JP2010232464A - Group iii nitride semiconductor light emitting element, method of manufacturing the same, and laser diode - Google Patents

Group iii nitride semiconductor light emitting element, method of manufacturing the same, and laser diode Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor light emitting element which has excellent crystallinity, reduced internal resistance and excellent light emitting characteristics, and to provide a method of manufacturing the element, and a laser diode. <P>SOLUTION: A foundation layer (ELO growth layer) 13 having a composition of Al<SB>X</SB>Ga<SB>1-X</SB>N(0<X≤1) is formed on a substrate 11 for growing an epitaxial film or on a buffer layer (group III nitride layer) 12 formed on the substrate 11. An n-type semiconductor layer 14 made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer 15 and a p-type semiconductor layer 16 are sequentially laminated on the foundation layer 13. The foundation layer 13 is formed by means of an ELO mask pattern made of a carbon material formed on the substrate 11 or on the buffer layer 12. The group III nitride semiconductor light emitting element is thus manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)、各種電子デバイス等に、好適に用いられ、III族窒化物半導体が積層されてなるIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオードに関する。   The present invention is a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a group III nitride semiconductor light-emitting element that is suitably used for various electronic devices, etc., and a group III nitride semiconductor is laminated, a method for manufacturing the same, and The present invention relates to a laser diode.

従来から、III族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の、pn接合型構造のIII族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている。特に、発光波長が360nm〜200nmの紫外領域或いは深紫外領域の発光を呈するレーザダイオード等の発光素子においては、III窒化物半導体層の材料として窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)もしくは窒化ガリウムインジウム(GaInN)等が用いられてなり、例えば、医療や精密加工の分野等における応用が期待されている。   Conventionally, a group III nitride semiconductor has a function for forming a group III nitride semiconductor light emitting device having a pn junction structure such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) that emits visible light having a short wavelength. It is used as a material. In particular, in a light emitting element such as a laser diode that emits light in the ultraviolet region or deep ultraviolet region with an emission wavelength of 360 nm to 200 nm, the material of the III nitride semiconductor layer is gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), or nitride Gallium indium (GaInN) or the like is used, and for example, application in the fields of medicine and precision processing is expected.

上述のような紫外領域又は深紫外領域のレーザダイオード等を含む受発光デバイスにおいては、従来から、サファイアや炭化シリコン(SiC)等の異種単結晶基板上にGaNを積層したテンプレート基板、或いは自立したGaN基板が用いられている。しかしながら、このような基板を用いた場合に、発光層から出射された光がGaNに吸収されてしまうという問題がある。また、Al組成比が高いAlGaNをGaN上に堆積した場合に、格子定数の差と熱膨張係数の差によってクラックが発生してしまい、デバイス特性の劣化を生じてしまうという問題があった。   Conventionally, in the light emitting and receiving device including the laser diode in the ultraviolet region or the deep ultraviolet region as described above, a template substrate in which GaN is laminated on a dissimilar single crystal substrate such as sapphire or silicon carbide (SiC), or has been self-supporting. A GaN substrate is used. However, when such a substrate is used, there is a problem that light emitted from the light emitting layer is absorbed by GaN. In addition, when AlGaN having a high Al composition ratio is deposited on GaN, there is a problem that cracks are generated due to a difference in lattice constant and a coefficient of thermal expansion, resulting in deterioration of device characteristics.

上述のような問題を解決するためには、受発光波長を透過する組成のAlGaN基板を用いることで、光の吸収を抑制して受発光効率を高くする必要がある。同時に、受発光層との格子定数差と熱膨張係数差を小さくすることで、クラックや転位の発生を抑制し、結晶品質を向上させる必要がある。しかしながら、従来のAlGa1−xN(0<x≦1)の結晶品質は充分とは言えず、特に、AlNモル分率が高いAlGa1−xN(0<x≦1)は、GaNに比べて高融点及び低蒸気圧であるAlNの特徴に近づくため、良好な結晶成長が困難であった。 In order to solve the above-described problems, it is necessary to increase the light receiving and emitting efficiency by suppressing the light absorption by using an AlGaN substrate having a composition that transmits and receives and emits light. At the same time, it is necessary to suppress the occurrence of cracks and dislocations and improve the crystal quality by reducing the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the light receiving and emitting layers. However, the crystal quality of conventional Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) cannot be said to be sufficient, and in particular, Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) having a high AlN mole fraction. Is close to the characteristics of AlN, which has a higher melting point and lower vapor pressure than GaN, and it is difficult to achieve good crystal growth.

一方、異種単結晶基板上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を向上させるため、例えば、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法と呼ばれる方法を用いて、GaNからなる単結晶を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1に記載の半導体素子によれば、基板上にバッファ層及び第1のGaN層を形成し、その上に、酸化シリコン(SiO)からなるマスクパターンを形成し、このマスクパターン及び第1のGaN層の上に第2のGaN層を形成する方法が開示されている。特許文献1の半導体素子の製造方法においては、前記マスクパターン上からはGaNが成長しないため、マスクパターンで覆われていない第1のGaN層の表面から成長した第2のGaN層が前記マスクパターン上において横方向に成長し、垂直方向の貫通転位が抑制され、結晶性の高いGaN層が得られるというものである。 On the other hand, in order to improve the crystallinity of a group III nitride semiconductor layer formed on a heterogeneous single crystal substrate, for example, a method of forming a single crystal made of GaN using a method called ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to the semiconductor device described in Patent Document 1, a buffer layer and a first GaN layer are formed on a substrate, and a mask pattern made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the buffer layer and the first GaN layer. A method of forming a second GaN layer on one GaN layer is disclosed. In the method of manufacturing a semiconductor element of Patent Document 1, since GaN does not grow on the mask pattern, the second GaN layer grown from the surface of the first GaN layer not covered with the mask pattern is the mask pattern. It grows in the lateral direction on the top, and the threading dislocation in the vertical direction is suppressed, and a GaN layer with high crystallinity can be obtained.

特許文献1に記載のELO法を用いてAlGaNからなる結晶を成長させる場合には、例えば、図10(a)の模式断面図に示すように、まず、サファイアからなる基板111上にIII族窒化物層であるバッファ層112を形成し、このバッファ層112上にSiO又はSiNからなるマスクパターン120を形成する。そして、このバッファ層112及びマスクパターン120の上に、AlGa1−xN(0<x≦1)からなる層をELO成長させる。
ここで、特許文献1のように、ELO成長させる層がGaN半導体から構成される場合には、SiO又はSiNからなるマスクパターン120の上からはGaNが成長しないので、マスクパターン123が形成されていない領域Rから成長した下地層114がマスクパターン120の上で横方向に成長する。この際、結晶欠陥は結晶成長方向に向かって進むため、マスクパターン120上においては垂直方向への貫通転位が抑制されると考えられる。
When growing an AlGaN crystal using the ELO method described in Patent Document 1, for example, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 10A, first, a group III nitride is formed on a substrate 111 made of sapphire. A buffer layer 112 which is a physical layer is formed, and a mask pattern 120 made of SiO 2 or SiN is formed on the buffer layer 112. A layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) is grown on the buffer layer 112 and the mask pattern 120 by ELO.
Here, when the layer to be grown by ELO is made of a GaN semiconductor as in Patent Document 1, GaN does not grow on the mask pattern 120 made of SiO 2 or SiN, so that the mask pattern 123 is formed. A base layer 114 grown from the non-region R is grown laterally on the mask pattern 120. At this time, since the crystal defect advances in the crystal growth direction, it is considered that the threading dislocation in the vertical direction is suppressed on the mask pattern 120.

しかしながら、AlGa1−xN(0<x≦1)のようなAlを組成物として含有する結晶をELO成長させた場合、図10(a)に示すように、SiO又はSiNからなるマスクパターン120の上面120aに多結晶AlGaN層115が成長してしまう。この際、バッファ層112上においてマスクパターン120の形成されていない領域Rから成長したAlGaNからなる下地層114の横方向への成長が、マスクパターン120上に成長した多結晶AlGaN層115によって阻止される。従って、垂直方向への貫通転位を抑制することができず、ELO法を用いてAlGa1−xN(0<x≦1)の結晶品質を向上させることができないばかりか、単結晶層を形成することができないという問題があった。 However, when a crystal containing Al as a composition, such as Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1), is grown by ELO, it is made of SiO 2 or SiN as shown in FIG. The polycrystalline AlGaN layer 115 grows on the upper surface 120a of the mask pattern 120. At this time, the lateral growth of the underlying layer 114 made of AlGaN grown from the region R where the mask pattern 120 is not formed on the buffer layer 112 is blocked by the polycrystalline AlGaN layer 115 grown on the mask pattern 120. The Therefore, it is impossible to suppress threading dislocations in the vertical direction, not only it is impossible to improve the crystal quality of the Al x Ga 1-x N ( 0 <x ≦ 1) using the ELO method, a single crystal layer There was a problem that could not be formed.

このような、ELO法を用いてAlGaN等のAlを含有する組成の結晶を成長させた場合の問題点を解決するため、ELO法の代替技術として、例えば、基板もしくはバッファ層に周期溝を形成し、この上にIII族窒化物半導体を堆積させることにより、転位が低減された結晶性の高い半導体層を形成する方法が提案されている。しかしながら、上述の周期溝は、基板やバッファ層を構成する材料によっては形成が困難もしくは不可能な場合がある。このため、紫外領域又は深紫外領域の発光を呈するレーザダイオード等の発光素子において、より優れた結晶性を有する半導体層が効率良く得られる技術が切に求められていた。   In order to solve such problems when growing an Al-containing composition such as AlGaN using the ELO method, as an alternative to the ELO method, for example, a periodic groove is formed in a substrate or a buffer layer. On the other hand, a method of forming a highly crystalline semiconductor layer with reduced dislocations by depositing a group III nitride semiconductor thereon has been proposed. However, the above-mentioned periodic groove may be difficult or impossible to form depending on the material constituting the substrate and the buffer layer. For this reason, there has been an urgent need for a technique for efficiently obtaining a semiconductor layer having better crystallinity in a light emitting element such as a laser diode that emits light in the ultraviolet region or deep ultraviolet region.

またさらに、従来のレーザダイオードにおいては、図10(b)の断面模式図に示すような、p型半導体層116の上に酸化シリコン(SiO)又は窒化シリコン(SiN)からなる絶縁層117が形成され、この絶縁層117に形成される貫通部117aを通じてp型半導体層116に備えられる狭窄部116cと正極118とが接続される構造が提案されている。しかしながら、このような構造とされたレーザダイオードは、p型半導体層116と正極118との接触面積が狭いことから、抵抗値が高くなってしまう。このため、狭窄部に大きな電流を流通するレーザダイオードにおいては、正極118とp型半導体層16が発熱し、レーザダイオードの発光特性が低下するという問題があった。 Furthermore, in the conventional laser diode, an insulating layer 117 made of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) is formed on the p-type semiconductor layer 116 as shown in the schematic sectional view of FIG. A structure is proposed in which the constricted portion 116c provided in the p-type semiconductor layer 116 and the positive electrode 118 are connected through the through portion 117a formed in the insulating layer 117. However, the laser diode having such a structure has a high resistance because the contact area between the p-type semiconductor layer 116 and the positive electrode 118 is small. For this reason, in the laser diode in which a large current flows through the constricted portion, there is a problem that the positive electrode 118 and the p-type semiconductor layer 16 generate heat and the light emission characteristics of the laser diode are deteriorated.

また、p型半導体層と正極との接触面積を広くするために、p型半導体層の内部に電流狭窄層が埋め込まれてなる、所謂インナーストライプ構造のレーザダイオードが提案されている(例えば、特許文献2〜4を参照)。しかしながら、特許文献2〜4では、電流狭窄層の開口部を、リフトオフやウェットエッチング等によって形成する必要があるため、電流狭窄層の結晶性を高めることができないという問題がある。ここで、特許文献2においては、スパッタ法により、500℃以下の温度で電流狭窄層を形成した後、開口部をリフトオフにより形成している。一方、特許文献3、4においては、MOCVD法により、400℃の温度で非晶質の電流狭窄層を形成し、開口部をウェットエッチングによって形成した後、熱処理をして結晶化させている。しかしながら、特許文献2〜4に記載された何れの方法においても、良好な結晶性を有する電流狭窄層は得られず、その上に形成されるp型半導体層の結晶性が低下するため、レーザダイオードの発光特性も低下するという問題があった。   In order to increase the contact area between the p-type semiconductor layer and the positive electrode, a so-called inner stripe structure laser diode in which a current confinement layer is embedded inside the p-type semiconductor layer has been proposed (for example, a patent). References 2-4). However, Patent Documents 2 to 4 have a problem that the crystallinity of the current confinement layer cannot be increased because the opening of the current confinement layer needs to be formed by lift-off or wet etching. Here, in Patent Document 2, the current confinement layer is formed at a temperature of 500 ° C. or lower by sputtering, and then the opening is formed by lift-off. On the other hand, in Patent Documents 3 and 4, an amorphous current confinement layer is formed at a temperature of 400 ° C. by MOCVD, and an opening is formed by wet etching, followed by heat treatment for crystallization. However, in any of the methods described in Patent Documents 2 to 4, a current confinement layer having good crystallinity cannot be obtained, and the crystallinity of the p-type semiconductor layer formed thereon is lowered. There was a problem that the light emission characteristics of the diode also deteriorated.

特開平11−251632号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-251632 特開2001−015860号公報JP 2001-015860 A 特開2003−078215号公報JP 2003-078215 A 特開2007−250637号公報JP 2007-250637 A

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、結晶性が高く、また、正極との接触抵抗が低減され、優れた発光特性を有するIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオードを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, a group III nitride semiconductor light emitting device having high crystallinity, reduced contact resistance with the positive electrode, and excellent light emission characteristics, a method for manufacturing the same, and a laser An object is to provide a diode.

本発明者等は、基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成のELO成長層を形成する際、基板上又はIII族窒化物層上に炭素材料からなるマスクパターンを形成して前記ELO成長層を成長させることにより、マスクパターン上における多結晶の成長を抑制し、転位が低く結晶性に優れた層を形成できることを見出した。また、炭素材料からなるマスクパターンを用いて電流狭窄層を形成することにより、成長温度を高くすることができ、結晶性に優れた電流狭窄層を形成することが可能となることを見出し、本発明を完成した。
本発明は以下に関する。
When forming an ELO growth layer having a composition composed of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) on the substrate or the group III nitride layer formed on the substrate, the present inventors By forming a mask pattern made of a carbon material on the substrate or the group III nitride layer and growing the ELO growth layer, the growth of polycrystals on the mask pattern is suppressed, and the dislocation is low and the crystallinity is excellent. It has been found that a layer can be formed. It has also been found that by forming a current confinement layer using a mask pattern made of a carbon material, the growth temperature can be increased and a current confinement layer having excellent crystallinity can be formed. Completed the invention.
The present invention relates to the following.

[1] エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層が形成され、前記ELO層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層が順次積層されており、前記ELO成長層は、前記基板又は前記III族窒化物層上に形成された炭素材料からなるELO用マスクパターンを用いて形成されたものであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
[2] 前記ELO用マスクパターンが前記基板上又は前記III族窒化物層と前記ELO成長層との間に残存していることを特徴とする上記[1]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[3] 前記ELO用マスクパターンが前記基板上又は前記III族窒化物層と前記ELO成長層との間に残存していないことを特徴とする上記[1]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[4] 前記発光層と前記p型半導体層との間の少なくとも一部に電流狭窄層が備えられることにより、インナーストライプ構造とされてなることを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[5] 前記電流狭窄層が、前記発光層上に形成された炭素材料からなる狭窄層用マスクパターンを用いて形成されたものであることを特徴とする上記[4]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[6] 前記電流狭窄層がAlNからなることを特徴とする上記[4]又は[5]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[1] An ELO growth layer having a composition made of Al x Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) is formed on a substrate for epitaxial film growth or a group III nitride layer formed on the substrate. An n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the ELO layer, and the ELO growth layer is formed on the substrate or the group III nitride layer. A Group III nitride semiconductor light-emitting device, which is formed using an ELO mask pattern made of a carbon material.
[2] The Group III nitride semiconductor light-emitting device according to [1], wherein the ELO mask pattern remains on the substrate or between the Group III nitride layer and the ELO growth layer. element.
[3] The group III nitride semiconductor light emitting device according to the above [1], wherein the ELO mask pattern does not remain on the substrate or between the group III nitride layer and the ELO growth layer. element.
[4] The above [1] to [3], wherein an inner stripe structure is formed by providing a current confinement layer in at least a part between the light emitting layer and the p-type semiconductor layer. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of the above.
[5] The group III nitride according to [4], wherein the current confinement layer is formed by using a constriction layer mask pattern made of a carbon material formed on the light emitting layer. Semiconductor light emitting device.
[6] The group III nitride semiconductor light-emitting device according to the above [4] or [5], wherein the current confinement layer is made of AlN.

