JPH08213656A - Gallium nitride based compound semiconductor light emitting element - Google Patents

Gallium nitride based compound semiconductor light emitting element

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JPH08213656A
JPH08213656A JP7310804A JP31080495A JPH08213656A JP H08213656 A JPH08213656 A JP H08213656A JP 7310804 A JP7310804 A JP 7310804A JP 31080495 A JP31080495 A JP 31080495A JP H08213656 A JPH08213656 A JP H08213656A
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JP
Japan
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type
layer
light emitting
annealing
gallium nitride
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Application number
JP7310804A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shuji Nakamura
修二 中村
Shigeto Iwasa
成人 岩佐
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Nichia Chemical Industries Ltd
Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nichia Chemical Industries Ltd filed Critical Nichia Chemical Industries Ltd
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Publication of JPH08213656A publication Critical patent/JPH08213656A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a gallium nitride based compound semiconductor light emitting element wherein gallium nitride based compound semiconductor doped with P-type impurities is made a low resistance P-type, the resistance value is uniform all over the wafer, independently of the film thickness, and an light emitting element can be constituted as double hetero/single hetero structure. CONSTITUTION: The element has at least a PN junction obtained by annealing at a temperature higher than or equal to 400 deg.C, after at least an N-type gallium nitride based compound semiconductor layer and a gallium nitride based compound semiconductor layer doped with P-type impurities are grown on a substrate by a vapor growth method.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は紫外、青色発光レーザー
ダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光デバイ
スに利用される窒化ガリウム系化合物半導体よりなる発
光素子に係り、詳しくは、p−n接合を有する発光素子
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device made of a gallium nitride-based compound semiconductor used in a light emitting device such as an ultraviolet light emitting diode, a blue light emitting laser diode, an ultraviolet light emitting diode, and a blue light emitting diode. The present invention relates to a light emitting element.

【0002】[0002]

【従来の技術】青色発光素子は、II-VI族のZnSe、I
V-IV族のSiC、III-V族のGaN等を用いて研究が進
められ、最近、その中でも窒化ガリウム系化合物半導体
(In XAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)
が、常温で、比較的優れた発光を示すことが発表され注
目されている。その窒化物半導体を有する青色発光素子
は、基本的に、サファイアよりなる基板の上に一般式が
InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で
表される窒化物半導体のエピタキシャル層が順にn型お
よびi型、あるいはp型に積層された構造を有するもの
である。
2. Description of the Related Art A blue light emitting device is a ZnSe, I of II-VI group.
Research progressed using V-IV group SiC, III-V group GaN, etc.
Recently, gallium nitride-based compound semiconductors
(In XAlYGa1-XYN (0≤X, 0≤Y, X + Y≤1)
However, it was announced that it emits relatively excellent light at room temperature.
Is being watched. Blue light emitting device having the nitride semiconductor
Is basically a general formula on a sapphire substrate.
InXAlYGa1-X-YN (0≤X, 0≤Y, X + Y≤1)
The epitaxial layers of the nitride semiconductor represented are n-type and
And a structure having a laminated structure of i-type or p-type
Is.

【0003】窒化物半導体を積層する方法として、有機
金属化合物気相成長法(以下MOCVD法という。)、
分子線エピタキシー法(以下MBE法という。)等の気
相成長法がよく知られている。例えば、MOCVD法を
用いた方法について簡単に説明すると、この方法は、サ
ファイア基板を設置した反応容器内に反応ガスとして有
機金属化合物ガス{トリメチルガリウム(TMG)、ト
リメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア等}を供
給し、結晶成長温度をおよそ900℃〜1100℃の高
温に保持して、基板上に窒化物半導体を成長させ、また
必要に応じて他の不純物ガスを供給しながら窒化物半導
体をn型、i型、あるいはp型に積層する方法である。
基板にはサファイアの他にSiC、Si等もあるが一般
的にはサファイアが用いられている。n型不純物として
はSi、Ge、Sn(但し、窒化物半導体の場合、n型
不純物をドープしなくともn型になる性質がある。)が
良く知られており、p型不純物としてはZn、Cd、B
e、Mg、Ca、Ba等が挙げられるが、その中でもM
g、Znが最もよく知られている。
As a method for stacking nitride semiconductors, a metal organic compound vapor phase epitaxy method (hereinafter referred to as MOCVD method),
A vapor phase growth method such as a molecular beam epitaxy method (hereinafter referred to as MBE method) is well known. For example, a method using the MOCVD method will be briefly described. In this method, an organometallic compound gas {trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), ammonia, etc.) is used as a reaction gas in a reaction container in which a sapphire substrate is installed. To maintain the crystal growth temperature at a high temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C. to grow the nitride semiconductor on the substrate, and to supply other impurity gas as necessary, while the nitride semiconductor is n-type , I-type, or p-type.
In addition to sapphire, the substrate includes SiC, Si, etc., but sapphire is generally used. As n-type impurities, Si, Ge, and Sn (however, in the case of a nitride semiconductor, there is a property of becoming n-type without doping with n-type impurities) are well known, and as p-type impurities, Zn, Cd, B
e, Mg, Ca, Ba and the like are mentioned, and among them, M
The best known are g and Zn.

