JP2014078756A - Nitride semiconductor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-quality nitride semiconductor which exhibits high luminous efficiency when use as a light-emitting element.SOLUTION: A nitride semiconductor comprises one conductivity type nitride semiconductor part, a quantum well active layer structure and a nitride semiconductor part having another conductivity type opposite to the one conductivity type, which are sequentially laminated on a base substrate having a principal surface of a non-polar nitride by crystal growth. The one conductivity type nitride semiconductor includes a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer, which are sequentially laminated. The second nitride semiconductor layer has a thickness of 400 nm-20 μm and has a non-polar outermost surface. By selecting the above-described substrate as the substrate for crystal growth, spatial separation between an electron and a hole, which contributes to light emission based on the QCSE effect is inhibited thereby to achieve effective radiation. In addition, by setting the second nitride semiconductor layer at an adequate thickness, a nitride semiconductor surface is prevented from becoming extremely and highly irregular.

Description

本発明は、表面状態と光学特性に優れた高品質の窒化物半導体に関する。   The present invention relates to a high-quality nitride semiconductor excellent in surface state and optical characteristics.

青色発光素子や紫外線発光素子は、適切な波長変換材料との組み合わせにより白色光源とすることができる。このような白色光源は、液晶ディスプレイなどのバックライト、発光ダイオードイルミネーション、自動車用照明、あるいは蛍光灯に替わる一般照明などとしての応用が盛んに研究されてきており、その一部は既に実用化されている。現在では、このような青色発光素子や紫外線発光素子は主として、有機金属気相成長法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)などの手法により窒化ガリウム系半導体結晶の薄膜を成長させることにより作製され、それらは窒化ガリウム系発光ダイオードまたはGaN系LEDと総称されている。   A blue light emitting element or an ultraviolet light emitting element can be made into a white light source in combination with an appropriate wavelength conversion material. Such white light sources have been extensively studied for application as backlights for liquid crystal displays, light-emitting diode illumination, automotive lighting, or general lighting instead of fluorescent lamps, and some of them have already been put into practical use. ing. At present, such blue light emitting elements and ultraviolet light emitting elements are mainly used for growing gallium nitride semiconductor crystal thin films by techniques such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE). Which are collectively referred to as gallium nitride based light emitting diodes or GaN based LEDs.

従来、GaN系LEDの基板として使用されているものはサファイア基板がほとんどである。サファイアとGaNとは格子定数が大きく異なるため、サファイア基板上にエピタキシャル成長させて得られたGaN結晶では、10個/cm程度の相当数の転位が導入されることは避けられない。しかし、サファイア基板はSiC基板やGaN基板に対して安価であるという利点がある。しかも、GaN系LEDの量子井戸層として通常用いられる、青色発光する領域のInGaNは、その発光効率が転位密度に対してあまり敏感でない。このような理由から、依然としてサファイア基板が主要な基板とされているのが現状である。 Conventionally, most GaN-based LED substrates are sapphire substrates. Since sapphire and GaN have greatly different lattice constants, it is inevitable that a considerable number of dislocations of about 10 9 / cm 2 are introduced in a GaN crystal obtained by epitaxial growth on a sapphire substrate. However, the sapphire substrate has an advantage that it is cheaper than the SiC substrate or the GaN substrate. In addition, InGaN in the blue light emitting region, which is usually used as a quantum well layer of a GaN-based LED, its light emission efficiency is not very sensitive to the dislocation density. For these reasons, the sapphire substrate is still the main substrate at present.

ところが、窒化ガリウム系半導体結晶を、高いキャリア密度の状況で使用されるデバイスの材料としてみた場合には、上述のような高密度の転位はデバイス特性を顕著に低下させる結果を招く。例えば、高出力LEDやレーザといったデバイスでは、転位密度が高いと素子寿命が著しく短くなる。また、活性層構造にInを全く含まない場合(例えば、AlGaN層を活性層として用いるような場合)や、近紫外領域程度以下の短波長発光を実現するためにIn組成が比較的少ない(たとえば0.2以下程度)InGaN層やInAlGaN層を活性層構造に含む場合には、内部量子効率の転位密度依存性が強くなり、転位密度が高い場合には発光強度そのものが低下してしまう。   However, when a gallium nitride semiconductor crystal is viewed as a device material used in a high carrier density situation, the above-described high-density dislocations result in a significant decrease in device characteristics. For example, in a device such as a high-power LED or laser, if the dislocation density is high, the element life is remarkably shortened. In addition, when the active layer structure does not contain In at all (for example, when an AlGaN layer is used as the active layer), or in order to realize short wavelength emission below the near ultraviolet region, the In composition is relatively small (for example, When an InGaN layer or an InAlGaN layer is included in the active layer structure, the dependence of internal quantum efficiency on the dislocation density increases, and when the dislocation density is high, the emission intensity itself decreases.

つまり、活性層構造にInを全く含まない場合やIn組成が比較的少ないInGaN層やInAlGaN層を活性層構造に含む場合には、青色以上の長い発光波長を有するInGaN層を活性層構造に含む場合に比較して、低転位密度化に対する要求が厳しいものとなってくるのである。   That is, when the active layer structure does not contain In at all, or when the active layer structure includes an InGaN layer or InAlGaN layer with a relatively small In composition, the active layer structure includes an InGaN layer having a long emission wavelength of blue or more. Compared to the case, the demand for lowering the dislocation density becomes severe.

このような低転位密度化を目的とする場合には、GaN基板をエピタキシャル成長用基板として用いることが有効であり、これにより、エピタキシャル層内に見られる転位密度を10個/cm以下、或いは10個/cm以下にすることが期待される。また、更に基板等の転位等も低減されれば、10個/cm以下とすることも期待される。つまり、サファイア基板を用いた場合に比較して、2桁から3桁以上もの転位密度の低減が期待される。このような事情から、GaN自立基板やAlN自立基板は、窒化ガリウム系半導体結晶のエピタキシャル成長用基板として好適である。 In the case of aiming at such a low dislocation density, it is effective to use a GaN substrate as a substrate for epitaxial growth, whereby the dislocation density found in the epitaxial layer is 10 8 pieces / cm 2 or less, or It is expected to be 10 7 pieces / cm 2 or less. Further, if dislocations of the substrate or the like are further reduced, it is expected to be 10 6 pieces / cm 2 or less. That is, compared to the case of using a sapphire substrate, it is expected that the dislocation density is reduced by 2 to 3 digits or more. Under such circumstances, a GaN free-standing substrate or an AlN free-standing substrate is suitable as a substrate for epitaxial growth of a gallium nitride based semiconductor crystal.

窒化物基板であるGaN基板上に窒化ガリウム系半導体結晶をエピタキシャル成長させる従来の試みは、エピタキシャル成長面がc面(つまり、(0001)面)の基板上へのもの、すなわち「極性面」上へのエピタキシャル成長に関するものが殆どである。なお、
そのような報告例としては、例えば、特許文献1(特開2005−347494号公報)、特許文献2(特開2005−311072号公報)、特許文献3(特開2007−67454号公報)などがある。
A conventional attempt to epitaxially grow a gallium nitride based semiconductor crystal on a GaN substrate, which is a nitride substrate, is that the epitaxial growth surface is on a c-plane (that is, (0001) plane) substrate, that is, on a “polar plane”. Most are related to epitaxial growth. In addition,
Examples of such reports include Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-347494), Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-310772), Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-67454), and the like. is there.

特許文献1には、GaN層をエピタキシャル成長させるための基板として極性面である窒化物基板((0001)面のGaN基板)を用い、炉内圧力を30キロパスカルにしてGaN基板のクリーニングを行なった後、基板温度を1050℃、炉内圧力を30キロパスカルに保持したまま厚さ1μmの第1のn型GaNバッファ層を成長させ、その後、一旦原料の供給を停止し、次いで炉内圧力を30キロパスカルに保持したまま1100℃の基板温度になるまで加熱して更に厚さ1μmの第2のn型GaNバッファ層を形成するという手法が開示されており、このような結晶成長方法により、表面平坦性に優れた良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供されるとされている。   In Patent Document 1, a nitride substrate ((0001) plane GaN substrate) which is a polar surface is used as a substrate for epitaxially growing a GaN layer, and the GaN substrate is cleaned at a furnace pressure of 30 kilopascals. After that, the first n-type GaN buffer layer having a thickness of 1 μm was grown while maintaining the substrate temperature at 1050 ° C. and the furnace pressure at 30 kilopascals. A method of forming a second n-type GaN buffer layer having a thickness of 1 μm by heating to a substrate temperature of 1100 ° C. while being held at 30 kilopascals is disclosed. A semiconductor device having a buffer layer with excellent crystal quality and excellent surface flatness is provided.

また、特許文献2には、水素ガスと窒素ガスとアンモニアガスとを流しながらGaN基板の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くと同時に基板の表面の結晶性を向上させる工程の後に、窒素ガスと水素ガスを流しながらGaN基板上にGaN層とInGaN層からなる多層構造の中間層を形成し、この中間層上に反射層、活性層、および窒化ガリウム系半導体層を備えた発光素子の発明が開示されている。   Patent Document 2 discloses a process of removing dirt and moisture such as organic substances adhering to the surface of the GaN substrate while flowing hydrogen gas, nitrogen gas and ammonia gas, and simultaneously improving the crystallinity of the substrate surface. Later, while flowing nitrogen gas and hydrogen gas, an intermediate layer having a multilayer structure composed of a GaN layer and an InGaN layer was formed on the GaN substrate, and a reflective layer, an active layer, and a gallium nitride based semiconductor layer were provided on the intermediate layer. An invention of a light emitting element is disclosed.

さらに、特許文献3の実施例26には、GaN基板上に形成された厚み3μmのSiドープのn型GaNバッファ層を設け、このn型GaNバッファ層上に積層構造を造り込んだレーザ素子の発明が開示されている。なお、上記n型GaNバッファ層とGaN基板との間に、500℃程度の低温で形成した300Å以下のバッファ層を設けてもよい旨が記載されている。   Further, in Example 26 of Patent Document 3, a 3 μm-thick Si-doped n-type GaN buffer layer formed on a GaN substrate is provided, and a laminated structure is formed on the n-type GaN buffer layer. The invention is disclosed. It is described that a buffer layer of 300 mm or less formed at a low temperature of about 500 ° C. may be provided between the n-type GaN buffer layer and the GaN substrate.

しかし、極性面を主面とする基板上にエピタキシャル成長させて得られた窒化物半導体結晶の表面平坦性や光学特性は必ずしも十分なものとは言えず、更なる成長条件の検討が必要とされていることに加え、成長基板として極性面を選択することにより必然的に生じる問題も認識されている。例えば、c面GaN基板を含む六方晶系のc面上に形成された量子井戸活性層構造(例えば、InGaN/GaNからなる量子井戸活性層構造)においては、いわゆる量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)によって電子と正孔の再結合確率の低下が生じ、理想的な発光効率よりも小さくなるといった問題が知られている。 However, the surface flatness and optical characteristics of nitride semiconductor crystals obtained by epitaxial growth on a substrate having a polar surface as a main surface are not necessarily sufficient, and further growth conditions need to be studied. In addition to the above, problems inevitably caused by selecting a polar plane as a growth substrate are also recognized. For example, in a quantum well active layer structure (for example, a quantum well active layer structure made of InGaN / GaN) formed on a hexagonal c + plane including a c-plane GaN substrate, the so-called quantum confined Stark effect (QCSE) As a result, there is a problem that the recombination probability of electrons and holes is reduced, and the luminous efficiency becomes lower than the ideal luminous efficiency.

このような事情を背景のひとつとして、非極性面を主面とする基板上に量子井戸活性層構造を作製する試みもなされているが、六方晶系III−V窒化物結晶の非極性面であるa
面、r面、m面上のエピタキシャル成長は困難とされ、特に、m面基板上には、高品質な六方晶系III−V窒化物半導体積層構造は得られていないのが実情である。
Against this background, attempts have been made to fabricate a quantum well active layer structure on a substrate whose main surface is a nonpolar plane, but the nonpolar plane of a hexagonal III-V nitride crystal A
Epitaxial growth on the plane, r-plane, and m-plane is considered difficult, and in particular, a high-quality hexagonal III-V nitride semiconductor multilayer structure is not obtained on an m-plane substrate.

例えば、非特許文献1(第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集(2005年秋)11p−N−4)には、「無極性であるm面上に関してはその成長が困難である」と記載され、その困難性を前提とした上で、c面を主面とするGaN基板にm面が側壁として露出するようなストライプ状の加工を施し、そのストライプ側壁面(m面)に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させるといった特殊な結晶成長方法が報告されている。   For example, Non-Patent Document 1 (Proceedings of the 66th JSAP Scientific Lecture Meeting (Autumn 2005) 11p-N-4) states that “it is difficult to grow on the non-polar m-plane”. As described above, on the premise of the difficulty, a GaN substrate having a c-plane as a main surface is subjected to stripe processing such that the m-plane is exposed as a side wall, and the stripe side wall (m-plane) is nitrided Special crystal growth methods such as epitaxial growth of semiconductor crystals have been reported.

また、非特許文献2(Appl. Phys. Lett., Vol.82, No.11 (17 March 2003), p.1793-1795)には、m面を主面とするZnO基板上に、プラズマアシストMBE(Molecular Beam Epitaxy)法によりGaN層を成長させたことが報告されている。しかし、得られたGaN層は「スレート状」のものであると記載されており、表面の凹凸は激しく、単結晶のGaN層は得られていない。   Non-Patent Document 2 (Appl. Phys. Lett., Vol.82, No.11 (17 March 2003), p.1793-1795) describes a plasma assist on a ZnO substrate having an m-plane as a main surface. It has been reported that a GaN layer is grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. However, it is described that the obtained GaN layer is “slate-like”, and the surface irregularities are severe, and a single crystal GaN layer is not obtained.

さらに、特許文献4(米国特許第7208393号明細書)には、m面基板上に窒化物半導体
を結晶成長させる場合には成長開始界面に欠陥が発生し易いとした上で、欠陥を減少させるための手段として、以下のような手法が記されている。先ず、m面基板上にH-VPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法によってGaNバッファを成長させた後に、一旦反応炉から基板を外部に取り出して誘電体マスクを形成し、それをストライプ状に加工する。そして、そのようなマスクが形成されたものを新たな基板として用い、MOCVD法により、上記ストライプ状マスクの開口部からの横方向成長(LEOまたはELO成長と呼ばれる)により、エピタキシャル膜を平坦化させる。
特開2005−347494号公報 特開2005−311072号公報 特開2007−67454号公報 米国特許第7208393号明細書 第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集(2005年秋)11p−N−4)。 Appl. Phys. Lett., Vol.82, No.11 (17 March 2003), p.1793-1795。 C. J. Humphreys et al., “Applications Environmental Impact and Microstructure of Light-Emitting Diodes” MICROSCOPY AND ANALYSIS, NOVEMBER 2007, pp.5-8。 K. SAITOH, “High-resolution Z-contrast Imaging by the HAADF-STEM Method”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47(1), 9-14 (2005)。 K. WATANABE; ”Imaging in High Resolution HAADF-STEM”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47(1), 15-19 (2005)。 H. Matsumoto, et. al., Material Transactions, JIM 40, 1999, pp.1436-1443。
Further, in Patent Document 4 (US Pat. No. 7,208,393), when a nitride semiconductor is crystal-grown on an m-plane substrate, defects are likely to occur at the growth start interface, and the defects are reduced. The following methods are described as means for achieving this. First, after a GaN buffer is grown on the m-plane substrate by the H-VPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, the substrate is once taken out from the reactor to form a dielectric mask, which is processed into a stripe shape. . Then, a substrate on which such a mask is formed is used as a new substrate, and an epitaxial film is planarized by lateral growth (called LEO or ELO growth) from the opening of the stripe-shaped mask by MOCVD. .
JP 2005-347494 A JP 2005-310772 A JP 2007-67454 A U.S. Patent No. 7208393 66th JSAP Scientific Lecture Proceedings (Autumn 2005) 11p-N-4). Appl. Phys. Lett., Vol.82, No.11 (17 March 2003), p.1793-1795. CJ Humphreys et al., “Applications Environmental Impact and Microstructure of Light-Emitting Diodes” MICROSCOPY AND ANALYSIS, NOVEMBER 2007, pp.5-8. K. SAITOH, “High-resolution Z-contrast Imaging by the HAADF-STEM Method”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47 (1), 9-14 (2005). K. WATANABE; “Imaging in High Resolution HAADF-STEM”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47 (1), 15-19 (2005). H. Matsumoto, et. Al., Material Transactions, JIM 40, 1999, pp.1436-1443.

本発明者らの検討したところによれば、上記文献に記載されている極性面上への成長を前提としたc面GaN基板上の結晶成長方法を非極性面上への結晶成長に適応すると、表面平坦性に優れた窒化物半導体を得ることは困難で、しかも、得られた膜の光学特性も全く充分とは言えないことが確認された。   According to the study by the present inventors, the crystal growth method on the c-plane GaN substrate premised on the growth on the polar surface described in the above literature is applied to the crystal growth on the nonpolar surface. It was confirmed that it was difficult to obtain a nitride semiconductor with excellent surface flatness, and the optical properties of the obtained film were not sufficient.

また、従来の非極性面上への結晶成長方法について述べると、非特許文献1に記載の手法では、ストライプメサの側面上の通常数ミクロンの幅にのみ、非極性面の窒化物半導体結晶を得ることができるに過ぎないため、大面積化は極度に困難でありデバイス作製上の大きな制約が生じる結果となる。一方、非特許文献2に記載の手法では、大面積化は可能であるものの得られる窒化物半導体膜の表面は凹凸が激しいモルフォロジを呈し、単結晶の層を得ることができない。さらに、特許文献4に記載の手法は、工程が複雑であって、下地のストライプの位置に関連して欠陥の多い位置と少ない位置が混在してしまうなどの問題があった。   Further, a conventional crystal growth method on a nonpolar surface will be described. In the method described in Non-Patent Document 1, a nitride semiconductor crystal having a nonpolar surface is usually formed only on the width of several microns on the side surface of the stripe mesa. Since it can only be obtained, it is extremely difficult to increase the area, resulting in a great restriction on device fabrication. On the other hand, with the technique described in Non-Patent Document 2, although the area can be increased, the surface of the obtained nitride semiconductor film exhibits a rugged morphology, and a single crystal layer cannot be obtained. Furthermore, the method described in Patent Document 4 has a problem in that the process is complicated, and positions with many defects and positions with few defects are mixed in relation to the position of the underlying stripe.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光学特性が良好で、発光素子とした場合の発光効率が高い、非極性面を成長面とする高品質の窒化物半導体を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to provide a high quality with a good growth characteristic of a non-polar surface, which has good optical characteristics and high luminous efficiency when used as a light emitting device. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor.

本発明者らは、鋭意検討の結果、非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、特定の窒化物半導体層を特定の厚さに積層することにより、上記目的を達成することを見出した。しかも、このような構造を有する窒化物半導体層は、表面が極めて激しい凹凸を呈する窒化物半導体表面となることが回避され、かつ、素子化した際の光取り出し効率を向上させるべく、エピタキシャル成長中に凹凸を付与した表面を自己形成的に形成した場合であっても、その凹凸の程度が適度である場合には、量子井戸構造部における良好な内部量子効率をも同時に実現できることを見出した。このような技術思想は、表面モルフォロジを良好にすることが目的とされていた従来の技術思想を覆すものであり、本発明の大きな特徴である。   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention achieve the above object by laminating a specific nitride semiconductor layer to a specific thickness on the nitride main surface of a nonpolar nitride substrate. I found. Moreover, the nitride semiconductor layer having such a structure is avoided during the epitaxial growth in order to avoid a nitride semiconductor surface having extremely uneven surfaces and to improve the light extraction efficiency when it is made into an element. It has been found that even when the uneven surface is formed in a self-forming manner, good internal quantum efficiency in the quantum well structure can be realized at the same time if the unevenness is moderate. Such a technical idea overturns the conventional technical idea that was aimed at improving the surface morphology, and is a major feature of the present invention.

即ち、本発明の窒化物半導体は、少なくとも一方の主面が非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、一方導電型の窒化物半導体部と、量子井戸活性層構造部と、前記一方導電型とは逆の他方導電型の窒化物半導体部が順次積層されている窒化物半導体であって、前記一方導電型の窒化物半導体部は第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層が順次積層されたものであり、前記第2の窒化物半導体層は400nm以上20μm以下の厚みを有し最表面が略非極性面であることを特徴とする。   That is, in the nitride semiconductor of the present invention, at least one main surface of the nitride main surface of the base is a nonpolar nitride, one conductivity type nitride semiconductor portion, quantum well active layer structure portion, A nitride semiconductor in which nitride semiconductor portions of the other conductivity type opposite to the one conductivity type are sequentially stacked, wherein the nitride semiconductor portion of the one conductivity type includes a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor layer is sequentially stacked, and the second nitride semiconductor layer has a thickness of 400 nm to 20 μm and the outermost surface is a substantially nonpolar surface.

好ましくは、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層は互いに組成が異なる。   Preferably, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have different compositions from each other.

前記基体は、例えば、GaN、AlN、InN、BN、若しくはこれらの混晶である自立基板である。また、前記基体主面の窒化物は、例えば、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、Si基板、GaN基板、AlN基板、InN基板、BN基板若しくはこれらの混晶である自立基板の何れかの基板上に結晶成長されたGaN膜、AlN膜、InN膜、BN膜、若しくはこれらの混晶膜である。   The base is, for example, a self-supporting substrate made of GaN, AlN, InN, BN, or a mixed crystal thereof. The nitride of the main surface of the base is, for example, any of a sapphire substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, an InN substrate, a BN substrate, or a free-standing substrate that is a mixed crystal thereof. A GaN film, an AlN film, an InN film, a BN film, or a mixed crystal film thereof grown on the crystal.

好ましくは、前記基体の窒化物主面は(1−100)面(m面)±10度以下の結晶面である。   Preferably, the nitride main surface of the substrate is a crystal plane of (1-100) plane (m-plane) ± 10 degrees or less.

また、好ましくは、前記第1の窒化物半導体層および前記第2の窒化物半導体層の少なくとも一方は、GaN、AlN、InN、BN、若しくはこれらの混晶のIII−V族窒化
物半導体である。
Preferably, at least one of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is GaN, AlN, InN, BN, or a mixed crystal group III-V nitride semiconductor thereof. .

前記第1の窒化物半導体層の厚みLは0.1nm以上300nm以下であることが好ましい。また、前記第1の窒化物半導体層中のシリコン(Si)濃度は1×1021cm−3以下であることが好ましい。さらに、前記第2の窒化物半導体層中のシリコン濃度は1×1017cm−3以上6×1019cm−3以下であることが好ましい。 The thickness L1 of the first nitride semiconductor layer is preferably 0.1 nm or more and 300 nm or less. The silicon (Si) concentration in the first nitride semiconductor layer is preferably 1 × 10 21 cm −3 or less. Furthermore, the silicon concentration in the second nitride semiconductor layer is preferably 1 × 10 17 cm −3 or more and 6 × 10 19 cm −3 or less.

本発明において、前記量子井戸活性層構造部は400±30nmの中心波長を有する光を発するものとすることができる。また、前記量子井戸活性層構造部における転位密度が、1×10cm−2以下であることが好ましい。 In the present invention, the quantum well active layer structure may emit light having a center wavelength of 400 ± 30 nm. Moreover, it is preferable that the dislocation density in the said quantum well active layer structure part is 1 * 10 < 9 > cm <-2> or less.

本発明において、前記前記量子井戸活性層構造部は、低励起密度条件のCW−PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上であるものとすることができる。   In the present invention, the quantum well active layer structure portion may have an internal quantum efficiency of 20% or more obtained from CW-PL measurement under a low excitation density condition.

また、本発明において、前記前記量子井戸活性層構造部の、低励起密度条件のパルス光PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上であるものとすることができる。   In the present invention, the quantum well active layer structure portion may have an internal quantum efficiency of 20% or more obtained from pulsed light PL measurement under a low excitation density condition.

さらに、本発明において、前記前記量子井戸活性層構造部の、室温であってかつ低励起密度条件における時間分解PL測定から求められるフォトルミネッセンス寿命(τ(PL))が1.0ns以上であるものとすることができる。   Furthermore, in the present invention, the quantum well active layer structure portion has a photoluminescence lifetime (τ (PL)) of 1.0 ns or more obtained from time-resolved PL measurement at room temperature and under low excitation density conditions. It can be.

本発明では、一方導電型の窒化物半導体部と、量子井戸活性層構造部と、一方導電型とは逆の他方導電型の窒化物半導体部を順次積層させた窒化物半導体を得るに際し、非極性の窒化物の主面を有する基体の上に結晶成長させることとし、一方導電型の窒化物半導体部を第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層を順次積層させたものとするとともに、第2の窒化物半導体層を400nm以上20μm以下の厚みを有し最表面が略非極性面であるようにした。   In the present invention, when obtaining a nitride semiconductor in which one conductivity type nitride semiconductor portion, a quantum well active layer structure portion, and the other conductivity type nitride semiconductor portion opposite to one conductivity type are sequentially laminated, Crystal growth is performed on a substrate having a polar nitride main surface, while a conductive nitride semiconductor portion is formed by sequentially laminating a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer, and At the same time, the second nitride semiconductor layer had a thickness of 400 nm or more and 20 μm or less and the outermost surface was a substantially nonpolar surface.

結晶成長用の基体として非極性面を選択することによりQCSE効果に基づく発光に寄与する電子とホールの空間的分離が抑制され、効率的な輻射が実現される。また、上記第2の窒化物半導体層の厚みを適正なものとすることにより、極めて激しい凹凸を呈する窒化物半導体表面となることが回避される一方、表面を適度に荒らした場合でも、その程度が適度である場合には、発光素子とした場合に良好な光学特性を得ることができる。   By selecting a nonpolar plane as the substrate for crystal growth, spatial separation of electrons and holes contributing to light emission based on the QCSE effect is suppressed, and efficient radiation is realized. In addition, by making the thickness of the second nitride semiconductor layer appropriate, it is avoided that the nitride semiconductor surface exhibits extremely severe unevenness, but even when the surface is moderately roughened, When the thickness is moderate, good optical characteristics can be obtained when a light emitting element is used.

これらの効果の結果として、本発明によれば、内部量子効率も高く、かつ、光取り出し効率も良好で、結果として、発光素子とした場合の発光効率が高い、非極性面を成長面とする高品質の窒化物半導体が容易に提供されることとなる。   As a result of these effects, according to the present invention, the internal quantum efficiency is high and the light extraction efficiency is also good. As a result, the light emitting element has a high light emission efficiency, and the nonpolar surface is the growth surface. A high-quality nitride semiconductor is easily provided.

本発明の窒化物半導体は、前述の通り、少なくとも一方の主面が非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、一方導電型の窒化物半導体部と、量子井戸活性層構造部と、前記一方導電型とは逆の他方導電型の窒化物半導体部が順次積層されている窒化物半導体であって、前記一方導電型の窒化物半導体部は第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層が順次積層されたものであり、前記第2の窒化物半導体層は400nm以上20μm以下の厚みを有し最表面が略非極性面であることを特徴とする。   As described above, the nitride semiconductor of the present invention includes a nitride semiconductor portion of one conductivity type and a quantum well active layer structure portion on a nitride main surface of a substrate whose main surface is a nonpolar nitride. A nitride semiconductor portion of the other conductivity type opposite to the one conductivity type is sequentially stacked, and the one conductivity type nitride semiconductor portion includes a first nitride semiconductor layer and a first nitride semiconductor layer. Two nitride semiconductor layers are sequentially stacked, and the second nitride semiconductor layer has a thickness of 400 nm or more and 20 μm or less and the outermost surface is a substantially nonpolar surface.

ここで、略非極性面とは、最表面の結晶面には非極性面を含むものの、発光素子化した際に適切な微小な凹凸や、ファセット面が形成されていることを意味する。本発明の窒化物半導体は非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に形成されるが、後述のように、結晶成長過程において、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層、量子井戸活性層各結晶層の界面または窒化物半導体層の最表面に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることがある。したがって、本発明における前記「略非極性面」は、エピタキシャル成長をするための基体表面の主面は、非極性面であるものの、その上に形成されたエピタキシャル成長面の最表面は、必ずしも結晶面が一様な非極性面でないこと、もしくは、エピタキシャル層の最表面は非極性面を含むものの、全体が非極性面ではなく、その一部に半極性面や極性面をも含みうる面であることを意味している。   Here, the substantially nonpolar plane means that, although the outermost crystal plane includes a nonpolar plane, appropriate minute irregularities and facet planes are formed when a light emitting element is formed. The nitride semiconductor of the present invention is formed on the nitride main surface of the substrate, which is a nonpolar nitride. As described later, in the crystal growth process, the first nitride semiconductor layer and the second nitride are formed. Appropriate irregularities may be formed in a self-forming manner and intentionally at the interface between the crystal layers of the semiconductor layer and the quantum well active layer or at the outermost surface of the nitride semiconductor layer. Therefore, the “substantially nonpolar plane” in the present invention is that the main surface of the substrate surface for epitaxial growth is a nonpolar plane, but the outermost surface of the epitaxial growth plane formed thereon is not necessarily a crystal plane. It must not be a uniform non-polar surface, or the outermost surface of the epitaxial layer must include a non-polar surface, but the entire surface should not be a non-polar surface and part of it may include a semipolar surface or a polar surface. Means.

以下、本発明の窒化物半導体について、その製造工程の一例を順に示しながら詳述する。なお、本発明の窒化物半導体は、前述の構成を有していれば、その製造方法は下記の製造方法に限定されるものではない。   Hereinafter, the nitride semiconductor of the present invention will be described in detail while sequentially illustrating an example of the manufacturing process. In addition, as long as the nitride semiconductor of this invention has the above-mentioned structure, the manufacturing method is not limited to the following manufacturing method.

エピタキシャル成長方法には各種成長方法があるが、本発明の窒化物半導体の結晶成長に用いられる方法(これを、「本発明の窒化物半導体の結晶成長方法」或いは「本発明のエピタキシャル成長方法」などという)は、主に気相成長法に適応可能であって、その中でも特にH−VPE法とMOCVD法に好ましく適応可能であり、最も好ましくはMOCVD法である。   There are various epitaxial growth methods. The method used for crystal growth of the nitride semiconductor of the present invention (this method is referred to as “the crystal growth method of the nitride semiconductor of the present invention” or “the epitaxial growth method of the present invention”). ) Is mainly applicable to the vapor phase growth method, and among them, it can be preferably applied to the H-VPE method and the MOCVD method, and most preferably the MOCVD method.

例えば、MOCVD法においては、さまざまな構成の装置形態を適応可能であって、それぞれの装置形態によって、昇温時/降温時の主たる雰囲気を構成するガス、成長時の主たる雰囲気を構成するガス、原料ガス、有機金属や一部ドーパントの供給を実現するためのキャリアとして使用するガス、原料を希釈するためのガス、原料ガスの取り込みや雰囲
気を構成するガスの基体上への接触や供給を効率化するための補助的なガス、ガスの流れ全体を層流化するなどのフローを整えるガス、ヒータや各種ポート等の構成部材の安定化/長寿命化のためのガス、反応炉を開放するために導入するガス等が、適宜導入される。
For example, in the MOCVD method, apparatus configurations having various configurations can be applied, and depending on each apparatus configuration, a gas constituting a main atmosphere at the time of temperature rise / fall, a gas constituting a main atmosphere at the time of growth, Efficient contact and supply of source gas, gas used as carrier for realizing supply of organic metal and some dopants, gas for diluting source, source gas intake and gas constituting atmosphere Auxiliary gas for gasification, gas for adjusting the flow such as laminarization of the entire gas flow, gas for stabilizing / extending the life of components such as heaters and various ports, and opening the reactor For this purpose, a gas or the like to be introduced is appropriately introduced.

本発明においては、この中で、原料ガス/雰囲気を構成するガスの基体への取り込みや基体上への接触や供給を効率化するための補助的なガスによって構成される流れや、ガスの流れ全体を層流化するなどのフローを整えるガスの流れを便宜上、「サブフロー」と記載する。また、ヒータや各種ビューポート等の構成部材の安定化/長寿命化のためのガス、反応炉を開放するために導入するガス等、エピタキシャル成長には直接寄与しないガスによって構成される流れを、便宜上、「成長外フロー」と記載する。   In the present invention, among these, the flow constituted by the auxiliary gas for improving the efficiency of the incorporation of the gas constituting the source gas / atmosphere into the substrate, the contact with the substrate and the supply thereof, or the gas flow For the sake of convenience, the flow of gas for adjusting the flow such as laminating the whole is referred to as “subflow”. In addition, for the sake of convenience, a flow composed of a gas that does not directly contribute to epitaxial growth, such as a gas for stabilizing / extending the life of components such as a heater and various viewports, a gas introduced for opening the reactor, etc. , “Non-growth flow”.

これに対して、本発明においては、結晶成長装置内に供給されるサブフローと成長外フロー以外のすべてのガスの流れを、便宜上、「メインフロー」と記載する。よって、メインフローは、主として、昇温時/降温時の主たる雰囲気を構成するガス、成長時の主たる雰囲気を構成するガス、原料ガス、有機金属や一部ドーパントの供給を実現するためのキャリアとして使用するガス、原料を希釈するためのガスなど流れの総称である。このメインフローは、実質的に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させるための基体の表面或いはエピタキシャル成長中の窒化物半導体の結晶表面が暴露される雰囲気そのものである。従って、メインフローは気相成長に必須である一方、サブブローや成長外フローは任意的なものである。   On the other hand, in the present invention, all gas flows other than the sub-flow and the non-growth flow supplied into the crystal growth apparatus are referred to as “main flow” for convenience. Therefore, the main flow is mainly used as a carrier for realizing the supply of the gas constituting the main atmosphere at the time of temperature rise / fall, the gas constituting the main atmosphere at the time of growth, the source gas, the organic metal, and a part of the dopant. It is a general term for flows such as gas used and gas for diluting raw materials. This main flow is substantially the atmosphere itself in which the surface of the base for epitaxial growth of the nitride semiconductor or the crystal surface of the nitride semiconductor during epitaxial growth is exposed. Therefore, the main flow is indispensable for vapor phase growth, while the sub-blowing and non-growth flow are optional.

図1(A)及び図1(B)はそれぞれ、横型および縦型のMOCVD反応炉の一例を示したもので、メインフローの流れを概念的に示したものである。例えば、横型の反応炉(図1(A))では、石英反応管1の内部に収容されたサセプタ2上に載置された基体3の表面がメインフローMFに暴露され、このメインフローMFが基体3にとっての事実上の「雰囲気」となる構成の装置である。このメインフローMFはサブフローSFによって基体3の表面に押し付けられ、原料ガス/雰囲気を構成するガスの基体3への取り込みや基体3上への接触や供給が効率化されるとともに、ガスの流れ全体も層流化する。   FIG. 1A and FIG. 1B show examples of horizontal and vertical MOCVD reactors, respectively, and conceptually show the flow of the main flow. For example, in a horizontal reactor (FIG. 1A), the surface of the substrate 3 placed on the susceptor 2 housed in the quartz reaction tube 1 is exposed to the main flow MF, and the main flow MF is exposed to the main flow MF. It is an apparatus having a configuration that provides a virtual “atmosphere” for the substrate 3. The main flow MF is pressed against the surface of the base 3 by the subflow SF, and the gas flow constituting the raw material gas / atmosphere is efficiently taken into the base 3 and is contacted and supplied to the base 3, and the entire gas flow is performed. Also laminarize.

一方、縦型の反応炉の一例として示した図1(B)の構成においては、サブフロー用のガス供給はなされず、石英反応管1の内部を流れるガスはメインフローMFによるもののみである。なお、横型の反応炉(図1(A))と縦型の反応炉(図1(B))の何れにおいても、ヒーターパージやビューポートのパージなどとして、ガス供給によって成長外フローOFによるガスの流れが生じている。   On the other hand, in the configuration of FIG. 1B shown as an example of a vertical reactor, gas for subflow is not supplied, and the gas flowing inside the quartz reaction tube 1 is only due to the main flow MF. In both the horizontal reactor (FIG. 1 (A)) and the vertical reactor (FIG. 1 (B)), the gas by the out-of-growth flow OF is supplied by gas supply as heater purge, viewport purge, etc. The flow of is occurring.

さらに、本明細書においては、昇温時/降温時を含んで、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる際に、主に窒素原料となるガスを含むフロー、或いは、基体/エピタキシャル層表面からの窒素抜けを抑制するための雰囲気形成をするためのフローを、便宜上、「第1メインフロー」と記載する場合もある。この場合には、主にそれ以外の原料供給や雰囲気形成のためのガスの流れを、便宜上、「第2メインフロー」と記載することがある。更に、メインフローを構成するガスの一部は有機金属原料を供給するためのキャリアガスとしても使用可能であることから、メインフローを構成するガスの一部をキャリアガスと記載することもある。   Furthermore, in this specification, when nitride semiconductors are epitaxially grown, including when the temperature rises / falls, a flow mainly containing a gas serving as a nitrogen source, or nitrogen desorption from the substrate / epitaxial layer surface is prevented. For the sake of convenience, the flow for forming the atmosphere for suppressing may be referred to as a “first main flow”. In this case, the gas flow mainly for supplying other raw materials and forming the atmosphere is sometimes referred to as “second main flow” for convenience. Further, since a part of the gas constituting the main flow can be used as a carrier gas for supplying the organometallic raw material, a part of the gas constituting the main flow may be described as a carrier gas.

ここで、本発明で用いられる「活性ガス」とは、昇温、降温、待機、成長工程などの一連のエピタキシャル結晶成長工程において、温度と圧力条件の下で分解または反応し、原子状あるいは分子状の水素ラジカルや、原子状あるいは分子状の水素イオンや、原子状水素などといった水素の活性種を発生させ得るガスであって、かつ、メインフローを構成するガスのうちの主要なガスとして導入されるものである。また、その量は、少なくともエピタキシャル成長工程のいずれかの時期において、メインフローの中の構成ガス種の流量
比で1%を越えるものである。
Here, the “active gas” used in the present invention means an atomic or molecular substance that decomposes or reacts under temperature and pressure conditions in a series of epitaxial crystal growth processes such as temperature increase, temperature decrease, standby, and growth processes. It is a gas that can generate active species of hydrogen, such as atomic hydrogen radicals, atomic or molecular hydrogen ions, and atomic hydrogen, and is introduced as the main gas in the main flow. It is what is done. Further, the amount exceeds 1% in the flow rate ratio of the constituent gas species in the main flow at least at any stage of the epitaxial growth process.

よって、主要な活性ガスとしては、水素(H)ガスまたはアンモニア(NH)ガス(これらの混合ガスを含む)が例示される。このようなガスは窒化物結晶に対するエッチング効果があり、特にHガスはその効果が非常に大きい。よって、これらのガス(特にHガス)に、不適切な条件下で窒化物結晶の表面が過度に暴露された場合には、当該窒化物表面からの窒素脱離が過度に生じ易く、原子レベルの欠陥が導入され易く、さらに、過度にマクロな表面荒れの原因ともなり得る。このようになると、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率が過度に低下し、発光素子化することが適さない窒化物半導体となってしまう。 Therefore, hydrogen (H 2 ) gas or ammonia (NH 3 ) gas (including a mixed gas thereof) is exemplified as the main active gas. Such a gas has an etching effect on the nitride crystal, and particularly H 2 gas has a very large effect. Therefore, when the surface of the nitride crystal is excessively exposed to these gases (particularly H 2 gas), nitrogen desorption from the nitride surface tends to occur excessively, Level defects are likely to be introduced, and may also cause excessive macro surface roughness. If it becomes like this, the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure part in this invention will fall too much, and it will become a nitride semiconductor which is not suitable for making into a light emitting element.

一方、適切な条件下で使用することで、水素(H)ガスまたはアンモニア(NH)ガス(これらの混合ガスを含む)等の主要な活性ガスは、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に窒化物半導体上に形成させることが可能となる。このため、本発明においては窒化物半導体からの光取り出し効率を高くする事ができ、好ましい。 On the other hand, when used under appropriate conditions, the main active gas such as hydrogen (H 2 ) gas or ammonia (NH 3 ) gas (including a mixed gas thereof) can be converted into the internal quantum of the quantum well active layer structure. It is possible to form moderate irregularities on the nitride semiconductor intentionally and intentionally while maintaining the efficiency within an appropriate range. For this reason, in this invention, the light extraction efficiency from a nitride semiconductor can be made high, and it is preferable.

一方、「不活性ガス」とは、昇温、降温、待機、成長工程などの一連のエピタキシャル結晶成長工程において、水素の活性種を発生させることのないガスであって、かつ、メインフローを構成するガスのうち主要構成ガスとして導入されるものであり、その量は、少なくともエピタキシャル成長工程のいずれかの時期において、メインフローの中の構成ガス種の流量比で1%を越えるものである。   On the other hand, the “inert gas” is a gas that does not generate active species of hydrogen in a series of epitaxial crystal growth processes such as temperature increase, temperature decrease, standby, and growth processes, and constitutes a main flow. Of these gases, it is introduced as the main constituent gas, and the amount thereof exceeds 1% in the flow rate ratio of the constituent gas species in the main flow at least at any stage of the epitaxial growth step.

このような不活性ガスとしては、窒素(N)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、キセノン(Xe)、クリプトン(Kr)が主要なものとして例示される。また、アセトニトリル、アゾイソブタン、ヒドラジン化合物である1,1-ジメチルヒドラジン、アミン系化合物であるジメチルアミン、ジエチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリアリルアミン、トリイソブチルアミン、アジド系化合物であるメチルアジド、エチルアジド、フェニルアジド、ジエチルアルミニウムアジド、ジエチルガリウムアジド、トリスジメチルアミノアンチモンなども不活性ガスとしての上記条件を満足するものであり、これらの混合ガスも不活性ガスに含まれる。 Examples of such inert gases include nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), xenon (Xe), and krypton (Kr). In addition, acetonitrile, azoisobutane, hydrazine compound 1,1-dimethylhydrazine, amine compounds dimethylamine, diethylamine, trimethylamine, triethylamine, triallylamine, triisobutylamine, azide compounds methylazide, ethylazide, phenylazide , Diethylaluminum azide, diethylgallium azide, trisdimethylaminoantimony, etc. also satisfy the above conditions as an inert gas, and these mixed gases are also included in the inert gas.

なお、詳細は後述するが、本発明では、昇温工程(特に期間tA)、第1の成長工程、
第2の成長工程の何れの工程も、不活性ガスを主としてメインフローを構成しても、また、活性ガスを主としてメインフローを構成しても、任意である。
The details will be described later, in the present invention, the heating process (particularly the period t A), the first growth step,
Any step of the second growth step is optional regardless of whether the main flow is mainly composed of inert gas or the main flow is mainly composed of active gas.

ここにおいて、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、不活性ガスを主としてメインフローを構成し、基体表面あるいは成長中の最表面層が、過剰な活性ガス(特に窒化物に対して大きなエッチング効果をもつ水素ガス)に暴露されないように雰囲気制御することが好ましい。特に、昇温工程(特に期間tA)、
第1の成長工程においては、メインフローを構成するガスには、水素ガスを過度に含まないように好ましく制御される。
Here, in order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure part relatively high in the present invention, the main flow is mainly composed of an inert gas, and the surface of the substrate or the growing outermost surface layer has excessive activity. It is preferable to control the atmosphere so as not to be exposed to gas (in particular, hydrogen gas having a large etching effect on nitride). In particular, the temperature raising step (especially period t A ),
In the first growth step, the gas constituting the main flow is preferably controlled so as not to contain excessive hydrogen gas.

一方、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、活性ガスを主としてメインフローを構成することも好ましい。   On the other hand, in order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure within an appropriate range, the main flow may be mainly composed of the active gas. preferable.

図2(G)と図2(A)は、本発明の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するための2つの代表的なシーケンス例を説明するための図である。   FIG. 2G and FIG. 2A are diagrams for explaining two typical sequence examples for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of the present invention.

図2(G)は本発明において、最も好ましい窒化物半導体層を形成しうるシーケンスの1例であって、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、窒化物半導体層の表面等に適度な凹凸を、自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能なシーケンス例である。例えば、このような方法によって形成される窒化物半導体は、凹凸等により光取り出し効率が向上することから、窒化物半導体を発光素子化した際の発光効率を高くすることができる。   FIG. 2G is an example of a sequence in which the most preferable nitride semiconductor layer can be formed in the present invention, and the nitride semiconductor layer is maintained while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range. This is a sequence example in which moderate irregularities can be formed on the surface of the film in a self-forming manner and intentionally. For example, since a nitride semiconductor formed by such a method has improved light extraction efficiency due to unevenness or the like, the light emission efficiency when the nitride semiconductor is made into a light emitting element can be increased.

一方、図2(A)は本発明において、好ましい窒化物半導体層を形成しうるシーケンスの1例であって、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くしうるシーケンス例である。例えば、このような方法によって形成される窒化物半導体は、素子した際の光取出し効率は必ずしも高くないものの、内部量子効率が比較的高いことから、窒化物半導体を発光素子化した際の発光効率を高くすることができる。   On the other hand, FIG. 2A is an example of a sequence that can form a preferable nitride semiconductor layer in the present invention, and is an example of a sequence that can relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure. For example, a nitride semiconductor formed by such a method does not necessarily have a high light extraction efficiency when it is fabricated, but has a relatively high internal quantum efficiency. Can be high.

ここでは、非極性面のうちの(1−100)面(m面)を主面とするGaN自立基板上にGaN膜をエピタキシャル成長させる例が図示されている。なお、エピタキシャル成長用反応炉は、例えば、有機金属気相成長装置であって、常圧成長を通常の条件とする横型3層流石英製反応炉、減圧成長を通常の条件とする自公転型反応炉(プラネタリーリアク
タ)、減圧成長を通常の条件とする縦型SUS製反応炉などを例示することができる。
Here, an example is shown in which a GaN film is epitaxially grown on a GaN free-standing substrate whose main surface is the (1-100) plane (m-plane) of the nonpolar planes. Note that the reactor for epitaxial growth is, for example, a metal organic vapor phase growth apparatus, a horizontal three-layer flow quartz reactor that uses atmospheric pressure growth as a normal condition, and a self-revolving reaction that uses reduced pressure growth as a normal condition. Examples thereof include a furnace (planetary reactor), a vertical SUS reaction furnace under reduced pressure growth under normal conditions, and the like.

