JP2015216164A - Method for manufacturing group iii nitride semiconductor, and method for manufacturing light-emitting element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the variation in growth temperature, which would be caused by repeatedly using a MOCVD device.SOLUTION: A method for manufacturing a group III nitride semiconductor comprises the steps of: cleaning a face of a flow channel 13 opposed to a sapphire substrate 10 (step S1); performing a short deposition with a dummy substrate (step S2); and growing crystal of Group III nitride semiconductor on the sapphire substrate 10 N1 times (steps S3 to S6) after the short deposition, provided that a set temperature is raised by ΔT in each crystal growth with the increase in the number of times the crystal growth has been performed until the N2-th crystal growth (steps S3 and S4), and the set temperature is fixed at the set temperature in the N2-th crystal growth until the N1-th crystal growth after that (steps S5 and S6). Making arrangement of the set temperature like this, the difference between the set temperature and an actual growth temperature can be made smaller, and thus the variation in growth temperature can be reduced. After the end of the N1-th crystalline growth, the execution of the process step is returned back to the step S1, and the steps S1-S6 are repeated.

Description

本発明は、III 族窒化物半導体の製造方法に関し、MOCVD装置の使用を重ねることにより発生する成長温度のばらつきを抑制するものである。特にIII 族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a group III nitride semiconductor, and suppresses variations in growth temperature caused by repeated use of an MOCVD apparatus. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a light emitting device made of a group III nitride semiconductor.

III 族窒化物半導体からなる発光素子の作製において、III 族窒化物半導体を成長させる方法としては一般にMOCVD法が用いられている。MOCVD法は、加熱した基板上に原料ガスを供給して化学反応させ基板上に成膜する方法であり、特に原料ガスとして有機金属ガスを使用するものである。   In the production of a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor, the MOCVD method is generally used as a method for growing a group III nitride semiconductor. The MOCVD method is a method in which a raw material gas is supplied onto a heated substrate and chemically reacted to form a film on the substrate. In particular, an organic metal gas is used as the raw material gas.

III 族窒化物半導体からなる発光素子の作製のためMOCVD装置を使用すると、その使用を重ねるにつれて、サファイア基板に対向するフローチャンネルには反応生成物や分解生成物などの汚れが付着する。この汚れは、サファイア基板にゴミが付着する要因となるため、定期的にフローチャンネルを洗浄して汚れを落としている(特許文献1〜3参照)。   When the MOCVD apparatus is used for manufacturing a light emitting device made of a group III nitride semiconductor, as the use is repeated, contamination such as reaction products and decomposition products adheres to the flow channel facing the sapphire substrate. Since this dirt causes dust to adhere to the sapphire substrate, the flow channel is periodically cleaned to remove the dirt (see Patent Documents 1 to 3).

また、特許文献3には、フローチャンネルの基板と対向する面に、基板材料と同じ材料の単結晶からなり、基板よりも寸法の大きいダミー基板を配置することが記載されている。ダミー基板に付着した汚れは剥離しにくいため、基板にゴミが付着するのを抑制できると記載されている。   Patent Document 3 describes that a dummy substrate made of a single crystal of the same material as the substrate material and having a size larger than that of the substrate is disposed on the surface of the flow channel facing the substrate. It is described that dirt adhering to the dummy substrate is difficult to peel off, so that dust can be prevented from adhering to the substrate.

特開2004−22621号公報JP 2004-22621 A 特開2005−243766号公報JP-A-2005-243766 特開2005−235845号公報JP 2005-235845 A

しかし、洗浄してフローチャンネルの汚れを落とすと、洗浄後からしばらくの間、このMOCVD装置によって製造するIII 族窒化物半導体からなる発光素子の発光波長が、MOCVD装置の使用を重ねるごとに長波長側にシフトしてしまい、発光波長のばらつきが生じる問題があった。発光波長は成長温度により変化するため、成長温度のばらつきの問題と考えられる。   However, if the flow channel is cleaned by cleaning, the emission wavelength of the light-emitting element made of a group III nitride semiconductor manufactured by the MOCVD apparatus for a while after the cleaning becomes longer with each use of the MOCVD apparatus. As a result, the emission wavelength varies. Since the emission wavelength varies depending on the growth temperature, it is considered that the growth temperature varies.

そこで本発明は、III 族窒化物半導体の製造方法において、MOCVD装置の使用を重ねることによる成長温度のばらつきを抑制することである。   Therefore, the present invention is to suppress the variation in growth temperature due to repeated use of the MOCVD apparatus in the method for producing a group III nitride semiconductor.

本発明は、フローチャンネル内においてサセプタ上にサファイア基板を保持し、サセプタを介してサファイア基板を加熱し、フローチャンネルに原料ガスを流し、サファイア基板上にMOCVD法によってIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、原料ガスの使用量が第1所定量に達したらフローチャンネルのサファイア基板に対向する面を洗浄する洗浄工程を有し、洗浄後の原料ガスの使用量が第1所定量よりも小さな値である第2所定量までは、原料ガスの使用量の増加とともにサセプタの設定温度を増加し、第2所定量に達すると、第1所定量に達するまでは、第2所定量での設定温度で一定とする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。   The present invention holds a sapphire substrate on a susceptor in a flow channel, heats the sapphire substrate through the susceptor, flows a source gas into the flow channel, and grows a group III nitride semiconductor on the sapphire substrate by MOCVD. In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor, the method includes a cleaning step of cleaning the surface of the flow channel facing the sapphire substrate when the amount of the source gas used reaches the first predetermined amount, and the amount of the source gas used after cleaning Until the second predetermined amount, which is smaller than the first predetermined amount, the set temperature of the susceptor is increased as the amount of use of the source gas increases, and when the second predetermined amount is reached, until the first predetermined amount is reached. A method for producing a group III nitride semiconductor, characterized in that the temperature is constant at a set temperature at a second predetermined amount.

