JP4935591B2 - Method for fabricating group III nitride semiconductor optical device and method for measuring photoluminescence spectrum - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物半導体光素子を作製する方法、およびフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and a method for measuring a photoluminescence spectrum.
非特許文献1では、サファイア基板上に作製された高出力InGaN系発光ダイオードが記載されている。非特許文献1の図2には、サファイア基板上に作製された発光ダイオード・エピタキシャル層の評価のために、フォトルミネッセンススペクトルの評価が行われています。
Non-Patent
非特許文献2では、窒化ガリウム自立基板の作製が記載されています。GaAs基板を出発基板として用いHVPE法によって、2インチを越えるサイズの窒化ガリウム自立基板が作製された。GaAs基板は王水で溶解させて、窒化ガリウム自立基板の厚さは、500μmである。
非鏡面の裏面を有する基板がIII族窒化物半導体光素子の作製に用いられ、この基板の鏡面の主面上に、複数の半導体層を含む半導体積層が成長される。半導体積層の結晶品質を評価するために、半導体積層の半導体層のフォトルミネッセンススペクトルが測定される。 A substrate having a non-specular back surface is used to fabricate a group III nitride semiconductor optical device, and a semiconductor stack including a plurality of semiconductor layers is grown on the main surface of the mirror surface of the substrate. In order to evaluate the crystal quality of the semiconductor stack, the photoluminescence spectrum of the semiconductor layer of the semiconductor stack is measured.
フォトルミネッセンススペクトル強度は、半導体積層の半導体層の結晶品質を反映しているけれども、発明者らの知見によれば、同様の半導体積層を用いて作製されたIII族窒化物半導体光素子の電気的な特性の測定値を上記のスペクトル強度と比較してとき、必ずしもスペクトル強度がIII族窒化物半導体光素子の特性を精度良く示していない場合がある。つまり、スペクトル強度の変動が、成長条件の変動だけでなく、他のものにも影響されている。このような事情のもとに、発明者らが検討を重ねたことにより、本発明を為すに至った。 Although the photoluminescence spectral intensity reflects the crystal quality of the semiconductor layer of the semiconductor stack, according to the inventors' knowledge, the electrical properties of group III nitride semiconductor optical devices fabricated using similar semiconductor stacks When the measured value of the characteristic is compared with the above spectral intensity, the spectral intensity may not always accurately indicate the characteristic of the group III nitride semiconductor optical device. That is, the fluctuation of the spectrum intensity is influenced not only by the fluctuation of the growth condition but also by others. Under such circumstances, the inventors have made a study, and thus the present invention has been achieved.
本発明は、フォトルミネッセンススペクトル強度を精度良く測定して、良好な素子特性を有するIII族窒化物半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とし、またフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a group III nitride semiconductor optical device having good device characteristics by accurately measuring photoluminescence spectrum intensity, and to provide a method for measuring a photoluminescence spectrum The purpose is to do.
本発明の一側面は、III族窒化物半導体光素子を作製する方法である。この方法は、(a)鏡面の主面と非鏡面の裏面とを有する半導体基板を成長装置に配置する工程と、(b)第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域を含む半導体積層を前記半導体基板の前記主面上に前記成長装置で成長して、前記III族窒化物半導体光素子のための基板生産物を形成する工程と、(c)前記基板生産物に励起光を照射して、前記第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域からの第1及び第2の成分をそれぞれの含むフォトルミネッセンススペクトルを測定する工程と、(d)前記フォトルミネッセンススペクトルの前記第1の成分と前記第2の成分との比を生成する工程と、(e)前記第2の窒化ガリウム系半導体領域の品質を示す所定の値を前記比と比較して、該比較の結果に基づいて前記基板生産物を選別する工程とを備え、前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は前記第2の窒化ガリウム系半導体領域と前記半導体基板との間に設けられている。 One aspect of the present invention is a method of fabricating a group III nitride semiconductor optical device. In this method, (a) a step of disposing a semiconductor substrate having a major mirror surface and a non-mirror rear surface in a growth apparatus; and (b) a semiconductor stack including first and second gallium nitride based semiconductor regions. Forming a substrate product for the group III nitride semiconductor optical device by growing on the main surface of the semiconductor substrate with the growth apparatus; and (c) irradiating the substrate product with excitation light. Measuring a photoluminescence spectrum including the first and second components from the first and second gallium nitride based semiconductor regions, respectively, and (d) the first component of the photoluminescence spectrum and the step Generating a ratio with the second component; and (e) comparing the predetermined value indicating the quality of the second gallium nitride based semiconductor region with the ratio and producing the substrate based on the result of the comparison The process of sorting things For example, the first gallium nitride based semiconductor region is provided between the semiconductor substrate and the second gallium nitride based semiconductor region.
また、本発明は、窒化ガリウム系半導体領域のフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法である。この方法は、(a)鏡面の主面と非鏡面の裏面とを有する半導体基板上の前記主面上に成長された第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域に励起光を照射して、前記第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域からの第1及び第2の成分をそれぞれの含むフォトルミネッセンススペクトルを測定する工程と、(b)前記フォトルミネッセンススペクトルの前記第1の成分と前記第2の成分との比を、前記第2の窒化ガリウム系半導体領域の品質を示す値として生成する工程とを備え、前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は前記第2の窒化ガリウム系半導体領域と前記半導体基板との間に設けられている。 The present invention is also a method for measuring a photoluminescence spectrum of a gallium nitride based semiconductor region. In this method, (a) first and second gallium nitride based semiconductor regions grown on the main surface on a semiconductor substrate having a mirror surface and a non-mirror surface are irradiated with excitation light; Measuring a photoluminescence spectrum including the first and second components from the first and second gallium nitride based semiconductor regions, respectively, and (b) the first component of the photoluminescence spectrum and the first component. Generating a ratio with a component of 2 as a value indicating the quality of the second gallium nitride semiconductor region, wherein the first gallium nitride semiconductor region and the second gallium nitride semiconductor region It is provided between the semiconductor substrates.
