JP2011258631A - Light-emitting diode element and method of manufacturing the same - Google Patents

Light-emitting diode element and method of manufacturing the same Download PDF

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Akio Matsushita
明生 松下
Nobuaki Nagao
宣明 長尾
Takahiro Hamada
貴裕 濱田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that a light-emitting element cannot be formed when graphite is used as a substrate on which a nitride semiconductor thin film of GaN, or the like, is formed because a GaN thin film becomes polycrystal and defects increase in the crystal.SOLUTION: On a graphite substrate 101 provided with an amorphous carbon layer 102, a c-axis orientation film of an AIN layer 103 is grown by an MOCVD method. A low temperature growth buffer layer 104 and a first n-type GaN layer 105 are then sequentially grown epitaxially on the AIN layer 103, and a mask layer 106 having an opening is formed on the first n-type GaN layer 105. Thereafter, a second n-type GaN layer 107, a multilayer quantum well layer 108 consisting of InGaN and GaN, a p-type GaN layer 109, and a p-type GaN contact layer 110 are sequentially grown epitaxially on the first n-type GaN layer 105 from the opening of the mask layer 106.

Description

本発明は、窒化物半導体により構成される発光ダイオード素子に関する。   The present invention relates to a light emitting diode element composed of a nitride semiconductor.

近年、窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物半導体により構成される半導体素子の集中的な研究開発がされている。窒化アルミニウム(AlN)、GaN、窒化インジウム(InN)およびそれらの混晶体からなる半導体素子は、その膜組成を制御することによって、紫外あるいは青色から赤外線領域までの幅広い波長領域において発光を実現することができる。特許文献1は、柱状の窒化物半導体を用いた可視域発光ダイオード素子を開示している。   In recent years, intensive research and development have been conducted on semiconductor elements composed of nitride semiconductors typified by gallium nitride (GaN). Semiconductor elements made of aluminum nitride (AlN), GaN, indium nitride (InN) and mixed crystals thereof can emit light in a wide wavelength range from ultraviolet or blue to infrared by controlling the film composition. Can do. Patent Document 1 discloses a visible light emitting diode element using a columnar nitride semiconductor.

図8は、第1の従来例に係る柱状窒化物半導体からなる発光ダイオード素子の断面構成を示す。図8に示されるように、第1の従来例の発光ダイオード素子は、基板10の主面上に成長したGaNからなるバッファ層20と、バッファ層20上に多数形成された柱状n型GaN層31と、柱状n型GaN層31上に形成されたInxGa1-xNとGaNからなる量子井戸層33、およびp型GaN層35からなる。さらに、p型GaN層35の上には透明電極60が形成され、バッファ層20の上にはn側電極50が形成されている。 FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of a light-emitting diode element made of a columnar nitride semiconductor according to a first conventional example. As shown in FIG. 8, the light emitting diode device of the first conventional example includes a buffer layer 20 made of GaN grown on the main surface of a substrate 10 and a columnar n-type GaN layer formed on the buffer layer 20 in large numbers. 31, a quantum well layer 33 made of In x Ga 1-x N and GaN formed on the columnar n-type GaN layer 31, and a p-type GaN layer 35. Further, a transparent electrode 60 is formed on the p-type GaN layer 35, and an n-side electrode 50 is formed on the buffer layer 20.

第1の従来例の発光ダイオード素子は、柱状のGaNを用いることにより、積層フィルム状のGaNを用いた発光ダイオード素子と比較して、高輝度・高発光効率を実現している。   The light emitting diode element of the first conventional example uses columnar GaN to achieve higher luminance and higher light emission efficiency than a light emitting diode element using laminated film GaN.

第1の従来例に示されるような発光ダイオード素子では、格子欠陥や貫通欠陥に起因した非発光遷移によるキャリア再結合を抑制する為に、GaN層の結晶欠陥が極力減少されることを必要とする。これは、窒化物半導体と格子整合するサファイアのような単結晶基板を必要とするため、高コストに繋がる。   In the light emitting diode device as shown in the first conventional example, it is necessary that the crystal defects of the GaN layer be reduced as much as possible in order to suppress carrier recombination due to non-emissive transition caused by lattice defects and through defects. To do. This requires a single crystal substrate such as sapphire that lattice matches with the nitride semiconductor, leading to high costs.

発光ダイオード素子の更なる高輝度・高発光効率を実現するためには、基板の放熱性の増加が必要とされる。しかし、サファイアのような単結晶基板の熱伝導率は不十分である。   In order to realize further high luminance and high luminous efficiency of the light emitting diode element, it is necessary to increase the heat dissipation of the substrate. However, the thermal conductivity of single crystal substrates such as sapphire is insufficient.

これらの問題を解決するために、特許文献2は、安価かつ熱伝導率の高いグラファイトを基板として使用し、パルススパッタリング法によって当該グラファイト上に多結晶の窒化物半導体薄膜を作製する方法を開示している。   In order to solve these problems, Patent Document 2 discloses a method for producing a polycrystalline nitride semiconductor thin film on graphite by using a low-cost and high thermal conductivity graphite as a substrate and by pulse sputtering. ing.

特開2005−228936号公報JP 2005-228936 A 特開2009−200207号公報JP 2009-200207 A

しかし、パルススパッタリング法によってグラファイト上に作製したGaN薄膜は多結晶体であるため、当該薄膜は多くの欠陥を有する。当該欠陥のため、当該GaN薄膜は、発光ダイオード素子には適していない。さらに、パルススパッタリング法によって形成した窒化物半導体薄膜は、成膜時の放電プラズマによって大きなダメージを受けているため、当該薄膜の結晶は非常に多くの欠陥を有することが良く知られている。このため、特許文献1に開示されているパルススパッタリング法によって窒化物半導体を作製する方法を用いて発光ダイオード素子を作製する際に必要不可欠となるp型GaNを作製することは非常に困難である。   However, since the GaN thin film produced on the graphite by the pulse sputtering method is a polycrystal, the thin film has many defects. Due to the defect, the GaN thin film is not suitable for a light emitting diode element. Furthermore, since the nitride semiconductor thin film formed by the pulse sputtering method is greatly damaged by the discharge plasma at the time of film formation, it is well known that the crystal of the thin film has a large number of defects. For this reason, it is very difficult to produce p-type GaN which is indispensable when producing a light-emitting diode element using the method of producing a nitride semiconductor by the pulse sputtering method disclosed in Patent Document 1. .

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、安価かつ熱伝導率の高いグラファイトを基板とし、半導体素子の製造に最も適した有機金属化学気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法によって、低コストで高性能な窒化物発光ダイオード素子を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and uses a metal oxide chemical vapor deposition (MOCVD) method that is most suitable for the manufacture of semiconductor elements, using inexpensive graphite with high thermal conductivity as a substrate. Accordingly, an object of the present invention is to provide a low-cost and high-performance nitride light-emitting diode device.

前記従来の課題を解決するために、本発明の発光ダイオード素子は、グラファイト基板と、前記グラファイト基板上に形成されたアモルファスカーボン層と、前記アモルファスカーボン層上にMOCVD法により形成されたc軸配向AlN層と、前記AlN層上に形成されたGaNの低温成長バッファ層と、前記低温バッファ層上に形成された第一のn型GaN層と、前記第一のn型GaN層上に形成された複数の開口部を有するマスク層と、前記マスク層の開口部の前記第一のn型GaN層上に形成された第二のn型GaN層と、前記第二のn型GaN層上に形成されたInxGa1-xNとGaNからなる多層量子井戸層と、前記多層量子井戸層上に形成されたp型GaN層と、前記p型GaN層上に形成されたp型GaNコンタクト層と、前記p型GaNコンタクト層上に設けられたp側電極と、前記第一のn型GaN層上に設けられたn側電極とからなり、前記AlN層に対して、その上に形成した前記低温成長バッファ層、前記第一のn型GaN層、前記第二のn型GaN層、前記多層量子井戸層、前記p型GaN層および前記p型GaNコンタクト層がエピタキシャル成長し、前記第二のn型GaN層、前記多層量子井戸層、前記p型GaN層および前記p型GaNコンタクト層は、複数の柱状構造を構成し、前記p側電極が、前記柱状構造の先端部の前記p型GaNコンタクト層をすべて架橋していることを特徴とする。 In order to solve the conventional problems, a light emitting diode device of the present invention includes a graphite substrate, an amorphous carbon layer formed on the graphite substrate, and a c-axis orientation formed on the amorphous carbon layer by MOCVD. An AlN layer, a low-temperature growth buffer layer of GaN formed on the AlN layer, a first n-type GaN layer formed on the low-temperature buffer layer, and a first n-type GaN layer A mask layer having a plurality of openings, a second n-type GaN layer formed on the first n-type GaN layer in the opening of the mask layer, and on the second n-type GaN layer A formed multilayer quantum well layer made of In x Ga 1-x N and GaN, a p-type GaN layer formed on the multilayer quantum well layer, and a p-type GaN contact formed on the p-type GaN layer Layer and The p-side electrode provided on the p-type GaN contact layer and the n-side electrode provided on the first n-type GaN layer, and the low temperature formed thereon with respect to the AlN layer A growth buffer layer, the first n-type GaN layer, the second n-type GaN layer, the multilayer quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p-type GaN contact layer are epitaxially grown, and the second n-type The GaN layer, the multilayer quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p-type GaN contact layer constitute a plurality of columnar structures, and the p-side electrode is the p-type GaN contact layer at the tip of the columnar structure. Are all cross-linked.

