JPH11243229A - Semiconductor light-emitting element and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor light-emitting element and manufacture thereof

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JPH11243229A
JPH11243229A JP34305798A JP34305798A JPH11243229A JP H11243229 A JPH11243229 A JP H11243229A JP 34305798 A JP34305798 A JP 34305798A JP 34305798 A JP34305798 A JP 34305798A JP H11243229 A JPH11243229 A JP H11243229A
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gan
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semiconductor light
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▲やす▼之 名西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the growth of a GaN layer without using a high-cost base substrate and by lowering a substrate temperature, by a method wherein the GaN layer is formed on a glass substrate or a silicon substrate by an ECR-MBE method. SOLUTION: First, a glass substrate 21 is placed on a substrate insertion rod 18 of an ECR-MBE device 1. Prebaking is performed in a substrate exchange chamber 4 for 30 minutes at a substrate temperature of 500 deg.C and moisture and adsorbed gas adhering on the substrate 21 are removed. After that, the substrate 21 is carried in a growth chamber 3. After the substrate 21 is carried in the chamber 3, a thermal cleaning of 700 deg.C is performed on the substrate 21 for 30 minutes to obtain the clean surface of a ZnO buffer layer 22. Then, formation of a low-temperature growth GaN buffer layer is conducted for 20 minutes on a prescribed film-forming condition to obtain a buffer layer 23 of a film thickness of 20 μm. This layer 23 is an amorphous layer and has an effect to raise the crystallizability of a single crystal GaN film 24, which is properly grown afterwards.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子に関
し、特にIII−V族のGaN材料、およびInGaN材
料を用いた半導体発光素子、およびその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a semiconductor light emitting device using III-V GaN material and InGaN material, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、青色域で発光する半導体発光
素子として、禁制帯幅の広いGaNを用いた発光ダイオ
ード(LED)が知られている。GaNを用いる場合に
は、そのバルク結晶を形成することが極めて困難なた
め、最適基板の選択および結晶の成長方法が大きな課題
となる。この点に関し、従来より、GaN層を成長させ
る下地基板として単結晶サファイア基板を用い、有機金
属化合物気相成長法(以下MOCVD法と言う)によっ
てGaN層を成長させる方法が試みられている。しか
し、サファイア基板とGaNとは格子定数が大きく異な
る(具体的には両者の格子定数差は、約16.1%にも
なる)ため、成長したGaNには転位密度108〜10
11/cm2という多数の結晶欠陥が生じてしまい、結
晶性の優れた良質のGaN層を成長させることは困難で
あった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a light emitting diode (LED) using GaN having a wide forbidden band has been known as a semiconductor light emitting device that emits light in a blue region. In the case of using GaN, it is extremely difficult to form a bulk crystal thereof, so that selection of an optimum substrate and a method of growing a crystal are important issues. Regarding this point, a method of growing a GaN layer by a metalorganic compound vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD method) using a single crystal sapphire substrate as a base substrate for growing the GaN layer has been attempted. However, since the sapphire substrate and GaN have significantly different lattice constants (specifically, the difference between the lattice constants is as large as about 16.1%), the grown GaN has a dislocation density of 108 to 10%.
A large number of crystal defects of 11 / cm 2 were generated, and it was difficult to grow a high-quality GaN layer having excellent crystallinity.

【0003】これに対して近年、多結晶または非晶質の
AlN層をバッファ層としてサファイア基板とGaN層
との間に介在させることにより、下地基板とGaN層と
の格子定数の差を緩和し、単結晶サファイア基板上に結
晶性の優れたGaN層を成長させる方法が提案されてい
る。さらに、ZnO層をバッファ層として用いることに
より、単結晶サファイア基板以外に、石英ガラス等の非
晶質基板上にもGaN層を成長させうることが判明して
おり、その実用化が進められている(例えば特開平8−
139361号公報)。
On the other hand, recently, a polycrystalline or amorphous AlN layer is interposed between a sapphire substrate and a GaN layer as a buffer layer to reduce the difference in lattice constant between the underlying substrate and the GaN layer. A method of growing a GaN layer having excellent crystallinity on a single-crystal sapphire substrate has been proposed. Furthermore, it has been found that by using a ZnO layer as a buffer layer, a GaN layer can be grown on an amorphous substrate such as quartz glass in addition to a single-crystal sapphire substrate. (For example, see
139361).