これらの方法において、非鏡面の裏面を有する基板を用いた基板生産物のフォトルミネッセンススペクトル強度には、該裏面からの反射の影響がある。この反射の影響は、裏面のラフネスの変動に応じて変化する。また、結晶成長条件だけでなく基板裏面からの反射の光量もばらつく。しかしながら、この方法によれば、第2の窒化ガリウム系半導体領域からの第2の成分だけでなく第1の窒化ガリウム系半導体領域からの第1の成分のスペクトル強度も測定するので、裏面からの反射の影響は、スペクトルの第1の成分と第2の成分との比を用いることによって低減される。なぜなら、第1および第2の窒化ガリウム系半導体領域から基板に向いて進む光は共に、基板の裏面によって反射されるので、これらの光の反射成分は同じ様に基板の裏面の影響を含んでおり、これらの窒化ガリウム系半導体領域から直接に観測される光に重畳されるからである。したがって、半導体発光素子の特性に影響する第2の窒化ガリウム系半導体領域の結晶品質を精度良く評価できる。 In these methods, the photoluminescence spectrum intensity of a substrate product using a substrate having a non-specular back surface is affected by reflection from the back surface. The influence of this reflection changes according to the fluctuation of the roughness of the back surface. Further, not only the crystal growth conditions but also the amount of light reflected from the back surface of the substrate varies. However, according to this method, not only the second component from the second gallium nitride semiconductor region but also the spectral intensity of the first component from the first gallium nitride semiconductor region is measured. The effect of reflection is reduced by using the ratio between the first and second components of the spectrum. Because both the light traveling from the first and second gallium nitride based semiconductor regions toward the substrate is reflected by the back surface of the substrate, the reflection components of these lights similarly include the influence of the back surface of the substrate. This is because the light is superposed on the light directly observed from these gallium nitride based semiconductor regions. Therefore, the crystal quality of the second gallium nitride based semiconductor region that affects the characteristics of the semiconductor light emitting device can be accurately evaluated.
上記の本発明では、前記第2の窒化ガリウム系半導体領域は多重量子井戸構造を有することができる。多重量子井戸構造は、複数の井戸層を及び障壁層を含むので、これらの層の組成及び/又は膜厚は、スペクトル強度を変動させる要因である。本発明によれば、裏面からの反射光が、多重量子井戸構造からのスペクトルに与える影響を低減できる。 In the present invention described above, the second gallium nitride based semiconductor region may have a multiple quantum well structure. Since the multi-quantum well structure includes a plurality of well layers and a barrier layer, the composition and / or film thickness of these layers are factors that change the spectral intensity. According to the present invention, the influence of the reflected light from the back surface on the spectrum from the multiple quantum well structure can be reduced.
上記の本発明では、前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は単一の半導体層からなることが好ましい。本発明によれば、第1の窒化ガリウム系半導体領域は、基板裏面からの反射光量をモニタするために用いられるので、スペクトル強度を変動させる要因が第1の窒化ガリウム系半導体領域に少ないことが好ましい。このため、量子井戸構造といった比較的複雑な構造ではなく、単一の半導体層からなることが好ましい。 In the present invention described above, the first gallium nitride based semiconductor region is preferably composed of a single semiconductor layer. According to the present invention, since the first gallium nitride based semiconductor region is used for monitoring the amount of light reflected from the back surface of the substrate, the first gallium nitride based semiconductor region is less likely to cause a change in spectral intensity. preferable. For this reason, it is preferable not to have a relatively complicated structure such as a quantum well structure but to consist of a single semiconductor layer.
上記の本発明では、前記第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域からの前記第1及び第2の成分のピーク波長は共に、前記半導体基板のバンドギャップ波長より大きいことが好ましい。本発明によれば、第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域からのスペクトル光は共に基板を透過して、基板裏面によって反射される。また、上記の本発明では、前記第2の成分のピーク波長は前記第1の成分のピーク波長よりも大きいことが好ましい。本発明によれば、第2の窒化ガリウム系半導体領域からのスペクトル光は第1の窒化ガリウム系半導体領域の膜厚に関係なく吸収されない。したがって、第1の窒化ガリウム系半導体領域からのスペクトル光だけでなく第2の窒化ガリウム系半導体領域からのスペクトル光も基板の裏面によって反射される。 In the present invention, the peak wavelengths of the first and second components from the first and second gallium nitride based semiconductor regions are preferably both larger than the band gap wavelength of the semiconductor substrate. According to the present invention, both spectrum light from the first and second gallium nitride based semiconductor regions passes through the substrate and is reflected by the back surface of the substrate. In the present invention, the peak wavelength of the second component is preferably larger than the peak wavelength of the first component. According to the present invention, spectral light from the second gallium nitride based semiconductor region is not absorbed regardless of the film thickness of the first gallium nitride based semiconductor region. Therefore, not only the spectral light from the first gallium nitride based semiconductor region but also the spectral light from the second gallium nitride based semiconductor region is reflected by the back surface of the substrate.
上記の本発明では、前記半導体基板はIII族窒化物基板であることができる。III族窒化物基板は、例えばGaN、AlGaNまたはAlN等からなることができる。 In the present invention, the semiconductor substrate may be a group III nitride substrate. The group III nitride substrate can be made of, for example, GaN, AlGaN, AlN, or the like.
