JP2014160872A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a p-type group III nitride semiconductor exhibiting a lower resistance p-type characteristic than a conventional p-type semiconductor composed of a p-type group III nitride semiconductor superlattice, and having a desired refractive index and a band gap.SOLUTION: A p-type group III nitride semiconductor is a p-type group III nitride semiconductor 23 composed of a superlattice structure of an InAlGaN layer and a p-type InAlGaN layer which are epitaxially grown on a laminate structure with a low-temperature GaN buffer layer 21 and a GaN layer 22 sequentially laminated on a sapphire substrate 20.

Description

本発明は、半導体発光素子、半導体電子デバイス、半導体受光素子およびDVDやCD等の光ピックアップ用光源、電子写真用の書き込み光源、光通信用光源、紫外線センサー、高温動作トランジスター等に利用可能な半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor light-emitting device, a semiconductor electronic device, a semiconductor light-receiving device, a light source for optical pickup such as DVD and CD, a writing light source for electrophotography, a light source for optical communication, an ultraviolet sensor, and a high-temperature operating transistor. The present invention relates to a device manufacturing method.

従来、GaNに代表されるIII族窒化物半導体を利用した高輝度青色LEDや30mW程度の出力で発振する紫色LDが実用化されている。これらのIII族窒化物半導体装置の実用化には、p型III族窒化物の作製技術が重要な基本技術となっている。   Conventionally, a high-intensity blue LED using a group III nitride semiconductor typified by GaN and a purple LD that oscillates with an output of about 30 mW have been put into practical use. For the practical use of these group III nitride semiconductor devices, a p-type group III nitride fabrication technique is an important basic technique.

p型III族窒化物は、p型不純物(アクセプター)に水素が結合し、アクセプターが不活性化されてしまうため、水素を含む雰囲気での結晶成長や、水素ガス中や水素を生成するガス中で熱処理を行った場合には高抵抗化する。従って、水素をキャリアガスとして使用するMOCVD等の方法では、p型III族窒化物をas−grown(熱処理等の特別な後処理を行わない結晶成長したままの状態)で作製することは容易ではない。p型III族窒化物を作製するための方法としては、高抵抗化したIII族窒化物に対して特別な処理を行いp型化する第1の方法と、結晶成長の工程を工夫することによってas−grownでp型III族窒化物を作製する第2の方法とに大別される。   In the p-type group III nitride, hydrogen is bonded to the p-type impurity (acceptor) and the acceptor is inactivated, so that crystal growth in an atmosphere containing hydrogen, hydrogen gas, or in a gas that generates hydrogen When the heat treatment is performed at, the resistance is increased. Therefore, in a method such as MOCVD using hydrogen as a carrier gas, it is not easy to produce a p-type group III nitride as-grown (as it is in a crystal grown state without any special post-treatment such as heat treatment). Absent. As a method for producing the p-type group III nitride, a special method is applied to the high-resistance group III nitride to make it p-type, and the crystal growth process is devised. This is roughly divided into a second method for producing a p-type group III nitride by as-grown.

上記第1の方法において、p型化のための特別な処理としては、特許文献1に示されているように、水素や水素を生成する水素化物のガス(NH3等)を含まない雰囲気ガス中で、熱処理を行い、結晶中に含まれる水素の一部を結晶外へ拡散排出して低抵抗のp型にする方法や、あるいは、特許文献2に示されているように、低エネルギーの電子線を照射し、結晶中に含まれる水素とp型不純物の結合を切って低抵抗のp型にする方法が知られている。 In the first method, as a special treatment for p-type conversion, as shown in Patent Document 1, an atmosphere gas containing no hydrogen or a hydride gas (NH 3 or the like) that generates hydrogen is used. Among them, a heat treatment is performed, and a part of hydrogen contained in the crystal is diffused and discharged out of the crystal to form a low resistance p-type, or as disclosed in Patent Document 2, There is known a method of irradiating an electron beam to cut a bond between hydrogen and p-type impurities contained in a crystal to form a low resistance p-type.

また、上記第2の方法としては、特許文献3に示されているように、結晶成長終了後の冷却過程を、窒素や不活性ガス等の水素を含まないガス雰囲気中で行うことで、低抵抗のp型にする方法が知られている。   Further, as the second method, as shown in Patent Document 3, the cooling process after the completion of crystal growth is performed in a gas atmosphere containing no hydrogen such as nitrogen or an inert gas. There is known a method of making the resistance p-type.

また、結晶成長を水素ガスを含まない系で行う方法もとられている。これは水素の代わりに窒素をキャリアガスに使用したMOCVD法や、水素を含まない原料を使用するMBE法である。   In addition, there is a method in which crystal growth is performed in a system that does not contain hydrogen gas. This is an MOCVD method using nitrogen as a carrier gas instead of hydrogen, or an MBE method using a raw material not containing hydrogen.

これらの方法では、as−grown(結晶成長したのみでp型化の特別な処理をしていない状態)でp型GaNが得られることが知られている。   In these methods, it is known that p-type GaN can be obtained as-grown (in a state where only a crystal is grown but no special treatment for p-type conversion is performed).

また、上記の方法とは別の方法として、特許文献4には、InxAlyGa(1-x-y)N,(0<x<1,0≦y<1)で表されるIII族窒化物層を成長させた後に、p型ドーパントとしてのMgを1×1017cm-3〜3×1020cm-3の範囲でドーピングしてp型III族窒化物半導体を作製する方法が示されている。この方法は、InxAlyGa(1-x-y)N,(0<x<1,0≦y<1)層を緩衝層として用いることによって、その上に成長するp型GaN層の歪みを緩和して、結晶性の悪化を防ぐことで、as−grownで、p型GaNを作製するものである。この方法によれば、GaNにp型ドーパントとしてのMgを3×1020cm-3ドーピングして、5×1017cm-3のキャリア濃度のp型GaNを作製できる。 Another method is the above method, Patent Document 4, In x Al y Ga ( 1-xy) N, III nitride represented by (0 <x <1,0 ≦ y <1) A method for producing a p-type group III nitride semiconductor by growing a physical layer and then doping Mg as a p-type dopant in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 3 × 10 20 cm −3 is shown. ing. This method, In x Al y Ga (1 -xy) N, the distortion of by using a (0 <x <1,0 ≦ y <1) layer as a buffer layer, p-type GaN layer grown thereon By relaxing and preventing deterioration of crystallinity, p-type GaN is produced as-grown. According to this method, p-type GaN having a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 can be produced by doping GaN with 3 × 10 20 cm −3 as a p-type dopant.

このように、現在では、以上のような方法で、p型III族窒化物半導体は作製されている。   Thus, at present, the p-type group III nitride semiconductor is manufactured by the method as described above.

ところで、高い電流密度を必要とする発光素子等の半導体装置に使用されるp型III族窒化物半導体には高いキャリア濃度が要求されるが、バンドギャップの広いIII族窒化物半導体は、前述した方法でp型化してもキャリア濃度の高いものは得られない。例えば、半導体レーザーのクラッド層に使用されるAlGaNでは、キャリア濃度が1018cm-3を超えるものを作製することは困難である。この原因は、III族窒化物半導体のp型不純物の不純物準位が深いことにある。従来の発光ダイオードや半導体レーザーに使用されるAlGaNでは、そのバンドギャップが大きくなればなるほどp型不純物の不純物準位が深くなるため、室温でのアクセプターの活性化率が小さくなる。例えばGaNでは1%以下である。従って、1020cm-3程度のp型不純物をGaNにドーピングしてもキャリア濃度は1018cm-3程度にしかならない。AlGaNではさらに活性化率は小さくなるのでキャリア濃度もさらに小さくなる。キャリア濃度を増加するためにp型不純物のドーピング量を増加すると(例えば、ドーピング量が1020cm-3を超えると)、p型不純物は格子間位置に入り、ドナーとして働く。そのためキャリア濃度は逆に減少してしまう。従って、ドーピング量を増加してもキャリア濃度には上限が有る。例えばGaNで1018cm-3程度となる。 By the way, a p-type group III nitride semiconductor used for a semiconductor device such as a light emitting element that requires a high current density is required to have a high carrier concentration, but a group III nitride semiconductor having a wide band gap is described above. Even if the p-type is used, a high carrier concentration cannot be obtained. For example, with AlGaN used for the cladding layer of a semiconductor laser, it is difficult to produce one with a carrier concentration exceeding 10 18 cm −3 . The cause is that the impurity level of the p-type impurity of the group III nitride semiconductor is deep. In AlGaN used in conventional light emitting diodes and semiconductor lasers, the greater the band gap, the deeper the impurity level of the p-type impurity, and the lower the activation rate of the acceptor at room temperature. For example, in GaN, it is 1% or less. Therefore, even if p-type impurities of about 10 20 cm −3 are doped in GaN, the carrier concentration is only about 10 18 cm −3 . Since the activation rate is further reduced in AlGaN, the carrier concentration is further reduced. When the doping amount of the p-type impurity is increased to increase the carrier concentration (for example, when the doping amount exceeds 10 20 cm −3 ), the p-type impurity enters the interstitial position and acts as a donor. As a result, the carrier concentration decreases. Therefore, even if the doping amount is increased, there is an upper limit on the carrier concentration. For example, it is about 10 18 cm −3 with GaN.

これを解決する方法として、特許文献5には、MgとSiを2:1、あるいはMgとOを2:1、あるいはBeとSiを2:1、あるいはBeとOを2:1の比率で、GaNに1019cm-3〜1020cm-3程度同時ドーピングすることにより、不純物準位を浅くし、かつ不純物の固容限を上昇させ、高キャリア濃度のp型GaNを作製する方法が示されている。 As a method for solving this, Patent Document 5 discloses that Mg and Si are in a ratio of 2: 1, Mg and O in a ratio of 2: 1, Be and Si in a ratio of 2: 1, or Be and O in a ratio of 2: 1. by co-doping of about 10 19 cm -3 ~10 20 cm -3 to GaN, shallower impurity level, and raises the KataHiroshi limit of impurities, a method of manufacturing a p-type GaN with a high carrier concentration It is shown.

また、特許文献6には、GaN/InGaN,InGaN/AlGaNの超格子構造によりバンドギャップを大きくするとともに実効的なキャリア濃度を高める方法が提案されている。超格子構造では、超格子構造の一方の層のドーピング量を高くし、他方を低くしたいわゆる変調ドーピングにすることで、ドーピング量の多い層がキャリア濃度の高いキャリアの発生層となり、ドーピング濃度の低い層はキャリアの移動度の速い層として働くので、超格子全体で低抵抗となる。また、両方の層のドーピング量を高くしても、キャリア濃度が高くなるので超格子構造全体では低抵抗になる。この特許文献6には、これらの超格子構造をp型コンタクト層とクラッド層に適用した発光ダイオードが示されている。   Patent Document 6 proposes a method of increasing the effective carrier concentration while increasing the band gap by using a superlattice structure of GaN / InGaN and InGaN / AlGaN. In the superlattice structure, by making the doping amount of one layer of the superlattice structure high and making the other low, so-called modulation doping, the layer with a large amount of doping becomes a carrier generation layer with a high carrier concentration, Since the low layer acts as a layer with high carrier mobility, the entire superlattice has low resistance. Further, even if the doping amount of both layers is increased, the carrier concentration is increased, so that the entire superlattice structure has a low resistance. Patent Document 6 discloses a light emitting diode in which these superlattice structures are applied to a p-type contact layer and a clad layer.

図24,図25は上記特許文献6に示されている発光ダイオードを示す図である。なお、図25は図24の部分Aを拡大した図である。図24,図25を参照すると、この発光ダイオードは、サファイア基板1上に、GaNより成るバッファー層2、アンドープn型GaNよりなる第1のn型窒化物半導体層3、変調ドープされたn型GaNよりなる第2のn型窒化物半導体層4、アンドープn型GaNよりなる第3のn型窒化物半導体層5、アンドープIn0.4Ga0.6Nより成る量子井戸活性層6、p型Al0.1Ga0.9N/GaN超格子より成るp側クラッド層7、アンドープIn0.1Ga0.9N(8b)とp型GaN(8a)とよりなる超格子コンタクト層8とが順次に積層されて構成されている。 24 and 25 are diagrams showing a light emitting diode disclosed in Patent Document 6. FIG. FIG. 25 is an enlarged view of portion A of FIG. Referring to FIGS. 24 and 25, this light-emitting diode is formed on a sapphire substrate 1, a buffer layer 2 made of GaN, a first n-type nitride semiconductor layer 3 made of undoped n-type GaN, and a modulation-doped n-type. The second n-type nitride semiconductor layer 4 made of GaN, the third n-type nitride semiconductor layer 5 made of undoped n-type GaN, the quantum well active layer 6 made of undoped In 0.4 Ga 0.6 N, and the p-type Al 0.1 Ga A p-side cladding layer 7 made of 0.9 N / GaN superlattice, a superlattice contact layer 8 made of undoped In 0.1 Ga 0.9 N (8b) and p-type GaN (8a) are sequentially laminated.

なお、図24,図25の発光ダイオードにおいて、n側電極11は、エッチングによって露出された第2のn型窒化物半導体層4上に形成されている。また、p側コンタクト層8上にはp側電極9が形成され、p側電極9には、p側パッド電極10が形成されている。   24 and 25, the n-side electrode 11 is formed on the second n-type nitride semiconductor layer 4 exposed by etching. A p-side electrode 9 is formed on the p-side contact layer 8, and a p-side pad electrode 10 is formed on the p-side electrode 9.

この特許文献6では、積層構造の結晶成長終了後、温度を室温まで下げた後、反応容器内において、窒素雰囲気中700℃でアニーリングしてp型層を低抵抗化している。   In Patent Document 6, after the crystal growth of the laminated structure is completed, the temperature is lowered to room temperature, and then the resistance in the p-type layer is reduced by annealing at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in a reaction vessel.

上述したように、キャリア濃度の高い低抵抗のp型III族窒化物半導体を作製することは難しい。そのため、III族窒化物半導体を使用した高輝度青色LED,紫色LDが実用化されてはいるが、さらに高出力動作する紫色レーザーや、400nmより短い紫外領域で発光する発光ダイオードや半導体レーザー、あるいは紫外波長領域に感度特性を有する受光素子は実用化されていない。例えば、半導体レーザーの場合には、未だp型クラッド層の抵抗やp側オーミック電極の接触抵抗が高いために、動作電圧の増加や、大電流動作時の発熱を招き、高出力動作するものは実用化されていない。また、紫外波長領域で使用する発光素子あるいは受光素子の場合は、クラッド層になるp型AlGaN層のAl組成比が大きくなるに従い、低抵抗にならなくなるため、実用的なものは実現されていない。また、実用化された紫色半導体レーザーもp型化のための処理工程のため製造コストが高いものとなっている。   As described above, it is difficult to produce a low-resistance p-type group III nitride semiconductor having a high carrier concentration. Therefore, although a high-intensity blue LED and a purple LD using a group III nitride semiconductor have been put into practical use, a violet laser operating at a higher output, a light emitting diode or semiconductor laser emitting in the ultraviolet region shorter than 400 nm, or A light receiving element having sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength region has not been put into practical use. For example, in the case of a semiconductor laser, since the resistance of the p-type clad layer and the contact resistance of the p-side ohmic electrode are still high, the operating voltage increases and the heat generated during a large current operation causes a high output operation. Not put into practical use. Moreover, in the case of a light emitting element or a light receiving element used in the ultraviolet wavelength region, the resistance does not become lower as the Al composition ratio of the p-type AlGaN layer serving as the cladding layer increases, so a practical one has not been realized. . In addition, a violet semiconductor laser that has been put into practical use also has a high manufacturing cost due to a processing step for making it p-type.

