JP4958207B2 - Method for manufacturing optical element substrate - Google Patents

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本発明は、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を、フラックスを用いて結晶成長させるフラックス法による光素子基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical element substrate by a flux method in which a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor is grown using a flux .

ナトリウム(Na)フラックス中で窒化ガリウムを結晶成長させる従来のNaフラックス法によれば、約5MPa程度の圧力下において600℃〜800℃の比較的低い温度で、GaN単結晶を結晶成長させることができる。   According to the conventional Na flux method in which gallium nitride is grown in sodium (Na) flux, a GaN single crystal can be grown at a relatively low temperature of 600 ° C. to 800 ° C. under a pressure of about 5 MPa. it can.

また、下記の特許文献1〜特許文献5に開示されている従来技術などからも分かる様に、III族窒化物系化合物半導体結晶をフラックス法によって結晶成長させる従来の製造方法では、通常、下地基板(種結晶)として、サファイア基板上にバッファ層などの半導体層を積層したテンプレートや、GaN単結晶自立基板などが専ら用いられている。
特開平11−060394号公報 特開2001−058900号公報 特開2001−064097号公報 特開2004−292286号公報 特開2004−300024号公報
Further, as can be seen from the prior art disclosed in Patent Documents 1 to 5 below, in the conventional manufacturing method of growing a group III nitride compound semiconductor crystal by a flux method, usually, a base substrate As the (seed crystal), a template in which a semiconductor layer such as a buffer layer is stacked on a sapphire substrate, a GaN single crystal free-standing substrate, or the like is exclusively used.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-060394 JP 2001-058900 A JP 2001-064097 A JP 2004-292286 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-300024

特に、LED、LD、光センサなどの半導体光素子の基板をIII族窒化物系化合物半導体結晶から形成する場合、それらの素子の内部量子効率を向上させる上でも、外部量子効率を向上させる上でも、駆動電圧を抑制する上でも、或いは、静電耐圧性能や寿命や歩留りなどを向上させる上でも、それらの素子基板の結晶品質は非常に重要になる。   In particular, when a substrate of a semiconductor optical device such as an LED, LD, or photosensor is formed from a group III nitride compound semiconductor crystal, both in improving the internal quantum efficiency of the device and in improving the external quantum efficiency. The crystal quality of these element substrates is very important for suppressing the drive voltage or for improving the electrostatic withstand voltage performance, life, and yield.

しかしながら、従来のNaフラックス法では、透明で転位密度が低く結晶成長面が略平面の高品質な半導体結晶を得ることは困難であった。また、従来のNaフラックス法では、結晶成長速度や収率にも問題があり、このため、電子デバイス基板などへの実用化は困難であった。これらの問題は、InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)から成るその他のIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長についても同様である。 However, with the conventional Na flux method, it is difficult to obtain a high-quality semiconductor crystal that is transparent, has a low dislocation density, and has a substantially flat crystal growth surface. Further, the conventional Na flux method has a problem in the crystal growth rate and yield, and therefore, it is difficult to put it into practical use for an electronic device substrate. These problems also applies to In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) other Group III nitride compound semiconductor crystal growth consisting of It is.

また、前述の様なテンプレートを用いた場合、III族窒化物系化合物半導体からなる所望の半導体結晶とサファイア基板との間には大きな熱膨張係数差があるため、所望の半導体結晶を厚く積層すると、反応室から半導体結晶を取り出す際にその結晶中にクラックが多数発生してしまう。このため、下地基板として上記の様なテンプレートを用いた場合、例えば膜厚300μm以上の高品質な半導体結晶を得ることは困難となる。   In addition, when the template as described above is used, there is a large difference in thermal expansion coefficient between a desired semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor and a sapphire substrate. When a semiconductor crystal is taken out from the reaction chamber, many cracks are generated in the crystal. For this reason, when the above template is used as the base substrate, it is difficult to obtain a high-quality semiconductor crystal having a film thickness of 300 μm or more, for example.

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、フラックス法において、高品質な光素子基板を低コストで生産することである。
また、本発明の更なる目的は、それらの光素子基板を用いて、動作効率や静電耐圧性能の高い半導体光素子を実現することである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to produce a high-quality optical element substrate at a low cost in the flux method.
A further object of the present invention is to realize a semiconductor optical device having high operating efficiency and high electrostatic withstand voltage performance using these optical device substrates.

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)のIII族元素と窒素(N)とを反応させることによって、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる光素子基板の製造方法において、混合フラックスとIII族元素とを攪拌混合しながらIII族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させるものであり、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、種結晶または下地基板の結晶成長面をクリーニング処理し、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる下地基板の少なくとも一部に、混合フラックスに溶解する可溶材料を用い、可溶材料を、III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程中に、または、III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程後にその成長温度付近で、混合フラックス中に溶解させることを特徴とすることである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) in a mixed flux having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals. In the method for manufacturing an optical element substrate in which a group III nitride compound semiconductor crystal is grown by reacting a group III element) with nitrogen (N), the mixed flux and the group III element are mixed with stirring. A group nitride compound semiconductor crystal is grown, and before the group III nitride compound semiconductor crystal is grown, hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas is grown. , A rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn) or a mixed gas obtained by mixing two or more of these gases at an arbitrary mixing ratio. As, 900 ° C. or more 1100 ° C. temperature below over a 1 minute or longer, and cleaning the crystal growth surface of the seed crystal or base substrate, III nitride compound semiconductor crystal of the base substrate where crystal growth At least in part, a soluble material that dissolves in the mixed flux is used, and the soluble material is used during the crystal growth process of the group III nitride compound semiconductor crystal or the crystal growth process of the group III nitride compound semiconductor crystal. It is characterized in that it is dissolved in the mixed flux at around the growth temperature later .

ただし、本願発明における攪拌混合処理は、揺動、回動、回転などによって反応容器を物理的に運動させることによって実施しても良いし、攪拌棒や攪拌羽根などを用いてフラックスを攪拌することによって実施しても良いし、或いは、加熱手段などを用いてフラックス中に熱勾配を生じさせ、これによってフラックスを熱対流させることで実施しても良い。即ち、本願発明における攪拌混合の処理方式は任意で良い。また、これらの方式は、適当に任意に組み合わせて実施しても良い。
また、クリーニング処理に掛ける上記の時間は、2分以上10分以下がより望ましい。
However, the stirring and mixing process in the present invention may be carried out by physically moving the reaction vessel by swinging, rotating, rotating, or the like, or stirring the flux using a stirring bar or a stirring blade. Alternatively, the heat flux may be generated by using a heating means or the like to generate a thermal gradient in the flux and thereby heat convection the flux. That is, the processing method of stirring and mixing in the present invention may be arbitrary. Also, these methods may be implemented in any appropriate combination.
Further, the above-described time for the cleaning process is more preferably 2 minutes or more and 10 minutes or less.

上記の可溶材料としては、シリコン(Si)などを用いることができるが、必ずしもこれに限定する必要はない。
また、上記の可溶材料の露出面上に保護膜を形成し、その保護膜の厚さ又は成膜パターンによって、上記の可溶材料がフラックスに溶解する時期または溶解速度を任意に制御することも可能である。この様な保護膜の材料としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)やタンタル(Ta)などを用いることができ、これらの保護膜は、結晶成長や真空蒸着やスパッタリングなどの周知の方法によって成膜させることができる。
As the above-mentioned soluble material, silicon (Si) or the like can be used, but it is not necessarily limited to this.
Further, a protective film is formed on the exposed surface of the soluble material, and the timing or dissolution rate of the soluble material is dissolved in the flux according to the thickness or pattern of the protective film. Is also possible. As a material for such a protective film, for example, aluminum nitride (AlN), tantalum (Ta), or the like can be used. These protective films are formed by a known method such as crystal growth, vacuum deposition, or sputtering. be able to.

また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、上記の可溶材料の少なくとも一部に、III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物を含有させることである。
ただし、必要とされる不純物だけでこの可溶材料の全体を構成しても良い。
The second means of the present invention is the method according to the first means, wherein at least a part of the soluble material contains an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal. is there.
However, you may comprise the whole soluble material only with the required impurity.

また、本発明の第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、リチウム(Li)又はカルシウム(Ca)、並びにナトリウム(Na)を用いて上記の混合フラックスを構成することである。
即ち、用いる混合フラックスのNaに次ぐ第2の主要成分をリチウム(Li)またはカルシウム(Ca)の少なくとも何れか一方とすることである。
The third means of the present invention is to form the mixed flux using lithium (Li) or calcium (Ca) and sodium (Na) in the first or second means. .
That is, the second main component next to Na of the mixed flux to be used is at least one of lithium (Li) and calcium (Ca).

また、本発明の第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段において、所望のIII族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物として、ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al23)、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si34)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In23)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)を上記の混合フラックス中に含有させることである。
これらの不純物は、1種類だけを含有させても良いし、同時に複数種類を含有させても良い。これらの選択や組み合わせは任意で良い。
Further, a fourth means of the present invention is the boron ion (B), an impurity to be added to a desired group III nitride compound semiconductor crystal in any one of the first to third means. Thallium (Tl), calcium (Ca), compounds containing calcium (Ca), silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), oxygen (O), aluminum ( Al), indium (In), alumina (Al 2 O 3 ), indium nitride (InN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc (Zn) ), Magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), or germanium (Ge) is included in the mixed flux.
These impurities may contain only 1 type, and may contain multiple types simultaneously. These selections and combinations may be arbitrary.

本明細書には、上記の発明とは別に下記の事項も記載されている。
また、本発明の光素子基板の製造方法により製造された光素子基板において、その表面の転位密度を1×105cm-2以下とし、その最大径を1cm以上とすることができる。
ただし、上記の転位密度は、低いほど望ましく、また上記の最大径は大きいほど望ましい。特に、工業的な実用性を考慮すると、所望の半導体基板は、直径約45mm程度の円形のものや、約27mm四方の角形のものや、或いは約12mm四方の角形のものなどがより望ましい。
In the present specification, the following items are also described separately from the above-described invention.
Further, in the optical element substrate manufactured by the method for manufacturing an optical element substrate of the present invention , the dislocation density of the surface can be 1 × 10 5 cm −2 or less, and the maximum diameter can be 1 cm or more .
However, the dislocation density is preferably as low as possible and the maximum diameter is as large as possible. In particular, in view of industrial practicality, the desired semiconductor substrate is more preferably a circular substrate having a diameter of about 45 mm, a rectangular substrate having a diameter of approximately 27 mm, or a rectangular substrate having a diameter of approximately 12 mm.

また、上記の光素子基板の厚さを300μm以上にすることが望ましい。
ただし、上記の半導体基板の厚さは、400μm以上がより望ましく、更に望ましくは400μm〜600μm程度が良い。
Further, it is preferable that the thickness of the optical device board above Symbol than 300 [mu] m.
However, the thickness of the semiconductor substrate is more preferably 400 μm or more, and more preferably about 400 μm to 600 μm.

また、結晶成長基板の上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を複数層積層することによって構成される半導体発光素子において、その結晶成長基板を本発明により製造される光素子基板から構成することができる。
これらの半導体発光素子としては、例えばLED(発光ダイオード)やLD(半導体レーザ)などをあげることができる。
In the semiconductor light-emitting device constituted by a plurality of layers stacked semiconductor crystal layer made of a Group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate, the optical device substrate produced according to the present invention the crystal growth substrate It can consist of
Examples of these semiconductor light emitting devices include LEDs (light emitting diodes) and LDs (semiconductor lasers).

また、結晶成長基板の上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を複数層積層することによって構成される半導体受光素子において、その結晶成長基板を本発明により製造される光素子基板から構成することができる。
これらの半導体受光素子としては、例えば撮像装置を構成する受光素子や、光センサなどをあげることができる。
In the semiconductor light receiving element constructed by plural layers stacked semiconductor crystal layer made of a Group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate, the optical device substrate produced according to the present invention the crystal growth substrate It can consist of
Examples of these semiconductor light receiving elements include a light receiving element that constitutes an imaging apparatus, and an optical sensor.

また、上記の半導体発光素子において、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層と、窒素分圧比が40%以上80%以下の水素(H2)と窒素(N2)の混合気体からなるキャリアガスを用いた結晶成長処理によって発光層の上に積層された、アルミニウムとアクセプタ不純物とを含有するIII族窒化物系化合物半導体結晶層とを備えても良い。 In the semiconductor light emitting device, a light emitting layer made of a group III nitride compound semiconductor, and a carrier made of a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) having a nitrogen partial pressure ratio of 40% to 80%. A group III nitride compound semiconductor crystal layer containing aluminum and an acceptor impurity, which is laminated on the light emitting layer by a crystal growth process using a gas, may be provided .

また、結晶成長基板の上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を複数層積層することによって構成される半導体発光素子の製造方法において、III族窒化物系化合物半導体からなる透明なバルク状の半導体結晶から結晶成長基板を構成し、アルミニウムとアクセプタ不純物とを含有する半導体結晶層を、窒素分圧比が40%以上80%以下の水素(H2)と窒素(N2)の混合気体からなるキャリアガスを用いた結晶成長処理によって、上記の発光層の上に積層することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor light-emitting device constituted by a plurality of layers stacked semiconductor crystal layer made of a Group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate, a transparent made of a Group III nitride compound semiconductor A crystal growth substrate is formed from a bulk semiconductor crystal, and a semiconductor crystal layer containing aluminum and an acceptor impurity is mixed with hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) with a nitrogen partial pressure ratio of 40% to 80%. It can be laminated on the light emitting layer by a crystal growth process using a carrier gas made of a gas .

ただし、より望ましい窒素分圧比は50〜75%であり、更に望ましくは60〜70%が良い。また、アルミニウムとアクセプタ不純物とを有する上記の半導体結晶層は、必ずしも結晶成長基板上に直接積層する必要はなく、この半導体結晶層と結晶成長基板との間には、その他の結晶成長処理などによってその他の任意の半導体層を積層しても良い。また、その様なその他の任意の半導体層を結晶成長によって積層する際の結晶成長条件は任意で良く、上記の窒素分圧比などには何ら拘束されない。 However, the nitrogen partial pressure ratio desirable Ri good is a 50% to 75%, more preferably it is 60% to 70%. In addition, the semiconductor crystal layer having aluminum and an acceptor impurity is not necessarily stacked directly on the crystal growth substrate. Between the semiconductor crystal layer and the crystal growth substrate, other crystal growth processing or the like may be used. Other arbitrary semiconductor layers may be stacked. Further, the crystal growth conditions for stacking such other arbitrary semiconductor layers by crystal growth may be arbitrary, and are not restricted by the nitrogen partial pressure ratio or the like.

また、上記の光素子において、少なくとも一方のコンタクト層と活性層との間にコンタクト層の側から、アンドープの無添加半導体層、不純物が添加された添加半導体層の順で、2層1組にて構成された複数組の耐電圧構造を備えても良い。 Further , in the above optical element, a pair of two layers is formed in the order of the undoped undoped semiconductor layer and the doped semiconductor layer doped with impurities from the contact layer side between at least one contact layer and the active layer. A plurality of sets of withstand voltage structures may be provided .

