JP3065780B2 - Gallium nitride based light emitting device and manufacturing method - Google Patents

Gallium nitride based light emitting device and manufacturing method

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JP3065780B2
JP3065780B2 JP7725192A JP7725192A JP3065780B2 JP 3065780 B2 JP3065780 B2 JP 3065780B2 JP 7725192 A JP7725192 A JP 7725192A JP 7725192 A JP7725192 A JP 7725192A JP 3065780 B2 JP3065780 B2 JP 3065780B2
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based semiconductor
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sapphire
gan
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邦夫 宮田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、特にディスプレー、光
通信やOA機器の光源等に最適な紫外域〜可視領域発光
ダイオードおよびレーザーダーオード等に用いることが
できる窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor light emitting device which can be used for a light emitting diode in the ultraviolet region to the visible region and a laser diode which are most suitable for a light source of a display, an optical communication device and an OA device. It relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子は広い分野において表示素子
や種々の光源として使用されている。しかし、紫外域〜
青色発光ダイオードは実用化されておらず、特に3原色
を必要とするディスプレー用として開発が急がれてい
る。レーザーダイオードは光ディスクやコンパクトディ
スクの光源として、記録密度を10倍以上大きくするこ
とができるということで期待されているもののまだ実用
化されていない。紫外域〜青色発光ダイオードおよびレ
ーザーダイオードとしては、GaN、ZnSe、ZnS
やSiCなどの化合物半導体を用いることが考えられて
いる。
2. Description of the Related Art Semiconductor devices are used as display devices and various light sources in a wide variety of fields. However, the ultraviolet region ~
Blue light-emitting diodes have not been put to practical use, and development for displays requiring three primary colors is urgently required. Although a laser diode is expected as a light source for an optical disk or a compact disk to increase the recording density ten times or more, it has not been put to practical use yet. GaN, ZnSe, ZnS are used as the ultraviolet to blue light emitting diode and the laser diode.
It has been considered to use a compound semiconductor such as SiC or SiC.

【0003】窒化ガリウム(GaN)は、多くはサファ
イアC面上にMOCVD法、あるいはVPE法により成
膜されている[ジャーナル オブ アプライド フィジ
クス(Journal of Applied Phy
sics)56 (1984)2367−2368]
が、反応温度を高くする必要があり、製造が難しいばか
りでなく、窒素が不足しているために、キャリア密度が
極めて大きくなり、良好な半導体特性が得られないこと
になる。それを克服するためにはサファイアC面上に窒
化アルミニウムのバッファー層を設け、その上に比較的
膜厚の大きいGaN薄膜を作製して半導体発光素子を作
製している。
[0003] Gallium nitride (GaN) is mostly formed on a sapphire C-plane by MOCVD or VPE [Journal of Applied Physics].
sics) 56 (1984) 2367-2368].
However, it is necessary to raise the reaction temperature, which is not only difficult to manufacture, but also due to the lack of nitrogen, the carrier density becomes extremely large, and good semiconductor characteristics cannot be obtained. To overcome this, a buffer layer of aluminum nitride is provided on the sapphire C surface, and a GaN thin film having a relatively large thickness is formed thereon to manufacture a semiconductor light emitting device.

【0004】また、低温成膜を実現するために、窒素源
を電子シャワーにより活性化する試みがある[ジャパニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス
(Jap.J.Appl.Phys.)、20、L54
5(1981)]が、この方法によっても膜質の向上に
は不十分であるとされている。また、窒素の不足を起こ
さないように活性の高い窒素源を用いて成膜を行うこと
が考えられている。活性の高い窒素源としては、原子状
窒素、窒素イオンがあるが、従来のプラズマを利用した
ガスソースMBE法による成膜技術[ジャーナル オブ
バキューム サイエンス アンド テクノロジー
(J.Vac.Sci.Technol.)、A7、7
01(1989)]などでは、キャリアー密度を制御す
ることが困難であり、良好な特性の半導体薄膜を作製す
ることはできないのが現状である。
Further, in order to realize low-temperature film formation, there is an attempt to activate a nitrogen source by an electron shower [Japanese Journal of Applied Physics].
(Jap. J. Appl. Phys.), 20, L54.
5 (1981)], this method is said to be insufficient for improving the film quality. Further, it has been considered to form a film using a highly active nitrogen source so as not to cause a shortage of nitrogen. As nitrogen sources having high activity, there are atomic nitrogen and nitrogen ions, but a film forming technique by a gas source MBE method using a conventional plasma [Journal of Vacuum Science and Technology]
(J. Vac. Sci. Technol.), A7,7
01 (1989)], it is difficult to control the carrier density, and at present, it is impossible to produce a semiconductor thin film having good characteristics.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この問題点
を解決して半導体発光素子として良好な特性を有する発
光素子構造およびその製造方法を提供しようとするもの
である。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a light emitting device structure having good characteristics as a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記問題点
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、特定のサファイ
ア結晶面に高真空中で成膜した窒化ガリウム系半導体薄
膜が発光素子用薄膜として良好な光学的ならびに電気的
特性を有することを見いだすにいたり、特性の優れた半
導体発光素子を得ることができるようになったものであ
る。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, a gallium nitride based semiconductor thin film formed on a specific sapphire crystal plane in a high vacuum is used for a light emitting element. It has been found that a thin film has good optical and electrical characteristics, and a semiconductor light emitting device having excellent characteristics can be obtained.

【0007】すなわち、本発明はサファイアR面からサ
ファイアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転さ
せた面を基板面として、その上に直接形成されたn+
窒化ガリウム系半導体層を有し、さらにn型単結晶窒化
ガリウム系半導体層およびp型あるいはi型からなる単
結晶窒化ガリウム系半導体層からなる発光層を少なくと
も一つ有し、その発光層に電圧を印加するために所望の
部位に電極を具備してなることを特徴とする窒化ガリウ
ム系半導体発光素子、およびMBE法において、窒素を
含有するガス状化合物を供給するガスソースと、III
族元素を供給する固体ソースを有する結晶成長装置を用
い、サファイアR面から、サファイアc軸のR面射影を
回転軸として9.2度回転させた面を基板面として、窒
素を含有するガス状化合物とIII族元素およびn型ド
ーパントを供給することにより基板上にn+ 型窒化ガリ
ウム系半導体層を形成する工程、窒素を含有するガス状
化合物とIII族元素を供給してn型単結晶窒化ガリウ
ム系半導体層を形成する工程、窒素を含有するガス状化
合物とIII族元素およびp型ドーパントを供給してp
型あるいはi型からなる単結晶窒化ガリウム系半導体層
を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする半導
体発光素子の製造方法である。
That is, the present invention provides an n + -type gallium nitride-based semiconductor directly formed on a substrate surface which is 9.2 degrees rotated from the sapphire R surface by projecting the R plane of the sapphire c-axis as a rotation axis. A n-type single-crystal gallium nitride-based semiconductor layer and at least one light-emitting layer including a p-type or i-type single-crystal gallium nitride-based semiconductor layer, and applying a voltage to the light-emitting layer. A gallium nitride-based semiconductor light-emitting device comprising an electrode at a desired site, and a gas source for supplying a gaseous compound containing nitrogen in the MBE method;
Using a crystal growth apparatus having a solid source for supplying a group III element, a nitrogen-containing gaseous state is used as a substrate surface, which is a 9.2-degree rotation from the sapphire R-plane by using the R-plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis. Forming an n + -type gallium nitride-based semiconductor layer on a substrate by supplying a compound, a group III element and an n-type dopant; supplying a nitrogen-containing gaseous compound and a group III element to an n-type single crystal nitride Forming a gallium-based semiconductor layer, supplying a gaseous compound containing nitrogen, a group III element and a p-type dopant to form
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising at least a step of forming a single-crystal or i-type single-crystal gallium nitride-based semiconductor layer.

