JP3991823B2 - Group III nitride semiconductor crystal, method for producing the same, group III nitride semiconductor epitaxial wafer - Google Patents
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- Led Devices (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、電子デバイス等の作製に用いられる結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶とその製造方法に関する。特に結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶をサファイア基板上にエピタキシャル成長させるために好適に用いることができるIII族窒化物半導体結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
III族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップをもち高効率な発光が可能であるため、LEDやLDとしての製品化が成されている。また窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)と窒化ガリウム(GaN)とのヘテロ接合界面では、III族窒化物半導体に特徴的な圧電効果による2次元電子層が発現するなど、電子デバイスとしても従来のIII−V族化合物半導体では得られない特性が得られるポテンシャルを持っている。
【0003】
しかしながらIII族窒化物半導体は、単結晶の育成温度で2000気圧に及ぶ窒素の解離圧があるため、単結晶の育成が困難であり、他のIII−V族化合物半導体のようにエピタキシャル成長に使用する基板として、そのIII族窒化物半導体の単結晶基板を利用することは現状では困難である。そこで、エピタキシャル成長に使用する基板としては、サファイア(Al2O3)単結晶や炭化珪素(SiC)単結晶等の異種の材質からなる基板が用いられる。
【0004】
これらの異種の材料からなる基板と、その上にエピタキシャル成長させるIII族窒化物半導体結晶の間には大きな格子不整合が存在する。例えばサファイア(Al2O3)と窒化ガリウム(GaN)の間には16%、SiCと窒化ガリウムの間には6%の格子不整合が存在する。一般にこのような大きな格子不整合の存在する場合には、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることが困難であり、成長させても結晶性の良好な結晶は得られない。そこで、有機金属化学気相成長(MOCVD)法によりサファイア単結晶基板やSiC単結晶基板の上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長する場合、窒化アルミニウム(AlN)やAlGaNで構成される低温バッファ層と呼ばれる層を基板の上にまず堆積し、その上に高温でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が一般に行われてきた(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
【0005】
また、上記した低温バッファ層を用いた成長方法の他にも、900℃から1200℃程度の高温の温度範囲で成長したAlN層を基板上に形成し、その上に窒化ガリウムを成長させる方法も開示されている(例えば、特許文献3、非特許文献1参照。)。
【0006】
この様な状況の下、本出願人は、基板上にV/III比を1000以下(V/III比が0の場合を含む)としてIII族原料を供給し、III族窒化物半導体を形成する第1の工程と、その後III族原料と窒素原料を用いて、該基板上にIII族窒化物半導体結晶を気相成長させる第2の工程を有するIII族窒化物半導体結晶の製造方法を開発し、III族窒化物半導体エピタキシャルウェーハの製造プロセスの短縮、省コスト化およびウェーハ面内でのエピタキシャル層の均一性向上を実現した。
【0007】
一方、半導体結晶の低転位化を実施する方法として、基板表面に凹凸を形成し、その上に半導体結晶を成長する方法が知られている。例えば、III族窒化物半導体では、サファイア基板表面にストライプ状の溝を形成し、その基板上に低温でGaNからなるバッファ層を形成し、さらにその上に高温でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル層の転位密度を低減できることが示されている(例えば特許文献4、非特許文献2参照。)。
【0008】
【特許文献1】
特許第3026087号公報
【特許文献2】
特開平4−297023号公報
【特許文献3】
特開平9−64477号公報
【特許文献4】
特開2002−164296号公報
【非特許文献1】
ピー・クン 外(P.Kung、et al.)、アプライド フィジクス レターズ(Applied Physics Letters)、1995年、第66巻、p.2958
【非特許文献2】
ケー・タダトモ 外(K.Tadatomo、et al.)、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス(Japanese Journal of Applied Physics)、2001年、第40巻、p.L583−L585
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、凹凸状に表面が加工された基板を用いる半導体結晶の成長方法を利用し、温度変化が比較的少ない工程で、基板上に高品質のIII族窒化物半導体結晶を形成することが可能なIII族窒化物半導体結晶の製造方法を提供する。特に、凹凸状に表面加工されたサファイア基板上に、高品質のIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することが可能なIII族窒化物半導体結晶の製造方法を提供するものである。また本発明は、前記の製造方法で製造した高品質のIII族窒化物半導体結晶と、そのIII族窒化物半導体結晶を用いたIII族窒化物半導体エピタキシャルウェーハを提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
(1)表面を凹凸状に加工した基板上に、V/III比を0以上100以下としてIII族原料を供給し、III族窒化物半導体を形成する第1の工程と、その後III族原料と窒素原料を用いて、該基板上にIII族窒化物半導体結晶を気相成長させる第2の工程を有するIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(2)基板表面の凹凸の形状をストライプ状とすることを特徴とする上記(1)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(3)基板表面の凹凸の凹部幅および凸部幅をそれぞれ3μm以下とし、凹凸の深さを凹部幅の2/3以下とすることを特徴とする上記(1)または(2)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(4)前記基板としてサファイア(Al2O3)を用いることを特徴とする上記(1)ないし(3)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(5)前記第1の工程で供給するIII族原料が、少なくともAlを含むことを特徴とする上記(1)ないし(4)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(6)前記第2の工程で、基板上に気相成長させるIII族窒化物半導体結晶がGaNからなることを特徴とする上記(1)ないし(5)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(7)前記第2の工程で、窒素原料としてアンモニア(NH3)を用いることを特徴とする上記(1)ないし(6)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(8)前記第1の工程または第2の工程の少なくとも一方において、気相成長を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)で行うことを特徴とする上記(1)ないし(7)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(9)前記第1の工程で形成したIII族窒化物半導体が島状結晶塊であることを特徴とする上記(1)ないし(8)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(10)前記第1の工程で形成したIII族窒化物半導体が柱状結晶であることを特徴とする上記(1)ないし(9)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(11)前記柱状結晶が、その側面が基板面とおおむね垂直であるように基板上に付着していることを特徴とする上記(10)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
である。
【0011】
また、本発明は、
(12)凹凸状に加工した基板上に第1のIII族窒化物半導体を作製し、その上に第2のIII族窒化物半導体結晶を作製するIII族窒化物半導体結晶の製造方法において、第1のIII族窒化物半導体が柱状結晶または島状結晶の集合体であることを特徴とするIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
(13)前記柱状結晶が、その側面が基板面とおおむね垂直であるように基板上に付着していることを特徴とする上記(12)に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
である。
【0012】
また、本発明は、
(14)上記(1)ないし(13)に記載の方法で製造したIII族窒化物半導体結晶。
である。
【0013】
また、本発明は、
(15)上記(14)に記載のIII族窒化物半導体結晶の上に、さらにIII族窒化物半導体結晶層を形成したIII族窒化物半導体エピタキシャルウェーハ。
である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法は、表面を凹凸状に加工した基板上に、V/III比を0以上100以下としてIII族原料を供給し、III族窒化物半導体を形成する第1の工程と、その後III族原料と窒素原料を用いて、該基板上にIII族窒化物半導体結晶を気相成長させる第2の工程を有する。上記の第1、第2の工程を有するIII族窒化物半導体結晶の製造方法により、基板上に結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶を形成することが可能となる。
【0015】
従来の低温バッファ層を用いるIII族窒化物半導体結晶の製造方法に比較して、本発明の方法は基板温度の昇降を少なくすることが可能であり、プロセスが短く、電力消費量が少なくなる。このことにより、製造プロセスの短縮、省コスト化が可能である。また、基板の温度の変化が少ないことにより,基板の反りを最小限に抑えることができ、ウェーハ面内でのエピタキシャル層の均一性が良好となる。
【0016】
本発明では、基板としてガラス、SiC、Si、GaAs、GaP、GaN、AlN、サファイアなどを用いることができる。ここで、本発明では特に、前記基板がサファイア(Al2O3)であることが望ましい。基板がサファイアであると高品質な基板が安価に入手可能であるという利点がある。サファイア基板の面方位としては、m面、a面、c面等が使えるが、なかでもc面((0001)面)が好ましく、さらに基板表面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることが望ましい。また本発明に用いる基板は、第1の工程に用いる前に有機洗浄やエッチングのような前処理を行うと基板表面の状態を一定の状態に保つことができるため好ましい。
【0017】
本発明で基板表面に形成する凹凸の形状は、ストライプ状や六角柱状など色々な形態が利用可能である。このうち、凹凸をストライプ状にすると加工が容易である利点がある。また凹凸の配置は、サファイア基板の面方位に一致させたり、故意にずらせる事も可能である。基板表面に形成する凹凸の凹部幅や凸部幅あるいは凹凸の深さは任意に選べる。しかし、その上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の表面を平坦化させるためには、凹部幅および凸部幅はそれぞれ3μm以下とし、また凹凸の深さは凹部幅の2/3以下とするのが望ましい。
【0018】
本発明では、第1の工程で供給するIII族原料としてトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ターシャリブチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、ターシャリブチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ターシャリブチルインジウム、シクロペンタジエニルインジウム、などを用いることが出来る。また、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ターシャリブチルアルミニウム、などのようにIII族原料が少なくともAlを含むと、アルミニウムを含む窒化物は分解温度が高いため、高温でも分解や昇華を起こしにくく、基板に結晶が成長しやすいという効果を有するため特に好ましい。
【0019】
また本発明の第1の工程では、III族原料と同時にアンモニア、アルキルアミン類、ヒドラジン類、等のV族原料を供給することにより、III族窒化物半導体を形成することができる。本発明では、第1の工程においてIII族原料を供給する際のV/III比を1000以下とする。さらに好ましくは500以下とし、更に好ましくは100以下とする。V/III比をこのように設定することにより、より金属過剰の化合物半導体結晶を基板上に生じやすいという効果がある。
【0020】
本発明の第1の工程においては、V/III比が0、すなわちV族原料の供給量が0であっても良い。但しこの場合、意図して供給するV族原料が0であっても、第2の工程前にアンモニア(NH3)等の窒素原料を供給しIII族窒化物半導体を形成すること、あるいは反応炉の壁面や天板やサセプタなどに付着した付着物の分解から供給される窒素によりIII族窒化物半導体が形成されることが必要である。後者の場合、反応炉の壁面や天板やサセプタなどに付着した付着物の組成や量を適正に制御する必要がある。具体的には、成長終了後の反応炉のベーキング時間や温度を調節したり、行うこと自体を停止したりする。また、低温バッファ法を用いた成長には一般的な技術であるサーマルクリーニングと呼ばれる工程も、時間や温度を調節したり、行うこと自体を停止したりする。