先ず、エピタキシャル成長用の基体として、少なくとも一方の主面が窒化物である基体を準備し、この基体を、エピタキシャル成長用反応炉内のサセプタ上に載置して所定の温度まで昇温する(工程A)。この基体主面の窒化物は、GaN、AlN、InN、BN、若しくはこれらの混晶である自立基板の主面であるか、あるいは、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、Si基板、GaN基板、AlN基板、InN基板、BN基板若しくはこれらの混晶である自立基板の何れかの基板上に結晶成長されたGaN膜、AlN膜、InN膜、BN膜、若しくはこれらの混晶膜などである。   First, a substrate having at least one main surface made of nitride is prepared as a substrate for epitaxial growth, and this substrate is placed on a susceptor in a reactor for epitaxial growth and heated to a predetermined temperature (step A). ). The nitride of the main surface of the base is a main surface of a free-standing substrate that is GaN, AlN, InN, BN, or a mixed crystal thereof, or a sapphire substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaN substrate, Examples thereof include a GaN film, an AlN film, an InN film, a BN film, or a mixed crystal film thereof grown on any of an AlN substrate, an InN substrate, a BN substrate, or a free-standing substrate that is a mixed crystal thereof.

本発明のエピタキシャル成長方法は、いわゆるELO(Epiaxial Lateral Overgrowth:横方向成長)等による非極性側壁上へのエピタキシャル成長方法とは異なり、基体表面へのマスク形成や凹凸加工等は必須ではなく任意である。従って、本発明においては、基体主面の方向とエピタキシャル成長が進行する方向は略一致することが好ましい。横方向成長を必須の要件としない本発明においては、非極性側壁面上に成長させたエピタキシャル層の大面積化の困難性といった問題やマスク構造に対応してエピタキシャル層中に極端な高密度転位部分が発生するなどといった問題が生じない。その結果、非極性面(例えばm面)を成長面とするエピタキシャル層の大面積化と低転位密度化を図ることが可能である。   In the epitaxial growth method of the present invention, unlike the epitaxial growth method on a non-polar side wall by so-called ELO (Epiaxial Lateral Growth) or the like, mask formation or uneven processing on the substrate surface is not essential but optional. Therefore, in the present invention, it is preferable that the direction of the main surface of the substrate and the direction in which epitaxial growth proceeds substantially coincide. In the present invention in which lateral growth is not an essential requirement, extremely high density dislocations are formed in the epitaxial layer in response to problems such as difficulty in increasing the area of the epitaxial layer grown on the nonpolar side wall surface and the mask structure. Problems such as occurrence of parts do not occur. As a result, it is possible to increase the area and reduce the dislocation density of the epitaxial layer whose growth surface is a nonpolar plane (for example, m-plane).

よって、本発明の方法によれば、非極性面の基板上、特にm面基板上に、素子化した際の発光特性に優れたエピタキシャル層を形成可能であることから、エピタキシャル成長方向と直交する窒化物半導体の最表面の面積は30mm以上500cm以下であることが好ましい。なお、より好ましくは50mm以上225cm以下であって、さらに好ましくは4cm以上120cm以下である。 Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to form an epitaxial layer having excellent light emission characteristics when formed into a device on a non-polar substrate, particularly an m-plane substrate, so that nitriding perpendicular to the epitaxial growth direction is possible. The area of the outermost surface of the physical semiconductor is preferably 30 mm 2 or more and 500 cm 2 or less. Incidentally, more preferably a is 50 mm 2 or more 225 cm 2 or less, more preferably 4 cm 2 or more 120 cm 2 or less.

上記の窒化物半導体の最表面の面積の下限値は、結晶成長プロセス(および、これに続く素子化プロセス)が容易に実施可能となるように規定される。一方、上限値は、特に、得られるエピタキシャル層の面内均一性が担保されるように規定される。   The lower limit value of the area of the outermost surface of the nitride semiconductor is defined so that the crystal growth process (and subsequent device fabrication process) can be easily performed. On the other hand, the upper limit value is specified so that the in-plane uniformity of the obtained epitaxial layer is secured.

上述の上限値について説明すると、第1に、MOCVD装置内における均質なエピタキシャル層を形成するうえで、MOCVD装置等における均質な原料ガス供給可能な範囲(領域)はおよそ500cmと考えられる。これが、窒化物半導体の最表面の面積を500cm以下とすることが好ましい理由である。 The above upper limit will be described. First, in forming a homogeneous epitaxial layer in the MOCVD apparatus, the range (region) in which the uniform source gas can be supplied in the MOCVD apparatus is considered to be about 500 cm 2 . This is the reason why the area of the outermost surface of the nitride semiconductor is preferably 500 cm 2 or less.

第2に、主面がm面などの非極性面である基体は、その主面内における結晶軸が、c面などの極性面を有する基体に対して、より非等方的である。例えば、c面基板を用いた場合には、その面内に120度おきにa軸を有するが、m面基板の場合には、その面内にa軸とc軸を有し、これらの軸方向はまったく性質が異なっている。このため、温度が高い場合には、基体が不均質に「歪む」或いは「反る」などの傾向がある。従って、そのような場合においても基体上に比較的均一なエピタキシャル層を形成させるためには、225cm以下であることが好ましく、120cm以下であることがより好ましいのである。 Secondly, a substrate whose principal surface is a nonpolar surface such as an m-plane is more anisotropic than a substrate whose crystal axis in the principal surface has a polar surface such as a c-plane. For example, when a c-plane substrate is used, the a-axis is provided every 120 degrees in the plane, but in the case of an m-plane substrate, the a-axis and the c-axis are provided in the plane. The direction is completely different in nature. For this reason, when the temperature is high, the substrate tends to “distort” or “warp” inhomogeneously. Accordingly, even in such a case, in order to form a relatively uniform epitaxial layer on the substrate, the thickness is preferably 225 cm 2 or less, and more preferably 120 cm 2 or less.

本発明者らの検討によれば、本発明の結晶成長方法は、基体表面の原子配列から考えて、(11−20)面(a面)、(1−102)面(r面)、(1−100)面(m面)等に代表されるいわゆる「非極性面」に好適に利用可能であって、非極性面の中でも特に、主面の結晶面方位が(1−100)面(m面)、或いはこれらと等価な面である基体上へのエピタキシャル成長に適している。基体は、例えば、主面が(1−100)面のGaN自立基板を用いることが好ましく、この上に、本発明の結晶成長方法によってGaN系窒化物半導体を結晶成長させると良質のエピタキシャル成長膜が得られる。   According to the study by the present inventors, the crystal growth method of the present invention is based on the atomic arrangement on the surface of the substrate, and the (11-20) plane (a plane), (1-102) plane (r plane), ( 1-100) plane (m-plane) and the like can be suitably used, and the crystal plane orientation of the principal plane is (1-100) plane (especially among nonpolar planes). m-plane) or a surface equivalent to these, suitable for epitaxial growth. As the substrate, for example, it is preferable to use a GaN free-standing substrate having a (1-100) principal surface, and when a GaN-based nitride semiconductor is grown on this by the crystal growth method of the present invention, a good quality epitaxial growth film is obtained. can get.

量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、積極的に微傾斜面を有する基体を用いることも好ましい。この場合には、その主面が、ジャストm面からの傾斜角がa軸方向、c軸方向の双方において通常±10.0°以下、好ましくは±7.0°以下、さらに好ましくは±5.0°以下、特に好ましくは±3.0°以下、最も望ましくは±1.5°程度の結晶面であることが好ましい。   In order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, it is also possible to positively use a substrate having a slightly inclined surface. preferable. In this case, the main surface has an inclination angle with respect to the just m-plane in the a-axis direction and the c-axis direction is usually ± 10.0 ° or less, preferably ± 7.0 ° or less, more preferably ± 5. It is preferable that the crystal plane is 0.0 ° or less, particularly preferably ± 3.0 ° or less, and most desirably about ± 1.5 °.

なお、本発明において窒化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に形成した場合には、最表面は略非極性面であって、最表面のRaは、通常100nm以上、好ましくは150nm以上であり、通常300nm以下、好ましくは250nm以下であることが好ましい。   In the present invention, when appropriate irregularities are formed on the surface of the nitride semiconductor layer in a self-forming manner, the outermost surface is a substantially nonpolar surface, and the Ra of the outermost surface is usually 100 nm or more, preferably Is 150 nm or more, usually 300 nm or less, preferably 250 nm or less.

一方、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、各面からのいわゆる「オフ角度」は、通常±10.0°以下、好ましくは±5.0°以下、さらに好ましくは±3.0°以下、特に好ましくは±1.0°以下、最も望ましくは±0.5°以下である。このようなオフ角度であれば、本発明の手法によって、基体上に、特に内部量子効率の良質の窒化物半導体をエピタキシャル結晶成長させることができる。なお、m面の基体を用いる場合にも、その主面が、ジャストm面からの傾斜角がa軸方向、c軸方向の双方において通常±10.0°以下、好ましくは±5.0°以下、さらに好ましくは±3.0°以下、特に好ましくは±1.0°以下、最も望ましくは±0.5°以下の結晶面であることが好ましい。   On the other hand, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention, the so-called “off angle” from each surface is usually ± 10.0 ° or less, preferably ± 5.0 °. Hereinafter, it is more preferably ± 3.0 ° or less, particularly preferably ± 1.0 ° or less, and most preferably ± 0.5 ° or less. With such an off angle, a nitride semiconductor having a good internal quantum efficiency, in particular, can be epitaxially grown on the substrate by the method of the present invention. Even when an m-plane substrate is used, the main surface has an inclination angle from the just m-plane of usually ± 10.0 ° or less, preferably ± 5.0 ° in both the a-axis direction and the c-axis direction. Hereinafter, the crystal plane is more preferably ± 3.0 ° or less, particularly preferably ± 1.0 ° or less, and most preferably ± 0.5 ° or less.

なお、前記基体を用いて形成された本発明の窒化物半導体は、例えば前述の一方導電型の窒化物半導体部の最表面を略m面とする場合、あるいは、例えば後述する他方導電型の窒化物半導体部の最表面を略m面とする場合、その最表面は、通常(1−100)面±5.0°以下、好ましくは±3.0°以下、さらに好ましくは±1.0°以下、特に望ましくは±0.5°以下である。   The nitride semiconductor of the present invention formed using the substrate is, for example, when the outermost surface of the above-described one-conductivity-type nitride semiconductor portion is substantially m-plane, or, for example, the other-conductivity-type nitridation described later When the outermost surface of the physical semiconductor portion is substantially m-plane, the outermost surface is usually (1-100) plane ± 5.0 ° or less, preferably ± 3.0 ° or less, more preferably ± 1.0 °. Hereinafter, it is particularly preferably ± 0.5 ° or less.

工程Aにおける昇温は、基体の温度を後述の第1の窒化物半導体層の成長温度である600℃〜1350℃とするためのもので、この昇温は、例えば、反応炉内の圧力が35キロパスカル〜120キロパスカルとなるようにメインフローを構成するガスを供給して実行される。なお、後述するような積層構造を窒化物半導体層上に形成する場合、光学素子特性を支配する当該積層構造の光学特性を良好なものとするためには、工程Aの好ましい昇温到達温度Tは、600℃〜1350℃となり、より好ましくは650℃〜1200℃の範囲、更に好ましくは800℃〜1100℃の範囲、最も好ましくは900℃〜970℃の範囲である。 The temperature increase in the step A is for setting the temperature of the base to 600 ° C. to 1350 ° C., which is the growth temperature of the first nitride semiconductor layer described later. It is executed by supplying the gas constituting the main flow so as to be 35 kilopascals to 120 kilopascals. In addition, when forming the laminated structure which is mentioned later on the nitride semiconductor layer, in order to make the optical characteristic of the laminated structure governing the optical element characteristic favorable, the preferable temperature rise temperature T in step A is preferable. A is 600 ° C to 1350 ° C, more preferably 650 ° C to 1200 ° C, still more preferably 800 ° C to 1100 ° C, and most preferably 900 ° C to 970 ° C.

なお、工程Aの昇温到達温度範囲と、これに続く第1の窒化物半導体層の成膜温度範囲
とは一致することが好ましく、例えば800℃〜1100℃の範囲で第1の窒化物半導体
層を成膜する場合には、工程Aの昇温到達温度も800℃〜1100℃の範囲のものとなる。
In addition, it is preferable that the temperature increase reachable temperature range of the process A and the subsequent film formation temperature range of the first nitride semiconductor layer coincide, for example, the first nitride semiconductor in a range of 800 ° C. to 1100 ° C., for example. In the case of forming a layer, the temperature rise reached in step A is also in the range of 800 ° C to 1100 ° C.

図2(G)に例示した昇温工程は、活性ガスによってメインフローを構成した雰囲気中で基体を所定の温度まで昇温する期間tの昇温段階(高温段階)と、この昇温期間tの前の相対的に低温の領域において、当該昇温期間tのメインフローとは異なる組成のガスでメインフローを構成した雰囲気中で基体を昇温する期間tの昇温段階(低温段階)の2段階からなる。以降においては、上述の期間tの昇温段階(低温段階)を便宜上「第1の昇温工程」といい、上述の期間tの昇温段階(高温段階)を便宜上「第2の昇温工程」と言うことがある。 The temperature raising process illustrated in FIG. 2G includes a temperature raising stage (high temperature stage) in a period t A in which the temperature of the substrate is raised to a predetermined temperature in an atmosphere constituting a main flow with an active gas, and this temperature raising period. In a relatively low temperature region before t A , the temperature rising stage in a period t B in which the temperature of the substrate is raised in an atmosphere in which the main flow is composed of a gas having a composition different from that of the main flow in the temperature rising period t A ( (Low temperature stage). Hereinafter, for convenience, the temperature rising stage (low temperature stage) in the period t B is referred to as a “first temperature rising process”, and the temperature rising stage (high temperature stage) in the period t A is referred to as a “second temperature rising process” for convenience. Sometimes referred to as “warm process”.

一方、図2(A)に例示した昇温工程は、不活性ガスと任意の構成として活性ガスを含んでメインフローを構成した雰囲気中で基体を所定の温度まで昇温する期間tの昇温段階(高温段階)と、この昇温期間tの前の相対的に低温の領域において、当該昇温期間tのメインフローとは異なる組成のガスでメインフローを構成した雰囲気中で基体を昇温する期間tの昇温段階(低温段階)の2段階からなる場合を示している。 On the other hand, the temperature raising step illustrated in FIG. 2A is performed in the period t A where the temperature of the substrate is raised to a predetermined temperature in an atmosphere that includes an inert gas and an optional active gas. substrate and warm stage (high temperature phase), at a relatively low temperature region before the Atsushi Nobori period t a, the main flow of the heating period t a in an atmosphere composed of the main flow gas of a different composition This shows a case of two stages of a temperature rising stage (low temperature stage) in a period t B during which the temperature is raised.

なお、図2(A)に例示したガスのうち、水素ガス以外の活性ガスであるNHガスは任意の構成であるが、後述する適切な量を供給すれば、窒化物半導体層を構成する窒素の良質な原料ガスであり得る。一方、本発明においては、窒化物半導体層を構成する窒素原料としては、NHガスを用いずに、不活性ガスである、1,1-ジメチルヒドラジン、
(1,1−DMHy)、アセトニトリル、アゾイソブタン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリアリルアミン、トリイソブチルアミン、メチルアジド、エチルアジド、フェニルアジド、ジエチルアルミニウムアジド、ジエチルガリウムアジド、トリスジメチルアミノアンチモンなどを使用することも可能である。
Note that among the gases exemplified in FIG. 2A, NH 3 gas that is an active gas other than hydrogen gas has an arbitrary configuration, but if an appropriate amount described later is supplied, the nitride semiconductor layer is configured. It can be a good source gas of nitrogen. On the other hand, in the present invention, as a nitrogen raw material constituting the nitride semiconductor layer, an NH 3 gas is not used and 1,1-dimethylhydrazine, which is an inert gas,
(1,1-DMHy), acetonitrile, azoisobutane, dimethylamine, diethylamine, trimethylamine, triethylamine, triallylamine, triisobutylamine, methyl azide, ethyl azide, phenyl azide, diethylaluminum azide, diethylgallium azide, trisdimethylaminoantimony, etc. It is also possible to use it.

従って、後述の第1及び第2の成長工程におけるメインフローは、主として窒素原料供給ガス(例示した図2(G)および図2(A)では、たとえばNHガス)を含む第1のメインフローと、主として窒化物半導体層を構成する窒素以外の元素を原料供給するガスを含む第2のメインフローを少なくとも含むこととなる。 Accordingly, the main flow in the first and second growth steps described later is a first main flow mainly including a nitrogen raw material supply gas (eg, NH 3 gas in FIGS. 2G and 2A illustrated). And at least a second main flow including a gas for supplying an element other than nitrogen constituting the nitride semiconductor layer as a raw material.

相対的に低温の領域での期間tの昇温段階は、基体主面を構成する窒化物からの窒素脱離を積極的には抑制する必要のない温度領域における昇温段階である。一方、相対的に高温の領域での期間tの昇温段階は、基体主面を構成する窒化物からの窒素脱離を積極的に抑制する必要のある温度領域における昇温段階である。 The temperature raising stage in the period t B in the relatively low temperature area is a temperature raising stage in a temperature range in which it is not necessary to positively suppress nitrogen desorption from the nitride constituting the substrate main surface. On the other hand, heating stage of period t A at a relatively high temperature region is a Atsushi Nobori step in a temperature region of actively necessary to suppress the nitrogen desorption from the nitride constituting the substrate main surface.

基体の置かれている反応炉内圧力にも依存するが、非極性面の窒素脱離は、その原子配列から考えて、他の極性面よりも低温から発生すると考えられ、概ね450℃程度以上の温度領域では窒化物表面からの窒素脱離を積極的に抑制する必要が生じるものと考えられる。従って、この温度よりも低温の領域では、メインフローを構成するガスとして、活性ガスと不活性ガスの何れのガスをどのような割合で含んでいてもよい。例えば、メインフローのすべてを不活性ガスであるNガスで構成してもよく、活性ガスであるNHガス
のみで構成してもよい。
Although it depends on the pressure inside the reactor where the substrate is placed, nitrogen desorption on the nonpolar plane is considered to occur at a lower temperature than other polar planes, considering its atomic arrangement, and is generally about 450 ° C or higher. In this temperature range, it is considered that it is necessary to positively suppress nitrogen desorption from the nitride surface. Therefore, in the region lower than this temperature, any gas of active gas and inert gas may be contained in any proportion as the gas constituting the main flow. For example, all of the main flow may be constituted by N 2 gas which is an inert gas, or may be constituted only by NH 3 gas which is an active gas.

高温段階の昇温を行う期間tにおいては、窒化物表面からの窒素脱離を適切に抑制するために配慮が必要である。この場合に、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、活性ガス、たとえばHガスとNHガスのみで昇温することも好ましい。このようにすると、窒化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能となるため好ましい。 In the period t A during which the temperature is raised in the high temperature stage, consideration is necessary to appropriately suppress nitrogen desorption from the nitride surface. In this case, in order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure within an appropriate range, an active gas such as H 2 gas and NH is used. It is also preferable to raise the temperature with only three gases. This is preferable because appropriate irregularities can be formed on the surface of the nitride semiconductor layer and the like in a self-forming manner and intentionally.

一方、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、不活性ガスのみで昇温することが好ましく、当該不活性ガス中に、たとえば、ジメチルヒドラジンの様な窒素原料ガスが含まれることが重要である。一方、不活性ガスと、任意の構成として適切な量の活性ガスを含んでメインフローを構成した雰囲気中で昇温する場合には、不活性ガスか、活性ガスの、少なくとも一方に窒素原料ガスが含まれることが好ましい。たとえば、NHガスなどは活性ガスである窒素原料ガスとなりうる。 On the other hand, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention, it is preferable to raise the temperature only with an inert gas. In the inert gas, for example, dimethylhydrazine is used. It is important that nitrogen source gas is included. On the other hand, in the case where the temperature is increased in an atmosphere that includes an inert gas and an appropriate amount of an active gas as an optional structure, the nitrogen source gas is included in at least one of the inert gas and the active gas. Is preferably included. For example, NH 3 gas or the like can be a nitrogen source gas that is an active gas.

なお、この場合には活性ガスとして、Hは過度に導入しないことが好ましく、一方、NHガスは適切な量を供給すれば、良質な窒化物半導体用の窒素原料となり得るので好ましい。詳細は後述するが、昇温工程中におけるメインフローを構成する全ガス種の中で、活性ガスの占める流量比は0.5未満であることが好ましい。なお、昇温工程全体を通じて、一定の雰囲気中で基体の昇温を行うこととしてもよく、この場合には期間tは昇温工程期間に一致することとなる。 In this case, it is preferable that H 2 is not excessively introduced as the active gas. On the other hand, NH 3 gas is preferable because an appropriate amount of NH 3 gas can be supplied because it can be a good nitrogen raw material for a nitride semiconductor. Although details will be described later, it is preferable that the flow ratio of the active gas is less than 0.5 among all the gas species constituting the main flow in the temperature raising step. Note that the temperature of the substrate may be raised in a constant atmosphere throughout the temperature raising process, and in this case, the period t A coincides with the temperature raising process period.

なお、この昇温段階における反応炉内の圧力は、35キロパスカル〜120キロパスカルとなるように調整されることが好ましい。反応炉内の圧力の下限を35キロパスカルとしているのは、基体表面が暴露している雰囲気が過度の減圧状態である場合、光学特性が大幅に劣化するためである。この点については後述する。   In addition, it is preferable that the pressure in the reactor in this temperature rising stage is adjusted to be 35 kilopascals to 120 kilopascals. The reason why the lower limit of the pressure in the reaction furnace is set to 35 kilopascals is that the optical characteristics are greatly deteriorated when the atmosphere exposed to the substrate surface is in an excessively reduced pressure state. This point will be described later.

なお、後述するような積層構造を窒化物半導体層上に形成する場合、光学素子特性を支配する当該積層構造の光学特性を良好なものとするためには、第1および第2の窒化物半導体層の成膜温度は600℃〜1350℃の範囲にあることが好ましく、より好ましくは650℃〜1200℃の範囲、更に好ましくは800℃〜1100℃の範囲、最も好ましくは900℃〜970℃の範囲である。なお、窒化物半導体層の成膜温度範囲と工程Aの昇温到達温度範囲は一致することが好ましく、例えば800℃〜1100℃の範囲で窒化物半導体層を成膜する場合には、工程Aの昇温到達温度も800℃〜1100℃の範囲のものとなる。   In the case where a laminated structure as will be described later is formed on the nitride semiconductor layer, the first and second nitride semiconductors are used in order to improve the optical characteristics of the laminated structure that governs the optical element characteristics. The film formation temperature of the layer is preferably in the range of 600 ° C to 1350 ° C, more preferably in the range of 650 ° C to 1200 ° C, still more preferably in the range of 800 ° C to 1100 ° C, and most preferably in the range of 900 ° C to 970 ° C. It is a range. In addition, it is preferable that the film formation temperature range of the nitride semiconductor layer and the temperature rise reaching temperature range of the process A coincide with each other. For example, when the nitride semiconductor layer is formed in the range of 800 ° C. to 1100 ° C. The temperature rise reached temperature is also in the range of 800 ° C to 1100 ° C.

図2(G)に示したシーケンス例では、反応炉内で基体の窒化物主面が暴露される主たる雰囲気となる活性ガスとして水素ガスを第2のメインフローとして供給しながら第1の昇温工程を開始し、基体温度が400℃になった時点で第1のメインフローを構成するガスとして活性ガスであるNHガスの供給を追加して第2の昇温工程を開始し、この混合ガス中で更に到達温度である1000℃まで昇温させている。なお、この第2の昇温工程におけるNHガスの供給は、当該昇温工程中に基体の表面から窒素が抜けてエピタキシャル成長面の結晶性が過度に低下することを防止するためのものである。 In the sequence example shown in FIG. 2G, the first temperature rise is performed while supplying hydrogen gas as the second main flow as an active gas that becomes the main atmosphere in which the nitride main surface of the substrate is exposed in the reaction furnace. The process is started, and when the substrate temperature reaches 400 ° C., the supply of NH 3 gas, which is an active gas, is added as a gas constituting the first main flow to start the second temperature raising process. The temperature is further raised in the gas to 1000 ° C., which is the ultimate temperature. The supply of NH 3 gas in the second temperature raising step is for preventing nitrogen from escaping from the surface of the substrate during the temperature raising step and excessively reducing the crystallinity of the epitaxial growth surface. .

このように、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、活性ガス、たとえばHガスとNHガスのみで昇温する事が好ましい。このようにすると、窒化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能となる。 As described above, in order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, an active gas such as H 2 gas and NH is used. It is preferable to raise the temperature with only three gases. In this way, it is possible to form moderate irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer and the like in a self-forming manner and intentionally.

一方、図2(A)に示したシーケンス例では、反応炉内で基体の窒化物主面が暴露される主たる雰囲気となる不活性ガスとして窒素ガスを第2のメインフローとして供給しながら第1の昇温工程を開始し、基体温度が400℃になった時点で第1のメインフローを構成するガスとして活性ガスであるNHガスの供給を追加して第2の昇温工程を開始し、この混合ガス中で更に到達温度である1000℃まで昇温させている。なお、この第2の昇温工程におけるNHガスの供給は、当該昇温工程中に基体の表面から窒素が抜けてエピタキシャル成長面の結晶性が過度に低下することを防止するためのものである。 On the other hand, in the sequence example shown in FIG. 2A, the first main gas is supplied as the second main flow while supplying nitrogen gas as an inert gas that becomes the main atmosphere in which the nitride main surface of the substrate is exposed in the reaction furnace. When the temperature of the substrate reaches 400 ° C., the supply of NH 3 gas, which is an active gas, is added as a gas constituting the first main flow to start the second temperature raising process. In this mixed gas, the temperature is further increased to 1000 ° C., which is the ultimate temperature. The supply of NH 3 gas in the second temperature raising step is for preventing nitrogen from escaping from the surface of the substrate during the temperature raising step and excessively reducing the crystallinity of the epitaxial growth surface. .

この第2の昇温工程において、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、メインフローを構成する全ガス(この場合は第1のメインフローと第2のメインフローの和)に対する不活性ガス(窒素ガス)の成分比は、流量比で0.5以上1.0以下であることが好ましい。このような混合ガス成分とするのは、比較的高温の領域での基体昇温の際に、基体表面が暴露されることとなる雰囲気中に活性ガスが過剰に多く含まれていると、基体表面の窒化物結晶中に欠陥が導入され易いためである。よって、この第2の昇温工程においては、特にエッチング効果が過剰で、窒素抜けを誘発する水素ガスは雰囲気中に過度に含まれないことが好ましい。   In this second temperature raising step, in order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion in the present invention relatively high, all the gases constituting the main flow (in this case, the first main flow and the second main flow) The ratio of the components of the inert gas (nitrogen gas) to the sum of the main flows is preferably 0.5 or more and 1.0 or less in flow rate ratio. Such a mixed gas component is used when the substrate surface is heated in a relatively high temperature region, and when the active gas is excessively contained in the atmosphere in which the substrate surface is exposed. This is because defects are easily introduced into the nitride crystal on the surface. Therefore, in the second temperature raising step, it is preferable that the etching effect is particularly excessive and hydrogen gas that induces nitrogen depletion is not excessively contained in the atmosphere.

このような昇温工程(工程A)に続いて、第1の窒化物半導体層の成長工程(工程B)に移行するが、本発明の、基体の窒化物主面がm面においては、熱的なクリーニング工程を設けない場合に、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするための、適度な凹凸が自己形成的できるため、好ましい。   Subsequent to the temperature raising step (step A), the process proceeds to the first nitride semiconductor layer growth step (step B). In the present invention, when the nitride main surface of the substrate is the m-plane, In the present invention, in order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor, while maintaining the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion in an appropriate range, there are appropriate irregularities. It is preferable because it can be self-forming.

図2(G)に示された工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHガスの供給を続け、第2のメインフローを構成するガスも水素ガスの供給を継続し、反応炉内の雰囲気が安定化した後に、第2のメインフローを構成する水素ガスの一部をIII族元
素の原料およびドーパント原料を供給するためのキャリアガスとして使用し、エピタキシャル成長原料を反応炉内に供給させて窒化物半導体層の結晶成長を開始する。
In the process B shown in FIG. 2G, the supply of NH 3 gas as the gas constituting the first main flow is continued, the supply of hydrogen gas is also continued for the gas constituting the second main flow, and the reaction After the atmosphere in the furnace is stabilized, a part of the hydrogen gas constituting the second main flow is used as a carrier gas for supplying the group III element material and the dopant material, and the epitaxial growth material is put into the reactor. Then, crystal growth of the nitride semiconductor layer is started.

一方、図2(A)に示された工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHガスの供給を続け、第2のメインフローを構成するガスも窒素ガスの供給を継続し、反応炉内の雰囲気が安定化した後に、第2のメインフローを構成する窒素ガスの一部をIII族元素の原料およびドーパント原料を供給するためのキャリアガスとして使用し、エピタキシャル成長原料を反応炉内に供給させて窒化物半導体層の結晶成長を開始する。 On the other hand, in the process B shown in FIG. 2 (A), the supply of NH 3 gas as the gas constituting the first main flow is continued, and the gas constituting the second main flow is also continuously supplied with the nitrogen gas. After the atmosphere in the reactor is stabilized, a part of the nitrogen gas constituting the second main flow is used as a carrier gas for supplying a group III element source and a dopant source, and an epitaxial growth source is used as the reactor. Then, crystal growth of the nitride semiconductor layer is started.

このようにして形成される第1の窒化物半導体層は多結晶成分を含まない結晶であることが好ましく、さらに単結晶そのものにより構成されていることがより好ましい。この第1の窒化物半導体層の上に、更に第2の窒化物半導体層が形成される。このように形成される層は非極性面上に形成される窒化物半導体層であるが、本発明によって結晶学的には十分な長距離秩序の保たれた層となる。   The first nitride semiconductor layer thus formed is preferably a crystal containing no polycrystalline component, and more preferably composed of a single crystal itself. A second nitride semiconductor layer is further formed on the first nitride semiconductor layer. The layer formed in this way is a nitride semiconductor layer formed on a nonpolar plane. However, according to the present invention, the layer is crystallographically sufficiently long-range ordered.

工程Bでは、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、図2(G)に示されるように、Siドーパントを適切に入れる事が好ましい。適切な量を意図的に導入する場合は、適度な凹凸が表面に形成されることにより、光取り出し効率が高くなり、ひいては本発明の窒化物半導体を用いた発光素子の発光効率が上がる。   In step B, in order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, as shown in FIG. It is preferable to add Si dopant appropriately. When an appropriate amount is intentionally introduced, light irregularities are formed on the surface, so that the light extraction efficiency increases, and as a result, the light emission efficiency of the light emitting element using the nitride semiconductor of the present invention increases.

特に、本発明の窒化物半導体では、Raが200nm程度と紫外光、近紫外光、可視光の波長と同程度の荒れを自己発生的に、意図して形成することにより、特に本発明において好ましく実現される発光波長域において、光取り出し効果が期待されるため好ましい。
このように、光取り出し効果を期待しつつ、さらに内部量子効率も過度に低くならないSi濃度は、通常3×1017cm−3以上、好ましくは5×1018cm−3以上であり、通常1×1021cm−3以下、好ましくは6×1019以下である。
In particular, in the nitride semiconductor of the present invention, Ra is about 200 nm, and it is particularly preferable in the present invention to intentionally form a roughness equivalent to the wavelength of ultraviolet light, near ultraviolet light, and visible light. In the emission wavelength range to be realized, a light extraction effect is expected, which is preferable.
Thus, the Si concentration at which the internal quantum efficiency is not excessively lowered while expecting the light extraction effect is usually 3 × 10 17 cm −3 or more, preferably 5 × 10 18 cm −3 or more, usually 1 × 10 21 cm −3 or less, preferably 6 × 10 19 or less.

なお、Siなどのドーパントを意図的に入れる場合は、その濃度が過度であると、極端に表面に凹凸が発生し、量子井戸活性層構造部の内部量子効率も過度に低下するため、好ましくない。   In addition, when a dopant such as Si is intentionally added, if the concentration is excessive, irregularities are extremely generated on the surface, and the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion is excessively lowered, which is not preferable. .

一方、工程Bでは、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くする場合は、基体の窒化物主面上にシリコン(Si)原料が意図的には供給されない環境下で第1の窒化物半導体層がエピタキシャル成長されることが好ましい。   On the other hand, in step B, when the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention is relatively high, in an environment where silicon (Si) raw material is not intentionally supplied onto the nitride main surface of the substrate. It is preferable that the first nitride semiconductor layer is epitaxially grown.

つまり、基体の窒化物主面を不活性ガスと、任意の構成として適切な量の活性ガスを含む雰囲気に暴露した状態で当該基体の窒化物主面上にSi原料を意図的に供給することなく第1の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが好ましい。   That is, the Si raw material is intentionally supplied onto the nitride main surface of the substrate in a state where the nitride main surface of the substrate is exposed to an atmosphere containing an inert gas and an appropriate amount of active gas as an arbitrary configuration. It is preferable to epitaxially grow the first nitride semiconductor layer.

図2(A)に示したシーケンスの場合、NとNHを含んでメインフローを構成した雰囲気中で基体の窒化物主面上にSi原料を意図的に供給することなく第1の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを意味する。 In the case of the sequence shown in FIG. 2A, the first nitridation is performed without intentionally supplying Si raw material onto the nitride main surface of the substrate in an atmosphere including N 2 and NH 3 and constituting a main flow. This means that the physical semiconductor layer is epitaxially grown.

これによって得られる代表的な膜は、理想的には、i−GaN層である。しかし、Siなどのドーパントが意図的には原料供給されない状態でエピタキシャル成長したGaN層であっても、実際には、原料ガスから不純物として混入したSi等や反応炉中あるいはその近傍中に存在する石英部材等から混入するSi等を含んでしまうのが通常である。   A typical film obtained by this is ideally an i-GaN layer. However, even in the case of a GaN layer epitaxially grown in a state where a dopant such as Si is not intentionally supplied, in practice, Si or the like mixed as an impurity from the source gas or quartz present in or near the reactor Usually, Si or the like mixed from the member or the like is included.

さらには、たとえばGaN基板やAlN基板のような自立基板の表面研磨工程等で使用されるSi系研磨剤が、残留物として基体表面に付着している場合には、エピタキシャル成長時の基板表面にSiが滞留していることとなり、これが不純物としてi−GaN層に混入する可能性もある。   Furthermore, when a Si-based abrasive used in a surface polishing process of a self-supporting substrate such as a GaN substrate or an AlN substrate adheres to the substrate surface as a residue, Si is deposited on the substrate surface during epitaxial growth. May stay in the i-GaN layer as impurities.

加えて、GaN基板やAlN基板のような自立基板作成時に意図的にSiがドーピングされた基板をエピタキシャル成長用基体として用いる場合には、エピタキシャル成長初期に、基体表面にSiが偏析してしまう可能性もあり、このSiをi−GaN層が取り込んでしまう可能性もある。このような意図しない不純物の濃度は、Siの場合、3×1021cm−3以下に抑えることが好ましい。 In addition, when a substrate intentionally doped with Si, such as a GaN substrate or an AlN substrate, is used as a substrate for epitaxial growth, Si may segregate on the substrate surface at the initial stage of epitaxial growth. There is also a possibility that the i-GaN layer will take in this Si. In the case of Si, the concentration of such unintended impurities is preferably suppressed to 3 × 10 21 cm −3 or less.

また、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、シリコン(Si)原料が意図的には供給されない環境下で第1の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させればよく、第1の窒化物半導体層の成長膜厚方向の平均的Si濃度は、第2の窒化物半導体層の成長膜厚方向の平均的Si濃度よりも低いことが好ましい。   In addition, in order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention relatively high, the first nitride semiconductor layer can be epitaxially grown in an environment where no silicon (Si) source is intentionally supplied. The average Si concentration in the growth film thickness direction of the first nitride semiconductor layer is preferably lower than the average Si concentration in the growth film thickness direction of the second nitride semiconductor layer.

これは、上記の各種理由によるSiの混入があったとしても、その影響は界面数百nm程度が極端であると考えられることから、この厚みよりも十分に厚い第1の窒化物半導体層を形成した場合には、Siなどのドーパントを意図的には原料供給せずにエピタキシャル成長した第1の窒化物半導体層の成長膜厚方向の平均的Si濃度は、n型ドーパントをSiとして、これを意図的に供給し成長する第2の窒化物半導体層のSi濃度よりも低くなると考えられるからである。   This is because even if Si is mixed due to the various reasons described above, the influence is considered to be extreme when the interface is several hundred nm. Therefore, the first nitride semiconductor layer sufficiently thicker than this thickness is formed. When formed, the average Si concentration in the growth film thickness direction of the first nitride semiconductor layer epitaxially grown without intentionally supplying a dopant such as Si is defined as follows. This is because it is considered to be lower than the Si concentration of the second nitride semiconductor layer intentionally supplied and grown.

なお、この工程Bの反応炉内圧力も、例えば、35キロパスカル〜120キロパスカル程度に設定されることが好ましい。この際に本発明における量子井戸活性層構造部の内部
量子効率を比較的高くするためには、メインフローを構成する全ガス中に占める不活性ガス成分比(Fp)(図2(A)のシーケンス例では第1メインフローであるNHガス成分と第2メインフローである窒素ガス、TMGa成分の総和に対する不活性ガス成分比)が流量比で0.5以上1.0以下となるようにガス供給することが好ましい。また、メインフローを構成する不活性ガス中にエッチング効果の高いHガスは過度に含まれないことが好ましい。
In addition, it is preferable that the reactor internal pressure of this process B is also set to about 35 kilopascals-120 kilopascals, for example. At this time, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention, the ratio of the inert gas component (Fp) in the total gas constituting the main flow (of FIG. 2A) In the sequence example, the NH 3 gas component as the first main flow, the nitrogen gas as the second main flow, and the inert gas component ratio with respect to the sum of the TMGa components) are 0.5 to 1.0 in flow rate ratio. It is preferable to supply gas. Further, a high etching effect H 2 gas into the inert gas constituting the main flow is preferably not included in excess.

工程Bにおいては、反応炉内圧力が35キロパスカル未満の減圧状態でエピタキシャル成長させた場合には、点欠陥の増大により結晶性が低下し、さらにその上に形成される第2の窒化物半導体層や、任意の構成として形成される多重量子井戸活性層構造のフォトルミネッセンス(PL)特性も劣化する。さらに、120キロパスカル以上の圧力では反応炉内の気相反応が増加してしまい、エピタキシャル成長中に窒化物半導体層内に炭素が取り込まれて結晶性が低下する。   In step B, when epitaxial growth is performed in a reduced pressure state where the pressure in the reactor is less than 35 kilopascals, the crystallinity is lowered due to an increase in point defects, and the second nitride semiconductor layer formed thereon is further formed. In addition, the photoluminescence (PL) characteristics of the multi-quantum well active layer structure formed as an arbitrary configuration are also deteriorated. Further, at a pressure of 120 kilopascals or more, the gas phase reaction in the reaction furnace increases, and carbon is taken into the nitride semiconductor layer during the epitaxial growth and the crystallinity is lowered.

工程Bでの基体温度は600℃〜1350℃の温度範囲の所定の温度に設定されるが、下限を600℃としているのは良質の窒化物半導体を結晶成長させるために必要とされる熱エネルギーを考慮したためであり、上限を1350℃としているのは反応炉の構成部材の劣化等の制約からである。600℃未満の温度で成膜すると多結晶成分が混在し易く、その結果として発光特性も低下する。   The substrate temperature in step B is set to a predetermined temperature in the temperature range of 600 ° C. to 1350 ° C., but the lower limit is set to 600 ° C. is the thermal energy required for crystal growth of a good quality nitride semiconductor. The upper limit is set to 1350 ° C. because of limitations such as deterioration of the components of the reactor. When the film is formed at a temperature lower than 600 ° C., polycrystalline components are likely to be mixed, and as a result, the light emission characteristics are also deteriorated.

このような条件下で得られる第1の窒化物半導体層は、その厚みLが0.1nm以上300nm以下の範囲の比較的薄い層であることが好ましい。第1の窒化物半導体層の厚みの下限を0.1nmとするのは、基体表面(窒化物表面)を、エピタキシャル層でSiを過度に含まない層で被覆するためには少なくとも0.1nmを要するためである。 The first nitride semiconductor layer obtained under the conditions preferably has a thickness L 1 is a relatively thin layer of 300nm or less in the range of 0.1 nm. The lower limit of the thickness of the first nitride semiconductor layer is set to 0.1 nm in order to cover the substrate surface (nitride surface) with an epitaxial layer that does not contain Si excessively. This is because it takes.

さらに本発明者らの検討によれば、過度に厚い第1の窒化物半導体層は、その後に成長されるエピタキシャル層全体の表面モルフォロジの極端な劣化、また、エピタキシャル層が活性層構造を含む場合には、この光学特性の劣化等を引き起こすことが想定されるため、好ましくない。具体的には、Lは通常0.1nm以上、好ましくは1.0nm以上、さらに好ましくは5.0nm以上であり、通常300nm以下、好ましくは150nm以下、さらに好ましくは50nm以下の比較的薄い層である事が好ましい。 Further, according to the study by the present inventors, the excessively thick first nitride semiconductor layer has an extremely deteriorated surface morphology of the entire epitaxial layer grown thereafter, and the epitaxial layer includes an active layer structure. Is not preferable because it is assumed to cause deterioration of the optical characteristics. Specifically, L 1 is usually 0.1 nm or more, preferably 1.0 nm or more, more preferably 5.0 nm or more, usually 300 nm or less, preferably 150 nm or less, more preferably 50 nm or less. It is preferable that

本発明者らの検討によれば、このような第1の窒化物半導体層の上に第2の窒化物半導体層をホモエピタキシャル成長させると、発光素子に適した窒化物半導体を実現できる。   According to studies by the present inventors, a nitride semiconductor suitable for a light-emitting element can be realized by homoepitaxially growing the second nitride semiconductor layer on such a first nitride semiconductor layer.

この第1の窒化物半導体層(第1のGaN層)の上に、n型ドーパント原料を供給しながら、比較的厚い層である第2の窒化物半導体層(第2のGaN層)をエピタキシャル成長させる(工程C)。   A relatively thick second nitride semiconductor layer (second GaN layer) is epitaxially grown on the first nitride semiconductor layer (first GaN layer) while supplying an n-type dopant material. (Step C).

量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、図2(G)に示されるように、第1の窒化物半導体層表面を適切な活性ガスを含む雰囲気に暴露した状態で、当該第1の窒化物半導体層上にn型ドーパント原料を意図的に供給しながら第2の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能となる。   In order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, as shown in FIG. In a state where the surface of the nitride semiconductor layer is exposed to an atmosphere containing an appropriate active gas, the second nitride semiconductor layer is epitaxially grown while intentionally supplying an n-type dopant material onto the first nitride semiconductor layer. It is preferable to make it. In this way, it is possible to form moderate irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer and the like in a self-forming manner and intentionally.

本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、図2(A)に示されるように、第1の窒化物半導体層表面を不活性ガスを含む雰囲気に暴露した状態で当該第1の窒化物半導体層上にn型ドーパント原料を意図的に供給しながら第2の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることとなる。   In order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion relatively high in the present invention, as shown in FIG. 2A, the surface of the first nitride semiconductor layer is exposed to an atmosphere containing an inert gas. In this state, the second nitride semiconductor layer is epitaxially grown while intentionally supplying the n-type dopant material on the first nitride semiconductor layer.

ここで、窒化物半導体層に対するn型ドーパントとしては、Si、O、C、Ge、Se、S、Teなどを例示することが可能であって、特にSi、Se、Oが好ましく、さらに、Siが最も好ましく利用可能である。   Here, examples of the n-type dopant for the nitride semiconductor layer include Si, O, C, Ge, Se, S, Te, and the like, and Si, Se, and O are particularly preferable. Is most preferably available.

工程Cでの基体温度も600℃〜1350℃に設定されるが、反応炉内の圧力は5キロパスカル以上であって且つ第1の窒化物半導体層のエピタキシャル成長時の圧力以下とする。第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層を積層させる過程では点欠陥の発生が抑制されるため、反応炉内の圧力を工程Aおよび工程Bよりも低く設定することが可能である。但し、5キロパスカル未満の圧力では成長過程の第2の窒化物半導体層の表面から窒素が抜け易く、この効果が非極性面では通常の極性面よりも大きいと考えられるので、圧力下限は5キロパスカルとすることが好ましい。   The substrate temperature in step C is also set to 600 ° C. to 1350 ° C., but the pressure in the reactor is 5 kilopascals or more and less than the pressure during epitaxial growth of the first nitride semiconductor layer. Since the generation of point defects is suppressed in the process of laminating the second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer, the pressure in the reaction furnace can be set lower than those in step A and step B. It is. However, when the pressure is less than 5 kilopascals, nitrogen easily escapes from the surface of the second nitride semiconductor layer in the growth process, and this effect is considered to be greater in the nonpolar plane than in the normal polar plane. Kilopascal is preferred.

図2(G)に示したシーケンス例では、メインフローを構成する第1メインフローとしてGaNの窒素源となりうるNHガスを供給し、メインフローを構成する第2メインフローとしてHを用い、この一部をキャリアガスとしてTMGaを供給し、さらに、n型ドーパントであるSi源としてシラン(SiH)ガスを供給している。 In the sequence example shown in FIG. 2G, NH 3 gas that can be a nitrogen source of GaN is supplied as the first main flow that constitutes the main flow, and H 2 is used as the second main flow that constitutes the main flow. TMGa is supplied using a part of this as a carrier gas, and further, silane (SiH 4 ) gas is supplied as a Si source which is an n-type dopant.