以下、上述した特許文献1〜6の問題点を具体的に説明する。先ず、特許文献1に示されているIII族窒化物半導体のp型化法は、p型不純物を不活性化している水素を、700℃程度の熱処理によって結晶外部へ排出させる方法のため、水素を含まない雰囲気、一般的には窒素ガス雰囲気で熱処理が行われる。しかしながら、窒素分子からなる窒素ガスはIII族窒化物の生成原料にはならないために、700℃を超える高温では結晶表面の分解が起り、表面抵抗が増加するなど、特性の劣化が生じる場合があった。表面抵抗の増加は、オーミック電極の接触抵抗の増大につながり、半導体装置の特性を大きく損ねる原因となる。また、p型化の熱処理工程のための時間と熱処理設備が必要となるため、工業的にはコストがかかるものであった。   Hereinafter, the problems of Patent Documents 1 to 6 described above will be specifically described. First, the III-type nitride semiconductor p-type method disclosed in Patent Document 1 is a method of discharging hydrogen that has deactivated p-type impurities to the outside of the crystal by heat treatment at about 700 ° C. The heat treatment is performed in an atmosphere that does not contain nitrogen, generally in a nitrogen gas atmosphere. However, since nitrogen gas consisting of nitrogen molecules is not a raw material for the production of group III nitrides, degradation of characteristics may occur, such as decomposition of the crystal surface and increase in surface resistance at temperatures exceeding 700 ° C. It was. The increase in the surface resistance leads to an increase in the contact resistance of the ohmic electrode, which causes a significant deterioration in the characteristics of the semiconductor device. In addition, since time and heat treatment equipment for the p-type heat treatment step are required, it is industrially expensive.

また、特許文献2の低エネルギー電子線照射は、電子線の侵入深さが浅く、結晶表面近傍しかp型化できない。また、電子線を一度に照射できる面積が狭いために、ウエハー全面をp型化するには時間がかかり、工業的にはコストがかかりすぎるという問題がある。   Moreover, the low energy electron beam irradiation of patent document 2 has a shallow penetration depth of the electron beam, and can be made p-type only near the crystal surface. Further, since the area that can be irradiated with an electron beam at a time is small, it takes time to make the entire wafer surface p-type, and there is a problem that it is industrially expensive.

また、特許文献3は、熱処理工程を必要としないので、コスト的には低くできるが、1000℃程度の結晶成長温度から室温までの冷却を窒素ガスや不活性ガスのみの雰囲気で行うので、特許文献1と同様に、結晶表面の分解が起り、表面抵抗が増加するなど、特性の劣化が生じる場合があった。   In addition, Patent Document 3 does not require a heat treatment step, and thus can be reduced in cost. However, since cooling from a crystal growth temperature of about 1000 ° C. to room temperature is performed in an atmosphere of only nitrogen gas or inert gas, In the same manner as in Literature 1, the crystal surface may be decomposed and the surface resistance may be increased.

また、特許文献4の方法、すなわち、InxAlyGa(1-x-y)N,(0<x<1,0≦y<1)で表されるIII族窒化物層を成長させた後にMgを1×1017cm-3〜1×1020cm-3の範囲でドーピングしてp型GaNを作製する方法では、直上の結晶層は歪みが緩和されp型特性を示すが、多層構造を形成する場合には、層厚が厚くなるに従い、その効果が薄れてしまう。そのため、デバイス設計の自由度が少ないという問題がある。 Further, the method of Patent Document 4, i.e., In x Al y Ga (1 -xy) N, after growing the III-nitride layer represented by (0 <x <1,0 ≦ y <1) Mg In the method for producing p-type GaN by doping in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 , the crystal layer directly above is relaxed and exhibits p-type characteristics. In the case of forming, the effect decreases as the layer thickness increases. Therefore, there is a problem that the degree of freedom in device design is small.

水素を含まない雰囲気での結晶成長方法に関しては、まず、MBE法では、高真空中で結晶成長を行うため窒素の解離による欠陥が形成される等、高品質な結晶成長をすることが難しい。また、窒素の供給に課題があり、成長速度が遅く、MOCVD程には量産には向いていない。   Regarding the crystal growth method in an atmosphere not containing hydrogen, first, in the MBE method, since crystal growth is performed in a high vacuum, it is difficult to perform high-quality crystal growth, such as formation of defects due to dissociation of nitrogen. In addition, there is a problem in the supply of nitrogen, the growth rate is slow, and it is not suitable for mass production as much as MOCVD.

一方、MBE法と同様に水素を極力含まない雰囲気でMOCVDで結晶成長を行った場合、本願の発明者によるGaNの実験では、表面の凹凸が激しいものしか成長できず、結晶性の良いものは成長できなかった。すなわち、水素を含まない雰囲気では高品質のp型GaNを成長できる条件が狭いと考えられる。   On the other hand, when crystal growth is performed by MOCVD in an atmosphere containing as little hydrogen as in the MBE method, in the GaN experiment by the inventor of the present application, only rugged surfaces can be grown, and those with good crystallinity are I couldn't grow. That is, it is considered that the conditions under which high-quality p-type GaN can be grown in an atmosphere containing no hydrogen are narrow.

また、低抵抗のp型III族窒化物半導体を作製する特許文献5の方法では、MgとSiを2:1、あるいはMgとOを2:1、あるいはBeとSiを2:1、あるいはBeとOを2:1の比率でGaNに1019cm-3〜1020cm-3程度同時ドーピングして、高キャリア濃度のp型GaNを作製するが、ドーピング量を増やすに従い、表面モフォロジーが悪くなるため、半導体レーザーのような平坦な導波路構造を必要とするデバイスを作製するには難があった。 Further, in the method of Patent Document 5 for producing a low-resistance p-type group III nitride semiconductor, Mg and Si are 2: 1, Mg and O are 2: 1, Be and Si are 2: 1, or Be. And O are simultaneously doped to GaN at a ratio of 2: 1 to about 10 19 cm −3 to 10 20 cm −3 to produce p-type GaN having a high carrier concentration. However, as the doping amount is increased, the surface morphology becomes worse. Therefore, it has been difficult to produce a device such as a semiconductor laser that requires a flat waveguide structure.

また、特許文献6の発光ダイオードでは、p型Al0.1Ga0.9N/GaN超格子を使用してp型クラッド層のキャリア濃度を実効的に増加させている。しかるに、高品質のAlGaNを結晶成長するには、成長温度をGaNの成長温度よりも高温にする必要がある。Alの混晶比が大きくなればなるほど高温での成長が必要とされる。逆にGaNの場合は、成長温度を高くすると、結晶表面の分解が生じ、高いAl混晶比のAlGaNの成長温度では結晶成長が困難になる。従って、GaN/AlGaNの超格子では、Al混晶比の小さな(GaNに近い)AlGaNを成長するか、どちらか一方の結晶性を犠牲にして結晶成長を行う必要がある。その結果、GaN/AlGaNの超格子全体としてみた実効的な屈折率や、バンドギャップの制御にはある程度の制約がある。すなわち、大きなバンドギャップを有する低抵抗のp型超格子を作製することは困難である。従って、紫外線領域の発光素子では大きなバンドギャップを有するクラッド層が必要とされるが、GaN/AlGaNの超格子では、このような発光素子を作製することは困難である。 Further, in the light emitting diode of Patent Document 6, the p-type Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice is used to effectively increase the carrier concentration of the p-type cladding layer. However, in order to grow a high quality AlGaN crystal, the growth temperature needs to be higher than the growth temperature of GaN. The higher the mixed crystal ratio of Al, the higher the growth required. Conversely, in the case of GaN, if the growth temperature is increased, the crystal surface is decomposed, and crystal growth becomes difficult at the growth temperature of AlGaN having a high Al mixed crystal ratio. Therefore, in a GaN / AlGaN superlattice, it is necessary to grow AlGaN having a small Al mixed crystal ratio (close to GaN) or to perform crystal growth at the expense of either crystallinity. As a result, there are some restrictions in controlling the effective refractive index and the band gap as a whole of the GaN / AlGaN superlattice. That is, it is difficult to manufacture a low-resistance p-type superlattice having a large band gap. Accordingly, a clad layer having a large band gap is required for a light emitting element in the ultraviolet region, but it is difficult to produce such a light emitting element with a GaN / AlGaN superlattice.

また、In0.1Ga0.9N/GaN超格子によるコンタクト層の低抵抗化に関しても同様に、In0.1Ga0.9NとGaNの最適結晶成長温度が異なるため、この場合は、GaNの結晶性が犠牲にされている。また、InGaN/GaN超格子では、InGaNのアクセプター準位が浅いので低抵抗のp型半導体を得ることは可能であるが、紫外線領域の発光素子のクラッド層に必要とされる大きなバンドギャップのものを得ることは不可能である。さらに、どちらのp型超格子構造も低抵抗化のためには、700℃以上での熱処理が必要とされるので、結晶表面の分解が生じ、結晶性の劣化による表面の高抵抗化が起る。また、熱処理により、p型不純物や構成元素の固相拡散が生じ、超格子界面でのp型不純濃度や組成の急峻性が損なわれる場合がある。さらに、熱処理時の温度の上げ下げは、III族窒化物結晶に熱歪みを与え、結晶欠陥を発生させる要因になる。従って、熱処理による低抵抗化工程はp型半導体の特性を劣化させる要因となる場合がある。 Similarly, regarding the reduction in resistance of the contact layer by the In 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice, the optimum crystal growth temperature of In 0.1 Ga 0.9 N and GaN is different, and in this case, the crystallinity of GaN is sacrificed. Has been. In InGaN / GaN superlattices, since the acceptor level of InGaN is shallow, a p-type semiconductor with low resistance can be obtained. However, the InGaN / GaN superlattice has a large band gap required for the cladding layer of the light emitting device in the ultraviolet region. It is impossible to get. Furthermore, both p-type superlattice structures require heat treatment at 700 ° C. or higher to reduce the resistance, so that the crystal surface is decomposed and the surface resistance is increased due to the deterioration of crystallinity. The In addition, the heat treatment may cause solid phase diffusion of p-type impurities and constituent elements, which may impair the p-type impurity concentration and the steepness of the composition at the superlattice interface. Furthermore, the temperature increase / decrease during the heat treatment causes thermal distortion of the group III nitride crystal and causes crystal defects. Therefore, the resistance reduction process by heat treatment may be a factor that deteriorates the characteristics of the p-type semiconductor.

本発明は、従来のp型III族窒化物半導体超格子からなるp型半導体よりも低抵抗のp型特性を示す所望の屈折率とバンドギャップ(特に大きなバンドギャップ)を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。   The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device having a desired refractive index and a band gap (particularly a large band gap) exhibiting a p-type characteristic having a lower resistance than a p-type semiconductor made of a conventional p-type group III nitride semiconductor superlattice. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、InとAlを構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、Inを構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に、水素の拡散深さ以上の厚さを有する少なくとも1層のIII族窒化物半導体を積層し、前記III族窒化物半導体の成膜温度から室温まで冷却した後に、水素が拡散した領域の一部または全部を除去して、前記超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に積層された前記p型III族窒化物半導体を露出させ、当該露出した前記p型III族窒化物半導体上に電極を形成して、所定の半導体装置を製造することを特徴としている。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a first group III nitride semiconductor containing In and Al as constituent elements and a band gap smaller than that of the first group III nitride semiconductor. On a p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing selenium as a constituent element are alternately stacked and having a thickness of at least a hydrogen diffusion depth or more A layer III nitride semiconductor is stacked, and after cooling from the film forming temperature of the group III nitride semiconductor to room temperature, a part or all of the region where hydrogen diffuses is removed to form the superlattice structure. A predetermined semiconductor device is formed by exposing the p-type group III nitride semiconductor laminated on the p-type group III nitride semiconductor, and forming an electrode on the exposed p-type group III nitride semiconductor. It is characterized by manufacturing.

以上に説明したように、請求項1記載の発明によれば、InとAlを構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、Inを構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に、水素の拡散深さ以上の厚さを有する少なくとも1層のIII族窒化物半導体を積層し、前記III族窒化物半導体の成膜温度から室温まで冷却した後に、水素が拡散した領域の一部または全部を除去して、前記超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に積層された前記p型III族窒化物半導体を露出させ、当該露出した前記p型III族窒化物半導体上に電極を形成して、所定の半導体装置を製造するので、従来のような熱処理等の後処理をせずに、低抵抗のp型III族窒化物半導体を結晶成長することが可能となる。このように、高温での長時間の熱処理を必要としないので、p型III族窒化物半導体超格子は、熱処理による超格子の界面での原子の拡散がなく、混晶組成やドーパント濃度のプロファイルの急峻性が結晶成長直後の状態に保たれる。また、熱処理時の温度を上げ下げによる歪みの発生がないので、結晶欠陥の発生が抑制される。従って、結晶成長直後の高品質の結晶性が保たれた低抵抗のp型III族窒化物半導体を製造することができる。このようにして製造されたp型III族窒化物半導体を使用して半導体装置を製造するとにより、従来の熱処理によって低抵抗化したp型III族窒化物半導体を使用する場合よりも、電気的特性に優れ、高信頼性の半導体装置を製造することができる。   As described above, according to the first aspect of the present invention, the first group III nitride semiconductor containing In and Al as constituent elements and the band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor, A p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In as a constituent element are alternately stacked has a thickness greater than the hydrogen diffusion depth After laminating at least one layer of group III nitride semiconductor and cooling from the film forming temperature of the group III nitride semiconductor to room temperature, a part or all of the region where hydrogen diffuses is removed, and the superlattice structure is formed. A predetermined semiconductor is formed by exposing the p-type group III nitride semiconductor laminated on the p-type group III nitride semiconductor, and forming an electrode on the exposed p-type group III nitride semiconductor. Since the equipment is manufactured, there is no post-treatment such as conventional heat treatment. , It is possible to crystal growth of low resistivity p-type group III nitride semiconductor. Thus, since a long-time heat treatment at a high temperature is not required, the p-type group III nitride semiconductor superlattice has no diffusion of atoms at the interface of the superlattice due to the heat treatment, and has a mixed crystal composition and dopant concentration profile. This steepness is maintained in a state immediately after crystal growth. In addition, since no distortion is caused by raising or lowering the temperature during the heat treatment, the occurrence of crystal defects is suppressed. Therefore, a low-resistance p-type group III nitride semiconductor in which high-quality crystallinity is maintained immediately after crystal growth can be manufactured. By manufacturing a semiconductor device using the p-type group III nitride semiconductor manufactured in this way, the electrical characteristics are higher than when using a p-type group III nitride semiconductor whose resistance is reduced by conventional heat treatment. And a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

本発明に係るp型III族窒化物半導体の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the p-type group III nitride semiconductor which concerns on this invention. 図1の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明に係るp型III族窒化物半導体の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the p-type group III nitride semiconductor which concerns on this invention. 図3の部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. 本発明に係るp型III族窒化物半導体の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the p-type group III nitride semiconductor which concerns on this invention. 図5の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明に係る半導体装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor device which concerns on this invention. 図7の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 図7の半導体装置の光出射端面に平行な面での断面図である。It is sectional drawing in a surface parallel to the light-projection end surface of the semiconductor device of FIG. 本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor device which concerns on this invention. 図10の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 図10の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor device which concerns on this invention. 図13の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 図13の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図(斜視図)である。It is a figure (perspective view) which shows the other structural example of the semiconductor device which concerns on this invention. 図16の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of FIG. 図17の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 図17の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図(斜視図)である。It is a figure (perspective view) which shows the other structural example of the semiconductor device which concerns on this invention. 図20の半導体装置の断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 20. 図21の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 図21の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 従来の発光ダイオードを示す図である。It is a figure which shows the conventional light emitting diode. 図24の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のp型III族窒化物半導体は、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されていることを特徴としている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The p-type group III nitride semiconductor of the present invention has a smaller band gap than the first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements and the first group III nitride semiconductor. And a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In (indium) as constituent elements are alternately stacked.