【0004】また、MOCVD法による窒化物半導体の
形成方法の一つとして、高温でサファイア基板上に直接
窒化物半導体を成長させると、その表面状態、結晶性が
著しく悪くなるため、高温で成長を行う前に、まず60
0℃前後の低温でAlNよりなるバッファ層を形成し、
続いてバッファ層の上に、高温で成長を行うことによ
り、結晶性が格段に向上することが明らかにされている
(特開平2−229476号公報)。また、本発明者は
特願平3−89840号において、AlNをバッファ層
とする従来の方法よりも、GaNをバッファ層とする方
が優れた結晶性の窒化物半導体が積層できることを示し
た。
When a nitride semiconductor is directly grown on a sapphire substrate at a high temperature as one of the methods for forming a nitride semiconductor by MOCVD, the surface state and crystallinity of the nitride semiconductor are remarkably deteriorated. Before doing this, first 60
A buffer layer made of AlN is formed at a low temperature around 0 ° C.,
Subsequently, it has been clarified that the crystallinity is remarkably improved by growing it on the buffer layer at a high temperature (JP-A-2-229476). In addition, the present inventor has shown in Japanese Patent Application No. 3-89840 that a crystalline nitride semiconductor having a better GaN layer can be stacked by using a GaN buffer layer than by a conventional method using AlN as a buffer layer.

【0005】しかしながら、窒化物半導体を有する青色
発光デバイスは未だ実用化には至っていない。なぜな
ら、窒化物半導体が低抵抗なp型にできないため、ダブ
ルへテロ、シングルへテロ等の数々の構造の発光素子が
できないからである。気相成長法でp型不純物をドープ
した窒化物半導体を成長しても、得られた窒化物半導体
はp型とはならず、抵抗率が108Ω・cm以上の高抵抗な
半絶縁材料、即ちi型となってしまうのが実状であっ
た。このため現在、青色発光素子の構造は基板の上にバ
ッファ層、n型層、その上にi型層を順に積層した、い
わゆるMIS構造のものしか知られていない。
However, a blue light emitting device having a nitride semiconductor has not yet been put to practical use. This is because the nitride semiconductor cannot be made into a p-type having a low resistance, so that a light emitting element having various structures such as double hetero and single hetero cannot be formed. Even if a nitride semiconductor doped with a p-type impurity is grown by a vapor phase growth method, the obtained nitride semiconductor does not become a p-type and a high-resistance semi-insulating material having a resistivity of 10 8 Ω · cm or more. That is, the actual situation is that it becomes i-type. Therefore, at present, as the structure of the blue light emitting element, only a so-called MIS structure in which a buffer layer, an n-type layer, and an i-type layer are sequentially stacked on a substrate is known.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】高抵抗なi型を低抵抗
化してp型に近づけるための手段として特開平2−25
7679号公報において、p型不純物としてMgをドー
プした高抵抗なi型窒化ガリウム化合物半導体を最上層
に形成した後に、加速電圧6kV〜30kVの電子線を
その表面に照射することにより、表面から約0.5μm
の層を低抵抗化する技術が開示されている。しかしなが
ら、この方法では電子線の侵入深さのみ、即ち極表面し
か低抵抗化できず、また電子線を走査しながらウエハー
全体を照射しなければならないため面内均一に低抵抗化
できないという問題があった。
As means for lowering the resistance of a high resistance i-type and making it closer to a p-type, Japanese Patent Laid-Open No. 2525/1990.
In Japanese Patent No. 7679, a high-resistance i-type gallium nitride compound semiconductor doped with Mg as a p-type impurity is formed on the uppermost layer, and then the surface is irradiated with an electron beam with an accelerating voltage of 6 kV to 30 kV. 0.5 μm
A technique for reducing the resistance of the layer is disclosed. However, in this method, only the penetration depth of the electron beam, that is, only the extreme surface can be lowered, and since the entire wafer must be irradiated while scanning the electron beam, there is a problem that the resistance cannot be uniformly lowered in the plane. there were.

【0007】従って本発明の目的は、p型不純物がドー
プされた窒化物半導体を低抵抗なp型とし、さらに膜厚
によらず抵抗値がウエハー全体に均一であり、発光素子
をダブルへテロ、シングルへテロ構造可能な構造とでき
るp−n接合を有する窒化物半導体よりなる発光素子を
提供するものである。
Therefore, an object of the present invention is to use a p-type impurity-doped nitride semiconductor as a p-type having a low resistance, a resistance value is uniform over the entire wafer regardless of the film thickness, and a light-emitting element is double-hetero. The present invention provides a light emitting device made of a nitride semiconductor having a pn junction capable of forming a single hetero structure.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体発
光素子は、気相成長法により、基板上に、少なくともn
型窒化物半導体層とp型不純物がドープされた窒化物半
導体層とを成長させた後、全体を400℃以上の温度で
アニーリングすることにより得られた、少なくとも一つ
のp−n接合を有することを特徴とする。
A nitride semiconductor light emitting device of the present invention is formed on a substrate by vapor deposition at least n.
Having at least one pn junction obtained by growing a p-type nitride semiconductor layer and a p-type impurity-doped nitride semiconductor layer and then annealing the whole at a temperature of 400 ° C. or higher. Is characterized by.

