JP2000188260A - Nitride-based compound semiconductor element, crystal growth of the nitride-based compound semiconductor, and manufacture of the element - Google Patents

Nitride-based compound semiconductor element, crystal growth of the nitride-based compound semiconductor, and manufacture of the element

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JP2000188260A JP33203099A JP33203099A JP2000188260A JP 2000188260 A JP2000188260 A JP 2000188260A JP 33203099 A JP33203099 A JP 33203099A JP 33203099 A JP33203099 A JP 33203099A JP 2000188260 A JP2000188260 A JP 2000188260A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride-based compound semiconductor element, in which lattice misalignment at an interface with a substrate is relaxed. SOLUTION: This semiconductor element includes a substrate 11, a BN-based compound semiconductor buffer layer 24 on the substrate 11, and nitride-based compound semiconductor crystalline layers 34, 25 and 36 on the buffer layer 24. The substrate 11 may be made of sapphire or silicon carbide (SiC). The difference in lattice constants between those of BN and sapphire is small, and the difference in lattice constants between those of BN-based compound semiconductor and sapphire is also small. Accordingly, the BN-based compound semiconductor buffer layer 24 acts to relax lattice misalignment between the substrate 11 and semiconductor crystalline layers 34, 35 and 36. As a result, the crystallization of the semiconductor crystalline layers 34, 35 and 36 can be improved and thus light emission and electrical characteristics of the semiconductor element can be improved. The element is also high in its reliability and has long operational life.

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】本発明は窒化物系化合物半導
体素子に関する。更に、この窒化物系化合物半導体素子
を製造する方法、及びこの窒化物系化合物半導体素子の
製造方法に用いる窒化物系化合物半導体の結晶成長方法
に係り、特に、基板(第1固体材料)と窒化物系単結晶
(第2固体材料)間にBN系化合物半導体からなるバッ
ファー層(以下において「BN系化合物バッファー層」
と略記する。)を形成し、結晶性の優れた窒化物系化合
物半導体単結晶層を形成することの可能な窒化物系化合
物半導体の結晶成長方法に関する。
The present invention relates to a nitride-based compound semiconductor device. Further, the present invention relates to a method of manufacturing the nitride-based compound semiconductor device and a method of growing a nitride-based compound semiconductor crystal used in the method of manufacturing the nitride-based compound semiconductor device. Layer composed of a BN-based compound semiconductor between an oxide-based single crystal (second solid material) (hereinafter referred to as a “BN-based compound buffer layer”)
Abbreviated. ) To form a nitride-based compound semiconductor single crystal layer having excellent crystallinity.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、短波長領域の光(紫外線〜緑
色)、特に青色光を発することの出来る半導体発光素子
が脚光を浴びている。窒化ガリウム(GaN),窒化イ
ンジウム(InN),窒化アルミニウム(AlN)等の
ような窒化物系化合物半導体、及び、これらの窒化物系
化合物半導体を一定な比率で混合した混晶からなる3元
系、4元系等の窒化物系化合物半導体は、このような波
長の光を発光することの出来るエネルギーギャップ(禁
制帯幅)を持っている。
2. Description of the Related Art Recently, semiconductor light emitting devices capable of emitting light in a short wavelength region (ultraviolet to green), particularly blue light, have been spotlighted. A ternary system composed of a nitride compound semiconductor such as gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and a mixed crystal obtained by mixing these nitride compound semiconductors at a fixed ratio. A nitride-based compound semiconductor such as a quaternary system has an energy gap (forbidden band width) capable of emitting light of such a wavelength.

【0003】このような窒化物系化合物半導体の結晶成
長は、主に有機金属化合物CVD(MOCVD)法を用
いる。MOCVD法は主に900〜1100℃程度の基
板温度において、基板が設置された反応容器内に有機化
合物反応ガスを供給し、基板上に窒化物系化合物半導体
からなる薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。
窒化物系化合物半導体の結晶成長に用いる基板として
は、サファイア基板や炭化珪素(SiC)基板が知られ
ている。サファイア基板や炭化珪素(SiC)基板を用
いる理由は、成長する窒化物系化合物半導体結晶と結晶
構造が同一で、比較的格子定数が近いからである。
[0003] The crystal growth of such a nitride-based compound semiconductor mainly uses an organometallic compound CVD (MOCVD) method. The MOCVD method is a method of supplying an organic compound reaction gas into a reaction vessel in which a substrate is installed at a substrate temperature of about 900 to 1100 ° C. to epitaxially grow a thin film made of a nitride-based compound semiconductor on the substrate.
As a substrate used for crystal growth of a nitride-based compound semiconductor, a sapphire substrate and a silicon carbide (SiC) substrate are known. The reason for using a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate is that the crystal structure is the same as that of the growing nitride-based compound semiconductor crystal and the lattice constant is relatively close.

【0004】しかし、厳密には、窒化物系化合物半導体
と格子整合をなす商業的な基板は、存在していない。従
って、従来のMOCVD法を用いて上記サファイア基板
や炭化珪素(SiC)基板上に窒化物系化合物半導体結
晶を成長させた場合には、成長したエピタキシャル層の
表面モホロジーが不良である。又、格子不整合によるス
トレスが生じるために結晶の完全性の高い結晶を得ると
いうことは大変難しい。その結果、青色光を発光する半
導体発光素子を開発するということは殆ど不可能であっ
た。
[0004] Strictly speaking, however, there is no commercial substrate lattice-matching with a nitride-based compound semiconductor. Therefore, when a nitride-based compound semiconductor crystal is grown on the sapphire substrate or the silicon carbide (SiC) substrate by using the conventional MOCVD method, the surface morphology of the grown epitaxial layer is poor. Also, it is very difficult to obtain a crystal with high crystal perfection due to stress caused by lattice mismatch. As a result, it has been almost impossible to develop a semiconductor light emitting device that emits blue light.

【0005】このような問題を解決するため、図9
(a)に示したようなサファイア基板11上にGaAl
Nの低温成長層21を配置し、更にこの上にGaxAl
1-xN結晶層31をエピタキシャル成長した半導体発光
素子の構造が提案されている。この半導体発光素子を形
成する方法は、通常のGaAlN結晶の成長に用いる基
板温度TSUB(約1000〜1100℃)より遙かに低
い約400〜900℃の基板温度TSUBで低温成長層
(GaAlN層)21を数十nm成長後、その上にGa
AlNエピタキシャル層31を成長させる。この低温成
長層21は、サファイア基板11と窒化物系化合物半導
体結晶層31間に形成され、窒化物系化合物半導体結晶
層31の結晶性を向上させるために用いられる「バッフ
ァー層」21と呼ばれる層である。このバッファー層
(GaAlNバッファー層)21によりエピタキシャル
層31の表面モホロジー及び、基板とエピタキシャル層
31との間の格子整合が向上すると期待された。そして
このような期待のもとで、短波長領域、特に、青色光の
半導体発光素子の開発が進み始めた。
To solve such a problem, FIG.
GaAl on a sapphire substrate 11 as shown in FIG.
A low-temperature growth layer 21 of N is arranged, and Ga x Al
A structure of a semiconductor light emitting device in which a 1-x N crystal layer 31 is epitaxially grown has been proposed. The method of forming this semiconductor light emitting device is based on a method of forming a low temperature growth layer (GaAlN) at a substrate temperature T SUB of about 400 to 900 ° C., which is much lower than a substrate temperature T SUB (about 1000 to 1100 ° C.) used for growing a normal GaAlN crystal. Layer) 21 is grown for several tens of nm, and Ga
An AlN epitaxial layer 31 is grown. The low-temperature growth layer 21 is formed between the sapphire substrate 11 and the nitride-based compound semiconductor crystal layer 31 and is called a “buffer layer” 21 used to improve the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor crystal layer 31. It is. The buffer layer (GaAlN buffer layer) 21 was expected to improve the surface morphology of the epitaxial layer 31 and the lattice matching between the substrate and the epitaxial layer 31. Under such expectations, development of a semiconductor light emitting device for a short wavelength region, particularly, a blue light has begun to progress.

【0006】しかし、図9(a)に示した構造の半導体
発光素子においては、バッファー層21の成長条件を厳
密に制御する必要がある。特に、バッファー層21を1
0〜50nmの薄い厚さに設定しなければならず、その
厚さをサファイア基板11全面に亘って均一に制御する
必要があるが、このようなバッファー層21の成長は大
変難しい。このため、現実には、その結晶性は、発光ダ
イオード等の半導体発光素子を製造するところまでは改
善されず、図9(a)に示した構造では、発光ダイオー
ドを実用化するためのpn接合を実現することが出来な
かった。
However, in the semiconductor light emitting device having the structure shown in FIG. 9A, it is necessary to strictly control the growth conditions of the buffer layer 21. In particular, the buffer layer 21
It is necessary to set the thickness to be as thin as 0 to 50 nm, and it is necessary to control the thickness uniformly over the entire surface of the sapphire substrate 11, but it is very difficult to grow such a buffer layer 21. Therefore, in reality, the crystallinity is not improved until a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode is manufactured. In the structure shown in FIG. 9A, a pn junction for practical use of the light emitting diode is used. Could not be realized.

【0007】そこで、図9(b)に示したような構造の
青色光用半導体発光素子が提案された。この半導体発光
素子においては、サファイア基板11上に約400〜8
00℃の温度範囲でGaNバッファー層22を約0.0
2〜0.2μmエピタキシャル成長させた後、GaNバ
ッファー層22の上に、この基板温度より高い900〜
1150℃の温度範囲においてGaxAl1-xN結晶層3
2をエピタキシャル成長させる。この低温成長のバッフ
ァー層22により、サファイア基板11と窒化物系結晶
層(GaxAl1-xN結晶層)32間の格子定数差が縮ま
りストレスが減少するようになる。このため、高品質の
窒化物系化合物半導体結晶を得る見通しが得られた。即
ち、発光ダイオード(LED)や半導体レーザのような
半導体発光素子構造を実現可能な高品質の窒化物系化合
物半導体結晶を得る連続エピタキシャル成長が期待され
た。そして図9(b)に示した構造は、GaxAl1-x
バッファー層やGaxAl1-xN窒化物系結晶においても
同一に有用であると期待された。
Therefore, a blue light semiconductor light emitting device having a structure as shown in FIG. 9B has been proposed. In this semiconductor light emitting device, about 400 to 8
In the temperature range of 00 ° C., the GaN buffer layer 22 is
After epitaxial growth of 2 to 0.2 μm, the GaN buffer layer 22 is heated to 900 to 900 μm higher than the substrate temperature.
Ga x Al 1-x N crystal layer 3 in a temperature range of 1150 ° C.
2 is epitaxially grown. Due to the buffer layer 22 grown at a low temperature, the lattice constant difference between the sapphire substrate 11 and the nitride-based crystal layer (Ga x Al 1 -xN crystal layer) 32 is reduced, and stress is reduced. Therefore, the prospect of obtaining a high-quality nitride-based compound semiconductor crystal was obtained. That is, continuous epitaxial growth to obtain a high-quality nitride-based compound semiconductor crystal capable of realizing a semiconductor light emitting device structure such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser was expected. Then, the structure shown in FIG. 9B is Ga x Al 1 -xN
It was expected to be equally useful for buffer layers and Ga x Al 1-x N nitride-based crystals.

【0008】しかし、図9(b)に示した構造の半導体
発光素子にも、現実には格子不整合が存在する。図8
に、各材料についてのエネルギーギャップと格子定数と
の関係が示されている。このグラフを見れば、サファイ
アは約0.26nm、AlNは約0.31nm、GaN
は約0.315nm、InNは約0.35nmの格子定
数を有することをが分かる。従って、GaNとサファイ
アの格子定数の差は約0.055nmである。この程度
の格子定数は、実際の半導体発光素子に適用されたと
き、基板と成長層間で格子不整合を引き起こすようにな
り、結局窒化物系化合物半導体からなる単結晶層の結晶
性が低下する原因となる。更に、サファイアとAlNの
格子定数差も約0.05nm程度であるから、GaNと
AlNの混晶であるGaxAl1-xNバッファー層を形成
しても、格子定数差が顕著であり、窒化物系化合物半導
体からなる単結晶層の結晶性が低下する。
However, the semiconductor light emitting device having the structure shown in FIG. 9B actually has a lattice mismatch. FIG.
FIG. 2 shows the relationship between the energy gap and the lattice constant of each material. According to this graph, sapphire is about 0.26 nm, AlN is about 0.31 nm, GaN
It can be seen that has a lattice constant of about 0.315 nm and InN has a lattice constant of about 0.35 nm. Therefore, the difference between the lattice constants of GaN and sapphire is about 0.055 nm. Such a lattice constant, when applied to an actual semiconductor light emitting device, causes a lattice mismatch between the substrate and the growth layer, and eventually causes a decrease in the crystallinity of the single crystal layer made of the nitride-based compound semiconductor. Becomes Furthermore, since the lattice constant difference between sapphire and AlN is about 0.05 nm, even if a Ga x Al 1-x N buffer layer that is a mixed crystal of GaN and AlN is formed, the lattice constant difference is remarkable, The crystallinity of the single crystal layer made of a nitride-based compound semiconductor decreases.

【0009】一方、サファイアとInNの格子定数の差
は上記2つの材料における格子定数の差より大きい約
0.09nmである。従って、InNバッファー層を形
成することも望ましくない。又、AlN,GaN,In
Nからなる化合物半導体の混晶も、同様に格子定数差が
顕著であり、バッファー層として採用出来ないことが分
かる。
On the other hand, the difference between the lattice constants of sapphire and InN is about 0.09 nm, which is larger than the difference between the two materials. Therefore, it is not desirable to form an InN buffer layer. Also, AlN, GaN, In
Similarly, the mixed crystal of the compound semiconductor composed of N also has a remarkable difference in lattice constant, indicating that it cannot be used as a buffer layer.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の点を勘
案してなされたものであって、窒化物系化合物半導体結
晶層(第2固体材料)と格子定数が違う材料(第1固体
材料)からなるエピタキシャル成長用基板との間の界面
における格子不整合が生ずることを防ぐことの出来る窒
化物系化合物半導体の結晶成長方法を提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above points, and has been made in consideration of the above-described problems, and is directed to a material (first solid material) having a different lattice constant from a nitride-based compound semiconductor crystal layer (second solid material). It is an object of the present invention to provide a method for growing a crystal of a nitride-based compound semiconductor, which can prevent the occurrence of lattice mismatch at the interface between the substrate and the substrate for epitaxial growth.

【0011】本発明の他の目的は、サファイア基板や炭
化珪素(SiC)基板(第1固体材料)等の基板上に窒
化物系化合物半導体結晶層(第2固体材料)の成長時
に、基板と窒化物系化合物半導体結晶層との格子不整合
が生じることを防ぎ、結晶性を向上させることの出来る
窒化物系化合物半導体の結晶成長方法を提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide a method for forming a nitride-based compound semiconductor crystal layer (second solid material) on a substrate such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate (first solid material). An object of the present invention is to provide a crystal growth method for a nitride-based compound semiconductor that can prevent lattice mismatch with a nitride-based compound semiconductor crystal layer and improve crystallinity.

【0012】本発明の更に他の目的は、基板(第1固体
材料)との間の界面における格子不整合が有効に防止さ
れた多層構造(第2固体材料)を具備した窒化物系化合
物半導体素子を提供することを目的とする。
Still another object of the present invention is to provide a nitride-based compound semiconductor having a multilayer structure (second solid material) in which lattice mismatch at an interface with a substrate (first solid material) is effectively prevented. It is intended to provide an element.

【0013】本発明の更に他の目的は、サファイア基板
や炭化珪素(SiC)基板(第1固体材料)等の基板上
に窒化物系化合物半導体結晶層(第2固体材料)が配置
された構造を具備し、この基板と窒化物系化合物半導体
結晶層間の格子不整合が緩和され、窒化物系化合物半導
体結晶層の結晶性が高い構造の窒化物系化合物半導体素
子を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a structure in which a nitride-based compound semiconductor crystal layer (second solid material) is disposed on a substrate such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate (first solid material). It is an object of the present invention to provide a nitride-based compound semiconductor device having a structure in which lattice mismatch between the substrate and the nitride-based compound semiconductor crystal layer is relaxed and the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor crystal layer is high.

【0014】本発明の更に他の目的は、発光効率が高
く、発光寿命の長い窒化物系化合物半導体素子を提供す
ることである。
Still another object of the present invention is to provide a nitride-based compound semiconductor device having a high luminous efficiency and a long luminous life.

