JP4949181B2 - Substrate, method for growing gallium nitride compound semiconductor using the same, and gallium nitride compound semiconductor - Google Patents

Substrate, method for growing gallium nitride compound semiconductor using the same, and gallium nitride compound semiconductor Download PDF

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Description

本発明は、例えば窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるための窒化ガリウム系化合物半導体から成る基板、それを用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長用方法、及び窒化ガリウム系化合物半導体に関するものである。   The present invention relates to a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor for growing, for example, a gallium nitride compound semiconductor, a method for growing a gallium nitride compound semiconductor using the substrate, and a gallium nitride compound semiconductor.

化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体としての窒化ガリウム(GaN),窒化インジウム(InN),窒化アルミニウム(AlN)等は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップ(ワイドバンドギャップ)を持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子、フォトディテクターや火炎センサー等の受光素子として利用されている。 Gallium nitride (GaN), indium nitride (InN) as a gallium nitride-based compound semiconductor represented by the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) ), Aluminum nitride (AlN), etc. are direct transition type compound semiconductors, and have a wide band gap (wide band gap), so light emission of blue light, blue violet light or violet light light emitting diode or laser diode, etc. It is used as a light-receiving element such as an element, a photodetector or a flame sensor.

また、電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、MESFET(Metal-Semiconductor FET)、MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor FET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)等の電子素子において、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたものは、GaAsに近いキャリア輸送特性を有し、ワイドバンドギャップを持ち、破壊電界が高いことから、高周波及び高出力トランジスタの材料として有望視されている。   In addition, in electronic elements such as field effect transistors (FETs), MESFETs (Metal-Semiconductor FETs), MISFETs (Metal-Insulator-Semiconductor FETs), high electron mobility transistors (HEMTs), A material using a gallium nitride compound semiconductor has a carrier transport property close to that of GaAs, has a wide band gap, and has a high breakdown electric field. Therefore, it is considered promising as a material for a high-frequency and high-power transistor.

特に、近年では青色光発光素子、紫色光発光素子、紫外光発光素子等の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子からの発光を受け、波長変換された光を発する蛍光体及び燐光体を設けた照明装置の製品開発が進んでいる。このような照明装置では、蛍光体及び燐光体の変換効率を向上させることと、発光素子の発光効率を向上させることが重要課題となっている。   In particular, in recent years, phosphors and phosphors that emit light from wavelength-converted light received from light-emitting elements made of gallium nitride-based compound semiconductors such as blue light-emitting elements, violet light-emitting elements, and ultraviolet light-emitting elements are provided. Development of lighting equipment products is progressing. In such an illumination device, it is important to improve the conversion efficiency of phosphors and phosphors and to improve the light emission efficiency of the light emitting element.

発光素子の発光効率を向上させるためには内部量子効率を向上させることが重要であり、そのためには非発光再結合中心となる結晶欠陥を低減した窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる必要がある。   In order to improve the light emission efficiency of the light emitting element, it is important to improve the internal quantum efficiency. For this purpose, it is necessary to grow a gallium nitride-based compound semiconductor in which crystal defects serving as non-radiative recombination centers are reduced.

窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長には、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合性の高い良質な基板が実現していないため、サファイア基板や窒化珪素(6H−SiC)基板等の異種材料(窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性が低い材料)の単結晶からなる基板を用いている。因みに、サファイア基板とGaNでは格子不整合が13.8%、熱膨張係数差が3.2×10−6/Kであり、6H−SiC基板とGaNでは格子不整合が3.4%、熱膨張係数差が1.7×10−6/Kである。 For crystal growth of gallium nitride compound semiconductors, a high-quality substrate having high lattice matching with the gallium nitride compound semiconductor has not been realized. Therefore, dissimilar materials such as sapphire substrates and silicon nitride (6H-SiC) substrates (gallium nitride) A substrate made of a single crystal of a material having a low lattice matching with a system compound semiconductor is used. Incidentally, the lattice mismatch is 13.8% and the thermal expansion coefficient difference is 3.2 × 10 −6 / K between the sapphire substrate and GaN, and the lattice mismatch is 3.4% between the 6H—SiC substrate and GaN. The expansion coefficient difference is 1.7 × 10 −6 / K.

これらの窒化ガリウム系化合物半導体との格子不整合性が大きい基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長においては、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間に歪み緩衝層(バッファ層)を挿入することが実施されている。具体的には、サファイアから成る基板上にGaN等の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる場合、低温(400〜800℃)でAlNもしくはGaNから成るバッファ層を成長させた後に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる方法が採られている。この場合、サファイアから成る基板上に低温堆積させたAlNもしくはGaNから成るバッファ層は、ほとんどアモルファス状態で堆積する。   In epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor using a substrate having a large lattice mismatch with these gallium nitride compound semiconductors, a strain buffer layer (buffer layer) is inserted between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor. Has been implemented. Specifically, when a gallium nitride compound semiconductor such as GaN is grown on a substrate made of sapphire, a gallium nitride compound semiconductor is grown after a buffer layer made of AlN or GaN is grown at a low temperature (400 to 800 ° C.). The method of growing is taken. In this case, the buffer layer made of AlN or GaN deposited on the substrate made of sapphire at a low temperature is almost deposited in an amorphous state.

その後、バッファ層は昇温過程において結晶化し、柱状組織を形成する。次に、柱状組織が形成されたAlNもしくはGaNから成るバッファ層上に、窒化ガリウム系化合物半導体が隣接する柱状構造を埋め込むように成長が進み、平坦な表面を持つ窒化ガリウム系化合物半導体層が成長する。従って、上記の窒化ガリウム系化合物半導体の成長過程では、初期成長は3次元的な島状成長から始まり、最終的に2次元的な層状成長になる。そのため、ガリウム砒素(GaAs)基板上にガリウム砒素化合物半導体を成長させるようなホモエピタキシャル成長にみられる2次元の層状成長の過程に比べて、Ga元素とN元素の積層順序が反転した反位領域境界(inversion domain boundary)、微結晶と微結晶が横方向成長して合体する際に発生すると考えられる欠陥が多く発生する。   Thereafter, the buffer layer is crystallized in the temperature rising process to form a columnar structure. Next, on the buffer layer made of AlN or GaN with a columnar structure, the growth proceeds so that the gallium nitride compound semiconductor embeds the adjacent columnar structure, and a gallium nitride compound semiconductor layer having a flat surface grows. To do. Therefore, in the growth process of the gallium nitride compound semiconductor, the initial growth starts from three-dimensional island growth and finally becomes two-dimensional layer growth. Therefore, in contrast to the two-dimensional layer growth process of homoepitaxial growth in which a gallium arsenide compound semiconductor is grown on a gallium arsenide (GaAs) substrate, the dislocation region boundary in which the stacking order of Ga and N elements is reversed. (Inversion domain boundary), many defects that are considered to occur when microcrystals and microcrystals grow laterally and merge.

