JP2008297189A - Method for producing nitride single crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a nitride single crystal such as a GaN single crystal having excellent crystallinity without using a seed crystal substrate in which an expensive GaN thin film is deposited. <P>SOLUTION: In this method, the nitride single crystal is produced by growing a nitride single crystal 8 expressed by chemical formula XN (wherein, X is at least one kind selected from Ga, Al and In) on the surface of a seed crystal substrate 4 by a flux method. In the seed crystal substrate 4, the growth surface used for growing the nitride single crystal 8 is terminated with nitrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、種結晶基板を用いてGaNやAlGaN等の窒化物単結晶を成長させる窒化物単結晶の製造方法に関し、特に、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)等の発光素子やトランジスターやパワーデバイス等の電子デバイスに応用される窒化物単結晶の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal by growing a nitride single crystal such as GaN or AlGaN using a seed crystal substrate, and in particular, a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD), or a transistor. The present invention relates to a method for producing a nitride single crystal applied to electronic devices such as power devices.

GaNやAlGaN等の窒化物単結晶(窒化物半導体)は、高融点であることや、Nの平衡蒸気圧が高いことから、バルク型の単結晶の製造が困難である。そのため、サファイア(Al23)や炭化珪素(SiC)等の異種材料基板(成長する単結晶と異なる材料から成る基板)の上に、窒化物単結晶から成る薄膜を成長させて、その薄膜を各種デバイス用として利用している。 A nitride single crystal (nitride semiconductor) such as GaN or AlGaN has a high melting point and a high equilibrium vapor pressure of N, so that it is difficult to produce a bulk type single crystal. Therefore, a thin film made of nitride single crystal is grown on a dissimilar material substrate (substrate made of a material different from the growing single crystal) such as sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC), and the thin film Is used for various devices.

しかし、サファイア等の基板は、その上に成長させるGaNやAlGaN等の薄膜との格子定数差が大きい。例えば、サファイアはGaNとの格子ミスマッチが13.7%もあるため、成長した薄膜には転位が多く発生している。特に、LEDでは高輝度化、電子デバイスではハイパワーが必要なため、結晶の転位の低減が必要となっている。また、これらのデバイスが汎用品になるためには基板の低コスト化が不可欠である。   However, a substrate such as sapphire has a large lattice constant difference from a thin film such as GaN or AlGaN grown on the substrate. For example, since sapphire has a lattice mismatch of 13.7% with GaN, many dislocations are generated in the grown thin film. In particular, high brightness is required for LEDs and high power is required for electronic devices, so it is necessary to reduce dislocations in crystals. In addition, in order for these devices to become general-purpose products, it is essential to reduce the cost of the substrate.

そこで、最近、ナトリウムを用いたGaN単結晶のフラックス成長法が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。この成長法では、種結晶として、サファイア基板上にGaN層をMOVPE法等で成長させたものを使用している(例えば、特許文献3参照)。
特開2002−128586号公報 国際公開第2004/013385号パンフレット 特開2000−327495号公報
Thus, recently, a flux growth method of GaN single crystal using sodium has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In this growth method, a seed crystal obtained by growing a GaN layer on a sapphire substrate by the MOVPE method or the like is used (for example, see Patent Document 3).
JP 2002-128586 A International Publication No. 2004/013385 Pamphlet JP 2000-327495 A

しかしながら、実際に製造されたGaN単結晶は、サファイア基板上にGaN層をMOVPE法等で薄膜成長させた種結晶を使用しているため、MOVPE法等で薄膜成長させたGaN単結晶よりも高コストになっている。これは、サファイア基板の表面はGaと親和性の低い酸素で終端されているため、フラックス成長法ではサファイア基板上には直接GaN単結晶が成長しないことが原因である。従って、フラックス成長法においては、GaNの薄膜が表面に形成された種結晶が必要となる。   However, the actually produced GaN single crystal uses a seed crystal obtained by growing a GaN layer on a sapphire substrate by a MOVPE method or the like, so that it is higher than a GaN single crystal grown by a MOVPE method or the like. It is cost. This is because the surface of the sapphire substrate is terminated with oxygen having a low affinity for Ga, so that the GaN single crystal does not grow directly on the sapphire substrate by the flux growth method. Therefore, in the flux growth method, a seed crystal having a GaN thin film formed on its surface is required.

従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高価なGaNの薄膜を堆積した種結晶基板を用いることなく、結晶性に優れたGaN単結晶等の窒化物単結晶を得ることである。   Accordingly, the present invention has been completed in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to use a GaN single crystal having excellent crystallinity without using a seed crystal substrate on which an expensive GaN thin film is deposited. It is to obtain a single crystal of nitride.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、種結晶基板の表面に化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表される窒化物単結晶をフラックス法によって成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、前記種結晶基板は前記窒化物単結晶を成長させる成長面が窒素で終端されていることを特徴とするものである。   In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, a nitride single crystal represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al and In) is fluxed on the surface of the seed crystal substrate. A method for producing a nitride single crystal grown by a method, wherein the seed crystal substrate has a growth surface for growing the nitride single crystal terminated with nitrogen.