一例を述べると、前回の成長を行ったあとベーキングを行わず、サーマルクリーニングを600℃において10分間行った後で、第1の工程として基板を1000℃に設定し、III族原料の金属含有化合物のみを流通させV族原料の供給量は0としておき、その後第2の工程である結晶成長を行ったところ、良好なIII族窒化物半導体結晶を作製することができた。
【0021】
また、第1の工程におけるV/III比を0としても良好なIII族窒化物半導体結晶が得られるもうひとつの条件としては、キャリアガスにN2を用いて、1000℃近い温度でのN2のわずかな分解によって生じる窒素(N)原子を窒素源として用いる方法がある。
【0022】
本発明の第1の工程では、雰囲気ガスとして、水素、希ガス、窒素等の単独ガスまたは混合ガスを用いることが出来る。上に述べたように、雰囲気ガスとして窒素を用いた場合には窒素ガスは原料ガスとしても機能している場合がある。
【0023】
また、第1の工程を行う際の雰囲気の圧力は1000〜1×105Paとすることが出来る。望ましくは、1×105Pa以下とし、更に望ましくは1×104Pa以下とする。第1の工程における圧力が低いと、作製される金属過剰のIII族窒化物半導体層の表面が平坦となり、その上に成長する第2のIII族窒化物半導体層の表面も平坦化しやすいという効果がある。
【0024】
また本発明では、第1の工程を行う際の基板の温度と第2の工程を行う際の基板の温度は特に規定しないが、第1の工程を行う際の基板の温度は次の第2の工程を行う際の基板の温度と同じか、またはより高いことが望ましい。第1の工程を第2の工程を行う際の基板の温度と同じか、またはより高い温度で行うと、III族原料ガスである有機金属化合物分子の分解が効率良く行われ、形成される結晶内に未分解のアルキル基などによる不純物が混入されないという利点がある。
【0025】
本発明の第1の工程で形成するIII族窒化物半導体は、島状結晶塊となるようにする。すなわち、幅が1nmから500nm、高さが5nmから100nm程度の島状結晶とする。III族窒化物を島状結晶とすることにより、金属晶や液滴が基板と島状結晶との界面に残留しやすくなり、より金属過剰な層として機能するという効果が得られると考えられる。また、島状結晶と基板では結晶成長速度が異なるので、選択成長の効果により貫通転位の密度が少なくなり、より良好な結晶が作製できる。
【0026】
或いは、本発明の第1の工程で形成するIII族窒化物半導体は、柱状結晶となるようにする。すなわち、幅が0.1nmから100nm、高さが10nmから500nm程度の柱状の粒子が集合した柱状結晶とする。III族窒化物を柱状結晶とすることにより、結晶層に粒界を多く生じるため金属晶や液滴がそこに残留しやすくなり、より金属過剰な層として機能するという効果が得られると考えられる。
【0027】
また本発明の第2の工程では、III族原料と窒素原料を用いて、第1の工程でIII族窒化物半導体を形成した基板上に、III族窒化物半導体結晶を気相成長させる。成長させるIII族窒化物半導体結晶がGaNであると、GaNはIII族窒化物半導体の中でも2次元成長しやすいため、平坦なGaN結晶のエピタキシャル層を形成するのが容易であり好ましい。GaNによって、一旦平坦で良好なエピタキシャル層を作製させておくと、その上に様々な組成のIII族窒化物半導体結晶層を使った半導体デバイス構造を作製することが容易となる。
【0028】
本発明の第1の工程、または、第2の工程、あるいはその両方の工程において、気相成長法としては有機金属化学気相成長法(MOCVD法)や気相エピタキシー法(VPE法)を用いることができる。この内MOCVD法は、III族原料の分解の速度を調節でき、成長速度も適当である、などの理由により好ましい。また、MOCVD法によれば、平坦なIII族窒化物半導体結晶を形成した基板を反応炉の外に取り出すことなく、さらにその結晶上に良好な特性を有する様々な素子構造を作製することができる。
【0029】
第2の工程でMOCVD法でIII族窒化物半導体結晶を成長する際の基板の温度は950℃から1200℃とし、雰囲気の圧力は1000Paから1×105Paとするのが好ましい。
【0030】
また、第2の工程で使用する窒素原料としては、アンモニア(NH3)が気体であって取り扱いが容易であり、市場に多数流通していて価格も安価であるため好ましい。III族原料としては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ターシャリブチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、ターシャリブチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ターシャリブチルインジウム、シクロペンタジエニルインジウム、を用いることができる。また、第2の工程でIII族窒化物半導体結晶を成長する際のV/III比は、500〜20000とするのが好ましく、2000〜20000とするのがさらに好ましい。
【0031】
本発明では、上記の第1、第2の工程を有するIII族窒化物半導体結晶の製造方法により、短時間で省電力のプロセスにより、凹凸状に加工された基板上に均一性が高く、結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶を形成することができる。従って上記のIII族窒化物半導体結晶の上に、さらにIII族窒化物半導体結晶層を形成することにより、発光ダイオードやレーザダイオード、或いは電子デバイス等の作製に用いられる積層構造を有するIII族窒化物半導体エピタキシャルウェーハを作製することが出来る。
【0032】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
(実施例1)
本発明に係わる、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の製造方法を説明する。
本実施例1では、表面を(0001)面とするサファイア基板を使用した。サファイア基板の表面に形成する凹凸の形状は、幅が3μmで深さが1.5μmの凹部状のラインと幅が3μmの凸部状のスペースとを、交互に直線状に並べたストライプ状とした。また、このストライプの方向は、サファイア基板の<1-100>方向と平行とした。この凹凸を形成したサファイア基板上に第1の工程として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気とトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気をモル比にして1:2で混合した気体を含む気体と、アンモニア(NH3)を含む気体を流通する処理を施し、第2の工程としてTMGaとアンモニアを流通して窒化ガリウムを成長させ、凹凸状に加工されたサファイア基板上に窒化ガリウム結晶からなるGaN層を作製した。第1の工程で用いた条件でのV/III比は、約85である。
【0033】
上記のGaN層を含む試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、表面が凹凸状に加工されたサファイア基板を導入する前に、同じ装置で行った前回の成長で反応炉内部に付着した付着物を、アンモニアと水素を含むガス中で加熱して窒化して、これ以上分解しにくいようにした。反応炉が室温まで降温するのを待ち、続いてサファイア基板を誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製のサセプタ上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。
窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温した。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0034】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1150℃に降温させた。1150℃で温度が安定したのを確認した後、アンモニア配管のバルブを開き、アンモニアの炉内への流通を開始した。続いてTMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上にIII族窒化物半導体を付着させる第1の工程を開始した。供給するTMGaとTMAlの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で2:1となるように調節し、アンモニアの量はV/III比が85となるように調節した。
6分間の処理の後、TMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止した。続いてアンモニアの供給も停止し、そのまま3分間保持した。
【0035】
3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を再び開始した。そのまま4分間アンモニアを流通させた。その間に、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。4分の後、TMGaのバルブを切り替えてアンモニアとともにTMGaの炉内への供給を開始し、GaNの成長を開始した。
約3時間に渡って上記のGaN層の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
GaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認した後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、試料を大気中に取り出した。
【0036】
以上の工程により、表面が凹凸状に加工されたサファイア基板上に柱状構造を持つ金属過剰のIII族窒化物半導体層を形成し、その上にアンドープで6μmの膜厚のGaN層をエピタキシャル成長した試料を作製した。取り出した基板は多少金属のような黒味がかった色を呈しており、基板との界面に形成したIII族窒化物半導体層が金属過剰なストイキオメトリのものであることを示していた。GaN層の成長面は鏡面であった。
【0037】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープGaN層のX線ロッキングカーブ(XRC)測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用いて、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。一般的に、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、(0002)面のXRCスペクトル半値幅は結晶の平坦性(モザイシティ)の指標となり、(10−12)面のXRCスペクトル半値幅は転位密度(ツイスト)の指標となる。
この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープGaN層は、(0002)面の測定では半値幅220秒、(10−12)面では半値幅300秒を示した。
【0038】
また、上記のGaN層の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。
【0039】
本試料の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、サファイア基板と窒化ガリウム層との界面には、基板面と略垂直方向に多数の粒界を持つAlN膜が観察された。膜厚は60nm程度であり、粒界と粒界の距離は5nmから50nmであった。この層は、縦長の柱状結晶の集合体からなる層であると思われる。元素分析によれば、この膜は20%程度のGaを含んでいた。
【0040】
(実施例2)
実施例2では、実施例1と同じ工程で、第1の工程でIII族窒化物半導体を成長する時間を2分に変更することだけが異なる条件を用いて実験を行った。この場合にも取り出したウエハの表面は鏡面状であった。色は、無色透明であった。
【0041】
本試料の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、サファイア基板と窒化ガリウム層との界面には、島状のAlN結晶塊が存在していることが確認された。元素分析によれば、この結晶塊は15%程度のGaを含んでいた。
【0042】
本実験プロセスと途中まで同じ成長を行い、窒化ガリウム層の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡(AFM)にて観察したところ、サファイア表面には、上から見た形状が丸みを帯びた六角形状で、断面が台形状の形状を有する窒化アルミニウム結晶塊が散在していた。
【0043】
(実施例3)
本実施例3では、前回の実験の後、成長を行う前のベーキングを実施せずに表面が凹凸状に加工されたサファイア基板を反応炉に導入し、第1の工程として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、第2の工程としてTMGaとアンモニアを流通して窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶からなるGaN層を作製した。本実施例の第1の工程での意図したV/III比は0であるが、反応炉の壁面や天板に付着した付着物の分解などにより、基板上には少量のN原子が供給されている。
【0044】
上記のGaN層を含む試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、実施例1と同様のサファイア基板を誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガスで置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプタ上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。
窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を600℃に昇温した。基板温度を600℃に保ったまま、水素ガスを流通させながら9分間放置した。
その間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
その後、窒素キャリアガスのバルブを閉として、反応炉内へ水素ガスの供給を開始した。
【0045】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1150℃に昇温させた。1150℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給した。この際、反応炉の壁面や天板に付着した付着物の分解により、TMAlと同時に少量のNが基板へ供給されたと考えている。
9分間の処理の後、TMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止し、そのまま3分間保持した。