従って、サファイアから成る基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた場合、その窒化ガリウム系化合物半導体中には密度1×10〜1×1010cm−2の転位が生じる。 Therefore, when a gallium nitride compound semiconductor is grown on a substrate made of sapphire, dislocations having a density of 1 × 10 8 to 1 × 10 10 cm −2 are generated in the gallium nitride compound semiconductor.

近年、ハイドライド気相成長法(HVPE法)とエピタキシャル横方向成長法(ELO法)を組み合わせて、GaNとサファイアから成る基板との界面から引き継がれる貫通転位を横方向に湾曲させ、数百μmの厚さに成長させたGaN層をサファイアから成る基板から剥離し、窒化ガリウム系化合物半導体成長用等のバルク結晶の基板として用いることがある。このようなGaNバルク結晶から成る基板の転位密度は、1×10〜1×10cm−2であり、GaNホモエピタキシー成長に用いられる。
特開平2−229476号公報
In recent years, by combining hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and epitaxial lateral growth (ELO), the threading dislocations inherited from the interface between the GaN and sapphire substrate are laterally curved, and several hundred μm A GaN layer grown to a thickness may be peeled off from a sapphire substrate and used as a bulk crystal substrate for gallium nitride compound semiconductor growth. The dislocation density of the substrate made of such a GaN bulk crystal is 1 × 10 6 to 1 × 10 7 cm −2 and is used for GaN homoepitaxy growth.
JP-A-2-229476

従来の窒化ガリウム系化合物半導体の成長においては、窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長層と基板との間の格子不整合を緩和する目的で、低温堆積層に代表されるような歪み緩衝層(バッファ層)を、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間に挿入することが用いられている。歪み緩衝層の挿入によって、窒化ガリウム系化合物半導体と大きな格子不整合性を有するサファイア等から成る基板上にも、発光素子や電子デバイス等のデバイスに応用可能な窒化ガリウム系化合物半導体層の成長が可能になった。   In the conventional growth of gallium nitride compound semiconductors, a strain buffer layer (buffer layer) typified by a low-temperature deposition layer is used to alleviate lattice mismatch between the epitaxial growth layer of the gallium nitride compound semiconductor and the substrate. Is inserted between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor. By inserting a strain buffer layer, a gallium nitride compound semiconductor layer applicable to devices such as light emitting elements and electronic devices can be grown on a substrate made of sapphire having a large lattice mismatch with the gallium nitride compound semiconductor. It became possible.

しかし、照明装置への応用を目的とした高発光効率の発光素子の実現を考えた場合、サファイア等から成る基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶品質は決して十分なものとは言えない。発光素子の発光効率の向上には、非発光再結合中心となる欠陥密度の低減が必須であるが、この点で化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用いると、その上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体層と同じ熱膨張係数及び格子定数であるホモエピタキシャル成長であるため、成長の初期からレイヤー・バイ・レイヤーモードの実現が期待されている。 However, the crystal quality of the gallium nitride compound semiconductor layer formed on a substrate made of sapphire or the like is never sufficient when considering the realization of a light emitting element with high luminous efficiency for the purpose of application to a lighting device. I can not say. The improvement of the luminous efficiency of the device, the device reduces the defect density as the non-radiative recombination centers is required, the chemical formula Ga 1-x-y In y Al x N ( However, in this regard, 0 <x + y <1 , X ≧ 0, y ≧ 0), it is homoepitaxial growth having the same thermal expansion coefficient and lattice constant as the gallium nitride compound semiconductor layer grown on the substrate. Therefore, realization of layer-by-layer mode is expected from the beginning of growth.

窒化ガリウム系化合物半導体の実際の成長においては、グラファイト等から成るサセプター上に基板を設置し、成長を行う。サセプターは抵抗加熱ヒーターによる熱接触や、高周波誘導によりサセプター内で発生した渦電流により加熱される。このように加熱されたサセプターから基板へは、熱接触または熱輻射により基板へ熱伝導し、基板が加熱されて基板の表面が所望の成長温度に達する。   In actual growth of a gallium nitride-based compound semiconductor, a substrate is placed on a susceptor made of graphite or the like to perform growth. The susceptor is heated by thermal contact with a resistance heater or eddy current generated in the susceptor by high frequency induction. From the heated susceptor to the substrate, heat is transferred to the substrate by thermal contact or radiation, and the substrate is heated to reach the desired growth temperature on the surface of the substrate.

しかしながら、Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る基板は光透過性であるため、サセプターからの熱輻射を吸収できず、有効に加熱することができない。したがって、サセプターからの熱伝導を主に基板表面は加熱されるため、成膜装置の制御温度の上限値に対して、基板の表面はそれより低い成長温度しか実現できない。 However, since a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor represented by Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) is light transmissive, It cannot absorb the heat radiation from the susceptor and cannot be heated effectively. Therefore, since the substrate surface is mainly heated due to heat conduction from the susceptor, the substrate surface can only realize a growth temperature lower than the upper limit value of the control temperature of the film forming apparatus.