本構成により、グラファイト基板上に、MOCVDを用いてAlNとGaNがc軸配向した欠陥の少ない高品位な窒化物半導体を実現できる。したがって、グラファイト基板上に柱状窒化物半導体からなる発光ダイオード素子を直接作製することができる。   With this configuration, a high-quality nitride semiconductor with few defects in which AlN and GaN are c-axis oriented using MOCVD can be realized on a graphite substrate. Therefore, a light emitting diode element made of a columnar nitride semiconductor can be directly manufactured on a graphite substrate.

本発明の発光ダイオード素子によれば、グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設け、前記アモルファスカーボン層上にMOCVD法によってAlNのc軸配向膜を成長させることで、グラファイト基板上に直接高品質な柱状のGaNを作製することが可能となり、低コストで優れた特性を有する発光ダイオード素子を実現できる。以下の「図面の簡単な説明において、「SEM観察写真」および「TEM観察写真」とは、それぞれ、「SEM観察像」および「TEM観察像」を意味する。   According to the light emitting diode device of the present invention, an amorphous carbon layer is provided on a graphite substrate, and an AlN c-axis alignment film is grown on the amorphous carbon layer by MOCVD, so that a high-quality columnar shape is directly formed on the graphite substrate. GaN can be manufactured, and a light-emitting diode element having excellent characteristics can be realized at low cost. In the following “Brief description of the drawings”, “SEM observation photograph” and “TEM observation photograph” mean “SEM observation image” and “TEM observation image”, respectively.

本発明の実施の形態1における発光ダイオード素子の断面構成図1 is a cross-sectional configuration diagram of a light-emitting diode element according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1における発光ダイオード素子の製造方法の工程順の断面構成図Cross-sectional block diagram of the order of the process of the manufacturing method of the light emitting diode element in Embodiment 1 of this invention (a)本発明の実施の形態1における酸化処理を実施していないグラファイト基板上にMOCVD法を用いてAlNを堆積した際の表面SEM観察写真 (b)酸化処理を実施したグラファイト基板上にMOCVD法を用いてAlNを堆積した際の表面SEM観察写真(A) Surface SEM observation photograph when AlN is deposited on the graphite substrate not subjected to the oxidation treatment in Embodiment 1 of the present invention using the MOCVD method. (B) MOCVD on the graphite substrate subjected to the oxidation treatment. SEM observation photograph when AlN was deposited using the method (a)本発明の実施の形態1におけるグラファイト基板とAlN層界面付近の断面TEM観察写真(b)グラファイト基板とAlN層界面付近の高分解能TEMによる格子像写真(A) Cross-sectional TEM observation photograph near the interface between the graphite substrate and the AlN layer in Embodiment 1 of the present invention (b) Lattice image photograph by high resolution TEM near the interface between the graphite substrate and the AlN layer 実施の形態1におけるマスク層の上面概略図Schematic top view of mask layer in the first embodiment 本発明の実施の形態1におけるグラファイト基板上に作製した発光ダイオード素子のフォトルミネッセンス特性を示すグラフThe graph which shows the photo-luminescence characteristic of the light emitting diode element produced on the graphite substrate in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるグラファイト基板上に作製した発光ダイオード素子のI−V特性を示すグラフThe graph which shows the IV characteristic of the light emitting diode element produced on the graphite board | substrate in Embodiment 1 of this invention. 従来の発光ダイオード素子の断面構成図Cross-sectional configuration diagram of a conventional light emitting diode element

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1による発光ダイオード素子の断面構成図を示す。図1において、101はグラファイト基板を指し示す。102はグラファイト基板101の表面を酸素アッシング処理によってアモルファス化することによって形成されたアモルファスカーボン層を指し示す。103は、アモルファスカーボン層102上にMOCVDによって形成されたAlN層を指し示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a light-emitting diode element according to the first embodiment. In FIG. 1, 101 indicates a graphite substrate. Reference numeral 102 denotes an amorphous carbon layer formed by amorphizing the surface of the graphite substrate 101 by oxygen ashing. Reference numeral 103 denotes an AlN layer formed on the amorphous carbon layer 102 by MOCVD.

104は、AlN層103上にMOCVDによって形成されたGaNの低温成長バッファ層を指し示す。105は、低温成長バッファ層104上に形成された第一のn型GaN層を指し示す。106は、第一のn型GaN層106上に形成されたマスク層を指し示す。107は、マスク層106の開口部の第一のn型GaN層105上に形成された第二のn型GaN層107を指し示す。   Reference numeral 104 denotes a low-temperature growth buffer layer of GaN formed on the AlN layer 103 by MOCVD. Reference numeral 105 denotes a first n-type GaN layer formed on the low temperature growth buffer layer 104. Reference numeral 106 denotes a mask layer formed on the first n-type GaN layer 106. Reference numeral 107 denotes a second n-type GaN layer 107 formed on the first n-type GaN layer 105 in the opening of the mask layer 106.

108は、第二のn型GaN層105上に形成されたInxGa1-xNとGaNからなる多層量子井戸層を指し示す。109は、多重量子井戸層108上に形成されたp型GaN層を指し示す。110は、p型GaN層109上に形成されたp型GaNコンタクト層を指し示す。111はp側電極を指し示す。112はn側電極を指し示す。 Reference numeral 108 denotes a multilayer quantum well layer made of In x Ga 1-x N and GaN formed on the second n-type GaN layer 105. Reference numeral 109 denotes a p-type GaN layer formed on the multiple quantum well layer 108. Reference numeral 110 denotes a p-type GaN contact layer formed on the p-type GaN layer 109. 111 indicates a p-side electrode. Reference numeral 112 denotes an n-side electrode.

低温成長バッファ層104、第一のn型GaN層105、第二のn型GaN層107、多重量子井戸層108、p型GaN層109、およびp型GaNコンタクト層110は、この順でAlN層103上にエピタキシャル成長法により形成される。   The low temperature growth buffer layer 104, the first n-type GaN layer 105, the second n-type GaN layer 107, the multiple quantum well layer 108, the p-type GaN layer 109, and the p-type GaN contact layer 110 are arranged in this order as an AlN layer. 103 is formed by epitaxial growth.

第二のn型GaN層107、多層量子井戸層108、p型GaN層109、およびp型GaNコンタクト層110は、複数の柱状構造を構成する。   The second n-type GaN layer 107, the multilayer quantum well layer 108, the p-type GaN layer 109, and the p-type GaN contact layer 110 constitute a plurality of columnar structures.

p側電極111は、柱状構造の先端部に位置する全てのp型GaNコンタクト層110に電気的に接続されている。一例としてp側電極111は、インジウム錫酸化物(ITO)または酸化亜鉛(ZnO)のような透明導電膜、あるいはニッケル(Ni)及び金(Au)から構成される。第一のn型GaN層105の露出する面上には、n側電極112が形成される。一例としてn側電極112は、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)積層膜から構成される。   The p-side electrode 111 is electrically connected to all the p-type GaN contact layers 110 located at the tip of the columnar structure. As an example, the p-side electrode 111 is made of a transparent conductive film such as indium tin oxide (ITO) or zinc oxide (ZnO), or nickel (Ni) and gold (Au). An n-side electrode 112 is formed on the exposed surface of the first n-type GaN layer 105. As an example, the n-side electrode 112 is composed of a titanium (Ti) and aluminum (Al) laminated film.

