JP2004039827A - Method for vapor phase growing boron phosphide layer, boron phosphide semiconductor element, and light emitting diode - Google Patents

Method for vapor phase growing boron phosphide layer, boron phosphide semiconductor element, and light emitting diode Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a boron phosphide layer of a single crystal having little crystal defect density cannot be stably formed due to a large lattice mismatching degree of an Si single crystal substrate and the boron phosphide layer. <P>SOLUTION: A method for vapor phase growing the boron phosphide layer includes steps of vapor phase growing a first boron phosphide layer by setting a ratio of the concentration of a phosphorus source to that of a boron source supplied to a vapor phase growing region is set in a range of 0.5 to 50, subsequently increasing the ratio to a range of 500 to 6,000 within 10 s, and vapor growing a second boron phosphide layer on the first boron phosphide layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪素単結晶基板の表面に、珪素単結晶との格子不整合性を緩和して、結晶性に優れるリン化硼素層を形成するための気相成長方法、及びその気相成長方法を用いて形成したリン化硼素層を備えたリン化硼素系半導体子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、硼素(B)とリン(P)とを構成元素とするリン化硼素(BP)層は、種々の半導体素子を構成するための機能層として利用されている。例えば、単量体のn形リン化硼素層はnpn型ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)のn形エミッタ(emitter)層として利用されている(J.Electrochem.Soc.,125(4)(1978)、633〜637頁参照)。また、青色のレーザダイオード(LD)にあって、接触抵抗の低いオーミック(Ohmic)電極を形成するためのコンタクト(contact)層として利用されている(特開平10−242567号公報参照)。また、近紫外或いは青色等の短波長の発光をもたらす発光ダイオード(LED)を構成するための緩衝層として用いられている(米国特許6,069,021号参照)。
【0003】
リン化硼素層を気相成長させる手段には、従来から、三塩化硼素(BCl)や三塩化リン(PCl)を出発原料とするハロゲン(halogen)法(「日本結晶成長学会誌」、Vol.24,No.2(1997)、150頁参照)、ボラン(BH)またはジボラン(B)とホスフィン(PH)等を原料とするハイドライド(hydride)法(J.Crystal Growth,24/25(1974)、193〜196頁参照)、分子線エピタキシャル法(J.Solid State Chem.,133(1997)、269〜272頁参照)、及び有機硼素化合物とリンの水素化合物を原料とする有機金属化学的気相堆積法(MOCVD法)(Inst.Phys.Conf.Ser.,No.129(IOP Publishing Ltd.(UK、1993)、157〜162頁参照)が知れている。
【0004】
リン化硼素層を気相成長させための基板には、従来より、珪素(Si)単結晶(シリコン)(▲1▼上記のJ.Electrochem.Soc.,125(1978)、及び▲2▼上記の米国特許6,069,021号参照)等の単結晶が用いられている。しかし、Si単結晶の格子定数は5.431Åであり、閃亜鉛鉱型のBPの格子定数は4.538Åである(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日、(株)培風館発行初版)、28頁参照)。従って、格子ミスマッチ度は約16.5%と大きい(庄野 克房著、「半導体技術(上)」(1992年6月25日、(財)東京大学出版会発行9刷)、97〜98頁参照)。また、ハロゲン気相成長法を用いてSi単結晶を基板として、単結晶のリン化硼素層が得られる温度範囲は、1020℃〜1070℃の極めて狭い範囲に限定されている(「応用物理」、第45巻第9号(1976)、891〜896頁参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、Si単結晶基板の表面上に、気相成長手段に依り、リン化硼素層を堆積させるに際し、そもそも単結晶層が得られる温度が狭い範囲に限定されているに加え、Si単結晶基板とリン化硼素層との大きな格子不整合度に因り、結晶欠陥密度の少ない単結晶のリン化硼素層を安定して形成できない問題点を解決する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
(1)硼素(B)原子を含む硼素源と、リン(P)原子を含むリン源との双方を気相成長領域に併行して供給して、珪素(Si)単結晶基板上に硼素とリンとを含むリン化硼素(BP)層を気相成長させるリン化硼素層の気相成長方法に於いて、気相成長領域に供給する硼素源の濃度に対するリン源の濃度の比率を0.5〜50の範囲の第1の比率(R)として第1のリン化硼素層を気相成長させた後、引き続き10秒以内に、硼素源の濃度に対するリン源の濃度の比率を上記のRから500〜6000の範囲の第2の比率(R)に増加させ、第1のリン化硼素層上に第2のリン化硼素層を気相成長させることを特徴とするリン化硼素層の気相成長方法。
(2)第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、同一の硼素源を用いて気相成長させることを特徴とする上記(1)に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(3)第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、同一のリン源を用いて気相成長させることを特徴とする上記(1)または(2)に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(4)第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、Si単結晶基板の温度を750℃以上1200℃以下として気相成長させることを特徴とする上記(1)乃至(3)の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(5)第1のリン化硼素層を、珪素結晶基板の温度を1000℃以上1200℃以下として、有機金属化学的気相堆積法(MOCVD法)で気相成長させることを特徴とする上記(1)乃至(4)の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(6)第1のリン化硼素層が非晶質からなることを特徴とする上記(1)乃至(5)に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(7)第1のリン化硼素層の層厚が2〜50nmであることを特徴とする上記(1)乃至(6)に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
(8)第2のリン化硼素層が単結晶からなることを特徴とする上記(1)乃至(7)に記載のリン化硼素層の気相成長方法。
である。
【0007】
また、本発明は
(9)上記(1)乃至(8)の何れか1項に記載の気相成長方法に依り成長させたリン化硼素層を備えたリン化硼素系半導体素子。
(10)上記(9)に記載のリン化硼素系半導体素子からなるLED。
である。
【0008】
【発明の実施の形態】