【0008】以下、本発明についてさらに詳細に説明す
る。本発明におけるサファイアR面とは、単結晶サファ
イア(α−Al2 3 )において〔1、−1、0、2〕
面(R面)表面のことである。また、サファイアc軸の
R面射影は、サファイア単結晶(コランダム型六方晶)
単位格子における単位ベクトルのうちのc軸のR面への
射影のことである(図1)。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The sapphire R plane in the present invention refers to [1, -1,0,2] in single crystal sapphire (α-Al 2 O 3 ).
Plane (R-plane) surface. The R-plane projection of the sapphire c-axis is sapphire single crystal (corundum type hexagonal).
This is the projection of the c-axis of the unit vector in the unit cell onto the R plane (FIG. 1).

【0009】また、本発明における基準面とは、サファ
イアR面からサファイアc軸のR面射影を回転軸として
9.2度回転させた面のことである(図2)。この9.
2度オフ面からのオフ角は±2度以下であることが結晶
性の良い窒化ガリウム薄膜を得るには好ましいものであ
る。この基板面を用いることにより、サファイア基板と
窒化ガリウム系半導体薄膜との格子不整合を小さくする
ことができ、成長初期(100オングストローム以下)
においても表面が平坦で、RHEED測定において回折
パターンのストリークを観察できる単結晶性の良好な窒
化ガリウム系薄膜を得ることができる。格子定数のミス
マッチは5%以下、好ましくは2%以下である。
The reference plane in the present invention is a plane which is 9.2 degrees rotated from the sapphire R plane by using the R plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis (FIG. 2). This 9.
It is preferable that the off angle from the 2 degree off plane be ± 2 degrees or less in order to obtain a gallium nitride thin film having good crystallinity. By using this substrate surface, the lattice mismatch between the sapphire substrate and the gallium nitride based semiconductor thin film can be reduced, and the initial growth (less than 100 Å)
In this case, a gallium nitride-based thin film with good single crystal properties, which has a flat surface and can observe streaks of a diffraction pattern in RHEED measurement, can be obtained. The mismatch of the lattice constant is 5% or less, preferably 2% or less.

【0010】本発明においては、サファイアR面からサ
ファイアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転さ
せた基板表面に単結晶窒化ガリウム系半導体薄膜を形成
せしめるが、基板と窒化ガリウム系半導体結晶が格子整
合することにより、極めて薄い膜厚で良好な単結晶性を
有し、かつ光学的および電気的特性に優れる窒化ガリウ
ム系半導体薄膜を得ることができるため、発光素子を作
製するうえでドライエッチング法を使用することができ
ることや、光の取り出し効率を高くすることができる特
徴がある。窒化ガリウム系半導体発光素子全体の膜厚と
しては3μm以下であることが好ましく、さらに2μm
以下であることが好ましく、1μm以下にすることは、
より好ましいものとなる。
In the present invention, a single-crystal gallium nitride-based semiconductor thin film is formed on the surface of a substrate rotated 9.2 degrees with the R-plane projection of the sapphire c-axis from the R-plane of sapphire as a rotation axis. Since the semiconductor crystal is lattice-matched, it is possible to obtain a gallium nitride-based semiconductor thin film having an extremely thin film thickness, good single crystallinity, and excellent optical and electrical characteristics. In this case, a dry etching method can be used, and light extraction efficiency can be increased. The thickness of the entire gallium nitride based semiconductor light emitting device is preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm.
Is preferably not more than 1 μm,
It becomes more preferable.

【0011】本発明におけるn+ 型窒化ガリウム系半導
体層は窒化ガリウム系半導体層にSi、Ge、C、S
n、S、Se、Te等のn型ドーパントをドーピングし
た半導体層であり、キャリア密度は5×1018/cm3
以上、好ましくは1019/cm 3 以上である。n+ 型窒
化ガリウム系半導体層を用いることにより、素子の発光
のための印可電圧の低下が可能になること、および低抵
抗層であるため効率良くかつ均一に発光層に電流注入が
行え、発光強度の上昇や発光分布の均一性を向上するこ
とができる。さらにn+ 型窒化ガリウム系半導体層は発
光層と発光層の間に設けて、電圧を印加するための電極
とすることができる。単結晶窒化ガリウム系半導体から
なる発光層とは、n型、p型あるいはi型からなる単結
晶窒化ガリウム系半導体からなり、たとえば、n/i/
p、n/p、n/i、n/p/p+等のような構造を有
し、さらにそれぞれの層は組成の異なる単結晶窒化ガリ
ウム系半導体薄膜を用いることも可能である。また、単
結晶窒化ガリウム系半導体からなる量子井戸構造を形成
せしめて、発光効率を高めたり、発光波長を制御するこ
とも可能である。
In the present invention, n+Gallium nitride semiconductor
The body layer is made of a gallium nitride based semiconductor layer made of Si, Ge, C, S
doping n-type dopants such as n, S, Se, Te, etc.
Semiconductor layer having a carrier density of 5 × 1018/ CmThree
Above, preferably 1019/ Cm ThreeThat is all. n+Type
The light emission of the device can be achieved by using a gallium arsenide based semiconductor layer.
To lower the applied voltage for
Efficient and uniform current injection into the light-emitting layer due to the anti-layer
To increase the emission intensity and improve the uniformity of the emission distribution.
Can be. And n+Gallium nitride based semiconductor layer
An electrode provided between the light layer and the light emitting layer to apply a voltage
It can be. From single crystal gallium nitride based semiconductor
Light emitting layer is a single bond of n-type, p-type or i-type
Gallium nitride based semiconductor, for example, n / i /
p, n / p, n / i, n / p / p+Has a structure like
In addition, each layer is composed of a single crystal gallium nitride
It is also possible to use an aluminum-based semiconductor thin film. Also, simply
Formation of quantum well structure composed of crystalline gallium nitride based semiconductor
At the very least, it is necessary to increase the luminous efficiency or control the luminous wavelength.
Both are possible.