以下、図面を参照しながら上記の発光ダイオード素子を製造する方法を説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the light emitting diode element will be described with reference to the drawings.

図2(a)〜図2(g)は、実施の形態1による発光ダイオード素子を製造する方法における各工程の断面図を示す。   2 (a) to 2 (g) are cross-sectional views showing respective steps in the method for manufacturing the light-emitting diode element according to the first embodiment.

第1の実施形態においては、窒化物半導体の結晶成長法としてMOCVD法が用いられる。ガリウム源としては、例えば、トリメチルガリウム(TMG)が挙げられる。アルミニウム源としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)が挙げられる。インジウム源としては、例えば、トリメチルインジウム(TMI)が挙げられる。窒素源としては、例えば、アンモニア(NH3)が挙げられる。n型ドーパントの原料としては、シリコン(Si)を含むシラン(SiH4)が挙げられる。p型ドーパントの原料としては、マグネシウム(Mg)を含むシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)が挙げられる。 In the first embodiment, the MOCVD method is used as a nitride semiconductor crystal growth method. Examples of the gallium source include trimethyl gallium (TMG). Examples of the aluminum source include trimethylaluminum (TMA). An example of the indium source is trimethylindium (TMI). Examples of the nitrogen source include ammonia (NH 3 ). Examples of the raw material for the n-type dopant include silane (SiH 4 ) containing silicon (Si). Examples of the raw material for the p-type dopant include cyclopentadienyl magnesium (CP 2 Mg) containing magnesium (Mg).

まず、図2(a)に示されるように、グラファイト基板101の表面を、酸素アッシング処理を用いて酸化することにより、アモルファス化する。このようにして、アモルファスカーボン層102が形成される。次に図2(b)に示されるように、およそ960℃の温度のMOCVD法を用いて、アモルファスカーボン層102上にAlN層103が成長される。さらに、図2(c)に示されるように、およそ500℃の温度でGaNからなる低温成長バッファ層104が成長される。   First, as shown in FIG. 2A, the surface of the graphite substrate 101 is made amorphous by oxidizing it using an oxygen ashing process. In this way, the amorphous carbon layer 102 is formed. Next, as shown in FIG. 2B, an AlN layer 103 is grown on the amorphous carbon layer 102 by using the MOCVD method at a temperature of about 960.degree. Further, as shown in FIG. 2C, a low temperature growth buffer layer 104 made of GaN is grown at a temperature of about 500.degree.

図2(d)に示されるように、およそ900℃の高温でn型GaNからなる第一のn型GaN層105が成長される。図2(e)に示すように、第一のn型GaN層105上に、複数の開口部を有するマスク層106が形成される。   As shown in FIG. 2D, a first n-type GaN layer 105 made of n-type GaN is grown at a high temperature of about 900 ° C. As shown in FIG. 2E, a mask layer 106 having a plurality of openings is formed on the first n-type GaN layer 105.

図2(f)に示すように、マスク層106の各開口部から露出する第一のn型GaN層105上に、約900℃の高温でn型GaNからなる第二のn型GaN層107、InxGa1-xN(0.01≦x≦0.20が好ましい。一例として、x=0.12)およびGaNからなる多重量子井戸層108、p型GaNからなるp型GaN層109、ならびにp+型GaNからなるp型GaNコンタクト層110が順次成長される。これにより、n型GaN層105・107、多重量子井戸層108、およびp型GaN層109から構成される柱状構造が形成される。 As shown in FIG. 2F, the second n-type GaN layer 107 made of n-type GaN at a high temperature of about 900 ° C. is formed on the first n-type GaN layer 105 exposed from each opening of the mask layer 106. In x Ga 1-x N (preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.20. As an example, x = 0.12) and a multiple quantum well layer 108 made of GaN, and a p-type GaN layer 109 made of p-type GaN. In addition, a p-type GaN contact layer 110 made of p + -type GaN is sequentially grown. As a result, a columnar structure composed of the n-type GaN layers 105 and 107, the multiple quantum well layer 108, and the p-type GaN layer 109 is formed.

最後に、図2(g)に示すように、柱状構造の先端部に位置する全てのp型GaNコンタクト層110に接するp側電極111が形成される。第一のn型GaN層105上にn側電極112も形成される。   Finally, as shown in FIG. 2G, the p-side electrode 111 in contact with all the p-type GaN contact layers 110 located at the tip of the columnar structure is formed. An n-side electrode 112 is also formed on the first n-type GaN layer 105.

実施の形態1においては、グラファイト基板101の表面を酸化することによってアモルファスカーボン層102が設けられ、その上にMOCVD法を用いてAlN層103が形成されるので、非常に緻密でc軸配向したAlN層103が形成される。そのため、単結晶基板ではないグラファイト基板が用いられているにもかかわらず、貫通欠陥が少ない高品位なGaN薄膜が作製できる。これによって、グラファイト基板上に発光ダイオード素子が作製される。   In the first embodiment, the amorphous carbon layer 102 is provided by oxidizing the surface of the graphite substrate 101, and the AlN layer 103 is formed thereon by using the MOCVD method, so that it is very dense and c-axis oriented. An AlN layer 103 is formed. Therefore, even though a graphite substrate that is not a single crystal substrate is used, a high-quality GaN thin film with few penetration defects can be produced. Thereby, a light emitting diode element is produced on the graphite substrate.

第1の実施形態におけるマスク層106の材料の例は、SiO2、Sixy、およびAl23である。これらの材料は、およそ900度の高温においても変化しない。これらの材料は、スパッタリング法、化学気相成長法など、一般的な手法を用いて形成され得る。 Examples of the material of the mask layer 106 in the first embodiment are SiO 2 , Si x N y , and Al 2 O 3 . These materials do not change at high temperatures of approximately 900 degrees. These materials can be formed using a general method such as a sputtering method or a chemical vapor deposition method.

(実施例1)
以下の実施例により、本発明をより詳細に説明する。
Example 1
The following examples illustrate the invention in more detail.

図3(a)は、酸化処理されていないグラファイト基板101上に、MOCVD法によって堆積されたAlNの表面のSEM観察像を示す。図3(b)は、グラファイト基板101上に酸化処理によって形成された20nmの厚みを有するアモルファスカーボン層102上に、MOCVD法によって形成された20nmの厚みを有するAlN層103の表面のSEM観察像を示す。   FIG. 3A shows an SEM observation image of the surface of AlN deposited by MOCVD on the graphite substrate 101 that has not been oxidized. FIG. 3B shows an SEM observation image of the surface of the AlN layer 103 having a thickness of 20 nm formed by MOCVD on the amorphous carbon layer 102 having a thickness of 20 nm formed on the graphite substrate 101 by oxidation. Indicates.

図3(a)から明らかなように、酸素処理されていないグラファイト基板101上には、樹状結晶の様な微結晶のみが堆積した。AlN薄膜はグラファイト基板101上には形成されなかった。   As is clear from FIG. 3A, only microcrystals such as dendrites were deposited on the graphite substrate 101 that was not oxygen-treated. The AlN thin film was not formed on the graphite substrate 101.

一方、図3(b)から明らかなように、アモルファスカーボン層102を表面に有するグラファイト基板101上には、緻密なAlN薄膜が形成された。   On the other hand, as is clear from FIG. 3B, a dense AlN thin film was formed on the graphite substrate 101 having the amorphous carbon layer 102 on the surface.

