JP2000036620A - Multi-layer indium-contained nitride buffer layer for nitride epitaxy - Google Patents

Multi-layer indium-contained nitride buffer layer for nitride epitaxy

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device wherein a cracking due to doping and composition fluctuation is prevented. SOLUTION: A semiconductor device comprising an active structure comprising a substrate, a buffer structure or nucleus generation structure, and a circuit element. The nucleus generation layer is manufactured at a relatively low temperature and comprises at least one layer of an III-V group nitride compound comprising indium. At least one layer (the one directly deposited on a substrate is preferred), of a multi-layer structure, is made of an indium-containing III-V group nitride compound, acting as a buffer layer 16. The indium-containing layer is relaxed with a succeeding AlInGaN epitaxy. As a stress and crack are reduced, the flexibility in composition and doping adjustment is improved. Since the electrical and optical characteristics of a device is decided by the stress and distortion condition in the active structure, the composition and layer-pressure of the nucleus generation layer are adjusted to design the characteristics to a target. An indium-containing nitride of high quality is effectively grown at a relatively low temperature.

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】本発明は一般に、半導体デバ
イス及びその製造分野に関し、特に、異なる基板及び/
または既存の層の組み合わせ上への層を薄膜状に堆積さ
せることに関する。本発明は特に、発光ダイオード(LE
D)等の光電子デバイスに適用可能なものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of semiconductor devices and their fabrication, and more particularly to different substrates and / or devices.
Alternatively, it relates to depositing a layer in a thin film on a combination of existing layers. The invention is particularly applicable to light emitting diodes (LE
It is applicable to optoelectronic devices such as D).

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体製造プロセスは、一般に、シリコ
ンウェハ等の基板から開始し、該ウェハ上に一連のパタ
ーン化された層を堆積させることを必要とする。かかる
層は、ドープされた半導体材料、即ち酸化物等の絶縁層
を含むことが可能である。前記パターンは、フォトレジ
ストマスキングやエッチングその他の技法を用いて形成
される。
2. Description of the Related Art Semiconductor manufacturing processes generally involve starting with a substrate, such as a silicon wafer, and depositing a series of patterned layers on the wafer. Such a layer can include an insulating layer such as a doped semiconductor material, ie, an oxide. The pattern is formed using photoresist masking, etching or other techniques.

【0003】パターン化された層は、回路設計者により
所望される回路構成要素及び機能を備えた活性構造を構
成するものとなる。該パターンは、結果的に得られる半
導体デバイスが前記機能を有するように回路素子及び該
回路素子間の相互接続を画定するものとなる。
[0003] The patterned layers constitute the active structure with the circuit components and functions desired by the circuit designer. The pattern defines the circuit elements and the interconnections between the circuit elements such that the resulting semiconductor device has the function.

【0004】1.薄膜組成 シリコン(Si)及びゲルマニウム(Ge)(両方とも周期
律表のIV族の元素)は、半導体の製造に用いられる一般
的な材料である。特に、多くの基板はシリコンから作成
される。他の基板材料としては、サファイア(Al
2O3)、ガリウムヒ素(GaAs)、及び炭化珪素(SiC)が
挙げられる。
[0004] 1. Thin Film Composition Silicon (Si) and Germanium (Ge) (both elements of group IV of the periodic table) are common materials used in semiconductor manufacturing. In particular, many substrates are made from silicon. Other substrate materials include sapphire (Al
2 O 3 ), gallium arsenide (GaAs), and silicon carbide (SiC).

【0005】半導体デバイス(特に光電子デバイス)の
層作製に一般に用いられる材料は、周期律表のIII族及
びV族の元素を化合させたもの(一般に「III−V族」化
合物と呼ばれる)である。III族の元素には、アルミニ
ウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)が含
まれる。V族の元素には、砒素(As)、燐(P)、及び窒
素(N)が含まれる。最も一般的に用いられているIII−
V族化合物は、おそらくガリウムヒ素(GaAs)である。
A material generally used for forming a layer of a semiconductor device (especially an optoelectronic device) is a compound obtained by combining elements of groups III and V of the periodic table (generally referred to as "III-V" compounds). . Group III elements include aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). Group V elements include arsenic (As), phosphorus (P), and nitrogen (N). The most commonly used III-
The group V compound is probably gallium arsenide (GaAs).

【0006】包括的に窒化物と呼ばれるIII−V族化合物
は、パターン化層の作製に利用される。特に、窒化物
は、発光ダイオード(LED)技術にとって有用なもので
あることが立証されている。
[0006] III-V compounds, collectively referred to as nitrides, are used to make patterned layers. In particular, nitrides have proven useful for light emitting diode (LED) technology.

【0007】窒化化合物には、V族の窒素(N)と共に、
1つ又は2つ以上のIII族の元素が含まれている。例え
ば、III族のガリウムのみを用いる場合には、窒化化合
物は窒化ガリウム(GaN)となる。しかし、III族の元素
の混合物を含むのも一般的である。かかる化合物は、例
えば、InxGa1-xNまたはAlxGa1-xNとして得られるもので
ある。ここで、添字(合計で1になる)は、使用される
III族元素の割合を反映する値を有するものである。
[0007] Nitriding compounds include group V nitrogen (N),
Contains one or more Group III elements. For example, when only group III gallium is used, the nitride compound is gallium nitride (GaN). However, it is also common to include mixtures of Group III elements. Such compounds are, for example, those obtained as In x Ga 1-x N or Al x Ga 1-x N. Here, the subscript (total 1) is used
It has a value that reflects the proportion of Group III elements.

【0008】上述の材料の多くは、活性構造(active st
ructure)を構成するパターン化層の堆積にも利用されて
きた。数あるうちの一例として、Takeuchi等による「Me
thodof Fabricating a Gallium Nitride Based Semicon
ductor Device with an Aluminum and Nitrogen Contai
ning Intermediate Layer」と題する米国特許第5,389,5
71号は、窒化物材料結晶(Ga1-xAlx1-yInyNを活性構
造の一部として有するデバイスについて記載している。
[0008] Many of the materials described above have an active structure.
ructure). As one of many examples, Takeuchi et al.
thodof Fabricating a Gallium Nitride Based Semicon
ductor Device with an Aluminum and Nitrogen Contai
US Patent 5,389,5 entitled `` ning Intermediate Layer ''
No. 71 describes a device having a nitride material crystal (Ga 1-x Al x ) 1-y In y N as part of an active structure.

【0009】2.薄膜格子特性 一般に、半導体材料は、結晶格子という形をとる。これ
は、材料を構成する原子が、列、平面、及び単位格子と
いった規則的なパターンで配列されることを表してい
る。多種多様な格子構造が考えられる。所与の場合にお
ける特定の格子形成は、その格子を構成する材料の特性
である。材料を構成する元素のイオン半径等の様々な要
素は、所与の元素または化合物がどのような種類の結晶
格子構造をとるかに影響を与えるものとなる。
[0009] 2. Thin Film Lattice Properties In general, semiconductor materials take the form of crystal lattices. This indicates that the atoms constituting the material are arranged in a regular pattern such as a row, a plane, and a unit cell. A wide variety of lattice structures are possible. The particular grid formation in a given case is a property of the material making up the grid. Various factors such as the ionic radii of the elements constituting the material influence what kind of crystal lattice structure a given element or compound has.

【0010】特に、薄膜半導体材料を基板上に堆積させ
る場合には、ほぼ平坦な薄膜基板界面が形成される。窒
化化合物の場合、最も一般的に観測される格子構造は、
六角形即ち「六方晶形」である。図1は、六方結晶格子
の単位格子を最も単純に示したものである。該単位格子
は、(参照のため「水平」と示した)平面内に六辺形の
断面を有すると共に該水平面に対して垂直な方向(「垂
直」と表示された)に軸方向に延びる、六角柱の形態を
とる。
In particular, when a thin film semiconductor material is deposited on a substrate, a substantially flat thin film substrate interface is formed. For nitrided compounds, the most commonly observed lattice structure is
Hexagonal, ie "hexagonal". FIG. 1 shows the simplest unit cell of a hexagonal crystal lattice. The unit cell has a hexagonal cross-section in a plane (designated "horizontal" for reference) and extends axially in a direction perpendicular to the horizontal plane (designated "vertical"); Take the form of a hexagonal prism.

【0011】六角座標空間内における特定の位置を表す
ために4つの軸が用いられる。該軸のうちの3つの軸
は、互いに120゜の角度をなして水平面内にあり、a1,
a2,a3と呼ばれる。符号cで示す第4の軸は垂直平面内に
ある。
[0011] Four axes are used to represent a particular location in hexagonal coordinate space. Three of the axes lie in a horizontal plane at an angle of 120 ° to each other, and a 1 ,
They are called a 2 and a 3 . The fourth axis, denoted by c, is in the vertical plane.

【0012】記号(a'1 a'2 a'3 a'4)を用いて該座標
系における平面を表すのが一般的な表記法であり、この
場合、値a'1,a'2,a'3,a'4は、その平面が交差する所与
の軸に沿った座標の逆数(inverse)を表している。平面
が軸と交差しない場合(即ち、平面が軸と平行な場合)
には、用いられる値は0である。例えば、定義するのが
最も容易かつ最も便利な平面の1つが、単位格子の上部
表面の六辺形と交差する上部平面である。該平面は、一
般に「基底面」と呼ばれ、3つのa軸の全てに対して平
行となる。従って、該基底面の平面表記は(0001)にな
る。
It is a general notation to represent a plane in the coordinate system using the symbol (a ′ 1 a ′ 2 a ′ 3 a ′ 4 ). In this case, the values a ′ 1 , a ′ 2 , a '3, a' 4 represents the inverse of the coordinates along the given axis that plane intersects (inverse). When the plane does not intersect the axis (ie when the plane is parallel to the axis)
, The value used is zero. For example, one of the easiest and most convenient planes to define is the upper plane that intersects the hexagon of the upper surface of the unit cell. The plane is commonly called the "base plane" and is parallel to all three a-axes. Therefore, the plane notation of the base surface is (0001).

【0013】半導体デバイスにおける薄膜を構成する格
子は、かかる格子パラメータに関して記述される場合が
多い。窒化物薄膜は、一般に、六方格子構造に形成さ
れ、その基底面は、基板表面及び該基板表面と薄膜との
界面に対して平行に配向される。このため、「a軸」
は、薄膜-基板界面と平行で互いに120゜離隔した3つの
方向のうちの任意の1つを表すものとなる。また、「c
軸」は、薄膜-基板界面に対して垂直な方向を表すもの
となる。
The gratings that make up thin films in semiconductor devices are often described in terms of such grating parameters. The nitride thin film is generally formed in a hexagonal lattice structure, and its basal plane is oriented parallel to the substrate surface and the interface between the substrate surface and the thin film. Therefore, "a-axis"
Represents any one of three directions parallel to the thin film-substrate interface and 120 ° apart from each other. Also, "c
The "axis" represents the direction perpendicular to the thin film-substrate interface.

【0014】本明細書において解説する薄膜層等の結晶
格子は、「格子定数」及び「熱膨張係数」(以下で詳述
する)といったパラメータ値に関して表される。これら
のパラメータ値は、六角座標系のa軸及びc軸に関連して
与えられる。
The crystal lattice of a thin film layer or the like described in this specification is expressed in terms of parameter values such as “lattice constant” and “coefficient of thermal expansion” (described in detail below). These parameter values are given in relation to the a-axis and c-axis of the hexagonal coordinate system.

【0015】しかし、多くの薄膜結晶格子パラメータ
は、それぞれのa軸方向で異なるということがないた
め、それらを表すために2つ以上の軸パラメータが必要
になるということはない。従って、薄膜格子の界面と平
行な方向の特性(interface-parallel properties)を記
述するには1つのパラメータで十分である。窒化物等の
六方晶系の場合には、1つのa軸パラメータしか使用さ
れない。
However, since many thin film crystal lattice parameters do not differ in the respective a-axis directions, it is not necessary to use two or more axis parameters to represent them. Thus, one parameter is sufficient to describe the interface-parallel properties of the thin film lattice in the direction parallel to the interface. In the case of a hexagonal system such as nitride, only one a-axis parameter is used.

