JP2009177219A - METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE Download PDF

Info

Publication number
JP2009177219A
JP2009177219A JP2009118944A JP2009118944A JP2009177219A JP 2009177219 A JP2009177219 A JP 2009177219A JP 2009118944 A JP2009118944 A JP 2009118944A JP 2009118944 A JP2009118944 A JP 2009118944A JP 2009177219 A JP2009177219 A JP 2009177219A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
manufacturing
gan
substrate
contact layer
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009118944A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiromitsu Kudo
広光 工藤
Tomoo Yamada
智雄 山田
Kazuyuki Tadatomo
一行 只友
Yoichiro Ouchi
洋一郎 大内
Hiroaki Okagawa
広明 岡川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Chemical Corp filed Critical Mitsubishi Chemical Corp
Priority to JP2009118944A priority Critical patent/JP2009177219A/en
Publication of JP2009177219A publication Critical patent/JP2009177219A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a GaN-based semiconductor device which is capable of lowering its operation voltage while making productivity improvements and reducing manufacturing costs by manufacturing a p-type GaN-based semiconductor without performing additional heat treatment process after the lamination process a semiconductor layer is completed. <P>SOLUTION: As the uppermost layer of a lamination structure of a GaN-based semiconductor to be formed on a substrate, a p-type contact layer composed of AlGaN is formed by a MOVPE method, and then the falling temperature of the p-type contact layer is carried out while ammonia and an inert gas with respect to the GaN semiconductor are introduced into a growing furnace so that the ratio of ammonia becomes 0 to 0.025. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、GaN系半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a GaN-based semiconductor element.

近年、青色から紫外域にかけての短波長領域の発光ダイオード(以下、LEDともいう)や半導体レーザ用の材料として窒化物半導体が用いられるようになっている。窒化物系半導体は、一般式InAlGaN(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であって、例えば、GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InNなど、任意の組成のものが例示される。以下、窒化物系半導体をGaN系半導体ともいう。 In recent years, nitride semiconductors have been used as light-emitting diodes (hereinafter also referred to as LEDs) in the short wavelength region from blue to ultraviolet and materials for semiconductor lasers. The nitride-based semiconductor is a compound semiconductor represented by a general formula In x Al y Ga z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), For example, those having an arbitrary composition such as GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, and InN are exemplified. Hereinafter, the nitride-based semiconductor is also referred to as a GaN-based semiconductor.

GaN系半導体材料を用いたこの種の発光素子では、電流注入層や電極とのコンタクト層として、p型層及びn型層を必要とするが、p型のGaN系半導体は、今のところ、n型のものに比べて導電率の低いものしか得られていない。そこで、基板上にp型およびn型のGaN系半導体が積層されてなる発光素子では、通常、p側電極の形成されるp型コンタクト層が積層体の最上層とされ、そのp型コンタクト層の上面全面を覆うようにp側電極が形成される。このような構成にすることで、素子に電圧を印加したときにp型層内を流れる電流の向きを層の厚み方向とすることができ、素子の直列抵抗が低く抑えられるためである。また、導電性が低いp型層内では電流キャリアが拡散し難いが、このようなp型層から活性層に注入されるキャリアの量が、活性層の面内で均一になるようにするためである。   In this type of light emitting device using a GaN-based semiconductor material, a p-type layer and an n-type layer are required as a current injection layer and a contact layer with an electrode. Only low conductivity is obtained compared to n-type. Therefore, in a light emitting device in which p-type and n-type GaN-based semiconductors are laminated on a substrate, the p-type contact layer on which the p-side electrode is formed is usually the uppermost layer of the laminate, and the p-type contact layer A p-side electrode is formed so as to cover the entire upper surface. With such a configuration, the direction of the current flowing in the p-type layer when a voltage is applied to the element can be the thickness direction of the layer, and the series resistance of the element can be kept low. Further, although current carriers are difficult to diffuse in the p-type layer having low conductivity, the amount of carriers injected from the p-type layer into the active layer is made uniform in the plane of the active layer. It is.

p型コンタクト層に関しては、電極とのオーミック接触を得るために、p型不純物をマグネシウム(Mg)とし、組成はインジウム(In)、アルミニウム(Al)を含まない二元混晶の窒化ガリウム(GaN)とする必要があるといわれている(特許文献1)。特許文献2には、Mgを高濃度にドープしたGaNをp型コンタクト層に用いることで、金属電極に対する良好なオーミック性が得られた例が開示されている。   For the p-type contact layer, in order to obtain ohmic contact with the electrode, the p-type impurity is magnesium (Mg), and the composition is binary mixed crystal gallium nitride (GaN) containing no indium (In) or aluminum (Al). ) (Patent Document 1). Patent Document 2 discloses an example in which a good ohmic property with respect to a metal electrode is obtained by using GaN doped with Mg at a high concentration in a p-type contact layer.

GaN系半導体の成長方法としては、高品質の結晶を実用的な成長速度で作製することができる有機金属気相成長(MOVPE)法が一般的に用いられているが、p型伝導性のものは、MOVPE法によってGaN系半導体を成長する際に、単に2族元素を添加しただけでは得られないという問題がある。GaNの場合、約600℃以上では結晶から窒素原子が脱離する可能性があるために、高温での成長終了後、600℃以下となるまでアンモニア(NH)を流しながら降温すると良いことが知られており(特許文献3)、このことはMOVPE法を用いた場合も同様であるが、アンモニアを流しながら室温まで降温すると、GaN系半導体におけるp型不純物であるMgや亜鉛(Zn)などの2族元素を添加して成長したGaNはp型伝導性を示さず、高抵抗なものとなってしまうのである。その理由は、MgやZnの周辺で、窒素原子と原子状水素との結合が安定化されることによって、これらMgやZnのアクセプターとしての活性が失われるためといわれている。この原子状水素の働きによるp型伝導性の発現阻害現象は、水素パッシベーションと呼ばれている。 As a method for growing a GaN-based semiconductor, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method capable of producing a high-quality crystal at a practical growth rate is generally used. However, when a GaN-based semiconductor is grown by the MOVPE method, there is a problem that it cannot be obtained simply by adding a group 2 element. In the case of GaN, since nitrogen atoms may be desorbed from the crystal at about 600 ° C. or higher, it is preferable to lower the temperature while flowing ammonia (NH 3 ) until the temperature reaches 600 ° C. or lower after completion of growth at a high temperature. This is the same as in the case of using the MOVPE method. However, when the temperature is lowered to room temperature while flowing ammonia, p-type impurities such as Mg and zinc (Zn) in a GaN-based semiconductor are used. GaN grown by adding the group 2 element does not exhibit p-type conductivity and has high resistance. The reason is said that the activity as an acceptor of Mg and Zn is lost by stabilizing the bond between nitrogen atoms and atomic hydrogen around Mg and Zn. This phenomenon of inhibition of the expression of p-type conductivity due to the action of atomic hydrogen is called hydrogen passivation.

この問題を解決し、低抵抗のp型GaN系半導体を得る方法として、MOVPE法によってp型不純物を添加しながらGaN系半導体を成長し、成長終了後、アンモニアを流しながら室温まで降温した後に、窒素ガス(N)雰囲気中、大気圧下または加圧下で600℃〜800℃程度の加熱処理を施す方法が知られている(特許文献4)。
また、別の方法として、特許文献5では、MOVPE法によってp型不純物を添加しな
がらGaN系半導体を成長した後、成長温度から、900〜700℃程度の温度まではアンモニア等の窒素含有雰囲気中で冷却し、それ以下の温度では不活性ガス中で冷却する方法が提案されており、この方法によれば、有害な窒素原子の脱離と水素パッシベーションとを同時に防止できるといわれている。この特許文献5には、冷却時の水素の取り込まれを抑制する場合として、GaAlInNの成長後、800℃ないし850℃の温度まではアンモニア中で冷却し、その後、アルゴン中にて冷却した例が記載されている。特許文献6には、p型不純物を添加してGaNの成長を行った後、アンモニアを1.3リットル/分、水素を2.5リットル/分の割合で成長炉内に供給しながら冷却を行い、600℃以上の温度でアンモニアの供給を停止することで、冷却後に熱処理等の処理を施すことなく、p型のGaNを得た例が記載されている。
As a method for solving this problem and obtaining a low-resistance p-type GaN-based semiconductor, a GaN-based semiconductor is grown while adding a p-type impurity by the MOVPE method, and after the growth is completed, the temperature is lowered to room temperature while flowing ammonia. A method of performing a heat treatment at about 600 ° C. to 800 ° C. in a nitrogen gas (N 2 ) atmosphere under atmospheric pressure or under pressure is known (Patent Document 4).
As another method, in Patent Document 5, after growing a GaN-based semiconductor while adding a p-type impurity by the MOVPE method, from a growth temperature to a temperature of about 900 to 700 ° C., in a nitrogen-containing atmosphere such as ammonia. In this method, it is said that detachment of harmful nitrogen atoms and hydrogen passivation can be prevented at the same time. In Patent Document 5, as a case of suppressing the incorporation of hydrogen during cooling, there is an example in which after the growth of GaAlInN, it is cooled in ammonia to a temperature of 800 ° C. to 850 ° C. and then cooled in argon. Are listed. In Patent Document 6, after p-type impurities are added and GaN is grown, cooling is performed while supplying ammonia into the growth furnace at a rate of 1.3 liters / minute and hydrogen at a rate of 2.5 liters / minute. An example is described in which p-type GaN is obtained without stopping the supply of ammonia at a temperature of 600 ° C. or higher without performing a heat treatment or the like after cooling.

特開平6−268259号公報JP-A-6-268259 特開平8−97471号公報JP-A-8-97471 特開昭56−45899号公報JP 56-45899 A 特開平5−183189号公報JP-A-5-183189 特開平6−326416号公報JP-A-6-326416 特開平8−115880号公報JP-A-8-115880

しかしながら、特許文献4記載の方法でp型GaN系半導体を含むGaN系半導体素子を得ようとすると、半導体層の積層工程に加えて、別途の熱処理工程が必要となるため、製造工程の数が多くなり、ひいては生産性の低下もしくはコストの上昇を招く問題があると共に、処理工程の増加による歩留り低下という問題がある。
また、本発明者らが、特許文献5および6記載の方法を用いて、p型GaNをp型コンタクト層としたLEDを試作したところ、動作電圧が高くなるという問題があることが見出された。発光素子は、実用上の点からは、単に出力が高ければ良いというものではなく、素子が組み込まれる装置・機器の側からの低消費電力化に対する要求がある。また、動作電圧は素子の発熱量に直接関係するため、素子の寿命に大きく影響する。発熱が大きい程、放熱を優先する実装構造が必要となることから、設計上の様々な制約が発生してくるという問題もある。特に、GaN系半導体発光素子では、短波長光を発生するために原理的に駆動電圧が高くならざるを得ないことに加え、結晶成長用基板として現在のところ最適とされるサファイアの熱伝導性が極めて低く、放熱性が悪いという問題もある。これらの事情から、GaN系半導体発光素子の動作電圧、例えば、LEDにおける順方向電圧(Vf)や、レーザダイオードにおける発振のしきい値電圧の低減に関しては、極めて強い要求があり、たとえ0.1Vでも低減することが望ましいとされている。
However, if an attempt is made to obtain a GaN-based semiconductor element including a p-type GaN-based semiconductor by the method described in Patent Document 4, a separate heat treatment process is required in addition to the semiconductor layer stacking process. There is a problem that the number of processes is increased, resulting in a decrease in productivity or an increase in cost, and a decrease in yield due to an increase in processing steps.
In addition, when the inventors made a prototype LED using p-type GaN as a p-type contact layer using the methods described in Patent Documents 5 and 6, it was found that there was a problem that the operating voltage was increased. It was. From a practical point of view, a light-emitting element is not simply a high output, and there is a demand for low power consumption from the side of the device / equipment in which the element is incorporated. In addition, since the operating voltage is directly related to the amount of heat generated by the element, it greatly affects the life of the element. There is also a problem that various design restrictions occur because a mounting structure that prioritizes heat dissipation is required as heat generation increases. In particular, in a GaN-based semiconductor light emitting device, in order to generate short-wavelength light, the driving voltage must be increased in principle, and the thermal conductivity of sapphire, which is currently optimal as a substrate for crystal growth However, there is also a problem that heat dissipation is poor. Under these circumstances, there is an extremely strong demand for reducing the operating voltage of a GaN-based semiconductor light emitting element, for example, the forward voltage (Vf) in an LED and the threshold voltage of oscillation in a laser diode, even if it is 0.1 V However, it is considered desirable to reduce it.

本発明は、上記問題を解消する、すなわち、半導体層の積層工程後に別途の熱処理工程を行うことなくp型GaN系半導体を作製することで、生産性の向上およびコストの低下を図りつつ、素子の動作電圧を低くすることが可能な、GaN系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problem, that is, by producing a p-type GaN-based semiconductor without performing a separate heat treatment step after the semiconductor layer stacking step, thereby improving productivity and reducing costs. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a GaN-based semiconductor device that can reduce the operating voltage of the GaN-based semiconductor device.