【0012】本発明でいう単結晶窒化ガリウム系半導体
層とは、Ga単体あるいはGaを主としてAlあるいは
Inから選ばれた少なくとも一種類のIII族元素から
なる化合物である。また化合物の組成を変化させること
により、発光色を変えることができる。発光素子の構造
の例としては、図4に示すn+ −GaN(Si)/n−
GaN/i−GaN(Mg)、図8に示すn+ −Ga
1-x Inx N/n−Ga1-x Inx N/i−Ga1-x
x N、図9に示すn+ −Al1-x Gax N/n−Al
1-x Gax N/i−Al1-x Gax N、図10に示すn
+ −GaN/n−GaN/i−GaNや図11に示すn
+ −GaN/n−Ga1-x Inx N/p−Ga1-y In
y N(x≧y)、図12は発光色の異なる2種類の発光
層を有し、その発光層間にn+ 型窒化ガリウム系半導体
層を積層した構造例であり、n + −GaN/n−GaN
/p−GaN/n+ −GaN/n−Ga1-x Inx N/
p−Ga1-x Inx Nの積層構造を示す。例えば、電極
8(イ)と電極8(ロ)の間に電圧を印加すると青の発
光を、電極8(ハ)と電極8(ニ)の間に電圧を印加す
ると緑色の発光を、電極8(イ)と電極8(ロ)および
電極8(ハ)と電極8(ニ)の間に同時に電圧を印加す
ると、黄色の発光を得ることができる。この様に電圧を
印加する電極を選ぶことによって、二つの異なった発光
色や、中間色を発光させる発光素子を得ることができ
る。
[0012] The single crystal gallium nitride based semiconductor referred to in the present invention
The layer refers to Ga alone or Ga mainly as Al or
From at least one group III element selected from In
Is a compound. Changing the composition of the compound
Thus, the emission color can be changed. Light emitting device structure
Are examples of n shown in FIG.+-GaN (Si) / n-
GaN / i-GaN (Mg), n shown in FIG.+-Ga
1-xInxN / n-Ga1-xInxN / i-Ga1-xI
nxN, n shown in FIG.+-Al1-xGaxN / n-Al
1-xGaxN / i-Al1-xGaxN, n shown in FIG.
+-GaN / n-GaN / i-GaN or n shown in FIG.
+-GaN / n-Ga1-xInxN / p-Ga1-yIn
yN (x ≧ y), FIG. 12 shows two types of light emission having different emission colors.
A light emitting layer between the light emitting layers.+Gallium nitride based semiconductor
This is an example of a structure in which layers are stacked, and n +-GaN / n-GaN
/ P-GaN / n+-GaN / n-Ga1-xInxN /
p-Ga1-xInx3 shows a laminated structure of N. For example, electrodes
When a voltage is applied between the electrode 8 (a) and the electrode 8 (b), blue light is emitted.
Light is applied between the electrode 8 (c) and the electrode 8 (d).
Then, green light is emitted, and the electrodes 8 (a) and 8 (b) and
Simultaneous application of voltage between electrode 8 (c) and electrode 8 (d)
Then, yellow light emission can be obtained. Like this
By choosing the electrode to apply, two different emission
A light-emitting element that emits light of a color or a neutral color can be obtained.
You.

【0013】図13はn+ −GaN/n−Ga1-x In
x N/n−Ga1-y Iny N/p−Ga1-x Inx
(x≧y)の積層構造例であり、他に、n+ −GaN/
n−GaN/p−GaN、n+ −GaN/n−Ga1-x
Inx N/p−Ga1-x In x N、n+ −Ga1-x Al
x N/n−Ga1-x Alx N/p−Ga1-x Alx N、
+ −Ga1-x Alx N/n−Ga1-x Alx N/p−
Ga1-y Aly N(x≧y)、n+ −GaN/n−Ga
N/n−Ga1-x Inx N/p−Ga1-x In x N、
+ −GaN/n−GaN/n−Al1-y Gay N/p
−Al1-x Ga x N(x≧y)、n+ −GaN/n−G
aN/n−Ga1-x Inx N/p−Ga 1-x Inx N、
+ −Al1-x Gax N/n−Al1-x Gax N/n−
Al1-yGay N/p−Al1-x Gax N(x≧y)、
+ −GaN/n−Ga1-a In a N/p−Ga1-b
b N/n−Al1-x Gax N/n−Al1-y Gay
/p−Al1-x Gax N(x≧y、a≧b)、n+ −G
aN/n−GaN/n−Ga1-x Inx N/p−Ga
1-x Inx N、n+ −GaN/n−GaN/p−GaN
/n−Ga1-x Inx N/p−Ga1-x Inx N、n+
−Ga1-x InxN/n−Ga1-x Inx N/n−Ga
1-y Iny N/p−Ga1-x Inx N(x≧y)、n+
− GaN/n−GaN/n−Al1-y Gay N/p−
Al1-xGax N(x≧y)、n+ −GaN/n−Ga
N/n−Ga1-x Inx N/p−Ga1-x Inx N、n
+ −Al1-x Gax N/n−Al1-x Gax N/n−A
1-y Gay N/p−Al1-x Gax N(x≧y)、n
+ −Ga1-a Ina N/n−Ga1-a Ina N/p−G
1-b Inb N/n−Al1-x Gax N/n−Al 1-y
Gay N/p−Al1-x Gax N(x≧y、a≧b)が
ある。しかし、とくにこれらに限定されるものではな
く、上記の構造の種々の組合せを用いて、目的とする発
光色の素子や多色化を行うことも可能である。
FIG.+-GaN / n-Ga1-xIn
xN / n-Ga1-yInyN / p-Ga1-xInxN
(X ≧ y) is an example of a laminated structure.+-GaN /
n-GaN / p-GaN, n+-GaN / n-Ga1-x
InxN / p-Ga1-xIn xN, n+-Ga1-xAl
xN / n-Ga1-xAlxN / p-Ga1-xAlxN,
n+-Ga1-xAlxN / n-Ga1-xAlxN / p-
Ga1-yAlyN (x ≧ y), n+-GaN / n-Ga
N / n-Ga1-xInxN / p-Ga1-xIn xN,
n+-GaN / n-GaN / n-Al1-yGayN / p
-Al1-xGa xN (x ≧ y), n+-GaN / n-G
aN / n-Ga1-xInxN / p-Ga 1-xInxN,
n+-Al1-xGaxN / n-Al1-xGaxN / n-
Al1-yGayN / p-Al1-xGaxN (x ≧ y),
n+-GaN / n-Ga1-aIn aN / p-Ga1-bI
nbN / n-Al1-xGaxN / n-Al1-yGayN
/ P-Al1-xGaxN (x ≧ y, a ≧ b), n+-G
aN / n-GaN / n-Ga1-xInxN / p-Ga
1-xInxN, n+-GaN / n-GaN / p-GaN
/ N-Ga1-xInxN / p-Ga1-xInxN, n+
-Ga1-xInxN / n-Ga1-xInxN / n-Ga
1-yInyN / p-Ga1-xInxN (x ≧ y), n+
-GaN / n-GaN / n-Al1-yGayN / p-
Al1-xGaxN (x ≧ y), n+-GaN / n-Ga
N / n-Ga1-xInxN / p-Ga1-xInxN, n
+-Al1-xGaxN / n-Al1-xGaxN / n-A
l 1-yGayN / p-Al1-xGaxN (x ≧ y), n
+-Ga1-aInaN / n-Ga1-aInaN / p-G
a1-bInbN / n-Al1-xGaxN / n-Al 1-y
GayN / p-Al1-xGaxN (x ≧ y, a ≧ b)
is there. However, it is not limited to these.
In addition, using various combinations of the above structures,
Light-colored elements and multi-coloring can also be performed.

【0014】電流を注入するための電極としては、A
l、In、Au、Al−In、Al−Sn、In−Sn
等の金属、酸化スズ、酸化インジウム、酸化スズ−酸化
インジウム、酸化亜鉛、縮退したGaNやZnSe等を
用いることができ、発光層に電圧を印加するための電極
を所望の部位に形成して発光素子を作製する。さらに、
これらの電極にNi等の金属を合金化または積層して電
極の耐熱性を向上することは、より好ましい。
As an electrode for injecting current, A
1, In, Au, Al-In, Al-Sn, In-Sn
Metal, tin oxide, indium oxide, tin oxide-indium oxide, zinc oxide, degenerated GaN, ZnSe, or the like can be used. An electrode for applying a voltage to the light emitting layer is formed at a desired portion to emit light. A device is manufactured. further,
It is more preferable to alloy or laminate a metal such as Ni on these electrodes to improve the heat resistance of the electrodes.