【0015】本発明の更に他の目的は、エピタキシャル
成長用基板との間の界面における格子不整合が生ずるこ
とを防ぐことの出来る窒化物系化合物半導体素子の製造
方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device which can prevent occurrence of lattice mismatch at an interface with an epitaxial growth substrate.

【0016】本発明の他の目的は、基板と結晶層に格子
不整合が生じることを防いで窒化物系化合物半導体から
なる単結晶層の結晶性を向上させ、信頼性の高い窒化物
系化合物半導体素子の製造方法を提供することである。
Another object of the present invention is to improve the crystallinity of a single crystal layer made of a nitride compound semiconductor by preventing the occurrence of lattice mismatch between the substrate and the crystal layer, and to provide a highly reliable nitride compound. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.

【0017】本発明の更に他の目的は、発光効率が高
く、発光寿命の長い窒化物系化合物半導体素子の製造方
法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nitride-based compound semiconductor device having a high luminous efficiency and a long luminous life.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第1の特徴に係る窒化物系化合物半導体素
子は、基板と、この基板上に配置されたBN系化合物半
導体からなるバッファー層と、このバッファー層上に配
置された窒化物系化合物半導体結晶層とから少なくとも
構成されている。基板としては、サファイア基板或いは
炭化珪素(SiC)基板等が採用可能である。
To achieve the above object, a nitride-based compound semiconductor device according to a first aspect of the present invention comprises a substrate and a BN-based compound semiconductor disposed on the substrate. It comprises at least a buffer layer and a nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the buffer layer. As the substrate, a sapphire substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, or the like can be used.

【0019】本発明の第1の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子によれば、格子定数が異なる材料からなる基
板上にBN系化合物半導体からなるバッファー層を具備
しているので、基板と窒化物系バッファー層間の格子不
整合が緩和し、窒化物系化合物半導体単結晶層の結晶性
が高い。そして、結晶性の向上によりLEDのような半
導体発光素子を製造したとき、発光特性及び電気的特性
が向上する。又、窒化物系化合物半導体単結晶層の結晶
性が向上しているので、窒化物系化合物半導体素子の信
頼性、及び動作寿命が大幅に増加する。
According to the nitride-based compound semiconductor device according to the first aspect of the present invention, since the buffer layer made of the BN-based compound semiconductor is provided on the substrate made of a material having a different lattice constant, The lattice mismatch between the material-based buffer layers is reduced, and the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor single crystal layer is high. When a semiconductor light emitting device such as an LED is manufactured by improving the crystallinity, light emitting characteristics and electric characteristics are improved. In addition, since the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor single crystal layer is improved, the reliability and operating life of the nitride-based compound semiconductor device are significantly increased.

【0020】本発明の第1の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子において、バッファー層は、原子配列の規則
性の乱れた構造の半導体層であることが好ましい。「原
子配列の規則性の乱れた構造」とは、非晶質構造、若し
くは結晶粒界が小さい多結晶構造、或いはこれらの混合
状態からなる構造等の「非−単結晶状態」の構造を意味
する。非晶質構造が、原子配列の規則性の乱れた構造で
あることの説明は不用であろう。多単結晶状態の半導体
層は、或るグレインの範囲内では、原子配列の規則性が
保たれているが、マクロに見れば規則性が乱れているの
で、本発明の「原子配列の規則性の乱れた構造」に該当
する。バッファー層の厚さは、10〜60nm程度で良
く、より好ましくは、20〜30nm程度に選定すれば
良い。
In the nitride-based compound semiconductor device according to the first aspect of the present invention, it is preferable that the buffer layer is a semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is irregular. "Structure with disordered atomic arrangement" means a "non-single-crystal state" structure such as an amorphous structure, a polycrystalline structure having small crystal grain boundaries, or a structure composed of a mixture of these. I do. It is unnecessary to explain that the amorphous structure is a structure in which the atomic arrangement is disordered. In a semiconductor layer in a poly-single crystal state, the regularity of the atomic arrangement is maintained within a certain grain range, but the regularity is disordered from a macro perspective. Disturbed structure ". The thickness of the buffer layer may be about 10 to 60 nm, and more preferably, about 20 to 30 nm.

【0021】本発明の第1の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子の基板上に配置するBN系化合物バッファー
層の例としては、Ga1-xxN(0<x≦1),Al
1-xxN(0<x≦1),In1-xxN(0<x≦
1),((Al1-yGay1-xx)N(0<x≦1,0
≦y≦1),((In1−yGa1−x)N
(0<x≦1,0≦y≦1),((In1-yAly1-x
x)N(0<x≦1,0≦y≦1),((In1-yAl
y1-xx)N(0<x≦1,0≦y≦1)又は((A
aGabInc1-xx)N(0<x≦1,a+b+c
=1,a,b,c≠0)等が使用可能である。又、窒化
物系化合物半導体結晶層はAlN,GaN,InN化合
物半導体等が代表的な例である。
The nitride compound according to the first aspect of the present invention
BN-based compound buffer placed on substrate of semiconductor device
Examples of layers include Ga1-xBxN (0 <x ≦ 1), Al
1-xBxN (0 <x ≦ 1), In1-xBxN (0 <x ≦
1), ((Al1-yGay)1-xBx) N (0 <x ≦ 1,0
≦ y ≦ 1), ((In1-yGay)1-xBx) N
(0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), ((In1-yAly)1-x
Bx) N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), ((In1-yAl
y)1-xBx) N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) or ((A
L aGabInc)1-xBx) N (0 <x ≦ 1, a + b + c
= 1, a, b, c ≠ 0) and the like can be used. Also, nitriding
Compound semiconductor crystal layer is composed of AlN, GaN, InN
A semiconductor is a typical example.

【0022】更に、本発明の第2の特徴に係る窒化物系
化合物半導体の結晶成長方法は、(イ)基板を用意する
工程と、(ロ)第1基板温度において、基板上にBN系
化合物半導体層を成長してバッファー層を形成する工程
と、(ハ)第1基板温度より高い第2基板温度におい
て、バッファー層上に窒化物系化合物半導体結晶層をエ
ピタキシャル成長する工程とから少なくとも構成されて
いる。
Further, according to a second aspect of the present invention, there is provided a method for growing a nitride-based compound semiconductor crystal, comprising the steps of: (a) preparing a substrate; and (ii) forming a BN-based compound on the substrate at a first substrate temperature. Forming at least a step of growing a semiconductor layer to form a buffer layer, and (c) epitaxially growing a nitride-based compound semiconductor crystal layer on the buffer layer at a second substrate temperature higher than the first substrate temperature. I have.

【0023】本発明の第2の特徴に係る窒化物系化合物
半導体の結晶成長方法によれば、第1基板温度において
基板上にBN系化合物バッファー層を形成しているの
で、第2基板温度において窒化物系化合物半導体単結晶
層をエピタキシャル成長する場合、基板と窒化物系バッ
ファー層間の格子不整合を減少させ、窒化物系化合物半
導体単結晶層の結晶性を向上させることが出来る。
According to the method for growing a nitride-based compound semiconductor crystal according to the second aspect of the present invention, the BN-based compound buffer layer is formed on the substrate at the first substrate temperature. When the nitride-based compound semiconductor single crystal layer is epitaxially grown, lattice mismatch between the substrate and the nitride-based buffer layer can be reduced, and the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor single crystal layer can be improved.

【0024】BN系化合物半導体のバッファー層は、約
200〜1100℃の第1基板温度、望ましくは約50
0〜600℃の第1基板温度において約1〜100nm
の厚み、好ましくは約10〜60nmの厚み、更に好ま
しくは約20〜30nmの厚さでエピタキシャル成長す
れば良い。低温の第1基板温度で成長することにより、
BN系化合物半導体のバッファー層は非晶質状態、若し
くはグレインの小さな多結晶状態になる。或いは、約5
00〜600℃程度の第1基板温度において成長したB
N系化合物半導体のバッファー層内には、非晶質状態と
結晶粒界の小さい多結晶状態が混在している。非晶質状
態或いは多結晶状態のいずれであっても、バッファー層
としての役割を果たすには何等の問題がない。そして、
窒化物系化合物半導体結晶層はこのバッファー層形成時
の第1基板温度より高い約1000℃以上の第2基板温
度でエピタキシャル成長すれば良い。第2基板温度ま
で、基板温度を上昇することにより、非晶質状態のBN
系化合物半導体のバッファー層は、部分的に結晶化が進
行する。窒化物系化合物半導体結晶層とバッファー層と
の界面には多結晶層が生成され、結晶性の高い窒化物系
化合物半導体結晶層を得ることが出来る。バッファー層
の非晶質状態から直接窒化物系化合物半導体結晶層を成
長させる場合にも、近距離秩序だけを有する非晶質状態
のバッファー層と単結晶状態の窒化物系化合物半導体結
晶層間に格子不整合が生じないために結晶性の高い窒化
物系化合物半導体結晶層を得ることが出来る。
The buffer layer of the BN compound semiconductor has a first substrate temperature of about 200 to 1100 ° C., preferably about 50 ° C.
About 1 to 100 nm at a first substrate temperature of 0 to 600 ° C.
, Preferably about 10 to 60 nm, more preferably about 20 to 30 nm. By growing at a low first substrate temperature,
The buffer layer of the BN-based compound semiconductor is in an amorphous state or a polycrystalline state with small grains. Or about 5
B grown at a first substrate temperature of about 00 to 600 ° C.
An amorphous state and a polycrystalline state with small crystal grain boundaries are mixed in the buffer layer of the N-based compound semiconductor. In either the amorphous state or the polycrystalline state, there is no problem in serving as the buffer layer. And
The nitride-based compound semiconductor crystal layer may be epitaxially grown at a second substrate temperature of about 1000 ° C. or higher, which is higher than the first substrate temperature when the buffer layer is formed. By raising the substrate temperature to the second substrate temperature, the BN in the amorphous state
The crystallization partially progresses in the buffer layer of the compound semiconductor. A polycrystalline layer is generated at the interface between the nitride-based compound semiconductor crystal layer and the buffer layer, and a highly crystalline nitride-based compound semiconductor crystal layer can be obtained. Even when the nitride-based compound semiconductor crystal layer is grown directly from the amorphous state of the buffer layer, a lattice is formed between the amorphous buffer layer having only short-range order and the single-crystal nitride-based compound semiconductor crystal layer. Since no mismatch occurs, a nitride-based compound semiconductor crystal layer having high crystallinity can be obtained.

【0025】本発明の第2の特徴に係る窒化物系化合物
半導体の結晶成長方法において、窒化物系化合物半導体
結晶層としては、AlN,GaN,InN等が採用可能
である。
In the crystal growth method for a nitride-based compound semiconductor according to the second aspect of the present invention, the nitride-based compound semiconductor crystal layer may be made of AlN, GaN, InN, or the like.

【0026】更に、本発明の第3の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子は、第1固体材料からなる第1層と、
この第1固体材料と格子定数が異なる窒化物系化合物半
導体結晶構造を有する第2固体材料からなる第2層と、
第1層と第2層間に配置された第1層と第2層とを格子
整合させるBN系化合物半導体からなるバッファー層と
から構成されている。第1固体材料としては、サファイ
ア又は炭化珪素(SiC)等の固体材料(物質)が好適
である。
Further, a nitride-based compound semiconductor device according to a third aspect of the present invention includes a first layer made of a first solid material,
A second layer made of a second solid material having a nitride-based compound semiconductor crystal structure having a different lattice constant from the first solid material;
It comprises a buffer layer made of a BN-based compound semiconductor for lattice-matching the first layer and the second layer arranged between the first layer and the second layer. As the first solid material, a solid material (substance) such as sapphire or silicon carbide (SiC) is suitable.

【0027】本発明の第3の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子によれば、第2固体材料とは、格子定数の異
なる第1固体材料からなる基板上に、BN系化合物半導
体からなるバッファー層を具備しているので、第1固体
材料と第2固体材料(窒化物系化合物半導体結晶)間の
格子不整合が緩和され、第2固体材料(窒化物系化合物
半導体結晶の結晶性が高い。そして、結晶性の向上によ
りLEDのような半導体発光素子を製造したとき、発光
特性及び電気的特性が向上する。又、第2固体材料(窒
化物系化合物半導体結晶)の結晶性が向上しているの
で、窒化物系化合物半導体素子の信頼性、及び動作寿命
が大幅に増加する。
According to the nitride-based compound semiconductor device according to the third aspect of the present invention, the second solid material is different from the buffer made of the BN-based compound semiconductor on the substrate made of the first solid material having a different lattice constant. Since the layer includes the layer, lattice mismatch between the first solid material and the second solid material (nitride-based compound semiconductor crystal) is reduced, and the second solid material (nitride-based compound semiconductor crystal) has high crystallinity. Then, when a semiconductor light emitting device such as an LED is manufactured by improving the crystallinity, the light emission characteristics and the electric characteristics are improved, and the crystallinity of the second solid material (nitride-based compound semiconductor crystal) is improved. Therefore, the reliability and operating life of the nitride-based compound semiconductor device are greatly increased.

【0028】更に、本発明の第4の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子は、基板と、基板上に配置されたBN
系化合物半導体からなるバッファー層と、バッファー層
上に配置されたn型窒化物系化合物半導体結晶層と、n
型窒化物系化合物半導体結晶層上に配置された窒化物系
化合物半導体結晶からなる活性層と、活性層上に配置さ
れたp型窒化物系化合物半導体結晶層と、活性層に電圧
を印加するための第1電極及び第2電極とから構成され
ている。基板としては、サファイア基板又は炭化珪素
(SiC)基板が好適である。活性層は、故意には不純
物が添加(ドーピング)されていない真性窒化物系化合
物半導体結晶からなり、動作電圧が印加されることによ
り発光する。ここで、「窒化物系化合物半導体素子」と
しては、LED、半導体レーザ、トランジスタ等が適用
可能である。LEDや半導体レーザにおいては、「第1
電極」とは、アノード電極(p−電極)又は、カソード
電極(n−電極)のいずれか一方である。「第2電極」
とは、LEDや半導体レーザにおいては、上記第1電極
とはならないアノード電極(p−電極)又は、カソード
電極(n−電極)のいずれか一方ということになる。本
発明の「窒化物系化合物半導体素子」が、バイポーラト
ランジスタ(BJT)であれば、「第1電極」とは、エ
ミッタ電極又はコレクタ電極のいずれか一方、「第2電
極」とは、上記第1電極とはならないエミッタ電極又は
コレクタ電極域のいずれか一方である。本発明の「窒化
物系化合物半導体素子」が、HEMT,MESFET,
SITであれば、「第1電極」とは、ソース電極又はド
レイン電極のいずれか一方、「第2電極」とは、上記第
1電極とはならないソース電極又はドレイン電極のいず
れか一方である。
Further, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided a nitride-based compound semiconductor device comprising a substrate and a BN disposed on the substrate.
A buffer layer comprising a compound semiconductor, an n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the buffer layer, and n
An active layer composed of a nitride-based compound semiconductor crystal disposed on the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, a p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the active layer, and applying a voltage to the active layer And a first electrode and a second electrode. As the substrate, a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate is preferable. The active layer is made of an intrinsic nitride-based compound semiconductor crystal to which no impurity is intentionally added (doped), and emits light when an operating voltage is applied. Here, as the “nitride-based compound semiconductor element”, an LED, a semiconductor laser, a transistor, or the like can be applied. For LEDs and semiconductor lasers,
The “electrode” is one of an anode electrode (p-electrode) and a cathode electrode (n-electrode). "Second electrode"
This means that in an LED or a semiconductor laser, either an anode electrode (p-electrode) or a cathode electrode (n-electrode) that does not become the first electrode. If the “nitride-based compound semiconductor device” of the present invention is a bipolar transistor (BJT), the “first electrode” is one of the emitter electrode or the collector electrode, and the “second electrode” is the second electrode. Either the emitter electrode or the collector electrode area which is not one electrode. The “nitride-based compound semiconductor device” of the present invention is a HEMT, MESFET,
In the case of SIT, the “first electrode” is one of a source electrode and a drain electrode, and the “second electrode” is one of a source electrode and a drain electrode that does not become the first electrode.