本発明は下記の特徴を有する。
(1)GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程を含み、この工程が、
(A)前記基板が設置された成長炉内に原料およびキャリアガスを導入して、MOVPE法によりAlGa1−aN(0<a≦1)からなるp型コンタクト層を前記積層構造の最上層として成長する工程と、(B)(A)の工程の終了後、前記成長炉内に、アンモニ
アと、GaN系半導体に対して不活性なガスからなる第1のガスとを、成長炉内に導入されるガスの全流量に占めるアンモニアの流量の比率fが、0<f<0.025となるように導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う工程と、
を含む、GaN系半導体素子の製造方法。
(2)前記比率fが、0.001≦f≦0.01である、前記(1)の製造方法。
(3)前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、更に、
(C)(B)の工程の後、前記成長炉内に、GaN系半導体に対して不活性なガスからなりアンモニアを含まない第2のガスを導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う工程、
を含む前記(1)または(2)の製造方法。
(4)(B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t≦950℃であるときに行う、前記(3)の製造方法。
(5)(B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t≦800℃であるときに行う、前記(4)の製造方法。
(6)(B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t>650℃であるときに行う、前記(3)ないし(5)の製造方法。
(7)(C)の工程において、基板温度tが、650℃<t≦800℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる、前記(6)の製造方法。
(8)前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる方法が、サセプタ加熱手段を動作させることを含む、前記(7)の製造方法。
(9)(B)または(C)の工程において、基板温度tが、t≦650℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を速く変化させる、前記(1)ないし(8)の製造方法。
(10)0.01≦a≦0.2である、前記(1)ないし(9)の製造方法。
(11)前記第1のガスおよび前記第2のガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、前記(1)ないし(10)の製造方法。
(12)前記p型コンタクト層の厚さが1nm〜50nmである、前記(1)ないし(11)の製造方法。
(13)前記p型コンタクト層にMgが1×1019cm−3〜1×1021cm−3の濃度で添加される前記(1)ないし(12)の製造方法。
(14)前記GaN系半導体素子は、p型コンタクト層に隣接して、キャリア濃度が1×1017cm−3〜2×1018cm−3のp型GaNからなる層を含む、前記(1)ないし(13)の製造方法。
(15)前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、前記(A)の工程の前に、更にアンドープのGaNからなる層を前記基板上に成長する工程を含む、前記(1)ないし(14)の製造方法。
(16)前記基板が、表面に凹凸形状が加工形成された基板である、前記(1)ないし(15)の製造方法。
(17)(A)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが、化学的に安定なガスからなる第1のキャリアガスと、水素ガスとを含み、前記第1のキャリアガスの流量が水素ガスの流量と同じであるかそれよりも大きい、前記(1)ないし(16)の製造方法。
(18)前記第1のキャリアガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、前記(17)の製造方法。
(19)(A)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが水素ガスを含まない、前記(1)ないし(16)の製造方法。
(20)GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程を含み、この工程が、
(D)前記基板が設置された成長炉内に原料およびキャリアガスを供給して、MOVPE法によりAlGa1−bN(0<b≦1)からなるp型コンタクト層を前記積層構造の最上層として成長する工程と、
(E)(D)の工程の終了後、(D)の工程に用いた成長炉内に、GaN系半導体に対して不活性なガスからなりアンモニアを含まない第3のガスを導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う第3の降温工程と、
を含む、GaN系半導体素子の製造方法。
(21)(E)の工程において、基板温度tが、650℃<t≦800℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる、前記(20)の製造方法。
(22)前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる方法が、サセプタ加熱手段を動作させることを含む、前記(21)の製造方法。
(23)(E)の工程において、基板温度tが、t≦650℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を速く変化させる、前記(20)ないし(22)の製造方法。
(24)0.01≦b≦0.2である、前記(20)ないし(23)の製造方法。
(25)前記第3のガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、前記(20)ないし(24)の製造方法。
(26)前記p型コンタクト層の厚さが1nm〜50nmである、前記(20)ないし(25)の製造方法。
(27)前記p型コンタクト層にMgが1×1019cm−3〜1×1021cm−3の濃度で添加される前記(20)ないし(26)の製造方法。
(28)前記GaN系半導体素子は、p型コンタクト層に隣接して、キャリア濃度が1×1017cm−3〜2×1018cm−3のp型GaNからなる層を含む、前記(20)ないし(27)の製造方法。
(29)前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、(D)の工程の前に、更にアンドープのGaNからなる層を前記基板上に成長する工程を含む、前記(20)ないし(28)の製造方法。
(30)前記基板が、表面に凹凸形状が加工形成された基板である、前記(20)ないし(29)の製造方法。
(31)(D)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが、化学的に安定なガスからなる第2のキャリアガスと、水素ガスとを含み、前記第2のキャリアガスの流量が水素ガスの流量と同じであるかそれよりも大きい、前記(20)ないし(30)の製造方法。
(32)前記第2のキャリアガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、前記(31)の製造方法。
(33)(D)の工程において成長炉内に導入されるキャリアガスが水素ガスを含まない、前記(20)ないし(30)の製造方法。
The present invention has the following features.
(1) including a step of forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate,
(A) A raw material and a carrier gas are introduced into a growth furnace in which the substrate is installed, and a p-type contact layer made of Al a Ga 1-a N (0 <a ≦ 1) is formed by the MOVPE method. After the step of growing as the uppermost layer and the steps (B) and (A), ammonia and a first gas made of an inert gas with respect to the GaN-based semiconductor are introduced into the growth furnace. A step of lowering the temperature of the p-type contact layer while introducing so that the ratio f of the flow rate of ammonia occupying the total flow rate of the gas introduced into the interior satisfies 0 <f <0.025;
A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
(2) The method according to (1), wherein the ratio f is 0.001 ≦ f ≦ 0.01.
(3) The step of forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate further includes
(C) After the step (B), the temperature of the p-type contact layer is lowered while introducing a second gas that is inert to the GaN-based semiconductor and does not contain ammonia into the growth furnace. Process to perform,
The manufacturing method of said (1) or (2) containing.
(4) The manufacturing method according to (3), wherein the switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t ≦ 950 ° C.
(5) The manufacturing method according to (4), wherein the switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t ≦ 800 ° C.
(6) The manufacturing method according to (3) to (5), wherein the switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t> 650 ° C.
(7) The manufacturing method according to (6), wherein, in the step (C), when the substrate temperature t is 650 ° C. <t ≦ 800 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed slowly.
(8) The manufacturing method according to (7), wherein the method of slowly changing the temperature decrease rate of the p-type contact layer includes operating a susceptor heating unit.
(9) In the step (B) or (C), when the substrate temperature t is t ≦ 650 ° C., the rate of temperature decrease of the p-type contact layer is changed rapidly. Production method.
(10) The production method of the above (1) to (9), wherein 0.01 ≦ a ≦ 0.2.
(11) The method according to any one of (1) to (10), wherein the first gas and the second gas include one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases.
(12) The method according to any one of (1) to (11), wherein the p-type contact layer has a thickness of 1 nm to 50 nm.
(13) The manufacturing method according to (1) to (12), wherein Mg is added to the p-type contact layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .
(14) The GaN-based semiconductor element includes a layer made of p-type GaN having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 adjacent to the p-type contact layer. ) To (13).
(15) The step of forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate includes a step of growing a layer made of undoped GaN on the substrate before the step (A). ) To (14).
(16) The method according to any one of (1) to (15), wherein the substrate is a substrate having a concavo-convex shape processed on the surface.
(17) In the step (A), the carrier gas introduced into the growth furnace includes a first carrier gas made of a chemically stable gas and hydrogen gas, and the first carrier gas The production method of (1) to (16), wherein the flow rate is the same as or larger than the flow rate of hydrogen gas.
(18) The manufacturing method according to (17), wherein the first carrier gas includes one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases.
(19) The method of (1) to (16), wherein in the step (A), the carrier gas introduced into the growth furnace does not contain hydrogen gas.
(20) including a step of forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate,
(D) A raw material and a carrier gas are supplied into a growth furnace in which the substrate is installed, and a p-type contact layer made of Al b Ga 1-b N (0 <b ≦ 1) is formed by the MOVPE method. Growing as the top layer,
(E) After the completion of the step (D), while introducing a third gas that is inert to the GaN-based semiconductor and does not contain ammonia into the growth furnace used in the step (D), A third temperature lowering step for lowering the temperature of the p-type contact layer;
A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
(21) The manufacturing method according to (20), wherein, in the step (E), when the substrate temperature t is 650 ° C. <t ≦ 800 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed slowly.
(22) The manufacturing method according to (21), wherein the method of slowly changing the temperature decrease rate of the p-type contact layer includes operating a susceptor heating means.
(23) The manufacturing method according to (20) to (22), wherein, in the step (E), when the substrate temperature t is t ≦ 650 ° C., the temperature decrease rate of the p-type contact layer is changed rapidly.
(24) The production method of the above (20) to (23), wherein 0.01 ≦ b ≦ 0.2.
(25) The manufacturing method according to (20) to (24), wherein the third gas includes one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases.
(26) The method according to (20) to (25), wherein the p-type contact layer has a thickness of 1 nm to 50 nm.
(27) The manufacturing method of (20) to (26), wherein Mg is added to the p-type contact layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .
(28) The GaN-based semiconductor element includes a layer made of p-type GaN having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 adjacent to the p-type contact layer. ) To (27).
(29) The step of forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate includes a step of further growing a layer made of undoped GaN on the substrate before the step of (D). Thru (28) manufacturing method.
(30) The method according to any one of (20) to (29), wherein the substrate is a substrate having a concavo-convex shape processed on the surface.
(31) In the step (D), the carrier gas introduced into the growth furnace includes a second carrier gas made of a chemically stable gas and hydrogen gas, and the second carrier gas The method according to (20) to (30), wherein the flow rate is the same as or larger than the flow rate of hydrogen gas.
(32) The method according to (31), wherein the second carrier gas contains one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases.
(33) The production method of (20) to (30), wherein the carrier gas introduced into the growth furnace in the step (D) does not contain hydrogen gas.

本発明者らは、前記特許文献5および6に記載されたp型GaN系半導体の作製方法を用いて、p型のGaNをp型コンタクト層に用いたLEDを試作したところ、動作電圧が高くなることを見出し、その原因について検討を重ねた結果、GaNは分解温度が比較的低いために、MOVPE法で成長した後の降温過程において、p型コンタクト層表面で著しい窒素原子の脱離が起こり、p型コンタクト層とp側電極との接触抵抗が大きくなったのではないかと考えた。つまり、窒素原子の脱離によって生じた窒素空孔がもたらすn型伝導性の影響で、p型コンタクト層の表面でのp型伝導性の発現が阻害され、接触抵抗が増加したという推定である。   The inventors of the present invention made a prototype of an LED using p-type GaN as a p-type contact layer using the method for producing a p-type GaN-based semiconductor described in Patent Documents 5 and 6, and found that the operating voltage was high. As a result of repeated investigations on the cause of this phenomenon, GaN has a relatively low decomposition temperature. Therefore, during the temperature lowering process after growth by the MOVPE method, significant nitrogen atom desorption occurs on the surface of the p-type contact layer. The contact resistance between the p-type contact layer and the p-side electrode was thought to have increased. That is, it is estimated that the contact resistance is increased due to the influence of the n-type conductivity caused by the nitrogen vacancies caused by the detachment of nitrogen atoms, which inhibits the expression of the p-type conductivity on the surface of the p-type contact layer. .

そこで、本発明では、まず、GaN系半導体素子の製造工程において、GaN系半導体の積層構造を基板上に形成するにあたり、最上層として成長する層、すなわち最後に成長する層を、AlGa1−nN(ただし、0<n≦1)(以下、AlGaNともいう)からなるp型コンタクト層とすることにより、成長後の降温過程におけるp型コンタクト層表面での窒素原子の脱離抑制を図っている。AlGaNは、Alと窒素原子との結合解離エネルギーが、GaNと窒素原子との結合解離エネルギーよりも大きいために、p型コン
タクト層をGaNで形成した場合に比べ、高温での窒素原子の脱離が生じ難いと考えられるためである。これによって、n型伝導性を示す窒素空孔の発生を抑制し、p型コンタクト層の表面領域におけるp型伝導性の発現を促進する。また、このp型コンタクト層を、高品質の結晶を成長するのに適したMOVPE法で成長することによっても、p側電極との接触抵抗の低下を図っている。
Therefore, according to the present invention, first, in the manufacturing process of the GaN-based semiconductor element, when forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate, the layer that grows as the uppermost layer, that is, the layer that grows last is the Al n Ga 1 By using a p-type contact layer made of −nN (where 0 <n ≦ 1) (hereinafter also referred to as AlGaN), desorption suppression of nitrogen atoms on the surface of the p-type contact layer in the temperature lowering process after growth is suppressed. I am trying. Since AlGaN has a bond dissociation energy between Al and nitrogen atoms that is larger than the bond dissociation energy between GaN and nitrogen atoms, desorption of nitrogen atoms at a higher temperature than when the p-type contact layer is formed of GaN. This is because it is considered that is difficult to occur. This suppresses the generation of nitrogen vacancies exhibiting n-type conductivity and promotes the expression of p-type conductivity in the surface region of the p-type contact layer. The contact resistance with the p-side electrode is also reduced by growing the p-type contact layer by the MOVPE method suitable for growing a high-quality crystal.

次に、本発明では、p型コンタクト層を成長した後、降温過程で成長炉に導入するアンモニアの量を従来よりも極端に少なくする。これによって水素パッシベーションを抑制することと、上述の、p型コンタクト層の材料をAlGaNとすることとの相乗効果により、p型コンタクト層の表面でのp型伝導性の発現が著しく促進され、p側電極との接触抵抗の低減が達成される。   Next, in the present invention, after growing the p-type contact layer, the amount of ammonia introduced into the growth furnace in the temperature lowering process is extremely reduced as compared with the prior art. As a result, the synergistic effect of suppressing hydrogen passivation and the above-mentioned AlGaN as the material of the p-type contact layer significantly promotes the development of p-type conductivity on the surface of the p-type contact layer. Reduction of contact resistance with the side electrode is achieved.