図4(a)は、グラファイト基板上101上に形成されたアモルファスカーボン層102(図4(a)における「表面改質領域」に対応)、MOCVD法により形成された20nmの厚みを有するAlN層103、および1μmのGaN低温成長バッファ層104から構成される積層体の断面TEM観察写真を示す。図4(b)は、アモルファスカーボン層102とAlN層103との間の界面付近の格子像を示す。   4A shows an amorphous carbon layer 102 (corresponding to the “surface modification region” in FIG. 4A) formed on the graphite substrate 101, and an AlN layer having a thickness of 20 nm formed by MOCVD. The cross-sectional TEM observation photograph of the laminated body comprised from the GaN low-temperature growth buffer layer 104 of 103 and 1 micrometer is shown. FIG. 4B shows a lattice image near the interface between the amorphous carbon layer 102 and the AlN layer 103.

図4(a)および図4(b)から明らかなように、アモルファスカーボン層102の上に緻密な結晶性を有するAlN層103が形成されている。AlN層103上に良好な結晶性を有するGaNからなる低温バッファ層104が成長されている。断面TEM観察写真から求められた転位密度は低く、具体的には2×109cm-2であった。低温バッファ層104は、サファイア基板上にGaN低温成長バッファ層を介して成長させたGaN薄膜と実質的に同一の転位密度を有することが確認された。 As is apparent from FIGS. 4A and 4B, an AlN layer 103 having a dense crystallinity is formed on the amorphous carbon layer 102. A low-temperature buffer layer 104 made of GaN having good crystallinity is grown on the AlN layer 103. The dislocation density determined from the cross-sectional TEM observation photograph was low, specifically 2 × 10 9 cm −2 . It has been confirmed that the low temperature buffer layer 104 has substantially the same dislocation density as the GaN thin film grown on the sapphire substrate via the GaN low temperature growth buffer layer.

非単結晶基板であるグラファイトの表面に、アモルファスカーボン層102を設けることによって、非常に高い結晶性を有する窒化物薄膜が形成され得ることが見いだされた。   It has been found that a nitride thin film having very high crystallinity can be formed by providing the amorphous carbon layer 102 on the surface of graphite which is a non-single crystal substrate.

グラファイト基板101の表面にアモルファスカーボン層102を形成することによって緻密なAlN薄膜が成長する原因は、以下の通りであると考えられる。通常のグラファイト表面では、グラフェンのsp2混成軌道からなるπ結合によって電子が非局在されている。一方、酸素アッシングによってアモルファス化されたアモルファスカーボン層102の表面では、いたるところで寸断されたπ結合のため、sp2軌道のみならずsp3軌道が存在していると考えられる。 The reason why the dense AlN thin film grows by forming the amorphous carbon layer 102 on the surface of the graphite substrate 101 is considered as follows. On the normal graphite surface, electrons are delocalized by π bonds consisting of sp 2 hybrid orbitals of graphene. On the other hand, on the surface of the amorphous carbon layer 102 made amorphous by oxygen ashing, it is considered that not only sp 2 orbits but also sp 3 orbitals exist because of π bonds broken everywhere.

表1は、第一原理計算によって求められた、カーボンのsp2軌道およびsp3軌道に対するAl原子およびN原子の吸着エネルギーを示す。 Table 1 shows the adsorption energies of Al atoms and N atoms with respect to the carbon sp 2 and sp 3 orbits determined by the first principle calculation.

Figure 2011258631
Figure 2011258631

表1から明らかなように、sp2軌道に対するAl原子およびN原子の吸着エネルギーはいずれも正の値である。一方、sp3軌道に対するそれらはいずれも負の値である。このことは、sp3軌道に対して自発的にAlおよびNが吸着しやすいことを意味する。このことから、グラファイト基板の表面に酸素アッシングによってアモルファスカーボン層を形成することによってカーボンのsp3軌道が多数形成され、そしてAlNが成長する初期の段階における核生成が促進される。このようにして、良好な薄膜結晶が成長したと考えられる。 As is apparent from Table 1, the adsorption energies of Al atoms and N atoms with respect to the sp 2 orbital are both positive values. On the other hand, those for the sp 3 orbit are all negative values. This means that Al and N are easily adsorbed spontaneously with respect to the sp 3 orbit. From this, by forming an amorphous carbon layer on the surface of the graphite substrate by oxygen ashing, a large number of carbon sp 3 orbitals are formed, and nucleation is promoted in the initial stage of AlN growth. Thus, it is considered that a good thin film crystal has grown.

表2は、0、20、40、60、および80nmの厚みを有するアモルファスカーボン層を形成した際のGaNのXRDのロッキングカーブによって得られた(0002)ピークの半値幅を示す。   Table 2 shows the half width of the (0002) peak obtained by the XRD rocking curve of GaN when amorphous carbon layers having thicknesses of 0, 20, 40, 60, and 80 nm were formed.

Figure 2011258631
Figure 2011258631

アモルファスカーボン層102が20nm以上60nm以下の厚みを有する場合、GaN薄膜はc軸配向し、かつ良好な半値幅を有する。アモルファスカーボン層が80nmの厚みを有する場合、酸素アッシングの際にグラファイト薄膜中に取り込まれる酸素の量が増加する。そのため、その後にMOCVD法によってAlNおよびGaNを成長させる際、グラファイト基板中に取り込まれた酸素がAlまたはGaと反応する。これが、急峻な界面の形成を阻害したと考えられる。したがって、アモルファスカーボン層102は、20nm以上60nm以下の厚みを有することが望ましい。   When the amorphous carbon layer 102 has a thickness of 20 nm or more and 60 nm or less, the GaN thin film is c-axis oriented and has a good half width. When the amorphous carbon layer has a thickness of 80 nm, the amount of oxygen taken into the graphite thin film during oxygen ashing increases. Therefore, when AlN and GaN are subsequently grown by MOCVD, oxygen taken into the graphite substrate reacts with Al or Ga. This is thought to have hindered the formation of a steep interface. Therefore, the amorphous carbon layer 102 desirably has a thickness of 20 nm to 60 nm.

表3は、実施例1における各層の膜厚を示している。   Table 3 shows the film thickness of each layer in Example 1.

Figure 2011258631
Figure 2011258631

表3に示される膜厚を有するアモルファスカーボン層102、AlN層103、GaN低温成長バッファ層104、第一のn型GaN層105、マスク層106、第二のn型GaN層107、多重量子井戸層108、p型GaN層109、およびp型GaNコンタクト層110が順次成長された。   Amorphous carbon layer 102 having a thickness shown in Table 3, AlN layer 103, GaN low-temperature growth buffer layer 104, first n-type GaN layer 105, mask layer 106, second n-type GaN layer 107, multiple quantum well Layer 108, p-type GaN layer 109, and p-type GaN contact layer 110 were sequentially grown.

マスク層106の材料はSiO2であった。図5に示されるように、マスク層106は、
一定の間隔を有する複数の円状の開口部113を具備していた。開口部113の直径Aは210nmであった。隣接する2つの開口部113の間隔Bは420nmであった。当該マスク層106を用いて、グラファイト基板101上に210nmの直径およぼ420nmの間隔を有する柱状構造を得た。当該柱状構造は、n型GaN層、多重量子井戸層、およびp型GaN層から構成された。
The material of the mask layer 106 was SiO 2 . As shown in FIG. 5, the mask layer 106 is
A plurality of circular openings 113 having a constant interval were provided. The diameter A of the opening 113 was 210 nm. A distance B between two adjacent openings 113 was 420 nm. A columnar structure having a diameter of 210 nm and an interval of 420 nm was obtained on the graphite substrate 101 using the mask layer 106. The columnar structure was composed of an n-type GaN layer, a multiple quantum well layer, and a p-type GaN layer.

多重量子井戸層108は、2.5nmの厚みを有するIn0.12Ga0.88Nと、8nmの厚みを有するGaNを交互に5周期積層することによって形成された。 The multiple quantum well layer 108 was formed by alternately laminating five periods of In 0.12 Ga 0.88 N having a thickness of 2.5 nm and GaN having a thickness of 8 nm.

図6は、当該柱状構造のPL測定の結果を示す。PL測定の際の励起光源は、He−Cdレーザーであった。   FIG. 6 shows the results of PL measurement of the columnar structure. The excitation light source at the time of PL measurement was a He—Cd laser.

図6から明らかなように、実施例1では、420nmの波長において多重量子井戸層108からの明瞭な発光ピークが観察された。実施例1の発光強度は、比較例1のそれよりも約15%高かった。   As is clear from FIG. 6, in Example 1, a clear emission peak from the multiple quantum well layer 108 was observed at a wavelength of 420 nm. The emission intensity of Example 1 was about 15% higher than that of Comparative Example 1.

