JP2010056234A - Method of manufacturing nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing epitaxial wafer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a nitride based semiconductor light emitting element which can grow an InGaN well layer of sufficient crystal quality on a gallium nitride based semiconductor face with a comparatively small-off angle. <P>SOLUTION: A condition in a following range is used in the growth of the well layer 25a. When a growth temperature T<SB>W</SB>is not lower than 640°C and lower than 710°C, an upper limit of growth speed V<SB>G</SB>is given by a following formula V<SB>G</SB>=α1×T<SB>W</SB>+β1. Regarding α1, β1 in the formula, α1=0.12 and β1=-71.3 are satisfied. When the growth temperature T<SB>W</SB>is 710°C to 750°C, the upper limit of growth speed V<SB>G</SB>is not larger than 13.9 nm/min. When the growth temperature T<SB>W</SB>is not lower than 640°C and lower than 690°C, a lower limit of growth speed V<SB>G</SB>is not smaller than 5.5 nm/min. When the growth temperature T<SB>W</SB>is not lower than 690°C and lower than 750°C, the lower limit of growth speed V<SB>G</SB>is given by the following formula V<SB>G</SB>=α2×T<SB>W</SB>+β2. Herein, α2=0.14 and β2=-91.1 are satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for producing an epitaxial wafer.

特許文献1には、InGaNの成長について説明されている。サファイア基板上にバッファ層を成長した後に、該バッファ層上にバッファ層の成長温度よりも高い温度で、GaNまたはAlGaNからなる半導体層を成長する。この半導体上に、特許文献1に記載された特定の条件でInGaN層を成長する。成長速度の最大は、摂氏900度の温度で6nm/分である。フォトルミネッセンススペクトルにおけるピーク波長は406nmである。   Patent Document 1 describes the growth of InGaN. After growing the buffer layer on the sapphire substrate, a semiconductor layer made of GaN or AlGaN is grown on the buffer layer at a temperature higher than the growth temperature of the buffer layer. On this semiconductor, an InGaN layer is grown under specific conditions described in Patent Document 1. The maximum growth rate is 6 nm / min at a temperature of 900 degrees Celsius. The peak wavelength in the photoluminescence spectrum is 406 nm.

特許文献2には、InGaNからなる活性層を有した素子を製造する方法が記載されている。この方法では、InGaNの成長における原料ガスのモル比TMI/(TMG+TMI)と結晶成長温度と波長とに関する特性図に基づいて、成長条件が決定される。サファイア基板のa面上にバッファ層を成長した後に、該バッファ層上にn型GaN層を摂氏1150度の成長温度で成長する。このGaN層上にバリア層を成長した後に、摂氏700度の成長温度で、特許文献2に記載された所定の原料モル比で、InGaN井戸層を成長する。0.79の原料ガスのモル比を用いて、ピーク波長は470nmである。
特開平06−209122号公報 特開平11−8407号公報
Patent Document 2 describes a method for manufacturing an element having an active layer made of InGaN. In this method, the growth conditions are determined based on a characteristic diagram relating to the molar ratio TMI / (TMG + TMI) of the source gas in the growth of InGaN, the crystal growth temperature, and the wavelength. After growing a buffer layer on the a-plane of the sapphire substrate, an n-type GaN layer is grown on the buffer layer at a growth temperature of 1150 degrees Celsius. After the barrier layer is grown on the GaN layer, an InGaN well layer is grown at a growth temperature of 700 degrees Celsius at a predetermined raw material molar ratio described in Patent Document 2. Using a molar ratio of source gas of 0.79, the peak wavelength is 470 nm.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-209122 Japanese Patent Laid-Open No. 11-8407

c面主面を有する基板を用いて量子井戸構造を作製するとき、c面の極性に起因するピエゾ電界により、井戸層内において電子と正孔とが空間的に分離される。これ故に、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが大きくならず、発光素子の内部量子効率が小さくなる。したがって、特許文献1及び2におけるInGaN層を用いて発光素子を作製するとき、内部量子効率の低下が避けられない。   When a quantum well structure is manufactured using a substrate having a c-plane principal surface, electrons and holes are spatially separated in the well layer by a piezo electric field caused by the polarity of the c-plane. For this reason, the overlap between the electron wave function and the hole wave function does not increase, and the internal quantum efficiency of the light-emitting element decreases. Therefore, when a light emitting device is manufactured using the InGaN layer in Patent Documents 1 and 2, a decrease in internal quantum efficiency is inevitable.

発明者らの知見によれば、c面から傾斜した主面を有するGaN基板上に作製された発光素子では、ピエゾ電界の影響が弱められる。ウエハ主面がc面から小さいオフ角で傾斜しているとき、比較的大きな径のウエハを作製することが容易であると考えられる。   According to the knowledge of the inventors, in a light-emitting device manufactured on a GaN substrate having a main surface inclined from the c-plane, the influence of the piezoelectric field is weakened. When the wafer main surface is inclined with a small off angle from the c-plane, it is considered easy to manufacture a wafer having a relatively large diameter.

ところが、発明者らの実験によれば、オフ角付きGaNウエハ上への結晶成長は、c面GaNウエハ上への結晶成長と異なっていた。c面GaNウエハにおいて波長480nmの光を生成する活性層の成膜条件では、オフ角GaNウエハ上に形成される活性層は、波長480nmよりも短波長の光を生成した。故に、この波長のシフトを補償する成膜条件の検討が必要である。しかしながら、上記の実験から理解されるように、オフ角付きGaNウエハ上に形成される活性層の発光波長と成膜条件との関係は未知のものである。   However, according to experiments by the inventors, crystal growth on a GaN wafer with an off-angle was different from crystal growth on a c-plane GaN wafer. Under the film formation conditions of the active layer that generates light having a wavelength of 480 nm on the c-plane GaN wafer, the active layer formed on the off-angle GaN wafer generated light having a wavelength shorter than the wavelength of 480 nm. Therefore, it is necessary to examine the film forming conditions to compensate for this wavelength shift. However, as understood from the above experiment, the relationship between the emission wavelength of the active layer formed on the off-angled GaN wafer and the film formation conditions is unknown.

本発明は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とし、この方法によれば、比較的小さいオフ角の窒化ガリウム系半導体主面へ、良好な結晶品質のInGaN井戸層を成長可能である。また、本発明は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device. According to this method, an InGaN well layer having a good crystal quality is formed on a gallium nitride-based semiconductor main surface having a relatively small off angle. Can grow. Another object of the present invention is to provide a method for producing an epitaxial wafer for a nitride semiconductor light emitting device.

本発明の一側面に係る発明は、量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、(a)窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、(b)前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度T及び成長速度V(nm/分)で、前記量子井戸構造の井戸層を成長する工程とを備える。前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有している。前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、前記井戸層はInGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなる。
前記成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、以下の式(1)
=α1×T+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たす。
前記成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、13.9nm/分以下である。
前記成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、5.5nm/分以上である。
前記成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、以下の式(2)
=α2×T+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏640度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。
The invention according to one aspect of the present invention is a method of manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer having a quantum well structure. This method includes (a) a step of forming an epitaxial semiconductor region made of a gallium nitride-based semiconductor, and (b) a growth temperature T W within a temperature range of 640 degrees Celsius or more and 750 degrees Celsius or less on the epitaxial semiconductor region, and And a step of growing the well layer having the quantum well structure at a growth rate V G (nm / min). The epitaxial semiconductor region has a main surface inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. The active layer is provided so as to generate an emission spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm or more and 550 nm or less, and the well layer includes In X Ga 1-X N (indium composition X: 0 <X <1 , X is a strain composition).
When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 710 degrees Celsius, the upper limit of the growth rate V G is the following formula (1)
V G = α1 × T W + β1 (1)
Equation (1) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (710 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (640 degrees Celsius, 5.5 nm / min).
When the growth temperature T W is the temperature below 710 degrees 750 degrees centigrade, the upper limit of the growth rate V G is less 13.9 nm / min.
When the growth temperature T W is the temperature of less than 690 degrees 640 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G is 5.5 nm / min or more.
Wherein when the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 690 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G, the following equation (2)
V G = α2 × T W + β2 (2)
Equation (2) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (640 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (690 degrees Celsius, 5.5 nm / min).

この方法によれば、窒化ガリウム系半導体のc面から10度〜45度の範囲の角度で傾斜したエピタキシャル半導体主面上に、上記の範囲の条件における成長速度V及び成長温度Tを用いてInGaN井戸層を成長するとき、比較的小さいオフ角の窒化ガリウム系半導体主面へ、良好な結晶品質のInGaN井戸層を成長可能である。 According to this method, on the epitaxial semiconductor main surface inclined at an angle in the range from c-plane of the gallium nitride-based semiconductor of 10 to 45 degrees, with a growth rate V G and the growth temperature T W in terms of the range of the Thus, when an InGaN well layer is grown, an InGaN well layer having a good crystal quality can be grown on a gallium nitride semiconductor main surface having a relatively small off angle.

比較的高い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、井戸層の成長には、式(2)によって規定される成長速度の下限がある。成長温度が高くなるにつれて、成長速度の下限が大きくなる。なぜなら比較的高い成長温度の領域では、Inの取り込み効率が低いため、成長速度が低いと所望の波長が得られないからである。また、成長温度Tが摂氏640度以上690度以下の温度であるときにも、成長速度には5.5nm/分の下限がある。なぜなら比較的低い成長温度の領域でも、成長速度が低すぎるとInの取り込み効率が低くなり、所望の波長が得られないからである。 When the region has a relatively high growth temperature, that is, when the growth temperature TW is not less than 690 degrees Celsius and not more than 750 degrees Celsius, the growth of the well layer has a lower limit of the growth rate defined by the equation (2). As the growth temperature increases, the lower limit of the growth rate increases. This is because, in a relatively high growth temperature region, the In incorporation efficiency is low, so that a desired wavelength cannot be obtained if the growth rate is low. Even when the growth temperature TW is a temperature of 640 ° C. or more and 690 ° C. or less, the growth rate has a lower limit of 5.5 nm / min. This is because, even in a relatively low growth temperature region, if the growth rate is too low, the In incorporation efficiency becomes low, and a desired wavelength cannot be obtained.

成長温度Tが摂氏700度以上750度以下の温度であるとき、成長速度Vには13.9nm/分の上限がある。なぜなら成長速度が速すぎると、InGaNの結晶品質が悪化して発光特性が悪化するからである。また、比較的低い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、井戸層の成長には、式(1)によって規定される成長速度の上限がある。成長温度が低くなるにつれて、成長速度の上限は小さくなる。なぜなら成長温度が低くなるにつれて成長速度を低くしないと、InGaNの結晶品質が悪化して発光特性が悪化するからである。 When the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 700 degrees Celsius, the growth rate V G has an upper limit of 13.9 nm / min. This is because if the growth rate is too fast, the crystal quality of InGaN deteriorates and the light emission characteristics deteriorate. Moreover, the relatively low growth temperature range, that is, when the growth temperature T W is the temperature of less than 640 degrees 710 degrees Celsius, the growth of the well layer, an upper limit of the growth rate defined by Equation (1) . As the growth temperature decreases, the upper limit of the growth rate decreases. This is because unless the growth rate is lowered as the growth temperature is lowered, the crystal quality of InGaN deteriorates and the light emission characteristics deteriorate.

本発明に係る方法は、前記エピタキシャル半導体領域上に、前記井戸層の前記成長温度Tより高い成長温度Tで、前記量子井戸構造の障壁層を成長する工程を更に備えることができる。前記障壁層はInGa1−YN(インジウム組成Y:0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなり、前記井戸層の前記成長温度Tと前記障壁層の前記成長温度Tとの差は60度以上230度以下である。 The method according to the present invention, the epitaxial semiconductor region, in the above growth temperature T W growth temperature T B of the well layer, can further comprise the step of growing the barrier layer of the quantum well structure. The barrier layer is made of In Y Ga 1-Y N (indium composition Y: 0 ≦ Y ≦ 0.05, Y is a strained composition), and the growth temperature T W of the well layer and the growth temperature T of the barrier layer The difference from B is not less than 60 degrees and not more than 230 degrees.

この方法によれば、井戸層のインジウム組成Xが障壁層のインジウム組成Y(0≦Y≦0.05)よりも大きいので、井戸層の成長には所望のインジウム組成のInGaNを成長できる成膜温度が必要である一方で、良好な結晶品質の障壁層を形成するために、成長温度Tは、井戸層の成長温度Tより高いことが必要である。成長温度Tと成長温度Tとの差は60度未満であるとき、所望の品質の障壁層が得られない。また、活性層の成長に引き続く成長において、井戸層の結晶品質が低下する。成長温度Tと成長温度Tとの差は230度を超えるとき、障壁層の成長中に井戸層の結晶品質が低下する。 According to this method, since the indium composition X of the well layer is larger than the indium composition Y (0 ≦ Y ≦ 0.05) of the barrier layer, the well layer can be grown with InGaN having a desired indium composition. while the temperature is necessary, in order to form the barrier layer of good crystal quality, growth temperature T B is required to be higher than the growth temperature T W of the well layer. When the difference between the growth temperature T W and a growth temperature T B is less than 60 degrees, the barrier layer of the desired quality can not be obtained. Further, in the growth subsequent to the growth of the active layer, the crystal quality of the well layer is degraded. When exceeding difference 230 degrees between the growth temperature T W and the growth temperature T B, the crystal quality of the well layer is lowered during the growth of the barrier layer.

