JP4647286B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、β−Ga系単結晶基板上にGaN系化合物薄膜を形成した発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)等の発光素子に用いる半導体装置およびその製造方法に関し、特に、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することができる半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used for a light emitting element such as a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD) in which a GaN compound thin film is formed on a β-Ga 2 O 3 single crystal substrate, and a method for manufacturing the same, The present invention relates to a semiconductor device capable of forming a single crystal thin film made of a GaN-based compound with high crystal quality and a method for manufacturing the same.

図3は、従来の半導体装置を示す。この半導体装置30は、Al基板31と、Al基板31の表面に低温で形成されたAlNからなるバッファ層32と、バッファ層32の上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法によりエピタキシャル成長して形成されたGaN成長層33とを備える(例えば、特許文献1参照。)。 FIG. 3 shows a conventional semiconductor device. The semiconductor device 30 includes an Al 2 O 3 substrate 31, a buffer layer 32 made of AlN formed on the surface of the Al 2 O 3 substrate 31 at a low temperature, and a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) on the buffer layer 32. And a GaN growth layer 33 formed by epitaxial growth by the method (see, for example, Patent Document 1).

この半導体装置30によれば、Al基板31とGaN成長層33との間にバッファ層32を形成することにより、格子定数の不一致を緩和して結晶品質の低下を抑制している。
特公昭52−36117号公報
According to this semiconductor device 30, by forming the buffer layer 32 between the Al 2 O 3 substrate 31 and the GaN growth layer 33, the mismatch of lattice constants is alleviated and the deterioration of the crystal quality is suppressed.
Japanese Patent Publication No. 52-36117

しかし、従来の半導体装置30は、バッファ層32を設けたとしても、格子不整合を十分に緩和することができず、高品質のGaN成長層33を得ることは難しい。したがって、発光素子に適用した場合は、発光層の結晶性が十分でなく、発光効率の向上に限界がある。   However, even if the conventional semiconductor device 30 is provided with the buffer layer 32, the lattice mismatch cannot be sufficiently relaxed, and it is difficult to obtain a high-quality GaN growth layer 33. Therefore, when applied to a light-emitting element, the crystallinity of the light-emitting layer is not sufficient, and there is a limit to improvement in light emission efficiency.

従って、本発明の目的は、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of forming a single crystal thin film made of a GaN-based compound with high crystal quality and a method for manufacturing the same.

本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga系単結晶からなる基板と、前記基板の主面上に形成され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなるアニール処理を施したバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、c軸が前記主面に対してほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜とを備え、前記基板は、(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記バッファ層および前記単結晶薄膜の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であり、前記バッファ層および前記単結晶薄膜は、Ga極性を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface and a main surface of the substrate, and the c-axis is substantially perpendicular to the main surface. And a buffer layer made of a wurtzite structure GaN-based compound, and a wurtzite structure GaN-based compound formed on the buffer layer and having a c-axis substantially perpendicular to the main surface. A single crystal thin film, and the substrate has a crystal orientation <010> of the substrate and a crystal orientation <11-20> of the buffer layer and the single crystal thin film when the (801) plane is the main surface. The semiconductor device is characterized in that it is parallel and the buffer layer and the single crystal thin film have Ga polarity .

この構成によれば、β−Ga系単結晶からなる基板に対し、GaN系化合物よりなるバッファ層を設けることにより、β−Ga系結晶構造の上にウルツ鉱型構造のGaN系化合物からなる単結晶薄膜を成長させる場合、格子不整合がより軽減されて成長する。その結果、結晶品質の低下を抑制することができ、品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を得ることができる。 According to this configuration, by providing the buffer layer made of the GaN-based compound on the substrate made of the β-Ga 2 O 3 based single crystal, the wurtzite structure is formed on the β-Ga 2 O 3 based crystal structure. When a single crystal thin film made of a GaN-based compound is grown, the lattice mismatch is further reduced to grow. As a result, a decrease in crystal quality can be suppressed, and a single crystal thin film made of a high quality GaN compound can be obtained.