本明細書において気相成長領域とは、気相成長手段にあって、Si単結晶基板表面上にリン化硼素層を堆積させるための反応を実施する領域である。本発明のリン化硼素層の気相成長方法の特徴は、気相成長領域に供給する硼素源とリン源との濃度比率を異にして成長させた第1のリン化硼素層と第2のリン化硼素層とを積層させてリン化硼素層を形成することにある。
【0009】
硼素源に対するリン源の濃度比率は、一般にV/III比率と称される数値であって、例えば、モル(mol)/分の単位で表される単位時間に気相成長領域に供給される硼素原子の濃度に対するリン原子の濃度の比率である。硼素原子或いはリン原子の濃度とは、硼素源及びリン源が完全に熱分解すると仮定した際に放出される硼素或いはリンの原子濃度である。硼素原子またはリン原子を1個含む硼素源またはリン源にあって、V/III比率は、気相成長領域に供給する双方の源の流量の比率で表せる。例えば、MOCVD法に依るリン化硼素層の成長で、トリエチル硼素((CB)を毎分0.03cc、リン源の濃度100%のホスフィン(PH)を毎分230ccとして供給した際のV/III比率は、約7.7×10と算出される。
【0010】
第1のリン化硼素層は、第2のリン化硼素層を気相成長させるための下地層として活用する。特に、リン化硼素と格子ミスマッチ度の大きなSi単結晶を基板とする場合、基板表面に接合させて設けられた第1のリン化硼素層は、基板とリン化硼素層との格子不整合性を緩和して、結晶性に優れる第2のリン化硼素層を気相成長させる作用を及ぼす。第1のリン化硼素層に依る格子不整合性を緩和する効果は、第1のリン化硼素層を非晶質から構成するとより有効に発揮される。非晶質からなる第1のリン化硼素層を得るためには、リン化硼素層の気相成長に於いてV/III比率を、0.5〜50の範囲の第1の比率(R)とするのが好適である。V/III比率を0.5以上に設定すれば、半球状の硼素粒の形成を回避でき、平坦な表面の非晶質からなる第1のリン化硼素層を安定してもたらすことができる。一方、V/III比率が50を超えると、非晶質体中に微小な単結晶粒が散在する如きの多結晶層となりやすい欠点がある。非晶質からなる第1のリン化硼素層の層厚は、2〜50nmであるのが望ましく、更には、10〜30nmであるのが好適である。非晶質からなる第1のリン化硼素層の層厚は、結晶基板の温度を一定とした場合、例えば、気相成長領域への硼素源の供給時間を調整して制御することができる。
【0011】
非晶質の第1のリン化硼素層は、結晶基板の温度を750℃以上1200℃以下として気相成長させるのが適する。1200℃を超える高温では、単量体のリン化硼素では無く、B13等の多量体のリン化硼素結晶(J.Am.Ceramic Soc.,47(1)(1964)、44〜46頁参照)からなる多結晶層が形成され易くなるため好ましくはない。第1のV/III比率(R)は、第1のリン化硼素層の気相成長温度を高温とする程、大きい値とするのが好ましい。
【0012】
特に、硼素源をトリエチル硼素((CB)としリン源をホスフィン(PH)として、有機金属化学的気相堆積法(MOCVD法)により、Si単結晶基板の温度を1000℃〜1200℃としてリン化硼素層を気相成長すると、硼素をリンよりも化学量論的に多く含む非晶質の第1のリン化硼素層を形成できる。この硼素を化学当量的に多く含む非晶質のリン化硼素層は、Si単結晶と第2のリン化硼素層との格子ミスマッチに起因して発生するミスフィット(misfit)転位等を吸収して、結晶性に優れる第2のリン化硼素層をもたらすに格段の効果を発揮できる。
【0013】
非晶質の第1のリン化硼素層上には、単結晶からなる第2のリン化硼素層を成長させる。単結晶の第2のリン化硼素層を設けるためのV/III比率は、500〜6000の範囲の第2の比率(R)とするのが好適である。第2の比率(R)は、第2のリン化硼素層の気相成長温度を高温とする程、大きい値とするのが好ましい。しかし、Rが10を超える高い比率となると、リンの関与した突起物の発生に因り、表面の平坦性に優れる第2のリン化硼素層を安定して得られない不都合を招く。またRを500未満とすると、単結晶のリン化硼素層を安定して得るに不都合となる。気相成長領域への硼素源及びリン源の供給量は、例えば、質量流量計(MFC)等に依り精密に制御できる。
【0014】
第1のリン化硼素層と同じく、第2のリン化硼素層も結晶基板の温度を750℃以上で1200℃以下として気相成長させるのが適する。1200℃を超える高温では、B13等の多量体のリン化硼素結晶(上記のJ.Am.CeramicSoc.,参照)からなる多結晶層が帰結される易くなるため不都合である。
【0015】
第1のリン化硼素層と第2のリン化硼素層を連続して成長するに当たり、V/III比率をRからRへと経時的に急激に増加させると、表面の平坦性と配向性の揃った第2のリン化硼素層を気相成長させるに効果が奏される。第1のリン化硼素層の気相成長を終了した後、継続して第2のリン化硼素層を気相成長させるに際し、両層の中間での多結晶層の形成を回避できるからである。V/III比率をRからRへと増加させるには、例えば、硼素源の気相成長領域への供給量を一定に保持しつつ、リン源の供給量を経時的に段階的に増量させて、V/III比率を増加させる手法を例示できる。例えば、(CBの供給量を一定としつつ、PHの流量を段階的に増加させてV/III比率を経時的に増加させる。また、硼素源及びリン源の供給量を成膜時間の経過と共に直線的に、段階的に、或いは曲線的に異なる割合で増量させる手法に於いて、硼素源の供給量の増加率を上回る増加率でリン源の供給量を増加させて経時的にV/III比率を増加させることもできる。
【0016】
V/III比率を経時的に増加させるための上記の何れの手法にあっても、多結晶の形成を回避するためには、V/III比率をRから10秒以内にRに増加させる必要がある。例えば、0.5としたRから3000としたRまで5秒間で増加させる。この場合のV/III比率の増加率は、毎秒約600となる。また、V/III比率を50としたRから1秒間で6000としたRへと増加させる。この場合のV/III比率の増加率は5950/秒となる。RからRへ10秒を超えて冗長に増加させる手法は、高温に保持された非晶質の第1のリン化硼素層を徒に変質させるだけでなく、第1のリン化硼素層内に配向性の画一性に欠ける単結晶層或いは多結晶層の形成を促すため不都合である。V/III比率を短時間で増加させる程、多結晶層の形成を回避するに効果を上げられる。また、V/III比率をRへ急激に高めることに依り、配向性が統一されたリン化硼素層を気相成長できる。第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層の結晶構造、並びに双方の層の中間での多結晶層の存在は、一般のX線回折法或いは電子線回折法等の結晶解析手段を利用して調査できる。
【0017】
V/III比率をRからRへと増加させるに際し、第1のリン化硼素層を気相成長させるに使用したのと同一の硼素源を用いて、第2のリン化硼素層を気相成長させる手段は、簡便に省力的に第2のリン化硼素層を得る便法となる。硼素源を同一とすれば、リン源の気相成長領域への供給量を増大させる単純な操作のみでV/III比率を増大させられ、第1のリン化硼素層の気相成長に引き続き、継続して第2のリン化硼素層を気相成長することが出来るため利便である。また、RからRへとV/III比率を増加させるに際し、第1のリン化硼素層を気相成長させるに使用したのと同一のリン源を用いて、第2のリン化硼素層を気相成長させる手段は、簡便に省力的に第2のリン化硼素層を得る便法となる。リン源を同一とすれば、硼素源の気相成長領域への供給量を減少させる単純な操作のみでV/III比率を増大させられ、第1のリン化硼素層の気相成長に引き続き、継続して第2のリン化硼素層を気相成長することが出来るため利便である。第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、硼素源及びリン源の双方を同一として気相成長させる手段は、双方の気相成長領域への供給量を調整するのみで気相成長を継続して実施できるため、特に利便となる。
【0018】
第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を同一の手段で気相成長させれば、これまた、リン化硼素層を簡便に得る得策となる。特に、比較的に低温で熱分解する有機硼素化合物を硼素源として使用するMOCVD法に依れば、非晶質から構成されることを好ましいとする第1のリン化硼素層を得るに好適となる。例えば、硼素源をトリエチル硼素((CB)とするMOCVD手段に依れば、トリエチル硼素の易分解性に依り、非晶質の第1のリン化硼素層を比較的低温で簡便に気相成長出来るため利便となる。常圧(略大気圧)或いは減圧方式の何れのMOCVD手段もリン化硼素層の気相成長に利用できる。減圧MOCVD法にあっては、第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層からのリンの過大な揮散を抑制するため、気相成長時の圧力は0.1気圧以上とするのが望ましい。