実施例1のp側電極111は、液相合成法により形成したZnO透明導電膜であった。以下、当該ZnO透明導電膜を形成する方法が記述される。   The p-side electrode 111 of Example 1 was a ZnO transparent conductive film formed by a liquid phase synthesis method. Hereinafter, a method for forming the ZnO transparent conductive film will be described.

0.1mol/Lの濃度を有する硝酸亜鉛(ZnNO3)の溶液に、0.1mol/Lの濃度を有するヘキサメチレンテトラミン((CH264)を滴下し、pH値を5から7までの間に調整した。その後、レジストを塗布しフォトリソグラフィーによってp型GaNコンタクト層110のみ露出させた積層体を得た。当該積層体を、上記溶液に浸漬した。溶液の温度を70℃に保ちながら2〜6時間静置した。このようにして、p型GaNコンタクト層110上にZnO透明導電膜を成長させた。ZnO透明導電膜の厚みは成長時間によって調整した。成長速度は、約2.7nm/minであった。300nmの厚みを有するZnO透明導電膜を成長させた。その後、アセトンを用いてレジストを剥離し、乾燥させた。 Hexamethylenetetramine ((CH 2 ) 6 N 4 ) having a concentration of 0.1 mol / L is dropped into a solution of zinc nitrate (ZnNO 3 ) having a concentration of 0.1 mol / L, and the pH value is adjusted to 5 to 7 Adjusted between. Thereafter, a resist was applied and a laminated body in which only the p-type GaN contact layer 110 was exposed by photolithography was obtained. The laminate was immersed in the solution. The solution was allowed to stand for 2 to 6 hours while maintaining the temperature at 70 ° C. In this way, a ZnO transparent conductive film was grown on the p-type GaN contact layer 110. The thickness of the ZnO transparent conductive film was adjusted by the growth time. The growth rate was about 2.7 nm / min. A ZnO transparent conductive film having a thickness of 300 nm was grown. Thereafter, the resist was removed using acetone and dried.

UV−可視透過率測定の結果、上記手法で作製したZnO透明電極膜は、350nm〜2.5μmの幅広い波長の範囲において95%以下という高い透過率を有した。4端子法による抵抗率測定の結果、ZnO透明電極は、1.2×10-2Ωcmの比較的低い抵抗率を有した。これらの結果は、作製したZnO透明電極が、発光ダイオード素子のp側電極として十分に使用可能であることを意味した。 As a result of the UV-visible transmittance measurement, the ZnO transparent electrode film prepared by the above method had a high transmittance of 95% or less in a wide wavelength range of 350 nm to 2.5 μm. As a result of the resistivity measurement by the four-terminal method, the ZnO transparent electrode had a relatively low resistivity of 1.2 × 10 −2 Ωcm. These results meant that the prepared ZnO transparent electrode was sufficiently usable as the p-side electrode of the light-emitting diode element.

10nmの厚みを有するTiおよび100nmの厚みを有するAlを積層することにより、n側電極112が形成された。その後、ダイサーによって1mm×1mmのサイズに分離することにより、実施例1の発光ダイオード素子を作製した。比較例1として、マスク層106の形成工程を省略することにより、積層フィルム状の窒化物半導体薄膜を具備する発光ダイオード素子を作製した。   The n-side electrode 112 was formed by laminating Ti having a thickness of 10 nm and Al having a thickness of 100 nm. Then, the light emitting diode element of Example 1 was produced by isolate | separating into the size of 1 mm x 1 mm with a dicer. As Comparative Example 1, a light emitting diode device having a laminated film-like nitride semiconductor thin film was manufactured by omitting the step of forming the mask layer 106.

図7は、実施例1の発光ダイオード素子が有するI−V特性を示す。図7から明らかなように、実施例1の発光ダイオード素子は良好なダイオード特性を示した。実施例1の発光ダイオード素子は、約2.4V付近の順方向電圧において点灯を開始し、明瞭な青色発光を示した。   FIG. 7 shows the IV characteristics of the light-emitting diode element of Example 1. As is apparent from FIG. 7, the light-emitting diode element of Example 1 exhibited good diode characteristics. The light emitting diode element of Example 1 started to light at a forward voltage of about 2.4 V and showed clear blue light emission.

表4は、実施例1および比較例1の発光ダイオード素子に2.7Vの電圧が印加された場合における、λ=420nmにおける発光強度の相対値を示す。   Table 4 shows the relative value of the emission intensity at λ = 420 nm when a voltage of 2.7 V is applied to the light emitting diode elements of Example 1 and Comparative Example 1.

Figure 2011258631
Figure 2011258631

表4に示されるように、実施例1の発光ダイオード素子は、比較例1の発光ダイオード素子に対して1.42倍の発光強度を有していた。   As shown in Table 4, the light emitting diode element of Example 1 had a light emission intensity 1.42 times that of the light emitting diode element of Comparative Example 1.

これらの結果から理解されるように、グラファイト基板表面にアモルファスカーボン層を形成し、続いてMOCVDによってAlN層を設けることが、結晶性の良い柱状GaN構造が作製されることを可能にする。このようにして、低コストで高性能な青色発光ダイオード素子を実現できる。   As understood from these results, forming an amorphous carbon layer on the surface of the graphite substrate and subsequently providing an AlN layer by MOCVD makes it possible to produce a columnar GaN structure with good crystallinity. In this way, a high-performance blue light-emitting diode element can be realized at a low cost.

実施例1の多重量子井戸層は、InxGa1-xN(x=0.12)とGaNとを5周期交互に積層することによって得られた。しかし、xは0.01以上0.20以下であり得る。積層回数(周期)も1周期(1回)以上10周期(10回以下)であり得る。 The multiple quantum well layer of Example 1 was obtained by alternately laminating In x Ga 1-x N (x = 0.12) and GaN for five periods. However, x may be not less than 0.01 and not more than 0.20. The number of times of lamination (cycle) can also be 1 cycle (1 time) or more and 10 cycles (10 times or less).

実施例1のマスク層は、210nmの直径および420nmの間隔を有する複数の開口部を具備していた。しかし、当業者は、InxGa1-xN層の組成によって決定される多重量子井戸層108の発光波長と対応するように、適切に当該直径および間隔を選択し得る。 The mask layer of Example 1 had a plurality of openings having a diameter of 210 nm and a spacing of 420 nm. However, those skilled in the art can appropriately select the diameter and interval so as to correspond to the emission wavelength of the multiple quantum well layer 108 determined by the composition of the In x Ga 1-x N layer.

本発明による発光ダイオード素子は、グラファイト基板上に、MOCVD法を用いて形成した結晶性の良いAlN層およびGaN層を有し、照明、ディスプレイ等として有用である。本発明にかかる発光ダイオード素子の形成技術は、高周波やパワーデバイス用FET等、電子デバイス等の用途にも応用できる。
The light-emitting diode device according to the present invention has an AlN layer and a GaN layer with good crystallinity formed by MOCVD on a graphite substrate, and is useful as illumination, a display, and the like. The technology for forming a light-emitting diode element according to the present invention can be applied to applications such as high-frequency and power device FETs and other electronic devices.