更に、本発明では、水素パッシベーションをより効果的に抑制するために、p型コンタクト層を成長した後、降温過程で成長炉に導入するアンモニアを室温よりもかなり高い温度で停止する。この場合も、上述のように、p型コンタクト層の材料をAlGaNとすることで表面での窒素原子の脱離を抑制しているため、水素パッシベーションを抑制することによる効果の方が優勢となって、p型コンタクト層とp側電極の接触抵抗の更なる低下が図られる。   Further, in the present invention, in order to suppress hydrogen passivation more effectively, after the p-type contact layer is grown, ammonia introduced into the growth furnace in the temperature lowering process is stopped at a temperature considerably higher than room temperature. Also in this case, as described above, since the material of the p-type contact layer is made of AlGaN, the elimination of nitrogen atoms on the surface is suppressed, so the effect of suppressing hydrogen passivation becomes more dominant. Thus, the contact resistance between the p-type contact layer and the p-side electrode can be further reduced.

このような本発明によれば、GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程を行うだけで、抵抗の低いp型GaN系半導体が得られるために、別途の熱処理工程が不要となり、生産性の向上やコストの低下が可能となる。
また、本発明によれば、従来の発想ではp型コンタクト層の材料として最適とは考えられていなかった、AlGaNをp型コンタクト層の材料として用いるにもかかわらず、p型コンタクト層をGaNで形成した従来のGaN系半導体素子よりも動作電圧が低くなる。これによって、素子の消費電力が低下するとともに、発熱量が低減されるので、劣化が抑制され、素子の動作寿命や信頼性が向上する。
According to the present invention, a p-type GaN-based semiconductor having a low resistance can be obtained simply by performing a step of forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate, so that a separate heat treatment step is not required and It is possible to improve the property and reduce the cost.
In addition, according to the present invention, the p-type contact layer is made of GaN, although AlGaN is used as the material of the p-type contact layer, which was not considered to be the optimum material for the p-type contact layer in the conventional idea. The operating voltage is lower than that of the conventional GaN-based semiconductor element formed. As a result, the power consumption of the element is reduced and the amount of heat generation is reduced, so that deterioration is suppressed and the operating life and reliability of the element are improved.

本発明は、GaN系半導体の積層構造の形成に用いられた基板を含む形でチップ化される素子のみならず、基板上に積層構造が形成された後、基板が研磨除去される工程を経て、あるいは、積層構造が基板から剥離される工程を経て、チップ化される素子の製造においても有効である。なぜなら、このような素子の製造においても、基板上にGaN系半導体の積層構造を形成する工程で最後に成長する層をp型コンタクト層とし、この層にp側電極を形成することが望ましいからである。基板上にGaN系半導体層の積層構造を形成するにあたり、先にp型層を成長し、その後でn型層を成長し、積層構造の形成後、基板を研磨除去したり、半導体層を基板から剥離して、露出されたp型層にp側電極を形成する方法も可能性としては考えられるが、実際にこの方法を採用することは難しい。というのは、基板の研磨除去や、半導体層を基板から剥離することによって得られる研磨面や剥離面は、面荒れが激しいために、そのまま電極形成に供すことはできず、エッチングを施して平滑化する必要がある。しかし、p型GaN系半導体の表面にエッチングを行うと接触抵抗が大きくなり、電極形成に適さなくなる傾向があるためである。   The present invention is not limited to an element formed into a chip including a substrate used for forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor, but after a step in which the substrate is polished and removed after the laminated structure is formed on the substrate. Alternatively, it is also effective in the manufacture of an element that is made into a chip through a process of peeling the laminated structure from the substrate. This is because, even in the manufacture of such an element, it is desirable to use the p-type contact layer as the last layer grown in the step of forming the GaN-based semiconductor laminated structure on the substrate and to form the p-side electrode in this layer. It is. In forming a stacked structure of GaN-based semiconductor layers on a substrate, a p-type layer is first grown, and then an n-type layer is grown. After forming the stacked structure, the substrate is polished and removed, or the semiconductor layer is formed on the substrate. A method of peeling off the film and forming a p-side electrode on the exposed p-type layer is considered as a possibility, but it is difficult to actually adopt this method. This is because the polished surface and the peeled surface obtained by polishing and removing the substrate from the substrate and peeling the semiconductor layer from the substrate cannot be used for electrode formation as they are because they are very rough. It is necessary to make it. However, if etching is performed on the surface of the p-type GaN-based semiconductor, the contact resistance increases, which tends to be unsuitable for electrode formation.

本発明の実施例に係るLEDの構造の模式図である。It is a schematic diagram of the structure of LED which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例および比較例に係るLEDの出力とアンモニアの比率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output of LED which concerns on the Example and comparative example of this invention, and the ratio of ammonia. 本発明の実施例および比較例に係るLEDのVfとアンモニアの比率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Vf of the LED which concerns on the Example and comparative example of this invention, and the ratio of ammonia. 本発明の実施例および比較例に係るLEDのVrとアンモニアの比率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Vr of the LED which concerns on the Example and comparative example of this invention, and the ratio of ammonia. 本発明の実施例に係るLEDの出力とアンモニア停止温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output of LED which concerns on the Example of this invention, and ammonia stop temperature. 本発明の実施例に係るLEDのVfとアンモニア停止温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Vf of the LED which concerns on the Example of this invention, and ammonia stop temperature. 本発明の実施例に係るLEDのVrとアンモニア停止温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Vr of the LED which concerns on the Example of this invention, and ammonia stop temperature.

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態に係るLEDの構造を模式的に示す断面図である。このLEDは、サファイア基板11上に、図示しないバッファ層を介し、アンドープGaN下地層12、n型GaNコンタクト層13、InGaNを主たる構成要素とする活性層14、p型AlGaNクラッド層15、p型GaN高キャリア濃度層16およびp型AlGaNコンタクト層17が、順次、成長された多層構造を有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an LED according to an embodiment of the present invention. This LED has an undoped GaN underlayer 12, an n-type GaN contact layer 13, an active layer 14 mainly composed of InGaN, a p-type AlGaN cladding layer 15, and a p-type layer on a sapphire substrate 11 via a buffer layer (not shown). The GaN high carrier concentration layer 16 and the p-type AlGaN contact layer 17 have a multilayer structure grown sequentially.

多層構造は、その一部がp型AlGaNコンタクト層17の最表面から、n型GaNコンタクト層13に達する深さまでドライエッチング法により除去され、これにより露出されたn型GaNコンタクト層13上には、n側電極21が形成されている。また、p型AlGaNコンタクト層17が除去されていない部分の上には、p側電極22が形成されている。   A part of the multilayer structure is removed by dry etching from the outermost surface of the p-type AlGaN contact layer 17 to a depth reaching the n-type GaN contact layer 13, and the n-type GaN contact layer 13 exposed thereby is removed. The n-side electrode 21 is formed. A p-side electrode 22 is formed on the portion where the p-type AlGaN contact layer 17 is not removed.

本発明の実施に係る図1のLEDでは、サファイア基板11の上にGaN系半導体の積層構造が形成されるにあたり、最上層としてAlGa1−nN(0<n≦1)からなるp型AlGaNコンタクト層17が成長される。このp型AlGaNコンタクト層17を形成するAlGaNのAlN混晶比nは、高温での窒素原子の脱離を抑制する効果を十分とするためには1%以上とすることが好ましく、3%以上とすることがより好ましい。AlN混晶比nが20%を超えるとバンドギャップが大きくなって、添加されたp型不純物の活性化率が低下し、p側電極との接触抵抗が増加する傾向がある。また、Mgの添加量を増やしたときに、クラックが発生し易くなる。AlN混晶比nを10%以下とすると、p型不純物の活性化率が高くなるとともに、結晶品質が向上するので、接触抵抗を低下させるうえでより好ましい。 In the LED of FIG. 1 according to the embodiment of the present invention, when a laminated structure of a GaN-based semiconductor is formed on the sapphire substrate 11, the uppermost layer is made of Al n Ga 1-n N (0 <n ≦ 1). A type AlGaN contact layer 17 is grown. The AlN mixed crystal ratio n of AlGaN forming the p-type AlGaN contact layer 17 is preferably 1% or more, and is preferably 3% or more in order to sufficiently suppress the elimination of nitrogen atoms at a high temperature. More preferably. When the AlN mixed crystal ratio n exceeds 20%, the band gap increases, the activation rate of the added p-type impurity decreases, and the contact resistance with the p-side electrode tends to increase. Moreover, cracks are likely to occur when the amount of Mg added is increased. When the AlN mixed crystal ratio n is 10% or less, the activation rate of the p-type impurity is increased and the crystal quality is improved, which is more preferable in reducing the contact resistance.

p型AlGaNコンタクト層17の好ましい厚さは、1nm以上である。1nmより薄くすると、p側電極との接触抵抗が増加する傾向がある。p型AlGaNコンタクト層17の厚さには、特に上限はないが、必要以上に厚く形成すると直列抵抗が増加するため、好ましくは50nm以下、より好ましくは10nm以下である。
p型AlGaNコンタクト層17に添加されるp型不純物は、GaN系半導体に添加することで正孔を生ぜしめるものであればよく、Mg、Zn、Be等、当業界で公知のものを任意に用いることができる。中でも、Mgが、不純物準位が浅いため活性化し易いこと、制御が容易であること、毒性の問題がないことから好ましい。p型AlGaNコンタクト層17にp型不純物としてMgを添加する場合、p側電極との接触抵抗を低くするために、1×1019cm−3以上、より好ましくは5×1019cm−3以上の高濃度で添加することが好ましい。Mgの濃度が1×1021cm−3以上となると、p型AlGaNコンタクト層17の結晶性が低下して、接触抵抗が増加する傾向がある。
The preferred thickness of the p-type AlGaN contact layer 17 is 1 nm or more. If it is thinner than 1 nm, the contact resistance with the p-side electrode tends to increase. There is no particular upper limit to the thickness of the p-type AlGaN contact layer 17, but if it is formed thicker than necessary, the series resistance increases, so it is preferably 50 nm or less, more preferably 10 nm or less.
The p-type impurity added to the p-type AlGaN contact layer 17 may be any material that generates holes when added to a GaN-based semiconductor, and may be any of those known in the art, such as Mg, Zn, and Be. Can be used. Among these, Mg is preferable because it has a shallow impurity level, is easily activated, easily controlled, and has no toxicity problem. When adding Mg as a p-type impurity to the p-type AlGaN contact layer 17, in order to reduce the contact resistance with the p-side electrode, it is 1 × 10 19 cm −3 or more, more preferably 5 × 10 19 cm −3 or more. It is preferable to add at a high concentration. When the Mg concentration is 1 × 10 21 cm −3 or more, the crystallinity of the p-type AlGaN contact layer 17 tends to decrease and the contact resistance tends to increase.

一般に、p型GaN系半導体においては、p型不純物の添加量を多くしていくと、キャリア濃度が不純物濃度に比例して増加せず、あるところで飽和した後、むしろ減少する傾向を示す。また、p型不純物の濃度が高くなると結晶性が低下する傾向がある。従って、高キャリア濃度のp型層を得ようとする場合には、AlGaNよりも、p型不純物の活性化率が高くなるGaNの方が適している。そこで、p型伝導層側における電流拡散の促進
により素子の動作電圧を低下させるには、p型AlGaNコンタクト層17の直下に、キャリア濃度が1×1017cm−3〜2×1018cm−3のp型GaN高キャリア濃度層16を設けることが好ましい。このようなキャリア濃度のp型GaN高キャリア濃度層16は、Mgを濃度が5×1018cm−3〜5×1020cm−3となるよう添加しながらGaNを成長し、成長後、本発明の方法で降温することにより得ることができる。このような高キャリア濃度層を設けることは、発光素子の場合には、活性層に注入されるキャリアの量を多くするうえでも好ましい。また、p型AlGaNコンタクト層17に5×1019cm−3以上の濃度でMgを添加する場合、p型AlGaNコンタクト層17の直列抵抗が上昇する傾向があるため、p型AlGaNコンタクト層17の厚さを10nm以下として、その直下に厚さ10nm〜150nmのp型GaN高キャリア濃度層16を設けることが好ましい。
In general, in a p-type GaN-based semiconductor, when the amount of p-type impurity added is increased, the carrier concentration does not increase in proportion to the impurity concentration, but rather tends to decrease after saturation at some point. In addition, the crystallinity tends to decrease as the concentration of the p-type impurity increases. Therefore, in order to obtain a p-type layer having a high carrier concentration, GaN having a higher activation rate of p-type impurities is more suitable than AlGaN. Therefore, in order to reduce the operating voltage of the device by promoting current diffusion on the p-type conductive layer side, the carrier concentration is 1 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm directly below the p-type AlGaN contact layer 17. 3 p-type GaN high carrier concentration layer 16 is preferably provided. The p-type GaN high carrier concentration layer 16 having such a carrier concentration grows GaN while adding Mg so that the concentration becomes 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3. It can be obtained by lowering the temperature by the method of the invention. Providing such a high carrier concentration layer is preferable in the case of a light emitting device in order to increase the amount of carriers injected into the active layer. Further, when Mg is added to the p-type AlGaN contact layer 17 at a concentration of 5 × 10 19 cm −3 or more, the series resistance of the p-type AlGaN contact layer 17 tends to increase. The thickness is preferably 10 nm or less, and a p-type GaN high carrier concentration layer 16 having a thickness of 10 nm to 150 nm is preferably provided immediately below the thickness.