本発明における原料ガスの使用量とは、原料ガスの使用量そのものである必要はなく、原料ガスの使用量に関連したパラメータであってもよい。たとえば、洗浄工程後における、サファイア基板を入れ替えてIII 族窒化物半導体を成長させる回数であってもよい。他にもMOCVD装置の使用時間であってもよい。また原料ガスの使用量とは、III 族金属源ガス、特にGa源ガスの使用量であってもよい。   The usage amount of the raw material gas in the present invention is not necessarily the usage amount of the raw material gas, but may be a parameter related to the usage amount of the raw material gas. For example, it may be the number of times the group III nitride semiconductor is grown by replacing the sapphire substrate after the cleaning step. In addition, the operating time of the MOCVD apparatus may be used. The amount of source gas used may be the amount of Group III metal source gas, particularly Ga source gas.

第2所定量までのサセプタの設定温度の増加は、単調に増加させるのであれば任意であるが、線形とすることが望ましい。設定温度と実際の成長温度との差をより小さくすることができる。   The increase in the set temperature of the susceptor up to the second predetermined amount is arbitrary as long as it is monotonously increased, but is desirably linear. The difference between the set temperature and the actual growth temperature can be further reduced.

サファイア基板の加熱は、誘導加熱により行うことができる。他にも抵抗加熱やランプ加熱などを用いることもできる。   The sapphire substrate can be heated by induction heating. In addition, resistance heating, lamp heating, or the like can be used.

洗浄工程後、初回のIII 族窒化物半導体の結晶成長の前に、サファイアからなるダミー基板を用いて空デポジションを行うことが望ましい。その後のIII 族窒化物半導体の結晶成長において、良好な品質の結晶を得ることができる。   It is desirable to perform empty deposition using a dummy substrate made of sapphire after the cleaning process and before the first crystal growth of the group III nitride semiconductor. In the subsequent crystal growth of the group III nitride semiconductor, a crystal of good quality can be obtained.

フローチャンネルの材料には石英を用いることができる。他にもSUS(ステンレス鋼)などを用いることができる。   Quartz can be used as the material of the flow channel. In addition, SUS (stainless steel) or the like can be used.

また、本発明はIII 族窒化物半導体からなる発光素子の製造に好適である。発光素子の製造において、以下のようにしてサセプタの設定温度をさらに補正してもよい。発光素子の製造後に、発光素子の発光波長を測定し、その測定した発光波長と設計波長との差を算出し、その差に所定の係数を乗じて温度差に変換して補正値とし、次回の発光素子製造時において、サセプタの設定温度に補正値を加えて補正する。このように補正することで、実際の成長温度と設定温度とのずれがさらに小さくなり、成長温度のばらつきをさらに抑制することができる。   In addition, the present invention is suitable for manufacturing a light emitting device made of a group III nitride semiconductor. In manufacturing the light emitting element, the set temperature of the susceptor may be further corrected as follows. After manufacturing the light emitting element, measure the emission wavelength of the light emitting element, calculate the difference between the measured emission wavelength and the design wavelength, multiply the difference by a predetermined coefficient, and convert it to a temperature difference to obtain a correction value. At the time of manufacturing the light emitting element, correction is made by adding a correction value to the set temperature of the susceptor. By correcting in this way, the deviation between the actual growth temperature and the set temperature is further reduced, and variations in the growth temperature can be further suppressed.

本発明によれば、MOCVD装置の使用を重ねることによるIII 族窒化物半導体の成長温度のばらつきを抑制することができる。本発明は特にIII 族窒化物半導体からなる発光素子の作製に有効である。発光素子の発光波長は成長温度に依存し、成長温度のわずかなばらつきが発光波長のずれとなって現れるためである。   According to the present invention, variation in the growth temperature of the group III nitride semiconductor due to repeated use of the MOCVD apparatus can be suppressed. The present invention is particularly effective for the production of a light emitting device made of a group III nitride semiconductor. This is because the light emission wavelength of the light emitting element depends on the growth temperature, and a slight variation in the growth temperature appears as a shift in the light emission wavelength.

III 族窒化物半導体の製造に用いるMOCVD装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the MOCVD apparatus used for manufacture of a group III nitride semiconductor. 実施例1の製造工程を示したフローチャート。3 is a flowchart showing a manufacturing process according to the first embodiment. 実施例1における設定温度および実際の温度とRUN回数の関係を示した図。The figure which showed the relationship between preset temperature in Example 1, actual temperature, and the number of RUN. 設定温度を一定とした場合の実際の温度とRUN回数の関係を示した図。The figure which showed the relationship between the actual temperature when setting temperature is fixed, and the number of times of RUN. PL波長とRUN回数の関係を示した図。The figure which showed the relationship between PL wavelength and the number of RUN. PL波長とTMG使用量の関係を示した図。The figure which showed the relationship between PL wavelength and the usage-amount of TMG. 波長5nm出現率とRUN回数の関係を示した図。The figure which showed the relationship between wavelength 5nm appearance rate and the number of times of RUN.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法を以下に説明する。まず、III 族窒化物半導体の製造に用いるMOCVD装置の構成について、図1を参照に説明する。図1のように、MOCVD装置は、サファイア基板10が配置されるサセプタ11と、サセプタ11を回転させる回転軸12と、原料ガスおよびキャリアガスが供給され、サファイア基板10上部にガス流路を形成するフローチャンネル13と、サセプタ11を加熱するヒータ14と、を有している。   A method for producing the group III nitride semiconductor of Example 1 will be described below. First, the structure of the MOCVD apparatus used for manufacturing the group III nitride semiconductor will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the MOCVD apparatus is supplied with a susceptor 11 on which a sapphire substrate 10 is disposed, a rotating shaft 12 that rotates the susceptor 11, a source gas and a carrier gas, and forms a gas flow path above the sapphire substrate 10. And a heater 14 for heating the susceptor 11.