【0029】本発明の第4の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子によれば、サファイア基板や炭化珪素(Si
C)基板のような格子定数が異なる材料からなる基板上
にBN系化合物バッファー層を具備しているので、基板
と窒化物系バッファー層間の格子不整合が緩和されてい
る。このため、n型窒化物系化合物半導体結晶層、活性
層及びp型窒化物系化合物半導体結晶層のそれぞれの結
晶の完全性が高い。このため、LEDのような半導体発
光素子を製造したとき、発光特性及び電気的特性が向上
する。更に、n型窒化物系化合物半導体結晶層、活性層
及びp型窒化物系化合物半導体結晶層のそれぞれの結晶
結晶性が向上しているので、信頼性、が高くしかも動作
寿命が長い。
According to the nitride-based compound semiconductor device of the fourth aspect of the present invention, the sapphire substrate or the silicon carbide (Si)
C) Since the BN-based compound buffer layer is provided on a substrate such as a substrate made of a material having a different lattice constant, lattice mismatch between the substrate and the nitride-based buffer layer is reduced. Therefore, the respective crystals of the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, the active layer and the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer have high integrity. For this reason, when a semiconductor light emitting device such as an LED is manufactured, light emitting characteristics and electrical characteristics are improved. Further, since the crystallinity of each of the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, the active layer, and the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is improved, the reliability is high and the operation life is long.

【0030】本発明の第4の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子において、バッファー層は、原子配列の規則
性の乱れた構造の半導体層であることが好ましい。「原
子配列の規則性の乱れた構造」とは、第1の特徴におい
て説明したように、非晶質構造、若しくは結晶粒界が小
さい多結晶構造、或いはこれらの混合状態からなる構造
等の「非−単結晶状態」の構造を意味する。このバッフ
ァー層の厚さは、10〜60nm、好ましくは、20〜
30nm程度に選定することが可能である。バッファー
層を形成するBN系化合物半導体は、例えば、AlN,
GaN,InN等の化合物半導体とBNとの混晶から構
成することが可能である。
In the nitride-based compound semiconductor device according to the fourth aspect of the present invention, it is preferable that the buffer layer is a semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is irregular. As described in the first feature, the “structure having disordered atomic arrangement” refers to “a structure such as an amorphous structure, a polycrystalline structure having small crystal grain boundaries, or a structure including a mixture thereof. "Non-single crystal state" structure. The thickness of this buffer layer is 10 to 60 nm, preferably 20 to 60 nm.
It can be selected to be about 30 nm. The BN-based compound semiconductor forming the buffer layer is, for example, AlN,
It can be composed of a mixed crystal of a compound semiconductor such as GaN or InN and BN.

【0031】n型窒化物系化合物半導体結晶層又はp型
窒化物系化合物半導体結晶層は、n型不純物元素又はp
型不純物元素がドーピングされたAlN,GaN,In
N化合物半導体等で、真性窒化物系化合物半導体結晶層
はAlN,GaN,InN等の化合物半導体結晶で構成
することが可能である。又、n型窒化物系化合物半導体
結晶層、p型窒化物系化合物半導体結晶層、及び真性窒
化物系化合物半導体結晶層は、AlN,GaN,InN
等からなる混晶、即ち、これらを含む3元系若しくは4
元系の窒化物系化合物半導体結晶層で構成することも可
能である。活性層は少なくとも一つの量子井戸(QW)
を含むように構成されていてもかまわない。量子井戸
(QW)は、隣接する窒化物系化合物半導体結晶層のそ
れぞれを構成する元素の組成比を変化させることにより
その禁制帯エネルギーを調整し、禁制帯エネルギーが異
なる層の接合により、ヘテロ接合を構成して形成するこ
とが可能である。あるいは、エネルギー障壁を形成する
第1層と、第1層とは構成元素の組成比を変えた第2層
とで、所定のポテンシャルプロファイルを形成すべくヘ
テロ接合を構成しても良い。
The n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer or the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is formed of an n-type impurity element or a p-type nitride semiconductor.
, GaN, In doped with a p-type impurity element
With an N-compound semiconductor or the like, the intrinsic nitride-based compound semiconductor crystal layer can be composed of a compound semiconductor crystal such as AlN, GaN, or InN. Further, the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, and the intrinsic nitride-based compound semiconductor crystal layer are made of AlN, GaN, InN.
Ternary system containing these or 4
It is also possible to use a base nitride-based compound semiconductor crystal layer. The active layer is at least one quantum well (QW)
May be included. The quantum well (QW) adjusts its forbidden band energy by changing the composition ratio of elements constituting each of the adjacent nitride-based compound semiconductor crystal layers, and forms a heterojunction by joining layers having different forbidden band energies. Can be formed. Alternatively, a heterojunction may be formed by a first layer forming an energy barrier and a second layer in which the composition ratio of the constituent elements of the first layer is changed to form a predetermined potential profile.

【0032】n−電極は、基板が絶縁体のサファイア基
板からなる場合は、一部が取り除かれたn型窒化物系化
合物半導体層上に配置される。一方、基板が導体である
SiCからなる場合には、n−電極は基板の裏面に形成
出来る。
When the substrate is made of an insulating sapphire substrate, the n-electrode is disposed on the n-type nitride-based compound semiconductor layer from which a part has been removed. On the other hand, when the substrate is made of SiC, which is a conductor, the n-electrode can be formed on the back surface of the substrate.

【0033】更に、本発明の第5の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子の製造方法は、(イ)基板を用意する
工程と、(ロ)基板上に第1基板温度において、BN系
化合物半導体層をエピタキシャル成長し、バッファー層
を形成する工程と、(ハ)第1基板温度より高い第2基
板温度においてバッファー層上にn型窒化物系化合物半
導体結晶層を形成する工程と、(ニ)n型窒化物系化合
物半導体結晶上に窒化物系化合物半導体結晶を成長させ
て活性層を形成する工程と、(ホ)活性層上にp型窒化
物系化合物半導体結晶層を形成する工程と、(ヘ)活性
層に電圧を印加するための第1電極及び第2電極を形成
する工程とから少なくとも構成されている。
Further, a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention includes the steps of (a) preparing a substrate, and (b) forming a BN-based compound on the substrate at a first substrate temperature. (C) forming a buffer layer by epitaxially growing the semiconductor layer and (c) forming an n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer on the buffer layer at a second substrate temperature higher than the first substrate temperature; a step of growing a nitride-based compound semiconductor crystal on the n-type nitride-based compound semiconductor crystal to form an active layer; and (e) a step of forming a p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer on the active layer. (F) forming a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the active layer.

【0034】本発明の第5の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子の製造方法によれば、200〜1000℃程
度の低温の第1基板温度で成長することにより、BN系
化合物半導体のバッファー層は非晶質状態、若しくはグ
レインの小さな多結晶状態になる。或いは、第1基板温
度において成長したBN系化合物半導体のバッファー層
内には、非晶質状態と結晶粒界の小さい多結晶状態が混
在している。第1基板温度は、500〜600℃がより
好ましい。そして、n型窒化物系化合物半導体結晶層
を、このバッファー層形成時の第1基板温度より高い1
000℃以上の第2基板温度でエピタキシャル成長する
ことにより、非晶質状態のBN系化合物半導体のバッフ
ァー層は、部分的に結晶化が進行する。n型窒化物系化
合物半導体結晶層とバッファー層との界面には多結晶層
が生成され、結晶性の高い窒化物系化合物半導体結晶層
を得ることが出来る。バッファー層の非晶質状態から直
接n型窒化物系化合物半導体結晶層を成長させる場合に
も、近距離秩序だけを有する非晶質状態のバッファー層
と単結晶状態のn型窒化物系化合物半導体結晶層間に格
子不整合が生じないために結晶性の高い窒化物系化合物
半導体結晶層を得ることが出来る。従って、その上の活
性層及びp型窒化物系化合物半導体結晶層の高品位な結
晶性を維持しながら、窒化物系化合物半導体素子を製造
することが可能である。このため、LEDのような半導
体発光素子を、発光特性及び電気的特性が向上させなが
ら製造することが可能である。更に、n型窒化物系化合
物半導体結晶層、活性層及びp型窒化物系化合物半導体
結晶層のそれぞれの結晶結晶性が向上するので、信頼性
が高くしかも動作寿命が長い半導体素子を製造可能であ
る。
According to the method of manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention, the buffer layer of the BN-based compound semiconductor is grown at a low first substrate temperature of about 200 to 1000 ° C. Becomes an amorphous state or a polycrystalline state with small grains. Alternatively, an amorphous state and a polycrystalline state having small crystal grain boundaries are mixed in the buffer layer of the BN-based compound semiconductor grown at the first substrate temperature. The first substrate temperature is more preferably from 500 to 600C. Then, the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is set at a temperature higher than the first substrate temperature when the buffer layer is formed.
By performing epitaxial growth at a second substrate temperature of 000 ° C. or higher, the BN-based compound semiconductor buffer layer in an amorphous state partially undergoes crystallization. A polycrystalline layer is generated at the interface between the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer and the buffer layer, and a nitride-based compound semiconductor crystal layer having high crystallinity can be obtained. Even when the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is grown directly from the amorphous state of the buffer layer, an amorphous buffer layer having only short-range order and an n-type nitride-based compound semiconductor in a single crystal state Since no lattice mismatch occurs between crystal layers, a nitride-based compound semiconductor crystal layer having high crystallinity can be obtained. Therefore, it is possible to manufacture a nitride-based compound semiconductor device while maintaining high quality crystallinity of the active layer and the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer thereon. For this reason, it is possible to manufacture a semiconductor light emitting device such as an LED while improving the light emitting characteristics and the electric characteristics. Further, since the crystallinity of each of the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, the active layer, and the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is improved, a semiconductor device having high reliability and a long operating life can be manufactured. is there.

【0035】本発明の第5の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子の窒化物系化合物半導体結晶層は、AlN,
GaN,InN等を採用することが可能であり、これら
の混晶からなる3元系、4元系の化合物半導体結晶層で
もかまわない。n型窒化物系化合物半導体結晶層は、窒
化物系化合物半導体に、C,Si,Ge,Se,S,S
n,Te,Be等の不純物元素をドーピングすれば良
い。又、p型窒化物系化合物半導体結晶層は、窒化物系
化合物半導体に、Mg,Zn,Cd,Be,Ca,S
r,Ba等の不純物元素をドーピングすれば良い。
The nitride-based compound semiconductor crystal layer of the nitride-based compound semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention is composed of AlN,
GaN, InN, or the like can be employed, and a ternary or quaternary compound semiconductor crystal layer made of a mixed crystal thereof may be used. The n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is formed by adding C, Si, Ge, Se, S, S
What is necessary is just to dope an impurity element, such as n, Te, Be. Further, the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer is formed by adding Mg, Zn, Cd, Be, Ca, S
An impurity element such as r or Ba may be doped.

【0036】更に、本発明の第6の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子は、基板上に配置されたBN系化合物
半導体からなるバッファー層と、バッファー層上に配置
された窒化物系化合物半導体からなるp−n接合構造の
積層体と、p−n接合構造の積層体に電圧を印加するた
めの第1電極及び第2電極とから少なくとも構成されて
いる。
Further, according to a sixth aspect of the present invention, there is provided a nitride-based compound semiconductor device comprising: a buffer layer formed of a BN-based compound semiconductor disposed on a substrate; and a nitride-based compound semiconductor disposed on the buffer layer. And a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the laminate having a pn junction structure.

【0037】本発明の第6の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子は、サファイア基板や炭化珪素(SiC)基
板のような格子定数が異なる材料からなる基板上にBN
系化合物バッファー層を具備しているので、窒化物系化
合物半導体からなるp−n接合構造の積層体をエピタキ
シャル成長する場合、基板との格子不整合が緩和され、
p−n接合構造の積層体の結晶の完全性が高く、結晶欠
陥等が少なく、表面モホロジーも良好である。このた
め、p−n接合構造の積層体により、LEDのような半
導体発光素子を構成したとき、発光効率が高く、電気的
特性も良好である。又、p−n接合構造の積層体の結晶
性が良好であるため、信頼性が高く、動作寿命も長い。
The nitride-based compound semiconductor device according to the sixth aspect of the present invention is characterized in that BN is formed on a substrate made of a material having a different lattice constant, such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate.
Since the compound compound buffer layer is provided, when epitaxially growing a laminate having a pn junction structure made of a nitride compound semiconductor, lattice mismatch with the substrate is reduced,
The crystallinity of the laminate having a pn junction structure is high, the number of crystal defects is small, and the surface morphology is good. For this reason, when a semiconductor light emitting device such as an LED is formed by a laminate having a pn junction structure, the luminous efficiency is high and the electrical characteristics are good. Further, since the crystallinity of the laminate having the pn junction structure is good, the reliability is high and the operating life is long.

【0038】更に、本発明の第7の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子の製造方法は、(イ)基板上に第1基
板温度においてBN系化合物半導体層をエピタキシャル
成長し、バッファー層を形成する工程と、(ロ)第1基
板温度より高い第2基板温度において、バッファー層上
に、窒化物系化合物半導体からなるp−n接合構造の積
層体を形成する工程と、(ハ)p−n接合構造の積層体
に電圧を印加するための第1電極及び第2電極を形成す
る工程とから少なくとも構成されている。 第2の特徴
で述べたように、第1基板温度は、約200〜1100
℃、好ましくは、約500〜600℃であり、第2基板
温度は、約1000℃以上の温度である。低温の第1基
板温度で成長することにより、BN系化合物半導体のバ
ッファー層は非晶質状態、多結晶状態、或いは、非晶質
状態と多結晶状態が混在した構造となる。高温の第2基
板温度まで、基板温度を上昇することにより、非晶質状
態のBN系化合物半導体のバッファー層は、部分的に結
晶化が進行する。窒化物系化合物半導体結晶層とバッフ
ァー層との界面には多結晶層が生成され、結晶性の高い
窒化物系化合物半導体結晶層からなるp−n接合構造を
得ることが出来る。バッファー層の非晶質状態から直接
窒化物系化合物半導体結晶層を成長させる場合にも、近
距離秩序だけを有する非晶質状態のバッファー層と単結
晶状態の窒化物系化合物半導体結晶層間に格子不整合が
生じないために結晶性の高い窒化物系化合物半導体結晶
層からなるp−n接合構造を得ることが出来る。
Further, in the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to the seventh aspect of the present invention, (a) a BN-based compound semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate at a first substrate temperature to form a buffer layer. (B) forming a laminate of a pn junction structure made of a nitride-based compound semiconductor on the buffer layer at a second substrate temperature higher than the first substrate temperature; and (c) pn Forming a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the laminate having the bonding structure. As described in the second aspect, the first substrate temperature is about 200 to 1100
C., preferably about 500-600 C., and the second substrate temperature is about 1000 C. or more. By growing at a low first substrate temperature, the buffer layer of the BN-based compound semiconductor has an amorphous state, a polycrystalline state, or a structure in which the amorphous state and the polycrystalline state are mixed. By increasing the substrate temperature to the high second substrate temperature, the buffer layer of the amorphous BN-based compound semiconductor partially crystallizes. A polycrystalline layer is generated at the interface between the nitride-based compound semiconductor crystal layer and the buffer layer, and a pn junction structure composed of the nitride-based compound semiconductor crystal layer having high crystallinity can be obtained. Even when the nitride-based compound semiconductor crystal layer is grown directly from the amorphous state of the buffer layer, a lattice is formed between the amorphous buffer layer having only short-range order and the single-crystal nitride-based compound semiconductor crystal layer. Since no mismatch occurs, a pn junction structure including a nitride-based compound semiconductor crystal layer having high crystallinity can be obtained.

【0039】本発明の第7の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子の製造方法によれば、p−n接合構造の積層
体の結晶性が向上するので、半導体発光素子を製造した
とき、発光特性及び電気的特性が向上する。更に、p−
n接合構造の結晶性が向上するので、窒化物系化合物半
導体素子の信頼性及び動作寿命が大幅に増加する。
According to the method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to the seventh aspect of the present invention, the crystallinity of the stacked body having the pn junction structure is improved. Characteristics and electrical characteristics are improved. Furthermore, p-
Since the crystallinity of the n-junction structure is improved, the reliability and operating life of the nitride-based compound semiconductor device are significantly increased.

【0040】更に、本発明の第8の特徴に係る窒化物系
化合物半導体素子は、基板上に配置されたBN系化合物
半導体からなるバッファー層と、バッファー層上に配置
され、発光領域を形成する窒化物系化合物半導体結晶層
と、発光領域に電圧を印加するための第1電極及び第2
電極とから少なくとも構成されている。
Further, in the nitride compound semiconductor device according to the eighth aspect of the present invention, a buffer layer composed of a BN compound semiconductor disposed on a substrate and a light emitting region formed on the buffer layer are formed. A first compound electrode for applying a voltage to the light emitting region;
And at least electrodes.