ここで、第1のIII族窒化物半導体とは、B(ボロン),Al(アルミニウム),Ga(ガリウム),In(インジウム)のIII族元素のうち少なくともInとAlを構成元素に含むN(窒素)との化合物からなる半導体である。例えば、InAlNの三元系や、InAlGaNやBInAlNの四元系、あるいは、BInAlGaNの五元系混晶半導体である。   Here, the first group III nitride semiconductor is N (containing at least In and Al among the group III elements of B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), and In (indium)). Nitrogen). For example, a ternary system of InAlN, a quaternary system of InAlGaN or BInAlN, or a ternary mixed crystal semiconductor of BInAlGaN.

また、第2のIII族窒化物半導体とは、B(ボロン),Al(アルミニウム),Ga(ガリウム),In(インジウム)のIII族元素のうち少なくともInを構成元素に含むN(窒素)との化合物からなる半導体である。例えば、InAlNやInGaNやInBNの三元系や、InAlGaNやBInAlNやBInGaNの四元系や、BInAlGaNの五元系混晶半導体である。   The second group III nitride semiconductor is N (nitrogen) containing at least In among group III elements of B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), and In (indium). It is a semiconductor consisting of the compound. For example, a ternary system of InAlN, InGaN, or InBN, a quaternary system of InAlGaN, BInAlN, or BInGaN, or a ternary mixed crystal semiconductor of BInAlGaN.

上記第1および第2のIII族窒化物半導体は、ともに、III族元素の混晶比率を変えることで所望のバンドギャップを有するものにすることができる。   Both the first and second group III nitride semiconductors can have a desired band gap by changing the mixed crystal ratio of group III elements.

また、上記超格子構造は、第1と第2のIII族窒化物半導体がクラックが入らない程度の厚さで交互に積層されて形成される。一般的には、数nm〜十数nm程度の厚さの第1,第2の半導体層が、数十層から百数十層程度交互に積層されるが、このような厚さ,積層数は、特に限定されるものではない。また、各層が同一の厚さである必要も無く、用途によって適宜選択することができる。上記構成のp型III族窒化物半導体において、p型III族窒化物半導体の見かけ上の屈折率は、超格子構造全体に含まれる各III族元素の比率によって決定される。従って、各層の厚さと組成を制御することによって、本発明のp型III族窒化物半導体の見かけの屈折率を制御することができる。   The superlattice structure is formed by alternately laminating the first and second group III nitride semiconductors with a thickness that does not cause cracks. In general, the first and second semiconductor layers having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers are alternately stacked on the order of several tens to hundreds of tens of layers. Is not particularly limited. Each layer does not need to have the same thickness, and can be appropriately selected depending on the application. In the p-type group III nitride semiconductor having the above structure, the apparent refractive index of the p-type group III nitride semiconductor is determined by the ratio of each group III element contained in the entire superlattice structure. Therefore, the apparent refractive index of the p-type group III nitride semiconductor of the present invention can be controlled by controlling the thickness and composition of each layer.

また、上記超格子構造にはp型ドーパントがドーピングされている。p型ドーパントは、一般的にはMgやBeが使用されるが、アクセプターとなるものであれば、MgやBe以外であっても使用することができる。p型ドーパントは、第1と第2のIII族窒化物半導体の両方に、あるいは、第1のIII族窒化物半導体のみに、あるいは、第2のIII族窒化物半導体のみに、ドーピングすることが可能である。また、第1と第2のIII族窒化物半導体のどちらか一方のドーピング量を少なくする変調ドーピングの形態をとることも可能である。   The superlattice structure is doped with a p-type dopant. As the p-type dopant, Mg or Be is generally used, but any dopant other than Mg or Be can be used as long as it becomes an acceptor. The p-type dopant may be doped into both the first and second group III nitride semiconductors, only the first group III nitride semiconductor, or only the second group III nitride semiconductor. Is possible. It is also possible to take the form of modulation doping in which the doping amount of one of the first and second group III nitride semiconductors is reduced.

p型ドーパントがドーピングされた超格子構造はp型の電気伝導型を示す。なお、ここで言うp型の電気伝導型とは、超格子構造全体を一つの半導体層とみなした場合の電気伝導型を意味する。従って、超格子構造を構成する各半導体層のみの電気伝導型を意味するものではない。例えば、第1のIII族窒化物半導体が、絶縁性(高抵抗のn型あるいはp型)であっても、第2のIII族窒化物半導体がp型であって、超格子構造全体としてp型特性を示すものは、p型半導体とみなす。また、第1のIII族窒化物半導体がp型で、第2のIII族窒化物半導体が絶縁性(高抵抗のn型あるいはp型)である場合や、第1、第2の両方の半導体がp型で超格子構造全体としてp型特性を示すものも、p型半導体とみなす。   A superlattice structure doped with a p-type dopant exhibits a p-type conductivity type. In addition, the p-type conductivity type here means the conductivity type when the entire superlattice structure is regarded as one semiconductor layer. Therefore, it does not mean the electric conduction type of only each semiconductor layer constituting the superlattice structure. For example, even if the first group III nitride semiconductor is insulative (high resistance n-type or p-type), the second group III nitride semiconductor is p-type, and the entire superlattice structure is p-type. Those exhibiting type characteristics are regarded as p-type semiconductors. Also, when the first group III nitride semiconductor is p-type and the second group III nitride semiconductor is insulating (high resistance n-type or p-type), both the first and second semiconductors Are p-type semiconductors that exhibit p-type characteristics as a whole superlattice structure.

より具体的に、本発明のp型III族窒化物半導体において、第2のIII族窒化物半導体には、InzGa(1-z)N(0<z≦1)を用いることができる。この場合、低抵抗のp型特性を効果的に得るには、少なくとも第2のIII族窒化物半導体に、p型ドーパントをドーピングすることが望ましい。その理由は、第2のIII族窒化物半導体であるInzGa(1-z)N(0<z≦1)は、Inの混晶比が大きい程アクセプター準位が浅くなり(すなわちアクセプターの活性化エネルギーが小さくなり)、高いキャリア濃度を得ることが可能になるからである。従って、第2のIII族窒化物半導体であるInzGa(1-z)N(0<z≦1)にp型ドーパントをドーピングすることによって、超格子構造のキャリア濃度を高くすることが可能となり、低抵抗のp型特性を示すことができる。 More specifically, in the p-type group III nitride semiconductor of the present invention, In z Ga (1-z) N (0 <z ≦ 1) can be used for the second group III nitride semiconductor. In this case, in order to effectively obtain a low-resistance p-type characteristic, it is desirable to dope a p-type dopant into at least the second group III nitride semiconductor. The reason is that the acceptor level of In z Ga (1-z) N (0 <z ≦ 1), which is the second group III nitride semiconductor, becomes shallower as the In mixed crystal ratio increases (that is, the acceptor's level). This is because the activation energy is reduced and a high carrier concentration can be obtained. Therefore, it is possible to increase the carrier concentration of the superlattice structure by doping the second group III nitride semiconductor In z Ga (1-z) N (0 <z ≦ 1) with the p-type dopant. Thus, p-type characteristics with low resistance can be exhibited.

また、本発明のp型III族窒化物半導体において、第1のIII族窒化物半導体と第2のIII族窒化物半導体はそれぞれの格子定数が異なるものにすることができる。なお、第1のIII族窒化物半導体と第2のIII族窒化物半導体のそれぞれの格子定数は、混晶組成を制御することで制御できる。   In the p-type group III nitride semiconductor of the present invention, the first group III nitride semiconductor and the second group III nitride semiconductor may have different lattice constants. Note that the lattice constants of the first group III nitride semiconductor and the second group III nitride semiconductor can be controlled by controlling the mixed crystal composition.

図1,図2は本発明に係るp型III族窒化物半導体の構成例を示す図である。なお、図2は図1の部分Bを拡大した図である。図1,図2を参照すると、このp型III族窒化物半導体は、サファイア基板20上に低温GaNバッファー層21,GaN層22が順次積層された積層構造上にエピタキシャル成長された、In0.04Al0.2Ga0.76N層23aとp型In0.1Al0.04Ga0.86N層23bとの超格子構造からなるp型III族窒化物半導体23である。超格子を構成する各層23a,23bの厚さはそれぞれ5nmであり、各層23a,23bを50周期で成長して形成されている。超格子全体では0.5μmの厚さである。また、p型In0.1Al0.04Ga0.86N層23bには、p型不純物のMg(マグネシウム)がドーピングされている。超格子構造からなるp型III族窒化物半導体層23のキャリア濃度は3×1018cm-3であり、低抵抗のp型を示した。 1 and 2 are diagrams showing a configuration example of a p-type group III nitride semiconductor according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of portion B of FIG. Referring to FIGS. 1 and 2, the p-type group III nitride semiconductor on the sapphire substrate 20 is a low temperature GaN buffer layer 21, GaN layer 22 is epitaxially grown on the laminated structure which are sequentially stacked, an In 0.04 Al 0.2 This is a p-type group III nitride semiconductor 23 having a superlattice structure of a Ga 0.76 N layer 23a and a p-type In 0.1 Al 0.04 Ga 0.86 N layer 23b. Each layer 23a, 23b constituting the superlattice has a thickness of 5 nm, and is formed by growing each layer 23a, 23b in 50 cycles. The entire superlattice is 0.5 μm thick. The p-type In 0.1 Al 0.04 Ga 0.86 N layer 23b is doped with p-type impurity Mg (magnesium). The p-type group III nitride semiconductor layer 23 having a superlattice structure has a carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 , indicating a low-resistance p-type.

また、図3,図4は本発明に係るp型III族窒化物半導体の他の構成例を示す図である。なお、図4は図3の部分Cを拡大した図である。図3,図4では、第2のIII族窒化物半導体にInzGa(1-z)N(0<z≦1)を用いる場合の例が示されている。すなわち、図3,図4を参照すると、このp型III族窒化物半導体は、サファイア基板30上に低温GaNバッファー層31,GaN層32が順次積層された積層構造上にエピタキシャル成長された、In0.04Al0.2Ga0.76N層33aとp型In0.2Ga0.8N層33bとの超格子構造からなるp型III族窒化物半導体である。超格子を構成する各層の厚さは、In0.04Al0.2Ga0.76N層33aが10nm、In0.2Ga0.8N層33bが5nmであり、各層33a,33bを30周期で成長して形成されている。超格子全体では0.45μmの厚さである。また、p型In0.2Ga0.8N層33bには、p型不純物のMg(マグネシウム)がドーピングされている。超格子構造からなるp型III族窒化物半導体層33のキャリア濃度は9×1018cm-3であり、低抵抗のp型を示した。 FIG. 3 and FIG. 4 are diagrams showing another configuration example of the p-type group III nitride semiconductor according to the present invention. 4 is an enlarged view of a portion C in FIG. 3 and 4 show an example in which In z Ga (1-z) N (0 <z ≦ 1) is used for the second group III nitride semiconductor. That is, Referring to FIGS. 3, 4, the p-type group III nitride semiconductor, the low-temperature GaN buffer layer 31 on the sapphire substrate 30, GaN layer 32 is epitaxially grown sequentially stacked laminated structure on, an In 0.04 This is a p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure of an Al 0.2 Ga 0.76 N layer 33a and a p-type In 0.2 Ga 0.8 N layer 33b. The thickness of each layer constituting the superlattice is 10 nm for the In 0.04 Al 0.2 Ga 0.76 N layer 33a and 5 nm for the In 0.2 Ga 0.8 N layer 33b, and is formed by growing each layer 33a, 33b in 30 cycles. . The entire superlattice is 0.45 μm thick. The p-type In 0.2 Ga 0.8 N layer 33b is doped with p-type impurity Mg (magnesium). The carrier concentration of the p-type group III nitride semiconductor layer 33 having a superlattice structure was 9 × 10 18 cm −3 , indicating a low-resistance p-type.

また、図5,図6は本発明に係るp型III族窒化物半導体の他の構成例を示す図である。なお、図6は図5の部分Dを拡大した図である。図5,図6では、第1のIII族窒化物半導体と第2のIII族窒化物半導体とは、それぞれの格子定数が異なる場合の例が示されている。すなわち、図5,図6を参照すると、このp型III族窒化物半導体は、サファイア基板40上に低温GaNバッファー層41,GaN層42が順次積層された積層構造上にエピタキシャル成長された、In0.05Al0.24Ga0.71N層43aとp型In0.2Ga0.8N層43bとの超格子構造からなるp型III族窒化物半導体43である。超格子を構成する各層43a,43bの厚さはそれぞれ5nmであり、各層43a,43bを50周期で成長して形成されている。超格子全体では0.5μmの厚さである。また、In0.05Al0.24Ga0.71N層43aとp型In0.2Ga0.8N層43bには、p型不純物のMg(マグネシウム)がドーピングされている。超格子構造からなるp型III族窒化物半導体層43のキャリア濃度は9×1018cm-3であり、低抵抗のp型を示した。 FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing another configuration example of the p-type group III nitride semiconductor according to the present invention. FIG. 6 is an enlarged view of a portion D in FIG. FIGS. 5 and 6 show examples in which the first group III nitride semiconductor and the second group III nitride semiconductor have different lattice constants. That is, FIG. 5, 6, the p-type group III nitride semiconductor, a sapphire substrate 40 on the low-temperature GaN buffer layer 41, GaN layer 42 is epitaxially grown sequentially stacked laminated structure on, an In 0.05 This is a p-type group III nitride semiconductor 43 having a superlattice structure of an Al 0.24 Ga 0.71 N layer 43a and a p-type In 0.2 Ga 0.8 N layer 43b. Each of the layers 43a and 43b constituting the superlattice has a thickness of 5 nm, and is formed by growing the layers 43a and 43b in 50 cycles. The entire superlattice is 0.5 μm thick. The In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 43a and the p-type In 0.2 Ga 0.8 N layer 43b are doped with p-type impurity Mg (magnesium). The p-type group III nitride semiconductor layer 43 having a superlattice structure has a carrier concentration of 9 × 10 18 cm −3 , indicating a low-resistance p-type.

また、上記本発明のp型III族窒化物半導体を含む積層構造を有する半導体装置を構成することができる。この場合、半導体装置としては、上記本発明のp型III族窒化物半導体の特性を用いて機能するものであれば、発光素子,受光素子,電子デバイス等の任意の形態をとることができる。   In addition, a semiconductor device having a stacked structure including the p-type group III nitride semiconductor of the present invention can be configured. In this case, the semiconductor device can take any form such as a light emitting element, a light receiving element, and an electronic device as long as it functions using the characteristics of the p-type group III nitride semiconductor of the present invention.

例えば、上記半導体装置が発光素子である場合、この発光素子は、上記本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いたものにすることができる。ここで、発光素子の構造は、特に限定されるものではなく、上記本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いたものであって、少なくとも1つのp−n接合を有し、キャリアの再結合によって発光し、光が外部に取り出されるものであれば良い。すなわち、発光ダイオード,スーパールミネッセンスダイオード,半導体レーザーのいずれであってもよい。また、端面発光型,面発光型のどちらの構造であっても良い。   For example, when the semiconductor device is a light emitting element, the light emitting element may be one using the p-type group III nitride semiconductor of the present invention as a cladding layer. Here, the structure of the light emitting device is not particularly limited, and the p-type group III nitride semiconductor of the present invention is used as a cladding layer, and has at least one pn junction, Any device that emits light by recombination of carriers and can extract light to the outside may be used. That is, any of a light emitting diode, a super luminescence diode, and a semiconductor laser may be used. Further, either an edge-emitting type or a surface-emitting type structure may be used.

具体的に、上記発光素子が半導体レーザーである場合、該半導体レーザーは、上記本発明のp型III族窒化物半導体がクラッド層に用いられた400nmよりも短い波長領域で発振するものにすることができる。ここで、半導体レーザーの構造は、p型超格子からなるp型クラッド層と、発振波長が400nm以下の波長に対応したバンドギャップを有するIII族窒化物半導体からなる活性層とが少なくとも積層されている積層構造で構成されているものであれば、任意の構成をとることができる。また、半導体レーザーの形態としては、端面発光型,面発光型のどちらの形態をとっても良い。   Specifically, when the light-emitting element is a semiconductor laser, the semiconductor laser should oscillate in a wavelength region shorter than 400 nm when the p-type group III nitride semiconductor of the present invention is used for the cladding layer. Can do. Here, the semiconductor laser has a structure in which a p-type cladding layer made of a p-type superlattice and an active layer made of a group III nitride semiconductor having a band gap corresponding to a wavelength of 400 nm or less are stacked. Any structure can be adopted as long as it has a laminated structure. The semiconductor laser may take either an edge-emitting type or a surface-emitting type.

