JP3348656B2 - Gallium nitride based compound semiconductor light emitting device - Google Patents

Gallium nitride based compound semiconductor light emitting device

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JP3348656B2
JP3348656B2 JP23636498A JP23636498A JP3348656B2 JP 3348656 B2 JP3348656 B2 JP 3348656B2 JP 23636498 A JP23636498 A JP 23636498A JP 23636498 A JP23636498 A JP 23636498A JP 3348656 B2 JP3348656 B2 JP 3348656B2
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gallium nitride
compound semiconductor
buffer layer
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久喜 加藤
勇 赤崎
和政 平松
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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】本発明は窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor light emitting device.

【0002】[0002]

【従来技術】従来、有機金属化合物気相成長法(以下
「MOVPE」と記す)を用いて、窒化ガリウム系化合
物半導体(AlX Ga1-X N;X=0 を含む) 薄膜をサフ
ァイア基板上に気相成長させることや、その窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を発光層とする発光素子が研究さ
れている。窒化ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハ
ーが容易に得られないことから、窒化ガリウム系化合物
半導体をそれと格子定数の近いサファイア基板上にエピ
タキシャル成長させることが行われている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a gallium nitride-based compound semiconductor (Al x Ga 1 -xN; including x = 0) thin film is formed on a sapphire substrate by metalorganic compound vapor deposition (hereinafter referred to as “MOVPE”). There has been studied a light-emitting device in which a gallium nitride-based compound semiconductor thin film is used as a light-emitting layer. Since a single crystal wafer of a gallium nitride-based compound semiconductor cannot be easily obtained, a gallium nitride-based compound semiconductor is epitaxially grown on a sapphire substrate having a lattice constant close to that of the single crystal wafer.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところが、サファイア
と発光層としての窒化ガリウム系化合物半導体との格子
不整合や、ガリウムと窒素の蒸気圧が大きく異なるた
め、良質な窒化ガリウム系化合物半導体結晶が得られな
いとう問題があり、このため、青色発光の発光効率の高
い発光素子が得られなかった。
However, because of the lattice mismatch between sapphire and the gallium nitride-based compound semiconductor as the light emitting layer and the large difference between the vapor pressures of gallium and nitrogen, a high-quality gallium nitride-based compound semiconductor crystal can be obtained. Therefore, a light-emitting element with high blue light emission efficiency cannot be obtained.

【0004】したがって、本発明は、上記の課題を解決
するために成されたものであり、その目的とするところ
は、サファイア基板上に成長させる窒化ガリウム系化合
物半導体の結晶性を向上させることで発光効率の高い青
色の発光素子を提供することである。
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to improve the crystallinity of a gallium nitride-based compound semiconductor grown on a sapphire substrate. An object of the present invention is to provide a blue light emitting element having high luminous efficiency.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項1の発明は、サファイア基板上に窒化ガリウム
系化合物半導体層(Alx Ga1-x N;X=0を含む)
を有する発光素子において、サファイア基板上に成長温
度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上500Å未満の
厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中に存在割合
が1〜90%である微結晶又は多結晶の混在した窒化ア
ルミニウム(AlN)から成るウルツァイト構造とする
バッファ層と、バッファ層上に形成された複数の窒化ガ
リウム系化合物半導体層(Alx Ga1-x N;X=0を
含む)とから成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
である。又、請求項2の発明は、サファイア基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体層(Al x Ga 1-x N;X=
0を含む)を有する発光素子において、サファイア基板
上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満で膜厚100 Å以上50
0 Å未満の厚さに成長された、結晶構造を無定形結晶中
に大きさが0.1μm以下の微結晶又は多結晶の混在し
たウルツァイト構造とする窒化アルミニウム(AlN)
から成るバッファ層と、バッファ層上に形成された複数
の窒化ガリウム系化合物半導体層(Al x Ga 1-x N;
X=0を含む)とから成る窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子である。請求項3の発明は、請求項2の発明に
おいて、微結晶又は多結晶の存在割合は1〜90%であ
ることを特徴とする。 請求項4の発明は、請求項1乃至
請求項3の何れか1項の発明において、バッファ層は有
機金属化合物気相成長法により形成されることを特徴と
する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gallium nitride-based compound semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN; including X = 0) on a sapphire substrate.
In a light-emitting element having a thickness of 100 to 500 mm on a sapphire substrate at a growth temperature of 400 to 600 ° C, the crystal structure is present in an amorphous crystal.
With a mixture of microcrystals or polycrystals having a
A gallium nitride-based buffer composed of a buffer layer having a wurtzite structure made of luminium (AlN) and a plurality of gallium nitride-based compound semiconductor layers (Al x Ga 1 -xN; including X = 0) formed on the buffer layer It is a compound semiconductor light emitting device. Further, the invention according to claim 2 is a method in which nitrogen is deposited on a sapphire substrate.
Gallium arsenide compound semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN ; X =
0), the sapphire substrate
Film thickness of 100 Å to 50 at growth temperature of 400 以上 C to less than 600 ℃ C
Crystal structure grown in amorphous crystal with thickness less than 0 mm
Microcrystals or polycrystals with a size of 0.1 μm or less
Aluminum nitride (AlN) with wurtzite structure
And a plurality of layers formed on the buffer layer
Gallium nitride based compound semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN ;
X = 0) (including X = 0)
It is a light emitting element. The invention of claim 3 is the invention of claim 2
The proportion of microcrystals or polycrystals is 1 to 90%.
It is characterized by that. The invention of claim 4 is the invention of claims 1 to
The invention according to claim 3 , wherein the buffer layer is formed by an organic metal compound vapor deposition method.

