JP3598591B2 - Method for manufacturing group 3-5 compound semiconductor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長法による3−5族化合物半導体の製造方法に関する。特に、発光素子に用いる3−5族化合物半導体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、青色の発光ダイオードとして一般式Inx Gay Alz N(ただし、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される3−5族化合物半導体を用いたものが利用されている。該3−5族化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高いこと、In濃度により黄色から紫、紫外線領域までの発光波長で発光可能であることから、特に短波長発光素子用途に有用である。
【0003】
該3−5族化合物半導体の製造方法としては、分子線エピタキシー(以下、MBEと記すことがある。)法、有機金属気相成長(以下、MOVPEと記すことがある。)法、ハイドライド気相成長(以下、HVPEと記すことがある。)法などが用いられている。
このうちMOVPE法とは、常圧あるいは減圧中に置かれた基板を加熱して、3族元素を含む有機金属化合物と5族元素を含む原料を気相状態で供給して、基板上で熱分解反応をさせ、半導体膜を成長させる方法である。このMOVPE法は、大面積に均一で高品質な該3−5族化合物半導体が成長できる点で重要である。
【0004】
ところで発光素子の発光効率を高める方法として、p型とn型の半導体層の間に、発光層を挟み、発光層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する層が発光層の両側で接する構造とした、いわゆるダブルヘテロ構造を利用することが広く知られている。
しかしながら、MOVPE法で作製される3−5族化合物半導体では急峻なpn接合界面を作製することが非常に難しいために、ダブルヘテロ構造の素子においても、輝度、発光効率はいまだ充分ではなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発光素子の輝度、発光効率を高めることが可能な3−5族化合物半導体の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、該3−5族化合物半導体のダブルへテロ構造の発光素子について種々検討の結果、p型層の成長界面での急峻性を改良する目的で、p型層を成長する前にp型ドーパント原料を供給し、3族原料は供給しない工程(以後、空流し工程と記すことがある。)を設けると、発光素子の発光効率が飛躍的に向上することを見いだし、本発明に至った。
【0007】
すなわち本発明は次に記す発明である。
〔1〕一般式Inx Gay Alz N(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される3−5族化合物半導体の積層構造を含み、該積層構造の中にp型の層を少なくとも1層含む3−5族化合物半導体を、3族有機金属化合物と分子中にNを有する化合物とを原料とし、有機金属気相成長法により反応管内で成長させて3−5族化合物半導体を製造する方法において、p型の層を成長する工程の前に、p型ドーパント原料を供給し3族原料は供給しない工程を有することを特徴とする3−5族化合物半導体の製造方法。
〔2〕p型ドーパントがMgであることを特徴とする〔1〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
【0008】
〔3〕3−5族化合物半導体が、n型の第1の層と、p型の第2の層と、前記2層の間に挾まれた少なくとも1層の第3の層とを含み、第3の層が該層の両側でこれよりもバンドギャップの大きな2つの層と接してなることを特徴とする〔1〕または〔2〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
〔4〕第3の層の層厚が5Å以上90Å以下であることを特徴とする〔3〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
〔5〕第3の層の層中に含まれるSi、Ge、Mg、ZnおよびCdの各濃度がいずれも1×1019cm−3以下であることを特徴とする〔3〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
【0009】
次に、本発明を詳細に説明する。
該3−5族化合物半導体はバルク成長では良好な結晶が得られないため、該3−5族化合物半導体そのものを基板として用いるホモエピタキシャル成長は困難である。このため該3−5族化合物半導体の結晶成長用基板としては、サファイア、ZnO、GaAs、Si、SiC等が用いられる。特に、サファイアは、AlN等のバッファ層を用いることで結晶性の良好な該3−5族化合物半導体を成長できるため好ましい。
【0010】
本発明では、以下のような原料を用いることができる。
3族原料としては、トリメチルガリウム[(CH3 )3 Ga、以下TMGと記すことがある。]、トリエチルガリウム[(C2 H5 )3 Ga、以下TEGと記すことがある。]等の一般式R1 R2 R3 Ga(ここでR1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルガリウム;トリメチルアルミニウム[(CH3 )3 Al]、トリエチルアルミニウム[(C2 H5 )3 Al、以下TEAと記すことがある。]、トリイソブチルアルミニウム[(i−C4 H9 )3 Al]等の一般式R1 R2 R3 Al(ここでR1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン[(CH3 )3 N:AlH3 ];トリメチルインジウム[(CH3 )3 In、以下TMIと記すことがある。]、トリエチルインジウム[(C2 H5 )3 In]等の一般式R1 R2 R3 In(ここでR1 、R2 、R3 は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルインジウム等が挙げられる。これらは単独または混合して用いられる。
