JPH11219904A - Compound semiconductor substrate and manufacture of the same, and compound semiconductor light-emitting element - Google Patents

Compound semiconductor substrate and manufacture of the same, and compound semiconductor light-emitting element

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JPH11219904A
JPH11219904A JP1998198A JP1998198A JPH11219904A JP H11219904 A JPH11219904 A JP H11219904A JP 1998198 A JP1998198 A JP 1998198A JP 1998198 A JP1998198 A JP 1998198A JP H11219904 A JPH11219904 A JP H11219904A
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JP
Japan
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buffer layer
compound semiconductor
layer
substrate
gan
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JP1998198A
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Japanese (ja)
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Youji Yamashita
陽滋 山下
Tadashi Yokoo
直史 横尾
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor substrate and a compound semiconductor light-emitting element capable of reducing difficulties generated in a semiconductor element preparing process, in a compound semiconductor substrate having a buffer layer for growing an epitaxyal layer and a method for manufacturing this substrate, and a compound semiconductor light-emitting element formed by the use of this substrate. SOLUTION: This compound semiconductor substrate is provided with a base mono-crystalline substrate 11, a first buffer layer 12 of a compound semiconductor having the variations of the width which is formed on the base mono- crystalline substrate 11, a second buffer layer 13 of the compound semiconductor the composition of which is different from that of the first buffer layer 12, formed on the first buffer layer 12. The first buffer layer 12 is formed of materials having features for more easily absorbing distortions than those of the second buffer layer 13.

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、化合物半導体の基
板、発光素子およびその製造方法に関し、特にエピタキ
シャル層成長用のバッファ層を有する、化合物半導体の
基板およびその製造方法ならびにこの基板を用いて形成
した化合物半導体発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compound semiconductor substrate, a light emitting device, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a compound semiconductor substrate having a buffer layer for epitaxial layer growth, a method for manufacturing the same, and formation using the substrate. And a compound semiconductor light-emitting device.

【0002】[0002]

【従来の技術】III−V族、II−VI族等の化合物
半導体には直接還移型半導体が多く、発光素子等として
の利用が進んでいる。また高い移動度を有する化合物半
導体は高速動作素子としても利用されている。
2. Description of the Related Art There are many direct semiconductors among compound semiconductors of the III-V group, II-VI group and the like, and their use as light emitting devices and the like is progressing. Compound semiconductors having high mobility are also used as high-speed operation devices.

【0003】化合物半導体素子の多くは、下地単結晶上
に成長させたエピタキシャル層を素子層として利用す
る。エピタキシャル成長は、下地単結晶の結晶軸に合わ
せて結晶層を成長させる方法である。結晶成長のプロセ
スは、たとえば下地表面上にまず成長核が発生し、成長
核が成長して島となり、島と島が結合して層を作ると言
われている。
Many compound semiconductor devices utilize an epitaxial layer grown on a base single crystal as a device layer. Epitaxial growth is a method of growing a crystal layer in accordance with the crystal axis of a base single crystal. In the process of crystal growth, it is said that, for example, growth nuclei are first generated on the base surface, the growth nuclei grow into islands, and the islands are combined to form a layer.

【0004】III−V族化合物半導体の1つであるG
aNは3.4eVの広い直接還移型バンドギャップを有
し、青色等の短波長発光素子に適した特性を有してい
る。GaNをエピタキシャル成長させようとすると、G
aNの格子定数に近い格子定数とGaNの熱膨張係数に
近い熱膨張係数を有する下地単結晶基板が望まれる。
[0004] G, one of III-V compound semiconductors,
aN has a wide direct-transfer bandgap of 3.4 eV, and has characteristics suitable for a short-wavelength light-emitting element such as blue. When trying to epitaxially grow GaN, G
A base single crystal substrate having a lattice constant close to the lattice constant of aN and a thermal expansion coefficient close to that of GaN is desired.

【0005】しかし、GaNのエピタキシャル成長に適
した下地単結晶基板は、現在入手が困難である。そこで
c面サファイア基板がGaNエピタキシャル成長用基板
として広く用いられている。しかし、c面サファイア基
板とGaNとの間には約13.8%もの格子不整合があ
る。サファイア基板の上に直接良質なGaN結晶層を成
長することは困難である。
However, it is currently difficult to obtain a base single crystal substrate suitable for epitaxial growth of GaN. Therefore, a c-plane sapphire substrate is widely used as a substrate for GaN epitaxial growth. However, there is about 13.8% lattice mismatch between the c-plane sapphire substrate and GaN. It is difficult to grow a good quality GaN crystal layer directly on a sapphire substrate.

【0006】サファイア基板上に直接GaNをエピタキ
シャル成長すると、GaNは六角柱状に成長し、均一で
良質なGaN単結晶膜は得られない。サファイア基板上
にGaN層のエピタキシャル成長を行う場合、格子歪み
を緩和するためのバッファ層が多く用いられる。
When GaN is epitaxially grown directly on a sapphire substrate, GaN grows in a hexagonal column shape, and a uniform and high-quality GaN single crystal film cannot be obtained. When epitaxially growing a GaN layer on a sapphire substrate, a buffer layer for relaxing lattice distortion is often used.

【0007】Amanoらは、サファイア基板上に多数
の微小成長核と非晶質層からなるAlNバッファ層や低
温堆積GaNバッファ層を形成し、その上にGaN系化
合物半導体を気相エピタキシャル成長することを提案し
ている(アドバンストエレクトロニクスI−1、「II
I−V族化合物半導体」赤崎勇編著、培風館、1994
年、第335−337頁)。
[0007] Amano et al. Formed an AlN buffer layer or a low-temperature deposited GaN buffer layer comprising a large number of micro-growth nuclei and an amorphous layer on a sapphire substrate, and vapor-phase epitaxially grown a GaN-based compound semiconductor thereon. Proposal (Advanced Electronics I-1, "II
Group IV compound semiconductors "edited by Isamu Akasaki, Baifukan, 1994
335-337).

【0008】AlNまたはGaNのバッファ層を介する
ことにより、GaNのエピタキシャル成長初期におい
て、発生する成長核密度を高め、核から島状結晶へ成長
する過程で横方向成長ならびに島同志の合体を促進し、
ピットのない平坦な膜成長を可能にしている。
Through the AlN or GaN buffer layer, the density of growth nuclei generated in the early stage of GaN epitaxial growth is increased, and lateral growth and coalescence of islands are promoted in the process of growing nuclei into island-like crystals.
This enables flat film growth without pits.

【0009】しかし、この方法を用いた場合も、結晶の
品質はバッファ層の成長条件に大きく依存し、良質なG
aN層を得るためにはバッファ層の成長条件を厳しく制
御しなければならない。また、バッファ層上のエピタキ
シャル層も、良質な半導体層とするためには4μm程度
以上の厚さ成長しなければならない。
However, even when this method is used, the quality of the crystal greatly depends on the growth conditions of the buffer layer,
In order to obtain an aN layer, the growth conditions of the buffer layer must be strictly controlled. Also, the epitaxial layer on the buffer layer must be grown to a thickness of about 4 μm or more in order to obtain a good quality semiconductor layer.

【0010】GaNエピタキシャル層を厚くすると、サ
ファイア基板との物理的性質の違いから基板が反ってし
まう問題が生じる。このため、成長条件たとえば温度、
均一性などが異なってしまい、均一な特性の素子が得ら
れないという問題や、ウエハ形成後チップ化して半導体
素子を製造する工程での取り扱い性が悪く歩留りが低下
するという問題が生じている。
When the GaN epitaxial layer is made thicker, there is a problem that the substrate is warped due to a difference in physical properties from the sapphire substrate. Therefore, growth conditions such as temperature,
There is a problem that the uniformity and the like are different, so that a device having uniform characteristics cannot be obtained, and a problem arises in that the yield is reduced due to poor handling in a process of manufacturing a semiconductor device by forming a chip after forming a wafer.