上記の本発明は、前記基板生産物の選別の後に、前記III族窒化物半導体光素子のための電極を形成する工程を更に備えることができる。本発明によれば、スペクトル強度が所望の値に到達しない基板生産物を除外して、メタライズの負担を低減できる。また、III族窒化物半導体光素子に望まれる特性に応じて、選別の基準を変更して、III族窒化物半導体光素子を作製できる。 The present invention may further include a step of forming an electrode for the group III nitride semiconductor optical device after the substrate product is selected. According to the present invention, it is possible to reduce the burden of metallization by excluding substrate products whose spectral intensity does not reach a desired value. In addition, a group III nitride semiconductor optical device can be manufactured by changing the selection criteria according to the characteristics desired for the group III nitride semiconductor optical device.
上記の本発明では、前記第2の窒化ガリウム系半導体領域は前記III族窒化物半導体光素子のための発光層を含むことが好ましい。本発明によれば、半導体発光素子の特性に影響する発光層の結晶品質を精度良く評価できる。 In the present invention described above, the second gallium nitride based semiconductor region preferably includes a light emitting layer for the group III nitride semiconductor optical device. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crystal quality of the light emitting layer which affects the characteristic of a semiconductor light emitting element can be evaluated with sufficient precision.
上記の本発明では、前記前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は、前記発光層に隣接していることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the first gallium nitride based semiconductor region is adjacent to the light emitting layer.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、フォトルミネッセンススペクトル強度を精度良く測定して、良好な素子特性を有するIII族窒化物半導体光素子を作製する方法が提供され、また、フォトルミネッセンススペクトルを測定する方法が提供される。 As described above, according to the present invention, there is provided a method for measuring a photoluminescence spectrum intensity with high accuracy to produce a group III nitride semiconductor optical device having good device characteristics, and for obtaining a photoluminescence spectrum. A method for measuring is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体光素子を作製する方法およびフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, an embodiment relating to a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and a method for measuring a photoluminescence spectrum of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体光素子を作製する方法およびフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法の工程フローを示す図面である。図2、図3、図4は、III族窒化物半導体光素子を作製する方法およびフォトルミネッセンススペクトルを測定する方法の主要な工程を概略的に示す模式図である。 FIG. 1 is a drawing showing a process flow of a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and a method for measuring a photoluminescence spectrum according to an embodiment of the present invention. 2, 3 and 4 are schematic views schematically showing main steps of a method for producing a group III nitride semiconductor optical device and a method for measuring a photoluminescence spectrum.
図1を参照しながら、III族窒化物半導体光素子として、例えば発光ダイオード(LED)を説明する。工程S101では、図2(a)に示されるように、LED構造を作成するための結晶成長に用いる基板11を準備する。基板11は、半導体基板であり、例えばGaN、AlGaN、AlN等といったIII族窒化物からなる。基板11は、第1の面11aと第1の面11aの反対側の第2の面11bを有する。第1の面11aのラフネスは第2の面11bのラフネスに比べて十分に小さく、第1の面11aのラフネスは、引き続く結晶成長において十分に良好な半導体結晶を成長できる程度のものである。好適な実施例では、第1の面11aは鏡面であり、第2の面11bは非鏡面である。鏡面は例えば10μm×10μmの範囲の平均2乗平方根粗さRMS(Root Mean Square)値が10nm以下であり、非鏡面のRMSは120nm以上である。基板11は、半導体積層を形成するための成長装置13のステージ13a上に設置される。例えば、GaN基板では、GaN基板の表面は鏡面処理されており、GaN基板の裏面は、コスト低減のために鏡面処理されておらず、非鏡面であるが、結晶成長工程において不都合が生じない程度に平坦な面である。本実施の形態で使用するGaN基板は、例えばシリコン酸化物からなる絶縁膜マスクパターンが形成されたGaAs基板上にHVPE法で成長されたGaN厚膜からスライスして作製されており、スライスの後にGaN基板の裏面に鏡面研磨のための処理(研削、研磨、エッチング等)の処理を行っていない。
For example, a light-emitting diode (LED) will be described as a group III nitride semiconductor optical device with reference to FIG. In step S101, as shown in FIG. 2A, a
図2(b)に示されるように、工程S102では、成長装置13に配置された基板11上に半導体積層15を形成する。半導体積層15は、第1の窒化ガリウム系半導体領域(以下、「第1のGaN系半導体領域」と記す)17及び第2の窒化ガリウム系半導体領域(以下、「第2のGaN系半導体領域」と記す)19を含む。第1のGaN系半導体領域17は第2のGaN系半導体領域19と基板11との間に設けられている。LED製造工程における結晶成長条件の変動を監視するために、フォトルミネセンス・スペクトル(以下、「PLスペクトル」と記す)により第2のGaN系半導体領域19の結晶品質を測定する。第1のGaN系半導体領域17は、上記のモニタを補助するために用いられる。好適な実施例では、第2のGaN系半導体領域19はIII族窒化物半導体光素子のための発光層を含むことが好ましい。半導体発光素子の特性に影響する発光層の結晶品質を精度良く評価できる。
As shown in FIG. 2B, in step S <b> 102, the
本実施例では、半導体積層15は、上記のGaN系半導体領域17、19に加えて、窒化ガリウム系半導体からなるバッファ層21、窒化ガリウム系半導体からなる電子ブロック層23、窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層25を含むことができる。このように、基板主面11a上に半導体積層15を成長して、III族窒化物半導体光素子のための基板生産物E1を形成する。
In this embodiment, the
