JP5120861B2 - Optical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、光半導体素子及びその製造方法に関し、特に、III−V族化合物半導体を用いた深紫外発光素子技術に関する。   The present invention relates to an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a deep ultraviolet light emitting device technology using a III-V group compound semiconductor.

近年、V族元素に窒素を含む窒化物半導体がpn接合を利用した発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子の分野で脚光を浴び、研究開発が行われている。AlN、GaN、InNをはじめとする窒化物半導体は直接遷移型の半導体であり、さらに、三元混晶や四元混晶では組成を適宜設定してバンドギャップを変化させることにより赤外から深紫外までの光を放射できるという特徴を有する。   In recent years, research and development have been conducted in the field of semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes in which nitride semiconductors containing nitrogen as a group V element use pn junctions. Nitride semiconductors such as AlN, GaN, and InN are direct transition type semiconductors. Furthermore, in the case of ternary mixed crystals and quaternary mixed crystals, the composition is appropriately set and the band gap is changed to change the depth from the infrared. It has a feature that it can emit light up to ultraviolet.

さらに、AlGaInN四元混晶を発光層の材料として用い紫外領域の光を放射する半導体発光素子が注目されている(例えば、特許文献1参照)。AlGaInN層は、Inを含んでいるにもかかわらず、360nm以下の波長域に発光ピーク波長を設定することが可能であり、内部量子効率もInGaN層と同程度まで改善できることが報告されている。   Further, a semiconductor light-emitting element that emits light in the ultraviolet region using AlGaInN quaternary mixed crystal as a material for the light-emitting layer has attracted attention (see, for example, Patent Document 1). Although the AlGaInN layer contains In, it is reported that the emission peak wavelength can be set in a wavelength region of 360 nm or less, and the internal quantum efficiency can be improved to the same extent as the InGaN layer.

特開平9−64477号公報JP-A-9-64477

しかしながら、窒化物半導体を用いた半導体発光素子の製造にあたっては、窒化物半導体からなる高品質かつ大面積のエピタキシャル成長用基板の作製が困難かつ可能であっても高価になるため、例えばサファイア基板をエピタキシャル成長用基板として用いる必要がある。図14は、InAlGaAs系4元混晶の格子定数とバンドギャップエネルギー(波長に対応)との関係を示す図である。あわせて、紫外ガスレーザの発光波長についても示している。図14に示すように、短波長側での固体発光素子をつくるためには、AlGaNのAl組成を増加させてバンドギャップエネルギーを大きくする必要がある。従って、サファイア基板との格子定数の差は大きくなる方向である。そのため、格子定数の不整合が大きくなることから、窒化物半導体薄膜中の貫通転位の密度が高くなるという問題がある。貫通転位の存在は、半導体発光素子の内部量子効率を低下させる原因となるため、半導体発光素子の内部量子効率を向上させる必要がある。   However, when manufacturing a semiconductor light emitting device using a nitride semiconductor, it is difficult and expensive to produce a high quality and large area epitaxial growth substrate made of a nitride semiconductor. It is necessary to use as a substrate. FIG. 14 is a graph showing the relationship between the lattice constant of InAlGaAs-based quaternary mixed crystal and the band gap energy (corresponding to the wavelength). In addition, the emission wavelength of the ultraviolet gas laser is also shown. As shown in FIG. 14, in order to produce a solid-state light emitting device on the short wavelength side, it is necessary to increase the band gap energy by increasing the Al composition of AlGaN. Therefore, the difference in the lattice constant from the sapphire substrate is in the increasing direction. For this reason, the mismatch of lattice constants increases, which causes a problem that the density of threading dislocations in the nitride semiconductor thin film increases. The presence of threading dislocations causes a decrease in the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device, and thus it is necessary to improve the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device.

本発明は、発光層の材料としてAlGaInN系の材料、特に、AlGaN系の材料を用いつつ、深紫外光の発光強度を高めるための要素技術を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an elemental technique for increasing the emission intensity of deep ultraviolet light while using an AlGaInN-based material, particularly an AlGaN-based material, as a material for a light-emitting layer.

本発明の一観点によれば、基板に形成された第1のIII−V族層であって、III族リッチになる成長条件により形成された極性制御層と、該極性制御層上に形成された第1のIII−V族層と、を有することを特徴とする半導体構造が提供される。   According to one aspect of the present invention, a first III-V group layer formed on a substrate, which is formed on a polarity control layer formed under a group III-rich growth condition, and on the polarity control layer. And a first III-V layer. A semiconductor structure is provided.

