JP2015167201A - Method for manufacturing nitride semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化物半導体素子の製造方法に関し、特に、結晶基板上に窒化物半導体層が積層されてなるテンプレート基板上に窒化物半導体層を再成長させて、窒化物半導体素子を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a nitride semiconductor device by re-growing a nitride semiconductor layer on a template substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a crystal substrate. .
例えばサファイア等の結晶基板(「成長基板」とも呼ばれる。)上に、窒化物半導体層を成長させる方法として、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:以下「MOCVD法」と略記する。)が知られている。MOCVD法は、炉(リアクタ)内で加熱状態にある結晶基板に対してIII族及びV族の原料ガスを含むキャリアガスを供給し、このガスを結晶基板上で熱分解させることによって半導体結晶を成長させる方法である。 For example, as a method of growing a nitride semiconductor layer on a crystal substrate such as sapphire (also referred to as “growth substrate”), it is abbreviated as “Metal Organic Chemical Vapor Deposition” (hereinafter referred to as “MOCVD method”). )It has been known. In the MOCVD method, a carrier gas containing group III and group V source gases is supplied to a crystal substrate heated in a furnace (reactor), and the semiconductor crystal is thermally decomposed on the crystal substrate. It is a way to grow.
MOCVD法では、ガスの材料として有機金属が用いられる。有機金属とは金属原子と炭素原子との間に直接結合を持つ化合物を指し、常温では液体又は固体だが飽和蒸気圧が比較的高いという性質を有する。このため、窒素等のガスをキャリアガスとして原料ガスを供給することで、結晶成長には十分な量の成長用原料を安定に供給できる。 In the MOCVD method, an organic metal is used as a gas material. An organic metal refers to a compound having a direct bond between a metal atom and a carbon atom, and is liquid or solid at room temperature but has a property of relatively high saturation vapor pressure. For this reason, by supplying a source gas using a gas such as nitrogen as a carrier gas, a sufficient amount of a growth source for crystal growth can be stably supplied.
III族の原料ガスとしては、一般的にトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)等が使用される。また、V族の原料ガスとしては、一般的にアンモニア等が使用される。 Generally, trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA) or the like is used as the group III source gas. Further, ammonia or the like is generally used as the group V source gas.
ところで、基板上にLED構造を形成するために、サファイア等の結晶基板の上面に対し、MOCVD法によってエピタキシャル成長させることで連続的に半導体層を積層する方法が一般的に用いられている。一方で別の方法として、結晶基板上にGaN等で構成された窒化物半導体層が積層されてなる基板(以下、「テンプレート基板」と呼ぶ。)を準備し、このテンプレート基板上に窒化物半導体層を含む半導体層を再成長させる方法も行われている。テンプレート基板を購入して活用すれば、半導体層を形成する工程の一部を省略できるため、工数の削減に繋がる。 By the way, in order to form an LED structure on a substrate, a method in which semiconductor layers are continuously laminated by epitaxial growth by MOCVD on the upper surface of a crystal substrate such as sapphire is generally used. On the other hand, as another method, a substrate (hereinafter referred to as “template substrate”) in which a nitride semiconductor layer made of GaN or the like is laminated on a crystal substrate is prepared, and the nitride semiconductor is formed on the template substrate. A method of regrowing a semiconductor layer including a layer is also performed. If a template substrate is purchased and utilized, part of the process for forming the semiconductor layer can be omitted, leading to a reduction in man-hours.
サファイア上にGaN層が積層されてなるテンプレート基板上に窒化物半導体層を再成長させる方法については、例えば特許文献1に記載がある。
For example,
図6は、結晶基板としてのc面サファイア基板にアンドープの第一GaN層が形成されてなるテンプレート基板上に、アンドープの第二GaN層を再成長させる際の、従来の再成長工程プロファイルを模式的に示したものである。横軸は時間軸を指し、縦軸は炉内温度を指す。また、図6において、原料ガス及びキャリアガスの供給開始のタイミングを時間軸に併せて併記している。以下、図6を参照して従来の方法について説明する。 FIG. 6 schematically shows a conventional regrowth process profile when an undoped second GaN layer is regrown on a template substrate in which an undoped first GaN layer is formed on a c-plane sapphire substrate as a crystal substrate. It is shown as an example. The horizontal axis indicates the time axis, and the vertical axis indicates the furnace temperature. In FIG. 6, the timing of starting the supply of the source gas and the carrier gas is also shown along the time axis. Hereinafter, a conventional method will be described with reference to FIG.
炉内にテンプレート基板を配置した状態で昇温を開始する。このとき、室温付近からキャリアガスとしての水素ガス及び窒素ガス、並びにV族原料ガスとしてのアンモニアの供給を開始する。一例として、流量が15SLMの水素ガス、流量が20SLMの窒素ガス、及び流量が5SLMのアンモニアガスの供給を開始する。そして、炉内温度(基板上の温度が測定可能であれば基板上の温度)がGaNの再成長温度である1150℃に達した時点で約5分間のアニール処理を行った後、III族原料ガスとしてのTMGの供給を開始する。 The temperature rise is started with the template substrate placed in the furnace. At this time, supply of hydrogen gas and nitrogen gas as carrier gases and ammonia as group V source gas is started from around room temperature. As an example, supply of hydrogen gas with a flow rate of 15 SLM, nitrogen gas with a flow rate of 20 SLM, and ammonia gas with a flow rate of 5 SLM is started. Then, after the furnace temperature (temperature on the substrate if the temperature on the substrate is measurable) reaches 1150 ° C. which is the regrowth temperature of GaN, annealing is performed for about 5 minutes, and then the group III material Supply of TMG as gas is started.