上記の開示内容から導出される本発明に係る技術的思想は以下の通りである。
1.
グラファイト基板(101)、
前記グラファイト基板(101)上に形成されたアモルファスカーボン層(102)、
前記アモルファスカーボン層(102)上に形成されたAlN層(103)、
前記AlN層(103)上に形成された第1のn型窒化物半導体層(105)、
前記第1のn型窒化物半導体層(105)上に形成された複数の第2のn型窒化物半導体層(107)、ここで、前記各n型窒化物半導体層(107)は柱状であり、
前記各第2のn型窒化物半導体層(107)上に形成された窒化物半導体からなる量子井戸層(108)、
前記量子井戸層(108)上に形成されたp型窒化物半導体層(109)、
前記p型窒化物半導体層(109)に電気的に接続されたp側電極(111)、および
前記第1のn型窒化物半導体層(105)に電気的に接続されたn側電極(112)
を具備する発光ダイオード素子を製造する方法であって、
前記方法は、
前記グラファイト基板(101)の表面を酸素アッシングして、アモルファスカーボン層(102)を前記グラファイト基板(101)の表面に形成する工程、
前記アモルファスカーボン層(102)上にMOCVD(有機金属気相成長法)によってAlN層(103)を形成する工程、
前記AlN層(103)上に第1のn型窒化物半導体層(105)を形成する工程、
前記n型窒化物半導体層(105)上に複数の開口部を有するマスク層(106)を形成する工程、
前記複数の開口部から露出する前記n型窒化物半導体層(105)の部分上に複数の第2のn型窒化物半導体層(107)を形成する工程、
前記各第2のn型窒化物半導体層(107)上に窒化物半導体からなる量子井戸層(108)を形成する工程、
前記量子井戸層(108)上にp型窒化物半導体層(109)を形成する工程、
前記p型窒化物半導体層(109)上にp側電極(111)を形成する工程、および、
前記n型窒化物半導体層(105)上にn側電極(112)を形成する工程
を有する。

2.
前記アモルファスカーボン層(102)が20nm以上60nm以下の厚みを有する、前記項1に記載の方法。

3.
n型窒化物半導体層(105)を形成する前に、前記AlN層(103)上に窒化物半導体からなるバッファ層(104)を形成する工程をさらに有する、前記項1に記載の方法。

4.
n型窒化物半導体層(105)を形成する前に、前記AlN層(103)上に窒化物半導体からなるバッファ層(104)を形成する工程をさらに有する、前記項2に記載の方法。

5.
p型電極(111)がZnO透明導電膜である、前記項1に記載の方法。

6.
p型電極(111)がZnO透明導電膜である、前記項4に記載の方法。

7.
前記量子井戸層(108)が多重量子井戸層からなる、前記項1に記載の方法。

8.
前記量子井戸層(108)が多重量子井戸層からなる、前記項6に記載の方法。

9.
グラファイト基板(101)、
前記グラファイト基板(101)上に形成されたアモルファスカーボン層(102)、および
前記アモルファスカーボン層(102)上に形成されたAlN層(103)、
を具備する半導体基板。

10.
前記アモルファスカーボン層(102)が20nm以上60nm以下の厚みを有する、前記項9に記載の半導体基板。

11.
グラファイト基板(101)、
前記グラファイト基板(101)上に形成されたアモルファスカーボン層(102)、および
前記アモルファスカーボン層(102)上に形成されたAlN層(103)、
を具備する半導体基板を製造する方法であって、
前記方法は、
前記グラファイト基板(101)の表面を酸素アッシングして、アモルファスカーボン層(102)を前記グラファイト基板(101)の表面に形成する工程、および
前記アモルファスカーボン層(102)上にMOCVD(有機金属気相成長法)によってAlN層(103)を形成する工程、
を順に有する。

12.
前記アモルファスカーボン層(102)が20nm以上60nm以下の厚みを有する、前記項11に記載の方法。

13.
グラファイト基板(101)、
前記グラファイト基板(101)上に形成されたアモルファスカーボン層(102)、
前記アモルファスカーボン層(102)上に形成されたAlN層(103)、
前記AlN層(103)上に形成された第1のn型窒化物半導体層(105)、
前記第1のn型窒化物半導体層(105)上に形成された複数の第2のn型窒化物半導体層(107)、ここで、前記各n型窒化物半導体層(107)は柱状であり、
前記各第2のn型窒化物半導体層(107)上に形成された窒化物半導体からなる量子井戸層(108)、
前記量子井戸層(108)上に形成されたp型窒化物半導体層(109)、
前記p型窒化物半導体層(109)に電気的に接続されたp側電極(111)、および
前記第1のn型窒化物半導体層(105)に電気的に接続されたn側電極(112)
を具備する発光ダイオード素子。

14.
前記アモルファスカーボン層(102)が20nm以上60nm以下の厚みを有する、前記項13に記載の発光ダイオード素子。

15.
前記AlN層(103)と前記n型窒化物半導体層(105)との間に挟まれた窒化物半導体からなるバッファ層(104)をさらに備える、前記項13に記載の発光ダイオード素子。

16.
前記AlN層(103)と前記n型窒化物半導体層(105)との間に挟まれた窒化物半導体からなるバッファ層(104)をさらに備える、前記項14に記載の発光ダイオード素子。

17.
p型電極(111)がZnO透明導電膜である、前記項13に記載の発光ダイオード素子。

18.
p型電極(111)がZnO透明導電膜である、前記項16に記載の発光ダイオード素子。

19.
前記量子井戸層が多重量子井戸層からなる、前記項13に記載の発光ダイオード素子。

20.
前記量子井戸層が多重量子井戸層からなる、前記項18に記載の発光ダイオード素子。

1.
A method of fabricating a light-emitting diode comprising:
a graphite substrate(101),
an amorphous carbon layer(102) formed on the graphite substrate(101),
an AlN layer(103) formed on the amorphous carbon layer(102),
a first n-type nitride semiconductor layer(105) formed on the AlN layer(103),
a plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107), each of which is pole-shaped, formed on the first n-type nitride semiconductor layer(105),
a quantum well layer(108) formed on each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107)
a p-side nitride semiconductor layer(109) formed on the quantum well layer(108),
a p-side electrode(111) connected electrically to the p-type nitride semiconductor layer(109),
a n-side electrode(112) connected electrically to the first n-type nitride semiconductor layer(105),
the method comprising the following steps:
oxygen-ashing the surface of the graphite substrate(101) to form the amorphous carbon layer(102) on the surface of the graphite substrate(101),
forming the AlN layer(103) on the amorphous carbon layer(102) with MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition),
forming the first n-type nitride semiconductor layer(105) on the AlN layer(103),
forming a mask layer(106) with a plurality of openings on the first n-type nitride semiconductor layer(105),
forming the plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107) on the portions of the first n-type nitride semiconductor layer(105), which expose from the openings,
forming the quantum well layer(108) on the each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107),
forming the p-side nitride semiconductor layer(109) on the quantum well layer(108),
forming the p-side electrode(111) on the p-side nitride semiconductor layer(109), and
forming the n-side electrode(112) on the first n-type nitride semiconductor layer(105).

2.
A method of item 1, wherein the amorphous carbon layer(102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

3.
A method of item 1 further comprising a step of the forming a buffer layer(104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer(103).

4.
A method of item 2 further comprising a step of the forming a buffer layer(104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer(103).

5.
A method of item 1, wherein the p-side electrode(111) is formed of a ZnO transparent film.

6.
A method of item 4, wherein the p-side electrode(111) is formed of a ZnO transparent film.

7.
A method of item 1, wherein the quantum well layer(108) is formed of a multi-quantum well layer.

8.
A method of item 6, wherein the quantum well layer(108) is formed of a multi-quantum well layer.

9.
A semiconductor substrate comprising:
a graphite substrate(101),
an amorphous carbon layer(102) formed on the graphite substrate(101), and
an AlN layer(103) formed on the amorphous carbon layer(102).

10.
A semiconductor substrate of item 9, wherein the amorphous carbon layer(102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

11.
A method of fabricating a semiconductor substrate comprising:
a graphite substrate(101),
an amorphous carbon layer(102) formed on the graphite substrate(101), and
an AlN layer(103) formed on the amorphous carbon layer(102),
the method comprising the following steps in this order:
oxygen-ashing the surface of the graphite substrate(101) to form the amorphous carbon layer(102) on the surface of the graphite substrate(101), and
forming the AlN layer(103) on the amorphous carbon layer(102) with MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

12.
A method of item 11, wherein the amorphous carbon layer(102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

13.
A light-emitting diode comprising:
a graphite substrate(101),
an amorphous carbon layer(102) formed on the graphite substrate(101),
an AlN layer(103) formed on the amorphous carbon layer(102),
a first n-type nitride semiconductor layer(105) formed on the AlN layer(103),
a plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107), each of which is pole-shaped, formed on the first n-type nitride semiconductor layer(105),
a quantum well layer(108) formed on each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer(107)
a p-side nitride semiconductor layer(109) formed on the quantum well layer(108),
a p-side electrode(111) connected electrically to the p-type nitride semiconductor layer(109),
a n-side electrode(112) connected electrically to the first n-type nitride semiconductor layer(105).

