JP5706696B2 - Light emitting device manufacturing method and light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体材料からなる発光素子及びその製造方法に関し、特にGa2O3(酸化ガリウム)基板にバッファ層を介して窒化物半導体層を形成した発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a light-emitting element made of a semiconductor material and a method for manufacturing the same, and more particularly to a light-emitting element in which a nitride semiconductor layer is formed on a Ga 2 O 3 (gallium oxide) substrate via a buffer layer and a method for manufacturing the same.
従来、GaN系半導体を用いた青色や短波長領域の発光素子が知られている。このような発光素子の下地基板として、例えばサファイア基板やSiC基板が用いられてきたが、サファイア基板は導電性を有しないため、発光素子の電極構造が水平型となる構造上の制約を有しており、またSiC基板は単結晶ウエハの結晶性が悪く、単結晶の垂直方向に貫通するいわゆるマイクロパイプ欠陥が存在するため、マイクロパイプ欠陥を避けてn型層およびp型層を形成して切り出さなければならない等という問題がある。 Conventionally, light emitting elements of blue and short wavelength regions using GaN-based semiconductors are known. For example, a sapphire substrate or a SiC substrate has been used as a base substrate for such a light-emitting element, but the sapphire substrate does not have conductivity, and thus has a structural restriction that the electrode structure of the light-emitting element is a horizontal type. In addition, since the SiC substrate has poor crystallinity of the single crystal wafer and there are so-called micropipe defects penetrating in the vertical direction of the single crystal, the n-type layer and the p-type layer are formed by avoiding the micropipe defects. There is a problem that it must be cut out.
そこで、III−V族系化合物半導体の発光領域の全波長範囲、特に紫外領域で光透過性を有し、GaNに対する格子不整合が比較的小さく、また良質なバルク単結晶が得られるという特性から、青色や短波長領域の発光素子材料としてGa2O3基板を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, from the characteristics that III-V group compound semiconductor has light transmittance in the entire wavelength range of the light emitting region, particularly in the ultraviolet region, has relatively small lattice mismatch with GaN, and can obtain a good quality bulk single crystal. In addition, it has been proposed to use a Ga 2 O 3 substrate as a light emitting element material in a blue or short wavelength region (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の発光素子の製造方法では、Ga2O3基板上にAlNからなるバッファ層を形成し、このバッファ層の上にGaN層を形成する。GaN層の形成の際には、MOCVD装置内にN2を供給すると共に1050℃まで昇温して膜厚1μmのn+−GaN層を形成し、次にMOCVD装置内にH2を供給して膜厚2μmのn+−GaN層をさらに形成する。 In the method for manufacturing a light emitting element described in Patent Document 1, a buffer layer made of AlN is formed on a Ga 2 O 3 substrate, and a GaN layer is formed on the buffer layer. When forming the GaN layer, N 2 is supplied into the MOCVD apparatus and the temperature is raised to 1050 ° C. to form an n + -GaN layer having a thickness of 1 μm, and then H 2 is supplied into the MOCVD apparatus. Then, an n + -GaN layer having a thickness of 2 μm is further formed.
しかし、この製造方法で発光素子を製造すると、その製造時において、Ga2O3基板とバッファ層との間で剥離(ピーリング)が発生する場合があることが本発明者らによって確認されている。 However, it has been confirmed by the present inventors that when a light emitting element is manufactured by this manufacturing method, peeling (peeling) may occur between the Ga 2 O 3 substrate and the buffer layer during the manufacturing. .
従って、本発明の目的は、発光素子の製造時におけるバッファ層の剥離の発生を抑制することができる発光素子の製造方法及び発光素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light emitting element and a light emitting element that can suppress the occurrence of peeling of a buffer layer during the manufacture of the light emitting element.
そこで、本発明者らはこの剥離の原因と対策を鋭意研究し、発光素子の各層の構成や供給する原料ガス、成長温度等と剥離の発生率との関係を様々に調査した結果、剥離の発生を抑制することができる条件を見出し、本発明をなすに至った。すなわち、本発明は、以下の[1]〜[7]の発光素子の製造方法、及び発光素子を提供する。 Therefore, the present inventors diligently studied the cause and countermeasures of this peeling, and as a result of various investigations on the relationship between the composition of each layer of the light emitting element, the supplied raw material gas, the growth temperature, and the occurrence rate of peeling, The inventors have found a condition that can suppress the occurrence and have made the present invention. That is, this invention provides the manufacturing method of the light emitting element of the following [1]-[ 7 ], and a light emitting element.
