JPH10290051A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH10290051A
JPH10290051A JP9939297A JP9939297A JPH10290051A JP H10290051 A JPH10290051 A JP H10290051A JP 9939297 A JP9939297 A JP 9939297A JP 9939297 A JP9939297 A JP 9939297A JP H10290051 A JPH10290051 A JP H10290051A
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JP
Japan
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substrate
layer
buffer layer
semiconductor device
compound semiconductor
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JP9939297A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuji Hiratani
雄二 平谷
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a buffer layer from a nitride III-V compound semiconductor and to form the morphology of the surface of the buffer layer into an excellent one. SOLUTION: In this device, a buffer layer 2,which is 5 to 100 nm in thickness, is 10<18> to 10<2-> cm<-3> in carbon concentration and consists of a nitride III-V compound semiconductor, is formed between a substrate 1 and at least one layer of an epitaxially grown layer 3 consisting of a nitride III-V compound semiconductor. Here, this layer 2 is formed by a method wherein firstly, a simple substance containing a group III element as its constituent element is fed to the surface of the substrate 1, then, a compound containing such carbon and nitrogen as dimethyl hydrazine and monomethyl hydrazine as its constituent elements is fed to the surface of the substrate 1 along with a simple substance containing the above group III element as its constituent element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系III−V
族化合物半導体から成るエピタキシャル成長層で構成さ
れている半導体装置とその製造方法に関し、更に詳しく
は、前記エピタキシャル成長層の表面モルホロジーが優
れており、基板に対して垂直方向にも駆動電流を流すこ
とができるので、紫外−青色発光のレーザダイオード
(LD)としても使用可能な半導体装置とそれを製造す
る方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nitride-based III-V
More specifically, the present invention relates to a semiconductor device including an epitaxially grown layer made of a group III compound semiconductor and a method for manufacturing the same. More specifically, the surface morphology of the epitaxially grown layer is excellent, and a drive current can flow in a direction perpendicular to the substrate. Therefore, the present invention relates to a semiconductor device that can be used also as a laser diode (LD) that emits ultraviolet-blue light and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaAsやGaPに代表されるIII−V
族化合物半導体のエピタキシャル成長層を備えた半導体
装置は、半導体レーザやダイオードなどの発光素子、ホ
トダイオードやホトトランジスタなどの受光素子、また
FETやHBTなどの電子素子として注目されている。
2. Description of the Related Art III-V represented by GaAs and GaP
2. Description of the Related Art A semiconductor device having an epitaxially grown layer of a group III compound semiconductor has attracted attention as a light emitting element such as a semiconductor laser or a diode, a light receiving element such as a photodiode or a phototransistor, or an electronic element such as an FET or HBT.

【0003】そして、これらIII−V族化合物半導体の
うち、一般式: InxAlyGa1-x-yN (ただし、0≦x≦1,0≦y<1)で示される窒化物
系III−V族化合物半導体は、可視光域から紫外域に亘
って使用可能な発光・受光素子の材料として重要視さ
れ、とくにGaNは青色発光ダイオードの材料として注
目されている。
[0003] Then, among these group III-V compound semiconductor, the general formula: In x Al y Ga 1- xy N ( However, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y <1) with nitride represented III- Group V compound semiconductors are regarded as important materials for light-emitting and light-receiving elements that can be used in the visible light region to the ultraviolet region. In particular, GaN has attracted attention as a material for blue light-emitting diodes.

【0004】ところで、GaNに代表される窒化物系II
I−V族化合物半導体の結晶を成長させるためには、こ
れら材料がいずれも高融点で、しかもその融点における
蒸気圧が高いということもあって、GaAs,GaP,
InPのように、水平ブリッジマン法や引上げ法を適用
することができない。すなわち、窒化物系III−V族化
合物半導体のバルク結晶の製造は困難であり、そのた
め、その単結晶基板を得ることは不可能である。
[0004] By the way, nitrides represented by GaN II
In order to grow a crystal of an IV group compound semiconductor, all of these materials have a high melting point and the vapor pressure at the melting point is high, so that GaAs, GaP,
Unlike InP, the horizontal Bridgman method or the pulling method cannot be applied. That is, it is difficult to manufacture a bulk crystal of a nitride III-V compound semiconductor, and it is impossible to obtain a single crystal substrate thereof.

【0005】したがって、結晶成長に際しては、成長用
の基板として単結晶基板を用いることができないのであ
るから、必然的に異種材料の基板が用いられる。しかし
ながら、窒化物系III−V族化合物半導体の結晶成長の
場合、GaAsやInPの場合とは異なり、その格子定
数と熱膨張係数に整合した材料の成長用基板は存在しな
い。
Therefore, in crystal growth, a single crystal substrate cannot be used as a substrate for growth, and a substrate of a different material is inevitably used. However, unlike the case of GaAs or InP, in the case of crystal growth of a nitride III-V compound semiconductor, there is no substrate for growth of a material matching the lattice constant and the thermal expansion coefficient.

【0006】現在、窒化物系III−V族化合物半導体の
エピタキシャル結晶成長に用いられている基板は、比較
的良質な結晶成長を実現できるということで、サファイ
ヤ(Al23)が主要に採用されている。しかしなが
ら、窒化物系III−V族化合物半導体の結晶格子定数と
Al23結晶との間における格子不整合率は、概ね、1
3%であるので、このまま単純にエピタキシャル成長法
を適用しても、窒化物系III−V族化合物半導体の良質
な結晶を得ることはできない。
At present, sapphire (Al 2 O 3 ) is mainly used for a substrate used for epitaxial crystal growth of a nitride III-V compound semiconductor, since relatively high quality crystal growth can be realized. Have been. However, the lattice mismatch between the crystal lattice constant of the nitride III-V compound semiconductor and the Al 2 O 3 crystal is approximately 1
Since it is 3%, even if the epitaxial growth method is simply applied as it is, a high-quality crystal of a nitride III-V compound semiconductor cannot be obtained.