【0006】[0006]

【作用及び効果】サファイア基板上に、成長温度400 ℃
以上600 ℃未満で、膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに
成長され、結晶構造を無定形結晶中に存在割合が1〜9
0%である微結晶又は多結晶の混在したウルツァイト構
造とする窒化アルミニウム(AlN)から成るバッファ
層を設けたため、そのバッファ層上に成長する窒化ガリ
ウム系化合物半導体の結晶性が良くなった。同様に、サ
ファイア基板上に、成長温度400 ℃以上600 ℃未満で、
膜厚100 Å以上500 Å未満の厚さに成長され、結晶構造
を無定形結晶中に大きさが0.1μm以下の窒化アルミ
ニウム(AlN)から成るバッファ層を設けたため、そ
のバッファ層上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶性が良くなった。又、本発明の発光素子は、同様
な構成のバッファ層を設けたため、青色発光特性が改善
された。
[Function and effect] A growth temperature of 400 ° C. on a sapphire substrate
At a temperature of not less than 600 ° C. and a thickness of not less than 100 ° and less than 500 °, the crystal structure having an abundance of 1 to 9 in the amorphous crystal.
Since the buffer layer made of aluminum nitride (AlN) having a wurtzite structure in which microcrystals or polycrystals are mixed at 0% was provided, the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor grown on the buffer layer was improved. Similarly,
On a fire substrate, at a growth temperature of 400 ° C or higher and lower than 600 ° C,
It is grown to a thickness of 100 Å or more and less than 500 、 and has a crystal structure
Of aluminum nitride having a size of 0.1 μm or less in an amorphous crystal
Since a buffer layer made of aluminum (AlN) was provided,
Gallium nitride-based compound semiconductor grown on a buffer layer
Has improved crystallinity. Further, in the light emitting device of the present invention, a blue light emitting characteristic was improved because the buffer layer having the same configuration was provided.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図1は本発明を実施するための気相
成長装置の構成を示した断面図である。石英管10はそ
の左端でOリング15でシールされてフランジ14に当
接し、緩衝材38と固定具39を用い、ボルト46,4
7とナット48,49等により数箇所にてフランジ14
に固定されている。又、石英管10の右端はOリング4
0でシールされてフランジ27に螺子締固定具41,4
2により固定されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on specific embodiments. FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a vapor phase growth apparatus for carrying out the present invention. The quartz tube 10 is sealed at its left end with an O-ring 15 and abuts against the flange 14.
7 and nuts 48, 49, etc. at several places
It is fixed to. The right end of the quartz tube 10 is an O-ring 4
0 and are screwed to the flange 27 with the screw fasteners 41, 4
2 fixed.

【0008】石英管10で囲われた内室11には、反応
ガスを導くライナー管12が配設されている。そのライ
ナー管12の一端13はフランジ14に固設された保持
プレート17で保持され、その他端16の底部18は保
持脚19で石英管10に保持されている。石英管10の
X軸方向に垂直なライナー管12の断面は、図2〜図5
に示すように、X軸方向での位置によって異なる。即
ち、反応ガスはX軸方向に流れるが、ガス流の上流側で
は円形であり、下流側(X軸正方向)に進むに従って、
紙面に垂直な方向(Y軸方向)を長軸とし、長軸方向に
拡大され、短軸方向に縮小された楕円形状となり、サセ
プタ20を載置するやや上流側のA位置では上下方向
(Z軸)方向に薄くY軸方向に長い偏平楕円形状となっ
ている。A位置におけるIV−IV矢視方向断面図における
開口部のY軸方向の長さは 7.0cmであり、Z軸方向の長
さは 1.2cmである。
A liner tube 12 for guiding a reaction gas is provided in an inner chamber 11 surrounded by a quartz tube 10. One end 13 of the liner tube 12 is held by a holding plate 17 fixed to a flange 14, and the bottom 18 of the other end 16 is held by the quartz tube 10 by holding legs 19. The cross section of the liner tube 12 perpendicular to the X-axis direction of the quartz tube 10 is shown in FIGS.
As shown in the figure, the value differs depending on the position in the X-axis direction. That is, the reaction gas flows in the X-axis direction, but has a circular shape on the upstream side of the gas flow, and moves toward the downstream side (X-axis positive direction).
The direction perpendicular to the paper surface (Y-axis direction) is the long axis, and the shape is an elliptical shape that is enlarged in the long axis direction and reduced in the short axis direction. It has a flat elliptical shape that is thin in the (axis) direction and long in the Y-axis direction. The length in the Y-axis direction of the opening in the sectional view taken along the line IV-IV at the position A is 7.0 cm, and the length in the Z-axis direction is 1.2 cm.

