JPH11238935A - Gan compound semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Gan compound semiconductor device and manufacture thereof

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JPH11238935A
JPH11238935A JP3692198A JP3692198A JPH11238935A JP H11238935 A JPH11238935 A JP H11238935A JP 3692198 A JP3692198 A JP 3692198A JP 3692198 A JP3692198 A JP 3692198A JP H11238935 A JPH11238935 A JP H11238935A
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JP
Japan
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buffer layer
gan
layer
compound semiconductor
grown
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Application number
JP3692198A
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Japanese (ja)
Inventor
Joshi Nishio
譲司 西尾
Hidetoshi Fujimoto
英俊 藤本
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the crystal property of a gallium-nitride-based compound semiconductor growing on a buffer layer at a high yield rate, by constituting a buffer layer on the side of a substrate in the two or more layers with GaAlN, and constituting the butter layer on the side of a GaN-based compound semiconductor layer by InGaN in the laminated structure. SOLUTION: On a substrate 11, GaXAl1-x (0<=x<=1) as a first buffer layer 12 and Iny Ga1-y N (0<=y<=1) as a second buffer layer 13 thereon are laminated. A gallium-nitride-based compound semiconductor crystal 14 is grown thereon. The structure of an epitaxial wafer is formed in this way. After the growing nucleus is formed of the first buffer layer 12 by introducing the second buffer layer 13, the crystal defect present in the first buffer layer 12 can be embedded without drawing the growing surface at the layer, wherein the growing speed vertical to the growing direction of the thin-film crystal is relatively high. Therefore, the defect density of the gallium-nitride compound semiconductor or growing thereon can be decreased.

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、GaN系半導体の
結晶を用いたGaN系化合物半導体装置及びその製造方
法に関する。
The present invention relates to a GaN-based compound semiconductor device using a GaN-based semiconductor crystal and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、GaN系化合物半導体、例えば、
一般式がGax Al1-x N(但しxは0≦x≦1の範囲
である)で示される材料の青色発光デバイスが注目を集
めている。GaN系化合物半導体の結晶を成長させる方
法として、有機金属化合物気相成長法(以下MOCVD
法と呼ぶ)が広く知られている。この方法は基板を設置
した反応容器内に反応ガスとして有機金属化合物ガスを
供給し、結晶成長温度をおよそ900℃〜1100℃の
高温で保持して、基板上に化合物半導体結晶のエピタキ
シャル層を成長させる方法である。例えばGaNエピタ
キシャル層を成長させる場合には、III族ガスとして
トリメチルガリウムと、V族ガスとしてアンモニアとを
使用する。
2. Description of the Related Art In recent years, GaN-based compound semiconductors, for example,
A blue light-emitting device of a material represented by a general formula represented by Ga x Al 1 -xN (where x is in the range of 0 ≦ x ≦ 1) has attracted attention. As a method of growing a crystal of a GaN-based compound semiconductor, an organic metal compound vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD)
Is widely known. In this method, an organometallic compound gas is supplied as a reaction gas into a reaction vessel in which a substrate is placed, and a crystal growth temperature is maintained at a high temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C. to grow an epitaxial layer of a compound semiconductor crystal on the substrate. It is a way to make it. For example, when growing a GaN epitaxial layer, trimethylgallium is used as a group III gas and ammonia is used as a group V gas.

【0003】このようにして成長させたGaN系化合物
半導体のエピタキシャル層を用いて半導体装置を製造す
るためには、結晶性を格段に向上させることが不可欠で
ある。
In order to manufacture a semiconductor device using an epitaxial layer of a GaN-based compound semiconductor grown as described above, it is essential to significantly improve the crystallinity.

【0004】また、MOCVD法を用いて基板上に直接
成長された、例えばGaN層の表面は、六角形のピラミ
ッド状、あるいは六角形状の成長パターンとなり、無数
の凹凸ができ、その表面モフォロジーは極めて悪くなる
欠点がある。表面に無数の凹凸がある表面モフォロジー
の極めて劣悪な半導体の結晶層を使用して例えば青色発
光ダイオードを作ることは、非常に歩留まり悪く、ほと
んど不可能であった。
In addition, the surface of, for example, a GaN layer directly grown on a substrate by using the MOCVD method has a hexagonal pyramid or hexagonal growth pattern, and has a myriad of irregularities, and its surface morphology is extremely high. There is a drawback that gets worse. For example, it has been very difficult to produce a blue light emitting diode using a crystal layer of a semiconductor having extremely inferior surface morphology having a myriad of irregularities on the surface, because of very low yield.

【0005】このような問題を解決するために、窒化ガ
リウム系化合物半導体の結晶を成長させる前に、基板上
にAINのバッファ層を成長させる方法[Appl.Phy.Let
t.48, (1986),353(アプライドフィジックスレターズ4
8巻、1986年、353頁、および特開平2−229
476号公報)]や、GaNのバッファ層を成長させる
方法[Jpn.J.Appl.Phys.30,(1991),L1705 、(ジャパニ
ーズジャーナルオブアプライドフィジックス30巻、1
991年、L1715頁、及び特開平4−297023
号公報)]が提案されている。この方法は、サファイア
基板上に、成長温度400〜900℃の低温で、膜圧が
10〜120nmのバッファ層を設けるものである。こ
の方法はバッファ層の上にGaNを成長させることによ
って、GaN半導体層の結晶性および表面モフォロジー
を改善できる特徴がある。
In order to solve such a problem, a method of growing an AIN buffer layer on a substrate before growing a gallium nitride compound semiconductor crystal [Appl. Phy.
t.48, (1986), 353 (Applied Physics Letters 4
8, 1986, p. 353, and JP-A-2-229.
476)] and a method of growing a GaN buffer layer [Jpn. J. Appl. Phys. 30, (1991), L1705, (Japanese Journal of Applied Physics Vol. 30, No. 1,
991, L1715, and JP-A-4-297023
Gazette)] has been proposed. In this method, a buffer layer having a growth temperature of 400 to 900 ° C. and a film pressure of 10 to 120 nm is provided on a sapphire substrate. This method is characterized in that the crystallinity and surface morphology of the GaN semiconductor layer can be improved by growing GaN on the buffer layer.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記方法
は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜
厚を非常に精度高く厳密に設定する必要があるため、そ
のバッファ層を、大面積のサファイア基板、例えば直径
約50mmのサファイア基板上全面に、均一に一定の膜
厚で形成することが困難である。従って、そのバッファ
層の上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性
および表面モフォロジーを歩留まり良く改善することが
困難であり、また、その結晶性は未だ実用的な半導体レ
ーザ等を製造するのに供されるには至っておらず、格段
の結晶性向上が求められていた。特に、ナノパイプと呼
ばれることもある比較的大きな結晶欠陥の存在は、半導
体装置の特に信頼性を向上させるときの大きな傷害とな
ることが広く認識されている。
However, in the above method, the growth conditions of the buffer layer are severely restricted and the film thickness must be set very precisely and precisely. It is difficult to form a uniform and uniform thickness on the entire surface of a substrate, for example, a sapphire substrate having a diameter of about 50 mm. Therefore, it is difficult to improve the crystallinity and surface morphology of the gallium nitride-based compound semiconductor formed on the buffer layer with a good yield, and the crystallinity is not enough to produce a practical semiconductor laser or the like. It has not been provided yet, and a remarkable improvement in crystallinity has been demanded. In particular, it is widely recognized that the presence of relatively large crystal defects, sometimes referred to as nanopipes, can cause significant damage when improving the reliability of semiconductor devices, in particular.