【0007】このようなことから、現在では、Al23
やアルミナの基板の上に、例えば温度400〜600℃
の低温で厚みが10〜50nm程度である非晶質構造のG
aNやAlNを緩衝層として一旦形成してミスフィット
転位を防止できるような措置を施し、ついでこの緩衝層
の上にGaNなどの単結晶をエピタキシャル成長させ
て、目的の層構造を形成するという方法が行われてい
る。
For these reasons, at present, Al 2 O 3
Or on a substrate of alumina, for example, at a temperature of 400 to 600 ° C.
Of amorphous structure with a thickness of about 10 to 50 nm at low temperature
A method of forming a buffer layer of aN or AlN once to take measures to prevent misfit dislocations, and then epitaxially growing a single crystal such as GaN on the buffer layer to form a desired layer structure. Is being done.

【0008】しかしながら、上記した緩衝層は、その上
に順次積層されていくエピタキシャル成長層におけるミ
スフィット転位を必ずしも完全に抑制することはできな
い。そのため、形成するエピタキシャル成長層の表面に
は組織欠陥が発生してモルホロジーの劣化が認められる
とともに、得られた装置は発光輝度も発光効率も低くな
るという傾向を示している。
However, the above-mentioned buffer layer cannot always completely suppress the misfit dislocation in the epitaxially grown layer sequentially laminated thereon. Therefore, a structure defect is generated on the surface of the epitaxially grown layer to be formed, and the morphology is deteriorated. In addition, the obtained device has a tendency that the light emission luminance and the light emission efficiency are low.

【0009】また、基板がAl23の場合には次のよう
な問題も生じてくる。すなわち、用いている基板は電気
絶縁性であるため、例えば当該基板の裏面に装置駆動用
の電極を取り付けることができず、電極を取り付ける場
合には、形成したエピタキシャル成長層にプラス極とマ
イナス極を平面的に装荷せざるを得ない。このことは、
従来のGaAsやInPを基板として用いる場合に比
べ、製造工程数は約倍になることを意味する。
When the substrate is made of Al 2 O 3 , the following problem arises. That is, since the substrate used is electrically insulating, for example, an electrode for driving the device cannot be attached to the back surface of the substrate, and when attaching an electrode, a positive electrode and a negative electrode are formed on the formed epitaxial growth layer. It has to be loaded flat. This means
This means that the number of manufacturing steps is about twice that in the case where GaAs or InP is used as a substrate.

【0010】また、Al23の劈開面はシャープに現れ
ないので、半導体レーザのように、劈開面を共振器とし
て機能させるような素子用の装置にはならないという問
題もある。このようなことから、結晶成長用の基板に関
しては、前記したAl23材料に代わる材料の検討が進
められており、その材料の1つとしてSi単結晶が提案
されている。
Further, since the cleavage plane of Al 2 O 3 does not appear sharply, there is also a problem that it is not a device for an element such that the cleavage plane functions as a resonator as in a semiconductor laser. For these reasons, for a substrate for crystal growth, a study has been made on a material that can replace the above-mentioned Al 2 O 3 material, and a Si single crystal has been proposed as one of the materials.

【0011】Si基板を用いて製造した半導体装置の場
合には、基板としてAl23材料を用いて製造した装置
における上記した2つの問題が解決されるので青色発光
用LDとしての可能性が示唆されている。また、現在の
Si単結晶の製造技術の水準を考慮すれば、基板自体を
大面積でかつ高品位にすることができるので、製造され
る半導体装置の製造コストを安価にすることができると
いう利点がある。
In the case of a semiconductor device manufactured using a Si substrate, the above-mentioned two problems in a device manufactured using an Al 2 O 3 material as a substrate are solved, so that there is a possibility as a blue light emitting LD. Is suggested. Also, considering the current level of Si single crystal manufacturing technology, the substrate itself can be made large in area and high in quality, so that the manufacturing cost of the manufactured semiconductor device can be reduced. There is.

【0012】Si基板の上に窒化物系III−V族化合物
半導体のエピタキシャル成長層を形成する方法としては
次のような方法が知られている。例えば、Si基板の表
面に、Al23基板の場合と同じようにAlNやGaN
の緩衝層を形成し、ついで、III族元素源としては有機
金属化合物や単体を用い、またV族元素源にはアンモニ
アや窒素プラズマを用いて、前記緩衝層の上に目的とす
るエピタキシャル成長層を形成する方法である。
As a method for forming an epitaxially grown layer of a nitride III-V compound semiconductor on a Si substrate, the following method is known. For example, the surface of the Si substrate, AlN as in the case of the Al 2 O 3 substrate and GaN
Then, an organic metal compound or a simple substance is used as a group III element source, and ammonia or nitrogen plasma is used as a group V element source, and a target epitaxial growth layer is formed on the buffer layer. It is a method of forming.

【0013】その場合、緩衝層として機能させるAlN
層やGaN層に関しては、その厚みや結晶性の制御に主
たる注意が払われている。しかしながら、この方法の場
合、現状では、例えば窒素プラズマを制御することはか
なり難しいという問題があり、また仮に表面モルホロジ
ーが優れた成長層が形成されたとしても、それを工業的
レベルで再現性よく量産することは困難である。
In this case, AlN functioning as a buffer layer
For layers and GaN layers, the main attention has been paid to controlling the thickness and crystallinity. However, in the case of this method, at present, for example, there is a problem that it is very difficult to control nitrogen plasma, and even if a growth layer having excellent surface morphology is formed, it can be reproduced with good reproducibility on an industrial level. It is difficult to mass produce.

【0014】また、特開平8−56015号公報には、
結晶成長用の基板としてSi基板を用いる半導体薄膜の
製造方法が提案されている。この方法では、目的とする
エピタキシャル成長層の形成に先立ち、水素ガスと例え
ばメタンガスを含有する加熱雰囲気下でSi基板を熱処
理して当該Si基板の表面に直接炭化層(炭素の拡散
層)を形成する。そして、この炭化層(SiC層)を緩
衝層として機能させ、当該炭化層の上に目的とするエピ
タキシャル成長層を形成する。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-56015 discloses that
A method for manufacturing a semiconductor thin film using a Si substrate as a substrate for crystal growth has been proposed. In this method, prior to forming a target epitaxial growth layer, a Si substrate is heat-treated in a heating atmosphere containing hydrogen gas and, for example, methane gas to form a carbonized layer (carbon diffusion layer) directly on the surface of the Si substrate. . Then, the carbonized layer (SiC layer) is made to function as a buffer layer, and a target epitaxial growth layer is formed on the carbonized layer.

