JP2008235758A - Method of manufacturing compound semiconductor epitaxial substrate - Google Patents

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Sadanori Yamanaka
貞則 山中
Yoshihiko Tsuchida
良彦 土田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate for light-emitting element having a high light emitting efficiency, which is capable of forming a well layer formed by a nitride system compound semiconductor with suppressing wavelength shortening with a good crystallinity. <P>SOLUTION: A compound semiconductor epitaxial substrate has a double hetero structure configured by laminating a GaN layer 15A as a barrier layer, an InGaN layer 15F as a well layer and a GaN layer 15B as a barrier layer in this order. In a method of manufacturing the compound semiconductor epitaxial substrate, when the GaN layer 15B is vapor-phase grown to a required layer thickness, a GaN layer 15K having a layer thickness thinner than the required layer thickness is grown on the InGaN layer 15F at first, and then, a GaN layer 15L is grown by remaining layer thickness subsequently to the growth of the GaN layer 15K. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、発光素子の製造に好適な化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法、及びこれを用いて製造された化合物半導体発光素子に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate suitable for manufacturing a light emitting device, and a compound semiconductor light emitting device manufactured using the method.

紫外もしくは青色の発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子の材料として、一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される化合物半導体(以下、窒化物系化合物半導体と略称する)が知られている。窒化物系化合物半導体は、3族元素の組成を変えることにより幅広い波長の光エネルギーに対応させることができるという特長を有しており、窒化物系化合物半導体を用いた発光素子が広く使用されるようになってきている。さらに最近は高い発光出力を示す発光素子が求められるようになってきているため、窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は窒化物系化合物半導体の量子井戸層を利用しており、これら井戸層の更なる結晶性品質改善等による発光効率向上が望まれている。 As a material of a semiconductor light emitting element such as an ultraviolet or blue light emitting diode or a laser diode, a general formula In x Ga y Al z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ A compound semiconductor represented by 1) (hereinafter abbreviated as a nitride compound semiconductor) is known. Nitride-based compound semiconductors have the feature of being able to cope with light energy of a wide range of wavelengths by changing the composition of group 3 elements, and light-emitting elements using nitride-based compound semiconductors are widely used. It has become like this. In recent years, light emitting devices that exhibit high light emission output have been demanded, and light emitting devices using nitride compound semiconductors use quantum well layers of nitride compound semiconductors. Therefore, it is desired to improve the light emission efficiency by further improving the crystallinity quality.

一般に、化合物半導体は成長温度を高くすることで結晶性を改善できる。しかし、特に井戸層で用いられるInを含む窒化物系化合物半導体を形成する場合、その成長温度を高くすると、Inの再蒸発等により形成しようとする窒化物系化合物半導体結晶へのInの取り込み量が減少してしまい、それに伴い発光波長が短くなるという問題点を有している。このため、窒化物系化合物半導体を利用した発光素子を製造しようとする場合、その結晶性を高品質に保ちながら、発光波長、特に長波長の調整をすることが難しくなることがあった。   In general, the crystallinity of a compound semiconductor can be improved by increasing the growth temperature. However, in particular, when forming a nitride compound semiconductor containing In used in a well layer, if the growth temperature is increased, the amount of In taken into the nitride compound semiconductor crystal to be formed by re-evaporation of In or the like Has a problem that the emission wavelength is shortened accordingly. For this reason, when it is going to manufacture the light emitting element using a nitride type compound semiconductor, it may become difficult to adjust a light emission wavelength, especially a long wavelength, keeping the crystallinity high quality.

そこで、従来から様々な工夫がなされている。例えば、特許文献1には、井戸層の品質を改善することによって発光効率を向上させる技術が開示されている。この従来技術は、3族窒化物半導体から成る井戸層とバリア層との積層構造を少なくとも1周期有する量子井戸構造を有した3族窒化物半導体の製造方法において、井戸層の形成後に、井戸層の形成温度付近で、井戸層よりはバンドギャップが広く、バリア層と同じ若しくは狭いバンドギャップを有するキャップ層を形成し、その後、バリア層の形成時の温度まで昇温する過程において熱分解によってキャップ層を除去し、井戸層上にバリア層を形成するようにしたものである。
特開平11−68159号公報
Therefore, various devices have been conventionally made. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving luminous efficiency by improving the quality of a well layer. This prior art is a method of manufacturing a group III nitride semiconductor having a quantum well structure having a laminated structure of a well layer made of a group 3 nitride semiconductor and a barrier layer at least one period. A cap layer having a band gap wider than that of the well layer and having the same or narrow band gap as that of the barrier layer is formed in the vicinity of the formation temperature of the well layer. The layer is removed, and a barrier layer is formed on the well layer.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-68159

上述した従来技術によると、井戸層のキャップ層を昇温過程で一部又は全部除去する工程が必要となるが、この除去工程においての層厚制御は難しく、キャップ層の厚さを所定の厚さに形成することは容易でない。したがって、この従来方法により得られた半導体発光素子の特性はバラツキの多いものとなる傾向を生じ、品質管理の上で大きな問題となる可能性がある。   According to the above-described prior art, a step of removing part or all of the cap layer of the well layer is required in the temperature rising process, but it is difficult to control the layer thickness in this removal step, and the thickness of the cap layer is set to a predetermined thickness. It is not easy to form. Therefore, the characteristics of the semiconductor light emitting device obtained by this conventional method tend to vary widely, which may be a serious problem in quality control.

本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる、改善された化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法及び化合物半導体発光素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an improved method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate and a compound semiconductor light emitting device that can solve the above-described problems in the prior art.

本発明の目的は、また、窒化物系化合物半導体で形成される井戸層の短波長化を抑えて結晶性の向上を図ることができる、発光効率の高い発光素子用の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法、及びこのエピタキシャル基板を用いた化合物半導体発光素子を提供することにある。   Another object of the present invention is to produce a compound semiconductor epitaxial substrate for a light emitting device with high luminous efficiency, which can improve the crystallinity by suppressing the short wavelength of a well layer formed of a nitride compound semiconductor. The present invention provides a method and a compound semiconductor light emitting device using the epitaxial substrate.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の構造について鋭意検討した。その結果、一般式Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表わされる第1の層と、該第1の層よりバンドギャップが小さく一般式Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表わされる第2の層と、該第2の層よりバンドギャップが大きく一般式Ins Gat Alu N(ただし、0≦s<1、0≦t≦1、0≦u≦1、s+t+u=1)で表わされる第3の層とがこの順に接してなる構造の製造方法において、第3の層を成長する場合、先ず薄い層(第4の層)を成長し、その後に第3の層の残りの部分(第5の層)を成長するという、2段階成長をすることにより、第4の層を成長しない場合と比較して、第3の層を、Inの取り込み量の減少を効果的に抑えて結晶性の良好な層とすることができることを見い出した。本発明はこの新規な知見に基づくものであり、この知見に更に種々の検討を加え、発光波長の短波長化を抑制しながら、発光効率が高い発光素子を製造できる化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法を発明するに至ったものである。 In order to solve the above problems, the present inventors have intensively studied the structure of an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device. As a result, the first layer represented by the general formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1), A second layer represented by the general formula In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1) having a smaller band gap than the layer; formula larger band gap than the second layer in s Ga t Al u N (However, 0 ≦ s <1,0 ≦ t ≦ 1,0 ≦ u ≦ 1, s + t + u = 1) a third layer represented by When the third layer is grown in the method of manufacturing the structure in which the two are in contact with each other in this order, a thin layer (fourth layer) is first grown, and then the remaining portion of the third layer (fifth layer) ) Is grown, the third layer is incorporated with the amount of In incorporated compared with the case where the fourth layer is not grown. It found that it is possible to reduce effectively suppressed by the a good crystallinity layer. The present invention is based on this novel knowledge, and further various studies are added to this knowledge, and an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device capable of producing a light emitting device with high light emission efficiency while suppressing shortening of the emission wavelength. It came to invent the manufacturing method of this.

請求項1の発明によれば、一般式Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表わされる第1の層と、該第1の層よりバンドギャップが小さく一般式Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表わされる第2の層と、該第2の層よりバンドギャップが大きく一般式Ins Gat Alu N(ただし、0≦s<1、0≦t≦1、0≦u≦1、s+t+u=1)で表わされる第3の層とがこの順に接してなる構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記第2の層の上に前記第3の層を所要の層厚に成長する場合に、先ず前記所要の層厚よりも薄い第4の層を前記第2の層の上に成長した後に、該第4の層の成長に続けて第5の層を残りの層厚分だけ成長するようにしたことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。 According to the first aspect of the present invention, the first layer represented by the general formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1). And the band gap is smaller than that of the first layer and is represented by the general formula In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1). and a second layer, in general larger band gap than the second layer type in s Ga t Al u N (However, 0 ≦ s <1,0 ≦ t ≦ 1,0 ≦ u ≦ 1, s + t + u = 1) In the method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate having a structure in which the third layer represented is in this order, when the third layer is grown on the second layer to a required layer thickness, After the fourth layer having a thickness smaller than the required layer thickness is grown on the second layer, the growth of the fourth layer is continued. 5 layers of a method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate which is characterized in that so as to grow only the remaining layer thickness component is proposed.

請求項2の発明によれば請求項1記載の発明において、前記第2の層の層厚が5Å以上90Å以下である化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to a second aspect of the present invention, there is proposed a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to the first aspect, wherein the second layer has a thickness of 5 to 90 mm.

請求項3の発明によれば、請求項1、2いずれかに記載の発明において、前記第2の層が発光する層である化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to a third aspect of the present invention, there is proposed a method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate according to the first or second aspect, wherein the second layer is a light emitting layer.

請求項4の発明によれば、請求項1〜3いずれかに記載の発明において、前記第3の層の成長履歴において、前記第4の層の成長温度を超える温度履歴を有する化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to the invention of claim 4, in the invention of any one of claims 1 to 3, the compound semiconductor epitaxial substrate having a temperature history exceeding the growth temperature of the fourth layer in the growth history of the third layer A manufacturing method is proposed.

請求項5の発明によれば、請求項1〜4いずれかに記載の発明において、前記第4の層の層厚が3Å以上50Å以下である化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to a fifth aspect of the present invention, there is proposed a method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of the first to fourth aspects, wherein the thickness of the fourth layer is 3 to 50 mm.

請求項6の発明によれば、請求項1〜5いずれかに記載の発明において、前記第4の層の成長温度が前記第2の層の成長温度と同じである化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to the invention of claim 6, in the invention of any one of claims 1 to 5, a method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate, wherein the growth temperature of the fourth layer is the same as the growth temperature of the second layer Is proposed.

請求項7の発明によれば請求項1〜6いずれかに記載の発明において、前記化合物半導体エピタキシャル基板が、n型窒化物系化合物半導体層、発光層としての窒化物系化合物半導体層、及びp型窒化物系化合物半導体層をこの順で有するダブルへテロ構造の窒化物系化合物半導体を含んでいる化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板である化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。   According to the invention of claim 7, in the invention of any one of claims 1 to 6, the compound semiconductor epitaxial substrate includes an n-type nitride compound semiconductor layer, a nitride compound semiconductor layer as a light emitting layer, and p. A method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate, which is an epitaxial substrate for a compound semiconductor light-emitting device, containing a double-heterostructure nitride compound semiconductor having a type nitride compound semiconductor layer in this order is proposed.

請求項8の発明によれば、請求項1〜8いずれかに記載の方法で作製された化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製されたことを特徴とする化合物半導体発光素子が提案される。   According to an eighth aspect of the present invention, there is proposed a compound semiconductor light emitting device manufactured using the compound semiconductor epitaxial substrate manufactured by the method according to any one of the first to eighth aspects.

本発明の化合物半導体用エピタキシャル基板を用いた化合物半導体発光素子は、従来の化合物半導体発光素子より再現よく、特に長波長の発光領域で発光効率が向上するので、高い発光出力が求められる様々な用途に好適に使用することができ、工業的に極めて有用である。   The compound semiconductor light emitting device using the epitaxial substrate for compound semiconductor of the present invention is more reproducible than the conventional compound semiconductor light emitting device, and the light emission efficiency is improved particularly in the light emission region of a long wavelength. It can be suitably used for industrial applications and is extremely useful industrially.