GaN系半導体の積層構造の形成に用いる基板として、図1ではサファイア基板11を例示したが、サファイアに限定されるものではなく、GaN系半導体が成長可能なものであれば、適宜使用することができ、SiC(6H、4H、3C)、GaN、AlN、Si、スピネル、ZnO、GaAs、NGO(NdGaO3)などからなるものが使用できる。サファイア基板についても、C面、A面、R面等を表面とする基板を用いることができる。これらの材料からなる結晶が、表層として形成された基板を用いることもできる。   Although the sapphire substrate 11 is illustrated in FIG. 1 as the substrate used for forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor, the substrate is not limited to sapphire, and may be appropriately used as long as the GaN-based semiconductor can be grown. A material made of SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN, Si, spinel, ZnO, GaAs, NGO (NdGaO3), or the like can be used. As for the sapphire substrate, a substrate having a C-plane, A-plane, R-plane or the like as a surface can be used. A substrate in which crystals made of these materials are formed as a surface layer can also be used.

サファイア基板11の表面には、凹凸形状を加工形成してもよい。基板の表面にドライエッチング等の方法で凹凸形状を加工形成し、その上にGaN系半導体の成長を行うと、上方の半導体層に伝播する転位欠陥を低減したり、転位欠陥の密度の低い領域を形成することができる(例えば、特開2000−106455号公報、特開2000−331947号公報、特開2001−210598号公報、特開2002−164296号公報参照)。従って、サファイア基板11の表面に凹凸形状を加工形成し、その上に、バッファ層を介して、または直接、アンドープGaN下地層12以降の成長を行うと、活性層における発光効率の向上、pn接合部の耐圧特性の向上や、素子の動作電圧低減に係わる、コンタクト層の導電率の向上、コンタクト層と電極との接触抵抗の低減等の、好ましい効果が期待できる。また、この場合に、凹部が埋め込まれるようにアンドープGaN下地層12を成長すると、LEDの光取り出し効率を向上させることもできる(例えば、特開2002−280611号公報参照)。   An uneven shape may be processed and formed on the surface of the sapphire substrate 11. When a concavo-convex shape is processed and formed on the surface of the substrate by a method such as dry etching, and a GaN-based semiconductor is grown thereon, a dislocation defect propagating to the upper semiconductor layer is reduced, or a region where the density of dislocation defects is low (For example, refer to JP 2000-106455 A, JP 2000-331947 A, JP 2001-210598 A, and JP 2002-164296 A). Therefore, when a concavo-convex shape is processed and formed on the surface of the sapphire substrate 11 and grown on the sapphire substrate 11 via the buffer layer or directly after the undoped GaN underlayer 12, the luminous efficiency in the active layer is improved, and the pn junction It is possible to expect favorable effects such as improvement of the withstand voltage characteristics of the contact portion, improvement of the electrical conductivity of the contact layer, reduction of the contact resistance between the contact layer and the electrode, etc. In this case, the light extraction efficiency of the LED can also be improved by growing the undoped GaN foundation layer 12 so that the recesses are embedded (see, for example, JP-A-2002-280611).

サファイア基板11上にバッファ層(図示せず)を設けることは、サファイアと格子定数の異なるGaN系半導体をサファイア基板11上に平坦に成長させるうえで効果的である。また、アンドープGaN下地層12にも、その上に形成されるGaN系半導体層中の結晶品質を向上させる作用がある。従って、これらのバッファ層やアンドープGaN下地層12を形成することによって、活性層における発光効率の向上、pn接合部の耐圧特性の向上や、素子の動作電圧低減に係わる、コンタクト層の導電率の向上、コンタクト層と電極との接触抵抗の低減等の、好ましい効果が期待できる。   Providing a buffer layer (not shown) on the sapphire substrate 11 is effective in growing a GaN-based semiconductor having a lattice constant different from that of sapphire on the sapphire substrate 11. The undoped GaN foundation layer 12 also has an effect of improving the crystal quality in the GaN-based semiconductor layer formed thereon. Therefore, by forming these buffer layers and undoped GaN foundation layer 12, the conductivity of the contact layer related to the improvement of the light emission efficiency in the active layer, the improvement of the breakdown voltage characteristics of the pn junction, and the reduction of the operating voltage of the element can be obtained. Desirable effects such as improvement and reduction of contact resistance between the contact layer and the electrode can be expected.

n型GaNコンタクト層13、活性層14、p型AlGaNクラッド層15は、高効率の発光素子に必須のpn接合構造を構成している。
次に、図1のLEDの製造方法について、実施例を用いて説明する。
The n-type GaN contact layer 13, the active layer 14, and the p-type AlGaN cladding layer 15 constitute a pn junction structure essential for a high-efficiency light-emitting element.
Next, a method for manufacturing the LED of FIG. 1 will be described using examples.

このLEDを構成するGaN系半導体は、周知のMOVPE法により成長される。具体的には、例えば、有機金属原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)が使用される。ガス原料としては、アンモニア、シラン(SiH)が使用される。キャリアガスとしては水素ガス(H)及び窒素ガス(N)が使用
される。装置としては、常圧に保持された成長炉内に、これらの原料およびキャリアガスが横方向(略水平に設置される基板の主面に平行な方向)から供給される、常圧横型のMOVPE装置が好適に使用できる。
The GaN-based semiconductor constituting this LED is grown by a well-known MOVPE method. Specifically, for example, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) is used as the organometallic raw material. As the gas raw material, ammonia or silane (SiH 4 ) is used. Hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) are used as the carrier gas. As an apparatus, a normal pressure horizontal type MOVPE in which these raw materials and carrier gas are supplied from a lateral direction (a direction parallel to the main surface of a substrate installed substantially horizontally) in a growth furnace maintained at a normal pressure. An apparatus can be used conveniently.

サファイア基板11として、本実施例および比較例では、表面に凹凸形状が加工形成されたC面サファイア基板11が用いられる。まず、フォトリソグラフィの方法を用いて、基板表面上に幅3μmのストライプ状のエッチングマスクが、間隔3μmで周期的に平行に配列したパターンが形成される。ストライプの長手方向は、サファイアの<1 −1 0 0>方向に平行とされる。次に、ドライエッチング法によって、エッチングマスクの形成されていない、基板表面が露出した部分に、深さ1μmの断面略矩形状の溝が形成される。その後、エッチングマスクが除去され、有機洗浄および酸洗浄される。   As the sapphire substrate 11, in this example and the comparative example, a C-plane sapphire substrate 11 having a concavo-convex shape formed on the surface is used. First, a pattern in which striped etching masks having a width of 3 μm are periodically arranged in parallel at intervals of 3 μm is formed on the substrate surface by using a photolithography method. The longitudinal direction of the stripe is parallel to the <1 -1 0 0> direction of sapphire. Next, a groove having a substantially rectangular cross section with a depth of 1 μm is formed by dry etching in a portion where the etching mask is not formed and the substrate surface is exposed. Thereafter, the etching mask is removed, and organic cleaning and acid cleaning are performed.

表面に凹凸形状が加工された後、サファイア基板11は、MOVPE装置の成長炉内の、ヒータ加熱されるサセプタ上に設置される。次に、常圧にて、水素ガスが25L/分の流量で導入される雰囲気中で、基板温度が1100℃に上昇され、約10分間の気相エッチングが行われる。これによって、サファイア基板11の表面の自然酸化膜が除去される。この後、基板温度が400℃まで降温され、TMGとTMAとアンモニアが導入されて、AlGaNからなるバッファ層が形成される。   After the concavo-convex shape is processed on the surface, the sapphire substrate 11 is placed on a susceptor to be heated by a heater in the growth furnace of the MOVPE apparatus. Next, in an atmosphere in which hydrogen gas is introduced at a flow rate of 25 L / min at normal pressure, the substrate temperature is raised to 1100 ° C., and vapor phase etching is performed for about 10 minutes. As a result, the natural oxide film on the surface of the sapphire substrate 11 is removed. Thereafter, the substrate temperature is lowered to 400 ° C., TMG, TMA, and ammonia are introduced, and a buffer layer made of AlGaN is formed.

続いて、TMG、TMAの供給が停止され、アンモニアのみ流されたまま、基板温度が1000℃まで昇温される。その後、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガス、原料としてアンモニアとTMGが供給され、アンドープGaN下地層12が成長される。アンドープGaN下地層12の厚さは、サファイア基板11の表面の凸部上面から約2μmとされる。   Subsequently, the supply of TMG and TMA is stopped, and the substrate temperature is raised to 1000 ° C. with only ammonia flowing. Thereafter, hydrogen gas and nitrogen gas are supplied as carrier gases, ammonia and TMG are supplied as raw materials, and the undoped GaN underlayer 12 is grown. The thickness of the undoped GaN foundation layer 12 is about 2 μm from the upper surface of the convex portion of the surface of the sapphire substrate 11.

アンドープGaN下地層12の成長初期過程では、基板面に対して傾斜したファセット面を表面とする三次元形状のGaN結晶体が、サファイア基板11の表面に形成された凸部上と凹部底のそれぞれで別個に形成される。このような過程を経てアンドープGaN下地層12が成長すると、サファイア基板11の表面に形成された凹部は、殆ど空洞を残すことなくアンドープGaN下地層12によって埋め込まれる。   In the initial growth process of the undoped GaN underlayer 12, a three-dimensional GaN crystal having a facet surface inclined with respect to the substrate surface is formed on the convex portion and the concave bottom formed on the surface of the sapphire substrate 11. Separately formed. When the undoped GaN foundation layer 12 grows through such a process, the recesses formed on the surface of the sapphire substrate 11 are filled with the undoped GaN foundation layer 12 leaving almost no cavity.

アンドープGaN下地層12の成長後、成長炉内にシランが導入されることにより、厚さ約4μmのn型GaNコンタクト層13が形成される。その後、TMG及びシランの供給が停止され、基板温度が700℃まで降温される。基板温度が700℃となった時点で、キャリアガスが水素ガスと窒素ガスの両方から、窒素ガスのみに切替えられ、アンモニアとTMGが導入されて、GaNからなるバリア層(障壁層)が成長される。次に、TMIが導入され、InGaNからなる井戸層が成長される。TMGとTMIの供給量は、LEDの設計発光波長に合わせて、InGaNのInN混晶比が適当な値となるように調節される。本実施例では、中心発光波長が405nmとなるようにした。バリア層と井戸層の成長は、多重量子井戸の設計繰返し数に合わせて繰り返す。これにより、多重量子井戸構造の活性層14が形成される。   After the undoped GaN underlayer 12 is grown, silane is introduced into the growth furnace to form an n-type GaN contact layer 13 having a thickness of about 4 μm. Thereafter, the supply of TMG and silane is stopped, and the substrate temperature is lowered to 700 ° C. When the substrate temperature reaches 700 ° C., the carrier gas is switched from both hydrogen gas and nitrogen gas to only nitrogen gas, ammonia and TMG are introduced, and a barrier layer (barrier layer) made of GaN is grown. The Next, TMI is introduced and a well layer made of InGaN is grown. The supply amounts of TMG and TMI are adjusted so that the InN mixed crystal ratio of InGaN becomes an appropriate value according to the design emission wavelength of the LED. In this example, the center emission wavelength was set to 405 nm. The growth of the barrier layer and the well layer is repeated according to the design repetition number of the multiple quantum well. Thereby, the active layer 14 having a multiple quantum well structure is formed.

多重量子井戸活性層14の形成後、基板温度が再び1000℃に昇温され、1000℃に達したところでキャリアガスが再び水素ガスと窒素ガスに切替えられ、TMG、TMA、CpMgが導入されて、厚さ50nmのp型AlGaNクラッド層15が成長される。続いて、TMAの供給が停止されるとともに、CpMgの流量が増加されて、厚さ100nmのp型GaN高キャリア濃度層16が成長される。 After the formation of the multi-quantum well active layer 14, the substrate temperature is raised again to 1000 ° C., and when it reaches 1000 ° C., the carrier gas is switched again to hydrogen gas and nitrogen gas, and TMG, TMA, Cp 2 Mg are introduced. Thus, the p-type AlGaN cladding layer 15 having a thickness of 50 nm is grown. Subsequently, the supply of TMA is stopped, the flow rate of Cp 2 Mg is increased, and the p-type GaN high carrier concentration layer 16 having a thickness of 100 nm is grown.

以降のp型コンタクト層成長過程および降温過程を変化させて、本発明に係る実施例と、従来技術に係る比較例のLEDを作製し、特性を比較した。
[p型コンタクト層の成長]
(実施例1〜11/比較例1〜3)
p型GaN高キャリア濃度層16の形成後、再びTMAが導入されるとともに、CpMgの流量が更に増加されて、p型AlGaNコンタクト層17が10nm成長される。このとき、p型AlGaNコンタクト層17を構成するAlGaNの組成がAl0.03Ga0.97Nとなるように、TMGとTMAの流量が調節される。また、p型AlGaNコンタクト層17のMg濃度が1×1020cm−3となるように、CpMgと3族元素の流量比が調節される。
The p-type contact layer growth process and the temperature lowering process thereafter were changed to fabricate the LED of the example according to the present invention and the comparative example of the prior art, and the characteristics were compared.
[Growth of p-type contact layer]
(Examples 1-11 / Comparative Examples 1-3)
After the formation of the p-type GaN high carrier concentration layer 16, TMA is introduced again, the flow rate of Cp 2 Mg is further increased, and the p-type AlGaN contact layer 17 is grown by 10 nm. At this time, the flow rates of TMG and TMA are adjusted so that the composition of AlGaN constituting the p-type AlGaN contact layer 17 is Al 0.03 Ga 0.97 N. Further, the flow rate ratio of Cp 2 Mg and the Group 3 element is adjusted so that the Mg concentration of the p-type AlGaN contact layer 17 is 1 × 10 20 cm −3 .