[7] エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、炭素材料からなるELO用マスクパターンを形成するパターン形成工程と、前記ELO用マスクパターンを用いてAlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層を形成するELO成長工程と、前記ELO成長層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層を順次積層する半導体層形成工程と、を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[8] 前記ELO用マスクパターンをなす炭素材料が、黒鉛、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンの内の何れかであることを特徴とする上記[7]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[9] 前記半導体層形成工程は、さらに、前記発光層を形成した後、該発光層上に炭素材料からなる狭窄層用マスクパターンを形成する小工程と、次いで、前記狭窄層用マスクパターンを用いて、前記発光層上に電流狭窄層を形成する小工程とを含むことを特徴とする上記[7]又は[8]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[10] 前記狭窄層用マスクパターンをなす炭素材料が、黒鉛、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンの内の何れかであることを特徴とする上記[9]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[11] 前記半導体層形成工程は、前記電流狭窄層を、AlGa1−YN(0<Y≦1)からなる組成として、1000〜1400℃の範囲の温度で形成することを特徴とする上記[9]又は[10]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[7] A pattern forming step of forming an ELO mask pattern made of a carbon material on an epitaxial film growth substrate or a group III nitride layer formed on the substrate, and using the ELO mask pattern An ELO growth step of forming an ELO growth layer having a composition made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), an n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on the ELO growth layer, and light emission And a semiconductor layer forming step of sequentially laminating a p-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer.
[8] The group III according to the above [7], wherein the carbon material constituting the ELO mask pattern is any one of graphite, amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon, carbon nanotube, and fullerene. A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device.
[9] The semiconductor layer forming step further includes a small step of forming a constriction layer mask pattern made of a carbon material on the light emitting layer after forming the light emitting layer, and then forming the constriction layer mask pattern. And a small step of forming a current confinement layer on the light emitting layer. The method for producing a group III nitride semiconductor light emitting element according to the above [7] or [8].
[10] The III material according to [9], wherein the carbon material forming the constriction layer mask pattern is any one of graphite, amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon, carbon nanotube, and fullerene. A method for manufacturing a group nitride semiconductor light emitting device.
[11] The semiconductor layer forming step, the current confinement layer, a composition consisting of Al Y Ga 1-Y N ( 0 <Y ≦ 1), and characterized by forming at a temperature in the range of 1000 to 1400 ° C. The method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to the above [9] or [10].

[12] 上記[7]〜[11]の何れか1項に記載の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体発光素子。
[13] 上記[1]〜[6]又は[12]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の素子構造が用いられてなるレーザダイオード。
[12] A group III nitride semiconductor light-emitting device obtained by the manufacturing method according to any one of [7] to [11].
[13] A laser diode comprising the group III nitride semiconductor light-emitting device according to any one of [1] to [6] or [12].

本発明のIII族窒化物半導体発光素子によれば、エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層が形成され、前記ELO層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層が順次積層されており、前記ELO成長層は、前記基板又は前記III族窒化物層上に形成された炭素材料からなるELO用マスクパターンを用いて形成されたものなので、ELO成長層が良好に成長して結晶性に優れる層となり、その上に形成されるIII族窒化物半導体からなる各層の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、発光特性に優れたIII族窒化物半導体発光素子が実現できる。 According to the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) is formed on the epitaxial film growth substrate or the group III nitride layer formed on the substrate. Is formed, and an n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the ELO layer. The ELO mask layer is formed using a carbon material formed on the substrate or the group III nitride layer, so that the ELO growth layer grows well and becomes a layer having excellent crystallinity. It is possible to improve the crystallinity of each layer formed of a group III nitride semiconductor. Thereby, a group III nitride semiconductor light emitting device having excellent light emission characteristics can be realized.

また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、炭素材料からなるELO用マスクパターンを形成するパターン形成工程と、前記ELO用マスクパターンを用いてAlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層を形成するELO成長工程と、前記ELO成長層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層を順次積層する半導体層形成工程とを備えているので、ELO成長層を結晶性の高い層として効率良く形成することができ、また、その上に、結晶性に優れたIII族窒化物半導体からなる各層を形成することできるので、発光特性に優れたIII族窒化物半導体発光素子を製造することが可能となる。 Further, according to the method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, an ELO mask pattern made of a carbon material is formed on a substrate for epitaxial film growth or on a group III nitride layer formed on the substrate. Forming a pattern, forming an ELO growth layer having a composition made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) using the ELO mask pattern, and the ELO growth layer The semiconductor layer forming step of sequentially stacking an n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer is provided, so that the ELO growth layer can be efficiently formed as a highly crystalline layer. In addition, since each layer made of a group III nitride semiconductor having excellent crystallinity can be formed thereon, a group III nitride semiconductor light emitting device having excellent light emission characteristics can be obtained. It can be manufactured.

また、本発明のレーザダイオードによれば、上記本発明のIII族窒化物半導体発光素子の素子構造が用いられてなるものなので、発光特性に優れたものとなる。   Further, according to the laser diode of the present invention, since the element structure of the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention is used, the light emitting characteristics are excellent.

本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に説明する図であり、(a)が断面図、(b)が平面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, (a) is sectional drawing, (b) is a top view. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の一例を模式的に説明する図であり、図1に示すIII族窒化物半導体発光素子の要部を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows the principal part of the group III nitride semiconductor light-emitting device shown in FIG. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、バッファ層(III族窒化物層)を形成する工程を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows the process of forming a buffer layer (III group nitride layer). 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、ELO用マスクパターンを形成するためのパターン形成工程を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows the pattern formation process for forming the mask pattern for ELO. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、下地層(ELO成長層)を成長させるELO成長工程を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows the ELO growth process which grows a base layer (ELO growth layer). 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、半導体層形成工程を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows a semiconductor layer formation process. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、半導体層形成工程に含まれる各小工程を示す断面図で、(a)は狭窄層用マスクパターンを形成する小工程、(b)は電流狭窄層を形成する小工程を示す概略図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows each small process included in a semiconductor layer formation process, (a) is a mask for constriction layers FIG. 5B is a schematic view showing a small process for forming a pattern, and FIG. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を模式的に説明する図であり、各電極を形成する工程を示す断面図である。It is a figure which illustrates typically an example of the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, and is sectional drawing which shows the process of forming each electrode. 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の実施例を説明する図であり、基板上にバッファ層(III族窒化物層)及び下地層(ELO成長層)が積層された状態を示す断面写真図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining the Example of the group III nitride semiconductor light-emitting device based on this invention, The cross-sectional photograph which shows the state by which the buffer layer (III group nitride layer) and the base layer (ELO growth layer) were laminated | stacked on the board | substrate. FIG. 従来のIII族窒化物半導体発光素子を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the conventional group III nitride semiconductor light-emitting device.

以下に、本発明の実施形態であるIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオードについて、図1〜9を適宜参照しながら説明する。図1は本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子を示す模式図であり、図2は図1に示すIII族窒化物半導体発光素子の要部を示す模式断面図、図3〜図8は各製造工程を示す模式断面図である。尚、以下の説明において参照する図面は、本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオードを説明する図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のIII族窒化物半導体発光素子等の寸法関係とは異なっている。   Hereinafter, a group III nitride semiconductor light-emitting device, a method for manufacturing the same, and a laser diode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic view showing a group III nitride semiconductor light-emitting device of this embodiment, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the main part of the group III nitride semiconductor light-emitting device shown in FIG. 1, and FIGS. It is a schematic cross section which shows each manufacturing process. The drawings referred to in the following description are drawings for explaining the group III nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment, the manufacturing method thereof, and the laser diode. The size, thickness, dimensions, etc. of each part shown in the drawings are This is different from the dimensional relationship of an actual group III nitride semiconductor light emitting device.

[III族窒化物半導体発光素子(レーザダイオード)の積層構造]
本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子(レーザダイオード:以下、発光素子と略称することがある)1は、図1(a)、(b)に示す例のように、エピタキシャル膜成長用の基板11上に形成されたバッファ層(III族窒化物層)12の上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層である下地層13が形成され、III族窒化物半導体からなるn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16が順次積層されており、下地層13が、炭素材料からなるELO用マスクパターン50(図2等を参照)を用いてELO成長によって形成されたものである。
[Laminated structure of group III nitride semiconductor light emitting device (laser diode)]
A group III nitride semiconductor light-emitting device (laser diode: hereinafter sometimes abbreviated as a light-emitting device) 1 according to the present embodiment is used for epitaxial film growth, as shown in the examples shown in FIGS. On the buffer layer (group III nitride layer) 12 formed on the substrate 11, an underlayer 13, which is an ELO growth layer having a composition of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), is formed. Then, an n-type semiconductor layer 14 made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer 15 and a p-type semiconductor layer 16 are sequentially stacked, and the underlayer 13 is made of an ELO mask pattern 50 made of a carbon material (see FIG. Formed by ELO growth.

また、図1(a)、(b)に示す例の発光素子1は、発光層15とp型半導体層16との間の少なくとも一部に、発光層15上に形成された炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を用いて形成された電流狭窄層17が備えられた素子構造とされている。これにより、発光素子1は、所謂インナーストライプ構造のレーザダイオードを構成している。
また、図示例の発光素子1は、p型半導体層16上に正極18が積層されており、また、n型半導体層14のn型コンタクト層14aに形成された露出領域14dに負極19が積層されてなる。
以下、本実施形態の発光素子1の積層構造について詳述する。
1A and 1B is made of a carbon material formed on the light emitting layer 15 at least partially between the light emitting layer 15 and the p-type semiconductor layer 16. The element structure includes the current confinement layer 17 formed using the constriction layer mask pattern 60. Thus, the light emitting element 1 constitutes a so-called inner stripe structure laser diode.
In the illustrated light emitting device 1, the positive electrode 18 is stacked on the p-type semiconductor layer 16, and the negative electrode 19 is stacked on the exposed region 14 d formed in the n-type contact layer 14 a of the n-type semiconductor layer 14. Being done.
Hereinafter, the laminated structure of the light emitting device 1 of the present embodiment will be described in detail.

『基板』
一般に、III族窒化物半導体の結晶が積層される基板の材料としては、例えば、サファイア(α−Al23単結晶)、炭化シリコン(SiC)、単結晶シリコン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム(Ga2)、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料が選択して用いられる。これらの内、融点が比較的高く耐熱性を有するサファイアやZnO或いはGa2等の酸化物単結晶材料、単結晶シリコンや立方晶或いは六方晶結晶型のSiC等のIV族半導体単結晶からなる基板材料を用いることが、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を積層できる点で好ましく、中でもサファイアを用いることが最も好ましい。
また、基板11の大きさとしては、通常は直径2インチ程度のものが用いられるが、これには限定されず、例えば、直径4〜6インチの基板等、さらに大型の基板を使用することも可能である。
"substrate"
In general, as a material of a substrate on which a group III nitride semiconductor crystal is laminated, for example, sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal), silicon carbide (SiC), single crystal silicon, zinc oxide (ZnO), oxide Magnesium, manganese oxide, zirconium oxide, manganese zinc iron oxide, magnesium aluminum oxide, zirconium boride, gallium oxide (Ga 2 O 3 ), indium oxide, lithium gallium oxide, lithium aluminum oxide, neodymium gallium oxide, lanthanum strontium aluminum tantalum A substrate material on which a group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the surface, such as strontium titanium oxide, titanium oxide, hafnium, tungsten, and molybdenum, is selectively used. Of these, oxide single crystal materials such as sapphire, ZnO, and Ga 2 O 3 having a relatively high melting point and heat resistance, and single crystal silicon and IV group semiconductor single crystals such as cubic or hexagonal crystal SiC. It is preferable to use a substrate material that can form a group III nitride semiconductor with good crystallinity, and sapphire is most preferable.
The size of the substrate 11 is usually about 2 inches in diameter, but is not limited to this. For example, a larger substrate such as a substrate having a diameter of 4 to 6 inches may be used. Is possible.

『バッファ層(III族窒化物層)』
本実施形態の発光素子1は、基板11上にバッファ層12が設けられている。
本実施形態のバッファ層12は、例えば、一般式AlGa1−YN(0≦Y≦1)で表されるIII族窒化物からなり、AlGaN又はAlN等の材料を好適に用いることができる。また、バッファ層12の形成方法としても、特に限定されず、例えば、MOCVD法や反応性スパッタ法等、この分野で従来から用いられている方法を何等制限無く採用することができる。
また、バッファ層12を構成する材料としては、バッファ層12上に積層されるIII族窒化物半導体と同じ結晶構造を有するものを用いることができ、格子の長さが、後述の下地層13を構成するIII族窒化物半導体に近いものが好ましい。
"Buffer layer (Group III nitride layer)"
In the light emitting device 1 of the present embodiment, a buffer layer 12 is provided on a substrate 11.
The buffer layer 12 of the present embodiment is made of, for example, a group III nitride represented by a general formula Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y ≦ 1), and a material such as AlGaN or AlN is preferably used. it can. Also, the method for forming the buffer layer 12 is not particularly limited, and any method conventionally used in this field, such as MOCVD or reactive sputtering, can be employed without any limitation.
In addition, as a material constituting the buffer layer 12, a material having the same crystal structure as that of the group III nitride semiconductor laminated on the buffer layer 12 can be used, and the length of the lattice is an underlayer 13 described later. Those close to the III-nitride semiconductor constituting are preferable.

バッファ層12の膜厚は、特に限定されないが、0.1〜5μm以下の範囲とされていることが好ましい。バッファ層12の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な結晶性及び配向性を有したバッファ層が得られる。
バッファ層12の膜厚が0.1μm未満だと、結晶性が充分でなく、後述する領域Rにおける結晶性が低下し、その後の下地層13の横方向へのELO成長に影響を与える虞がある。また、5μmを超える膜厚でバッファ層12を形成した場合、クラックや反り、表面平坦性の劣化等が生じ易くなるので好ましくない。バッファ層12の膜厚を上記範囲内とすることにより、結晶性の良好な層が得られるとともに、クラックや反り等が低減できる点で好ましく、バッファ層12の膜厚は、1〜2μmの範囲とされていることがより好ましい。
The film thickness of the buffer layer 12 is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 5 μm or less. By setting the film thickness of the buffer layer 12 within this range, a buffer layer having good crystallinity and orientation can be obtained.
If the film thickness of the buffer layer 12 is less than 0.1 μm, the crystallinity is not sufficient, the crystallinity in the region R described later is lowered, and there is a possibility of affecting the subsequent ELO growth in the lateral direction of the underlayer 13. is there. Further, when the buffer layer 12 is formed with a film thickness exceeding 5 μm, it is not preferable because cracks, warpage, surface flatness deterioration, and the like are likely to occur. By setting the film thickness of the buffer layer 12 within the above range, a layer having good crystallinity is obtained, and it is preferable in that cracks and warpage can be reduced. The film thickness of the buffer layer 12 is in the range of 1 to 2 μm. More preferably.

『半導体層』
図1(a)の模式断面図に示すように、本実施形態の発光素子1は、基板11上に、上述のようなバッファ層12を介して、III族窒化物系半導体からなり、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16から構成される半導体層20が積層されてなる。また、図示例では、下地層(ELO成長層)13がバッファ層12上に積層されている。
また、図示例においては、半導体層20において、発光層15とp型半導体層16との間に電流狭窄層17が形成されている。
"Semiconductor layer"
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1A, the light-emitting element 1 of the present embodiment is made of a group III nitride semiconductor on a substrate 11 with a buffer layer 12 as described above, and is n-type. A semiconductor layer 20 including a semiconductor layer 14, a light emitting layer 15, and a p-type semiconductor layer 16 is laminated. In the illustrated example, an underlayer (ELO growth layer) 13 is stacked on the buffer layer 12.
In the illustrated example, in the semiconductor layer 20, a current confinement layer 17 is formed between the light emitting layer 15 and the p-type semiconductor layer 16.

III族窒化物半導体としては、例えば、一般式AlGaIn1−A(式中、0≦J≦1、0≦K≦1、0≦Z≦1であり、且つ、J+K+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて上記一般式AlGaIn1−A(式中、0≦J≦1、0≦K≦1、0≦Z≦1であり、且つ、J+K+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。 Examples of the group III nitride semiconductor include, for example, a general formula Al J Ga K In ZN 1-A M A (where 0 ≦ J ≦ 1, 0 ≦ K ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1, and J + K + Z = 1, symbol M represents a group V element different from nitrogen (N), and 0 ≦ A <1.) Many gallium nitride compound semiconductors are known. In addition, including the well-known gallium nitride compound semiconductor, the above general formula Al J Ga K In ZN 1-A M A (where 0 ≦ J ≦ 1, 0 ≦ K ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1) , And J + K + Z = 1. Symbol M represents a Group V element different from nitrogen (N), and 0 ≦ A <1). .

窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができる。   The gallium nitride-based compound semiconductor can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In.

「下地層(ELO成長層)」
下地層13は、上述したようなエピタキシャル膜成長用の基板11上に形成されたバッファ層12上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からELO成長されてなる層であり、従来公知のMOVPE法やCVD法等を用いて形成することができる。また、本実施形態の下地層13は、バッファ層12上に形成された、炭素材料からなるELO用マスクパターン50(図2を参照)を用いて形成されたものである。
"Underlayer (ELO growth layer)"
The underlayer 13 is a layer formed by ELO growth from Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) on the buffer layer 12 formed on the substrate 11 for epitaxial film growth as described above. It can be formed using a conventionally known MOVPE method, CVD method or the like. The underlayer 13 of the present embodiment is formed using an ELO mask pattern 50 (see FIG. 2) made of a carbon material and formed on the buffer layer 12.

(組成及び膜厚)
下地層13の材料としては、一般式AlGa1−XN(0<X≦1)で表される組成のものが用いられる。
即ち、下地層13は、図2に示すように、ELO用マスクパターン50の上面50a、及びバッファ層12の表面12aのELO用マスクパターン50によって被覆されていない領域R上に積層されて形成されている。そして、本実施形態では、ELO用マスクパターン50が炭素材料から形成されているため、下地層13がAlを含有する組成を有しているにも関わらず、ELO用マスクパターン50上に多結晶層が成長することがない。これにより、ELO用マスクパターン50上でAlGa1−xN(0<x≦1)が充分に横方向成長するとともに、表面13fが平坦であり、結晶性の良好な下地層13が形成される。
(Composition and film thickness)
The material of the underlying layer 13, the general formula Al X Ga 1-X N ones (0 <X ≦ 1) represented by the composition is used.
That is, as shown in FIG. 2, the underlayer 13 is formed by being laminated on the upper surface 50a of the ELO mask pattern 50 and the region R not covered with the ELO mask pattern 50 on the surface 12a of the buffer layer 12. ing. In this embodiment, since the ELO mask pattern 50 is formed of a carbon material, the polycrystalline layer is formed on the ELO mask pattern 50 even though the underlayer 13 has a composition containing Al. The layer never grows. As a result, Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) grows sufficiently in the lateral direction on the ELO mask pattern 50, and the surface layer 13f is flat and the underlying layer 13 having good crystallinity is formed. Is done.

下地層13の膜厚としては、該下地層13の表面13fが平坦となるために必要な厚さであれば良く、特に限定されないが、2〜50μmの範囲であることが好ましく、5〜20μmの範囲であることがより好ましい。下地層13の膜厚がこの範囲であれば、表面13fの平坦性に優れた下地層13が得られる。下地層13の膜厚が2μm未満だと、一般にELO成長において用いる数μm〜十数μmの幅(ピッチ)のマスク全体を覆いきれない虞がある。また、下地層13の膜厚が50μmを超えると、マスクを覆った後の膜厚が厚くなり、表面13fの平坦性が低下する虞がある。   The film thickness of the underlayer 13 is not particularly limited as long as it is a thickness necessary for the surface 13f of the underlayer 13 to be flat, and is preferably in the range of 2 to 50 μm, preferably 5 to 20 μm. More preferably, it is the range. If the film thickness of the underlayer 13 is within this range, the underlayer 13 having excellent flatness of the surface 13f can be obtained. If the film thickness of the underlayer 13 is less than 2 μm, the entire mask having a width (pitch) of several μm to several tens of μm generally used in ELO growth may not be covered. On the other hand, if the film thickness of the underlayer 13 exceeds 50 μm, the film thickness after covering the mask increases, and the flatness of the surface 13 f may be lowered.

下地層13は、必要に応じて、n型不純物が1×1017〜1×1019個/cmの範囲内でドーピングされた構成としても良いが、アンドープ(<1×1017個/cm)の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。また、基板が導電性である場合には、下地層13にn型不純物をドーピングして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することも可能となる。 The underlayer 13 may have a configuration in which n-type impurities are doped in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 atoms / cm 3 as necessary, but undoped (<1 × 10 17 atoms / cm 3). 3 ), and undoped is preferable in that good crystallinity can be maintained. When the substrate is conductive, it is possible to form electrodes on and under the light emitting element by doping the base layer 13 with an n-type impurity to make it conductive.

(ELO用マスクパターン)
本実施形態の下地層13は、上述したように、バッファ層12上に形成された炭素材料からなるELO用マスクパターン50(図2を参照)を用いて形成される。
本実施形態のELO用マスクパターン50は、バッファ層12上に積層された炭素材料膜が所定の形状にパターニングされてなるものである。ELO用マスクパターン50に用いられる炭素材料としては、例えば、黒鉛(グラファイト)、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、カーボンナノチューブ、フラーレン等を用いることができ、適宜採用することが可能であるが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、III族窒化物からなるバッファ層12上に緻密な炭素膜を形成できる材料であれば良い。
(Mask pattern for ELO)
As described above, the base layer 13 of this embodiment is formed using the ELO mask pattern 50 (see FIG. 2) made of a carbon material formed on the buffer layer 12.
The ELO mask pattern 50 of this embodiment is formed by patterning a carbon material film laminated on the buffer layer 12 into a predetermined shape. As the carbon material used for the ELO mask pattern 50, for example, graphite (graphite), amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon (DLC), carbon nanotube, fullerene, and the like can be used, and can be appropriately employed. However, the material is not particularly limited to these materials, and any material that can form a dense carbon film on the buffer layer 12 made of group III nitride may be used.

ELO用マスクパターン50の膜厚は、特に限定されないが、例えば、10nm以上500nm以下の範囲であることが好ましく、50nm以上200nm以下の範囲であることがより好ましい。なお、AlGa1−xN(0<x≦1)からなる下地層13の成長は、GaNよりも横方向への結晶成長が遅いことから、ELO用マスクパターン50の膜厚は、膜質が維持できる範囲内で選択されることが好ましい。 The film thickness of the ELO mask pattern 50 is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 nm to 500 nm, for example, and more preferably in the range of 50 nm to 200 nm. Since the growth of the base layer 13 made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) is slower in the lateral growth than GaN, the film thickness of the ELO mask pattern 50 is the film quality. Is preferably selected within a range that can be maintained.

ELO用マスクパターン50のパターン形状は、図2に示すように、下地層13の表面13fが平坦となるような形状であれば、特に限定されない。また、ELO用マスクパターン50のパターン形状には、ストライプ状、島状、格子状等の任意の形状を用いることが可能である。   The pattern shape of the ELO mask pattern 50 is not particularly limited as long as the surface 13f of the base layer 13 is flat as shown in FIG. Further, as the pattern shape of the ELO mask pattern 50, an arbitrary shape such as a stripe shape, an island shape, or a lattice shape can be used.

(下地層の結晶転位密度)
下地層13の表面13fには、図2の模式断面図に示すように、結晶転位密度が低い領域Sと結晶転位密度が高い領域とがELO用マスクパターン50の形状に応じて、所定の間隔で交互に配置されるように形成されている。また、上述の領域Sには、会合線Lが形成されている。すなわち、ELO法による結晶成長では、炭素材料からなるELO用マスクパターン50の上面50aからはAlGa1−xN(0<x≦1)が成長しないため、ELO用マスクパターン50で被覆されていないバッファ層12上の領域Rから成長したAlGa1−xN(0<x≦1)が、当該ELO用マスクパターン50の上面50aにおいて横方向へと成長する。これにより、下地層13の表面13fにおいて、垂直方向の貫通転位が抑制された領域Sが得られる。
(Underlayer crystal dislocation density)
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, the surface 13 f of the underlayer 13 includes a region S having a low crystal dislocation density and a region having a high crystal dislocation density at a predetermined interval according to the shape of the ELO mask pattern 50. Are arranged alternately. In addition, the meeting line L is formed in the region S described above. That is, in the crystal growth by the ELO method, since Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) does not grow from the upper surface 50a of the ELO mask pattern 50 made of a carbon material, it is covered with the ELO mask pattern 50. Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) grown from the region R on the buffer layer 12 that has not been grown grows laterally on the upper surface 50 a of the ELO mask pattern 50. Thereby, the region S in which the threading dislocation in the vertical direction is suppressed is obtained on the surface 13f of the underlayer 13.

下地層13における会合線Lは、上述の領域Sに出現する。これは、ELO用マスクパターン50の上面50aの左右から横方向に成長してきたELO成長層(下地層13)が出会うことで、貫通転位からなる会合線Lが形成されるためである。   The meeting line L in the foundation layer 13 appears in the region S described above. This is because an association line L composed of threading dislocations is formed when the ELO growth layer (underlayer 13) grown laterally from the left and right of the upper surface 50a of the ELO mask pattern 50 meets.

これに対して、結晶転位密度が高い領域は、下地層13の表面13fであってマスクパターン50に被覆されていないバッファ層12上の領域Rの垂直方向上方に形成されている。そして、結晶転位密度が高い領域には、垂直方向への貫通転位が形成されている。これは、領域Rの垂直方向上方では、下地層13が垂直方向に成長するので、結晶欠陥が垂直方向に伝播して貫通転位が形成されるためである。   On the other hand, the region having a high crystal dislocation density is formed on the surface 13f of the base layer 13 and vertically above the region R on the buffer layer 12 not covered with the mask pattern 50. In the region where the crystal dislocation density is high, threading dislocations in the vertical direction are formed. This is because the underlying layer 13 grows in the vertical direction above the region R, and crystal defects propagate in the vertical direction to form threading dislocations.

本実施形態の下地層13は、ELO用マスクパターン50を用いてバッファ層12上に形成されることで、上述したような作用により、表面13f付近の結晶転位密度が低減され、また、結晶性に優れた層となる。   By forming the underlayer 13 of the present embodiment on the buffer layer 12 using the ELO mask pattern 50, the crystal dislocation density in the vicinity of the surface 13f is reduced by the action as described above, and the crystallinity is increased. Excellent layer.

なお、図2に示す例の下地層13は、ELO用マスクパターン50がバッファ層12と下地層13との間に残存しているが、本実施形態ではこれには限定されない。例えば、下地層の成膜条件の他、ELO用マスクパターンの炭素材料や膜厚等を適宜調整することにより、ELO用マスクパターンがバッファ層と下地層との間に残存していない構成とすることも可能である。   2, the ELO mask pattern 50 remains between the buffer layer 12 and the base layer 13, but the present embodiment is not limited to this. For example, by appropriately adjusting the carbon material and film thickness of the ELO mask pattern in addition to the film formation conditions for the base layer, the ELO mask pattern does not remain between the buffer layer and the base layer. It is also possible.

また、本実施形態では、基板11上に設けられたバッファ層12上にELO用マスクパターン50を形成し、バッファ層12上の領域Rから下地層13がELO成長されてなる例を説明しているが、これには限定されない。例えば、基板11上に形成されたELO用マスクパターンを用いて、バッファ層を介さず、基板上に直接下地層を形成することも可能である。   In the present embodiment, an example in which the ELO mask pattern 50 is formed on the buffer layer 12 provided on the substrate 11 and the base layer 13 is ELO grown from the region R on the buffer layer 12 will be described. However, it is not limited to this. For example, using the ELO mask pattern formed on the substrate 11, it is possible to directly form the base layer on the substrate without using the buffer layer.

「n型半導体層」
n型半導体層14は、通常、前記下地層(ELO成長層)13上に形成され、n型コンタクト層14a及びn型クラッド層14bから構成される。
"N-type semiconductor layer"
The n-type semiconductor layer 14 is usually formed on the base layer (ELO growth layer) 13 and is composed of an n-type contact layer 14a and an n-type cladding layer 14b.

{n型コンタクト層}
本実施形態のn型コンタクト層14aはIII族窒化物半導体からなり、例えば、MOCVD法や反応性スパッタ法等の方法により、下地層13上に積層して成膜される。
n型コンタクト層14aの材質としては、例えば、下地層13と同様にAlGa1−xN(0<x≦1)からなる組成とすることができる。また、n型コンタクト層14aは、n型不純物がドーピングされていることが好ましく、n型不純物の含有量を適正範囲に制御することにより、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で効果がある。
{N-type contact layer}
The n-type contact layer 14a of the present embodiment is made of a group III nitride semiconductor, and is deposited on the base layer 13 by a method such as MOCVD or reactive sputtering.
As a material of the n-type contact layer 14a, for example, a composition made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) can be used as in the case of the base layer 13. The n-type contact layer 14a is preferably doped with an n-type impurity. By controlling the content of the n-type impurity within an appropriate range, it is possible to maintain good ohmic contact with the negative electrode and suppress the generation of cracks. This is effective in maintaining good crystallinity.

また、n型コンタクト層14aの膜厚が、1〜5μmの範囲であることが好ましく、2〜3μmの範囲であることがより好ましい。下地層13の膜厚を上記範囲とし、また、n型コンタクト層14aの膜厚をこの範囲とすることにより、III族窒化物半導体の結晶性が良好に維持される。図1に示す例のような、上面側に正極18及び負極19を有する構造の発光素子1では、電流がn型コンタクト層14aを横方向(面内方向)に流れるので、n型コンタクト層14aの膜厚が薄すぎると抵抗が高くなる。しかしながら、n型コンタクト層14aが厚すぎると、このn型コンタクト層14aの上部に電流が集中してしまうため、所定以上の膜厚は不要であり、具体的には上記範囲とすることが好ましい。   Further, the film thickness of the n-type contact layer 14a is preferably in the range of 1 to 5 μm, and more preferably in the range of 2 to 3 μm. By setting the thickness of the underlayer 13 within the above range and the thickness of the n-type contact layer 14a within this range, the crystallinity of the group III nitride semiconductor is maintained well. In the light emitting element 1 having a structure having the positive electrode 18 and the negative electrode 19 on the upper surface side as in the example shown in FIG. 1, the current flows in the lateral direction (in-plane direction) through the n-type contact layer 14a. If the film thickness is too thin, the resistance increases. However, if the n-type contact layer 14a is too thick, the current concentrates on the n-type contact layer 14a. Therefore, a film thickness greater than a predetermined thickness is not necessary, and specifically, it is preferably within the above range. .

{n型クラッド層}
上述のn型コンタクト層14aと詳細を後述する発光層15との間には、n型クラッド層14bが設けられる。n型クラッド層14bを設けることにより、負極19側から注入された電子を効率的に発光層15内に閉じ込め、また、本実施形態の発光素子1をレーザダイオードに適用した場合には、n型クラッド層14bが、光を閉じ込めるための導波路層の役目を果たす。
n型クラッド層14bは、MOCVD法等の方法を用いて、例えば、AlGaN等から成膜することが可能である。
{N-type cladding layer}
An n-type cladding layer 14b is provided between the above-described n-type contact layer 14a and the light emitting layer 15 described in detail later. By providing the n-type cladding layer 14b, electrons injected from the negative electrode 19 side are efficiently confined in the light-emitting layer 15, and when the light-emitting device 1 of this embodiment is applied to a laser diode, the n-type cladding layer 14b is n-type. The clad layer 14b serves as a waveguide layer for confining light.
The n-type cladding layer 14b can be formed from, for example, AlGaN using a method such as MOCVD.

n型クラッド層14bの膜厚は、特に限定されないが、20〜200nmの範囲とすることが好ましく、50〜150nmの範囲とすることがより好ましい。
また、n型クラッド層14bにもn型不純物がドーピングされていることが好ましく、n型不純物の含有量を適正範囲に制御することにより、III族窒化物半導体の良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で効果がある。
The film thickness of the n-type cladding layer 14b is not particularly limited, but is preferably in the range of 20 to 200 nm, and more preferably in the range of 50 to 150 nm.
The n-type cladding layer 14b is also preferably doped with an n-type impurity. By controlling the content of the n-type impurity within an appropriate range, it is possible to maintain good crystallinity of the group III nitride semiconductor and to emit light. This is effective in reducing the operating voltage of the element.

なお、本実施形態では、n型クラッド層14b上に、さらに、図示略のn型電子閉じ込め層を形成することが、負極19側から注入された電子を、より効率的に発光層15内に閉じ込めることが可能となる点から、さらに好ましい。   In the present embodiment, an n-type electron confinement layer (not shown) is further formed on the n-type cladding layer 14b, so that electrons injected from the negative electrode 19 side can be more efficiently introduced into the light emitting layer 15. It is further preferable from the viewpoint that it can be confined.

