JP4284944B2 - Method for manufacturing gallium nitride based semiconductor laser device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関し、更に詳細には、活性層の結晶劣化を招くことなく、発光層中のインジウム組成を高くできる、窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物系III −V族化合物半導体は、緑色から青色の可視領域、更には紫外領域までの発光を得ることができる発光素子を構成する材料として、盛んに研究されている。
特に、窒化物系III −V族化合物半導体を用いた窒化物系半導体レーザ素子は、光ディスク装置の光源等として注目されている。
【0003】
ここで、図4を参照し、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された窒化物系半導体レーザ素子の基本的な構成を説明する。図4は窒化物系半導体レーザ素子の基本的構成を示す模式的断面図である。
窒化物系半導体レーザ素子10は、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された半導体レーザ素子であって、図4に示すように、n−GaN基板12上に、順次、積層された、膜厚3μmのn−GaNバッファ層14、膜厚1.3μmのn−Al0.08Ga0.92Nクラッド層16、膜厚0.1 μmのn−GaNガイド層18、MQW活性層20、膜厚0.1μmのp−GaNガイド層22、膜厚0.5μmのp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24、及び膜厚0.1μmのp−GaNコンタクト層26の積層構造を有する。
【0004】
MQW活性層20は、n−In0.02Ga0.98N(50Å)/n−In0.2 Ga0.8 N(25Å)/n−In0.02Ga0.98N(50Å)からなる障壁層、井戸層、及び障壁層として構成されている。
また、p−GaNコンタクト層26及びp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24の上部層は、ストライプ状リッジ28に加工されている。
リッジ28の両側及びp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24の残り層上には、p−GaNコンタクト層26上を開口したSiO2 膜30が絶縁膜として設けてある。
開口したp−GaNコンタクト層24上にはp側電極32が、n−GaN基板12の裏面にはn側電極34が設けてある。
【0005】
ここで、図5を参照して、上述した窒化物系半導体レーザ素子を製造する際の従来の方法を説明する。図5は従来の方法を適用して窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる際の成長工程と成長温度の関係を示すグラフである。
図5に示すように、先ず、第1成長工程では、キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてNH3 ガスを用いて、成長温度約1000℃でMOCVD法により、n−GaN基板12上に、膜厚3μmのn−GaNバッファ層14、膜厚1.3μmのn−Al0.08Ga0.92Nクラッド層16、及び膜厚0.1μmのn−GaNガイド層18を順に成長させる。
次に、第2成長工程に移行して、キャリアガスを窒素ガスに切り替え、図5に示すように、成長温度を約700℃に下げて、n−In0.02Ga0.98N(50Å)/n−In0.2 Ga0.8 N(25Å)/n−In0.02Ga0.98N(50Å)MQW活性層20を成長させる。
【0006】
次に、第3成長工程に移行して、再びキャリアガスを水素に切り替え、図5に示すように、成長温度を再び1000℃に上げ、膜厚0.1μmのp−GaNガイド層22、膜厚0.5μmのp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24、及び0.1μmのp−GaNコンタクト層26を順に成長させる。
上述のように、従来の方法では、窒素原料としてはNH3 を用い、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長中は常にNH3 を供給し続けている。
【0007】
次いで、p−GaNコンタクト層26及びp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24の上部層をエッチングしてリッジ28を形成する。続いて、SiO2 膜30を基板全面に成膜し、p−GaNコンタクト層26上のSiO2 膜30を開口して、p−GaNコンタクト層26上にp側電極32を形成し、n−GaN基板12の裏面を研磨して所定の基板厚さに調整した後、基板裏面にn側電極34を形成する。
これにより、上述した窒化物系半導体レーザ素子10を形成することができる。
【0008】
窒化物系半導体レーザ素子を作製する際、従来、上述のように、窒素原料としてアンモニア(NH3 )を用いたMOCVD法により窒化ガリウム系化合物半導体を成膜することが多い。
ところで、窒素原料として用いられるNH3 の分解効率は、1000℃程度でも数%程度であり、800℃以下では急激に低くなる。その結果、800℃以下の成長温度で窒化物半導体層を成長させると、窒素が不足した状態になり、窒化物半導体層の結晶性が悪化してしまう。従って、NH3 を窒素原料として、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるには、成長温度として800℃、望ましくは1000℃を越える温度にすることが必要である。
【0009】
MOCVD法を適用して窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる際の成長温度は、原料の分解温度による制約に加えて、窒化ガリウム系化合物半導体の組成によっても異なる。
一般的に、GaNやAlGaN混晶などのIn(インジウム)を含まない窒化物半導体層を成長させる場合には、十分に窒素を供給して良好な窒化物半導体層を成膜するために、1000℃程度の成長温度が必要である。
一方、GaInN混晶などのInを含む窒化物半導体層を成長させる場合には、Inの蒸気圧が高いためInが脱離し易く、これを抑制するために、GaNなどの成長温度よりも低くすることが必要である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発光層としてGaInN層を使って、産業的に需要の多い青色や緑色のレーザ光を発光する、窒化物系半導体レーザ素子を実現するためには、GaInN層のIII 族元素のインジウム組成を20原子%〜50原子%にする必要がある。
そのためには、GaInN層のMOCVD成長の際、蒸気圧が高く、脱離し易いInの脱離を抑制するために、成長温度を700℃〜800℃程度にしなければならない。
【0011】
半導体レーザ素子等の発光素子では、一般的に、発光層をそれよりも屈折率の小さいクラッド層でサンドイッチした、ダブルへテロ構造といわれる積層構造を形成している。
従って、GaInN層を発光層とし、AlGaN層又はGaN層をクラッド層とする窒化物系半導体レーザ素子では、下部クラッド層として設けられたAlGaN層又はGaN層上に、発光層としてGaInN層を700℃から800℃の成長温度で成長させた後に、上部クラッド層としてAlGaN層又はGaN層をGaInN層上に成膜することが必要である。
【0012】
しかし、NH3 を窒素原料として上部クラッド層のAlGaN層又はGaN層を成長させるには、上述のように、1000℃の成長温度が必要であるものの、AlGaN層又はGaN層を1000℃で成長させると、GaInN結晶中のInN結合が弱いため、発光層であるGaInN層は、AlGaN層又はGaN層の成長中に熱により劣化して結晶構造が崩れてしまい、その結果、発光効率が低下するという問題があった。
特に、青から緑といった可視光を得るには、発光層のインジウム組成を20〜50%にする必要があるが、このような高In組成では、前述した熱によるGaInN層の劣化の度合いがより一層顕著になる。
そこで、GaInN層の劣化を防ぐために、GaInN層上に設けるAlGaN層またはGaN層を1000℃以下で成長させると、発光層の結晶性の劣化は防げるものの、NH3 の分解効率が低下して、AlGaNまたはGaNの結晶性が悪化してしまう。
【0013】
以上のように、従来の方法では、インジウム組成が高く、しかも結晶性の良好な発光層を備えた窒化ガリウム系化合物からなる、青色から緑色系の半導体レーザ素子を製造することは難しかった。今まで、半導体レーザ素子を例にして問題を説明したが、これは発光ダイオードを含む半導体発光素子全般に該当する問題である。
よって、本発明の目的は、インジウム組成が高く、結晶性の良好な発光層を有するダブルヘテロ構造を備えた、青色から緑色発光用の窒化ガリウム系半導体発光素子を製造する方法を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、MQW活性層の熱による劣化を検討するために、以下の実験を行った。
先ず、サファイア基板上に温度500℃で膜厚30nmのGaN層をMOCVD法により成長させ、次いで温度1000℃で膜厚2μmのGaN層、温度700℃でn−In0.02Ga0.98N(50Å)/n−In0.2 Ga0.8 N(25Å)/n−In0.02Ga0.98N(50Å)からなるInを20%含むMQW活性層、及び膜厚0.1μmのGaN層を温度1000℃で順次MOCVD法により成長させ、GaN系の積層構造を作製した。
次いで、MOCVD炉より積層構造を取り出し、積層構造を3分割して、試料1、2、3とした。試料1、2について、以下のようにして、再度、MOCVD炉内でアニール処理を施し、試料3にはアニール処理を施さなかった。
【0015】
NH3 ガスを供給しながらN2 雰囲気中にて試料1は900℃で、試料2は1000℃のアニール温度で30分間それぞれアニール処理した。30分間というアニール時間は、前述した窒化物系半導体レーザ素子10の作製に当たり、MQW活性層上に、p−GaNガイド層、p−Al0.07Ga0.93Nクラッド層、及びp−GaNコンタクト層を成長するための所要時間と同じで時間である。