【0015】この方法では、Si基板の表層部を構成し
ているSiC層の格子定数は、例えばGaNの格子定数
と近接した値であるため、このSiC層の上に形成され
ていくエピタキシャル成長層へのミスフィット転位の伝
搬は抑制され、もって成長層の表面モルホロジーは向上
するとされている。
In this method, since the lattice constant of the SiC layer constituting the surface layer of the Si substrate is close to, for example, the lattice constant of GaN, the lattice constant of the SiC layer is reduced to the epitaxial growth layer formed on the SiC layer. It is said that the propagation of misfit dislocations is suppressed and the surface morphology of the growth layer is improved.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、結晶成長用
の基板がいかなる材料であっても、そこに形成された窒
化物系III−V族化合物半導体のエピタキシャル成長層
における表面モルホロジーは良好であり、したがって、
例えば基板としてSi基板を用いれば、当該Si基板の
裏面にも駆動用電極を装荷することにより良好な発光特
性を有する青色発光LDにすることもできる新規な半導
体装置とその製造方法の提供を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, the surface morphology of a nitride III-V compound semiconductor epitaxial growth layer formed on a substrate for crystal growth is excellent regardless of the material. And therefore
For example, if a Si substrate is used as a substrate, it is possible to provide a novel semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can be a blue light emitting LD having good light emitting characteristics by loading a driving electrode on the back surface of the Si substrate. And

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、基板と窒化物系III−V族
化合物半導体から成る少なくとも1層のエピタキシャル
成長層との間に、厚みが5〜100nmで、かつ炭素濃度
が1018〜1020cm-3の窒化物系III−V族化合物半導
体の緩衝層が形成されていることを特徴とする半導体装
置が提供される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a thickness of 5 nm is provided between a substrate and at least one epitaxially grown layer made of a nitride III-V compound semiconductor. in ~ 100 nm, and the semiconductor device, characterized in that the carbon concentration is 10 18 to 10 20 cm nitride-based -3 III-V group compound semiconductor of the buffer layer is formed is provided.

【0018】とくに、前記基板がSi基板であり、また
前記緩衝層が、Al1-xGaxN(ただし、0≦x≦1)
で示される組成の半導体装置が提供される。また、本発
明においては、基板の表面に、窒化物系III−V族化合
物半導体から成る緩衝層と少なくとも1層のエピタキシ
ャル成長層とをこの順序で積層して半導体装置を製造す
る方法において、前記緩衝層を形成する際に、まず最初
に、前記基板の表面にIII族元素の単体を供給し、つい
で、前記III族元素の単体と一緒に炭素および窒素を構
成元素とする化合物を供給することを特徴とする半導体
装置の製造方法(以下、第1の製造方法という)が提供
される。
In particular, the substrate is a Si substrate, and the buffer layer is made of Al 1-x Ga x N (where 0 ≦ x ≦ 1).
Is provided. Further, according to the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device by laminating a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor and at least one epitaxial growth layer on a surface of a substrate in this order, In forming a layer, first, a simple substance of a group III element is supplied to the surface of the substrate, and then a compound containing carbon and nitrogen as constituent elements together with the simple substance of the group III element is supplied. A method for manufacturing a semiconductor device (hereinafter, referred to as a first manufacturing method) is provided.

【0019】また、前記緩衝層を形成する際に、炭素を
ドーピングすることを特徴とする半導体装置の製造方法
(以下、第2の製造方法という)が提供される。
Further, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device (hereinafter referred to as a second manufacturing method), wherein carbon is doped when forming the buffer layer.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置の1例を図1
に示す。図1の層構造の場合、基板1の上には、後述す
る緩衝層2、更にその上にエピタキシャル成長層3が順
次積層されている。なお、エピタキシャル成長層は、図
1のように1層であることに限定されず、任意の複数層
であってよい。
FIG. 1 shows an example of a semiconductor device according to the present invention.
Shown in In the case of the layer structure shown in FIG. 1, a buffer layer 2 to be described later is formed on a substrate 1, and an epitaxial growth layer 3 is further stacked thereon. The epitaxial growth layer is not limited to a single layer as shown in FIG. 1, but may be an arbitrary plurality of layers.

【0021】ここで、基板としては従来のようにAl2
3を用いてもよいが、基板の垂直方向にも駆動電流を
流すことを考慮して導電性の結晶基板を用いることが好
ましい。具体的には、Si単結晶基板、GaAsやGa
PのようなIII−V族化合物半導体から成る単結晶基
板、6H−SiCなどをあげることができる。これらの
うち、安価に入手ができ、また大型化も容易であるなど
の点からSi単結晶基板が好適である。
Here, as the substrate, Al 2
O 3 may be used, but it is preferable to use a conductive crystal substrate in consideration of flowing a drive current also in the vertical direction of the substrate. Specifically, a Si single crystal substrate, GaAs or Ga
A single crystal substrate made of a group III-V compound semiconductor such as P, 6H-SiC, and the like can be given. Among these, a Si single crystal substrate is preferable because it is available at a low cost and is easy to increase in size.

【0022】基板1の上に形成される緩衝層2は、窒化
物系III−V族化合物半導体から成り、その厚みは5〜
100nm、炭素濃度が1018〜1020cm-3になっている
ことを特徴とする。とくに、窒化物系III−V族化合物
半導体としては、次式:Al1 -xGaxN(0≦x≦1)
で示される組成のものが好ましい。理由はいまだ解明さ
れていないが、上記した緩衝層2が基板1とエピタキシ
ャル成長層3との間に形成されていると、前記エピタキ
シャル成長層の形成時におけるミスフィット転位の伝搬
が抑制され、もって形成されたエピタキシャル成長層の
表面モルホロジーが良好になる。
The buffer layer 2 formed on the substrate 1 is made of a nitride III-V compound semiconductor and has a thickness of 5 to 5.
It is characterized by having a carbon concentration of 100 nm and a carbon concentration of 10 18 to 10 20 cm -3 . In particular, as a nitride III-V compound semiconductor, the following formula: Al 1 -x Ga x N (0 ≦ x ≦ 1)
Those having the composition represented by are preferred. Although the reason has not been elucidated yet, if the buffer layer 2 is formed between the substrate 1 and the epitaxial growth layer 3, the propagation of misfit dislocations during the formation of the epitaxial growth layer is suppressed, and the buffer layer 2 is formed. The surface morphology of the epitaxially grown layer becomes good.

