JP2001326385A - Method of manufacturing semiconductor light-emitting element - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor light-emitting element

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JP2001326385A
JP2001326385A JP2000148644A JP2000148644A JP2001326385A JP 2001326385 A JP2001326385 A JP 2001326385A JP 2000148644 A JP2000148644 A JP 2000148644A JP 2000148644 A JP2000148644 A JP 2000148644A JP 2001326385 A JP2001326385 A JP 2001326385A
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JP
Japan
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layer
light emitting
compound semiconductor
semiconductor light
iii
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Japanese (ja)
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Shigeki Hashimoto
茂樹 橋本
Hiroshi Nakajima
中島  博
Yasunori Asazuma
庸紀 朝妻
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a high-quality nitride III-V compound semiconductor light-emitting element, by which problem of nonuniformity in mixed crystal composition of a nitride III-V compound semiconductor layer is settled, especially for improved uniformity in mixed crystal, when indium is contained. SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor light-emitting element such as a laser diode is provided which comprises a process where, by an organic metal chemical vapor-phase growth method, the nitride III-V compound semiconductor layer containing indium and the like is crystal-grown and formed. Here, the flow velocity of material gas 34 containing ammonia gas and the like in a reactive tube 30 for crystal growth is set to 3-5 m/s while the pressure in the reactive tube is set to higher than a normal pressure, to form at least a part of the III-V compound semiconductor layer such as a light- emitting layer.

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】この発明は、窒素を含有する
(以下窒化物系とも言う)III−V族化合物半導体発
光素子の製造方法に関し、特に、有機金属化学気相成長
法により結晶成長させた窒化物系III−V族化合物半
導体発光層を形成する半導体発光素子の製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a group III-V compound semiconductor light-emitting device containing nitrogen (hereinafter also referred to as a nitride-based compound), and more particularly to a method of crystal growth by metal organic chemical vapor deposition. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device that forms a nitride III-V compound semiconductor light emitting layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ガリウム(GaN)に代表される窒
化物系III−V族化合物半導体(以下「GaN系半導
体」ともいう)は、緑色から青色、さらには紫外線の領
域にわたる発光が可能な発光素子などの材料として有望
である。特に、このGaN系半導体を用いた発光ダイオ
ード(LED)が実用化されて以来、GaN系半導体は
大きな注目を集めている。また、このGaN系半導体を
用いた半導体レーザの実現も報告されており、DVD
(デジタル多用途ディスク)などの光学的に情報を記録
する光学記録媒体(以下、光ディスクとも称する)に記
録された情報の読み取り(再生)、あるいはこれらに情
報の書き込み(記録)を行う装置(以下、光ディスク装
置とも称する)に内蔵される光学ピックアップ装置など
への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art A nitride-based III-V compound semiconductor represented by gallium nitride (GaN) (hereinafter also referred to as a "GaN-based semiconductor") emits light that can emit light in a range from green to blue and even ultraviolet rays. It is promising as a material for devices and the like. In particular, since the light-emitting diode (LED) using the GaN-based semiconductor was put to practical use, GaN-based semiconductors have received a great deal of attention. The realization of a semiconductor laser using this GaN-based semiconductor has also been reported,
A device that reads (reproduces) information recorded on an optical recording medium (hereinafter, also referred to as an optical disc) such as a digital versatile disc (hereinafter also referred to as an optical disc) or writes (records) information to or from them. The optical pickup device is also expected to be applied to an optical pickup device incorporated therein.

【0003】図1は、一般的な構造を有する上記のGa
N系半導体発光素子(レーザダイオードLD)の斜視図
である。サファイア基板11上に、多重量子井戸構造の
活性層16を含むGaN系半導体層が積層されて、半導
体積層体10が形成されている。半導体積層体10にお
いて、活性層16を挟み込むように形成されたp型のク
ラッド層とn型のクラッド層のそれぞれに接続するよう
に、p電極10aとn電極10bがぞれぞれ形成されて
いる。ここで、サファイア基板11が絶縁性であること
から、n型のクラッド層に接続する半導体層あるいはn
型のクラッド層自身の引き出し部10cがサファイア基
板11上において半導体積層体10からはみ出して形成
されており、この上層に上記n型電極10bが形成され
ている。上記のp電極10aとn電極10bに、電源B
により所定の電圧が印加されると、半導体積層体10中
の活性層16からレーザ光Lが出射される。
FIG. 1 shows the above-mentioned Ga having a general structure.
FIG. 3 is a perspective view of an N-based semiconductor light emitting device (laser diode LD). A GaN-based semiconductor layer including an active layer 16 having a multiple quantum well structure is stacked on a sapphire substrate 11 to form a semiconductor stacked body 10. In the semiconductor laminate 10, a p-type electrode 10a and an n-type electrode 10b are formed so as to be connected to the p-type clad layer and the n-type clad layer formed so as to sandwich the active layer 16, respectively. I have. Here, since the sapphire substrate 11 is insulative, the semiconductor layer connected to the n-type cladding layer or n
The lead portion 10c of the mold cladding layer itself is formed on the sapphire substrate 11 so as to protrude from the semiconductor laminate 10, and the n-type electrode 10b is formed on this upper layer. A power supply B is connected to the p-electrode 10a and the n-electrode 10b.
When a predetermined voltage is applied, the laser light L is emitted from the active layer 16 in the semiconductor laminate 10.

【0004】図2(a)は、上記の半導体積層体10部
分をより詳細に説明する断面図である。例えば、サファ
イア基板11上に、GaNなどからなるバッファ層12
が形成されており、その上層に、例えば、約5.0μm
の膜厚のSiをドープしたGaN層13、約0.5μm
の膜厚のSiをドープしたAlGaN層14、約0.1
μmの膜厚のSiをドープしたGaN層15、Siをド
ープしたGaInNなどからなる多重量子井戸(MQ
W)構造の活性層(発光層)16、約0.02μmの膜
厚のMgをドープしたAlGaN層17、約0.1μm
の膜厚のMgをドープしたGaN層18、約0.5μm
の膜厚のMgをドープしたAlGaN層19、約0.1
μmの膜厚のMgをドープしたGaN層20がそれぞれ
積層されている。
FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating the above-described semiconductor laminate 10 in more detail. For example, a buffer layer 12 made of GaN or the like is formed on a sapphire substrate 11.
Is formed thereon, and for example, about 5.0 μm
GaN layer 13 doped with Si having a thickness of about 0.5 μm
AlGaN layer 14 doped with Si having a thickness of
A multi-quantum well (MQ) made of Si-doped GaN layer 15 having a thickness of
W) Active layer (light-emitting layer) 16 having a structure, AlGaN layer 17 doped with Mg having a thickness of about 0.02 μm, about 0.1 μm
GaN layer 18 doped with Mg having a thickness of about 0.5 μm
AlGaN layer 19 doped with Mg having a thickness of
Each of the GaN layers 20 doped with Mg having a thickness of μm is laminated.

【0005】図2(b)は、上記の多重量子井戸構造の
活性層16のポテンシャルを示す模式図である。活性層
16においては、インジウム(In)の含有量が2%の
層と8%の層が交互に積層しており、各層のポテンシャ
ルが異なっていることから、多重量子井戸構造を構成し
ている。
FIG. 2B is a schematic diagram showing the potential of the active layer 16 having the above-described multiple quantum well structure. In the active layer 16, layers having an indium (In) content of 2% and layers having an indium content of 8% are alternately stacked, and the potentials of the respective layers are different, so that a multiple quantum well structure is formed. .

【0006】上記のGaN系半導体発光素子(レーザダ
イオードLD)の製造方法について説明する。上記のG
aN系半導体により発光素子などを製造する場合には、
サファイア基板やSiC基板などの上にGaN系半導体
を多層に成長させる必要がある。このGaN系半導体の
成長方法としては、有機金属化学気相成長(MOCV
D)法や分子線エピタキシー(MBE)法などがある
が、このうちMOCVD法は高真空を必要としないた
め、実用上有利であり、広く用いられている。
A method for manufacturing the above-mentioned GaN-based semiconductor light emitting device (laser diode LD) will be described. G above
When manufacturing a light emitting element or the like from an aN-based semiconductor,
It is necessary to grow a GaN-based semiconductor in multiple layers on a sapphire substrate, a SiC substrate, or the like. As a method for growing the GaN-based semiconductor, there is known a metal organic chemical vapor deposition (MOCV) method.
There are D) method and molecular beam epitaxy (MBE) method. Of these methods, MOCVD method is practically advantageous because it does not require a high vacuum, and is widely used.