また通常、サセプターには基板を固定するためのザグリ加工を施しているが、このザグリ部分と基板の縁の部分が接触し、熱接触による熱移動が伴うため、基板の中心と縁の部分で窒化ガリウム系化合物半導体の成長温度に分布を有することになる。特に、基板が熱輻射による熱受容がない場合、成長温度に大きな分布が生じる。成長温度の大きな分布により、基板の成長面の面内において、窒化ガリウム系化合物半導体層の厚み分布、混晶組成比の分布、更に半導体不純物濃度の分布などが生じる。   Usually, the susceptor is counterbored to fix the substrate, but the counterbore and the edge of the substrate come into contact with each other, causing heat transfer due to thermal contact. The growth temperature of the gallium nitride compound semiconductor has a distribution. In particular, when the substrate does not receive heat due to heat radiation, a large distribution occurs in the growth temperature. Due to the large distribution of the growth temperature, the thickness distribution of the gallium nitride compound semiconductor layer, the distribution of the mixed crystal composition ratio, the distribution of the semiconductor impurity concentration, etc. occur in the plane of the growth surface of the substrate.

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、成膜装置内においてサセプター上に窒化ガリウム系化合物半導体から成る基板を設置し、その基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、加熱されたサセプターの熱を基板へ有効に熱伝導させることによって所望の成長温度で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、また、基板の成長面の面内における成長温度の分布を小さすることによって窒化ガリウム系化合物半導体層の厚み分布、混晶組成比の分布、半導体不純物濃度の分布などを低減することのできる基板を提供することである。また、その基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been completed in view of the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to install a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor on a susceptor in a film forming apparatus, and on the substrate. When the gallium nitride compound semiconductor layer is grown, the gallium nitride compound semiconductor layer can be grown at a desired growth temperature by effectively conducting the heat of the heated susceptor to the substrate. By providing a substrate capable of reducing the distribution of the thickness of the gallium nitride compound semiconductor layer, the distribution of the mixed crystal composition ratio, the distribution of the semiconductor impurity concentration, etc. by reducing the distribution of the growth temperature in the plane of the growth surface. is there. Another object of the present invention is to provide a method for growing a gallium nitride compound semiconductor using the substrate.

本発明の基板は、第1の主面および該第1の主面と対向する第2の主面を有し、該第2の主面に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる基板であって、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部を有していることを特徴とするものである。
The substrate of the present invention is a substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and a gallium nitride compound semiconductor layer is grown on the second main surface. , formula Ga 1-x-y in y Al x N ( However, 0 <x + y <1 , x ≧ 0, y ≧ 0) consists gallium nitride compound semiconductor represented by a nitrogen-deficient to the first major surface It has the part.

また、本発明の基板は好ましくは、前記第1の主面に凹凸構造が形成されていることを特徴とするものである。   The substrate of the present invention is preferably characterized in that an uneven structure is formed on the first main surface.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、成膜装置内において、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部を有している基板を、グラファイトから成るサセプター上に前記第1の主面側を載せて設置し、次に、前記成膜装置内に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、前記基板の前記第1の主面に対向する第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることを特徴とするものである。 The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention is represented by the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) in the film forming apparatus. A substrate made of a gallium nitride compound semiconductor and having a nitrogen deficient portion on the first main surface is placed on the first main surface side on a susceptor made of graphite; By supplying the Group 3 element material and the Group 5 element material into the film forming apparatus, a chemical formula Ga 1-xy In y Al x N is formed on the second main surface of the substrate opposite to the first main surface. However, it is characterized by growing a gallium nitride-based compound semiconductor layer represented by (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0).

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、前記基板は、前記第1の主面に凹凸構造が形成されていることを特徴とするものである。   In the method for growing a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, preferably, the substrate has a concavo-convex structure formed on the first main surface.

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、前記サセプターは、グラファイト製の本体部と、前記本体部の表面に形成された炭化珪素層とを有することを特徴とするものである。   The gallium nitride compound semiconductor growth method of the present invention is preferably characterized in that the susceptor has a main body made of graphite and a silicon carbide layer formed on the surface of the main body. is there.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体は、上記本発明の基板の第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されていることを特徴とするものである。 The gallium nitride-based compound semiconductor of the present invention has the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) on the second main surface of the substrate of the present invention. ) Is formed, and a gallium nitride compound semiconductor layer is formed.

本発明の基板は、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部を有していることから、窒素欠損部において基板の第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、空孔子の非弾性散乱を受け、この非弾性散乱によって光子のエネルギー損失が熱エネルギーとなり基板は加熱される。これにより、基板の成長面(第2の主面)の温度を所望の成長温度にすることが容易にでき、また、基板の成長面における成長温度の分布を均一にすることができる。 The substrate of the present invention is made of a gallium nitride-based compound semiconductor represented by the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0). Since the main surface has a nitrogen deficient portion, electromagnetic waves generated by thermal radiation incident on the first main surface (surface opposite to the growth surface) of the substrate in the nitrogen deficient portion cause inelastic scattering of vacancies. In response to this inelastic scattering, the energy loss of photons becomes thermal energy, and the substrate is heated. Thereby, the temperature of the growth surface (second main surface) of the substrate can be easily set to a desired growth temperature, and the distribution of the growth temperature on the growth surface of the substrate can be made uniform.

