JP2005175275A - Semiconductor light emitting element employing group iii metal nitride crystal and process for producing group iii metal nitride crystal - Google Patents
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Description
本発明は、III族金属の窒化物結晶を用いた半導体発光素子およびこのIII族金属の窒化物結晶を製造するための製法に関するものであり、より詳細には、寒色(紫外〜紫〜青〜緑色)の光源として使用する半導体発光素子と、該素子を構成するIII族金属窒化物結晶の製法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device using a nitride crystal of a group III metal and a manufacturing method for producing the nitride crystal of the group III metal, and more specifically, a cold color (ultraviolet to purple to blue to The present invention relates to a semiconductor light-emitting device used as a green light source and a method for producing a group III metal nitride crystal constituting the device.
紫外〜紫〜青〜緑色の光源として、III族金属の窒化物結晶を用いた半導体発光素子が用いられている。その基本的な構造を図1に示す。 Semiconductor light-emitting elements using Group III metal nitride crystals are used as ultraviolet-violet-blue-green light sources. The basic structure is shown in FIG.
図1は、従来から知られている半導体発光素子の構造を説明するための断面図であり、支持基板101の上に、n型半導体からなるn層102、発光層103、p型半導体からなるp層104が順次積層されている。そしてp層104の上にp型電極105が設けられており、一方n層102上の一部には、発光層103やp層104が設けられていない露出面107が形成されており、この露出面107の上にはn型電極106が設けられている。そして前記p型電極105と前記n型電極106との間に、順方向バイアスを印加(即ち、p型電極に正電圧を印加)することにより、発光層103内で電子とホールが結合して発光する。このときn層102や発光層103、p層104の素材としてIII族金属の窒化物結晶を用いることによって、紫外〜紫〜青〜緑色の光源となる。
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the structure of a conventionally known semiconductor light emitting device. On a
ところで上記支持基板101の素材としては、従来からサファイアやSiCなどが用いられていた。しかしサファイアやSiCなどの上にIII族金属の窒化物結晶を形成すると、支持基板101とIII族金属の窒化物結晶(n層)との格子不整合による転位の発生が避けられず、107〜108cm-1レベルの結晶欠陥が生じ、界面に応力が生じる。またサファイアやSiCとIII族金属窒化物結晶との熱膨張係数の差は大きいため、半導体発光素子の品質低下を招く。さらに、特にサファイアは硬いため成形加工性が悪く、所望の形状に成形することは困難であった。
By the way, as a material of the
こうした問題を解決するために、支持基板の素材としてサファイアやSiCなどを用いない半導体発光素子の開発が進められており、支持基板の素材としてIII族金属の窒化物結晶自体を用いることが検討されている。即ち、III族金属の窒化物結晶の上にn層や発光層、p層等(これらを、「III族金属の窒化物結晶層」と称する場合がある)を設けてやれば、III族金属窒化物結晶の上にIII族金属窒化物結晶を積層することになるので、結晶欠陥や熱膨張係数の差は殆ど生じず、しかもIII族金属窒化物結晶はサファイアやSiCより軟らかいため加工し易い。 In order to solve these problems, semiconductor light emitting devices that do not use sapphire or SiC as a support substrate material are being developed, and the use of a group III metal nitride crystal itself as a support substrate material has been studied. ing. That is, if an n-layer, a light-emitting layer, a p-layer, etc. (sometimes referred to as a “group III metal nitride crystal layer”) are provided on a group III metal nitride crystal, the group III metal Since the group III metal nitride crystal is laminated on the nitride crystal, there is almost no difference in crystal defects and thermal expansion coefficient, and the group III metal nitride crystal is softer than sapphire and SiC, so it is easy to process. .
そこでIII族金属窒化物結晶の成長方法として、例えば特許文献1には、III族金属を含む融液とフラックス(例えば、金属NaやNaを含む化合物)と窒素原料とが接する領域から、種結晶を用いてIII族金属の窒化物結晶を成長させる技術が提案されている。しかしこの技術では、GaN結晶を成長させるには反応容器内を750℃、100kg/cm2Gという高温・高圧に保持する必要があった。
そこでIII族金属窒化物結晶を上記特許文献1に提案されているNaフラックス法よりも低圧で製造できる方法について種々検討されており、III族金属から選ばれる少なくとも1種の金属の他に、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属を混合した融液を用いることによって、低圧でもIII族金属の窒化物結晶の製造が可能となることが既に提案されている[非特許文献1(「日本結晶成長学会誌」,日本結晶成長学会,2003年7月,Vol.30,No.2,p.38〜45)]。この技術によってIII族金属の窒化物結晶を比較的低圧で製造できる。しかし生産効率向上の観点から、III族金属の窒化物結晶の成長速度を高め、短時間のうちにIII族金属の窒化物結晶を製造する方法が望まれていた。
Thus, various methods for producing a Group III metal nitride crystal at a lower pressure than the Na flux method proposed in
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、III族金属の窒化物結晶の成長速度を大きくし、短時間のうちにIII族金属の窒化物結晶を製造できる方法を提供することにある。本発明の他の目的は、こうした製法で得られたIII族金属の窒化物結晶を基材として用いた半導体発光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to increase the growth rate of a group III metal nitride crystal and to produce a group III metal nitride crystal in a short time. It is to provide a method. Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device using a group III metal nitride crystal obtained by such a manufacturing method as a base material.