量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、本発明における、窒化物半導体からの光取り出し効率を高くするためには、全ガス中に占める活性ガス成分比をH等を第2のメインフローガスとして導入することで流量比で0.5以上1.0以下となるようにガス供給することが好ましい。 In order to increase the light extraction efficiency from the nitride semiconductor in the present invention while keeping the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, the active gas component ratio in the total gas is set to H 2 or the like. Is preferably supplied as the second main flow gas so that the flow rate is 0.5 to 1.0.

一方、図2(A)に示したシーケンス例では、メインフローを構成する第1メインフローとしてGaNの窒素源となりうるNHガスを供給し、メインフローを構成する第2メインフローとしてNを用い、この一部をキャリアガスとしてTMGaを供給し、さらに、n型ドーパントであるSi源としてシラン(SiH)ガスを供給している。 On the other hand, in the sequence example shown in FIG. 2A, NH 3 gas that can be a nitrogen source of GaN is supplied as the first main flow constituting the main flow, and N 2 is used as the second main flow constituting the main flow. In use, TMGa is supplied as a part of the carrier gas, and silane (SiH 4 ) gas is supplied as the Si source which is an n-type dopant.

なお、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、工程Bと同様に、この工程Cにおけるメインフローを構成する全ガス中に占める不活性ガス成分比(図2(A)のシーケンス例では第1メインフローであるNHガス成分と第2メインフローである窒素ガス、TMGa、SiHガス成分の総和に対する不活性ガス成分比)が流量比で0.5以上1.0以下となるようにガス供給することが好ましい。 In addition, in order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure part in this invention comparatively high, the inert gas component ratio which occupies in all the gas which comprises the main flow in this process C (like process B ( In the sequence example of FIG. 2A, the ratio of the inert gas component to the sum of the NH 3 gas component that is the first main flow and the nitrogen gas, TMGa, and SiH 4 gas components that are the second main flow is 0. It is preferable to supply gas so that it may be 5 or more and 1.0 or less.

このようにして得られる第2の窒化物半導体層は、その厚みLが0.4〜20μm(即ち400nm以上20μm以下)の範囲の比較的厚い層で、シリコン濃度は、通常1×1017cm−3以上、好ましくは、5×1017cm−3以上、さらに好ましくは1×1018cm−3以上、特に好ましくは3×1018cm−3以上である。また、通常6×1019cm−3程度以下、好ましくは4×1019cm−3以下、さらに好ましくは1×1019cm−3以下、特に好ましくは7×1018cm−3以下である。ここで、第2の窒化物半導体層の厚みLが0.4μm未満ではpn接合素子を作製した場合に良好なpn特性を得ることが困難であり、20μmを越える厚膜とすると過度に表面荒れが生じ易い。 Thus the second nitride semiconductor layer obtained in a relatively thick layer of that it has a thickness L 2 is 0.4~20μm (ie 400nm or 20μm or less), the silicon concentration is usually 1 × 10 17 cm −3 or more, preferably 5 × 10 17 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 18 cm −3 or more, and particularly preferably 3 × 10 18 cm −3 or more. Further, it is usually about 6 × 10 19 cm −3 or less, preferably 4 × 10 19 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, and particularly preferably 7 × 10 18 cm −3 or less. Here, when the thickness L2 of the second nitride semiconductor layer is less than 0.4 μm, it is difficult to obtain good pn characteristics when a pn junction element is manufactured. Roughness is likely to occur.

厚みLは、素子化した場合の電気特性を安定なものとし易くし、エピタキシャル成長開始界面に残存している僅かな格子欠陥が素子の量子井戸活性層構造に悪影響を及ぼすことを抑制するという観点から、0.4μm(400nm)以上とすることが好ましい。 The viewpoint that the thickness L 2 makes it easy to stabilize the electrical characteristics when the device is formed, and suppresses the slight lattice defects remaining at the epitaxial growth start interface from adversely affecting the quantum well active layer structure of the device. Therefore, the thickness is preferably 0.4 μm (400 nm) or more.

さらにLの厚みは、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、窒化物半導体層の表面等の凹凸の程度を調整するために重要であって、一般には適切なエ
ピタキシャル成長条件によって、その適切な厚膜化を図ることで、凹凸の程度を大きくできる。但し、過度な凹凸形成は好ましくなく、その上限は、20μmである。
Further, the thickness of L 2 is important for adjusting the degree of unevenness such as the surface of the nitride semiconductor layer while maintaining the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in an appropriate range, and is generally appropriate. The degree of unevenness can be increased by increasing the thickness appropriately according to the epitaxial growth conditions. However, excessive formation of irregularities is not preferable, and the upper limit is 20 μm.

第2の窒化物半導体層のドーパント濃度は、1×1017cm−3未満であるとpn接合素子を作製した場合に良好なpn特性を得ることが困難であり、ドーパント濃度が6×1019cm−3を超える高濃度ドープの窒化物半導体層では表面が過度に荒れ易い。 When the dopant concentration of the second nitride semiconductor layer is less than 1 × 10 17 cm −3 , it is difficult to obtain good pn characteristics when a pn junction element is manufactured, and the dopant concentration is 6 × 10 19. In a heavily doped nitride semiconductor layer exceeding cm −3 , the surface tends to be excessively rough.

本発明においては、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との組成は異なることが好ましい。これは、第1の窒化物半導体層がいわゆるバッファ層としての機能を有し、一方、第2の窒化物半導体層の一部は少なくとも量子井戸活性層構造部へのキャリア注入の機能を有することが好ましく、機能分離を図れるからである。例えば、第1の窒化物半導体層は意図的にはSi等をドーピングしない、アンドープGaN層とした際に、第2の窒化物半導体層は意図的にSi等をドーピングするn−GaN層とすることが好ましい。意図的に成長条件を変化させることで、それぞれの層の機能分離を図ることもよく、このようにすると含まれる不純物濃度等も異なる場合がある。このような意味において、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との組成は異なることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have different compositions. This is because the first nitride semiconductor layer has a function as a so-called buffer layer, while a part of the second nitride semiconductor layer has at least a function of carrier injection into the quantum well active layer structure. This is because the function can be separated. For example, when the first nitride semiconductor layer is an undoped GaN layer that is not intentionally doped with Si or the like, the second nitride semiconductor layer is an n-GaN layer that is intentionally doped with Si or the like. It is preferable. By intentionally changing the growth conditions, it is possible to separate the functions of the respective layers, and in this case, the concentration of impurities contained may be different. In this sense, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are preferably different in composition.

本発明はこれら工程A、B、Cを備えているが、追加の工程を加えることとしてもよいことは言うまでもない。例えば、工程Bと工程Cの間(第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層の間)に、ドーピング濃度が異なる2種類以上の層を繰り返し積層した層構造や、異なる材料から構成される2種類以上の窒化物半導体層を繰り返し積層した層構造などを形成する工程を付加するようにしてもよい。さらに、前述の通り、本発明の最も好ましい工程Aの昇温到達温度範囲、第1の窒化物半導体層の成膜温度範囲、第2の窒化物半導体層の成膜温度範囲は、いずれも900℃〜970℃の範囲である。   Although the present invention includes these steps A, B, and C, it goes without saying that additional steps may be added. For example, a layer structure in which two or more kinds of layers having different doping concentrations are repeatedly stacked between the process B and the process C (between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer) or a different material. You may make it add the process of forming the layered structure etc. which laminated | stacked two or more types of comprised nitride semiconductor layers repeatedly. Further, as described above, the most preferable temperature rise temperature range of Step A of the present invention, the film formation temperature range of the first nitride semiconductor layer, and the film formation temperature range of the second nitride semiconductor layer are all 900. It is the range of ° C to 970 ° C.

通常、c面のGaN結晶上ではi−GaNやn−GaNの厚膜成長を行うには、最も好ましい昇温到達温度や成長温度は1000℃を超えた温度であり、それよりも低温で結晶成長した場合には、結晶性が低下する。しかし、本発明者らの実験結果によれば、非極性面の主面を有する基体上に、本発明による方法で結晶成長させる場合には、一般的な条件よりも100℃以上も低い温度でエピタキシャル成長させることで、内部量子効率が大幅に向上する事が確認された。   Usually, in order to carry out thick film growth of i-GaN or n-GaN on a c-plane GaN crystal, the most preferable temperature rise temperature or growth temperature is a temperature exceeding 1000 ° C. When grown, the crystallinity decreases. However, according to the results of experiments conducted by the present inventors, when a crystal is grown on a substrate having a nonpolar main surface by the method according to the present invention, the temperature is 100 ° C. or more lower than the general conditions. It was confirmed that the internal quantum efficiency was greatly improved by epitaxial growth.

このために、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、比較的低温で窒化物半導体層を形成することが好ましいため、主に有機金属原料からの炭素の膜中への不純物の混入などを抑制すべく、たとえばGa原料としてはTMGaよりもTEGaを用いる事が好ましい。これは、TMGaよりもTEGaの方が低温で分解するために、膜中への炭素の取り込みが抑制され、たとえば第2の窒化物半導体層においては、Si等をドーピングした際に、炭素による補償が少ない層が形成可能となるため、好ましい。   For this reason, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention, it is preferable to form the nitride semiconductor layer at a relatively low temperature. For example, it is preferable to use TEGa rather than TMGa as a Ga raw material in order to suppress contamination of impurities in the film. This is because TEGa is decomposed at a lower temperature than TMGa, so that the incorporation of carbon into the film is suppressed. For example, in the second nitride semiconductor layer, compensation by carbon is performed when doping Si or the like. This is preferable because a layer having a small amount can be formed.

また、図2(G)や図2(A)に例示したように、第2の窒化物半導体層の上にMQW層を含む積層構造体をさらにエピタキシャル成長させる工程(工程D)や、p型ドーパントを含有する窒化物半導体層を結晶成長させる工程(工程E)、降温工程(F)など含む第3の工程を設けるようにすることもできる。   Further, as illustrated in FIG. 2G and FIG. 2A, a process of further epitaxially growing a stacked structure including an MQW layer on the second nitride semiconductor layer (process D), p-type dopant It is also possible to provide a third step including a step of crystal-growing a nitride semiconductor layer containing silane (step E), a temperature lowering step (F), and the like.

第2の窒化物半導体層の上にMQW層を含む積層構造体をエピタキシャル成長させる工程(工程D)においては、第2の窒化物半導体層表面を、不活性ガスを含む雰囲気に暴露した状態で当該第2の窒化物半導体層上にMQW層を含む積層構造体をエピタキシャル成長させることが好ましい。   In the step (step D) of epitaxially growing the stacked structure including the MQW layer on the second nitride semiconductor layer, the surface of the second nitride semiconductor layer is exposed to an atmosphere containing an inert gas. It is preferable to epitaxially grow the stacked structure including the MQW layer on the second nitride semiconductor layer.

図2(G)の場合にも、図2(A)の場合も、不活性ガスとしてNを、また、窒素原料としては任意の要件として活性ガスであるNHガスを適切な量含んでメインフローを構成した雰囲気中で、第2の窒化物半導体層上にInGaN層とGaN層の積層構造からなる多重量子井戸活性層構造を形成している。 In both the case of FIG. 2 (G) and FIG. 2 (A), N 2 is contained as an inert gas, and an appropriate amount of NH 3 gas, which is an active gas, is optionally included as a nitrogen source. In the atmosphere constituting the main flow, a multiple quantum well active layer structure composed of a stacked structure of an InGaN layer and a GaN layer is formed on the second nitride semiconductor layer.

本発明における多重量子井戸活性層構造中の量子井戸層には、適宜発光波長を選択するために、In、Al等を含む事が好ましく、Inを含む事が最も好ましい。InGaNの量子井戸層のIn濃度は、組成比でたとえば、0.04〜0.15で、InGaN/GaN多重量子井戸活性層構造は400±30nm(即ち、370nm以上430nm以下)の中心波長を有する光を発光する事が好ましい。   The quantum well layer in the multiple quantum well active layer structure of the present invention preferably contains In, Al, etc., and most preferably contains In, in order to select the emission wavelength appropriately. The In concentration of the InGaN quantum well layer is, for example, 0.04 to 0.15 in composition ratio, and the InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure has a center wavelength of 400 ± 30 nm (that is, 370 nm to 430 nm). It is preferable to emit light.

さらに好ましくはその中心波長は380nm以上420nm以下であって、InGaN量子井戸層のIn組成比では、0.05〜0.10程度に相当する。最も好ましくは、その中心波長は395nm以上415nm以下であって、InGaN量子井戸層のIn組成比では0.06〜0.09程度に相当する。   More preferably, the center wavelength is 380 nm or more and 420 nm or less, and the In composition ratio of the InGaN quantum well layer corresponds to about 0.05 to 0.10. Most preferably, the center wavelength is 395 nm or more and 415 nm or less, and the In composition ratio of the InGaN quantum well layer corresponds to about 0.06 to 0.09.

一般に、c面サファイア基板上に形成されたInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造においては、格子定数の不整合等に起因する多数の転位がサファイア基板とGaN系エピタキシャル層の界面から、多重量子井戸活性層構造を含むエピタキシャル層全体に伝播してしまっているのが普通であり、その転位密度は1×10cm−2程度であることが知られている。また、サファイア基板上に凹凸加工をした基板を用いてエピタキシャル層を形成し、転位の一部を低減したとしても、3×10cm−2程度の転位密度までしか低減しないことも知られている。 In general, in an InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure formed on a c-plane sapphire substrate, multiple dislocations due to lattice constant mismatch and the like occur from the interface between the sapphire substrate and the GaN-based epitaxial layer. It is normally propagated throughout the epitaxial layer including the active layer structure, and it is known that the dislocation density is about 1 × 10 9 cm −2 . It is also known that even if an epitaxial layer is formed on a sapphire substrate using an uneven surface and a part of dislocations is reduced, the dislocation density is only reduced to about 3 × 10 8 cm −2. Yes.

ここにおいて、Inは量子井戸層内の電子―成功対の空間的な位置を局在化し、ひいては発光を局在化するので、多数の転位が存在しても、量子井戸層内に注入あるいは生成した電子―正孔対がこれらの転位等に捕獲されて非発光再結合することを抑制していると考えられている。   Here, In localizes the spatial position of the electron-success pair in the quantum well layer, and thus localizes the light emission, so that even if there are many dislocations, it is injected or generated in the quantum well layer. It is believed that the electron-hole pairs thus trapped by these dislocations and the like are restrained from non-radiative recombination.

一方、本発明は非極性面基板上の窒化物を基体とする。即ち、本発明においては、エピタキシャル層内における転位密度は非常に小さくすることができる。本発明者らの実験結果によれば、本発明におけるエピタキシャル層内に存在する転位密度は、好ましくは3×10(cm−2)以下であって、より好ましくは、5.0×10(cm−2)以下にまで低減することができる。このようなInによる電子―正孔対の空間的な局在効果の少ない場合であっても本発明の発光特性は良好である。 On the other hand, the present invention uses a nitride on a nonpolar plane substrate as a base. That is, in the present invention, the dislocation density in the epitaxial layer can be made very small. According to the experiment results of the present inventors, the dislocation density existing in the epitaxial layer in the present invention is preferably 3 × 10 7 (cm −2 ) or less, and more preferably 5.0 × 10 6. It can be reduced to (cm −2 ) or less. Even in the case where the spatial localization effect of electron-hole pairs due to In is small, the emission characteristics of the present invention are good.

具体的には、InGaNの量子井戸層のIn組成比でたとえば、0.04〜0.15であっても、非常に良好な発光特性を示すことが確認されている。このため、本発明における窒化物半導体エピタキシャル層が発光する光は、下限が370nm以上、好ましくは380nm以上であり、上限が430nm以下、好ましくは420nm以上の中心波長を有していることが好ましい。前記下限はGaN層とのバンドオフセットを形成するために必要な最低限度のInGaN層のIn組成で規定されており、一方、前記上限は、本発明で好ましく利用可能な比較的厚膜のInGaN量子井戸層が形成可能な上限のIn組成で規定されている。   Specifically, it has been confirmed that even if the In composition ratio of the InGaN quantum well layer is, for example, 0.04 to 0.15, very good light emission characteristics are exhibited. For this reason, the light emitted from the nitride semiconductor epitaxial layer in the present invention preferably has a center wavelength of 370 nm or more, preferably 380 nm or more, and an upper limit of 430 nm or less, preferably 420 nm or more. The lower limit is defined by the minimum In composition of the InGaN layer necessary to form a band offset with the GaN layer, while the upper limit is a relatively thick InGaN quantum layer that can be preferably used in the present invention. It is defined by the upper limit In composition that can form a well layer.

量子井戸活性層を形成する際の好ましい基体温度は、InGaN層を安定的に形成する目的で規定される。InGaN層中のInは、その蒸気圧が高いために、量子井戸活性層は、他の層よりも低温で形成されることが好ましい。特に、本発明者らの検討によれば、非極性面上の成長においては、極性面上の成長と異なり、同一条件での成長であってもInの取り込みが少なくなっている。その結果、本発明のような平坦な非極性面上のエピタ
キシャル層上へInGaN層を含む量子井戸活性層構造を形成する場合には、その温度範囲は600℃〜850℃が好ましい。ここで基体温度が600℃以下の場合には、窒素原料の分解効率が低下し、また、不純物の取り込みが増えるため、結晶性が劣化し好ましくない。
A preferable substrate temperature in forming the quantum well active layer is defined for the purpose of stably forming the InGaN layer. Since In in the InGaN layer has a high vapor pressure, the quantum well active layer is preferably formed at a lower temperature than the other layers. In particular, according to the study by the present inventors, in the growth on the nonpolar plane, unlike the growth on the polar plane, the incorporation of In is reduced even under the same conditions. As a result, when a quantum well active layer structure including an InGaN layer is formed on an epitaxial layer on a flat nonpolar surface as in the present invention, the temperature range is preferably 600 ° C. to 850 ° C. Here, when the substrate temperature is 600 ° C. or lower, the decomposition efficiency of the nitrogen raw material is lowered and the incorporation of impurities is increased.

また、850℃より高い場合には、インジウム原子の再蒸発が活発化するために、インジウム組成に依存する発光波長の制御や、面内均一性の確保が困難になる。よって、量子井戸活性層を形成する際の基体温度は、600℃〜850℃に設定されるのが好ましい。より不純物が少なく、より波長再現性が必要とされる場合には、基体温度を700℃〜760℃の間に設定することがより好ましい。   When the temperature is higher than 850 ° C., re-evaporation of indium atoms is activated, and it becomes difficult to control the emission wavelength depending on the indium composition and to ensure in-plane uniformity. Therefore, it is preferable that the substrate temperature when forming the quantum well active layer is set to 600 ° C. to 850 ° C. When there are fewer impurities and more wavelength reproducibility is required, it is more preferable to set the substrate temperature between 700 ° C. and 760 ° C.

量子井戸活性層を形成する際の、反応炉内の圧力は、第1の窒化物半導体層のエピタキシャル成長時の圧力以上とすることが好ましく、120kPa以下とする事が好ましい。   The pressure in the reaction furnace when forming the quantum well active layer is preferably not less than the pressure at the time of epitaxial growth of the first nitride semiconductor layer, and preferably not more than 120 kPa.

これは以下の理由による。第2の窒化物半導体層上に量子井戸活性層を積層させる工程では、蒸気圧の高い元素であるインジウムの存在下で欠陥の発生を抑制する必要がある。よって、反応炉内の圧力を工程Cよりも高く設定することが好ましい。これによって蒸気圧の高い元素であるInの過剰な再蒸発等を適切に抑制することが可能となる。但し、120キロパスカル以上の圧力では反応炉内の気相反応が増加してしまい、エピタキシャル成長中に窒化物半導体層内に炭素が取り込まれやすくなり、結晶性が低下することとなる。よって、反応炉内の圧力は、第1の窒化物半導体層のエピタキシャル成長時の圧力以上とすることが好ましく、120kPa以下とする事が好ましい。   This is due to the following reason. In the step of laminating the quantum well active layer on the second nitride semiconductor layer, it is necessary to suppress the generation of defects in the presence of indium which is an element having a high vapor pressure. Therefore, it is preferable to set the pressure in the reactor higher than that in step C. This makes it possible to appropriately suppress excessive reevaporation of In, which is an element having a high vapor pressure. However, at a pressure of 120 kilopascals or higher, the gas phase reaction in the reaction furnace increases, and carbon is easily taken into the nitride semiconductor layer during epitaxial growth, resulting in a decrease in crystallinity. Therefore, the pressure in the reaction furnace is preferably not less than the pressure at the time of epitaxial growth of the first nitride semiconductor layer, and preferably not more than 120 kPa.

図2(G)や図2(A)に例示したように、メインフローを構成する第1メインフローとしてInGaNとGaNの窒素源となりうるNHガスを供給し、メインフローを構成する第2メインフローとしてNを用い、この一部をキャリアガスとしてTMGa、TMInを供給している。なお、工程Dにおけるメインフローを構成する全ガス中に占める不活性ガス成分比(図2(G)や図2(A)のシーケンス例では、活性層構造に含まれる量子井戸層においては、第1メインフローであるNHガスと第2メインフローであるNガス、TMIn、TMGaの総和に対する不活性ガス成分比であって、一方、活性層構造に含まれる障壁層においては、第1メインフローであるNHガスと第2メインフローである窒素ガス、TMGaの総和に対する不活性ガス成分比)が流量比で0.5以上1.0以下となるようにガス供給することが好ましい。特に活性層構造に含まれる量子井戸層においては、Hを供給しないことが好ましい。 As illustrated in FIG. 2G and FIG. 2A, NH 3 gas that can serve as a nitrogen source for InGaN and GaN is supplied as the first main flow that constitutes the main flow, and the second main that constitutes the main flow. N 2 is used as a flow, and TMGa and TMIn are supplied as a part of the carrier gas. It should be noted that the inert gas component ratio in the total gas constituting the main flow in the process D (in the sequence example of FIG. 2G or FIG. 2A, in the quantum well layer included in the active layer structure, The inert gas component ratio with respect to the sum of NH 3 gas, which is one main flow, and N 2 gas, TMIn, TMGa, which is the second main flow. On the other hand, in the barrier layer included in the active layer structure, It is preferable to supply the gas so that the NH 3 gas that is the flow, the nitrogen gas that is the second main flow, and the inert gas component ratio with respect to the sum of TMGa are 0.5 to 1.0 in terms of flow rate ratio. In particular, it is preferable not to supply H 2 in the quantum well layer included in the active layer structure.

これは、過剰な活性ガスの導入、特にエッチング効果の大きいHガスの導入は、特にInNを含む材料、たとえばInGaN等の平坦度を極端に悪化させる。このため、本発明の第1の成長工程、第2の成長工程を経た、下地の良質な窒化物半導体層であっても、活性層の結晶性の低下につながり易いため、Hを供給することは好ましくないからである。 This is because the introduction of an excessive active gas, particularly the introduction of H 2 gas having a large etching effect, extremely deteriorates the flatness of a material containing InN, for example, InGaN. For this reason, even if it is a good quality nitride semiconductor layer that has undergone the first growth step and the second growth step of the present invention, the crystallinity of the active layer is likely to deteriorate, so H 2 is supplied. This is not preferable.

ただし、活性ガスである窒素原料が過剰に存在する条件下で成長をする場合には窒素脱離が抑制されるため、メインフローを構成する全ガス中に占める不活性ガス成分比は、本発明者らの検討によれば、0.4程度まで下げることが可能である。   However, since the nitrogen desorption is suppressed when growing under the condition that the nitrogen raw material that is the active gas is excessively present, the ratio of the inert gas component in the total gas constituting the main flow is the present invention. According to the study by those, it can be lowered to about 0.4.

第3の工程に含まれる、積層構造体のエピタキシャル成長工程中に作製しうる、活性層構造の厚み、特に量子井戸活性層構造における量子井戸層の厚みは、本発明においては、厚膜化を図る事が好ましい。   The thickness of the active layer structure, particularly the thickness of the quantum well layer in the quantum well active layer structure, that can be produced during the epitaxial growth step of the laminated structure included in the third step is increased in the present invention. Things are preferable.

具体的には、c面サファイア基板上に形成されたInGaN/GaN多重量子井戸活性
層構造中の量子井戸層においては、その厚みは1nmから2nm程度である場合に、最も発光効率が良い事が知られている。これは極性面上に形成された多重量子井戸活性層構造中において、注入/生成された電子―正孔対が空間的に分離されるために、その分離を抑制するためには極薄の量子井戸層が適切となってしまうことが一因である。
Specifically, the quantum well layer in the InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure formed on the c-plane sapphire substrate has the highest luminous efficiency when the thickness is about 1 nm to 2 nm. Are known. This is because the injected / generated electron-hole pairs are spatially separated in the multi-quantum well active layer structure formed on the polar surface. One reason is that the well layer becomes appropriate.

一方、本発明においては、前述の通り、QCSEの原理的に発生しない非極性面を有する基体の上に、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層を高品質に形成する事が可能である。よって、理想的な、適度に厚膜化された量子構造を作製する事が可能である。   On the other hand, in the present invention, as described above, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are formed with high quality on a substrate having a nonpolar surface that does not occur in principle in QCSE. Is possible. Therefore, it is possible to produce an ideal and moderately thick quantum structure.

さらに本発明においては、適切な凹凸、界面のゆらぎ、厚みのゆらぎが多重量子井戸活性層(MQW)に付加されていてもよい。これは以下の理由により好ましい態様とされる。即ち、MQWを電磁気学的な双極子の集合として捕らえると、MQWに凹凸が付加されることは、内部放射の方向が変わることとなる。これはGaN基板と外側の媒質、例えば空気を仮定すると、GaN/空気で形成される光学界面における、屈折率差できまる臨界角度内に入る放射要素が増えることとなり、表面に凹凸加工をしたのと略等価であって、光取り出し効率が向上することが期待されるため、好ましい。   Furthermore, in the present invention, appropriate irregularities, interface fluctuations, and thickness fluctuations may be added to the multiple quantum well active layer (MQW). This is a preferred embodiment for the following reasons. That is, when MQW is captured as a set of electromagnetic dipoles, the addition of irregularities to MQW changes the direction of internal radiation. Assuming a GaN substrate and an outer medium, such as air, the number of radiation elements that fall within a critical angle determined by the refractive index difference at the optical interface formed by GaN / air will increase, and the surface has been roughened. This is preferable because it is expected to improve the light extraction efficiency.

このようなMQWへの自然発生的な凹凸やゆらぎの付加は、ある程度の厚みのInGaNを形成することによってなされる。薄膜であると凹凸の程度は少なく、また、過剰な厚みを有すると、内部量子効率が下がると想定される。さらに、このようなMQWへの自然発生的な凹凸やゆらぎの付加は、後述する実施例等で示すとおりに、MQW層などを多数化して積層することで、その程度を増加させることができる。   Such naturally occurring irregularities and fluctuations are added to the MQW by forming InGaN having a certain thickness. If the film is a thin film, the degree of unevenness is small, and if it is excessively thick, the internal quantum efficiency is assumed to decrease. Furthermore, the degree of such naturally occurring irregularities and fluctuations added to the MQW can be increased by increasing the number of MQW layers and the like as will be described later in Examples and the like.

上記の2つの観点から、例えば、発光素子を作製する場合においては、多重量子井戸活性層構造中の量子井戸層は、体積を増加させた方が発光素子の高効率化、高出力化が可能であって、本発明者らの実験によれば、多重量子井戸活性層中の少なくとも任意のひとつの量子井戸層の厚みの下限は10nm以上であることが好ましく、15nm以上であることがより好ましい。さらには、多重量子井戸活性層中のすべての量子井戸層の各々の厚みの下限は10nm以上であることが好ましく、15nm以上であることがより好ましい。これは従来の方法と比較して格段に厚い量子井戸層、多重量子井戸活性層構造を形成可能になるということになる。   From the above two viewpoints, for example, in the case of manufacturing a light emitting device, the quantum well layer in the multiple quantum well active layer structure can increase the efficiency and output of the light emitting device by increasing the volume. Then, according to the experiments by the present inventors, the lower limit of the thickness of at least one arbitrary quantum well layer in the multiple quantum well active layer is preferably 10 nm or more, and more preferably 15 nm or more. . Furthermore, the lower limit of the thickness of each of the quantum well layers in the multiple quantum well active layer is preferably 10 nm or more, and more preferably 15 nm or more. This means that a much thicker quantum well layer and multiple quantum well active layer structure can be formed compared to the conventional method.

一方、量子井戸活性層構造中の量子井戸層は、いわゆる量子サイズ効果による高効率な発光再結合を実現させる観点と、また、下記に示す結晶品質の低減抑制の観点から、過度に厚い量子井戸層は好ましくない。本発明者らの検討によれば、100nm以下が好ましい。また、より好ましくは50nm以下であって、さらに好ましくは30nm以下であって、最も好ましくは20nm以下である。これらの好ましい量子井戸層の厚みの上限も、従来の方法と比較して格段に厚いものとなっている。   On the other hand, the quantum well layer in the quantum well active layer structure is an excessively thick quantum well from the viewpoint of realizing high-efficiency recombination due to the so-called quantum size effect, and also from the viewpoint of suppressing the reduction in crystal quality shown below. Layers are not preferred. According to the study by the present inventors, 100 nm or less is preferable. More preferably, it is 50 nm or less, More preferably, it is 30 nm or less, Most preferably, it is 20 nm or less. The upper limit of the thickness of these preferable quantum well layers is also much thicker than that of the conventional method.

さらに、本発明においては、量子井戸層の層数は通常よりも多くすることが好ましい。これは、本発明においては、非極性面上で過度に内部量子効率の低下した層とならないため、井戸層そのものをふやし、適度に成長面内等で膜厚のゆらぎを付加することで、光取り出しの向上が期待される。本発明では実施例等でも示すとおり、量子井戸層を多重に積層すると、そのゆらきを適宜、適切な範囲で付加することが可能である。よって、多重量子井戸活性層構造中の井戸層の数は2層から100層が好ましく、より好ましくは4層から50層が好ましく、6層から25層がさらに好ましく、8層から15層が最も好ましい。   Furthermore, in the present invention, the number of quantum well layers is preferably larger than usual. In the present invention, since the layer does not have an excessively low internal quantum efficiency on the nonpolar plane, the well layer itself is expanded and the thickness fluctuation is appropriately added in the growth plane. Improvement in extraction is expected. In the present invention, as shown in Examples and the like, when multiple quantum well layers are stacked, the fluctuation can be appropriately added within an appropriate range. Therefore, the number of well layers in the multiple quantum well active layer structure is preferably 2 to 100 layers, more preferably 4 to 50 layers, more preferably 6 to 25 layers, and most preferably 8 to 15 layers. preferable.

また、本発明の窒化物半導体は、エピタキシャル層内の転位密度は比較的小さく、これによって、Inによる電子―正孔対の空間的な局在効果が少なくなっても、換言すると、
前記の通りに、In組成が少ないInGaN層を量子井戸層に採用したとしても、良好な発光特性を実現する事が可能となっている。ここでGaN基板上のホモエピタキシャル成長においては、In濃度の高いInGaN層がGaN層上に形成されると、InGaN層は成長面内方向に圧縮応力を受ける。
In addition, the nitride semiconductor of the present invention has a relatively low dislocation density in the epitaxial layer, which reduces the spatial localization effect of electron-hole pairs due to In, in other words,
As described above, even when an InGaN layer having a small In composition is adopted as the quantum well layer, it is possible to realize good light emission characteristics. Here, in homoepitaxial growth on a GaN substrate, when an InGaN layer having a high In concentration is formed on the GaN layer, the InGaN layer is subjected to compressive stress in the growth plane direction.

特に非極性面、たとえばm面GaN基板上に形成されたInGaN/GaN量子井戸活性層構造中のInGaN量子井戸層においては、成長面内に非等方的な圧縮応力を受けるため、In濃度の高いInGaN層の結晶性を損なわない臨界的な膜厚は、In濃度の低いInGaN層の結晶性を損なわない臨界的な膜厚と比較して、格段に薄い。すなわち、従来のように非極性面上でのモルフォロジが極端に悪い、点欠陥等が多い構造しか形成できない方法で形成されるInGaN/GaN量子井戸活性層構造においては、サファイア基板上などと同様に、In濃度を高め、その結果生じる電子―正孔対の空間的な局在効果によって発光強度を高めることが必要になる。その結果、臨界的な膜厚の制限によりInGaN層の膜厚を厚くすることができない。   In particular, in an InGaN quantum well layer in an InGaN / GaN quantum well active layer structure formed on a nonpolar surface, for example, an m-plane GaN substrate, an anisotropic compressive stress is applied to the growth surface, so The critical film thickness that does not impair the crystallinity of a high InGaN layer is much thinner than the critical film thickness that does not impair the crystallinity of an InGaN layer with a low In concentration. That is, in the conventional InGaN / GaN quantum well active layer structure formed by a method that can form only a structure having many point defects, etc., which has extremely poor morphology on the nonpolar surface as in the prior art, the same as on the sapphire substrate It is necessary to increase the light emission intensity by increasing the In concentration and the resulting spatial localization effect of electron-hole pairs. As a result, the thickness of the InGaN layer cannot be increased due to a critical film thickness limitation.

一方、本発明において好ましく利用される、InGaNの量子井戸層のIn組成が比較的低い0.04〜0.15の範囲においては、厚膜化が特に好ましく実施可能である。この結果、好ましい量子井戸層の厚みの条件は、その上限も、下限も相対的に従来のものよりも厚くなっている。   On the other hand, in the range of 0.04 to 0.15 in which the In composition of the InGaN quantum well layer, which is preferably used in the present invention, is relatively low, the thickening is particularly preferable. As a result, the preferable condition of the thickness of the quantum well layer is that the upper limit and the lower limit thereof are relatively thicker than the conventional one.

以上から第3の工程に含まれる、積層構造体のエピタキシャル成長工程中に作製しうる、活性層構造の厚み、特に量子井戸活性層構造における量子井戸層の厚みは、本発明においては、厚膜化を図る事が好ましい。また、量子井戸数は通常よりも多数化を図ることが好ましい。   From the above, the thickness of the active layer structure, particularly the thickness of the quantum well layer in the quantum well active layer structure, which can be produced during the epitaxial growth process of the laminated structure included in the third step is increased in the present invention. It is preferable to aim at. Further, it is preferable to increase the number of quantum wells than usual.

図2(G)、図2(A)にそれぞれ示されるように、第2の窒化物半導体層の上であれば、p型ドーパントとなりうる材料を含む層はいずれの位置にあっても適宜選択可能ではあるが、第2の窒化物半導体層の上にMQW層を含む積層構造体を有し、さらにその上にp型ドーパントとなりうる材料を含む層をも有することは好ましい(工程E)。本工程においては、p型ドーパントとしてMgを用いることが好ましく、その濃度は1×1019cm−3以上8×1019cm−3以下の範囲が好ましい。この理由は以下の通りである。 As shown in FIG. 2 (G) and FIG. 2 (A), as long as it is on the second nitride semiconductor layer, the layer containing a material that can be a p-type dopant is appropriately selected regardless of the position. Although possible, it is preferable to have a stacked structure including an MQW layer on the second nitride semiconductor layer, and further include a layer including a material that can be a p-type dopant thereon (step E). In this step, it is preferable to use Mg as the p-type dopant, and the concentration is preferably in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 8 × 10 19 cm −3 . The reason is as follows.

Mgは窒化物結晶中には取り込まれにくく、その濃度は取り込み律速となっている。ところが、その取り込まれ方は、表面の平坦性に大きく依存する。そのため、従来のように、非極性面上のエピタキシャル層の表面平坦性が過度に悪い場合には、基体表面ではMg濃度の制御が困難で、意図せず低濃度となってしまったり、逆に、非常に高い濃度の層が偶発的に形成されることもある。一方、本発明に示す表面状態の適度に良好な構造、適切な凹凸を付与した構造ではMgの濃度を安定的、かつ再現性良く制御することができ、結果として、比較的Mg濃度の目標値を広い範囲で、狙い通りに適宜選択することが可能となる。   Mg is difficult to be taken into the nitride crystal and its concentration is rate-limiting. However, the way it is taken in greatly depends on the flatness of the surface. Therefore, if the surface flatness of the epitaxial layer on the nonpolar surface is excessively poor as in the prior art, it is difficult to control the Mg concentration on the surface of the substrate, resulting in an unintentionally low concentration. A very high concentration layer may be accidentally formed. On the other hand, the moderately good structure of the surface state shown in the present invention and the structure with appropriate irregularities can control the Mg concentration stably and with good reproducibility. Can be selected as desired within a wide range.

すなわち、従来の方法のように、偶発的に高い濃度の層となることをさけるために、Mg濃度の目標値を意図的に下げてエピタキシャル成長し、結果として極端な低濃度になってしまうなどのことがない。このため、表面平坦性に優れた非極性面上に形成されたp型ドーパントとなりうる材料を含む層におけるドーパント濃度は、比較的AlGaN系窒化物半導体層に適切と考えられる範囲に設定することが可能である。その濃度は、通常1×1019cm−3以上、好ましくは2×1019cm−3以上であり、通常8×1019cm−3以下、好ましくは6×1019cm−3以下である。 That is, in order to avoid accidentally becoming a high concentration layer as in the conventional method, the target value of Mg concentration is intentionally lowered and epitaxial growth is performed, resulting in an extremely low concentration. There is nothing. For this reason, the dopant concentration in the layer containing a material that can be a p-type dopant formed on a nonpolar surface with excellent surface flatness can be set in a range that is considered to be relatively appropriate for an AlGaN-based nitride semiconductor layer. Is possible. The concentration is usually 1 × 10 19 cm −3 or more, preferably 2 × 10 19 cm −3 or more, and usually 8 × 10 19 cm −3 or less, preferably 6 × 10 19 cm −3 or less.

p型ドーパントとなりうる材料を含む層は、AlGa1−xNを含む層(0≦x≦1)が用いられることが好ましい。特に本発明で好適に利用される低In組成のInGaN/GaN量子井戸活性層構造によって発光する光の中心波長が370nmから430nmである場合においては、活性層構造から出射される光が、p型ドーパントとなりうる材料を含む層において吸収されるのを抑制するために、特にAlGa1−xN(x≠0)であることが望ましい。 The layer containing a material that can be a p-type dopant is preferably a layer containing Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). In particular, when the center wavelength of light emitted from the InGaN / GaN quantum well active layer structure having a low In composition suitably used in the present invention is 370 nm to 430 nm, the light emitted from the active layer structure is p-type. In particular, Al x Ga 1-x N (x ≠ 0) is desirable in order to suppress absorption in a layer including a material that can be a dopant.

本発明によって、第1の窒化物半導体層、その上に形成される第2の窒化物半導体層、さらにその上に形成しうる活性層構造が、非極性面上に形成されたエピタキシャル層であっても、適度な平坦度が実現可能である。このために、その上に好ましく形成されるp型ドーパントとなりうる材料を含む層においても、通常よりもAl組成が高く、また、通常よりも層厚が厚い場合においても、良好なAlGa1−xN(x≠0)層が形成可能である。 According to the present invention, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer formed thereon, and the active layer structure that can be formed thereon are epitaxial layers formed on a nonpolar plane. However, an appropriate flatness can be realized. For this reason, even in a layer containing a material that can be preferably formed as a p-type dopant, the Al composition is higher than usual, and even when the layer thickness is thicker than usual, good Al x Ga 1 A −xN (x ≠ 0) layer can be formed.

一般には、GaN基板上のAlGaN層は、層中に引張応力を受ける。さらにこの応力は、Al組成が高いほど、また膜厚が厚いほど大きくなるために、クラック等が発生し、また、欠陥が導入されやすくなる。しかし、本発明で実現される適度な平坦性を有する欠陥の少ないエピタキシャル層上ではその程度が緩和される。結果として、相対的に高Al組成であって、相対的に膜厚が厚くとも、高品質なAlGaN層が成長可能となる。   In general, an AlGaN layer on a GaN substrate is subjected to tensile stress in the layer. Furthermore, this stress increases as the Al composition increases and the film thickness increases, so that cracks and the like are generated and defects are easily introduced. However, the degree is relaxed on the epitaxial layer having moderate flatness and having few defects realized in the present invention. As a result, even if the Al composition is relatively high and the film thickness is relatively large, a high-quality AlGaN layer can be grown.

本発明者らの検討によれば、好ましく利用可能なAl組成の範囲は、通常0.02以上、好ましくは0.03以上である。また、0.20以下であって、好ましくは0.15以下である。膜厚は、通常0.05μm以上、好ましくは0.10μm以上、さらに好ましくは0.12μm以上であり、通常0.25μm以下、好ましくは0.20μm以下、さらに好ましくは0.18μm以下である。   According to the study by the present inventors, the range of Al composition that can be preferably used is usually 0.02 or more, preferably 0.03 or more. Moreover, it is 0.20 or less, Preferably it is 0.15 or less. The film thickness is usually 0.05 μm or more, preferably 0.10 μm or more, more preferably 0.12 μm or more, and usually 0.25 μm or less, preferably 0.20 μm or less, more preferably 0.18 μm or less.

なお、本発明の半導体発光素子にp側電極を形成する観点では、電極との接触抵抗を下げるために、電極との界面層としてAl組成の小さい、たとえば、Al0.025Ga0.975Nのような低Al組成の薄膜を挿入し、かつ、量子井戸活性層構造側には、前述の通り光吸収抑制との観点で、Al0.10Ga0.90Nを形成して、p型ドーパントとなりうる材料を含む層を2層構造とすることは、光学特性、電気特性の両立をはかるために効果的であって好ましい。 From the viewpoint of forming the p-side electrode in the semiconductor light emitting device of the present invention, in order to reduce the contact resistance with the electrode, the interface layer with the electrode has a small Al composition, for example, Al 0.025 Ga 0.975 N As described above, Al 0.10 Ga 0.90 N is formed on the quantum well active layer structure side from the viewpoint of suppressing light absorption, and p-type is inserted. A layer including a material that can serve as a dopant has a two-layer structure, which is effective and preferable for achieving both optical properties and electrical properties.

p型ドーパントとなりうる材料を含む層、たとえば、AlGa1−xN(0≦x≦1)層を形成する際の成長雰囲気は、工程B,Cと同じ理由で、平坦性を重視する場合には、不活性ガスが好ましい。しかし、活性ガスであるHを主体とする雰囲気であっても問題なく層形成することも可能である。特に、p型ドーパントとなりうる材料を含む層、たとえば、AlGa1−xN(0≦x≦1)層の膜厚が薄く、その成長時間が短い場合には、活性ガスであるHを主体とする雰囲気であっても好ましく成長が可能である。よって、p型ドーパントとなりうる材料を含む層、たとえば、AlGa1−xN(0≦x≦1)層を形成する際の成長雰囲気は適宜選択が可能である。たとえば、炭素等の不純物混入を抑制するとの観点では、活性ガスであるHを主体とする雰囲気で成長することが好ましく、一方、表面平坦性を重要視する場合には、Nを主体とする雰囲気で成長することが好ましい。 The growth atmosphere in forming a layer containing a material that can become a p-type dopant, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer places importance on flatness for the same reason as in Steps B and C. In some cases, an inert gas is preferred. However, even in an atmosphere mainly composed of H 2 which is an active gas, it is possible to form a layer without any problem. In particular, when the layer containing a material that can be a p-type dopant, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer is thin and the growth time is short, H 2 that is an active gas. Even in an atmosphere mainly composed of, growth is possible. Therefore, a growth atmosphere in forming a layer containing a material that can be a p-type dopant, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer can be appropriately selected. For example, from the viewpoint of suppressing the contamination of impurities such as carbon, it is preferable to grow in an atmosphere mainly composed of H 2 which is an active gas. On the other hand, when importance is attached to surface flatness, N 2 is mainly used. It is preferable to grow in an atmosphere.

p型ドーパントとなりうる材料を含む層、たとえば、AlGa1−xN(0≦x≦1)層を形成する際の成長時の基体温度は、他の層と同様に、600℃〜1350℃の範囲にあることが好ましく、より好ましくは650℃〜1200℃の範囲、更に好ましくは800℃〜1100℃の範囲、最も好ましくは900℃〜970℃の範囲である。 The substrate temperature during growth when forming a layer containing a material that can be a p-type dopant, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer, is 600 ° C. to 1350 similarly to the other layers. It is preferably in the range of ° C, more preferably in the range of 650 ° C to 1200 ° C, still more preferably in the range of 800 ° C to 1100 ° C, and most preferably in the range of 900 ° C to 970 ° C.

さらに、p型ドーパントとなりうる材料を含むエピタキシャル層を形成する際の好ましい圧力は、Mg導入に伴う欠陥発生を抑制するという観点から、30kPa以上が好ましく、上述してきた気相反応の抑制から120kPa以下が好ましい。   Furthermore, a preferable pressure when forming an epitaxial layer containing a material that can be a p-type dopant is preferably 30 kPa or more from the viewpoint of suppressing the generation of defects due to the introduction of Mg, and 120 kPa or less from the suppression of the gas phase reaction described above. Is preferred.

本発明の半導体窒化物半導体層に関する、成長後の降温工程は任意の手順で実施することが可能であるが、降温条件としては以下のようにすることが好ましい。すなわち、p型ドーパントとなりうる材料を含むエピタキシャル層部分をp型層とするための活性化プロセスを降温時に実施するようにする場合である(降温工程中活性化工程)。   The temperature lowering step after the growth relating to the semiconductor nitride semiconductor layer of the present invention can be carried out by an arbitrary procedure, but the temperature lowering condition is preferably as follows. That is, this is a case where an activation process for making an epitaxial layer portion containing a material that can be a p-type dopant into a p-type layer is performed at the time of cooling (activation process during the cooling process).

この場合には、本発明者らの検討によれば、非極性面基体上に、p型ドーパントとなりうる材料を含む平坦なエピタキシャル層が形成されている場合には、図2(A)に模式的に示される、以下の降温工程によって、p型ドーパントとなりうる材料の活性化が可能である。   In this case, according to the study by the present inventors, when a flat epitaxial layer containing a material that can be a p-type dopant is formed on a nonpolar plane substrate, the pattern shown in FIG. The material that can be a p-type dopant can be activated by the following temperature-lowering process.