【0016】しかし、一般に、薄膜基板界面に対して垂
直な方向における薄膜格子の特性は、該界面に対して平
行な方向における特性とは異なる。このため、c軸パラ
メータは、対応するa軸パラメータとは異なる値を一般
に有する。
However, in general, the characteristics of the thin film grating in a direction perpendicular to the thin film substrate interface are different from the characteristics in a direction parallel to the interface. For this reason, the c-axis parameter generally has a different value than the corresponding a-axis parameter.

【0017】薄膜格子のa軸及びc軸に関するパラメータ
は、一般に、軸で規定される方向に沿った、格子構造内
の同一種類の隣接する原子間の間隔(即ちGa−Ga又はN
−Nの離隔距離)に関係している。
The parameters for the a-axis and c-axis of a thin film lattice are generally the spacing between adjacent atoms of the same type in the lattice structure (ie, Ga-Ga or N
−N separation distance).

【0018】パラメータの1つは、格子定数、即ち原子
の間隔の測度である。
One of the parameters is the lattice constant, a measure of the spacing between atoms.

【0019】もう1つのパラメータは、熱膨張係数であ
り、これは、温度変化に応じた格子定数の膨張または収
縮に関するものであり、1度の温度変化当たりの間隔の
変化に関して与えられる。
Another parameter is the coefficient of thermal expansion, which relates to the expansion or contraction of the lattice constant as a function of temperature and is given in terms of the change in spacing per temperature change.

【0020】上述のように、格子は、該格子を形成する
特定の物質の特性に従って形成される。特に、原子のイ
オン半径によって間隔が決まり、ひいてはa軸及びc軸パ
ラメータの値が決まる。
As mentioned above, the grating is formed according to the properties of the particular material forming the grating. In particular, the spacing is determined by the ionic radius of the atoms, and thus the values of the a-axis and c-axis parameters.

【0021】しかし、薄膜が、基板上又は以前に堆積さ
れた薄膜上に新たに形成される場合には、該新たな薄膜
のa軸パラメータは、その下に位置するもののa軸パラメ
ータに従う傾向がある。下方に位置する格子のため、新
たな層のa軸パラメータは、該下方の格子が存在しない
場合に該新たな層が有することになるa軸パラメータと
は異なるものとなる。このため、該新たな薄膜に応力が
課せられる。
However, when a thin film is newly formed on a substrate or a previously deposited thin film, the a-axis parameter of the new thin film tends to follow the a-axis parameter of the underlying one. is there. Because of the underlying grid, the a-axis parameters of the new layer will be different from the a-axis parameters that the new layer would have if the underlying grid were not present. This places stress on the new thin film.

【0022】更に、新たに堆積される薄膜のa軸パラメ
ータが、その下方に位置する格子構造による影響を受け
る場合には、該薄膜のc軸パラメータも同様に影響を受
ける。これもまた、新たな薄膜の格子に応力を課すもの
となる。
Furthermore, if the a-axis parameter of a newly deposited thin film is affected by the underlying lattice structure, the c-axis parameter of the thin film is also affected. This again imposes stress on the new thin film lattice.

【0023】薄膜層は、その格子がその下方の格子と共
存できるようレイアウトされている場合には「整合状態
にある(in registry)」と言われる。即ち、原子平面(at
omicplane)は、2つの材料間の界面を介して連続してお
り、歪みが存在しない。格子が異なる場合には、薄膜
は、応力を受けずに整合状態に留まることはできない。
即ち、薄膜格子を構成する原子は、互いに一層近接する
よう圧迫され又は一層離間するよう引っ張られて、整合
応力(registry stress)がなくなることになる可能性が
ある。
A thin film layer is said to be "in registry" if its grid is laid out so that it can coexist with the grid below it. That is, the atomic plane (at
omicplane) is continuous through the interface between the two materials and is free of strain. If the lattices are different, the thin films cannot stay in alignment without stress.
That is, the atoms that make up the thin film lattice may be squeezed closer together or pulled farther apart, resulting in a loss of registry stress.

【0024】整合状態を維持できないほど応力を受けた
格子は、転位(一種の格子構造欠陥)を含む傾向のもの
となる。基板と薄膜との間に十分大きなa軸格子パラメ
ータの差が存在する場合、薄膜格子は、転位により(実
際には原子の「行の抜け」又は「余分な行の挿入」によ
り)応力を解放する傾向があり、これにより薄膜格子の
原子の次の行が基板格子と位置合わせされるようにな
る。転位は、不整合状態の格子界面では、ある程度避け
られないものであるが、最小限にとどめることが望まし
い。一般に使用される窒化物材料と基板との間の不整合
が大きいため、窒化物薄膜層において転位が極めて頻繁
に発生する。
A lattice that has been stressed to such an extent that it cannot maintain a matching state tends to contain dislocations (a kind of lattice structural defect). If there is a sufficiently large a-axis lattice parameter difference between the substrate and the thin film, the thin film lattice will relieve stress due to dislocations (actually due to "row-out" or "extra-row insertion" of atoms). This causes the next row of atoms in the thin film lattice to be aligned with the substrate lattice. Dislocations are inevitable to some extent at the lattice interface in the mismatched state, but it is desirable to minimize them. Due to the large mismatch between the commonly used nitride material and the substrate, dislocations occur very frequently in the nitride thin film layer.

【0025】ランダムに配置された点欠陥が、格子構造
の形で生じる場合もある。点欠陥は、原子が存在すべき
格子位置が空格子点であるとか、格子マトリックス要素
の1つをなす原子の位置を不純物原子が占有している等
の場合が考えられる。
In some cases, randomly arranged point defects occur in the form of a lattice structure. The point defect may be such that the lattice position where the atom should exist is a vacancy or that the impurity atom occupies one of the lattice matrix elements.

【0026】3.薄膜作製技法 層を堆積させるための一般的な技法は「エピタキシ」と
呼ばれる。即ち、層は「エピタキシャルに」堆積させら
れると表現され、該層自体は「エピタキシャル」層と表
現される。この技法では、材料層は、周囲環境から基板
表面へと基本的に原子単位で堆積させられる。エピタキ
シャル層を形成する材料は、上述のようにそれ自体の特
性またはその下の層の特性に従って格子をなすよう結晶
化する。
3. Thin Film Fabrication Technique A common technique for depositing layers is called "epitaxy." That is, the layers are described as being "epitaxially" deposited, and the layers themselves are described as "epitaxial" layers. In this technique, a layer of material is deposited from the surrounding environment onto the substrate surface, essentially atomically. The material forming the epitaxial layer crystallizes in a lattice according to its own properties or the properties of the underlying layers as described above.

【0027】かかる技法の例として、有機金属気相エピ
タキシ、分子線エピタキシ、及び、水素化物気相エピタ
キシが挙げられる(これとは対照的に、非エピタキシャ
ル技法は、材料のペレットを基板上に配置し、デバイス
を加熱して該ペレットを基板表面に融着させるものとな
る)。
Examples of such techniques include metalorganic vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy, and hydride vapor phase epitaxy (in contrast, non-epitaxial techniques place a pellet of material on a substrate). Then, the device is heated to fuse the pellet to the substrate surface).

【0028】一般に、エピタキシタイプその他のタイプ
の作製ステップは、何れも室温より数百度(摂氏)高い
温度で行われるが、その温度は、処理ステップのタイプ
及び堆積させる材料のタイプに依存してかなり変動し得
るものである。
Generally, all epitaxy and other types of fabrication steps are performed at temperatures several hundred degrees Celsius (Celsius) above room temperature, but the temperature can be quite significant depending on the type of processing step and the type of material being deposited. It can fluctuate.

【0029】作製プロセスを開発する上での問題の1つ
は、後続のステップに必要とされる温度が先行ステップ
による結果を損なうことにならないように、ステップの
順序付けを行うことにある。
One of the problems in developing the fabrication process is to order the steps so that the temperatures required for subsequent steps do not compromise the results of the preceding steps.

【0030】解決すべき問題点に関する記述 半導体作製プロセスの開発においては、作製プロセスに
より生成される半導体デバイスが適当な品質を有するこ
とを保証するために取り組まなければならないさまざま
な問題が存在する。一般に、「品質」という用語は、半
導体の作製に用いられる場合には、作製された半導体デ
バイスの適正な機能及び信頼性を指すものである。
Description of Problems to be Solved In developing a semiconductor fabrication process, there are various problems that must be addressed to ensure that the semiconductor devices produced by the fabrication process have adequate quality. In general, the term "quality" when used in semiconductor fabrication refers to the proper functioning and reliability of the fabricated semiconductor device.

【0031】質の高い半導体を作製するためには、様々
な層が互いに固着し及び基板に対して固着する必要があ
る。これは、良好な電気特性及び良好な機械構造の両者
にとって必要なことである。
In order to produce a high quality semiconductor, the various layers need to adhere to each other and to the substrate. This is necessary for both good electrical properties and good mechanical structure.

【0032】また、半導体デバイスの品質は、該半導体
デバイスを構成する結晶格子の状態に関連する。格子の
構造の欠陥は、デバイスの品質にとって有害なものとな
る。このため、格子の応力が、上述のように作製された
薄膜層に加えられる場合には、該薄膜格子に対する該応
力の影響を制限し、また少なくとも制御することが必要
である。
The quality of a semiconductor device is related to the state of a crystal lattice constituting the semiconductor device. Defects in the lattice structure can be detrimental to device quality. Thus, when stress of the lattice is applied to a thin film layer fabricated as described above, it is necessary to limit and at least control the effect of the stress on the thin film lattice.

【0033】窒化物エピタキシを取り扱う場合にとりわ
け問題となる面倒な事態は、亀裂の問題である。亀裂が
生じるのは、エピタキシャル薄膜が、張力で引っ張られ
る、即ち、上述のような応力を受ける場合である。一般
に、亀裂は、薄膜-基板界面に対して垂直なものとな
る。
A particular complication when dealing with nitride epitaxy is cracking. Cracks occur when the epitaxial thin film is pulled under tension, ie, when subjected to the stresses described above. Generally, the crack will be perpendicular to the thin film-substrate interface.

【0034】かかる亀裂には、下記のような幾つかの理
由が考えられる。
There are several possible reasons for such cracks, as follows.

【0035】(i)基板及び薄膜を構成する物質間にお
ける格子構造の相違に起因する基板と薄膜との間の格子
の不整合 (ii)基板及び薄膜を構成する材料間における熱膨張係
数の不整合 (iii)材料の高いドーピングレベル (iv)意図的な組成調節、即ち、窒化物デバイスの成長
中に故意に導入された作製材料の化学的構成の変化に起
因する、格子の不整合。
(I) Mismatch of lattice between substrate and thin film due to difference in lattice structure between substances constituting substrate and thin film. (Ii) Mismatch of thermal expansion coefficient between materials constituting substrate and thin film. Matching (iii) High doping level of the material (iv) Intentional compositional adjustment, i.e. lattice mismatch, due to a change in the chemical composition of the fabrication material intentionally introduced during the growth of the nitride device.

【0036】例えば、1100℃を超える典型的な成長温度
で、緩衝層の恩恵を受けずに、AlInGaN層を成長させる
と、モザイク状に組み合わさった六方核(hexagonal nuc
lei)から構成される薄膜が生じることになる。かかる層
は、極めて粗い形態と極めて高いバックグラウンドドナ
ー濃度とを呈するものとなる。結果的に、該層は、上記
特性(i)及び(iii)を有し、亀裂を被りやすいものと
なる。
For example, at typical growth temperatures above 1100 ° C., the growth of an AlInGaN layer without the benefit of a buffer layer results in a mosaic-assembled hexagonal nucleus.
lei). Such a layer will exhibit a very rough morphology and a very high background donor concentration. As a result, the layer has the properties (i) and (iii) described above and is susceptible to cracking.