以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の方法により製造された化合物半導体エピタキシャル基板の層構造を模式的に示す断面図である。化合物半導体エピタキシャル基板1は、サファイア基板11の上に、下地結晶層2及び多重量子井戸層15が形成されている。以下に、サファイア基板11上に形成されているエピタキシャル結晶構造について詳しく説明する。下地結晶層2はGaNからなる低温バッファ層12、n型GaN層からなるn型コンタクト層13、及びノンドープGaN層からなる窒化物系化合物半導体層14を図示の如く積層して成っている。多重量子井戸層15は、GaN層15A〜15EとInGaN層15F〜15Jとを繰返し5組成長させた多重量子井戸層である。多重量子井戸層15に接してGaN層からなるGaNキャップ層16が形成されており、これにより発光層が形成されている。この発光層の上には、さらに、AlGaN:Mg層からなるAlGaN:Mgキャップ層17及び、GaN:Mg層からなるp型コンタクト層18が積層されている。化合物半導体エピタキシャル基板1は、以上のように、化合物半導体発光素子を構成するのに必要な化合物半導体エピタキシャル結晶の層構造を有している。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a layer structure of a compound semiconductor epitaxial substrate manufactured by the method of the present invention. In the compound semiconductor epitaxial substrate 1, the base crystal layer 2 and the multiple quantum well layer 15 are formed on the sapphire substrate 11. Hereinafter, the epitaxial crystal structure formed on the sapphire substrate 11 will be described in detail. The underlying crystal layer 2 is formed by laminating a low-temperature buffer layer 12 made of GaN, an n-type contact layer 13 made of an n-type GaN layer, and a nitride compound semiconductor layer 14 made of a non-doped GaN layer as shown in the figure. The multiple quantum well layer 15 is a multiple quantum well layer in which the GaN layers 15A to 15E and the InGaN layers 15F to 15J are repeatedly made five compositions long. A GaN cap layer 16 made of a GaN layer is formed in contact with the multiple quantum well layer 15, thereby forming a light emitting layer. On this light emitting layer, an AlGaN: Mg cap layer 17 made of an AlGaN: Mg layer and a p-type contact layer 18 made of a GaN: Mg layer are further laminated. As described above, the compound semiconductor epitaxial substrate 1 has a layer structure of a compound semiconductor epitaxial crystal necessary for constituting a compound semiconductor light emitting device.

次に、上述した図1に示す結晶層構造の化合物半導体エピタキシャル結晶を基板上に製作する方法ついて詳しく説明する。   Next, a method for manufacturing the compound semiconductor epitaxial crystal having the crystal layer structure shown in FIG. 1 on the substrate will be described in detail.

基板としては、サファイア基板の他、SiC、Si、MgAlO4 、LiTaO3 、GaN、AlN、ZrB2 、CrB2 等からなる基板を用いることができる。窒化物系化合物半導体との反応性、熱膨張係数差、高温での安定性、ウェハ入手の容易性等の観点から、基板材料としては、サファイア、SiCが好ましく、より好ましくはサファイアである。 As the substrate, in addition to the sapphire substrate, a substrate made of SiC, Si, MgAlO 4 , LiTaO 3 , GaN, AlN, ZrB 2 , CrB 2 or the like can be used. From the viewpoints of reactivity with a nitride-based compound semiconductor, difference in thermal expansion coefficient, stability at high temperature, ease of wafer acquisition, and the like, the substrate material is preferably sapphire or SiC, and more preferably sapphire.

化合物半導体エピタキシャル結晶の製造方法としては、例えば有機金属気相成長法(MOVPE法)、ハイドライド気相成長法(HVPE法)、分子線エピタキシー法(MBE法)が挙げられ、この中でMOVPE法が好ましく用いられる。以下、化合物半導体エピタキシャル結晶の各層をMOVPE法により形成するために用いることができるエピタキシャル成膜技術について先ず説明する。   Examples of a method for producing a compound semiconductor epitaxial crystal include a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method), a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method), and a molecular beam epitaxy method (MBE method). Preferably used. Hereinafter, an epitaxial film forming technique that can be used to form each layer of the compound semiconductor epitaxial crystal by the MOVPE method will be described first.

MOVPE法を用いて上記のような各層を成長させる場合は、以下のような原料から適宜選択し、これを用いることができる。   When each layer as described above is grown using the MOVPE method, it can be appropriately selected from the following raw materials and used.

3族のガリウム原料としては、例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)等の一般式R1 2 3 Ga(ここで、R1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルガリウムが挙げられる。 Examples of Group 3 gallium raw materials include general formulas R 1 R 2 R 3 Ga such as trimethyl gallium (TMG) and triethyl gallium (TEG) (where R 1 , R 2 and R 3 represent lower alkyl groups). And trialkylgallium.

アルミニウム原料としては、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、トリイソブチルアルミニウム等の一般式R1 2 3 Al(ここで、R1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルアルミニウムが挙げられる。 As an aluminum raw material, general formula R 1 R 2 R 3 Al such as trimethylaluminum (TMA), triethylaluminum (TEA), triisobutylaluminum (wherein R 1 , R 2 and R 3 represent lower alkyl groups). ) Represented by trialkylaluminum.

インジウム原料としては、トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム等の一般式R1 2 3 In(ここで、R1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライドなどのトリアルキルインジウムから1ないし3つのアルキル基をハロゲン原子に交換したもの、インジウムクロライドなど一般式InX(Xはハロゲン原子)で表されるハロゲン化インジウム等があげられる。 As an indium raw material, a trialkyl represented by a general formula R 1 R 2 R 3 In (wherein R 1 , R 2 and R 3 represent lower alkyl groups) such as trimethylindium (TMI) and triethylindium. Examples thereof include those obtained by exchanging 1 to 3 alkyl groups with halogen atoms from trialkylindium such as indium and diethylindium chloride, and indium halides represented by the general formula InX (X is a halogen atom) such as indium chloride.

これらの3族原料の中で、ガリウム源としてはTMG、アルミニウム源としては、TMA、インジウム源としてはTMIが好ましい。   Among these Group 3 materials, TMG is preferred as the gallium source, TMA as the aluminum source, and TMI as the indium source.

また、5族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1, 1−ジメチルヒドラジン、1, 2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、などがあげられる。これらは単独で、または任意の組み合わせで混合して用いることができる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素汚染の影響が少なく好適であり、高純度品が入手しやすい観点からは、アンモニアがより好適である。   Examples of Group 5 materials include ammonia, hydrazine, methyl hydrazine, 1,1-dimethylhydrazine, 1,2-dimethylhydrazine, t-butylamine, ethylenediamine, and the like. These may be used alone or in any combination. Among these raw materials, ammonia and hydrazine do not contain carbon atoms in the molecule, and therefore are less affected by carbon contamination in the semiconductor. From the viewpoint of easy availability of high-purity products, ammonia is more preferable. is there.

以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物系化合物半導体層を成長させることができる。反応炉は、原料供給装置から原料ガスを反応炉に供給する原料供給ラインを備え、反応炉内には基板を加熱するためのサセプタが設けられている構成のものを使用できる。サセプタは、窒化物系化合物半導体層を均一に成長させるために、回転装置によって回転できる構造となっており、サセプタの内部には、サセプタを加熱するための赤外線ランプ等の加熱装置が備えられている構造のものが一般的に用いられる。この加熱により、原料供給ラインを通じて反応炉に供給される原料ガスが成長基板上で熱分解し、基板上に所望の化合物を気相成長させることができる。反応炉に供給された原料ガスのうち未反応の原料ガスは、排気ラインより反応炉の外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。   The above-mentioned source gas can be introduced into the reaction furnace to grow the nitride compound semiconductor layer. As the reaction furnace, one having a raw material supply line for supplying a raw material gas from a raw material supply apparatus to the reaction furnace, and a susceptor for heating the substrate can be used in the reaction furnace. The susceptor has a structure that can be rotated by a rotating device in order to uniformly grow the nitride-based compound semiconductor layer, and a heating device such as an infrared lamp for heating the susceptor is provided inside the susceptor. A structure having a certain structure is generally used. By this heating, the source gas supplied to the reactor through the source supply line is thermally decomposed on the growth substrate, and a desired compound can be vapor-phase grown on the substrate. Of the raw material gas supplied to the reaction furnace, unreacted raw material gas is discharged from the exhaust line to the outside of the reaction furnace and sent to the exhaust gas treatment device.

また、HVPE法を用いて所要の窒化物系化合物半導体を結晶成長させることもできる。この場合には、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。3族原料としては、ガリウム金属を塩化水素ガスと高温で反応させて生成する塩化ガリウムガスやインジウム金属を塩化水素ガスと高温で反応させて生成する塩化インジウムガス等が挙げられる。5族原料としては、アンモニアが挙げられる。キャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、ヘリウムが好ましい。以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物系化合物半導体を成長させる。   In addition, a required nitride-based compound semiconductor can be crystal-grown using the HVPE method. In this case, the following compounds can be used as starting materials. Examples of the Group 3 raw material include gallium chloride gas produced by reacting gallium metal with hydrogen chloride gas at high temperature, and indium chloride gas produced by reacting indium metal with hydrogen chloride gas at high temperature. An example of the Group 5 material is ammonia. As the carrier gas, a gas such as nitrogen, hydrogen, argon or helium can be used alone or in combination, and hydrogen or helium is preferable. The above source gas is introduced into the reaction furnace to grow a nitride compound semiconductor.

また、MBE法を用いて所要の窒化物系化合物半導体を結晶成長させることもできる。この場合には、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。3族原料としては、ガリウム、アルミニウム及びインジウム等の金属が挙げられる。5族原料としては、窒素やアンモニア等のガスが挙げられる。以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物系化合物半導体を成長させる。   In addition, a required nitride-based compound semiconductor can be crystal-grown using the MBE method. In this case, the following compounds can be used as starting materials. Examples of the Group 3 material include metals such as gallium, aluminum, and indium. Examples of Group 5 materials include gases such as nitrogen and ammonia. The above source gas is introduced into the reaction furnace to grow a nitride compound semiconductor.

次に、図1に示した積層構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板1の、窒化物系化合物半導体を含む化合物半導体用エピタキシャル基板としての構造について説明する。   Next, the structure of the compound semiconductor epitaxial substrate 1 having the laminated structure shown in FIG. 1 as a compound semiconductor epitaxial substrate including a nitride compound semiconductor will be described.

化合物半導体エピタキシャル基板1は、n型窒化物系化合物半導体層と、発光層としての窒化物系化合物半導体層と、p型窒化物系化合物半導体層とがこの順で積層されて成るダブルへテロ構造の窒化物系化合物半導体を有する構造となっている。第1の量子井戸層であるInGaN層15Fに着目して具体的に説明すると、InGaN層15Fはバリア層であるGaN層15Aの上に接するようにして設けられている。InGaN層15Fの上にはさらに別のバリア層であるGaN層15BがInGaN層15Fに接するようにして設けられている。InGaN層15FのバンドギャップはGaN層15Aのバンドギャップよりも小さく、そして、GaN層15BのバンドギャップはInGaN層15Fのバンドギャップよりも大きくなっている。   The compound semiconductor epitaxial substrate 1 has a double hetero structure in which an n-type nitride compound semiconductor layer, a nitride compound semiconductor layer as a light emitting layer, and a p-type nitride compound semiconductor layer are stacked in this order. The structure has a nitride compound semiconductor. Specifically, focusing on the InGaN layer 15F that is the first quantum well layer, the InGaN layer 15F is provided so as to be in contact with the GaN layer 15A that is the barrier layer. On the InGaN layer 15F, a GaN layer 15B, which is still another barrier layer, is provided in contact with the InGaN layer 15F. The band gap of the InGaN layer 15F is smaller than the band gap of the GaN layer 15A, and the band gap of the GaN layer 15B is larger than the band gap of the InGaN layer 15F.

すなわち、一般式Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0<b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表わされる3−5族化合物半導体よりなりバリア層として働くGaN層15Aと、GaN層15Aよりバンドギャップが小さく一般式Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表わされInとGaを含む3−5族化合物半導体よりなるInGaN層15Fと、InGaN層15Fよりバンドギャップが大きく一般式Ins Gat Alu N(ただし、0≦s<1、0≦t≦1、0≦u≦1、s+t+u=1)で表わされるバリア層であるGaN層15Bとが、下地結晶層2上にこの順に接するようにして設けられており、これにより量子井戸構造が形成されている。 That is, the barrier layer is made of a Group 3-5 compound semiconductor represented by the general formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 <b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1). The working GaN layer 15A has a smaller band gap than the GaN layer 15A and is represented by the general formula In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1). it is an InGaN layer 15F made of group III-V compound semiconductor containing In and Ga, larger band gap than InGaN layer 15F formula In s Ga t Al u N (However, 0 ≦ s <1,0 ≦ t ≦ 1 and 0 ≦ u ≦ 1, s + t + u = 1), and a GaN layer 15B, which is a barrier layer represented by s + t + u = 1), is provided on the underlying crystal layer 2 in this order so as to form a quantum well structure. ing.

本実施の形態では、上述した量子井戸構造が5組設けられているが、少なくとも1つあればよい。なお、必要に応じて、n型窒化物系化合物半導体層の上下にはアンドープ窒化物系化合物半導体層を設けてもよい。また、p型窒化物系化合物半導体上にはn+ 型窒化物系化合物半導体層を設けてもよい。 In this embodiment, five sets of the quantum well structures described above are provided, but at least one is sufficient. If necessary, undoped nitride compound semiconductor layers may be provided above and below the n-type nitride compound semiconductor layer. An n + type nitride compound semiconductor layer may be provided on the p type nitride compound semiconductor.