【0007】図3は、上記のMOCVD装置の例の模式
図である。MOCVD反応管(以下、単に反応管と言
う)30は、十分な強度があり、熱的にも安定な材料、
例えば石英ガラスなどにより形成されている。反応管3
0の内部に例えばグラファイト製のサセプタ31が設け
られ、このサセプタ31上に成長を行う被処理基板32
が戴置されて、処理される。また、反応管30の外周部
を取り囲むようにRFコイル33が設けられており、R
Fコイル33による誘導加熱によりサセプタ31が加熱
され、サセプタ31からの熱伝導により被処理基板32
が加熱される。加熱されたサセプタ31および被処理基
板32に、アンモニアガスを含む原料ガス34が供給さ
れる。上述の反応管30内に供給されるアンモニアなど
を含む原料ガス34は、水素ガス供給部35、アンモニ
アガス供給部36および原料ガス供給部37に、マスフ
ローコントローラ(MFC)38および吸気弁39など
を介して接続している原料ガス供給路40から供給され
る。また、各原料ガス供給路40および反応管30中の
不要となったガスは、排気弁41および原料ガス送出部
42などを介して排ガス処理装置43へ排出される。
FIG. 3 is a schematic view of an example of the above MOCVD apparatus. The MOCVD reaction tube (hereinafter, simply referred to as a reaction tube) 30 is made of a material having sufficient strength and being thermally stable.
For example, it is formed of quartz glass or the like. Reaction tube 3
0, a susceptor 31 made of, for example, graphite is provided, and a substrate 32 to be grown on the susceptor 31 is grown.
Is placed and processed. An RF coil 33 is provided so as to surround the outer periphery of the reaction tube 30.
The susceptor 31 is heated by the induction heating by the F coil 33, and the substrate 32 to be processed is heated by the heat conduction from the susceptor 31.
Is heated. A source gas 34 containing ammonia gas is supplied to the heated susceptor 31 and the substrate 32 to be processed. The raw material gas 34 containing ammonia and the like supplied into the above-described reaction tube 30 is supplied to a hydrogen gas supply unit 35, an ammonia gas supply unit 36 and a raw material gas supply unit 37 by a mass flow controller (MFC) 38 and an intake valve 39. The raw material gas is supplied from a raw material gas supply path 40 connected through the air. Unnecessary gas in each source gas supply path 40 and the reaction tube 30 is discharged to an exhaust gas treatment device 43 via an exhaust valve 41, a source gas delivery unit 42, and the like.

【0008】MOCVD法によりGaN系半導体を成長
させる場合には、MOCVD装置の反応管内に、成長さ
せるGaN系半導体に応じて、ガリウム(Ga)、アル
ミニウム(Al)、インジウム(In)などの原料をキ
ャリアガスとともに反応管30内に供給し、これと同時
に窒素原料であるアンモニア(NH3 )も反応管内に供
給することにより、反応管30内に戴置された被処理基
板32上にGaN系半導体を成長させる。
When a GaN-based semiconductor is grown by MOCVD, a raw material such as gallium (Ga), aluminum (Al), or indium (In) is placed in a reaction tube of an MOCVD apparatus, depending on the GaN-based semiconductor to be grown. By supplying the carrier gas together with the carrier gas into the reaction tube 30 and simultaneously supplying ammonia (NH 3 ) as a nitrogen raw material into the reaction tube, the GaN-based semiconductor is placed on the substrate 32 to be processed placed in the reaction tube 30. Grow.

【0009】上記のような構成のMOCVD装置を用い
て、GaN系半導体を多層に成長させる工程について説
明する。まず、図4(a)に示すように、MOCVD法
により、サファイア基板11上に、GaNなどからなる
バッファ層12、約5.0μmの膜厚のSiをドープし
たGaN層13、約0.5μmの膜厚のSiをドープし
たAlGaN層14、および、約0.1μmの膜厚のS
iをドープしたGaN層15を順に結晶成長させて形成
する。
A process for growing a GaN-based semiconductor in multiple layers using the MOCVD apparatus having the above configuration will be described. First, as shown in FIG. 4A, a buffer layer 12 made of GaN or the like, a GaN layer 13 doped with Si having a thickness of about 5.0 μm, a GaN layer 13 having a thickness of about 0.5 μm are formed on a sapphire substrate 11 by MOCVD. AlGaN layer 14 doped with Si having a thickness of about 0.1 μm and S
A GaN layer 15 doped with i is formed by sequentially growing crystals.

【0010】次に、図4(b)に示すように、MOCV
D法により、SiをドープしたGaN層15上にSiを
ドープしたGaInNなどからなる多重量子井戸(MQ
W)構造の活性層(発光層)16を結晶成長させて形成
する。このとき、図3に示すMOCVD装置の反応管3
0内における原料ガスの流速(即ち、成長圧力における
原料ガスの流量(m3 /s)/反応管の断面積の値(m
2 ))は約1m/sとする。
[0010] Next, as shown in FIG.
According to the D method, a multiple quantum well (MQ) made of, for example, GaInN doped with Si is formed on the GaN layer 15 doped with Si.
An active layer (light emitting layer) 16 having a W) structure is formed by crystal growth. At this time, the reaction tube 3 of the MOCVD apparatus shown in FIG.
0 (ie, the flow rate of the source gas at the growth pressure (m 3 / s) / the value of the cross-sectional area of the reaction tube (m
2 )) is about 1 m / s.

【0011】次に、MOCVD法により、活性層16の
上層に、約0.02μmの膜厚のMgをドープしたAl
GaN層17、約0.1μmの膜厚のMgをドープした
GaN層18、約0.5μmの膜厚のMgをドープした
AlGaN層19、および、約0.1μmの膜厚のMg
をドープしたGaN層20を順に結晶成長させて形成
し、図2に示す構造に至る。以降の工程としては、エッ
チングにより、図1に示すn型のクラッド層自身の引き
出し部10cを形成し、電極(10a,10b)を形成
して、エッチングなどによりレーザ共振器端面を形成し
て、所望のレーザダイオードとすることができる。
Next, an Al layer doped with Mg having a thickness of about 0.02 μm is formed on the active layer 16 by MOCVD.
A GaN layer 17, a GaN layer 18 doped with Mg having a thickness of about 0.1 μm, an AlGaN layer 19 doped with Mg having a thickness of about 0.5 μm, and a Mg layer having a thickness of about 0.1 μm.
A GaN layer 20 doped with is formed by crystal growth in order to reach the structure shown in FIG. In the subsequent steps, a lead portion 10c of the n-type cladding layer itself shown in FIG. 1 is formed by etching, electrodes (10a, 10b) are formed, and a laser cavity end face is formed by etching or the like. A desired laser diode can be obtained.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
製造方法において、インジウム(In)を含む窒化物系
III−V族化合物半導体層を結晶成長させた場合、イ
ンジウムの混晶組成が均一になりにくく、結果として不
均一な結晶性を持つインジウムを含む窒化物系III−
V族化合物半導体層しか得られないという問題があっ
た。
However, when the nitride III-V compound semiconductor layer containing indium (In) is crystal-grown in the above-mentioned manufacturing method, it is difficult for the mixed crystal composition of indium to be uniform. And, as a result, a nitride system III- containing indium having non-uniform crystallinity.
There is a problem that only a group V compound semiconductor layer can be obtained.