【0004】なお、AlN、ZnO等のバッファ層を下
地基板との間に介在させてGaN層を形成するこれらの
従来技術にあっても、GaN層の形成方法としては、主
としてMOCVD法が用いられている。
Incidentally, even in these prior arts in which a buffer layer of AlN, ZnO or the like is interposed between an underlying substrate and a GaN layer, MOCVD is mainly used as a method of forming the GaN layer. ing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体発光素子は以下のような問題点を有している。
However, the conventional semiconductor light emitting device has the following problems.

【0006】まず、従来よりGaN層の下地基板として
支配的に用いられる単結晶サファイア基板は、基板が高
価であることから製造コストの増大を招くことになる。
First, a single crystal sapphire substrate conventionally used as a base substrate for a GaN layer has a high manufacturing cost because the substrate is expensive.

【0007】また、上述のいずれの従来技術にあっても
GaN層の形成にはMOCVD法が用いられるが、MO
CVD法によった場合、結晶成長に反応ガスの熱分解反
応を利用するため、気相成長時に基板を1000℃〜1
200℃程度の高温に加熱する必要がある。この高温ゆ
えに、以下の諸問題が引き起こされる。まず第1に、G
aN層成長のための下地基板として使用できる基板が、
上述の高温に耐えうる耐熱性の高い基板に限定されるこ
とになる。第2に、GaN層形成時の基板温度が高いの
で、それだけ下地基板とGaNとの熱膨張係数の差によ
る影響を強く受けることになる。具体的には、例えば単
結晶サファイア基板上にGaN層を形成した場合にあっ
ては、GaN層成長時の温度(約1000℃)から常温
にまで冷却されると、単結晶サファイア基板とGaNと
の熱膨張係数の差(約34%)から、GaN層に比べて
単結晶サファイア基板が大幅に収縮する。このため、し
ばしばGaN層において歪みやクラック、結晶欠陥が生
じ、結果的に結晶品質が良好で十分な発光効率を有する
素子を得ることが困難となる。
In any of the above-mentioned prior arts, the GaN layer is formed by the MOCVD method.
In the case of using the CVD method, the substrate is heated to 1000 ° C. to 1
It is necessary to heat to a high temperature of about 200 ° C. Due to this high temperature, the following problems are caused. First, G
A substrate that can be used as a base substrate for growing an aN layer is
The substrate is limited to a substrate having high heat resistance that can withstand the high temperature described above. Second, since the substrate temperature during the formation of the GaN layer is high, the substrate temperature is strongly affected by the difference in the coefficient of thermal expansion between the underlying substrate and GaN. Specifically, for example, when a GaN layer is formed on a single-crystal sapphire substrate, the single-crystal sapphire substrate, the GaN , The single crystal sapphire substrate shrinks significantly compared to the GaN layer. For this reason, distortion, cracks, and crystal defects often occur in the GaN layer, and as a result, it is difficult to obtain an element having good crystal quality and sufficient luminous efficiency.