【0011】サファイア基板の代わりに、GaNに比較
的近い物性定数を持つZnOやMnO、MgF2 等を下
地単結晶基板として使用したり、他の単一材料からなる
バッファ層を使用する試みが、特開平5−29653
号、特開平5−283744号、特開平5−29161
8号、特開平6−61527号等に提案されている。こ
れらの材料を使用することにより、バッファ層上に発光
素子層を形成することが可能になる。
Instead of using a sapphire substrate, ZnO, MnO, MgF 2 or the like having a physical constant relatively close to GaN is used as a base single crystal substrate, or an attempt is made to use a buffer layer made of another single material. JP-A-5-29653
JP-A-5-283744, JP-A-5-29161
8 and JP-A-6-61527. By using these materials, a light-emitting element layer can be formed over a buffer layer.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】このように、格子定数
の異なる下地単結晶基板上にGaN等の化合物半導体層
をエピタキシャルに成長し、さらに半導体素子を作成し
ようとすると種々の困難が生じる。
As described above, various difficulties arise when a compound semiconductor layer such as GaN is epitaxially grown on a base single crystal substrate having a different lattice constant, and then a semiconductor device is manufactured.

【0013】本発明の目的は、半導体素子作成工程にお
いて発生する困難を低減することのできる化合物半導体
基板ないし化合物半導体発光素子を提供することであ
る。
An object of the present invention is to provide a compound semiconductor substrate or a compound semiconductor light emitting device capable of reducing the difficulty that occurs in a semiconductor device manufacturing process.

【0014】本発明の他の目的は、良質で、半導体素子
製造工程において、困難を生じることの少ない化合物半
導体基板の製造方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a compound semiconductor substrate which is of good quality and hardly causes difficulties in a semiconductor device manufacturing process.

【0015】本発明のさらに他の目的は、歪みを緩和
し、欠陥の少ないエピタキシャル層を成長することので
きる結晶成長技術を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a crystal growth technique capable of relaxing strain and growing an epitaxial layer with few defects.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、下地単結晶基板と、前記下地単結晶基板上に形成さ
れ、厚さのバラツキを有する化合物半導体の第1のバッ
ファ層と、前記第1のバッファ層の上に形成され、第1
のバッファ層とは組成の異なる化合物半導体の第2のバ
ッファ層とを有し、前記第1のバッファ層が前記第2の
バッファ層よりも歪みを吸収し易い性質を有する材料で
形成された化合物半導体基板が提供される。
According to one aspect of the present invention, a base single crystal substrate, a first buffer layer of a compound semiconductor formed on the base single crystal substrate and having a thickness variation, A first buffer layer formed on the first buffer layer;
And a second buffer layer of a compound semiconductor having a different composition from the first buffer layer, wherein the first buffer layer is formed of a material having a property of absorbing strain more easily than the second buffer layer. A semiconductor substrate is provided.

【0017】本発明の他の観点によれば、下地単結晶基
板と、前記下地単結晶基板上に形成され、厚さのバラツ
キを有する化合物半導体の第1のバッファ層と、前記第
1のバッファ層の上に形成され、第1のバッファ層とは
組成の異なる化合物半導体の第2のバッファ層と、前記
第2のバッファ層上にエピタキシャルに形成され、pn
接合を含む化合物半導体発光素子層とを有し、前記第1
のバッファ層が前記第2のバッファ層よりも歪みを吸収
し易い性質を有する化合物半導体発光素子が提供され
る。
According to another aspect of the present invention, a base single crystal substrate, a first buffer layer of a compound semiconductor formed on the base single crystal substrate and having a thickness variation, and the first buffer A second buffer layer of a compound semiconductor having a composition different from that of the first buffer layer, and a pn layer formed epitaxially on the second buffer layer.
A compound semiconductor light-emitting element layer including a junction;
A compound semiconductor light-emitting device having such a property that the buffer layer has a property of absorbing strain more easily than the second buffer layer.

【0018】本発明のさらに他の観点にれば、下地単結
晶基板上に、厚さのバラツキのある化合物半導体の第1
のバッファ層を成長する工程と、前記第1のバッファ層
の上に第1のバッファ層とは組成の異なる化合物半導体
の第2のバッファ層を成長する工程と、前記第2のバッ
ファ層上に化合物半導体素子層をエピタキシャルに成長
する工程とを含む化合物半導体基板の製造方法が提供さ
れる。
According to still another aspect of the present invention, a first compound semiconductor having a thickness variation on an underlying single crystal substrate.
Growing a second buffer layer of a compound semiconductor having a composition different from that of the first buffer layer on the first buffer layer; and forming a second buffer layer of the compound semiconductor on the second buffer layer. Epitaxially growing a compound semiconductor element layer.

【0019】厚さのばらつきを有し、歪みを吸収し易い
性質を有する材料で形成された第1のバッファ層を下地
単結晶基板上に形成し、その上に第2バッファ層を形成
すると、その上に形成するエピタキシャル層の特性が改
善される。
When a first buffer layer made of a material having a thickness variation and having a property of easily absorbing strain is formed on a base single crystal substrate, and a second buffer layer is formed thereon, The characteristics of the epitaxial layer formed thereon are improved.

【0020】例えば、第1のバッファ層はInN層であ
り、第2のバッファ層はGaN層であり、その上に形成
するエピタキシャル層はGaN層である。
For example, the first buffer layer is an InN layer, the second buffer layer is a GaN layer, and the epitaxial layer formed thereon is a GaN layer.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明者等は、サファイア基板上
にバッファ層を介してGaNエピタキシャル層を成長す
る場合、エピタキシャル層を4μm程度以上も厚く形成
しなければないない原因、エピタキシャル層を成長した
場合にも、基板が反ってしまう原因等を考察した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present inventors have found that when a GaN epitaxial layer is grown on a sapphire substrate via a buffer layer, it is necessary to form the epitaxial layer as thick as about 4 μm or more. Also in this case, the cause of the warping of the substrate and the like were considered.

【0022】これらの原因として、強い歪みが発生する
ことが考えられる。サファイア基板とGaNエピタキシ
ャル層との間には、13.8%もに達する格子不整合が
存在する。バッファ層を成長することにより、エピタキ
シャル層の成長において核から島状結晶へと成長し、横
方向成長並びに島同志の合体が促進され、平坦な膜成長
が行われるようになったとしても、格子不整合による歪
みは残るのではないかと考えられる。
It is conceivable that strong distortion occurs as a cause of these. There is a lattice mismatch of up to 13.8% between the sapphire substrate and the GaN epitaxial layer. By growing the buffer layer, the epitaxial layer grows from a nucleus to an island crystal in the growth of the epitaxial layer, and the lateral growth and the coalescence of the islands are promoted. It is considered that the distortion due to the mismatch remains.