【0015】つぎに本発明の窒化ガリウム系半導体発光
素子の製造方法について説明する。本発明で用いるガス
状化合物としては、アンモニア、三フッ化窒素、ヒドラ
ジンあるいはジメチルヒドラジンを単独で、またはそれ
らを主体とする混合ガスを用いることができる。また、
アンモニア、三フッ化窒素、ヒドラジンあるいはジメチ
ルヒドラジンは窒素、アルゴンやヘリウム等の不活性ガ
スで希釈してを使用することができる。これらのガスの
供給方法としては該セルに至る配管の途中にバルブや流
量制御装置、圧力制御装置を接続することによりこれら
のガスの混合比や供給量の制御、供給の開始・停止を行
うことをできるようにしたものを用いることが好まし
い。これらのガスを基板面に供給するためにはガスセル
を使用するこができ、さらに良質な窒化ガリウム系半導
体薄膜を作製するために該ガスセルを所定の温度に加熱
して窒素を含有する化合物を加熱して基板表面に供給す
ることがより好ましいものとなる。該ガスセルには加熱
を効率的に行うために、アルミナ、シリカ、ボロンナイ
トライド、炭化ケイ素等の耐食性の優れた材料を繊維
状、フレーク状、破砕状、粒状としたものををガスセル
に充填したり、さらにはそれらを多孔質状にして該ガス
セルに設置してガス状化合物との接触面積を大きくする
ことにより加熱効率を上げることが好ましいものとな
る。また、窒素をプラズマガスセルを用いて活性化して
基板面に供給することも可能である。ガス状化合物の基
板面への供給量は固体ソースより大きくする必要があ
り、ガス状化合物の供給量が固体ソースの供給量より小
さくなると生成する窒化ガリウム系半導体薄膜からのガ
ス状化合物から供給される元素の抜けが大きくなるた
め、良好な窒化ガリウム系半導体薄膜を得ることが困難
になる。したがって、該ガス状化合物の供給量は固体ソ
ースより10倍以上、好ましくは100倍以上、さらに
好ましくは1000倍以上にすることである。
Next, a method for manufacturing the gallium nitride based semiconductor light emitting device of the present invention will be described. As the gaseous compound used in the present invention, ammonia, nitrogen trifluoride, hydrazine or dimethylhydrazine can be used alone or a mixed gas mainly containing them. Also,
Ammonia, nitrogen trifluoride, hydrazine or dimethylhydrazine can be used after dilution with an inert gas such as nitrogen, argon or helium. As a method for supplying these gases, a valve, a flow rate control device, and a pressure control device are connected in the middle of the pipe to the cell to control the mixing ratio and supply amount of these gases, and to start and stop the supply. It is preferable to use a material which can be used. A gas cell can be used to supply these gases to the substrate surface, and the gas cell is heated to a predetermined temperature to heat a compound containing nitrogen to produce a high-quality gallium nitride-based semiconductor thin film. It is more preferable to supply it to the surface of the substrate. The gas cell is filled with a material having excellent corrosion resistance such as alumina, silica, boron nitride, silicon carbide, etc. in a fibrous, flake, crushed, or granular form in order to efficiently heat the gas cell. Alternatively, it is preferable to increase the heating efficiency by making them porous and setting them in the gas cell to increase the contact area with the gaseous compound. It is also possible to activate nitrogen using a plasma gas cell and supply it to the substrate surface. The supply amount of the gaseous compound to the substrate surface needs to be larger than that of the solid source. When the supply amount of the gaseous compound is smaller than the supply amount of the solid source, the gaseous compound is supplied from the gaseous compound from the gallium nitride-based semiconductor thin film. This makes it difficult to obtain a good gallium nitride-based semiconductor thin film. Therefore, the supply amount of the gaseous compound should be at least 10 times, preferably at least 100 times, more preferably at least 1000 times that of the solid source.

【0016】本発明の固体ソースとは、III族元素と
してはIII族元素の金属の単体や合金、あるいは金属
塩を用いることができる。III族元素とは、Al、G
a、Inから選ばれる少なくとも一種類の元素のことで
ある。また、本発明の窒化ガリウム系半導体薄膜を作製
するときに不純物をドーピングして、キャリア密度制
御、p型、i型、n型あるいはn+ 型の導電型制御を行
うこともできる。p型またはi型の窒化ガリウム系半導
体薄膜を得るためにドーピングする不純物の例としては
Mg、Ca、Sr、Zn、Be、Cd、HgやLi等が
あり、n型またはn+ 型窒化ガリウム系半導体薄膜を得
るためにドーピングする不純物としてはSi、Ge、
C、Sn、S、Se、Te等がある。これらのドーパン
トの種類とドーピング量を変えることによってキャリア
ーの種類やキャリアー密度を変えることができる。この
場合、膜厚の方向によりドーピングする濃度を変えた
り、特定の層のみにドーピングするδ−ドーピングの方
法を用いることもできる。
In the solid source of the present invention, a simple substance, an alloy, or a metal salt of a group III element metal can be used as the group III element. Group III elements include Al and G
It is at least one kind of element selected from a and In. Further, when the gallium nitride based semiconductor thin film of the present invention is manufactured, impurities can be doped to control the carrier density and control the p-type, i-type, n-type or n + -type conductivity. Examples of impurities to be doped to obtain a p-type or i-type gallium nitride based semiconductor thin film include Mg, Ca, Sr, Zn, Be, Cd, Hg and Li, and n-type or n + -type gallium nitride based thin films. As impurities to be doped to obtain a semiconductor thin film, Si, Ge,
C, Sn, S, Se, Te, and the like. By changing the type and doping amount of these dopants, the type of carrier and the carrier density can be changed. In this case, the doping concentration may be changed depending on the direction of the film thickness, or a δ-doping method for doping only a specific layer may be used.

【0017】本発明におけるMBE法による窒化ガリウ
ム系半導体薄膜を作製する上で、III族元素と窒素を
含有する化合物を同時に基板面に供給したり、III族
元素と窒素を含有する化合物を交互に基板面に供給した
り、あるいは該薄膜成長時に成長中断して該薄膜の結晶
化を促進したりする方法を行うこともできる。とくに、
RHEEDパターンを観察してストリークが見えること
を確認しながら膜成長を行うことは好ましいものであ
る。
In preparing the gallium nitride based semiconductor thin film by the MBE method according to the present invention, a compound containing a group III element and nitrogen is simultaneously supplied to the substrate surface, or a compound containing a group III element and nitrogen is alternately supplied. It is also possible to carry out a method of supplying to the substrate surface or interrupting the growth during the growth of the thin film to promote crystallization of the thin film. In particular,
It is preferable that the film is grown while observing the RHEED pattern and confirming that streaks are visible.

【0018】以下、一例としてアンモニアを用いるMB
E法を用いた窒化ガリウム系半導体積層構造からなる窒
化ガリウム系半導体発光素子の製造方法について説明す
るが、とくにこれに限定されるものではない。装置とし
ては、図3に示すような真空容器21内に、蒸発用ルツ
ボ(クヌードセンセル)22、23、24および25、
ガスセル28、基板加熱ホルダー27を備えたガスソー
スMBE装置を使用した。
Hereinafter, MB using ammonia as an example will be described.
A method for manufacturing a gallium nitride-based semiconductor light emitting device having a gallium nitride-based semiconductor laminated structure using the E method will be described, but is not particularly limited thereto. As a device, crucibles for evaporation (knudsen cells) 22, 23, 24 and 25 are placed in a vacuum vessel 21 as shown in FIG.
A gas source MBE device equipped with a gas cell 28 and a substrate heating holder 27 was used.