【0013】図6(b)は、上記の従来方法により成膜
したインジウムの混晶組成が不均一な発光層に対して、
励起光として発光波長325nmのHe−Cdレーザを
照射したときのフォトルミネッセンスにおける発光スペ
クトルである。図6(b)に示すように、インジウムの
混晶組成が不均一な場合、発光スペクトル上の主たるピ
ークの両肩部に副ピーク成分が重なり合うように存在
し、複数の発光成分が混在するために、発光スペクトル
の半値全幅が広く、発光特性が劣るものとなってしま
う。
FIG. 6 (b) shows that the light emitting layer having a non-uniform mixed crystal composition of indium formed by the above-described conventional method is used.
It is an emission spectrum in photoluminescence when a He-Cd laser having an emission wavelength of 325 nm is irradiated as excitation light. As shown in FIG. 6B, when the mixed crystal composition of indium is non-uniform, a sub-peak component exists on both shoulders of a main peak on an emission spectrum so that a plurality of light-emitting components are mixed. In addition, the full width at half maximum of the emission spectrum is wide, and the emission characteristics are inferior.

【0014】従って、本発明の目的は、窒化物系III
−V族化合物半導体層における混晶組成の不均一性を解
消し、特にインジウムを含む場合の混晶組成の均一性を
向上させ、高品質な窒化物系III−V族化合物半導体
発光素子を製造することができる方法を提供することで
ある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride III
-Eliminating the non-uniformity of the mixed crystal composition in the group V compound semiconductor layer and improving the uniformity of the mixed crystal composition particularly when indium is contained, thereby producing a high-quality nitride-based III-V compound semiconductor light emitting device. Is to provide a way that can be done.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体発光素子の製造方法は、有機金属化
学気相成長法により窒素を含有するIII−V族化合物
半導体層を結晶成長させて形成する工程を有する半導体
発光素子の製造方法であって、上記結晶成長を行う反応
管内における原料ガスの流速を3m/s以上かつ5m/
s以下に設定して、上記III−V族化合物半導体層の
少なくとも一部を形成する工程を含む。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention comprises the steps of: growing a group III-V compound semiconductor layer containing nitrogen by a metalorganic chemical vapor deposition method; A method of manufacturing a semiconductor light emitting device having a step of forming a semiconductor light emitting device, wherein a flow rate of a source gas in a reaction tube in which the crystal growth is performed is 3 m / s or more and 5 m / s.
and forming at least a part of the group III-V compound semiconductor layer.

【0016】有機金属化学気相成長法により窒化物系I
II−V族化合物半導体層を結晶成長させる場合、原料
ガス同士の気相反応を制御するためには原料ガス同士が
混合されてから基板表面で熱分解され結晶となるまでの
時間を短くする方法が有効であると考えられ、混合され
た原料ガスが基板表面に供給される時間を短くするため
に原料ガスの流速を速めることが重要であることが発見
された。
Nitride-based I by metalorganic chemical vapor deposition
When the II-V compound semiconductor layer is crystal-grown, a method of controlling the gas phase reaction between the source gases is to shorten the time from the mixing of the source gases to the thermal decomposition on the substrate surface to form crystals. Was found to be effective, and it was discovered that it was important to increase the flow rate of the source gas in order to shorten the time during which the mixed source gas was supplied to the substrate surface.

【0017】一方、有機金属化学気相成長法により窒化
物系III−V族化合物半導体を結晶成長させる場合、
原料ガスの流速を速くしすぎると、原料ガスの流れが乱
れてしまい、混晶組成の不均一性の原因となる。従っ
て、原料ガスの流速を速くし過ぎないことも重要であ
る。
On the other hand, when a nitride III-V compound semiconductor crystal is grown by metal organic chemical vapor deposition,
If the flow rate of the raw material gas is too high, the flow of the raw material gas will be disturbed, which causes the mixed crystal composition to be non-uniform. Therefore, it is also important not to make the flow rate of the source gas too high.

【0018】即ち、本発明の半導体発光素子の製造方法
は、有機金属化学気相成長法により窒素を含有するII
I−V族化合物半導体層を結晶成長させて形成するとき
に、結晶成長を行う反応管内における原料ガスの流速を
3m/s以上に設定しており、原料ガス同士が混合され
てから基板表面で熱分解され結晶となるまでの時間を短
くすることができる。その結果、原料ガス同士の気相反
応を制御することができ、良好な混晶組成均一性を有す
る窒化物系III−V族化合物半導体層を形成すること
ができる。また、反応管内における原料ガスの流速を5
m/s以下に設定しており、原料ガスの流れの乱れを抑
えることができ、窒化物系III−V族化合物半導体層
の製造において、混晶組成の均一性を向上させることが
できる。上記のように、本発明の半導体発光素子の製造
方法により、高品質な窒化物系III−V族化合物半導
体発光素子を製造することができる。
That is, the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention comprises the steps of:
When forming the group IV compound semiconductor layer by crystal growth, the flow rate of the source gas in the reaction tube for crystal growth is set to 3 m / s or more, and after the source gases are mixed, the surface of the substrate is It is possible to shorten the time required for thermal decomposition to form crystals. As a result, a gas phase reaction between source gases can be controlled, and a nitride III-V compound semiconductor layer having good mixed crystal composition uniformity can be formed. Further, the flow rate of the raw material gas in the reaction tube is set to 5
m / s or less, the turbulence of the flow of the source gas can be suppressed, and the uniformity of the mixed crystal composition can be improved in the production of the nitride-based III-V compound semiconductor layer. As described above, a high-quality nitride III-V compound semiconductor light-emitting device can be manufactured by the method for manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present invention.

【0019】上記の本発明の半導体発光素子の製造方法
は、好適には、上記結晶成長を行う反応管内における原
料ガスの流速を3m/s以上かつ5m/s以下に設定し
て、上記III−V族化合物半導体層の少なくとも一部
を形成する工程において、III−V族化合物半導体発
光層を形成する。さらに好適には、上記III−V族化
合物半導体発光層として、インジウムを含有する発光層
を形成する。あるいは、さらに好適には、上記III−
V族化合物半導体発光層として、インジウムを含有する
多重量子井戸構造の発光層を形成する。上記のインジウ
ムを含有する多重量子井戸構造の発光層などにおいて、
混晶組成の均一性を高めて素子特性を向上させ、高品質
な窒化物系III−V族化合物半導体発光素子を製造す
ることができる。
In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the flow rate of the source gas in the reaction tube for performing the crystal growth is set to 3 m / s or more and 5 m / s or less, and In the step of forming at least a part of the group V compound semiconductor layer, a III-V compound semiconductor light emitting layer is formed. More preferably, a light emitting layer containing indium is formed as the III-V compound semiconductor light emitting layer. Alternatively, more preferably, the above III-
A light emitting layer having a multiple quantum well structure containing indium is formed as a group V compound semiconductor light emitting layer. In the light emitting layer having a multiple quantum well structure containing indium, for example,
By improving the uniformity of the mixed crystal composition and the device characteristics, a high-quality nitride-based III-V compound semiconductor light-emitting device can be manufactured.

【0020】上記の本発明の半導体発光素子の製造方法
は、好適には、上記原料ガスがアンモニアガスを含む。
反応管内のアンモニアガスを含む原料ガスの流速を3m
/s以上に設定して窒化物系III−V族化合物半導体
発光層を成長させるようにしていることにより、より多
くの成長に寄与する窒素原料種が被処理基板上に供給さ
れ、成長する窒化物系III−V族化合物半導体膜から
の窒素の蒸発が抑制されるので、得られる窒化物系II
I−V族化合物半導体膜における窒素不足が解消され
る。また、反応管に供給されたアンモニアガスを含む原
料ガスは、被処理基板を加熱するサセプタまたは加熱さ
れた被処理基板によって暖められ、被処理基板上に供給
されるので、アンモニアガスを含む原料ガス流速が速く
なり過ぎると、アンモニアが十分に暖められず分解効率
が極端に減少してしまい、窒化物系III−V族化合物
半導体の窒素空孔を増大させて、結晶性の悪化を招くこ
とになるが、反応管内のアンモニアガスを含む原料ガス
の流速を5m/s以下に設定することで、窒素空孔の増
大させることなく、結晶性を向上させることができる。
上記のように、結晶性の向上した窒化物III−V族化
合物半導体膜を得ることができ、高品質な窒化物系II
I−V族化合物半導体発光素子を製造することができ
る。
In the above method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the raw material gas contains ammonia gas.
The flow rate of the source gas containing ammonia gas in the reaction tube is 3 m
/ S or more and the nitride-based III-V compound semiconductor light-emitting layer is grown so that more nitrogen source species contributing to the growth are supplied onto the substrate to be processed, and Since the evaporation of nitrogen from the compound III-V compound semiconductor film is suppressed, the resulting nitride II
The nitrogen deficiency in the IV compound semiconductor film is eliminated. The source gas containing ammonia gas supplied to the reaction tube is heated by the susceptor for heating the substrate to be processed or the heated substrate to be processed and is supplied onto the substrate to be processed. If the flow rate is too high, the ammonia is not sufficiently heated, and the decomposition efficiency is extremely reduced, thereby increasing the number of nitrogen vacancies in the nitride-based III-V compound semiconductor and causing deterioration in crystallinity. However, by setting the flow rate of the raw material gas containing the ammonia gas in the reaction tube to 5 m / s or less, the crystallinity can be improved without increasing the number of nitrogen vacancies.
As described above, a nitride III-V compound semiconductor film having improved crystallinity can be obtained, and a high-quality nitride II
A group IV compound semiconductor light emitting device can be manufactured.