【0041】本発明の第8の特徴に係る窒化物系化合物
半導体素子は、サファイア基板や炭化珪素(SiC)基
板のような格子定数が異なる材料からなる基板上にBN
系化合物バッファー層を具備しているので、基板と窒化
物系バッファー層間の格子不整合が緩和され、発光領域
の結晶性が良好である。従って、半導体発光素子の発光
特性及び電気的特性が向上する。又、発光領域の結晶の
完全性が高いので、窒化物系化合物半導体素子の信頼性
が高く、その動作寿命も長い。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a nitride-based compound semiconductor device on a substrate made of a material having a different lattice constant, such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate.
Since the substrate buffer layer is provided, lattice mismatch between the substrate and the nitride buffer layer is reduced, and the crystallinity of the light emitting region is good. Therefore, the light emitting characteristics and electrical characteristics of the semiconductor light emitting device are improved. In addition, since the crystal in the light emitting region has high integrity, the nitride-based compound semiconductor device has high reliability and a long operating life.

【0042】[0042]

【発明の実施の形態】本発明の最も基本的な目的は、窒
化物系化合物半導体を窒化物系化合物半導体とは格子定
数が異なる材料からなるエピタキシャル成長用基板の表
面に、結晶の完全性の高い単結晶をエピタキシャル成長
する方法を提供することである。基板材料と化合物半導
体エピタキシャル成長層間の格子定数の差は界面におけ
る格子不整合を引き起こす。このため高品質の窒化物系
化合物半導体結晶をエピタキシャル成長するためには、
基板材料と化合物半導体エピタキシャル成長層間の格子
定数を整合させるバッファー層を形成すべきである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The most basic object of the present invention is to provide a nitride-based compound semiconductor on a surface of an epitaxial growth substrate made of a material having a different lattice constant from that of a nitride-based compound semiconductor. An object of the present invention is to provide a method for epitaxially growing a single crystal. The difference in lattice constant between the substrate material and the compound semiconductor epitaxial growth layer causes lattice mismatch at the interface. Therefore, in order to epitaxially grow a high-quality nitride-based compound semiconductor crystal,
A buffer layer that matches the lattice constant between the substrate material and the compound semiconductor epitaxial growth layer should be formed.

【0043】本発明においては、格子整合のため従来の
バッファー層として使用していた化合物半導体の代わり
にBN系化合物半導体を用いる。BNの格子定数は図8
に図示したように約0.24nmである。従って、基板
として主に用いられるサファイアとは約0.02nmの
格子定数差が生じる。この値は、従来のバッファー層と
して用いられていた化合物半導体とサファイア基板との
格子定数差に比して非常に小さい。従って、BNとAl
Nとの化合物(混晶)であるAlBN、BNとGaNと
の混晶であるGaAlN、及びBNとInNとの混晶で
あるInBN等からなる3元系化合物半導体はすべて、
サファイア基板と小さな格子定数差だけを有する。
In the present invention, a BN-based compound semiconductor is used instead of the compound semiconductor used as a conventional buffer layer for lattice matching. Figure 8 shows the lattice constant of BN.
Approximately 0.24 nm as shown in FIG. Therefore, there is a difference in lattice constant of about 0.02 nm from sapphire mainly used as a substrate. This value is much smaller than the lattice constant difference between the compound semiconductor used as a conventional buffer layer and the sapphire substrate. Therefore, BN and Al
All ternary compound semiconductors composed of AlBN which is a compound (mixed crystal) with N, GaAlN which is a mixed crystal of BN and GaN, and InBN which is a mixed crystal of BN and InN, are all used.
It has only a small lattice constant difference from the sapphire substrate.

【0044】更に、AlN,GaN,InNの内から選
ばれた2種以上の化合物半導体の混晶からなる3元系又
は4元系の化合物半導体とBNの混晶からなる4元系又
は5元系の化合物半導体でバッファー層を形成しても、
従来用いられていた化合物半導体のバッファー層に比し
て格子定数差が小さい。従って、これらの4元系以上の
化合物半導体を用いても、基板とエピタキシャル成長層
間の格子不整合を大幅に減少させることが可能である。
Further, a ternary or quaternary compound composed of a mixed crystal of two or more compound semiconductors selected from AlN, GaN and InN and a quaternary or quinary compound composed of a mixed crystal of BN and BN. Even if a buffer layer is formed with a system compound semiconductor,
The difference in lattice constant is smaller than that of a conventionally used compound semiconductor buffer layer. Therefore, even if these quaternary or more compound semiconductors are used, it is possible to greatly reduce lattice mismatch between the substrate and the epitaxial growth layer.

【0045】図1に示す断面構造の窒化物系化合物半導
体素子を参照しながら、本発明の実施の形態について説
明する。サファイア基板11上に配置されたバッファー
層23は(Ga1-xx)Nの3元系化合物半導体から構
成されており、その上には単結晶のGaN結晶層33が
成長されている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to a nitride-based compound semiconductor device having a sectional structure shown in FIG. The buffer layer 23 disposed on the sapphire substrate 11 is made of a ternary compound semiconductor of (Ga 1 -xB x ) N, on which a single-crystal GaN crystal layer 33 is grown.

【0046】図1に示す構造の窒化物系化合物半導体素
子を形成する方法は、第1基板温度TSUB1及び第2基板
温度TSUB2においての2段階の温度プロファイルを用い
て成長させる方法を採用している。即ち、先ず低温の第
1基板温度TSUB1においてサファイア基板11上に(G
1−x)Nバッファー層23をエピタキシャル成
長させる。この後、更に、バッファー層23上に第1基
板温度TSUB1より高い第2基板温度TSUB2においてGa
N結晶層33を成長させる。(Ga1-xx)Nバッファ
ー層23は約1〜100nmの厚さに形成することが可
能であり、約10〜60nmの厚さが好ましく、更に2
0〜30nmの厚さが更に好ましい。更に、(Ga1-x
x)Nバッファー層23を成長させるための第1基板
温度TSUB1は約200〜1000℃温度である。特に、
約500〜600℃の基板温度TSU B1が好ましい。
A method of forming a nitride-based compound semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 employs a method of growing using a two-stage temperature profile at a first substrate temperature T SUB1 and a second substrate temperature T SUB2 . ing. That is, (G) is first placed on the sapphire substrate 11 at the low first substrate temperature T SUB1 .
The a 1-x B x) N buffer layer 23 is epitaxially grown. Thereafter, Ga is further added on the buffer layer 23 at a second substrate temperature T SUB2 higher than the first substrate temperature T SUB1.
An N crystal layer 33 is grown. The (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23 can be formed to a thickness of about 1 to 100 nm, preferably about 10 to 60 nm, and more preferably about 2 to 60 nm.
A thickness of 0 to 30 nm is more preferred. Furthermore, (Ga 1-x
B x ) The first substrate temperature T SUB1 for growing the N buffer layer 23 is about 200 to 1000 ° C. In particular,
A substrate temperature T SU B1 of about 500-600 ° C. is preferred.

【0047】(Ga1-xx)Nバッファー層23と窒化
物系化合物半導体結晶層33は、一般的な半導体素子成
長方法によりエピタキシャル成長可能である。この一般
的な半導体素子成長方法を応用して、本発明の窒化物系
化合物半導体の結晶成長方法を説明すれば次の通りであ
る。
The (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23 and the nitride-based compound semiconductor crystal layer 33 can be epitaxially grown by a general semiconductor device growth method. The following is a description of a method for growing a nitride-based compound semiconductor crystal of the present invention by applying this general method for growing a semiconductor device.

【0048】(イ)先ず、約500〜600℃の低温の
基板温度TSUBにおいて、(Ga1-xx)N層を成長さ
せれば、この(Ga1-xx)N層は非晶質状態となる。
このような非晶質状態の(Ga1-xx)Nバッファー層
23は、基板温度TSUBを約1000℃以上に徐々に上
昇させることにより部分的に結晶化する。具体的には、
反応容器内にサファイア基板11を導入・設置し、マス
フローコントローラ(MFC)等で制御しながら、III
族原料ガス(ソースガス)として有機金属化合物ガス
(MOガス)、V族原料ガスとしてアンモニア(N
3)ガスを、キャリアガスと共に、サファイア基板1
1の表面に供給して、所望の結晶層をエピタキシャル成
長させる。この場合、先ず、硼素(B)が添加された原
料ガス(ソースガス)をサファイア基板11上に供給
し、基板温度TSUBを500〜600℃まで上昇させ
る。そして、500〜600℃の基板温度TSUBを保っ
てサファイア基板11上に(Ga1-xx)Nからなる化
合物のバッファー層23を形成する。
[0048] (a) First, in the low substrate temperature T SUB about 500 to 600 ° C., be grown the (Ga 1-x B x) N layer, the (Ga 1-x B x) N layer It becomes an amorphous state.
The (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23 in such an amorphous state is partially crystallized by gradually increasing the substrate temperature T SUB to about 1000 ° C. or higher. In particular,
The sapphire substrate 11 is introduced and installed in the reaction vessel, and controlled by a mass flow controller (MFC) or the like.
Organometallic compound gas (MO gas) as a group V source gas and ammonia (N
H 3 ) gas together with a carrier gas is applied to the sapphire substrate 1
1 to grow a desired crystal layer epitaxially. In this case, first, a source gas (source gas) to which boron (B) is added is supplied onto the sapphire substrate 11, and the substrate temperature T SUB is raised to 500 to 600 ° C. Then, a buffer layer 23 made of a compound of (Ga 1 -xB x ) N is formed on the sapphire substrate 11 while maintaining the substrate temperature T SUB at 500 to 600 ° C.

【0049】(ロ)バッファー層23を成長後、反応容
器内の温度を徐々に上昇させ約1000℃以上の基板温
度TSUBで、硼素(B)が添加されていないIII族原料ガ
ス(ソースガス)としての有機金属化合物ガス(MOガ
ス)、V族原料ガスとしてのアンモニア(NH3)ガス
を、キャリアガスと共に、サファイア基板11の表面に
供給し、GaN結晶層33をエピタキシャル成長させ
る。基板温度TSUBが上昇することにより非晶質状態の
(Ga1-xx)Nバッファー層23は、部分的に結晶化
が進行する。基板温度TSUBの上昇は(Ga1-xx)N
バッファー層23の構成元素(原子)に活性化エネルギ
ーを与え、その活性化エネルギーにより各原子が格子点
に移動され、結晶化が進行する。但し、実際には、この
ような結晶化の過程は完全な単結晶状態を生成すること
は出来ない。結晶化が局部的に進行するために、バッフ
ァー層23は結晶粒界が小さい多結晶構造となる。この
多結晶は、バッファー層23上にGaN結晶層33を形
成するとき種結晶として作用する。即ち、約1000℃
以上の基板温度TSUBでGaNをエピタキシャル成長す
るときには、種結晶からGaN単結晶層が均一に形成さ
れる。
(B) After growing the buffer layer 23, the temperature in the reaction vessel is gradually increased, and at a substrate temperature T SUB of about 1000 ° C. or more, a group III source gas (source gas) to which boron (B) is not added. ) And an ammonia (NH 3 ) gas as a group V source gas are supplied to the surface of the sapphire substrate 11 together with a carrier gas to epitaxially grow the GaN crystal layer 33. As the substrate temperature T SUB rises, the crystallization of the (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23 in the amorphous state partially progresses. The rise of the substrate temperature T SUB is (Ga 1-x B x ) N
Activation energy is given to the constituent elements (atoms) of the buffer layer 23, and each atom is moved to a lattice point by the activation energy, and crystallization proceeds. However, in practice, such a crystallization process cannot produce a complete single crystal state. Since crystallization progresses locally, the buffer layer 23 has a polycrystalline structure with small crystal grain boundaries. This polycrystal acts as a seed crystal when forming the GaN crystal layer 33 on the buffer layer 23. That is, about 1000 ° C
When GaN is epitaxially grown at the above substrate temperature T SUB , a GaN single crystal layer is uniformly formed from the seed crystal.

【0050】約200〜1000℃の基板温度TSUB
好ましくは約500〜600℃の基板温度TSUBで成長
した(Ga1-xx)Nバッファー層23は、非晶質状態
ではなくグレインの小さな多結晶状態になることもあ
る。非晶質状態となるか、或いは多結晶状態となるか
は、(Ga1-xx)N層の成長条件に依存するのである
が、いずれであっても、バッファー層23としての役割
を果たすには何等の問題がない。非晶質状態の(Ga
1-xx)Nバッファー層23を成長した場合にも、その
後、GaN結晶層33を成長させるため基板温度TSUB
を上昇させれば、GaN結晶層33との界面をなす(G
1-xx)Nバッファー層23の表面には多結晶層が生
成されるために、結晶性の高いGaN結晶層33を得る
ことが出来る。(Ga1-xx)Nバッファー層23の非
晶質状態から直接GaN結晶層33を成長させる場合に
も、近距離秩序だけを有する非晶質状態の(Ga
1-xx)Nバッファー層23と単結晶状態のGaN結晶
層33間に格子不整合が生じないために結晶性の高いG
aN結晶層33を得ることが出来る。
A substrate temperature T SUB of about 200 to 1000 ° C.,
Preferably, the (Ga 1 -xB x ) N buffer layer 23 grown at a substrate temperature T SUB of about 500 to 600 ° C. may not be in an amorphous state but in a polycrystalline state with small grains. Whether an amorphous state or a polycrystalline state depends on the growth conditions of the (Ga 1-x B x ) N layer, whichever functions as the buffer layer 23. There is no problem to fulfill. (Ga in the amorphous state
Even when the 1-x B x ) N buffer layer 23 is grown, the substrate temperature T SUB is then increased to grow the GaN crystal layer 33.
Raises the interface with the GaN crystal layer 33 (G
a 1-x B x ) Since a polycrystalline layer is formed on the surface of the N buffer layer 23, a GaN crystal layer 33 having high crystallinity can be obtained. Even when the GaN crystal layer 33 is grown directly from the amorphous state of the (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23, the (Ga 1-x B x ) N
1-x B x ) Since the lattice mismatch does not occur between the N buffer layer 23 and the single crystal GaN crystal layer 33, G
An aN crystal layer 33 can be obtained.

【0051】なお、約500〜600℃程度の低温の基
板温度TSUBにおいて成長した(Ga1-xx)Nバッフ
ァー層23内には、非晶質状態と結晶粒界の小さい多結
晶状態が混在している。このような非晶質状態や多結晶
状態のバッファー層23は、その上に均一な単結晶層の
エピタキシャル成長を可能にする。更にいえば、結晶の
完全性の高い単結晶層をエピタキシャル成長させるバッ
ファー層23は、界面において単結晶層と格子整合しな
ければならないが、非晶質状態や多結晶状態のバッファ
ー層23は単結晶層と良好な格子整合をなす。そのた
め、本発明のバッファー層は、「原子配列の規則性の乱
れた構造の半導体層」、即ち、非晶質状態の半導体層や
多単結晶状態の半導体層である。多単結晶状態の半導体
層は、或るグレインの範囲内では、原子配列の規則性が
保たれているが、マクロに見れば規則性が乱れている。
これを表現すれば「非−単結晶状態」の半導体層と言う
ことが出来る。
The (Ga 1-x B x ) N buffer layer 23 grown at a low substrate temperature T SUB of about 500 to 600 ° C. has an amorphous state and a polycrystalline state with a small grain boundary. Are mixed. Such an amorphous or polycrystalline buffer layer 23 enables a uniform single crystal layer to be epitaxially grown thereon. Furthermore, the buffer layer 23 for epitaxially growing a single crystal layer with high crystal perfection must be lattice-matched with the single crystal layer at the interface. Good lattice matching with the layer. Therefore, the buffer layer of the present invention is a “semiconductor layer having a structure with disordered atomic arrangement”, that is, an amorphous semiconductor layer or a polycrystalline semiconductor layer. In a semiconductor layer in a polysingle crystal state, the regularity of the atomic arrangement is maintained within a certain grain range, but the regularity is disturbed from a macro perspective.
This can be described as a “non-single-crystal state” semiconductor layer.