[1]MOCVD装置内でGa2O3基板の表面に窒化処理を施した後、前記Ga 2 O 3 基板の表面上にバッファ層を形成する第1のステップと、前記MOCVD装置内を窒素雰囲気とし、700℃から1035℃の成長温度にて前記バッファ層上に第1の窒化物半導体層を形成する第2のステップと、前記MOCVD装置内を水素雰囲気とし、前記第2のステップにおける第1の窒化物半導体層の成長温度よりも高い成長温度で、前記第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有する発光素子の製造方法。 [1] was subjected to a nitriding treatment to Ga 2 O 3 surface of the substrate in the MOCVD apparatus, a first step of forming a buffer layer on a surface of the Ga 2 O 3 substrate, a nitrogen atmosphere in the MOCVD apparatus A second step of forming a first nitride semiconductor layer on the buffer layer at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C., a hydrogen atmosphere in the MOCVD apparatus, and a first step in the second step. And a third step of forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer at a growth temperature higher than the growth temperature of the nitride semiconductor layer .
[2]前記バッファ層は、AlxGayInzN(x+y+z≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)層である前記[1]に記載の発光素子の製造方法。 [2] The light-emitting element according to [1], wherein the buffer layer is an Al x Ga y In z N (x + y + z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) layer. Manufacturing method.
[3]前記第3のステップは、前記第2の窒化物半導体層の成長温度を1025℃以上と
する前記[1]又は[2]に記載の発光素子の製造方法。
[3] The method for manufacturing a light-emitting element according to [1] or [2] , wherein the third step includes setting the growth temperature of the second nitride semiconductor layer to 1025 ° C. or higher.
[4]前記第3のステップは、前記第2の窒化物半導体層の成長温度を1050℃以上とする前記[1]又は[2]に記載の発光素子の製造方法。 [4] The method for manufacturing a light-emitting element according to [1] or [2] , wherein the third step includes setting the growth temperature of the second nitride semiconductor layer to 1050 ° C. or higher.
[5]前記窒化物半導体層は、GaN半導体層である前記[1]〜[4]のいずれかに記載の発光素子の製造方法。 [5] The method for manufacturing a light-emitting element according to any one of [1] to [4] , wherein the nitride semiconductor layer is a GaN semiconductor layer.
[6]MOCVD装置内でGa2O3基板の表面に窒化処理を施した後、前記Ga 2 O 3 基板の表面上にバッファ層を形成する第1のステップと、700℃から1035℃の成長温度にて、窒素をキャリアガスとして原料ガスを前記MOCVD装置内に供給し、前記バッファ層上に第1の窒化物半導体層を形成する第2のステップと、1050℃以上の成長温度にて、水素をキャリアガスとして原料ガスを前記MOCVD装置内に供給し、前記第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有する発光素子の製造方法。 [6] A first step of forming a buffer layer on the surface of the Ga 2 O 3 substrate after nitriding the surface of the Ga 2 O 3 substrate in an MOCVD apparatus, and growth at 700 ° C. to 1035 ° C. At a temperature, a source gas is supplied into the MOCVD apparatus using nitrogen as a carrier gas, a second step of forming a first nitride semiconductor layer on the buffer layer, and a growth temperature of 1050 ° C. or more, And a third step of forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer by supplying a source gas into the MOCVD apparatus using hydrogen as a carrier gas.
[7]MOCVD装置内でGa2O3基板上に形成されたバッファ層と、前記MOCVD装置内を窒素雰囲気とし、700℃から1035℃の成長温度にて前記バッファ層上に形成された第1の窒化物半導体層と、前記MOCVD装置内を水素雰囲気とし、前記第2のステップにおける第1の窒化物半導体層の成長温度よりも高い成長温度にて前記第1の窒化物半導体層上に形成された第2の窒化物半導体層とを有する発光素子。
[7] A buffer layer formed on the Ga 2 O 3 substrate in the MOCVD apparatus, and a first atmosphere formed on the buffer layer at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C. in the MOCVD apparatus with a nitrogen atmosphere . The nitride semiconductor layer and the MOCVD apparatus are formed in a hydrogen atmosphere on the first nitride semiconductor layer at a growth temperature higher than the growth temperature of the first nitride semiconductor layer in the second step. And a second nitride semiconductor layer formed .
本発明によれば、発光素子の製造時におけるバッファ層の剥離の発生を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of peeling of the buffer layer during manufacturing of the light emitting element.
(MOCVD装置の構成)
図1は実施の形態に係るMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相堆積)装置の構成を例示する断面模式図である。
(Configuration of MOCVD equipment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus according to an embodiment.
このMOCVD装置2は、MOCVD法により、基板上に複数の層をエピタキシャル成長させる装置である。MOCVD法とは、有機金属材料を加熱して発生させた原料ガスを反応室に供給し、基板結晶上で熱分解と化学反応をさせて薄膜結晶のエピタキシー成長を行う方法である。 The MOCVD apparatus 2 is an apparatus for epitaxially growing a plurality of layers on a substrate by MOCVD. The MOCVD method is a method in which a raw material gas generated by heating an organic metal material is supplied to a reaction chamber, and thermal decomposition and chemical reaction are performed on a substrate crystal to perform epitaxial growth of a thin film crystal.
