JPH10256666A - Crystal growth method of nitride based compound semiconductor and semiconductor light emitting element - Google Patents

Crystal growth method of nitride based compound semiconductor and semiconductor light emitting element

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JPH10256666A
JPH10256666A JP9058798A JP5879897A JPH10256666A JP H10256666 A JPH10256666 A JP H10256666A JP 9058798 A JP9058798 A JP 9058798A JP 5879897 A JP5879897 A JP 5879897A JP H10256666 A JPH10256666 A JP H10256666A
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JP
Japan
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nitride
buffer layer
compound semiconductor
based compound
layer
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JP9058798A
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Japanese (ja)
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Kenji Uchida
憲治 内田
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve flatness of the surface of a buffer layer, by forming a multilayered film structure of an amorphous buffer layer on a substrate, and epitaxially growing nitride based compound semiconductor crystal on the buffer layer surface. SOLUTION: An N-GaN contact layer 4, N-GaN 5, an undoped multiple quantum well active layer 11, and a P-GaN clad layer 7 are grown again in order on N-GaN buffer layers 2, 3. After an etching mask is formed on the P-GaN clad layer 7, a waveguide structure 12 is formed. The etching mask is used as a mask for selective growth, and an N-GaN current constriction layer 13 is selectively formed. The etching mask is eliminated, and buried growth is performed by the P-GaN contact layer 8. After etching is performed as far as a part of the N-GaN contact layer 4, and a P side electrode 9 and an N side electrode 10 are formed, a resonator is formed and made a chip. Finally a low reflection film 14 and a high reflection film 15 are formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、Al,Ga,In等のIII
族元素とN,P,As,Sb等のV族元素とからなるIII−V族
化合物半導体のうち、構成元素として少なくとも窒素
(N)元素を含む半導体材料(以下、本明細書中にて
「窒化物系化合物半導体」と呼ぶ)の結晶成長方法に関
し、特に半導体発光素子を製造するに好適な高品質なエ
ピタキシャル層を結晶成長する方法及びこれを応用した
半導体発光素子の製造方法に係わる。また本発明は、紫
外領域から可視領域に亘る範囲のいずれかの波長の自然
放出発光を利用した発光ダイオード及び誘導放出光を利
用する半導体レーザ素子構造等に好適な半導体発光素子
(窒化物系化合物半導体発光素子)の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing an Al, Ga, In, etc.
Semiconductor materials containing at least nitrogen (N) as a constituent element among III-V compound semiconductors comprising a group V element and a group V element such as N, P, As, Sb (hereinafter referred to as " In particular, the present invention relates to a method for growing a high-quality epitaxial layer suitable for manufacturing a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing a semiconductor light emitting device using the same. The present invention also provides a semiconductor light emitting device (nitride-based compound) suitable for a light emitting diode using spontaneous emission light of any wavelength in a range from the ultraviolet region to the visible region, a semiconductor laser device structure using stimulated emission light, and the like. Semiconductor light-emitting device).

【0002】[0002]

【従来の技術】GaNを中心としたAlN、InN結晶
から成る(AlxGa1-x1-yInyN窒化物系化合物半
導体四元混晶は、 室温で約3.4eVから6.2eVの
バンドギャップエネルギを有し、且つ、全ての組成領域
において直接遷移型であることから、次世代の短波長発
光素子材料として有望である。しかし、これら窒化物系
化合物半導体は、同様なIII−V族化合物半導体である
GaAs、InP等に比べ、格子整合する良質な基板結
晶が無い。
2. Description of the Related Art A quaternary mixed crystal of (Al x Ga 1 -x ) 1 -y In y N nitride-based compound semiconductor composed of AlN and InN crystals centering on GaN is about 3.4 eV to 6. Since it has a band gap energy of 2 eV and is a direct transition type in all composition regions, it is promising as a next-generation short-wavelength light emitting device material. However, these nitride-based compound semiconductors do not have high-quality substrate crystals that are lattice-matched as compared to similar III-V compound semiconductors such as GaAs and InP.

【0003】窒化物系化合物半導体は、ウルツ鉱型(六
方晶系)の結晶構造を有する点で、閃亜鉛鉱型(立方晶
系)の結晶構造を有するGaAs、InP等と異なる。
現在、窒化物系化合物半導体の結晶成長では、同様な六
方晶構造を有するサファイア結晶が主に基板として用い
られている。しかし、(0001)面のサファイア基板
とGaN結晶間では、約16%近くもの格子不整合が存
在する。このため、サファイア基板上へ窒化物系化合物
半導体層を成長しても良質なエピタキシャル膜を得るこ
とは非常に困難であった。
[0003] Nitride-based compound semiconductors differ from zinc-blende (cubic) crystal structures such as GaAs and InP in that they have a wurtzite (hexagonal) crystal structure.
At present, in crystal growth of nitride-based compound semiconductors, sapphire crystals having a similar hexagonal structure are mainly used as substrates. However, there is a lattice mismatch of about 16% between the (0001) plane sapphire substrate and the GaN crystal. For this reason, even if a nitride-based compound semiconductor layer is grown on a sapphire substrate, it has been very difficult to obtain a high-quality epitaxial film.

【0004】これに対し、基板上に低い成長温度でバッ
ファ層となる結晶を形成した後に、窒化物系化合物半導
体を高温にて成長する2段階法が提案された(S.Nakamu
ra,Jpn.J.Appl.Phys.誌、Vol.30,pp.L1705(1991
年)及び特開平4−297023号公報参照)。後者の公報
は、窒化物系化合物半導体からなる上述のバッファ層を
200℃から900℃の成長温度で形成せねばならないことを
教示するが、また好適な成長温度として600℃を例示
し、この条件でバッファ層が多結晶状態で形成されるこ
とを開示する。このような知見に基づき、サファイア基
板上に約600度の低温で非晶質又は多結晶のGaNバ
ッファ層を形成後、約1000度の高温まで昇温してバ
ッファ層上に窒化物系化合物半導体層を成長する方法が
採用されている。
On the other hand, a two-step method has been proposed in which a crystal serving as a buffer layer is formed on a substrate at a low growth temperature and then a nitride-based compound semiconductor is grown at a high temperature (S. Nakamu).
ra, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 30, pp. L1705 (1991
Year) and JP-A-4-297023). The latter publication discloses the above-mentioned buffer layer made of a nitride-based compound semiconductor.
It teaches that it must be formed at a growth temperature of 200 ° C. to 900 ° C., but also discloses 600 ° C. as a preferred growth temperature, and discloses that the buffer layer is formed in a polycrystalline state under these conditions. Based on such knowledge, after forming an amorphous or polycrystalline GaN buffer layer on a sapphire substrate at a low temperature of about 600 ° C., the temperature is raised to a high temperature of about 1000 ° C. and a nitride-based compound semiconductor is formed on the buffer layer. A method of growing a layer is employed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のバッフ
ァ層を形成する技術には次の問題がある。低温で形成し
たGaNバッファ層は、非晶質、又は多結晶、或いは両
者が混在した構造(換言すれば、単結晶以外の構造)を
有する。バッファ層上に窒化物系化合物半導体層を成長
させる段階では、上述のようにバッファ層も900℃以上
に加熱されるため、当該層内にて再結晶化が始まる。上
述のように、窒化物系化合物半導体結晶の格子定数は、
基板の結晶の格子定数と異なるため、バッファ層が単結
晶化しても基板との間に大きな格子間歪みが生じる。こ
のため、再結晶化されたバッファ層は基板結晶に対し配
向性が低い、いわば非晶質な状態となり(まともな単結
晶とならず)、その表面の平坦性は著しく低下する。
However, the technique for forming the buffer layer has the following problems. The GaN buffer layer formed at a low temperature has an amorphous structure, a polycrystalline structure, or a structure in which both are mixed (in other words, a structure other than a single crystal structure). At the stage of growing the nitride-based compound semiconductor layer on the buffer layer, the buffer layer is also heated to 900 ° C. or higher as described above, so that recrystallization starts in the layer. As described above, the lattice constant of the nitride-based compound semiconductor crystal is
Since the lattice constant is different from that of the crystal of the substrate, a large interstitial distortion is generated between the buffer layer and the substrate even when the buffer layer is single-crystallized. For this reason, the recrystallized buffer layer has a low orientation with respect to the substrate crystal, ie, is in an amorphous state (not a proper single crystal), and the flatness of the surface is significantly reduced.

