JP2009170542A - Epitaxial-wafer manufacturing method and epitaxial wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エピタキシャルウエハを作製する方法、及びエピタキシャルウエハに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial wafer and an epitaxial wafer.
特許文献1には、高出力発振下においても高い信頼性を示し550nm付近までの長波長化を実現する短波長半導体発光装置が記載されている。この半導体発光装置を形成するために、厚さ20nm程度のGaNバッファ層をC面サファイア基板上に形成して、この後に、厚さ2μm程度のGaN層を成長する。このGaN層上に、パターン形成されたSiO2層を形成する。この後に、厚さ20μm程度のInGaNを選択成長する。
発明者らの知見によれば、成長速度の速いHVPE法によりInGaNやInNを成長することが可能になってきており、InGaNやInNからなるバルク基板、或いは、InGaNやInNからなるテンプレートを利用できるようになってきた。 According to the knowledge of the inventors, it has become possible to grow InGaN and InN by the HVPE method having a high growth rate, and a bulk substrate made of InGaN or InN or a template made of InGaN or InN can be used. It has become like this.
特許文献1では、InGaN層の歪み低減するために、GaN上に形成されたSiO2マスクを用いてInGaNを横方向成長している。しかしながら、SiO2マスクの作製は煩雑である。上記のバルク基板或いはテンプレートを用いれば、特許文献1のようなマスク作成のためのフォトリソグラフィが不要になる。 In Patent Document 1, InGaN is grown laterally using a SiO 2 mask formed on GaN in order to reduce distortion of the InGaN layer. However, the production of the SiO 2 mask is complicated. If the above-described bulk substrate or template is used, photolithography for creating a mask as in Patent Document 1 is not necessary.
バルク基板或いはテンプレートを用いるとき、エピタキシャル成長の初期の層には、結晶性の良い高温成長のGaNが望ましい。しかしながら、GaNを堆積するとき、バルク基板表面及びテンプレート表面のInGaN(InN)がGaNの成長温度への昇温中に分解し、バルク基板及びテンプレート上にドロップレットを生じさせる。 When using a bulk substrate or template, high-temperature-grown GaN with good crystallinity is desirable for the initial layer of epitaxial growth. However, when GaN is deposited, InGaN (InN) on the bulk substrate surface and the template surface decomposes during the temperature rise to the growth temperature of GaN, and droplets are generated on the bulk substrate and the template.
InGaN(InN)系半導体を用いることによって、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子が提供される。したがって、この作製のために、ドロップレットの発生を避けることが望まれている。 By using an InGaN (InN) -based semiconductor, a nitride-based semiconductor light-emitting element capable of generating long-wavelength light is provided. Therefore, it is desired to avoid the generation of droplets for this production.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、InGaN(InN)に起因するドロップレットの発生を避けて、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とし、またこのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is an epitaxial for a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of generating light having a long wavelength while avoiding generation of droplets due to InGaN (InN). It is an object of the present invention to provide a method for producing a wafer and to provide this epitaxial wafer.
本発明の一側面は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、(a)InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる表面を有する基板上に、第1の温度でAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層を成長する工程と、(b)前記AlX2Ga1−X2N層上にGaN層を第2の温度で成長する工程とを備える。前記AlX2Ga1−X2N層は前記基板の前記表面を覆っており、前記第1の温度は前記第2の温度よりも低い。 One aspect of the present invention is a method of fabricating an epitaxial wafer for a nitride based semiconductor light emitting device. In this method, (a) an Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X2 ≦ 1) layer is formed at a first temperature on a substrate having a surface made of In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1). And (b) growing a GaN layer on the Al X2 Ga 1-X2 N layer at a second temperature. The Al X2 Ga 1-X2 N layer covers the surface of the substrate, and the first temperature is lower than the second temperature.
この発明によれば、良好な結晶品質のGaN層を高温で成長するに先だって、低い温度でAlX2Ga1−X2N層を成長してInX1Ga1−X1N表面を覆う。故に、GaN層の成長に係る高温雰囲気においても、InX1Ga1−X1Nの分解を避けることができ、ドロップレットを生じることがない。高温成長のGaN層は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体の引き続く成長のために良好な下地を提供する。 According to the present invention, before the GaN layer of good crystal quality is grown at a high temperature, the Al X2 Ga 1-X2 N layer is grown at a low temperature to cover the In X1 Ga 1-X1 N surface. Therefore, even in a high temperature atmosphere related to the growth of the GaN layer, decomposition of In X1 Ga 1 -X1 N can be avoided, and no droplets are generated. The high temperature grown GaN layer provides a good foundation for subsequent growth of gallium nitride based semiconductors for nitride based semiconductor light emitting devices capable of generating long wavelength light.
本発明に係る方法では、前記第1の温度は、摂氏550度以上摂氏850度以下であり、前記第2の温度は、摂氏950度以上摂氏1150度以下であることができる。 In the method according to the present invention, the first temperature may be not less than 550 degrees Celsius and not more than 850 degrees Celsius, and the second temperature may be not less than 950 degrees Celsius and not more than 1150 degrees Celsius.
本発明に係る方法では、前記AlX2Ga1−X2N層の厚さは3nm以上であることが好ましい。この厚さのAlX2Ga1−X2N層によれば、InX1Ga1−X1Nの分解を避けることができる。 In the method according to the present invention, the thickness of the Al X2 Ga 1-X2 N layer is preferably 3 nm or more. According to the Al X2 Ga 1-X2 N layer having this thickness, decomposition of In X1 Ga 1-X1 N can be avoided.