【0052】本発明の実施の形態においては、従来バッ
ファー層として用いられていた化合物半導体に、BNを
添加した混晶である3元系以上の化合物半導体をバッフ
ァー層として用いている。このようなBNを含む3元系
以上の化合物半導体からなるバッファー層(以下におい
て「BN系化合物バッファー層」と略記する。)を用い
ることにより、BN系化合物バッファー層と、この上に
エピタキシャル成長する単結晶層との格子不整合が更に
減少する。図8に示したような通り、従来バッファー層
として主に用いられていた化合物半導体、例えば、Al
N,GaN,InNのような化合物半導体とサファイア
基板間の格子定数差に比して、BNとサファイア基板間
の格子定数差が遙かに小さい。このためBNを混晶とし
て含むBN系化合物半導体からなるバッファー層と、そ
の上にエピタキシャル成長する単結晶層間の格子定数差
が減少され、格子不整合が減少する。その結果、結晶の
完全性の高い結晶層を形成することが出来るようにな
る。
In the embodiment of the present invention, a ternary or higher compound semiconductor, which is a mixed crystal in which BN is added, is used as a buffer layer in a compound semiconductor which has been conventionally used as a buffer layer. By using such a buffer layer made of a ternary or higher compound semiconductor containing BN (hereinafter abbreviated as "BN-based compound buffer layer"), a BN-based compound buffer layer and a single epitaxially grown BN-based compound buffer layer are formed. Lattice mismatch with the crystal layer is further reduced. As shown in FIG. 8, a compound semiconductor conventionally used mainly as a buffer layer, for example, Al
The lattice constant difference between BN and the sapphire substrate is much smaller than the lattice constant difference between the compound semiconductor such as N, GaN, and InN and the sapphire substrate. Therefore, the lattice constant difference between the buffer layer made of a BN-based compound semiconductor containing BN as a mixed crystal and the single crystal layer epitaxially grown thereon is reduced, and the lattice mismatch is reduced. As a result, a crystal layer with high crystal perfection can be formed.

【0053】更に、BNを混晶として含むBN系化合物
半導体の使用は、バッファー層の軟性の増加を引き起こ
す。六方晶体やウルツ結晶構造を有するBNは、他の材
料に比し、軟性が大きく、不純物ドーピングが容易であ
るという特性を有する。従って、バッファー層として従
来用いられていた化合物半導体に、一定比率のBNを添
加して3元系、4元系等の混晶を構成すれば、化合物半
導体の軟性が増加する。この軟性の増加により、基板
と、この上にエピタキシャル成長する単結晶層との格子
定数の差を更に減少させるようになる。従って、結晶学
的に更に優れた単結晶層を得ることが出来るようにな
る。
Further, the use of a BN-based compound semiconductor containing BN as a mixed crystal causes an increase in the softness of the buffer layer. BN having a hexagonal crystal structure or a wurtz crystal structure has characteristics such that, compared to other materials, it has high flexibility and easy impurity doping. Therefore, if a certain ratio of BN is added to a compound semiconductor conventionally used as a buffer layer to form a ternary or quaternary mixed crystal, the softness of the compound semiconductor increases. This increase in softness further reduces the difference in lattice constant between the substrate and the single crystal layer epitaxially grown thereon. Therefore, it becomes possible to obtain a single crystal layer which is more excellent in crystallography.

【0054】表1には、従来のGaNバッファー層と本
発明の(Ga1-xx)Nバッファー層を用いた場合の、
バッファー層の上にエピタキシャル成長したGaN単結
晶層の特性の比較を示した。
Table 1 shows that when the conventional GaN buffer layer and the (Ga 1-x B x ) N buffer layer of the present invention were used,
The comparison of the characteristics of the GaN single crystal layer epitaxially grown on the buffer layer was shown.

【0055】[0055]

【表1】 表1の比較において、GaNバッファー層とGa1-xx
Nバッファー層(x=0.05)はすべて約550℃に
おいて約30nmの厚さに成長している。そして、バッ
ファー層上のGaN結晶層は、n型単結晶層であり、2
μmの厚さにエピタキシャル成長している。
[Table 1] In the comparison of Table 1, the GaN buffer layer and Ga 1-x B x
All N buffer layers (x = 0.05) are grown at about 550 ° C. to a thickness of about 30 nm. The GaN crystal layer on the buffer layer is an n-type single crystal layer,
It is epitaxially grown to a thickness of μm.

【0056】表1に示すように、GaNバッファー層上
にエピタキシャル成長したGaN単結晶層は、約304
2/Vs程度の電子移動度を有するのに対し、Ga1-x
xNバッファー層上に配置されたGaN結晶層は、約
340m2/Vsの電子移動度を有する。即ち、Ga1-x
xNバッファー層上にGaN結晶層を形成した場合の
方が電子移動度が増加している。このような電子移動度
の増加は、GaN結晶層内の欠陥の減少によるものであ
って、電子がGaN結晶層内を走行するとき、欠陥によ
る散乱現象が減少するためである。
As shown in Table 1, the GaN single crystal layer epitaxially grown on the GaN buffer layer
While having an electron mobility of about m 2 / Vs, Ga 1 -x
B x N buffer layer arranged GaN crystal layer on has a electron mobility of about 340m 2 / Vs. That is, Ga 1-x
It is the electron mobility in the case of forming a GaN crystal layer on the B x N buffer layer is increased. Such an increase in electron mobility is due to a decrease in defects in the GaN crystal layer, which is because when electrons travel in the GaN crystal layer, scattering phenomena due to defects are reduced.

【0057】従って、半導体レーザやLEDのような半
導体発光素子を製造した場合、バッファー層上にエピタ
キシャル成長したn型GaN結晶層及びp型GaN結晶
層における電子の移動度が向上し、半導体発光素子の発
光効率が向上する。
Therefore, when a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser or an LED is manufactured, the mobility of electrons in the n-type GaN crystal layer and the p-type GaN crystal layer epitaxially grown on the buffer layer is improved, and Luminous efficiency is improved.

【0058】更に、DXRDで測定の半値全幅(FWH
M)は550秒(arcsec)から約400秒(arcsec)に
減少した。従って、GaN結晶層の格子点における原子
の変移が減少し、それはGaN結晶層の結晶性が向上し
たことを意味する。そして、電子密度は3.2×1017
cm-3から2.46×1017cm-3に減少した。
Further, the full width at half maximum (FWH) measured by DXRD
M) decreased from 550 seconds (arcsec) to about 400 seconds (arcsec). Accordingly, the displacement of atoms at lattice points of the GaN crystal layer is reduced, which means that the crystallinity of the GaN crystal layer is improved. The electron density is 3.2 × 10 17
cm −3 to 2.46 × 10 17 cm −3 .

【0059】表2には硼素(B)の組成比の異なるGa
1-xxNバッファー層を成長したときの、GaN結晶層
の電子の移動度、半値全幅(FWHM)、及び電子密度
特性が示され、図6(a)及び(b)には、表2に対応
した電子の移動度及び半値全幅(FWHM)の硼素
(B)の組成比依存性についてのグラフが示されてい
る。図7には、表2に示した電子密度の硼素(B)の組
成比依存性についてのグラフが示されている。
Table 2 shows that Ga having a different composition ratio of boron (B) was used.
The electron mobility, full width at half maximum (FWHM), and electron density characteristics of the GaN crystal layer when the 1-x B x N buffer layer was grown are shown, and FIGS. 6A and 6B show the table. 2 is a graph showing the dependence of electron mobility and full width at half maximum (FWHM) on the composition ratio of boron (B) corresponding to No. 2. FIG. 7 is a graph showing the dependence of the electron density shown in Table 2 on the composition ratio of boron (B).

【0060】[0060]

【表2】 表2、図6及び図7に示したように、硼素(B)が添加
されなかった場合に比して一定量、即ち、硼素(B)の
組成比が約5〜10モル%のGa1-xxNにおいて(x
=0.05〜0.1に該当)、GaN結晶層の電子移動
度、半値全幅(FWHM)及び電子濃度特性が向上して
いる。更に、硼素(B)の組成比が約5〜10モル%以
上に増加すると上記特性は低下することが分かる。
[Table 2] As shown in Table 2, FIG. 6 and FIG. 7, Ga 1 in which the amount of boron (B) is constant, ie, the composition ratio of boron (B) is about 5 to 10 mol%, compared to the case where boron (B) is not added. -x In B x N, (x
= 0.05 to 0.1), the electron mobility, the full width at half maximum (FWHM) and the electron concentration characteristics of the GaN crystal layer are improved. Further, when the composition ratio of boron (B) is increased to about 5 to 10 mol% or more, the above characteristics are found to be deteriorated.

【0061】バッファー層を成長する基板としては、サ
ファイア基板11の代わりに炭化珪素(SiC)基板を
使用することも可能である。炭化珪素(SiC)基板は
それ自体が半導体材料からなっているために動作電圧が
印加される場合、電流の導通が可能となって本発明の窒
化物系化合物半導体素子を半導体発光素子に適用する場
合、有用に用いることが出来る。しかし、炭化珪素(S
iC)基板もサファイア基板11と同じく窒化物系単結
晶がその上に形成されるとき、その界面において格子不
整合によるストレスが生ずるため、バッファー層が必要
となる。
As the substrate on which the buffer layer is grown, a silicon carbide (SiC) substrate can be used instead of the sapphire substrate 11. Since the silicon carbide (SiC) substrate itself is made of a semiconductor material, when an operating voltage is applied, current can be conducted and the nitride-based compound semiconductor device of the present invention is applied to a semiconductor light emitting device. In this case, it can be usefully used. However, silicon carbide (S
iC) When a nitride-based single crystal is formed thereon similarly to the sapphire substrate 11, stress is generated at the interface due to lattice mismatch, so a buffer layer is required.

【0062】本発明のバッファー層はGa1-xxN以外
に他の化合物半導体も可能である。図8に図示したよう
に、BN自体がサファイア基板と小さな格子定数差を有
するために、従来のバッファー層として用いられていた
化合物半導体、即ち、AlN,GaN及びInNとBN
との混晶からなる3元系等の化合物半導体も、やはり、
サファイア基板上にエピタキシャル成長させる単結晶層
の結晶性を向上させることが可能な良好なバッファー層
である。
The buffer layer of the present invention can be made of other compound semiconductors in addition to Ga 1-x B x N. As shown in FIG. 8, since BN itself has a small lattice constant difference from the sapphire substrate, compound semiconductors used as conventional buffer layers, that is, AlN, GaN, and InN and BN are used.
Compound semiconductors such as ternary systems composed of mixed crystals of
It is a good buffer layer capable of improving the crystallinity of a single crystal layer epitaxially grown on a sapphire substrate.

【0063】即ち、Ga1-xxN(0<x≦1),Al
1-xxN(0<x≦1),In1-xxN(0<x≦
1),((Al1-yGay1-xx)N(0<x≦1,0
≦y≦1),((In1-yGay1-xx)N(0<x≦
1,0≦y≦1),((AlaGabInc1-xx)N
(0<x<1,a+b+c=1,但しA,B,Cは0で
ない)等のような3元系、4元系若しくは5元系以上の
BN系化合物半導体は、いずれも本発明のバッファー層
として使用可能である。
That is, Ga 1−x B x N (0 <x ≦ 1), Al
1-x B x N (0 <x ≦ 1), In 1-x B x N (0 <x ≦
1), ((Al 1- y Ga y) 1-x B x) N (0 <x ≦ 1,0
≦ y ≦ 1), ((In 1−y G ay ) 1−x B x ) N (0 <x ≦
1,0 ≦ y ≦ 1), ( (Al a Ga b In c) 1-x B x) N
(0 <x <1, a + b + c = 1, where A, B, and C are not 0), and the like. Can be used as a layer.

【0064】本発明のバッファー層は、上記の3元系、
4元系若しくは5元系以上のBN系化合物半導体の成分
元素(構成元素)を含む反応ガス(原料ガス)を用い
て、第1基板温度TSUB1において成長すれば良い。
例えば、先ず、約200〜1000℃、好ましくは約5
00〜600℃の第1基板温度TSUB1において、1
〜100nm、好ましくは約10〜60nm、更に好ま
しくは約20〜30nmの厚さに成長する。
The buffer layer of the present invention comprises the above ternary system,
It may be grown at a first substrate temperature T SUB1 using a reaction gas (raw material gas) containing a quaternary or quinary or higher BN compound semiconductor component element (constituent element).
For example, first, about 200 to 1000 ° C., preferably about 5
At a first substrate temperature T SUB1 of 00 to 600 ° C., 1
It grows to a thickness of 100100 nm, preferably about 10-60 nm, more preferably about 20-30 nm.

【0065】そして、その後、バッファー層の上に第1
基板温度TSUB1より高い第2基板温度TSUB2において、
窒化物系化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長す
れば良い。窒化物系化合物半導体単結晶層は、窒化物系
化合物半導体からなる如何なる材料でもエピタキシャル
成長可能である。即ち、InN,GaN,AlN,In
1-xGaxN,Al1-xGaxN,AlIn1-xGaxN等
のような窒化物系化合物半導体は、いずれも、エピタキ
シャル成長可能である。上記のような材料からなる窒化
物系化合物半導体単結晶層を、第1基板温度TSUB1より
高い約1100℃以上の第2基板温度TSUB2においてエ
ピタキシャル成長させる。第1基板温度TSUB1において
バッファー層を成長し、その後、第2基板温度TSUB2
で徐々に上昇させながら反応容器に反応ガスを供給する
ことによって、窒化物系化合物半導体単結晶層が形成さ
れる。
Then, the first layer is placed on the buffer layer.
In higher than the substrate temperature T SUB1 second substrate temperature T SUB2,
What is necessary is just to epitaxially grow the nitride-based compound semiconductor single crystal layer. The nitride-based compound semiconductor single crystal layer can be epitaxially grown with any material made of a nitride-based compound semiconductor. That is, InN, GaN, AlN, In
All nitride-based compound semiconductors such as 1-x Ga x N, Al 1-x Ga x N, and AlIn 1-x Ga x N can be epitaxially grown. A nitride-based compound semiconductor single crystal layer made of the above material is epitaxially grown at a second substrate temperature T SUB2 of about 1100 ° C. or higher, which is higher than the first substrate temperature T SUB1 . The buffer layer is grown at the first substrate temperature T SUB1 , and then the reaction gas is supplied to the reaction vessel while gradually increasing to the second substrate temperature T SUB2 , thereby forming the nitride-based compound semiconductor single crystal layer. .

【0066】基板と窒化物系化合物半導体結晶層間にB
N系化合物半導体からなるバッファー層が形成された窒
化物系化合物半導体素子は、青色LEDとして良好な動
作をする。図2〜図5に示すこのようなLEDの構造例
(構造例1乃至構造例4)を用いて本発明の実施の形態
を説明する。
B between the substrate and the nitride-based compound semiconductor crystal layer
The nitride-based compound semiconductor device on which the buffer layer made of the N-based compound semiconductor is formed operates well as a blue LED. Embodiments of the present invention will be described with reference to structural examples (structural examples 1 to 4) of such an LED shown in FIGS.

【0067】(構造例1)先ず、図2に示したように、
本発明の構造例1に係るLEDは、サファイア基板11
上にBN系化合物バッファー層24が形成されており、
その上にn型窒化物系単結晶層(以下において「n型窒
化物系結晶層」という。)34が形成されている。
(Structural Example 1) First, as shown in FIG.
The LED according to Structural Example 1 of the present invention includes a sapphire substrate 11
A BN-based compound buffer layer 24 is formed thereon,
An n-type nitride-based single crystal layer (hereinafter referred to as “n-type nitride-based crystal layer”) 34 is formed thereon.

【0068】BN系化合物バッファー層24は、BNと
AlN,GaN,InNからなる化合物半導体の混晶、
即ち、Ga1-xxN,Al1-xxN,In1-xxN,A
1- yGay1-xxN,((In1-yGa1-x
N,((AlaGabInc1 -xx)N等からなり、約
200〜1100℃の第1基板温度TSUB1、好ましくは
500〜600℃の基板温度TSUB1において約1〜10
0nmの厚さ、好ましくは約10〜60nmの厚さ、更
に好ましくは20〜30nmの厚さでエピタキシャル成
長される。第1基板温度TSUB1においては、バッファー
層24は非晶質構造や結晶粒界が小さい多結晶構造、或
いは非晶質構造と多結晶構造とが混合した構造を有す
る。
The BN-based compound buffer layer 24 is composed of a mixed crystal of BN and a compound semiconductor composed of AlN, GaN, and InN.
That, Ga 1-x B x N , Al 1-x B x N, In 1-x B x N, A
l 1- y Ga y) 1- x B x N, ((In 1-y Ga y) 1-x B x)
N, ((Al a Ga b In c) 1 -x B x) an N-like, first substrate temperature T SUB1 about 200 to 1100 ° C., preferably from about 1 at a substrate temperature T SUB1 of 500 to 600 ° C. 10
It is epitaxially grown to a thickness of 0 nm, preferably about 10 to 60 nm, more preferably 20 to 30 nm. At the first substrate temperature T SUB1 , the buffer layer 24 has an amorphous structure, a polycrystalline structure having small crystal grain boundaries, or a mixed structure of an amorphous structure and a polycrystalline structure.