上記構成の半導体レーザーでは、正負の2つの電極間に電圧を印加することによって活性層に電流が注入され、そこでキャリアの再結合が生じ、共振器ミラーで光が増幅され、400nmよりも短い波長領域でレーザー発振する。   In the semiconductor laser having the above configuration, current is injected into the active layer by applying a voltage between the positive and negative electrodes, where carrier recombination occurs, light is amplified by the resonator mirror, and the wavelength is shorter than 400 nm. Laser oscillation in the area.

また、本発明では、上述した半導体装置の第1の作製方法として、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に、少なくとも1層のIII族窒化物半導体を積層することによって、所定の半導体装置を作製することができる。   In the present invention, as the first method for manufacturing the above-described semiconductor device, a first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements, and a first group III nitride semiconductor A p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure in which a band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor and the second group III nitride semiconductor containing In (indium) as a constituent element is alternately stacked. A predetermined semiconductor device can be manufactured by stacking one group III nitride semiconductor.

結晶成長直後のp型III族窒化物半導体が高抵抗である原因は、アクセプターに水素が結合し不活性化されているためであると言われている。本願の発明者は、不活性化の原因を実験により調べた。その結果、p型III族窒化物半導体の高抵抗化は、主として結晶成長後の冷却過程で、雰囲気ガス中に含まれる水素が、p型III族窒化物半導体結晶中に拡散侵入することによって生じることがわかった。   It is said that the reason why the p-type group III nitride semiconductor immediately after crystal growth has high resistance is that hydrogen is bonded to the acceptor and inactivated. The inventor of the present application investigated the cause of inactivation by experiment. As a result, the increase in resistance of the p-type group III nitride semiconductor is caused mainly by the diffusion of hydrogen contained in the atmospheric gas into the p-type group III nitride semiconductor crystal during the cooling process after crystal growth. I understood it.

この第1の作製方法では、結晶成長後の冷却過程でのp型III族窒化物半導体への水素の拡散を防止するため、p型III族窒化物半導体の結晶成長に続けて、その上にIII族窒化物半導体からなる水素の拡散防止層を形成して、p型III族窒化物半導体の高抵抗化を抑制している。この水素の拡散防止層となるIII族窒化物半導体は、その組成,電気伝導型は特に限定するものではない。また、厚さに関しては、水素の拡散深さ以上であれば良い。本願の発明者の実験によれば、p型GaNを拡散防止層とする場合には、p型GaNは約0.5μm程度の厚さであれば良いことを確認している。   In this first manufacturing method, in order to prevent hydrogen from diffusing into the p-type group III nitride semiconductor in the cooling process after crystal growth, the crystal growth of the p-type group III nitride semiconductor is continued thereon. A hydrogen diffusion prevention layer made of a group III nitride semiconductor is formed to suppress an increase in resistance of the p-type group III nitride semiconductor. The composition and electrical conductivity type of the group III nitride semiconductor serving as the hydrogen diffusion preventing layer are not particularly limited. Further, the thickness may be greater than the hydrogen diffusion depth. According to the experiment by the inventors of the present application, when p-type GaN is used as the diffusion preventing layer, it is confirmed that the p-type GaN may have a thickness of about 0.5 μm.

上記のように、この第1の作製方法で作製されたp型III族窒化物半導体は、アニール等の特別なp型活性化処理を必要とせず、as−grown(結晶成長のみの状態)でp型特性を示す。すなわち、この第1の作製方法では、as−grownでp型特性を示すp型III族窒化物半導体を有する半導体装置を作製できる。なお、上記のようにして作製されたIII族窒化物半導体積層構造を使用して半導体装置を作製する場合には、拡散防止層をそのまま使用することも可能であるし、また、拡散防止層の全部あるいは一部を除去して、半導体装置を作製することも可能である。   As described above, the p-type group III nitride semiconductor produced by the first production method does not require a special p-type activation treatment such as annealing, and is as-grown (state of crystal growth only). Shows p-type characteristics. That is, in the first manufacturing method, a semiconductor device having a p-type group III nitride semiconductor that exhibits p-type characteristics in as-grown can be manufactured. In the case of manufacturing a semiconductor device using the group III nitride semiconductor multilayer structure manufactured as described above, the diffusion prevention layer can be used as it is, or the diffusion prevention layer can be used as it is. It is also possible to manufacture a semiconductor device by removing all or part thereof.

また、本発明では、上述した半導体装置の第2の作製方法として、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体を含む積層構造を結晶成長によって形成した後に、成長温度からの冷却を、窒素原料を含む冷却ガス雰囲気で行ない、所定の半導体装置を作製することができる。   In the present invention, as the second method for manufacturing the semiconductor device described above, a first group III nitride semiconductor and a first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements are used. Layer structure including a p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure in which a band gap is smaller than that and second group III nitride semiconductors containing In (indium) as a constituent element are alternately stacked. After crystal is formed by crystal growth, cooling from the growth temperature is performed in a cooling gas atmosphere containing a nitrogen source, and a predetermined semiconductor device can be manufactured.

本願の発明者は、低抵抗のp型GaNを得るため、結晶成長後の冷却を水素を全く含まない窒素雰囲気で行った。しかしながら、結晶成長したGaNは高抵抗であった。また、結晶成長終了後に、ガス雰囲気を窒素に切り替えて、成長温度で10分間保持したところ、表面に多数のステップが形成されており、明らかに分解されているのが判明した。さらに、結晶成長後の冷却雰囲気中に水素が含まれていても、その濃度がある程度までであれば、結晶内部への水素拡散は少なく、結晶全体を高抵抗にする濃度にはなっていないことを実験により確認した。以上の実験結果から、本願の発明者は、水素のガス濃度が少ない雰囲気ガスでの冷却においては、水素パシベーションによるアクセプターの不活性化よりも、結晶表面の分解による結晶性の劣化が原因となって低抵抗のp型結晶が得られないという結論を得た。   The inventor of the present application performed cooling after crystal growth in a nitrogen atmosphere containing no hydrogen at all in order to obtain low-resistance p-type GaN. However, the grown GaN had high resistance. Further, after the crystal growth was completed, the gas atmosphere was switched to nitrogen and held at the growth temperature for 10 minutes. As a result, it was found that a large number of steps were formed on the surface, and that it was clearly decomposed. Furthermore, even if hydrogen is contained in the cooling atmosphere after crystal growth, as long as the concentration is up to a certain level, there is little hydrogen diffusion into the crystal and the concentration is not high enough to make the entire crystal highly resistant. Was confirmed by experiments. From the above experimental results, the inventor of the present application caused the deterioration of the crystallinity due to the decomposition of the crystal surface rather than the inactivation of the acceptor by hydrogen passivation in the cooling with the atmospheric gas having a low hydrogen gas concentration. Thus, it was concluded that a low resistance p-type crystal could not be obtained.

本発明のこの第2の作製方法についてより詳細に説明する。まず、MOCVD等の水素を含むガス雰囲気中で加熱した基板表面に、上述した本発明のp型III族窒化物半導体、あるいは、本発明のp型III族窒化物半導体を含む積層構造の結晶成長を行う。次いで、結晶成長した基板を成長温度から冷却する。この時の冷却雰囲気を窒素原料を含むガス雰囲気にする。   This second production method of the present invention will be described in more detail. First, crystal growth of a laminated structure containing the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention or the p-type group III nitride semiconductor of the present invention on the surface of a substrate heated in a gas atmosphere containing hydrogen such as MOCVD. I do. Next, the crystal-grown substrate is cooled from the growth temperature. The cooling atmosphere at this time is a gas atmosphere containing a nitrogen raw material.

冷却時のガス雰囲気は、具体的には、窒素やアルゴン等の不活性ガスと窒素原料との混合ガス、あるいは、窒素原料ガスのみを使用することができる。また、これらの雰囲気ガスに数%〜30%程度までの水素を加えた混合ガスも使用することができる。   As the gas atmosphere at the time of cooling, specifically, a mixed gas of an inert gas such as nitrogen or argon and a nitrogen raw material, or only a nitrogen raw material gas can be used. Also, a mixed gas obtained by adding hydrogen to several percent to about 30% to these atmospheric gases can be used.

窒素原料ガスは、雰囲気ガス中に数パーセント程度含まれていれば結晶表面の分解が抑制されるが、過半数(50%より多く)が窒素原料であると、より効果的である。   If the nitrogen source gas is contained in the atmosphere gas by about several percent, decomposition of the crystal surface is suppressed, but it is more effective if the majority (more than 50%) is nitrogen source.

窒素原料としては、モノメチルヒドラジンやジメチルヒドラジン等の有機化合物、アンモニア等が使用可能である。   As the nitrogen raw material, organic compounds such as monomethyl hydrazine and dimethyl hydrazine, ammonia and the like can be used.

このような方法で作製されたp型III族窒化物半導体は、アニール等の後工程を行うことなく、as−grownで低抵抗のp型特性を示す。すなわち、この第2の作製方法では、低抵抗のp型III族窒化物半導体をas−grownで作製することができる。   The p-type group III nitride semiconductor manufactured by such a method exhibits p-type characteristics of as-grown and low resistance without performing a post-process such as annealing. That is, in the second manufacturing method, a low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be manufactured as-grown.

上述した第2の作製方法において、冷却ガス雰囲気に含まれる窒素原料としてアンモニア(NH3)を用いる場合について特に説明する。従来、低抵抗のp型GaNをNH3ガス雰囲気中で熱処理すると、高抵抗化することが報告されており、高抵抗化したp型III族窒化物半導体を熱処理によって低抵抗化する場合の雰囲気ガス中にはNH3ガスを含むことは好ましくないとされていた。しかるに、本願の発明者は、結晶成長後の冷却過程では、NH3ガスを含んでいても低抵抗のp型III族窒化物半導体がas−grownで得られることを見出した。さらに、NH3を100%としたガス雰囲気で冷却を行っても、低抵抗のp型III族窒化物半導体がas−grownで得られることがわかった。 The case where ammonia (NH 3 ) is used as the nitrogen source contained in the cooling gas atmosphere in the second manufacturing method described above will be particularly described. Conventionally, it has been reported that when a low-resistance p-type GaN is heat-treated in an NH 3 gas atmosphere, the resistance is increased, and the atmosphere when a high-resistance p-type group III nitride semiconductor is reduced in resistance by heat treatment is reported. It has been considered undesirable to include NH 3 gas in the gas. However, the inventors of the present application have found that a low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be obtained as-grown in the cooling process after crystal growth even if NH 3 gas is contained. Furthermore, it was found that a low-resistance p-type group III nitride semiconductor can be obtained as-grown even if cooling is performed in a gas atmosphere containing NH 3 as 100%.

すなわち、結晶終了後の冷却過程の雰囲気をNH3を含む雰囲気にする場合、冷却時においては、NH3の分解によって水素が発生しても、結晶内部へ拡散して結晶全体を高抵抗化するには至らず、むしろNH3の分解により生成される活性窒素が結晶表面の分解を抑制するため、結晶表面の高抵抗化が抑制されて低抵抗のp型III族窒化物半導体がas−grownで得られると考えられる。なお、NH3ガスは、雰囲気ガス中に数パーセント程度含まれていれば効果が得られるが、過半数(50%より多く)がNH3ガスであると、より効果的である。 That is, when the atmosphere of the cooling process after crystallization termination to an atmosphere containing NH 3, and at the time of cooling, even if the hydrogen is produced by decomposition of NH 3, a high resistance across the crystal diffuses into the crystal interior Rather, the active nitrogen generated by the decomposition of NH 3 suppresses the decomposition of the crystal surface, so that the resistance of the crystal surface is prevented from increasing, and the low-resistance p-type group III nitride semiconductor becomes as-grown. It is thought that it is obtained by. Note that the effect can be obtained if the NH 3 gas is contained in the atmosphere gas by about several percent, but it is more effective if the majority (more than 50%) is NH 3 gas.

図7,図8,図9は本発明に係る半導体装置(上述した本発明のp型III族窒化物半導体を用いている半導体装置)の構成例を示す図である。ここで、図7,図8,図9の半導体装置は端面発光型発光ダイオードと端面受光型フォトダイオードとがモノリシックに集積化された受発光素子として構成されている。なお、図7は受発光素子の発光ダイオードの光出射端面に垂直な面での断面図であり、図8は図7の部分Eを拡大した図であり、また、図9は発光ダイオードの光出射端面に平行な面での断面図である。   7, 8, and 9 are diagrams showing a configuration example of a semiconductor device according to the present invention (a semiconductor device using the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention). Here, the semiconductor devices of FIGS. 7, 8, and 9 are configured as light emitting / receiving elements in which edge-emitting light emitting diodes and edge-receiving photodiodes are monolithically integrated. 7 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting end face of the light emitting diode of the light emitting / receiving element, FIG. 8 is an enlarged view of a portion E in FIG. 7, and FIG. It is sectional drawing in a surface parallel to an output end surface.

図7,図8,図9を参照すると、発光ダイオードとフォトダイオードとは、概ね直方体の形状をしており、発光ダイオードの1つの光出射端面とフォトダイオードの受光端面とが向き合うように空間的に分離されて形成されている。   Referring to FIG. 7, FIG. 8, and FIG. 9, the light emitting diode and the photodiode are substantially in the shape of a rectangular parallelepiped, and spatially so that one light emitting end face of the light emitting diode faces the light receiving end face of the photodiode. It is formed separately.

また、発光ダイオードとフォトダイオードは同一の積層構造からなっている。その積層構造は、サファイア基板50上に、AlN低温バッファー層51、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52、n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層53、In0.17Ga0.83N活性層54、In0.05Al0.24Ga0.71N層55aとp型In0.15Ga0.85N層55bとの超格子からなるp型クラッド層55、p型GaNコンタクト層56が順次に積層されたものとなっている。ここで、p型クラッド層55,p型GaNコンタクト層56にはp型ドーパントとしてMgがドーピングされている。 The light emitting diode and the photodiode have the same laminated structure. The stacked structure is that an AlN low-temperature buffer layer 51, an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52, an n-type Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 53, an In 0.17 Ga 0.83 N active layer 54, an In 0.05 on a sapphire substrate 50. A p-type cladding layer 55 made of a superlattice of an Al 0.24 Ga 0.71 N layer 55a and a p-type In 0.15 Ga 0.85 N layer 55b and a p-type GaN contact layer 56 are sequentially laminated. Here, the p-type cladding layer 55 and the p-type GaN contact layer 56 are doped with Mg as a p-type dopant.

発光ダイオードとフォトダイオードは、上記積層構造をp型GaNコンタクト層56の表面からn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52までエッチングすることで空間的に分離されている。そして、このエッチングによってn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52表面が露出し、露出したn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52上には、Ti/Alからなるn側オーミック電極59が形成されている。また、発光ダイオードとフォトダイオードのp型GaNコンタクト層56上には、Ni/Auからなるp側オーミック電極58が形成されている。さらにオーミック電極以外の部分には、SiO2からなる絶縁保護膜57が堆積されている。そして、絶縁保護膜57上に、Ti/Alからなる配線電極60が形成されている。配線電極60は、発光ダイオードとフォトダイオードのそれぞれの、p側オーミック電極58と電気的に接続されている。発光ダイオードとフォトダイオードの側面は基板に対して概ね垂直に形成されている。 The light emitting diode and the photodiode are spatially separated by etching the stacked structure from the surface of the p-type GaN contact layer 56 to the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52. The surface of the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52 is exposed by this etching, and an n-side ohmic electrode 59 made of Ti / Al is formed on the exposed n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52. Yes. A p-side ohmic electrode 58 made of Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 56 of the light emitting diode and the photodiode. Further, an insulating protective film 57 made of SiO 2 is deposited on the portion other than the ohmic electrode. A wiring electrode 60 made of Ti / Al is formed on the insulating protective film 57. The wiring electrode 60 is electrically connected to the p-side ohmic electrode 58 of each of the light emitting diode and the photodiode. The side surfaces of the light emitting diode and the photodiode are formed substantially perpendicular to the substrate.

