JP3298454B2 - Method of manufacturing gallium nitride based compound semiconductor light emitting device - Google Patents

Method of manufacturing gallium nitride based compound semiconductor light emitting device

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JP3298454B2
JP3298454B2 JP9849797A JP9849797A JP3298454B2 JP 3298454 B2 JP3298454 B2 JP 3298454B2 JP 9849797 A JP9849797 A JP 9849797A JP 9849797 A JP9849797 A JP 9849797A JP 3298454 B2 JP3298454 B2 JP 3298454B2
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gallium nitride
compound semiconductor
based compound
type
semiconductor layer
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修二 中村
成人 岩佐
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Nichia Corp
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は紫外、青色発光レー
ザーダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光デ
バイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子の製造方法に係る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device used for a light emitting device such as an ultraviolet or blue light emitting laser diode, or an ultraviolet or blue light emitting diode.
The present invention relates to a method for manufacturing a child .

【0002】[0002]

【従来の技術】青色発光素子は、II−VI族のZnS
e、IV−IV族のSiC、III−V族のGaN等を
用いて研究が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム
系化合物半導体〔InAlGa1−x−YN(0≦
X、0≦Y、X+Y≦1)〕が、常温で、比較的優れた発光
を示すことが発表され注目されている。その窒化物半導
体を有する青色発光素子は、基本的に、サファイアより
なる基板の上に一般式がInAlGa1−X−Y
(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で表される窒化物半導体の
エピタキシャル層が順にn型およびi型、あるいはp型
に積層された構造を有するものである。
2. Description of the Related Art A blue light emitting device is a ZnS of II-VI group.
e, studies have been carried out using SiC of the IV-IV group, GaN of the III-V group and the like, and recently, among them, a gallium nitride-based compound semiconductor [In x Al Y Ga 1-x -Y N (0 ≦
X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1)] have been reported to exhibit relatively excellent light emission at room temperature, and have attracted attention. Blue light emitting device having the nitride semiconductor is essentially the formula on a substrate made of sapphire In X Al Y Ga 1-X -Y N
It has a structure in which epitaxial layers of a nitride semiconductor represented by (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) are sequentially stacked in n-type and i-type or p-type.

【0003】窒化物半導体を積層する方法として、有機
金属化合物気相成長法(以下MOCVD法という。)、
分子線エピタキシー法(以下MBE法という。)等の気
相成長法がよく知られている。例えば、MOCVD法を
用いた方法について簡単に説明すると、この方法は、サ
ファイア基板を設置した反応容器内に反応ガスとして有
機金属化合物ガス{トリメチルガリウム(TMG)、ト
リメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア等}を供
給し、結晶成長温度をおよそ900℃〜1100℃の高
温に保持して、基板上に窒化物半導体を成長させ、また
必要に応じて他の不純物ガスを供給しながら窒化物半導
体をn型、i型、あるいはp型に積層する方法である。
基板にはサファイアの他にSiC、Si等もあるが一般
的にはサファイアが用いられている。n型不純物として
はSi、Ge、Sn(但し、窒化物半導体の場合、n型
不純物をドープしなくともn型になる性質がある。)が
良く知られており、p型不純物としてはZn、Cd、B
e、Mg、Ca、Ba等が挙げられるが、その中でもM
g、Znが最もよく知られている。
As a method of laminating a nitride semiconductor, a metal organic compound vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD method),
Vapor phase growth methods such as molecular beam epitaxy (hereinafter referred to as MBE) are well known. For example, the method using the MOCVD method will be briefly described. In this method, an organometallic compound gas such as trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), ammonia or the like is used as a reaction gas in a reaction vessel provided with a sapphire substrate. Is supplied, the crystal growth temperature is maintained at a high temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C., and the nitride semiconductor is grown on the substrate. , I-type, or p-type.
In addition to sapphire, the substrate may be SiC, Si, or the like, but sapphire is generally used. Well-known n-type impurities are Si, Ge, and Sn (however, in the case of a nitride semiconductor, they have a property of becoming n-type without doping with an n-type impurity). Cd, B
e, Mg, Ca, Ba and the like.
g and Zn are best known.