【0007】本発明はこのような事情を鑑みてなされた
もので、その目的とするところはバッファ層上に形成さ
れるGaN系化合物の表面モフォロジーを実用レベルま
で改善した半導体装置を得ると共に結晶性を向上させて
結晶欠陥を大幅に低減させ、更にGaN系化合物半導体
装置が安定して、歩留まり良く成長できるための製造方
法を提供するものである。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the surface morphology of a GaN-based compound formed on a buffer layer has been improved to a practical level, and the crystallinity has been improved. It is intended to provide a manufacturing method for improving crystallinity to greatly reduce crystal defects, and for further stably growing a GaN-based compound semiconductor device with high yield.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】また本発明のGaN系化
合物半導体の装置の製造方法は、反応容器内に反応ガス
を供給し、800℃以下の温度で成長させる第1のバッ
ファ層上に、第2のバッファ層を隣接して成長させた
後、800℃以上の温度で成長させるGaN系化合物半
導体の結晶を成長させる方法であって、前記第1のバッ
ファ層をGax Al1-x N(0≦x≦1)で表わされる
と共に、第2のバッファ層をIny Ga1-y N(0<y
≦1)で表わされることを特徴とするものである。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a GaN-based compound semiconductor device, comprising supplying a reaction gas into a reaction vessel and growing the first buffer layer at a temperature of 800 ° C. or less. A method for growing a GaN-based compound semiconductor crystal at a temperature of 800 ° C. or higher after growing a second buffer layer adjacent to the first buffer layer, wherein the first buffer layer is formed of Ga x Al 1 -xN. (0 ≦ x ≦ 1), and the second buffer layer is formed of In y Ga 1-y N (0 <y
≦ 1).

【0009】前記第2のバッファ層の厚みは2nm以上
200nm以下、さらに好ましくは10nm〜100n
mの範囲に調整する。その厚さが2nmより薄いと、効
果が見えなくなり、200nmより厚いと、当該バッフ
ァ層上に形成するGaN系化合物半導体の結晶に多くの
結晶欠陥が発生し、表面モフォロジーを悪くする傾向が
ある。
The thickness of the second buffer layer is 2 nm or more and 200 nm or less, more preferably 10 nm to 100 n.
Adjust to the range of m. If the thickness is less than 2 nm, the effect will not be seen. If the thickness is more than 200 nm, many crystal defects will occur in the crystal of the GaN-based compound semiconductor formed on the buffer layer, and the surface morphology tends to deteriorate.

【0010】(作用)基板11上にGax Al1-x
(0≦x≦1)を第1のバッファ層12として、その上
にIny Ga1-y N(0<y≦1)を第2のバッファ層
13として堆積させ、その上に窒化ガリウム系化合物半
導体結晶14を成長させた場合のエピタキシャルウエー
ハの構造を表わす断面図を図1に示し、図2には第2の
バッファ層の無い従来のエピタキシャルウエーハの構造
を表わす断面図を示す。本発明の第2のバッファ層を導
入することによって、第1のバッファ層で成長核を形成
させた後に、薄膜結晶の成長方向に垂直な成長速度が相
対的に速い層で第1バッファ層に存在する結晶欠陥を成
長表面に引きずらないように埋没させることができるの
で、その上に成長される窒化ガリウム系化合物半導体の
欠陥密度を非常に低減する事ができる。
(Action) Ga x Al 1 -xN on the substrate 11
(0 ≦ x ≦ 1) is deposited as a first buffer layer 12, and In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) is deposited thereon as a second buffer layer 13. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an epitaxial wafer when the compound semiconductor crystal 14 is grown, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional epitaxial wafer without a second buffer layer. After the growth nuclei are formed in the first buffer layer by introducing the second buffer layer of the present invention, the growth rate perpendicular to the growth direction of the thin film crystal is relatively high in the first buffer layer. Since the existing crystal defects can be buried so as not to be dragged on the growth surface, the defect density of the gallium nitride-based compound semiconductor grown thereon can be greatly reduced.

【0011】ところでGaNを第1のバッファ層として
GaN系化合物半導体結晶を成長させる方法は、Jpn.J.
Appl.Phys.30,(1991),L1705 (ジャパニーズジャーナル
オブアプライドフィジックス30巻、1991年、L1
715頁)、及び特開平4−297023号公報等に詳
しく述べられているが、それらの文献に記載されている
バッファ層の作用を簡単に述べると以下の内容である。
A method for growing a GaN-based compound semiconductor crystal using GaN as a first buffer layer is described in Jpn.
Appl. Phys. 30, (1991), L1705 (Japanese Journal of Applied Physics Vol. 30, 1991, L1
715) and JP-A-4-297023, etc., but the operation of the buffer layer described in those documents is briefly described as follows.

【0012】低温(約600℃)で成長させるGaNバ
ッファ層は多結晶であり、次にこの多結晶のGaNバッ
ファ層の上にGaNのエピタキシャル層を成長するため
に1000℃まで温度を上げると、GaNのバッファ層
は部分的に単結晶化しGaNエピタキシャル層用の種結
晶として作用することになる。GaNバッファが無い時
にはサファイア基板自身が種結晶となるため、方位が大
きくばらついたGaNの六角柱の結晶が成長してしまう
いう内容である。
The GaN buffer layer grown at a low temperature (about 600 ° C.) is polycrystalline, and when the temperature is raised to 1000 ° C. to grow an epitaxial GaN layer on the polycrystalline GaN buffer layer, The GaN buffer layer is partially monocrystallized and acts as a seed crystal for the GaN epitaxial layer. When there is no GaN buffer, the sapphire substrate itself becomes a seed crystal, so that hexagonal prism crystals of GaN with large variations in orientation grow.

【0013】本発明のようにIny Ga1-y N(0<y
≦1)を第1のバッファ直上の第2のバッファとして形
成した場合を従来のGaNバッファのみを用いた場合と
比較すると以下のようになると考えられる。
As in the present invention, In y Ga 1-y N (0 <y
≦ 1) is considered to be as follows when the case where the second buffer immediately above the first buffer is formed is compared with the case where only the conventional GaN buffer is used.

【0014】まず、第2のバッファ層として例えばy=
0.15のIny Ga1-y Nを形成する場合を考える
と、GaNの融点は1700℃であり、InNの融点は
1100℃である。このため、GaA1Nの第1のバッ
ファ層に比べて第2のバッファ層としてy=0.15の
Iny Ga1-y Nを用いる場合では、膜厚方向と垂直な
方向の成長速度がGaNより大きいことが期待される。
その理由は、単結晶層の最適成長温度を考えることによ
り理解できる。一般的に1100℃程度の高温が最適成
長温度と考えられるGaNに対し、InNは550℃程
度であるという報告がある。GaNでは550℃という
低温では、成長フロントに凝縮種が付着してから基板上
を移動してキンクあるいはステップまで到達するよりも
先にその場で固層に取り込まれてしまうために単結晶が
できないのであるが、InNでは、基板上での凝縮種の
移動が相対的に速いためこのような低温で単結晶成長が
可能であると解釈してよい。また、InNは分解しやす
いためにInあるいはN(原始状態なのか、ラジカルな
のかという形態は不明)としても成長フロントに留まれ
る時間が相対的に長いということも意味しており、ウエ
ーハ面内方向への成長速度成分がGaNに比べて十分大
きい訳である。その分、反面としてウエーハ垂直方向へ
の成長速度は遅い。GaNでは、その最適成長温度11
00℃付近での成長でも、六角柱状の結晶がまず出来、
それらが繁がって平坦な成長になっていく事が知られて
いる。このことからも、ウエーハ面内方向と垂直方向の
成長速度比が材料によって異なり、InNの方がGaN
よりも面内方向成分が相対的に大きいことが十分予想さ
れるのである。
First, for example, y =
Considering the case of forming In y Ga 1-y N of 0.15, the melting point of GaN is 1700 ° C. and the melting point of InN is 1100 ° C. Therefore, when In y Ga 1-y N with y = 0.15 is used as the second buffer layer as compared with the first buffer layer of GaAs1N, the growth rate in the direction perpendicular to the film thickness direction is higher than that of GaN. Expected to be big.
The reason can be understood by considering the optimum growth temperature of the single crystal layer. There is a report that InN is about 550 ° C. in contrast to GaN, in which a high temperature of about 1100 ° C. is generally considered to be the optimum growth temperature. In the case of GaN at a low temperature of 550 ° C., a single crystal cannot be formed because condensed species adhere to the growth front, move on the substrate, and are taken into the solid layer in situ before reaching the kink or step. However, it can be interpreted that InN allows single crystal growth at such a low temperature because the movement of condensed species on the substrate is relatively fast. Further, since InN is easily decomposed, it means that even if it is In or N (form of whether it is in a primitive state or a radical is unknown), the time spent in the growth front is relatively long. That is, the growth rate component in the direction is sufficiently larger than that of GaN. On the other hand, the growth rate in the vertical direction of the wafer is slow. In GaN, the optimum growth temperature 11
Hexagonal columnar crystals are formed first even at around 00 ° C,
It is known that they grow and grow flat. From this, the growth rate ratio between the wafer in-plane direction and the vertical direction is different depending on the material.
It is sufficiently expected that the in-plane direction component is relatively larger than that.