【0023】また、サファイア基板とGaN層との間に
は熱膨張係数の差も存在する。エピタキシャル成長は、
約1000℃の高温で行われる。この温度でサファイア
基板とエピタキシャル層とが同一の寸法を有していたと
しても、室温に降温した時には、熱膨張係数の差により
両者の間に強い歪みが発生すると考えられる。エピタキ
シャル層が厚ければ、歪みはより強くなるものと考えら
れる。
There is also a difference in the coefficient of thermal expansion between the sapphire substrate and the GaN layer. Epitaxial growth is
It is performed at a high temperature of about 1000 ° C. Even if the sapphire substrate and the epitaxial layer have the same dimensions at this temperature, when the temperature is lowered to room temperature, it is considered that a strong distortion occurs between the two due to a difference in thermal expansion coefficient. It is believed that the thicker the epitaxial layer, the stronger the strain.

【0024】そこで、本発明者等は、下地単結晶基板上
に歪みが少ない化合物半導体素子層を形成するためには
どのようにすれば良いかを考察した。歪みを緩和もしく
は吸収するためには、単結晶下地基板上に歪みを吸収し
易い材料で形成されたバッファ層を形成することが好ま
しいと考えられる。歪みを吸収し易い性質を有する材料
とは、まず外力に対して柔軟に変形し得る材料であろ
う。
Therefore, the present inventors have studied how to form a compound semiconductor element layer with less distortion on a base single crystal substrate. In order to alleviate or absorb the strain, it is considered preferable to form a buffer layer made of a material that easily absorbs the strain on the single crystal base substrate. The material having the property of easily absorbing strain will be a material that can be deformed flexibly with an external force.

【0025】III−V族化合物半導体においては、I
nをIII族元素として含むIII−V族化合物半導体
が他の材料と比べ相対的に柔らかい材料であることが知
られている。さらに、InNは、InとNとの間の結合
が弱く、GaNに比較して柔軟性を有している。例え
ば、AlN、GaN、InNの結合エネルギはそれぞれ
11.52eV/atom、8.92eV/atom、
7,72eV/atomである。
In the group III-V compound semiconductor, I
It is known that a group III-V compound semiconductor containing n as a group III element is a relatively soft material as compared with other materials. Further, InN has a weak bond between In and N, and has flexibility as compared with GaN. For example, the binding energies of AlN, GaN, and InN are 11.52 eV / atom, 8.92 eV / atom, respectively.
7,72 eV / atom.

【0026】化合物半導体において、構成元素の結合エ
ネルギーが小さいことは、両者の相対関係が変更し易い
ことを意味し、より高い柔軟性(変形性)を有している
ものと考えられる。
In the compound semiconductor, the fact that the binding energy of the constituent elements is small means that the relative relationship between the two is easily changed, and it is considered that the compound semiconductor has higher flexibility (deformability).

【0027】硬度を考える場合、一般的に原子が小さく
原子間距離の近いもの程硬度が高いと言われている。原
子間距離が近い場合、原子相互の凝集力がそれだけ強く
なり易い。AlN、GaN、InNの格子定数は、それ
ぞれ3.110Å、3.160Å、3,5446Åであ
る。Nの原子半径が同一であるとすれば、Inの原子半
径は、Al、Gaの原子半径よりも大きい。この面から
もInNがAlNやGaNと比べ柔らかい材料であるこ
とが示唆される。
When considering the hardness, it is generally said that the smaller the atoms are and the closer the interatomic distance is, the higher the hardness is. When the interatomic distance is short, the cohesive force between the atoms tends to increase accordingly. The lattice constants of AlN, GaN, and InN are 3.110, 3.160, and 3,5446, respectively. Assuming that the atomic radii of N are the same, the atomic radius of In is larger than the atomic radii of Al and Ga. This aspect also suggests that InN is a softer material than AlN or GaN.

【0028】そこで、サファイア基板上にGaNエピタ
キシャル層を成長する際、先ずサファイア基板上にIn
Nのバッファ層を形成することが考えられる。ここで、
サファイアc面基板を用いる場合、InN層の格子不整
合はGaN層の格子不整合よりも大きい。
Therefore, when growing a GaN epitaxial layer on a sapphire substrate, first, an In
It is conceivable to form an N buffer layer. here,
When a sapphire c-plane substrate is used, the lattice mismatch of the InN layer is larger than that of the GaN layer.

【0029】本発明者等は、エピタキシャル成長用のバ
ッファ層としては、歪み緩和機能と配向伝搬機能が必要
と考える。これら2つの機能を単一バッファ層で実現し
ようとすると、種々の困難が存在することが予想でき
る。バッファ層を複数層の積層とし、積層バッファ層に
よってこれら両機能をより容易に実現できるのはないか
と考えた。また、GaNエピタキシャル層を成長させる
際、下地層としてはGaNと物理的、化学的性質の似か
よった材料が好ましいことも考慮した。
The present inventors consider that a buffer layer for epitaxial growth needs a strain relaxation function and an orientation propagation function. Various difficulties can be expected to achieve these two functions with a single buffer layer. It was considered that the buffer layer may be formed by laminating a plurality of layers, and that both functions may be more easily realized by the laminated buffer layer. Also, when growing the GaN epitaxial layer, it was considered that a material having similar physical and chemical properties to GaN is preferable as the underlayer.

【0030】まず、InNとGaNを候補とし、異種単
結晶下地基板上にこれらの材料を成長させた場合、結晶
成長がどのように生じるかを観察した。
First, when InN and GaN were selected as candidates and these materials were grown on a heterogeneous single crystal base substrate, it was observed how crystal growth occurs.

【0031】下地単結晶基板としては、サファイアc面
基板を用いた。サファイアc面基板を洗浄した後、有機
分子化学気相成長(MOCVD)装置にセットした。そ
の後基板を高温でサーマルアニールした。サーマルアニ
ールの条件は、減圧水素雰囲気下で1050℃で10分
間保持する処理である。
A sapphire c-plane substrate was used as the base single crystal substrate. After washing the sapphire c-plane substrate, it was set in an organic molecular chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. Thereafter, the substrate was thermally annealed at a high temperature. The condition of the thermal annealing is a process of holding the film at 1050 ° C. for 10 minutes in a reduced-pressure hydrogen atmosphere.

【0032】このように準備した下地単結晶サファイア
基板上にバッファ層の成長を行った。
A buffer layer was grown on the base single-crystal sapphire substrate thus prepared.

【0033】InNバッファ層の場合、成長条件は以下
のように設定した。 基板温度:530℃、 原料ガス:TMIn9μmol/min、NH3 1.1
3l/min、 キャリアガス:水素5.5l/min、 雰囲気圧力:700Torr
In the case of an InN buffer layer, the growth conditions were set as follows. Substrate temperature: 530 ° C., Source gas: TMIn 9 μmol / min, NH 3 1.1
3 l / min, carrier gas: hydrogen 5.5 l / min, atmospheric pressure: 700 Torr

【0034】GaNバッファ層の場合は、In原料であ
るTMInの代わりにGa原料としてTMGaを9μm
ol/min流し、他の条件はInNの場合と同様とし
た。
In the case of a GaN buffer layer, 9 μm of TMGa is used as a Ga material instead of TMIn which is an In material.
ol / min, and other conditions were the same as those for InN.

【0035】サファイア基板上に1時間InNおよびG
aNを成長させ、断面観察により成長状態を観察した。
InN and G are deposited on a sapphire substrate for 1 hour.
aN was grown, and the growth state was observed by cross-sectional observation.

【0036】この結果、GaNはいわゆる層状成長を示
し、InNは層状成長と島状成長が混在したものである
が、島状成長の度合いが強い成長をすることが確認され
た。
As a result, it was confirmed that GaN showed so-called layer growth, and InN was a mixture of layer growth and island growth, but it was confirmed that the growth of island growth was strong.

