JP2017154964A - Crystal substrate, ultraviolet emission element, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal substrate to be used as a practical template for a group III nitride semiconductor crystal in a nonpolar orientation.SOLUTION: A crystal substrate 1D includes an r-sapphire crystal plate 10 and an AlN buffer layer 20D having a nonpolar orientation. The AlN buffer layer 20D includes a base substrate protective layer 22 for suppressing increase of surface roughness of the AlN buffer layer 20D and a flattening layer 26 for making the surface of the AlN buffer layer flat. In order to enhance crystallinity of the AlN buffer layer 20D, a dislocation block layer for reducing a crystal defect may be added at the position between the base substrate protective layer 22 and the flattening layer 26. An ultraviolet emission element has an ultraviolet emission layer composed of an epitaxial growth layer where an n-type conductive layer, a rebonding layer, and a p-type conductive layer all of which are made of a group III nitride semiconductor crystal are arranged in that order on the surface of the crystal substrate 1D having the nonpolar AlN surface 20D.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は結晶基板、紫外発光素子およびそれらの製造方法に関する。さらに詳細には本発明は、III族窒化物半導体結晶による素子を形成することに適した結晶基板、III族窒化物半導体結晶による紫外発光素子、およびそれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a crystal substrate, an ultraviolet light-emitting device, and a method for manufacturing them. More particularly, the present invention relates to a crystal substrate suitable for forming an element made of a group III nitride semiconductor crystal, an ultraviolet light emitting element made of a group III nitride semiconductor crystal, and a method for manufacturing the same.

青色発光ダイオード(LED)や青色レーザーダイオード(LD)などに代表される各種機能を実現する素子が化合物半導体であるIII族窒化物半導体の結晶を利用して実用化されている。青色よりも短い波長である紫外域においても固体光源が求められ、紫外発光ダイオード(UVLED)が開発されている。紫外域のうち350nm以下の深紫外域の紫外線、特にUV−C波長帯の一部となる260〜280nm程度の波長域の紫外線は、殺菌、浄水から医療応用にまで広がる広汎な用途が見込まれることから、UV−C波長帯のLEDすなわち深紫外LED(DUVLED)の開発が進められている。典型的なDUVLEDの構成は、サファイア結晶板もしくはAlN単結晶基板を利用し、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、および窒素(N)を主な組成とする窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)系の半導体による積層構造体を備えるものである。DUVLEDでは出力の向上も図られており、10mW程度の紫外線出力にて動作するDUVLEDも実用化されている。   Elements that realize various functions such as blue light emitting diodes (LEDs) and blue laser diodes (LDs) have been put into practical use by utilizing group III nitride semiconductor crystals as compound semiconductors. Solid state light sources are also required in the ultraviolet region, which is a shorter wavelength than blue, and ultraviolet light emitting diodes (UVLEDs) have been developed. Ultraviolet rays in the deep ultraviolet region of 350 nm or less in the ultraviolet region, particularly ultraviolet rays in the wavelength range of about 260 to 280 nm, which is a part of the UV-C wavelength band, are expected to have a wide range of applications extending from sterilization and water purification to medical applications. For this reason, development of LEDs in the UV-C wavelength band, that is, deep ultraviolet LEDs (DUVLEDs) is underway. A typical DUVLED configuration uses a sapphire crystal plate or an AlN single crystal substrate, and a semiconductor based on gallium aluminum nitride (AlGaN) mainly composed of aluminum (Al), gallium (Ga), and nitrogen (N). Is provided with a laminated structure. DUVLEDs have also been improved in output, and DUVLEDs that operate with an ultraviolet output of about 10 mW have been put into practical use.

紫外発光ダイオードの技術課題の一つに発光効率の改良を挙げることができる。発光層に量子井戸構造を形成して発光効率を高めたり、さらに電子とホール(hole)の両波動関数の重なりを大きくできる無極性面の利用が模索されている。結晶成長の容易さからはC面((0001)面)を成長させることが有利であるが、その場合には電気陰性度の差により厚み方向に分極が生じる。分極が生じた場合には、電気極性が逆である電子とホールの波動関数が厚み方向について互いを遠ざけるように偏ってしまい、発光再結合確率の低下を招く。また、電子ブロック層を形成する場合には、分極のためにトンネル確率が高くなって電子のオーバーフローが増加する。さらに、発光層中の分極による電界の傾斜がキャリア濃度により変化することから、駆動電流に応じて発光波長がシフトしてしまう。   One of the technical problems of ultraviolet light emitting diodes is improvement of luminous efficiency. The use of a non-polar surface that can increase the light emission efficiency by forming a quantum well structure in the light emitting layer and further increase the overlap of both wave functions of electrons and holes has been sought. From the viewpoint of ease of crystal growth, it is advantageous to grow the C plane ((0001) plane), but in this case, polarization occurs in the thickness direction due to the difference in electronegativity. When polarization occurs, the wave functions of electrons and holes having opposite electrical polarities are biased away from each other in the thickness direction, leading to a decrease in light emission recombination probability. In addition, when the electron blocking layer is formed, the tunnel probability increases due to polarization, and the electron overflow increases. Furthermore, since the gradient of the electric field due to polarization in the light emitting layer changes depending on the carrier concentration, the emission wavelength is shifted according to the drive current.

III族窒化物半導体の素子を作製するために無極性面を利用してDUVLEDを作製するには、形成された素子に圧縮歪みを作用させうるAlNが下地に形成されていることが望ましい。このため、入手が容易なサファイア結晶板に無極性面のAlNバッファー層を形成することができれば有用である。無極性のAlNバッファー層は、典型的には(1−100)面方位を持つAlN層(本出願にて「m−AlN層」と呼ぶ)と(11−20)面方位を持つAlN層(「a−AlN層」)が採用しうるものである。これらのうちm−AlN層については、作製が難しく極めて高価なAlN基板を採用したホモエピタキシャル成長しか報告されていない。これに対しa−AlN層であれば(1−102)面方位を持つサファイア結晶板(「r−サファイア結晶板」)によって比較的良好な格子整合が得られる。   In order to fabricate a DUVLED using a nonpolar surface in order to fabricate a group III nitride semiconductor device, it is desirable that AlN capable of applying compressive strain be formed on the substrate. For this reason, it is useful if an AlN buffer layer having a nonpolar surface can be formed on a readily available sapphire crystal plate. Nonpolar AlN buffer layers are typically AlN layers having (1-100) orientation (referred to as “m-AlN layers” in this application) and AlN layers having (11-20) orientation ( “A-AlN layer”) can be employed. Of these, the m-AlN layer has only been reported as homoepitaxial growth employing an AlN substrate which is difficult to produce and very expensive. On the other hand, in the case of an a-AlN layer, relatively good lattice matching is obtained by a sapphire crystal plate having a (1-102) plane orientation (“r-sapphire crystal plate”).

Tomohiko Shibata et. al., "AlN epitaxial growth on off-angle R-plane sapphire substrates by MOCVD," J. Crystal Growth, 229,63-68 (2001)Tomohiko Shibata et. Al., "AlN epitaxial growth on off-angle R-plane sapphire substrates by MOCVD," J. Crystal Growth, 229, 63-68 (2001) Reina Miyagawa et. al., "a-plane AlN and AlGaN growth on r-plane sapphire by MOVPE," Phys. Status Solidi C 7, No. 7-8, 2107-2110 (2010), DOI 10.1002/pssc.200983601Reina Miyagawa et. Al., "A-plane AlN and AlGaN growth on r-plane sapphire by MOVPE," Phys. Status Solidi C 7, No. 7-8, 2107-2110 (2010), DOI 10.1002 / pssc.200983601 Isaac Bryan et. al., "Homoepitaxial AlN thin films deposited on m-plane (11-00) AlN substrates by metalorganic chemical vapor deposition," J. Appl. Phys. 116, 133517 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4897233Isaac Bryan et. Al., "Homoepitaxial AlN thin films deposited on m-plane (11-00) AlN substrates by metalorganic chemical vapor deposition," J. Appl. Phys. 116, 133517 (2014); http: // dx. doi.org/10.1063/1.4897233 H. Hirayama et al., "222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire," Phys. Stat. Solidi (a), 206, 1176, (2009)H. Hirayama et al., "222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire," Phys. Stat. Solidi (a), 206, 1176, (2009)

上述した背景の下、r−サファイア結晶板に対しバッファーとするa−AlN層の成長が試みられている。しかし、形成されるa−AlN層では成長の途中から柱状成長に切り替わり、表面が荒れる現象が観察されている(例えば非特許文献1)。さらに平坦なa−AlN層を実現するためには、例えば1450℃やそれ以上といった比較的高温における処理が好ましい。しかしながら、1300℃を越すような温度域となるとr−サファイア結晶板の表面が酸素脱離により荒れてしまい良質な層を形成することはできない(例えば非特許文献2)。   Under the background described above, an attempt has been made to grow an a-AlN layer serving as a buffer for an r-sapphire crystal plate. However, in the formed a-AlN layer, a phenomenon in which the surface is roughened by switching from the middle of growth to the columnar growth has been observed (for example, Non-Patent Document 1). In order to realize a flat a-AlN layer, treatment at a relatively high temperature such as 1450 ° C. or higher is preferable. However, when the temperature exceeds 1300 ° C., the surface of the r-sapphire crystal plate becomes rough due to oxygen desorption, and a high-quality layer cannot be formed (for example, Non-Patent Document 2).

また、無極性面方位のAlN結晶の表面(無極性AlN表面)をテンプレートにしてAlGaN等のIII族窒化物半導体結晶層を実質的に無極性面となるようにして形成する詳細な条件は十分に調査されていない。従来、r−サファイア結晶板を使用して無極性面を利用しDUVLEDを作製することにより発光効率を高めたり、発光波長のシフトを回避することについて成功例は報告されていない。本発明者は、無極性面であるa面方位のAlGaN層(a−AlGaN)を実際に形成し、AlNとGaNの混晶におけるAlNの比率(Al組成比)を目的通りに制御できないという課題があることを見出した。III族窒化物半導体結晶層により機能素子を作製するためには、Al組成比の制御が不可欠である。   Further, the detailed conditions for forming a group III nitride semiconductor crystal layer such as AlGaN so as to be substantially nonpolar using the surface of the nonpolar plane orientation AlN crystal (nonpolar AlN surface) as a template are sufficient. Has not been investigated. Conventionally, no successful example has been reported on improving the light emission efficiency or avoiding the shift of the light emission wavelength by producing a DUVLED using an apolar surface using an r-sapphire crystal plate. The present inventor actually forms an a-plane-oriented AlGaN layer (a-AlGaN) which is a nonpolar plane and cannot control the ratio of AlN (Al composition ratio) in a mixed crystal of AlN and GaN as intended. Found that there is. In order to fabricate a functional element using a group III nitride semiconductor crystal layer, control of the Al composition ratio is indispensable.

本発明は、上述した問題の少なくともいくつかを解決するものであり、r−サファイア結晶板を対象にして良質な無極性面方位のAlNバッファー層を形成することにより、無極性方位でのIII族窒化物半導体結晶のための実用性の高いテンプレートとなる結晶基板を提供するとともに、無極性方位III族窒化物半導体結晶による素子の作製のための組成制御手法を提供する。これらにより本発明はIII族窒化物半導体素子の高性能化に寄与するものである。   The present invention solves at least some of the above-mentioned problems, and forms a high-quality nonpolar plane-oriented AlN buffer layer for an r-sapphire crystal plate, thereby providing a group III in a nonpolar orientation. A crystal substrate serving as a highly practical template for a nitride semiconductor crystal is provided, and a composition control method for producing a device using a nonpolar orientation group III nitride semiconductor crystal is provided. Thus, the present invention contributes to high performance of the group III nitride semiconductor device.

本発明者は、r−サファイア結晶板に形成されるa−AlNバッファー層の品質を高めるために、a−AlN層を複数の段階に分けて形成することを着想した。そして、r−サファイア結晶板に形成するa−AlN層の各段階の形成条件を適切に制御することにより、無極性面方位のAlNバッファー層の品質を高めることに成功した。   The inventor has conceived that the a-AlN layer is formed in a plurality of stages in order to improve the quality of the a-AlN buffer layer formed on the r-sapphire crystal plate. And it succeeded in improving the quality of the AlN buffer layer of a nonpolar surface orientation by controlling appropriately the formation conditions of each step of the a-AlN layer formed in an r-sapphire crystal plate.

すなわち本発明のある態様においては、r面方位を持つサファイア結晶板と、該サファイア結晶板の表面の少なくとも一部を覆い、無極性面となる面方位を持つAlNバッファー層とを備える結晶基板であって、該AlNバッファー層は、いずれもAlN結晶のエピタキシャル成長層である下地保護層および平坦化層を前記サファイア結晶板の側からこの順に含んでおり、該下地保護層は、前記AlNバッファー層の表面の粗さの増大を抑制するためのものであり、前記平坦化層は、平坦化された表面を前記AlNバッファー層の表面のために提供するためのものである、結晶基板が提供される。   That is, in one aspect of the present invention, a crystal substrate comprising a sapphire crystal plate having an r-plane orientation and an AlN buffer layer having a plane orientation that covers at least a part of the surface of the sapphire crystal plate and becomes a nonpolar plane. The AlN buffer layer includes a base protective layer and a planarization layer, both of which are epitaxial growth layers of AlN crystals, in this order from the sapphire crystal plate side, and the base protective layer is formed of the AlN buffer layer. A crystal substrate is provided for suppressing an increase in surface roughness, wherein the planarization layer is for providing a planarized surface for the surface of the AlN buffer layer. .

さらに本発明者は、上述した良質な無極性面方位のAlNバッファー層や無極性面方位のAlN結晶の表面(無極性AlN表面)を使用して形成することができる無極性面方位AlGaN層でも良質な結晶を成長させうる手法を創出し、紫外発光素子の高性能化を確認した。   Further, the inventor of the present invention is also able to form a nonpolar plane-oriented AlGaN layer that can be formed using the above-described high-quality nonpolar plane-oriented AlN buffer layer or the surface of a nonpolar plane-oriented AlN crystal (nonpolar AlN surface). We have created a method that enables the growth of high-quality crystals and confirmed the high performance of ultraviolet light-emitting devices.

すなわち本発明のある態様においては、無極性AlN表面を持つ結晶基板と、該無極性AlN表面に接して配置され、いずれもIII族窒化物半導体結晶からなるn型導電層、再結合層、およびp型導電層が該結晶基板の側からこの順に配置されているエピタキシャル成長層であり、無極性面となる面方位を持つ紫外発光層と、前記p型導電層に接してまたは他の層を介して配置され、前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射UVに対し反射性を示す反射電極とを備えている、無極性結晶基板を採用する紫外発光素子が提供される。   That is, in one aspect of the present invention, a crystal substrate having a nonpolar AlN surface, an n-type conductive layer that is disposed in contact with the nonpolar AlN surface, and each is made of a group III nitride semiconductor crystal, a recombination layer, and The p-type conductive layer is an epitaxial growth layer arranged in this order from the crystal substrate side, and has an ultraviolet light emitting layer having a plane orientation to be a nonpolar plane, and is in contact with the p-type conductive layer or through another layer And a reflective electrode that is reflective to radiation UV, which is ultraviolet light emitted from the ultraviolet light emitting layer, is provided.