【0004】また、MOCVD法による窒化物半導体の
形成方法の一つとして、高温でサファイア基板上に直接
窒化物半導体を成長させると、その表面状態、結晶性が
著しく悪くなるため、高温で成長を行う前に、まず60
0℃前後の低温でAlNよりなるバッファ層を形成し、
続いてバッファ層の上に、高温で成長を行うことによ
り、結晶性が格段に向上することが明らかにされている
(特開平2−229476号公報)。また、本発明者は
特願平3−89840号において、AlNをバッファ層
とする従来の方法よりも、GaNをバッファ層とする方
が優れた結晶性の窒化物半導体が積層できることを示し
た。
Further, as one method of forming a nitride semiconductor by the MOCVD method, if a nitride semiconductor is grown directly on a sapphire substrate at a high temperature, the surface state and crystallinity are significantly deteriorated. Before you do,
Forming a buffer layer made of AlN at a low temperature of about 0 ° C.,
Subsequently, it has been revealed that the crystallinity is remarkably improved by performing growth at a high temperature on the buffer layer (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-229476). In addition, the present inventor has shown in Japanese Patent Application No. 3-89840 that a crystalline nitride semiconductor having better crystallinity can be laminated using GaN as a buffer layer than the conventional method using AlN as a buffer layer.

【0005】しかしながら、窒化物半導体を有する青色
発光デバイスは未だ実用化には至っていない。なぜな
ら、窒化物半導体が低抵抗なp型にできないため、ダブ
ルヘテロ、シングルヘテロ等の数々の構造の発光素子が
できないからである。気相成長法でp型不純物をドープ
した窒化物半導体を成長しても、得られた窒化物半導体
はp型とはならず、抵抗率が10Ω・cm以上の高抵
抗な半絶縁材料、すなわちi型となってしまうのが実状
であった。このため現在、青色発光素子の構造は基板の
上にバッファ層、n型層、その上にi型層を順に積層し
た、いわゆるMIS構造のものしか知られていない。
However, a blue light emitting device having a nitride semiconductor has not yet been put to practical use. This is because a nitride semiconductor cannot be made into a p-type with low resistance, so that a light-emitting element having various structures such as a double hetero structure and a single hetero structure cannot be formed. Even if a nitride semiconductor doped with a p-type impurity is grown by a vapor phase growth method, the obtained nitride semiconductor does not become a p-type and a high-resistance semi-insulating material having a resistivity of 10 8 Ω · cm or more. That is, it was the actual situation that it became i-type. For this reason, at present, only the so-called MIS structure of a blue light emitting element is known, in which a buffer layer, an n-type layer, and an i-type layer are sequentially stacked on a substrate.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】高抵抗なi型を低抵抗
化してp型に近づけるための手段として特開平2−25
7679号公報において、p型不純物としてMgをドー
プした高抵抗なi型窒化ガリウム化合物半導体を最上層
に形成した後に、加速電圧6kV〜30kVの電子線を
その表面に照射することにより、表面から約0.5μm
の層を低抵抗化する技術が開示されている。しかしなが
ら、この方法では電子線の侵入深さのみ、すなわち極表
面しか低抵抗化できず、また電子線を走査しながらウエ
ハー全体を照射しなければならないため面内均一に低抵
抗化できないという問題があった。
As means for lowering the resistance of a high-resistance i-type so as to approach the p-type, Japanese Patent Laid-Open No. 2-25 / 1990
No. 7679, a high-resistance i-type gallium nitride compound semiconductor doped with Mg as a p-type impurity is formed in the uppermost layer, and then the surface is irradiated with an electron beam having an accelerating voltage of 6 kV to 30 kV so that about 0.5 μm
A technique for reducing the resistance of a layer has been disclosed. However, this method has a problem that only the penetration depth of the electron beam, that is, the resistance can be reduced only on the very surface, and the entire wafer must be irradiated while scanning the electron beam, so that the resistance cannot be reduced uniformly in the plane. there were.

【0007】従って本発明の目的は、p型不純物がドー
プされた窒化物半導体を低抵抗なp型とし、さらに膜厚
によらず抵抗値がウエハー全体に均一であり、発光素子
をダブルヘテロ、シングルヘテロ構造可能な構造とでき
るp−n接合を有する窒化物半導体発光素子の製造方法
を提供するものである。
Therefore, an object of the present invention is to make a nitride semiconductor doped with a p-type impurity a low-resistance p-type, furthermore, the resistance value is uniform over the entire wafer regardless of the film thickness, and the light-emitting element can be a double heterostructure. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device having a pn junction which can have a structure capable of a single hetero structure.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の方法で製造され
窒化ガリウム系化合物半導体は、シリコンを含む窒化
ガリウム系化合物半導体層と、マグネシウムを含む窒化
ガリウム系化合物半導体層とを有する。さらに、本発明
の窒化ガリウム系化合物半導体は、マグネシウムを含む
窒化ガリウム系化合物半導体層の上に、窒化ガリウム系
化合物半導体の分解を抑え、かつ前記マグネシウムを含
む窒化ガリウム系化合物半導体層中のマグネシウムと結
合している水素の少なくとも一部を通過させると共に、
アニーリングにおいてマグネシウムを含む窒化ガリウム
系化合物半導体層を面内均一にしかも深さ方向均一にp
型化するキャップ層を設けている。
Means for Solving the Problems] In the method of the present invention are prepared
The gallium nitride-based compound semiconductor includes a gallium nitride-based compound semiconductor layer containing silicon and a gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium. Further, the gallium nitride-based compound semiconductor of the present invention, on the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium, suppresses decomposition of the gallium nitride-based compound semiconductor, and removes magnesium in the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium. While passing at least a portion of the bound hydrogen,
In annealing, the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium is uniformly p-planed and uniformly in the depth direction.
A cap layer to be formed is provided.