【0019】
本発明の気相成長方法に依れば、広い範囲の温度に於いて、結晶欠陥密度が小さく且つ表面の平坦性に優れる、単結晶からなる第2のリン化硼素層を気相成長できる。従って、この様なリン化硼素層を利用すれば、例えば、平坦な接合界面を有するpn接合構造を安定して構成できる。本発明の気相成長手段は、単量体のリン化硼素に限定されず、硼素とリンとを構成元素として含む、例えば、BαAlβGaγIn1− α β γ1− δAsδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)、また例えば、BαAlβGaγIn1− α β γ1− δδ(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1、0≦δ<1)等をSi単結晶基板上に気相成長させる場合にも応用できる。特に、リン化硼素の混晶比を大とするリン化硼素・ガリウム(BαGaγP:0<α≦1、0≦γ<1)、窒化リン化硼素(BP1− δδ:0≦δ<1)等の混晶を気相成長させる場合に効果を発揮する。
【0020】
【作用】
Si単結晶基板上に第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を連続して積層する構造にあって、非晶質からなる第1のリン化硼素層は、基板と第2のリン化硼素層との格子ミスマッチを緩和して、低欠陥密度で表面の平坦な単結晶からなる第2のリン化硼素層をもたらす作用を有する。
【0021】
【実施例】
(第1実施例)
Si単結晶基板上に単量体のリン化硼素層をMOCVD法で気相成長させる場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。図1に、本第1実施例で利用したMOCVD装置の概略の構成を模式的に示す。
【0022】
非晶質の第1のリン化硼素層を気相成長するための準備として、硼素(B)が添加された、(111)−Si結晶面を表面とするp形のSi単結晶基板101を、高純度グラファイト製の載置台(susceptor)12上に水平に載置した。高純度の石英角筒製MOCVD気相成長炉10に付帯するロードロック室13に載置台を挿入した後、同室13内を窒素ガスで置換した。その後、MOCVD気相気相成長炉10内に毎分約8リットルの高純度窒素ガスを流通しつつ、Si単結晶基板101を載置した載置台12を気相成長領域11に搬送した。搬送を完了した後、窒素ガスの供給を停止し、代替に毎分16リットルの流量で高純度水素ガスをキャリア(carrier)ガスとして気相成長領域11に流通させた。その後、気相成長領域11の外部周辺に配置した高周波コイル14を利用した誘導加熱方式により、水素雰囲気中で基板101を1025℃に昇温した。
【0023】
次に、Si単結晶基板101上に、硼素源16としたトリエチル硼素((CB)と、リン源15としたホスフィン(PH)の双方を気相成長領域10に供給して、非晶質からなる第1のリン化硼素層102を積層させた。トリエチル硼素は、水素ガスで発泡し、トリエチル硼素の蒸気を随伴する発泡用水素ガスを水素キャリアガスに添加することで供給した。発泡用水素の流量は毎分45ccに調整した。また、ホスフィン(濃度100%)の流量は毎分48ccに設定した。第1のリン化硼素層102を成長する際のV/III比率(第1の比率R)は16とした。トリエチル硼素を随伴した発泡用水素ガス及びホスフィンを1.5分間に亘り、水素キャリアガスへ継続して添加し、層厚を約10nmとした硼素原子をリン原子に比較して富裕とする第1のリン化硼素層102を成長させた。
【0024】
次に、Si単結晶基板101の温度を1025℃に保持し、上記と同一の硼素源16の気相成長領域11への供給量を1.34×10−4モル/分に維持したままで、上記と同一のリン源15の供給量を48cc/分から3000cc/分へ1秒間で増量させた。即ち、V/III比率を第1の比率(=R)から第2の比率(=R)の1000に5秒間で増加させた。この供給条件の状態で硼素源とリン源とを、気相成長領域11に5分間に亘り供給し続けて、層厚を450nmとするアンドープでp形の単結晶からなる第2のリン化硼素層103を、第1のリン化硼素層102上に気相成長させた。硼素源15の気相成長領域11への添加を停止して、第2のリン化硼素103の気相成長を終了させた後、Si単結晶基板101の温度を室温近傍の温度迄、冷却した。
【0025】
冷却後、第1のリン化硼素層102及び第2のリン化硼素層103を積層させたSi単結晶基板101をMOCVD気相成長炉10から取出し、第1及び第2のリン化硼素層102、103の結晶形態を電子線回折法に依り観察した。第1のリン化硼素層102は、明瞭な回折斑点(spot)をともなわずにハロー(halo)な回折パターンを与えたため、非晶質層であるのが示された。第2のリン化硼素層103は、(220)回折点を含むスポット(spot)パターンから、(111)面を有する単結晶のリン化硼素層であると認められた。透過型電子顕微鏡(TEM)を利用した断面TEM観察に依れば、非晶質の第1のリン化硼素層102を下地層として気相成長させた単結晶の第2のリン化硼素層103の内部へのミスフィット転位の伝搬は殆ど視認され無かった。また、第1のリン化硼素層102と第2のリン化硼素層103との中間に、多結晶層の存在は認められなかった。原子間力顕微鏡(AFM)を利用して測定した第2のリン化硼素層103の表面の凹凸の最大の高低差は約4nmであり、平坦性に優れる表面が得られていた。
【0026】
(第2実施例)
本発明に係わる第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を備えた積層構造体1Bからリン化硼素系LEDを構成する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
【0027】
図2に本第2実施例に係るLED1Aの平面模式図を示す。図3には、図2の破線X−X’に沿ったLED1Aの断面の構造を模式的に示す。図3にあって、上記の第1実施例に記載されたのと同一の構成要素については同一の符号を付してある。
【0028】
本発明に係る積層構造体1Bは、硼素が添加されたp形で(111)面から2°オフ(off)した表面を有するSi単結晶基板101、該基板101上に順次形成した非晶質の第1のリン化硼素層102およびアンドープでp形の単結晶からなる第2のリン化硼素層103と、該第2のリン化硼素層103上に設けた発光層104、及びn形リン化硼素層106とから構成した。第1の非晶質のリン化硼素層102は、トリエチル硼素((CB)を硼素源とし、ホスフィン(PH)をリン源とした常圧(略大気圧)MOCVD法に依り形成した。第1のリン化硼素層102は、成長温度を850℃とし、硼素源(トリエチル硼素)の気相成長領域への供給量を毎分1.34×10−4モル(mol)とし、また第1のリン化硼素層102を成長する際のV/III比率、すなわち第1の比率Rを1に設定して成長した。また、第1のリン化硼素層102の層厚は約20nmとした。
【0029】
非晶質からなる第1のリン化硼素層102の気相成長を終了した後、硼素源の気相成長領域へ供給量を上記の数値に保ちつつ、リン源(ホスフィン)の流量を、毎分3ccから毎分1500ccへ3秒間で増加させた。これより、第1のリン化硼素層102の成長に用いた原料と同一の硼素源(トリエチル硼素)及びリン源(ホスフィン)とを利用し、且つ、第2のリン化硼素層103を成長する際のV/III比率、すなわち第2の比率Rを500として第2のリン化硼素層103の気相成長を開始した。第2のリン化硼素層103は上記の常圧MOCVD法により850℃で気相成長させた。アンドープでp形の第2のリン化硼素層103のキャリア濃度は約8×1018cm−3で、層厚は約300nmとした。
【0030】
次に、Si単結晶基板101の温度を850℃に保持したままで、単結晶の第2のリン化硼素層103上に、n形の窒化ガリウム・インジウム混晶(GaIn1−XN)層からなる発光層104を接合させて設けた。発光層104をなすGaIn1−XN層は、トリメチルガリウム((CHGa)/トリメチルインジウム((CHIn)/アンモニア(NH)/H反応系を使用した常圧MOCVD法を利用して形成した。六方晶ウルツ鉱結晶型のGaIn1−XNのインジウム組成比(=1−X)は、第2のリン化硼素層103の表面をなす{111}−リン化硼素面に鉛直に交差する{110}−リン化硼素結晶面の間隔(≒3.21Å)に、a軸の格子定数が合致するように10%(=0.10)とした。
【0031】