本出願のいずれかの態様において、結晶基板とは単結晶または多結晶で何らかの用途で支持したりや形状保持したりするために使用される板状物体を指している。サファイア結晶板とAlNバッファー層とを備える結晶基板の用途は、紫外発光ダイオードや紫外レーザーダイオードのための基板が典型であるものの特段限定されない。r面といった結晶面の指定を含みミラー面指数による面の特定は、結晶学の分野のものである。ただし、本出願では、幾何学的に完全なミラー面指数の特定のみが意図されているとは限られない。例えば結晶成長の容易さのためにしばしば導入される意図的な傾斜(いわゆるoff角)など実施上の観点から意図的に設定される定義からのずれや、意図しない作製上のずれも同様に許容される。   In any embodiment of the present application, the crystal substrate refers to a plate-like object that is single crystal or polycrystalline and is used for supporting or maintaining a shape for some purpose. The use of the crystal substrate including the sapphire crystal plate and the AlN buffer layer is not particularly limited, although a substrate for an ultraviolet light emitting diode or an ultraviolet laser diode is typical. The specification of the plane by the mirror plane index including the designation of the crystal plane such as r-plane is in the field of crystallography. However, in this application, it is not necessarily intended to specify a geometrically perfect mirror surface index. Deviations from definitions that are intentionally set from the practical point of view, such as intentional inclination often introduced for ease of crystal growth (so-called off angle), and unintentional manufacturing deviations are also allowed. Is done.

また、本出願のいずれかの態様において、AlNバッファー層がサファイア基板の表面の少なくとも一部を覆うとは、直接または何らかの結晶層を介してサファイア基板の表面の少なくとも一部に対し配置されていることを意味している。サファイア基板の表面の少なくとも一部とは、サファイア基板が厚みをなす二つの面を持つ板状のものであれば、典型的にはその一方の面の全面や、当該一方の面の一部を含む。本出願において、AlNとGaNの混晶をAlGaNと、また、(AlN)と(GaN)1−xの混晶をAlGa1−xNと、それぞれ記すことがある。加えて、AlNとGaNの混晶には、AlNとGaN以外の成分(例えばInNや、伝導型を決定するドーピングのためのMgやSi等)を含む場合もあることに留意すべきである。 Further, in any aspect of the present application, the fact that the AlN buffer layer covers at least a part of the surface of the sapphire substrate is disposed on at least a part of the surface of the sapphire substrate directly or via some crystal layer. It means that. If at least a part of the surface of the sapphire substrate is a plate-like one having two surfaces with a thickness of the sapphire substrate, typically the entire surface of one surface or a part of the one surface is Including. In the present application, a mixed crystal of AlN and GaN may be referred to as AlGaN, and a mixed crystal of (AlN) x and (GaN) 1-x may be referred to as Al x Ga 1-x N, respectively. In addition, it should be noted that the mixed crystal of AlN and GaN may contain components other than AlN and GaN (for example, InN, Mg or Si for doping that determines the conductivity type).

本出願にて紫外発光素子と記した場合、紫外線を発する素子を一般に指しており、紫外発光ダイオードに加え、紫外レーザーダイオードも含む。紫外発光素子の代表である紫外発光ダイオード(以下「UVLED」と記す)とは、紫外域の電磁波(紫外線)を放出する発光ダイオードである。本出願でDUVLEDとも呼ぶ深紫外を中心とする波長範囲におけるUVLEDもこの一部である。同様に、紫外発光ダイオードの一例である紫外レーザーダイオードは、紫外域の電磁波(紫外線)を誘導放出により放出するレーザーダイオードである。なお、本出願においては、たとえば紫外域といった可視光ではない電磁波放射に対しても、慣例に従って「光」、「光源」、「発光」、「光取り出し」等と光学分野の表現を用いる。   In the present application, the term “ultraviolet light emitting element” generally refers to an element that emits ultraviolet light, and includes an ultraviolet laser diode in addition to an ultraviolet light emitting diode. An ultraviolet light-emitting diode (hereinafter referred to as “UVLED”), which is representative of ultraviolet light-emitting elements, is a light-emitting diode that emits electromagnetic waves (ultraviolet rays) in the ultraviolet region. UVLEDs in the wavelength range centered on deep ultraviolet, also called DUVLEDs in this application, are part of this. Similarly, an ultraviolet laser diode, which is an example of an ultraviolet light emitting diode, is a laser diode that emits ultraviolet electromagnetic waves (ultraviolet rays) by stimulated emission. In the present application, expressions in the optical field such as “light”, “light source”, “light emission”, “light extraction”, and the like are used in accordance with customary practices even for electromagnetic radiation that is not visible light, such as the ultraviolet region.

また、紫外発光層とは、典型的にはAlGaN層の多層体、つまり、多層体をなす各層の組成が、AlGa1−yN(yは、0≦y≦1のいずれかの値)の組成比(他の材質を含んでよい)であり、必要に応じ正または負の伝導型とするための微少量の元素(ドーパント)がさらにドーピングされているような多層体である。紫外発光層は、大略、n型導電層、再結合層、p型導電層がこの順に積層され、必要に応じて付随する層を含めて作製される。なお、n型導電層、再結合層、p型導電層それぞれ自体が量子井戸構造などのために多層膜となっている場合もある。上記付随する層の典型は、例えばp型導電層と反射電極との間にp型導電層側から配置される電子ブロック層やp型コンタクト層である。これらの層もそれぞれ自体が多層膜となっている場合がある。 The ultraviolet light emitting layer is typically a multilayer body of AlGaN layers, that is, the composition of each layer constituting the multilayer body is Al y Ga 1-y N (y is any value of 0 ≦ y ≦ 1). ) Composition ratio (which may include other materials), and a multilayer body in which a minute amount of an element (dopant) for further positive or negative conductivity type is further doped as necessary. The ultraviolet light emitting layer is generally formed by laminating an n-type conductive layer, a recombination layer, and a p-type conductive layer in this order, and including an accompanying layer as necessary. Note that each of the n-type conductive layer, the recombination layer, and the p-type conductive layer itself may be a multilayer film due to a quantum well structure or the like. Typical of the accompanying layer is, for example, an electron block layer or a p-type contact layer disposed from the p-type conductive layer side between the p-type conductive layer and the reflective electrode. Each of these layers may itself be a multilayer film.

本発明のいずれかの態様においては、r面方位のサファイア結晶板を使用して良質な無極性面方位のAlNバッファー層を持つ結晶基板を作製することが可能となる。また、本発明のいずれかの態様においては、組成を制御された無極性面方位でのAlGaN層が実現され、それによりIII族窒化物半導体結晶を利用する高性能な紫外発光素子を提供することが可能となる。   In any aspect of the present invention, it is possible to produce a crystal substrate having an AlN buffer layer having a good nonpolar plane orientation by using an r-plane oriented sapphire crystal plate. Also, in any aspect of the present invention, an AlGaN layer having a nonpolar plane orientation with a controlled composition is realized, thereby providing a high-performance ultraviolet light-emitting device utilizing a group III nitride semiconductor crystal. Is possible.

本発明の実施形態において、サファイア結晶板を使用し、2段階に分けて成膜した2段階成膜AlNバッファー層を備える結晶基板の構造を示す模式図である。In embodiment of this invention, it is a schematic diagram which shows the structure of the crystal | crystallization board | substrate provided with the two-step film-forming AlN buffer layer formed into a film in two steps using a sapphire crystal plate. 本発明の実施形態において、1100℃で成膜したままの条件(図2A)と、1500℃で追加してアニールした条件(図2B)とにおける下地保護層表面の原子間力顕微鏡(AFM)像である。In an embodiment of the present invention, an atomic force microscope (AFM) image of the surface of the underlying protective layer under conditions where the film is formed at 1100 ° C. (FIG. 2A) and additionally annealed at 1500 ° C. (FIG. 2B) It is. 本発明の実施形態において、1300、1400、および1500℃(それぞれ図3A〜3C)の各温度で成膜した平坦化層表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。In embodiment of this invention, it is a scanning electron microscope (SEM) image of the planarization layer surface formed into a film at each temperature of 1300, 1400, and 1500 degreeC (FIG. 3A-3C respectively). 本発明の実施形態においてV/III比を12.5、50、500、おび5000(それぞれ図4A〜4D)と変更した条件で得た平坦化層表面のSEM像である。It is a SEM image of the surface of the planarization layer obtained on the conditions which changed V / III ratio into 12.5, 50, 500, and 5000 (FIGS. 4A-4D, respectively) in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において、平坦な表面が得られた条件にて平坦化層を形成した結晶基板サンプルの表面のAFM像である。In embodiment of this invention, it is an AFM image of the surface of the crystal substrate sample which formed the planarization layer on the conditions in which the flat surface was obtained. 本発明の実施形態においてサファイア結晶板に形成したAlNバッファー層において成長温度とX線回折ピークの半値全幅の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth temperature and the full width at half maximum of an X-ray diffraction peak in the AlN buffer layer formed in the sapphire crystal plate in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態においてサファイア結晶板を使用して下地保護層と平坦化層の間に追加のAlN層(転位ブロック層)を配置した3段階成膜AlNバッファー層の構造を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a three-stage deposited AlN buffer layer in which an additional AlN layer (dislocation block layer) is disposed between a base protective layer and a planarization layer using a sapphire crystal plate in an embodiment of the present invention. . 本発明の実施形態において典型的な製造条件を組み合わせて形成した無極性面をもつ3段階成膜AlNバッファー層のX線ロッキングカーブをプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the X-ray rocking curve of the 3-step film-forming AlN buffer layer with the nonpolar surface formed combining the typical manufacturing conditions in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において、成長時間を変化させて得られた転位ブロック層のサンプルから取得したX線ロッキングカーブのピークの幅(半値全幅)を示すグラフである。In embodiment of this invention, it is a graph which shows the width | variety (full width at half maximum) of the peak of the X-ray rocking curve acquired from the sample of the dislocation block layer obtained by changing growth time. 本発明の実施形態においてサファイア結晶板にAlNバッファー層を形成した結晶基板の表面上に、無極性面のAlGaN層を形成した構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure which formed the AlGaN layer of the nonpolar surface on the surface of the crystal substrate which formed the AlN buffer layer in the sapphire crystal board in embodiment of this invention. 本発明の実施形態の実施例において、成長温度を1200℃(図11A)および1300℃(図11B)と変更してV/III比を25として成膜したAlGaN層の最表面を撮影したSEM像である。In the example of the embodiment of the present invention, the SEM image obtained by photographing the outermost surface of the AlGaN layer formed by changing the growth temperature to 1200 ° C. (FIG. 11A) and 1300 ° C. (FIG. 11B) and setting the V / III ratio to 25. It is. 本発明の実施形態において、成長温度およびNH流量を固定し、TMAlとTMGaの材料供給比を変更した条件で成膜した膜にて得られたAlN混晶組成比を示すグラフである。In the embodiment of the present invention, it is a graph showing the AlN mixed crystal composition ratio obtained in the film formed under the condition that the growth temperature and NH 3 flow rate are fixed and the material supply ratio of TMAl and TMGa is changed. 本発明の実施形態の実施例において、材料供給比とAl組成比xの関係を示す理論計算値のグラフであり、Ga脱離が無視できる場合(図13A)と顕著な場合(図13B)である。In the Example of embodiment of this invention, it is a graph of the theoretical calculation value which shows the relationship between material supply ratio and Al composition ratio x, when Ga desorption can be ignored (FIG. 13A) and when it is remarkable (FIG. 13B). is there. 本発明の実施形態においてAl組成比をNH供給量に対し示すグラフである。The Al composition ratio in the embodiment of the present invention is a graph showing relative NH 3 supply. 本発明の実施形態において形成したAlGaN層の表面のAFM像である。It is an AFM image of the surface of the AlGaN layer formed in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態で提供される紫外発光ダイオードの構造を示す模式図であり、図16Aは斜視図、図16Bは概略断面図である。FIG. 16A is a schematic diagram illustrating a structure of an ultraviolet light-emitting diode provided in an embodiment of the present invention, FIG. 16A is a perspective view, and FIG. 16B is a schematic cross-sectional view. 本発明の実施形態にて作製した発光動作確認サンプルから得られた複数の励起光強度における室温での発光スペクトルである。It is the emission spectrum at room temperature in the some excitation light intensity | strength obtained from the light emission operation | movement confirmation sample produced in embodiment of this invention.

以下、紫外発光ダイオード(UVLED)を例にして、本発明に係る結晶基板および紫外発光素子ならびにそれらの製造方法に関する実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また各図は各部の互いの縮尺を保って示されてはいない。   Hereinafter, embodiments of the crystal substrate, the ultraviolet light-emitting element, and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings, taking an ultraviolet light-emitting diode (UVLED) as an example. In the description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings. Also, the drawings are not shown with the scale of each part maintained.

1.第1実施形態:結晶基板
本実施形態においてr−サファイア結晶板に良質なAlNバッファー層が形成されて結晶基板が提供される。r−サファイア結晶板上のa−AlN層は、a−AlN層の[0001]方向がサファイア結晶板の[1−101]方向と、またa−AlN層の[1−100]方向がサファイア結晶板の[11−20]方向とそれぞれ平行となる位置関係で成長する。a−AlN層に対する格子定数差は[0001]方向で3%の伸長歪、[1−100]方向で11.6%の圧縮歪であり、全体として圧縮歪を受けながら良質なa−AlNバッファー成長が可能となる。
1. First Embodiment: Crystal Substrate In this embodiment, a high-quality AlN buffer layer is formed on an r-sapphire crystal plate to provide a crystal substrate. In the a-AlN layer on the r-sapphire crystal plate, the [0001] direction of the a-AlN layer is the [1-101] direction of the sapphire crystal plate, and the [1-100] direction of the a-AlN layer is the sapphire crystal. It grows in a positional relationship parallel to the [11-20] direction of the plate. The lattice constant difference with respect to the a-AlN layer is 3% elongation strain in the [0001] direction and 11.6% compression strain in the [1-100] direction. Growth is possible.

ここで、r−サファイア結晶板を使用した場合、1300℃以上においてサファイアの表面の荒れが激しくなる(上述、非特許文献2)。また、目的とするa−AlN層ではなくm−AlN結晶を同じ面方位の支持基板の上にホモエピタキシャルに形成する例において、温度の重要性が指摘されている(非特許文献3)。非特許文献3の報告によれば、m−AlN結晶の原子レベルの平坦な表面を実現するためには、比較的高温(1450℃以上)での成膜が必要とされる。本発明者はr−サファイア結晶板にa−AlNの形成を試み、成長温度やその他の条件に関する知見を得た。そしてa−AlN結晶によるAlNバッファー層を、作製条件において区別される複数の段階に分けて形成することを試行した。なお、本実施形態において特段断りがない限り、サファイア結晶板やAlN層は、r−サファイア結晶板やa−AlN層によるAlNバッファー層(a−AlNバッファー層)である。   Here, when an r-sapphire crystal plate is used, the roughness of the surface of sapphire becomes severe at 1300 ° C. or higher (described above, Non-Patent Document 2). Further, the importance of temperature has been pointed out in an example in which m-AlN crystals, not the intended a-AlN layer, are formed homoepitaxially on a support substrate having the same plane orientation (Non-patent Document 3). According to a report in Non-Patent Document 3, film formation at a relatively high temperature (1450 ° C. or higher) is required to realize a flat surface at the atomic level of m-AlN crystals. The inventor tried to form a-AlN on an r-sapphire crystal plate, and obtained knowledge about the growth temperature and other conditions. Then, an attempt was made to form an AlN buffer layer made of a-AlN crystals in a plurality of stages that are distinguished by the production conditions. In this embodiment, unless otherwise specified, the sapphire crystal plate and the AlN layer are an AlN buffer layer (a-AlN buffer layer) formed of an r-sapphire crystal plate or an a-AlN layer.