【0009】アニーリング(Annealing:焼きなまし)
はp型不純物をドープした窒化物半導体層を成長した
後、反応容器内で行ってもよいし、ウエハーを反応容器
から取り出してアニーリング専用の装置を用いて行って
もよい。アニーリング雰囲気は真空中、N2、He、N
e、Ar等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス雰囲
気中で行い、好ましくは、アニーリング温度における窒
化物半導体の分解圧以上で加圧した窒素雰囲気中で行
う。なぜなら、窒素雰囲気として加圧することにより、
アニーリング中に、窒化物半導体中のNが分解して出て
行くのを防止する作用があるからである。
Annealing: Annealing
After the growth of the p-type impurity-doped nitride semiconductor layer, the process may be carried out in the reaction container, or the wafer may be taken out of the reaction container and used in a device dedicated to annealing. Annealing atmosphere is vacuum, N 2 , He, N
It is carried out in an atmosphere of an inert gas such as e, Ar or a mixed gas thereof, and preferably in a nitrogen atmosphere pressurized at a decomposition pressure of the nitride semiconductor or higher at the annealing temperature. Because by pressurizing as a nitrogen atmosphere,
This is because N has a function of preventing N in the nitride semiconductor from decomposing and flowing out during annealing.

【0010】例えばGaNの場合、GaNの分解圧は8
00℃で約0.01気圧、1000℃で約1気圧、11
00℃で約10気圧程である。このため、窒化物半導体
を400℃以上でアニーリングする際、多かれ少なかれ
窒化物半導体の分解が発生し、その結晶性が悪くなる傾
向にある。従って前記のように窒素で加圧することによ
り分解を防止できる。
For example, in the case of GaN, the decomposition pressure of GaN is 8
About 0.01 atmosphere at 00 ° C, about 1 atmosphere at 1000 ° C, 11
It is about 10 atm at 00 ° C. For this reason, when the nitride semiconductor is annealed at 400 ° C. or higher, the nitride semiconductor is more or less decomposed, and its crystallinity tends to deteriorate. Therefore, by pressurizing with nitrogen as described above, decomposition can be prevented.

【0011】アニーリング温度は400℃以上、好まし
くは700℃以上で、1分以上保持、好ましくは10分
以上保持して行う。1000℃以上で行っても、前記し
たように窒素で加圧することにより分解を防止すること
ができ、後に述べるように、安定して、結晶性の優れた
p型窒化物半導体が得られる。
The annealing temperature is 400 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, and the annealing is performed for 1 minute or more, preferably 10 minutes or more. Even at 1000 ° C. or higher, decomposition can be prevented by pressurizing with nitrogen as described above, and as will be described later, a stable p-type nitride semiconductor having excellent crystallinity can be obtained.

【0012】また、アニーリング中の、窒化物半導体の
分解を抑える手段として、p型不純物をドープした窒化
物半導体層の上にさらにキャップ層を形成させたのち、
アニーリングを行ってもよい。キャップ層とは、即ち保
護膜であって、それをp型不純物をドープした窒化物半
導体の上に形成した後、400℃以上でアニーリングす
ることによって、加圧下はいうまでもなく、減圧、常圧
中においても、窒化物半導体を分解させることなく低抵
抗なp型とすることができる。
As a means for suppressing decomposition of the nitride semiconductor during annealing, a cap layer is further formed on the nitride semiconductor layer doped with p-type impurities.
You may anneal. The cap layer is a protective film, which is formed on a nitride semiconductor doped with a p-type impurity and then annealed at 400 ° C. or higher, not to mention under pressure, under reduced pressure and normal pressure. Even under pressure, the nitride semiconductor can be made to have a low resistance without being decomposed.

【0013】キャップ層を形成するには、p型不純物を
ドープした窒化物半導体層を形成した後、続いて反応容
器内で形成してもよいし、また、ウエハーを反応容器か
ら取り出し、他の結晶成長装置、例えばプラズマCVD
装置等で形成してもよい。キャップ層の材料としては、
窒化物半導体の上に形成できる材料で、400℃以上で
安定な材料であればどのようなものでもよく、好ましく
はGaXAl1-XN(但し0≦X≦1)、Si34、Si
2を挙げることができ、アニーリング温度により材料
の種類を適宜選択する。また、キャップ層の膜厚は通常
0.01〜5μmの厚さで形成する。0.01μmより
薄いと保護膜としての効果が十分に得られず、また5μ
mよりも厚いと、アニーリング後、キャップ層をエッチ
ングにより取り除き、p型窒化物半導体層を露出させる
のに手間がかかるため、経済的ではない。
To form the cap layer, a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity may be formed and then formed in the reaction vessel, or the wafer may be taken out of the reaction vessel and then the other layer may be formed. Crystal growth equipment, eg plasma CVD
It may be formed by a device or the like. As the material of the cap layer,
Any material that can be formed on the nitride semiconductor and is stable at 400 ° C. or higher may be used, and Ga X Al 1-X N (where 0 ≦ X ≦ 1) and Si 3 N 4 are preferable. , Si
O 2 can be used, and the type of material is appropriately selected depending on the annealing temperature. The thickness of the cap layer is usually 0.01 to 5 μm. If the thickness is less than 0.01 μm, the effect as a protective film cannot be sufficiently obtained, and the thickness is 5 μm.
If it is thicker than m, it takes time to remove the cap layer by etching after the annealing to expose the p-type nitride semiconductor layer, which is not economical.

