JP5179055B2 - Group III nitride semiconductor manufacturing method, group III nitride semiconductor light emitting device manufacturing method, group III nitride semiconductor light emitting device, and lamp - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、電子デバイス等に、好適に用いられ、一般式AlaGabIncN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表されるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に、マグネシウム(Mg)等のアクセプター不純物が添加されてなるp型のIII族窒化物半導体層を形成するためのIII族窒化物半導体の製造方法、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びIII族窒化物半導体発光素子、並びにランプに関する。 The present invention is a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a electronic device, etc., suitably used, formula Al a Ga b In c N ( 0 ≦ a ≦ 1,0 ≦ b ≦ 1,0 ≦ In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device represented by c ≦ 1, a + b + c = 1). In particular, a p-type group III nitride semiconductor layer formed by adding an acceptor impurity such as magnesium (Mg) is formed. The present invention relates to a Group III nitride semiconductor manufacturing method, a Group III nitride semiconductor light emitting device manufacturing method, a Group III nitride semiconductor light emitting device, and a lamp.
III族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域の範囲に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有し、発光効率に優れていることから、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の半導体発光素子として製品化され、各種用途で使用されている。また、電子デバイスに用いた場合でも、III族窒化物半導体は、従来のIII−V族化合物半導体を用いた場合に比べて優れた特性が得られるポテンシャルを有している。 Group III nitride semiconductors have a direct transition type band gap of energy corresponding to the range from visible light to ultraviolet light, and are excellent in luminous efficiency. Therefore, light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) It is commercialized as a semiconductor light emitting device such as, and is used in various applications. Even when used in an electronic device, the group III nitride semiconductor has a potential for obtaining superior characteristics as compared with the case of using a conventional group III-V compound semiconductor.
このようなIII族窒化物半導体は、一般的に、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料として、有機金属化学気相成長(MOCVD)法によって製造されている。MOCVD法は、キャリアガスに原料の蒸気を含ませて基板表面に運搬し、加熱された基板との反応で原料を分解させることにより、結晶を成長させる方法である。 Such group III nitride semiconductors are generally manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) using trimethylgallium, trimethylaluminum and ammonia as raw materials. The MOCVD method is a method in which a vapor of a raw material is contained in a carrier gas and transported to the substrate surface, and the raw material is decomposed by reaction with a heated substrate to grow crystals.
従来、III族窒化物半導体の単結晶ウェーハは市販されておらず、III族窒化物半導体としては、異なる材料の単結晶ウェーハ上に結晶を成長させて得る方法が一般的である。このような、異種基板と、その上にエピタキシャル成長させるIII族窒化物半導体結晶との間には、大きな格子不整合が存在する。例えば、サファイア(Al2O3)基板上に窒化ガリウム(GaN)を成長させた場合、両者の間には16%の格子不整合が存在し、SiC基板上に窒化ガリウムを成長させた場合には、両者の間に6%の格子不整合が存在する。一般に、上述のような大きな格子不整合が存在する場合、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることが困難となり、また、成長させた場合であっても結晶性の良好な結晶が得られないという問題がある。 Conventionally, group III nitride semiconductor single crystal wafers are not commercially available, and group III nitride semiconductors are generally obtained by growing crystals on single crystal wafers of different materials. There is a large lattice mismatch between such a heterogeneous substrate and a group III nitride semiconductor crystal epitaxially grown thereon. For example, when gallium nitride (GaN) is grown on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, there is a 16% lattice mismatch between the two, and when gallium nitride is grown on a SiC substrate. There is a 6% lattice mismatch between the two. In general, when there is a large lattice mismatch as described above, it is difficult to epitaxially grow a crystal directly on a substrate, and a crystal with good crystallinity cannot be obtained even when grown. There is.
そこで、有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、サファイア単結晶基板もしくはSiC単結晶基板の上に、III族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際、まず、基板上に窒化アルミニウム(AlN)や窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる低温バッファ層と呼ばれる層を積層し、その上に高温でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が提案されており、一般に行われている。 Therefore, when a group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on a sapphire single crystal substrate or SiC single crystal substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), first, aluminum nitride (AlN) or nitride is formed on the substrate. A method of laminating a layer called a low temperature buffer layer made of aluminum gallium (AlGaN) and epitaxially growing a group III nitride semiconductor crystal on the layer at a high temperature has been proposed and is generally performed.
また、バッファ層としてAlN等の層をMOCVD以外の方法で基板上に成膜し、その上に成膜される層をMOCVD法で成膜する方法に関し、例えば、高周波スパッタで成膜したバッファ層上に、MOCVD法で同じ組成の結晶を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、安定して良好な結晶を得ることができないという問題がある。
The present invention also relates to a method of forming a layer such as AlN as a buffer layer on a substrate by a method other than MOCVD and forming a layer formed thereon by MOCVD, for example, a buffer layer formed by high-frequency sputtering. In addition, a method of growing crystals having the same composition by MOCVD has been proposed (for example, Patent Document 1).
However, the method described in Patent Document 1 has a problem that good crystals cannot be stably obtained.
そこで、安定して良好な結晶を得るため、例えば、バッファ層成長後にアンモニアと水素からなる混合ガス中でアニールする方法(例えば、特許文献2)や、バッファ層を400℃以上の温度でDCスパッタにより成膜する方法(例えば、特許文献3)が提案されている。 Therefore, in order to stably obtain good crystals, for example, a method of annealing in a mixed gas composed of ammonia and hydrogen after the growth of the buffer layer (for example, Patent Document 2) or DC sputtering at a temperature of 400 ° C. or higher. A method of forming a film by the above (for example, Patent Document 3) has been proposed.
一方、III族窒化物半導体結晶をスパッタによって製造する研究も行われており、例えば、高抵抗のGaNを積層することを目的とし、サファイア基板上に、スパッタ法によってGaNを直接成膜する方法が提案されている(例えば、特許文献4)。特許文献4に記載の方法では、スパッタによるGaNの成膜条件として、到達真空度を5×10−7〜10−8Torrの範囲、チャンバ内流通ガスがArとN2とされ、また、スパッタ時のガス圧が3〜5×10−2Torr、RF電圧が0.7〜0.9kV(パワー換算で20〜40W)、基板とターゲットとの距離が20〜50mm、基板温度が150〜450℃とされている。 On the other hand, research for producing a group III nitride semiconductor crystal by sputtering has also been conducted. For example, a method of directly forming a GaN film on a sapphire substrate by a sputtering method for the purpose of stacking high-resistance GaN. It has been proposed (for example, Patent Document 4). In the method described in Patent Document 4, as the GaN film formation conditions by sputtering, the ultimate vacuum is in the range of 5 × 10 −7 to 10 −8 Torr, the flow gases in the chamber are Ar and N 2, and sputtering is performed. The gas pressure is 3 to 5 × 10 −2 Torr, the RF voltage is 0.7 to 0.9 kV (20 to 40 W in terms of power), the distance between the substrate and the target is 20 to 50 mm, and the substrate temperature is 150 to 450. It is said to be ℃.
また、N2ガスを用いた高周波マグネトロンスパッタリングにより、Siの(100)面、及びAl2O3の(0001)面上にGaN層を成膜する方法が提案されている(例えば、非特許文献1)。非特許文献1に記載の方法では、スパッタによるGaNの成膜条件として、全ガス圧力を2mTorr、投入電力を100Wとし、基板温度を室温から900℃まで変化させており、また、ターゲットと基板とを対向させてスパッタを行なう方法とされている。 In addition, a method of forming a GaN layer on a Si (100) plane and an Al 2 O 3 (0001) plane by high-frequency magnetron sputtering using N 2 gas has been proposed (for example, non-patent literature). 1). In the method described in Non-Patent Document 1, as the GaN film formation conditions by sputtering, the total gas pressure is 2 mTorr, the input power is 100 W, the substrate temperature is changed from room temperature to 900 ° C., and the target and substrate It is said that sputtering is performed with the two facing each other.
また、カソードと固体状のターゲットとを向かい合わせ、基板とターゲットとの間にメッシュを入れた装置を用いてGaN層を成膜する方法が提案されている(例えば、非特許文献2)。非特許文献2に記載の方法では、GaNの成膜条件として、チャンバ内のガス雰囲気がN2ガスで圧力が0.67Paとされ、また、基板温度が84〜600℃の範囲、投入電力が150W、基板とターゲットとの距離が80mmとされている。 Further, a method has been proposed in which a GaN layer is formed using an apparatus in which a cathode and a solid target face each other and a mesh is placed between the substrate and the target (for example, Non-Patent Document 2). In the method described in Non-Patent Document 2, as the GaN film forming conditions, the gas atmosphere in the chamber is N 2 gas, the pressure is 0.67 Pa, the substrate temperature is in the range of 84 to 600 ° C., and the input power is The distance between the substrate and the target is 80 mm.
また、Gaを主成分とするとともに冷却されたターゲットと、スパッタリングガス及びN2ガス、NH3、N2H4等の窒素を含むガスを主成分とし、H2以外の不純物ガス分圧が10−8torr以下とされた放電ガスを用い、スパッタリングガスにおける高周波プラズマ中のイオンのエネルギーを制御して、結晶成長表面へイオンを照射しながら結晶成長を行なう反応性スパッタリング法により、GaN以外の材料からなる基体上に、GaNを主成分とする単結晶を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献5)。 In addition, the main component is Ga, the main component of which is a cooled target, and the gas includes nitrogen, such as sputtering gas and N 2 gas, NH 3 , N 2 H 4 , and the partial pressure of impurity gas other than H 2 is 10 A material other than GaN is formed by a reactive sputtering method in which a discharge gas of −8 torr or less is used and the energy of high-frequency plasma ions in the sputtering gas is controlled to perform crystal growth while irradiating the crystal growth surface with ions. There has been proposed a method of growing a single crystal containing GaN as a main component on a substrate made of (for example, Patent Document 5).
また、29℃以下に冷却したガリウムをターゲットに用い、スパッタ法によって窒化ガリウム薄膜を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献6)。 A method of growing a gallium nitride thin film by sputtering using gallium cooled to 29 ° C. or lower as a target has been proposed (for example, Patent Document 6).
また、少なくともターゲットの表面領域を融点以上に加熱し、厚さ1μm以上の溶融層を形成しながらターゲットの表面をスパッタリングする反応性スパッタ法により、ターゲットに対向する基板上に結晶性に優れた窒化ガリウム膜を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献7)。
しかしながら、上記特許文献2〜7及び非特許文献1及び2に記載のスパッタ法により、基板上にGaN等のIII族窒化物半導体を積層した場合、結晶性の良好なIII族窒化物半導体が得られず、このIII族窒化物半導体にアクセプター不純物を添加しても、充分に高いキャリア濃度を有するp型半導体を得ることが出来ないという問題があった。 However, when a group III nitride semiconductor such as GaN is stacked on the substrate by the sputtering methods described in Patent Documents 2 to 7 and Non-Patent Documents 1 and 2, a group III nitride semiconductor with good crystallinity is obtained. However, there is a problem that even if an acceptor impurity is added to the group III nitride semiconductor, a p-type semiconductor having a sufficiently high carrier concentration cannot be obtained.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、スパッタ法によって基板上に積層するIII族窒化物半導体の結晶性を改善し、アクセプター不純物を添加して充分に高いキャリア濃度を有するp型のIII族窒化物半導体を積層することができるIII族窒化物半導体の製造方法、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、及び、発光特性に優れたIII族窒化物半導体発光素子並びにランプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and improves the crystallinity of a group III nitride semiconductor stacked on a substrate by a sputtering method, and adds a acceptor impurity to have a sufficiently high carrier concentration. Provided are a method for manufacturing a group III nitride semiconductor capable of stacking group III nitride semiconductors, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, a group III nitride semiconductor light emitting device and a lamp having excellent light emission characteristics. For the purpose.