【0006】バッファ層の表面平坦性の低下は、その表
面上に窒化物系化合物半導体エピタキシャル層を成長さ
せる初期過程において、エピタキシャル成長に重要な結
晶核を低密度化し、また不均一化させる。さらには、エ
ピタキシャル成長のために供給される原料種のバッファ
層表面上での拡散を阻害する。この結果、基板結晶軸に
対して、エピタキシャル層の配向性が乱れ、その表面モ
フォロジが不均一になるという問題があった。また、こ
のようなバッファ層の表面状態の悪化は、急峻な界面平
坦性が要求される量子井戸構造の作製時にも大きな問題
となる。
[0006] The decrease in the surface flatness of the buffer layer lowers the density of crystal nuclei important for epitaxial growth and makes the crystal nuclei non-uniform in an initial step of growing a nitride-based compound semiconductor epitaxial layer on the surface. Further, the diffusion of the source species supplied for epitaxial growth on the surface of the buffer layer is inhibited. As a result, there is a problem that the orientation of the epitaxial layer is disturbed with respect to the crystal axis of the substrate, and the surface morphology becomes non-uniform. In addition, such deterioration of the surface state of the buffer layer becomes a serious problem even when a quantum well structure requiring steep interface flatness is manufactured.

【0007】本発明が解決すべき課題は、上述のバッフ
ァ層の表面平坦性が、当該バッファ層の再結晶化に伴い
劣化する問題を解消し、さらに当該表面平坦性を向上さ
せることであり、その目的は良質な窒化物系化合物半導
体結晶のエピタキシャル成長を実現することにある。
The problem to be solved by the present invention is to eliminate the problem that the surface flatness of the buffer layer is deteriorated due to the recrystallization of the buffer layer, and to further improve the surface flatness. Its purpose is to realize epitaxial growth of a high-quality nitride-based compound semiconductor crystal.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は基板上に低温で成長する非晶質なバッファ
層を多層膜構造とし、当該バッファ層の表面平坦性を向
上させて、その表面上に良質な窒化物系化合物半導体結
晶をエピタキシャル成長させる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an amorphous buffer layer which grows on a substrate at a low temperature in a multilayer structure, and improves the surface flatness of the buffer layer. Then, a good-quality nitride-based compound semiconductor crystal is epitaxially grown on the surface.

【0009】ここで、本発明の説明における「非晶質」
なる用語の定義を予め明らかにしておく。この説明にお
ける非晶質状態の領域とは、領域全体に亘りガラスのよ
うに原子配列に規則性が見出せない状態に限定されず、
例えば、領域中に細かい結晶粒(単結晶の塊)が存在す
る状態や、当該結晶粒の集合体として領域が形成される
状態(所謂多結晶状態)を含める。この定義は、例えば
電子線回折等による多結晶状態の領域の回折パターン
が、当該領域に存在する結晶粒の寸法が微小になり且つ
夫々の結晶軸の配向がランダムであると非晶質に酷似す
る事実を鑑みたものである。例えば、以下の説明にある
「より非晶質な状態」とは「結晶粒の平均的な寸法がよ
り小さく(微小に)なる状態」と捉えて頂きたい。ま
た、以下の説明においても、上述のとおりAl,Ga,In等の
III族元素とN,P,As,Sb等のV族元素とからなるIII−
V族化合物半導体のうち、構成元素として少なくとも窒
素(N)元素を含む半導体材料を便宜的に「窒化物系化
合物半導体」と称する。
Here, "amorphous" in the description of the present invention
The definition of the term is made clear in advance. The region in the amorphous state in this description is not limited to a state where regularity is not found in the atomic arrangement like glass over the entire region,
For example, a state in which fine crystal grains (lumps of single crystals) exist in a region, and a state in which a region is formed as an aggregate of the crystal grains (a so-called polycrystalline state) are included. This definition is, for example, that a diffraction pattern of a region in a polycrystalline state by electron diffraction or the like is very similar to an amorphous structure when the size of crystal grains existing in the region is small and the orientation of each crystal axis is random. It is in view of the fact that it does. For example, in the following description, “a more amorphous state” is to be understood as “a state in which the average size of crystal grains is smaller (finer)”. Also, in the following description, as described above, Al, Ga, In, etc.
III- consisting of Group III elements and Group V elements such as N, P, As, Sb
Of the group V compound semiconductors, a semiconductor material containing at least a nitrogen (N) element as a constituent element is conveniently referred to as a “nitride-based compound semiconductor”.

【0010】再び、本発明の説明に戻る。本発明におい
て、具体的に講じられる手段は以下のとおりである。第
1の手段として、基板上に形成するバッファ層は、少な
くとも第1および第2のバッファ層を備えた多層膜構造
とする。第2の手段として、第2のバッファ層の成長温
度T2を第1のバッファ層の成長温度T1よりも低く
(T1>T2)設定する。第3として、これらバッファ
層および窒化物系化合物半導体層は、(AlxGa1-x
1-yInyN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1)とする。
そして第4、5の手段として、これらのバッファ層上に
形成した窒化物系化合物半導体層を以て、発光ダイオー
ドまたはレーザダイオード素子構造を構成する。
Returning again to the description of the present invention. In the present invention, the means specifically taken are as follows. As a first means, a buffer layer formed on a substrate has a multilayer structure including at least first and second buffer layers. As a second means, the growth temperature T2 of the second buffer layer is set lower than the growth temperature T1 of the first buffer layer (T1> T2). Third, the buffer layer and the nitride-based compound semiconductor layer are composed of (Al x Ga 1-x )
1-y In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
As a fourth and fifth means, a light emitting diode or a laser diode element structure is constituted by using the nitride-based compound semiconductor layers formed on these buffer layers.

【0011】まず、第1の手段であるバッファ層を多層
膜構造とすることで、従来技術である単膜バッファ層の
表面状態に比べ、その平坦性を向上させることができ
る。これは、第2の手段である、第2のバッファ層の成
長を第1のバッファ層よりも低い温度で行うことによっ
て達成できる。第1のバッファ層は、成長温度が高いた
めに基板結晶への配向性が強く、さらに基板との大きな
格子不整合を反映して、その表面状態は悪化する。これ
に対し、第2のバッファ層は、その成長温度を第1のバ
ッファ層よりも低くすることによって、その配向性を弱
くすることができる。つまり、第2のバッファ層の結晶
性を低下させ、より非晶質な状態とする。このような第
2のバッファ層は、表面平坦性が低い第1のバッファ層
の表面状態を改善する作用がある。この結果、昇温後の
バッファ層における結晶核密度を高く、且つ、均一に形
成でき、良質な窒化物系化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長することができる。この結晶核形成の均一化は、
結晶欠陥の密度を従来技術よりも低減させる効果もあ
る。
First, when the buffer layer, which is the first means, has a multilayer structure, the flatness can be improved as compared with the surface state of the conventional single-layer buffer layer. This can be achieved by performing the second means of growing the second buffer layer at a lower temperature than the first buffer layer. Since the first buffer layer has a high growth temperature, it has a strong orientation to the substrate crystal, and its surface state is deteriorated by reflecting a large lattice mismatch with the substrate. On the other hand, the orientation of the second buffer layer can be weakened by setting the growth temperature lower than that of the first buffer layer. That is, the crystallinity of the second buffer layer is reduced to make the second buffer layer more amorphous. Such a second buffer layer has an effect of improving the surface condition of the first buffer layer having low surface flatness. As a result, the crystal nucleus density in the buffer layer after the temperature rise can be increased and uniform, and a high-quality nitride-based compound semiconductor layer can be epitaxially grown. This uniform nucleation of crystal nuclei
There is also an effect of reducing the density of crystal defects as compared with the prior art.

【0012】以上に対し、本発明とは逆に、第2のバッ
ファ層の成長温度を第1のバッファ層よりも高くした場
合には、基板とバッファ層の界面よりもバッファ層表面
での配向性が強くなる。つまり、バッファ層を多層膜構
造としても、その表面状態は悪化し、結晶核の形成が不
均一となる。その結果、良質な窒化物系化合物半導体層
をエピタキシャル成長することはできない。
In contrast to the above, when the growth temperature of the second buffer layer is higher than that of the first buffer layer, the orientation on the surface of the buffer layer is higher than the interface between the substrate and the buffer layer. Becomes stronger. That is, even if the buffer layer has a multilayer structure, the surface state is deteriorated, and the formation of crystal nuclei becomes uneven. As a result, a high-quality nitride-based compound semiconductor layer cannot be epitaxially grown.

【0013】以上に記した本発明の根拠に関し、ある限
定された局面から捉えた半導体光素子の製造プロセスに
係る現象に対する発明者の考察を交えて以下に具体的な
説明を記す。
With respect to the grounds of the present invention described above, a specific description will be given below with consideration of a phenomenon relating to a manufacturing process of a semiconductor optical device from a limited aspect by the inventor.