【0011】
次に、5族原料としては、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラジン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独または混合して用いられる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
該3−5族化合物半導体のp型ドーパントとして、2族元素が好ましい。具体的にはMg、Zn、Cd、Hg、Beが挙げられるが、このなかでは低抵抗のp型のものが作りやすいMgが好ましい。
【0012】
Mgドーパントの原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(以下、Cp2 Mgと記すことがある。)、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスn−プロピルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスi−プロピルシクロペンタジエニルマグネシウム等の一般式(RC5 H4 )2 Mg(ここでRはHまたは炭素数1以上4以下の低級アルキル基を示す。)で表される有機金属化合物が、適当な蒸気圧を有するために好適である。
【0013】
該3−5族化合物半導体のn型ドーパントとして、4族元素と6族元素が好ましい。具体的にはSi、Ge、Oが挙げられるが、この中では低抵抗のn型がつくりやすく、原料純度の高いものが得られるSiが好ましい。Siドーパントの原料としては、SiH4 、Si2 H6 などが好適である。
【0014】
本発明の3−5族化合物半導体の製造方法は、p型の半導体層を成長する工程の前に、p型ドーパント原料を供給し3族原料は供給しない工程を有することを特徴とする(空流し工程)。
この空流し工程は、図1に示す概念図のように、p型層の成長工程の前に行われる工程であり、p型ドーパント原料を供給し、かつ3族原料を供給しない工程である。
空流し工程とその後に行うp型層の成長工程は、連続して行っても、時間間隔をおいて行ってもよい(図1の場合)が、結晶の品質の変化を防ぐために、時間間隔はできるだけ短い方がよく、連続して行うのが好ましい。
また、空流し工程におけるp型ドーパント原料の流量は、p型層の成長工程におけるp型ドーパント原料の流量と同じであっても、異なっていてもよいが、連続して両工程を行う場合には流量の変動があると、結晶の品質低下を引き起こす恐れがあるので、流量の変動はない方が好ましい。
【0015】
空流し工程における反応管内の温度は、その後で行うp型層の成長温度と同じであっても、異なっていてもよいが、同じ温度の方がさらに好ましい。空流し工程の温度がp型層の成長温度と異なる場合には昇温、または降温のために必要な時間の分だけ成長時間が長くなる上に、温度を変える間に、空流し工程までに成長した結晶の品質が低下してしまうことがあるので好ましくない。
空流し工程における反応管内の圧力は、その後に行うp型層の成長時における圧力と同じであっても、異なっていてもよいが、同じ圧力の方が両工程を連続して行え、しかも成長プロセスの煩雑さを低減できるのでさらに好ましい
空流し工程において、5族原料ガスは同時に供給しても、しなくてもよい。ただし、空流し工程の温度が650℃以上の場合には、5族原料ガスの供給をしないと、この工程の前までに成長した結晶の品質が低下してしまうことがあるので5族原料ガスは同時に供給する方が好ましい。
【0016】
空流し工程での主な制御因子としては、p型ドーパント原料の種類、流量、供給時間、温度および圧力等がある。これらの制御因子の好ましい範囲は、成長装置によって変化するため、一概に好ましい範囲を特定することはできないが、成長装置が大きくなるに従い、好ましい範囲の流量は大きくなる方向に、供給時間は長くなる方向に変化する。
【0017】
Mg原料の流量の好ましい範囲の例として、本発明者らの用いた装置における範囲をあげると、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを使用する場合、原料バブラーを30℃に保持した状態で、キャリアガス流量50sccm以上、500sccm以下である。50sccmより少なくても、500sccmより多くてもこの工程を設ける効果が得られず好ましくない。ここで、sccmは気体の流量の単位で、1分当たり標準状態で1ccの体積を占める重量の気体が流れていることを示す。
【0018】
Mg原料供給時間の好ましい例として、本発明者らの用いた装置における範囲を挙げると、1100℃、常圧、流量200sccmの条件でビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた空流し工程を行う場合、1秒以上3分未満であり、さらに好ましくは10秒以上2分以下である。1秒よりも短くても、3分以上長くても、この工程の効果が得られず好ましくない。
空流し工程の好ましい温度範囲は600℃以上1200℃以下である。600℃よりも低い温度でも、1200℃よりも高い温度でも、この工程の効果が得られず好ましくない。
【0019】
本発明の3−5族化合物半導体の製造方法により得られる3−5族化合物半導体として、n型の第1の層およびp型ドーパントをドープした第2の層で、発光層である第3の層を挟んだ構造を有しているものが挙げられる。第1の層および第2の層から電荷を注入し、第3の層で電荷を再結合させ、発光させることができる。特に、第3の層がこれよりバンドギャップの大きい2つの層に接して挟まれているいわゆるダブルヘテロ構造は、電荷を第3の層に閉じ込める効果があるため、発光効率を高くできるので好ましい。ただし、該積層構造中に2つ以上のp型の層の間にn型の層がある場合、または2つ以上のn型の層の間にp型の層がある場合、積層構造中に互いに逆向きのpn接合ができるため、ダイオードとしての電気特性が低下することになるので好ましくない。