本発明に係る方法は、前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備えることができる。前記井戸層の前記成長温度Tは、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度T2よりも低く、前記井戸層の前記成長温度Tと前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の前記成長温度T2との差は、140度以上510度以下である。 The method according to the present invention may further include a step of growing a second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the active layer. The growth temperature T W of the well layer, the second conductive type lower than the growth temperature T2 of the gallium nitride-based semiconductor layer, the growth temperature T W and the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer of the well layer The difference from the growth temperature T2 is 140 degrees or more and 510 degrees or less.

この方法によれば、成長温度Tと成長温度T2との差は140度未満となるように成長温度T2が設定されるとき、良好な導電性を有する第2導電型窒化ガリウム系半導体層が得られない。成長温度Tと成長温度Tとの差は510度を超えるように成長温度T2が設定されるとき、第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長中に井戸層の結晶品質が低下する。 According to this method, when the growth temperature T W and the growth temperature T2 of the growth temperature T2 so that the difference is less than 140 degrees and is set, the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer having good conductivity I can't get it. When the growth temperature T W and a growth temperature T B and difference of 510 degrees growth temperature T2 to exceed a is set, the crystal quality of the well layer is lowered during the growth of the second conductive type gallium nitride-based semiconductor layer.

本発明に係る方法は、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層上に、別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備えることができる。前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層を含み、前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長速度は、前記井戸層及び前記障壁層の成長速度よりも大きい。   The method according to the present invention may further include a step of growing another second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer. The second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer includes an electron block layer, and the growth rate of the other second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer is higher than the growth rates of the well layer and the barrier layer.

この方法によれば、活性層を形成した後に井戸層の成長温度よりも高温で行われる別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長時間を短くできる。   According to this method, the growth time of another second-conductivity-type gallium nitride semiconductor layer that is performed at a temperature higher than the growth temperature of the well layer after forming the active layer can be shortened.

本発明に係る方法では、前記井戸層の前記InGa1−XNにインジウム組成Xは0.15より大きいことができる。前記井戸層の前記InGa1−XNは0.4より小さいことができる。この範囲のインジウム組成のInGaNの成長が可能となり、波長480nm以上550nm以下の発光素子を得ることができる。 In the method according to the present invention, the indium composition X of the In X Ga 1-X N of the well layer may be greater than 0.15. The In X Ga 1-X N of the well layer may be less than 0.4. InGaN having an indium composition in this range can be grown, and a light-emitting element with a wavelength of 480 nm to 550 nm can be obtained.

本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面の傾斜の方向は、前記窒化ガリウム系半導体のa軸の方向であることができる。この方法によれば、m面を劈開面として使用できる。   In the method according to the present invention, the direction of inclination of the main surface of the semiconductor region may be the a-axis direction of the gallium nitride semiconductor. According to this method, the m-plane can be used as a cleavage plane.

本発明に係る方法は、六方晶系半導体InAlGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなる基板を準備する工程を更に備えることができる。前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。 The method according to the present invention, further a step of preparing a substrate composed of hexagonal semiconductor In S Al T Ga 1-S -T N (0 ≦ S ≦ 1,0 ≦ T ≦ 1,0 ≦ S + T ≦ 1) Can be provided. The main surface of the substrate is inclined at an angle in a range of 10 degrees to 45 degrees from a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal semiconductor.

エピタキシャル半導体領域の主面が窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜するようにエピタキシャル半導体領域を形成するためには、上記の傾斜角の主面の基板を用いることができる。   In order to form the epitaxial semiconductor region so that the main surface of the epitaxial semiconductor region is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees with respect to the c-plane of the gallium nitride semiconductor, the substrate of the main surface having the above inclination angle is formed. Can be used.

本発明に係る方法は、前記成膜に先立って、前記基板の前記主面に熱処理を行って改質された主面を前記基板に形成する工程を更に備えることができる。前記熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われる。この方法によれば、この熱処理により、基板の主面にマイクロステップが形成される。   The method according to the present invention may further include a step of forming a modified main surface on the substrate by performing a heat treatment on the main surface of the substrate prior to the film formation. The heat treatment is performed in an atmosphere of a gas containing ammonia and hydrogen. According to this method, microsteps are formed on the main surface of the substrate by this heat treatment.

本発明に係る方法は、前記熱処理の後に、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記基板上にエピタキシャルに成長する工程を更に備えることができる。前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度より大きく45度以下の範囲の角度で傾斜している。   The method according to the present invention may further include a step of epitaxially growing a first conductivity type gallium nitride based semiconductor region on the substrate after the heat treatment. The main surface of the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region is inclined at an angle in the range of greater than 10 degrees and less than 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride based semiconductor.

この方法によれば、エピタキシャル成長により、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域の主面にも結晶面が引き継がれる。また、基板の主面のマイクロステップも、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域の主面及びエピタキシャル半導体領域にも引き継がれる。   According to this method, the crystal plane is inherited also to the main surface of the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region by epitaxial growth. The microstep of the main surface of the substrate is also inherited by the main surface of the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region and the epitaxial semiconductor region.

本発明に係る方法では、前記基板の前記主面の傾斜の方向は前記窒化ガリウム系半導体のa軸の方向であることができる。この方法によれば、基板の主面は{0001}面からa軸方向に傾いていることが、m軸方向への傾斜に比べて、InGaNへのInの取り込みが大きい。このため、より高い成長温度でのInGaN井戸層の成長が可能となり、発光特性が向上する。   In the method according to the present invention, the direction of inclination of the main surface of the substrate may be the direction of the a-axis of the gallium nitride semiconductor. According to this method, the main surface of the substrate is inclined in the a-axis direction from the {0001} plane, and the incorporation of In into InGaN is larger than the inclination in the m-axis direction. Therefore, the InGaN well layer can be grown at a higher growth temperature, and the light emission characteristics are improved.

本発明に係る方法は、m面劈開を行って共振器面として作製する工程を更に備えることができる。この方法によれば、劈開によって形成されたm面を共振器面とする半導体レーザの作製が可能となる。   The method according to the present invention may further comprise a step of performing m-plane cleavage to produce a resonator surface. According to this method, it is possible to manufacture a semiconductor laser in which the m-plane formed by cleavage is a resonator plane.

本発明に係る方法では、前記傾斜の方向と前記窒化ガリウム系半導体のm軸の方向とは89度以上91度以下の範囲であることができる。傾斜の方向の角度ばらつきが−1度以上+1度以下の範囲を超えると、レーザとしての特性の低下が顕著になる。   In the method according to the present invention, the direction of the inclination and the direction of the m-axis of the gallium nitride based semiconductor may be in the range of 89 degrees to 91 degrees. When the angle variation in the direction of inclination exceeds the range of −1 degree or more and +1 degree or less, the deterioration of the characteristics as a laser becomes remarkable.

本発明に係る方法では、前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域とを含むことができる。前記第1および第2の領域は交互に配置されており、前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている。   In the method according to the present invention, the substrate has a plurality of first regions in which the density of threading dislocations extending in the c-axis direction is higher than the first threading dislocation density, and the density of threading dislocations extending in the c-axis direction is the first. And a plurality of second regions smaller than the threading dislocation density. The first and second regions are alternately arranged, and the first and second regions appear on the main surface of the substrate.

第1の領域は高転位の半導体領域であり、第2の領域は低転位の半導体領域である。基板の低転位の領域に窒化物系半導体発光素子を作製することによって、発光素子の発光効率、信頼性を向上させることができる。   The first region is a high-dislocation semiconductor region, and the second region is a low-dislocation semiconductor region. By producing a nitride-based semiconductor light emitting device in a low dislocation region of the substrate, the light emitting efficiency and reliability of the light emitting device can be improved.

本発明に係る方法では、前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10cm−2未満であることができる。第2の領域の貫通転位の密度が1×10cm−2未満であると、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザが得られる。 In the method according to the present invention, the density of the threading dislocations in the second region may be less than 1 × 10 7 cm −2 . When the density of threading dislocations in the second region is less than 1 × 10 7 cm −2 , a semiconductor laser having sufficient reliability for practical use can be obtained.

本発明に係る方法は、前記井戸層を成長した後に、前記障壁層を成長する前に、前記成長温度Tから前記成長温度Tに温度を変更しながら、窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備えることができる。前記窒化ガリウム系半導体層の厚さは前記障壁層の厚さより薄い。この方法によれば、井戸層の成長に引き続いて、障壁層の成長温度へ成長炉の温度が変更される。この井戸層の成長後に窒化ガリウム系半導体層が井戸層上に成長されるので、この昇温中における井戸層の劣化を低減できる。 The method according to the present invention, after growing the well layer, prior to growing the barrier layer, while changing the temperature at the growth temperature T B from the growth temperature T W, growing gallium nitride based semiconductor layer A process can be further provided. The gallium nitride based semiconductor layer is thinner than the barrier layer. According to this method, following the growth of the well layer, the temperature of the growth furnace is changed to the growth temperature of the barrier layer. Since the gallium nitride based semiconductor layer is grown on the well layer after the growth of the well layer, the deterioration of the well layer during the temperature rise can be reduced.

本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体層の成長における成長速度は前記障壁層の成長における成長速度より小さくできる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体層の成長は、障壁層の成長温度よりも低い温度で行われる。これ故に、昇温が完了するまでの時間を十分に得るために、窒化ガリウム系半導体層の成長速度を上記のように調整することが良い。   In the method according to the present invention, the growth rate in the growth of the gallium nitride based semiconductor layer can be smaller than the growth rate in the growth of the barrier layer. According to this method, the growth of the gallium nitride based semiconductor layer is performed at a temperature lower than the growth temperature of the barrier layer. Therefore, in order to obtain a sufficient time until the temperature rise is completed, it is preferable to adjust the growth rate of the gallium nitride based semiconductor layer as described above.

本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体層の厚さは前記障壁層の厚さより薄いことができる。この方法によれば、昇温中における形成される窒化ガリウム系半導体層の厚さを薄くでき、井戸層及び障壁層と異なる領域を薄くできる。この結果、障壁層の厚さを十分な値に形成できる。   In the method according to the present invention, the gallium nitride based semiconductor layer may be thinner than the barrier layer. According to this method, the thickness of the gallium nitride based semiconductor layer formed during the temperature rise can be reduced, and the region different from the well layer and the barrier layer can be reduced. As a result, the thickness of the barrier layer can be formed to a sufficient value.

本発明に係る方法では、前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層、及び前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、前記基板の前記主面の法線の方向に配列されていることができる。該六方晶系半導体のc軸の方向は前記基板の前記主面の法線の方向と異なる。この方法によれば、結晶はc軸方向に成長される。成長方向は、半導体層の積層方向と異なる。   In the method according to the present invention, the first conductive type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer are arranged in a direction of a normal line of the main surface of the substrate. Can be. The direction of the c-axis of the hexagonal semiconductor is different from the normal direction of the main surface of the substrate. According to this method, the crystal is grown in the c-axis direction. The growth direction is different from the stacking direction of the semiconductor layers.

本発明の別の側面は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、(a)第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を基板上にエピタキシャルに成長する工程と、(b)前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域上に、窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、(c)前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度T及び成長速度V(nm/分)で、活性層のための井戸層を成長する工程と、(d)前記エピタキシャル半導体領域上に、前記井戸層の前記成長温度Tより高い成長温度Tで、前記活性層のための障壁層を成長する工程と、(e)前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程とを備えることができる。前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有している。前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、前記井戸層はInGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなる。
前記成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、以下の式(1)
=α1×T+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、前記成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、13.9nm/分以下であり、前記成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、5.5nm/分以上であり、前記成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、以下の式(2)
=α2×T+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏640度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。
Another aspect of the present invention is a method of fabricating an epitaxial wafer for a nitride semiconductor light emitting device. This method includes (a) a step of epitaxially growing a first conductive type gallium nitride based semiconductor region on a substrate, and (b) an epitaxial layer made of a gallium nitride based semiconductor on the first conductive type gallium nitride based semiconductor region. A step of forming a semiconductor region, and (c) an active layer on the epitaxial semiconductor region at a growth temperature T W and a growth rate V G (nm / min) within a temperature range of 640 degrees Celsius or more and 750 degrees Celsius or less. and growing a well layer for the steps of growing a barrier layer for; (d) in the epitaxial semiconductor region, in the above growth temperature T W growth temperature T B of the well layer, the active layer (E) Growing a second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the active layer. The epitaxial semiconductor region has a main surface inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. The active layer is provided so as to generate an emission spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm or more and 550 nm or less, and the well layer includes In X Ga 1-X N (indium composition X: 0 <X <1 , X is a strain composition).
When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 710 degrees Celsius, the upper limit of the growth rate V G is the following formula (1)
V G = α1 × T W + β1 (1)
Equation (1) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (710 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (640 degrees Celsius, 5.5 nm / min), when the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 710 degrees centigrade, the upper limit of the growth rate V G is less than or equal 13.9 nm / min, the growth temperature T W is lower than 690 degrees 640 degrees Celsius when a temperature, the lower limit of the growth rate V G is at 5.5 nm / min or more, when the growth temperature T W is the temperature below 690 degrees 750 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G Is the following equation (2)
V G = α2 × T W + β2 (2)
Equation (2) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (640 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (690 degrees Celsius, 5.5 nm / min).