そして、2種類のアニール処理した試料1、2と、アニール処理していない試料3のフォトルミネッセンススペクトルを測定した。
それら3種類のフォトルミネッセンススペクトルは、図6の通りである。
【0016】
図6に示すように、アニール処理を施さなかった試料3では、活性層から波長450nmのPL波長の発光があったことが確認された。
しかし、1000℃でアニール処理した試料2からは、波長450nmのPL波長の顕著な発光が観察できなかった。一方、900℃でアニール処理した試料1からはアニール処理を施さなかった試料3とほぼ同等な光強度で波長450nmのPL波長の発光が観察できた。
【0017】
以上の実験結果は、1000℃でアニール処理した試料2では、アニール処理した際の熱により活性層が劣化して発光機能が著しく低下してしまったことを示している。
一方、900℃でアニール処理したときには、活性層の劣化程度は限定的で、発光機能が維持されていることを示している。
【0018】
そこで、本発明者は、少なくとも発光層上の窒化ガリウム系化合物半導体層を有機金属気相成長法により成長させる際には、比較的低い温度でも分解効率の高いヒドラジンなどの窒素含有機化合物を窒素原料として用い、900℃以下で窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、発光層の熱による結晶性の劣化を防ぐことを着想した。
そして、本発明者は、実験によりこの着想が有効であることを確認し、本発明を発明するに到った。
【0019】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の製造方法(以下、第1の発明方法と言う)は、基板上に、順次、MOCVD法により、インジウムを実質的に含まない第1の窒化ガリウム系化合物半導体層、インジウムを含有する第2の窒化ガリウム系化合物半導体層、及びインジウムを実質的に含まない第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を含む積層構造を形成する工程を有する窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、
窒素原料としてNH3 を用い、900℃を越える成長温度でMOCVD法により第1の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程と、
次に、窒素原料としてNH3 を用い、900℃以下の第1の成長温度でMOCVD法により第2の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程と、
次に、窒素原料としてNH3 以外の有機窒素化合物を用い、第1の成長温度以上900℃以下の成長温度でMOCVD法により第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程と
を有することを特徴としている。
【0020】
第1の発明方法では、第1の窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により成長させる際、NH3 ガスを窒素原料として用い、900℃を越える成長温度で成長させることにより、結晶性の良好な第1の窒化ガリウム系化合物半導体層を速やかな成長速度で成長させることができる。
また、第2の窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により成長させる際には、NH3 ガスを窒素原料として用い、かつ900℃以下の第1の成長温度、例えば700℃で成長させることにより、インジウム組成が高く、結晶性の良好な第2の窒化ガリウム系化合物半導体層を速やかな成長速度で成長させることができる。
また、第3の窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により成長させる際には、窒素原料として分解温度の比較的低いヒドラジン(N2 4 )又はヒドラジンの置換体などの有機窒素化合物を用い、900℃以下の成長温度で第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、インジウムを含む第2の窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶劣化を防止している。
つまり、本発明方法では、第1及び第2のの窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程の条件は、従来の方法とほぼ同じであるが、第3の窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度を低くすることにより、第2の窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶劣化を防止している。
【0021】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の別の製造方法(以下、第2の発明方法と言う)は、基板上に、順次、MOCVD法により、インジウムを実質的に含まない第1の窒化ガリウム系化合物半導体層、インジウムを含有する第2の窒化ガリウム系化合物半導体層、及びインジウムを実質的に含まない第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を含む積層構造を形成する工程を有する窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法において、
窒素原料としてNH3 を用い、900℃を越える成長温度でMOCVD法により第1の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程と、
続いて、窒素原料としてNH3 以外の有機窒素化合物を用い、900℃以下の成長温度でMOCVD法により第2の窒化ガリウム系化合物半導体層、次いで第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程と
を有することを特徴としている。
【0022】
第2の発明方法では、第1の窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により成長させる際、NH3 ガスを窒素原料として用い、かつ900℃を越える成長温度で成長させることにより、結晶性の良好な第1の窒化ガリウム系化合物半導体層を速やかな成長速度で成長させることができる。
また、第2及び第3の窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により成長させる際には、窒素原料として分解温度の比較的低いヒドラジン(N2 4 )又はヒドラジンの置換体などの有機窒素化合物を用い、900℃以下の成長温度で第2の窒化ガリウム系化合物半導体層、次いで第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、インジウムを含む第2の窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶劣化を防止している。
第2の窒化ガリウム系化合物半導体層、次いで第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程では、第2の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる際の成長温度と、第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる際の成長温度とが同じであっても、相互に異なっていても良い。
【0023】
第1及び第2の発明方法は、第2の窒化ガリウム系化合物半導体層が、多重量子井戸構造の活性層であって、井戸層がIII 族金属の20原子%以上50原子%以下のインジウムを含む層であるとき、最適に適用できる。つまり、450nmから520nmの青色光から緑色光を発光させる窒化ガリウム系半導体発光素子の製造に最適である。
【0024】
本発明方法で、窒化ガリウム系化合物半導体とは、Ga及びNを含む窒化物系化合物半導体であって、例えばGaN、GaInN、AlGaN等を言う。
【0025】
本発明方法で、有機窒素化合物とは無機窒素化合物に対比する用語であって、NH3 以外の有機窒素化合物とは、例えばヒドラジン(N2 4 )、ヒドラジンの置換体、アミン系の窒素化合物等である。
また、窒素原料としてNH3 以外の有機窒素化合物を用い、窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる工程では、窒素原料としてNH3 以外の有機窒素化合物に加えて、同時にNH3 を用いて良い。
【0026】
ヒドラジンの置換体とは、ヒドラジンを構成する水素原子の少なくとも一部がメチル基等によって置換された化合物であって、例えばモノメチルヒドラジン(CH3 −NH−NH2 )、1,1−ジメチルヒドラジン(CH3 −NH−NH−CH3 )等を言う。
ヒドラジン及びその置換体は、分解効率が同じ温度でNH3 より高い。例えばV族元素として窒素のみを含有するIII −V族化合物半導体を成長させる際、窒素原料としてNH3 を用いた場合には、NH3 とIII 族元素の原料である有機金属とのモル比(供給比)は、NH3 /有機金属=10000程度である。
一方、窒素原料としてヒドラジン及びその置換体を用いた場合には、NH3 を用いた場合と同じ成長温度で、ヒドラジン及びその置換体/有機金属=50程度にまで窒素原料の供給量を減少させることができる。
この窒素原料の供給量の減少傾向は、成長温度が低くなるに従って顕著になる。つまり、成長温度が低くても、成長に寄与する窒素原料種を基板上で増加させることができるので、窒素不足が改善され、結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることができる。
本発明方法によれば、発光層を劣化させることなくダブルへテロ構造を成長させることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1