サセプタ11はカーボンからなり、円盤状の形状である。カーボン以外にはSiCなどを用いることもできる。サセプタ11上面にはサファイア基板10をはめ込んで保持する凹部であるポケット15が設けられている。このポケット15にサファイア基板10を配置したときに、サファイア基板10表面とサセプタ11上面とがほぼ同一面となるようにポケット15の形状を設計している。また、サセプタ11下部の中心には、回転軸12が接続されていて、回転軸12を軸回りに回転させることでサセプタ11を回転させる。   The susceptor 11 is made of carbon and has a disk shape. In addition to carbon, SiC or the like can also be used. On the upper surface of the susceptor 11, there is provided a pocket 15 that is a recess for fitting and holding the sapphire substrate 10. When the sapphire substrate 10 is disposed in the pocket 15, the shape of the pocket 15 is designed so that the surface of the sapphire substrate 10 and the upper surface of the susceptor 11 are substantially flush with each other. A rotating shaft 12 is connected to the center of the lower portion of the susceptor 11, and the susceptor 11 is rotated by rotating the rotating shaft 12 about the axis.

フローチャンネル13は、石英からなり、原料ガスの流路を形成する壁面となるものである。石英以外には、SUS(ステンレス鋼)などを用いることができる。フローチャンネル13は、図1のように、サセプタ11の上方に、そのサセプタ11と平行な壁面を有していて、その壁面とサセプタ11上面あるいはサセプタ11上に配置されたサファイア基板10との間が原料ガスの流路16となる。原料ガスは、この流路16の一方の端部からサセプタ11上面に平行に供給され、反対側の端部から排出される。   The flow channel 13 is made of quartz and serves as a wall surface forming a flow path for the source gas. In addition to quartz, SUS (stainless steel) or the like can be used. As shown in FIG. 1, the flow channel 13 has a wall surface parallel to the susceptor 11 above the susceptor 11, and between the wall surface and the upper surface of the susceptor 11 or the sapphire substrate 10 disposed on the susceptor 11. Becomes the flow path 16 of the source gas. The source gas is supplied in parallel to the upper surface of the susceptor 11 from one end of the flow path 16 and discharged from the opposite end.

ヒータ14は、誘導加熱方式であり、コイルを有する。そのコイルの中心にサセプタ11が配置される。ヒータ14によってサセプタ11を加熱し、サセプタ11からサファイア基板10への熱伝導によりサファイア基板10を加熱する。放射温度計によりサセプタ11の温度を測定し、その温度に基づきヒータ14を制御することで、III 族窒化物半導体の成長温度を制御する。加熱方式は誘電加熱方式以外にも、抵抗加熱方式、ランプ加熱方式などを用いてもよい。   The heater 14 is an induction heating method and has a coil. A susceptor 11 is arranged at the center of the coil. The susceptor 11 is heated by the heater 14, and the sapphire substrate 10 is heated by heat conduction from the susceptor 11 to the sapphire substrate 10. The growth temperature of the group III nitride semiconductor is controlled by measuring the temperature of the susceptor 11 with a radiation thermometer and controlling the heater 14 based on the temperature. In addition to the dielectric heating method, a resistance heating method, a lamp heating method, or the like may be used as the heating method.

次に、このMOCVD装置を用いたIII 族窒化物半導体の製造方法について、図2のフローチャートを参照に説明する。なお、MOCVD法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア(NH3 )、Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 3 )、In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 3 )、Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 3 )、n型ドーピングガスとして、シラン(SiH4 )、p型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C2 5 2 )、キャリアガスはH2 、N2 である。もちろん、原料ガス、キャリアガスとしてこれら以外の従来知られている材料を使用することも可能である。 Next, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor using this MOCVD apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG. The starting gas used in the MOCVD method, as the nitrogen source, ammonia (NH 3), as a Ga source, trimethyl gallium (Ga (CH 3) 3) , as an In source, trimethylindium (In (CH 3) 3) , Trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) as the Al source, silane (SiH 4 ) as the n-type doping gas, cyclopentadienylmagnesium (Mg (C 2 H 5 ) 2 ) as the p-type doping gas, carrier gas Are H 2 and N 2 . Of course, conventionally known materials other than these can be used as the source gas and the carrier gas.

まず、フローチャンネル13を洗浄し、フローチャンネル13壁面に付着した反応生成物や分解生成物などの汚れを除去した(図2のステップS1)。洗浄には、フッ酸などを用いたり、塩素系ガスによるエッチングを用いる。フローチャンネル13全体を洗浄する必要はなく、少なくともサファイア基板10に対向する面(対向面13a)を洗浄すればよい。   First, the flow channel 13 was washed to remove contaminants such as reaction products and decomposition products attached to the wall surface of the flow channel 13 (step S1 in FIG. 2). For cleaning, hydrofluoric acid or the like is used, or etching using a chlorine-based gas is used. It is not necessary to clean the entire flow channel 13, and it is sufficient to clean at least the surface facing the sapphire substrate 10 (opposing surface 13a).

次に、サセプタ11のポケット15にサファイアからなるダミー基板を配置し、回転軸12によりサセプタ11を回転させ、ヒータ14によりサセプタ11を加熱し、フローチャンネル13中にキャリアガス、原料ガスを供給して空デポ(空デポジション;対向面13aを初期化する工程)を行った(図2のステップS2)。設定温度は1100℃とし、ダミー基板上に10μmのIII 族窒化物半導体を積層させた。これにより、装置内の安定化を図るとともに、フローチャンネル13のサファイア基板10と対向する面(対向面13a)に雑晶を付着させ、対向面13aを透明な状態から光を良好に反射する銀白色のミラー状とした。詳細なメカニズムは不明であるが、対向面13aをこのような状態とすると、単に対向面13aに洗浄のみを施した場合に比べて、以降のIII 族窒化物半導体の結晶成長において良好な品質の結晶を得ることができる。   Next, a dummy substrate made of sapphire is placed in the pocket 15 of the susceptor 11, the susceptor 11 is rotated by the rotating shaft 12, the susceptor 11 is heated by the heater 14, and carrier gas and source gas are supplied into the flow channel 13. An empty deposition (empty deposition; step of initializing the facing surface 13a) was performed (step S2 in FIG. 2). The set temperature was 1100 ° C., and a 10 μm group III nitride semiconductor was laminated on the dummy substrate. This stabilizes the inside of the apparatus, and attaches miscellaneous crystals to the surface (facing surface 13a) facing the sapphire substrate 10 of the flow channel 13, and the facing surface 13a reflects light well from a transparent state. A white mirror was used. Although the detailed mechanism is unknown, when the facing surface 13a is in such a state, the quality of the crystal growth of the group III nitride semiconductor is improved compared to the case where only the facing surface 13a is cleaned. Crystals can be obtained.