図1に示した層構造は一例であり、本発明の対象となる化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板としては、サファイア等の基板上にGaN、AlGaN、AlN、InGaN、InGaAlN、InN、SiC、ZnO等からなるバッファ層、n型GaN、n型AlGaN等からなるn型層、InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN等からなる発光層、アンドープGaN、アンドープAlGaN等からなるキャップ層、MgドープAlGaN、MgドープGaNなどからなるp型層、n+ 型InGaNなどからなるn+ 型層を、この順でエピタキシャル成長させた積層構造を有するものが挙げられる。 The layer structure shown in FIG. 1 is an example, and as an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device that is an object of the present invention, GaN, AlGaN, AlN, InGaN, InGaAlN, InN, SiC, ZnO, etc. are formed on a substrate such as sapphire. Buffer layer made of n-type, n-type layer made of n-type GaN, n-type AlGaN, etc., light-emitting layer made of InGaN, GaN, AlGaN, AlInGaN, etc., cap layer made of undoped GaN, undoped AlGaN, etc., Mg-doped AlGaN, Mg-doped GaN p-type layer made of the n + -type layer made of n + -type InGaN, include those having a layered structure epitaxially grown in this order.

この場合においても、必要に応じて、n型窒化物系化合物半導体上下にはInGaN、GaN、AlGaN、AlN、AlInGaN等からなるアンドープ窒化物系化合物半導体層を設けることができ、p型窒化物系化合物半導体上にはn+ 型InGaNなどからなるn+ 型窒化物系化合物半導体層を設けることができる。 Also in this case, if necessary, an undoped nitride compound semiconductor layer made of InGaN, GaN, AlGaN, AlN, AlInGaN or the like can be provided above and below the n-type nitride compound semiconductor. An n + type nitride-based compound semiconductor layer made of n + type InGaN or the like can be provided on the compound semiconductor.

n型層は、通常、Si、O、Se、CまたはGeがドープされている窒化物系半導体等から構成できる。好ましくはSiまたはGeが高濃度にドープされている窒化物系半導体である。p型層は、通常、Mg、Zn、Cd、Be、C、CaまたはHgがドープされている窒化物系半導体から構成できる。好ましくはMg、Ca が高濃度にドープされている窒化物系半導体である。   The n-type layer can be generally composed of a nitride semiconductor doped with Si, O, Se, C, or Ge. A nitride-based semiconductor in which Si or Ge is highly doped is preferable. The p-type layer can be generally composed of a nitride-based semiconductor doped with Mg, Zn, Cd, Be, C, Ca, or Hg. A nitride-based semiconductor doped with Mg and Ca at a high concentration is preferable.

n型ドーパント原料としては、シラン、ジシラン、ゲルマン、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウムなどが好適である。   As the n-type dopant material, silane, disilane, germane, tetramethylgermanium, tetraethylgermanium and the like are suitable.

p型ドーパントであるMgの原料としては、例えばビスシクロペンタジエチルマグネシウム[(C5 5 2 Mg]、ビスメチルシクロペンタジエチルマグネシウム[(C5 4 CH3 2 Mg]、ビスエチルシクロペンタジエチルマグネシウム[(C5 4 2 5 2 Mg]などを使用することができる。Caの原料としては、ビスシクロペンタジエニルカルシウム((C5 5 2 Ca)およびその誘導体、例えば、ビスメチルシクロペンタジエニルカルシウム((C5 4 CH3 2 Ca)、ビスエチルシクロペンタジエニルカルシウム((C5 4 2 5 2 Ca)、ビスパーフロロシクロペンタジエニルカルシウム((C5 5 2 Ca)、または、ジ−1 −ナフタレニルカルシウムおよびその誘導体、または、カルシウムアセチリドおよびその誘導体、例えば、ビス(4,4−ジフロロー3−ブテン−1−イニル)−カルシウム、ビスフェニルエチニルカルシウムなどを使用することができる。これらの原料を単独あるいは、複数混合して使用してもよい。 As a raw material of Mg which is a p-type dopant, for example, biscyclopentadiethyl magnesium [(C 5 H 5 ) 2 Mg], bismethylcyclopentadiethyl magnesium [(C 5 H 4 CH 3 ) 2 Mg], bisethylcyclo Pentadiethyl magnesium [(C 5 H 4 C 2 H 5 ) 2 Mg] and the like can be used. As a raw material of Ca, biscyclopentadienyl calcium ((C 5 H 5 ) 2 Ca) and its derivatives, for example, bismethylcyclopentadienyl calcium ((C 5 H 4 CH 3 ) 2 Ca), bisethyl Cyclopentadienyl calcium ((C 5 H 4 C 2 H 5 ) 2 Ca), bisperfluorocyclopentadienyl calcium ((C 5 F 5 ) 2 Ca), or di-1-naphthalenyl calcium and Derivatives thereof, or calcium acetylide and derivatives thereof, such as bis (4,4-difloro-3-buten-1-ynyl) -calcium, bisphenylethynyl calcium and the like can be used. These raw materials may be used alone or in combination.

窒化物系化合物半導体基板以外の基板上に直接該窒化物系化合物半導体を成長した場合、格子不整合のため、十分高品質な結晶が得られない場合がある。このような場合、バッファ層として、例えばGaN、AlGaN、AlN、InGaN、InGaAlN、InN、SiC、ZnO等の層を先ず基板上に成長させた後、このバッファ層上に該窒化物系化合物半導体を成長させ2段階成長法使用することによって、高品質な結晶を得ることができる。また窒化物系化合物半導体を厚く成長するほど、転位は横方向に曲げられる効果が大きくなるため、窒化物系化合物半導体を厚く成長することにより、結晶欠陥を減らすことができる。また窒化物系化合物半導体の選択成長手法を用いても、結晶欠陥を減らすことができる。   When the nitride compound semiconductor is grown directly on a substrate other than the nitride compound semiconductor substrate, a sufficiently high quality crystal may not be obtained due to lattice mismatch. In such a case, as a buffer layer, for example, a layer of GaN, AlGaN, AlN, InGaN, InGaAlN, InN, SiC, ZnO or the like is first grown on the substrate, and then the nitride compound semiconductor is formed on the buffer layer. High quality crystals can be obtained by growing and using the two-stage growth method. Further, the thicker the nitride compound semiconductor is grown, the greater the effect that the dislocation is bent in the lateral direction. Therefore, the crystal defects can be reduced by growing the nitride compound semiconductor thickly. Also, crystal defects can be reduced by using a selective growth method of a nitride compound semiconductor.

次に、以上説明した化合物半導体エピタキシャル結晶の成長技術を用いて、図1に示した構成の化合物半導体エピタキシャル基板1を製造するための具体的方法について詳述する。   Next, a specific method for manufacturing the compound semiconductor epitaxial substrate 1 having the configuration shown in FIG. 1 using the compound semiconductor epitaxial crystal growth technique described above will be described in detail.

サファイア基板11の上に、低温バッファ層12を形成し、さらに低温バッファ層上にn型コンタクト層13を形成する。低温バッファ層12の厚さは10〜100nmとすることが望ましい。また、基板及びバッファ層は、前記したものも使用し得る。   A low temperature buffer layer 12 is formed on the sapphire substrate 11, and an n-type contact layer 13 is further formed on the low temperature buffer layer. The thickness of the low temperature buffer layer 12 is desirably 10 to 100 nm. In addition, the substrate and buffer layer described above can be used.

n型コンタクト層13は、発光素子の動作電圧を上昇させないために、空間電荷密度1×1018cm-3以上とし、かつ1×1021cm-3以下とすることが望ましい。この空間電荷密度は、層内のイオン化した不純物濃度に相当し、熱活性化されたキャリア濃度に対応する。一般に容量−電圧(CV)測定法により得られる値である。このようなn型コンタクト層は、成長温度900℃〜1200℃で、式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x<1、0≦y≦1、0≦z<1)で表される化合物半導体の結晶の成長する時に、n型ドーパントガス、あるいは有機金属原料を適当量混入させる公知方法により容易に得られる。また、空間電荷密度が1×1021cm-3を超えると結晶性が悪化する傾向があり、発光素子特性に悪影響を及ぼす恐れがあるため好ましくない。 The n-type contact layer 13 preferably has a space charge density of 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 21 cm −3 or less so as not to increase the operating voltage of the light emitting element. This space charge density corresponds to the ionized impurity concentration in the layer and corresponds to the thermally activated carrier concentration. Generally, it is a value obtained by a capacitance-voltage (CV) measurement method. Such an n-type contact layer has a growth temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. and a formula In x Ga y Al z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1 ) Can be easily obtained by a known method in which an appropriate amount of an n-type dopant gas or an organic metal raw material is mixed during the growth of a compound semiconductor crystal. Further, when the space charge density exceeds 1 × 10 21 cm −3 , the crystallinity tends to be deteriorated, which may adversely affect the characteristics of the light emitting device, which is not preferable.

また、In、Alの混晶比が高いと、特に低温では結晶品質が低下し、空間電荷密度が高くなるため、In組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。n型コンタクト層13はGaNであることが最も好ましい。   In addition, when the mixed crystal ratio of In and Al is high, the crystal quality is deteriorated particularly at a low temperature and the space charge density is increased. Therefore, the In composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. The Al composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. The n-type contact layer 13 is most preferably GaN.

次に、前記n型コンタクト層13上に、式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物系化合物半導体層14を設ける。なお、窒化物系化合物半導体層14は省略することも可能である。 Next, on the n-type contact layer 13, nitriding represented by the formula In x Ga y Al z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). A physical compound semiconductor layer 14 is provided. The nitride-based compound semiconductor layer 14 can be omitted.

窒化物系化合物半導体層14は、ノンドープであることが好ましく、これにより一層良好な静電耐圧特性と良好なLED発光特性と電気特性を得ることができる。成長温度は、通常900℃〜1200℃の範囲、好ましくは、1000℃〜1150℃の範囲である。このとき、n型ドーパントガスおよびp型ドーパントガスは意図的に混入させず、ノンドープ条件とする。このような結晶成長条件によって形成される窒化物系化合物半導体層14の空間電荷密度はn型の5×1016cm-3未満とすることができる。好ましくは1×1016cm-3以下である。ただし、このような低空間電荷密度層が、厚すぎると発光素子の直列抵抗成分となるので、窒化物系化合物半導体層14の膜厚は600nm以下にすることが好ましい。より好ましくは、10nm〜300nmである。さらに好ましくは、50nm〜300nmである。 The nitride-based compound semiconductor layer 14 is preferably non-doped, and thereby, better electrostatic withstand voltage characteristics, better LED emission characteristics, and electrical characteristics can be obtained. The growth temperature is usually in the range of 900 ° C to 1200 ° C, preferably in the range of 1000 ° C to 1150 ° C. At this time, the n-type dopant gas and the p-type dopant gas are not intentionally mixed and are set to non-doping conditions. The space charge density of the nitride-based compound semiconductor layer 14 formed under such crystal growth conditions can be less than 5 × 10 16 cm −3 of n-type. It is preferably 1 × 10 16 cm −3 or less. However, if such a low space charge density layer is too thick, it becomes a series resistance component of the light emitting element, and therefore the thickness of the nitride-based compound semiconductor layer 14 is preferably 600 nm or less. More preferably, it is 10 nm to 300 nm. More preferably, it is 50 nm-300 nm.

窒化物系化合物半導体層14は、In、Alの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、キャリア濃度が高くなるため、In組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。最も好ましくはGaNである。   The nitride-based compound semiconductor layer 14 has an In composition of preferably 5% or less, more preferably 1% or less because the crystal quality is lowered and the carrier concentration is increased particularly at low temperatures when the mixed crystal ratio of In and Al is high. It is. The Al composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. Most preferred is GaN.

さらに、窒化物系化合物半導体層14と発光層15との間に、式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表されるノンドープの窒化物系化合物半導体層を設けてもよいが、図1に示す例は,このようなノンドープの窒化物系化合物半導体層を設けない例である。 Further, between the light-emitting layer 15 and the nitride based compound semiconductor layer 14, the formula In x Ga y Al z N (provided that, x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1 1 may be provided, but the example shown in FIG. 1 is an example in which such a non-doped nitride compound semiconductor layer is not provided.

上述したノンドープの窒化物系化合物半導体層は、通常550℃〜850℃の範囲で、好ましくは700℃〜800℃の範囲で成長させる。例えば、成長温度775℃にし、アンモニアガスを5族原料、トリエチルガリウムを3族原料とし、結晶成長させることができる。このとき、n型ドーパントガスおよびp型ドーパントガスは意図的に混入させず、ノンドープ条件とすることが重要である。このような結晶成長条件によって形成されるノンドープの窒化物系化合物半導体層の空間電荷密度はn型で1×1017〜1×1018cm-3とすることができる。 The non-doped nitride compound semiconductor layer described above is grown usually in the range of 550 ° C. to 850 ° C., preferably in the range of 700 ° C. to 800 ° C. For example, crystal growth can be performed by setting the growth temperature to 775 ° C., using ammonia gas as the Group 5 material, and triethylgallium as the Group 3 material. At this time, it is important that the n-type dopant gas and the p-type dopant gas are not mixed intentionally and the non-doping condition is used. The space charge density of the non-doped nitride compound semiconductor layer formed under such crystal growth conditions can be n-type and 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 .