【0021】上記の本発明の半導体発光素子の製造方法
は、好適には、上記III−V族化合物半導体層の少な
くとも一部を形成する工程において、さらに、上記結晶
成長を行う反応管内の圧力を常圧より高い圧力に設定し
て結晶成長させる。反応管内の原料ガスの圧力を常圧よ
り高い圧力に設定した場合、従来のように反応管内を常
圧または減圧の状態にして成長させる場合に比べ、飛躍
的に結晶性の向上した窒化物系III−V族化合物半導
体膜を得ることができる。
In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, in the step of forming at least a part of the group III-V compound semiconductor layer, the pressure in the reaction tube for performing the crystal growth is further reduced. The crystal is grown at a pressure higher than normal pressure. When the pressure of the raw material gas in the reaction tube is set to a pressure higher than the normal pressure, the nitride-based material with significantly improved crystallinity is compared with the conventional case where the reaction tube is grown at normal pressure or reduced pressure. A III-V compound semiconductor film can be obtained.

【0022】上記の本発明の半導体発光素子の製造方法
は、好適には、前記半導体発光素子として、レーザダイ
オードを形成する。レーザダイオードとして動作する半
導体発光素子は、特に素子特性の均一性が要求される
が、本発明の半導体発光素子の製造方法により高品質な
窒化物系III−V族化合物半導体膜を得ることができ
るので、レーザダイオードを製造するのに好適である。
In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention, a laser diode is preferably formed as the semiconductor light emitting device. A semiconductor light emitting element that operates as a laser diode is required to have particularly uniform element characteristics, but a high-quality nitride III-V compound semiconductor film can be obtained by the method for manufacturing a semiconductor light emitting element of the present invention. Therefore, it is suitable for manufacturing a laser diode.

【0023】上記の本発明の半導体発光素子の製造方法
により製造する窒化物系III−V族化合物半導体は、
Ga、Al、InおよびBからなる群より選ばれた少な
くとも一種類のIII族元素と、少なくともNを含み、
場合によってさらにAsまたはPを含むV族元素とから
なるIII−V族化合物半導体に好ましく適用可能であ
り、この窒化物系III−V族化合物半導体の具体例を
として、GaN、AlN、InN、AlGaN、GaI
nN、AlGaInNなどを挙げることができる。特に
Inは混晶組成の不均一性が生じやすく、素子特性の劣
化を招いてしまうが、本発明においては混晶組成の均一
性を向上させて、高品質な窒化物系III−V族化合物
半導体膜を得ることができる。
The nitride III-V compound semiconductor manufactured by the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention described above comprises:
At least one group III element selected from the group consisting of Ga, Al, In and B, and at least N;
In some cases, the present invention can be preferably applied to a group III-V compound semiconductor comprising a group V element containing As or P. Specific examples of the nitride-based group III-V compound semiconductor include GaN, AlN, InN, and AlGaN. , GaI
nN, AlGaInN, and the like can be given. In particular, In tends to cause non-uniformity of the mixed crystal composition and causes deterioration of device characteristics. In the present invention, however, the uniformity of the mixed crystal composition is improved, and a high-quality nitride III-V compound is improved. A semiconductor film can be obtained.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るの半導体発光
素子およびその製造方法の実施の形態について図面を参
照して説明する。なお、実施形態の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals.

【0025】図1は、本実施形態に係る窒化物系III
−V族化合物半導体発光素子であるGaN系半導体発光
素子(レーザダイオードLD)の斜視図である。サファ
イア基板11上に、多重量子井戸構造の活性層16を含
むIII−V族化合物半導体であるGaN系半導体層が
積層されて、半導体積層体10が形成されている。半導
体積層体10において、活性層16を挟み込むように形
成されたp型のクラッド層とn型のクラッド層のそれぞ
れに接続するように、p電極10aとn電極10bがぞ
れぞれ形成されている。ここで、サファイア基板11が
絶縁性であることから、n型のクラッド層に接続する半
導体層あるいはn型のクラッド層自身の引き出し部10
cがサファイア基板11上において半導体積層体10か
らはみ出して形成されており、この上層に上記n型電極
10bが形成されている。上記のp電極10aとn電極
10bに、電源Bにより所定の電圧を印加することで、
半導体積層体10中の活性層16からレーザ光Lが出射
される。
FIG. 1 shows a nitride III according to this embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of a GaN-based semiconductor light-emitting device (laser diode LD) that is a group V compound semiconductor light-emitting device. On a sapphire substrate 11, a GaN-based semiconductor layer, which is a group III-V compound semiconductor including an active layer 16 having a multiple quantum well structure, is laminated to form a semiconductor laminate 10. In the semiconductor laminate 10, a p-type electrode 10a and an n-type electrode 10b are formed so as to be connected to the p-type clad layer and the n-type clad layer formed so as to sandwich the active layer 16, respectively. I have. Here, since the sapphire substrate 11 is insulative, the lead portion 10 of the semiconductor layer connected to the n-type cladding layer or the n-type cladding layer itself is used.
c is formed on the sapphire substrate 11 so as to protrude from the semiconductor laminate 10, and the n-type electrode 10 b is formed on this upper layer. By applying a predetermined voltage from the power supply B to the p-electrode 10a and the n-electrode 10b,
Laser light L is emitted from the active layer 16 in the semiconductor laminate 10.

【0026】図2(a)は、上記のGaN系化合物であ
る半導体積層体10部分をより詳細に説明する断面図で
ある。例えば、サファイア基板11上に、GaNなどか
らなるバッファ層12が形成されており、その上層に、
例えば、約5.0μmの膜厚のSiをドープしたGaN
層13、約0.5μmの膜厚のSiをドープしたAlG
aN層14、約0.1μmの膜厚のSiをドープしたG
aN層15、SiをドープしたGaInNなどからなる
多重量子井戸(MQW)構造の活性層(発光層)16、
約0.02μmの膜厚のMgをドープしたAlGaN層
17、約0.1μmの膜厚のMgをドープしたGaN層
18、約0.5μmの膜厚のMgをドープしたAlGa
N層19、約0.1μmの膜厚のMgをドープしたGa
N層20がそれぞれ積層されている。
FIG. 2A is a cross-sectional view for explaining in more detail the portion of the semiconductor laminate 10 which is the GaN-based compound. For example, a buffer layer 12 made of GaN or the like is formed on a sapphire substrate 11, and
For example, GaN doped with Si having a thickness of about 5.0 μm
Layer 13, AlG doped with about 0.5 μm thick Si
aN layer 14, G doped with about 0.1 μm thick Si
an active layer (light emitting layer) 16 having a multiple quantum well (MQW) structure made of GaInN or the like doped with Si,
AlGaN layer 17 doped with Mg having a thickness of about 0.02 μm, GaN layer 18 doped with Mg having a thickness of about 0.1 μm, AlGa doped with Mg having a thickness of about 0.5 μm
N layer 19, Ga doped with Mg having a thickness of about 0.1 μm
The N layers 20 are respectively stacked.

