JP2012009784A - Semiconductor element and method of reducing dislocation of semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element and method of reducing dislocation of semiconductor element Download PDF

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Motoaki Iwatani
素顕 岩谷
Tetsuya Takeuchi
哲也 竹内
Satoshi Kamiyama
智 上山
Isamu Akasaki
勇 赤▲崎▼
Hiroshi Amano
浩 天野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a dislocation density of a semiconductor element having a laminated structure of a group III nitride-based semiconductor, which can be used as a light-emitting diode, etc., to improve the crystallinity.SOLUTION: A semiconductor element is constituted of a base layer composed of a first group III nitride semiconductor and a functional layer which is composed of a second group III nitride semiconductor having a composition of AlGaInN (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0<Z≤1, X+Y+Z=1), and exhibits a periodic superlattice structure.

Description

本発明は、発光素子(発光ダイオード)などとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor element having a laminated structure of a group III nitride semiconductor that can be used as a light emitting element (light emitting diode).

発光ダイオードは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、発光ダイオードは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用のみならず一般照明用途への適用も試みられている。   Light-emitting diodes are rapidly expanding in various fields such as backlights for liquid crystal displays, mobile phones, information terminals, and indoor / outdoor advertisements. In addition, light emitting diodes have long life and high reliability, and have features such as low power consumption, impact resistance, high purity display color, lightness, thinness, and so on. Application is also being attempted.

現在、発光ダイオード、特に緑色から青色領域の光を発する発光ダイオードは、GaNやAlNモル分率の比較的低いAlGaInNなどのIII族窒化物半導体が用いられている。例えば、特許文献1には、サファイア基板上にバッファ層を形成した後、このバッファ層上に順次にn型GaN層、AlGaN活性層及びp型GaN層を順次に形成して発光ダイオードを作製していた。しかしながら、このような方法で上記発光ダイオードを作製した場合、十分なデバイス特性を発揮することができないという問題があった。   Currently, Group III nitride semiconductors such as GaN and AlGaInN having a relatively low AlN molar fraction are used for light emitting diodes, particularly light emitting diodes that emit light in the green to blue region. For example, in Patent Document 1, after forming a buffer layer on a sapphire substrate, an n-type GaN layer, an AlGaN active layer, and a p-type GaN layer are sequentially formed on the buffer layer to produce a light emitting diode. It was. However, when the light emitting diode is manufactured by such a method, there is a problem that sufficient device characteristics cannot be exhibited.

この原因としては、例えばサファイア基板とn型GaN層との界面で発生したミスフィット転位がn型GaN層中を伝播して貫通し、その表面にまで達してしまうことによって、n型GaN層上に形成したAlGaN活性層及びp型GaN層中にも前記転位が伝播してしまい、発光ダイオードを構成する半導体層の結晶性が劣化してしまうことに起因する。   This is because, for example, misfit dislocations generated at the interface between the sapphire substrate and the n-type GaN layer propagate through the n-type GaN layer and reach the surface thereof. This is because the dislocation propagates also in the AlGaN active layer and the p-type GaN layer formed in this manner, and the crystallinity of the semiconductor layer constituting the light emitting diode is deteriorated.

半導体中の転位密度を低減するための作製技術としては、「Japanese Journal Applied Physics, 36 (1997) L899」にELO技術、「MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)」におけるPENDEOエピタキシー技術、及び「第46回秋期応用物理学関係関連講演会 講演予稿集No.1 (1999)p416」における周期溝構造技術などが提案されている。   As a fabrication technique for reducing the dislocation density in semiconductors, ELO technology in “Japanese Journal Applied Physics, 36 (1997) L899”, “MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)” PENDEO epitaxy technology and periodic groove structure technology in “The 46th Autumn Meeting on Applied Physics Related Lectures No.1 (1999) p416” have been proposed.

ELO技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にGaN層を形成し、このGaN層上にSiOなどの選択性を有する誘電体材料からなるストライプ状の層を形成する。その後、この層から横方向への選択成長させることにより、低転位の例えばGaN半導体を形成する技術である。 In the ELO technology, after forming a low-temperature buffer layer on a sapphire substrate, a GaN layer is formed on the buffer layer, and a striped layer made of a dielectric material having selectivity such as SiO 2 is formed on the GaN layer. Form. Thereafter, this is a technique for forming, for example, a GaN semiconductor with low dislocations by selective growth from this layer in the lateral direction.