【0014】まず、本発明者が認識した「転位の問題」
について述べる。結晶基体(単結晶の基板又はその上に
エピタキシャル成長された単結晶膜)上に200℃から900
℃の範囲の成長温度で形成された窒化物系化合物半導体
膜(バッファ層)は、非晶質状態で形成される。当該非
晶質半導体膜に含まれる結晶粒の平均的な寸法(例え
ば、粒径)は、成長温度の上昇に従い大きくなる。そし
て、結晶粒が大きくなるほど再結晶工程による単結晶膜
形成に要する時間も短くなる。再結晶工程において非晶
質半導体層は、これが形成される結晶基体の結晶軸の配
向に上述の結晶粒が律せられ且つ結晶粒同志が合体する
ことで単結晶化するものと考えられる。しかし、結晶基
体の格子定数とバッファ層を構成する材料が結晶化した
際に有する「本来の格子定数」とに隔たりがあると、単
結晶化したバッファ層中には多くの転位(ミスフィット
転位等)が発生する。転位は、結晶基体とバッファ層と
の界面に接する領域における単結晶化を起点に、単結晶
化がバッファ層上面に向けて進行するに伴い、当該界面
からバッファ層上面に向けて延伸する。従って、バッフ
ァ層上面に成長される窒化物系化合物半導体結晶の転位
を防ぐには、当該窒化物系化合物半導体の結晶成長をバ
ッファ層上面に転位が到達する前に開始させることが重
要である。
First, the "dislocation problem" recognized by the present inventors.
Is described. 200 ° C to 900 ° C on a crystal substrate (single crystal substrate or single crystal film epitaxially grown on it)
The nitride-based compound semiconductor film (buffer layer) formed at a growth temperature in the range of ° C. is formed in an amorphous state. The average size (eg, particle size) of the crystal grains contained in the amorphous semiconductor film increases as the growth temperature increases. And, as the crystal grains become larger, the time required for forming a single crystal film by the recrystallization step becomes shorter. In the recrystallization step, the amorphous semiconductor layer is considered to be single-crystallized by the above-mentioned crystal grains being restricted by the orientation of the crystal axis of the crystal base on which the amorphous semiconductor layer is formed, and by combining the crystal grains. However, if there is a gap between the lattice constant of the crystal substrate and the “original lattice constant” of the material constituting the buffer layer when the material constituting the buffer layer is crystallized, many dislocations (misfit dislocations) are present in the single crystallized buffer layer. Etc.) occur. Dislocations start from single crystallization in a region in contact with the interface between the crystal substrate and the buffer layer, and extend from the interface toward the upper surface of the buffer layer as the single crystallization progresses toward the upper surface of the buffer layer. Therefore, in order to prevent dislocation of the nitride-based compound semiconductor crystal grown on the upper surface of the buffer layer, it is important to start crystal growth of the nitride-based compound semiconductor before the dislocation reaches the upper surface of the buffer layer.

【0015】次に、本発明者が認識した「界面の安定性
の問題」について述べる。窒化物系化合物半導体からな
るバッファ層の成長温度を低くする場合、結晶基体に安
定に形成されるかが問題となる。この問題は上述の公報
でも指摘されているが、本発明者は更に成長温度200℃
以上の条件においても検討を加えた。即ち、窒化物系化
合物半導体の結晶成長に採用される結晶基板として、現
在サファイア(Al23)、酸化亜鉛(ZnO)、炭化
珪素(SiC)等の六方晶系の結晶構造を有する材料が
採用されている。これらの構成元素及び組成からみて明
らかなように、結晶基板と窒化物系化合物半導体は異質
な材料である。従って、窒化物系化合物半導体同志をヘ
テロ接合させる場合に比べて、界面における結晶基板の
構成原子と窒化物系化合物半導体の構成原子との結合の
安定性に十分な配慮を要する。本発明者は、バッファ層
の成長温度は配慮されるべきパラメータの一つであり、
また結晶粒の寸法による非晶質層の堅牢性(堅さ)も考
慮すべきパラメータの一つであると認識した。
Next, the "problem of interface stability" recognized by the present inventors will be described. When lowering the growth temperature of the buffer layer made of a nitride-based compound semiconductor, there is a problem whether the buffer layer is formed stably on the crystal substrate. Although this problem has been pointed out in the above-mentioned publication, the present inventor further requires a growth temperature of 200 ° C.
Investigations were also made under the above conditions. That is, a material having a hexagonal crystal structure such as sapphire (Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), or silicon carbide (SiC) is currently used as a crystal substrate used for crystal growth of a nitride-based compound semiconductor. Has been adopted. As is apparent from these constituent elements and compositions, the crystal substrate and the nitride-based compound semiconductor are different materials. Therefore, as compared with the case where the nitride-based compound semiconductors are heterojunction, it is necessary to pay more attention to the stability of bonding between the constituent atoms of the crystal substrate and the constituent atoms of the nitride-based compound semiconductor at the interface. The inventor has noted that the growth temperature of the buffer layer is one of the parameters to be considered,
It was also recognized that the robustness (hardness) of the amorphous layer depending on the size of the crystal grains was one of the parameters to be considered.

【0016】さらに、本発明者が認識した「バッファ層
上面の平坦性の問題」について述べる。本発明者は、バ
ッファ層に含まれる結晶粒がある程度の大きさになる
と、当該バッファ層の上面に形成した凹凸が、当該上面
における窒化物系化合物半導体結晶の成長に悪影響を及
ぼすことを見出した。即ち、窒化物系化合物半導体結晶
を構成すべくバッファ層上面に供給されるIII族元素及
びV族元素の各原子が凹部に局在し易くなるため、これ
らの原子により形成される結晶核(窒化物系化合物半導
体の結晶成長の種)がバッファ層上面にて均一に分布し
なくなり、その結果、結晶成長が不均一なものとなる。
900℃以上の高温を要する窒化物系化合物半導体の結晶
成長条件では、バッファ層の結晶粒を核とした単結晶化
の進行がバッファ層上面の凹凸を更に助長するため、窒
化物系化合物半導体の不均一な結晶成長の問題は更に深
刻になる。
Furthermore, the "problem of the upper surface of the buffer layer" recognized by the present inventors will be described. The inventor has found that when the crystal grains contained in the buffer layer have a certain size, the irregularities formed on the upper surface of the buffer layer adversely affect the growth of the nitride-based compound semiconductor crystal on the upper surface. . That is, since the atoms of the group III element and the group V element supplied to the upper surface of the buffer layer to form the nitride-based compound semiconductor crystal are more likely to be localized in the concave portions, the crystal nuclei formed by these atoms (nitride Of the compound-based compound semiconductor) is not uniformly distributed on the upper surface of the buffer layer, and as a result, the crystal growth becomes non-uniform.
Under the crystal growth conditions of a nitride-based compound semiconductor requiring a high temperature of 900 ° C. or more, the progress of single crystallization with the crystal grains of the buffer layer as nuclei further promotes the unevenness on the upper surface of the buffer layer, and thus the nitride-based compound semiconductor The problem of non-uniform crystal growth is exacerbated.

【0017】以上の問題点を考慮し、本発明者はバッフ
ァ層を、結晶基体上に結晶粒の平均的な大きさが異なる
少なくとも2層の窒化物系化合物半導体の非晶質層(但
し、再結晶工程前の態様)で形成することを着想した。
そして、結晶基体上に形成される第1のバッファ層に含
まれる結晶粒の平均的な寸法が、第1のバッファ層上に
形成される第2のバッファ層に含まれる結晶粒の平均的
な寸法より大きい条件を満たすときに、次の作用が現れ
ることを見出した。
In consideration of the above problems, the present inventor has proposed that a buffer layer be formed on a crystal substrate by forming at least two amorphous nitride compound semiconductor layers having different average sizes of crystal grains (however, (Formation before the recrystallization step).
Then, the average size of the crystal grains included in the first buffer layer formed on the crystal substrate is equal to the average size of the crystal grains included in the second buffer layer formed on the first buffer layer. It has been found that when the condition larger than the size is satisfied, the following action appears.

【0018】まず、第1の作用として、第2のバッファ
層の結晶粒の大きさを適度に抑えると、第2バッファ層
上面の凹凸の度合いはかなり軽減され、当該上面におけ
る窒化物系化合物半導体結晶の成長が実質上均一に行わ
れることを見出した。この現象は、第2のバッファ層上
に更に別のバッファ層を設けても認められた。これは、
第2のバッファ層に含まれる結晶粒が十分小さいため、
第1のバッファ層上面の凹部を埋込んでなめらかな表面
を形成し、また加熱時においても第2のバッファ層にお
ける単結晶化の進行が遅いために第1のバッファ層上面
の凹凸の増長を十分吸収できることによるものと考えら
れる。
First, as a first effect, when the size of crystal grains of the second buffer layer is appropriately suppressed, the degree of unevenness on the upper surface of the second buffer layer is considerably reduced, and the nitride-based compound semiconductor on the upper surface is reduced. It has been found that crystal growth occurs substantially uniformly. This phenomenon was observed even when another buffer layer was provided on the second buffer layer. this is,
Since the crystal grains contained in the second buffer layer are sufficiently small,
The concave portion on the upper surface of the first buffer layer is buried to form a smooth surface, and even during heating, since the progress of single crystallization in the second buffer layer is slow, the unevenness on the upper surface of the first buffer layer is increased. This is probably due to sufficient absorption.