具体的には、III族原料およびドーパント原料の供給を停止した直後に、基板温度の自
然放冷、あるいは、温度制御をしながらの除冷、供給ガスによる冷却等による基体温度の下降を開始させる。降温工程においてはNを継続供給するか或いは不活性ガスを供給するか若しくはNの継続供給に加えて他の不活性ガスも供給するかする。かつ、成長工程においてHを供給していた場合には、これを十分に低減、もしくは遮断し、NH流量を成長時よりは低減させ、その後適切な温度までNHを供給する。その後は、Nガスのみ、或いは不活性ガスのみ、或いはNガスと不活性ガスの混合ガスのみによって、さらに基板温度を低下させる。本発明者らは、このような手順によって、適切な平坦性を有する表面を有する非極性面上に形成されたp型ドーパントとなりうる材料を含む層の、p型化が可能であることを見出した。
Specifically, immediately after the supply of the group III material and the dopant material is stopped, the substrate temperature is allowed to cool naturally, or the substrate temperature is lowered by cooling with temperature control, cooling with a supply gas, or the like. . In the temperature lowering step, N 2 is continuously supplied, an inert gas is supplied, or another inert gas is supplied in addition to the continuous supply of N 2 . When H 2 is supplied in the growth process, this is sufficiently reduced or cut off, the NH 3 flow rate is reduced from that during the growth, and then NH 3 is supplied to an appropriate temperature. Thereafter, the substrate temperature is further lowered by using only N 2 gas, only inert gas, or only mixed gas of N 2 gas and inert gas. The present inventors have found that by such a procedure, a layer containing a material that can be a p-type dopant formed on a nonpolar surface having a surface having appropriate flatness can be made p-type. It was.

降温工程において、NH流量を成長時よりは低減させ、その後適切な温度までNHを供給した後に供給を停止するのは、表面からのエピタキシャル層の構成元素である過度な窒素抜けを抑制するためである。これは、本発明の昇温工程時の技術思想と類似である。 In the temperature lowering process, reducing the NH 3 flow rate from the time of growth, and then stopping the supply after supplying NH 3 to an appropriate temperature suppresses excessive desorption of nitrogen, which is a constituent element of the epitaxial layer, from the surface. Because. This is similar to the technical idea during the temperature raising step of the present invention.

さらに、本発明者らの検討によれば、最適なp型ドーパント活性化シーケンスは、最表面を構成する材料に依存する。   Furthermore, according to the study by the present inventors, the optimum p-type dopant activation sequence depends on the material constituting the outermost surface.

例えば、最表面がGaN層の場合には、結晶成長シーケンス終了後、すなわち、この場合にはTMGaやTEGa等のGa原料とCpMgなどのMg原料の供給を停止し、降温工程に移行した後は、NHの流量は、100cc/分(sccm)以上1L/分(slm)以下の範囲にあることが好ましい。一方、最表面がAlGaN層の場合には、表面からのN抜けが生じにくいため、TMGaやTEGa、TMAl等のIII族原料とCp
MgなどのMg原料の供給を停止し、降温工程に移行した後は、NHの流量は30(sccm)以上100(sccm)以下が好ましい。
For example, when the outermost surface is a GaN layer, after the crystal growth sequence is completed, that is, in this case, the supply of Ga raw materials such as TMGa and TEGa and Mg raw materials such as Cp 2 Mg is stopped, and the temperature lowering process is started. Thereafter, the flow rate of NH 3 is preferably in the range of 100 cc / min (sccm) to 1 L / min (slm). On the other hand, when the outermost surface is an AlGaN layer, it is difficult for N to escape from the surface, so a group III raw material such as TMGa, TEGa, TMAl, etc. and Cp 2
After the supply of Mg raw material such as Mg is stopped and the temperature lowering process is started, the flow rate of NH 3 is preferably 30 (sccm) or more and 100 (sccm) or less.

さらに、いずれの場合も降温工程においてNHの導入を継続する温度は、少なくとも965℃までは継続することが好ましく、最長でも450℃までで遮断することが好ましい。降温工程においては、過度に高温でNH供給をやめると、意図しない程度の過剰な表面荒れの原因になり、一方、過度に低温までNH供給を継続すると、NHからのH原子が結晶中に固定されてしまい、Mgの活性化率が低下してしまう。よって、950℃から750℃の間でNH供給をやめることが最も好ましい。 Furthermore, in any case, the temperature at which NH 3 is continuously introduced in the temperature lowering step is preferably continued at least up to 965 ° C., and is preferably cut off up to 450 ° C. at the longest. In the temperature lowering process, if NH 3 supply is stopped at an excessively high temperature, excessive surface roughness may be caused unintentionally. On the other hand, if NH 3 supply is continued to an excessively low temperature, H atoms from NH 3 are crystallized. It will be fixed inside, and the activation rate of Mg will fall. Therefore, it is most preferable to stop the NH 3 supply between 950 ° C. and 750 ° C.

また、降温工程中の圧力範囲は任意に設定可能であるが、本発明者らの検討では、減圧下で実施することも、常圧下で実施することも、さらには、加圧下で実施することも可能
であって、その圧力の好ましい範囲は、13kPaから203kPa程度の範囲で実施することが好ましい。特に、減圧化で実施する際には、H原子の脱離が促進され好ましく、一方、加圧化で実施すると非極性面上のp型ドーパントとなりうる材料を含む層のp型化が容易になり、かつ、表面の適度な平坦性も確保されるために好ましい。なお、積層構造体のエピタキシャル成長時の圧力と類似している場合は、生産性等を考慮すると好ましい。
In addition, the pressure range during the temperature lowering process can be arbitrarily set, but in the study by the present inventors, it can be performed under reduced pressure, under normal pressure, or further under pressure. It is also possible, and the preferable range of the pressure is preferably in the range of about 13 kPa to 203 kPa. In particular, when carried out under reduced pressure, desorption of H atoms is promoted, and on the other hand, when carried out under increased pressure, a layer containing a material that can be a p-type dopant on a nonpolar surface can be easily made p-type. And suitable flatness of the surface is ensured. In addition, when it is similar to the pressure at the time of epitaxial growth of a laminated structure, it is preferable when productivity etc. are considered.

一方、降温工程の後に、さらに別の装置で、あるいは、結晶成長装置の温度を再度上げて熱的な降温工程後アニールを行う、あるいは、降温工程後に電子線照射等を実施して、p型ドーパントとなりうる材料を含むエピタキシャル層部分をp型化する工程(降温工程後活性化工程)を別途行うことも可能である。なお、本発明による降温工程中活性化工程を経た、非極性面上に形成されたエピタキシャル層に、さらに降温工程後活性化工程を実施することは任意である。   On the other hand, after the temperature lowering process, the temperature of the crystal growth apparatus is increased again, the annealing after the thermal temperature lowering process is performed again, or the electron beam irradiation is performed after the temperature lowering process, and the p-type It is also possible to separately perform a step of converting the epitaxial layer portion containing a material that can become a dopant into a p-type (an activation step after the temperature lowering step). In addition, it is arbitrary to perform the activation process after a temperature-falling process further to the epitaxial layer formed on the nonpolar surface which passed the activation process during the temperature-falling process by this invention.

本発明者らの検討では、第1の窒化物半導体層、その上に形成される第2の窒化物半導体層、さらにその上に形成しうる活性層構造が、非極性面上に形成されたエピタキシャル層であって、さらにこの上に、p型ドーパントとなりうる材料を含むエピタキシャル層が、適切な平坦度で形成されている場合であっても、c面サファイア基板上に形成された類似の層と比較して、非極性面上に形成されたエピタキシャル層は、降温工程後活性化工程(例えば熱アニール)によっては比較的大きなダメージを受けてしまうことが判明している。場合によっては、Mgの活性化を十分に実現する程度の降温工程後活性化工程を行うと、光学特性が劣化することもある。   According to the study by the present inventors, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer formed thereon, and the active layer structure that can be formed thereon are formed on the nonpolar surface. A similar layer formed on a c-plane sapphire substrate, even when an epitaxial layer further comprising an epitaxial layer containing a material that can be a p-type dopant is formed with appropriate flatness. It has been found that the epitaxial layer formed on the non-polar surface is relatively damaged by the activation process (for example, thermal annealing) after the temperature lowering process. In some cases, if the activation process is performed after the temperature lowering process to sufficiently realize the activation of Mg, the optical characteristics may be deteriorated.

しかし、本発明者らによれば、比較的低温で結晶成長をした第1と第2の窒化物半導体層を有し、比較的低温で結晶成長をした量子井戸活性層構造を有する場合には、この問題が克服されることが確認された。このような非極性面上に形成されたエピタキシャル層の成長温度の違いによる、降温工程後活性化工程における劣化の程度の違いは、非極性面上に形成されたエピタキシャル層に特徴的に見られることと考えられる。   However, according to the present inventors, in the case of having the first and second nitride semiconductor layers grown at a relatively low temperature and having a quantum well active layer structure grown at a relatively low temperature, It was confirmed that this problem could be overcome. The difference in the degree of deterioration in the activation process after the temperature lowering process due to the difference in the growth temperature of the epitaxial layer formed on the nonpolar plane is characteristic of the epitaxial layer formed on the nonpolar plane. It is thought that.

ここにおいて、本発明により実現される非極性面上に形成されたエピタキシャル層に対して、降温工程後活性化工程をいわゆる熱アニールで行う場合は、650℃から750℃の間で実施することが好ましく、680℃から720℃の間で実施することが最も好ましい。また、その時間は1分から30分程度で実施することが好ましく、3分から10分の間で実施することが最も好ましい。また、雰囲気は酸素雰囲気、窒素雰囲気、あるいはこの混合雰囲気で実施することが好ましい。また、降温工程後活性化工程は電子線照射工程として実施することも可能である。   Here, when the activation process after the temperature lowering process is performed by so-called thermal annealing on the epitaxial layer formed on the nonpolar surface realized by the present invention, the process may be performed between 650 ° C. and 750 ° C. Preferably it is carried out between 680 ° C and 720 ° C. The time is preferably about 1 to 30 minutes, and most preferably 3 to 10 minutes. The atmosphere is preferably an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere, or a mixed atmosphere thereof. Further, the activation process after the temperature lowering process can be performed as an electron beam irradiation process.

本発明における、第1の窒化物半導体層、その上に形成される第2の窒化物半導体層、さらにその上に形成しうる活性層構造が、非極性面上に形成されたエピタキシャル層であって、さらに、その上に好ましく形成されるp型ドーパントとなりうる材料を含む層を有する場合には、総合的に見ると、p型ドーパントとなりうる材料を含むエピタキシャル層をp型化する工程は、降温工程後活性化工程を別途行うことよりも、簡便であって、かつダメージも導入されにくいため、降温工程中活性化工程を行うことがより好ましい。   In the present invention, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer formed thereon, and the active layer structure that can be formed thereon are epitaxial layers formed on a nonpolar plane. In addition, in the case where a layer including a material that can be a p-type dopant is preferably formed thereon, the step of converting the epitaxial layer including the material that can be a p-type dopant into a p-type, Since the activation process after the temperature lowering process is simpler and damage is less likely to be introduced, it is more preferable to perform the activation process during the temperature lowering process.

本発明の窒化物半導体は、前述の通り、非極性面基板上の窒化物を基体としているが、エピタキシャル層内における転位密度小さくすることができる。即ち、本発明の窒化物半導体は、エピタキシャル層内に存在する転位密度は、好ましくは3×10(cm−2)以下であって、より好ましくは、5.0×10(cm−2)以下である。 As described above, the nitride semiconductor of the present invention is based on the nitride on the nonpolar plane substrate, but the dislocation density in the epitaxial layer can be reduced. That is, in the nitride semiconductor of the present invention, the dislocation density existing in the epitaxial layer is preferably 3 × 10 7 (cm −2 ) or less, more preferably 5.0 × 10 6 (cm −2). )

図3(A)は、このようにして得られた本発明の窒化物半導体例を説明するための断面
概略図で、(1−100)面(m面)を主面とする自立基板であるGaN基板10の主面上に、意図的にはSiをドーピングしていないGaN層11とSiドープされたn型GaN層12が積層されており、このn型GaN層12の上に、InGaNの量子井戸層とGaNの障壁層とが交互に積層されたInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が設けられ、多重量子井戸活性層構造13の上にMgドープのAlGaN層14、および、GaN層15が形成されている。
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the nitride semiconductor of the present invention thus obtained, and is a free-standing substrate having a (1-100) plane (m plane) as a main surface. A GaN layer 11 that is not intentionally doped with Si and an n-type GaN layer 12 that is doped with Si are stacked on the main surface of the GaN substrate 10, and an InGaN layer is formed on the n-type GaN layer 12. An InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 in which quantum well layers and GaN barrier layers are alternately stacked is provided, and an Mg-doped AlGaN layer 14 and a GaN layer are provided on the multiple quantum well active layer structure 13. 15 is formed.

図3(A)に例示したInGaNの量子井戸層のIn濃度は、組成比でたとえば、0.04〜0.15で、InGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13は400±30nmの波長の光を発光可能である。   The In concentration of the InGaN quantum well layer illustrated in FIG. 3A is, for example, 0.04 to 0.15 in terms of composition ratio, and the InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 has a wavelength of 400 ± 30 nm. Can emit light.

図4は、本発明の結晶成長方法により育成されたm面窒化物半導体を用いて図3(A)に図示した構造のLEDとした試料(A)のPL発光特性である。図中にはc面窒化物半導体のLEDのPL特性と比較するために、比較用のc面窒化物半導体LEDである、c面GaN自立基板上に成長させたc面窒化物半導体のLED試料(B)、および、サファイア基板上に成長させたc面窒化物半導体のLED試料(C)の結果も示してある。なお、何れのLED試料も、構造は図3(A)に図示した積層構造の発光素子であって、各試料の結晶成長シーケンスは、それぞれの基板の特性に合わせて最適な方法で行ったものであって、すべての試料の表面モルフォロジは至極良好なものであった。   FIG. 4 shows the PL emission characteristics of the sample (A) formed as an LED having the structure shown in FIG. 3A using an m-plane nitride semiconductor grown by the crystal growth method of the present invention. In the figure, for comparison with the PL characteristics of a c-plane nitride semiconductor LED, a c-plane nitride semiconductor LED sample grown on a c-plane GaN free-standing substrate, which is a comparative c-plane nitride semiconductor LED. The results for (B) and the c-plane nitride semiconductor LED sample (C) grown on the sapphire substrate are also shown. Each of the LED samples is a light-emitting element having a stacked structure shown in FIG. 3A, and the crystal growth sequence of each sample was performed by an optimum method in accordance with the characteristics of each substrate. The surface morphology of all the samples was extremely good.

この図に示した結果から、本発明のLED試料の発光層(MQW層)からのPL発光(A)は、c面窒化物半導体LED試料の発光層(MQW層)からのPL発光(B、C)に比較して、著しく高い強度を示している。このPL強度の違いは各LED試料の発光層の結晶性の違いに起因するが、本発明者らは、その主要因が、QCSE効果が抑制された非極性面(特にm面を最表面に有するGaN自立基板)上に適切に形成された第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層であって、第2の窒化物半導体層の厚みが400nm以上20μm以下の厚みを有しているために、この窒化物半導体結晶層の上に形成した発光層(MQW層)の発光効率が顕著に向上することにあるものと考えている。   From the results shown in this figure, PL light emission (A) from the light emitting layer (MQW layer) of the LED sample of the present invention is PL light emission from the light emitting layer (MQW layer) of the c-plane nitride semiconductor LED sample (B, Compared to C), the strength is significantly higher. The difference in PL intensity is due to the difference in crystallinity of the light emitting layer of each LED sample. The main reason for this is that the main factor is that the nonpolar plane (especially the m plane is the outermost surface) in which the QCSE effect is suppressed. A first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer appropriately formed on a GaN free-standing substrate having a thickness of 400 nm or more and 20 μm or less. Therefore, it is considered that the luminous efficiency of the light emitting layer (MQW layer) formed on the nitride semiconductor crystal layer is remarkably improved.

本発明者らは、本発明の結晶成長方法によって、はじめて、このような結果が得られたものと考えている。   The present inventors believe that such a result is obtained for the first time by the crystal growth method of the present invention.

つまり、本発明において量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、昇温時から第1および第2の窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程における、メインフローを構成するガス種を不活性ガスを含むものとし、さらに任意の構成として、非極性面を主面とするエピタキシャル成長面、あるいはエピタキシャル成長中に露出する面が、活性ガスであるHガスに過剰に暴露しないようにし、さらに任意の構成として、窒素原料となりうる活性ガスであるNHや活性ガスのHの供給があったとしても、昇温時から第1および第2の窒化物半導体層のエピタキシャル成長工程におけるメインフローを構成する全ガス種の中で、不活性ガスが占める割合を流量比で0.5以上1.0以下とすることで、結晶性の高いm面窒化物半導体層が得られ、その上にエピタキシャル成長させた量子井戸活性層構造(MQW層)の結晶性も高くなる。 That is, in order to make the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure relatively high in the present invention, the gas species constituting the main flow in the epitaxial growth process of the first and second nitride semiconductor layers from the time of temperature rise In addition, as an optional configuration, an epitaxial growth surface having a nonpolar surface as a main surface, or a surface exposed during epitaxial growth is not excessively exposed to H 2 gas which is an active gas. As an arbitrary configuration, even if NH 3 which is an active gas that can be a nitrogen raw material or H 2 of the active gas is supplied, the main flow in the epitaxial growth process of the first and second nitride semiconductor layers from the time of temperature rise is performed. By setting the ratio of the inert gas to 0.5 to 1.0 in the flow rate ratio among all the gas species to be configured, m having high crystallinity Nitride semiconductor layer is obtained, the higher the crystallinity of the upper epitaxially grown quantum well active layer structure (MQW layer).

加えて、非極性であるm面窒化物半導体の表面では、QCSE効果が抑制されることから、適切な量のInを組成として含む発光層(MQW層)からの発光効率が高くなる。   In addition, since the QCSE effect is suppressed on the surface of the non-polar m-plane nitride semiconductor, the light emission efficiency from the light emitting layer (MQW layer) containing an appropriate amount of In as a composition increases.

図5(A)乃至図5(C)は、第1および第2の窒化物層のエピタキシャル成長時(工程B、工程C)のメインフロー中の構成ガス依存性(表1参照)を検討した結果を説明するための微分干渉顕微鏡像で、何れの試料も、m面GaN自立基板上に成長させ、その表面が略m面となっている、m面窒化物半導体結晶であり、本発明ではいずれの方法によっ
て形成された窒化物半導体も好ましいものである。
FIG. 5A to FIG. 5C are the results of examining the constituent gas dependency (see Table 1) in the main flow during the epitaxial growth of the first and second nitride layers (step B and step C). 1 is an m-plane nitride semiconductor crystal in which any sample is grown on an m-plane GaN free-standing substrate and its surface is substantially m-plane. A nitride semiconductor formed by the above method is also preferable.

なお、全サンプルにおいて第1の昇温工程はNガスをメインフローとして実施し、また、第2の昇温工程はNとNHの混合ガス(メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比:Fp=0.75)をメインフローとしてエピタキシャル成長を実施した。 In all the samples, the first temperature raising step is performed with N 2 gas as the main flow, and the second temperature raising step is performed with a mixed gas of N 2 and NH 3 (inactive with respect to all the gases constituting the main flow). Epitaxial growth was carried out with the flow ratio of gas components: Fp = 0.75) as the main flow.

サンプルA(図5(A))は、工程Bにおいては、NH、H、TMGaを、また工程Cにおいては、NH、H、TMGa、SiHをメインフローとして供給した結果である。 Sample A (Fig. 5 (A)), in the step B, the NH 3, H 2, TMGa, also in step C is the result of supplying NH 3, H 2, TMGa, and SiH 4 as a main flow .

サンプルB(図5(B))は、工程Bにおいて、NH、N、H、TMGaを、また工程Cにおいては、NH、N、H、TMGa、SiHをメインフローとして供給した結果である。 Sample B (FIG. 5 (B)), in step B, the NH 3, N 2, H 2 , TMGa, also in the step C, NH 3, N 2, H 2, TMGa, and SiH 4 as a main flow This is the result of the supply.

さらに、サンプルC(図5(C))は、工程Bにおいて、NH、N、TMGaを、また工程Cにおいては、NH、N、H、TMGa、SiHをメインフローとして供給した結果である。 Furthermore, Sample C (Fig. 5 (C)), in step B, NH 3, and N 2, TMGa, also in step C, the supply NH 3, N 2, H 2 , TMGa, and SiH 4 as a main flow It is the result.

各工程におけるメインフローを構成する全ガス中の不活性ガスの流量比Fpは表1に示したとおりである。   The flow rate ratio Fp of the inert gas in the total gas constituting the main flow in each process is as shown in Table 1.

図5(A)乃至図5(C)に示した結果から、結晶成長工程において、メインフローを構成するガス中における不活性ガスの割合が小さく、特にこの中にHガスが適切に含まれる場合には、窒化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能となる。 (図5(A)、図5(B))。これに対して、メインフローを構成するガス中における不活性ガスの割合が大きく、Nがメインフローの主たる構成ガスである場合には、表面が平坦化している(図5(C))。 From the results shown in FIGS. 5A to 5C, in the crystal growth process, the ratio of the inert gas in the gas constituting the main flow is small, and particularly, H 2 gas is appropriately contained therein. In this case, it is possible to form appropriate irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer and the like in a self-forming manner and intentionally. (FIGS. 5A and 5B). On the other hand, when the ratio of the inert gas in the gas constituting the main flow is large and N 2 is the main constituent gas of the main flow, the surface is flattened (FIG. 5C).

なお、本発明者らの検討によれば、第1の窒化物半導体層のエピタキシャル成長時(工程B)にSi源を、例えばSiHやSi等の形態で意図的に供給すると、凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが可能となる。また、工程Aおよび工程Bの反応炉内圧力が過剰な減圧(35キロパスカル未満)状態にあると、第1のGaN層のミクロな意味での結晶性が低下し、この結晶性の低下により発光層の特性が低くなる。 According to the study by the present inventors, when the Si source is intentionally supplied in the form of, for example, SiH 4 or Si 2 H 6 during the epitaxial growth of the first nitride semiconductor layer (step B), unevenness is caused. Can be formed in a self-forming manner and intentionally. In addition, when the pressure in the reactor in step A and step B is excessively reduced (less than 35 kilopascals), the crystallinity in the micro sense of the first GaN layer is reduced. The characteristics of the light emitting layer are lowered.

なお、工程A(の期間t)、工程B、工程Cにおいて、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、メインフローを構成するガス中の不活性ガスの割合は、0.5以上は必要であった。 In step A (period t A ), step B, and step C, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure, the ratio of the inert gas in the gas constituting the main flow Required 0.5 or more.

さらに、第1のGaN層の厚みには適切な範囲があり、表面状態と発光特性に優れた窒化物半導体膜を得るためには、Siを、例えばSiHやSi等の形態での意図的な過度の供給はしないでエピタキシャル成長させる第1の窒化物半導体層の厚みとして0.1nm〜300nmの範囲の比較的薄い層である事が好ましく、さらに好ましくは、1.0nm〜150nmであって、最も好ましくは、5.0nm〜50nmの範囲である。 Furthermore, the thickness of the first GaN layer has an appropriate range, and in order to obtain a nitride semiconductor film having an excellent surface state and light emission characteristics, Si is formed in a form such as SiH 4 or Si 2 H 6. The thickness of the first nitride semiconductor layer to be epitaxially grown without intentional excessive supply is preferably a relatively thin layer in the range of 0.1 nm to 300 nm, more preferably 1.0 nm to 150 nm. And most preferably, it is the range of 5.0 nm-50 nm.

これらの結果について、本発明者らは次のように解釈している。先ず、第1の窒化物半導体層を意図的な過度のSiドープの膜とした場合には、Siの供給源であるSiHやSiがが気相反応して生じる生成物が基体表面および成長開始直後の窒化物半導体層表面に付着し、面内での均一な成長を過度に妨げる。つまり、ミクロ的には、成長初期の第1の窒化物半導体層は、面内で局所的な結晶成長を始めてしまう。そして、このような過度の面内不均一な結晶成長が一旦始まってしまうと、表面モルフォロジが比較的良好な膜とすることができない。 The present inventors interpret these results as follows. First, when the first nitride semiconductor layer is an intentionally excessive Si-doped film, the product produced by the gas phase reaction of SiH 4 or Si 2 H 6 as the Si supply source is the substrate. It adheres to the surface and the surface of the nitride semiconductor layer immediately after the start of growth, and excessively prevents uniform growth in the plane. That is, microscopically, the first nitride semiconductor layer in the initial stage of growth starts local crystal growth in the plane. Once such excessive in-plane crystal growth begins, a film having a relatively good surface morphology cannot be obtained.

従って、窒化物半導体層のエピタキシャル成長の初期段階では、面内での不均一結晶成長の原因となる生成物を適切量だけ排除することが重要であり、一旦面内で均一な結晶成長が開始してしまえば、例えSiドープの窒化物半導体を結晶成長させたとしても、その表面モルフォロジが顕著に低下することはない。これが、本発明において、第1の窒化物半導体層にSiを意図的に過度にドープせずに成長させる理由である。   Therefore, in the initial stage of epitaxial growth of the nitride semiconductor layer, it is important to eliminate an appropriate amount of products that cause inhomogeneous crystal growth in the plane, and once uniform crystal growth starts in the plane. For example, even if a Si-doped nitride semiconductor is crystal-grown, its surface morphology is not significantly reduced. This is the reason why the first nitride semiconductor layer is grown without intentionally excessively doping Si in the present invention.

勿論、反応炉内の圧力を下げることによっても、SiHの気相反応を容易に抑制できるから、第1の窒化物半導体層をSiドープの膜とした試料でも表面状態は一応良好なものとなり得る。しかしながら、Siドープ量が過度で、かつ、反応炉内の圧力が過度の減圧状態にあると、表面からの窒素脱離が誘発され、これによって欠陥が導入される結果、ミクロな結晶性は極度に低下してしまう。従って、第1の窒化物半導体層への欠陥導入とSi供給源の気相反応に起因する成長阻害の双方を適度に低減するためには、反応炉内圧力を過度に減圧にしない状態、すなわち35キロパスカル以上とするとともに、過度のSiをドープせずに第1の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることが望ましい。 Of course, since the gas phase reaction of SiH 4 can be easily suppressed by lowering the pressure in the reaction furnace, the surface condition of the sample using the first nitride semiconductor layer as the Si-doped film will be better. obtain. However, if the Si doping amount is excessive and the pressure in the reactor is excessively reduced, nitrogen desorption from the surface is induced, and defects are introduced as a result. It will drop to. Therefore, in order to moderately reduce both the introduction of defects into the first nitride semiconductor layer and the growth inhibition due to the gas phase reaction of the Si supply source, the reactor pressure is not excessively reduced, that is, It is desirable that the first nitride semiconductor layer be epitaxially grown without doping excessive Si, and at least 35 kilopascals.

なお、このような第1の窒化物半導体層の上に新たに窒化物半導体層を成長させる際には、成長速度の増大などを目的として反応炉内を減圧状態としたり、Siをドーピングしたとしても、当該窒化物半導体層の表面モルフォロジや光学的な特性の劣化は殆ど生じないことも確認された。   When a new nitride semiconductor layer is grown on such a first nitride semiconductor layer, it is assumed that the reactor is in a reduced pressure state or Si is doped for the purpose of increasing the growth rate. In addition, it was confirmed that the surface morphology and optical characteristics of the nitride semiconductor layer hardly deteriorated.

よって、本発明における第1の窒化物半導体層は、成長阻害要因となる元素を過度に含まなければよいと考えられる。従って、Siを意図的に過度にドーピングしないGaNで構成する態様には種々のものがあり得ることとなり、Siを意図的に過度にドーピングしなければ、第1の窒化物半導体層を、InN、AlN、BN、GaInN、GaAlN、GaBN、InAlN、InBN、AlBN、GaInAlN、GaInBN、InAlBN、GaInAlBN等のIII−V族窒化物半導体(以下、これらを総称してGaN系
半導体ということもある)とすることも可能である。さらに、OやMg或はZn等のSi以外のドーパントとなりうる元素を供給して第1の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる態様も可能である。
Therefore, it is considered that the first nitride semiconductor layer in the present invention should not contain an element that becomes a growth inhibiting factor excessively. Accordingly, there can be various modes in which GaN is intentionally not excessively doped with Si. If Si is not intentionally excessively doped, the first nitride semiconductor layer is formed of InN, Group III-V nitride semiconductors such as AlN, BN, GaInN, GaAlN, GaBN, InAlN, InBN, AlBN, GaInAlN, GaInBN, InAlBN, and GaInAlBN (hereinafter sometimes collectively referred to as GaN-based semiconductors). It is also possible. Furthermore, an aspect in which the first nitride semiconductor layer is epitaxially grown by supplying an element that can be a dopant other than Si, such as O, Mg, or Zn is also possible.

後述する実施例で示すとおり、Mg等を意図的にドープしたとしても、第1の窒化物半導体層の上に新たに窒化物半導体層を成長させる際には、その後形成するエピタキシャル層全体としての表面モルフォロジや光学的な特性の劣化は殆ど生じないことは確認されている。特に、GaN系材料においては、Siドープ層よりも、また、アンドープ層よりもMgドープ層が、下地との密着性に関する耐熱性において優れた効果があることが本発明者らによって確認されている。   As shown in the examples described later, even when Mg or the like is intentionally doped, when a new nitride semiconductor layer is grown on the first nitride semiconductor layer, the entire epitaxial layer to be formed thereafter is It has been confirmed that surface morphology and optical properties are hardly degraded. In particular, in GaN-based materials, the present inventors have confirmed that the Mg-doped layer is superior to the Si-doped layer and the undoped layer in terms of heat resistance related to adhesion to the base. .

よって、Mgドープの層は、Siが共ドープ状態となっていたとしても、第1の窒化物半導体層として、基体表面との密着性に関する耐熱性が求められる場合には好ましく利用可能である。例えば、テンプレート作製、発光素子作製等に用いる事が好ましい。   Therefore, even if Si is co-doped, the Mg-doped layer can be preferably used as the first nitride semiconductor layer when heat resistance regarding adhesion to the substrate surface is required. For example, it is preferable to use for template preparation, light emitting element production, and the like.

一方、意図的な過度のSiドープを行わない第1の窒化物半導体層は、発光素子、電子デバイス等の用途には好適に利用可能である。第1の窒化物半導体層が適度なSiドープ層の場合には、適度な凹凸が表面に形成され、結果的に、エピタキシャル層全体を発光素子化した際には、発光効率が上がる。特に、本発明では、内部量子効率も過度に低くならない程度に制御すれば、Raが200nm程度と波長と同程度の荒れが自然に形成されたことになり、光取り出しに効果的に作用するため好ましい。従って、このような態様においては、発光素子等に好ましく利用可能である。   On the other hand, the first nitride semiconductor layer not intentionally excessively doped with Si can be suitably used for applications such as light-emitting elements and electronic devices. When the first nitride semiconductor layer is an appropriate Si-doped layer, appropriate irregularities are formed on the surface, and as a result, when the entire epitaxial layer is made into a light emitting device, the light emission efficiency is increased. In particular, in the present invention, if the internal quantum efficiency is controlled to such an extent that it does not become excessively low, Ra is approximately 200 nm, and the same degree of roughness as the wavelength is naturally formed, which effectively acts on light extraction. preferable. Therefore, in such an aspect, it can be preferably used for a light emitting element or the like.

これらの結果として、本発明の方法によって形成される第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層を積層したエピタキシャル層の最表面、さらには、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との積層体上にさらなる積層構造を形成されたエピタキシャル層の最表面は、適度に凹凸のあるモルフォロジを形成することにより、実現可能である。   As a result of these, the outermost surface of the epitaxial layer formed by stacking the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer formed by the method of the present invention, and further, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are formed. The outermost surface of the epitaxial layer in which a further stacked structure is formed on the stacked body with the nitride semiconductor layer can be realized by forming a moderately uneven morphology.

本発明の窒化物半導体の表面のモルフォロジは、接触式段差計を用いて、凹凸の程度の指標となる平均粗さ、あるいは、中心線平均粗さ(Ra)を求めることにより、測定することができる。凹凸のない平坦な表面モルフォロジを本発明の窒化物半導体に要求する場合、その最表面は、Raが20.0nm以下であることが好ましく、より好ましくはRaが10.0nm以下であり、さらに好ましくはRaが8.0nm以下であって、最も好ましくはRaが6.0nm以下である。   The morphology of the surface of the nitride semiconductor of the present invention can be measured by determining the average roughness or the center line average roughness (Ra) as an index of the degree of unevenness using a contact step meter. it can. When the nitride semiconductor of the present invention is required to have a flat surface morphology without unevenness, the outermost surface thereof preferably has Ra of 20.0 nm or less, more preferably Ra of 10.0 nm or less, still more preferably Ra is 8.0 nm or less, and most preferably Ra is 6.0 nm or less.

一方、前述のように、適度な凹凸を形成し、光取出しを良好なものとさせて発光素子として発光効率の向上を期待する場合は、本発明の窒化物半導体の最表面のRaは、通常100nm以上、好ましくは150nm以上であり、通常300nm以下、好ましくは250nm以下である。これは、本発明で好適に利用される波長において、散乱機能が効率的に作用して、好ましい範囲であるからである。   On the other hand, as described above, when appropriate unevenness is formed and light extraction is made favorable to improve the light emission efficiency as a light emitting element, Ra on the outermost surface of the nitride semiconductor of the present invention is usually It is 100 nm or more, preferably 150 nm or more, and is usually 300 nm or less, preferably 250 nm or less. This is because the scattering function works efficiently at a wavelength suitably used in the present invention, and is in a preferable range.

なお、ここで記載したRaは、試料表面を針で直線状にスキャンして得られる粗さ曲線を中心線から折り返し、その折り返した粗さ曲線と中心線によって得られた面積を、スキャンした長さで割った値である。   The Ra described here refers to a roughness curve obtained by scanning the sample surface linearly with a needle from the center line, and the area obtained by the folded roughness curve and the center line is the length of the scan. It is the value divided by.

また、本発明の窒化物半導体は、平坦なモルフォロジを要求する場合、前記活性層が量子井戸構造を有する場合は、量子井戸層の厚さの面内での標準偏差が、通常0.45nm以下であり、好ましくは、0.4nm以下であり更に好ましくは0.35nm以下である。   In addition, when the nitride semiconductor of the present invention requires a flat morphology, when the active layer has a quantum well structure, the standard deviation in the plane of the thickness of the quantum well layer is usually 0.45 nm or less. Preferably, it is 0.4 nm or less, and more preferably 0.35 nm or less.

また、本発明における量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くする場合には、上記の量子井戸層の面内での厚さばらつきの変動係数が、通常0.10以下であり、好ましくは、0.09nm以下である。これら量子井戸層の厚さの面内での標準偏差や、面内の厚さばらつきの変動係数の数値の根拠は、本発明者らの数多の実験データにより経験的に裏付けられるものであり、後述する実施例において詳述する。   When the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure in the present invention is relatively high, the variation coefficient of thickness variation in the plane of the quantum well layer is usually 0.10 or less, Preferably, it is 0.09 nm or less. The basis of the standard deviation in the plane of the thickness of the quantum well layer and the numerical value of the coefficient of variation of the in-plane thickness variation is empirically supported by the present inventors' numerous experimental data. This will be described in detail in Examples described later.

さらに、本発明窒化物半導体は、特定の条件にて測定される(i)内部量子効率が、従来知られていた値に比較して極めて高く、(ii)フォトルミネッセンス寿命(τ(PL))が、従来知られていた値に比較して極めて長く、(iii)発光再結合寿命(τ(R))が、従来知られていた値に比較して極めて短いことも大きな特徴である。さらに、内部量子効率を比較的高くする場合には、(iv)発光再結合寿命(τ(R))が、非発光再結合寿命(τ(NR))よりも短くする事も好ましく実施可能である。しかも、これらの極めて優れた値は、本発明で規定される低励起密度条件で測定されることにより初めて確認された。   Further, the nitride semiconductor of the present invention is measured under specific conditions (i) The internal quantum efficiency is extremely higher than a conventionally known value, and (ii) photoluminescence lifetime (τ (PL)) However, it is also a significant feature that (iii) the luminescence recombination lifetime (τ (R)) is extremely short compared to a conventionally known value. Furthermore, when the internal quantum efficiency is relatively high, (iv) the luminescence recombination lifetime (τ (R)) can be preferably made shorter than the non-luminescence recombination lifetime (τ (NR)). is there. Moreover, these extremely excellent values were confirmed for the first time by measuring under the low excitation density conditions defined in the present invention.

即ち、本発明の前記窒化物半導体(少なくとも一方の主面が非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層、活性層を含む積層構造体を含むもの)は、活性層の低励起密度条件のCW−PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上、好ましくは30%以上、更に好ましくは35%以上である。   That is, the nitride semiconductor of the present invention (the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, the active layer on the nitride main surface of the base body in which at least one main surface is a nonpolar nitride) In which the internal quantum efficiency is 20% or more, preferably 30% or more, and more preferably 35% or more, which is obtained from CW-PL measurement under the low excitation density condition of the active layer.

また、本発明の前記窒化物半導体は、活性層の、低励起密度条件のパルス光PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上、好ましくは25%以上である。   In addition, the nitride semiconductor of the present invention has an internal quantum efficiency of 20% or more, preferably 25% or more, which is obtained from pulsed light PL measurement of the active layer under a low excitation density condition.

また、本発明の前記窒化物半導体は、活性層の、室温であってかつ低励起密度条件における時間分解PL測定から求められるフォトルミネッセンス寿命(τ(PL))が1ns以上、好ましくは1.5ns以上である。   In addition, the nitride semiconductor of the present invention has a photoluminescence lifetime (τ (PL)) of 1 ns or more, preferably 1.5 ns, which is obtained from time-resolved PL measurement of the active layer at room temperature and under low excitation density conditions. That's it.

これら極めて優れた特徴に関する数値の根拠は、本発明者らの数多の実験データにより経験的に裏付けられるものであり、後述する実施例において詳述する。   The grounds for numerical values relating to these extremely excellent features are empirically supported by the present inventors' numerous experimental data, and will be described in detail in Examples described later.

以下に、実施例と比較例により、本発明をより具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a gallium nitride based semiconductor thin film is laminated and grown by MOCVD to produce a near-ultraviolet light emitting LED. The outline of a series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. . The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.6×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は34.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.25°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.1 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.6 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the half-width of the rocking curve in (10-12) reflection is 34.2 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.25 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. there were. Further, the dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを10L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを12.5L/分供給した。 First, as the first temperature raising step t B , the temperature is raised while supplying 10 L / min of N 2 as a main flow into the furnace, and when the temperature of the substrate reaches 400 ° C., the second temperature raising step t A is performed. Started. There, NH 3 was supplied as a gas constituting the first main flow at 7.5 L / min, and N 2 was supplied as a gas constituting the second main flow at 12.5 L / min.

その後、NHとNをそれぞれ10L/分、30L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.625、成長温度到達時は0.75であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 1000 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 10 L / min and 30 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.625 at the start of the second temperature raising step and 0.75 when the growth temperature was reached. .

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.5L/分、H
0.5L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてT
MGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた。
In the next step B, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.5 L / min, H 2 is 0.5 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. T as gas
MGa (0.0018 L / min with a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 40 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.73747であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.73747.

次の工程Cでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.24L/分、H
を0.76L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとし
てTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を炉内に供給した。
In the next step C, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.24 L / min, H 2
The 0.76L / min, TMGa and H 2 in the main flow (0.5 L / min) as the carrier gas (0.0055L / min. At a concentration of 100%), constituting a part of the main flow H 2 SiH 4 (6 × 10 −7 L / min with a concentration of 100%) having (0.2 L / min) as a carrier gas and H 2 (0.06 L / min) as a diluent gas was supplied into the furnace. .

このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を7μmの厚みで成長させた。このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガス(25.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.73090であった。 With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 7 μm. At this time, the subflow was a mixed gas (25.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow at the time of growing the second nitride semiconductor layer was 0.73090.

次に、基体温度(基板温度)を740℃とし、基板温度が充分に安定した後にIn0.07Ga0.93N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層とGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に8周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成した(工程D)。ここで、In0.07Ga0.93Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。 Next, the substrate temperature (substrate temperature) was set to 740 ° C., and after the substrate temperature was sufficiently stabilized, a quantum well layer of In 0.07 Ga 0.93 N (target thickness 1.5 nm) and GaN (target thickness 13 nm) were formed. A multi-quantum well active layer structure in which barrier layers were alternately stacked for 8 periods was formed (step D). Here, in the growth of the quantum well layer of In 0.07 Ga 0.93 N, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow.

また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(20L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.000015L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたトリメチルインジウム(TMIn)(0.00023L/分)を供給した。 In addition, as a gas constituting the second main flow, TM 2 (0.000015 L / min) using N 2 (20 L / min) and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. Then, trimethylindium (TMIn) (0.00023 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas was supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(18.5L/分)と、H(1.5L/分)と、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.000017L/分)を供給した。 In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 (18.5 L / min), H 2 (1.5 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow. ) Was used as a carrier gas, and TMGa (0.000017 L / min) was supplied.

また、工程Dでの、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガスで25.5L/分、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。多重量子井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.66666、GaN障壁層で0.61667であった。 In Step D, the subflow is NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min) mixed gas at 25.5 L / min, and the growth outgassing gas is N 2 at 19 L / min. there were. The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure was 0.66666 for the InGaN well layer and 0.61667 for the GaN barrier layer.

続いて、基板温度を1000℃としてMgドープのAl0.1Ga0.9N層を50nm形成した(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)である。 Subsequently, the substrate temperature was set to 1000 ° C. to form an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 50 nm (step E). The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min).

また、第2のメインフローを構成するガスは、H(80L/分)、メインフローの一
部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたトリメチルアルミニウム(TMAl)(0.0001L/分)、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)(4×10−6L/分)である。
The gas constituting the second main flow, H 2 (80L / min), trimethylaluminum that of H 2 in the main flow (0.5 L / min) and carrier gas (TMAl) (0. 0001 L / min), TMGa (0.0018 L / min) using H 2 (0.5 L / min), which is also a part of the main flow, as a carrier gas, and H 2 (0 .5 L / min) as a carrier gas, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) (4 × 10 −6 L / min).

このMgドープのAl0.1Ga0.9N層の上に、更にMgドープのGaN層を70nmの厚みでエピタキシャル成長させた(工程E)。このGaN層の成長は、上述のメインフロー中のガスのうちの、TMAlとH(50L/分)の供給を断って実行した。 On this Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer, an Mg-doped GaN layer was further epitaxially grown to a thickness of 70 nm (step E). The growth of the GaN layer was performed with the supply of TMAl and H 2 (50 L / min) out of the gas in the main flow described above.

工程Eの中の、Al0.1Ga0.9N層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(50L/分)の混合ガスで50.5L/分、パージ用などの成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのAl0.1Ga0.9N層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 The sub flow during the growth of the Al 0.1 Ga 0.9 N layer in the process E is 50.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (50 L / min), for purging. The growth outside gas was N 2 (19 L / min). The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was 0.

また、工程Eの中のMgドープのGaN層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガスで20.5L/分、パージ用など成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 Further, the sub-flow during the growth of the Mg-doped GaN layer in the process E is 20.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min). Was N 2 (19 L / min). The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer was 0.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、きわめて平坦であった。この表面を接触式段差計で測定し、凹凸の程度の指標となる平均粗さ、あるいは、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。   The surface of the substrate thus produced was extremely flat. This surface was measured with a contact-type step meter, and the average roughness or centerline average roughness (Ra) serving as an index of the degree of unevenness was determined.

この結果、本実施例のもののRaは4.9nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は391nm、その積分強度は相対値で96と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.8%と小さかった。   As a result, Ra according to the present example was 4.9 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 391 nm, the integrated intensity is 96, which is a relative value, and the standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0.8. % Was small.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a gallium nitride based semiconductor thin film is laminated and grown by MOCVD to produce a near-ultraviolet light emitting LED. The outline of a series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. . The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.2mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.7×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は32.8arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.29°、a方向へのOFF角は0.05°であった。また、転位密度は5.4×10cm−2であった。このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.2 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.7 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 32.8 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.29 °, and the OFF angle in the a direction is 0.05 °. there were. The dislocation density was 5.4 × 10 6 cm −2 . This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを10L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを12.5L/分供給した。 First, as the first temperature raising step t B , the temperature is raised while supplying 10 L / min of N 2 as a main flow into the furnace, and when the temperature of the substrate reaches 400 ° C., the second temperature raising step t A is performed. Started. There, NH 3 was supplied as a gas constituting the first main flow at 7.5 L / min, and N 2 was supplied as a gas constituting the second main flow at 12.5 L / min.

その後、NHとNをそれぞれ10L/分、30L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.625、成長温度到達時は0.75であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 1000 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 10 L / min and 30 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.625 at the start of the second temperature raising step and 0.75 when the growth temperature was reached. .

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを20L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.5L/分、H
0.5L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてT
MGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた。
In the next step B, NH 3 was supplied at 20 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.5 L / min, H 2 is 0.5 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. T as gas
MGa (0.0018 L / min with a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 40 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.58998であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.58998.

続く工程C、D、Eは実施例1と同じ条件で行った。   Subsequent steps C, D, and E were performed under the same conditions as in Example 1.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、僅かな凹凸があるものの平坦性は良好であった。   The surface of the substrate thus fabricated had good flatness although there were slight irregularities.

この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは17.4nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は396nm、その積分強度は相対値で68と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.9%と小さかった。   This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 17.4 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 396 nm, the integrated intensity is 68 as a relative value, and a standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0.9. % Was small.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a gallium nitride based semiconductor thin film is laminated and grown by MOCVD to produce a near-ultraviolet light emitting LED. The outline of a series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. . The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.0mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.4×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は36.7arcsecで、c(+)方向へのOFF角は3.4°、a方向へのOFF角は0.3°であった。また、転位密度は5.1×10cm−2であった。このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.0 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.4 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 36.7 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 3.4 °, and the OFF angle in the a direction is 0.3 °. there were. The dislocation density was 5.1 × 10 6 cm −2 . This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを10L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを10L/分供給した。 First, in the first heating step t A, the N 2 was heated while 10L / min supplied as a main flow into the reactor, a second heating step t A when the temperature of the substrate became 400 ° C. Started. There, NH 3 was supplied at 7.5 L / min as a gas constituting the first main flow, and N 2 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the second main flow.