【0037】格子及び熱膨張係数の不整合 半導体材料は、格子定数、即ち、材料の結晶構造の数学
的な特性化によりその特性が明らかにされる。また、他
の材料と同様に、半導体材料は、熱膨張係数、即ち、温
度変化に応じて材料がどれほど膨張または収縮するかの
測度を有している。
Mismatch in Lattice and Coefficient of Thermal Expansion Semiconductor materials are characterized by the lattice constant, the mathematical characterization of the material's crystal structure. Also, like other materials, semiconductor materials have a coefficient of thermal expansion, a measure of how much the material expands or contracts in response to temperature changes.

【0038】互いに隣接する層は、良好な固着のため
に、互いに同一か又は互いに共存し得る格子構造を有し
ていることが望ましい。格子構造が互いに共存できない
ものである場合には、固着が不十分になり、層が剥離し
て、電気的特性が劣化する。
It is desirable that the layers adjacent to each other have a lattice structure that is the same as each other or coexist with each other for good adhesion. When the lattice structures cannot coexist with each other, the adhesion becomes insufficient, the layers are peeled off, and the electrical characteristics are deteriorated.

【0039】また、隣接する層は、温度が変化した結果
として一方の層の膨張が他方の層の膨張よりも大きくな
って層の剥離が生じることがないように、可能な限り同
様の熱膨張係数を有するべきである。これは、とりわけ
重要である。半導体デバイスの作製は、一般に、その保
管及び利用に比べてはるかに高い温度で行われるからで
ある。完成した半導体デバイスは、室温まで冷却される
と、かなりの熱収縮を生じることになる。
Adjacent layers should also have the same thermal expansion as possible so that the expansion of one layer is not greater than the expansion of the other layer as a result of a temperature change and the layers do not delaminate. Should have a coefficient. This is especially important. This is because the fabrication of semiconductor devices is generally performed at much higher temperatures than their storage and use. When the completed semiconductor device is cooled to room temperature, it will undergo significant heat shrinkage.

【0040】従来のLED構造:緩衝層 窒化物ベースのLEDは、一般に、(i)基板、(ii)核生
成構造又は緩衝構造、及び(iii)活性構造を備えてい
る。本発明は、緩衝構造に関するものである。したがっ
て、デバイス構造を示す図面には、緩衝構造を単一層と
して示す全体図と、単一層緩衝構造を中心にして、緩衝
構造の構造的構成の詳細を拡大して示す「拡大図」との
両方が含まれている。
Conventional LED Structures: Buffer Layer Nitride-based LEDs generally comprise (i) a substrate, (ii) a nucleation or buffer structure, and (iii) an active structure. The present invention relates to a buffer structure. Therefore, the drawings showing the device structure include both an overall view showing the buffer structure as a single layer and an “enlarged view” showing the details of the structural configuration of the buffer structure with the single-layer buffer structure as the center. It is included.

【0041】従来技術及び本発明の図面では、典型的な
層厚がオングストローム単位( )で示されている。こ
れらの値、又は当業者に対して暗黙のうちに示されるこ
とになるその他の値を用いることが可能である。
In the drawings of the prior art and the present invention, typical layer thicknesses are shown in Angstroms (). These values, or other values that would be implied to those skilled in the art, can be used.

【0042】また、以下の説明では、層は互いに対して
「配置」されているものとして記述される。この「配
置」という用語には、1つの層が他の層の上に作製また
は位置決めされることを除き、如何なる構造上の制限を
も加えることを意図したものではない。この用語は、本
明細書に基づくあらゆる作製技術(当業者にとって既知
のもの又は当業者により適切であるとみなされるもの)
によって生成される構造をあまねく包含している。本明
細書に関して表現され又は暗示される唯一の制限は、既
述のように、緩衝層及び活性層エピタキシのための比較
的低い温度及び高い温度に関することである。
Also, in the following description, the layers are described as being "disposed" with respect to each other. The term "arrangement" is not intended to impose any structural restrictions, except that one layer is fabricated or positioned on another layer. This term is used to refer to any fabrication technique based on this specification, either known to or deemed appropriate by one of skill in the art.
Encompasses the structure generated by The only limitation expressed or implied with respect to this specification is, as already mentioned, with respect to the relatively low and high temperatures for the buffer layer and the active layer epitaxy.

【0043】本発明は、LED技術に適用可能なものであ
るため、活性LED構造の幾分詳細な説明を典型的な一例
として示す。該LED活性構造は、n形層とp形層との間の
活性層と接触部とを含んでいる。ただし、これらの構成
要素は本発明にとって不可欠なものではなく単なる典型
例であることが理解されよう。
Since the present invention is applicable to LED technology, a somewhat more detailed description of the active LED structure is given as a typical example. The LED active structure includes an active layer and a contact between an n-type layer and a p-type layer. It will be understood, however, that these components are not essential to the invention and are merely exemplary.

【0044】図2:従来のデバイス 図2は、従来の半導体デバイス即ち汎用的な窒化物LED
の概要を示している。基板は符号2で示され、核生成ま
たは緩衝構造は符号4で示されている。基板2は、サファ
イア(Al2O3)、炭化珪素(SiC)等とすることが可能で
ある。活性構造は、包括的に符号6で示されている。
FIG. 2: Conventional device FIG. 2 shows a conventional semiconductor device, that is, a general-purpose nitride LED.
The outline is shown. The substrate is designated by reference numeral 2 and the nucleation or buffer structure is designated by reference numeral 4. The substrate 2 can be made of sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), or the like. The active structure is indicated generally by the reference numeral 6.

【0045】活性構造6内には、回路要素、相互接続等
が作製されている。該活性構造の詳細は本発明にとって
不可欠なものではなく、このため、ここで示す一例を除
き、活性構造については更に詳述しないことにする。
In the active structure 6, circuit elements, interconnections and the like are formed. The details of the active structure are not essential to the present invention, and thus the active structure will not be described in further detail except for the example given here.

【0046】この事例で示す典型的なLEDの活性構造6
は、p形層10とn形層12との間に活性領域を有している。
これらの層10,12は、回路要素、相互接続要素等を含
み、接触部14,16をそれぞれ有している。「活性領域」
という用語は、LEDの分野で一般に用いられている。こ
こでは、「活性構造」という用語は、層8,10,12及び接
触部14,16、並びに、従来通りに又は本明細書に記載の
本発明に従って緩衝を用いる他のデバイスに含めること
が可能な他の回路要素及び構造を包含させるよう用いら
れたものである。
A typical LED active structure shown in this case 6
Has an active region between the p-type layer 10 and the n-type layer 12.
These layers 10, 12 include circuit elements, interconnect elements, etc., and have contacts 14, 16, respectively. "Active area"
The term is commonly used in the field of LEDs. As used herein, the term "active structure" can be included in layers 8, 10, 12 and contacts 14, 16, as well as other devices that use buffers conventionally or according to the invention described herein. And other circuit elements and structures.

【0047】亀裂、形態、及びバックグラウンドキャリ
ヤ導電率を制御するために従来利用されてきた有効な方
法の1つとして緩衝構造4の挿入がある。該緩衝構造4に
は、緩衝層または核生成層(同義語として用いられる用
語)と呼ばれる層が含まれている。
One effective method conventionally used to control cracks, morphology, and background carrier conductivity is the insertion of a buffer structure 4. The buffer structure 4 includes a layer called a buffer layer or a nucleation layer (a term used as a synonym).

【0048】サファイア基板上に作製されるデバイスの
場合、緩衝層は、典型的には400〜900℃で堆積される。
基板が炭化珪素(SiC)である場合には、緩衝層の堆積
は、更に高い温度(例えば900℃を超える温度)で行わ
れることがある。それにもかかわらず、これらの温度
は、エピタキシのような他のタイプの堆積ステップに用
いられる温度よりも一般に低いが、他の堆積ステップに
用いられる温度を超える温度における堆積を排除するも
のではない。
For devices made on sapphire substrates, the buffer layer is typically deposited at 400-900 ° C.
If the substrate is silicon carbide (SiC), the deposition of the buffer layer may be performed at a higher temperature (e.g., above 900C). Nevertheless, these temperatures are generally lower than those used for other types of deposition steps, such as epitaxy, but do not preclude deposition at temperatures above those used for other deposition steps.

【0049】核生成層または緩衝層は、活性構造6等の
追加の層の成長に先だって堆積される。活性構造6を構
成する層は、緩衝層に用いられる温度よりもはるかに高
温で堆積させられる場合が多い。エピタキシャル窒化物
薄膜といった追加層の品質は、該追加層の下に緩衝層が
作製される場合に劇的に向上する。
A nucleation or buffer layer is deposited prior to the growth of additional layers such as active structure 6. The layers that make up the active structure 6 are often deposited at a much higher temperature than that used for the buffer layer. The quality of an additional layer, such as an epitaxial nitride thin film, improves dramatically when a buffer layer is created below the additional layer.

【0050】従来、緩衝層は、二成分化合物AlN及びGaN
の一方、又は、これら2つの二成分化合物に対して中間
的な何らかのAlGaN組成物を含んでいる。より正確に言
えば、該中間的な組成物はAlGa1-xN(xは0〜1の値)で
表される。
Conventionally, the buffer layer is composed of a binary compound AlN and GaN.
Or some AlGaN composition intermediate to these two binary compounds. More precisely, the intermediate composition is represented by AlGa 1-x N, where x is a value between 0 and 1 .

【0051】かかる低温層の挿入により、サファイア基
板と窒化物エピタキシャル層との間における(i)格子
パラメータ(ii)熱膨張、(iii)表面エネルギー、及
び(iv)結晶構造の大きな相違を克服するための手段が
提供される。しかし、かかる従来の緩衝層には以下に述
べる制限がある。
The insertion of such a low temperature layer overcomes significant differences in (i) lattice parameters, (ii) thermal expansion, (iii) surface energy, and (iv) crystal structure between the sapphire substrate and the nitride epitaxial layer. Means are provided. However, such a conventional buffer layer has the following limitations.

【0052】ドーピング及び組成調整(compositional m
odulations) 典型的な窒化物ベースのデバイスでは、薄膜層に多量の
ドーピングが施される。典型的な光電子デバイスの場
合、ドーパント濃度が1018〜1019を超えることが多い。
Doping and composition adjustment (compositional m
odulations In typical nitride-based devices, the thin film layers are heavily doped. For a typical optoelectronic device, the dopant concentration often exceeds 10 18 to 10 19 .

【0053】また、典型的な窒化物ベースのデバイス
は、幾つかの組成上のヘテロ界面(heterointerface)を
呈するものとなる。ほぼ全ての電子デバイス及び光電子
デバイスは、1つの組成物が別の組成物の上に堆積され
てなる異なる組成物の層から構成される。ヘテロ界面
は、かかる2つの異なる組成物層の間の界面である。例
えば、互いに異なる組成、導電性タイプ、及び厚さを有
するGaN、AlGaN、及びInGaNの層を、互いに直接的な接
触面を有するよう堆積させると、LEDといった光電子デ
バイスが得られる。
Also, typical nitride-based devices will exhibit some compositional heterointerface. Nearly all electronic and optoelectronic devices are composed of layers of different compositions, one composition being deposited on top of another. The heterointerface is the interface between two such different composition layers. For example, layers of GaN, AlGaN, and InGaN having different compositions, conductivity types, and thicknesses are deposited to have direct contact surfaces with each other, resulting in optoelectronic devices such as LEDs.

【0054】ドーピング及びヘテロ界面は、両方とも格
子パラメータに影響を与える。窒化物及び共通基板(Si
C及びサファイア)に関し、a軸及びc軸の格子パラメー
タ並びに膨張係数に関するデータを図3に示す。
Doping and heterointerfaces both affect lattice parameters. Nitride and common substrate (Si
FIG. 3 shows data on lattice parameters and expansion coefficients of the a-axis and c-axis for C and sapphire).