本発明に係る方法では、前記GaNの厚さは100nm以上であることが好ましい。この厚さのGaN層によれば、良好な結晶品質の下地層を提供できる。 In the method according to the present invention, the thickness of the GaN is preferably 100 nm or more. According to the GaN layer having this thickness, an underlayer having good crystal quality can be provided.
本発明に係る方法では、成長炉に前記基板を配置した後に、前記AlX2Ga1−X2N層の成長に先立って、構成元素として少なくとも窒素を含むガスを該成長炉に流しながら前記第1の温度に前記基板の温度を上昇させる工程を更に備えることができる。前記ガスの水素分率は、ゼロ%以上5%以下であることが好ましい。この方法によれば、水素分率が5%以下であれば、水素雰囲気中によるInX1Ga1−X1N分解の促進が抑制される。 In the method according to the present invention, after the substrate was placed in the growth furnace, the Al X2 Ga 1-X2 prior to the growth of the N layer, the first while flowing a gas containing at least nitrogen as a constituent element in the growth furnace A step of raising the temperature of the substrate to a temperature of The hydrogen fraction of the gas is preferably from 0% to 5%. According to this method, if the hydrogen fraction is 5% or less, the promotion of decomposition of In X1 Ga 1 -X1 N in the hydrogen atmosphere is suppressed.
本発明に係る方法では、前記基板は、支持基体と、前記InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる窒化物層とを含み、前記窒化物層は20マイクロメートル以上であることが好ましい。この基板は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための、インジウムを含む窒化物半導体層の成長に好適である。また、本発明に係る方法では、前記支持基体は、GaN、サファイア、SiC、ZnO及びGaAsのいずれかの材料からなることができる。InX1Ga1−X1Nテンプレートを用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供できる。 In the method according to the present invention, the substrate includes a support base and a nitride layer composed of the In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1), and the nitride layer is 20 micrometers or more. It is preferable. This substrate is suitable for the growth of a nitride semiconductor layer containing indium for a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of generating light having a long wavelength. In the method according to the present invention, the support substrate can be made of any material of GaN, sapphire, SiC, ZnO and GaAs. An epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting element can be provided using the In X1 Ga 1-X1 N template.
本発明に係る方法では、前記基板はInX1Ga1−X1N基板であることができる。InX1Ga1−X1N表面はInX1Ga1−X1N基板によって提供される。バルクInX1Ga1−X1N基板を用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製できる。 In the method according to the present invention, the substrate may be an In X1 Ga 1-X1 N substrate. The In X1 Ga 1-X1 N surface is provided by an In X1 Ga 1-X1 N substrate. An epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting device can be manufactured using a bulk In X1 Ga 1-X1 N substrate.
本発明に係る方法では、前記AlX2Ga1−X2N層はAlGaNからなることが好ましい。Al−N結合が強固なので、InX1Ga1−X1Nの分解抑制作用が提供される。 In the method according to the present invention, the Al X2 Ga 1-X2 N layer is preferably made of AlGaN. Since the Al—N bond is strong, the decomposition inhibiting action of In X1 Ga 1-X1 N is provided.
本発明に係る方法では、前記GaN層上に活性層を成長する工程を更に備えることができる。この活性層は、InX1Ga1−X1N表面上に形成される窒化ガリウム系半導体積層に含まれるので、長波長の窒化物系半導体発光素子のために好適である。 The method according to the present invention may further include a step of growing an active layer on the GaN layer. Since this active layer is included in the gallium nitride based semiconductor stack formed on the In X1 Ga 1-X1 N surface, it is suitable for a long wavelength nitride based semiconductor light emitting device.
本発明に係る方法では、前記GaN層の成長の後であって前記活性層を成長する前に、InGaN層を成長する工程を更に備えることができる。前記InGaN層の厚さは前記GaN層の厚さより厚い。このInGaN層により、長波長の窒化物系半導体発光素子のために好適な活性層を成長できる。 The method according to the present invention may further include a step of growing an InGaN layer after the growth of the GaN layer and before the growth of the active layer. The InGaN layer is thicker than the GaN layer. With this InGaN layer, an active layer suitable for a long wavelength nitride-based semiconductor light-emitting device can be grown.
本発明に係る方法では、前記AlX2Ga1−X2N層を成長するに先立って、HVPE法で前記InX1Ga1−X1Nからなる窒化物厚膜を支持体上に堆積して、前記基板を作製する工程を更に備えることができる。前記AlX2Ga1−X2N層の成長は、HVPE法で行われ、前記GaN層の成長は、MOVPE法で行われる。この方法によれば、HVPE法でInX1Ga1−X1Nからなる窒化物厚膜を成長すると共に、その上にAlX2Ga1−X2N層を成長して、長波長の窒化物系半導体発光素子のための基板を形成する。このため、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体を成長するも先だって、AlX2Ga1−X2N層を成長することが不要になる。 In the method according to the present invention, prior to growing the Al X2 Ga 1-X2 N layer, a nitride thick film made of In X1 Ga 1-X1 N is deposited on a support by HVPE, A step of manufacturing a substrate can be further provided. The growth of the Al X2 Ga 1-X2 N layer is performed by the HVPE method, and the growth of the GaN layer is performed by the MOVPE method. According to this method, while growing a nitride thick film consisting of In X1 Ga 1-X1 N by HVPE, growing the Al X2 Ga 1-X2 N layer thereon, the nitride-based semiconductor of the long wavelength A substrate for a light emitting element is formed. For this reason, it is not necessary to grow an Al X2 Ga 1 -X2 N layer before growing a gallium nitride based semiconductor for a nitride based semiconductor light emitting device.