「発光層」
発光層15は、n型半導体層14上に積層されるとともに、後述のp型半導体層16がその上に積層される層であり、従来公知のMOCVD法等を用いて成膜することができる。また、発光層15は、図1に示す例のように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層15aと、井戸層15bとが交互に繰り返して積層されてなる構成とすることができる。図示例においては、n型半導体層14側及びp型半導体層16側に障壁層15aが配される順で積層され、障壁層15aが計4層、井戸層15bが計3層の、所謂、多重量子井戸構造(MQW:multiple−quantum well)を有する発光層として形成されている。
"Light emitting layer"
The light emitting layer 15 is laminated on the n-type semiconductor layer 14 and a p-type semiconductor layer 16 to be described later, and can be formed by using a conventionally known MOCVD method or the like. . Further, the light emitting layer 15 can be configured such that a barrier layer 15a made of a gallium nitride compound semiconductor and a well layer 15b are alternately and repeatedly stacked as in the example shown in FIG. In the illustrated example, the barrier layer 15a is stacked in the order in which the barrier layer 15a is disposed on the n-type semiconductor layer 14 side and the p-type semiconductor layer 16 side, the barrier layer 15a is a total of four layers, and the well layer 15b is a total of three layers, so-called It is formed as a light emitting layer having a multiple quantum well (MQW) structure.

障壁層15aとしては、例えば、井戸層15bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlGa1−cN等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層15bには、AlGa1−dN(0≦d<c)、又は、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
The barrier layer 15a, for example, a gallium nitride compound semiconductor of Al c Ga or the like 1-c N band gap energy greater than that of the well layer 15b, can be suitably used.
In addition, the well layer 15b includes, for example, Ga 1-s In s N (0 <s <) as Al d Ga 1-d N (0 ≦ d <c) or a gallium nitride compound semiconductor containing indium. Indium gallium nitride such as 0.4) can be used.

発光層15全体の膜厚としては、特に限定されないが、例えば、10〜100nmの範囲であることが好ましく、30〜50nmの範囲であることがより好ましい。発光層15の膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。   Although it does not specifically limit as a film thickness of the light emitting layer 15 whole, For example, it is preferable that it is the range of 10-100 nm, and it is more preferable that it is the range of 30-50 nm. When the film thickness of the light emitting layer 15 is in the above range, it contributes to the improvement of the light emission output.

「p型半導体層」
p型半導体層16は、上述した発光層15の上、つまり最上層の障壁層15aの上に形成され、p型電子ブロック層10、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bから構成され、例えば、MOCVD法を用いて形成される。
また、本実施形態のp型半導体層16は、p型電子ブロック層10上の所定の位置に、詳細を後述する電流狭窄層17が形成されている。これにより、p型半導体層16は、電流狭窄層17の上面17a上、及びp型電子ブロック層10上において電流狭窄層17が形成されていない領域Tにp型クラッド層16aが形成され、所謂インナーストライプ構造として形成されている。
"P-type semiconductor layer"
The p-type semiconductor layer 16 is formed on the light emitting layer 15 described above, that is, on the uppermost barrier layer 15a, and includes the p-type electron block layer 10, the p-type cladding layer 16a, and the p-type contact layer 16b. For example, it is formed using the MOCVD method.
In the p-type semiconductor layer 16 of this embodiment, a current confinement layer 17, which will be described in detail later, is formed at a predetermined position on the p-type electron block layer 10. As a result, the p-type semiconductor layer 16 has a so-called p-type cladding layer 16a formed on the upper surface 17a of the current confinement layer 17 and in the region T where the current confinement layer 17 is not formed on the p-type electron block layer 10. It is formed as an inner stripe structure.

p型半導体層16は、導電性をp型に制御するためのp型不純物が添加されてなり、このようなp型不純物としては、特に限定されないが、Mgを用いることが好ましく、また、同様にZnを用いることも可能である。
また、p型半導体層16全体の膜厚は、特に限定されないが、レーザ構造を採用する場合には、200〜800nmの範囲であることが好ましく、300〜500nmの範囲であることがより好ましい。また、p型半導体層16全体の膜厚は、LED構造を採用する場合には、10〜200nmの範囲であることが好ましく、20〜100nmの範囲であることがより好ましい。
The p-type semiconductor layer 16 is added with a p-type impurity for controlling the conductivity to be p-type. The p-type impurity is not particularly limited, but Mg is preferably used. It is also possible to use Zn.
Moreover, although the film thickness of the whole p-type semiconductor layer 16 is not specifically limited, When employ | adopting a laser structure, it is preferable that it is the range of 200-800 nm, and it is more preferable that it is the range of 300-500 nm. Moreover, when employ | adopting LED structure, it is preferable that the film thickness of the whole p-type semiconductor layer 16 is the range of 10-200 nm, and it is more preferable that it is the range of 20-100 nm.

{p型電子ブロック層}
p型電子ブロック層10の材料としては、発光層15のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、且つ、発光層15へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、例えば、一般式AlGa1−dN(0<d≦1、好ましくは0.1≦d≦0.8)で表されるものが挙げられる。ここで、上記一般式中のAlNのモル分率dとしては、この数値が大きくなると電子のオーバーフロー抑制効果が大きくなるものの、電気抵抗も大きくなることから、発光層15の組成との関係で適切な数値があるので、成膜の際の組成を適宜調整することが好ましい。
{P-type electron blocking layer}
The material of the p-type electron blocking layer 10 is not particularly limited as long as it has a composition larger than the band gap energy of the light emitting layer 15 and can confine carriers in the light emitting layer 15. Examples thereof include those represented by Al d Ga 1-d N (0 <d ≦ 1, preferably 0.1 ≦ d ≦ 0.8). Here, as the molar fraction d of AlN in the above general formula, if this value is increased, the effect of suppressing the overflow of electrons increases, but the electrical resistance also increases, so that it is appropriate in relation to the composition of the light emitting layer 15. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the composition during film formation.

{p型クラッド層}
p型クラッド層16aは、本実施形態の発光素子1をレーザダイオードに適用した場合に、導波路の働きをする層である。このような、レーザダイオードの導波路としての膜厚は、光の閉じ込め効果が充分に発揮できる厚さとする必要があるが、膜厚が厚すぎると電気抵抗が大きくなり、発光効率が低下する虞がある。このため、p型クラッド層16aの膜厚は、200〜800nmの範囲であることが好ましく、300〜500nmの範囲であることがより好ましい。
また、p型クラッド層16aとしては、発光層15よりも屈折率小さいものであることが必要であり、通常、発光層15よりもAlNのモル分率が大きなAlGaNを用いる。このような材料としては、例えば、一般式AlGa1−dN(0<d≦1、好ましくは0.1≦d≦0.7)で表されるものが挙げられる。
{P-type cladding layer}
The p-type cladding layer 16a is a layer that functions as a waveguide when the light-emitting element 1 of the present embodiment is applied to a laser diode. The film thickness as the waveguide of the laser diode needs to be a thickness that can sufficiently exhibit the light confinement effect. However, if the film thickness is too thick, the electrical resistance may increase and the light emission efficiency may decrease. There is. For this reason, the film thickness of the p-type cladding layer 16a is preferably in the range of 200 to 800 nm, and more preferably in the range of 300 to 500 nm.
Further, the p-type cladding layer 16 a needs to have a refractive index smaller than that of the light emitting layer 15, and usually AlGaN having a larger AlN molar fraction than the light emitting layer 15 is used. Examples of such a material include those represented by the general formula Al d Ga 1-d N (0 <d ≦ 1, preferably 0.1 ≦ d ≦ 0.7).

また、p型クラッド層16aにp型不純物を添加することによって得られるp型ドーパント濃度を適正範囲に制御することにより、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られるという効果がある。   Further, by controlling the p-type dopant concentration obtained by adding the p-type impurity to the p-type cladding layer 16a within an appropriate range, there is an effect that a good p-type crystal can be obtained without reducing the crystallinity. .

{p型コンタクト層}
p型コンタクト層16bとしては、少なくともAlGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。
p型コンタクト層16bの膜厚は、特に限定されないが、10〜200nmの範囲であることが好ましく、20〜100nmの範囲であることがより好ましい。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
{P-type contact layer}
The p-type contact layer 16b includes at least Al e Ga 1-e N (0 ≦ e <0.5, preferably 0 ≦ e ≦ 0.2, more preferably 0 ≦ e ≦ 0.1). This is a gallium nitride compound semiconductor layer. When the Al composition is in the above range, it is preferable in terms of maintaining good crystallinity and good ohmic contact with the p ohmic electrode.
Although the film thickness of the p-type contact layer 16b is not specifically limited, It is preferable that it is the range of 10-200 nm, and it is more preferable that it is the range of 20-100 nm. When the film thickness is within this range, it is preferable in terms of light emission output.

また、p型コンタクト層16bにp型不純物を添加することによって得られるp型ドーパント濃度を適性範囲に制御することにより、正極との良好なオーミック接触の維持やクラック発生の防止、良好な結晶性の維持等の点で効果が得られる。   Further, by controlling the p-type dopant concentration obtained by adding p-type impurities to the p-type contact layer 16b within an appropriate range, it is possible to maintain good ohmic contact with the positive electrode, prevent cracks, and have good crystallinity. The effect can be obtained in terms of maintenance.

なお、本実施形態では、発光層15上に、さらに、図示略のp型電子閉じ込め層を形成することが、正極18側から注入された正孔を、より効率的に発光層15内に閉じ込めることが可能となる点からより好ましい。   In the present embodiment, a p-type electron confinement layer (not shown) is further formed on the light emitting layer 15 to confine holes injected from the positive electrode 18 side more efficiently in the light emitting layer 15. It is more preferable from the point that it becomes possible.

「電流狭窄層」
本実施形態の発光素子1は、図1(a)、(b)に示す例のように、p型半導体層16の内部の少なくとも一部に電流狭窄層17を設けた構成とすることができ、図示例では、p型電子ブロック層10上において領域Tを除いた全面に電流狭窄層17が形成されている。また、障壁層15b上において、電流狭窄層17に形成された貫通部17bに対応する位置が、上記領域Tとされている。また、本実施形態では、上記領域Tが、発光素子1の上下方向(図1(a)の縦長方向)において、バッファ層12上のELO用マスクパターン50上に位置するように配されている。
上記構成により、発光素子1は、インナーストライプ構造のレーザダイオードとして構成されている。
"Current confinement layer"
The light-emitting element 1 of the present embodiment can be configured such that the current confinement layer 17 is provided in at least a part of the inside of the p-type semiconductor layer 16 as in the example shown in FIGS. In the illustrated example, a current confinement layer 17 is formed on the entire surface of the p-type electron blocking layer 10 except for the region T. The position corresponding to the through portion 17b formed in the current confinement layer 17 is the region T on the barrier layer 15b. Further, in the present embodiment, the region T is arranged so as to be positioned on the ELO mask pattern 50 on the buffer layer 12 in the vertical direction of the light emitting element 1 (vertically long direction in FIG. 1A). .
With the above configuration, the light emitting element 1 is configured as a laser diode having an inner stripe structure.

また、本実施形態の電流狭窄層17は、後述の製造方法の説明において詳しく説明するが、p型電子ブロック層10上に形成された炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60(図7(d)を参照)を用いて形成されたものである。   Further, the current confinement layer 17 of the present embodiment will be described in detail in the description of the manufacturing method described later, but a constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material formed on the p-type electron block layer 10 (FIG. 7D). ))).

電流狭窄層17の材質としては、例えば、AlN等、インナーストライプ構造の発光素子において、一般に用いられている材料を何等制限無く用いることができる。   As a material of the current confinement layer 17, for example, a generally used material in an inner stripe structure light emitting element such as AlN can be used without any limitation.

{インナーストライプ構造}
上述したように、本実施形態の発光素子1は、p型半導体層16の内部に設けられた電流狭窄層17により、インナーストライプ構造のレーザダイオードとして構成されている。また、発光層15とp型半導体層16との間は、電流狭窄層17に形成された貫通部17bを通じて接続されている。
{Inner stripe structure}
As described above, the light-emitting element 1 of this embodiment is configured as a laser diode having an inner stripe structure by the current confinement layer 17 provided inside the p-type semiconductor layer 16. In addition, the light emitting layer 15 and the p-type semiconductor layer 16 are connected through a through portion 17 b formed in the current confinement layer 17.

このように、発光層15の上のp型電子ブロック層10上に電流狭窄層17を設けることにより、発光層15中の狭い領域に電流を効果的に閉じ込めることができるので、発光層15における電流密度が向上する等の効果が得られる。また、インナーストライプ構造とすることにより、p型コンタクト層16bと後述の正極18との接触面積を大きくすることができるので、例えば、p型コンタクト16cの抵抗率が高い場合であっても、p型コンタクト16cの上部、つまり正極18と接する上面近傍において電流が拡散される。これにより、p型コンタクト層16bと正極18との間のコンタクト抵抗を低減できるという効果が得られ、ひいては、発光素子1の発光特性が向上するという効果が得られるものである。   Thus, by providing the current confinement layer 17 on the p-type electron block layer 10 on the light emitting layer 15, current can be effectively confined in a narrow region in the light emitting layer 15. Effects such as improvement in current density can be obtained. Moreover, since the contact area between the p-type contact layer 16b and the positive electrode 18 described later can be increased by adopting the inner stripe structure, for example, even when the resistivity of the p-type contact 16c is high, p Current is diffused in the upper part of the mold contact 16 c, that is, in the vicinity of the upper surface in contact with the positive electrode 18. As a result, an effect that the contact resistance between the p-type contact layer 16b and the positive electrode 18 can be reduced is obtained, and as a result, an effect that the light emission characteristics of the light emitting element 1 are improved is obtained.

本実施形態の電流狭窄層17は、図1(a)に示す例のように、p型電子ブロック層10上における領域T、つまり貫通部17bがバッファ層12上のELO用マスクパターン50上の位置に配することが好ましい。さらに、電流狭窄層17は、ELO用マスクパターン50上に配するとともに、図5(c)に示すような会合線Lの延長線上から外れるように配することがより好ましい。   The current confinement layer 17 of the present embodiment has a region T on the p-type electron block layer 10, that is, the through portion 17 b on the ELO mask pattern 50 on the buffer layer 12, as in the example shown in FIG. It is preferable to arrange at a position. Furthermore, it is more preferable that the current confinement layer 17 is disposed on the ELO mask pattern 50 so as to deviate from the extended line of the association line L as shown in FIG.

上述したように、ELO用マスクパターン50上の下地層13には、ELO用マスクパターン50上の面方向中心付近に、基板11側から垂直方向に向かう貫通転位からなる会合線Lが形成されている。本実施形態では、図1(a)に示す例のように、貫通部17b(領域T)の位置が会合線L(図5(c)も参照)の延長線上から外れるように、ELO用マスクパターン50の上面50aの縁部に近づけて配した構成としている。これにより、貫通部17b(領域T)に垂直方向で対応する位置の半導体層20は、転位が抑制された結晶によって構成される。これにより、発光層15に効果的に電流を閉じ込めることができるとともに、貫通部17b(領域T)の位置においては、正極18からの供給電流が貫通転位に逃げることが無く、発光層15における電流密度が向上する。これにより、発光層15における発光効率をより向上させることが可能となる。   As described above, in the underlayer 13 on the ELO mask pattern 50, an association line L composed of threading dislocations extending in the vertical direction from the substrate 11 side is formed in the vicinity of the center in the surface direction on the ELO mask pattern 50. Yes. In the present embodiment, as in the example shown in FIG. 1A, the ELO mask is arranged so that the position of the penetrating portion 17b (region T) deviates from the extended line of the meeting line L (see also FIG. 5C). The pattern 50 is arranged close to the edge of the upper surface 50a of the pattern 50. As a result, the semiconductor layer 20 at a position corresponding to the penetrating portion 17b (region T) in the vertical direction is composed of crystals in which dislocations are suppressed. As a result, current can be effectively confined in the light emitting layer 15, and the current supplied from the positive electrode 18 does not escape to threading dislocations at the position of the penetrating portion 17 b (region T), and the current in the light emitting layer 15. The density is improved. Thereby, the light emission efficiency in the light emitting layer 15 can be further improved.