MOCVD装置2は、内部に反応室20を形成する気密の反応容器21と、β−Ga2O3からなる基板(以下、「Ga2O3基板」という)10を保持する基板台(サセプタ)22と、基板台22を支持するシャフト23と、基板台22を加熱するヒータ24と、ガス供給源3から供給される原料ガスをGa2O3基板10に導く反応管25と、基板台22に対向して配置された冷却配管26と、反応室20内のガスを強制排気する真空ポンプ27とを有している。 The MOCVD apparatus 2 includes an airtight reaction vessel 21 that forms a reaction chamber 20 inside and a substrate stand (susceptor) that holds a substrate made of β-Ga 2 O 3 (hereinafter referred to as “Ga 2 O 3 substrate”) 10. 22, a shaft 23 that supports the substrate table 22, a heater 24 that heats the substrate table 22, a reaction tube 25 that guides the source gas supplied from the gas supply source 3 to the Ga 2 O 3 substrate 10, and the substrate table 22 And a cooling pipe 26 arranged opposite to the vacuum pump 26 and a vacuum pump 27 for forcibly exhausting the gas in the reaction chamber 20.
基板台22は、シャフト23に連結された図示しないモータの駆動力により回転可能である。また、基板台22はヒータ24によって温度制御可能である。基板台22に保持されたGa2O3基板10は、基板台22からの熱伝導によって加熱される。 The substrate table 22 can be rotated by a driving force of a motor (not shown) connected to the shaft 23. The temperature of the substrate table 22 can be controlled by a heater 24. The Ga 2 O 3 substrate 10 held on the substrate table 22 is heated by heat conduction from the substrate table 22.
冷却配管26は、冷却水供給源261により冷却された冷却水を循環させる配管であり、ヒータ24による基板台22の加熱に伴って温度が上昇する反応室20における基板台22の対向部を冷却する。 The cooling pipe 26 is a pipe that circulates the cooling water cooled by the cooling water supply source 261, and cools the opposing portion of the substrate base 22 in the reaction chamber 20 whose temperature rises as the substrate base 22 is heated by the heater 24. To do.
反応管25は、第1の反応管25a及び第2の反応管25bからなる。第1の反応管25aには、反応容器21の外部にて、ガス供給源3からのアンモニアガス、窒素ガス、及び水素ガスを流通させる第1の配管系31が接続されている。また、第2の反応管25bには、反応容器21の外部にて、ガス供給源3からの各種原料ガスを流通させる第2の配管系32が接続されている。 The reaction tube 25 includes a first reaction tube 25a and a second reaction tube 25b. A first piping system 31 for circulating ammonia gas, nitrogen gas, and hydrogen gas from the gas supply source 3 is connected to the first reaction tube 25a outside the reaction vessel 21. Further, a second piping system 32 for circulating various source gases from the gas supply source 3 is connected to the second reaction tube 25b outside the reaction vessel 21.
第1の配管系31には、アンモニア(NH3)ガス供給源311、窒素(N2)ガス供給源312、及び水素(H2)ガス供給源313が接続されている。 An ammonia (NH 3 ) gas supply source 311, a nitrogen (N 2 ) gas supply source 312, and a hydrogen (H 2 ) gas supply source 313 are connected to the first piping system 31.
第2の配管系32には、窒素ガス供給源312及び水素ガス供給源313の他、TMA(トリメチルアルミニウム;Al(CH3)3)ガス発生装置321、TMG(トリメチルガリウム;Ga(CH3)3)ガス発生装置322、TMI(トリメチルインジウム;In(CH3)3)ガス発生装置323、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)ガス発生装置324、及びシラン(SiH4)ガス供給源325が接続されている。 In addition to the nitrogen gas supply source 312 and the hydrogen gas supply source 313, the second piping system 32 includes a TMA (trimethylaluminum; Al (CH 3 ) 3 ) gas generator 321, TMG (trimethylgallium; Ga (CH 3 )). 3 ) A gas generator 322, a TMI (trimethylindium; In (CH 3 ) 3 ) gas generator 323, a Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium) gas generator 324, and a silane (SiH 4 ) gas supply source 325 It is connected.
TMAガス発生装置321、TMGガス発生装置322、TMIガス発生装置323、及びCP2Mgガス発生装置324には、バブリングを行うために、窒素ガス供給源312及び水素ガス供給源313がそれぞれ接続されている。 A nitrogen gas supply source 312 and a hydrogen gas supply source 313 are respectively connected to the TMA gas generator 321, the TMG gas generator 322, the TMI gas generator 323, and the CP 2 Mg gas generator 324 for bubbling. ing.
(LED素子の構成)
図2は、本発明の実施の形態に係るLED(Light Emitting Diode)素子の構成例を示す断面図である。
(Configuration of LED element)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of an LED (Light Emitting Diode) element according to the embodiment of the present invention.