本発明の別の側面は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、(a)InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる基板と、(b)前記基板の表面を覆うAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層とを備える。或いは、このエピタキシャルウエハは、(a)支持基体と、(b)前記支持基体上に設けられたInX1Ga1−X1N(0<X1≦1)層と、(c)前記InX1Ga1−X1N層の表面を覆うAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層とを備える。前記支持基体は、GaN、サファイア、SiC、ZnO及びGaAsのいずれかの材料からなる。このエピタキシャルウエハによれば、長波長の窒化物系半導体発光素子の作製に際して、ドロップレット等が発生することがない。 Another aspect of the present invention is an epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting device. The epitaxial wafer includes (a) a substrate made of In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1), and (b) Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X2 ≦ 1) covering the surface of the substrate. A layer. Alternatively, the epitaxial wafer includes (a) a supporting substrate, (b) an In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1) layer provided on the supporting substrate, and (c) the In X1 Ga 1 -X1 cover the surface of the N layer Al X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X2 ≦ 1) and a layer. The support base is made of any material of GaN, sapphire, SiC, ZnO and GaAs. According to this epitaxial wafer, no droplets or the like are generated when a nitride semiconductor light emitting device having a long wavelength is manufactured.
本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記AlX2Ga1−X2Nの厚さは3nm以上であることが好ましい。この厚さのAlX2Ga1−X2N層によれば、InX1Ga1−X1Nの分解を避けることができる。 In the epitaxial wafer according to the present invention, the thickness of the Al X2 Ga 1-X2 N is preferably 3 nm or more. According to the Al X2 Ga 1-X2 N layer having this thickness, decomposition of In X1 Ga 1-X1 N can be avoided.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、InGaN(InN)に起因するドロップレットの発生を避けて、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。また、このエピタキシャルウエハが提供される。 As described above, according to the present invention, there is provided a method for producing an epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of generating light having a long wavelength while avoiding generation of droplets due to InGaN (InN). Provided. This epitaxial wafer is also provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のエピタキシャルウエハを作製する方法、及びエピタキシャルウエハに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, a method for producing an epitaxial wafer of the present invention and an embodiment related to the epitaxial wafer will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の工程フローを示す図面である。図2は、図1本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程フロー100を参照すると、工程S101では、InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる表面を有する基板11を準備する。基板11として、例えば、InX1Ga1−X1Nテンプレート及びInX1Ga1−X1Nバルク基板等を用いることができる。バルクInX1Ga1−X1N基板及びInX1Ga1−X1Nテンプレート等を用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製できる。好ましくは、InX1Ga1−X1Nは六方晶系結晶であり、基板11の主面の法線は、C軸に実質的に直交するか、或いはC軸に対して僅かなオフ角で傾斜している。
FIG. 1 is a drawing showing a process flow of a method for producing an epitaxial wafer according to the present embodiment. FIG. 2 is a drawing showing the main steps of the method for producing the epitaxial wafer according to the present embodiment. Referring to the
図3は、InX1Ga1−X1Nテンプレートの構成例を示す図面である。図3(a)を参照すると、InX1Ga1−X1Nテンプレートの一例として基板11aが示されている。基板11aは、支持基体13と、InX1Ga1−X1Nからなる最表面を有する窒化物層15とを含む。支持基体13は、GaN、サファイア、SiC、ZnO及びGaAs等のいずれかの材料からなることができる。支持基体13上には、いわゆる低温GaN層17aを成長することが好ましく、窒化物層15はInX1Ga1−X1Nからなる。低温GaN層17aの成長温度は例えば摂氏500度であり、膜厚は例えば25nmである。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of an In X1 Ga 1-X1 N template. Referring to FIG. 3A, a