次に、ダミー基板に替えてサファイア基板10をサセプタ11のポケット15に配置し、回転軸12によってサセプタ11を回転させ、ヒータ14によりサセプタ11を加熱し、フローチャンネル13中にキャリアガス、原料ガスを供給し、サファイア基板10上にIII 族窒化物半導体を結晶成長させた。そして、結晶成長の終了後、III 族窒化物半導体を成長させたサファイア基板10を、別のまだIII 族窒化物半導体を成長させていないサファイア基板10に入れ替え、再び同様にしてサファイア基板10上にIII 族窒化物半導体を積層させた。このMOCVD装置を使用しサファイア基板10を入れ替えてIII 族窒化物半導体を結晶成長させる回数(RUN回数)がN1(N1は2以上の自然数)に達するまで、繰り返しサファイア基板10を入れ替えてIII 族窒化物半導体を積層させた(図2のステップS3〜6)。III 族窒化物半導体を成長させる際の成長温度の設定については、後で詳しく説明する。   Next, in place of the dummy substrate, the sapphire substrate 10 is placed in the pocket 15 of the susceptor 11, the susceptor 11 is rotated by the rotating shaft 12, the susceptor 11 is heated by the heater 14, and the carrier gas and source gas are introduced into the flow channel 13. And a group III nitride semiconductor crystal was grown on the sapphire substrate 10. After the crystal growth is completed, the sapphire substrate 10 on which the group III nitride semiconductor is grown is replaced with another sapphire substrate 10 on which the group III nitride semiconductor is not yet grown, and again on the sapphire substrate 10 in the same manner. Group III nitride semiconductors were stacked. Using this MOCVD apparatus, the sapphire substrate 10 is replaced and the sapphire substrate 10 is repeatedly replaced until the number of times of crystal growth of the group III nitride semiconductor (RUN number) reaches N1 (N1 is a natural number of 2 or more). A physical semiconductor was laminated (steps S3 to S6 in FIG. 2). The setting of the growth temperature when growing the group III nitride semiconductor will be described in detail later.

N1は、対向面13aの汚れの量(対向面13aに対する付着物の量)に応じて設定する。たとえばN1は100である。RUN回数が増加すると対向面13aの汚れの量は次第に大きくなり、付着物が対向面13aから剥離してサファイア基板10上に付着する可能性が高くなる。そこで、RUN回数がN1に達し、一定量の汚れが対向面13aに付着したら、ステップS1に戻ってフローチャンネル13の洗浄を行う。そして、ステップS2の空デポを行ってから、再びステップS3〜6のIII 族窒化物半導体の成長を行う。   N1 is set according to the amount of dirt on the facing surface 13a (the amount of deposits on the facing surface 13a). For example, N1 is 100. As the number of RUN increases, the amount of contamination on the facing surface 13a gradually increases, and the possibility that the deposits peel from the facing surface 13a and adhere to the sapphire substrate 10 increases. Therefore, when the number of RUNs reaches N1 and a certain amount of dirt adheres to the facing surface 13a, the flow channel 13 is cleaned by returning to step S1. Then, after performing the empty deposition in step S2, the group III nitride semiconductor is grown again in steps S3 to S6.

次に、ステップS3〜S6におけるIII 族窒化物半導体の成長温度について、図3を参照に詳しく説明する。図3は、設定温度とRUN回数の関係を示した図である。   Next, the growth temperature of the group III nitride semiconductor in steps S3 to S6 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the set temperature and the number of RUN times.

RUN回数がN2に達するまでは、以下の設定温度でIII 族窒化物半導体の成長を繰り返し行う(図2のステップS3、S4)。設定温度は、放射温度計によってサセプタ11の温度を測ったときに得られる測定温度である。III 族窒化物半導体の成長温度を直接計測することは難しいため、この設定温度をもってIII 族窒化物半導体の成長温度を制御する。設定温度は、RUN回数が1のときは、実際にIII 族窒化物半導体を成長させたい所望の温度T1であり、RUN回数が1増加するごとに一定の増加幅ΔT(℃/RUN)設定温度を増加させた。ΔTは0.1〜2.0℃/RUNの範囲の所定値とする。つまり、RUN回数がNのときの設定温度TN、RUN回数1当たりの温度増加幅をΔTとして、TN=T1+(N−1)×ΔT、1≦N≦N2、である(図3参照)。たとえば、所望の温度T1が700℃、ΔTが0.2℃/RUNのとき、10回目のRUNでは設定温度T10を701.8℃とする。   Until the number of RUNs reaches N2, the group III nitride semiconductor is repeatedly grown at the following set temperature (steps S3 and S4 in FIG. 2). The set temperature is a measured temperature obtained when the temperature of the susceptor 11 is measured by a radiation thermometer. Since it is difficult to directly measure the growth temperature of the group III nitride semiconductor, the growth temperature of the group III nitride semiconductor is controlled with this set temperature. When the RUN count is 1, the set temperature is a desired temperature T1 at which a group III nitride semiconductor is actually desired to be grown. A constant increase width ΔT (° C./RUN) set temperature every time the RUN count increases by 1 Increased. ΔT is a predetermined value in the range of 0.1 to 2.0 ° C./RUN. That is, TN = T1 + (N−1) × ΔT, 1 ≦ N ≦ N2, where ΔT is the set temperature TN when the RUN frequency is N and the temperature increase width per RUN frequency is 1 (see FIG. 3). For example, when the desired temperature T1 is 700 ° C. and ΔT is 0.2 ° C./RUN, the set temperature T10 is set to 701.8 ° C. in the tenth RUN.