また、本発明の窒化物単結晶の製造方法は好ましくは、前記種結晶基板を窒素源を含む雰囲気中で窒化処理して前記成長面に窒化物層を形成することによって、前記種結晶基板の前記成長面を窒素で終端させることを特徴とするものである。   In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, preferably, the seed crystal substrate is nitrided in an atmosphere containing a nitrogen source to form a nitride layer on the growth surface, thereby forming the seed crystal substrate. The growth surface is terminated with nitrogen.

また、本発明の窒化物単結晶の製造方法は好ましくは、前記種結晶基板は、Al,GaAs,ZrB,LiGaO,LiAlO,GaまたはSiCの単結晶から成ることを特徴とするものである。 In the nitride single crystal manufacturing method of the present invention, preferably, the seed crystal substrate is made of a single crystal of Al 2 O 3 , GaAs, ZrB 2 , LiGaO 2 , LiAlO 2 , Ga 2 O 3 or SiC. It is characterized by.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、種結晶基板の表面に化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表される窒化物単結晶をフラックス法によって成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、種結晶基板は窒化物単結晶を成長させる成長面が窒素で終端されていることから、種結晶基板の成長面に化学式XNで表される窒化物単結晶を容易に成長させることができる。従って、製造された窒化物単結晶から成る基板を用いて、その基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させると、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶の品質が改善し、窒化ガリウム系化合物半導体から成る各種デバイスの特性が向上する。   In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, a nitride single crystal represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al and In) is fluxed on the surface of the seed crystal substrate. The seed crystal substrate is represented by the chemical formula XN on the growth surface of the seed crystal substrate because the growth surface for growing the nitride single crystal is terminated with nitrogen. It is possible to easily grow a nitride single crystal. Accordingly, when a gallium nitride compound semiconductor is grown on the manufactured nitride single crystal substrate, the quality of the gallium nitride compound semiconductor crystal is improved and the gallium nitride compound semiconductor is formed. The characteristics of various devices are improved.

また、本発明の窒化物単結晶の製造方法は好ましくは、種結晶基板を窒素源を含む雰囲気中で窒化処理して成長面に窒化物層を形成することによって、種結晶基板の成長面を窒素で終端させることから、種結晶基板の成長面の最表面に窒素原子を揃えて配列させることが容易に可能となる。   In the method for producing a nitride single crystal according to the present invention, the growth surface of the seed crystal substrate is preferably formed by nitriding the seed crystal substrate in an atmosphere containing a nitrogen source to form a nitride layer on the growth surface. Since it is terminated with nitrogen, it is possible to easily align nitrogen atoms on the outermost surface of the growth surface of the seed crystal substrate.

また、本発明の窒化物単結晶の製造方法は好ましくは、種結晶基板は、Al23,GaAs,ZrB2,LiGaO2,LiAlO2,Ga23またはSiCの単結晶から成ることから、窒化物単結晶と格子定数差が大きい材料から成る種結晶基板であっても使用することができ、製造の自由度が大きくなり、また低コストに窒化物単結晶を製造することができる。 In the method for producing a nitride single crystal according to the present invention, the seed crystal substrate is preferably made of a single crystal of Al 2 O 3 , GaAs, ZrB 2 , LiGaO 2 , LiAlO 2 , Ga 2 O 3 or SiC. Even a seed crystal substrate made of a material having a large difference in lattice constant from that of a nitride single crystal can be used, and the degree of freedom in manufacturing can be increased, and a nitride single crystal can be manufactured at a low cost.

本発明の窒化物単結晶の製造方法の実施の形態について以下に説明する。本実施の形態では、種結晶基板としてサファイア(Al23)基板、化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表される窒化物単結晶としてGaNを例にとって、詳細に説明する。 An embodiment of the method for producing a nitride single crystal of the present invention will be described below. In this embodiment, as a seed crystal substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a nitride single crystal represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al, and In) is used. This will be described in detail by taking GaN as an example.

本発明の窒化物単結晶の製造方法は、種結晶基板の表面に化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表される窒化物単結晶をフラックス法によって成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、種結晶基板は窒化物単結晶を成長させる成長面が窒素で終端されている構成である。   In the method for producing a nitride single crystal of the present invention, a nitride single crystal represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al and In) is fluxed on the surface of the seed crystal substrate. The seed crystal substrate has a structure in which a growth surface for growing a nitride single crystal is terminated with nitrogen.