また、本発明の基板は好ましくは、第1の主面に凹凸構造が形成されていることから、凹凸構造が形成された第1の主面と、凹凸構造が形成されていない第2の主面とでは、外部との界面における実効的な屈折率の差が異なる。凹凸構造が形成された第1の主面は、凹凸構造によって外部(サセプター)との界面における実効的な屈折率の差が小さくなるため、第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、第1の主面から効率よく吸収される。一方、凹凸構造が形成されていない第2の主面(成長面)は、外部(空気)との界面における実効的な屈折率の差が大きいため、第2の主面に入射した熱輻射による電磁波は、第2の主面で大部分が基板内に反射されて一部が基板に吸収される。その結果、熱輻射を有効的に利用した基板の加熱が可能となり、基板の成長面を所望の成長温度にすることがより容易にでき、また、基板の成長面における成長温度の分布をより均一にすることができる。   Moreover, since the uneven | corrugated structure is preferably formed in the 1st main surface, the board | substrate of this invention has the 1st main surface in which the uneven structure was formed, and the 2nd main surface in which the uneven structure was not formed. The effective refractive index difference at the interface with the outside differs from the surface. The first main surface on which the concavo-convex structure is formed has a small difference in effective refractive index at the interface with the outside (susceptor) due to the concavo-convex structure, so the first main surface (surface opposite to the growth surface). The electromagnetic waves generated by the heat radiation incident on are efficiently absorbed from the first main surface. On the other hand, the second main surface (growth surface) on which the concavo-convex structure is not formed has a large difference in the effective refractive index at the interface with the outside (air), and thus is caused by thermal radiation incident on the second main surface. Most of the electromagnetic waves are reflected by the second main surface into the substrate and partially absorbed by the substrate. As a result, the substrate can be heated effectively using thermal radiation, the substrate growth surface can be easily set to a desired growth temperature, and the growth temperature distribution on the substrate growth surface is more uniform. Can be.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、成膜装置内において、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部を有している基板を、グラファイトから成るサセプター上に第1の主面側を載せて設置し、次に、成膜装置内に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、基板の第1の主面に対向する第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることから、窒素欠損部において基板の第1の主面に入射した熱輻射による電磁波は、空孔子の非弾性散乱を受け、この非弾性散乱によって光子のエネルギー損失が熱エネルギーとなり基板は加熱される。これにより、基板の成長面(第2の主面)の温度を所望の成長温度にすることが容易にでき、また、基板の成長面における成長温度の分布を均一にすることができる。従って、このような基板の成長面に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、厚み分布、混晶組成比の分布、半導体不純物濃度の分布などが低減された窒化ガリウム系化合物半導体を成長することができる。 The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention is represented by the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) in the film forming apparatus. A substrate made of a gallium nitride compound semiconductor and having a nitrogen deficient portion on the first main surface is placed on the first main surface side on a susceptor made of graphite, and then the film is formed By supplying the Group 3 element material and the Group 5 element material into the apparatus, the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (however, 0% is applied to the second main surface opposite to the first main surface of the substrate). Since the gallium nitride compound semiconductor layer represented by <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) is grown, the electromagnetic waves caused by thermal radiation incident on the first main surface of the substrate in the nitrogen deficient portion are empty. The inelastic scattering of the fulcrum causes photon energy Ghee loss substrate becomes thermal energy is heated. Thereby, the temperature of the growth surface (second main surface) of the substrate can be easily set to a desired growth temperature, and the distribution of the growth temperature on the growth surface of the substrate can be made uniform. Therefore, by supplying the Group 3 element source and Group 5 element source to the growth surface of such a substrate, the gallium nitride compound semiconductor in which the thickness distribution, mixed crystal composition ratio distribution, semiconductor impurity concentration distribution, etc. are reduced Can grow.

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、基板は、第1の主面に凹凸構造が形成されていることから、凹凸構造が形成された第1の主面と、凹凸構造が形成されていない第2の主面とでは、外部との界面における実効的な屈折率の差が異なる。凹凸構造が形成された第1の主面は、凹凸構造によって外部(サセプター)との界面における実効的な屈折率の差が小さくなるため、第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、第1の主面から効率よく吸収される。一方、凹凸構造が形成されていない第2の主面(成長面)は、外部(空気)との界面における実効的な屈折率の差が大きいため、第2の主面に入射した熱輻射による電磁波は、第2の主面で大部分が基板内に反射されて一部が基板に吸収される。その結果、熱輻射を有効的に利用した基板の加熱が可能となり、基板の成長面を所望の成長温度にすることがより容易にでき、また、基板の成長面における成長温度の分布をより均一にすることができる。従って、このような基板の成長面に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、厚み分布、混晶組成比の分布、半導体不純物濃度の分布などがより低減された窒化ガリウム系化合物半導体層を成長することができる。   In the method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present invention, preferably, since the substrate has a concavo-convex structure formed on the first main surface, the first main surface on which the concavo-convex structure is formed; The difference in effective refractive index at the interface with the outside is different from that of the second main surface where no structure is formed. The first main surface on which the concavo-convex structure is formed has a small difference in effective refractive index at the interface with the outside (susceptor) due to the concavo-convex structure, so the first main surface (surface opposite to the growth surface). The electromagnetic waves generated by the heat radiation incident on are efficiently absorbed from the first main surface. On the other hand, the second main surface (growth surface) on which the concavo-convex structure is not formed has a large difference in the effective refractive index at the interface with the outside (air), and thus is caused by thermal radiation incident on the second main surface. Most of the electromagnetic waves are reflected by the second main surface into the substrate and partially absorbed by the substrate. As a result, the substrate can be heated effectively using thermal radiation, the substrate growth surface can be easily set to a desired growth temperature, and the growth temperature distribution on the substrate growth surface is more uniform. Can be. Therefore, a gallium nitride compound in which the thickness distribution, the mixed crystal composition ratio distribution, the semiconductor impurity concentration distribution, and the like are further reduced by supplying the group 3 element material and the group 5 element material to the growth surface of such a substrate. A semiconductor layer can be grown.

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は好ましくは、サセプターは、グラファイト製の本体部と、本体部の表面に形成された炭化珪素層とを有することから、窒化ガリウム系化合物半導体とグラファイト製の本体部との界面における実効的な屈折率を小さくすることができ、第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、第1の主面から効率よく吸収されることとなる。   In the gallium nitride compound semiconductor growth method of the present invention, preferably, the susceptor has a main body made of graphite and a silicon carbide layer formed on the surface of the main body. The effective refractive index at the interface with the main body made of graphite can be reduced, and electromagnetic waves caused by thermal radiation incident on the first main surface (the surface opposite to the growth surface) are transmitted from the first main surface. It will be absorbed efficiently.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体は、上記本発明の基板の第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されていることから、基板の成長面における成長温度の分布を均一として窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されるため、結晶の均一性の高い窒化ガリウム系化合物半導体となる。 The gallium nitride-based compound semiconductor of the present invention has the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) on the second main surface of the substrate of the present invention. Since the gallium nitride compound semiconductor layer is formed with a uniform growth temperature distribution on the growth surface of the substrate, nitriding with high crystal uniformity is formed. It becomes a gallium compound semiconductor.

以下、本発明の基板及び窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法について詳細に説明する。   Hereinafter, the growth method of the substrate and the gallium nitride compound semiconductor of the present invention will be described in detail.