しかし、本発明者らの鋭意研究によれば、テンプレート基板上に上記方法で第二GaN層を再成長させた後、n型半導体層、活性層、及びp型半導体層を順次積層させることで形成した半導体発光素子は、サファイア等の結晶基板上に直接、GaN層、n型半導体層、活性層、及びp型半導体層を順次積層させることで形成した半導体発光素子に比べて発光強度が著しく低下することが分かった。 However, according to the earnest study of the present inventors, after the second GaN layer is regrown on the template substrate by the above method, the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer are sequentially stacked. The formed semiconductor light emitting device has significantly higher emission intensity than the semiconductor light emitting device formed by sequentially stacking a GaN layer, an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer directly on a crystal substrate such as sapphire. It turns out that it falls.
本発明者は、この原因として2つの仮説を立てた。第一の仮説は活性層内に生じた転位欠陥が増えているというものであり、第二の仮説は活性層内に何らかの不純物が増え非発光中心を形成しているというものである。 The present inventor made two hypotheses as the cause. The first hypothesis is that dislocation defects generated in the active layer are increasing, and the second hypothesis is that some impurities increase in the active layer to form non-luminescent centers.
しかし、結晶基板上に直接半導体層を形成したものと、テンプレート基板上にGaN層を再成長させた後に半導体層を形成したものの双方に対し、活性層まで形成させた状態でその上面を観察したが、ピットの数に有意な差はなかった。更に、前記双方に対し、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いてCやOの不純物の密度を観察したが、やはり有意な差はなかった。この結果、本発明者らは、テンプレート基板を利用して形成した半導体発光素子が、結晶基板上に直接形成した半導体発光素子よりも発光強度が低下した理由は、転位欠陥の増加でも不純物の増加でもないと結論付けたが、正確な理由は現時点では不明である。 However, the upper surface was observed in a state where the active layer was formed on both the semiconductor layer formed directly on the crystal substrate and the semiconductor layer formed after the GaN layer was regrown on the template substrate. However, there was no significant difference in the number of pits. Further, for both of the above, the density of C and O impurities was observed by secondary ion mass spectrometry (SIMS), but there was no significant difference. As a result, the present inventors have found that the semiconductor light-emitting element formed using the template substrate has a lower emission intensity than the semiconductor light-emitting element formed directly on the crystal substrate. I conclude, however, the exact reason is unknown at this time.
図7は、上記特許文献1に開示されている再成長工程プロファイルを模式的に示したものである。上記と同様に構成されたテンプレート基板を炉内に配置し昇温を行う過程において、結晶が再成長する温度(再成長温度)に達する前段階から、III族の原料ガスとV族の原料ガスの供給を開始する内容が開示されている。より詳細には、同文献によれば、再成長温度が1100℃である場合において、基板上の温度が800℃より低い温度(より具体的には760℃という記載がある。)からIII族の原料ガスとV族の原料ガスの供給を開始する旨の開示がある。特許文献1によれば、800℃に到達してから原料ガスの供給を開始すると、再成長させた結晶の表面に円錐状の突起が生成するようになるので好ましくないと記載されている。
FIG. 7 schematically shows a regrowth process profile disclosed in
しかしながら、本発明者らの鋭意研究によれば、同文献に記載された方法では、原料ガスの供給開始温度が800℃より低温であるため、この温度下でGaNの結晶を再成長させるとアモルファス状態となり、結晶性が悪化することが判明した。結晶性が悪化したGaNの再成長層が形成されてしまうと、その上層にn型半導体層、活性層、及びp型半導体層を順次成長させることで半導体発光素子を形成した場合、各層の結晶状態が悪化するために発光強度が著しく低下し、素子によっては全く発光しないことが想定される。 However, according to the diligent research of the present inventors, in the method described in this document, since the supply start temperature of the raw material gas is lower than 800 ° C., when the GaN crystal is regrown at this temperature, it is amorphous. It became clear that the crystallinity deteriorated. When a GaN regrowth layer with deteriorated crystallinity is formed, when a semiconductor light emitting device is formed by sequentially growing an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer thereon, the crystal of each layer Since the state deteriorates, the emission intensity is remarkably reduced, and it is assumed that no light is emitted at all depending on the element.
本発明は、テンプレート基板上に窒化物半導体層を再成長させた後、当該再成長層上に半導体層を成長させることで半導体発光素子を製造する場合において、従来よりも発光強度の高い半導体発光素子を実現することを目的とするものである。 In the case of manufacturing a semiconductor light emitting device by re-growing a nitride semiconductor layer on a template substrate and then growing the semiconductor layer on the re-grown layer, the present invention provides a semiconductor light emitting device having higher emission intensity than the conventional one The object is to realize an element.
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に窒化物半導体層が積層されてなるテンプレート基板を準備する工程(a)、
前記テンプレート基板を炉内に配置して窒化物半導体層の再成長温度に達するまで昇温する工程(b)、
前記工程(b)の実行中において、前記炉内の温度が前記再成長温度より低い所定の第一温度に達するとV族元素を含む第一原料ガスの供給を開始する工程(c)、
及び、前記工程(b)の実行中において、前記炉内の温度が前記再成長温度より低く前記第一温度よりも高い所定の第二温度に達するとIII族元素を含む第二原料ガスの供給を開始する工程(d)を有し、
前記炉内の温度が前記再成長温度に達した後も引き続き前記第一原料ガス及び前記第二原料ガスの供給を継続することを特徴とする。
The method for producing a nitride semiconductor device of the present invention includes:
Preparing a template substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a crystal substrate (a);
Placing the template substrate in a furnace and raising the temperature until reaching the regrowth temperature of the nitride semiconductor layer (b),
During the execution of the step (b), when the temperature in the furnace reaches a predetermined first temperature lower than the regrowth temperature, the step (c) of starting the supply of the first source gas containing the group V element,
When the temperature in the furnace reaches a predetermined second temperature lower than the regrowth temperature and higher than the first temperature during the execution of the step (b), the supply of the second source gas containing a group III element Having a step (d) of starting
The supply of the first source gas and the second source gas is continued after the temperature in the furnace reaches the regrowth temperature.