そして、発光ダイオードとフォトダイオードの溝を介して向き合う側面が、それぞれ光出射端面502と受光面503になる。また、発光ダイオードのフォトダイオードと向き合う側面と反対側の端面が外部へ光を出射する光出射端面501となる。   The side surfaces facing each other through the grooves of the light emitting diode and the photodiode become the light emitting end surface 502 and the light receiving surface 503, respectively. In addition, the end surface of the light emitting diode opposite to the side surface facing the photodiode is a light emitting end surface 501 that emits light to the outside.

この集積型受発光素子は、発光ダイオードに順方向電流を注入し、フォトダイオードに逆バイアスを印加することによって動作する。すなわち、それぞれの素子のp側,n側オーミック電極に順方向あるいは逆方向にバイアスを印加すると、発光ダイオードは2つの光出射端面501,502から光を出射する。そして、フォトダイオードに向いた光出射端面502から出射した光が、フォトダイオードの受光面503に入射し、その強度に対応した光起電力がフォトダイオードで発生し、外部に光電流として取り出される。フォトダイオードの光電流をモニターすることによって、発光ダイオードに注入する電流を調整し、光出力を制御することができる。なお、発光ダイオードに電流を注入して発光させると、発光のピーク波長は、約412nmであった。   This integrated light emitting / receiving element operates by injecting a forward current into the light emitting diode and applying a reverse bias to the photodiode. That is, when a bias is applied in the forward direction or the reverse direction to the p-side and n-side ohmic electrodes of each element, the light emitting diode emits light from the two light emitting end faces 501 and 502. Then, light emitted from the light emitting end face 502 facing the photodiode is incident on the light receiving surface 503 of the photodiode, and a photoelectromotive force corresponding to the intensity is generated in the photodiode and is taken out as a photocurrent to the outside. By monitoring the photocurrent of the photodiode, the current injected into the light emitting diode can be adjusted to control the light output. When light was emitted by injecting current into the light emitting diode, the peak wavelength of light emission was about 412 nm.

次に、図7,図8,図9の集積型受発光素子の作製工程例について説明する。なお、この作製工程例では、集積型受発光素子の積層構造はMOCVD法で結晶成長して作製した。この作製工程例では、まず、サファイア基板50を反応管にセットし、水素ガス中、1120℃で加熱し、基板50の表面をクリーニングした。次いで、温度を520℃に下げ、成長雰囲気をNH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気にし、TMAを流し、低温AlNバッファー51を堆積した。 Next, an example of a manufacturing process of the integrated light emitting / receiving element shown in FIGS. 7, 8, and 9 will be described. In this manufacturing process example, the stacked structure of the integrated light emitting / receiving element was manufactured by crystal growth by MOCVD. In this manufacturing process example, first, the sapphire substrate 50 was set in a reaction tube and heated in hydrogen gas at 1120 ° C. to clean the surface of the substrate 50. Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the growth atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen and hydrogen, TMA was flown, and the low temperature AlN buffer 51 was deposited.

次いで、温度を1070℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMA,SiH4を組成にあわせて供給し、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を3μmの厚さ、n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層53を0.5μmの厚さに順次積層した。次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をNH3と窒素の混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMIを供給し、In0.17Ga0.83N活性層54を50nmの厚さに成長した。次いで、TMG,TMA,TMI,(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、In0.05Al0.24Ga0.71N層55aとp型In0.15Ga0.85N層55bの超格子からなるp型クラッド層55を0.5μm成長した。各層55a,55bの厚さはそれぞれ5nmであり、各層55a,55bを50周期成長した。次いで、温度を1050℃に上げ、TMG,(EtCp)2Mgを供給し、p型GaNコンタクト層56を0.2μmの厚さに積層した。結晶成長終了後、p型層の低抵抗化のため、窒素雰囲気中で、750℃で15分間の熱処理を行った。 Next, the temperature is raised to 1070 ° C., and TMG, TMA, and SiH 4 are supplied in accordance with the composition using hydrogen as a carrier gas, and the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52 is 3 μm thick, n-type Al 0.07 Ga 0.93. N clad layers 53 were sequentially laminated to a thickness of 0.5 μm. Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG and TMI are supplied using hydrogen as a carrier gas, and the In 0.17 Ga 0.83 N active layer 54 is formed to 50 nm. Grown to a thickness of. Next, TMG, TMA, TMI, (EtCp) 2 Mg are supplied in accordance with the composition, and a p-type cladding layer 55 made of a superlattice of an In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 55a and a p-type In 0.15 Ga 0.85 N layer 55b. Was grown by 0.5 μm. The thickness of each layer 55a, 55b was 5 nm, and each layer 55a, 55b was grown 50 cycles. Next, the temperature was raised to 1050 ° C., TMG, (EtCp) 2 Mg was supplied, and the p-type GaN contact layer 56 was laminated to a thickness of 0.2 μm. After crystal growth was completed, heat treatment was performed at 750 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere in order to reduce the resistance of the p-type layer.

次に、幅30μm、長さ50μmの矩形パターンを長さ方向に5μm離して2つ並べたパターンをレジストで形成した。このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチングを行い、発光ダイオードとフォトダイオードになる高さ約1.5μmの直方体形状を形成するとともに、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を露出させた。次いで、絶縁保護膜57となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μmの厚さに堆積した。 Next, a pattern in which two rectangular patterns with a width of 30 μm and a length of 50 μm were arranged 5 μm apart in the length direction was formed with a resist. Using this resist pattern as a mask, dry etching was performed to form a rectangular parallelepiped shape with a height of about 1.5 μm to be a light emitting diode and a photodiode, and the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52 was exposed. Next, SiO 2 serving as the insulating protective film 57 was deposited on the surface of the laminated structure to a thickness of about 0.5 μm.

次いで、p側オーミック電極58を形成した。p側オーミック電極58の形成工程は次の通りである。すなわち、まず、発光ダイオードとフォトダイオードの上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2をエッチングしてリッジ上のp型GaNコンタクト層56を露出させる。次いで、p側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、発光ダイオードとフォトダイオードの上部にp側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層56にp側オーミック電極58を形成した。 Next, the p-side ohmic electrode 58 was formed. The formation process of the p-side ohmic electrode 58 is as follows. That is, first, after forming a stripe pattern with resist on the light emitting diode and the photodiode, SiO 2 is etched to expose the p-type GaN contact layer 56 on the ridge. Next, Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form a p-side ohmic electrode pattern on the light emitting diode and the photodiode. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to form a p-side ohmic electrode 58 on the p-type GaN contact layer 56.

次いで、n側オーミック電極59と配線電極60を形成した。n側オーミック電極59と配線電極60の形成工程は次の通りである。すなわち、まず、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52上部のSiO2膜57上に、レジストで約100μm幅のヌキストライプパターンを形成した後、SiO2をエッチングしてn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層52を露出させる。次に、レジストを除去し、再度レジストで、配線電極60とn側オーミック電極59のリフトオフパターンを形成する。次いで、n側オーミック電極59と配線電極60の材料であるTi/Alを蒸着した。その後、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極と配線電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極59を形成した。次いで、ダイシングを行い、集積型受発光素子をチップに分離した。 Next, an n-side ohmic electrode 59 and a wiring electrode 60 were formed. The formation process of the n-side ohmic electrode 59 and the wiring electrode 60 is as follows. That is, first, on the SiO 2 film 57 above the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 52, a resist stripe pattern having a width of about 100 μm is formed with a resist, and then SiO 2 is etched to form n-type Al 0.03 Ga 0.97 N The contact layer 52 is exposed. Next, the resist is removed, and a lift-off pattern of the wiring electrode 60 and the n-side ohmic electrode 59 is formed again with the resist. Next, Ti / Al, which is a material for the n-side ohmic electrode 59 and the wiring electrode 60, was deposited. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form an n-side ohmic electrode and a wiring electrode pattern. Thereafter, the n-side ohmic electrode 59 was formed by heat treatment at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere. Next, dicing was performed to separate the integrated light emitting / receiving element into chips.

また、図10,図11,図12は本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。なお、図10は半導体装置(半導体レーザー)の光出射方向に垂直な面での断面図であり、図11は図10の部分Fを拡大した図であり、図12は図10の部分Gを拡大した図である。図10,図11,図12の半導体装置は、上述した本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いた発光素子として構成されている。より詳しくは半導体レーザーとして構成されている。   10, FIG. 11, and FIG. 12 are diagrams showing another configuration example of the semiconductor device according to the present invention. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor device (semiconductor laser) on a plane perpendicular to the light emitting direction, FIG. 11 is an enlarged view of a portion F in FIG. 10, and FIG. FIG. The semiconductor device shown in FIGS. 10, 11 and 12 is configured as a light emitting element using the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention as a cladding layer. More specifically, it is configured as a semiconductor laser.

図10,図11,図12を参照すると、この半導体レーザーは、サファイア基板70上に、AlGaN低温バッファー層71、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72、In0.05Al0.24Ga0.71N層73aとn型In0.2Ga0.80N層73bとの超格子からなるn型クラッド層73、n型GaNガイド層74、In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層(2ペア)75、p型Al0.2Ga0.8N層76、p型GaNガイド層77、p型In0.05Al0.24Ga0.71N層78aとp型In0.2Ga0.80N層78bとの超格子からなるp型クラッド層78、p型GaNコンタクト層79が順次積層されて形成されている。ここで、p型Al0.2Ga0.8N層76,p型GaNガイド層77,p型クラッド層78,p型GaNコンタクト層79には、p型ドーパントとしてMgがドーピングされている。 10, 11, and 12, this semiconductor laser includes an AlGaN low-temperature buffer layer 71, an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72, an In 0.05 Al 0.24 Ga 0.7 1N layer 73 a on a sapphire substrate 70. an n-type cladding layer 73 formed of a superlattice with an n-type In 0.2 Ga 0.80 N layer 73b, an n-type GaN guide layer 74, an In 0.15 Ga 0.85 N / In 0.02 Ga 0.98 N multiple quantum well active layer (2 pairs) 75, a p-type cladding layer 78 made of a superlattice of a p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 76, a p-type GaN guide layer 77, a p-type In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 78a and a p-type In 0.2 Ga 0.80 N layer 78b, A p-type GaN contact layer 79 is sequentially laminated. Here, the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 76, the p-type GaN guide layer 77, the p-type cladding layer 78, and the p-type GaN contact layer 79 are doped with Mg as a p-type dopant.

そして、上記積層構造は、p型GaNコンタクト層79の表面からn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72までエッチングされて、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72の表面が露出し、露出したn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72上には、Ti/Alからなるn側オーミック電極82が形成されている。また、p型GaNコンタクト層79の表面からp型クラッド層78の途中までエッチングされて、電流狭窄リッジ構造400が形成されている。そして、リッジ400最表面のp型GaNコンタクト層79上には、Ni/Auからなるp側オーミック電極81が形成されている。また、電極形成部以外は絶縁保護膜80として、SiO2が堆積されている。絶縁保護膜80上にはp側電極から引き出された配線電極83が形成されている。そして、積層構造と電流狭窄リッジ構造と概ね垂直に光共振器端面が形成されている。 Then, the laminated structure is etched from the surface of the p-type GaN contact layer 79 until the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72 to expose the surface of n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72, the exposed n An n-side ohmic electrode 82 made of Ti / Al is formed on the type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72. Further, the current confinement ridge structure 400 is formed by etching from the surface of the p-type GaN contact layer 79 to the middle of the p-type cladding layer 78. A p-side ohmic electrode 81 made of Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 79 on the outermost surface of the ridge 400. Further, SiO 2 is deposited as the insulating protective film 80 except for the electrode forming portion. A wiring electrode 83 drawn from the p-side electrode is formed on the insulating protective film 80. An optical resonator end face is formed substantially perpendicular to the laminated structure and the current confinement ridge structure.

この半導体レーザの電極に順方向に電流を注入すると発光し、さらに電流を増加させるとレーザー発振する。発振波長は約409nmである。   When a forward current is injected into the electrode of this semiconductor laser, light is emitted, and when the current is further increased, laser oscillation occurs. The oscillation wavelength is about 409 nm.

次に、図10,図11,図12の半導体レーザーの作製工程例について説明する。なお、この作製工程例では、半導体レーザーの積層構造の結晶成長はMOCVD法で行った。また、前述した第2の作製方法(すなわち、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体を含む積層構造を結晶成長によって形成した後に、成長温度からの冷却を、窒素原料を含む冷却ガス雰囲気で行ない、半導体レーザーを作製する作製方法)を用いた。ここで、結晶成長後の冷却時の雰囲気ガスに含まれる窒素原料をモノメチルヒドラジンとした。   Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor laser shown in FIGS. 10, 11, and 12 will be described. In this manufacturing process example, the crystal growth of the laminated structure of the semiconductor laser was performed by the MOCVD method. Further, the second manufacturing method described above (that is, the first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements, and the band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor. A stacked structure including a p-type group III nitride semiconductor composed of a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In (indium) as a constituent element are alternately stacked is formed by crystal growth. Later, cooling from the growth temperature was performed in a cooling gas atmosphere containing a nitrogen raw material to produce a semiconductor laser. Here, the nitrogen source contained in the atmospheric gas during cooling after crystal growth was monomethylhydrazine.

この作製工程例では、まず、サファイア基板70を反応管にセットし、水素ガス中、1120℃で加熱し、基板70の表面をクリーニングした。次いで、温度を520℃に下げ、雰囲気をMMHy(モノメチルヒドラジン)とNH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気にし、TMGとTMAを流し、低温AlGaNバッファー層71を堆積した。次いで、温度を1050℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMI,SiH4を組成にあわせて供給し、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を2μmの厚さに成長した。 In this manufacturing process example, first, the sapphire substrate 70 was set in a reaction tube and heated in hydrogen gas at 1120 ° C. to clean the surface of the substrate 70. Next, the temperature was lowered to 520 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of MMHy (monomethylhydrazine), NH 3 , nitrogen and hydrogen, TMG and TMA were flowed, and a low temperature AlGaN buffer layer 71 was deposited. Next, the temperature was raised to 1050 ° C., TMG, TMI, and SiH 4 were supplied according to the composition using hydrogen as a carrier gas, and an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72 was grown to a thickness of 2 μm.

次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をMMHy(モノメチルヒドラジン)とNH3と窒素の混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMI,TMA,SiH4を供給し、In0.05Al0.24Ga0.71N層73aとIn0.2Ga0.80N層73bとの超格子からなるn型クラッド層73を0.6μmの厚さに成長した。なお、各層73a,73bの厚さはそれぞれ6nmで、各層73a,73bを50周期成長した。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of MMHy (monomethylhydrazine), NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., and TMG, TMI, TMA, SiH 4 are supplied using hydrogen as a carrier gas. An n-type cladding layer 73 made of a superlattice of In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 73a and In 0.2 Ga 0.80 N layer 73b was grown to a thickness of 0.6 μm. The thickness of each layer 73a, 73b was 6 nm, and each layer 73a, 73b was grown 50 cycles.

次いで、温度を1050℃に上げ、雰囲気をMMHy(モノメチルヒドラジン)とNH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気にし、n型GaNガイド層74を0.1μmの厚さに積層した。 Next, the temperature was raised to 1050 ° C., the atmosphere was changed to a mixed gas atmosphere of MMHy (monomethylhydrazine), NH 3 , nitrogen and hydrogen, and the n-type GaN guide layer 74 was laminated to a thickness of 0.1 μm.