上記課題を解決することのできた本発明に係るIII族金属窒化物結晶の製法とは、反応容器内で、III族金属から選ばれる少なくとも1種と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上とを混合した融液に、種結晶を浸漬し、前記融液と窒素を接触させることにより前記種結晶表面にIII族金属の窒化物結晶を製造する方法であって、前記融液中のN濃度を高くして行う点に要旨を有し、融液中のN濃度を高くすることにより、種結晶表面におけるIII族金属の窒化物結晶の成長を促進できる。 The method for producing a Group III metal nitride crystal according to the present invention that has solved the above-mentioned problems includes, in a reaction vessel, at least one selected from Group III metals and a group consisting of alkali metals or alkaline earth metals. A method for producing a group III metal nitride crystal on the surface of a seed crystal by immersing a seed crystal in a melt obtained by mixing two or more selected, and bringing the melt into contact with nitrogen. It has a gist in that the N concentration in the melt is increased, and by increasing the N concentration in the melt, the growth of a group III metal nitride crystal on the seed crystal surface can be promoted.
なお上記製法で得られたIII族金属の窒化物結晶を有する半導体発光素子も本発明に包含される。 A semiconductor light-emitting device having a group III metal nitride crystal obtained by the above-described manufacturing method is also included in the present invention.
本発明によれば、III族金属の窒化物結晶の成長速度を大きくすることができるので、短時間のうちにIII族金属の窒化物結晶を製造でき、生産効率を高めることができる。 According to the present invention, since the growth rate of the group III metal nitride crystal can be increased, the group III metal nitride crystal can be produced in a short time, and the production efficiency can be increased.
また、本発明の方法で得られたIII族金属窒化物結晶を半導体発光素子の基材として用いることにより、該基材上に形成されるIII族金属の窒化物結晶層の結晶欠陥の発生を抑制できるため、非発光センターを減少させ(即ち、熱に変化するのを減少させ)、高輝度で高寿命の半導体発光素子となり、さらに基材とIII族金属の窒化物結晶層との熱膨張係数の差も低減できるため、熱応力によるクラックの発生がなく、高輝度発光が可能な半導体発光素子となる。 In addition, by using the group III metal nitride crystal obtained by the method of the present invention as a base material of a semiconductor light emitting device, generation of crystal defects in the group III metal nitride crystal layer formed on the base material is prevented. Since it can be suppressed, the non-luminescent center is reduced (ie, the change to heat is reduced), the semiconductor light emitting device has a high brightness and a long life, and the thermal expansion of the base material and the nitride crystal layer of the group III metal Since the difference in coefficients can also be reduced, a semiconductor light emitting device capable of emitting light with high brightness without generating cracks due to thermal stress.
本発明者らは、上記非特許文献1に示した技術に対し、III族金属の窒化物結晶の成長速度を大きくする方策について鋭意検討を重ねた。その結果、III族金属の窒化物結晶を製造する際に、融液中のN濃度を高くしてやれば、こうした課題を見事解決できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明について詳細に説明する。
The inventors of the present invention have made extensive studies on a technique for increasing the growth rate of a group III metal nitride crystal with respect to the technique shown in Non-Patent
本発明におけるIII族金属窒化物結晶の製法とは、反応容器内で、III族金属から選ばれる少なくとも1種の金属と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属とを混合した融液に、種結晶を浸漬し、前記融液と窒素を接触させることにより前記種結晶表面にIII族金属の窒化物結晶を成長させるものであるが、このとき前記融液中のN濃度を高くして行うことが重要である。 In the present invention, the method for producing a group III metal nitride crystal means that at least one metal selected from group III metals and two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals in a reaction vessel. In the melt, a seed crystal is dipped, and a nitride crystal of a group III metal is grown on the surface of the seed crystal by bringing the melt into contact with nitrogen. It is important to increase the N concentration.
本発明の製法で用いる融液とは、III族金属から選ばれる少なくとも1種の金属と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属Iよりなる群から選ばれる2種以上の金属とを混合したものである。 The melt used in the production method of the present invention is a mixture of at least one metal selected from Group III metals and two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals I. .
III族(13族)金属とは、Al,GaおよびInであり、本発明ではこれらの群から選ばれる少なくとも1種の金属を含む融液を用いる。但し、基材上に形成されるIII族金属の窒化物結晶層の組成は半導体発光素子として要求される発光波長に応じて異なるため、III族金属の窒化物結晶層における結晶欠陥の発生を抑制したり、基材とIII族金属の窒化物結晶層との熱膨張係数の差を低減する観点から、基材(基板)の組成はIII族金属の窒化物結晶層の組成に合わせることが好ましい。即ち、波長が250〜500nm程度の光源となる半導体発光素子を得るには、その基材としてGa金属を必須的に含むものを用いることが好ましく、必要に応じてAlやInなどの元素を混合すればよい。こうした基材を得るには、Ga金属を必須的に含む融液を用いればよく、必要に応じてAlやInなどの元素を混合した融液を用いればよい。アルカリ金属とは、Li,Na,K,Rb,CsおよびFrであり、アルカリ土類金属とは、Ca,St,BaおよびRaである。 Group III (Group 13) metals are Al, Ga and In, and in the present invention, a melt containing at least one metal selected from these groups is used. However, since the composition of the Group III metal nitride crystal layer formed on the substrate differs depending on the emission wavelength required for the semiconductor light emitting device, the generation of crystal defects in the Group III metal nitride crystal layer is suppressed. From the viewpoint of reducing the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the group III metal nitride crystal layer, the composition of the base material (substrate) is preferably matched to the composition of the group III metal nitride crystal layer. . That is, in order to obtain a semiconductor light-emitting device that serves as a light source having a wavelength of about 250 to 500 nm, it is preferable to use a material containing Ga metal as a base material, and if necessary, an element such as Al or In is mixed. do it. In order to obtain such a substrate, a melt that essentially contains Ga metal may be used, and a melt in which an element such as Al or In is mixed may be used as necessary. The alkali metal is Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr, and the alkaline earth metal is Ca, St, Ba, and Ra.
