JP3376849B2 - Manufacturing method of semiconductor thin film - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor thin film

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JP3376849B2
JP3376849B2 JP06265997A JP6265997A JP3376849B2 JP 3376849 B2 JP3376849 B2 JP 3376849B2 JP 06265997 A JP06265997 A JP 06265997A JP 6265997 A JP6265997 A JP 6265997A JP 3376849 B2 JP3376849 B2 JP 3376849B2
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compound semiconductor
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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】本発明は青色、緑色発光ダイ
オード等の光デバイスに利用されるp型窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a p-type gallium nitride compound semiconductor thin film used in optical devices such as blue and green light emitting diodes.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた青色、緑色発光デバイスが注目されている。このよ
うな発光デバイスを作製するために、n型不純物をドー
プしたn型半導体薄膜とp型不純物をドープしたp型半
導体薄膜とを積層し、pn接合を形成する方法が一般的
に用いられている。窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を
成長させる方法として、有機金属気相成長法が良く知ら
れている。この方法は、サファイア基板を設置した反応
管内に、原料ガスとして有機金属化合物ガス(トリメチ
ルガリウム(以下、「TMG」と略称する。)、トリメ
チルアルミニウム(以下、「TMA」と略称する。)
等)とアンモニアとを供給し、基板温度をおよそ900
℃〜1100℃の高温で保持して、基板上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させ、必要に応じて他の不
純物ガスを同時に供給しながらn型、あるいはp型半導
体薄膜を成長させる方法である。n型不純物としてはケ
イ素(Si)が良く知られている。p型不純物として
は、亜鉛(Zn)やマグネシウム(Mg)等が良く知ら
れている。有機金属化合物はこれらの有機金属化合物が
収納されたシリンダー内に副キャリアガスとなる微量の
水素を導入し、この副キャリアガス中にバブリング等に
より蒸発あるいは昇華させる(以下、簡便のために「バ
ブリング」と表現する。)ことにより有機金属化合物は
ガス化し、さらに反応管に効率よく供給するために水素
や窒素などの主キャリアガスによって輸送される。従
来、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるための結
晶成長装置においては、特開平4−297023号公報
や特開平2−229476号公報において開示されてい
るように、基板の薄膜成長面を上向きに保持する方法が
一般的に用いられている。また、p型不純物としてMg
をドープした窒化ガリウム(GaN)を成長する際に
は、特2540791号公報や特開平6−151962
号公報において開示されているように、キャリアガスと
して水素が一般的に用いられている。
2. Description of the Related Art Recently, blue and green light emitting devices using gallium nitride compound semiconductors have been receiving attention. In order to manufacture such a light emitting device, a method of stacking an n-type semiconductor thin film doped with an n-type impurity and a p-type semiconductor thin film doped with a p-type impurity to form a pn junction is generally used. There is. A metal organic chemical vapor deposition method is well known as a method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film. According to this method, an organometallic compound gas (trimethylgallium (hereinafter abbreviated as "TMG")) and trimethylaluminum (hereinafter abbreviated as "TMA") are used as source gases in a reaction tube provided with a sapphire substrate.
Etc.) and ammonia, and the substrate temperature is set to about 900.
C. to 1100.degree. C., a gallium nitride-based compound semiconductor thin film is grown on a substrate, and an n-type or p-type semiconductor thin film is grown while simultaneously supplying other impurity gas as needed. is there. Silicon (Si) is well known as an n-type impurity. Well-known p-type impurities include zinc (Zn) and magnesium (Mg). Organometallic compounds are introduced into a cylinder containing these organometallic compounds with a small amount of hydrogen as a sub-carrier gas, and vaporized or sublimated into the sub-carrier gas by bubbling or the like (hereinafter, for convenience, "bubbled The organometallic compound is gasified and further transported by a main carrier gas such as hydrogen or nitrogen in order to efficiently supply it to the reaction tube. Conventionally, in a crystal growth apparatus for growing a gallium nitride-based compound semiconductor, a thin film growth surface of a substrate is held upward, as disclosed in JP-A-4-297023 and JP-A-2-229476. The method of doing is generally used. In addition, Mg as a p-type impurity
When growing gallium nitride (GaN) doped with Al2O3, there are disclosed in Japanese Patent Publication No. 2540791 and JP-A-6-151962.
As disclosed in the publication, hydrogen is generally used as a carrier gas.

【0003】ところで、本発明者は特願平8−0727
21号において、薄膜成長面を下向きに保持した基板上
に窒化ガリウム系化合物半導体等の薄膜を面内均一に成
長することができる有機金属気相成長装置を示した。本
有機金属気相成長装置によれば、1000℃以上の高温
を必要とするGaN系化合物半導体を成長する場合にお
いても基板表面への原料供給が効率良くなされるという
優れた効果が得られる。
By the way, the present inventor has filed Japanese Patent Application No. 08-0727.
In No. 21, there is shown a metal-organic vapor phase epitaxy apparatus capable of uniformly growing a thin film of a gallium nitride-based compound semiconductor or the like on a substrate in which the thin film growth surface is held downward. According to the present metal-organic vapor phase epitaxy apparatus, the excellent effect that the raw material is efficiently supplied to the substrate surface can be obtained even when growing a GaN-based compound semiconductor that requires a high temperature of 1000 ° C. or higher.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は、有機金属気相成長法により薄膜成長面を下向きに
保持した基板上に、キャリアガスとして水素を用いてp
型不純物としてMgをドープしながら窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜や窒化アルミニウムガリウム(AlGa
N)薄膜等の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長さ
せる場合、p型不純物を高濃度にドープすると膜にクラ
ックが発生しやすくなるという問題があることを発見し
た。このようにして成長させたp型不純物をドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜やAl窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜を用いて発光デバイスを作製すると、
基板上に成長した積層構造にクラックが発生するため、
通電しても発光しないものや発光しても部分的にしか光
らないものや瞬時に劣化するものが発生し、歩留まりが
悪いという問題がある。
However, the present inventor has found that hydrogen is used as a carrier gas on a substrate in which a thin film growth surface is held downward by a metal organic chemical vapor deposition method.
While doping Mg as a type impurity, a gallium nitride-based compound semiconductor thin film or aluminum gallium nitride (AlGa
N) When growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film such as a thin film, it was discovered that there is a problem that if the p-type impurity is doped at a high concentration, cracks are likely to occur in the film. When a light emitting device is manufactured by using the gallium nitride-based compound semiconductor thin film or the Al gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with p-type impurities thus grown,
Since cracks occur in the laminated structure grown on the substrate,
There is a problem that the yield is poor because some of them do not emit light even when energized, some of them emit light only when they emit light, and some of them deteriorate instantly.