図1は、本発明の基板及び窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法について実施の形態の1例を示す断面図であり、(a)〜(c)はそれぞれ成長方法の工程毎の断面図である。図1において、1は基板、1aは窒素欠損部、2は窒化ガリウム系化合物半導体である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a method for growing a substrate and a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, and (a) to (c) are cross-sectional views for each step of the growth method. . In FIG. 1, 1 is a substrate, 1a is a nitrogen deficient portion, and 2 is a gallium nitride compound semiconductor.

なお、窒化ガリウム系化合物半導体2は少なくとも1層の窒化ガリウム系化合物半導体層から成る。   The gallium nitride compound semiconductor 2 is composed of at least one gallium nitride compound semiconductor layer.

本発明の基板1は、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部1aを有している構成である。この構成により、窒素欠損部1aにおいて基板1の第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、空孔子の非弾性散乱を受け、この非弾性散乱によって光子のエネルギー損失が熱エネルギーとなり基板1は加熱される。これにより、基板1の成長面(第2の主面)の温度を所望の成長温度にすることが容易にでき、また、基板1の成長面における成長温度の分布を均一にすることができる。 Substrate 1 of the present invention has the formula Ga 1-x-y In y Al x N ( However, 0 <x + y <1 , x ≧ 0, y ≧ 0) consists of a gallium nitride-based compound represented by the semiconductor, the first The main surface has a nitrogen deficient portion 1a. With this configuration, the electromagnetic wave due to thermal radiation incident on the first main surface (surface opposite to the growth surface) of the substrate 1 in the nitrogen deficient portion 1a is subjected to inelastic scattering of vacancies, and photons are generated by this inelastic scattering. The energy loss becomes thermal energy and the substrate 1 is heated. Thereby, the temperature of the growth surface (second main surface) of the substrate 1 can be easily set to a desired growth temperature, and the distribution of the growth temperature on the growth surface of the substrate 1 can be made uniform.

基板1の第1の主面に形成される窒素欠損部1aは、Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される基板1を、水素ガス等の還元性雰囲気や真空中などで加熱処理(温度400℃〜1200℃程度)を施すことにより、基板1から窒素の熱離脱が生じ、窒素欠損を生じさせることによって、形成できる。還元性雰囲気の気圧は1013hPa(ヘクトパスカル)以下である。1013hPaを超えると、大気圧以上の圧力となるため、高圧に耐えられる特殊な装置が必要となる。 The nitrogen deficient portion 1a formed on the first main surface of the substrate 1 is represented by Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0). By subjecting the substrate 1 to a heat treatment (temperature of about 400 ° C. to 1200 ° C.) in a reducing atmosphere such as hydrogen gas or in a vacuum, heat detachment of nitrogen from the substrate 1 occurs, and nitrogen deficiency occurs. Can be formed. The pressure of the reducing atmosphere is 1013 hPa (hectopascal) or less. If it exceeds 1013 hPa, it becomes a pressure equal to or higher than the atmospheric pressure, and thus a special device that can withstand high pressure is required.

また、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法などのドライエッチング法によるイオン衝突により、窒素欠損部1aを形成することができる。   Further, the nitrogen deficient portion 1a can be formed by ion collision by a dry etching method such as a reactive ion etching (RIE) method.

窒素欠損部1aの厚みは0.6〜1μm程度がよい。サセプターからの熱輻射による電磁波の波長は1.8〜2.0μmであり、窒化ガリウム系化合物半導体中においては0.6〜1μmである。したがって、熱輻射による電磁波を窒素欠損部1aで吸収するには、電磁波の波長程度の厚さが適している。1μmよりも厚い場合、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が劣化する傾向がある。   The thickness of the nitrogen deficient portion 1a is preferably about 0.6 to 1 μm. The wavelength of the electromagnetic wave due to thermal radiation from the susceptor is 1.8 to 2.0 μm, and 0.6 to 1 μm in the gallium nitride compound semiconductor. Therefore, in order to absorb the electromagnetic wave caused by heat radiation with the nitrogen deficient portion 1a, a thickness of about the wavelength of the electromagnetic wave is suitable. If it is thicker than 1 μm, the crystallinity of the gallium nitride compound semiconductor tends to deteriorate.

窒素欠損部1aの厚みは、水素ガス等の還元性雰囲気ガスの濃度、真空中などで加熱処理する際の加熱条件などを調整することにより、制御することができる。また、反応性イオンエッチング法などのドライエッチング法によるイオン衝突により窒素欠損部1aを形成する際のイオンの衝突個数、衝突エネルギーを調整することによっても、窒素欠損部1aの厚みを制御することができる。   The thickness of the nitrogen deficient portion 1a can be controlled by adjusting the concentration of a reducing atmosphere gas such as hydrogen gas, the heating conditions for heat treatment in a vacuum, and the like. The thickness of the nitrogen deficient portion 1a can also be controlled by adjusting the number and collision energy of ions when forming the nitrogen deficient portion 1a by ion collision by a dry etching method such as a reactive ion etching method. it can.

窒素欠損部1aの存在は、陽電子消滅法によって特定できる。この陽電子消滅法は、具体的には、以下のような方法である。即ち、窒化ガリウム系化合物半導体に陽電子を照射すると、陽電子が窒化ガリウム半導体中の空格子欠陥中の電子と対消滅し、消滅により生じたγ線を測定する方法である。従って、陽電子照射により基板1から発生したγ線が検出された場合、窒素欠損部1aが形成されていることを特定できる。   The presence of the nitrogen deficient portion 1a can be specified by the positron annihilation method. Specifically, this positron annihilation method is as follows. That is, when a positron is irradiated to a gallium nitride compound semiconductor, the positron annihilates with an electron in a vacancy defect in the gallium nitride semiconductor, and γ-rays generated by the annihilation are measured. Therefore, when γ-rays generated from the substrate 1 by positron irradiation are detected, it can be identified that the nitrogen deficient portion 1a is formed.

また、目視においても可視光線が空格子部分で散乱し、窒化ガリウム系化合物半導体から成る基板が薄い茶褐色になっていることによって確認できる。   Further, it can be confirmed visually that visible light is scattered in the vacant lattice portion and the substrate made of the gallium nitride compound semiconductor is light brown.

