成されていると、ＳｉＣ基板１に成長した窒化物半導体結晶２の平坦性は向上するが、特に０．１度以上、４度以下（０．１≦θ≦４）の範囲で平坦性が保たれる。なお、図４の場合のように、ＳｉＣ基板１として傾斜基板を用いる場合には、オフ角θは、０．１度以上、１０度以下（０．１≦θ≦１０）の範囲で平坦性が保たれる。さらに、オフ角θは、ａ軸方向への傾斜角度θａよりも、ｃ軸方向への傾斜角度θｃ度の方が大きい方が（θａ＜θｃ）、平坦性は向上する。 By the way, when the off angle θ between the m-axis 1 and the m-axis 2 is formed, the flatness of the nitride semiconductor crystal 2 grown on the SiC substrate 1 is improved, but in particular, 0.1 degrees or more and 4 degrees or less. Flatness is maintained in the range of (0.1 ≦ θ ≦ 4). In the case where an inclined substrate is used as the SiC substrate 1 as in the case of FIG. 4, the off angle θ is flat within a range of 0.1 degrees to 10 degrees (0.1 ≦ θ ≦ 10). Is preserved. Further, the flatness is improved when the off angle θ is larger in the inclination angle θ c degree in the c-axis direction than the inclination angle θ a in the a- axis direction (θ a <θ c ).
次に、図３のようにＳｉＣ基板１を（１０−１０）ジャスト基板とし、この上にオフ角を有するように窒化物半導体結晶２を成長させた場合の一例を図６に示す。図６は、レーザ素子構造の例を示すものである。 Next, FIG. 6 shows an example of the case where the SiC substrate 1 is a (10-10) just substrate as shown in FIG. 3 and the nitride semiconductor crystal 2 is grown so as to have an off-angle thereon. FIG. 6 shows an example of a laser element structure.
ＳｉＣ基板１上にＭＯＣＶＤ法により各層を作製する。ＳｉＣ基板１は、窒素ドープのｎ型ＳｉＣ基板を用いて導電性の基板とすれば、基板裏面に電極を形成できる。ＳｉＣ基板１上に、例えば、ｎ型バッファ層３２はＳｉをドープしたＡｌＮ又はＡｌＧａＮを３μｍ成長させ、ｎ型クラッド層３３はＳｉをドープしたＡｌＧａＮを０．５μｍ、ｎ型光ガイド層３４はＳｉをドープしたＧａＮを０．１μｍ成長させ、ＭＱＷ活性層８は、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造とし、ｐ型光ガイド層３６はＭｇをドープしたＧａＮを０．１μｍ、ｐ型クラッド層３７はＭｇをドープしたＡｌＧａＮを０．５μｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層３８を成長させる。その後、ｐ型コンタクト層３８にはＰｄ／Ａｕからなるｐ電極３９、ＳｉＣ基板１の裏面にはＡｌ／Ａｕからなるｎ電極３１が形成される。 Each layer is formed on SiC substrate 1 by MOCVD. If the SiC substrate 1 is a conductive substrate using a nitrogen-doped n-type SiC substrate, an electrode can be formed on the back surface of the substrate. On the SiC substrate 1, for example, the n-type buffer layer 32 is grown with Si doped AlN or AlGaN 3 μm, the n-type cladding layer 33 is Si-doped AlGaN 0.5 μm, and the n-type light guide layer 34 is Si GaN doped with 0.1 μm is grown, and the MQW active layer 8 has a multiple quantum well structure of a barrier layer made of GaN and a well layer made of In 0.07 Ga 0.93 N, and a p-type light guide layer 36 grows 0.1 μm of GaN doped with Mg, and p-type cladding layer 37 grows 0.5 μm of AlGaN doped with Mg, and a p-type GaN contact layer 38. Thereafter, a p-electrode 39 made of Pd / Au is formed on the p-type contact layer 38, and an n-electrode 31 made of Al / Au is formed on the back surface of the SiC substrate 1.