【0055】亀裂は、GaN層がシリコンによりn形にドー
ピングされる場合には、かなり大きな問題を呈するもの
となる。Si原子は、結晶格子のGa原子にとって代わる。
Siは、イオン半径がGaよりも30%小さいものである。そ
の結果、Si原子は、格子内を占める空間に対して「あま
りに小さすぎ」、Si原子の周りの余分な空間のために結
晶内に応力及び歪みの場が生じ、格子が弱体化すること
になる。
Cracking presents a significant problem when the GaN layer is doped n-type with silicon. Si atoms replace Ga atoms in the crystal lattice.
Si has an ionic radius 30% smaller than Ga. As a result, the Si atoms are `` too small '' relative to the space occupying the lattice, and the extra space around the Si atoms creates stress and strain fields in the crystal, which weakens the lattice. Become.

【0056】亀裂はまた、組成の異なる層が互いに堆積
される場合にも問題を呈するものである。III−V窒化物
が呈する極めて剛直な弾性定数に起因して、上に成長さ
れる層が、該層を成長させることになる下の層よりも小
さいa軸格子パラメータを備えている場合には、亀裂は
特に厄介なものとなる。
Cracks are also a problem when layers of different compositions are deposited on one another. Due to the extremely stiff elastic constants exhibited by the III-V nitrides, if the overlying layer has a smaller a-axis lattice parameter than the underlying layer on which it is grown, , Cracks are particularly troublesome.

【0057】更に、窒化物層から構成されるヘテロ構造
は、一般に、a軸(即ち基板薄膜の界面と平行な軸)に
沿って整合状態を呈するものとなる。このため、1つの
層の関連するa軸パラメータが、該層が成長されること
になる下の層よりも小さい場合には、界面を整合状態に
保つために該層内に引っ張り応力が誘発される。
Furthermore, a heterostructure composed of a nitride layer generally exhibits a matching state along the a-axis (that is, an axis parallel to the interface of the substrate thin film). Thus, if the associated a-axis parameter of one layer is smaller than the underlying layer on which the layer is to be grown, a tensile stress will be induced in the layer to keep the interface aligned. You.

【0058】結論 格子及び熱の不整合に関連する問題は、既存の核生成層
技術を利用し、及び成長に関連する加熱及び冷却条件を
制御することにより、適当に対処することができるが、
ドーピング及び組成の変動に起因する亀裂は、かかる方
法によって解決することができない。
Conclusions The problems associated with lattice and thermal mismatch can be adequately addressed by utilizing existing nucleation layer technology and controlling the heating and cooling conditions associated with growth,
Cracks due to doping and composition variations cannot be resolved by such methods.

【0059】このため、かかるドーピング及び組成の変
動に起因する亀裂の問題を克服する半導体デバイス及び
その作製方法が依然として必要とされている。
Thus, there is still a need for a semiconductor device and a method of fabricating the same that overcomes the problem of cracking due to such doping and composition variations.

【0060】[0060]

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、高品質の層及びデバイスを達成するよう考案さ
れたIII−V窒化物半導体デバイスを提供すること、及
び、該層及びデバイスにおけるドーピング及び組成変動
に起因する亀裂の問題を克服することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a III-V nitride semiconductor device devised to achieve high quality layers and devices, and doping in the layers and devices. And the problem of cracks caused by compositional variations.

【0061】本発明のもう1つの目的は、上述の亀裂の
問題の全てを克服するよう考案された半導体デバイスを
提供することにある。
It is another object of the present invention to provide a semiconductor device designed to overcome all of the cracking problems described above.

【0062】[0062]

【課題を解決するための手段】上述その他の目的を達成
するために、本発明によれば、基板、活性構造、及び該
基板と該活性構造との間の緩衝構造を備えた半導体デバ
イスが提供される。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device having a substrate, an active structure, and a buffer structure between the substrate and the active structure. Is done.

【0063】該緩衝構造は、1つ又は2つ以上の層を備
えている。詳細には、多層構造において、それらの層の
うちの少なくとも1つ(好適には基板上に直接堆積され
た層)がIII−V窒化化合物から構成され、該III−V窒化
化合物におけるIII族元素の内容が完全に又は部分的に
インジウムから構成される。本発明によれば、インジウ
ムを含有する層は緩衝層として働く。
The cushioning structure has one or more layers. In particular, in a multilayer structure, at least one of the layers (preferably a layer directly deposited on the substrate) is composed of a III-V nitride compound, Is completely or partially composed of indium. According to the invention, the layer containing indium acts as a buffer layer.

【0064】本発明によるインジウムを含有するIII−V
窒化物緩衝層は、その活性構造内に存在する歪みが調整
されるために亀裂が有利に減少するものであることが分
かった。
Indium-Containing III-V According to the Invention
It has been found that the nitride buffer layer advantageously reduces cracking due to the adjustment of the strain present in its active structure.

【0065】本発明は、AlInGaNエピタキシでの使用に
とって有利なものである。これらの緩衝層上に窒化物薄
膜を核生成することにより、InNを含有する層による弛
緩に起因して応力及び亀裂が低減され、このため、組成
及びドーピング調整のフレキシビリティを高めることが
可能となる。
The present invention is advantageous for use in AlInGaN epitaxy. By nucleating the nitride thin film on these buffer layers, stress and cracks are reduced due to relaxation by the layer containing InN, and therefore, it is possible to increase the flexibility of composition and doping adjustment. Become.

【0066】窒化物の電気的及び光学的特性は、存在す
る応力及び歪みによって決まるので、核生成層の組成及
び層厚を制御することにより、これらの特性を調整する
ことが可能である。
Since the electrical and optical properties of the nitride are determined by the stresses and strains present, it is possible to adjust these properties by controlling the composition and thickness of the nucleation layer.

【0067】III族の材料を完全にインジウムにして緩
衝層化合物をInNにすることも可能である。より一般的
には、緩衝層は、適当な任意のアルミニウムガリウムイ
ンジウム窒化物の中間体とすることが可能である。かか
る中間体は、一般に、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1及び0<
y≦1)として与えられる。
It is also possible to make the group III material completely indium and the buffer layer compound to be InN. More generally, the buffer layer can be any suitable aluminum gallium indium nitride intermediate. Such intermediates are generally Al x In y Ga 1 -xy N (0 ≦ x ≦ 1 and 0 <
y ≦ 1).

【0068】本発明の様々な実施形態の説明に関連し
て、様々なIII族元素の特定の量について後述すること
とする。これらの特定の比率により、有効に機能する緩
衝構造が得られることが、実験により実証されている。
しかし、本発明は、他の組成及び厚さを包含するよう広
範に考慮されたものである。
Specific amounts of various Group III elements will be described below in connection with the description of various embodiments of the present invention. Experiments have demonstrated that these particular ratios result in an effectively functioning buffer structure.
However, the present invention has been widely considered to include other compositions and thicknesses.

【0069】更に、GaN、AlN、及びAlGaNに用いられる
温度よりもはるかに低い温度で(1000℃を超える温度に
対して800℃未満の温度で)高品質のInGaN層を成長させ
ることができるため、InN及びInGaNを含有する緩衝層
は、従来の作製技術では達成できなかった有利な高い構
造的品質を呈するものとなる。
In addition, high quality InGaN layers can be grown at temperatures much lower than those used for GaN, AlN, and AlGaN (at temperatures below 1000 ° C. and below 800 ° C.). , InN and InGaN-containing buffer layers exhibit advantageous high structural qualities that cannot be achieved with conventional fabrication techniques.

【0070】更に、本発明によれば、緩衝構造は上部に
キャップ層を備えるものとなる。該キャップ層は、Ga
N、AlN、又は適当なAlInGaN中間体とすることが可能で
ある。一般に、所与の比率のインジウムを含有するIII
−V窒化物緩衝層は、一層低い比率のインジウムを含有
するIII−V窒化物キャップ層で覆うことが可能であり、
この場合、前記比率は、後続のエピタキシステップの温
度に適するよう選択される。
Further, according to the present invention, the buffer structure has a cap layer on the upper part. The cap layer is made of Ga
It can be N, AlN, or a suitable AlInGaN intermediate. In general, III containing a given proportion of indium
The -V nitride buffer layer can be covered with a III-V nitride cap layer containing a lower proportion of indium;
In this case, the ratio is selected to be suitable for the temperature of the subsequent epitaxy step.

【0071】該キャップ層は、高温での活性構造の堆積
ステップが緩衝構造の堆積に後続する作製プロセスにお
いて、該キャップが緩衝構造の残りの部分を所定位置に
保持し、及び高温によりもたらされる悪影響から前記残
りの部分を保護する、という更なる利点を提供するもの
である。
The cap layer can be used to ensure that the cap holds the rest of the buffer structure in place during the fabrication process, where the step of depositing the active structure at a high temperature follows the deposition of the buffer structure, and the adverse effects caused by the high temperature. The additional advantage is that the remaining part is protected from

【0072】更に、マルチステップ核生成層を用いるこ
とにより生じる歪み状態の後続の変化もまた、本発明に
よるLEDデバイスの電気的特性並びに性能に有益な影響
を与えるものとなる。
In addition, subsequent changes in the strain state caused by using a multi-step nucleation layer will also have a beneficial effect on the electrical properties and performance of the LED device according to the present invention.

【0073】[0073]

【発明の実施の形態】本発明によれば、低温核生成層
が、組成の異なる幾つかの別個の層から構成される。詳
細には、多層構造において、かかる層のうちの少なくと
も1つの層(好適には基板上に直接堆積される層)が、
インジウムを含有する窒化物から構成されて、AlInGaN
エピタキシで使用するための緩衝層として働く。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a low temperature nucleation layer is comprised of several distinct layers having different compositions. In particular, in a multilayer structure, at least one of the layers (preferably a layer deposited directly on the substrate)
AlInGaN composed of nitride containing indium
Serves as a buffer layer for use in epitaxy.

【0074】一般に、本発明は、2通りに実施すること
が可能である。それらは共に、インジウムを含有する窒
化化合物の緩衝層を基板上に直接堆積させるものであ
る。これに対し、従来の緩衝層の化合物は、III族のア
ルミニウム又はガリウムしか有さない。本発明を実施す
る2通りのやり方の相違は、緩衝層が、一方の場合には
InNであり(III族のインジウムしか含まない)、他方の
場合にはインジウム並びに別のIII族元素(好適にはガ
リウム)を含有する化合物であるという点である。例え
ば、該化合物は、GaxIn1-xN(0<x<1)と表すことが可
能なものである。
In general, the invention can be implemented in two ways. They both deposit a buffer layer of a nitride compound containing indium directly on the substrate. In contrast, conventional buffer layer compounds have only Group III aluminum or gallium. The difference between the two ways of practicing the invention is that the buffer layer, in one case,
It is InN (comprising only Group III indium), in the other case a compound containing indium and another Group III element (preferably gallium). For example, the compound can be represented by Ga x In 1-x N (0 <x <1).

【0075】InNは、GaNエピタキシに用いられる温度に
近い1100℃近辺で融解する。しかし、インジウム原子と
窒素原子との結合は、互いに比較的弱いものであるた
め、InN格子は、その温度で、又はその温度より幾分低
い温度であっても、分解する可能性がある。例えば、In
N緩衝層の堆積後、活性構造の層を形成するためにGaNエ
ピタキシの後続ステップが行われる場合について考察す
る。該GaNエピタキシステップが比較的高温で行われる
ため、下方に位置するInN層が融解し又は「弛緩」す
る。この下方に位置するInN緩衝層の弛緩は、基板と薄
膜との間にある程度の従動性を提供することにより亀裂
の傾向を弱めるものとなる。
InN melts around 1100 ° C., which is close to the temperature used for GaN epitaxy. However, because the bonds between the indium and nitrogen atoms are relatively weak with respect to each other, the InN lattice may decompose at that temperature, or even at somewhat lower temperatures. For example, In
Consider the case where after the deposition of the N buffer layer, a subsequent step of GaN epitaxy is performed to form a layer of the active structure. Because the GaN epitaxy step is performed at a relatively high temperature, the underlying InN layer melts or “relaxes”. Relaxation of this underlying InN buffer layer reduces the tendency for cracking by providing some degree of compliance between the substrate and the thin film.