本実施形態例は、第1の発明方法に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を、前述した窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。図1は実施形態例1及び2の方法を適用する際のMOCVD装置の構成を示す模式図であり、図2は本実施形態例の方法を適用して窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる際の成長工程と成長温度との関係を示すグラフである。
【0028】
先ず、図1を参照して、本実施形態例の方法を適用して窒化ガリウム系化合物半導体層を成膜するMOCVD装置の構成を説明する。
MOCVD装置40は、図1に示すように、内部に基板Wを保持するサセプタ42と、サセプタ42の下側に設けられ、サセプタ42を介して基板Wを加熱する加熱ヒータ44とを収容した反応管46と、反応管46に原料ガスを供給する原料ガス供給系48と、反応管46から排ガスを排気して処理する排ガス処理装置50とを備えている。
【0029】
ガス供給系48は、NH3 ガスボンベ52を有し、第1ガス供給管54により反応管46にNH3 ガスを供給する系統と、マスフローコントローラ(MFC)56及びジメチルヒドラジンを収容したバブラー58を有し、キャリアガスとしてH2 又はN2 を用い、第1ガス供給管54を経由して反応管46に窒素原料としてジメチルヒドラジンを供給する系統と、マスフローコントローラ(MFC)60及びIII 族有機金属を収容したバブラー62を有し、キャリアガスとしてH2 又はN2 を用い、第2ガス供給管64により反応管46にIII 族有機金属を供給する系統とを有する。
また、配管の必要な箇所にはバイパスラインと開閉弁が設けてある。
【0030】
以上の構成により、NH3 又はジメチルヒドラジンが、V族元素である窒素の原料として、水素または窒素などのキャリアガスとともに第1ガス供給管54によって反応管46に供給される。
TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)が、それぞれ、III 族元素であるガリウム、アルミニウム、インジウムの原料として、水素または窒素などのキャリアガスとともに第2ガス供給管64によって反応管46に供給される。
n型不純物を注入する際には、例えばSiH4 ガスを使用して珪素イオンを注入する。また、p型不純物を注入する際には、例えばビス=シクロペンタマグネシウム((C5 5 2 Mg)を原料としてマグネシウムイオンを注入する。
尚、全てのガスの供給量はマスフローコントローラにより制御される。
【0031】
次に、上述のMOCVD装置40を使って、窒化物系半導体レーザ素子10を構成する窒化ガリウム系化合物半導体層をMOCVD法により結晶成長させる方法を説明する。
先ず、図2に示すように、第1成長工程で、キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてNH3 ガスを用い、MOCVD法により、成長温度約1000℃で、n−GaN基板12上に、膜厚3μmのn−GaNバッファ層14、膜厚1.3μmのn−Al0.08Ga0.92Nクラッド層16、及び膜厚0.1μmのn−GaNガイド層18を、順次、成長させる。
【0032】
次に、第2成長工程で、キャリアガスを窒素ガスに切り替え、図2に示すように、成長温度を700℃に下げて、n−In0.02Ga0.98N(50Å)/n−In0.2 Ga0.8 N(25Å)/n−In0.02Ga0.98N(50Å)MQW活性層20を成長させる。
次いで、第3成長工程で、再びキャリアガスを水素ガスに切り替えると同時に、NH3 ガスの供給を停止し、窒素原料としてジメチルヒドラジンを供給しながら、図2に示すように、成長温度を800℃に上げ、膜厚0.1μmのp−GaNガイド層22、膜厚0.5μmのp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24、及び膜厚0.1μmのp−GaNコンタクト層26をMOCVD法により順次成長させる。
【0033】
p−GaNコンタクト層26を成長させた後、成膜表面から窒素が脱離しないようにジメチルヒドラジンを供給しながら400℃まで降温する。
以下、フォトリソグラフィ処理工程、エッチング工程などを経てストライプ状リッジ28を形成し、従来と同様にして窒化物系半導体レーザ素子10を製造する。
【0034】
本実施形態例では、MQW活性層18上にp−窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる際、NH3 ガスを供給し、窒素原料として、ジメチルヒドラジンを供給しているが、NH3 ガスの供給を停止することなく、窒素原料としてNH3 ガスとジメチルヒドラジンとの混合ガスを供給しても良い。
また、p−GaNガイド層22、p−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24、及びp−GaNコンタクト層26の成長温度は800℃である必要はなく、成長温度を700℃〜900℃の範囲の温度にすることもできる。
【0035】
本実施形態例では、基板としてGaN基板を使用しているが、サファイア基板やSiC基板を使用し、低温緩衝層を介して基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させるようにしても良い。
【0036】
実施形態例2
本実施形態例は、第2の発明方法に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を、前述した窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。図3は本実施形態例の方法を適用した際の窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程と成長温度との関係を示すグラフである。
先ず、第1成長工程で、実施形態例1と同様にして、キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてNH3 ガスを用い、MOCVD法により、図3に示すように、成長温度約1000℃で、n−GaN基板12上に、膜厚3μmのn−GaNバッファ層14、膜厚1.3μmのn−Al0.08Ga0.92Nクラッド層16、及び膜厚0.1μmのn−GaNガイド層18を、順次、成長させる。
【0037】
次に、第2成長工程で、キャリアガスとして水素ガスを用い、窒素原料としてNH3 ガスからジメチルヒドラジンに切り替え、図3に示すように、成長温度を700℃に下げて、n−In0.02Ga0.98N(50Å)/n−In0.2 Ga0.8 N(25Å)/n−In0.02Ga0.98N(50Å)MQW活性層20を成長させる。
続いて、第3成長工程で、図3に示すように、成長温度を700℃に維持したまま、膜厚0.1μmのp−GaNガイド層22、膜厚0.5μmのp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層24、及び膜厚0.1μmのp−GaNコンタクト層26を順次成長させる。
【0038】
p−GaNコンタクト層26を成長させた後、成膜表面から窒素が脱離しないようにジメチルヒドラジンを供給しながら400℃まで降温する。
以下、フォトリソグラフィ処理工程、エッチング工程などを経てストライプ状リッジ28を形成し、従来と同様にして窒化物系半導体レーザ素子10を製造する。
本実施形態例の方法では、第1及び第2成長工程との間で成長温度を変更する必要がないので、生産性を向上させることができる。
【0039】
【発明の効果】
第1及び第2の発明方法によれば、インジウムを含む第2の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後、インジウムを実質的に含まない第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を第2の窒化ガリウム系化合物半導体層上に成膜する際、窒素原料としてヒドラジン(N2 4 )又はヒドラジンの置換体を用い、900℃以下の成長温度で第3の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、第2の窒化ガリウム系化合物半導体層の熱劣化を防止することができる。
本発明方法を用いてインジウム組成の大きな窒化ガリウム系半導体発光素子を製造することにより、発光特性が安定し、しかも発光効率が向上した、青色光から緑色光を発光する発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1及び2の方法を適用する際に使用するMOCVD装置の構成を示す模式図である。
【図2】実施形態例1の方法を適用した際の窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程と成長温度との関係を示すグラフである。
【図3】実施形態例の方法を適用した際の窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程と成長温度との関係を示すグラフである。
【図4】窒化物系半導体レーザ素子の基本的構成を示す模式的断面図である。
【図5】従来の方法を適用した際の窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程と成長温度の関係を示すグラフである。
【図6】3種類の積層構造試料のフォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
10……窒化物系半導体レーザ素子、12……n−GaN基板、14……n−GaNバッファ層、16……n−Al0.08Ga0.92Nクラッド層、18……n−GaNガイド層、20……MQW活性層、22……p−GaNガイド層、24……p−Al0.07Ga0.93Nクラッド層、26……p−GaNコンタクト層、28……リッジ、30……SiO2 膜、32……p側電極、34……n側電極、40……MOCVD装置、42……サセプタ、44……加熱ヒータ、46……反応管、48……原料ガス供給系、50……排ガス処理装置、52……NH3 ガスボンベ、54……第1ガス供給管、56……マスフローコントローラ(MFC)、58……バブラー、60……マスフローコントローラ(MFC)、62……バブラー、64……第2ガス供給管。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device, and more particularly to a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device capable of increasing the indium composition in the light emitting layer without causing crystal degradation of an active layer. Is.