このノンドープの窒化物系化合物半導体層は、In、Alの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、キャリア濃度が高くなるため、In組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。最も好ましくはGaNである。   This non-doped nitride-based compound semiconductor layer has a high In / Al mixed crystal ratio, so that the crystal quality is lowered and the carrier concentration is increased particularly at a low temperature. Therefore, the In composition is preferably 5% or less, more preferably 1 % Or less. The Al composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. Most preferred is GaN.

また、ノンドープの窒化物系化合物半導体層の膜厚を調整することで静電耐圧を一層向上させることが可能である。しかしながら、ノンドープの窒化物系化合物半導体層の膜厚が薄すぎると静電耐圧の改善効果が低下する傾向にあり、厚すぎると発光素子動作時のリーク電流が増加する傾向にあるなどの素子特性に悪影響をおよぼす恐れがある。従って、ノンドープの窒化物系化合物半導体層の膜厚は、通常70nm〜500nmの範囲、好ましくは、70nm〜250nmの範囲である。   In addition, the electrostatic withstand voltage can be further improved by adjusting the film thickness of the non-doped nitride compound semiconductor layer. However, if the film thickness of the non-doped nitride-based compound semiconductor layer is too thin, the effect of improving the electrostatic withstand voltage tends to decrease, and if it is too thick, the device characteristics such as a tendency to increase the leakage current during operation of the light-emitting element. May adversely affect Therefore, the film thickness of the non-doped nitride-based compound semiconductor layer is usually in the range of 70 nm to 500 nm, and preferably in the range of 70 nm to 250 nm.

なお、ノンドープの窒化物系化合物半導体層は、発光層である井戸層の下に接するバリア層を兼ねてもよいし、n型コンタクト層13と窒化物系化合物半導体層14の間に設けても良い。また井戸層の上に接するバリア層を兼ねても良いし、あるいはキャップ層とp型コンタクト層18との間に設けてもよい。   The non-doped nitride compound semiconductor layer may also serve as a barrier layer in contact with the well layer that is the light emitting layer, or may be provided between the n-type contact layer 13 and the nitride compound semiconductor layer 14. good. It may also serve as a barrier layer in contact with the well layer, or may be provided between the cap layer and the p-type contact layer 18.

なお、窒化物系化合物半導体層14と発光層15との間には、ノンドープの窒化物系化合物半導体層ではなく、一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表されるアイソエレクトロニックになるIn、Ga、Alをドーピングした窒化物系化合物半導体層を設けてもよい。好ましくは、Inドープした窒化物系化合物半導体がよい。この場合、n型コンタクト層と同様なn型ドープをしてもよい。 Note that, between the nitride-based compound semiconductor layer 14 and the light emitting layer 15, not a non-doped nitride-based compound semiconductor layer, but a general formula In x Ga y Al z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ A nitride-based compound semiconductor layer doped with In, Ga, and Al that is isoelectronic represented by 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) may be provided. Preferably, an In-doped nitride compound semiconductor is preferable. In this case, n-type doping similar to that of the n-type contact layer may be performed.

アイソエレクトロニックドーピングした窒化物系化合物半導体層は、通常900℃〜1200℃の範囲で、好ましくは1000℃〜1150℃の範囲で成長させる。このような結晶成長条件によって形成されるドーピングした窒化物系化合物半導体層の空間電荷密度はn型で1×1017〜1×1018cm-3とすることができる。
ドーピングした窒化物系化合物半導体層は、In、Alの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、キャリア濃度が高くなるため、In組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。最も好ましくはGaNである。ドーピングした窒化物系化合物半導体層の膜厚を調整することで発光効率を一層向上させることが可能である。
The nitride compound semiconductor layer doped with isoelectronic doping is usually grown in the range of 900 ° C. to 1200 ° C., preferably in the range of 1000 ° C. to 1150 ° C. The space charge density of the doped nitride compound semiconductor layer formed under such crystal growth conditions can be n-type and 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 .
The doped nitride-based compound semiconductor layer has a high In / Al mixed crystal ratio, so that the crystal quality is lowered and the carrier concentration is increased particularly at a low temperature. Therefore, the In composition is preferably 5% or less, more preferably 1%. It is as follows. The Al composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. Most preferred is GaN. Luminous efficiency can be further improved by adjusting the thickness of the doped nitride compound semiconductor layer.

次に、図1に示す発光層15の形成方法について説明する。バリア層であるGaN層15A〜15Eは、Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表される化合物半導体で形成され、井戸層であるInGaN層15F〜15Jは、バリア層よりバンドギャップが小さくInx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表される化合物半導体で形成される。本実施の形態では、バリア層であるGaN層15A〜15Eと、井戸層であるInGaN層15F〜15Jからなる多重量子井戸のダブルへテロ構造となっている。 Next, a method for forming the light emitting layer 15 shown in FIG. 1 will be described. The barrier layers GaN layers 15A to 15E are compound semiconductors represented by In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1). is formed, InGaN layer 15F~15J a well layer has a smaller band gap than the barrier layer in x Ga y Al z N (However, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z <1, x + y + z = 1). In the present embodiment, a double quantum structure of multiple quantum wells composed of GaN layers 15A to 15E which are barrier layers and InGaN layers 15F to 15J which are well layers.

図1に示した構成例では井戸層を5つにしているが、少なくとも1つの井戸層があればよい。ここで、GaN層15A〜15E、及び、InGaN層15F〜15Jの各膜厚、各混晶比は、目的とする発光素子の特性にあわせて適宜に決めることができる。例えば、発光波長470nm程度の青色発光素子を目的とするならば、GaN層15A〜15Eをそれぞれ3nm〜30nmの膜厚、InGaN層15F〜15Jをそれぞれ1nm〜10nmの膜厚、平均In組成を5〜40%程度にすればよい。またバリア層であるGaN層15A〜15Eの成長温度は、通常500℃〜1000℃、好ましくは700℃〜900℃であり、井戸層であるInGaN層15F〜15Jの成長温度は、通常600℃〜850℃、好ましくは650℃〜850℃である。なお、必要に応じて結晶性が悪化しない程度に、井戸層、バリア層に、n型となるドーピングを既述の要領で行ってもよい。   In the configuration example shown in FIG. 1, five well layers are provided, but at least one well layer is sufficient. Here, the film thicknesses and mixed crystal ratios of the GaN layers 15A to 15E and the InGaN layers 15F to 15J can be appropriately determined according to the characteristics of the target light emitting element. For example, if a blue light emitting device having an emission wavelength of about 470 nm is intended, the GaN layers 15A to 15E have a thickness of 3 nm to 30 nm, the InGaN layers 15F to 15J have a thickness of 1 nm to 10 nm, and the average In composition is 5 It may be about ˜40%. The growth temperature of the GaN layers 15A to 15E that are barrier layers is usually 500 ° C. to 1000 ° C., preferably 700 ° C. to 900 ° C., and the growth temperature of the InGaN layers 15F to 15J that are well layers is usually 600 ° C. to It is 850 degreeC, Preferably it is 650 degreeC-850 degreeC. In addition, n-type doping may be performed on the well layer and the barrier layer as described above to the extent that crystallinity does not deteriorate as necessary.

本発明は、一般式Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表わされる第1の層と、該第1の層よりバンドギャップが小さく一般式Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表わされる第2の層と、該第2の層よりバンドギャップが大きく一般式Ins Gat Alu N(ただし、0≦s<1、0≦t≦1、0≦u≦1、s+t+u=1)で表わされる第3の層とがこの順に接してなる構造の製造方法において、該第3の層を薄い第4の層を形成した後に残る第5の層を形成する2段階で成長することを特徴としている。 The present invention relates to a first layer represented by a general formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1), A second layer represented by the general formula In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1) having a smaller band gap than the layer of generally larger band gap than the second layer type in s Ga t Al u N (However, 0 ≦ s <1,0 ≦ t ≦ 1,0 ≦ u ≦ 1, s + t + u = 1) third represented by the In the manufacturing method of the structure in which the layers are in contact with each other in this order, the third layer is grown in two stages of forming the fifth layer remaining after forming the thin fourth layer.

したがって、本発明は、このような三層構造をもって発光部を構成している化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法、特に量子井戸の製造方法に特に好ましく適用できるのであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばInの取り込み量を大きくした超格子などを製造する時にも適用できる。   Therefore, the present invention can be particularly preferably applied to a method for manufacturing an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device having a light emitting portion having such a three-layer structure, particularly a method for manufacturing a quantum well. For example, the present invention can be applied to manufacturing a superlattice with a large In incorporation.

図1に示す発光層15を形成する場合、先ず、GaN層15A(第1の層に相当)を下地結晶層2上に成長形成し、次いで、InGaN層15F(第2の層に相当)を成長形成する。しかる後、第3の層に相当するGaN層15Bを成長形成する。   When the light emitting layer 15 shown in FIG. 1 is formed, first, a GaN layer 15A (corresponding to the first layer) is grown on the underlying crystal layer 2, and then an InGaN layer 15F (corresponding to the second layer) is formed. Grow and form. Thereafter, a GaN layer 15B corresponding to the third layer is grown.

図2は、図1に示すInGaN層15FとGaN層15Bとを、本発明に従って形成する方法を説明するための図である。ここでは、井戸層となるInGaN層15F(第2の層)を30Å成長後、バリア層となるGaN層15B(第3の層)を150Åの層厚に形成するように設計して成長する場合について説明する。   FIG. 2 is a diagram for explaining a method of forming the InGaN layer 15F and the GaN layer 15B shown in FIG. 1 according to the present invention. In this case, the InGaN layer 15F (second layer) serving as the well layer is grown by 30 cm, and then the GaN layer 15B (third layer) serving as the barrier layer is formed to have a thickness of 150 mm and grown. Will be described.

図2に示すように、GaN層15Aを成長した後、InGaN層15Fを30Å、725℃で成長する。その後、まず、引き続き725℃でバリア層としてのGaN層15K(第4の層)を成長する。GaN層15K(第4の層)の成長温度は、InGaN層15F(第2の層)の成長温度と同じであることが好ましい。またGaN層15K(第4の層)の層厚は3Å以上50Å以下が好ましい。GaN層15Kは、層厚が薄すぎると膜厚制御が困難になり後述する熱処理による発光効率改善の再現性が得られにくく、層厚が厚すぎると熱処理による発光効率改善の効果が得られにくい。この層厚の薄いGaN層15K(第4の層)を先ず成長しておくことにより、発光効率の改善効果を与えると考えられる。これは熱処理の副作用として生じるInGaN再蒸発等に伴う窒化物系化合物半導体結晶へのInの取り込み量減少を抑制でき、この効果によって発光短波長化が抑制できると考えられるからである。   As shown in FIG. 2, after the GaN layer 15A is grown, an InGaN layer 15F is grown at 30 ° C. and 725 ° C. After that, first, a GaN layer 15K (fourth layer) is grown as a barrier layer at 725 ° C. The growth temperature of the GaN layer 15K (fourth layer) is preferably the same as the growth temperature of the InGaN layer 15F (second layer). The layer thickness of the GaN layer 15K (fourth layer) is preferably 3 to 50 mm. When the GaN layer 15K is too thin, it is difficult to control the film thickness, and it is difficult to obtain the reproducibility of the luminous efficiency improvement by the heat treatment described later. When the layer thickness is too thick, it is difficult to obtain the effect of the luminous efficiency improvement by the heat treatment. . It is considered that the GaN layer 15K (fourth layer) having a small thickness is first grown to give an effect of improving the luminous efficiency. This is because a decrease in the amount of In taken into the nitride-based compound semiconductor crystal accompanying InGaN re-evaporation or the like, which occurs as a side effect of the heat treatment, can be suppressed, and this effect is considered to reduce the emission wavelength.

次に、成長炉内の温度をGaN層15K(第4の層)の成長温度を超える774℃に昇温後、GaN層15Bの設計厚の残る層厚分のGaN層15L(第5の層)を残りのバリア層として成長する。GaN層15Lの成長温度の下限は、熱処理による結晶性改善に伴う発光効率の改善効果が得られるようにするため、GaN層15Kの成長温度を超える成長温度が好ましい。GaN層15L(第5の層)の成長温度の上限は特に限定されない。しかし、成長温度が高すぎると、熱処理による結晶性改善に伴う発光効率の改善効果より、InGaN層15F(第2の層)とGaN層15K(第4の層)の相互拡散等の効果による発光効率の低下が上回ると考えられるので、900℃以下が好ましい。また、第4の層の成長温度より、第5の層の成長温度を1℃〜400℃高い方が好ましい。さらに好ましくは5℃〜250℃であり、特に好ましいのは10℃〜120℃である。つまり、GaN層15B(第3の層)の成長履歴で、GaN層15K(第4の層)の成長温度を超える温度履歴を有することになる。   Next, after raising the temperature in the growth furnace to 774 ° C., which exceeds the growth temperature of the GaN layer 15K (fourth layer), the GaN layer 15L (fifth layer) having a layer thickness that remains the design thickness of the GaN layer 15B. ) As the remaining barrier layer. The lower limit of the growth temperature of the GaN layer 15L is preferably a growth temperature that exceeds the growth temperature of the GaN layer 15K in order to obtain the effect of improving the light emission efficiency accompanying the improvement of crystallinity by heat treatment. The upper limit of the growth temperature of the GaN layer 15L (fifth layer) is not particularly limited. However, if the growth temperature is too high, light emission due to effects such as interdiffusion between the InGaN layer 15F (second layer) and the GaN layer 15K (fourth layer) is caused by the effect of improving the light emission efficiency associated with the crystallinity improvement by heat treatment. Since it is thought that the fall of efficiency exceeds, 900 degrees C or less is preferable. Further, the growth temperature of the fifth layer is preferably higher by 1 ° C. to 400 ° C. than the growth temperature of the fourth layer. More preferably, it is 5 degreeC-250 degreeC, and 10 degreeC-120 degreeC is especially preferable. That is, the growth history of the GaN layer 15B (third layer) has a temperature history that exceeds the growth temperature of the GaN layer 15K (fourth layer).