【0046】
3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。
そのまま4分間アンモニアを流通させた。その間に、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。4分の後、TMGaのバルブを切り替えてアンモニアとともにTMGaの炉内への供給を開始し、GaNの成長を開始した。
約3時間に渡って上記のGaN層の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
GaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、試料を大気中に取り出した。
【0047】
以上の工程により、サファイア基板上に第1の工程で柱状構造を持つ金属過剰のIII族窒化物半導体層を形成し、その上にアンドープで6μmの膜厚のGaN層を形成した試料を作製した。取り出した基板は実施例1と同様に、多少金属のような黒味がかった色を呈しており、基板との界面に形成したIII族窒化物半導体が金属過剰なストイキオメトリのものであることを示していた。成長面は鏡面であった。
【0048】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープGaN層のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用いて、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープGaN層は、(0002)面の測定では半値幅260秒、(10−12)面では半値幅300秒を示した。
【0049】
また、上記のGaN層の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。
【0050】
本試料の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、サファイア基板と窒化ガリウム層との界面には、基板面と略垂直方向に多数の粒界を持つAlN膜が観察された。膜厚は20nm程度であり、粒界と粒界の距離は10nmから50nmであった。この層は、縦長の柱状結晶の集合体からなる層であると思われる。元素分析によれば、この膜は5%程度のGaを含んでいた。
【0051】
(実施例4)
本実施例4では、実施例1と同様に表面が凹凸状に加工されたサファイア基板上に、第1の工程として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気とトリメチルインジウム(TMIn)の蒸気をモル比にして2:1で混合した気体を含む気体を、キャリアガスとして窒素を用いて流通させ、その後第2の工程としてTMGaとアンモニアを流通して窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上の窒化ガリウム結晶からなるGaN層を作製した。第1の工程において、キャリアガスである窒素ガスがわずかに分解し、少量の窒素原子を供給しているものと思われる。
【0052】
上記のGaN層を含む試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、凹凸状に加工されたサファイア基板を導入する前に、同装置で行った前回の成長で反応炉内部に付着した付着物を、アンモニアと水素を含むガス中で加熱して窒化して、分解しないようにした。反応炉が室温まで降温するのを待ち、続いてサファイア基板を誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプタ上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。
窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温した。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)およびトリメチルインジウム(TMIn)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlおよびTMInの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
サーマルクリーニングの終了後、水素キャリアガスのバルブを閉とし、変わって窒素ガスの供給バルブを開として、反応炉内へのガスの供給を窒素とした。
【0053】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1150℃に降温させた。1150℃で温度が安定したのを確認した後、TMInとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMInとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、第1の工程としてサファイア基板上にIII族窒化物半導体を付着させる処理を開始した。供給するTMInとTMAlの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で1:2となるように調節した。
6分間の処理の後、TMInとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMInとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止し、そのまま3分間保持した。
【0054】
3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。
そのまま4分間アンモニアを流通させた。その間に、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。4分の後、TMGaのバルブを切り替えてアンモニアとともにTMGaの炉内への供給を開始し、GaNの成長を開始した。
約1時間に渡って上記のGaN層の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
GaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、試料を大気中に取り出した。
【0055】
以上の工程により、表面が凹凸状に加工されたサファイア基板上に柱状構造を持つ金属過剰のIII族窒化物半導体層を形成し、その上にアンドープで6μmの膜厚のGaN層を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であった。成長面は鏡面であった。
【0056】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープGaN層のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用いて、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。
この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープGaN層は、(0002)面の測定では半値幅350秒、(10−12)面では半値幅400秒を示した。
【0057】
また、上記のGaN層の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。
【0058】
本試料の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、サファイア基板と窒化ガリウム層との界面には、基板面と略垂直方向に多数の粒界を持つAlInN膜が観察された。膜厚は10nm程度であり、粒界と粒界の距離は5nmから50nmであった。この層は、縦長の柱状結晶の集合体からなる層であると思われる。
【0059】
(実施例5)
本実施例5では、本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法を用いた、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法について説明する。
本実施例5では、実施例3と同じ条件を用いて平坦な低SiドープGaN結晶を作製し、さらにその上にIII族窒化物半導体結晶層を形成して最終的に図1に示す半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハを作製した。図1に示すエピタキシャルウェーハは、c面を有するサファイア基板9上に、実施例3に記載したのと同じ成長方法によって柱状の構造を持つ金属過剰のAlN層8を形成したのち、基板側から順に、1×1017cm-3の電子濃度を持つ2μmの低SiドープGaN層7、1×1019cm-3の電子濃度を持つ1.8μmの高SiドープGaN層6、1×1017cm-3の電子濃度を持つ100ÅのInGaNクラッド層5、GaN障壁層3に始まりGaN障壁層3に終わる、層厚を70Åとする6層のGaN障壁層3と層厚を20Åとする5層のノンドープのInGaN井戸層4とを交互に積層してなる多重量子井戸構造20、30ÅのノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2、8×1017cm-3の正孔濃度を持つ0.15μmのMgドープGaN層1を積層した構造を有する。
【0060】
上記の半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハの作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
サファイア基板9上に柱状の構造を持つAlN層8を形成するまでは、実施例3で記述したのと同じ手順を用いた。
サファイア基板上に柱状の構造を持つAlN層8を形成した後、アンモニアの流通を続けながら、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。また、Si2H6の配管への流通を開始した。低SiドープのGaN層の成長が始まるまでの間、Si2H6はキャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。その後TMGaとSi2H6のバルブを切り替えてTMGaとSi2H6の炉内への供給し、低SiドープのGaN層7の成長を開始し、約2時間30分に渡って低SiドープのGaN層7の成長を行った。SiH4の流通させる量は事前に検討してあり、低SiドープのGaN層7の電子濃度が1×1017cm-3となるように調整した。
このようにして、5μmの膜厚を成す低SiドープのGaN層7を形成した。
【0061】
更に、この低SiドープのGaN層7上に高Siドープのn型GaN層6を成長した。低SiドープのGaN層7を成長後、1分間に渡ってTMGaとSi2H6の炉内への供給を停止した。その間、Si2H6の流通量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、高SiドープのGaN層6の電子濃度が1×1019cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
1分間の停止の後、TMGaとSi2H6の供給を再開し、1時間に渡って成長を行った。この操作により、1.8μmの膜厚を成す高SiドープのGaN層6を形成した。
【0062】
高SiドープのGaN層6を成長した後、TMGaとSi2H6のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1160℃から820℃へ低下させた。
炉内の温度の変更を待つ間に、Si2H6の供給量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープのInGaNクラッド層5の電子濃度が1×1017cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
また、あらかじめトリメチルインジウム(TMIn)とトリエチルガリウム(TEGa)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。Si2H6ガス、およびバブリングによって発生したTMInおよびTEGaの蒸気は、クラッド層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
その後、炉内の状態が安定するのを待って、TMInとTEGaとSi2H6のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。約10分間に渡って供給を継続し、高SiドープのGaN層6上に100Åの膜厚を成すSiドープのInGaNクラッド層5を形成した。
その後、TMIn、TEGaおよびSi2H6のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【0063】
次に、GaNよりなる障壁層3とInGaNよりなる井戸層4で構成される多重量子井戸構造20を作製した。多重量子井戸構造20の作製にあたっては、SiドープInGaNクラッド層5上に、始めにGaN障壁層3を形成し、そのGaN障壁層上にInGaN井戸層4を形成した。この構造を5回繰り返し積層したのち、5番目のInGaN井戸層4上に、6番目のGaN障壁層3を形成し、多重量子井戸構造20の両側をGaN障壁層3から構成した構造とした。
すなわち、SiドープのInGaNクラッド層5の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えてTEGaの炉内への供給を行った。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。7分間に渡ってTEGaの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaの供給を停止してGaN障壁層3の成長を終了した。これにより、70Åの膜厚を成すGaN障壁層3を形成した。
【0064】
GaN障壁層3の成長を行っている間、除外設備への配管に流していたTMInの流量を、クラッド層の成長の時と比較して、モル流量にして2倍になるように調節しておいた。
GaN障壁層3の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。2分間に渡ってTEGaとTMInの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとTMInの供給を停止してInGaN井戸層4の成長を終了した。これにより20Åの膜厚を成すInGaN井戸層4を形成した。
【0065】
InGaN井戸層4の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaの炉内への供給を開始し、再びGaN障壁層3の成長を行った。
このような手順を5回繰り返し、5層のGaN障壁層3と5層のInGaN井戸層4を作製した。更に、最後のInGaN井戸層4上にGaN障壁層3を形成した。
