JP2008153285A - Nitride semiconductor apparatus and nitride semiconductor manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物半導体発光素子(発光ダイオード、レーザダイオード等)や、パワーデバイス高周波デバイス等の窒化物半導体電子デバイス(トランジスタ、ダイオード等)などの窒化物半導体装置、およびこのような窒化物半導体装置の作製に適用することができる窒化物半導体の製造方法に関する。 The present invention relates to nitride semiconductor devices such as nitride semiconductor light emitting elements (light emitting diodes, laser diodes, etc.), nitride semiconductor electronic devices (transistors, diodes, etc.) such as power device high frequency devices, and such nitride semiconductor The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor that can be applied to manufacture of a device.
III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができ、これを、「窒化ガリウム半導体」または「GaN半導体」ということにする。 A semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor is called a “group III nitride semiconductor”, and typical examples thereof are aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). is there. In general, it can be expressed as Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), which is expressed as “gallium nitride semiconductor” or “GaN semiconductor”. I will say.
c面を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、N型層およびP型層を有するGaN半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。 A nitride semiconductor manufacturing method is known in which a group III nitride semiconductor is grown on a gallium nitride (GaN) substrate having a c-plane as a main surface by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). By applying this method, a GaN semiconductor multilayer structure having an N-type layer and a P-type layer can be formed, and a light-emitting device using this multilayer structure can be manufactured. Such a light emitting device can be used as a light source of a backlight for a liquid crystal panel, for example.
c面を主面とするGaN基板上に再成長されたGaN半導体の主面はc面である。このc面から取り出される光は、ランダム偏光(無偏光)状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い(効率は最大でも50%)という問題がある。 The main surface of the GaN semiconductor regrowth on the GaN substrate having the c-plane as the main surface is the c-plane. The light extracted from the c-plane is in a randomly polarized (non-polarized) state. Therefore, when incident on the liquid crystal panel, other than the specific polarized light corresponding to the incident side polarizing plate is shielded and does not contribute to the luminance toward the emission side. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a display with high luminance (efficiency is 50% at the maximum).
この問題を解決するために、c面以外、すなわち、a面、m面等の無極性(ノンポーラ)面、または半極性(セミポーラ)面を主面とするGaN半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。無極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層によってP型層およびN型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、高輝度な表示を実現できる。 In order to solve this problem, a GaN semiconductor having a main surface other than the c-plane, that is, a non-polar (non-polar) surface such as a-plane or m-plane, or a semi-polar (semi-polar) surface is grown. Fabrication is under consideration. When a light-emitting device having a P-type layer and an N-type layer is manufactured using a GaN semiconductor layer having a nonpolar surface or a semipolar surface as a main surface, light having a strong polarization state can be emitted. Therefore, the loss in the incident side polarizing plate can be reduced by matching the polarization direction of such a light emitting device with the direction of the passing polarized light of the incident side polarizing plate of the liquid crystal panel. As a result, a display with high luminance can be realized.
ところが、無極性面または半極性面上に、転位(結晶欠陥)が少なく、かつ、表面状態のよいGaN半導体の再成長層を形成するための条件は極めて厳しい。
より具体的には、c面を主面とするGaN基板上にGaN半導体を再成長させる場合には、ガリウム原料に対する窒素原料の割合(モル比)であるV/III比が3000程度の条件でのMOCVD法が適用される。同様の条件でm面を成長主面とするGaN半導体を成長させると、横方向または斜め方向に(000−1)面などのN極性面が形成され、成長速度が遅いために、島状成長となる。そのため、平坦な膜を得ることができない。
However, the conditions for forming a GaN semiconductor regrowth layer with few dislocations (crystal defects) and a good surface state on a nonpolar or semipolar surface are extremely severe.
More specifically, when a GaN semiconductor is regrown on a GaN substrate having a c-plane as a main surface, the V / III ratio, which is the ratio (molar ratio) of the nitrogen source to the gallium source, is about 3000. The MOCVD method is applied. When a GaN semiconductor with the m-plane as the growth principal surface is grown under the same conditions, an N-polar plane such as a (000-1) plane is formed in the lateral direction or oblique direction, and the growth rate is slow. It becomes. Therefore, a flat film cannot be obtained.