その後、NHとNをそれぞれ15L/分、15L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.57143、成長温度到達時は0.50であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 1000 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 15 L / min and 15 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as purge was N 2 and the total was 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.57143 at the start of the second temperature raising step and 0.50 when the growth temperature was reached. .

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.5L/分、H
0.5L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてT
MGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を120nmの厚みで成長させた。
In the next step B, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.5 L / min, H 2 is 0.5 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. T as gas
MGa (0.0018 L / min with a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 120 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.73747であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.73747.

次の工程Cでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.294L/分、H
を0.706L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガス
としてTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.006L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−8L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を1μmの厚みで成長させた。
In the next step C, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.294 L / min, H 2
2 is 0.706 L / min, H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used as a carrier gas, TMGa (0.0055 L / min when the concentration is 100%), and H which constitutes a part of the main flow 2 and (0.2 L / min) carrier gas and supplying H 2 and SiH 4 to (0.006L / min) diluent gas (6 × 10 -8 L / min. at a concentration of 100%) into the furnace did. With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 1 μm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガス(25.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.78579であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (25.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the second nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.78579.

次に、基体温度(基板温度)を740℃とし、基板温度が充分に安定した後にIn0.07Ga0.93N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層とGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に8周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成した(工程D)。ここで、In0.07Ga0.93Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。 Next, the substrate temperature (substrate temperature) was set to 740 ° C., and after the substrate temperature was sufficiently stabilized, a quantum well layer of In 0.07 Ga 0.93 N (target thickness 1.5 nm) and GaN (target thickness 13 nm) were formed. A multi-quantum well active layer structure in which barrier layers were alternately stacked for 8 periods was formed (step D). Here, in the growth of the quantum well layer of In 0.07 Ga 0.93 N, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow.

また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(20L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.000015L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMIn(0.00023L/分)を供給した。 In addition, as a gas constituting the second main flow, TM 2 (0.000015 L / min) using N 2 (20 L / min) and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. TMIn (0.00023 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas was supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(18.5L/分)と、H(1.5L/分)と、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.000017L/分)を供給した。 In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 (18.5 L / min), H 2 (1.5 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow. ) Was used as a carrier gas, and TMGa (0.000017 L / min) was supplied.

また、工程Dでの、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガスで25.5L/分、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。多重量子
井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.66666、GaN障壁層で0.61667であった。
In Step D, the subflow is NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min) mixed gas at 25.5 L / min, and the growth outgassing gas is N 2 at 19 L / min. there were. The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure was 0.66666 for the InGaN well layer and 0.61667 for the GaN barrier layer.

続いて、基板温度を1000℃としてMgドープのAl0.1Ga0.9N層を50nm形成した(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)である。また、第2のメインフローを構成するガスは、H(80L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMAl(0.0001L/分)、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたCpMg(4×10−6L/分)である。 Subsequently, the substrate temperature was set to 1000 ° C. to form an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 50 nm (step E). The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min). The gas constituting the second main flow is TM2 (0.0001 L / min) using H 2 (80 L / min) and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. likewise TMGa (0.0018 L / min) which is part of H 2 and (0.5 L / min) and carrier gas in the main flow, and, likewise H 2 (0.5 L / min in the main flow ) As a carrier gas. Cp 2 Mg (4 × 10 −6 L / min).

このMgドープのAl0.1Ga0.9N層の上に、更にMgドープのGaN層を70nmの厚みでエピタキシャル成長させた(工程E)。このGaN層の成長は、上述のメインフロー中のガスのうちの、TMAlとH(50L/分)の供給を断って実行した。 On this Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer, an Mg-doped GaN layer was further epitaxially grown to a thickness of 70 nm (step E). The growth of the GaN layer was performed with the supply of TMAl and H 2 (50 L / min) out of the gas in the main flow described above.

工程Eの中の、Al0.1Ga0.9N層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(50L/分)の混合ガスで50.5L/分、パージ用などの成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのAl0.1Ga0.9N層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 The sub flow during the growth of the Al 0.1 Ga 0.9 N layer in the process E is 50.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (50 L / min), for purging. The growth outside gas was N 2 (19 L / min). The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was 0.

また、工程Eの中のMgドープのGaN層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガスで20.5L/分、パージ用など成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 Further, the sub-flow during the growth of the Mg-doped GaN layer in the process E is 20.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min). Was N 2 (19 L / min). The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer was 0. After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、極僅かな凹凸があるものの平坦性は良好であった。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは8.2nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は390nm、その積分強度は相対値で45と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.9%と小さかった。   The surface of the substrate thus produced had good flatness although there were very slight irregularities. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 8.2 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 390 nm, the integrated intensity is 45, which is a relative value, and a standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0.9. % Was small.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略を、図2(B)を用いて説明する。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This example is an example in which a near-ultraviolet LED is manufactured by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD, and an outline of a series of crystal growth processes will be described with reference to FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に3.8mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.9×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は30.4arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−1.35°、a方向へのOFF角は1.01°であった。また、転位密度は5.6×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 3.8 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.9 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 30.4 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is −1.35 °, and the OFF angle in the a direction is 1.01 °. Met. The dislocation density was 5.6 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを10L/分供給し
ながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを17.5L/分供給した。
First, in the first heating step t A, the N 2 was heated while 10L / min supplied as a main flow into the reactor, a second heating step t A when the temperature of the substrate became 400 ° C. Started. There, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow, and N 2 was supplied at 17.5 L / min as a gas constituting the second main flow.

その後、NHとNをそれぞれ12.5L/分、17.5L/分に増加させながら、基板温度をさらに700℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.50、成長温度到達時は0.58333であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 700 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 12.5 L / min and 17.5 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.50 at the start of the second temperature raising step and 0.58333 when the growth temperature was reached. .

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.5L/分、H
0.5L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてT
MGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を1nmの厚みで成長させた。
In the next step B, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.5 L / min, H 2 is 0.5 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. T as gas
MGa (0.0018 L / min with a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 1 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.73747であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.73747.

次の工程Cでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを39.24L/分、H
を0.82L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとし
てTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.006L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−8L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を0.5μmの厚みで成長させた。
In the next step C, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 39.24 L / min, H 2
The 0.82L / min, TMGa and H 2 in the main flow (0.5 L / min) as the carrier gas (0.0055L / min. At a concentration of 100%), constituting a part of the main flow H 2 SiH 4 (6 × 10 −8 L / min with a concentration of 100%) using (0.2 L / min) as a carrier gas and H 2 (0.006 L / min) as a diluent gas was supplied into the furnace. . With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 0.5 μm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガス(25.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.78377であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (25.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the second nitride semiconductor layer was 0.78377.

次に、基体温度(基板温度)を740℃とし、基板温度が充分に安定した後にIn0.11Ga0.89N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層とGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に8周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成した(工程D)。 Next, the substrate temperature (substrate temperature) was set to 740 ° C., and after the substrate temperature was sufficiently stabilized, the quantum well layer of In 0.11 Ga 0.89 N (target thickness 1.5 nm) and GaN (target thickness 13 nm) A multi-quantum well active layer structure in which barrier layers were alternately stacked for 8 periods was formed (step D).

ここで、In0.11Ga0.89Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(20L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.000015L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMIn(0.00023L/分)を供給した。 Here, in the growth of the quantum well layer of In 0.11 Ga 0.89 N, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. In addition, as a gas constituting the second main flow, TM 2 (0.000015 L / min) using N 2 (20 L / min) and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. TMIn (0.00023 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas was supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(18.5L/分)と、H(1.5L/分)と、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキ
ャリアガスとするTMGa(0.000017L/分)を供給した。
In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 (18.5 L / min), H 2 (1.5 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow. ) Was used as a carrier gas, and TMGa (0.000017 L / min) was supplied.

また、工程Dでの、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガスで25.5L/分、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。多重量子井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.66666、GaN障壁層で0.61667であった。 In Step D, the subflow is NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min) mixed gas at 25.5 L / min, and the growth outgassing gas is N 2 at 19 L / min. there were. The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure was 0.66666 for the InGaN well layer and 0.61667 for the GaN barrier layer.

続いて、基板温度を1000℃としてMgドープのAl0.1Ga0.9N層を50nm形成した(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)である。また、第2のメインフローを構成するガスは、H(80L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMAl(0.0001L/分)、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたCpMg(4×10−6L/分)である。 Subsequently, the substrate temperature was set to 1000 ° C. to form an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 50 nm (step E). The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min). The gas constituting the second main flow is TM2 (0.0001 L / min) using H 2 (80 L / min) and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. likewise TMGa (0.0018 L / min) which is part of H 2 and (0.5 L / min) and carrier gas in the main flow, and, likewise H 2 (0.5 L / min in the main flow ) As a carrier gas. Cp 2 Mg (4 × 10 −6 L / min).

このMgドープのAl0.1Ga0.9N層の上に、更にMgドープのGaN層を70nmの厚みでエピタキシャル成長させた(工程E)。このGaN層の成長は、上述のメインフロー中のガスのうちの、TMAlとH(50L/分)の供給を断って実行した。 On this Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer, an Mg-doped GaN layer was further epitaxially grown to a thickness of 70 nm (step E). The growth of the GaN layer was performed with the supply of TMAl and H 2 (50 L / min) out of the gas in the main flow described above.

工程Eの中の、Al0.1Ga0.9N層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(50L/分)の混合ガスで50.5L/分、パージ用などの成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのAl0.1Ga0.9N層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 The sub flow during the growth of the Al 0.1 Ga 0.9 N layer in the process E is 50.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (50 L / min), for purging. The growth outside gas was N 2 (19 L / min). The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was 0.

また、工程Eの中のMgドープのGaN層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガスで20.5L/分、パージ用など成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 Further, the sub-flow during the growth of the Mg-doped GaN layer in the process E is 20.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min). Was N 2 (19 L / min). The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer was 0.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、極めて平坦であった。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは5.2nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は412nm、その積分強度は相対値で90と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は1.0%と小さかった。   The surface of the substrate thus produced was extremely flat. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 5.2 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 412 nm, the integrated intensity is 90, which is a relative value, and a high standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 1.0. % Was small.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて青色LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a blue LED is manufactured by laminating and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD. The outline of a series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に12mm、a軸方向に20mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は1.5×1018cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は48.1arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.85°、a方向へのOFF角は2.64°であった。また、転位密度は4.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 12 mm in the c-axis direction and 20 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 1.5 × 10 18 cm −3 . According to X-ray diffraction, the half-value width of the rocking curve in (10-12) reflection is 48.1 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is −0.85 °, and the OFF angle in the a direction is 2.64 °. Met. The dislocation density was 4.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを10L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを10L/分供給した。 First, as the first temperature raising step t B , the temperature is raised while supplying 10 L / min of N 2 as a main flow into the furnace, and when the temperature of the substrate reaches 400 ° C., the second temperature raising step t A is performed. Started. There, NH 3 was supplied at 7.5 L / min as a gas constituting the first main flow, and N 2 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the second main flow.

その後、NHとNをそれぞれ10L/分、17.5L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.57143、成長温度到達時は0.63636であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 1000 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 10 L / min and 17.5 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.57143 at the start of the second temperature raising step, and 0.63636 when the growth temperature was reached. .

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを49.5L/分、H
0.5L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてT
MGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を15nmの厚みで成長させた。
In the next step B, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 49.5 L / min, H 2 is 0.5 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. T as gas
MGa (0.0018 L / min with a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 15 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.82498であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the first nitride semiconductor layer was 0.82498.

次の工程Cでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを49.24L/分、H
を0.82L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとし
てTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.006L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−8L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を5μmの厚みで成長させた。
In the next step C, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 49.24 L / min, H 2
The 0.82L / min, TMGa and H 2 in the main flow (0.5 L / min) as the carrier gas (0.0055L / min. At a concentration of 100%), constituting a part of the main flow H 2 SiH 4 (6 × 10 −8 L / min with a concentration of 100%) using (0.2 L / min) as a carrier gas and H 2 (0.006 L / min) as a diluent gas was supplied into the furnace. . With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 5 μm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガス(25.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.81977であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (25.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . At the time of growing the second nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.81977.

次に、基体温度(基板温度)を700℃とし、基板温度が充分に安定した後にIn0.14Ga0.86N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層とGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に8周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成した(工程D)。ここで、In0.14Ga0.86Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。 Next, the substrate temperature (substrate temperature) was set to 700 ° C., and after the substrate temperature was sufficiently stabilized, a quantum well layer of In 0.14 Ga 0.86 N (target thickness 1.5 nm) and GaN (target thickness 13 nm) were formed. A multi-quantum well active layer structure in which barrier layers were alternately stacked for 8 periods was formed (step D). Here, in the growth of the In 0.14 Ga 0.86 N quantum well layer, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow.

また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(20L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.000008L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMIn
(0.00023L/分)を供給した。
Further, as gas constituting the second main flow, TM 2 (0.000008 L / min) using N 2 (20 L / min) as a carrier gas and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a gas. TMIn with N 2 (0.5 L / min), which is part of the main flow, as a carrier gas
(0.00023 L / min) was supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(18.5L/分)と、H(1.5L/分)と、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.000017L/分)を供給した。 In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (10 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 (18.5 L / min), H 2 (1.5 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow. ) Was used as a carrier gas, and TMGa (0.000017 L / min) was supplied.

また、工程Dでの、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガスで25.5L/分、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。多重量子井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.66666、GaN障壁層で0.61667であった。 In Step D, the subflow is NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min) mixed gas at 25.5 L / min, and the growth outgassing gas is N 2 at 19 L / min. there were. The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure was 0.66666 for the InGaN well layer and 0.61667 for the GaN barrier layer.

続いて、基板温度を1000℃としてMgドープのAl0.1Ga0.9N層を50nm形成した(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)である。 Subsequently, the substrate temperature was set to 1000 ° C. to form an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 50 nm (step E). The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min).

また、第2のメインフローを構成するガスは、H(80L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMAl(0.0001L/分)、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたCpMg(4×10−6L/分)である。 The gas constituting the second main flow is TM2 (0.0001 L / min) using H 2 (80 L / min) and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. likewise TMGa (0.0018 L / min) which is part of H 2 and (0.5 L / min) and carrier gas in the main flow, and, likewise H 2 (0.5 L / min in the main flow ) As a carrier gas. Cp 2 Mg (4 × 10 −6 L / min).

このMgドープのAl0.1Ga0.9N層の上に、更にMgドープのGaN層を70nmの厚みでエピタキシャル成長させた(工程E)。このGaN層の成長は、上述のメインフロー中のガスのうちの、TMAlとH(50L/分)の供給を断って実行した。 On this Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer, an Mg-doped GaN layer was further epitaxially grown to a thickness of 70 nm (step E). The growth of the GaN layer was performed with the supply of TMAl and H 2 (50 L / min) out of the gas in the main flow described above.

工程Eの中の、Al0.1Ga0.9N層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(50L/分)の混合ガスで50.5L/分、パージ用などの成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのAl0.1Ga0.9N層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 The sub flow during the growth of the Al 0.1 Ga 0.9 N layer in the process E is 50.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (50 L / min), for purging. The growth outside gas was N 2 (19 L / min). The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was 0.

また、工程Eの中のMgドープのGaN層成長中のサブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガスで20.5L/分、パージ用など成長外ガスはN(19L/分)であった。MgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0であった。 Further, the sub-flow during the growth of the Mg-doped GaN layer in the process E is 20.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min). Was N 2 (19 L / min). The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer was 0.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、極めて平坦であった。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは4.8nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は440nm、その積分強度は相対値で51と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は1.1%であった。   The surface of the substrate thus produced was extremely flat. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 4.8 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 440 nm, the integrated intensity is 51, which is a relative value, and a standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 1.1. %Met.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略を、図2(C)を用いて説明する。また、成長した層構成は図3(B)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a near-ultraviolet LED is manufactured by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD. An outline of a series of crystal growth processes will be described with reference to FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に10mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.7×1017cm−3であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 10 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.7 × 10 17 cm −3 .

X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は31.1arcsecで、c(+)方向へのOFF角は4.2°、a方向へのOFF角は0.02°であった。また、転位密度は5.2×10cm−2であった。 According to X-ray diffraction, the half-value width of the rocking curve in (10-12) reflection is 31.1 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 4.2 °, and the OFF angle in the a direction is 0.02 °. there were. The dislocation density was 5.2 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、減圧成長を通常の条件とするSUS製縦型反応炉内のサセプタに載置した。この装置にはサブフローに相当する配管は設置されていない。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a susceptor in a vertical reaction furnace made of SUS under reduced pressure growth under normal conditions. This apparatus has no piping corresponding to the subflow.

まず、反応炉内の圧力は40kPaとし、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてNを20L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。 First, pressure in the reactor was set to 40 kPa, as the first heating step t B, the N 2 was heated while 20L / min supplied as a main flow into the furnace, where the temperature of the substrate became 400 ° C. It was initiated the second heating step t a.

そこでは、第1のメインフローを構成するガスとして不活性ガスである1,1-ジメチ
ルヒドラジン(1,1−DMHy)を、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとして0.003L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを15L/分供給した。
There, 1,1-dimethylhydrazine (1,1-DMHy), which is an inert gas, is used as a gas constituting the first main flow, and N 2 (0.5 L / min), which is a part of the main flow, is used. As a carrier gas, 0.003 L / min was supplied, and as a gas constituting the second main flow, N 2 was supplied at 15 L / min.

その後、Nを20L/分に増加させながら、基板温度をさらに1040℃まで昇温させた。このとき、パージ用など成長外ガスはNで合計6.375L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時から成長温度到達時まで、1.0であった。 Thereafter, the substrate temperature was further increased to 1040 ° C. while increasing N 2 to 20 L / min. At this time, non-growth gases such as for purging were 6.75 L / min in total with N 2 . In the second temperature raising step, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 1.0 from the start of the second temperature raising step to the arrival of the growth temperature.

次の工程Bでは、反応炉内の圧力は40kPaとし、第1のメインフローを構成するガスとして、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとして1,1−DMHyを0.0229L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを20L/分、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリア
ガスとしてTMGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた。このとき、パージ用など成長外ガスはNで6.375L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.99875であった。
In the next step B, the pressure in the reactor is 40 kPa, and N 1 (0.5 L / min), which is a part of the main flow, is used as a carrier gas for the gas constituting the first main flow. DMHy was supplied at 0.0229 L / min. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 20 L / min, N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used as a carrier gas, and TMGa (0.0018 L with a concentration of 100%). / Min) was fed into the furnace. With this main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 40 nm. At this time, the non-growth gas for purging and the like was 6.375 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.99875.

次の工程Cでは、反応炉内の圧力は8kPaとし、第1のメインフローを構成するガスとしてメインフローの一部であるN(2.27L/分)をキャリアガスとして1,1−DMHyを0.104L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを20L/分、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガス
としてTMGa(濃度100%として0.0018L/分)、メインフローの一部を構成するN(0.2L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−8L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を4μmの厚みで成長させた。
In the next step C, the pressure in the reactor is 8 kPa, and N 1 (2.27 L / min) which is part of the main flow is used as a gas constituting the first main flow as a carrier gas and 1,1-DMHy Of 0.104 L / min. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 20 L / min, N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used as a carrier gas, and TMGa (0.0018 L with a concentration of 100%). / Min), SiH 4 (6 × 10 −8 L / min as a concentration of 100%) using N 2 (0.2 L / min) constituting a part of the main flow as a diluent gas was supplied into the furnace. With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 4 μm.

このとき、パージ用など成長外ガスはNで6.375L/分であった。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.99448であった。 At this time, the non-growth gas for purging and the like was 6.375 L / min for N 2 . During the growth of the second nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.99448.

次に、反応炉内の圧力は67kPaとし、基体温度(基板温度)を740℃でIn0.
07Ga0.93N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層を、基体温度840℃でGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に5周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成した(工程D)。ここで、In0.07Ga0.93Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(12L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(10L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.000008L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMIn(0.00023L/分)を供給した。
Next, the pressure in the reactor was 67 kPa, the substrate temperature (substrate temperature) was 740 ° C., and In 0.
A multi-quantum well active layer structure was formed in which a quantum well layer of 07 Ga 0.93 N (target thickness 1.5 nm) was alternately stacked for five periods with a barrier layer of GaN (target thickness 13 nm) at a substrate temperature of 840 ° C. (Process D). Here, in the growth of the quantum well layer of In 0.07 Ga 0.93 N, NH 3 (12 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Also, as a gas constituting the second main flow, TM 2 (0.000008 L / min) using N 2 (10 L / min) as a carrier gas and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow. TMIn (0.00023 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas was supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(12L/分)を用いた。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(9.5L/分)と、H(0.5L/分)と、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.000017L/分)を供給した。 In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (12 L / min) was used as a gas constituting the first main flow. Further, as a constituent gas of the second main flow, and N 2 (9.5 L / min), and H 2 (0.5 L / min), H 2 (0.5 L / min in the main flow ) Was used as a carrier gas, and TMGa (0.000017 L / min) was supplied.

また、パージ用など成長外ガスはNで6.375L/分であった。多重量子井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.45452、GaN障壁層で0.43179であった。 Further, the growth outside gas for purging and the like was 6.375 L / min for N 2 . The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure was 0.45452 for the InGaN well layer and 0.43179 for the GaN barrier layer.

続いて、反応炉内の圧力は36kPaとし、基板温度を1000℃としてMgドープのGaN層を120nmの厚みでエピタキシャル成長させた(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスは、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとして1,1−DMHyを0.0229L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスは、N(14L/分)とH(1L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたCpMg(4×10−6L/分)である。 Subsequently, the pressure in the reactor was 36 kPa, the substrate temperature was 1000 ° C., and an Mg-doped GaN layer was epitaxially grown to a thickness of 120 nm (step E). At this time, the gas constituting the first main flow was supplied with 1,2-DMHy at 0.0229 L / min using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. The gas constituting the second main flow is N 2 (14 L / min) and H 2 (1 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used as a carrier gas. It is Cp 2 Mg (4 × 10 −6 L / min) using TMGa (0.0018 L / min) and H 2 (0.5 L / min) which is also a part of the main flow as a carrier gas.

また、工程Eの中のMgドープのGaN層成長中のパージ用など成長外ガスはN(6.375L/分)であった。MgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.93180であった。 Further, the gas outside the growth, such as for purging during the growth of the Mg-doped GaN layer in the process E, was N 2 (6.375 L / min). The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer was 0.93180.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、極僅かな凹凸があるものの平坦性は良好であった。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは9.1nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は395nm、その積分強度は相対値で109と、高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.9%と小さかった。   The surface of the substrate thus produced had good flatness although there were very slight irregularities. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 9.1 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 395 nm, the integrated intensity is 109, which is a relative value, and a standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0.9. % Was small.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略を、図2(D)を用いて説明する。また、成長した層構成は図3(B)に模式的に示した。   This example is an example in which a near-ultraviolet LED is manufactured by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD, and an outline of a series of crystal growth processes will be described with reference to FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては2インチ径サイズの(1−100)面(m面)ZnO基板にm面配向したGaN層を0.5μm成長したものをm面テンプレートとして用いている。   As the substrate, an m-plane template obtained by growing a GaN layer having an m-plane orientation on a (1-100) plane (m-plane) ZnO substrate having a 2 inch diameter size to 0.5 μm is used.

このm面GaNテンプレートを用い、減圧成長を通常の条件とする自公転型SUS製応炉内のサセプタに載置する。   Using this m-plane GaN template, the m-plane GaN template is placed on a susceptor in a self-revolving SUS reactor that uses reduced pressure growth under normal conditions.

まず、第1の昇温工程tとして、反応炉内の圧力は40kPaとし、炉内にメインフローとしてN30L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始することができる。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてNを27.5L/分とArを10L/min供給する。 First, as the first temperature raising step t B , the pressure in the reactor is 40 kPa, the temperature is raised while supplying N 2 30 L / min as the main flow into the furnace, and the temperature of the substrate reaches 400 ° C. it is possible to start the second heating step t a. There, NH 3 is supplied at 7.5 L / min as a gas constituting the first main flow, N 2 is supplied at 27.5 L / min and Ar is supplied at 10 L / min as gases constituting the second main flow.

その後、反応炉内の圧力は40kPaとし、NHとNをそれぞれ10L/分、80L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させる。このとき、サブフローはNガス30L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計21L/分である。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、第2の昇温工程開始時では0.83333、成長温度到達時は0.90となる。 Thereafter, the pressure in the reactor is 40 kPa, and the substrate temperature is further increased to 1000 ° C. while increasing NH 3 and N 2 to 10 L / min and 80 L / min, respectively. At this time, the sub-flow is N 2 gas 30 L / min, and the non-growth gas for purging and the like is N 2 for 21 L / min in total. In the second temperature raising step, the flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow is 0.83333 at the start of the second temperature raising step, and 0.90 when the growth temperature is reached.

次の工程Bでは、反応炉内の圧力は40kPaとし、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給する。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを50L/分とArを10L/min、メインフローの一部であるN(0.5
L/分)をキャリアガスとしてTMGa(濃度100%として0.0081L/分)を炉内に供給する。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を10nmの厚みで成長させることができる。
In the next step B, the pressure in the reaction furnace is 40 kPa, and NH 3 is supplied as a gas constituting the first main flow at 10 L / min. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 is 50 L / min, Ar is 10 L / min, and N 2 (0.5
TMGa (0.0081 L / min with a concentration of 100%) is supplied into the furnace as a carrier gas. With such main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) can be grown to a thickness of 10 nm.

このとき、サブフローはNH(1L/分)とN(34L/分)の混合ガス(35L/分)、パージ用など成長外ガスはNで21L/分とする。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.85704となる。 Meanwhile, a subflow NH 3 (1L / min) and mixed gas of N 2 (34L / min) (35L / min), growth-gases such as for purging and 21L / min with N 2. When the first nitride semiconductor layer is grown, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow is 0.85704.

次の工程Cでは、反応炉内の圧力は12kPaとし、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給する。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを70L/分とArを10L/min、メインフローの一部であるN(0.5
L/分)をキャリアガスとしてTMGa(濃度100%として0.026L/分)、メインフローの一部を構成するN(0.2L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として1.8×10−6L/分)を炉内に供給する。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を15μmの厚みで成長することができる。
In the next step C, the pressure in the reaction furnace is 12 kPa, and NH 3 is supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 is 70 L / min, Ar is 10 L / min, and N 2 (0.5
LH / min) as carrier gas, TMGa (0.026 L / min as 100% concentration), and SiH 4 (as concentration 100%) using N 2 (0.2 L / min) as part of the main flow as diluent gas 1.8 × 10 −6 L / min) is fed into the furnace. With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) can be grown to a thickness of 15 μm.

このとき、サブフローはNH(1L/分)とN(34L/分)の混合ガス(35L/分)、パージ用など成長外ガスはNで21L/分とする。第2の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.88864となる。 Meanwhile, a subflow NH 3 (1L / min) and mixed gas of N 2 (34L / min) (35L / min), growth-gases such as for purging and 21L / min with N 2. At the time of growing the second nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow is 0.88864.

次に、反応炉内の圧力は40kPaとし、基体温度(基板温度)を740℃とし、In0.08Ga0.92N(目標厚み1.5nm)の量子井戸層とGaN(目標厚み13nm)の障壁層を交互に5周期積層させた多重量子井戸活性層構造を形成することができる(工程D)。ここで、In0.08Ga0.92Nの量子井戸層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いる。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(60L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.00013L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMIn(0.00023L/分)を供給する。 Next, the pressure in the reactor is 40 kPa, the substrate temperature (substrate temperature) is 740 ° C., the quantum well layer of In 0.08 Ga 0.92 N (target thickness 1.5 nm) and GaN (target thickness 13 nm). A multi-quantum well active layer structure can be formed by alternately stacking five barrier layers (step D). Here, in the growth of the quantum well layer of In 0.08 Ga 0.92 N, NH 3 (10 L / min) is used as a gas constituting the first main flow. Also, as a gas constituting the second main flow, TM 2 (0.00013 L / min) using N 2 (60 L / min) as a carrier gas and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used. Then, TMIn (0.00023 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas is supplied.

GaNの障壁層の成長では、第1のメインフローを構成するガスとしてNH(10L/分)を用いる。また、第2のメインフローを構成するガスとして、N(60L/分)と、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.0075L/分)を供給する。 In the growth of the GaN barrier layer, NH 3 (10 L / min) is used as a gas constituting the first main flow. Further, as gas constituting the second main flow, TM 2 (0.0075 L / min) using N 2 (60 L / min) and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. ).

また、工程Dでの、サブフローはNH(1L/分)とN(34L/分)の混合ガスで35L/分、パージ用など成長外ガスはNで21L/分とする。多重量子井戸活性層構造の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、InGaN井戸層で0.85713、GaN障壁層で0.85713となる。 Further, in the step D, the sub-flow is 35 L / min with a mixed gas of NH 3 (1 L / min) and N 2 (34 L / min), and the growth outside gas such as for purging is 21 L / min with N 2 . The flow ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the multiple quantum well active layer structure is 0.85713 for the InGaN well layer and 0.85713 for the GaN barrier layer.

続いて、反応炉内の圧力は40kPaとし、基板温度を1000℃としてMgドープのGaN層を120nm形成することができる(工程E)。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)とする。また、第2のメインフローを構成するガスは、N(60L/分)、メインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとするTMGa(0.0081L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるN(0.5L/分)をキャリアガスとするCpMg(6×10−5L/分)とする。 Subsequently, the pressure in the reactor is 40 kPa, the substrate temperature is 1000 ° C., and an Mg-doped GaN layer can be formed to 120 nm (step E). The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min). The gas constituting the second main flow is TM 2 (0.0081 L / min) using N 2 (60 L / min) and N 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow as a carrier gas. And Cp 2 Mg (6 × 10 −5 L / min) using N 2 (0.5 L / min) which is also a part of the main flow as a carrier gas.

ここでのサブフローはNH(1L/分)とN(34L/分)の混合ガスで35L/分、パージ用などの成長外ガスはN(21L/分)とする。このMgドープのGaN層の成長時におけるメインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.85704となる。 Here, the subflow is 35 L / min with a mixed gas of NH 3 (1 L / min) and N 2 (34 L / min), and N 2 (21 L / min) is used as a non-growth gas for purging. The flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow during the growth of the Mg-doped GaN layer is 0.85704.

このようにして、ZnO基板を用いたm面GaNテンプレート(基体)上に近紫外発光LEDが作製可能である。
[参考例1]
In this manner, a near-ultraviolet LED can be fabricated on an m-plane GaN template (substrate) using a ZnO substrate.
[Reference Example 1]

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a gallium nitride based semiconductor thin film is laminated and grown by MOCVD to produce a near-ultraviolet light emitting LED. The outline of a series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. . The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては極性面であるc面サファイア上にアンドープGaN層を1μmと、n型GaN層(キャリア濃度5×1018cm−3)3.5μmを連続させて積層し、一旦炉内から取り出した基体を用いた。この基体表面のGaNは極性面であって、c(+)配向している。この基体を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。ここでの反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。 As a substrate, an undoped GaN layer of 1 μm and an n-type GaN layer (carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3 ) of 3.5 μm were continuously stacked on c-plane sapphire which is a polar surface, and once taken out from the furnace A substrate was used. GaN on the surface of the substrate is a polar surface and is c (+)-oriented. This substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor here was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程から終了までの全ての成長条件を実施例1と全く同じとした。   All the growth conditions from the temperature raising step to the end were the same as those in Example 1.

このようにして作製した基板の表面は、表面荒れがひどく、完全に白濁していた。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは376nmであった。325nm波長のレーザ光により励起してPL特性を評価しようとしたところ、全くPL発光を観測することはできなかった。   The surface of the substrate thus prepared was extremely rough and completely clouded. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 376 nm. When an attempt was made to evaluate the PL characteristics by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, no PL emission could be observed.

本実施例では、本発明の結晶成長手法で作製された近紫外発光するLEDの多重量子井戸(MQW)層の平坦性を、透過型電子顕微鏡(TEM)観察の手法により確認した。一連の結晶成長プロセスの概略は既に図2(A)を用いて説明したものであり、得られたLEDの層構成は図3(A)に模式的に示したものと同様である。   In this example, the flatness of a multiple quantum well (MQW) layer of an LED that emits near-ultraviolet light produced by the crystal growth method of the present invention was confirmed by a transmission electron microscope (TEM) observation method. The outline of the series of crystal growth processes has already been described with reference to FIG. 2A, and the layer structure of the obtained LED is the same as that schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズ
はc軸方向に4.0mm、a軸方向に20mmであった。基板はSiドープ(Si濃度6.2×1017cm−3)されており、電気特性はn型でキャリア密度は6.5×1017cm−3であった。
As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.0 mm in the c-axis direction and 20 mm in the a-axis direction. The substrate was Si-doped (Si concentration 6.2 × 10 17 cm −3 ), the electrical characteristics were n-type, and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 .

また、X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は36.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.145°、a方向へのOFF角は0.05°であった。さらに、転位密度は5.1×10cm−2であった。 According to X-ray diffraction, the half-value width of the rocking curve in (10-12) reflection is 36.2 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is −0.145 °, and the OFF angle in the a direction is 0. It was 05 °. Furthermore, the dislocation density was 5.1 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置して、第2の半導体層(Siドープn型GaN層)の膜厚を4.2μmとした以外は、実施例1と同一の条件として、図3(A)の層構成のLEDを作製した。   This m-plane GaN free-standing substrate is placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor where atmospheric pressure growth is normal, and the film thickness of the second semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer) LED having the layer configuration of FIG. 3A was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the thickness was changed to 4.2 μm.

このようにして得られた基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=4.7nmと、極めて平坦な表面であることが確認できた。また、波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は394nm、その積分強度は相対値で89と、極めて高いPL強度を示した。   When the surface of the substrate thus obtained was measured with a contact-type step gauge, it was confirmed that Ra = 4.7 nm, which was a very flat surface. Further, in the PL characteristics evaluated by laser light excitation with a wavelength of 325 nm, the peak wavelength was 394 nm, and the integrated intensity thereof was 89, which is a relative value, indicating a very high PL intensity.

このような特性のLED試料を、以下の手順で薄膜化して高角度散乱暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF-STEM: high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope)による観察を行った。先ず、平行予備研磨機と回転研磨板とを用い、膜厚50μm以下となるように機械研磨処理を行い、次いで、Gatan社製691型PIPS(登録商標)を用い、加速電圧2kV〜5kV、ミリング角度2〜4°の条件でArイオンミリングを施してHAADF−STEM法(HAADF-STEM: high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy)に適した厚み(50nm程度)に薄膜化した。このようにして得られた薄膜試料は、Moのメッシュに固定されており、それを観察用試料とした。   The LED sample having such characteristics was thinned by the following procedure and observed with a high-angle scattering dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). First, using a parallel pre-polishing machine and a rotating polishing plate, mechanical polishing is performed so that the film thickness is 50 μm or less, and then using a 691 type PIPS (registered trademark) manufactured by Gatan, an acceleration voltage of 2 kV to 5 kV, milling Ar ion milling was performed at an angle of 2 to 4 ° to form a thin film (having a thickness of about 50 nm) suitable for HAADF-STEM (HAADF-STEM: high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy). The thin film sample thus obtained was fixed to a Mo mesh and used as an observation sample.

HAADF−STEM観察に用いた装置は、電界放射型電子銃(Field Emission Gun: FEG)を搭載したFEI Company社製のTECNAI G2 F20である。この装置には、後述のHAA
DF−STEM観察を行なうための、環状型暗視野検出器(Fischione社製のModel3000)が搭載されている。
The apparatus used for the HAADF-STEM observation is TECNAI G2 F20 manufactured by FEI Company equipped with a field emission electron gun (Field Emission Gun: FEG). This device has a HAA described later.
An annular dark field detector (Model 3000 manufactured by Fischione) for carrying out DF-STEM observation is mounted.

なお、本実施例の観察目的は後述するとおり、InGaN/GaNの境界を明瞭に観察し、界面のゆらぎ、膜厚のゆらぎ、凹凸の程度を明らかにすることなので、In等の重い原子を含む層のコントラストが明瞭になり、かつ試料にダメージを与えることなく観察するために、HAADF−STEMを適用した。電子線の加速電圧は200kVとした。   Note that, as will be described later, the purpose of observation of this example is to clearly observe the InGaN / GaN boundary and clarify the fluctuation of the interface, the fluctuation of the film thickness, and the degree of unevenness. HAADF-STEM was applied in order to make the contrast of the layer clear and observe the sample without damaging it. The acceleration voltage of the electron beam was 200 kV.

上述の観察用試料をa軸入射でHAADF−STEM観察を行なった。観察した視野は、HAADF−STEM装置が有する分解能を犠牲にすることなく、各量子井戸層の平均厚みが求められる領域とした。具体的には、量子井戸層の積層方向と垂直な方向に190nmとした。   The above-mentioned observation sample was observed by HAADF-STEM at the a-axis incidence. The observed visual field was made into the area | region where the average thickness of each quantum well layer is calculated | required, without sacrificing the resolution which a HAADF-STEM apparatus has. Specifically, it was 190 nm in the direction perpendicular to the stacking direction of the quantum well layers.

ここで、HAADF-STEM法を適用した理由について簡単に説明をしておく。量子井戸(QW)の厚み等を正確に観察するためには、観察試料にダメージを与えないことが前提となる。これは、電子線の照射によって試料がダメージを受けてしまうと、得られるTEM像が本来の状態を正確に反映しない像(アーチファクト)となってしまうことが頻繁に起こり得るからである(例えば、非特許文献3: C. J. Humphreys et al., “Applications Environmental Impact and Microstructure of Light-Emitting Diodes” MICROSCOPY AND ANALYSIS, NOVEMBER 2007, pp.5-8を参照)。   Here, the reason why the HAADF-STEM method is applied will be briefly described. In order to accurately observe the thickness and the like of the quantum well (QW), it is assumed that the observation sample is not damaged. This is because if the sample is damaged by electron beam irradiation, the obtained TEM image may frequently become an image (artifact) that does not accurately reflect the original state (for example, Non-Patent Document 3: CJ Humphreys et al., “Applications Environmental Impact and Microstructure of Light-Emitting Diodes” MICROSCOPY AND ANALYSIS, NOVEMBER 2007, pp.5-8).

この様な事情のため、低ドーズ量(単位時間当たりの電流密度を低くすること)、低電
流密度(単位面積当たりの電流密度を低くすること)、そして試料を冷却し、低温で観察
することが必須となる。これらの条件を満足する観察方法としては、HAADF-STEM法を利用した低温観察法が最も望ましい。
For this reason, low dose (lower current density per unit time), low current density (lower current density per unit area), and cooling the sample and observing at low temperature Is essential. As an observation method satisfying these conditions, a low-temperature observation method using the HAADF-STEM method is most desirable.

HAADF-STEM法については、例えば、非特許文献4(K. SAITOH, “High-resolution Z-contrast Imaging by the HAADF-STEM Method”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47(1), 9-14 (2005))や非特許文献5(K. WATANABE; ”Imaging in High Resolution HAADF-STEM”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47(1), 15-19 (2005))に説明がある。   Regarding the HAADF-STEM method, for example, Non-Patent Document 4 (K. SAITOH, “High-resolution Z-contrast Imaging by the HAADF-STEM Method”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47 (1), 9- 14 (2005)) and Non-Patent Document 5 (K. WATANABE; “Imaging in High Resolution HAADF-STEM”, J. Cryst. Soc. Jpn., 47 (1), 15-19 (2005)). .

HAADF-STEM法は、走査透過電子顕微鏡法(STEM)で観察されるSTEM像のうちの、格子振動による熱散漫散乱によって高角度に非弾性散乱された電子を円環状の検出器で受け、この電子の積分強度を、プローブ位置の関数として測定して、その強度を像として表示するという手法である。当該手法で得られた像の明るさは原子番号の二乗に比例する。GaN/InGaN系などの試料を観察する場合は、In等の重い原子を含む層のコントラストが明瞭になり、かつ試料に対して低ドーズ量での観察が可能になるという利点がある。   The HAADF-STEM method uses an annular detector to receive inelastically scattered electrons at high angles due to diffuse thermal scattering due to lattice vibration, among STEM images observed by scanning transmission electron microscopy (STEM). In this method, the integrated intensity of electrons is measured as a function of the probe position, and the intensity is displayed as an image. The brightness of the image obtained by this method is proportional to the square of the atomic number. When observing a sample such as a GaN / InGaN system, there is an advantage that the contrast of a layer containing a heavy atom such as In becomes clear and the sample can be observed at a low dose.

本実施例での具体的な観察条件は、電子線の入射角10mrad以下、スポット径0.2nm以下、検出散乱角70mrad以上に制御し、イメージデータの収集条件は、倍率64万倍、画素分解能0.186nm/pix(ピクセル)、スキャン速度64μsec/pix、画素フレーム1024pix平方とした。なお、上記の画素分解能(0.186nm/pix)は本実験で用いた装置のSTEM分解能(0.18nm)とほぼ一致する条件となっている。   The specific observation conditions in this example are an electron beam incident angle of 10 mrad or less, a spot diameter of 0.2 nm or less, and a detection scattering angle of 70 mrad or more. Image data collection conditions are 640,000 times magnification and pixel resolution. 0.186 nm / pix (pixel), scan speed of 64 μsec / pix, and pixel frame of 1024 pix square. The pixel resolution (0.186 nm / pix) is a condition that substantially matches the STEM resolution (0.18 nm) of the apparatus used in this experiment.

このようなイメージデータの収集により、1024×1024pix(約105万pix)のピクセルごとの強度データが得られ、2次元の強度分布が得られることとなる。そして、0.186nm/pix×1024pixは概ね190nmであるから、上述の量子井戸層観察領域(190nm)に一致している。   By collecting such image data, intensity data for each pixel of 1024 × 1024 pix (about 1.05 million pix) is obtained, and a two-dimensional intensity distribution is obtained. Since 0.186 nm / pix × 1024 pix is approximately 190 nm, it corresponds to the above-described quantum well layer observation region (190 nm).

観察用試料への電子線入射方向は、ウルツ鉱型結晶構造GaNの[11−20]方向と平行にした。なお、[0001]方向に平行な電子線入射条件で観察してもかまわない。さらに、他の電子線入射方向も選択しうる。   The incident direction of the electron beam to the observation sample was made parallel to the [11-20] direction of the wurtzite crystal structure GaN. Note that the observation may be performed under an electron beam incident condition parallel to the [0001] direction. Furthermore, other electron beam incident directions can be selected.

試料の冷却には、液体窒素注入型のクライオホルダ(GATAN社製Model 636DHM)を用い
ている。このクライオホルダを用いた場合の到達最低試料温度は、液体窒素注入後約40分後で、77〜140Kの温度域にあり、観察試料に熱電対をつけて温度測定を行った実験に関する報告もある(非特許文献6)。
For cooling the sample, a liquid nitrogen injection type cryo holder (Model 636DHM manufactured by GATAN) is used. The minimum sample temperature when using this cryoholder is in the temperature range of 77 to 140 K about 40 minutes after liquid nitrogen injection, and there is also a report on an experiment in which a temperature was measured by attaching a thermocouple to the observation sample. Yes (Non-Patent Document 6).

視野の確認や電子線の入射方位を決定する際にはTEM観察を行なっているが、このTEM観察は、試料へのダメージを避けるべく、電子線の電流密度を30〜500A/mに調整して行った。なお、500A/mの電子線を上記クライオ条件下で10分間照射しても、試料のモルフォロジが変化していないことを確認している。 TEM observation is performed when checking the field of view and determining the incident direction of the electron beam. In this TEM observation, the current density of the electron beam is adjusted to 30 to 500 A / m 2 in order to avoid damage to the sample. I went there. It has been confirmed that the morphology of the sample does not change even when the electron beam of 500 A / m 2 is irradiated for 10 minutes under the cryo-condition.

図6はこのようにして得られたHAADF−STEM像であり、図7は当該HAADF−STEM像から各量子井戸層の平均厚みを算出するために行った画像処理後の結果である。   FIG. 6 is a HAADF-STEM image obtained in this way, and FIG. 7 is a result after image processing performed for calculating the average thickness of each quantum well layer from the HAADF-STEM image.

なお、ここで行なった画像処理とは、(1)HAADF−STEM像に二値化処理を施し、(2)各量子井戸層を楕円体近似して、(3)当該楕円体の長軸と画像の水平方向(
X軸方向)とが平行になるように画像を回転させる。(4)各量子井戸層についてX軸方
向の全画素に対して、Y軸方向の厚みを全て計測し、(5)「各量子井戸層の平均厚み・標準偏差・変動係数」を求めるという方法で算出したものである。ここで、「変動係数」とは標準偏差値を平均値で割って得られる係数であり、その値を「CV値」という。
The image processing performed here includes (1) binarizing the HAADF-STEM image, (2) approximating each quantum well layer to an ellipsoid, and (3) the major axis of the ellipsoid. Horizontal direction of the image (
The image is rotated so that it is parallel to the X-axis direction. (4) A method of measuring all thicknesses in the Y-axis direction for all the pixels in the X-axis direction for each quantum well layer, and (5) obtaining “average thickness / standard deviation / variation coefficient of each quantum well layer”. It was calculated by. Here, the “variation coefficient” is a coefficient obtained by dividing the standard deviation value by the average value, and the value is referred to as “CV value”.

表2は、このようにして得られた各量子井戸層(w1〜w8)の平均厚み(nm)を纏めたもので、w1が最も下側(基板側)の量子井戸層の平均厚みで、w8が最も上側(表面側)の量子井戸層の平均厚みである。また、各層において、Y軸方向の厚みの標準偏差(後述する数式1を参照)と変動係数(CV値)も同時に示す。   Table 2 summarizes the average thickness (nm) of each quantum well layer (w1 to w8) obtained in this way, w1 is the average thickness of the quantum well layer on the lowermost side (substrate side), w8 is the average thickness of the uppermost (surface side) quantum well layer. In each layer, the standard deviation of thickness in the Y-axis direction (see Equation 1 described later) and the coefficient of variation (CV value) are also shown.