該3−5族化合物半導体は、バンドギャップが5eVを越えると高抵抗となり、電荷の移動が困難となるため、該3−5族化合物半導体における積層構造のいずれの層もバンドギャップは5eV以下であることが好ましい。
本発明における3−5族化合物半導体でダブルヘテロ構造により効率良く第3の層に電荷を閉じ込めるためには、第3の層に接する2つの層のバンドギャップは第3の層のバンドギャップより0.1eV以上大きいことが好ましい。さらに好ましくは0.3eV以上である。
【0020】
第3の層は、発光層として機能する複数の層からなる層であってもよい。具体的に複数の層からなる層が発光層として機能する例としては、2つ以上の発光層がこれよりバンドギャップの大きい層と積層されている構造が挙げられる。
【0021】
発光層である第3の層としてはIn組成が10%以上の該3−5族化合物半導体が、バンドギャップを可視部にできるため表示用途に好ましい。Alを含むものは酸素等の不純物を取り込みやすく、発光層として用いた場合、発光効率が下がる場合がある。このような場合には、発光層としてはAlを含まない一般式Inx Gay N(ただし、x+y=1、0<x≦1、0≦y<1)で表されるものを利用することができる。
【0022】
該3−5族化合物半導体の格子定数は、組成により大きく変化する。とくにInNの格子定数はGaNまたはAlNに対して約12%またはそれ以上大きい。このため、該3−5族化合物半導体の各層の組成によっては、層と層との間の格子定数に大きな差が生じることがある。大きな格子不整合がある場合、結晶に欠陥が生じる場合があり、結晶性を低下させる原因となる。格子不整合による欠陥の発生を抑えるためには、格子不整合による歪みの大きさに応じて層の厚さを小さくしなければならない。好ましい厚さの範囲は歪みの大きさに依存する。Gax Al1−x N(ただし、0≦x≦1)上にInを10%以上含む該3−5族化合物半導体を積層する場合、Inを含む層の好ましい厚さは5Å以上500Å以下である。Inを含む層の厚さが5Åより小さい場合、発光効率が充分でなくなる。また、500Åより大きい場合、欠陥が発生し、やはり発光効率が充分でなくなる。さらに好ましい厚みの範囲は5Å以上90Å以下である。
【0023】
第3の層に不純物をドープすることで、第3の層のバンドギャップとは異なる波長で発光させることができる。これは不純物からの発光であるため、不純物発光とよばれる。不純物発光の場合、発光波長は第3の層の3族元素の組成と不純物元素により決まる。この場合、第3の層のIn組成は5%以上が好ましい。In組成が5%より小さい場合、発光する光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じることができない。In組成を増やすにつれて発光波長が長くなり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。
不純物発光に適した不純物としては、2族元素が好ましい。2族元素のなかでは、Mg、Zn、Cdをドープした場合、発光効率が高いので好適である。とくにZnが好ましい。これらの元素の濃度は、1018〜1022cm−3が好ましい。第3の層はこれらの2族元素とともにSiあるいはGeを同時にドープしてもよい。Si、Geの好ましい濃度範囲は1018〜1022cm−3である。
【0024】
不純物発光の場合、一般に発光スペクトルがブロードになり、注入電荷量が増すにつれて発光スペクトルがシフトしたり、バンド端発光のピークが現われてくるなど好ましくない発光特性を有しており、また発光効率を高くすることが難しい。このため、高い色純度が要求される場合や狭い波長範囲に発光パワーを集中させることが必要な場合、または高い発光効率の素子が必要な場合にはバンド端発光を利用する方が有利である。バンド端発光による発光素子を実現するためには、第3の層に含まれる不純物の量を低く抑えなければならない。具体的には、Si、Ge、Mg、CdおよびZnの各元素について、いずれも濃度が1019cm−3以下が好ましく、1018cm−3以下がさらに好ましい。
バンド端発光の場合、発光色は第3の層の3族元素の組成で決まる。可視部で発光させる場合、In組成は10%以上が好ましい。In組成が10%より小さい場合、発光する光はほとんど紫外線であり、充分な明るさを感じることができない。In組成が増えるにつれて発光波長が長くなり、発光波長を紫から青、緑へと調整できる。
【0025】
発光層である第3の層がInを含む場合、熱的な安定性が充分でなく、結晶成長中、または半導体プロセスで劣化を起こす場合がある。このような発光層の劣化を防止する目的のために発光層とp型層の間に、保護層を入れる場合がある。充分な保護機能をもたせるためには、保護層のIn組成は10%以下、Al組成は5%以上が好ましい。より好ましくはIn組成が5%以下、Al組成が10%以上である。
保護層の膜厚は10Å以上1μm以下が好ましい。さらに好ましくは、50Å以上5000Å以下である。保護層の膜厚が10Åより小さいと充分な効果が得られない。また1μmより大きい場合には発光効率が減少するので好ましくない。
【0026】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
MOVPE法により図2に示す構造の3−5族化合物半導体を作製し、これから発光素子を作製した。
基板はサファイアC面を鏡面研磨したものを有機洗浄して用いた。成長は低温成長バッファ層を用いる2段階成長法によった。基板温度550℃で、水素をキャリアガスとし、TMGとアンモニアを供給して膜厚500ÅのGaNのバッファ層2を形成した。次に基板温度を1100℃まで上げ、該バッファ層2の上に、TMG、アンモニアおよびシランガスとを供給して、Siをドーパントとするn型キャリア濃度1×1019/cm3 、膜厚約3μmのGaN層3を成長し、さらに同じ温度にてTMG、アンモニアを供給して、ノンドープのGaN層4を1500Å成長した。
【0027】