図1は、窒化物単結晶の製造装置である高圧LPE(Liquid Phase Epitaxy)装置の単結晶成長炉S内の要部を示す断面図である。単結晶成長炉S内には、加熱ヒーター1の中に窒化ボロン(BN)やAl23から成る容器2が配置されており、容器2の中にはナトリウムとガリウムの混合溶液3が、700〜1000℃の温度で充填されている。ナトリウムとガリウムの混合溶液3の混合比は、ナトリウム:ガリウム=0.5:1.0(mol%)〜2.5:1.0(mol%)がよい。ナトリウムの混合比が0.5mol%未満では、窒素の過飽和度が低く結晶が成長し難いものとなる。2.5mol%を超えると、ナトリウムが窒化物単結晶中に不純物として混入し、結晶品質を低下させる。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part in a single crystal growth furnace S of a high pressure LPE (Liquid Phase Epitaxy) apparatus which is a nitride single crystal manufacturing apparatus. In the single crystal growth furnace S, a container 2 made of boron nitride (BN) or Al 2 O 3 is disposed in a heater 1, and a mixed solution 3 of sodium and gallium is contained in the container 2. It is filled at a temperature of 700 to 1000 ° C. The mixing ratio of the mixed solution 3 of sodium and gallium is preferably sodium: gallium = 0.5: 1.0 (mol%) to 2.5: 1.0 (mol%). When the mixing ratio of sodium is less than 0.5 mol%, the degree of supersaturation of nitrogen is low and the crystal is difficult to grow. When it exceeds 2.5 mol%, sodium is mixed as an impurity in the nitride single crystal, and the crystal quality is deteriorated.

また、容器2の中にはGaN単結晶を成長させるための直径50.8mm、厚み0.3mmの円板状のサファイア製の種結晶基板4が配置されている。種結晶基板4は、窒素源としてのアンモニアガスから成る雰囲気中での400℃以上の熱処理、または高電圧(500kHz、200V程度)により励起した窒素ガス中での400℃以上の温度での熱処理等の窒化処理を施したものを用いるのがよい。これにより、種結晶基板4の成長面に窒化物層が形成されて、種結晶基板4の成長面が窒素で終端される。   Also, a disc-shaped sapphire seed crystal substrate 4 having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.3 mm for growing a GaN single crystal is disposed in the container 2. The seed crystal substrate 4 is heat-treated at 400 ° C. or higher in an atmosphere composed of ammonia gas as a nitrogen source, or heat-treated at a temperature of 400 ° C. or higher in nitrogen gas excited by a high voltage (about 500 kHz, about 200 V). It is preferable to use those subjected to nitriding treatment. Thereby, a nitride layer is formed on the growth surface of the seed crystal substrate 4, and the growth surface of the seed crystal substrate 4 is terminated with nitrogen.

種結晶基板4をアンモニアガスから成る雰囲気中で400℃以上で熱処理する場合、1〜10分程度の時間熱処理すればよい。1分未満では、窒化反応が進まず不十分であり、10分を超えると、種結晶基板4の表面状態は飽和し変化がなくなり、無駄である。   When the seed crystal substrate 4 is heat-treated at 400 ° C. or higher in an atmosphere made of ammonia gas, it may be heat-treated for about 1 to 10 minutes. If it is less than 1 minute, the nitriding reaction does not proceed sufficiently, and if it exceeds 10 minutes, the surface state of the seed crystal substrate 4 saturates and does not change, which is useless.

種結晶基板4を高電圧により励起した窒素ガス中で400℃以上の温度で熱処理する場合、1〜15分程度の時間熱処理すればよい。1分未満では、窒化反応が進まず不十分であり、15分を超えると種結晶基板4の表面状態は飽和し変化がなくなり、無駄である。   When the seed crystal substrate 4 is heat-treated at a temperature of 400 ° C. or higher in nitrogen gas excited by a high voltage, it may be heat-treated for about 1 to 15 minutes. If it is less than 1 minute, the nitriding reaction does not proceed sufficiently, and if it exceeds 15 minutes, the surface state of the seed crystal substrate 4 is saturated and no change occurs, which is useless.

種結晶基板4の成長面に形成される窒化物層の厚みは10nm以下程度がよい。10nmを超えると、種結晶基板4と窒化物層との間の材料物性の不一致によって生じる窒化物層の欠陥が増加する。   The thickness of the nitride layer formed on the growth surface of the seed crystal substrate 4 is preferably about 10 nm or less. When the thickness exceeds 10 nm, defects in the nitride layer caused by a mismatch in material properties between the seed crystal substrate 4 and the nitride layer increase.

種結晶基板4の成長面に形成される窒化物層(7)は、図3に示すように、種結晶基板4の成長面の全面に形成しなくてもよく、部分的に形成することができる。例えば、ストライプ状、格子状、島状等の規則的な繰り返しのパターンとして形成することが好ましい。この場合、種結晶基板4の成長面にGaN単結晶を成長させると、二次元方向への結晶成長が促進されるという作用によって、成長面の全面に窒化物層を形成した場合よりも、成長したGaN単結晶の転移密度が小さくなり、結晶性が向上する。   The nitride layer (7) formed on the growth surface of the seed crystal substrate 4 does not have to be formed on the entire growth surface of the seed crystal substrate 4, as shown in FIG. it can. For example, it is preferably formed as a regular repeating pattern such as a stripe shape, a lattice shape, or an island shape. In this case, the growth of the GaN single crystal on the growth surface of the seed crystal substrate 4 promotes the crystal growth in the two-dimensional direction, so that it grows more than when the nitride layer is formed on the entire growth surface. The transition density of the GaN single crystal is reduced and the crystallinity is improved.