【0019】蒸発用ルツボ22にはGa金属を入れ、基
板面において1013〜1019/cm2 ・secになる温
度に加熱した。アンモニアの導入にはガスセル26を用
い、基板28に直接吹き付けるようにした。導入量は基
板表面において1016〜1020/cm2 ・secになる
ように供給した。蒸発用ルツボ23、24および25に
は混晶系の化合物半導体を作製するためのIn、Al、
As、Sb等やドーパントであるMg、Ca、Sr、Z
n、Be、Sb、Si、Ge、C、Sn、Hg、Li、
P等を入れ、所定の供給量になるように温度および供給
時間を制御する。
Ga metal was put into the evaporating crucible 22 and heated to a temperature of 10 13 to 10 19 / cm 2 · sec on the substrate surface. A gas cell 26 was used to introduce ammonia, and the ammonia was directly sprayed onto the substrate 28. The introduction amount was supplied so as to be 10 16 to 10 20 / cm 2 · sec on the substrate surface. Evaporation crucibles 23, 24, and 25 contain In, Al, and the like for producing a mixed crystal compound semiconductor.
As, Sb, etc. and dopants such as Mg, Ca, Sr, Z
n, Be, Sb, Si, Ge, C, Sn, Hg, Li,
P and the like are added, and the temperature and the supply time are controlled so as to reach a predetermined supply amount.

【0020】基板26は、サファイアR面から、サファ
イアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転させた
面を使用し、200〜900℃に加熱した。まず、基板
28を900℃で30分間加熱した後、所定の成長温度
に設定し0.1〜10オングストローム/secの成膜
速度でn型ドーパントをドーピングして0.05〜2μ
mの厚みのn+ 型窒化ガリウム系半導体層を作製した。
続いて、該窒化ガリウム系半導体層の上に膜厚0.05
〜1μmのアンドープの窒化ガリウム系半導体薄膜を作
製した。さらにGaのシャッターと同時にMgのシャッ
ターを開けて、0.01〜1μmのMgをドーピングし
た窒化ガリウム系半導体層を形成し、窒化ガリウム系半
導体積層構造を作製した。図4に示す成膜後のRHEE
D回折パターンがストリーク状を示すことより、積層薄
膜は平坦でかつ良好な結晶性を有していることが分か
る。
The substrate 26 was heated from 200 ° C. to 900 ° C. using a surface rotated 9.2 ° from the R surface of the sapphire c-axis using the R-plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis. First, after heating the substrate 28 at 900 ° C. for 30 minutes, the substrate 28 is set at a predetermined growth temperature and doped with an n-type dopant at a film formation rate of 0.1 to 10 Å / sec to form a substrate of 0.05 to 2 μm.
An n + -type gallium nitride-based semiconductor layer having a thickness of m was produced.
Subsequently, a film thickness of 0.05 is formed on the gallium nitride based semiconductor layer.
An undoped gallium nitride-based semiconductor thin film of about 1 μm was produced. Further, the gallium nitride-based semiconductor layer doped with Mg of 0.01 to 1 μm was formed by opening the Mg shutter at the same time as the Ga shutter, thereby producing a gallium nitride-based semiconductor laminated structure. RHEE after film formation shown in FIG.
The streak-like D-diffraction pattern indicates that the laminated thin film is flat and has good crystallinity.

【0021】ついで、該積層薄膜にリソグラフィープロ
セスを行うことにより、素子の形状を設定するとともに
電流を注入するための電極を設ける。リソグラフィープ
ロセスは通常のフォトレジスト材料を用いるプロセスで
行うことができ、エッチング法としてはドライエッチン
グ法を行うことができる。ドライエッチング法として
は、通常の方法を用いることができ、イオンミリング、
ECRエッチング、反応性イオンエッチング、イオンビ
ームアシストエッチング、集束イオンビームエッチング
を用いることができる。とくに本発明においては窒化ガ
リウム系半導体積層薄膜の全体膜厚が小さいためにこれ
らのドライエッチング法が効率的に適用できるのも特長
の一つである。電流を注入するための電極としては、A
l、In、Au、Al−In、Al−Sn、In−Sn
等の金属、酸化スズ、酸化インジウム、酸化スズ−酸化
インジウム、酸化亜鉛、縮退したGaNやZnSe等を
用いることができ、MBE法、真空蒸着法、電子ビーム
蒸着法やスパッタ法等により作製することができる。
Next, by performing a lithography process on the laminated thin film, an electrode for setting an element shape and injecting a current is provided. The lithography process can be performed by a process using a usual photoresist material, and a dry etching method can be performed as an etching method. As a dry etching method, an ordinary method can be used, and ion milling,
ECR etching, reactive ion etching, ion beam assisted etching, and focused ion beam etching can be used. Particularly, in the present invention, one of the features is that these dry etching methods can be applied efficiently because the total thickness of the gallium nitride based semiconductor laminated thin film is small. As an electrode for injecting current, A
1, In, Au, Al-In, Al-Sn, In-Sn
Metal, tin oxide, indium oxide, tin oxide-indium oxide, zinc oxide, degenerated GaN, ZnSe, or the like can be used, and can be manufactured by MBE, vacuum evaporation, electron beam evaporation, sputtering, or the like. Can be.

【0022】この方法で得られた素子をダイシングソー
等で切断し、ワイヤーボンダーにより金線を用いて配線
を行い製品を作ることができる。
The element obtained by this method is cut by a dicing saw or the like, and wiring is performed using a gold wire by a wire bonder to produce a product.

【0023】[0023]

【実施例】以下、実施例によりさらに詳細に説明する。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0024】[0024]

【実施例1】アンモニアを用いたMBE法により、窒化
ガリウム系半導体発光素子を作製した例について説明す
る。図3に示すような真空容器21内に、蒸発用ルツボ
22、23、24および25、ガスセル26、および基
板加熱ホルダー28を備えた結晶成長装置を用いた。蒸
発用ルツボ22にはGa金属を入れ、1020℃に加熱
し、蒸発用ルツボ24および25にはMg、Siを入れ
て各々280℃、1200℃に加熱した。ガスとしては
アンモニアを使用し、ガスの導入には内部にアルミナフ
ァイバーを充填したガスセル26を使用し、370℃に
加熱してガスを直接に基板28に吹き付けるようにして
5cc/minの速度で供給した。
Embodiment 1 A description will be given of an example in which a gallium nitride based semiconductor light emitting device is manufactured by the MBE method using ammonia. A crystal growth apparatus including an evaporation crucible 22, 23, 24, and 25, a gas cell 26, and a substrate heating holder 28 in a vacuum vessel 21 as shown in FIG. 3 was used. Ga metal was put into the evaporating crucible 22 and heated to 1020 ° C., and Mg and Si were put into the evaporating crucibles 24 and 25 and heated to 280 ° C. and 1200 ° C., respectively. Ammonia is used as a gas, and a gas cell 26 filled with alumina fibers is used for gas introduction. The gas is heated at 370 ° C. and supplied at a rate of 5 cc / min by directly blowing the gas onto the substrate 28. did.