また、PENDEOエピタキシー技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にGaN層を形成する。そして、このGaN層に前記サファイア基板まで貫通するストライプ状の底面を有する凹部を形成する。そして、この凹部の段差を埋めるようにして、例えばGaN半導体を横方向成長させることにより形成する。すると、GaN半導体の前記凹部上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として用いるものである。   In the PENDEO epitaxy technique, a low-temperature buffer layer is formed on a sapphire substrate, and then a GaN layer is formed on the buffer layer. Then, a recess having a striped bottom surface penetrating to the sapphire substrate is formed in the GaN layer. Then, for example, a GaN semiconductor is formed by lateral growth so as to fill the step of the recess. Then, since the part above the said recessed part of a GaN semiconductor is a low dislocation, this part is used as a board | substrate.

さらに、周期溝構造技術は、同じくサファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にGaN層を形成する。そして、このGaN層の主面にストライプ状の段差を形成し、この段差を埋めるようにして、例えばGaN半導体を形成するものである。すると、GaN半導体の前記段差上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として使用するものである。   Further, in the periodic groove structure technology, after forming a low-temperature buffer layer on the sapphire substrate, a GaN layer is formed on the buffer layer. Then, a stripe-shaped step is formed on the main surface of the GaN layer, and, for example, a GaN semiconductor is formed so as to fill the step. Then, since the part above the level | step difference of a GaN semiconductor is a low dislocation, this part is used as a board | substrate.

しかしながら、これらの転位低減技術は、発光ダイオードを構成する各層を形成する工程以外に、SiOからなるストライプ状の層などを形成すると余分な操作が必要になり、発光ダイオードを製造する上での工程が煩雑になるとともに、それに伴って製造コストが増大してしまうという問題があった。 However, these dislocation reduction techniques require an extra operation when forming a stripe-like layer made of SiO 2 in addition to the process of forming each layer constituting the light emitting diode, which is necessary for manufacturing the light emitting diode. There is a problem that the process becomes complicated and the manufacturing cost increases accordingly.

特開2000−196196号公報JP 2000-196196 A

Japanese JournalApplied Physics, 36 (1997) L899Japanese JournalApplied Physics, 36 (1997) L899 MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)MRS internet Journal Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999) 第46回秋期応用物理学関係関連講演会 講演予稿集No.1 (1999)p416The 46th Autumn Meeting on Applied Physics Lecture Proceedings No.1 (1999) p416

本発明は、発光ダイオードなどとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子の転位密度を低減し、その結晶性を向上させることを目的とする。   An object of the present invention is to reduce the dislocation density and improve the crystallinity of a semiconductor element having a laminated structure of a group III nitride semiconductor that can be used as a light emitting diode or the like.

上記目的を達成すべく、本発明は、第1のIII族窒化物半導体からなる下地層と、AlGaInN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0<Z≦1、X+Y+Z=1)なる組成を有する第2のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層と、を具えることを特徴とする、半導体素子に関する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an underlayer made of a first group III nitride semiconductor, Al X Ga Y In ZN (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 <Z ≦ 1). , X + Y + Z = 1), and a functional layer made of a second group III nitride semiconductor having a periodic superlattice structure.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、所定のIII族窒化物半導体からなる下地層上に、同じくIII族窒化物半導体からなる機能層を形成して所定の半導体素子を形成する場合に、機能層を、AlGaInN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0<Z≦1、X+Y+Z=1)なる組成を有する第2のIII族窒化物半導体から周期的超格子構造として構成することにより、上記半導体素子中の転位密度を低減することができ、その結晶性を向上できることを見出した。 The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, when a predetermined semiconductor element is formed by forming a functional layer also made of a group III nitride semiconductor on a base layer made of a predetermined group III nitride semiconductor, the functional layer is made of Al X Ga Y In by configuring as Z N (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 <Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) becomes periodic superlattice structure from the second group III nitride semiconductor having a composition, the It has been found that the dislocation density in a semiconductor element can be reduced and its crystallinity can be improved.