また、本発明の基板1は、第1の主面に凹凸構造が形成されていることが好ましい。この場合、凹凸構造が形成された第1の主面と、凹凸構造が形成されていない第2の主面とでは、外部(空気)との界面における実効的な屈折率の差が異なる。凹凸構造が形成された第1の主面は、凹凸構造によって外部(サセプター)との界面における実効的な屈折率の差が小さくなるため、第1の主面(成長面と反対側の面)に入射した熱輻射による電磁波は、第1の主面から効率よく吸収される。一方、凹凸構造が形成されていない第2の主面(成長面)は、外部(空気)との界面における実効的な屈折率の差が大きいため、第2の主面に入射した熱輻射による電磁波は、第2の主面で大部分が基板内に反射されて一部が基板1に吸収される。その結果、熱輻射を有効的に利用した基板1の加熱が可能となり、基板1の成長面を所望の成長温度にすることがより容易にでき、また、基板1の成長面における成長温度の分布をより均一にすることができる。   Moreover, it is preferable that the uneven | corrugated structure is formed in the 1st main surface in the board | substrate 1 of this invention. In this case, the difference in effective refractive index at the interface with the outside (air) differs between the first main surface on which the concavo-convex structure is formed and the second main surface on which the concavo-convex structure is not formed. The first main surface on which the concavo-convex structure is formed has a small difference in effective refractive index at the interface with the outside (susceptor) due to the concavo-convex structure, so the first main surface (surface opposite to the growth surface). The electromagnetic waves generated by the heat radiation incident on are efficiently absorbed from the first main surface. On the other hand, the second main surface (growth surface) on which the concavo-convex structure is not formed has a large difference in the effective refractive index at the interface with the outside (air), and thus is caused by thermal radiation incident on the second main surface. The electromagnetic wave is mostly reflected by the second main surface into the substrate and partially absorbed by the substrate 1. As a result, the substrate 1 can be heated effectively using thermal radiation, the growth surface of the substrate 1 can be more easily set to a desired growth temperature, and the growth temperature distribution on the growth surface of the substrate 1 can be achieved. Can be made more uniform.

また、基板1の第1の主面と外部との屈折率の差と、第2の主面と外部との屈折率の差が異なることから、屈折率の異なる実質的に1つの界面での反射が生じる。その結果、サセプターと基板1の第1の主面との間で多重反射が起こる。多重反射により基板1における熱輻射の吸収量が多くなる。その結果、サセプターから基板1に有効に伝熱することができる。   In addition, since the difference in refractive index between the first main surface and the outside of the substrate 1 and the difference in refractive index between the second main surface and the outside are different, the refractive index is substantially different at one interface. Reflection occurs. As a result, multiple reflection occurs between the susceptor and the first main surface of the substrate 1. The amount of heat radiation absorbed by the substrate 1 increases due to multiple reflection. As a result, heat can be effectively transferred from the susceptor to the substrate 1.

基板1の第1の主面に形成される凹凸構造は、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法などのドライエッチング法によって形成できる。ドライエッチング法は、ウェットエッチング法に比べて、凹凸の形状及び大きさの加工精度が良い。従って、凹凸の形状及び大きさを精密に制御して設計することにより、第1の主面における外部(サセプター)との実効的な屈折率の差を精度よく調整することができ、熱輻射の吸収量を精度よく調整することができる。   The concavo-convex structure formed on the first main surface of the substrate 1 can be formed by a dry etching method such as a reactive ion etching (RIE) method. The dry etching method has better processing accuracy for the shape and size of the unevenness than the wet etching method. Therefore, by designing the concavo-convex shape and size with precise control, the difference in effective refractive index from the outside (susceptor) on the first main surface can be adjusted with high precision, and thermal radiation can be adjusted. The amount of absorption can be adjusted with high accuracy.

また、ドライエッチングによるイオン衝突により、基板1の第1の主面に窒素欠損部1a及び凹凸構造を同時に形成することも可能である。   It is also possible to simultaneously form the nitrogen deficient portion 1a and the concavo-convex structure on the first main surface of the substrate 1 by ion collision by dry etching.

更に、基板1の第1の主面が−c面(N極性面)、第2の主面が+c面(Ga極性面)である場合、凹凸構造を形成するためには、KOH(水酸化カリウム)水溶液によるウェットエッチングが好ましい。N極性面である−c面はKOH水溶液によって凹凸加工が可能である。   Further, when the first main surface of the substrate 1 is a −c plane (N-polar plane) and the second main plane is a + c plane (Ga-polar plane), in order to form a concavo-convex structure, KOH (hydroxylation) Wet etching with an aqueous solution of potassium) is preferred. The -c surface, which is an N-polar surface, can be processed to be uneven with a KOH aqueous solution.

基板1の第1の主面に形成される凹凸構造は、凹凸の周期が0.6〜1μm以下である周期構造を有するものであることが好ましい。この場合、基板1の第1の主面と外部(サセプター)との界面の実効的な屈折率を連続して変化させることができ、基板1に熱輻射による電磁波を効果的に吸収させることができる。   The concavo-convex structure formed on the first main surface of the substrate 1 preferably has a periodic structure in which the concavo-convex period is 0.6 to 1 μm or less. In this case, the effective refractive index of the interface between the first main surface of the substrate 1 and the outside (susceptor) can be continuously changed, and the substrate 1 can effectively absorb electromagnetic waves caused by thermal radiation. it can.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体2の成長方法は、成膜装置内において、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部1aを有している基板1を、グラファイトから成るサセプター上に第1の主面側を載せて設置し、次に、成膜装置内に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、基板1の第1の主面に対向する第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる構成である。 The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor 2 of the present invention has a chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0) in a film forming apparatus. A substrate 1 made of a gallium nitride-based compound semiconductor and having a nitrogen deficient portion 1a on the first main surface is placed on a susceptor made of graphite with the first main surface side placed thereon, By supplying the Group 3 element material and the Group 5 element material into the film forming apparatus, a chemical formula Ga 1-xy In y Al x N is formed on the second main surface opposite to the first main surface of the substrate 1. In this structure, a gallium nitride compound semiconductor layer represented by 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0 is grown.