RUN回数がN2に達したら、N1に達するまで以下の設定温度でIII 族窒化物半導体の成長を繰り返し行う(図2のステップS5、S6)。RUN回数がN2より大きくN1以下の範囲での設定温度は、N2回目のRUNでの設定温度TN2(=T1+(N2−1)×ΔT)で一定とする。つまり、TN=TN2=T1+(N2−1)×ΔT、N2<N≦N1、である。   When the RUN count reaches N2, the group III nitride semiconductor is repeatedly grown at the following set temperature until it reaches N1 (steps S5 and S6 in FIG. 2). The set temperature in the range where the number of RUNs is greater than N2 and less than or equal to N1 is constant at the set temperature TN2 (= T1 + (N2-1) × ΔT) at the N2th RUN. That is, TN = TN2 = T1 + (N2-1) × ΔT, N2 <N ≦ N1.

RUN回数がN1に達したら、ステップS1、S2に戻り、RUN回数は0に初期化して再び図3に示す設定温度でステップS3〜S6が繰り返される。   When the number of RUNs reaches N1, the process returns to steps S1 and S2, the number of RUNs is initialized to 0, and steps S3 to S6 are repeated again at the set temperature shown in FIG.

設定温度を上記のようにした理由を、図3、4を参照に説明する。   The reason why the set temperature is set as described above will be described with reference to FIGS.

まず、設定温度をRUN回数によらず所望の温度T1で一定とする場合を図4により説明する。III 族窒化物半導体を成長させると、フローチャンネル13の対向面13aには反応生成物(たとえばIII 族窒化物半導体の雑晶)や分解生成物などの汚れが少量付着する。RUN回数が増加すると、フローチャンネル13の対向面13aの汚れも次第に増加していく。汚れの増加に伴い、対向面13aは銀白色のミラー状から黒色へと徐々に変化していく。そのため、サファイア基板10から放射される電磁波(主として赤外線)が対向面13aによって吸収される量が次第に増加していく。赤外線吸収量の増加により、対向面13aの周囲最初のRUNでは設定温度T1とほぼ一致していた実際の温度(現実のIII 族窒化物半導体の成長温度)は、RUN回数が増加するとおよそ線形に低下していく(図4参照)。   First, a case where the set temperature is constant at a desired temperature T1 regardless of the number of RUNs will be described with reference to FIG. When the group III nitride semiconductor is grown, a small amount of contaminants such as reaction products (eg, miscellaneous crystals of group III nitride semiconductor) and decomposition products adhere to the facing surface 13a of the flow channel 13. As the number of RUN increases, the contamination of the facing surface 13a of the flow channel 13 also gradually increases. As the dirt increases, the facing surface 13a gradually changes from a silver-white mirror shape to black. Therefore, the amount of electromagnetic waves (mainly infrared rays) radiated from the sapphire substrate 10 is gradually increased by the facing surface 13a. Due to the increase in the amount of infrared absorption, the actual temperature (actual growth temperature of the group III nitride semiconductor) that substantially coincided with the set temperature T1 in the first RUN around the facing surface 13a is approximately linear as the number of RUN increases. It decreases (see FIG. 4).

この温度低下の理由は、次のように推察される。対向面13aが黒色化して対向面13aでの赤外線吸収量が増加すると、対向面13aの周囲のガスが吸収する赤外線量が低下し、ガスの温度は低下する。これにより、サセプタ11とガスとの温度差が大きくなり、サセプタ11からガスへ伝導する熱量が大きくなる。その結果、サセプタ11の実際の温度(換言すれば実際のIII 族窒化物半導体の成長温度)は、設定温度よりも低下する。   The reason for this temperature drop is presumed as follows. When the facing surface 13a is blackened and the amount of infrared absorption at the facing surface 13a is increased, the amount of infrared light absorbed by the gas around the facing surface 13a is decreased, and the gas temperature is decreased. As a result, the temperature difference between the susceptor 11 and the gas increases, and the amount of heat conducted from the susceptor 11 to the gas increases. As a result, the actual temperature of the susceptor 11 (in other words, the actual growth temperature of the group III nitride semiconductor) is lower than the set temperature.

対向面13aにある程度汚れが蓄積すると、汚れが増加しても黒色の度合いはそれ以上変化しない。そのため、対向面13aによる赤外線吸収量はRUN回数が増えても一定となる。一定となるRUN回数をN’とし、そのときの実際の温度をT’とすると、RUN回数がN’以上では実際の温度はT’で一定となる(図4参照)。   If dirt accumulates to some extent on the opposing surface 13a, the degree of black will not change any further even if the dirt increases. For this reason, the amount of infrared absorption by the facing surface 13a is constant even if the number of RUN increases. Assuming that the number of RUNs to be constant is N ′ and the actual temperature at that time is T ′, the actual temperature is constant at T ′ when the number of RUNs is N ′ or more (see FIG. 4).

このように、設定温度T1を一定とした場合には、RUN回数の違いによりIII 族窒化物半導体の成長温度にばらつきが生じてしまう。特に発光素子では、発光層の成長温度によって発光波長が決まるため、成長温度のばらつきは発光波長のばらつきとして顕著に現れる。   Thus, when the set temperature T1 is constant, the growth temperature of the group III nitride semiconductor varies due to the difference in the number of RUNs. In particular, in a light-emitting element, since the emission wavelength is determined by the growth temperature of the light-emitting layer, the variation in the growth temperature appears significantly as the variation in the emission wavelength.

III 族窒化物半導体成長中の実際の温度を直接計測して温度制御することは難しい。そこで実施例1では、設定温度を図3のように変更することで、設定温度と実際の温度との差がなるべく小さくなるようにした。   It is difficult to control the temperature by directly measuring the actual temperature during group III nitride semiconductor growth. Therefore, in Example 1, the difference between the set temperature and the actual temperature is made as small as possible by changing the set temperature as shown in FIG.