ただし、上記の光素子は、LEDでも半導体レーザでも撮像装置の受光素子でも光センサでも良い。また、上記のコンタクト層は、n形のコンタクト層であっても、p形のコンタクト層であってもよく、また、n側とp側の両方のコンタクト層に対してそれぞれ同時に上記の構造を適用しても良い。
また、上記の不純物は、n形の不純物であってもp形の不純物であってもよく、複数の種類の不純物を同時に添加しても良い。また、n形の不純物とp形の不純物とを同時に添加しても良い。ただし、両方の形の不純物を混在させて1層の添加半導体層を形成する場合には、例えばn形コンタクト層では、p形の不純物よりもn形の不純物の方をより高い濃度で用いるものとする。
また、上記の活性層は、MQW構造のものであっても、SQW構造のものであっても、その他の積層構造であっても良い。
However, the above-described optical element may be an LED, a semiconductor laser, a light receiving element of an imaging apparatus, or an optical sensor. The contact layer may be an n-type contact layer or a p-type contact layer, and the above-described structure is simultaneously applied to both the n-side and p-side contact layers. It may be applied.
The impurity may be an n-type impurity or a p-type impurity, and a plurality of types of impurities may be added simultaneously. Further, an n-type impurity and a p-type impurity may be added simultaneously. However, when one additive semiconductor layer is formed by mixing both types of impurities, for example, an n-type contact layer uses n-type impurities at a higher concentration than p-type impurities. And
Further, the active layer may have an MQW structure, an SQW structure, or another laminated structure.

また、上記のコンタクト層をn形のコンタクト層とし、上記の不純物をn形の不純物としても良い。 Further, a contact layer above SL and n-type contact layer may be the above-mentioned impurities and n-type impurity.

また、上記の素子において、組成比の相異なる複数のアンドープのIII族窒化物系化合物半導体結晶層を他の2つのp型層の間に交互に繰り返し積層することによって形成されたDBR多重層を設けても良い。
このDBR多重層は、最低2層1ペアの多層構造から構成することができるが、より望ましくは2〜10ペア程度の多層構造にすると良い。この積層数が小さいと当該DBR多重層における光の反射率があまり向上しないか、或いは、静電耐圧性能の向上があまり期待できない。また、この積層数が大き過ぎると、駆動電圧が高くなる。
また、上記の他の2つのp型層の一方の半導体結晶層をp型コンタクト層とすることがより望ましい。この構成によって、当該DBR多重層の挿入に基づく発光素子の駆動電圧の上昇を抑制することができる。
In the above element, a DBR multilayer formed by alternately laminating a plurality of undoped group III nitride compound semiconductor crystal layers having different composition ratios between two other p-type layers is provided. It may be provided .
This DBR multi-layer can be composed of a multilayer structure of at least two layers and one pair, but more preferably a multilayer structure of about 2 to 10 pairs. If the number of stacked layers is small, the reflectance of light in the DBR multilayer is not improved so much, or improvement in electrostatic withstand voltage performance cannot be expected so much. If the number of stacked layers is too large, the drive voltage increases.
More preferably, one of the other two p-type layers is a p-type contact layer. With this configuration, it is possible to suppress an increase in the driving voltage of the light emitting element based on the insertion of the DBR multilayer.

また、上記の素子において、複数のアンドープのGaN結晶層と、複数のアンドープのAlxGa1-xN結晶層(0<x<1)とから上記のDBR多重層を形成しても良い。 In the above element, the DBR multilayer may be formed from a plurality of undoped GaN crystal layers and a plurality of undoped Al x Ga 1-x N crystal layers (0 <x <1).

また、結晶成長基板の上に III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を複数層積層することによって構成される半導体光素子の製造方法において、本発明の製造方法により製造された光素子基板、或いは、光素子基板の結晶成長面を、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を結晶成長させる前に、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、クリーニング処理しても良い。
ただし、このクリーニング処理に掛ける上記の時間は、2分以上10分以下がより望ましい。
また、結晶成長基板の上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を複数層積層することによって構成される半導体光素子の製造方法において、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)のIII族元素と窒素(N)とを反応させることによって、前記混合フラックスと前記III族元素とを攪拌混合しながら前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させることにより得た光素子基板の結晶成長面を、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶層を結晶成長させる前に、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、クリーニング処理するようにしても良い。このクリーニング処理に掛ける上記の時間も、2分以上10分以下がより望ましい。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
Also, crystals in the manufacturing method of the semiconductor optical device formed by a semiconductor crystal layer made of a Group III nitride compound semiconductor on a growth substrate a plurality of layers laminated, the optical device manufactured by the manufacturing method of the present invention Before crystal growth of a semiconductor crystal layer made of a group III nitride compound semiconductor on the crystal growth surface of the substrate or the optical element substrate, hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) Gas, noble gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn) or a mixed gas obtained by mixing two or more of these gases at an arbitrary mixing ratio is used as a cleaning gas at 900 ° C. or higher and 1100 The cleaning process may be performed at a temperature not higher than ° C. and taking a time of 1 minute or longer .
However, it is more preferable that the time for the cleaning process is 2 minutes or more and 10 minutes or less.
Also, select a semiconductor crystal layer made of a Group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate in the manufacturing method of the semiconductor optical device constructed by a plurality of layers laminated, from alkali metal or alkaline earth metal Among the mixed fluxes having a plurality of types of metal elements, by reacting a group III element of gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) with nitrogen (N), the mixed flux and the above Crystal growth surface of the optical element substrate obtained by crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal while stirring and mixing with the group III element is grown on the semiconductor crystal layer made of the group III nitride compound semiconductor. prior to, hydrogen (H 2) gas, nitrogen (N 2) gas, ammonia (NH 3) gas, a rare gas (He, Ne, Ar, Kr , Xe or Rn,) Others The combined gas mixture at an arbitrary mixing ratio of two or more gases from these gas as a cleaning gas, at a temperature of 1100 ° C. 900 ° C. or higher, over at least 1 minute time, to the cleaning process You may do it. The above time for the cleaning process is more preferably 2 minutes or more and 10 minutes or less.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1乃至第4の何れか1つの手段によれば、フラックス法において、高品質な半導体結晶を効率的に低コストで生産するこができ、これによって、光素子基板を、現実的な生産レベルで高品質かつ効率的に製造することができる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first to fourth any one means of the present invention, in the flux method, can this be produced efficiently at low cost a high-quality semiconductor crystal, thereby, an optical element substrate, High quality and efficient production at realistic production levels.

特に、本発明の第1の手段によれば、攪拌混合処理に基づいて、混合フラックス中への窒素の溶解速度が効果的に増大すると共に、当該フラックス中において、結晶材料が均一に分布する。また、この様な理想的なフラックスを常時結晶成長面にムラなく供給することができる。したがって、本発明の第1の手段によれば、透明で転位密度が低く結晶成長面が略平面の高品質な光素子基板を得ることができる。また、これらの高品質な光素子基板は、上記の作用による高い結晶成長速度や収率に基づいて、所望のバルク状に大きく結晶成長させることも容易である。
また、本発明の第1の手段によれば、半導体結晶を結晶成長させるべき結晶成長面上の異物または不純物が当該結晶成長面から良好に排除されるので、所望の光素子基板をより良質に結晶成長させることができる。
In particular, according to the first means of the present invention, the dissolution rate of nitrogen in the mixed flux effectively increases based on the stirring and mixing treatment, and the crystal material is uniformly distributed in the flux. Further, such an ideal flux can be constantly supplied to the crystal growth surface without unevenness. Therefore, according to the first means of the present invention, it is possible to obtain a high-quality optical element substrate that is transparent, has a low dislocation density, and has a substantially flat crystal growth surface. In addition, these high-quality optical element substrates can be easily grown in a desired bulk shape based on the high crystal growth rate and yield due to the above-described action.
In addition, according to the first means of the present invention, the foreign matter or impurities on the crystal growth surface on which the semiconductor crystal is to be grown can be favorably excluded from the crystal growth surface, so that the desired optical element substrate can be improved in quality. Crystals can be grown.

また、本発明の第1の手段によれば、半導体結晶の結晶成長工程中に、又は半導体結晶の結晶成長工程後に半導体結晶の成長温度付近で、上記の可溶材料がフラックス中に溶解するので、所望の半導体結晶を反応室から取り出す際の降温作用などに伴って、下地基板と半導体結晶(光素子基板)との間に応力が働くことがない。したがって、本発明の第1の手段によれば、所望の光素子基板のクラックの発生密度を従来よりも大幅に低減させることができる。
また、上記の可溶材料としては、例えばシリコン(Si)などの様な比較的安価な材料を用いることができるため、GaN単結晶自立基板を下地基板として用いる従来の場合よりも、生産コストを安く抑えることができる。
Further, according to the first means of the present invention, the soluble material is dissolved in the flux during the semiconductor crystal growth step or near the semiconductor crystal growth temperature after the semiconductor crystal growth step. The stress does not act between the base substrate and the semiconductor crystal (optical element substrate) due to the temperature lowering action when taking out the desired semiconductor crystal from the reaction chamber. Therefore, according to the first means of the present invention, the density of occurrence of cracks in a desired optical element substrate can be greatly reduced as compared with the prior art.
In addition, as the above-described soluble material, for example, a relatively inexpensive material such as silicon (Si) can be used, so that the production cost is lower than the conventional case where a GaN single crystal free-standing substrate is used as a base substrate. It can be kept cheap.

また、本発明の第2の手段によって、上記の可溶材料がフラックスに溶け出す現象を不純物の添加処理として利用すれば、所望の光素子基板に不純物の添加が必要な場合に、その不純物の添加処理を他の方法によって実施する必要がなくなる。また、同時に、必要となる不純物材料を節約することもできる。 Further, if the phenomenon that the soluble material dissolves into the flux is used as an impurity addition process by the second means of the present invention, the impurity is added to the desired optical element substrate when the impurity needs to be added. The addition process does not need to be performed by other methods. At the same time, the necessary impurity material can be saved.

また、本発明の第3の手段によれば、リチウム(Li)またはカルシウム(Ca)のフラックス中における混合比に基づいて、半導体結晶の収率や成長速度を好適または最適に調整することができ、これによって、所望の光素子基板の生産性を好適または最適に調整することができる。 Further, according to the third means of the present invention, the yield and growth rate of the semiconductor crystal can be suitably or optimally adjusted based on the mixing ratio in the lithium (Li) or calcium (Ca) flux. Thereby, the productivity of a desired optical element substrate can be adjusted suitably or optimally.

また、本発明の第4の手段によれば、所望の電気伝導特性やバンドギャップを有する光素子基板を任意に結晶成長させることができる。 In addition, according to the fourth means of the present invention, an optical element substrate having desired electric conduction characteristics and a band gap can be arbitrarily crystal-grown.

本発明によれば、発光素子(LED、LD)、受光素子などの光素子の基板、又はその半導体ウェハの基板として有用な結晶成長基板(光素子基板)を実用レベルで良質に低コストで構成することができる。 According to the onset bright, the light emitting element (LED, LD), the substrate of the optical element such as a light-receiving element, or in good quality at low cost practical level useful crystal growth substrate (optical device substrate) as the substrate of the semiconductor wafer Can be configured.

また、本発明によれば、発光素子(LED、LD)、受光素子などの光素子の基板、又はその半導体ウェハの基板として有用な結晶成長基板(光素子基板)を実用レベルで良質に厚く構成することができる。 Further, according to this onset bright, the light emitting element (LED, LD), the substrate of the optical element such as a light-receiving element, or good quality thick a practical level useful crystal growth substrate (optical device substrate) as the substrate of the semiconductor wafer Can be configured.

また、本発明によれば、半導体発光素子の結晶成長基板の結晶品質を従来よりも容易に高めることができるので、従来よりも特性の良い半導体発光素子を量産することが容易となる。結晶成長基板の良質化によって改善することができる半導体発光素子の特性としては、内部量子効率、外部量子効率、駆動電圧、静電耐圧性能、寿命、歩留りなどを挙げることができる。 Further, according to this onset bright, because the crystal quality of the crystal growth substrate of the semiconductor light-emitting device can be increased more easily than the prior art, it is easy to mass-produce good semiconductor light emitting device characteristics than conventional. Examples of the characteristics of the semiconductor light emitting device that can be improved by improving the quality of the crystal growth substrate include internal quantum efficiency, external quantum efficiency, driving voltage, electrostatic withstand voltage performance, life, and yield.

また、特に半導体レーザの場合、出力光の共振器における共振効率を高くするためには、発光層にて発光する光の周波数軸方向の半値幅が十分に狭いことや、共振器反射面での反射率が高いことが重要になる。例えば、特に端面発光型の半導体レーザの場合には、共振器の端面が劈開によって綺麗に形成できることが重要となり、また、特に面発光型の半導体レーザの場合には、結晶成長面の粗さ(凹凸)が小さいことが重要となる。また、出力光は、出力前に反射によって共振器中を多数回往復するので、共振器自身の透明性も出力性能を高める上で非常に重要である。したがって、これらの観点から考えても、本発明によれば、半導体レーザの出力性能を従来よりも容易に高めることができる。 In particular, in the case of a semiconductor laser, in order to increase the resonance efficiency of the output light in the resonator, the half-value width in the frequency axis direction of the light emitted from the light emitting layer is sufficiently narrow, It is important that the reflectance is high. For example, particularly in the case of an edge-emitting semiconductor laser, it is important that the end face of the resonator can be cleanly formed by cleavage. In particular, in the case of a surface-emitting semiconductor laser, the roughness of the crystal growth surface ( It is important that the unevenness is small. Further, since the output light reciprocates through the resonator many times by reflection before output, the transparency of the resonator itself is very important for improving the output performance. Therefore, even when considered from these viewpoints, according to this onset bright, it can be easily increased than the conventional output performance of the semiconductor laser.

また、本発明によれば、半導体受光素子の結晶成長基板の結晶品質を従来よりも容易に高めることができるので、従来よりも特性の良い半導体受光素子を量産することが容易となる。結晶成長基板の良質化によって改善することができる半導体受光素子の特性としては、内部量子効率、外部量子効率、駆動電圧、静電耐圧性能、寿命、歩留りなどを挙げることができる。 Further, according to this onset bright, because the crystal quality of the crystal growth substrate of the semiconductor light receiving device can be increased more easily than the prior art, it is easy to mass-produce good semiconductor photodetector characteristics than conventional. Examples of the characteristics of the semiconductor light receiving element that can be improved by improving the quality of the crystal growth substrate include internal quantum efficiency, external quantum efficiency, driving voltage, electrostatic withstand voltage performance, life, and yield.