上記方法によれば、テンプレート基板を用いて再成長させた後に、当該再成長層の上面に半導体層を形成して半導体発光素子を製造すると、従来よりも高い発光強度が実現された。 According to the above method, when a semiconductor light emitting device is manufactured by forming a semiconductor layer on the upper surface of the regrowth layer after regrowth using the template substrate, higher light emission intensity than before is realized.
また、上記方法によれば、炉内温度が第一温度に達するとV族元素を含む第一原料ガスの供給を開始し、第一温度よりも高い第二温度に達するとIII族元素を含む第二原料ガスの供給を開始している。このため、窒化物半導体層を構成するIII族原料とV族原料の双方がテンプレート基板に供給される温度は、特許文献1の方法よりも高温にすることができる。これにより、アモルファス状の窒化物半導体層が形成されるおそれが回避され、結晶性が向上する。
Further, according to the above method, when the furnace temperature reaches the first temperature, the supply of the first source gas containing the group V element is started, and when the furnace temperature reaches the second temperature higher than the first temperature, the group III element is contained. The supply of the second source gas has started. For this reason, the temperature at which both the group III material and the group V material constituting the nitride semiconductor layer are supplied to the template substrate can be higher than that of the method of
なお、上記方法では、V族元素を含む第一原料ガスを先に供給し、III族元素を含む第二原料ガスを後に供給している。V族元素である窒素は蒸気圧が高く、高温下ではIII族元素と比べ結晶表面から脱離しやすいことが知られている。V族元素が脱離すると結晶表面にはIII族元素が金属ドロップ状になり残ってしまう。その状態でIII族及びV族元素原料ガスを供給し結晶成長を行うと、前記のドロップ状の部分により結晶品質を低下させてしまう。本方法によれば、V族元素を含む第一原料ガスを先に供給しているため、上記の理由による結晶品質の低下が防止される。 In the above method, the first source gas containing a group V element is supplied first, and the second source gas containing a group III element is supplied later. It is known that nitrogen, which is a group V element, has a high vapor pressure, and is easily desorbed from the crystal surface at a high temperature as compared with a group III element. When the group V element is desorbed, the group III element remains in the form of a metal drop on the crystal surface. When crystal growth is performed by supplying group III and group V element source gases in this state, the crystal quality is degraded by the drop-like portion. According to this method, since the first source gas containing the group V element is supplied first, deterioration of crystal quality due to the above-described reason is prevented.
上記方法において、
前記炉内の温度が前記第一温度よりも低い温度から水素ガス及び不活性ガスの供給を開始する工程(e)を有し、
前記炉内の温度が前記再成長温度に達した後も引き続き水素ガス及び不活性ガスの供給を継続するものとしても構わない。
In the above method,
And (e) starting the supply of hydrogen gas and inert gas from a temperature lower than the first temperature in the furnace,
Even after the temperature in the furnace reaches the regrowth temperature, the supply of hydrogen gas and inert gas may be continued.
特許文献1では、キャリアガスとして窒素ガスを用い、水素ガスを用いない旨の記載がある。同文献によれば、キャリアガスとして水素ガスを用いた場合、水素には高温において窒化物系半導体に対してエッチング作用を及ぼす性質があるため、基板を構成する窒化物結晶の表面が荒らされ、この上に成長した再成長結晶の表面に凹凸を招くおそれがあると記載されている。
しかし、キャリアガスとして水素ガスを用いない場合、エピタキシャル成長途中に形成される酸化膜が除去できず、成長層の下層に位置する窒化物半導体層の結晶情報を正しく引き継いで成長できない領域が存在してしまい、この結果結晶表面が乱されるおそれがあることが分かった。 However, when hydrogen gas is not used as the carrier gas, the oxide film formed during the epitaxial growth cannot be removed, and there is a region where the crystal information of the nitride semiconductor layer located under the growth layer cannot be correctly inherited and grown. As a result, it was found that the crystal surface might be disturbed.
上記方法によれば、水素ガス及び不活性ガスを第一原料ガスよりも先に供給することで、水素ガスの有するエッチング機能によって、昇温過程で窒化物半導体層の上面に形成される酸化膜や不純物を除去することができ、高い結晶性が確保される。また、キャリアガスとして水素ガスだけでなく不活性ガスを用いることで、水素による窒化物半導体層に対するエッチングダメージを抑制することができる。 According to the above method, by supplying the hydrogen gas and the inert gas before the first source gas, the oxide film formed on the upper surface of the nitride semiconductor layer in the temperature rising process by the etching function of the hydrogen gas And impurities can be removed, and high crystallinity is ensured. Further, by using not only hydrogen gas but also inert gas as the carrier gas, etching damage to the nitride semiconductor layer due to hydrogen can be suppressed.
特に、この不活性ガスとして窒素ガスを用いた場合には、炉内温度が1000℃を超える高温下において、原料ガスを基板表面に正しく供給させる補助的な役割を果たすことができる。炉内温度が1000℃を超えると激しい熱対流が生じ、そのままでは十分な量の原料ガスが基板上面に届かない場合がある。キャリアガスに窒素ガスを含めることで、基板外へ脱出しようとする原料ガスを窒素ガスによって抑え込むことができる。特にこの効果は、前記工程(e)において水素ガスよりも不活性ガスの流量を大きくすることで高められる。一例として、窒化物半導体層がGaNで構成されている場合においては、窒素ガスに対する水素ガスの流量比を0.3以下とするのが好適である。 In particular, when nitrogen gas is used as the inert gas, it can play an auxiliary role for correctly supplying the source gas to the substrate surface at a high temperature exceeding 1000 ° C. in the furnace. When the temperature in the furnace exceeds 1000 ° C., intense convection occurs, and a sufficient amount of source gas may not reach the upper surface of the substrate as it is. By including the nitrogen gas in the carrier gas, the raw material gas to escape from the substrate can be suppressed by the nitrogen gas. In particular, this effect can be enhanced by increasing the flow rate of the inert gas as compared with the hydrogen gas in the step (e). As an example, when the nitride semiconductor layer is made of GaN, it is preferable that the flow rate ratio of hydrogen gas to nitrogen gas is 0.3 or less.