【0005】電気抵抗が低い、すなわち動作電圧が低く
発熱の少ない発光デバイスを実現するためにはp型不純
物が高濃度にドープされたp型層が不可欠であり、デバ
イスの信頼性を高めるためにはクラックのない薄膜を実
現する必要がある。
In order to realize a light emitting device having low electric resistance, that is, low operating voltage and low heat generation, a p-type layer heavily doped with p-type impurities is indispensable, and in order to improve the reliability of the device. It is necessary to realize a crack-free thin film.

【0006】本発明は、上記の問題を解決するものであ
り、1000℃以上の高温で良好な結晶性および均一性
を得るために薄膜成長面を下向きに保持した基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する有機金属気相
成長装置において、p型不純物としてMgをドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する際に、クラ
ックを発生させることなく、Mgを高濃度に効率良くド
ープするための方法を提供することを目的としている。
The present invention solves the above problems, and gallium nitride-based compound semiconductors are provided on a substrate having a thin film growth surface facing downward in order to obtain good crystallinity and uniformity at high temperatures of 1000 ° C. or higher. In a metal-organic vapor phase epitaxy apparatus for growing a thin film, when growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg as a p-type impurity, it is possible to efficiently dope Mg with a high concentration without causing cracks. It is intended to provide a way.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のp型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造
方法は、有機金属気相成長法により、基板上に、p型不
純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成
長する方法において、前記基板の前記p型不純物をドー
プした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる面
を下向きに保持して、原料ガスを反応管へ輸送するため
のキャリアガスとして水素が20%以下、および水素が
2%以上且つ20%以下の濃度で混合された窒素をベー
スとするキャリアガスを用いることとする構成よりな
る。
In order to solve the above problems, a p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film manufacturing method of the present invention is a method of doping a substrate with p-type impurities by metal organic chemical vapor deposition. In the method of growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film, a carrier for transporting a source gas to a reaction tube while holding the surface of the substrate on which the p-type impurity-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film is grown facing downward. As a gas, a carrier gas based on nitrogen mixed with hydrogen of 20% or less and hydrogen of 2% or more and 20% or less is used.

【0008】この構成により、薄膜成長面を下向きに保
持した基板上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
する有機金属気相成長装置において、窒素ベースキャリ
アガス中の水素濃度を20%以下とすることでp型不純
物としてMgをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生させることな
く、歩留まり良くMgをドープした窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を製造する方法を提供することが可能とな
る。さらに、窒素ベースキャリアガス中の水素濃度を2
%以上且つ20%以下とすることで、クラック発生を抑
制し且つMgのドーピング効率低下を招くことなくMg
をドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方
法を提供することが可能となる。
With this configuration, in the metal-organic vapor phase epitaxy apparatus for growing the gallium nitride compound semiconductor thin film on the substrate holding the thin film growth surface downward, the hydrogen concentration in the nitrogen-based carrier gas is set to 20% or less. It is possible to provide a method for improving the crystallinity of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg as a p-type impurity and producing a Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film with a good yield without causing cracks. Becomes Furthermore, the hydrogen concentration in the nitrogen-based carrier gas is set to 2
% Or more and 20% or less, the occurrence of cracks is suppressed and the Mg doping efficiency is not deteriorated.
It is possible to provide a method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、水素が20%以下の濃度で混合された窒素をベース
とするキャリアガスを用いて原料ガスを反応管へ輸送
し、前記反応管内に装着された基板上にp型不純物をド
ープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法であり、p型窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラ
ックを発生させることなく成長できるという作用を有す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the invention described in claim 1 of the present invention, a source gas is transported to a reaction tube using a nitrogen-based carrier gas mixed with hydrogen at a concentration of 20% or less, A method of manufacturing a semiconductor thin film, which comprises growing a p-type impurity-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film on a substrate mounted in a reaction tube, and improving the crystallinity of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film. However, it has the effect that it can be grown without causing cracks.

【0010】また、本発明の請求項2に記載の発明は、
薄膜成長面を下向きに基板を装着することを特徴とする
上記の半導体薄膜の製造方法であり、p型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生
させることなく成長できるという作用が更に向上され
る。
The invention according to claim 2 of the present invention is
A method of manufacturing a semiconductor thin film as described above, characterized in that a substrate is mounted with a thin film growth surface facing downward, and an effect of improving crystallinity of a p-type gallium nitride compound semiconductor thin film and allowing growth without causing cracks. Is further improved.

【0011】本発明の請求項3に記載の発明は、前記成
長させる方法が有機金属気相成長法であることを特徴と
する半導体薄膜の製造方法であり、p型窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生さ
せることなく簡便に成膜できるという作用を有する。
The invention according to claim 3 of the present invention is a method for producing a semiconductor thin film, characterized in that the growing method is a metal organic chemical vapor deposition method. It has an effect of improving crystallinity and being able to easily form a film without generating a crack.

【0012】本発明の請求項4に記載の発明は、前記キ
ャリアガスとして水素が2%以上且つ20%以下の濃度
で混合された窒素をベースとするキャリアガスを用いる
ことを特徴とする上記の半導体薄膜の製造方法であり、
p型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の結晶性を改善
し、クラックを発生させることなく、且つ半導体薄膜に
p型不純物を高濃度に効率良くドープできるという作用
を有する。
The invention according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that a nitrogen-based carrier gas mixed with hydrogen at a concentration of 2% or more and 20% or less is used as the carrier gas. A method of manufacturing a semiconductor thin film,
The crystallinity of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film is improved, and the semiconductor thin film can be efficiently doped with p-type impurities at a high concentration without causing cracks.

【0013】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。まず、全キャリアガス中の
水素ガスの濃度を変化させた場合の窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の表面の結晶構造を観察した。
Specific examples of embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the crystal structure of the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor thin film was observed when the concentration of hydrogen gas in all carrier gases was changed.