【0066】
このGaN障壁層3で終了する多重量子井戸構造20上に、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2を作製した。
あらかじめトリメチルアルミニムウム(TMAl)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMAlの蒸気は、拡散防止層2の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0067】
炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとTMAlのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2の成長を停止した。これにより、30Åの膜厚を成すノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2を形成した。
【0068】
このノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2上に、MgドープのGaN層1を積層した。
TEGaとTMAlの供給を停止して、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層2の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を1060℃に上昇した。更に、キャリアガスを水素に変更した。
また、あらかじめビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したCp2Mgの蒸気は、MgドープGaN層1の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0069】
温度と圧力を変更して炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。 Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープのGaN層1の正孔濃度が8×1017cm-3となるように調整した。その後、約6分間に渡って成長を行ったあと、TMGaとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのGaN層1の成長を停止した。これにより、0.15μmの膜厚を成すMgドープのGaN層1が形成された。
【0070】
MgドープのGaN層1の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。成長温度から300℃までの降温中は、反応炉内のキャリアガスを窒素のみから構成し、容量にして1%のNH3を流通した。その後、基板温度が300℃となったのを確認した時点でNH3の流通を停止し、雰囲気ガスを窒素のみとした。基板温度が室温まで降温したのを確認して、ウェーハを大気中に取り出した。
【0071】
以上のような手順により、半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハを作製した。ここでMgドープのGaN層1はp型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
【0072】
次いで、上記のサファイア基板上にエピタキシャル層構造が積層されたエピタキシャルウェーハを用いて半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。本実施例5で作製した半導体発光素子の電極構造の平面図を図2に示す。
作製したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによってMgドープのGaN層1の表面14上に、表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を持つp電極ボンディングパッド12とそれに接合したAuのみからなる透光性p電極13を形成し、p側電極を作製した。
更にその後ウェーハにドライエッチングを行い、高SiドープのGaN層6のn側電極を形成する部分11を露出させ、露出した部分にNi、Al、Ti、Auの4層よりなるn電極10を作製した。これらの作業により、ウエーハ上に図2に示すような形状を持つ電極を作製した。
【0073】
このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、TO−18ステム上に載置し、金線を電極に結線してベアチップの発光ダイオードとした。
上記のようにして作製したベアチップ発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.5Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は400nmであり、発光出力は4.5mWを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【0074】
【発明の効果】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法を用いると、温度の昇降が少ないので、プロセスに必要な時間が短く、電力消費量が少ない。このことにより、製造プロセスの短縮、省コスト化が可能である。また、温度の変化が少ないことにより、基板の反りを最小限に抑えることができ、ウェーハ面内でのエピタキシャル層の均一性が良好となる。さらに、表面を凹凸状に加工した基板を用いることにより、III族窒化物半導体結晶の低転位化を実現できる。
その結果、本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子を製造すると、高輝度でウェーハ面内でほぼ均一な特性を有する発光ダイオードを作製することができる。
【0075】
また、本発明に記載した方法によれば、従来の高温成長したAlNを用いた方法に比較してコラム性が小さく転位密度が小さく、その上に作製した素子構造が良好な素子特性を示す結晶を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例5に係わる半導体発光素子用のエピタキシャルウェーハの断面を示す模式図である。
【図2】本発明の実施例5に係わる半導体発光素子の電極構造を示す平面図である。
【符号の説明】
1 MgドープのGaN層
2 Al0.2Ga0.8N拡散防止層
3 GaN障壁層
4 InGaN井戸層
5 InGaNクラッド層
6 高SiドープのGaN層
7 低SiドープのGaN層
8 AlN層
9 サファイア基板
10 n電極
11 高SiドープのGaN層のn側電極を形成する部分
12 p電極ボンディングパッド
13 透光性p電極
14 MgドープのGaN層の表面
20 多重量子井戸構造[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a group III nitride semiconductor crystal having good crystallinity used for manufacturing a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), an electronic device, and the like, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a method for producing a group III nitride semiconductor crystal that can be suitably used for epitaxially growing a group III nitride semiconductor crystal having good crystallinity on a sapphire substrate.
[0002]
[Prior art]
Group III nitride semiconductors have a direct transition type band gap of energy corresponding to the visible light to ultraviolet light region, and can emit light with high efficiency, and thus are commercialized as LEDs and LDs. In addition, at the heterojunction interface between aluminum gallium nitride (AlGaN) and gallium nitride (GaN), a two-dimensional electron layer due to the piezoelectric effect that is characteristic of group III nitride semiconductors is developed. It has the potential to obtain characteristics that cannot be obtained with group III compound semiconductors.
[0003]
However, group III nitride semiconductors have a nitrogen dissociation pressure of up to 2000 atmospheres at the growth temperature of the single crystal, so that the growth of the single crystal is difficult and is used for epitaxial growth like other group III-V compound semiconductors. At present, it is difficult to use the group III nitride semiconductor single crystal substrate as the substrate. Therefore, as a substrate used for epitaxial growth, sapphire (Al 2 O Three ) A substrate made of a different material such as a single crystal or silicon carbide (SiC) single crystal is used.
[0004]
There is a large lattice mismatch between the substrate made of these different materials and the group III nitride semiconductor crystal epitaxially grown thereon. For example, sapphire (Al 2 O Three ) And gallium nitride (GaN) and 16% lattice mismatch between SiC and gallium nitride. In general, when such a large lattice mismatch exists, it is difficult to directly epitaxially grow a crystal on a substrate, and a crystal with good crystallinity cannot be obtained even if grown. Therefore, when a group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on a sapphire single crystal substrate or SiC single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a low-temperature buffer layer composed of aluminum nitride (AlN) or AlGaN. In general, a method of first depositing a layer called III on a substrate and epitaxially growing a group III nitride semiconductor crystal on the substrate at a high temperature has been generally performed (see, for example,
[0005]
In addition to the growth method using the low-temperature buffer layer described above, there is also a method in which an AlN layer grown in a high temperature range of about 900 ° C. to 1200 ° C. is formed on a substrate and gallium nitride is grown thereon. (For example, refer to
[0006]
Under such circumstances, the present applicant supplies a group III material on the substrate with a V / III ratio of 1000 or less (including a case where the V / III ratio is 0) to form a group III nitride semiconductor. Developed a method for producing a group III nitride semiconductor crystal having a first step and then a second step of vapor-growing a group III nitride semiconductor crystal on the substrate using a group III material and a nitrogen material. The manufacturing process of the group III nitride semiconductor epitaxial wafer was shortened, the cost was reduced, and the uniformity of the epitaxial layer within the wafer surface was improved.