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を積層する際の成膜条件を適正化することにより、充分に高いキャリア濃度を有するp型のIII族窒化物半導体の成膜が可能となることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have sufficiently increased the film forming conditions when stacking single crystal group III nitride semiconductors to which acceptor impurities are added. The inventors have found that it is possible to form a p-type group III nitride semiconductor having a carrier concentration, thereby completing the present invention.
That is, the present invention relates to the following.
[1] チャンバ内に基板及びターゲットを載置し、前記基板上にアクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成するスパッタ工程が備えられたIII族窒化物半導体の製造方法であって、前記スパッタ工程は、前記基板の温度を600℃〜1050℃の範囲とし、前記ターゲットとしてIII族金属を含有する金属ターゲットを用い、前記チャンバ内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上として、当該III族窒化物半導体におけるキャリア濃度を5×10 16 個/cm 3 以上にすることを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
[2] 前記スパッタ工程は、前記ターゲットとして、前記III金属とアクセプター不純物とを含有する混合ターゲットを用いることを特徴とする[1]に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
[3] 前記チャンバ内のガス雰囲気中に存在する窒素原子含有ガスが窒素ガス(N2)であり、前記不活性ガスがアルゴンガス(Ar)であることを特徴とする[1]又は[2]に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
[4] 前記アクセプター不純物がマグネシウム(Mg)であることを特徴とする[1]〜[3]の何れかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
[5] 少なくとも前記スパッタ工程の前に、前記基板上に、単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層を形成する工程が備えられていることを特徴とする[1]〜[4]の何れかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
[6] 前記下地層を、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用いて形成することを特徴とする[5]に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
[1] A group III nitride provided with a sputtering process in which a substrate and a target are placed in a chamber and a single crystal group III nitride semiconductor to which an acceptor impurity is added is formed on the substrate by a reactive sputtering method. In the method of manufacturing a semiconductor, the sputtering step is performed by setting the temperature of the substrate in a range of 600 ° C. to 1050 ° C., using a metal target containing a group III metal as the target, and changing the gas atmosphere in the chamber to nitrogen. atom-containing gas is 20% to 80%, hydrogen gas (H 2) is the percentage 0.2-50% by the ratio 2% or more the balance being an inert gas, the III-nitride A method for producing a group III nitride semiconductor, wherein a carrier concentration in a semiconductor is 5 × 10 16 atoms / cm 3 or more .
[2] The method for producing a group III nitride semiconductor according to [1], wherein the sputtering step uses a mixed target containing the III metal and an acceptor impurity as the target.
[3] The nitrogen atom-containing gas present in the gas atmosphere in the chamber is nitrogen gas (N 2 ), and the inert gas is argon gas (Ar) [1] or [2] ] The manufacturing method of the group III nitride semiconductor of description.
[4] The method for producing a group III nitride semiconductor according to any one of [1] to [3], wherein the acceptor impurity is magnesium (Mg).
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein a step of forming a base layer made of a single crystal group III nitride semiconductor on the substrate is provided at least before the sputtering step. The manufacturing method of the group III nitride semiconductor in any one.
[6] The method for producing a group III nitride semiconductor according to [5], wherein the underlayer is formed using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method).
[7] III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層が順に積層された半導体層を備え、前記p型半導体層の少なくとも一部がアクセプター不純物の添加された単結晶のIII族窒化物半導体からなるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記p型半導体層の少なくとも一部を、上記[1]〜[6]の何れかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法によって形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[8] 上記[7]に記載の製造方法で得られるIII族窒化物半導体発光素子。
[9] 上記[8]に記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
[7] A semiconductor layer in which an n-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked, and at least a part of the p-type semiconductor layer is added with an acceptor impurity. A method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising a crystal group III nitride semiconductor, wherein at least a part of the p-type semiconductor layer is a group III according to any one of the above [1] to [6] A method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device, comprising forming a nitride semiconductor by a method for producing a nitride semiconductor.
[8] A group III nitride semiconductor light-emitting device obtained by the production method according to the above [7].
[9] A lamp comprising the group III nitride semiconductor light-emitting device according to [8].
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法によれば、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を反応性スパッタ法で成膜する際、チャンバ内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上としてスパッタを行なう方法としたので、III族原料が豊富な雰囲気中でIII族窒化物半導体の成長を行うことができ、また、水素ガスを含むガス雰囲気とすることにより、半導体積層過程でのIII族窒化物半導体の表面における反応種のマイグレーションが生じやすくなるので、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を成長させることが出来る。
また、スパッタを行なう際の基板温度を600℃〜1050℃の範囲とすることにより、半導体積層過程でのIII族窒化物半導体層の表面における反応種のマイグレーションがより一層生じやすくなるので、結晶性のより良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。
これにより、III族窒化物半導体にアクセプター不純物を添加し、このIII族窒化物半導体の導電性をp型に制御することにより、5×1016個/cm3以上の高いキャリア濃度を得ることが可能になる。
According to the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention, when a single crystal group III nitride semiconductor to which an acceptor impurity is added is formed by reactive sputtering, the gas atmosphere in the chamber contains nitrogen atoms. Since the gas is 20 to 80%, the hydrogen gas (H 2 ) is a ratio of 0.2 to 50%, the balance is an inert gas, and the ratio is set to 2% or more. Group III nitride semiconductors can be grown in an atmosphere rich in raw materials, and migration of reactive species on the surface of the group III nitride semiconductor during the semiconductor stacking process can be achieved by using a gas atmosphere containing hydrogen gas. Therefore, a group III nitride semiconductor with good crystallinity can be grown.
In addition, when the substrate temperature during sputtering is in the range of 600 ° C. to 1050 ° C., migration of reactive species on the surface of the group III nitride semiconductor layer during the semiconductor lamination process is more likely to occur. Better group III nitride semiconductors can be grown.
Thereby, an acceptor impurity is added to the group III nitride semiconductor, and the conductivity of the group III nitride semiconductor is controlled to be p-type, whereby a high carrier concentration of 5 × 10 16 / cm 3 or more can be obtained. It becomes possible.
また、基板上に単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層を形成し、該下地層上にスパッタ法によってIII族窒化物半導体を形成することにより、結晶性の良好な単結晶のIII族窒化物半導体層を積層することができ、アクセプター不純物添加による導電性の制御をさらに容易にすることが可能となる。 Further, by forming a base layer made of a single crystal group III nitride semiconductor on the substrate and forming a group III nitride semiconductor on the base layer by sputtering, a single crystal group III having good crystallinity A nitride semiconductor layer can be stacked, and the conductivity can be further easily controlled by adding an acceptor impurity.
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、p型半導体層の少なくとも一部が、上記製造方法により、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体から形成する方法とされているので、導電性の制御された結晶性の良好なIII族窒化物半導体からなるp型半導体層を備え、優れた発光特性を有するIII族窒化物半導体発光素子が得られる。 According to the method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention, at least a part of the p-type semiconductor layer is formed from a single crystal group III nitride semiconductor to which an acceptor impurity is added by the above manufacturing method. Therefore, a group III nitride semiconductor light-emitting device having a p-type semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor with controlled conductivity and good crystallinity and having excellent light emission characteristics can be obtained.
以下に、本発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びIII族窒化物半導体発光素子、並びにランプの一実施形態について、図1〜5を適宜参照しながら説明する。 FIG. 1 to FIG. 5 are appropriately described below for a group III nitride semiconductor manufacturing method, a group III nitride semiconductor light emitting device manufacturing method, a group III nitride semiconductor light emitting device, and a lamp according to an embodiment of the present invention. The description will be given with reference.
[III族窒化物半導体の製造方法]
本実施形態のIII族窒化物半導体の製造方法は、チャンバ41(図5を参照)内に基板11(図1〜3を参照)及びターゲット47(図5を参照)を載置し、基板11上にアクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成するスパッタ工程が備えられた製造方法であり、前記スパッタ工程は、基板11の温度を600℃〜1050℃の範囲とし、ターゲット47としてIII族金属を含有する金属ターゲットを用い、チャンバ47内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上とした方法である。
[Method for Producing Group III Nitride Semiconductor]
In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to this embodiment, a substrate 11 (see FIGS. 1 to 3) and a target 47 (see FIG. 5) are placed in a chamber 41 (see FIG. 5). The manufacturing method includes a sputtering process for forming a single crystal group III nitride semiconductor doped with an acceptor impurity by a reactive sputtering method, and the sputtering process is performed at a temperature of the
<半導体の積層構造>
図1は、本発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にIII族窒化物半導体が形成された積層半導体の一例を示す概略断面図である。図1に示す積層半導体10は、基板11上にIII族窒化物化合物からなるバッファ層12が積層され、該バッファ層12上に、n型半導体層14、発光層15、及びp型半導体層16が順次積層されてなる半導体層20が形成されている。
本実施形態のp型半導体層16は、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体からなり、詳細を後述する本発明のIII族窒化物半導体の製造方法によって形成されるものである。
以下、本実施形態のIII族窒化物半導体の積層構造について詳述する。
<Semiconductor laminated structure>
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a method for producing a group III nitride semiconductor according to the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing an example of a stacked semiconductor in which a group III nitride semiconductor is formed on a substrate. . In the
The p-
Hereinafter, the laminated structure of the group III nitride semiconductor of this embodiment will be described in detail.
『基板』
本実施形態において、基板11に用いることができる材料としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば、特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。この中でも、サファイア、SiC等の六方晶構造を有する材料を基板に用いることが、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を積層できる点で好ましい。
また、基板の大きさとしては、通常は直径2インチ程度のものが用いられるが、本発明のIII族窒化物半導体では、直径4〜6インチの基板を使用することも可能である。
"substrate"
In the present embodiment, the material that can be used for the
In addition, as the size of the substrate, a substrate having a diameter of about 2 inches is usually used. However, in the group III nitride semiconductor of the present invention, a substrate having a diameter of 4 to 6 inches can be used.
なお、アンモニアを使用せずにバッファ層を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のn型半導体層を構成する下地層を成膜し、さらに、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用いた場合には、本実施形態のバッファ層がコート層として作用するので、基板の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。また、一般的に、スパッタ法は基板の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板を用いた場合でも、基板11にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
In addition, while forming a buffer layer without using ammonia, a base layer constituting an n-type semiconductor layer to be described later is formed by a method using ammonia. When an oxide substrate or a metal substrate that is known to cause chemical modification by contact is used, the buffer layer of this embodiment functions as a coating layer, so that chemical modification of the substrate is performed. It is effective in preventing. In general, since the sputtering method can keep the substrate temperature low, even when a substrate made of a material that decomposes at a high temperature is used, the
『バッファ層』
本実施形態の積層半導体10は、基板11上に、金属原料とV族元素を含んだガスとがプラズマで活性化されて反応することにより、III族窒化物化合物からなるバッファ層12が成膜されている。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
"Buffer layer"
In the
III族窒化物半導体の結晶は、六方晶系の結晶構造を持ち、六角柱を基本とした集合組織を形成しやすい。特に、プラズマ化した金属材料を用いた成膜方法によって形成した膜は柱状結晶となりやすい。ここで、本発明で説明する柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。 Group III nitride semiconductor crystals have a hexagonal crystal structure and are easy to form a texture based on hexagonal columns. In particular, a film formed by a film forming method using a metal material that has been converted to plasma tends to be columnar crystals. Here, the columnar crystal described in the present invention refers to a crystal that is separated by forming a crystal grain boundary between adjacent crystal grains, and is itself a columnar shape as a longitudinal sectional shape. .