次に、基板温度を785℃まで下げ、キャリアガスを窒素に換え、TEG、TMIおよびアンモニアをそれぞれ0.04sccm、0.08sccm、4slm供給して、発光層であるIn0.3 Ga0.7 N層5を70秒間成長した。さらに、同じ温度にてTEG、TEAおよびアンモニアをそれぞれ0.032sccm、0.008sccm、4slm供給して、保護層であるGa0.8 Al0.2 N層6を10分間成長した。ただし、slmとは気体の流量の単位で1slmは1000sccmに相当する。
なお、この2層の層厚に関しては、同一の条件でより長い時間成長した層の厚さから求めた成長速度が43Å/分、30Å/分であるので、上記成長時間から求められる層厚はそれぞれ50Å、300Åである。
【0028】
次に、基板温度を1100℃まで上げ、Cp2 Mgおよびアンモニアを供給して40秒間の空流し工程を行ったのち、TMG、Cp2 Mgおよびアンモニアを供給してMgをドープしたGaN層7を5000Å成長した。
以上により作製した3−5族化合物半導体試料を反応炉から取り出したのち、窒素中で800℃、20分アニール処理を施し、MgをドープしたGaN層を低抵抗のp型層にした。こうして得た試料に常法により電極を形成し、LEDとした。p電極としてNi−Au合金、n電極としてAlを用いた。このLEDに順方向に電流を流したところ、発光波長4570Åの明瞭な青色発光を示した。20mAでの輝度1240mcdであった。
【0029】
比較例1
Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程を行わなかったことを除いては、実施例1と同様にして、比較用の試料を作製した。これに電流を流したところ、発光波長4400Åの青色の発光が認められたが、順方向20mAでの輝度は390mcdであった。
【0030】
実施例2、3
Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程の時間を40秒間にかえて30秒(実施例2)、60秒(実施例3)としたことを除いては、実施例1と同様にして半導体およびLEDを作製した。このLEDに順方向に電流を流したところ、明瞭な青色発光を示した。20mAでの輝度、効率、発光波長を表1に示す。
【0031】
比較例2
Cp2 Mgおよびアンモニアを供給する空流し工程の時間を40秒間にかえて180秒としたことを除いては、実施例1と同様にして、比較用の試料を成長した。これに電流を流したところ、目視では青色の発光が認められなかった。
図3に空流し工程の時間と20mAでの輝度の関係を示す。この図から30秒、40秒、60秒の空流しにより、空流しを行わない場合よりも輝度が大幅に向上していることがわかる。
【0032】
【表1】
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、p型の3−5族化合物半導体層を成長する前に、p型ドーパント原料を供給し、3族原料は供給しない工程を設けることによって、輝度および発光効率の向上した、発光素子が作製できるため、きわめて有用であり工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における空流し工程の概念図。
【図2】本発明の実施例1に示す3−5族化合物半導体の構造を示す図。
【図3】実施例1〜3、比較例1、2におけるMg原料の空流し工程の時間とLEDの輝度との関係を示す図。
【符号の説明】
1……サファイア基板
2……GaNバッファー層
3……n型GaN:Si層
4……ノンドープGaN層
5……第1の層であるn型GaN層
6……第3の層であるInGaN層
7……保護層であるAlGaN層
8……第2の層であるp型GaN:Mg層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a Group 3-5 compound semiconductor by a vapor phase growth method. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a Group 3-5 compound semiconductor used for a light emitting element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the general formula In x Ga y Al z N (provided that, x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1) as a blue light emitting diode 3-5 group compound represented by Semiconductor devices are used. Since the group 3-5 compound semiconductor is a direct transition type, it has high luminous efficiency, and can emit light at an emission wavelength from yellow to violet and ultraviolet depending on the In concentration, and is particularly useful for short wavelength light emitting devices. It is.
[0003]
Examples of the method for producing the Group 3-5 compound semiconductor include a molecular beam epitaxy (hereinafter, sometimes referred to as MBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (hereinafter, sometimes referred to as MOVPE) method, and a hydride gas phase. A growth (hereinafter sometimes referred to as HVPE) method or the like is used.