【0008】従って本発明は上述の技術的問題点を解決
するためになされたものであって、高価な下地基板を用
いることなくGaN層を成長させることができ、かつ、
より低温でGaN層を成長させ、基板とGaNとの熱膨
張係数の差による影響を受けにくい半導体発光素子、お
よびその製造方法を提供することにある。
Accordingly, the present invention has been made to solve the above technical problems, and can grow a GaN layer without using an expensive undersubstrate.
An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which a GaN layer is grown at a lower temperature and is less affected by a difference in thermal expansion coefficient between a substrate and GaN, and a method for manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の請求項1記載の半導体発光素子において
は、ガラス基板またはシリコン基板上に、ECR−MB
E法によって、GaN層を形成する。また、GaN層の
形成にあたっては、格子定数がGaNと比較的近くガラ
ス基板やシリコン基板上にも形成しやすいZnOをバッ
ファ層として介在させることが、GaN層の結晶性向上
の観点から好ましい。また、さらに結晶性の良いGaN
層を形成するために、約400℃〜500℃程度の低温
で形成した低温成長GaNバッファ層上にGaN層を形
成することが好ましい。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device, comprising: a glass substrate or a silicon substrate;
A GaN layer is formed by the E method. In forming the GaN layer, it is preferable to interpose ZnO having a lattice constant relatively close to that of GaN and easily formed on a glass substrate or a silicon substrate as a buffer layer from the viewpoint of improving the crystallinity of the GaN layer. GaN with better crystallinity
In order to form a layer, it is preferable to form a GaN layer on a low-temperature-grown GaN buffer layer formed at a low temperature of about 400 ° C. to 500 ° C.

【0010】このように、GaN層をECR−MBE法
によって形成することにより、GaN層形成時の基板温
度を下げることができるので、下地基板として安価なガ
ラス基板やシリコン基板を用いることが可能となる。特
に、下地基板にガラス基板を使用した場合、GaNとの
熱膨張係数の差が小さいことから、熱膨張係数の差から
生じる上述の悪影響を緩和することができる。
As described above, by forming the GaN layer by the ECR-MBE method, the substrate temperature at the time of forming the GaN layer can be reduced, so that an inexpensive glass substrate or silicon substrate can be used as the base substrate. Become. In particular, when a glass substrate is used as the base substrate, since the difference in thermal expansion coefficient from GaN is small, the above-mentioned adverse effects caused by the difference in thermal expansion coefficient can be reduced.

【0011】本発明の請求項6記載の半導体発光素子に
おいては、ガラス基板またはシリコン基板上に、ECR
−MBE法によって、InGaN層を形成する。また、
InGaN層の形成にあたっては、格子定数がInGa
Nと比較的近くガラス基板やシリコン基板上にも形成し
やすいZnOをバッファ層として介在させることが、I
nGaN層の結晶性向上の観点から好ましい。また、さ
らに結晶性の良いInGaN層を形成するために、約4
00℃〜500℃程度の低温で形成した低温成長InG
aNバッファ層上にInGaN層を形成することが好ま
しい。
[0011] In the semiconductor light emitting device according to claim 6 of the present invention, an ECR is provided on a glass substrate or a silicon substrate.
-Form an InGaN layer by MBE. Also,
In forming the InGaN layer, the lattice constant is InGa
ZnO, which is relatively close to N and is easily formed on a glass substrate or a silicon substrate, can be interposed as a buffer layer.
It is preferable from the viewpoint of improving the crystallinity of the nGaN layer. In order to form an InGaN layer with better crystallinity, about 4
Low temperature growth InG formed at a low temperature of about 00 to 500 ° C
Preferably, an InGaN layer is formed on the aN buffer layer.

【0012】このように、InGaN層をECR−MB
E法によって形成することにより、InGaN層形成時
の基板温度を下げることができるので、下地基板として
安価なガラス基板やシリコン基板を用いることが可能と
なる。特に、下地基板にガラス基板を使用した場合、I
nGaNとの熱膨張係数の差が小さいことから、熱膨張
係数の差から生じる上述の悪影響を緩和することができ
る。
As described above, the InGaN layer is formed by the ECR-MB
By forming by the E method, the substrate temperature at the time of forming the InGaN layer can be lowered, so that an inexpensive glass substrate or silicon substrate can be used as the base substrate. In particular, when a glass substrate is used as the base substrate,
Since the difference in thermal expansion coefficient from nGaN is small, the above-mentioned adverse effects caused by the difference in thermal expansion coefficient can be mitigated.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明に従って実施した実
施例について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0014】まず、本発明の半導体発光素子の製造に用
いるECR−MBE装置の概略図を、図1に示す。本E
CR−MBE装置1は図1に示すように、プラズマ生成
室2、成長室3、基板交換室4の3室から構成されてい
る。
First, FIG. 1 shows a schematic view of an ECR-MBE apparatus used for manufacturing the semiconductor light emitting device of the present invention. Book E
As shown in FIG. 1, the CR-MBE apparatus 1 includes three chambers, a plasma generation chamber 2, a growth chamber 3, and a substrate exchange chamber 4.