[0002]
[Prior art]
Nitride III-V compound semiconductors, typified by gallium nitride (GaN), are actively researched as materials for light-emitting elements that can emit light from the green to the blue visible region and the ultraviolet region. Has been.
In particular, a nitride semiconductor laser element using a nitride III-V compound semiconductor attracts attention as a light source for an optical disk device.
[0003]
Here, with reference to FIG. 4, a basic configuration of a nitride-based semiconductor laser device formed of a gallium nitride-based compound semiconductor will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of the nitride-based semiconductor laser device.
The nitride-based semiconductor laser device 10 is a semiconductor laser device composed of a gallium nitride-based compound semiconductor. As shown in FIG. 4, the nitride-based semiconductor laser device 10 is sequentially stacked on the n-GaN substrate 12 and has a thickness of 3 μm. n-GaN buffer layer 14, n-Al having a thickness of 1.3 μm0.08Ga0.92N clad layer 16, n-GaN guide layer 18 having a thickness of 0.1 μm, MQW active layer 20, p-GaN guide layer 22 having a thickness of 0.1 μm, p-Al having a thickness of 0.5 μm0.07Ga0.93It has a laminated structure of an N clad layer 24 and a p-GaN contact layer 26 having a thickness of 0.1 μm.
[0004]
The MQW active layer 20 is n-In0.02Ga0.98N (50Å) / n-In0.2Ga0.8N (25Å) / n-In0.02Ga0.98It is configured as a barrier layer, a well layer, and a barrier layer made of N (50 Å).
The p-GaN contact layer 26 and p-Al0.07Ga0.93The upper layer of the N clad layer 24 is processed into a striped ridge 28.
Both sides of ridge 28 and p-Al0.07Ga0.93On the remaining layer of the N-cladding layer 24, SiO with an opening above the p-GaN contact layer 262A film 30 is provided as an insulating film.
A p-side electrode 32 is provided on the opened p-GaN contact layer 24, and an n-side electrode 34 is provided on the back surface of the n-GaN substrate 12.
[0005]
Here, with reference to FIG. 5, a conventional method for manufacturing the above-described nitride-based semiconductor laser device will be described. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the growth process and the growth temperature when a conventional method is applied to grow a gallium nitride compound semiconductor layer.
As shown in FIG. 5, first, in the first growth step, hydrogen gas is used as a carrier gas, and NH is used as a nitrogen source.ThreeA gas is used to grow an n-GaN buffer layer 14 having a thickness of 3 μm and an n-Al film having a thickness of 1.3 μm on the n-GaN substrate 12 by MOCVD at a growth temperature of about 1000 ° C.0.08Ga0.92An N clad layer 16 and an n-GaN guide layer 18 having a thickness of 0.1 μm are grown in this order.
Next, the process proceeds to the second growth step, the carrier gas is switched to nitrogen gas, and the growth temperature is lowered to about 700 ° C. as shown in FIG.0.02Ga0.98N (50Å) / n-In0.2Ga0.8N (25Å) / n-In0.02Ga0.98N (50Å) MQW active layer 20 is grown.
[0006]
Next, the process proceeds to the third growth step, where the carrier gas is switched again to hydrogen, and as shown in FIG. 5, the growth temperature is raised again to 1000 ° C., the p-GaN guide layer 22 having a film thickness of 0.1 μm, P-Al with a thickness of 0.5 μm0.07Ga0.93An N cladding layer 24 and a 0.1 μm p-GaN contact layer 26 are grown in this order.
As described above, in the conventional method, NH is used as the nitrogen raw material.ThreeIs always used during the growth of gallium nitride compound semiconductor layers.ThreeContinue to supply.
[0007]
Next, the p-GaN contact layer 26 and p-Al0.07Ga0.93The ridge 28 is formed by etching the upper layer of the N clad layer 24. Subsequently, SiO2A film 30 is formed on the entire surface of the substrate, and SiO on the p-GaN contact layer 26 is formed.2The film 30 is opened, a p-side electrode 32 is formed on the p-GaN contact layer 26, the back surface of the n-GaN substrate 12 is polished and adjusted to a predetermined substrate thickness, and then the n-side electrode is formed on the back surface of the substrate. 34 is formed.
Thereby, the nitride semiconductor laser element 10 described above can be formed.
[0008]
Conventionally, when producing a nitride semiconductor laser element, as described above, ammonia (NHThreeIn many cases, a gallium nitride compound semiconductor is formed by an MOCVD method using the above.