1−1.サファイア結晶板の温度耐性向上:2段階成膜AlNバッファー層
高温でのAlN層の成膜にとって障害となるサファイア結晶板の表面が荒れる現象を抑制することを試みた。本願の発明者は、まずサファイア結晶板の表面を保護するためのAlNの層つまり下地保護層の形成と、平坦化されたAlN層の表面を提供する層つまり平坦化層の形成という2段階成膜のエピタキシャル成長によって、AlNバッファー層を形成することとした。図1は、サファイア結晶板10を使用し、2段階に分けて成膜した2段階成膜AlNバッファー層20Dを備える結晶基板1Dの構造を示す模式図である。
1-1. Improvement of temperature resistance of sapphire crystal plate: two-step AlN buffer layer An attempt was made to suppress the phenomenon of rough surface of the sapphire crystal plate, which is an obstacle to the formation of an AlN layer at a high temperature. The inventor of the present application firstly forms a two-step process of forming an AlN layer for protecting the surface of the sapphire crystal plate, that is, a base protective layer, and a layer for providing a planarized AlN layer surface, that is, a planarizing layer. An AlN buffer layer was formed by epitaxial growth of the film. FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a crystal substrate 1D having a two-stage film-forming AlN buffer layer 20D formed using a sapphire crystal plate 10 in two stages.

サファイア結晶板10は(1−102)面方位、off角0.5°のものを採用した。その表面に、MOCVD法により種々の条件にて下地保護層22および平坦化層26を形成し2段階成膜AlNバッファー層20Dを得た。この際、下地保護層22は、基板温度1100℃、厚みを約30nmとした。平坦化層26は試験サンプルごとに1300〜1500℃の範囲で温度を変更して約2μmの厚みに形成した。これらの層において成膜時の圧力条件は76Torr(1.013×10Pa)とした。 The sapphire crystal plate 10 has a (1-102) plane orientation and an off angle of 0.5 °. A base protective layer 22 and a planarizing layer 26 were formed on the surface under various conditions by MOCVD, to obtain a two-stage deposited AlN buffer layer 20D. At this time, the base protective layer 22 had a substrate temperature of 1100 ° C. and a thickness of about 30 nm. The planarizing layer 26 was formed to a thickness of about 2 μm by changing the temperature in the range of 1300 to 1500 ° C. for each test sample. The pressure condition at the time of film formation in these layers was 76 Torr (1.013 × 10 4 Pa).

下地保護層22を、原料ガスのV/III比を5000:1として形成したところ、1100℃の成膜条件にて小さな島状のAlN領域が形成された。なお、V/III比は、V族元素のためのガス(アンモニア)とIII族元素のためのガス(TMAl)の供給比率であり、V族:III族を5000:1等と表現し、より簡便にV/III比5000とも記載する。図2は、1100℃で成膜したままの条件のサンプル(図2A)と、1500℃で追加してアニールした条件のサンプル(図2B)とにおける下地保護層表面の原子間力顕微鏡(AFM)像である。図2のAFM像は1μm×1μmの領域で取得された。図2に示されるように、形成されたAlNの下地保護層22をそのまま1500℃まで昇温しても、表面モフォロジーに顕著な変化は生じなかった。この結果から、形成された下地保護層22は、1500℃程度までの温度条件において、r−サファイアの表面の荒れを抑制する作用を発揮することを確認した。なお、1500℃の温度は、MOCVD装置を動作させることに通例問題無いため、実用上の問題は少ない。また、さらに高い温度にて下地保護層22を形成することも、AlNの分解温度以下であれば可能である。   When the base protective layer 22 was formed with a V / III ratio of the source gas of 5000: 1, a small island-like AlN region was formed under the film forming conditions of 1100 ° C. The V / III ratio is the supply ratio of the gas for group V element (ammonia) and the gas for group III element (TMAl). Group V: Group III is expressed as 5000: 1 etc. For convenience, it is also described as a V / III ratio of 5000. FIG. 2 shows an atomic force microscope (AFM) of the surface of the underlying protective layer in a sample as it was deposited at 1100 ° C. (FIG. 2A) and a sample that was additionally annealed at 1500 ° C. (FIG. 2B). It is a statue. The AFM image in FIG. 2 was acquired in an area of 1 μm × 1 μm. As shown in FIG. 2, even when the formed AlN base protective layer 22 was heated to 1500 ° C. as it was, no significant change in the surface morphology occurred. From this result, it was confirmed that the underlying protective layer 22 formed exhibited an action of suppressing the surface roughness of r-sapphire under temperature conditions up to about 1500 ° C. In addition, since the temperature of 1500 degreeC has no problem normally in operating a MOCVD apparatus, there are few practical problems. Further, it is possible to form the base protective layer 22 at a higher temperature as long as it is not higher than the decomposition temperature of AlN.

下地保護層22に続けて形成した平坦化層26では、成長温度とV/III比の条件を変更することにより平坦化したAlN層の表面となる条件を探った。まずV/III比を500に固定し成長温度を変更して成膜した表面を比較した。図3は、図3A〜3Cの順に、1300、1400、1500℃の各温度で成膜した平坦化層表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。1300〜1500℃の比較において高温であるほど平坦性が向上することが確認された。具体的には、1300℃では平坦化層26の表面に微細な凹凸が生じ、目視でも白濁したAlN層しか得られなかった。それに対し、1400℃、または1500℃においては目視においては良好な鏡面の表面が得られた。ただし、図3Bおよび3CのSEM像に見られるように、1400℃、または1500℃ではヴォイド状の構造欠陥が観察され、欠陥密度は1×10cm−2(1400℃)および3×10cm−2(1500℃)と成長温度の上昇により低下した。この現象は高温においてAl原子の拡散が促進されるためと考えている。なお、サファイア結晶板10の高温での表面荒れは、下地保護層22を形成したことにより引き続き抑制されており、平坦化層26の形成の際に1300〜1500℃の温度でその荒れが問題となることはなかった。温度を高めてサファイアの荒れが問題となった報告例(非特許文献1および2)を考慮すれば、平坦化層26の形成時に問題とならないとの本実施形態の結果は下地保護層22が機能した証拠であるといえる。 In the planarization layer 26 formed subsequent to the base protective layer 22, the conditions for the surface of the AlN layer planarized by changing the conditions of the growth temperature and the V / III ratio were investigated. First, the V / III ratio was fixed to 500, and the growth surfaces were changed to compare the surfaces formed. FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the planarized layer surface formed at each temperature of 1300, 1400, and 1500 ° C. in the order of FIGS. In a comparison between 1300 and 1500 ° C., it was confirmed that the flatness improved as the temperature increased. Specifically, at 1300 ° C., fine irregularities were formed on the surface of the planarizing layer 26, and only a white cloudy AlN layer was obtained by visual observation. On the other hand, at 1400 ° C. or 1500 ° C., a good mirror surface surface was obtained visually. However, as seen in the SEM images of FIGS. 3B and 3C, void-like structural defects were observed at 1400 ° C. or 1500 ° C., and the defect densities were 1 × 10 8 cm −2 (1400 ° C.) and 3 × 10 7. It decreased with the rise of cm <-2> (1500 degreeC) and growth temperature. This phenomenon is thought to be because the diffusion of Al atoms is promoted at high temperatures. The surface roughness of the sapphire crystal plate 10 at a high temperature is continuously suppressed by the formation of the base protective layer 22, and the roughness is a problem at a temperature of 1300 to 1500 ° C. when the planarizing layer 26 is formed. Never happened. Considering report examples (Non-patent Documents 1 and 2) in which the roughness of sapphire becomes a problem by raising the temperature, the result of the present embodiment that the problem is not caused when the planarizing layer 26 is formed is that the underlying protective layer 22 It can be said that this is functional evidence.

Al原子の拡散を制御してさらに良質な表面とするため、V/III比を変更して結晶基板1Dのための2段階成膜AlNバッファー層20Dの作製を試みた。図4は、図4A〜4Dの順に、V/III比を12.5、50、500、および5000と変更した条件で得た平坦化層表面のSEM像である。狙いはV/III比によってAl原子の表面における拡散挙動を制御することにある。平坦化層26形成のための他の条件は、成長温度を1500℃に固定し、III族元素のためのガス(TMAl)供給量を20sccmに固定した。下地保護層22の成膜条件は変更していない。   In order to control the diffusion of Al atoms to obtain a higher quality surface, an attempt was made to produce a two-stage deposited AlN buffer layer 20D for the crystal substrate 1D by changing the V / III ratio. FIG. 4 is an SEM image of the planarized layer surface obtained under the conditions in which the V / III ratio was changed to 12.5, 50, 500, and 5000 in the order of FIGS. The aim is to control the diffusion behavior of Al atoms on the surface by the V / III ratio. The other conditions for forming the planarizing layer 26 were a growth temperature fixed at 1500 ° C. and a gas (TMAl) supply amount for group III elements fixed at 20 sccm. The film forming conditions of the base protective layer 22 are not changed.

図4に示すとおり、V/III比が5000から500、50と小さくなるに従い、平坦化層26表面ではヴォイド状の欠陥の個別のサイズが縮小し、その密度も低下した。これによりV/III比を50程度にまで低下させることにより平坦化層26の表面を平坦にできることを確認した。これは、V/III比を低下させることによりAl原子の拡散が促進されるため、と考えている。これは、成長温度を高めたことによるAl原子の拡散の促進とも対応する条件変更である。ただしV/III比を極端に低下させ12.5とした場合には、図4Aに示すように波状構造が発現し平坦な表面とはならなかった。この波状構造は<0001>軸方向に対し凹凸を示す構造であり、+c面および−c面における成長速度の異方性という無極性面特有の現象のようである。これは、無極性面の成長においてV/III比について最適値があることを意味している。なお、下地保護層22形成時のV/III比については、表面保護の機能が発揮されれば十分であり、特段の条件には限定されない。   As shown in FIG. 4, as the V / III ratio decreased from 5000 to 500, 50, the individual size of void-like defects was reduced on the surface of the planarizing layer 26, and the density thereof was also reduced. As a result, it was confirmed that the surface of the planarization layer 26 can be flattened by reducing the V / III ratio to about 50. This is considered because the diffusion of Al atoms is promoted by lowering the V / III ratio. This is a condition change corresponding to the promotion of the diffusion of Al atoms by increasing the growth temperature. However, when the V / III ratio was extremely reduced to 12.5, a wave-like structure was developed as shown in FIG. 4A and a flat surface was not obtained. This wave-like structure is a structure showing irregularities in the <0001> axis direction, and seems to be a phenomenon peculiar to a nonpolar surface such as anisotropy of the growth rate on the + c plane and the −c plane. This means that there is an optimum value for the V / III ratio in the growth of nonpolar surfaces. Note that the V / III ratio at the time of forming the base protective layer 22 is sufficient as long as the function of surface protection is exhibited, and is not limited to special conditions.

さらに平坦な表面が得られたV/III比50、成長温度1500℃の条件にて平坦化層26を形成した結晶基板1Dサンプル(図4B)の表面をAFMにより観察した。図5は結晶基板1Dサンプル(図4B)の表面のAFM像である。図5のAFM像は1μm×1μmの領域で取得された。V/III比50にて得られた平坦化層26の表面は平均自乗粗さ(RMS値)が2.2nmであり、極めて平坦な表面であることを確認した。なお、RMS値は
Rq=(Σ(z−zave1/2/N
により算出される。ここで、N:測定エリアに含まれる測定点の総数、z:インデックスiにより区別される測定エリア中の測定点の高さ値、zave:測定エリア中のz値の平均値、およびΣ:インッデックスiに渡る和演算記号である。このRMS値は10nm以下にすることにより例えば発光素子の量子井戸の形成は容易となる。特に3nm以下のRMS値は、量子井戸の界面が明瞭となり好ましい。
Furthermore, the surface of the crystal substrate 1D sample (FIG. 4B) on which the planarization layer 26 was formed under the conditions of a V / III ratio of 50 and a growth temperature of 1500 ° C. at which a flat surface was obtained was observed by AFM. FIG. 5 is an AFM image of the surface of the crystal substrate 1D sample (FIG. 4B). The AFM image of FIG. 5 was acquired in an area of 1 μm × 1 μm. The surface of the planarization layer 26 obtained at a V / III ratio of 50 had an average square roughness (RMS value) of 2.2 nm, and it was confirmed that the surface was extremely flat. The RMS value is Rq = (Σ i (z i −z ave ) 2 ) 1/2 / N
Is calculated by Where N is the total number of measurement points included in the measurement area, z i is the height value of the measurement points in the measurement area identified by the index i, z ave is the average value of the z i values in the measurement area, and Σ i is a sum operation symbol over index i. By setting the RMS value to 10 nm or less, for example, it becomes easy to form a quantum well of a light emitting element. In particular, an RMS value of 3 nm or less is preferable because the interface of the quantum well becomes clear.

以上のようにして、r−サファイア結晶板10の上に下地保護層22と平坦化層26とを有することにより平坦な表面の2段階成膜AlNバッファー層20Dを持つ結晶基板1Dを作製することに成功した。2.2nmという値のRMS値は、量子構造(量子井戸構造)などを持つIII族窒化物半導体結晶による素子を形成するためのテンプレートとして十分な平坦性を示すものである。   As described above, by providing the base protective layer 22 and the planarization layer 26 on the r-sapphire crystal plate 10, the crystal substrate 1D having the two-layer AlN buffer layer 20D having a flat surface is manufactured. succeeded in. The RMS value of 2.2 nm shows sufficient flatness as a template for forming an element made of a group III nitride semiconductor crystal having a quantum structure (quantum well structure) or the like.

1−2.結晶性と平坦性の両立のための改良:3段階成膜AlNバッファー層
次に、結晶成長のテンプレートとしてその後に成長させる結晶の品質をさらに改良するためにAlNバッファー層の結晶性を調査した。調査対象は、上述した良好な平坦化との両立性を調査するため、図5のAFM像が得られた2段階成膜AlNバッファー層20Dの条件つまりV/III比50のものとし、1500℃までの範囲で成長温度を変更した。
1-2. Improvement for achieving both crystallinity and flatness: three-stage deposited AlN buffer layer Next, the crystallinity of the AlN buffer layer was investigated in order to further improve the quality of crystals grown later as a template for crystal growth. In order to investigate the compatibility with the above-described good flattening, the investigation target is the condition of the two-stage deposited AlN buffer layer 20D from which the AFM image of FIG. The growth temperature was changed in the range up to.

図6は、サファイア結晶板10に形成したAlNバッファー層において成長温度とX線回折ピークの半値全幅を示すグラフである。X線回折ピークの半値全幅は1300、1400、および1500℃の各成長温度にて作製したサンプルについてωスキャンモードのX線ロッキングカーブから算出しており、a面つまり(11−20)面のc軸およびm軸方向について、および半極性面である(10−11)面について測定した。半値全幅の各値が示すように、良好な結晶性に対応する狭いX線回折ピークが得られるAlNバッファー層は、1300〜1500℃の成長温度の範囲で、平坦性のよい条件である高温よりもむしろ低温で形成されたものである。この実験事実から、本発明者は、結晶基板1Dの2段階成膜AlNバッファー層20Dのように平坦化層26を高温(1500℃)にて形成し平坦化に成功したとしても、さらに結晶性を高める改良の余地があるものと考えた。   FIG. 6 is a graph showing the growth temperature and the full width at half maximum of the X-ray diffraction peak in the AlN buffer layer formed on the sapphire crystal plate 10. The full width at half maximum of the X-ray diffraction peak is calculated from the X-ray rocking curve in the ω scan mode for samples prepared at growth temperatures of 1300, 1400, and 1500 ° C., and c in the a plane, that is, the (11-20) plane The measurement was performed for the axial and m-axis directions and for the (10-11) plane which is a semipolar plane. As indicated by the full width at half maximum, the AlN buffer layer that provides a narrow X-ray diffraction peak corresponding to good crystallinity is higher than the high temperature, which is a condition with good flatness, in the growth temperature range of 1300 to 1500 ° C. Rather, it is formed at a low temperature. From this experimental fact, even if the present inventors succeeded in planarization by forming the planarization layer 26 at a high temperature (1500 ° C.) like the two-step AlN buffer layer 20D of the crystal substrate 1D, the crystallinity is further increased. I thought there was room for improvement.