【0014】(実施の形態1)図1は本発明の第1実施
の形態で使用した有機金属気相成長装置の主要部を示す
概略断面図であり、反応部の構造、およびその反応部に
通じるガス系統を示している。図1において、反応管1
内に、基板2の薄膜成長面を下向きに保持する基板ホル
ダー3が配設されており、基板ホルダー3および基板2
は発熱体4によって加熱される。原料ガスである有機金
属化合物ガスは、流量制御器5c、5dおよび5eによ
って流量を制御された水素ガスからなる副キャリアガス
を、それぞれTMG、TMA、ビスシクロペンタジエニ
ルマグネシウム(以下、「Cp2Mg」と略称する。)
を内包するシリンダー内に導入しバブリングさせること
によって気化されて取り出される。これらの有機金属化
合物ガスは、流量制御器5fによって流量を制御された
アンモニアとともに、流量制御器5a、5bによって流
量を制御された窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスから
なる主キャリアガスによって効率良く反応管に供給さ
れ、原料ガスであるアンモニアと有機金属化合物ガスが
反応した後、加熱された基板2上に窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜が形成される。原料ガスの残りは排気ガス
6として排出される。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the main part of the metal-organic vapor phase epitaxy apparatus used in the first embodiment of the present invention, showing the structure of the reaction part and its reaction part. A gas system that communicates is shown. In FIG. 1, a reaction tube 1
A substrate holder 3 for holding the thin film growth surface of the substrate 2 downward is disposed inside the substrate holder 3.
Is heated by the heating element 4. The organometallic compound gas which is the raw material gas is a sub-carrier gas consisting of hydrogen gas whose flow rate is controlled by the flow rate controllers 5c, 5d and 5e, and TMG, TMA, biscyclopentadienyl magnesium (hereinafter, referred to as “Cp 2 "Mg" is abbreviated.)
It is vaporized and taken out by introducing and bubbling it into the cylinder containing the. These organometallic compound gases efficiently react with ammonia whose flow rate is controlled by the flow rate controller 5f, and a main carrier gas which is a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas whose flow rate is controlled by the flow rate controllers 5a and 5b. The gallium nitride-based compound semiconductor thin film is formed on the heated substrate 2 after the ammonia, which is the source gas, reacts with the organometallic compound gas supplied to the tube. The rest of the raw material gas is discharged as exhaust gas 6.

【0015】p型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、
以下の工程によって成長される。まず、良く洗浄したサ
ファイア基板を反応管内の基板ホルダーに設置する。水
素ガスを流しながら基板を1100℃で、10分間加熱
し、表面をクリーニングする。その後、温度を600℃
にまで冷却し、600℃において主キャリアガスとして
水素ガスと、TMAの副キャリアガスと、アンモニア
と、を流しながら、バッファ層としてAlN層を500
オングストロームの膜厚で成長させる。次に、TMAの
副キャリアガスのみを止めて1050℃まで昇温させた
後、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとからな
る混合ガスと、新たにTMGの副キャリアガスと、Cp
2Mgの副キャリアガスと、を流しながら60分間成長
させて、Mgをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を2μmの膜厚で成長させる。Mgをドープするこ
とにより、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜をp型にす
ることができる。成長後、原料ガスであるTMGガスと
Cp2Mgガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素
ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した
後、ウェハーを反応管から取り出す。
The p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film is
It is grown by the following steps. First, a well-cleaned sapphire substrate is placed in a substrate holder inside a reaction tube. The substrate is heated at 1100 ° C. for 10 minutes while flowing hydrogen gas to clean the surface. After that, the temperature is 600 ℃
After cooling to 600 ° C., hydrogen gas as a main carrier gas, a sub-carrier gas for TMA, and ammonia are made to flow at 600 ° C., and an AlN layer as a buffer layer is made 500 times.
It is grown to a film thickness of angstrom. Next, after stopping only the TMA sub-carrier gas and raising the temperature to 1050 ° C., a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas as the main carrier gas, a new TMG sub-carrier gas, and Cp
(2) An Mg sub-carrier gas is flowed for 60 minutes to grow a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg to a thickness of 2 μm. By doping with Mg, the gallium nitride-based compound semiconductor thin film can be made p-type. After the growth, the raw material gases TMG gas, Cp 2 Mg gas, and ammonia are stopped, the nitrogen gas and the hydrogen gas are allowed to flow at the same flow rates to cool to room temperature, and then the wafer is taken out from the reaction tube.

【0016】(実施の形態2)実施の形態1と同様の装
置を用い、実施の形態2においては、基板上にn型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とp型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を順番に積層する。即ち、まず、良く洗浄
したサファイア基板を反応管内の基板ホルダーに設置す
る。水素ガスを流しながら基板を1100℃で、10分
間加熱し、表面をクリーニングする。その後、温度を6
00℃にまで冷却し、600℃において主キャリアガス
として水素ガスと、TMAの副キャリアガスと、アンモ
ニアと、を流しながら、バッファ層としてAlN層を5
00オングストロームの膜厚で成長させる。次に、Al
N層のバッファ層上に、主キャリアガスとして窒素ガ
ス、水素ガス、原料ガスとして新たにTMGガス、Si
源である10ppmのSiH 4(モノシラン)ガスを流
しながら60分間成長させて、Siをドープしたn型窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を2μmの膜厚で成長さ
せる。引き続き、SiH4ガスを止め、新たに主キャリ
アガスとして窒素ガス、水素ガス、Cp2Mgの副キャ
リアガスを流しながら15分間成長させて、Mgをドー
プしたp型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を0.5μ
mの膜厚で成長させた。成長後、原料ガスであるTMG
ガスとCp2Mgガスとアンモニアを止めて、窒素ガス
と水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却
した後、ウェハーを反応管から取り出した。
(Second Embodiment) A device similar to that of the first embodiment is used.
In the second embodiment, the n-type nitriding is performed on the substrate.
Gallium compound semiconductor thin film and p-type gallium nitride compound
Object semiconductor thin films are sequentially stacked. That is, first, wash well
Place the sapphire substrate on the substrate holder inside the reaction tube.
It Substrate at 1100 ° C for 10 minutes while flowing hydrogen gas
Heat for a while to clean the surface. After that, increase the temperature to 6
Main carrier gas at 600 ℃ after cooling to 00 ℃
As hydrogen gas, TMA auxiliary carrier gas,
While flowing the near and, 5 AlN layer as a buffer layer
It is grown to a film thickness of 00 angstrom. Next, Al
Nitrogen gas is used as the main carrier gas on the N-layer buffer layer.
Gas, hydrogen gas, TMG gas, Si as raw material gas
Source 10ppm SiH FourFlow (monosilane) gas
While growing for 60 minutes, Si-doped n-type nitride
Growth of gallium nitride-based compound semiconductor thin film with a thickness of 2 μm
Let Continuously, SiHFourTurn off the gas and add a new main carrier
Nitrogen gas, hydrogen gas, Cp as a gas2Mg sub-cap
Grow for 15 minutes while flowing rear gas to remove Mg.
0.5μ of the p-type gallium nitride compound semiconductor thin film
It was grown to a film thickness of m. After growth, the source gas is TMG
Gas and Cp2Stop the Mg gas and ammonia, nitrogen gas
And hydrogen gas at the same flow rate while cooling to room temperature
After that, the wafer was taken out from the reaction tube.