【0015】したがって、成長核供給という非常に成長
初期の段階で、まず平坦な成長フロントを形成できるこ
とになる。その結果、第2のバッファ上に成長する例え
ばGaNエピタキシャル層の成長様式としては島状成長
から2次元成長への移行が非常に初期の段階あるいは、
最初から2次元成長を実現することが出来るようにな
り、非常に転位密度の低い、結晶欠陥の少ない結晶が得
られる、という具合に結晶性の大幅な向上が実現できる
等の利点があると考えられる。
Therefore, at the very early stage of growth nucleus supply, a flat growth front can be formed first. As a result, as a growth mode of, for example, a GaN epitaxial layer grown on the second buffer, the transition from island growth to two-dimensional growth is at a very early stage or
It is considered that two-dimensional growth can be realized from the beginning, and that there are advantages that a crystal with a very low dislocation density and few crystal defects can be obtained, and a large improvement in crystallinity can be realized. Can be

【0016】以上のような予測を確認するために、サフ
ァイア基板上に600℃で約50nm成長したGaNの
第1のバッファの直上に第2のバッファ層としてIny
Ga1-y NのIn組成yを変化させた第2のバッファを
それぞれ20nmになるように成長させてから、更にそ
の上に1100℃でGaNエピタキシャル層を4μnの
厚さで成長させたそれぞれの試料を溶融KOHエッチン
グを20秒行なって、表面から穴の密度を光学顕微鏡を
用いて撮影した同じ視野の写真中の六角形の穴の数を数
えることによって計測した。ここではその数をエッチピ
ット密度と呼ぶ。エッチピット密度は結晶欠陥の密度と
相関関係にあると考えられるので、結晶性の指標に選ん
だ。少ないほど結晶性が良いことに対応する。図3に第
2のバッファ層のIn組成とエッチピット密度との関係
を示す。y=0とはGaNのことであるが比較のために
入れた。但し、GaNを第2のバッファに用いた場合
は、第1のバッファのみと同じことである。また、Ga
Nバッファのみの場合には溶融KOHエッチングを実施
するまでもなく穴が顕微鏡観察で見られ、エッチングを
すると、ウエーハ全面凸凹になり、ピットの数を数える
ことが出来なくなってしまったので、参考までに括弧付
きで示すことにする。
In order to confirm the above-mentioned prediction, In y was formed as a second buffer layer immediately above the first buffer of GaN grown on a sapphire substrate at about 600 ° C. at about 50 nm.
A second buffer having a different In composition y of Ga 1-y N was grown so as to have a thickness of 20 nm, and a GaN epitaxial layer was grown thereon at 1100 ° C. with a thickness of 4 μn. The sample was subjected to melt KOH etching for 20 seconds and the density of the holes from the surface was measured by counting the number of hexagonal holes in a photograph of the same field taken using an optical microscope. Here, the number is called an etch pit density. Since the etch pit density is considered to be correlated with the density of crystal defects, it was selected as an index of crystallinity. A smaller amount corresponds to better crystallinity. FIG. 3 shows the relationship between the In composition of the second buffer layer and the etch pit density. Although y = 0 means GaN, it is included for comparison. However, when GaN is used for the second buffer, it is the same as in the case of only the first buffer. Also, Ga
In the case of only N buffer, holes were seen by microscopic observation without performing molten KOH etching, and when etching was performed, the whole surface of the wafer became uneven, and it became impossible to count the number of pits, so for reference only In parentheses.

【0017】図3からわかるようにIn組成が高くなる
につれてエッチピット密度が急激に減少し、結晶性が良
くなる事がわかる。従って、上記考察通りの効果がある
ことが判明した。
As can be seen from FIG. 3, as the In composition increases, the etch pit density sharply decreases, and the crystallinity improves. Therefore, it was found that the above-described effects were obtained.

【0018】次に、第1のバッファ上に成長させるGa
Nの直上に更にIn組成の高い第2のバッファ層を厚く
(70nm)成長させた上に1100℃でGaNエピタ
キシャル層を4μnの厚さで成長させた場合について調
べてみた。しかし、意に反してエッチピット密度は明ら
かに増えてしまっていた。第2のバッファのIn組成を
高くすると、第2のバッファ成長時の結晶性は向上する
かもしれないものの、GaNエピタキシャル成長を行な
う1100℃という高温での耐性が悪くなってくるとい
う別の現象とのせめぎあいで最適値が存在するようであ
る。従って好ましい第2のバッファ層のIn組成はy=
0.15を超えないことが望ましい。
Next, Ga to be grown on the first buffer
A second buffer layer having a higher In composition was grown thicker (70 nm) immediately above N, and a GaN epitaxial layer was grown at 1100 ° C. with a thickness of 4 μn. However, contrary to willingness, the etch pit density was clearly increasing. If the In composition of the second buffer is increased, the crystallinity during the growth of the second buffer may be improved, but another phenomenon that the resistance at a high temperature of 1100 ° C. for performing GaN epitaxial growth is deteriorated. It seems that there is an optimal value in the struggle. Therefore, the preferred In composition of the second buffer layer is y =
It is desirable not to exceed 0.15.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。但し、以下に示す実施例は、本
発明の技術思想を具体化するための方法を例示するもの
であって、本発明の方法は成長条件、有機金属化合物ガ
スの種類、使用する材料等を下記のものに限定するもの
ではない。本発明の結晶成長方法は、特許請求の範囲に
おいて種々の変形を加えることができる。図4に本実施
形態に用いた有機金属気相成長装置の概略構造を示す。
43は石英製の反応容器でありガス導入管45から原料
ガスを供給し、排気管44よりガスを排出する構成なっ
ている。グラファイト製のサセプタ42は高周波加熱コ
イル46によって加熱され、サセプタ42の温度は、W
熱電対47によって測定および制御される。基板41は
サセプタ42の上に直接置かれ、加熱される構成を取っ
ている。この様な結晶成長装置を用いて窒化ガリウム系
化合物半導体の結晶成長を実施した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. However, the following examples illustrate a method for embodying the technical idea of the present invention, and the method of the present invention uses the following growth conditions, types of organometallic compound gases, and materials used. However, the present invention is not limited to this. Various modifications can be made to the crystal growth method of the present invention within the scope of the claims. FIG. 4 shows a schematic structure of the metal organic chemical vapor deposition apparatus used in this embodiment.
Reference numeral 43 denotes a reaction vessel made of quartz, which is configured to supply a raw material gas from a gas introduction pipe 45 and discharge the gas from an exhaust pipe 44. The graphite susceptor 42 is heated by a high-frequency heating coil 46, and the temperature of the susceptor 42 is W
It is measured and controlled by a thermocouple 47. The substrate 41 is placed directly on the susceptor 42 and is configured to be heated. A gallium nitride-based compound semiconductor crystal was grown using such a crystal growth apparatus.