【0009】ライナー管12の下流側には、サセプタ2
0を載置するX軸に垂直な断面形状が長方形の試料載置
室21が一体的に連設されている。その試料載置室21
の底部22にサセプタ20が載置される。そのサセプタ
20はX軸に垂直な断面は長方形であるが、その上面2
3はX軸に対して緩やかにZ軸正方向に傾斜している。
そのサセプタ20の上面23に試料、即ち、長方形のサ
ファイア基板50が載置されるが、そのサファイア基板
50とそれに面するライナー管12の上部管壁24との
間隙は、上流側で12mm,下流側で 4mmである。
A susceptor 2 is provided downstream of the liner tube 12.
A sample mounting chamber 21 having a rectangular cross section perpendicular to the X-axis for mounting 0 is integrally connected. The sample mounting room 21
The susceptor 20 is placed on the bottom portion 22 of the susceptor. The susceptor 20 has a rectangular cross section perpendicular to the X axis, but has an upper surface 2
3 is gently inclined in the positive direction of the Z axis with respect to the X axis.
A sample, that is, a rectangular sapphire substrate 50 is placed on the upper surface 23 of the susceptor 20. The gap between the sapphire substrate 50 and the upper tube wall 24 of the liner tube 12 facing the sapphire substrate 50 is 12 mm upstream and downstream. 4mm on the side.

【0010】サセプタ20には操作棒26が接続されて
おり、フランジ27を取り外してその操作棒26によ
り、サファイア基板50を載置したサセプタ20を試料
載置室21へ設置したり、結晶成長の終わった時に、試
料載置室21からサセプタ20を取り出せるようになっ
ている。又、ライナー管12の上流側には、第1ガス管
28が開口し、第2ガス管29は端部で封止されて第1
ガス管28を覆っている。そして、それらの両管28,
29は同軸状に2重管構造をしている。第1ガス管28
の第2ガス管29から突出した部分と第2ガス管29の
側周部には、多数の穴30が開けられており、第1ガス
管28と第2ガス管29により導入された反応ガスは、
それぞれ、多数の穴30を介してライナー管12の内部
に吹出される。そして、そのライナー管12の内部で、
両反応ガスは初めて混合される。
An operating rod 26 is connected to the susceptor 20. The flange 27 is removed, and the susceptor 20 on which the sapphire substrate 50 is mounted is placed in the sample mounting chamber 21 by the operating rod 26, and the susceptor 20 is used for crystal growth. When the process is completed, the susceptor 20 can be taken out of the sample mounting chamber 21. A first gas pipe 28 is opened on the upstream side of the liner pipe 12, and a second gas pipe 29 is sealed at an end to form a first gas pipe 29.
The gas pipe 28 is covered. And both of those tubes 28,
Reference numeral 29 denotes a coaxial double tube structure. First gas pipe 28
A number of holes 30 are formed in a portion protruding from the second gas pipe 29 and a side peripheral part of the second gas pipe 29, and the reaction gas introduced by the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29 is formed. Is
Each of them is blown into the inside of the liner tube 12 through a number of holes 30. And inside the liner tube 12,
Both reaction gases are mixed for the first time.

【0011】その第1ガス管28は第1マニホールド3
1に接続され、第2ガス管29は第2マニホールド32
に接続されている。そして、第1マニホールド31には
NH3 の供給系統Hとキャリアガスの供給系統Iとトリ
メチルガリウム(以下「TMG」と記す)の供給系統J
とトリメチルアルミニウム(以下「TMA」と記す)の
供給系統Kとが接続され、第2マニホールド32にはキ
ャリアガスの供給系統Iとジエチル亜鉛(以下「DE
Z」と記す)の供給系統Lとが接続されている。
The first gas pipe 28 is connected to the first manifold 3
1 and the second gas pipe 29 is connected to the second manifold 32.
It is connected to the. The first manifold 31 has an NH 3 supply system H, a carrier gas supply system I, and a trimethylgallium (hereinafter referred to as “TMG”) supply system J.
And a supply system K for trimethylaluminum (hereinafter referred to as “TMA”), and a carrier gas supply system I and diethyl zinc (hereinafter “DE”) are connected to the second manifold 32.
Z ") is connected to the supply system L.