このLED素子1は、Ga2O3基板10を有し、Ga2O3基板10上に形成したバッファ層11と、窒化物半導体層であるSiドープのn+−GaN層12と、Siドープのn−AlGaN層13と、InGaN/GaNの多重量子井戸構造を有するMQW(Multiple-Quantum Well)14と、Mgドープのp−AlGaN層15と、Mgドープのp+−GaN層16と、ITO(Indium Tin Oxide)からなる電流拡散層17とをMOCVD装置2を用いて順次積層して形成されている。 This LED element 1 has a Ga 2 O 3 substrate 10, a buffer layer 11 formed on the Ga 2 O 3 substrate 10, a Si-doped n + -GaN layer 12 which is a nitride semiconductor layer, and a Si-doped N-AlGaN layer 13, MQW (Multiple-Quantum Well) 14 having an InGaN / GaN multiple quantum well structure, Mg-doped p-AlGaN layer 15, Mg-doped p + -GaN layer 16, ITO The current diffusion layer 17 made of (Indium Tin Oxide) is sequentially laminated using the MOCVD apparatus 2.
また、LED素子1は、電流拡散層17の上面に設けられるp側電極18と、電流拡散層17からエッチングを施すことにより露出させたn+−GaN層12に設けられるn側電極19とを有する。 The LED element 1 further includes a p-side electrode 18 provided on the upper surface of the current diffusion layer 17 and an n-side electrode 19 provided on the n + -GaN layer 12 exposed by etching from the current diffusion layer 17. Have.
バッファ層11は、AlxGayInzN(x+y+z≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物であり、例えばAlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlGaInN、又はAlInNからなる。バッファ層11が例えばAlNからなる場合には、キャリアガスとして水素を使用し、TMAとアンモニアを反応室20内に供給することによりバッファ層11を形成することができる。このバッファ層11は、Ga2O3基板10とn+−GaN層12との格子定数差を緩衝する。 The buffer layer 11 is a nitride represented by Al x Ga y In z N (x + y + z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). For example, AlN, GaN, AlGaN , InGaN, AlGaInN, or AlInN. When the buffer layer 11 is made of, for example, AlN, the buffer layer 11 can be formed by using hydrogen as a carrier gas and supplying TMA and ammonia into the reaction chamber 20. The buffer layer 11 buffers a lattice constant difference between the Ga 2 O 3 substrate 10 and the n + -GaN layer 12.
n+−GaN層12は、バッファ層11側に形成された第1の窒化物半導体層としての第1のGaN層12aと、n−AlGaN層13側に形成された第2の窒化物半導体層としての第2のGaN層12bとから構成される。 The n + -GaN layer 12 includes a first GaN layer 12a as a first nitride semiconductor layer formed on the buffer layer 11 side and a second nitride semiconductor layer formed on the n-AlGaN layer 13 side. As a second GaN layer 12b.
第1のGaN層12aは、キャリアガスとして窒素を使用し、窒素雰囲気中において700℃から1035℃の成長温度でTMGとアンモニアを反応室20内に供給することにより、バッファ層11上にエピタキシャル成長することで形成される。700℃よりも低い温度では、電気抵抗が増大するため望ましくない。好ましくは、電気抵抗を低くするため、この第1のGaN層12aの成長温度を900℃以上とするとよい。また、成長温度を1035℃よりも高くすると、後述するようにバッファ層11の剥離が発生しやすくなる。 The first GaN layer 12a is epitaxially grown on the buffer layer 11 by using nitrogen as a carrier gas and supplying TMG and ammonia into the reaction chamber 20 at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C. in a nitrogen atmosphere. Is formed. A temperature lower than 700 ° C. is not desirable because electric resistance increases. Preferably, the growth temperature of the first GaN layer 12a is 900 ° C. or higher in order to reduce the electrical resistance. Further, when the growth temperature is higher than 1035 ° C., the buffer layer 11 is easily peeled off as described later.
第2のGaN層12bは、キャリアガスとして水素を使用し、水素雰囲気中において1025℃以上の成長温度でTMGとアンモニアを反応室20に供給することにより、第1のGaN層12a上にエピタキシャル成長することで形成される。成長温度が1025℃よりも低い場合には、層表面におけるピット(穴)の発生が多くなるため好ましくない。また、この第2のGaN層12bの成長温度は、1050℃以上とするとよい。 The second GaN layer 12b is epitaxially grown on the first GaN layer 12a by using hydrogen as a carrier gas and supplying TMG and ammonia to the reaction chamber 20 at a growth temperature of 1025 ° C. or higher in a hydrogen atmosphere. Is formed. When the growth temperature is lower than 1025 ° C., the generation of pits (holes) on the layer surface increases, which is not preferable. The growth temperature of the second GaN layer 12b is preferably 1050 ° C. or higher.
n+−GaN層12(第1のGaN層12a及び第2のGaN層12b)は、n型の導電性を付与するためのドーパントとしてシラン(SiH4)をSi原料として使用する。 The n + -GaN layer 12 (the first GaN layer 12a and the second GaN layer 12b) uses silane (SiH 4 ) as a Si raw material as a dopant for imparting n-type conductivity.
n−AlGaN層13は、TMA、TMG、及びアンモニアを反応室20に供給することにより形成される。 The n-AlGaN layer 13 is formed by supplying TMA, TMG, and ammonia to the reaction chamber 20.