容器2は圧力容器5の中に設置されており、圧力容器5内の雰囲気ガスとして窒素ガスが2〜10MPaで充填されており、GaN単結晶を成長させるための窒素源となっている。   The vessel 2 is installed in the pressure vessel 5 and is filled with nitrogen gas at 2 to 10 MPa as an atmospheric gas in the pressure vessel 5 and serves as a nitrogen source for growing a GaN single crystal.

このような装置構成において、容器2内のナトリウムとガリウムの混合溶液の温度を一定(780℃程度)とするか、または徐冷することにより、図2に示すように、種結晶基板4上の最表面が窒素終端された窒化物層7上に、GaN単結晶8を成長させることができる。徐冷する場合、785℃程度から775℃程度まで、2℃/日程度の温度勾配で徐冷すればよい。   In such an apparatus configuration, the temperature of the mixed solution of sodium and gallium in the container 2 is kept constant (about 780 ° C.) or is gradually cooled, so that as shown in FIG. A GaN single crystal 8 can be grown on the nitride layer 7 whose outermost surface is terminated with nitrogen. In the case of gradual cooling, the gradual cooling may be performed at a temperature gradient of about 2 ° C./day from about 785 ° C. to about 775 ° C.

種結晶基板4上に成長した直径50.8mm、厚み0.8mmの円板状のGaN単結晶の表面を、ダイアモンド砥粒及びSiC砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いた鏡面研磨を施し、直径50.8mm、厚み0.4mmのGaN単結晶から成る基板を作製する。作製されたGaN単結晶は、表面の転位密度2×104cm-2であり、従来にない大口径かつ高品質の結晶となる。 The surface of a disc-shaped GaN single crystal having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.8 mm grown on the seed crystal substrate 4 is roughly polished using diamond abrasive grains and SiC abrasive grains, and then mirror-finished using colloidal silica. Polishing is performed to produce a substrate made of a GaN single crystal having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.4 mm. The produced GaN single crystal has a dislocation density of 2 × 10 4 cm −2 on the surface, and becomes a crystal having a large diameter and high quality that has not been conventionally obtained.

以上より、窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長に好適なGaN単結晶から成る基板が製造可能となる。   As described above, a substrate made of a GaN single crystal suitable for epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor can be manufactured.

種結晶基板4としては、Al23の他にGaAs,ZrB2,LiGaO2,LiAlO2,Ga23またはSiCの単結晶から成るものを使用することができる。これらは、窒化物単結晶と格子定数差が大きい材料から成るが、このような種結晶基板であっても使用することができる。従って、製造の自由度が大きくなり、また低コストに窒化物単結晶を製造することができる。 As the seed crystal substrate 4, a substrate made of a single crystal of GaAs, ZrB 2 , LiGaO 2 , LiAlO 2 , Ga 2 O 3 or SiC in addition to Al 2 O 3 can be used. These are made of a material having a large lattice constant difference from the nitride single crystal, but such a seed crystal substrate can also be used. Therefore, the degree of freedom in manufacturing is increased, and a nitride single crystal can be manufactured at low cost.

窒化物単結晶は、化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表されるものであり、例えばGaN,AlN,InNの単結晶、またはGa,Al,Inの混晶系の単結晶である。窒化物単結晶は、例えば発光素子や電子素子を構成する半導体層を形成するための基板として用いられる。   The nitride single crystal is represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al, and In), for example, a single crystal of GaN, AlN, InN, or Ga, Al , In mixed crystal single crystal. The nitride single crystal is used as a substrate for forming a semiconductor layer constituting a light emitting element or an electronic element, for example.

窒化物単結晶から成る基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る半導体層を形成して、発光素子を構成する場合、その構成は以下のようになる。   When a semiconductor layer made of a gallium nitride compound semiconductor is formed on a substrate made of a nitride single crystal to constitute a light emitting element, the structure is as follows.