上記の方法において、窒化物半導体層をGaNで構成することができる。この場合において、第二温度は800℃以上1050℃以下とするのが好ましく、850℃以上1050℃以下とするのが更に好ましい。 In the above method, the nitride semiconductor layer can be made of GaN. In this case, the second temperature is preferably 800 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and more preferably 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.
本発明の方法によれば、結晶基板上に窒化物半導体層が積層されてなるテンプレート基板を利用しても、高い発光強度を示す半導体発光素子が実現できる。これにより、結晶基板の上面に直接窒化物半導体層を成長させることで半導体発光素子を製造する方法よりも工程数を削減しながら、同等程度の発光強度を示す半導体発光素子が実現できる。 According to the method of the present invention, a semiconductor light emitting device exhibiting high light emission intensity can be realized even if a template substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a crystal substrate is used. Thereby, it is possible to realize a semiconductor light emitting device exhibiting an equivalent light emission intensity while reducing the number of steps compared to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device by directly growing a nitride semiconductor layer on the upper surface of the crystal substrate.
なお、本発明は、あくまで結晶基板上に窒化物半導体層が積層されてなるテンプレート基板上に窒化物半導体層を再成長させる工程に特徴を有するものである。つまり、本発明の技術は、テンプレート基板を利用して窒化物半導体層を再成長させ、その上層に半導体層を形成することで素子を製造する場合に適用が可能であり、半導体発光素子の製造方法に特化したものではない。 Note that the present invention is characterized by a process of re-growing a nitride semiconductor layer on a template substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a crystal substrate. In other words, the technology of the present invention can be applied to the case where an element is manufactured by re-growing a nitride semiconductor layer using a template substrate and forming a semiconductor layer on the nitride semiconductor layer. It is not specific to the method.
本発明の窒化物半導体素子の製造方法につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match the actual dimensional ratios.
図1は、本発明の方法を利用して製造された半導体発光素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。半導体発光素子20は、テンプレート基板10を有し、このテンプレート基板10上に半導体層が形成されている。テンプレート基板10は、c面サファイア基板等で構成された結晶基板1上に、アンドープの第一GaN層2が積層されて構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a semiconductor light emitting device manufactured using the method of the present invention. The semiconductor
半導体発光素子20は、テンプレート基板10上にアンドープの第二GaN層3が形成され、第二GaN層3の上層に例えばAlGaNで構成されたn型半導体層4が形成される。n型半導体層4の上層には例えばInGaN/AlGaNが周期的に構成された活性層5が形成され、活性層5の上層には例えばAlGaNで構成されたp型半導体層6が形成される。n型半導体層4の一部は露出されており、この露出面の一部には例えばCr/Ni/Auで構成されたn側電極7が形成されている。p型半導体層6の上面には例えばNi/Auで構成されたp側電極8が形成されている。
In the semiconductor
以下、本発明の窒化物半導体素子の製造方法に関し、半導体発光素子20の製造方法を例に挙げて説明する。図2は、テンプレート基板10上にアンドープの第二GaN層3を再成長させる際の、本発明の方法の再成長工程プロファイルを模式的に示したものである。
Hereinafter, the method for manufacturing the semiconductor
(ステップS1)
まず、テンプレート基板10を準備する。c面サファイア等の結晶基板1の上面に第一GaN層2が形成されたテンプレート基板10は、市場において流通しており調達することが可能である。このテンプレート基板10をMOCVD装置の炉内に適切に配置する。このステップS1が工程(a)に対応する。
(Step S1)
First, the
(ステップS2)
炉内温度を昇温する。昇温の速度の一例としては100℃/minである。なお、この昇温工程は、GaN層が再成長する温度(再成長温度)に達するまで行う。このステップS2が工程(b)に対応する。なお、以下のステップS4及びS5は、ステップS2に係る昇温工程下で行われる。また、ステップS3については、ステップS2に係る昇温工程の開始前又は昇温工程下で行われる。
(Step S2)
Raise the furnace temperature. An example of the rate of temperature increase is 100 ° C./min. This temperature raising step is performed until reaching a temperature at which the GaN layer re-grows (re-growth temperature). This step S2 corresponds to the step (b). In addition, the following steps S4 and S5 are performed under the temperature raising process according to step S2. Step S3 is performed before the start of the temperature raising process according to Step S2 or under the temperature raising process.
(ステップS3)
キャリアガスとして水素ガス及び窒素ガスの供給を開始する。ここで、窒素ガスの流量は水素ガスの流量よりは大きくするのが好適である。一例として、水素ガスの流量を0.1SLM以上10SLM以下とし、窒素ガスの流量を1SLM以上100SLM以下とすることができる。
(Step S3)
Supply of hydrogen gas and nitrogen gas as a carrier gas is started. Here, the flow rate of the nitrogen gas is preferably larger than the flow rate of the hydrogen gas. As an example, the flow rate of hydrogen gas can be 0.1 SLM or more and 10 SLM or less, and the flow rate of nitrogen gas can be 1 SLM or more and 100 SLM or less.
上述したように、このキャリアガスの供給の開始時点については、炉内温度が室温下すなわち昇温開始前であっても構わないし、昇温中であっても構わない。ただし、炉内温度が300℃以下の時点においてキャリアガスの供給を開始するのが好ましい。低温下の時点から水素を含むキャリアガスを供給することにより、テンプレート基板10の表面に付着した余分な水分、酸化膜及び有機物を、結晶にダメージを与えることなく有効に除去することが可能となる。
As described above, the start time of the supply of the carrier gas may be such that the furnace temperature is at room temperature, that is, before the start of temperature increase, or during the temperature increase. However, it is preferable to start supplying the carrier gas when the furnace temperature is 300 ° C. or lower. By supplying a carrier gas containing hydrogen from a point in time at a low temperature, it becomes possible to effectively remove excess moisture, oxide film, and organic matter adhering to the surface of the
ステップS3が工程(e)に対応する。 Step S3 corresponds to step (e).