また、サファイア基板に形成された第1のIII族窒化物層であって、III族リッチになる成長条件により形成された極性制御層と、該極性制御層上に形成された第1のIII族窒化物層と、を有することが好ましい。前記III族ソースを断続的に供給したIII族リッチ層を5周期以上設けると良い。前記III族ソースがTMAlであることが好ましい。   In addition, a first group III nitride layer formed on the sapphire substrate, the polarity control layer formed under a growth condition that is rich in group III, and the first group III formed on the polarity control layer And a nitride layer. The group III rich layer to which the group III source is intermittently supplied may be provided for five or more periods. The group III source is preferably TMAl.

前記極性制御層において、下地から延びた貫通転位が前記第1のIII−V族層との界面近傍でUターンした構造を有する。前記基板と前記第1のIII−V族層との間に形成された高温成長AlN層を有する。前記III−V族結晶層が、InAlGaN系半導体結晶からなることを特徴とする。   The polarity control layer has a structure in which threading dislocations extending from the base are U-turned in the vicinity of the interface with the first III-V group layer. A high temperature growth AlN layer formed between the substrate and the first III-V group; The III-V group crystal layer is made of an InAlGaN-based semiconductor crystal.

本発明は、上記に記載の半導体構造に形成された光半導体素子であっても良い。例えば、250nmから350nmまでの間の波長領域で発光する光半導体素子である。   The present invention may be an optical semiconductor element formed in the semiconductor structure described above. For example, an optical semiconductor element that emits light in a wavelength region between 250 nm and 350 nm.

本発明の他の観点によれば、基板を準備する工程と、該基板側から順番に、III族ソースとV族ソースとを供給する第1の期間と、III族シースとV族ソースとの供給を停止する第2の期間と、V族ソースを供給せずにIII族ソースのみを供給する第3の期間と、前記第2、第3の期間を繰り返すことにより表面をIII族極性に極性制御する期間とを工程を有することを特徴とする半導体構造の形成方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, a first period of supplying a group III source and a group V source in order from the substrate side, a group III sheath and a group V source, The second period in which the supply is stopped, the third period in which only the group III source is supplied without supplying the group V source, and the surface is polarized to the group III polarity by repeating the second and third periods. There is provided a method for forming a semiconductor structure, characterized by having a period of control.

また、サファイア基板を準備する工程と、該サファイア基板に第1のAlソースとGaソースとNソースとを供給する第1の期間と、前記全てのソースの供給を停止する第2の期間と、第2のAlソースのみを供給する第3の期間と、前記第2、第3の期間を繰り返すことにより表面がAl極性となる極性制御層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体構造の形成方法が提供される。   A step of preparing a sapphire substrate; a first period of supplying a first Al source, a Ga source, and an N source to the sapphire substrate; a second period of stopping the supply of all the sources; A third period of supplying only the second Al source; and a step of forming a polarity control layer having a surface of Al polarity by repeating the second and third periods. A method of forming a semiconductor structure is provided.

また、サファイア基板を準備する工程と、該サファイア基板に第1のAlソースとGaソースとNソースとを供給する第1の期間と、全てのソースの供給を停止する第2の期間と、第2のAlソースのみを供給する第3の期間と、前記第2、第3の期間を繰り返すことにより極性制御層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体構造の形成方法が提供される。前記サファイア基板と前記極性制御層との間に、高温でAlNのバッファ層を形成する工程を含むことが好ましい。   A step of preparing a sapphire substrate; a first period of supplying a first Al source, a Ga source, and an N source to the sapphire substrate; a second period of stopping the supply of all sources; A method for forming a semiconductor structure comprising: a third period for supplying only two Al sources; and a step of forming a polarity control layer by repeating the second and third periods. Is done. It is preferable to include a step of forming an AlN buffer layer at a high temperature between the sapphire substrate and the polarity control layer.

さらに、前記極性制御層上に、InAlGaAsからなる光半導体素子を形成する工程を有することが好ましい。   Furthermore, it is preferable to have a step of forming an optical semiconductor element made of InAlGaAs on the polarity control layer.