上記した本発明の効果の他、本発明の製造方法により製造された基板を用いた素子について、以下の効果も奏する。
窒素分圧比が40%以上80%以下の水素(H 2 )と窒素(N 2 )の混合気体からなるキャリアガスを用いた結晶成長処理によれば、アクセプタ不純物とアルミニウムを有するIII族窒化物系化合物半導体からなる上記の半導体結晶層のキャリアの移動度及びフォトルミネセンス強度を大きくし、表面粗さを小さくし、更にこの結晶各部におけるアルミニウム組成比のバラツキや膜厚のバラツキなどを当該半導体結晶層で小さくすることができる。これは、キャリアガス中の窒素濃度の範囲を最適化することで、アルミニウムを含むIII族窒化物系化合物半導体層の結晶品質が改善され、表面モフォロジーが平坦化されるからである。また、このような効果は、エピタキシャル成長中の結晶からの原子の再蒸発による欠陥の生成や表面荒れが抑制されるために得られるものと考えることもできる。
そして、これらの半導体結晶の積層によって、例えば、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)、撮像装置の受光素子、光センサ、フォトカプラなどの任意の光素子の動作効率などを良好にすることができる。
In addition to the effects of the present invention described above, the following effects can also be achieved with respect to an element using a substrate manufactured by the manufacturing method of the present invention.
According to the crystal growth process using a carrier gas composed of a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) having a nitrogen partial pressure ratio of 40% or more and 80% or less , a group III nitride system having an acceptor impurity and aluminum Increase the carrier mobility and photoluminescence intensity of the above-mentioned semiconductor crystal layer made of a compound semiconductor, reduce the surface roughness, and also show variations in the aluminum composition ratio and film thickness in each part of the crystal. Can be reduced in layers. This is because by optimizing the range of the nitrogen concentration in the carrier gas, the crystal quality of the group III nitride compound semiconductor layer containing aluminum is improved and the surface morphology is flattened. Such an effect can also be considered to be obtained because generation of defects and surface roughness due to re-evaporation of atoms from crystals during epitaxial growth are suppressed.
Then, by laminating these semiconductor crystals, for example, the operational efficiency of an arbitrary optical element such as a light emitting diode (LED), a semiconductor laser (LD), a light receiving element of an imaging device, an optical sensor, a photocoupler, etc. is improved. Can do.

また、光素子において、2層1組にて構成される上記の耐電圧構造が、コンタクト層の側から複数組連続して半導体素子の中に形成した場合には、この静電耐圧特性の向上に寄与する上記の複数組の耐電圧構造から成る部分において、少なくとも2層以上の添加半導体層が具備されるので、この構成によれば、高い静電圧が印加された際にキャリアが素子中の結晶構造の欠陥に集中する現象を従来よりも良好に緩和することができる。したがって、発光強度または受光感度などの素子の発光性能または受光性能を少なくとも従来程度に十分確保したまま、素子の静電耐圧特性を従来よりも更に良好に得ることができる。 Further , in the optical element, when the above-mentioned withstand voltage structure composed of one set of two layers is formed in the semiconductor element continuously in plural from the contact layer side , this electrostatic withstand voltage characteristic is improved. In the portion composed of a plurality of withstand voltage structures that contribute to the above structure, at least two or more additive semiconductor layers are provided. According to this configuration, when a high static voltage is applied, carriers are included in the element. The phenomenon of concentration on defects in the crystal structure can be mitigated better than before. Therefore, while the light emission intensity or emission performance or the light receiving device performance, such as the light receiving sensitivity is sufficiently secured about at least a conventional, electrostatic breakdown voltage of the element can be obtained from further better conventionally.

また、結晶成長基板に近い側である下方側にn形の半導体層を積層し、その反対側である上方側にp形の半導体層を積層する場合には、上記の耐電圧構造が、結晶成長基板に近い側のコンタクト層に隣接または接近して複数組形成される。したがって、活性層の結晶成長温度よりも高い温度で結晶成長させる高温成長層を上記の耐電圧構造の中に形成しても、その結晶成長過程の高温環境における熱ダメージを活性層に与える恐れがない。 In the case where an n-type semiconductor layer is stacked on the lower side, which is closer to the crystal growth substrate, and a p-type semiconductor layer is stacked on the upper side, which is the opposite side, the withstand voltage structure described above is A plurality of sets are formed adjacent to or close to the contact layer on the side close to the growth substrate. Therefore, a possibility of giving a high temperature growth layer is grown at a temperature higher than the crystal growth temperature of the active layer be formed in the withstand voltage structure described above, the thermal damage in the high temperature environment of the crystal growth process in the active layer There is no.

このため、結晶成長基板に近い側である下方側にn形の半導体層を積層し、その反対側である上方側にp形の半導体層を積層する場合に、活性層の結晶品質と上記の耐電圧構造の結晶品質とを同時に高く確保することが可能となり、よって、当該光素子の発光性能または受光性能を効果的に維持または向上させることができる。 Therefore, crystal semiconductor layer of n-type are stacked on the lower side is the side close to the growth substrate, in the case of stacking the semiconductor layer of p-type on the upper side is the opposite side, the active layer crystal quality and the It is possible to simultaneously ensure a high crystal quality of the withstand voltage structure, and thus the light emission performance or light reception performance of the optical element can be effectively maintained or improved.

また、光素子において、アンドープの半導体結晶層を用いて構成されるDBR多重層を設けた場合には、光学的な反射作用によって、発光素子の外部量子効率が向上すると共に、そのアンドープ層の導電特性に基づいて素子の静電耐圧性能をも同時に向上させることができる。この静電耐圧性能の向上は、キャリア集中の緩和作用などによるものと考えることができる。 In addition, in the optical element, when a DBR multi-layer composed of an undoped semiconductor crystal layer is provided, the external quantum efficiency of the light-emitting element is improved by the optical reflection action, and the conductivity of the undoped layer is increased. Based on the characteristics, the electrostatic withstand voltage performance of the device can be improved at the same time. Improvement of the electrostatic withstand voltage performance can be attributed to such relaxation effect of intensive career.

また、結晶成長基板の転位密度が低いので、各半導体結晶層の転位密度がそれぞれ何れも低く抑えられる。このため、この結晶品質の改善作用とアンドープ層の積層作用の双方の相乗効果によって、当該半導体発光素子の静電耐圧性能がより改善されるものと考えることができる。
また、この半導体発光素子はフリップチップタイプであるので、光素子基板の透明性が大きく改善されることも、上記の外部量子効率の向上に同時に大きく寄与している。
Moreover, because of the low dislocation density of crystal growth substrate, the dislocation density of each semiconductor crystal layer is kept low both respectively. For this reason, it can be considered that the electrostatic withstand voltage performance of the semiconductor light-emitting element is further improved by the synergistic effect of both the crystal quality improving action and the undoped layer stacking action.
Moreover, since this semiconductor light emitting device is a flip chip type, the greatly improved transparency of the optical device substrate also contributes greatly to the improvement of the external quantum efficiency.

また、DBR多重層を、複数のアンドープのGaN結晶層と、複数のアンドープのAl x Ga 1-x N結晶層(0<x<1)とから構成した場合には、発光素子の駆動電圧や内部量子効率を著しく劣化させない範囲内で、上記のDBR多重層の各界面における屈折率の差を大きく確保することができる。このため、その範囲内で上記のDBR多重層の反射率を効果的に高くすることができる。 Further, when the DBR multilayer is composed of a plurality of undoped GaN crystal layers and a plurality of undoped Al x Ga 1-x N crystal layers (0 <x <1) , A large difference in refractive index between the interfaces of the DBR multilayer can be ensured within a range in which the internal quantum efficiency is not significantly degraded. For this reason, the reflectance of said DBR multilayer can be effectively made within the range.

また、本発明により製造された基板上に、結晶を成長させるに当たり、上記のクリーニング処理をすることによって、半導体結晶を結晶成長させるべき結晶成長面上の異物または不純物が当該結晶成長面から良好に排除されるので、所望の半導体光素子を構成する各半導体結晶層をより良質に結晶成長させることができる。 In addition, when the crystal is grown on the substrate manufactured according to the present invention, by performing the above-described cleaning treatment , foreign matters or impurities on the crystal growth surface on which the semiconductor crystal should be grown can be favorably removed from the crystal growth surface. Therefore, each semiconductor crystal layer constituting the desired semiconductor optical device can be crystal-grown with higher quality.

なお、請求項1に記載の可溶材料の露出面に形成することができる上記の成膜パターンは、フォトリソグラフィーやエッチングなどの周知の技法で形成可能である。また、上記の溶解時期は、これらの保護膜の厚さを薄くする程早めることができ、また、上記の溶解速度は、フラックスに対する上記の可溶材料の露出面積を広くするほど高く設定することができる。即ち、これらの設定によれば、上記の可溶材料の露出面が高温のフラックスに接触した時点から上記の可溶材料の溶解が開始され、かつ、その溶解速度はその露出面の面積に略比例するので、これらの設定条件を適当に調整することによって、上記の可溶材料の溶解開始時刻や溶解所要時間や溶解速度などを任意に調整することができる。また、上記の可溶材料の溶解所要時間は、その可溶材料の種類や厚さやフラックスの温度などによっても任意に調整することができる。 The film formation pattern that can be formed on the exposed surface of the soluble material according to claim 1 can be formed by a known technique such as photolithography or etching. In addition, the dissolution time can be advanced as the thickness of these protective films decreases, and the dissolution rate should be set higher as the exposed area of the soluble material with respect to the flux becomes wider. Can do. That is, according to these settings, the dissolution of the soluble material is started from the time when the exposed surface of the soluble material comes into contact with the high-temperature flux, and the dissolution rate is approximately equal to the area of the exposed surface. Therefore, by appropriately adjusting these setting conditions, it is possible to arbitrarily adjust the dissolution start time, the required dissolution time, the dissolution rate, and the like of the above-described soluble material. In addition, the time required for dissolving the above-mentioned soluble material can be arbitrarily adjusted by the type, thickness, flux temperature, etc. of the soluble material.

また、上記のフラックス法による結晶成長に用いる種結晶や下地基板の製造方法は任意で良く、フラックス法、HVPE法、MOVPE法、MBE法などが有効である。また、その大きさや厚さも任意で良いが、工業的な実用性を考慮すると、直径約45mm程度の円形のものや、約27mm四方の角形や約12mm四方の角形などがより望ましい。また、種結晶や下地基板の結晶成長面の曲率半径は大きいほど望ましい。
また、それらの種結晶や下地基板の転位密度は低いほど望ましいが、請求項1又は請求項2の方法を用いる場合には必ずしもその限りではない。即ち、この場合、逆に転位密度が低過ぎると上記の可溶材料(下地基板)がフラックス中に溶解し難くなることがあるため注意を要する。
The seed crystal used for crystal growth by the flux method and the method for producing the base substrate may be arbitrary, and the flux method, HVPE method, MOVPE method, MBE method, etc. are effective. The size and thickness may be arbitrary, but in consideration of industrial practicality, a circular shape with a diameter of about 45 mm, a square with a size of about 27 mm, a square with a size of about 12 mm, and the like are more desirable. Further, it is desirable that the radius of curvature of the crystal growth surface of the seed crystal or the base substrate is larger.
Further, the lower the dislocation density of the seed crystal or the base substrate, the better, but this is not necessarily the case when the method of claim 1 or claim 2 is used. That is, in this case, if the dislocation density is too low, the above soluble material (underlying substrate) may be difficult to dissolve in the flux.

また、用いる結晶成長装置としては、フラックス法が実施可能なものであれば任意でよく、例えば、特許文献1〜5に記載されているもの等を適用又は応用することができる。ただし、フラックス法に従って結晶成長を実施する際の結晶成長装置の反応室の温度は、1000℃程度にまで任意に昇降温制御できることが望ましい。また、反応室の気圧は、約100気圧(約1.0×107Pa)程度にまで任意に昇降圧制御できることが望ましい。また、これらの結晶成長装置の電気炉、ステンレス容器(反応容器)、原料ガスタンク、及び配管などは、例えば、ステンレス系(SUS系)材料やアルミナ系材料や銅等によって形成することが望ましい。 Moreover, as a crystal growth apparatus to be used, any apparatus capable of performing the flux method may be used. For example, the apparatus described in Patent Documents 1 to 5 can be applied or applied. However, it is desirable that the temperature of the reaction chamber of the crystal growth apparatus when performing crystal growth according to the flux method can be arbitrarily controlled to rise and fall to about 1000 ° C. Further, it is desirable that the pressure in the reaction chamber can be arbitrarily controlled to increase or decrease to about 100 atm (about 1.0 × 10 7 Pa). The electric furnace, stainless steel container (reaction container), raw material gas tank, and piping of these crystal growth apparatuses are preferably formed of, for example, a stainless steel (SUS) material, an alumina material, copper, or the like.

また、光素子を製造する際、例えば特に、上記の活性層における発光波長または受光波長を450nm以上480nm以下とする場合には、上記のコンタクト層の側から数えて2組目以降の各耐電圧構造を構成する各半導体層の膜厚の総和の値と、そのコンタクト層の側から数えて1組目の耐電圧構造を構成する添加半導体層の膜厚の値との合計値を140nm以上600nm以下にすることがより望ましい。 Further , when manufacturing an optical element, for example, particularly when the light emission wavelength or light reception wavelength in the active layer is set to 450 nm or more and 480 nm or less, each withstand voltage after the second set counted from the contact layer side is used. The total value of the sum of the film thicknesses of the respective semiconductor layers constituting the structure and the film thickness value of the added semiconductor layers constituting the first withstand voltage structure counted from the contact layer side is 140 nm or more and 600 nm. The following is more desirable.

この構成によって、発光特性または受光特性を従来以上に維持しつつ、静電耐圧特性を従来よりも改善することができる。なお、この膜厚が厚過ぎると次の(理由1)または(理由2)による発光性能または受光性能の低下を招き、この膜厚が薄過ぎるとこれらの半導体層自身の抵抗が小さくなり過ぎて静電耐圧特性の向上が難しくなる。   With this configuration, the electrostatic withstand voltage characteristic can be improved as compared with the conventional one while maintaining the light emitting characteristic or the light receiving characteristic more than the conventional one. If this film thickness is too thick, the light emitting performance or light receiving performance is lowered due to the following (reason 1) or (reason 2). If this film thickness is too thin, the resistance of these semiconductor layers themselves becomes too small. It becomes difficult to improve the electrostatic withstand voltage characteristics.

(理由1)この無添加半導体層自身の抵抗が大きくなり過ぎるため。
(理由2)この無添加半導体層を後述の800℃〜900℃程度の比較的低い結晶成長温度で成長させると、この無添加半導体層の表面に適度の荒れを形成することができる。この時、この無添加半導体層の膜厚が厚過ぎると、その表面荒れによってこの無添加半導体層の結晶品質や、その後に結晶成長させる例えば活性層などの半導体層の結晶品質を良好に確保することが困難になるため。
(Reason 1) The resistance of the additive-free semiconductor layer itself becomes too large.
(Reason 2) When the additive-free semiconductor layer is grown at a relatively low crystal growth temperature of about 800 ° C. to 900 ° C., which will be described later, moderate roughness can be formed on the surface of the additive-free semiconductor layer. At this time, if the film thickness of the additive-free semiconductor layer is too thick, the crystal quality of the additive-free semiconductor layer and the crystal quality of the semiconductor layer such as an active layer to be subsequently grown are ensured by the surface roughness. Because it becomes difficult.