[0007]
On the other hand, as a method for reducing the dislocation of a semiconductor crystal, a method is known in which irregularities are formed on a substrate surface and a semiconductor crystal is grown thereon. For example, in a group III nitride semiconductor, a stripe-shaped groove is formed on the surface of a sapphire substrate, a buffer layer made of GaN is formed on the substrate at a low temperature, and a group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the substrate at a high temperature. It has been shown that the dislocation density of the epitaxial layer can be reduced by doing so (see, for example,
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3026087
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-297003
[Patent Document 3]
JP-A-9-64477
[Patent Document 4]
JP 2002-164296 A
[Non-Patent Document 1]
P. Kung, et al., Applied Physics Letters, 1995, Vol. 66, p. 2958
[Non-Patent Document 2]
K. Tadatomo, et al., Japanese Journal of Applied Physics, 2001, vol. 40, p. L583-L585
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention uses a method of growing a semiconductor crystal using a substrate whose surface is processed into an uneven shape, and can form a high-quality group III nitride semiconductor crystal on the substrate in a process with relatively little temperature change. A method for producing a group III nitride semiconductor crystal is provided. In particular, the present invention provides a method for producing a group III nitride semiconductor crystal capable of epitaxially growing a high-quality group III nitride semiconductor crystal on a sapphire substrate whose surface has been processed into an uneven shape. The present invention also provides a high-quality group III nitride semiconductor crystal produced by the above production method and a group III nitride semiconductor epitaxial wafer using the group III nitride semiconductor crystal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention
(1) The V / III ratio is set on a substrate whose surface has been processed into an irregular shape. 0 to 100 A first step of supplying a group III source and forming a group III nitride semiconductor, and then a second step of vapor-phase-growing a group III nitride semiconductor crystal on the substrate using the group III source and nitrogen source. The manufacturing method of the group III nitride semiconductor crystal which has these processes.
(2) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal as described in (1) above, wherein the irregularities on the substrate surface are striped.
(3) The concave and convex widths of the concave and convex portions on the substrate surface are each 3 μm or less, and the depth of the concave and convex portions is 2/3 or less of the concave portion width. A method for producing a group III nitride semiconductor crystal.
(4) Sapphire (Al 2 O 3 The method for producing a group III nitride semiconductor crystal as described in (1) to (3) above, wherein
(5) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal as described in (1) to (4) above, wherein the group III raw material supplied in the first step contains at least Al.
(6) The Group III nitride semiconductor crystal according to any one of (1) to (5) above, wherein the Group III nitride semiconductor crystal to be vapor-grown on the substrate in the second step is made of GaN. Production method.
(7) In the second step, ammonia (NH 3 The method for producing a group III nitride semiconductor crystal as described in (1) to (6) above, wherein
(8) In at least one of the first step and the second step, the vapor phase growth is performed by a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). A method for producing a group III nitride semiconductor crystal of
(9) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal as described in (1) to (8) above, wherein the group III nitride semiconductor formed in the first step is an island-shaped crystal lump.
(10) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to the above (1) to (9), wherein the group III nitride semiconductor formed in the first step is a columnar crystal.
(11) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to (10), wherein the columnar crystal is attached on the substrate such that a side surface thereof is substantially perpendicular to the substrate surface.
It is.
[0011]
The present invention also provides:
(12) In the method of manufacturing a group III nitride semiconductor crystal, a first group III nitride semiconductor is manufactured on a substrate processed into an uneven shape, and a second group III nitride semiconductor crystal is manufactured thereon. A method for producing a Group III nitride semiconductor crystal, wherein the Group III nitride semiconductor is an aggregate of columnar crystals or island crystals.
(13) The method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to (12), wherein the columnar crystal is attached on the substrate such that a side surface thereof is substantially perpendicular to the substrate surface.
It is.
[0012]
The present invention also provides:
(14) A group III nitride semiconductor crystal produced by the method described in (1) to (13) above.
It is.
[0013]
The present invention also provides:
(15) A group III nitride semiconductor epitaxial wafer in which a group III nitride semiconductor crystal layer is further formed on the group III nitride semiconductor crystal according to (14).
It is.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method for producing a group III nitride semiconductor crystal according to the present invention, a V / III ratio is set on a substrate whose surface is processed to be uneven. 0 to 100 A first step of supplying a group III source and forming a group III nitride semiconductor, and then a second step of vapor-phase-growing a group III nitride semiconductor crystal on the substrate using the group III source and nitrogen source. It has the process of. By the method for producing a group III nitride semiconductor crystal having the first and second steps described above, a group III nitride semiconductor crystal having good crystallinity can be formed on the substrate.
[0015]
Compared to a conventional method for producing a group III nitride semiconductor crystal using a low-temperature buffer layer, the method of the present invention can reduce the substrate temperature, and the process is short and the power consumption is small. As a result, the manufacturing process can be shortened and the cost can be reduced. Further, since the change in the temperature of the substrate is small, the warp of the substrate can be minimized, and the uniformity of the epitaxial layer in the wafer surface is improved.
[0016]
In the present invention, glass, SiC, Si, GaAs, GaP, GaN, AlN, sapphire, or the like can be used as the substrate. Here, in the present invention, in particular, the substrate is sapphire (Al 2 O Three ) Is desirable. If the substrate is sapphire, there is an advantage that a high-quality substrate can be obtained at low cost. As the plane orientation of the sapphire substrate, m-plane, a-plane, c-plane, etc. can be used, among which c-plane ((0001) plane) is preferable, and the vertical axis of the substrate surface is in a specific direction from <0001> direction. It is desirable to be inclined. The substrate used in the present invention is preferably subjected to a pretreatment such as organic cleaning or etching before being used in the first step, because the surface state of the substrate can be kept constant.
[0017]
Various shapes such as a stripe shape and a hexagonal column shape can be used as the uneven shape formed on the substrate surface in the present invention. Among these, when the unevenness is formed in a stripe shape, there is an advantage that processing is easy. Further, the arrangement of the projections and depressions can be made to coincide with the surface orientation of the sapphire substrate or can be deliberately shifted. The concave and convex concave width and convex width or concave and convex depth formed on the substrate surface can be arbitrarily selected. However, in order to flatten the surface of the group III nitride semiconductor crystal grown thereon, the recess width and the protrusion width are each 3 μm or less, and the depth of the recesses is 2/3 or less of the recess width. Is desirable.
[0018]
In the present invention, the group III raw material supplied in the first step is trimethylaluminum, triethylaluminum, tertiarybutylaluminum, trimethylgallium, triethylgallium, tertiarybutylgallium, trimethylindium, triethylindium, tertiarybutylindium, cyclopenta. Dienyl indium can be used. In addition, when the Group III material contains at least Al, such as trimethylaluminum, triethylaluminum, and tertiarybutylaluminum, the nitride containing aluminum has a high decomposition temperature, so that it does not easily decompose or sublimate even at a high temperature. This is particularly preferable because it has an effect that the crystal grows easily.
[0019]
In the first step of the present invention, a Group III nitride semiconductor can be formed by supplying Group V materials such as ammonia, alkylamines, hydrazines, etc. simultaneously with the Group III materials. In this invention, V / III ratio at the time of supplying a group III raw material in a 1st process shall be 1000 or less. More preferably, it is 500 or less, More preferably, it is 100 or less. By setting the V / III ratio in this way, there is an effect that a compound semiconductor crystal having an excess of metal is easily formed on the substrate.
[0020]
In the first step of the present invention, the V / III ratio may be 0, that is, the supply amount of the group V raw material may be 0. However, in this case, ammonia (NH) is added before the second step even if the V group material to be intentionally supplied is zero. Three ) Or the like to form a group III nitride semiconductor, or a group III nitride semiconductor is formed by nitrogen supplied from decomposition of deposits adhering to the reactor wall, top plate, susceptor, etc. It is necessary to In the latter case, it is necessary to appropriately control the composition and amount of deposits adhering to the reactor wall, top plate, susceptor, and the like. Specifically, the baking time and temperature of the reaction furnace after the growth is finished, or the operation itself is stopped. In addition, a process called thermal cleaning, which is a general technique for growth using the low temperature buffer method, adjusts time and temperature, or stops performing itself.
As an example, after the previous growth, baking was not performed, and after thermal cleaning was performed at 600 ° C. for 10 minutes, the substrate was set at 1000 ° C. as a first step, and a group III raw material metal-containing compound As a result, the group V raw material supply amount was set to 0, and crystal growth was performed as the second step. As a result, a good group III nitride semiconductor crystal could be produced.
[0021]
Another condition for obtaining a good group III nitride semiconductor crystal even when the V / III ratio in the first step is 0 is as follows. 2 N at a temperature close to 1000 ° C 2 There is a method of using a nitrogen (N) atom generated by slight decomposition of as a nitrogen source.
[0022]
In the first step of the present invention, a single gas or a mixed gas such as hydrogen, a rare gas, or nitrogen can be used as the atmospheric gas. As described above, when nitrogen is used as the atmospheric gas, the nitrogen gas may also function as a source gas.
[0023]
Moreover, the pressure of the atmosphere at the time of performing a 1st process is 1000-1x10. Five Pa can be used. Preferably 1x10 Five Pa or less, more preferably 1 × 10 Four Pa or less. When the pressure in the first step is low, the surface of the produced metal-rich group III nitride semiconductor layer becomes flat, and the surface of the second group III nitride semiconductor layer grown thereon is also easily flattened. There is.
[0024]
In the present invention, the temperature of the substrate when performing the first step and the temperature of the substrate when performing the second step are not particularly defined, but the temperature of the substrate when performing the first step is the following second. It is desirable that the temperature is the same as or higher than the temperature of the substrate when performing this step. When the first step is performed at a temperature equal to or higher than the temperature of the substrate when the second step is performed, the organic metal compound molecules that are the group III source gas are efficiently decomposed and crystals are formed. There is an advantage that impurities due to undecomposed alkyl groups are not mixed therein.