ここで、従来のレーザダイオード等の発光素子においては、図10(b)に示すような、p型半導体層116の上に、電流の半導体層内部に閉じ込めるための層としてSiO又はSiNからなる絶縁層117が形成され、この絶縁層117に形成される貫通部117aを通じてp型半導体層116と正極118とが接続される構造が提案されている。しかしながら、このような場合、p型半導体層116と正極118との間が狭い狭窄部116cのみで接続される構成のため、これらの間のコンタクト抵抗が非常に高くなるので電流が流れ難くなり、レーザダイオードの発光特性が低下するという大きな問題があった。 Here, in a conventional light emitting element such as a laser diode, it is made of SiO 2 or SiN as a layer for confining current inside the semiconductor layer on the p-type semiconductor layer 116 as shown in FIG. There has been proposed a structure in which an insulating layer 117 is formed and the p-type semiconductor layer 116 and the positive electrode 118 are connected through a through portion 117 a formed in the insulating layer 117. However, in such a case, since the p-type semiconductor layer 116 and the positive electrode 118 are connected only by the narrow constriction portion 116c, the contact resistance between them becomes very high, so that it is difficult for current to flow. There has been a major problem that the light emission characteristics of the laser diode are degraded.

本実施形態では、上述のような、p型半導体層16の内部に電流狭窄層17が設けられたインナーストライプ構造とすることにより、電流の効果的な閉じ込めによる発光層15の発光強度の向上と、コンタクト抵抗の低減を同時に実現することができるので、優れた発光特性を有する発光素子(レーザダイオード)が得られる。
また、本実施形態では、後述の製造方法で詳しく説明するように、電流狭窄層17が、p型半導体層16の内部に形成された炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60(図7(d)を参照)を用いて形成されたものなので、高い加工精度で安定して製造することができ、形状及び結晶構造の安定した電流狭窄層とすることが可能であり、ひいては、発光素子の発光特性を向上させることが可能となる。
In the present embodiment, the inner stripe structure in which the current confinement layer 17 is provided inside the p-type semiconductor layer 16 as described above improves the light emission intensity of the light emitting layer 15 by effective current confinement. Since the contact resistance can be reduced at the same time, a light emitting element (laser diode) having excellent light emission characteristics can be obtained.
In the present embodiment, as will be described in detail in the manufacturing method described later, the current confinement layer 17 is a constriction layer mask pattern 60 (FIG. 7D) made of a carbon material formed inside the p-type semiconductor layer 16. )), It can be stably manufactured with high processing accuracy, and can be a current confinement layer having a stable shape and crystal structure. The characteristics can be improved.

『正極及び負極』
正極18は、上述のp型半導体層16(p型コンタクト層16b)上に形成される電極である。本実施形態の正極18は、上述したように、p型コンタクト層16bとの間で広い面積で接するように形成され、接触抵抗が低減するように構成されている。
正極18の材料としては、Au、Al、Ni及びCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
"Positive electrode and negative electrode"
The positive electrode 18 is an electrode formed on the p-type semiconductor layer 16 (p-type contact layer 16b) described above. As described above, the positive electrode 18 of the present embodiment is formed so as to be in contact with the p-type contact layer 16b over a wide area, and is configured to reduce contact resistance.
As the material of the positive electrode 18, various structures using Au, Al, Ni, Cu and the like are well known, and those known materials and structures can be used without any limitation.

負極19は、基板11上に、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16が順次積層された半導体層において、n型半導体層14のn型コンタクト層14aに接するように形成される。
このため、負極19を設ける際は、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14の一部を除去することにより、n型コンタクト層14aの露出領域14dを形成し、この上に負極19を形成する。
負極19の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
The negative electrode 19 is formed to be in contact with the n-type contact layer 14 a of the n-type semiconductor layer 14 in the semiconductor layer in which the n-type semiconductor layer 14, the light emitting layer 15, and the p-type semiconductor layer 16 are sequentially stacked on the substrate 11. The
For this reason, when the negative electrode 19 is provided, an exposed region 14d of the n-type contact layer 14a is formed by removing a part of the p-type semiconductor layer 16, the light emitting layer 15 and the n-type semiconductor layer 14, and on this, A negative electrode 19 is formed.
As the material of the negative electrode 19, negative electrodes having various compositions and structures are well known, and these known negative electrodes can be used without any limitation, and can be provided by conventional means well known in this technical field.

以上説明したような、本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子1によれば、エピタキシャル膜成長用の基板11上に形成されたバッファ層12上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有する下地層13が形成され、III族窒化物半導体からなるn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16が順次積層されており、下地層13が、バッファ層12上に形成された炭素材料からなるELO用マスクパターン50を用いて形成されたものなので、下地層13が良好にELO成長して結晶性に優れる層となり、その上に形成されるIII族窒化物半導体からなる各層の結晶性を向上させることが可能となる。これにより、発光特性に優れた発光素子1を実現できる。
本実施形態の発光素子1は、上記構成により、下地層13の表面13fに、結晶転位密度が低い領域Sが形成されるので、結晶性に優れた下地層13とすることができ、その上に形成され、III族窒化物半導体からなる各層の結晶性も優れたものとすることができる。
As described above, according to the group III nitride semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, Al X Ga 1-X N (0 <) is formed on the buffer layer 12 formed on the substrate 11 for epitaxial film growth. An underlayer 13 having a composition of X ≦ 1) is formed, an n-type semiconductor layer 14 made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer 15 and a p-type semiconductor layer 16 are sequentially stacked. Since it is formed using the ELO mask pattern 50 made of a carbon material formed on the buffer layer 12, the underlayer 13 is well grown by ELO to become a layer having excellent crystallinity, and III formed thereon It becomes possible to improve the crystallinity of each layer made of a group nitride semiconductor. Thereby, the light emitting element 1 excellent in the light emission characteristics can be realized.
In the light emitting device 1 of the present embodiment, the region S having a low crystal dislocation density is formed on the surface 13f of the base layer 13 with the above configuration, so that the base layer 13 having excellent crystallinity can be formed. The crystallinity of each layer formed of the group III nitride semiconductor can be made excellent.

また、本実施形態の発光素子1によれば、p型半導体層16の内部に上記構成の電流狭窄層17が備えられることにより、インナーストライプ構造のレーザダイオードとして構成され、また、電流狭窄層17が、炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を用いて形成されたものなので、高い加工精度で安定して製造することが可能となり、発光特性に優れた発光素子1が得られる。   In addition, according to the light emitting device 1 of the present embodiment, the current confinement layer 17 having the above-described configuration is provided in the p-type semiconductor layer 16 so that it is configured as an inner stripe structure laser diode. However, since it is formed using the constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material, it can be stably manufactured with high processing accuracy, and the light emitting device 1 having excellent light emission characteristics can be obtained.

また、本実施形態においては、主に、電流狭窄層17が備えられてなるレーザダイオードタイプの発光素子1を例に説明しているが、本実施形態の発光素子1に備えられる各種構造は、これには限定されない。例えば、本実施形態で説明する、基板11上のバッファ層12の上にELO用マスクパターン50を設け、このELO用マスクパターン50を用いて下地層13が成長されてなる構造は、例えば、LEDタイプの発光素子においても適用することが可能である。   In the present embodiment, the laser diode type light emitting element 1 provided with the current confinement layer 17 is mainly described as an example, but various structures provided in the light emitting element 1 of the present embodiment are as follows. This is not a limitation. For example, a structure in which an ELO mask pattern 50 is provided on the buffer layer 12 on the substrate 11 and the base layer 13 is grown using the ELO mask pattern 50 described in the present embodiment is, for example, an LED. The present invention can also be applied to a type of light emitting element.

本実施形態の発光素子は、上記各変形態様とした場合であっても、上記同様の効果を奏することが可能である。   Even if it is a case where it is a case where it is said each deformation | transformation aspect, the light emitting element of this embodiment can have the same effect as the above.

[III族窒化物半導体発光素子(レーザダイオード)の製造方法]
本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子(レーザダイオード)の製造方法は、エピタキシャル膜成長用の基板11上又は該基板11上に形成されたバッファ層(III族窒化物層)12上に、炭素材料からなるELO用マスクパターン50を形成するパターン形成工程と、ELO用マスクパターン50を用いてAlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有する下地層(ELO成長層)13を形成するELO成長工程と、下地層13上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層14を構成するn型コンタクト層14a、n型クラッド層14b、発光層15及びp型半導体層16を順次積層する半導体層形成工程とを備えた方法である。
また、本実施形態で説明する例においては、前記半導体層形成工程が、さらに、発光層15を形成し、この上にp型電子ブロック層10を形成した後、p型電子ブロック層16a上に炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を形成する小工程と、次いで、狭窄層用マスクパターン60を用いて、p型電子ブロック層10上に電流狭窄層17を形成する小工程とを含む方法としている。
[Method for Producing Group III Nitride Semiconductor Light-Emitting Device (Laser Diode)]
The manufacturing method of the group III nitride semiconductor light emitting device (laser diode) of this embodiment is performed on the substrate 11 for epitaxial film growth or on the buffer layer (group III nitride layer) 12 formed on the substrate 11. A pattern forming step of forming an ELO mask pattern 50 made of a carbon material, and an underlayer (ELO growth layer) having a composition made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) using the ELO mask pattern 50 ) 13 forming an ELO, and an n-type contact layer 14a, an n-type cladding layer 14b, a light emitting layer 15 and a p-type semiconductor constituting an n-type semiconductor layer 14 made of a group III nitride semiconductor on the underlayer 13 And a semiconductor layer forming step of sequentially stacking the layers 16.
In the example described in the present embodiment, the semiconductor layer forming step further forms the light emitting layer 15, forms the p-type electron blocking layer 10 thereon, and then forms the p-type electron blocking layer 16a on the p-type electron blocking layer 16a. A method including a small step of forming a constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material, and then a small step of forming the current confinement layer 17 on the p-type electron blocking layer 10 using the constriction layer mask pattern 60. It is said.

そして、本実施形態では、p型半導体層16上に正極18を積層するとともに、n型半導体層14のn型コンタクト層14aに形成された露出領域14dに負極19を積層して各電極を形成する工程が備えられている(図8(a)、(b)を参照)。
以下、本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法について詳述する。
In this embodiment, the positive electrode 18 is stacked on the p-type semiconductor layer 16, and the negative electrode 19 is stacked on the exposed region 14 d formed in the n-type contact layer 14 a of the n-type semiconductor layer 14 to form each electrode. (See FIGS. 8A and 8B).
Hereinafter, the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light emitting device of this embodiment will be described in detail.

<バッファ層の形成>
本実施形態の製造方法においては、まず、図3に示すように、基板11上にIII族窒化物からなるバッファ層12を積層して形成する。
バッファ層12の形成方法としては、特に限定されず、例えば、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、反応性スパッタ法等、この分野において従来公知の汎用的な結晶成長方法を採用することが可能である。また、バッファ層12をAlNから形成する場合には、昇華法や液相成長法等も採用することも可能である。
<Formation of buffer layer>
In the manufacturing method of the present embodiment, first, as shown in FIG. 3, a buffer layer 12 made of a group III nitride is stacked on a substrate 11.
The method for forming the buffer layer 12 is not particularly limited, and for example, a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, a reactive sputtering method, and the like that are conventionally known in this field. It is possible to employ a crystal growth method. Further, when the buffer layer 12 is formed of AlN, a sublimation method, a liquid phase growth method, or the like can also be employed.

<パターン形成工程>
次に、パターン形成工程においては、図4(a)〜図4(b)に示すように、基板11上に形成されたバッファ層12上に、炭素材料からなるELO用マスクパターン50を積層する。
<Pattern formation process>
Next, in the pattern forming step, as shown in FIGS. 4A to 4B, an ELO mask pattern 50 made of a carbon material is stacked on the buffer layer 12 formed on the substrate 11. .

具体的には、図4(a)に示すように、まず、バッファ層12の表面12a全体に、炭素材料からなる炭素膜50Aを、例えば、MOCVD等のCVD法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法、プラズマ分解蒸着法、熱分解蒸着法等、従来公知の汎用的な方法を用いて形成する。この際、炭素材料としては、上述したように、黒鉛(グラファイト)、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、カーボンナノチューブ、フラーレン等を適宜選択して用いることができる。   Specifically, as shown in FIG. 4A, first, a carbon film 50A made of a carbon material is applied to the entire surface 12a of the buffer layer 12, for example, a CVD method such as MOCVD, a sputtering method, or an ion beam evaporation method. It is formed using a conventionally known general-purpose method such as plasma decomposition vapor deposition method or thermal decomposition vapor deposition method. At this time, as described above, graphite (graphite), amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon (DLC), carbon nanotube, fullerene, and the like can be appropriately selected and used as the carbon material.

次いで、図4(b)に示すように、炭素膜50AをパターニングしてELO用マスクパターン50を形成する。炭素膜50Aのパターニング方法としては、特に限定されず、一般的なフォトリソ技術を採用することができる。例えば、先ず、炭素膜50A上に図示略のレジスト層を形成し、このレジスト層を露光現像して所定の形状に形成する。次に、レジスト層をマスクとして、炭素膜50Aをアッシング処理することで炭素膜50Aをパターニングする。最後に、上記レジスト層を汎用的な方法を用いて除去する。
以上のような工程により、III族窒化物からなるバッファ層12上に、炭素材料からなるELO用マスクパターン60を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the carbon film 50A is patterned to form an ELO mask pattern 50. The patterning method of the carbon film 50A is not particularly limited, and a general photolithography technique can be employed. For example, first, a resist layer (not shown) is formed on the carbon film 50A, and this resist layer is exposed and developed to form a predetermined shape. Next, the carbon film 50A is patterned by ashing the carbon film 50A using the resist layer as a mask. Finally, the resist layer is removed using a general-purpose method.
The ELO mask pattern 60 made of a carbon material is formed on the buffer layer 12 made of Group III nitride by the above-described steps.

<ELO成長工程>
次に、ELO成長工程においては、図5(a)〜(c)に示すように、バッファ層12上に、上記パターン形成工程において形成されたELO用マスクパターン50を用いて、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成の結晶をエピタキシャル成長させることにより、下地層(ELO成長層)13を積層する。
<ELO growth process>
Next, in the ELO growth step, as shown in FIGS. 5A to 5C, Al X Ga 1 is formed on the buffer layer 12 using the ELO mask pattern 50 formed in the pattern formation step. A base layer (ELO growth layer) 13 is stacked by epitaxially growing a crystal having a composition of -XN (0 <X≤1).

本実施形態において、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成の結晶をエピタキシャル成長させる方法としては、特に限定されず、例えば、有機金属化学的気相堆積法(MOVPE、MOCVD又はOMVPE等と略称される)、分子線エピタキシャル法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)等の気相成長法を採用することができる。なお、これらに例示した方法の中でも、MOVPE法を採用することが最も好ましい。 In the present embodiment, the method for epitaxially growing a crystal having a composition composed of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) is not particularly limited. For example, metal organic chemical vapor deposition (MOVPE, MOCVD) Or abbreviated as OMVPE or the like), molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), or the like. Among the methods exemplified above, it is most preferable to adopt the MOVPE method.

気相成長法は、液相法と比較してAlGaN混晶結晶を作製し易いために好ましい。さらに、MOVPE法は、HVPE法と比較して組成の制御が容易であり、MBE法と比較して大きな成長速度が得られるために好ましい。   The vapor phase growth method is preferable because an AlGaN mixed crystal can be easily produced as compared with the liquid phase method. Further, the MOVPE method is preferable because the composition can be easily controlled as compared with the HVPE method, and a large growth rate can be obtained as compared with the MBE method.

また、MOVPE法では、キャリアガスとして水素(H)又は窒素(N)を用いることができる。また、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、窒素源としてアンモニア(NH)またはヒドラジン(N)などを用いることができる。 In the MOVPE method, hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) can be used as a carrier gas. Further, trimethylgallium (TMG) or triethylgallium (TEG) as a Ga source which is a group III material, trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA) as an Al source, ammonia (NH 3 ) or hydrazine (N 2 as a nitrogen source) H 4 ) or the like can be used.

AlGa1−xN(0<x≦1)なる組成の結晶からなる下地層13は、MOVPE法による成長温度を1250℃以上として成長させることが好ましい。成長温度が1250℃以下だと、Al組成が高いAlGa1−xN(0<x≦1)の結晶品質が低下するためである。また、MOVPE法による下地層13の成長温度は、より好ましくは1300℃以上であり、さらに好ましくは1400℃以上である。上述のような1250℃以上という成長温度は、高融点且つ低蒸気圧物質であるAlNの最適成長温度に近いと考えられるとともに、アンモニアの分解、反応がより促進され、Alの表面マイグレーションも促進される点で好ましい。 The underlayer 13 made of a crystal having a composition of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) is preferably grown at a growth temperature of 1250 ° C. or higher by the MOVPE method. When the growth temperature took 1250 ° C. or less, the crystal quality of a high Al composition Al x Ga 1-x N ( 0 <x ≦ 1) is lowered. Further, the growth temperature of the underlayer 13 by the MOVPE method is more preferably 1300 ° C. or higher, and further preferably 1400 ° C. or higher. The growth temperature of 1250 ° C. or higher as described above is considered to be close to the optimum growth temperature of AlN, which is a high melting point and low vapor pressure substance, and ammonia decomposition and reaction are further promoted, and Al surface migration is also promoted. This is preferable.