この方法によれば、窒化ガリウム系半導体のc面から10度〜45度の範囲の角度で傾斜したエピタキシャル半導体主面上に、上記の範囲の条件における成長速度V及び成長温度Tを用いてInGaN井戸層を成長するとき、比較的小さいオフ角の窒化ガリウム系半導体主面へ、良好な結晶品質のInGaN井戸層を成長可能である。 According to this method, on the epitaxial semiconductor main surface inclined at an angle in the range from c-plane of the gallium nitride-based semiconductor of 10 to 45 degrees, with a growth rate V G and the growth temperature T W in terms of the range of the Thus, when an InGaN well layer is grown, an InGaN well layer having a good crystal quality can be grown on a gallium nitride semiconductor main surface having a relatively small off angle.

比較的高い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、式(2)によって規定される成長速度の下限がある。成長温度が高くなるにつれて、井戸層の成長において大きな成長速度が必要とされる。なぜなら成長温度が高くなるにつれて、Inの取り込み効率が低くなるからである。また、成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、成長速度には下限があり、小さい過ぎる成長速度では所望の井戸層が得られない。なぜなら小さ過ぎる成長速度ではInの取り込み効率が低くなり、所望の波長が得られないからである。 When the region has a relatively high growth temperature, that is, when the growth temperature TW is not less than 690 degrees Celsius and not more than 750 degrees Celsius, there is a lower limit of the growth rate defined by the equation (2). As the growth temperature increases, a large growth rate is required for the growth of the well layer. This is because the In incorporation efficiency decreases as the growth temperature increases. Further, when the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 690 degrees Celsius, the growth rate has a lower limit, and a desired well layer cannot be obtained if the growth rate is too small. This is because if the growth rate is too low, the In incorporation efficiency becomes low and a desired wavelength cannot be obtained.

成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、成長速度Vには上限があり、大きすぎる成長速度では、所望の井戸層が得られない。なぜならInGaNの結晶品質が悪化して発光特性が悪化するからである。また、比較的低い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏640度以上700度未満の温度であるとき、式(1)によって規定される成長速度の上限がある。成長温度が高くなるにつれて、成長速度の上限も大きくなる。なぜなら成長温度が高くなるにつれて、Inの取り込み効率が低くなり、成長速度が低いと所望の波長が得られないからである。 When the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 710 degrees Celsius, the growth rate V G has an upper limit, the growth rate is too large, the desired well layer can not be obtained. This is because the crystal quality of InGaN deteriorates and the light emission characteristics deteriorate. In addition, when the region has a relatively low growth temperature, that is, when the growth temperature TW is not less than 640 degrees Celsius and less than 700 degrees Celsius, there is an upper limit of the growth rate defined by the equation (1). As the growth temperature increases, the upper limit of the growth rate also increases. This is because as the growth temperature increases, the In incorporation efficiency decreases, and if the growth rate is low, a desired wavelength cannot be obtained.

本発明に係る方法は、前記成膜に先立って、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で基板の主面に熱処理を行う工程を更に備えることができる。この方法によれば、この熱処理により、基板の主面にマイクロステップが形成される。   The method according to the present invention may further include a step of performing heat treatment on the main surface of the substrate in an atmosphere of a gas containing ammonia and hydrogen prior to the film formation. According to this method, microsteps are formed on the main surface of the substrate by this heat treatment.

本発明に係る方法では、前記基板は、六方晶系半導体InAlGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなり、前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。 In the method according to the present invention, the substrate is made of hexagonal semiconductor In S Al T Ga 1-S -T N (0 ≦ S ≦ 1,0 ≦ T ≦ 1,0 ≦ S + T ≦ 1), the substrate Is inclined at an angle in a range of 10 degrees to 45 degrees from a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal semiconductor.

エピタキシャル半導体領域の主面が窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜するようにエピタキシャル半導体領域を形成するためには、上記の傾斜角の主面の基板に用いることができる。   In order to form the epitaxial semiconductor region so that the main surface of the epitaxial semiconductor region is inclined from the c-plane of the gallium nitride-based semiconductor at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees, Can be used.

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明の一側面によれば、窒化物系半導体発光素子を作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。これらの方法によれば、比較的小さいオフ角の窒化ガリウム系半導体主面へ、良好な結晶品質のInGaN井戸層を成長可能である。   As described above, according to one aspect of the present invention, a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device is provided. According to another aspect of the present invention, a method for producing an epitaxial wafer for a nitride semiconductor light emitting device is provided. According to these methods, an InGaN well layer having a good crystal quality can be grown on a gallium nitride based semiconductor main surface having a relatively small off angle.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, an embodiment relating to a method for producing a nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention and a method for producing an epitaxial wafer will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示すフローチャートである。また、図2〜図4は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程における基板生産物を示す図面である。   FIG. 1 is a flowchart showing main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. 2 to 4 are diagrams showing substrate products in main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment.

工程S101では、基板11を準備する。基板11は、六方晶系半導体InAlGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなる。図2(a)を参照すると、基板11は、例えばGaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN等からなることができる。基板11の主面11aは、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上の角度で傾斜している。傾斜角θが10度未満であると、十分なピエゾ電界低減効果が得られない。また、基板11の主面11aは、45度以下の範囲の角度で傾斜している。傾斜角θが45度を超えると、比較的大きな径のウエハを作製することが難しくなる。基板11の断面には、代表的なc面S、c軸ベクトルVC、及び法線ベクトルVNが示されている。傾斜角θは、c軸ベクトルVC及び法線ベクトルVNの成す角によって規定される。基板11のエッジ上の2点の距離の最大値は45mm以上であることができ、基板11の裏面11bは、基板11の主面11aと実質的に平行であることができる。このような基板11は「ウエハ」と呼ばれる。 In step S101, the substrate 11 is prepared. Substrate 11 is made of a hexagonal semiconductor In S Al T Ga 1-S -T N (0 ≦ S ≦ 1,0 ≦ T ≦ 1,0 ≦ S + T ≦ 1). Referring to FIG. 2A, the substrate 11 can be made of, for example, GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, or the like. The main surface 11a of the substrate 11 is inclined at an angle of 10 degrees or more from a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal semiconductor. When the inclination angle θ is less than 10 degrees, a sufficient piezoelectric field reduction effect cannot be obtained. The main surface 11a of the substrate 11 is inclined at an angle in a range of 45 degrees or less. When the inclination angle θ exceeds 45 degrees, it becomes difficult to manufacture a wafer having a relatively large diameter. In the cross section of the substrate 11, a representative c-plane S C , c-axis vector VC, and normal vector VN are shown. The inclination angle θ is defined by an angle formed by the c-axis vector VC and the normal vector VN. The maximum value of the distance between two points on the edge of the substrate 11 can be 45 mm or more, and the back surface 11 b of the substrate 11 can be substantially parallel to the main surface 11 a of the substrate 11. Such a substrate 11 is called a “wafer”.

引き続く工程では、この基板11の主面11a上に、半導体結晶がエピタキシャルに成長される。下地のエピタキシャル半導体領域上に活性層が成長され、この下地の主面が窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜するように、エピタキシャル半導体領域を形成する。このために、上記の傾斜角の主面11aの基板11を用いることができる。   In the subsequent process, a semiconductor crystal is epitaxially grown on the main surface 11 a of the substrate 11. An active layer is grown on the underlying epitaxial semiconductor region, and the epitaxial semiconductor region is formed such that the principal surface of the underlying layer is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. For this purpose, the substrate 11 having the main surface 11a having the above-described inclination angle can be used.

基板11の主面11aの傾斜の方向は、例えば基板11の窒化ガリウム系半導体のa軸の方向であることができる。基板11の主面11aが{0001}面からa軸方向に傾いていれば、m軸方向への傾斜に比べて、InGaNへのInの取り込みが大きい。これ故に、より高い成長温度でのInGaN井戸層の成長が可能となり、発光特性が向上する。   The direction of inclination of the main surface 11a of the substrate 11 can be, for example, the direction of the a-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate 11. If the main surface 11a of the substrate 11 is inclined in the a-axis direction from the {0001} plane, the incorporation of In into InGaN is larger than the inclination in the m-axis direction. Therefore, the InGaN well layer can be grown at a higher growth temperature, and the light emission characteristics are improved.

基板11は、成長炉10内に配置される。引き続く結晶成長では、有機金属気相成長法が用いられる。成膜に先立って、工程S101では、続いて、図2(b)に示されるように、基板11の主面11aに熱処理を行って、改質された主面11cを基板11に形成する。この熱処理は、アンモニア及び水素、或いは窒素を含むガスの雰囲気中で行われる。熱処理温度は、例えば摂氏800度以上1200度以下であることができる。熱処理時間は、例えば10分程度である。この方法によれば、この熱処理により、基板11の主面11cにマイクロステップが形成され、マイクロステップは、複数のテラスからなる。マイクロステップの密度は、例えば2.0×10cm−1以上3.3×10cm−1であることができる。マイクロステップの高さは、例えば0.3nm以上10nm以下であることができる。マイクロステップの長さは、例えば0.3nm以上500nm以下であることができる。 The substrate 11 is disposed in the growth furnace 10. In the subsequent crystal growth, metal organic vapor phase epitaxy is used. Prior to film formation, in step S101, subsequently, as shown in FIG. 2B, the main surface 11a of the substrate 11 is subjected to heat treatment to form the modified main surface 11c on the substrate 11. This heat treatment is performed in an atmosphere of a gas containing ammonia and hydrogen or nitrogen. The heat treatment temperature can be, for example, 800 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less. The heat treatment time is, for example, about 10 minutes. According to this method, a microstep is formed on the main surface 11c of the substrate 11 by this heat treatment, and the microstep is composed of a plurality of terraces. The density of the microstep can be, for example, 2.0 × 10 4 cm −1 or more and 3.3 × 10 7 cm −1 . The height of the microstep can be, for example, 0.3 nm or more and 10 nm or less. The length of the microstep can be, for example, not less than 0.3 nm and not more than 500 nm.

工程S102では、熱処理の後に、図2(c)に示されるように、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13を基板11の表面11c上にエピタキシャルに成長する。この成長は、成長炉10を用いて行われる。窒化ガリウム系半導体領域13の主面13aは、窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。また、主面13aは、基板11の主面11cの構造を引き継いで、同様にマイクロステップが形成される。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層(例えば、窒化ガリウム系半導体層15、17、19)を含むことができる。例えば、窒化ガリウム系半導体層15、17、19は、それぞれ、n型AlGaN層、n型GaN層およびn型InGaN層であることができる。窒化ガリウム系半導体層15、17、19は、基板11の主面11c上に順にエピタキシャルに成長される。n型AlGaN層は例えば基板11の全表面を覆う中間層であり、n型GaN層は例えばn型キャリアを供給するための層であり、n型InGaN層は例えば活性層のための緩衝層である。   In step S102, after the heat treatment, the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region 13 is epitaxially grown on the surface 11c of the substrate 11 as shown in FIG. This growth is performed using the growth furnace 10. The main surface 13a of the gallium nitride based semiconductor region 13 is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c plane of the gallium nitride based semiconductor. Further, the main surface 13a takes over the structure of the main surface 11c of the substrate 11, and the microstep is formed in the same manner. The first conductivity type gallium nitride based semiconductor region 13 may include one or more gallium nitride based semiconductor layers (for example, gallium nitride based semiconductor layers 15, 17, and 19). For example, the gallium nitride based semiconductor layers 15, 17 and 19 can be an n-type AlGaN layer, an n-type GaN layer and an n-type InGaN layer, respectively. The gallium nitride based semiconductor layers 15, 17 and 19 are epitaxially grown in order on the main surface 11 c of the substrate 11. The n-type AlGaN layer is, for example, an intermediate layer covering the entire surface of the substrate 11, the n-type GaN layer is a layer for supplying n-type carriers, for example, and the n-type InGaN layer is a buffer layer for active layers, for example. is there.