【0037】一般的に、薄膜のエピタキシャル成長の様
式として、ボルマ・ウェーバ(Volmer−Webe
r)様式、フランク・ファンデアメルベ(Frank−
van der Merwe)様式、ストランスキ・ク
ラスタノフ(Stranski−Krastanov)
様式が知られている。
Generally, as a mode of epitaxial growth of a thin film, Volmer-Webe is used.
r) Style, Frank-Fan der Amelbe (Frank-
van der Merwe) style, Stranski-Krastanov
The style is known.

【0038】ボルマ・ウェーバ(Volmer−Web
er)様式は、エピタキシャル層の形成初期から3次元
的な成長が生じる成長様式である。すなわち、先ず基板
上に3次元のクラスタの島が形成され、これらが次第に
成長し、互いに合体し、やがて連続的な膜が形成され
る。
[0038] Volmer-Web
The er) style is a growth style in which three-dimensional growth occurs from the initial stage of the epitaxial layer formation. That is, first, islands of three-dimensional clusters are formed on the substrate, and these islands gradually grow and coalesce with each other to form a continuous film.

【0039】フランク・ファンデアメルベ(Frank
−van der Merwe)様式は、先ず基板上に
単原子層の2次元クラスタが形成され、面に沿って次第
に成長し、互いに合体して層状に成長し、層状の成長を
行う様式である。
[0039] Frank Van der Melve
The -van der Merwe) mode is a mode in which a two-dimensional cluster of monoatomic layers is first formed on a substrate, grows gradually along a plane, merges with each other to form a layer, and performs layer growth.

【0040】ストランスキ・クラスタノフ(Stran
ski−krastanov)様式は、成長初期はフラ
ンク・ファンデアメルベ様式と同様に2次元的に成長し
た後、その上にボルマ・ウエーバ様式と同様に3次元的
な島が形成され、成長していく様式である。
Stranki Klasnov (Stran)
In the ski-krastanov style, after growing two-dimensionally in the initial stage of growth as in the Frank van der Melbe style, a three-dimensional island is formed thereon and grown as in the Borma-Weber style. Style.

【0041】GaNバッファ層は、上記分類によれば、
フランク・ファンデアメルベ様式であり、InNバッフ
ァ層は、ストランスキ・クラスタノフ様式である。In
Nバッファ層の場合、成長初期にはクラスタレベル程
度、即ち数10Å程度の層厚のバラつきを有する。
According to the above classification, the GaN buffer layer is
In the Frank van der Melbe style, the InN buffer layer is in the Stranki-Krastanov style. In
In the case of the N buffer layer, the thickness of the N buffer layer has a variation of about the cluster level, that is, about several tens of degrees at the beginning of growth.

【0042】サファイアc面基板上に窒化ガリウム層を
形成するサンプルとして、以下の4種類を作成した。な
お、カッコ内の時間は成長時間を表わす。
The following four types were prepared as samples for forming a gallium nitride layer on a sapphire c-plane substrate. The time in parentheses indicates the growth time.

【0043】サンプル1:サファイアc面基板/GaN
エピタキシャル層、 サンプル2:サファイアc面基板/GaNバッファ層
(60秒)/GaNエピタキシャル層、 サンプル3:サファイアc面基板/InNバッファ層
(30秒)/GaNバッファ層(60秒)/GaNエピ
タキシャル層、 サンプル4:サファイアc面基板/InNバッファ層
(30秒)/GaNバッファ層(30秒)/GaNエピ
タキシャル層。
Sample 1: sapphire c-plane substrate / GaN
Epitaxial layer, Sample 2: Sapphire c-plane substrate / GaN buffer layer (60 seconds) / GaN epitaxial layer, Sample 3: Sapphire c-plane substrate / InN buffer layer (30 seconds) / GaN buffer layer (60 seconds) / GaN epitaxial layer Sample 4: sapphire c-plane substrate / InN buffer layer (30 seconds) / GaN buffer layer (30 seconds) / GaN epitaxial layer.

【0044】以上のサンプルにおいて、InNバッファ
層およびGaNバッファ層の形成は、成長時間以外は上
述のInN層およびGaN層成長と同一の条件で行っ
た。InNバッファ層の成長は、成長時間30秒で膜厚
約10〜50Åである。GaNバッファ層の成長は、成
長時間60秒で膜厚約200Åである。
In the above samples, the formation of the InN buffer layer and the GaN buffer layer was performed under the same conditions as the above-described growth of the InN layer and the GaN layer except for the growth time. The growth of the InN buffer layer has a growth time of 30 seconds and a film thickness of about 10 to 50 °. The growth time of the GaN buffer layer is about 200 ° with a growth time of 60 seconds.

【0045】GaNエピタキシャル層の成長は、成長温
度約1030℃、原料ガス:トリメチルガリウム(TM
Ga)18μmol/min、NH3 2.83slm、
キャリアガス(H2 )5.5slm、雰囲気圧力700
torrであった。また、成長時間は約40分であり、
膜厚にして約2μmである。所望厚さのGaNエピタキ
シャル層を成長した後、TMGaの供給を停止してエピ
タキシャル層の成長を停止させ、他の原料ガスも停止
し、基板を室温まで冷却させる。
The growth of the GaN epitaxial layer is performed at a growth temperature of about 1030 ° C., using a source gas of trimethylgallium (TM).
Ga) 18 μmol / min, NH 3 2.83 slm,
Carrier gas (H 2 ) 5.5 slm, ambient pressure 700
torr. The growth time is about 40 minutes,
The thickness is about 2 μm. After growing the GaN epitaxial layer having a desired thickness, the supply of TMGa is stopped to stop the growth of the epitaxial layer, other source gases are stopped, and the substrate is cooled to room temperature.

【0046】作成した4つのサンプルに対し、以下の4
種類の測定、観察を行った。 発光素子層の配向性の測定:x線回折ロッキングカーブ
(XRC)の半値幅(FWHM)の測定によって結晶の
配向性を測定した。
For the four samples thus prepared, the following 4
Kind measurement and observation were performed. Measurement of Orientation of Light-Emitting Element Layer: The orientation of the crystal was measured by measuring the half-width (FWHM) of an x-ray diffraction rocking curve (XRC).

【0047】表面粗さの観察:微分干渉顕微鏡により表
面モホロジーを観察した。 発光素子層の電気的特性:Hall測定により、Hal
l移動度を測定し、電気的特性を観察した。
Observation of surface roughness: Surface morphology was observed with a differential interference microscope. Electrical characteristics of light-emitting element layer: Hall measurement shows Hall
The l mobility was measured and the electrical characteristics were observed.

【0048】発光素子層の光学的特性:ホトルミネッセ
ンス(PL)測定により、発光素子層の光学的特性を測
定した。PL測定はバンド端の発光強度および深い準位
の発光強度を測定することによって行った。
Optical characteristics of light emitting element layer: Optical characteristics of the light emitting element layer were measured by photoluminescence (PL) measurement. The PL measurement was performed by measuring the emission intensity at the band edge and the emission intensity at a deep level.

【0049】これらの測定により以下のような結果が得
られた。 XRCのFWHM:サンプル1のロッキングカーブはブ
ロードである。かつ回折強度は非常に弱い。GaN発光
素子層が多結晶状で結晶性が悪いことを示唆する。
The following results were obtained from these measurements. XRC FWHM: Sample 1 rocking curve is broad. And the diffraction intensity is very weak. This suggests that the GaN light emitting element layer is polycrystalline and has poor crystallinity.