【0017】[0017]

【実施例】次に、本発明の実施の形態1の具体例を説明
する。
EXAMPLE Next, a specific example of the first embodiment of the present invention will be described.

【0018】(実施例1)実施例1において、キャリア
ガスは、有機金属化合物のバブリングに用いられる副キ
ャリアガスと、原料ガスを効率良く反応管に供給するた
めの主キャリアガスとからなる。Mgをドープした窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する場合、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度を0.5%とした。即ち、原
料を効率良く供給するための主キャリアガスとして窒素
ガスを9.95リットル/分、水素ガス0.45リット
ル/分、TMGおよびCp2Mgのバブリングに用いら
れる水素ガスからなる副キャリアガスをそれぞれ4cc
/分、50cc/分とした。
(Example 1) In Example 1, the carrier gas is composed of an auxiliary carrier gas used for bubbling an organometallic compound and a main carrier gas for efficiently supplying a raw material gas to a reaction tube. When growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases was set to 0.5%. That is, 9.95 liters / minute of nitrogen gas, 0.45 liters / minute of hydrogen gas as a main carrier gas for efficiently supplying the raw materials, and an auxiliary carrier gas composed of hydrogen gas used for bubbling TMG and Cp 2 Mg. 4cc each
/ Min and 50 cc / min.

【0019】図2は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を0.5%とした場合にMgをドープして形成した窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕
微鏡図である。
FIG. 2 is a micrograph showing the crystal structure of the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping Mg when the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 0.5%.

【0020】(実施例2)実施例2は、水素ガスの濃度
を15%とした以外は全ての実施例1と同様の形態とし
た。図3は、全キャリアガス中の水素ガスの濃度が15
%とした場合にMgをドープして形成した窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図であ
る。
(Embodiment 2) Embodiment 2 has the same configuration as that of Embodiment 1 except that the concentration of hydrogen gas is 15%. FIG. 3 shows that the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 15
FIG. 5 is a microscopic diagram showing a crystal structure of a surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping Mg when it is defined as%.

【0021】(比較例1)比較例1は、水素ガスの濃度
を30%とした。キャリアガス中の水素ガス濃度が約3
0%以上の条件でMgドープの窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜を成長する場合は、基板上に形成したAlN層
からなるバッファ層上に直接窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜を平坦に成長することが困難であるため、予めキ
ャリアガス中の水素ガス濃度が20%以下、具体的には
15%の条件でAlNバッファ層上に約0.4μm厚の
アンドープGaNを平坦に形成した後、所望のMgドー
プの窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を引き続き成長し
た。
Comparative Example 1 In Comparative Example 1, the concentration of hydrogen gas was set to 30%. Hydrogen gas concentration in carrier gas is about 3
When a Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film is grown under the condition of 0% or more, it is difficult to grow a gallium nitride-based compound semiconductor thin film evenly on a buffer layer composed of an AlN layer formed on a substrate. Therefore, after the undoped GaN having a thickness of about 0.4 μm is formed flat on the AlN buffer layer in advance under the condition that the hydrogen gas concentration in the carrier gas is 20% or less, specifically 15%, the desired Mg-doped The gallium nitride-based compound semiconductor thin film was continuously grown.

【0022】図4は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を30%とした場合にMgをドープして形成した窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微
鏡図である。
FIG. 4 is a micrograph showing the crystal structure of the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping Mg when the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 30%.

【0023】(比較例2)比較例2は、水素ガスの濃度
が100%(水素のみ)とした以外は全ての場合比較例
1と同様の形態とした。
(Comparative Example 2) Comparative Example 2 had the same form as Comparative Example 1 in all cases except that the concentration of hydrogen gas was 100% (only hydrogen).

【0024】図5は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を100%とした場合にMgをドープして形成した窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕
微鏡図である。
FIG. 5 is a micrograph showing the crystal structure of the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping with Mg when the concentration of hydrogen gas in all carrier gas is 100%.

【0025】実施例1、実施例2、比較例1、比較例2
から分かるように、比較例2の水素濃度が100%のキ
ャリアガスを用いた場合は、図5が示すようにウェハー
全面にわたって表面に微細なクラックが高密度に発生す
る。水素濃度を減らすにしたがって表面にクラックが発
生する密度が減少する傾向がある。比較例1の水素濃度
が30%の場合は、図4が示すようにクラックが発生す
る密度は小さいが、ウェハー周縁部では比較的高密度に
発生する。実施例1と実施例2の水素濃度が15%以下
の場合では、図3ならびに図2が示すようにクラックは
全く発生せず、結晶性の良い平坦な表面が得られる。ま
た、水素濃度を20%とすると、ウェハー周縁部の一部
にのみクラックが発生するが、ウェハー面内の大部分で
クラックが発生せず、図3と同様の結晶性の良い平坦な
表面が得られる。すなわち、クラックの発生を抑制する
ためには、有機金属化合物のバブリングに用いる水素キ
ャリアガスをも含めた窒素をベースとした全キャリアガ
ス中における水素濃度を20%以下とすることが有効で
ある。
Example 1, Example 2, Comparative Example 1, Comparative Example 2
As can be seen from the above, when the carrier gas having a hydrogen concentration of 100% in Comparative Example 2 is used, fine cracks are densely generated on the surface of the entire surface of the wafer as shown in FIG. As the hydrogen concentration decreases, the density of cracks on the surface tends to decrease. When the hydrogen concentration of Comparative Example 1 is 30%, the density of cracks is small as shown in FIG. 4, but the density of cracks is relatively high at the peripheral portion of the wafer. When the hydrogen concentration in each of Examples 1 and 2 is 15% or less, no cracks occur at all as shown in FIGS. 3 and 2, and a flat surface with good crystallinity is obtained. Further, when the hydrogen concentration is 20%, cracks are generated only in a part of the wafer peripheral portion, but cracks are not generated in most of the wafer surface, and a flat surface with good crystallinity similar to FIG. 3 is obtained. can get. That is, in order to suppress the generation of cracks, it is effective to set the hydrogen concentration to 20% or less in all nitrogen-based carrier gases including the hydrogen carrier gas used for bubbling of the organometallic compound.