【0012】又、石英管10の外周部には冷却水を循環
させる冷却管33が形成され、その外周部には高周波電
界を印加するための高周波コイル34が配設されてい
る。又、ライナー管12はフランジ14を介して外部管
35と接続されており、その外部管35からはキャリア
ガスが導入されるようになっている。又、試料載置室2
1には、側方から導入管36がフランジ14を通過して
外部から伸びており、その導入管36内に試料の温度を
測定する熱電対43とその導線44,45が配設されて
おり、試料温度を外部から測定できるように構成されて
いる。このような装置構成により、第1ガス管28で導
かれたNH3 とTMGとTMAとH2 との混合ガスと、
第2ガス管29で導かれたDEZとH2 との混合ガスが
それらの管の出口付近で混合され、その混合反応ガスは
ライナー管12により試料載置室21へ導かれ、サファ
イア基板50とライナー管12の上部管壁24との間で
形成された間隙を通過する。この時、サファイア基板5
0上の反応ガスの流れが均一となり、場所依存性の少な
い良質な結晶が成長する。
A cooling pipe 33 for circulating cooling water is formed on the outer periphery of the quartz tube 10, and a high-frequency coil 34 for applying a high-frequency electric field is provided on the outer periphery. The liner tube 12 is connected to an external tube 35 via the flange 14, and a carrier gas is introduced from the external tube 35. Also, the sample mounting chamber 2
1, a thermocouple 43 for measuring the temperature of a sample and its conducting wires 44 and 45 are disposed in the introducing tube 36 extending from the outside through the flange 14 from the side. , So that the sample temperature can be measured from the outside. With such an apparatus configuration, a mixed gas of NH 3 , TMG, TMA, and H 2 introduced through the first gas pipe 28,
A mixed gas of DEZ and H 2 guided by the second gas pipe 29 is mixed near the outlets of those pipes, and the mixed reaction gas is guided to the sample mounting chamber 21 by the liner pipe 12, and the sapphire substrate 50 It passes through a gap formed between the liner tube 12 and the upper tube wall 24. At this time, the sapphire substrate 5
The flow of the reaction gas above zero becomes uniform, and a high-quality crystal with little location dependence grows.

【0013】N型のAlX Ga1-X N薄膜を形成する場
合には、第1ガス管28だけから混合ガスを流出させれ
ば良く、I型のAlX Ga1-X N薄膜を形成する場合に
は、第1ガス管28と第2ガス管29とからそれぞれの
混合ガスを流出させれば良い。I型のAlX Ga1-X
薄膜を形成する場合には、ドーパントガスであるDEZ
は第1ガス管28から流出する反応ガスとサファイア基
板50の近辺のライナー間12の内部で初めて混合され
ることになる。そして、DEZはサファイア基板50に
吹き付けられ熱分解し、ドーパント元素は成長するAl
X Ga1-X Nにドーピングされて、I型のAlX Ga
1-X Nが得られる。この場合、第1ガス管28と第2ガ
ス管29とで分離して、反応ガスとドーパントガスがサ
ファイア基板50の付近まで導かれるので、良好なドー
ピングが行われる。
In the case of forming an N - type Al X Ga 1 -X N thin film, a mixed gas may be discharged only from the first gas pipe 28 to form an I-type Al X Ga 1 -X N thin film. In such a case, the mixed gas may be discharged from the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29. I-type Al X Ga 1-X N
When forming a thin film, the dopant gas DEZ
Is mixed with the reaction gas flowing out of the first gas pipe 28 for the first time in the liner space 12 near the sapphire substrate 50. DEZ is sprayed on the sapphire substrate 50 and thermally decomposed, and the dopant element is grown Al
X Ga 1-X N doped into I-type Al X Ga
1-X N is obtained. In this case, the reaction gas and the dopant gas are separated by the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29 and guided to the vicinity of the sapphire substrate 50, so that good doping is performed.

【0014】次に本装置を用いて、サファイア基板50
上に次のようにして結晶成長をおこなった。まず、有機
洗浄及び熱処理により洗浄した(0001)面を主面とする単
結晶のサファイア基板50をサセプタ20に装着する。
次に、H2 を 0.3 liter/分で、第1ガス管28及び第
2ガス管29及び外部管35を介してライナー管12に
流しながら、温度1100℃でサファイア基板50を気相エ
ッチングした。次に温度を650 ℃まで低下させて、第1
ガス管28からH2 を 3 liter/分、NH3 を 2 liter
/分、15℃のTMAを50cc/分で2分間供給した。
Next, the sapphire substrate 50 is
Crystal growth was performed on the above as follows. First, a single-crystal sapphire substrate 50 whose main surface is the (0001) plane cleaned by organic cleaning and heat treatment is mounted on the susceptor 20.
Next, the sapphire substrate 50 was subjected to vapor phase etching at a temperature of 1100 ° C. while flowing H 2 at 0.3 liter / min through the first gas pipe 28, the second gas pipe 29, and the outer pipe 35 to the liner pipe 12. Next, the temperature is reduced to 650 ° C.
3 liter / min of H 2 and 2 liter of NH 3 from gas pipe 28
/ Minute, 15 ° C. TMA was supplied at 50 cc / minute for 2 minutes.

【0015】この成長工程で、図6に示すように、Al
Nのバッファ層51が約300 Åの厚さに形成された。こ
のバッファ層のRHEED 像を測定した。その結果を図7に
示す。図7のRHEED 像から、結晶構造は非単結晶、即
ち、アモルファス、微結晶、多結晶となっていることが
理解される。
In this growth step, as shown in FIG.
An N buffer layer 51 was formed to a thickness of about 300 mm. The RHEED image of this buffer layer was measured. FIG. 7 shows the result. It is understood from the RHEED image of FIG. 7 that the crystal structure is non-single crystal, that is, amorphous, microcrystalline, and polycrystalline.