【0019】第2の作用として、第2のバッファ層上又
はその上に形成された別のバッファ層上にて成長される
窒化物系化合物半導体結晶の転位が低減できることを見
出した。これも、第2のバッファ層に含まれる結晶粒を
第1のバッファ層のそれより小さくしたことによる、第
2のバッファ層の単結晶化の遅延によるものと考えられ
る。ここに記す第2のバッファ層の単結晶化の遅延と
は、特に第1のバッファ層との界面に接した領域の結晶
粒を核に第2のバッファ層の上面に向けて進む単結晶化
の遅延を指す。
As a second effect, it has been found that dislocation of a nitride-based compound semiconductor crystal grown on the second buffer layer or on another buffer layer formed thereon can be reduced. This is also considered to be due to the delay in single crystallization of the second buffer layer due to the fact that the crystal grains contained in the second buffer layer were made smaller than those of the first buffer layer. The delay in the single crystallization of the second buffer layer described herein refers to the single crystallization that proceeds toward the upper surface of the second buffer layer with the crystal grains in the region in contact with the interface with the first buffer layer as nuclei. Delay.

【0020】窒化物系化合物半導体からなる双方のバッ
ファ層の単結晶化、即ち昇温時における再結晶工程は、
ともにバッファ層内に存在する結晶粒を核として進行す
る。第1のバッファ層では、結晶粒が大きいため単結晶
化も速い。このため、結晶基体と接して存在する結晶粒
を核とする、いわば結晶基体の配向や格子定数の影響を
受けた単結晶領域は第1のバッファ層上面に到達しやす
く、また当該単結晶領域と上面近傍に存在する結晶粒を
核として単結晶化される領域とが合体する際の衝撃も大
きいものと予想される。従って、第1のバッファ層内に
おいて転位は結晶基体との界面を起点にその上面に向け
て延伸し易くなる。
The single crystallization of both buffer layers made of a nitride-based compound semiconductor, that is, the recrystallization step at the time of raising the temperature,
Both proceed with crystal grains existing in the buffer layer as nuclei. In the first buffer layer, single crystallization is fast because the crystal grains are large. For this reason, a single crystal region having crystal grains existing in contact with the crystal substrate as nuclei, that is, influenced by the orientation and lattice constant of the crystal substrate, easily reaches the upper surface of the first buffer layer. It is expected that the impact when the region and the region which is single crystallized with the crystal grains existing in the vicinity of the upper surface as a nucleus will be large. Therefore, dislocations in the first buffer layer are likely to extend from the interface with the crystal substrate toward the upper surface thereof.

【0021】これに対し、第2のバッファ層では、結晶
粒が小さいため単結晶化も遅い。また、再結晶工程の初
期にて第1のバッファ層との界面に接して存在する結晶
粒を核とする単結晶化でさえも、結晶基体の配向や格子
定数の影響を受けずに窒化物系化合物半導体の本来有す
る結晶構造を以て進行する。さらに、結晶粒毎に形成さ
れる単結晶領域の合体も緩やかとなる。このため、第1
のバッファ層との界面に近い領域で転位を継承するも、
これが第2のバッファ層の上面に到達する確率をかなり
低減できる。従って、第2バッファ層の上面付近におけ
る単結晶化に対する結晶基体の影響が低減され、その結
果、第2バッファ層上面に成長する窒化物系化合物半導
体結晶の転位が低減されるのである(上記第2の作
用)。
On the other hand, in the second buffer layer, single crystallization is slow because of small crystal grains. In addition, even in the case of single crystallization with crystal grains as nuclei existing in contact with the interface with the first buffer layer in the early stage of the recrystallization step, the nitride is not affected by the orientation of the crystal substrate and the lattice constant. It proceeds with the intrinsic crystal structure of the base compound semiconductor. Further, the coalescence of the single crystal regions formed for each crystal grain also becomes gentle. Therefore, the first
Inherit dislocations in the area near the interface with the buffer layer of
This can significantly reduce the probability of reaching the upper surface of the second buffer layer. Therefore, the influence of the crystal base on the single crystallization near the upper surface of the second buffer layer is reduced, and as a result, the dislocation of the nitride-based compound semiconductor crystal growing on the upper surface of the second buffer layer is reduced (see the above-described second embodiment). 2).

【0022】上述の2つの作用を具現化する一つの手段
として、第1バッファ層及び第2バッファ層の成長温度
を変えることが上げられる。成長温度の具体的な値は、
その他の成長条件により若干の変動を受けるが、望まし
き一例として、第1のバッファ層の成長温度T1を550
℃≦T1≦650℃、第2のバッファ層の成長温度T2を4
50℃≦T2≦550℃に夫々設定し、プロセスにて第1の
バッファ層を成長後、成長温度を下げて第2のバッファ
層を成長することを推奨する。窒化物系化合物半導体の
成長温度を500℃前後迄下げていくと、六方晶系の結晶
粒とともに立方晶系の結晶粒が生成する。このため、上
述の第2バッファ層の再結晶工程において、立方晶系の
結晶粒を核とした単結晶化現象が窒化物系化合物半導体
の単結晶化(六方晶系)の過程で新たな結晶欠陥を形成
する問題が危惧される。しかし、本発明者が調べた限り
では、この問題の出現は認められなかった。これは、第
2バッファ層の緩やかな再結晶工程において、立方晶系
の結晶粒は六方晶系の結晶粒を核とした単結晶に吸収さ
れて消滅するためと考えられる。
One of the means for realizing the above two functions is to change the growth temperatures of the first buffer layer and the second buffer layer. The specific value of the growth temperature is
Although a slight variation is caused by other growth conditions, as a desirable example, the growth temperature T1 of the first buffer layer is set to 550.
C. ≦ T1 ≦ 650 ° C., and the growth temperature T2 of the second buffer layer is 4
After setting the first buffer layer in the process by setting 50 ° C. ≦ T2 ≦ 550 ° C., it is recommended that the growth temperature be lowered to grow the second buffer layer. When the growth temperature of the nitride-based compound semiconductor is lowered to about 500 ° C., cubic crystal grains are generated together with hexagonal crystal grains. For this reason, in the above-mentioned recrystallization step of the second buffer layer, a single crystallization phenomenon with cubic crystal grains as nuclei causes a new crystal in the process of single crystallization (hexagonal) of the nitride-based compound semiconductor. The problem of forming defects is feared. However, as far as the present inventor investigated, the appearance of this problem was not recognized. This is considered to be because the cubic crystal grains are absorbed by single crystals having hexagonal crystal grains as nuclei and disappear in the gentle recrystallization step of the second buffer layer.

【0023】再び、本発明の概要説明に戻る。Return to the description of the outline of the present invention.

【0024】次に、第3、第4および第5の手段である
(AlxGa1-x1-yInyN窒化物系化合物半導体を用
いて発光ダイオードまたはレーザ素子構造を形成するこ
とは、紫外領域から可視領域の発光を実現するためであ
る。即ち、上述のように結晶基体上に少なくとも2層の
バッファ層を形成して、この上に窒化物系化合物半導体
結晶の多層膜(少なくとも2層の窒化物系化合物半導体
層)を成長すると、従来SiC基板を利用しても108
cm-3未満には低減できないとされていた窒化物系化合
物半導体結晶の転位の密度を106cm-3以下に低減で
きる。このため、多層膜のバンドギャッププロファイル
(積層方向に対するバンドギャップの増減)を適宜設定
することで、窒化物系化合物半導体の多層膜からなる発
光ダイオードやレーザ・ダイオード等の半導体発光素子
を構成することができる。
Next, a light emitting diode or a laser device structure is formed by using the (Al x Ga 1 -x ) 1 -y In y N nitride compound semiconductor which is the third, fourth and fifth means. Is for realizing light emission from the ultraviolet region to the visible region. That is, as described above, at least two buffer layers are formed on a crystal substrate, and a multilayer film of nitride compound semiconductor crystals (at least two nitride compound semiconductor layers) is grown thereon. 10 8 even when using SiC substrate
The dislocation density of the nitride-based compound semiconductor crystal, which cannot be reduced to less than cm −3 , can be reduced to 10 6 cm −3 or less. Therefore, by appropriately setting the band gap profile (increase / decrease of the band gap in the laminating direction) of the multilayer film, a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode composed of a nitride compound semiconductor multilayer film is formed. Can be.