また、上記の活性層における発光波長または受光波長を、例えば特に、510nm以上550nm以下とする場合には、上記のコンタクト層の側から数えて2組目以降の各耐電圧構造を構成する各半導体層の膜厚の総和の値と、そのコンタクト層の側から数えて1組目の耐電圧構造を構成する添加半導体層の膜厚の値との合計値を50nm以上250nm以下にすることがより望ましい。   In addition, when the emission wavelength or the light reception wavelength in the active layer is set to, for example, 510 nm or more and 550 nm or less, each semiconductor constituting each withstand voltage structure of the second and subsequent sets counted from the contact layer side. More preferably, the total value of the sum of the film thicknesses of the layers and the value of the film thickness of the added semiconductor layer constituting the first withstand voltage structure counted from the contact layer side is 50 nm or more and 250 nm or less. desirable.

この構成によって、発光特性または受光特性を従来以上に維持しつつ、静電耐圧特性を従来よりも改善することができる。なお、この膜厚が厚過ぎると上記の(理由1)または(理由2)による発光性能または受光性能の低下を招き、この膜厚が薄過ぎるとこれらの半導体層自身の抵抗が小さくなり過ぎて静電耐圧特性の向上が難しくなる。   With this configuration, the electrostatic withstand voltage characteristic can be improved as compared with the conventional one while maintaining the light emitting characteristic or the light receiving characteristic more than the conventional one. If this film thickness is too thick, the light emission performance or light reception performance due to the above (reason 1) or (reason 2) is deteriorated. If this film thickness is too thin, the resistance of these semiconductor layers themselves becomes too small. It becomes difficult to improve the electrostatic withstand voltage characteristics.

また、コンタクト層の側から数えて1組目の耐電圧構造を構成する無添加半導体層の膜厚は、100nm以上300nm以下にすることがより望ましい。なお、この膜厚が厚過ぎると前述の(理由1)による発光性能または受光性能の低下を招き、この膜厚が薄過ぎるとこの無添加半導体層自身の抵抗が小さくなり過ぎて静電耐圧特性の向上が難しくなる。   Further, it is more preferable that the film thickness of the additive-free semiconductor layer constituting the first set of withstand voltage structure counted from the contact layer side is 100 nm or more and 300 nm or less. If this film thickness is too thick, the light emitting performance or light receiving performance due to the above (reason 1) is deteriorated. If this film thickness is too thin, the resistance of the additive-free semiconductor layer itself becomes too small and the electrostatic withstand voltage characteristics are reduced. It becomes difficult to improve.

また、コンタクト層の側から数えて1組目の耐電圧構造を構成する添加半導体層の膜厚は、10nm以上100nm以下にすることがより望ましい。なお、この膜厚が厚過ぎると前述の(理由2)による発光性能または受光性能の低下を招き、この膜厚が薄過ぎると、キャリアの横方向への分散作用が不足して静電耐圧特性の向上が難しくなる。   Further, it is more desirable that the thickness of the added semiconductor layer constituting the first set of withstand voltage structure counted from the contact layer side be 10 nm or more and 100 nm or less. If this film thickness is too thick, the light emission performance or light receiving performance due to the above-mentioned (reason 2) is deteriorated. If this film thickness is too thin, the dispersing action in the lateral direction of the carrier is insufficient, and the electrostatic withstand voltage characteristics. It becomes difficult to improve.

また、コンタクト層の側から数えて2組目の耐電圧構造を構成する添加半導体層の膜厚は、20nm以上40nm以下にすることがより望ましい。なお、この膜厚が厚過ぎると前述の(理由2)による発光性能または受光性能の低下を招き、この膜厚が薄過ぎると、キャリアの横方向への分散作用が不足して静電耐圧特性の向上が難しくなる。   Further, it is more preferable that the thickness of the added semiconductor layer constituting the second withstand voltage structure counted from the contact layer side is 20 nm or more and 40 nm or less. If this film thickness is too thick, the light emission performance or light receiving performance due to the above-mentioned (reason 2) is deteriorated. If this film thickness is too thin, the dispersing action in the lateral direction of the carrier is insufficient, and the electrostatic withstand voltage characteristics. It becomes difficult to improve.

なお、本明細書で言う「III族窒化物系化合物半導体」一般には、2元、3元、又は4元の「Al1-x-yGayInxN;0≦x≦1,0≦y≦1,0≦1−x−y≦1」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、p形或いはn形の不純物が添加された半導体もまた、これらの「III族窒化物系化合物半導体」の範疇である。 Note that in the present specification, "Group III nitride compound semiconductor" generally, binary, ternary, or quaternary "Al 1-xy Ga y In x N; 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ A semiconductor having an arbitrary mixed crystal ratio represented by a general formula of 1,0 ≦ 1−x−y ≦ 1 is included, and a semiconductor to which a p-type or n-type impurity is added is also included in these “ This is a category of “Group III nitride compound semiconductor”.

また、上記のIII族元素(Al,Ga,In)の内の少なくとも一部をボロン(B)やタリウム(Tl)等で置換したり、或いは、窒素(N)の少なくとも一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換したりしても良い。
また、上記のp形の不純物(アクセプター)としては、例えば、マグネシウム(Mg)や、或いはカルシウム(Ca)等の公知のp形不純物を添加することができる。
Further, at least a part of the above group III elements (Al, Ga, In) is replaced with boron (B), thallium (Tl), or the like, or at least a part of nitrogen (N) is phosphorus (P ), Arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like.
Moreover, as said p-type impurity (acceptor), well-known p-type impurities, such as magnesium (Mg) or calcium (Ca), can be added, for example.

また、上記のn形の不純物(ドナー)としては、例えば、シリコン(Si)や、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、或いはゲルマニウム(Ge)等の公知のn形不純物を添加することができる。
また、これらの不純物(アクセプター又はドナー)は、同時に2元素以上を添加しても良いし、同時に両形(p形とn形)を添加しても良い。
As the n-type impurity (donor), for example, known n-type impurities such as silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), or germanium (Ge) are used. Can be added.
Moreover, two or more elements may be added simultaneously to these impurities (acceptor or donor), or both types (p-type and n-type) may be added simultaneously.

なお、上記の光素子基板の上にIII族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法(MBE)、有機金属気相成長法(MOVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、液相成長法等が有効である。   In addition, as a method for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor layer on the optical element substrate, molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOVPE), hydride vapor phase epitaxy. The method (HVPE), the liquid phase growth method, etc. are effective.

発光層又は活性層は、単層構造、単一量子井戸(SQW)構造、多重量子井戸(MQW)構造、或いはその他任意の構造をとることができる。特に、これらの半導体結晶層を多重量子井戸(MQW)構造とする場合には、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体AlyGa1-y-zInzN(0≦y<1,0<z≦1)から成る井戸層を含むものが良い。したがって、発光層又は活性層は、例えば、添加又は無添加のGa1-zInzN(0<z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成比のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層などから構成することができる。 The light emitting layer or the active layer may have a single layer structure, a single quantum well (SQW) structure, a multiple quantum well (MQW) structure, or any other structure. In particular, when these semiconductor crystal layers have a multiple quantum well (MQW) structure, a group III nitride compound semiconductor Al y Ga 1-yz In z N (0 ≦ y <1) containing at least indium (In). , 0 <z ≦ 1) is preferable. Therefore, the light emitting layer or the active layer includes, for example, a well layer made of Ga 1-z In z N (0 <z ≦ 1) with or without addition, and an arbitrary composition ratio having a band gap larger than that of the well layer. A barrier layer made of a group III nitride compound semiconductor AlGaInN can be used.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

本実施例1で用いる結晶成長装置の断面図を図1に示す。
1.結晶成長装置
この結晶成長装置は、フラックス法によって、基板8の結晶成長面上に所望の半導体結晶を成長させるためのものであり、耐熱耐圧容器1の内部に配設された加熱容器2には、窒素含有ガス7を導入するためのガス導入パイプ4が連結されている。また、加熱容器2の反対側には、揺動装置5から伸びるシャフト6がガス導入パイプ4と同軸になる様に連結されている。この揺動装置5は、モータ及びモータ制御装置などから構成されている。窒化ホウ素からなる反応容器3には、混合フラックスと上記の基板8を入れる。
A cross-sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 1 is shown in FIG.
1. Crystal Growth Device This crystal growth device is for growing a desired semiconductor crystal on the crystal growth surface of the substrate 8 by the flux method. In the heating vessel 2 disposed inside the heat and pressure resistant vessel 1, The gas introduction pipe 4 for introducing the nitrogen-containing gas 7 is connected. A shaft 6 extending from the rocking device 5 is connected to the opposite side of the heating container 2 so as to be coaxial with the gas introduction pipe 4. The oscillating device 5 includes a motor and a motor control device. In the reaction vessel 3 made of boron nitride, the mixed flux and the substrate 8 are put.

2.フラックス法による結晶成長
図1の結晶成長装置を用いて、窒化ガリウム単結晶を結晶成長させる結晶成長について以下説明する。
(1)まず、MOVPE法によってサファイア基板の結晶成長面上に膜厚3μmのGaN膜を形成し、これによって、図1の基板8を完成させた。
(2)次に、反応容器3の底部にこの基板8を配置し、更にこの反応容器3にナトリウム(Na)とリチウム(Li)を入れた。この時のナトリウム(Na)の量は、約8.8gであり、リチウム(Li)の量は、約0.027gであった。モル比に換算すれば、99:1である。
2. Crystal Growth by Flux Method Crystal growth for crystal growth of a gallium nitride single crystal using the crystal growth apparatus of FIG. 1 will be described below.
(1) First, a GaN film having a thickness of 3 μm was formed on the crystal growth surface of the sapphire substrate by the MOVPE method, thereby completing the substrate 8 of FIG.
(2) Next, the substrate 8 was placed at the bottom of the reaction vessel 3, and sodium (Na) and lithium (Li) were further added to the reaction vessel 3. At this time, the amount of sodium (Na) was about 8.8 g, and the amount of lithium (Li) was about 0.027 g. When converted to a molar ratio, it is 99: 1.

(3)次に、この反応容器3を加熱容器2の中にセットし、反応容器3を一定の方向に傾けた。この設定によって、基板8はナトリウム(Na)とリチウム(Li)との混合フラックスに触れない様に設定された。 (3) Next, the reaction vessel 3 was set in the heating vessel 2, and the reaction vessel 3 was tilted in a certain direction. With this setting, the substrate 8 was set so as not to touch the mixed flux of sodium (Na) and lithium (Li).

(4)次に、約1000℃に加熱した窒素ガス(N2)を約30分間反応室に通して、この基板8の結晶成長面のクリーニングを行った。この時、加熱容器2内のガス圧を0〜10気圧(1〜10×105Pa)程度の間で周期的に変動させて、加熱容器2内への窒素(N2)ガスの流し込み(圧縮)及び排気を繰り返すことによって、クリーニングガスの流入/排気処理を行った。 (4) Next, nitrogen gas (N 2 ) heated to about 1000 ° C. was passed through the reaction chamber for about 30 minutes to clean the crystal growth surface of the substrate 8. At this time, the gas pressure in the heating container 2 is periodically changed between about 0 to 10 atm (1 to 10 × 10 5 Pa), and nitrogen (N 2 ) gas is poured into the heating container 2 ( Cleaning gas inflow / exhaust treatment was performed by repeating compression and exhaust.

(5)その後、新たに窒素ガスを導入して、加熱容器2内のガス圧を10気圧(約10×105Pa)まで昇圧して、その温度を890℃に設定した。
(6)その後、揺動装置5を用いて反応容器3を揺動させることによって、図2−A,−B,−Cに例示する様に、原料液9(混合フラックス)を左右に行き来させて、GaN膜の結晶成長面が常時薄い混合フラックス9で覆われる様にした。また、この揺動を継続しながら、上記の温度と圧力も4時間一定に維持した。この時の揺動周期は、毎分1往復〜数往復程度で良い。
(5) Thereafter, nitrogen gas was newly introduced, the gas pressure in the heating container 2 was increased to 10 atm (about 10 × 10 5 Pa), and the temperature was set to 890 ° C.
(6) Thereafter, the reaction vessel 3 is swung using the rocking device 5 to move the raw material liquid 9 (mixed flux) back and forth as illustrated in FIGS. 2-A, -B, and -C. Thus, the crystal growth surface of the GaN film was always covered with the thin mixed flux 9. In addition, the temperature and pressure were maintained constant for 4 hours while continuing this oscillation. The oscillation cycle at this time may be about 1 to several reciprocations per minute.

(7)その後、基板8にフラックスが触れない様に反応容器3を傾けたまま、略常温常圧にまで降温及び降圧して、基板8を加熱容器2内から取り出し、この基板8の周りに付着したフラックス(Na,Li)をエタノールを用いて除去した。これにより、基板8上に結晶成長した厚さが均一で透明なバルク状のGaN単結晶を得た。 (7) Then, with the reaction vessel 3 tilted so that the flux does not touch the substrate 8, the temperature is lowered and lowered to about room temperature and normal pressure, and the substrate 8 is taken out from the heating vessel 2, and the substrate 8 is placed around the substrate 8. The adhered flux (Na, Li) was removed using ethanol. As a result, a transparent bulk GaN single crystal having a uniform thickness obtained by crystal growth on the substrate 8 was obtained.

以上の方法で得られたこのGaN単結晶の厚さは約10μmであり最大径は5cm以上であった。
また、このGaN単結晶について、フォトルミネッセンスを常温下で測定したところ、波長325nmの励起光に対して、10mW以上の強度を示した。
また、(100)面で反射されるX線のXRDピーク半値幅を測定したところ、100arc.sec.以下であった。
以上のことから、例えば厚さ400μmの透明で転位密度が低い所望の高品質な光素子基板は、上記の結晶成長処理を約160時間行えば得られることが分かる。
The thickness of the GaN single crystal obtained by the above method was about 10 μm, and the maximum diameter was 5 cm or more.
Moreover, when photoluminescence was measured about this GaN single crystal under normal temperature, the intensity | strength of 10 mW or more was shown with respect to the excitation light of wavelength 325nm.
Further, when the XRD peak half width of the X-ray reflected from the (100) plane was measured, it was 100 arc.sec or less.
From the above, it can be seen that, for example, a desired high-quality optical element substrate having a thickness of 400 μm and a low dislocation density can be obtained by performing the crystal growth process for about 160 hours.