発光層104の形成を終了した後、Si単結晶基板101の温度を850℃に保持しつつ、トリエチル硼素を硼素源とし、ホスフィンをリン源とする常圧MOCVD法に依り、発光層104上にn形のリン化硼素層105を積層させた。n形リン化硼素層105のキャリア濃度は約7×1018cm−3とし、層厚は約500nmとした。p形の第2のリン化硼素層103とn形のリン化硼素層105とは、伝導形を互いに反対とはするものの、何れも室温での禁止帯幅を約3エレクトロンボルト(単位:eV)とするリン化硼素単結晶から構成したため、発光層104に対する障壁(クラッド)層として有効に利用できた。これより、p形の第2のリン化硼素層103、n形発光層104、及びn形リン化硼素層105とからなるpn接合型2重ヘテロ接合構造の発光部を備えた積層構造体1Bを得た。
【0032】
積層構造体1Bの表層をなすn形リン化硼素層105の中央部には、同層105に接触する側を金・ゲルマニウム(Au・Ge)合金膜としたAu・Ge/ニッケル(Ni)/Auの3層重層構造からなるn形オーミック電極106を設けた。結線用の台座電極を兼ねるn形オーミック電極106は、直径を約130μmとする円形の電極とした。また、p形Si単結晶基板101の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるp形オーミック電極107を配置した。Al蒸着膜の膜厚は約2.5μmとした。これより、pn接合型DH構造のLED1Aを構成した。
【0033】
LED1Aに、n形オーミック電極106及びp形オーミック電極107を介して順方向に20ミリアンペア(mA)の動作電流を通流して、波長を約440nmとする青紫帯光の発光を得た。一般的な積分球を利用して測定されるチップ(chip)状態での輝度は9ミリカンデラ(mcd)であった。また、n形発光層104と、表面の平坦な第2のリン化硼素層103とでpn接合型の発光部を構成することとしたため、接合界面は平坦となり、従い、順方向電圧(但し、順方向電流を20mAとした場合)は約3.1Vと低値であった。また、転位に起因して発生する局所的な耐圧不良(ローカルブレークダウン)も殆ど観測されず、非晶質の第1のリン化硼素層102の効用に依り、発光部へのミスフィット転位の伝搬は抑制されていることを伺わせた。その結果、逆方向電圧(但し、逆方向電流を10μAとした場合)を5V以上とする、良質なpn接合構造からもたらされる良好な整流特性を有する高輝度のリン化硼素系LEDが提供されることとなった。
【0034】
【発明の効果】
本発明では、気相成長領域に供給する硼素源の濃度に対するリン源の濃度の比率を比較的に低値の0.5〜50に設定して、非晶質の第1のリン化硼素層を気相成長させた後、その層上に、より高比率の500〜6000で単結晶の第2のリン化硼素層を気相成長させることとしたので、非晶質の第1のリン化硼素層に依る格子不整合性の緩和作用と相俟って、表面の平坦性に優れ、且つ結晶欠陥密度の小さい結晶性に優れるリン化硼素の単結晶層を広い温度範囲で形成できる効果がある。
【0035】
また本発明に依れば、第1のリン化硼素層と第2のリン化硼素層とを、硼素源を同一として、またはリン源を同一として、或いは同一の硼素源とリン源とを使用して気相成長させることとしたので、非晶質のリン化硼素層上に引き続き単結晶のリン化硼素層を簡便に形成するに効果を上げられる。
【0036】
また、本発明に依れば、Si単結晶基板の温度を1000℃以上1200℃以下として、MOCVD法により第1のリン化硼素層を気相成長させることとしたので、硼素をリンよりも化学量論的に多く含む非晶質の第1のリン化硼素層を簡便に形成するに効果を上げられる。
【0037】
また、本発明に依れば、非晶質の第1のリン化硼素層を下地層として気相成長させた、結晶欠陥密度の少ない表面の平坦性に優れる単結晶からなる第2のリン化硼素層を利用してリン化硼素系半導体素子を構成することとしたので、例えば、接合界面を平坦とする良質のpn接合構造を形成でき、整流特性及び耐圧特性に優れる高輝度のリン化硼素系発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係るMOCVD装置の概略の構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第2実施例に係るLEDの平面模式図である。
【図3】図2に示すLEDの破線X−X’に沿った断面模式図である。
【符号の説明】
1A LED
1B 積層構造体
10 MOCVD気相成長炉
11 気相成長領域
12 載置台
13 ロードロック室
14 高周波コイル
15 リン源
16 硼素源
101 Si単結晶基板
102 第1のリン化硼素層
103 第2のリン化硼素層
104 発光層
105 n形リン化硼素層
106 n形オーミック電極
107 p形オーミック電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vapor growth method for forming a boron phosphide layer having excellent crystallinity on a surface of a silicon single crystal substrate by relaxing lattice mismatch with the silicon single crystal, and a vapor growth method thereof. The present invention relates to a boron phosphide-based semiconductor having a boron phosphide layer formed by using the method described above.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, boron phosphide (BP) layers containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements have been used as functional layers for forming various semiconductor elements. For example, an n-type boron phosphide layer of a monomer is used as an n-type emitter layer of an npn-type hetero bipolar transistor (HBT) (J. Electrochem. Soc., 125 (4) (1978), 633-637). In a blue laser diode (LD), it is used as a contact layer for forming an ohmic electrode having a low contact resistance (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242567). Further, it is used as a buffer layer for constituting a light emitting diode (LED) that emits light of a short wavelength such as near ultraviolet or blue (see US Pat. No. 6,069,021).
[0003]
Means for vapor-phase growth of a boron phosphide layer include conventionally known boron trichloride (BCl3) And phosphorus trichloride (PCl3) As a starting material (see “Journal of the Japan Society for Crystal Growth”, Vol. 24, No. 2 (1997), p. 150), borane (BH)3) Or diborane (B2H6) And phosphine (PH3) (See J. Crystal @ Growth, 24/25 (1974), pp. 193 to 196) and molecular beam epitaxy (J. Solid @ Chem., 133 (1997), 269-). 272) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) using organoboron compounds and hydrogen compounds of phosphorus as raw materials (Inst. Phys. Conf. Ser., No. 129 (IOP Publishing Ltd. (UK)). 1993), pp. 157-162).