MQW14は、キャリアガスとして水素を使用し、アンモニアの他にTMIとTMGを反応室20内に供給することによって形成される。InGaNの形成時にはTMIとTMGが供給され、GaNの形成時にはTMGが供給される。 The MQW 14 is formed by using hydrogen as a carrier gas and supplying TMI and TMG in the reaction chamber 20 in addition to ammonia. TMI and TMG are supplied when InGaN is formed, and TMG is supplied when GaN is formed.
p−AlGaN層15は、TMA、TMG、及びアンモニアを反応室20に供給することにより形成される。 The p-AlGaN layer 15 is formed by supplying TMA, TMG, and ammonia to the reaction chamber 20.
p+−GaN層16は、キャリアガスとして窒素を使用し、TMGとアンモニアを反応室20内に供給することにより形成される。そして、p型の導電性を付与するためのドーパントとしてCp2MgをMg原料として使用する。 The p + -GaN layer 16 is formed by using nitrogen as a carrier gas and supplying TMG and ammonia into the reaction chamber 20. Then, the Cp 2 Mg used as the Mg raw material as a dopant for imparting p-type conductivity.
(LED素子1の製造工程)
図3は、LED素子1の製造工程の一例を概略的に示す概略工程図である。この図3では、横軸を時間、縦軸をGa2O3基板10の温度(℃)とし、各時間帯において形成される膜及び反応室20内の雰囲気と共に示している。以下、各工程について説明する。
(Manufacturing process of LED element 1)
FIG. 3 is a schematic process diagram schematically showing an example of the manufacturing process of the LED element 1. In FIG. 3, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the temperature (° C.) of the Ga 2 O 3 substrate 10, along with the film formed in each time zone and the atmosphere in the reaction chamber 20. Hereinafter, each step will be described.
(基板洗浄工程)
まず、本製造工程で使用するGa2O3基板10に対し、アセトン、メタノールによる有機洗浄をそれぞれ行った後、硝酸(HNO3)で酸洗浄を行い、その後純水中で5分の超音波洗浄を行うことにより基板洗浄を行う。そして、この洗浄後のGa2O3基板10を反応室20内の基板台22に搭載する。
(Substrate cleaning process)
First, the Ga 2 O 3 substrate 10 used in the present manufacturing process is subjected to organic cleaning with acetone and methanol, respectively, then acid cleaning with nitric acid (HNO 3 ), and then ultrasonic waves for 5 minutes in pure water. Substrate cleaning is performed by cleaning. Then, the cleaned Ga 2 O 3 substrate 10 is mounted on the substrate table 22 in the reaction chamber 20.
(基板表面の窒化処理)
次に、反応室20内を窒素希釈したアンモニア雰囲気とし、ヒータ24によってGa2O3基板10を昇温する。Ga2O3基板10の温度が550℃となった時刻t1において昇温を停止し、その温度を維持してGa2O3基板10の表面を窒化する。なお、Ga2O3基板10の温度(以下、「基板温度」という)は、図示しない放射温度計によって測定可能である。
(Nitriding treatment of substrate surface)
Next, the inside of the reaction chamber 20 is made an ammonia atmosphere diluted with nitrogen, and the temperature of the Ga 2 O 3 substrate 10 is raised by the heater 24. At time t 1 when the temperature of the Ga 2 O 3 substrate 10 reaches 550 ° C., the temperature rise is stopped, and the temperature is maintained to nitride the surface of the Ga 2 O 3 substrate 10. The temperature of the Ga 2 O 3 substrate 10 (hereinafter referred to as “substrate temperature”) can be measured by a radiation thermometer (not shown).
(バッファ層11形成工程)
次に、時刻t2において水素の供給を開始し、反応室20内を水素雰囲気とする。そして、ヒータ24による加熱を停止してGa2O3基板10の温度が450℃となった時刻t3においてTMAとアンモニアを反応室20内に供給し、450℃の基板温度を維持しながらGa2O3基板10の窒素化処理を行った表面上にバッファ層11を50nm成長させる。
(Buffer layer 11 formation process)
Then, to start the supply of hydrogen at the time t 2, the the reaction chamber 20 and a hydrogen atmosphere. Then, TMA and ammonia are supplied into the reaction chamber 20 at time t 3 when the temperature of the Ga 2 O 3 substrate 10 reaches 450 ° C. by stopping heating by the heater 24, and Ga is maintained while maintaining the substrate temperature of 450 ° C. A buffer layer 11 is grown to 50 nm on the surface of the 2 O 3 substrate 10 subjected to the nitrogenation treatment.