上述した検討を踏まえ、本発明者は下地保護層22と平坦化層26とで挟まれる位置に追加のAlN層を配置する3段階の成膜を採用することにより結晶性と平坦性を両立させうるものと見込んだ。図7は、r−サファイア結晶板10を使用して下地保護層22と平坦化層26の間に追加のAlN層(転位ブロック層24)を配置する本実施形態の3段階成膜AlNバッファー層20Tの構造を示す模式図である。3段階成膜AlNバッファー層20Tは、サファイア結晶板10を使用して、AlN結晶のエピタキシャル成長によって、下地保護層22、転位ブロック層24、および平坦化層26がこの順に形成されたものである。3段階成膜AlNバッファー層20Tのうちの平坦化層26の表面を結晶成長に一層適するテンプレートとするために、転位ブロック層24の作製条件を調査した。   Based on the above-mentioned examination, the present inventor has achieved both crystallinity and flatness by adopting a three-stage film formation in which an additional AlN layer is disposed at a position sandwiched between the base protective layer 22 and the flattening layer 26. I expected it to be so FIG. 7 shows a three-stage AlN buffer layer according to this embodiment in which an additional AlN layer (dislocation block layer 24) is disposed between the base protective layer 22 and the planarization layer 26 using the r-sapphire crystal plate 10. It is a schematic diagram which shows the structure of 20T. The three-stage AlN buffer layer 20T is formed by using the sapphire crystal plate 10 to form the base protective layer 22, the dislocation block layer 24, and the planarization layer 26 in this order by epitaxial growth of AlN crystals. In order to use the surface of the planarization layer 26 of the three-stage deposited AlN buffer layer 20T as a template more suitable for crystal growth, the production conditions of the dislocation block layer 24 were investigated.

3段階成膜AlNバッファー層20Tにて転位ブロック層24が果たすべき役割は、その成長を通じ結晶欠陥、とりわけ転位を削減する(貫通転位をブロックする)というものである。すなわち、転位ブロック層24は、下地保護層22による島状構造(図2)に続けて形成される。このため、下地保護層22の結晶は表面の平坦性に劣るものの、サファイア結晶板10の結晶格子に対し高いコヒーレンスを保って形成される。2段階成膜AlNバッファー層20Dのように下地保護層22に続けて高温(例えば成長温度1500℃)にて平坦化層26が形成されると、平坦化は達成されるが結晶性は、その時点で下地保護層22にて実現しているものでそのまま引き継がれる。そこで、下地保護層22の結晶性を、そこに続けて形成する転位ブロック層24を利用して一層高めることができれば、平坦化層26が十分な平坦化作用を持つため結晶性と平坦性とを両立させることが可能となる、という見立てである。   The role that the dislocation blocking layer 24 should play in the three-stage deposited AlN buffer layer 20T is to reduce crystal defects, particularly dislocations (block threading dislocations) through its growth. That is, the dislocation block layer 24 is formed following the island structure (FIG. 2) formed by the base protective layer 22. For this reason, although the crystal | crystallization of the foundation | substrate protective layer 22 is inferior to the flatness of the surface, it forms with high coherence with respect to the crystal lattice of the sapphire crystal plate 10. FIG. When the planarization layer 26 is formed at a high temperature (for example, a growth temperature of 1500 ° C.) subsequent to the base protective layer 22 as in the two-step AlN buffer layer 20D, planarization is achieved, but the crystallinity is At that time, it is realized by the underlying protective layer 22 and is taken over as it is. Therefore, if the crystallinity of the underlying protective layer 22 can be further enhanced by using the dislocation block layer 24 formed subsequently thereto, the planarization layer 26 has a sufficient planarization effect, so that the crystallinity and flatness can be improved. It is assumed that it is possible to achieve both.

転位ブロック層24に要請される成長条件は、端的には、高い結晶性で成膜ができ、かつ平坦化層26のような強い平坦化作用を発揮しない条件である。図6に示した通り、1300〜1500℃の範囲では低温での成膜が望ましい。ただし、下地保護層22の成長温度(T1)は、サファイア結晶板10の表面を荒らさない温度としており、2段階成膜AlNバッファー層20Dにおいて平坦化層を高温で成膜しても問題が無かったことから、転位ブロック層24の成長温度(T2)は、下地保護層22の成長温度T1以上とすることができる。また、転位ブロック層24の成長温度T2は、平坦化層26の成長温度(T3)のように高温にしてしまうと平坦化層26と同様の平坦化作用が生じることからこれは好ましくない。これらの組合せから、好ましい温度の関係式は、
T1≦T2<T3
となる。
The growth conditions required for the dislocation block layer 24 are, in short, the conditions that can form a film with high crystallinity and do not exhibit a strong flattening action like the flattening layer 26. As shown in FIG. 6, film formation at a low temperature is desirable in the range of 1300 to 1500 ° C. However, the growth temperature (T1) of the base protective layer 22 is a temperature that does not roughen the surface of the sapphire crystal plate 10, and there is no problem even if the planarizing layer is formed at a high temperature in the two-step AlN buffer layer 20D. For this reason, the growth temperature (T2) of the dislocation block layer 24 can be set to be equal to or higher than the growth temperature T1 of the base protective layer 22. Further, if the growth temperature T2 of the dislocation block layer 24 is set to a high temperature like the growth temperature (T3) of the planarization layer 26, the same planarization action as the planarization layer 26 occurs, which is not preferable. From these combinations, the preferred temperature relationship is:
T1 ≦ T2 <T3
It becomes.

上記温度の関係式にはさらに好ましい範囲があり、具体的には、
T1≦1200℃
T1≦T2≦1300℃
1400℃≦T3
である。すなわち、下地保護層22の成長温度T1はサファイア結晶板10の表面を荒らさない温度であるから好ましくは1200℃以下とする。ただし、AlNの結晶性は1100℃程度より高いほうが良好であるため、下地保護層22の成長温度T1の下限はその結晶性の観点から決定される。平坦化層26の成長温度T3は平坦化作用を発揮できるよう1400℃以上とする。そして、転位ブロック層24の成長温度T2は、平坦化作用が生じにくいように1300℃以下として、良好な結晶が成長できるように下地保護層22の成長温度T1以上にする、という関係である。転位ブロック層24の成長温度T2は、1300℃程度では平坦化の作用が生じ始めるため、より好ましくは、さらに低くして下地保護層22の成長温度T1に近付けると転位をブロックする機能を高めることができる。
There is a more preferable range in the relational expression of the temperature, specifically,
T1 ≦ 1200 ℃
T1 ≦ T2 ≦ 1300 ° C
1400 ° C ≦ T3
It is. That is, the growth temperature T1 of the base protective layer 22 is a temperature that does not roughen the surface of the sapphire crystal plate 10, and is preferably set to 1200 ° C. or lower. However, since the crystallinity of AlN is better than about 1100 ° C., the lower limit of the growth temperature T1 of the base protective layer 22 is determined from the viewpoint of the crystallinity. The growth temperature T3 of the planarization layer 26 is set to 1400 ° C. or higher so that the planarization effect can be exhibited. Then, the growth temperature T2 of the dislocation block layer 24 is set to 1300 ° C. or lower so that the flattening action is unlikely to occur, and is set to be higher than the growth temperature T1 of the base protective layer 22 so that a good crystal can be grown. Since the growth temperature T2 of the dislocation blocking layer 24 starts to have a flattening action at about 1300 ° C., it is more preferable that the growth temperature T2 is further lowered to increase the function of blocking dislocations when approaching the growth temperature T1 of the underlying protective layer 22. Can do.

温度以外の条件も、上述した各層の機能に応じて決定される。好ましくは、下地保護層22の成膜条件では、島状構造を出現させるV/III比が採用される。転位ブロック層24のV/III比については、ある程度幅がある。   Conditions other than temperature are also determined according to the function of each layer described above. Preferably, a V / III ratio that causes an island-like structure to appear is employed in the film formation conditions of the base protective layer 22. The V / III ratio of the dislocation block layer 24 has a certain range.

以上の条件を満たす3段階成膜AlNバッファー層20Tの典型的な製造条件は、下地保護層22については上述した条件と同様に、成長温度1100℃、V/III比5000の条件で30nmの厚みに形成する。続けて、転位ブロック層24を、成長温度1200℃、V/III比50の条件で、1μm厚に形成する。さらに続けて、平坦化層26を、成長温度1200℃、V/III比50の条件で2μm厚に形成する。   A typical manufacturing condition for the three-step deposited AlN buffer layer 20T that satisfies the above conditions is 30 nm under the conditions of a growth temperature of 1100 ° C. and a V / III ratio of 5000 for the base protective layer 22 in the same manner as described above. To form. Subsequently, the dislocation block layer 24 is formed to a thickness of 1 μm under conditions of a growth temperature of 1200 ° C. and a V / III ratio of 50. Subsequently, the planarizing layer 26 is formed to a thickness of 2 μm under conditions of a growth temperature of 1200 ° C. and a V / III ratio of 50.

図8は、上記典型的な製造条件を組み合わせて形成した無極性面を持つ3段階成膜AlNバッファー層20Tのc軸に平行な面の一つである(11−20)面のc軸に関するX線ロッキングカーブをプロットしたグラフである。比較のために、転位ブロック層を採用しない2段階成膜AlNバッファー層20D(図1)のカーブもプロットしている。半値全幅で比較すると、2段階成膜AlNバッファー層20Dのピークでは1100arcsecであったのに対し、3段階成膜のAlNバッファー層20Tでは620arcsecとなった。図示しないが他の面方位である(10−11)面についても、転位ブロック層の無い場合に2500arcsecであった半値全幅が、転位ブロック層を配置することにより1200arcsecにまで減少することを確認した。これらの結果から、転位ブロック層24を追加した3段階成膜のAlNバッファー層20Tでは結晶性が実際に大幅に改善されたことを確認した。特に、(11−20)面のc軸に関するX線ロッキングカーブで1000arcsec以下となるのは3段階成膜のAlNバッファー層20Tの場合のみであり、3段階成膜のAlNバッファー層20Tにより2段階成膜AlNバッファー層20Dに比べて良質なテンプレートが実現されることが確認できた。   FIG. 8 relates to the c-axis of the (11-20) plane which is one of the planes parallel to the c-axis of the three-stage deposited AlN buffer layer 20T having a nonpolar plane formed by combining the above typical manufacturing conditions. It is the graph which plotted the X-ray rocking curve. For comparison, a curve of a two-stage deposited AlN buffer layer 20D (FIG. 1) that does not employ a dislocation block layer is also plotted. When compared with the full width at half maximum, the peak of the two-stage deposited AlN buffer layer 20D was 1100 arcsec, whereas the peak of the three-stage deposited AlN buffer layer 20T was 620 arcsec. Although not shown, it was confirmed that the full width at half maximum, which was 2500 arcsec when there was no dislocation block layer, was reduced to 1200 arcsec by disposing the dislocation block layer even in the other plane orientation (10-11). . From these results, it was confirmed that the crystallinity was actually greatly improved in the three-stage AlN buffer layer 20T having the dislocation block layer 24 added thereto. In particular, the X-ray rocking curve with respect to the c-axis of the (11-20) plane is 1000 arcsec or less only in the case of the three-stage AlN buffer layer 20T, and in two stages by the three-stage AlN buffer layer 20T. It was confirmed that a good quality template was realized as compared with the deposited AlN buffer layer 20D.

3段階成膜AlNバッファー層20Tでは、2段階成膜AlNバッファー層20Dと比較して最表面の表面粗さは同等程度であった。すなわち、転位ブロック層24を採用しても、平坦化層表面で得られる平坦性には影響は生じず、平坦化層表面でのRMS値は約2nm程度の値が計測される。   In the three-stage deposited AlN buffer layer 20T, the surface roughness of the outermost surface was comparable to that in the two-stage deposited AlN buffer layer 20D. That is, even if the dislocation block layer 24 is employed, the flatness obtained on the planarized layer surface is not affected, and the RMS value on the planarized layer surface is measured to be about 2 nm.

この転位ブロック層24の成長過程の現象に関し、本発明者は次のような現象が生じているものと予測している。転位ブロック層24は、下地保護層22を通じサファイア結晶板10に対し十分なコヒーレンスを維持しながら成長する。この際、下地保護層22の表面に形成される島状構造(図2)の凹凸が反映されるため、転位ブロック層24の成長初期において種々の面方位の微小面であるファセットが、各ファセットの成長速度の違いをそのまま反映させて成長が進行する。特に、成長しているAlN層全体の巨視的な面方位は(11−20)面であるが、この面から傾いている(10−1−2)面のファセットは早い成長速度を持つ。この(10−1−2)面のファセットが早く成長する結果、下地保護層22の島のうち小さな島を埋め込みながら転位ブロック層24の成長が進み、結晶欠陥である転位は、転位ブロック層24の巨視的な面の法線(面直方向)から斜めに延びる。ファセットは、異なる方向からのファセットと出会って集約されるため、この集約に伴い転位の数が減るために、転位ブロック層24の成長途中で転位が減少するのである。つまり、適切に条件が決められた転位ブロック層24は、ある程度の厚みに形成するだけで転位の数を十分に減らし、結晶性を良好にする作用を発揮する。なお、その過程では島状構造の凹凸がそのまま表面に現われたり増大したりすることも考えられるが、そのことは、転位をブロックするためには望ましいことであり、後に平坦化層26を設けて十分な平坦性が得られるため、特段問題となることもない。   Regarding the phenomenon of the growth process of the dislocation block layer 24, the present inventor predicts that the following phenomenon occurs. The dislocation block layer 24 grows while maintaining sufficient coherence with respect to the sapphire crystal plate 10 through the base protective layer 22. At this time, since the irregularities of the island-like structure (FIG. 2) formed on the surface of the base protective layer 22 are reflected, the facets that are minute surfaces of various plane orientations at the initial growth stage of the dislocation block layer 24 are each facet. The growth proceeds by reflecting the difference in the growth rate. In particular, the macroscopic plane orientation of the entire growing AlN layer is the (11-20) plane, but the (10-1-2) plane facet inclined from this plane has a high growth rate. As a result of the fast growth of the facets of the (10-1-2) plane, the growth of the dislocation block layer 24 progresses while burying small islands among the islands of the base protective layer 22, and dislocations that are crystal defects are dislocation block layers 24. It extends diagonally from the normal of the macroscopic surface (perpendicular direction). Since the facets are aggregated by encountering facets from different directions, the number of dislocations decreases along with this aggregation, so that the dislocations decrease during the growth of the dislocation block layer 24. In other words, the dislocation block layer 24 whose conditions are appropriately determined has an effect of sufficiently reducing the number of dislocations and improving the crystallinity by simply forming the dislocation block layer 24 to a certain thickness. In this process, the irregularities of the island-like structure may appear or increase on the surface as it is, which is desirable for blocking dislocations, and a flattening layer 26 is provided later. Since sufficient flatness is obtained, there is no particular problem.