例えば、GaN単結晶から成る基板上にGaN等から成るバッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体層が形成される。なお、バッファ層は省くことができる。例えば窒化ガリウム系化合物半導体層は、化学式Ga1-x1-y1Iny1Alx1N(ただし、0≦x1+y1≦1、x1≧0、y1≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、化学式Ga1-x2-y2Iny2Alx2N(ただし、0≦x2+y2≦1、x2≧0、y2≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、化学式Ga1-x3-y3Iny3Alx3N(ただし、0≦x3+y3≦1、x3≧0、y3≧0とする。)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層が挟まれて接合されている構成(ただし、(x3,y1,y2)<(x1,x2),(x3,y1,y2)≦y3とする。)である。 For example, a gallium nitride compound semiconductor layer is formed on a substrate made of GaN single crystal via a buffer layer made of GaN or the like. Note that the buffer layer can be omitted. For example, the gallium nitride compound semiconductor layer is a gallium nitride compound semiconductor represented by the chemical formula Ga 1-x1-y1 In y1 Al x1 N (where 0 ≦ x1 + y1 ≦ 1, x1 ≧ 0, y1 ≧ 0). represented by a first conductivity type gallium nitride-based compound semiconductor layer composed of the chemical formula Ga 1-x2-y2 in y2 Al x2 N ( provided, however, that 0 ≦ x2 + y2 ≦ 1, x2 ≧ 0, y2 ≧ 0.) between the second conductive type gallium nitride-based compound semiconductor layer composed of a gallium nitride-based compound semiconductor, the chemical formula Ga 1-x3-y3 in y3 Al x3 N ( However, 0 ≦ x3 + y3 ≦ 1 , x3 ≧ 0, y3 ≧ 0 And a structure in which a light emitting layer made of a gallium nitride compound semiconductor is sandwiched and joined (where (x3, y1, y2) <(x1, x2), (x3, y1, y2)) ≦ y3).

また、例えば第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は、それぞれp型窒化ガリウム系化合物半導体層及びn型窒化ガリウム系化合物半導体層である。窒化ガリウム系化合物半導体をp型半導体とするには、元素周期律表において2族の元素であるマグネシウム(Mg)等をドーパントとして、窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、窒化ガリウム系化合物半導体をn型半導体とするには、元素周期律表において4族の元素であるシリコン(Si)等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。   For example, the first conductive gallium nitride compound semiconductor layer and the second conductive gallium nitride compound semiconductor layer are a p-type gallium nitride compound semiconductor layer and an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, respectively. In order to make a gallium nitride compound semiconductor a p-type semiconductor, magnesium (Mg), which is an element of Group 2 in the periodic table, may be mixed into the gallium nitride compound semiconductor as a dopant. In order to make the gallium nitride compound semiconductor an n-type semiconductor, silicon (Si), which is a group 4 element in the periodic table, may be mixed into the gallium nitride compound semiconductor as a dopant.

また、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は、両方ともアルミニウム(Al)を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとし、いずれも発光層に含まれるアルミニウムよりもその含有量を多くすることがよい。このようにすると、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の禁制帯幅が両方とも発光層の禁制帯幅よりも大きくなるので、発光層に電子と正孔とを閉じ込めて、これら電子と正孔を効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。また、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は、アルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体からなることにより、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層における禁制帯幅が比較的大きくなり、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層における紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。なお、第1及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は、いずれか一方がアルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体からなっていてもよい。   Both the first conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer and the second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer are made of a gallium nitride compound semiconductor containing aluminum (Al), and both are included in the light emitting layer. It is better to increase the content than aluminum. In this case, the forbidden band widths of the first and second conductivity type gallium nitride-based compound semiconductor layers are both larger than the forbidden band width of the light emitting layer, so that electrons and holes are confined in the light emitting layer. Electrons and holes can be efficiently recombined to emit light with strong emission intensity. The first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers are made of gallium nitride compound semiconductor containing aluminum, so that the forbidden bandwidths of the first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers are compared. The absorption of light on the short wavelength side such as ultraviolet light in the first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers can be reduced. The first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers may be made of a gallium nitride compound semiconductor containing aluminum.

なお、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層はそれぞれn型窒化ガリウム系化合物半導体層及びp型窒化ガリウム系化合物半導体層としても構わない。   The first conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer and the second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer may be an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, respectively.

また、第1導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第2導電型窒化ガリウム系化合物半導体層にはそれぞれ、発光層に電流を注入するための導電層(電極)を形成する。これにより、LEDや半導体レーザ(LD)等の発光素子が形成される。   In addition, a conductive layer (electrode) for injecting a current into the light emitting layer is formed in each of the first conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer and the second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer. Thereby, a light emitting element such as an LED or a semiconductor laser (LD) is formed.

また、発光層を成す窒化ガリウム系化合物半導体の組成は、所望の発光波長が得られる適当なものに設定すればよい。例えば、発光層を、アルミニウムもインジウムも含まないGaNからなるものとすれば、禁制帯幅は約3.4エレクトロンボルト(eV)となり、約365ナノメートル(nm)の発光波長である紫外光によって発光層を発光させることができる。また、これよりも発光波長を短波長とする場合、発光層は、禁制帯幅を大きくする元素であるアルミニウムを発光波長に応じて設定される量だけ含ませた窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとすればよい。   Further, the composition of the gallium nitride compound semiconductor forming the light emitting layer may be set to an appropriate one that can obtain a desired emission wavelength. For example, if the light-emitting layer is made of GaN containing neither aluminum nor indium, the forbidden band width is about 3.4 electron volts (eV), and ultraviolet light having an emission wavelength of about 365 nanometers (nm) is obtained. The light emitting layer can emit light. When the emission wavelength is shorter than this, the emission layer is made of a gallium nitride compound semiconductor containing aluminum, which is an element for increasing the forbidden bandwidth, in an amount set according to the emission wavelength. And it is sufficient.