【0009】アニーリング(Annealing:焼き
なまし、熱処理)は、p型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を成長した後、反応容器内で行っ
てもよいし、ウエハーを反応容器から取り出してアニー
リング専用の装置で行ってもよい。アニーリング雰囲気
は真空中、N、He、Ne、Ar等の不活性ガス、ま
たはこれらの混合ガス雰囲気中で行い、好ましくは、ア
ニーリング温度における窒化ガリウム系化合物半導体の
分解圧以上で加圧した窒素雰囲気中で行う。なぜなら、
窒素雰囲気として加圧することにより、アニーリング中
に、窒化ガリウム系化合物半導体中のNが分解して出て
行くのを防止する作用があるからである。
Annealing (annealing: heat treatment) may be performed in a reaction vessel after growing a gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with a p-type impurity, or a wafer may be taken out of the reaction vessel and used exclusively for annealing. It may be performed by an apparatus. The annealing atmosphere is performed in a vacuum, in an atmosphere of an inert gas such as N 2 , He, Ne, or Ar, or in a mixed gas atmosphere thereof. Preferably, nitrogen is pressurized at a temperature higher than the decomposition pressure of the gallium nitride-based compound semiconductor at the annealing temperature. Perform in an atmosphere. Because
This is because pressurization in a nitrogen atmosphere has an effect of preventing N in the gallium nitride-based compound semiconductor from decomposing and coming out during annealing.

【0010】例えばGaNの場合、GaNの分解圧は8
00℃で約0.01気圧、1000℃で約1気圧、11
00℃で約10気圧程である。このため、窒化ガリウム
系化合物半導体を400℃以上でアニーリングする際、
多かれ少なかれ窒化ガリウム系化合物半導体の分解が発
生し、その結晶性が悪くなる傾向にある。従って前記の
ように窒素で加圧することにより分解を防止できる。
For example, in the case of GaN, the decomposition pressure of GaN is 8
About 0.01 atm at 00 ° C, about 1 atm at 1000 ° C, 11
It is about 10 atmospheres at 00 ° C. Therefore, when annealing a gallium nitride-based compound semiconductor at 400 ° C. or higher,
More or less decomposition of the gallium nitride-based compound semiconductor occurs, and its crystallinity tends to deteriorate. Accordingly, decomposition can be prevented by pressurizing with nitrogen as described above.

【0011】アニーリング温度は、たとえば、400℃
以上、好ましくは700℃以上で、1分以上保持、好ま
しくは10分以上保持して行う。1000℃以上で行っ
ても、前記したように窒素で加圧することにより分解を
防止することができ、後に述べるように、安定して、結
晶性の優れたp型窒化ガリウム系化合物半導体が得られ
る。
The annealing temperature is, for example, 400 ° C.
The above is carried out at preferably 700 ° C. or more, for 1 minute or more, preferably for 10 minutes or more. Even at a temperature of 1000 ° C. or higher, decomposition can be prevented by pressurizing with nitrogen as described above, and as described later, a stable p-type gallium nitride-based compound semiconductor having excellent crystallinity can be obtained. .

【0012】また、アニーリング中の、窒化ガリウム系
化合物半導体の分解を抑える手段として、p型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層の上にさらに
キャップ層を形成させたのち、アニーリングを行う。キ
ャップ層とは、すなわち保護膜であって、それをp型不
純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成した後、400℃以上でアニーリングすることによっ
て、加圧下はいうまでもなく、減圧、常圧中において
も、窒化ガリウム系化合物半導体を分解させることなく
低抵抗なp型とすることができる。
As a means for suppressing the decomposition of the gallium nitride-based compound semiconductor during annealing, a cap layer is further formed on the gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with a p-type impurity, and then annealing is performed. The cap layer is a protective film, which is formed on a gallium nitride-based compound semiconductor doped with a p-type impurity, and then annealed at 400 ° C. or more to reduce the pressure, not to mention the pressure. Even under normal pressure, the gallium nitride-based compound semiconductor can be made into a low-resistance p-type without decomposing.