【0069】n型窒化物系結晶層34は単結晶構造を有
し、BN系化合物バッファー層24上に第1基板温度T
SUB1より高い約1000℃以上の第2基板温度TSUB2
おいて、GaN,AlN,In1-xGaN,Al1-x
N,AlIn1-xGaxN等のような窒化物系化合物
半導体層をエピタキシャル成長する際にn型不純物元素
をドーピングすることによって形成される。或いは、窒
化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長した後に、
n型不純物元素をドーピングすることによっても形成す
ることが可能である。n型不純物元素のドーピングは
C,Si,Ge,Se,S,Sn,Te,Be,O等の
不純物元素を一般的なドーピング方法を用いてなされ
る。
The n-type nitride-based crystal layer 34 has a single crystal structure, and has a first substrate temperature T on the BN-based compound buffer layer 24.
At a second substrate temperature T SUB2 of about 1000 ° C. or higher, which is higher than SUB1 , GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x G
It is formed by doping an n-type impurity element when epitaxially growing a nitride-based compound semiconductor layer such as a x N, AlIn 1-x Ga x N or the like. Alternatively, after epitaxially growing a nitride-based compound semiconductor layer,
It can also be formed by doping an n-type impurity element. The doping of the n-type impurity element is performed using a general doping method with an impurity element such as C, Si, Ge, Se, S, Sn, Te, Be, and O.

【0070】n型窒化物系結晶層34上には窒化物系化
合物半導体単結晶からなる活性層35が形成されてい
る。活性層35は、故意には不純物がドーピングされて
いないGaN,AlN,In1-xGaxN,Al1-xGax
N,AlIn1-xGaxN等のよ真性半導体をエピタキシ
ャル成長することによって形成される。活性層35はL
EDに所定の動作電圧が印加された場合、注入されたキ
ャリアの遷移現像により発光する発光領域の一部を構成
する。
An active layer 35 made of a nitride-based compound semiconductor single crystal is formed on n-type nitride-based crystal layer 34. The active layer 35 is made of GaN, AlN, In 1-x Ga x N, Al 1-x Ga x which is not intentionally doped with impurities.
It is formed by epitaxially growing an intrinsic semiconductor such as N, AlIn 1-x Ga x N. The active layer 35 is L
When a predetermined operating voltage is applied to the ED, it constitutes a part of a light emitting region that emits light by transition development of injected carriers.

【0071】活性層35は、エネルギーギャップが互い
に異なる複数の層から形成されることもある。このよう
な複数の層は量子井戸(QW)を形成するためのもので
あって、2層に形成することも出来、3層以上に形成す
ることが出来る。活性層35に量子井戸(QW)を形成
するためには、活性層35を構成する窒化物系化合物半
導体層からなる複数の層の組成比を互いに異なるように
構成すれば良い。例えば、Al1-xGaNをエピタキ
シャル成長し活性層35を形成する場合は、AlとGa
の組成比、即ちx値が異なる複数の層を形成することに
よって量子井戸(QW)を形成することが出来る。この
ような量子井戸(QW)においては、量子井戸(QW)
の低いエネルギー準位にキャリアがトラップされる。こ
のため、動作電圧の印加時、バンド間遷移が円滑になっ
て発光効率が大幅に増加する。更に、量子井戸(QW)
を有する活性層35は互いに異なる化合物半導体からな
る複数の層を形成することによって実現することも出来
る。例えば、In1-xGaxN/GaN,In1-xGa
N/In1-yGayN,In1-xGaxN/Al1-zGa z
(ここにおいて、x≦y,0≦x,y,z≦1)等から
なる複数の層もやはり量子井戸(QW)を有する活性層
35として用いることが出来る。
The active layers 35 have different energy gaps.
May be formed from a plurality of different layers. like this
Layers are for forming a quantum well (QW).
Therefore, it can be formed in two layers, and can be formed in three or more layers.
Rukoto can. Forming a quantum well (QW) in the active layer 35
In order to achieve this, the nitride-based compound
Make the composition ratio of multiple layers of conductor layers different from each other
What is necessary is just to configure. For example, Al1-xGaxEpitaxy N
When the active layer 35 is formed by char growth, Al and Ga
To form a plurality of layers having different composition ratios, that is, x values.
Therefore, a quantum well (QW) can be formed. this
In such a quantum well (QW), the quantum well (QW)
Carriers are trapped at a low energy level. This
Transition between bands when operating voltage is applied
The luminous efficiency is greatly increased. Furthermore, quantum well (QW)
The active layer 35 having
Can be realized by forming multiple layers
You. For example, In1-xGaxN / GaN, In1-xGax
N / In1-yGayN, In1-xGaxN / Al1-zGa zN
(Where x ≦ y, 0 ≦ x, y, z ≦ 1)
Active layer also having a quantum well (QW)
35 can be used.

【0072】この場合一つの層、例えば、GaN層のよ
うな特定の層を形成し、更にx値を変化させながら複数
のIn1-xGaxN層を形成することが出来る。この場
合、GaN層のエネルギー準位はポテンシャル障壁とし
て作用し、複数のIn1-xGaxNは多重量子井戸(MQ
W)を構成する。その結果、大部分のキャリアがこの多
重量子井戸(MQW)にトラップされる。そして、エネ
ルギーギャップが互いに異なる化合物半導体の混晶によ
り、多重量子井戸(MQW)を構成する複数の層の少な
くとも一つの層を形成することによって、その混晶の組
成比によりエネルギー準位が異なるポテンシャルを形成
することが出来る。
In this case, one layer, for example, a specific layer such as a GaN layer can be formed, and further, a plurality of In 1-x Ga x N layers can be formed while changing the x value. In this case, the energy level of the GaN layer acts as a potential barrier, and the plurality of In 1-x Ga x N are formed by a multiple quantum well (MQ).
W). As a result, most carriers are trapped in this multiple quantum well (MQW). By forming at least one of a plurality of layers constituting a multiple quantum well (MQW) by a mixed crystal of compound semiconductors having different energy gaps, a potential having a different energy level depending on a composition ratio of the mixed crystal. Can be formed.

【0073】活性層35上にはp型窒化物系単結晶層
(以下において「p型窒化物系結晶層」という。)36
が形成される。このp型窒化物系結晶層36はn型窒化
物系結晶層34と同じくGaN,AlN,In1-xGax
N,Al1-xGaxN,AlIn 1-xGaxN等のような窒
化物系化合物半導体を活性層35上にエピタキシャル成
長することによって形成され、p型不純物元素がドーピ
ングされる。p型不純物元素としてはMg,Zn,C
d,Be,Ca,Sr,Ba等が用いられる。
On the active layer 35, a p-type nitride single crystal layer
(Hereinafter referred to as “p-type nitride-based crystal layer”) 36
Is formed. This p-type nitride-based crystal layer 36 is an n-type nitride
GaN, AlN, In1-xGax
N, Al1-xGaxN, AlIn 1-xGaxNitrogen such as N
Of a compound semiconductor on the active layer 35
The p-type impurity element
Is performed. Mg, Zn, C as the p-type impurity element
d, Be, Ca, Sr, Ba and the like are used.

【0074】n型窒化物系結晶層34、活性層35及び
p型窒化物系結晶層36からなる積層構造は、この両端
に動作電圧が印加されることによりキャリアが注入さ
れ、活性化するp−n接合構造を形成している。そし
て、p−n接合構造が、実際の光を発光する発光領域と
なる。
The laminated structure including the n-type nitride-based crystal layer 34, the active layer 35, and the p-type nitride-based crystal layer 36 has a p-type structure in which carriers are injected and activated by applying an operating voltage to both ends. An n-junction structure is formed. Then, the pn junction structure becomes a light emitting region that emits actual light.

【0075】図2に示したように、n型窒化物系結晶層
34、活性層35及びp型窒化物系結晶層36からなる
積層構造は、その一部に、n型窒化物系結晶層34が露
出する凹部が設けられている。この凹部の底部におい
て、n型窒化物系結晶層34は、更にその一部が取り除
かれている。そして、凹部の底部に、導電性の良い金属
からなる第1電極(n−電極)42が形成されている。
更に、p型窒化物系結晶層36の上にも金属からなる第
2電極(p−電極)41が形成されている。このn−電
極42及びp−電極41を通じて、p−n接合構造に動
作電圧が印加され、p−n接合界面の電位障壁を越えて
キャリアが注入されることにより、発光領域から光が発
光し始める。
As shown in FIG. 2, the laminated structure including the n-type nitride-based crystal layer 34, the active layer 35, and the p-type nitride-based crystal layer 36 partially includes an n-type nitride-based crystal layer. There is provided a concave portion from which 34 is exposed. At the bottom of the recess, a part of the n-type nitride-based crystal layer 34 is further removed. A first electrode (n-electrode) 42 made of a metal having good conductivity is formed at the bottom of the recess.
Further, a second electrode (p-electrode) 41 made of metal is also formed on the p-type nitride-based crystal layer 36. An operating voltage is applied to the pn junction structure through the n-electrode 42 and the p-electrode 41, and carriers are injected beyond the potential barrier at the pn junction interface, so that light is emitted from the light emitting region. start.

【0076】一般的にサファイア基板11は絶縁体であ
る。従って、活性層35に動作電圧を印加するため、本
発明の構造例1に係るLEDにおいては、n型窒化物系
結晶層34の一側の一部を取り除きその上にn−電極4
2を形成している。このような構造のLEDにおいて、
n−電極42とp−電極4間に所定の電極に印加されれ
ば、活性層35の全体に亘って、p型窒化物系結晶層3
6とn型窒化物系結晶層34間に電流が流れるようにな
って、結局活性層35から光が発光される。
Generally, the sapphire substrate 11 is an insulator. Therefore, in order to apply an operating voltage to the active layer 35, in the LED according to the first structural example of the present invention, a part of one side of the n-type nitride-based crystal layer 34 is removed and the n-electrode 4 is placed thereon.
2 are formed. In the LED having such a structure,
When a predetermined voltage is applied between the n-electrode 42 and the p-electrode 4, the p-type nitride-based crystal layer 3
A current flows between the active layer 6 and the n-type nitride-based crystal layer 34, so that light is emitted from the active layer 35.

【0077】n−電極42及びp−電極41は導電性の
良い金属を用い、その種類は一般的に電極と接触される
n型窒化物系結晶層34とp型窒化物系結晶により異な
る。n−電極42及びp−電極41を形成する方法は、
一般的な金属の堆積方法、例えば、真空蒸着法やスパッ
タリング法を用いることが出来る。
The n-electrode 42 and the p-electrode 41 are made of a metal having good conductivity, and their types generally differ depending on the n-type nitride-based crystal layer 34 and the p-type nitride-based crystal that are in contact with the electrodes. The method for forming the n-electrode 42 and the p-electrode 41 is as follows.
A general metal deposition method, for example, a vacuum evaporation method or a sputtering method can be used.

【0078】(構造例2)図3に示した本発明の構造例
2に係るLEDの構造は、図2に示したLEDとは基本
的に同一な構造である。但し、図2に示したようなLE
Dの構造とは、第1電極(n−電極)42a,42bの
形成位置が異なる。図3に示したようなLEDの構造を
採用する理由は、サファイア基板11が絶縁体であるか
らである。従って、図2及び図3に示したLEDのn−
電極42,42a,42b及び第2電極(p−電極)4
1はすべて、それぞれn型窒化物系結晶層34とp型窒
化物系結晶層36上に直接オーミック接触するように形
成されている。特に、動作電圧の印加時に、電流が活性
層35の全領域を経て流れるようにするため、n型窒化
物系結晶層34、活性層35及びp型窒化物系結晶層3
6からなる積層構造のその両側の一部を取り除き凹部を
形成し、凹部の底部のn型窒化物系結晶層34にn−電
極42a,42bが形成されている。n−電極42a,
42bは独立した複数の領域として形成しても良く、中
央部のn型窒化物系結晶層34、活性層35及びp型窒
化物系結晶層36からなる積層構造の凸部を囲むリング
として一体の電極として形成しても良い。即ち、図3に
示した断面図では見かけ上2つの断面42a,42bが
示されているが、実際は連続した電極として構成しても
良い。
(Structure Example 2) The structure of the LED according to Structure Example 2 of the present invention shown in FIG. 3 is basically the same as the LED shown in FIG. However, LE as shown in FIG.
The position of the first electrode (n-electrode) 42a, 42b is different from the structure of D. The reason for employing the structure of the LED as shown in FIG. 3 is that the sapphire substrate 11 is an insulator. Therefore, the n− of the LED shown in FIGS.
Electrodes 42, 42a, 42b and second electrode (p-electrode) 4
1 are all formed on the n-type nitride-based crystal layer 34 and the p-type nitride-based crystal layer 36 so as to be in direct ohmic contact. In particular, when an operating voltage is applied, a current flows through the entire region of the active layer 35, so that the n-type nitride-based crystal layer 34, the active layer 35, and the p-type nitride-based crystal layer 3
A concave portion is formed by removing a part of both sides of the laminated structure made of 6, and n-electrodes 42a and 42b are formed in the n-type nitride-based crystal layer 34 at the bottom of the concave portion. n-electrode 42a,
Reference numeral 42b may be formed as a plurality of independent regions, and is integrally formed as a ring surrounding a convex portion of a laminated structure including the n-type nitride-based crystal layer 34, the active layer 35, and the p-type nitride-based crystal layer 36 at the center. May be formed. That is, although two cross sections 42a and 42b are apparently shown in the cross sectional view shown in FIG. 3, they may be actually configured as continuous electrodes.

【0079】(構造例3)図4に示した本発明の構造例
3に係るLEDの構造は、図2に示したようなLEDと
は基本的に同一な構造である。但し、図2に示したよう
なLEDの構造とは、第1電極(n−電極)42及び第
2電極(p−電極)41a,41bの形成位置が異な
る。即ち、n型窒化物系結晶層34、活性層(35a,
35b)及びp型窒化物系結晶層(36a,36b)か
らなる積層構造の中央部近傍の一部を取り除き凹部を形
成し、凹部の底部のn型窒化物系結晶層34にn−電極
42が形成されている。中央部凹部により、本発明の構
造例3に係るLEDは見かけ上、2つの活性層35a及
び35b、2つのp型窒化物系結晶層36a及び36b
が断面上に現れている。しかし、これらの活性層35
a、35b及びp型窒化物系結晶層36a、36bは、
中央部の凹部を囲むリング形状に一体の積層構造として
形成しても良い。従って、p型窒化物系結晶層36a、
36bにオーッミク接触するように接続されるp−電極
41a,41bも、図4の断面図では見かけ上2つの断
面41a,41bが示されているが、実際は連続した単
一のリング状電極として構成しても良い。
(Structure Example 3) The structure of the LED according to Structure Example 3 of the present invention shown in FIG. 4 is basically the same as the LED shown in FIG. However, the positions of the first electrode (n-electrode) 42 and the second electrodes (p-electrodes) 41a and 41b are different from the structure of the LED as shown in FIG. That is, the n-type nitride-based crystal layer 34 and the active layer (35a,
35b) and a portion near the center of the stacked structure composed of the p-type nitride-based crystal layers (36a, 36b) is removed to form a recess, and the n-electrode 42 is formed on the n-type nitride-based crystal layer 34 at the bottom of the recess. Are formed. Due to the central recess, the LED according to Structural Example 3 of the present invention apparently has two active layers 35a and 35b and two p-type nitride-based crystal layers 36a and 36b.
Appears on the cross section. However, these active layers 35
a, 35b and p-type nitride-based crystal layers 36a, 36b
It may be formed as a laminated structure integral with a ring shape surrounding the central recess. Therefore, the p-type nitride-based crystal layer 36a,
The p-electrodes 41a and 41b connected so as to make ohmic contact with the 36b are also apparently two cross sections 41a and 41b in the cross-sectional view of FIG. 4, but are actually configured as a continuous single ring-shaped electrode. You may.