【0026】次に、キャリアガスの水素濃度と窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜中に取り込まれたp型不純物と
してのMgの元素濃度の関係を調べた。
Next, the relationship between the hydrogen concentration of the carrier gas and the element concentration of Mg as a p-type impurity incorporated in the gallium nitride-based compound semiconductor thin film was investigated.

【0027】(実施例3)実施例3において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は5%である。p型窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜の製造工程は、実施例1と同様
である。
Example 3 In Example 3, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 5%. The manufacturing process of the p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film is the same as that of the first embodiment.

【0028】主キャリアガスとして水素ガスを10リッ
トル/分、TMAの副キャリアガスを5cc/分、アン
モニアを5リットル/分で流しながら、バッファ層とし
てのAlN層を500オングストロームの膜厚で成長さ
せる。次に、TMAの副キャリアガスのみを止めて10
50℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素
ガスを9.5リットル/分、水素ガスを0.45リット
ル/分で流しながら、新たにTMGの副キャリアガスを
4cc/分、Cp2Mgの副キャリアガスを50cc/
分で流しながら60分間成長させて、Mgをドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を2μmの膜厚で成長
させる。成長後、原料ガスであるTMGガスとCp2
gガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素ガスをそ
のままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハ
ーを反応管から取り出す。このようにして得られたMg
ドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を顕微鏡で観察
したところ、図2、図3と同様にクラックのない平坦な
表面であった。
Hydrogen gas as a main carrier gas, 10 cc / min of a TMA sub-carrier gas, and 5 liter / min of ammonia are flown while an AlN layer as a buffer layer is grown to a film thickness of 500 angstrom. . Next, stop the TMA sub carrier gas only and
After the temperature was raised to 50 ° C., nitrogen gas was introduced at 9.5 liters / minute and hydrogen gas was introduced at 0.45 liters / minute as a main carrier gas, and 4 cc / minute of CMP was newly added as an auxiliary carrier gas of TMG. 2 Mg Mg sub carrier gas 50cc /
The film is grown for 60 minutes while flowing for a minute to grow a Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film to a film thickness of 2 μm. After growth, TMG gas and Cp 2 M, which are raw material gases,
The g gas and the ammonia are stopped, the nitrogen gas and the hydrogen gas are allowed to flow at the same flow rates, the temperature is cooled to room temperature, and then the wafer is taken out from the reaction tube. Mg thus obtained
When the doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film was observed with a microscope, it was a flat surface without cracks as in FIGS. 2 and 3.

【0029】薄膜中のMgの元素濃度は3.3×1019
/cm3であった。 (実施例4)実施例4において、全キャリアガス中の水
素ガスの濃度は10%である。上記実施例3の1050
℃でMgをドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長させる工程において、主キャリアガスとして窒素
ガスを9リットル/分、水素ガスを0.95リットル/
分で流す以外は実施例3と同様にして、Mgをドープし
た窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる。この
とき、全キャリアガス中の水素ガスの濃度は5%であ
る。成長後、Mgドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の表面を顕微鏡で観察したところ、図3と同様にクラ
ックのない平坦な表面であった。薄膜中のMgの元素濃
度は2.3×1019/cm3であった。
The element concentration of Mg in the thin film is 3.3 × 10 19
/ Cm 3 . (Example 4) In Example 4, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases was 10%. 1050 of Example 3 above
In the step of growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg at ℃, the main carrier gas is 9 liter / min of nitrogen gas and 0.95 liter / min of hydrogen gas.
A gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg is grown in the same manner as in Example 3 except that the flow is performed in minutes. At this time, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 5%. After the growth, when observing the surface of the Mg-doped gallium nitride compound semiconductor thin film with a microscope, it was a flat surface without cracks as in FIG. The elemental concentration of Mg in the thin film was 2.3 × 10 19 / cm 3 .

【0030】(実施例5)実施例5において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は20%である。上記実施例
3の1050℃でMgをドープした窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリアガ
スとして窒素ガスを8リットル/分、水素ガスを1.9
5リットル/分で流す以外は実施例3と同様にして、M
gをドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
させる。成長後、Mgドープ窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、ウェハーの周
縁部の一部にクラックが発生しているものの、大部分は
図3と同様にクラックのない平坦な表面であった。薄膜
中のMgの元素濃度は5.4×1019/cm3であっ
た。
(Embodiment 5) In Embodiment 5, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 20%. In the step of growing the gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg at 1050 ° C. in Example 3 above, nitrogen gas was 8 liter / min and hydrogen gas was 1.9 as the main carrier gas.
In the same manner as in Example 3 except that the flow rate was 5 liters / minute, M
A gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with g is grown. After the growth, when observing the surface of the Mg-doped gallium nitride compound semiconductor thin film with a microscope, it was found that cracks were generated in a part of the peripheral edge of the wafer, but most of them were flat surfaces without cracks as in FIG. Met. The elemental concentration of Mg in the thin film was 5.4 × 10 19 / cm 3 .