(ステップS4)
炉内温度が、所定の第一温度T1に達すると、V族元素を含む第一原料ガスの供給を開始する。第一原料ガスの一例としてアンモニアやヒドラジン系の窒素を含む有機化合物等を用いることができる。
(Step S4)
When the furnace temperature reaches a predetermined first temperature T1, supply of the first source gas containing the group V element is started. As an example of the first source gas, an organic compound containing ammonia or hydrazine-based nitrogen can be used.
第一温度T1としては、例えば300℃程度とすることができる。また、第一原料ガスとしてアンモニアを利用する場合、アンモニアの流量は1SLM以上100SLM以下とするのが好ましい。アンモニアガスを所定流量で供給することにより、GaN結晶表面の荒れを防止することができる。なぜならば、供給されるアンモニアガスによって第一GaN層2の一部がエッチングされて一部のGaが析出し、これがアンモニアに含まれるNと結合することで再形成されたGaNによって荒れた箇所を埋める作用を示すためである。第一温度T1としては300℃以上500℃以下の温度とするのが好適である。
As 1st temperature T1, it can be about 300 degreeC, for example. In addition, when ammonia is used as the first source gas, the flow rate of ammonia is preferably 1 SLM or more and 100 SLM or less. By supplying ammonia gas at a predetermined flow rate, roughening of the GaN crystal surface can be prevented. This is because a part of the
ステップS4が工程(c)に対応する。 Step S4 corresponds to step (c).
(ステップS5)
炉内温度が、第一温度T1よりも高い第二温度T2に達すると、III族元素を含む第二原料ガスの供給を開始する。第二原料ガスの一例として、TMGやトリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)等を用いることができる。
(Step S5)
When the furnace temperature reaches the second temperature T2 higher than the first temperature T1, the supply of the second source gas containing the group III element is started. As an example of the second source gas, TMG, triethylgallium (TEG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), or the like can be used.
第二温度T2としては、850℃以上1050℃以下とするのが好ましい。1050℃は、GaN層の再成長温度T3である1150℃より低い温度である。TMGの流量としては、例えば処理対象基板が1枚2インチサイズのMOCVD装置の場合であれば、5〜300μmol/minとすることができる。 The second temperature T2 is preferably 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. The temperature of 1050 ° C. is lower than 1150 ° C., which is the regrowth temperature T3 of the GaN layer. The flow rate of TMG can be set to 5 to 300 μmol / min when the substrate to be processed is, for example, an MOCVD apparatus having a size of 2 inches.
ステップS5が工程(d)に対応する。 Step S5 corresponds to step (d).
(その後のステップ)
炉内温度がGaNの再成長温度T3に達すると、ステップS2に係る昇温工程を停止する。なお、炉内温度がT3に達した以後においても、キャリアガス、第一原料ガス、及び第二原料ガスは引き続き供給する。この供給時間については、第二GaN層3の膜厚に応じて適宜変更される。例えば、炉内温度がT3に達した後、40分間各ガスの供給を継続することにより、膜厚2μm程度の第二GaN層3が形成される。なお、再成長温度T3の一例は1150℃である。
(Subsequent steps)
When the furnace temperature reaches the GaN re-growth temperature T3, the temperature raising process according to step S2 is stopped. Note that the carrier gas, the first source gas, and the second source gas are continuously supplied even after the furnace temperature reaches T3. The supply time is appropriately changed according to the film thickness of the
テンプレート基板10上に所望の膜厚の第二GaN層3が形成されると、以下は、通常の半導体発光素子の製造方法と同様の方法によって順次、半導体層及び電極を形成する。以下、その一例につき説明する。
When the
第二GaN層3の上層にn型半導体層4を形成する。より具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。引き続き炉内温度を1150℃とした状態で、MOCVD装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20SLMの窒素ガス及び流量が15SLMの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア及びn型不純物をドープするためのテトラエチルシランを処理炉内に30分間供給する。これにより、例えばAl0.06Ga0.94Nの組成を有し、厚みが1.7μmのn型半導体層4が第二GaN層3の上層に形成される。
An n-
なお、n型半導体層4に含まれるn型不純物としてはSiの他、Ge、S、Se、Sn、及びTeなどを用いることができる。
In addition to Si, Ge, S, Se, Sn, Te, etc. can be used as the n-type impurity contained in the n-
次に、n型半導体層4の上層に活性層5を形成する。より具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。炉内温度を830℃程度に低下させ、MOCVD装置の炉内圧力を100kPa程度とする。そして処理炉内にキャリアガスとして流量が15SLMの窒素ガス及び流量が1SLMの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのTMG、流量が12μmol/minのトリメチルインジウム(TMI)及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に48秒間供給するステップを行う。その後、流量が10μmol/minのTMG、流量が1.6μmol/minのTMA、0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に120秒間供給するステップを行う。以下、これらの2つのステップを繰り返すことにより、厚みが2nmのInGaNよりなる発光層及び厚みが7nmのn型AlGaNよりなる障壁層が多周期形成されてなる活性層5が、n型半導体層4の上層に形成される。
Next, the
次に、活性層5の上層にp型半導体層6を形成する。より具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。MOCVD装置の炉内圧力を100kPaに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が15SLMの窒素ガス及び流量が25SLMの水素ガスを流しながら、炉内温度を1025℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が35μmol/minのTMG、流量が20μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及びp型不純物をドープするための流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を処理炉内に60秒間供給する。これにより、活性層5の上層に、厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、TMGの流量を9μmol/minに変更して原料ガスを360秒間供給することにより、厚みが120nmのAl0.13Ga0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりp型半導体層6が形成される。
Next, the p-type semiconductor layer 6 is formed on the
なお、p型半導体層6に含まれるp型不純物としてはMgの他、Be、Zn、Cなどを用いることができる。 As the p-type impurity contained in the p-type semiconductor layer 6, Be, Zn, C, or the like can be used in addition to Mg.