以上のように、サファイア結晶板を使用して、X線ロッキングカーブの(11−20)面に関するピークが半値全幅で620arcsec程度、RMS値が2nm程度という、高い結晶性と高い平坦性を兼ね備えた無極性面方位のAlNバッファー層を実現可能であることか実証された。   As described above, using a sapphire crystal plate, the peak relating to the (11-20) plane of the X-ray rocking curve has both high crystallinity and high flatness with a full width at half maximum of about 620 arcsec and an RMS value of about 2 nm. It has been demonstrated that a nonpolar plane orientation AlN buffer layer is feasible.

転位ブロック層24の成長の際に、転位をブロックする機能の観点から重要な指標は、転位ブロック層24がどの程度の厚みD2となると目的とする程度に貫通転位の数が減少させられるか、である。この転位ブロック層24の厚みD2について好ましい値の範囲を決定するためには、表面形状の細かさを指標付ける何らかの量で長さの次元を持つものが指標とされる。例えば下地保護層の島状構造(図2)を特徴付けるサイズがこの指標のための基準となりうる。   In the growth of the dislocation blocking layer 24, an important index from the viewpoint of the function of blocking dislocations is the thickness D2 of the dislocation blocking layer 24, and the number of threading dislocations can be reduced to the desired level. It is. In order to determine a range of preferable values for the thickness D2 of the dislocation block layer 24, an index having a length dimension in some amount for indexing the fineness of the surface shape is used. For example, the size characterizing the island-like structure of the underlying protective layer (FIG. 2) can be a reference for this indicator.

そこで、転位ブロック層24の厚みD2に応じ結晶性がどのように変化するか調査した。図9には、成長時間を変化させて得られた転位ブロック層24の各サンプルから取得したX線ロッキングカーブのピークの幅(半値全幅)をいくつかの回折ピークについて示す。X線ロッキングカーブを取得したサンプルは、転位ブロック層24を形成し、平坦化層26を形成しないものであり、このサンプルを作製した成長条件は、下地保護層22を基板温度1100℃、V/III比5000で厚み約30nmに形成し、その後に転位ブロック層24を基板温度1200℃、V/III比50の条件で、グラフの横軸に示される成長時間だけMOCVD工程によりエピタキシャル成長させた。各サンプルにおいては下地保護層22のための成膜条件および成長時間以外の転位ブロック層24のための成膜条件は共通している。このため、グラフ横軸の成長時間に対して形成される転位ブロック層24の厚みD2がほぼ比例しており、成長時間10分、30分、60分は、それぞれ約0.3μm、1μm、2μmの厚みD2に相当する。なお、「(002)c」のラベルは回折ピーク(002)のc軸回りのロッキングカーブから得られたピークであることを示す。同様に、「(002)m」は回折ピーク(002)のm軸回り、「(102)」は回折ピーク(102)のものを指す。   Therefore, it was investigated how the crystallinity changes according to the thickness D2 of the dislocation block layer 24. FIG. 9 shows the peak width (full width at half maximum) of the X-ray rocking curve obtained from each sample of the dislocation block layer 24 obtained by changing the growth time for several diffraction peaks. The sample that has acquired the X-ray rocking curve is one in which the dislocation block layer 24 is formed and the planarization layer 26 is not formed. The growth conditions for producing this sample are as follows. The dislocation blocking layer 24 was epitaxially grown by the MOCVD process for the growth time indicated on the horizontal axis of the graph under the conditions of a substrate temperature of 1200 ° C. and a V / III ratio of 50. In each sample, the film forming conditions for the base protective layer 22 and the film forming conditions for the dislocation block layer 24 other than the growth time are common. For this reason, the thickness D2 of the dislocation block layer 24 formed is substantially proportional to the growth time on the horizontal axis of the graph, and the growth times of 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes are about 0.3 μm, 1 μm, and 2 μm, respectively. Corresponds to the thickness D2. The label “(002) c” indicates a peak obtained from a rocking curve around the c-axis of the diffraction peak (002). Similarly, “(002) m” is around the m-axis of the diffraction peak (002), and “(102)” is that of the diffraction peak (102).

この結果から、転位ブロック層24の厚みD2が0.3μmから2μmの範囲で増大するにつれ、その結晶性は概して良好となることが確認された。このため、転位ブロック層24に期待する転位をブロックする機能は、その厚みとともに万全となるといえる。より詳細には、転位ブロック層24の厚みD2が0.3μmから1μmとなると結晶性が大きく改善するのに対し、厚みD2が2μmとなっても結晶性にはさほど変化がみられない。つまり、転位ブロック層24の転位をブロックする機能は、厚みD2が1μm程度まではその厚みとともに増大し、1μm程度の厚みで飽和しそれ以降変化しない、という関係がある。良好な結晶性は下地保護層22の厚みを通じて貫通する結晶欠陥(貫通転位)の密度が低減されていることを意味することから、転位ブロック層24の転位ブロック機能が、実際に1μm程度の厚みで十分に得られることが確認された。このことは、成長時間を短くしても効果を得るためには転位ブロック層24の厚みを1μm程度の厚みに形成することが好ましいことを示すとともに、成長時間に制約を設けない場合には1μm程度を下限としてある程度の余裕をもつ厚みに転位ブロック層24を形成するのが好ましいことを示している。なお、図2A、2BのAFM像に見出せるように、下地保護層22の表面の島状構造は、サブミクロンのサイズで特徴付けすることができるAlN領域の島が多数並んだものである。このように、下地保護層22の島状構造による凹凸の効果が、島を特徴付けるサイズの数倍程度に当たる1μm程度の厚みの転位ブロック層24により解消されること、およびその程度の厚みで転位ブロック機能が飽和することが確認された。下地保護層22上の島を特徴付けるサイズが変化した場合には、それに応じ転位ブロック層24の厚みとして好ましい範囲の下限値を1μm程度から他の値に変更することもできる。   From this result, it was confirmed that the crystallinity generally improved as the thickness D2 of the dislocation blocking layer 24 increased in the range of 0.3 μm to 2 μm. For this reason, it can be said that the function of blocking dislocations expected in the dislocation blocking layer 24 is perfect with the thickness. More specifically, the crystallinity is greatly improved when the thickness D2 of the dislocation blocking layer 24 is changed from 0.3 μm to 1 μm, whereas the crystallinity is not significantly changed even when the thickness D2 is 2 μm. That is, the dislocation blocking function of the dislocation blocking layer 24 has a relationship that the thickness D2 increases with the thickness up to about 1 μm, is saturated with the thickness of about 1 μm, and does not change thereafter. Since good crystallinity means that the density of crystal defects (threading dislocations) penetrating through the thickness of the base protective layer 22 is reduced, the dislocation blocking function of the dislocation blocking layer 24 is actually about 1 μm thick. It was confirmed that it was sufficiently obtained with This indicates that it is preferable to form the dislocation block layer 24 with a thickness of about 1 μm in order to obtain the effect even if the growth time is shortened, and 1 μm when there is no restriction on the growth time. It shows that the dislocation block layer 24 is preferably formed to a thickness with a certain margin with the degree as the lower limit. As can be seen in the AFM images of FIGS. 2A and 2B, the island-like structure on the surface of the base protective layer 22 is composed of a large number of islands in the AlN region that can be characterized by submicron sizes. As described above, the unevenness effect due to the island-like structure of the base protective layer 22 is eliminated by the dislocation block layer 24 having a thickness of about 1 μm, which is about several times the size characterizing the island, and the dislocation block has such a thickness. It was confirmed that the function was saturated. When the size characterizing the island on the base protective layer 22 changes, the lower limit value of the preferable range as the thickness of the dislocation blocking layer 24 can be changed from about 1 μm to another value accordingly.

3段階成膜AlNバッファー層20Tをなす他の層についても、好ましい厚みを決定することができる。下地保護層22は、下地となるサファイア結晶板10の表面が荒れない温度で形成される。その下地保護層22の厚みD1は、サファイア結晶板10の表面の荒れが3段階成膜AlNバッファー層20T全体の表面の粗さを増大させてしまうことのないように決定される。この厚みは非常に薄く、上述した30nmで十分である。また平坦化層26の厚みD3は、平坦化に十分な厚みとして決定することができる。平坦化層が形成される時点においてどの程度の粗さが生じているかはこの厚みD3に依存していることから、転位ブロック層24の表面がある程度凹凸を持ち、平坦化層26を形成した後の3段階成膜AlNバッファー層20Tの表面が平坦化されているなら、平坦化層の厚みD3は適切に設定されていることとなる。   A preferable thickness can be determined for the other layers forming the three-stage AlN buffer layer 20T. The base protective layer 22 is formed at a temperature at which the surface of the sapphire crystal plate 10 serving as a base is not roughened. The thickness D1 of the base protective layer 22 is determined so that the surface roughness of the sapphire crystal plate 10 does not increase the surface roughness of the entire three-stage deposited AlN buffer layer 20T. This thickness is very thin, and the aforementioned 30 nm is sufficient. The thickness D3 of the planarization layer 26 can be determined as a thickness sufficient for planarization. Since how much roughness is generated at the time when the flattening layer is formed depends on this thickness D3, the surface of the dislocation block layer 24 has some unevenness, and after the flattening layer 26 is formed. If the surface of the three-stage AlN buffer layer 20T is flattened, the thickness D3 of the flattened layer is set appropriately.

2.第2実施形態:AlGaN層で作製される素子
次に、本願の第2実施形態である無極性面のAlGaN層の形成手法を説明する。図10に、r−サファイア結晶板10にa面の2段階成膜AlNバッファー層20Dまたは3段階成膜AlNバッファー層20Tを形成した結晶基板1Dまたは1Tの表面上に、無極性面であるa面方位のAlGaN層30を形成した構造を模式的に示す。以下特に断りのない限りAlGaN層やAlNバッファー層はa面方位のものであり、サファイア結晶板はr面方位である。ここでのAlGaN層30は、第1実施形態の2段階成膜AlNバッファー層20Dおよび3段階成膜AlNバッファー層20Tのようなa面方位のAlNバッファー層や、他の無極性面方位のAlN結晶表面をテンプレートとして使用するものである。AlGaN層30は、AlGaN層により作製される素子(例えばLED素子)のために形成されることから、AlGaN層30では素子作製の必要な品質の結晶が形成されることだけではなく、所望のAl組成比が実現される必要がある。
2. Second Embodiment: Element Produced with AlGaN Layer Next, a method for forming an AlGaN layer having a nonpolar surface according to a second embodiment of the present application will be described. FIG. 10 shows a nonpolar plane on the surface of the crystal substrate 1D or 1T on which the a-plane two-step AlN buffer layer 20D or the three-step AlN buffer layer 20T is formed on the r-sapphire crystal plate 10. A structure in which a plane orientation AlGaN layer 30 is formed is schematically shown. Unless otherwise specified, the AlGaN layer and the AlN buffer layer have an a-plane orientation, and the sapphire crystal plate has an r-plane orientation. Here, the AlGaN layer 30 is formed of an aN-oriented AlN buffer layer, such as the two-stage deposited AlN buffer layer 20D and the three-stage deposited AlN buffer layer 20T of the first embodiment, or other nonpolar plane-oriented AlN. The crystal surface is used as a template. Since the AlGaN layer 30 is formed for an element (for example, an LED element) manufactured by the AlGaN layer, the AlGaN layer 30 is not only formed with crystals of a quality necessary for element manufacturing but also desired Al A composition ratio needs to be realized.

2−1.平坦性
図10に示したAlGaN層30の成膜条件を決定するため、成長温度を比較的高めである1200〜1400℃の範囲で変更し、V/III比も2.5〜250の範囲で変更して実験を行った。各サンプルは、転位ブロック層24を採用しない2段階成膜AlNバッファー層20D(図1)を利用して形成した。なお、AlGaN層の通常の成長温度は1200℃未満である。
2-1. Flatness In order to determine the film forming conditions of the AlGaN layer 30 shown in FIG. 10, the growth temperature is changed within a relatively high range of 1200 to 1400 ° C., and the V / III ratio is also within a range of 2.5 to 250. Experiments were performed with changes. Each sample was formed using a two-stage deposited AlN buffer layer 20D (FIG. 1) that does not employ the dislocation block layer 24. The normal growth temperature of the AlGaN layer is less than 1200 ° C.

図11Aおよび11Bは、それぞれ成長温度を1200℃および1300℃と変更してV/III比を25として成膜したAlGaN層30(厚み約2μm)の最表面を撮影したSEM像である。AlGaN層30を無極性面の方位で形成する場合において比較的高温(1300℃またはそれ以上、図11B)の成長温度にて、平坦な表面が実現できることが確認された。すなわち、図11Aのように1200℃の成長温度では、(1−101)面のファセットが多数出現し、それにより表面が荒れる現象が観察された。この荒れは、特にAl組成が小さい条件ほど甚だしいものであった。これに対し、1300℃の条件では、Al組成を高める材料供給比の全範囲で、平坦な表面を形成することができた。   11A and 11B are SEM images obtained by photographing the outermost surface of the AlGaN layer 30 (thickness: about 2 μm) formed by changing the growth temperature to 1200 ° C. and 1300 ° C. and setting the V / III ratio to 25, respectively. In the case where the AlGaN layer 30 is formed in a nonpolar plane orientation, it was confirmed that a flat surface can be realized at a growth temperature of a relatively high temperature (1300 ° C. or higher, FIG. 11B). That is, as shown in FIG. 11A, at the growth temperature of 1200 ° C., a large number of facets on the (1-101) plane appeared and the phenomenon that the surface was roughened was observed. This roughness was particularly severe as the Al composition was small. On the other hand, under the condition of 1300 ° C., a flat surface could be formed over the entire range of the material supply ratio that increases the Al composition.

2−2.AlN混晶組成比の制御
Al組成の制御を目的に、アルミニウムとガリウムの原料ガス(トリメチルアルミニウム(TMAl)とトリメチルガリウム(TMGa))の材料供給比を変更したところ、それのみではAl組成の制御が難しいことが判明した。図12は、成長温度を1300℃、NH流量を100sccmにともに固定し、TMAlとTMGaの材料供給比を変更した条件で成膜した膜にて得られたAlN混晶組成比を示すグラフである。横軸はTMAlとTMGaの合計流量に対するTMAlの流量であり、縦軸はAl混晶組成比である。流量による材料供給比を大きく変化させたにもかかわらずAl混晶組成比にはその変化が反映されない原因として、1300℃等の高温の環境では高い蒸気圧のためにGaの脱離が支配的なためではないかと本発明者は考えた。
2-2. Control of AlN mixed crystal composition ratio For the purpose of controlling Al composition, the material supply ratio of aluminum and gallium source gas (trimethylaluminum (TMAl) and trimethylgallium (TMGa)) was changed. Turned out to be difficult. FIG. 12 is a graph showing the AlN mixed crystal composition ratio obtained in a film formed under the conditions that the growth temperature is fixed at 1300 ° C. and the NH 3 flow rate is fixed at 100 sccm and the material supply ratio of TMAl and TMGa is changed. is there. The horizontal axis is the flow rate of TMAl with respect to the total flow rate of TMAl and TMGa, and the vertical axis is the Al mixed crystal composition ratio. As a reason why the Al mixed crystal composition ratio is not reflected in spite of a large change in the material supply ratio depending on the flow rate, Ga desorption is dominant due to high vapor pressure in a high temperature environment such as 1300 ° C. The inventor thought that this was because of this.