すなわち、本発明の半導体素子によれば、上記下地層と上記機能層との間にミスフィット転位が発生し、さらに上記機能層中に転位が発生した場合においても、これらの転位は機能層を貫通することがなく、機能層の表層部は低転位の状態となる。したがって、機能層の特に表層部の結晶性が向上するとともに、半導体素子の使用用途に応じて、機能層上に、例えば導電層などの所定の層を形成した場合においても、この層が下方に位置する機能層の転位の影響を受けることがない。結果として、半導体素子全体の結晶性が向上し、目的とする半導体素子及びこれを用いたデバイスとしての特性を十分に発揮することができるようになる。   That is, according to the semiconductor element of the present invention, even when misfit dislocations are generated between the base layer and the functional layer and further dislocations are generated in the functional layer, these dislocations cause the functional layer to The surface layer portion of the functional layer is in a low dislocation state without penetrating. Therefore, the crystallinity of the surface layer portion of the functional layer is improved, and even when a predetermined layer such as a conductive layer is formed on the functional layer according to the use application of the semiconductor element, this layer is located below. It is not affected by dislocations in the functional layer. As a result, the crystallinity of the entire semiconductor element is improved, and the characteristics of the target semiconductor element and a device using the semiconductor element can be sufficiently exhibited.

なお、上記機能層は、例えば発光ダイオードにおいては活性層(発光層)として機能し、発光素子においても同じく活性層(発光層)として機能するものである。また、高電子移動度トランジスタにおいては導電層として機能するものである。すなわち、上記機能層は、上記半導体素子がその本来的な機能を発揮するための層であって、前記半導体素子において必須の要素である。   Note that the functional layer functions as an active layer (light emitting layer) in a light emitting diode, for example, and also functions as an active layer (light emitting layer) in a light emitting element. In the high electron mobility transistor, it functions as a conductive layer. That is, the functional layer is a layer for the semiconductor element to exhibit its original function, and is an essential element in the semiconductor element.

したがって、本発明によれば、半導体素子を構成する各層を形成する工程以外に、SiOからなるストライプ状の層などを形成する余分な工程が不要となり、半導体素子を製造する上での工程の煩雑化や、製造コストの増大を回避することができる。 Therefore, according to the present invention, in addition to the process of forming each layer constituting the semiconductor element, an extra process for forming a striped layer made of SiO 2 or the like is not required, and the process for manufacturing the semiconductor element is eliminated. Complexity and increase in manufacturing cost can be avoided.

なお、本発明における”III族窒化物半導体“とは、一般式AlGaInN(0≦P≦1、0≦Q≦1、0≦R≦1、P+Q+R=1)で表され、必要に応じてSi、PなどのドナーやMgなどのアクセプターを含有する場合をも包含するものである。 Note that the "III-nitride semiconductor" in the present invention, is represented by the general formula Al P Ga Q In R N ( 0 ≦ P ≦ 1,0 ≦ Q ≦ 1,0 ≦ R ≦ 1, P + Q + R = 1) In addition, a case where a donor such as Si or P or an acceptor such as Mg is contained is included as necessary.

本発明の一例において、機能層の厚さは200nm以上とすることができる。これによって、上述した作用効果をより顕著に奏することができ、半導体素子中の転位密度を低減してその結晶性を向上させることができる。なお、機能層の厚さの上限は特に限定されるものではないが、例えば300nmとすることができる。機能層の厚さを2000nmよりも大きくしても、最早、上述した作用効果には寄与しない。   In an example of the present invention, the thickness of the functional layer can be 200 nm or more. As a result, the above-described effects can be more remarkably exhibited, the dislocation density in the semiconductor element can be reduced, and the crystallinity can be improved. The upper limit of the thickness of the functional layer is not particularly limited, but can be set to 300 nm, for example. Even if the thickness of the functional layer is greater than 2000 nm, it no longer contributes to the above-described effects.

また、本発明の一例において、機能層は、第1の層と第2の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第1の層の厚さを0.25nm〜20nmとし、前記第2の層の厚さを0.25nm〜20nmとすることができる。この場合においても、半導体素子中の転位密度を低減してその結晶性を向上させることができる。   In one example of the present invention, the functional layer has a periodic superlattice structure in which the first layer and the second layer are alternately stacked, and the thickness of the first layer is 0.25 nm. The thickness of the second layer can be set to 0.25 nm to 20 nm. Even in this case, the crystallinity can be improved by reducing the dislocation density in the semiconductor element.