工程S103では、図3(a)に示されるように、窒化物系半導体発光素子の活性層21を作製する。活性層21は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられる。以下、活性層21の量子井戸構造を作製する手順を、図5を参照しながら詳細に説明する。図5は、活性層の形成における原料ガス及び成長炉の温度の変化を表すタイムチャートである。原料ガスとしては、ガリウム源、インジウム源及び窒素源が使用される。ガリウム源、インジウム源及び窒素源は、それぞれ、例えばTMG、TMI、及びNHである。 In step S103, as shown in FIG. 3A, the active layer 21 of the nitride-based semiconductor light-emitting element is manufactured. The active layer 21 is provided so as to generate an emission spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm or more and 550 nm or less. Hereinafter, the procedure for producing the quantum well structure of the active layer 21 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 is a time chart showing changes in the temperature of the source gas and the growth furnace in the formation of the active layer. As the source gas, a gallium source, an indium source, and a nitrogen source are used. The gallium source, the indium source, and the nitrogen source are, for example, TMG, TMI, and NH 3 , respectively.

工程S104では、図3(b)に示されるように、窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域23を形成する。エピタキシャル半導体領域23は窒化ガリウム系半導体層19(例えば、緩衝層)上に成長される。エピタキシャル半導体領域23は、例えば活性層21の量子井戸構造のための第1の障壁層である。この障壁層はInGa1−YN(インジウム組成Y:0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなり、第1の障壁層はGaNまたはInGaNであることができる。本実施例では、ガリウム源及び窒素源を成長炉10に供給してGaNを成長する。この成長は、図5における時刻t0〜t1の間に成長温度Tで成長される。GaN障壁層の厚さDB1は例えば15nmである。 In step S104, as shown in FIG. 3B, an epitaxial semiconductor region 23 made of a gallium nitride based semiconductor is formed. The epitaxial semiconductor region 23 is grown on the gallium nitride based semiconductor layer 19 (for example, a buffer layer). The epitaxial semiconductor region 23 is, for example, a first barrier layer for the quantum well structure of the active layer 21. The barrier layer is made of In Y Ga 1-Y N (indium composition Y: 0 ≦ Y ≦ 0.05, Y is a strained composition), and the first barrier layer can be GaN or InGaN. In this embodiment, a gallium source and a nitrogen source are supplied to the growth reactor 10 to grow GaN. This growth is grown at a growth temperature T B between times t0~t1 in FIG. The thickness D B1 of the GaN barrier layer is 15nm for example.

エピタキシャル半導体領域23は、主面21a上に成長されるので、窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜した主面23aを有している。エピタキシャル半導体領域23の表面は、主面21aの表面構造を引き継いでいる。   Since the epitaxial semiconductor region 23 is grown on the main surface 21a, the epitaxial semiconductor region 23 has a main surface 23a inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. The surface of the epitaxial semiconductor region 23 inherits the surface structure of the main surface 21a.

時刻t1で、ガリウム原料の供給を停止する。第1の障壁層を成長した後に、工程S105では、図5に示されるように、井戸層を成長する前に成長温度Tから成長温度Tに成長炉の温度を変更する。温度の変更は、図5における時刻t1〜t3の期間に行われる。この変更期間中に、例えばアンモニアといった窒素源を成長炉10に供給すると共に、障壁層の成長における窒素源の供給量が、井戸層の成長における窒素源の供給量と異なるとき、窒素源の供給量を変更して井戸層の成長のための供給量に合わせる。この温度変更期間中の少なくとも一部分において、障壁層の成長における窒素原料の流量から井戸層の成長における窒素原料の流量に、窒素原料の流量が変更される。この変更は、図5における時刻t1〜t2の間に行われる。 At time t1, the supply of the gallium raw material is stopped. After growing the first barrier layer, in step S105, as shown in FIG. 5, to change the temperature in the growth furnace before the growth of the well layer from the growth temperature T B to a growth temperature T W. The temperature is changed during the period from time t1 to t3 in FIG. During this change period, when a nitrogen source such as ammonia is supplied to the growth reactor 10 and the supply amount of the nitrogen source in the growth of the barrier layer is different from the supply amount of the nitrogen source in the growth of the well layer, the supply of the nitrogen source is performed. Change the amount to match the supply for well layer growth. At least during the temperature change period, the flow rate of the nitrogen source is changed from the flow rate of the nitrogen source in the growth of the barrier layer to the flow rate of the nitrogen source in the growth of the well layer. This change is performed between times t1 and t2 in FIG.

時刻t3で、成長炉10の温度が井戸層の成長温度Tに到達する。工程S106では、図3(c)に示されるように、エピタキシャル半導体領域上23に、時刻t3〜t4の期間で量子井戸構造のための井戸層25aを成長する。井戸層25aはInGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなる。図5に示されるように、井戸層25aの成長温度Tは成長温度Tより低い。井戸層25aの主面は、エピタキシャル半導体領域23の主面上にエピタキシャルに成長されるので、窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。また、井戸層25aの表面は、エピタキシャル半導体領域23の表面構造を引き継いでいる。井戸層25aの成長は、例えば摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度Tで行われる。InGaN井戸層の厚さDは例えば3nmである。 At time t3, the temperature in the growth furnace 10 reaches the growth temperature T W of the well layer. In step S106, as shown in FIG. 3C, a well layer 25a for the quantum well structure is grown on the epitaxial semiconductor region 23 in the period from time t3 to time t4. Well layer 25a is In X Ga 1-X N (indium composition X: 0 <X <1, X : strained composition) consisting of. As shown in FIG. 5, the growth temperature T W of the well layer 25a is lower than the growth temperature T B. Since the main surface of the well layer 25a is epitaxially grown on the main surface of the epitaxial semiconductor region 23, it is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. Further, the surface of the well layer 25 a inherits the surface structure of the epitaxial semiconductor region 23. Growth of the well layer 25a is carried out, for example, at the growth temperature T W within the temperature range of 750 degrees 640 degrees Celsius. The thickness DW of the InGaN well layer is 3 nm, for example.

井戸層25aの成長では、成長温度Tだけでなく、成長速度V(nm/分)が所定の範囲内である条件を用いる。この条件について、以下のものである。 In the growth of the well layer 25a, a condition is used in which not only the growth temperature TW but also the growth rate V G (nm / min) is within a predetermined range. About this condition, it is as follows.

成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、成長速度Vの上限は、以下の式(1)
=α1×T+β1 (1)
で与えられる成長速度の値である。この式(1)のα1、β1は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たす。より具体的には、係数α1、β1を計算すると
α1=(13.9−5.5)/(710−640)=8.4/70=0.12
β1=(640×13.9−710×5.5)/(640−710)=−4991/70=−71.3
である。
When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 710 degrees Celsius, the upper limit of the growth rate V G is the following formula (1)
V G = α1 × T W + β1 (1)
Is the value of the growth rate given by Α1 and β1 in this formula (1) satisfy (growth temperature T W , growth rate V G ) = (710 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (640 degrees Celsius, 5.5 nm / min). More specifically, α1 = (13.9−5.5) / (710−640) = 8.4 / 70 = 0.12 when the coefficients α1 and β1 are calculated.
β1 = (640 × 13.9−710 × 5.5) / (640−710) = − 4991/70 = −71.3
It is.

成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、成長速度Vの上限は、13.9nm/分以下である。 When the growth temperature T W is the temperature below 710 degrees 750 degrees centigrade, the upper limit of the growth rate V G is less 13.9 nm / min.

成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、成長速度Vの下限は、5.5nm/分以上である。 When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 690 degrees Celsius, the lower limit of the growth rate V G is 5.5 nm / min or more.

成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、成長速度Vの下限は、以下の式(2)
=α2×T+β2 (2)
で与えられる成長速度の値である。この式(2)のα2、β2は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏750度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす。より具体的には、係数α1、β1を計算すると
α2=(13.9−5.5)/(750−690)=0.14
β2=(690×13.9−750×5.5)/(690−750)=−5466/60=−91.1
である。
When the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 690 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G, the following equation (2)
V G = α2 × T W + β2 (2)
Is the value of the growth rate given by Α2 and β2 in the formula (2) satisfy (growth temperature T W , growth rate V G ) = (750 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (690 degrees Celsius, 5.5 nm / min). More specifically, α2 = (13.9−5.5) / (750−690) = 0.14 when the coefficients α1 and β1 are calculated.
β2 = (690 × 13.9−750 × 5.5) / (690−750) = − 5466/60 = −91.1
It is.

この方法によれば、窒化ガリウム系半導体のc面から10度〜45度の範囲の角度で傾斜したエピタキシャル半導体主面上に、上記の範囲の条件における成長速度V及び成長温度Tを用いてInGaN井戸層25aを成長するとき、比較的小さいオフ角の窒化ガリウム系半導体主面へ、良好な結晶品質のInGaN井戸層25aを成長可能である。 According to this method, on the epitaxial semiconductor main surface inclined at an angle in the range from c-plane of the gallium nitride-based semiconductor of 10 to 45 degrees, with a growth rate V G and the growth temperature T W in terms of the range of the When the InGaN well layer 25a is grown, the InGaN well layer 25a with good crystal quality can be grown on the gallium nitride based semiconductor main surface with a relatively small off angle.

比較的高い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、式(2)によって規定される成長速度の下限がある。成長温度が高くなるにつれて、大きな成長速度が必要とされる。なぜなら成長温度が高くなるにつれて、Inの取り込み効率が低くなるからである。また、成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、成長速度には下限がある。なぜなら小さ過ぎる成長速度ではInの取り込み効率が低くなり、所望の波長が得られないからである。 When the region has a relatively high growth temperature, that is, when the growth temperature TW is not less than 690 degrees Celsius and not more than 750 degrees Celsius, there is a lower limit of the growth rate defined by the equation (2). As the growth temperature increases, a higher growth rate is required. This is because the In incorporation efficiency decreases as the growth temperature increases. Further, when the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 690 degrees Celsius, the growth rate has a lower limit. This is because if the growth rate is too low, the In incorporation efficiency becomes low and a desired wavelength cannot be obtained.

成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、成長速度Vには上限がある。なぜなら成長速度が速すぎると、InGaNの結晶品質が悪化して発光特性が悪化するからである。また、比較的低い成長温度の領域、つまり成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、式(1)によって規定される成長速度の上限がある。成長温度が高くなるにつれて、成長速度の上限が大きくなる。なぜなら成長温度が高くなるにつれて、Inの取り込み効率が低くなり、成長速度が低いと所望の波長が得られないからである。 When the growth temperature T W is the temperature below 710 degrees 750 degrees Celsius, the growth rate V G has an upper limit. This is because if the growth rate is too fast, the crystal quality of InGaN deteriorates and the light emission characteristics deteriorate. In addition, when the growth temperature region is relatively low, that is, when the growth temperature TW is not less than 640 degrees Celsius and less than 710 degrees Celsius, there is an upper limit of the growth rate defined by the equation (1). As the growth temperature increases, the upper limit of the growth rate increases. This is because as the growth temperature increases, the In incorporation efficiency decreases, and if the growth rate is low, a desired wavelength cannot be obtained.

図5に示されるように、時刻t4で井戸層25aの成長が終了する。工程S107では、第2の障壁層29aの成長温度Tへ温度Tから温度を変更する。この昇温は、例えば時刻t4〜時刻t6の期間に行われる。この昇温中に井戸層25aが劣化することを防ぐために、図4(a)に示されるように、井戸層25aの表面を覆うように保護層27aを成長することができる。保護層27aは、井戸層25aの材料よりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体からなる。時刻t4で井戸層25aのInGaNの成長を停止するために、インジウム原料の供給を停止する。保護層27aの窒化ガリウム系半導体は、障壁層29aの成長速度よりも小さい成長速度で成長される。例えばガリウム原料の供給量を減少させて成長速度を調整すると共に、時刻t4〜t5の期間で窒素原料の供給量を減少させる。時刻t4〜t6の期間では、図4(a)に示されるように、上記の窒化ガリウム系半導体からなる保護層27aがエピタキシャルに成長される。保護層27aの表面は、井戸層25aの表面構造を引き継いでいる。保護層27aの厚さは障壁層29aの厚さよりも薄い。本実施例では、保護層27aは障壁層29aと同じ材料からなり、GaNである。GaN保護層の厚さDは例えば2.5nmである。保護層27aの主面は、井戸層25aの主面上に成長されるので、窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。 As shown in FIG. 5, the growth of the well layer 25a is completed at time t4. In step S107, to change the temperature from the temperature T W to the growth temperature T B of the second barrier layer 29a. This temperature increase is performed, for example, during a period from time t4 to time t6. In order to prevent the well layer 25a from deteriorating during the temperature rise, as shown in FIG. 4A, the protective layer 27a can be grown so as to cover the surface of the well layer 25a. The protective layer 27a is made of a gallium nitride based semiconductor having a larger band gap than the material of the well layer 25a. In order to stop the growth of InGaN in the well layer 25a at time t4, the supply of the indium raw material is stopped. The gallium nitride based semiconductor of the protective layer 27a is grown at a growth rate lower than the growth rate of the barrier layer 29a. For example, the growth rate is adjusted by decreasing the supply amount of the gallium raw material, and the supply amount of the nitrogen raw material is decreased in the period of time t4 to t5. In the period from time t4 to time t6, as shown in FIG. 4A, the protective layer 27a made of the gallium nitride based semiconductor is epitaxially grown. The surface of the protective layer 27a inherits the surface structure of the well layer 25a. The protective layer 27a is thinner than the barrier layer 29a. In this embodiment, the protective layer 27a is made of the same material as the barrier layer 29a and is GaN. The thickness D P of the GaN protective layer is 2.5nm, for example. Since the main surface of the protective layer 27a is grown on the main surface of the well layer 25a, it is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor.