図3(b)を参照すると、InX1Ga1−X1Nテンプレートの一例として基板11bが示されている。基板11bは、基板11aと同様に、支持基体13と、InX1Ga1−X1Nからなる最表面を有する窒化物層15とを含む。支持基体13上には、いわゆる低温GaN層17aと高温GaN層17bを成長することが好ましい。高温GaN層17bの成長温度は例えば摂氏1150度であり、膜厚は例えば500nmである。
Referring to FIG. 3B, a
図3(a)及び図3(b)に示されたテンプレート11a、11bでは、窒化物層15は20マイクロメートル以上であることが好ましい。この基板11a、11bは、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための、インジウムを含む窒化物半導体層の成長に好適である。また厚み20マイクロメートル以上では、InX1Ga1−X1Nの歪みを小さくでき、この層15上に大きなインジウム組成のInGaN膜を成長するために好適である。
In the
図2(a)に示されるように、基板11を成長炉21に配置する。成長炉21としては、例えば有機金属気相成長炉を用いることができる。この後に、プロセスガスG0を流しながら成長炉21の温度を室温から成長温度T1に向けて変更する。プロセスガスG0は、窒素及びアンモニアの少なくともいずれかを含むことができる。AlX2Ga1−X2N層の成長に先立つ昇温期間において、プロセスガスG0に水素が含まれていても良いが、水素分率は5%以下であることが好ましい。水素分率が5%以下であれば、水素雰囲気中におけるInX1Ga1−X1Nの分解促進が抑制される。水素分率がゼロであることが好ましい。雰囲気中の水素によるにInX1Ga1−X1N分解の可能性が生じない。
As shown in FIG. 2A, the
工程S102では、図2(b)に示されるように、基板11上に第1の温度T1でAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層19を成長する。AlX2Ga1−X2N層19は、例えば厚さ10nmのn導電性のAl0.02Ga0.98N層であることができる。原料ガスG1として、例えばTMGa、TMAl及びNH3を用いることができる。成長温度T1は、例えば摂氏800度である。第1の温度T1は、例えば摂氏550度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第1の温度T1は、例えば摂氏850度以下であることが好ましい。この温度以下であればAlX2Ga1−X2N層成長中に表面のInX1Ga1−X1Nが分解することを抑制することができるからである。AlX2Ga1−X2N層がAlGaNからなるとき、強固なAl−N結合が形成されるので、InX1Ga1−X1Nの分解抑制作用が優れたものになる。或いは、AlX2Ga1−X2N層がGaNからなるとき、III族元素を低温でAlよりマイグレーションしやすいGaのみにすることで結晶品質が優れたものになる。このGaN層によってInX1Ga1−X1Nの分解抑制作用が提供される。
In step S102, as shown in FIG. 2 (b), grown Al X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X2 ≦ 1)
AlX2Ga1−X2N層19は基板11の表面10を覆っている。AlX2Ga1−X2N層19の厚さD1は3nm以上であることが好ましい。この厚さのAlX2Ga1−X2N層によれば、InX1Ga1−X1Nの分解を避けることができる。また、厚さD1は50nm以下であることが好ましい。この厚さを超えると、AlX2Ga1−X2N層の結晶品質の低下の原因になり得る。
The Al X2 Ga 1-X2 N layer 19 covers the
工程S103では、図2(c)に示されるように、AlX2Ga1−X2N層19上に第2の温度T2でGaN層23を成長する。GaN層23は、例えばn導電性を有する。原料ガスG2として、例えばTMGa及びNH3を含むことができる。第2の温度T2は第1の温度T1よりも高い。具体的には、成長温度T2は、例えば摂氏1000度である。第2の温度T2は、例えば摂氏950度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第2の温度T2は、例えば摂氏1150度以下であることが好ましい。この温度より高いとInX1Ga1−X1Nの結晶内部において分解が進むおそれがあるからである。
In step S103, as shown in FIG. 2C, the
この工程によれば、良好な結晶品質のGaN層23を高温で成長するに先だって、低い温度でAlX2Ga1−X2N層19を成長してInX1Ga1−X1N表面を覆う。故に、GaN層23の成長に係る高温雰囲気においても、InX1Ga1−X1Nの分解を避けることができ、ドロップレットを生じることがない。高温成長のGaN層23は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための引き続く窒化ガリウム系半導体の成長のために良好な下地を提供する。
According to this step, before the
この工程の後に成長を終了して、成長炉21から基板11を取り出す。長波長の発光素子のためのエピタキシャルウエハE0が提供される。エピタキシャルウエハE0は、以下の構造を有する。一の構造のエピタキシャルウエハE0は、InX1Ga1−X1N基板と、この基板の表面を覆うAlX2Ga1−X2N層とを備える。別の構造のエピタキシャルウエハE0は、窒化ガリウム系材料と異なる異種材料の支持基体と、支持基体上に設けられたInX1Ga1−X1N層と、このInX1Ga1−X1N層の表面を覆うAlX2Ga1−X2N層とを備える。このエピタキシャルウエハE0によれば、長波長の窒化物系半導体発光素子の作製に際して、ドロップレット等が発生することがない。
After this step, the growth is completed and the
本実施の形態に係る発明では、エピタキシャルウエハE0の作製に限定されることなく、以下の工程を引き続き行うことができる。次いで、図2(d)に示されるように、この下地上に、クラッド層、活性層、電子ブロック層及びコンタクト層を順に成長炉21で堆積する。
In the invention according to the present embodiment, the following steps can be continued without being limited to the production of the epitaxial wafer E0. Next, as shown in FIG. 2 (d), a cladding layer, an active layer, an electron blocking layer, and a contact layer are sequentially deposited on the underlayer in a
工程S104では、クラッド層のためのInX3Ga1−X3N層25をGaN層23上に成長する。InX3Ga1−X3N層25は、例えばn導電性を有する。原料ガスとして、例えばTMGa、TMIn及びNH3を用いることができる。InX3Ga1−X3N層25の成長温度T3は、例えば摂氏800度である。第3の温度T3は、例えば摂氏650度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第3の温度T3は、例えば摂氏900度以下であることが好ましい。この温度以下であれば所望のIn組成が得られる。