活性層にはＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）、クラッド層にはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いたが、一般にIII族（三族）窒化物半導体として、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を用いることができる。ここで、ｎ型バッファ層３２〜ｐ型コンタクト層３８までが、図３の窒化物半導体結晶２に相当する。 InxGa1-xN (0.ltoreq.x.ltoreq.1) was used for the active layer and AlxGa1-xN (0.ltoreq.x.ltoreq.1) was used for the cladding layer. In general, AlxGayInzN (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) can be used. Here, the n-type buffer layer 32 to the p-type contact layer 38 correspond to the nitride semiconductor crystal 2 of FIG.
その製造方法であるが、ＳｉＣ基板１上にＡｌＮ又はＡｌＧａＮ等で構成されるｎ型バッファ層３２の結晶成長部分をまず説明する。ＳｉＣ基板１のＭ面とｎ型バッファ層３２のＭ面との間にオフ角が形成されるようにｎ型バッファ層３２が積層されれば、その後の窒化物半導体層は、すべて成長面の面方位がｎ型バッファ層３２と同様になる。 As a manufacturing method thereof, the crystal growth portion of the n-type buffer layer 32 made of AlN, AlGaN or the like on the SiC substrate 1 will be described first. If n-type buffer layer 32 is stacked such that an off-angle is formed between the M-plane of SiC substrate 1 and the M-plane of n-type buffer layer 32, all the nitride semiconductor layers thereafter are grown surfaces. The plane orientation is the same as that of the n-type buffer layer 32.
最初に、六方晶の結晶構造を有する４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等からなる基板１をＭＯＣＶＤ装置内に搬送する。次に基板温度を１０００℃〜１１００℃（望ましくは１０４０℃〜１０６０℃）の範囲にし、圧力を１０〜５０ＫＰａ（望ましくは２０〜４０ＫＰａ）にした後、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を１０μモル／分、アンモニア（ＮＨ３）を２０Ｌ／分、水素ベース５０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ4）を１０ｃｃ／分、キャリア水素（Ｈ２）を２０Ｌ／分それぞれ流して、ｎ型ＡｌＮバッファ層３２を例えば３μｍ堆積する。ここで、アンモニアとＴＭＡ等の有機金属とのモル比は、装置によっても異なるが、およそ１００〜１００００（望ましくは３００〜１０００）の範囲で設定される。また、アンモニアの流量についても、装置によるが、通常１〜１００ｓｌｍの範囲に設定される。 First, the substrate 1 made of 4H—SiC, 6H—SiC or the like having a hexagonal crystal structure is transferred into the MOCVD apparatus. Next, the substrate temperature is set to a range of 1000 ° C. to 1100 ° C. (preferably 1040 ° C. to 1060 ° C.) and the pressure is set to 10 to 50 KPa (preferably 20 to 40 KPa). For example, ammonia (NH 3 ) at 20 L / min, hydrogen-based 50 ppm silane (SiH 4 ) at 10 cc / min, and carrier hydrogen (H 2 ) at 20 L / min, respectively, to deposit an n-type AlN buffer layer 32 of 3 μm, for example. To do. Here, the molar ratio of ammonia to an organic metal such as TMA varies depending on the apparatus, but is set in a range of approximately 100 to 10,000 (preferably 300 to 1000). Further, the flow rate of ammonia is usually set in the range of 1 to 100 slm although it depends on the apparatus.
また、ｎ型バッファ層３２としてｎ型ＡｌＧａＮとする場合は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）に加えて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を加えるようにする。その後のｎ型クラッド層３３〜ｐ型コンタクト層３８までの各半導体層については、キャリアガスの水素／窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＴＭＡ、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型、ｐ型にする場合のドーパントガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲内で成長温度を変化させて順次結晶成長させることにより、所定の組成で、所定の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成した。 When n-type AlGaN is used as the n-type buffer layer 32, trimethylgallium (TMG) is added in addition to trimethylaluminum (TMA). For each of the semiconductor layers from the n-type cladding layer 33 to the p-type contact layer 38 thereafter, each of triethylgallium (TEGa), TMG, NH 3 , TMA, trimethylindium (TMIn), etc., together with hydrogen / nitrogen of the carrier gas. A reactive gas corresponding to the component of the semiconductor layer, a dopant gas in the case of n-type and p-type is supplied, and a crystal is grown in order by changing the growth temperature within a range of about 700 ° C. to 1200 ° C. A semiconductor layer having a predetermined conductivity type was formed to a required thickness.