時刻t6において、成長炉10の昇温が完了する。時刻t6〜t7で、図4(b)に示されるように、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層29aを成長温度Tで成長する。障壁層29aの厚さDB2は保護層27aの厚さDよりも大きい。昇温中における形成される窒化ガリウム系半導体層の厚さを薄くして、これにより井戸層及び障壁層の厚みに対して保護層27aの厚みを薄くできる。故に、障壁層29aの厚さを十分な値に形成できる。窒化ガリウム系半導体層からなる保護層27aの成長は、障壁層29aの成長温度よりも低い温度で行われる。これ故に、昇温が完了するまでの時間を十分に得るために、保護層27aの成長速度を上記のように調整することが良い。 At time t6, the temperature increase of the growth furnace 10 is completed. At time t6 to t7, as shown in FIG. 4 (b), growth of the barrier layer 29a composed of a gallium nitride-based semiconductor at the growth temperature T B. The thickness D B2 of the barrier layer 29a is larger than the thickness D P of the protective layer 27a. The thickness of the gallium nitride based semiconductor layer formed during the temperature rise can be reduced, whereby the thickness of the protective layer 27a can be reduced relative to the thickness of the well layer and the barrier layer. Therefore, the thickness of the barrier layer 29a can be formed to a sufficient value. The growth of the protective layer 27a made of the gallium nitride based semiconductor layer is performed at a temperature lower than the growth temperature of the barrier layer 29a. Therefore, in order to obtain a sufficient time until the temperature rise is completed, it is preferable to adjust the growth rate of the protective layer 27a as described above.

障壁層29aは例えばGaNからなり、障壁層29aの厚さDB2は例えば12.5nmである。障壁層29aの主面は、保護層27aの主面上にエピタキシャルに成長されるので、窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している。保護層27aの表面は、井戸層25aの表面構造を引き継いでいる。 Barrier layer 29a is made of GaN for example, a thickness D B2 of the barrier layer 29a is 12.5nm example. Since the main surface of the barrier layer 29a is epitaxially grown on the main surface of the protective layer 27a, the main surface of the barrier layer 29a is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor. The surface of the protective layer 27a inherits the surface structure of the well layer 25a.

同様にして活性層21の形成を続ける。工程S109で、温度Tから温度Tへの降温(期間t7〜t8〜t9、t13〜t14〜t15)、井戸層の成長(期間t9〜t10)、保護層の成長(期間t10〜t11)及び温度Tから温度Tへの昇温(期間t10〜t11〜t12)、及び障壁層の成長(期間t12〜t13)を繰り返して、量子井戸構造を完成させる。図5に示されるように、量子井戸構造は、障壁層23、29a、29b、29c、井戸層25a、25b、25c、保護層27a、27b、27cを含む。 Similarly, the formation of the active layer 21 is continued. In step S109, cooling from the temperature T B to a temperature T W (period t7~t8~t9, t13~t14~t15), growth of the well layer (the period t9 to t10), the protective layer growth (period t10 to t11) and heating from the temperature T W to the temperature T B (period t10~t11~t12), and repeating the growth of the barrier layer (period t12 to t13), to complete a quantum well structure. As shown in FIG. 5, the quantum well structure includes barrier layers 23, 29a, 29b, and 29c, well layers 25a, 25b, and 25c, and protective layers 27a, 27b, and 27c.

井戸層25a、25b、25cの成長温度Tと障壁層23、29a、29b、29cの成長温度Tとの差は60度以上230度以下であることができる。井戸層25a、25b、25cのインジウム組成Xが障壁層23、29a、29b、29cのインジウム組成Y(0≦Y≦0.05)よりも大きいので、井戸層25a、25b、25cの成長には所望のインジウム組成のInGaNを成長できる成膜温度が必要である一方で、良好な結晶品質の障壁層23、29a、29b、29cを形成するために、成長温度Tは、井戸層25a、25b、25cの成長温度Tより高いことが必要である。成長温度Tと成長温度Tとの差は60度未満であるとき、活性層21の成長に引き続く成長において、井戸層25a、25b、25cの結晶品質が低下する。成長温度Tと成長温度Tとの差は230度を超えるとき、障壁層23、29a、29b、29cの成長中に井戸層25a、25b、25cの結晶品質が低下する。 Well layers 25a, 25b, 25c of the growth temperature T W and the barrier layer 23 and 29a, 29 b, the difference between the growth temperature T B of 29c can be not less 230 degrees 60 degrees. Since the indium composition X of the well layers 25a, 25b, and 25c is larger than the indium composition Y (0 ≦ Y ≦ 0.05) of the barrier layers 23, 29a, 29b, and 29c, the growth of the well layers 25a, 25b, and 25c while it is necessary deposition temperature to grow the InGaN of a desired indium content is a good crystal quality of the barrier layers 23 and 29a, 29 b, to form the 29c, the growth temperature T B, the well layer 25a, 25b , it needs to be higher than the growth temperature T W of 25c. When the difference between the growth temperature T W and a growth temperature T B is less than 60 degrees, in subsequent growth to the growth of the active layer 21, the well layer 25a, 25b, the crystal quality of 25c decreases. When the difference between the growth temperature T W and the growth temperature T B is in excess of 230 degrees, the barrier layer 23 and 29a, 29 b, the well layer 25a during the growth of the 29c, 25b, the crystal quality of 25c decreases.

井戸層25a、25b、25cの膜厚は、2nm以上10nm以下であることができる。また、InGa1−XN井戸層25a、25b、25cのインジウム組成Xは、0.15より大きいことができる。井戸層25a、25b、25cのInGa1−XNは0.4より小さいことができる。成長温度及び成長速度の条件に従うことによって、上記範囲のインジウム組成のInGaNの成長が可能となり、波長480nm以上550nm以下の発光素子を得ることができる。 The film thickness of the well layers 25a, 25b, and 25c can be 2 nm or more and 10 nm or less. Further, the indium composition X of the In X Ga 1-X N well layers 25a, 25b, and 25c can be larger than 0.15. In X Ga 1-X N of the well layers 25a, 25b, and 25c can be smaller than 0.4. By following the conditions of the growth temperature and the growth rate, InGaN having an indium composition in the above range can be grown, and a light-emitting element having a wavelength of 480 nm to 550 nm can be obtained.

再び図1を参照すると、工程S110では、活性層21上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域31を基板11の表面11c上にエピタキシャルに成長する。この成長は成長炉10を用いて行われ、第2導電型窒化ガリウム系半導体層31の成長温度T2は井戸層25a、25b、25cの成長温度Tよりも高い。第2導電型窒化ガリウム系半導体領域31は、例えば電子ブロック層33、第1のp型コンタクト層35及び第2のp型コンタクト層37を含むことができる。電子ブロック層33は例えばAlGaNからなることができる。p型コンタクト層35、37はp型GaNからなることができる。第2のp型コンタクト層37のドーパント濃度N37は第1のp型コンタクト層35のドーパント濃度N35よりも大きい。本実施例では、電子ブロック層33、p型コンタクト層35、37の成長温度は、例えば摂氏1100度である。第2導電型窒化ガリウム系半導体領域31の形成の工程において、図4(c)に示されるエピタキシャルウエハEが完成する。必要な場合には、半導体レーザの光ガイドのために一対の光ガイド層を成長することができる。この一対の光ガイド層は活性層を挟む。これらの光ガイド層は、例えばInGaNまたはGaNからなることができる。 Referring again to FIG. 1, in step S <b> 110, the second conductivity type gallium nitride based semiconductor region 31 is epitaxially grown on the surface 11 c of the substrate 11 on the active layer 21. This growth is performed by using the growth reactor 10, the growth temperature T2 well layer 25a of the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer 31, 25b, higher than the growth temperature T W of 25c. The second conductivity type gallium nitride based semiconductor region 31 can include, for example, an electron block layer 33, a first p-type contact layer 35, and a second p-type contact layer 37. The electron block layer 33 can be made of, for example, AlGaN. The p-type contact layers 35 and 37 can be made of p-type GaN. The dopant concentration N 37 of the second p-type contact layer 37 is higher than the dopant concentration N 35 of the first p-type contact layer 35. In this embodiment, the growth temperature of the electron block layer 33 and the p-type contact layers 35 and 37 is, for example, 1100 degrees Celsius. In the step of forming the second conductivity type gallium nitride semiconductor region 31, the epitaxial wafer E shown in FIG. 4C is completed. If necessary, a pair of light guide layers can be grown for the light guide of the semiconductor laser. The pair of light guide layers sandwich the active layer. These light guide layers can be made of, for example, InGaN or GaN.

井戸層25a、25b、25cの成長温度Tと第2導電型窒化ガリウム系半導体領域31の成長における最も高い成長温度T2との差は、140度以上510度以下である。成長温度Tと成長温度T2との差が140度未満となるように成長温度T2が設定されるとき、第2導電型窒化ガリウム系半導体層35、37の抵抗率が高くなる。成長温度Tと成長温度T2との差が510度を超えるように成長温度T2が設定されるとき、第2導電型窒化ガリウム系半導体層35、37も成長中の井戸層25a、25b、25cの結晶品質が低下する。 The difference between the highest growth temperature T2 in the growth of the well layer 25a, 25b, the growth temperature T W and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor region 31 of 25c is less 510 degrees 140 degrees. When the growth temperature T W and a growth temperature T2 so that the difference is less than 140 degrees between the growth temperature T2 is set, the resistivity of the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer 35 and 37 is increased. When the growth temperature T W and a growth temperature T2 growth temperature T2 so that the difference is more than 510 degrees and is set, the second conductive type gallium nitride based semiconductor layers 35 and 37 also show growing the well layer 25a, 25b, 25c The crystal quality of the is reduced.

また、p型コンタクト層35、37の成長速度は、井戸層25a、25b、25c及び障壁層23、29a、29b、29cの成長速度よりも大きい。活性層21を形成した後に井戸層25a、25b、25cの成長温度よりも高温で行われるp型コンタクト層35、37の成長時間を短くできる。   The growth rate of the p-type contact layers 35 and 37 is larger than the growth rate of the well layers 25a, 25b, and 25c and the barrier layers 23, 29a, 29b, and 29c. The growth time of the p-type contact layers 35 and 37, which is performed at a temperature higher than the growth temperature of the well layers 25a, 25b, and 25c after the active layer 21 is formed, can be shortened.

第1導電型窒化ガリウム系半導体領域13、活性層21、及び第2導電型窒化ガリウム系半導体層31は、基板11の主面11aの法線軸の方向に配列されていることができる。該六方晶系半導体のc軸の方向は基板11の主面11aの法線軸の方向と異なる。エピタキシャル成長の成長方向はc軸方向である一方で、この成長方向は半導体層13,21、31の積層方向と異なる。   The first conductive type gallium nitride based semiconductor region 13, the active layer 21, and the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer 31 may be arranged in the direction of the normal axis of the main surface 11 a of the substrate 11. The direction of the c-axis of the hexagonal semiconductor is different from the direction of the normal axis of the main surface 11 a of the substrate 11. While the growth direction of the epitaxial growth is the c-axis direction, this growth direction is different from the stacking direction of the semiconductor layers 13, 21, and 31.

工程S111では、エピタキシャウエハE上に電極を形成する。第1の電極(例えば、アノード電極)がコンタクト層37上に形成されると共に、第2の電極(例えば、カソード電極)が基板裏面13b(必要な場合に研削された裏面)上に形成される。   In step S111, electrodes are formed on the epitaxial wafer E. A first electrode (for example, an anode electrode) is formed on the contact layer 37, and a second electrode (for example, a cathode electrode) is formed on the substrate back surface 13b (the ground back surface if necessary). .