バッファ層12は、柱状結晶の集合体からなることが、バッファ機能の面から好ましい。III族窒化物半導体の結晶は、六方晶系の結晶構造を有し、六角柱を基本とした集合組織を形成しやすい。特に、プラズマ化した金属材料を用いる成膜方法によって形成された膜は柱状結晶となりやすい。
このような、柱状結晶からなるバッファ層12を基板11上に成膜した場合、バッファ層12のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されるIII族窒化物半導体が、良好な結晶性を持つ結晶膜となる。
The
When the
バッファ層12の膜厚は、20〜80nmの範囲とされていることが好ましい。バッファ層12の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な結晶性を有し、また、バッファ層12上にIII族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能するバッファ層12が得られる。
バッファ層12の膜厚が20nm未満だと、上述したコート層としての機能が充分でなくなる虞がある。また、80nmを超える膜厚でバッファ層12を形成した場合、コート層としての機能には変化が無いのにも関わらず成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
The thickness of the
If the thickness of the
バッファ層12は、Alを含有する組成とされていることが好ましく、AlNからなる構成とすることが特に好ましい。バッファ層12を構成する材料としては、一般式AlGaInNで表されるIII族窒化物半導体であれば、どのような材料でも用いることができる。さらに、V族として、AsやPが含有される構成としても良い。
また、バッファ層12を、Alを含んだ組成とした場合、中でも、GaAlNとすることが好ましく、この際、Alの組成が50%以上とされていることが好ましい。また、バッファ層12は、AlNからなる構成とすることにより、効率的に柱状結晶集合体とすることができるので、より好ましい。
The
Further, when the
また、バッファ層12を構成する材料としては、III族窒化物半導体と同じ結晶構造を有するものであれば、どのような材料でも用いることができるが、格子の長さが後述の下地層を構成するIII族窒化物半導体に近いものが好ましく、特に周期表の13族元素の窒化物が好適である。
Any material can be used for the
『半導体層』
図1に示すように、本実施形態の積層半導体10は、基板11上に、上述のようなバッファ層12を介して、III族窒化物系半導体からなり、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16から構成される半導体層20が積層されてなる。また、図示例の積層半導体10は、n型半導体層14に備えられた下地層14aがバッファ層12上に積層されている。
"Semiconductor layer"
As shown in FIG. 1, the
III族窒化物半導体としては、例えば、一般式AlXGaYInZN1−AMA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式AlXGaYInZN1−AMA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。 The group III nitride semiconductor, for example, and by the general formula Al X Ga Y In Z N 1 -A M A (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1, X + Y + Z = 1. Symbol M represents a group V element different from nitrogen (N), and 0 ≦ A <1.) Many gallium nitride-based compound semiconductors are known. and the general formula Al X Ga Y in Z N 1 -a M a (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1 , including the gallium compound semiconductor, X + Y + Z = 1 . symbol M nitrogen A gallium nitride-based compound semiconductor represented by (V) represents another group V element and 0 ≦ A <1) can be used without any limitation.
窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As及びB等の元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。 The gallium nitride-based compound semiconductor can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In, and elements such as Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Be, P, As, and B can be used as necessary. Can also be contained. Furthermore, it is not limited to the element added intentionally, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.
「n型半導体層」
n型半導体層14は、通常、前記バッファ層12上に積層され、下地層14a、n型コンタクト層14b及びn型クラッド層14cから構成される。なお、n型コンタクト層は、下地層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることが可能であるが、下地層が、n型コンタクト層、及び/又は、n型クラッド層を兼ねることも可能である。
"N-type semiconductor layer"
The n-
{下地層}
本実施形態の下地層14aはIII族窒化物半導体からなり、従来公知のMOCVD法によってバッファ層12上に積層して成膜される。
下地層14aの材料としては、必ずしも基板11上に成膜されたバッファ層12と同じである必要はなく、異なる材料を用いても構わないが、AlyGa1―yN層(0≦y≦1、好ましくは0≦y≦0.5、さらに好ましくは0≦y≦0.1)から構成されることが好ましい。
{Underlayer}
The
The material of the
基板上にIII族窒化物半導体からなる各層を成膜する場合、例えば、サファイアからなる基板の(0001)C面上に、スパッタ法でIII族窒化物半導体の単結晶を直接形成することは、基板とIII族窒化物半導体の格子定数の違いから困難である。そこで、本発明では、基板11上に、単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層14aを予め形成する。単結晶の下地層14aの上には、結晶性の良好なIII族窒化物半導体の単結晶層を容易にスパッタ法により形成することができるため、アクセプター不純物をドープして導電性をp型に制御したIII族窒化物半導体が得られやすくなる。
When forming each layer made of a group III nitride semiconductor on a substrate, for example, directly forming a group III nitride semiconductor single crystal by sputtering on the (0001) C surface of a substrate made of sapphire, This is difficult due to the difference in lattice constant between the substrate and the group III nitride semiconductor. Therefore, in the present invention, the
本発明者等が実験したところ、下地層14aに用いる材料として、Gaを含むIII族窒化物化合物、即ちGaN系化合物半導体が好ましいことが明らかとなった。
バッファ層12をAlNからなる構成とした場合、下地層14aは、柱状結晶の集合体であるバッファ層12の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させる必要がある。転位のループ化を生じやすい材料としては、Gaを含むGaN系化合物半導体が挙げられ、特に、AlGaN、又はGaNが好適である。
As a result of experiments by the present inventors, it was found that a group III nitride compound containing Ga, that is, a GaN-based compound semiconductor is preferable as a material used for the
When the
下地層14aの膜厚は、0.1〜8μmの範囲とすることが、結晶性の良好な下地層が得られる点で好ましく、0.1〜2μmの範囲とすることが、成膜に要する工程時間を短縮でき、生産性が向上する点でより好ましい。
The film thickness of the
下地層14aは、必要に応じて、n型不純物が1×1017〜1×1019/cm3の範囲内でドープされた構成としても良いが、アンドープ(<1×1017/cm3)の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。
基板11が導電性である場合には、下地層14aにドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板11に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、基板11直上の層はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となる。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
The
In the case where the
{n型コンタクト層}
本実施形態のn型コンタクト層14bはIII族窒化物半導体からなり、スパッタ法によって下地層14a上に積層して成膜される。
n型コンタクト層14bとしては、下地層14aと同様にAlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。また、n型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeである。成長温度は下地層と同様である。また、上述したように、n型コンタクト層14bは、下地層を兼ねた構成とすることもできる。
{N-type contact layer}
The n-
As the n-
下地層14a及びn型コンタクト層14bを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1〜20μm、好ましくは0.5〜15μm、さらに好ましくは1〜12μmの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
The gallium nitride-based compound semiconductor constituting the
{n型クラッド層}
上述のn型コンタクト層14bと詳細を後述する発光層15との間には、n型クラッド層14cを設けることが好ましい。n型クラッド層14cを設けることにより、n型コンタクト層14bの最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできる。n型クラッド層14cは、スパッタ法等を用いて、AlGaN、GaN、GaInN等により成膜することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。GaInNとする場合には、発光層15のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
{N-type cladding layer}
It is preferable to provide an n-
n型クラッド層14cの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは5〜500nmの範囲であり、より好ましくは5〜100nmの範囲である。
また、n型クラッド層14cのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
The film thickness of the n-
Further, the n-type doping concentration of the n-
「p型半導体層」
p型半導体層16は、通常、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bから構成され、反応性スパッタ法を用いて成膜されてなる。また、p型コンタクト層がp型クラッド層を兼ねる構成とすることもできる。
"P-type semiconductor layer"
The p-
本実施形態のp型半導体層16は、導電性をp型に制御するためのアクセプター不純物が添加されてなる。
アクセプター不純物としては、特に限定されないが、例えば、Mgを用いることが好ましく、また、同様にZnを用いることも可能である。
The p-
Although it does not specifically limit as an acceptor impurity, For example, it is preferable to use Mg, and it is also possible to use Zn similarly.
{p型クラッド層}
p型クラッド層16aとしては、詳細を後述する発光層15のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層15へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AldGa1−dN(0<d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)のものが挙げられる。p型クラッド層16aが、このようなAlGaNからなると、発光層15へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
p型クラッド層16aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
{P-type cladding layer}
The p-
The thickness of the p-
p型クラッド層16aにアクセプター不純物を添加することによって得られるp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3の範囲とされていることが好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
The p-type doping concentration obtained by adding an acceptor impurity to the p-
{p型コンタクト層}
p型コンタクト層16bとしては、少なくともAleGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極(後述の透光性電極17を参照)との良好なオーミック接触の点で好ましい。
p型コンタクト層16bの膜厚は、特に限定されないが、10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
{P-type contact layer}
The p-
Although the film thickness of the p-
また、p型コンタクト層16bにアクセプター不純物を添加することによって得られるp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3の範囲とされていると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の範囲である。
Further, when the p-type dope concentration obtained by adding an acceptor impurity to the p-
「発光層」
発光層15は、n型半導体層14上に積層されるとともにp型半導体層16がその上に積層される層であり、従来公知のMOCVD法等を用いて成膜することができる。また、発光層15は、図1に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層15aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層15bとが交互に繰り返して積層されてなり、図示例では、n型半導体層14側及びp型半導体層16側に障壁層15aが配される順で積層して形成されている。
"Light emitting layer"
The
障壁層15aとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層15bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlcGa1−cN(0≦c<0.3)等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層15bには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInsN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
As the
Furthermore, the
また、発光層15全体の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましい。例えば、発光層15の膜厚は、1〜500nmの範囲であることが好ましく、100nm前後の膜厚であればより好ましい。膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。
Further, the film thickness of the entire
<製造方法>
本実施形態のIII族窒化物半導体の製造方法は、上述したように、チャンバ41内に基板11及びターゲット47を載置し、基板11上にアクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を反応性スパッタ法によって形成するスパッタ工程が備えられた方法であり、前記スパッタ工程は、基板11の温度を600℃〜1050℃の範囲とし、ターゲット47としてIII族金属を含有する金属ターゲットを用い、チャンバ47内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上とした方法である。
<Manufacturing method>
In the method of manufacturing a group III nitride semiconductor according to this embodiment, as described above, a single crystal group III nitride in which the
本実施形態の製造方法では、基板11上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、図1に示すような積層半導体10を形成する際、基板11上にバッファ層12を成膜し、その上に半導体層20を形成する。本実施形態では、バッファ層12を、スパッタ法を用いて形成し、その上に、n型半導体層14の下地層14aをMOCVD法によって形成した後、n型コンタクト層14bをスパッタ法で形成し、その上のn型クラッド層14c及び発光層15の各層をMOCVD法で形成し、そして、p型半導体層16をスパッタ法で形成する方法としている。
In the manufacturing method of this embodiment, when a group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the
『バッファ層の形成』
バッファ層12を基板11上に成膜する際、基板11には湿式の前処理を行うことが望ましい。例えば、シリコンからなる基板11に対しては、よく知られたRCA洗浄方法などを行い、表面を水素終端させておくことにより、成膜プロセスが安定する。
また、基板11を反応器の中に導入した後、バッファ層12を形成する前に、スパッタ法等の方法を用いて前処理を行うことができる。具体的には、基板11をArやN2のプラズマ中に曝す事によって表面を整えることができる。例えば、ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板11表面に作用させることで、基板11表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、基板11とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板11に作用する。このような前処理を基板11に施すことにより、基板11の表面11a全面にバッファ層12を成膜することができ、その上に成膜される膜の結晶性を高めることが可能となる。
"Formation of buffer layer"
When the
In addition, after the
基板11表面の前処理を行なった後、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入し、基板11の温度を500℃程度まで低下させる。そして、基板11側に高周波バイアスを印加するとともに、金属AlからなるAlターゲット側にパワーを印加し、炉内の圧力を一定に保ちながら、基板11上にAlNからなるバッファ層12を成膜する。
After pretreatment of the surface of the
バッファ層12を基板11上に成膜する方法としては、スパッタ法の他、例えば、MOCVD法、PLD法、PED法等が挙げられ、適宜選択して用いることができるが、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な方法である。なお、DCスパッタを用いる場合、ターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性があるので、パルスDCスパッタ法とするか、RFスパッタ法とすることが望ましい。
As a method for forming the
『半導体層の形成』
バッファ層12上には、n型半導体層14、発光層15、p型半導体層16をこの順で積層することにより、半導体層20を形成する。本実施形態の製造方法では、上述したように、n型半導体層14の下地層14aをMOCVD法によって形成した後、n型コンタクト層14bをスパッタ法で形成し、その上のn型クラッド層14c及び発光層15の各層をMOCVD法で形成し、そして、p型半導体層16をスパッタ法で形成する。
"Semiconductor layer formation"
On the
本実施形態において、半導体層20を形成する際の窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、上述したスパッタ法の他、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。これらの方法の内、MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などが用いられる。また、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。p型にはMg原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を用いる。
In this embodiment, the growth method of the gallium nitride-based compound semiconductor when forming the
上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As及びB等の元素を含有することができる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。 The gallium nitride-based compound semiconductor as described above can contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In. If necessary, Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Be, P, As, and Elements such as B can be contained. Furthermore, it is not limited to the element added intentionally, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.