本発明によれば、紫外LED用の高品質AlGaNバッファを作製することができる。TMAlのパルス供給により、III族極性を得ることができる。また、TMAlのパルス供給により、貫通転位を減少させる効果がある。   According to the present invention, a high-quality AlGaN buffer for an ultraviolet LED can be produced. Group III polarity can be obtained by pulsed supply of TMAl. Further, TMAl pulse supply has an effect of reducing threading dislocations.

TMAlパルス供給法により形成した高品質AlGaNバッファ層を用いることにより形成したテンプレートを使用することにより、紫外LEDの最高出力が従来よりも大幅に向上した。   By using a template formed by using a high-quality AlGaN buffer layer formed by the TMAl pulse supply method, the maximum output of the ultraviolet LED is greatly improved compared to the conventional one.

サファイア基板上に形成したIII族原子とV族原子との原子構造の断面図である。It is sectional drawing of the atomic structure of the III group atom and V group atom which were formed on the sapphire substrate. 図2(A)及び(B)は、本実施の形態によるTMAパルス供給有り(A)、パルス供給無し(B)の構成例を示す図である。FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a configuration example with TMA pulse supply (A) and without pulse supply (B) according to the present embodiment. TMAl層の成長シーケンス図であるIt is a growth sequence diagram of the TMAl layer. 図4(A)、(B)は、図2(A)、(B)に対応する表面を光学顕微鏡により観察した表面写真である。4A and 4B are surface photographs obtained by observing the surface corresponding to FIGS. 2A and 2B with an optical microscope. 本実施の形態による半導体構造の一構成例を示す断面構造である。2 is a cross-sectional structure showing a structural example of a semiconductor structure according to the present embodiment. TMAlのパルス供給の周期依存性を調べるために、図3においてTMAl層を0周期、5周期、10周期とパラメータを変更して成長させた結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a result of growing a TMAl layer in FIG. 3 by changing parameters such as 0 period, 5 periods, and 10 periods in order to examine the period dependence of TMAl pulse supply. 図7は、貫通転位に対応するTDDのTMAl層の成長周期依存性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the growth period dependence of the TMD TMAl layer corresponding to threading dislocations. 図5に示す構造の、断面TEM写真である。It is a cross-sectional TEM photograph of the structure shown in FIG. 図8Aの部分拡大写真である。It is the elements on larger scale of FIG. 8A. 本実施の形態による半導体構造の一構成例を示す図である。It is a figure which shows one structural example of the semiconductor structure by this Embodiment. 図9に示す半導体構造の成長のシーケンス図である。FIG. 10 is a sequence diagram of growth of the semiconductor structure shown in FIG. 9. 貫通転位TDDのAlGaN成長時間依存性を示す図である。It is a figure which shows the AlGaN growth time dependence of threading dislocation TDD. TMAlパルス供給構造と、その上に作成したLED素子と、を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows a TMAl pulse supply structure and the LED element produced on it. LED素子のELスペクトル特性を示す図である。It is a figure which shows the EL spectrum characteristic of an LED element. InAlGaAs系4元混晶の格子定数とバンドギャップエネルギー(波長に対応)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the lattice constant of InAlGaAs type | system | group quaternary mixed crystal, and band gap energy (corresponding to a wavelength).

本発明の実施の形態について説明する前に、深紫外発光デバイスに関する発明者の考察について説明する。発明者は、AlGaN系などのIII族窒化物における極性制御が非常に重要であることに想到した。例えば、サファイア基板上にAlNを成長する場合に、極性が安定しにくく、いかにして安定なIII族極性に制御するかが重要である。そして、TMAlをパルス供給することにより安定したIII族極性が実現できることを見いだした。   Before describing the embodiments of the present invention, the inventors' consideration regarding deep ultraviolet light emitting devices will be described. The inventor has conceived that polarity control in group III nitrides such as AlGaN is very important. For example, when growing AlN on a sapphire substrate, the polarity is difficult to stabilize, and it is important to control the polarity to a stable group III polarity. It was also found that stable group III polarity can be realized by supplying TMAl in pulses.

以下に、本発明の一実施の形態による光半導体素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明を行う。図1は、サファイア基板上に形成したIII族原子とV族原子との原子構造の断面図である。図1に示すように、V族極性の試料にTMAlパルス供給層を入れることにより、Alリッチな層をつくり、極性をIII族極性に反転させることができる。このようにして、表面をIII族極性で安定化させることが可能となる。   Hereinafter, an optical semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an atomic structure of group III atoms and group V atoms formed on a sapphire substrate. As shown in FIG. 1, by inserting a TMAl pulse supply layer into a group V polarity sample, an Al-rich layer can be formed and the polarity can be reversed to the group III polarity. In this way, the surface can be stabilized with group III polarity.