【0025】発光領域を構成する窒化物系化合物半導体
結晶の転位密度の低減により、この発光領域に動作電流
として注入された電子や正孔が転位による格子欠陥部分
で損失されず、確実に再結合を行って発光できる。発光
領域は、p型、n型、又はアンドープのいずれで形成し
ても支障なく、多層構造を以てpn又はpin接合を形
成してもよい。また、レーザ光を発振させる共振器構造
(ファブリ・ペロー型、分布帰還型、分布ブラッグ反射
型等)を本発明の多層バッファ層上に成長させた窒化物
系化合物半導体結晶の多層膜(少なくとも2層の窒化物
系化合物半導体層からなる積層構造内)に形成する場
合、共振器内の導波領域が転位密度106cm-3以下の
窒化物系化合物半導体結晶で構成されるため、誘導放出
の効率も格段に向上する。
By reducing the dislocation density of the nitride-based compound semiconductor crystal constituting the light emitting region, electrons and holes injected as an operating current into this light emitting region are not lost at the lattice defect portion due to the dislocation, and are surely recombined. To emit light. The light-emitting region may be formed of any of p-type, n-type, and undoped, and a pn or pin junction may be formed with a multilayer structure. In addition, a resonator structure (a Fabry-Perot type, a distributed feedback type, a distributed Bragg reflection type, etc.) for oscillating laser light is grown on the multilayer buffer layer of the present invention. (In a laminated structure composed of nitride compound semiconductor layers), the guided region in the resonator is composed of a nitride compound semiconductor crystal having a dislocation density of 10 6 cm −3 or less, so that stimulated emission occurs. Efficiency is also greatly improved.

【0026】なお、以上に説明した本発明の第1手段に
対するバッファ層構成に関し、この欄では半導体発光素
子の製造プロセス段階での非晶質層としての特徴を主に
記したが、当該半導体発光素子を完成させた段階におい
ては、上述の多層構造のバッファ層は略単結晶層の様相
を呈する(即ち、各バッファ層に存在する結晶粒の大き
さや成長温度の特徴を見出すことはできない)。そこ
で、第1手段に基づき上述の第3乃至第5手段の半導体
発光素子を完成した段階での多層構造バッファ層の構成
的な特徴は、後述の発明の実施の形態において実施例の
まとめとして説明する。
With respect to the buffer layer configuration for the first means of the present invention described above, in this section, the characteristics of the amorphous layer in the manufacturing process stage of the semiconductor light emitting device are mainly described. At the stage when the device is completed, the above-mentioned buffer layer having a multilayer structure has a substantially single crystal layer appearance (that is, it is not possible to find the characteristics of the crystal grain size and the growth temperature present in each buffer layer). Therefore, the structural features of the multi-layered buffer layer at the stage when the semiconductor light emitting devices of the above-described third to fifth means are completed based on the first means will be described as a summary of examples in the embodiments of the invention described later. I do.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の多層膜構造から成
るバッファ層を用いて作製した窒化物系化合物半導体発
光素子の望ましき実施の形態を、発光ダイオード及び半
導体レーザ素子の実施例とその関連図面を参照して具体
的に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a nitride-based compound semiconductor light-emitting device manufactured using a buffer layer having a multilayer structure according to the present invention will be described below with reference to examples of a light-emitting diode and a semiconductor laser device. This will be specifically described with reference to the related drawings.

【0028】<実施例1>はじめに、本発明の第1の実
施例である窒化物系化合物半導体発光ダイオードについ
て図1及び図2を参照して説明する。
First Embodiment First, a nitride-based compound semiconductor light emitting diode according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0029】本実施例において、III族元素の原料とし
て有機金属であるトリメチルガリウム、トリメチルアル
ミニウムおよびV族元素の原料としてアンモニアガスを
用いた。有機金属気相成長法を用いて、(0001)面
サファイア基板1上に成長温度600度にて第1のGa
Nバッファ層(厚さ10nm)2、次に成長温度500
度にて第2のバッファ層3(厚さ10nm)を堆積し多
層膜構造とした。ここで、多層膜バッファ層の合計厚さ
が20nmであれば3層、4層、5層等でも構わない。
In this embodiment, trimethylgallium and trimethylaluminum, which are organic metals, are used as raw materials for group III elements, and ammonia gas is used as raw materials for group V elements. The first Ga is grown on the (0001) plane sapphire substrate 1 at a growth temperature of 600 ° C. by using a metal organic chemical vapor deposition method.
N buffer layer (thickness 10 nm) 2, then growth temperature 500
The second buffer layer 3 (thickness: 10 nm) was deposited to form a multilayer structure. Here, if the total thickness of the multilayer buffer layer is 20 nm, three, four, five, or the like may be used.

【0030】次に、アンモニアガスと水素との混合ガス
雰囲気中で温度1000度まで昇温し、バッファ層2、
3の再結晶化を行った。この多層膜バッファ層の再結晶
化の後に、温度1000度で以下に示す窒化物系化合物
半導体多層構造を成長した。まず、再結晶化したGaN
多層膜バッファ層2、3上に、n−GaNコンタクト層
(厚さ4μm、n=3×1018cm-3)4、n−GaN
クラッド層(厚さ2.5μm、n=1×101818cm
-3)5、ZnドープGa0.9In0.1N活性層(厚さ0.
05μm、p=1×1018cm-3)6、p−GaNクラ
ッド層(厚さ1.5μm、p=8×1017cm-3)7、
およびp−GaNコンタクト層(厚さ0.5μm、n=
3×1018cm-3)8を順次成長した。その後、熱CV
D法およびホトリソグラフィ技術によりp−GaNコン
タクト層8上にエッチングマスクを形成後、ドライエッ
チング技術を用いて、n−GaNコンタクト層4の一部
までエッチングを行った。この際のエッチングはウエッ
ト、RIE、RIBE、イオンミリング等、方法は問わ
ない。その後、酸化膜およびホトリソグラフィ技術を用
いて、電子ビーム蒸着法およびリフトオフによってp側
電極9、n側電極10を形成後、チップ化した。
Next, the temperature was increased to 1000 ° C. in a mixed gas atmosphere of ammonia gas and hydrogen,
3 was recrystallized. After the recrystallization of the multilayer buffer layer, a nitride-based compound semiconductor multilayer structure shown below was grown at a temperature of 1000 ° C. First, recrystallized GaN
An n-GaN contact layer (thickness 4 μm, n = 3 × 10 18 cm −3 ) 4 on the multilayer buffer layers 2 and 3 , n-GaN
Cladding layer (2.5 μm thick, n = 1 × 10 18 18 cm
-3 ) 5, Zn-doped Ga 0.9 In 0.1 N active layer (thickness:
05 μm, p = 1 × 10 18 cm −3 ) 6, p-GaN cladding layer (1.5 μm in thickness, p = 8 × 10 17 cm −3 ) 7,
And p-GaN contact layer (0.5 μm thick, n =
3 × 10 18 cm −3 ) 8 were sequentially grown. After that, heat CV
After an etching mask was formed on the p-GaN contact layer 8 by the D method and the photolithography technique, etching was performed to a part of the n-GaN contact layer 4 using the dry etching technique. Etching at this time may be performed by any method such as wet, RIE, RIBE, and ion milling. Thereafter, using an oxide film and a photolithography technique, a p-side electrode 9 and an n-side electrode 10 were formed by electron beam evaporation and lift-off, and then formed into chips.

【0031】図1に作製した窒化物系化合物半導体によ
る発光ダイオード素子構造を示す。この発光ダイオード
素子において、電流注入を行ったところ、強い自然放出
発光を確認した。その発光スペクトルは、電流値20m
Aにおいて波長440nmであった。比較のために、従
来技術である単膜のバッファ層を用いて2段階成長法に
より作製した同様な構造の発光ダイオード素子と比べた
場合、その発光強度は本発明により作製した素子が1桁
強いものであった。
FIG. 1 shows the structure of a light-emitting diode device using the nitride-based compound semiconductor fabricated. When current injection was performed on this light-emitting diode element, strong spontaneous emission was confirmed. Its emission spectrum has a current value of 20 m.
In A, the wavelength was 440 nm. For comparison, when compared with a light-emitting diode device having a similar structure manufactured by a two-stage growth method using a single-layer buffer layer according to the prior art, the light-emitting intensity of the device manufactured according to the present invention is one order of magnitude higher. Was something.