Of these methods, the MOVPE method involves heating a substrate placed under normal pressure or reduced pressure, supplying an organometallic compound containing a
[0004]
By the way, as a method for increasing the luminous efficiency of a light-emitting element, a structure in which a light-emitting layer is interposed between p-type and n-type semiconductor layers, and a layer having a band gap larger than the band gap of the light-emitting layer is in contact with both sides of the light-emitting layer. It is widely known to use a so-called double heterostructure.
However, it is very difficult to form a steep pn junction interface with a group III-V compound semiconductor produced by the MOVPE method, so that even in a device having a double hetero structure, the luminance and the luminous efficiency have not been sufficient.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a group 3-5 compound semiconductor that can increase the luminance and the luminous efficiency of a light emitting element.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have made various studies on the light emitting device having a double hetero structure of the group 3-5 compound semiconductor, and found that the light emitting device before growing the p-type layer was used for the purpose of improving the sharpness at the growth interface of the p-type layer. It is found that when a step of supplying a p-type dopant material and not supplying a
[0007]
That is, the present invention is the following invention.
[1] contains a formula In x Ga y Al z N ( x + y + z = 1,0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1) 3-5 group compound semiconductor multilayer structure represented by A group III-V compound semiconductor having at least one p-type layer in the laminated structure is reacted with a group III organometallic compound and a compound having N in a molecule by a metalorganic vapor phase epitaxy method. A method for producing a group 3-5 compound semiconductor by growing in a tube, comprising a step of supplying a p-type dopant material and not supplying a
[2] The method for producing a Group 3-5 compound semiconductor according to [1], wherein the p-type dopant is Mg.
[0008]
[3] the group 3-5 compound semiconductor includes an n-type first layer, a p-type second layer, and at least one third layer sandwiched between the two layers; The method for producing a Group 3-5 compound semiconductor according to [1] or [2], wherein the third layer is in contact with two layers having a larger band gap on both sides of the third layer.