一方、m面を主面とするGaN基板上にMOCVD法によってGaN半導体層を成長させる際に、V/III比を1000未満とすることにより、転位および積層欠陥の発生を抑制することが提案されている。しかし、V/III比が低いと、N空乏が多く発生し、ミクロな結晶性が悪くなり、言い換えると、非発光再結合が増えることで発光効率が下がるという問題があった。 On the other hand, when a GaN semiconductor layer is grown by MOCVD on a GaN substrate having an m-plane as a main surface, it has been proposed to suppress the occurrence of dislocations and stacking faults by setting the V / III ratio to less than 1000. ing. However, when the V / III ratio is low, many N depletions occur and the microcrystalline property deteriorates. In other words, there is a problem in that the luminous efficiency decreases due to an increase in non-radiative recombination.
このように、結晶欠陥が多く、また表面状態の悪いGaN半導体層を用いて発光デバイスを作製しても、外部量子効率が低く、満足な発光特性を得ることができない。
この発明の目的は、c面以外の成長主面を持ち、平坦でかつ結晶欠陥が少ない窒化ガリウム半導体層を有する窒化物半導体装置およびそのような窒化ガリウム半導体層を形成するための窒化物半導体製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having a gallium nitride semiconductor layer having a growth principal surface other than the c-plane and being flat and having few crystal defects, and manufacturing a nitride semiconductor for forming such a gallium nitride semiconductor layer Is to provide a method.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、III族元素原料(より具体的にはたとえば、ガリウム原料)に対する窒素原料の割合(モル比)であるV/III比が所定の第1V/III比であり、c面以外の成長主面を持つ第1III族窒化物半導体層と、前記第1III族窒化物半導体層上に設けられ、前記第1V/III比よりも高い第2V/III比を持ち、前記第1III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第2III族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置である。
In order to achieve the above object, the invention according to
この構成によれば、第1III族窒化物半導体層はV/III比の低い条件で成長した層である。このようなIII族窒化物半導体層は、形成時におけるN極性面の成長速度が速いので、平坦な膜となる。一方、第2III族窒化物半導体層は、V/III比の高い条件で成長した層である。このようなIII族窒化物半導体層は、欠陥密度が低く、結晶性が良好である。
このようにして、この発明の構成によれば、平坦性および結晶性がいずれも良好なIII族窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置を実現できる。たとえば、このような窒化物半導体装置を発光デバイスに適用すれば、非発光再結合を抑制して、発光効率を向上することができる。
According to this configuration, the first group III nitride semiconductor layer is a layer grown under conditions with a low V / III ratio. Such a group III nitride semiconductor layer is a flat film because the growth rate of the N-polar plane is high at the time of formation. On the other hand, the Group III nitride semiconductor layer is a layer grown under conditions with a high V / III ratio. Such a group III nitride semiconductor layer has a low defect density and good crystallinity.
Thus, according to the configuration of the present invention, it is possible to realize a nitride semiconductor device having a group III nitride semiconductor layer with good flatness and crystallinity. For example, when such a nitride semiconductor device is applied to a light-emitting device, non-radiative recombination can be suppressed and light emission efficiency can be improved.
請求項2に記載されているように、前記窒化物半導体装置は、基板と、この基板上に形成されたAlN層(たとえば、10nm以下)とをさらに含み、前記AlN層上に前記第1III族窒化物半導体層が形成されているものであってもよい。
また、請求項3に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層が、成長主面をm面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がm面を主面とした炭化シリコン基板であってもよい。
According to a second aspect of the present invention, the nitride semiconductor device further includes a substrate and an AlN layer (for example, 10 nm or less) formed on the substrate, and the first group III is formed on the AlN layer. A nitride semiconductor layer may be formed.
According to a third aspect of the present invention, the first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having a growth main surface as an m-plane, and the substrate has an m-plane as a main surface. It may be a silicon carbide substrate.
さらに、請求項4に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層が、成長主面をm面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がm面を主面とした窒化ガリウム基板であってもよい。
請求項5に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性(ノンポーラ)面または半極性(セミポーラ)面であってもよい。
Furthermore, as described in claim 4, the first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having a growth main surface as an m-plane, and the substrate has an m-plane as a main surface. It may be a gallium nitride substrate.
The main growth surface of the first and second group III nitride semiconductor layers may be a nonpolar (nonpolar) surface or a semipolar (semipolar) surface.