(n+−GaN層12形成工程)
次に、時刻t4において反応室20への水素の供給を停止して窒素の供給を開始し、反応室20内を窒素雰囲気とする。続いて時刻t5よりGa2O3基板10の昇温を開始し、900℃となった時刻t6において昇温を停止し、その温度を維持しながら反応室20内に窒素をキャリアガスとしてTMGとアンモニアを供給することによって、窒素雰囲気中でバッファ層11上に膜厚1μmの第1のGaN層12aを形成する。
(Step of forming n + -GaN layer 12)
Next, by stopping the supply of hydrogen to the reaction chamber 20 at time t 4 to start supplying nitrogen to the reaction chamber 20 and a nitrogen atmosphere. Following the heating of Ga 2 O 3 substrate 10 starts from time t 5, the Atsushi Nobori was stopped at time t 6 became 900 ° C., and nitrogen as a carrier gas into the reaction chamber 20 while maintaining the temperature By supplying TMG and ammonia, a first GaN layer 12a having a thickness of 1 μm is formed on the buffer layer 11 in a nitrogen atmosphere.
次に、時刻t7において反応室20への窒素の供給を停止して水素の供給を開始し、反応室20内を水素雰囲気とする。続いて時刻t8よりGa2O3基板10の昇温を開始し、1050℃となった時刻t9において昇温を停止し、その温度を維持しながらTMGとアンモニアを反応室20内に水素をキャリアガスとして供給することによって、水素雰囲気中で第1のGaN層12a上に第2のGaN層12bを形成する。この第2のGaN層12bの膜厚は、第1のGaN層12aの膜厚よりも厚くし、例えば2μmとする。 Next, by stopping the supply of nitrogen to the reaction chamber 20 to start the supply of hydrogen at the time t 7, the reaction chamber 20 and a hydrogen atmosphere. Following the heating of Ga 2 O 3 substrate 10 starts from time t 8, the Atsushi Nobori was stopped at the time t 9 became 1050 ° C., hydrogen TMG and ammonia into the reaction chamber 20 while maintaining the temperature As a carrier gas, the second GaN layer 12b is formed on the first GaN layer 12a in a hydrogen atmosphere. The film thickness of the second GaN layer 12b is larger than the film thickness of the first GaN layer 12a, for example, 2 μm.
以降、n−AlGaN層13、MQW14、p−AlGaN層15、p+−GaN層16、電流拡散層17、p側電極18、およびn側電極19を順次作成するが、これらについての製造工程については説明を省略する。 Thereafter, the n-AlGaN layer 13, the MQW 14, the p-AlGaN layer 15, the p + -GaN layer 16, the current diffusion layer 17, the p-side electrode 18, and the n-side electrode 19 are sequentially formed. Will not be described.
(バッファ層11の剥離と第1のGaN層12aの成長温度との関係)
図4は、第1のGaN層12aの成長温度(第1のGaN層12a形成時における基板温度)とLED素子1の歩留まり率との関係を示したグラフである。
(Relationship between separation of buffer layer 11 and growth temperature of first GaN layer 12a)
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the growth temperature of the first GaN layer 12a (substrate temperature when the first GaN layer 12a is formed) and the yield rate of the LED elements 1.
上記の製造方法及び温度条件によってLED素子1を製造した場合には、LED素子1の歩留まり率はほぼ100%であったが、第1のGaN層12aの成長温度を1035℃よりも高く設定すると、半分以上のLED素子1でバッファ層11がGa2O3基板10から剥離することが確認された。この剥離の原因としては、第1のGaN層12aの形成時における熱による応力が関係していることが可能性として考えられる。 When the LED element 1 was manufactured by the above manufacturing method and temperature conditions, the yield rate of the LED element 1 was almost 100%, but when the growth temperature of the first GaN layer 12a was set higher than 1035 ° C. It was confirmed that the buffer layer 11 was peeled from the Ga 2 O 3 substrate 10 with more than half of the LED elements 1. The cause of this peeling is considered to be related to the stress caused by heat at the time of forming the first GaN layer 12a.
図4に示すように、第1のGaN層12aの成長温度を850℃、975℃、1000℃、1010℃、及び1025℃とした場合にはバッファ層11の剥離は確認されなかったが、この成長温度を1025℃よりも高くした場合にはバッファ層11の剥離が確認された。1035℃では歩留まり率が60%に抑えられているが、1040℃では20%、1050℃では10%となり、1075℃及び1100℃では0%となった。 As shown in FIG. 4, when the growth temperature of the first GaN layer 12a was set to 850 ° C., 975 ° C., 1000 ° C., 1010 ° C., and 1025 ° C., peeling of the buffer layer 11 was not confirmed. When the growth temperature was higher than 1025 ° C., peeling of the buffer layer 11 was confirmed. The yield rate was suppressed to 60% at 1035 ° C, but 20% at 1040 ° C, 10% at 1050 ° C, and 0% at 1075 ° C and 1100 ° C.
図5(a)及び(b)は、LED素子1の表面の顕微鏡写真であり、(a)はバッファ層11の剥離が発生しなかった場合の表面の写真、(b)はバッファ層11の剥離が発生した場合の表面の写真である。また、図5(c)は、(b)において剥離が発生した領域の輪郭を描き出した図である。 FIGS. 5A and 5B are micrographs of the surface of the LED element 1, FIG. 5A is a photograph of the surface when no peeling of the buffer layer 11 occurs, and FIG. 5B is the surface of the buffer layer 11. It is a photograph of the surface when peeling occurs. FIG. 5C is a diagram depicting the outline of the region where the separation occurred in FIG.