次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をMMHyとNH3と窒素の混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMIを供給し、In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層75(2ペア)を成長した。次いで、成長雰囲気をMMHyとNH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気にし、温度を1070℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMA,(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、p型Al0.2Ga0.8N層76を20nmの厚さに、また、p型GaNガイド層77を0.1μmの厚さに成長した。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of MMHy, NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG and TMI are supplied using hydrogen as a carrier gas, and In 0.15 Ga 0.85 N / In 0.02 A Ga 0.98 N multiple quantum well active layer 75 (2 pairs) was grown. Next, the growth atmosphere is a mixed gas atmosphere of MMHy, NH 3 , nitrogen and hydrogen, the temperature is raised to 1070 ° C., and TMG, TMA, (EtCp) 2 Mg is supplied according to the composition using hydrogen as a carrier gas, and p-type The Al 0.2 Ga 0.8 N layer 76 was grown to a thickness of 20 nm, and the p-type GaN guide layer 77 was grown to a thickness of 0.1 μm.

次いで、水素ガスの供給を止め、雰囲気をMMHyとNH3と窒素の混合ガス雰囲気にし、温度を810℃に下げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMI,TMA,(EtCp)2Mgを供給し、In0.05Al0.24Ga0.71N層78aとIn0.2Ga0.80N層78bとの超格子からなるp型クラッド層78を0.6μmの厚さに成長した。なお、各層78a,78bの厚さはそれぞれ6nmで、各層78a,78bを50周期成長した。最後に、温度を1050℃に上げ、p型GaNコンタクト層79を0.2μmの厚さに積層した。 Next, the supply of hydrogen gas is stopped, the atmosphere is made a mixed gas atmosphere of MMHy, NH 3 and nitrogen, the temperature is lowered to 810 ° C., and TMG, TMI, TMA, (EtCp) 2 Mg are supplied using hydrogen as a carrier gas, A p-type cladding layer 78 made of a superlattice of In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 78a and In 0.2 Ga 0.80 N layer 78b was grown to a thickness of 0.6 μm. The thickness of each layer 78a, 78b was 6 nm, and 50 cycles of each layer 78a, 78b were grown. Finally, the temperature was raised to 1050 ° C., and the p-type GaN contact layer 79 was laminated to a thickness of 0.2 μm.

結晶成長終了後、III族原料とp型ドーパント原料の供給を止め、窒素ガスとMMHyと水素ガス(全体の約6%)との混合ガス雰囲気中で室温まで冷却した。冷却後、積層構造表面にテスターを充てると、導通が有り、表面のp型GaNコンタクト層79が低抵抗であることが確認された。   After the completion of crystal growth, the supply of the group III material and the p-type dopant material was stopped, and the mixture was cooled to room temperature in a mixed gas atmosphere of nitrogen gas, MMHy, and hydrogen gas (about 6% of the whole). After cooling, it was confirmed that when the surface of the laminated structure was filled with a tester, there was conduction and the p-type GaN contact layer 79 on the surface had a low resistance.

次いで、レジストで幅4μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約0.7μmの深さをドライエッチングして、リッジ構造400を形成した。レジストマスクを除去した後に、さらにレジストでリッジ構造400を覆う幅500μmのストライプパターンを繰り返しピッチ1mmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約1.5μmの深さドライエッチングして、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を露出させた。次いで、絶縁保護膜80となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μmの厚さに堆積した。 Subsequently, a stripe pattern having a width of 4 μm was repeatedly formed with a pitch of 1 mm using a resist. Using this resist pattern as a mask, a depth of about 0.7 μm was dry etched to form a ridge structure 400. After removing the resist mask, a stripe pattern having a width of 500 μm covering the ridge structure 400 with a resist was repeatedly formed at a pitch of 1 mm. Using this resist pattern as a mask, the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72 was exposed by dry etching to a depth of about 1.5 μm. Next, SiO 2 serving as an insulating protective film 80 was deposited on the surface of the laminated structure to a thickness of about 0.5 μm.

次いで、p側オーミック電極81を形成した。p側オーミック電極81の形成工程は次の通りである。まず、リッジ構造400の上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2をエッチングしてリッジ構造400上のp型GaNコンタクト層79を露出させる。次いでレジストを除去し、再度レジストで約450μm幅のヌキストライプパターンを形成し、リッジ構造400上にp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、ウエハーを有機溶剤に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材をリフトオフして、半導体レーザー積層構造上にのみp側オーミック電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層79にp側オーミック電極81を形成した。 Next, a p-side ohmic electrode 81 was formed. The formation process of the p-side ohmic electrode 81 is as follows. First, after forming a blank stripe pattern on the ridge structure 400 with a resist, SiO 2 is etched to expose the p-type GaN contact layer 79 on the ridge structure 400. Next, the resist was removed, and a resist stripe pattern with a width of about 450 μm was formed again. Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited on the ridge structure 400. Thereafter, the wafer was immersed in an organic solvent, the resist was dissolved, and the electrode material deposited on the resist was lifted off to form a p-side ohmic electrode pattern only on the semiconductor laser laminated structure. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere, and a p-side ohmic electrode 81 was formed on the p-type GaN contact layer 79.

次いで、n側オーミック電極82と配線電極83を形成した。n側オーミック電極82と配線電極83の形成工程は次の通りである。まず、n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72上部のSiO2膜上に、レジストで約100μm幅のヌキストライプパターンを形成した後、SiO2をエッチングしてn型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層72を露出させる。レジストを除去した後、再びレジストを塗布して、p側オーミック電極81上とn側オーミック電極を形成する部分にリフトオフ用の電極パターンを形成する。次いで、n側オーミック電極材料と配線電極材料であるTi/Alの蒸着を行い、ウエハを有機溶剤中に浸し、レジストを溶かしてレジスト上に蒸着された電極材料をリフトオフし、n側オーミック電極パターンと配線電極パターンを形成した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極82を形成した。 Next, an n-side ohmic electrode 82 and a wiring electrode 83 were formed. The formation process of the n-side ohmic electrode 82 and the wiring electrode 83 is as follows. First, on the SiO 2 film on the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72, a stripe pattern having a width of about 100 μm is formed with a resist, and then SiO 2 is etched to form an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 72. To expose. After removing the resist, the resist is applied again to form a lift-off electrode pattern on the p-side ohmic electrode 81 and the portion where the n-side ohmic electrode is to be formed. Next, the n-side ohmic electrode material and the wiring electrode material Ti / Al are vapor-deposited, the wafer is immersed in an organic solvent, the resist is dissolved, the electrode material deposited on the resist is lifted off, and the n-side ohmic electrode pattern A wiring electrode pattern was formed. Thereafter, heat treatment was performed at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere to form an n-side ohmic electrode 82.

次いで、サファイア基板70を薄く研磨し、リッジ400に概ね垂直になるように割り、光共振器端面を形成した。   Next, the sapphire substrate 70 was thinly polished and divided so as to be substantially perpendicular to the ridge 400 to form an optical resonator end face.

また、図13,図14,図15は本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。なお、図13は半導体装置(端面発光型発光ダイオード)の光出射端面に垂直な面での断面図であり、図14は図13の部分Hを拡大した図であり、図15は図13の部分Iを拡大した図である。図13,図14,図15の半導体装置は、上述した本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いた発光素子(端面発光型発光ダイオード)として構成されている。   FIG. 13, FIG. 14, and FIG. 15 are diagrams showing another configuration example of the semiconductor device according to the present invention. 13 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting end face of the semiconductor device (edge-emitting light emitting diode), FIG. 14 is an enlarged view of a portion H in FIG. 13, and FIG. It is the figure which expanded the part I. FIG. The semiconductor device shown in FIGS. 13, 14, and 15 is configured as a light emitting element (edge emitting light emitting diode) using the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention as a cladding layer.

図13,図14,図15を参照すると、この発光ダイオードは概ね直方体の形状をしており、発光ダイオードの一側面が光出射端面となっている。発光ダイオードの積層構造は、n型GaN基板90上に、n型Al0.07Ga0.93N低温バッファー層91、In0.02Al0.34Ga0.64N層92aとIn0.18Ga0.82N層92bとの超格子からなるn型クラッド層92、Al0.07Ga0.93N活性層93、In0.02Al0.34Ga0.64N層94aとIn0.18Ga0.82N層94bとの超格子からなるp型クラッド層94、p型GaNコンタクト層95が順次積層されて形成されている。ここで、p型クラッド層94、p型GaNコンタクト層95には、それぞれp型不純物であるMgが添加されている。 Referring to FIGS. 13, 14, and 15, the light emitting diode has a substantially rectangular parallelepiped shape, and one side surface of the light emitting diode is a light emitting end surface. The stacked structure of the light emitting diode is composed of a superlattice of an n-type Al 0.07 Ga 0.93 N low-temperature buffer layer 91, an In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 92a and an In 0.18 Ga 0.82 N layer 92b on an n-type GaN substrate 90. n-type cladding layer 92, Al 0.07 Ga 0.93 N active layer 93, In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 94a and In 0.18 Ga 0.82 N layer 94b superlattice p-type cladding layer 94, p-type GaN contact layer 95 Are sequentially stacked. Here, Mg, which is a p-type impurity, is added to the p-type cladding layer 94 and the p-type GaN contact layer 95, respectively.

発光ダイオードのp型GaNコンタクト層95上には、Ni/Auからなるp側オーミック電極96が形成されている。また、基板90の裏面には、Ti/Alからなるn側オーミック電極97が形成されている。発光ダイオードの側面は基板に対して垂直に形成されている。そして、発光ダイオードのp側、n側オーミック電極96,97に順方向のバイアスを印加すると、発光ダイオードの一側面である光出射端面700から光が外部に出射される。この発光ダイオードの発光のピーク波長は、約350nmであった。   A p-side ohmic electrode 96 made of Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 95 of the light emitting diode. An n-side ohmic electrode 97 made of Ti / Al is formed on the back surface of the substrate 90. The side surface of the light emitting diode is formed perpendicular to the substrate. When a forward bias is applied to the p-side and n-side ohmic electrodes 96 and 97 of the light emitting diode, light is emitted to the outside from the light emitting end face 700 that is one side surface of the light emitting diode. The peak wavelength of light emission of this light emitting diode was about 350 nm.

次に、図13,図14,図15の発光ダイオードの作製工程例について説明する。なお、この作製工程例では、発光ダイオードの積層構造はMOCVD法で結晶成長して作製した。また、前述した第2の作製方法(すなわち、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体を含む積層構造を結晶成長によって形成した後に、成長温度からの冷却を、窒素原料を含む冷却ガス雰囲気で行ない、発光ダイオードを作製する作製方法)を用いた。また、このとき、冷却ガス雰囲気に含まれる窒素原料をアンモニアにした。   Next, an example of a manufacturing process of the light emitting diode of FIGS. 13, 14 and 15 will be described. In this manufacturing process example, the stacked structure of the light-emitting diode was manufactured by crystal growth using the MOCVD method. Further, the second manufacturing method described above (that is, the first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements, and the band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor. A stacked structure including a p-type group III nitride semiconductor composed of a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In (indium) as a constituent element are alternately stacked is formed by crystal growth. Later, cooling from the growth temperature was performed in a cooling gas atmosphere containing a nitrogen raw material to produce a light emitting diode. At this time, the nitrogen raw material contained in the cooling gas atmosphere was ammonia.

この作製工程例では、まず、n型GaN基板90を反応管にセットし、アンモニアガス中、1120℃で加熱し、基板90の表面をクリーニングした。次いで、温度を600℃に下げ、雰囲気をNH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気にし、TMAとTMGおよびn型ドーパントガスであるSiH4ガスを流し、n型低温Al0.07Ga0.93Nバッファー層91を堆積した。次いで、温度を810℃に上げ、TMG,TMA,TMI、および、n型不純物ガスとしてSiH4を組成にあわせて供給し、In0.02Al0.34Ga0.64N層92aとIn0.18Ga0.82N層92bとの超格子からなるn型クラッド層92を0.3μmの厚さに積層した。なお、各層92a,92bの厚さは、In0.02Al0.34Ga0.64N層92aが10nm、In0.18Ga0.82N層92bが5nmで、各層92a,92bを20周期成長した。次いで、温度を1070℃に上げ、Al0.07Ga0.93N活性層93を0.05μmの厚さに積層した。次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMA,TMI、および、p型不純物ガスとして(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、In0.02Al0.34Ga0.64N層94aとIn0.18Ga0.82N層94bとの超格子からなるp型クラッド層94を0.3μmの厚さに積層した。なお、各層94a,94bの厚さは、In0.02Al0.34Ga0.64N層94aが10nm、In0.18Ga0.82N層94bが5nmで、各層94a,94bを20周期成長した。次いで、温度を1050℃に上げ、p型GaNコンタクト層95を0.2μmの厚さに積層した。 In this manufacturing process example, first, the n-type GaN substrate 90 was set in a reaction tube and heated in ammonia gas at 1120 ° C. to clean the surface of the substrate 90. Next, the temperature is lowered to 600 ° C., the atmosphere is changed to a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen, TMA, TMG, and SiH 4 gas that is an n-type dopant gas are flowed, and an n-type low-temperature Al 0.07 Ga 0.93 N buffer layer 91 Deposited. Next, the temperature is raised to 810 ° C., and TMG, TMA, TMI, and SiH 4 as an n-type impurity gas are supplied in accordance with the composition, and an In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 92a, an In 0.18 Ga 0.82 N layer 92b, An n-type clad layer 92 made of a superlattice was laminated to a thickness of 0.3 μm. The thicknesses of the layers 92a and 92b were 10 nm for the In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 92a and 5 nm for the In 0.18 Ga 0.82 N layer 92b, and the layers 92a and 92b were grown for 20 periods. Next, the temperature was raised to 1070 ° C., and an Al 0.07 Ga 0.93 N active layer 93 was laminated to a thickness of 0.05 μm. Next, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG, TMA, TMI, and (EtCp) 2 Mg as a p-type impurity gas are supplied in accordance with the composition, and the In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 94a and In 0.18 Ga 0.82 N A p-type cladding layer 94 made of a superlattice with the layer 94b was laminated to a thickness of 0.3 μm. The thicknesses of the layers 94a and 94b were 10 nm for the In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 94a and 5 nm for the In 0.18 Ga 0.82 N layer 94b, and the layers 94a and 94b were grown for 20 cycles. Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and the p-type GaN contact layer 95 was laminated to a thickness of 0.2 μm.

結晶成長終了後、反応管内をアンモニアガス60%と窒素ガス40%の混合ガス雰囲気にして成長温度から室温まで冷却した。冷却後、積層構造表面にテスターを充てると、導通が有り、表面のp型GaNコンタクト層95が低抵抗であることが確認された。   After completion of the crystal growth, the reaction tube was cooled to the room temperature from the growth temperature to a mixed gas atmosphere of 60% ammonia gas and 40% nitrogen gas. After cooling, when a tester was filled on the surface of the laminated structure, it was confirmed that there was conduction and the p-type GaN contact layer 95 on the surface had a low resistance.

次いで、p側オーミック電極材料であるNi/Auを積層構造上面に蒸着した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層95にp側オーミック電極96を形成した。次いで、GaN基板90の裏面を研磨し、約100μmの厚さにした。次いで、n側オーミック電極材料であるTi/Alを蒸着し、窒素雰囲気で450℃で熱処理して、n側オーミック電極97を形成した。次いで、基板をへき開して、出射端面700の形成と、チップ分離を行った。   Next, Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited on the top surface of the laminated structure. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere, and a p-side ohmic electrode 96 was formed on the p-type GaN contact layer 95. Next, the back surface of the GaN substrate 90 was polished to a thickness of about 100 μm. Next, Ti / Al, which is an n-side ohmic electrode material, was deposited and heat-treated at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere to form an n-side ohmic electrode 97. Next, the substrate was cleaved to form the emission end face 700 and to perform chip separation.