(比較例4〜7)
p型GaN高キャリア濃度層16の形成後、CpMgの流量が更に増加されて、p型GaNコンタクト層が10nm成長される。このとき、p型GaNコンタクト層のMg濃度が1×1020cm−3となるように、CpMgと3族元素の流量比が調節される。このように、比較例4〜7のp型コンタクト層は、組成をGaNとすること以外は、実施例のp型AlGaNコンタクト層17と同様に成長される。
(Comparative Examples 4-7)
After the formation of the p-type GaN high carrier concentration layer 16, the flow rate of Cp 2 Mg is further increased, and a p-type GaN contact layer is grown to 10 nm. At this time, the flow ratio of Cp 2 Mg and the Group 3 element is adjusted so that the Mg concentration of the p-type GaN contact layer is 1 × 10 20 cm −3 . Thus, the p-type contact layers of Comparative Examples 4 to 7 are grown in the same manner as the p-type AlGaN contact layer 17 of the example except that the composition is GaN.

[降温]
(実施例1〜6/比較例1〜7)
p型AlGaNコンタクト層17(実施例1〜6および比較例1〜3)またはp型GaNコンタクト層(比較例4〜7)の成長終了後、TMG、TMA、CpMg、水素ガスの供給が停止されるとともに、基板の加熱が停止され、基板とその上に成長されたGaN系半導体の自然降温が始まる。この自然降温の開始とともに、成長炉内に導入されるガスが、アンモニアと窒素ガスのみとされる。このとき成長炉内に導入されるアンモニアと窒素ガスの流量を、表1に示す実施例1〜6および比較例1〜7のようにした。表1には、成長炉内に導入されるガスの全流量に占めるアンモニアの流量の比率(以下、アンモニアの比率ともいう)も併せて示している。なお、実施例6だけは、アンモニアを導入せず、窒素ガスのみを成長炉内に導入した。いずれの実施例および比較例においても、基板温度が室温に下がるまで、各ガスの流量を一定に維持して成長炉内に流し続けた。
[Cooling temperature]
(Examples 1-6 / Comparative Examples 1-7)
After the growth of the p-type AlGaN contact layer 17 (Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3) or the p-type GaN contact layer (Comparative Examples 4 to 7) is completed, TMG, TMA, Cp 2 Mg, and hydrogen gas are supplied. At the same time, the heating of the substrate is stopped, and the natural temperature drop of the substrate and the GaN-based semiconductor grown thereon starts. Along with the start of this natural temperature drop, the only gas introduced into the growth furnace is ammonia and nitrogen gas. At this time, the flow rates of ammonia and nitrogen gas introduced into the growth furnace were set as in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 7 shown in Table 1. Table 1 also shows the ratio of the flow rate of ammonia in the total flow rate of the gas introduced into the growth furnace (hereinafter also referred to as ammonia ratio). In Example 6 alone, ammonia was not introduced, and only nitrogen gas was introduced into the growth furnace. In any of the examples and comparative examples, the flow rate of each gas was kept constant and kept flowing in the growth furnace until the substrate temperature dropped to room temperature.

Figure 2009177219
Figure 2009177219

(実施例7〜11)
p型AlGaNコンタクト層17の成長終了後、TMG、TMA、CpMg、水素ガスの供給が停止されるとともに、基板の加熱が停止され、基板とその上に成長されたGaN系半導体の自然降温が始まる。この自然降温の開始とともに、成長炉内に導入されるガスが、アンモニアと窒素ガスのみとされる。このときアンモニアの流量は0.02L/分、窒素ガスの流量は19.98L/分とされる。従って、アンモニアの比率は0.1%である。その後、基板温度が低下し、所定の温度に達した時点で、アンモニアの導入が停止される。以下、このアンモニアの導入が停止される温度を、アンモニア停止温度ともいう。アンモニアが停止された後は、基板温度が室温に達するまで、窒素が流量20L/分で導入される。実施例7〜11で用いたアンモニア停止温度を表2に示す。
(Examples 7 to 11)
After the growth of the p-type AlGaN contact layer 17, the supply of TMG, TMA, Cp 2 Mg, and hydrogen gas is stopped, the heating of the substrate is stopped, and the substrate and the natural temperature drop of the GaN-based semiconductor grown thereon are stopped. Begins. Along with the start of this natural temperature drop, the only gas introduced into the growth furnace is ammonia and nitrogen gas. At this time, the flow rate of ammonia is 0.02 L / min, and the flow rate of nitrogen gas is 19.98 L / min. Therefore, the ammonia ratio is 0.1%. Thereafter, when the substrate temperature decreases and reaches a predetermined temperature, the introduction of ammonia is stopped. Hereinafter, the temperature at which the introduction of ammonia is stopped is also referred to as an ammonia stop temperature. After the ammonia is stopped, nitrogen is introduced at a flow rate of 20 L / min until the substrate temperature reaches room temperature. The ammonia stop temperatures used in Examples 7-11 are shown in Table 2.

Figure 2009177219
Figure 2009177219

[素子化]
基板温度が室温まで低下したところで、基板上にGaN系半導体の積層構造が形成されたエピウェハが成長炉から取り出され、電極形成と素子分離(エピウェハをチップに分断すること)が行われる。電極形成は、まず、p側電極としてニッケル(Ni)および金(Au)が積層されてなる透光性のオーミック電極22がp型AlGaNコンタクト層17の上面に形成される。なお、図1には図示していないが、このp側電極上には、後に、給電用のパッド電極が形成される。
[Elementization]
When the substrate temperature is lowered to room temperature, the epi-wafer having the GaN-based semiconductor laminated structure formed on the substrate is taken out from the growth furnace, and electrode formation and element separation (dividing the epi-wafer into chips) are performed. In the electrode formation, first, a translucent ohmic electrode 22 formed by laminating nickel (Ni) and gold (Au) as a p-side electrode is formed on the upper surface of the p-type AlGaN contact layer 17. Although not shown in FIG. 1, a power supply pad electrode is formed on the p-side electrode later.

次に、部分的にドライエッチングが施されて、p型AlGaNコンタクト層17、p型GaN高キャリア濃度層16、p型AlGaNクラッド層15、活性層14の一部が除去され、n型GaNコンタクト層13が露出される。露出されたn型GaNコンタクト層13に、n側電極として、チタン(Ti)およびアルミニウム(Al)が積層されてなるオーミック電極が21が形成される。更に、上記給電用のパッド電極がp側電極上に部分的に形成された後、素子分離が行われ、一辺350μmの正方形状のチップとされる。   Next, a part of the p-type AlGaN contact layer 17, the p-type GaN high carrier concentration layer 16, the p-type AlGaN cladding layer 15, and the active layer 14 is removed by dry etching, and an n-type GaN contact is performed. Layer 13 is exposed. An ohmic electrode 21 in which titanium (Ti) and aluminum (Al) are laminated is formed on the exposed n-type GaN contact layer 13 as an n-side electrode. Further, after the power supply pad electrode is partially formed on the p-side electrode, element isolation is performed to obtain a square chip having a side of 350 μm.

[評価]
このようにして作製された図1の構造を有するLEDについて、オートプローバを用いて、n側電極21と、p側電極22上に形成されたパッド電極とから通電して、各素子の出力(任意単位)、順方向電圧Vf(V)、逆耐圧Vr(V)の測定を行った。出力およびVfは、LEDに流す電流を20mAとして、また、VrはLEDに流す電流を10μAとして、測定した。
[Evaluation]
The LED having the structure shown in FIG. 1 manufactured in this manner is energized from the n-side electrode 21 and the pad electrode formed on the p-side electrode 22 using an auto prober, and the output ( Arbitrary unit), forward voltage Vf (V), and reverse withstand voltage Vr (V) were measured. The output and Vf were measured with a current flowing through the LED of 20 mA, and Vr was measured with a current flowing through the LED of 10 μA.

図2に、実施例1〜6と比較例1〜3に係るLEDの出力を測定した結果を示す。図の
横軸はアンモニアの比率である。この図からわかるように、LEDの出力は、アンモニアの比率が25%のときと2.5%のときとで、あまり変わっていないが、アンモニアの比率が2.5%から1%に減じられたとき、1桁以上の大幅な上昇を示している。アンモニアの比率を2.5%より小さくしたところで、水素パッシベーションの抑制によってp型不純物を添加したGaN系半導体層が十分なp型伝導性を示すようになり、発光効率を飛躍的に向上させるpn接合構造の形成が起こったものと推定される。一方、アンモニアの比率を1%から更に減じても、実質的な出力の変化は見られない。従って、LEDの出力向上の目的のためには、アンモニアの比率を2.5%より小さくすることが好ましく、1%以下にすることがより好ましい。
In FIG. 2, the result of having measured the output of LED which concerns on Examples 1-6 and Comparative Examples 1-3 is shown. The horizontal axis of the figure is the ammonia ratio. As can be seen from this figure, the LED output does not change much when the ammonia ratio is 25% and 2.5%, but the ammonia ratio is reduced from 2.5% to 1%. Shows a significant increase of more than an order of magnitude. When the ammonia ratio is less than 2.5%, the GaN-based semiconductor layer to which the p-type impurity is added exhibits sufficient p-type conductivity by suppressing hydrogen passivation, and the pn that dramatically improves the light emission efficiency is achieved. It is presumed that the formation of a joint structure has occurred. On the other hand, even if the ammonia ratio is further reduced from 1%, no substantial change in output is observed. Therefore, for the purpose of improving the output of the LED, the ammonia ratio is preferably less than 2.5%, more preferably 1% or less.

図3は、実施例1〜6と比較例1〜3に係るLEDのVfを測定した結果を示す。図2と同様に、図の横軸はアンモニアの比率である。この図からわかるように、Vfはアンモニアの比率を25%から2.5%まで低下させてもあまり変化していないが、アンモニアの比率が2.5%を下回ったところで低下し始め、更にアンモニアの比率が1%以下でも、出力の場合とは異なり、アンモニアの比率の低下とともに低下する傾向を示している。なお、図3で、Vfが最低値を示しているのは、アンモニアの比率が0.1%である実施例5であり、アンモニアを全く導入しなかった実施例6では、Vfは増加に転じ、4V以上となっている。従って、LEDのVf低下の目的のためには、アンモニアの比率を2.5%より小さくすることが好ましい。また、アンモニアを全く導入しないよりも、僅かな量のアンモニアを導入する方が好ましい。   FIG. 3 shows the results of measuring Vf of the LEDs according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. Similar to FIG. 2, the horizontal axis of the figure represents the ratio of ammonia. As can be seen from this figure, Vf does not change much even when the ammonia ratio is decreased from 25% to 2.5%, but starts to decrease when the ammonia ratio falls below 2.5%. Even when the ratio is 1% or less, unlike the case of the output, it tends to decrease as the ratio of ammonia decreases. In FIG. 3, Vf shows the lowest value in Example 5 in which the ammonia ratio is 0.1%, and in Example 6 in which no ammonia was introduced, Vf started to increase. 4V or more. Therefore, for the purpose of lowering the Vf of the LED, it is preferable to make the ammonia ratio smaller than 2.5%. In addition, it is preferable to introduce a small amount of ammonia rather than not introducing ammonia at all.

図4は、実施例1〜6と比較例1〜3に係るLEDのVrを測定した結果を示す。図2、図3と同様、図の横軸はアンモニアの比率である。この図からわかるように、Vrもまた、出力やVfと同様に、アンモニアの比率を25%から2.5%まで低下させてもあまり変化していないが、2.5%を下回ったところで低下が始まり、アンモニアの比率の低下とともに、値が低下している。Vrは、アンモニアの比率を0.1%まで低くした実施例5でも、25V程度の値に維持されているが、アンモニアを全く流さない実施例6に係るLEDでは5V程度まで低下している。従って、Vrの観点からは、アンモニアを全く導入しないよりも、僅かな量のアンモニアを導入する方が好ましい。ただし、Vrが低くても問題とならない用途のためであれば、アンモニアを全く導入しなくてもかまわない。   FIG. 4 shows the measurement results of Vr of the LEDs according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. Similar to FIGS. 2 and 3, the horizontal axis of the figure represents the ratio of ammonia. As can be seen from this figure, Vr also does not change much when the ammonia ratio is decreased from 25% to 2.5%, but decreases when the ratio falls below 2.5%. Begins, and the value decreases as the ammonia ratio decreases. Vr is maintained at a value of about 25 V even in Example 5 in which the ammonia ratio is lowered to 0.1%, but is reduced to about 5 V in the LED according to Example 6 that does not flow ammonia at all. Therefore, from the viewpoint of Vr, it is preferable to introduce a small amount of ammonia rather than not introducing ammonia at all. However, ammonia may not be introduced at all for the purpose of causing no problem even if Vr is low.