また、基板1は、第1の主面に凹凸構造が形成されていることが、上述した理由で好ましい。   In addition, the substrate 1 preferably has a concavo-convex structure formed on the first main surface for the reason described above.

本発明における窒化ガリウム系化合物半導体2を成長する成膜装置は、水素ガス等の還元性雰囲気の供給、及びガスの分圧比の調整や真空中などで加熱処理を容易に行うことができる点でMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)装置が好ましい。   The film forming apparatus for growing the gallium nitride-based compound semiconductor 2 in the present invention is capable of easily performing a heat treatment in a reducing atmosphere such as hydrogen gas, adjusting a partial pressure ratio of the gas, or in a vacuum. A MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) apparatus is preferred.

また、基板1の成長面に窒化ガリウム系化合物半導体2を成長させる際の基板1の加熱温度は600℃以上がよい。その温度域で基板1の成長面にアンモニアガス(NH)などの窒素源を供給することにより、基板1の成長面での窒素の吸着、離脱の均衡がとれ、それ以上反応が進まない成長の自己停止状態になる。しかしながら、基板1の第1の主面にはアンモニアガスは供給されないため、第1の主面には窒素欠損部1aが形成され、そのまま連続して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。 The heating temperature of the substrate 1 when the gallium nitride compound semiconductor 2 is grown on the growth surface of the substrate 1 is preferably 600 ° C. or higher. By supplying a nitrogen source such as ammonia gas (NH 3 ) to the growth surface of the substrate 1 in that temperature range, the adsorption and desorption of nitrogen on the growth surface of the substrate 1 is balanced, and the growth does not proceed any further. It becomes the self-stop state. However, since ammonia gas is not supplied to the first main surface of the substrate 1, the nitrogen deficient portion 1a is formed on the first main surface, and the gallium nitride compound semiconductor layer can be continuously grown as it is. .

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体2が発光素子を構成するものである場合、その窒化ガリウム系化合物半導体2の層構成は以下のようになる。   When the gallium nitride compound semiconductor 2 of the present invention constitutes a light emitting element, the layer configuration of the gallium nitride compound semiconductor 2 is as follows.

即ち、例えば窒化ガリウム系化合物半導体2は、化学式Ga1−x1−y1Iny1Alx1N(ただし、0<x1+y1<1、x1>0、y1≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層と、化学式Ga1−x2−y2Iny2Alx2N(ただし、0<x2+y2<1、x2>0、y2≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、化学式Ga1−x3−y3Iny3Alx3N(ただし、0<x3+y3<1、x3>0、y3≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層が挟まれて接合されている構成(ただし、x1,x2>x3、y1,y2≦y3である。 That is, for example, gallium nitride-based compound semiconductor 2 has the formula Ga 1-x1-y1 In y1 Al x1 N ( However, 0 <x1 + y1 <1 , x1> 0, y1 ≧ 0) of a gallium nitride-based compound represented by the semiconductor a first conductivity type gallium nitride compound semiconductor layer comprising the chemical formula Ga 1-x2-y2 in y2 Al x2 N ( However, 0 <x2 + y2 <1 , x2> 0, y2 ≧ 0) gallium nitride represented by between the compounds second conductivity type gallium nitride of semiconductor compound semiconductor layer, the chemical formula Ga 1-x3-y3 in y3 Al x3 N ( However, 0 <x3 + y3 <1 , x3> 0, y3 ≧ 0) A structure in which light-emitting layers made of gallium nitride-based compound semiconductors are sandwiched and bonded (where x1, x2> x3, y1, y2 ≦ y3).

また、例えば第1導電型及び第2導電型は、それぞれp型及びn型である。窒化ガリウム系化合物半導体層をp型とするには、元素周期律表において2(II)族の元素であるマグネシウム(Mg)等をドーパントとして、窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、窒化ガリウム系化合物半導体をn型とするには、元素周期律表において4(IV)族の元素であるシリコン(Si)等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。   Further, for example, the first conductivity type and the second conductivity type are p-type and n-type, respectively. In order to make the gallium nitride compound semiconductor layer p-type, magnesium (Mg), which is an element of group 2 (II) in the periodic table, may be mixed into the gallium nitride compound semiconductor as a dopant. In order to make the gallium nitride compound semiconductor n-type, silicon (Si) or the like, which is an element of Group 4 (IV) in the periodic table, may be mixed into the gallium nitride compound semiconductor as a dopant.

また、第1導電型及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層は、両方ともアルミニウム(Al)を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとし、いずれも発光層に含まれるアルミニウムよりもその含有量を多くする。このようにすると、第1及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の禁制帯幅が両方とも発光層の禁制帯幅よりも大きくなるので、発光層に電子と正孔とを閉じ込めて、これらの電子と正孔を効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。   Both the first conductivity type and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers are made of gallium nitride compound semiconductor containing aluminum (Al), both of which are contained more than aluminum contained in the light emitting layer. Increase the amount. In this case, the forbidden band widths of the first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers are both larger than the forbidden band width of the light emitting layer, so that electrons and holes are confined in the light emitting layer, These electrons and holes can be efficiently recombined to emit light with strong emission intensity.

また、第1及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層は、アルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体からなることにより、第1及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層における禁制帯幅が比較的大きくなり、第1及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層における紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。   The first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers are made of a gallium nitride compound semiconductor containing aluminum, so that the forbidden band width in the first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers is increased. Becomes relatively large, and absorption of light on the short wavelength side such as ultraviolet light in the first and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers can be reduced.

なお、第1導電型及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層は、それぞれn型及びp型としても構わない。   The gallium nitride compound semiconductor layers of the first conductivity type and the second conductivity type may be n-type and p-type, respectively.

また、第1導電型及び第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層にはそれぞれ、発光層に電流を注入するための導電層(電極)を形成する。これにより、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)等の発光素子が形成される。   In addition, a conductive layer (electrode) for injecting a current into the light emitting layer is formed in each of the first conductivity type and second conductivity type gallium nitride compound semiconductor layers. Thereby, a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD) is formed.