[0025]
The group III nitride semiconductor formed in the first step of the present invention is made to be an island-like crystal lump. That is, an island-shaped crystal having a width of about 1 nm to 500 nm and a height of about 5 nm to 100 nm. By making the group III nitride into island-like crystals, metal crystals and droplets At the interface between the substrate and the island crystal It is thought that the effect that it becomes easy to remain | survive and it functions as a layer with more metal excess is acquired. In addition, because the crystal growth rate differs between the island-like crystal and the substrate, The density of threading dislocations is reduced by the effect of selective growth, and a better crystal can be produced.
[0026]
Alternatively, the group III nitride semiconductor formed in the first step of the present invention is made to be columnar crystals. That is, a columnar crystal in which columnar particles having a width of about 0.1 nm to 100 nm and a height of about 10 nm to 500 nm are assembled. By forming the group III nitride into a columnar crystal, a large number of grain boundaries are generated in the crystal layer, so that metal crystals and droplets are likely to remain there, and the effect of functioning as a metal-excess layer can be obtained. .
[0027]
In the second step of the present invention, a group III nitride semiconductor crystal is vapor-phase grown on the substrate on which the group III nitride semiconductor is formed in the first step, using a group III material and a nitrogen material. It is preferable that the group III nitride semiconductor crystal to be grown is GaN because it is easy to form a flat GaN crystal epitaxial layer because GaN is likely to grow two-dimensionally among group III nitride semiconductors. Once a flat and good epitaxial layer is made of GaN, it becomes easy to produce semiconductor device structures using Group III nitride semiconductor crystal layers of various compositions thereon.
[0028]
In the first step, the second step, or both steps of the present invention, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) or a vapor phase epitaxy method (VPE method) is used as the vapor phase growth method. be able to. Among these, the MOCVD method is preferable because the rate of decomposition of the group III raw material can be adjusted and the growth rate is suitable. Further, according to the MOCVD method, various element structures having good characteristics can be produced on the crystal without taking out the substrate on which the flat group III nitride semiconductor crystal is formed out of the reaction furnace. .
[0029]
The temperature of the substrate when the group III nitride semiconductor crystal is grown by MOCVD in the second step is 950 ° C. to 1200 ° C., and the atmospheric pressure is 1000 Pa to 1 × 10 6. Five Pa is preferable.
[0030]
The nitrogen raw material used in the second step is ammonia (NH Three ) Is a gas and is easy to handle, and is preferred because it is widely distributed in the market and inexpensive. As the group III raw material, trimethylaluminum, triethylaluminum, tertiarybutylaluminum, trimethylgallium, triethylgallium, tertiarybutylgallium, trimethylindium, triethylindium, tertiarybutylindium, cyclopentadienylindium can be used. . Further, the V / III ratio when the group III nitride semiconductor crystal is grown in the second step is preferably 500 to 20000, and more preferably 2000 to 20000.
[0031]
In the present invention, the method for producing a group III nitride semiconductor crystal having the first and second steps described above enables high uniformity on a substrate processed into a concavo-convex shape by a power saving process in a short time. A group III nitride semiconductor crystal with good properties can be formed. Accordingly, by forming a group III nitride semiconductor crystal layer on the group III nitride semiconductor crystal, a group III nitride having a laminated structure used for manufacturing a light emitting diode, a laser diode, or an electronic device, etc. A semiconductor epitaxial wafer can be produced.
[0032]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
Example 1
A method for producing a gallium nitride compound semiconductor crystal according to the present invention will be described.
In Example 1, a sapphire substrate having a (0001) surface as the surface was used. The concavo-convex shape formed on the surface of the sapphire substrate is a stripe shape in which a concave line having a width of 3 μm and a depth of 1.5 μm and a convex space having a width of 3 μm are alternately arranged in a straight line. did. The direction of the stripe was parallel to the <1-100> direction of the sapphire substrate. As a first step on the sapphire substrate on which the unevenness is formed, a gas containing a gas obtained by mixing a vapor of trimethylaluminum (TMAl) and a vapor of trimethylgallium (TMGa) at a molar ratio of 1: 2, and ammonia (NH Three In the second step, TMGa and ammonia were circulated to grow gallium nitride, and a GaN layer made of gallium nitride crystals was formed on the sapphire substrate processed into an uneven shape. The V / III ratio under the conditions used in the first step is about 85.
[0033]
The sample including the GaN layer was produced by the following procedure using the MOCVD method.
First, before introducing a sapphire substrate whose surface is processed to be uneven, the deposits adhering to the inside of the reactor in the previous growth performed with the same apparatus are heated and nitrided in a gas containing ammonia and hydrogen. Therefore, it was made difficult to disassemble further. After waiting for the reactor to cool to room temperature, the sapphire substrate was introduced into a quartz reactor installed in the RF coil of the induction heater. The sapphire substrate was placed on a carbon susceptor for heating in a glove box substituted with nitrogen gas. After introducing the sample, the reaction furnace was purged with nitrogen gas.
After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater was activated, and the substrate temperature was raised to 1170 ° C. over 10 minutes. While maintaining the substrate temperature at 1170 ° C., the substrate surface was left to stand for 9 minutes while flowing hydrogen gas and nitrogen gas to perform thermal cleaning of the substrate surface.
During thermal cleaning, hydrogen carrier gas was supplied to the piping of the container (bubbler) containing trimethylgallium (TMGa) and the container (bubbler) containing trimethylaluminum (TMAl) connected to the reactor. Distributed and started bubbling. The temperature of each bubbler was adjusted to be constant using a thermostatic bath for adjusting the temperature. The vapors of TMGa and TMAl generated by bubbling were circulated through the piping to the abatement apparatus together with the carrier gas until the growth process started, and were discharged out of the system through the abatement apparatus.
After completion of the thermal cleaning, the nitrogen carrier gas valve was closed and the gas supply into the reactor was hydrogen only.
[0034]
After switching the carrier gas, the temperature of the substrate was lowered to 1150 ° C. After confirming that the temperature was stabilized at 1150 ° C., the valve of the ammonia piping was opened, and distribution of ammonia into the furnace was started. Subsequently, the TMGa and TMAl piping valves were switched at the same time, and a gas containing TMGa and TMAl vapor was supplied into the reaction furnace to start the first step of depositing the group III nitride semiconductor on the sapphire substrate. The mixing ratio of TMGa and TMAl to be supplied was adjusted so that the molar ratio was 2: 1 with a flow rate controller installed in the piping to be bubbled, and the amount of ammonia was adjusted so that the V / III ratio was 85.
After the treatment for 6 minutes, the TMGa and TMAl piping valves were simultaneously switched to stop supplying gas containing TMGa and TMAl vapor into the reactor. Subsequently, the supply of ammonia was also stopped and maintained for 3 minutes.
[0035]
After annealing for 3 minutes, the valve of the ammonia gas pipe was switched, and the supply of ammonia gas into the furnace was started again. As it was, ammonia was circulated for 4 minutes. Meanwhile, the flow rate of the flow regulator of TMGa piping was adjusted. After 4 minutes, the TMGa valve was switched to start supplying TMGa together with ammonia into the furnace, and growth of GaN was started.
After the GaN layer was grown for about 3 hours, the TMGa piping valve was switched to stop supplying the raw material to the reactor and stop the growth.
After completing the growth of the GaN layer, the energization to the induction heating heater was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to room temperature over 20 minutes. During the temperature drop, the atmosphere in the reactor was composed of ammonia, nitrogen and hydrogen in the same way as during the growth, but after confirming that the temperature of the substrate reached 300 ° C., the supply of ammonia and hydrogen was stopped. Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature while flowing nitrogen gas, and the sample was taken out into the atmosphere.
[0036]
Sample obtained by forming a metal-rich group III nitride semiconductor layer having a columnar structure on a sapphire substrate whose surface is processed to be uneven by the above steps, and epitaxially growing a 6 μm-thick GaN layer undoped thereon Was made. The taken-out substrate had a slightly blackish color like metal, indicating that the group III nitride semiconductor layer formed at the interface with the substrate was of stoichiometry with excess metal. The growth surface of the GaN layer was a mirror surface.
[0037]
Next, X-ray rocking curve (XRC) measurement of the undoped GaN layer grown by the above method was performed. The measurement was performed on the (0002) plane which is a symmetric plane and the (10-12) plane which is an asymmetric plane, using a Cuβ ray X-ray generation source as a light source. In general, in the case of a gallium nitride-based compound semiconductor, the XRC spectrum half width of the (0002) plane is an index of crystal flatness (mosaicity), and the XRC spectrum half width of the (10-12) plane is the dislocation density (twist). It becomes an index.
As a result of this measurement, the undoped GaN layer produced by the method of the present invention showed a half width of 220 seconds in the (0002) plane measurement and a half width of 300 seconds in the (10-12) plane.
[0038]
The outermost surface of the GaN layer was observed using a general atomic force microscope (AFM). As a result, no growth pits were observed on the surface, and a surface with good morphology was observed.
[0039]
When the cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope (TEM), an AlN film having many grain boundaries in the direction substantially perpendicular to the substrate surface was observed at the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride layer. The film thickness was about 60 nm, and the distance between the grain boundaries was 5 nm to 50 nm. This layer is considered to be a layer composed of an assembly of vertically long columnar crystals. According to elemental analysis, this film contained about 20% Ga.