そして本発明では、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属を含む融液を用いる。2種以上を併用することにより融液への窒素の溶解度が大きくなり、III族金属の窒化物結晶が生成し易くなるからである。 In the present invention, a melt containing two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals is used. This is because the use of two or more types increases the solubility of nitrogen in the melt and facilitates the formation of group III metal nitride crystals.
ここでアルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属を含む融液とは、(a)アルカリ金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属を含む融液であってもよいし、(b)アルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属を含む融液であってもよいし、(c)アルカリ金属よりなる群から少なくとも1種の金属とアルカリ土類金属よりなる群から少なくとも1種の金属を含む融液であってもよい。これらの中でも特に前記(c)の融液を用いるのが好ましく、アルカリ金属とアルカリ土類金属を併用することにより融液中へ窒素が溶解し易くなり、III族金属の窒化物結晶の成長を促進させることができる。 Here, the melt containing two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals is (a) a melt containing two or more metals selected from the group consisting of alkali metals. Or (b) a melt containing two or more metals selected from the group consisting of alkaline earth metals, or (c) at least one metal and alkaline earth selected from the group consisting of alkali metals. It may be a melt containing at least one metal from the group consisting of similar metals. Among these, it is particularly preferable to use the melt of the above (c). By using an alkali metal and an alkaline earth metal in combination, nitrogen is easily dissolved in the melt, and the growth of a nitride crystal of a group III metal is promoted. Can be promoted.
アルカリ金属としては、LiまたはNaまたはKを用いることが好ましく、特にNaを用いることがより好ましい。従って、上記融液としては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれ、且つ、LiまたはNaまたはKを必須的に含む2種以上の金属を含むものが好ましい。より好ましくはアルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれ、且つ、少なくともNaを必須的に含む2種以上の金属を含む融液である。一方、アルカリ土類金属としては、Caを用いることが好ましい。よって、上記融液としては、NaとCaを含むものが最も好ましい。 As the alkali metal, Li, Na, or K is preferably used, and Na is particularly preferably used. Therefore, the melt is preferably selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals and containing two or more metals that essentially contain Li, Na, or K. More preferably, it is a melt containing two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals and containing at least Na. On the other hand, it is preferable to use Ca as the alkaline earth metal. Therefore, the melt containing Na and Ca is most preferable.
上記融液に占めるIII族金属から選ばれる金属の割合は、少なくとも合計で0.1mol%とすることが好ましく、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属の割合は、少なくとも合計で0.1mol%とすることが好ましい。例えば、III族金属からGaを選択し、アルカリ金属またはアルカリ土類金属からNaとCaを選択して混合した融液の場合は、Gaを0.1〜99.9mol%、NaとCaを合計で0.1〜99.9mol%とすればよい。このときNaとCaの比率は、mol比で、0.1:99.9〜99.9:0.1程度とする。 The proportion of metals selected from Group III metals in the melt is preferably at least 0.1 mol% in total, and the proportion of two or more metals selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals is: The total amount is preferably at least 0.1 mol%. For example, in the case of a melt obtained by selecting Ga from Group III metal and selecting and mixing Na and Ca from alkali metal or alkaline earth metal, Ga is 0.1 to 99.9 mol%, and Na and Ca are 0.1 to What is necessary is just to set it as 99.9 mol%. At this time, the ratio of Na and Ca is about 0.1: 99.9 to 99.9: 0.1 in terms of mol ratio.
上記融液に浸漬する種結晶とは、III族金属の窒化物が結晶化したものであればよく、予め形成しておいたIII族金属の窒化物結晶自体を種結晶として用いてもよいし、例えば、サファイアやSiC、Si、ZrB2、AlNなどの基材上に、公知の方法で予めIII族金属の窒化物結晶を形成した積層体を種結晶として用いてもよい。 The seed crystal immersed in the melt may be any crystal obtained by crystallizing a Group III metal nitride, and a Group III metal nitride crystal formed in advance may be used as a seed crystal. For example, a laminate in which a group III metal nitride crystal is previously formed on a base material such as sapphire, SiC, Si, ZrB 2 , or AlN by a known method may be used as a seed crystal.