By the way, NH used as nitrogen sourceThreeThe decomposition efficiency is about several percent even at about 1000 ° C., and rapidly decreases below 800 ° C. As a result, when the nitride semiconductor layer is grown at a growth temperature of 800 ° C. or less, nitrogen is insufficient, and the crystallinity of the nitride semiconductor layer is deteriorated. Therefore, NHThreeIn order to grow a gallium nitride compound semiconductor using as a nitrogen source, it is necessary to set the growth temperature to 800 ° C., preferably to a temperature exceeding 1000 ° C.
[0009]
The growth temperature at the time of growing a gallium nitride compound semiconductor by applying the MOCVD method differs depending on the composition of the gallium nitride compound semiconductor in addition to the restriction due to the decomposition temperature of the raw material.
In general, when a nitride semiconductor layer not containing In (indium) such as GaN or AlGaN mixed crystal is grown, in order to form a good nitride semiconductor layer by supplying sufficient nitrogen, A growth temperature of about ℃ is required.
On the other hand, when growing a nitride semiconductor layer containing In, such as GaInN mixed crystal, In is easily desorbed because the vapor pressure of In is high, and in order to suppress this, the temperature is made lower than the growth temperature of GaN or the like. It is necessary.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to realize a nitride-based semiconductor laser device that emits blue or green laser light, which is highly demanded industrially, using a GaInN layer as a light emitting layer, an indium composition of a group III element of the GaInN layer is set. It is necessary to make it 20 atomic% to 50 atomic%.
For this purpose, the growth temperature must be about 700 ° C. to 800 ° C. in order to suppress the desorption of In, which has a high vapor pressure and is easily desorbed, during MOCVD growth of the GaInN layer.
[0011]
In a light emitting element such as a semiconductor laser element, a laminated structure called a double hetero structure is generally formed in which a light emitting layer is sandwiched by a clad layer having a smaller refractive index.
Therefore, in a nitride-based semiconductor laser device having a GaInN layer as a light emitting layer and an AlGaN layer or a GaN layer as a cladding layer, a GaInN layer as a light emitting layer is 700 ° C. on the AlGaN layer or GaN layer provided as the lower cladding layer. It is necessary to form an AlGaN layer or a GaN layer on the GaInN layer as the upper cladding layer after the growth at a growth temperature of 800 ° C. to 800 ° C.
[0012]
But NHThreeAs described above, a growth temperature of 1000 ° C. is required to grow an AlGaN layer or a GaN layer as an upper cladding layer using nitrogen as a raw material for nitrogen. However, when an AlGaN layer or a GaN layer is grown at 1000 ° C., a GaInN crystal Since the InN bond is weak, the GaInN layer, which is a light emitting layer, is deteriorated by heat during the growth of the AlGaN layer or the GaN layer, and the crystal structure is destroyed. As a result, there is a problem that the light emission efficiency is lowered. .
In particular, in order to obtain visible light such as blue to green, the indium composition of the light emitting layer needs to be 20 to 50%. With such a high In composition, however, the degree of deterioration of the GaInN layer due to the heat described above is more significant. It becomes even more prominent.
Therefore, in order to prevent the deterioration of the GaInN layer, when the AlGaN layer or the GaN layer provided on the GaInN layer is grown at 1000 ° C. or less, the crystallinity of the light emitting layer can be prevented from being deteriorated, but NHThreeDecomposition efficiency of AlGaN or the crystallinity of AlGaN or GaN deteriorates.
[0013]
As described above, according to the conventional method, it is difficult to manufacture a blue to green semiconductor laser element made of a gallium nitride compound having a light emitting layer having a high indium composition and good crystallinity. Up to now, the problem has been described by taking a semiconductor laser element as an example, but this is a problem applicable to all semiconductor light emitting elements including a light emitting diode.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gallium nitride semiconductor light emitting device for blue to green light emission, which has a double hetero structure having a light emitting layer having a high indium composition and good crystallinity. is there.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor conducted the following experiment in order to examine deterioration of the MQW active layer due to heat.
First, a GaN layer having a thickness of 30 nm is grown on a sapphire substrate at a temperature of 500 ° C. by MOCVD, then a GaN layer having a thickness of 2 μm at a temperature of 1000 ° C., and n-In at a temperature of 700 ° C.0.02Ga0.98N (50Å) / n-In0.2Ga0.8N (25Å) / n-In0.02Ga0.98An MQW active layer containing 20% N of N (50%) and a GaN layer having a thickness of 0.1 μm were grown sequentially by MOCVD at a temperature of 1000 ° C. to produce a GaN-based stacked structure.
Next, the laminated structure was taken out from the MOCVD furnace, and the laminated structure was divided into three to obtain samples 1, 2, and 3. Samples 1 and 2 were again annealed in the MOCVD furnace as follows, and sample 3 was not annealed.
[0015]
NHThreeN while supplying gas2In the atmosphere, Sample 1 was annealed at 900 ° C. and Sample 2 was annealed at an annealing temperature of 1000 ° C. for 30 minutes. The annealing time of 30 minutes is used for the above-described nitride-based semiconductor laser device 10 to produce a p-GaN guide layer, p-Al guide layer on the MQW active layer.0.07Ga0.93The time is the same as the time required for growing the N clad layer and the p-GaN contact layer.
Then, photoluminescence spectra of two types of annealed samples 1 and 2 and sample 3 that was not annealed were measured.
These three types of photoluminescence spectra are as shown in FIG.
[0016]
As shown in FIG. 6, it was confirmed that Sample 3 that was not subjected to the annealing treatment emitted light having a PL wavelength of 450 nm from the active layer.
However, from Sample 2 annealed at 1000 ° C., no significant emission at a PL wavelength of 450 nm could be observed. On the other hand, from the sample 1 annealed at 900 ° C., light emission at a PL wavelength of 450 nm was observed with a light intensity almost equal to that of the sample 3 not annealed.
[0017]
The above experimental results show that in Sample 2 annealed at 1000 ° C., the active layer deteriorates due to the heat at the time of annealing, and the light emitting function is significantly reduced.
On the other hand, when annealed at 900 ° C., the degree of degradation of the active layer is limited, indicating that the light emitting function is maintained.
[0018]
Therefore, the present inventor has developed a nitrogen-containing compound such as hydrazine having a high decomposition efficiency even at a relatively low temperature when growing at least a gallium nitride compound semiconductor layer on the light emitting layer by metal organic vapor phase epitaxy. The idea was to prevent deterioration of crystallinity due to heat of the light emitting layer by growing a gallium nitride compound semiconductor layer at 900 ° C. or lower as a raw material.
Then, the present inventor has confirmed that this idea is effective through experiments, and has come to invent the present invention.
[0019]
In order to achieve the above object, a nitride semiconductor laser device manufacturing method according to the present invention (hereinafter referred to as a first invention method) substantially contains indium on a substrate by MOCVD in sequence. Forming a stacked structure including a first gallium nitride compound semiconductor layer not containing, a second gallium nitride compound semiconductor layer containing indium, and a third gallium nitride compound semiconductor layer containing substantially no indium In a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device having:
NH as nitrogen sourceThreeAnd growing a first gallium nitride compound semiconductor layer by MOCVD at a growth temperature exceeding 900 ° C .;
Next, NH as a nitrogen raw materialThreeAnd growing a second gallium nitride compound semiconductor layer by MOCVD at a first growth temperature of 900 ° C. or lower,
Next, NH as a nitrogen raw materialThreeA step of growing a third gallium nitride compound semiconductor layer by MOCVD at a growth temperature not lower than the first growth temperature and not higher than 900 ° C. using an organic nitrogen compound other than
It is characterized by having.