「n型半導体層の形成」
本実施形態の半導体層20を形成する際、まず、n型半導体層14の下地層14aを、従来公知のMOCVD法により、バッファ層12上に積層して成膜する。次いで、下地層14a上に、n型コンタクト層14bをスパッタ法で成膜した後、n型クラッド層14cをMOCVD法によって成膜する。この際、下地層14a及びn型クラッド層14cの各層は、同じMOCVD炉を用いて成膜することができる。
“Formation of n-type semiconductor layer”
When forming the
基板11上に単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層14aを形成する方法としては、例えばMOCVD法により、上述のAlyGa1−yN(0≦y≦1)からなる低温バッファ層を基板11上に形成し、その上に、低温バッファ層を形成する温度より高温でMOCVD法により単結晶のGaN層を形成する方法がある。また、MOCVD法による低温バッファ層の代わりに、スパッタ法でAlyGa1−yN(0≦y≦1)からなる多結晶のバッファ層を形成し、その上に、MOCVD法によって単結晶のGaN層を形成しても良い。また、単結晶のGaN層を、スパッタ法を用いて成長させても良い。
As a method of forming the
「発光層の形成」
n型クラッド層14c上には、発光層15を、従来公知のMOCVD法によって形成する。
本実施形態で形成する、図1に例示するような発光層15は、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる積層構造を有しており、GaNからなる6層の障壁層15aと、ノンドープのIn0.2Ga0.8Nからなる5層の井戸層15bとを交互に積層して形成する。
また、本実施形態の製造方法では、n型クラッド層14cの成膜に用いるMOCVD炉と同じものを使用することにより、従来公知のMOCVD法で発光層15を成膜することができる。
`` Formation of light emitting layer ''
On the n-
The
In the manufacturing method of this embodiment, the
「p型半導体層の形成」
発光層15上、つまり、発光層15の最上層となる障壁層15a上には、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bからなるp型半導体層16を、スパッタ法を用いて形成する。
本実施形態では、まず、MgをドープしたAl0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層16aを発光層15(最上層の障壁層15a)上に形成し、さらにその上に、MgをドープしたAl0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層16bを形成する。この際、p型クラッド層16a及びp型コンタクト層16bの積層には、同じスパッタ装置を用いることができる。
“Formation of p-type semiconductor layer”
A p-
In the present embodiment, first, a p-
{スパッタ工程}
以下、本実施形態の製造方法に備えられたスパッタ工程について、図5に例示したようなスパッタ装置40を適宜参照しながら詳述する。
本実施形態のスパッタ工程は、上記各条件により、図1(図3も参照)に示すようなIII族窒化物半導体からなる半導体層20の内、p型半導体層16の少なくとも一部を、反応性スパッタ法を用いて、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体から形成する工程である。
{Sputtering process}
Hereinafter, the sputtering process provided in the manufacturing method of the present embodiment will be described in detail with reference to the
In the sputtering process of this embodiment, at least a part of the p-
(スパッタ装置)
III族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で成膜する場合、一般に、III族金属をターゲットにし、スパッタ装置のチャンバ内に窒素原子含有ガス(窒素ガス:N2、アンモニア:NH3等)を導入し、気相中でIII族金属と窒素を反応させる反応性スパッタ法(反応性リアクティブスパッタ法)を用いる。スパッタ法としては、RFスパッタ及びDCスパッタがあるが、本発明の製造方法のように反応性スパッタ法を用いた場合には、連続的に放電させるDCスパッタでは帯電が激しく、成膜速度のコントロールが困難とある。このため、本発明の製造方法では、RFスパッタ法、又は、DCスパッタ法の中でもパルス的にバイアスを与えることができるパルスDCスパッタを用いることが好ましい。
(Sputtering equipment)
When a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor is formed by sputtering, generally a group III metal is used as a target, and a nitrogen atom-containing gas (nitrogen gas: N 2 , ammonia: NH 3 or the like) is placed in the chamber of the sputtering apparatus. Is used, and a reactive sputtering method (reactive reactive sputtering method) in which a group III metal and nitrogen are reacted in a gas phase is used. As sputtering methods, there are RF sputtering and DC sputtering. When reactive sputtering is used as in the manufacturing method of the present invention, DC sputtering with continuous discharge is intensely charged, and film formation speed is controlled. Is difficult. For this reason, in the manufacturing method of the present invention, it is preferable to use pulsed DC sputtering that can be biased in a pulse manner among RF sputtering and DC sputtering.
また、RFスパッタを用いた場合には、帯電を回避する方法として、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが好ましい。具体的な運動の方法は、使用するスパッタ装置によって選択することができ、揺動させたり、回転運動させたりすることができる。
図5に例示するスパッタ装置40では、ターゲット47の下方にマグネット42が備えられ、このマグネット42がターゲット47の下方で回転運動できる構成とされている。
When RF sputtering is used, it is preferable to move the position of the magnet within the target as a method for avoiding charging. A specific motion method can be selected depending on a sputtering apparatus to be used, and can be swung or rotated.
In the
スパッタによってIII族窒化物半導体からなる半導体層を形成する際には、より高エネルギーの反応種を基板に供給することが好ましい。このため、スパッタ装置内において基板11がプラズマ中に位置するように構成し、また、ターゲット47と基板11とが対面する位置関係として構成することが好ましい。また、基板11とターゲット47との間の距離を、10〜100mmの範囲とすることが好ましい。
When forming a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor by sputtering, it is preferable to supply reactive species having higher energy to the substrate. For this reason, it is preferable that the
また、チャンバ41内には、できるだけ不純物を残さないことが好ましいので、スパッタ装置40の到達真空度は、1.0×10−3Pa以下であることが好ましい。
Moreover, since it is preferable that impurities are not left in the
(チャンバ内のガス雰囲気)
スパッタ法を用いてIII族窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合に重要となる他のパラメータとして、窒素原子含有ガスの分圧、成膜速度、基板温度、バイアス及びパワー等が挙げられる。
まず、スパッタ装置40のチャンバ41内のガス雰囲気は、窒素原子含有ガス(窒素:N2ガス、NH3ガス等)を含む雰囲気とする。このような窒素原子含有ガスは、スパッタにより、プラズマ化されて窒素原子に分解して結晶成長の原料となる。また、ターゲット47を効率よくスパッタするために、さらに、アルゴン(Ar)等の重量が大きく反応性の低い不活性ガスを混入させた雰囲気とする。さらに、半導体積層過程でのIII族窒化物半導体の表面における反応種のマイグレーションを生じやすくするため、水素ガスを含むガス雰囲気とする。
(Gas atmosphere in the chamber)
Other parameters that are important when forming a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor by sputtering include the partial pressure of the nitrogen atom-containing gas, the film formation rate, the substrate temperature, the bias, and the power.
First, the gas atmosphere in the
チャンバ41内のガス雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合、例えば、窒素ガス(N2)とアルゴン(Ar)の全流量に占める窒素ガス流量の比は、20%〜98%とすることができる。窒素ガスの流量比が20%未満だと、スパッタ原料が金属のまま付着する虞があり、窒素ガスの流量比が98%超だと、アルゴンの量が少なすぎ、スパッタ速度が低下する。
The ratio of the nitrogen atom-containing gas in the gas atmosphere in the
また、特に結晶性の良好なIII族窒化物半導体を積層するためには、チャンバ41内の雰囲気中の窒素原子含有ガスの割合を20〜80%の範囲とすることが必要である。窒素原子含有ガスの割合を80%以下とすることにより、III族原料が豊富な雰囲気中においてIII族窒化物半導体の成長を行うことができるので、より結晶性の良好なIII族窒化物半導体を成長させることが可能となる。
In addition, in order to stack a group III nitride semiconductor having particularly good crystallinity, it is necessary to set the ratio of the nitrogen atom-containing gas in the atmosphere in the
また、ガス雰囲気中の水素ガスの割合は0.2〜50%の範囲とする。水素ガスの割合が0.2%未満だと、基板上において反応種のマイグレーションを活性化する作用が充分に得られず、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を積層するのが困難になる。また、水素ガスの割合が50%を越えると、形成されたIII族窒化物半導体に取り込まれる水素が多くなり過ぎ、アクセプター不純物の活性化を阻害する要因となる。 The proportion of hydrogen gas in the gas atmosphere is in the range of 0.2 to 50%. If the proportion of hydrogen gas is less than 0.2%, the action of activating migration of reactive species on the substrate cannot be obtained sufficiently, and it becomes difficult to stack a group III nitride semiconductor with good crystallinity. . On the other hand, when the proportion of hydrogen gas exceeds 50%, too much hydrogen is taken into the formed group III nitride semiconductor, which becomes a factor that inhibits activation of acceptor impurities.
また、ガス雰囲気中において、窒素原子含有ガス及び水素ガスを除く残部は不活性ガスとする。不活性ガスは、ターゲットを効率よくスパッタすることを目的に用いるので、重量が大きく反応性の低いAr等を用いることが好ましい。
なお、一定以上のスパッタ速度を確保するためには、不活性ガスの割合は2%以上にすることが必要である。また、ガス雰囲気中には、窒素原子含有ガス、水素ガス及び不活性ガスの働きを阻害しない範囲で、その他のガス成分を加えることも可能である。
In the gas atmosphere, the remainder excluding the nitrogen atom-containing gas and hydrogen gas is an inert gas. Since the inert gas is used for the purpose of efficiently sputtering the target, it is preferable to use Ar having a large weight and low reactivity.
In order to secure a certain sputtering rate or more, the ratio of the inert gas needs to be 2% or more. In addition, other gas components can be added to the gas atmosphere as long as the functions of the nitrogen atom-containing gas, hydrogen gas, and inert gas are not impaired.
(成膜速度)
スパッタ法による、III族窒化物半導体からなる半導体層の成膜速度は、0.01〜10nm/秒とすることが好ましい。成膜速度が10nm/秒を超えると積層されたIII族窒化物半導体が結晶とならずに非晶質となり、0.01nm/秒未満だとプロセスが無駄に長時間となり、工業生産に利用することが困難となる。
(Deposition rate)
The deposition rate of the semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor by sputtering is preferably 0.01 to 10 nm / second. If the deposition rate exceeds 10 nm / second, the stacked group III nitride semiconductor does not become crystalline but becomes amorphous, and if it is less than 0.01 nm / second, the process becomes uselessly long and is used for industrial production. It becomes difficult.