また、請求項6に記載されているように、前記第1V/III比は、100〜1000の範囲内の値であることが好ましい。
さらに、請求項7に記載されているように、前記第2V/III比は、1000〜10000の範囲内の値であることが好ましい。
また、請求項8に記載されているように、前記第1III族窒化物半導体層の層厚が2μm以上であることが好ましい。
Moreover, as described in claim 6, the first V / III ratio is preferably a value within a range of 100 to 1000.
Furthermore, as described in
In addition, as described in
さらに、請求項9に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層が、シリコンをドープしたIII族窒化物半導体層であってもよい。
また、請求項10に記載されているように、前記第2III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御した複数のIII族窒化物半導体層が形成されていてもよい。これにより、ダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスを構成することができる。
Furthermore, as described in claim 9, the first and second group III nitride semiconductor layers may be group III nitride semiconductor layers doped with silicon.
Further, as described in
請求項11記載の発明は、c面以外の成長主面を持つIII族窒化物半導体を成長(より具体的には、有機金属化学気相成長法によって成長)させる方法であって、III族元素原料に対する窒素原料の割合であるV/III比を所定の第1V/III比とした成長条件で、c面以外の成長主面を持つ第1III族窒化物半導体層を成長させる工程と、前記第1V/III比よりも高い第2V/III比の成長条件で前記第1III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第2III族窒化物半導体層を前記第1III族窒化物半導体層上に成長させる工程とを含む、窒化物半導体製造方法である。
The invention according to
この方法によれば、第1III族窒化物半導体層は、V/III比の低い条件で成長されるので、N極性面の成長速度が速く、平坦な膜となる。したがって、この第1III族窒化物半導体層上に形成される第2III族窒化物半導体層も平坦な膜となる。そして、第2III族窒化物半導体層は、V/III比の高い条件で成長されるので、欠陥密度が低く、良好な結晶性を有することになる。こうして、第1および第2III族窒化物半導体層は、全体として平坦性および結晶性がいずれも良好な半導体層を形成することになる。 According to this method, the first group III nitride semiconductor layer is grown under conditions with a low V / III ratio, so that the growth rate of the N-polar plane is high and a flat film is obtained. Therefore, the second group III nitride semiconductor layer formed on the first group III nitride semiconductor layer is also a flat film. And since the 2nd group III nitride semiconductor layer is grown on conditions with a high V / III ratio, it has a low defect density and has favorable crystallinity. Thus, the first and second group III nitride semiconductor layers form a semiconductor layer having good flatness and crystallinity as a whole.
請求項12に記載されているように、前記方法は、基板上にAlN層(たとえば、10nm以下)を成長させる工程をさらに含み、前記AlN層上に前記第1III族窒化物半導体層を成長させるようにしてもよい。
また、請求項13に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層が、成長主面をm面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がm面を主面とした炭化シリコン基板であってもよい。
13. The method of
In addition, as described in
さらに、請求項14に記載されているように、前記第1および第2III族窒化物半導体層が、成長主面をm面とした窒化ガリウム半導体層であり、前記基板がm面を主面とした窒化ガリウム基板であってもよい。
さらにまた、前記第1および第2III族窒化物半導体層の成長主面が、無極性面または半極性面であってもよい。
Furthermore, as described in
Furthermore, the growth main surface of the first and second group III nitride semiconductor layers may be a nonpolar surface or a semipolar surface.
請求項16に記載されているように、前記第1V/III比は、100〜1000の範囲内の値であることが好ましい。
また、請求項17に記載されているように、前記第2V/III比は、1000〜10000の範囲内の値であることが好ましい。
さらに、請求項18に記載されているように、前記第1III族窒化物半導体層が、層厚2μm以上に成長させられることが好ましい。
Preferably, the first V / III ratio is a value within a range of 100 to 1000.
Moreover, as described in claim 17, the second V / III ratio is preferably a value within a range of 1000 to 10,000.
Furthermore, it is preferable that the first group III nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 2 μm or more.
また、前記第1および第2III族窒化物半導体層を成長させる工程が、シリコンをドープしながらIII族窒化物半導体を成長させる工程であってもよい。
さらに、前記方法は、前記第2III族窒化物半導体層上に、不純物をドープして導電型を制御しながら複数のIII族窒化物半導体層を成長させる工程をさらに含んでいてもよい。
The step of growing the first and second group III nitride semiconductor layers may be a step of growing a group III nitride semiconductor while doping silicon.