[0004]
Conventionally, a substrate for vapor-phase growth of a boron phosphide layer includes a silicon (Si) single crystal (silicon) ((1) J. Electrochem. Soc., 125 (1978), and (2) And US Pat. No. 6,069,021). However, the lattice constant of the Si single crystal is 5.431%, and the lattice constant of zinc-blende BP is 4.538% (Takamoto Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, ) Baifukan first edition), page 28). Therefore, the degree of lattice mismatch is as large as about 16.5% (Katsubo Shono, "Semiconductor Technology (1)", June 25, 1992, published by The University of Tokyo Press, 9th pp. 97-98). reference). Further, the temperature range in which a single crystal boron phosphide layer can be obtained using a silicon single crystal as a substrate by a halogen vapor deposition method is limited to an extremely narrow range of 1020 ° C. to 1070 ° C. (“Applied physics”). 45 No. 9 (1976), pp. 891-896).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, when a boron phosphide layer is deposited on the surface of a Si single crystal substrate by vapor phase growth means, the temperature at which the single crystal layer is obtained is limited to a narrow range in the first place, A problem that a single crystal boron phosphide layer having a low crystal defect density cannot be stably formed due to a large degree of lattice mismatch between the crystal substrate and the boron phosphide layer is solved.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention
(1) Both a boron source containing a boron (B) atom and a phosphorus source containing a phosphorus (P) atom are supplied in parallel to a vapor phase growth region, and boron and a boron source are deposited on a silicon (Si) single crystal substrate. In a method for vapor-phase growing a boron phosphide (BP) layer containing phosphorus, the ratio of the concentration of the phosphorus source to the concentration of the boron source supplied to the vapor-phase growth region is set to 0.1. A first ratio (R1After the first boron phosphide layer is vapor-phase-grown as (1), the ratio of the concentration of the phosphorus source to the concentration of the boron source is continuously adjusted within 10 seconds.1To a second ratio (R2), And vapor-phase growing a second boron phosphide layer on the first boron phosphide layer.
(2) The vapor phase of the boron phosphide layer according to (1), wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown using the same boron source. Growth method.
(3) The boron phosphide according to the above (1) or (2), wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are grown in vapor phase using the same phosphorus source. The vapor phase growth method of the layer.
(4) The above-mentioned (1) to (3), wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown by setting the temperature of the Si single crystal substrate to 750 ° C. or more and 1200 ° C. or less. ).
(5) The first boron phosphide layer is subjected to vapor phase growth by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) at a temperature of the silicon crystal substrate of 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less. The method for vapor-phase growing a boron phosphide layer according to any one of 1) to (4).
(6) The vapor phase growth method for a boron phosphide layer according to any one of the above (1) to (5), wherein the first boron phosphide layer is made of amorphous.
(7) The vapor phase growth method for a boron phosphide layer according to the above (1) to (6), wherein the first boron phosphide layer has a thickness of 2 to 50 nm.
(8) The vapor phase growth method for a boron phosphide layer according to any one of the above (1) to (7), wherein the second boron phosphide layer is made of a single crystal.
It is.
[0007]
Also, the present invention
(9) A boron phosphide-based semiconductor device comprising a boron phosphide layer grown by the vapor phase growth method according to any one of (1) to (8).
(10) An LED comprising the boron phosphide-based semiconductor device according to (9).
It is.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In this specification, a vapor phase growth region is a region in a vapor phase growth means in which a reaction for depositing a boron phosphide layer on the surface of a Si single crystal substrate is performed. A feature of the vapor phase growth method of the boron phosphide layer according to the present invention is that the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer grown at different concentration ratios of the boron source and the phosphorus source supplied to the vapor phase growth region are provided. It is to form a boron phosphide layer by laminating a boron phosphide layer.
[0009]
The concentration ratio of the phosphorus source to the boron source is a numerical value generally referred to as a V / III ratio, and is, for example, boron supplied to the vapor phase growth region in a unit time expressed in units of mol (mol) / minute. It is the ratio of the concentration of phosphorus atoms to the concentration of atoms. The concentration of boron atoms or phosphorus atoms is the atomic concentration of boron or phosphorus released when it is assumed that the boron source and the phosphorus source are completely thermally decomposed. In a boron or phosphorus source containing one boron or phosphorus atom, the V / III ratio can be represented by the ratio of the flow rates of both sources supplied to the vapor phase growth region. For example, when a boron phosphide layer is grown by MOCVD, triethyl boron ((C2H5)3B) 0.03 cc / min, phosphine (PH3) Is supplied at 230 cc / min, the V / III ratio is about 7.7 × 103Is calculated.
[0010]
The first boron phosphide layer is used as a base layer for vapor-phase growing the second boron phosphide layer. In particular, when a substrate is made of Si single crystal having a large degree of lattice mismatch with boron phosphide, the first boron phosphide layer provided to be bonded to the substrate surface has a lattice mismatch between the substrate and the boron phosphide layer. And the effect of vapor-phase growing the second boron phosphide layer having excellent crystallinity is exerted. The effect of alleviating the lattice mismatch caused by the first boron phosphide layer is more effectively exhibited when the first boron phosphide layer is made of amorphous. In order to obtain the first boron phosphide layer made of amorphous, the V / III ratio in the vapor phase growth of the boron phosphide layer is set to a first ratio (R1) Is preferable. When the V / III ratio is set to 0.5 or more, the formation of hemispherical boron grains can be avoided, and a first amorphous boron phosphide layer having a flat surface can be stably obtained. On the other hand, when the V / III ratio exceeds 50, there is a disadvantage that a polycrystalline layer in which fine single crystal grains are scattered in an amorphous body is likely to be formed. The thickness of the amorphous boron phosphide layer is preferably 2 to 50 nm, and more preferably 10 to 30 nm. When the temperature of the crystal substrate is kept constant, for example, the thickness of the amorphous first boron phosphide layer can be controlled by adjusting the supply time of the boron source to the vapor phase growth region.
[0011]
The amorphous first boron phosphide layer is preferably grown in a vapor phase by setting the temperature of the crystal substrate to 750 ° C. to 1200 ° C. At a high temperature exceeding 1200 ° C., B is not the monomeric boron phosphide,13P2And the like. This is not preferred because a polycrystalline layer composed of multimeric boron phosphide crystals (see J. Am. Ceramic @ Soc., 47 (1) (1964), pp. 44-46) is easily formed. The first V / III ratio (R1) Is preferably set to a larger value as the vapor phase growth temperature of the first boron phosphide layer is higher.
[0012]
In particular, the source of boron is triethyl boron ((C2H5)3B) and the phosphorus source is phosphine (PH3), When the temperature of the Si single crystal substrate is set to 1000 ° C. to 1200 ° C. by the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the boron phosphide layer is vapor-phase grown. An amorphous first boron phosphide layer containing a large amount can be formed. The amorphous boron phosphide layer containing a large amount of boron in a stoichiometric equivalent absorbs misfit dislocations and the like generated due to lattice mismatch between the Si single crystal and the second boron phosphide layer. Thus, a remarkable effect can be exerted to provide a second boron phosphide layer having excellent crystallinity.
[0013]
On the first amorphous boron phosphide layer, a second boron phosphide layer made of a single crystal is grown. The V / III ratio for providing the single-crystal second boron phosphide layer is a second ratio (R) in the range of 500 to 6000.2) Is preferable. The second ratio (R2) Is preferably set to a larger value as the vapor phase growth temperature of the second boron phosphide layer is higher. But R2Is 104If the ratio is too high, a problem arises in that a second boron phosphide layer having excellent surface flatness cannot be stably obtained due to the generation of phosphorus-related projections. Also R2Is less than 500, it is inconvenient to stably obtain a single crystal boron phosphide layer. The supply amounts of the boron source and the phosphorus source to the vapor phase growth region can be precisely controlled by, for example, a mass flow meter (MFC).