In step S <b> 104, an In X3 Ga 1-X3 N layer 25 for the cladding layer is grown on the
工程S105では、図2(d)に示されるように、活性層27をInX3Ga1−X3N層25上に成長する。活性層27は、480nm以上600nm以下の波長範囲の長波長の発光が得られるように形成される。好適な実施例では、活性層27は、量子井戸構造29を有することができ、また交互に配置された障壁層31及び井戸層33を有することができる。井戸層33は、例えばInGaN、InAlGaNからなることができる。また、障壁層31は、例えばInGaN、InAlGaN、GaNからなることができる。井戸層33の成長温度TWは、障壁層31の成長温度TBより低いことが好ましい。工程S106において障壁層31を成長する。成長温度TBは、例えば摂氏800度である。工程S107において、井戸層33を成長する。成長温度TWは、例えば摂氏720度である。480nm以上600nm以下の波長範囲の長波長の発光を得るためには、井戸層/障壁層の組み合わせは、InGaN/InGaN、InGaN/InAlGaN、InGaN/GaN等であることが好ましい。多重量子井戸構造を形成するためには、工程S108において、障壁層31及び井戸層33の成長を繰り返すことができる。
In step S105, as shown in FIG. 2D, the
工程S109では、活性層27上に、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層35を形成する。窒化ガリウム系半導体層35は、例えば電子ブロック層またはクラッド層のために設けられる。窒化ガリウム系半導体層35の導電性は、p型であることが好ましい。本実施例の引き続く説明では、窒化ガリウム系半導体層35は電子ブロック層のために形成される。窒化ガリウム系半導体層35のバンドギャップは、障壁層31のバンドギャップよりも大きい。窒化ガリウム系半導体層35の厚さは、障壁層31の厚さよりも大きく、また電子のトンネリングが生じない程度である。この層35の厚さは、例えば20nmである。成長温度TEBは、例えば摂氏800度である。窒化ガリウム系半導体層35の材料は、例えばInAlGaN、InGaN等を用いることができる。
In step S109, a gallium nitride based
工程S110では、窒化ガリウム系半導体層35上に、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層37を形成する。窒化ガリウム系半導体層37は、例えばコンタクト層のために設けられる。窒化ガリウム系半導体層37の導電性は、p型である。窒化ガリウム系半導体層37のバンドギャップは、窒化ガリウム系半導体層35のバンドギャップよりも小さい。メタル電極の対して良好なオーミック接触を提供できるように、p型窒化ガリウム系半導体層37に添加されているp型ドーパント量は比較的多い。この層37の厚さは、例えば50nmである。成長温度TCONは、例えば摂氏800度である。窒化ガリウム系半導体層37の材料は、例えばInGaN、InAlGaN等を用いることができる。
In step S <b> 110, a gallium
上記の作製方法を用いて、図4(a)に示されるように、発光ダイオード(LED)構造のためのエピタキシャルウエハE1を作製した。エピタキシャルウエハE1に、アノード電及びカソード電極を作製して発光ダイオード素子を作製した。電流を印加すると、530nmの発光を示した。 Using the above manufacturing method, as shown in FIG. 4A, an epitaxial wafer E1 for a light emitting diode (LED) structure was manufactured. An anode electrode and a cathode electrode were produced on the epitaxial wafer E1 to produce a light emitting diode element. When a current was applied, light emission at 530 nm was exhibited.
エピタキシャルウエハE1の一例を以下に示す。
InX1Ga1−X1N表面11:
AlX2Ga1−X2N層19:SiドープAl0.02Ga0.98N、10nm
GaN層23:SiドープGaN、150nm
InX3Ga1−X3N層25:SiドープIn0.1Ga0.9N、4μm
活性層27
井戸層33:アンドープIn0.3Ga0.7N、3nm
障壁層31:アンドープIn0.1Ga0.9N、15nm
窒化ガリウム系半導体層35:MgドープIn0.02Al0.02Ga0.96N、20nm
窒化ガリウム系半導体層37:MgドープIn0.1Ga0.98N、50nm。
An example of the epitaxial wafer E1 is shown below.
In X1 Ga 1-X1 N surface 11:
Al X2 Ga 1-X2 N layer 19: Si-doped Al 0.02 Ga 0.98 N, 10 nm
GaN layer 23: Si-doped GaN, 150 nm
In X3 Ga 1-X3 N layer 25: Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N, 4 μm
Well layer 33: undoped In 0.3 Ga 0.7 N, 3 nm
Barrier layer 31: undoped In 0.1 Ga 0.9 N, 15 nm
Gallium nitride semiconductor layer 35: Mg-doped In 0.02 Al 0.02 Ga 0.96 N, 20 nm
Gallium nitride based semiconductor layer 37: Mg-doped In 0.1 Ga 0.98 N, 50 nm.
比較のために、図4(b)に示されるように、発光ダイオード(LED)構造のためのエピタキシャルウエハERを作製した。エピタキシャルウエハERは、基板11上に直接にInX3Ga1−X3N層45を成長した。エピタキシャルウエハERでは、InX3Ga1−X3N層45上には、エピタキシャルウエハE1の作製と同様の成膜条件で、活性層47、電子ブロック層55、及びコンタクト層57が作製された。活性層47は障壁層51及び井戸層53を含む。
エピタキシャルウエハERの一例を以下に示す。
InX1Ga1−X1N表面11:
InX3Ga1−X3N層45:SiドープIn0.1Ga0.9N、4μm
活性層47
井戸層53:アンドープIn0.3Ga0.7N、3nm
障壁層51:アンドープIn0.1Ga0.9N、15nm
窒化ガリウム系半導体層55:MgドープIn0.02Al0.02Ga0.96N、20nm
窒化ガリウム系半導体層57:MgドープIn0.1Ga0.98N、50nm。
For comparison, as shown in FIG. 4 (b), to produce an epitaxial wafer E R for emitting diode (LED) structure. Epitaxial wafer E R is directly grown the In X3 Ga 1-X3
An example of the epitaxial wafer E R shown below.