(基板温度)
本発明者等が鋭意実験したところ、一般に、結晶性の良好なIII族窒化物半導体からなる半導体層をスパッタ法で形成するためには、基板11の温度を600〜1200℃の範囲とすること好ましいことが明らかとなった。基板温度が600℃より低いと、基板面での反応種のマイグレーションが抑えられ、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を形成するのが困難とある。また、基板温度が1200℃を超えると、形成されたIII族窒化物半導体が再分解を起こす虞がある。
(Substrate temperature)
As a result of diligent experiments by the present inventors, in general, in order to form a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor having good crystallinity by sputtering, the temperature of the
また、アクセプター不純物を添加して導電性をp型に制御するためには、基板温度を600〜1050℃の範囲とすることが必要となる。基板温度を600〜1050℃の範囲とすることで、点欠陥等の欠陥密度が少なく結晶性の良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。これにより、III族窒化物半導体にアクセプター不純物を添加して導電性をp型に制御することが可能になる。 In order to control the conductivity to be p-type by adding acceptor impurities, the substrate temperature needs to be in the range of 600 to 1050 ° C. By setting the substrate temperature in the range of 600 to 1050 ° C., a group III nitride semiconductor with low defect density such as point defects and good crystallinity can be grown. This makes it possible to control the conductivity to be p-type by adding an acceptor impurity to the group III nitride semiconductor.
(バイアス及びパワー)
また、結晶成長中の基板11表面における反応種のマイグレーションを活発にするためには、基板11側に印加されるバイアス、及びターゲット47側に印加されるパワーは大きいほうが好ましい。例えば、成膜時に基板11に印加するバイアスは1.5W/cm2以上が好ましく、また、成膜時にターゲット47に印加するパワーを1.5W/cm2〜5kW/cm2の範囲とすることが好ましい。
(Bias and power)
Further, in order to activate the migration of reactive species on the surface of the
(ターゲットの組成)
III族窒化物半導体からなる半導体層の組成は、ターゲットに用いるIII族金属の組成を所望の値に調整することによりコントロールすることができる。例えば、GaNからなる層を形成する場合には、ターゲットにGa金属を用い、AlGaN層を形成する場合には、ターゲットにAlGa合金を用いれば良い。また、InGaNを形成する場合には、InGa合金を用いれば良い。III族窒化物半導体の組成は、ターゲット47のIII族金属の組成に応じて変化するので、ターゲット47の組成を実験的に求めることで、所望の組成のIII族窒化物半導体からなる半導体層を形成することが可能となる。
(Target composition)
The composition of the semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor can be controlled by adjusting the composition of the group III metal used for the target to a desired value. For example, when forming a layer made of GaN, Ga metal may be used for the target, and when forming an AlGaN layer, an AlGa alloy may be used for the target. Further, when forming InGaN, an InGa alloy may be used. Since the composition of the group III nitride semiconductor varies depending on the composition of the group III metal of the
あるいは、例えば、AlGaN層を積層する場合、ターゲットとしてGaメタルとAlメタルの両方を併置してもよい。この場合には、GaメタルターゲットとAlメタルターゲットの表面積の比を変化させることにより、積層されるAlGaN層の組成を制御することが可能となる。同様に、InGaN層を積層する場合には、GaメタルターゲットとInメタルターゲットの両方を併置しても良い。 Alternatively, for example, when an AlGaN layer is stacked, both Ga metal and Al metal may be juxtaposed as targets. In this case, it is possible to control the composition of the laminated AlGaN layer by changing the ratio of the surface areas of the Ga metal target and the Al metal target. Similarly, when laminating an InGaN layer, both a Ga metal target and an In metal target may be juxtaposed.
(アクセプター不純物の添加)
また、III族窒化物半導体へのアクセプター不純物のドーピングは、III族金属とアクセプター不純物とが混合されてなる混合ターゲットを用いて行なうことができる。例えば、スパッタ法を用いてMgをドーピングしたGaNを形成する場合には、Ga金属とMgとを含有した混合ターゲットを使用する。この場合、固体のGa金属にMgが固溶した状態とし、Mgが固溶したGaメタルをターゲットに使用することにより、MgをドープしたGaNを形成することができる。また、GaメタルとMgの小片を別々に併置してターゲットに用いることも可能である。
(Addition of acceptor impurities)
The doping of the acceptor impurity into the group III nitride semiconductor can be performed using a mixed target in which a group III metal and an acceptor impurity are mixed. For example, when forming GaN doped with Mg by sputtering, a mixed target containing Ga metal and Mg is used. In this case, Mg is doped in solid Ga metal, and Mg metal is used as a target, so that GaN doped with Mg can be formed. It is also possible to use Ga metal and Mg small pieces separately for the target.
この際、ターゲットとなるGaとMgの割合を実験的に求めることにより、所望の不純物濃度のGaNを形成することができる。例えば、固体のGaにMgを固溶させてターゲットとした場合、Gaの重量に対するMgの重量の割合を0.02〜0.2%とすることで、5×1016〜5×1017個/cm3のキャリア濃度を有する、p型のGaN単結晶層(p型半導体層)を成膜させることが出来る。
なお、上述したように、アクセプター不純物としては、Mgのみならず、例えば亜鉛(Zn)等も同様に用いることができる。
At this time, GaN having a desired impurity concentration can be formed by experimentally determining the ratio of Ga and Mg serving as a target. For example, when Mg is dissolved in solid Ga and used as a target, the ratio of the weight of Mg to the weight of Ga is set to 0.02 to 0.2%, thereby 5 × 10 16 to 5 × 10 17 pieces. A p-type GaN single crystal layer (p-type semiconductor layer) having a carrier concentration of / cm 3 can be formed.
As described above, as the acceptor impurity, not only Mg but also zinc (Zn) or the like can be used in the same manner.
以上説明したような、本実施形態のIII族窒化物半導体の製造方法によれば、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体を反応性スパッタ法で成膜する際、チャンバ内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上としてスパッタを行なう方法としたので、III族原料が豊富な雰囲気中でIII族窒化物半導体の成長を行うことができ、また、水素ガスを含むガス雰囲気とすることにより、半導体積層過程でのIII族窒化物半導体の表面における反応種のマイグレーションが生じやすくなるので、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を成長させることが出来る。
また、スパッタを行なう際の基板温度を600〜1050℃の範囲とすることにより、半導体積層過程でのIII族窒化物半導体層の表面における反応種のマイグレーションがより一層生じやすくなるので、結晶性のより良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。
これにより、III族窒化物半導体にアクセプター不純物を添加し、このIII族窒化物半導体の導電性をp型に制御することにより、5×1016個/cm3以上の高いキャリア濃度を得ることが可能になる。
According to the group III nitride semiconductor manufacturing method of the present embodiment as described above, when a single crystal group III nitride semiconductor to which an acceptor impurity is added is formed by a reactive sputtering method, Sputtering is performed in a gas atmosphere in which the nitrogen atom-containing gas is 20 to 80%, the hydrogen gas (H 2 ) is 0.2 to 50%, the remainder is an inert gas, and the ratio is 2% or more. As a method, a group III nitride semiconductor can be grown in an atmosphere rich in group III raw materials, and a group III nitride semiconductor in a semiconductor stacking process can be obtained by using a gas atmosphere containing hydrogen gas. As a result, migration of reactive species on the surface of the surface of the semiconductor layer is likely to occur, so that a group III nitride semiconductor with good crystallinity can be grown.
In addition, since the substrate temperature during sputtering is in the range of 600 to 1050 ° C., migration of reactive species on the surface of the group III nitride semiconductor layer during the semiconductor lamination process is more likely to occur. A better group III nitride semiconductor can be grown.
Thereby, an acceptor impurity is added to the group III nitride semiconductor, and the conductivity of the group III nitride semiconductor is controlled to be p-type, whereby a high carrier concentration of 5 × 10 16 / cm 3 or more can be obtained. It becomes possible.
また、基板上に単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層を形成し、該下地層上にスパッタ法によってIII族窒化物半導体を形成することにより、結晶性の良好な単結晶のIII族窒化物半導体層を積層することができ、アクセプター不純物添加による導電性の制御をさらに容易にすることが可能となる。 Further, by forming a base layer made of a single crystal group III nitride semiconductor on the substrate and forming a group III nitride semiconductor on the base layer by sputtering, a single crystal group III having good crystallinity A nitride semiconductor layer can be stacked, and the conductivity can be further easily controlled by adding an acceptor impurity.
本発明に係る、アクセプター不純物を添加して導電性をp型に制御したIII族窒化物半導体は、詳細を後述する発光ダイオード(LED)やレーザディスク(LD)等の発光素子に備えられるp型コンタクト層や、トランジスタのような電子デバイス等の各種半導体素子に用いることができる。 The group III nitride semiconductor of which conductivity is controlled to be p-type by adding an acceptor impurity according to the present invention is a p-type provided in a light-emitting element such as a light-emitting diode (LED) or a laser disk (LD) described in detail later It can be used for various semiconductor elements such as contact layers and electronic devices such as transistors.
[III族窒化物半導体発光素子の製造方法]
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、図3(図1も参照)に例示するようなIII族窒化物半導体から各々なるn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16が順に積層された半導体層20を備え、p型半導体層16の少なくとも一部がアクセプター不純物の添加された単結晶のIII族窒化物半導体からなる方法であり、p型半導体層16の少なくとも一部を、上述したようなIII族窒化物半導体の製造方法によって形成する方法である。
[Method for Producing Group III Nitride Semiconductor Light-Emitting Device]
The method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes an n-
<発光素子の積層構造>
図2及び図3は、本実施形態の発光素子の製造方法の一例を説明するための図であり、基板上にIII族窒化物半導体からなる各層が形成された積層半導体10(図1参照)を用いて発光素子1を構成した例を示す概略図で、図2は平面図、図3は断面図である。
本実施形態の発光素子1は、上記製造方法で製造された積層半導体10のp型半導体層16上に透光性正極17が積層され、その上に正極ボンディングパッド18が形成されるとともに、n型半導体層14のn型コンタクト層14bに形成された露出領域14dに負極19が積層されて概略構成される。
そして、本実施形態のp型半導体層16は、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体からなり、上記製造方法によって形成されたものである。
<Laminated structure of light emitting element>
2 and 3 are views for explaining an example of the method for manufacturing the light emitting device of the present embodiment, in which a
In the light emitting device 1 of the present embodiment, a translucent
The p-
『透光性正極』
透光性正極17は、上述した積層半導体10のp型半導体層16(p型コンタクト層16b)上に形成される透光性の電極である。
透光性正極17の材質としては、特に限定されず、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−GeO2)等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
また、透光性正極17は、Mgがドープされたp型半導体層16上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。
"Translucent positive electrode"
The translucent
The material of the translucent
The translucent
『正極ボンディングパッド及び負極』
正極ボンディングパッド18は、上述の透光性正極17上に形成される電極である。
正極ボンディングパッド18の材料としては、Au、Al、Ni及びCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド18の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド18の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下とすることが好ましい。
“Positive electrode bonding pad and negative electrode”
The positive
As the material of the positive
The thickness of the positive
負極19は、基板11上に、n型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16が順次積層された半導体層において、n型半導体層14のn型コンタクト層14bに接するように形成される。
このため、負極19を設ける際は、p型半導体層16、発光層15及びn型半導体層14の一部を除去することにより、n型コンタクト層14bの露出領域14dを形成し、この上に負極19を形成する。
負極19の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
The
For this reason, when the
As the material of the
<発光素子の製造方法>
以下に、図2及び図3に示すような発光素子1の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の発光素子1の製造方法は、上記製造方法で得られた積層半導体10を用い、該積層半導体10のp型半導体層16上に透光性正極17を積層し、その上に正極ボンディングパッド18を形成するとともに、n型半導体層14のn型コンタクト層14bに形成された露出領域14dに負極19を積層する方法である。
<Method for manufacturing light-emitting element>
Below, an example of the manufacturing method of the light emitting element 1 as shown in FIG.2 and FIG.3 is demonstrated.