本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga系単結晶からなる基板を準備する工程と、前記基板の前記主面上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなるバッファ層を形成する工程と前記バッファ層をアニール処理する工程と、前記バッファ層上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成する工程とを備え、前記基板は、(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記バッファ層および前記単結晶薄膜の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であり、前記バッファ層および前記単結晶薄膜は、Ga極性を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a step of preparing a substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface, and the c-axis is formed on the main surface of the substrate. A step of forming a buffer layer made of a wurtzite-type GaN-based compound that is substantially perpendicular to the substrate, a step of annealing the buffer layer, and a c-axis is substantially perpendicular to the main surface on the buffer layer. And a step of forming a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound , wherein the substrate has a (801) plane as the main surface, the crystal orientation <010> of the substrate, the buffer layer, and the crystal orientation of the single crystal thin film <11-20> are substantially parallel, the buffer layer and the single crystal thin film is to provide a method of manufacturing a semiconductor device characterized by have a Ga polarity.

本発明によれば、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を備えた発光素子を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light emitting element provided with the single crystal thin film which consists of a GaN-type compound with high crystal quality can be obtained.

[第1の実施の形態]
<発光素子の構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図を示す。この発光素子10は、n型の導電性を示すβ−Gaからなる基板(以下「Ga基板」という。)11を有し、このGa基板11の上にバッファ層12、n型の導電性を示すn−GaNクラッド層13、多重量子井戸構造(MQW)を有するInGaN発光層14、p型の導電性を示すp−AlGaNクラッド層15、およびp型の導電性を示すp−GaNコンタクト層16を順次積層し、p−GaNコンタクト層16の上面にp電極17を形成し、Ga基板11の下面にn電極18を形成したものである。
[First Embodiment]
<Configuration of light emitting element>
FIG. 1 is a schematic perspective view of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention. The light emitting element 10 includes a substrate 11 (hereinafter referred to as “Ga 2 O 3 substrate”) 11 made of β-Ga 2 O 3 exhibiting n-type conductivity, and a buffer is formed on the Ga 2 O 3 substrate 11. Layer 12, n-GaN cladding layer 13 exhibiting n-type conductivity, InGaN light-emitting layer 14 having a multiple quantum well structure (MQW), p-AlGaN cladding layer 15 exhibiting p-type conductivity, and p-type conductivity The p-GaN contact layer 16 exhibiting properties is sequentially stacked, the p-electrode 17 is formed on the upper surface of the p-GaN contact layer 16, and the n-electrode 18 is formed on the lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11.

Ga基板11は、β−Ga系単結晶からなり、透明性を有する。Ga基板11は(100)面を主面とし、その主面は、GaNからなるバッファ層12、n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15およびp−GaNコンタクト層16等の半導体層の成長面となる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is made of a β-Ga 2 O 3 single crystal and has transparency. The Ga 2 O 3 substrate 11 has a (100) plane as a main surface, and the main surfaces are a buffer layer 12 made of GaN, an n-GaN cladding layer 13, an InGaN light emitting layer 14, a p-AlGaN cladding layer 15, and a p-GaN. It becomes a growth surface of a semiconductor layer such as the contact layer 16.

なお、Ga基板11は、上記のようにβ−Ga単結晶からなるなることを基本とするが、Cu、Ag、Zn、Cd、Al、In、Si、GeおよびSnからなる群から選ばれる1種以上を添加したGaを主成分とした酸化物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、AlとInの元素を添加することにより、(GaAlIn(1−x−y)(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるGa基板11を得ることができる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is basically made of β-Ga 2 O 3 single crystal as described above, but is made of Cu, Ag, Zn, Cd, Al, In, Si, Ge, and Sn. You may comprise with the oxide which has as a main component Ga which added 1 or more types chosen from the group which consists of. By adding these elements, the lattice constant or band gap energy can be controlled. For example, by adding elements of Al and In, (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The Ga 2 O 3 substrate 11 represented by