試料は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて作製したLEDであって、一連の結晶成長プロセスの概略は図2(E)を用いて説明したものであるが、そのMQWの積層構造は、図3(C)に示したような5周期のものである。   The sample is an LED manufactured by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by the MOCVD method, and the outline of a series of crystal growth processes has been described with reference to FIG. The structure has a 5-cycle structure as shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に15mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は6.2×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.5×1017cm−3であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.1 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The substrate was doped with Si, and the Si concentration was 6.2 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 .

X線回折によると、(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は38.9arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.165°、a方向へのOFF角は0.05°であった。また、転位密度は5.8×10cm−2であった。 According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 38.9 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is −0.165 °, and the OFF angle in the a direction is 0.05. °. The dislocation density was 5.8 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、LED構造を作製した。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce an LED structure.

昇温工程は実施例8と同様に実施した。   The temperature raising step was performed in the same manner as in Example 8.

次の工程Bでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNH10L/分を供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを0L/分、H(30L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてTMGa
(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、アンドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた(工程B)。
In the next step B, NH 3 10 L / min was supplied as a gas constituting the first main flow. Further, as the gas constituting the second main flow, N 2 is 0 L / min, H 2 (30 L / min), and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is used as a carrier gas.
(0.0018 L / min as 100% concentration) was fed into the furnace. With such main flow gas supply, an undoped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 40 nm (step B).

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.0であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.0.

次の工程Cでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分で供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、H(40L/分)、メイン
フローの一部を構成するH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を供給した。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を1.7μmの厚みで成長させた。
In the next step C, NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. Further, as gas constituting the second main flow, TM 2 (concentration of 100%) using H 2 (40 L / min) and H 2 (0.5 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas is used. 0.0055 L / min), SiH 4 (concentration of 100) using H 2 (0.2 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas and H 2 (0.06 L / min) as a diluent gas. %, 6 × 10 −7 L / min). With this main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 1.7 μm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(25L/分)の混合ガスで25.5L/分、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.0であった。 At this time, the subflow was 25.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (25 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min with N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.0.

続く工程Dは、周期数を5周期とした以外は実施例8と全く同様の条件とした。
工程Eは実施例8と全く同様の条件とした。
Subsequent process D was made into the completely same conditions as Example 8 except having made the period number into 5 periods.
Step E was performed under the same conditions as in Example 8.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、若干の凹凸が確認された。表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=210nmであり、発光波長と相互作用しやすく、散乱機能が発現すると期待される程度の荒れが、自然に形成されていた。また、波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は423nm、その積分強度は相対値で11であった。   Some irregularities were confirmed on the surface of the substrate thus fabricated. When the surface was measured with a contact-type step meter, Ra = 210 nm, it was easy to interact with the emission wavelength, and the roughness that was expected to exhibit the scattering function was naturally formed. Further, in the PL characteristics evaluated by laser light excitation with a wavelength of 325 nm, the peak wavelength was 423 nm and the integrated intensity was 11 in relative value.

図8は、このようにして得たLEDから、実施例8と同様の手順によって得たHAADF−STEM像であり、図9は図8の画像処理後の結果である。   FIG. 8 is a HAADF-STEM image obtained from the LED thus obtained by the same procedure as in Example 8, and FIG. 9 is the result after the image processing of FIG.

表3は、画像処理の結果得られた本比較試料の各量子井戸層(w1〜w5)の平均厚み(nm)を纏めたもので、w1が最も下側(基板側)の量子井戸層の平均厚み、w5が最も上側(表面側)の量子井戸層の平均厚みである。また、各層において、Y軸方向の厚みの標準偏差(後述する数式1参照)と変動係数も同時に示す。   Table 3 summarizes the average thickness (nm) of each quantum well layer (w1 to w5) of this comparative sample obtained as a result of image processing, and w1 is the quantum well layer on the lowermost side (substrate side). The average thickness, w5, is the average thickness of the uppermost (surface side) quantum well layer. In each layer, the standard deviation of thickness in the Y-axis direction (see Formula 1 described later) and the coefficient of variation are also shown.

図10は、上述の実施例8および実施例9で示した量子井戸が基板側から積層されるに
つれて、各量子井戸層の平均厚みの標準偏差がどのように変化するかをプロットした図である。ここで、「各量子井戸層の平均厚み」は、既に説明したように、(1)HAADF−STEM像に二値化処理を施し、(2)各量子井戸層を楕円体近似して、(3)当該楕円体の長軸と画像の水平方向(X軸方向)とが平行になるように画像を回転させる。(4)各量子井戸層についてX軸方向の全画素に対して、Y軸方向の厚みを全て計測し、(5)「各量子井戸層の平均厚み・標準偏差・変動係数」を求めるという方法で算出したものである。なお、「変動係数」とは、「標準偏差」を「平均」で除した値(標準偏差/平均)である。
FIG. 10 is a graph plotting how the standard deviation of the average thickness of each quantum well layer changes as the quantum wells shown in Example 8 and Example 9 are stacked from the substrate side. . Here, as described above, the “average thickness of each quantum well layer” is as follows: (1) Binarization processing is performed on the HAADF-STEM image, (2) Each quantum well layer is approximated by an ellipsoid, 3) The image is rotated so that the major axis of the ellipsoid is parallel to the horizontal direction (X-axis direction) of the image. (4) A method of measuring all thicknesses in the Y-axis direction for all the pixels in the X-axis direction for each quantum well layer, and (5) obtaining “average thickness / standard deviation / variation coefficient of each quantum well layer”. It was calculated by. The “variation coefficient” is a value obtained by dividing “standard deviation” by “average” (standard deviation / average).

基板側からn周期積層したときの、平均厚みの標準偏差(各量子井戸層の平均厚みの標準偏差)y(n)(nm)は、下に示す(数式1)によって算出した。ここで、w(nm)は、基板側からn番目の量子井戸層の平均厚みである。 The standard deviation of the average thickness (standard deviation of the average thickness of each quantum well layer) y (n) (nm) when n cycles were laminated from the substrate side was calculated by (Formula 1) shown below. Here, w n (nm) is the mean thickness of the n-th quantum well layer from the substrate side.

なお、上式は、n>1で計算し、n=1の場合は平均厚みの標準偏差を0とする。 The above equation is calculated with n> 1, and when n = 1, the standard deviation of the average thickness is 0.

実施例8のものでは、各量子井戸層の平均厚みの標準偏差y(n)(nm)は量子井戸周期数nと概ねy(n)=0.0079(n−1)の関係を示し、各量子井戸層の平均厚みの標準偏差は極めて小さかった。これに対して、実施例9のものでは、概ねy(n)=0.0735(n−1)の関係にあり、量子井戸層を積層させるにつれて各量子井戸層の平均厚みの標準偏差が大きくなる傾向を示した。   In the example 8, the standard deviation y (n) (nm) of the average thickness of each quantum well layer shows a relationship of the quantum well period number n and approximately y (n) = 0.0079 (n−1), The standard deviation of the average thickness of each quantum well layer was extremely small. On the other hand, in Example 9, the relationship is generally y (n) = 0.0735 (n−1), and the standard deviation of the average thickness of each quantum well layer increases as the quantum well layers are stacked. Showed a tendency to become.

実施例8は各量子井戸層の厚みを何れも3.64nmで設計したものであり、実施例9は各量子井戸層の厚みを何れも4.80nmで設計しているが、上記の各量子井戸層の平均厚みの標準偏差y(n)(nm)の顕著な相違は、平均厚みの設計値の違いに起因するものではなく、量子井戸層の平坦性を含む結晶性の違いに起因するものである。   In Example 8, the thickness of each quantum well layer is designed to be 3.64 nm. In Example 9, the thickness of each quantum well layer is designed to be 4.80 nm. The remarkable difference in the standard deviation y (n) (nm) of the average thickness of the well layer is not caused by the difference in the design value of the average thickness, but is caused by the difference in crystallinity including the flatness of the quantum well layer. Is.

このように、本発明の窒化物半導体は、観察試料へのダメージの小さい条件下におけるHAADF-STEM法による評価で、各量子井戸層の平均厚みの標準偏差y(n)の量
子井戸周期数n依存性を確認することができる。ここに示されるとおり、量子井戸層の成長前に形成した第1の半導体層と第2の半導体層の成長条件を変更することによって、本発明における量子井戸活性層構造部の平坦性は、変化させることが可能である。
As described above, the nitride semiconductor of the present invention has a quantum well period n of the standard deviation y (n) of the average thickness of each quantum well layer as evaluated by the HAADF-STEM method under the condition that the damage to the observation sample is small. Dependency can be confirmed. As shown here, the flatness of the quantum well active layer structure in the present invention is changed by changing the growth conditions of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer formed before the growth of the quantum well layer. It is possible to make it.

また、特に、適切なゆらぎを有する場合においても、また、平坦な場合においても、多重に積層化をすることで、その量子井戸層の平均厚みに対する標準偏差は大きくなることが分かるが、本発明において適度なゆらぎを量子井戸層が有することは好ましく、この意味において、量子井戸の総数を適切な範囲で増加させることは好ましい。   In particular, it can be seen that the standard deviation with respect to the average thickness of the quantum well layer is increased by stacking multiple layers even in the case of having appropriate fluctuations and in the case of being flat. It is preferable that the quantum well layer has a moderate fluctuation in the above, and in this sense, it is preferable to increase the total number of quantum wells within an appropriate range.

本実施例は、実施例8と同様の試料を準備して、超高圧透過型電子顕微鏡(超高圧TE
M)で観察した結果を示すものである。汎用的なTEMにおいては、100〜400kV
程度の加速電圧を有するが、この程度の加速電圧では電子の有効透過能が高々数百nm程度であり、想定されるGaN基板上のエピタキシャル成長層の結晶欠陥や転位を観察するには十分でない。その理由は以下の通りである。
In this example, a sample similar to that in Example 8 was prepared, and an ultra high voltage transmission electron microscope (ultra high voltage TE
The results observed in M) are shown. In general-purpose TEM, 100 to 400 kV
Although the acceleration voltage is of the order, this effective acceleration voltage has an effective electron transmissivity of about several hundred nanometers at most, and is not sufficient for observing crystal defects and dislocations in the assumed epitaxial growth layer on the GaN substrate. The reason is as follows.

GaN基板上のGaN系材料のホモエピタキシャル成長においては、サファイア基板上
等になされるGaN系材料のヘテロエピタキシャル成長と異なり、十分に検討された良好なエピタキシャル成長を実現すれば、本質的には低転位化が可能と想定される。
Unlike homoepitaxial growth of GaN-based materials on sapphire substrates, etc., homoepitaxial growth of GaN-based materials on GaN substrates essentially reduces low dislocations if good epitaxial growth is fully studied. It is assumed that it is possible.

よって、結晶欠陥や転位の観察においては、たとえ低転位密度の試料であっても、観察視野内に転位を含み得るように、それなりの「厚み」を有するサンプルを作成する必要がある。このような厚みを有する試料をTEM観察するためには、観察時の電子加速電圧として1000kV以上が必要である。   Therefore, in observing crystal defects and dislocations, it is necessary to prepare a sample having a certain “thickness” so that dislocations can be included in the observation field even if the sample has a low dislocation density. In order to observe a sample having such a thickness by TEM, an electron acceleration voltage at the time of observation of 1000 kV or more is required.

このような電子加速電圧にすると、観察可能な試料厚みは1〜2μm程度ほどに厚膜化することができ、上述のような低転位密度のサンプルであっても、転位の観察が可能となる。また、このような厚みの試料を観察しても転位線を観察できなかった場合には、相当の低転位密度であることが予想されることになる。換言すると、高々数百nm厚程度のサンプルを観察して転位線が観察されなくとも、十分な低転位密度であると結論付けることはできないのである。   With such an electron acceleration voltage, the observable sample thickness can be increased to about 1 to 2 μm, and dislocations can be observed even with the low dislocation density sample as described above. . If dislocation lines cannot be observed even when a sample having such a thickness is observed, it is expected that the dislocation density is considerably low. In other words, it is impossible to conclude that the dislocation density is sufficiently low even if a dislocation line is not observed by observing a sample having a thickness of several hundred nm at most.

具体的には、高々数百nm程度の厚みを有するサンプルで、1視野分を観察して転位が観察されなければ、それはおおよそ転位密度が108(cm-2)程度以下であることが
示されるだけであるが、一方、1〜2μm程度ほどに厚膜化した試料を1視野観察をして転位が観察されない場合には、最大でも、107(cm-2)程度以下の低転位密度であ
ることが示される。
Specifically, in a sample having a thickness of about several hundreds nm at most, if dislocation is not observed by observing one visual field, it indicates that the dislocation density is about 108 (cm −2) or less. On the other hand, when dislocations are not observed by observing one field of a sample thickened to about 1 to 2 μm, the dislocation density is about 107 (cm −2) or less at the maximum. It is shown.

さらに、転位は電子線入射方向によっては観察が不可能になる場合もあるので、入射電子線はc軸方向と平行になるように調整することが好ましい。   Further, since dislocation may not be observed depending on the incident direction of the electron beam, the incident electron beam is preferably adjusted to be parallel to the c-axis direction.

このようなことを踏まえて、本実施例におけるTEM観察は、有効透過能が1μmを超える超高圧TEMを用い、電子線の加速電圧を1000kVとして使用した。また、試料厚みは約1.5μm程度とし、かつ、入射電子線はc軸方向と平行とした。なお、用いた超高圧TEM装置は、日本電子社製のJEM-ARM1000であった。   In view of the above, the TEM observation in this example was performed using an ultrahigh voltage TEM having an effective permeability exceeding 1 μm and an electron beam acceleration voltage of 1000 kV. The sample thickness was about 1.5 μm, and the incident electron beam was parallel to the c-axis direction. The ultra-high pressure TEM device used was JEM-ARM1000 manufactured by JEOL.

図11は、上記条件下での超高圧TEM観察像である。この写真に示されているように、結晶欠陥や転位等は観察されなかった。   FIG. 11 is an ultrahigh-pressure TEM observation image under the above conditions. As shown in this photograph, no crystal defects or dislocations were observed.

本実施例では、本発明の結晶成長手法で作製された多重量子井戸(MQW)層の発光特性をフォトルミネッセンス(PL)法により評価して、内部量子効率と発光寿命に優れたMQW構造となっていることを確認した。   In this example, the light emission characteristics of a multiple quantum well (MQW) layer manufactured by the crystal growth method of the present invention are evaluated by a photoluminescence (PL) method, and an MQW structure having excellent internal quantum efficiency and light emission lifetime is obtained. Confirmed that.

図3(D)は本実施例で用いた試料の積層構造を示す図、図2(F)はこの試料の結晶成長方法のシーケンスを説明するための図である。この試料では、周期数が5のInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が最上層に設けられている。   FIG. 3D is a diagram showing a stacked structure of a sample used in this example, and FIG. 2F is a diagram for explaining a sequence of a crystal growth method of this sample. In this sample, an InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 having a period number of 5 is provided in the uppermost layer.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に15mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は6.2×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型で、キャリア密度は6.5×1017cm−3であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.1 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The substrate was doped with Si, and the Si concentration was 6.2 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type, and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 .

X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は35arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.165°、a方向へのOFF角は0.05°であった。また、転位密度は4.9×10cm−2であった。 According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 35 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is -0.165 °, and the OFF angle in the a direction is 0.05 °. It was. The dislocation density was 4.9 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、量子井戸構造を作製した。第2の半導体層(Siドープn型GaN層)の厚みを2.5μmとした点、工程Dで成長させる量子井戸の周期数を5周期とした点、および、工程Eを行わずに降温した以外は、実施例1と同様の結晶成長条件とした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce a quantum well structure. The temperature of the second semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer) was 2.5 μm, the number of periods of the quantum well grown in step D was five, and the temperature was lowered without performing step E. The crystal growth conditions were the same as in Example 1 except for the above.

このようにして作製した基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=4.8nmであり、極めて平坦な表面となっていた。また、室温で波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は393nm、その積分強度は相対値で196と、極めて高いPL強度を示した。このような試料の内部量子効率およびPL発光寿命を、下記の要領で評価した。   When the surface of the substrate thus prepared was measured with a contact-type step meter, Ra = 4.8 nm, which was a very flat surface. Further, in the PL characteristics evaluated by excitation with laser light having a wavelength of 325 nm at room temperature, the peak wavelength was 393 nm, and the integrated intensity thereof was 196 in relative value, indicating a very high PL intensity. The internal quantum efficiency and PL emission lifetime of such a sample were evaluated as follows.

先ず、内部量子効率については、試料への照射光を連続波(Continuous Wave: CW)とした場合のPL(CW−PL)測定と、パルス光を照射した場合の時間分解PL測定を行なって評価した。   First, the internal quantum efficiency is evaluated by performing PL (CW-PL) measurement when the irradiation light to the sample is continuous wave (Continuous Wave: CW) and time-resolved PL measurement when irradiating pulse light. did.

図12は、CW−PL測定で用いた光学系のブロック図である。励起光源として波長325nmのHe−Cdレーザ101を用い、レーザ光の強度をNDフィルタ102で調整して、クライオスタット103の内部に納めた試料104に照射する。試料104からのPL光は、λ/4波長板105を通して分光器106で分光された後に光増倍管107で計測されて制御用コンピュータ108でデータ収集がなされる。なお、試料温度は13K〜300Kの範囲とし、試料表面でのレーザパワーは単位面積あたり150W/cmであった。この条件における光励起された定常的過剰キャリア密度は、1×1016cm−3から1×1017cm−3の範囲にあると推定される。 FIG. 12 is a block diagram of an optical system used in CW-PL measurement. A He—Cd laser 101 having a wavelength of 325 nm is used as an excitation light source, the intensity of the laser light is adjusted by the ND filter 102, and the sample 104 placed inside the cryostat 103 is irradiated. The PL light from the sample 104 is dispersed by the spectroscope 106 through the λ / 4 wavelength plate 105, measured by the photomultiplier tube 107, and collected by the control computer 108. The sample temperature was in the range of 13K to 300K, and the laser power on the sample surface was 150 W / cm 2 per unit area. The photoexcited steady excess carrier density in this condition is estimated to be in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .

このCW−PL測定の結果、13Kにおける多重量子井戸からのPL強度を発光エネルギーで積分した積分強度I(13K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(13K)の58%であった。   As a result of this CW-PL measurement, when the integrated intensity I (13K) obtained by integrating the PL intensity from the multiple quantum well at 13K with the emission energy is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K is I (13K). Of 58%.

図13は、時間分解PL測定(偏光フィルタあり)で用いた光学系のブロック図である。この時間分解PL測定では、波長可変パルスレーザ光源109とストリークスコープ(浜松フォトニクス製)112からなる光学系を用いた。波長可変パルスレーザ光源は、モードロックTi:サファイアレーザー、Ti:サファイア再生増幅器、光パラメトリック増幅器および高調波発生結晶により構成された。パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。   FIG. 13 is a block diagram of an optical system used in time-resolved PL measurement (with a polarizing filter). In this time-resolved PL measurement, an optical system including a tunable pulse laser light source 109 and a streak scope (manufactured by Hamamatsu Photonics) 112 was used. The tunable pulse laser light source was composed of a mode-locked Ti: sapphire laser, a Ti: sapphire regenerative amplifier, an optical parametric amplifier, and a harmonic generation crystal. The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs.

活性層構造に内在する単層また複数の層を有する量子井戸層の光学的品質を直接的に評価するのに選択励起によるPL測定が有効である。例えば複数の量子井戸層を選択励起するためには、GaNのバンドギャップよりも小さく且つInGaN量子井戸層のバンドギャップよりも大きなエネルギーをもつ光を選ぶ必要があるため、波長可変パルスレーザの波長は370nmとした。パルスエネルギーを紫外用NDフィルタ102により調整した後、液体Heで冷却可能なクライオスタット103内の試料104に照射される。試料104からのPLは、偏光フィルタ110および偏光解消子111を通って分光器106で分散された後にストリークスコープ112に導かれる。なお、試料温度は、4Kから300Kまで変えて測定を行った。   PL measurement by selective excitation is effective for directly evaluating the optical quality of a quantum well layer having a single layer or a plurality of layers inherent in the active layer structure. For example, in order to selectively excite a plurality of quantum well layers, it is necessary to select light having energy smaller than the band gap of GaN and larger than the band gap of the InGaN quantum well layer. It was 370 nm. After the pulse energy is adjusted by the ultraviolet ND filter 102, the sample 104 in the cryostat 103 that can be cooled by the liquid He is irradiated. The PL from the sample 104 passes through the polarizing filter 110 and the depolarizer 111 and is dispersed by the spectroscope 106 and then guided to the streak scope 112. The sample temperature was changed from 4K to 300K.

偏光フィルタ110は集光レンズ(不図示)と分光器106との間に配置され、試料104のc軸に垂直な電場成分をもつ光を選択的に透過させて分光器106に取り込むために用いている。また、偏光解消子111は、分光器106の回折特性の偏光依存性の影響を受けないようにするためのものである。試料104に照射されるパルスエネルギーはパワーメータによりパワー測定し、繰り返し周波数で除算することにより求めた。単位面積当たりのパルスエネルギー密度は1400nJ/cmであった。 The polarizing filter 110 is disposed between a condenser lens (not shown) and the spectroscope 106, and is used to selectively transmit light having an electric field component perpendicular to the c-axis of the sample 104 into the spectroscope 106. ing. The depolarizer 111 is for preventing the influence of the polarization dependence of the diffraction characteristics of the spectroscope 106. The pulse energy applied to the sample 104 was determined by measuring the power with a power meter and dividing by the repetition frequency. The pulse energy density per unit area was 1400 nJ / cm 2 .

本実験で準備した窒化物半導体層に内在するひとつの量子井戸層の励起波長における正確な吸収係数αの値は不明であるが、1×10cm−1から1×10cm−1の範囲が妥当な値の範囲ではないかと考えられる。ひとつの量子井戸層における吸収係数αを1×10cm−1とすると、窒化物半導体層に内在するすべての量子井戸層に励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ3×1016cm−3と見積もられる。同様に、吸収係数αが5×10cm−1の場合には、励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ1×1017cm−3と見積もられ、吸収係数αが1×10cm−1の場合には、励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ3×1017cm−3と見積もられる。 Although the exact value of the absorption coefficient α at the excitation wavelength of one quantum well layer inherent in the nitride semiconductor layer prepared in this experiment is unknown, it is 1 × 10 4 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1 . The range is considered to be a valid range. When the absorption coefficient α in one quantum well layer is 1 × 10 4 cm −1 , the average excess carrier density excited in all the quantum well layers inherent in the nitride semiconductor layer is approximately 3 × 10 16 cm −3. It is estimated. Similarly, when the absorption coefficient α is 5 × 10 4 cm −1 , the average excess carrier density to be excited is estimated to be approximately 1 × 10 17 cm −3, and the absorption coefficient α is 1 × 10 5 cm. In the case of −1, the average excess carrier density excited is estimated to be approximately 3 × 10 17 cm −3 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の93%で
あった。
As a result of this time-resolved PL measurement, the transient response of PL emission from a multiple quantum well at 4K is time-integrated to obtain the PL intensity, and further, the integrated intensity I (4K) obtained by integrating this with the emission energy is set to 1, and at 300K Similar integrated intensity I (300K) was 93% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を1400nJ/c
とした、時間分解PL測定(偏光フィルタあり)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めた。PL強度の減衰曲線において最大強度から最大強度の1/eの強度となるまでの時間をPL寿命と定義すると、当該PL寿命τ(PL)は3.6nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は4.4ns、非発光再結合寿命τ(NR)は20.6nsであった。なお、発光再結合寿命τ(R)は内部量子効率をηとして式τ(R)=τ(PL)/ηにより、非発光再結合寿命τ(NR)は式τ(NR)=τ(PL)/(1−η)より、それぞれ求められた。この結果、τ(R)<τ(
NR)であった。
Also, at 300K, the pulse energy density per unit area is 1400 nJ / c.
The PL lifetime was determined from the transient response (attenuation curve) with respect to time of the PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (with a polarizing filter), which was m 2 . When the time from the maximum intensity to 1 / e of the maximum intensity in the PL intensity decay curve was defined as the PL life, the PL life τ (PL) was 3.6 nsec. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 4.4 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 20.6 ns. The luminescence recombination lifetime τ (R) is expressed by the equation τ (R) = τ (PL) / η, where η is the internal quantum efficiency, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) is expressed by the equation τ (NR) = τ (PL ) / (1-η). As a result, τ (R) <τ (
NR).

図14は、時間分解PL測定(偏光フィルタなし)で用いた光学系のブロック図で、図13のものとは偏光フィルタ110を抜いている点でのみ異なる。   FIG. 14 is a block diagram of an optical system used in time-resolved PL measurement (without a polarizing filter), which differs from that in FIG. 13 only in that the polarizing filter 110 is omitted.

パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。波長可変パルスレーザ光源は、モードロックTi:サファイアレーザー、Ti:サファイア再生増幅器、光パラメトリック増幅器および高調波発生結晶により構成された。   The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs. The tunable pulse laser light source was composed of a mode-locked Ti: sapphire laser, a Ti: sapphire regenerative amplifier, an optical parametric amplifier, and a harmonic generation crystal.

活性層構造に内在する単層また複数の層を有する量子井戸層の光学的品質を直接的に評価するのには、選択励起によるPL測定が有効である。例えば、複数の量子井戸層を選択励起するためには、GaNのバンドギャップよりも小さく且つInGaN量子井戸層のバンドギャップよりも大きなエネルギーをもつ光を選ぶ必要があるため、波長可変パルスレーザの波長は370nmとした。   In order to directly evaluate the optical quality of a quantum well layer having a single layer or a plurality of layers inherent in the active layer structure, PL measurement by selective excitation is effective. For example, in order to selectively excite a plurality of quantum well layers, it is necessary to select light having energy smaller than the band gap of GaN and larger than the band gap of InGaN quantum well layers. Was 370 nm.

パルスエネルギーを紫外用NDフィルタ102により調整した後、液体Heで冷却可能なクライオスタット103内の試料104に照射される。試料104からのPLは、偏光解消子111を通って分光器106で分散された後にストリークスコープ112に導かれる。なお、試料温度は、4Kから300Kまで変えて測定を行った。試料104に照射されるパルスエネルギーはパワーメータによりパワー測定し、繰り返し周波数で除算することにより求めた。単位面積当たりのパルスエネルギー密度は510nJ/cmであった
After the pulse energy is adjusted by the ultraviolet ND filter 102, the sample 104 in the cryostat 103 that can be cooled by the liquid He is irradiated. The PL from the sample 104 passes through the depolarizer 111 and is dispersed by the spectroscope 106 and then guided to the streak scope 112. The sample temperature was changed from 4K to 300K. The pulse energy applied to the sample 104 was determined by measuring the power with a power meter and dividing by the repetition frequency. The pulse energy density per unit area was 510 nJ / cm 2 .

本実験で準備した窒化物半導体層に内在するひとつの量子井戸層の励起波長における正確な吸収係数αの値は不明であるが、1×10cm−1から1×10cm−1の範囲
が妥当な値の範囲ではないかと考えられる。ひとつの量子井戸層における吸収係数αを1×10cm−1とすると、窒化物半導体層に内在するすべての量子井戸層に励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ1×1016cm−3と見積もられる。同様に、吸収係数αが5×10cm−1の場合には、励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ5×1016cm−3と見積もられ、吸収係数αが1×10cm−1の場合には、励起される平均的過剰キャリア密度はおおよそ1×1017cm−3と見積もられる。
Although the exact value of the absorption coefficient α at the excitation wavelength of one quantum well layer inherent in the nitride semiconductor layer prepared in this experiment is unknown, it is 1 × 10 4 cm −1 to 1 × 10 5 cm −1 . The range is considered to be a valid range. When the absorption coefficient α in one quantum well layer is 1 × 10 4 cm −1 , the average excess carrier density excited in all the quantum well layers inherent in the nitride semiconductor layer is approximately 1 × 10 16 cm −3. It is estimated. Similarly, when the absorption coefficient α is 5 × 10 4 cm −1 , the average excess carrier density excited is estimated to be approximately 5 × 10 16 cm −3, and the absorption coefficient α is 1 × 10 5 cm. In the case of −1, the average excess carrier density excited is estimated to be approximately 1 × 10 17 cm −3 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の60%で
あった。
As a result of this time-resolved PL measurement, the transient response of PL emission from a multiple quantum well at 4K is time-integrated to obtain the PL intensity, and further, the integrated intensity I (4K) obtained by integrating this with the emission energy is set to 1, and at 300K A similar integrated intensity I (300K) was 60% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を510nJ/cm
とした時間分解PL測定(偏光フィルタなし)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めた。PL強度の減衰曲線において最大強度から最大強度の1/eの強度となるまでの時間をPL寿命と定義すると、当該PL寿命τ(PL)は2.5nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は4.1ns、非発光再結合寿命τ(NR)は6.3nsであった。なお、発光再結合寿命τ(R)は内部量子効率をηとして式τ(R)=τ(PL)/ηにより、非発光再結合寿命τ(NR)は式τ(NR)=τ(PL)/(1−η)より、それぞれ求められた。
Further, at 300 K, the pulse energy density per unit area is 510 nJ / cm.
The PL lifetime was obtained from the transient response (attenuation curve) with respect to time of the PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) of 2. When the time from the maximum intensity to 1 / e of the maximum intensity in the PL intensity decay curve was defined as the PL life, the PL life τ (PL) was 2.5 nsec. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 4.1 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 6.3 ns. The luminescence recombination lifetime τ (R) is expressed by the equation τ (R) = τ (PL) / η, where η is the internal quantum efficiency, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) is expressed by the equation τ (NR) = τ (PL ) / (1-η).

本実施例で得られた上述の内部量子効率は、従来知られていた値に比較して顕著に高い値であり、非発光再結合寿命τ(NR)とPL寿命τ(PL)も顕著に長い値となっている。これらは本発明の手法で作製された窒化物半導体結晶の高品質性を裏付けるものであるが、これを明らかにするために、以下に、PL原理と内部量子効率の励起光強度依存性についての説明を加える。   The above-mentioned internal quantum efficiency obtained in this example is a significantly higher value than conventionally known values, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) and the PL lifetime τ (PL) are also significant. Long value. These support the high quality of the nitride semiconductor crystal produced by the method of the present invention. In order to clarify this, the PL principle and the dependence of the internal quantum efficiency on the excitation light intensity are described below. Add a description.

図15は、半導体結晶中で生じる発光再結合および非発光再結合を説明するためのバンドダイアグラムである。この図に示すように、エネルギーhνの光で励起されて生成される電子−正孔対は、伝導帯下端と価電子帯上端の間で直接再結合してエネルギーを光として放出する発光再結合をするか、あるいは、禁制帯中に形成された欠陥レベル等を介して再結合し、エネルギーを光以外として(主に熱として)放出する非発光再結合をして、消滅する。   FIG. 15 is a band diagram for explaining radiative recombination and non-radiative recombination occurring in a semiconductor crystal. As shown in this figure, the electron-hole pair generated by excitation with light of energy hν is directly recombined between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band to emit energy as light. Or recombination via a defect level or the like formed in the forbidden band to cause non-radiative recombination that emits energy other than light (mainly as heat) and disappears.

このようなプロセスにおける「発光再結合寿命τ(R)」は、励起光により生成されたキャリアが発光再結合する際に生成キャリアの総数が初期の1/eに減少するまでの時間で定義され、同様に、非発光再結合により生成キャリアの総数が初期の1/eに減少するまでの時間が「非発光再結合寿命τ(NR)」とされる。   The “emission recombination lifetime τ (R)” in such a process is defined as the time until the total number of generated carriers is reduced to 1 / e of the initial time when the carriers generated by the excitation light are recombined by luminescence. Similarly, the time until the total number of generated carriers is reduced to 1 / e of the initial value due to non-radiative recombination is defined as “non-radiative recombination lifetime τ (NR)”.

内部量子効率ηはη=1/(1+τ(R)/τ(NR))で表され、τ(R)が短くτ(NR)
が長ければ、内部量子効率ηは高くなる。
The internal quantum efficiency η is expressed by η = 1 / (1 + τ (R) / τ (NR)), and τ (R) is short and τ (NR)
Is longer, the internal quantum efficiency η is higher.

上述の時間分解PL法は、光パルス励起により生成された電子−正孔対の発光の過渡応答を観測可能な手法である。PL発光が減衰して、最大強度の1/eになるまでの時間をτ(PL)とすると、τ(PL)は発光再結合と非発光再結合の競合で決まり、1/τ(PL)=1/τ(R)+1/τ(NR)で与えられる。   The above-described time-resolved PL method is a method capable of observing the transient response of light emission of electron-hole pairs generated by light pulse excitation. Assuming that τ (PL) is the time required for PL light emission to decay to 1 / e of the maximum intensity, τ (PL) is determined by the competition between luminescent recombination and non-radiative recombination, and 1 / τ (PL) = 1 / τ (R) + 1 / τ (NR).

試料の結晶性が悪く結晶欠陥の量が多い場合には、上記再結合のうちの非発光再結合が起こりやすくなる。このため、τ(NR)が短くなり、結果的にτ(PL)が短くなる。   When the crystallinity of the sample is poor and the amount of crystal defects is large, non-radiative recombination among the recombination tends to occur. For this reason, τ (NR) is shortened, and as a result, τ (PL) is shortened.

一方、試料の結晶性が良く、非発光再結合の寄与が小さい場合であっても、τ(R)が短い場合にはτ(PL)は短くなる。試料の結晶性が良く結晶欠陥の量が小さい場合には、τ(NR)が長くなり、結果的にτ(PL)が長くなる。   On the other hand, even if the crystallinity of the sample is good and the contribution of non-radiative recombination is small, τ (PL) is short when τ (R) is short. When the crystallinity of the sample is good and the amount of crystal defects is small, τ (NR) becomes long and consequently τ (PL) becomes long.

ここで、非発光再結合過程は熱励起型であるため、温度が高いほど非発光再結合過程の寄与は大きくなる。従って、試料温度を極低温として測定した場合には、非発光再結合過程の寄与(影響)はほとんど無視できることとなる。このような理由から、内部量子効率ηを実験的に求める際には、極低温における発光強度を1としたときの、室温での発光強度の相対値を用いることが多い。さらに、非発光再結合過程は、生成されたキャリア密度が低いほど、その寄与は大きくなる。換言すると、非発光再結合過程はキャリア密度が高くなると飽和し、相対的に発光再結合過程の寄与が増大するため、内部量子効率ηは見かけ上、大きくなる傾向にある。   Here, since the non-radiative recombination process is a thermal excitation type, the higher the temperature, the greater the contribution of the non-radiative recombination process. Therefore, when the sample temperature is measured at a very low temperature, the contribution (influence) of the non-radiative recombination process is almost negligible. For these reasons, when experimentally determining the internal quantum efficiency η, the relative value of the emission intensity at room temperature when the emission intensity at an extremely low temperature is 1 is often used. Furthermore, the contribution of the non-radiative recombination process increases as the density of generated carriers decreases. In other words, the non-radiative recombination process saturates as the carrier density increases, and the contribution of the radiative recombination process relatively increases, so the internal quantum efficiency η tends to increase apparently.

図16は、光パルスで励起した場合の多重量子井戸構造の内部量子効率の励起エネルギー密度依存性を実験的に調べた結果を示す図である。この図に示した結果から、励起エネルギー密度が500nJ/cm程度と低い場合には、内部量子効率は数%程度と非常に小さい。しかし、同じ試料であっても、300000nJ/cmを超えるような高い励起エネルギー密度の場合には、内部量子効率は90%以上にも達する。 FIG. 16 is a diagram showing a result of an experimental investigation of the excitation energy density dependence of the internal quantum efficiency of the multiple quantum well structure when excited by an optical pulse. From the results shown in this figure, when the excitation energy density is as low as about 500 nJ / cm 2 , the internal quantum efficiency is as small as about several percent. However, even in the same sample, the internal quantum efficiency reaches 90% or more in the case of a high excitation energy density exceeding 300000 nJ / cm 2 .

この結果は、試料間の結晶性の優劣をPL法で正しく評価するためには、非発光再結合過程の影響が強く反映される低励起エネルギー密度条件で行なう必要があることを意味している。つまり、PL法で評価する際の励起エネルギー密度は、2000nJ/cm以下程度の低い励起エネルギー密度とし、光によって生成される過剰キャリア密度を1016(cm−3)の後半から1017(cm−3)の前半程度にすることが必要である。従来の報告の中には、このような基礎的検討に基づかずに、高励起エネルギー密度条件下で、すなわち、本質的には活性層構造内に生成する光励起過剰キャリア密度が過度に高密度な条件下で、PL評価を行なっていた例が少なくない。しかし、かかる条件下で内部量子効率を求めても、結晶品質を反映しない「見かけ上」の高い値が得られるだけであって、正しい結晶性評価とはなっていない。 This result means that in order to correctly evaluate the superiority or inferiority of the crystallinity between samples by the PL method, it is necessary to carry out under a low excitation energy density condition in which the influence of the non-radiative recombination process is strongly reflected. . That is, the excitation energy density at the time of evaluating by the PL method is a low excitation energy density of about 2000 nJ / cm 2 or less, and the excess carrier density generated by light is 10 17 (cm −3 ) from the second half of 10 16 (cm −3 ). -3 ) It is necessary to make it about the first half. In the conventional reports, the photoexcited excess carrier density generated under the high excitation energy density condition, that is, essentially in the active layer structure is not excessively high. There are many examples of PL evaluation under the conditions. However, even if the internal quantum efficiency is obtained under such conditions, a high value of “apparent” that does not reflect the crystal quality is obtained, and the crystallinity is not correctly evaluated.

よって、本明細書中でいう低励起密度条件のPL測定とは、非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に形成された窒化物半導体が、少なくとも光学的な活性層構造とみなしうる層を含み、この活性層構造内において、光によって生成される過剰キャリア密度を1016(cm−3)の後半から1017(cm−3)の前半程度にして、PL測定を行うことを指すものである。さらには、活性層構造が多重量子井戸活性層である場合には、全量子井戸層における平均的な、光励起過剰キャリア密度を1016(cm−3)の後半から1017(cm−3)の前半程度にして、PL測定を行うことを指すものである。 Therefore, the PL measurement under the low excitation density condition in this specification means that the nitride semiconductor formed on the nitride main surface of the substrate that is a nonpolar nitride is at least an optically active layer structure. In this active layer structure, the excess carrier density generated by light is changed from the second half of 10 16 (cm −3 ) to the first half of 10 17 (cm −3 ) in this active layer structure. It is what you point to. Furthermore, when the active layer structure is a multi-quantum well active layer, the average photoexcited excess carrier density in all quantum well layers is from 10 16 (cm −3 ) to 10 17 (cm −3 ). This means that the PL measurement is performed in the first half.

よって、測定する対象物の構造が変化した際には、適切に、その光励起エネルギー密度や光励起パワー密度を変化させて、活性層構造内、あるいは量子井戸活性層構造の場合には量子井戸層における光励起過剰キャリア密度を低密度にする事が、正しい結晶性評価に必要である。   Therefore, when the structure of the object to be measured changes, the photoexcitation energy density or photoexcitation power density is appropriately changed, and in the quantum well active layer structure or in the quantum well active layer structure. It is necessary for the correct crystallinity evaluation to reduce the photoexcited excess carrier density.

本実施例では、低励起エネルギー密度条件でPL測定が行なわれており、cw−PL測定では励起パワー密度150W/cmで58%(I(300K)/I(13K)=58%)や、時間分解PL測定においては励起エネルギー密度1400nJ/cmで93%(I(300K)/I(4K)=93%)、励起エネルギー密度510nJ/cmで60%(I(300K)/I(4K)=60%)が得られているという事実は、従来の窒化物半導体結晶に比較して格段に高い結晶性を有していることを意味している。 In this example, PL measurement is performed under low excitation energy density conditions. In cw-PL measurement, 58% (I (300K) / I (13K) = 58%) at an excitation power density of 150 W / cm 2 , In the time-resolved PL measurement, the excitation energy density is 1400 nJ / cm 2 and is 93% (I (300K) / I (4K) = 93%), and the excitation energy density is 510 nJ / cm 2 and 60% (I (300K) / I (4K). ) = 60%) means that the crystallinity is much higher than that of a conventional nitride semiconductor crystal.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略を図2(G)に示す。また、成長した層構成は図3(E)に模式的に示した。   This embodiment is an example in which a near-ultraviolet LED is fabricated by laminating and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD. An outline of a series of crystal growth processes is shown in FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.0mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は7.0×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は37.5arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.28°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度は5.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.0 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 7.0 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 37.5 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is −0.28 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. Met. The dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)は、まず、第1の昇温工程tとして、炉内にメインフローとしてHを10L/分供給しながら昇温させ、基体の温度が400℃になったところで第2の昇温工程tを開始した。そこでは、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを7.5L/分供給し、第2メインフローを構成するガスとしてHを12.5L/分供給した。 In the temperature raising step (step A), first, as the first temperature raising step t B , the temperature is raised while supplying H 2 at 10 L / min as the main flow into the furnace, and the temperature of the substrate reaches 400 ° C. It was initiated the second heating step t a. There, NH 3 was supplied at 7.5 L / min as a gas constituting the first main flow, and H 2 was supplied at 12.5 L / min as a gas constituting the second main flow.

その後、NHとHをそれぞれ10L/分、30L/分に増加させながら、基板温度をさらに1000℃まで昇温させた。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。第2の昇温工程における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは、昇温工程全体にわたって0であった。 Thereafter, the substrate temperature was further raised to 1000 ° C. while increasing NH 3 and H 2 to 10 L / min and 30 L / min, respectively. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. In the second temperature raising step, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0 throughout the temperature raising step.

第1の成長工程(工程B)では、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分で供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、H(40L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を供給した。このときFpは0.0であった。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた。 In the first growth step (step B), NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. Further, as gas constituting the second main flow, TM 2 (concentration of 100%) using H 2 (40 L / min) and H 2 (0.5 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas is used. 0.0055 L / min), SiH 4 (concentration of 100) using H 2 (0.2 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas and H 2 (0.06 L / min) as a diluent gas. %, 6 × 10 −7 L / min). At this time, Fp was 0.0. With this main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 40 nm.

第2の成長工程(工程C)は、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分で供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、H(40L/
分)、メインフローの一部を構成するH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を供給した。このときFpは0.0であった。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を3.96μmの厚みで成長させた。
In the second growth step (step C), NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. The gas constituting the second main flow is H 2 (40 L /
Min), TMGa (0.0055 L / min as 100% concentration) using H 2 (0.5 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas, and H 2 (0 SiH 4 (6 × 10 −7 L / min with a concentration of 100%) was supplied with a carrier gas of .2 L / min) and a diluent gas of H 2 (0.06 L / min). At this time, Fp was 0.0. With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 3.96 μm.

第3の工程中の工程Dは、MQWの周期数を8とした以外は実施例9と全く同様の条件とした。   Step D in the third step was performed under the same conditions as in Example 9 except that the MQW cycle number was set to 8.

第3の工程中の工程Eは、実施例9と全く同様の条件とした。   The process E in the third process was performed under the same conditions as in Example 9.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、若干の凹凸が確認された。表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=244nmであり、発光波長と相互作用がしやすく散乱機能が発現すると期待される程度の荒れが、自然に形成されていた。また、波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は422nm、その積分強度は相対値で10であった。   Some irregularities were confirmed on the surface of the substrate thus fabricated. When the surface was measured with a contact-type profilometer, Ra = 244 nm, and the roughness that was expected to exhibit a scattering function that easily interacted with the emission wavelength was naturally formed. Further, in the PL characteristics evaluated by excitation with laser light having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength was 422 nm, and the integrated intensity was 10 as a relative value.

表4は、上記の試料を実施例8および実施例9と同様の手順によってHAADF−STEM像を観察し、その結果得られた本比較試料の各量子井戸層(w1〜w8)の平均厚み(nm)を纏めたもので、w1が最も下側(基板側)の量子井戸層の平均厚み、w8が最も上側(表面側)の量子井戸層の平均厚みである。また、各層のピクセル間の標準偏差と変動係数も同時に示す。   Table 4 shows the average thickness of each quantum well layer (w1 to w8) of the comparative sample obtained as a result of observing the HAADF-STEM image of the above sample by the same procedure as in Example 8 and Example 9. nm), w1 is the average thickness of the lowermost (substrate side) quantum well layer, and w8 is the average thickness of the uppermost (surface side) quantum well layer. In addition, the standard deviation and coefficient of variation between pixels in each layer are also shown.

[比較例1] [Comparative Example 1]

本比較例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略を図2(H)に示す。また、成長した層構成は図3(E)に模式的に示した。   This comparative example is an example in which a gallium nitride based semiconductor thin film is laminated and grown by MOCVD to produce a near-ultraviolet LED, and a series of crystal growth processes is schematically shown in FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に3.9mm、a軸方向に15mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は7.4×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は36.5arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.31°、a方向へのOFF角は0.02°であった。また、転位密度は5.2×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 3.9 mm in the c-axis direction and 15 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 7.4 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 36.5 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is -0.31 °, and the OFF angle in the a direction is 0.02 °. Met. The dislocation density was 5.2 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)は実施例12と同様に行った。   The temperature raising step (step A) was performed in the same manner as in Example 12.

ついで、基板温度が1000℃に達してから、NHとHをそれぞれ10L/分、30L/分、供給を継続し、その状態で15分間待機し、基板表面のクリーニングをおこなった。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。
このとき、Fp=0であった。
Then, after the substrate temperature reached 1000 ° C., NH 3 and H 2 were continuously supplied at 10 L / min and 30 L / min, respectively, and in this state, the substrate was waited for 15 minutes to clean the substrate surface. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min.
At this time, Fp = 0.

第1の成長工程(工程B)では、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分で供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、H(40L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を供給した。このときFpは0.0であった。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を5nmの厚みで成長させた。 In the first growth step (step B), NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. Further, as gas constituting the second main flow, TM 2 (concentration of 100%) using H 2 (40 L / min) and H 2 (0.5 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas is used. 0.0055 L / min), SiH 4 (concentration of 100) using H 2 (0.2 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas and H 2 (0.06 L / min) as a diluent gas. %, 6 × 10 −7 L / min). At this time, Fp was 0.0. The Si-doped GaN layer (first nitride semiconductor layer) was grown with a thickness of 5 nm by such main flow gas supply.