【0027】図2(b)は、上記の多重量子井戸構造の
活性層16のポテンシャルを示す模式図である。活性層
16においては、インジウム(In)の含有量が2%の
層と8%の層が交互に積層しており、各層のポテンシャ
ルが異なっていることから、多重量子井戸構造を構成し
ている。
FIG. 2B is a schematic diagram showing the potential of the active layer 16 having the multiple quantum well structure. In the active layer 16, layers having an indium (In) content of 2% and layers having an indium content of 8% are alternately stacked, and the potentials of the respective layers are different, so that a multiple quantum well structure is formed. .

【0028】上記のGaN系半導体発光素子(レーザダ
イオードLD)の製造方法について説明する。上記のG
aN系半導体により発光素子などを製造する場合には、
サファイア基板やSiC基板などの上にGaN系半導体
を多層に成長させる必要がある。このGaN系半導体の
成長方法としては、有機金属化学気相成長(MOCV
D)法や分子線エピタキシー(MBE)法などを用いる
ことができる。
A method of manufacturing the GaN-based semiconductor light emitting device (laser diode LD) will be described. G above
When manufacturing a light emitting element or the like from an aN-based semiconductor,
It is necessary to grow a GaN-based semiconductor in multiple layers on a sapphire substrate, a SiC substrate, or the like. As a method for growing the GaN-based semiconductor, there is known a metal organic chemical vapor deposition (MOCV) method.
D) method, molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like can be used.

【0029】図3は、上記のMOCVD装置の例の模式
図である。MOCVD反応管(以下、単に反応管と言
う)30は、十分な強度があり、熱的にも安定な材料、
例えば石英ガラスなどにより形成されている。この反応
管30の壁は、この反応管30の内圧が2気圧になって
も、外圧、即ち大気圧との圧力さに耐えることができる
ように、十分厚く形成されている。反応管30の内部に
例えばグラファイト製のサセプタ31が設けられ、この
サセプタ31上に成長を行う被処理基板32が戴置され
て、処理される。また、反応管30の外周部を取り囲む
ようにRFコイル33が設けられており、RFコイル3
3による誘導加熱によりサセプタ31が加熱され、サセ
プタ31からの熱伝導により被処理基板32が加熱され
る。加熱されたサセプタ31および被処理基板32に、
アンモニアガスを含む原料ガス34が供給される。上述
の反応管30内に供給されるアンモニアなどを含む原料
ガス34は、水素ガス供給部35、アンモニアガス供給
部36および原料ガス供給部37に、マスフローコント
ローラ(MFC)38および吸気弁39などを介して接
続している原料ガス供給路40から供給される。また、
各原料ガス供給路40および反応管30中の不要となっ
たガスは、排気弁41および原料ガス送出部42などを
介して排ガス処理装置43へ排出される。
FIG. 3 is a schematic diagram of an example of the above MOCVD apparatus. The MOCVD reaction tube (hereinafter, simply referred to as a reaction tube) 30 is made of a material having sufficient strength and being thermally stable.
For example, it is formed of quartz glass or the like. The wall of the reaction tube 30 is formed sufficiently thick so that it can withstand the external pressure, that is, the pressure of the atmospheric pressure even when the internal pressure of the reaction tube 30 becomes 2 atm. A susceptor 31 made of, for example, graphite is provided inside the reaction tube 30, and a substrate 32 to be grown which is to be grown is placed on the susceptor 31 for processing. An RF coil 33 is provided so as to surround the outer periphery of the reaction tube 30.
The susceptor 31 is heated by the induction heating by 3, and the substrate 32 is heated by heat conduction from the susceptor 31. In the heated susceptor 31 and the substrate 32 to be processed,
A source gas 34 containing ammonia gas is supplied. The source gas 34 containing ammonia and the like supplied into the above-described reaction tube 30 is supplied to a hydrogen gas supply unit 35, an ammonia gas supply unit 36, and a source gas supply unit 37 by a mass flow controller (MFC) 38 and an intake valve 39. The raw material gas is supplied from a raw material gas supply path 40 connected through the air. Also,
Unnecessary gas in each source gas supply path 40 and the reaction tube 30 is discharged to an exhaust gas treatment device 43 via an exhaust valve 41, a source gas delivery unit 42, and the like.

【0030】MOCVD法によりGaN系半導体を成長
させる場合には、MOCVD装置の反応管内に、成長さ
せるGaN系半導体に応じて、ガリウム(Ga)、アル
ミニウム(Al)、インジウム(In)などの原料をキ
ャリアガスとともに反応管30内に供給し、これと同時
に窒素原料であるアンモニア(NH3 )も反応管内に供
給することにより、反応管30内に戴置された被処理基
板32上にGaN系半導体を成長させる。上述の反応管
30の内部を流れるアンモニアガスなどを含む原料ガス
は、原料ガス供給量および反応管30の内部の圧力を変
化させることによって、反応管30の内部での原料ガス
流速を制御することができる。
When a GaN-based semiconductor is grown by the MOCVD method, raw materials such as gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In) are placed in a reaction tube of the MOCVD apparatus according to the GaN-based semiconductor to be grown. By supplying the carrier gas together with the carrier gas into the reaction tube 30 and simultaneously supplying ammonia (NH 3 ) as a nitrogen raw material into the reaction tube, the GaN-based semiconductor is placed on the substrate 32 to be processed placed in the reaction tube 30. Grow. The source gas including the ammonia gas and the like flowing inside the reaction tube 30 is used to control the flow rate of the source gas inside the reaction tube 30 by changing the supply amount of the source gas and the pressure inside the reaction tube 30. Can be.

【0031】上記のような構成のMOCVD装置を用い
て、GaN系半導体を多層に成長させる工程について説
明する。まず、図4(a)に示すように、MOCVD法
により、サファイア基板11上に、GaNなどからなる
バッファ層12、約5.0μmの膜厚のSiをドープし
たGaN層13、約0.5μmの膜厚のSiをドープし
たAlGaN層14、および、約0.1μmの膜厚のS
iをドープしたGaN層15を順に結晶成長させて形成
する。
A process for growing a GaN-based semiconductor in multiple layers using the MOCVD apparatus having the above-described configuration will be described. First, as shown in FIG. 4A, a buffer layer 12 made of GaN or the like, a GaN layer 13 doped with Si having a thickness of about 5.0 μm, a GaN layer 13 having a thickness of about 0.5 μm are formed on a sapphire substrate 11 by MOCVD. AlGaN layer 14 doped with Si having a thickness of about 0.1 μm and S
A GaN layer 15 doped with i is formed by sequentially growing crystals.

【0032】次に、図4(b)に示すように、MOCV
D法により、SiをドープしたGaN層15上にSiを
ドープしたGaInNなどからなる多重量子井戸(MQ
W)構造の活性層(発光層)16を結晶成長させて形成
する。
Next, as shown in FIG.
According to the D method, a multiple quantum well (MQ) made of, for example, GaInN doped with Si is formed on the GaN layer 15 doped with Si.
An active layer (light emitting layer) 16 having a W) structure is formed by crystal growth.

【0033】次に、MOCVD法により、活性層16の
上層に、約0.02μmの膜厚のMgをドープしたAl
GaN層17、約0.1μmの膜厚のMgをドープした
GaN層18、約0.5μmの膜厚のMgをドープした
AlGaN層19、および、約0.1μmの膜厚のMg
をドープしたGaN層20を順に結晶成長させて形成
し、図2に示す構造に至る。以降の工程としては、エッ
チングにより、図1に示すn型のクラッド層自身の引き
出し部10cを形成し、電極(10a,10b)を形成
して、エッチングなどによりレーザ共振器端面を形成し
て、所望のレーザダイオードとすることができる。
Next, an Al layer doped with Mg having a thickness of about 0.02 μm was formed on the active layer 16 by MOCVD.
A GaN layer 17, a GaN layer 18 doped with Mg having a thickness of about 0.1 μm, an AlGaN layer 19 doped with Mg having a thickness of about 0.5 μm, and a Mg layer having a thickness of about 0.1 μm.
A GaN layer 20 doped with is formed by crystal growth in order to reach the structure shown in FIG. In the subsequent steps, a lead portion 10c of the n-type cladding layer itself shown in FIG. 1 is formed by etching, electrodes (10a, 10b) are formed, and a laser cavity end face is formed by etching or the like. A desired laser diode can be obtained.