【0025】基板28としては、サファイアR面から、
サファイアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転
させた基板面を有するサファイア基板を用いた。真空容
器内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであ
った。まず、基板28を900℃で30分間加熱し、つ
いで750℃の温度に保持し成膜を行う。成膜はアンモ
ニアをガスセル28から供給しながらGaとSiのルツ
ボのシャッターを同時に開けて行い、Gaのビーム強度
を5.51×1014/cm2 ・secに設定して、1.
0オングストローム/secの成膜速度で膜厚0.3μ
mのSiをドープしたn+ 型のGaN薄膜を作製する。
続いて、Gaのルツボのシャッターだけを開けて、0.
2μmのアンドープのn型GaN薄膜を作製する。さら
に、これらの積層構造上にGaのシャッターとMgのル
ツボのシャッターを同時に開けて、0.05μmの厚み
のi型のドーピング層を形成することによって窒化ガリ
ウム系半導体積層構造を作製した。図4に示す成膜後の
RHEED回折パターンがストリーク状を示すことよ
り、積層薄膜は平坦でかつ良好な結晶性を有しているこ
とが分かる。
As the substrate 28, from the sapphire R surface,
A sapphire substrate having a substrate surface rotated 9.2 degrees using the R-plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis was used. The pressure in the vacuum vessel was 2 × 10 −6 Torr during film formation. First, the substrate 28 is heated at 900 ° C. for 30 minutes, and then the film is formed while maintaining the temperature at 750 ° C. The film is formed by simultaneously opening the crucible shutters of Ga and Si while supplying ammonia from the gas cell 28, and setting the Ga beam intensity to 5.51 × 10 14 / cm 2 · sec.
0.3 μm thickness at 0 Å / sec deposition rate
An n + -type GaN thin film doped with m Si is prepared.
Subsequently, only the shutter of the Ga crucible was opened,
A 2 μm undoped n-type GaN thin film is prepared. Further, a Ga shutter and a Mg crucible shutter were simultaneously opened on these stacked structures to form an i-type doping layer having a thickness of 0.05 μm, thereby producing a gallium nitride based semiconductor stacked structure. The RHEED diffraction pattern after film formation shown in FIG. 4 shows a streak shape, which indicates that the laminated thin film is flat and has good crystallinity.

【0026】ついで、該積層薄膜にリソグラフィープロ
セスを行うことにより、電流を注入するための電極を設
ける。リソグラフィープロセスは通常のフォトレジスト
材料を用いるプロセスで行うことができ、エッチング法
として、イオンミリングを行うことによって、電流を注
入する電極を形成するため窓を作製した。ついで、Al
電極を真空蒸着法によって形成した。
Next, an electrode for injecting a current is provided by performing a lithography process on the laminated thin film. The lithography process can be performed by a process using a normal photoresist material. As an etching method, a window for forming an electrode into which current is injected is formed by performing ion milling. Then, Al
The electrodes were formed by a vacuum deposition method.

【0027】この方法で得られた素子をダイシングソー
で切断し、ワイヤボンダーにより金線を用いて配線を行
った。本発明の素子構造を図5にダイオード特性を測定
した結果を図6に示す。この素子の電極に15Vの電圧
を印加して30mAの電流を注入すると、70mcdの
青色発光が観測された。発光スペクトルは図7に示す。
The device obtained by this method was cut with a dicing saw, and wiring was performed using a gold wire with a wire bonder. FIG. 5 shows the device structure of the present invention, and FIG. 6 shows the results of measuring the diode characteristics. When a voltage of 15 V was applied to the electrode of this element and a current of 30 mA was injected, blue light emission of 70 mcd was observed. The emission spectrum is shown in FIG.

【0028】[0028]

【実施例2】アンモニアを用いたMBE法によりGa
1-x Inx N系半導体発光素子を作製した例について説
明する。図3に示すような真空容器21内に、蒸発用ル
ツボ22、23、24および25、ガスセル26、およ
び基板加熱ホルダー27を備えたガスソースMBEを用
いた。
[Embodiment 2] Ga by the MBE method using ammonia
An example in which a 1-x In x N-based semiconductor light emitting device is manufactured will be described. A gas source MBE including an evaporation crucible 22, 23, 24, and 25, a gas cell 26, and a substrate heating holder 27 in a vacuum vessel 21 as shown in FIG. 3 was used.

【0029】蒸発用ルツボ22にはGa金属を入れ、1
020℃に加熱し、蒸発用ルツボ23にはIn金属を入
れて950℃に加熱し、蒸発用ルツボ24および25に
はMg、Siを入れて各々280℃、1200℃に加熱
した。ガスとしてはアンモニアを使用し、ガスの導入に
は内部にアルミナファイバーを充填したガスセル26を
使用し、370℃に加熱してガスを直接に基板28に吹
き付けるようにして5cc/minの速度で供給した。
Ga metal is put into the evaporating crucible 22.
The mixture was heated to 020 ° C., the In crucible 23 was charged with In metal and heated to 950 ° C., and the crucibles 24 and 25 were charged with Mg and Si and heated to 280 ° C. and 1200 ° C., respectively. Ammonia is used as a gas, and a gas cell 26 filled with alumina fibers is used for gas introduction. The gas is heated at 370 ° C. and supplied at a rate of 5 cc / min by directly blowing the gas onto the substrate 28. did.

【0030】基板28としては、サファイアR面から、
サファイアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転
させた基板面を有するサファイア基板を用いた。真空容
器内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであ
った。まず、基板28を900℃で30分間加熱し、つ
いで750℃の温度に保持し成膜を行う。成膜はアンモ
ニアをガスセル26から供給しながらGa、InとSi
のルツボのシャッターを同時に開けて行い、1.2オン
グストローム/secの成膜速度で膜厚0.3μmのS
iをドープしたn+ 型Ga1ーX InX N(X=0.1
2)薄膜を作製する。続いてGaとInのルツボのシャ
ッターを開けて行い、1.2オングストローム/sec
の成膜速度で膜厚 0.3μmのアンドープのn型Ga
1ーX InX N(X=0.12)薄膜を作製する。さら
に、GaとInのルツボのシャッターと同時にMgのル
ツボのシャッターを同時に開けて、0.05μmの厚み
のi型のGa1ーX InX N(X=0.12)組成のドー
ピング層を形成することによって窒化ガリウム系半導体
積層構造を作製した。成膜後のRHEED回折パターン
がストリーク状を示すことより、積層薄膜は平坦でかつ
良好な結晶性を有していることが分かる。
As the substrate 28, from the sapphire R surface,
A sapphire substrate having a substrate surface rotated 9.2 degrees using the R-plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis was used. The pressure in the vacuum vessel was 2 × 10 −6 Torr during film formation. First, the substrate 28 is heated at 900 ° C. for 30 minutes, and then the film is formed while maintaining the temperature at 750 ° C. The film is formed by supplying Ga, In and Si while supplying ammonia from the gas cell 26.
The shutter of the crucible was simultaneously opened, and the film was formed at a film thickness of 0.3 μm at a film forming speed of 1.2 angstroms / sec.
n + -type Ga 1 -x In x N doped with i (X = 0.1
2) Prepare a thin film. Subsequently, the shutter of the crucible of Ga and In is opened, and the operation is performed, and the thickness is 1.2 Å / sec.
Undoped n-type Ga with a film thickness of 0.3 μm
A 1-X In X N (X = 0.12) thin film is prepared. Further, the shutter of the Mg crucible is simultaneously opened simultaneously with the shutter of the Ga and In crucibles to form an i-type Ga 1-X In X N (X = 0.12) doped layer having a thickness of 0.05 μm. As a result, a gallium nitride based semiconductor multilayer structure was manufactured. The RHEED diffraction pattern after film formation shows a streak shape, indicating that the laminated thin film is flat and has good crystallinity.