工程S103では、基板生産物E1に励起光LEXを照射してPLスペクトルをPL測定装置31において測定する。図3(a)に示されるように、基板11の主面11a上に成長された第1及び第2のGaN系半導体領域17、19に、PLスペクトル測定のための励起光LEXを照射するので、PLスペクトルは、第2のGaN系半導体領域19からの第2の成分LOUT2だけでなく、第1のGaN系半導体領域17からの第1の成分LOUT1も含む。第2の成分LOUT2は、直接成分L(D)OUT2及び反射成分L(R)OUT2を含み、図示されているように、反射成分L(R)OUT2は基板11の非鏡面の裏面11bにおいて反射されて生成される。このため、測定される第2の成分LOUT2は、直接成分L(D)OUT2だけでなく、非鏡面の裏面の反射率によって変動する反射成分L(R)OUT2も含む。この故に、第2の成分LOUT2のPLスペクトル強度の変化が、常に第2のGaN系半導体領域19の製造工程における変動に起因するものとは限らない。
In step S <b> 103, the substrate product E <b> 1 is irradiated with the excitation light L EX and the PL spectrum is measured by the
第1の成分LOUT1も、第2の成分と同様に、直接成分L(D)OUT1及び反射成分L(R)OUT1を含み、図示されているように、反射成分L(R)OUT1は基板11の非鏡面の裏面において反射されて生成される。このため、測定される第1の成分LOUT1は、第2の成分と同様に、直接成分L(D)OUT1だけでなく、非鏡面の裏面の反射率によって変動する反射成分L(R)OUT1も含む。この故に、第1の成分LOUT1のPLスペクトル強度は、第1のGaN系半導体領域17の製造工程における成膜条件変動にも依存するけれども、非鏡面の裏面の反射率によって変動する。
Similarly to the second component, the first component L OUT1 also includes a direct component L (D) OUT1 and a reflection component L (R) OUT1 , and as shown, the reflection component L (R) OUT1 is a substrate. 11 is reflected and generated on the back surface of the non-mirror surface. Therefore, the first component L OUT1 to be measured is not only the direct component L (D) OUT1 but also the reflection component L (R) OUT1 that varies depending on the reflectance of the back surface of the non-specular surface, in the same manner as the second component. Including. For this reason, the PL spectral intensity of the first component L OUT1 varies depending on the reflectance of the back surface of the non-specular surface although it depends on the film forming condition variation in the manufacturing process of the first GaN-based
PLスペクトルの測定の後に、工程S104において、PLスペクトル強度(例えばピーク強度)の第1の成分LOUT1と第2の成分LOUT2との比を生成する。 After the measurement of the PL spectrum, in step S104, a ratio between the first component L OUT1 and the second component L OUT2 of the PL spectrum intensity (for example, peak intensity) is generated.
既に説明したように、非鏡面の裏面を有する基板11を用いた基板生産物E1のPLスペクトル強度には、該裏面11bからの反射の影響がある。この反射の影響は、裏面11bのラフネスの増加に応じて増大する。また、結晶成長条件だけでなく基板裏面11bからの反射の光量もばらつく。
As already described, the PL spectrum intensity of the substrate product E1 using the
工程S105においては、PLスペクトルの第1の成分LOUT1と第2の成分LOUT2との比を生成する。この比は、第2のGaN系半導体領域19の品質を示す値として用いられる。LEDの製造工程では、比(例えば、LOUT2/LOUT1)は、第2のGaN系半導体領域19の品質を示す所定値と比較される。該比較の結果に基づいて基板生産物E1が選別される。
In step S105, a ratio between the first component L OUT1 and the second component L OUT2 of the PL spectrum is generated. This ratio is used as a value indicating the quality of the second GaN-based
上記のように、第2のGaN系半導体領域19からの第2の成分LOUT2だけでなく第1のGaN系半導体領域17からの第1の成分LOUT1のスペクトル強度も測定するので、裏面11bからの反射の影響は、スペクトルの第1の成分LOUT1と第2の成分LOUT2との比を用いることによって低減される。なぜなら、第1および第2のGaN系半導体領域17、19から基板11に向いて進む光は共に、基板11の裏面11bによって反射されるので、反射光は同じ様に基板11の裏面11bの影響を含んでおり、これらの窒化ガリウム系半導体領域17、19から直接に観測される光に重畳されるからである。したがって、LEDの光学特性に影響する第2の窒化ガリウム系半導体領域19の結晶品質を精度良く評価できる。
As described above, not only the second component L OUT2 from the second GaN-based
実施例では、第1及び第2のGaN系半導体領域17、19からの第1及び第2の成分LOUT1、LOUT2のピーク波長は共に、半導体基板のバンドギャップ波長より大きいことが好ましい。第1及び第2のGaN系半導体領域17、19からのPLスペクトル光は共に、吸収されることなく基板11を透過して、基板裏面11bによって反射される。反射光は、基板11並びに第1及び第2のGaN系半導体領域17、19を透過して、エピタキシャル基板E1から放出される。測定のための検出器は、この放出光を検知する。
In the embodiment, the peak wavelengths of the first and second components L OUT1 and L OUT2 from the first and second GaN-based
また、第2の成分LOUT2のピーク波長は第1の成分LOUT2のピーク波長よりも大きいことが好ましい。第2のGaN系半導体領域19からのPLスペクトル光は第1のGaN系半導体領域17の膜厚に関係なく吸収されない。したがって、第1のGaN系半導体領域17からのPLスペクトル光だけでなく第2のGaN系半導体領域19からのPLスペクトル光も第1のGaN系半導体領域17を透過して基板11の裏面11bに到達する。
The peak wavelength of the second component L OUT2 is preferably greater than the peak wavelength of the first component L OUT2. The PL spectrum light from the second GaN-based
図5に示すような、参考のためのLED構造は、非鏡面の裏面を有するn型GaN基板上に作製されたエピタキシャル膜構造を含み、このエピタキシャル膜構造は、第1のGaN系層17を含まない。このため、観測された第2の成分LOUT2は、直接成分L(D)OUT2だけでなく反射成分L(R)OUT2も含む。反射成分L(R)OUT2の影響の有無を知ることができない。
The reference LED structure as shown in FIG. 5 includes an epitaxial film structure fabricated on an n-type GaN substrate having a non-specular back surface, the epitaxial film structure comprising a first GaN-based
再び図1を参照すると、工程S106では、必要な場合には、選別されたエピタキシャル基板E1に、次工程の処理を施す。この処理としては、例えば、X線測定やキャリア濃度測定といった他の検査工程や、結晶成長、エッチング、成膜、洗浄等がある。 Referring to FIG. 1 again, in step S106, if necessary, the selected epitaxial substrate E1 is processed in the next step. Examples of this process include other inspection processes such as X-ray measurement and carrier concentration measurement, crystal growth, etching, film formation, and cleaning.