図3と図4とを比較するとわかるように、設定温度と実際の温度との差を小さくするためには、以下のようにするとよい。まず、設定温度を一定とするRUN回数N2は、実際の温度が一定となるRUN回数N’になるべく近い数であることが望ましい。たとえばN2は、N’−10以上N’+10以下とする。より望ましくはN’−5以上N’+5以下であり、最も望ましいのはN2をN’と等しくすることである。   As can be seen from a comparison between FIG. 3 and FIG. 4, in order to reduce the difference between the set temperature and the actual temperature, the following is preferable. First, it is desirable that the number of RUN times N2 at which the set temperature is constant be as close as possible to the number of RUN times N ′ at which the actual temperature is constant. For example, N2 is N′−10 or more and N ′ + 10 or less. More preferably, it is N′−5 or more and N ′ + 5 or less, and most preferably, N2 is made equal to N ′.

また、RUN回数がN2までの間の設定温度の傾きΔTは、RUN回数がN’までの間の実際の温度の傾きΔT’(=(T’−T1)/(N−1))の絶対値となるべく近い値であることが望ましい。たとえば、ΔTは、ΔT’の0.3倍以上10倍以下とする。より望ましくはΔT’の0.5倍以上5倍以下であり、最も望ましいのはΔTをΔT’と等しくすることである。   The set temperature gradient ΔT during the RUN count up to N2 is the absolute value of the actual temperature gradient ΔT ′ (= (T′−T1) / (N−1)) during the RUN count up to N ′. It is desirable that the value be as close as possible. For example, ΔT is 0.3 to 10 times ΔT ′. More desirably, it is not less than 0.5 times and not more than 5 times ΔT ′, and most desirable is to make ΔT equal to ΔT ′.

なお、RUN回数Nやそのときの温度T’は、たとえば一度設定温度をT1で一定にして発光素子を作製し、発光素子の発光波長を測定し、その発光波長から逆算することで推定することができる。発光素子以外の素子を作製する場合においても、素子の何らかの特性のRUN回数依存性を算出し、その依存性から逆算することでRUN回数N’や温度T’を推定することが可能である。   Note that the RUN frequency N and the temperature T ′ at that time are estimated by, for example, manufacturing the light emitting element once with the set temperature constant at T1, measuring the emission wavelength of the light emitting element, and calculating backward from the emission wavelength. Can do. Even when an element other than a light emitting element is manufactured, it is possible to estimate the RUN count N ′ and the temperature T ′ by calculating the RUN count dependency of some characteristic of the element and calculating backward from the dependency.

また、対向面13aの汚れの量は、原料ガスの使用量、フローチャンネル13の対向面13aの材料、サファイア基板10の加熱方法、MOCVD装置の構造などに依存することが考えられるが、原料ガスの使用量(成長させるIII 族窒化物半導体層の厚さ)によっておおよそ決まると思われる。特にIII 族金属(Ga、Al、In)源であるTMG、TMA、TMIの使用量であり、その大部分を占めるGa源のTMGの使用量である。したがって、設定温度の制御は原料ガスの使用量に関連したパラメータによって制御すればよい。そのようなパラメータの1つとして、実施例1ではRUN回数によって設定温度を制御している。他にも、MOCVD装置の使用時間などによって設定温度を制御してもよい。なお、TMG使用量についての傾き(℃/g)とRUN回数についての傾きΔT(℃/RUN)の間にはおよそ比例関係があり、10℃/RUN≒1℃/gによって容易に換算できる。ΔTの数値範囲0.1〜2.0℃/RUNは、TMG使用量に換算すれば0.01〜0.2℃/gである。   The amount of contamination on the facing surface 13a may depend on the amount of source gas used, the material of the facing surface 13a of the flow channel 13, the heating method of the sapphire substrate 10, the structure of the MOCVD apparatus, etc. It is considered that it is roughly determined by the amount of use (the thickness of the group III nitride semiconductor layer to be grown). In particular, it is the amount of TMG, TMA, and TMI that are Group III metal (Ga, Al, In) sources, and the amount of Ga source TMG that occupies most of them. Therefore, the set temperature may be controlled by a parameter related to the amount of the raw material gas used. As one of such parameters, in the first embodiment, the set temperature is controlled by the number of RUNs. In addition, the set temperature may be controlled by the usage time of the MOCVD apparatus. Note that there is an approximately proportional relationship between the slope for TMG usage (° C./g) and the slope ΔT for the number of RUNs (° C./RUN), and it can be easily converted by 10 ° C./RUN≈1° C./g. A numerical value range of ΔT of 0.1 to 2.0 ° C./RUN is 0.01 to 0.2 ° C./g in terms of the amount of TMG used.

また、実際の温度の傾きΔT’は、対向面13aの汚れ量に依存する。よって上記のように、成長させるIII 族窒化物半導体層の厚さによっておよそ決まる。発光素子を作製する場合、ΔT’はおよそ0.1〜2.0℃/RUNとなる。実施例1においてΔTの範囲を0.1〜2.0℃/RUNとしたのはこのためである。   In addition, the actual temperature gradient ΔT ′ depends on the amount of contamination on the facing surface 13a. Therefore, as described above, it is approximately determined by the thickness of the group III nitride semiconductor layer to be grown. When a light emitting element is manufactured, ΔT ′ is approximately 0.1 to 2.0 ° C./RUN. This is why the range of ΔT in Example 1 is set to 0.1 to 2.0 ° C./RUN.

以上、実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法では、III 族窒化物半導体の成長温度のばらつきを抑制することができる。実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法は、発光素子の作製に用いた場合に有効である。発光素子の発光波長は成長温度に依存し、成長温度のわずかなばらつきが発光波長のずれとなって現れるためである。   As described above, in the method for manufacturing a group III nitride semiconductor of Example 1, variations in the growth temperature of the group III nitride semiconductor can be suppressed. The manufacturing method of the group III nitride semiconductor of Example 1 is effective when used for manufacturing a light emitting device. This is because the light emission wavelength of the light emitting element depends on the growth temperature, and a slight variation in the growth temperature appears as a shift in the light emission wavelength.