なお、上記の結晶成長では、混合フラックスの第2の主要成分をリチウム(Li)としたが、混合フラックスの第2の主要成分としてリチウム(Li)の代わりにカルシウム(Ca)を用いても良い。また、リチウム(Li)に加えて更にカルシウム(Ca)を用いる様にしても良い。   In the above crystal growth, the second main component of the mixed flux is lithium (Li), but calcium (Ca) may be used instead of lithium (Li) as the second main component of the mixed flux. . Further, in addition to lithium (Li), calcium (Ca) may be used.

また、結晶原料である窒素(N)を含有するガスとしては、窒素ガス(N2)、アンモニアガス(NH3)、またはこれらのガスの混合ガスなどを用いることができる。また、所望の半導体結晶を構成するIII族窒化物系化合物半導体の上記の組成式においては、上記のIII族元素(Al,Ga,In)の内の少なくとも一部をボロン(B)やタリウム(Tl)等で置換したり、或いは、窒素(N)の少なくとも一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)などで置換したりすることもできる。 Further, as a gas containing nitrogen (N) which is a crystal raw material, nitrogen gas (N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), a mixed gas of these gases, or the like can be used. In the above composition formula of the group III nitride compound semiconductor constituting the desired semiconductor crystal, at least a part of the above group III elements (Al, Ga, In) is boron (B) or thallium ( Tl) or the like, or at least part of nitrogen (N) can be replaced with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like.

また、p形の不純物(アクセプター)としては、例えばアルカリ土類金属(例:マグネシウム(Mg)やカルシウム(Ca)等)などを添加することができる。また、n形の不純物(ドナー)としては、例えば、シリコン(Si)や、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、或いはゲルマニウム(Ge)等のn形不純物を添加することができる。また、これらの不純物(アクセプター又はドナー)は、同時に2元素以上を添加しても良いし、同時に両形(p形とn形)を添加しても良い。即ち、これらの不純物は、例えばフラックス中に予め溶融させておくこと等により、所望の半導体結晶中に添加することができる。   In addition, as the p-type impurity (acceptor), for example, an alkaline earth metal (eg, magnesium (Mg), calcium (Ca), or the like) can be added. As the n-type impurity (donor), for example, an n-type impurity such as silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), or germanium (Ge) may be added. it can. Moreover, two or more elements may be added simultaneously to these impurities (acceptor or donor), or both types (p-type and n-type) may be added simultaneously. That is, these impurities can be added to a desired semiconductor crystal, for example, by being previously melted in a flux.

本実施例2におけるフラックス法での結晶成長工程に用いる下地基板(テンプレート10)の作成手順について、以下図3を用いて説明する。
1.下地基板の作成
(1)まず、シリコン基板11(本願の可溶材料)の裏面に保護膜15を成膜する。この保護膜15は、例えばMOVPE法などに従ってAlN層を積層することによって成膜しても良いし、或いはタンタル(Ta)などの適当な金属をスパッタリング装置又は真空蒸着装置を用いて成膜する様にしても良い。
A procedure for creating the base substrate (template 10) used in the crystal growth process by the flux method in the second embodiment will be described below with reference to FIG.
1. Preparation of base substrate (1) First, the protective film 15 is formed on the back surface of the silicon substrate 11 (the soluble material of the present application). The protective film 15 may be formed by laminating an AlN layer according to, for example, the MOVPE method, or an appropriate metal such as tantalum (Ta) may be formed using a sputtering apparatus or a vacuum evaporation apparatus. Anyway.

(2)次に、MOVPE法に従う結晶成長によって、厚さ約400μmのシリコン基板11の上にAlGaNから成るバッファ層12を約4μm積層し、更にその上にGaN層13を積層する。このGaN層13は、所望の半導体結晶のフラックス法による成長が開始されるまでの間に、幾らかはフラックスに溶け出す場合があるので、その際に消失されない厚さに積層しておく。
以上の工程(1)、(2)により、テンプレート10(下地基板)を作製することができる。
(2) Next, by crystal growth according to the MOVPE method, a buffer layer 12 made of AlGaN is laminated on a silicon substrate 11 having a thickness of about 400 μm, and a GaN layer 13 is further laminated thereon. This GaN layer 13 may be partially dissolved in the flux until the growth of the desired semiconductor crystal by the flux method is started. Therefore, the GaN layer 13 is laminated so as not to disappear at that time.
The template 10 (underlying substrate) can be produced by the above steps (1) and (2).

2.結晶成長装置の構成
図4−A,−Bに本実施例2の結晶成長装置の構成図を示す。この結晶成長装置は、窒素ガスを供給するための原料ガスタンク21と、育成雰囲気の圧力を調整するための圧力調整器22と、リーク用バルブ23と、結晶育成を行うための電気炉25を備えており、電気炉25、原料ガスタンク21と電気炉25とをつなぐ配管等は、ステンレス系(SUS系)またはアルミナ系の材料、或いは銅等により形成されている。
2. Configuration of Crystal Growth Device FIGS. 4-A and -B show a configuration diagram of the crystal growth device according to the second embodiment. This crystal growth apparatus includes a raw material gas tank 21 for supplying nitrogen gas, a pressure regulator 22 for adjusting the pressure of the growth atmosphere, a leak valve 23, and an electric furnace 25 for performing crystal growth. The electric furnace 25, the piping connecting the raw material gas tank 21 and the electric furnace 25, etc. are made of stainless steel (SUS) or alumina material, copper, or the like.

そして、上記の電気炉25の内部には、ステンレス容器24(反応室)が配置されており、このステンレス容器24には、坩堝26(反応容器)がセットされている。この坩堝26は、例えば、ボロンナイトライド(BN)やアルミナ(Al23)などから形成することができる。
また、電気炉25内の温度は、1000℃以下の範囲内で任意に昇降温制御することができる。また、ステンレス容器24の中の結晶雰囲気圧力は、圧力調整器22,29やリーク用バルブ23などによって、1.0×107Pa以下の範囲内で配管28を介して任意に昇降圧制御することができる。
A stainless steel container 24 (reaction chamber) is disposed inside the electric furnace 25, and a crucible 26 (reaction container) is set in the stainless steel container 24. The crucible 26 can be formed of, for example, boron nitride (BN) or alumina (Al 2 O 3 ).
The temperature in the electric furnace 25 can be arbitrarily controlled to rise and fall within a range of 1000 ° C. or less. Further, the pressure in the crystal atmosphere in the stainless steel container 24 is arbitrarily controlled by the pressure regulators 22 and 29, the leak valve 23, etc. within a range of 1.0 × 10 7 Pa or less via the pipe 28. be able to.

図4−Bにステンレス容器24の断面図を示す。反応室の側壁27は円筒形に形成されており、その外側下方の足部には、加熱用のヒータHがリング状に配設されている。このヒータHは、該反応室の底部を介して坩堝26(反応容器)を加熱することによって、坩堝26内の混合フラックス9に熱対流を発生させるためのものである。   FIG. 4-B shows a cross-sectional view of the stainless steel container 24. A side wall 27 of the reaction chamber is formed in a cylindrical shape, and a heater H for heating is disposed in a ring shape on the outer lower portion of the foot. The heater H is for generating thermal convection in the mixed flux 9 in the crucible 26 by heating the crucible 26 (reaction vessel) through the bottom of the reaction chamber.

3.結晶成長工程
以下、図4−A,−Bの結晶成長装置を用いた本実施例の結晶成長工程について、図5−A〜Cを用いて説明する。
(1)まず、反応容器(坩堝26)の中に、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)及びIII元素であるGaを入れ、その反応容器(坩堝26)を結晶成長装置の反応室(ステンレス容器24)の中に配置してから、反応室の中のガスを排気する。ただし、ナトリウム(Na)とリチウム(Li)のモル比は、99:1とした。また、この坩堝中には必要に応じて、例えばアルカリ土類金属等の前述の任意の添加物を予め投入しておいても良い。また、これらの作業を空気中で行うとNaがすぐに酸化してしまうため、基板や原材料を反応容器にセットする作業は、Arガスなどの不活性ガスで満たされたグローブボックス内で実施する。
3. Crystal Growth Process Hereinafter, the crystal growth process of the present example using the crystal growth apparatus of FIGS. 4-A and -B will be described with reference to FIGS.
(1) First, sodium (Na), lithium (Li), and Ga as an element III are put into a reaction vessel (crucible 26), and the reaction vessel (crucible 26) is used as a reaction chamber (stainless steel vessel) of a crystal growth apparatus. 24), the gas in the reaction chamber is exhausted. However, the molar ratio of sodium (Na) to lithium (Li) was 99: 1. In addition, if necessary, any of the above-mentioned additives such as alkaline earth metals may be introduced into the crucible in advance. In addition, when these operations are performed in the air, Na is immediately oxidized, so the operation of setting the substrate and raw materials in the reaction vessel is performed in a glove box filled with an inert gas such as Ar gas. .

(2)次に、反応室のガス圧を0〜10気圧(1〜10×105Pa)程度の間で周期的に変動させて、反応室内への窒素(N2)ガスの流し込み(圧縮)及び排気を繰り返すことによって、基板の結晶成長面のクリーニング処理を行う。この時の処理温度は900℃とし、該クリーニング処理時間は約30分とする。 (2) Next, the gas pressure in the reaction chamber is periodically varied between about 0 to 10 atm (1 to 10 × 10 5 Pa), and nitrogen (N 2 ) gas is poured into the reaction chamber (compression). ) And evacuation are repeated to clean the crystal growth surface of the substrate. The processing temperature at this time is 900 ° C., and the cleaning processing time is about 30 minutes.

(3)次に、この坩堝の温度を850℃以上880℃以下に調整しつつ、この温度調整工程と並行して、結晶成長装置の反応室には、新たに窒素ガス(N2)を送り込み、この反応室のガス圧を3〜5気圧(3〜5×105Pa)程度に維持する。この時、上記のテンプレート10の保護膜15は、上記の昇温の結果生成される融液(混合フラックス)に浸し、テンプレート10の結晶成長面、即ち、GaN層13の露出面は、その融液と窒素ガスとの界面付近に配置する。 (3) Next, while adjusting the temperature of the crucible between 850 ° C. and 880 ° C., nitrogen gas (N 2 ) is newly fed into the reaction chamber of the crystal growth apparatus in parallel with this temperature adjustment step. The gas pressure in the reaction chamber is maintained at about 3 to 5 atmospheres (3 to 5 × 10 5 Pa). At this time, the protective film 15 of the template 10 is immersed in the melt (mixed flux) generated as a result of the temperature rise, and the crystal growth surface of the template 10, that is, the exposed surface of the GaN layer 13 is melted. It is arranged near the interface between the liquid and nitrogen gas.

(4)その後、図4−BのヒータHを加熱して、混合フラックス9の熱対流を発生させて、これによって、フラックスを攪拌混合させつつ、上記(3)の結晶成長条件を継続的に維持した。 (4) Thereafter, the heater H in FIG. 4-B is heated to generate thermal convection of the mixed flux 9, thereby continuously agitating and mixing the flux while maintaining the crystal growth conditions of (3) above. Maintained.

以上の様な条件設定により、GaとNaとの融液と窒素ガスとの界面付近が、継続的にIII族窒化物系化合物半導体の材料原子の過飽和状態となるので、所望の半導体結晶(n型GaN単結晶20)をテンプレート10(図3)の結晶成長面から順調に成長させることができる(図5−A)。ここで、n型の半導体結晶(n型GaN単結晶20)が得られるのは、フラックス中に融解したシリコン基板11がn型の添加物(Si)として、成長中の結晶中に添加されるためである(図5−B)。   By setting the conditions as described above, the vicinity of the interface between the melt of Ga and Na and the nitrogen gas is continuously supersaturated with the material atoms of the group III nitride compound semiconductor, so that the desired semiconductor crystal (n The type GaN single crystal 20) can be grown smoothly from the crystal growth surface of the template 10 (FIG. 3) (FIG. 5-A). Here, the n-type semiconductor crystal (n-type GaN single crystal 20) is obtained because the silicon substrate 11 melted in the flux is added to the growing crystal as an n-type additive (Si). (FIG. 5-B).

ただし、保護膜15を厚く積層しておくことによって、結晶成長工程の実施中には、シリコン基板11がフラックス中に融解しない様にしても良い。この場合には、シリコン(Si)などの添加物がドープされていない無添加の光素子基板を結晶成長させることもできる。   However, the protective film 15 may be thickly stacked so that the silicon substrate 11 does not melt into the flux during the crystal growth process. In this case, an undoped optical element substrate that is not doped with an additive such as silicon (Si) can be crystal-grown.

4.結晶成長基板の溶解
以上の結晶成長工程によって、n型GaN単結晶20が例えば約500μm以上の十分な膜厚にまで成長したら、引き続き坩堝の温度を850℃以上880℃以下に維持して、保護膜15及びシリコン基板11がフラックス中に全て溶解するのを待ち(図5−B〜C)、その後も、窒素ガス(N2)のガス圧を3〜5気圧(3〜5×105Pa)程度に維持したまま、反応室の温度を100℃以下にまで降温する。
4). Dissolution of crystal growth substrate When the n-type GaN single crystal 20 is grown to a sufficient film thickness of, for example, about 500 μm or more by the above crystal growth process, the temperature of the crucible is continuously maintained at 850 ° C. or more and 880 ° C. or less for protection. Waiting for all of the film 15 and the silicon substrate 11 to dissolve in the flux (FIGS. 5-B to C), the gas pressure of nitrogen gas (N 2 ) is changed to 3 to 5 atm (3 to 5 × 10 5 Pa). ) The temperature of the reaction chamber is lowered to 100 ° C. or lower while maintaining the degree.

ただし、シリコン基板11をフラックス中に溶解させる工程と上記の降温工程とは、幾らか並行に重ねて実施する様にしても良い。また、保護膜15やシリコン基板11は、例えば上記のようにして、GaN単結晶20の成長工程中に少なくともその一部がフラックス中に溶解する様にしても良い。これらの各工程の並列同時進行の様態は、例えば保護膜15の成膜形態などにより適当に調整することができる。   However, the step of dissolving the silicon substrate 11 in the flux and the above-described temperature lowering step may be carried out in a somewhat overlapped manner. Further, for example, as described above, at least a part of the protective film 15 and the silicon substrate 11 may be dissolved in the flux during the growth process of the GaN single crystal 20. The mode of parallel and simultaneous progress of these steps can be appropriately adjusted depending on, for example, the form of the protective film 15.

5.フラックスの除去
次に、結晶成長装置の反応室から上記のn型GaN単結晶20(所望の半導体結晶)を取り出して、これを30℃以下にまで降温してからその周辺も30℃以下に維持して、n型GaN単結晶20の周りに付着したフラックス(Na)をエタノールを用いて除去する。
以上の各工程を順次実行することによって、従来よりも大幅にクラックが少ない高品質の厚さが400μm以上の光素子基板(n型GaN単結晶20)をフラックス法によって低コストで製造することができる。
5. Flux removal Next, the n-type GaN single crystal 20 (desired semiconductor crystal) is taken out from the reaction chamber of the crystal growth apparatus, the temperature is lowered to 30 ° C. or lower, and the surroundings are also maintained at 30 ° C. or lower. Then, the flux (Na) attached around the n-type GaN single crystal 20 is removed using ethanol.
By sequentially executing the above steps, it is possible to manufacture an optical element substrate (n-type GaN single crystal 20) having a high quality thickness of 400 μm or more with fewer cracks than conventional methods at a low cost by the flux method. it can.