より具体的には、材料の離脱が無視できる低温の条件では、Al組成比xは次の式にて与えられる。
これに対し、高温でGaの脱離が顕著となると、
との関係式によってAl組成比xが与えられる。図13は、材料供給比とAl組成比xの関係を、それぞれ、Ga脱離が無視できる場合(図13A)と顕著な場合(図13B)で示す理論計算値のグラフである。Ga脱離が無視できる場合にはAl組成比xは材料供給比に概ね比例するように変化するのに対し、Ga脱離が顕著な場合、Al組成比xは材料供給比がごく小さい値の範囲すなわち横軸が0.2程度までの範囲で急増しその後に緩慢に変化する。このため、Ga脱離が顕著な場合、材料供給比の条件変更によりAl組成比xを制御する変化は、ごく小さい材料供給比の領域では敏感すぎ、その領域を越すと鈍感すぎる。
More specifically, the Al composition ratio x is given by the following equation under a low temperature condition in which the detachment of the material is negligible.
On the other hand, when Ga desorption becomes significant at high temperature,
The Al composition ratio x is given by the relational expression. FIG. 13 is a graph of theoretical calculation values showing the relationship between the material supply ratio and the Al composition ratio x when Ga desorption can be ignored (FIG. 13A) and when it is remarkable (FIG. 13B). When Ga desorption is negligible, the Al composition ratio x changes so as to be approximately proportional to the material supply ratio. On the other hand, when Ga desorption is significant, the Al composition ratio x has a very small material supply ratio. The range, that is, the horizontal axis rapidly increases in the range up to about 0.2, and then slowly changes. For this reason, when Ga desorption is significant, a change in controlling the Al composition ratio x by changing the condition of the material supply ratio is too sensitive in a region where the material supply ratio is very small, and too insensitive beyond that region.

そこで、Gaの脱離に対応した組成比の制御を実現するため平衡論に基づいて解析をおこなった。反応に関与する分子種に対応して気相/固相界面におけるAlNの成長反応は、
Al(g)+NH(g)=AlN(s)+3/2H(g)
と表現される。同様に、GaNの成長反応も、
Ga(g)+NH(g)=GaN(s)+3/2H(g)
と表現される。質量作用の法則により反応速度が計算され、III−NつまりAlNまたはGaNに対し共通して
の関係で表現される。ただしaIII−NはIII−NつまりAlNまたはGaNそれぞれの活量であり、Pは添え字にて示される材質の分圧である。平衡定数Kは一定に保たれるから、NH分圧PNH3を高めれば成長反応における平衡が右に偏りGaは離脱しにくくなるといえる。つまり、脱離が少ないAlと脱離しやすいGaとの間での組成比を調整するためにPNH3を制御することが有効と見込める。
Therefore, in order to realize the control of the composition ratio corresponding to Ga desorption, the analysis was performed based on the equilibrium theory. The growth reaction of AlN at the gas phase / solid phase interface corresponding to the molecular species involved in the reaction is
Al (g) + NH 3 (g) = AlN (s) + 3 / 2H 2 (g)
It is expressed. Similarly, the growth reaction of GaN is
Ga (g) + NH 3 (g) = GaN (s) + 3 / 2H 2 (g)
It is expressed. The reaction rate is calculated by the law of mass action and is common to III-N, that is, AlN or GaN.
It is expressed by the relationship. Where a III-N is the activity of III-N, that is, AlN or GaN, and P is the partial pressure of the material indicated by the subscript. Since the equilibrium constant K is kept constant, it can be said that if the NH 3 partial pressure P NH3 is increased, the equilibrium in the growth reaction is biased to the right and Ga is less likely to leave. That is, it is expected that it is effective to control PNH3 in order to adjust the composition ratio between Al with little desorption and Ga that is easily desorbed.

上述した解析を踏まえ、V/III比の制御によりNH分圧PNH3を変化させる実験を行った。図14は、Al組成比をNH供給量に対し示すグラフである。成長温度は1300℃に固定し、TMAl、TMGaの比をはじめ他の条件も一定とした。図14のグラフに明瞭に示されるように、縦軸に示すAl混晶組成比は、横軸に示すNH供給量に対し明確な折れ線状の依存性を示した。具体的には、NH供給量が100sccm以下の低V/III比の領域においては、Gaの脱離が抑制できず高いAlN組成比のまま一定となった。これに対し、100sccmを越すNH供給量の高V/III比の領域では、NH供給量を増大させるにしたがってAl組成比が低下した。NH供給量を調整するのみにて所望のAl組成比に調整できる制御性は、AlGaN組成での素子を作製する工程、とりわけAl組成比を変調することにより量子井戸構造を形成する結晶成長工程において極めて有用なものとなる。 Based on the analysis described above, an experiment was conducted in which the NH 3 partial pressure P NH3 was changed by controlling the V / III ratio. FIG. 14 is a graph showing the Al composition ratio with respect to the NH 3 supply amount. The growth temperature was fixed at 1300 ° C., and other conditions including the ratio of TMAl and TMGa were also constant. As clearly shown in the graph of FIG. 14, the Al mixed crystal composition ratio shown on the vertical axis showed a clear polygonal line dependency on the NH 3 supply amount shown on the horizontal axis. Specifically, in the low V / III ratio region where the NH 3 supply amount is 100 sccm or less, Ga desorption cannot be suppressed, and the AlN composition ratio remains constant. On the other hand, in the region of the high V / III ratio of the NH 3 supply amount exceeding 100 sccm, the Al composition ratio decreased as the NH 3 supply amount was increased. Controllability that can be adjusted to a desired Al composition ratio simply by adjusting the NH 3 supply amount is a process for producing an element with an AlGaN composition, particularly a crystal growth process for forming a quantum well structure by modulating the Al composition ratio. Is extremely useful.

なお、NH供給量によるAl組成比の制御は、TMAlとTMGaの材料供給比の制御と組み合わせることもできる。高温の場合であっても、図13Bのような制御が難しい依存性から図13Aのような、材料供給比による制御が容易な依存性へと変化させるためには、十分な量のNHを供給すればよいからである。つまり、Al組成比を変調する量子井戸構造を形成する結晶成長工程を、例えば1200℃を越す温度のMOCVD法にて平坦性を確保しつつ成長させるものとする。この条件でのMOCVD法において、原料ガスにおけるアンモニアガス分圧を十分な量に増大させれば、材料供給比に応じて成膜後のAl組成比を制御することができる。 The control of the Al composition ratio by the NH 3 supply amount can be combined with the control of the material supply ratio of TMAl and TMGa. Even in the case of high temperature, a sufficient amount of NH 3 is required to change from the dependency that is difficult to control as shown in FIG. 13B to the dependency that is easily controlled by the material supply ratio as shown in FIG. 13A. This is because it may be supplied. That is, the crystal growth process for forming the quantum well structure that modulates the Al composition ratio is grown while ensuring flatness, for example, by MOCVD at a temperature exceeding 1200 ° C. In the MOCVD method under these conditions, if the ammonia gas partial pressure in the source gas is increased to a sufficient amount, the Al composition ratio after film formation can be controlled in accordance with the material supply ratio.

次に、図11Bに示した高温成膜での平坦な表面が異なるAl組成比でも得られるかどうかを再確認する表面観察を行った。量子井戸を形成する素子で平坦な表面が成長途中に得られれば、量子井戸層の界面が平滑となって、高温成膜で形成した無極性面方位AlGaNの使用可否に対し平坦性が指標となるためである。図15は、1300℃、V/III比100:1、Al組成比xを、バリアで0.5、ウエルで0.4に一致させる成膜条件にて、厚み1.5μmとなるよう形成したAlGaN層30の表面のAFM像である。図15のAFM像は5μm×5μmの領域で取得された。図示するように、比較的平坦な無極性面方位AlGaNが形成され、計測されたRMS値は、7.1nmであった。   Next, surface observation was performed to reconfirm whether or not the flat surface in the high-temperature film formation shown in FIG. 11B can be obtained even with different Al composition ratios. If a flat surface is obtained during growth in the element forming the quantum well, the interface of the quantum well layer becomes smooth, and flatness is an index for the availability of nonpolar plane orientation AlGaN formed by high temperature film formation. It is to become. In FIG. 15, the film was formed to have a thickness of 1.5 μm under film forming conditions in which 1300 ° C., a V / III ratio of 100: 1, and an Al composition ratio x matched 0.5 with a barrier and 0.4 with a well. 2 is an AFM image of the surface of an AlGaN layer 30. The AFM image in FIG. 15 was acquired in an area of 5 μm × 5 μm. As shown in the drawing, a relatively flat nonpolar plane orientation AlGaN was formed, and the measured RMS value was 7.1 nm.

以上のように、良好な平坦性を示すAlGaN層30が、2段階成膜AlNバッファー層20Dを利用して実際に形成された。また、3段階成膜AlNバッファー層20Tの形成条件と矛盾しない方法にて、AlGaN層30のAl組成比を制御する手法を見出した。なお、実験で確認されたAlGaN層30は転位ブロック層24を採用しない2段階成膜のAlNバッファー層20Dによるものであったが、転位ブロック層24を採用する無極性面の3段階成膜AlNバッファー層20Tをテンプレートとして無極性面AlGaNを形成しても同様の平坦性と、より良好な結晶性が実現しうるものと期待できる。   As described above, the AlGaN layer 30 exhibiting good flatness was actually formed using the two-stage deposited AlN buffer layer 20D. In addition, the inventors have found a method of controlling the Al composition ratio of the AlGaN layer 30 by a method that is consistent with the formation conditions of the three-stage AlN buffer layer 20T. The AlGaN layer 30 confirmed in the experiment was due to the two-stage AlN buffer layer 20D that does not employ the dislocation block layer 24, but the non-polar plane three-layer AlN that employs the dislocation block layer 24. Even if nonpolar plane AlGaN is formed using the buffer layer 20T as a template, the same flatness and better crystallinity can be expected.

2−3.紫外発光動作の確認および紫外発光素子の構造
本発明者は、上述した結晶成長法を利用して作製した量子井戸構造から紫外発光が実現することを実験により確認した。実験で作製した量子井戸構造を持つサンプル(発光動作確認サンプル)は、サファイア結晶板の面に形成された無極性AlNバッファー層を備える結晶基板を利用して平坦な界面を持つ無極性面AlGaNを形成し、その無極性面AlGaNの組成を変調することにより量子井戸構造を作製したものである。発光動作確認サンプルは紫外発光の特性を通じ作製した結晶や量子井戸構造の形成特性を確認する目的のものであり、発光ダイオード(LED)のための完全な構造は持たないものである。
2-3. Confirmation of Ultraviolet Light Emission Operation and Structure of Ultraviolet Light Emitting Element The present inventor has confirmed by experiments that ultraviolet light emission is realized from a quantum well structure fabricated using the above-described crystal growth method. The sample with a quantum well structure (light emission operation confirmation sample) produced in the experiment is a nonpolar surface AlGaN having a flat interface using a crystal substrate having a nonpolar AlN buffer layer formed on the surface of a sapphire crystal plate. The quantum well structure is fabricated by forming and modulating the composition of the nonpolar plane AlGaN. The light emission operation confirmation sample is for the purpose of confirming the formation characteristics of the crystal or quantum well structure produced through the characteristics of ultraviolet light emission, and does not have a complete structure for a light emitting diode (LED).

図16は、本実施形態で提供される紫外発光ダイオード1000の構造を示す模式図であり、図16Aは斜視図、図16Bは概略断面図である。紫外発光ダイオード1000では、概して平板状のα−Al単結晶であり無極性面であるr面方位を持つサファイア結晶板110の一方の面114にAlNバッファー層120が、2段階成膜AlNバッファー層20D(図1)または3段階成膜AlNバッファー層20T(図7)と同様にa面方位となるようにエピタキシャル成長される。こうして結晶基板101が製造される。この結晶基板101は結晶基板1D(図1)と同様の構造を持つ。AlGaN層30(図10)にて確認したNHによるAl組成比の制御手法を適用することにより各層の組成を制御した紫外発光層130が結晶基板101の最表面のAlNバッファー層120に接して配置される。紫外発光層130の結晶もAlNバッファー層120に対しエピタキシャル成長されている。紫外発光層130の構成は、AlNバッファー層120の側から、n型導電層132、再結合層134、およびp型導電層136が順に積層し形成されている。紫外発光層130の材質は、典型的にはAlGaNまたはそれに微量元素(n型のためにはSi、p型のためにはMgなど)をドーピングした組成である。n型導電層132には第1電極140が電気的に接続されている。他方、p型導電層136には、p型コンタクト層150、さらに第2電極として作用させる反射電極160が配置される。反射電極160は反射性を示しオーミックコンタクトを確立する必要に応じ多層膜とされることがある。p型コンタクト層150を介し、p型導電層136との電気的接続が確立される。そして、サファイア結晶板110の他方の面である光取出し面112から光出力Lが放射される。 FIG. 16 is a schematic view showing the structure of the ultraviolet light emitting diode 1000 provided in the present embodiment, FIG. 16A is a perspective view, and FIG. 16B is a schematic sectional view. In the ultraviolet light-emitting diode 1000, the AlN buffer layer 120 is formed in two stages on one surface 114 of a sapphire crystal plate 110 having a r-plane orientation that is a generally flat α-Al 2 O 3 single crystal and a nonpolar surface. Similar to the AlN buffer layer 20D (FIG. 1) or the three-stage deposited AlN buffer layer 20T (FIG. 7), it is epitaxially grown so as to have an a-plane orientation. Thus, the crystal substrate 101 is manufactured. The crystal substrate 101 has the same structure as the crystal substrate 1D (FIG. 1). The ultraviolet light emitting layer 130 in which the composition of each layer is controlled by applying the control method of the Al composition ratio by NH 3 confirmed in the AlGaN layer 30 (FIG. 10) is in contact with the AlN buffer layer 120 on the outermost surface of the crystal substrate 101. Be placed. The crystal of the ultraviolet light emitting layer 130 is also epitaxially grown with respect to the AlN buffer layer 120. The ultraviolet light emitting layer 130 is configured such that an n-type conductive layer 132, a recombination layer 134, and a p-type conductive layer 136 are sequentially stacked from the AlN buffer layer 120 side. The material of the ultraviolet light emitting layer 130 is typically a composition doped with AlGaN or a trace element (Si for n-type, Mg for p-type, etc.). A first electrode 140 is electrically connected to the n-type conductive layer 132. On the other hand, the p-type conductive layer 136 is provided with a p-type contact layer 150 and a reflective electrode 160 that acts as a second electrode. The reflective electrode 160 is reflective and may be a multilayer film as necessary to establish ohmic contact. Electrical connection with the p-type conductive layer 136 is established via the p-type contact layer 150. Then, the light output L is radiated from the light extraction surface 112 which is the other surface of the sapphire crystal plate 110.