【0034】上記のMOCVD法によるIII−V族化
合物半導体層の少なくとも一部を形成する工程におい
て、特にSiをドープしたGaInNなどからなる多重
量子井戸(MQW)構造の活性層(発光層)16を結晶
成長させる工程においては、図3に示すMOCVD装置
の反応管30内における原料ガスの流速(即ち、成長圧
力における原料ガスの流量(m3 /s)/反応管の断面
積の値(m2 ))を3m/s以上かつ5m/s以下に設
定とする。例えば、GaInN膜を堆積させるために
は、水素ガス、アンモニアガスおよびGaとInの有機
化合物である有機金属材料ガスの混合ガスを供給し、M
OCVD装置における反応管内での上記混合した原料ガ
スの流速を3m/s以上かつ5m/s以下に設定するも
のとする。多重量子井戸(MQW)構造とするため、I
nの含有量が2%の層と8%の層を交互に積層させる場
合には、原料ガス中のIn化合物の分圧を変化させるこ
とで形成することができる。
In the step of forming at least a part of the group III-V compound semiconductor layer by the MOCVD method, an active layer (light emitting layer) 16 having a multiple quantum well (MQW) structure made of, for example, GaInN doped with Si is formed. In the crystal growth step, the flow rate of the source gas in the reaction tube 30 of the MOCVD apparatus shown in FIG. 3 (that is, the flow rate of the source gas at the growth pressure (m 3 / s) / the value of the cross-sectional area of the reaction tube (m 2 )) )) Is set to 3 m / s or more and 5 m / s or less. For example, in order to deposit a GaInN film, a mixed gas of a hydrogen gas, an ammonia gas and an organic metal material gas which is an organic compound of Ga and In is supplied.
The flow rate of the mixed raw material gas in the reaction tube in the OCVD apparatus is set to 3 m / s or more and 5 m / s or less. To have a multiple quantum well (MQW) structure, I
In the case of alternately laminating the layers having the n content of 2% and the layer of 8%, the layers can be formed by changing the partial pressure of the In compound in the source gas.

【0035】また、さらに、反応管内の圧力を常圧より
高い圧力に設定することが好ましく、例えば1.6気圧
に設定する。また、上記MOCVD工程における処理温
度(サセプタ温度)は、Inを含む活性層の場合は例え
ば785〜800℃程度とし、それ以外の場合は例えば
1000℃程度とする。
Further, the pressure in the reaction tube is preferably set to a pressure higher than the normal pressure, for example, set to 1.6 atm. The processing temperature (susceptor temperature) in the MOCVD process is, for example, about 785 to 800 ° C. in the case of an active layer containing In, and is, for example, about 1000 ° C. in other cases.

【0036】上記のようにして形成したGaInNから
なる多重量子井戸(MQW)構造の活性層(発光層)の
発光特性を調べるためには、フォトルミネッセンス法が
広く用いられる。フォトルミネッセンス法においては、
例えば発光波長325nmのHe−Cdレーザ光を励起
光として対象となる膜に照射したときに当該対象となる
膜から放出される発光を分光などを行って測定する。上
記のように対象となる膜にHe−Cdレーザ光を照射す
る必要があるため、対象となる膜の上層には当該レーザ
光を透過させる程度の膜厚(例えばGaN膜では100
nm程度の膜)の膜のみを有する測定専用の素子を作成
する。
In order to examine the light emission characteristics of the active layer (light emitting layer) having a multiple quantum well (MQW) structure made of GaInN formed as described above, a photoluminescence method is widely used. In the photoluminescence method,
For example, when a target film is irradiated with He-Cd laser light having an emission wavelength of 325 nm as excitation light, emission emitted from the target film is measured by performing spectroscopy or the like. As described above, it is necessary to irradiate the target film with He-Cd laser light. Therefore, the upper layer of the target film has a thickness enough to transmit the laser light (for example, 100 μm for a GaN film).
An element for measurement having only a film having a thickness of about nm) is prepared.

【0037】図5は、上記のフォトルミネッセンス測定
専用の素子の断面図である。例えば、サファイア基板1
1上に、GaNなどからなるバッファ層12が形成され
ており、その上層に、例えば、SiをドープしたGaN
層21、SiをドープしたGaInNなどからなる多重
量子井戸(MQW)構造の活性層(発光層)22、およ
び、約100nmの膜厚のSiをドープしたGaN層2
3がそれぞれ積層されている。上記構成において、Ga
N層23を透過させて、He−Cdレーザ光Lを活性層
22に照射し、当該活性層22から放出される発光PL
を測定する。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the above-described device dedicated to photoluminescence measurement. For example, sapphire substrate 1
1, a buffer layer 12 made of GaN or the like is formed.
A layer 21, an active layer (light emitting layer) 22 having a multiple quantum well (MQW) structure made of SiIn-doped GaInN or the like, and a Si-doped GaN layer 2 having a thickness of about 100 nm.
3 are laminated. In the above configuration, Ga
The active layer 22 is irradiated with the He-Cd laser light L by passing through the N layer 23, and the light emission PL emitted from the active layer 22 is emitted.
Is measured.

【0038】図6(a)は、上記原料ガスの流速を3m
/s以上かつ5m/s以下に設定して形成した多重量子
井戸(MQW)構造の活性層(発光層)22のフォトル
ミネッセンス発光スペクトルである。従来例である図6
(b)に示すスペクトルに見られるような主たるピーク
の両肩部に存在する副ピーク成分の強度が、本発明の図
6(a)においては弱まっており、発光成分はより単一
化して、発光スペクトルの半値全幅が狭まり、発光特性
を向上させることができたことを示している。
FIG. 6A shows that the flow rate of the raw material gas is 3 m.
5 is a photoluminescence emission spectrum of an active layer (light emitting layer) 22 having a multiple quantum well (MQW) structure formed at a rate not less than / s and not more than 5 m / s. FIG. 6 showing a conventional example
In FIG. 6A of the present invention, the intensity of the sub-peak component present at both shoulders of the main peak as seen in the spectrum shown in FIG. This indicates that the full width at half maximum of the emission spectrum was narrowed, and the emission characteristics were able to be improved.

【0039】図7は、上記フォトルミネッセンス発光ス
ペクトルの半値全幅の値を原料ガスの流速に対してプロ
ットした図である。図7に示すように、アンモニアを含
む原料ガス流速を増加させるとフォトルミネッセンスの
発光スペクトル半値全幅が滅少し、具体的には3m/s
以上でほぼ一定の値となることがわかった。これは、作
成された窒化物系III−V族化合物半導体多重量子井
戸構造のインジウムの混晶組成の空間揺らぎが減少し、
発光波長の均一性が向上していることを示している。す
なわち、窒化物系III−V族化合物半導体発光層の気
相成長を行う際にアンモニアを含む原料ガス流速を3m
/sより大きくなるように調整することにより、成長す
る結晶の質の向上を図ることができる。
FIG. 7 is a diagram in which the value of the full width at half maximum of the photoluminescence emission spectrum is plotted against the flow rate of the source gas. As shown in FIG. 7, when the flow rate of the source gas containing ammonia is increased, the full width at half maximum of the emission spectrum of photoluminescence is reduced, specifically, 3 m / s.
From the above, it was found that the value was almost constant. This is because the spatial fluctuation of the mixed crystal composition of indium in the formed nitride III-V compound semiconductor multiple quantum well structure is reduced,
This shows that the uniformity of the emission wavelength is improved. That is, when performing vapor phase growth of the nitride III-V compound semiconductor light emitting layer, the flow rate of the source gas containing ammonia is set to 3 m.
By adjusting so as to be larger than / s, the quality of the grown crystal can be improved.