14.
A light-emitting diode of item 13, wherein the amorphous carbon layer(102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

15.
A light-emitting diode of item 13 further comprising a buffer layer(104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer(103).

16.
A light-emitting diode of item 14 further comprising a buffer layer(104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer(103).

17.
A light-emitting diode of item 13, wherein the p-side electrode(111) is formed of a ZnO transparent film.

18.
A light-emitting diode of item 16, wherein the p-side electrode(111) is formed of a ZnO transparent film.

19.
A light-emitting diode of item 13, wherein the quantum well layer(108) is formed of a multi-quantum well layer.

20.
A light-emitting diode of item 18, wherein the quantum well layer(108) is formed of a multi-quantum well layer.
The technical idea according to the present invention derived from the above disclosure is as follows.
1.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101);
An AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102);
A first n-type nitride semiconductor layer (105) formed on the AlN layer (103);
A plurality of second n-type nitride semiconductor layers (107) formed on the first n-type nitride semiconductor layer (105), wherein each of the n-type nitride semiconductor layers (107) is columnar. Yes,
A quantum well layer (108) made of a nitride semiconductor formed on each of the second n-type nitride semiconductor layers (107),
A p-type nitride semiconductor layer (109) formed on the quantum well layer (108),
A p-side electrode (111) electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer (109), and an n-side electrode (112) electrically connected to the first n-type nitride semiconductor layer (105) )
A method of manufacturing a light emitting diode device comprising:
The method
Oxygen ashing the surface of the graphite substrate (101) to form an amorphous carbon layer (102) on the surface of the graphite substrate (101);
Forming an AlN layer (103) on the amorphous carbon layer (102) by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition);
Forming a first n-type nitride semiconductor layer (105) on the AlN layer (103);
Forming a mask layer (106) having a plurality of openings on the n-type nitride semiconductor layer (105);
Forming a plurality of second n-type nitride semiconductor layers (107) on portions of the n-type nitride semiconductor layer (105) exposed from the plurality of openings;
Forming a quantum well layer (108) made of a nitride semiconductor on each of the second n-type nitride semiconductor layers (107);
Forming a p-type nitride semiconductor layer (109) on the quantum well layer (108);
Forming a p-side electrode (111) on the p-type nitride semiconductor layer (109); and
Forming an n-side electrode (112) on the n-type nitride semiconductor layer (105);

2.
Item 2. The method according to Item 1, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

3.
The method according to Item 1, further comprising a step of forming a buffer layer (104) made of a nitride semiconductor on the AlN layer (103) before forming the n-type nitride semiconductor layer (105).

4).
3. The method according to item 2, further comprising a step of forming a buffer layer (104) made of a nitride semiconductor on the AlN layer (103) before forming the n-type nitride semiconductor layer (105).

5).
Item 2. The method according to Item 1, wherein the p-type electrode (111) is a ZnO transparent conductive film.

6).
Item 5. The method according to Item 4, wherein the p-type electrode (111) is a ZnO transparent conductive film.

7).
Item 2. The method of Item 1, wherein the quantum well layer (108) comprises a multiple quantum well layer.

8).
Item 7. The method according to Item 6, wherein the quantum well layer (108) comprises a multiple quantum well layer.

9.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
A semiconductor substrate comprising:

10.
Item 10. The semiconductor substrate according to Item 9, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

11.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
A method of manufacturing a semiconductor substrate comprising:
The method
Oxygen ashing the surface of the graphite substrate (101) to form an amorphous carbon layer (102) on the surface of the graphite substrate (101); and MOCVD (organometallic vapor phase) on the amorphous carbon layer (102) Forming an AlN layer (103) by a growth method),
In order.

12
Item 12. The method according to Item 11, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

13.
Graphite substrate (101),
An amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101);
An AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102);
A first n-type nitride semiconductor layer (105) formed on the AlN layer (103);
A plurality of second n-type nitride semiconductor layers (107) formed on the first n-type nitride semiconductor layer (105), wherein each of the n-type nitride semiconductor layers (107) is columnar. Yes,
A quantum well layer (108) made of a nitride semiconductor formed on each of the second n-type nitride semiconductor layers (107),
A p-type nitride semiconductor layer (109) formed on the quantum well layer (108),
A p-side electrode (111) electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer (109), and an n-side electrode (112) electrically connected to the first n-type nitride semiconductor layer (105) )
A light emitting diode device comprising:

14
Item 14. The light-emitting diode element according to Item 13, wherein the amorphous carbon layer (102) has a thickness of 20 nm to 60 nm.

15.
Item 14. The light-emitting diode element according to Item 13, further comprising a buffer layer (104) made of a nitride semiconductor sandwiched between the AlN layer (103) and the n-type nitride semiconductor layer (105).

16.
Item 15. The light-emitting diode element according to Item 14, further comprising a buffer layer (104) made of a nitride semiconductor sandwiched between the AlN layer (103) and the n-type nitride semiconductor layer (105).

17.
Item 14. The light-emitting diode element according to Item 13, wherein the p-type electrode (111) is a ZnO transparent conductive film.

18.
Item 17. The light-emitting diode element according to Item 16, wherein the p-type electrode (111) is a ZnO transparent conductive film.

19.
Item 14. The light-emitting diode device according to Item 13, wherein the quantum well layer is a multiple quantum well layer.

20.
Item 19. The light-emitting diode device according to Item 18, wherein the quantum well layer is a multiple quantum well layer.

1.
A method of comprising a light-emitting diode comprising:
a graphite substrate (101),
an amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101),
an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
a first n-type nitride semiconductor layer (105) formed on the AlN layer (103),
a plural of second n-type nitride semiconductor layer (107), each of which is pole-shaped, formed on the first n-type nitride semiconductor layer (105),
a quantum well layer (108) formed on each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer (107)
a p-side nitride semiconductor layer (109) formed on the quantum well layer (108),
a p-side electrode (111) connected electrically to the p-type nitride semiconductor layer (109),
a n-side electrode (112) connected electrically to the first n-type nitride semiconductor layer (105),
the method comprising the following steps:
oxygen-ashing the surface of the graphite substrate (101) to form the amorphous carbon layer (102) on the surface of the graphite substrate (101),
forming the AlN layer (103) on the amorphous carbon layer (102) with MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition),
forming the first n-type nitride semiconductor layer (105) on the AlN layer (103),
forming a mask layer (106) with a plurality of openings on the first n-type nitride semiconductor layer (105),
forming the plurality of second n-type nitride semiconductor layer (107) on the portions of the first n-type nitride semiconductor layer (105), which expose from the openings,
forming the quantum well layer (108) on the each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer (107),
forming the p-side nitride semiconductor layer (109) on the quantum well layer (108),
forming the p-side electrode (111) on the p-side nitride semiconductor layer (109), and
forming the n-side electrode (112) on the first n-type nitride semiconductor layer (105).

2.
A method of item 1, 10.the amorphous carbon layer (102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

3.
A method of item 1 further comprising a step of the forming a buffer layer (104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer (103).

Four.
A method of item 2 further comprising a step of the forming a buffer layer (104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer (103).

Five.
A method of item 1, etc.the p-side electrode (111) is formed of a ZnO transparent film.

6.
A method of item 4, etc.the p-side electrode (111) is formed of a ZnO transparent film.

7.
A method of item 1, etc.the quantum well layer (108) is formed of a multi-quantum well layer.

8.
A method of item 6, etc.the quantum well layer (108) is formed of a multi-quantum well layer.

9.
A semiconductor substrate comprising:
a graphite substrate (101),
an amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and
an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102).