また、MOVPE法による下地層13の成長速度は、生産性を向上させる観点から0.1μm/hr以上とすることが好ましく、より好ましくは1μm/hr以上であり、さらに好ましくは2μm/hr以上である。   In addition, the growth rate of the underlayer 13 by the MOVPE method is preferably 0.1 μm / hr or more, more preferably 1 μm / hr or more, and further preferably 2 μm / hr or more from the viewpoint of improving productivity. is there.

本実施形態のELO成長工程は、具体的には、まず、図5(a)に示すように、ELO用マスクパターン50が形成されていないバッファ層12上の領域Rに、AlGa1−xN(0<x≦1)からなる組成の結晶13Aをエピタキシャル成長させる。ここで、結晶成長初期において、結晶13Aの高さ(厚さ)がELO用マスクパターン50の高さ(厚さ)を超えない範囲では、結晶13Aの成長方向は、領域Rに対して垂直方向上向きとなる。また、エピタキシャル成長においては、結晶転位(結晶欠陥)は結晶成長方向に伝播するため、結晶転位の方向も領域Rに対して垂直方向上向きとなる。そして、結晶成長が進行して結晶13Aの高さがELO用マスクパターン50の高さを超えると、図5(a)に示すように、結晶13AのELO用マスクパターン50に近接した部分が、ELO用マスクパターン50の上面50a上に、横方向に向かうように成長(ラテラル成長)をはじめる。なお、図中の矢印は、結晶13Aの成長方向および結晶転位の伝播方向を示している。 Specifically, in the ELO growth process of the present embodiment, first, as shown in FIG. 5A, Al x Ga 1− is formed in the region R on the buffer layer 12 where the ELO mask pattern 50 is not formed. the x N crystal 13A of (0 <x ≦ 1) a composition is epitaxially grown. Here, in the initial stage of crystal growth, the growth direction of the crystal 13A is perpendicular to the region R as long as the height (thickness) of the crystal 13A does not exceed the height (thickness) of the ELO mask pattern 50. Upwards. In epitaxial growth, crystal dislocations (crystal defects) propagate in the crystal growth direction, so that the direction of crystal dislocation is also upward in the direction perpendicular to the region R. Then, when the crystal growth proceeds and the height of the crystal 13A exceeds the height of the ELO mask pattern 50, as shown in FIG. 5A, the portion close to the ELO mask pattern 50 of the crystal 13A is Growth (lateral growth) is started on the upper surface 50a of the ELO mask pattern 50 so as to extend in the lateral direction. The arrows in the figure indicate the growth direction of crystal 13A and the propagation direction of crystal dislocations.

そして、図5(b)に示すように、さらに結晶13Aが成長すると、ELO用マスクパターン50を挟んで隣接する結晶13A同士が当該ELO用マスクパターン50上で会合し、一体化して下地層(ELO成長層)13が形成される。この際、ELO用マスクパターン50上における結晶転位の方向は、図5(b)中に示す矢印のように、互いに対向するように横方向の向きとなっている。これにより、ELO用マスクパターン50上には、垂直方向への貫通転位が形成されない。また、ELO用マスクパターン50上には、隣接する結晶13A同士が会合して形成される貫通転位、即ち会合線Lが形成される。
なお、上述したELO法による結晶成長の初期段階、即ち、図5(a)から図5(b)への過程において、ELO用マスクパターン50の上面50aの上方には、結晶13Aの横方向への成長が十分でないために、会合線Lの近傍に一部空隙(ボイド)が発生する場合がある。しかしながら、このような空隙を伴って下地層13がELO成長した場合であっても、この空隙は結晶成長が進んだ段階、即ち図5(c)の段階には消失する。このため、充分に結晶成長した下地層13には、表面13f付近に空隙が存在することはない。
Then, as shown in FIG. 5B, when the crystal 13A further grows, the crystals 13A adjacent to each other with the ELO mask pattern 50 interposed therebetween are associated with each other on the ELO mask pattern 50 and integrated to form an underlayer ( ELO growth layer) 13 is formed. At this time, the direction of crystal dislocations on the ELO mask pattern 50 is in the horizontal direction so as to face each other as shown by arrows in FIG. As a result, no threading dislocations in the vertical direction are formed on the ELO mask pattern 50. On the ELO mask pattern 50, threading dislocations formed by the association of adjacent crystals 13A, that is, the association line L are formed.
In the initial stage of crystal growth by the above-described ELO method, that is, in the process from FIG. 5A to FIG. 5B, the upper surface 50a of the ELO mask pattern 50 is located in the lateral direction of the crystal 13A. In some cases, voids (voids) may be generated in the vicinity of the meeting line L. However, even when the underlayer 13 is subjected to ELO growth with such voids, these voids disappear at the stage where crystal growth has proceeded, that is, at the stage of FIG. For this reason, there are no voids in the vicinity of the surface 13f in the underlayer 13 where the crystal has grown sufficiently.

そして、図5(c)に示すように、下地層13は、さらに成長することにより、その表面13fが平坦となる。
本実施形態のELO成長工程では、このような手順により、結晶転位密度が低い領域Sを有する下地層13を形成することができる。
And as shown in FIG.5 (c), the base layer 13 grows further, and the surface 13f becomes flat.
In the ELO growth process of this embodiment, the base layer 13 having the region S having a low crystal dislocation density can be formed by such a procedure.

<半導体層形成工程>
次に、半導体層形成工程では、図6(a)〜図6(c)(図7(a)〜(d)に示す小工程も参照)に示すように、上記ELO成長工程で形成された下地層13上に、III族窒化物半導体からなるn型コンタクト層14a、n型クラッド層14b、発光層15及びp型半導体層16を順次積層することにより、バッファ層12上に半導体層20を形成する。
<Semiconductor layer formation process>
Next, in the semiconductor layer forming step, as shown in FIGS. 6A to 6C (see also the small steps shown in FIGS. 7A to 7D), the semiconductor layer was formed in the ELO growth step. An n-type contact layer 14 a made of a group III nitride semiconductor, an n-type cladding layer 14 b, a light emitting layer 15, and a p-type semiconductor layer 16 are sequentially stacked on the base layer 13, thereby forming the semiconductor layer 20 on the buffer layer 12. Form.

「n型半導体層の形成」
まず、図6(a)に示すように、上記ELO成長工程で形成された下地層13の上にn型コンタクト層14aを形成した後、この上に、n型クラッド層14bを形成する。
n型コンタクト層14a及びn型クラッド層14bの成膜方法としては、MOCVD法や反応性スパッタ法等、従来公知の方法を何等制限無く採用することができる。また、これらn型コンタクト層14a及びn型クラッド層14bには、上述したようなn型不純物をドーピングする。
“Formation of n-type semiconductor layer”
First, as shown in FIG. 6A, after an n-type contact layer 14a is formed on the base layer 13 formed in the ELO growth step, an n-type cladding layer 14b is formed thereon.
As a method for forming the n-type contact layer 14a and the n-type cladding layer 14b, a conventionally known method such as an MOCVD method or a reactive sputtering method can be employed without any limitation. Further, the n-type contact layer 14a and the n-type cladding layer 14b are doped with the n-type impurity as described above.

また、本実施形態の製造方法では、必要に応じて、n型クラッド層c上に、さらに、MOCVD法を用いてn型電子閉じ込め層を形成する方法とすることも可能である。   Moreover, in the manufacturing method of this embodiment, it is possible to further form an n-type electron confinement layer on the n-type clad layer c by using the MOCVD method, if necessary.

「発光層の形成」
次いで、図6(b)に示すように、発光層15を、例えば、従来公知のMOCVD法等によってn型クラッド層14b上に形成する。
本実施形態で形成する、図1(a)の模式断面図に例示するような発光層15は、障壁層に始まって障壁層に終わる積層構造を有しており、例えば、AlGaNからなる4層の障壁層15aと、ノンドープのGaNからなる3層の井戸層15bとを交互に積層して形成することができる。
`` Formation of light emitting layer ''
Next, as shown in FIG. 6B, the light emitting layer 15 is formed on the n-type cladding layer 14b by, for example, a conventionally known MOCVD method.
The light emitting layer 15 formed in the present embodiment, as exemplified in the schematic cross-sectional view of FIG. 1A, has a laminated structure that starts with the barrier layer and ends with the barrier layer, for example, four layers made of AlGaN. The barrier layers 15a and the three well layers 15b made of non-doped GaN can be alternately stacked.

「p型半導体層の形成」
次いで、図6(c)に示すように、発光層15上、つまり、発光層15の最上層となる障壁層15a上に、p型電子ブロック層10、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bからなるp型半導体層16を形成する。p型半導体層16を形成する方法としては、MOCVD法やスパッタ法等、従来公知の方法を何等制限無く採用することが可能である。
p型半導体層16にドープするp型不純物としては、Mgや亜鉛(Zn)を用いることができる。
“Formation of p-type semiconductor layer”
Next, as shown in FIG. 6C, the p-type electron blocking layer 10, the p-type cladding layer 16a, and the p-type contact layer are formed on the light-emitting layer 15, that is, on the barrier layer 15a that is the uppermost layer of the light-emitting layer 15. A p-type semiconductor layer 16 made of 16b is formed. As a method for forming the p-type semiconductor layer 16, a conventionally known method such as MOCVD method or sputtering method can be employed without any limitation.
As the p-type impurity doped into the p-type semiconductor layer 16, Mg or zinc (Zn) can be used.

『半導体形成工程における各小工程』
本実施形態の半導体層形成工程においては、図7(a)〜図7(d)に示すように、さらに、発光層15を形成し、p型電子ブロック層10を形成した後に、該p型電子ブロック層10上に炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を形成する小工程と、次いで、狭窄層用マスクパターン60を用いてp型電子ブロック層10上に電流狭窄層17を形成する小工程とを含む方法とすることができる。
“Each sub-process in the semiconductor formation process”
In the semiconductor layer forming step of the present embodiment, as shown in FIGS. 7A to 7D, after the light emitting layer 15 is further formed and the p-type electron blocking layer 10 is formed, the p-type is formed. A small step of forming a constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material on the electron block layer 10, and a small step of forming a current confinement layer 17 on the p-type electron block layer 10 using the constriction layer mask pattern 60. And a method including a process.

「狭窄層用マスクパターンを形成する小工程」
本小工程においては、図7(a)に示すように、まず、p型電子ブロック層10上に、炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を積層して形成する。
具体的には、ELO用マスクパターン50を形成する際の前記パターン形成工程と同様、まず、p型電子ブロック層10の表面全体に、炭素材料からなる炭素膜60Aを、例えば、CVD法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法、プラズマ分解蒸着法、熱分解蒸着法等、従来公知の汎用的な方法を用いて形成する。この際、炭素材料についても、前記パターン形成工程と同様の材料を用いることができる。
"Small process for forming mask pattern for constriction layer"
In this small process, as shown in FIG. 7A, first, a constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material is laminated and formed on the p-type electron block layer 10.
Specifically, as in the pattern formation step when forming the ELO mask pattern 50, first, a carbon film 60A made of a carbon material is applied to the entire surface of the p-type electron block layer 10 by, for example, CVD or sputtering. It is formed using a conventionally known general-purpose method such as a method, an ion beam vapor deposition method, a plasma decomposition vapor deposition method, or a thermal decomposition vapor deposition method. At this time, the same carbon material as that used in the pattern forming step can be used.

次いで、図7(b)に示すように、炭素膜60Aをパターニングして狭窄層用マスクパターン60を形成する。炭素膜60Aのパターニング方法としても、前記パターン形成工程と同様、特に限定されず、一般的なフォトリソ技術を採用することができる。
以上のような工程により、p型電子ブロック層10上に、炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, the carbon film 60A is patterned to form a constriction layer mask pattern 60. The patterning method of the carbon film 60A is not particularly limited as in the pattern formation step, and a general photolithography technique can be adopted.
Through the steps described above, a constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material is formed on the p-type electron block layer 10.

「電流狭窄層を形成する小工程」
本小工程においては、図7(c)に示すように、まず、p型電子ブロック層10の上面において狭窄層用マスクパターン60が形成されていない領域にAlN層17Aを積層して形成する。この際、図7(c)に示すように、AlN層17Aを、狭窄層用マスクパターン60よりも薄く形成した後、図7(d)に示すように、狭窄層用マスクパターン60をアッシング等の方法で除去することにより、貫通部17bを有する形状にパターン形成された電流狭窄層17が得られる。
"Small process for forming current confinement layer"
In this small process, as shown in FIG. 7C, first, an AlN layer 17A is formed on the upper surface of the p-type electron block layer 10 in a region where the constriction layer mask pattern 60 is not formed. At this time, as shown in FIG. 7C, after the AlN layer 17A is formed thinner than the constriction layer mask pattern 60, the constriction layer mask pattern 60 is ashed or the like as shown in FIG. 7D. By removing by this method, the current confinement layer 17 patterned in a shape having the through portion 17b is obtained.

電流狭窄層17を形成するためのAlN層17Aの成長温度としては、1000〜1400℃の範囲が好ましく、1050〜1300℃の範囲がより好ましく、1100〜1250℃の範囲がさらに好ましい。
また、電流狭窄層17を形成するためのAlN層17Aを成長させるのに好ましい温度は、電流狭窄層17(AlN層17A)の組成によっても異なる。電流狭窄層17が、AlGa1−YN(0<Y≦1)からなる場合、0<Y≦0.3では1000〜1100℃の温度範囲が好ましく、0.3≦Y≦0.7では1100〜1250℃の範囲、0.7≦Y≦1では1250〜1400℃の温度範囲が好ましい。
また、本実施形態のように、電流狭窄層17がAlNからなる場合、電流狭窄層17を形成するためのAlN層17aの成長温度は、発光層15の井戸層15bを成長させる温度の±100℃の範囲とすることが好ましい。
The growth temperature of the AlN layer 17A for forming the current confinement layer 17 is preferably in the range of 1000 to 1400 ° C, more preferably in the range of 1050 to 1300 ° C, and still more preferably in the range of 1100 to 1250 ° C.
Further, the preferred temperature for growing the AlN layer 17A for forming the current confinement layer 17 also varies depending on the composition of the current confinement layer 17 (AlN layer 17A). The current confinement layer 17, if made of Al Y Ga 1-Y N ( 0 <Y ≦ 1), 0 < is preferable temperature range of Y ≦ 0.3 at 1000~1100 ℃, 0.3 ≦ Y ≦ 0 . 7 is preferably in the range of 1100 to 1250 ° C., and 0.7 ≦ Y ≦ 1 is preferably in the temperature range of 1250 to 1400 ° C.
When the current confinement layer 17 is made of AlN as in this embodiment, the growth temperature of the AlN layer 17a for forming the current confinement layer 17 is ± 100 of the temperature at which the well layer 15b of the light emitting layer 15 is grown. It is preferable to make it into the range of ° C.

上記各小工程において、狭窄層用マスクパターン60を用いて形成された電流狭窄層17の上面17a、及びp型電子ブロック層10上において貫通部17bで露出した領域には、p型クラッド層16aが上述した方法によって形成される(図8(a)を参照)。これにより、本実施形態では、インナーストライプ構造の発光素子(レーザダイオード)を製造することができる。   In each of the small steps, the p-type cladding layer 16a is formed in the upper surface 17a of the current confinement layer 17 formed using the constriction layer mask pattern 60 and in the region exposed on the p-type electron blocking layer 10 through the penetrating portion 17b. Is formed by the above-described method (see FIG. 8A). Thereby, in this embodiment, the light emitting element (laser diode) of an inner stripe structure can be manufactured.

<各電極を形成する工程>
本実施形態の製造方法では、上記工程によって得られたp型半導体層16上に正極18を積層するとともに、n型半導体層14のn型コンタクト層14aに形成された露出領域14dに負極19を積層して各電極を形成する工程が備えられている。
<Step of forming each electrode>
In the manufacturing method of the present embodiment, the positive electrode 18 is stacked on the p-type semiconductor layer 16 obtained by the above process, and the negative electrode 19 is formed in the exposed region 14d formed in the n-type contact layer 14a of the n-type semiconductor layer 14. A step of forming each electrode by stacking is provided.

具体的には、まず、図8(a)に示すような基板11上にp型半導体層16までの各層が積層されたウェーハに対し、図8(b)に示すように、正極18を、p型半導体層16の表面16dを覆うようにして、従来公知の方法を用いて形成する。この際、正極18は、例えば、p型半導体層16の表面16d側から順に、Ti、Al、Auの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。   Specifically, first, as shown in FIG. 8B, a positive electrode 18 is formed on a wafer in which the layers up to the p-type semiconductor layer 16 are laminated on the substrate 11 as shown in FIG. The p-type semiconductor layer 16 is formed using a conventionally known method so as to cover the surface 16d of the p-type semiconductor layer 16. At this time, the positive electrode 18 can be formed, for example, by laminating Ti, Al, and Au materials in order from the surface 16d side of the p-type semiconductor layer 16 by a conventionally known method.