[0040]
(Example 2)
In Example 2, an experiment was performed using the same process as in Example 1, except that the time for growing a group III nitride semiconductor in the first process was changed to 2 minutes. Also in this case, the surface of the taken-out wafer was specular. The color was colorless and transparent.
[0041]
When the cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was confirmed that an island-shaped AlN crystal lump was present at the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride layer. According to elemental analysis, this crystal mass contained about 15% Ga.
[0042]
The same growth as in this experimental process was performed, and the sample was taken out of the growth furnace by stopping the process before the growth of the gallium nitride layer, and the surface morphology was observed with an atomic force microscope (AFM). However, aluminum nitride crystal lumps having a rounded hexagonal shape and a trapezoidal cross section were scattered on the sapphire surface.
[0043]
(Example 3)
In Example 3, a sapphire substrate whose surface was processed to be uneven without performing baking before growth after the previous experiment was introduced into the reactor, and as a first step, trimethylaluminum (TMAl ) Was circulated and TMGa and ammonia were circulated as a second step to grow gallium nitride, and a GaN layer made of gallium nitride crystals was formed on the sapphire substrate. Although the intended V / III ratio in the first step of this embodiment is 0, a small amount of N atoms is supplied onto the substrate due to decomposition of deposits adhering to the reactor wall and top plate. ing.
[0044]
The sample including the GaN layer was produced by the following procedure using the MOCVD method.
First, the same sapphire substrate as in Example 1 was introduced into a quartz reactor installed in an RF coil of an induction heater. The sapphire substrate was placed on a carbon susceptor for heating in a glove box replaced with nitrogen gas. After introducing the sample, the reaction furnace was purged with nitrogen gas.
After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater was activated, and the substrate temperature was raised to 600 ° C. over 10 minutes. The substrate temperature was kept at 600 ° C. and left for 9 minutes while flowing hydrogen gas.
In the meantime, hydrogen carrier gas was circulated through the piping of the vessel (bubbler) containing trimethylgallium (TMGa), which is the raw material connected to the reactor, and the vessel (bubbler) containing trimethylaluminum (TMAl). Started. The temperature of each bubbler was adjusted to be constant using a thermostatic bath for adjusting the temperature. The vapors of TMGa and TMAl generated by bubbling were circulated through the piping to the abatement apparatus together with the carrier gas until the growth process started, and were discharged out of the system through the abatement apparatus.
Thereafter, the nitrogen carrier gas valve was closed and supply of hydrogen gas into the reaction furnace was started.
[0045]
After switching the carrier gas, the temperature of the substrate was raised to 1150 ° C. After confirming that the temperature was stabilized at 1150 ° C., the valve of TMAl piping was switched, and a gas containing TMAl vapor was supplied into the reactor. At this time, it is considered that a small amount of N was supplied to the substrate simultaneously with TMAl due to decomposition of the deposits adhering to the wall of the reactor and the top plate.
After the treatment for 9 minutes, the TMAl piping valves were simultaneously switched to stop the supply of the gas containing TMAl vapor into the reaction furnace, and held there for 3 minutes.
[0046]
After annealing for 3 minutes, the ammonia gas piping valve was switched and the supply of ammonia gas into the furnace was started.
As it was, ammonia was circulated for 4 minutes. Meanwhile, the flow rate of the flow regulator of TMGa piping was adjusted. After 4 minutes, the TMGa valve was switched to start supplying TMGa together with ammonia into the furnace, and growth of GaN was started.
After the GaN layer was grown for about 3 hours, the TMGa piping valve was switched to stop supplying the raw material to the reactor and stop the growth.
After completing the growth of the GaN layer, the energization to the induction heating heater was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to room temperature over 20 minutes. During the temperature drop, the atmosphere in the reactor was composed of ammonia, nitrogen and hydrogen in the same way as during the growth, but after confirming that the temperature of the substrate reached 300 ° C., the supply of ammonia and hydrogen was stopped. Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature while flowing nitrogen gas, and the sample was taken out into the atmosphere.
[0047]
Through the above steps, a metal-rich group III nitride semiconductor layer having a columnar structure was formed on the sapphire substrate in the first step, and an undoped GaN layer having a thickness of 6 μm was formed thereon. . The substrate taken out has a slightly blackish color like metal as in Example 1, and the group III nitride semiconductor formed at the interface with the substrate is of stoichiometry with excess metal. Was showing. The growth surface was a mirror surface.
[0048]
Next, XRC measurement of the undoped GaN layer grown by the above method was performed. The measurement was performed on the (0002) plane which is a symmetric plane and the (10-12) plane which is an asymmetric plane, using a Cuβ ray X-ray generation source as a light source. As a result of the measurement, the undoped GaN layer produced by the method of the present invention showed a half-value width of 260 seconds in the (0002) plane measurement and a half-value width of 300 seconds in the (10-12) plane.
[0049]
The outermost surface of the GaN layer was observed using a general atomic force microscope (AFM). As a result, no growth pits were observed on the surface, and a surface with good morphology was observed.
[0050]
When the cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope (TEM), an AlN film having many grain boundaries in the direction substantially perpendicular to the substrate surface was observed at the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride layer. The film thickness was about 20 nm, and the distance between the grain boundaries was 10 nm to 50 nm. This layer is considered to be a layer composed of an assembly of vertically long columnar crystals. According to elemental analysis, this film contained about 5% Ga.
[0051]
(Example 4)
In this example 4, as in the first example, on the sapphire substrate whose surface is processed to be uneven, as a first step, the vapor ratio of trimethylaluminum (TMAl) and trimethylindium (TMIn) is set to a molar ratio. A gas containing a gas mixed at a ratio of 2: 1 is circulated using nitrogen as a carrier gas, and then, as a second step, TMGa and ammonia are circulated to grow gallium nitride. From the gallium nitride crystal on the sapphire substrate, A GaN layer was produced. In the first step, it is considered that the nitrogen gas as the carrier gas is slightly decomposed to supply a small amount of nitrogen atoms.
[0052]
The sample including the GaN layer was produced by the following procedure using the MOCVD method.
First, before introducing the sapphire substrate processed into a concavo-convex shape, the adhering matter adhering to the inside of the reaction furnace in the previous growth performed in the same apparatus is heated and nitrided in a gas containing ammonia and hydrogen, I tried not to disassemble. After waiting for the reactor to cool to room temperature, the sapphire substrate was introduced into a quartz reactor installed in the RF coil of the induction heater. The sapphire substrate was placed on a carbon susceptor for heating in a glove box substituted with nitrogen gas. After introducing the sample, the reaction furnace was purged with nitrogen gas.
After flowing nitrogen gas for 10 minutes, the induction heater was activated, and the substrate temperature was raised to 1170 ° C. over 10 minutes. While maintaining the substrate temperature at 1170 ° C., the substrate surface was left to stand for 9 minutes while flowing hydrogen gas to perform thermal cleaning of the substrate surface.
While performing thermal cleaning, a vessel (bubbler) containing trimethylgallium (TMGa) and a vessel containing trimethylaluminum (TMAl) and a trimethylindium (TMIn) material connected to the reactor Hydrogen carrier gas was circulated through the piping of the container (bubbler) contained, and bubbling was started. The temperature of each bubbler was adjusted to be constant using a thermostatic bath for adjusting the temperature. The vapors of TMGa, TMAl, and TMIn generated by bubbling were circulated through the piping to the detoxifying device together with the carrier gas until the growth process started, and were discharged out of the system through the detoxifying device.
After completion of the thermal cleaning, the hydrogen carrier gas valve was closed, and instead, the nitrogen gas supply valve was opened, and the gas supply into the reaction furnace was nitrogen.
[0053]
After switching the carrier gas, the temperature of the substrate was lowered to 1150 ° C. After confirming that the temperature was stabilized at 1150 ° C., the TMIn and TMAl piping valves were switched simultaneously, and a gas containing TMIn and TMAl vapor was supplied into the reactor, and as a first step on the sapphire substrate A process for depositing a group III nitride semiconductor was started. The mixing ratio of TMIn and TMAl to be supplied was adjusted to a molar ratio of 1: 2 with a flow controller installed in the piping to be bubbled.
After the treatment for 6 minutes, the TMIn and TMAl piping valves were simultaneously switched to stop the supply of the gas containing the vapors of TMIn and TMAl into the reaction furnace, and held there for 3 minutes.
[0054]
After annealing for 3 minutes, the ammonia gas piping valve was switched and the supply of ammonia gas into the furnace was started.
As it was, ammonia was circulated for 4 minutes. Meanwhile, the flow rate of the flow regulator of TMGa piping was adjusted. After 4 minutes, the TMGa valve was switched to start supplying TMGa together with ammonia into the furnace, and growth of GaN was started.
After the GaN layer was grown for about 1 hour, the TMGa piping valve was switched, the supply of the raw material to the reactor was terminated, and the growth was stopped.
After completing the growth of the GaN layer, the energization to the induction heating heater was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to room temperature over 20 minutes. During the temperature drop, the atmosphere in the reactor was composed of ammonia, nitrogen and hydrogen in the same way as during the growth, but after confirming that the temperature of the substrate reached 300 ° C., the supply of ammonia and hydrogen was stopped. Thereafter, the substrate temperature was lowered to room temperature while flowing nitrogen gas, and the sample was taken out into the atmosphere.