AlNバッファー層120は、好ましくは3段階成膜AlNバッファー層20Tと同様の転位ブロック層24を含めて高い結晶性を持つものとするが、2段階成膜AlNバッファー層20Dのように転位ブロック層24を形成せずに下地保護層22と平坦化層26のみとしても紫外発光層130の良好な量子井戸構造を形成することができる。AlNバッファー層120は例えば2〜3μm程度の厚みに作製される。紫外発光層130についてn型導電層132は、例えばn型になるようSiがドーピングされたAl0.60Ga0.40Nの層、つまりAl0.60Ga0.40N;Si層である。再結合層134は、Al0.60Ga0.40NとAl0.53Ga0.47Nの組成の薄膜を超格子構造となるように積層したMQW(多重量子井戸)積層体であり、再結合層134における量子井戸の数は例えば3程度とする。p型導電層136は、AlGaN;Mg層、つまりp型となるようにMgをドープしたAlGaNの層である。本実施形態の紫外発光ダイオード1000では、p型導電層136に任意選択として電子ブロック層138が設けられていてもよい。その場合の電子ブロック層138は例えばMQBにより構成される。p型コンタクト層150は、たとえばマグネシウムをドープした窒化ガリウムであるGaN;MgやAlを含む材質、つまり、AlNとGaNとの混晶(AlGaN)の材質にMgをドープした材質である。第1電極140は、下地側からNi/Auの積層構造の金属電極である。このNiは、オーミックコンタクトを実現するためにAuとその下地の半導体層との間に挿入されている例えば25nm厚の薄い層である。本実施形態のためには以上の構造を持つ紫外発光ダイオード1000が作製される。 The AlN buffer layer 120 preferably has a high crystallinity including the dislocation block layer 24 similar to the three-stage deposited AlN buffer layer 20T. However, the AlN buffer layer 120 has a dislocation block layer like the two-stage deposited AlN buffer layer 20D. Even if only the base protective layer 22 and the planarizing layer 26 are formed without forming the layer 24, a good quantum well structure of the ultraviolet light emitting layer 130 can be formed. The AlN buffer layer 120 is formed to a thickness of about 2 to 3 μm, for example. For the ultraviolet light emitting layer 130, the n-type conductive layer 132 is, for example, an Al 0.60 Ga 0.40 N layer doped with Si so as to be n-type, that is, Al 0.60 Ga 0.40 N; Si layer. . The recombination layer 134 is an MQW (multiple quantum well) stack in which thin films having a composition of Al 0.60 Ga 0.40 N and Al 0.53 Ga 0.47 N are stacked so as to have a superlattice structure. The number of quantum wells in the recombination layer 134 is about 3, for example. The p-type conductive layer 136 is an AlGaN; Mg layer, that is, an AlGaN layer doped with Mg so as to be p-type. In the ultraviolet light emitting diode 1000 of this embodiment, an electron blocking layer 138 may be optionally provided on the p-type conductive layer 136. In this case, the electron block layer 138 is made of, for example, MQB. The p-type contact layer 150 is made of, for example, GaN which is gallium nitride doped with magnesium; a material containing Mg or Al, that is, a material obtained by doping Mg into a mixed crystal (AlGaN) material of AlN and GaN. The first electrode 140 is a metal electrode having a Ni / Au laminated structure from the base side. This Ni is a thin layer having a thickness of, for example, 25 nm inserted between Au and the underlying semiconductor layer in order to realize ohmic contact. For this embodiment, an ultraviolet light emitting diode 1000 having the above structure is manufactured.

紫外発光動作の確認のための発光動作確認サンプルでは、紫外発光ダイオード1000の構造のうち紫外発光層130までが作製されているものの、n型導電層132についてSiのドーピングを省略したAl0.60Ga0.40Nの層とした。再結合層134はMQW(多重量子井戸)積層体まで含めて上述したとおり量子井戸も含めて作製した。そして、p型導電層136、電子ブロック層138、および電極は作製を省略した。図17は、作製した発光動作確認サンプルから得られた複数の励起光強度における室温でのフォトルミネッセンス発光スペクトルである。図17に示されるように、発光動作確認サンプルからは、無極性面方位のAlGaN組成で作製された量子井戸構造からのUV−C領域発光が実際に観測され、ピーク波長は約287nmであった。そして、いくつかの励起光強度における発光挙動は、発光強度が励起光強度に応じ変化したものの、発光スペクトルの波長分布にも、ピーク波長にもシフトや変化は見られなかった。このようなUV−C波長域での無極性AlGaN組成の特徴が現われた発光はこれまで報告されていない。本発明者は、紫外発光ダイオード1000の特性を確認するために作製した発光動作確認サンプルでは、無極性AlGaNの量子井戸において、無極性面方位を採用する狙い通りの発光が実際に生じ、狙い通りの量子井戸構造が作製されたものと考えている。 In the light emission operation confirmation sample for confirming the ultraviolet light emission operation, up to the ultraviolet light emission layer 130 of the structure of the ultraviolet light emitting diode 1000 is manufactured, but Al 0.60 in which Si doping is omitted from the n-type conductive layer 132. It was set as the layer of Ga0.40N . The recombination layer 134 was manufactured including the quantum well as described above including the MQW (multiple quantum well) stack. The p-type conductive layer 136, the electron block layer 138, and the electrode were omitted. FIG. 17 is a photoluminescence emission spectrum at room temperature at a plurality of excitation light intensities obtained from the produced light emission operation confirmation sample. As shown in FIG. 17, from the light emission operation confirmation sample, UV-C region emission was actually observed from a quantum well structure made of an AlGaN composition with a nonpolar plane orientation, and the peak wavelength was about 287 nm. . The emission behavior at several excitation light intensities did not change or change in the wavelength distribution of the emission spectrum nor the peak wavelength, although the emission intensity changed according to the excitation light intensity. The light emission in which the characteristics of the nonpolar AlGaN composition in the UV-C wavelength region have not been reported so far. In the light emission operation confirmation sample prepared for confirming the characteristics of the ultraviolet light emitting diode 1000, the inventor actually produced light emission as intended using a nonpolar plane orientation in a non-polar AlGaN quantum well. It is thought that the quantum well structure was fabricated.

2−4.変形例1:AlN結晶の基板
第2実施形態の変形例1として、上述したサファイア結晶板110に代え、a面方位のAlN結晶の基板を採用することもできる。サファイア結晶板110を採用する場合におけるすべての説明は、AlN結晶の基板を採用する本変形例についても適用される。この変形例では、AlNバッファー層120が省略される場合がある。変形例1のための紫外発光層130は図16のものと同様にAlGaNによりエピタキシャル成長により作製され、基板またはバッファー層(利用される場合)のr−AlN結晶に接して配置される。AlN結晶の基板を利用する場合であっても、NH供給量によりAlGaNでのAl組成比を制御することの有効性が同様に期待できる。
2-4. Modification 1: AlN Crystal Substrate As a first modification of the second embodiment, an aN-plane AlN crystal substrate may be employed instead of the sapphire crystal plate 110 described above. All the explanations in the case of employing the sapphire crystal plate 110 are also applied to this modification example employing an AlN crystal substrate. In this modification, the AlN buffer layer 120 may be omitted. The ultraviolet light emitting layer 130 for Modification 1 is formed by epitaxial growth of AlGaN as in FIG. 16, and is disposed in contact with the r-AlN crystal of the substrate or buffer layer (if used). Even when an AlN crystal substrate is used, the effectiveness of controlling the Al composition ratio in AlGaN by the NH 3 supply amount can be similarly expected.

3.各実施形態の変形例2:電気機器への適用
第2実施形態の紫外発光ダイオード1000の特徴を持ち効率が高められた紫外線の放出源は、それを用いる電気機器の有用性をも高める。このような電気機器は任意であり特段限定されない。そのような電気機器の非限定的な例を挙げれば、殺菌装置、浄水装置、化学物質の分解装置(排ガス浄化装置等を含む)、情報記録・再生装置、等が含まれている。これら電気機器を動作させる際には、効率が高い紫外線の放出源が得られれば、動作のための電力が抑制できて環境負荷が低下しランニングコストも抑制される。また、放出源の効率が高まれば、これら電気機器の構成において放出源自体の数を抑制できるばかりか、放熱構造や駆動電源の構成等も簡素化される。これらは、電気機器の小型化・軽量化に寄与し、機器価格も抑制される。
3. Modified Example 2 of Each Embodiment: Application to Electric Equipment The ultraviolet emission source having the characteristics of the ultraviolet light emitting diode 1000 of the second embodiment and improved efficiency also increases the usefulness of electric equipment using the same. Such an electrical device is arbitrary and not particularly limited. Non-limiting examples of such electrical equipment include sterilization devices, water purification devices, chemical substance decomposition devices (including exhaust gas purification devices), information recording / reproducing devices, and the like. When operating these electric devices, if an ultraviolet radiation source with high efficiency is obtained, power for operation can be suppressed, environmental load is reduced, and running cost is also suppressed. In addition, if the efficiency of the emission source is increased, not only the number of emission sources themselves can be suppressed in the configuration of these electric devices, but also the heat dissipation structure, the configuration of the drive power source, and the like are simplified. These contribute to the reduction in size and weight of electrical equipment, and the equipment price is also suppressed.

4.まとめ
本発明の第1実施形態では無極性面でのAlNバッファー層関連技術が提供される。無極性面のAlNバッファー層は、r−サファイア結晶板の表面に、その表面の荒れを抑え、平坦化された表面を持つように形成した結晶基板を実現することができた。さらに必要に応じ結晶転位をブロックしうることも確認された。また、第2実施形態では、無極性AlGaN層関連技術が提供される。無極性AlGaN層は、Al組成比をNH流量に応じて制御できることを確認した。さらに、無極性AlGaNによる量子井戸構造の紫外発光素子を実際に作製し、UV−C領域での発光を確認した。これらの技術は紫外発光素子、とりわけ実用的な無極性DUVLEDを実現する上での重要な技術となる。
4). Summary In the first embodiment of the present invention, a technology related to an AlN buffer layer on a nonpolar surface is provided. The nonpolar AlN buffer layer was able to realize a crystal substrate formed on the surface of the r-sapphire crystal plate so as to suppress the surface roughness and to have a flattened surface. It was also confirmed that crystal dislocations can be blocked as necessary. In the second embodiment, a non-polar AlGaN layer related technology is provided. It was confirmed that the nonpolar AlGaN layer can control the Al composition ratio according to the NH 3 flow rate. Further, an ultraviolet light emitting element having a quantum well structure made of nonpolar AlGaN was actually fabricated, and light emission in the UV-C region was confirmed. These techniques are important techniques for realizing an ultraviolet light emitting element, particularly a practical nonpolar DUVLED.

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態のほかの組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。   The embodiment of the present invention has been specifically described above. Each of the above-described embodiments and configuration examples are described for explaining the invention, and the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. Moreover, the modification which exists in the scope of the present invention including other combinations of each embodiment is also included in a claim.

本発明の結晶基板は、それを利用して結晶成長をするための有用な部材となる。また、本発明の紫外発光素子は紫外線を生成する任意の電気機器に利用可能である。   The crystal substrate of the present invention is a useful member for crystal growth using it. Moreover, the ultraviolet light-emitting device of the present invention can be used for any electrical device that generates ultraviolet light.

1D、1T、101 結晶基板
1000 紫外発光ダイオード(紫外発光素子)
112 光取出し面
114 サファイア結晶板の一方の面
10、110 r−サファイア結晶板
20D、120 2段階成膜AlNバッファー層
20T 3段階成膜AlNバッファー層
22 下地保護層
24 転位ブロック層
26 平坦化層
30 AlGaN層
130 紫外発光層
132 n型導電層
134 再結合層
136 p型導電層
138 電子ブロック層
140 第1電極
150 p型コンタクト層
160 反射電極
1D, 1T, 101 Crystal substrate 1000 Ultraviolet light emitting diode (ultraviolet light emitting element)
112 Light extraction surface 114 One surface of sapphire crystal plate 10, 110 r-sapphire crystal plate 20D, 120 Two-stage film formation AlN buffer layer 20T Three-stage film formation AlN buffer layer 22 Underlayer protection layer 24 Dislocation block layer 26 Planarization layer 30 AlGaN layer 130 UV light emitting layer 132 n-type conductive layer 134 recombination layer 136 p-type conductive layer 138 electron block layer 140 first electrode 150 p-type contact layer 160 reflective electrode

Claims (24)