図16,図17,図18,図19は本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。なお、図16は半導体レーザーの斜視図であり、図17は半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図であり、図18は図17の部分Jを拡大した図であり、図19は図17の部分Kを拡大した図である。図16,図17,図18,図19の半導体装置は、上述した本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いた発光素子(半導体レーザー)として構成されている。   16, FIG. 17, FIG. 18 and FIG. 19 are diagrams showing another configuration example of the semiconductor device according to the present invention. 16 is a perspective view of the semiconductor laser, FIG. 17 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting direction of the semiconductor laser, and FIG. 18 is an enlarged view of a portion J in FIG. FIG. 18 is an enlarged view of a portion K in FIG. The semiconductor device shown in FIGS. 16, 17, 18, and 19 is configured as a light emitting element (semiconductor laser) using the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention as a cladding layer.

図16,図17,図18,図19を参照すると、この半導体レーザーの積層構造1000は、n型GaN基板100上に、n型AlGaN低温バッファー層101、n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層102、In0.05Al0.24Ga0.71N層103aとIn0.2Ga0.80N層103bとの超格子からなるn型クラッド層103、n型GaNガイド層104、In0.02Ga0.98N/In0.17Ga0.85N多重量子井戸活性層105、p型Al0.2Ga0.8N層106、p型GaNガイド層107、In0.05Al0.24Ga0.71N層108aとIn0.2Ga0.80N層108bとの超格子からなるp型クラッド層108、p型GaNコンタクト層109、絶縁型GaN層110が順次に積層されて形成されている。そして、p型Al0.2Ga0.8N層106、p型GaNガイド層107、p型クラッド層108、p型GaNコンタクト層109、絶縁型GaN層110には、p型不純物であるMgがドーピングされている。 Referring to FIGS. 16, 17, 18, and 19, this semiconductor laser laminated structure 1000 includes an n-type AlGaN low-temperature buffer layer 101 and an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high-temperature buffer layer on an n-type GaN substrate 100. 102, an n-type cladding layer 103 composed of a superlattice of an In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 103a and an In 0.2 Ga 0.80 N layer 103b, an n-type GaN guide layer 104, an In 0.02 Ga 0.98 N / In 0.17 Ga 0.85 N multiplex quantum well active layer 105, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 106, p-type GaN guide layer 107, in 0.0 5Al 0.24 Ga 0.71 p -type cladding layer composed of superlattices with N layer 108a and an in 0.2 Ga 0.80 N layer 108b 108, a p-type GaN contact layer 109, and an insulating GaN layer 110 are sequentially stacked. The p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 106, the p-type GaN guide layer 107, the p-type cladding layer 108, the p-type GaN contact layer 109, and the insulating GaN layer 110 are doped with Mg as a p-type impurity. Yes.

また、絶縁型GaN層110は、p型GaNコンタクト層109の表面が露出するまでストライプ状にエッチングされている。そして、絶縁型GaN層110と露出したp型GaNコンタクト層109上に、Ni/Auからなるp側オーミック電極材料が形成され、p型GaNコンタクト層109上にストライプ状にp側オーミック電極111が形成されている。   The insulating GaN layer 110 is etched in a stripe shape until the surface of the p-type GaN contact layer 109 is exposed. A p-side ohmic electrode material made of Ni / Au is formed on the insulating GaN layer 110 and the exposed p-type GaN contact layer 109, and the p-side ohmic electrode 111 is striped on the p-type GaN contact layer 109. Is formed.

そして、積層構造1000とp側オーミック電極111のストライプと概ね垂直に光共振器端面801,802が形成されている。また、GaN基板100の裏面にはTi/Alからなるn側オーミック電極112が形成されている。この半導体レーザーの電極111,112に順方向に電流を注入すると発光し、さらに電流を増加させるとレーザー発振した。発振波長は約409nmであった。   Optical resonator end faces 801 and 802 are formed substantially perpendicular to the multilayer structure 1000 and the stripes of the p-side ohmic electrode 111. An n-side ohmic electrode 112 made of Ti / Al is formed on the back surface of the GaN substrate 100. When a forward current was injected into the electrodes 111 and 112 of the semiconductor laser, light was emitted, and when the current was further increased, laser oscillation occurred. The oscillation wavelength was about 409 nm.

次に、図16,図17,図18,図19の半導体レーザーの作製工程例について説明する。なお、この作製工程例では、半導体レーザーの積層構造の結晶成長はMOCVD法で行った。また、前述した第1の作製方法(すなわち、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に、少なくとも1層のIII族窒化物半導体を積層することによって、半導体装置を作製する作製方法)を用いた。   Next, an example of manufacturing steps of the semiconductor laser shown in FIGS. 16, 17, 18, and 19 will be described. In this manufacturing process example, the crystal growth of the laminated structure of the semiconductor laser was performed by the MOCVD method. In addition, the first manufacturing method described above (that is, the first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements and the band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor). At least one group III nitride is formed on a p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In (indium) as a constituent element are alternately stacked. A manufacturing method of manufacturing a semiconductor device by stacking physical semiconductors was used.

この作製工程例では、まず、n型GaN基板100を反応管にセットし、水素と窒素とアンモニアガスの混合ガス中、1120℃に加熱し、基板100の表面をクリーニングした。次いで、温度を600℃に下げ、NH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気で、TMAとTMGおよびn型ドーパントガスであるSiH4ガスを流し、n型低温AlGaNバッファー層101を堆積した。次いで、温度を1070℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMA,n型不純物ガスとしてSiH4を組成にあわせて供給し、n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層102を1μmの厚さに積層した。次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMA,TMI,n型不純物ガスとしてSiH4を組成にあわせて供給し、In0.05Al0.24Ga0.71N層103aとIn0.2Ga0.80N層103bとの超格子からなるn型クラッド層103を0.5μmの厚さに積層した。次いで、温度を1050℃に上げ、n型GaNガイド層104を0.1μmの厚さに積層し、次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMIを組成にあわせて供給し、In0.02Ga0.98N/In0.17Ga0.85N多重量子井戸活性層105(2ペア)を積層した。 In this manufacturing process example, first, the n-type GaN substrate 100 was set in a reaction tube, heated to 1120 ° C. in a mixed gas of hydrogen, nitrogen, and ammonia gas to clean the surface of the substrate 100. Next, the temperature was lowered to 600 ° C., and TMA, TMG, and SiH 4 gas that is an n-type dopant gas were allowed to flow in a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen to deposit an n-type low-temperature AlGaN buffer layer 101. Next, the temperature is raised to 1070 ° C., TMG, TMA and SiH 4 as n-type impurity gas are supplied according to the composition using hydrogen as a carrier gas, and the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high-temperature buffer layer 102 is formed to a thickness of 1 μm. Laminated. The temperature was then reduced to 810 ° C., TMG, TMA, TMI, and supplies the combined SiH 4 to the composition as an n-type impurity gas, and In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 103a and an In 0.2 Ga 0.80 N layer 103b Ultra An n-type cladding layer 103 made of a lattice was laminated to a thickness of 0.5 μm. Next, the temperature is raised to 1050 ° C., the n-type GaN guide layer 104 is laminated to a thickness of 0.1 μm, then the temperature is lowered to 810 ° C., and TMG and TMI are supplied in accordance with the composition, In 0.02 Ga 0.98 N / In 0.17 Ga 0.85 N multiple quantum well active layers 105 (2 pairs) were stacked.

次いで、温度を1070℃に上げ、TMG,TMA,p型不純物原料の(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、p型Al0.2Ga0.8N層106を20nmの厚さに、また、p型GaNガイド層107を0.1μmの厚さに積層した。次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMA,TMI,p型不純物原料の(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、In0.05Al0.24Ga0.71N層108aとIn0.2Ga0.80N層108bとの超格子からなるp型クラッド層108を0.5μmの厚さに積層した。次いで、温度を1050℃に上げ、p型GaNコンタクト層109を0.2μmの厚さに積層し、最後に、(EtCp)2Mgの供給量を減らして絶縁型GaN層110を0.5μmの厚さに積層した。結晶成長終了後、水素と窒素とアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で、成長温度から室温まで冷却した。 Next, the temperature is increased to 1070 ° C., TMG, TMA, and p-type impurity source (EtCp) 2 Mg are supplied in accordance with the composition, and the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 106 is formed to a thickness of 20 nm, and p A type GaN guide layer 107 was laminated to a thickness of 0.1 μm. Next, the temperature is lowered to 810 ° C., TMG, TMA, TMI, and p-type impurity source (EtCp) 2 Mg are supplied in accordance with the composition, and the In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 108a and the In 0.2 Ga 0.80 N layer 108b are supplied. And a p-type cladding layer 108 having a thickness of 0.5 μm. Next, the temperature is raised to 1050 ° C., the p-type GaN contact layer 109 is laminated to a thickness of 0.2 μm, and finally, the supply amount of (EtCp) 2 Mg is reduced to form the insulating GaN layer 110 with a thickness of 0.5 μm. Laminated to thickness. After completion of crystal growth, it was cooled from the growth temperature to room temperature in a mixed gas atmosphere of hydrogen, nitrogen, and ammonia gas.

次いで、レジストで幅5μmのヌキストライプパターンを繰り返しピッチ300μmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約0.5μmの深さをドライエッチングして、p型GaNコンタクト層109を露出させた。レジストマスクを除去した後、p型GaNコンタクト層109にストライプ状のp側オーミック電極111を形成した。P側オーミック電極111は、ウエハー表面に、p側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理して形成した。次いで、基板100の裏面を研磨し、厚さを約100μmにした後、n側オーミック電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極112を形成した。次いで、半導体レーザー構造が形成されたウエハーをストライプ状電極111に概ね垂直になるようにへき開し、光共振器端面801,802を形成した。   Next, a resist pattern having a width of 5 μm was repeatedly formed at a pitch of 300 μm. Using this resist pattern as a mask, the p-type GaN contact layer 109 was exposed by dry etching to a depth of about 0.5 μm. After removing the resist mask, a striped p-side ohmic electrode 111 was formed on the p-type GaN contact layer 109. The P-side ohmic electrode 111 was formed by depositing Ni / Au as a p-side ohmic electrode material on the wafer surface and then heat-treating it at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere. Next, the back surface of the substrate 100 was polished to a thickness of about 100 μm, and Ti / Al as an n-side ohmic electrode material was then deposited. Thereafter, the n-side ohmic electrode 112 was formed by heat treatment at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere. Next, the wafer on which the semiconductor laser structure was formed was cleaved so as to be substantially perpendicular to the stripe-shaped electrode 111 to form optical resonator end faces 801 and 802.

また、図20,図21,図22,図23は本発明に係る半導体装置の他の構成例を示す図である。なお、図20は半導体レーザーの斜視図であり、図21は半導体レーザーの光出射方向に垂直な面での断面図であり、図22は図21の部分Lを拡大した図であり、図23は図21の部分Mを拡大した図である。図20,図21,図22,図23の半導体装置は、上述した本発明のp型III族窒化物半導体をクラッド層に用いた発光素子(半導体レーザー)として構成されている。特に、この発光素子は、上述した本発明のp型III族窒化物半導体がクラッド層に用いられた400nmよりも短い波長領域で発振する半導体レーザーとして構成されている。   20, FIG. 21, FIG. 22, and FIG. 23 are diagrams showing other configuration examples of the semiconductor device according to the present invention. 20 is a perspective view of the semiconductor laser, FIG. 21 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the light emitting direction of the semiconductor laser, and FIG. 22 is an enlarged view of a portion L in FIG. FIG. 22 is an enlarged view of a portion M in FIG. 21. 20, 21, 22, and 23 are configured as light emitting elements (semiconductor lasers) using the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention as a cladding layer. In particular, this light emitting device is configured as a semiconductor laser that oscillates in a wavelength region shorter than 400 nm in which the above-described p-type group III nitride semiconductor of the present invention is used for a cladding layer.

図20,図21,図22,図23を参照すると、半導体レーザーの積層構造2000は、n型GaN基板120上に、n型AlGaN低温バッファー層121、n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層122、In0.04Al0.24Ga0.72N層123aとIn0.18Ga0.82N層123bとの超格子からなるn型クラッド層123、n型Al0.1Ga0.9Nガイド層124、GaN/Al0.1Ga0.9N多重量子井戸活性層125、p型Al0.2Ga0.8N層126、p型Al0.1Ga0.9Nガイド層127、In0.04Al0.24Ga0.72N層128aとIn0.18Ga0.82N層128bとの超格子からなるp型クラッド層128、p型GaNコンタクト層129が順次に積層されて形成されている。そして、p型Al0.2Ga0.8N層126、p型Al0.1Ga0.9Nガイド層127、p型クラッド層128、p型GaNコンタクト層129には、p型不純物であるMgがドーピングされている。 20, 21, 22, and 23, the stacked structure 2000 of the semiconductor laser includes an n-type AlGaN low-temperature buffer layer 121 and an n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high-temperature buffer layer 122 on an n-type GaN substrate 120. , In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 123a and In 0.18 Ga 0.82 N layer 123b n-type cladding layer 123, n-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 124, GaN / Al 0.1 Ga 0.9 N multiple quantum P consisting of a superlattice of a well active layer 125, a p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 126, a p-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 127, an In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 128a and an In 0.18 Ga 0.82 N layer 128b. A type cladding layer 128 and a p-type GaN contact layer 129 are sequentially stacked. The p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 126, the p-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 127, the p-type cladding layer 128, and the p-type GaN contact layer 129 are doped with Mg as a p-type impurity.

積層構造2000は、p型GaNコンタクト層129の表面からp型クラッド層128の途中までエッチングされ、電流狭窄リッジ構造900が形成されている。リッジ構造900の最表面のp型GaNコンタクト層129上には、Ni/Auからなるp側オーミック電極131が形成されている。また、p側電極形成部以外は絶縁保護膜130として、SiO2が堆積されている。そして、積層構造2000と電流狭窄リッジ構造900と概ね垂直に光共振器端面901,902が形成されている。また、GaN基板120の裏面には、Ti/Alからなるn側オーミック電極132が形成されている。この半導体レーザーの電極131,132に順方向に電流を注入すると発光し、さらに電流を増加させるとレーザー発振した。発振波長は約365nmであった。 The stacked structure 2000 is etched from the surface of the p-type GaN contact layer 129 to the middle of the p-type cladding layer 128 to form a current confinement ridge structure 900. A p-side ohmic electrode 131 made of Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 129 on the outermost surface of the ridge structure 900. Further, SiO 2 is deposited as the insulating protective film 130 except for the p-side electrode forming portion. Optical resonator end faces 901 and 902 are formed substantially perpendicular to the laminated structure 2000 and the current confinement ridge structure 900. An n-side ohmic electrode 132 made of Ti / Al is formed on the back surface of the GaN substrate 120. When a forward current was injected into the electrodes 131 and 132 of the semiconductor laser, light was emitted, and when the current was further increased, laser oscillation occurred. The oscillation wavelength was about 365 nm.

次に、図20,図21,図22,図23の半導体レーザーの作製工程例について説明する。なお、この作製工程例では、半導体レーザーの積層構造の結晶成長はMOCVD法で行った。また、前述した第2の作製方法(すなわち、In(インジウム)とAl(アルミニウム)を構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、In(インジウム)を構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体を含む積層構造を結晶成長によって形成した後に、成長温度からの冷却を、窒素原料を含む冷却ガス雰囲気で行ない、半導体装置を作製する作製方法)を用いた。また、このとき、冷却ガス雰囲気に含まれる窒素原料をアンモニアとした。   Next, an example of manufacturing steps of the semiconductor laser shown in FIGS. 20, 21, 22, and 23 will be described. In this manufacturing process example, the crystal growth of the laminated structure of the semiconductor laser was performed by the MOCVD method. Further, the second manufacturing method described above (that is, the first group III nitride semiconductor containing In (indium) and Al (aluminum) as constituent elements, and the band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor. A stacked structure including a p-type group III nitride semiconductor composed of a superlattice structure in which second group III nitride semiconductors containing In (indium) as a constituent element are alternately stacked is formed by crystal growth. Later, cooling from the growth temperature was performed in a cooling gas atmosphere containing a nitrogen source, and a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device was used. At this time, the nitrogen raw material contained in the cooling gas atmosphere was ammonia.