[0055]
A sample in which a metal-rich group III nitride semiconductor layer having a columnar structure is formed on a sapphire substrate whose surface is processed to be uneven by the above steps, and an undoped GaN layer having a thickness of 6 μm is formed thereon. Was made. The substrate taken out was colorless and transparent. The growth surface was a mirror surface.
[0056]
Next, XRC measurement of the undoped GaN layer grown by the above method was performed. The measurement was performed on the (0002) plane which is a symmetric plane and the (10-12) plane which is an asymmetric plane, using a Cuβ ray X-ray generation source as a light source.
As a result of this measurement, the undoped GaN layer produced by the method of the present invention showed a half width of 350 seconds in the (0002) plane measurement and a half width of 400 seconds in the (10-12) plane.
[0057]
The outermost surface of the GaN layer was observed using a general atomic force microscope (AFM). As a result, no growth pits were observed on the surface, and a surface with good morphology was observed.
[0058]
When the cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope (TEM), an AlInN film having many grain boundaries in the direction substantially perpendicular to the substrate surface was observed at the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride layer. The film thickness was about 10 nm, and the distance between the grain boundaries was 5 nm to 50 nm. This layer is considered to be a layer composed of an assembly of vertically long columnar crystals.
[0059]
(Example 5)
In Example 5, a method for producing a gallium nitride compound semiconductor light emitting device using the method for producing a group III nitride semiconductor crystal of the present invention will be described.
In this example 5, a flat low Si-doped GaN crystal is produced using the same conditions as in example 3, and a group III nitride semiconductor crystal layer is further formed thereon, and finally the semiconductor light emission shown in FIG. An epitaxial wafer having an epitaxial layer structure for an element was produced. In the epitaxial wafer shown in FIG. 1, a metal-excess AlN layer 8 having a columnar structure is formed on a sapphire substrate 9 having a c-plane by the same growth method as described in Example 3, and then in order from the substrate side. 1 × 10 17
[0060]
Fabrication of an epitaxial wafer having an epitaxial layer structure for the above-described semiconductor light emitting device was performed by the following procedure using MOCVD.
The same procedure as described in Example 3 was used until the AlN layer 8 having a columnar structure was formed on the sapphire substrate 9.
After forming the AlN layer 8 having a columnar structure on the sapphire substrate, the flow rate of the flow rate regulator of the TMGa pipe was adjusted while continuing the circulation of ammonia. Si 2 H 6 Started distribution to the pipe. Until the growth of the low Si-doped GaN layer begins, Si 2 H 6 Was circulated through the piping to the abatement device together with the carrier gas, and discharged out of the system through the abatement device. Then TMGa and Si 2 H 6 TMGa and Si by switching the valve 2 H 6 Then, the growth of the low-Si-doped
In this way, a low Si-doped
[0061]
Further, a high Si doped n-type GaN layer 6 was grown on the low Si doped
After stopping for 1 minute, TMGa and Si 2 H 6 The supply was resumed and the growth continued for 1 hour. By this operation, a highly Si-doped GaN layer 6 having a thickness of 1.8 μm was formed.
[0062]
After growing the highly Si-doped GaN layer 6, TMGa and Si 2 H 6 The supply of these raw materials into the furnace was stopped by switching the valve. While the ammonia was circulated as it was, the valve was switched to switch the carrier gas from hydrogen to nitrogen. Thereafter, the temperature of the substrate was lowered from 1160 ° C. to 820 ° C.
While waiting for the temperature change in the furnace, Si 2 H 6 The supply amount of was changed. The amount to be circulated is examined in advance, and the electron concentration of the Si-doped
In addition, distribution of carrier gas to a bubbler of trimethylindium (TMIn) and triethylgallium (TEGa) has been started in advance. Si 2 H 6 The gas and TMIn and TEGa vapors generated by bubbling were circulated through the piping to the abatement device together with the carrier gas until the cladding layer growth process started, and were discharged out of the system through the abatement device.
After that, waiting for the state in the furnace to stabilize, TMIn, TEGa and Si 2 H 6 These valves were switched at the same time to start supplying these raw materials into the furnace. Supply was continued for about 10 minutes, and a Si-doped
Then TMIn, TEGa and Si 2 H 6 The supply of these raw materials was stopped.
[0063]
Next, a multiple
That is, after the growth of the Si-doped
[0064]
During the growth of the
After stopping the growth of the
[0065]
After the growth of the InGaN well
Such a procedure was repeated five times to produce five GaN barrier layers 3 and five InGaN well layers 4. Further, the
[0066]
On the multiple
Distribution of carrier gas to a bubbler of trimethylaluminum (TMAl) was started in advance. The TMAl vapor generated by bubbling was circulated to the piping to the detoxifying apparatus together with the carrier gas until the growth process of the
[0067]
Waiting for the pressure in the furnace to stabilize, the valves for TEGa and TMAl were switched, and the supply of these raw materials into the furnace was started. Then, after growing for about 3 minutes, the supply of TEGa and TMAl is stopped, and non-doped Al 0.2 Ga 0.8 The growth of the N
[0068]
This non-doped Al 0.2 Ga 0.8 An Mg-doped
Stop supply of TEGa and TMAl, and undoped Al 0.2 Ga 0.8 After the growth of the N
In addition, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Distribution of carrier gas to the Mg) bubbler was started. Cp generated by bubbling 2 Until the growth process of the Mg-doped
[0069]
Change the temperature and pressure and wait for the pressure in the furnace to stabilize, then TMGa and Cp 2 The supply of these raw materials into the furnace was started by switching the Mg valve. Cp 2 The amount of Mg to be distributed has been examined in advance, and the hole concentration of the Mg-doped
[0070]
After the growth of the Mg-doped
[0071]
By the procedure as described above, an epitaxial wafer having an epitaxial layer structure for a semiconductor light emitting device was produced. Here, the Mg-doped
[0072]
Next, a light-emitting diode, which is a kind of semiconductor light-emitting element, was manufactured using an epitaxial wafer in which an epitaxial layer structure was stacked on the sapphire substrate. FIG. 2 shows a plan view of the electrode structure of the semiconductor light emitting device manufactured in Example 5. FIG.
About the produced wafer, it consists only of the p electrode bonding pad 12 with the structure which laminated | stacked titanium, aluminum, and gold in order from the surface side on the surface 14 of the Mg
Further, dry etching is performed on the wafer to expose a portion 11 where the n-side electrode of the highly Si-doped GaN layer 6 is formed, and an n-electrode 10 composed of four layers of Ni, Al, Ti, and Au is produced in the exposed portion. did. Through these operations, an electrode having a shape as shown in FIG. 2 was produced on the wafer.
[0073]
For the wafer on which the p-side and n-side electrodes were formed in this way, the back surface of the sapphire substrate was ground and polished to form a mirror-like surface. Thereafter, the wafer was cut into 350 μm square chips and placed on a TO-18 stem so that the electrodes were on top, and gold wires were connected to the electrodes to form bare chip light emitting diodes.
When a forward current was passed between the p-side and n-side electrodes of the bare chip light-emitting diode produced as described above, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.5V. Moreover, when light emission was observed through the translucent electrode of the p side, the light emission wavelength was 400 nm and the light emission output showed 4.5 mW. Such characteristics of the light-emitting diode were obtained with no variation for light-emitting diodes manufactured from almost the entire surface of the manufactured wafer.
[0074]
【The invention's effect】
When the method for producing a group III nitride semiconductor crystal of the present invention is used, since the temperature rises and falls, the time required for the process is short and the power consumption is small. As a result, the manufacturing process can be shortened and the cost can be reduced. Further, since the change in temperature is small, the warpage of the substrate can be minimized, and the uniformity of the epitaxial layer in the wafer plane is improved. Furthermore, by using a substrate whose surface has been processed into a concavo-convex shape, a low dislocation of the group III nitride semiconductor crystal can be realized.
As a result, when a semiconductor light emitting device using a gallium nitride compound semiconductor is manufactured by using the method for manufacturing a group III nitride semiconductor crystal of the present invention, a light emitting diode having high brightness and substantially uniform characteristics in a wafer surface is obtained. Can be produced.
[0075]
In addition, according to the method described in the present invention, a crystal having a low columnarity and a low dislocation density and a device structure formed thereon having good device characteristics as compared with a conventional method using AlN grown at a high temperature. Can be produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an epitaxial wafer for a semiconductor light emitting device according to Example 5 of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an electrode structure of a semiconductor light emitting device according to Example 5 of the invention.
[Explanation of symbols]
1 Mg-doped GaN layer
2 Al 0.2 Ga 0.8 N diffusion prevention layer
3 GaN barrier layer
4 InGaN well layers
5 InGaN cladding layer
6 High Si-doped GaN layer
7 Low Si-doped GaN layer
8 AlN layer
9 Sapphire substrate
10 n electrode
11 Portion for forming the n-side electrode of the highly Si-doped GaN layer
12 p-electrode bonding pad
13 Translucent p-electrode
14 Surface of Mg-doped GaN layer
20 Multiple quantum well structure
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