電極の形成の後に、m面劈開を行って共振器面として作製することができる。劈開によって形成されたm面を共振器面とする半導体レーザの作製が可能となる。また、基板11におけるc軸傾斜の方向と基板11の窒化ガリウム系半導体のm軸の方向とは89度以上91度以下の範囲であることができる。基板主面11aの傾斜方向がm軸方向を基準に−1度以上+1度以下の範囲を超えると、レーザとしての特性の低下が顕著になる。なお、エピタキシャル半導体領域23の主面23aの傾斜の方向が窒化ガリウム系半導体のa軸の方向であれば、m面を劈開面として使用できる。   After formation of the electrode, m-plane cleavage can be performed to produce a resonator surface. A semiconductor laser having an m-plane formed by cleavage as a resonator surface can be manufactured. Further, the direction of the c-axis inclination in the substrate 11 and the direction of the m-axis of the gallium nitride semiconductor of the substrate 11 can be in the range of 89 degrees to 91 degrees. When the inclination direction of the substrate main surface 11a exceeds the range of −1 degree or more and +1 degree or less with respect to the m-axis direction, the deterioration of the characteristics as a laser becomes remarkable. If the direction of inclination of the main surface 23a of the epitaxial semiconductor region 23 is the a-axis direction of the gallium nitride semiconductor, the m-plane can be used as a cleavage plane.

図6は、実施の形態において使用可能なGaN基板の一構造を示す図面である。基板11は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域12aと、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域12bとを含むことができる。基板11の主面11aには第1および第2の領域12a、12bが現れている。基板11の主面11aにおいて、第1および第2の領域12a、12bの幅は、それぞれ、例えば30マイクロメートル、370マイクロメートルである。第1および第2の領域12a、12bは所定の方向(配列の方向)に交互に配置されている。基板が窒化ガリウムからなるとき、配列の方向は該窒化ガリウムのa軸の方向であることができる。   FIG. 6 shows a structure of a GaN substrate that can be used in the embodiment. The substrate 11 includes a plurality of first regions 12a having a threading dislocation density extending in the c-axis direction larger than the first threading dislocation density, and a plurality of threading dislocation densities extending in the c-axis direction smaller than the first threading dislocation density. Second region 12b. First and second regions 12 a and 12 b appear on the main surface 11 a of the substrate 11. In the main surface 11a of the substrate 11, the widths of the first and second regions 12a and 12b are, for example, 30 micrometers and 370 micrometers, respectively. The first and second regions 12a and 12b are alternately arranged in a predetermined direction (arrangement direction). When the substrate is made of gallium nitride, the alignment direction can be the a-axis direction of the gallium nitride.

第1の領域12aは高転位密度の欠陥集中領域の半導体部であり、第2の領域12bは低転位密度の欠陥低減領域の半導体部である。基板11の低転位密度の領域に窒化物系半導体発光素子を作製することによって、発光素子の発光効率、信頼性を向上させることができる。また、第2の領域12bの貫通転位密度は1×10cm−2未満であることができる。第2の領域12bの貫通転位密度が1×10cm−2未満であると、実用に十分な信頼性をもつ半導体レーザが得られる。 The first region 12a is a semiconductor portion of a defect concentration region having a high dislocation density, and the second region 12b is a semiconductor portion of a defect reduction region having a low dislocation density. By producing a nitride-based semiconductor light-emitting element in the low dislocation density region of the substrate 11, the light emission efficiency and reliability of the light-emitting element can be improved. Further, the threading dislocation density of the second region 12b can be less than 1 × 10 7 cm −2 . When the threading dislocation density in the second region 12b is less than 1 × 10 7 cm −2 , a semiconductor laser having sufficient reliability for practical use can be obtained.

(実施例1)
引き続き本実施の形態の実施例を説明する。有機金属気相成長法を用いて発光ダイオードの作製を行った。図7には、主要な製造条件が示されている。有機金属気相成長のためのガリウム原料、インジウム原料、アルミニウム原料、及び窒素原料として、それぞれ、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)及びアンモニアを用いた。n型及びp型ドーパントとして、SiH及びCpMgを用いた。GaNウエハ41を準備した。GaNウエハ41の主面は、GaNウエハ41のc面に対して18度の角度で傾斜している。GaNウエハ41を成長炉に配置した後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で熱処理を行った。熱処理温度は摂氏1050度であり、熱処理時間は10分程度であった。熱処理の後に、TMG(24.2μmol/分)、TMA(4.3μmol/分)、NH(5slm)、SiHを成長炉に供給して、GaNウエハ41上にn型AlGaN層43を摂氏1100度で成長した。n型AlGaN層43の厚さは50nmであった。n型AlGaN層43の成長速度は9.8nm/分であった。n型AlGaN層43のAl組成は0.12であった。
Example 1
Next, examples of the present embodiment will be described. A light-emitting diode was fabricated using metal organic vapor phase epitaxy. FIG. 7 shows main manufacturing conditions. Trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA), and ammonia were used as a gallium source, an indium source, an aluminum source, and a nitrogen source, respectively, for metal organic chemical vapor deposition. SiH 4 and Cp 2 Mg were used as n-type and p-type dopants. A GaN wafer 41 was prepared. The main surface of the GaN wafer 41 is inclined at an angle of 18 degrees with respect to the c-plane of the GaN wafer 41. After the GaN wafer 41 was placed in the growth furnace, heat treatment was performed in an atmosphere of ammonia and hydrogen. The heat treatment temperature was 1050 degrees Celsius, and the heat treatment time was about 10 minutes. After the heat treatment, TMG (24.2 μmol / min), TMA (4.3 μmol / min), NH 3 (5 slm), and SiH 4 are supplied to the growth furnace to form an n-type AlGaN layer 43 on the GaN wafer 41. It grew at 1100 degrees. The thickness of the n-type AlGaN layer 43 was 50 nm. The growth rate of the n-type AlGaN layer 43 was 9.8 nm / min. The Al composition of the n-type AlGaN layer 43 was 0.12.

TMG(243.8μmol/分)、NH(7.5slm)、SiHを成長炉に供給して、n型AlGaN層43上にn型GaN層45を摂氏1150度で成長した。n型GaN層45の厚さは2000nmであった。n型GaN層45の成長速度は129.6nm/分であった。 TMG (243.8 μmol / min), NH 3 (7.5 slm), and SiH 4 were supplied to the growth reactor, and the n-type GaN layer 45 was grown on the n-type AlGaN layer 43 at 1150 degrees Celsius. The thickness of the n-type GaN layer 45 was 2000 nm. The growth rate of the n-type GaN layer 45 was 129.6 nm / min.

TMG(24.4μmol/分)、TMI(24.4μmol/分)、NH(6slm)、SiHを成長炉に供給して、n型InGaN層47をn型GaN層45上に摂氏780度で成長した。n型InGaN層47の厚さは100nmであった。n型InGaN層47の成長速度は6.7nm/分であった。n型InGaN層47のIn組成は0.04であった。 TMG (24.4 μmol / min), TMI (24.4 μmol / min), NH 3 (6 slm), SiH 4 were supplied to the growth reactor, and the n-type InGaN layer 47 was placed on the n-type GaN layer 45 at 780 degrees Celsius. I grew up. The thickness of the n-type InGaN layer 47 was 100 nm. The growth rate of the n-type InGaN layer 47 was 6.7 nm / min. The In composition of the n-type InGaN layer 47 was 0.04.

活性層49を成長した。TMG(24.4μmol/分)、NH(6slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層49aをn型InGaN層47上に摂氏870度で成長した。アンドープGaN層49aの厚さは15nmであった。GaN層49aの成長速度は6.7nm/分であった。 An active layer 49 was grown. TMG (24.4 μmol / min) and NH 3 (6 slm) were supplied to the growth reactor, and the undoped GaN layer 49a was grown on the n-type InGaN layer 47 at 870 degrees Celsius. The thickness of the undoped GaN layer 49a was 15 nm. The growth rate of the GaN layer 49a was 6.7 nm / min.

次いで、成長炉の温度を摂氏870度から摂氏660度に変更した。   Next, the temperature of the growth furnace was changed from 870 degrees Celsius to 660 degrees Celsius.

TMG(24.4μmol/分)、TMI(276.2μmol/分)、NH(8slm)を成長炉に供給して、アンドープInGaN層49bをGaN層49a上に摂氏660度で成長した。InGaN層49bの厚さは4nmであった。InGaN層49bの成長速度は5.5nm/分であった。アンドープInGaN層49bのIn組成は0.20であった。 TMG (24.4 μmol / min), TMI (276.2 μmol / min), and NH 3 (8 slm) were supplied to the growth reactor, and the undoped InGaN layer 49b was grown on the GaN layer 49a at 660 degrees Celsius. The thickness of the InGaN layer 49b was 4 nm. The growth rate of the InGaN layer 49b was 5.5 nm / min. The In composition of the undoped InGaN layer 49b was 0.20.

成長炉の温度を摂氏660度から摂氏870度に変更しながらTMG(2.6μmol/分)、NH(6slm)を成長炉に供給して、保護層49cを成長した。保護層49cの厚さは2.5nmであった。GaN層49cの平均成長速度は1.0nm/分であった。 While changing the temperature of the growth furnace from 660 degrees Celsius to 870 degrees Celsius, TMG (2.6 μmol / min) and NH 3 (6 slm) were supplied to the growth furnace to grow the protective layer 49c. The thickness of the protective layer 49c was 2.5 nm. The average growth rate of the GaN layer 49c was 1.0 nm / min.

TMG(24.4μmol/分)、NH(6slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層49dをGaN層49c上に摂氏870度で成長した。GaN層49dの厚さは12.5nmであった。GaN層49dの成長速度は6.7nm/分であった。 TMG (24.4 μmol / min) and NH 3 (6 slm) were supplied to the growth reactor, and the undoped GaN layer 49d was grown on the GaN layer 49c at 870 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer 49d was 12.5 nm. The growth rate of the GaN layer 49d was 6.7 nm / min.

井戸層49b、保護層49c及び障壁層49dの成長を繰り返して、活性層49を形成した。この後に、TMG(13.0μmol/分)、NH(6slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層(N2−GaN層)51を活性層49上に摂氏870度で成長した。GaN層51の厚さは3nmであった。GaN層51の成長速度は4.5nm/分であった。また、TMG(13.0μmol/分)、NH(6slm)を成長炉に供給して、アンドープGaN層(アンドープGaN層)53をGaN層51上に摂氏1100度で成長した。GaN層53の厚さは10nmであった。GaN層53の成長速度は60.0nm/分であった。 The active layer 49 was formed by repeating the growth of the well layer 49b, the protective layer 49c, and the barrier layer 49d. Thereafter, TMG (13.0 μmol / min) and NH 3 (6 slm) were supplied to the growth reactor, and an undoped GaN layer (N 2 -GaN layer) 51 was grown on the active layer 49 at 870 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer 51 was 3 nm. The growth rate of the GaN layer 51 was 4.5 nm / min. Further, TMG (13.0 μmol / min) and NH 3 (6 slm) were supplied to the growth reactor, and an undoped GaN layer (undoped GaN layer) 53 was grown on the GaN layer 51 at 1100 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer 53 was 10 nm. The growth rate of the GaN layer 53 was 60.0 nm / min.

TMG(24.4μmol/分)、TMA(2.3μmol/分)、NH(6slm)、CpMgを成長炉に供給して、p型AlGaN層55をGaN層53上に摂氏1100度で成長した。AlGaN層55の厚さは20nmであった。AlGaN層55の成長速度は5.9nm/分であった。p型AlGaN層55のAl組成は0.18であった。 TMG (24.4 μmol / min), TMA (2.3 μmol / min), NH 3 (6 slm), Cp 2 Mg were supplied to the growth reactor, and the p-type AlGaN layer 55 was formed on the GaN layer 53 at 1100 degrees Celsius. grown. The thickness of the AlGaN layer 55 was 20 nm. The growth rate of the AlGaN layer 55 was 5.9 nm / min. The Al composition of the p-type AlGaN layer 55 was 0.18.

TMG(98.7μmol/分)、NH(5slm)、CpMgを成長炉に供給して、p型GaN層57をp型AlGaN層55上に摂氏1100度で成長した。GaN層57の厚さは25nmであった。GaN層57の成長速度は58.2nm/分であった。また、TMG(67.0μmol/分)、NH(5slm)、CpMgを成長炉に供給して、p型GaN層59をp型GaN層57上に摂氏1100度で成長した。GaN層59の厚さは25nmであった。GaN層59の成長速度は36.3nm/分であった。これらの工程によってエピタキシャルウエハが作製された。このエピタキシャルウエハ上にアノード61a及びカソード61bを形成して、図8に示される発光素子が得られた。図8には、オフ角18度を示すc面Scが代表として描かれており、c軸、a軸およびm軸の示す結晶座標系CR並びにX軸、Y軸およびZ軸の示す位置座表系Sが示されている。 TMG (98.7 μmol / min), NH 3 (5 slm), and Cp 2 Mg were supplied to the growth reactor, and the p-type GaN layer 57 was grown on the p-type AlGaN layer 55 at 1100 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer 57 was 25 nm. The growth rate of the GaN layer 57 was 58.2 nm / min. Further, TMG (67.0 μmol / min), NH 3 (5 slm), and Cp 2 Mg were supplied to the growth reactor, and the p-type GaN layer 59 was grown on the p-type GaN layer 57 at 1100 degrees Celsius. The thickness of the GaN layer 59 was 25 nm. The growth rate of the GaN layer 59 was 36.3 nm / min. An epitaxial wafer was fabricated by these steps. The anode 61a and the cathode 61b were formed on this epitaxial wafer, and the light emitting device shown in FIG. 8 was obtained. In FIG. 8, a c-plane Sc showing an off angle of 18 degrees is drawn as a representative, and a crystal coordinate system CR shown by the c-axis, a-axis, and m-axis, and a position map showing the X-axis, Y-axis, and Z-axis System S is shown.