上述のように、InGaN層(井戸層)15Fの成長後、GaN層(バリア層)15Bを、層厚の薄いGaN層(第4の層)15KとGaN層からなる残るバリア層であるGaN層(第5の層)15Lとに分けて、成長条件を上述の如く変えて2段階で成長することにより、GaN層(バリア層)15Bを1段階で成長する場合に比べて、発光波長の短波長化を抑制しながら量子井戸層となるInGaN層の結晶性を大幅に向上させ、発光効率の高い窒化物系化合物半導体を作製することができるという格別の効果を得ることができる。この場合、より発光効率の高い窒化物系化合物半導体を作製するためには、GaN層15Aを成長した後、引き続きバリア層としてのGaN層15K(第4の層)を成長する場合、GaN層15K(第4の層)の成長温度はGaN層15Aの成長温度と実質的に同じとし、その後さらにGaN層15Bの設計厚の残る層厚分のGaN層15L(第5の層)を残りのバリア層として成長するときの成長温度は、GaN層15Kの成長温度を超えるとすることが好ましい。なお、GaN層15L(第5の層)を残りのバリア層として成長するときの成長温度が、GaN層15Kの成長温度よりも高くすれば、より一層発光効率の高い窒化物系化合物半導体を作製するために好ましい。   As described above, after the growth of the InGaN layer (well layer) 15F, the GaN layer (barrier layer) 15B is replaced by a GaN layer that is a remaining barrier layer composed of the thin GaN layer (fourth layer) 15K and the GaN layer. (Fifth layer) 15L, the growth conditions are changed as described above, and the growth is performed in two stages, so that the emission wavelength is shorter than that in the case where the GaN layer (barrier layer) 15B is grown in one stage. The crystallinity of the InGaN layer serving as the quantum well layer can be greatly improved while suppressing the wavelength, and a special effect that a nitride-based compound semiconductor with high emission efficiency can be produced can be obtained. In this case, in order to produce a nitride-based compound semiconductor with higher luminous efficiency, after the GaN layer 15A is grown, the GaN layer 15K (fourth layer) as the barrier layer is subsequently grown. The growth temperature of the (fourth layer) is substantially the same as the growth temperature of the GaN layer 15A, and then the GaN layer 15L (fifth layer) of the remaining layer thickness of the designed thickness of the GaN layer 15B is further replaced with the remaining barrier. The growth temperature when growing as a layer preferably exceeds the growth temperature of the GaN layer 15K. If the growth temperature when the GaN layer 15L (fifth layer) is grown as the remaining barrier layer is higher than the growth temperature of the GaN layer 15K, a nitride-based compound semiconductor with even higher luminous efficiency is produced. This is preferable.

上述した、発光層15におけるバリア層の2段階成長方法は、発光層15の多重量子井戸層のすべてのGaN層15B〜15Eに適用してもよいし、多重量子井戸層のうち1つ以上の任意の量子井戸層、或いは単一量子井戸層のみの適用でもよい。また、本実施の形態の場合、井戸層上にあるGaNキャップ層16に適用しただけでも効果がある。   The two-stage growth method of the barrier layer in the light emitting layer 15 described above may be applied to all the GaN layers 15B to 15E of the multiple quantum well layer of the light emitting layer 15, or one or more of the multiple quantum well layers Any quantum well layer or only a single quantum well layer may be applied. Further, in the case of the present embodiment, it is effective even if it is applied to the GaN cap layer 16 on the well layer.

上記の場合、第2の層はInGaN層15F〜15Jに相当し、該第2の層の厚みが5Å以上90Å以下であると、量子井戸効果とInGaN再蒸発等に伴う窒化物系化合物半導体結晶へのInの取り込み量減少を抑制できる効果が大きくなり、発光効率が向上するので好ましい。   In the above case, the second layer corresponds to the InGaN layers 15F to 15J, and when the thickness of the second layer is 5 to 90 mm, the nitride-based compound semiconductor crystal associated with the quantum well effect and InGaN reevaporation or the like This is preferable because the effect of suppressing the decrease in the amount of In taken in is increased and the light emission efficiency is improved.

層厚の薄い層であるGaN層15Kと残りのバリア層であるGaN層15Lとは、In、Alの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、キャリア濃度が高くなり、さらに再蒸発などで層厚制御が困難になるため、In組成は通常50%以下、好ましくは10%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは通常50%以下、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは1%以下である。最も好ましくはGaNである。   The GaN layer 15K, which is a thin layer, and the GaN layer 15L, which is a remaining barrier layer, have a high mixed crystal ratio of In and Al. Since control of the layer thickness becomes difficult due to evaporation or the like, the In composition is usually 50% or less, preferably 10% or less, more preferably 1% or less. The Al composition is preferably 50% or less, preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and still more preferably 1% or less. Most preferred is GaN.

次いで、発光層15の上にノンドープGaNからなるGaNキャップ層16、AlGaN:MgからなるAlGaN:Mgキャップ層17と、GaN:Mgからなるp型コンタクト層18とを形成する。   Next, a GaN cap layer 16 made of non-doped GaN, an AlGaN: Mg cap layer 17 made of AlGaN: Mg, and a p-type contact layer 18 made of GaN: Mg are formed on the light emitting layer 15.

GaNキャップ層16は、耐熱性の低いInを含む発光層15の結晶性を劣化させないように通常発光層15と同じ比較的低い成長温度で形成するため、ドーピングを行わずとも結晶欠陥に由来すると考えられるn型の導電性を有する。成長温度は、通常500℃〜1000℃、好ましくは700℃〜900℃である。   Since the GaN cap layer 16 is formed at the same relatively low growth temperature as the normal light emitting layer 15 so as not to deteriorate the crystallinity of the light emitting layer 15 containing In having low heat resistance, it is derived from crystal defects without doping. It has n-type conductivity. The growth temperature is usually 500 ° C to 1000 ° C, preferably 700 ° C to 900 ° C.

GaNキャップ層16の層厚は、厚すぎると結晶性を損ない、また、ホールの注入効率が低下するので発光効率が低下し、薄すぎると耐熱保護機能が低下して発光層15が劣化するため、その層厚は、概ね3nm〜30nmの範囲内であるのが好ましい。この好ましい層厚の範囲は、GaNキャップ層16のAl組成、AlGaN:Mgキャップ層17の成長温度に依存し、GaNキャップ層16のAl組成が小さいほど十分な保護機能を発現させるためにその層厚を厚くする必要があり、AlGaN:Mgキャップ層17の成長温度が高くなるほど、発光層の高温による劣化を防ぐためにその層厚を厚くする必要がある。また、In、Alの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、In組成は好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下である。また、Al組成は好ましくは20%以下、より好ましくは5%以下、さらに好ましくは1%以下である。GaNキャップ層16はGaNに代えて他の化合物半導体を材料としたものに代えてもよいが、この材料はGaNであることが最も好ましい。   If the thickness of the GaN cap layer 16 is too thick, the crystallinity is impaired, and the hole injection efficiency is lowered, so that the light emission efficiency is lowered. If the thickness is too thin, the heat-resistant protective function is lowered and the light emitting layer 15 is deteriorated. The layer thickness is preferably in the range of approximately 3 nm to 30 nm. The preferable range of the layer thickness depends on the Al composition of the GaN cap layer 16 and the growth temperature of the AlGaN: Mg cap layer 17. The smaller the Al composition of the GaN cap layer 16, the more sufficient the protective function is expressed. It is necessary to increase the thickness, and as the growth temperature of the AlGaN: Mg cap layer 17 increases, it is necessary to increase the layer thickness in order to prevent deterioration of the light emitting layer due to high temperature. Further, when the mixed crystal ratio of In and Al is high, the crystal quality is deteriorated particularly at a low temperature, and the In composition is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. The Al composition is preferably 20% or less, more preferably 5% or less, and still more preferably 1% or less. The GaN cap layer 16 may be replaced with another compound semiconductor material instead of GaN, but this material is most preferably GaN.

AlGaN:Mgキャップ層17は、キャリア閉じ込めを有効にして発光特性向上をする観点から、発光層15に対して伝導帯におけるポテンシャル障壁を大きくできるように、Al組成を高くする方が良い。しかしAlGaN:Mgキャップ層17のAl組成が高すぎると結晶性を損ない、p型化あるいは低濃度のn型の実現が難しくなり、ホールの注入効率を損なう。したがってAlGaN:Mgキャップ層17のAl組成には好ましい範囲があり、概ね0.1%〜30%であるのが好ましく、1%〜15%であるのがより好ましい。   The AlGaN: Mg cap layer 17 preferably has a high Al composition so that the potential barrier in the conduction band can be increased with respect to the light emitting layer 15 from the viewpoint of improving the light emission characteristics by making carrier confinement effective. However, if the Al composition of the AlGaN: Mg cap layer 17 is too high, the crystallinity is impaired, and it becomes difficult to achieve p-type or low-concentration n-type, thereby impairing hole injection efficiency. Therefore, there is a preferable range for the Al composition of the AlGaN: Mg cap layer 17, generally 0.1% to 30%, more preferably 1% to 15%.

AlGaN:Mgキャップ層17の成長温度を低くするほど、結晶欠陥によりn型化しやすくなり、ホールの注入効率が低下するので、これを防止するためにAl組成を小さくして結晶性を良好に保つ必要がある。同様にp型ドーパント供給量を小さくするほど、n型化しやすくなりホールの注入効率が低下するので、これを防止するために、Al組成を小さくして結晶のn型化を抑制する必要がある。AlGaN:Mgキャップ層17の層厚が厚いほど格子不整合による歪の増大により結晶性低下のおそれがあるので、これを防止するためにAl組成を小さくする必要がある。   The lower the growth temperature of the AlGaN: Mg cap layer 17, the easier it is to become n-type due to crystal defects, and the hole injection efficiency is lowered. In order to prevent this, the Al composition is reduced to maintain good crystallinity. There is a need. Similarly, the smaller the supply amount of p-type dopant, the easier it is to make n-type and the hole injection efficiency decreases. Therefore, in order to prevent this, it is necessary to reduce the Al composition to suppress the n-type of the crystal. . As the thickness of the AlGaN: Mg cap layer 17 increases, the crystallinity may decrease due to an increase in strain due to lattice mismatch. Therefore, in order to prevent this, it is necessary to reduce the Al composition.

AlGaN:Mgキャップ層17の空間電荷密度は、p型の場合には、技術的に実現可能な範囲であればよく概ね1×1016cm-3以上とし、かつ1×1021cm-3以下とすることが望ましい。n型の場合には、ホールの注入効率を損なわないためにできるだけ小さい方が良く概ね1×1014cm-3以上とし、かつ1×1018cm-3以下とすることが望ましい。空間電荷密度の制御は、成長温度、II/III 比(p型ドーパントと3族原料の供給比、3族原料供給量を一定の場合はp型ドーパント供給量)、V/III 比(3族原料と5族原料の比)の制御により行うことができる。 In the case of p-type, the space charge density of the AlGaN: Mg cap layer 17 may be within a technically feasible range, and is approximately 1 × 10 16 cm −3 or more and 1 × 10 21 cm −3 or less. Is desirable. In the case of the n-type, it is preferable that it is as small as possible in order not to impair the hole injection efficiency, and it is preferably about 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less. Control of space charge density is controlled by growth temperature, II / III ratio (p-type dopant and group 3 source supply ratio, p-type dopant supply rate when group 3 source supply is constant), V / III ratio (group 3). The ratio of the raw material to the Group 5 raw material) can be controlled.