The manufacturing method of the light-emitting element 1 of the present embodiment uses the
『透光性正極の形成』
上述のような方法により、基板11上に、バッファ層12及び半導体層が積層された積層半導体10のp型コンタクト層16b上に、ITOからなる透光性正極17を形成する。
透光性正極17の形成方法としては、特に限定されず、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
"Formation of translucent positive electrode"
By the method as described above, the translucent
The method for forming the translucent
また、上述したように、透光性正極17の材料は、ITOには限定されず、AZO、IZO、GZO等の材料を用いて形成することが可能である。
また、透光性正極17を形成した後、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
Further, as described above, the material of the translucent
Further, after forming the translucent
『正極及び負極の形成』
積層半導体10上に形成された透光性正極17上に、さらに、正極ボンディングパッド18を形成する。
この正極ボンディングパッド18は、例えば、透光性正極17の表面側から順に、Ti、Al、Auの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
“Formation of positive and negative electrodes”
A positive
The positive
また、負極19を形成する際は、まず、基板11上に形成された発光層15、p型半導体層16、及びn型半導体層14の一部をドライエッチング等の方法によって除去することにより、n型コンタクト層14bの露出領域14dを形成する(図2及び図3参照)。そして、この露出領域14d上に、例えば、露出領域14d表面側から順に、Ni、Al、Ti、及びAuの各材料を、従来公知の方法で積層することにより、4層構造の負極19を形成することができる。
Further, when forming the
そして、上述のようにして、積層半導体10上に、透光性正極17、正極ボンディングパッド18及び負極19を設けたウェーハを、基板11の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした後、例えば、350μm角の正方形に切断することにより、発光素子チップ(発光素子1)とすることができる。
Then, as described above, after the wafer provided with the translucent
以上説明したような、本実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、p型半導体層16の少なくとも一部が、上記製造方法により、アクセプター不純物が添加された単結晶のIII族窒化物半導体から形成する方法とされているので、導電性の制御された結晶性の良好なIII族窒化物半導体からなるp型半導体層16を備え、優れた発光特性を有するIII族窒化物半導体発光素子が得られる。
According to the manufacturing method of the group III nitride semiconductor light emitting device of this embodiment as described above, at least a part of the p-
[ランプ]
以上説明したような、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、当業者周知の手段によってランプを構成することができる。従来より、発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、このような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
例えば、蛍光体を適正に選定することにより、発光素子より長波長の発光を得ることも可能となり、また、発光素子自体の発光波長と蛍光体によって変換された波長とを混ぜることにより、白色発光を呈するランプとすることもできる。
また、ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。
[lamp]
By combining the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention and the phosphor as described above, a lamp can be configured by means well known to those skilled in the art. Conventionally, a technique for changing the emission color by combining a light emitting element and a phosphor is known, and such a technique can be adopted without any limitation.
For example, it is possible to obtain light having a longer wavelength than that of the light emitting element by appropriately selecting the phosphor, and it is possible to obtain white light emission by mixing the light emitting wavelength of the light emitting element itself with the wavelength converted by the phosphor. It can also be set as the lamp which exhibits.
Further, the lamp can be used for any purpose such as a general bullet type, a side view type for a portable backlight, and a top view type used for a display.
例えば、図4に示す例のように、同一面電極型のIII族窒化物半導体発光素子1を砲弾型に実装する場合には、2本のフレームの内の一方(図4ではフレーム31)に発光素子1を接着し、また、発光素子1の負極(図3に示す符号19参照)をワイヤー34でフレーム32に接合し、発光素子1の正極ボンディングパッド(図3に示す符号18参照)をワイヤー33でフレーム31に接合する。そして、透明な樹脂からなるモールド35で発光素子1の周辺をモールドすることにより、図4に示すような砲弾型のランプ3を作成することができる。
For example, as in the example shown in FIG. 4, when mounting the same-surface electrode type group III nitride semiconductor light emitting device 1 in a shell type, one of the two frames (
また、本発明に係る、アクセプター不純物を添加して導電性をp型に制御したIII族窒化物半導体は、上述のような発光素子の他、レーザ素子や受光素子等の光電気変換素子、又は、HBTやHEMT等の電子デバイスにも用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るIII族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。 In addition, the group III nitride semiconductor according to the present invention, in which acceptor impurities are added to control conductivity to p-type, includes a light-emitting element as described above, a photoelectric conversion element such as a laser element or a light-receiving element, or It can also be used for electronic devices such as HBT and HEMT. Many of these semiconductor elements have various structures, and the element structure of the group III nitride semiconductor multilayer structure according to the present invention is not limited at all including these known element structures.
次に、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法、及びIII族窒化物半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 Next, the method for producing a group III nitride semiconductor and the method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is limited only to these examples. It is not a thing.
[実施例1]
本実施例では、サファイアからなる基板上に、スパッタ法を用いてAlNからなるバッファ層を積層し、その上に、MOCVD法を用いて単結晶のGaNからなる下地層を積層し、さらにその上に、アクセプターをドープしたp型のGaN層をスパッタ法により積層し、積層半導体サンプルを作製した。
[Example 1]
In this embodiment, a buffer layer made of AlN is laminated on a substrate made of sapphire using a sputtering method, and a base layer made of single-crystal GaN is laminated thereon using a MOCVD method. In addition, a p-type GaN layer doped with an acceptor was laminated by sputtering to produce a laminated semiconductor sample.
『バッファ層の形成』
まず、表面を鏡面研磨した直径2インチの(0001)c面サファイア基板を、フッ酸及び有機溶媒によって洗浄した後、スパッタ装置のチャンバ(図5を参照)中へ導入した。この際、スパッタ装置としては、高周波式の電源部を備え、ターゲット内でマグネットを回転させることにより、磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。
"Formation of buffer layer"
First, a (0001) c-plane sapphire substrate having a diameter of 2 inches whose surface was mirror-polished was washed with hydrofluoric acid and an organic solvent, and then introduced into a chamber of a sputtering apparatus (see FIG. 5). At this time, as the sputtering apparatus, an apparatus including a high-frequency power supply unit and a mechanism capable of moving a position where a magnetic field is applied by rotating a magnet in the target was used.
そして、スパッタ装置のチャンバ内で基板を750℃まで加熱し、窒素ガスを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を0.08Paに保持し、基板に50Wの高周波バイアスを印加しながら窒素プラズマに晒すことにより、基板の表面を洗浄した。 Then, the substrate is heated to 750 ° C. in the chamber of the sputtering apparatus, nitrogen gas is introduced at a flow rate of 15 sccm, the pressure in the chamber is kept at 0.08 Pa, and nitrogen is applied while applying a high frequency bias of 50 W to the substrate. The substrate surface was cleaned by exposure to plasma.
次いで、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板の温度を500℃まで低下させた。そして、2000Wの高周波バイアスを金属Alターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ち、Arガスを15sccm、窒素ガスを5sccmの流量で流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は25%)で、サファイア基板上にAlNからなるバッファ層を成膜した。この際の成長速度は0.12nm/sであった。 Next, after introducing argon and nitrogen gas into the chamber, the temperature of the substrate was lowered to 500 ° C. Then, a high frequency bias of 2000 W was applied to the metal Al target side, the pressure in the furnace was maintained at 0.5 Pa, Ar gas was circulated at a flow rate of 15 sccm, and nitrogen gas was flowed at a flow rate of 5 sccm (the ratio of nitrogen to the total gas 25%), a buffer layer made of AlN was formed on the sapphire substrate. The growth rate at this time was 0.12 nm / s.
なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄及びバッファ層の成膜の何れの際も回転させた。上述のようにして50nmのAlNからなるバッファ層を成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。以上の手順により、基板上に、50nmの厚さの多結晶のAlNからなるバッファ層を形成した。 The magnet in the target was rotated during both substrate cleaning and buffer layer deposition. After forming a buffer layer made of 50 nm of AlN as described above, the generation of plasma was stopped. Through the above procedure, a buffer layer made of polycrystalline AlN having a thickness of 50 nm was formed on the substrate.
『下地層の形成』
次に、バッファ層が形成された基板を、MOCVD法によってGaNからなる下地層を成長させるため、MOCVD装置のチャンバ内へ搬送した。そして、チャンバ内に水素ガスを流通した状態で基板の温度を1050℃まで上昇させ、バッファ層の表面に付着した汚れを昇華させて除去した。また、この際、基板の温度が830℃以上となった時点から、アンモニアを炉内に流通させた。
"Formation of underlayer"
Next, the substrate on which the buffer layer was formed was transferred into the chamber of the MOCVD apparatus in order to grow an underlayer made of GaN by MOCVD. Then, the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C. with hydrogen gas flowing in the chamber, and the dirt adhering to the surface of the buffer layer was sublimated and removed. At this time, ammonia was circulated in the furnace when the temperature of the substrate reached 830 ° C. or higher.
次いで、基板の温度を1020℃まで低下させた後、アンモニアをそのままチャンバ内に流通させながら、バブリングによって発生させたトリメチルガリウム(TMG)の蒸気を炉内へ流通し、単結晶のGaNからなる下地層を2μmの膜厚で形成した。その後、TMGの供給を停止し、GaNの成長を停止させて降温した。 Next, after the temperature of the substrate is lowered to 1020 ° C., the vapor of trimethylgallium (TMG) generated by bubbling is circulated into the furnace while ammonia is directly circulated in the chamber. The formation was formed with a film thickness of 2 μm. Thereafter, the supply of TMG was stopped, the growth of GaN was stopped, and the temperature was lowered.
そして、上記方法で作製したGaNからなる下地層の、X線ロッキングカーブ(XRC)測定を行った。このXRCの測定は、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面、及び非対称面である(10−10)面で行った。この測定の結果、本発明の製造方法で作製したGaNの下地層は、(0002)面の測定では半値幅80arcsec、(10−10)面では半値幅250arcsecを示した。なお、本実施例では下地層に不純物をドーピングしなかったため、下地層は高抵抗であった。 And the X-ray rocking curve (XRC) measurement of the base layer which consists of GaN produced by the said method was performed. This XRC measurement was performed on a (0002) plane that is a symmetric plane and a (10-10) plane that is an asymmetric plane, using a Cu β-ray X-ray generation source as a light source. As a result of this measurement, the underlayer of GaN produced by the manufacturing method of the present invention showed a half width of 80 arcsec in the (0002) plane measurement and a half width of 250 arcsec in the (10-10) plane. In this example, since the base layer was not doped with impurities, the base layer had a high resistance.
『p型GaN層の形成』
次に、上記方法で下地層を形成した基板を、スパッタによってGaN層を成長させるため、スパッタ装置のチャンバ内に移送した。この際、スパッタ装置としては、高周波式の電源部を有し、四角形のGaターゲット内をマグネットがスイープすることで磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。また、Gaターゲット内には、冷媒を流通させるための配管を設置し、20℃に冷却した冷媒を配管内に流通させ、熱によるGaの融解を防止した。
また、上記Gaターゲットとしては、GaメタルにMgを固溶したものを使用した。また、Gaメタルの重量に対するMgの重量の割合は、およそ0.15%とした。
“Formation of p-type GaN layer”
Next, the substrate on which the underlayer was formed by the above method was transferred into a chamber of a sputtering apparatus in order to grow a GaN layer by sputtering. At this time, a sputtering apparatus having a high-frequency power source and a mechanism capable of moving the position where the magnetic field is applied by sweeping the magnet inside the square Ga target was used. In addition, a pipe for circulating the refrigerant was installed in the Ga target, and the refrigerant cooled to 20 ° C. was circulated in the pipe to prevent melting of Ga due to heat.