なお、前記積層体を種結晶として用いる場合は、前記基材表面に種(核)となるIII族金属の窒化物結晶が設けられたものであればよく、その厚みは特に限定されない。こうした基材はレーザ等を用いてやれば、III族金属の窒化物結晶から剥離・除去できる。 In addition, when using the said laminated body as a seed crystal, what is necessary is just to provide the nitride crystal of the group III metal used as a seed | species (nucleus) on the said base material surface, The thickness is not specifically limited. Such a substrate can be peeled off and removed from the group III metal nitride crystal by using a laser or the like.
種結晶と該種結晶表面に形成するIII族金属の窒化物結晶とを容易に剥離・除去するには、種結晶の表面にSiN膜やSiO2膜などを予め形成しておき、この膜を部分的にエッチングしたものを種結晶として用い、エッチング面にIII族金属の窒化物結晶を形成することが好ましい。 In order to easily peel and remove the seed crystal and the group III metal nitride crystal formed on the surface of the seed crystal, an SiN film or an SiO 2 film is formed in advance on the surface of the seed crystal, and this film is formed. It is preferable to use a partially etched seed crystal and form a group III metal nitride crystal on the etched surface.
上記のように、種結晶とIII族金属の窒化物結晶との間に、SiN膜やSiO2膜などを形成しておくことにより、III族金属の窒化物結晶が成長した後、SiN膜やSiO2膜などをリン酸などで溶解させれば、III族金属の窒化物結晶を容易に回収できるからである。 As described above, by forming a SiN film or SiO 2 film between the seed crystal and the group III metal nitride crystal, the group III metal nitride crystal grows, This is because the nitride crystal of the group III metal can be easily recovered by dissolving the SiO 2 film with phosphoric acid or the like.
種結晶の表面に、SiN膜やSiO2膜などを形成する方法としては、例えば、CVD法などの方法が採用できる。 As a method for forming a SiN film, a SiO 2 film or the like on the surface of the seed crystal, for example, a method such as a CVD method can be employed.
種結晶として用いるIII族金属の窒化物結晶には、予めドナーまたはアクセプターとなる不純物をドープしておくことが好ましい。即ち、種結晶として用いるIII族金属の窒化物結晶に、不純物としてSiやMgを予めドープしておき、n型やp型としておくことが好ましい。不純物がドープされたIII族金属の窒化物結晶を種結晶として用い、後述する方法によりIII族金属の窒化物結晶を成長させると、新たに形成されるIII族金属の窒化物結晶層へ種結晶中のSiやMg等の不純物が拡散し、n型やp型の窒化物結晶を得ることができるからである。不純物がドープされていないIII族金属の窒化物結晶は抵抗率が高くなり、半導体発光素子の高出力化を達成できない。 It is preferable that the group III metal nitride crystal used as the seed crystal is doped in advance with an impurity serving as a donor or an acceptor. That is, it is preferable that a group III metal nitride crystal used as a seed crystal is doped in advance with Si or Mg as an impurity to be n-type or p-type. When a group III metal nitride crystal doped with impurities is used as a seed crystal and a group III metal nitride crystal is grown by the method described later, the seed crystal is formed into a newly formed group III metal nitride crystal layer. This is because impurities such as Si and Mg diffuse therein, and n-type and p-type nitride crystals can be obtained. Group III metal nitride crystals that are not doped with impurities have high resistivity and cannot achieve high output of the semiconductor light emitting device.
種結晶として用いるIII族金属の窒化物結晶に不純物としてSiやMgを予めドープさせるには、例えば、サファイアなどの基材表面に種結晶とするIII族金属の窒化物結晶を形成する際に用いる気相成長法[例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)など]などにおいて、公知のドーピング法を採用すればよい。 In order to dope a group III metal nitride crystal used as a seed crystal with impurities such as Si or Mg in advance, for example, when forming a group III metal nitride crystal as a seed crystal on a substrate surface such as sapphire A known doping method may be employed in a vapor deposition method [for example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) or the like].
なお、種結晶の形状は特に限定されず、一般的には、板状のものを用いればよい。 Note that the shape of the seed crystal is not particularly limited, and generally a plate-like shape may be used.
本発明の製法では、前記融液と窒素を接触させることにより前記種結晶表面にIII族金属の窒化物結晶を形成する。即ち、反応容器内の融液と窒素を接触させることにより、融液内へ窒素が溶解し、この窒素は融液中のIII族金属と結合してIII族金属の窒化物結晶を形成する。生成した窒化物結晶の一部は融液内に浮遊するが、融液内には種結晶としてIII族金属の窒化物結晶が浸漬されているので、生成した窒化物結晶の大半は、種結晶表面から順次成長していく。 In the production method of the present invention, a group III metal nitride crystal is formed on the surface of the seed crystal by bringing the melt into contact with nitrogen. That is, by bringing the melt in the reaction vessel into contact with nitrogen, nitrogen is dissolved into the melt, and this nitrogen combines with the group III metal in the melt to form a group III metal nitride crystal. A part of the generated nitride crystal floats in the melt, but since the group III metal nitride crystal is immersed in the melt as a seed crystal, most of the generated nitride crystal is a seed crystal. Grows sequentially from the surface.