AlGaN:Mgキャップ層17の層厚は、n型の場合には、層厚が厚すぎると結晶性が低下しやすく、発光層15への注入効率が低下して発光効率を損なう場合があるため薄い方が良く、概ね5Å〜500Åであり、好ましくは50Å〜500Åである。p型の場合にも、注入効率の観点からn型の場合より範囲は広いが、層厚が厚すぎると結晶性を損なうので、概ね5Å〜30000Åであり、好ましくは50Å〜3000Åである   When the layer thickness of the AlGaN: Mg cap layer 17 is n-type, if the layer thickness is too thick, the crystallinity is likely to be lowered, and the injection efficiency into the light emitting layer 15 may be lowered to impair the light emitting efficiency. The thinner one is better, and the thickness is generally 5 to 500 mm, preferably 50 to 500 mm. Also in the case of the p-type, the range is wider than the case of the n-type from the viewpoint of the injection efficiency, but if the layer thickness is too thick, the crystallinity is impaired, so it is approximately 5 to 30000 mm, preferably 50 to 3000 mm.

次に、AlGaN:Mgキャップ層17の成長温度は、GaNキャップ層16の保護機能を保ち発光層15に害を与えないために発光層15の成長温度に近いほど良い。しかし、AlGaN:Mgキャップ層17の結晶性の向上、伝導性制御のためには高い成長温度の方が良い。したがって、AlGaN:Mgキャップ層17の成長温度には好ましい温度範囲がある。好ましい温度範囲は概ね700℃から1150℃である。   Next, the growth temperature of the AlGaN: Mg cap layer 17 is preferably as close as possible to the growth temperature of the light emitting layer 15 so that the protective function of the GaN cap layer 16 is maintained and the light emitting layer 15 is not harmed. However, a higher growth temperature is better for improving the crystallinity of the AlGaN: Mg cap layer 17 and controlling conductivity. Therefore, the growth temperature of the AlGaN: Mg cap layer 17 has a preferable temperature range. A preferred temperature range is approximately 700 ° C to 1150 ° C.

なお、p型ドーパント原料は反応炉に残留しやすく、p型ドーパント原料を用いた成長よりも後の成長で作製する発光層15の品質に悪影響を及ぼす場合があることが、所謂メモリー効果として知られている。したがって、p型ドーパントのメモリー効果の小さい反応炉の設計や、p型ドーパント原料を使用する炉と、主に発光層15までを成長するためのp型ドーパント原料を使用しない炉とを分けた、複数の炉を利用した結晶成長を行なうことが有効である。GaNキャップ層16は発光層15の次に成長する保護層であるから、p型ドーパント原料を使用しない炉で成長するのが好ましい。   It is known as the so-called memory effect that the p-type dopant material tends to remain in the reactor and may adversely affect the quality of the light-emitting layer 15 produced by growth after the growth using the p-type dopant material. It has been. Therefore, the reactor design with a small p-type dopant memory effect, the furnace using the p-type dopant raw material, and the furnace not using the p-type dopant raw material for mainly growing up to the light emitting layer 15 were separated. It is effective to perform crystal growth using a plurality of furnaces. Since the GaN cap layer 16 is a protective layer grown next to the light emitting layer 15, it is preferably grown in a furnace that does not use a p-type dopant material.

メモリー効果によって引き起こされるこれらの不具合を回避するため、p型ドーパント原料を使用する反応炉と、p型ドーパント原料を使用しない反応炉との2つを利用して、図1に示す如き発光素子構造のエピタキシャル基板を成長させる方法、所謂再成長法を用いることができる。   In order to avoid these problems caused by the memory effect, a light emitting device structure as shown in FIG. 1 is utilized by using a reaction furnace using a p-type dopant material and a reaction furnace not using a p-type dopant material. A method of growing the epitaxial substrate, a so-called regrowth method can be used.

具体的に説明すると、図1に示す層構造の化合物半導体エピタキシャル基板1を製造する場合、GaNキャップ層16を成長した後で、一旦基板を反応炉から取り出し、AlGaN:Mgキャップ層17以降の成長をp型ドーパント原料を使用する別の反応炉で成長することによりメモリー効果を回避し、安定して特性のよいエピタキシャル基板を作製することができる。   More specifically, when the compound semiconductor epitaxial substrate 1 having the layer structure shown in FIG. 1 is manufactured, after the GaN cap layer 16 is grown, the substrate is once taken out from the reaction furnace and grown after the AlGaN: Mg cap layer 17. Can be grown in a separate reactor using a p-type dopant material to avoid the memory effect and to stably produce an epitaxial substrate with good characteristics.

p型コンタクト層18は、発光素子の動作電圧を上昇させないために、その空間電荷密度を、5×1015cm-3以上のp型とすることが好ましい。より好ましくは、1×1016〜5×1019cm-3である。このようなp型コンタクト層は、成長温度800℃〜1100℃でのIna Gab Alc N(ただし、a+b+c=1、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1)結晶成長時にドーパント用原料ガスを適当量混入させて結晶成長した後、熱処理をする等の公知方法により容易に得られる。 The p-type contact layer 18 is preferably p-type having a space charge density of 5 × 10 15 cm −3 or more so as not to increase the operating voltage of the light emitting element. More preferably, it is 1 * 10 < 16 > -5 * 10 < 19 > cm < -3 >. Such a p-type contact layer is made of In a Ga b Al c N at a growth temperature of 800 ° C. to 1100 ° C. (where a + b + c = 1, 0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1). It can be easily obtained by a known method such as heat treatment after crystal growth by mixing an appropriate amount of dopant source gas during crystal growth.

p型コンタクト層18は、Alの混晶比が高いと接触抵抗が高くなる傾向にあるので、Al組成は通常5%以下、好ましくは1%以下である。より好ましくはInGaN、GaN、最も好ましくはGaNである。   Since the p-type contact layer 18 tends to have high contact resistance when the mixed crystal ratio of Al is high, the Al composition is usually 5% or less, preferably 1% or less. More preferred is InGaN, GaN, and most preferred is GaN.

また、p型コンタクト層8は多層膜としてもよい。この場合は、組成の異なるIna Gab Alc N(ただし、a+b+c=1、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1)の積層構造とすることができる。しかし、電極との接触抵抗を低減するため、電極に接する層は空間電荷密度を高める方がよく、InGaNあるいはGaNであることが好ましい。ここで、p型コンタクト層8の膜厚は、薄すぎると良好な接触抵抗が得られないので通常60nm以上とする。好ましくは、300nm、より好ましくは400nm、さらに好ましくは500nm以上、最も好ましくは600nm以上である。p型コンタクト層8の膜厚を厚くすることにより、静電耐圧が一層向上する。なお膜厚が500nm以上である場合は、光出力も一層向上するので、p型コンタクト層8の合計膜厚を500nm以上とすることにより、光出力、静電耐圧ともに一層優れた発光素子を提供することができる。一方、p型コンタクト層8の膜厚が厚すぎると、基板の反りを生じたり、製造時間が長くなるなどの問題を生じるため、好ましくは3μm以下である。 The p-type contact layer 8 may be a multilayer film. In this case, a laminated structure of In a Ga b Al c N (a + b + c = 1, 0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1) having different compositions can be obtained. However, in order to reduce the contact resistance with the electrode, the layer in contact with the electrode should have a higher space charge density, and is preferably InGaN or GaN. Here, if the film thickness of the p-type contact layer 8 is too thin, good contact resistance cannot be obtained. Preferably, it is 300 nm, more preferably 400 nm, still more preferably 500 nm or more, and most preferably 600 nm or more. By increasing the thickness of the p-type contact layer 8, the electrostatic withstand voltage is further improved. When the film thickness is 500 nm or more, the light output is further improved. Therefore, by providing the total film thickness of the p-type contact layer 8 to 500 nm or more, a light emitting device with further excellent light output and electrostatic withstand voltage is provided. can do. On the other hand, if the thickness of the p-type contact layer 8 is too thick, problems such as warping of the substrate and an increase in manufacturing time occur. Therefore, the thickness is preferably 3 μm or less.

図3は、本発明の方法によって製作された、図1に示す発光素子用の化合物半導体エピタキシャル基板1を用いて作製された化合物半導体発光素子チップの断面を模式的に示す模式的断面図である。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of a compound semiconductor light emitting element chip manufactured by using the compound semiconductor epitaxial substrate 1 for a light emitting element shown in FIG. 1 manufactured by the method of the present invention. .

図3を参照して、化合物半導体エピタキシャル基板1を用いて化合物半導体発光素子チップを作製する工程について説明する。先ず、図1に示す層構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板1を用意し、化合物半導体エピタキシャル基板1のp型コンタクト層18上にp電極19を形成する。この電極形成工程は、成長後の化合物半導体エピタキシャル基板1の表面に、必要に応じて洗浄を行い、Ni/Au、Ni/Au/Pt、Ni/ITO、Au粒子/Pt等からなるオーミックp電極19、または必要に応じてTi/Al、Al、V/Al、ITO、ZnO等からなるオーミックn+ 電極(図示せず)をp型コンタクト層18上に形成することにより行う。 With reference to FIG. 3, the process of producing a compound semiconductor light emitting element chip using the compound semiconductor epitaxial substrate 1 will be described. First, the compound semiconductor epitaxial substrate 1 having the layer structure shown in FIG. 1 is prepared, and the p-electrode 19 is formed on the p-type contact layer 18 of the compound semiconductor epitaxial substrate 1. In this electrode forming step, the surface of the grown compound semiconductor epitaxial substrate 1 is cleaned as necessary, and an ohmic p electrode made of Ni / Au, Ni / Au / Pt, Ni / ITO, Au particles / Pt, or the like is used. 19 or, if necessary, an ohmic n + electrode (not shown) made of Ti / Al, Al, V / Al, ITO, ZnO or the like is formed on the p-type contact layer 18.

次に、ドライエッチング等により、化合物半導体エピタキシャル基板1の下層にあるn型GaNからなるn型コンタクト層13を露出するメサ加工を行い、これにより露出したn型コンタクト層13の上に、Ti/Al、Al、V/Al、ITO、ZnO等からなるオーミックn電極20を形成する。n電極20は、先の工程で設けたp電極19に対応して設けられる。   Next, mesa processing is performed to expose n-type contact layer 13 made of n-type GaN in the lower layer of compound semiconductor epitaxial substrate 1 by dry etching or the like, and Ti / An ohmic n electrode 20 made of Al, Al, V / Al, ITO, ZnO or the like is formed. The n electrode 20 is provided corresponding to the p electrode 19 provided in the previous step.

これらの電極形成工程が終了した化合物半導体エピタキシャル基板1は、必要に応じて、素子分離工程、基板剥離工程、テープ貼着・剥離工程、スクライブ・ブレーキング工程、ダイシング工程等を経てカットされ、これにより1枚のエピタキシャル基板から多数の化合物半導体発光素子チップが得られる。図3に示されているのはそのうちの1つの化合物半導体発光素子チップである。   The compound semiconductor epitaxial substrate 1 in which these electrode forming processes are completed is cut through an element isolation process, a substrate peeling process, a tape sticking / peeling process, a scribe / braking process, a dicing process, and the like as necessary. Thus, a large number of compound semiconductor light emitting device chips can be obtained from one epitaxial substrate. FIG. 3 shows one of the compound semiconductor light emitting device chips.

このようにして得られた化合物半導体発光素子チップは、パッケージングされて、化合物半導体発光素子が得られる。この化合物半導体発光素子は、図2を参照して詳しく説明したように、発光井戸層の製作工程において、高結晶品質を保ちながら短波長化を抑えることができるので、特に波長の長い発光周波数を有した高輝度の化合物半導体発光素子が再現性よく得られる。したがって、高品質の化合物半導体発光素子を歩留りよく製造することができる。   The compound semiconductor light emitting device chip thus obtained is packaged to obtain a compound semiconductor light emitting device. As described in detail with reference to FIG. 2, this compound semiconductor light-emitting device can suppress the shortening of the wavelength while maintaining high crystal quality in the manufacturing process of the light-emitting well layer. The high-brightness compound semiconductor light-emitting element possessed can be obtained with good reproducibility. Therefore, a high quality compound semiconductor light emitting device can be manufactured with a high yield.

以下、本発明を一実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。なお、本発明の実施例の説明に先立って、従来技術に基づく複数の比較例について先ず説明する。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on one Example, this invention is not limited to the Example described below. Prior to the description of the embodiments of the present invention, a plurality of comparative examples based on the prior art will be described first.

(比較例1)
MOVPE法を用いた結晶成長による成膜を行って、サファイア(0001)基板上に図4に示した層構造の発光素子を下記の手順に従って作成した。図4に示す各部のうち、図3の各部に対応する部分には同一の符号が付されている。先ず、成長炉内の圧力を1気圧とし、キャリアガスとして水素を用い、原料としてアンモニア、TMG、シランを用い、485℃で低温GaNバッファ層12としてのGaN層を約50nm成長した後、1040℃でSiをドープしたn型のGaNを約4μm成長してn型コンタクト層13を形成し、次いでノンドープのGaNを0.3μm成長して窒化物系化合物半導体層4を形成した。
(Comparative Example 1)
Film formation by crystal growth using the MOVPE method was performed, and a light-emitting element having a layer structure shown in FIG. 4 was formed on a sapphire (0001) substrate according to the following procedure. Among the parts shown in FIG. 4, parts corresponding to the parts in FIG. 3 are given the same reference numerals. First, the pressure in the growth furnace is set to 1 atm, hydrogen is used as a carrier gas, ammonia, TMG, and silane are used as raw materials, and a GaN layer as a low-temperature GaN buffer layer 12 is grown by about 50 nm at 485 ° C. Then, n-type GaN doped with Si was grown to about 4 μm to form an n-type contact layer 13, and then non-doped GaN was grown to 0.3 μm to form a nitride-based compound semiconductor layer 4.