次に、極性制御に関する半導体構造とその成長方法について説明する。図2(A)及び(B)は、本実施の形態によるTMAパルス供給有り(A)、パルス供給無し(B)の構成例を示す図である。図2(A)に示す構造は、サファイア(0001)基板1と、その上に形成されたHT−AlN層3と、その上に形成されたAlGaN/TMAlパルス供給層との周期構造5と、AlGaN層7と、を有している。一方、図2(B)に示す構造においては、サファイア(0001)基板1と、その上に形成されたAlN層3と、その上に形成されたAlGaN層11と、を有している。すなわち、AlGaN/TMAlパルス供給層との周期構造5をもたない構造である。尚、AlGaN/TMAlパルス供給層は表面の極性をIII族極性とするように制御する極性制御層である。また、周期構造5HT−AlNとは、High Temperature AlNのことであり、高温で成長したAlNを指す。この場合の高温とは、通常1100℃以上のことであり、今回の実施例では1270℃で成長している。   Next, a semiconductor structure related to polarity control and a growth method thereof will be described. FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a configuration example with TMA pulse supply (A) and without pulse supply (B) according to the present embodiment. The structure shown in FIG. 2A is a periodic structure 5 of a sapphire (0001) substrate 1, an HT-AlN layer 3 formed thereon, and an AlGaN / TMAl pulse supply layer formed thereon, And an AlGaN layer 7. On the other hand, the structure shown in FIG. 2B has a sapphire (0001) substrate 1, an AlN layer 3 formed thereon, and an AlGaN layer 11 formed thereon. That is, the structure does not have the periodic structure 5 with the AlGaN / TMAl pulse supply layer. The AlGaN / TMAl pulse supply layer is a polarity control layer that controls the polarity of the surface to be a group III polarity. Further, the periodic structure 5HT-AlN is High Temperature AlN, and refers to AlN grown at a high temperature. The high temperature in this case is usually 1100 ° C. or higher, and in this example, it grows at 1270 ° C.

表1は、AlGaNとTMAlパルス供給層との成長条件を示す表である。表1に示すように、減圧横型MOCVD装置により、成長温度を例えば1270℃とし、成長時の圧力を76Torr(133.32 Pa = 1 Torr)とし、供給量を、TMGが1sccm、TMAが50sccm(1sccm=1.667x10−5 l/s)、NHが40sccm、TMAパルスが1sccmである。 Table 1 is a table showing growth conditions for AlGaN and TMAl pulse supply layers. As shown in Table 1, the growth temperature is set to 1270 ° C., the growth pressure is set to 76 Torr (133.32 Pa = 1 Torr), and the supply amounts are 1 sccm for TMG and 50 sccm for TMA (see FIG. 1). 1 sccm = 1.667 × 10 −5 l / s), NH 3 is 40 sccm, and the TMA pulse is 1 sccm.

尚、用いたMOCVD装置の詳細に関しては、例えば発明者らの特許文献である、特開2004−228489号の図2、図7から9及びその記載を参照することにより実施可能であるため、ここでは説明を省略する。   The details of the MOCVD apparatus used can be implemented by referring to FIG. 2 and FIGS. 7 to 9 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228489 and the description thereof, for example. Then, explanation is omitted.

図3は、TMAl層の成長シーケンス図である。図3に示すシーケンス図によれば、まず、サファイア面1上にAlN層3を成長する。このAlN層3はNHリッチな条件下で成長を行う。例えば、TMAlのパルス供給のシーケンスは、AlGaN層の成長を10秒間行った後に、NHを除くために5秒の成長中断を行い、その後にTMAlを1sccm、5秒間導入した。その後は、再び5秒の成長中断を行った。以上のシーケンスを1周期として合計で5周期分だけ成長を行った。このように成長を行うことにより、Alがリッチの極性を持たせることができる。尚、上記シーケンスは例示であり、種々の変形が可能であるが、基本的に、成長中断と、Alソースの供給とを繰り返す工程により、Al極性を実現することができる。成長中断には、NHの流量を大きく減少させるような方法も含まれるものとする。 FIG. 3 is a growth sequence diagram of the TMAl layer. According to the sequence diagram shown in FIG. 3, first, the AlN layer 3 is grown on the sapphire surface 1. The AlN layer 3 grows under NH 3 rich conditions. For example, in the TMAl pulse supply sequence, after the growth of the AlGaN layer was performed for 10 seconds, the growth was interrupted for 5 seconds in order to remove NH 3 , and then TMAl was introduced at 1 sccm for 5 seconds. After that, the growth was interrupted again for 5 seconds. The above sequence was regarded as one period, and growth was performed for a total of five periods. By performing growth in this way, Al can have a rich polarity. The above sequence is an example, and various modifications are possible, but Al polarity can be basically realized by a process of repeating growth interruption and supply of Al source. It is assumed that the growth interruption includes a method for greatly reducing the flow rate of NH 3 .