[0014]
As with the first boron phosphide layer, the second boron phosphide layer is also preferably grown in a vapor phase with the temperature of the crystal substrate at 750 ° C. or more and 1200 ° C. or less. At high temperatures above 1200 ° C, B13P2This is inconvenient since a polycrystalline layer composed of a multimeric boron phosphide crystal (see J. Am. Ceramic Soc., Supra) is easily obtained.
[0015]
In continuously growing the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer, the V / III ratio is set to R1To R2When the second boron phosphide layer having a uniform surface flatness and orientation is vapor-phase grown, the effect is rapidly increased. This is because, after the vapor phase growth of the first boron phosphide layer is completed, the formation of a polycrystalline layer in the middle of the two layers can be avoided when the second boron phosphide layer is continuously vapor-phase grown. . V / III ratio is R1To R2In order to increase the V / III ratio, for example, the supply amount of the phosphorus source is increased stepwise with time while the supply amount of the boron source to the vapor phase growth region is kept constant. A technique can be exemplified. For example, (C2H5)3While keeping the supply amount of B constant,3Is increased stepwise to increase the V / III ratio over time. Further, in a method of increasing the supply amounts of the boron source and the phosphorus source linearly, stepwise, or in a curve at different rates as the film formation time elapses, the supply amount of the boron source is increased more than the rate of increase. The V / III ratio can also be increased over time by increasing the supply of the phosphorus source at a specific rate.
[0016]
In any of the above techniques for increasing the V / III ratio over time, the V / III ratio must be set to R in order to avoid polycrystal formation.1Within 10 seconds from R2Need to be increased. For example, R with 0.51R from 30002Increase in 5 seconds. The rate of increase of the V / III ratio in this case is about 600 per second. In addition, R where the V / III ratio is 501From 1 to 6000 in 1 second2To increase. In this case, the increase rate of the V / III ratio is 5950 / sec. R1To R2The method of increasing the thickness redundantly for more than 10 seconds not only changes the quality of the amorphous first boron phosphide layer kept at a high temperature, but also causes the orientation in the first boron phosphide layer to be changed. This is inconvenient because it promotes formation of a single crystal layer or a polycrystalline layer lacking uniformity. As the V / III ratio is increased in a shorter time, the effect of avoiding the formation of a polycrystalline layer can be improved. In addition, the V / III ratio is R2By rapidly increasing the thickness, a boron phosphide layer having a uniform orientation can be vapor-phase grown. The crystal structures of the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer, and the existence of the polycrystalline layer in the middle of both layers are determined by crystal analysis means such as general X-ray diffraction or electron diffraction. You can investigate using.
[0017]
V / III ratio is R1To R2The means for vapor-phase growing the second boron phosphide layer using the same boron source as that used for vapor-phase growth of the first boron phosphide layer is a simple and labor-saving method. This is a convenient way to obtain a second boron phosphide layer. If the boron source is the same, the V / III ratio can be increased only by a simple operation of increasing the supply amount of the phosphorus source to the vapor phase growth region, and the V / III ratio can be increased following the vapor phase growth of the first boron phosphide layer. This is convenient because the second boron phosphide layer can be continuously grown in vapor phase. Also, R1To R2In increasing the V / III ratio, the means for vapor-phase growing the second boron phosphide layer using the same phosphorus source used for vapor-phase growth of the first boron phosphide layer is as follows. This is a simple and labor-saving method for obtaining the second boron phosphide layer. If the phosphorus source is the same, the V / III ratio can be increased only by a simple operation of reducing the supply amount of the boron source to the vapor phase growth region, and the V / III ratio can be increased following the vapor phase growth of the first boron phosphide layer. This is convenient because the second boron phosphide layer can be continuously grown in vapor phase. The means for vapor-phase growing the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer with both the boron source and the phosphorus source being the same means only adjusting the supply amounts to both vapor-phase growth regions. This is particularly convenient because phase growth can be continued.
[0018]
If the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown by the same means, it is a good idea to easily obtain the boron phosphide layer. In particular, according to the MOCVD method using an organic boron compound which thermally decomposes at a relatively low temperature as a boron source, it is suitable for obtaining a first boron phosphide layer which is preferably made of amorphous. Become. For example, if the boron source is triethyl boron ((C2H5)3The MOCVD method B) is convenient because the amorphous first boron phosphide layer can be easily vapor-phase grown at a relatively low temperature depending on the triethylboron easy decomposability. Either normal pressure (substantially atmospheric pressure) or reduced pressure MOCVD means can be used for vapor phase growth of the boron phosphide layer. In the low-pressure MOCVD method, the pressure during the vapor phase growth is set to 0.1 atm or more in order to suppress excessive volatilization of phosphorus from the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer. Is desirable.
[0019]
According to the vapor phase growth method of the present invention, the second boron phosphide layer made of a single crystal and having a low crystal defect density and excellent surface flatness can be vapor phase grown over a wide range of temperatures. Therefore, if such a boron phosphide layer is used, for example, a pn junction structure having a flat junction interface can be stably formed. The vapor phase growth means of the present invention is not limited to the monomeric boron phosphide, but includes boron and phosphorus as constituent elements.αAlβGaγIn1- α β γP1- δAsδ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1), for example, BαAlβGaγIn1- α β γP1- δNδ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1) and the like can also be applied to the case of vapor phase growth on a Si single crystal substrate. In particular, boron phosphide / gallium (B) which increases the mixed crystal ratio of boron phosphideαGaγP: 0 <α ≦ 1, 0 ≦ γ <1), boron nitrided phosphide (BP1- δNδ: 0 ≦ δ <1).
[0020]
[Action]
In a structure in which a first boron phosphide layer and a second boron phosphide layer are successively laminated on a Si single crystal substrate, the first boron phosphide layer made of amorphous is Has the effect of relaxing the lattice mismatch with the boron phosphide layer to provide a second boron phosphide layer made of a single crystal having a low defect density and a flat surface.
[0021]
【Example】
(First embodiment)
The content of the present invention will be specifically described by taking as an example a case where a monomeric boron phosphide layer is vapor-phase grown on a Si single crystal substrate by MOCVD. FIG. 1 schematically shows a schematic configuration of the MOCVD apparatus used in the first embodiment.
[0022]
As a preparation for vapor-phase growth of the first amorphous boron phosphide layer, a p-type Si single crystal substrate 101 having a (111) -Si crystal surface as a surface to which boron (B) is added is prepared. Was placed horizontally on a susceptor 12 made of high-purity graphite. After the mounting table was inserted into the load lock chamber 13 attached to the MOCVD vapor phase growth furnace 10 made of a high-purity quartz prism, the inside of the chamber 13 was replaced with nitrogen gas. Thereafter, the mounting table 12 on which the Si single crystal substrate 101 was mounted was transported to the vapor growth region 11 while flowing high-purity nitrogen gas at a rate of about 8 liters per minute into the MOCVD vapor growth reactor 10. After the transfer was completed, the supply of the nitrogen gas was stopped, and instead, a high-purity hydrogen gas was flowed at a flow rate of 16 liters per minute into the vapor phase growth region 11 as a carrier gas. Thereafter, the temperature of the substrate 101 was increased to 1025 ° C. in a hydrogen atmosphere by an induction heating method using a high-frequency coil 14 arranged around the outside of the vapor phase growth region 11.