このとき本発明の製法では、融液中のN濃度を高くすることが重要である。即ち、融液内に溶解した窒素は、III族金属と結合して窒化物を生成する他、一部はフリーのNイオンとしても存在する。従って融液中のN濃度をできるだけ高くすることによりIII族金属と結合するN量が増加し、窒化物が生成し易くなり、ひいてはIII族金属の窒化物結晶の生成速度が大きくなるのである。 At this time, in the production method of the present invention, it is important to increase the N concentration in the melt. That is, the nitrogen dissolved in the melt is combined with a group III metal to form a nitride, and a part of the nitrogen also exists as a free N ion. Therefore, by increasing the N concentration in the melt as much as possible, the amount of N bonded to the Group III metal increases, nitrides are easily formed, and the generation rate of Group III metal nitride crystals increases accordingly.
ここでN濃度とは、N原子に換算したときの濃度であり、窒化物を構成しているNや、フリーのNイオンなどをN原子換算して算出する。 Here, the N concentration is a concentration when converted to N atoms, and is calculated by converting N constituting the nitride, free N ions, and the like into N atoms.
融液中のN濃度の大小は、III族金属の窒化物結晶の成長度合いを用いて評価する。即ち、本発明の製法では、詳細は後述するが、N濃度を高めるための具体的な手段として、窒素ラジカルを融液と接触させたり、種結晶近傍の融液を加熱したり、窒素を融液中へ吹き込む等の方法を採用する。このとき、窒素ラジカルの有無、加熱の有無、吹き込みの有無等の条件のみを変え、その他の温度や圧力、時間等の条件を全て等しくしてやれば、種結晶表面に形成されるIII族金属の窒化物結晶の厚みを測定することにより、窒素ラジカルの有無、加熱の有無、吹き込みの有無等の条件が、結晶成長に与える影響を評価できる。つまり、生成する窒化物結晶の厚みは、融液中に存在するIII族金属とNイオンが結合して結晶化したことを示しているので、厚みが厚いほど融液中のNイオン濃度が高いことを示していると本発明者等は考えている。 The magnitude of the N concentration in the melt is evaluated using the degree of growth of the nitride crystal of the group III metal. That is, in the production method of the present invention, details will be described later, but as specific means for increasing the N concentration, nitrogen radicals are brought into contact with the melt, the melt near the seed crystal is heated, or nitrogen is melted. A method such as blowing into the liquid is adopted. At this time, if only the conditions such as presence / absence of nitrogen radicals, presence / absence of heating, presence / absence of blowing are changed and other conditions such as temperature, pressure and time are all made equal, nitriding of the group III metal formed on the surface of the seed crystal By measuring the thickness of the product crystal, it is possible to evaluate the influence of conditions such as presence / absence of nitrogen radicals, presence / absence of heating, presence / absence of blowing on crystal growth. That is, the thickness of the generated nitride crystal indicates that the group III metal and N ions existing in the melt are combined and crystallized, so that the thicker the thickness, the higher the N ion concentration in the melt. The present inventors think that this is shown.
次に、本発明の製法を実施するための具体的な形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, specific modes for carrying out the production method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、III族金属の窒化物結晶を製造する際に用いる装置の概略説明図であって、融液中のN濃度を高めるために、N2ガスにレーザを照射する手段が設けられている。即ち、窒素ボンベ1と坩堝6は配管2で接続されており、この配管2の途中にはチャンバー4が設けられている。チャンバー4にはレーザ発生装置3が設けられており、窒素ボンベ1からチャンバー4へ配管2を通して供給された窒素ガスは、レーザ発生装置3から照射されるレーザ3aによって励起されて少なくとも一部が窒素ラジカルとなり、発生した窒素ラジカル(および窒素ガス)は配管2aを通して坩堝6内へ供給される。坩堝6内には、III族金属から選ばれる少なくとも1種の金属と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上の金属とを混合した融液8が貯留されており、上記窒素ラジカル(および窒素ガス)はこの融液8と接触すると、融液8内へ溶解してNイオンまたはIII族金属の窒化物となる。また、融液8内には種結晶7が浸漬されており、この種結晶7を核としてIII族金属の窒化物結晶が成長する。
FIG. 2 is a schematic explanatory view of an apparatus used for producing a group III metal nitride crystal, and a means for irradiating a laser to N 2 gas is provided in order to increase the N concentration in the melt. Yes. That is, the
上記のように、窒素ガスをレーザを用いて励起して窒素ラジカルとし、この窒素ラジカルを融液8と接触させれば、融液8中のN濃度を高くすることができる。即ち、窒素ガスよりも窒素ラジカルの方が反応性が高く、融液8への窒素の溶解度が高いため、窒素ラジカルと融液8を接触させる方が融液8中のN濃度を高くすることができる。
As described above, the nitrogen concentration in the
この様に、融液8中のN濃度を高くすることで、種結晶7を核とする結晶成長速度が大きくなり、より短時間でIII族金属の窒化物結晶を製造できる。
In this way, by increasing the N concentration in the
なお、坩堝6はマッフル炉5内に配置されており、炉内の温度は600〜850℃程度に加熱されている。また坩堝6内の圧力は、0.1〜15MPa程度とするのがよい。
In addition, the
図3は、前記図2に示した装置の他の構成例を説明するための概略説明図であって、融液中のN濃度を高めるために、N2ガスに高周波電界を印加する手段が設けられている。即ち、チャンバー4にレーザ発生装置3を設ける代わりに、高周波電界発生装置10を設けた以外は前記図1と同じである。
FIG. 3 is a schematic explanatory view for explaining another configuration example of the apparatus shown in FIG. 2, and means for applying a high-frequency electric field to N 2 gas in order to increase the N concentration in the melt. Is provided. That is, it is the same as FIG. 1 except that the high frequency
窒素ボンベ1からチャンバー4へ配管2を通して供給された窒素ガスは、チャンバー4内で高周波電界発生装置10によりプラズマ状態とされることによって少なくとも一部が窒素ラジカルとなり、発生した窒素ラジカル(および窒素ガス)は配管2aを通して坩堝6内へ供給される。
The nitrogen gas supplied from the
上記のように、窒素ガスに高周波電界を印加することによって窒素ラジカルを発生させ、この発生した窒素ラジカルを融液8と接触させれば、融液8中のN濃度をより高くすることができる。
As described above, when a high-frequency electric field is applied to nitrogen gas to generate nitrogen radicals and the generated nitrogen radicals are brought into contact with the
この様に、融液8中のN濃度を高くすることで、種結晶7を核とする結晶成長速度が大きくなり、短時間でIII族金属の窒化物結晶を製造できる。
In this way, by increasing the N concentration in the
図4は、III族金属窒化物結晶を製造する際に用いる他の装置の概略説明図であって、前記図2と同じ箇所には同一の符合を付すことで重複説明を避ける。 FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of another apparatus used when manufacturing a group III metal nitride crystal, and the same parts as those in FIG.