次いで、成長炉内温度を725℃に降温し、成長炉内の圧力を1/ 2気圧とし、キャリアガスを窒素として、TEG、アンモニア、シランをそれぞれ610sccm、40slm、10sccm供給して、Siをドープした15nmのGaN層を成長しバリア層としてのGaN層15Aを形成した。次いで3族原料を供給せずに3分間の保持後、引き続いてTEG、TMI、アンモニアをそれぞれ、610sccm、1160sccm、40slm供給して、井戸層としての3nmのInGaN層15Fを成長した。その後3族原料を供給せずに5分間の保持を行った。さらにTEG、アンモニアをそれぞれ610sccm、40slm供給して、ノンドープのGaNを18nm成長し、キャップ層としてのGaNキャップ層16を形成し、基板を成長炉から取り出した。   Next, the temperature in the growth furnace is lowered to 725 ° C., the pressure in the growth furnace is set to 1/2 atm, the carrier gas is nitrogen, TEG, ammonia, and silane are supplied at 610 sccm, 40 slm, and 10 sccm, respectively, and Si is doped. The 15 nm GaN layer was grown to form a GaN layer 15A as a barrier layer. Next, after holding for 3 minutes without supplying the Group 3 material, 610 sccm, 1160 sccm, and 40 slm were successively supplied to TEG, TMI, and ammonia, respectively, to grow a 3 nm InGaN layer 15 F as a well layer. Thereafter, holding was performed for 5 minutes without supplying the Group 3 raw material. Further, TEG and ammonia were supplied at 610 sccm and 40 slm, respectively, to grow 18 nm of non-doped GaN to form a GaN cap layer 16 as a cap layer, and the substrate was taken out of the growth furnace.

次に、この基板を別の成長炉にセットし、成長炉内の圧力を1気圧とし、キャリアガスとして窒素として、アンモニア、TEG、TMAをそれぞれ6.6slm、TEGを120sccm、7.2sccm供給し、Mg原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2 Mg)を400sccm供給して、成長温度800℃で、AlGaN:Mgキャップ層17としてのn型Al0.05Ga0.95N層:Mg層(AlGaN:Mg層)を25nm成長した。その後、1040℃に昇温し、キャリアガスとして水素を用い、アンモニア、TMG、EtCp2 Mgをそれぞれ7.5slm、40sccm、800sccm供給して、p型コンタクト層18としてGaN:Mg層を150nm成長させ、これにより化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を得、これを成長炉から取り出した。 Next, this substrate is set in another growth furnace, the pressure in the growth furnace is set to 1 atm, nitrogen as a carrier gas, ammonia, TEG and TMA are supplied at 6.6 slm, and TEG is supplied at 120 sccm and 7.2 sccm, respectively. Then, 400 sccm of bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp 2 Mg) is supplied as an Mg raw material and grown at 800 ° C., and an n-type Al 0.05 Ga 0.95 N layer: Mg layer (AlGaN: AlGaN: Mg cap layer 17). Mg layer) was grown to 25 nm. Thereafter, the temperature is raised to 1040 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia, TMG, and EtCp 2 Mg are supplied at 7.5 slm, 40 sccm, and 800 sccm, respectively, and a GaN: Mg layer is grown as a p-type contact layer 18 by 150 nm. Thus, an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device was obtained, and this was taken out from the growth furnace.

成長後の3−5族窒化物半導体を、N2 の雰囲気下800℃で20分の熱処理を行い、その最上層を約1×1019cm-3の空間電荷濃度を有する低抵抗のp型コンタクト層18にした。 The grown group 3-5 nitride semiconductor is heat-treated at 800 ° C. for 20 minutes in an N 2 atmosphere, and its uppermost layer has a low resistance p-type having a space charge concentration of about 1 × 10 19 cm −3. The contact layer 18 was formed.

次に、上述のごとくして得られた窒化物半導体エピタキシャル基板の表面にオーミックp電極19を形成するために、該基板表面の洗浄を、アセトン溶液による超音波洗浄、硫酸と過酸化水素水の混合溶液、超純水による超音波洗浄の順序で行った。この基板表面上にレジスト塗布、レジストベーキング、パターン露光、パターン現像を順次行った後、オーミックp電極となるNiAu電極を形成するために、真空蒸着装置にてNiを15nm、引き続きAuを30nm蒸着した。次に、リフトオフ法により、NiAu電極パターンを形成し、オーミックp電極19を形成した。パターン形成後、残存するレジストを剥離した。   Next, in order to form the ohmic p-electrode 19 on the surface of the nitride semiconductor epitaxial substrate obtained as described above, the substrate surface is cleaned by ultrasonic cleaning with an acetone solution, sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. This was performed in the order of ultrasonic cleaning with the mixed solution and ultrapure water. After the resist coating, resist baking, pattern exposure, and pattern development were sequentially performed on the surface of the substrate, Ni was deposited to a thickness of 15 nm and then Au was deposited to a thickness of 30 nm in a vacuum deposition apparatus in order to form an NiAu electrode serving as an ohmic p electrode. . Next, a NiAu electrode pattern was formed by a lift-off method, and an ohmic p-electrode 19 was formed. After the pattern formation, the remaining resist was peeled off.

次に、n型コンタクト層13上にオーミックn電極20を形成するため、n型コンタクト層13の露出領域のパターニングを行った。具体的には、基板の表面上にレジスト塗布、レジストベーキング、パターン露光、パターン現像を順次行い、n型コンタクト層13の露出領域のパターニングを行った。次にドライエッチングによって、n型コンタクト層13が露出する深さまで、基板上のエピタキシャル結晶をエッチングし、n型コンタクト層13の表面を露出(メサ形状)した。ドライエッチング終了後、余分のマスクを有機溶剤で除去した。次に、露出したn型コンタクト層13の表面上に、オーミックn電極20となるAl電極を形成するために、この表面上にレジスト塗布、レジストベーキング、パターン露光、パターン現像を順次行った後、真空蒸着装置にてAlを100nm蒸着した。次に、リフトオフ法により、Al電極パターンを形成しオーミックn電極20を形成した。   Next, in order to form the ohmic n electrode 20 on the n-type contact layer 13, the exposed region of the n-type contact layer 13 was patterned. Specifically, resist coating, resist baking, pattern exposure, and pattern development were sequentially performed on the surface of the substrate, and the exposed region of the n-type contact layer 13 was patterned. Next, the epitaxial crystal on the substrate was etched to a depth at which the n-type contact layer 13 was exposed by dry etching, and the surface of the n-type contact layer 13 was exposed (mesa shape). After the dry etching was completed, the excess mask was removed with an organic solvent. Next, in order to form an Al electrode to be the ohmic n electrode 20 on the exposed surface of the n-type contact layer 13, resist coating, resist baking, pattern exposure, and pattern development are sequentially performed on the surface. Al was deposited with a thickness of 100 nm using a vacuum deposition apparatus. Next, an Al electrode pattern was formed by a lift-off method to form an ohmic n electrode 20.

この発光素子を20mAで駆動させたところ、青色発光を示した。発光波長は484nmであった。光出力を測定し、この比較例1の光出力値を1とした。   When this light emitting device was driven at 20 mA, blue light was emitted. The emission wavelength was 484 nm. The light output was measured, and the light output value of Comparative Example 1 was set to 1.

(比較例2)
InGaN層15Fの層厚を3nmとし、GaNキャップ層16として18nmのノンドープGaNを774℃で成長したこと以外は、比較例1と同様にして、発光素子を作製した。この発光素子を20mAで駆動させたところ、発光波長は386nmと比較例1に対して短波長側に98nmシフトしており、光出力は比較例1の光出力値以下であった。
(Comparative Example 2)
A light emitting device was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the thickness of the InGaN layer 15F was 3 nm and 18 nm of non-doped GaN was grown at 774 ° C. as the GaN cap layer 16. When this light-emitting element was driven at 20 mA, the emission wavelength was 386 nm, which was shifted to the short wavelength side by 98 nm with respect to Comparative Example 1, and the light output was not more than the light output value of Comparative Example 1.

(比較例3)
GaNキャップ層16として、ノンドープGaNを774℃で18nm成長して形成したこと以外は、比較例1と同様にして、発光素子を作製した。この発光素子を20mAで駆動させたところ、発光波長は435nmと比較例1に対して短波長側に49nmシフトした。発光出力値については比較例1と同等であった。
(Comparative Example 3)
A light emitting device was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the GaN cap layer 16 was formed by growing 18 nm of non-doped GaN at 774 ° C. When this light emitting device was driven at 20 mA, the emission wavelength was 435 nm, which was 49 nm shifted from the comparative example 1 to the short wavelength side. The light emission output value was equivalent to that of Comparative Example 1.

(実施例1)
比較例1と同様にして、サファイア(0001)基板上に、低温GaNバッファ層12を約50nm成長した後、1040℃でSiをドープしたn型のGaNを約4μm、n型コンタクト層12として成長し、さらに、ノンドープのGaNを0.3μm成長して窒化物系半導体層4を形成した。
Example 1
Similarly to Comparative Example 1, a low-temperature GaN buffer layer 12 is grown on a sapphire (0001) substrate by about 50 nm, and then n-type GaN doped with Si at 1040 ° C. is grown as an n-type contact layer 12. Further, a nitride-based semiconductor layer 4 was formed by growing non-doped GaN by 0.3 μm.

次いで、成長炉内の温度を725℃に降温し、成長炉内の圧力を1/ 2気圧とし、キャリアガスを窒素として、TEG、アンモニア、シランをそれぞれ610sccm、40slm、10sccm、供給して、Siをドープした15nmのGaN層15をバリア層として成長し、次いで3族原料を供給せずに3分間の保持後、引き続いてTEG、TMI、アンモニアをそれぞれ610sccm、1160sccm、40slm供給して、3nmのInGaN層15Fを井戸層として成長した。さらに、設計層厚18nmの井戸層キャップバリア層としてGaNキャップ層16を次のようにして2段階成長させて形成した。先ず、TEG、アンモニアをそれぞれ610sccm、40slm供給してノンドープのGaNを初期層として1nm成長し、続けて成長炉内の温度を774℃に昇温し、3族原料を供給せずに5分の保持を行った。次いで、TEG、アンモニアをそれぞれ610sccm、40slm供給して、残りの17nmのGaNキャップ層としてノンドープのGaNを後続層として17nm成長し、これにより18nmの層厚のGaNキャップ層16を形成し、基板を成長炉から取り出した。   Next, the temperature in the growth furnace is lowered to 725 ° C., the pressure in the growth furnace is ½ atm, the carrier gas is nitrogen, and TEG, ammonia, and silane are supplied at 610 sccm, 40 slm, and 10 sccm, respectively. After growing for 15 minutes without supplying a Group 3 source material, TEG, TMI, and ammonia were successively supplied at 610 sccm, 1160 sccm, and 40 slm, respectively. The InGaN layer 15F was grown as a well layer. Further, a GaN cap layer 16 was formed by growing in two steps as follows as a well layer cap barrier layer having a design layer thickness of 18 nm. First, TEG and ammonia are supplied at 610 sccm and 40 slm, respectively, to grow 1 nm as an initial layer of non-doped GaN, and then the temperature in the growth furnace is increased to 774 ° C. for 5 minutes without supplying the Group 3 material. Retention was performed. Next, 610 sccm and 40 slm of TEG and ammonia are respectively supplied, and non-doped GaN is grown as a subsequent layer by 17 nm as the remaining 17 nm GaN cap layer, thereby forming a GaN cap layer 16 having a layer thickness of 18 nm. Removed from the growth furnace.

次に、比較例1と同様にして、この基板を別の成長炉にセットし、800℃で、AlGaN:Mgキャップ層17としてn型AlGaN:Mg層を25nm成長した後、1040℃で、p型コンタクト層18としてGaN:Mg層を150nm成長させ、これにより発光素子用の化合物半導体エピタキシャル基板とし、これを成長炉から取り出した。   Next, in the same manner as in Comparative Example 1, this substrate was set in another growth furnace, and an n-type AlGaN: Mg layer was grown as an AlGaN: Mg cap layer 17 by 25 nm at 800 ° C. A GaN: Mg layer was grown to 150 nm as the mold contact layer 18 to obtain a compound semiconductor epitaxial substrate for a light emitting device, which was taken out from the growth furnace.

さらに比較例1と同様にして、オーミックp電極19及び、オーミックn電極20を作製し、発光素子を得た。   Furthermore, the ohmic p electrode 19 and the ohmic n electrode 20 were produced like the comparative example 1, and the light emitting element was obtained.