【0013】キャップ層を形成するには、p型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した
後、続いて反応容器内で形成してもよいし、また、ウエ
ハーを反応容器から取り出し、他の結晶成長装置、例え
ばプラズマCVD装置等で形成してもよい。キャップ層
の材料としては、窒化ガリウム系化合物半導体の上に形
成できる材料で、400℃以上で安定な材料であればど
のようなものでもよく、好ましくはGaAl1−X
(但し0≦X≦1)、Si、SiOを挙げるこ
とができ、アニーリング温度により材料の種類を適宜選
択する。また、キャップ層の膜厚は通常0.01〜5μ
mの厚さで形成する。0.01μmより薄いと保護膜と
しての効果が十分に得られず、また5μmよりも厚い
と、アニーリング後、キャップ層をエッチングにより取
り除き、p型窒化ガリウム系化合物半導体層を露出させ
るのに手間がかかるため、経済的ではない。
In order to form a cap layer, a gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with a p-type impurity may be formed and then formed in a reaction vessel, or a wafer may be taken out of the reaction vessel. It may be formed by another crystal growth apparatus such as a plasma CVD apparatus. As the material of the cap layer, any material can be used as long as it is a material that can be formed on the gallium nitride-based compound semiconductor and is stable at 400 ° C. or higher, and preferably Ga x Al 1 -XN.
(Where 0 ≦ X ≦ 1), Si 3 N 4 , and SiO 2 can be given, and the type of material is appropriately selected depending on the annealing temperature. The thickness of the cap layer is usually 0.01 to 5 μm.
m. When the thickness is less than 0.01 μm, the effect as a protective film cannot be sufficiently obtained. When the thickness is more than 5 μm, it takes time to remove the cap layer by etching after annealing and expose the p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer. This is not economical.

【0014】[0014]

【作用】図1は、p型不純物をドープした窒化ガリウム
系化合物半導体層がアニーリングによって低抵抗なp型
に変わることを示す図である。ただし、この図は、MO
CVD法を用いて、サファイア基板上にまずGaNバッ
ファ層を形成し、その上にp型不純物としてMgをドー
プしながらGaN層を4μmの膜厚で形成した後、ウエ
ハーを取り出し、温度を変化させて窒素雰囲気中でアニ
ーリングを10分間行った後、ウエハーのホール測定を
行い、抵抗率をアニーリング温度の関数としてプロット
した図である。
FIG. 1 is a diagram showing that a gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with a p-type impurity changes to a low-resistance p-type by annealing. However, this figure shows the MO
First, a GaN buffer layer is formed on a sapphire substrate using a CVD method, and a GaN layer is formed to a thickness of 4 μm while doping Mg as a p-type impurity thereon. Then, the wafer is taken out and the temperature is changed. FIG. 3 is a diagram in which holes are measured on a wafer after annealing is performed for 10 minutes in a nitrogen atmosphere, and resistivity is plotted as a function of annealing temperature.

【0015】この図からわかるように、アニーリング時
間を10分に設定すると、400℃を越えるあたりから
急激にMgをドープしたGaN層の抵抗率が減少し、7
00℃以上からはほぼ一定の低抵抗なP型特性を示し、
アニーリングの効果が現れている。なお、アニーリング
しないGaN層と700℃以上でアニーリングしたGa
N層のホール測定結果は、アニーリング前のGaN層は
抵抗率2×10Ω・cm、ホールキャリア濃度8×1
10/cmであったのに対し、アニーリング後のG
aN層は抵抗率2Ω・cm、ホールキャリア濃度2×1
17/cmであった。
As can be seen from this figure, when the annealing time is set to 10 minutes, the resistivity of the Mg-doped GaN layer sharply decreases from around 400 ° C.
It shows almost constant low-resistance P-type characteristics from 00 ° C.
The effect of annealing appears. The GaN layer not annealed and the Ga annealed at 700 ° C. or more
The hole measurement results of the N layer show that the GaN layer before annealing has a resistivity of 2 × 10 5 Ω · cm and a hole carrier concentration of 8 × 1.
0 10 / cm 3 , whereas G after annealing
The aN layer has a resistivity of 2Ω · cm and a hole carrier concentration of 2 × 1.
0 17 / cm 3 .

【0016】さらに、700℃でアニーリングした上記
4μmのGaN層をエッチングして2μmの厚さにし、
ホール測定を行った結果、ホールキャリア濃度2×10
17/cm、抵抗率3Ω・cmであり、エッチング前
とほぼ同一の値であった。すなわちP型不純物をドープ
したGaN層がアニーリングによって、深さ方向均一に
全領域にわたって低抵抗なp型となっていた。
Further, the 4 μm GaN layer annealed at 700 ° C. is etched to a thickness of 2 μm,
As a result of the hole measurement, a hole carrier concentration of 2 × 10
17 / cm 3 and resistivity 3 Ω · cm, almost the same values as before etching. That is, the GaN layer doped with the P-type impurity becomes low-resistance p-type uniformly in the depth direction over the entire region by annealing.