【0031】(比較例3)比較例3において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は0.5%である。上記実施
例3の1050℃でMgをドープした窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリア
ガスとして窒素ガスを9.95リットル/分で流す以外
は実施例3と同様にして、Mgをドープした窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させる。但し、前述のよう
にMgドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長の
前に、水素ガス濃度が10%のキャリアガスの条件でA
lNバッファ層上に約0.4μm厚のアンドープGaN
を成長した後、引き続き水素ガス濃度が0.5%のキャ
リアガスでMgドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長した。成長後、Mgドープ窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、図2と同
様にクラックのない平坦な表面であった。薄膜中のMg
の元素濃度は1.9×1018/cm3であった。
Comparative Example 3 In Comparative Example 3, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 0.5%. In the step of growing the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film at 1050 ° C. in Example 3 described above, the same procedure as in Example 3 was carried out except that nitrogen gas was flowed as the main carrier gas at 9.95 l / min. A gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with is grown. However, as described above, before the growth of the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film, the hydrogen gas concentration was set to 10% under the condition of the carrier gas.
Undoped GaN about 0.4 μm thick on the 1N buffer layer
After that, a Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film was continuously grown with a carrier gas having a hydrogen gas concentration of 0.5%. After the growth, when observing the surface of the Mg-doped gallium nitride compound semiconductor thin film with a microscope, it was a flat surface without cracks as in FIG. Mg in thin film
Had an elemental concentration of 1.9 × 10 18 / cm 3 .

【0032】(比較例4)比較例4において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は100%である。上記実施
例3の1050℃でMgをドープした窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリア
ガスとして水素ガスを9.95リットル/分で流す以外
は実施例3と同様にして、Mgをドープした窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させる。但し、前述のよう
にMgドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長の
前に、水素ガス濃度が10%のキャリアガスの条件でA
lNバッファ層上に約0.4μm厚のアンドープGaN
を成長した後、引き続き水素ガス濃度が100%のキャ
リアガスでMgドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長した。成長後、Mgドープ窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、ウェハー
全体にわたって図5に示すような微細なクラックが高密
度に発生していた。Mgドープ窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜中のMgの元素濃度は2.0×1020/cm3
であった。
(Comparative Example 4) In Comparative Example 4, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases was 100%. In the step of growing the gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg at 1050 ° C. in the above-mentioned Example 3, Mg was carried out in the same manner as in Example 3 except that hydrogen gas was flowed as a main carrier gas at 9.95 l / min. A gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with is grown. However, as described above, before the growth of the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film, the hydrogen gas concentration was set to 10% under the condition of the carrier gas.
Undoped GaN about 0.4 μm thick on the 1N buffer layer
After that, a Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film was continuously grown with a carrier gas having a hydrogen gas concentration of 100%. After the growth, when observing the surface of the Mg-doped gallium nitride compound semiconductor thin film with a microscope, fine cracks as shown in FIG. 5 were generated at high density over the entire wafer. The element concentration of Mg in the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film is 2.0 × 10 20 / cm 3.
Met.

【0033】図6に、全キャリアガス中の水素濃度と窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜中に取り込まれたMgの
元素濃度の関係を示す。ここで、Mg源となるCp2
gガスはバブリングガスを50cc/分に固定し供給量
を一定とした。図6に示すように、水素濃度が大きくな
るにつれ、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中に取り込
まれるMgの元素濃度は飛躍的に増大する。キャリアガ
スの水素濃度をわずか2%とするだけでも、Mgの元素
濃度は水素濃度が0.5%の場合に対して約5倍に増大
する。水素濃度を5%とすると、Mgの元素濃度は水素
濃度が0.5%の場合に対して約10倍に増大し、Mg
が膜中に取り込まれる効率が格段に向上する。さらに水
素濃度を増大させていくと、窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜中に取り込まれるMgの元素濃度は徐々に増大し
ていく。このようなMg元素濃度の窒素ベースキャリア
ガス中の水素濃度依存性は、Cp2Mgガスがキャリア
ガス中の水素濃度増加とともに気相中で拡散し易くな
り、基板表面への到達量が増加するためではないかと推
測される。
FIG. 6 shows the relationship between the hydrogen concentration in all carrier gases and the element concentration of Mg taken in the gallium nitride-based compound semiconductor thin film. Here, Cp 2 M as the Mg source
As for g gas, bubbling gas was fixed at 50 cc / min and the supply amount was constant. As shown in FIG. 6, as the hydrogen concentration increases, the elemental concentration of Mg taken into the gallium nitride-based compound semiconductor thin film dramatically increases. Even if the hydrogen concentration of the carrier gas is only 2%, the elemental concentration of Mg increases about 5 times as compared with the case where the hydrogen concentration is 0.5%. When the hydrogen concentration is 5%, the elemental concentration of Mg increases about 10 times as much as when the hydrogen concentration is 0.5%.
The efficiency with which is taken into the membrane is significantly improved. When the hydrogen concentration is further increased, the elemental concentration of Mg taken into the gallium nitride-based compound semiconductor thin film gradually increases. Such dependency of the Mg element concentration on the hydrogen concentration in the nitrogen-based carrier gas is because the Cp 2 Mg gas is more likely to diffuse in the gas phase as the hydrogen concentration in the carrier gas increases, and the amount reaching the substrate surface increases. It is speculated that it may be.

【0034】したがって、Mgドープ窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜成長において、窒素をベースとした全キ
ャリアガス中における有機金属化合物のバブリングに用
いる水素からなる副キャリアガスをも含めた好ましい水
素濃度は、膜中へのMg元素の取り込みを促進するとい
う要請から2%以上、且つ膜のクラックの発生を抑制す
るという要請から20%以下であり、さらに望ましくは
5%以上且つ15%以下である。
Therefore, in the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film growth, the preferable hydrogen concentration including the auxiliary carrier gas consisting of hydrogen used for bubbling of the organometallic compound in the entire nitrogen-based carrier gas is in the film. It is 2% or more from the request of promoting the incorporation of Mg element into the film, and 20% or less from the request of suppressing the generation of cracks in the film, and more preferably 5% or more and 15% or less.

【0035】次に、本発明の実施の形態2の具体例を説
明する。 (実施例6)次に、p型窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜とn型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とからなるp
n接合を形成し、発光ダイオードを作製した。全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は10%である。
Next, a specific example of the second embodiment of the present invention will be described. (Example 6) Next, p consisting of a p-type gallium nitride compound semiconductor thin film and an n-type gallium nitride compound semiconductor thin film
An n-junction was formed to manufacture a light emitting diode. The concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 10%.