【0076】本発明に従って用いられるInNその他のイ
ンジウム化合物の融点が比較的低いため、インジウムを
含有する緩衝層のすぐ上にキャップ層(好適にはGaN
層)を設けるのが望ましいことが分かっている。インジ
ウムを含有する層が、高温エピタキシステップ中に弛緩
すると、InN層は、その温度範囲で固体状態を維持する
材料からなるキャップ層によって閉じ込められる。簡略
化のため、本明細書では、解説される構造が、実際に
は、例えばGaNキャップ層の下にあるInGaN緩衝層である
ことを理解した上で、InGaN/GaN緩衝層と呼ぶことにす
る。緩衝層及びキャップ層は両方とも、基板と活性構造
との間にある緩衝構造全体の一部である。
Because of the relatively low melting point of InN and other indium compounds used in accordance with the present invention, a cap layer (preferably a GaN
Layer) has been found to be desirable. As the layer containing indium relaxes during the high temperature epitaxy step, the InN layer is confined by a cap layer made of a material that remains solid in that temperature range. For simplicity, the structure described herein will be referred to as an InGaN / GaN buffer layer, with the understanding that the structure described is actually an InGaN buffer layer, for example, under a GaN cap layer. . The buffer layer and the cap layer are both part of the overall buffer structure between the substrate and the active structure.

【0077】実施形態 本発明の考え得る実施形態は多数存在する。その実施形
態の多くは、幾つかの種類にうまく類別し得るものであ
る。まず、本発明の基本的な実施形態について解説し、
次いで、該基本的な実施形態に変更を加えたもの、又は
該基本実施形態を精巧に仕上げたものとして、他の種類
の実施形態について解説する。
Embodiments There are many possible embodiments of the present invention. Many of the embodiments can be well categorized into several types. First, a basic embodiment of the present invention will be described,
Next, other types of embodiments will be described as modifications of the basic embodiment or as refinements of the basic embodiment.

【0078】第1の実施形態:単一緩衝層(図4) 図4は、本発明を最も単純な実施形態で示したものであ
り、図2と同様の単一の緩衝層16を有するものである
が、緩衝層4がインジウムを含有する窒化化合物から構
成されている点でそれとは異なる。
First Embodiment: Single Buffer Layer (FIG. 4) FIG. 4 shows the invention in its simplest embodiment, with a single buffer layer 16 similar to FIG. However, the difference is that the buffer layer 4 is made of a nitride compound containing indium.

【0079】一般に、本発明に従って用いられるインジ
ウム含有III−V窒化物は、次の形式を有するものであ
る。
In general, the indium-containing III-V nitrides used in accordance with the present invention are of the following type:

【0080】AlxInyGa1-x-y (0<y≦1, 0≦x≦1) 即ち、この化合物は、インジウムに加えて、アルミニウ
ム及び/又はガリウムを含むことが可能なものである。
Al x In y Ga 1-xy (0 <y ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1) That is, this compound can contain aluminum and / or gallium in addition to indium.

【0081】この基本的な緩衝構造に加えて、本発明の
多くの実施形態は、多数の層を含む緩衝構造を有してお
り、該層の一部又は全てが緩衝層として機能する。かか
る実施形態の幾つかは各種類に類別され、その各種類の
実施形態について図示し説明することにする。
In addition to this basic buffer structure, many embodiments of the present invention have a buffer structure that includes multiple layers, some or all of which function as a buffer layer. Some of such embodiments are categorized into types, and each type of embodiment will be illustrated and described.

【0082】第1の種類の実施形態:多層 図5に示す緩衝構造では、第1の緩衝層18が基板上に直
接堆積され、該第1の緩衝層18上に第2の緩衝層20が堆
積される。図5の化学式に示すとおり、両方の層とも、
インジウムを含有する窒化化合物であるが、これら2つ
の層に関するIII族元素の正確な比率は異なっている。
第1の層18は、Al又はGaを含有しないInNとすること
が可能である。一方、第2の層20のIII族部分は、純
粋なインジウムではなく、純粋なAl又は純粋なGaとする
ことが可能なものである。いずれにせよ、該第2の層20
が含有するインジウムは第1の層18よりも少ない。
Embodiment of the First Kind: Multilayer In the buffer structure shown in FIG. 5, a first buffer layer 18 is deposited directly on the substrate, on which a second buffer layer 20 is deposited. Is deposited. As shown in the chemical formula of FIG.
Although nitride compounds containing indium, the exact proportions of Group III elements for these two layers are different.
The first layer 18 can be InN without Al or Ga. On the other hand, the group III portion of the second layer 20 can be pure Al or pure Ga instead of pure indium. In any case, the second layer 20
Contains less indium than the first layer 18.

【0083】図6は、図5と同様の緩衝構造を示すもの
であるが、第3の緩衝層22が第2の緩衝層20上に堆積さ
れている点で異なる。図6の化学式で示すとおり、第1
の緩衝層18はいくらかのインジウムを含有し、第2の緩
衝層20は第1の緩衝層18よりも少ないインジウムを含有
し、第3の緩衝層22は更に少ないインジウムを含有して
いる。
FIG. 6 shows a buffer structure similar to that of FIG. 5, but differs in that a third buffer layer 22 is deposited on the second buffer layer 20. As shown by the chemical formula in FIG.
The buffer layer 18 contains some indium, the second buffer layer 20 contains less indium than the first buffer layer 18, and the third buffer layer 22 contains less indium.

【0084】図5及び図6の実施形態は、本発明の第1
の種類の実施形態と考えることが可能である。この第1
の種類の実施形態は、インジウムを含有する複数の緩衝
層を備えている。2層及び3層の緩衝構造の実施例につ
いて示したが、更に多くの緩衝層を用いることも可能で
ある。
FIGS. 5 and 6 show the first embodiment of the present invention.
Can be considered as embodiments of this type. This first
Embodiments include a plurality of buffer layers containing indium. While embodiments of two and three layer buffer structures have been shown, more buffer layers can be used.

【0085】この種類の実施形態は、全ての層が、エピ
タキシ等の後続の作製ステップの温度において弛緩によ
り緩衝層の働きをするように考案されている点で共通す
るものである。後述する他の種類の実施形態は、緩衝構
造内に更に別のタイプの層を備えるものとなる。
Embodiments of this type are common in that all layers are devised to act as buffer layers by relaxation at the temperature of subsequent fabrication steps such as epitaxy. Other types of embodiments described below will include yet another type of layer within the cushioning structure.

【0086】第2の種類の実施形態:キャップ層:図7
ないし図10 図7ないし図10は、本発明の第2の種類の実施形態を
示したものである。これらの実施形態では、緩衝構造
は、1つ又は2つ以上の緩衝層上に堆積されたキャップ
層を含むものとなる。
Second Embodiment: Cap Layer: FIG.
FIGS. 7 to 10 show a second embodiment of the present invention. In these embodiments, the buffer structure will include a cap layer deposited on one or more buffer layers.

【0087】図7及び図8において、緩衝構造は一般的
な化学組成で与えられる。図9及び図10の構造は、図
7及び図8にそれぞれ対応するものであるが、既に製造
され使用されたデバイスの実例を示したものである点で
異なる。
In FIGS. 7 and 8, the buffer structure is given by a general chemical composition. The structures of FIGS. 9 and 10 correspond to FIGS. 7 and 8, respectively, but differ in that they show examples of devices already manufactured and used.

【0088】緩衝構造の作製後に行われるエピタキシス
テップ等の高温での処理ステップが作製プロセス全体に
含まれる場合にキャップ層を設けるのが望ましい。既に
堆積されているインジウム含有緩衝層は、高温下で弛緩
する。キャップ層は、インジウムを含有する材料を所定
位置に有利に閉じ込める(図7及び図8を参照のこ
と)。従って、キャップ層は、後続の作製ステップでの
高温に対して一層高い耐性を有するIII−V窒化物材料か
ら作製される。窒化ガリウム(図9及び図10)は望ま
しいキャップ層材料であるが、エピタキシステップの温
度に応じて、インジウムその他のIII族元素を含有する
ことも可能である。
It is desirable to provide a cap layer when a high-temperature processing step such as an epitaxy step performed after manufacturing the buffer structure is included in the entire manufacturing process. The previously deposited indium-containing buffer layer relaxes at elevated temperatures. The cap layer advantageously confine the indium-containing material in place (see FIGS. 7 and 8). Thus, the cap layer is made from a III-V nitride material that is more resistant to high temperatures in subsequent fabrication steps. Gallium nitride (FIGS. 9 and 10) is a preferred cap layer material, but can also contain indium and other Group III elements, depending on the temperature of the epitaxy step.

【0089】ここで図7を参照する。同図には、キャッ
プ層を有する種類の第1の実施形態が示されている。イ
ンジウムを含有する緩衝層24は、上記で用いた一般的な
III−V窒化物の式によって表されるキャップ層26により
覆われる。該インジウムを含有する緩衝層24は、上記化
学式の何れとすることも可能なものである。一般に、キ
ャップ層26は、後続の作製ステップの温度で弛緩する傾
向を低減させるように選択された一層少量のインジウム
を含有するものである。
Referring now to FIG. FIG. 1 shows a first embodiment of the type having a cap layer. The buffer layer 24 containing indium is the same as the general buffer layer used above.
It is covered by a cap layer 26 represented by the formula of III-V nitride. The buffer layer 24 containing indium can have any of the above chemical formulas. Generally, cap layer 26 will contain a smaller amount of indium, selected to reduce its tendency to relax at the temperature of subsequent fabrication steps.

【0090】しかし、図9の特定の実施例では、緩衝層
24におけるインジウムの含有量は比較的少なく(最大イ
ンジウム含有率:20%)、その残りはガリウムとなる。
付与された厚さは良好に利用されるものとなったが、そ
の付与された精確な厚さは本発明にとって重要なことで
はなく、他の厚さを用いることも可能である。後述の厚
さに関するデータは、こうして作製される構造の性能を
詳細に示すものとなる。この化学式は、インジウムの量
が比較的控えめであっても緩衝層が依然として弛緩する
十分な高温で活性構造が作製されることになるデバイス
に適したものである。
However, in the particular embodiment of FIG.
The indium content in 24 is relatively low (maximum indium content: 20%), the remainder being gallium.
Although the applied thickness has been successfully utilized, the precise thickness provided is not critical to the invention and other thicknesses can be used. The thickness data described below provides a detailed indication of the performance of the structure thus produced. This formula is suitable for devices where an active structure will be created at a high enough temperature that the buffer layer will still relax even if the amount of indium is relatively modest.

【0091】図8は、もう1つのキャップ層の実施形態
を示すものであり、この場合には、キャップ層32の下に
2つの緩衝層28,30が堆積されている。この場合も、緩
衝層28,30及びキャップ層32は、一般的な化学組成式で
与えられる。第1の緩衝層28(基板上に直接位置するも
の)は、インジウム含有率が高く、良好な弛緩を生じる
ものである。第2の緩衝層30は、一層低いインジウム含
有率を有するIII族元素の混合物を含んでいる。
FIG. 8 shows another embodiment of the cap layer, in which two buffer layers 28, 30 are deposited under the cap layer 32. Also in this case, the buffer layers 28 and 30 and the cap layer 32 are given by a general chemical composition formula. The first buffer layer 28 (which is located directly on the substrate) has a high indium content and produces good relaxation. The second buffer layer 30 includes a mixture of Group III elements having a lower indium content.