In X1 Ga 1-X1 N surface 11:
In X3 Ga 1-X3 N layer 45: Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N, 4 μm
Active layer 47
Well layer 53: undoped In 0.3 Ga 0.7 N, 3 nm
Barrier layer 51: undoped In 0.1 Ga 0.9 N, 15 nm
Gallium nitride based semiconductor layer 55: Mg-doped In 0.02 Al 0.02 Ga 0.96 N, 20 nm
Gallium nitride based semiconductor layer 57: Mg-doped In 0.1 Ga 0.98 N, 50 nm.
エピタキシャルウエハERの表面に比べて、エピタキシャルウエハE1の表面平坦性は優れていた。エピタキシャルウエハE1の優れた平坦性は、InGaN層及びInAlGaN層が高温成長のGaN層23上に成長されることによって提供されると考えられる。エピタキシャルウエハERの表面は、三次元的な成長のため荒れていた。低温で成長するInGaNはマイグレーションを起こしにくく、これ故にInGaNの三次元成長が生じやすいと考えられる。基板11上に直接にInGaNを成長すると、基板表面のわずかなコンタミネーションなどの影響により結晶成長が阻害され、この結果、三次元成長が生じると考えられる。一方、下地のAlX2Ga1−X2N層19によりGaN層23が高温で成長可能である。このGaN層23は、優れたマイグレーション性を示し、また成長阻害部も埋め込んで平坦化な結晶表面を提供できる。
Compared to the surface of the epitaxial wafer E R, the surface flatness of the epitaxial wafer E1 was excellent. It is considered that the excellent flatness of the epitaxial wafer E1 is provided by growing the InGaN layer and the InAlGaN layer on the high-temperature
図5は、InGaNテンプレートを作製する手順を示す図面である。図6は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図3に示されたInGaNテンプレート11a、11bは、例えば、図5に示されるフローに従って作製される。InGaNテンプレート11a、11bにおける結晶成長のために、例えば有機金属気相成長法、HVPE法等を用いることができる。図6(a)に示されるように、テンプレート用の支持基体13を準備する。支持基体13としては、既に説明したように、サファイア等を用いることができる。工程S121では、図6(b)に示されるように、支持基体13を成長炉にセットして、プロセスガスG3を成長炉に供給して、支持基体13のサーマルクリーニングを行う。工程S122では、図6(c)に示されるように、原料ガスG4を成長炉に供給して、支持基体13の全面に低温GaNバッファ層17aを成長する。低温GaNバッファ層17aの厚さは、例えば10nm以上100nm以下である。成長温度TLは、例えば摂氏400度以上摂氏600度以下である。必要な場合には、図6(d)に示されるように、原料ガスG5を成長炉に供給して、低温GaNバッファ層17aの全面に高温GaNバッファ層17bを成長する。高温GaNバッファ層17bの厚さは、例えば200nm以上である。また、高温GaNバッファ層17bの厚さは、例えば5μm以下である。成長温度THは、例えば摂氏950度以上摂氏1200度以下である。
FIG. 5 is a drawing showing a procedure for producing an InGaN template. FIG. 6 is a drawing showing the main steps of a method for producing an epitaxial wafer according to the present embodiment. The
バッファ層17a(或いはバッファ層17b)を成長した後に、工程S124では、原料ガスG6を成長炉に供給してInX1Ga1−X1N層15を成長する。InX1Ga1−X1N層15の厚さは、例えば20μm以上100μm以下である。成長温度は、例えば摂氏650度以上であり、摂氏900度以下である。この後に、工程S125において、成長炉からInGaNテンプレート11a、11bを取り出す。
After growing the
或いは、工程S124の後に工程S126を行って、InX1Ga1−X1N層15上にAlX2Ga1−X2N層19を成長することもできる。この後に、工程S127において、AlX2Ga1−X2N層19を含むInGaNテンプレートを成長炉から取り出す。このInGaNテンプレートを用いることによって、発光素子のためのエピタキシャル膜の成長の最初に、ドロップレットの発生防止のための工程が不要になり、またAlX2Ga1−X2N層上に直接に、発光素子のためのエピタキシャル積層を形成できる。 Alternatively, the Al X2 Ga 1 -X2 N layer 19 can be grown on the In X1 Ga 1 -X1 N layer 15 by performing the step S126 after the step S124. Thereafter, in step S127, the InGaN template including the Al X2 Ga 1-X2 N layer 19 is taken out from the growth reactor. By using this InGaN template, a step for preventing the occurrence of droplets is not required at the beginning of the growth of the epitaxial film for the light emitting device, and light is emitted directly on the Al X2 Ga 1-X2 N layer. An epitaxial stack for the device can be formed.