【0016】又、上記装置を用いて他のサファイア基板
上に成長温度650 ℃で膜厚を50〜1000Å範囲で変化させ
て、各種のAlNのバッファ層を形成した。その時の表
面のRHEED 像を測定した。その結果を図8(a),(b) に示
す。膜厚が100 Å以下だと単結晶性が強く、膜厚が500
Å以上だと多結晶性が強くなっている。又、AlNのバ
ッファ層の膜厚が50〜1000Å範囲の上記の各種の試料に
おいて、試料温度を 970℃に保持し、第1ガス管28か
らH2 を 2.5 liter/分、NH3 を 1.5liter/分、−
15℃のTMGを100 cc/分で60分間供給し、図9に示
すように、膜厚約 7μmのN型のGaNから成るN層5
2をそれぞれ形成した。そして、このN層52のSEM 像
及びRHEED 像を測定した。その結果を図10(a),(b) 、
図11(a),(b) に示す。SEM 像の倍率は4100倍である。
バッファ層51の膜厚が100 Å以下だどN層52はピッ
トの発生した状態となり、バッファ層51の膜厚が500
Å以上においてもN層52は100 Å以下と同じ状態とな
る。従って、結晶性の良いN層を得るには、AlNのバ
ッファ層51の膜厚は100 〜500 Åの範囲が望ましい。
Using the above apparatus, various AlN buffer layers were formed on another sapphire substrate at a growth temperature of 650 ° C. and a film thickness of 50 to 1000 °. The RHEED image of the surface at that time was measured. The results are shown in FIGS. 8 (a) and (b). When the film thickness is less than 100 mm, the single crystallinity is strong and the film thickness is 500
Above Å, the polycrystallinity becomes stronger. Further, in the above various samples in which the thickness of the AlN buffer layer is in the range of 50 to 1000 °, the sample temperature is maintained at 970 ° C., and H 2 is supplied from the first gas pipe 28 at 2.5 liter / min, and NH 3 is / Min,-
TMG at 15 ° C. was supplied at 100 cc / min for 60 minutes, and an N layer 5 of N-type GaN having a thickness of about 7 μm was formed as shown in FIG.
2 were each formed. Then, the SEM image and the RHEED image of the N layer 52 were measured. The results are shown in FIGS. 10 (a) and (b).
These are shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). The magnification of the SEM image is 4100 times.
If the thickness of the buffer layer 51 is 100 ° or less, the N layer 52 is in a pit state, and the thickness of the buffer layer 51 is 500
Above {}, the N layer 52 is in the same state as below 100 °. Therefore, in order to obtain an N layer having good crystallinity, the thickness of the AlN buffer layer 51 is desirably in the range of 100 to 500 °.

【0017】又、他の試料として、サファイア基板上
に、膜厚300 ÅのAlNのバッファ層を成長温度を300
〜1200℃の範囲で変化させて、各種成長させた。そし
て、同様にAlNのバッファ層のRHEED 像を測定した。
その結果を12図(a),(b) に示す。このことから、成長
温度が300 ℃以下であるとAlNバッファ層の所望の膜
厚が得られず、成長温度が900 ℃以上となるとAlNの
結晶化が進んでしまい所望の膜質が得られないことが分
る。
As another sample, an AlN buffer layer having a thickness of 300 Å was grown on a sapphire substrate at a growth temperature of 300 ° C.
Various growths were performed by changing the temperature in the range of ~ 1200 ° C. Then, the RHEED image of the AlN buffer layer was measured in the same manner.
The results are shown in FIGS. 12 (a) and (b). This indicates that a desired film thickness of the AlN buffer layer cannot be obtained if the growth temperature is lower than 300 ° C., and that if the growth temperature is higher than 900 ° C., crystallization of AlN proceeds and a desired film quality cannot be obtained. I understand.

【0018】更に、上記の膜厚300 ÅのAlNのバッフ
ァ層を成長温度300 〜1200℃の範囲で成長させた各種試
料に対し、さらにAlNのバッファ層上に、上記と同一
条件で、膜厚約 7μmのN型のGaNから成るN層を成
長させた。そして、このN層のSEM 像及びRHEED 像を測
定した。その結果を図13(a),(b) 、図14(a),(b)に
示す。SEM 像の倍率は3700倍である。AlNのバッファ
層の成長温度を400 ℃より低くすると、N型のGaNか
ら成るN層はピットが発生した結晶となり、AlNのバ
ッファ層の成長温度を 900℃以上とすると、六角形のモ
ホロジーをもつ結晶となる。その結果から、結晶性の良
いN層を得るには、AlNのバッファ層の成長温度は40
0 〜900 ℃が望ましいことが分る。
Further, with respect to various samples in which the AlN buffer layer having a thickness of 300 ° was grown at a growth temperature of 300 to 1200 ° C., a film thickness was further formed on the AlN buffer layer under the same conditions as described above. An N layer of about 7 μm N-type GaN was grown. Then, the SEM image and the RHEED image of the N layer were measured. The results are shown in FIGS. 13 (a) and (b) and FIGS. 14 (a) and (b). The magnification of the SEM image is 3700 times. When the growth temperature of the AlN buffer layer is lower than 400 ° C., the N layer made of N-type GaN becomes a pitted crystal, and when the growth temperature of the AlN buffer layer is 900 ° C. or higher, it has a hexagonal morphology. It becomes a crystal. From the results, in order to obtain an N layer with good crystallinity, the growth temperature of the AlN buffer layer should be 40
It turns out that 0 to 900 ° C is desirable.