次に、実施例1のIII 族窒化物半導体の製造方法に関する各種実験例を説明する。   Next, various experimental examples relating to the method for producing a group III nitride semiconductor of Example 1 will be described.

[実験例1]
RUN回数に対して設定温度を一定として発光素子を作製した(以下、比較例とする)。そして、各RUNごとのPL波長を測定した。図5は、PL波長とRUN回数の関係を示した図である。PL波長はピーク値である。図5のように、1回目から15回目のRUNでは、次第にPL波長がおよそ線形に増加していて、PL波長はおよそ7.5nm変化していた。これは成長温度に換算すると3.7℃の変化であり、その変化の傾きはおよそ0.26℃/RUNである。また、15回目のRUN以降ではPL波長がほぼ一定となった。また、図6は、RUN回数をTMG使用量に換算したものである。1RUN当たりのTMG使用量を平均的な使用量である10gとして換算した。1回目から15回目のRUNでの波長変化の傾きは、およそ0.025℃/gである。
[Experimental Example 1]
A light emitting element was manufactured at a constant set temperature with respect to the number of RUN times (hereinafter, referred to as a comparative example). Then, the PL wavelength for each RUN was measured. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the PL wavelength and the RUN count. The PL wavelength is a peak value. As shown in FIG. 5, in the first to fifteenth RUNs, the PL wavelength gradually increased approximately linearly, and the PL wavelength changed by approximately 7.5 nm. This is a change of 3.7 ° C. in terms of the growth temperature, and the slope of the change is approximately 0.26 ° C./RUN. In addition, the PL wavelength became substantially constant after the 15th RUN. FIG. 6 shows the number of RUNs converted to TMG usage. The amount of TMG used per RUN was converted to 10 g which is an average amount used. The slope of the wavelength change at the first to fifteenth RUN is approximately 0.025 ° C./g.

[実験例2]
上記実験例1を踏まえて、実施例1のN2として15、ΔTとして0.2℃/RUNとして、実施例1の製造方法を用いて発光素子を作製した。比較例の場合には、各RUN間のPL波長のばらつき(標準偏差σ)は、1.1nmであったが、実施例1の製造方法を用いて発光素子を作製した場合には、標準偏差σは0.7nmであった。この結果から、実施例1の製造方法によって各RUN間の成長温度のばらつき(発光波長のばらつき)を抑制できることがわかった。
[Experiment 2]
Based on Experimental Example 1, a light emitting device was manufactured using the manufacturing method of Example 1 with N2 of Example 1 being 15 and ΔT being 0.2 ° C./RUN. In the case of the comparative example, the PL wavelength variation (standard deviation σ) between the RUNs was 1.1 nm, but when the light emitting device was manufactured using the manufacturing method of Example 1, the standard deviation was σ was 0.7 nm. From this result, it was found that the manufacturing method of Example 1 can suppress variation in growth temperature (variation in emission wavelength) between the RUNs.

また、図7は、波長5nm出現率とRUN回数の関係を示した図である。波長5nm出現率とは、PL波長の分布において、ピークを中心とする波長5nmの範囲の割合である。図7のように、比較例の場合には、波長5nm出現率の平均は93.4%であったのに対し、実施例1による発光素子の場合には、波長5nm出現率の平均は96.1%であった。このように、実施例1による発光素子は比較例の発光素子に比べて波長のばらつきが改善されていることが確認できた。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the appearance rate of 5 nm wavelength and the number of RUN times. The appearance rate of the wavelength of 5 nm is a ratio in the range of the wavelength of 5 nm centering on the peak in the PL wavelength distribution. As shown in FIG. 7, in the case of the comparative example, the average of the appearance rate of 5 nm was 93.4%, whereas in the case of the light emitting device according to Example 1, the average of the appearance rate of 5 nm was 96. It was 1%. As described above, it was confirmed that the wavelength variation of the light emitting device of Example 1 was improved as compared with the light emitting device of the comparative example.

なお、実施例1ではRUN回数がN2に達するまで線形に設定温度を増加させているが、必ずしも線形に増加させる必要はなく、単調に増加させるのであれば線形でなくともよい。ただし、線形とする方が設定温度と実際の温度との差が平均的には小さくなるので望ましい。   In the first embodiment, the set temperature is linearly increased until the number of RUNs reaches N2. However, the set temperature is not necessarily increased linearly, and may not be linear as long as it is monotonously increased. However, it is preferable to use a linear shape because the difference between the set temperature and the actual temperature becomes smaller on average.

また、実施例1における設定温度TNに、補正値をさらに加えてもよい。たとえば、各RUN終了後に製造した発光素子の波長を実測し、実測した発光波長(波長分布のピーク値)と設定波長とのずれを求め、それを温度のずれに換算して補正値とする。そして、その補正値を次回のRUNの設定温度に加える。このように補正を加えることで、より設定温度と実際の温度とのずれを小さくすることができる。   Further, a correction value may be further added to the set temperature TN in the first embodiment. For example, the wavelength of the light-emitting element manufactured after the end of each RUN is measured, and the deviation between the measured emission wavelength (the peak value of the wavelength distribution) and the set wavelength is obtained, and this is converted into a temperature deviation and used as a correction value. Then, the correction value is added to the set temperature of the next RUN. By adding correction in this way, the deviation between the set temperature and the actual temperature can be further reduced.