第2の成長工程(工程C)は、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分で供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、H(40L/
分)、メインフローの一部を構成するH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(濃度100%として0.0055L/分)、メインフローの一部を構成するH(0.2L/分)をキャリアガスとし、かつ、H(0.06L/分)を希釈ガスとするSiH(濃度100%として6×10−7L/分)を供給した。このときFpは0.0であった。このようなメインフローのガス供給により、SiドープGaN層(第2の窒化物半導体層)を45nmの厚みで成長させた。
In the second growth step (step C), NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. The gas constituting the second main flow is H 2 (40 L /
Min), TMGa (0.0055 L / min as 100% concentration) using H 2 (0.5 L / min) constituting a part of the main flow as a carrier gas, and H 2 (0 SiH 4 (6 × 10 −7 L / min with a concentration of 100%) was supplied with a carrier gas of .2 L / min) and a diluent gas of H 2 (0.06 L / min). At this time, Fp was 0.0. With such main flow gas supply, a Si-doped GaN layer (second nitride semiconductor layer) was grown to a thickness of 45 nm.

第3の工程中の工程Dは、実施例12と同様に行った。   Step D in the third step was performed in the same manner as in Example 12.

第3の工程中の工程Eは、実施例12と同様に行った。   Step E in the third step was performed in the same manner as in Example 12.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

この結果、本実施例のもののRaは85nmと、形成された凹凸は小さく、一般的な近紫外、可視域までの光と相互作用をしにくく、LEDとした際の光取り出し効果もあまり期待できないものであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は400nmであった。また、PL積分強度は1と、極めて低かった。   As a result, the Ra of the present example is 85 nm and the formed unevenness is small, it is difficult to interact with light in the general near-ultraviolet and visible regions, and the light extraction effect when used as an LED cannot be expected so much. It was a thing. Moreover, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength was 400 nm. Further, the PL integral intensity was as extremely low as 1.

表5は、上記の試料を実施例8、実施例9、実施例12と同様の手順によってHAADF−STEM像を観察し、その結果得られた本比較試料の各量子井戸層(w1〜w8)の平均厚み(nm)を纏めたもので、w1が最も下側(基板側)の量子井戸層の平均厚み、w8が最も上側(表面側)の量子井戸層の平均厚みである。また、各層の厚みの標準偏差と変動係数も同時に示す。   Table 5 shows the HAADF-STEM images of the above samples in the same procedure as in Example 8, Example 9, and Example 12, and the respective quantum well layers (w1 to w8) of this comparative sample obtained as a result. The average thickness (nm) is summarized, where w1 is the average thickness of the lowermost (substrate side) quantum well layer and w8 is the average thickness of the uppermost (surface side) quantum well layer. Moreover, the standard deviation and variation coefficient of the thickness of each layer are also shown simultaneously.

実施例8、実施例9、実施例12、および比較例1の量子井戸層の厚みの標準偏差とCV値から、工程B,CでFpが小さい場合には、Y軸方向の厚みの標準偏差、及び変動係数が大きくすることができることは明らかである。各例のY軸方向厚みの標準偏差と変動係数の平均値を、以下の表6に纏めた。   From the standard deviation of the thickness of the quantum well layer and the CV value of Example 8, Example 9, Example 12, and Comparative Example 1, when Fp is small in Steps B and C, the standard deviation of the thickness in the Y-axis direction Obviously, and the coefficient of variation can be increased. The standard deviation of the thickness in the Y-axis direction and the average value of the coefficient of variation for each example are summarized in Table 6 below.

表6から、実施例8の試料では、平均値を見ると、厚みの標準偏差が0.28、変動係数が0.076であり、実施例9、実施例12、および比較例1の試料に比べて膜厚揺らぎが顕著に小さい。このように厚みの標準偏差、及び変動係数が小さい場合は、内部量子効率の観点からは好ましい。後述する表7を見てもこれは明らかである。よって、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くするためには、標準偏差として0.45nm以下、変動係数として0.1以下が好ましい。   From Table 6, in the sample of Example 8, when the average value is seen, the standard deviation of the thickness is 0.28 and the coefficient of variation is 0.076, and in the samples of Example 9, Example 12, and Comparative Example 1, In comparison, the film thickness fluctuation is remarkably small. Thus, when the standard deviation of thickness and a variation coefficient are small, it is preferable from a viewpoint of internal quantum efficiency. This is also clear from Table 7 described later. Therefore, in order to relatively increase the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure, it is preferable that the standard deviation is 0.45 nm or less and the variation coefficient is 0.1 or less.

本実施例では、種々の結晶成長手法で作製された多重量子井戸(MQW)層の発光特性をフォトルミネッセンス(PL)法により評価した。   In this example, the light emission characteristics of a multiple quantum well (MQW) layer manufactured by various crystal growth methods were evaluated by a photoluminescence (PL) method.

図3(D)は本実施例で用いた試料の積層構造を示す図、図2(I)はこの試料の結晶成長方法のシーケンスを説明するための図である。この試料では、周期数が5のInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が最上層に設けられている。   FIG. 3D is a diagram showing a stacked structure of a sample used in this example, and FIG. 2I is a diagram for explaining a sequence of a crystal growth method of this sample. In this sample, an InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 having a period number of 5 is provided in the uppermost layer.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に18mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は6.2×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型で、キャリア密度は6.5×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は32.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−
0.125°、a方向へのOFF角は0.02°であった。また、転位密度は5.0×10cm−2であった。
As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.1 mm in the c-axis direction and 18 mm in the a-axis direction. The substrate was doped with Si, and the Si concentration was 6.2 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type, and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 32.2 arcsec, and the OFF angle in the c (+) direction is −
The OFF angle in the a direction was 0.12 ° and 0.02 °. The dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、量子井戸構造を作製した。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce a quantum well structure.

反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)、は実施例9と同様とした。   The temperature raising step (step A) was the same as in Example 9.

第1の成長工程(工程B)は、実施例9と同様に実施した。   The first growth step (step B) was performed in the same manner as in Example 9.

第2の成長工程(工程C)は、第2の半導体層(Siドープn型GaN層)の厚みを2.5μmとした点を除けば実施例9と同様に実施した。   The second growth step (step C) was performed in the same manner as in Example 9 except that the thickness of the second semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer) was 2.5 μm.

第3の工程中の工程Dは、実施例9と同様に実施した。   Step D in the third step was performed in the same manner as in Example 9.

第3の工程中の工程Eは、実施しなかった。   Step E in the third step was not performed.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=185nmであり、発光波長と相互作用がしやすく散乱機能が発現すると期待される程度の荒れが、自然に形成されていた。また、室温で波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は397nm、その積分強度は相対値で37であった。このような試料の内部量子効率およびPL発光寿命を、下記の要領で評価した。   When the surface of the substrate thus prepared was measured with a contact-type step meter, Ra = 185 nm, and the roughness that is expected to exhibit a scattering function that easily interacts with the emission wavelength is naturally formed. It was. Further, in the PL characteristics evaluated by excitation with laser light having a wavelength of 325 nm at room temperature, the peak wavelength was 397 nm and the integrated intensity was 37 as a relative value. The internal quantum efficiency and PL emission lifetime of such a sample were evaluated as follows.

上述の構造のもののPL特性を評価した。なお、当該評価で用いた光学系のセットアップは、実施例17で述べたものと同様である。先ず、内部量子効率については、CW−PL測定と、パルス光を照射した場合の時間分解PL測定を行なって評価した。   The PL characteristics of the above structure were evaluated. The setup of the optical system used in the evaluation is the same as that described in Example 17. First, the internal quantum efficiency was evaluated by performing CW-PL measurement and time-resolved PL measurement when irradiated with pulsed light.

光学系は図12に示したとおりである。実施例17と同様、試料温度は13K〜300Kの範囲とし、試料表面でのレーザパワーは単位面積あたり150W/cmで あった。この条件における光励起された定常的過剰キャリア密度は、1×1016cm−3から1×1017cm−3の範囲にあると推定される。 The optical system is as shown in FIG. Similar to Example 17, the sample temperature was in the range of 13 K to 300 K, and the laser power on the sample surface was 150 W / cm 2 per unit area. The photoexcited steady excess carrier density in this condition is estimated to be in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .

このCW−PL測定の結果、13Kにおける多重量子井戸からのPL強度を発光エネルギーで積分した積分強度I(13K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(13K)の39%であった。   As a result of this CW-PL measurement, when the integrated intensity I (13K) obtained by integrating the PL intensity from the multiple quantum well at 13K with the emission energy is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K is I (13K). Of 39%.

次に、図14に示したセットアップで、時間分解PL測定(偏光フィルタなし)を行った。   Next, time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) was performed with the setup shown in FIG.

パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。ここでの波長可変パルスレーザの波長は370nmであり、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は510nJ/cmであった。 The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs. The wavelength of the tunable pulse laser here was 370 nm, and the pulse energy density per unit area was 510 nJ / cm 2 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)
を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の27%であった。
As a result of this time-resolved PL measurement, the PL intensity is obtained by time-integrating the transient response of PL emission from the multiple quantum well at 4K, and the integrated intensity I (4K) obtained by integrating this with the emission energy.
Assuming that 1 is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K was 27% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を510nJ/cm
とした時間分解PL測定(偏光フィルタなし)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めると、当該PL寿命τ(PL)は1.8nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は6.7ns、非発光再結合寿命τ(NR)は2.4nsであった。この結果、τ(R)>τ(NR)であった。
Further, at 300 K, the pulse energy density per unit area is 510 nJ / cm.
When the PL life is obtained from the transient response (decay curve) with respect to time of the PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) set to 2, the PL life τ (PL) is 1.8 nsec. there were. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 6.7 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 2.4 ns. As a result, τ (R)> τ (NR).

本実施例では、種々の結晶成長手法で作製された多重量子井戸(MQW)層の発光特性をフォトルミネッセンス(PL)法により評価した。   In this example, the light emission characteristics of a multiple quantum well (MQW) layer manufactured by various crystal growth methods were evaluated by a photoluminescence (PL) method.

図3(F)は、本実施例で用いた試料の積層構造を示す図、図2(J)はこの試料の結晶成長方法のシーケンスを説明するための図である。この試料では、周期数が5のInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が最上層に設けられている。   FIG. 3F is a diagram showing a stacked structure of a sample used in this example, and FIG. 2J is a diagram for explaining a sequence of a crystal growth method of this sample. In this sample, an InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 having a period number of 5 is provided in the uppermost layer.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.5mm、a軸方向に20mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は6.2×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型で、キャリア密度は6.5×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は35arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.095°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度は5.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.5 mm in the c-axis direction and 20 mm in the a-axis direction. The substrate was doped with Si, and the Si concentration was 6.2 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type, and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the half-value width of the rocking curve in (10-12) reflection is 35 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is -0.095 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. It was. The dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、量子井戸構造を作製した。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce a quantum well structure.

反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)は実施例12と同様に実施した。   The temperature raising step (step A) was performed in the same manner as in Example 12.

第1の成長工程(工程B)は、実施例12と同様に実施した。   The first growth step (step B) was performed in the same manner as in Example 12.

第2の成長工程(工程C)は、第2の半導体層(Siドープn型GaN層)の厚みを2.46μmとした点以外は実施例12と同様に実施した。 The second growth step (Step C) was performed in the same manner as in Example 12 except that the thickness of the second semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer) was 2.46 μm.

第3の工程中の工程Dは、MQW層の周期を5周期とした点以外は実施例12と同様に実施した。   Step D in the third step was performed in the same manner as in Example 12 except that the cycle of the MQW layer was set to 5 cycles.

第3の工程中の工程Eは、実施しなかった。   Step E in the third step was not performed.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=230nmであり、発光波長と相互作用がしやすく散乱機能が発現すると期待される程度の荒れが、自然に形成されていた。また、室温で波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は455nm、その積分強度は相対値で6であった。   When the surface of the substrate thus fabricated was measured with a contact-type step meter, Ra = 230 nm, and the roughness that is expected to easily exhibit interaction with the emission wavelength and to exhibit the scattering function is naturally formed. It was. Moreover, in the PL characteristic evaluated by laser beam excitation at a wavelength of 325 nm at room temperature, the peak wavelength was 455 nm and the integrated intensity was 6 in relative value.

上述の構造のもののPL特性を評価した。なお、当該評価で用いた光学系のセットアップは、実施例17で述べたものと同様である。先ず、内部量子効率については、CW−PL測定と、パルス光を照射した場合の時間分解PL測定を行なって評価した。   The PL characteristics of the above structure were evaluated. The setup of the optical system used in the evaluation is the same as that described in Example 17. First, the internal quantum efficiency was evaluated by performing CW-PL measurement and time-resolved PL measurement when irradiated with pulsed light.

光学系は図12で示したものを用いた。実施例16と同様、試料温度は13K〜300Kの範囲とし、試料表面でのレーザパワーは単位面積あたり150W/cmであった。
この条件における光励起された定常的過剰キャリア密度は、1×1016cm−3から1×1017cm−3の範囲にあると推定される。
The optical system shown in FIG. 12 was used. Similar to Example 16, the sample temperature was in the range of 13K to 300K, and the laser power on the sample surface was 150 W / cm 2 per unit area.
The photoexcited steady excess carrier density in this condition is estimated to be in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .

このCW−PL測定の結果、13Kにおける多重量子井戸からのPL強度を発光エネルギーで積分した積分強度I(13K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(13K)の46%であった。   As a result of this CW-PL measurement, when the integrated intensity I (13K) obtained by integrating the PL intensity from the multiple quantum well at 13K with the emission energy is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K is I (13K). 46%.

次に、図14に示すセットアップで、時間分解PL測定(偏光フィルタなし)を行った。   Next, time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) was performed with the setup shown in FIG.

パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。ここでの波長可変パルスレーザの波長は370nmであり、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は510nJ/cmであった。 The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs. The wavelength of the tunable pulse laser here was 370 nm, and the pulse energy density per unit area was 510 nJ / cm 2 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の36%であった。   As a result of this time-resolved PL measurement, the transient response of PL emission from a multiple quantum well at 4K is time-integrated to obtain the PL intensity. A similar integrated intensity I (300K) was 36% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を510nJ/cm
とした時間分解PL測定(偏光フィルタなし)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めると、当該PL寿命τ(PL)は1.7nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は4.8ns、非発光再結合寿命τ(NR)は2.7nsであった。この結果、τ(R)>τ(NR)であった。
[比較例2]
Further, at 300 K, the pulse energy density per unit area is 510 nJ / cm.
When the PL lifetime is obtained from the transient response (decay curve) with respect to time of the PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) set to 2, the PL lifetime τ (PL) is 1.7 nsec. there were. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 4.8 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 2.7 ns. As a result, τ (R)> τ (NR).
[Comparative Example 2]

本比較例では、種々の結晶成長手法で作製された多重量子井戸(MQW)層の発光特性をフォトルミネッセンス(PL)法により評価した。   In this comparative example, the light emission characteristics of a multiple quantum well (MQW) layer manufactured by various crystal growth techniques were evaluated by a photoluminescence (PL) method.

図3(F)は本比較例で用いた試料の積層構造を示す図、図2(K)はこの試料の結晶成長方法のシーケンスを説明するための図である。この試料では、MQW構造の上にはMgドープ層が設けられておらず、周期数が5のInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が最上層に設けられている。   FIG. 3 (F) is a diagram showing a stacked structure of the sample used in this comparative example, and FIG. 2 (K) is a diagram for explaining the sequence of the crystal growth method of this sample. In this sample, the Mg doped layer is not provided on the MQW structure, and the InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 having a period number of 5 is provided in the uppermost layer.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.0mm、a軸方向に19mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は6.2×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型で、キャリア密度は6.5×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は31arcsecで、c(+)方向へのOFF角は−0.085°、a方向へのOFF角は0.05°であった。また、転位密度は4.9×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.0 mm in the c-axis direction and 19 mm in the a-axis direction. The substrate was doped with Si, and the Si concentration was 6.2 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type, and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 31 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is -0.085 °, and the OFF angle in the a direction is 0.05 °. It was. The dislocation density was 4.9 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、量子井戸構造を作製した。なお、反応炉内の圧力は全工程で10
0±2kPaとした。また、昇温工程(工程A)は比較例1と同様に実施した。
This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce a quantum well structure. Note that the pressure in the reactor is 10 in all steps.
It was set to 0 ± 2 kPa. The temperature raising step (step A) was performed in the same manner as in Comparative Example 1.

クリーニング工程は比較例1と同様、基板温度が1000℃に達してから、NHとHをそれぞれ10L/分、30L/分、供給を継続し、その状態で15分間待機し、基板表面のクリーニングをおこなった。このとき、サブフローはNガス20L/分で、パージ用など成長外ガスはNで合計19L/分であった。このとき、Fp=0.0であった。 In the cleaning process, as in Comparative Example 1, after the substrate temperature reached 1000 ° C., NH 3 and H 2 were continuously supplied at 10 L / min and 30 L / min, respectively, and in this state, the substrate was on standby for 15 minutes. Cleaning was performed. At this time, the sub-flow was N 2 gas 20 L / min, and the growth non-growth gas such as for purging was N 2 for a total of 19 L / min. At this time, Fp = 0.0.

第1の成長工程(工程B)は、比較例1と同様に実施した。   The first growth step (Step B) was performed in the same manner as in Comparative Example 1.

第2の成長工程(工程C)は、比較例1と同様に実施した。   The second growth step (Step C) was performed in the same manner as Comparative Example 1.

第3の工程中の工程Dは、MQWの周期を5周期をした点以外は比較例1と同様に実施した。   Step D in the third step was performed in the same manner as Comparative Example 1 except that the cycle of MQW was 5 cycles.

第3の工程中の工程Eは、実施しなかった。 Step E in the third step was not performed.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=78nmと、形成された凹凸は小さく、一般的な近紫外、可視域までの光と相互作用をしにくく、LEDとした際の光取り出し効果もあまり期待できないものであった。またこの基板を室温で波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は433nm、その積分強度は相対値で3と、きわめて低いPL強度を示した。 When the surface of the substrate thus prepared was measured with a contact-type step gauge, Ra = 78 nm and the formed irregularities were small, and it was difficult to interact with light up to the general near ultraviolet and visible range. The light extraction effect at the time was not expected. The PL characteristics of this substrate evaluated by laser excitation with a wavelength of 325 nm at room temperature showed a very low PL intensity with a peak wavelength of 433 nm and an integrated intensity of 3 as a relative value.

上述の構造のもののPL特性を評価した。なお、当該評価で用いた光学系のセットアップは、実施例16で述べたものと同様である。先ず、内部量子効率については、CW−PL測定と、パルス光を照射した場合の時間分解PL測定を行なって評価した。   The PL characteristics of the above structure were evaluated. The setup of the optical system used in the evaluation is the same as that described in Example 16. First, the internal quantum efficiency was evaluated by performing CW-PL measurement and time-resolved PL measurement when irradiated with pulsed light.

光学系は図12で示したものを用いた。実施例11と同様、試料温度は13K〜300Kの範囲とし、試料表面でのレーザパワーは単位面積あたり150W/cmであった。
この条件における光励起された定常的過剰キャリア密度は、1×1016cm−3から1×1017cm−3の範囲にあると推定される。
The optical system shown in FIG. 12 was used. Similar to Example 11, the sample temperature was in the range of 13K to 300K, and the laser power on the sample surface was 150 W / cm 2 per unit area.
The photoexcited steady excess carrier density in this condition is estimated to be in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .

このCW−PL測定の結果、13Kにおける多重量子井戸からのPL強度を発光エネルギーで積分した積分強度I(13K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(13K)の10%であった。   As a result of this CW-PL measurement, when the integrated intensity I (13K) obtained by integrating the PL intensity from the multiple quantum well at 13K with the emission energy is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K is I (13K). Of 10%.

次に、図14に示すセットアップで時間分解PL測定(偏光フィルタなし)を行った。   Next, time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) was performed with the setup shown in FIG.

パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。ここでの波長可変パルスレーザの波長は370nmであり、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は510nJ/cmであった。 The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs. The wavelength of the tunable pulse laser here was 370 nm, and the pulse energy density per unit area was 510 nJ / cm 2 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の16%で
あった。
As a result of this time-resolved PL measurement, the transient response of PL emission from a multiple quantum well at 4K is time-integrated to obtain the PL intensity, and further, the integrated intensity I (4K) obtained by integrating this with the emission energy is set to 1, and at 300K Similar integrated intensity I (300K) was 16% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギ密度を510nJ/cm
とした時間分解PL測定(偏光フィルタなし)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めると、当該PL寿命τ(PL)は0.66nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は4.1ns、非発光再結合寿命τ(NR)は0.78nsであった。この結果、τ(R)>τ(NR)であった。
[参考例2]
Further, at 300 K, the pulse energy density per unit area is 510 nJ / cm 2.
The PL lifetime τ (PL) was 0.66 nsec when the PL lifetime was determined from the transient response (decay curve) of the PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (without a polarizing filter). It was. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 4.1 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 0.78 ns. As a result, τ (R)> τ (NR).
[Reference Example 2]

本参考例2では、従来より用いられているc面上に作製された多重量子井戸(MQW)層の発光特性をフォトルミネッセンス(PL)法により評価した。   In Reference Example 2, the light emission characteristics of a multiple quantum well (MQW) layer fabricated on the conventionally used c-plane were evaluated by a photoluminescence (PL) method.

図3(D)は本参考例で用いた試料の積層構造を示す図、図2(L)はこの試料の結晶成長方法のシーケンスを説明するための図である。この試料では、MQW構造の上にはMgドープ層が設けられておらず、周期数が5のInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造13が最上層に設けられている。なお、図3(D)に図示した積層構造で用いた基板にも、m面を主面とするGaN基板と同様に、符号10を付した。   FIG. 3D is a diagram showing a stacked structure of a sample used in this reference example, and FIG. 2L is a diagram for explaining a sequence of a crystal growth method of this sample. In this sample, the Mg doped layer is not provided on the MQW structure, and the InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 13 having a period number of 5 is provided in the uppermost layer. Note that the substrate used in the stacked structure illustrated in FIG. 3D is also denoted by reference numeral 10 in the same manner as the GaN substrate having the m-plane as the main surface.

基体としては(0001)面(c面)配向したGaN自立基板10を用いた。基板サイズは直径48mmであった。基板はSiドープされており、そのSi濃度は1.5×1017cm−3であった。基板の電気特性はn型で、キャリア密度は1.5×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は45arcsecで、m方向へのOFF角は0.205°、a方向へのOFF角は0.310°であった。また、転位密度は7.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (0001) (c-plane) oriented GaN free-standing substrate 10 was used. The substrate size was 48 mm in diameter. The substrate was Si-doped and its Si concentration was 1.5 × 10 17 cm −3 . The electrical characteristics of the substrate were n-type, and the carrier density was 1.5 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection was 45 arcsec, the OFF angle in the m direction was 0.205 °, and the OFF angle in the a direction was 0.310 °. The dislocation density was 7.0 × 10 6 cm −2 .

このc面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置し、量子井戸構造を作製した。
昇温工程(工程A)は、実施例13と同様とした。
This c-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reactor under normal pressure growth conditions to produce a quantum well structure.
The temperature raising step (step A) was the same as in Example 13.

第1の成長工程(工程B)は、実施例13と同様に実施した。 The first growth step (step B) was performed in the same manner as in Example 13.

第2の成長工程(工程C)は、第2の半導体層(Siドープn型GaN層)の厚みを4μmとした点以外は実施例13と同様に実施した。 The second growth step (step C) was performed in the same manner as in Example 13 except that the thickness of the second semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer) was 4 μm.

第3の工程中の工程Dは、基板の温度を780℃とした点以外は実施例13と同様に実施した。   Step D in the third step was performed in the same manner as in Example 13 except that the temperature of the substrate was 780 ° C.

第3の工程中の工程Eは実施しなかった。   Step E in the third step was not performed.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガスに置換した後、基板を取り出し、評価した。なお、本発明者らの検討では、このようなシーケンスによる成長がc面GaN基板上の成長におけるもっとも良好な特性を示す結晶成長方法である。 After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated. Note that, according to the study by the present inventors, the growth by such a sequence is the crystal growth method showing the best characteristics in the growth on the c-plane GaN substrate.

このようにして作製した基板の表面を接触式段差計で測定したところ、Ra=12nmであり、極めて平坦な表面となっていた。また、室温で波長325nmのレーザ光励起により評価したPL特性では、ピーク波長は405nm、その積分強度は相対値で16と、低いPL強度を示した。   When the surface of the substrate thus fabricated was measured with a contact-type step meter, Ra = 12 nm, which was an extremely flat surface. Further, in the PL characteristics evaluated by excitation with laser light having a wavelength of 325 nm at room temperature, the peak wavelength was 405 nm, and the integrated intensity was 16 as a relative value, indicating a low PL intensity.

上述の構造のもののPL特性を評価した。なお、当該評価で用いた光学系のセットアップは、実施例11で述べたものと同様である。先ず、内部量子効率については、CW−PL測定と、パルス光を照射した場合の時間分解PL測定を行なって評価した。   The PL characteristics of the above structure were evaluated. The setup of the optical system used in the evaluation is the same as that described in Example 11. First, the internal quantum efficiency was evaluated by performing CW-PL measurement and time-resolved PL measurement when irradiated with pulsed light.

光学系は図12で示したものを用いた。実施例16と同様、試料温度は13K〜300Kの範囲とし、試料表面でのレーザパワーは単位面積あたり150W/cmであった。
この条件における光励起された定常的過剰キャリア密度は、1×1016cm−3から1×1017cm−3の範囲にあると推定される。
The optical system shown in FIG. 12 was used. Similar to Example 16, the sample temperature was in the range of 13K to 300K, and the laser power on the sample surface was 150 W / cm 2 per unit area.
The photoexcited steady excess carrier density in this condition is estimated to be in the range of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 17 cm −3 .

このCW−PL測定の結果、13Kにおける多重量子井戸からのPL強度を発光エネルギーで積分した積分強度I(13K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(13K)の9%であった。   As a result of this CW-PL measurement, when the integrated intensity I (13K) obtained by integrating the PL intensity from the multiple quantum well at 13K with the emission energy is 1, the same integrated intensity I (300K) at 300K is I (13K). Of 9%.

次に、図14に示すセットアップで時間分解PL測定(偏光フィルタなし)を行った。   Next, time-resolved PL measurement (without a polarizing filter) was performed with the setup shown in FIG.

パルスの繰り返し周波数は1kHz、パルス幅は120fsであった。ここでの波長可変パルスレーザの波長は370nmであり、単位面積当たりのパルスエネルギー密度は510nJ/cmであった。 The pulse repetition frequency was 1 kHz and the pulse width was 120 fs. The wavelength of the tunable pulse laser here was 370 nm, and the pulse energy density per unit area was 510 nJ / cm 2 .

この時間分解PL測定の結果、4Kにおける多重量子井戸からのPL発光の過渡応答を時間積分しPL強度を求め、さらにこれを発光エネルギーで積分した積分強度I(4K)を1とすると、300Kにおける同様の積分強度I(300K)は、I(4K)の5%であった。   As a result of this time-resolved PL measurement, the transient response of PL emission from a multiple quantum well at 4K is time-integrated to obtain the PL intensity, and further, the integrated intensity I (4K) obtained by integrating this with the emission energy is set to 1, and at 300K A similar integral intensity I (300K) was 5% of I (4K).

また、300Kにおいて、単位面積当たりのパルスエネルギー密度を510nJ/cm とした時間分解PL測定(偏光フィルタなし)により得られたパルス励起後のPL強度の時間に対する過渡応答(減衰曲線)からPL寿命を求めると、当該PL寿命τ(PL)は1.2nsecであった。また、発光再結合寿命τ(R)は21.9ns、非発光再結合寿命τ(NR)は1.3nsであった。この結果、τ(R)>τ(NR)であった。 In addition, at 300 K, the PL life from the transient response (attenuation curve) of PL intensity after pulse excitation obtained by time-resolved PL measurement (without polarization filter) with a pulse energy density per unit area of 510 nJ / cm 2. The PL life τ (PL) was 1.2 nsec. The luminescence recombination lifetime τ (R) was 21.9 ns, and the non-radiative recombination lifetime τ (NR) was 1.3 ns. As a result, τ (R)> τ (NR).

以上、実施例11、実施例13、実施例14、比較例2、及び参考例2のPL試料(MQW)の測定結果を、下記の表7に纏めた。なお、実施例11と実施例8、また、実施例13と実施例9、また、実施例14と実施例12、さらに、比較例2と比較例1は、前者が量子井戸活性層構造部までを作製したサンプルに関するもので、後者が他方導電型の層、すなわちMgをドープして成長した層までを含んでLED構造を作製したサンプルに関するものである。ここにおいて、量子井戸活性層構造部までを作製したサンプルと、LED構造を作製したサンプルで、上記記載で対にしたものは、量子井戸層の総数などで異なる部分はあるものの、基本的に類似の成長条件で作製されたサンプルである。   The measurement results of the PL samples (MQW) of Example 11, Example 13, Example 14, Comparative Example 2, and Reference Example 2 are summarized in Table 7 below. In addition, in Example 11 and Example 8, Example 13 and Example 9, Example 14 and Example 12, and Comparative Example 2 and Comparative Example 1, the former reaches the quantum well active layer structure. The latter relates to a sample in which an LED structure is produced including the other conductivity type layer, that is, a layer grown by doping Mg. Here, the sample with the quantum well active layer structure part and the sample with the LED structure made in the above description are basically similar, although there are differences in the total number of quantum well layers, etc. It is a sample manufactured under the growth conditions.

表7に示した結果から、実施例11、13、14では内部量子効率がCW測定で、それぞれ58%、39%、46%、パルス測定で、それぞれ60%、27%、36%であった
のに対し、比較例2および参考例2は、それぞれ10%、9%と低かった。これらは、本発明の結晶成長シーケンスの中で、成長開始時に関する部分が、その後形成される活性層の特性にまで、大きく影響していることを示している。LEDの特性向上のためには、内部量子効率が高ければ高いほどよく、20%以上であれば、良好な特性のLEDが実現可能である。また同様に、PL寿命(τ(PL))も実施例11、13、14は、比較例2、参考例2と比較して極めて長い。これも良好な光学品質を反映した結果であり、PL寿命は1.5ナノ秒(ns)以上であることが望ましい。
From the results shown in Table 7, in Examples 11, 13, and 14, the internal quantum efficiencies were 58%, 39%, and 46% in CW measurement, and 60%, 27%, and 36% in pulse measurement, respectively. On the other hand, Comparative Example 2 and Reference Example 2 were as low as 10% and 9%, respectively. These show that the portion related to the start of growth in the crystal growth sequence of the present invention greatly affects the characteristics of the active layer formed thereafter. In order to improve the characteristics of the LED, the higher the internal quantum efficiency, the better. If it is 20% or more, an LED having good characteristics can be realized. Similarly, the PL life (τ (PL)) of Examples 11, 13, and 14 is extremely longer than that of Comparative Example 2 and Reference Example 2. This is also a result of reflecting good optical quality, and the PL lifetime is desirably 1.5 nanoseconds (ns) or longer.

また、m面の実施例および比較例の中で実施例13を除いてτ(R)は概ね4ns程度で大きな差が無いが、c面のτ(R)はきわめて長い。これは、QCSE効果により、発光に寄与する電子とホールが空間的に分離されているためであり、発光効率としては不利である。即ち、これらは、非極性であるm面を基板に用いることで、輻射が効率的に実現されていることを示す結果である。つまり、発光素子とした場合に高い発光効率を得るためには、非極性の窒化物主面上に、窒化物半導体を結晶成長させることが有効であることを意味している。   In the m-plane examples and comparative examples, except for Example 13, τ (R) is about 4 ns, which is not very different, but c-plane τ (R) is very long. This is because electrons and holes contributing to light emission are spatially separated by the QCSE effect, which is disadvantageous in terms of light emission efficiency. That is, these are results showing that radiation is efficiently realized by using a non-polar m-plane for the substrate. That is, in order to obtain high luminous efficiency in the case of a light emitting device, it means that it is effective to grow a nitride semiconductor crystal on the nonpolar nitride main surface.

さらに、m面の実施例および比較例のなかでは、実施例11のτ(NR)が極めて長い。これは即ち、発光に寄与せずに消滅するキャリアが少ないことを示している。また、各実施例および比較例のτ(R)とτ(NR)の大小関係を見ると、実施例16のみが、τ(R)<τ(NR)となっていることがわかる。これは、生成されたキャリアが、有効に発光に寄与していることを示している。即ち、内部量子効率の高い量子井戸活性層構造部を実現するためには、τ(R)<τ(NR)であることが望ましい。   Furthermore, in the m-plane examples and comparative examples, τ (NR) of Example 11 is extremely long. This indicates that there are few carriers that do not contribute to light emission and disappear. Further, when looking at the magnitude relationship between τ (R) and τ (NR) in each example and comparative example, it can be seen that only Example 16 satisfies τ (R) <τ (NR). This has shown that the produced | generated carrier has contributed to light emission effectively. That is, in order to realize a quantum well active layer structure with high internal quantum efficiency, it is desirable that τ (R) <τ (NR).

さらにここで、これまで述べてきた、実施例、比較例、参考例等のサンプルの表面粗さを接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた結果と、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性の積分強度の相対値をまとめる。   Further, here, the surface roughness of the samples of Examples, Comparative Examples, Reference Examples, etc., which has been described so far, was measured with a contact-type step meter, and the center line average roughness (Ra) was obtained, and the wavelength of 325 nm The relative values of the integrated intensities of the PL characteristics evaluated by excitation with the laser beam are summarized.

ここで示す、実施例8と実施例11、また、実施例9と実施例13、また、実施例12と実施例14、さらに、比較例1と比較例2は、前者が他方導電型の層、すなわちMgをドープして成長した層までを含んでLED構造を作製したサンプルに関するものであって、後者が量子井戸活性層構造部までを作製したサンプルに関するものである。ここにおいて、LED構造を作製したサンプルと、量子井戸活性層構造部までを作製したサンプルとは、上記記載で「対」にしたものは、量子井戸層の総数などで異なる部分はあるものの、基本的に類似の成長条件で作製されたサンプルである。また、一部に参考例の結果も同時に示す。   Example 8 and Example 11, Example 9 and Example 13, Example 12 and Example 14, and Comparative Example 1 and Comparative Example 2 shown here are the other conductive type layers. That is, the present invention relates to a sample in which an LED structure is manufactured including a layer grown by doping Mg, and the latter relates to a sample in which a quantum well active layer structure is manufactured. Here, the sample in which the LED structure is manufactured and the sample in which the quantum well active layer structure part is manufactured are “paired” in the above description, although there are differences in the total number of quantum well layers, etc. This is a sample produced under similar growth conditions. Moreover, the result of a reference example is also shown partially in part.

表9はLED構造をエピタキシャル成長した結果をまとめたもので、表10は量子井戸活性層構造部までを成長した結果のまとめである。   Table 9 summarizes the results of epitaxial growth of the LED structure, and Table 10 summarizes the results of growth up to the quantum well active layer structure.

ここで、表9と表10の結果の中で、それぞれの結果はいかのように解釈される。   Here, among the results of Table 9 and Table 10, each result is interpreted as follows.

実施例8と実施例11に示される結果は、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を比較的高くする場合には、そのエピタキシャル層の表面平坦性が優れているために、窒素化物半導体層の表面等に、適度な凹凸を自己形成的に、かつ、意図的に形成させることが難しく、その結果としてRaが相対的には小さな値となっていると解される。   The results shown in Example 8 and Example 11 show that when the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion is relatively high, the surface flatness of the epitaxial layer is excellent, so that the nitride semiconductor layer It is understood that it is difficult to form appropriate irregularities on the surface of the film in a self-forming and intentional manner, and as a result, Ra is relatively small.

一般に、図16に示したように、量子井戸構造における内部量子効率は、励起密度が高いほど、すなわち、量子井戸内に生成あるいは注入される過剰キャリア密度が高いほど向上し、発光再結合効率が向上する。内部量子効率が弱励起状態で高いことは結晶品質が格段に優れていること示すものの、LEDが実際に駆動される電流注入時の環境が、1×1020(cm−3)をはるかに越える非常に高い注入キャリア密度であることを想定すると、低励起密度条件における内部量子効率が格段に優れていることは、LEDの発光効率向上に与える影響は中程度であると言える。よって、量子井戸構造やエピタキシャル層が有すべき必要な特性は、最低限以上の結晶品質が確保されることと考えられる。 In general, as shown in FIG. 16, the internal quantum efficiency in the quantum well structure increases as the excitation density increases, that is, as the excess carrier density generated or injected into the quantum well increases, and the luminescence recombination efficiency increases. improves. Although the high internal quantum efficiency in the weakly excited state indicates that the crystal quality is remarkably superior, the current injection environment in which the LED is actually driven far exceeds 1 × 10 20 (cm −3 ). Assuming that the injected carrier density is very high, the fact that the internal quantum efficiency under the low excitation density condition is remarkably excellent can be said to have a moderate influence on the improvement of the light emission efficiency of the LED. Therefore, it is considered that the necessary characteristics that the quantum well structure and the epitaxial layer should have ensure crystal quality that is at least the minimum.

よって、たとえば、このエピタキシャル層表面に反射型のp側電極を形成し、フリップチップ型LED等を作製する場合や、窒化物非極性面基体のエピタキシャル層を有さない側に一方の電極を、非極性面基体のエピタキシャル層を有する側に他方の電極を有し、活性層構造部の積層面内に対して、電流注入が略垂直に行われる部分を有する上下導通型のLED等を作製する場合においては、内部量子効率あるいはPL強度は高いので、その効果は、はっきり認められる。しかし、内部量子効率が格段に優れていることは、このエピタキシャル層をLED化した際の発光効率向上に与える影響は中程度であって、LEDの発光効率に対する影響の程度は限定的であると考えられる。   Thus, for example, when a reflective p-side electrode is formed on the surface of this epitaxial layer to produce a flip chip type LED or the like, or one electrode on the side of the nitride nonpolar surface substrate that does not have an epitaxial layer, A vertical conduction type LED having the other electrode on the side having the epitaxial layer of the nonpolar plane substrate and having a portion in which current injection is performed substantially perpendicularly to the laminated surface of the active layer structure is manufactured. In some cases, the internal quantum efficiency or PL intensity is high, so the effect is clearly recognized. However, the fact that the internal quantum efficiency is remarkably superior has a moderate effect on the luminous efficiency improvement when the epitaxial layer is converted to an LED, and the degree of the influence on the luminous efficiency of the LED is limited. Conceivable.

一方、光取り出しとの観点では、以下の通りである。周辺媒質と発光部分を含む媒質との屈折率差で決まる光の臨界角度内に含まれる光は取り出すことが可能であるが、平坦な表面においては散乱等の効果が少ないため、光取り出し効率も中程度であると考えられる。   On the other hand, from the viewpoint of light extraction, it is as follows. Light contained within the critical angle of light determined by the difference in refractive index between the surrounding medium and the medium containing the light-emitting portion can be extracted, but the light extraction efficiency is also low because there are few effects such as scattering on a flat surface. It is considered moderate.

よって、このような窒化物半導体をLED化した際の、総合的な発光効率は中程度であると考えられる。   Therefore, it is considered that the overall luminous efficiency when such a nitride semiconductor is turned into an LED is moderate.

実施例9と実施例13に示される結果や、実施例12と実施例14に示される結果は、量子井戸活性層構造部の内部量子効率を適切な範囲に保ちつつ、窒化物半導体層表面に適度な凹凸が、自己形成的に、かつ、意図的に形成させることができた結果であると解釈される。   The results shown in Example 9 and Example 13 and the results shown in Example 12 and Example 14 indicate that the internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion is kept in an appropriate range, while the nitride semiconductor layer surface is maintained. It is interpreted that moderate irregularities are the result of being able to form intentionally and intentionally.

表7、表9、表10を総合的に見ると、実施例9、実施例12、実施例13、実施例14の結果は、内部量子効率あるいはPL強度との観点で、非極性面上に形成された比較例1、比較例2と比較して、十分に良好な値を示している。また、参考例2で示した極性面上の結果と比較しても良好である。よって、LEDを作製する際に求められる、最低限以上のエピタキシャル層の結晶品質が、十分に確保されているものと解される。例えば表7における内部量子効率を見ると、実施例14のそれは、比較例2や参考例2よりも大きくなっている。   When Table 7, Table 9, and Table 10 are viewed comprehensively, the results of Example 9, Example 12, Example 13, and Example 14 are on the nonpolar surface in terms of internal quantum efficiency or PL intensity. Compared with the formed comparative examples 1 and 2, sufficiently good values are shown. Also, it is good compared with the results on the polar surface shown in Reference Example 2. Therefore, it is understood that the crystal quality of the epitaxial layer which is required at the time of manufacturing the LED is sufficiently ensured. For example, looking at the internal quantum efficiency in Table 7, that of Example 14 is larger than that of Comparative Example 2 and Reference Example 2.

よって、たとえば、このエピタキシャル層表面に反射型のp側電極を形成し、フリップチップ型LED等を作製する場合や、窒化物非極性面基体のエピタキシャル層を有さない側に一方の電極を、非極性面基体のエピタキシャル層を有する側に他方の電極を有し、活性層構造部の積層面内に対して、電流注入が略垂直に行われる部分を有する上下導通型のLED等を作製する場合において、このような量子井戸層は十分な品質が確保されていると言える。   Thus, for example, when a reflective p-side electrode is formed on the surface of this epitaxial layer to produce a flip chip type LED or the like, or one electrode on the side of the nitride nonpolar surface substrate that does not have an epitaxial layer, A vertical conduction type LED having the other electrode on the side having the epitaxial layer of the nonpolar plane substrate and having a portion in which current injection is performed substantially perpendicularly to the laminated surface of the active layer structure is manufactured. In some cases, it can be said that such a quantum well layer has sufficient quality.

一方、光取り出しとの観点では、以下の通りである。実施例9、実施例12、実施例13、実施例14の窒素化物半導体層表面には、その凹凸の程度が約常150nm以上で250nm以下の範囲にあり、一般的な近紫外、可視域までの光の波長とよく相互作用をし、散乱機能を発現できる凹凸となっている。特に、本発明で好ましく利用可能な波長域である近紫外、具体的には370nm近傍から430nm程度までの波長の光とはその物理的なサイズが近接しているため、高い散乱効果を発現する事が期待され、好ましい。   On the other hand, from the viewpoint of light extraction, it is as follows. In the nitride semiconductor layer surfaces of Example 9, Example 12, Example 13, and Example 14, the degree of unevenness is usually in the range of about 150 nm or more and 250 nm or less, and up to the general near ultraviolet and visible range. It is a rough surface that interacts well with the wavelength of light and can exhibit a scattering function. In particular, it exhibits a high scattering effect because its physical size is close to near-ultraviolet, which is a wavelength region that can be preferably used in the present invention, specifically, light having a wavelength from about 370 nm to about 430 nm. Things are expected and preferable.

よって、このような窒化物半導体をLEDとした際の、総合的な発光効率は高いと考えられる。   Therefore, it is considered that the overall luminous efficiency when such a nitride semiconductor is used as an LED is high.

最後に、比較例1と比較例2に示される結果は、第2の窒化物半導体層の厚みが45nmと薄いために、凹凸形成も十分にされず、かつ、内部量子効率やPL強度も低い結果であると解釈される。   Finally, the results shown in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 show that the second nitride semiconductor layer is as thin as 45 nm, so that the formation of irregularities is not sufficient, and the internal quantum efficiency and the PL intensity are low. It is interpreted as a result.

このような窒化物半導体を用いて、たとえば、このエピタキシャル層表面に反射型のp側電極を形成し、フリップチップ型LED等を作製する場合や、透過型のp側電極を形成し、上下導通型のLED等を作製する場合においては、量子井戸内に生成あるいは注入される過剰キャリア密度が高くとも、その品質は十分でないと解される。また、形成される凹凸は小さく、一般的な紫外、近紫外、可視域までの光と相互作用しにくく、LEDとした際の光取り出し効果もあまり期待できない。   Using such a nitride semiconductor, for example, when a reflective p-side electrode is formed on the surface of this epitaxial layer to produce a flip-chip type LED or the like, a transmissive p-side electrode is formed, and vertical conduction When manufacturing a type LED or the like, it is understood that the quality is not sufficient even if the excess carrier density generated or injected into the quantum well is high. Moreover, the unevenness | corrugation formed is small, it is hard to interact with the light to general ultraviolet, near ultraviolet, and visible region, and the light extraction effect at the time of setting it as LED cannot be expected so much.

よって、このような窒化物半導体をLEDとした際の、総合的な発光効率は低いと考えられる。   Therefore, it is considered that the overall luminous efficiency when such a nitride semiconductor is used as an LED is low.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は図2(M)のとおりである。また、成長した層構成は図3(G)に模式的に示した。   This example is an example in which a near-ultraviolet LED is fabricated by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD, and the outline of a series of crystal growth processes is as shown in FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に3.8mm、a軸方向に22mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.5×1017cm−3であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 3.8 mm in the c-axis direction and 22 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.5 × 10 17 cm −3 .

X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は34.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.25°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 According to X-ray diffraction, the half-width of the rocking curve in (10-12) reflection is 34.2 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.25 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. there were. Further, the dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー
(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。
This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)は、実施例1と同様とした。   The temperature raising step (step A) was the same as in Example 1.

第1の成長工程(工程B)では、第1のメインフローを構成するガスとしてNHを10L/分供給した。また、第2のメインフローを構成するガスとしては、Nを29.0L/分、Hを1.0L/分、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてTMGa(濃度100%として0.0018L/分)を炉内に供給した。さらに、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしてCpMg(濃度100%として7×10−6L/分)を炉内に供給した。このようなメインフローのガス供給により、ドーピング濃度が2×1019cm−3であるMgドープGaN層(第1の窒化物半導体層)を40nmの厚みで成長させた。 In the first growth step (step B), NH 3 was supplied at 10 L / min as a gas constituting the first main flow. As the gas constituting the second main flow, N 2 is 29.0 L / min, H 2 is 1.0 L / min, and H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow is a carrier. TMGa (0.0018 L / min as 100% concentration) was supplied into the furnace as the gas. Further, H 2 (0.5 L / min) which is a part of the main flow was used as a carrier gas, and Cp 2 Mg (7 × 10 −6 L / min as a concentration of 100%) was supplied into the furnace. With this main flow gas supply, an Mg-doped GaN layer (first nitride semiconductor layer) having a doping concentration of 2 × 10 19 cm −3 was grown to a thickness of 40 nm.