[4] The method for producing a Group 3-5 compound semiconductor according to [3], wherein the thickness of the third layer is 5 ° or more and 90 ° or less.
[5] Each of the concentrations of Si, Ge, Mg, Zn and Cd contained in the third layer is 1 × 10 19 cm −3 or less. A method for producing a Group V compound semiconductor.
[0009]
Next, the present invention will be described in detail.
Since a good crystal cannot be obtained by bulk growth of the Group 3-5 compound semiconductor, it is difficult to perform homoepitaxial growth using the Group 3-5 compound semiconductor itself as a substrate. For this reason, sapphire, ZnO, GaAs, Si, SiC, or the like is used as the substrate for crystal growth of the group III-V compound semiconductor. In particular, sapphire is preferable since a group III-V compound semiconductor having good crystallinity can be grown by using a buffer layer such as AlN.
[0010]
In the present invention, the following raw materials can be used.
As a
[0011]
Next, as a
As the p-type dopant of the Group 3-5 compound semiconductor, a
[0012]
As a raw material of the Mg dopant, biscyclopentadienyl magnesium (hereinafter sometimes referred to as Cp 2 Mg), bismethylcyclopentadienyl magnesium, bisethylcyclopentadienyl magnesium, bis n-propylcyclopentadiene magnesium enyl, organic represented by the general formula such as bis-i- propyl-cyclopentadienyl magnesium (RC 5 H 4) 2 Mg ( wherein R represents H or having 1 to 4 carbon atoms or less of a lower alkyl group.) Metal compounds are preferred because they have a suitable vapor pressure.
[0013]
As the n-type dopant of the Group 3-5 compound semiconductor, a Group 4 element and a
[0014]
The method for producing a Group 3-5 compound semiconductor of the present invention is characterized in that a step of supplying a p-type dopant material and not supplying a
As shown in the conceptual diagram of FIG. 1, this idle flow step is a step performed before the step of growing a p-type layer, and is a step of supplying a p-type dopant material and not supplying a
The emptying step and the subsequent growth step of the p-type layer may be performed continuously or at intervals (in the case of FIG. 1). Is preferably as short as possible, and is preferably performed continuously.
Further, the flow rate of the p-type dopant material in the emptying step may be the same as or different from the flow rate of the p-type dopant material in the growth step of the p-type layer. It is preferable that there is no fluctuation in the flow rate because fluctuations in the flow rate may cause deterioration in crystal quality.
[0015]
The temperature in the reaction tube in the emptying step may be the same as or different from the growth temperature of the p-type layer performed later, but the same temperature is more preferable. If the temperature of the airflow step is different from the growth temperature of the p-type layer, the growth time is extended by the time required for raising or lowering the temperature, and the temperature is changed before the airflow step. It is not preferable because the quality of the grown crystal may be deteriorated.
The pressure in the reaction tube in the idling step may be the same as or different from the pressure during the subsequent growth of the p-type layer. In the more preferred emptying step, the group V source gas may or may not be supplied at the same time because the complexity of the process can be reduced. However, if the temperature of the emptying step is 650 ° C. or higher, the quality of the crystal grown before this step may be reduced unless the group V source gas is supplied. Are preferably supplied simultaneously.
[0016]
The main control factors in the emptying process include the type, flow rate, supply time, temperature and pressure of the p-type dopant material. Since the preferable range of these control factors varies depending on the growth apparatus, the preferable range cannot be specified without limitation. However, as the growth apparatus increases, the supply time increases in the direction in which the flow rate in the preferable range increases. Change in direction.
[0017]
As an example of a preferable range of the flow rate of the Mg raw material, the range in the apparatus used by the present inventors is as follows. When biscyclopentadienyl magnesium is used, the carrier gas flow rate is maintained while the raw material bubbler is maintained at 30 ° C. It is 50 sccm or more and 500 sccm or less. If it is less than 50 sccm or more than 500 sccm, the effect of providing this step is not obtained, which is not preferable. Here, sccm is a unit of gas flow rate, and indicates that a gas weighing 1 cc per minute in a standard state flows per minute.