【0014】[0014]

【作用】図1は、p型不純物をドープした窒化物半導体
層がアニーリングによって低抵抗なp型に変わることを
示す図である。これは、MOCVD法を用いて、サファ
イア基板上にまずGaNバッファ層を形成し、その上に
p型不純物としてMgをドープしながらGaN層を4μ
mの膜厚で形成した後、ウエハーを取り出し、温度を変
化させて窒素雰囲気中でアニーリングを10分間行った
後、ウエハーのホール測定を行い、抵抗率をアニーリン
グ温度の関数としてプロットした図である。
FIG. 1 is a diagram showing that a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity changes to a low-resistance p-type by annealing. In this method, a GaN buffer layer is first formed on a sapphire substrate using the MOCVD method, and a GaN layer of 4 μm is formed on the GaN buffer layer while doping Mg as a p-type impurity.
FIG. 7 is a diagram in which after the wafer having a thickness of m is formed, the wafer is taken out, the temperature is changed, annealing is performed in a nitrogen atmosphere for 10 minutes, hole measurement is performed on the wafer, and the resistivity is plotted as a function of the annealing temperature. .

【0015】この図からわかるように、400℃を越え
るあたりから急激にMgをドープしたGaN層の抵抗率
が減少し、700℃以上からはほぼ一定の低抵抗なp型
特性を示し、アニーリングの効果が現れている。なお、
アニーリングしないGaN層と700℃以上でアニーリ
ングしたGaN層のホール測定結果は、アニーリング前
のGaN層は抵抗率2×105Ω・cm、ホールキャリア濃
度8×1010/cm3であったのに対し、アニーリング後
のGaN層は抵抗率2Ω・cm、ホールキャリア濃度2×
1017/cm3であった。また、この図はGaNについて
示した図であるが、同じくp型不純物をドープしたIn
XAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)におい
ても同様の結果が得られることが確かめられた。
As can be seen from this figure, the resistivity of the Mg-doped GaN layer sharply decreases from above 400 ° C., and from 700 ° C. or above, it exhibits a substantially constant low-resistance p-type characteristic, and the annealing The effect is appearing. In addition,
The hole measurement results of the non-annealed GaN layer and the GaN layer annealed at 700 ° C. or higher showed that the GaN layer before annealing had a resistivity of 2 × 10 5 Ω · cm and a hole carrier concentration of 8 × 10 10 / cm 3. On the other hand, the GaN layer after annealing has a resistivity of 2 Ω · cm and a hole carrier concentration of 2 ×.
It was 10 17 / cm 3 . In addition, although this figure shows GaN, In similarly doped with p-type impurities
It was confirmed that similar results were obtained also in XAlYGa1-X-YN (0≤X, 0≤Y, X + Y≤1).

【0016】さらに、700℃でアニーリングした上記
4μmのGaN層をエッチングして2μmの厚さにし、
ホール測定を行った結果、ホールキャリア濃度2×10
17/cm3、抵抗率3Ω・cmであり、エッチング前とほぼ同
一の値であった。即ちp型不純物をドープしたGaN層
がアニーリングによって、深さ方向均一に全領域にわた
って低抵抗なp型となっていた。
Further, the 4 μm GaN layer annealed at 700 ° C. is etched to a thickness of 2 μm,
As a result of hole measurement, hole carrier concentration is 2 × 10
The value was 17 / cm 3 and the resistivity was 3 Ω · cm, which were almost the same values as before etching. That is, the GaN layer doped with the p-type impurity was p-type with low resistance throughout the entire region uniformly in the depth direction by annealing.

【0017】また、図2は、同じくMOCVD法を用い
て、サファイア基板上にGaNバッファ層とMgをドー
プした4μmのGaN層を形成したウエハーを用い、1
000℃で窒素雰囲気中20分間のアニーリングを行
い、20気圧の加圧下で行ったウエハー(a)と、大気
圧で行ったウエハー(b)のp型GaN層にそれぞれH
e−Cdレーザーを励起光源として照射し、そのフォト
ルミネッセンス強度で結晶性を比較して示す図であり、
そのフォトルミネッセンスの450nmにおける青色発
光強度が強いほど、結晶性が優れていると評価すること
ができる。
In addition, FIG. 2 also shows a wafer in which a GaN buffer layer and a Mg-doped 4 μm GaN layer are formed on a sapphire substrate by the same MOCVD method.
Annealing was performed for 20 minutes in a nitrogen atmosphere at 000 ° C., and H was applied to the p-type GaN layer of the wafer (a) performed under a pressure of 20 atm and the wafer (b) performed at atmospheric pressure.
It is a figure which irradiates e-Cd laser as an excitation light source, and compares and shows crystallinity by the photoluminescence intensity,
The stronger the blue emission intensity of the photoluminescence at 450 nm, the better the crystallinity can be evaluated.

【0018】図2に示すように、1000℃以上の高温
でアニーリングを行った場合、GaN層が熱分解するこ
とにより、その結晶性が悪くなる傾向にあるが、加圧す
ることにより熱分解を防止でき、優れた結晶性のp型G
aN層が得られる。
As shown in FIG. 2, when annealing is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, the GaN layer tends to be thermally decomposed and its crystallinity tends to deteriorate. However, pressurization prevents the thermal decomposition. P-type G with excellent crystallinity
An aN layer is obtained.