第1のGaN層12aの成長温度を1025℃以下とした場合には、図5(a)に示すように、平坦な表面のLED素子1が得られたのに対し、第1のGaN層12aの成長温度を1035℃よりも高くしてLED素子1を製造したケースでは、図5(c)に示す剥離発生領域1aでバッファ層11の剥離が発生し、図5(b)に示すように剥離発生領域1aにおけるバッファ層11から電流拡散層17までの各層が消失している。 When the growth temperature of the first GaN layer 12a is set to 1025 ° C. or lower, the LED element 1 having a flat surface is obtained as shown in FIG. 5A, whereas the first GaN layer 12a is obtained. In the case where the LED element 1 was manufactured at a growth temperature higher than 1035 ° C., the buffer layer 11 was peeled off in the peeling generation region 1a shown in FIG. 5C, as shown in FIG. 5B. Each layer from the buffer layer 11 to the current diffusion layer 17 in the peeling occurrence region 1a has disappeared.
(第2のGaN層12bの成長温度とピットの関係)
図6は、第2のGaN層12bの成長温度を変化させた場合の第2のGaN層12b表面の顕微鏡写真(500倍)であり、(a)は第2のGaN層12bの成長温度を1000℃とした場合、(b)は同成長温度を1025℃とした場合、(c)は同成長温度を1040℃とした場合、(d)は同成長温度を1050℃とした場合の顕微鏡写真である。
(Relationship between growth temperature and pit of second GaN layer 12b)
FIG. 6 is a micrograph (500 times) of the surface of the second GaN layer 12b when the growth temperature of the second GaN layer 12b is changed, and (a) shows the growth temperature of the second GaN layer 12b. When the temperature is 1000 ° C., (b) is the same growth temperature is 1025 ° C., (c) is the same growth temperature is 1040 ° C., (d) is the photomicrograph when the same growth temperature is 1050 ° C. It is.
図6(a)に示すように、第2のGaN層12bの成長温度を1000℃とした場合には、第2のGaN層12bの表面に無数のピットが発生し、外観上は白濁した状態となる。 As shown in FIG. 6A, when the growth temperature of the second GaN layer 12b is 1000 ° C., countless pits are generated on the surface of the second GaN layer 12b, and the appearance is cloudy. It becomes.
図6(b)に示すように、第2のGaN層12bの成長温度を1025℃とした場合には、成長温度を1000℃とした場合よりもピットの密度が低下しており、実用に供し得る水準となっている。ただし、なお多数のピット1bが観測されている。 As shown in FIG. 6B, when the growth temperature of the second GaN layer 12b is 1025 ° C., the density of pits is lower than when the growth temperature is 1000 ° C., which is practically used. It is the level to get. However, a large number of pits 1b are still observed.
図6(c)に示すように、第2のGaN層12bの成長温度を1040℃とした場合には、成長温度を1025℃とした場合よりもさらにピット1bの密度が低下している。ただし、所々にピット1bの発生がみられる。 As shown in FIG. 6C, when the growth temperature of the second GaN layer 12b is set to 1040 ° C., the density of the pits 1b is further lowered than when the growth temperature is set to 1025 ° C. However, the occurrence of pits 1b is observed in some places.
図6(d)に示すように、第2のGaN層12bの成長温度を1050℃とした場合には、ピットが殆ど発生せず、良質な結晶が得られていることが分かる。なお、第2のGaN層12bの成長温度を1075℃及びそれ以上の温度とした場合でも、ピットの発生は殆どみられなかった。 As shown in FIG. 6D, when the growth temperature of the second GaN layer 12b is set to 1050 ° C., it can be seen that almost no pits are generated and a high-quality crystal is obtained. Even when the growth temperature of the second GaN layer 12b was 1075 ° C. or higher, almost no pits were observed.
(実施の形態の効果)
本実施の形態によれば、バッファ層11の剥離の発生を抑制することができる。また、ピットの発生を低減することができ、白濁によるMQW14で発光した光の透過性の劣化を抑制できる。
(Effect of embodiment)
According to the present embodiment, the occurrence of peeling of the buffer layer 11 can be suppressed. Moreover, generation | occurrence | production of a pit can be reduced and the deterioration of the transmittance | permeability of the light emitted by MQW14 by white turbidity can be suppressed.
(他の実施の形態)
以上、本発明の発光素子の製造方法、及び発光素子を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。例えば、窒化物半導体層はGaNに限らず、AlGaNであってもよい。また、LED素子の構造は、水平型に限らず、Ga2O3基板のバッファ層とは反対側の面に電極を有する垂直型の構造であってもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although the manufacturing method of the light emitting element of this invention and the light emitting element were demonstrated based on said embodiment, this invention is not limited to said embodiment, In the range which does not deviate from the summary. It can be implemented in various ways. For example, the nitride semiconductor layer is not limited to GaN but may be AlGaN. The structure of the LED element is not limited to the horizontal type, and may be a vertical type structure having electrodes on the surface of the Ga 2 O 3 substrate opposite to the buffer layer.