本実施例3では、後述のLEDの細部(p型層107)の結晶成長条件を決定するために、まず、p型AlGaN結晶層のサンプルを試作して、それらの半導体層の各特性を調査した。   In Example 3, in order to determine the crystal growth conditions of the details (p-type layer 107) of the LED, which will be described later, first, a sample of a p-type AlGaN crystal layer is prototyped and the characteristics of those semiconductor layers are investigated. did.

このサンプル(p型AlGaN結晶層)の結晶成長処理では、キャリアガスに水素(H2)と窒素(N2)の2種混合ガスを用いたた有機金属気相成長法に基づいて、そのキャリアガスの窒素分圧比を0から1に変化させて、上記のp型AlGaN結晶層を積層した。また、結晶成長基板にはサファイア基板を使用した。この時使用した原料ガスは、アンモニアガス(NH3)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)、トリメチルインジウム(In(CH3)3)、シラン(SiH4)並びにシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)である。また、金属原料源のガスを供給するためのバブラには、窒素(N2)を用いた。 In the crystal growth treatment of this sample (p-type AlGaN crystal layer), the carrier is based on a metal organic vapor phase growth method using a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) as a carrier gas. The p-type AlGaN crystal layer was stacked while changing the nitrogen partial pressure ratio of the gas from 0 to 1. A sapphire substrate was used as the crystal growth substrate. The source gases used at this time were ammonia gas (NH 3 ), trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ), trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ), silane ( SiH 4 ) and cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ). Further, nitrogen (N 2 ) was used for the bubbler for supplying the gas of the metal source.

上記のサンプル(p型AlGaN結晶層)は、サファイア基板にAlNバッファ層、アンドープGaN層を設けた上にAl0.24Ga0.76N:Mg層を設けて同一条件で低抵抗化処理したのちに得たものである。即ち、目的のp型AlGaN結晶層のアクセプタ不純物としてはマグネシウムをドープした。
次の表1に、これらのサンプルから得られた各半導体の物性を示す。

Figure 0004958207
The above sample (p-type AlGaN crystal layer) was obtained after an AlN buffer layer and an undoped GaN layer were provided on a sapphire substrate and an Al 0.24 Ga 0.76 N: Mg layer was provided and the resistance was reduced under the same conditions. Is. That is, magnesium was doped as an acceptor impurity of the target p-type AlGaN crystal layer.
Table 1 below shows the physical properties of each semiconductor obtained from these samples.
Figure 0004958207

以下、上記のキャリアガスの窒素分圧比をRと記す。この表1では、R=1.0の場合を基準として、それよりも望ましい特性が得られた場合を○印で示している。また、R=1.0の場合と略同等の特性が得られた場合を△印で、特性が低下した場合を×印で示した。ただし、これらの評価項目としては、以下のものを採用した。
(1)PL強度
波長326nmのフォトルミネッセンスの強度を比較した。強度が高い場合ほど望ましい。
(2)移動度
ホール移動度を比較した。ホール移動度が高い場合ほど望ましい。
(3)表面粗さ
表面の粗さを比較した。即ち、サンプル(p型AlGaN結晶層)の表面の高さ平均面を基準面とするその表面の各部の高さ変位の二乗平均の平方根(r.m.s.)によって示される表面粗さが小さいほど望ましい。
(4)Al成分分布
サンプル中の各部のAl組成比を測定し、そのバラツキを比較した。Al組成比が均一であるほど望ましい。
(5)膜厚分布
サンプル(p型AlGaN結晶層)の膜厚を測定し、そのバラツキを比較した。膜厚が均一であるほど望ましい。
Hereinafter, the nitrogen partial pressure ratio of the carrier gas is denoted as R. In Table 1, the case where R = 1.0 is used as a reference, and the case where a more desirable characteristic is obtained is indicated by ◯. Further, a case where characteristics substantially equivalent to the case of R = 1.0 is obtained is indicated by Δ, and a case where the characteristics are deteriorated is indicated by x. However, the following items were adopted as these evaluation items.
(1) PL intensity The intensity of photoluminescence having a wavelength of 326 nm was compared. The higher the strength, the better.
(2) Mobility We compared the hole mobility. The higher the hole mobility, the better.
(3) Surface roughness The surface roughness was compared. That is, it is desirable that the surface roughness indicated by the root mean square (rms) of the height displacement of each part of the surface of the sample (p-type AlGaN crystal layer) with respect to the average height of the surface is smaller.
(4) Al component distribution The Al composition ratio of each part in the sample was measured, and the variation was compared. It is desirable that the Al composition ratio is uniform.
(5) Film thickness distribution The film thickness of the sample (p-type AlGaN crystal layer) was measured, and the variation was compared. It is desirable that the film thickness is uniform.

これらの調査結果より、キャリアガスを窒素と水素で構成してその窒素分圧比を0.6≦R≦0.7とした場合に最も良い物性が得られるものと判断することができる。
以下、この様な条件にしたがって形成されたp型AlGaN結晶層を有するLEDの製造例について開示する。
From these investigation results, it can be determined that the best physical properties can be obtained when the carrier gas is composed of nitrogen and hydrogen and the nitrogen partial pressure ratio is 0.6 ≦ R ≦ 0.7.
Hereinafter, an example of manufacturing an LED having a p-type AlGaN crystal layer formed according to such conditions will be disclosed.

図6に、そのLEDの模式的な断面図を示す。このLED100の光素子基板(結晶成長基板101)は、先の実施例2の製造方法に従って製造された結晶性に優れた透明なバルク状の半導体単結晶であり、シリコン(Si)が5×1018cm-3ドープされた厚さ約300μmのGaN結晶から成る。 FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the LED. The optical element substrate (crystal growth substrate 101) of this LED 100 is a transparent bulk semiconductor single crystal excellent in crystallinity manufactured according to the manufacturing method of Example 2 above, and silicon (Si) is 5 × 10 5. It consists of approximately 300 μm thick GaN crystal doped with 18 cm −3 .

また、この光素子基板(結晶成長基板101)の上には、膜厚1.5nmのアンドープIn0.1Ga0.9Nから成る層1051と膜厚3nmのアンドープGaNから成る層1052とを交互に20ペア積層することによって構成された膜厚90nmの多重層105が形成されている。更にその上には、膜厚17nmのアンドープGaNから成る障壁層1062と膜厚3nmのアンドープIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層1061とが順次積層された多重量子井戸層106が形成されている。 Further, on this optical element substrate (crystal growth substrate 101), 20 pairs of layers 1051 made of undoped In 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 1.5 nm and layers 1052 made of undoped GaN having a thickness of 3 nm are alternately arranged. A multilayer 105 having a thickness of 90 nm is formed by stacking. Further thereon, a multiple quantum well layer 106 is formed in which a barrier layer 1062 made of undoped GaN having a thickness of 17 nm and a well layer 1061 made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 3 nm are sequentially stacked.

更に、この多重量子井戸層106の上には、Mgを2×1019/cm3ドープした膜厚15nmのp型Al0.2Ga0.8Nから成るp型層107が形成されており、また、p型層107の上には、膜厚300nmのアンドープのAl0.02Ga0.98Nから成る層108を形成した。更にその上には、マグネシウムが1×1020cm-3ドープされたGaN結晶からなる膜厚80nmのp型GaN層110が積層されており、その上には、マグネシウムが2×1020cm-3ドープされたGaN結晶からなる膜厚20nmのp型GaN層111が積層されている。 Further, a p-type layer 107 made of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 15 nm doped with 2 × 10 19 / cm 3 of Mg is formed on the multiple quantum well layer 106. On the mold layer 107, a layer 108 made of undoped Al 0.02 Ga 0.98 N having a thickness of 300 nm was formed. Furthermore, a p-type GaN layer 110 having a thickness of 80 nm made of a GaN crystal doped with 1 × 10 20 cm −3 of magnesium is stacked thereon, and further magnesium is 2 × 10 20 cm −. A 20-nm-thick p-type GaN layer 111 made of 3- doped GaN crystal is stacked.

また、p側の電極は、p型GaN層111の上に積層した膜厚約300nmのITOからなるITO電極120で構成した。更に、最上部には、SiO2膜より成る保護膜130が形成されている。
一方、結晶成長基板101の裏面に蒸着によって積層されたn側のn電極140は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層141と、膜厚約500nmのアルミニウム(Al)より成る第2層142との多層構造に構成されている。
ただし、n電極140は、例えばロジウム(Rh)などの金属を用いて単層構造に形成しても良い。
The p-side electrode was composed of an ITO electrode 120 made of ITO having a thickness of about 300 nm laminated on the p-type GaN layer 111. Further, a protective film 130 made of a SiO 2 film is formed on the top.
On the other hand, the n-side n-electrode 140 laminated on the back surface of the crystal growth substrate 101 by vapor deposition is composed of a first layer 141 made of vanadium (V) having a thickness of about 18 nm and aluminum (Al) having a thickness of about 500 nm. It is configured in a multilayer structure with the second layer 142.
However, the n-electrode 140 may be formed in a single layer structure using a metal such as rhodium (Rh).

以上の構成のLED100において、上記のp型Al0.2Ga0.8Nから成るp型層107を形成する際には、原料ガスのキャリアガスとして窒素分圧比がR=2/3なる窒素と水素の混合ガスを用い、かつ、その他の半導体結晶層の結晶成長においては原料ガスのキャリアガスを窒素のみで(即ち、R=1.0として)構成した。このLED100の発光強度は、p型層107をR=1.0として形成した上記と同構成の他の試作品に比べて約2割程度向上していた。 In the LED 100 having the above-described configuration, when the p-type layer 107 made of the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N is formed, a mixture of nitrogen and hydrogen having a nitrogen partial pressure ratio of R = 2/3 as a carrier gas of the source gas In the crystal growth of other semiconductor crystal layers using a gas, the carrier gas of the source gas was composed of only nitrogen (that is, R = 1.0). The light emission intensity of the LED 100 was improved by about 20% compared to other prototypes having the same configuration as described above in which the p-type layer 107 was formed with R = 1.0.

この様に、窒素分圧比Rを最適化して形成された、アクセプタ不純物とアルミニウムを有するIII族窒化物系化合物半導体層は、LEDやLDの発光層の直上に形成することで当該発光層等に対し広いバンドギャップを有する半導体層として良好に作用する。また、アルミニウムを有するこのIII族窒化物系化合物半導体層を非常に良質に形成することができたその他の理由としては、先の実施例2の製造方法に基づいて製造した、極めて良質の半導体結晶からなる結晶成長基板を基板101に用いたためだと考えられる。即ち、結晶成長基板の品質と結晶成長条件(窒素分圧比R)の各最適化の良好な相乗効果によって、上記のLED100の発光強度が約2割も向上したものと考えられる。   Thus, the group III nitride compound semiconductor layer having acceptor impurities and aluminum formed by optimizing the nitrogen partial pressure ratio R is formed directly on the light emitting layer of the LED or LD to form the light emitting layer or the like. On the other hand, it works well as a semiconductor layer having a wide band gap. Another reason why the Group III nitride compound semiconductor layer having aluminum can be formed with very good quality is that the semiconductor crystal of extremely good quality manufactured based on the manufacturing method of Example 2 is used. This is probably because a crystal growth substrate made of That is, it is considered that the light emission intensity of the LED 100 is improved by about 20% due to a good synergistic effect of optimization of the quality of the crystal growth substrate and the crystal growth conditions (nitrogen partial pressure ratio R).

また、上記のLED100に関し、−1000vの静電耐圧による耐性テストを実施したところ、従来よりも高い静電耐圧性能を検証することができた。この耐圧性能は、結晶成長基板101の転位密度が非常に低いことと、上記の膜厚300nmのアンドープのAl0.02Ga0.98Nから成る層108を挿入したこととの相乗効果によって、得られたものと考えられる。 Moreover, when the tolerance test by -1000v electrostatic withstand voltage was implemented regarding said LED100, the electrostatic withstand voltage performance higher than before was able to be verified. This breakdown voltage performance was obtained by a synergistic effect of the very low dislocation density of the crystal growth substrate 101 and the insertion of the layer 108 made of undoped Al 0.02 Ga 0.98 N having a thickness of 300 nm. it is conceivable that.

更に、上記のLED100の構成は、次の点でも有利である。
(1)導電性基板を用いることによって、AlNバッファ層やアンドープGaN層やn+層などの従来のn+層積層工程以前の結晶成長工程が不要である。
(2)上下に電極を有するので、電極間の短絡が発生し難い。
(3)上下電極構造により、n+層にn電極を形成するためのドライエッチング工程が不要である。
(4)上下電極構造により、裏面のn電極自身で反射金属膜を兼ねることができる。
(5)上下電極構造により、上面の略全面を光取り出し面にすることができる。
(6)上下電極構造により、電流の密度分布が均一化されるため、発光ムラが発生し難くなる。
Furthermore, the configuration of the LED 100 is advantageous also in the following points.
(1) By using a conductive substrate, a crystal growth step prior to a conventional n + layer stacking step such as an AlN buffer layer, an undoped GaN layer, or an n + layer is unnecessary.
(2) Since the upper and lower electrodes are provided, short-circuiting between the electrodes is unlikely to occur.
(3) Due to the upper and lower electrode structure, a dry etching step for forming an n electrode in the n + layer is unnecessary.
(4) Due to the upper and lower electrode structures, the n electrode on the back surface can also serve as a reflective metal film.
(5) With the upper and lower electrode structure, substantially the entire upper surface can be used as a light extraction surface.
(6) Since the current density distribution is made uniform by the upper and lower electrode structures, uneven light emission is less likely to occur.

図7に、本実施例4のLED200の模式的な断面図を示す。このLED200には、結晶性に優れた透明なバルク状の厚さ約400μmの光素子基板201が用いられており、この上に、シリコン(Si)を1×1018/cm3ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのn型コンタクト層204(高キャリヤ濃度n+層)が形成されている。
上記の光素子基板201は、先の実施例2の製造方法に従って製造された半導体単結晶からなり、シリコン(Si)が5×1018cm-3ドープされた厚さ約400μmのGaN結晶で構成されている。
In FIG. 7, typical sectional drawing of LED200 of the present Example 4 is shown. In this LED 200, a transparent bulk optical element substrate 201 having excellent crystallinity and having a thickness of about 400 μm is used, on which GaN doped with silicon (Si) 1 × 10 18 / cm 3 is used. An n-type contact layer 204 (high carrier concentration n + layer) having a thickness of about 5 μm is formed.
The optical element substrate 201 is made of a semiconductor single crystal manufactured according to the manufacturing method of the second embodiment, and is composed of a GaN crystal having a thickness of about 400 μm doped with silicon (Si) at 5 × 10 18 cm −3. Has been.