[0020]
In the first invention method, when the first gallium nitride compound semiconductor layer is grown by the MOCVD method, NH is used.ThreeBy using a gas as a nitrogen material and growing at a growth temperature exceeding 900 ° C., the first gallium nitride compound semiconductor layer having good crystallinity can be grown at a rapid growth rate.
When the second gallium nitride compound semiconductor layer is grown by MOCVD, NHThreeBy using a gas as a nitrogen source and growing at a first growth temperature of 900 ° C. or less, for example, 700 ° C., a second gallium nitride compound semiconductor layer having a high indium composition and good crystallinity is rapidly grown. Can grow at speed.
Further, when the third gallium nitride compound semiconductor layer is grown by the MOCVD method, hydrazine (N2HFour) Or an organic nitrogen compound such as a substituted hydrazine crystal, and the third gallium nitride compound semiconductor layer containing indium is grown by growing the third gallium nitride compound semiconductor layer at a growth temperature of 900 ° C. or lower. Prevents deterioration.
In other words, in the method of the present invention, the growth process conditions of the first and second gallium nitride compound semiconductor layers are substantially the same as those in the conventional method, but the growth temperature of the third gallium nitride compound semiconductor layer is set to be the same. By lowering, the crystal degradation of the second gallium nitride compound semiconductor layer is prevented.
[0021]
Another method for manufacturing a nitride-based semiconductor laser device according to the present invention (hereinafter referred to as a second inventive method) is the first gallium nitride substantially free of indium on a substrate by MOCVD. Gallium nitride semiconductor having a step of forming a stacked structure including a compound semiconductor layer, a second gallium nitride compound semiconductor layer containing indium, and a third gallium nitride compound semiconductor layer substantially free of indium In the method for manufacturing a light emitting device,
NH as nitrogen sourceThreeAnd growing a first gallium nitride compound semiconductor layer by MOCVD at a growth temperature exceeding 900 ° C .;
Subsequently, NH as a nitrogen raw materialThreeA step of growing a second gallium nitride compound semiconductor layer and then a third gallium nitride compound semiconductor layer by MOCVD at a growth temperature of 900 ° C. or lower using an organic nitrogen compound other than
It is characterized by having.
[0022]
In the second invention method, when the first gallium nitride compound semiconductor layer is grown by the MOCVD method, NH is used.ThreeBy using a gas as a nitrogen raw material and growing at a growth temperature exceeding 900 ° C., the first gallium nitride compound semiconductor layer having good crystallinity can be grown at a rapid growth rate.
In addition, when the second and third gallium nitride compound semiconductor layers are grown by the MOCVD method, a hydrazine (N2HFour) Or an organic nitrogen compound such as a hydrazine substitute, and the second gallium nitride compound semiconductor layer and then the third gallium nitride compound semiconductor layer are grown at a growth temperature of 900 ° C. or lower to contain indium. Crystal degradation of the second gallium nitride compound semiconductor layer is prevented.
In the step of growing the second gallium nitride compound semiconductor layer and then the third gallium nitride compound semiconductor layer, a growth temperature when the second gallium nitride compound semiconductor layer is grown, and a third gallium nitride compound The growth temperature for growing the compound semiconductor layer may be the same or different from each other.
[0023]
In the first and second invention methods, the second gallium nitride-based compound semiconductor layer is an active layer having a multiple quantum well structure, and the well layer contains indium of 20 to 50 atomic% of the group III metal. When it is a containing layer, it can be applied optimally. That is, it is most suitable for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device that emits green light from blue light of 450 nm to 520 nm.
[0024]
In the method of the present invention, the gallium nitride compound semiconductor is a nitride compound semiconductor containing Ga and N, for example, GaN, GaInN, AlGaN or the like.
[0025]
In the method of the present invention, an organic nitrogen compound is a term that is contrasted with an inorganic nitrogen compound, and is NH.ThreeExamples of organic nitrogen compounds other than hydrazine (N2HFour), Substituted hydrazine, amine nitrogen compounds, and the like.
NH as a nitrogen sourceThreeIn the process of growing a gallium nitride compound semiconductor layer using an organic nitrogen compound other than the above, NH is used as a nitrogen source.ThreeIn addition to organic nitrogen compounds other thanThreeMay be used.
[0026]
The substituted hydrazine is a compound in which at least a part of hydrogen atoms constituting hydrazine is substituted with a methyl group, for example, monomethylhydrazine (CHThree-NH-NH2), 1,1-dimethylhydrazine (CHThree-NH-NH-CHThree) Etc.
Hydrazine and its substitutes are NH at the same decomposition efficiency.Threetaller than. For example, when growing a III-V compound semiconductor containing only nitrogen as a group V element, NH is used as a nitrogen source.ThreeWhen NH is used, NHThreeThe molar ratio (supply ratio) of the organic metal that is the raw material of the group III element is NHThree/ Organic metal = 10,000 or so.
On the other hand, when hydrazine and its substitute are used as the nitrogen source, NHThreeAt the same growth temperature as in the case of using hydrazine, the supply amount of the nitrogen raw material can be reduced to about hydrazine and its substitution product / organometallic = 50.
The decreasing tendency of the supply amount of the nitrogen raw material becomes more prominent as the growth temperature is lowered. That is, even if the growth temperature is low, the nitrogen source species that contribute to the growth can be increased on the substrate, so that the nitrogen deficiency is improved and a gallium nitride compound semiconductor layer with good crystallinity can be grown. .
According to the method of the present invention, a double heterostructure can be grown without deteriorating the light emitting layer.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
The present embodiment is an example of an embodiment in which the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the first invention method is applied to the manufacture of the gallium nitride based semiconductor laser device described above. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an MOCVD apparatus when applying the methods of Embodiments 1 and 2, and FIG. 2 shows the growth of a gallium nitride compound semiconductor layer by applying the method of this embodiment. It is a graph which shows the relationship between this growth process and growth temperature.
[0028]
First, the configuration of an MOCVD apparatus for forming a gallium nitride compound semiconductor layer by applying the method of this embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the MOCVD apparatus 40 includes a susceptor 42 that holds a substrate W therein and a heater 44 that is provided below the susceptor 42 and heats the substrate W via the susceptor 42. A tube 46, a source gas supply system 48 that supplies a source gas to the reaction tube 46, and an exhaust gas treatment device 50 that exhausts exhaust gas from the reaction tube 46 for processing.