本発明によれば、機能層の表層部における転位密度を、上述した周期的超格子構造を設けない場合に比較して、1/100以下とすることができ、具体的には、2×10/cm以下とすることができる。 According to the present invention, the dislocation density in the surface layer portion of the functional layer can be reduced to 1/100 or less as compared to the case where the above-described periodic superlattice structure is not provided. 7 / cm or less.

なお、機能層の表層部とは、機能層の厚さにも依存するが、おおよそ機能層の表面から数十nmまでの深さの領域を意味するものである。   The surface layer portion of the functional layer means a region having a depth of approximately several tens of nanometers from the surface of the functional layer, depending on the thickness of the functional layer.

以上説明したように、本発明によれば、発光ダイオードなどとして用いることのできる、III族窒化物系半導体の積層構造を有する半導体素子の転位密度を低減し、その結晶性を向上させることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the dislocation density and improve the crystallinity of a semiconductor element having a laminated structure of a group III nitride semiconductor that can be used as a light emitting diode or the like. .

本発明の半導体素子の一例として、発光素子(発光ダイオード)の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of a light emitting element (light emitting diode) as an example of the semiconductor element of this invention. 従来の発光素子(発光ダイオード)の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structure of the conventional light emitting element (light emitting diode). 実施例における発光素子の断面TEM写真である。It is a cross-sectional TEM photograph of the light emitting element in an Example. 比較例における発光素子の断面TEM写真である。It is a cross-sectional TEM photograph of the light emitting element in a comparative example.

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments.

図1は、本発明の半導体素子の一例として、発光素子(発光ダイオード)の構成を概略的に示す図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a light emitting element (light emitting diode) as an example of a semiconductor element of the present invention.

図1に示す発光素子10は、GaN基板11上に、μmオーダーの厚さを有するn型GaN層12、GaInN活性層13及びμmオーダーの厚さを有するp型GaN層14が順次に形成されてなる。GaInN活性層13は、周期的超格子構造を呈し、Ga1−SInNなる組成を有する第1の層131と、Ga1−TInNなる組成を有する第2の層132(S>T)とが交互に周期的に積層されてなる。 In the light emitting device 10 shown in FIG. 1, an n-type GaN layer 12 having a thickness on the order of μm, a GaInN active layer 13 and a p-type GaN layer 14 having a thickness on the order of μm are sequentially formed on a GaN substrate 11. It becomes. The GaInN active layer 13 has a periodic superlattice structure, and includes a first layer 131 having a composition of Ga 1 -S In S N and a second layer 132 having a composition of Ga 1 -T In T N (S > T) are alternately and periodically stacked.

図1に示す発光素子10において、GaInN活性層13を構成する第1の層131の組成比Xが0.05〜0.25の範囲、及び第2の層132の組成比Yが0.35〜0.50の範囲の場合、発光素子10は赤色の光を発するようになり、GaInN活性層13を構成する第1の層131の組成比Xが0.05〜0.25の範囲、及び第2の層132の組成比Yが0.25〜0.35の範囲の場合、発光素子10は緑色の光を発するようになる。また、GaInN活性層13を構成する第1の層131の組成比Xが0.05〜0.20の範囲、及び第2の層132の組成比Yが0.15〜0.25の範囲の場合、発光素子10は青色の光を発するようになる。   In the light emitting device 10 shown in FIG. 1, the composition ratio X of the first layer 131 constituting the GaInN active layer 13 is in the range of 0.05 to 0.25, and the composition ratio Y of the second layer 132 is 0.35. In the range of ˜0.50, the light emitting element 10 emits red light, the composition ratio X of the first layer 131 constituting the GaInN active layer 13 is in the range of 0.05 to 0.25, and When the composition ratio Y of the second layer 132 is in the range of 0.25 to 0.35, the light emitting element 10 emits green light. The composition ratio X of the first layer 131 constituting the GaInN active layer 13 is in the range of 0.05 to 0.20, and the composition ratio Y of the second layer 132 is in the range of 0.15 to 0.25. In this case, the light emitting element 10 emits blue light.