図4(A)、(B)は、図2(A)、(B)に対応する表面を光学顕微鏡により観察した表面写真である。表面モフォロジーが図4(A)の方が格段に良好であることから、TMAlのパルス供給によりIII族極性が得られたことが確認できる。さらに、これらの2つの試料についてKOHにより例えば10分間の表面処理を行うとラフな表面のV族極性面ではなくスムーズな表面を有するIII族極性面を得ることができていることを確認できた。   4A and 4B are surface photographs obtained by observing the surface corresponding to FIGS. 2A and 2B with an optical microscope. Since the surface morphology in FIG. 4A is much better, it can be confirmed that group III polarity was obtained by supplying TMAl pulses. Furthermore, it was confirmed that when these two samples were surface-treated with KOH for 10 minutes, for example, a group III polar surface having a smooth surface was obtained instead of a rough surface group V polar surface. .

次に、AlGaN層の貫通転位の低減技術について説明を行う。図5は、本実施の形態による半導体構造の一構成例を示す断面構造である。図5に示す半導体構造は、サファイア基板21と、AlN層23と、AlGaN/TMAlパルス供給層25と、n型AlGaN層27と、n型AlGaN層31と、を有している。   Next, a technique for reducing threading dislocations in the AlGaN layer will be described. FIG. 5 is a cross-sectional structure showing a structural example of the semiconductor structure according to the present embodiment. The semiconductor structure shown in FIG. 5 includes a sapphire substrate 21, an AlN layer 23, an AlGaN / TMAl pulse supply layer 25, an n-type AlGaN layer 27, and an n-type AlGaN layer 31.

表2は、AlGaN及びTMAlパルス層の成長条件を示すものであり、表1と同じ条件である。   Table 2 shows the growth conditions of the AlGaN and TMAl pulse layers, and the same conditions as in Table 1.

図6は、TMAlのパルス供給の周期依存性を調べるために、図3においてTMAl層を0周期、5周期、10周期とパラメータを変更して成長させたシーケンス図に基づく実験結果を示す図である。図7は、シーケンス図に基づく成長により貫通転位に対応するTDDのTMAl層の成長周期依存性を示す図である。図7に示すように、TMAlの周期が5周期程度よりも多い周期のパルス供給を行うと、貫通転位が約半分まで減少することがわかる。   FIG. 6 is a diagram showing an experimental result based on a sequence diagram in which the TMAl layer is grown by changing parameters such as 0 period, 5 periods, and 10 periods in FIG. 3 in order to investigate the period dependence of TMAl pulse supply. is there. FIG. 7 is a diagram showing the growth period dependence of the TDD TMAl layer corresponding to threading dislocations by growth based on the sequence diagram. As shown in FIG. 7, it can be seen that threading dislocations are reduced to about half when pulse supply with a period of TMAl greater than about 5 is performed.