p型半導体層6の形成後、TMAの供給を停止すると共に、Cp2Mgの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを20秒間供給する。これにより、厚みが5nmのp型GaNよりなる高Mg濃度のp型GaN層が形成される。その後、アニール処理を行った後、エッチングを行ってn型半導体層4の一部上面を露出させる。そして、露出したn型半導体層4の上面に例えばCu/Ni/Auからなるn側電極7を形成し、高濃度p型GaN層の上面に例えばNi/Auからなるp側電極8を形成する。
After the formation of the p-type semiconductor layer 6, the supply of TMA is stopped, the flow rate of Cp 2 Mg is changed to 0.2 μmol / min, and the source gas is supplied for 20 seconds. Thereby, a high Mg concentration p-type GaN layer made of p-type GaN having a thickness of 5 nm is formed. Thereafter, after annealing, etching is performed to expose a part of the upper surface of the n-
以下、本発明の方法を用いて製造された半導体発光素子の性能について、従来の方法で製造された半導体発光素子と比較して検証する。 Hereinafter, the performance of the semiconductor light emitting device manufactured using the method of the present invention will be verified in comparison with the semiconductor light emitting device manufactured by the conventional method.
[検証1]
c面サファイア基板1を用いて従来の方法によって製造された半導体発光素子と、テンプレート基板10を用いて本発明の方法によって製造された半導体発光素子20の発光強度を対比した。
[Verification 1]
The light emission intensity of the semiconductor light emitting device manufactured by the conventional method using the c-
(実施例1)
上述した本発明の方法で製造された半導体発光素子20を実施例1とした。なお、第二原料ガス(ここではTMG)の供給を開始する温度T2を1050℃とした。
(比較例1)
c面サファイア基板1上に従来のMOCVD法によって直接アンドープGaN層2を形成した後、順次n型半導体層4、活性層5、p型半導体層6を形成した半導体発光素子を比較例1とした。
Example 1
The semiconductor
(Comparative Example 1)
A semiconductor light emitting device in which an n-
図3は、実施例1と比較例1のI−L特性(電流光強度特性)を示すグラフである。図3によれば、実施例1の半導体発光素子20は、c面サファイア基板1上にLEDを形成した従来の半導体発光素子と同等の発光強度が実現できていることが分かる。
FIG. 3 is a graph showing the IL characteristics (current light intensity characteristics) of Example 1 and Comparative Example 1. As can be seen from FIG. 3, the semiconductor
[検証2]
テンプレート基板10を用いて従来の方法によって製造された半導体発光素子と、テンプレート基板10を用いて本発明の方法によって製造された半導体発光素子20の発光強度を対比した。
[Verification 2]
The light emission intensity of the semiconductor light emitting device manufactured by the conventional method using the
(比較例2)
テンプレート基板10に対して、図6に示す従来の工程プロファイルの下で第二GaN層3を成長させた後、順次n型半導体層4、活性層5、p型半導体層6を形成した半導体発光素子を比較例2とした。
(Comparative Example 2)
Semiconductor light emission in which an n-
図4は、実施例1と比較例2のI−L特性(電流光強度特性)を示すグラフである。図4によれば、比較例2の素子は実施例の素子1と比べて著しく発光強度が低いことが示されている。テンプレート基板10を用いて発光素子を製造する場合、従来の製造方法であれば発光強度が極めて低い素子しか実現できていなかったが、本発明の方法によれば、図3及び図4に示すように、高い発光強度を示す素子が実現できる。
FIG. 4 is a graph showing IL characteristics (current light intensity characteristics) of Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 4 shows that the device of Comparative Example 2 has significantly lower emission intensity than the
[検証3]
テンプレート基板10を用いて本発明の方法によって製造された発光素子20の発光強度に関し、第二原料ガスの供給を開始する温度T2を変えながら比較した。
[Verification 3]
The light emission intensity of the
(実施例2)
実施例2は、第二原料ガスの供給を開始する温度T2を950℃とした点を除けば実施例1と共通の方法によって製造された半導体発光素子20に対応する。
(実施例3)
実施例3は、第二原料ガスの供給を開始する温度T2を850℃とした点を除けば実施例1と共通の方法によって製造された半導体発光素子20に対応する。
(実施例4)
実施例4は、第二原料ガスの供給を開始する温度T2を800℃とした点を除けば実施例1と共通の方法によって製造された半導体発光素子に対応する。
(Example 2)
Example 2 corresponds to the semiconductor
(Example 3)
Example 3 corresponds to the semiconductor
Example 4
Example 4 corresponds to a semiconductor light emitting device manufactured by the same method as Example 1 except that the temperature T2 at which the supply of the second source gas is started is 800 ° C.
(比較例3)
比較例3は、第二原料ガスの供給を開始する温度T2を、GaNの再成長温度である1150℃とした点を除けば実施例1と共通の方法によって製造された半導体発光素子に対応する。
(比較例4)
比較例4は、テンプレート基板10に対して、図7に示す特許文献1に記載の工程プロファイルの下で第二GaN層3を成長させた後、順次n型半導体層4、活性層5、p型半導体層6を形成した半導体発光素子に対応する。図7に示すように、第一原料ガスとしてのアンモニア及び第二原料ガスとしてのTMGの供給開始温度を760℃とし、水素ガスを含まずに窒素ガスのみをキャリアガスとした。
(Comparative Example 3)
Comparative Example 3 corresponds to a semiconductor light emitting device manufactured by a method common to Example 1 except that the temperature T2 at which the supply of the second source gas is started is 1150 ° C. which is the regrowth temperature of GaN. .