この作製工程例では、まず、n型GaN基板120を反応管にセットし、水素と窒素とアンモニアガスの混合ガス中、1120℃に加熱し、基板120の表面をクリーニングした。次いで、温度を600℃に下げ、NH3と窒素と水素の混合ガス雰囲気で、TMAとTMGおよびn型ドーパントガスであるSiH4ガスを流し、n型低温AlGaNバッファー層121を堆積した。次いで、温度を1070℃に上げ、水素をキャリアガスとしてTMG,TMA,n型不純物ガスとしてSiH4を組成にあわせて供給し、n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層122を1μmの厚さに積層した。 In this manufacturing process example, first, the n-type GaN substrate 120 was set in a reaction tube, heated to 1120 ° C. in a mixed gas of hydrogen, nitrogen, and ammonia gas, and the surface of the substrate 120 was cleaned. Next, the temperature was lowered to 600 ° C., and TMA, TMG, and SiH 4 gas, which is an n-type dopant gas, were flowed in a mixed gas atmosphere of NH 3 , nitrogen, and hydrogen to deposit an n-type low-temperature AlGaN buffer layer 121. Next, the temperature is raised to 1070 ° C., TMG, TMA using hydrogen as a carrier gas, and SiH 4 as n-type impurity gas are supplied in accordance with the composition, and the n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high-temperature buffer layer 122 is formed to a thickness of 1 μm. Laminated.

次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMA,TMI,n型不純物ガスとしてSiH4を組成にあわせて供給し、In0.04Al0.24Ga0.72N層123aとIn0.18Ga0.82N層123bとの超格子からなるn型クラッド層123を0.6μmの厚さに積層した。なお、各層123a,123bの厚さは、In0.04Al0.24Ga0.72N層123aが10nm、In0.18Ga0.82N層123bが5nmで、各層123a,123bを40周期成長した。次いで、温度を1070℃に上げ、n型Al0.1Ga0.9Nガイド層124を0.1μmの厚さに積層し、次いで、GaN/Al0.1Ga0.9N多重量子井戸活性層125(3ペア)を積層した。次いで、TMG,TMA,p型不純物原料の(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、p型Al0.2Ga0.8N層126を20nmの厚さに、また、p型Al0.1Ga0.9Nガイド層127を0.1μmの厚さに積層した。次いで、温度を810℃に下げ、TMG,TMA,TMI,p型不純物原料の(EtCp)2Mgを組成にあわせて供給し、In0.04Al0.24Ga0.72N層128aとIn0.18Ga0.82N層128bとの超格子からなるp型クラッド層128を0.6μmの厚さに積層した。各層128a,128bの厚さは、In0.04Al0.24Ga0.72N層128aが10nm、In0.18Ga0.82N層128bが5nmで、各層128a,128bを40周期成長した。次いで、温度を1050℃に上げ、p型GaNコンタクト層129を0.2μmの厚さに積層した。結晶成長終了後、反応管内をアンモニアガスのみの雰囲気にして成長温度から室温まで冷却した。 The temperature was then reduced to 810 ° C., TMG, TMA, TMI, and supplies the combined SiH 4 to the composition as an n-type impurity gas, and In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 123a and an In 0.18 Ga 0.82 N layer 123b Ultra An n-type cladding layer 123 made of a lattice was laminated to a thickness of 0.6 μm. The thickness of each layer 123a, 123b was 10 nm for the In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 123a and 5 nm for the In 0.18 Ga 0.82 N layer 123b, and the layers 123a, 123b were grown for 40 cycles. Next, the temperature is raised to 1070 ° C., an n-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 124 is stacked to a thickness of 0.1 μm, and then a GaN / Al 0.1 Ga 0.9 N multiple quantum well active layer 125 (3 pairs) is formed. Laminated. Next, TMG, TMA, and p-type impurity source (EtCp) 2 Mg are supplied in accordance with the composition, the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 126 is formed to a thickness of 20 nm, and the p-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide Layer 127 was laminated to a thickness of 0.1 μm. Next, the temperature is lowered to 810 ° C., and TMG, TMA, TMI, and p-type impurity source (EtCp) 2 Mg are supplied in accordance with the composition, and the In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 128 a and the In 0.18 Ga 0.82 N layer 128 b And a p-type cladding layer 128 made of a superlattice with a thickness of 0.6 μm. The thickness of each layer 128a, 128b was 10 nm for the In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 128a and 5 nm for the In 0.18 Ga 0.82 N layer 128b, and each layer 128a, 128b was grown for 40 periods. Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and the p-type GaN contact layer 129 was laminated to a thickness of 0.2 μm. After the completion of crystal growth, the reaction tube was cooled to room temperature from the growth temperature in an atmosphere containing only ammonia gas.

冷却後、積層構造表面にテスターを充てると、導通が有り、表面のp型GaNコンタクト層129が低抵抗であることが確認された。   After cooling, it was confirmed that when the surface of the laminated structure was filled with a tester, there was conduction and the p-type GaN contact layer 129 on the surface had a low resistance.

次いで、レジストで幅4μmのストライプパターンを繰り返しピッチ300μmで形成した。このレジストパターンをマスクとして、約0.7μmの深さをドライエッチングして、リッジ900を形成した。レジストマスクを除去した後、絶縁保護膜130となるSiO2を積層構造の表面に約0.5μmの厚さに堆積した。 Subsequently, a stripe pattern having a width of 4 μm was repeatedly formed with a resist at a pitch of 300 μm. Using this resist pattern as a mask, a depth of about 0.7 μm was dry etched to form a ridge 900. After removing the resist mask, SiO 2 serving as the insulating protective film 130 was deposited on the surface of the laminated structure to a thickness of about 0.5 μm.

次いで、p側オーミック電極131を形成した。p側オーミック電極131の形成工程は次の通りである。まず、リッジ900上部に、レジストでヌキストライプパターンを形成した後、SiO2絶縁保護膜130をエッチングしてリッジ上のp型GaNコンタクト層129を露出させる。次いで、レジストを除去し、ウエハー表面にp側オーミック電極材料であるNi/Auを蒸着した。その後、窒素雰囲気中、600℃で熱処理し、p型GaNコンタクト層129にp側オーミック電極131を形成した。 Next, a p-side ohmic electrode 131 was formed. The formation process of the p-side ohmic electrode 131 is as follows. First, after forming a stripe pattern with resist on the ridge 900, the SiO 2 insulating protective film 130 is etched to expose the p-type GaN contact layer 129 on the ridge. Next, the resist was removed, and Ni / Au as a p-side ohmic electrode material was deposited on the wafer surface. Thereafter, heat treatment was performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to form the p-side ohmic electrode 131 on the p-type GaN contact layer 129.

次いで、基板120の裏面を研磨し、厚さを約100μmにした後、n側オーミック電極材料であるTi/Alを蒸着した。その後、窒素雰囲気で450℃で熱処理し、n側オーミック電極132を形成した。次いで、半導体レーザー構造が形成されたウエハーをリッジ900に概ね垂直になるようにへき開し、光共振器端面901,902を形成した。   Next, the back surface of the substrate 120 was polished to a thickness of about 100 μm, and Ti / Al as an n-side ohmic electrode material was then deposited. Thereafter, the n-side ohmic electrode 132 was formed by heat treatment at 450 ° C. in a nitrogen atmosphere. Next, the wafer on which the semiconductor laser structure was formed was cleaved so as to be substantially perpendicular to the ridge 900 to form optical resonator end faces 901 and 902.

1,20,30,40,50,70 サファイア基板
2 バッファー層
3 第1のn側窒化物半導体層
4 第2のn側窒化物半導体層
5 第3のn側窒化物半導体層
6 活性層
7 p側クラッド層
8 p側コンタクト層
9 p側電極
10 p側パッド電極
11 n側電極
21,31,41 低温GaNバッファー層
22,32,42 GaN層
23,33,43 超格子構造からなるp型III族窒化物半導体
23a,33a In0.04Al0.2Ga0.76N層
23b p型In0.1Al0.04Ga0.86N層
33b,43b In0.2Ga0.8N層」
43a In0.05Al0.24Ga0.71N層
51 AlN低温バッファー層
52,72 n型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層
53 n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
54 In0.17Ga0.83N活性層
55 超格子からなるp型クラッド層
55a In0.05Al0.24Ga0.71N層
55b p型In0.15Ga0.85N層
56 p型GaNコンタクト層
57,80,130 絶縁保護膜
58,81,96,131 p側オーミック電極
59,82,97,112,132 n側オーミック電極
60,83 配線電極
71,101 AlGaN低温バッファー層
73 超格子からなるn型クラッド層
73a In0.05Al0.24Ga0.71N層
73b n型In0.2Ga0.80N層
74 n型GaNガイド層
75 In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層(2ペア)
76 p型Al0.2Ga0.8N層
77 p型GaNガイド層
78 超格子からなるp型クラッド層
78a p型In0.05Al0.24Ga0.71N層
78b p型In0.2Ga0.80N層78b
79,95,109 p型GaNコンタクト層
90,100,120 n型GaN基板
91 n型Al0.07Ga0.93N低温バッファー層
92 超格子からなるn型クラッド層
92a In0.02Al0.34Ga0.64N層
92b In0.18Ga0.82N層
93 Al0.07Ga0.93N活性層
94 超格子からなるp型クラッド層
94a In0.02Al0.34Ga0.64N層
94b In0.18Ga0.82N層
102 n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層
103 超格子からなるn型クラッド層
103a In0.05Al0.24Ga0.71N層
103b In0.2Ga0.80N層
104 n型GaNガイド層
105 In0.02Ga0.98N/In0.17Ga0.85N多重量子井戸活性層
106 p型Al0.2Ga0.8N層
107 p型GaNガイド層
108 超格子からなるp型クラッド層
108a In0.05Al0.24Ga0.71N層
108b In0.2Ga0.80N層
110 絶縁型GaN層
111 ストライプ状のp側オーミック電極
121 n型AlGaN低温バッファー層
122 n型Al0.03Ga0.97N高温バッファー層
123 超格子からなるn型クラッド層
123a In0.04Al0.24Ga0.72N層
123b In0.18Ga0.82N層123b
124 n型Al0.1Ga0.9Nガイド層
125 GaN/Al0.1Ga0.9N多重量子井戸活性層
126 p型Al0.2Ga0.8N層
127 p型Al0.1Ga0.9Nガイド層
128 超格子からなるp型クラッド層
128a In0.04Al0.24Ga0.72N層
128b In0.18Ga0.82N層
129 p型GaNコンタクト層
400,900 電流狭窄リッジ構造
401,402,801,802 光共振器端面
501,502,700 光出射端面
503 受光面
1000,2000 半導体レーザーの積層構造
1, 20, 30, 40, 50, 70 Sapphire substrate 2 Buffer layer 3 First n-side nitride semiconductor layer 4 Second n-side nitride semiconductor layer 5 Third n-side nitride semiconductor layer 6 Active layer 7 p-side cladding layer 8 p-side contact layer 9 p-side electrode 10 p-side pad electrode 11 n-side electrode 21, 31, 41 low-temperature GaN buffer layer 22, 32, 42 GaN layer 23, 33, 43 p-type having a superlattice structure Group III nitride semiconductor 23a, 33a In 0.04 Al 0.2 Ga 0.76 N layer 23b p-type In 0.1 Al 0.04 Ga 0.86 N layer 33b, 43b In 0.2 Ga 0.8 N layer ”
43a In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 51 AlN low temperature buffer layer 52,72 n-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 53 n-type Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer 54 In 0.17 Ga 0.83 N active layer 55 p composed of superlattice Type cladding layer 55a In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 55b p type In 0.15 Ga 0.85 N layer 56 p type GaN contact layer 57, 80, 130 Insulating protective film 58, 81, 96, 131 p-side ohmic electrode 59, 82, 97, 112, 132 n-side ohmic electrode 60, 83 Wiring electrode 71, 101 AlGaN low-temperature buffer layer 73 n-type cladding layer made of superlattice 73a In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 73b n-type In 0.2 Ga 0.80 N layer
74 n-type GaN guide layer 75 In 0.15 Ga 0.85 N / In 0.02 Ga 0.98 N multiple quantum well active layer (2 pairs)
76 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 77 p-type GaN guide layer 78 p-type cladding layer made of superlattice 78a p-type In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 78b p-type In 0.2 Ga 0.80 N layer 78b
79, 95, 109 p-type GaN contact layer 90, 100, 120 n-type GaN substrate 91 n-type Al 0.07 Ga 0.93 N low-temperature buffer layer 92 n-type cladding layer 92a In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 92b In 0.18 Ga 0.82 N layer 93 Al 0.07 Ga 0.93 N active layer 94 p-type cladding layer 94a In 0.02 Al 0.34 Ga 0.64 N layer 94b In 0.18 Ga 0.82 N layer 102 n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high temperature buffer layer 103 Superlattice n-type cladding layer 103a In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 103b In 0.2 Ga 0.80 N layer 104 n-type GaN guide layer 105 In 0.02 Ga 0.98 N / In 0.17 Ga 0.85 N multiple quantum well active layer 106 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 107 p-type GaN guide layer 108 p-type cladding layer made of superlattice 108a In 0.05 Al 0.24 Ga 0.71 N layer 108b In 0.2 Ga 0.80 N layer 110 Insulating GaN layer 111 Striped p-side ohmic electrode 121 n-type AlGaN low-temperature buffer layer 122 n-type Al 0.03 Ga 0.97 N high-temperature buffer layer 123 superlattice N-type cladding layer 123a In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 123b In 0.18 Ga 0.82 N layer 123b
124 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 125 GaN / Al 0.1 Ga 0.9 N multiple quantum well active layer 126 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 127 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N guide layer 128 p-type cladding made of superlattice Layer 128a In 0.04 Al 0.24 Ga 0.72 N layer 128b In 0.18 Ga 0.82 N layer 129 p-type GaN contact layer 400,900 Current confined ridge structure 401, 402, 801, 802 Optical resonator end face 501, 502, 700 Light emitting end face 503 Light receiving surface 1000, 2000 Laminated structure of semiconductor laser

特開平5−183189号公報JP-A-5-183189 特開平3−218625号公報JP-A-3-218625 特開平8−125222号公報JP-A-8-125222 特開平6−232451号公報JP-A-6-232451 特開平10−101496号公報JP-A-10-101696 特開平11−340509号公報JP 11-340509 A

Claims (1)

InとAlを構成元素に含む第1のIII族窒化物半導体と、第1のIII族窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、Inを構成元素に含む第2のIII族窒化物半導体とが交互に積層された超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に、水素の拡散深さ以上の厚さを有する少なくとも1層のIII族窒化物半導体を積層し、前記III族窒化物半導体の成膜温度から室温まで冷却した後に、水素が拡散した領域の一部または全部を除去して、前記超格子構造で構成されているp型III族窒化物半導体上に積層された前記p型III族窒化物半導体を露出させ、当該露出した前記p型III族窒化物半導体上に電極を形成して、所定の半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。   The first group III nitride semiconductor containing In and Al as constituent elements and the second group III nitride semiconductor whose band gap is smaller than that of the first group III nitride semiconductor and containing In as constituent elements are alternated. And stacking at least one group III nitride semiconductor having a thickness equal to or greater than a hydrogen diffusion depth on a p-type group III nitride semiconductor having a superlattice structure stacked on After cooling from the deposition temperature of the physical semiconductor to room temperature, part or all of the region where hydrogen has diffused is removed, and the layer stacked on the p-type group III nitride semiconductor composed of the superlattice structure A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a predetermined semiconductor device is manufactured by exposing a p-type group III nitride semiconductor and forming an electrode on the exposed p-type group III nitride semiconductor.
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