(N−1)回目のRUNで製造した発光素子の発光波長をλ’(N−1)、設定波長をλ、波長と温度の換算係数をαとすれば、補正値はα×(λ’(N−1)−λ)である。つまり補正値は、実測した波長λ’から推定される実際の温度α×λ’と、設計波長に基づく設定温度α×λとの間のずれである。したがって、この補正によるN回目のRUNでの設定温度をT’(N)とすれば、
T’(N)=T1+(N−1)×ΔT+α×(λ’(N−1)−λ)(2≦N≦N2)、
T’(N)=T1+(N2−1)×ΔT+α×(λ’(N−1)−λ)(N2<N≦N1)、
となる。なお、係数αの値は発光素子の構成などによって変わるが、およそ0.5である。
The correction value is α × (λ ′) when the light emission wavelength of the light emitting device manufactured in the (N−1) th RUN is λ ′ (N−1), the set wavelength is λ, and the wavelength and temperature conversion coefficient is α. (N-1) -λ). That is, the correction value is a deviation between the actual temperature α × λ ′ estimated from the actually measured wavelength λ ′ and the set temperature α × λ based on the design wavelength. Therefore, if the set temperature at the Nth RUN by this correction is T ′ (N),
T ′ (N) = T1 + (N−1) × ΔT + α × (λ ′ (N−1) −λ) (2 ≦ N ≦ N2),
T ′ (N) = T1 + (N2-1) × ΔT + α × (λ ′ (N−1) −λ) (N2 <N ≦ N1),
It becomes. The value of the coefficient α varies depending on the configuration of the light emitting element, but is approximately 0.5.

また、本発明のIII 族窒化物半導体の製造方法は、III 族窒化物半導体からなる各種半導体素子の作製に利用できるが、特に発光素子の作製に有効である。発光素子の発光波長は成長温度に依存し、成長温度のわずかなばらつきが発光波長のずれとなって現れるためである。   The method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention can be used for producing various semiconductor elements made of a group III nitride semiconductor, but is particularly effective for producing a light emitting element. This is because the light emission wavelength of the light emitting element depends on the growth temperature, and a slight variation in the growth temperature appears as a shift in the light emission wavelength.

本発明はIII 族窒化物半導体からなる各種半導体素子の作製に用いることができ、特に発光素子の製造に有効である。III 族窒化物半導体からなる発光素子は、照明装置や表示装置の光源として利用することができる。   The present invention can be used for the production of various semiconductor elements made of Group III nitride semiconductors, and is particularly effective for the production of light-emitting elements. A light-emitting element made of a group III nitride semiconductor can be used as a light source for an illumination device or a display device.

10:サファイア基板
11:サセプタ
12:回転装置
13:フローチャンネル
13a:対向面
14:ヒータ
10: Sapphire substrate 11: Susceptor 12: Rotating device 13: Flow channel 13a: Opposing surface 14: Heater

Claims (9)

フローチャンネル内においてサセプタ上にサファイア基板を保持し、前記サセプタを介して前記サファイア基板を加熱し、前記フローチャンネルに原料ガスを流し、前記サファイア基板上にMOCVD法によってIII 族窒化物半導体を結晶成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記原料ガスの使用量が第1所定量に達したら前記フローチャンネルの前記サファイア基板に対向する面を洗浄する洗浄工程を有し、
洗浄後の前記原料ガスの使用量が前記第1所定量よりも小さな値である第2所定量までは、前記原料ガスの使用量の増加とともに前記サセプタの設定温度を増加し、前記第2所定量に達すると、前記第1所定量に達するまでは、前記第2所定量での設定温度で一定とする、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
A sapphire substrate is held on a susceptor in a flow channel, the sapphire substrate is heated via the susceptor, a source gas is flowed to the flow channel, and a group III nitride semiconductor is grown on the sapphire substrate by MOCVD. In the method for producing a group III nitride semiconductor,
A cleaning step of cleaning the surface of the flow channel facing the sapphire substrate when the amount of the source gas used reaches a first predetermined amount;
The set temperature of the susceptor is increased with an increase in the usage amount of the raw material gas until the second predetermined amount where the usage amount of the raw material gas after cleaning is a value smaller than the first predetermined amount. When the fixed amount is reached, the set temperature at the second predetermined amount is constant until the first predetermined amount is reached.
A method for producing a group III nitride semiconductor.
前記原料ガスの使用量とは、III 族金属源ガスの使用量である、
ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
The amount of the source gas used is the amount of the Group III metal source gas used.
The method for producing a group III nitride semiconductor according to claim 1.
前記原料ガスの使用量は、前記サファイア基板を入れ替えてIII 族窒化物半導体を成長させる回数とする、ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method for producing a group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the amount of the source gas used is the number of times the group III nitride semiconductor is grown by replacing the sapphire substrate. 前記サセプタの設定温度の増加は線形とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method of manufacturing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein an increase in the set temperature of the susceptor is linear. 前記サファイア基板の加熱は、誘導加熱により行うことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method for producing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the sapphire substrate is heated by induction heating. 前記洗浄工程後、初回のIII 族窒化物半導体の結晶成長の前に、サファイアからなるダミー基板を用いて空デポジションを行う、ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   6. The vacuum deposition is performed using a dummy substrate made of sapphire after the cleaning step and before the first crystal growth of the group III nitride semiconductor. A method for producing a group III nitride semiconductor as described in 1. 前記フローチャンネルは石英からなることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。   The method for producing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the flow channel is made of quartz. サファイア基板上に、請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法を用いて前記III 族窒化物半導体層を形成して発光素子を製造することを特徴とする発光素子の製造方法。   A light emitting device is manufactured by forming the group III nitride semiconductor layer on a sapphire substrate using the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 7. A method for manufacturing a light emitting device. 発光素子の製造後に、前記発光素子の発光波長を測定し、その測定した発光波長と設計波長との差を算出し、
その差に所定の係数を乗じて温度差に変換して補正値とし、
次回の発光素子製造時において、前記サセプタの設定温度に前記補正値を加えて補正する、
ことを特徴とする請求項8に記載の発光素子の製造方法。
After manufacturing the light emitting element, measure the emission wavelength of the light emitting element, calculate the difference between the measured emission wavelength and the design wavelength,
Multiply the difference by a predetermined coefficient to convert it to a temperature difference to obtain a correction value.
During the next light emitting element manufacturing, the correction value is added to the set temperature of the susceptor for correction.
The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 8.
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