[0023]
Next, on a Si single crystal substrate 101, triethyl boron ((C2H5)3B) and phosphine (PH3) Were supplied to the vapor phase growth region 10 to stack the first boron phosphide layer 102 made of amorphous. Triethyl boron was supplied by bubbling with hydrogen gas and adding hydrogen gas for bubbling accompanied by vapor of triethyl boron to the hydrogen carrier gas. The flow rate of hydrogen for foaming was adjusted to 45 cc / min. The flow rate of phosphine (concentration: 100%) was set at 48 cc / min. The V / III ratio when growing the first boron phosphide layer 102 (the first ratio R1) Is 16. Hydrogen gas for blowing and phosphine accompanied by triethylboron are continuously added to the hydrogen carrier gas for 1.5 minutes, so that boron atoms having a layer thickness of about 10 nm are made richer than phosphorus atoms. Was grown.
[0024]
Next, the temperature of the Si single crystal substrate 101 was maintained at 1025 ° C., and the supply amount of the same boron source 16 to the vapor phase growth region 11 was 1.34 × 10 4-4While maintaining the mol / min, the supply amount of the same phosphorus source 15 as described above was increased from 48 cc / min to 3000 cc / min in 1 second. That is, the V / III ratio is changed to the first ratio (= R1) To the second ratio (= R2) To 1000 in 5 seconds. Under these supply conditions, a boron source and a phosphorus source are continuously supplied to the vapor phase growth region 11 for 5 minutes, and a second boron phosphide made of an undoped p-type single crystal having a layer thickness of 450 nm is used. Layer 103 was vapor grown on first boron phosphide layer 102. After stopping the addition of the boron source 15 to the vapor phase growth region 11 and terminating the vapor phase growth of the second boron phosphide 103, the temperature of the Si single crystal substrate 101 was cooled to a temperature near room temperature. .
[0025]
After cooling, the Si single crystal substrate 101 on which the first boron phosphide layer 102 and the second boron phosphide layer 103 are stacked is taken out from the MOCVD vapor deposition reactor 10 and the first and second boron phosphide layers 102 , 103 were observed by an electron diffraction method. The first boron phosphide layer 102 was shown to be an amorphous layer because it provided a halo diffraction pattern without distinct diffraction spots. The second boron phosphide layer 103 was found to be a single crystal boron phosphide layer having a (111) plane from a spot pattern including a (220) diffraction point. According to cross-sectional TEM observation using a transmission electron microscope (TEM), a single-crystal second boron phosphide layer 103 grown by vapor phase using the first amorphous boron phosphide layer 102 as an underlayer. Almost no propagation of misfit dislocations into the inside was observed. No polycrystalline layer was found between the first boron phosphide layer 102 and the second boron phosphide layer 103. The maximum height difference of the irregularities on the surface of the second boron phosphide layer 103 measured using an atomic force microscope (AFM) was about 4 nm, and a surface excellent in flatness was obtained.
[0026]
(Second embodiment)
The content of the present invention will be specifically described by taking, as an example, a case where a boron phosphide-based LED is formed from the laminated structure 1B including the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer according to the present invention. I do.
[0027]
FIG. 2 is a schematic plan view of an LED 1A according to the second embodiment. FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the LED 1A along the broken line X-X 'in FIG. In FIG. 3, the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0028]
A laminated structure 1B according to the present invention includes a p-type Si single crystal substrate 101 having a surface that is 2 ° off from a (111) plane to which boron is added, and an amorphous structure formed sequentially on the substrate 101. A first boron phosphide layer 102, a second boron phosphide layer 103 made of undoped p-type single crystal, a light emitting layer 104 provided on the second boron phosphide layer 103, and an n-type phosphorus And a boron oxide layer 106. The first amorphous boron phosphide layer 102 is made of triethyl boron ((C2H5)3B) as a boron source and phosphine (PH3) Was formed by a normal pressure (substantially atmospheric pressure) MOCVD method using a phosphorus source. The first boron phosphide layer 102 has a growth temperature of 850 ° C. and a supply rate of a boron source (triethylboron) to the vapor phase growth region of 1.34 × 10 3 / min.-4V / III ratio when growing the first boron phosphide layer 102, that is, the first ratio R1Was set to 1 and grown. The thickness of the first boron phosphide layer 102 was set to about 20 nm.
[0029]
After the vapor phase growth of the first boron phosphide layer 102 made of amorphous is completed, the flow rate of the phosphorus source (phosphine) is increased every time while the supply amount of the boron source to the vapor phase growth region is maintained at the above value. It increased from 3 cc per minute to 1500 cc per minute in 3 seconds. Thus, the same boron source (triethyl boron) and phosphorus source (phosphine) as the raw materials used for growing the first boron phosphide layer 102 are used, and the second boron phosphide layer 103 is grown. V / III ratio, ie, the second ratio R2Was set to 500, and vapor phase growth of the second boron phosphide layer 103 was started. The second boron phosphide layer 103 was vapor-phase grown at 850 ° C. by the normal pressure MOCVD method. The carrier concentration of the undoped p-type second boron phosphide layer 103 is about 8 × 1018cm-3The layer thickness was set to about 300 nm.
[0030]
Next, while maintaining the temperature of the Si single crystal substrate 101 at 850 ° C., an n-type gallium-indium nitride mixed crystal (Ga) is formed on the single crystal second boron phosphide layer 103.XIn1-XThe light-emitting layer 104 composed of an N) layer was provided by bonding. Ga forming the light emitting layer 104XIn1-XThe N layer is made of trimethylgallium ((CH3)3Ga) / trimethylindium ((CH3)3In) / Ammonia (NH)3) / H2It was formed using a normal pressure MOCVD method using a reaction system. Hexagonal wurtzite crystal type GaXIn1-XThe indium composition ratio of N (= 1−X) is determined by the distance between the {111} -boron phosphide crystal plane perpendicular to the {111} -boron phosphide plane forming the surface of the second boron phosphide layer 103 ( {3.21}), 10% (= 0.10) so that the lattice constant of the a-axis matches.
[0031]
After the formation of the light emitting layer 104 is completed, while maintaining the temperature of the Si single crystal substrate 101 at 850 ° C., the light emitting layer 104 is formed on the light emitting layer 104 by a normal pressure MOCVD method using triethyl boron as a boron source and phosphine as a phosphorus source. An n-type boron phosphide layer 105 was laminated. The carrier concentration of the n-type boron phosphide layer 105 is about 7 × 1018cm-3And the layer thickness was about 500 nm. Although the p-type second boron phosphide layer 103 and the n-type boron phosphide layer 105 have opposite conductivity types, each has a band gap of about 3 electron volts (unit: eV) at room temperature. ), It could be effectively used as a barrier (cladding) layer for the light emitting layer 104. Thus, a laminated structure 1B having a pn junction type double heterojunction light emitting portion composed of the p-type second boron phosphide layer 103, the n-type light emitting layer 104, and the n-type boron phosphide layer 105 is provided. Got.