GaNウエハ41と同じ品質のGaNウエハを準備して、井戸層に関して様々な成長温度及び成長速度を用いて活性層を成長した。活性層を除くエピタキシャル膜の堆積条件として上記の実施例と同じ条件を用いて、多数のエピタキシャルウエハを作製した。また、上記の実施例と同様にして、これらのエピタキシャルウエハ上にアノード及びカソードを形成して発光素子を作製した。これらの発光素子の構造は、活性層の構造を除いて、図8に示される構造と同じである。   A GaN wafer of the same quality as the GaN wafer 41 was prepared, and the active layer was grown using various growth temperatures and growth rates with respect to the well layer. A number of epitaxial wafers were fabricated using the same conditions as in the above-described example as the deposition conditions of the epitaxial film excluding the active layer. Further, in the same manner as in the above example, an anode and a cathode were formed on these epitaxial wafers to produce a light emitting device. The structure of these light emitting elements is the same as that shown in FIG. 8 except for the structure of the active layer.

図9は、代表的な条件で作製された発光素子のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルPL1、PL2、PL3を示す図面である。これらのPLスペクトル
PLスペクトルと井戸層の成膜条件とを示す。
PL名称、成膜温度T、成長速度V、半値全幅、ピーク波長;
PL1:660度 、5.5nm/分、54nm、524nm;
PL2:690度 、9.3nm/分、49nm、513nm;
PL3:710度 、13.9nm/分、44nm、520nm。
図9の結果によれば、成長速度が大きくなるにつれて、PL強度が強くなると共にPL半値全幅は小さくなる。成長速度に関しては、上限だけでなく、所望の結果を得るための下限が存在していることが明らかになった。
FIG. 9 is a drawing showing photoluminescence (PL) spectra PL1, PL2, and PL3 of a light-emitting element manufactured under typical conditions. The PL spectrum PL spectrum and film formation conditions for the well layer are shown.
PL name, film forming temperature T W , growth rate V G , full width at half maximum, peak wavelength;
PL 1: 660 degrees, 5.5 nm / min, 54 nm, 524 nm;
PL2: 690 degrees, 9.3 nm / min, 49 nm, 513 nm;
PL3: 710 degrees, 13.9 nm / min, 44 nm, 520 nm.
According to the result of FIG. 9, as the growth rate increases, the PL intensity increases and the PL full width at half maximum decreases. Regarding the growth rate, it became clear that there is a lower limit for obtaining a desired result as well as an upper limit.

図10は、これらの発光素子の作製において発光波長と成長速度との関係を示すグラフである。グラフには、プロットEP1〜EP14及びEQ1〜EQ6が示されている。プロットEP1〜EP14は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有するPLスペクトルを生成する活性層を含む素子の作製条件である。プロットEP1〜EP14に関しては、成長速度Vの上限は、摂氏640度以上710度以下の成長温度の範囲では式(1)で与えられ、摂氏710度以上750度以下の成長温度の範囲では13.9nm/分である。また、成長速度Vの下限は、摂氏640度以上690度以下の成長温度の範囲では5.5nm/分であり、摂氏690度以上750度以下の成長温度の範囲では式(2)で与えられる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the emission wavelength and the growth rate in the production of these light-emitting elements. In the graph, plots EP1 to EP14 and EQ1 to EQ6 are shown. Plots EP1 to EP14 are conditions for manufacturing an element including an active layer that generates a PL spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm to 550 nm. Regarding the plots EP1 to EP14, the upper limit of the growth rate V G is given by the equation (1) in the range of the growth temperature of 640 to 710 degrees Celsius, and 13 in the range of the growth temperature of 710 to 750 degrees Celsius. .9 nm / min. Further, the lower limit of the growth rate V G is 5.5 nm / min in the range of the growth temperature of 640 to 690 degrees Celsius, and is given by the equation (2) in the range of the growth temperature of 690 to 750 degrees Celsius. It is done.

プロット名称、成膜温度T、成長速度V、半値全幅、ピーク波長;
EP1 :摂氏710度、13.9nm/分、44nm、520nm;
EP2 :摂氏730度、13.9nm/分、46nm、506nm;
EP3 :摂氏740度、13.9nm/分、41nm、495nm;
EP4 :摂氏750度、13.9nm/分、36nm、483nm;
EP5 :摂氏700度、11.4nm/分、49nm、510nm;
EP6 :摂氏675度、 9.3nm/分、43nm、509nm;
EP7 :摂氏690度、 9.3nm/分、46nm、518nm;
EP8 :摂氏700度、 9.3nm/分、45nm、523nm;
EP9 :摂氏710度、 9.3nm/分、81nm、550nm;
EP10:摂氏675度、 7.1nm/分、50nm、518nm;
EP11:摂氏640度、 5.5nm/分、67nm、510nm;
EP12:摂氏660度、 5.5nm/分、60nm、520nm;
EP13:摂氏675度、 5.5nm/分、78nm、507nm;
EP14:摂氏690度、 5.5nm/分、52nm、502nm。
Plot name, film-forming temperature T W , growth rate V G , full width at half maximum, peak wavelength;
EP1: 710 degrees Celsius, 13.9 nm / min, 44 nm, 520 nm;
EP2: 730 degrees Celsius, 13.9 nm / min, 46 nm, 506 nm;
EP3: 740 degrees Celsius, 13.9 nm / min, 41 nm, 495 nm;
EP4: 750 degrees Celsius, 13.9 nm / min, 36 nm, 483 nm;
EP5: 700 degrees Celsius, 11.4 nm / min, 49 nm, 510 nm;
EP6: 675 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 43 nm, 509 nm;
EP7: 690 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 46 nm, 518 nm;
EP8: 700 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 45 nm, 523 nm;
EP9: 710 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 81 nm, 550 nm;
EP10: 675 degrees Celsius, 7.1 nm / min, 50 nm, 518 nm;
EP11: 640 degrees Celsius, 5.5 nm / min, 67 nm, 510 nm;
EP12: 660 Celsius, 5.5 nm / min, 60 nm, 520 nm;
EP13: 675 degrees Celsius, 5.5 nm / min, 78 nm, 507 nm;
EP14: 690 degrees Celsius, 5.5 nm / min, 52 nm, 502 nm.

プロットEQ1〜EQ6は上記の波長条件を満たさない。
プロット名称、成膜温度T、成長速度V
EQ1 :摂氏760度、13.9nm/分、26nm、459nm;
EQ2 :摂氏730度、 9.3nm/分、30nm、460nm;
EQ3 :摂氏720度、 9.3nm/分、33nm、477nm;
EQ4 :摂氏720度、 5.5nm/分、27nm、444nm;
EQ5 :摂氏690度、 3.5nm/分、30nm、460nm;
EQ6 :摂氏690度、 2.3nm/分、28nm、439nm。
The plots EQ1 to EQ6 do not satisfy the above wavelength condition.
Plot name, deposition temperature T W , growth rate V G ;
EQ1: 760 degrees Celsius, 13.9 nm / min, 26 nm, 459 nm;
EQ2: 730 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 30 nm, 460 nm;
EQ3: 720 degrees Celsius, 9.3 nm / min, 33 nm, 477 nm;
EQ4: 720 degrees Celsius, 5.5 nm / min, 27 nm, 444 nm;
EQ5: 690 degrees Celsius, 3.5 nm / min, 30 nm, 460 nm;
EQ6: 690 degrees Celsius, 2.3 nm / min, 28 nm, 439 nm.

図10の好適な成長温度及び成膜速度の範囲においては、480nm以上550nm以下のPL発光波長において、実用上十分に高いPL強度と、実用上十分小さいPL半値幅を得ることができる。   In the range of the preferable growth temperature and film formation speed in FIG. 10, a sufficiently high PL intensity and a practically sufficiently small PL half-value width can be obtained at a PL emission wavelength of 480 nm or more and 550 nm or less.

c面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している低オフ角の半極性面半導体表面では、c面に比べてマイクロステップ密度が高く、Inの取り込みが小さい。c面と(10−11)面からなるステップが半導体表面に形成されていると、テラス上ではInが取り込まれる。しかしながら、テラスエッジ(マイクロステップ端)に現れる化学結合のボンドの視点から検討すると、テラスエッジではIn原子が取り込まれない。このため、低オフ角の半極性面上ではc面上とは異なる半極性面上特有のInGaN成長条件が必要となる。
また、c面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している低オフ角の半極性面半導体表面では、c面に比べてマイクロステップ密度が高く、マイグレーションが起こりにくい。このため、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度よりも高くしても、c面に比べて障壁層成長中に井戸層の分解が起こりにくい。
The semi-polar plane semiconductor surface with a low off-angle inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane has a higher microstep density and a smaller In incorporation than the c-plane. When a step composed of c-plane and (10-11) plane is formed on the semiconductor surface, In is taken in on the terrace. However, from the viewpoint of the bond of chemical bonds appearing at the terrace edge (microstep end), In atoms are not taken in at the terrace edge. For this reason, a specific InGaN growth condition on the semipolar plane different from that on the c-plane is required on the semipolar plane with a low off-angle.
In addition, a low off-angle semipolar plane semiconductor surface inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane has a higher microstep density than the c-plane, and migration is unlikely to occur. For this reason, even if the growth temperature of the barrier layer is higher than the growth temperature of the well layer, the well layer is less likely to decompose during the growth of the barrier layer than the c-plane.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

図1は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. 図2は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程における基板生産物を示す図面である。FIG. 2 is a drawing showing substrate products in main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. 図3は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程における基板生産物を示す図面である。FIG. 3 is a drawing showing substrate products in main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. 図4は、本実施の形態に係る、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程における基板生産物を示す図面である。FIG. 4 is a drawing showing substrate products in main steps of a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. 図5は、活性層の形成における原料ガス及び成長炉の温度の変化を表すタイムチャートである。FIG. 5 is a time chart showing changes in the temperature of the source gas and the growth furnace in the formation of the active layer. 図6は、実施の形態において使用可能なGaN基板の一構造を示す図面である。FIG. 6 shows a structure of a GaN substrate that can be used in the embodiment. 図7は、実施例1における主要な製造条件を示す図面である。FIG. 7 is a drawing showing main manufacturing conditions in Example 1. 図8は、オフ角18度のGaNウエハを用いた実施例1における発光素子及びエピタキシャルウエハの構造を示す図面である。FIG. 8 is a drawing showing the structure of a light emitting device and an epitaxial wafer in Example 1 using a GaN wafer having an off angle of 18 degrees. 図9は、代表的な条件で作製された発光素子のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルPL1、PL2、PL3を示す図面である。FIG. 9 is a drawing showing photoluminescence (PL) spectra PL1, PL2, and PL3 of a light-emitting element manufactured under typical conditions. 図10は、実施例1の発光素子の作製において発光波長と成長速度との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the emission wavelength and the growth rate in the production of the light-emitting device of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

11…基板、11a…基板主面、11b…基板裏面、S…c面、VC…c軸ベクトル、VN…法線ベクトル、10…成長炉、13…窒化ガリウム系半導体領域、13a…窒化ガリウム系半導体領域主面、15、17、19…窒化ガリウム系半導体層、21…活性層、DB1…GaN障壁層、23…エピタキシャル半導体領域(第1の障壁層)、T…障壁層の成長温度、T…井戸層の成長温度、25a、25b、25c…井戸層、27a、27b、27c…保護層、23、29a、29b、29c…障壁層、31…第2導電型窒化ガリウム系半導体領域、33…電子ブロック層、35、37…p型コンタクト層 11 ... substrate, 11a ... substrate main surface, 11b ... back surface of the substrate, S C ... c plane, VC ... c-axis vector, VN ... normal vectors, 10 ... growth reactor 13 ... gallium nitride based semiconductor region, 13a ... gallium nitride system semiconductor region major surface, 15, 17, and 19 ... gallium nitride based semiconductor layer, 21 ... active layer, D B1 ... GaN barrier layer, 23 ... epitaxial semiconductor region (first barrier layer), the growth of T B ... barrier layer Temperature, T W ... Well layer growth temperature, 25a, 25b, 25c ... Well layer, 27a, 27b, 27c ... Protective layer, 23, 29a, 29b, 29c ... Barrier layer, 31 ... Second conductivity type gallium nitride based semiconductor Region, 33 ... electron blocking layer, 35, 37 ... p-type contact layer