【0015】プラズマ生成室2では、マスフローコント
ローラ(図示せず)で流量制御された窒素ガスに2.4
5GHzのマイクロ波と875Gの磁場を印加すること
で電子サイクロトロン共鳴(ECR)現象を引き起こ
し、プラズマを生成させる。生成された窒素ガスのプラ
ズマは発散磁場によって、プラズマ生成室2から成長室
3に流入する。
In the plasma generation chamber 2, the nitrogen gas whose flow rate is controlled by a mass flow controller (not shown) is 2.4.
By applying a microwave of 5 GHz and a magnetic field of 875 G, an electron cyclotron resonance (ECR) phenomenon is caused to generate plasma. The generated nitrogen gas plasma flows from the plasma generation chamber 2 to the growth chamber 3 by the divergent magnetic field.

【0016】成長室3にはまず、基板11を保持するた
めの基板ホルダ12が設けられている。基板ホルダ12
には、基板11を加熱するためのヒータが取り付けられ
ている。また、成長室3には、成長室3を構成する真空
チャンバと基板ホルダ12との間で直流バイアスを正負
に印加する電圧印加手段13が取り付けられている。こ
れにより、イオン化した原料を効率的に基板11に定着
させることができ、また同時に、不要なイオンの基板1
1への衝突を抑制してイオン照射ダメージを低減させ、
基板11上に成長した結晶膜の高品質化を図ることがで
きる。さらに、Ga源として金属Gaを供給するための
クヌーセンセル14が、In源として金属Inを供給す
るためのクヌーセンセル15が、それぞれ設けられてい
る。これらGa、Inの各原料とプラズマ生成室2から
流入するプラズマ状の窒素ガスとが反応して基板11上
にGaN膜、あるいはInGaN膜が形成される。この
とき、窒素ガスが高エネルギーを有するECRプラズマ
状態で供給されるので、その励起エネルギー分だけ基板
温度を下げることができるのである。基板11上の成膜
状態の評価装置としては、RHEED電子銃16および
スクリーン17が設けられている。
First, a substrate holder 12 for holding a substrate 11 is provided in the growth chamber 3. Substrate holder 12
Is provided with a heater for heating the substrate 11. The growth chamber 3 is provided with voltage applying means 13 for applying a DC bias to the positive and negative directions between the vacuum chamber constituting the growth chamber 3 and the substrate holder 12. Thereby, the ionized raw material can be efficiently fixed on the substrate 11, and at the same time, the substrate 1
To reduce ion irradiation damage by suppressing collision with
The quality of the crystal film grown on the substrate 11 can be improved. Further, a Knudsen cell 14 for supplying metal Ga as a Ga source and a Knudsen cell 15 for supplying metal In as an In source are provided. These Ga and In materials react with the plasma-like nitrogen gas flowing from the plasma generation chamber 2 to form a GaN film or an InGaN film on the substrate 11. At this time, since the nitrogen gas is supplied in an ECR plasma state having high energy, the substrate temperature can be reduced by the amount of the excitation energy. An RHEED electron gun 16 and a screen 17 are provided as an apparatus for evaluating the state of film formation on the substrate 11.

【0017】基板交換室4には、基板11を成長室3に
搬入するための基板搬入棒18が設けられている。ま
た、基板搬入棒18にも基板の予備加熱を行うためのヒ
ータが取り付けられている。これにより、基板への成膜
を連続的に行うことができ、また、成長室3で基板11
を加熱する際に生じる放出ガスの量を低減することがで
きる。
The substrate exchange chamber 4 is provided with a substrate carrying rod 18 for carrying the substrate 11 into the growth chamber 3. Further, a heater for preheating the substrate is also attached to the substrate carrying rod 18. Thereby, film formation on the substrate can be performed continuously, and the substrate 11 can be formed in the growth chamber 3.
Can be reduced in the amount of outgassed gas generated when heating is performed.