工程S107では、必要な場合には、選別されたエピタキシャル基板E1に、非鏡面の裏面11bの処理を行う。具体的には、基板11の裏面11bの研磨又は研削を行って、基板11dを含むエピタキシャル基板E2を作製する。図3(b)に示すように、基板11dは、裏面11bのラフネスよりも小さいラフネスの裏面11eを有する。
In step S107, if necessary, the
エピタキシャル基板E2といった基板生産物の選別の後に、工程S108では、III族窒化物半導体光素子のための電極33a、33bを形成する。図4に示されるように、電極33a(例えば、アノード)はエピタキシャル基板E2のコンタクト層25上に形成されており、電極33b(例えば、カソード)は基板11dの裏面11e上に形成される。この方法によれば、PLスペクトル強度が所望の値に到達しない基板生産物を除外して、メタライズの負担を低減できる。また、III族窒化物半導体光素子に望まれる特性に応じて、選別の基準を変更して、III族窒化物半導体光素子を作製できる。
After the selection of the substrate product such as the epitaxial substrate E2, in step S108,
図2(b)に示されるように、例えば、第2のGaN系半導体領域19は多重量子井戸構造27を有することができる。多重量子井戸構造27は、複数の井戸層27a、障壁層27b、及び障壁層(及び/又はガイド層27c)を含むので、これらの層の組成及び/又は膜厚は、スペクトル強度を変動させる要因である。裏面11bからの反射光が、多重量子井戸構造27からのPLスペクトルに与える影響を低減できる。
As shown in FIG. 2B, for example, the second GaN-based
また、第1のGaN系半導体領域17は単一の半導体層からなることが好ましい。第1のGaN系半導体領域17は、基板裏面11bからの反射光量をモニタするために用いられるので、PLスペクトル強度を変動させる要因が第1のGaN系半導体領域17に少ないことが好ましい。このため、量子井戸構造27といった比較的複雑な構造ではなく、単一の半導体層からなることが好ましい。
The first GaN-based
さらに、第1のGaN系半導体領域17は、第2のGaN系半導体領域19である発光層に隣接していることが好ましい。第1のGaN系半導体領域17と第2のGaN系半導体領域19を近づけることで、表面から遠くに位置する第1のGaN系半導体領域17も十分に励起できるという利点がる。
Furthermore, the first GaN-based
(実施例)
LEDエピタキシャル層構造の成長プロセスを説明する。鏡面の主面と非鏡面の裏面を有するGaN基板を準備する。このGaN基板を有機金属気相成長炉にセットした。成長炉にアンモニア(NH3)及び水素(H2)を供給して、前処理(サーマルクリーニング)のために、摂氏1050度の雰囲気において10分間保持した。この後に、摂氏1150度において、Siを添加しながらGaN膜をGaN基板主面上に成長した。GaN膜厚は2μmであった。次いで、GaN基板の裏面の状態をモニタするための層として、Siを添加しながらIn0.05Ga0.95N膜を摂氏800度の成長温度で成長した。In0.05Ga0.95N膜の厚さは、50nmであった。続いて、MQW発光層を作製した。MQW発光層は、交互に配置されたアンドープIn0.14Ga0.86N井戸層(厚さ:3nm)及びアンドープIn0.01Ga0.99N障壁層(厚さ:15nm)を含む。この後に、摂氏1100度の成長温度で、Mgを添加しながらp型Al0.18Ga0.82N電子ブロック層(厚さ:20nm)を成長すると共に、Mgを添加しながらp型GaNコンタクト層(厚さ:50nm)を成長した。
(Example)
The growth process of the LED epitaxial layer structure will be described. A GaN substrate having a major mirror surface and a non-mirror rear surface is prepared. This GaN substrate was set in a metal organic chemical vapor deposition reactor. Ammonia (NH 3 ) and hydrogen (H 2 ) were supplied to the growth furnace and maintained for 10 minutes in an atmosphere of 1050 degrees Celsius for pretreatment (thermal cleaning). Thereafter, at 1150 degrees Celsius, a GaN film was grown on the main surface of the GaN substrate while adding Si. The GaN film thickness was 2 μm. Next, an In 0.05 Ga 0.95 N film was grown at a growth temperature of 800 degrees Celsius while adding Si as a layer for monitoring the state of the back surface of the GaN substrate. The thickness of the In 0.05 Ga 0.95 N film was 50 nm. Subsequently, an MQW light emitting layer was produced. The MQW light emitting layer includes undoped In 0.14 Ga 0.86 N well layers (thickness: 3 nm) and undoped In 0.01 Ga 0.99 N barrier layers (thickness: 15 nm) arranged alternately. Thereafter, a p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron blocking layer (thickness: 20 nm) is grown while adding Mg at a growth temperature of 1100 degrees Celsius, and a p-type GaN contact is added while adding Mg. A layer (thickness: 50 nm) was grown.