Furthermore, the method may further include a step of growing a plurality of group III nitride semiconductor layers on the second group III nitride semiconductor layer while doping impurities to control the conductivity type.
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、GaN(窒化ガリウム)基板1上にIII族窒化物半導体層としてのGaN半導体層2を再成長させて構成されている。GaN基板1とGaN半導体層2との間には、AlN層などのバッファ層がない方がよいが、平坦性を向上するために、必要に応じて、10nm以下の膜厚のAlN層8が介装されてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining the structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention. This light emitting diode is configured by regrowing a
GaN半導体層2は、GaN基板1側から順に、N型コンタクト層21、発光層としての量子井戸(QW:Quantum Well)層22、GaNファイナルバリア層25、P型電子阻止層23、およびP型コンタクト層24を積層した積層構造を有している。P型コンタクト層24層の表面には、透明電極としてのアノード電極3が形成されており、さらに、このアノード電極3の一部には、配線接続のための接続部4が接合されている。また、N型コンタクト層21には、カソード電極5が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
The
GaN基板1は、支持基板(配線基板)10に接合されている。支持基板10の表面には、配線11,12が形成されている。そして、接続部4と配線11とがボンディングワイヤ13で接続されており、カソード電極5と配線12とがボンディングワイヤ14で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ13,14とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。
The
N型コンタクト層21は、シリコンをN型ドーパントとして添加したN型GaN層からなる。層厚は3μm以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、1018cm-3とされる。
より具体的には、N型コンタクト層21は、GaN基板1上(またはAlN層8上)に成長させられた第1N型GaN層211と、この第1N型GaN層211上に成長させられた第2N型GaN層212とを有している。第1N型GaN層211は、ガリウム原料(トリメチルガリウム)のモル分率に対する窒素原料(アンモニア)のモル分率の比であるV/III比が比較的低い条件で成長させた層である。また、第2N型GaN層212は、V/III比が比較的高い条件で成長させた層である。より具体的には、第1N型GaN層211は、V/III比を100〜1000(より好ましくは、200〜400。たとえば、300)の範囲内として成長させたものであり、たとえば、膜厚は2μm以上とすることが好ましい。一方、第2N型GaN層212は、V/III比を1000〜10000(より好ましくは、2000〜4000。たとえば、3000)の範囲内として成長させたものであり、たとえば、膜厚は1μm以上とすることが好ましい。
The N-type contact layer 21 is composed of an N-type GaN layer to which silicon is added as an N-type dopant. The layer thickness is preferably 3 μm or more. The doping concentration of silicon is, for example, 10 18 cm −3 .
More specifically, the N-type contact layer 21 is grown on the first N-
量子井戸層22は、シリコンをドープしたInGaN層(たとえば3nm厚)とGaN層(たとえば9nm厚)とを交互に所定周期(たとえば5周期)積層したものである。この量子井戸層22と、P型電子阻止層23との間に、GaNファイナルバリア層25(たとえば40nm厚)が積層される。
P型電子阻止層23は、P型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したAlGaN層からなる。層厚は、たとえば、28nmである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、3×1019cm-3とされる。
The
The P-type
P型コンタクト層24は、P型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は、たとえば、70nmである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、1020cm-3とされる。
アノード電極3は、NiとAuとから構成される透明な薄い金属層(たとえば、200Å以下)で構成される。
The P-
The anode electrode 3 is composed of a transparent thin metal layer (for example, 200 mm or less) composed of Ni and Au.
カソード電極は、TiとAl層とから構成される膜である。
GaN基板1は、c面以外の主面を有するGaNからなる基板である。より具体的には、無極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、GaN基板1の主面は、無極性面の面方位から±1°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の面方位から±1°以内のオフ角を有する面である。GaN基板1は、単結晶基板であることが好ましい。
The cathode electrode is a film composed of Ti and an Al layer.