[0032]
In the center of the n-type boron phosphide layer 105 which forms the surface layer of the multilayer structure 1B, Au.Ge/nickel (Ni) / a gold / germanium (Au.Ge) alloy film is used on the side in contact with the layer 105. An n-type ohmic electrode 106 having a three-layer Au structure was provided. The n-type ohmic electrode 106 also serving as a pedestal electrode for connection was a circular electrode having a diameter of about 130 μm. In addition, a p-type ohmic electrode 107 made of aluminum (Al) is arranged on substantially the entire back surface of the p-type Si single crystal substrate 101. The thickness of the deposited Al film was about 2.5 μm. Thus, an LED 1A having a pn junction type DH structure was formed.
[0033]
An operating current of 20 milliamperes (mA) was passed through the LED 1A in the forward direction through the n-type ohmic electrode 106 and the p-type ohmic electrode 107 to emit blue-violet light having a wavelength of about 440 nm. The luminance in a chip state measured using a general integrating sphere was 9 millicandela (mcd). Further, since the n-type light emitting layer 104 and the second boron phosphide layer 103 having a flat surface form a light emitting portion of a pn junction type, the bonding interface becomes flat, and accordingly, a forward voltage (however, (When the forward current was 20 mA), which was a low value of about 3.1 V. In addition, local breakdown voltage failure (local breakdown) caused by dislocations is hardly observed, and misfit dislocations to the light emitting portion due to the effect of the amorphous first boron phosphide layer 102 are generated. It was shown that propagation was suppressed. As a result, a high-luminance boron phosphide-based LED having a good rectifying characteristic resulting from a good pn junction structure and having a reverse voltage (provided that the reverse current is 10 μA) of 5 V or more is provided. It became a thing.
[0034]
【The invention's effect】
In the present invention, the ratio of the concentration of the phosphorus source to the concentration of the boron source supplied to the vapor-phase growth region is set to a relatively low value of 0.5 to 50, and the first boron phosphide layer of the amorphous state is formed. Is vapor-phase-grown, and then a single-crystal second boron phosphide layer is vapor-phase-grown on the layer at a higher ratio of 500 to 6000. The effect of forming a single crystal layer of boron phosphide with excellent surface flatness and low crystal defect density and excellent crystallinity in a wide temperature range, in combination with the action of alleviating the lattice mismatch caused by the boron layer. is there.
[0035]
Further, according to the present invention, the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are formed using the same boron source, the same phosphorus source, or the same boron source and the same phosphorus source. Thus, the single crystal boron phosphide layer can be easily formed continuously on the amorphous boron phosphide layer.
[0036]
Further, according to the present invention, the temperature of the Si single crystal substrate is set at 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the first boron phosphide layer is vapor-phase grown by the MOCVD method. This is effective in simply forming the first stoichiometric amorphous boron phosphide layer.
[0037]
Further, according to the present invention, the second phosphide composed of a single crystal having a low crystal defect density and having excellent surface flatness, which is vapor-phase grown using the first amorphous boron phosphide layer as an underlayer. Since the boron phosphide-based semiconductor element is formed by using the boron layer, for example, a high-quality pn junction structure having a flat junction interface can be formed, and high-luminance boron phosphide having excellent rectification characteristics and breakdown voltage characteristics can be formed. A system light emitting diode can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a MOCVD apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of an LED according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the LED shown in FIG. 2 along the dashed line X-X '.
[Explanation of symbols]
1A LED
1B laminated structure
10 MOCVD vapor phase growth furnace
11 vapor phase growth region
12 mounting table
13 Road lock room
14 high frequency coil
15 phosphorus source
16% boron source
101 Si single crystal substrate
102 first boron phosphide layer
103—second boron phosphide layer
104 luminescent layer
105 n-type boron phosphide layer
106 n-type ohmic electrode
107 p-type ohmic electrode

Claims (10)

硼素(B)原子を含む硼素源と、リン(P)原子を含むリン源との双方を気相成長領域に併行して供給して、珪素(Si)単結晶基板上に硼素とリンとを含むリン化硼素(BP)層を気相成長させるリン化硼素層の気相成長方法に於いて、気相成長領域に供給する硼素源の濃度に対するリン源の濃度の比率を0.5〜50の範囲の第1の比率(R)として第1のリン化硼素層を気相成長させた後、引き続き10秒以内に、硼素源の濃度に対するリン源の濃度の比率を上記のRから500〜6000の範囲の第2の比率(R)に増加させ、第1のリン化硼素層上に第2のリン化硼素層を気相成長させることを特徴とするリン化硼素層の気相成長方法。By supplying both a boron source containing a boron (B) atom and a phosphorus source containing a phosphorus (P) atom to the vapor phase growth region, boron and phosphorus are deposited on a silicon (Si) single crystal substrate. In a method for vapor-phase growing a boron phosphide (BP) layer containing vapor-phase, the ratio of the concentration of the phosphorus source to the concentration of the boron source supplied to the vapor-phase growth region is 0.5 to 50. After the first boron phosphide layer is vapor-phase-grown as a first ratio (R 1 ) in the range, the ratio of the concentration of the phosphorus source to the concentration of the boron source is changed from the above R 1 within 10 seconds. Increasing the second ratio (R 2 ) in the range of 500 to 6000, and vapor-growing the second boron phosphide layer on the first boron phosphide layer; Phase growth method. 第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、同一の硼素源を用いて気相成長させることを特徴とする請求項1に記載のリン化硼素層の気相成長方法。2. The method according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown using the same boron source. 第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、同一のリン源を用いて気相成長させることを特徴とする請求項1または2に記載のリン化硼素層の気相成長方法。3. The vapor phase growth method for a boron phosphide layer according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown using the same phosphorus source. . 第1のリン化硼素層及び第2のリン化硼素層を、Si単結晶基板の温度を750℃以上1200℃以下として気相成長させることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。4. The method according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer and the second boron phosphide layer are vapor-phase grown by setting the temperature of the Si single crystal substrate to 750 ° C. or more and 1200 ° C. or less. 3. The method for vapor-phase growth of a boron phosphide layer according to item 1. 第1のリン化硼素層を、珪素結晶基板の温度を1000℃以上1200℃以下として、有機金属化学的気相堆積法(MOCVD法)で気相成長させることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。5. The method according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer is grown in a vapor phase by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) at a temperature of the silicon crystal substrate of 1000.degree. C. to 1200.degree. The method for vapor-phase growth of a boron phosphide layer according to any one of the above. 第1のリン化硼素層が非晶質からなることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。6. The method according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer is made of amorphous. 第1のリン化硼素層の層厚が2〜50nmであることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。7. The vapor phase growth method for a boron phosphide layer according to claim 1, wherein the first boron phosphide layer has a thickness of 2 to 50 nm. 第2のリン化硼素層が単結晶からなることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載のリン化硼素層の気相成長方法。8. The method for vapor-phase growth of a boron phosphide layer according to claim 1, wherein the second boron phosphide layer is made of a single crystal. 請求項1乃至8の何れか1項に記載の気相成長方法に依り成長させたリン化硼素層を備えたリン化硼素系半導体素子。A boron phosphide-based semiconductor device comprising a boron phosphide layer grown by the vapor phase growth method according to claim 1. 請求項9に記載のリン化硼素系半導体素子からなるLED。An LED comprising the boron phosphide-based semiconductor device according to claim 9.
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