【0023】この緩衝層2の形成に際し、その厚みを5
nmより薄くすると、形成された層はまだらな島状構造の
状態で形成されてしまい、そのため、この上に形成され
るエピタキシャル成長層の表面は平坦にならないという
問題が生ずる。また、緩衝層2の厚みが厚くなればなる
ほど、その上に形成されるエピタキシャル成長層の表面
モルホロジーは向上するものの、他方では、この緩衝層
における炭素濃度が後述する範囲にある場合には、抵抗
率が高くなっていくという問題が発生してきて、厚みが
100nmより厚くなると、基板の垂直方向に駆動電流を
流すことが困難になってくる。このようなことから、緩
衝層2の厚みは5〜100nmに設定される。
When the buffer layer 2 is formed, its thickness is set to 5
When the thickness is smaller than nm, the formed layer is formed in a variegated island-like state, and therefore, there is a problem that the surface of the epitaxial growth layer formed thereon is not flat. In addition, as the thickness of the buffer layer 2 increases, the surface morphology of the epitaxial growth layer formed thereon increases, but on the other hand, when the carbon concentration in the buffer layer is in the range described later, the resistivity increases. When the thickness exceeds 100 nm, it becomes difficult to supply a drive current in a direction perpendicular to the substrate. For this reason, the thickness of the buffer layer 2 is set to 5 to 100 nm.

【0024】一方、この緩衝層2には炭素が含有されて
いることを必要とする。その場合、炭素濃度が1018cm
-3より低くなると、その上に形成されたエピタキシャル
成長層における表面モルホロジーの劣化傾向が発現しは
じめるだけではなく、後述する第1の製造方法で当該緩
衝層を形成したときに、III族元素の単体が緩衝層の表
面に液滴となって付着することがあり、その後のエピタ
キシャル成長層の形成が不可能になることがある。
On the other hand, the buffer layer 2 needs to contain carbon. In that case, the carbon concentration is 10 18 cm
When it is lower than −3 , not only the tendency of the surface morphology of the epitaxial growth layer formed thereon to deteriorate tends to begin to develop, but also when the buffer layer is formed by the first manufacturing method described later, the elemental group III element alone May be attached as droplets to the surface of the buffer layer, making it impossible to form an epitaxially grown layer thereafter.

【0025】また、炭素濃度が1020cm-3より高くなる
と、理由は明確ではないが、形成された緩衝層と基板表
面との間に空隙が発生しやすくなってくる。とくに、基
板がGaAs基板やGaP基板の場合に、上記空隙発生
が頻発する傾向にある。以上説明した緩衝層2の上に、
公知の成膜法によって、エピタキシャル成長層を積層し
て本発明の半導体装置が製造される。
When the carbon concentration is higher than 10 20 cm −3 , although the reason is not clear, voids are easily generated between the formed buffer layer and the substrate surface. In particular, when the substrate is a GaAs substrate or a GaP substrate, the above-mentioned voids tend to occur frequently. On the buffer layer 2 described above,
The semiconductor device of the present invention is manufactured by stacking epitaxial growth layers by a known film forming method.

【0026】この半導体装置は例えば公知のガスソース
MBE装置を用いて製造される。まず、第1の製造方法
について説明する。用いるガスソースRMBE装置は、
ゲートバルブで互いに接続された試料準備室と結晶成長
室との2室からなり、それぞれには排気装置が配設され
ていて、両室内を所定の真空度にまで真空引きができる
ようになっている。
This semiconductor device is manufactured using, for example, a known gas source MBE device. First, the first manufacturing method will be described. The gas source RMBE equipment used is
It consists of two chambers, a sample preparation chamber and a crystal growth chamber, which are connected to each other by a gate valve.Each of these chambers has an exhaust device, and both chambers can be evacuated to a predetermined degree of vacuum. I have.

【0027】試料準備室には基板ホルダが配設され、こ
こにセットされた基板を所定温度にまで加熱できるよう
になっている。一方、結晶成長室には、試料準備室から
搬送されてきた基板を把持する基板ホルダが配設され、
ここにセットされた基板の温度を制御できるようになっ
ている。
A substrate holder is provided in the sample preparation chamber, and the substrate set therein can be heated to a predetermined temperature. On the other hand, the crystal growth chamber is provided with a substrate holder for gripping the substrate transferred from the sample preparation chamber,
The temperature of the substrate set here can be controlled.

【0028】そして、結晶成長室には、まず、III族元
素源の供給手段が装着されている。すなわち、金属Ga
の供給手段、金属Alの供給手段、金属Inの供給手段
などであって、具体的には、それぞれの金属を収容した
クヌードセンセルである。また、結晶成長層にはN源
(V族元素)の供給手段が装着されている。すなわち、
アンモニアの供給手段、ジメチルヒドラジンの供給手
段、モノメチルヒドラジンの供給手段などであって、こ
れらから、マスフローコントローラで流量を精密制御し
たN源が結晶成長室内にセットされている基板に照射さ
れるようになっている。
First, a means for supplying a group III element source is installed in the crystal growth chamber. That is, metal Ga
Supply means, metal Al supply means, metal In supply means, etc., and more specifically, Knudsen cells containing the respective metals. A means for supplying an N source (Group V element) is mounted on the crystal growth layer. That is,
Ammonia supply means, dimethylhydrazine supply means, monomethylhydrazine supply means, etc., from which an N source whose flow rate is precisely controlled by a mass flow controller is irradiated onto a substrate set in a crystal growth chamber. Has become.