バッファ層12は、MOCVD法により、Ga基板11上に形成するいわゆる低温バッファ層である。バッファ層12の厚さは、厚くする必要はなく、1000nm以下、好ましくは、200nm以下の厚さとする。この程度の厚さであれば、バッファ層12上に形成されるGaN層は、基板の結晶格子の影響を引き継ぐことが可能である。ここで、バッファ層12は、ウルツ鉱型構造GaN系化合物からなり、GaN系化合物のc軸は、Ga基板11の主面に対しほぼ垂直である。なお、Ga基板11を構成するβ−Gaの格子定数と同一または近似するのであれば、主面に限らず、他の面に形成してもよい。 The buffer layer 12 is a so-called low-temperature buffer layer formed on the Ga 2 O 3 substrate 11 by MOCVD. The thickness of the buffer layer 12 does not need to be increased, and is 1000 nm or less, preferably 200 nm or less. With this thickness, the GaN layer formed on the buffer layer 12 can take over the influence of the crystal lattice of the substrate. Here, the buffer layer 12 is made of a wurtzite structure GaN-based compound, and the c-axis of the GaN-based compound is substantially perpendicular to the main surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. In addition, as long as it is the same as or approximates to the lattice constant of β-Ga 2 O 3 constituting the Ga 2 O 3 substrate 11, it may be formed not only on the main surface but also on other surfaces.

n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16等からなるGaN系化合物薄膜は、バッファ層12と同様にMOCVD法により形成する。このGaN系化合物薄膜は、B、Al、In、Tl等のIII族元素等の添加物を含むものであってもよい。例えば、AlとInの元素を添加することにより、一般式GaAlIn(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるGaN系化合物薄膜を用いることができる。 A GaN-based compound thin film including the n-GaN cladding layer 13, the InGaN light emitting layer 14, the p-AlGaN cladding layer 15, the p-GaN contact layer 16, and the like is formed by the MOCVD method in the same manner as the buffer layer 12. This GaN-based compound thin film may contain an additive such as a group III element such as B, Al, In, or Tl. For example, by adding elements of Al and In, the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The represented GaN-based compound thin film can be used.

また、上記のn−GaNクラッド層13の代わりに、InGaN、AlGaNあるいはInGaAlNからなる薄膜を成長させてもよい。これらは、GaNの格子定数とほぼ一致しているため、格子不整合が生じにくく、結晶品質が低下し難くなる。   Further, instead of the n-GaN clad layer 13 described above, a thin film made of InGaN, AlGaN or InGaAlN may be grown. Since these are almost the same as the lattice constant of GaN, lattice mismatch is unlikely to occur, and the crystal quality is not easily lowered.

InGaN発光層14は、例えば、不純物を添加していないノンドープInGaNからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造(MQW)をなしている。InとGaの組成比を調節したり、p型あるいはn型の導電性とすることにより、InGaN発光層14のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。   The InGaN light emitting layer 14 is formed of, for example, a semiconductor made of non-doped InGaN to which no impurity is added, and has a single quantum well or multiple quantum well structure (MQW). The emission wavelength can be changed by changing the band gap of the InGaN light-emitting layer 14 by adjusting the composition ratio of In and Ga or by using p-type or n-type conductivity.

p電極17は、p−GaNコンタクト層16上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。p電極17の材料として、Au、Al、Be、Ni、Pt、In、Sn、Cr、Ti、Zn等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Zn合金、Au−Be合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Ni/Au)、あるいはITO等を用いることができる。   The p electrode 17 is formed on the p-GaN contact layer 16 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material of the p-electrode 17, a simple metal such as Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn, or at least two kinds of alloys thereof (for example, Au—Zn alloy, Au—Be Alloys), those forming these in a two-layer structure (for example, Ni / Au), ITO, or the like can be used.

n電極18は、Ga基板11の下面に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。n電極18の材料として、Au、Al、Co、Ge、Ti、Sn、In、Ni、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Ge合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Al/Ti、Au/Ni、Au/Co)、あるいはITO等を用いることができる。 The n-electrode 18 is formed on the lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material for the n-electrode 18, a simple metal such as Au, Al, Co, Ge, Ti, Sn, In, Ni, Pt, W, Mo, Cr, Cu, Pb, or at least two kinds of these alloys (for example, (Au—Ge alloy), those formed in a two-layer structure (for example, Al / Ti, Au / Ni, Au / Co), ITO, or the like can be used.