【0019】また、図3は、同じくサファイア基板上に
GaNバッファ層とMgをドープした4μmのGaN層
を形成したウエハー(c)と、さらにその上にキャップ
層としてAlN層を0.5μmの膜厚で成長させたウエ
ハー(d)とを、今度は大気圧中において、1000
℃、窒素雰囲気で20分間のアニーリングを行った後、
エッチングによりキャップ層を取り除いて露出させたp
型GaN層の結晶性を、同じくフォトルミネッセンス強
度で比較して示す図である。
Further, FIG. 3 shows a wafer (c) having a GaN buffer layer and a Mg-doped 4 μm GaN layer formed on a sapphire substrate, and an AlN layer of 0.5 μm as a cap layer on the wafer (c). A wafer (d) grown to a thickness of 1000
After annealing at ℃ for 20 minutes in nitrogen atmosphere,
P exposed by removing the cap layer by etching
It is a figure which compares and shows the crystallinity of the type GaN layer by photoluminescence intensity similarly.

【0020】図3に示すように、キャップ層を成長させ
ずにアニーリングを行ったp型GaN層(c)は高温で
のアニーリングになるとp型GaN層の分解が進むた
め、450nmでの発光強度は弱くなってしまう。しか
し、キャップ層(この場合AlN)を成長させることに
より、キャップ層のAlNは分解するがp型GaN層は
分解しないため、発光強度は依然強いままである。
As shown in FIG. 3, the p-type GaN layer (c) that has been annealed without growing the cap layer undergoes decomposition at a high temperature when the p-type GaN layer is annealed at high temperature, so that the emission intensity at 450 nm is increased. Becomes weaker. However, by growing the cap layer (AlN in this case), the AlN of the cap layer is decomposed but the p-type GaN layer is not decomposed, and therefore the emission intensity still remains strong.

【0021】アニーリングにより低抵抗なp型窒化物半
導体が得られる理由は以下のとおりであると推察され
る。
The reason why a p-type nitride semiconductor having a low resistance can be obtained by annealing is presumed to be as follows.

【0022】即ち、窒化物半導体層の成長において、N
源として、一般にNH3が用いられており、成長中にこ
のNH3が分解して原子状水素ができると考えられる。
この原子状水素がアクセプター不純物としてドープされ
たMg、Zn等と結合することにより、Mg、Zn等の
p型不純物がアクセプターとして働くのを妨げていると
考えられる。このため、反応後のp型不純物をドープし
た窒化物半導体は高抵抗を示す。
That is, in the growth of the nitride semiconductor layer, N
NH 3 is generally used as a source, and it is considered that during the growth, this NH 3 is decomposed to form atomic hydrogen.
It is considered that the atomic hydrogen prevents the p-type impurities such as Mg and Zn from functioning as acceptors by binding to Mg, Zn and the like doped as acceptor impurities. Therefore, the nitride semiconductor doped with the p-type impurity after the reaction has high resistance.

【0023】ところが、成長後アニーリングを行うこと
により、Mg−H、Zn−H等の形で結合している水素
が熱的に解離されて、p型不純物をドープした窒化物半
導体層から出て行き、正常にp型不純物がアクセプター
として働くようになるため、低抵抗なp型窒化物半導体
が得られるのである。従って、アニーリング雰囲気中に
NH3、H2等の水素原子を含むガスを使用することは好
ましくない。また、キャップ層においても、水素原子を
含む材料を使用することは以上の理由で好ましくない。
However, by performing post-growth annealing, hydrogen bonded in the form of Mg-H, Zn-H, etc. is thermally dissociated, and it is released from the p-type impurity-doped nitride semiconductor layer. Then, since the p-type impurity normally functions as an acceptor, a low-resistance p-type nitride semiconductor can be obtained. Therefore, it is not preferable to use a gas containing hydrogen atoms such as NH 3 and H 2 in the annealing atmosphere. Further, it is not preferable to use a material containing hydrogen atoms also in the cap layer for the above reason.

【0024】[0024]

【実施例】以下実施例で本発明を詳述する。 [実施例1]まず良く洗浄したサファイア基板を反応容
器内のサセプターに設置する。容器内を真空排気した
後、水素ガスを流しながら基板を1050℃で、20分
間加熱し、表面の酸化物を除去する。その後、温度を5
10℃にまで冷却し、510℃においてGa源としてT
MGガスを27×10-6モル/分、N源としてアンモニ
アガスを4.0リットル/分、キャリアガスとして水素
ガスを2.0リットル/分で流しながら、GaNバッフ
ァ層を200オングストロームの膜厚で成長させる。
The present invention will be described in detail with reference to the following examples. [Example 1] First, a well-cleaned sapphire substrate is placed on a susceptor in a reaction vessel. After evacuating the inside of the container, the substrate is heated at 1050 ° C. for 20 minutes while flowing hydrogen gas to remove the oxide on the surface. Then increase the temperature to 5
It was cooled to 10 ° C and T was used as a Ga source at 510 ° C.
The GaN buffer layer has a film thickness of 200 angstrom while flowing MG gas at 27 × 10 −6 mol / min, ammonia gas as N source at 4.0 liter / min, and hydrogen gas at 2.0 liter / min as carrier gas. Grow with.