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, after the
なお、実施例1〜4、比較例1〜4の各素子は、全て炉内温度が再成長温度T3に達した後、40分間にわたって各原料ガス及びキャリアガスの供給が行われた後、順次n型半導体層4、活性層5、及びp型半導体層6が形成されて製造された。
In each of the elements of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, after the furnace temperature reached the regrowth temperature T3, each source gas and carrier gas was supplied for 40 minutes, and then sequentially. An n-
図5は、実施例1〜4、比較例1〜4の各素子に対し、20mAの電流を供給したときの発光出力を比較した表である。図5によれば、実施例1〜3の各素子は、c面サファイア基板1を用いて従来方法によって製造された比較例1の素子とほぼ同等の発光強度が実現できている。実施例4の素子は、比較例1の素子よりは発光強度が低いものの、比較例2〜4の素子よりは高い光出力が実現されている。これに対し、テンプレート基板10を用い、本発明の方法とは異なる方法で製造された比較例2〜4の各素子は、いずれも実施例1〜4の各素子よりも発光強度が低く、特に実施例1〜3の各素子と比べて発光強度が著しく低いことが分かる。
FIG. 5 is a table comparing the light emission outputs when a current of 20 mA is supplied to each of the elements of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. According to FIG. 5, each of the elements of Examples 1 to 3 can achieve substantially the same emission intensity as the element of Comparative Example 1 manufactured by the conventional method using the c-
第二原料ガスの供給開始温度T2を、GaNの再成長温度である1150℃とした比較例3の素子においては、第二原料ガスが供給される前に炉内温度が極めて高温になることから、第一GaN層2の上面が熱分解してその表面にGaが析出したことで、結晶性が低下したものと考えられる。この結果、結晶性の低い第一GaN層2の上面に第二GaN層3が成長したことで、第二GaN層3の結晶性も低下し、その後に形成される活性層5の結晶性も低下し、発光強度が低下したものと考えられる。
In the element of Comparative Example 3 in which the supply start temperature T2 of the second source gas is 1150 ° C., which is the GaN re-growth temperature, the furnace temperature becomes extremely high before the second source gas is supplied. It is considered that the crystallinity is lowered because the upper surface of the
また、炉内温度が760℃に達した時点で第一原料ガス及び第二原料ガスの双方の供給を開始した比較例4の素子においても、実施例1〜4の各素子より発光強度が低い。これは、760℃という低い温度で第二原料ガスの供給が開始されているため、再成長の初期段階で成長されたGaN層がアモルファス状となって結晶性が低下したことが理由の一つとして考えられる。 Moreover, also in the element of the comparative example 4 which started supply of both the 1st source gas and the 2nd source gas when the furnace temperature reached 760 degreeC, the emitted light intensity is lower than each element of Examples 1-4. . One reason for this is that since the supply of the second source gas is started at a temperature as low as 760 ° C., the GaN layer grown in the initial stage of regrowth becomes amorphous and crystallinity is lowered. Is considered.
更に、比較例4の素子においては、実施例1〜4の各素子と比較して第二GaN層3の膜厚が1/5程度であった。これは、比較例4においてキャリアガスとして水素ガスを用いず、窒素ガスのみを用いて製造されていることに起因すると考えられる。窒素ガスは、水素ガス及びアンモニアガスよりも質量が大きい。そのため、過剰に基板表面に窒素ガスが吹き付けられることとなり、第二GaN層3の形成を阻害している。このような理由により、比較例4の素子は十分な膜厚の第二GaN層3が形成されなかったものと考えられる。
Furthermore, in the element of Comparative Example 4, the film thickness of the
第二GaN層3は、その後に形成されるn型半導体層4の下地層として機能するため、その後に形成される窒化物半導体層の膜質を向上させるためには、一定以上の膜厚が必要となる。比較例4の素子が備える第二GaN層3は、膜厚が不足しており、その後に形成された半導体層の膜質が低下したことも発光強度が低くなった原因と考えられる。
Since the
なお、第二原料ガスの供給開始温度T2を800℃とした実施例4の素子は、供給開始温度T2を1050℃とした実施例1、950℃とした実施例2、850℃とした実施例3の各素子よりも光出力が低い。これは、GaN層の再成長の初期段階における温度が実施例1〜3の各素子よりも低いことで発光強度が低下したものと考えられる。より詳細には、前記再成長の初期段階で成長されたGaN層がアモルファス状となって結晶性が低下し、これに伴って発生した欠陥を活性層5が引き継いだことで、活性層5内に非発光中心が形成され、発光強度が低下したものと考えられる。よって、供給開始温度T2を800℃より更に低くすると、実施例4の素子よりも発光強度が更に低下することが考えられるため、第二原料ガスの供給開始温度は800℃以上が好ましく、850℃以上とするのがより好ましい。
The element of Example 4 in which the supply start temperature T2 of the second source gas was set to 800 ° C. was the same as Example 1 in which the supply start temperature T2 was set to 1050 ° C., Example 2 in which the supply
以上の検証により、昇温工程下において、V族元素を含む第一原料ガスの供給を先に開始し、炉内温度が800℃以上1050℃以下、より好ましくは850℃以上1050℃以下の第二温度T2に達した段階でIII族元素を含む第二原料ガスの供給を開始し、炉内温度が再成長温度T3(1150℃)に達した後は昇温を停止してキャリアガス及び原料ガスの供給を継続するという方法を採用することで、テンプレート基板10を用いても結晶基板を用いて製造された発光素子と同等の高い発光強度が実現できることが分かる。
As a result of the above verification, the supply of the first source gas containing the group V element is started first in the temperature raising step, and the furnace temperature is 800 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, more preferably 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. When the temperature reaches the second temperature T2, the supply of the second source gas containing the group III element is started. After the furnace temperature reaches the regrowth temperature T3 (1150 ° C.), the temperature rise is stopped and the carrier gas and the source gas are supplied. By adopting the method of continuing the supply of gas, it can be seen that even when the
また、キャリアガスとして不活性ガスとしての窒素ガスに加えて水素ガスを利用することで、テンプレート基板10の上面に形成されるGaNの膜質を向上させる効果が得られる。更に、この場合において、水素ガスよりも窒素ガスの流量を大きくすることで、炉内温度が1000℃を超える高温下においても原料ガスを基板側に抑え込むことができ、十分な量の原料ガスをテンプレート基板10の上面に供給することができる。