なお、ここでいう赤色光とは、一般に波長620nm〜750nmの波長領域に発光ピークを有するような光を意味し、緑色光とは、一般に波長495nm〜570nmの波長領域に発光ピークを有するような光を意味し、青色光は、一般に波長450nm〜495nmの波長領域に発光ピークを有するような光を意味する。   The red light here means light having an emission peak in the wavelength range of 620 nm to 750 nm, and the green light generally has an emission peak in the wavelength range of 495 nm to 570 nm. It means light, and blue light generally means light having an emission peak in the wavelength region of 450 nm to 495 nm.

また、例えば、基板としてサファイア基板を用いた場合は、n型導電層、活性層及びp型導電層は、AlGaN系のIII族窒化物半導体又はAlGaInN系の窒化物半導体から構成することができる。この場合も、これらIII族窒化物半導体の組成比を適宜に調整することによって、赤色光から青色光までを発することができるようになる。   For example, when a sapphire substrate is used as the substrate, the n-type conductive layer, the active layer, and the p-type conductive layer can be made of an AlGaN-based group III nitride semiconductor or an AlGaInN-based nitride semiconductor. Also in this case, it is possible to emit red light to blue light by appropriately adjusting the composition ratio of these group III nitride semiconductors.

図1に示す発光素子10においては、機能層であるGaInN活性層13を、周期的超格子構造として構成しているので、その転位密度を低減することができ、その結晶性を向上できる。   In the light emitting element 10 shown in FIG. 1, since the GaInN active layer 13 which is a functional layer has a periodic superlattice structure, its dislocation density can be reduced and its crystallinity can be improved.

すなわち、n型GaN層12及びGaInN活性層13間の界面にミスフィット転位が発生し、さらにGaInN活性層13中に転位が発生した場合においても、これらの転位はGaInN活性層13を貫通することがなく、GaInN活性層13の表層部は低転位の状態となる。したがって、GaInN活性層13の特に表層部の結晶性が向上するとともに、その上に形成されているp型GaN層14も転位の影響を受けることなく、良好な結晶性を示すようになる。結果として、発光素子10全体の結晶性が向上し、発光効率などの特性を向上させることができるようになる。   That is, even when misfit dislocations occur at the interface between the n-type GaN layer 12 and the GaInN active layer 13 and further dislocations occur in the GaInN active layer 13, these dislocations penetrate the GaInN active layer 13. The surface layer portion of the GaInN active layer 13 is in a low dislocation state. Therefore, the crystallinity of the GaInN active layer 13, particularly the surface layer portion, is improved, and the p-type GaN layer 14 formed thereon also exhibits good crystallinity without being affected by dislocations. As a result, the crystallinity of the entire light emitting element 10 is improved, and characteristics such as light emission efficiency can be improved.

なお、GaInN活性層13は、発光素子10がその本来的な機能を発揮するための層であって、必須の要素である。したがって、発光素子10を構成する各層を形成する工程以外に、ELO技術などにおけるSiOからなるストライプ状の層などを形成する余分な工程が不要となり、発光素子10を製造する上での工程の煩雑化や、製造コストの増大を回避することができる。 The GaInN active layer 13 is a layer for the light emitting element 10 to exhibit its original function, and is an essential element. Therefore, in addition to the process of forming each layer constituting the light emitting element 10, an extra process for forming a stripe-like layer made of SiO 2 in the ELO technique or the like is not necessary, and the process for manufacturing the light emitting element 10 is not necessary. Complexity and increase in manufacturing cost can be avoided.

また、本実施形態では、発光素子10のGaInN活性層13を、第1の層131及び第2の層132が交互に積層されてなる周期的超格子構造としているので、第1の層131の厚さを0.25nm〜20nm、第2の層132の厚さを0.25nm〜20nmとすることにより、GaInN活性層13の表層部及びその上のp型GaN層14中の転位密度をより低減し、結晶性を向上させることができる。   In the present embodiment, the GaInN active layer 13 of the light emitting element 10 has a periodic superlattice structure in which the first layers 131 and the second layers 132 are alternately stacked. By setting the thickness to 0.25 nm to 20 nm and the thickness of the second layer 132 to 0.25 nm to 20 nm, the dislocation density in the surface layer portion of the GaInN active layer 13 and the p-type GaN layer 14 thereon is further increased. It can be reduced and the crystallinity can be improved.