【0018】成長室3と基板交換室4はそれぞれ独立し
た排気系(例えば図示しないターボ分子ポンプと油回転
ポンプとからなる)を備えており、基板搬送時以外はゲ
ートバルブ19で隔てられている。これにより、成長室
3を常に残留不純物分子の少ない真空度の高い状態に保
つことができる。
The growth chamber 3 and the substrate exchange chamber 4 are provided with independent exhaust systems (for example, composed of a turbo molecular pump and an oil rotary pump (not shown)), and are separated from each other by the gate valve 19 except when the substrate is transported. . Thereby, the growth chamber 3 can always be kept in a state of high vacuum with few residual impurity molecules.

【0019】[第1実施例、図2〜図4]本実施例にお
いては、上述のECR−MBE装置1を用いて、基板上
に図2に示す膜構造を有する半導体発光素子20を形成
する。以下、本実施例の成膜に用いる基板・原料、およ
び成膜手順について説明する。
[First Embodiment, FIGS. 2 to 4] In this embodiment, a semiconductor light emitting element 20 having the film structure shown in FIG. 2 is formed on a substrate by using the ECR-MBE apparatus 1 described above. . Hereinafter, the substrate and raw materials used for the film formation of this example and the film formation procedure will be described.

【0020】本実施例に用いる基板としては、安価なほ
う硅酸ガラス基板21(以下、単にガラス基板と呼ぶ)
を用いる。このガラス基板21上には、予めRFマグネ
トロンスパッタ法等により膜厚約3μm程度のZnOバ
ッファ層22を形成しておく。なお、このZnOバッフ
ァ層22はc軸配向の多結晶膜である。また、GaN膜
の成長に用いるIII族原料として純度8N(99.99
9999%)の金属Gaを、V族原料として純度5Nの
窒素ガスを用いる。
The substrate used in this embodiment is an inexpensive borosilicate glass substrate 21 (hereinafter simply referred to as a glass substrate).
Is used. On this glass substrate 21, a ZnO buffer layer 22 having a thickness of about 3 μm is formed in advance by an RF magnetron sputtering method or the like. The ZnO buffer layer 22 is a c-axis oriented polycrystalline film. Further, as a group III raw material used for growing a GaN film, a purity of 8N (99.99) is used.
9999%) of metal Ga, and nitrogen gas having a purity of 5N is used as a group V raw material.

【0021】次に、成膜手順を述べる。まず、ガラス基
板21をECR−MBE装置1の基板搬入棒18に載置
する。そして、基板交換室4内で基板温度500℃で3
0分間のプリベークを施し、基板21に付着した水分や
吸着ガスを取り除く。その後ガラス基板21を成長室3
内に搬入する。ガラス基板21を成長室3内に搬入した
後、700℃のサーマルクリーニングを30分間行い、
ZnOバッファ層22の洗浄表面を得る。次に、以下の
表1に示す成膜条件で低温成長GaNバッファ層の形成
を20分間行い、膜厚約20nmのバッファ層23を得
る。この低温成長GaNバッファ層23は非晶質であ
り、後に本成長させる単結晶GaN膜24の結晶性を向
上させる効果を有している。なお、成長室3内の真空度
は10−7torr程度に保持されている。
Next, a film forming procedure will be described. First, the glass substrate 21 is placed on the substrate carrying rod 18 of the ECR-MBE apparatus 1. Then, at a substrate temperature of 500 ° C. in the substrate exchange chamber 4,
Pre-bake for 0 minutes is performed to remove moisture and adsorbed gas adhering to the substrate 21. Thereafter, the glass substrate 21 is placed in the growth chamber 3.
Carry in. After carrying the glass substrate 21 into the growth chamber 3, thermal cleaning at 700 ° C. is performed for 30 minutes.
A cleaned surface of the ZnO buffer layer 22 is obtained. Next, a low-temperature-grown GaN buffer layer is formed for 20 minutes under the film forming conditions shown in Table 1 below to obtain a buffer layer 23 having a thickness of about 20 nm. This low-temperature-grown GaN buffer layer 23 is amorphous, and has an effect of improving the crystallinity of the single-crystal GaN film 24 to be finally grown later. The degree of vacuum in the growth chamber 3 is maintained at about 10-7 torr.