[0018]
As a preferable example of the Mg raw material supply time, a range in the apparatus used by the present inventors is as follows. When performing an idle flow process using biscyclopentadienyl magnesium at 1100 ° C., normal pressure, and a flow rate of 200 sccm, It is 1 second or more and less than 3 minutes, and more preferably 10 seconds or more and 2 minutes or less. If the time is shorter than 1 second or longer than 3 minutes, the effect of this step cannot be obtained, which is not preferable.
The preferred temperature range of the emptying step is from 600 ° C to 1200 ° C. If the temperature is lower than 600 ° C. or higher than 1200 ° C., the effect of this step cannot be obtained, which is not preferable.
[0019]
As a Group 3-5 compound semiconductor obtained by the method for producing a Group 3-5 compound semiconductor of the present invention, an n-type first layer and a second layer doped with a p-type dopant, and a third light-emitting layer One having a structure in which a layer is interposed is given. Electric charge can be injected from the first layer and the second layer, and the electric charge can be recombined in the third layer to emit light. In particular, a so-called double hetero structure in which the third layer is sandwiched between two layers having larger band gaps is preferable because it has an effect of confining charges in the third layer and thus can increase luminous efficiency. However, when there is an n-type layer between two or more p-type layers in the laminated structure, or when there is a p-type layer between two or more n-type layers, Since pn junctions in opposite directions are formed, the electrical characteristics of the diode deteriorate, which is not preferable.
When the band gap of the Group 3-5 compound semiconductor exceeds 5 eV, the resistance becomes high and the movement of charges becomes difficult. Therefore, any of the layers of the layered structure of the Group 3-5 compound semiconductor has a band gap of 5 eV or less. Preferably, there is.
In order to efficiently confine charges in the third layer by the double hetero structure in the group III-V compound semiconductor of the present invention, the band gap of the two layers in contact with the third layer is set to be smaller than the band gap of the third layer by 0. It is preferably greater than or equal to .1 eV. More preferably, it is 0.3 eV or more.
[0020]
The third layer may be a layer including a plurality of layers functioning as a light emitting layer. Specifically, an example in which a layer including a plurality of layers functions as a light-emitting layer includes a structure in which two or more light-emitting layers are stacked with a layer having a larger band gap.
[0021]
As the third layer which is a light-emitting layer, the group III-V compound semiconductor having an In composition of 10% or more is preferable for display use because the band gap can be made visible. Those containing Al tend to take in impurities such as oxygen, and when used as a light-emitting layer, the luminous efficiency may decrease. In such a case, as the light-emitting layer does not contain Al general formula In x Ga y N (provided that, x + y = 1,0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1) be used those represented by Can be.
[0022]
The lattice constant of the group III-V compound semiconductor greatly changes depending on the composition. In particular, the lattice constant of InN is about 12% or more larger than that of GaN or AlN. For this reason, depending on the composition of each layer of the Group 3-5 compound semiconductor, a large difference may occur in the lattice constant between the layers. When there is a large lattice mismatch, a defect may be generated in the crystal, which causes a decrease in crystallinity. In order to suppress the occurrence of defects due to lattice mismatch, the thickness of the layer must be reduced according to the magnitude of strain due to lattice mismatch. The preferred thickness range depends on the magnitude of the strain. When the Group III-V compound semiconductor containing 10% or more of In is stacked on Ga x Al 1-xN (where 0 ≦ x ≦ 1), the preferable thickness of the layer containing In is 5 ° or more and 500 ° or less. is there. When the thickness of the layer containing In is less than 5 °, the luminous efficiency becomes insufficient. On the other hand, if it is larger than 500 °, a defect occurs, and the luminous efficiency is also insufficient. A more preferable thickness range is 5 ° to 90 °.
[0023]
By doping the third layer with an impurity, light can be emitted at a wavelength different from the band gap of the third layer. Since this is light emission from an impurity, it is called impurity light emission. In the case of impurity light emission, the emission wavelength is determined by the composition of the
As an impurity suitable for impurity emission, a
[0024]
In the case of impurity light emission, the light emission spectrum generally becomes broad, and the light emission spectrum shifts as the amount of injected charge increases, or a peak of band edge light emission appears. Difficult to raise. Therefore, when high color purity is required, when emission power needs to be concentrated in a narrow wavelength range, or when an element with high emission efficiency is required, it is more advantageous to use band edge emission. . In order to realize a light-emitting element using band-edge light emission, the amount of impurities contained in the third layer must be reduced. Specifically, the concentration of each element of Si, Ge, Mg, Cd and Zn is preferably 10 19 cm −3 or less, more preferably 10 18 cm −3 or less.