また、発光層に禁制帯幅を小さくする元素であるインジウム(In)を含有させてもよく、所望の発光波長となるようにアルミニウムをより多く含有させる等して、アルミニウム,インジウム及びガリウムの組成比を適宜設定すればよい。また、発光層は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造(MQW:Multi Quantum Well)としてもよい。   In addition, the light emitting layer may contain indium (In), which is an element for reducing the forbidden band width, and a composition of aluminum, indium, and gallium by adding more aluminum so as to obtain a desired emission wavelength. The ratio may be set as appropriate. The light-emitting layer is a multi-quantum quantum well structure (MQW: Multi Quantum) which is a superlattice in which a quantum well structure composed of a barrier layer having a wide forbidden band and a well layer having a narrow forbidden band is regularly stacked multiple times. Well).

このような発光素子は次のように動作する。即ち、発光層を含む窒化ガリウム系化合物半導体にバイアス電流を流して、発光層で波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光を取り出すように動作する。   Such a light emitting device operates as follows. That is, a bias current is applied to a gallium nitride compound semiconductor including a light emitting layer to generate ultraviolet light to near ultraviolet light having a wavelength of about 350 to 400 nm in the light emitting layer, and the ultraviolet light to near ultraviolet light is emitted outside the light emitting element. Operates to take out.

発光素子は、CD,DVD等の光記録媒体の光ピックアップ用の光源としての半導体レーザに適用できるものであり、波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光や紫光を用いることにより、高記録密度で長時間の記録・再生が可能な光記録媒体を製造、使用することができる。このような光ピックアップは、周知の構成のものでよく、例えば、発光素子と、発光素子から発光した光の光軸上に設置されたビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ,プリズム,反射鏡,回折格子,スリット,集光レンズ等とを組み合わせることにより、容易に構成することができる。   The light-emitting element can be applied to a semiconductor laser as a light source for an optical pickup of an optical recording medium such as a CD and a DVD, and high recording is achieved by using ultraviolet light to near ultraviolet light having a wavelength of about 350 to 400 nm or purple light. An optical recording medium capable of recording / reproducing for a long time with a density can be manufactured and used. Such an optical pickup may have a well-known configuration, for example, a light emitting element and a beam splitter, a polarizing beam splitter, a prism, a reflecting mirror, a diffraction grating, and the like installed on the optical axis of light emitted from the light emitting element. It can be easily configured by combining a slit, a condensing lens, and the like.

また、発光素子は照明装置に利用できるものであり、その照明装置は、発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。   The light-emitting element can be used for a lighting device, and the lighting device includes a light-emitting element and at least one of a phosphor and a phosphor that emit light by receiving light emitted from the light-emitting element. is there. With this configuration, a lighting device with high luminance and illuminance can be obtained. The lighting device may be configured so that the light emitting element is covered or encapsulated with a transparent resin or the like, and a phosphor or phosphor is mixed in the transparent resin or the like. ~ Near ultraviolet light can be converted into white light or the like. In addition, a light reflecting member such as a concave mirror can be provided in a transparent resin or the like in order to improve the light collecting property. Such an illuminating device consumes less power than a conventional fluorescent lamp or the like, and is small in size. Therefore, the illuminating device is effective as a small and high-luminance lighting device.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の窒化物単結晶の製造方法の実施例について以下に説明する。   Examples of the method for producing a nitride single crystal of the present invention will be described below.

種結晶基板4として、直径50.8mm、厚み0.3mmの円板状であって、片面(成長面)が鏡面研磨されたサファイア基板を用い、成長面を400℃以上のアンモニアガス雰囲気中で1分〜5分熱処理した。   As the seed crystal substrate 4, a sapphire substrate having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.3 mm and having one side (growth surface) mirror-polished, the growth surface is in an ammonia gas atmosphere at 400 ° C. or higher. Heat treated for 1 minute to 5 minutes.

また、比較例として、未処理のサファイア基板から成る種結晶基板を用意した。   As a comparative example, a seed crystal substrate made of an untreated sapphire substrate was prepared.

実施例1及び比較例の種結晶基板のそれぞれについて、表面を2次イオン質量分析したところ、実施例1の種結晶基板は窒素の検出が認められ、アンモニアガス雰囲気中での熱処理により、最表面が窒素終端していることがわかった。一方、比較例の種結晶基板は、表面において窒素が検出されなかった。   As for each of the seed crystal substrates of Example 1 and Comparative Example, the surface was subjected to secondary ion mass spectrometry. As a result, the seed crystal substrate of Example 1 was found to detect nitrogen, and was subjected to heat treatment in an ammonia gas atmosphere. Was found to be nitrogen terminated. On the other hand, nitrogen was not detected on the surface of the seed crystal substrate of the comparative example.