【0020】(第1の実施形態)下記の工程でサファイ
ア基板にGaNのエピタキシャル層を2μmの厚さで成
長させた。 洗浄された直径50.8mmのサファイア基板41を
サセプタ42の上に乗せる。 石英製の反応容器43内を排気管44より真空ポンプ
(図示せず)で排気した後、さらに内部を水素で置換す
る。 その後、水素ガスを反応ガス導入管45から反応容器
43内に供給しながら、サセプタ42を高周波加熱コイ
ル46によって熱電対47指示温度で1060℃まで加
熱する。 この状態を10分間保持し、サファイア基板41表面
の清浄度を高める。 次にサセプタ42の温度を500℃まで下げて、温度
が安定するまで待つ。 続いてガス導入管45から水素と窒素の混合ガスを供
給すると共に、アンモニアガスを供給する。ガス導入管
45から供給する水素ガスと窒素ガスの流量はそれぞれ
15.5リットル/分、5リットル/分、アンモニアガ
スの流量は9.5リットル/分とし、この状態で熱電対
47指示温度が500℃に安定するまで待つ。 その後、第1のバッファ層を形成するため、ガス導入
管45からアンモニアガスに加えてTMG(トリメチル
ガリウム)ガスを3.7×10-5モル/分で4分流す。
ここで膜圧50nmのGaNバッファ層が形成された。 次にガス導入管45からTMI(トリメチルインジウ
ム)ガスを追加供給開始して第2のバッファ層を成長さ
せる。この時TMIガスは1.5×10-4モル/分で1
分間流す。次にTMGガスとTMIガスのみを止めて、
バッファ層の形成を止める。ここで膜圧20nmのIn
GaNバッファ層が形成できた。さらに他のガスは流し
ながらサセプタ42の温度を熱電対47指示温度で10
00℃まで上昇させる。 熱電対47指示温度が1020℃まで上昇した後、ガ
ス導入管45から、アンモニアガスと水素ガスに加えて
TMGガスを1.4×10-4モル/分の流量で60分間
供給して、GaNエピタキシャル層を2.0μmの膜厚
で成長させる。このようにして膜厚50nmのGaNバ
ッファ層、その上に膜厚20nmのInGaNバッファ
層、そして更にこれの上に膜厚2μmのGaNエピタキ
シャル層を成長させた。
(First Embodiment) An GaN epitaxial layer was grown to a thickness of 2 μm on a sapphire substrate in the following steps. The washed sapphire substrate 41 having a diameter of 50.8 mm is placed on the susceptor 42. After the inside of the quartz reaction vessel 43 is evacuated from the exhaust pipe 44 by a vacuum pump (not shown), the inside is further replaced with hydrogen. Thereafter, the susceptor 42 is heated by the high frequency heating coil 46 to 1060 ° C. at the indicated temperature of the thermocouple 47 while supplying hydrogen gas into the reaction vessel 43 from the reaction gas introduction pipe 45. This state is maintained for 10 minutes to increase the cleanliness of the surface of the sapphire substrate 41. Next, the temperature of the susceptor 42 is lowered to 500 ° C., and the process waits until the temperature is stabilized. Subsequently, a mixed gas of hydrogen and nitrogen is supplied from the gas introduction pipe 45, and an ammonia gas is supplied. The flow rates of the hydrogen gas and the nitrogen gas supplied from the gas introduction pipe 45 are 15.5 L / min and 5 L / min, respectively, and the flow rate of the ammonia gas is 9.5 L / min. Wait until it stabilizes at 500 ° C. Thereafter, in order to form a first buffer layer, a TMG (trimethylgallium) gas is supplied from the gas introduction pipe 45 at 3.7 × 10 −5 mol / min for 4 minutes in addition to the ammonia gas.
Here, a GaN buffer layer having a film pressure of 50 nm was formed. Next, additional supply of TMI (trimethylindium) gas is started from the gas introduction pipe 45 to grow the second buffer layer. At this time, the TMI gas was 1.5 × 10 -4 mol / min and 1
Pour for minutes. Next, stop only TMG gas and TMI gas,
Stop the formation of the buffer layer. Here, In with a film pressure of 20 nm
A GaN buffer layer was formed. Further, while flowing other gases, the temperature of the susceptor 42 is increased by 10 at the indicated temperature of the thermocouple 47.
Raise to 00 ° C. After the indicated temperature of the thermocouple 47 rises to 1020 ° C., in addition to the ammonia gas and the hydrogen gas, a TMG gas is supplied at a flow rate of 1.4 × 10 −4 mol / min for 60 minutes from the gas introduction pipe 45 to obtain GaN. An epitaxial layer is grown to a thickness of 2.0 μm. Thus, a GaN buffer layer having a thickness of 50 nm, an InGaN buffer layer having a thickness of 20 nm, and a GaN epitaxial layer having a thickness of 2 μm were further grown thereon.

【0021】(第1の比較例)第1の実施形態の比較と
して以下の実施形態との比較を行なった。即ち、第2の
バッファ層を形成しない以外は、第1の実施形態と同様
にしてGaNバッファ層の上に2.0μmのGaNエピ
タキシャル層を成長させた。
(First Comparative Example) As a comparison of the first embodiment, a comparison with the following embodiment was made. That is, a 2.0 μm GaN epitaxial layer was grown on the GaN buffer layer in the same manner as in the first embodiment except that the second buffer layer was not formed.

【0022】成長後ホール測定を室温で行ない、本発明
によるGaNエピタキシャル層と第1の比較例によるG
aNエピタキシャル層のキャリア濃度と移動度とをそれ
ぞれ求めた。
After the growth, the hole measurement is performed at room temperature, and the GaN epitaxial layer according to the present invention and the G layer according to the first comparative example are measured.
The carrier concentration and mobility of the aN epitaxial layer were determined.

【0023】無添加の結晶を成長した場合にはキャリア
濃度が小さく、しかも移動度が大きい程、結晶性が良く
また不純物濃度が小さい事を表わす。本発明によるGa
Nは、キャリア濃度が3×1016/cm3 、移動度約7
002 /V・secと非常に良い値を示す。一方、第2
のバッファを用いなかった第1の比較例のGaNは、キ
ャリア濃度が2×1017/cm3 、移動度が約300c
2 /V・secであった。また、転位密度は本発明に
よるGaNでは平均すると8×104 /cm2 であり、
従来方法や第1の比較例のGaNで得られた108 /c
2 以上という値から大幅に低減できるようになったこ
とがわかる。また、従来方法および第1の比較例のGa
Nにおいては、ウエーハの温度分布がある程度ついてし
まうことがさけられないと考えられるウエーハ周辺部に
おいては、最適温度条件からずれることによると思われ
る穴の発生が多く見られたが、本実施例でのGaNで
は、特にウエーハ面内の温度分布を改善する手だてを取
らなくとも穴の発生は見られなくなり、穴の発生という
問題に対しても十分効果のある余裕ある条件になったた
めであると解釈される。
When a crystal with no addition is grown, the lower the carrier concentration and the higher the mobility, the better the crystallinity and the lower the impurity concentration. Ga according to the present invention
N has a carrier concentration of 3 × 10 16 / cm 3 and a mobility of about 7
It shows a very good value of 00 2 / V · sec. On the other hand, the second
The GaN of the first comparative example, which did not use the buffer, had a carrier concentration of 2 × 10 17 / cm 3 and a mobility of about 300 c
m 2 / V · sec. The average dislocation density of the GaN according to the present invention is 8 × 10 4 / cm 2 ,
10 8 / c obtained by GaN of the conventional method and the first comparative example
It can be seen that the value can be greatly reduced from the value of m 2 or more. In addition, the Ga method of the conventional method and the first comparative example
In N, in the periphery of the wafer, where it is considered that the temperature distribution of the wafer cannot be avoided to some extent, many holes were thought to be generated due to deviation from the optimum temperature condition. In the case of GaN, no hole was found even without taking measures to improve the temperature distribution in the wafer surface, and it was concluded that the GaN had sufficient conditions for the problem of hole formation. Is done.

【0024】なお、本実施形態では基板材料としてサフ
ァイアを用いたが、これに限定される訳ではなく、炭化
珪素、スピネル、シリコン等を用いた場合にも従来の第
1のバッファのみを用いる場合に比べて格段の差があ
り、効果大であることが本発明者等の実験によって確認
されている。
In the present embodiment, sapphire is used as a substrate material. However, the present invention is not limited to this. Even when silicon carbide, spinel, silicon or the like is used, only the conventional first buffer is used. It is confirmed by experiments of the present inventors that there is a remarkable difference as compared with the above, and that the effect is large.

【0025】(第2の実施形態)第1の実施形態に示し
た様なGaNが成長できる条件を用いて、次のようにレ
ーザダイオードの作製を行った。第1の実施形態記載の
のバッファ層を形成する工程においてで成長した第
1のバッファ層の成長温度からより低温にしてから第2
のバッファ層を成長させると、第2のバッファ層のIn
組成が高くなり、より高温に設定するとIn組成の低い
InGaNバッファ層が成長できる。あらかじめ、色々
と第2のバッファ層の成長時の温度を変化させて、その
上に成長させるエピタキシャルGaN層の表面モフォロ
ジーとホール測定による移動度とバックグランウンドキ
ャリア濃度を指標に最適温度を選んでおいた。図5に工
程断面図を示す。
(Second Embodiment) A laser diode was manufactured as follows using the conditions for growing GaN as described in the first embodiment. After lowering the growth temperature of the first buffer layer grown in the step of forming the buffer layer according to the first embodiment to a second temperature,
Is grown, the In buffer of the second buffer layer is grown.
When the composition becomes higher and the temperature is set higher, an InGaN buffer layer having a low In composition can be grown. In advance, the temperature at which the second buffer layer is grown is varied in various ways, and the optimum temperature is selected based on the surface morphology of the epitaxial GaN layer grown thereon, the mobility obtained by hole measurement, and the background carrier concentration as indexes. Was. FIG. 5 shows a process sectional view.