Claims (20)

量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、
前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度T及び成長速度V(nm/分)で、前記量子井戸構造の井戸層を成長する工程と
を備え、
前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有しており、
前記井戸層はInGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなり、
前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、
前記成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、以下の式(1)
=α1×T+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、
前記成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、13.9nm/分以下であり、
前記成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、5.5nm/分以上であり、
前記成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、以下の式(2)
=α2×T+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏640度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす、ことを特徴とする方法。
A method for producing a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer having a quantum well structure,
Forming an epitaxial semiconductor region made of a gallium nitride based semiconductor;
And growing a well layer of the quantum well structure on the epitaxial semiconductor region at a growth temperature T W and a growth rate V G (nm / min) within a temperature range of 640 degrees Celsius or more and 750 degrees Celsius or less. ,
The epitaxial semiconductor region has a main surface inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride semiconductor,
The well layer is made of In X Ga 1-X N (indium composition X: 0 <X <1, X is a strain composition),
The active layer is provided to generate an emission spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm or more and 550 nm or less,
When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 710 degrees Celsius, the upper limit of the growth rate V G is the following formula (1)
V G = α1 × T W + β1 (1)
Equation (1) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (710 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (640 degrees Celsius, 5.5 nm / min),
When the growth temperature T W is the temperature below 710 degrees 750 degrees centigrade, the upper limit of the growth rate V G is less than or equal 13.9 nm / min,
When the growth temperature T W is the temperature of less than 690 degrees 640 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G is at 5.5 nm / min or more,
Wherein when the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 690 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G, the following equation (2)
V G = α2 × T W + β2 (2)
Equation (2) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (640 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (690 degrees Celsius, 5.5 nm / min), A method characterized by that.
前記エピタキシャル半導体領域上に、前記井戸層の前記成長温度Tより高い成長温度Tで、前記量子井戸構造の障壁層を成長する工程を更に備え、
前記障壁層はInGa1−YN(インジウム組成Y:0≦Y≦0.05、Yは歪み組成)からなり、
前記井戸層の前記成長温度Tと前記障壁層の前記成長温度Tとの差は60度以上230度以下である、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。
Wherein the epitaxial semiconductor region, in the above growth temperature T W growth temperature T B of the well layer, further comprising a step of growing the barrier layer of the quantum well structure,
The barrier layer is made of In Y Ga 1-Y N (indium composition Y: 0 ≦ Y ≦ 0.05, Y is a strain composition),
The method of claim 1, wherein the difference between the growth temperature T W of the well layer and the growth temperature T B of the barrier layer is less than 230 degrees 60 degrees, and wherein.
前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備え、
前記井戸層の前記成長温度Tは、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長温度T2よりも低く、
前記井戸層の前記成長温度Tと前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層の前記成長温度T2との差は、140度以上510度以下である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された方法。
A step of growing a second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the active layer;
The growth temperature T W of the well layer is lower than the growth temperature T2 of the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer,
The difference between the growth temperature T2 of the growth temperature T W and the second conductive type gallium nitride-based semiconductor layer of the well layer, according to claim 1 or claim, characterized or less 510 degrees 140 degrees, that 2. The method described in 2.
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層上に、別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備え、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層を含み、
前記別の第2導電型窒化ガリウム系半導体層の成長速度は前記井戸層及び前記障壁層の成長速度よりも大きい、ことを特徴とする請求項3に記載された方法。
A step of growing another second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer;
The second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer includes an electron blocking layer,
4. The method according to claim 3, wherein a growth rate of the second second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer is larger than growth rates of the well layer and the barrier layer.
前記井戸層の前記InGa1−XNにおけるインジウム組成Xは、0.15より大きく、0.4より小さい、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。 5. The indium composition X in the In X Ga 1-X N of the well layer is greater than 0.15 and less than 0.4, and is described in any one of claims 1 to 4. Method. 前記エピタキシャル半導体領域の前記主面の傾斜の方向は、前記窒化ガリウム系半導体のa軸の方向である、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された方法。   6. The method according to claim 1, wherein a direction of inclination of the main surface of the epitaxial semiconductor region is a direction of an a-axis of the gallium nitride based semiconductor. 六方晶系半導体InAlGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなる基板を準備する工程を更に備え、
前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された方法。
A step of preparing a substrate made of a hexagonal semiconductor In S Al T Ga 1- STN (0 ≦ S ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1, 0 ≦ S + T ≦ 1),
The main surface of the substrate is inclined at an angle in a range of 10 degrees to 45 degrees from a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal semiconductor. The method as described in any one.
前記成膜に先立って、前記基板の前記主面に熱処理を行って前記基板に、改質された主面を形成する工程を更に備え、
前記熱処理は、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で行われる、ことを特徴とする請求項7に記載された方法。
Prior to the film formation, the substrate further includes a step of performing a heat treatment on the main surface of the substrate to form a modified main surface on the substrate,
The method according to claim 7, wherein the heat treatment is performed in an atmosphere of a gas containing ammonia and hydrogen.
前記熱処理の後に、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記基板上にエピタキシャルに成長する工程を更に備え、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域の主面は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載された方法。
A step of epitaxially growing a first conductivity type gallium nitride based semiconductor region on the substrate after the heat treatment;
The main surface of the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region is inclined at an angle in the range of 10 degrees to 45 degrees from the c-plane of the gallium nitride based semiconductor. Item 9. The method according to Item 8.
前記傾斜の方向と前記窒化ガリウム系半導体のm軸の方向とは89度以上91度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項6〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。   10. The method according to claim 6, wherein the direction of the inclination and the direction of the m-axis of the gallium nitride based semiconductor are in the range of 89 degrees or more and 91 degrees or less. . 前記基板は、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より大きい複数の第1の領域と、c軸方向に伸びる貫通転位の密度が第1の貫通転位密度より小さい複数の第2の領域とを含み、
前記第1および第2の領域は交互に配置されており、
前記基板の前記主面には前記第1および第2の領域が現れている、ことを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか一項に記載された方法。
The substrate includes a plurality of first regions in which threading dislocation density extending in the c-axis direction is larger than the first threading dislocation density, and a plurality of threading dislocation densities extending in the c-axis direction are smaller than the first threading dislocation density. A second region,
The first and second regions are arranged alternately,
The method according to any one of claims 7 to 10, wherein the first and second regions appear on the main surface of the substrate.
前記第2の領域の前記貫通転位の密度は1×10cm−2未満である、ことを特徴とする請求項11に記載された方法。 The method of claim 11, wherein the threading dislocation density in the second region is less than 1 × 10 7 cm −2 . m面劈開を行って共振器面を作製する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された方法。   The method according to any one of claims 1 to 12, further comprising the step of performing m-plane cleavage to produce a resonator surface. 前記井戸層を成長した後に、前記障壁層を成長する前に、前記成長温度Tから前記成長温度Tに温度を変更しながら、窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された方法。 After the growth of the well layer, prior to growing the barrier layer, while changing the temperature at the growth temperature T B from the growth temperature T W, further comprising the step of growing a gallium nitride-based semiconductor layer, that 14. A method as claimed in any one of claims 1 to 13, characterized in that 前記窒化ガリウム系半導体層の厚さは前記障壁層の厚さより薄い、ことを特徴とする請求項14に記載された方法。   The method according to claim 14, wherein the thickness of the gallium nitride based semiconductor layer is smaller than the thickness of the barrier layer. 前記窒化ガリウム系半導体層の成長における成長速度は前記障壁層の成長における成長速度より小さい、ことを特徴とする請求項14または請求項15に記載された方法。   The method according to claim 14 or 15, wherein a growth rate in the growth of the gallium nitride based semiconductor layer is smaller than a growth rate in the growth of the barrier layer. 前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層、及び前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、前記基板の前記主面の法線の方向に配列されており、
該六方晶系半導体のc軸の方向は前記基板の前記主面の法線の方向と異なる、ことを特徴とする請求項7〜請求項12のいずれか一項に記載された方法。
The first conductivity type gallium nitride based semiconductor region, the active layer, and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer are arranged in a direction of a normal line of the main surface of the substrate,
The method according to any one of claims 7 to 12, wherein the direction of the c-axis of the hexagonal semiconductor is different from the direction of the normal of the main surface of the substrate.
窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法であって、
第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を基板上にエピタキシャルに成長する工程と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域上に、窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル半導体領域を形成する工程と、
前記エピタキシャル半導体領域上に、摂氏640度以上摂氏750度以下の温度範囲内の成長温度T及び成長速度V(nm/分)で、活性層のための井戸層を成長する工程と、
前記井戸層上に、前記井戸層の前記成長温度Tより高い成長温度Tで、前記活性層のための障壁層を成長する工程と、
前記活性層上に、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記エピタキシャル半導体領域は、前記窒化ガリウム系半導体のc面から10度より大きく45度以下の範囲の角度で傾斜した主面を有しており、
前記井戸層はInGa1−XN(インジウム組成X:0<X<1、Xは歪み組成)からなり、
前記活性層は、480nm以上550nm以下の波長領域にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられており、
前記成長温度Tが摂氏640度以上710度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、以下の式(1)
=α1×T+β1 (1)
で与えられる値であり、式(1)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏710度、13.9nm/分)、(摂氏640度、5.5nm/分)を満たし、
前記成長温度Tが摂氏710度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの上限は、13.9nm/分以下であり、
前記成長温度Tが摂氏640度以上690度未満の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、5.5nm/分以上であり、
前記成長温度Tが摂氏690度以上750度以下の温度であるとき、前記成長速度Vの下限は、以下の式(2)
=α2×T+β2 (2)
で与えられる値であり、式(2)は(成長温度T、成長速度V)=(摂氏640度、13.9nm/分)、(摂氏690度、5.5nm/分)を満たす、ことを特徴とする方法。
A method for producing an epitaxial wafer for a nitride-based semiconductor light-emitting device, comprising:
Epitaxially growing a first conductivity type gallium nitride based semiconductor region on a substrate;
Forming an epitaxial semiconductor region made of a gallium nitride based semiconductor on the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region;
Growing a well layer for an active layer on the epitaxial semiconductor region at a growth temperature T W and a growth rate V G (nm / min) within a temperature range of 640 degrees Celsius or more and 750 degrees Celsius or less;
On the well layer, with the higher than the growth temperature T W growth temperature T B of the well layer, and a step of growing a barrier layer for the active layer,
And growing a second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer on the active layer,
The epitaxial semiconductor region has a main surface inclined at an angle in a range of greater than 10 degrees and 45 degrees or less from the c-plane of the gallium nitride based semiconductor,
The well layer is made of In X Ga 1-X N (indium composition X: 0 <X <1, X is a strain composition),
The active layer is provided to generate an emission spectrum having a peak wavelength in a wavelength region of 480 nm or more and 550 nm or less,
When the growth temperature TW is a temperature of 640 degrees Celsius or more and less than 710 degrees Celsius, the upper limit of the growth rate V G is the following formula (1)
V G = α1 × T W + β1 (1)
Equation (1) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (710 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (640 degrees Celsius, 5.5 nm / min),
When the growth temperature T W is the temperature below 710 degrees 750 degrees centigrade, the upper limit of the growth rate V G is less than or equal 13.9 nm / min,
When the growth temperature T W is the temperature of less than 690 degrees 640 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G is at 5.5 nm / min or more,
Wherein when the growth temperature T W is the temperature below 750 degrees 690 degrees centigrade, the lower limit of the growth rate V G, the following equation (2)
V G = α2 × T W + β2 (2)
Equation (2) satisfies (growth temperature T W , growth rate V G ) = (640 degrees Celsius, 13.9 nm / min), (690 degrees Celsius, 5.5 nm / min), A method characterized by that.
前記基板は、六方晶系半導体InAlGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなり、
前記基板の前記主面は、該六方晶系半導体のc軸に直交する平面から10度以上45度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項18に記載された方法。
The substrate is made of a hexagonal semiconductor In S Al T Ga 1- STN (0 ≦ S ≦ 1, 0 ≦ T ≦ 1, 0 ≦ S + T ≦ 1),
The method according to claim 18, wherein the main surface of the substrate is inclined at an angle in a range of 10 degrees to 45 degrees from a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal semiconductor. .
前記成膜に先立って、アンモニア及び水素を含むガスの雰囲気中で基板の主面に熱処理を行う工程を更に備える、ことを特徴とする請求項18または請求項19に記載された方法。   The method according to claim 18, further comprising a step of performing a heat treatment on the main surface of the substrate in an atmosphere of a gas containing ammonia and hydrogen prior to the film formation.
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