このLEDのエピタキシャル膜構造(「LED構造A」として参照する)を示す。
基板11:非鏡面の裏面を有するn型GaN基板
バッファ層21:Si添加のn型GaN、2μm
第1のGaN系層17:Si添加のn型In0.05Ga0.95N、50nm
第2のGaN系層19:MQW発光層
井戸層:アンドープIn0.14Ga0.86N、3nm
障壁層:アンドープIn0.01Ga0.99N、15nm
電子ブロック層23:Mg添加のp型Al0.18Ga0.82N、20nm
コンタクト層25:Mg添加のp型GaN、50nm。
また、このLED構造におけるバンドギャップ波長は
GaN基板:365nm
n型In0.05Ga0.95N:390nm
アンドープIn0.14Ga0.86N:450nm
である。
The LED epitaxial film structure (referred to as “LED structure A”) is shown.
Substrate 11: n-type GaN
First GaN-based layer 17: Si-doped n-type In 0.05 Ga 0.95 N, 50 nm
Second GaN-based layer 19: MQW light emitting layer Well layer: undoped In 0.14 Ga 0.86 N, 3 nm
Barrier layer: undoped In 0.01 Ga 0.99 N, 15 nm
Electron blocking layer 23: Mg-added p-type Al 0.18 Ga 0.82 N, 20 nm
Contact layer 25: Mg-added p-type GaN, 50 nm.
The band gap wavelength in this LED structure is GaN substrate: 365 nm
n-type In 0.05 Ga 0.95 N: 390 nm
Undoped In 0.14 Ga 0.86 N: 450 nm
It is.
結晶成長条件の変動が反映されたLED構造を得るために、LED構造Aと同一の構造および成長シーケンスを用いて作製するが、LED構造Aとは異なる成長ランでLED構造Bを作製した。 In order to obtain an LED structure in which fluctuations in crystal growth conditions are reflected, the LED structure B is manufactured using the same structure and growth sequence as the LED structure A, but with a growth run different from the LED structure A.
図6は、LED構造A、BのPLスペクトル強度を示す図面である。図6(a)は、LED構造A、Bの第2のGaN系層(発光層)からのスペクトルを示す図面であり、図6(b)は、LED構造A、Bの第1のGaN系層(補助層)からのスペクトルを示す図面である。波長450nm付近のPLスペクトルのピークがMQW構造からの発光であり、波長390nm付近のPLスペクトルのピークが補助層からの発光である。MQW構造からの発光に関して、PLピーク強度比、つまり(LED構造A)/(LED構造B)は1.8である。補助層からの発光に関しては、LED構造Aからのフォトルミネッセンスが、LED構造Bからのフォトルミネッセンスより強い。これは、LED構造Aの基板の裏面のラフネスが荒く、基板裏面からの反射が多いことを示す。 FIG. 6 is a diagram showing the PL spectrum intensity of the LED structures A and B. 6A is a diagram showing a spectrum from the second GaN-based layer (light emitting layer) of the LED structures A and B, and FIG. 6B is a first GaN-based LED structure of the LED structures A and B. It is drawing which shows the spectrum from a layer (auxiliary layer). The peak of the PL spectrum near the wavelength of 450 nm is emitted from the MQW structure, and the peak of the PL spectrum near the wavelength of 390 nm is emitted from the auxiliary layer. For light emission from the MQW structure, the PL peak intensity ratio, ie (LED structure A) / (LED structure B) is 1.8. Regarding light emission from the auxiliary layer, the photoluminescence from the LED structure A is stronger than the photoluminescence from the LED structure B. This indicates that the roughness of the back surface of the substrate of the LED structure A is rough and there are many reflections from the back surface of the substrate.
LED構造A、Bの基板の裏面を研磨により鏡面を形成した。p側電極としてNi/Auを蒸着し、n側電極としてTi/Alを蒸着して、LEDデバイス(これらを「LEDデバイスA」及び「LEDデバイスB」として参照)を作製した。エレクトロルミネッセンス(EL)スペクトルは、LEDデバイスA、Bに20mAの電流を印加して測定された。MQW構造からの発光が観測され、補助層(In0.05Ga0.95N)からの発光は観測されなかった。図7は、LEDデバイスA、BのELスペクトル強度を示す図面である。MQW構造からの発光に関して、ELピーク強度比、つまり(LEDデバイスA)/(LEDデバイスB)は1.3である。 A mirror surface was formed by polishing the back surfaces of the substrates of the LED structures A and B. Ni / Au was vapor-deposited as a p-side electrode, and Ti / Al was vapor-deposited as an n-side electrode to produce LED devices (referred to as “LED device A” and “LED device B”). The electroluminescence (EL) spectrum was measured by applying a current of 20 mA to the LED devices A and B. Light emission from the MQW structure was observed, and light emission from the auxiliary layer (In 0.05 Ga 0.95 N) was not observed. FIG. 7 is a diagram showing the EL spectral intensities of LED devices A and B. For light emission from the MQW structure, the EL peak intensity ratio, ie (LED device A) / (LED device B) is 1.3.