The
図2は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面(0001)である。III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれm面(10-10)であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面(11-20)である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、無極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面などの面である。 FIG. 2 is an illustrative view showing a unit cell having a crystal structure of a group III nitride semiconductor. The crystal structure of the group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system, and the surface (the top surface of the hexagonal column) whose normal is the c axis along the axial direction of the hexagonal column is the c plane (0001). . In the group III nitride semiconductor, the polarization direction is along the c-axis. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side. On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes (10-10), respectively, and the plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is the a-plane (11-20). Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, since the crystal plane inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) intersects the polarization direction obliquely, it has a slightly polar plane, that is, a semipolar plane (Semipolar plane). Plane). Specific examples of the semipolar plane include planes such as the (10-1-1) plane, the (10-1-3) plane, and the (11-22) plane.
非特許文献1に、c面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献1から、(11-24)面、(10-12)面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、(0001)方向および(11−20)方向の両方に関する方位誤差が、±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないGaN単結晶基板が得られる。このようなGaN単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
For example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface can be produced by cutting out from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and an orientation error with respect to both the (0001) direction and the (11-20) direction is within ± 1 ° (preferably ± 0.3). (Within °). In this way, a GaN single crystal substrate having the m-plane as the main surface and free from crystal defects such as dislocations and stacking faults can be obtained. There is only an atomic level step on the surface of such a GaN single crystal substrate.
このようにして得られるGaN単結晶基板上に、MOCVD法によって、発光ダイオード(LED)構造が成長させられる。
図3は、GaN半導体層2を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室30内に、ヒータ31を内蔵したサセプタ32が配置されている。サセプタ32は、回転軸33に結合されており、この回転軸33は、処理室30外に配置された回転駆動機構34によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ32に処理対象のウエハ35を保持させることにより、処理室30内でウエハ35を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ35は、前述のGaN基板1を構成する、たとえば、GaN単結晶ウエハである。
On the GaN single crystal substrate thus obtained, a light emitting diode (LED) structure is grown by MOCVD.
FIG. 3 is an illustrative view for explaining a configuration of a processing apparatus for growing each layer constituting the
処理室30には、排気配管36が接続されている。排気配管36はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室30内の圧力は、1/10気圧〜常圧とされ、処理室30内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室30には、サセプタ32に保持されたウエハ35の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路40が導入されている。この原料ガス供給路40には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給するアンモニア原料配管41と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム(TMG)を供給するガリウム原料配管42と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給するアルミニウム原料配管43と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム(TMIn)を供給するインジウム原料配管44と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を供給するマグネシウム原料配管45と、シリコンの原料ガスとしてのシラン(SiH4)を供給するシリコン原料配管46とが接続されている。これらの原料配管41〜46には、それぞれバルブ51〜56が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
An exhaust pipe 36 is connected to the
On the other hand, a raw material
たとえば、m面を主面とするGaN単結晶ウエハをウエハ35としてサセプタ32に保持させる。この状態で、バルブ52〜56は閉じておき、アンモニア原料バルブ51を開いて、処理室30内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス(窒素原料ガス)が供給される。さらに、ヒータ31への通電が行われ、ウエハ温度が1000℃〜1100℃(たとえば、1050℃)まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくGaN半導体を成長させることができるようになる。
For example, a GaN single crystal wafer having an m-plane as a main surface is held on the
ウエハ温度が1000℃〜1100℃に達するまで待機した後、ガリウム原料バルブ52およびシリコン原料バルブ56が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ35の表面に、シリコンがドープされたGaN層からなるN型コンタクト層21が成長する。