図4に示した装置では、融液中のN濃度を高めるために、種結晶近傍の融液を加熱する手段が設けられている。即ち、窒素ボンベ1と坩堝6は配管2で接続されており、窒素ボンベ1に充填されている窒素ガスは、配管2を通して坩堝6へ供給される。そしてこの坩堝6は、前記図2にも示した様に、マッフル炉5によって加熱されるが、図4に示す装置では、種結晶7近傍の融液8をさらに加熱するために、種結晶7が配置されている付近を囲む様に坩堝6の外周にヒーター11が設けられている。このヒーター11は交流電源12と接続され、種結晶7近傍の融液8を効率良く加熱する。
In the apparatus shown in FIG. 4, means for heating the melt near the seed crystal is provided in order to increase the N concentration in the melt. That is, the
上記のように、種結晶7近傍の融液8を積極的に加熱することにより、融液8に対する窒素の溶解度を高めることができ、融液8中のN濃度を高めることができる。即ち、融液8への窒素の溶解度は高温になるほど高くなるからである。
As described above, by actively heating the
この様に、融液8中のN濃度を高くすることで、種結晶7を核とする結晶成長速度が大きくなり、短時間で種結晶7の表面にIII族金属の窒化物結晶を製造できる。
In this way, by increasing the N concentration in the
図5は、III族金属の窒化物結晶を製造する際に用いる他の装置の概略説明図であり、融液中のN濃度を高めるために、窒素を融液中へ吹き込んでいる。即ち、窒素ボンベ1と坩堝6は配管2で接続されており、窒素ボンベ1に充填されている窒素ガスは、配管2を通して坩堝6へ供給される。このとき配管2の先端2bを融液8内へ浸漬し、窒素ガスを融液8中へ吹き込むことによりバブリングさせる。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of another apparatus used when producing a nitride crystal of a group III metal, and nitrogen is blown into the melt in order to increase the N concentration in the melt. That is, the
上記のように、窒素を融液8中へ吹き込むことにより、窒素ガスの気泡13と融液8との接触面積が増大し、融液8中へ溶解する窒素量が増加して融液8中のN濃度を高めることができる。
As described above, when nitrogen is blown into the
この様に、融液8中のN濃度を高くすることで、種結晶7を核とする結晶成長速度が大きくなり、短時間で種結晶7の表面にIII族金属の窒化物結晶を製造できる。
In this way, by increasing the N concentration in the
前記図5では、配管2の先端2bを融液8へ浸漬することにより窒素を融液8中へ吹き込む構成を示したが、このとき窒素の吹き込み位置(即ち、配管2の先端2b)は、種結晶7から離して配置することが好ましい。即ち、融液8中へ窒素を吹き込むと融液8中のN濃度は高くなり、III族金属の窒化物結晶の成長速度は大きくなるが、融液8中へ窒素を吹き込むことにより融液8中に対流が生じ、種結晶7の表面に生成したIII族金属の窒化物結晶表面が粗くなる場合があるからである。III族金属の窒化物結晶表面が粗くなると、半導体発光素子を構成したときに特性を劣化させる原因となる。つまり、前記図1に示した様に、半導体発光素子は基板表面に、n層や発光層、p層が形成されているが、n層からp層までの総厚みは数μm程度(具体的には、3〜5μm程度)である。そのためIII族金属の窒化物結晶の表面に凹凸が生じると、デバイスの特性に大きく影響を与えるのである。
FIG. 5 shows a configuration in which nitrogen is blown into the
そこで図6に示す様に、窒素の吹き込み位置(即ち、配管2の先端2b)を種結晶7から離して配置することが好ましい。
Therefore, as shown in FIG. 6, it is preferable to dispose the nitrogen blowing position (that is, the
種結晶7と吹き込み位置との距離を離すことにより、III族金属の窒化物結晶が成長する際に表面に凹凸は生じず、表面性状が良好に保たれる。しかも融液8へ窒素を吹き込んでいるので、融液8中のN濃度が高くなり、結晶の成長速度も大きくなる。
By separating the distance between the
種結晶7と窒素の吹き込み位置との距離は特に限定されず、融液8へ窒素を吹き込む際の流量によっても変動するので適宜設定すればよい。
The distance between the
図7は、III族金属窒化物結晶を製造する際に用いる他の装置の概略説明図であり、種結晶近傍の融液に電界を印加している。即ち、種結晶7は坩堝6内に充填されている融液8中に浸漬されており、坩堝6の下方に配置されている。また坩堝6の下方(即ち、種結晶近傍)には、坩堝6の外側に一対の電極15が設けられており、この電極15は直流電源16に接続されている。電源16からは、直流電圧が印加されている。
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of another apparatus used when manufacturing a group III metal nitride crystal, and an electric field is applied to the melt near the seed crystal. That is, the