また、上記のn型コンタクト層204の上には、シリコン(Si)を1×1017/cm3ドープした膜厚25nmのn型Al0.15Ga0.85Nから成るn型層205が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのアンドープIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層2061と膜厚20nmのアンドープGaNから成る障壁層2062とを3ペア積層して多重量子井戸構造の発光層206が形成されている。 On the n-type contact layer 204, an n-type layer 205 made of n-type Al 0.15 Ga 0.85 N having a thickness of 25 nm doped with silicon (Si) at 1 × 10 17 / cm 3 is formed. . Further thereon, three pairs of a well layer 2061 made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N with a thickness of 3 nm and a barrier layer 2062 made of undoped GaN with a thickness of 20 nm are stacked to form a light emitting layer 206 having a multiple quantum well structure. Has been.

更に、この発光層206の上には、Mgを2×1019/cm3ドープした膜厚25nmのp型Al0.15Ga0.85Nから成るp型層207が形成されている。p型層207の上には、膜厚47nmのアンドープGaNから成る層2081と膜厚49nmのアンドープAl0.25Ga0.75Nから成る層2082とを5ペア積層したDBR多重層208が形成されている。DBR多重層208の上には、Mgを8×1019ドープした膜厚100nmのp型GaNから成るp型コンタクト層209を形成した。 Further, a p-type layer 207 made of p-type Al 0.15 Ga 0.85 N having a thickness of 25 nm doped with Mg 2 × 10 19 / cm 3 is formed on the light emitting layer 206. On the p-type layer 207, a DBR multi-layer 208 in which five pairs of a layer 2081 made of undoped GaN having a thickness of 47 nm and a layer 2082 made of undoped Al 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of 49 nm are formed. On the DBR multilayer 208, a p-type contact layer 209 made of 100-nm-thick p-type GaN doped with 8 × 10 19 Mg was formed.

又、p型コンタクト層209の上には金属蒸着による薄膜金属層211が形成されている。薄膜金属層211は、p型コンタクト層208に接合する膜厚約10Åのコバルト(Co)またはニッケル(Ni)より成る金属層で構成されている。正電極220は、膜厚約3000Åのロジウム(Rh)により形成した。尚、正電極220は銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも1種類以上含んだ合金より成る金属層により構成しても良い。   A thin metal layer 211 is formed on the p-type contact layer 209 by metal deposition. The thin metal layer 211 is formed of a metal layer made of cobalt (Co) or nickel (Ni) having a thickness of about 10 mm and bonded to the p-type contact layer 208. The positive electrode 220 was formed of rhodium (Rh) having a thickness of about 3000 mm. The positive electrode 220 may be composed of a metal layer made of silver (Ag), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), or an alloy containing at least one of these metals.

多層構造のn電極240は、n型コンタクト層204の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層241と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第2層242とを積層させることにより構成されている。また、最上部には、SiO2膜より成る保護膜230が形成されている。 The n-electrode 240 having a multilayer structure is composed of a first layer 241 made of vanadium (V) having a thickness of about 18 nm and an aluminum (Al) having a thickness of about 100 nm from a part of the exposed portion of the n-type contact layer 204. It is comprised by laminating | stacking the 2nd layer 242 which consists. A protective film 230 made of a SiO 2 film is formed on the top.

上記のDBR多重層208の挿入作用により、LED200の発光出力は、当該DBR多重層208を持たない、他の略同等構造のLEDサンプルの発光出力の約1.4倍に向上した。
また、アンドープ半導体結晶層の多層構造から成るこのDBR多重層208の挿入作用により、順方向電圧で6000Vと言う極めて高い耐圧性能を得ることができた。また、この様な高い耐圧性能が得られたその他の要因の一つとして、結晶成長基板(光素子基板201)の転位密度が低いことをあげることができる。即ち、結晶成長基板の良質化とアンドープ半導体結晶層から成る多層構造(DBR多重層208)の挿入との相乗効果によって、上記の様な優れた耐圧性能が得られたものと考えられる。
Due to the insertion action of the DBR multilayer 208, the light emission output of the LED 200 is improved to about 1.4 times the light emission output of other substantially equivalent LED samples without the DBR multilayer 208.
Further, due to the insertion action of the DBR multi-layer 208 having a multilayer structure of undoped semiconductor crystal layers, an extremely high breakdown voltage performance of 6000 V in the forward voltage could be obtained. Further, as one of the other factors that have obtained such a high breakdown voltage performance, the dislocation density of the crystal growth substrate (optical element substrate 201) can be raised. That is, it is considered that the above-described excellent pressure resistance performance was obtained by the synergistic effect of the improvement of the quality of the crystal growth substrate and the insertion of the multilayer structure (DBR multi-layer 208) composed of the undoped semiconductor crystal layer.

図8は、本実施例5のLED300の断面図である。このLED300は、前述のLED200の光素子基板201と同一構造を有する光素子基板310の結晶成長面上に、n形コンタクト層330、静電耐圧部340、n形クラッド層350、MQW活性層360、p形クラッド層370、及びp形コンタクト層380を順次結晶成長させて得られたものである。ただし、上記の静電耐圧部340は、下側から無添加半導体層341、添加半導体層342、無添加半導体層343、及び添加半導体層344の順に、各半導体層を順次結晶成長によって積層したものである。この静電耐圧部340では、無添加半導体層341と添加半導体層342とで、本発明の1組目の耐電圧構造が構成されており、更に、無添加半導体層343と添加半導体層344とで本発明の2組目の耐電圧構造が構成されている。   FIG. 8 is a cross-sectional view of the LED 300 of the fifth embodiment. The LED 300 includes an n-type contact layer 330, an electrostatic withstand voltage portion 340, an n-type cladding layer 350, and an MQW active layer 360 on the crystal growth surface of the optical element substrate 310 having the same structure as the optical element substrate 201 of the LED 200 described above. , P-type cladding layer 370 and p-type contact layer 380 are obtained by sequentially growing crystals. However, the electrostatic withstand voltage portion 340 is obtained by sequentially laminating each semiconductor layer by crystal growth in the order of the additive-free semiconductor layer 341, additive semiconductor layer 342, additive-free semiconductor layer 343, and additive semiconductor layer 344 from the lower side. It is. In the electrostatic withstand voltage portion 340, the additive-free semiconductor layer 341 and the additive semiconductor layer 342 form the first set of withstand voltage structure of the present invention. Further, the additive-free semiconductor layer 343 and the additive semiconductor layer 344 Thus, the second withstand voltage structure of the present invention is formed.

以下、上記のLED300の製造方法を、図8を用いて説明する。
上記のLED300の各半導体層は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2又はN2)と、アンモニアガス(NH3)と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3:以下「TMG」と書く。)と、トリメチルインジウム(In(CH3)3:以下「TMI」と書く。)と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3:以下「TMA」と書く。)と、シラン(SiH4)と、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C552:以下「CP2Mg」と書く。)などである。
ただし、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、上記の有機金属化合物気相成長法(MOVPE)の他にも、分子線気相成長法(MBE)、ハライド気相成長法(HVPE)等を用いることができる。
Hereinafter, the manufacturing method of said LED300 is demonstrated using FIG.
Each of the semiconductor layers of the LED 300 is a crystal grown by vapor phase growth using an organic metal compound vapor phase growth method (MOVPE). The gases used here are carrier gas (H 2 or N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 : hereinafter referred to as “TMG”), and trimethylindium ( In (CH 3 ) 3 : hereinafter referred to as “TMI”), trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 : hereinafter referred to as “TMA”), silane (SiH 4 ), and cyclopentadienyl magnesium ( Mg (C 5 H 5 ) 2 : hereinafter referred to as “CP 2 Mg”).
However, as a method for crystal growth of these semiconductor layers, in addition to the above-mentioned organometallic compound vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), halide vapor phase epitaxy (HVPE), etc. Can be used.

(結晶成長面のクリーニング)
まず最初に、水素を流しながら、光素子基板310の温度を1050℃まで上昇させ、その結晶成長面のクリーニングを約5分間行う。
(Cleaning of crystal growth surface)
First, while flowing hydrogen, the temperature of the optical element substrate 310 is raised to 1050 ° C., and the crystal growth surface is cleaned for about 5 minutes.

(n形コンタクト層330)
次に、水素ガス(キャリアガス)とアンモニアガスを流しながら光素子基板310の温度を1100℃まで上昇させ、基板温度が1100℃になったら直ちに、原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Si濃度が4.5×1018〔cm-3〕のGaNよりなるn形コンタクト層330を4μmの膜厚で成長させる。
(N-type contact layer 330)
Next, the temperature of the optical element substrate 310 is increased to 1100 ° C. while flowing hydrogen gas (carrier gas) and ammonia gas. As soon as the substrate temperature reaches 1100 ° C., TMG, ammonia gas, and silane gas as impurity gases are used. The n-type contact layer 330 made of GaN having a Si concentration of 4.5 × 10 18 [cm −3 ] is grown to a thickness of 4 μm.

(静電耐圧部340)
(1)無添加半導体層341
次に、シランガスのみを止め、1100℃で、TMG、アンモニアガスを用いて、アンドープGaNからなる無添加半導体層341を200nmの膜厚で成長させる。
(2)添加半導体層342
続いて、TMGを止めて、温度を850℃まで降下させる。850℃になったら、TMG及びシランガスを追加して、Siを4.5×1018〔cm-3〕ドープしたGaNからなる添加半導体層342を50nmの膜厚で成長させる。
なお、この無添加半導体層341と添加半導体層342の2層の半導体層によって、n形コンタクト層330の側から数えて1組目の本発明の耐電圧構造が構成される。
(Electrostatic withstand voltage part 340)
(1) Additive-free semiconductor layer 341
Next, only the silane gas is stopped and an undoped semiconductor layer 341 made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 nm using TMG and ammonia gas at 1100 ° C.
(2) Additive semiconductor layer 342
Subsequently, the TMG is turned off and the temperature is lowered to 850 ° C. When the temperature reaches 850 ° C., TMG and silane gas are added to grow an additional semiconductor layer 342 made of GaN doped with Si of 4.5 × 10 18 [cm −3 ] to a thickness of 50 nm.
The two semiconductor layers of the additive-free semiconductor layer 341 and the additive semiconductor layer 342 constitute the first set of withstand voltage structure of the present invention counted from the n-type contact layer 330 side.

(3)無添加半導体層343
その後、シランガスのみを止め、同温(850℃)にてアンドープGaNからなる無添加半導体層343を200nmの膜厚で成長させる。
(4)添加半導体層344
最後に、シランガスを追加し、同温(850℃)にてSiを4.5×1018〔cm-3〕ドープしたGaNからなる添加半導体層344を30nmの膜厚で成長させる。
なお、この無添加半導体層343と添加半導体層344の2層の半導体層によって、n形コンタクト層330の側から数えて2組目の本発明の耐電圧構造が構成される。
(3) Additive-free semiconductor layer 343
Thereafter, only the silane gas is stopped and an undoped semiconductor layer 343 made of undoped GaN is grown at a film thickness of 200 nm at the same temperature (850 ° C.).
(4) Additive semiconductor layer 344
Finally, silane gas is added, and an additional semiconductor layer 344 made of GaN doped with Si of 4.5 × 10 18 [cm −3 ] is grown at the same temperature (850 ° C.) to a thickness of 30 nm.
The two semiconductor layers of the additive-free semiconductor layer 343 and the additive semiconductor layer 344 constitute a second set of withstand voltage structures of the present invention counted from the n-type contact layer 330 side.

(n形クラッド層350)
次に、シランガスとTMGを止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、TMGを追加し、アンドープGaNよりなる第1の窒化物半導体層を4nm成長させ、次に温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いて、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第2の窒化物半導体層を2nm成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第1+第2の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第1の窒化物半導体層を4nm成長さた超格子構造の多層膜よりなるn形クラッド層350を64nmの膜厚で成長させる。
(N-type cladding layer 350)
Next, silane gas and TMG are stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., TMG is added, and a first nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown to 4 nm. Next, the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In 0.13 Ga 0.87. A second nitride semiconductor layer made of N is grown by 2 nm. Then, these operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 1 + 2, and finally, an n-type cladding made of a multilayer film having a superlattice structure in which a first nitride semiconductor layer made of GaN is grown to 4 nm. Layer 350 is grown to a thickness of 64 nm.

(MQW活性層360)
次に、温度を800℃にして、膜厚20nmの無添加のGaNから成る障壁層と、膜厚3nmの無添加のIn0.2Ga0.8Nから成る井戸層とを交互に積層して構成されるMQW活性層360を成長させる。
(MQW active layer 360)
Next, the temperature is set to 800 ° C., and a barrier layer made of additive-free GaN with a thickness of 20 nm and a well layer made of additive-free In 0.2 Ga 0.8 N with a thickness of 3 nm are alternately stacked. An MQW active layer 360 is grown.

(p形クラッド層370)
次に、温度1050℃でTMG、TMA、アンモニア、CP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020〔cm-3〕ドープしたp形Al0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層を4nmの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニア、CP2Mgを用いて、Mgを1×1020〔cm-3〕ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層を2.5nmの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第3+第4の順で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層を4nmの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるp形クラッド層370を36.5nmの膜厚で成長させる。
(P-type cladding layer 370)
Next, a third layer of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 20 [cm −3 ] Mg using TMG, TMA, ammonia, CP 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) at a temperature of 1050 ° C. Indium doped with 1 × 10 20 [cm −3 ] of Mg using TMG, TMI, ammonia, CP 2 Mg at a temperature of 800 ° C. A fourth nitride semiconductor layer made of 0.03 Ga 0.97 N is grown to a thickness of 2.5 nm. Then, these operations are repeated, and 5 layers are alternately stacked in the order of 3 + 4, and finally a p-type formed of a multilayer film having a superlattice structure in which a third nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 4 nm. A cladding layer 370 is grown to a thickness of 36.5 nm.

(p形コンタクト層380)
続いて、1050℃でTMG、アンモニア、CP2Mgを用いて、Mgを1×1020〔cm-3〕ドープしたp形GaNよりなるp形コンタクト層380を70nmの膜厚で成長させる。
(P-type contact layer 380)
Subsequently, a p-type contact layer 380 made of p-type GaN doped with Mg at 1 × 10 20 [cm −3 ] is grown to a thickness of 70 nm using TMG, ammonia, and CP 2 Mg at 1050 ° C.

その後、最上層のp形コンタクト層380の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp形コンタクト層380側からエッチングを行い、図1に示すようにn形コンタクト層330の一部を露出させる。   After that, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 380, and etching is performed from the p-type contact layer 380 side by an RIE (reactive ion etching) apparatus. As shown in FIG. A part of the contact layer 330 is exposed.