図7は、実施の形態に係るInX1Ga1−X1Nバルク基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程フロー102を参照すると、工程S131では、支持基体を準備する。支持体としては、例えばGaAs基板、サファイア基板、GaN基板等を用いることができる。支持体は、必要に応じて、酸化膜マスク層を含むことができる。工程S132で、HVPE法で支持体上にInX1Ga1−X1N厚膜を成長する。この厚膜は、自立可能なバルク基板を得るためには、300μm以上であることが好ましい。InX1Ga1−X1N厚膜を成長した後に、インジウム原料の供給を停止して、工程S133で、HVPE法でInX1Ga1−X1N厚膜上にGaN膜を成長する。HVPE法で成長されたGaN膜の厚さは、例えば50nm以上500nm以下であることが好ましい。これらの工程によって、InGaN厚膜及びGaNキャップ膜を含む結晶体と支持体とを有する結晶生産物が作製される。工程S134で、GaN膜を成長した後に、この結晶生産物をHVPE成長炉から取り出す。必要な場合には、工程S135で、結晶生産物から支持体を除去して、独立した結晶体を得る。結晶体には、半導体基板の作製のための研磨、洗浄等が施されて、InX1Ga1−X1Nバルク基板が作製される。
FIG. 7 is a drawing showing main steps of a method for manufacturing an In X1 Ga 1-X1 N bulk substrate according to an embodiment. Referring to the
InX1Ga1−X1Nバルク基板の表面はGaN膜で覆われている。InX1Ga1−X1Nバルク基板を用いることによって、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体を成長するも先だって、AlX2Ga1−X2N層を成長することが不要になる。この作製方法により得られるInX1Ga1−X1N基板の表面上には、工程S136で、有機金属気相成長(MOVPE)法により、一又は複数のGaN層を直接に成長するために摂氏1000度近傍の温度に昇温可能である。この後に、一又は複数のGaN、InGaN及びAlInGaN層等を成長して、窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製した。このエピタキシャルウエハの表面平坦性は良好であった。 The surface of the In X1 Ga 1-X1 N bulk substrate is covered with a GaN film. By using the In X1 Ga 1 -X1 N bulk substrate, it is not necessary to grow an Al X2 Ga 1 -X2 N layer before growing a gallium nitride based semiconductor for a nitride based semiconductor light emitting device. In order to directly grow one or a plurality of GaN layers on the surface of the In X1 Ga 1-X1 N substrate obtained by this fabrication method by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) in Step S136, the temperature is 1000 degrees Celsius. The temperature can be raised to a temperature close to 50 degrees. Thereafter, one or a plurality of GaN, InGaN, and AlInGaN layers were grown to produce an epitaxial wafer for a gallium nitride based semiconductor light emitting device. The surface flatness of this epitaxial wafer was good.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、ドロップレットの発生に煩わされること無く、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。また、このエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。 As described above, according to the embodiment of the present invention, there is provided an epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting element that can generate light having a long wavelength without bothering generation of droplets. Also provided is a method of making this epitaxial wafer.
高いインジウム組成のIn(Ga)Nを用いて、緑色発光素子が作製可能である。その基板として、InGaN基板やInN基板が作製されている。GaNバルク基板では、H2を含む雰囲気で摂氏1000度以上に昇温してクリーニング工程を行った後に、GaNエピタキシャル膜を成長する。しかしながら、発明者の知見によれば、In(Ga)Nバルク基板又はテンプレート上に窒化物系エピタキシャル膜を成長する方法では、GaNバルク基板を用いる成長と異なるアプローチが必要である。 A green light-emitting element can be manufactured using In (Ga) N having a high indium composition. As the substrate, an InGaN substrate or an InN substrate is produced. In a GaN bulk substrate, a GaN epitaxial film is grown after performing a cleaning process by raising the temperature to 1000 degrees Celsius or higher in an atmosphere containing H 2 . However, according to the inventor's knowledge, the method for growing a nitride-based epitaxial film on an In (Ga) N bulk substrate or template requires a different approach from the growth using a GaN bulk substrate.
In(Ga)N基板上に最初に成長されるエピタキシャル膜は、高温成長のGaN膜であることが好ましい。In(Ga)Nの格子定数はGaNの格子定数と異なるけれども、このGaN膜の結晶品質は良好であり、また表面平坦性も良好である。しかしながら、In(Ga)N及びGaNの成長温度の違いにより、GaN膜の成長中にIn(Ga)Nが分解して、金属ドロップレットが表面に発生する。 The epitaxial film first grown on the In (Ga) N substrate is preferably a high-temperature grown GaN film. Although the lattice constant of In (Ga) N is different from the lattice constant of GaN, the crystal quality of this GaN film is good and the surface flatness is also good. However, due to the difference in growth temperature between In (Ga) N and GaN, In (Ga) N is decomposed during the growth of the GaN film, and metal droplets are generated on the surface.
発明者の検討によれば、金属ドロップレットを避けるためには、GaN成長のための昇温雰囲気からH2の比率を下げて、N2を用いることが好ましい。 According to the inventor's study, in order to avoid metal droplets, it is preferable to use N 2 by lowering the H 2 ratio from the temperature rising atmosphere for GaN growth.