【0026】ガス導入管45から水素を供給しながら高
周波加熱コイル46に通電を開始し、サセプタ42の上
に置いたサファイア基板41,501を加熱し、熱電対
47の指示が1200℃になるように調整した。以下、
熱電対47の指示を単に温度と称する。この温度で10
分保持してから温度を600℃まで下げ、安定したとこ
ろでTMGおよびアンモニアガスの供給を開始し、第1
のGaNバッファ層502の成長を50nm分行った。
温度を10℃下げてTMIの供給を追加し、第2のIn
GaNバッファ層503を30nm成長させてから温度
を1200℃に再上昇させた。
While supplying hydrogen from the gas inlet tube 45, the high-frequency heating coil 46 is energized to heat the sapphire substrates 41 and 501 placed on the susceptor 42, so that the thermocouple 47 indicates 1200.degree. Was adjusted. Less than,
The indication of the thermocouple 47 is simply called temperature. At this temperature 10
After the temperature was reduced to 600 ° C., the supply of TMG and ammonia gas was started when the temperature became stable.
The GaN buffer layer 502 was grown for 50 nm.
The temperature is reduced by 10 ° C. and the supply of TMI is added, and the second In
After growing the GaN buffer layer 503 to a thickness of 30 nm, the temperature was increased again to 1200 ° C.

【0027】次いで、水素で希釈したシランガスとTM
Gの供給を開始し、珪素添加のn型GaN層504を4
μm成長した。その後、トリメチルアルミニウム(以下
TMAと略する)を追加供給することによって、珪素添
加のn型GaAIN層505を0.6μm成長した。T
MAの供給を停止して引き続いてn型GaN層506を
0.1μm成長した。TMG、シランの供給を停止した
後、温度を800℃まで下げ、安定してからTMGとT
MIを供給し、もう1系統ずつ用意したTMGとTMI
のラインを用いて多重量子井戸7ペアからなる活性層5
07を作成した。活性層は量子井戸層がIn組成14%
で厚さ3.5nm、量子障壁層がIn組成3%で厚さ7
nmとなるように成長した。TMIの供給を停止してか
ら温度を1200℃に戻し、安定した所でビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム(以下Cp2 Mgと略する)
を供給してマグネシウム添加のp型GaN層508を
0.1μm成長させた。続いてTMAを追加供給してp
型GaAIN層509を0.6μm成長させた。続い
て、TMAの供給を停止してそのままマグネシウム添加
のp型GaN層510を1μm成長させた。その後、C
2 Mgの供給を停止すると同時に水素で希釈したシラ
ンガスを供給してn型のGaN511を0.1μm成長
した。
Next, silane gas diluted with hydrogen and TM
G supply is started and the silicon-added n-type GaN layer
μm growth. Thereafter, by additionally supplying trimethylaluminum (hereinafter abbreviated as TMA), a silicon-added n-type GaAIN layer 505 was grown to 0.6 μm. T
The supply of MA was stopped, and the n-type GaN layer 506 was subsequently grown to 0.1 μm. After stopping the supply of TMG and silane, the temperature was lowered to 800 ° C.
TMG and TMI prepared by supplying MI and another system
Layer 5 composed of 7 pairs of multiple quantum wells using
07 was created. In the active layer, the quantum well layer has an In composition of 14%.
3.5 nm in thickness, and the quantum barrier layer is 3% in thickness with an In composition of 3%.
nm. After the supply of TMI was stopped, the temperature was returned to 1200 ° C., and biscyclopentadienyl magnesium (hereinafter abbreviated as Cp 2 Mg) was obtained at a stable place.
Was supplied to grow a p-type GaN layer 508 to which magnesium was added by 0.1 μm. Then, additional TMA is supplied and p
A GaAIN layer 509 was grown to a thickness of 0.6 μm. Subsequently, the supply of TMA was stopped, and a magnesium-added p-type GaN layer 510 was grown to 1 μm as it was. Then, C
At the same time as the supply of p 2 Mg was stopped, a silane gas diluted with hydrogen was supplied to grow n-type GaN 511 to 0.1 μm.

【0028】その後、TMGとシランガスの供給を停止
し、高周波加熱コイル46への通電を停止した。温度が
350℃まで下がったところでアンモニアの供給を停止
した。
Thereafter, supply of TMG and silane gas was stopped, and power supply to the high-frequency heating coil 46 was stopped. When the temperature dropped to 350 ° C., the supply of ammonia was stopped.

【0029】以上のようにして得られたウエーハをSi
2 をマスクに用いた反応性イオンエッチングによって
ウエーハの一部をマグネシウム添加のp型GaN層51
0まで掘った。
The wafer obtained as described above is
A portion of the wafer is made into a magnesium-added p-type GaN layer 51 by reactive ion etching using O 2 as a mask.
Digged to zero.

【0030】続く工程につき図6を参照しながら説明す
る。SiO2 マスクを弗化水素酸で取り除いた後、もう
一度有機金属気相成長装置の中に導入し、今度はアンモ
ニアを流したままで高周波加熱装置46による加熱を開
始して、1200℃で安定したところでTMGとCp2
Mgを供給し、但しこの時のCp2 Mg量は先に成長し
たp型GaN層510の時と同じ量でまず1μm成長さ
せ、掘った穴を埋めるp型GaN層61を成長した。
The following steps will be described with reference to FIG. After removing the SiO 2 mask with hydrofluoric acid, it was once again introduced into the metalorganic vapor phase epitaxy apparatus. This time, heating was started by the high-frequency heating apparatus 46 while flowing ammonia, and when the temperature became stable at 1200 ° C. TMG and Cp 2
Mg was supplied, but the amount of Cp 2 Mg at this time was the same as that of the previously grown p-type GaN layer 510, and was first grown to 1 μm to grow the p-type GaN layer 61 to fill the dug hole.

【0031】続いてCp2 Mgを急に3倍の量に増やし
たp+ 型GaN層62を成長させた。その後、TMGの
供給を停止し、高周波加熱装置46への通電を停止し
た。温度が850℃まで下がったところでアンモニアの
供給を停止した。以上のようにして得られたウエーハは
図6に示す様な構造になっていることを、断面電子顕微
鏡観察によって確認した。
Subsequently, ap + -type GaN layer 62 in which the amount of Cp 2 Mg was suddenly increased to three times was grown. Thereafter, the supply of TMG was stopped, and the power supply to the high-frequency heating device 46 was stopped. When the temperature dropped to 850 ° C., the supply of ammonia was stopped. It was confirmed by cross-sectional electron microscope observation that the wafer obtained as described above had a structure as shown in FIG.

【0032】また、最表面となる層62の表面状態を肉
眼および光学顕微鏡で詳細観察したが、穴とかうねりと
かの特徴的な模様等は観察されなかった。次に上述のご
とく断面電子顕微鏡観察によって確認した最表面からn
型GaN層504までの距離を基にしてエッチング条件
を決定し、メタルマスクを用いた反応性イオンエッチン
グによってウエーハの一部をマグネシウム添加のn型G
aN層504まで掘った。
Further, the surface state of the outermost layer 62 was closely observed with the naked eye and an optical microscope, but no characteristic pattern such as a hole or undulation was observed. Next, as described above, n
Conditions are determined based on the distance to the n-type GaN layer 504, and a portion of the wafer is n-type G doped with magnesium by reactive ion etching using a metal mask.
It dug to the aN layer 504.