【0050】サンプル2、3、4のFWHMはそれぞれ
234秒、223秒、234秒であった。サンプル2に
対し、薄いInN層を挿入したサンプル3でFWHMが
減少したことは結晶性の改善を示唆し、InN層により
歪みが緩和される可能性を示唆していると考えられる。
The FWHM of Samples 2, 3, and 4 were 234 seconds, 223 seconds, and 234 seconds, respectively. It is considered that the decrease in FWHM in Sample 3 in which a thin InN layer was inserted as compared to Sample 2 suggests an improvement in crystallinity, and suggests that the strain may be relaxed by the InN layer.

【0051】表面モフォロジー観察:サンプル1におい
ては、多結晶成長を示唆する数μm程度の凹凸を持つ表
面モホロジーが観察された。サンプル2は鏡面成長を示
した。サンプル3、4は全体的に鏡面成長を示し、基板
の面方位およびバッファ層の結晶構造を反映したファセ
ット部分が観察された。InN層の挿入により歪みが緩
和される可能性が推察される。
Observation of surface morphology: In sample 1, surface morphology having irregularities of about several μm suggesting polycrystalline growth was observed. Sample 2 showed mirror growth. Samples 3 and 4 showed mirror growth as a whole, and a facet portion reflecting the plane orientation of the substrate and the crystal structure of the buffer layer was observed. It is presumed that the insertion of the InN layer may alleviate the distortion.

【0052】移動度: サンプル1、2、3、4の移動
度は、それぞれ11、333、475、364cm2
V・secであった。なお、これらのホール(Hal
l)移動度は、van der Pauw法による室温
のホール測定の結果である。
Mobility: The mobilities of samples 1, 2, 3, and 4 were 11, 333, 475, and 364 cm 2 / cm, respectively.
V · sec. In addition, these holes (Hal
l) The mobility is a result of a hall measurement at room temperature by a van der Pauw method.

【0053】下地サファイアc面基板上に直接GaNエ
ピタキシャル成長を行った場合には、移動度が11μ・
cm2 /V・secと極めて低い値であるが、GaN単
一バッファ層を挿入することにより、移動度は333μ
cm2 /V・secと改善されている。2層バッファ層
を挿入したサンプル3においては、さらに約40%もの
移動度の向上が認められる。但し、第2バッファ層であ
るGaN層を約半分の厚さにした時には、移動度の向上
が約10%に止まっている。
When GaN epitaxial growth was performed directly on the underlying sapphire c-plane substrate, the mobility was 11 μ ·
cm 2 / V · sec, which is an extremely low value, but by inserting a single GaN buffer layer, the mobility is 333 μm.
cm 2 / V · sec. In sample 3 in which the two-layer buffer layer was inserted, the mobility was further improved by about 40%. However, when the thickness of the GaN layer, which is the second buffer layer, is reduced to about half, the improvement in mobility is limited to about 10%.

【0054】そこで、測定したサンプル中で最良の移動
度を示したInN第1バッファ層(成長時間30秒)、
GaN第2バッファ層(成長時間60秒)を中心に、第
1バッファ層成長時間および第2バッファ層成長時間を
変化させ、移動度がどのように変化するかをさらに観察
した。
Therefore, the InN first buffer layer showing the best mobility in the measured sample (growth time: 30 seconds),
With the GaN second buffer layer (growth time 60 seconds) as the center, the first buffer layer growth time and the second buffer layer growth time were changed, and how the mobility changed was further observed.

【0055】図2(A)は、第2バッファ層の成長時間
を60秒に固定し、InN第1バッファ層の成長時間を
0秒から120秒まで変化させた場合の測定結果を示
す。第1バッファ層を作成しない場合の移動度333に
対し、第1バッファ層を30秒成長させると前述のよう
に約40%移動度の向上が見られ、成長時間を60秒、
120秒と延長してもほぼ400μ・cm2 /V・se
cと約20%の移動度の向上が観察される。
FIG. 2A shows a measurement result when the growth time of the second buffer layer is fixed to 60 seconds and the growth time of the InN first buffer layer is changed from 0 seconds to 120 seconds. When the first buffer layer is grown for 30 seconds as compared with the mobility 333 when the first buffer layer is not formed, the mobility is improved by about 40% as described above.
Even if it is extended to 120 seconds, it is almost 400μ · cm 2 / V · se
An increase in mobility of c and about 20% is observed.

【0056】図2(B)は、第1バッファ層の成長時間
を30秒に固定し、第2バッファ層の成長時間を変化さ
せた時の移動度の変化を示すグラフである。第2バッフ
ァ層の成長時間が30秒から60秒と変化すると、移動
度は364から475と向上するが、成長時間をさらに
90秒と増加すると、移動度はゆるやかな減少を示して
いる。
FIG. 2B is a graph showing a change in mobility when the growth time of the first buffer layer is fixed at 30 seconds and the growth time of the second buffer layer is changed. When the growth time of the second buffer layer changes from 30 seconds to 60 seconds, the mobility increases from 364 to 475. However, when the growth time further increases to 90 seconds, the mobility shows a gradual decrease.

【0057】移動度は、結晶中のキャリア散乱の程度の
逆数を表すと考えられる。結晶が乱れれば乱れる程移動
度は小さくなると予想される。従って、移動度の増加は
結晶性の向上を意味すると解釈できる。
The mobility is considered to represent the reciprocal of the degree of carrier scattering in the crystal. The more disordered the crystal, the lower the mobility is expected. Therefore, an increase in mobility can be interpreted as meaning an improvement in crystallinity.

【0058】InN第1バッファ層は、挿入することに
よって結晶性を改善する。その厚さは、成長時間約30
秒の時に最善の結果を示しているが、より厚くしても第
1バッファ層が存在しない場合と較べれば移動度は改善
されている。
The InN first buffer layer improves the crystallinity by being inserted. Its thickness is about 30
The best result is shown in seconds, but the mobility is improved even when thicker than in the absence of the first buffer layer.

【0059】GaN第2バッファ層は、ある程度厚い場
合にその効果が顕著になる。上述の実験によれば、成長
時間60秒(厚さに換算して約約200Å)の時に最善
の結果が得られている。第2バッファ層をより厚くした
場合には、その効果が徐々に減少していると考えられ
る。
When the GaN second buffer layer is thick to some extent, the effect becomes remarkable. According to the above experiment, the best result is obtained when the growth time is 60 seconds (about 200 ° in terms of thickness). When the second buffer layer is made thicker, the effect is considered to be gradually reduced.

【0060】PL測定は、バンド端発光用として波長3
25nmのHe−Cdレーザ光を用い、深い準位の発光
用として波長325nmのHe−Cdレーザ光を用い
た。なお、励起光強度はそれぞれ1mWであった。サン
プル1のPL発光は、ブロードなピークを示し、その強
度はバンド端発光および深い準位の発光に対しそれぞれ
36、23であった。
The PL measurement was performed at a wavelength of 3 for emission at the band edge.
A 25 nm He-Cd laser beam was used for deep level light emission, and a 325 nm wavelength He-Cd laser beam was used. The excitation light intensity was 1 mW. The PL emission of Sample 1 showed a broad peak, and the intensities were 36 and 23 for band-edge emission and deep-level emission, respectively.

【0061】サンプル2に対しては、バンド端発光およ
び深い準位の発光がそれぞれ52、99となった。バン
ド端発光の強度が強くなったことは、結晶性の改善を意
味するが、深い順位の発光も強くなったことは、不所望
の深い準位が数多く形成されていることを示唆する。
For sample 2, the emission at the band edge and the emission at the deep level were 52 and 99, respectively. An increase in the intensity of the band edge emission means an improvement in the crystallinity, but an increase in the emission in the deeper order suggests that many undesirable deep levels are formed.