さらに、GaInN活性層13の厚さを200nm以上とすれば、上記作用効果をより顕著に奏することができるようになる。また、GaInN活性層13の厚さの上限値は2000nmとすることができる。   Furthermore, if the thickness of the GaInN active layer 13 is 200 nm or more, the above-described effects can be more remarkably exhibited. The upper limit value of the thickness of the GaInN active layer 13 can be 2000 nm.

なお、GaInN活性層13の表層部とは、GaInN活性層13の厚さにも依存するが、おおよそGaInN活性層13の表面から数十nmまでの深さの領域を意味するものである。   The surface layer portion of the GaInN active layer 13 means a region having a depth of approximately several tens of nanometers from the surface of the GaInN active layer 13 depending on the thickness of the GaInN active layer 13.

図2は、GaInN活性層が周期的超格子構造を有しない従来の発光素子の概略構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional light emitting device in which the GaInN active layer does not have a periodic superlattice structure.

図2に示す発光素子20は、GaN基板21上に、μmオーダーの厚さを有するn型GaN層22、GaInN活性層23及びμmオーダーの厚さを有するp型GaN層24が順次に形成されてなる。GaInN活性層23は、周期的超格子構造を呈することなく、単一の層として形成されている。なお、図1に示す発光素子10と同様に、GaInN活性層23における組成比を制御することによって、赤色光から青色光までを発することができるようになる。   2, an n-type GaN layer 22 having a thickness on the order of μm, a GaInN active layer 23 and a p-type GaN layer 24 having a thickness on the order of μm are sequentially formed on a GaN substrate 21. It becomes. The GaInN active layer 23 is formed as a single layer without exhibiting a periodic superlattice structure. Similar to the light emitting element 10 shown in FIG. 1, by controlling the composition ratio in the GaInN active layer 23, it is possible to emit red light to blue light.

図2に示す発光素子20は、GaInN活性層23が周期的超格子構造を呈していないので、n型GaN層22及びGaInN活性層23間の界面にミスフィット転位が発生し、さらにGaInN活性層23中に転位が発生した場合において、これらの転位はGaInN活性層23を貫通し、GaInN活性層23の表面に露出するようになる。したがって、GaInN活性層23の結晶性が低下するとともに、その上に形成されているp型GaN層14も転位の影響を受け、結晶性が低下してしまうようになる。結果として、発光素子20全体の結晶性が低下し、発光効率などの特性を向上させることができない。   In the light emitting device 20 shown in FIG. 2, since the GaInN active layer 23 does not exhibit a periodic superlattice structure, misfit dislocations are generated at the interface between the n-type GaN layer 22 and the GaInN active layer 23, and the GaInN active layer When dislocations are generated in 23, these dislocations penetrate the GaInN active layer 23 and are exposed on the surface of the GaInN active layer 23. Therefore, the crystallinity of the GaInN active layer 23 is lowered, and the p-type GaN layer 14 formed thereon is also affected by the dislocation, so that the crystallinity is lowered. As a result, the crystallinity of the entire light emitting element 20 is lowered, and characteristics such as light emission efficiency cannot be improved.

図1の発光素子10の、例えばGaInN活性層13の表層部の転位密度と、図2の発光素子20のGaInN活性層23の転位密度とを比較すると、前者の転位密度は後者の転位密度の少なくとも1/100以下とすることができ、具体的には、2×10/cm以下とすることができる。 For example, when comparing the dislocation density of the surface layer portion of the GaInN active layer 13 of the light emitting device 10 of FIG. 1 with the dislocation density of the GaInN active layer 23 of the light emitting device 20 of FIG. It can be at least 1/100 or less, specifically 2 × 10 7 / cm or less.

(実施例)
図1に示す発光素子10において、GaInN活性層13を、第1の層131をGa0.9In0.1Nとし、第2の層132をGa0.8In0.2Nとした周期的超格子構造とし、得られた発光素子10の転位の状態をTEMによって観察した。なお、周期的超格子構造は、第1の層131及び第2の層132の厚さをそれぞれ3nmとし、合計50周期の周期的超格子構造(厚さ300nm)とした。また、n型GaN層12及びp型GaN層14の厚さはそれぞれ3μmとした。
(Example)
In the light emitting device 10 shown in FIG. 1, the GaInN active layer 13 has a period in which the first layer 131 is Ga 0.9 In 0.1 N and the second layer 132 is Ga 0.8 In 0.2 N. The dislocation state of the obtained light-emitting element 10 was observed with a TEM. Note that the periodic superlattice structure was a periodic superlattice structure (thickness 300 nm) with a total of 50 periods, with the thickness of each of the first layer 131 and the second layer 132 being 3 nm. The thicknesses of the n-type GaN layer 12 and the p-type GaN layer 14 were 3 μm, respectively.

なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)及びアンモニア(NH)を用い、MOCVD法によって形成した。 Each layer was formed by MOCVD using trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and ammonia (NH 3 ) as source gases.

図3は、発光素子10の断面TEM写真である。図3から明らかなように、本実施例の発光素子10においては、n型GaN層12とGaInN活性層13との界面、及びGaInN活性層13中に転位が発生していることが認められるが、転位がGaInN活性層13の表面に抜けていないことが分かる。したがって、GaInN活性層13及びその上のp型GaN層14に転位が伝播しないので、GaInN活性層13の表層部及びp型GaN層14中に存在する転位密度を十分に低減でき、これらの結晶性を向上できることが分かる。   FIG. 3 is a cross-sectional TEM photograph of the light-emitting element 10. As is clear from FIG. 3, in the light emitting device 10 of this example, it is recognized that dislocations are generated in the interface between the n-type GaN layer 12 and the GaInN active layer 13 and in the GaInN active layer 13. It can be seen that dislocations do not escape to the surface of the GaInN active layer 13. Therefore, since dislocations do not propagate to the GaInN active layer 13 and the p-type GaN layer 14 thereon, the dislocation density existing in the surface layer portion of the GaInN active layer 13 and the p-type GaN layer 14 can be sufficiently reduced. It can be seen that the performance can be improved.

実際、TEM観察により、GaInN活性層13の表層部の転位密度は2×10−7/cmであることが判明した。 Actually, TEM observation revealed that the dislocation density of the surface layer portion of the GaInN active layer 13 was 2 × 10 −7 / cm.

(比較例)
図2に示す発光素子20において、GaInN活性層23を、厚さ300nmのGa0.8In0.2N単層とし、得られた発光素子20の転位の状態をTEMによって観察した。また、n型GaN層及びp型GaN層の厚さはそれぞれ3μmとした。
(Comparative example)
In the light-emitting element 20 shown in FIG. 2, the GaInN active layer 23 is a Ga 0.8 In 0.2 N single layer having a thickness of 300 nm, and the dislocation state of the obtained light-emitting element 20 was observed by TEM. The thicknesses of the n-type GaN layer and the p-type GaN layer were 3 μm, respectively.

なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)及びアンモニア(NH)を用い、MOCVD法によって形成した。 Each layer was formed by MOCVD using trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and ammonia (NH 3 ) as source gases.

図4は、発光素子20の断面TEM写真である。図4から明らかなように、本実施例の発光素子20においては、n型GaN層22とGaInN活性層23との界面、及びGaInN活性層23中に転位が発生していることが認められるが、GaInN活性層23が周期的超格子構造を呈していないため、転位はGaInN活性層23を貫通して表面に抜けるとともに、さらにその上のp型GaN層24にまで伝播していることが分かる。したがって、本比較例では、GaInN活性層23が周期的超格子構造を呈していないことに起因して、GaInN活性層23及びp型GaN層24中に存在する転位密度を十分に低減できず、これらの結晶性が低下することが分かる。   FIG. 4 is a cross-sectional TEM photograph of the light emitting element 20. As is clear from FIG. 4, in the light emitting device 20 of this example, it is recognized that dislocations are generated in the interface between the n-type GaN layer 22 and the GaInN active layer 23 and in the GaInN active layer 23. Since the GaInN active layer 23 does not have a periodic superlattice structure, it is understood that the dislocation penetrates the GaInN active layer 23 to the surface and further propagates to the p-type GaN layer 24 thereon. . Therefore, in this comparative example, due to the fact that the GaInN active layer 23 does not exhibit a periodic superlattice structure, the dislocation density existing in the GaInN active layer 23 and the p-type GaN layer 24 cannot be sufficiently reduced, It turns out that these crystallinity falls.