【0040】また、さらにアンモニアを含む原料ガス流
速を5m/sよりも大きくするとフォトルミネッセンス
の発光スペクトル半値全幅が増加する。これは、原料ガ
ス流速を5m/sより大きくすることで、原料ガスの流
れに乱れが生じ、窒化物系III−V族化合物半導体発
光層の均一性が低下し、作成された窒化物系III−V
族化合物半導体の結晶欠陥などに起因する非発光再結合
の割合が低下して、フォトルミネッセンスの発光強度が
増加したためである。すなわち、アンモニアを含む原料
ガス流速を5m/s以下に調整することにより、成長す
る結晶の質の向上を図ることができる。
Further, when the flow rate of the source gas containing ammonia is larger than 5 m / s, the full width at half maximum of the emission spectrum of photoluminescence is increased. This is because, when the flow rate of the source gas is set to be greater than 5 m / s, the flow of the source gas is disturbed, and the uniformity of the nitride III-V compound semiconductor light emitting layer is reduced. -V
This is because the rate of non-radiative recombination caused by a crystal defect or the like of the group III compound semiconductor decreases, and the luminous intensity of photoluminescence increases. That is, by adjusting the flow rate of the source gas containing ammonia to 5 m / s or less, the quality of the grown crystal can be improved.

【0041】本発明方法において、窒化物系III−V
族化合物半導体の気相成長を行う場合には、反応管内
を、常圧下、減圧下、あるいは、加圧下のいずれの圧力
下においても同様に行うことができ、いずれの場合にも
アンモニアを含む原料ガス流速を上述した所定の範囲に
特定することにより結晶性に優れた窒化物系III−V
族化合物半導体発光層をもつ素子を作製することができ
る。特にGaN系化合物半導体においては、その飽和蒸
気圧が高いことにより、気相成長中において、GaN系
化合物半導体膜から窒素原子が蒸発しやすくなる。この
結果、得られたGaN系化合物半導体膜は、窒素不足と
なり、膜質が損なわれる恐れがある。そこで、意図的に
反応管内の圧力を1気圧より高い、加圧下で気相成長を
行うことにより、より多くの窒素原料種を基板上に供給
することができ、また、成長中のGaN系化合物半導体
膜からの窒素原子の蒸発も抑制することができ、得られ
るGaN系化合物半導体膜における窒素不足を回避する
ことができるので、高品質のGaN系化合物半導体膜を
作製できるという効果を有する。
In the method of the present invention, the nitride III-V
In the case of performing vapor phase growth of a group III compound semiconductor, the inside of the reaction tube can be similarly performed under normal pressure, reduced pressure, or any pressure under pressure, and in any case, a raw material containing ammonia By specifying the gas flow rate within the above-mentioned predetermined range, a nitride III-V having excellent crystallinity can be obtained.
An element having a group III compound semiconductor light emitting layer can be manufactured. In particular, in a GaN-based compound semiconductor, the high saturation vapor pressure makes it easier for nitrogen atoms to evaporate from the GaN-based compound semiconductor film during vapor phase growth. As a result, the obtained GaN-based compound semiconductor film becomes insufficient in nitrogen, and the film quality may be impaired. Therefore, by intentionally performing gas phase growth under a pressure higher than 1 atm in the reaction tube, more nitrogen source species can be supplied onto the substrate, and the growing GaN-based compound can be supplied. Evaporation of nitrogen atoms from the semiconductor film can also be suppressed, and nitrogen deficiency in the obtained GaN-based compound semiconductor film can be avoided, so that a high-quality GaN-based compound semiconductor film can be manufactured.

【0042】また、上述した本発明方法の実施例におい
ては、反応管30内のサセプタ31の加熱を行う場合に
RFコイル33を用いたが、この例に限定されるもので
はなく、従来公知のヒーターを用いて、サセプタ31の
加熱を行うこともできる。
In the above-described embodiment of the method of the present invention, the RF coil 33 is used to heat the susceptor 31 in the reaction tube 30. However, the present invention is not limited to this example, and is conventionally known. The susceptor 31 can be heated using a heater.

【0043】本実施形態に係る半導体発光素子の製造方
法によれば、有機金属化学気相成長法により窒素を含有
するIII−V族化合物半導体層を結晶成長させて形成
するときに、結晶成長を行う反応管内における原料ガス
の流速を3m/s以上に設定することで、原料ガス同士
が混合されてから基板表面で熱分解され結晶となるまで
の時間を短くすることができ、被処理基板表面に十分な
窒素原料種が供給され、これにより、非発光再結合中心
の少ない、結晶性が優れた窒化物系III−V族化合物
半導体層を成膜可能であり、また、原料ガスの流速を5
m/s以下に設定することで、原料ガスの流れの乱れを
抑えることができ、混晶組成の均一性を向上させること
ができるので、高品質な窒化物系III−V族化合物半
導体発光素子を製造することができる。
According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present embodiment, when a group III-V compound semiconductor layer containing nitrogen is formed by crystal growth by metal organic chemical vapor deposition, crystal growth is performed. By setting the flow rate of the raw material gas in the reaction tube to be 3 m / s or more, the time from mixing of the raw material gases to thermal decomposition on the substrate surface to form crystals can be shortened, and the surface of the substrate to be processed can be reduced. Enough nitrogen source species to be supplied, thereby making it possible to form a nitride-based III-V compound semiconductor layer having a small number of non-radiative recombination centers and excellent crystallinity. 5
By setting the flow rate to m / s or less, disturbance of the flow of the source gas can be suppressed, and the uniformity of the mixed crystal composition can be improved. Therefore, a high-quality nitride III-V compound semiconductor light emitting device Can be manufactured.

【0044】上記の本実施形態に係るレーザダイオード
を用いて、光ディスク装置用の光学ピックアップ装置に
搭載されるレーザカプラなどを好ましく構成することが
できる。
Using the laser diode according to the present embodiment, it is possible to preferably configure a laser coupler mounted on an optical pickup device for an optical disk device.

【0045】以上、本発明を実施形態により説明した
が、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるもので
はない。例えば、本発明に係る発光素子の発光波長は特
に限定されるものではなく、DVDあるいはその他の次
世代光ディスクシステムに採用されている波長とするこ
とができる。また、実施形態においてはレーザダイオー
ドについて説明しているが、レーザに限らず、発光ダイ
オード(LED)にも適用可能である。また、本発明
は、GaInN層の形成工程の他、GaN層の形成工程
など、その他のGaN系半導体層の形成工程に適用でき
る。また、本発明の製造方法を用いて、複数個の発光素
子をモノリシックに構成した半導体発光装置を製造する
こともできる。この場合、例えば、発光波長が異なる発
光素子、発光波長が同じで発光強度が異なるなどの素子
特性の異なる発光素子、さらに素子特性が同一の発光素
子などの複数個の発光素子を有する発光装置に適用する
ことが可能である。また、レーザダイオードの電流狭窄
構造としては、実施形態においては詳細に示していない
が、ゲインガイド型、インデックスガイド型、あるいは
パルセーションレーザなど、様々な特性の他のレーザに
適用することが可能である。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々の変更を行うことが可能である。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. For example, the light emitting wavelength of the light emitting device according to the present invention is not particularly limited, and may be a wavelength employed in DVD or other next-generation optical disk systems. In the embodiment, a laser diode is described. However, the present invention is not limited to a laser, but can be applied to a light emitting diode (LED). In addition, the present invention can be applied to other GaN-based semiconductor layer forming steps such as a GaN layer forming step in addition to the GaInN layer forming step. Further, a semiconductor light emitting device in which a plurality of light emitting elements are monolithically configured can be manufactured by using the manufacturing method of the present invention. In this case, for example, a light-emitting device having a plurality of light-emitting elements such as light-emitting elements with different emission wavelengths, light-emitting elements with different element characteristics such as the same emission wavelength and different emission intensity, and further, a light-emitting element with the same element characteristic. It is possible to apply. Although the current constriction structure of the laser diode is not shown in detail in the embodiment, it can be applied to other lasers having various characteristics such as a gain guide type, an index guide type, and a pulsation laser. is there. In addition, various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明の半導体発光素子の製造方法によ
れば、有機金属化学気相成長法により窒素を含有するI
II−V族化合物半導体層を結晶成長させて形成すると
きに、結晶成長を行う反応管内における原料ガスの流速
を3m/s以上に設定することで、原料ガス同士が混合
されてから基板表面で熱分解され結晶となるまでの時間
を短くすることができ、被処理基板表面に十分な窒素原
料種が供給され、これにより、非発光再結合中心の少な
い、結晶性が優れた窒化物系III−V族化合物半導体
層を成膜可能であり、また、原料ガスの流速を5m/s
以下に設定することで、原料ガスの流れの乱れを抑える
ことができ、混晶組成の均一性を向上させることができ
るので、高品質な窒化物系III−V族化合物半導体発
光素子を製造することができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a nitrogen-containing I
When the group II-V compound semiconductor layer is formed by crystal growth, the flow rate of the source gas in the reaction tube where the crystal growth is performed is set to 3 m / s or more, so that the source gases are mixed with each other before the substrate surface is mixed. It is possible to shorten the time required for thermal decomposition to form a crystal, and to supply a sufficient amount of nitrogen source species to the surface of the substrate to be treated. A group V compound semiconductor layer can be formed, and the flow rate of the source gas is 5 m / s
By setting the following, it is possible to suppress the disturbance of the flow of the source gas and improve the uniformity of the mixed crystal composition, so that a high-quality nitride-based III-V compound semiconductor light-emitting device is manufactured. be able to.