【0031】ついで、該積層薄膜にリソグラフィープロ
セスを行うことにより、電流を注入するための電極を設
ける。リソグラフィープロセスは通常のフォトレジスト
材料を用いるプロセスで行うことができ、エッチング法
として、イオンミリングを行うことによって、電流を注
入する電極を形成するため窓を作製した。ついで、Al
電極を真空蒸着法によって形成した。
Next, an electrode for injecting current is provided by performing a lithography process on the laminated thin film. The lithography process can be performed by a process using a normal photoresist material. As an etching method, a window for forming an electrode into which current is injected is formed by performing ion milling. Then, Al
The electrodes were formed by a vacuum deposition method.

【0032】この方法で得られた素子をダイシングソー
で切断し、ワイヤボンダーにより金線を用いて配線を行
った。本発明の素子構造を図8に示す。この素子の電極
に15Vの電圧を印加して40mAの電流を注入する
と、60mcdの青緑色発光が観測された。
The device obtained by this method was cut with a dicing saw, and wiring was performed using a gold wire with a wire bonder. FIG. 8 shows an element structure of the present invention. When a voltage of 15 V was applied to the electrodes of the device and a current of 40 mA was injected, blue-green light emission of 60 mcd was observed.

【0033】[0033]

【実施例3】アンモニアを用いたMBE法によりn
+ 型、n型、i型のAl1-x Gax Nを順次積層して窒
化ガリウム系発光素子を作製した例について説明する。
図3に示すような真空容器21内に、蒸発用ルツボ2
2、23、24および25、ガスセル26、および基板
加熱ホルダー27を備えたガスソースMBEを用いた。
Embodiment 3 n was obtained by MBE using ammonia.
An example in which a gallium nitride-based light emitting device is manufactured by sequentially stacking + -type, n-type, and i-type Al 1-x Ga x N will be described.
An evaporation crucible 2 is placed in a vacuum vessel 21 as shown in FIG.
A gas source MBE equipped with 2, 23, 24 and 25, a gas cell 26 and a substrate heating holder 27 was used.

【0034】蒸発用ルツボ21にはGa金属を入れ、1
020℃に加熱し、蒸発用ルツボ23にはAl金属を入
れて800℃に加熱し、蒸発用ルツボ24および25に
はMg、Siを入れて各々280℃、1200℃に加熱
した。ガスとしてはアンモニアを使用し、ガスの導入に
は内部にアルミナファイバーを充填したガスセル26を
使用し、370℃に加熱してガスを直接に基板26に吹
き付けるようにして5cc/minの速度で供給した。
The evaporating crucible 21 is filled with Ga metal.
The mixture was heated to 020 ° C, the Al crucible 23 was charged with Al metal and heated to 800 ° C, and the crucibles 24 and 25 were charged with Mg and Si and heated to 280 ° C and 1200 ° C, respectively. Ammonia is used as a gas, and a gas cell 26 filled with alumina fibers is used to introduce the gas. The gas is heated at 370 ° C. and supplied at a rate of 5 cc / min by directly blowing the gas onto the substrate 26. did.

【0035】基板28としては、サファイアR面から、
サファイアc軸のR面射影を回転軸として9.2度回転
させた基板面を有するサファイア基板を用いた。真空容
器内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであ
った。まず、基板28を900℃で30分間加熱し、つ
いで750℃の温度に保持し成膜を行う。成膜はアンモ
ニアをガスセル26から供給しながらGa、AlとSi
のルツボのシャッターを同時に開けて行い、Gaのビー
ム強度を5.51×1014/cm2 ・secに設定し
て、1.2オングストローム/secの成膜速度で膜厚
0.2μmのSiをドープしたn+ 型Al1ーX Gax
(X=0.90)薄膜を作製する。さらに、GaとAl
のシャッターだけを開けて、0.1μmの厚みのアンド
ープのn型Al1ーX Gax N層(X=0.90)を形成
する。その後、Ga、AlとMgのルツボのシャッター
を同時に開けて、0.05μmの厚みのi型のAl1ーX
GaX N(X=0.90)組成のドーピング層を形成す
ることによって窒化ガリウム系半導体積層構造を作製し
た。成膜後のRHEED回折パターンがストリーク状を
示すことより、積層薄膜は平坦でかつ良好な結晶性を有
していることが分かる。
As the substrate 28, from the sapphire R surface,
A sapphire substrate having a substrate surface rotated 9.2 degrees using the R-plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis was used. The pressure in the vacuum vessel was 2 × 10 −6 Torr during film formation. First, the substrate 28 is heated at 900 ° C. for 30 minutes, and then the film is formed while maintaining the temperature at 750 ° C. The film is formed by supplying Ga, Al and Si while supplying ammonia from the gas cell 26.
Simultaneously open the crucible shutters, set the Ga beam intensity to 5.51 × 10 14 / cm 2 · sec, and deposit 0.2 μm-thick Si at a deposition rate of 1.2 Å / sec. Doped n + -type Al 1-x Ga x N
(X = 0.90) A thin film is prepared. Further, Ga and Al
Open only the shutter, to form an undoped n-type Al 1 over X Ga x N layer of 0.1μm in thickness of the (X = 0.90). Thereafter, the shutters of the crucibles of Ga, Al and Mg were simultaneously opened, and an i-type Al1 -X having a thickness of 0.05 μm was opened.
A gallium nitride-based semiconductor laminated structure was manufactured by forming a doping layer having a Ga X N (X = 0.90) composition. The RHEED diffraction pattern after film formation shows a streak shape, indicating that the laminated thin film is flat and has good crystallinity.

【0036】ついで、該積層薄膜にリソグラフィープロ
セスを行うことにより、電流を注入するための電極を設
ける。リソグラフィープロセスは通常のフォトレジスト
材料を用いるプロセスで行うことができ、エッチング法
として、イオンミリングを行うことによって、電流を注
入する電極を形成するため窓を作製した。ついで、Al
電極を真空蒸着法によって形成した。
Next, an electrode for injecting a current is provided by performing a lithography process on the laminated thin film. The lithography process can be performed by a process using a normal photoresist material. As an etching method, a window for forming an electrode into which current is injected is formed by performing ion milling. Then, Al
The electrodes were formed by a vacuum deposition method.

【0037】この方法で得られた素子をダイシングソー
で切断し、ワイヤボンダーにより金線を用いて配線を行
った。本発明の素子構造を図9に示す。この素子の電極
に15Vの電圧を印加して30mAの電流を注入する
と、1.2mWの紫外の発光が観測された。
The device obtained by this method was cut with a dicing saw, and wiring was performed using a gold wire with a wire bonder. FIG. 9 shows an element structure of the present invention. When a voltage of 15 V was applied to the electrodes of the device and a current of 30 mA was injected, ultraviolet light emission of 1.2 mW was observed.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明による窒化ガリウム系半導体発光
素子は、窒化ガリウム薄膜と基板との格子不整合が小さ
いため結晶性が良好で、かつn+ 型窒化ガリウム系半導
体層を設けたことにより、発光層に均一電場を印加する
ことができるために低電圧で均一な発光強度分布を有す
る高性能の発光素子を得ることを可能にする。
The gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present invention has good crystallinity due to small lattice mismatch between the gallium nitride thin film and the substrate, and has an n + -type gallium nitride based semiconductor layer. Since a uniform electric field can be applied to the light-emitting layer, it is possible to obtain a high-performance light-emitting element having a uniform light-emission intensity distribution at a low voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】サファイアのコランダム型六方晶と、結晶のR
面、c軸を示す断面図である。
FIG. 1. Corundum hexagonal crystal of sapphire and R of the crystal
It is sectional drawing which shows a surface and a c-axis.