実際、TEM観察により、GaInN活性層23の表層部の転位密度は1×10−10/cmであることが判明した。したがって、上記実施例と比較して、転位密度が100倍以上となっていることが分かる。換言すれば、上記実施例における転位密度は、比較例の転位密度と比較して、1/100以下であることが分かる。 Actually, TEM observation revealed that the dislocation density of the surface layer portion of the GaInN active layer 23 is 1 × 10 −10 / cm. Therefore, it can be seen that the dislocation density is 100 times or more as compared with the above examples. In other words, it can be seen that the dislocation density in the above example is 1/100 or less compared to the dislocation density in the comparative example.

以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   The present invention has been described in detail with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、上記具体例では、GaInN活性層23を300nmと厚く形成しているが、GaInN活性層23を100nm程度としても、GaInN活性層23中の転位密度を十分に低減することができ、発光層としての機能を十分に奏することができる。   For example, in the above specific example, the GaInN active layer 23 is formed as thick as 300 nm. However, even if the GaInN active layer 23 is about 100 nm, the dislocation density in the GaInN active layer 23 can be sufficiently reduced, and the light emitting layer The function as can be fully achieved.

また、上記具体例では、半導体素子として素子を中心に述べてきたが、本発明の半導体素子は発光素子のみならず、受光素子や高電子移動トランジスタ、太陽電池などに適用することができる。   In the above specific examples, the semiconductor element has been mainly described. However, the semiconductor element of the present invention can be applied not only to a light emitting element but also to a light receiving element, a high electron transfer transistor, a solar cell, and the like.

10,20 発光素子
11、21 GaN基板
12,22 n型GaN層
13 GaInN活性層(周期的超格子構造)
14、24 p型GaN層
23 GaInN活性層(単層)
10, 20 Light emitting device 11, 21 GaN substrate 12, 22 n-type GaN layer 13 GaInN active layer (periodic superlattice structure)
14, 24 p-type GaN layer 23 GaInN active layer (single layer)

Claims (7)

第1のIII族窒化物半導体からなる下地層と、
AlGaInN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0<Z≦1、X+Y+Z=1)なる組成を有する第2のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層と、
を具えることを特徴とする、半導体素子。
An underlayer made of a first group III nitride semiconductor;
A periodic superlattice structure composed of a second group III nitride semiconductor having a composition of Al X Ga Y In ZN (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 <Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) A functional layer exhibiting
A semiconductor device comprising:
前記機能層の厚さが200nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein the functional layer has a thickness of 200 nm or more. 前記機能層は、第1の層と第2の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第1の層の厚さが0.25nm〜20nmであり、前記第2の層の厚さが0.25nm〜20nmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体素子。   The functional layer has a periodic superlattice structure in which a first layer and a second layer are alternately stacked, and the thickness of the first layer is 0.25 nm to 20 nm. The thickness of the layer of 2 is 0.25 nm-20 nm, The semiconductor element of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. 前記機能層の表層部における転位密度は、前記周期的超格子構造を有しない場合に比較して1/100以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の半導体素子。   4. The semiconductor according to claim 1, wherein a dislocation density in a surface layer portion of the functional layer is 1/100 or less as compared with a case where the periodic superlattice structure is not provided. element. 前記機能層の前記表層部の転位密度は2×10/cm以下であることを特徴とする、請求項4に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 4, wherein a dislocation density of the surface layer portion of the functional layer is 2 × 10 7 / cm or less. 前記下地層は導電層であり、前記機能層は活性層であって、前記半導体素子は、発光ダイオードを構成することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein the base layer is a conductive layer, the functional layer is an active layer, and the semiconductor element constitutes a light emitting diode. 第1のIII族窒化物半導体からなる下地層上に、AlGaInN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0<Z≦1、X+Y+Z=1)なる組成を有する第2のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を呈する機能層を形成して半導体素子を形成する工程を具え、
前記機能層の表層部における転位密度を、前記周期的超格子構造を有しない場合に比較して1/100以下とすることを特徴とする、半導体素子の転位低減方法。
A first layer having a composition of Al X Ga Y In ZN (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 <Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) is formed on the first group III nitride semiconductor underlayer. Comprising a step of forming a semiconductor element by forming a functional layer having a periodic superlattice structure, comprising a group III nitride semiconductor of 2;
A dislocation reduction method for a semiconductor device, wherein a dislocation density in a surface layer portion of the functional layer is 1/100 or less as compared with a case where the functional layer does not have the periodic superlattice structure.
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