例えば、ＧａＮの成長には、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、および、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ３）を用いた。また、ＩｎＧａＮの成長にはＩｎ原子の原料ガスであるトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｇａ原子の原料ガスであるトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ３）を用いた。 For example, trimethylgallium (TMGa), which is a Ga atom source gas, and ammonia (NH 3 ), which is a nitrogen atom source gas, were used for the growth of GaN. For the growth of InGaN, trimethylindium (TMIn), which is a source gas of In atoms, triethylgallium (TEGa), which is a source gas of Ga atoms, and ammonia (NH 3 ), which is a source gas of nitrogen atoms, were used.
ｎ型不純物およびｐ型不純物には、それぞれ、Ｓｉ不純物およびＭｇ不純物を用いた。これらの不純物をドーピングするためには、Ｓｉ原子の原料ガスであるシラン（ＳｉＨ4）およびＭｇ原子の原料ガスであるシクロペンタジエチルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を他の成長用ガスと同時に供給した。不純物のドーピング濃度は、それぞれの原料ガスの流量によって制御した。 As the n-type impurity and the p-type impurity, Si impurity and Mg impurity were used, respectively. In order to dope these impurities, silane (SiH 4 ), which is a raw material gas for Si atoms, and cyclopentadiethyl magnesium (Cp 2 Mg), which is a raw material gas for Mg atoms, were supplied simultaneously with other growth gases. The doping concentration of impurities was controlled by the flow rate of each source gas.
最後に、ＳｉＣ基板１の裏面にＡｌ／Ａｕ等からなるｎ電極３１を、ｐ型コンタクト層３８の上にＰｄ／Ａｕ等からなるｐ電極３９を蒸着又はスパッタにより形成して図６の窒化物半導体素子が完成する。 Finally, an n-electrode 31 made of Al / Au or the like is formed on the back surface of the SiC substrate 1, and a p-electrode 39 made of Pd / Au or the like is formed on the p-type contact layer 38 by vapor deposition or sputtering, and the nitride shown in FIG. A semiconductor device is completed.
次に、図４に示すように、ＳｉＣ基板１として傾斜基板を用い、その表面上に、ＳｉＣ基板１のｍ軸と窒化物半導体結晶２のｍ軸との間にオフ角が形成されるように、窒化物半導体結晶２を成長させて、成長表面がＭ面となった窒化物半導体素子としてＬＥＤの例を図７に示す。ＳｉＣ基板１は、六方晶の結晶構造を有する４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等からなる基板を用いた。なお、窒素ドープのｎ型ＳｉＣ基板を用いて導電性の基板とすれば、基板裏面に電極を形成でき、ｐ電極とｎ電極が対向した形の窒化物半導体素子を作製できる。 Next, as shown in FIG. 4, an inclined substrate is used as SiC substrate 1, and an off-angle is formed on the surface between m-axis of SiC substrate 1 and m-axis of nitride semiconductor crystal 2. FIG. 7 shows an example of an LED as a nitride semiconductor device in which the nitride semiconductor crystal 2 is grown and the growth surface becomes the M plane. As the SiC substrate 1, a substrate made of 4H—SiC, 6H—SiC or the like having a hexagonal crystal structure was used. If a conductive substrate is formed using a nitrogen-doped n-type SiC substrate, an electrode can be formed on the back surface of the substrate, and a nitride semiconductor element in which a p-electrode and an n-electrode face each other can be manufactured.
図２、４に示すように、まず、ＳｉＣ基板１の成長面にＭ面が露出するようにし、研磨等で、成長面の面方位が＜１０−１０＞軸とオフ角を有するように、基板に傾斜を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ法で、ＳｉＣ基板１上にｎ型窒化物半導体層２１、活性層２２、ｐ型窒化物半導体２３を順に形成する。ここで、ｎ型窒化物半導体層２１〜ｐ型窒化物半導体２３までが、図４の窒化物半導体結晶２に相当する。 As shown in FIGS. 2 and 4, first, the M-plane is exposed on the growth surface of the SiC substrate 1, and the surface orientation of the growth surface has a <10-10> axis and an off angle by polishing or the like. An inclination is formed in the substrate. Next, an n-type nitride semiconductor layer 21, an active layer 22, and a p-type nitride semiconductor 23 are sequentially formed on the SiC substrate 1 by MOCVD. Here, the n-type nitride semiconductor layer 21 to the p-type nitride semiconductor 23 correspond to the nitride semiconductor crystal 2 of FIG.