【0029】更に、結晶成長室には、金属Mgをクヌー
ドセンセルに収容した金属Mgの供給手段と金属Siを
クヌードセンセルに収容した金属Siの供給手段が装着
され、形成されるエピタキシャル成長層にこれら金属を
ドーピングして当該エピタキシャル成長層の導電性を制
御できるようになっている。また、結晶成長室には、放
射温度計と色温度計が装着されて、基板温度の測定・制
御ができるようになっており、更に、可動式の電離真空
計が装着されて、基板の表面に照射されるIII族元素の
照射密度を測定してその制御ができるようになってい
る。
Further, the crystal growth chamber is provided with a supply means of metal Mg containing metal Mg in a Knudsen cell and a supply means of metal Si containing metal Si in a Knudsen cell, and the epitaxial growth formed is formed. The layer is doped with these metals so that the conductivity of the epitaxially grown layer can be controlled. The crystal growth chamber is equipped with a radiation thermometer and a color thermometer so that the substrate temperature can be measured and controlled. In addition, a movable ionization vacuum gauge is installed and the surface of the substrate can be measured. The irradiation density of the group III element to be irradiated is measured and controlled.

【0030】まず、基板に対して洗浄処理を行ったの
ち、当該基板を試料準備室の基板ホルダに保持し、室内
を所定の真空度にまで真空引きし、また基板を加熱する
ことにより、基板の表面に付着している水分などを除去
する。ついで、基板を結晶成長室に搬送して基板ホルダ
に保持して所定温度に加熱・保持し、その表面に緩衝層
を形成する操作に入る。その操作を、Si基板の上にG
aNで緩衝層を形成する場合について説明する。
First, after a cleaning process is performed on a substrate, the substrate is held in a substrate holder in a sample preparation chamber, the chamber is evacuated to a predetermined vacuum degree, and the substrate is heated to obtain a substrate. To remove moisture and the like adhering to the surface. Next, the substrate is transferred to the crystal growth chamber, held in the substrate holder, heated and held at a predetermined temperature, and the operation for forming a buffer layer on the surface is started. The operation is performed on the Si substrate by G
The case where the buffer layer is formed with aN will be described.

【0031】まず最初に、金属GaをSi基板の表面に
照射して基板表面に約1原子層程度の厚みの金属Gaの
層を形成する。ついで、金属Gaの照射を継続しなが
ら、更にジメチルヒドラジンまたは/およびモノメチル
ヒドラジンも同時に供給する。このジメチルヒドラジン
とモノメチルヒドラジンは、それぞれ、(CH3)2N・N
2,CH3NH・NH2で示されるように、炭素と窒素を
構成元素とする化合物である。すなわち、形成すべきG
aN緩衝層にとっては、N源であると同時に炭素源でも
ある。
First, the surface of the Si substrate is irradiated with metal Ga to form a metal Ga layer having a thickness of about one atomic layer on the surface of the substrate. Then, while irradiating the metal Ga, dimethylhydrazine and / or monomethylhydrazine are simultaneously supplied. The dimethylhydrazine and monomethylhydrazine are (CH 3 ) 2 NN
As it is shown by H 2, CH 3 NH · NH 2, a compound as constituent elements carbon and nitrogen. That is, G to be formed
For the aN buffer layer, it is both a N source and a carbon source.

【0032】したがって、上記した一連の操作により、
ジメチルヒドラジンやモノメチルヒドラジンは、熱分解
してその窒素元素は金属Gaを窒化し、同時にメチル基
の炭素元素は前記窒化物の中に分散して、Si基板の上
には、炭素を含有するGaN層が形成されることにな
る。ここでは、窒素源でもあり、また炭素源でもある材
料としてジメチルヒドラジンとモノメチルヒドラジンを
例示したが、本発明の場合、上記材料はこれに限定され
るものではなく、窒素と炭素を構成元素とする化合物で
あって、しかも熱分解して金属Gaと窒化物を形成でき
るような化合物であれば何であってもよい。上記したも
のの外に、例えば、フェニルヒドラジン,ターシャリー
ブチルアミン,アニリンなども使用することができる。
Therefore, by the above series of operations,
Dimethyl hydrazine and monomethyl hydrazine are thermally decomposed and the nitrogen element nitrides the metal Ga, and at the same time the carbon element of the methyl group is dispersed in the nitride, and the GaN containing carbon is deposited on the Si substrate. A layer will be formed. Here, dimethylhydrazine and monomethylhydrazine are illustrated as materials that are both a nitrogen source and a carbon source.However, in the case of the present invention, the above materials are not limited thereto, and nitrogen and carbon are used as constituent elements. Any compound may be used as long as it is a compound that can form a nitride with metal Ga by thermal decomposition. In addition to those described above, for example, phenylhydrazine, tertiary butylamine, aniline and the like can also be used.

【0033】第1の製造方法では、金属GaのSi基板
への照射を最初に行い、ついで金属Gaとジメチルヒド
ラジンまたは/およびモノメチルヒドラジンを同時に供
給することが必須要件である。この操作において、例え
ば最初にジメチルヒドラジンやモノメチルヒドラジンを
Si基板に照射したり、または金属Gaとジメチルヒド
ラジンまたは/およびモノメチルヒドラジンを同時に供
給するとSi基板の表層部は窒化してSiNxに転化し
てしまい、その上に形成されるエピタキシャル成長層の
結晶性を劣化させることになってしまうからである。
In the first manufacturing method, it is an essential requirement that the Si substrate is irradiated with metal Ga first, and then the metal Ga and dimethylhydrazine and / or monomethylhydrazine are simultaneously supplied. In this operation, for example, when dimethylhydrazine or monomethylhydrazine is first irradiated on the Si substrate, or when metal Ga and dimethylhydrazine and / or monomethylhydrazine are supplied simultaneously, the surface layer of the Si substrate is nitrided and converted to SiNx. This is because the crystallinity of the epitaxial growth layer formed thereon is deteriorated.