【0032】図2に、本実施例である多層膜バッファ層
上16と、従来技術である単膜のバッファ層上17に温
度1000度にて成長したGaNエピタキシャル膜にお
けるX線回折半値幅の膜厚依存性を示す。単膜バッファ
層上17に比べ、多層膜バッファ層上16では、その半
値幅が低減されているのが分かる。これは、多層膜バッ
ファ層16の表面平坦性が改善されたために、成長した
窒化物系化合物半導体層の格子面間隔の均一性が向上し
たことを示している。つまり、本実施例1で作製した窒
化物系化合物半導体エピタキシャル膜では、結晶の配向
性が向上することによって従来技術よりも光散乱損出が
低減された結果、強い発光を得ることが出来る。
FIG. 2 shows a film having a half-width of X-ray diffraction in a GaN epitaxial film grown at a temperature of 1000 ° C. on a multi-layer buffer layer 16 according to the present embodiment and a single-layer buffer layer 17 according to the prior art. Shows thickness dependence. It can be seen that the half width of the multilayer buffer layer 16 is smaller than that of the single film buffer layer 17. This indicates that the uniformity of the lattice spacing of the grown nitride-based compound semiconductor layer was improved because the surface flatness of the multilayer buffer layer 16 was improved. That is, in the nitride-based compound semiconductor epitaxial film manufactured in Example 1, light emission loss is reduced as compared with the related art by improving the crystal orientation, so that strong light emission can be obtained.

【0033】<実施例2>次に本発明の第2の実施例で
ある窒化物系化合物半導体レーザ素子の作製について図
3を用いて説明する。実施例1と同様に有機金属気相成
長法によって順次、レーザ用ダブルヘテロ多層構造を成
長した。まず、サファイア基板1上に第1および第2の
バッファ層から成るGaNバッファ層2、3(厚さそれ
ぞれ10nm)上に、n−GaNコンタクト層(厚さ4
μm、n=3×1018cm-3)4、n−GaNクラッド
層(厚さ2.5μm、n=1×1018cm-3)5、アン
ドープ多重量子井戸構造活性層(井戸層Ga0.8In0.2
N、厚さ2nm、障壁層GaN、厚さ4nm)11、p
−GaNクラッド層(厚さ1.5μm、p=8×1017
cm-3)7を順次再成長した。その後、熱CVD法およ
びホトリソグラフィ技術により、p−GaNクラッド層
上に幅5μmのストライプエッチングマスクを形成後、
ドライエッチング技術を用いてp−GaNクラッド層7
を0.3μm残すまでエッチングを行い導波路構造12
を形成した。さらに、このエッチングマスクを選択成長
用マスクとしてn−GaN電流狭窄層(厚さ1μm、n
=3×1018cm-3)13を選択成長した。その後、エ
ッチングマスクを除去し、p−GaNコンタクト層(厚
さ0.5μm、n=3×1018cm-3)8にて埋込成長
を行った。そして、実施例1と同様に、n−GaNコン
タクト層4の一部までエッチングを行い、p側電極9お
よびn側電極10を形成後、劈開法によって共振器を形
成しチップとした。最後に、素子の劈開面に低反射膜1
4と高反射膜15をスパッタ法により形成した。図3に
本発明の第2の実施例であるレーザダイオード素子構造
を示す。
<Embodiment 2> Next, the manufacture of a nitride-based compound semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the same manner as in Example 1, a double hetero multilayer structure for laser was sequentially grown by metal organic chemical vapor deposition. First, an n-GaN contact layer (thickness of 4 nm) is formed on GaN buffer layers 2 and 3 (each having a thickness of 10 nm) composed of first and second buffer layers on a sapphire substrate 1.
μm, n = 3 × 10 18 cm −3 ) 4, n-GaN cladding layer (2.5 μm, n = 1 × 10 18 cm −3 ) 5, undoped multiple quantum well structure active layer (well layer Ga 0.8 In 0.2
N, thickness 2 nm, barrier layer GaN, thickness 4 nm) 11, p
-GaN cladding layer (thickness: 1.5 μm, p = 8 × 10 17)
cm −3 ) 7 were sequentially regrown. After that, a stripe etching mask having a width of 5 μm is formed on the p-GaN cladding layer by a thermal CVD method and a photolithography technique.
P-GaN cladding layer 7 using dry etching technology
Is etched until 0.3 μm is left to form a waveguide structure 12.
Was formed. Further, the n-GaN current confinement layer (thickness 1 μm, n
= 3 × 10 18 cm −3 ) 13 was selectively grown. Thereafter, the etching mask was removed, and buried growth was performed on the p-GaN contact layer (thickness 0.5 μm, n = 3 × 10 18 cm −3 ) 8. Then, as in Example 1, etching was performed up to a part of the n-GaN contact layer 4 to form the p-side electrode 9 and the n-side electrode 10, and then a resonator was formed by a cleavage method to obtain a chip. Finally, a low reflection film 1 is formed on the cleavage plane of the device.
4 and the highly reflective film 15 were formed by sputtering. FIG. 3 shows a laser diode element structure according to a second embodiment of the present invention.

【0034】このレーザ素子に電流注入を行ったとこ
ろ、電流値20mA時にはピーク波長430nmの強い
自然放出光が見られた。さらに、注入電流量を増加して
いくと、自然放出光強度は更に強くなり、その半値幅も
狭く変化した。そして、電流値50mAで誘導放出光が
見られはじめ、その時の発振波長は420nmであっ
た。これに対し、同様な素子構造を従来の2段階成長法
により成長した素子構造において、電流注入を行ったと
ころ誘導放出光は見られなかった。これは、低温で成長
した単膜バッファ層の表面平坦性が低いために、成長し
た窒化物系化合物半導体層の結晶配向性が乱れ結晶内部
の光散乱損出が増大したためである。また、これらの結
晶中の欠陥密度を透過電子顕微鏡観察により評価したと
ころ、従来の単膜バッファ層を用いた2段階法で成長し
た試料では約109cm-3もの転位が観察されたのに対
し、本実施例で成長した多層膜バッファ層を用いた試料
では約105cm-3まで低減された。このように本発明
では、バッファ層の多層膜化によって、成長した窒化物
系化合物半導体層の結晶欠陥密度も低減することができ
る。
When current injection was performed on this laser element, strong spontaneous emission light having a peak wavelength of 430 nm was observed at a current value of 20 mA. Further, as the amount of injected current was increased, the spontaneous emission light intensity was further increased, and the half-value width was also narrowed. Then, stimulated emission light began to be seen at a current value of 50 mA, and the oscillation wavelength at that time was 420 nm. On the other hand, when current injection was performed in a device structure in which a similar device structure was grown by a conventional two-stage growth method, stimulated emission light was not observed. This is because the crystal orientation of the grown nitride-based compound semiconductor layer was disturbed and the light scattering loss inside the crystal increased because the surface flatness of the single-film buffer layer grown at a low temperature was low. Further, when the defect density in these crystals was evaluated by observation with a transmission electron microscope, dislocations of about 10 9 cm -3 were observed in a sample grown by a two-step method using a conventional single-film buffer layer. On the other hand, in the sample using the multilayer buffer layer grown in the present example, it was reduced to about 10 5 cm −3 . As described above, in the present invention, by forming the buffer layer into a multilayer film, the crystal defect density of the grown nitride-based compound semiconductor layer can be reduced.

【0035】<実施例のまとめ>上述の実施例1及び2
で説明したバッファ層に関し、半導体発光素子の完成時
のイメージの一例を図4に模式的に示す。図4は、サフ
ァイア基板(結晶基体)1上に第1のバッファ層たるG
aN層2、第2のバッファ層たるGaN層3、n−Ga
Nコンタクト層4をこの順で積層したものである。ま
た、各GaN層2〜4に示された縦方向に延びる線は、
転位を示す。特に六方晶系の結晶基体の主面として、
(0001)面上に窒化物系化合物半導体結晶を成長させた
とき、結晶基体のc軸方向、(0001)主面に直交する方
向に転位が生じる。
<Summary of Embodiments> Embodiments 1 and 2 described above
FIG. 4 schematically shows an example of an image when the semiconductor light emitting device is completed with respect to the buffer layer described in the above section. FIG. 4 shows a first buffer layer G on a sapphire substrate (crystal base) 1.
aN layer 2, GaN layer 3 as a second buffer layer, n-Ga
The N contact layers 4 are stacked in this order. Also, the lines extending in the vertical direction shown in each of the GaN layers 2 to 4 are:
Indicates dislocation. In particular, as the main surface of the hexagonal crystal substrate,
When a nitride-based compound semiconductor crystal is grown on the (0001) plane, dislocations occur in the c-axis direction of the crystal substrate and in a direction perpendicular to the (0001) main plane.