Further, by using hydrogen gas in addition to nitrogen gas as an inert gas as a carrier gas, an effect of improving the film quality of GaN formed on the upper surface of the
なお、上述した実施形態では、第二原料ガスの供給を開始する炉内温度T2を800℃以上1050℃以下としたが、これは結晶基板1上に形成されている窒化物半導体層GaN層(第一GaN層2)であり、更にこの上層に形成される窒化物半導体層がGaN層(第二GaN層3)である場合に好適な温度となる。特に、テンプレート基板10の上面に成長させる窒化物半導体層の材料に応じて、温度T2は適宜選択されるものとして構わない。
In the above-described embodiment, the furnace temperature T2 at which the supply of the second source gas is started is set to 800 ° C. or more and 1050 ° C. or less. This is the nitride semiconductor layer GaN layer (on the crystal substrate 1 ( The temperature is suitable when the nitride semiconductor layer formed on the upper layer of the first GaN layer 2) is a GaN layer (second GaN layer 3). In particular, the temperature T2 may be appropriately selected according to the material of the nitride semiconductor layer grown on the upper surface of the
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉 上述の実施形態では、テンプレート基板10としてc面サファイアで構成された結晶基板1の上面に第一GaN層2が積層されたものを用いた。しかし、結晶基板1としては例えばSiCなどc面サファイア以外の材料も利用可能である。
<1> In the above-described embodiment, the
〈2〉 上述の実施形態では、テンプレート基板10の上面に第二GaN層3を形成する場合について説明したが、GaN層以外の窒化物半導体層(例えばAlGaN層等)を形成する場合においても同様の方法を用いることができる。AlGaNの場合、再成長温度T3がGaNより高温になる。
<2> In the above-described embodiment, the case where the
〈3〉 図3に示した本発明の方法のプロファイルはあくまで模式的に示されたものである。図3では、炉内温度が線形的に上昇しているかのように描かれているが、これは一例であって温度上昇の仕方は適宜選択される。すなわちステップS2に係る昇温工程の実行中において、炉内温度Tが室温から再成長温度T3に達するまで連続的又は断続的に上昇していれば良く、炉内温度Tの経時変化のパターンは問わない。 <3> The profile of the method of the present invention shown in FIG. 3 is merely schematically shown. In FIG. 3, the furnace temperature is depicted as if it rose linearly, but this is an example, and the way of temperature rise is selected as appropriate. That is, it is sufficient that the furnace temperature T rises continuously or intermittently from the room temperature to the regrowth temperature T3 during the temperature raising process according to step S2, and the pattern of the temporal change of the furnace temperature T is as follows: It doesn't matter.
〈4〉 上述の実施形態では、結晶基板1の上面に窒化物半導体層(第一GaN層2に対応)が積層されてなるテンプレート基板10上に、窒化物半導体層(第二GaN層3に対応)を再成長させた後、更に半導体層を形成して半導体発光素子を製造する方法について説明した。しかし、本発明は、前記テンプレート基板10上に窒化物半導体層を再成長させる工程に特徴を有するものである。つまり、本発明の方法は、テンプレート基板10を利用して窒化物半導体層を再成長させ、その上層に半導体層を形成することで素子を製造する場合に適用が可能であり、必ずしも半導体発光素子の製造方法に特化したものではない。
<4> In the above-described embodiment, a nitride semiconductor layer (on the second GaN layer 3) is formed on the
1 : 結晶基板
2 : 第一GaN層
3 : 第二GaN層
4 : n型半導体層
5 : 活性層
6 : p型半導体層
7 : n側電極
8 : p側電極
10 : テンプレート基板
20 : 半導体発光素子
1: Crystal substrate 2: First GaN layer 3: Second GaN layer 4: n-type semiconductor layer 5: active layer 6: p-type semiconductor layer 7: n-side electrode 8: p-side electrode 10: template substrate 20: semiconductor light emitting element
Claims (6)
前記テンプレート基板を炉内に配置して窒化物半導体層の再成長温度に達するまで昇温する工程(b)、
前記工程(b)の実行中において、前記炉内の温度が前記再成長温度より低い所定の第一温度に達するとV族元素を含む第一原料ガスの供給を開始する工程(c)、
及び、前記工程(b)の実行中において、前記炉内の温度が前記再成長温度より低く前記第一温度よりも高い所定の第二温度に達するとIII族元素を含む第二原料ガスの供給を開始する工程(d)を有し、
前記炉内の温度が前記再成長温度に達した後も引き続き前記第一原料ガス及び前記第二原料ガスの供給を継続することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。 Preparing a template substrate in which a nitride semiconductor layer is laminated on a crystal substrate (a);
Placing the template substrate in a furnace and raising the temperature until reaching the regrowth temperature of the nitride semiconductor layer (b),
During the execution of the step (b), when the temperature in the furnace reaches a predetermined first temperature lower than the regrowth temperature, the step (c) of starting the supply of the first source gas containing the group V element,
When the temperature in the furnace reaches a predetermined second temperature lower than the regrowth temperature and higher than the first temperature during the execution of the step (b), the supply of the second source gas containing a group III element Having a step (d) of starting
The method of manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the supply of the first source gas and the second source gas is continued after the temperature in the furnace reaches the regrowth temperature.
前記炉内の温度が前記再成長温度に達した後も引き続き水素ガス及び不活性ガスの供給を継続することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 And (e) starting the supply of hydrogen gas and inert gas from a temperature lower than the first temperature in the furnace,
2. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the supply of the hydrogen gas and the inert gas is continued after the temperature in the furnace reaches the regrowth temperature.
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