【0036】上記実施例1と同様にして、サファイア基
板上にAlN層バッファ層を成長させた後、その上に、
主キャリアガスとして窒素ガスを9リットル/分、水素
ガスを1リットル/分で流しながら、新たにTMGガス
を4cc/分、Si源である10ppmのSiH4(モ
ノシラン)ガスを100cc/分で流しながら60分間
成長させて、Siをドープしたn型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を2μmの膜厚で成長させた。引き続き、
SiH4ガスを止め、新たに主キャリアガスとして窒素
ガスを9リットル/分、水素ガスを0.95リットル/
分、Cp2Mgの副キャリアガスを50cc/分で流し
ながら15分間成長させて、Mgをドープしたp型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜を0.5μmの膜厚で成長
させた。成長後、原料ガスであるTMGガスとCp2
gガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素ガスをそ
のままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハ
ーを反応管から取り出した。
After growing an AlN layer buffer layer on a sapphire substrate in the same manner as in Example 1 above,
Nitrogen gas as a main carrier gas is 9 liters / minute, hydrogen gas is 1 liters / minute, while TMG gas is newly added at 4 cc / minute and SiH 4 (monosilane) gas of 10 ppm as a Si source is added at 100 cc / minute. While growing for 60 minutes, an n-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Si was grown to a film thickness of 2 μm. Continuing,
Stop the SiH 4 gas and use 9 l / min of nitrogen gas and 0.95 l / min of hydrogen gas as the new main carrier gas.
Cp 2 Mg sub-carrier gas was flowed at 50 cc / min for 15 minutes to grow a Mg-doped p-type gallium nitride compound semiconductor thin film with a thickness of 0.5 μm. After growth, TMG gas and Cp 2 M, which are raw material gases,
After the g gas and the ammonia were stopped and the nitrogen gas and the hydrogen gas were allowed to flow at the same flow rates to cool to room temperature, the wafer was taken out from the reaction tube.

【0037】ウェハー表面を顕微鏡で観察したところ、
面内全体にわたってクラックのない平坦な表面であっ
た。
When the surface of the wafer was observed with a microscope,
The surface was a flat surface without cracks throughout the surface.

【0038】このようにして形成したn型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜とp型窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜からなるpn接合を、p型GaN層の一部をエッチ
ングしてn型GaN層の一部を露出させ、p型GaNお
よびn型GaNそれぞれの層にオーミック電極を形成し
た。この後、サファイア基板の裏面を研磨して100μ
m程度まで薄くし、スクライブによりチップ状に分離し
た。このチップをpn接合形成面を上向きにしてステム
に接着した後、チップのn型およびp型電極を各々ステ
ム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして
発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを20
mAの順方向電流で駆動したところ、順方向電圧は4
V、発光出力は30μWであり、波長430nm付近で
青紫色発光を示した。この積層構造において、n型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とp型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の間に窒化インジウムガリウム(InGa
N)薄膜を形成し、これを発光層としたダブルへテロ構
造とすると、より発光効率の高い発光ダイオードを作製
することが可能である。
A part of the p-type GaN layer of the pn junction composed of the n-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film and the p-type gallium nitride-based compound semiconductor thin film thus formed is partially etched to form a part of the n-type GaN layer. Was exposed, and ohmic electrodes were formed on the respective layers of p-type GaN and n-type GaN. Then, the back surface of the sapphire substrate is polished to 100 μm.
It was thinned to about m and separated into chips by scribing. After bonding this chip to the stem with the pn junction forming surface facing upward, the n-type and p-type electrodes of the chip were respectively connected to the electrodes on the stem with wires, and then resin-molded to produce a light emitting diode. 20 LEDs
When driven with a forward current of mA, the forward voltage is 4
V, the emission output was 30 μW, and blue-violet emission was exhibited at a wavelength of about 430 nm. In this laminated structure, indium gallium nitride (InGaN) is provided between the n-type gallium nitride compound semiconductor thin film and the p-type gallium nitride compound semiconductor thin film.
N) By forming a thin film and using this as a light emitting layer to form a double hetero structure, it is possible to manufacture a light emitting diode having higher light emitting efficiency.

【0039】(比較例5)一方、実施例6において、M
gドープのp型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
する際に主キャリアガスとして水素ガスのみを用いて、
それ以外の条件は実施例6と同様にしてGaNのpn接
合膜を作製した。即ち、全キャリアガス中の水素ガスの
濃度は100%である。作製されたpn接合膜は、ウェ
ハー表面全体にわたって微細なクラックが発生した。実
施例6と同様な方法で発光ダイオードを作製したとこ
ろ、電流を流しても発光しないものが多く、また、発光
しても瞬時に劣化して発光しなくなってしまい、特性を
測定することはできなかった。
Comparative Example 5 On the other hand, in Example 6, M
Using only hydrogen gas as a main carrier gas when growing a g-doped p-type gallium nitride compound semiconductor thin film,
A GaN pn junction film was formed under the same conditions as in Example 6 except for the above. That is, the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 100%. In the produced pn junction film, fine cracks were generated over the entire surface of the wafer. When a light emitting diode was manufactured in the same manner as in Example 6, many of them did not emit light even when an electric current was applied, and even if they emitted light, they deteriorate instantly and stopped emitting light, and the characteristics could not be measured. There wasn't.

【0040】ところで、上記キャリアガス中の水素濃度
が20%より高い場合で窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜にクラックが発生する原因を考える上において、以下
に示す二つの要因を考慮する必要があると思われる。
By the way, in considering the cause of cracking in the gallium nitride-based compound semiconductor thin film when the hydrogen concentration in the carrier gas is higher than 20%, it is necessary to consider the following two factors. Be done.

【0041】即ち、第一には高い水素濃度ほど窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜中にはMg元素がより多く含ま
れるため、薄膜中の残留応力が大きくなること、第二に
は水素は窒素に比較して熱伝導度が高いため、高い水素
濃度ほど薄膜成長後の冷却中(成長時と同じ水素濃度)
において冷却速度が速く、基板と薄膜の熱膨張係数の差
による応力変化が激しくなること、の2点である。そこ
で本発明者らはこれらの二つの要因の影響を調べるた
め、以下に記す二つの実験を行った。
That is, firstly, the higher the hydrogen concentration, the more Mg element is contained in the gallium nitride compound semiconductor thin film, so that the residual stress in the thin film becomes large. Secondly, hydrogen is compared to nitrogen. Due to its high thermal conductivity, the higher the hydrogen concentration, the more cooling during the thin film growth (the same hydrogen concentration as during growth).
In (2), the cooling rate is high, and the stress change due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the thin film becomes severe. Therefore, the present inventors conducted the following two experiments in order to investigate the influence of these two factors.