図8A、図8Bは、上記図5に示す構造の、断面TEM写真である。図8Aに示すように、サファイア基板21上にHT−AlN層23と、TMAlパルス供給層及びAlGaN層25、27と、nAlGaN層31とを積層している。図8Bの拡大写真でも示されるように、サファイア基板21上のHT−AlN層23に形成されている貫通転位は、TMAlパルス供給層及びAlGaN層25、27(超格子状の層が観察されている)内でループ33を形成し(nAlGaN層31までは延びないでUターンしている)、再びHT−AlN層23内に戻ってきていることがわかる。このループ構造により、上部のn−AlGaN層31における貫通転位密度は大きく低減していることがわかる。また、表面観察の結果、TMAl層を導入することで表面モフォロジーが良好になることがわかっており、このことから、表面が安定なGa(III)族極性に制御されていることがわかる。   8A and 8B are cross-sectional TEM photographs of the structure shown in FIG. As shown in FIG. 8A, an HT-AlN layer 23, a TMAl pulse supply layer and AlGaN layers 25 and 27, and an nAlGaN layer 31 are stacked on a sapphire substrate 21. As shown in the enlarged photograph of FIG. 8B, the threading dislocations formed in the HT-AlN layer 23 on the sapphire substrate 21 are TMAl pulse supply layers and AlGaN layers 25 and 27 (superlattice layers are observed). It can be seen that the loop 33 is formed (the U-turn does not extend to the nAlGaN layer 31) and returns to the HT-AlN layer 23 again. This loop structure shows that the threading dislocation density in the upper n-AlGaN layer 31 is greatly reduced. Further, as a result of surface observation, it has been found that the surface morphology is improved by introducing the TMAl layer, and this shows that the surface is controlled to have a stable Ga (III) group polarity.

以下に、TMAlのパルス供給の間隔依存性について説明する。図9は、半導体構造の一構成例を示す図である。図9に示すように、サファイア基板41上に、AlN層43、AlGaN/TMAl層45、AlGaN層47を成長した構造を有している。成長条件は表3に示すように、表1、2と同様である。   Hereinafter, the interval dependency of TMAl pulse supply will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a semiconductor structure. As shown in FIG. 9, an AlN layer 43, an AlGaN / TMAl layer 45, and an AlGaN layer 47 are grown on a sapphire substrate 41. As shown in Table 3, the growth conditions are the same as in Tables 1 and 2.

図10は、図9に示す半導体構造の成長のシーケンス図である。ここでは、TMAl層の導入シーケンスを替えずにAlGaN層の供給時間を、5秒、10秒、20秒と変化させた例を示している。このような場合には、図11に示すように、貫通転位TDDのAlGaN成長時間依存性は、10秒程度で最小になっており、AlGaN成長時間が10秒程度で貫通転位が最小になることがわかる。   FIG. 10 is a sequence diagram of the growth of the semiconductor structure shown in FIG. Here, an example is shown in which the supply time of the AlGaN layer is changed to 5 seconds, 10 seconds, and 20 seconds without changing the TMAl layer introduction sequence. In such a case, as shown in FIG. 11, the dependency of threading dislocation TDD on the AlGaN growth time is minimized in about 10 seconds, and the threading dislocation is minimized in about 10 seconds of AlGaN growth time. I understand.

以上に説明したように貫通転位に関しては以下のようにまとめることができる。
1)TMAlのパルス供給により貫通転位が減少する(例えば、5周期、10周期)。
2)TMAlパルスの供給間隔として10秒程度で貫通転位が最小になる。ここで、貫通転位が減少した理由について推測すると、TMAlのパルス供給層とAlGaN層との格子定数の差により貫通転位が曲がり、近くにある貫通転位同士が衝突し消失するものと推測できる。
As described above, threading dislocations can be summarized as follows.
1) The threading dislocations are reduced by the TMAl pulse supply (for example, 5 cycles, 10 cycles).
2) The threading dislocation is minimized in about 10 seconds as the TMAl pulse supply interval. If the reason why threading dislocations are reduced is estimated, it can be presumed that threading dislocations bend due to a difference in lattice constant between the TMAl pulse supply layer and the AlGaN layer, and threading dislocations in the vicinity collide and disappear.

また、なぜ周期数依存性があるかについては、転位を低減するためには、ある程度の周期構造が必要であると考えられ、それはあるところで飽和してしまうと推定される。これは、近くにある貫通転位同士が消失してしまったためであると考えられる。   In addition, as to why there is a period number dependency, it is considered that a certain degree of periodic structure is necessary in order to reduce dislocation, and it is presumed that it will be saturated at some point. This is presumably because threading dislocations in the vicinity have disappeared.

さらに、なぜTMAlパルス供給に最適値があるかについては、AlGaN成長時間が5秒のときは、格子定数の変化が急になりすぎ、結晶構造を乱すことが原因であると予想される。AlGaN成長時間が20秒になると、格子定数変化の間隔が長いため、転位の曲がりが不十分になったことが予想される。   Further, the reason why there is an optimum value for TMAl pulse supply is expected to be that the change in the lattice constant becomes too steep when the AlGaN growth time is 5 seconds and the crystal structure is disturbed. When the AlGaN growth time is 20 seconds, it is expected that the dislocation curve becomes insufficient due to the long interval of the lattice constant change.