【0017】また、図2は、同じくMOCVD法を用い
て、サファイア基板上にGaNバッファ層とMgをドー
プした4μmのGaN層を形成したウエハーを用い、1
000℃で窒素雰囲気中20分間のアニーリングを行
い、20気圧の加圧下で行ったウエハー(a)と、大気
圧で行ったウエハー(b)のp型GaN層にそれぞれH
e−Cdレーザーを励起光源として照射し、そのフォト
ルミネッセンス強度で結晶性を比較して示す図であり、
そのフォトルミネッセンスの450nmにおける青色発
光強度が強いほど、結晶性が優れていると評価すること
ができる。
FIG. 2 shows a wafer obtained by forming a GaN buffer layer and a Mg-doped GaN layer of 4 μm on a sapphire substrate by MOCVD.
Annealing was performed for 20 minutes in a nitrogen atmosphere at 000 ° C., and the p-type GaN layers of the wafer (a) performed under a pressure of 20 atm and the wafer (b) performed at an atmospheric pressure were respectively subjected to H annealing.
FIG. 3 is a diagram illustrating irradiation with an e-Cd laser as an excitation light source, and comparison of crystallinity with photoluminescence intensity thereof.
The higher the blue luminescence intensity of the photoluminescence at 450 nm, the better the crystallinity can be evaluated.

【0018】図2に示すように、1000℃以上の高温
でアニーリングを行った場合、GaN層が熱分解するこ
とにより、その結晶性が悪くなる傾向にあるが、加圧す
ることにより熱分解を防止でき、優れた結晶性のp型G
aN層が得られる。
As shown in FIG. 2, when annealing is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, the crystallinity of the GaN layer tends to be deteriorated due to thermal decomposition. P-type G with excellent crystallinity
An aN layer is obtained.

【0019】また、図3は、同じくサファイア基板上に
GaNバッファ層とMgをドープした4μmのGaN層
を形成したウエハー(c)と、さらにその上にキャップ
層としてAlN層を0.5μmの膜厚で成長させたウエ
ハー(d)とを、今度は大気圧中において、1000
℃、窒素雰囲気で20分間のアニーリングを行った後、
エッチングによりキャップ層を取り除いて露出させたp
型GaN層の結晶性を、同じくフォトルミネッセンス強
度で比較して示す図である。
FIG. 3 shows a wafer (c) in which a GaN buffer layer and a 4 μm Mg-doped GaN layer are formed on a sapphire substrate, and a 0.5 μm AlN layer as a cap layer thereon. The wafer (d) grown at a thick thickness is then subjected to a pressure of 1000
After annealing for 20 minutes in a nitrogen atmosphere at ℃
P exposed by removing the cap layer by etching
FIG. 4 is a diagram showing the crystallinity of a GaN layer in comparison with the photoluminescence intensity.

【0020】図3に示すように、キャップ層を成長させ
ずにアニーリングを行ったp型GaN層(c)は高温で
のアニーリングになるとp型GaN層の分解が進むた
め、450nmでの発光強度は弱くなってしまう。しか
し、キャップ層(この場合AlN)を成長させることに
より、キャップ層のAlNは分解するがp型GaN層は
分解しないため、発光強度は依然強いままである。
As shown in FIG. 3, the p-type GaN layer (c) that has been annealed without growing the cap layer is decomposed when the annealing is performed at a high temperature. Becomes weaker. However, by growing the cap layer (in this case, AlN), the AlN of the cap layer is decomposed but the p-type GaN layer is not decomposed, so that the emission intensity is still strong.

【0021】アニーリングにより低抵抗なp型窒化ガリ
ウム系化合物半導体が得られる理由は以下のとおりであ
ると推察される。
The reason why a low-resistance p-type gallium nitride-based compound semiconductor can be obtained by annealing is presumed to be as follows.

【0022】すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体層
の成長において、N源として、一般にNHが用いられ
ており、成長中にこのNHが分解して原子状水素がで
きると考えられる。この原子状水素がアクセプター不純
物としてドープされたMg、Zn等と結合することによ
り、Mg、Zn等のp型不純物がアクセプターとして働
くのを妨げていると考えられる。このため、反応後のp
型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体は高
抵抗を示す。
That is, in growing a gallium nitride-based compound semiconductor layer, NH 3 is generally used as an N source, and it is considered that the NH 3 is decomposed during growth to form atomic hydrogen. It is considered that this atomic hydrogen combines with Mg, Zn, or the like doped as an acceptor impurity to prevent p-type impurities, such as Mg or Zn, from functioning as an acceptor. For this reason, p
A gallium nitride-based compound semiconductor doped with a type impurity exhibits high resistance.