In addition, as the Ga target, a metal obtained by dissolving Mg in Ga metal was used. The ratio of the weight of Mg to the weight of Ga metal was about 0.15%.
次いで、スパッタ装置のチャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板の温度を1050℃まで上昇させた。そして、2000Wの高周波バイアスをターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ちながら、窒素ガスを12sccm、水素ガスを9sccm、Arガスを9sccmの各流量で流通させた条件(窒素ガスの割合が40%、水素ガスの割合が30%、残部が不活性ガスのArで割合が30%)で、下地層上に単結晶のGaNを成膜した。この際の成長速度は、おおよそ2nm/秒であった。そして、MgドープのGaNを0.2μmの膜厚で成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。 Next, after introducing argon and nitrogen gas into the chamber of the sputtering apparatus, the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C. Then, a 2000 W high frequency bias was applied to the target side, and the pressure in the furnace was maintained at 0.5 Pa, while nitrogen gas was supplied at 12 sccm, hydrogen gas was supplied at 9 sccm, and Ar gas was supplied at a flow rate of 9 sccm (nitrogen gas). The ratio of hydrogen was 40%, the ratio of hydrogen gas was 30%, the balance was inert gas Ar, and the ratio was 30%. The growth rate at this time was approximately 2 nm / second. Then, after depositing Mg-doped GaN with a film thickness of 0.2 μm, the generation of plasma was stopped.
スパッタ装置から取り出したGaN層を目視確認したところ、表面が鏡面であり、また、透明であった。また、このGaN層のホール測定を行ったところ、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型の導電性を示し、キャリア濃度は4×1017個/cm3であった。 When the GaN layer taken out from the sputtering apparatus was visually confirmed, the surface was a mirror surface and was transparent. Further, when the hole measurement of this GaN layer was performed, it showed p-type conductivity without performing annealing treatment for activating the p-type carrier, and the carrier concentration was 4 × 10 17 / cm 3. It was.
[実施例2]
本実施例では、MgドープのGaN層をスパッタ法で積層する際の基板の温度を600℃とした点を除き、実施例1と同様の成膜条件で、Mgドープの単結晶のGaN層が積層されたサンプルを作製した。
[Example 2]
In this example, an Mg-doped single crystal GaN layer is formed under the same film formation conditions as in Example 1 except that the temperature of the substrate when the Mg-doped GaN layer is laminated by sputtering is 600 ° C. Laminated samples were made.
得られたサンプルを目視確認したところ、積層されたMgドープのGaN層の表面は鏡面であり、また、透明であった。また、このMgドープのGaN層のホール測定を行ったところ、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型の導電性を示し、キャリア濃度は5×1016個/cm3であった。 When the obtained sample was visually confirmed, the surface of the laminated Mg-doped GaN layer was a mirror surface and transparent. Further, when the hole of the Mg-doped GaN layer was measured, p-type conductivity was exhibited even without annealing for activating the p-type carrier, and the carrier concentration was 5 × 10 16 atoms / cm 3. 3 .
[実施例3〜7]
実施例3〜7では、MgドープのGaN層をスパッタ法で積層する際のガス雰囲気を下記表1に示す組成条件とし、また、各成分のガスの合計流量を30sccmとした点を除き、実施例1と同様の成膜条件で、Mgドープの単結晶のGaN層が積層されたサンプルを作製した。
[Examples 3 to 7]
In Examples 3 to 7, the gas atmosphere when laminating the Mg-doped GaN layer by the sputtering method was set to the composition conditions shown in Table 1 below, and the gas flow rate of each component was set to 30 sccm. A sample in which an Mg-doped single crystal GaN layer was laminated under the same film forming conditions as in Example 1 was prepared.
得られたサンプルを目視確認したところ、積層されたMgドープのGaN層の表面は鏡面で透明であった。また、このMgドープのGaN層のホール測定を行ったところ、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型の導電性を示し、下記表1に示すようなキャリア濃度を示した。 When the obtained sample was visually confirmed, the surface of the laminated Mg-doped GaN layer was mirror-like and transparent. Further, when the hole measurement of this Mg-doped GaN layer was performed, p-type conductivity was exhibited without performing an annealing treatment for activating the p-type carrier, and the carrier concentration shown in Table 1 below was obtained. Indicated.
[比較例1]
本比較例では、MgドープのGaN層をスパッタ法で積層する際の基板の温度を500℃とした点を除き、実施例1と同様の成膜条件で、Mgドープの単結晶のGaN層が積層されたサンプルを作製した。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, an Mg-doped single-crystal GaN layer is formed under the same film formation conditions as in Example 1 except that the substrate temperature when the Mg-doped GaN layer is stacked by sputtering is 500 ° C. Laminated samples were made.
得られたサンプルを目視確認したところ、MgドープのGaN層の表面は鏡面であり、また、透明であった。しかしながら、このMgドープのGaN層のホール測定を行ったところ、電気的測定が出来なかった。これは、GaN層の結晶性が低いために、Mgドープによって導電性を制御することが困難なためと考えられる。 When the obtained sample was visually confirmed, the surface of the Mg-doped GaN layer was a mirror surface and transparent. However, when measurements were made on holes in the Mg-doped GaN layer, electrical measurements could not be made. This is presumably because the conductivity of the GaN layer is difficult to control by Mg doping because the crystallinity of the GaN layer is low.
[比較例2〜5]
比較例2〜5では、MgドープのGaN層をスパッタ法で積層する際のガス雰囲気を下記表2に示す組成条件とし、また、各成分のガスの合計流量を30sccmとした点を除き、実施例1と同様の成膜条件で、Mgドープの単結晶のGaN層が積層されたサンプルを作製した。
[Comparative Examples 2 to 5]
In Comparative Examples 2 to 5, the gas atmosphere when laminating the Mg-doped GaN layer by the sputtering method was the composition condition shown in Table 2 below, and the operation was performed except that the total flow rate of each component gas was 30 sccm. A sample in which an Mg-doped single crystal GaN layer was laminated under the same film forming conditions as in Example 1 was prepared.
得られたサンプルを目視確認したところ、積層されたGaN層の表面は鏡面であり、また、透明であった。しかしながら、このMgドープのGaN層のホール測定を行ったところ、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型の導電性を示したものの、下記表2に示すように、全てのサンプルのキャリア濃度が4×1016個/cm3未満の値であった。これは、GaN層の結晶性が充分に高くなっていないためと考えられる。 When the obtained sample was visually confirmed, the surface of the laminated GaN layer was a mirror surface and transparent. However, when hole measurement of this Mg-doped GaN layer was performed, p-type conductivity was exhibited without performing annealing treatment for activating p-type carriers, as shown in Table 2 below. The carrier concentration of all the samples was a value less than 4 × 10 16 pieces / cm 3 . This is presumably because the crystallinity of the GaN layer is not sufficiently high.
[実施例8]
本実施例では、スパッタ法により積層したMgドープのp型AlGaNを用いて、図2及び図3に示すような発光ダイオード(LED)のサンプルを作製した。本例では、まず、図1に示すような積層半導体10を、バッファ層12をスパッタ法、下地層14aをMOCVD法、n型コンタクト層14bをスパッタ法、nクラッド層14c及び発光層15をMOCVD法、その上のp型半導体層16(p型コンタクト層16b)をスパッタ法の、各々の方法で形成した。
[Example 8]
In this example, a sample of a light emitting diode (LED) as shown in FIGS. 2 and 3 was fabricated using Mg-doped p-type AlGaN laminated by sputtering. In this example, first, the
『バッファ層及び下地層の形成』
まず、第一のスパッタ装置を用いて、c面サファイア基板(基板11)上にプラズマによる前処理を施した後、RFスパッタ法を用いてAlNの多結晶層からなるバッファ層12を形成し、その上に、GaNからなる下地層14aをMOCVD装置内で形成した。この際、AlNからなるバッファ層12とGaNからなる下地層14aは、実施例1と同様の方法で基板11上に成膜した。
“Formation of buffer layer and underlayer”
First, using a first sputtering apparatus, a plasma pretreatment is performed on a c-plane sapphire substrate (substrate 11), and then a
『n型コンタクト層の形成』
次いで、下地層14aを形成した基板11を第二のスパッタ装置内に搬送し、GaNからなるn型コンタクト層14bを、RFスパッタ法を用いて形成した。この際、n型コンタクト層14bには、Siをドープした。
“Formation of n-type contact layer”
Next, the
ここで、GaNの成膜に使用する第二のスパッタ装置としては、高周波式の電源部を有し、四角形のGaターゲット内をマグネットがスイープすることで磁場の掛かる位置を動かすことができる機構を備えたものを使用した。この際、Gaターゲット内には冷媒を流通させるための配管を設置し、20℃に冷却した冷媒を配管内に流通させ、熱によるGaの融解を防止した。 Here, as the second sputtering apparatus used for GaN film formation, there is a mechanism that has a high-frequency power supply unit and can move the position where the magnetic field is applied by sweeping the magnet inside the square Ga target. We used what we had. At this time, a pipe for circulating the refrigerant was installed in the Ga target, and the refrigerant cooled to 20 ° C. was circulated in the pipe to prevent melting of Ga due to heat.