【0034】この操作において、Si基板の温度が低す
ぎると、ジメチルヒドラジンやモノメチルヒドラジンの
熱分解が進まないため(表面がGa過剰になるため)基
板表面にGaの液滴が生ずるなどの不都合が起こり、ま
た逆に高すぎると、緩衝層の上にモルホロジーが良好な
エピタキシャル成長が起こりづらいなどの不都合が生ず
るので、緩衝層の形成時における基板温度は550〜7
50℃の範囲に制御することが好ましい。
In this operation, if the temperature of the Si substrate is too low, the thermal decomposition of dimethylhydrazine or monomethylhydrazine does not proceed (because the surface becomes excessively Ga), which causes inconveniences such as formation of Ga droplets on the substrate surface. If the temperature is too high, on the other hand, if the epitaxial growth with good morphology is difficult to occur on the buffer layer, it will be difficult.
It is preferable to control the temperature within a range of 50 ° C.

【0035】また、ジメチルヒドラジンやモノメチルヒ
ドラジンの照射量は、形成されるGaN緩衝層の炭素濃
度に影響を与える。この炭素濃度を1018〜1020cm-3
に制御する場合には、これらN(C)源の照射量を2〜
100sccmの範囲に設定すればよい。装置への負荷や形
成された緩衝層の再現性の問題を考えると、ジメチルヒ
ドラジンまたは/およびモノメチルヒドラジンの照射量
は20〜50sccmであることが好ましい。
The irradiation amount of dimethylhydrazine or monomethylhydrazine affects the carbon concentration of the GaN buffer layer to be formed. This carbon concentration is 10 18 to 10 20 cm -3
, The irradiation amount of these N (C) sources is set to 2 to
It may be set in the range of 100 sccm. Considering the load on the apparatus and the problem of reproducibility of the formed buffer layer, the irradiation amount of dimethylhydrazine and / or monomethylhydrazine is preferably 20 to 50 sccm.

【0036】上記した操作を所定時間行うことによっ
て、Si基板の上に厚みが5〜100nmのGaN層を形
成する。なお、Al1-xGaxN(0≦x≦1)からなる
緩衝層を形成する場合には、前記した操作において、ま
ず最初にSi基板の上に金属Alまたは金属Gaのモノ
レイヤーを形成すればよい。
By performing the above operation for a predetermined time, a GaN layer having a thickness of 5 to 100 nm is formed on the Si substrate. In the case of forming a buffer layer made of Al 1-x Ga x N (0 ≦ x ≦ 1), in the above-described operation, first, a monolayer of metal Al or metal Ga is formed on a Si substrate. do it.

【0037】このとき、緩衝層の形成時における温度範
囲はAlの組成比が大きくなるほど広くなる。そして、
AlNの場合は、550〜850℃の範囲になる。しか
しながら、Al1-xGaxN(0≦x≦1)組成の場合、
Alの含有量が増量し、層の厚みが厚くなるにつれて形
成される緩衝層にはクラックが入りやすくなるという問
題がある。
At this time, the temperature range for forming the buffer layer becomes wider as the Al composition ratio increases. And
In the case of AlN, the range is 550 to 850 ° C. However, in the case of Al 1-x Ga x N (0 ≦ x ≦ 1) composition,
As the content of Al increases and the thickness of the layer increases, the buffer layer formed has a problem that cracks are easily formed.

【0038】そのため、Al1-xGaxN(0≦x≦1)
の緩衝層を形成する場合には、Gaモル分率xに応じて
層の厚みを制御することが必要になる。すなわち、x>
0.8の組成の場合には厚みの上限値を100nmに設定
し、x=0.8の組成(Al0.2Ga0.8N)の場合には厚
みの上限値を50nm、x=0の組成(AlN)の場合に
は厚みの上限値を10nmにそれぞれ設定する。そして、
0<x<0.8の組成の場合には、緩衝層の厚みは、xの
値に対応してx=0の場合の厚みの上限値(10nm)と
x=0.8の場合の厚みの上限値(50nm)を比較配分し
て得られた値を上限値にすればよい。
Therefore, Al 1-x Ga x N (0 ≦ x ≦ 1)
When the buffer layer is formed, it is necessary to control the thickness of the layer according to the Ga mole fraction x. That is, x>
In the case of the composition of 0.8, the upper limit of the thickness is set to 100 nm, and in the case of the composition of x = 0.8 (Al 0.2 Ga 0.8 N), the upper limit of the thickness is 50 nm, and the composition of x = 0 ( In the case of (AlN), the upper limit of the thickness is set to 10 nm. And
In the case of a composition of 0 <x <0.8, the thickness of the buffer layer corresponds to the upper limit of the thickness when x = 0 (10 nm) and the thickness when x = 0.8, corresponding to the value of x. The value obtained by comparing and distributing the upper limit value (50 nm) may be set as the upper limit value.

【0039】このようにして形成した緩衝層の上に、II
I族元素源の供給手段から所定のIII族元素を、またN源
の供給手段からN源を供給して所定組成のエピタキシャ
ル成長層が形成される。なお、このとき、金属Mgや金
属Siをドーピングすることにより、形成するエピタキ
シャル成長層の導電性が制御される。次に、第2の製造
方法について説明する。
On the buffer layer thus formed, II
A predetermined group III element is supplied from the supply means of the group I element source, and an N source is supplied from the supply means of the N source to form an epitaxial growth layer having a predetermined composition. At this time, the conductivity of the epitaxial growth layer to be formed is controlled by doping the metal Mg or the metal Si. Next, a second manufacturing method will be described.

【0040】この製造方法で使用する装置の場合、前記
したガスソースMBE装置の結晶成長室に、更に、炭素
源の供給手段が装着されている。具体的には、プロパ
ン,ブタンのような供給手段が装着されている。これら
の流量はマスフローコントローラで制御される。また、
炭素源から炭素を効率よく緩衝層に取り込ませるため
に、その供給手段には加熱機構が付設されている。
In the case of the apparatus used in this manufacturing method, the crystal growth chamber of the above-mentioned gas source MBE apparatus is further provided with a carbon source supply means. Specifically, a supply means such as propane or butane is mounted. These flow rates are controlled by a mass flow controller. Also,
In order to efficiently incorporate carbon from the carbon source into the buffer layer, a heating mechanism is attached to the supply means.