In the case of band-edge emission, the emission color is determined by the composition of the
[0025]
When the third layer, which is a light emitting layer, contains In, thermal stability is not sufficient, and deterioration may occur during crystal growth or in a semiconductor process. A protective layer may be inserted between the light emitting layer and the p-type layer for the purpose of preventing such deterioration of the light emitting layer. In order to provide a sufficient protective function, the protective layer preferably has an In composition of 10% or less and an Al composition of 5% or more. More preferably, the In composition is 5% or less and the Al composition is 10% or more.
The thickness of the protective layer is preferably from 10 ° to 1 μm. More preferably, it is 50 ° or more and 5000 ° or less. If the thickness of the protective layer is less than 10 °, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the thickness is larger than 1 μm, the luminous efficiency decreases, which is not preferable.
[0026]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
A Group 3-5 compound semiconductor having the structure shown in FIG. 2 was produced by MOVPE, and a light emitting device was produced therefrom.
The substrate used was a mirror-polished sapphire C surface which was organically washed and used. The growth was based on a two-step growth method using a low-temperature growth buffer layer. At a substrate temperature of 550 ° C., hydrogen was used as a carrier gas, and TMG and ammonia were supplied to form a
[0027]
Next, the substrate temperature is lowered to 785 ° C., changing the carrier gas to nitrogen, TEG, TMI and ammonia, respectively 0.04 sccm, 0.08Sccm, and 4slm supply, an In 0.3 Ga 0.7 which is a light-emitting layer
Regarding the thicknesses of these two layers, the growth rates obtained from the thicknesses of the layers grown for a longer time under the same conditions are 43 ° / min and 30 ° / min. They are 50 ° and 300 ° respectively.
[0028]
Next, after raising the substrate temperature to 1100 ° C. and supplying a Cp 2 Mg and ammonia to perform an air-flow process for 40 seconds, supplying TMG, Cp 2 Mg and ammonia to supply the Mg-doped
After the Group 3-5 compound semiconductor sample prepared as described above was taken out of the reaction furnace, annealing treatment was performed at 800 ° C. for 20 minutes in nitrogen to convert the Mg-doped GaN layer into a low-resistance p-type layer. An electrode was formed on the thus obtained sample by a conventional method to obtain an LED. A Ni-Au alloy was used as the p electrode, and Al was used as the n electrode. When a current was applied to this LED in the forward direction, it emitted a clear blue light with an emission wavelength of 4570 °. The luminance at 20 mA was 1240 mcd.
[0029]
Comparative Example 1
A sample for comparison was produced in the same manner as in Example 1 except that the air flow step of supplying Cp 2 Mg and ammonia was not performed. When a current was applied to the device, blue light emission with a light emission wavelength of 4400 ° was recognized, but the luminance at a forward direction of 20 mA was 390 mcd.
[0030]
Examples 2 and 3
A semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the time of the air flow step of supplying Cp 2 Mg and ammonia was changed to 30 seconds (Example 2) and 60 seconds (Example 3) instead of 40 seconds. And LED were produced. When a current was applied to the LED in the forward direction, a clear blue light was emitted. Table 1 shows the luminance, efficiency, and emission wavelength at 20 mA.
[0031]
Comparative Example 2
A sample for comparison was grown in the same manner as in Example 1 except that the time of the idle flow step of supplying Cp 2 Mg and ammonia was changed to 180 seconds instead of 40 seconds. When a current was applied to this, blue light emission was not visually observed.
FIG. 3 shows the relationship between the time of the idling step and the luminance at 20 mA. From this figure, it can be seen that the brightness is significantly improved by the idle flow for 30 seconds, 40 seconds, and 60 seconds as compared with the case where the idle flow is not performed.
[0032]
[Table 1]
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, before growing a p-type Group 3-5 compound semiconductor layer, a step of supplying a p-type dopant material and not supplying a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an empty flowing step in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a Group 3-5 compound semiconductor shown in
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the time of an Mg material emptying step and the luminance of an LED in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
[Explanation of symbols]
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