【0023】ところが、成長後アニーリングを行うこと
により、Mg−H、Zn−H等の形で結合している水素
が熱的に解離されて、p型不純物をドープした窒化ガリ
ウム系化合物半導体層から出て行き、正常にp型不純物
がアクセプターとして働くようになるため、低抵抗なp
型窒化ガリウム系化合物半導体が得られるのである。従
って、アニーリング雰囲気中にNH、H等の水素原
子を含むガスを使用することは好ましくない。また、キ
ャップ層においても、水素原子を含む材料を使用するこ
とは以上の理由で好ましくない。なお、本発明におい
て、p型不純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体
から除去される水素とは、必ずしも水素が全て除去され
るのではなく、一部の水素が除去されることも、本発明
の範囲内であることは言うまでもない。
However, by performing annealing after growth, hydrogen bonded in the form of Mg—H, Zn—H, or the like is thermally dissociated, and the gallium nitride-based compound semiconductor layer doped with p-type impurities is removed. Since the p-type impurity comes out and functions normally as an acceptor, a low-resistance p-type impurity
A gallium nitride-based compound semiconductor can be obtained. Therefore, it is not preferable to use a gas containing a hydrogen atom such as NH 3 or H 2 in the annealing atmosphere. It is not preferable to use a material containing a hydrogen atom also in the cap layer for the above-described reason. Note that, in the present invention, the term “hydrogen removed from a gallium nitride-based compound semiconductor containing a p-type impurity” does not necessarily mean that all hydrogen is removed, but that part of hydrogen is removed. It goes without saying that it is within the range.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下実施例で本発明を詳述する。
ただし、以下の参考例1はキャップ層を設けていない発
光素子の製造を例示するが、この参考例で製造される発
光素子に、[0012]と[0013]に示す方法でキ
ャップ層を設けることができる。参考例1] まず良く洗浄したサファイア基板を反応容器内のサセプ
ターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガスを
流しながら基板を1050℃で、20分間加熱し、表面
の酸化物を除去する。その後、温度を510℃にまで冷
却し、510℃においてGa源としてTMGガスを27
×10−6モル/分、N源としてアンモニアガスを4.
0リットル/分、キャリアガスとして水素ガスを2.0
リットル/分で流しながら、GaNバッファ層を200
オングストロームの膜厚で成長させる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to embodiments.
However, in Reference Example 1 below, a light emitting device having no cap layer was used.
The manufacture of an optical device is illustrated.
The optical element is keyed by the method described in [0012] and [0013].
A cap layer can be provided. Reference Example 1 First, a well-cleaned sapphire substrate is set on a susceptor in a reaction vessel. After evacuating the container, the substrate is heated at 1050 ° C. for 20 minutes while flowing hydrogen gas to remove oxides on the surface. Thereafter, the temperature was cooled to 510 ° C., and at 510 ° C., TMG gas was
3.10-6 mol / min, ammonia gas as N source
0 liter / min, hydrogen gas 2.0
While flowing at a rate of 1 liter / min, the GaN buffer
It is grown to a thickness of Å.

【0025】次にTMGガスのみを止め、温度を103
0℃にまで上昇させた後、再びTMGガスを54×10
−6モル/分と、新たにSiH(モノシラン)ガスを
2.2×10−10モル/分で流しながら60分間成長
させて、Siがドープされたn型GaN層を4μmの膜
厚で成長する。
Next, only the TMG gas was stopped and the temperature was set at 103
After the temperature was raised to 0 ° C., TMG gas was
-6 mol / min and a new SiH 4 (monosilane) gas flowing at 2.2 × 10 −10 mol / min for 60 minutes to grow the Si-doped n-type GaN layer to a thickness of 4 μm. grow up.

【0026】続いてSiHガスを止め、CpMgガ
スを3.6×10−6モル/分で流しながら30分間成
長させて、MgドープGaN層を2.0μmの厚さで成
長させる。
Subsequently, the SiH 4 gas is stopped, and Cp 2 Mg gas is grown at a flow rate of 3.6 × 10 −6 mol / min for 30 minutes to grow the Mg-doped GaN layer to a thickness of 2.0 μm.

【0027】TMGガス、CpMgガスを止め、水素
ガスとアンモニアガスを流しながら、室温まで冷却した
後、反応容器内に流れるガスを窒素ガスに置換し、窒素
ガスを流しながら反応容器内の温度を1000℃まで上
昇させ、反応容器内で20分間保持してアニーリングを
行う。
After stopping TMG gas and Cp 2 Mg gas and cooling to room temperature while flowing hydrogen gas and ammonia gas, the gas flowing into the reaction vessel is replaced with nitrogen gas, and nitrogen gas is passed through the inside of the reaction vessel. The temperature is raised to 1000 ° C. and held in the reaction vessel for 20 minutes for annealing.