【0025】次にTMGガスのみを止めて温度を103
0℃まで上昇させた後、再びTMGガスを54×10-6
モル/分、新たにCp2Mg(シクロペンタジエニルマ
グネシウム)ガスを3.6×10-6モル/分で流しなが
ら60分間成長させて、MgをドープしたGaN層を4
μmの膜厚で成長させる。
Next, only the TMG gas is stopped and the temperature is set to 103
After raising the temperature to 0 ° C., TMG gas was again added to 54 × 10 −6
Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium) gas was newly added at a flow rate of 3.6 × 10 −6 mol / min for 60 minutes to grow a Mg-doped GaN layer at 4 mol / min.
Grow with a film thickness of μm.

【0026】冷却後、以上を成長させたウエハーを反応
容器から取り出し、アニーリング装置に入れ、常圧、窒
素雰囲気中で800℃で20分間保持してアニーリング
を行った。
After cooling, the wafer thus grown was taken out of the reaction vessel, placed in an annealing apparatus, and annealed by holding it at 800 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere at normal pressure.

【0027】アニーリングして得られたp型GaN層の
ホール測定を行った結果、抵抗率2Ω・cm、ホールキャ
リア濃度2×1017/cm3と優れたp型特性を示した。
As a result of hole measurement of the p-type GaN layer obtained by annealing, excellent p-type characteristics such as a resistivity of 2 Ω · cm and a hole carrier concentration of 2 × 10 17 / cm 3 were shown.

【0028】[実施例2]実施例1において、Mgドー
プGaN層を成長させた後、Cp2Mgガスを止め、続
いてキャップ層としてGaN層を0.5μmの膜厚で成
長させる。
Example 2 In Example 1, after growing the Mg-doped GaN layer, Cp 2 Mg gas was stopped, and then a GaN layer was grown to a thickness of 0.5 μm as a cap layer.

【0029】実施例1と同様にアニーリング装置におい
て、常圧下、窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気中、80
0℃で20分間アニーリングを行う。その後、ドライエ
ッチングにより、表面から0.5μmの層を取り除き、
キャップ層を除去してp型GaN層を露出させ、同様に
ホール測定を行った結果、抵抗率2Ω・cm、キャリア濃
度1.5×1017/cm3と優れたp型特性を示した。な
おフォトルミネッセンスの450nmの青色発光強度
は、実施例1と比較して約4倍強かった。
In the same manner as in Example 1, the annealing apparatus was operated under normal pressure in a mixed gas atmosphere of nitrogen and argon at 80 ° C.
Anneal for 20 minutes at 0 ° C. After that, a layer of 0.5 μm is removed from the surface by dry etching,
The p-type GaN layer was exposed by removing the cap layer, and the hole measurement was performed in the same manner. As a result, excellent p-type characteristics such as a resistivity of 2 Ω · cm and a carrier concentration of 1.5 × 10 17 / cm 3 were exhibited. The blue emission intensity of photoluminescence at 450 nm was about 4 times stronger than that in Example 1.

【0030】[実施例3]実施例1において、Mgドー
プGaN層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、アニーリング装置において、20気圧、窒素雰
囲気中、800℃で20分間アニーリングを行う。ホー
ル測定を行った結果、抵抗率2Ω・cm、キャリア濃度
2.0×1017/cm3と優れたp型特性を示し、フォト
ルミネッセンスの450nmの発光強度は、実施例1に
比較して約4倍強かった。
[Example 3] In Example 1, after growing the Mg-doped GaN layer, the wafer was taken out of the reaction vessel and annealed at 20 atm in a nitrogen atmosphere at 800 ° C for 20 minutes. As a result of Hall measurement, it showed excellent p-type characteristics with a resistivity of 2 Ω · cm and a carrier concentration of 2.0 × 10 17 / cm 3, and the photoluminescence intensity of 450 nm was about the same as that of Example 1. It was four times stronger.

【0031】[実施例4]実施例1において、Mgドー
プGaN層を成長させた後、ウエハーを反応容器から取
り出し、プラズマCVD装置を用い、その上にキャップ
層としてSiO2層を0.5μmの膜厚で形成する。
Example 4 In Example 1, after the Mg-doped GaN layer was grown, the wafer was taken out of the reaction container and a plasma CVD apparatus was used to deposit a SiO 2 layer having a thickness of 0.5 μm as a cap layer thereon. It is formed with a film thickness.

【0032】アニーリング装置において、窒素雰囲気、
大気圧中、1000℃で20分間アニーリングを行う。
その後、フッ酸でSiO2キャップ層を取り除き、p型
GaN層を露出させ、同様にホール測定を行った結果、
抵抗率2Ω・cm、キャリア濃度2.0×1017/cm3と優
れたp型特性を示した。またフォトルミネッセンスの4
50nmの発光強度は、キャップ層を形成せず同一条件
でアニーリングを行ったものと比較して、約20倍も強
かった。
In the annealing apparatus, a nitrogen atmosphere,
Anneal for 20 minutes at 1000 ° C. under atmospheric pressure.
After that, the SiO 2 cap layer was removed with hydrofluoric acid to expose the p-type GaN layer, and the hole measurement was performed in the same manner.
It exhibited excellent p-type characteristics with a resistivity of 2 Ω · cm and a carrier concentration of 2.0 × 10 17 / cm 3 . In addition, 4 of photoluminescence
The emission intensity at 50 nm was about 20 times stronger than that of the case where annealing was performed under the same conditions without forming the cap layer.