次に、単結晶成長炉Sの圧力容器5内に設置された、内径60mm、深さ15mmの円筒状で窒化ボロン(BN)から成る容器2に、サファイア基板を収容した。そして、容器2内にナトリウム16.5gとガリウム100gの混合物を充填した。   Next, the sapphire substrate was accommodated in the cylindrical container 2 made of boron nitride (BN) having an inner diameter of 60 mm and a depth of 15 mm installed in the pressure vessel 5 of the single crystal growth furnace S. The container 2 was filled with a mixture of 16.5 g sodium and 100 g gallium.

次に、容器2を円筒状のヒーター1の内側の中心部に配置し、圧力容器5内に雰囲気ガス6として窒素ガスを2〜10MPaで充填し、ヒーター1に通電することにより、容器2内の混合溶液3が700〜1000℃の温度になるまで昇温した。   Next, the container 2 is placed in the center inside the cylindrical heater 1, and the pressure vessel 5 is filled with nitrogen gas as an atmospheric gas 6 at 2 to 10 MPa, and the heater 1 is energized, whereby the inside of the container 2 is filled. The mixed solution 3 was heated up to a temperature of 700 to 1000 ° C.

次に、圧力容器5内の雰囲気ガス圧力を一定(4MPa)に保持したまま、混合溶液3の温度を一定(780℃)に保持することによりサファイア基板上にGaN単結晶を40時間成長させた。   Next, a GaN single crystal was grown on the sapphire substrate for 40 hours by keeping the temperature of the mixed solution 3 constant (780 ° C.) while keeping the atmospheric gas pressure in the pressure vessel 5 constant (4 MPa). .

表面をアンモニアガス雰囲気中で熱処理した実施例1のサファイア基板上には、図2に示すように、種結晶基板上4の最表面が窒素終端された窒化物層7上に、厚み約0.8mmのGaN単結晶8が成長した。   On the sapphire substrate of Example 1 whose surface was heat-treated in an ammonia gas atmosphere, as shown in FIG. 2, a thickness of about 0. An 8 mm GaN single crystal 8 was grown.

これに対し、表面をアンモニアガス雰囲気中で熱処理していない比較例のサファイア基板上には、GaN単結晶の形成は認められず、サファイア基板の成長面は鏡面のままであった。   On the other hand, formation of a GaN single crystal was not observed on the sapphire substrate of the comparative example whose surface was not heat-treated in an ammonia gas atmosphere, and the growth surface of the sapphire substrate remained a mirror surface.

以上より、種結晶基板の表面を窒化処理して最表面を窒素で終端させると、GaN単結晶の成長が可能となることが確認された。   From the above, it was confirmed that GaN single crystal can be grown by nitriding the surface of the seed crystal substrate and terminating the outermost surface with nitrogen.

次に、実施例1のGaN単結晶8の表面をダイアモンド砥粒及びSiC砥粒を用いて粗研磨した後に、コロイダルシリカを用いて鏡面研磨し、直径50.8mm、厚み0.4mmのGaN単結晶から成る円板状の基板を作製した。この基板は、透過型電子顕微鏡像による分析によって、結晶の表面の転位密度が2×104cm-2であり、従来にない低い転位密度でることが判明した。 Next, the surface of the GaN single crystal 8 of Example 1 was roughly polished using diamond abrasive grains and SiC abrasive grains, and then mirror-polished using colloidal silica to obtain a GaN single crystal having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.4 mm. A disk-shaped substrate made of crystals was produced. This substrate was analyzed by a transmission electron microscope image, and it was found that the dislocation density on the surface of the crystal was 2 × 10 4 cm −2 , which was an unprecedented low dislocation density.

また、種結晶基板として、GaAs,ZrB2,LiGaO2,LiAlO2,Ga23,SiCの単結晶から成るものを用いて表面を窒化処理しても、上記と同様の結果が得られた。 Even when the surface was nitrided using a single crystal of GaAs, ZrB 2 , LiGaO 2 , LiAlO 2 , Ga 2 O 3 , or SiC as the seed crystal substrate, the same result as above was obtained. .

以上より、従来、直接サファイア基板上に成長できなかったGaN単結晶を、本発明の製造方法によって、高品質なものとして成長できることがわかった。   From the above, it has been found that a GaN single crystal that could not be grown directly on a sapphire substrate can be grown with high quality by the manufacturing method of the present invention.

図3に示すように、種結晶基板4の表面に、窒化物層7を種々のパターンとして形成した。なお、図3において12は酸素終端面である。   As shown in FIG. 3, nitride layers 7 were formed in various patterns on the surface of the seed crystal substrate 4. In FIG. 3, 12 is an oxygen termination surface.