【0028】このようにして得られた素子を発光ダイオ
ードにして発光させたところ430nm付近に発光ピー
クを持つ青色発光を示し、発光出力は20mAで50μ
Wであり、順方向電圧は同じく20mAで4Vであっ
た。またアニーリングを行わず同様の構造の素子を作製
し発光ダイオードとしたところ、20mAにおいてわず
かに黄色に発光し、すぐにダイオードが壊れてしまっ
た。
When the device thus obtained was used as a light emitting diode to emit light, it showed blue light emission having an emission peak near 430 nm, and the light emission output was 50 μm at 20 mA.
W, and the forward voltage was also 4 V at 20 mA. In addition, when a device having the same structure was produced without annealing and used as a light emitting diode, the light emitting device emitted a slightly yellow light at 20 mA, and the diode was immediately broken.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明は、下記の極めて優れた特長を実
現する。 これまで、p型不純物をドープしても、低抵抗なp
型層にするのが極めて難しかった窒化ガリウム系化合物
半導体層を、アニーリングして低抵抗なp型窒化ガリウ
ム系化合物半導体にできる。アニーリングするときに、
p型不純物であるMgを含む窒化ガリウム系化合物半導
体層から除去される水素を速やかに除去できる。本発明
の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板にn型
窒化ガリウム系化合物半導体層とp型不純物であるMg
をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層とを成長さ
せた後、これをアニーリングするという極めて簡単な方
法で、p型不純物であるMgを含む層をp型化して、極
めて低コストに、優れた発光特性の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子を多量生産できる特長がある。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、
p型不純物であるMgを含む窒化ガリウム系化合物半導
体層の全面を均一に能率よくp型化できる特長がある。
p型不純物であるMgを含む窒化ガリウム系化合物半導
体層のアニーリングは、層体を均一に加熱してp型化さ
せる。p型不純物であるMgを含む窒化ガリウム系化合
物半導体層の全体を均一にp型化できることは、半導体
ウエハーを製作するときに極めて大切なことである。そ
れは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、大き
な、ウエハーを製作し、これを小さく切断して窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子のチップを製作するので、
窒化ガリウム系化合物半導体層が均一にp型化されてい
ないと、製作されたチップの歩留が著しく低下してしま
うからである。 p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層
が、深くp型化されて、全体としてより均一にp型化さ
れて、優れた発光特性を実現する。これに対して、p型
不純物を含む半導体層を、電子ビームでp型化している
従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、p型不
純物を含む半導体層を最上層とし、しかも、その極表面
しかp型化して低抵抗化されていない。加速された電子
ビームを深く打ち込むことができないからである。本発
明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法
は、p型不純物であるMgの含まれる窒化ガリウム系化
合物半導体層の全体を、アニーリングにより加熱して、
p型化しているので、p型不純物を含む窒化ガリウム系
化合物半導体層の全体が加熱されてより均一にp型化さ
れて、極めて高輝度な発光素子を実現できる。
The present invention realizes the following extremely excellent features.
Manifest. Until now, even if a p-type impurity is doped, a low resistance p
Gallium nitride based compounds that were extremely difficult to form as mold layers
The semiconductor layer is annealed to form a low resistance p-type gallium nitride.
System compound semiconductor. When annealing,
Gallium nitride based semiconductor containing Mg as a p-type impurity
Hydrogen removed from the body layer can be quickly removed. The present invention
Gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device
Gallium nitride based compound semiconductor layer and p-type impurity Mg
Gallium nitride based compound semiconductor layer doped with
After that, it is very easy to anneal this
The layer containing Mg, which is a p-type impurity, is converted into a p-type
Gallium nitride based compound with excellent light emission characteristics at low cost
The feature is that a large number of semiconductor light emitting devices can be produced. The gallium nitride based compound semiconductor light emitting device of the present invention,
Gallium nitride based semiconductor containing Mg as a p-type impurity
There is a feature that the entire surface of the body layer can be uniformly and efficiently p-type.
Gallium nitride based semiconductor containing Mg as a p-type impurity
Annealing of the body layer is performed by uniformly heating the layer body to make it p-type.
Let Gallium nitride based compounds containing Mg as a p-type impurity
That the entire semiconductor layer can be made uniform p-type
This is extremely important when manufacturing wafers. So
This is because gallium nitride based compound semiconductor light emitting devices
A wafer is manufactured, cut into small pieces, and
Manufactures a chip of an element-based compound semiconductor light emitting device,
The gallium nitride-based compound semiconductor layer is uniformly p-type.
Otherwise, the yield of manufactured chips will drop significantly.
Because Gallium nitride based compound semiconductor layer containing p-type impurities
Are deeply p-typed and more uniformly p-typed as a whole.
And realizes excellent light emission characteristics. In contrast, p-type
A semiconductor layer containing impurities is made p-type with an electron beam
Conventional gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting devices
The uppermost layer is a semiconductor layer containing a pure substance, and at the very surface
However, the resistance is reduced by making it p-type only. Accelerated electrons
This is because the beam cannot be driven deeply. Departure
Ming's gallium nitride based compound semiconductor light emitting deviceManufacturing method
Is a gallium nitride system containing Mg as a p-type impurity
The entire compound semiconductor layer is heated by annealing,
Gallium nitride containing p-type impurities
The entire compound semiconductor layer is heated to be more uniformly p-type.
As a result, a light emitting element with extremely high luminance can be realized.