【0036】プロセス条件による違いはあるものの、本
発明の多層膜バッファ層を採用した半導体光素子におい
ては、結晶基体上に形成された第1のバッファ層2に対
し第2のバッファ層3中に存在する転位の密度が低いこ
とが特徴として現れる。この特徴は、例えば透過型電子
顕微鏡による観察により確かめることができ、転位密度
は概ね界面18を境に変化していることが多い。プロセ
ス条件によって界面18は不明瞭となることもあるが、
転位密度の異なる2つの領域からなる半導体層が結晶基
体1上に形成されることには変わりない。第1のバッフ
ァ層2と第2のバッファ層上に形成される窒化物系化合
物半導体層4との転位密度の違いの一例としては、前者
が1×108cm-3以上、後者が1×107cm-3(望ま
しい例で、1×106cm-3)以下で、第2のバッファ
層3の転位密度は両者の中間値となる。界面18は、前
述のように第1のバッファ層上面に凹凸が形成されるこ
とを強調して示したが、実際の凹凸は図4の態様と異な
ることもあり得る。
Although there is a difference depending on the process conditions, in the semiconductor optical device employing the multilayer buffer layer of the present invention, the first buffer layer 2 formed on the crystal substrate and the second buffer layer 3 This is characterized by a low density of existing dislocations. This feature can be confirmed by, for example, observation with a transmission electron microscope, and the dislocation density generally changes around the interface 18 in many cases. The interface 18 may be unclear depending on the process conditions,
A semiconductor layer composed of two regions having different dislocation densities is still formed on the crystal substrate 1. As an example of the difference in dislocation density between the first buffer layer 2 and the nitride-based compound semiconductor layer 4 formed on the second buffer layer, the former is 1 × 10 8 cm −3 or more, and the latter is 1 × 10 8 cm −3 or more. The dislocation density of the second buffer layer 3 is an intermediate value between 10 7 cm −3 (preferably 1 × 10 6 cm −3 ) or less. Although the interface 18 is shown with emphasis on the formation of unevenness on the upper surface of the first buffer layer as described above, the actual unevenness may be different from that of FIG.

【0037】第1バッファ層2及び第2バッファ層3か
らなるバッファ層全体の厚みtは、上述のようにバッフ
ァ層が非晶質状態で形成された後、単結晶化を要するた
め、次の点に配慮して設定しなければならない。まず、
薄すぎると再結晶工程においてバッファ層自体が分解す
る問題が生じる。このため、窒化物系化合物半導体層4
を成長させる基体たるバッファ層が消失し、所望の半導
体発光素子形成が不可能になる。一方、厚すぎると再結
晶工程に時間が掛かりすぎる。上述の説明で、第2のバ
ッファ層の再結晶工程の所要時間を第1バッファ層に対
して延ばす利点を説明したが、遅延時間の程度が大きく
なるとその間に第2バッファ層上に形成される窒化物系
化合物半導体層4の厚みも増し、これを支える強度の面
からバッファ層内に非晶質領域が残存することがマイナ
スの効果をもたらす。このような問題に配慮し、バッフ
ァ層全体の厚みtを設定する必要がある。
The thickness t of the entire buffer layer composed of the first buffer layer 2 and the second buffer layer 3 is determined as follows because the buffer layer is formed in an amorphous state and needs to be single-crystallized. It must be set in consideration of the points. First,
If it is too thin, a problem arises in that the buffer layer itself is decomposed in the recrystallization step. Therefore, the nitride-based compound semiconductor layer 4
The buffer layer serving as a base on which the semiconductor is grown disappears, and it becomes impossible to form a desired semiconductor light emitting device. On the other hand, if it is too thick, the recrystallization step takes too much time. In the above description, the advantage of extending the time required for the recrystallization step of the second buffer layer relative to the first buffer layer has been described. However, when the degree of the delay time increases, the delay time is formed on the second buffer layer. The thickness of the nitride-based compound semiconductor layer 4 is also increased, and the remaining amorphous region in the buffer layer has a negative effect in terms of strength for supporting the same. In consideration of such a problem, it is necessary to set the thickness t of the entire buffer layer.

【0038】厚み設定の一つの例としては、第2バッフ
ァ層上に形成せんとする窒化物系化合物半導体層4の厚
みt4に対してtを小さくすることにある。即ち、t>
4となると、窒化物系化合物半導体層4の成長が終了
しても、第2バッファ層内に非晶質領域が残存する可能
性が高いからである。もう一つの例として、20nm≦t
≦30nmとすることである。この範囲は、実験的に求め
た望ましき値である。しかし、tの設定は本質的には上
述の問題を回避することにあるため、プロセス条件の改
善等により当該要件を満足するなら、tが以上に例示し
た条件から多少ずれても本発明の実施を阻むものではな
い。なお、バッファ層をn層(n>2)で構成する場合
は、tはn層分の合計の厚みとして設定される。また、
バッファ層全体の膜厚に対する第1及び第2の膜厚配分
に関して、上記実施例では均等配分の例を示したが、厚
み配分は均等とすることに限定されず、本発明の実施に
より所望する効果に応じて適宜配分を変えても支障な
い。
One example of setting the thickness is to make t smaller than the thickness t 4 of the nitride-based compound semiconductor layer 4 to be formed on the second buffer layer. That is, t>
At t 4 , even if the growth of the nitride-based compound semiconductor layer 4 ends, there is a high possibility that an amorphous region will remain in the second buffer layer. As another example, 20 nm ≦ t
≦ 30 nm. This range is a desired value experimentally obtained. However, since the setting of t is essentially to avoid the above-described problem, if the requirements are satisfied by improving the process conditions, etc., the present invention can be implemented even if t deviates slightly from the above-described conditions. It does not prevent. When the buffer layer is composed of n layers (n> 2), t is set as the total thickness of the n layers. Also,
With respect to the first and second film thickness distributions with respect to the entire thickness of the buffer layer, an example of uniform distribution has been described in the above embodiment, but the thickness distribution is not limited to being equal, and it is more desirable to carry out the present invention. There is no problem even if the distribution is appropriately changed according to the effect.

【0039】以上の説明に基づき、本発明の多層膜バッ
ファ層採用により実現された半導体発光素子の特徴を、
完成された素子のイメージで記述すれば、結晶基体1上
に第1の窒化物系化合物半導体層2(転位密度D1)、
第2の窒化物系化合物半導体層3(転位密度D2)、第
3の窒化物系化合物半導体層4(転位密度D3)をこの
順で積層した領域を含み、各窒化物系化合物半導体層に
存在する転位密度Dnは、D1>D2>D3なる関係を有す
る構成(いわば、階段状に転位密度が減少する積層構
造)となる。また、別の観点から捉えられる特徴は、結
晶基体1上に形成された窒化物系化合物半導体からなる
半導体領域2,3と当該半導体領域上に形成された窒化
物系化合物半導体層4を含めて構成され、上記半導体領
域の結晶基体との接合界面に接する部分における転位密
度は当該半導体領域の上記窒化物系化合物半導体層に接
する部分における転位密度より高い構成となる。前者の
構成において第2及び第3の窒化物系化合物半導体層
3,4間に更なる窒化物系化合物半導体層(転位密度
F)を1層以上介在させてもよく、この場合、D2>D
F>D3とすることが望ましい。なお、上述の窒化物系化
合物半導体からなる半導体領域は、その領域内に更なる
窒化物系化合物半導体層(バッファ層)が存在する態様
を含めるものである。
Based on the above description, the features of the semiconductor light emitting device realized by employing the multilayer buffer layer of the present invention are as follows.
In terms of an image of a completed device, a first nitride-based compound semiconductor layer 2 (dislocation density D 1 )
Each of the nitride-based compound semiconductor layers includes a region where the second nitride-based compound semiconductor layer 3 (dislocation density D 2 ) and the third nitride-based compound semiconductor layer 4 (dislocation density D 3 ) are stacked in this order. the dislocation density D n that exists in the, D 1> D 2> structure having a D 3 the relationship (so to speak, a laminated structure in which the dislocation density is reduced stepwise) becomes. Further, the features captured from another viewpoint include the semiconductor regions 2 and 3 made of the nitride-based compound semiconductor formed on the crystal substrate 1 and the nitride-based compound semiconductor layer 4 formed on the semiconductor region. The dislocation density is higher at a portion of the semiconductor region in contact with the bonding interface with the crystal substrate than at a portion of the semiconductor region in contact with the nitride-based compound semiconductor layer. In the former configuration, one or more additional nitride-based compound semiconductor layers (dislocation density D F ) may be interposed between the second and third nitride-based compound semiconductor layers 3 and 4, and in this case, D 2 > D
It is desirable to F> D 3. Note that the above-described semiconductor region made of a nitride-based compound semiconductor includes an embodiment in which a further nitride-based compound semiconductor layer (buffer layer) exists in the region.