【0062】サンプル3に対しては、バンド端発光およ
び深い準位の発光がそれぞれ46、26となった。ま
た、サンプル4に対しては、バンド端発光および深い準
位の発光がそれぞれ38、17となった。2層バッファ
層を用いたサンプル3、4に対しては深い準位の発光が
著しく減少していることが目立つ。この点に関しては、
結晶性が改善され、深い準位が減少したものと考えられ
る。但し、バンド端発光は単一バッファ層の場合よりも
若干減少しているように見える。
For sample 3, the emission at the band edge and the emission at the deep level were 46 and 26, respectively. For sample 4, the band edge emission and the deep level emission were 38 and 17, respectively. It is conspicuous that samples 3 and 4 using the two-layer buffer layer have significantly reduced emission at deep levels. In this regard,
It is considered that the crystallinity was improved and the deep level was reduced. However, it appears that the band edge emission is slightly reduced compared to the case of the single buffer layer.

【0063】上述の実験においては、バッファ層の成長
はそれぞれ基板温度530℃で行っているが、エピタキ
シャル層の成長はそれよりも著しく高い1030℃で行
われる。すなわち、一旦成長したバッファ層は、その後
昇温過程にさらされる。InNは結合エネルギーが低
く、柔らかい材料として知られているが、高温にさらさ
れることによって離脱することが考えられる。この可能
性を確認するために、バッファ層を成長した後、昇温過
程を行い、その顕微鏡観察を行った。
In the above experiments, the growth of the buffer layer was performed at a substrate temperature of 530 ° C., but the growth of the epitaxial layer was performed at 1030 ° C., which was much higher. That is, the buffer layer once grown is then subjected to a temperature raising process. InN has a low binding energy and is known as a soft material, but it is considered that it is released by exposure to high temperatures. To confirm this possibility, after growing the buffer layer, a heating process was performed, and the microscope observation was performed.

【0064】InN層を成長した後、室温から1100
℃の範囲で昇温実験を行った。この結果、650℃近辺
から表面モフォロジーが悪化することが確認された。G
aN層は、同様の実験を行った時、1000℃近辺の温
度でも若干の表面変化を示すのみであった。InN第1
バッファ層の上にGaN第2バッファー層を形成して同
様の実験を行ったところ、若干の表面変化しか見られな
かった。
After the growth of the InN layer, the temperature is changed from room temperature to 1100.
A temperature raising experiment was performed in the range of ° C. As a result, it was confirmed that the surface morphology deteriorated around 650 ° C. G
When a similar experiment was performed, the aN layer showed only a slight surface change even at a temperature around 1000 ° C. InN first
When a similar experiment was performed with the GaN second buffer layer formed on the buffer layer, only a slight surface change was observed.

【0065】これらの結果から、InN第1バッファ層
の上にGaN第2バッファ層を形成すると、高温熱処理
を行ってもInN第1バッファ層の分解、解離が保護さ
れることが推測される。
From these results, it is presumed that when the GaN second buffer layer is formed on the InN first buffer layer, the decomposition and dissociation of the InN first buffer layer are protected even when a high-temperature heat treatment is performed.

【0066】これらの結果を総合すると、InN第1バ
ッファ層は、厚さ5〜100Å程度を有することが好ま
しく、その上に形成するGaN第2バッファ層は厚さ1
50〜500Å程度有することが好ましい。第1バッフ
ァ層と、第2バッファ層を合わせた全バッファ層の膜厚
は、50〜600Å程度が好ましく、150〜500Å
程度がより好ましいであろうと期待される。
Considering these results, the InN first buffer layer preferably has a thickness of about 5 to 100 °, and the GaN second buffer layer formed thereon has a thickness of 1 to 100 °.
It is preferable to have about 50 to 500 °. The thickness of the entire buffer layer including the first buffer layer and the second buffer layer is preferably about 50 to 600 °, more preferably 150 to 500 °.
It is expected that the degree will be more favorable.

【0067】バッファ層は、下地単結晶基板の配向性を
エピタキシャル層に伝搬する必要があるので、厚すぎな
いことが好ましい。この観点からは、バッファ層の層厚
は1000Å以下が好ましいであろう。
The buffer layer is preferably not too thick because it is necessary to propagate the orientation of the underlying single crystal substrate to the epitaxial layer. From this viewpoint, the thickness of the buffer layer may preferably be 1000 ° or less.

【0068】また、単一バッファ層を用いた場合と比
べ、積層バッファ層を用いた場合には、基板面内での移
動度のバラツキが約1/3程度に減少した。このことか
ら、積層バッファ層を用いることにより、エピタキシャ
ル層の成長条件依存性が緩和されているものと考えられ
る。
Further, as compared with the case where a single buffer layer was used, the variation in the mobility in the substrate plane was reduced to about 1/3 when the stacked buffer layer was used. From this, it is considered that the use of the stacked buffer layer alleviates the growth condition dependency of the epitaxial layer.

【0069】また、上述の積層バッファ層を用いた場
合、エピタキシャル層を厚く形成しても基板の反りはほ
どんど生じなかった。一方、エピタキシャル層を薄くし
ても良好な結晶層を得られるため、エピタキシャル層の
厚さを薄くすることができる。このため、基板の分離、
切断工程や、研磨により基板を薄くする工程等において
歩留りの向上が図れる。
In the case where the above-mentioned laminated buffer layer was used, even if the epitaxial layer was formed thick, the substrate was hardly warped. On the other hand, since a favorable crystal layer can be obtained even if the epitaxial layer is thinned, the thickness of the epitaxial layer can be reduced. For this reason, substrate separation,
The yield can be improved in a cutting step, a step of thinning a substrate by polishing, or the like.

【0070】なお、第1バッファ層としてInNの代わ
りにGaInNを用いる実験も行った。GaInN第1
バッファ層は、ソースガスとしてTMGaを4.5μm
ol/min、TMInを4.5μmol/min、N
3 を1.13slm流し、成長時間を90秒とした他
は、サンプル4と同様の条件で作成した。なお、90秒
の成長時間により、GaInN第1バッファ層は約15
0Å成長した。このサンプルにおいては、サンプル3、
4のように結晶性に優れた平滑なGaNエピタキシャル
層は得られなかった。
An experiment using GaInN instead of InN as the first buffer layer was also performed. GaInN first
The buffer layer was made of TMGa of 4.5 μm as a source gas.
ol / min, 4.5 μmol / min of TMIn, N
H 3 flushed 1.13Slm, except that the growth time was 90 seconds, was prepared under the same conditions as sample 4. Note that the GaInN first buffer layer has a growth time of 90 seconds,
It grew 0Å. In this sample, sample 3,
No smooth GaN epitaxial layer excellent in crystallinity as in No. 4 was obtained.

【0071】GaInNは、GaNとInNとが相分離
した状態(miscibility)状態で混合された
結晶であり、いわゆる混晶結晶を形成しないことが知ら
れている。念のために、作成したGaInNが非混晶材
料であるか否かにつき、自由エネルギーを熱力学的に計
算した。
GaInN is a crystal in which GaN and InN are mixed in a phase-separated state (miscibility), and is known not to form a so-called mixed crystal. As a precautionary measure, the free energy was thermodynamically calculated as to whether the prepared GaInN was a non-mixed crystal material.

【0072】図3は計算した自由エネルギーの値を組成
の関数として示す。図に示すように、1000℃近辺ま
では自由エネルギーΔFは極小値を持たず、混晶結晶と
ならないことが示されている。
FIG. 3 shows the calculated free energy values as a function of composition. As shown in the figure, up to around 1000 ° C., the free energy ΔF does not have a minimum value, indicating that the crystal does not become a mixed crystal.