以下に、上記TMAl供給技術により作成したテンプレート上にLEDを形成する技術について説明する。   Below, the technique which forms LED on the template created with the said TMAl supply technique is demonstrated.

図12は、上記TMAlパルス供給構造と、その上に作成したLED素子と、を示す模式的な断面図である。図12に示すように、サファイア基板51上に順番に、HT−AlN層53と、TMAlパルス供給AlGaN層55と、n−AlGaN層57とからなるTMAlパルス供給構造を形成し、その上に、n−AlGaN層59と、InAlGaNバリア層61a/InAlkGaN量子井戸層63aとの組みが複数周期にわたって形成された量子井戸構造、この量子井戸構造の最終のInAlGaNバリア65の上に形成されたInAlGaNキャップ層67と、p−InAlGaN電子ブロック層71と、p−AlGaN組成傾斜層73と、を有している。さらに、n−AlGaN層にはIn電極77が、p−AlGaNグレーデッド層73に対してはNi/Au電極75が形成されている。このような量子井戸構造とp−n接合とによりLED素子が構成される。上記のように、極性制御と貫通転位密度の低減とにより、良好なLED特性が期待できる。   FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the TMAl pulse supply structure and the LED element formed thereon. As shown in FIG. 12, a TMAl pulse supply structure including an HT-AlN layer 53, a TMAl pulse supply AlGaN layer 55, and an n-AlGaN layer 57 is formed on a sapphire substrate 51 in order, A quantum well structure in which a set of an n-AlGaN layer 59 and an InAlGaN barrier layer 61a / InAlkGaN quantum well layer 63a is formed over a plurality of periods, and an InAlGaN cap layer formed on the final InAlGaN barrier 65 of this quantum well structure 67, a p-InAlGaN electron blocking layer 71, and a p-AlGaN composition gradient layer 73. Further, an In electrode 77 is formed on the n-AlGaN layer, and a Ni / Au electrode 75 is formed on the p-AlGaN graded layer 73. Such a quantum well structure and a pn junction constitute an LED element. As described above, good LED characteristics can be expected by controlling the polarity and reducing the threading dislocation density.

図13は、上記LED素子のELスペクトル特性を示す図である。図13に示すように、室温において、波長約351nmにピークを有し、最高出力が1.95mWのシングルピーックが得られた。尚、TMAl層が無い場合には、最高出力は、約1.14mWであり、出力が大幅に大きくなっていることがわかる。   FIG. 13 is a diagram showing the EL spectral characteristics of the LED element. As shown in FIG. 13, a single peak having a peak at a wavelength of about 351 nm and a maximum output of 1.95 mW was obtained at room temperature. In the case where there is no TMAl layer, the maximum output is about 1.14 mW, which shows that the output is greatly increased.

以上に説明したように、本実施の形態によれば、TMAlのパルス供給層を導入し、紫外LED用高品質AlGaNバッファーを作製することができた。TMAlのパルス供給により、III属極性を得ることができた。   As described above, according to the present embodiment, a high-quality AlGaN buffer for an ultraviolet LED could be manufactured by introducing a TMAl pulse supply layer. Group III polarity could be obtained by TMAl pulse supply.

また、TMAlのパルス供給により、貫通転位を減少させる効果(TDDが約1/2)を確認した。さらに、TMAlパルス供給テンプレートを使用することにより、最高出力が約1.71倍(1.14mWから1.95mW)になり、高性能化が可能になった。   Also, the effect of reducing threading dislocations (TDD is about ½) by supplying TMAl pulses was confirmed. Furthermore, by using the TMAl pulse supply template, the maximum output is about 1.71 times (1.14 mW to 1.95 mW), and high performance can be achieved.

尚、上記実施の形態では、TMAlのパルス供給層を導入することで、サファイア基板上のInAlGaN化合物層を利用したデバイスとしてLEDを例にしてその特性向上について説明したが、その他の光デバイス、電子デバイスを作成する場合においても、特性が向上することは言うまでもない。また、その他のIII族窒化物などのIII−V族化合物にも適用可能である。   In the above embodiment, the introduction of the TMAl pulse supply layer has explained the improvement of the characteristics of the LED as an example of the device using the InAlGaN compound layer on the sapphire substrate. Needless to say, the characteristics are improved when a device is created. Moreover, it is applicable also to other III-V group compounds, such as a group III nitride.