[0029]
The gas supply system 48 is NHThreeIt has a gas cylinder 52, and NH is connected to the reaction tube 46 by the first gas supply tube 54.ThreeIt has a gas supply system, a mass flow controller (MFC) 56, and a bubbler 58 containing dimethylhydrazine.2Or N2, A system for supplying dimethylhydrazine as a nitrogen raw material to the reaction tube 46 via the first gas supply tube 54, a mass flow controller (MFC) 60, and a bubbler 62 containing a group III organic metal, and a carrier gas As H2Or N2And a system for supplying the group III organic metal to the reaction tube 46 through the second gas supply tube 64.
In addition, a bypass line and an on-off valve are provided at a necessary place of the piping.
[0030]
With the above configuration, NHThreeAlternatively, dimethylhydrazine is supplied to the reaction tube 46 through the first gas supply tube 54 together with a carrier gas such as hydrogen or nitrogen as a raw material for nitrogen, which is a group V element.
TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and TMI (trimethylindium) are used as raw materials for group III elements gallium, aluminum, and indium, respectively, together with a carrier gas such as hydrogen or nitrogen, through a second gas supply pipe 64. It is supplied to the reaction tube 46.
When implanting n-type impurities, for example, SiHFourSilicon ions are implanted using a gas. When p-type impurities are implanted, for example, bis = cyclopentamagnesium ((CFiveHFive)2Mg ions are implanted using Mg) as a raw material.
Note that all gas supply amounts are controlled by a mass flow controller.
[0031]
Next, a method for growing a gallium nitride compound semiconductor layer constituting the nitride semiconductor laser element 10 by MOCVD using the above-described MOCVD apparatus 40 will be described.
First, as shown in FIG. 2, in the first growth step, hydrogen gas is used as a carrier gas, and NH is used as a nitrogen source.ThreeA gas is used and an MOCVD method is used to grow a growth temperature of about 1000 ° C. on the n-GaN substrate 12.0.08Ga0.92An N clad layer 16 and an n-GaN guide layer 18 having a thickness of 0.1 μm are sequentially grown.
[0032]
Next, in the second growth step, the carrier gas is switched to nitrogen gas, and the growth temperature is lowered to 700 ° C. as shown in FIG.0.02Ga0.98N (50Å) / n-In0.2Ga0.8N (25Å) / n-In0.02Ga0.98N (50Å) MQW active layer 20 is grown.
Next, in the third growth step, the carrier gas is again switched to hydrogen gas, and at the same time, NHThreeWhile stopping the gas supply and supplying dimethylhydrazine as a nitrogen raw material, as shown in FIG. 2, the growth temperature is raised to 800 ° C., the p-GaN guide layer 22 having a film thickness of 0.1 μm, and the film thickness of 0.5 μm. P-Al0.07Ga0.93An N clad layer 24 and a p-GaN contact layer 26 having a thickness of 0.1 μm are sequentially grown by MOCVD.
[0033]
After the p-GaN contact layer 26 is grown, the temperature is lowered to 400 ° C. while supplying dimethylhydrazine so that nitrogen is not desorbed from the film formation surface.
Thereafter, the stripe-shaped ridge 28 is formed through a photolithography process, an etching process, and the like, and the nitride-based semiconductor laser device 10 is manufactured in the same manner as in the prior art.
[0034]
In this embodiment, when a p-gallium nitride compound semiconductor layer is grown on the MQW active layer 18, NHThreeGas is supplied and dimethylhydrazine is supplied as a nitrogen raw material.ThreeNH as a nitrogen source without stopping gas supplyThreeA mixed gas of gas and dimethylhydrazine may be supplied.
Also, the p-GaN guide layer 22, p-Al0.07Ga0.93The growth temperature of the N clad layer 24 and the p-GaN contact layer 26 does not need to be 800 ° C., and the growth temperature may be in the range of 700 ° C. to 900 ° C.
[0035]
In this embodiment, a GaN substrate is used as the substrate. However, a sapphire substrate or a SiC substrate may be used, and a gallium nitride compound semiconductor layer may be grown on the substrate via a low-temperature buffer layer.
[0036]
Embodiment 2
The present embodiment is an example of an embodiment in which the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the second invention method is applied to the manufacture of the gallium nitride based semiconductor laser device described above. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the growth process and growth temperature of the gallium nitride compound semiconductor layer when the method of this embodiment is applied.
First, in the first growth step, hydrogen gas is used as a carrier gas and NH is used as a nitrogen source in the same manner as in the first embodiment.ThreeAs shown in FIG. 3, an n-GaN buffer layer 14 having a film thickness of 3 μm and an n-Al film having a film thickness of 1.3 μm are formed on the n-GaN substrate 12 at a growth temperature of about 1000 ° C.0.08Ga0.92An N clad layer 16 and an n-GaN guide layer 18 having a thickness of 0.1 μm are sequentially grown.
[0037]
Next, in the second growth step, hydrogen gas is used as a carrier gas and NH is used as a nitrogen source.ThreeSwitching from gas to dimethyl hydrazine, the growth temperature was lowered to 700 ° C. as shown in FIG.0.02Ga0.98N (50Å) / n-In0.2Ga0.8N (25Å) / n-In0.02Ga0.98N (50Å) MQW active layer 20 is grown.
Subsequently, in the third growth step, as shown in FIG. 3, while maintaining the growth temperature at 700 ° C., the p-GaN guide layer 22 having a thickness of 0.1 μm and the p-Al having a thickness of 0.5 μm.0.07Ga0.93An N clad layer 24 and a p-GaN contact layer 26 having a thickness of 0.1 μm are sequentially grown.
[0038]
After the p-GaN contact layer 26 is grown, the temperature is lowered to 400 ° C. while supplying dimethylhydrazine so that nitrogen is not desorbed from the film formation surface.
Thereafter, the stripe-shaped ridge 28 is formed through a photolithography process, an etching process, and the like, and the nitride-based semiconductor laser device 10 is manufactured in the same manner as in the prior art.
In the method according to the present embodiment, it is not necessary to change the growth temperature between the first and second growth steps, so that productivity can be improved.
[0039]
【The invention's effect】
According to the first and second invention methods, after the second gallium nitride compound semiconductor layer containing indium is grown, the third gallium nitride compound semiconductor layer substantially free of indium is added to the second gallium nitride compound semiconductor layer. When forming a film on a gallium nitride compound semiconductor layer, hydrazine (N2HFour) Or a substitution product of hydrazine, and the third gallium nitride compound semiconductor layer is grown at a growth temperature of 900 ° C. or less, whereby thermal degradation of the second gallium nitride compound semiconductor layer can be prevented.
By manufacturing a gallium nitride semiconductor light emitting device having a large indium composition by using the method of the present invention, it is possible to realize a light emitting device that emits green light from blue light with stable light emission characteristics and improved light emission efficiency. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an MOCVD apparatus used when applying the methods of Embodiment Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a growth process and a growth temperature of a gallium nitride compound semiconductor layer when the method of Embodiment 1 is applied.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a growth process and a growth temperature of a gallium nitride compound semiconductor layer when the method of the embodiment is applied.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a nitride-based semiconductor laser device.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a growth process and a growth temperature of a gallium nitride-based compound semiconductor layer when a conventional method is applied.