<基板の形成方法>
次に、Ga基板11の形成方法について説明する。すなわち、Ga基板11の素材となるβ−Ga単結晶をFZ(フローティングゾーン)法により作製し、β−Ga単結晶を所定の大きさに切断して基板を作製する。
<Substrate formation method>
Next, a method for forming the Ga 2 O 3 substrate 11 will be described. That is, a β-Ga 2 O 3 single crystal as a material of the Ga 2 O 3 substrate 11 is produced by an FZ (floating zone) method, and the β-Ga 2 O 3 single crystal is cut into a predetermined size to obtain a substrate. Make it.

以下、基板の製造方法について詳細に説明する。まず、β−Ga種結晶とβ−Ga多結晶素材を準備する。β−Ga種結晶は、β−Ga単結晶を劈界面に沿って切り出して所定の大きさに形成したものを使用する。β−Ga多結晶素材は、例えば、純度4NのGa粉末をゴム管に充填し、それを500MPaで冷間圧縮した後、1500℃で10時間焼結することにより得られる。 Hereinafter, the manufacturing method of a board | substrate is demonstrated in detail. First, a β-Ga 2 O 3 seed crystal and a β-Ga 2 O 3 polycrystalline material are prepared. As the β-Ga 2 O 3 seed crystal, a β-Ga 2 O 3 single crystal is cut out along the heel interface and formed into a predetermined size. The β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is obtained, for example, by filling a rubber tube with 4N purity Ga 2 O 3 powder, cold-compressing it at 500 MPa, and sintering at 1500 ° C. for 10 hours. .

次に、石英管中において、全圧が1〜2気圧の窒素と酸素の混合気体(100%窒素から100%酸素の間で変化)の雰囲気の下、β−Ga種結晶とβ−Ga多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ga多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ga単結晶がβ−Ga種結晶の軸方向と同じ方向(a軸、b軸、あるいはc軸の方向)に成長する。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ga多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ga多結晶を冷却していき、β−Ga単結晶を得る。このβ−Ga単結晶を、例えば、(100)面に沿って劈開し、所定のサイズに切断してGa基板11を作製する。このようにして作製したGa基板11の比抵抗を測定した結果、室温で0.1Ω・cm以下の値が得られた。 Next, in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen and oxygen (changed between 100% nitrogen and 100% oxygen) having a total pressure of 1 to 2 atm in a quartz tube, a β-Ga 2 O 3 seed crystal and β The tips of the —Ga 2 O 3 polycrystalline material are brought into contact with each other, and the contact portions are heated and melted. When the melted β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is cooled, the β-Ga 2 O 3 single crystal is in the same direction as the axial direction of the β-Ga 2 O 3 seed crystal (a-axis, b-axis, or c direction). Furthermore, the β-Ga 2 O 3 polycrystal is dissolved in a direction away from the seed crystal, and the dissolved β-Ga 2 O 3 polycrystal is cooled to obtain a β-Ga 2 O 3 single crystal. The β-Ga 2 O 3 single crystal is cleaved along, for example, the (100) plane, and cut into a predetermined size to produce the Ga 2 O 3 substrate 11. As a result of measuring the specific resistance of the Ga 2 O 3 substrate 11 thus produced, a value of 0.1 Ω · cm or less was obtained at room temperature.