また、発光層を成す窒化ガリウム系化合物半導体層の組成は、所望の発光波長が得られる適当なものに設定すればよい。例えば、発光層を、アルミニウムもインジウムも含まないGaNからなるものとすれば、禁制帯幅は約3.4エレクトロンボルト(eV)となり、約365ナノメートル(nm)の発光波長である紫外光によって発光層を発光させることができる。また、これよりも発光波長を短波長とする場合、発光層は、禁制帯幅を大きくする元素であるアルミニウムを発光波長に応じて設定される量だけ含ませた窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとすればよい。   Further, the composition of the gallium nitride-based compound semiconductor layer constituting the light emitting layer may be set to an appropriate one that can obtain a desired light emission wavelength. For example, if the light-emitting layer is made of GaN containing neither aluminum nor indium, the forbidden band width is about 3.4 electron volts (eV), and ultraviolet light having an emission wavelength of about 365 nanometers (nm) is obtained. The light emitting layer can emit light. When the emission wavelength is shorter than this, the emission layer is made of a gallium nitride compound semiconductor containing aluminum, which is an element for increasing the forbidden bandwidth, in an amount set according to the emission wavelength. And it is sufficient.

また、発光層に禁制帯幅を小さくする元素であるインジウム(In)を含有させてもよく、所望の発光波長となるようにアルミニウムをより多く含有させる等して、アルミニウム,インジウム及びガリウムの組成比を適宜設定すればよい。また、発光層は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造(MQW:Multiple Quantum Well)としてもよい。   In addition, the light emitting layer may contain indium (In), which is an element for reducing the forbidden band width, and a composition of aluminum, indium, and gallium by adding more aluminum so as to obtain a desired emission wavelength. The ratio may be set as appropriate. In addition, the light emitting layer is a multi-layer quantum well structure (MQW: Multiple Quantum) which is a superlattice in which a quantum well structure composed of a barrier layer with a wide forbidden band and a well layer with a narrow forbidden band is regularly stacked a plurality of times. Well).

このような発光素子は次のように動作する。即ち、発光層を含む窒化ガリウム系化合物半導体にバイアス電流を流して、発光層で波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光を取り出すように動作する。   Such a light emitting device operates as follows. That is, a bias current is passed through a gallium nitride compound semiconductor including a light emitting layer to generate ultraviolet light to near ultraviolet light having a wavelength of about 350 to 400 nm in the light emitting layer, and the ultraviolet light to near ultraviolet light is emitted outside the light emitting element. Operates to take out.

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体を用いて照明装置を製造することもできる。この照明装置は、上記の発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。   In addition, a lighting device can be manufactured using the gallium nitride compound semiconductor obtained by the method for growing a gallium nitride compound semiconductor of the present invention. This illuminating device includes the light-emitting element described above, and at least one of a phosphor and a phosphor that emit light upon receiving light emitted from the light-emitting element. With this configuration, a lighting device with high luminance and illuminance can be obtained. The lighting device may be configured so that the light emitting element is covered or encapsulated with a transparent resin or the like, and a phosphor or phosphor is mixed in the transparent resin or the like. ~ Near ultraviolet light can be converted into white light or the like. In addition, a light reflecting member such as a concave mirror can be provided in a transparent resin or the like in order to improve the light collecting property. Such an illuminating device consumes less power than a conventional fluorescent lamp or the like, and is small in size. Therefore, the illuminating device is effective as a small and high-luminance lighting device.

本発明の基板及び窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法について実施の形態の一例を示し、(a)〜(c)は各工程における基板の断面図である。1 shows an example of an embodiment of a substrate and a method for growing a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, wherein (a) to (c) are cross-sectional views of the substrate in each step.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板
1a:窒素欠損部
2:窒化ガリウム系化合物半導体
1: Substrate 1a: Nitrogen deficient portion 2: Gallium nitride compound semiconductor

Claims (6)

第1の主面および該第1の主面と対向する第2の主面を有し、該第2の主面に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる基板であって、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、前記第1の主面に窒素欠損部を有していることを特徴とする基板。 A substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, on which a gallium nitride compound semiconductor layer is grown, wherein the chemical formula Ga 1-x -y in y Al x N (However, 0 <x + y <1 , x ≧ 0, y ≧ 0) consists gallium nitride compound semiconductor represented by, a nitrogen defect in the first main surface A substrate characterized by being. 前記第1の主面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項1記載の基板。   2. The substrate according to claim 1, wherein an uneven structure is formed on the first main surface. 成膜装置内において、化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成り、第1の主面に窒素欠損部を有している基板を、グラファイトから成るサセプター上に前記第1の主面側を載せて設置し、
次に、前記成膜装置内に3族元素原料と5族元素原料を供給することにより、前記基板の前記第1の主面に対向する第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法。
In the film forming apparatus, the first film is made of a gallium nitride-based compound semiconductor represented by the chemical formula Ga 1-xy In y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0). A substrate having a nitrogen deficient portion on the main surface is placed on the first main surface side on a susceptor made of graphite,
Next, by supplying a Group 3 element material and a Group 5 element material into the film forming apparatus, a chemical formula Ga 1-xy In is formed on a second main surface of the substrate opposite to the first main surface. A growth method of a gallium nitride compound semiconductor, characterized by growing a gallium nitride compound semiconductor layer represented by y Al x N (where 0 <x + y <1, x ≧ 0, y ≧ 0).
前記基板は、前記第1の主面に凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項3記載の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法。   4. The method for growing a gallium nitride compound semiconductor according to claim 3, wherein the substrate has a concavo-convex structure formed on the first main surface. 前記サセプターは、グラファイト製の本体部と、前記本体部の表面に形成された炭化珪素層とを有することを特徴とする請求項3または4記載の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法。   5. The method for growing a gallium nitride-based compound semiconductor according to claim 3, wherein the susceptor includes a main body made of graphite and a silicon carbide layer formed on a surface of the main body. 請求項1または2記載の基板の第2の主面に化学式Ga1−x−yInAlN(ただし、0<x+y<1、x≧0、y≧0)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体。 Claim 1 or the substrate 2, wherein the second major surface by the chemical formula Ga 1-x-y In y Al x N ( However, 0 <x + y <1 , x ≧ 0, y ≧ 0) gallium nitride represented by A gallium nitride compound semiconductor, characterized in that a compound semiconductor layer is formed.
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