PLスペクトル強度及びELスペクトル強度の測定値を以下に示す。
デバイス PLスペクトル強度 ELスペクトル強度
The measured values of PL spectrum intensity and EL spectrum intensity are shown below.
Device PL spectrum intensity EL spectrum intensity
MQW InGaN層 比 MQWの発光
構造A:6.32×106、1.32×106、47.9 1.27×104
構造B:3.56×106、1.00×106 35.6 9.77×103
A/B:1.78倍 1.34倍 1.30倍
MQW InGaN layer ratio MQW light emitting structure A: 6.32 × 10 6 , 1.32 × 10 6 , 47.9 1.27 × 10 4
Structure B: 3.56 × 10 6 , 1.00 × 10 6 35.6 9.77 × 10 3
A / B: 1.78 times 1.34 times 1.30 times
上記の値を検討すると、ELスペクトル強度の比率(A/B)は1.30であり、一方、MQWのPLスペクトル強度の比率(A/B)は約1.8である。つまり、PLスペクトル強度を用いてMQWの品質を正確に見積もることはできていない。一方、PLスペクトル強度における補助層に対するMQWの比(MQW/補助層)は、1.34であり、ELスペクトル強度の比率(A/B)1.30に近い。 Examining the above values, the ratio (A / B) of EL spectral intensity is 1.30, while the ratio of PL spectral intensity (A / B) of MQW is about 1.8. That is, the quality of MQW cannot be accurately estimated using the PL spectrum intensity. On the other hand, the ratio of MQW to auxiliary layer (MQW / auxiliary layer) in the PL spectrum intensity is 1.34, which is close to the ratio (A / B) of EL spectrum intensity (A / B) of 1.30.
基板裏面のラフネスのばらつきによって、LED構造からの光の取り出し効率が個々に異なる。この実施例では、LED構造Aにおける補助層(InGaN層)からのPLスペクトル強度が、LED構造Bに比べて強いので、LED構造Aの基板裏面のラフネスが大きいと推測される。 The light extraction efficiency from the LED structure varies depending on the roughness of the back surface of the substrate. In this example, since the PL spectrum intensity from the auxiliary layer (InGaN layer) in the LED structure A is stronger than that in the LED structure B, it is estimated that the roughness of the back surface of the substrate of the LED structure A is large.
比(MQW/補助層)を用いて、基板裏面からの反射光の影響を低減させると、上記のように、補償されたPLスペクトル強度(1.34)はELスペクトル強度の比率(A/B)1.30に近づく。 When the ratio (MQW / auxiliary layer) is used to reduce the influence of the reflected light from the back surface of the substrate, the compensated PL spectrum intensity (1.34) becomes the EL spectrum intensity ratio (A / B) as described above. ) Approaching 1.30.
資材コスト削減などの理由により、GaN基板の裏面を非鏡面(as sliced)にすることがある。PLスペクトルは、発光層から直接にエピタキシャル基板表面に到達する成分と、基板裏面によって反射されてエピタキシャル基板表面に到達する成分とがあり、本実施例のように、GaN基板上にホモエピタキシャル成長されたGaN層があるとき、或いはGaN基板とエピタキシャルGaN系層との屈折率差が小さいとき、基板裏面からの反射成分を無視できない。非鏡面の基板裏面からの反射光の量は鏡面処理された裏面に比べて多く、なぜなら、非鏡面の裏面で乱反射された光は表面で全反射される確率が減り、半導体層の外に出てきやすくなるからである。基板裏面のラフネスは、結晶成長条件の変動と独立して変動するので、成膜条件の変動に起因するPLスペクトルの変化に反射成分に影響が重なる。観測されるPLスペクトルには、発光層の品質を示す信号に加えて、基板裏面等により反射成分のノイズが含まれている。したがって、PLスペクトルを用いた結晶品質の評価が難しくなる。 For reasons such as material cost reduction, the back surface of the GaN substrate may be made non-mirrored (as sliced). The PL spectrum has a component that directly reaches the surface of the epitaxial substrate from the light emitting layer and a component that is reflected by the back surface of the substrate and reaches the surface of the epitaxial substrate, and is homoepitaxially grown on the GaN substrate as in this example. When there is a GaN layer, or when the refractive index difference between the GaN substrate and the epitaxial GaN-based layer is small, the reflection component from the back surface of the substrate cannot be ignored. The amount of reflected light from the back surface of the non-specular substrate is larger than that of the back surface that has been mirror-finished. It is because it becomes easy to come. Since the roughness of the back surface of the substrate varies independently of the variation of the crystal growth conditions, the reflection component has an influence on the change of the PL spectrum caused by the variation of the film forming conditions. In the observed PL spectrum, in addition to a signal indicating the quality of the light emitting layer, noise of a reflection component is included due to the back surface of the substrate. Therefore, it becomes difficult to evaluate the crystal quality using the PL spectrum.
本発明の実施の形態では、基板より小さいバンドギャップを有する半導体層(補助層)からのPLスペクトル強度を測定する。この半導体層は、成膜のラン毎のPLスペクトル強度変動が発光層に比べて小さい単膜からなることが好ましい。この半導体層のPL強度を補助に用いれば、基板裏面のラフネスの変動を監視できる。例えば、PLスペクトル強度が向上した場合に、以下に従って判断できる。
(a)補助層からのPLスペクトル強度も向上していれば、裏面の影響が増加した。
(b)補助層からのPLスペクトル強度が向上していなければ、発光層の結晶品質が向上した。
In the embodiment of the present invention, the PL spectrum intensity from a semiconductor layer (auxiliary layer) having a band gap smaller than that of the substrate is measured. This semiconductor layer is preferably composed of a single film in which the PL spectrum intensity fluctuation for each film formation run is smaller than that of the light emitting layer. If the PL intensity of the semiconductor layer is used as an auxiliary, fluctuations in roughness on the back surface of the substrate can be monitored. For example, when the PL spectrum intensity is improved, it can be determined according to the following.