【0040】ここのセクションにおいて、サファイア基
板1を結晶基体、第1のバッファ層たるGaN層2を第
1の窒化物系化合物半導体層、第2のバッファ層たるG
aN層3を第2の窒化物系化合物半導体層(又は、第1
の窒化物系化合物半導体層と纏めて窒化物系化合物半導
体からなる半導体領域)、n−GaNコンタクト層4を
第3の窒化物系化合物半導体層(又は、窒化物系化合物
半導体層)と言い換えた根拠は次のとおりである。結晶
基体に関しては、サファイア基板に限らず、例えば酸化
亜鉛や炭化珪素等の基板材料の利用や、これら基板材料
上にエピタキシャル成長された結晶層の利用も本発明の
実施を阻むものでないからである。また、いずれののバ
ッファ層及びにその上に形成される窒化物系化合物半導
体層に関しては、GaNに限らず、例えばAlN,Ga
NAs等の本来の(固有の)結晶構造として六方晶系の
結晶構造を有する組成の窒化物系化合物半導体を利用し
ても本発明の実施を阻むのものでないからである。これ
らの材料系の置き換えを行っても、多層膜バッファ層の
転位密度分布は程度の差こそあれ、本質的な特徴には変
化ないものである。
In this section, the sapphire substrate 1 is a crystal substrate, the GaN layer 2 as a first buffer layer is a first nitride-based compound semiconductor layer, and the GaN layer 2 is a G buffer as a second buffer layer.
The aN layer 3 is formed on the second nitride-based compound semiconductor layer (or on the first
And the n-GaN contact layer 4 is referred to as a third nitride-based compound semiconductor layer (or a nitride-based compound semiconductor layer). The basis is as follows. This is because the crystal substrate is not limited to the sapphire substrate, and the use of a substrate material such as zinc oxide or silicon carbide or the use of a crystal layer epitaxially grown on these substrate materials does not prevent the present invention from being carried out. Further, any of the buffer layers and the nitride-based compound semiconductor layers formed thereon are not limited to GaN, but may be, for example, AlN, Ga
This is because the use of a nitride-based compound semiconductor having a hexagonal crystal structure as an original (intrinsic) crystal structure such as NAs does not prevent implementation of the present invention. Even if these materials are replaced, the dislocation density distribution of the multilayer buffer layer does not change in its essential characteristics, although the degree is different.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明である多層膜バッファ層を用い
て、その表面状態を改善することで、再結晶化後の結晶
核を高密度、且つ、均一に形成することができる。この
結果、基板結晶に均一に配向した低欠陥の窒化物系化合
物半導体エピタキシャル膜を成長することができる。故
に、強い発光強度の窒化物半導体発光ダイオードおよび
低閾値の半導体レーザ発振を容易に実現させることがで
きる。
By using the multilayer buffer layer of the present invention to improve the surface condition, crystal nuclei after recrystallization can be formed with high density and uniformity. As a result, a low-defect nitride-based compound semiconductor epitaxial film uniformly oriented on the substrate crystal can be grown. Therefore, it is possible to easily realize a nitride semiconductor light emitting diode having a high emission intensity and a semiconductor laser oscillation having a low threshold.

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

【図1】本発明の第1の実施例である発光ダイオード素
子構造図。
FIG. 1 is a structural view of a light emitting diode element according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明である多層膜バッファ層上と、従来技術
である単膜バッファ層上に夫々成長したGaN膜におけ
るX線回折半値幅の膜厚依存性を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing the film thickness dependence of the X-ray diffraction half width of a GaN film grown on a multilayer buffer layer according to the present invention and a single film buffer layer according to the prior art.

【図3】本発明の第2の実施例であるレーザダイオード
素子構造図。
FIG. 3 is a structural view of a laser diode element according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例による多層膜バッファ層の転位
密度分布を示す模式図。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a dislocation density distribution of a multilayer buffer layer according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…サファイア基板、2…第1バッファ層、3…第2バ
ッファ層、4…n−GaNコンタクト層、5…n−Ga
Nクラッド層、6…ZnドープGaInN活性層、7…
p−GaNクラッド層、8…p−GaNコンタクト層、
9…p側電極、10…n側電極、11…多重量子井戸活
性層、12…導波路構造、13…n−GaN電流狭窄
層、14…前方低反射膜、15…後方高反射膜、16…
多層膜バッファ層上に成長したGaN膜のX線半値幅の
膜厚依存性を示すグラフ、17…単膜バッファ層上に成
長したGaN膜のX線半値幅の膜厚依存性を示すグラ
フ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sapphire substrate, 2 ... 1st buffer layer, 3 ... 2nd buffer layer, 4 ... n-GaN contact layer, 5 ... n-Ga
N cladding layer, 6 ... Zn doped GaInN active layer, 7 ...
p-GaN cladding layer, 8 ... p-GaN contact layer,
9: p-side electrode, 10: n-side electrode, 11: multiple quantum well active layer, 12: waveguide structure, 13: n-GaN current confinement layer, 14: front low reflection film, 15: rear high reflection film, 16 …
17 is a graph showing the film thickness dependence of the X-ray half width of the GaN film grown on the multilayer buffer layer, and 17 is a graph showing the film thickness dependence of the X-ray half width of the GaN film grown on the single film buffer layer.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に順次、少なくとも第1および第2
のバッファ層から成る多層膜構造としたバッファ層を形
成後、上記バッファ層上に窒化物系化合物半導体を結晶
成長することを特徴とする窒化物系化合物半導体の結晶
成長方法。
1. A method according to claim 1, wherein at least a first and a second are sequentially formed on the substrate.
Forming a buffer layer having a multilayer structure composed of the buffer layer described above, and then crystal-growing the nitride-based compound semiconductor on the buffer layer.
【請求項2】上記に第1および第2のバッファ層の夫々
の成長温度T1、T2は、T1>T2と設定することを
特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体の結
晶成長方法。
2. The crystal growth of a nitride-based compound semiconductor according to claim 1, wherein the respective growth temperatures T1 and T2 of the first and second buffer layers are set so that T1> T2. Method.
【請求項3】上記バッファ層および上記半導体層の組成
は、AlxGa1-x1-yInyN(但し、0≦x≦1、0
≦y≦1)として示されることを特徴とする請求項1又
は請求項2に記載の窒化物系化合物半導の結晶成長方
法。
3. The composition of the buffer layer and the semiconductor layer is Al x Ga 1 -x ) 1 -y In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0
3. The method for growing a nitride-based compound semiconductor according to claim 1, wherein ≦ y ≦ 1). 4.
【請求項4】結晶基体と該結晶基体上に第1の窒化物系
化合物半導体層、第2の窒化物系化合物半導体層、第3
の窒化物系化合物半導体層をこの順で積層した領域とを
含み、上記第1の窒化物系化合物半導体層に存在する転
位密度は上記第2の窒化物系化合物半導体層より高く且
つ該第2の窒化物系化合物半導体層に存在する転位密度
は上記第3の窒化物系化合物半導体層より高いことを特
徴とする半導体発光素子。
4. A crystal substrate, a first nitride-based compound semiconductor layer, a second nitride-based compound semiconductor layer, and a third
Wherein the first nitride-based compound semiconductor layer has a dislocation density higher than that of the second nitride-based compound semiconductor layer and the second nitride-based compound semiconductor layer has a higher dislocation density than the second nitride-based compound semiconductor layer. A dislocation density existing in the nitride-based compound semiconductor layer is higher than that of the third nitride-based compound semiconductor layer.
【請求項5】結晶基体と該結晶基体上に形成された窒化
物系化合物半導体からなる半導体領域と該半導体領域上
に形成された窒化物系化合物半導体層を含めて構成さ
れ、上記半導体領域の上記結晶基体との界面に接する部
分における転位密度は該半導体領域の上記窒化物系化合
物半導体層に接する部分における転位密度より高いこと
を特徴とする半導体発光素子。
5. A semiconductor device comprising: a crystal substrate; a semiconductor region composed of a nitride compound semiconductor formed on the crystal substrate; and a nitride compound semiconductor layer formed on the semiconductor region. A semiconductor light emitting device wherein a dislocation density at a portion in contact with the interface with the crystal base is higher than a dislocation density at a portion of the semiconductor region in contact with the nitride-based compound semiconductor layer.
【請求項6】上記窒化物系化合物半導体層は、該窒化物
系化合物半導体層上に形成された少なくとも1層の窒化
物系化合物半導体層とともにpn接合を備えて発光ダイ
オード構造を構成することを特徴とする請求項5に記載
の半導体発光素子。
6. A light-emitting diode structure comprising a pn junction together with at least one nitride-based compound semiconductor layer formed on said nitride-based compound semiconductor layer. The semiconductor light-emitting device according to claim 5, wherein:
【請求項7】上記窒化物系化合物半導体層上に更に窒化
物系化合物半導体層を成長させてなる積層構造を有し、
該積層構造内にはレーザ光発振用の共振器が形成されて
いることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素
子。
7. A laminated structure in which a nitride-based compound semiconductor layer is further grown on the nitride-based compound semiconductor layer,
6. The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein a resonator for laser light oscillation is formed in the laminated structure.
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