一方、比較例4〜7に係るLEDについては、次のような結果となった。
まず、出力については、比較例1〜3と似た傾向が見られ、アンモニアの比率を25%とした比較例4、アンモニアの比率を4%とした比較例5、アンモニアの比率を2.5%とした比較例6のそれぞれに係るLEDの間で、出力には殆ど変化がなく、その値は比較例1〜3に係るLEDと同程度であった。一方、アンモニアの比率を1%とした比較例7に係るLEDの出力は、比較例3に係るLEDより1桁以上高い値となり、実施例1〜6のLEDと同程度であった。従って、出力に関しては、p型コンタクト層をGaNで形成した比較例4〜7と、AlGaNで形成した比較例1〜3および実施例4とで、似たような傾向となった。しかし、Vfについてみると、比較例4〜7に係るLEDのVfはいずれも約6.5Vであり、アンモニアの比率を25%から1%まで低下させても、有意な変化は観察されなかった。また、比較例4〜7に係るLEDのVrは、p型コンタクト層をAlGaNで形成した以外は同じガス流量条件で降温した、実施例や他の比較例のLEDよりも、やや低い値であった。
On the other hand, for the LEDs according to Comparative Examples 4 to 7, the following results were obtained.
First, regarding the output, a tendency similar to Comparative Examples 1 to 3 was observed, Comparative Example 4 in which the ammonia ratio was 25%, Comparative Example 5 in which the ammonia ratio was 4%, and the ammonia ratio was 2.5. %, There was almost no change in the output among the LEDs according to each of Comparative Examples 6 and the values thereof were similar to those of the LEDs according to Comparative Examples 1 to 3. On the other hand, the output of the LED according to Comparative Example 7 in which the ammonia ratio was 1% was a value higher by one digit or more than that of the LED according to Comparative Example 3, and was about the same as the LEDs of Examples 1-6. Therefore, regarding the output, Comparative Examples 4 to 7 in which the p-type contact layer was formed of GaN, and Comparative Examples 1 to 3 and Example 4 in which AlGaN was formed had a similar tendency. However, regarding Vf, the Vf of the LEDs according to Comparative Examples 4 to 7 were all about 6.5 V, and no significant change was observed even when the ammonia ratio was decreased from 25% to 1%. . In addition, the Vr of the LEDs according to Comparative Examples 4 to 7 was slightly lower than the LEDs of the examples and other comparative examples that were cooled under the same gas flow rate conditions except that the p-type contact layer was formed of AlGaN. It was.

ここで、比較例1〜3および実施例1と、比較例4〜7とを対比すると、アンモニアの比率が同じであっても、p型コンタクト層の半導体組成をAlGaNとしたときと、GaNとしたときとではLEDのVfが異なり、p型コンタクト層をAlGaNで形成したときの方が、Vfは低くなっている。また、実施例1からわかるように、p型コンタクト層をAlGaNで形成した場合、アンモニアの比率を1%まで低下させたとき、LEDのV
fが明らかな低下傾向を示すが、p型コンタクト層をGaNで形成した場合には、このような傾向は見られない。p型コンタクト層をAlGaNで形成した場合には表面での窒素原子の脱離が抑制され、水素パッシベーション抑制の効果が顕在化して、Vfの低下が現れた可能性が考えられる。
Here, when Comparative Examples 1 to 3 and Example 1 are compared with Comparative Examples 4 to 7, even when the ammonia ratio is the same, when the semiconductor composition of the p-type contact layer is AlGaN, The Vf of the LED is different from that when the p-type contact layer is made of AlGaN, and the Vf is lower. In addition, as can be seen from Example 1, when the p-type contact layer is formed of AlGaN, when the ammonia ratio is reduced to 1%, the LED V
Although f shows a clear decreasing tendency, such a tendency is not observed when the p-type contact layer is formed of GaN. When the p-type contact layer is made of AlGaN, the elimination of nitrogen atoms on the surface is suppressed, and the effect of suppressing hydrogen passivation becomes obvious, and it is possible that the decrease in Vf appears.

次に、実施例7〜11に係るLEDに関する測定結果について記す。
図5は、実施例6〜10に係るLEDの出力を測定した結果を示す。図の横軸はアンモニア停止温度である。図5からわかるように、LEDの出力はアンモニア停止温度を400℃〜950℃の間で変化させても、実質的に変化していない。前述の実施例1〜6の結果と合わせて、降温過程で成長炉に導入するアンモニアの量を低減することによる効果は、アンモニアの量をある程度まで低減したところで飽和する傾向があるように見える。
Next, measurement results regarding the LEDs according to Examples 7 to 11 will be described.
FIG. 5 shows the results of measuring the output of the LEDs according to Examples 6-10. The horizontal axis of the figure is the ammonia stop temperature. As can be seen from FIG. 5, the output of the LED does not substantially change even when the ammonia stop temperature is changed between 400 ° C. and 950 ° C. Combined with the results of Examples 1 to 6 described above, the effect of reducing the amount of ammonia introduced into the growth furnace during the temperature lowering process seems to tend to saturate when the amount of ammonia is reduced to some extent.

図6は、実施例6〜10に係るLEDのVfを測定した結果を示す。図の横軸は、図5と同様に、アンモニア停止温度である。図6に示すように、アンモニアの停止温度を上昇させて、650℃より高温とすると、Vfの低下が生じている。従って、LEDのVfを低下させる目的のためには、アンモニア停止温度を650℃より高温にすることが好ましい。なお、このようにアンモニア停止温度を高くすることで、LEDのVfが低下する原因の詳細は不明であるが、可能性として、水素パッシベーションを引き起こす原子状水素の種類または状態は一様ではなく、その中には、基板温度が650℃となるまでは不安定であるが、650℃以下になると安定化するものが存在していることが考えられる。仮にこのような原子状水素が存在すると、650℃より高い温度でアンモニアの供給を停止した場合には、この原子状水素が結晶外に脱出していくために、水素パッシベーションが抑制される。本発明ではGaN系半導体層の最表面のp型コンタクト層をAlGaNで形成するために、窒素原子の脱離が抑えられる結果、このような水素パッシベーションの抑止効果が顕在化している可能性がある。実施例6ではp型AlGaNコンタクト層17の成長終了後、直ちにアンモニアの導入を停止しているが、この実施例6に係るLEDのVfは実施例8〜10に係るLEDよりも高い。これは、半導体の成長終了後にアンモニアを全く供給しない条件では、窒素原子の脱離による悪影響が大きくなってくるためではないかと考えられる。従って、基板温度が950℃に下がるまでは、アンモニアを供給しながら降温することが好ましい。   FIG. 6 shows the results of measuring Vf of the LEDs according to Examples 6-10. The horizontal axis of the figure is the ammonia stop temperature, as in FIG. As shown in FIG. 6, when the stop temperature of ammonia is raised to a temperature higher than 650 ° C., Vf is lowered. Therefore, for the purpose of lowering the Vf of the LED, it is preferable that the ammonia stop temperature is higher than 650 ° C. Although the details of the cause of the decrease in the LED Vf by increasing the ammonia stop temperature in this way are unclear, the type or state of atomic hydrogen that causes hydrogen passivation is not uniform, Some of them are unstable until the substrate temperature reaches 650 ° C., but stabilize at 650 ° C. or lower. If such atomic hydrogen is present, when the supply of ammonia is stopped at a temperature higher than 650 ° C., this atomic hydrogen escapes out of the crystal, so that hydrogen passivation is suppressed. In the present invention, since the p-type contact layer on the outermost surface of the GaN-based semiconductor layer is formed of AlGaN, desorption of nitrogen atoms is suppressed, so that such an effect of suppressing hydrogen passivation may become apparent. . In Example 6, the introduction of ammonia was stopped immediately after the growth of the p-type AlGaN contact layer 17, but the Vf of the LED according to Example 6 is higher than that of the LEDs according to Examples 8-10. This is considered to be because the adverse effect due to the desorption of nitrogen atoms increases under the condition where ammonia is not supplied at all after the growth of the semiconductor. Therefore, it is preferable to lower the temperature while supplying ammonia until the substrate temperature falls to 950 ° C.

図7は、実施例7〜11に係るLEDのVrを測定した結果を示す。図の横軸は、図5、図6と同様にアンモニア停止温度である。図7から明らかなように、アンモニア停止温度が400℃〜800℃の間では、Vrは24V〜25V程度の値を保っているが、アンモニア停止温度が800℃以上になると、急激に低下する。従って、Vrの低下を防止する目的のためには、アンモニア停止温度は800℃以下とすることが好ましい。   FIG. 7 shows the results of measuring the Vr of the LEDs according to Examples 7-11. The horizontal axis of the figure is the ammonia stop temperature, as in FIGS. As is clear from FIG. 7, Vr maintains a value of about 24 V to 25 V when the ammonia stop temperature is between 400 ° C. and 800 ° C., but rapidly decreases when the ammonia stop temperature is 800 ° C. or higher. Therefore, for the purpose of preventing the decrease in Vr, the ammonia stop temperature is preferably 800 ° C. or lower.

ところで、図7からわかるように、Vrの大きな低下は、p型AlGaNコンタクト層17の成長後、基板温度が800℃以下に下がるまでアンモニアを供給したときには発生していない。一方、図6に示されるように、アンモニア停止温度を650℃以上にすることでVfの低下が起こるため、アンモニアの停止を基板温度が650℃〜800℃のときに行えば、Vrの低下を防ぎつつ、Vfの低下を図ることができる。   Incidentally, as can be seen from FIG. 7, a large decrease in Vr does not occur when ammonia is supplied until the substrate temperature falls to 800 ° C. or lower after the growth of the p-type AlGaN contact layer 17. On the other hand, as shown in FIG. 6, when the ammonia stop temperature is set to 650 ° C. or higher, Vf is lowered. Therefore, if ammonia is stopped when the substrate temperature is 650 ° C. to 800 ° C., Vr is lowered. Vf can be reduced while preventing it.

また、Vrの大きな低下を防ぎながら、Vfの低下を促進するには、アンモニアの導入が停止された状態で、基板温度が650℃〜800℃の間にあるときに、降温速度を遅くしてもよい。ここで、降温速度を遅くするとは、降温を一時中断し、一定温度に保持することを含み、また、温度制御上の要因等により、800℃を超えない範囲で、基板温度が一時的に昇温することも含み得る。図6に示したように、基板温度が650℃以上でアンモニアを停止するとVfが低下する傾向が見られることから、降温速度を遅くして、基板温度が650℃以上の状態に置かれる時間を長くすると、この傾向が促進される。なお、
このように降温速度を変化させた場合には、基板温度が高いときには降温速度が相対的に速いため、半導体層が高温に曝される時間が長くなることはなく、また、650℃〜800℃程度では、InGaN層を初めとする半導体層の熱劣化や、p型不純物として添加されたMgの他の層への拡散による問題はそれ程大きくない。むしろ、基板温度が650℃〜800℃にあるときに降温速度を遅くすると、基板上に成長されるGaN系半導体と熱膨張係数の異なる材料からなる基板を用いた場合には、基板とGaN系半導体層との間の歪が緩和され、クラックや欠陥の発生を抑制する効果がもたらされる。特に、上記実施例のように、基板の表面に凹凸形状を加工形成した場合には、基板とGaN系半導体層とが接する界面の面積が、表面の平坦な基板の場合よりも広くなるので、より効果がある。一方、図6から、基板温度が650℃よりも低くなった後は、アンモニアの導入が停止されていても、Vfの大きな低下が見込めないことから、製造効率の観点からは、基板温度が650℃以下に下がったところで降温速度を速くしてもよい。
Further, in order to promote a decrease in Vf while preventing a large decrease in Vr, when the substrate temperature is between 650 ° C. and 800 ° C. with the introduction of ammonia stopped, the temperature decrease rate is slowed down. Also good. Here, slowing the temperature decrease rate includes temporarily suspending the temperature decrease and maintaining it at a constant temperature. Also, due to temperature control factors, the substrate temperature is temporarily increased within a range not exceeding 800 ° C. It can also include warming. As shown in FIG. 6, when ammonia is stopped at a substrate temperature of 650 ° C. or higher, Vf tends to decrease. Therefore, the temperature lowering rate is slowed to allow the time for the substrate temperature to be kept at 650 ° C. or higher. Longer times promote this trend. In addition,
When the temperature lowering rate is changed in this manner, the temperature lowering rate is relatively fast when the substrate temperature is high, so that the time during which the semiconductor layer is exposed to high temperature does not increase, and 650 ° C. to 800 ° C. To the extent, problems due to thermal degradation of semiconductor layers including the InGaN layer and diffusion of Mg added as a p-type impurity to other layers are not so great. Rather, if the temperature drop rate is slowed when the substrate temperature is 650 ° C. to 800 ° C., a substrate made of a material having a different thermal expansion coefficient from that of a GaN-based semiconductor grown on the substrate is used. The strain between the semiconductor layer and the semiconductor layer is alleviated, and the effect of suppressing the generation of cracks and defects is brought about. In particular, as in the above example, when the irregular shape is processed and formed on the surface of the substrate, the area of the interface between the substrate and the GaN-based semiconductor layer is wider than in the case of a flat substrate, More effective. On the other hand, from FIG. 6, after the substrate temperature becomes lower than 650 ° C., even if the introduction of ammonia is stopped, a large decrease in Vf cannot be expected. The temperature lowering rate may be increased when the temperature falls below ℃.

GaN系半導体の成長時および成長後の降温過程における基板温度は、数百℃以上と高いために、基板の降温は、基板の加熱を単に停止するだけでも自然に生じる。この降温速度を更に大きくするためには、サセプタに冷却回路を設けて強制冷却を行えばよい。逆に、基板の降温速度を遅くするには、ヒータ加熱、高周波加熱等、装置所定のサセプタ加熱手段を動作させることによってもよいし、成長炉に導入するガスの流量を少なくしたり、あるいは一時的にガスの導入を停止することによってもよい。これら基板の降温速度を遅くするための操作を解除すれば、基板の降温速度が再び速くなることは、いうまでもない。   Since the substrate temperature during the GaN-based semiconductor growth and in the temperature lowering process after the growth is as high as several hundred degrees C., the substrate temperature naturally occurs even if the heating of the substrate is simply stopped. In order to further increase the temperature lowering rate, a cooling circuit may be provided in the susceptor to perform forced cooling. On the other hand, in order to slow down the temperature drop rate of the substrate, a predetermined susceptor heating means such as heater heating or high frequency heating may be operated, or the flow rate of gas introduced into the growth furnace may be reduced or temporarily. Alternatively, the introduction of gas may be stopped. It goes without saying that if the operation for slowing down the temperature drop rate of the substrate is canceled, the temperature drop rate of the substrate is increased again.