【0073】従って、第1バッファ層としては、柔らか
く厚みにバラツキを有し、単一材料または混晶材料で形
成される材料で作成されることが好ましい。
Therefore, it is preferable that the first buffer layer is made of a single material or a mixed crystal material, which is soft and has a variation in thickness.

【0074】図1は、上述の実験結果に基づく、本発明
の実施例によるGaN系発光素子を示す概略断面図であ
る。サファイアc面単結晶基板11の表面上に、厚さ約
10〜50ÅのInN第1バッファ層12を基板温度約
530℃で成長し、その上にGaN第2バッファ層を同
様基板温度約530℃で厚さ約200Å成長する。この
積層バッファ層上に、Siをドープしたn型GaN層1
4、GaInN発光層15、Mgをドーピングしたp型
AlGaNクラッド層16、Mgをドープしたp型Ga
N層17を成長し、ダブルヘテロ構造を形成する。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a GaN-based light-emitting device according to an embodiment of the present invention based on the above-described experimental results. On the surface of the sapphire c-plane single crystal substrate 11, an InN first buffer layer 12 having a thickness of about 10 to 50 ° is grown at a substrate temperature of about 530 ° C., and a GaN second buffer layer is further formed thereon at a substrate temperature of about 530 ° C. Grows about 200 mm thick. On this laminated buffer layer, an n-type GaN layer 1 doped with Si
4. GaInN light emitting layer 15, Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 16, Mg-doped p-type Ga
An N layer 17 is grown to form a double hetero structure.

【0075】その後、p型層および発光層の一部を除去
し、露出したn型層14の表面上にAl負極電極22を
形成し、p型層17の表面上にNi層とAl層の積層か
らなる正極電極21を形成する。正極から負極に向かっ
て電流を流すことにより、発光層16から発光が生じ、
発光ダイオードとして機能する。
Thereafter, the p-type layer and part of the light emitting layer are removed, an Al negative electrode 22 is formed on the exposed surface of the n-type layer 14, and a Ni layer and an Al layer are formed on the surface of the p-type layer 17. A positive electrode 21 composed of a laminate is formed. By causing a current to flow from the positive electrode to the negative electrode, light emission occurs from the light emitting layer 16,
Functions as a light emitting diode.

【0076】サンプル2に示したようなGaN単一バッ
ファ層を用い、ダブルヘテロ構造を作成した発光ダイオ
ードと比較した時、本実施例の発光ダイオードは活性層
の厚さを薄くしても同等の電気光学的特性が得られる。
また、面内均一性が向上する。
When compared with a light emitting diode having a double hetero structure using a GaN single buffer layer as shown in Sample 2, the light emitting diode of this embodiment has the same thickness even when the active layer is thinned. Electro-optical properties are obtained.
Further, in-plane uniformity is improved.

【0077】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。
The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these.

【0078】例えば、ダブルヘテロ構造の代わりにシン
グルヘテロ構造や多重量子井戸構造等を用いることもで
きる。発光素子層の構造はこれらに限定されるものでは
ない。
For example, a single hetero structure or a multiple quantum well structure may be used instead of the double hetero structure. The structure of the light emitting element layer is not limited to these.

【0079】上記実施例においては、MOCVD法によ
り半導体層を成長したが、他の成長方法を用いることも
できる。例えば、MBE法やハライド法等の気相成長法
を採用してもよい。さらに、液晶成長法を適用すること
もできる。
In the above embodiment, the semiconductor layer is grown by the MOCVD method, but other growth methods can be used. For example, a vapor phase growth method such as an MBE method or a halide method may be employed. Further, a liquid crystal growth method can be applied.

【0080】サファイア基板上にGaN系発光素子層を
形成する場合を説明したが、c面以外のサファイア基板
やSiC、Si、GaAs等他の材料の単結晶基板を用
いることもできる。
Although the case where the GaN-based light emitting element layer is formed on the sapphire substrate has been described, a sapphire substrate other than the c-plane or a single crystal substrate of another material such as SiC, Si, or GaAs can be used.

【0081】発光素子層も、GaN、GaInN、Ga
AlN、GaAlInN等の窒化ガリウム系化合物に限
らず、GaAlInP等のIII−V族化合物半導体層
や、さらにII−VI族化合物半導体層を用いることも
できる。
The light emitting element layers are also GaN, GaInN, Ga
Not limited to gallium nitride-based compounds such as AlN and GaAlInN, a III-V compound semiconductor layer such as GaAlInP or a II-VI compound semiconductor layer can also be used.

【0082】バッファ層を形成し、エピタキシャル成長
を行う場合、バッファ層は通常低温で堆積する。エピタ
キシャル層を高温で成長する場合、バッファ層がその形
成温度からエピタキシャル層の成長温度まで昇温される
際に単結晶化する場合もある。製品におけるバッファ層
の結晶状態は、アモルファス、多結晶、単結晶のいずれ
でも良い。
When a buffer layer is formed and epitaxial growth is performed, the buffer layer is usually deposited at a low temperature. When the epitaxial layer is grown at a high temperature, the buffer layer may be single-crystallized when the temperature is raised from the formation temperature to the growth temperature of the epitaxial layer. The crystal state of the buffer layer in the product may be any of amorphous, polycrystalline, and single crystal.

【0083】第1バッファ層をInNで形成し、第2バ
ッファ層をGaNで形成する場合を説明したが、第1バ
ッファ層および第2バッファ層はそれぞれ所望の性質を
有する材料であれば上記のものに限らない。例えば、第
1バッファ層をInP、InAs、ZnTe、CdTe
等としたり、第2バッファ層をAlN ,GaAlN、
ZnO、GaAs、AlGaAs、GaP、ZnSe、
ZnS等としたりすることもできる。ここで、第1バッ
ファ層は、凹凸ある表面を形成する、第2バッファ層よ
りも柔らかい、第2バッファ層と完全には混和しない性
質を有することが必要であろう。
Although the case where the first buffer layer is formed of InN and the second buffer layer is formed of GaN has been described, the first buffer layer and the second buffer layer may be formed of any material having desired properties. Not limited to things. For example, the first buffer layer may be made of InP, InAs, ZnTe, CdTe.
Or the second buffer layer is made of AlN, GaAlN,
ZnO, GaAs, AlGaAs, GaP, ZnSe,
ZnS or the like can also be used. Here, the first buffer layer will need to have a property of forming an uneven surface, being softer than the second buffer layer, and not being completely miscible with the second buffer layer.

【0084】別の観点から、上述の実験結果を考察する
と、下地結晶であるサファイアc面に対して、格子不整
合がより大きなInN層を第1バッファ層として成長
し、その上に格子不整合がより小さなGaN層を第2バ
ッファ層として成長した時、良好な結果が得られてい
る。歪み緩和の観点から第1バッファ層として格子不整
合の大きな層を成長し、その上に第2バッファ層として
格子不整合の減少した層を成長することが有効であろう
と推察される。
Considering the above experimental results from another viewpoint, an InN layer having a larger lattice mismatch with the sapphire c-plane as the underlying crystal is grown as a first buffer layer, and a lattice mismatch is formed thereon. Good results have been obtained when a smaller GaN layer is grown as the second buffer layer. From the viewpoint of strain relaxation, it is presumed that it would be effective to grow a layer having a large lattice mismatch as the first buffer layer and grow a layer having a reduced lattice mismatch as the second buffer layer thereon.