After waiting until the wafer temperature reaches 1000 ° C. to 1100 ° C., the
このN型コンタクト層21の成長過程において、始めの期間には、V/III比が100〜1000の範囲内の値(たとえば、300)となるように、窒素原料ガスとガリウム原料ガスとの各流量が設定される。これにより、第1N型GaN層211が形成される。その後の期間には、V/III比が1000〜10000の範囲内の値(たとえば、3000)となるように、窒素原料ガスとガリウム原料ガスとの各流量が設定される。すなわち、N型コンタクト層21の成長過程において、途中で、窒素原料ガスおよび/またはガリウム原料ガスの流量が変更される。これにより、第1N型GaN層211上に、連続的に第2N型GaN層212が形成される。
In the growth process of the N-type contact layer 21, each of the nitrogen source gas and the gallium source gas is set so that the V / III ratio becomes a value within the range of 100 to 1000 (for example, 300) in the first period. The flow rate is set. Thereby, the first N-
ウエハ35上にAlN層8を形成する場合には、N型コンタクト層21を形成する前に、アンモニア原料バルブ51およびアルミニウム原料ガスバルブ52が開かれる。これにより、ウエハ35の表面に、AlN層8を形成することができる。
N型コンタクト層21を形成した後には、次に、シリコン原料バルブ56が閉じられ、量子井戸層22の成長が行われる。量子井戸層22の成長は、アンモニア原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびインジウム原料バルブ54を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ35へと供給することによりInGaN層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ54を閉じ、アンモニア原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ35へと供給することにより、無添加のGaN層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、GaN層を始めに形成し、その上にInGaN層を形成する。これを5回に渡って繰り返し行った後、最後に、InGaN層上にGaNファイナルバリア層25が形成される。量子井戸層22およびGaNファイナルバリア層25の形成時には、ウエハ35の温度は、たとえば、700℃〜800℃(たとえば730℃)とされることが好ましい。
When the
After the N-type contact layer 21 is formed, next, the
次いで、P型電子阻止層23が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52、アルミニウム原料バルブ53およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ54,56が閉じられる。これにより、ウエハ35に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたAlGaN層からなるP型電子阻止層23が形成されることになる。このP型電子阻止層23の形成時には、ウエハ35の温度は、1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, a P-type
次に、P型コンタクト層24が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ51、ガリウム原料バルブ52およびマグネシウム原料バルブ55が開かれ、他のバルブ53,54,56が閉じられる。これにより、ウエハ35に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたGaN層からなるP型コンタクト層24が形成されることになる。P型コンタクト層24の形成時には、ウエハ35の温度は、1000℃〜1100℃(たとえば1000℃)とされることが好ましい。
Next, a P-
こうして、ウエハ35上にGaN半導体層2が成長させられると、このウエハ35は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図1に示すように、N型コンタクト層21を露出させるための凹部7が形成される。凹部7は、量子井戸層22、P型電子阻止層23およびP型コンタクト層24を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、量子井戸層22、P型電子阻止層23およびP型コンタクト層24をメサ形に整形するものであってもよい。
Thus, when the
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極3、接続部4、カソード電極5が形成される。これにより、図1に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ35の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード素子が作製される。
Furthermore, the anode electrode 3, the connection part 4, and the
After such a wafer process, the individual elements are cut out by cleaving the
前述のとおり、この実施形態では、N型コンタクト層21は、V/III比の低い条件で成長させた第1N型GaN層211上にV/III比の高い条件で成長させた第2N型GaN層212を積層した構造を有している。第1N型GaN層211は、V/III比の低い条件で成長させられるため、N極性面の成長速度が速くなる結果、平坦な膜に形成される。したがって、この第1N型GaN層211上に連続成長させられる第2N型GaN層212も同様に平坦な膜となる。そして、第2N型GaN層212は、V/III比の高い条件で成長させられるため、欠陥密度が低くなる。これにより、非発光再結合を抑制して、発光効率を向上することができる。
As described above, in this embodiment, the N-type contact layer 21 is the second N-type GaN grown on the first N-
N型コンタクト層21上に積層される層22〜24の成長に際しては、たとえば、いずれの層の成長の際も、処理室30内のウエハ35に供給されるガリウム原料(トリメチルガリウム)のモル分率に対する窒素原料(アンモニア)のモル分率の比であるV/III比は、3000以上の高い値に維持される。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、発光ダイオード構造の形成に本願発明が適用された例について説明したが、この発明は、レーザダイオード等の他の発光デバイスはもちろんのこと、トランジスタやダイオードといった他の電子デバイスの作製にも適用することができる。
When the
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, in the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the formation of a light emitting diode structure has been described. However, the present invention is not limited to other light emitting devices such as a laser diode, but also other electrons such as a transistor and a diode. It can also be applied to device fabrication.
また、前述の実施形態では、GaN基板1上にGaN半導体層2を再成長させた例について説明したが、たとえば、m面を主面とした炭化シリコン基板上に、成長主面をm面としたGaN半導体層を成長させるようにしてもよい。
また、前述の実施形態では、透明電極としてのアノード電極3をNi/Au膜で構成した例について説明したが、ZnOやITOのような金属酸化物膜からなる透明電極をアノード電極3に適用してもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
In the above-described embodiment, the example in which the anode electrode 3 as the transparent electrode is formed of the Ni / Au film has been described. However, a transparent electrode made of a metal oxide film such as ZnO or ITO is applied to the anode electrode 3. May be.