【0080】図4に示したようなLEDの構造を採用す
る理由は、前述したように、サファイア基板11が絶縁
体であるからである。従って、図2〜図4に示したよう
なLEDのn−電極42,42a,42b及びp−電極
41,41a,41bはすべて、それぞれn型窒化物系
結晶層34とp型窒化物系結晶層36上に直接オーミッ
ク接触するように形成されている。
The reason for adopting the structure of the LED as shown in FIG. 4 is that the sapphire substrate 11 is an insulator as described above. Accordingly, the n-electrodes 42, 42a, 42b and the p-electrodes 41, 41a, 41b of the LED as shown in FIGS. 2 to 4 are all n-type nitride-based crystal layers 34 and p-type nitride-based crystals, respectively. It is formed so as to make direct ohmic contact on the layer 36.

【0081】図4に示した本発明の構造例3によれば、
n−電極42及びp−電極41a,41b間に動作電圧
の印加時に、電流が活性層(35a,35b)の全領域
をほぼ均一に流れるようになる。
According to the structural example 3 of the present invention shown in FIG.
When an operating voltage is applied between the n-electrode 42 and the p-electrodes 41a and 41b, a current flows almost uniformly in the entire region of the active layer (35a and 35b).

【0082】(構造例4)図5には、本発明の構造例4
に係るLEDの構造を示す。本発明の構造例4に係るL
EDは、低比抵抗の炭化珪素(SiC)基板を使用した
LEDである。SiCは半導体であるから、不純物をド
ーピングすることにより比抵抗を調整出来る。従って、
十分に高不純物密度となるように、不純物をドーピング
し、低比抵抗基板12とし、この低比抵抗基板12を介
して、電極51及び52(第1電極51及び第2電極5
2)間に動作電圧を印加出来る。第1電極51及び第2
電極52間に動作電圧が印加されれば、低抵抗で第1電
極51及び第2電極52間に電流が流れる。従って、図
5に示したように、本発明の構造例4に係るLEDにお
いては、第1電極51をSiC基板12の下面に形成す
ることが出来る。
(Structure Example 4) FIG. 5 shows a structure example 4 of the present invention.
1 shows the structure of the LED according to the first embodiment. L according to Structure Example 4 of the present invention
The ED is an LED using a silicon carbide (SiC) substrate having a low specific resistance. Since SiC is a semiconductor, the specific resistance can be adjusted by doping impurities. Therefore,
An impurity is doped so as to have a sufficiently high impurity density to form a low-resistivity substrate 12, and electrodes 51 and 52 (the first electrode 51 and the second electrode 5) are interposed via the low-resistivity substrate 12.
An operating voltage can be applied during 2). First electrode 51 and second electrode 51
When an operating voltage is applied between the electrodes 52, a current flows between the first electrode 51 and the second electrode 52 with low resistance. Therefore, as shown in FIG. 5, in the LED according to Structural Example 4 of the present invention, the first electrode 51 can be formed on the lower surface of the SiC substrate 12.

【0083】図5に示す本発明の構造例4に係るLED
の構造の長所は、LEDの発光領域の面積を、SiC基
板12の面積と同一に形成することが可能であることで
ある。そして、第1電極51及び第2電極52間に動作
電圧が印加されれば、電流が発光領域となる窒化物単結
晶層35の全体に、均一に流れるために発光効率が大幅
に向上される。
FIG. 5 shows an LED according to structural example 4 of the present invention.
The advantage of this structure is that the area of the light emitting region of the LED can be formed to be the same as the area of the SiC substrate 12. When an operating voltage is applied between the first electrode 51 and the second electrode 52, the current flows uniformly throughout the nitride single crystal layer 35 serving as a light emitting region, so that the light emitting efficiency is greatly improved. .

【0084】炭化珪素(SiC)基板上にも図2〜図4
に示したようなLEDと同一なバッファー層25が形成
され、その上に窒化物系単結晶層37が形成されてい
る。窒化物系単結晶層37は、詳細な構造の図示を省略
しているが、p型窒化物系単結晶層、真性窒化物系単結
晶層(活性層)及びn型窒化物系単結晶層からなる多層
構造である。バッファー層25はBN系化合物半導体か
らなる非−単結晶層である。バッファー層25は、炭化
珪素(SiC)基板12と窒化物系単結晶層37間に格
子不整合が生じることを防ぐことによって、窒化物系単
結晶層の結晶性を向上させる。
2 to 4 on a silicon carbide (SiC) substrate.
The same buffer layer 25 as that of the LED shown in FIG. 1 is formed, and a nitride-based single crystal layer 37 is formed thereon. Although the detailed structure of the nitride-based single crystal layer 37 is not shown, a p-type nitride-based single crystal layer, an intrinsic nitride-based single crystal layer (active layer), and an n-type nitride-based single crystal layer It is a multilayer structure consisting of The buffer layer 25 is a non-single-crystal layer made of a BN-based compound semiconductor. Buffer layer 25 improves the crystallinity of the nitride-based single crystal layer by preventing lattice mismatch from occurring between silicon carbide (SiC) substrate 12 and nitride-based single crystal layer 37.

【0085】窒化物系単結晶層37において、p型窒化
物系単結晶層が下、n型窒化物系単結晶層が上ならば、
電極(第1電極)51は、p−電極、電極(第2電極)
52はn−電極となる。逆にp型窒化物系単結晶層が
上、n型窒化物系単結晶層が下ならば、第1電極51
は、n−電極、第2電極52はp−電極となることは勿
論である。但し、どちらを第1電極とし、どちらを第2
電極と呼ぶかは単なる呼び方の問題にすぎない。
In the nitride-based single crystal layer 37, if the p-type nitride-based single crystal layer is below and the n-type nitride-based single crystal layer is above,
The electrode (first electrode) 51 is a p-electrode, an electrode (second electrode)
52 is an n-electrode. Conversely, if the p-type nitride-based single crystal layer is upper and the n-type nitride-based single crystal layer is lower, the first electrode 51
It goes without saying that the n-electrode and the second electrode 52 are p-electrodes. However, which is the first electrode and which is the second electrode
Calling them electrodes is only a matter of how they are called.

【0086】(その他の実施の形態)上記のように、本
発明は構造例1乃至4を用いて具体的に記載したが、こ
の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定する
ものであると理解すべきではない。この開示から当業者
には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明ら
かとなろう。
(Other Embodiments) As described above, the present invention has been specifically described using Structural Examples 1 to 4. However, the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. Should not be understood to be. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.

【0087】本発明の窒化物系化合物半導体素子は窒化
物系化合物半導体からなる一般的な半導体発光素子に適
用することが出来る。上記の構造例1乃至4において説
明したLEDのみならず、半導体レーザ、発光トランジ
スタ、光集積回路等のように、格子定数の異なる基板上
に窒化物系化合物半導体からなるp−n接合構造が形成
された半導体素子はすべて、本発明の概念を利用すれば
更に効率の良い半導体素子を容易に製造することが出来
る。
The nitride-based compound semiconductor device of the present invention can be applied to a general semiconductor light-emitting device made of a nitride-based compound semiconductor. A pn junction structure made of a nitride-based compound semiconductor is formed on substrates having different lattice constants, such as a semiconductor laser, a light-emitting transistor, and an optical integrated circuit, as well as the LED described in the above structure examples 1 to 4. All of the manufactured semiconductor devices can easily produce more efficient semiconductor devices by utilizing the concept of the present invention.

【0088】更に本発明の窒化物系化合物半導体の結晶
成長方法は、特定の半導体素子に限るものではない。本
発明は格子定数が異なる材料(第1固体材料)からなる
基板上に窒化物系化合物半導体(第2固体材料)をエピ
タキシャル成長させる方法に関するものであって、特定
の半導体素子における結晶成長方法にだけ限られるもの
ではないからである。
Further, the method for growing a crystal of a nitride-based compound semiconductor of the present invention is not limited to a specific semiconductor device. The present invention relates to a method for epitaxially growing a nitride-based compound semiconductor (second solid material) on a substrate made of a material (first solid material) having a different lattice constant, and only to a crystal growth method for a specific semiconductor device. It is not limited.

【0089】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従っ
て、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請
求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるも
のである。
As described above, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention specifying matters according to the claims that are appropriate from the above description.

【0090】[0090]

【発明の効果】本発明は上記の通り、サファイア基板や
炭化珪素(SiC)基板のような格子定数が異なる材料
(第1固体材料)からなる基板上にBN系化合物バッフ
ァー層を形成しているので、窒化物系化合物半導体単結
晶層(第2固体材料)をエピタキシャル成長する場合、
基板と窒化物系バッファー層間の格子不整合を緩和し、
窒化物系化合物半導体単結晶層(第2固体材料)の結晶
性を向上させることが出来る。
As described above, according to the present invention, the BN compound buffer layer is formed on a substrate made of a material (first solid material) having a different lattice constant, such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate. Therefore, when a nitride-based compound semiconductor single crystal layer (second solid material) is epitaxially grown,
Mitigates lattice mismatch between the substrate and the nitride buffer layer,
The crystallinity of the nitride-based compound semiconductor single crystal layer (second solid material) can be improved.

【0091】更に、本発明によれば、結晶性の向上によ
りLEDのような半導体発光素子を製造したとき、発光
特性及び電気的特性が向上する。
Further, according to the present invention, when a semiconductor light emitting device such as an LED is manufactured by improving the crystallinity, the light emitting characteristics and the electric characteristics are improved.

【0092】更に、本発明によれば、窒化物系化合物半
導体単結晶層の結晶性が向上するので、信頼性、及び動
作寿命が大幅に増加する。
Further, according to the present invention, since the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor single crystal layer is improved, the reliability and the operating life are greatly increased.

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

【図1】本発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導
体素子の構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a nitride-based compound semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態の構造例(構造例1)に係
る青色LEDの構造を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a blue LED according to a structural example (structural example 1) of an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態の構造例(構造例2)に係
る青色LEDの構造を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a blue LED according to a structural example (structural example 2) of the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態の構造例(構造例3)に係
る青色LEDの構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a blue LED according to a structural example (structural example 3) of the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施の形態の構造例(構造例4)に係
る青色LEDの構造を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a structure of a blue LED according to a structural example (structural example 4) of the embodiment of the present invention.

【図6】発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体
結晶層の特性を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing characteristics of the nitride-based compound semiconductor crystal layer according to the embodiment of the present invention.

【図7】発明の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体
結晶層の特性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing characteristics of the nitride-based compound semiconductor crystal layer according to the embodiment of the present invention.

【図8】種々の窒化物系化合物半導体及びサファイアの
格子定数とエネルギーギャップとの関係を示すグラフで
ある。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between lattice constants and energy gaps of various nitride-based compound semiconductors and sapphire.

【図9】従来の窒化物系化合物半導体素子の構造を示す
断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a conventional nitride-based compound semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 サファイア基板 21 GaAlNバッファー層 22 GaNバッファー層 23 GaBNバッファー層 24 BN系化合物バッファー層 31,32 GaxAl1-xN結晶層 33 GaN結晶 34 n型窒化物系結晶層 35,35a,35b 活性層 36,36a,36b p型窒化物系結晶層 37 窒化物系単結晶層 41,41a,41b p−電極 42,42a,42b n−電極 51,52 電極11 sapphire substrate 21 GaAlN buffer layer 22 GaN buffer layer 23 GaBN buffer layer 24 BN compound buffer layer 31,32 Ga x Al 1-x N crystal layer 33 GaN crystal 34 n-type nitride-based crystal layer 35, 35a, 35b activity Layers 36, 36a, 36b P-type nitride-based crystal layer 37 Nitride-based single crystal layer 41, 41a, 41b P-electrode 42, 42a, 42b N-electrode 51, 52 Electrode