【図2】サファイアR面から、サファイアc軸のR面射
影を回転軸として9.2度回転させた面を示す断面図で
ある。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a plane obtained by rotating the sapphire R plane by 9.2 degrees using the R plane projection of the sapphire c-axis as a rotation axis.

【図3】薄膜作製に用いたMBE装置の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of an MBE apparatus used for producing a thin film.

【図4】成膜後のRHEED回折パタ−ンの観察結果で
ある。
FIG. 4 is an observation result of a RHEED diffraction pattern after film formation.

【図5】実施例1で作製したGaNーMIS型構造の素
子構造である薄膜作製に用いたMBE装置の概略図であ
る。
FIG. 5 is a schematic view of an MBE apparatus used for producing a thin film having a GaN-MIS type element structure produced in Example 1.

【図6】実施例1で作製したGaNーMIS型構造素子
の電流ー電圧測定結果である。
FIG. 6 shows a current-voltage measurement result of the GaN-MIS type structure element manufactured in Example 1.

【図7】実施例1で作製したGaNーMIS型構造素子
の発光特性結果である。
FIG. 7 is a graph showing light emission characteristics of the GaN-MIS structure element manufactured in Example 1.

【図8】実施例2で作製したGaInNーMIS型構造
の素子構造である。
FIG. 8 shows a GaInN-MIS type device structure manufactured in Example 2.

【図9】実施例3で作製したAlGaNーMIS型構造
の素子構造である。
FIG. 9 shows an element structure of an AlGaN-MIS type structure manufactured in Example 3.

【図10】窒化ガリウム半導体発光素子の断面構造を示
した図である。
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of a gallium nitride semiconductor light emitting device.

【図11】GaInN系発光素子の断面構造を示した図
である。
FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional structure of a GaInN-based light emitting device.

【図12】GaN/GaInN系多層発光素子の断面構
造を示した図である。
FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional structure of a GaN / GaInN-based multilayer light emitting device.

【図13】GaN/Ga1-x Inx N系発光素子の断面
構造を示した図である。
FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional structure of a GaN / Ga 1-x In x N-based light emitting device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 サファイアR面 2 サファイアc軸 3 サファイアc軸のR面射影 4 サファイアR面から、サファイアc軸のR面射影
を回転軸として9.2度回転させた面 5 サファイア基板 6 n―GaN層 7 i―GaN層 8 Al電極 9 n―Ga1-x Inx N層 10 n+ ―Ga1-x Inx N層 11 i―Ga1-x Inx N層 12 p―Ga1-x Inx N層 13 p―GaN層 14 n―Ga1-y Iny N層 15 p―Ga1-y Iny N層 16 Mgドープ・i―GaN層 17 n+ ―GaN層 18 n+ ―Al1-x Gax N層 19 n―Al1-x Gax N層 20 i―Al1-x Gax N層 21 真空容器 22 蒸発用ルツボ 23 蒸発用ルツボ 24 蒸発用ルツボ 25 蒸発用ルツボ 26 ガスセル 27 基板加熱ホルダー 28 基板 29 四重極質量分析計 30 クライオパネル 31 バルブ 32 コールドトラップ 33 油拡散ポンプ 34 油回転ポンプ 35 基板ヒーター 36 シャッター 37 シャッター 38 シャッター
Reference Signs List 1 sapphire R surface 2 sapphire c-axis 3 sapphire c-axis R-plane projection 4 surface 9.2 degrees rotated from sapphire R-plane with sapphire c-axis R-plane projection as rotation axis 5 sapphire substrate 6 n-GaN layer 7 i-GaN layer 8 Al electrode 9 n-Ga 1-x In x N layer 10 n + -Ga 1-x In x N layer 11 i-Ga 1-x In x N layer 12 p-Ga 1-x In x n layer 13 p-GaN layer 14 n-Ga 1-y In y n layer 15 p-Ga 1-y In y n layer 16 Mg doped · i-GaN layer 17 n + -GaN layer 18 n + -Al 1- x Ga x N layer 19 n-Al 1-x Ga x N layer 20 i-Al 1-x Ga x N layer 21 vacuum vessel 22 evaporating crucible 23 evaporating crucible 24 evaporating crucible 25 evaporating crucible 26 gas cell 27 substrate Heating holder 28 Substrate 29 Quadrupole mass spectrometer 30 Iopaneru 31 valve 32 cold trap 33 an oil diffusion pump 34 oil rotary pump 35 substrate heater 36 shutter 37 shutter 38 shutters

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−323880(JP,A) 特開 平5−315647(JP,A) 特開 平4−299876(JP,A) 特開 平5−190903(JP,A) 特開 昭59−228766(JP,A) 特開 昭51−126040(JP,A) 特開 昭56−59699(JP,A) 特開 平4−321280(JP,A) 特開 平2−229475(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01L 21/203 H01L 21/86 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-323880 (JP, A) JP-A-5-315647 (JP, A) JP-A-4-299876 (JP, A) JP-A-5-299876 190903 (JP, A) JP-A-59-228766 (JP, A) JP-A-51-126040 (JP, A) JP-A-56-59699 (JP, A) JP-A-4-321280 (JP, A) JP-A-2-229475 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01L 21/203 H01L 21/86 JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】サファイアR面から、サファイアc軸のR
面射影を回転軸として9.2度回転させた面を基板面と
して、その上に直接形成されたn+ 型窒化ガリウム系半
導体層を有し、さらにn型単結晶窒化ガリウム系半導体
層およびp型あるいはi型からなる単結晶窒化ガリウム
系半導体層からなる発光層を少なくとも一つ有し、その
発光層に電圧を印加するために所望の部位に電極を具備
してなることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素
子。
1. A sapphire c-axis R
An n + -type gallium nitride-based semiconductor layer directly formed on a surface rotated by 9.2 degrees about the plane projection as a rotation axis is used as a substrate surface. Characterized in that it has at least one light-emitting layer made of a single-crystal or i-type single-crystal gallium nitride-based semiconductor layer, and has an electrode at a desired site for applying a voltage to the light-emitting layer. Gallium based semiconductor light emitting device.
【請求項2】MBE法において、窒素を含有するガス状
化合物を供給するガスソースと、III族元素を供給す
る固体ソースを有する結晶成長装置を用い、サファイア
R面からサファイアc軸のR面射影を回転軸として9.
2度回転させた面を基板面として、窒素を含有するガス
状化合物とIII族元素およびn型ドーパントを供給す
ることにより基板上にn+ 型窒化ガリウム系半導体層を
形成する工程、窒素を含有するガス状化合物とIII族
元素を供給してn型単結晶窒化ガリウム系半導体層を形
成する工程、窒素を含有するガス状化合物とIII族元
素およびp型ドーパントを供給してp型あるいはi型か
らなる単結晶窒化ガリウム系半導体層を形成する工程を
少なくとも含むことを特徴とする半導体発光素子の製造
方法。
2. In the MBE method, a crystal growth apparatus having a gas source for supplying a gaseous compound containing nitrogen and a solid source for supplying a Group III element is used to project a sapphire R plane to a sapphire c-axis R plane. As a rotation axis;
Forming a n + -type gallium nitride-based semiconductor layer on a substrate by supplying a gaseous compound containing nitrogen, a group III element, and an n-type dopant with the surface rotated twice as a substrate surface; Forming an n-type single-crystal gallium nitride-based semiconductor layer by supplying a gaseous compound and a group III element, and supplying a gaseous compound containing nitrogen, a group III element and a p-type dopant to form a p-type or i-type A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising at least a step of forming a single crystal gallium nitride-based semiconductor layer made of:
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