[他の実施例]
(実施例12〜14)
実施例12〜14は、p型AlGaNコンタクト層17を成長する時に、キャリアガスとして成長炉に導入される窒素ガスと水素ガスの流量を次の表3のようにした以外は、実施例11と同様の方法で、GaN系半導体層の成長から素子化までを行ったものである。この実施例12〜14に係るLEDについて、実施例11と同様の方法でVfを測定した。表3には、このVfの測定結果も合わせて示す。
[Other embodiments]
(Examples 12 to 14)
Examples 12 to 14 are the same as those in Example 11 except that the flow rates of nitrogen gas and hydrogen gas introduced into the growth furnace as carrier gases when the p-type AlGaN contact layer 17 is grown are as shown in Table 3 below. The same method is used from the growth of the GaN-based semiconductor layer to device fabrication. For the LEDs according to Examples 12 to 14, Vf was measured in the same manner as in Example 11. Table 3 also shows the measurement result of Vf.

Figure 2009177219
Figure 2009177219

表3に示すように、p型AlGaNコンタクト層17を成長する時の、キャリアガスとして成長炉に導入される窒素ガスと水素ガスの流量の比率([窒素ガスの流量]/[水素ガスの流量])(以下N/H比ともいう)が増加するにつれ、Vfが低下する傾向が見られた。そして、キャリアガスに水素が全く含まれない場合に、最も低い値となった。従って、好ましいN/H比は1以上であり、より好ましくは2以上、更に好ましくは3以上である。表3からわかるように、キャリアガスに水素を使用しない場合も、好ましい結果が得られている。 As shown in Table 3, when the p-type AlGaN contact layer 17 is grown, the ratio of the flow rate of nitrogen gas and hydrogen gas introduced into the growth furnace as a carrier gas ([flow rate of nitrogen gas] / [flow rate of hydrogen gas] ]) (Hereinafter also referred to as N 2 / H 2 ratio) increased, Vf tended to decrease. The lowest value was obtained when no hydrogen was contained in the carrier gas. Therefore, the preferable N 2 / H 2 ratio is 1 or more, more preferably 2 or more, and further preferably 3 or more. As can be seen from Table 3, favorable results are obtained even when hydrogen is not used as the carrier gas.

/H比がLEDのVfに与える効果については、推測であるが、p型層の成長時
にキャリアガスとして導入される水素が水素パッシベーションの一因となっているために、この供給量を少なくすることで、水素パッシベーションの発生が抑えられるためではないかと考えられる。なお、本実施例ではp型AlGaNコンタクト層17の成長時のキャリアガスとして窒素と水素を用いたが、窒素の代わりに、他の化学的に安定なガスを用いることもできる。化学的に安定であるとは、p型AlGaNコンタクト層17の成長時に、成長炉に導入される原料ガスや他のキャリアガス、基板、成長中または成長済の窒化物半導体との間で化学反応を実質的に生じないことを意味する。このようなガスとしては、窒素の他に、アルゴン、ネオン、ヘリウム等のいわゆる希ガス類が例示される。また、これらのガスは、複数のものを同時に使用することもできる。製造コスト低下の観点からは、安価な窒素ガスを用いることが好ましい。
以上、本発明の実施形態を実施例を用いて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
The effect of the N 2 / H 2 ratio on the Vf of the LED is speculated, but since hydrogen introduced as a carrier gas during the growth of the p-type layer contributes to hydrogen passivation, this supply amount It is thought that the generation of hydrogen passivation can be suppressed by reducing the amount of hydrogen. In the present embodiment, nitrogen and hydrogen are used as carrier gases during the growth of the p-type AlGaN contact layer 17, but other chemically stable gases can be used instead of nitrogen. “Chemically stable” means that during the growth of the p-type AlGaN contact layer 17, a chemical reaction occurs between a source gas introduced into the growth furnace, another carrier gas, a substrate, and a growing or grown nitride semiconductor. Is not substantially generated. Examples of such a gas include so-called noble gases such as argon, neon, and helium in addition to nitrogen. In addition, a plurality of these gases can be used at the same time. From the viewpoint of reducing the manufacturing cost, it is preferable to use inexpensive nitrogen gas.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described using the Example, this invention is not limited to the said Example.

上記実施例では、p型AlGaNコンタクト層17を基板温度1000℃で成長したが、これより高い温度で成長してもよいし、これより低い温度で成長してもよい。高い温度で成長する程、p型AlGaNコンタクト層17の結晶性が向上するため、電気特性が向上すると考えられる。低い温度で成長した場合、結晶性の点では不利であるが、InGaN層の劣化や、Mgの拡散による悪影響が抑制される利点がある。   In the above embodiment, the p-type AlGaN contact layer 17 is grown at a substrate temperature of 1000 ° C., but it may be grown at a higher temperature or at a lower temperature. It is considered that the electrical characteristics improve because the crystallinity of the p-type AlGaN contact layer 17 improves as the temperature grows higher. When grown at a low temperature, it is disadvantageous in terms of crystallinity, but there is an advantage that adverse effects due to deterioration of the InGaN layer and Mg diffusion are suppressed.

上記実施例では、p型AlGaNコンタクト層17の成長終了後の降温過程でアンモニアと窒素ガスを成長炉に導入しているが、この窒素ガスの全部、または一部を、GaN系半導体に対して不活性である、他のガスに置き換えてもよい。GaN系半導体に対して不活性であるとは、GaN系半導体層の内部または表面における水素パッシベーションや窒素原子の脱離に実質的に影響しないという意味である。このようなガスとしては、窒素ガスの他に、アルゴン、ネオン、ヘリウム等のいわゆる希ガス類が挙げられる。水素ガスも、例えば、基板温度が十分に低下したとき等、水素パッシベーションや窒素原子の脱離に実質的に影響を与えない条件では、GaN系半導体に対して不活性なガスとして使用することができる。本発明では、降温過程で流すこれらのガスの種類を一定とする必要はなく、途中で変化させてもよい。また、これらのガスは、複数のものを同時に使用することもできる。製造コスト低下の観点からは、安価な窒素ガスを用いることが好ましい。   In the above embodiment, ammonia and nitrogen gas are introduced into the growth furnace in the temperature lowering process after the growth of the p-type AlGaN contact layer 17, but all or part of this nitrogen gas is supplied to the GaN-based semiconductor. Other gases that are inert may be substituted. Inert to a GaN-based semiconductor means that it does not substantially affect hydrogen passivation or desorption of nitrogen atoms in or on the surface of the GaN-based semiconductor layer. Examples of such a gas include so-called noble gases such as argon, neon, and helium in addition to nitrogen gas. Hydrogen gas can also be used as an inert gas for GaN-based semiconductors under conditions that do not substantially affect hydrogen passivation and desorption of nitrogen atoms, for example, when the substrate temperature is sufficiently lowered. it can. In the present invention, it is not necessary to make the types of these gases flowing in the temperature lowering process constant, and they may be changed in the middle. In addition, a plurality of these gases can be used at the same time. From the viewpoint of reducing the manufacturing cost, it is preferable to use inexpensive nitrogen gas.

GaN系半導体の成長終了後、基板とGaN系半導体の降温を行う方法については特に限定されず、単に基板の加熱を停止することによって起こる自然降温のみによってもよいし、サセプタの強制冷却を併用してもよい。逆に、装置所定のサセプタ加熱手段を動作させれば、自然降温よりも遅い降温速度で降温を行うこともできる。降温速度を変化させる場合については、前述した通りである。   The method of lowering the temperature of the substrate and the GaN-based semiconductor after the growth of the GaN-based semiconductor is not particularly limited, and it may be simply a natural temperature decrease caused by stopping the heating of the substrate, or by using forced cooling of the susceptor together. May be. On the contrary, if the susceptor heating means specified in the apparatus is operated, the temperature can be lowered at a temperature lowering rate slower than the natural temperature lowering. The case of changing the temperature drop rate is as described above.

MOVPE法によるGaN系半導体の成長に用いる有機金属原料、ガス原料、キャリアガスの種類、成長時に成長炉内に導入する原料やキャリアガスの流量、成長時の基板温度、成長時間、これらのプログラムや調節の方法等については、従来公知の方法を参照してよい。
本発明は、基板上にGaN系半導体の積層構造を形成するにあたり、最上層とするp型AlGaNコンタクト層をMOVPE法により成長することを特徴としているが、他のGaN系半導体層の成長方法は特に限定されるものではなく、MOVPE法の他、ハイドライド気相成長(HVPE)法、分子ビーム蒸着(MBE)法等、従来公知の方法を適宜使用することができる。製造効率の点からは、基板上に積層されるGaN系半導体層の成長を、最上層のp型コンタクト層まで全て、MOVPE法により、ひとつの成長炉内で一貫して行うことが好ましい。
Organic metal raw materials, gas raw materials, carrier gas types used for growth of GaN-based semiconductors by the MOVPE method, flow rates of raw materials and carrier gases introduced into the growth furnace during growth, substrate temperature during growth, growth time, these programs, For the adjustment method and the like, a conventionally known method may be referred to.
The present invention is characterized in that a p-type AlGaN contact layer, which is the uppermost layer, is grown by the MOVPE method when forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate. The method is not particularly limited, and conventionally known methods such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method and a molecular beam evaporation (MBE) method can be appropriately used in addition to the MOVPE method. From the viewpoint of manufacturing efficiency, it is preferable that the growth of the GaN-based semiconductor layer stacked on the substrate is performed consistently in one growth furnace by the MOVPE method up to the uppermost p-type contact layer.

本発明の実施に係るLEDの構造については、図1の構造に限定されるものではなく、
図1の構造に省略を行った構造、あるいは、図1の構造に更に付加的な構造を追加したものであってもよい。LED構造を構成する各GaN系半導体層の結晶組成、ドーパントとその濃度、厚さ等の設計、電極の材料や、形状、形成方法、素子分離の方法等についても、従来公知の技術を参照してよい。
About the structure of LED which concerns on implementation of this invention, it is not limited to the structure of FIG.
A structure obtained by omitting the structure shown in FIG. 1 or an additional structure added to the structure shown in FIG. 1 may be used. For the crystal composition of each GaN-based semiconductor layer constituting the LED structure, the design of dopant and its concentration, thickness, etc., the electrode material, shape, formation method, element isolation method, etc., refer to conventionally known techniques. It's okay.

本発明は、LEDだけでなく、p型GaN系半導体を有する全てのGaN系半導体素子(LED以外の発光素子、受光素子、電子デバイスなど)の製造方法として有用である。その場合、素子の構造や、その製造のために必要となる技術(GaN系半導体の積層構造の形成技術、パターニング技術、電極材料技術、素子分離技術など)については、公知の技術を参照してよい。   The present invention is useful as a method for manufacturing not only LEDs but also all GaN-based semiconductor elements having a p-type GaN-based semiconductor (light-emitting elements other than LEDs, light-receiving elements, electronic devices, etc.). In that case, refer to the well-known technology for the structure of the device and the technology required for its manufacture (eg, GaN-based semiconductor multilayer structure formation technology, patterning technology, electrode material technology, device isolation technology). Good.

11 サファイア基板
12 アンドープGaN下地層
13 n型GaNコンタクト層
14 活性層
15 p型AlGaNクラッド層
16 p型GaN高キャリア濃度層
17 p型AlGaNコンタクト層
21 n側電極
22 p側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Sapphire substrate 12 Undoped GaN foundation layer 13 n-type GaN contact layer 14 Active layer 15 p-type AlGaN cladding layer 16 p-type GaN high carrier concentration layer 17 p-type AlGaN contact layer 21 n-side electrode 22 p-side electrode

Claims (33)

GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程を含み、この工程が、
(A)前記基板が設置された成長炉内に原料およびキャリアガスを導入して、MOVPE法によりAlGa1−aN(0<a≦1)からなるp型コンタクト層を前記積層構造の最上層として成長する工程と、
(B)(A)の工程の終了後、前記成長炉内に、アンモニアと、GaN系半導体に対して不活性なガスからなる第1のガスとを、成長炉内に導入されるガスの全流量に占めるアンモニアの流量の比率fが、0<f<0.025となるように導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う工程と、
を含む、GaN系半導体素子の製造方法。
Including a step of forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate,
(A) A raw material and a carrier gas are introduced into a growth furnace in which the substrate is installed, and a p-type contact layer made of Al a Ga 1-a N (0 <a ≦ 1) is formed by the MOVPE method. Growing as the top layer,
(B) After completion of the step (A), ammonia and a first gas made of a gas inert to the GaN-based semiconductor are all introduced into the growth furnace. A step of lowering the temperature of the p-type contact layer while introducing a ratio f of the flow rate of ammonia in the flow rate such that 0 <f <0.025;
A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
前記比率fが、0.001≦f≦0.01である、請求項1記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the ratio f is 0.001 ≦ f ≦ 0.01. 前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、更に、
(C)(B)の工程の後、前記成長炉内に、GaN系半導体に対して不活性なガスからなりアンモニアを含まない第2のガスを導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う工程、
を含む請求項1または2記載の製造方法。
Forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on a substrate;
(C) After the step (B), the temperature of the p-type contact layer is lowered while introducing a second gas that is inert to the GaN-based semiconductor and does not contain ammonia into the growth furnace. Process to perform,
The manufacturing method of Claim 1 or 2 containing.
(B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t≦950℃であるときに行う、請求項3記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t ≦ 950 ° C. 5. (B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t≦800℃であるときに行う、請求項4記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 4, wherein switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t ≦ 800 ° C. 6. (B)の工程から(C)の工程への切り替えを、基板温度tが、t>650℃であるときに行う、請求項3〜5のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein the switching from the step (B) to the step (C) is performed when the substrate temperature t is t> 650 ° C. 6. (C)の工程において、基板温度tが、650℃<t≦800℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる、請求項6記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 6, wherein, in the step (C), when the substrate temperature t is 650 ° C. <t ≦ 800 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed slowly. 前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる方法が、サセプタ加熱手段を動作させることを含む、請求項7記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein the method of slowly changing the temperature decrease rate of the p-type contact layer includes operating a susceptor heating unit. (B)または(C)の工程において、基板温度tが、t≦650℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を速く変化させる、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。   9. The manufacturing according to claim 1, wherein, in the step (B) or (C), when the substrate temperature t is t ≦ 650 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed rapidly. Method. 0.01≦a≦0.2である、請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein 0.01 ≦ a ≦ 0.2. 前記第1のガスおよび前記第2のガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 10, wherein the first gas and the second gas include one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases. 前記p型コンタクト層の厚さが1nm〜50nmである、請求項1〜11のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 1-11 whose thickness of the said p-type contact layer is 1 nm-50 nm. 前記p型コンタクト層にMgが1×1019cm−3〜1×1021cm−3の濃度で添加される、請求項1〜12のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein Mg is added to the p-type contact layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . 前記GaN系半導体素子は、p型コンタクト層に隣接して、キャリア濃度が1×1017cm−3〜2×1018cm−3のp型GaNからなる層を含む、請求項1〜13のいずれかに記載の製造方法。 The GaN-based semiconductor element includes a layer made of p-type GaN having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 adjacent to the p-type contact layer. The manufacturing method in any one. 前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、(A)の工程の前に、更にアンドープのGaNからなる層を前記基板上に成長する工程を含む、請求項1〜14のいずれかに記載の製造方法。   The step of forming a laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate includes a step of growing a layer made of undoped GaN on the substrate before the step (A). The manufacturing method of crab. 前記基板が、表面に凹凸形状が加工形成された基板である、請求項1〜15のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 15, wherein the substrate is a substrate having a concavo-convex shape formed on a surface thereof. (A)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが、化学的に安定なガスからなる第1のキャリアガスと、水素ガスとを含み、前記第1のキャリアガスの流量が水素ガスの流量と同じであるかそれよりも大きい、請求項1〜16のいずれかに記載の製造方法。   In the step (A), the carrier gas introduced into the growth furnace includes a first carrier gas made of a chemically stable gas and hydrogen gas, and the flow rate of the first carrier gas is hydrogen. The manufacturing method in any one of Claims 1-16 which is the same or larger than the flow volume of gas. 前記第1のキャリアガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、請求項17記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 17, wherein the first carrier gas includes one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases. (A)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが水素ガスを含まない、請求項1〜16のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 1-16 in which the carrier gas introduce | transduced in the said growth furnace does not contain hydrogen gas in the process of (A). GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程を含み、この工程が、
(D)前記基板が設置された成長炉内に原料およびキャリアガスを供給して、MOVPE法によりAlGa1−bN(0<b≦1)からなるp型コンタクト層を前記積層構造の最上層として成長する工程と、
(E)(D)の工程の終了後、前記成長炉内に、GaN系半導体に対して不活性なガスからなりアンモニアを含まない第3のガスを導入しながら、前記p型コンタクト層の降温を行う第3の降温工程と、
を含む、GaN系半導体素子の製造方法。
Including a step of forming a laminated structure of a GaN-based semiconductor on a substrate,
(D) A raw material and a carrier gas are supplied into a growth furnace in which the substrate is installed, and a p-type contact layer made of Al b Ga 1-b N (0 <b ≦ 1) is formed by the MOVPE method. Growing as the top layer,
(E) After the completion of the step (D), the temperature of the p-type contact layer is lowered while introducing a third gas that is inert to the GaN-based semiconductor and does not contain ammonia into the growth furnace. A third temperature lowering step for performing
A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
(E)の工程において、基板温度tが、650℃<t≦800℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる、請求項20記載の製造方法。   21. The manufacturing method according to claim 20, wherein, in the step (E), when the substrate temperature t is 650 ° C. <t ≦ 800 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed slowly. 前記p型コンタクト層の降温速度を遅く変化させる方法が、サセプタ加熱手段を動作させることを含む、請求項21記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 21, wherein the method of slowly changing the temperature decrease rate of the p-type contact layer includes operating a susceptor heating unit. (E)の工程において、基板温度tが、t≦650℃であるときに、前記p型コンタクト層の降温速度を速く変化させる、請求項20〜22のいずれかに記載の製造方法。   23. The manufacturing method according to claim 20, wherein in the step (E), when the substrate temperature t is t ≦ 650 ° C., the temperature decreasing rate of the p-type contact layer is changed rapidly. 0.01≦b≦0.2である、請求項20〜23のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 20-23 which is 0.01 <= b <= 0.2. 前記第3のガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、請求項20〜24のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 20 to 24, wherein the third gas includes one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases. 前記p型コンタクト層の厚さが1nm〜50nmである、請求項20〜25のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 20 to 25, wherein a thickness of the p-type contact layer is 1 nm to 50 nm. 前記p型コンタクト層にMgが1×1019cm−3〜1×1021cm−3の濃度で添加される請求項20〜26のいずれかに記載の製造方法。 27. The manufacturing method according to any one of claims 20 to 26, wherein Mg is added to the p-type contact layer at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . 前記GaN系半導体素子は、p型コンタクト層に隣接して、キャリア濃度が1×1017cm−3〜2×1018cm−3のp型GaNからなる層を含む、請求項20〜27のいずれかに記載の製造方法。 The GaN-based semiconductor element includes a layer made of p-type GaN having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 adjacent to the p-type contact layer. The manufacturing method in any one. 前記GaN系半導体の積層構造を基板上に形成する工程が、(D)の工程の前に、更にアンドープのGaNからなる層を前記基板上に成長する工程を含む、請求項20〜28のいずれかに記載の製造方法。   The step of forming the laminated structure of the GaN-based semiconductor on the substrate includes a step of further growing a layer made of undoped GaN on the substrate before the step (D). The manufacturing method of crab. 前記基板が、表面に凹凸形状が加工形成された基板である、請求項20〜29のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 20 to 29, wherein the substrate is a substrate having a concavo-convex shape formed on a surface thereof. (D)の工程において、前記成長炉内に導入されるキャリアガスが、化学的に安定なガスからなる第2のキャリアガスと、水素ガスとを含み、前記第2のキャリアガスの流量が水素ガスの流量と同じであるかそれよりも大きい、請求項20〜30のいずれかに記載の製造方法。   In the step (D), the carrier gas introduced into the growth furnace includes a second carrier gas made of a chemically stable gas and hydrogen gas, and the flow rate of the second carrier gas is hydrogen. The manufacturing method according to any one of claims 20 to 30, wherein the flow rate is the same as or larger than a flow rate of the gas. 前記第2のキャリアガスが、窒素ガスおよび希ガス類の中から選ばれる1種類以上のガスを含む、請求項31記載の製造方法。   32. The manufacturing method according to claim 31, wherein the second carrier gas contains one or more kinds of gases selected from nitrogen gas and rare gases. (D)の工程において成長炉内に導入されるキャリアガスが水素ガスを含まない、請求項20〜30のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 20 to 30, wherein the carrier gas introduced into the growth furnace in the step (D) does not contain hydrogen gas.
JP2009118944A 2009-05-15 2009-05-15 METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE Pending JP2009177219A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009118944A JP2009177219A (en) 2009-05-15 2009-05-15 METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009118944A JP2009177219A (en) 2009-05-15 2009-05-15 METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004042153A Division JP4457691B2 (en) 2004-02-18 2004-02-18 GaN-based semiconductor device manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009177219A true JP2009177219A (en) 2009-08-06

Family

ID=41031907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009118944A Pending JP2009177219A (en) 2009-05-15 2009-05-15 METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009177219A (en)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5645899A (en) * 1979-09-18 1981-04-25 Sanyo Electric Co Ltd Vapor phase growing method for gallium nitride
JPH05183189A (en) * 1991-11-08 1993-07-23 Nichia Chem Ind Ltd Manufacture of p-type gallium nitride based compound semiconductor
JPH06268259A (en) * 1993-03-12 1994-09-22 Nichia Chem Ind Ltd Gallium nitride compound semiconductor light emitting element
JPH06326416A (en) * 1993-03-15 1994-11-25 Toshiba Corp Compound semiconductor element
JPH0897471A (en) * 1994-09-20 1996-04-12 Toyoda Gosei Co Ltd Group-iii nitride semiconductor light emitting device
JPH08115880A (en) * 1994-10-17 1996-05-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacture of p-type gan semiconductor
JPH08325094A (en) * 1995-03-30 1996-12-10 Sumitomo Chem Co Ltd Preparation of iii-v group compound semiconductor
JPH0940490A (en) * 1995-07-27 1997-02-10 Hitachi Cable Ltd Production of gallium nitride crystal
JPH11145511A (en) * 1997-11-05 1999-05-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gallium nitride compound semiconductor light-emitting element
JP2001024223A (en) * 1999-07-09 2001-01-26 Nichia Chem Ind Ltd Nitride semiconductor light emitting diode
JP2001119065A (en) * 1999-10-15 2001-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd P-type nitride semiconductor and producing method thereof
JP2002033279A (en) * 2000-07-13 2002-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacturing method of p-type nitride semiconductor
JP2002280611A (en) * 2001-03-21 2002-09-27 Mitsubishi Cable Ind Ltd Semiconductor light-emitting element

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5645899A (en) * 1979-09-18 1981-04-25 Sanyo Electric Co Ltd Vapor phase growing method for gallium nitride
JPH05183189A (en) * 1991-11-08 1993-07-23 Nichia Chem Ind Ltd Manufacture of p-type gallium nitride based compound semiconductor
JPH06268259A (en) * 1993-03-12 1994-09-22 Nichia Chem Ind Ltd Gallium nitride compound semiconductor light emitting element
JPH06326416A (en) * 1993-03-15 1994-11-25 Toshiba Corp Compound semiconductor element
JPH0897471A (en) * 1994-09-20 1996-04-12 Toyoda Gosei Co Ltd Group-iii nitride semiconductor light emitting device
JPH08115880A (en) * 1994-10-17 1996-05-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacture of p-type gan semiconductor
JPH08325094A (en) * 1995-03-30 1996-12-10 Sumitomo Chem Co Ltd Preparation of iii-v group compound semiconductor
JPH0940490A (en) * 1995-07-27 1997-02-10 Hitachi Cable Ltd Production of gallium nitride crystal
JPH11145511A (en) * 1997-11-05 1999-05-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gallium nitride compound semiconductor light-emitting element
JP2001024223A (en) * 1999-07-09 2001-01-26 Nichia Chem Ind Ltd Nitride semiconductor light emitting diode
JP2001119065A (en) * 1999-10-15 2001-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd P-type nitride semiconductor and producing method thereof
JP2002033279A (en) * 2000-07-13 2002-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacturing method of p-type nitride semiconductor
JP2002280611A (en) * 2001-03-21 2002-09-27 Mitsubishi Cable Ind Ltd Semiconductor light-emitting element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5634368B2 (en) Semiconductor device
JP5995302B2 (en) Manufacturing method of nitride semiconductor light emitting device
JP5246213B2 (en) Group III nitride semiconductor light emitting device manufacturing method
JP4617922B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JPWO2008153130A1 (en) Nitride semiconductor light emitting device and method for manufacturing nitride semiconductor
JP2010205988A (en) Nitride semiconductor element and method for manufacturing the same
JP5948698B2 (en) Ultraviolet light emitting device and manufacturing method thereof
JP2011222728A (en) Nitrogen compound semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same
JP5504618B2 (en) Group III nitride semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same
JP2007184353A (en) Nitride-based compound semiconductor element and manufacturing method thereof
JP2006310819A (en) Gallium nitride compound semiconductor laminate and manufacturing method thereof
JP2009283620A (en) Group iii nitride semiconductor light emitting element, method for manufacturing thereof, and lamp
JP2009021638A (en) Nitride gallium based compound semiconductor luminous element
JP2008118049A (en) GaN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE
JP4457691B2 (en) GaN-based semiconductor device manufacturing method
JP2007201099A (en) Method for manufacturing nitride semiconductor light emitting device
JP2005277401A (en) Gallium nitride-based compound semiconductor laminate and manufacturing method thereof
JP5533093B2 (en) Group III nitride semiconductor light emitting device manufacturing method
JP2004356522A (en) Group 3-5 compound semiconductor, its manufacturing method, and its use
JP5105738B2 (en) Method for producing gallium nitride compound semiconductor laminate
JP2010010444A (en) Semiconductor light emitting element, lamp and method of manufacturing semiconductor light emitting element
JP2015115343A (en) Method of manufacturing nitride semiconductor element
JP2001024223A (en) Nitride semiconductor light emitting diode
JP2008227103A (en) GaN-BASED SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT
JP2014143338A (en) Nitride semiconductor light-emitting element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090520

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120327

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120717