Claims (55)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、 前記基板上に配置されたBN系化合物半導体からなるバ
ッファー層と、 前記バッファー層上に配置された窒化物系化合物半導体
結晶層とから少なくともなる窒化物系化合物半導体素
子。
1. A nitride compound semiconductor device comprising at least a substrate, a buffer layer composed of a BN compound semiconductor disposed on the substrate, and a nitride compound semiconductor crystal layer disposed on the buffer layer. .
【請求項2】 前記バッファー層が、原子配列の規則性
の乱れた構造の半導体層であることを特徴とする請求項
1に記載の窒化物系化合物半導体素子。
2. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein said buffer layer is a semiconductor layer having a structure in which atomic arrangement is disordered.
【請求項3】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の半
導体層が、非晶質層であることを特徴とする請求項2に
記載の窒化物系化合物半導体素子。
3. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is an amorphous layer.
【請求項4】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の半
導体層が、多結晶層であることを特徴とする請求項2に
記載の窒化物系化合物半導体素子。
4. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is a polycrystalline layer.
【請求項5】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の半
導体層が、非晶質状態と多結晶状態が混合された層であ
ることを特徴とする請求項2に記載の窒化物系化合物半
導体素子。
5. The nitride-based compound according to claim 2, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is a layer in which an amorphous state and a polycrystalline state are mixed. Semiconductor element.
【請求項6】 前記基板がサファイア基板又は炭化珪素
(SiC)基板であることを特徴とする請求項1に記載
の窒化物系化合物半導体素子。
6. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein said substrate is a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate.
【請求項7】 前記バッファー層の厚さが10〜60n
mであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化
合物半導体素子。
7. The buffer layer has a thickness of 10 to 60 n.
2. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein m is m.
【請求項8】 前記バッファー層の厚さが20〜30n
mであることを特徴とする請求項7に記載の窒化物系化
合物半導体素子。
8. The buffer layer has a thickness of 20 to 30 n.
8. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 7, wherein m is m.
【請求項9】 前記BN系化合物半導体が、AlN,G
aN,InNからなる一群から選ばれる少なくとも一つ
の化合物半導体とBNとからなる混晶であることを特徴
とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体素子。
9. The method according to claim 1, wherein the BN-based compound semiconductor is AlN, G
2. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride-based compound semiconductor device is a mixed crystal comprising at least one compound semiconductor selected from a group consisting of aN and InN and BN.
【請求項10】 前記BN系化合物半導体がGa1−x
N(0<x≦1)であることを特徴とする請求項9
に記載の窒化物系化合物半導体素子。
10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the BN-based compound semiconductor is Ga 1-x
10. A device according to claim 9, wherein B x N (0 <x ≦ 1).
3. The nitride-based compound semiconductor device according to item 1.
【請求項11】 前記BN系化合物半導体がAl1−x
N(0<x≦1)であることを特徴とする請求項9
に記載の窒化物系化合物半導体素子。
11. The method according to claim 11, wherein the BN-based compound semiconductor is Al 1-x
10. A device according to claim 9, wherein B x N (0 <x ≦ 1).
3. The nitride-based compound semiconductor device according to item 1.
【請求項12】 前記BN系化合物半導体がIn1−x
N(0<x≦1)であることを特徴とする請求項9
に記載の窒化物系化合物半導体素子。
12. The method of claim 1, wherein the BN-based compound semiconductor is In 1-x
10. A device according to claim 9, wherein B x N (0 <x ≦ 1).
3. The nitride-based compound semiconductor device according to item 1.
【請求項13】 前記BN系化合物半導体が((Al
1-yGay1-xx)N(0<x≦1,0≦y≦1)であ
ることを特徴とする請求項9に記載の窒化物系化合物半
導体素子。
13. The method according to claim 1, wherein the BN-based compound semiconductor comprises ((Al
1-y Ga y) 1- x B x) N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) nitride compound semiconductor device according to claim 9, characterized in that a.
【請求項14】 前記BN系化合物半導体が((In
1-yGay1-xx)N(0<x≦1,0≦y≦1)であ
ることを特徴とする請求項9に記載の窒化物系化合物半
導体素子。
14. The method according to claim 14, wherein the BN-based compound semiconductor is ((In
1-y Ga y) 1- x B x) N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) nitride compound semiconductor device according to claim 9, characterized in that a.
【請求項15】 前記BN系化合物半導体が((In
1-yAly1-xx)N(0<x≦1,0≦y≦1)であ
ることを特徴とする請求項9に記載の窒化物系化合物半
導体素子。
15. The method according to claim 15, wherein the BN-based compound semiconductor is ((In
1-y Al y) 1- x B x) N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) nitride compound semiconductor device according to claim 9, characterized in that a.
【請求項16】 前記BN系化合物半導体が((Ala
GabInc1-xx)N(0<x≦1,a+b+c=
1,a,b,c≠0であることを特徴とする請求項9に
記載の窒化物系化合物半導体素子。
16. The method according to claim 16, wherein the BN-based compound semiconductor is ((Al a
Ga b In c) 1-x B x) N (0 <x ≦ 1, a + b + c =
10. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 9, wherein 1, a, b, c ≠ 0.
【請求項17】 前記窒化物系化合物半導体結晶層が、
AlN,GaN,InNからなる一群の少なくとも一つ
の化合物半導体から構成されていることを特徴とする請
求項1に記載の窒化物系化合物半導体素子。
17. The nitride-based compound semiconductor crystal layer,
2. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the device is made of at least one compound semiconductor of a group consisting of AlN, GaN, and InN.
【請求項18】 基板を用意する工程と、 第1基板温度において、前記基板上にBN系化合物半導
体層を成長してバッファー層を形成する工程と、 前記第1基板温度より高い第2基板温度において、前記
バッファー層上に窒化物系化合物半導体結晶層をエピタ
キシャル成長する工程とからなる窒化物系化合物半導体
の結晶成長方法。
18. A step of preparing a substrate, a step of growing a BN-based compound semiconductor layer on the substrate at a first substrate temperature to form a buffer layer, and a second substrate temperature higher than the first substrate temperature. , A step of epitaxially growing a nitride-based compound semiconductor crystal layer on the buffer layer.
【請求項19】 前記第1基板温度は200〜1000
℃であることを特徴とする請求項18に記載の窒化物系
化合物半導体の結晶成長方法。
19. The temperature of the first substrate is 200 to 1000.
The method for growing a nitride-based compound semiconductor according to claim 18, wherein the temperature is ℃.
【請求項20】 前記第1基板温度は500〜600℃
であることを特徴とする請求項19に記載の窒化物系化
合物半導体の結晶成長方法。
20. The temperature of the first substrate is 500 to 600 ° C.
20. The method of growing a nitride-based compound semiconductor according to claim 19, wherein:
【請求項21】 前記第2基板温度は1000℃以上で
あることを特徴とする請求項18に記載の窒化物系化合
物半導体の結晶成長方法。
21. The method according to claim 18, wherein the temperature of the second substrate is 1000 ° C. or higher.
【請求項22】 前記窒化物系化合物半導体結晶層がA
lN,GaN,InNからなる一群の少なくとも一つの
化合物半導体から構成されていることを特徴とする請求
項18に記載の窒化物系化合物半導体素子。
22. The nitride-based compound semiconductor crystal layer is
19. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 18, comprising at least one compound semiconductor of a group consisting of 1N, GaN, and InN.
【請求項23】 第1固体材料からなる第1層と、 前記第1固体材料と格子定数が異なる窒化物系化合物半
導体結晶構造を有する第2固体材料からなる第2層と、 前記第1層と第2層間に配置された第1層と第2層とを
格子整合させるBN系化合物半導体からなるバッファー
層とからなる窒化物系化合物半導体素子。
23. A first layer made of a first solid material, a second layer made of a second solid material having a nitride-based compound semiconductor crystal structure having a lattice constant different from that of the first solid material, and the first layer And a buffer layer made of a BN-based compound semiconductor that lattice-matches the first layer and the second layer arranged between the second layer and the second layer.
【請求項24】 前記バッファー層が、原子配列の規則
性の乱れた構造の半導体層であることを特徴とする請求
項23に記載の窒化物系化合物半導体素子。
24. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 23, wherein the buffer layer is a semiconductor layer having a structure in which the regularity of atomic arrangement is disordered.
【請求項25】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、非晶質層であることを特徴とする請求項2
4に記載の窒化物系化合物半導体素子。
25. The semiconductor layer according to claim 2, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is an amorphous layer.
5. The nitride-based compound semiconductor device according to 4.
【請求項26】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、多結晶層であることを特徴とする請求項2
4に記載の窒化物系化合物半導体素子。
26. The semiconductor layer according to claim 2, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is a polycrystalline layer.
5. The nitride-based compound semiconductor device according to 4.
【請求項27】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、非晶質状態と多結晶状態とが混合した層で
あることを特徴とする請求項24に記載の窒化物系化合
物半導体素子。
27. The nitride compound according to claim 24, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is a layer in which an amorphous state and a polycrystalline state are mixed. Semiconductor element.
【請求項28】 基板と、 前記基板上に配置されたBN系化合物半導体からなるバ
ッファー層と、 前記バッファー層上に配置されたn型窒化物系化合物半
導体結晶層と、 前記n型窒化物系化合物半導体結晶層上に配置された窒
化物系化合物半導体結晶からなる活性層と、 前記活性層上に配置されたp型窒化物系化合物半導体結
晶層と、 前記活性層に電圧を印加するための第1電極及び第2電
極とからなる窒化物系化合物半導体素子。
28. A substrate, a buffer layer formed of a BN-based compound semiconductor disposed on the substrate, an n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the buffer layer, and the n-type nitride-based An active layer formed of a nitride-based compound semiconductor crystal disposed on the compound semiconductor crystal layer; a p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the active layer; and a voltage generator for applying a voltage to the active layer. A nitride-based compound semiconductor device comprising a first electrode and a second electrode.
【請求項29】 前記バッファー層が、原子配列の規則
性の乱れた構造の半導体層であることを特徴とする請求
項28に記載の窒化物系化合物半導体素子。
29. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, wherein the buffer layer is a semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered.
【請求項30】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、非晶質層であることを特徴とする請求項2
9に記載の窒化物系化合物半導体素子。
30. The semiconductor layer having a structure in which the regularity of the atomic arrangement is disordered is an amorphous layer.
10. The nitride-based compound semiconductor device according to item 9.
【請求項31】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、多結晶層であることを特徴とする請求項2
9に記載の窒化物系化合物半導体素子。
31. The semiconductor layer having a structure in which the regularity of the atomic arrangement is disordered is a polycrystalline layer.
10. The nitride-based compound semiconductor device according to item 9.
【請求項32】 前記原子配列の規則性の乱れた構造の
半導体層が、非晶質状態と多結晶状態が混合した層であ
ることを特徴とする請求項29に記載の窒化物系化合物
半導体素子。
32. The nitride-based compound semiconductor according to claim 29, wherein the semiconductor layer having a structure in which the atomic arrangement is disordered is a layer in which an amorphous state and a polycrystalline state are mixed. element.
【請求項33】 前記バッファー層の厚さが10〜60
nmであることを特徴とする請求項28に記載の窒化物
系化合物半導体素子。
33. The buffer layer has a thickness of 10 to 60.
29. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, wherein
【請求項34】 前記バッファー層の厚さが20〜30
nmであることを特徴とする請求項33に記載の窒化物
系化合物半導体素子。
34. The buffer layer has a thickness of 20 to 30.
34. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 33, wherein
【請求項35】 前記BN系化合物半導体が、AlN,
GaN,InNからなる一群から選ばれる少なくとも一
つの化合物半導体とBNとの混晶からなることを特徴と
する請求項28に記載の窒化物系化合物半導体素子。
35. The BN-based compound semiconductor comprises AlN,
The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, comprising a mixed crystal of at least one compound semiconductor selected from a group consisting of GaN and InN and BN.
【請求項36】 前記窒化物系化合物半導体結晶層がA
lN,GaN,InNからなる一群の少なくとも一つの
化合物半導体から構成されていることを特徴とする請求
項28に記載の窒化物系化合物半導体素子。
36. The nitride-based compound semiconductor crystal layer is made of A
29. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, comprising at least one compound semiconductor of a group consisting of 1N, GaN, and InN.
【請求項37】 前記窒化物系化合物半導体結晶層がA
lN,GaN,InNからなる一群の少なくとも2つの
化合物半導体の混晶から構成されていることを特徴とす
る請求項28に記載の窒化物系化合物半導体素子。
37. The method according to claim 37, wherein the nitride-based compound semiconductor crystal layer is made of A
29. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, comprising a mixed crystal of at least two compound semiconductors of a group consisting of 1N, GaN, and InN.
【請求項38】 前記活性層が、少なくとも一つの量子
井戸を含むことを特徴とする請求項28に記載の窒化物
系化合物半導体素子。
38. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, wherein said active layer includes at least one quantum well.
【請求項39】 前記量子井戸は、前記活性層の窒化物
系化合物半導体結晶層の内部において、構成元素の組成
比の異なる複数の窒化物系化合物半導体結晶層から構成
されていることを特徴とする請求項38に記載の窒化物
系化合物半導体素子。
39. The quantum well includes a plurality of nitride compound semiconductor crystal layers having different composition ratios of constituent elements inside the nitride compound semiconductor crystal layer of the active layer. 39. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 38.
【請求項40】 前記活性層は、 エネルギー障壁を形成する第1層と、 前記量子井戸を構成すべく、前記第1層とは構成元素の
組成比を変え、前記第1層とは禁制帯エネルギーが異な
るようになされた第2層とを含むことを特徴とする請求
項38に記載の窒化物系化合物半導体素子。
40. The active layer comprises: a first layer forming an energy barrier; and a composition ratio of constituent elements different from that of the first layer to form the quantum well, and a forbidden band with the first layer. 39. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 38, further comprising a second layer having different energy.
【請求項41】 前記活性層は、 エネルギー障壁を形成する第1層と、 所定のポテンシャルプロファイルを形成すべく、前記第
1層とは構成元素の組成比を変え、前記第1層とは禁制
帯エネルギーが異なるようになされた第2層とを含むこ
とを特徴とする請求項38に記載の窒化物系化合物半導
体素子。
41. The active layer comprises: a first layer forming an energy barrier; and a composition ratio of constituent elements different from that of the first layer to form a predetermined potential profile, forbidden from the first layer. 39. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 38, further comprising: a second layer having a different band energy.
【請求項42】 前記基板がサファイア基板であること
を特徴とする請求項28に記載の窒化物系化合物半導体
素子。
42. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, wherein said substrate is a sapphire substrate.
【請求項43】 前記第1電極が、前記n型窒化物系化
合物半導体結晶層の上に配置され、前記第2電極が前記
p型窒化物系化合物半導体結晶層上に配置されているこ
とを特徴とする請求項42に記載の窒化物系化合物半導
体素子。
43. The semiconductor device according to claim 43, wherein the first electrode is disposed on the n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, and the second electrode is disposed on the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer. 43. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 42.
【請求項44】 前記基板が、炭化珪素(SiC)基板
であることを特徴とする請求項28に記載の窒化物系化
合物半導体素子。
44. The nitride-based compound semiconductor device according to claim 28, wherein said substrate is a silicon carbide (SiC) substrate.
【請求項45】 前記第1電極が、前記バッファー層と
接する前記基板の面とは反対の面に配置され、前記第2
電極が、前記p型窒化物系化合物半導体結晶層上に配置
されていることを特徴とする請求項44に記載の窒化物
系化合物半導体素子。
45. The device according to claim 45, wherein the first electrode is disposed on a surface opposite to a surface of the substrate that is in contact with the buffer layer,
The nitride-based compound semiconductor device according to claim 44, wherein an electrode is disposed on the p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer.
【請求項46】 基板を用意する工程と、 前記基板上に第1基板温度において、BN系化合物半導
体層をエピタキシャル成長しバッファー層を形成する工
程と、 前記第1基板温度より高い第2基板温度において前記バ
ッファー層上にn型窒化物系化合物半導体結晶層を形成
する工程と、 前記n型窒化物系化合物半導体結晶上に窒化物系化合物
半導体結晶を成長させて活性層を形成する工程と、 前記活性層上にp型窒化物系化合物半導体結晶層を形成
する工程と、 活性層に電圧を印加するための第1電極及び第2電極を
形成する工程とから少なくともなる窒化物系化合物半導
体素子の製造方法。
46. A step of preparing a substrate, a step of forming a buffer layer by epitaxially growing a BN-based compound semiconductor layer on the substrate at a first substrate temperature, and a step of forming a buffer layer on the substrate at a second substrate temperature higher than the first substrate temperature. Forming an n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer on the buffer layer; growing an nitride-based compound semiconductor crystal on the n-type nitride-based compound semiconductor crystal to form an active layer; Forming a p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer on the active layer; and forming a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the active layer. Production method.
【請求項47】 前記第1基板温度は200〜1000
℃であることを特徴とする請求項46に記載の窒化物系
化合物半導体素子の製造方法。
47. The temperature of the first substrate is 200 to 1000.
The method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to claim 46, wherein the temperature is ° C.
【請求項48】 前記第1基板温度は500〜600℃
であることを特徴とする請求項47に記載の窒化物系化
合物半導体素子の製造方法。
48. The temperature of the first substrate is 500 to 600 ° C.
The method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to claim 47, wherein:
【請求項49】 前記第2基板温度は1000℃以上で
あることを特徴とする請求項46に記載の窒化物系化合
物半導体素子の製造方法。
49. The method according to claim 46, wherein the temperature of the second substrate is 1000 ° C. or higher.
【請求項50】 前記窒化物系化合物半導体結晶層がA
lN,GaN,InN化合物半導体中の少なくとも一つ
の材料から構成されていることを特徴とする請求項46
に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
50. The method according to claim 50, wherein the nitride-based compound semiconductor crystal layer
47. A semiconductor device comprising at least one material selected from the group consisting of 1N, GaN, and InN compound semiconductors.
3. The method for producing a nitride-based compound semiconductor device according to item 1.
【請求項51】 前記n型窒化物系化合物半導体結晶層
を形成する方法は、窒化物系化合物半導体に、C,S
i,Ge,Se,S,Sn,Te,Beからなる一群か
ら選ばれる少なくとも一つの不純物元素をドーピングす
る工程を含むことを特徴とする請求項46に記載の窒化
物系化合物半導体素子の製造方法。
51. The method of forming an n-type nitride-based compound semiconductor crystal layer, wherein the nitride-based compound semiconductor includes C, S
47. The method according to claim 46, further comprising a step of doping at least one impurity element selected from the group consisting of i, Ge, Se, S, Sn, Te, and Be. .
【請求項52】 前記p型窒化物系化合物半導体結晶層
を形成する方法は、窒化物系化合物半導体に、Mg,Z
n,Cd,Be,Ca,Sr,Baからなる一群から選
ばれる少なくとも一つの不純物元素をドーピングする工
程を含むことを特徴とする請求項46に記載の窒化物系
化合物半導体素子の製造方法。
52. The method of forming a p-type nitride-based compound semiconductor crystal layer according to claim 52, wherein the nitride-based compound semiconductor includes Mg, Z
The method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to claim 46, further comprising a step of doping at least one impurity element selected from the group consisting of n, Cd, Be, Ca, Sr, and Ba.
【請求項53】 基板上に配置されたBN系化合物半導
体からなるバッファー層と、 前記バッファー層上に配置された窒化物系化合物半導体
からなるp−n接合構造の積層体と、 前記p−n接合構造の積層体に電圧を印加するための第
1電極及び第2電極とからなることを特徴とする窒化物
系化合物半導体素子。
53. A laminated body having a pn junction structure composed of a BN-based compound semiconductor disposed on a substrate, a BN-based compound semiconductor disposed on the buffer layer, and the pn A nitride-based compound semiconductor device comprising a first electrode and a second electrode for applying a voltage to a laminate having a junction structure.
【請求項54】 基板上に第1基板温度においてBN系
化合物半導体層をエピタキシャル成長し、バッファー層
を形成する工程と、 前記第1基板温度より高い第2基板温度において、前記
バッファー層上に、窒化物系化合物半導体からなるp−
n接合構造の積層体を形成する工程と、 前記p−n接合構造の積層体に電圧を印加するための第
1電極及び第2電極を形成する工程とからなることを特
徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
54. A step of epitaxially growing a BN-based compound semiconductor layer on a substrate at a first substrate temperature to form a buffer layer; Composed of compound semiconductors
forming a stacked body having an n-junction structure; and forming a first electrode and a second electrode for applying a voltage to the stacked body having a pn junction structure. A method for manufacturing a compound semiconductor device.
【請求項55】 基板上に配置されたBN系化合物半導
体からなるバッファー層と、 前記バッファー層上に配置され、発光領域を形成する窒
化物系化合物半導体結晶層と、 前記発光領域に電圧を印加するための第1電極及び第2
電極とからなることを特徴とする窒化物系化合物半導体
素子。
55. A buffer layer formed of a BN-based compound semiconductor disposed on a substrate, a nitride-based compound semiconductor crystal layer disposed on the buffer layer and forming a light-emitting region, and applying a voltage to the light-emitting region. The first electrode and the second
A nitride-based compound semiconductor device comprising an electrode.
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