r面方位を持つサファイア結晶板と、
該サファイア結晶板の表面の少なくとも一部を覆い、無極性面となる面方位を持つAlNバッファー層と
を備える結晶基板であって、
該AlNバッファー層は、いずれもAlN結晶のエピタキシャル成長層である下地保護層および平坦化層を前記サファイア結晶板の側からこの順に含んでおり、
該下地保護層は、前記AlNバッファー層の表面の粗さの増大を抑制するためのものであり、
前記平坦化層は、平坦化された表面を前記AlNバッファー層の表面のために提供するためのものである、
結晶基板。
a sapphire crystal plate having an r-plane orientation;
A crystal substrate that covers at least a part of the surface of the sapphire crystal plate and has an AlN buffer layer having a plane orientation to be a nonpolar plane,
The AlN buffer layer includes a base protective layer and a planarization layer, both of which are epitaxially grown AlN crystals, in this order from the sapphire crystal plate side.
The base protective layer is for suppressing an increase in surface roughness of the AlN buffer layer,
The planarization layer is for providing a planarized surface for the surface of the AlN buffer layer;
Crystal substrate.
前記AlNバッファー層は、AlN結晶のエピタキシャル成長層である転位ブロック層を前記下地保護層および前記平坦化層の間に含んでおり、
該転位ブロック層は、前記AlNバッファー層の結晶欠陥の数を減じるための厚みを持っているものである
請求項1に記載の結晶基板。
The AlN buffer layer includes a dislocation block layer, which is an epitaxially grown layer of AlN crystal, between the base protective layer and the planarization layer,
The crystal substrate according to claim 1, wherein the dislocation block layer has a thickness for reducing the number of crystal defects in the AlN buffer layer.
前記平坦化層は、その表面の少なくとも一部が、10nm以下の平均自乗粗さを示すものである、
請求項1に記載の結晶基板、
ただし、平均自乗粗さ:Rq=(Σ(z−zave1/2/N、
ここで、N:測定エリアに含まれる測定点の総数、
:インデックスiにより区別される測定エリア中の測定点の高さ値、
ave:測定エリア中のz値の平均値、および
Σ:インッデックスiに渡る和演算記号。
The planarization layer has at least a part of its surface exhibiting an average square roughness of 10 nm or less.
The crystal substrate according to claim 1,
However, the mean square roughness: Rq = (Σ i (z i -z ave ) 2 ) 1/2 / N,
Here, N: the total number of measurement points included in the measurement area,
z i : height value of the measurement point in the measurement area distinguished by the index i,
z ave : average value of z i values in the measurement area, and Σ i : sum operation symbol over index i.
前記下地保護層はその表面が島状構造を持っており、前記転位ブロック層の厚みが該島状構造を埋めるものである、
請求項2に記載の結晶基板。
The surface protective layer has an island-like surface, and the dislocation block layer has a thickness filling the island-like structure.
The crystal substrate according to claim 2.
前記転位ブロック層の前記厚みが1μm以上であり、
前記AlNバッファー層を通じて前記平坦化された表面にまで達する貫通転位の密度が前記転位ブロック層により低減されている
請求項2に記載の結晶基板。
The thickness of the dislocation block layer is 1 μm or more;
The crystal substrate according to claim 2, wherein a density of threading dislocations reaching the planarized surface through the AlN buffer layer is reduced by the dislocation block layer.
前記AlNバッファー層は、(11−20)面のc軸方向についてωスキャンモードのX線ロッキングカーブにおけるピークが1000arcsec以下の半値全幅をもつ結晶性を示すものである、
請求項2に記載の結晶基板。
The AlN buffer layer exhibits crystallinity having a full width at half maximum with a peak in the X-ray rocking curve in the ω scan mode of 1000 arcsec or less in the c-axis direction of the (11-20) plane.
The crystal substrate according to claim 2.
無極性AlN表面を持つ結晶基板と、
該無極性AlN表面の少なくとも一部の上に配置され、いずれもIII族窒化物半導体結晶からなるn型導電層、再結合層、およびp型導電層が該結晶基板の側からこの順に配置されているエピタキシャル成長層であり、無極性面となる面方位を持つ紫外発光層と、
前記p型導電層に接してまたは他の層を介して配置され、前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射UVに対し反射性を示す反射電極と
を備えている、無極性結晶基板を採用する紫外発光素子。
A crystal substrate having a nonpolar AlN surface;
An n-type conductive layer, a recombination layer, and a p-type conductive layer, all of which are made of a group III nitride semiconductor crystal, are arranged in this order from the crystal substrate side. An ultraviolet light emitting layer having a plane orientation to be a nonpolar plane,
Adopting a nonpolar crystal substrate, which is disposed in contact with the p-type conductive layer or through another layer, and has a reflective electrode that is reflective to radiation UV, which is ultraviolet light emitted from the ultraviolet light emitting layer. Ultraviolet light emitting device.
前記III族窒化物半導体結晶は、AlNとGaNを含む混晶で互いに組成比が異なる複数の層を含み、1200℃を越す温度のMOCVD法にて平坦性を確保しつつ成長されたものであり、
前記組成比が、前記MOCVD法の原料ガスにおけるアンモニアガス分圧を増加または減少させることにより制御されたものである、
請求項7に記載の紫外発光素子。
The group III nitride semiconductor crystal is a mixed crystal containing AlN and GaN, and includes a plurality of layers having different composition ratios, and is grown while ensuring flatness by MOCVD at a temperature exceeding 1200 ° C. ,
The composition ratio is controlled by increasing or decreasing the ammonia gas partial pressure in the raw material gas of the MOCVD method.
The ultraviolet light-emitting device according to claim 7.
前記III族窒化物半導体結晶は、AlNとGaNを含む混晶で互いに組成比が異なる複数の層を含み、1200℃を越す温度のMOCVD法にて平坦性を確保しつつ成長されたものであり、
前記組成比が、前記温度においてアルミニウムとガリウムの原料ガスの材料供給比による前記組成比の変調が可能となるよう前記MOCVD法の原料ガスにおけるアンモニアガス分圧を増大させた条件で、該材料供給比を変更することにより制御されたものである
請求項7に記載の紫外発光素子。
The group III nitride semiconductor crystal is a mixed crystal containing AlN and GaN, and includes a plurality of layers having different composition ratios, and is grown while ensuring flatness by MOCVD at a temperature exceeding 1200 ° C. ,
The material supply is performed under the condition that the partial pressure of ammonia gas in the MOCVD source gas is increased so that the composition ratio can be modulated by the material supply ratio of the source gas of aluminum and gallium at the temperature. The ultraviolet light emitting element according to claim 7, which is controlled by changing a ratio.
前記結晶基板が、r面方位を持つサファイア結晶板と該サファイア結晶板の表面の少なくとも一部を覆うAlNバッファー層とを備えるものであり、
該AlNバッファー層は、いずれもAlN結晶のエピタキシャル成長層である下地保護層および平坦化層を前記サファイア結晶板の側からこの順に含んでおり、
該下地保護層は、前記AlNバッファー層の表面の粗さの増大を抑制するためのものであり、
前記平坦化層は、平坦化された表面を前記AlNバッファー層の表面のために提供するためのものであり、
前記無極性AlN表面が前記AlNバッファー層の前記表面である、
請求項7に記載の紫外発光素子。
The crystal substrate comprises a sapphire crystal plate having an r-plane orientation and an AlN buffer layer covering at least a part of the surface of the sapphire crystal plate,
The AlN buffer layer includes a base protective layer and a planarization layer, both of which are epitaxially grown AlN crystals, in this order from the sapphire crystal plate side.
The base protective layer is for suppressing an increase in surface roughness of the AlN buffer layer,
The planarization layer is for providing a planarized surface for the surface of the AlN buffer layer;
The nonpolar AlN surface is the surface of the AlN buffer layer;
The ultraviolet light-emitting device according to claim 7.
前記AlNバッファー層は、AlN結晶のエピタキシャル成長層である転位ブロック層を前記下地保護層および前記平坦化層の間に含んでおり、
該転位ブロック層は、前記AlNバッファー層の結晶欠陥の数を減じるための厚みを持っているものである
請求項10に記載の紫外発光素子。
The AlN buffer layer includes a dislocation block layer, which is an epitaxially grown layer of AlN crystal, between the base protective layer and the planarization layer,
The ultraviolet light-emitting device according to claim 10, wherein the dislocation block layer has a thickness for reducing the number of crystal defects in the AlN buffer layer.
r面方位を持つサファイア結晶板を準備する工程と、
無極性面となる面方位を持つAlN結晶のエピタキシャル成長層であるAlNバッファー層を前記サファイア結晶板の表面の少なくとも一部を覆って形成するバッファー層形成工程と
を含む無極性面方位の結晶基板の製造方法であって、
該バッファー層形成工程は、
前記AlNバッファー層の表面の粗さの増大を抑制するための下地保護層をエピタキシャル成長させる下地保護層形成工程と、
平坦化された表面を前記AlNバッファー層の表面に提供するための平坦化層をエピタキシャル成長させる平坦化工程と
を含むものである、結晶基板の製造方法。
preparing a sapphire crystal plate having an r-plane orientation;
A buffer layer forming step of forming an AlN buffer layer, which is an epitaxially grown layer of AlN crystal having a plane orientation that becomes a nonpolar plane, covering at least a part of the surface of the sapphire crystal plate, A manufacturing method comprising:
The buffer layer forming step includes:
A base protective layer forming step of epitaxially growing a base protective layer for suppressing an increase in surface roughness of the AlN buffer layer;
A planarization step of epitaxially growing a planarization layer for providing a planarized surface on the surface of the AlN buffer layer.
前記バッファー層形成工程は、前記AlNバッファー層の結晶欠陥の数を減じるための転位ブロック層をエピタキシャル成長させる転位ブロック層形成工程を、前記下地保護層形成工程と前記平坦化工程との間にさらに含み、
前記平坦化工程は、前記転位ブロック層を介して前記下地保護層の少なくとも一部を覆って前記平坦化層をエピタキシャル成長させるものである
請求項12に記載の結晶基板の製造方法。
The buffer layer forming step further includes a dislocation block layer forming step of epitaxially growing a dislocation block layer for reducing the number of crystal defects in the AlN buffer layer between the base protective layer forming step and the planarizing step. ,
The method for manufacturing a crystal substrate according to claim 12, wherein the planarization step is to epitaxially grow the planarization layer so as to cover at least a part of the base protective layer via the dislocation block layer.
前記下地保護層形成工程は、前記サファイア結晶板の前記r面方位の表面を荒らす温度に達しない成長温度のMOCVD法にて実行されるものであり、
前記平坦化工程は、前記下地保護層形成工程の前記成長温度以上で平坦化のために必要となる温度に到達するかそれを超す成長温度のMOCVD法にて実行されるものである、
請求項12に記載の結晶基板の製造方法。
The base protective layer forming step is performed by a MOCVD method at a growth temperature that does not reach a temperature that roughens the surface of the r-plane orientation of the sapphire crystal plate,
The planarization step is performed by an MOCVD method at a growth temperature that reaches or exceeds the temperature required for planarization at a temperature equal to or higher than the growth temperature of the base protective layer formation step.
The manufacturing method of the crystal substrate of Claim 12.
前記下地保護層形成工程の成長温度が1200℃以下であり、
前記平坦化工程の成長温度が1400℃以上である、
請求項14に記載の結晶基板の製造方法。
The growth temperature in the base protective layer forming step is 1200 ° C. or less,
The growth temperature in the planarization step is 1400 ° C. or higher.
The manufacturing method of the crystal substrate of Claim 14.
前記下地保護層形成工程が前記サファイア結晶板の前記r面方位の表面を荒らす温度に達しない成長温度のMOCVD法にて実行されるものであり、
前記転位ブロック層形成工程がMOCVD法にて実行されるものであり、
前記平坦化工程は、前記下地保護層形成工程の前記成長温度以上で平坦化のために必要となる温度に到達するかそれを超す成長温度のMOCVD法にて実行されるものであり、
前記転位ブロック層形成工程のMOCVD法は、前記下地保護層形成工程の前記成長温度以上、前記平坦化工程の前記成長温度未満の温度で実行されるものである、
請求項13に記載の結晶基板の製造方法。
The undercoat protective layer forming step is performed by a MOCVD method at a growth temperature that does not reach a temperature that roughens the surface of the r-plane orientation of the sapphire crystal plate;
The dislocation block layer forming step is performed by MOCVD method,
The planarization step is performed by a MOCVD method at a growth temperature that reaches or exceeds the temperature required for planarization above the growth temperature of the base protective layer formation step,
The MOCVD method of the dislocation block layer forming step is performed at a temperature that is equal to or higher than the growth temperature of the base protective layer forming step and lower than the growth temperature of the planarization step.
A method for manufacturing a crystal substrate according to claim 13.
前記下地保護層形成工程の前記成長温度が1200℃以下であり、
前記平坦化工程の前記成長温度が1400℃以上であり、
前記転位ブロック層形成工程の前記成長温度が前記下地保護層形成工程の成長温度以上1300℃以下である、
請求項16に記載の結晶基板の製造方法。
The growth temperature in the base protective layer forming step is 1200 ° C. or less;
The growth temperature in the planarization step is 1400 ° C. or higher;
The growth temperature in the dislocation block layer forming step is not less than the growth temperature in the base protective layer forming step and not more than 1300 ° C.,
The manufacturing method of the crystal substrate of Claim 16.
前記下地保護層形成工程が、前記下地保護層の表面に島状構造を出現させる範囲に含まれるV/III比にて実行されるものである、
請求項12または請求項13に記載の結晶基板の製造方法。
The base protective layer forming step is performed at a V / III ratio included in a range in which an island-like structure appears on the surface of the base protective layer.
A method for manufacturing a crystal substrate according to claim 12 or claim 13.
前記平坦化工程が、前記平坦化層の表面に波状構造を出現させず当該表面にヴォイド状の構造欠陥を生じさせない範囲に含まれるV/III比にて実行されるものである、
請求項12または請求項13に記載の結晶基板の製造方法。
The planarization step is performed at a V / III ratio included in a range in which a wave-like structure does not appear on the surface of the planarization layer and a void-like structural defect does not occur on the surface.
A method for manufacturing a crystal substrate according to claim 12 or claim 13.
無極性AlN表面を持つ結晶基板を準備する結晶基板準備工程と、
該結晶基板における前記無極性AlN表面の少なくとも一部の上に、いずれもIII族窒化物半導体結晶からなるn型導電層、再結合層、およびp型導電層が該結晶基板の側からこの順に配置されており、無極性面となる面方位を持つ紫外発光層をエピタキシャル成長させるIII族窒化物半導体結晶層形成工程と、
前記紫外発光層から発せられる紫外線である放射UVに対し反射性を示す反射電極を、前記p型導電層に接してまたは他の層を介して形成する反射電極形成工程と
を含む、結晶基板への紫外発光素子の製造方法。
A crystal substrate preparation step of preparing a crystal substrate having a nonpolar AlN surface;
On at least a part of the nonpolar AlN surface of the crystal substrate, an n-type conductive layer, a recombination layer, and a p-type conductive layer each made of a group III nitride semiconductor crystal are arranged in this order from the crystal substrate side. A III-nitride semiconductor crystal layer forming step for epitaxially growing an ultraviolet light emitting layer that is disposed and has a plane orientation to be a nonpolar plane;
A reflective electrode forming step of forming a reflective electrode showing reflectivity with respect to radiation UV, which is ultraviolet light emitted from the ultraviolet light emitting layer, in contact with the p-type conductive layer or through another layer; Method for producing an ultraviolet light emitting device.
前記III族窒化物半導体結晶は、AlNとGaNを含む混晶で互いに組成比が異なる複数の層を含んでおり、
前記III族窒化物半導体結晶層形成工程が、1200℃を越す温度のMOCVD法にて平坦性を確保しつつ成長させる工程であり、
前記III族窒化物半導体結晶層形成工程は、該MOCVD法の原料ガスにおけるアンモニアガス分圧を増加または減少させることにより、前記組成比を制御する工程を含むものである、
請求項20に記載の紫外発光素子の製造方法。
The group III nitride semiconductor crystal includes a plurality of layers having a composition ratio different from each other in a mixed crystal containing AlN and GaN.
The group III nitride semiconductor crystal layer forming step is a step of growing while ensuring flatness by MOCVD at a temperature exceeding 1200 ° C.,
The group III nitride semiconductor crystal layer forming step includes a step of controlling the composition ratio by increasing or decreasing the ammonia gas partial pressure in the source gas of the MOCVD method.
The manufacturing method of the ultraviolet light emitting element of Claim 20.
前記III族窒化物半導体結晶は、AlNとGaNを含む混晶で互いに組成比が異なる複数の層を含んでおり、
前記III族窒化物半導体結晶層形成工程が、1200℃を越す温度のMOCVD法にて平坦性を確保しつつ成長させる工程であり、
前記III族窒化物半導体結晶層形成工程は、前記温度においてアルミニウムとガリウムの原料ガスの材料供給比による前記組成比の変調が可能となるよう前記MOCVD法の原料ガスにおけるアンモニアガス分圧を増大させた条件で、該材料供給比を変更することにより前記組成比を制御する工程を含むものである、
請求項20に記載の紫外発光素子の製造方法。
The group III nitride semiconductor crystal includes a plurality of layers having a composition ratio different from each other in a mixed crystal containing AlN and GaN.
The group III nitride semiconductor crystal layer forming step is a step of growing while ensuring flatness by MOCVD at a temperature exceeding 1200 ° C.,
The III-nitride semiconductor crystal layer forming step increases the ammonia gas partial pressure in the source gas of the MOCVD method so that the composition ratio can be modulated by the material supply ratio of the source gas of aluminum and gallium at the temperature. Under the above conditions, the step of controlling the composition ratio by changing the material supply ratio,
The manufacturing method of the ultraviolet light emitting element of Claim 20.
前記結晶基板準備工程が、r面方位を持つサファイア結晶板の表面の少なくとも一部を覆ってAlNバッファー層を形成するバッファー層形成工程を含んでおり、
該バッファー層形成工程は、
前記無極性AlN表面の粗さの増大を抑制するための下地保護層をエピタキシャル成長させる下地保護層形成工程と、
平坦化された表面を前記無極性AlN表面のために提供するための平坦化層をエピタキシャル成長させる平坦化工程と
を含んでいるものであり、
前記無極性AlN表面が前記AlNバッファー層の前記表面である、
請求項20に記載の紫外発光素子の製造方法。
The crystal substrate preparing step includes a buffer layer forming step of forming an AlN buffer layer covering at least a part of the surface of the sapphire crystal plate having an r-plane orientation;
The buffer layer forming step includes:
A base protective layer forming step of epitaxially growing a base protective layer for suppressing an increase in roughness of the nonpolar AlN surface;
A planarization step of epitaxially growing a planarization layer to provide a planarized surface for the nonpolar AlN surface;
The nonpolar AlN surface is the surface of the AlN buffer layer;
The manufacturing method of the ultraviolet light emitting element of Claim 20.
前記バッファー層形成工程は、前記AlNバッファー層の結晶欠陥の数を減じるための転位ブロック層をエピタキシャル成長させる転位ブロック層形成工程を、前記下地保護層形成工程と前記平坦化工程との間にさらに含み、
前記平坦化工程は、前記転位ブロック層を介して前記下地保護層の少なくとも一部を覆って前記平坦化層をエピタキシャル成長させるものである
請求項23に記載の紫外発光素子の製造方法。
The buffer layer forming step further includes a dislocation block layer forming step of epitaxially growing a dislocation block layer for reducing the number of crystal defects in the AlN buffer layer between the base protective layer forming step and the planarizing step. ,
24. The method of manufacturing an ultraviolet light emitting element according to claim 23, wherein the planarization step is to epitaxially grow the planarization layer so as to cover at least a part of the base protective layer via the dislocation block layer.
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