【0033】[実施例5]実施例1において、Mgドー
プGaN層を成長させた後、引き続き、Cp2Mgガス
を止め、新たにTMAガスを6×10-6モル/分とSi
4(モノシラン)ガスを2.2×10-10モル/分を2
0分間流して、Siがドープされたn型Ga0.9Al0.1
N層を0.8μmの厚さで成長させる。
[Embodiment 5] In Embodiment 1, after the Mg-doped GaN layer is grown, Cp 2 Mg gas is stopped and new TMA gas is added at 6 × 10 -6 mol / min Si.
2.2 × 10 -10 mol / min of H 4 (monosilane) gas to 2
Flowing for 0 minutes, n-type Ga 0.9 Al 0.1 doped with Si
The N layer is grown to a thickness of 0.8 μm.

【0034】TMGガス、TMAガス、SiH4ガスを
止め、水素ガスとアンモニアガスを流しながら、室温ま
で冷却した後、ウエハーを取りだして、アニーリング装
置に入れ、窒素雰囲気中で700℃で20分間保持して
アニーリングを行う。
After stopping the TMG gas, TMA gas and SiH 4 gas and cooling to room temperature while flowing hydrogen gas and ammonia gas, the wafer was taken out and placed in an annealing apparatus and kept at 700 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. And do annealing.

【0035】このようにしてサファイア基板上にp型G
aN層とn型Ga0.9Al0.1N層が順に積層されたシン
グルへテロ構造の素子ができた。この素子の窒化物半導
体層を、常法に従いn型Ga0.9Al0.1N層の一部をエ
ッチングしてp型GaN層の一部を露出させ、それぞれ
の層にオーミック電極をつけた後、ダイシングソーでチ
ップ状にカットした。露出したn型層およびp型層から
電極を取りだし、その後モールドして青色発光ダイオー
ドを作製した。この発光ダイオードの特性は順方向電流
20mA、順方向電圧5Vで発光出力90μWの青色発
光を示し、ピーク波長は430nmであった。この発光
出力は青色発光ダイオードの出力としては過去に報告さ
れたことがない高い値である。
Thus, the p-type G is formed on the sapphire substrate.
An element having a single hetero structure in which an aN layer and an n-type Ga 0.9 Al 0.1 N layer were sequentially stacked was obtained. In the nitride semiconductor layer of this device, a part of the n-type Ga 0.9 Al 0.1 N layer was etched by a conventional method to expose a part of the p-type GaN layer, and ohmic electrodes were attached to the respective layers, followed by dicing. It was cut into chips with a saw. Electrodes were taken out from the exposed n-type layer and p-type layer and then molded to produce a blue light emitting diode. The characteristics of this light emitting diode showed blue light emission with a light emission output of 90 μW at a forward current of 20 mA and a forward voltage of 5 V, and the peak wavelength was 430 nm. This light emission output is a high value that has never been reported as the output of the blue light emitting diode.

【0036】一方、アニーリングをせず、同様のシング
ルへテロ構造を有する発光ダイオードを製作したとこ
ろ、この発光ダイオードは順方向電流20mAにおい
て、順方向電圧は60V近くもあり、しかも発光は微か
には黄色っぽく光るのみで、すぐに壊れてしまい発光出
力は測定不能であった。
On the other hand, when a light emitting diode having the same single hetero structure was manufactured without annealing, the light emitting diode had a forward voltage of about 60 V at a forward current of 20 mA and emitted light only slightly. It only glowed yellowish and soon broke, and the emission output could not be measured.

【0037】[実施例6]実施例1と同様にしてサファ
イア基板の上にGaNバッファ層を200オングストロ
ームの膜厚で形成する。
[Embodiment 6] Similar to Embodiment 1, a GaN buffer layer is formed on a sapphire substrate to a thickness of 200 Å.

【0038】次にTMGガスのみを止め、温度を103
0℃にまで上昇させた後、再びTMGガスを54×10
-6モル/分と、新たにSiH4(モノシラン)ガスを
2.2×10-10モル/分で流しながら60分間成長さ
せて、Siがドープされたn型GaN層を4μmの膜厚
で成長する。
Next, only the TMG gas is stopped and the temperature is set to 103
After raising the temperature to 0 ° C., TMG gas was again 54 × 10 5.
-6 mol / min and SiH 4 (monosilane) gas at a flow rate of 2.2 × 10 −10 mol / min for 60 minutes to grow a Si-doped n-type GaN layer with a thickness of 4 μm. grow up.

【0039】続いてSiH4ガスを止め、Cp2Mgガス
を3.6×10-6モル/分で流しながら30分間成長さ
せて、MgドープGaN層を2.0μmの厚さで成長さ
せる。
Then, the SiH 4 gas is stopped, and Cp 2 Mg gas is grown at a flow rate of 3.6 × 10 -6 mol / min for 30 minutes to grow the Mg-doped GaN layer to a thickness of 2.0 μm.