本発明は、InAlGaN系光りデバイスに利用可能である。   The present invention can be used for an InAlGaN-based optical device.

1…サファイア(0001)基板、3…HT−AlN層、5…AlGaN/TMAlパルス供給層の周期構造、7…AlGaN層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sapphire (0001) board | substrate, 3 ... HT-AlN layer, 5 ... Periodic structure of AlGaN / TMAl pulse supply layer, 7 ... AlGaN layer.

Claims (6)

サファイア基板上にAlN層を形成する第1の工程と、
前記AlN層上に、第1の期間に第1のIII族ソース及び前記第1のIII族ソースとは別の第2のIII族ソースと、V族ソースとを供給する第2の工程と、前記第1の期間に続く第2の期間に前記第1及び第2のIII族ソースと前記V族ソースとの供給を停止する第3の工程と、前記第2の期間に続く第3の期間にV族ソースを供給せずに前記第1のIII族ソースであるAlのみを供給する第4の工程と、前記第3の期間に続く第4の期間に前記第1および第2のIII族ソースと前記V族ソースとの供給を停止する第5の工程とを有し、前記第1の工程の後に前記第2乃至第5の工程を所定の回数だけ繰り返すことにより前記AlN層上にIII族極性に反転制御する極性制御層を形成し、
第1及び第2のIII族ソースとV族ソースを原料とするバッファ層を形成することを特徴とする半導体構造の形成方法。
A first step of forming an AlN layer on a sapphire substrate;
A second step of supplying a first Group III source, a second Group III source different from the first Group III source, and a Group V source on the AlN layer in a first period; A third step of stopping the supply of the first and second group III sources and the group V source in a second period following the first period; and a third period following the second period A fourth step of supplying only Al as the first group III source without supplying a group V source to the first group , and the first and second groups III in a fourth period following the third period. A fifth step of stopping the supply of the source and the group V source, and repeating the second to fifth steps a predetermined number of times after the first step to form III on the AlN layer Forming a polarity control layer that reverses the polarity of the family,
A method of forming a semiconductor structure, comprising forming a buffer layer using the first and second group III sources and group V sources as raw materials.
サファイア基板上にAlN層を形成する第1の工程と、
前記AlN層上に、第1の期間にAlソース、GaソースおよびNソースとを供給する第2の工程と、前記第1の期間に続く第2の期間に前記Alソース、GaソースおよびNソースの供給を停止する第3の工程と、前記第2の期間に続く第3の期間にAlソースのみを供給する第4の工程と、前記第3の期間に続く第4の期間に前記全てのソースの供給を停止する第5の工程とを有し、前記第1の工程の後に第2乃至第5の工程を所定の回数だけ繰り返すことにより前記AlN層上にAl極性に反転制御する極性制御層を形成し、
AlGaNバッファ層を形成することを特徴とする半導体構造の形成方法。
A first step of forming an AlN layer on a sapphire substrate;
A second step of supplying an Al source, a Ga source and an N source on the AlN layer in a first period; and the Al source, the Ga source and the N source in a second period following the first period. A third step of stopping the supply of N, a fourth step of supplying only the Al source in a third period following the second period, and a fourth period following the third period. And a fifth step of stopping the supply of the source, and the second to fifth steps are repeated a predetermined number of times after the first step, so that the polarity is controlled to be inverted to the Al polarity on the AlN layer. Forming a layer,
A method of forming a semiconductor structure, comprising forming an AlGaN buffer layer.
前記第2の工程における前記第1の期間を5〜10秒とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体構造の形成方法。   3. The method of forming a semiconductor structure according to claim 1, wherein the first period in the second step is 5 to 10 seconds. 前記第1の工程は、1100℃以上でAlN層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の半導体構造の形成方法。 4. The method of forming a semiconductor structure according to claim 1, wherein the first step includes a step of forming an AlN layer at 1100 ° C. or higher. 5. 前記所定の回数が5以上であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の半導体構造の形成方法。   5. The method of forming a semiconductor structure according to claim 1, wherein the predetermined number of times is 5 or more. さらに、前記バッファ層上に、InAlGaNからなる発光層を形成する工程を有することを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の半導体構造の形成方法。   6. The method of forming a semiconductor structure according to claim 1, further comprising a step of forming a light emitting layer made of InAlGaN on the buffer layer.
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