上記のように、種結晶7近傍の融液8に印加することにより、融液8中の窒素を負電極から正電極方向へ強制的に移動させることができ、融液8内に対流を起こさせることができる。即ち、融液8に溶解した窒素の一部は、窒素イオン(N-)として存在しているため、融液8に印加することにより、窒素イオンの流れを制御できる。そのため、III族金属の窒化物結晶成長速度を大きくすることができる。
As described above, by applying to the
種結晶近傍の融液に電界を印加する際は、図7に示す様に、前記種結晶7を正極近傍に配置することが好ましい。直流電圧を印加することにより、窒素イオンが正極側に移動して正極近傍では窒素イオン濃度が高くなるため、結晶の成長速度がより大きくなるからである。
When an electric field is applied to the melt near the seed crystal, it is preferable to place the
図4〜7には、窒素ボンベ1に充填されている窒素ガスを、配管2を通して坩堝6へ供給する構成を示したが、前記図2や3に示す様に、配管2の途中にチャンバー4を設け、このチャンバー4にレーザ発生装置3や高周波電界発生装置10を設けることによって、窒素ボンベ1からチャンバー4へ配管2を通して供給される窒素ガスの少なくとも一部を窒素ラジカルとし、発生した窒素ラジカル(および窒素ガス)を坩堝6内へ供給して融液8と接触させてもよい。
4 to 7 show a configuration in which the nitrogen gas filled in the
また図2〜4,7には、窒素ボンベ1から配管2を通して供給される窒素ガスを坩堝6へ供給することにより、窒素と融液8を接触させる構成を示したが、前記図5や6に示す様に、配管2の先端2bを融液8へ浸漬することによって、窒素ガスを融液8中へ吹き込みバブリングさせてもよい。
2 to 4 and 7 show the configuration in which nitrogen and the
次に、上記製法で得られたIII族金属窒化物結晶を用いた半導体発光素子について前記図1を用いて説明する。 Next, a semiconductor light emitting device using a group III metal nitride crystal obtained by the above manufacturing method will be described with reference to FIG.
本発明の半導体発光素子は、上記製法で得られたIII族金属窒化物結晶を支持基板101の基材として用い、III族金属の窒化物系化合物半導体をn層102や発光層103、p層104の素材として用いる。即ち、従来では、支持基板101の素材としてサファイアやSiCなどを用い、この上にIII族金属の窒化物系化合物半導体を形成していたが、上述した様に、サファイアやSiCなどの上にIII族金属の窒化物系化合物半導体を形成すると、支持基板とIII族金属の窒化物結晶との格子不整合による結晶欠陥が生じることがあった。
The semiconductor light emitting device of the present invention uses a group III metal nitride crystal obtained by the above production method as a base material of the
そこで本発明の半導体発光素子では、支持基板101の素材として本発明に係るIII族金属窒化物結晶を用い、この上にIII族金属の窒化物系化合物半導体からなるn層102や発光層103、p層104を形成してやれば、上記問題は解決される。なお、支持基板の厚みは、通常、30〜500μm程度である。
Therefore, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the group III metal nitride crystal according to the present invention is used as the material of the
n層102は、n型III族金属窒化物系化合物半導体からなる層であり、n型GaN系化合物半導体からなる層を形成するのが好ましい。具体的には、AlaInbGa1-a-bN(0≦a,0≦b,a+b≦1)で表される化合物から構成される。例えば、aが0.5以下であるAlaGa1-aNや、bが0.5以下であるInbGa1-bNが好ましい。
The
なお前記図1では、n層102として単層を形成した場合を示したが、該n層として積層を形成してもよい。即ち、支持基板側から、n型コンタクト層、n型クラッド層の順に積層された積層構造としてもよい。n型コンタクト層としては、n層を構成する上記化合物の中でもGaNからなる層が一般的である。また、n型クラッド層としては、n層を構成する上記化合物のうち、Al0.3Ga0.7Nからなる層やAlNからなる層、GaNからなる層などが一般的である。
Although FIG. 1 shows the case where a single layer is formed as the
上記n層(n型コンタクト層やn型クラッド層も含む)にSiなどのn型不純物をドープしてやれば、キャリア濃度を高めることができるので望ましい。 If the n layer (including the n-type contact layer and the n-type cladding layer) is doped with an n-type impurity such as Si, the carrier concentration can be increased, which is desirable.