<バッファ層の形成方法>
次にバッファ層12をMOCVD法により形成する方法を説明する。まず、バッファ層12を形成しようとする主面が現われるように、Ga基板11を反応容器内に保持する。そして、Ga基板11の表面の温度が400℃〜700℃、好ましくは600℃±50℃となるように反応容器内の温度を調節する。反応容器内を100torrまで減圧し、反応容器内にGa供給原料としてのTMG(トリメチルガリウム)と窒素源としてのNHを、キャリアガスとしてのHeとともに供給して、0.1〜1000nm、好ましくは200nm以下の厚さのGaNからなるバッファ層12を成長させる。バッファ層12を成長させるGa基板11の面方位は、(100)面である。なお、キャリアガスとして水素を用いないのは、Ga基板11が水素によりエッチングされて平坦性が悪くなり、この上に薄膜を成長させるのが困難になるからである。なお、バッファ層12を1080℃に保ち、いわゆる高温アニール処理を施すことにより、基板の(100)面を主面とするとき、β−Gaの結晶方位が〈010〉である場合、GaNの結晶方位は、〈11-20〉となり、ほぼ平行するようになる。なお、(100)面に対し、13.52°傾いた(801)面であっても、同様にβ−Gaの結晶方位が〈010〉である場合、GaNの結晶方位は、〈11-20〉となり、ほぼ平行するようになる。
<Method for forming buffer layer>
Next, a method for forming the buffer layer 12 by the MOCVD method will be described. First, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held in the reaction container so that the main surface on which the buffer layer 12 is to be formed appears. Then, the temperature of the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is 400 ° C. to 700 ° C., preferably to regulate the temperature in the reaction vessel so as to be 600 ℃ ± 50 ℃. The inside of the reaction vessel is depressurized to 100 torr, and TMG (trimethylgallium) as a Ga feedstock and NH 3 as a nitrogen source are supplied into the reaction vessel together with He as a carrier gas, 0.1 to 1000 nm, preferably A buffer layer 12 made of GaN having a thickness of 200 nm or less is grown. The plane orientation of the Ga 2 O 3 substrate 11 on which the buffer layer 12 is grown is the (100) plane. The reason why hydrogen is not used as the carrier gas is that the Ga 2 O 3 substrate 11 is etched by hydrogen, resulting in poor flatness and it is difficult to grow a thin film thereon. When the crystal orientation of β-Ga 2 O 3 is <010> when the buffer layer 12 is kept at 1080 ° C. and a so-called high-temperature annealing treatment is performed and the (100) plane of the substrate is the main surface, The crystal orientation of GaN is <11-20>, which is almost parallel. Even when the (801) plane is inclined by 13.52 ° with respect to the (100) plane, when the crystal orientation of β-Ga 2 O 3 is <010>, the crystal orientation of GaN is <11-20> and become almost parallel.

<GaN系化合物薄膜の形成方法>
上記n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16のGaN系化合物薄膜は、バッファ層12の形成と同様にMOCVD法により形成する。n−GaNクラッド層13、p−GaNクラッド層15を形成するために、原料ガスとして、TMGおよびNHを用い、InGaN発光層14を形成するために、原料ガスとしてTMI(トリメチルインジウム)、TMG(トリメチルガリウム)およびNHを用い、p−AlGaNクラッド層15を形成するために、、原料ガスとしてTMA、TMGおよびNHを用いる。また、キャリアガスは、前述した理由により、He等の不活性ガスを用いる。この場合、所定の温度範囲によりGaN系化合物薄膜の成長が促進される。このとき、上記のGaN系化合物薄膜は、Ga極性を有する。
<Method for forming GaN-based compound thin film>
The GaN-based compound thin films of the n-GaN cladding layer 13, the InGaN light emitting layer 14, the p-AlGaN cladding layer 15, and the p-GaN contact layer 16 are formed by the MOCVD method in the same manner as the buffer layer 12 is formed. In order to form the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN cladding layer 15, TMG and NH 3 are used as source gases, and in order to form the InGaN light-emitting layer 14, TMI (trimethylindium), TMG are used as source gases. In order to form the p-AlGaN cladding layer 15 using (trimethylgallium) and NH 3 , TMA, TMG, and NH 3 are used as source gases. The carrier gas is an inert gas such as He for the reasons described above. In this case, the growth of the GaN-based compound thin film is promoted by a predetermined temperature range. At this time, the GaN-based compound thin film has Ga polarity.