また、負極19を形成する際は、図8(b)に示すように、まず、基板11上に形成されたp型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14の一部と、上述した正極18の一部を、ドライエッチング等の方法によって除去することにより、n型コンタクト層14aの露出領域14dを形成する。そして、この露出領域14d上に、例えば、露出領域14d表面側から順に、Ni、Al、Ti、及びAuの各材料を従来公知の方法で積層することにより、詳細な図示を省略する4層構造の負極19を形成することができる。   When forming the negative electrode 19, first, as shown in FIG. 8B, a part of the p-type semiconductor layer 16, the light emitting layer 15 and the n-type semiconductor layer 14 formed on the substrate 11, An exposed region 14d of the n-type contact layer 14a is formed by removing a part of the positive electrode 18 by a method such as dry etching. Then, on this exposed region 14d, for example, each material of Ni, Al, Ti, and Au is laminated in order from the surface side of the exposed region 14d by a conventionally known method, so that a detailed illustration is omitted. The negative electrode 19 can be formed.

<発光素子の分割>
本実施形態の製造方法では、上記各工程によって得られたウェーハを、基板11の裏面を研削及びへき開によって端面を形成した後、例えば、500μm角の正方形に切断することにより、発光素子チップ(図1(a)、(b)に例示する発光素子1)とすることができる。
<Division of light emitting element>
In the manufacturing method of the present embodiment, the wafer obtained by the above steps is cut into a square of 500 μm square, for example, after the back surface of the substrate 11 is formed by grinding and cleaving, and thereby a light emitting element chip (FIG. It can be set as the light emitting element 1) illustrated to 1 (a) and (b).

以上説明したような、本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、エピタキシャル膜成長用の基板11上に形成されたバッファ層12上に炭素材料からなるELO用マスクパターン50を形成するパターン形成工程と、ELO用マスクパターン50を用いてAlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有する下地層13を形成するELO成長工程と、下地層13上に、III族窒化物半導体からなるn型コンタクト層14a、n型クラッド層14b、発光層15及びp型半導体層16を順次積層する半導体層形成工程とを備えているので、下地層13を結晶性の高い層として効率良く形成することができるとともに、その上に、結晶性に優れたIII族窒化物半導体からなる各層を形成することできるので、発光特性に優れたIII族窒化物半導体発光素子1を製造することが可能となる。
本実施形態の製造方法によれば、炭素材料からなるELO用マスクパターン50を用いて下地層13を形成するので、結晶組成にAlを有している場合でもELO用マスクパターン50上に結晶が成長しない。これにより、当該ELO用マスクパターン50上には下地層13が横方向に結晶成長(ラテラル成長)し、下地層13の表面13fには結晶転位密度が低い領域Sが形成される。従って、結晶性に優れた下地層13を形成することができ、その上に形成するIII族窒化物半導体からなる各層を、結晶性に優れた層として形成することが可能となる。
According to the method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device of this embodiment as described above, an ELO mask pattern 50 made of a carbon material is formed on the buffer layer 12 formed on the substrate 11 for epitaxial film growth. A pattern forming step for forming a base layer 13, an ELO growth step for forming a base layer 13 having a composition made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) using the ELO mask pattern 50, and a step on the base layer 13 In addition, the semiconductor layer forming step of sequentially stacking the n-type contact layer 14a, the n-type cladding layer 14b, the light emitting layer 15 and the p-type semiconductor layer 16 made of a group III nitride semiconductor is provided. As a high-performance layer, each layer made of a group III nitride semiconductor having excellent crystallinity can be formed thereon. It becomes possible to manufacture the group III nitride semiconductor light emitting device 1 having excellent optical characteristics.
According to the manufacturing method of this embodiment, since the foundation layer 13 is formed using the ELO mask pattern 50 made of a carbon material, crystals are formed on the ELO mask pattern 50 even when Al is included in the crystal composition. Does not grow. As a result, the underlying layer 13 grows laterally (lateral growth) on the ELO mask pattern 50, and a region S having a low crystal dislocation density is formed on the surface 13 f of the underlying layer 13. Therefore, the underlayer 13 having excellent crystallinity can be formed, and each layer made of a group III nitride semiconductor formed thereon can be formed as a layer having excellent crystallinity.

また、本実施形態の製造方法によれば、半導体層形成工程において、p型電子ブロック層10を形成した後に、該p型電子ブロック層10上に炭素材料からなる狭窄層用マスクパターン60を形成する小工程と、次いで、狭窄層用マスクパターン60を用いてp型電子ブロック層10上に電流狭窄層17を形成する小工程とを含む方法としているので、インナーストライプ構造のレーザダイオード(発光素子)を効率良く形成することができる。   Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, after forming the p-type electron block layer 10 in the semiconductor layer forming step, the constriction layer mask pattern 60 made of a carbon material is formed on the p-type electron block layer 10. And a small process of forming the current confinement layer 17 on the p-type electron block layer 10 using the constriction layer mask pattern 60, and thus a laser diode (light emitting element) having an inner stripe structure. ) Can be formed efficiently.

なお、本実施形態の製造方法では、下地層13を、炭素材料からなるELO用マスクパターン50を用いてバッファ層12上に形成する例を説明しているが、例えば、バッファ層12を省略し、基板11上に直接ELO用マスクパターン50を形成し、このELO用マスクパターン50を用いて下地層13を成長させる方法としても良い。
また、本実施形態の製造方法では、バッファ層12と下地層13との間にELO用マスクパターン50を残存させている例を説明しているが、上述したように、成膜条件等を変更することにより、ELO用マスクパターン50を残存させずにp型半導体層16を形成することも可能である。
In the manufacturing method of the present embodiment, the example in which the base layer 13 is formed on the buffer layer 12 using the ELO mask pattern 50 made of a carbon material has been described. For example, the buffer layer 12 is omitted. Alternatively, an ELO mask pattern 50 may be directly formed on the substrate 11 and the underlying layer 13 may be grown using the ELO mask pattern 50.
In the manufacturing method of this embodiment, an example in which the ELO mask pattern 50 is left between the buffer layer 12 and the base layer 13 has been described. However, as described above, the film forming conditions are changed. By doing so, it is also possible to form the p-type semiconductor layer 16 without leaving the ELO mask pattern 50.

以下に、本発明のIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。   The group III nitride semiconductor light-emitting device and the method for producing the same according to the present invention will be described below in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
図1(a)、(b)に、本実験例で作製したIII族窒化物半導体発光素子の断面模式図を示す。本例では、以下に示すような方法により、図2に示すような構造を有するAlNエピタキシャル基板を作製し、その上に、III族窒化物半導体からなる各層を形成した。
[Example 1]
1A and 1B are schematic cross-sectional views of a group III nitride semiconductor light-emitting device manufactured in this experimental example. In this example, an AlN epitaxial substrate having a structure as shown in FIG. 2 was produced by the following method, and each layer made of a group III nitride semiconductor was formed thereon.

{バッファ層(III族窒化物層)の形成)
まず、サファイアからなる基板上に、III族窒化物としてAlNを用いてバッファ層を成膜した。バッファ層の成膜には、高温MOCVD装置を用いた。具体的には、基板をモリブデンサセプタに載置し、ロードロック室を介してステンレス鋼を用いた水冷反応炉内に基板をセットした。そして、窒素ガスを流通させて炉内をパージした。
{Formation of buffer layer (group III nitride layer))
First, a buffer layer was formed on a substrate made of sapphire using AlN as a group III nitride. A high temperature MOCVD apparatus was used for forming the buffer layer. Specifically, the substrate was placed on a molybdenum susceptor, and the substrate was set in a water-cooled reactor using stainless steel through a load lock chamber. And the nitrogen gas was distribute | circulated and the inside of a furnace was purged.

次に、MOCVD炉内の流通ガスを水素に変更した後、炉内を30torrの圧力に維持した。そして、抵抗加熱ヒータを動作させて、基板の温度を室温から1400℃に15分間の時間をかけて昇温させた。次に、基板の温度を1400℃に保ったまま、水素ガスを5分間流通させて、基板の表面をサーマルクリーニングした。   Next, after changing the flow gas in the MOCVD furnace to hydrogen, the inside of the furnace was maintained at a pressure of 30 torr. Then, the resistance heater was operated to raise the temperature of the substrate from room temperature to 1400 ° C. over a period of 15 minutes. Next, while maintaining the temperature of the substrate at 1400 ° C., hydrogen gas was circulated for 5 minutes to thermally clean the surface of the substrate.

次に、基板の温度を1300℃に降温し、この1300℃で温度が安定したことを確認した。その後、トリメチルアルミニウム(TMA)の蒸気、及びアンモニア(NH)ガスを、V/III比が500になるように、キャリアガスである水素ガスとともに気相成長反応炉内に供給し、AlN膜を10分間成長させた。その後、アンモニア(NH)ガスとトリメチルアルミニウム(TMA)とを、V/III比が100になるように調整し、さらに、AlN膜を40分間成長させた。このAlN膜の成長中は、エピタキシャル層の反射率とサセプタ温度を観察装置で確認し、温度をモニターした。また、モニターした反射率より、AlN層の膜厚がトータル2μmに達したことを確認した。 Next, the temperature of the substrate was lowered to 1300 ° C., and it was confirmed that the temperature was stable at 1300 ° C. Thereafter, vapor of trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) gas are supplied into the vapor phase growth reactor together with hydrogen gas as a carrier gas so that the V / III ratio becomes 500, and the AlN film is formed. Grow for 10 minutes. Thereafter, ammonia (NH 3 ) gas and trimethylaluminum (TMA) were adjusted so that the V / III ratio was 100, and an AlN film was further grown for 40 minutes. During the growth of the AlN film, the reflectance of the epitaxial layer and the susceptor temperature were confirmed with an observation device, and the temperature was monitored. Further, it was confirmed from the monitored reflectivity that the film thickness of the AlN layer reached 2 μm in total.

最後に、トリメチルアルミニウム(TMA)の供給を停止して300℃まで降温し、アンモニアの供給も停止した後、さらに室温まで降温した。そして、気相成長反応炉内を窒素に置換し、ロードロック室を介して、AlNからなるバッファ層が形成されたウェーハを取り出した。   Finally, the supply of trimethylaluminum (TMA) was stopped, the temperature was lowered to 300 ° C., the supply of ammonia was also stopped, and the temperature was further lowered to room temperature. Then, the inside of the vapor phase growth reactor was replaced with nitrogen, and the wafer on which the buffer layer made of AlN was formed was taken out through the load lock chamber.

{パターン形成工程}
次に、基板上に形成したAlNからなるバッファ層の表面に、カーボン(炭素材料)からなるELO用マスクパターンを形成した。この際、カーボンの成膜にはスパッタ装置を用いた。具体的には、基板上のバッファ層の表面全体に、下記に示す成膜条件で、カーボン膜(炭素膜)をスパッタで形成した。次いで、フォトリソグラフィーにより、カーボン膜上に数μm間隔のストライプ状のレジストパターンを形成した。そして、このウェーハに酸素アッシングを施すことにより、カーボン膜が露出した部分を酸化除去した。その後、レジストパターンを除去することにより、バッファ層上にカーボン膜ストライプ構造からなるELO用マスクパターンを形成した。
{Pattern formation process}
Next, an ELO mask pattern made of carbon (carbon material) was formed on the surface of the buffer layer made of AlN formed on the substrate. At this time, a sputtering apparatus was used for carbon film formation. Specifically, a carbon film (carbon film) was formed on the entire surface of the buffer layer on the substrate by sputtering under the following film formation conditions. Subsequently, stripe-like resist patterns with a spacing of several μm were formed on the carbon film by photolithography. Then, the portion where the carbon film was exposed was oxidized and removed by subjecting this wafer to oxygen ashing. Thereafter, by removing the resist pattern, an ELO mask pattern having a carbon film stripe structure was formed on the buffer layer.

「スパッタ条件」
ターゲット:高純度グラファイト
成膜温度 :室温
成膜速度 :40〜50nm/hr
膜厚 :200nm
"Sputtering conditions"
Target: High purity graphite Deposition temperature: Room temperature Deposition rate: 40-50 nm / hr
Film thickness: 200nm

{ELO成長工程}
次いで、ELO用マスクパターンが形成されたウェーハ上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる下地層(ELO成長層)として、AlN膜を成膜した。このAlN膜の成膜には、上記バッファ層と同様、高温MOCVD装置を用いた。具体的には、ELO用マスクパターンが形成された基板をモリブデンサセプタに載置し、ロードロック室を介して、ステンレス鋼を用いた水冷反応炉内に基板をセットした。その後、窒素ガスを流通させることにより炉内をパージした。
{ELO growth process}
Next, an AlN film was formed on the wafer on which the ELO mask pattern was formed as a base layer (ELO growth layer) made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1). For the formation of the AlN film, a high temperature MOCVD apparatus was used as in the buffer layer. Specifically, the substrate on which the ELO mask pattern was formed was placed on a molybdenum susceptor, and the substrate was set in a water-cooled reactor using stainless steel through a load lock chamber. Then, the inside of the furnace was purged by circulating nitrogen gas.

次に、MOCVD炉内の流通ガスを水素に変更した後、反応炉内を30torrの圧力に維持した。そして、抵抗加熱ヒータを動作させ、基板の温度を室温から1400℃に15分間かけて昇温させた。次に、基板の温度を1400℃に保ったまま、水素ガスを5分間流通させて、基板の表面、つまりELO用マスクパターンが形成されたバッファ層上をサーマルクリーニングした。   Next, after changing the flow gas in the MOCVD furnace to hydrogen, the inside of the reaction furnace was maintained at a pressure of 30 torr. Then, the resistance heater was operated, and the temperature of the substrate was raised from room temperature to 1400 ° C. over 15 minutes. Next, while keeping the temperature of the substrate at 1400 ° C., hydrogen gas was circulated for 5 minutes to thermally clean the surface of the substrate, that is, the buffer layer on which the ELO mask pattern was formed.

次に、基板の温度を1300℃に降温し、この1300℃で温度が安定したことを確認した後、アンモニアガスとトリメチルアルミニウムとを同時に気相成長反応炉へ供給してAlNの成膜を開始した。この際、アンモニアガスとトリメチルアルミニウムとのV/III比が100となるように予め調整した。このような手順により、約10μmのAlN膜を3〜4時間かけて成長させた。   Next, the temperature of the substrate was lowered to 1300 ° C., and after confirming that the temperature was stabilized at 1300 ° C., ammonia gas and trimethylaluminum were simultaneously supplied to the vapor phase growth reactor to start AlN film formation. did. At this time, adjustment was made in advance so that the V / III ratio of ammonia gas and trimethylaluminum was 100. By such a procedure, an AlN film of about 10 μm was grown over 3 to 4 hours.

次に、トリメチルアルミニウム(TMA)の供給を停止して300℃まで降温し、アンモニアの供給も停止した後、さらに室温まで降温した。そして、気相成長反応炉内を窒素に置換し、再度、ロードロック室を介してサセプタに載置したウェーハを取り出した。   Next, the supply of trimethylaluminum (TMA) was stopped, the temperature was lowered to 300 ° C., the supply of ammonia was also stopped, and the temperature was further lowered to room temperature. Then, the inside of the vapor phase growth reactor was replaced with nitrogen, and the wafer placed on the susceptor was taken out again through the load lock chamber.

このような各手順により、垂直方向への貫通転位が抑制され、結晶性に優れたAlNエピタキシャル基板を製造することができた。
そして、得られたウェーハの断面構造を、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて観察したところ、図9(a)、(b)の写真図に示すように、基板200上に成膜されたAlNからなるバッファ層201及びその上に成膜されたAlNからなる下地層202が、共に良好な結晶性を有していることが明らかとなった。また、本例で作製したウェーハは、図9(a)、(b)に示すように、上記バッファ層201と下地層202の間に、カーボンからなるELO用マスクパターン203が僅かに残存していることがわかる。なお、図9(b)に示す顕微鏡写真図は、図9(a)の部分拡大図である。
Through each of these procedures, threading dislocations in the vertical direction were suppressed, and an AlN epitaxial substrate excellent in crystallinity could be manufactured.
When the cross-sectional structure of the obtained wafer was observed using a scanning electron microscope (SEM), as shown in the photographic views of FIGS. It has been clarified that the buffer layer 201 made of AlN formed and the underlayer 202 made of AlN formed thereon have good crystallinity. In addition, as shown in FIGS. 9A and 9B, the wafer manufactured in this example has a slight ELO mask pattern 203 made of carbon remaining between the buffer layer 201 and the base layer 202. I understand that. The micrograph shown in FIG. 9 (b) is a partially enlarged view of FIG. 9 (a).