1…LED素子、1a…剥離発生領域、1b…ピット、2…MOCVD装置、3…ガス供給源、10…Ga2O3基板、11…バッファ層、12…n+−GaN層、12a…第1のGaN層、12b…第2のGaN層、13…n−AlGaN層、14…MQW、15…p−AlGaN層、16…p+−GaN層、17…電流拡散層、18…p側電極、19…n側電極、20…反応室、21…反応容器、22…基板台、23…シャフト、24…ヒータ、25…反応管、25a…第1の反応管、25b…第2の反応管、26…冷却配管、27…真空ポンプ、31…第1の配管系、32…第2の配管系、261…冷却水供給源、311…アンモニアガス供給源、312…窒素ガス供給源、313…水素ガス供給源、321…TMAガス発生装置、322…TMGガス発生装置、323…TMIガス発生装置、324…Cp2Mgガス発生装置、325…シランガス供給源 1 ... LED element, 1a ... delamination region, 1b ... Pit, 2 ... MOCVD apparatus, 3 ... gas supply source, 10 ... Ga 2 O 3 substrate, 11 ... buffer layer, 12 ... n + -GaN layer, 12a ... first 1 GaN layer, 12 b ... second GaN layer, 13 ... n-AlGaN layer, 14 ... MQW, 15 ... p-AlGaN layer, 16 ... p + -GaN layer, 17 ... current diffusion layer, 18 ... p-side electrode 19 ... n-side electrode, 20 ... reaction chamber, 21 ... reaction vessel, 22 ... substrate base, 23 ... shaft, 24 ... heater, 25 ... reaction tube, 25a ... first reaction tube, 25b ... second reaction tube , 26 ... cooling piping, 27 ... vacuum pump, 31 ... first piping system, 32 ... second piping system, 261 ... cooling water supply source, 311 ... ammonia gas supply source, 312 ... nitrogen gas supply source, 313 ... Hydrogen gas supply source, 321 ... TMA gas generator 322 ... TMG gas generator, 323 ... TMI gas generator, 324 ... Cp 2 Mg gas generator, 325 ... Silane gas supply source
Claims (7)
前記MOCVD装置内を窒素雰囲気とし、700℃から1035℃の成長温度にて前記バッファ層上に第1の窒化物半導体層を形成する第2のステップと、
前記MOCVD装置内を水素雰囲気とし、前記第2のステップにおける第1の窒化物半導体層の成長温度よりも高い成長温度で、前記第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有する発光素子の製造方法。 A first step of forming a buffer layer on the surface of the Ga 2 O 3 substrate after nitriding the surface of the Ga 2 O 3 substrate in an MOCVD apparatus;
A second step of forming a first nitride semiconductor layer on the buffer layer at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C. under a nitrogen atmosphere in the MOCVD apparatus ;
The MOCVD apparatus has a hydrogen atmosphere, and a second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer at a growth temperature higher than the growth temperature of the first nitride semiconductor layer in the second step. And a third step of forming the light-emitting element.
700℃から1035℃の成長温度にて、窒素をキャリアガスとして原料ガスを前記MOCVD装置内に供給し、前記バッファ層上に第1の窒化物半導体層を形成する第2のステップと、
1050℃以上の成長温度にて、水素をキャリアガスとして原料ガスを前記MOCVD装置内に供給し、前記第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層を形成する第3のステップとを有する発光素子の製造方法。 A first step of forming a buffer layer on the surface of the Ga 2 O 3 substrate after nitriding the surface of the Ga 2 O 3 substrate in an MOCVD apparatus;
A second step of forming a first nitride semiconductor layer on the buffer layer by supplying a source gas into the MOCVD apparatus using nitrogen as a carrier gas at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C .;
A third step of forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer by supplying a source gas into the MOCVD apparatus using hydrogen as a carrier gas at a growth temperature of 1050 ° C. or higher; A method for manufacturing a light emitting device having
前記MOCVD装置内を窒素雰囲気とし、700℃から1035℃の成長温度にて前記バッファ層上に形成された第1の窒化物半導体層と、
前記MOCVD装置内を水素雰囲気とし、前記第2のステップにおける第1の窒化物半導体層の成長温度よりも高い成長温度にて前記第1の窒化物半導体層上に形成された第2の窒化物半導体層とを有する発光素子。 A buffer layer formed on a Ga 2 O 3 substrate in an MOCVD apparatus;
A first nitride semiconductor layer formed on the buffer layer at a growth temperature of 700 ° C. to 1035 ° C. in the MOCVD apparatus ;
A second nitride formed on the first nitride semiconductor layer at a growth temperature higher than the growth temperature of the first nitride semiconductor layer in the second step, wherein the MOCVD apparatus has a hydrogen atmosphere. A light-emitting element having a semiconductor layer .
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