【0042】先ず第一の実験として、全キャリアガス中
の水素濃度を100%(水素のみ)とした場合と水素濃
度を15%とした場合で、膜中のMgの元素濃度が約5
×1019/cm3で同程度になるようにMg源のCp2
Mgガスの供給量を調整してMgドープ窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜を成長すると、水素濃度を100%
(水素のみ)とした場合にクラックがウェハー面内全体
にわたって発生したのに対して、水素濃度を15%とし
た場合にはクラックは全く発生せず、結晶性の良い平坦
な表面が得られた。
First, as a first experiment, the elemental concentration of Mg in the film was about 5 when the hydrogen concentration in all carrier gases was 100% (only hydrogen) and when the hydrogen concentration was 15%.
× 1019 / cm 3 in the Mg source so that the same degree Cp 2
When the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film is grown by adjusting the supply amount of Mg gas, the hydrogen concentration becomes 100%.
When hydrogen (only hydrogen) was used, cracks were generated over the entire wafer surface, whereas when hydrogen concentration was 15%, no cracks were generated and a flat surface with good crystallinity was obtained. .

【0043】次に第二の実験として、キャリアガスの水
素濃度を100%(水素のみ)としてMgドープ窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜を成長した後、水素ガスを窒
素ガスに切り替え、窒素ガス中で室温まで冷却したとこ
ろ、水素ガス中で冷却した場合と同様にウェハー面内全
体にわたってクラックが発生した。
Next, as a second experiment, after the Mg-doped gallium nitride-based compound semiconductor thin film was grown with the hydrogen concentration of the carrier gas being 100% (only hydrogen), the hydrogen gas was switched to nitrogen gas, and the temperature was changed to room temperature in nitrogen gas. When cooled to below, cracks were generated over the entire surface of the wafer as in the case of cooling in hydrogen gas.

【0044】以上二つの実験結果より、クラックの発生
の有無は本質的にMgドープ窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜成長時のキャリアガス中の水素ガス濃度そのもの
で決定されている可能性が高い。
From the above two experimental results, it is highly likely that the presence or absence of cracks is essentially determined by the hydrogen gas concentration itself in the carrier gas during the growth of the Mg-doped gallium nitride compound semiconductor thin film.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、p型不純
物としてMgをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を成長する際に、クラックの発生を抑制し、且つ薄
膜中にMgを高濃度に取り込むことが可能となるという
優れた効果が得られる。また、このp型不純物をドープ
したp型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を用いて発光
ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスを作製
した場合でも、成長した積層構造にクラックを発生させ
ることなく動作抵抗を低減できることから、性能および
信頼性に優れた発光デバイスを歩留まり良く製造できる
という優れた効果が得られる。
As described above, according to the present invention, when a gallium nitride-based compound semiconductor thin film doped with Mg as a p-type impurity is grown, the occurrence of cracks is suppressed and the concentration of Mg in the thin film is high. It has an excellent effect that it can be taken into. Further, even when a light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode is manufactured using this p-type gallium nitride compound semiconductor thin film doped with p-type impurities, the operating resistance is reduced without causing cracks in the grown laminated structure. Therefore, an excellent effect that a light emitting device having excellent performance and reliability can be manufactured with high yield is obtained.

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

【図1】本発明の第1実施の形態で使用した有機金属気
相成長装置の主要部を示す概略断面図
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a main part of a metal-organic vapor phase epitaxy apparatus used in a first embodiment of the present invention.

【図2】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を0.5%
とした場合にMgをドープして形成した窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図
[FIG. 2] Concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 0.5%
View showing the crystal structure of the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping with Mg

【図3】全キャリアガス中の水素ガスの濃度が15%と
した場合にMgをドープして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図
FIG. 3 is a micrograph showing the crystal structure of the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping Mg when the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 15%.

【図4】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を30%と
した場合にMgをドープして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図
FIG. 4 is a micrograph showing the crystal structure of the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping Mg when the concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 30%.

【図5】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を100%
とした場合にMgをドープして形成した窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図
FIG. 5: Concentration of hydrogen gas in all carrier gases is 100%
View showing the crystal structure of the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor thin film formed by doping with Mg

【図6】全キャリアガス中の水素濃度と窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜中に取り込まれたMgの元素濃度の関
係を示す図
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration in all carrier gases and the element concentration of Mg taken in the gallium nitride-based compound semiconductor thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応管 2 基板 3 基板ホルダー 4 発熱体 5a,5b,5c,5d,5e,5f 流量制御器 6 排気ガス 1 reaction tube 2 substrates 3 substrate holder 4 heating element 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f Flow rate controller 6 exhaust gas

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−36426(JP,A) 特開 平8−264455(JP,A) 特開 平8−148718(JP,A) 特開 平8−97149(JP,A) 特開 昭63−178516(JP,A) 特開 平4−155918(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 33/00 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-36426 (JP, A) JP-A-8-264455 (JP, A) JP-A-8-148718 (JP, A) JP-A-8-97149 (JP , A) JP 63-178516 (JP, A) JP 4-155918 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 H01L 33/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒素がベースで水素が20%以下の濃度で
混合されたキャリアガスを用いて原料ガスを反応管へ輸
送し、前記反応管内に装着された基板上にp型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させ
ることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
1. A carrier gas containing nitrogen as a base and hydrogen in a concentration of 20% or less is used to transport a source gas to a reaction tube, and a substrate mounted in the reaction tube is doped with p-type impurities. A method of manufacturing a semiconductor thin film, which comprises growing a gallium nitride-based compound semiconductor thin film.
【請求項2】半導体薄膜成長面を下向きに前記基板を装
着することを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜の
製造方法。
2. The method for producing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the substrate is mounted with a semiconductor thin film growth surface facing downward.
【請求項3】前記成長させる方法が有機金属気相成長法
であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導
体薄膜の製造方法。
3. The method for producing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the growing method is a metal organic chemical vapor deposition method.
【請求項4】前記キャリアガスとして水素が2%以上且
つ20%以下の濃度で混合された窒素をベースとするキ
ャリアガスを用いることを特徴とする請求項1〜3の内
のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
4. The carrier gas based on nitrogen containing hydrogen mixed in a concentration of 2% or more and 20% or less is used as the carrier gas. Manufacturing method of semiconductor thin film.
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