上記n層の厚みとしては、n層が単層構造の場合には、0.5〜10μm程度が一般的である。一方、n層がn型コンタクト層とn型クラッド層の積層構造の場合には、n型コンタクト層は0.2〜10μm程度が一般的であり、n型クラッド層は特に限定されないが、通常は、0.01〜3μm程度である。 When the n layer has a single layer structure, the thickness of the n layer is generally about 0.5 to 10 μm. On the other hand, when the n layer has a laminated structure of an n-type contact layer and an n-type cladding layer, the n-type contact layer is generally about 0.2 to 10 μm, and the n-type cladding layer is not particularly limited. It is about 0.01 to 3 μm.
発光層103は、III族金属窒化物系化合物半導体からなる層であり、GaN系化合物半導体からなる層を形成するのが好ましい。具体的には、AlcIndGa1-c-dN(0≦c,0≦d,c+d≦1)で表される化合物から構成される。この発光層において、例えば、上記化合物のInとAlの組成比を調整したり、該発光層にSiやGe、Sなどのn型不純物やMgやZnなどのp型不純物をドープしてやれば、発生する光の波長を青色から紫外の範囲で調整できる。
The
なお前記図1では、発光層103として単層を形成した場合を示したが、例えば、発光層103として複数層からなる積層構造とし、各層を構成する化合物の組成を変えた所謂多重量子井戸構造とすることも好ましい。発光層の厚みは全厚みで、0.001〜0.5μm程度とすることが一般的である。
Although FIG. 1 shows the case where a single layer is formed as the
p層104は、III族金属窒化物系化合物半導体からなる層であり、p型GaN系化合物半導体からなる層を形成するのが好ましい。前記図1ではp層104として単層を形成した場合を示したけれども、発光層側から、p型クラッド層、p型コンタクト層の順に積層された積層構造とすることが一般的である。
The
p型クラッド層としては、例えば、AleGa1-eN(0<e≦1)で表される化合物により構成され、さらにp型不純物がドープされている。eの値は0.05以上であることが好ましい。p型コンタクト層としては、例えば、p型不純物がドープされたp型GaNにより構成される。これらp型クラッド層およびp型コンタクト層にドープされるp型不純物は、MgやZnなどが挙げられる。p型クラッド層の厚みは、通常、0.001〜1.5μm程度であり、p型コンタクト層の厚みは0.01〜2μm程度が一般的である。 The p-type cladding layer is made of, for example, a compound represented by Al e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1), and is further doped with a p-type impurity. The value of e is preferably 0.05 or more. The p-type contact layer is made of, for example, p-type GaN doped with p-type impurities. Examples of the p-type impurity doped in the p-type cladding layer and the p-type contact layer include Mg and Zn. The thickness of the p-type cladding layer is generally about 0.001 to 1.5 μm, and the thickness of the p-type contact layer is generally about 0.01 to 2 μm.
p型電極105を構成する素材としては、p層とオーミック接触できるものが要求され、例えば、NiやRh、Pd、Pt、これらの合金などが挙げられる。p型電極の厚みは、通常、0.05〜5μm程度である。
The material constituting the p-
n型電極106を構成する素材としては、n層とオーミック接触できるものが要求され、例えば、AlやTi、V、これらの合金などが挙げられる。n型電極の厚みは、通常、0.05〜5μm程度である。
The material constituting the n-
n層102、発光層103およびp層104を形成するに当たっては、公知の気相成長法(MOCVD法)などの公知の製膜法を採用することができる。n層への上記n型不純物のドーピング、およびp層への上記p型不純物のドーピングは、これらの層の形成と同時に実施する。
In forming the
1 窒素ボンベ
2 配管
2a 配管
2b 配管の先端
3 レーザ発生装置
3a レーザ
4 チャンバー
5 マッフル炉
6 坩堝
7 種結晶
8 融液
10 高周波電界発生装置
11 ヒーター
12 交流電源
13 気泡
15 電極
16 直流電源
101 支持基板
102 n層
103 発光層
104 p層
105 p型電極
106 n型電極
107 露出面
DESCRIPTION OF
Claims (10)
III族金属から選ばれる少なくとも1種と、
アルカリ金属またはアルカリ土類金属よりなる群から選ばれる2種以上と
を混合した融液に、種結晶を浸漬し、前記融液と窒素を接触させることにより前記種結晶表面にIII族金属の窒化物結晶を製造する方法であって、
前記融液中のN濃度を高くして行うことを特徴とするIII族金属窒化物結晶の製法。 In the reaction vessel,
At least one selected from Group III metals;
A seed crystal is immersed in a melt obtained by mixing two or more selected from the group consisting of alkali metals or alkaline earth metals, and the group III metal is nitrided on the seed crystal surface by contacting the melt with nitrogen. A method for producing a physical crystal comprising:
A method for producing a Group III metal nitride crystal, wherein the N concentration in the melt is increased.
A group III metal nitride crystal obtained by the manufacturing method according to claim 1 is used as a base material of a semiconductor light emitting device.
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