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
1 GaN基板
2 GaN半導体層
3 アノード電極(透明電極)
4 接続部
5 カソード電極
7 凹部
8 AlN層
10 支持基板
11,12 配線
13,14 ボンディングワイヤ
21 N型コンタクト層
211 第1N型GaN層
212 第2N型GaN層
22 量子井戸層
23 P型電子阻止層
24 P型コンタクト層
25 ファイナルバリア層
30 処理室
31 ヒータ
32 サセプタ
33 回転軸
34 回転駆動機構
35 ウエハ
36 排気配管
40 原料ガス供給路
41 アンモニア原料配管
42 ガリウム原料配管
43 アルミニウム原料配管
44 インジウム原料配管
45 マグネシウム原料配管
46 シリコン原料配管
51 アンモニア原料バルブ
52 ガリウム原料バルブ
53 アルミニウム原料バルブ
54 インジウム原料バルブ
55 マグネシウム原料バルブ
56 シリコン原料バルブ
1
4
Claims (20)
前記第1III族窒化物半導体層上に設けられ、前記第1V/III比よりも高い第2V/III比を持ち、前記第1III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第2III族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置。 A first group III nitride semiconductor layer having a V / III ratio, which is a ratio of a nitrogen source to a group III element source, of a predetermined first V / III ratio and having a main growth surface other than the c-plane;
A second group III nitride provided on the first group III nitride semiconductor layer, having a second V / III ratio higher than the first V / III ratio and having the same main growth surface as the first group III nitride semiconductor layer A nitride semiconductor device including a semiconductor layer.
この基板上に形成されたAlN層とをさらに含み、
前記AlN層上に前記第1III族窒化物半導体層が形成されている、請求項1記載の窒化物半導体装置。 A substrate,
An AlN layer formed on the substrate;
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer is formed on the AlN layer.
前記基板がm面を主面とした炭化シリコン基板である、請求項2記載の窒化物半導体装置。 The first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having an m-plane growth main surface;
The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the substrate is a silicon carbide substrate having an m-plane as a main surface.
前記基板がm面を主面とした窒化ガリウム基板である、請求項2記載の窒化物半導体装置。 The first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having an m-plane growth main surface;
The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the substrate is a gallium nitride substrate having an m-plane as a main surface.
III族元素原料に対する窒素原料の割合であるV/III比を所定の第1V/III比とした成長条件で、c面以外の成長主面を持つ第1III族窒化物半導体層を成長させる工程と、
前記第1V/III比よりも高い第2V/III比の成長条件で前記第1III族窒化物半導体層と同じ成長主面を持つ第2III族窒化物半導体層を前記第1III族窒化物半導体層上に成長させる工程とを含む、窒化物半導体製造方法。 A method of growing a group III nitride semiconductor having a growth principal surface other than c-plane,
A step of growing a first group III nitride semiconductor layer having a growth principal surface other than the c-plane under a growth condition in which a V / III ratio, which is a ratio of a nitrogen source to a group III element source, is a predetermined first V / III ratio; ,
A second group III nitride semiconductor layer having the same growth principal surface as the first group III nitride semiconductor layer is grown on the first group III nitride semiconductor layer under the second V / III ratio growth condition higher than the first V / III ratio. And a method of growing the nitride semiconductor.
前記AlN層上に前記第1III族窒化物半導体層を成長させる、請求項11記載の窒化物半導体製造方法。 Further comprising growing an AlN layer on the substrate;
The nitride semiconductor manufacturing method according to claim 11, wherein the first group III nitride semiconductor layer is grown on the AlN layer.
前記基板がm面を主面とした炭化シリコン基板である、請求項12記載の窒化物半導体製造方法。 The first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having an m-plane growth main surface;
The nitride semiconductor manufacturing method according to claim 12, wherein the substrate is a silicon carbide substrate having an m-plane as a main surface.
前記基板がm面を主面とした窒化ガリウム基板である、請求項12記載の窒化物半導体製造方法。 The first and second group III nitride semiconductor layers are gallium nitride semiconductor layers having an m-plane growth main surface;
The nitride semiconductor manufacturing method according to claim 12, wherein the substrate is a gallium nitride substrate having an m-plane as a main surface.
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