【0022】[0022]

【表1】 [Table 1]

【0023】低温成長GaNバッファ層23を形成した
後、引き続き以下の表2に示す成膜条件でGaN膜24
を120分間、本成長させる。なお、成長室3内の真空
度は同様に10−7torr程度に保持されている。
After forming the low-temperature-grown GaN buffer layer 23, the GaN film 24 is continuously formed under the film forming conditions shown in Table 2 below.
For 120 minutes. The degree of vacuum in the growth chamber 3 is similarly maintained at about 10-7 torr.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】以上のような成膜手順を経て、図2に示す
膜構造を有する半導体発光素子20を得る。ここで、以
上で述べたGaN膜の成膜手順のタイムチャートを図3
に示す。図3からも明らかなように、本実施例の一連の
GaN膜の成膜過程においては、基板温度を常時700
℃以下に保持することが可能である(なお、説明は省略
したが、ガラス基板21上にZnOバッファ層22を成
膜する過程も、RFマグネトロンスパッタ法によった場
合、200℃程度の基板温度で成膜する事ができる)。
これにより融点・軟化点の低い材料を下地基板として用
いることが可能となり、幅広い基板材料の選択が可能と
なる。例えば、従来においてはその使用が困難であった
ほう硅酸ガラスのような融点は低い(具体的には、ほう
硅酸ガラスの軟化点は775℃である)が安価な基板材
料の使用が可能となる。
The semiconductor light emitting device 20 having the film structure shown in FIG. 2 is obtained through the above film forming procedure. Here, the time chart of the GaN film forming procedure described above is shown in FIG.
Shown in As is clear from FIG. 3, in the series of GaN film forming processes of the present embodiment, the substrate temperature was constantly set to 700.
It is possible to maintain the temperature below 200 ° C. (Note that, although not described, the process of forming the ZnO buffer layer 22 on the glass substrate 21 also requires the substrate temperature of about 200 ° C. when the RF magnetron sputtering method is used. The film can be formed with).
As a result, a material having a low melting point and softening point can be used as the base substrate, and a wide range of substrate materials can be selected. For example, the melting point of borosilicate glass, which has been difficult to use in the past, is low (specifically, the softening point of borosilicate glass is 775 ° C), but an inexpensive substrate material can be used. Becomes

【0026】最後に、上記成膜手順を経て得られたGa
N膜の光学的特性について検討する。光学的特性の評価
法として、He−Cdレーザを励起光源とするフォトル
ミネッセンススペクトルの測定を77Kの温度下で行
う。測定結果を図4に示す。図4において横軸は発光波
長λを、縦軸は光強度(単位a.u.)を示している。
この図からわかるように、本実施例で得られたGaN膜
において、主としてバンド端(360nm)付近での発
光スペクトルが確認できた。
Finally, the Ga film obtained through the above film forming procedure is obtained.
The optical characteristics of the N film will be discussed. As a method for evaluating optical characteristics, measurement of a photoluminescence spectrum using a He-Cd laser as an excitation light source is performed at a temperature of 77K. FIG. 4 shows the measurement results. 4, the horizontal axis represents the emission wavelength λ, and the vertical axis represents the light intensity (unit: au).
As can be seen from this figure, in the GaN film obtained in the present example, an emission spectrum mainly near the band edge (360 nm) was confirmed.