<キャリア濃度が異なる薄膜の形成>
MOCVD装置により、n−GaNクラッド層13およびp−GaNコンタクト層16のように、GaNのキャリア濃度を変えるには、GaNに添加するn型ドーパントあるいはp型ドーパントの量を変えることにより行う。
<Formation of thin films with different carrier concentrations>
In order to change the carrier concentration of GaN as in the case of the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the amount of n-type dopant or p-type dopant added to GaN is changed.

すなわち、MOCVD装置によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、n−GaNクラッド層13,p−GaNコンタクト層16を形成するには、以下のように行う。   That is, in order to form thin films having different carrier concentrations, for example, the n-GaN clad layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the following process is performed.

まずn−GaNクラッド層13について説明する。反応容器内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてGa基板11を保持する。そして、反応容器中の温度を例えば、1080℃として、TMGを54×10−6モル/min、TMA(トリメチルアルミニウム)を6×10−6モル/min、モノシラン(SiH)を22×10−11モル/minで流して、60分問成長させ、SiドープGa0.9Al0.1N(n−GaNクラッド層13)を3μmの膜厚で成長させる。なお、温度や、TMA濃度等は、膜の成長に影響を与えない範囲で増減が可能である。 First, the n-GaN cladding layer 13 will be described. In the reaction vessel, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held such that the surface on which the thin film is formed faces up. Then, the temperature in the reaction vessel for example, as 1080 ° C., TMG and 54 × 10 -6 mol / min, TMA (trimethyl aluminum) and 6 × 10 -6 mol / min, monosilane (SiH 4) and 22 × 10 - A flow rate of 11 mol / min is applied for 60 minutes to grow Si-doped Ga 0.9 Al 0.1 N (n-GaN cladding layer 13) with a thickness of 3 μm. Note that the temperature, the TMA concentration, and the like can be increased or decreased within a range that does not affect the film growth.

次に、p−GaNコンタクト層16について説明する。反応容器中の温度を例えば、1080℃として、TMGを54×10―6モル/minでビスジクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)とともに流して、MgドープGaN(p−GaNコンタクト層16)を1μmの膜厚で成長させる。なお、温度や、TMA濃度等は、膜の成長に影響を与えない範囲で増減が可能である。 Next, the p-GaN contact layer 16 will be described. The temperature in the reaction vessel is, for example, 1080 ° C., TMG is flowed at 54 × 10 −6 mol / min together with bisdiclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), and Mg-doped GaN (p-GaN contact layer 16) is flown. Growing with a film thickness of 1 μm. Note that the temperature, the TMA concentration, and the like can be increased or decreased within a range that does not affect the film growth.

なお、n−GaNクラッド層13の代わりに、InGaN、AlGaNあるいはInGaAlNを成長させてもよい。InGaNおよびAlGaNの場合は、バッファ層12との格子定数をほぼ一致させることができ、InAlGaNの場合は、バッファ層12との格子定数を一致させることが可能である。   Instead of the n-GaN cladding layer 13, InGaN, AlGaN, or InGaAlN may be grown. In the case of InGaN and AlGaN, the lattice constant with the buffer layer 12 can be substantially matched, and in the case of InAlGaN, the lattice constant with the buffer layer 12 can be matched.