【0092】図10は、より詳細な構造を示している。
この場合には、弛緩及び応力解放を最大にするために純
粋なInN層28が設けられ、高温で一層優れた安定性を得
るために一層少ないインジウムを有する中間層30が設け
られ、それら2つの下方層28,30を高温で閉じ込めるた
めにGaNキャップ層32が設けられている。GaNキャップ層
は、かかる高温作製ステップに対する十分な耐性を有し
ている。図示の特定の実施例において、中間層30は、イ
ンジウムガリウム窒化物であり、この場合も、インジウ
ムの含有量は、活性構造の高い作製温度において弛緩と
構造的な安定性との良好な均衡が得られるように、最大
で20%となる。
FIG. 10 shows a more detailed structure.
In this case, a pure InN layer 28 is provided to maximize relaxation and stress release, and an intermediate layer 30 with less indium is provided to obtain better stability at elevated temperatures. A GaN cap layer 32 is provided to confine the lower layers 28, 30 at high temperatures. The GaN cap layer has sufficient resistance to such a high temperature fabrication step. In the particular embodiment shown, the intermediate layer 30 is indium gallium nitride, where again the indium content provides a good balance between relaxation and structural stability at high fabrication temperatures of the active structure. As obtained, it is up to 20%.

【0093】図11は、図9の実施例に関する実験デー
タを「SIMS深さプロフィル」という形で示したものであ
る。頭字語SIMSは、二次イオン質量分析法(Secondary I
on Mass Spectrometry)を表している。SIMSプロット
は、デバイスの表面下の深さの関数として二次イオン数
をグラフにしたものである。
FIG. 11 shows experimental data of the embodiment of FIG. 9 in the form of “SIMS depth profile”. The acronym SIMS stands for Secondary Ion Mass Spectrometry (Secondary I
on Mass Spectrometry). SIMS plots plot the number of secondary ions as a function of depth below the surface of the device.

【0094】このSIMS深さプロフィルは、図9に示す核
生成層上に成長させた単一のn形(Siをドープした)Ga
N層のSIMSプロフィルからのN及びInのトレースを示すグ
ラフである。InGaN緩衝層は、約0.8μmの深さでサファ
イア基板と接している。
This SIMS depth profile is based on a single n-type (Si doped) Ga grown on the nucleation layer shown in FIG.
FIG. 4 is a graph showing N and In traces from the SIMS profile of the N layer. The InGaN buffer layer is in contact with the sapphire substrate at a depth of about 0.8 μm.

【0095】2つの元素、即ち、窒素及びインジウムに
ついて、イオン数が示されている。窒素に関する曲線は
グラフの大部分の領域にわたって一定である。大部分の
領域が窒化物層に該当するため、これは直観的に妥当で
ある。薄膜は約50%の窒素を含有し、基板は窒素を全く
含有しない。従って、窒素の数が急激に減少する約0.8
μmの深さは、基板と薄膜との界面である。
For two elements, nitrogen and indium, the number of ions is indicated. The curve for nitrogen is constant over most of the area of the graph. This is intuitively relevant since most of the area corresponds to the nitride layer. The thin film contains about 50% nitrogen and the substrate does not contain any nitrogen. Therefore, the number of nitrogen drops sharply about 0.8
The μm depth is the interface between the substrate and the thin film.

【0096】グラフは、対数目盛りで作成されているた
め、0.00μm〜約0.7μmの深さでのインジウム曲線のピ
ークは、単なるノイズであり、0.8μm近辺でのインジウ
ムのピークの大きさの約1/1000である。0.8μmでのイン
ジウムの顕著なピークは、緩衝層に対応するものであ
り、インジウムが構造内に取り込まれ保持されているこ
とを表している。
Since the graph is prepared on a logarithmic scale, the peak of the indium curve at a depth of 0.00 μm to about 0.7 μm is merely noise, and the magnitude of the indium peak around 0.8 μm is approximately equal to that of the peak. 1/1000. The prominent peak for indium at 0.8 μm corresponds to the buffer layer and indicates that indium is incorporated and retained in the structure.

【0097】インジウムが周囲環境において薄膜成長の
ために供給されたのは、InGaN/GaN緩衝構造のInGaN部
分の成長中だけであるため、インジウム信号は、多層化
された緩衝層のInGaN部分の位置及び存在を示すものと
なる。また、窒化物信号が低下するのと同じ深さでイン
ジウム信号がピークになるという事実によって、薄膜-
基板界面におけるインジウムの存在が更に確認される。
Since indium was supplied for thin film growth in the ambient environment only during the growth of the InGaN portion of the InGaN / GaN buffer structure, the indium signal was obtained at the position of the InGaN portion of the multilayered buffer layer. And presence. Also, the fact that the indium signal peaks at the same depth as the nitride signal drops,
The presence of indium at the substrate interface is further confirmed.

【0098】基板-薄膜界面におけるインジウムのピー
クはまた、キャップ層(この場合にはGaN)によりInGaN
緩衝層が所定位置に保持されていることを示すものとな
る。
The peak of indium at the substrate-thin film interface is also due to the cap layer (GaN in this case)
This indicates that the buffer layer is held at a predetermined position.

【0099】図12は、Van der Pauw Hallの測定値、
即ち、半導体デバイスの動作に関連するデバイス層の導
電特性の測定値を示す表である。これらの結果が得られ
たデバイスは、それぞれ、各生成層の上に厚さ及びドー
ピングレベルが同様の活性層GaN:Si(即ち、Siをドー
プしたGaNの層)を備えている。2組の値が示されてお
り、その一方の組は、図2に示すような従来のGaN核生
成層に関する値であり、他方の組は、図9に示すような
InGaN/GaN層を有する本発明によるデバイスに関する値
である。
FIG. 12 shows the measured values of Van der Pauw Hall,
That is, it is a table showing measured values of the conductive characteristics of the device layer related to the operation of the semiconductor device. The devices from which these results were obtained each comprise an active layer GaN: Si (ie a layer of Si-doped GaN) of similar thickness and doping level above each production layer. Two sets of values are shown, one set is for a conventional GaN nucleation layer as shown in FIG. 2 and the other set is as shown in FIG.
Values for a device according to the invention with an InGaN / GaN layer.

【0100】注目に値する相違は、層内における最高の
導電率及び最低の入力駆動電流を実現するために可能な
限り高いことが好ましい電子の移動度が、本発明による
図9のInGaN/GaN緩衝層の場合に、GaN緩衝層上に成長
された従来のサンプル(図2)の場合に比べて約5%高
いという点である。
A notable difference is that the electron mobility, which is preferably as high as possible to achieve the highest conductivity and the lowest input drive current in the layer, is due to the InGaN / GaN buffer of FIG. This is about 5% higher in the case of the layer than in the case of the conventional sample (FIG. 2) grown on the GaN buffer layer.

【0101】可能な限り小さいことが好ましい総抵抗率
は、本発明によるデバイスの方が従来のデバイスよりも
小さくなる。この有利な相違は、歪み状態の有益な変化
と、GaN:Si重なり層の転位及び/又は点欠陥密度の減
少との何れかに起因するものと考えられ、本発明に従っ
てInGaN/GaN複合核生成層を利用した結果である。
The total resistivity, which is preferably as low as possible, is lower for devices according to the invention than for conventional devices. This advantageous difference may be due to either a beneficial change in the strain state or a reduction in the dislocation and / or point defect density of the GaN: Si overlayer, and according to the present invention, the InGaN / GaN composite nucleation. This is the result of using layers.

【0102】第3の種類の実施形態:緩衝下部構造:図
13ないし図15 第3の種類の実施形態は、一般に、一連の緩衝構造を有
するものと特徴づけられる。各下部構造は、他の下部構
造と同一か又は類似している。この種類の実施形態にお
いて繰り返される下部構造の例として、既述の実施形態
における緩衝構造を利用することが可能である。
Third Type Embodiment: Buffer Substructure: FIGS. 13 to 15 The third type of embodiment is generally characterized as having a series of buffer structures. Each substructure is the same or similar to other substructures. As an example of a lower structure that is repeated in this type of embodiment, it is possible to use the buffer structure in the previously described embodiment.

【0103】図13は、2つの下部構造34,36を含む緩
衝構造を示すものであり、該2つの下部構造34,36は、
窒化インジウム緩衝層(38及び40)及び窒化ガリウムキ
ャップ層(42及び44)をそれぞれ備えている。即ち、図
9のキャップ層緩衝構造が2回繰り返されると、その結
果として図13の構造が得られる。
FIG. 13 shows a buffer structure including two substructures 34 and 36, wherein the two substructures 34 and 36 are:
An indium nitride buffer layer (38 and 40) and a gallium nitride cap layer (42 and 44) are provided, respectively. That is, when the cap layer buffer structure of FIG. 9 is repeated twice, the structure of FIG. 13 is obtained as a result.

【0104】この種類の実施形態では、緩衝下部構造に
関して本発明の説明及び請求を行うこととする。図13
では、例えば、緩衝下部構造34,36が2層の下部構造と
して示されている。
In an embodiment of this type, the invention will be described and claimed with reference to a buffer undercarriage. FIG.
Here, for example, the buffer substructures 34 and 36 are shown as a two-layer substructure.

【0105】また、下部構造内の各層については、下部
構造層として解説し請求することとする。ここで図13
をもう一度参照する。2つの窒化インジウム緩衝層38,4
0を下部構造緩衝層と称し、2つの窒化ガリウムキャッ
プ層42,44を下部構造キャップ層と称することとする。
Each layer in the lower structure will be described and claimed as a lower structure layer. Here, FIG.
See again. Two indium nitride buffer layers 38,4
0 is referred to as a lower structure buffer layer, and the two gallium nitride cap layers 42 and 44 are referred to as lower structure cap layers.

【0106】次いで図14を参照する。同図には、3つ
の下部構造46,48,50を含む緩衝構造が示されている。該
3つの下部構造46,48,50は、インジウムガリウム窒化物
緩衝層(52,54,56)及び窒化ガリウムキャップ層(58,6
0,62)をそれぞれ備えた、図9のタイプのキャップ層下
部構造である。該緩衝層は、同一(即ち、全ての層に関
し一定のxの値について厚さ及び組成が同一)のものと
して示されているが、組成は緩衝層毎に異なることが可
能である。
Next, reference is made to FIG. In this figure, a buffer structure including three lower structures 46, 48, 50 is shown. The three substructures 46,48,50 are composed of an indium gallium nitride buffer layer (52,54,56) and a gallium nitride cap layer (58,6,6).
0,62) respectively, and is a lower structure of the cap layer of the type of FIG. Although the buffer layers are shown as being identical (ie, having the same thickness and composition for a given value of x for all layers), the composition can vary from buffer layer to buffer layer.

【0107】最後に、図15は、不定数の下部構造を備
えた緩衝構造を示している。同図には、底部の下部構造
64及び上部の下部構造66が示されている。底部の下部構
造64と上部の下部構造66との間は、任意の所望数の追加
の下部構造を表している。
Finally, FIG. 15 shows a buffer structure with an infinite number of substructures. The figure shows the lower structure at the bottom.
64 and an upper substructure 66 are shown. Between the bottom substructure 64 and the top substructure 66 represents any desired number of additional substructures.

【0108】図15の下部構造の各々は、2つの下部構
造緩衝層を備えている。該下部構造緩衝層の化学的な構
成は、上述の一般的なインジウムを含有するIII−V窒化
物の式で表される。
Each of the lower structures of FIG. 15 has two lower structure buffer layers. The chemical structure of the lower structure buffer layer is represented by the above-described general indium-containing III-V nitride formula.