Ten.
A semiconductor substrate of item 9, ... the amorphous carbon layer (102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

11.
A method of comprising a semiconductor substrate comprising:
a graphite substrate (101),
an amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101), and
an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
the method comprising the following steps in this order:
oxygen-ashing the surface of the graphite substrate (101) to form the amorphous carbon layer (102) on the surface of the graphite substrate (101), and
forming the AlN layer (103) on the amorphous carbon layer (102) with MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

12.
A method of item 11, 10.the amorphous carbon layer (102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

13.
A light-emitting diode comprising:
a graphite substrate (101),
an amorphous carbon layer (102) formed on the graphite substrate (101),
an AlN layer (103) formed on the amorphous carbon layer (102),
a first n-type nitride semiconductor layer (105) formed on the AlN layer (103),
a plural of second n-type nitride semiconductor layer (107), each of which is pole-shaped, formed on the first n-type nitride semiconductor layer (105),
a quantum well layer (108) formed on each of the plurality of second n-type nitride semiconductor layer (107)
a p-side nitride semiconductor layer (109) formed on the quantum well layer (108),
a p-side electrode (111) connected electrically to the p-type nitride semiconductor layer (109),
a n-side electrode (112) connected electrically to the first n-type nitride semiconductor layer (105).

14.
A light-emitting diode of item 13, 10.the amorphous carbon layer (102) has a thickness of not less than 20nm and not more than 60nm.

15.
A light-emitting diode of item 13 further comprising a buffer layer (104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer (103).

16.
A light-emitting diode of item 14 further comprising a buffer layer (104) formed of a nitride semiconductor on the AlN layer (103).

17.
A light-emitting diode of item 13, 10.the p-side electrode (111) is formed of a ZnO transparent film.

18.
A light-emitting diode of item 16, wherein the p-side electrode (111) is formed of a ZnO transparent film.

19.
A light-emitting diode of item 13, 10.the quantum well layer (108) is formed of a multi-quantum well layer.

20.
A light-emitting diode of item 18, and the quantum well layer (108) is formed of a multi-quantum well layer.

10 基板
20 バッファ層
31 柱状n型GaN
33 量子井戸
35 p型GaN
41 透明絶縁物層
50 電極パッド
60 透明電極
70 電極パッド
101 グラファイト基板
102 アモルファスカーボン層
103 AlN層
104 低温成長バッファ層
105 第一のn型GaN層
106 マスク層
107 第二のn型GaN層
108 多重量子井戸層
109 p型GaN層
110 p型GaNコンタクト層
111 p側電極
112 n側電極
113 開口部
10 Substrate 20 Buffer layer 31 Columnar n-type GaN
33 Quantum well 35 p-type GaN
41 transparent insulator layer 50 electrode pad 60 transparent electrode 70 electrode pad 101 graphite substrate 102 amorphous carbon layer 103 AlN layer 104 low temperature growth buffer layer 105 first n-type GaN layer 106 mask layer 107 second n-type GaN layer 108 multiple Quantum well layer 109 p-type GaN layer 110 p-type GaN contact layer 111 p-side electrode 112 n-side electrode 113 opening

Claims (3)

グラファイト基板と、
前記グラファイト基板上に形成されたアモルファスカーボン層と、
前記アモルファスカーボン層上にMOCVD法により形成されたc軸配向AlN層と、
前記AlN層上に形成されたGaNの低温成長バッファ層と、
前記低温バッファ層上に形成された第一のn型GaN層と、
前記第一のn型GaN層上に形成された複数の開口部を有するマスク層と、
前記マスク層の開口部の前記第一のn型GaN層上に形成された第二のn型GaN層と、
前記第二のn型GaN層上に形成されたInxGa1-xNとGaNからなる多層量子井戸層と、
前記多層量子井戸層上に形成されたp型GaN層と、
前記p型GaN層上に形成されたp型GaNコンタクト層と
前記p型GaNコンタクト層上に設けられたp側電極と、
前記第一のn型GaN層上に設けられたn側電極とからなり、
前記AlN層に対して、その上に形成した前記低温成長バッファ層、前記第一のn型GaN層、前記第二のn型GaN層、前記多層量子井戸層、前記p型GaN層および前記p型GaNコンタクト層がエピタキシャル成長し、
前記第二のn型GaN層、前記多層量子井戸層、前記p型GaN層および前記p型GaNコンタクト層は、複数の柱状構造を構成し、
前記p側電極が、前記柱状構造の先端部の前記p型GaNコンタクト層をすべて架橋していることを特徴とする発光ダイオード素子。
A graphite substrate;
An amorphous carbon layer formed on the graphite substrate;
A c-axis oriented AlN layer formed by MOCVD on the amorphous carbon layer;
A low temperature growth buffer layer of GaN formed on the AlN layer;
A first n-type GaN layer formed on the low-temperature buffer layer;
A mask layer having a plurality of openings formed on the first n-type GaN layer;
A second n-type GaN layer formed on the first n-type GaN layer in the opening of the mask layer;
A multilayer quantum well layer made of In x Ga 1-x N and GaN formed on the second n-type GaN layer;
A p-type GaN layer formed on the multilayer quantum well layer;
A p-type GaN contact layer formed on the p-type GaN layer and a p-side electrode provided on the p-type GaN contact layer;
An n-side electrode provided on the first n-type GaN layer,
The low temperature growth buffer layer, the first n-type GaN layer, the second n-type GaN layer, the multilayer quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p formed on the AlN layer. Type GaN contact layer grows epitaxially,
The second n-type GaN layer, the multilayer quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p-type GaN contact layer constitute a plurality of columnar structures,
The p-side electrode bridges all of the p-type GaN contact layer at the tip of the columnar structure.
前記p側電極は、液相合成によって形成されたZnO透明導電膜であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード素子。 The light emitting diode device according to claim 1, wherein the p-side electrode is a ZnO transparent conductive film formed by liquid phase synthesis. グラファイト基板上にアモルファスカーボン層を設ける工程と、
前記アモルファスカーボン層上にMOCVD法によってAlNのc軸配向膜を成長させる工程と、
前記AlN層上にGaNの低温成長バッファ層を形成する工程と、
前記低温成長バッファ層上に第一のn型GaN層を形成する工程と
前記第一のn型GaN層上に複数の開口部を有するマスク層を形成する工程と
前記マスク層の開口部の前記第一のn型GaN層上に第二のn型GaN層を形成する工程と、
前記第二のn型GaN層上にInxGa1-xNとGaNからなる多層量子井戸層を形成する工程と、
前記多重量子井戸層上にp型GaN層およびp型GaNコンタクト層を形成する工程と、
前記p型GaNコンタクト層上にp側電極を形成する工程と、
前記第一のn型GaN層上にn側電極を形成する工程と、からなる発光ダイオード素子の製造方法において、
前記AlN層に対してその上に形成した前記低温成長バッファ層、前記第一のn型GaN層、前記第二のn型GaN層、前記多重量子井戸層、前記p型GaN層およびp型GaNコンタクト層がエピタキシャル成長し、
前記第二のn型GaN層、前記多層量子井戸層、前記p型GaN層および前記p型GaNコンタクト層は、複数個の柱状構造を構成し、
前記p側電極が、前記柱状構造の先端部の前記p型GaNコンタクト層をすべて架橋し、
前記アモルファスカーボン層を、酸化処理により形成したことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。
Providing an amorphous carbon layer on the graphite substrate;
Growing an AlN c-axis alignment film on the amorphous carbon layer by MOCVD;
Forming a low-temperature growth buffer layer of GaN on the AlN layer;
Forming a first n-type GaN layer on the low-temperature growth buffer layer, forming a mask layer having a plurality of openings on the first n-type GaN layer, and forming the openings in the mask layer Forming a second n-type GaN layer on the first n-type GaN layer;
Forming a multilayer quantum well layer composed of In x Ga 1-x N and GaN on the second n-type GaN layer;
Forming a p-type GaN layer and a p-type GaN contact layer on the multiple quantum well layer;
Forming a p-side electrode on the p-type GaN contact layer;
Forming a n-side electrode on the first n-type GaN layer, and a method for manufacturing a light-emitting diode element comprising:
The low temperature growth buffer layer formed on the AlN layer, the first n-type GaN layer, the second n-type GaN layer, the multiple quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p-type GaN The contact layer grows epitaxially,
The second n-type GaN layer, the multilayer quantum well layer, the p-type GaN layer, and the p-type GaN contact layer constitute a plurality of columnar structures,
The p-side electrode bridges all of the p-type GaN contact layer at the tip of the columnar structure;
A method for manufacturing a light-emitting diode element, wherein the amorphous carbon layer is formed by an oxidation treatment.
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