<第1の実施の形態の効果>
この第1の実施の形態に係る発光素子10によれば、以下の効果を奏する。
(イ)Ga基板11のβ−Ga単結晶の(100)面と(801)面において、単位格子が6角柱形となり、GaNの結晶構造であるウルツ鉱型構造と近似する。ウルツ鉱型構造の結晶方位<11−20>とGa基板11の結晶方位<010>がほぼ平行になるようにGaNの単結晶薄膜が成長する。このとき、格子定数が略一致し、結晶性のよいGaN系化合物単結晶薄膜を得ることができる。したがって、結晶品質の劣化を抑えることができ、発光効率が高められた発光素子を得ることができる。
(ロ)Ga基板11およびバッファ層12は、透光性を有するとともに、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子10の全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができ、発光素子10の寿命を長くすることができる。
(ハ)発光素子10は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがInGaN発光層14に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光光率が大幅に向上する。
(ニ)バッファ層12のGa面を容易に露出させることができるので、特に、MOCVD法によりこの面の上に他の薄膜を成長させることができる。
<Effect of the first embodiment>
The light emitting device 10 according to the first embodiment has the following effects.
(A) On the (100) plane and the (801) plane of the β-Ga 2 O 3 single crystal of the Ga 2 O 3 substrate 11, the unit cell has a hexagonal prism shape, which is close to the wurtzite structure that is the crystal structure of GaN. To do. A single crystal thin film of GaN is grown so that the crystal orientation <11-20> of the wurtzite structure and the crystal orientation <010> of the Ga 2 O 3 substrate 11 are substantially parallel. At this time, a GaN-based compound single crystal thin film having substantially the same lattice constant and good crystallinity can be obtained. Therefore, deterioration of crystal quality can be suppressed, and a light-emitting element with improved light emission efficiency can be obtained.
(B) Since the Ga 2 O 3 substrate 11 and the buffer layer 12 have translucency and conductivity, a light-emitting diode having a vertical electrode structure can be formed. As a result, the entire light-emitting element 10 Therefore, the current density can be lowered, and the lifetime of the light emitting element 10 can be extended.
(C) Since the light-emitting element 10 has a multiple quantum well structure, the probability that the electrons and holes serving as carriers are confined in the InGaN light-emitting layer 14 and recombined increases, so that the light emission rate is greatly increased. To improve.
(D) Since the Ga surface of the buffer layer 12 can be easily exposed, other thin films can be grown on this surface by MOCVD.

図2は、実施例1に係る発光素子を示し、(a)は発光素子の上面から見た概略図、(b)は側面図である。
Ga基板11は、β−Ga単結晶をb軸およびc軸に沿って平面方向に成長させ、a軸方向に沿って厚さ方向に成長させたものである。
2A and 2B show a light-emitting element according to Example 1, where FIG. 2A is a schematic view seen from the top surface of the light-emitting element, and FIG. 2B is a side view.
The Ga 2 O 3 substrate 11 is obtained by growing a β-Ga 2 O 3 single crystal in the planar direction along the b-axis and the c-axis and growing in the thickness direction along the a-axis direction.

GaN系化合物薄膜層23は、Ga基板11の(100)面および(801)面上にn−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16等のGaN系化合物薄膜をb軸に沿って〈010〉方位に成長させ、基板11の厚さ方向に成長させたものである。 The GaN-based compound thin film layer 23 includes an n-GaN cladding layer 13, an InGaN light emitting layer 14, a p-AlGaN cladding layer 15, and a p-GaN contact on the (100) plane and the (801) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11. A GaN-based compound thin film such as the layer 16 is grown in the <010> direction along the b-axis, and is grown in the thickness direction of the substrate 11.

この実施例1によれば、Ga基板11の(100)面および(801)面における結晶表面におけるβ−Gaの結晶方位が〈010〉である場合、GaNの結晶表面における結晶方位は、〈11-20〉であり、ほぼ平行している。 According to Example 1, when the crystal orientation of β-Ga 2 O 3 on the crystal surface of the (100) plane and the (801) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11 is <010>, The crystal orientation is <11-20> and is almost parallel.

[他の実施の形態]
Ga基板11の成長法として、FZ法について説明したが、EFG(Edge-defined Film-fed Growth method)法等の他の成長法を適用しても、FZ法により製造するβ−Ga単結晶と同様のβ−Ga単結晶を製造することができ、これを切断することによりGa基板11を製造することができる。
[Other embodiments]
Although the FZ method has been described as the growth method of the Ga 2 O 3 substrate 11, β-Ga manufactured by the FZ method can be applied even if another growth method such as an EFG (Edge-defined Film-fed Growth method) method is applied. 2 O 3 can be produced similar beta-Ga 2 O 3 single crystal and the single crystal can be produced Ga 2 O 3 substrate 11 by cutting it.