【0109】各下部構造における下側下部構造(70,7
2)(基板にすぐ隣接する第1の下部構造の下側の層を
含む)は、第1の(比較的多い)量のインジウムを含有
しており、その量は添え字パラメータy1の値に関連して
いる。該量は、その材料のIII族元素による組成のうち
の100%とすることが可能であり、即ち、該材料を窒化
インジウムとすることが可能である。各下部構造の第2
の下部構造層(74,76)は、含有するインジウムの量が
一層少ないものとなっている。
In each lower structure, the lower lower structure (70, 7
2) (including the lower layer of the first substructure immediately adjacent to the substrate), the first (relatively large) amount of indium is contained, the amount of index parameters y 1 values Related to The amount can be 100% of the composition of the material by the group III element, that is, the material can be indium nitride. Second of each substructure
The lower structure layer (74, 76) has a smaller amount of indium.

【0110】この場合にも、各下部構造の下方層には、
同じ式及び同じx1,y1パラメータが用いられているが、
これらの式は下部構造毎に異なることも可能である。こ
れと同じことが下部構造の上方層についてもあてはま
る。
Also in this case, the lower layer of each lower structure
The same formula and the same x 1 , y 1 parameters are used,
These equations can be different for each substructure. The same applies to the upper layers of the substructure.

【0111】他の実施形態 本発明に関する上記説明から明らかなように、他の多様
な構成を採用することもまた可能である。例えば、それ
ぞれ、図8の3層緩衝構造による幾つかの3層下部構造
を用いることも可能である。また、様々な下部構造の下
部構造緩衝層の化学式が異なる点、及び厚さも異なる点
を除き、図8に示すものと同様の下部構造を利用するこ
とが可能である。
Other Embodiments As will be apparent from the above description of the invention, it is also possible to employ various other configurations. For example, it is also possible to use several three-layer substructures, each with the three-layer buffer structure of FIG. In addition, the same lower structure as that shown in FIG. 8 can be used except that the chemical formulas of the lower structure buffer layers of the various lower structures are different and the thicknesses are also different.

【0112】一般に、所与の化学的組成を有する層は、
その化学的組成に部分的に依存して、緩衝層又はキャッ
プ層の働きをすることが可能である。ある層の材料が、
後続の作製ステップの高温下において、ほぼ堅固で剛性
を有する状態を維持する場合、その層はキャップ層の働
きをする。これは、もちろん、この層の下に、高温で弛
緩又は融解する材料の層が存在することを仮定したもの
である。また、所与の層の弛緩傾向が強くなるほど、該
層は緩衝層として一層良好に働くものとなる。最後に、
その高温がどれほどの高さに達するかということだけ
で、所与の組成の層が緩衝層とキャップ層との何れとし
て働くかを決定することが可能である。
In general, a layer having a given chemical composition
Depending in part on its chemical composition, it can act as a buffer or cap layer. One layer of material
The layer acts as a cap layer if it remains substantially rigid and rigid at the elevated temperatures of subsequent fabrication steps. This assumes, of course, that there is a layer of material that relaxes or melts at high temperatures below this layer. Also, the stronger the tendency of a given layer to relax, the better it acts as a buffer layer. Finally,
Just how high the high temperature reaches can determine whether a layer of a given composition acts as a buffer layer or a cap layer.

【0113】ほとんどの場合、緩衝層の成長は、該緩衝
層をサファイア基板上に直接成長させることにより、窒
化物薄膜について用いられる温度よりもはるかに低い温
度で開始される。典型的には、サファイア層上に堆積さ
れる緩衝層は、400〜900℃で堆積させられるが、該構造
の残りの部分は、700〜1200℃で堆積させられる。ま
た、成長プロセスの残りの部分に関して一層高い温度に
上昇する際の保護を行うために、複合核生成層にキャッ
プ層が形成される。全体としての核生成層の厚さは、当
業者が適当であると考える任意の値にすることが可能で
ある。しかし、望ましい厚さは約250〜300 であった。
In most cases, the growth of the buffer layer is started at a much lower temperature than that used for nitride thin films by growing the buffer layer directly on the sapphire substrate. Typically, the buffer layer deposited on the sapphire layer is deposited at 400-900C, while the rest of the structure is deposited at 700-1200C. Also, a cap layer is formed on the composite nucleation layer to provide protection during higher temperatures for the remainder of the growth process. The overall nucleation layer thickness can be any value deemed appropriate by those skilled in the art. However, the desired thickness was about 250-300.

【0114】作製技法に関する一般的な注記 緩衝層及びキャップ層は、200〜1000℃、好適には400〜
600℃の温度範囲で成長させる。別の層は、必ずしもこ
れと同じ温度で成長させる必要はない。また、他の条件
を変更することも可能である。例えば、成長雰囲気圧の
ような周囲条件を変更することが可能である。
General Notes on Fabrication Techniques The buffer and cap layers should be at 200-1000 ° C., preferably 400-1000 ° C.
Grow in a temperature range of 600 ° C. Other layers need not be grown at this same temperature. It is also possible to change other conditions. For example, it is possible to change ambient conditions such as the growth atmosphere pressure.

【0115】周囲成長雰囲気には、一般に非反応性の
(さもなければ層形成プロセスに直接貢献しない)周囲
ガスが含まれる。かかるガスとしては、Ar、He、H2
N2、H2及びN2の混合気等が挙げられる。かかる周囲ガス
その他については、当業者に既知のやり方で、様々な比
率及び組み合わせ等で利用することが可能である。
The ambient growth atmosphere generally contains ambient gas that is non-reactive (otherwise does not directly contribute to the layer formation process). Such gases include Ar, He, H 2 ,
A mixture of N 2 , H 2, and N 2 may be used. Such ambient gases and the like can be utilized in various ratios and combinations in a manner known to those skilled in the art.

【0116】最後に、堆積させるべきIII族(及びV族)
元素が周囲雰囲気内で供給される場合には、V族対III族
の比率を含めて、その比率及び量を変更することも可能
である。
Finally, the group III (and group V) to be deposited
If the elements are supplied in an ambient atmosphere, the ratios and amounts can be varied, including the ratio of group V to group III.

【0117】実験データ これまでに例示し解説した幾つかの緩衝構造のうちの特
定の実施例について、LEDデバイスの成長も実施され
た。各構造によるLEDの性能データを図16に示す。
Experimental Data For certain embodiments of the several buffer structures illustrated and described above, LED device growth was also performed. FIG. 16 shows performance data of the LED according to each structure.

【0118】光出力値は、図2のデバイスのような先行
技術による光電子デバイスを用いた標準化されたもの(s
tandardized run)に対する利得率として示されている。
同一の時間フレームで成長させられた標準化されたもの
は、外部量子効率が5〜7%であり、485〜505ナノメート
ル(nm)の波長範囲の光を放出する。可能な最高の光出
力を送出するLEDデバイスを生産することが望ましいた
め、本明細書に記載の本発明を利用する利点は明白であ
る。
The light output values are standardized (s) using a prior art optoelectronic device such as the device of FIG.
It is shown as a gain factor for a tandardized run).
Standardized ones grown in the same time frame have an external quantum efficiency of 5-7% and emit light in the wavelength range of 485-505 nanometers (nm). The advantages of utilizing the invention described herein are apparent because it is desirable to produce LED devices that deliver the highest possible light output.

【0119】異なる実施形態では、(可視スペクトルに
おける隣接するカラー間での50nmというオーダの波長差
に比べて)約15nmを超えて変動する光波長が生成され
る、という点に留意されたい。LED分野の当業者であれ
ば、光波長を所望の値に精確に調整するために本発明に
関連して利用することが可能な作製技法について理解し
ているはずである。
It should be noted that different embodiments produce light wavelengths that vary by more than about 15 nm (compared to wavelength differences between adjacent colors in the visible spectrum on the order of 50 nm). Those skilled in the LED art will understand fabrication techniques that can be utilized in connection with the present invention to precisely tune light wavelengths to desired values.

【0120】デバイス構造に生じる歪みの量によって、
デバイス構造の活性領域即ち発光領域の組成が変更され
る可能性があるということが、以前の研究で明らかにな
っている。活性層の組成は発光波長を決定するものであ
るため、この場合に観測される波長のシフトはデバイス
構造の歪み状態の変化を表すものとなる。
Depending on the amount of distortion generated in the device structure,
Previous studies have shown that the composition of the active or light emitting region of the device structure may be altered. Since the composition of the active layer determines the emission wavelength, the wavelength shift observed in this case indicates a change in the distortion state of the device structure.

【0121】あらゆる場合において、該デバイスの光出
力及び効率は、同一期間中にGaN核生成層上に成長され
た従来のLEDデバイスに匹敵するか、あるいはそれを超
えさえする。図9に示す特定の事例では、核生成層のIn
GaN部分におけるInNのモル分率の調整もまた、デバイス
の性能に影響を与えるものとなり得る。
In all cases, the light output and efficiency of the device are comparable to or even exceed conventional LED devices grown on GaN nucleation layers during the same period. In the specific case shown in FIG. 9, the nucleation layer In
Adjusting the mole fraction of InN in the GaN portion can also affect device performance.

【0122】図17に示すデータから分かるように、本
発明によるLEDデバイスの場合、光出力が、先行技術に
よるデバイス(InNのモル分率が0.00)に比べて増大す
る。また、生成される光の波長は、緩衝層の100 のInG
aN部分(図9)における組成変化によって影響を受け
る。図17の見出し部分の「0.00」は、図2の先行技術
によるデバイスの性能を表している。図16に示すデー
タの場合と同様に、図17のデータも、本発明に従って
得られる性能の向上及び歪み状態の変化を示している。
As can be seen from the data shown in FIG. 17, for the LED device according to the present invention, the light output is increased compared to the prior art device (InN mole fraction of 0.00). The wavelength of the generated light is 100 InG of the buffer layer.
It is affected by the composition change in the aN part (FIG. 9). The “0.00” in the heading of FIG. 17 represents the performance of the prior art device of FIG. As with the data shown in FIG. 16, the data in FIG. 17 also shows the improvement in performance and the change in distortion state obtained according to the present invention.

【0123】このInGaN層の厚さを変更すると、光出力
及び波長の同様のシフトが観測される。電気的な伝達特
性が測定された上述の事例のように、これらの結果は、
本発明による核生成層を採用することによりもたらされ
る歪み状態又は微細構造の改善に直接的に相関し得るも
のである。
When the thickness of the InGaN layer is changed, similar shifts in light output and wavelength are observed. As in the case above where the electrical transfer characteristics were measured, these results are:
It can directly correlate with the improved strain state or microstructure provided by employing a nucleation layer according to the present invention.

【0124】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
In the following, exemplary embodiments comprising combinations of various constituent elements of the present invention will be described.

【0125】1.半導体デバイスであって、基板(2)
と、該基板(2)上に直接配設された緩衝構造(4)であっ
て、前記基板(2)上に直接配設された第1の緩衝層(16)
を備えており、該第1の緩衝層(16)が、第1のインジウ
ム含有窒化化合物から形成されている、緩衝構造(4)
と、該緩衝構造(4)上に配設された活性構造(6)とを備え
ている、半導体デバイス。
[0125] 1. A semiconductor device, comprising: a substrate (2)
And a buffer structure (4) directly disposed on the substrate (2), wherein the first buffer layer (16) directly disposed on the substrate (2).
A buffer structure (4), wherein the first buffer layer (16) is formed from a first indium-containing nitride compound.
A semiconductor device comprising: an active structure (6) disposed on the buffer structure (4).

【0126】2.前記第1の緩衝層(16)が、AlxInyGa
1-x-yN(0<y≦1,0≦x≦1)から構成される組から選択さ
れた第1のインジウム含有窒化化合物から形成されてい
る、前項1に記載の半導体デバイス。
2. The first buffer layer (16) is made of Al x In y Ga
2. The semiconductor device according to item 1, wherein the semiconductor device is formed from a first indium-containing nitride compound selected from the group consisting of 1-xy N (0 <y ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1).

【0127】3.前記緩衝構造が、前記第1の緩衝層(1
8)上に配設された第2の緩衝層(20)を更に備えており、
該第2の緩衝層(20)が、第2のインジウム含有窒化化合
物から形成されている、前項1に記載の半導体デバイ
ス。
[0127] 3. The buffer structure includes the first buffer layer (1).
8) further comprising a second buffer layer (20) disposed thereon;
2. The semiconductor device according to item 1, wherein the second buffer layer (20) is formed from a second indium-containing nitride compound.