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

【図1】 本発明の一実施例に係るアニーリング温度
と、抵抗率の関係を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an annealing temperature and a resistivity according to an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
FIG. 2 is a diagram showing the crystallinity of a p-type GaN layer according to one embodiment of the present invention in comparison with photoluminescence intensity.

【図3】 本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the crystallinity of a p-type GaN layer according to one embodiment of the present invention in comparison with photoluminescence intensity.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−303064(JP,A) 特開 平2−142188(JP,A) 特開 昭62−119196(JP,A) 特開 昭57−23284(JP,A) 特開 昭54−72589(JP,A) 特開 平2−111016(JP,A) 特開 平3−218625(JP,A) 特開 昭59−228776(JP,A) 米国特許5252499(US,A) 応用物理,第60巻第2号,p.163− 166 Inst.Phys.Conf.Se r.No 106 Chapter8,p. 575−580 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/324 H01L 21/205 Continuation of the front page (56) References JP-A-2-303064 (JP, A) JP-A-2-142188 (JP, A) JP-A-62-119196 (JP, A) JP-A-57-23284 (JP) JP-A-54-72589 (JP, A) JP-A-2-111016 (JP, A) JP-A-3-218625 (JP, A) JP-A-59-228776 (JP, A) U.S. Pat. (US, A) Applied Physics, Vol. 60, No. 2, p. 163-166 Inst. Phys. Conf. Ser. No 106 Chapter 8, p. 575-580 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50 H01L 21/324 H01L 21/205

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 気相成長法により、基板上に、少なくと
もシリコンを含むn型窒化ガリウム系化合物半導体層
と、マグネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層
とを成長させた後、成長されたn型窒化ガリウム系化合
物半導体層とマグネシウムを含む窒化ガリウム系化合物
半導体層の全体を、実質的に水素を含まない雰囲気中、
400℃以上でアニーリングすることにより、前記マグ
ネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層から水素
を出して、p型窒化ガリウム系化合物半導体層とする窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であっ
て、前記マグネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導
体層の上に、アニーリングにおいて、窒化ガリウム系化
合物半導体の分解を抑えかつ前記マグネシウムを含む窒
化ガリウム系化合物半導体層中から、マグネシウムと解
離されてなる少なくとも一部の水素を出すことができる
キャップ層を設け、このキャップ層を上に設けているマ
グネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層をアニ
ーリングして、深さ方向均一に低抵抗なp型窒化ガリウ
ム系化合物半導体とする窒化ガリウム系化合物半導体
光素子の製造方法。
An n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer containing at least silicon and a gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium are grown on a substrate by a vapor phase growth method. The entire gallium nitride-based compound semiconductor layer and the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium, in an atmosphere containing substantially no hydrogen,
A method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which hydrogen is extracted from the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium by annealing at 400 ° C. or more to form a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer, On the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium, at the annealing, the decomposition of the gallium nitride-based compound semiconductor is suppressed, and at least a part of hydrogen dissociated from magnesium is suppressed from the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium. Is provided, and a magnesium-containing gallium nitride-based compound semiconductor layer provided on the cap layer is annealed to form a low-resistance p-type gallium nitride-based compound semiconductor uniformly in the depth direction. gallium nitride-based compound semiconductor onset
A method for manufacturing an optical element .
【請求項2】 前記キャップ層の材料は、GaAl
1−XN(但し0≦X≦1)、Si、SiO
ら選択される一種である請求項1に記載の窒化ガリウム
系化合物半導体の製造方法。
Material wherein said cap layer, Ga X Al
2. The method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor according to claim 1, wherein the method is one selected from 1- XN (where 0 ≦ X ≦ 1), Si 3 N 4 , and SiO 2 .
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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応用物理,第60巻第2号,p.163−166

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