【0033】マスクを付けてからn型用のTiとAlの
合金を蒸着した。p+ 型GaN層62上のSiO2 マス
クを弗化水素酸で除去し、n型GaN層504上の前記
TiとAlとの合金の上にSiO2 マスクを付けてから
PtとVを蒸着して、SiO2 マスクを取り除いた後8
00℃で10分間窒素雰囲気で熱処理を行うことでn
型、p型共にオーム性電極特性を得た。
After attaching the mask, an alloy of Ti and Al for n-type was deposited. The SiO 2 mask on the p + -type GaN layer 62 is removed with hydrofluoric acid, and the Pt and V are deposited by depositing a SiO 2 mask on the alloy of Ti and Al on the n-type GaN layer 504. 8 after removing the SiO 2 mask
By performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere at 00 ° C. for 10 minutes, n
Ohmic electrode characteristics were obtained for both the p-type and the p-type.

【0034】以上のようにして作成した半導体レーザ
は、室温で特性の測定を実施したところ、4.5Vの電
圧下で、20mAの電流が流れ、連続発振していること
を確認した。この状態で連続で試験を続行し、動作電流
が2倍になるまでの寿命を測定した。寿命を測定した素
子は全数で230個であったが、5000時間の寿命を
示した素子は212個であり、本発明の方法を用いない
場合は1枚のサファイア基板上に数多く作成された素子
の内、連続発振する素子は30個だけであり、その時5
V、20mAで室温にて連続発振していたが、5000
時間の寿命を持つ素子わずか2個であったことに比べて
格段の進歩が確認できた。
The characteristics of the semiconductor laser fabricated as described above were measured at room temperature. As a result, it was confirmed that a current of 20 mA flowed under a voltage of 4.5 V and continuous oscillation was performed. In this state, the test was continued continuously, and the life until the operating current was doubled was measured. The total number of devices whose life was measured was 230, but the number of devices showing a life of 5000 hours was 212. If the method of the present invention was not used, many devices were formed on one sapphire substrate. Of these, only 30 elements continuously oscillate,
V, continuous oscillation at room temperature at 20 mA.
Significant progress was confirmed in comparison with only two elements having a long life.

【0035】このように本実施形態によれば、レーザの
室温連続発振の動作電圧、電流値の低減が図られること
はもちろんのこと、寿命を飛躍的に向上させることがで
きる。更に、ウエーハ面内での特性分布も顕著な特徴が
見られず、素子の歩留まりが高くなることに大きく寄与
していることも同時に確かめられた。
As described above, according to the present embodiment, the operating voltage and the current value of the continuous oscillation of the laser at room temperature can be reduced, and the life can be drastically improved. Furthermore, no remarkable feature was observed in the characteristic distribution in the wafer plane, and it was also confirmed at the same time that it greatly contributed to an increase in the device yield.

【0036】(第3の実施形態)第1の実施形態に示し
た様なGaNが成長できる条件を用いて、次のようにレ
ーザダイオードの作製を行った。第1の実施形態記載の
のバッファ層を形成する工程においてで成長させ
る第1のバッファ層の成長温度からで成長させる第2
のバッファ層の成長温度まで徐々に成長温度を変化させ
ると共に、のはじめには流さなかったTMIを温度変
化に合わせて供給し、その供給量を徐々に増やしてで
流すTMI量まで変化させた。即ち、明確な第1のバッ
ファ層と第2のバッファ層という界面を形成せず、徐々
にGaNからのInGaNに変化する部分を持つバッ
ファ層を用いて、その上にエピキシャルGaN層を成長
させた。その後の工程は、例えば第2の実施形態に記載
した半導体レーザの製造工程や、あるいは第4の実施形
態に記載した発光ダイオードの製造工程を適応して、各
々性能を評価したが、遜色無い結果が得られた。即ち、
厳密に第1のバッファ層と第2のバッファ層が分離して
存在していなくとも、すなわち徐々にIn組成が変化す
る層を挟んでいても、それぞれの役割を果たしさえすれ
ばそれで良く、同様の効果が得られることが分かった。
(Third Embodiment) A laser diode was manufactured in the following manner under the conditions for growing GaN as described in the first embodiment. The second growth performed at the growth temperature of the first buffer layer grown in the step of forming the buffer layer according to the first embodiment.
The growth temperature was gradually changed to the growth temperature of the buffer layer, and the TMI that was not flown at the beginning was supplied in accordance with the temperature change, and the supply amount was gradually increased to change the TMI flow. That is, an epitaxial GaN layer was grown on a buffer layer having a portion where GaN gradually changed to InGaN without forming a clear interface between the first buffer layer and the second buffer layer. . In the subsequent steps, for example, the performance was evaluated by applying the semiconductor laser manufacturing process described in the second embodiment or the light emitting diode manufacturing process described in the fourth embodiment. was gotten. That is,
Strictly, even if the first buffer layer and the second buffer layer do not exist separately from each other, that is, even if a layer in which the In composition changes gradually is sandwiched, it is sufficient as long as each plays a role. The effect was obtained.

【0037】(第4の実施形態)第3の実施形態におい
て、第1のバッファ層と第2のバッファ層との境界は不
鮮明になっていてもよい場合の説明をしたが、次に、第
1のバッファ層と第2のバッファ層の間の厳密な意味で
の別の層、あるいはそれを変質層とも呼べるような極薄
い層を有していても同等以上の効果が得られる場合につ
き説明する。即ち、広い意味では第1のバッファ層の最
上部と言い換えても同じ事なのであるが、本発明者等が
種々行なった実験の中で、第1のバッファ層の成長の最
終段階で、モノシランガスを成長装置に導入することに
よって、Si濃度の高い第1のバッファ層を、ほとんど
Si濃度を検出できない第1のバッファ層のほとんどの
部分の上に設ける(第1のバッファ層の最上部のみにS
iを添加した部分を形成することと同義)ことは、この
部分を導入しない場合に比べてより効果が大きい場合も
見うけられた。これは、Siの導入によって第1のバッ
ファ層の最表面部の核形成が助長され、その上に成長す
る第2のバッファ層の平坦化させる効果が最大限に発揮
された結果ではないかと解釈している。
Fourth Embodiment In the third embodiment, the case where the boundary between the first buffer layer and the second buffer layer may be unclear has been described. A description will be given of a case where the same or more effect can be obtained even if there is another layer in a strict sense between the first buffer layer and the second buffer layer, or an extremely thin layer that can be called an altered layer. I do. In other words, in a broad sense, the same applies to rephrasing the uppermost portion of the first buffer layer. However, in various experiments conducted by the present inventors, monosilane gas was supplied at the final stage of the growth of the first buffer layer. By being introduced into the growth apparatus, the first buffer layer having a high Si concentration is provided over most of the first buffer layer where the Si concentration is hardly detectable (S only at the uppermost portion of the first buffer layer).
(Synonymous with forming a portion to which i was added) was also found to be more effective than when this portion was not introduced. This is interpreted as the result of the fact that the introduction of Si promoted the nucleation of the outermost surface of the first buffer layer and maximized the effect of flattening the second buffer layer grown thereon. doing.

【0038】(第5の実施の形態)第1の第2の実施形
態記載の構造の内、第1のバッファ層502をGaAl
Nとした構造を作成したが、GaNを第1のバッファ層
に用いた場合と遜色の無い表面状態、素子特性が得られ
た。
(Fifth Embodiment) In the structure described in the first embodiment, the first buffer layer 502 is made of GaAl.
Although a structure with N was prepared, a surface state and device characteristics comparable to those when GaN was used for the first buffer layer were obtained.

【0039】(第6の実施形態)これまで、製造する素
子として半導体レーザを例に取り説明してきたが、次に
発光ダイオードの製造工程につき説明する。結晶成長に
用いた有機金属気相成長装置は図4に示すものが既略構
造図である。図7(a)に、工程断面図を示す。
(Sixth Embodiment) The semiconductor laser has been described as an example of a device to be manufactured. Next, a manufacturing process of a light emitting diode will be described. FIG. 4 is a schematic structural view of the metal organic chemical vapor deposition apparatus used for crystal growth. FIG. 7A shows a process sectional view.