FIG. 6 is a graph showing photoluminescence spectra of three types of laminated structure samples.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nitride semiconductor laser element, 12 ... n-GaN substrate, 14 ... n-GaN buffer layer, 16 ... n-Al0.08Ga0.92N clad layer, 18 ... n-GaN guide layer, 20 ... MQW active layer, 22 ... p-GaN guide layer, 24 ... p-Al0.07Ga0.93N clad layer, 26... P-GaN contact layer, 28... Ridge, 30.2Membrane, 32 ... p-side electrode, 34 ... n-side electrode, 40 ... MOCVD apparatus, 42 ... susceptor, 44 ... heater, 46 ... reaction tube, 48 ... source gas supply system, 50 ... Exhaust gas treatment equipment, 52 …… NHThreeGas cylinder 54... First gas supply pipe 56. Mass flow controller (MFC) 58. Bubbler 60. Mass flow controller (MFC) 62.

Claims (5)

キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてNHHydrogen gas as carrier gas, NH as nitrogen source 3 Three ガスを用い、MOCVD法により、900℃を越える成長温度で、n型GaN基板上にn型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層及びn型GaNガイド層を順次成長させる工程と、A step of sequentially growing an n-type GaN buffer layer, an n-type AlGaN cladding layer and an n-type GaN guide layer on an n-type GaN substrate at a growth temperature exceeding 900 ° C. by using a gas and MOCVD method;
前記n型GaNバッファ層、前記n型AlGaNクラッド層及び前記n型GaNガイド層を成長させた後、キャリアガスを窒素ガスに切り替え、成長温度を700〜800℃に下げて、窒素原料としてNHAfter growing the n-type GaN buffer layer, the n-type AlGaN cladding layer, and the n-type GaN guide layer, the carrier gas is switched to nitrogen gas, the growth temperature is lowered to 700 to 800 ° C., and NH is used as a nitrogen source. 3 Three ガスを用い、MOCVD法により、井戸層がIII 族金属の20原子%以上50原子%以下のインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる多重量子井戸構造の活性層を成長させる工程と、A step of growing an active layer having a multi-quantum well structure made of a gallium nitride-based compound semiconductor in which the well layer contains 20 atomic% or more and 50 atomic% or less of indium of a group III metal by using a gas and an MOCVD method;
前記活性層を成長させた後、再びキャリアガスを水素ガスに切り替えると同時に、NHAfter growing the active layer, the carrier gas is again switched to hydrogen gas, and at the same time, NH 3 Three ガスの供給を停止し、窒素原料としてヒドラジン(NGas supply was stopped and hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体を供給しながら、前記活性層の成長温度以上900℃以下の成長温度で、MOCVD法により、前記活性層上に、p型GaNガイド層、p型AlGaNクラッド層及びp型GaNコンタクト層を順次成長させる工程と、) Or a hydrazine substitution product at a growth temperature not lower than 900 ° C. and not higher than the growth temperature of the active layer by MOCVD, a p-type GaN guide layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type are formed on the active layer. A step of sequentially growing a GaN contact layer;
前記p型GaNコンタクト層を成長させた後、ヒドラジン(NAfter growing the p-type GaN contact layer, hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体を供給しながら400℃まで降温する工程と) Or a step of lowering the temperature to 400 ° C. while supplying a substituted hydrazine
を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法。A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device comprising:
キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてNHHydrogen gas as carrier gas, NH as nitrogen source 3 Three ガスを用い、MOCVD法により、900℃を越える成長温度で、n型GaN基板上にn型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層及びn型GaNガイド層を順次成長させる工程と、A step of sequentially growing an n-type GaN buffer layer, an n-type AlGaN cladding layer and an n-type GaN guide layer on an n-type GaN substrate at a growth temperature exceeding 900 ° C. by using a gas and MOCVD method;
前記n型GaNバッファ層、前記n型AlGaNクラッド層及び前記n型GaNガイド層を成長させた後、キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてヒドラジン(NAfter growing the n-type GaN buffer layer, the n-type AlGaN cladding layer, and the n-type GaN guide layer, hydrogen gas is used as a carrier gas, and hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体を用い、成長温度を700〜800℃に下げて、MOCVD法により、井戸層がIII 族金属の20原子%以上50原子%以下のインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる多重量子井戸構造の活性層を成長させる工程と、) Or a hydrazine substitution product, the growth temperature is lowered to 700 to 800 ° C., and the well layer is made of a gallium nitride compound semiconductor containing indium of 20 to 50 atomic% of the group III metal by MOCVD. Growing an active layer having a multiple quantum well structure;
前記活性層を成長させた後、キャリアガスとして水素ガスを、窒素原料としてヒドラジン(NAfter the active layer is grown, hydrogen gas is used as a carrier gas, and hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体を用い、前記活性層の成長温度以上900℃以下の成長温度で、MOCVD法により、前記活性層上に、p型GaNガイド層、p型AlGaNクラッド層及びp型GaNコンタクト層を順次成長させる工程と、) Or a hydrazine substitute, and a MOCVD method is used to grow a p-type GaN guide layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact on the active layer at a growth temperature not lower than 900 ° C. Sequentially growing the layers;
前記p型GaNコンタクト層を成長させた後、ヒドラジン(NAfter growing the p-type GaN contact layer, hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体を供給しながら400℃まで降温する工程と) Or a step of lowering the temperature to 400 ° C. while supplying a substituted hydrazine
を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法。A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device comprising:
前記p型GaNガイド層、前記p型AlGaNクラッド層及び前記p型GaNコンタクト層を成長させる工程では、窒素原料としてヒドラジン(NIn the step of growing the p-type GaN guide layer, the p-type AlGaN cladding layer, and the p-type GaN contact layer, hydrazine (N 2 2 H 4 Four )又はヒドラジンの置換体に加えて、同時にNH) Or hydrazine substituents and simultaneously NH 3 Three を用いる請求項1又は2に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法。The method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein: 前記n型GaNバッファ層、前記n型AlGaNクラッド層及び前記n型GaNガイド層を1000℃で成長させ、前記活性層を700℃で成長させ、前記p型GaNガイド層、前記p型AlGaNクラッド層及び前記p型GaNコンタクト層を800℃で成長させる請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法。The n-type GaN buffer layer, the n-type AlGaN cladding layer and the n-type GaN guide layer are grown at 1000 ° C., the active layer is grown at 700 ° C., and the p-type GaN guide layer and the p-type AlGaN cladding layer are grown. The method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device according to claim 1, wherein the p-type GaN contact layer is grown at 800 ° C. 前記n型GaNバッファ層、前記n型AlGaNクラッド層及び前記n型GaNガイド層を1000℃で成長させ、前記活性層を700℃で成長させ、前記p型GaNガイド層、前記p型AlGaNクラッド層及び前記p型GaNコンタクト層を700℃で成長させる請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法。The n-type GaN buffer layer, the n-type AlGaN cladding layer and the n-type GaN guide layer are grown at 1000 ° C., the active layer is grown at 700 ° C., and the p-type GaN guide layer and the p-type AlGaN cladding layer are grown. The method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device according to claim 2, wherein the p-type GaN contact layer is grown at 700 ° C.
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