【0019】尚、上記の実験により、AlNのバッファ
層の結晶構造は、無定形構造の中に、多結晶又は微結晶
が混在したウルツァイト構造であるときに、その上に成
長するGaN層の結晶性が良くなることが分かった。そ
して、その多結晶又は微結晶の存在割合は1〜90%が
良いことや、その大きさは0.1 μm以下であることが望
ましいことが分かった。このような結晶構造のAlNの
バッファ層の形成は、膜厚や成長温度が上記条件の他、
反応ガス流量として15℃のTMAが0.1 〜1000cc/
分、NH3 が100cc 〜10liter/分、H2 が1 liter 〜50
liter/分の範囲で行ったが、いずれもウルツァイト構造
が得られた。
According to the above experiment, when the crystal structure of the AlN buffer layer is a wurtzite structure in which polycrystals or microcrystals are mixed in an amorphous structure, the crystal structure of a GaN layer grown thereon It turned out to be better. Then, it was found that the content ratio of the polycrystal or microcrystal was preferably 1 to 90%, and the size was desirably 0.1 μm or less. The formation of the AlN buffer layer having such a crystal structure requires the thickness and the growth temperature besides the above conditions,
TMA at 15 ° C. is 0.1 to 1000 cc /
Min, NH 3 is 100cc ~10liter / min, H 2 is 1 liter to 50
The operation was performed in the range of liter / min, and in all cases, a wurtzite structure was obtained.

【0020】次に、発光ダイオードの作成方法について
説明する。次に本装置を用いて、図15に示す構成に、
サファイア基板60上に次のようにして結晶成長をおこ
なった。上記と同様にして、単結晶のサファイア基板6
0上に、成長温度650 ℃で、第1ガス管28からH2
3liter /分、NH3 を 2liter /分、15℃のTMA
を500cc/分で1分間供給して350 ÅのAlNのバッ
ファ層61を形成した。次に、1分経過した時にTMA
の供給を停止して、サファイア基板60の温度を970℃
に保持し、第1ガス管28からH2 を 2.5liter /分、
NH3 を 1.5liter /分、−15℃のTMGを 100cc/
分で60分間供給し、膜厚約 7μmのN型のGaNから成
るN層62を形成した。そのN層62の形成されたサフ
ァイア基板60を気相成長装置から取り出し、N層62
の主面にホトレジストを塗布して所定パターンのマスク
を使って露光した後エッチングを行って所定パターンの
ホトレジストを得た。
Next, a method for manufacturing a light emitting diode will be described. Next, using this device, the configuration shown in FIG.
Crystal growth was performed on the sapphire substrate 60 as follows. Similarly to the above, the single-crystal sapphire substrate 6
0, at a growth temperature of 650 ° C., H 2 at 3 liter / min, NH 3 at 2 liter / min, and TMA at 15 ° C. from the first gas pipe 28.
Was supplied at 500 cc / min for 1 minute to form an AlN buffer layer 61 of 350 ° C. Next, when one minute has passed, TMA
Is stopped, and the temperature of the sapphire substrate 60 is set to 970 ° C.
, And 2.5 liter / min of H 2 from the first gas pipe 28,
1.5 liter / min of NH 3 and 100 cc / of TMG at −15 ° C.
And an N layer 62 made of N-type GaN having a thickness of about 7 μm was formed. The sapphire substrate 60 on which the N layer 62 is formed is taken out of the vapor phase growth apparatus, and the N layer 62 is removed.
A photoresist was applied to the main surface of the substrate, exposed using a mask having a predetermined pattern, and then etched to obtain a photoresist having a predetermined pattern.

【0021】次に、このホトレジストをマスクにして膜
厚 100Å程度のSi02 膜63をパターン形成した。そ
の後、ホトレジストを除去しSi02 膜63のみがパタ
ーン形成されたサファイア基板60を洗浄後、再度、サ
セプタ20に装着し気相エッチングした。そして、サフ
ァイア基板60の温度を 970℃に保持し、第1ガス管2
8からは、H2 を 2.5liter /分、NH3 を 1.5liter
/分、−15℃のTMGを 100cc/分供給し、第2ガス
管29からは、30℃のDEZを 500cc/分で5分間供
給して、I型のGaNから成るI層64を膜厚 1.0μm
に形成した。
Next, using this photoresist as a mask, an SiO 2 film 63 having a thickness of about 100 ° was pattern-formed. Thereafter, the photoresist was removed, and the sapphire substrate 60 on which only the SiO 2 film 63 was patterned was washed, and then mounted on the susceptor 20 again and subjected to vapor phase etching. Then, the temperature of the sapphire substrate 60 is maintained at 970 ° C., and the first gas pipe 2
From 8, 2.5 liter / min of H 2 and 1.5 liter of NH 3
/ Min, TMG at -15 ° C. is supplied at 100 cc / min, and DEZ at 30 ° C. is supplied at 500 cc / min from the second gas pipe 29 for 5 minutes to form an I-layer GaN made of I-type GaN. 1.0μm
Formed.