【0128】4.前記緩衝構造が、キャップ層(26)を更
に備えており、前記第2の層(26)が、前記第1の緩衝層
(24)上に配設された第2のインジウム含有窒化化合物か
ら形成されている、前項1に記載の半導体デバイス。
4. The buffer structure further comprises a cap layer (26), wherein the second layer (26) comprises the first buffer layer (26).
(24) The semiconductor device according to (1) above, wherein the semiconductor device is formed from the second indium-containing nitride compound disposed thereon.

【0129】5.前記キャップ層(26)が、窒化ガリウム
から形成されている、前項4に記載の半導体デバイス。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the cap layer (26) is formed of gallium nitride.

【0130】6.前記緩衝構造が、第1の緩衝層下部構
造(34)を更に備えている、前項1に記載の半導体デバイ
ス。
6. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said buffer structure further comprises a first buffer layer lower structure (34).

【0131】7.前記第1の緩衝層下部構造(34)が、イ
ンジウム含有窒化化合物から形成された下部構造緩衝層
(38)を備えており、前記第1の緩衝層が、前記第1の緩
衝層下部構造(34)の下部構造緩衝層内に含まれている、
前項6に記載の半導体デバイス。
7. The first buffer layer substructure (34) is formed from an indium-containing nitride compound.
(38), wherein the first buffer layer is included in a substructure buffer layer of the first buffer layer substructure (34),
7. The semiconductor device according to the above item 6.

【0132】8.前記第1の緩衝層下部構造(34)が、イ
ンジウム含有窒化化合物から形成された下部構造緩衝層
(38)と、該下部構造緩衝層(38)の上に配設された下部構
造キャップ層(42)とを備えている、前項6に記載の半導
体デバイス。
8. The first buffer layer substructure (34) is formed from an indium-containing nitride compound.
7. The semiconductor device according to claim 6, comprising: (38) and a lower structure cap layer (42) disposed on the lower structure buffer layer (38).

【0133】9.前記下部構造キャップ層(42)が、窒化
ガリウムから形成されている、前項8に記載の半導体デ
バイス。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the lower structure cap layer (42) is formed of gallium nitride.

【0134】10.前記第1の緩衝層下部構造(64)が、第
1のインジウム含有窒化化合物から形成された第1の下
部構造緩衝層(70)と、該第1の下部構造緩衝層(70)上に
配設された第2のインジウム含有窒化化合物から形成さ
れた第2の下部構造緩衝層(74)とを備えている、前項6
に記載の半導体デバイス。
10. The first buffer layer lower structure (64) is disposed on a first lower structure buffer layer (70) formed of a first indium-containing nitride compound and on the first lower structure buffer layer (70). 6. A second lower structure buffer layer (74) formed from a second indium-containing nitride compound provided.
A semiconductor device according to claim 1.

【0135】11.前記緩衝構造が、前記第1の緩衝層下
部構造(34)上に配設された第2の緩衝層下部構造(36)を
備えている、前項6に記載の半導体デバイス。
11. 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the buffer structure comprises a second buffer layer lower structure (36) disposed on the first buffer layer lower structure (34).

【0136】12.前記第1及び第2の緩衝層下部構造の
各々が、インジウム含有窒化化合物から形成された下部
構造緩衝層(38,40)と、該下部構造緩衝層(38,40)上に配
設された下部構造キャップ層(42,44)とを備えている、
前項11に記載の半導体デバイス。
12. Each of the first and second buffer layer lower structures is disposed on the lower structure buffer layer (38, 40) formed of an indium-containing nitride compound and the lower structure buffer layer (38, 40). And a lower structure cap layer (42, 44).
12. The semiconductor device according to the above item 11.

【0137】13.前記第1及び第2の緩衝層下部構造(3
4,36)の各々における下部構造キャップ層(42,44)が、窒
化ガリウムから形成されている、前項11に記載の半導体
デバイス。
13. The first and second buffer layer substructures (3
12. The semiconductor device according to item 11, wherein the lower structure cap layer (42, 44) in each of (4, 36) is formed of gallium nitride.

【0138】14.前記第1の緩衝層下部構造(64)が、第
1のインジウム含有窒化化合物から形成された下部構造
緩衝層(70)を備えており、前記第2の緩衝層下部構造(6
6)が、第2のインジウム含有窒化化合物から形成された
下部構造緩衝層(72)を備えていることを特徴とする、前
項11に記載の半導体デバイス。
14. The first buffer layer lower structure (64) includes a lower structure buffer layer (70) formed of a first indium-containing nitride compound, and the second buffer layer lower structure (6).
12. The semiconductor device according to item 11, wherein 6) includes a lower structure buffer layer (72) formed from a second indium-containing nitride compound.

【0139】15.前記第1及び第2の緩衝層下部構造(6
4,66)の各々が、第1のインジウム含有窒化化合物から
形成された第1の下部構造緩衝層(74,76)と、該第1の
下部構造緩衝層(74,76)上に配設された、第2のインジ
ウム含有窒化化合物から形成された第2の下部構造緩衝
層とを備えている、前項11に記載の半導体デバイス。
15. The first and second buffer layer lower structures (6
4,66) are respectively formed on the first lower structure buffer layer (74,76) and the first lower structure buffer layer (74,76) formed from the first indium-containing nitride compound. 12. The semiconductor device according to item 11, further comprising a second lower structure buffer layer formed of a second indium-containing nitride compound.

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

【図1】結晶格子及び該格子に関する軸を概略的に示す
斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a crystal lattice and axes related to the lattice.

【図2】従来の窒化物LEDの作製の概要を示す説明図で
ある。
FIG. 2 is an explanatory view showing an outline of manufacturing a conventional nitride LED.

【図3】窒化物及び基板材料についてのパラメータ値を
示す表である。
FIG. 3 is a table showing parameter values for nitrides and substrate materials.

【図4】本発明の第1の基本的な実施形態による窒化物
LEDの作製の概要を示す説明図である。
FIG. 4 shows a nitride according to a first basic embodiment of the invention.
It is explanatory drawing which shows the outline | summary of manufacture of LED.

【図5】複数の緩衝層を有する本発明の第1の種類の実
施形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 5 is an explanatory view showing an outline of manufacturing a nitride LED according to a first type of embodiment of the present invention having a plurality of buffer layers.

【図6】複数の緩衝層を有する本発明の第1の種類の実
施形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 6 is an explanatory view showing an outline of manufacturing a nitride LED according to a first type of embodiment of the present invention having a plurality of buffer layers.

【図7】キャップ層を有する本発明の第2の種類の実施
形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 7 is an explanatory view showing the outline of the fabrication of a nitride LED according to a second embodiment of the present invention having a cap layer.

【図8】キャップ層を有する本発明の第2の種類の実施
形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 8 is an explanatory view showing an outline of manufacturing a nitride LED according to a second embodiment of the present invention having a cap layer.

【図9】キャップ層を有する本発明の第2の種類の実施
形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 9 is an explanatory view showing the outline of the fabrication of a nitride LED according to a second embodiment of the present invention having a cap layer.

【図10】キャップ層を有する本発明の第2の種類の実
施形態による窒化物LEDの作製の概要を示す説明図であ
る。
FIG. 10 is an explanatory view showing an outline of manufacturing a nitride LED according to a second embodiment of the present invention having a cap layer.

【図11】図9のデバイスの特性を示す「SIMS深さプロ
フィル」と呼ばれるグラフである。
FIG. 11 is a graph called “SIMS depth profile” showing the characteristics of the device of FIG. 9;

【図12】図9のデバイスからの測定値を示す表であ
る。
FIG. 12 is a table showing measured values from the device of FIG. 9;

【図13】緩衝構造内に反復する(又はほぼ反復する)下
部構造を有する本発明の第3の種類の実施形態による窒
化物LEDの作製の概要を示す説明図である。
FIG. 13 is an illustration outlining the fabrication of a nitride LED according to a third type of embodiment of the present invention having a repeating (or nearly repeating) substructure in a buffer structure.

【図14】緩衝構造内に反復する(又はほぼ反復する)下
部構造を有する本発明の第3の種類の実施形態による窒
化物LEDの作製の概要を示す説明図である。
FIG. 14 is an illustration outlining the fabrication of a nitride LED according to a third type of embodiment of the present invention having a repeating (or nearly repeating) substructure in a buffer structure.

【図15】緩衝構造内に反復する(又はほぼ反復する)下
部構造を有する本発明の第3の種類の実施形態による窒
化物LEDの作製の概要を示す説明図である。
FIG. 15 is an illustration showing an overview of the fabrication of a nitride LED according to a third type of embodiment of the present invention having a repeating (or nearly repeating) substructure in a buffer structure.

【図16】本発明による幾つかのデバイスからの性能デ
ータを示す表である。
FIG. 16 is a table showing performance data from some devices according to the present invention.

【図17】更なる性能データを示す表である。FIG. 17 is a table showing further performance data.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 基板 4 緩衝構造 6 活性構造 16 第1の緩衝層 18 第1の緩衝層 20 第2の緩衝層 24 第1の緩衝層 26 キャップ層 34 第1の緩衝層下部構造 36 第2の緩衝層下部構造 38 下部構造緩衝層 42 下部構造キャップ層 44 下部構造キャップ層 64 第1の緩衝層下部構造 66 第2の緩衝層下部構造 70 第1の下部構造緩衝層 72 下部構造緩衝層 74 第2の下部構造緩衝層 2 Substrate 4 Buffer structure 6 Active structure 16 First buffer layer 18 First buffer layer 20 Second buffer layer 24 First buffer layer 26 Cap layer 34 First buffer layer lower structure 36 Second buffer layer lower Structure 38 Lower Structure Buffer Layer 42 Lower Structure Cap Layer 44 Lower Structure Cap Layer 64 First Buffer Layer Lower Structure 66 Second Buffer Layer Lower Structure 70 First Lower Structure Buffer Layer 72 Lower Structure Buffer Layer 74 Second Lower Structure buffer layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャンフア・チェン アメリカ合衆国カリフォルニア州95129, サン・ノゼ,アルバニー・サークル・ナン バー102・4685 (72)発明者 ワーナー・ゴエツ アメリカ合衆国カリフォルニア州95303, パロアルト,ジー・ミドルフィールド・ロ ード・3909 (72)発明者 ギナ・エル・クリステンスン アメリカ合衆国カリフォルニア州94086, サニーベイル,アパートメント・122,ノ ース・ウォルフ・ロード・355 (72)発明者 チーピン・クオ アメリカ合衆国カリフォルニア州95035, ミルピタス,メドウランド・ドライブ・ 185 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Changhua Chen 95129, California, United States of America, Albany Circle Number 102, 4865 (72) Inventor Warner Goetz 95303, Palo Alto, Gee, California 95303 United States of America Middlefield Road 3909 (72) Inventor Gina El Kristiansund California, United States 94086, Sunnyvale, Apartment 122, North Wolf Road 355 (72) Inventor Chipin Kuo, California, United States of America 95035, Milpitas, Meadowland Drive 185

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板(2)と、 該基板(2)上に直接配設された緩衝構造(4)であって、前
記基板(2)上に直接配設された第1の緩衝層(16)を備え
ており、該第1の緩衝層(16)が、第1のインジウム含有
窒化化合物から形成されている、緩衝構造(4)と、 該緩衝構造(4)上に配設された活性構造(6)とを備えてい
る、半導体デバイス。
A substrate (2) and a buffer structure (4) directly disposed on the substrate (2), wherein the first buffer layer (1) is disposed directly on the substrate (2). 16), wherein the first buffer layer (16) is formed from a first indium-containing nitride compound, and is disposed on the buffer structure (4). A semiconductor device comprising: an active structure (6).
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