また、GaN系化合物薄膜の成長法としてMOCVD法について説明したが、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等の他の成長法を適用しても、MOCVD法によるのと同様にエピタキシャル成長させることができる。   Also, the MOCVD method has been described as a method for growing a GaN-based compound thin film. However, even if another growth method such as a PLD (Pulsed Laser Deposition) method or MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is applied, it is the same as that by the MOCVD method. Can be epitaxially grown.

なお、本発明に係る発光素子10は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。   Note that the light-emitting element 10 according to the present invention is not limited to a light-emitting diode or a laser diode, but can also be applied to a semiconductor such as a transistor, a thyristor, or a diode. Specifically, a field effect transistor, a photodiode, a solar cell, etc. are mentioned, for example.

本発明の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図である。It is a typical perspective view of the light emitting element which concerns on embodiment of this invention. 実施例1に係る発光素子を示し、(a)は発光素子の上面から見た概略図、(b)は側面図である。The light emitting element which concerns on Example 1 is shown, (a) is the schematic seen from the upper surface of the light emitting element, (b) is a side view. 従来の半導体層を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional semiconductor layer.

符号の説明Explanation of symbols

10 発光素子
11 Ga基板
12 GaN層
13 n−GaNクラッド層
14 InGaN発光層
15 p−AlGaNクラッド層
16 p−GaNコンタクト層
17 n電極
18 p電極
23 GaN系化合物薄膜層
30 半導体層
31 Al基板
32 バッファ層
33 GaN成長層
10 light-emitting element 11 Ga 2 O 3 substrate 12 GaN layer 13 n-GaN cladding layer 14 InGaN light-emitting layer 15 p-AlGaN cladding layer 16 p-GaN contact layer 17 n electrode 18 p electrode 23 GaN-based compound thin film layer 30 semiconductor layer 31 Al 2 O 3 substrate 32 buffer layer 33 GaN growth layer

Claims (2)

主面を有するβ−Ga系単結晶からなる基板と、
前記基板の主面上に形成され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなるアニール処理を施したバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、c軸が前記主面に対してほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜とを備え
前記基板は、(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記バッファ層および前記単結晶薄膜の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であり、
前記バッファ層および前記単結晶薄膜は、Ga極性を有することを特徴とする半導体装置。
A substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface;
An annealed buffer layer made of a wurtzite structure GaN-based compound formed on the main surface of the substrate and having a c-axis substantially perpendicular to the main surface ; a c-axis formed on the buffer layer; Comprising a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound that is substantially perpendicular to the main surface ,
When the substrate has the (801) plane as the main surface, the crystal orientation <010> of the substrate is substantially parallel to the crystal orientation <11-20> of the buffer layer and the single crystal thin film,
The buffer layer and the single crystal thin film have a Ga polarity .
主面を有するβ−Ga系単結晶からなる基板を準備する工程と
前記基板の前記主面上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなるバッファ層を形成する工程と
前記バッファ層をアニール処理する工程と、
前記バッファ層上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成する工程と
を備え、
前記基板は、(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記バッファ層および前記単結晶薄膜の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であり、
前記バッファ層および前記単結晶薄膜は、Ga極性を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Preparing a substrate made of a β-Ga 2 O 3 based single crystal having a main surface;
Forming a buffer layer made of a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface on the main surface of the substrate;
Annealing the buffer layer;
Forming a single crystal thin film made of a wurtzite type GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface on the buffer layer;
With
When the substrate has the (801) plane as the main surface, the crystal orientation <010> of the substrate is substantially parallel to the crystal orientation <11-20> of the buffer layer and the single crystal thin film,
The buffer layer and the single crystal thin film, a method of manufacturing a semiconductor device characterized by have a Ga polarity.
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