(a)は、間隔及び幅が10μmのストライプ状のパターンに窒化物層7を形成したものである。   (A) shows a case in which the nitride layer 7 is formed in a stripe pattern having a spacing and a width of 10 μm.

(b)は、10μm×10μmの四角形の非形成部を多数有する格子状のパターンに窒化物層7を形成したものである。   (B) shows a structure in which the nitride layer 7 is formed in a lattice pattern having a large number of 10 μm × 10 μm square non-formed portions.

(c)は、10μm×10μmの四角形の島状部を多数形成したパターンに窒化物層7を形成したものである。   (C) shows a case where the nitride layer 7 is formed in a pattern in which a large number of 10 μm × 10 μm square islands are formed.

(a)〜(c)は、SiOやTi製のマスクを用いて、フォトリソグラフィ法、蒸着法やスパッタリング法を組み合わせて、1μmの厚みで形成したものである。 (A) to (c) are formed with a thickness of 1 μm by combining a photolithography method, a vapor deposition method and a sputtering method using a mask made of SiO 2 or Ti.

そして、実施例1と同様にして、(a)〜(c)の種結晶基板のそれぞれに、アンモニアガス雰囲気中で400℃以上の熱処理を行った。   In the same manner as in Example 1, each of the seed crystal substrates (a) to (c) was heat-treated at 400 ° C. or higher in an ammonia gas atmosphere.

熱処理後、HFでマスクを除去し、(a)〜(c)のパターンの窒化物層7を形成したサファイア基板を用意した。これらを用いて、実施例1と同様の方法でGaN単結晶8を成長させ、鏡面研磨し、直径50.8mm、厚み0.4mmのGaN単結晶から成る円板状の基板を作製した。この基板は、透過型電子顕微鏡像による分析によって、結晶の表面のマスクパターンのあった部分は転位密度が104cm-2以下であり、部分的には無転位となり、更に結晶品質を改善できることが確認された。 After the heat treatment, the mask was removed with HF to prepare a sapphire substrate on which the nitride layer 7 having the patterns (a) to (c) was formed. Using these, a GaN single crystal 8 was grown in the same manner as in Example 1, and mirror-polished to produce a disk-shaped substrate made of a GaN single crystal having a diameter of 50.8 mm and a thickness of 0.4 mm. This substrate has a dislocation density of 10 4 cm -2 or less in the portion where the mask pattern on the surface of the crystal was found by analysis using a transmission electron microscope image. Was confirmed.

窒化物単結晶を製造するための単結晶成長炉の断面図である。It is sectional drawing of the single-crystal growth furnace for manufacturing a nitride single crystal. 種結晶基板上に成長した窒化物単結晶を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the nitride single crystal grown on the seed crystal substrate. (a)〜(c)は、成長面に各種パターンで窒化物層が形成された種結晶基板の平面図である。(A)-(c) is a top view of the seed crystal substrate in which the nitride layer was formed in various patterns on the growth surface.

符号の説明Explanation of symbols

4:種結晶基板
7:窒化物層
8:窒化物単結晶
4: Seed crystal substrate 7: Nitride layer 8: Nitride single crystal

Claims (3)

種結晶基板の表面に化学式XN(ただし、XはGa,Al及びInから選ばれる少なくとも1種である。)で表される窒化物単結晶をフラックス法によって成長させる窒化物単結晶の製造方法であって、前記種結晶基板は前記窒化物単結晶を成長させる成長面が窒素で終端されていることを特徴とする窒化物単結晶の製造方法。   A nitride single crystal manufacturing method in which a nitride single crystal represented by the chemical formula XN (where X is at least one selected from Ga, Al and In) is grown on the surface of a seed crystal substrate by a flux method. A method for producing a nitride single crystal, wherein the seed crystal substrate has a growth surface for growing the nitride single crystal terminated with nitrogen. 前記種結晶基板を窒素源を含む雰囲気中で窒化処理して前記成長面に窒化物層を形成することによって、前記種結晶基板の前記成長面を窒素で終端させることを特徴とする請求項1記載の窒化物単結晶の製造方法。   2. The growth surface of the seed crystal substrate is terminated with nitrogen by nitriding the seed crystal substrate in an atmosphere containing a nitrogen source to form a nitride layer on the growth surface. The manufacturing method of the nitride single crystal of description. 前記種結晶基板は、Al23,GaAs,ZrB2,LiGaO2,LiAlO2,Ga23またはSiCの単結晶から成ることを特徴とする請求項1または2記載の窒化物単結晶の製造方法。 3. The nitride single crystal according to claim 1, wherein the seed crystal substrate is made of a single crystal of Al 2 O 3 , GaAs, ZrB 2 , LiGaO 2 , LiAlO 2 , Ga 2 O 3 or SiC. Production method.
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