【0040】ガス導入管45から水素を供給しながら高
周波加熱コイル45に通電を開始し、サセプタ42の上
に置いたサファイア基板41,71を加熱し、熱電対4
7の指示が1200℃になるように調整した。以下、熱
電対47の指示を単に温度と称する。この温度で10分
保持してから温度を600℃まで下げ、安定したところ
でTMGアンモニアガスの供給を開始し、第1のバッフ
ァ層72としてGaNの成長を40nm行った。引き続
きTMIを追加供給してIn組成10%のInGaNを
第2のバッファ層73として20nm成長した。TMG
とTMIの供給を停止し、温度を1200℃に再上昇さ
せた。
The supply of hydrogen to the high-frequency heating coil 45 is started while supplying hydrogen from the gas introduction pipe 45, and the sapphire substrates 41 and 71 placed on the susceptor 42 are heated, and the thermocouple 4 is heated.
7 was adjusted to 1200 ° C. Hereinafter, the instruction of the thermocouple 47 is simply referred to as temperature. After maintaining at this temperature for 10 minutes, the temperature was lowered to 600 ° C., and when the temperature became stable, supply of TMG ammonia gas was started, and GaN was grown to 40 nm as the first buffer layer 72. Subsequently, TMI was additionally supplied to grow InGaN having an In composition of 10% as the second buffer layer 73 to a thickness of 20 nm. TMG
And the supply of TMI was stopped, and the temperature was raised again to 1200 ° C.

【0041】次いで、水素で希釈したシランガスとTM
Gの供給を開始し、珪素添加のn型GaN層74を4μ
m成長した。TMGとシランガスの供給を停止した後、
温度を800℃まで下げ、安定してからTMGとTMI
を供給し、InGaNの多重量子井戸活性層75を作成
した。TMG,TMIの供給を停止すると共に昇温を開
始し、温度を1200℃に戻し、安定した所でTMAと
Cp2 Mgを供給してマグネシウム添加のp型GalN
層76を0.7μm成長させた。TMAの供給を止めて
p型GaN層77成長した後、続いて、Cp2 Mgの供
給を増加してそのままマグネシウム多量添加のp+ 型G
aN層78を0.1μm成長させた。その後、TMGと
Cp2 Mgの供給を停止し、高周波加熱コイル46への
通電を停止した。温度が800℃まで下がったところで
アンモニアの供給を停止した。
Next, silane gas diluted with hydrogen and TM
G supply is started, and the silicon-added n-type GaN
m. After stopping the supply of TMG and silane gas,
TMG and TMI after the temperature is lowered to 800 ° C and stabilized
Was supplied to form an InGaN multiple quantum well active layer 75. The supply of TMG and TMI was stopped, and the temperature was raised. The temperature was returned to 1200 ° C., and TMA and Cp 2 Mg were supplied at a stable place to supply magnesium-added p-type GalN.
Layer 76 was grown 0.7 μm. After the supply of TMA is stopped and the p-type GaN layer 77 is grown, the supply of Cp 2 Mg is then increased to directly add p + -type G with a large amount of magnesium.
The aN layer 78 was grown to 0.1 μm. Thereafter, supply of TMG and Cp 2 Mg was stopped, and power supply to the high-frequency heating coil 46 was stopped. When the temperature dropped to 800 ° C., the supply of ammonia was stopped.

【0042】このウエーハは、p+ 型GaN層78の最
表面を肉眼および光学顕微鏡観察したが、穴や表面状態
の特徴的な模様などは観測されなかった。次に断面電子
顕微鏡観察によって確認した最表面からn型GaN層7
4までの距離を基にしてエッチング条件を決定し、メタ
ルマスクを用いた反応性イオンエッチングによってウエ
ーハの一部をn型GaN層74まで掘った(図7
(b))。
In this wafer, the outermost surface of the p + -type GaN layer 78 was observed with the naked eye and with an optical microscope, but no holes or characteristic patterns in the surface state were observed. Next, the n-type GaN layer 7 was observed from the outermost surface confirmed by cross-sectional electron microscope observation.
The etching conditions were determined on the basis of the distance up to 4, and a portion of the wafer was dug down to the n-type GaN layer 74 by reactive ion etching using a metal mask (FIG. 7).
(B)).

【0043】次の工程は図7(c)を用いて説明する。
次にn型用のTiとAlの合金79を蒸着した。p+
GaN層78上のSiO2 マスクを弗化水素酸で除去
し、n型GaN層74上の前記TiとAlとの合金の上
にSiO2 マスクを付けてからTiとPtとAuの積層
構造80を蒸着して、SiO2 マスクを取り除いた後8
00℃で10分間窒素雰囲気で熱処理を行うことでn
型、p型共にオーム性電極特性を得た。
The next step will be described with reference to FIG.
Next, an alloy 79 of Ti and Al for n-type was deposited. The SiO 2 mask on the p + -type GaN layer 78 is removed with hydrofluoric acid, a SiO 2 mask is applied on the alloy of Ti and Al on the n-type GaN layer 74, and then Ti, Pt, and Au are removed. After depositing the laminated structure 80 and removing the SiO 2 mask, 8
By performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere at 00 ° C. for 10 minutes, n
Ohmic electrode characteristics were obtained for both the p-type and the p-type.

【0044】以上のように作成した半導体発光素子の断
面を電子顕微鏡で観察したところ、各層共に設計通りの
膜厚が実現されていた。また、光学特性を測定したとこ
ろ、発光波長のピークは420nmであり、20mA電
流を流すのに2.0Vという低い電圧で良く、また、発
光効率は外部量子効率で13.4%と非常に高い効率と
が実現できた。40mAにて、この発光ダイオードの寿
命試験を行ったところ、1000時間経過後の不良率は
1%以下であり、長寿命化がはかられていることが確認
された。
When the cross section of the semiconductor light emitting device prepared as described above was observed by an electron microscope, it was found that the thickness of each layer was as designed. Further, when the optical characteristics were measured, the peak of the emission wavelength was 420 nm, a voltage as low as 2.0 V was sufficient for applying a current of 20 mA, and the emission efficiency was as high as 13.4% in terms of external quantum efficiency. Efficiency was achieved. When the life test of this light emitting diode was performed at 40 mA, the failure rate after 1000 hours passed was 1% or less, and it was confirmed that the life was extended.

【0045】(第7の実施形態)これまでの実施形態の
中では、用いる基板としてサファイアの場合のみについ
て説明してきたが、次に、6H−SiC基板のSi面を
用いた場合について説明する。この場合には、第1のバ
ッファ層の組成xをゼロに近づける、即ちAlNに近い
方が良い結果が得られた。但しこの場合には、そのまま
第2のバッファ層を成長させるのではなく、一旦、13
00℃付近まで温度を上昇させ、非晶質のGaAlNを
十分核形成させてから第2のバッファ層を成長すること
が鍵であることを本発明者等は突き止めている。xが1
に近い場合にはこのような高温処理が不要となる分、第
2のバッファ層との組み合わせでも十分な効果が出ない
場合もあり、やはり6H−SiC基板を用いる場合には
xがゼロに近い方が望ましいことが分かった。
(Seventh Embodiment) In the above embodiments, only the case where sapphire is used as the substrate to be used has been described. Next, the case where the Si surface of the 6H-SiC substrate is used will be described. In this case, a better result was obtained when the composition x of the first buffer layer was closer to zero, that is, closer to AlN. However, in this case, instead of growing the second buffer layer as it is,
The present inventors have found that the key is to increase the temperature to around 00 ° C. to sufficiently nucleate the amorphous GaAlN before growing the second buffer layer. x is 1
In the case where the temperature is close to 0, such a high-temperature treatment is not required, so that the combination with the second buffer layer may not provide a sufficient effect. In the case where a 6H-SiC substrate is used, x is close to zero. It turned out to be more desirable.

【0046】(第8の実施形態)次に、基板材料とし
て、GaNを用いた場合について説明する。単結晶Ga
N基板は近年注目を集めているが、その成長方法には比
較的速い成長速度を特徴とする成長方法が採用される。
従って、単結晶GaNは転位密度として1×103cm
-2を下回る基板は非常に高価であったり、まず減多に手
に入れることも出来ない状況にある。すなわち、基板材
料に通常の転位密度のGaNを用いる場合であっても、
第1のバッファ層の存在は望ましく、基板からの転位の
伝播を止めることが出来るという効果を示すことが、別
途行なった本発明者等の実験により明らかになってい
る。
(Eighth Embodiment) Next, a case where GaN is used as a substrate material will be described. Single crystal Ga
Although the N-substrate has attracted attention in recent years, a growth method characterized by a relatively high growth rate is adopted as the growth method.
Therefore, single crystal GaN has a dislocation density of 1 × 10 3 cm
Substrates below -2 are very expensive or, at the very least, hardly available. That is, even when GaN having a normal dislocation density is used as the substrate material,
It has been clarified by a separate experiment conducted by the present inventors that the presence of the first buffer layer is desirable, and exhibits an effect of stopping the propagation of dislocations from the substrate.