【0041】そして、緩衝層は次のようにして形成され
る。最初にSi基板の上に金属Gaや金属Alなどのモ
ノレイヤーを形成することは第1の製造方法の場合と同
様である。ついで、N源の供給手段からN源を、炭素源
の供給手段から炭素源を一緒に前記モノレイヤーの上に
照射する。このときのN源としては、炭素と窒素を構成
元素とする化合物でなくてもよい。具体的にはアンモニ
アを用いることができる。勿論、前記したジメチルヒド
ラジンやモノメチルヒドラジンなどをN源として使用す
ることもできる。
Then, the buffer layer is formed as follows. Forming a monolayer of metal Ga, metal Al, etc. on a Si substrate first is the same as in the first manufacturing method. Next, the monolayer is irradiated together with the N source from the N source supply means and the carbon source from the carbon source supply means. At this time, the N source need not be a compound containing carbon and nitrogen as constituent elements. Specifically, ammonia can be used. Of course, the above-mentioned dimethylhydrazine, monomethylhydrazine or the like can be used as the N source.

【0042】この操作により、Si基板の上には、炭素
源の熱分解により炭素がドーピングされた状態で含有し
ているGaNなどの窒化物系化合物半導体が所定の厚み
で成長し、目的とする緩衝層が形成される。
By this operation, a nitride-based compound semiconductor such as GaN contained in a state doped with carbon by the thermal decomposition of a carbon source is grown to a predetermined thickness on the Si substrate. A buffer layer is formed.

【0043】[0043]

【実施例】【Example】

実施例1 面方位(111)のn型Si単結基板を用意した。この
基板をアセトンで超音波洗浄し、ついで硝酸による煮沸
を1分間−フッ酸への浸漬を1分間というサイクルを5
回反復して表面の自然酸化膜を除去したのち、ただちに
ガス源MBE装置の試料準備室に導入して基板ホルダに
セットした。
Example 1 A single n-type Si substrate having a plane orientation of (111) was prepared. The substrate was ultrasonically cleaned with acetone, and then boiled with nitric acid for 1 minute and immersed in hydrofluoric acid for 1 minute for 5 cycles.
After repeated removal of the natural oxide film on the surface by repeating the process, the sample was immediately introduced into the sample preparation chamber of the gas source MBE apparatus and set on the substrate holder.

【0044】試料準備室を真空引きして室内の真空度を
1×10-6Paにし、更に基板を300℃に加熱して表面
に吸着している水分子を除去した。ついで、基板を結晶
成長室に搬送して基板ホルダにセットし、室内の真空度
を1×10-7Paにした状態で基板を1000℃で30分
間加熱して熱クリーニングを行った。
The sample preparation chamber was evacuated to a vacuum of 1 × 10 −6 Pa, and the substrate was heated to 300 ° C. to remove water molecules adsorbed on the surface. Then, the substrate was transported to the crystal growth chamber and set in a substrate holder, and the substrate was heated at 1000 ° C. for 30 minutes while the degree of vacuum in the chamber was set at 1 × 10 −7 Pa to perform thermal cleaning.

【0045】そして、次のようにして、Si単結晶基板
の上にGaNから成る緩衝層を形成した。まず、基板温
度を650℃にまで降温して10分間保持し、温度を安
定化させた。その状態を保持したまま、基板表面に金属
Gaを3秒間照射した。そのときの照射条件は、基板位
置に配設された可動式の電離真空計によるGa分子線の
圧力値が3.0×10-5Paを示すように設定した。この条
件のとき、基板の上には、約1層の厚みのGa層が形成
される。
Then, a buffer layer made of GaN was formed on the Si single crystal substrate as follows. First, the substrate temperature was lowered to 650 ° C. and maintained for 10 minutes to stabilize the temperature. While maintaining this state, the substrate surface was irradiated with metallic Ga for 3 seconds. The irradiation conditions at that time were set so that the pressure value of the Ga molecular beam by a movable ionization vacuum gauge provided at the substrate position showed 3.0 × 10 −5 Pa. Under this condition, a Ga layer having a thickness of about one layer is formed on the substrate.

【0046】ついで、金属Gaの照射を継続しながら、
同時に、ジメチルヒドラジンを20sccmの割合で10分
間照射した。厚みが50nmのGaN層が形成された。つ
いで、N源をアンモニアに切り替えて基板温度を850
℃にまで昇温し、10分間保持して温度の安定化を行っ
た。この状態を保持したまま、GaN層の上にエピタキ
シャル成長層を形成して発光装置を製造した。
Then, while continuing the irradiation of the metal Ga,
At the same time, dimethylhydrazine was irradiated at a rate of 20 sccm for 10 minutes. A GaN layer having a thickness of 50 nm was formed. Then, the N source was switched to ammonia and the substrate temperature was set to 850.
The temperature was raised to ° C. and maintained for 10 minutes to stabilize the temperature. While maintaining this state, an epitaxial growth layer was formed on the GaN layer to manufacture a light emitting device.

【0047】すなわちまず、アンモニアを照射しながら
同時にGaとSiも照射して、キャリア濃度が2×10
18cm-3で厚みが2μmのSiドープn型のGaN層をク
ラッド層として形成し、更にその上に、Ga,InとM
gとSiを照射して、n型でキャリア濃度が1×1017
cm-3、厚みが0.1μmのIn0.1Ga0.9Nを活性層とし
て形成した。更に、その上に、アンモニア,Ga,Mg
を照射することにより、p型でキャリア濃度が1×10
18cm-3のGaNクラッド層を形成した。
That is, first, Ga and Si were simultaneously irradiated while irradiating ammonia, and the carrier concentration was 2 × 10
A Si-doped n-type GaN layer having a thickness of 18 cm -3 and a thickness of 2 μm is formed as a cladding layer, and Ga, In and M are further formed thereon.
g and Si to irradiate with n-type carrier concentration of 1 × 10 17
In 0.1 Ga 0.9 N having a cm −3 and a thickness of 0.1 μm was formed as an active layer. Furthermore, ammonia, Ga, Mg
Irradiation, the carrier concentration is 1 × 10
A GaN cladding layer of 18 cm -3 was formed.