ｎ型窒化物半導体層２１は、例えば、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層とｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層とで構成される。発光領域としての活性層２２は、一例として、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ又はＩｎＧａＮバリア層を交互に積層した多重量子井戸構造が用いられる。ｐ型窒化物半導体２３は、例えば、ｐ型不純物ＭｇドープのＡｌＧａＮ電子バリア層とｐ型不純物ＭｇドープのＧａＮコンタクト層との積層により構成される。最後にｐ電極４、ｎ電極３を蒸着又はスパッタにより形成する。 The n-type nitride semiconductor layer 21 includes, for example, an n-type impurity Si-doped GaN contact layer and an n-type impurity Si-doped InGaN / GaN superlattice layer. As an example, the active layer 22 as the light emitting region has a multiple quantum well structure in which InGaN well layers and GaN or InGaN barrier layers are alternately stacked. The p-type nitride semiconductor 23 is configured by, for example, a stack of a p-type impurity Mg-doped AlGaN electron barrier layer and a p-type impurity Mg-doped GaN contact layer. Finally, the p electrode 4 and the n electrode 3 are formed by vapor deposition or sputtering.
ｎ電極３については、Ａｌ／Ａｕの多層金属膜等が、ｐ電極４には、Ｐｄ／Ａｕの多層金属膜等が用いられる。 For the n electrode 3, an Al / Au multilayer metal film or the like is used, and for the p electrode 4, a Pd / Au multilayer metal film or the like is used.
各半導体層の製造については、上記図６の場合と同様、キャリアガスの水素／窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型にする場合のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエチルマグネシウム）等の必要なガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成する。 For the production of each semiconductor layer, as in the case of FIG. 6 above, together with hydrogen / nitrogen of the carrier gas, triethylgallium (TEGa), trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium Reaction gases corresponding to the components of each semiconductor layer, such as (TMIn), silane (SiH 4 ) as a dopant gas in the case of n-type, CP 2 Mg (cyclopentadiethylmagnesium as a dopant gas in the case of p-type ) And the like, and a desired conductivity type semiconductor layer having a desired composition is formed to a required thickness by sequentially growing the gas in the range of about 700 ° C. to 1200 ° C.
以上のようにすると、ｎ型窒化物半導体層２１、活性層２２、ｐ型窒化物半導体２３の各層におけるｍ軸は同一方向に揃った状態で積層され、このｍ軸とＳｉＣ基板１のｍ軸とは、オフ角θを形成した状態で堆積される。 As described above, the m-axis in each layer of the n-type nitride semiconductor layer 21, the active layer 22, and the p-type nitride semiconductor 23 is laminated in the same direction, and the m-axis and the m-axis of the SiC substrate 1 are stacked. Is deposited in a state where an off-angle θ is formed.
なお、上記図６及び図７の構成ともに、ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層は、１１００℃程度の温度まで昇温して成長させるが、ＭＱＷ活性層中のＩｎＧａＮ井戸層やＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層については、７００℃〜８００℃の低温で成長させる。
6 and 7, the GaN layer and the AlGaN layer are grown to a temperature of about 1100 ° C., but the InGaN well layer in the MQW active layer and the InGaN / GaN superlattice layer InGaN are grown. The layer is grown at a low temperature of 700 ° C to 800 ° C.
１ ＳｉＣ基板
２ 窒化物半導体結晶
1 SiC substrate 2 Nitride semiconductor crystal
Claims (7)
前記ＳｉＣ基板のｍ軸＜１０−１０＞と前記窒化物半導体のｍ軸＜１０−１０＞との間にオフ角が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。 In a nitride semiconductor device in which a nitride semiconductor is crystal-grown on an exposed M-plane of a SiC substrate having a hexagonal crystal structure,
A nitride semiconductor device, wherein an off angle is formed between an m-axis <10-10> of the SiC substrate and an m-axis <10-10> of the nitride semiconductor.
The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein a semiconductor formed in contact with the SiC substrate among the nitride semiconductors is doped with Si as an impurity. element.
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