(A) If the PL spectrum intensity from the auxiliary layer was improved, the influence of the back surface increased.
(B) If the PL spectrum intensity from the auxiliary layer was not improved, the crystal quality of the light emitting layer was improved.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、本発明は、本実施の形態では、量子井戸構造を有する半導体光素子を説明したけれども、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、発光ダイオードといった半導体発光素子を説明したけれども、半導体レーザこともできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. In the present embodiment, for example, the present invention has described a semiconductor optical device having a quantum well structure in the present embodiment, but the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. In this embodiment, a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode has been described. However, a semiconductor laser can also be used. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
11…基板、11a…基板11の面(主面)、11b…基板11の面(裏面)、11d…研削された基板、13…成長装置、15…半導体積層、17…第1の窒化ガリウム系半導体領域(第1のGaN系半導体領域)、19…第2の窒化ガリウム系半導体領域(第2のGaN系半導体領域)、21…バッファ層、23…電子ブロック層、25…コンタクト層、27…多重量子井戸構造、27a…井戸層、27b…障壁層、27c…障壁層及び/又はガイド層、31…PL測定装置、
33a、33b…電極、E1…基板生産物、LEX…励起光、LOUT1…第1のGaN系半導体領域からの第1の成分、LOUT2…第2のGaN系半導体領域からの第2の成分、L(D)OUT1、L(D)OUT2…直接成分、L(R)OUT1、L(R)OUT2…反射成分
DESCRIPTION OF
33a, 33b ... electrodes, E1 ... substrate product, LEX ... excitation light, LOUT1 ... first component from the first GaN-based semiconductor region, LOUT2 ... second from the second GaN-based semiconductor region Component, L (D) OUT1 , L (D) OUT2 ... Direct component, L (R) OUT1 , L (R) OUT2 ... Reflection component
Claims (10)
鏡面の主面と非鏡面の裏面を有する半導体基板を成長装置に配置する工程と、
第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域を含む半導体積層を前記半導体基板の前記主面上に前記成長装置で成長して、前記III族窒化物半導体光素子のための基板生産物を形成する工程と、
前記基板生産物に励起光を照射して、前記第1の窒化ガリウム系半導体領域からの第1の成分および前記第2の窒化ガリウム系半導体領域からの第2の成分を含むフォトルミネッセンススペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンススペクトルの前記第1の成分と前記第2の成分との比を生成する工程と、
前記第2の窒化ガリウム系半導体領域の品質を示す所定の値を前記比と比較して、該比較の結果に基づいて前記基板生産物を選別する工程とを備え、
前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は前記第2の窒化ガリウム系半導体領域と前記半導体基板との間に設けられている、ことを特徴とする方法。 A method of fabricating a group III nitride semiconductor optical device,
Placing a semiconductor substrate having a major mirror surface and a non-mirror back surface in a growth apparatus;
A semiconductor stack including first and second gallium nitride based semiconductor regions is grown on the main surface of the semiconductor substrate with the growth apparatus to form a substrate product for the group III nitride semiconductor optical device. Process,
Irradiating the substrate product with excitation light and measuring a photoluminescence spectrum including a first component from the first gallium nitride based semiconductor region and a second component from the second gallium nitride based semiconductor region And a process of
Generating a ratio of the first component to the second component of the photoluminescence spectrum;
Comparing the predetermined value indicating the quality of the second gallium nitride based semiconductor region with the ratio, and sorting the substrate product based on the result of the comparison,
The first gallium nitride based semiconductor region is provided between the second gallium nitride based semiconductor region and the semiconductor substrate.
前記第2の成分のピーク波長は前記第1の成分のピーク波長よりも大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。 The peak wavelengths of the first and second components from the first and second gallium nitride based semiconductor regions are both larger than the band gap wavelength of the semiconductor substrate,
4. The method according to claim 1, wherein a peak wavelength of the second component is larger than a peak wavelength of the first component. 5.
鏡面の主面と非鏡面の裏面とを有する半導体基板上の前記主面上に成長された第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域に励起光を照射して、前記第1及び第2の窒化ガリウム系半導体領域からの第1及び第2の成分をそれぞれ含むフォトルミネッセンススペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンススペクトルの前記第1の成分と前記第2の成分との比を、前記第2の窒化ガリウム系半導体領域の品質を示す値として生成する工程と
を備え、
前記第1の窒化ガリウム系半導体領域は前記第2の窒化ガリウム系半導体領域と前記半導体基板との間に設けられている、ことを特徴とする方法。 A method for measuring a photoluminescence spectrum of a gallium nitride based semiconductor region,
Irradiating excitation light to the first and second gallium nitride based semiconductor regions grown on the main surface on a semiconductor substrate having a mirror main surface and a non-mirror back surface, the first and second Measuring photoluminescence spectra each including first and second components from a gallium nitride based semiconductor region;
Generating a ratio between the first component and the second component of the photoluminescence spectrum as a value indicating the quality of the second gallium nitride based semiconductor region,
The first gallium nitride based semiconductor region is provided between the second gallium nitride based semiconductor region and the semiconductor substrate.
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