次いで、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板の温度を1000℃まで上昇させた。そして、2000Wの高周波バイアスを金属Gaターゲット側に印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ちながら、Arガスを5sccm、窒素ガスを15sccmの流量で流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は75%)で、下地層14a上に、GaNからなるn型コンタクト層14bを成膜した。この際、チャンバ内にSiターゲットを併置し、同時にスパッタさせることによってSiを気相中に取り出し、n型コンタクト層14bをなすGaN結晶中にSiをドープした。この際の成長速度は、おおよそ1nm/sであった。そして、GaNからなるn型コンタクト層14bを成膜した後、プラズマを立てるのを停止した。
上記手順により、1×1019cm−3の電子濃度を有し、2μmの膜厚のSiドープGaNからなるn型コンタクト層14bを成膜した。
Next, after introducing argon and nitrogen gas into the chamber, the temperature of the substrate was raised to 1000 ° C. Then, a high-frequency bias of 2000 W was applied to the metal Ga target side, and Ar gas was circulated at a flow rate of 5 sccm and nitrogen gas at a flow rate of 15 sccm while maintaining the pressure in the furnace at 0.5 Pa (ratio of nitrogen to the total gas). 75%), an n-
By the above procedure, an n-
以上説明したような工程により、サファイア基板(基板11)上に、柱状構造を持つAlNのバッファ層12を形成し、その上にアンドープで2μmの膜厚のGaN層(n型下地層14a)と、1×1019cm−3のキャリア濃度を持つ2μmのSiドープのGaN層(n型コンタクト層14b)を形成した。成膜後にチャンバから取り出した基板は無色透明であり、GaN層(ここではn型コンタクト層14b)の表面は鏡面であった。
Through the steps described above, an
『n型クラッド層及び発光層の形成』
上記手順で作製したサンプルのn型コンタクト層14b上に、MOCVD法を用いてn型クラッド層14c及び発光層15を積層した。
“Formation of n-type cladding layer and light-emitting layer”
On the n-
「n型クラッド層の形成」
まず、SiドープGaNからなるn型コンタクト層14bが成長された基板を、MOCVD装置のチャンバ内へ搬送した。そして、チャンバ内を窒素で置換した状態として基板温度を1000℃まで上昇させ、n型コンタクト層14bの最表面に付着した汚れを昇華させて除去した。また、この際、基板の温度が830℃以上となった時点から、アンモニアを炉内に流通させた。
“Formation of n-type cladding layer”
First, the substrate on which the n-
次いで、基板の温度を740℃まで低下させた後、アンモニアをチャンバ内にそのまま流通させながら、SiH4ガスと、バブリングによって発生させたTMI及びTEGの蒸気を炉内へ流通させ、180Åの膜厚有し、SiドープIn0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層14cを形成した。そして、TMI、TEG及びSiH4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
Next, after the temperature of the substrate was lowered to 740 ° C., SiH 4 gas and vapors of TMI and TEG generated by bubbling were circulated into the furnace while ammonia was circulated as it was in the chamber. And an n-
「発光層の形成」
次いで、GaNからなる障壁層15aと、In0.2Ga0.8Nからなる井戸層15bとから構成され、多重量子井戸構造を有する発光層15を形成した。この、発光層15の形成にあたっては、SiドープIn0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層14c上に、まず、障壁層15aを形成し、この障壁層15a上に、In0.2Ga0.8Nからなる井戸層15bを形成した。このような積層手順を5回繰り返した後、5番目に積層した井戸層15b上に、6番目の障壁層15aを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層15の両側に障壁層15aを配した構造とした(図1の積層半導体10を参照)。
`` Formation of light emitting layer ''
Next, a
すなわち、SiドープIn0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層14cの成長終了後、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとし、TEGのバルブを切り替え、炉内へTEGを供給することにより、GaNからなる障壁層15aを成長させた。これにより、150Åの膜厚を有する障壁層15aを形成した。
That is, after the growth of the n-
次いで、障壁層15aの成長を終了させた後、基板11の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとして、TEGa及びTMInのバルブを切り替えてTEG及びTMIを炉内へ供給し、In0.2Ga0.8Nからなる井戸層15bを成長させた。これにより、20Åの膜厚を有する井戸層15bを形成した。
Next, after the growth of the
井戸層15bの成長を終了させた後、再び障壁層15aを成長させた。そして、このような手順を5回繰り返すことにより、5層の障壁層15aと5層の井戸層15bを形成した。さらに、最後に積層した井戸層15b上に、障壁層15aを形成し、発光層15とした。
After the growth of the
『p型半導体層(p型コンタクト層)の形成』
上述の各工程処理によって得られたウェーハを第三のスパッタ装置に搬送し、p型半導体層16(p型コンタクト層16b)を成膜した。
ここで、p型半導体層16の成膜に使用するスパッタ装置としては、高周波式の電源部を有し、回転式のGaターゲット及びAlターゲットをチャンバ内に備えたものを使用した。また、Gaターゲット内には冷媒を流通させるための配管を設置し、20℃に冷却した冷媒を配管内に流通させ、熱によるGaの融解を防止した。また、Alターゲットは、Gaターゲットと比較して表面積がおよそ1/10の割合とされたものを用いた。これにより、成長させるAlGaN層の組成がAl0.08Ga0.92Nとなるように調整した。
また、GaターゲットはMgを固溶したものを用い、Gaメタルの重量に対するMgの重量の割合は、およそ0.12%とした。
“Formation of p-type semiconductor layer (p-type contact layer)”
The wafer obtained by each process described above was transferred to a third sputtering apparatus, and a p-type semiconductor layer 16 (p-
Here, as a sputtering apparatus used for forming the p-
The Ga target used was a solid solution of Mg, and the ratio of the weight of Mg to the weight of Ga metal was about 0.12%.
次いで、チャンバ内にアルゴン及び窒素ガスを導入した後、基板温度を1000℃まで上昇させた。次いで、2000Wの高周波バイアスを金属Gaターゲット側に、500Wの高周波バイアスをAlターゲットに印加し、炉内の圧力を0.5Paに保ちながら、窒素ガスを10sccm、水素ガスを10sccm、Arガスを10sccmの各流量で流通させた条件(窒素ガスの割合が33%、水素ガスの割合が33%、残部である不活性ガス:Arの割合が33%)で、MgドープのAlGaNからなるp型半導体層16を成膜した。この際の成長速度は、おおよそ1nm/sであった。
そして、MgドープAlGaNからなるp型半導体層16を0.2μm成膜した後、プラズマを立てるのを停止し、ロードロック室を通じてウェーハをウェーハトレイごとスパッタ装置外へ搬出した。
Next, after introducing argon and nitrogen gas into the chamber, the substrate temperature was raised to 1000 ° C. Next, a 2000 W high frequency bias is applied to the metal Ga target side, a 500 W high frequency bias is applied to the Al target, and while maintaining the pressure in the furnace at 0.5 Pa, nitrogen gas is 10 sccm, hydrogen gas is 10 sccm, and Ar gas is 10 sccm. P-type semiconductors made of Mg-doped AlGaN under the conditions of flowing at each flow rate (the ratio of nitrogen gas is 33%, the ratio of hydrogen gas is 33%, the balance of inert gas: Ar is 33%)
Then, after forming a p-
上述の工程で得られたMgドープAlGaNからなるp型半導体層16(p型コンタクト層16b)は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示し、キャリア濃度は1×1017個/cm3であった。
The p-type semiconductor layer 16 (p-
上述のようにして作製したLED用のエピタキシャルウェーハは、図1に示す積層半導体10のように、c面を有するサファイアからなる基板11上に、柱状の構造を持つAlN層(バッファ層12)を形成した後、基板11側から順に、2μmのアンドープGaN層(下地層14a)、1×1019cm−3の電子濃度を持つ2μmのSiドープGaN層(n型コンタクト層14b)、1×1018cm−3の電子濃度を持つ180ÅのIn0.1Ga0.9Nクラッド層(n型クラッド層14c)、GaN障壁層に始まってGaN障壁層に終わり、層厚が150Åとされた6層のGaN障壁層(障壁層15a)と、層厚が20Åとされた5層のノンドープのIn0.2Ga0.8N井戸層(井戸層15b)とからなる多重量子井戸構造(発光層15)、膜厚0.2μmのMgドープAl0.08Ga0.92N層(p型半導体層16)を積層した構造を有する。
The epitaxial wafer for LED produced as described above has an AlN layer (buffer layer 12) having a columnar structure on a
なお、本発明に係るIII族窒化物半導体では、上述したように、p型コンタクト層がp型クラッド層を兼ねる構成とすることもできることから、本実施例では、p型半導体層16を、p型コンタクト層16bの1層のみを形成する例を作製し、説明しているが、図1に示すように、発光層15上にp型クラッド層16aを形成し、その上にp型コンタクト層16bを形成しても良いことは言うまでも無い。
In the group III nitride semiconductor according to the present invention, as described above, the p-type contact layer can also serve as the p-type cladding layer. Although an example in which only one layer of the
『LEDの作製』
次いで、上記エピタキシャルウェーハ(積層半導体10)を用いてLEDを作製した。
すなわち、上記エピタキシャルウェーハのMgドープAlGaN層(p型半導体層16b)の表面に、公知のフォトリソグラフィー技術によってITOからなる透光性電極17を形成し、その上に、チタン、アルミニウム及び金を順に積層した構造を有する正極ボンディングパッド18(p電極ボンディングパッド)を形成し、p側電極とした。さらに、ウェーハに対してドライエッチングを施し、n型コンタクト層14bのn側電極(負極)を形成する領域を露出させ、この露出領域14dにNi、Al、Ti及びAuの4層が順に積層されてなる負極19(n側電極)を形成した。このような手順により、ウェーハ(図1の積層半導体10を参照)上に、図2に示すような形状を有する各電極を形成した。
"Production of LED"
Subsequently, LED was produced using the said epitaxial wafer (laminated semiconductor 10).
That is, the
そして、上述の手順でp側及びn側の各電極が形成されたウェーハについて、サファイアからなる基板11の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。そして、このウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、各電極が上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした(図4のランプ3を参照)。
上述のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.2Vであった。また、p側の透光性電極17を通して発光状態を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は12mWを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
And about the wafer in which each electrode of p side and n side was formed in the above-mentioned procedure, the back surface of the board |
When a forward current was passed between the p-side and n-side electrodes of the light emitting diode fabricated as described above, the forward voltage at a current of 20 mA was 3.2V. Moreover, when the light emission state was observed through the p side
以上の結果により、本発明に係るIII族窒化物半導体が素子特性に優れており、また、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子が優れた発光特性を備えていることが明らかである。 From the above results, it is clear that the group III nitride semiconductor according to the present invention has excellent device characteristics, and that the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention has excellent light emission characteristics.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、スパッタ法によりアクセプター不純物を添加して導電性をp型に制御したIII族窒化物半導体を作製することができるため、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)のp型コンタクト層、また、FETのような電子デバイス等のさまざまな半導体素子の製造に用いることができる。 The method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention can produce a group III nitride semiconductor in which conductivity is controlled to be p-type by adding an acceptor impurity by a sputtering method, so that a light emitting diode (LED) or laser can be manufactured. It can be used for manufacturing various semiconductor elements such as a p-type contact layer of a diode (LD) and an electronic device such as an FET.
1…III族窒化物半導体発光素子、10…積層半導体(III族窒化物半導体)、11…基板、11a…表面、12…バッファ層、14…n型半導体層、15…発光層、16…p型半導体層(III族窒化物半導体)、16a…p型クラッド層、16b…p型コンタクト層、3…ランプ、40…スパッタ装置、41…チャンバ、47…ターゲット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Group III nitride semiconductor light-emitting device, 10 ... Laminated semiconductor (Group III nitride semiconductor), 11 ... Substrate, 11a ... Surface, 12 ... Buffer layer, 14 ... N-type semiconductor layer, 15 ... Light emitting layer, 16 ... p Type semiconductor layer (group III nitride semiconductor), 16a ... p-type cladding layer, 16b ... p-type contact layer, 3 ... lamp, 40 ... sputter apparatus, 41 ... chamber, 47 ... target
Claims (9)
前記スパッタ工程は、前記基板の温度を600℃〜1050℃の範囲とし、前記ターゲットとしてIII族金属を含有する金属ターゲットを用い、前記チャンバ内のガス雰囲気を、窒素原子含有ガスが20〜80%、水素ガス(H2)が0.2〜50%の割合であり、残部が不活性ガスであってその割合を2%以上として、当該III族窒化物半導体におけるキャリア濃度を5×10 16 個/cm 3 以上にすることを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。 Manufacture of a group III nitride semiconductor comprising a sputtering step of placing a substrate and a target in a chamber and forming a single crystal group III nitride semiconductor doped with an acceptor impurity on the substrate by a reactive sputtering method A method,
In the sputtering step, the temperature of the substrate is set in a range of 600 ° C. to 1050 ° C., a metal target containing a group III metal is used as the target, and the gas atmosphere in the chamber is 20 to 80% of nitrogen atom-containing gas. , hydrogen gas (H 2) is the percentage 0.2-50% by the ratio 2% or more the balance being an inert gas, the group III of the carrier concentration in the nitride semiconductor 5 × 10 A method for producing a group III nitride semiconductor, characterized in that the number is 16 / cm 3 or more .
前記p型半導体層の少なくとも一部を、請求項1〜6の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法によって形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 A single-crystal III comprising a semiconductor layer in which an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer each made of a group III nitride semiconductor are sequentially stacked, and at least a part of the p-type semiconductor layer is doped with an acceptor impurity A method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising a group nitride semiconductor,
A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein at least a part of the p-type semiconductor layer is formed by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 6. .
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