【0040】TMGガス、Cp2Mgガスを止め、水素
ガスとアンモニアガスを流しながら、室温まで冷却した
後、反応容器内に流れるガスを窒素ガスに置換し、窒素
ガスを流しながら反応容器内の温度を1000℃まで上
昇させ、反応容器内で20分間保持してアニーリングを
行う。
After stopping the TMG gas and Cp 2 Mg gas and cooling to room temperature while flowing hydrogen gas and ammonia gas, the gas flowing in the reaction vessel was replaced with nitrogen gas, and nitrogen gas was flowed in the reaction vessel. The temperature is raised to 1000 ° C. and kept in the reaction vessel for 20 minutes for annealing.

【0041】このようにして得られた素子を実施例4と
同様にして発光ダイオードにして発光させたところ43
0nm付近に発光ピークを持つ青色発光を示し、発光出
力は20mAで50μWであり、順方向電圧は同じく2
0mAで4Vであった。またアニーリングを行わず同様
の構造の素子を作製し発光ダイオードとしたところ、2
0mAにおいてわずかに黄色に発光し、すぐにダイオー
ドが壊れてしまった。
The device thus obtained was used as a light emitting diode to emit light in the same manner as in Example 43.
It exhibits blue light emission with an emission peak near 0 nm, the emission output is 50 μW at 20 mA, and the forward voltage is 2 as well.
It was 4 V at 0 mA. Moreover, when an element having the same structure was manufactured as a light emitting diode without performing annealing, 2
It emitted a slight yellow light at 0 mA and immediately the diode broke.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上述べたように本発明の発光素子は、
従来p型不純物をドープしても低抵抗なp型とならなか
った窒化物半導体に対して、低抵抗なp型を有してp−
n接合が実現できるため、数々の構造の素子を提供する
ことができる。さらに、従来の電子線照射による方法で
は最上層の極表面しか低抵抗化できなかったが、本発明
ではアニーリングによってp型不純物がドープされた窒
化物半導体層を全体をp型化できるため、面内均一にし
かも深さ方向均一にp型化でき、しかもどこの層にでも
p型層を形成できる。また厚膜の層を形成することがで
きるため、高輝度な青色発光素子を得ることができる。
As described above, the light emitting device of the present invention is
In contrast to a nitride semiconductor that does not have a low resistance p-type even when doped with a p-type impurity in the past, it has a p-type with a low resistance.
Since n-junction can be realized, it is possible to provide devices having various structures. Further, the conventional method using electron beam irradiation can reduce the resistance of only the uppermost surface, but in the present invention, the entire surface of the nitride semiconductor layer doped with p-type impurities can be made p-type by annealing. The p-type layer can be formed uniformly inside and even in the depth direction, and the p-type layer can be formed on any layer. In addition, since a thick film layer can be formed, a high-luminance blue light emitting element can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の一実施例に係るアニーリング温度
と、抵抗率の関係を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an annealing temperature and a resistivity according to an example of the present invention.

【図2】 本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶
性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a comparison of crystallinity of p-type GaN layers according to an example of the present invention by photoluminescence intensity.

【図3】本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶性
をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a comparison of crystallinity of p-type GaN layers according to an example of the present invention by photoluminescence intensity.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 気相成長法により、基板上に、少なくと
もn型窒化ガリウム系化合物半導体層と、p型不純物が
ドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層とを成長さ
せた後、全体を400℃以上の温度でアニーリングする
ことにより得られた、少なくとも一つのp−n接合を有
する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
1. After growing at least an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a p-type impurity-doped gallium nitride compound semiconductor layer on a substrate by a vapor phase epitaxy method, the whole is grown at 400 ° C. A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device having at least one pn junction obtained by annealing at the above temperature.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0940490A (en) * 1995-07-27 1997-02-10 Hitachi Cable Ltd Production of gallium nitride crystal
US6117700A (en) * 1998-09-09 2000-09-12 Matsushita Electronics Corporation Method for fabricating semiconductor device having group III nitride
US6562129B2 (en) 2000-04-21 2003-05-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Formation method for semiconductor layer
JPWO2007007589A1 (en) * 2005-07-08 2009-01-29 日本電気株式会社 Field effect transistor and manufacturing method thereof
JP2011084469A (en) * 1997-10-30 2011-04-28 Sumitomo Electric Ind Ltd METHOD AND INGOT FOR MANUFACTURING GaN SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0940490A (en) * 1995-07-27 1997-02-10 Hitachi Cable Ltd Production of gallium nitride crystal
JP2011084469A (en) * 1997-10-30 2011-04-28 Sumitomo Electric Ind Ltd METHOD AND INGOT FOR MANUFACTURING GaN SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE
US6117700A (en) * 1998-09-09 2000-09-12 Matsushita Electronics Corporation Method for fabricating semiconductor device having group III nitride
US6562129B2 (en) 2000-04-21 2003-05-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Formation method for semiconductor layer
US7108745B2 (en) 2000-04-21 2006-09-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Formation method for semiconductor layer
JPWO2007007589A1 (en) * 2005-07-08 2009-01-29 日本電気株式会社 Field effect transistor and manufacturing method thereof

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