また、摂氏550度〜摂氏850度程度の範囲を越える高温には、In(Ga)N表面をさらさないことが重要である。このために、インジウムを含まない窒化ガリウム系半導体からなる保護層でIn(Ga)N表面を覆った後に、上記の温度範囲を超える高温、例えば摂氏1000度付近に昇温して、高品質なGaNを成長する。 In addition, it is important not to expose the In (Ga) N surface to high temperatures exceeding the range of about 550 degrees Celsius to 850 degrees Celsius. For this reason, after covering the In (Ga) N surface with a protective layer made of a gallium nitride-based semiconductor not containing indium, the temperature is raised to a high temperature exceeding the above temperature range, for example, around 1000 degrees Celsius, and a high quality GaN is grown.
或いは、インジウムを含まない窒化ガリウム系半導体でIn(Ga)N表面をキャップした基板上に、エピタキシャル成長を行うことが好ましい。 Alternatively, it is preferable to perform epitaxial growth on a substrate whose In (Ga) N surface is capped with a gallium nitride-based semiconductor not containing indium.
インジウムを含む窒化ガリウム系材料の基板表面に露出させないようにすることによって、昇温時にIn(Ga)Nxの分解を抑制できる。故に、金属ドロップレットの発生が抑制される。 By preventing exposure to the substrate surface of the gallium nitride-based material containing indium, decomposition of In (Ga) Nx can be suppressed during temperature rise. Therefore, generation | occurrence | production of a metal droplet is suppressed.
10…基板表面、11…基板、1a、11b…InX1Ga1−X1Nテンプレート基板1、13…支持基体、15…窒化物層、17a…低温GaN層、17b…高温GaN層、19…AlX2Ga1−X2N層、21…成長炉、23…GaN層、25…InX3Ga1−X3N層、27…活性層、29…量子井戸構造、31…障壁層、33…井戸層、35…窒化ガリウム系半導体層、37…窒化ガリウム系半導体層、E0、E1…エピタキシャルウエハ
10 ... substrate surface, 11 ... substrate, 1a, 11b ... In X1 Ga 1-X1
Claims (15)
InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる表面を有する基板上に、第1の温度でAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層を成長する工程と、
前記AlX2Ga1−X2N層上にGaN層を第2の温度で成長する工程と
を備え、
前記AlX2Ga1−X2N層は前記基板の前記表面を覆っており、
前記第1の温度は前記第2の温度よりも低い、ことを特徴とする方法。 A method for producing an epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting device, comprising:
Growing an Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X2 ≦ 1) layer at a first temperature on a substrate having a surface made of In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1);
Growing a GaN layer on the Al X2 Ga 1-X2 N layer at a second temperature,
The Al X2 Ga 1-X2 N layer covers the surface of the substrate;
The method of claim 1, wherein the first temperature is lower than the second temperature.
前記第2の温度は、摂氏950度以上摂氏1150度以下である、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。 The first temperature is not less than 550 degrees Celsius and not more than 850 degrees Celsius,
The method of claim 1, wherein the second temperature is not less than 950 degrees Celsius and not more than 1150 degrees Celsius.
前記ガスの水素分率はゼロ%以上5%以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。 After placing the substrate in the growth furnace, prior to the growth of the Al X2 Ga 1-X2 N layer, the temperature of the substrate is brought to the first temperature while flowing a gas containing at least nitrogen as a constituent element to the growth furnace. Further comprising the step of raising
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrogen fraction of the gas is not less than 0% and not more than 5%.
前記窒化物層は20マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された方法。 The substrate includes a support base and a nitride layer provided on the support base and made of the In X1 Ga 1-X1 N,
The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the nitride layer is 20 micrometers or more.
前記InGaN層の厚さは前記GaN層の厚さより厚い、ことを特徴とする請求項10に記載された方法。 Further comprising the step of growing an InGaN layer after the growth of the GaN layer and before the growth of the active layer,
The method of claim 10, wherein the thickness of the InGaN layer is greater than the thickness of the GaN layer.
前記AlX2Ga1−X2N層の成長は、HVPE法で行われ、
前記GaN層の成長は、MOVPE法で行われる、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された方法。 Prior to growing the Al X2 Ga 1-X2 N layer, a step of depositing a nitride thick film made of In X1 Ga 1-X1 N on a support by HVPE method to further produce the substrate Prepared,
The growth of the Al X2 Ga 1-X2 N layer is performed by an HVPE method,
The method according to claim 1, wherein the growth of the GaN layer is performed by a MOVPE method.
InX1Ga1−X1N(0<X1≦1)からなる基板と、
前記基板の表面を覆うAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層と
を備える、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 An epitaxial wafer for a nitride semiconductor light emitting device,
A substrate made of In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1);
An epitaxial wafer comprising: an Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X2 ≦ 1) layer covering the surface of the substrate.
支持基体と、
前記支持基体上に設けられたInX1Ga1−X1N(0<X1≦1)層と、
前記InX1Ga1−X1N層の表面を覆うAlX2Ga1−X2N(0≦X2≦1)層と
を備え、
前記支持基体は、GaN、サファイア、SiC、ZnO及びGaAsのいずれかの材料からなる、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。 An epitaxial wafer for a nitride semiconductor light emitting device,
A support substrate;
An In X1 Ga 1-X1 N (0 <X1 ≦ 1) layer provided on the support substrate;
An Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X2 ≦ 1) layer covering the surface of the In X1 Ga 1-X1 N layer,
The epitaxial wafer characterized in that the support substrate is made of any material of GaN, sapphire, SiC, ZnO and GaAs.
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