[実施例2]
本例では、上記実施例1で作製したウェーハの下地層上に、以下の手順で、n型コンタクト層、n型クラッド層、発光層及びp型半導体層を形成し、さらに、正極及び負極を形成することにより、発光素子を作製した。また、本例で作製する発光素子においては、発光層とp型半導体層との間に電流狭窄層を形成することにより、インナーストライプ構造を有するレーザダイオードとした。
[Example 2]
In this example, an n-type contact layer, an n-type cladding layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are formed on the underlayer of the wafer produced in Example 1 by the following procedure. Thus, a light emitting element was manufactured. Further, in the light emitting element manufactured in this example, a laser diode having an inner stripe structure is formed by forming a current confinement layer between the light emitting layer and the p-type semiconductor layer.

『半導体層形成工程』
「n型コンタクト層及びn型クラッド層の形成」
まず、実施例1において基板上に形成した下地層の上に、従来公知のMOCVD装置を用いてAl0.25Ga0.75Nからなるn型コンタクト層を形成した。このAl0.25Ga0.75Nからなるn型コンタクト層は、n型クラッド層としても機能するものである。また、n型コンタクト層にはテトラメチルシラン(TMSi)を原料としてSiをドープし、約2μmの膜厚で成膜した。
"Semiconductor layer formation process"
“Formation of n-type contact layer and n-type cladding layer”
First, an n-type contact layer made of Al 0.25 Ga 0.75 N was formed on the base layer formed on the substrate in Example 1 using a conventionally known MOCVD apparatus. This n-type contact layer made of Al 0.25 Ga 0.75 N also functions as an n-type cladding layer. The n-type contact layer was doped with Si using tetramethylsilane (TMSi) as a raw material, and was formed to a thickness of about 2 μm.

『n型電子閉じ込め層を形成する工程』
次に、本実施例においては、上記n型コンタクト層(n型クラッド層)上に、同じMOCVD装置を用いてn型電子閉じ込め層を形成した。この際、AlGaNのAlNモル分率が18%になるように、原料のTMAとトリメチルガリウム(TMG)の流通量を調整し、膜厚が100nmのn型電子閉じ込め層を形成した。
“Process for forming n-type electron confinement layer”
Next, in this example, an n-type electron confinement layer was formed on the n-type contact layer (n-type clad layer) using the same MOCVD apparatus. At this time, the flow rate of raw materials TMA and trimethylgallium (TMG) was adjusted so that the AlN molar fraction of AlGaN was 18%, and an n-type electron confinement layer having a film thickness of 100 nm was formed.

「発光層の形成」
次いで、膜厚が8nmで4層のAlGaN(AlNモル分率12%)障壁層と、膜厚が3nmで3層のGaN井戸層とからなる、多重量子井戸構造を有する発光層を積層した。
この発光層の形成にあたっては、まず、n型クラッド層上に障壁層を形成し、この障壁層上に井戸層を形成した。そして、このような積層手順を3回繰り返した後、3番目に積層した井戸層上に、4番目の障壁層を形成した。この、最後の障壁層は、基板温度を1050℃とした後、AlGaN(AlNモル分率35%)を10nmの膜厚で積層することにより形成し、また、エチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtC2Mg)を原料として、Mgをドーピングした。本例では、上記手順により、多重量子井戸構造を有する発光層の両側に障壁層を配した構造とした。
そして、発光層の上に、p型電子ブロック層を20nmの膜厚で積層した。
`` Formation of light emitting layer ''
Next, a light emitting layer having a multiple quantum well structure composed of four AlGaN (AlN molar fraction 12%) barrier layers having a thickness of 8 nm and three GaN well layers having a thickness of 3 nm was stacked.
In forming the light emitting layer, first, a barrier layer was formed on the n-type cladding layer, and a well layer was formed on the barrier layer. And after repeating such a lamination | stacking procedure 3 times, the 4th barrier layer was formed on the well layer laminated | stacked 3rd. The last barrier layer, after the substrate temperature of 1050 ° C., AlGaN a (AlN molar fraction of 35%) was formed by laminating a film thickness of 10 nm, also ethylcyclopentadienyl magnesium (EtC p 2Mg) was used as a raw material, and Mg was doped. In this example, according to the above procedure, the barrier layer is provided on both sides of the light emitting layer having the multiple quantum well structure.
Then, a p-type electron blocking layer was laminated with a thickness of 20 nm on the light emitting layer.

「狭窄層用マスクパターンの形成」
次いで、p型電子ブロック層の表面に、カーボン(炭素材料)からなる狭窄層用マスクパターンを形成した。この際、カーボンの成膜にはスパッタ装置を用い、膜厚を100nmとした点を除き、上述したELO用マスクパターンと同様の条件及び手順を用いて、p型電子ブロック層の表面全体に形成した。そして、上述したELO用マスクパターンと同様のフォトリソグラフィー法により、カーボン膜を3μm幅のストライプ状に形成した。
"Formation of mask pattern for constriction layer"
Next, a constriction layer mask pattern made of carbon (carbon material) was formed on the surface of the p-type electron blocking layer. At this time, a sputtering apparatus is used to form the carbon, and it is formed on the entire surface of the p-type electron block layer using the same conditions and procedures as the ELO mask pattern described above except that the film thickness is 100 nm. did. Then, a carbon film was formed in a stripe shape with a width of 3 μm by the same photolithography method as the ELO mask pattern described above.

「電流狭窄層の形成」
次いで、狭窄層用マスクパターンが形成されたp型電子ブロック層上に、AlNからなる電流狭窄層を形成した。具体的には、AlNを、p型電子ブロック層上において狭窄層用マスクパターンが形成されていない領域に、狭窄層用マスクパターンより低い高さとして形成した後、狭窄層用マスクパターンをアッシング等の方法で除去することにより、貫通部を有する形状にパターン形成された電流狭窄層を得た。
"Formation of current confinement layer"
Next, a current confinement layer made of AlN was formed on the p-type electron block layer on which the constriction layer mask pattern was formed. Specifically, AlN is formed on the p-type electron block layer in a region where the constriction layer mask pattern is not formed at a height lower than the constriction layer mask pattern, and then the constriction layer mask pattern is ashed or the like. By removing by this method, a current confinement layer patterned into a shape having a penetrating portion was obtained.

「p型半導体層の形成」
次いで、電流狭窄層及び該電流狭窄層に設けられた貫通部から露出するp型電子ブロック層の上に、MgをドーピングしたAlGaN(AlNモル分率25%)からなるp型クラッド層を0.5μmの膜厚で積層し、この上に、MgをドーピングしたGaNからなるn型コンタクト層を50nmの膜厚で積層することにより、p型半導体層を形成した。
“Formation of p-type semiconductor layer”
Next, a p-type clad layer made of AlGaN doped with Mg (AlN molar fraction 25%) is formed on the current confinement layer and the p-type electron block layer exposed from the through portion provided in the current confinement layer by 0. A p-type semiconductor layer was formed by laminating an n-type contact layer made of GaN doped with Mg with a thickness of 50 nm.

上記各工程による各層の成膜終了後、炉内温度を室温まで降温し、ロードロック室を介してエピタキシャルウェーハを取り出した。   After the formation of each layer by the above steps, the furnace temperature was lowered to room temperature, and the epitaxial wafer was taken out through the load lock chamber.

『電極の形成』
次いで、上記エピタキシャルウェーハを用いて、図1(a)、(b)に例示するレーザダイオード(発光素子)を作製した。
すなわち、上記エピタキシャルウェーハのp型半導体層の表面に、ニッケル(Ni)/金(Au)を順に積層して蒸着及びアロイ処理を行なうことにより、オーミックコンタクト層である正極を形成し、p側電極とした。
さらに、エピタキシャルウェーハに対してドライエッチングを施し、n型コンタクト層のn側電極(負極)を形成する領域を露出させ、この露出領域に、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/チタン(Ti)/金(Au)の4層が順に積層されてなる負極(n側電極)を形成した。
“Formation of electrodes”
Next, a laser diode (light emitting element) illustrated in FIGS. 1A and 1B was manufactured using the epitaxial wafer.
That is, a positive electrode which is an ohmic contact layer is formed by sequentially depositing nickel (Ni) / gold (Au) on the surface of the p-type semiconductor layer of the epitaxial wafer and performing vapor deposition and alloy treatment, thereby forming a p-side electrode. It was.
Further, dry etching is performed on the epitaxial wafer to expose a region where the n-side electrode (negative electrode) of the n-type contact layer is formed, and titanium (Ti) / aluminum (Al) / titanium (Ti) is exposed in this exposed region. A negative electrode (n-side electrode) in which four layers of / gold (Au) were sequentially laminated was formed.

次いで、各電極が形成されたウェーハについて、基板の裏面を研削及びへき開によって端面を形成した後、ウェーハを500μm角の正方形のチップに切断して分割することにより、図1(a)、(b)に示すような、インナーストライプ構造を有するレーザダイオード(発光素子)を作製した。   Next, with respect to the wafer on which each electrode is formed, after the end surface is formed by grinding and cleaving the back surface of the substrate, the wafer is cut and divided into square chips of 500 μm square, so that FIG. A laser diode (light emitting element) having an inner stripe structure as shown in FIG.

『発光特性の測定』
次いで、上述の手順で得られたレーザダイオードについて、正極(p側)及び負極(n側)の電極間に順方向電流を流したところ、電流100mAにおける順方向電圧は5.8Vであった。また、p側の正極を通して発光状態を観察したところ、発光波長は358nmであり、発光出力は1mWであった。
“Measurement of luminous characteristics”
Next, when a forward current was passed between the positive electrode (p side) and the negative electrode (n side) of the laser diode obtained by the above procedure, the forward voltage at a current of 100 mA was 5.8V. Further, when the light emission state was observed through the positive electrode on the p side, the light emission wavelength was 358 nm, and the light emission output was 1 mW.

以上の結果により、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子が、結晶性に優れており、また、内部抵抗が低減され、優れた発光特性を有することが明らかである。   From the above results, it is clear that the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention has excellent crystallinity, reduced internal resistance, and excellent light emission characteristics.

1…III族窒化物半導体発光素子(発光素子)、11…基板、12…バッファ層(III族窒化物層)、12a…表面(バッファ層)、17…電流狭窄層、17a…上面(電流狭窄層)、17A…AlN層(電流狭窄層)、14…n型半導体層、13…下地層(ELO成長層)13A…AlGa1−xN(0<x≦1)からなる組成の結晶、13f…表面(下地層)、15…発光層、16…p型半導体層、20…半導体層、50…ELO用マスクパターン、60…狭窄層用マスクパターン、50A、60A…炭素膜、L…会合線、R…領域(バッファ層上においてELO用マスクパターンが形成されていない領域)、S…領域(結晶転位密度が低い領域)、T…領域(p型電子ブロック層上において電流狭窄層が形成されていない領域) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Group III nitride semiconductor light emitting element (light emitting element), 11 ... Substrate, 12 ... Buffer layer (Group III nitride layer), 12a ... Surface (buffer layer), 17 ... Current confinement layer, 17a ... Upper surface (current confinement) layer), 17A ... AlN layer (current confinement layer), 14 ... n-type semiconductor layer, 13 ... foundation layer (ELO growth layer) 13A ... Al x Ga 1- x n (0 <x ≦ 1) composition of crystalline , 13f ... surface (underlayer), 15 ... light emitting layer, 16 ... p-type semiconductor layer, 20 ... semiconductor layer, 50 ... mask pattern for ELO, 60 ... mask pattern for constriction layer, 50A, 60A ... carbon film, L ... Association line, R ... region (region where the ELO mask pattern is not formed on the buffer layer), S ... region (region where the crystal dislocation density is low), T ... region (current confinement layer on the p-type electron block layer) Unformed area )

Claims (13)

エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、AlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層が形成され、
前記ELO層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層が順次積層されており、
前記ELO成長層は、前記基板又は前記III族窒化物層上に形成された炭素材料からなるELO用マスクパターンを用いて形成されたものであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
The epitaxial film on a substrate for growth or substrate group III formed on plate nitride layer, ELO growth layer having a composition consisting of Al X Ga 1-X N ( 0 <X ≦ 1) is formed,
An n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the ELO layer,
The Group 3 nitride semiconductor light emitting device, wherein the ELO growth layer is formed using an ELO mask pattern made of a carbon material formed on the substrate or the Group III nitride layer.
前記ELO用マスクパターンが前記基板上又は前記III族窒化物層と前記ELO成長層との間に残存していることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   2. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the ELO mask pattern remains on the substrate or between the group III nitride layer and the ELO growth layer. 前記ELO用マスクパターンが前記基板上又は前記III族窒化物層と前記ELO成長層との間に残存していないことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   2. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the ELO mask pattern does not remain on the substrate or between the group III nitride layer and the ELO growth layer. 3. 前記発光層と前記p型半導体層との間の少なくとも一部に電流狭窄層が備えられることにより、インナーストライプ構造とされてなることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   4. The inner stripe structure according to claim 1, wherein a current confinement layer is provided at least at a part between the light emitting layer and the p-type semiconductor layer. 5. A group III nitride semiconductor light-emitting device according to item 2. 前記電流狭窄層が、前記発光層上に形成された炭素材料からなる狭窄層用マスクパターンを用いて形成されたものであることを特徴とする請求項4に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   5. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 4, wherein the current confinement layer is formed by using a confinement layer mask pattern made of a carbon material formed on the light-emitting layer. . 前記電流狭窄層がAlNからなることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のIII族窒化物半導体発光素子。   The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 4 or 5, wherein the current confinement layer is made of AlN. エピタキシャル膜成長用の基板上又は該基板上に形成されたIII族窒化物層上に、炭素材料からなるELO用マスクパターンを形成するパターン形成工程と、
前記ELO用マスクパターンを用いてAlGa1−XN(0<X≦1)からなる組成を有するELO成長層を形成するELO成長工程と、
前記ELO成長層上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層及びp型半導体層を順次積層する半導体層形成工程と、を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
A pattern forming step of forming an ELO mask pattern made of a carbon material on an epitaxial film growth substrate or a group III nitride layer formed on the substrate;
An ELO growth step of forming an ELO growth layer having a composition made of Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1) using the ELO mask pattern;
A group III nitride semiconductor light emitting device comprising: a semiconductor layer forming step of sequentially stacking an n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p type semiconductor layer on the ELO growth layer Manufacturing method.
前記ELO用マスクパターンをなす炭素材料が、黒鉛、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンの内の何れかであることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。   The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the carbon material forming the mask pattern for ELO is any one of graphite, amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon, carbon nanotube, and fullerene. Device manufacturing method. 前記半導体層形成工程は、さらに、前記発光層を形成した後、該発光層上に炭素材料からなる狭窄層用マスクパターンを形成する小工程と、
次いで、前記狭窄層用マスクパターンを用いて、前記発光層上に電流狭窄層を形成する小工程とを含むことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
The semiconductor layer forming step further includes a small step of forming a constriction layer mask pattern made of a carbon material on the light emitting layer after forming the light emitting layer,
9. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, further comprising a small step of forming a current confinement layer on the light emitting layer using the constriction layer mask pattern. Manufacturing method.
前記狭窄層用マスクパターンをなす炭素材料が、黒鉛、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンの内の何れかであることを特徴とする請求項9に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。   10. The group III nitride semiconductor according to claim 9, wherein the carbon material forming the constriction layer mask pattern is any one of graphite, amorphous carbon, diamond, diamond-like carbon, carbon nanotube, and fullerene. Manufacturing method of light emitting element. 前記半導体層形成工程は、前記電流狭窄層を、AlGa1−YN(0<Y≦1)からなる組成として、1000〜1400℃の範囲の温度で形成することを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 The semiconductor layer forming step, claims the current confinement layer, a composition consisting of Al Y Ga 1-Y N ( 0 <Y ≦ 1), and forming at a temperature in the range of 1000 to 1400 ° C. The manufacturing method of the group III nitride semiconductor light-emitting device of Claim 9 or Claim 10. 請求項7〜請求項11の何れか1項に記載の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体発光素子。   A group III nitride semiconductor light-emitting device obtained by the manufacturing method according to any one of claims 7 to 11. 請求項1〜請求項6又は請求項12の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の素子構造が用いられてなるレーザダイオード。   A laser diode using the element structure of a group III nitride semiconductor light-emitting element according to any one of claims 1 to 6 or claim 12.
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