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

【図1】図1は、本発明および従来例に係る半導体発光
素子(レーザダイオード)の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor light emitting device (laser diode) according to the present invention and a conventional example.

【図2】図2(a)は図1に示す半導体発光素子の半導
体積層体部分の断面図であり、図2(b)は活性層のポ
テンシャル図である。
2A is a cross-sectional view of a semiconductor laminate portion of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a potential diagram of an active layer.

【図3】図3は、MOCVD装置の模式構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an MOCVD apparatus.

【図4】図4は、本発明および従来例に係る半導体発光
素子の製造方法の製造工程を説明する断面図であり、
(a)は活性層の下層の形成工程まで、(b)は活性層
の形成工程までを示す。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention and a conventional example.
(A) shows up to the step of forming the lower layer of the active layer, and (b) shows the step up to the step of forming the active layer.

【図5】図5は、フォトルミネッセンス測定専用の素子
の断面図である。
FIG. 5 is a sectional view of an element dedicated to photoluminescence measurement.

【図6】図6は(a)本発明および(b)従来例に係る
半導体発光素子の活性層のフォトルミネッセンス発光ス
ペクトルである。
FIG. 6 is a photoluminescence emission spectrum of an active layer of a semiconductor light emitting device according to (a) the present invention and (b) a conventional example.

【図7】図7は、上記フォトルミネッセンス発光スペク
トルの半値全幅の値を原料ガスの流速に対してプロット
した図である。
FIG. 7 is a diagram in which the value of the full width at half maximum of the photoluminescence emission spectrum is plotted against the flow rate of the source gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10……半導体積層体、10a…p電極、10b…n電
極、10c…引き出し部、11…サファイア基板、12
…バッファ層、13…SiをドープしたGaN層、14
…SiをドープしたAlGaN層、15…Siをドープ
したGaN層、16…活性層(発光層)、17…Mgを
ドープしたAlGaN層、18…MgをドープしたGa
N層、19…MgをドープしたAlGaN層、20…M
gをドープしたGaN層、21…SiをドープしたGa
N層、22…活性層(発光層)、23…Siをドープし
たGaN層、30…反応管、31…サセプタ、32…被
処理基板、33…RFコイル、34…原料ガス、35…
水素ガス供給部、36…アンモニアガス供給部、37…
原料ガス供給部、38…マスフローコントローラ(MF
C)、39…吸気弁、40…原料ガス供給路、41…排
気弁、42…原料ガス送出部、43…排ガス処理装置、
B…電源、L…レーザ光、LD…レーザダイオード。
10 semiconductor laminate, 10a p-electrode, 10b n-electrode, 10c lead-out part, 11 sapphire substrate, 12
... buffer layer, 13 ... GaN layer doped with Si, 14
... AlGaN layer doped with Si, 15 ... GaN layer doped with Si, 16 ... Active layer (light emitting layer), 17 ... AlGaN layer doped with Mg, 18 ... Ga doped with Mg
N layer, 19 ... AlGaN layer doped with Mg, 20 ... M
g doped GaN layer, 21... Si doped Ga
N layer, 22: active layer (light emitting layer), 23: GaN layer doped with Si, 30: reaction tube, 31: susceptor, 32: substrate to be processed, 33: RF coil, 34: source gas, 35 ...
Hydrogen gas supply unit, 36 ... Ammonia gas supply unit, 37 ...
Material gas supply unit, 38: Mass flow controller (MF
C), 39: intake valve, 40: source gas supply path, 41: exhaust valve, 42: source gas delivery unit, 43: exhaust gas treatment device,
B: power supply, L: laser light, LD: laser diode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝妻 庸紀 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA11 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA49 CA65 FF16 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AD11 AD12 AD14 AE30 AF09 BB04 BB12 CA12 DA55 EE12 EE17 EK03 5F073 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA06 DA35 EA29  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Yuki Asazuma 6-35 Kita Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation F-term (reference) 5F041 AA11 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA49 CA65 FF16 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AD11 AD12 AD14 AE30 AF09 BB04 BB12 CA12 DA55 EE12 EE17 EK03 5F073 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA06 DA35 EA29

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】有機金属化学気相成長法により窒素を含有
するIII−V族化合物半導体層を結晶成長させて形成
する工程を有する半導体発光素子の製造方法であって、 上記結晶成長を行う反応管内における原料ガスの流速を
3m/s以上かつ5m/s以下に設定して、上記III
−V族化合物半導体層の少なくとも一部を形成する工程
を含む半導体発光素子の製造方法。
1. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: forming a nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layer by crystal growth by a metal organic chemical vapor deposition method. The flow rate of the source gas in the pipe is set to 3 m / s or more and 5 m / s or less, and the above III
-A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising a step of forming at least a part of a group V compound semiconductor layer.
【請求項2】上記結晶成長を行う反応管内における原料
ガスの流速を3m/s以上かつ5m/s以下に設定し
て、上記III−V族化合物半導体層の少なくとも一部
を形成する工程において、III−V族化合物半導体発
光層を形成する請求項1記載の半導体発光素子の製造方
法。
2. The step of forming at least a part of the group III-V compound semiconductor layer by setting a flow rate of a source gas in a reaction tube for performing crystal growth to be 3 m / s or more and 5 m / s or less, 2. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a III-V compound semiconductor light emitting layer is formed.
【請求項3】上記III−V族化合物半導体発光層とし
て、インジウムを含有する発光層を形成する請求項2記
載の半導体発光素子の製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein a light emitting layer containing indium is formed as the III-V compound semiconductor light emitting layer.
【請求項4】上記III−V族化合物半導体発光層とし
て、インジウムを含有する多重量子井戸構造の発光層を
形成する請求項2記載の半導体発光素子の製造方法。
4. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein a light emitting layer having a multiple quantum well structure containing indium is formed as the III-V compound semiconductor light emitting layer.
【請求項5】上記原料ガスがアンモニアガスを含む請求
項1記載の半導体発光素子の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein said source gas contains ammonia gas.
【請求項6】上記III−V族化合物半導体層の少なく
とも一部を形成する工程において、さらに、上記結晶成
長を行う反応管内の圧力を常圧より高い圧力に設定して
結晶成長させる請求項1記載の半導体発光素子の製造方
法。
6. The method according to claim 1, wherein in the step of forming at least a part of the group III-V compound semiconductor layer, the pressure in the reaction tube for performing the crystal growth is set to a pressure higher than normal pressure, and the crystal is grown. The manufacturing method of the semiconductor light emitting device according to the above.
【請求項7】前記半導体発光素子として、レーザダイオ
ードを形成する請求項1記載の半導体発光素子の製造方
法。
7. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a laser diode is formed as said semiconductor light emitting device.
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