【0085】その他種々の変形、改良、組み合わせ等が
可能なことは当業者にとって自明であろう。
It will be apparent to those skilled in the art that various other modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多層バッファ層を用いることにより、その上に良質の化
合物半導体結晶層を形成することができる。エピタキシ
ャル層の均一性、電気光学的特性が向上する。
As described above, according to the present invention,
By using a multilayer buffer layer, a high-quality compound semiconductor crystal layer can be formed thereon. The uniformity and electro-optical characteristics of the epitaxial layer are improved.

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

【図1】本発明の実施例による発光ダイオードの構造を
概略的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の基礎となる実験結果を示すグラフであ
る。
FIG. 2 is a graph showing experimental results on which the present invention is based.

【図3】GaInN作成の自由エネルギーを組成の変化
に対して示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the free energy of GaInN formation with respect to a change in composition.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 単結晶基板 12 第1バッファ層 13 第2バッファ層 14、15、16、17 発光素子層 21、22 電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Single crystal substrate 12 1st buffer layer 13 2nd buffer layer 14, 15, 16, 17 Light emitting element layer 21, 22 Electrode

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下地単結晶基板と、 前記下地単結晶基板上に形成され、厚さのバラツキを有
する化合物半導体の第1のバッファ層と、 前記第1のバッファ層の上に形成され、第1のバッファ
層とは組成の異なる化合物半導体の第2のバッファ層と
を有し、前記第1のバッファ層が前記第2のバッファ層
よりも歪みを吸収し易い性質を有する材料で形成された
化合物半導体基板。
An underlying single-crystal substrate; a first buffer layer of a compound semiconductor formed on the underlying single-crystal substrate and having a thickness variation; and a first buffer layer formed on the first buffer layer; A first buffer layer and a second buffer layer of a compound semiconductor having a different composition from the first buffer layer, wherein the first buffer layer is formed of a material having a property of absorbing strain more easily than the second buffer layer. Compound semiconductor substrate.
【請求項2】 前記第1のバッファ層が、Inを含むI
II−V族化合物半導体で形成されている請求項1記載
の化合物半導体基板。
2. The method according to claim 1, wherein the first buffer layer is formed of I
2. The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of a II-V compound semiconductor.
【請求項3】 前記第1のバッファ層が、ボルマ・ウェ
−バ様式またはストランスキ・クラスタノフ様式で成長
した層である請求項1または2記載の化合物半導体。
3. The compound semiconductor according to claim 1, wherein the first buffer layer is a layer grown in a Volma-Weber style or a Stranki-Krastanov style.
【請求項4】 前記第1のバッファ層の厚さと前記第2
のバッファ層の厚さとの和が200nm以下である請求
項1〜3のいずれかに記載の化合物半導体。
4. The method according to claim 1, wherein the thickness of the first buffer layer is different from the thickness of the second buffer layer.
The compound semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein the sum of the thickness and the thickness of the buffer layer is 200 nm or less.
【請求項5】 前記第1のバッファ層の下地単結晶基板
に対する格子不整合が前記第2のバッファ層の下地単結
晶基板に対する格子不整合よりも大きい請求項1〜4の
いずれかに記載の化合物半導体基板。
5. The method according to claim 1, wherein a lattice mismatch between the first buffer layer and the underlying single crystal substrate is larger than a lattice mismatch between the second buffer layer and the underlying single crystal substrate. Compound semiconductor substrate.
【請求項6】 さらに、 前記第2のバッファ層上にエピタキシャルに形成された
化合物半導体素子層を有する請求項1〜5のいずれかに
記載の化合物半導体基板。
6. The compound semiconductor substrate according to claim 1, further comprising a compound semiconductor element layer formed epitaxially on said second buffer layer.
【請求項7】 前記第1のバッファ層がInNで形成さ
れ、前記第2のバッファ層がGaNで形成され、前記化
合物半導体素子層がGaN層を含む請求項6記載の化合
物半導体基板。
7. The compound semiconductor substrate according to claim 6, wherein said first buffer layer is formed of InN, said second buffer layer is formed of GaN, and said compound semiconductor element layer includes a GaN layer.
【請求項8】 下地単結晶基板と、 前記下地単結晶基板上に形成され、厚さのバラツキを有
する化合物半導体の第1のバッファ層と、 前記第1のバッファ層の上に形成され、第1のバッファ
層とは組成の異なる化合物半導体の第2のバッファ層
と、 前記第2のバッファ層上にエピタキシャルに形成され、
pn接合を含む化合物半導体発光素子層とを有し、前記
第1のバッファ層が前記第2のバッファ層よりも歪みを
吸収し易い性質を有する化合物半導体発光素子。
8. A base single crystal substrate, a first buffer layer of a compound semiconductor formed on the base single crystal substrate and having a thickness variation, and a first buffer layer formed on the first buffer layer. A second buffer layer of a compound semiconductor having a different composition from the first buffer layer; and a second buffer layer formed epitaxially on the second buffer layer;
a compound semiconductor light-emitting element layer including a pn junction, wherein the first buffer layer has a property of absorbing strain more easily than the second buffer layer.
【請求項9】 前記第1のバッファ層が、ボルマ・ウエ
−バ様式またはストランスキ・クラスタノフ様式で成長
した層である請求項8記載の化合物半導体発光素子。
9. The compound semiconductor light-emitting device according to claim 8, wherein the first buffer layer is a layer grown in a Volma-Weber style or a Stranki-Klastanov style.
【請求項10】 前記第1のバッファ層の厚さと、前記
第2のバッファ層の厚さとの和が200nm以下である
請求項8または9記載の化合物半導体発光素子。
10. The compound semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein a sum of a thickness of said first buffer layer and a thickness of said second buffer layer is 200 nm or less.
【請求項11】 前記第1のバッファ層がInNで形成
され、前記第2のバッファ層がGaNで形成され、前記
化合物半導体発光素子層がGaN層を含む請求項8〜1
0のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
11. The first buffer layer is formed of InN, the second buffer layer is formed of GaN, and the compound semiconductor light emitting device layer includes a GaN layer.
0. The compound semiconductor light-emitting device according to any one of 0 to 0.
【請求項12】 下地単結晶基板上に、厚さのバラツキ
のある化合物半導体の第1のバッファ層を成長する工程
と、 前記第1のバッファ層の上に第1のバッファ層とは組成
の異なる化合物半導体の第2のバッファ層を成長する工
程と、 前記第2のバッファ層上に化合物半導体素子層をエピタ
キシャルに成長する工程とを含む化合物半導体基板の製
造方法。
12. A step of growing a first buffer layer of a compound semiconductor having a thickness variation on a base single crystal substrate; and a step of forming a first buffer layer on the first buffer layer, A method of manufacturing a compound semiconductor substrate, comprising: growing a second buffer layer of a different compound semiconductor; and epitaxially growing a compound semiconductor element layer on the second buffer layer.
【請求項13】 前記第1のバッファ層がボルマ・ウェ
ーバ様式またはストランスキ・クラスタノフ様式で成長
し、前記第2のバッファ層がフランク・ファンデルメル
ベ様式で成長する請求項12記載の化合物半導体基板の
製造方法。
13. The compound semiconductor substrate according to claim 12, wherein the first buffer layer is grown in a Volma-Weber style or a Stranki-Krasnov style, and the second buffer layer is grown in a Frank van der Melbe style. Manufacturing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000036620A (en) * 1998-06-05 2000-02-02 Hewlett Packard Co <Hp> Multi-layer indium-contained nitride buffer layer for nitride epitaxy

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