【0022】この時、GaNの露出している部分は、単
結晶のI型のGaNが成長しI層64が得られるが、S
i02 膜63の上部には多結晶のGaNから成る導電層
65が形成される。その後、反応室20からサファイア
基板60を取り出し、I層64と導電層65の上にアル
ミニウム電極66、67を蒸着し、サファイア基板60
を所定の大きさにカッティングして発光ダイオードを形
成した。この場合、電極66はI層64の電極となり、
電極67は導電層65と極めて薄いSi02 膜63を介
してN層62の電極となる。そして、I層64をN層6
2に対し正電位とすることにより、接合面から光が発光
する。このようにして得られた発光ダイオードは発光波
長485 nmで、光度10 mcdであった。AlNバッファ層を
単結晶で形成したものに比べて、発光光度において、1
0倍の改善が見られた。
At this time, in the portion where GaN is exposed, single-crystal I-type GaN grows and an I layer 64 is obtained.
The upper part of i0 2 film 63 conductive layer 65 made of polycrystalline GaN is formed. Thereafter, the sapphire substrate 60 is taken out of the reaction chamber 20, and aluminum electrodes 66 and 67 are deposited on the I layer 64 and the conductive layer 65.
Was cut into a predetermined size to form a light emitting diode. In this case, the electrode 66 becomes an electrode of the I layer 64,
The electrode 67 becomes an electrode of the N layer 62 via the conductive layer 65 and the extremely thin SiO 2 film 63. Then, the I layer 64 is replaced with the N layer 6
By setting a positive potential for 2, light is emitted from the bonding surface. The light emitting diode thus obtained had an emission wavelength of 485 nm and a luminous intensity of 10 mcd. In comparison with the case where the AlN buffer layer is formed of a single crystal, the luminous intensity is 1%.
A 0-fold improvement was seen.

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

【図1】本発明を実施するのに使用した気相成長装置の
構成図
FIG. 1 is a configuration diagram of a vapor phase growth apparatus used to carry out the present invention.

【図2】同実施例のライナー管の断面図FIG. 2 is a sectional view of the liner tube of the embodiment.

【図3】同実施例のライナー管の断面図FIG. 3 is a sectional view of the liner tube of the embodiment.

【図4】同実施例のライナー管の断面図FIG. 4 is a sectional view of the liner tube of the embodiment.

【図5】同実施例のライナー管の断面図FIG. 5 is a sectional view of the liner tube of the embodiment.

【図6】結晶成長される半導体の構成を示した断面図FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor to be crystal-grown.

【図7】AlNのバッファ層のRHEED による結晶構造を
示した写真
FIG. 7 is a photograph showing the crystal structure of an AlN buffer layer by RHEED.

【図8】AlNのバッファ層の膜厚を変化させたときの
AlNのバッファ層のRHEED による結晶構造を示した写
FIG. 8 is a photograph showing the crystal structure of the AlN buffer layer by RHEED when the thickness of the AlN buffer layer is changed.

【図9】N型GaN層の成長した半導体の構造を示した
断面図
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor on which an N-type GaN layer has been grown.

【図10】AlNのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたGaN層の顕微鏡(SEM)に
よる結晶構造を示した写真
FIG. 10 is a photograph showing a crystal structure by a microscope (SEM) of a GaN layer grown on an AlN buffer layer while changing the thickness of the buffer layer.

【図11】AlNのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたGaN層のRHEED による結
晶構造を示した写真
FIG. 11 is a photograph showing the crystal structure by RHEED of a GaN layer grown on an AlN buffer layer while changing the thickness of the buffer layer.

【図12】成長温度を変化させて成長させたAlNバッ
ファ層のRHEED による結晶構造を示した写真
FIG. 12 is a photograph showing a crystal structure by RHEED of an AlN buffer layer grown by changing a growth temperature.

【図13】成長温度を変化させて成長させた各種のAl
Nバッファ層上に成長させたGaN層の顕微鏡(SEM)に
よる結晶構造を示した写真
FIG. 13 shows various types of Al grown at different growth temperatures.
Photograph showing the crystal structure of the GaN layer grown on the N buffer layer by a microscope (SEM)

【図14】成長温度を変化させて成長させた各種のAl
Nバッファ層上に成長させたGaN層のRHEED による結
晶構造を示した写真
FIG. 14 shows various types of Al grown by changing the growth temperature.
Photo showing the crystal structure of the GaN layer grown on the N buffer layer by RHEED