【0048】得られた装置の最上層の表面をノマルスキ
ー顕微鏡で観察したところ、組織欠陥が存在しない鏡面
になっていた。なお、製造した装置につき、Siドープ
n型GaN層(緩衝層)の炭素濃度を2次イオン質量分
析法(SIMS)で測定した。その結果、上記緩衝層に
おける炭素濃度は1×1019cm-3であった。
When the surface of the uppermost layer of the obtained device was observed with a Nomarski microscope, it was found to be a mirror surface having no tissue defect. In the manufactured device, the carbon concentration of the Si-doped n-type GaN layer (buffer layer) was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). As a result, the carbon concentration in the buffer layer was 1 × 10 19 cm −3 .

【0049】なお、基板としてp型Si単結晶基板を用
いたところ、製造した装置は実施例1と同様に表面モル
ホロジーが優れているものであった。 実施例2〜5、比較例1〜3 緩衝層を形成するときに、N源の種類とN源の照射量を
表1で示したように変化させたことを除いては実施例1
と同様にして発光装置を製造した。
When a p-type Si single crystal substrate was used as the substrate, the manufactured device had excellent surface morphology as in Example 1. Examples 2 to 5, Comparative Examples 1 to 3 Example 1 except that the type of N source and the irradiation amount of the N source were changed as shown in Table 1 when forming the buffer layer.
A light emitting device was manufactured in the same manner as described above.

【0050】それらの発光装置の表面状態と緩衝層にお
ける炭素濃度を表1に示した。なお、表1におけるN源
の照射量は、基板近傍に配設した可動式の電離真空計で
測定した圧力値で示してある。
Table 1 shows the surface states of these light emitting devices and the carbon concentration in the buffer layer. The irradiation amount of the N source in Table 1 is indicated by a pressure value measured by a movable ionization vacuum gauge disposed near the substrate.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】表1から明らかなように、炭素濃度が10
18〜1020cm-3である緩衝層を形成した装置(実施例2
〜5)は、その表面モルホロジーが優れている。
As is clear from Table 1, when the carbon concentration is 10
18 to 10 20 cm -3 and apparatus of forming a buffer layer is (Example 2
5) are excellent in surface morphology.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体装置はGaNのような窒化物系III−V族窒化物
系化合物半導体から成るエピタキシャル成長層において
組織欠陥が発生せず、その表面モルホロジーが優れてい
る。そして、基板は例えばSi基板のような導電性材料
であってもよいため、その裏面にも装置駆動用の電極を
装荷することができるので、本発明の装置は青色発光L
Dとして有用である。
As is clear from the above description, in the semiconductor device of the present invention, no tissue defect is generated in the epitaxial growth layer made of a nitride III-V nitride compound semiconductor such as GaN, Excellent morphology. Since the substrate may be made of a conductive material such as a Si substrate, for example, an electrode for driving the device can be loaded on the back surface.
Useful as D.

【0054】また、本発明の場合、基板にSi基板を使
用することができるので、全体として大形な装置を安価
に製造することができる。
Further, in the case of the present invention, since a Si substrate can be used as the substrate, a large apparatus as a whole can be manufactured at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の装置例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the apparatus of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 炭素を含有する緩衝層 3 エピタキシャル成長層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Carbon-containing buffer layer 3 Epitaxial growth layer

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、窒化物系III−V族化合物半導
体から成る少なくとも1層のエピタキシャル成長層との
間に、厚みが5〜100nmで、かつ炭素濃度が1018
1020cm-3の窒化物系III−V族化合物半導体の緩衝層
が形成されていることを特徴とする半導体装置。
1. A method according to claim 1, wherein the substrate has a thickness of 5 to 100 nm and a carbon concentration of 10 18 to 10 between the substrate and at least one epitaxially grown layer made of a nitride III-V compound semiconductor.
A semiconductor device comprising a buffer layer of a nitride III-V compound semiconductor of 10 20 cm -3 formed thereon.
【請求項2】 前記基板がSi基板である請求項1の半
導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said substrate is a Si substrate.
【請求項3】 前記緩衝層を形成する窒化物系III−V
族化合物半導体が、次式:Al1-xGaxN(ただし、x
は、0≦x≦1を満足する数を表す)で示される組成を
有する請求項1の半導体装置。
3. A nitride III-V for forming said buffer layer.
A group compound semiconductor is represented by the following formula: Al 1-x Ga x N (where x
Represents a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1).
【請求項4】 基板の表面に、窒化物系III−V族化合
物半導体から成る緩衝層と少なくとも1層のエピタキシ
ャル成長層とをこの順序で積層して半導体装置を製造す
る方法において、 前記緩衝層を形成する際に、まず最初に、前記基板の表
面にIII族元素の単体を供給し、ついで、前記III族元素
の単体と一緒に炭素および窒素を構成元素とする化合物
を供給することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. A method of manufacturing a semiconductor device by laminating a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor and at least one epitaxial growth layer on a surface of a substrate in this order, wherein the buffer layer is When forming, first, a simple substance of a group III element is supplied to the surface of the substrate, and then a compound having carbon and nitrogen as constituent elements is supplied together with the simple substance of the group III element. Semiconductor device manufacturing method.
【請求項5】 前記炭素および窒素を構成元素とする化
合物が、ジメチルヒドラジンまたは/およびモノメチル
ヒドラジンである請求項4の半導体装置の製造方法。
5. The method according to claim 4, wherein the compound containing carbon and nitrogen as constituent elements is dimethylhydrazine and / or monomethylhydrazine.
【請求項6】 基板の表面に、窒化物系III−V族化合
物半導体から成る緩衝層と少なくとも1層のエピタキシ
ャル成長層とをこの順序で積層して半導体装置を製造す
る方法において、 前記緩衝層を形成する際に、炭素をドーピングすること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
6. A method of manufacturing a semiconductor device by laminating a buffer layer made of a nitride III-V compound semiconductor and at least one epitaxial growth layer on a surface of a substrate in this order, wherein the buffer layer is A method for manufacturing a semiconductor device, comprising doping carbon when forming.
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