【0047】これまで述べたきた様な製造方法を採用し
たところ、良品歩留まりが第1から第8の実施形態に記
載した様に従来技術を用いた場合に比べて倍以上に向上
した。
When the manufacturing method as described above is employed, the yield of non-defective products is more than doubled as compared with the case of using the prior art as described in the first to eighth embodiments.

【0048】これは、最表面の平坦性が著しく改善され
たことに対応した結果であると解釈している。これまで
述べてきた各実施形態では、p型電極材料、n型電極材
料としていくつかの例を挙げたが、同等以上のオーム性
と接触抵抗の値を示す電極材料及び熱処理方法であれば
良く、種々変形して実施することが出来る。
This is interpreted as a result corresponding to a marked improvement in the flatness of the outermost surface. In each of the embodiments described so far, some examples have been given as the p-type electrode material and the n-type electrode material. However, any electrode material and a heat treatment method exhibiting equal or higher ohmic properties and contact resistance values may be used. The present invention can be implemented with various modifications.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上説明したように、第2のバッファ層
を第1のバッファ層の直上に形成することによって、そ
の上に成長させる窒化ガリウム係化合物半導体の結晶性
が飛躍的に向上する。したがって、本発明の方法で作製
した半導体装置では、例えば発光素子の寿命が、特に発
光素子がレーザの場合に大幅に改善することが可能とな
る。
As described above, by forming the second buffer layer immediately above the first buffer layer, the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor grown thereon is drastically improved. Therefore, in the semiconductor device manufactured by the method of the present invention, for example, the lifetime of the light emitting element can be significantly improved, particularly when the light emitting element is a laser.

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

【図1】本発明の骨子を説明するためのエピタキシャル
ウエーハの構造を表わす断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of an epitaxial wafer for explaining the gist of the present invention.

【図2】第1の比較例および従来例を説明するためのエ
ピタキシャルウエーハの構造を表わす断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of an epitaxial wafer for explaining a first comparative example and a conventional example.

【図3】本発明の作用を説明するための図で、第2のバ
ッファ層のIn組成とその上のGaNエピタキシャル層
のエッチピット密度との関係を示す図。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the present invention, showing the relationship between the In composition of the second buffer layer and the etch pit density of the GaN epitaxial layer thereon.

【図4】第1から第4の実施形態に係わる半導体素子の
製造工程を示すための図で、有機金属気相成長装置の断
面概略構成を示す図。
FIG. 4 is a diagram for illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the first to fourth embodiments, and is a diagram illustrating a schematic cross-sectional configuration of a metal organic chemical vapor deposition apparatus.

【図5】第2の実施形態に係わる半導体レーザ素子の製
造工程の前半を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing the first half of the manufacturing process of the semiconductor laser device according to the second embodiment.

【図6】第2の実施形態に係わる半導体レーザ素子の製
造工程の後半を示す図で、図5に続く工程を説明するた
めの素子断面図。
FIG. 6 is a view showing the latter half of the manufacturing process of the semiconductor laser device according to the second embodiment, and is a cross-sectional view of the device for explaining a process following FIG. 5;

【図7】第4の実施形態に係わる半導体発光ダイオード
の製造工程を示す図。
FIG. 7 is a view showing a manufacturing process of the semiconductor light emitting diode according to the fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、21…基板 12、22…第1のバッファ層Gaxl-x N(0≦x
≦1) 13…第2のバッファ層Iny Ga1-y N(0<y≦
1) 14、23…窒化ガリウム系半導体結晶 41、501、71…サファイア基板 42…サセプタ 43…反応容器 44…排気管 45…ガス導入管 46…高周波加熱コイル 47…熱電対 502、72…第1のバッファ層GaN 503、73…第2のバッファ層InGaN 504、74…n型GaN(コンタクト)層 505…n型GaAlN(クラッド)層 506…n型GaN(ガイド)層 507…活性層 508…p型GaN(ガイド)層 509…p型GaAlN(クラッド)層 510、61、77…p型GaN層 511…n型GaN(ブロック)層 62、78…p+ 型GaN(コンタクト)層 75…InGaN多重量子井戸活性層 76…p型GaAlN層 79…n型電極 80…p型電極
11, 21 ... substrate 12, 22 ... first buffer layer Ga x A lx N (0 ≦ x
≦ 1) 13... Second buffer layer In y Ga 1-y N (0 <y ≦
1) 14, 23: gallium nitride based semiconductor crystal 41, 501, 71: sapphire substrate 42: susceptor 43: reaction vessel 44: exhaust pipe 45: gas introduction pipe 46: high frequency heating coil 47: thermocouple 502, 72: first Buffer layers GaN 503, 73 ... second buffer layers InGaN 504, 74 ... n-type GaN (contact) layer 505 ... n-type GaAlN (cladding) layer 506 ... n-type GaN (guide) layer 507 ... active layer 508 ... p -type GaN (guide) layer 509 ... p-type GaAlN (cladding) layer 510,61,77 ... p-type GaN layer 511 ... n type GaN (blocks) layer 62 and 78 ... p + -type GaN (contact) layer 75 ... InGaN multiple Quantum well active layer 76: p-type GaAlN layer 79: n-type electrode 80: p-type electrode

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に2層以上のバッファ層を設け、そ
のバッファ層上にGaN系化合物半導体層からなる積層
構造を構成したGaN系化合物半導体装置において、前
記2層以上のバッファ層のうち、基板側のバッファ層を
GaX Al1-x N(0≦x≦1)で構成し、積層構造の
GaN系化合物半導体層側のバッファ層をIny Ga
1-y N(0<y≦1)で構成したことを特徴とするGa
N系化合物半導体装置。
1. A GaN-based compound semiconductor device in which two or more buffer layers are provided on a substrate and a stacked structure composed of a GaN-based compound semiconductor layer is formed on the buffer layer. The buffer layer on the substrate side is composed of Ga x Al 1 -xN (0 ≦ x ≦ 1), and the buffer layer on the GaN-based compound semiconductor layer side of the laminated structure is In y Ga
Ga constituted by 1-yN (0 <y ≦ 1)
N-based compound semiconductor device.
【請求項2】反応容器内に反応ガスを供給し、基板上に
800℃以下の温度で第1のバッファ層を成長させ、そ
の第1のバッファ層上に、第2のバッファ層を成長させ
た後、800℃以上の温度でGaN系化合物半導体の結
晶を成長させて窒化ガリウム系化合物半導体装置を製造
する方法において、前記第1のバッファ層をGax Al
1-x N(0≦x≦1)で示されると共に、前記第2のバ
ッファ層をIny Ga1-y N(0<y≦1)で示される
ことを特徴とするGaN系化合物半導体装置の製造方
法。
2. A reaction gas is supplied into a reaction vessel, a first buffer layer is grown on the substrate at a temperature of 800 ° C. or less, and a second buffer layer is grown on the first buffer layer. after a process for producing a GaN based compound semiconductor crystal is grown gallium nitride-based compound semiconductor device at 800 ° C. or higher, the first buffer layer Ga x Al
A GaN-based compound semiconductor device represented by 1-xN (0 ≦ x ≦ 1) and wherein the second buffer layer is represented by In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). Manufacturing method.
【請求項3】請求項2記載の成長方法が有機金属を用い
た気相成長方法であることを特徴とするGaN系化合物
半導体装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a GaN-based compound semiconductor device according to claim 2, wherein the growth method is a vapor phase growth method using an organic metal.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100489039B1 (en) * 2002-08-19 2005-05-11 엘지이노텍 주식회사 Fabrication method for GaN semiconductor LED
KR100583163B1 (en) * 2002-08-19 2006-05-23 엘지이노텍 주식회사 Nitride semiconductor and fabrication method for thereof

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