この発光素子を20mAで駆動させたところ、明瞭な青色発光を示した。発光波長は472nmであり、比較例1の場合に対して短波長側に12nmシフトしており、比較例2、3より短波長化を抑制できた。実施例1の光出力値は、比較例1に対して5.5倍で実用に耐える程度に高い発光特性であった。   When this light emitting device was driven at 20 mA, clear blue light emission was exhibited. The emission wavelength is 472 nm, which is 12 nm shifted to the short wavelength side with respect to the case of Comparative Example 1, and a shorter wavelength can be suppressed than in Comparative Examples 2 and 3. The light output value of Example 1 was 5.5 times that of Comparative Example 1, and the light emission characteristics were high enough to withstand practical use.

(実施例2)
GaNキャップ層16を2段階成長させる場合に、第1段階目(初期層形成段階)のノンドープのGaNの1nm成長後の保持温度を、855℃に昇温したこと以外は、実施例1と同様にして、発光素子を作製した。
(Example 2)
In the case where the GaN cap layer 16 is grown in two stages, it is the same as in Example 1 except that the holding temperature after 1 nm growth of non-doped GaN in the first stage (initial layer formation stage) is raised to 855 ° C. Thus, a light emitting element was manufactured.

この発光素子を20mAで駆動させたところ、明瞭な青色発光を示した。発光波長は454nmと比較例1に対して短波長側に30nmシフトしており、比較例2、3より短波長化を抑制できた。光出力値は、比較例1に対して2.9倍で実用に耐える程度に高い発光特性であった。   When this light emitting device was driven at 20 mA, clear blue light emission was exhibited. The emission wavelength is 454 nm, which is shifted to the short wavelength side by 30 nm with respect to Comparative Example 1, and the shorter wavelength can be suppressed than Comparative Examples 2 and 3. The light output value was 2.9 times that of Comparative Example 1, and the light emission characteristic was high enough to withstand practical use.

(比較例4)
GaNキャップ層16を2段階成長させる場合に、第1段階目のノンドープのGaNを1nm成長後の保持温度を、699℃に昇温したこと以外は、実施例1と同様にして、発光素子を作製した。
(Comparative Example 4)
When the GaN cap layer 16 was grown in two stages, the light emitting device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the holding temperature after growing the first stage non-doped GaN to 1 nm was increased to 699 ° C. Produced.

この発光素子を20mAで駆動させたところ、青色発光を示した。発光波長は484nmであり、光出力値は比較例1の光出力値以下であった。   When this light emitting device was driven at 20 mA, blue light was emitted. The emission wavelength was 484 nm, and the light output value was not more than the light output value of Comparative Example 1.

(実施例3)
MOVPE法を用いた結晶成長による成膜を行って、サファイア(0001)基板上に多重量子井戸構造を有する図3の層構造の発光素子を作成した。詳しい手順は下記の通りである。
(Example 3)
Film formation by crystal growth using the MOVPE method was performed, and the light-emitting element having the layer structure of FIG. 3 having a multiple quantum well structure on a sapphire (0001) substrate was produced. The detailed procedure is as follows.

先ず、成長炉内の圧力を1気圧とし、キャリアガスとして水素を用い、原料としてアンモニア、TMG、シランを用い、485℃で低温GaNバッファ層12としてのGaNを約50nm成長した後、1040℃でSiをドープしたn型のGaNを約4μm成長してn型コンタクト層13を形成し、次いでノンドープのGaNを0.3μm成長して窒化物系化合物半導体層4を形成した。   First, the pressure in the growth furnace is set to 1 atm, hydrogen is used as a carrier gas, ammonia, TMG, and silane are used as raw materials, and GaN as a low-temperature GaN buffer layer 12 is grown at about 485 ° C. by about 50 nm, and then at 1040 ° C. N-type GaN doped with Si was grown to about 4 μm to form an n-type contact layer 13, and then non-doped GaN was grown to 0.3 μm to form a nitride compound semiconductor layer 4.

次いで、成長炉内温度を725℃に降温し、成長炉内の圧力を1/ 2気圧とし、キャリアガスを窒素として、TEG、アンモニア、シランをそれぞれ610sccm、40slm、10sccm供給して、Siをドープした15nmのGaN層を成長しバリア層としてGaN層15Aを形成した。次いで3族原料を供給せずに3分間の保持後、引き続いてTEG、TMI、アンモニアをそれぞれ610sccm、1160sccm、40slm供給して、井戸層としての3nmのInGaN層15Fを成長した。次いで3族原料を供給せずに5分間の保持を行った。この15nm厚のSiドープGaNバリア層と3nm厚のInGaN井戸層とを成長させる操作をさらに4回繰り返し、残りのGaN層15B〜15E及びInGaN層15G〜15Jを同様にして形成し、これにより発光層15を形成した。   Next, the temperature in the growth furnace is lowered to 725 ° C., the pressure in the growth furnace is set to 1/2 atm, the carrier gas is nitrogen, TEG, ammonia, and silane are supplied at 610 sccm, 40 slm, and 10 sccm, respectively, and Si is doped. The 15 nm GaN layer was grown to form a GaN layer 15A as a barrier layer. Next, after holding for 3 minutes without supplying the Group 3 material, 610 sccm, 1160 sccm, and 40 slm were successively supplied to TEG, TMI, and ammonia, respectively, to grow a 3 nm InGaN layer 15 F as a well layer. Next, holding was performed for 5 minutes without supplying the Group 3 raw material. The operation of growing the 15 nm thick Si-doped GaN barrier layer and the 3 nm thick InGaN well layer is repeated four more times to form the remaining GaN layers 15B to 15E and InGaN layers 15G to 15J in the same manner, thereby emitting light. Layer 15 was formed.

次に、GaNキャップ層16を2段階成長して形成するため、先ず、TEG、アンモニアをそれぞれ610sccm、40slm供給して、ノンドープのGaNを1nm成長し、GaNキャップ層16の初期層を形成した。該初期層の形成後、続けて755℃に昇温し、3族原料を供給せずに5分の保持を行った。引き続き、TEG、アンモニアをそれぞれ610sccm、40slm供給して、残りのGaNキャップ層である後続層としてノンドープのGaNを17nm成長し、これにより設計層厚18nmのGaNキャップ層16を形成した。しかる後、基板を成長炉から取り出した。このようにして、井戸層を5回繰返し形成した。   Next, in order to form the GaN cap layer 16 by growing in two stages, first, TEG and ammonia were supplied at 610 sccm and 40 slm, respectively, and 1 nm of non-doped GaN was grown to form an initial layer of the GaN cap layer 16. After the formation of the initial layer, the temperature was continuously raised to 755 ° C., and holding was performed for 5 minutes without supplying the Group 3 raw material. Subsequently, TEG and ammonia were supplied at 610 sccm and 40 slm, respectively, and non-doped GaN was grown to 17 nm as a subsequent layer, which was the remaining GaN cap layer, thereby forming a GaN cap layer 16 having a design layer thickness of 18 nm. Thereafter, the substrate was taken out of the growth furnace. In this way, the well layer was repeatedly formed 5 times.

次に、比較例1と同様にして、この基板を別の成長炉にセットし、800℃で、AlGaN:Mgキャップ層17としてのn型AlGaN:Mg層を25nm成長した後、1040℃で、p型コンタクト層18としてGaN:Mg層を150nm成長させ、これにより化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を得、これを成長炉から取り出した。   Next, in the same manner as in Comparative Example 1, this substrate was set in another growth furnace, and after growing an n-type AlGaN: Mg layer as an AlGaN: Mg cap layer 17 by 25 nm at 800 ° C., at 1040 ° C., A GaN: Mg layer was grown to 150 nm as the p-type contact layer 18 to obtain an epitaxial substrate for a compound semiconductor light emitting device, which was taken out from the growth furnace.

さらに比較例1と同様にして、オーミックp電極19及び、オーミックn電極20を形成し、発光素子を得た。   Further, in the same manner as in Comparative Example 1, an ohmic p electrode 19 and an ohmic n electrode 20 were formed to obtain a light emitting device.

この発光素子を、20mAで駆動させたところ、明瞭な青色発光を示した。発光波長463nmと比較例1に対して短波長側に21nmシフトし、比較例2、3より短波長化を抑制できた。光出力値は、比較例1に対して5倍で、実用に耐える程度に高い発光特性であった。   When this light emitting device was driven at 20 mA, clear blue light emission was exhibited. The emission wavelength was 463 nm and the wavelength was shifted by 21 nm to the short wavelength side with respect to Comparative Example 1, and the shorter wavelength than Comparative Examples 2 and 3 was suppressed. The light output value was 5 times that of Comparative Example 1, and the light emission characteristic was high enough to withstand practical use.

本発明の方法により製造された化合物半導体エピタキシャル基板の層構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the layer structure of the compound semiconductor epitaxial substrate manufactured by the method of this invention. 図1に示すInGaN層とGaN層との、本発明による形成方法を説明するための図。The figure for demonstrating the formation method by this invention of the InGaN layer and GaN layer which are shown in FIG. 図1に示す発光素子用の化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製された化合物半導体発光素子チップの断面を模式的に示す模式的断面図。The typical sectional view showing typically the section of the compound semiconductor light emitting element chip produced using the compound semiconductor epitaxial substrate for light emitting elements shown in FIG. 本発明による発光素子の一実施例の模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a light emitting device according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 化合物半導体エピタキシャル基板
11 サファイア基板
12 低温バッファ層
13 n型コンタクト層
14 窒化物系化合物半導体層
15 発光層
15A〜15E GaN層
15F〜15J InGaN層
15K 層厚の薄いバリア層
15L 残るバリア層
16 GaNキャップ層
17 AlGaN:Mgキャップ層
18 p型コンタクト層
19 n電極
20 p電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compound semiconductor epitaxial substrate 11 Sapphire substrate 12 Low-temperature buffer layer 13 N-type contact layer 14 Nitride type compound semiconductor layer 15 Light emitting layer 15A-15E GaN layer 15F-15J InGaN layer 15K Thin barrier layer 15L Remaining barrier layer 16 GaN Cap layer 17 AlGaN: Mg cap layer 18 p-type contact layer 19 n-electrode 20 p-electrode

Claims (8)

一般式Ina Gab Alc N(ただし、0≦a<1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表わされる第1の層と、該第1の層よりバンドギャップが小さく一般式Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z<1、x+y+z=1)で表わされる第2の層と、該第2の層よりバンドギャップが大きく一般式Ins Gat Alu N(ただし、0≦s<1、0≦t≦1、0≦u≦1、s+t+u=1)で表わされる第3の層とがこの順に接してなる構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、
前記第2の層の上に前記第3の層を所要の層厚に成長する場合に、先ず前記所要の層厚よりも薄い第4の層を前記第2の層の上に成長した後に、該第4の層の成長に続けて第5の層を残りの層厚分だけ成長するようにしたことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
A first layer represented by the general formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1), and a band from the first layer A second layer having a small gap and a general formula In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1, x + y + z = 1), generally larger band gap than the layer type in s Ga t Al u N (However, 0 ≦ s <1,0 ≦ t ≦ 1,0 ≦ u ≦ 1, s + t + u = 1) and the third layer represented by this In the method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate having a structure in contact with each other,
When the third layer is grown on the second layer to a required layer thickness, a fourth layer that is thinner than the required layer thickness is first grown on the second layer. A method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate, wherein the fifth layer is grown by the remaining layer thickness following the growth of the fourth layer.
前記第2の層の層厚が5Å以上90Å以下である請求項1記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   The method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein the second layer has a thickness of 5 to 90 mm. 前記第2の層が発光する層である請求項1又は2に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   The method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein the second layer is a light emitting layer. 前記第3の層の成長履歴において、前記第4の層の成長温度を超える温度履歴を有する請求項1、2又は3に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   4. The method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein the growth history of the third layer has a temperature history exceeding the growth temperature of the fourth layer. 前記第4の層の層厚が3Å以上50Å以下である請求項1、2、3又は4に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   5. The method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein a thickness of the fourth layer is 3 to 50 mm. 前記第4の層の成長温度が前記第2の層の成長温度と同じである請求項1、2、3、4又は5に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   6. The method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein a growth temperature of the fourth layer is the same as a growth temperature of the second layer. 前記化合物半導体エピタキシャル基板が、n型窒化物系化合物半導体層、発光層としての窒化物系化合物半導体層、及びp型窒化物系化合物半導体層をこの順で有するダブルへテロ構造の窒化物系化合物半導体を含んでいる化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板である請求項1、2、3、4、5又は6に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   The compound semiconductor epitaxial substrate has an n-type nitride-based compound semiconductor layer, a nitride-based compound semiconductor layer as a light emitting layer, and a p-type nitride-based compound semiconductor layer in this order. The method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein the compound semiconductor epitaxial substrate comprises a semiconductor. 請求項1〜8いずれかに記載の方法で作製された化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製されたことを特徴とする化合物半導体発光素子。   A compound semiconductor light-emitting device manufactured using the compound semiconductor epitaxial substrate manufactured by the method according to claim 1.
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