次に、p形コンタクト層380の上には透光性のp電極391aを蒸着し、また、n形コンタクト層330上にはn電極392を蒸着する。このp電極391aは、p形コンタクト層380に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第1層と、このコバルト膜に接合する膜厚約6nmの金(Au)より成る第2層とを順次積層することにより構成する。
更に、透光性のp電極391aの上に蒸着するpパッド電極391bは、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層と、膜厚約1.5μmの金(Au)より成る第2層と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第3層とを順次積層することにより構成する。
一方、多層構造のn電極392は、n形コンタクト層330の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層と、膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第2層とを順次積層することにより構成する。
Next, a translucent p-electrode 391 a is deposited on the p-type contact layer 380, and an n-electrode 392 is deposited on the n-type contact layer 330. The p-electrode 391a includes a first layer made of cobalt (Co) having a thickness of about 1.5 nm directly bonded to the p-type contact layer 380 and a first layer made of gold (Au) having a thickness of about 6 nm bonded to the cobalt film. It is configured by sequentially laminating two layers.
Further, the p-pad electrode 391b deposited on the translucent p-electrode 391a is a first layer made of vanadium (V) having a thickness of about 18 nm and a first layer made of gold (Au) having a thickness of about 1.5 μm . Two layers and a third layer made of aluminum (Al) having a thickness of about 10 nm are sequentially stacked.
On the other hand, the n-electrode 392 having a multilayer structure includes a first layer made of vanadium (V) having a thickness of about 18 nm and an aluminum (Al ) And the second layer are sequentially laminated.

なお、透光性のp電極391aの露出面や、エッチングなどによって露出した各半導体層の側壁面などには、SiO2膜より成る保護膜を形成しても良い。また、サファイア基板310の底面に当たる外側の最下部には、例えば膜厚約500nmのアルミニウム(Al)より成る反射金属層を蒸着しても良い。この様な反射金属層を形成する場合には、その材料として、Rh、Ti、Wなどの金属の他にも、例えばTiN、HfNなどの窒化物を用いても良い。 Note that a protective film made of a SiO 2 film may be formed on the exposed surface of the translucent p-electrode 391a, the side wall surface of each semiconductor layer exposed by etching, or the like. Further, a reflective metal layer made of, for example, aluminum (Al) having a film thickness of about 500 nm may be deposited on the outermost lowermost portion corresponding to the bottom surface of the sapphire substrate 310. When such a reflective metal layer is formed, nitrides such as TiN and HfN may be used as the material in addition to metals such as Rh, Ti and W.

以上の様にして作成されたLED300の発光ピーク波長は約470nm(青色発光)で、順方向電流20mAにおける駆動電圧Vfは約3.5vであった。このLED300に対して、1000v〜1800vの逆向きの静電圧を印加する耐久テスト(:人体モデル(HBM)のESD試験)を実施した。その時の各静電圧に対するLED300の生存率は、何れの場合も80%を上回って従来よりも大幅に高い値を示した。   The emission peak wavelength of the LED 300 produced as described above was about 470 nm (blue light emission), and the drive voltage Vf at a forward current of 20 mA was about 3.5v. A durability test (an ESD test of a human body model (HBM)) in which a reverse electrostatic voltage of 1000 v to 1800 v was applied to the LED 300 was performed. The survival rate of the LED 300 with respect to each static voltage at that time exceeded 80% in any case, and showed a significantly higher value than before.

この従来よりも格段に優れた耐圧性能は、静電耐圧部340に依るところが非常に大きいが、また、この様な高い耐圧性能が得られたその他の要因の一つとして、結晶成長基板(光素子基板310)の転位密度が低いことをあげることができる。即ち、結晶成長基板の良質化と静電耐圧部340との相乗効果によって、上記の様な優れた耐圧性能が得られたものと考えられる。   The breakdown voltage performance that is significantly superior to that of the prior art largely depends on the electrostatic breakdown voltage section 340, but as one of the other factors for obtaining such a high breakdown voltage performance, a crystal growth substrate (optical It can be mentioned that the dislocation density of the element substrate 310) is low. That is, it is considered that the above-described excellent withstand voltage performance is obtained by the synergistic effect of the crystal growth substrate and the electrostatic withstand voltage unit 340.

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.

(変形例1)
例えば、上記の実施例3では、多重量子井戸層106を形成したが、上記実施例3の様なp型AlGaN層を有するLEDにおいては、その発光層は、例えば単層、単一量子井戸構造(SQW)、多重量子井戸構造(MQW)などの任意の構成をとることができる。また、特に、その発光層を多重量子井戸構造とする場合は、少なくともインジウム(In)を含む適当な組成比のIII族窒化物系化合物半導体AlyGa1-y-zInzN(0≦y<1,0<z≦1)から成る井戸層をその発光層中に形成すると良い。
また、上記の様なp型AlGaN層を有するこれらの構造は、LDなどのその他の光素子に応用しても良い。
(Modification 1)
For example, although the multiple quantum well layer 106 is formed in the above Example 3, in the LED having the p-type AlGaN layer as in the above Example 3, the light emitting layer is, for example, a single layer or a single quantum well structure. Any configuration such as (SQW) or multiple quantum well structure (MQW) can be employed. In particular, when the light emitting layer has a multiple quantum well structure, a group III nitride compound semiconductor Al y Ga 1-yz In z N (0 ≦ y <0) having an appropriate composition ratio containing at least indium (In). A well layer of 1,0 <z ≦ 1) is preferably formed in the light emitting layer.
These structures having the p-type AlGaN layer as described above may be applied to other optical elements such as LDs.

(変形例2)
また、上記の実施例5のLED300と同様の静電耐圧構造(光素子基板310や静電耐圧部340など)は、従来の半導体レーザなどに対しても勿論非常に有用になる。即ち、周知の電流狭窄構造や光ガイド層などを備えるそれらの半導体レーザにおいても、上記の静電耐圧構造と同様の構造を備えることによって静電耐圧性能を格段向上させることができる。
(Modification 2)
Also, the electrostatic withstand voltage structure (such as the optical element substrate 310 and the electrostatic withstand voltage unit 340) similar to that of the LED 300 of the fifth embodiment is very useful for a conventional semiconductor laser. That is, even in those semiconductor lasers having a known current confinement structure or a light guide layer, the electrostatic withstand voltage performance can be remarkably improved by providing a structure similar to the above electrostatic withstand voltage structure.

また、例えば端面発光型の半導体レーザを製造する場合には、共振器の端面が劈開によって綺麗に形成できることが重要となるため、結晶品質の高い結晶成長基板(本願発明の光素子基板)を用いることは格段に有利である。また、これらの半導体レーザの出力光は、出力前に反射によって共振器中を多数回往復するので、共振器自身の透明性を高める観点からも本願発明の光素子基板を用いることは格段に有利となる。   For example, when manufacturing an edge-emitting semiconductor laser, it is important that the end face of the resonator can be cleanly formed by cleavage. Therefore, a crystal growth substrate with high crystal quality (the optical element substrate of the present invention) is used. This is much more advantageous. In addition, since the output light of these semiconductor lasers reciprocates in the resonator many times by reflection before output, it is particularly advantageous to use the optical element substrate of the present invention from the viewpoint of enhancing the transparency of the resonator itself. It becomes.

(変形例3)
また、例えば「特開2000−174323:GaN系半導体受光素子」などに例示がある様に、所謂PIN構造を有する半導体受光素子が一般に公知であるが、これらの従来の受光素子の内部量子効率を向上させる上でも、外部量子効率を向上させる上でも、静電耐圧性能、寿命、歩留などを改善する上でも、転位密度や透明性などの結晶品質に極めて優れた本願発明の光素子基板を用いることは非常に有利になる。
(Modification 3)
Further, as exemplified in, for example, “JP 2000-174323: GaN-based semiconductor light receiving element”, semiconductor light receiving elements having a so-called PIN structure are generally known. However, the internal quantum efficiency of these conventional light receiving elements is reduced. The optical device substrate of the present invention, which is extremely excellent in crystal quality such as dislocation density and transparency, in terms of improving the external quantum efficiency, improving electrostatic withstand voltage performance, life, and yield, etc. It is very advantageous to use.

また、本願発明の光素子基板に容易かつ任意に備えることができる導電性に基づいて、これらの受光素子に前述の実施例3のLED100と同様の上下電極構造を与えれば、それらの受光素子についても、以下の利点を備えることができる。
(1)導電性基板を用いることによって、AlNバッファ層やアンドープGaN層やn+層などの従来のn+層積層工程以前の結晶成長工程が不要である。
(2)上下に電極を有するので、電極間の短絡が発生し難い。
(3)上下電極構造により、n+層にn電極を形成するためのドライエッチング工程が不要である。
(4)上下電極構造により、裏面のn電極自身で反射金属膜を兼ねることができる。
(5)上下電極構造により、上面の略全面を受光面にすることができる。
(6)上下電極構造により、電流の密度分布が均一化されるため、受光ムラが発生し難くなる。
Further, based on the conductivity that can be easily and arbitrarily provided in the optical element substrate of the present invention, if the upper and lower electrode structures similar to those of the LED 100 of Example 3 described above are given to these light receiving elements, Can also have the following advantages.
(1) By using a conductive substrate, a crystal growth step prior to a conventional n + layer stacking step such as an AlN buffer layer, an undoped GaN layer, or an n + layer is unnecessary.
(2) Since the upper and lower electrodes are provided, short-circuiting between the electrodes is unlikely to occur.
(3) Due to the upper and lower electrode structure, a dry etching step for forming an n electrode in the n + layer is unnecessary.
(4) Due to the upper and lower electrode structures, the n electrode on the back surface can also serve as a reflective metal film.
(5) With the upper and lower electrode structure, substantially the entire upper surface can be used as the light receiving surface.
(6) Since the current density distribution is made uniform by the upper and lower electrode structures, uneven reception of light is less likely to occur.

本発明は、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を用いた半導体デバイスの製造に有用である。これらの半導体デバイスとしては、例えばLEDやLDなどの発光素子や受光素子等以外にも、例えばFETなどのその他一般の半導体デバイスを挙げることができる。   The present invention is useful for manufacturing a semiconductor device using a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor. Examples of these semiconductor devices include other general semiconductor devices such as FETs in addition to light emitting elements and light receiving elements such as LEDs and LDs.

実施例1で用いる結晶成長装置の断面図Sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 1 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1で用いる結晶成長装置の動作を例示する断面図Sectional drawing which illustrates operation | movement of the crystal growth apparatus used in Example 1. FIG. 実施例2のテンプレート10の作成工程における断面図Sectional drawing in the creation process of the template 10 of Example 2. 実施例2で用いる結晶成長装置の構成図Configuration diagram of crystal growth apparatus used in Example 2 実施例2で用いる結晶成長装置の部分的な断面図Partial sectional view of the crystal growth apparatus used in Example 2 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例2の半導体結晶の結晶成長工程における断面図Sectional drawing in the crystal growth process of the semiconductor crystal of Example 2. 実施例3のLED100の断面図Sectional drawing of LED100 of Example 3. 実施例4のLED200の断面図Sectional drawing of LED200 of Example 4. 実施例5のLED300の断面図Sectional drawing of LED300 of Example 5.

2 : 反応室
3 : 反応容器
8 : 種結晶
9 : 混合フラックス
H : ヒータ
10 : テンプレート
20 : 半導体基板
100 : LED
101 : 半導体基板
107 : p型AlGaN層
2: Reaction chamber 3: Reaction vessel 8: Seed crystal 9: Mixed flux H: Heater 10: Template 20: Semiconductor substrate 100: LED
101: Semiconductor substrate 107: p-type AlGaN layer

Claims (4)

アルカリ金属またはアルカリ土類金属の中から選択された複数種類の金属元素を有する混合フラックスの中で、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)又はインジウム(In)のIII族元素と窒素(N)とを反応させることによって、III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる光素子基板の製造方法において、
前記混合フラックスと前記III族元素とを攪拌混合しながら前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させるものであり、
種結晶または下地基板の結晶成長面を、前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前に、
水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe、またはRn)またはこれらのガスのうちから2種類以上のガスを任意の混合比で混合した混合ガスをクリーニングガスとして、900℃以上1100℃以下の温度で、1分以上の時間を掛けて、クリーニング処理し、
前記III族窒化物系化合物半導体結晶を結晶成長させる前記下地基板の少なくとも一部に、前記混合フラックスに溶解する可溶材料を用い、
前記可溶材料を、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程中に、または、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長工程後にその成長温度付近で、前記混合フラックス中に溶解させる
ことを特徴とする光素子基板の製造方法。
Among mixed fluxes having a plurality of types of metal elements selected from alkali metals or alkaline earth metals, group III elements of gallium (Ga), aluminum (Al) or indium (In) and nitrogen (N) In the method of manufacturing an optical element substrate in which a group III nitride compound semiconductor crystal is crystal-grown by reacting
Crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal while stirring and mixing the mixed flux and the group III element,
Before crystal growth of the crystal growth surface of the seed crystal or the base substrate, the group III nitride compound semiconductor crystal,
Hydrogen (H 2 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, or Rn) or two or more kinds of these gases Using a mixed gas mixed at an arbitrary mixing ratio as a cleaning gas, a cleaning process is performed at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower for a time of 1 minute or longer ,
At least part of the base substrate for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor crystal, a soluble material that dissolves in the mixed flux,
The soluble material is dissolved in the mixed flux during the crystal growth step of the group III nitride compound semiconductor crystal or near the growth temperature after the crystal growth step of the group III nitride compound semiconductor crystal. A method for producing an optical element substrate, comprising:
前記可溶材料は、少なくともその一部に、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物を有することを特徴とする請求項1に記載の光素子基板の製造方法。 2. The method of manufacturing an optical element substrate according to claim 1 , wherein the soluble material has an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal at least in part. 前記混合フラックスは、リチウム(Li)又はカルシウム(Ca)、並びにナトリウム(Na)を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光素子基板の製造方法。 The flux mixture is lithium (Li) or calcium (Ca), and an optical element manufacturing method of a substrate according to claim 1 or claim 2, characterized in that it has a sodium (Na). 前記混合フラックスは、前記III族窒化物系化合物半導体結晶の中に添加すべき不純物として、
ボロン(B)、タリウム(Tl)、カルシウム(Ca)、カルシウム(Ca)を含む化合物、珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)、酸素(O)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、アルミナ(Al23)、窒化インジウム(InN)、窒化珪素(Si34)、酸化珪素(SiO2)、酸化インジウム(In23)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、またはゲルマニウム(Ge)を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の光素子基板の製造方法。
The mixed flux is an impurity to be added to the group III nitride compound semiconductor crystal,
Boron (B), thallium (Tl), calcium (Ca), compounds containing calcium (Ca), silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), oxygen ( O), aluminum (Al), indium (In), alumina (Al 2 O 3 ), indium nitride (InN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3) ), zinc (Zn), magnesium (Mg), zinc oxide (ZnO), according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it has a magnesium oxide (MgO), or germanium (Ge) Manufacturing method of the optical element substrate.
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