【図15】発光ダイオードを作成する場合の結晶構造を
示した断面図
FIG. 15 is a sectional view showing a crystal structure when a light emitting diode is formed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10─石英管 12─ライナー管 20─サセプタ 21─試料載置室 28─第1ガス管 29─第2ガス管 50、60─サファイア基板 51、61─AlNバッファ層 52、62─N層 53、63─I層 64─導電層 65、66─電極 H─NH3 の供給系統 I─キャリアガスの供給系統 J─TMGの供給系統 K─TMAの供給系統 L─DEZの供給系統10 quartz tube 12 liner tube 20 susceptor 21 sample mounting chamber 28 first gas tube 29 second gas tube 50, 60 sapphire substrate 51, 61 AlN buffer layer 52, 62 N layer 53, 63─I layer 64─conductive layer 65,66─electrode H─NH 3 supply system I─carrier gas supply system J─TMG supply system K─TMA supply system L─DEZ supply system

フロントページの続き (73)特許権者 396020800 科学技術振興事業団 埼玉県川口市本町4丁目1番8号 (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (72)発明者 平松 和政 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (56)参考文献 日本結晶成長学会誌,Vol.15,N o.3,4,pp.334−342(1988) 日本結晶成長学会誌,Vol.13,N o.4,pp.218−225(1986)Continuing from the front page (73) Patent holder 396020800 Japan Science and Technology Corporation 4-1-8 Honcho, Kawaguchi-shi, Saitama (72) Inventor Katsuhide Mabe 1 Ochiai-Ochiai, Nagahata, Kasuga-mura, Nishikasugai-gun, Aichi Prefecture Toyoda Gosei Co., Ltd. Nagoya University (72) Inventor Kuki Kato Kagasaki Village, Nishi-Kasugai-gun, Aichi Prefecture, Ochiai, Nagahata 1 Toyota Toyoda Gosei Co., Ltd. (72) Inventor Isamu Akasaki, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi Prefecture Nagoya University ( 72) Inventor Kazumasa Hiramatsu, Nagoya City, Aichi Prefecture Nagoya-shi, Furo-cho (Nanbanashi) Inside Nagoya University (72) Inventor Hiroshi Amano, Nagoya-shi, Aichi Prefecture, Chigusa-ku, Furo-cho (Nabanashi) Nagoya University (56) Reference Literature Journal of the Japanese Association for Crystal Growth, Vol. 15, No. 3,4, pp. 334-342 (1988) Journal of the Japanese Association for Crystal Growth, Vol. 13, No. 4, pp. 218-225 (1986)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体層(Alx Ga1-x N;X=0を含む)を有する
発光素子において、 前記サファイア基板上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満
で膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに成長された、結晶
構造を無定形結晶中に存在割合が1〜90%である微結
晶又は多結晶の混在したウルツァイト構造とする窒化ア
ルミニウム(AlN)から成るバッファ層と、 前記バッファ層上に形成された複数の窒化ガリウム系化
合物半導体層(AlxGa1-x N;X=0を含む)とか
ら成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
1. A light-emitting device having a gallium nitride-based compound semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN; including X = 0) on a sapphire substrate, wherein a growth temperature is 400 ° C. or more and less than 600 ° C. on the sapphire substrate. A nitride having a wurtzite structure mixed with microcrystals or polycrystals having an amorphous crystal having a proportion of 1 to 90% in an amorphous crystal and having a thickness of 100 to 500 mm.
A gallium nitride based compound semiconductor light emitting device comprising: a buffer layer made of luminium (AlN) ; and a plurality of gallium nitride based compound semiconductor layers (Al x Ga 1 -xN; including X = 0) formed on the buffer layer. element.
【請求項2】サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体層(Al x Ga 1-x N;X=0を含む)を有する
発光素子において、 前記サファイア基板上に成長温度400 ℃以上600 ℃未満
で膜厚100 Å以上500Å未満の厚さに成長された、結晶
構造を無定形結晶中に大きさが0.1μm以下の微結晶
又は多結晶の混在したウルツァイト構造とする窒化アル
ミニウム(AlN)から成るバッファ層と、 前記バッファ層上に形成された複数の窒化ガリウム系化
合物半導体層(Al x Ga 1-x N;X=0を含む)とか
ら成る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. A gallium nitride compound on a sapphire substrate.
Having a semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN ; including X = 0)
In the light emitting device, a growth temperature of 400 ° C. or more and less than 600 ° C. on the sapphire substrate.
Crystal grown with a thickness of 100 mm or more and less than 500 mm
Microcrystals whose size is less than 0.1μm in amorphous crystal
Al nitride with a wurtzite structure containing polycrystals
A buffer layer made of minium (AlN), and a plurality of gallium nitride based layers formed on the buffer layer
Compound semiconductor layer (Al x Ga 1 -xN ; including X = 0)
A gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device comprising:
【請求項3】前記微結晶又は前記多結晶の存在割合は1
〜90%であることを特徴とする請求項2に記載の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. The existence ratio of said microcrystal or said polycrystal is 1
The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 2 , wherein the content is about 90%.
【請求項4】前記バッファ層は有機金属化合物気相成長
法により形成されることを特徴とする請求項1乃至請求
項3の何れか1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子。
Wherein said buffer layer according to claim 1 or claims characterized in that it is formed by metal organic vapor phase epitaxy
Item 4. The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to any one of items 3 to 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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