このとき、サブフローはNH(0.5L/分)とN(20L/分)の混合ガス(20.5L/分)、パージ用など成長外ガスはNで19L/分であった。第1の窒化物半導体層成長時における、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.72500であった。 At this time, the subflow was a mixed gas (20.5 L / min) of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (20 L / min), and the growth outside gas such as for purging was 19 L / min for N 2 . During the growth of the first nitride semiconductor layer, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.72500.

第2の成長工程(工程C)、第3の工程中の工程D、及び、第3の工程中の工程Eは、実施例1と同じ条件で行った。   The second growth process (process C), the process D in the third process, and the process E in the third process were performed under the same conditions as in Example 1.

このようにして作製した基板の表面は、きわめて平坦であった。この表面を接触式段差計で測定し、凹凸の程度の指標となる平均粗さ、あるいは、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは4.9nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は391nm、その積分強度は相対値で86と、極めて高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.8%と小さかった。   The surface of the substrate thus produced was extremely flat. This surface was measured with a contact-type step meter, and the average roughness or centerline average roughness (Ra) serving as an index of the degree of unevenness was determined. As a result, Ra according to the present example was 4.9 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 391 nm, the integrated intensity is 86 in relative value, and the standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0. It was as small as 8%.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は図2(N)のとおりである。また、成長した層構成は図3(A)に模式的に示したとおりである。   This example is an example in which a near-ultraviolet LED is manufactured by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD, and the outline of a series of crystal growth processes is as shown in FIG. The grown layer structure is as schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.0mm、a軸方向に21mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.4×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は41.0arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.09°、a方向へのOFF角は0.02°であった。また、貫通転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.0 mm in the c-axis direction and 21 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.4 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 41.0 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.09 °, and the OFF angle in the a direction is 0.02 °. there were. The threading dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)は、実施例4と同様とした。   The temperature raising step (step A) was the same as in Example 4.

続く第1の成長工程(工程B)、第2の成長工程(工程C)、第3の工程中の工程D、および、第3の工程中の工程Eは、TMGaを同流量のTEGaに変更した以外は実施例4とすべて同様とした。   In the subsequent first growth step (step B), second growth step (step C), step D in the third step, and step E in the third step, TMGa is changed to TEGa having the same flow rate. All the procedures were the same as in Example 4 except that.

このような成長工程が終了した後、基板温度を下げ、反応炉内のガスを完全にNガス
に置換した後、基板を取り出し、評価した。
After such a growth process was completed, the substrate temperature was lowered and the gas in the reaction furnace was completely replaced with N 2 gas, and then the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、きわめて平坦であった。この表面を接触式段差計で測定し、凹凸の程度の指標となる平均粗さ、あるいは、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。   The surface of the substrate thus produced was extremely flat. This surface was measured with a contact-type step meter, and the average roughness or centerline average roughness (Ra) serving as an index of the degree of unevenness was determined.

この結果、本実施例のもののRaは3.0nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は391nm、その積分強度は相対値で95と、極めて高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.4%と小さかった。   As a result, Ra according to the present example was 3.0 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 391 nm, the integrated intensity is 95 in relative value, and the standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0. It was as small as 4%.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を単層のみ成長させた例で、エピタキシャル層の平坦性の成長温度依存性を正確に評価するためのものである。一連の結晶成長プロセスの概略は図2(O)のとおりである。また、成長した層構成は図3(H)に模式的に示した。   This example is an example in which only a single layer of a gallium nitride-based semiconductor thin film is grown by MOCVD, and is for accurately evaluating the growth temperature dependence of the flatness of an epitaxial layer. An outline of a series of crystal growth processes is as shown in FIG. The grown layer structure is schematically shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を2枚用いた。それらを試料X、試料Yとする。   As the substrate, two (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrates were used. These are designated as Sample X and Sample Y.

試料Xの作製に用いた基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に12mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.6×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は34.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.25°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 The substrate size used for producing Sample X was 4.1 mm in the c-axis direction and 12 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.6 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the half-width of the rocking curve in (10-12) reflection is 34.2 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.25 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. there were. Further, the dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

試料Yの作製に用いた基板サイズはc軸方向に4.1mm、a軸方向に12mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は6.6×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は34.2arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.25°、a方向へのOFF角は0.03°であった。また、転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 The substrate size used for producing Sample Y was 4.1 mm in the c-axis direction and 12 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 6.6 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the half-width of the rocking curve in (10-12) reflection is 34.2 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.25 °, and the OFF angle in the a direction is 0.03 °. there were. Further, the dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

これらのm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   These m-plane GaN free-standing substrates were placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

試料Xについては、第1の成長工程における、第1の窒化物半導体層の厚さを0.25μmとした点、及び、第1の成長工程のみでエピタキシャル成長を終了させた点以外は、実施例1と同様とした。また、試料Yについては、昇温工程における到達温度を920℃とした点、及び、第1の成長工程における、第1の窒化物半導体層の厚さを0.25μmとした点、並びに、第1の成長工程のみでエピタキシャル成長を終了させた点以外は、実施例1と同様とした。   For sample X, the example was the same as the example except that the thickness of the first nitride semiconductor layer in the first growth step was set to 0.25 μm and the epitaxial growth was terminated only in the first growth step. Same as 1. For sample Y, the temperature reached in the temperature raising step was 920 ° C., the thickness of the first nitride semiconductor layer was 0.25 μm in the first growth step, and Example 1 was the same as Example 1 except that the epitaxial growth was terminated by only one growth step.

このようにして作製した試料X、試料Yの表面を光学顕微鏡で観察したところ、双方ともきわめて平坦であった。両試料の表面平坦性を詳細に調べるためにAFM(原子間力顕微鏡)で表面モルフォロジを評価した。その結果を図17(A)及び図17(B)に示した。図17(A)は試料XのAFM像であり、図17(B)は試料YのAFM像である。これらのAFM像から明らかなとおり、試料Yの方が表面平坦性に優る。AFMで求められる、凹凸の程度の指標となるRa(中心線平均粗さ)の値は、試料Xが1.303と中
程度であるのに対し、試料Yでは0.093nmときわめて小さい。また、Rmax(最大高さ)の値は、試料Xが7.469nmと中程度であるのに対し、試料Yでは0.851nmときわめて小さかった。
When the surfaces of Sample X and Sample Y produced in this way were observed with an optical microscope, both were extremely flat. In order to examine the surface flatness of both samples in detail, the surface morphology was evaluated by AFM (Atomic Force Microscope). The results are shown in FIGS. 17 (A) and 17 (B). 17A is an AFM image of sample X, and FIG. 17B is an AFM image of sample Y. As is clear from these AFM images, the sample Y is superior in surface flatness. The value of Ra (center line average roughness), which is an index of the degree of unevenness, obtained by AFM is very small at 0.093 nm for sample Y, while that for sample X is medium at 1.303. Further, the value of Rmax (maximum height) was as small as 0.851 nm in the sample Y while the sample X was an intermediate value of 7.469 nm.

本実施例では、本発明の結晶成長手法で作製された近紫外発光するLED構造について、降温工程後活性化工程を熱アニールで行う前後の、エピタキシャル層中の多重量子井戸活性層構造の発光をPL測定によって比較した。具体的には、第3の工程が終了した直後のPLを測定し、その後、ドーピングされたMg原子の一部をアクセプタとして作用させるべく、非極性面上に形成されたエピタキシャルウエハの降温工程後活性化工程を熱アニールをによって実施し、その後にPL測定を実施した。ここでのアニール条件はN雰囲気中、700℃で5分とした。 In this example, the light emission of the multiple quantum well active layer structure in the epitaxial layer before and after performing the activation process after the temperature lowering process by thermal annealing is performed for the LED structure that emits near ultraviolet light produced by the crystal growth method of the present invention. Comparison was made by PL measurement. Specifically, after measuring the PL immediately after the completion of the third step, and after the temperature lowering step of the epitaxial wafer formed on the nonpolar surface, in order to allow a part of the doped Mg atoms to act as an acceptor. The activation process was performed by thermal annealing, and then PL measurement was performed. The annealing conditions here were 5 minutes at 700 ° C. in an N 2 atmosphere.

ここで用いた試料は3点で、成長条件は、工程Aでの昇温到達温度、工程B、工程Cの温度とInGaN量子井戸の厚さ以外は実施例1の通りとした。これら試料の表面モルフォロジは全て極めて平坦であった。各試料の工程Aでの昇温到達温度、工程B及び工程Cの成長温度、InGaN量子井戸の厚さは下記の表8のとおりである。   The number of samples used here was three, and the growth conditions were as in Example 1 except for the temperature rise at step A, the temperatures at step B and step C, and the thickness of the InGaN quantum well. The surface morphology of these samples was all very flat. Table 8 below shows the temperature rise arrival temperature in step A, the growth temperature in step B and step C, and the thickness of the InGaN quantum well for each sample.

これらの試料X,Y,Zの降温工程後活性化工程を熱アニールで行った後のPLスペクトルを、図18に示す。なお、試料X,Y,ZともアニールによりPL強度は低下している。熱的なアニール化処理によって誘発されるPL強度の低下は、Mgが活性化されることで起こる活性層構造近傍のバンド構造の変化と結晶性の劣化のいずれの効果も含んでいるものと考えられる。この場合、前者の効果は同程度であるので、本PL強度の低下の度合いは、後者の効果をより強く反映しているものと考えられる。ここで、その程度はZ,Y,Xの順に小さい。特に、試料Xでは、アニール後には量子井戸活性層からのPL発光は極めて減少し、そのかわりに365nm付近におけるGaNバルク層のバンドエッジ発光が目立っているのに対し、試料Y,ZではPLスペクトルの良好な形状が保たれている。   FIG. 18 shows PL spectra after the thermal activation of the activation process after the temperature lowering process of these samples X, Y, and Z by thermal annealing. Note that the PL intensity of samples X, Y, and Z is lowered by annealing. The decrease in PL intensity induced by thermal annealing treatment is considered to include both effects of band structure change and crystallinity deterioration in the vicinity of the active layer structure caused by Mg activation. It is done. In this case, since the effect of the former is comparable, it can be considered that the degree of decrease in the present PL intensity reflects the latter effect more strongly. Here, the degree is small in the order of Z, Y, and X. In particular, in sample X, PL emission from the quantum well active layer is significantly reduced after annealing, and instead, band edge emission in the GaN bulk layer near 365 nm is conspicuous, whereas in samples Y and Z, PL spectrum is observed. Good shape is maintained.

通常、c面のGaN結晶上ではi−GaNやn−GaNの厚膜成長を行うには最適な成長温度は1000℃付近であり、それよりも低温で結晶成長した場合には、結晶性が低下して、さらにはその上に形成される活性層構造における発光強度も落ちる。しかし、上述したように、非極性面の主面を有する基体上に結晶成長させる場合には、一般的な条件よりも100℃以上も低い温度(920℃)で厚膜結晶を成長させることで、発光強度が大幅に向上したのみならず、アニールによるPL強度の低下も抑制することが可能になった。加えて、本発明の方法によって、非極性面上へ、至極平坦な、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層、さらには量子井戸活性層構造、p型化が可能なドーパントを含む窒化物半導体層を形成し、量子井戸層を厚膜化することが可能となり、アニールとの相乗効果によって、優れた光学特性を有するエピタキシャル層を形成できるようになった。   Usually, the optimal growth temperature for thick film growth of i-GaN or n-GaN on c-plane GaN crystal is around 1000 ° C., and crystallinity is low when crystal growth is performed at a temperature lower than that. In addition, the emission intensity in the active layer structure formed thereon is also reduced. However, as described above, when a crystal is grown on a substrate having a nonpolar main surface, a thick film crystal is grown at a temperature (920 ° C.) lower than the general condition by 100 ° C. or more. In addition to the significant improvement in emission intensity, it is possible to suppress the decrease in PL intensity due to annealing. In addition, by the method of the present invention, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, the quantum well active layer structure, and the p-type dopant that are extremely flat on the nonpolar plane can be formed. It is possible to increase the thickness of the quantum well layer by forming a nitride semiconductor layer containing, and an epitaxial layer having excellent optical characteristics can be formed by a synergistic effect with annealing.

そこで、これらの非極性面上に形成したアニール後のエピタキシャル成長構造を素子化プロセスを行って、発光波長が410nm程度のLEDに加工した。その結果を表11にまとめた。   Therefore, an annealed epitaxial growth structure formed on these nonpolar surfaces was subjected to an element process, and processed into an LED having an emission wavelength of about 410 nm. The results are summarized in Table 11.

表11に示されるとおり、同じ電流値を導入して比較した、相対的な全放射束の比は、資料Xを1とすると、資料Yが1.4、資料Zは2であった。c面のGaN結晶上ではi−GaNやn−GaNの厚膜成長を行うには最適な成長温度は1000℃付近であり、それよりも低温で結晶成長した場合には、結晶性が低下して、さらにはその上に形成される活性層構造における発光強度も落ちる。   As shown in Table 11, the ratio of the relative total radiant flux compared by introducing the same current value was 1.4 for material Y and 2 for material Z, assuming that material X was 1. On the c-plane GaN crystal, the optimal growth temperature for thick film growth of i-GaN and n-GaN is around 1000 ° C., and crystallinity decreases when crystal growth is performed at a lower temperature. In addition, the emission intensity in the active layer structure formed thereon is also lowered.

しかし、上述したように、非極性面の主面を有する基体上に結晶成長させる場合には、一般的な条件よりも100℃以上も低い温度(920℃)で厚膜結晶を成長させることで、発光強度が大幅に向上したのみならず、アニールによるPL強度の低下も抑制でき、LEDの素子特性も大幅に向上した。さらに、本発明によって、非極性面を主面を有する基体上に結晶成長させる場合には、エピタキシャル層の貫通転位密度が他の方法と比較して圧倒的に低い事によって、In濃度が比較的低いInGaN/GaN多重量子井戸活性層構造においても、良好な光学特性が実現可能である。   However, as described above, when a crystal is grown on a substrate having a nonpolar main surface, a thick film crystal is grown at a temperature (920 ° C.) lower than the general condition by 100 ° C. or more. Not only the emission intensity was greatly improved, but also the decrease in PL intensity due to annealing could be suppressed, and the LED element characteristics were also greatly improved. Furthermore, according to the present invention, when a nonpolar plane is grown on a substrate having a main surface, the In concentration is relatively low because the threading dislocation density of the epitaxial layer is overwhelmingly lower than other methods. Even in a low InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure, good optical characteristics can be realized.

さらに、非極性面上であって、かつ、In濃度が比較的低い領域であるが故に、InGaN量子井戸層の厚膜化も可能であって、10nmを超える膜厚を有するLEDの特性が際立って良好であったと考えられる。さらに、このような方法で作製したエピタキシャル層であるが故に、他の構造では劣化が目立ったアニール条件においても、Mgの良好な活性化が実現したと考えられる。   Furthermore, since it is a non-polar surface and a region with a relatively low In concentration, it is possible to increase the thickness of the InGaN quantum well layer, and the characteristics of an LED having a film thickness exceeding 10 nm are outstanding. It is thought that it was good. Furthermore, since it is an epitaxial layer manufactured by such a method, it is considered that good activation of Mg was realized even under annealing conditions in which deterioration was noticeable in other structures.

本実施例は、MOCVD法で窒化ガリウム系半導体薄膜を積層成長させて近紫外発光LEDを作製した例で、一連の結晶成長プロセスの概略は図2(A)の通りであり、成長した層構成は図3(A)の通りとなっている。   This example is an example in which a near-ultraviolet LED is fabricated by stacking and growing a gallium nitride-based semiconductor thin film by MOCVD, and the outline of a series of crystal growth processes is as shown in FIG. Is as shown in FIG.

基体としては(1−100)面(m面)配向したGaN自立基板を用いた。基板サイズはc軸方向に4.4mm、a軸方向に23mmであった。基板の電気特性はn型でキャリア密度は4.5×1017cm−3であった。X線回折によると(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅は43.3arcsecで、c(+)方向へのOFF角は0.04°、a方向へのOFF角は0.02°であった。また、貫通転位密度(Dislocation Density)は5.0×10cm−2であった。 As the substrate, a (1-100) plane (m-plane) oriented GaN free-standing substrate was used. The substrate size was 4.4 mm in the c-axis direction and 23 mm in the a-axis direction. The electrical characteristics of the substrate were n-type and the carrier density was 4.5 × 10 17 cm −3 . According to X-ray diffraction, the full width at half maximum of the rocking curve in (10-12) reflection is 43.3 arcsec, the OFF angle in the c (+) direction is 0.04 °, and the OFF angle in the a direction is 0.02 °. there were. The threading dislocation density was 5.0 × 10 6 cm −2 .

このm面GaN自立基板を、常圧成長を通常の条件とする石英製横型反応炉内のトレー(サセプタ)に載置した。反応炉内の圧力は全工程で100±2kPaとした。   This m-plane GaN free-standing substrate was placed on a tray (susceptor) in a quartz horizontal reaction furnace under normal pressure growth conditions. The pressure in the reactor was 100 ± 2 kPa in all steps.

昇温工程(工程A)、第1の成長工程(工程B)、第2の成長工程(工程C)、および、第3の工程中の工程Dは、実施例18の試料Zと同様に行った。   The temperature raising step (step A), the first growth step (step B), the second growth step (step C), and the step D in the third step are performed in the same manner as the sample Z of Example 18. It was.

続く第3の工程中の工程Eは、まず、基板温度を980℃としてMgドープのAl0.1Ga0.9N層を100nm形成した。このときの第1のメインフローを構成するガスはNH(10L/分)である。 In the subsequent step E in the third step, first, the substrate temperature was set to 980 ° C., and an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was formed to a thickness of 100 nm. The gas constituting the first main flow at this time is NH 3 (10 L / min).

また、第2のメインフローを構成するガスは、H(80L/分)、メインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたトリメチルアルミニウム(TMAl)(0.0001L/分)、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたTMGa(0.0018L/分)、及び、同じくメインフローの一部であるH(0.5L/分)をキャリアガスとしたシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)(4×10−6L/分)である。 The gas constituting the second main flow, H 2 (80L / min), trimethylaluminum that of H 2 in the main flow (0.5 L / min) and carrier gas (TMAl) (0. 0001 L / min), TMGa (0.0018 L / min) using H 2 (0.5 L / min), which is also a part of the main flow, as a carrier gas, and H 2 (0 .5 L / min) as a carrier gas, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) (4 × 10 −6 L / min).

このMgドープのAl0.1Ga0.9N層の上に、更にMgドープのAl0.03Ga0.97N層を15nmの厚みでエピタキシャル成長させた。このGaN層の成長は、上述のメインフロー中のガスのうちの、TMAlを0.00003L/分に減らして実行した。 On this Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer, an Mg-doped Al 0.03 Ga 0.97 N layer was further epitaxially grown to a thickness of 15 nm. The growth of the GaN layer was performed by reducing TMAl in the above-described main flow gas to 0.00003 L / min.

工程Eの、サブフローはNH(0.5L/分)とN(50L/分)の混合ガスで50.5L/分、パージ用などの成長外ガスはN(19L/分)であった。また、メインフローを構成する全ガスに対する不活性ガス成分の流量比Fpは0.0であった。 In step E, the subflow was 50.5 L / min with a mixed gas of NH 3 (0.5 L / min) and N 2 (50 L / min), and the non-growth gas for purging or the like was N 2 (19 L / min). It was. Further, the flow rate ratio Fp of the inert gas component to the total gas constituting the main flow was 0.0.

このような成長工程が終了した際、TMGa,TMAl、CpMg及びメインフロー中のHを遮断し、Nを20L/分 導入した。同時にNHの流量を10L/分から50cc/分に低減させた。また、サブフロー中のNHを遮断し、N流量を10L/分とした。成長外フローは変化していない。 When such a growth process was completed, TMGa, TMAl, Cp 2 Mg and H 2 in the main flow were shut off, and N 2 was introduced at 20 L / min. At the same time, the flow rate of NH 3 was reduced from 10 L / min to 50 cc / min. Further, blocks the NH 3 in the subflow was a N 2 flow rate 10L / min. Non-growth flows have not changed.

これらのガスの切り替えを実施すると同時に、基板加熱ヒータ電源を遮断し、基体を導入するガスにより、強制的に冷却した。基体の温度が930℃にまで下がったときにメインフロー中のNHを遮断し、引き続き100℃以下になるまでN雰囲気中で基体を冷却した。十分基体が冷えた後、基体を取り出し、評価した。 Simultaneously with the switching of these gases, the substrate heater power supply was shut off and the substrate was forcedly cooled by the gas introduced. When the temperature of the substrate dropped to 930 ° C., NH 3 in the main flow was shut off, and the substrate was subsequently cooled in an N 2 atmosphere until it became 100 ° C. or lower. After the substrate was sufficiently cooled, the substrate was taken out and evaluated.

このようにして作製した基板の表面は、極わずかな凹凸はあるものの平坦性は良好であった。この表面を接触式段差計で測定し、中心線平均粗さ(Ra)を求めた。この結果、本実施例のもののRaは8.8nmであった。また、325nm波長のレーザ光により励起して評価したPL特性では、ピーク波長は410nm、その積分強度は相対値で93と、極めて高い強度が得られ、面内の波長分布の標準偏差は0.7%と小さかった。   The surface of the substrate thus produced had good flatness although there were very slight irregularities. This surface was measured with a contact-type step meter, and the centerline average roughness (Ra) was determined. As a result, Ra according to the present example was 8.8 nm. In addition, in the PL characteristics evaluated by excitation with a laser beam having a wavelength of 325 nm, the peak wavelength is 410 nm, the integrated intensity is 93 in relative value, and the standard deviation of the in-plane wavelength distribution is 0. It was as small as 7%.

その後このような方法で準備した非極性面上のエピタキシャル成長層をプロセスしてLEDを作製した。その発光特性、電流電圧特性とも良好で、降温工程中活性化工程によって、良好な光学特性と十分なMg活性化が実現したことが確認された。   Thereafter, an epitaxial growth layer on the nonpolar surface prepared by such a method was processed to produce an LED. Both the light emission characteristics and the current-voltage characteristics were good, and it was confirmed that good optical characteristics and sufficient Mg activation were realized by the activation process during the temperature lowering process.

本実施例では、実施例10で観察した、本発明の結晶成長手法で作製された近紫外発光するLED構造について、多数回の超高圧透過型電子顕微鏡観察を実施し、非極性GaN基板上に形成されたエピタキシャル層と活性層構造内の貫通転位密度を求めた。この際にサンプルは8視野分を観測できるように準備をした。観察する際には基板面に沿って12.6μmの領域を、また、観察視野の薄片の厚みは1.0μm程度とした以外は、観察したサンプル/観察条件とも実施例9と同様に準備した。1000KVの電子線透過により観察を行った。   In this example, the ultra-high pressure transmission electron microscope observation was performed many times on the nonpolar GaN substrate on the LED structure that was observed in Example 10 and produced by the crystal growth method of the present invention in the near ultraviolet emission. The threading dislocation density in the formed epitaxial layer and active layer structure was determined. At this time, the sample was prepared so that it could observe 8 fields of view. When observing, the observed sample / observation conditions were prepared in the same manner as in Example 9 except that a 12.6 μm region along the substrate surface was used and the thickness of the observation view flake was about 1.0 μm. . Observation was performed by electron beam transmission of 1000 KV.

この結果、m軸方向に伝播する転位が、活性層部分を含むエピタキシャル成長部分にの
べ5本観察された。この結果、本発明による平均的な貫通転位密度は、5÷(12.6μm×1.0μm×8)=4.96×10(cm−2)と見積もられた。
As a result, a total of five dislocations propagating in the m-axis direction were observed in the epitaxial growth portion including the active layer portion. As a result, the average threading dislocation density according to the present invention was estimated to be 5 ÷ (12.6 μm × 1.0 μm × 8) = 4.96 × 10 6 (cm −2 ).

なお、1視野においては、まったく転位が観察されないサンプルと、最大では3本の転位が観察されたサンプルが混在した。よって、本発明においてエピタキシャル層内に実現される転位密度は、最も多い貫通転位密度を想定しても、3÷(12.6μm×1.0μm)
=2.42×10(cm−2)であると見積もられた。よって、本発明におけるエピタキシャル層内に存在する貫通転位密度は、好ましくは3×10(cm−2)以下であって、より好ましくは、5.0×10(cm−2)以下であるといえる。
In one field of view, a sample in which no dislocation was observed at all and a sample in which three dislocations were observed at the maximum were mixed. Therefore, the dislocation density realized in the epitaxial layer in the present invention is 3 ÷ (12.6 μm × 1.0 μm) even if the highest threading dislocation density is assumed.
= 2.42 × 10 7 (cm −2 ). Therefore, the threading dislocation density present in the epitaxial layer in the present invention is preferably 3 × 10 7 (cm −2 ) or less, more preferably 5.0 × 10 6 (cm −2 ) or less. It can be said.

以上、実施例により本発明について説明したが、上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。実施例ではGaNとされているものを、AlNやInNあるいはBNとしたり、これらの混晶とすることもできる。また、成長温度や各原料の供給量あるいは各層の膜厚などは目的に応じて変更可能である。   The present invention has been described with reference to the embodiments. However, the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited thereto. In the embodiment, what is considered to be GaN may be AlN, InN or BN, or a mixed crystal thereof. Further, the growth temperature, the supply amount of each raw material or the film thickness of each layer can be changed according to the purpose.

また、上述の実施例には、結晶成長させて得られた窒化物半導体層の表面に凹凸が認められ、表面モルフォロジそのものとしては必ずしも良好とはいえない試料も含まれているが、これらの表面凹凸の程度は、発光デバイスとして素子化した場合の光取り出し効率を向上させ、発光効率を向上させうるものと考えられる。すなわち、許容範囲から逸脱させる程度のものではない。この点に関し本発明者は、前述の通り、発光効率が内部量子効率のみならず光取り出し効率にも依存することによるものと理解している。すなわち、一般に、表面凹凸を有する窒化物半導体層の結晶性は中程度で内部量子効率が低減する傾向を示す一方、当該表面凹凸は活性層領域からの光を効果的に散乱させ、結果的に発光効率を高める効果を奏するのではないかと考えている。   Further, in the above-described examples, the surface of the nitride semiconductor layer obtained by crystal growth has irregularities, and some samples are not necessarily good as the surface morphology itself. It is considered that the degree of unevenness can improve the light extraction efficiency when it is made into an element as a light emitting device, and can improve the light emission efficiency. That is, it does not deviate from the allowable range. In this regard, the present inventor understands that the light emission efficiency depends on not only the internal quantum efficiency but also the light extraction efficiency as described above. That is, in general, the crystallinity of a nitride semiconductor layer having surface irregularities is moderate, and the internal quantum efficiency tends to decrease, while the surface irregularities effectively scatter light from the active layer region, resulting in I think that there is an effect of increasing the luminous efficiency.

なお、上述した活性層を含む積層構造体をエピタキシャル成長させる工程において、その一部にp型化可能なドーパントを導入する場合、その導入箇所は適宜に設定可能であり、当該積層構造体の全体であってもよく、上部、下部、或いは中央部のみ等としてもよい。このようなp型化可能なドーパントは、例えば、マグネシウム、亜鉛、炭素、ベリリウムなどである。   In addition, in the step of epitaxially growing the laminated structure including the active layer described above, when introducing a p-type dopant into a part thereof, the introduction location can be set as appropriate, and the entire laminated structure There may be, and it is good also as only an upper part, a lower part, or a center part. Examples of such a p-type dopant include magnesium, zinc, carbon, and beryllium.

さらに、活性層を含む積層構造体のエピタキシャル成長工程を、上記p型化可能なドーパントが活性化する条件で実行することとしたり、或いは、当該活性層を含む積層構造体のエピタキシャル成長工程に続き、上記p型化可能なドーパントを活性化させるための熱アニールまたは電子線照射の少なくとも一方の処理工程を更に実行するようにしてもよい。   Furthermore, the epitaxial growth process of the stacked structure including the active layer is performed under the condition that the p-type dopant is activated, or following the epitaxial growth process of the stacked structure including the active layer, At least one treatment step of thermal annealing or electron beam irradiation for activating the p-type dopant may be further performed.

本発明で用いる基体としては、サファイア基板、ZnO基板、Si基板、SiC基板、GaAs基板、GaP基板、Ga基板、Ge基板、MgO基板などの上に非極性面を主面とする窒化物結晶を成膜したものでも良い。 As a base used in the present invention, a nitridation having a nonpolar surface as a main surface on a sapphire substrate, ZnO substrate, Si substrate, SiC substrate, GaAs substrate, GaP substrate, Ga 2 O 3 substrate, Ge substrate, MgO substrate, etc. What formed the physical crystal into a film may be used.

これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内にあり、更に本発明の範囲内において他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。   It is apparent from the above description that various modifications of these embodiments are within the scope of the present invention, and that various other embodiments are possible within the scope of the present invention.

本発明により、光学特性が良好で、発光素子とした場合の発光効率が高い、高品質の窒化物半導体の結晶成長方法が提供される。   The present invention provides a high-quality nitride semiconductor crystal growth method that has good optical characteristics and high luminous efficiency when used as a light-emitting device.

横型のMOCVD反応炉中でのメインフローの流れを概念的に例示するための図である。It is a figure for demonstrating notionally the flow of the main flow in a horizontal type MOCVD reactor. 縦型のMOCVD反応炉中でのメインフローの流れを概念的に例示するための図である。It is a figure for demonstrating notionally the flow of the main flow in a vertical type MOCVD reactor. 本発明の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of a sequence for demonstrating the crystal growth method of the nitride semiconductor of this invention. 実施例4の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 4. 実施例6の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 6. 実施例7の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 7. 実施例9の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 9. 実施例11の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 22 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 11. 本発明の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of a sequence for demonstrating the crystal growth method of the nitride semiconductor of this invention. 比較例1の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a sequence example for explaining a nitride semiconductor crystal growth method of Comparative Example 1. FIG. 実施例13の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 22 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 13. 実施例14の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 20 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 14. 比較例2の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining a nitride semiconductor crystal growth method of Comparative Example 2. FIG. 参考例2の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。10 is a diagram for explaining a sequence example for explaining a nitride semiconductor crystal growth method of Reference Example 2. FIG. 実施例15の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 32 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 15. 実施例16の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 32 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 16. 実施例17の窒化物半導体の結晶成長方法を説明するためのシーケンス例を説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining a sequence example for explaining the nitride semiconductor crystal growth method of Example 17. 本発明の窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。It is the cross-sectional schematic for demonstrating the nitride semiconductor example of this invention. 実施例6、実施例7の窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor of Example 6 and Example 7. FIG. 実施例9の窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。10 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor of Example 9. FIG. 実施例11、実施例13、参考例2の窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。10 is a schematic cross-sectional view for explaining examples of nitride semiconductors of Example 11, Example 13, and Reference Example 2. FIG. 実施例12、比較例1の窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor of Example 12 and Comparative Example 1. FIG. 実施例14、比較例2における窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。14 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor in Example 14 and Comparative Example 2. FIG. 実施例15における窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。22 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor in Example 15. FIG. 実施例17における窒化物半導体例を説明するための断面概略図である。22 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a nitride semiconductor in Example 17. FIG. 本発明の結晶成長方法により育成されたm面窒化物半導体を用いて図3(A)に示した構造のLEDとした試料のPL発光特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the PL light emission characteristic of the sample used as LED of the structure shown to FIG. 3 (A) using the m-plane nitride semiconductor grown by the crystal growth method of this invention. 第1および第2の窒化物層のエピタキシャル成長時におけるメインフローの構成ガス種依存性を見当した結果を説明するための、サンプルAの微分干渉顕微鏡像である。4 is a differential interference microscope image of Sample A for explaining the result of finding the dependence of the main flow on the constituent gas species during the epitaxial growth of the first and second nitride layers. 第1および第2の窒化物層のエピタキシャル成長時におけるメインフローの構成ガス種依存性を見当した結果を説明するための、サンプルBの微分干渉顕微鏡像である。4 is a differential interference microscope image of Sample B for explaining the result of finding the dependence of the main flow on the constituent gas species during the epitaxial growth of the first and second nitride layers. 第1および第2の窒化物層のエピタキシャル成長時におけるメインフローの構成ガス種依存性を見当した結果を説明するための、サンプルCの微分干渉顕微鏡像である。4 is a differential interference microscope image of Sample C for explaining the result of finding the dependency of the main flow on the constituent gas species during the epitaxial growth of the first and second nitride layers. 実施例8で得られたSTEM像である。10 is a STEM image obtained in Example 8. 図6のSTEM像から各量子井戸層の平均厚み等を算出するために行った画像処理の結果である。FIG. 7 is a result of image processing performed to calculate an average thickness and the like of each quantum well layer from the STEM image of FIG. 実施例9のLEDから得たSTEM像である。10 is a STEM image obtained from the LED of Example 9. 図8のSTEM像から各量子井戸層の平均厚み等を算出するために行った画像処理の結果である。It is the result of the image processing performed in order to calculate the average thickness of each quantum well layer, etc. from the STEM image of FIG. 実施例8および実施例9の各量子井戸の平均厚み均一性(量子井戸層の厚みの標準偏差)を比較した図である。It is the figure which compared the average thickness uniformity (standard deviation of the thickness of a quantum well layer) of each quantum well of Example 8 and Example 9. FIG. 実施例10で作成した試料を超高圧TEMで観察した像である。It is the image which observed the sample created in Example 10 with the ultrahigh pressure TEM. CW−PL測定で用いた光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system used by CW-PL measurement. 時間分解PL測定(偏光フィルタあり)で用いた光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system used by time-resolved PL measurement (with a polarizing filter). 時間分解PL測定(偏光フィルタなし)で用いた光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system used by time-resolved PL measurement (without a polarizing filter). 半導体結晶中で生じる発光再結合および非発光再結合を説明するためのバンドダイアグラムである。2 is a band diagram for explaining luminescent recombination and non-radiative recombination occurring in a semiconductor crystal. 光パルスで励起した場合の多重量子井戸構造の内部量子効率の励起エネルギー密度依存性を実験的に調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated experimentally the excitation energy density dependence of the internal quantum efficiency of the multiple quantum well structure at the time of exciting with an optical pulse. 実施例17における窒化物半導体試料Xの表面AFM(原子間力顕微鏡)像である。18 is a surface AFM (atomic force microscope) image of a nitride semiconductor sample X in Example 17. 実施例17における窒化物半導体試料Yの表面AFM(原子間力顕微鏡)像である。18 is a surface AFM (atomic force microscope) image of a nitride semiconductor sample Y in Example 17. 実施例18のPL測定結果である。20 shows a PL measurement result of Example 18.

1 石英反応管
2 サセプタ
3 基体
4 ステンレス製チャンバ
10 GaN基板
11 第1の窒化物半導体層(GaN層)
12 第2の窒化物半導体層(Siドープn型GaN層)
13 InGaN/GaN多重量子井戸活性層構造
14 MgドープAlGaN層
15 MgドープGaN層
101 He−Cdレーザ
102 NDフィルタ
103 クライオスタット
104 試料
105 λ/4波長板
106 分光器
107 光増倍管
108 制御用コンピュータ
109 パルスレーザ光源
110 偏光フィルタ
111 偏光解消子
112 ストリークスコープ
1 Quartz reaction tube 2 Susceptor 3 Base 4 Stainless steel chamber 10 GaN substrate 11 First nitride semiconductor layer (GaN layer)
12 Second nitride semiconductor layer (Si-doped n-type GaN layer)
13 InGaN / GaN multiple quantum well active layer structure 14 Mg-doped AlGaN layer 15 Mg-doped GaN layer 101 He-Cd laser 102 ND filter 103 Cryostat 104 Sample 105 λ / 4 wavelength plate 106 Spectrometer 107 Photomultiplier tube 108 Control computer 109 Pulsed laser light source 110 Polarizing filter 111 Depolarizer 112 Streak scope

即ち、本発明の窒化物半導体は、少なくとも一方の主面が非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、一方導電型の窒化物半導体部と、量子井戸活性層構造部と、前記一方導電型とは逆の他方導電型の窒化物半導体部が順次積層されている窒化物半導体であって、前記一方導電型の窒化物半導体部は第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層が順次積層されたものであり、前記第2の窒化物半導体層は400nm以上20μm以下の厚みを有し最表面が略非極性面であり、前記量子井戸活性層構造部の、低励起密度条件のCW−PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上であることを特徴とする。
That is, in the nitride semiconductor of the present invention, at least one main surface of the nitride main surface of the base is a nonpolar nitride, one conductivity type nitride semiconductor portion, quantum well active layer structure portion, A nitride semiconductor in which nitride semiconductor portions of the other conductivity type opposite to the one conductivity type are sequentially stacked, wherein the nitride semiconductor portion of the one conductivity type includes a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer. are those nitride semiconductor layer are sequentially laminated, wherein the second nitride semiconductor layer is Ri nonpolar plane der substantially the top-surface having a 20μm thickness of not less than 400 nm, the quantum well active layer structure part The internal quantum efficiency obtained from CW-PL measurement under low excitation density conditions is 20% or more .

Claims (28)

少なくとも一方の主面が非極性の窒化物である基体の窒化物主面上に、一方導電型の窒化物半導体部と、量子井戸活性層構造部と、前記一方導電型とは逆の他方導電型の窒化物半導体部が順次積層されている窒化物半導体であって、
前記一方導電型の窒化物半導体部は第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層が順次積層されたものであり、
前記第2の窒化物半導体層は400nm以上20μm以下の厚みを有し最表面が略非極性面であることを特徴とする窒化物半導体。
A nitride semiconductor portion of one conductivity type, a quantum well active layer structure portion, and the other conductivity opposite to the one conductivity type are formed on a nitride principal surface of a substrate whose at least one principal surface is a nonpolar nitride. A nitride semiconductor in which nitride semiconductor parts of a type are sequentially stacked,
The one-conductivity-type nitride semiconductor portion is formed by sequentially laminating a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor, wherein the second nitride semiconductor layer has a thickness of 400 nm or more and 20 μm or less, and an outermost surface is a substantially nonpolar surface.
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層は互いに組成が異なることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have different compositions. 前記基体は、GaN、AlN、InN、BN、若しくはこれらの混晶である自立基板である請求項1または2に記載の窒化物半導体。   3. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the base is a free-standing substrate made of GaN, AlN, InN, BN, or a mixed crystal thereof. 前記基体主面の窒化物は、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、Si基板、GaN基板、AlN基板、InN基板、BN基板若しくはこれらの混晶である自立基板の何れかの基板上に結晶成長されたGaN膜、AlN膜、InN膜、BN膜、若しくはこれらの混晶膜である請求項1または2に記載の窒化物半導体。   The nitride of the main surface of the base is grown on a sapphire substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a Si substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, an InN substrate, a BN substrate, or a free-standing substrate that is a mixed crystal thereof. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is a GaN film, an AlN film, an InN film, a BN film, or a mixed crystal film thereof. 前記基体の窒化物主面は(1−100)面(m面)±10度以下の結晶面である請求項1乃至4の何れか1項に記載の窒化物半導体。   5. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride main surface of the base is a crystal plane of (1-100) plane (m-plane) ± 10 degrees or less. 前記第1の窒化物半導体層および前記第2の窒化物半導体層の少なくとも一方は、GaN、AlN、InN、BN、若しくはこれらの混晶のIII−V族窒化物半導体である請求
項1乃至5の何れか1項に記載の窒化物半導体。
6. At least one of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is GaN, AlN, InN, BN, or a mixed crystal group III-V nitride semiconductor thereof. The nitride semiconductor according to any one of the above.
前記第1の窒化物半導体層の厚みLは0.1nm以上300nm以下である請求項1乃至6の何れか1項に記載の窒化物半導体。 The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein a thickness L1 of the first nitride semiconductor layer is not less than 0.1 nm and not more than 300 nm. 前記第1の窒化物半導体層中のシリコン(Si)濃度は1×1021cm−3以下である請求項1乃至7の何れか1項に記載の窒化物半導体。 The nitride semiconductor according to claim 1, wherein a silicon (Si) concentration in the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 21 cm −3 or less. 前記第2の窒化物半導体層中のシリコン濃度は1×1017cm−3以上6×1019cm−3以下である請求項1乃至8の何れか1項に記載の窒化物半導体。 9. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the silicon concentration in the second nitride semiconductor layer is not less than 1 × 10 17 cm −3 and not more than 6 × 10 19 cm −3 . 前記量子井戸活性層構造部は400±30nmの中心波長を有する光を発する請求項1乃至9の何れか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the quantum well active layer structure emits light having a center wavelength of 400 ± 30 nm. 前記量子井戸活性層構造部における転位密度が、1×10cm−2以下である請求項1乃至10のいずれか1項に記載の窒化物半導体。 11. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein a dislocation density in the quantum well active layer structure portion is 1 × 10 9 cm −2 or less. 前記前記量子井戸活性層構造部の、低励起密度条件のCW−PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The internal quantum efficiency calculated | required from the CW-PL measurement of low excitation density conditions of the said quantum well active layer structure part is 20% or more, The any one of Claims 1 thru | or 11 characterized by the above-mentioned. Nitride semiconductor. 前記前記量子井戸活性層構造部の、低励起密度条件のパルス光PL測定から求められる、内部量子効率が20%以上であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   13. The internal quantum efficiency of the quantum well active layer structure portion, which is obtained from pulsed light PL measurement under a low excitation density condition, is 20% or more. 13. Nitride semiconductor. 前記前記量子井戸活性層構造部の、室温であってかつ低励起密度条件における時間分解PL測定から求められるフォトルミネッセンス寿命(τ(PL))が1.0ns以上であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The photoluminescence lifetime (τ (PL)) obtained from the time-resolved PL measurement at room temperature and under a low excitation density condition of the quantum well active layer structure is 1.0 ns or more. 14. The nitride semiconductor according to any one of 1 to 13. 前記前記量子井戸活性層構造部に含まれる量子井戸層の厚みが10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   15. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the quantum well layer included in the quantum well active layer structure has a thickness of 10 nm to 100 nm. 前記一方導電型はn型であり前記他方導電型はp型である請求項1乃至15のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 15, wherein the one conductivity type is n-type and the other conductivity type is p-type. 他方導電型の窒化物半導体部のドーパント元素の濃度が1×1019cm−3以上8×1019cm−3以下であることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の窒化物半導体。 The concentration of the dopant element in the other conductivity type nitride semiconductor part is 1 × 10 19 cm −3 or more and 8 × 10 19 cm −3 or less, according to any one of claims 1 to 16. Nitride semiconductor. 他方導電型の窒化物半導体部のドーパントとしてマグネシウム、亜鉛、炭素、ベリリウムから選択される1以上の元素を含むことを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載記載の窒化物半導体。   18. The nitride semiconductor according to claim 1, comprising at least one element selected from magnesium, zinc, carbon, and beryllium as a dopant of the other conductivity type nitride semiconductor portion. . 他方導電型の窒化物半導体部の厚みが0.05μm以上0.25μm以下であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載記載の窒化物半導体。   19. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the thickness of the other conductivity type nitride semiconductor portion is 0.05 μm or more and 0.25 μm or less. 他方導電型の窒化物半導体部がAlxGa1−xN(0≦X≦1)からなることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 19, wherein the other conductivity type nitride semiconductor portion is made of AlxGa1-xN (0≤X≤1). 前記AlxGa1−xNのAl組成xが0.02以上0.20以下である請求項20記載のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   21. The nitride semiconductor according to claim 20, wherein an Al composition x of the AlxGa1-xN is 0.02 or more and 0.20 or less. 前記窒化物半導体の最表面の面積が30mm以上500cm以下である請求項1乃至21記載のいずれか1項に記載の窒化物半導体。 The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 21, wherein an area of an outermost surface of the nitride semiconductor is 30 mm 2 or more and 500 cm 2 or less. 前記窒化物半導体の最表面の平均表面粗さRaが100nm以上300nm以下の範囲である請求項1乃至22記載のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 22, wherein an average surface roughness Ra of the outermost surface of the nitride semiconductor is in a range of 100 nm to 300 nm. 前記窒化物半導体の第1の窒化物半導体層が意図的なSi原料供給がされずにエピタキシャル成長されており、前記基体の窒化物主面との間に他の層を介在させることなく設けられていることを特徴とする請求項1乃至23のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The first nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor is epitaxially grown without intentional Si material supply, and is provided without interposing another layer between the nitride main surface of the substrate. The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 23, wherein: 前記量子井戸活性層構造部を構成する量子井戸層の厚さの面内での標準偏差が0.45nm以下である請求項1乃至24のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 24, wherein a standard deviation in a plane of a thickness of a quantum well layer constituting the quantum well active layer structure portion is 0.45 nm or less. 前記量子井戸活性層構造部を構成する量子井戸層の面内での厚さばらつきの変動係数が0.1以下である請求項1乃至25記載のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 25, wherein a variation coefficient of thickness variation in a plane of the quantum well layer constituting the quantum well active layer structure portion is 0.1 or less. 前記量子井戸活性層構造部の、室温であってかつ低励起密度条件におけるにおける時間分解PL測定から求められる発光再結合寿命(τ(R))が非発光再結合寿命(τ(NR))よりも短いことを特徴とする請求項1乃至26のいずれか1項に記載の窒化物半導体。   The luminescence recombination lifetime (τ (R)) obtained from the time-resolved PL measurement at room temperature and under a low excitation density condition of the quantum well active layer structure is greater than the non-radiative recombination lifetime (τ (NR)). 27. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is short. 前記一方導電型の窒化物半導体部の最表面は(1−100)面(m面)±5度以下の結晶面である請求項1乃至27の何れか1項に記載の窒化物半導体。   The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 27, wherein an outermost surface of the one conductivity type nitride semiconductor portion is a crystal plane of (1-100) plane (m-plane) ± 5 degrees or less.
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