【0027】[第2実施例、図5〜図6]本実施例にお
いては、上述のECR−MBE装置1を用いて、基板上
に図5に示す膜構造を有する半導体発光素子30を形成
する。以下、本実施例の成膜に用いる基板・原料、およ
び成膜手順について説明する。
[Second Embodiment, FIGS. 5 to 6] In this embodiment, the semiconductor light emitting element 30 having the film structure shown in FIG. 5 is formed on a substrate by using the above-described ECR-MBE apparatus 1. . Hereinafter, the substrate and raw materials used for the film formation of this example and the film formation procedure will be described.

【0028】本実施例においては、InGaN膜の成長
に用いるIII族原料として純度8N(99.99999
9%)の金属Gaと、同じく純度8Nの金属Inとを用
いる。それ以外の原料および基板については第1実施例
と同様である。
In this embodiment, a group III raw material used for growing an InGaN film has a purity of 8N (99.99999).
9%) of metal Ga and metal In of the same purity of 8N. Other materials and substrates are the same as in the first embodiment.

【0029】成膜手順に関しては、低温成長InGaN
バッファ層33の成膜条件と、InGaN層34の成膜
条件をそれぞれ以下の表3に示すように設定する。それ
以外の点については、第1実施例と同様であり、その説
明を省略する。
As for the film forming procedure, low-temperature growth InGaN
The conditions for forming the buffer layer 33 and the conditions for forming the InGaN layer 34 are set as shown in Table 3 below. Other points are the same as in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.

【0030】[0030]

【表3】 [Table 3]

【0031】以上のような成膜手順を経て、図5に示す
膜構造を有する半導体発光素子30を得る。本実施例の
一連のInGaN膜の成膜過程においても、基板温度を
常時700℃以下に保持することが可能である。
The semiconductor light emitting device 30 having the film structure shown in FIG. 5 is obtained through the above film forming procedure. In the process of forming a series of InGaN films according to the present embodiment, the substrate temperature can be constantly maintained at 700 ° C. or lower.

【0032】上記成膜手順を経て得られたInGaN膜
の光学的特性を図6に示す。なお、評価法は第1実施例
と同様の手法を用いた。この図からわかるように、本実
施例で得られたInGaN膜において、主としてバンド
端(380nm)付近での発光スペクトルが確認でき
た。
FIG. 6 shows the optical characteristics of the InGaN film obtained through the above film forming procedure. The same evaluation method as that of the first embodiment was used. As can be seen from this figure, in the InGaN film obtained in this example, an emission spectrum was mainly observed near the band edge (380 nm).

【0033】[その他の実施例]なお、本発明は上述の
実施例で示した成膜条件に限定されるものではなく、そ
の趣旨の範囲内で種々に変更しうる。例えば、上述の各
実施例では、下地基板としてほう硅酸ガラス基板を使用
したが、これに限定することなく、同じく安価な下地基
板としてシリコン基板を使用することも可能である。シ
リコン基板は、ガラス基板に比べると、融点・軟化点の
温度が高いので(具体的には約1400℃である)、そ
の分、高い基板温度での成膜が可能であり、より結晶性
の良好なGaN層、InGaN層が得られやすいと言う
メリットを有する(一般に、成膜温度が高いほど成膜さ
れる膜の結晶性は良好になる傾向を有している)。但
し、この場合であっても成膜時の基板温度は900℃未
満に保持する必要がある。これは、基板温度が900℃
を越える付近から、バッファ層であるZnOが昇華し始
めるからである。ZnOの昇華がすすむと、そのバッフ
ァ層としての機能が低減するため、その上に形成される
GaN層の膜質(結晶性)が劣化してしまう。加えて、
昇華した活性なOやZnが成膜材料と結合し、GaN層
中に不純物が多く取り込まれる恐れも生じる。これらの
観点から、成膜時の基板温度を900℃未満に保持する
必要がある。なお、下地基板としてシリコン基板を用い
ると、GaN層を形成した基板と同一基板上に他の半導
体デバイスを集積して形成できる、というメリットも有
する。
[Other Embodiments] The present invention is not limited to the film forming conditions shown in the above embodiments, but may be variously modified within the scope of the invention. For example, in each of the above-described embodiments, a borosilicate glass substrate is used as a base substrate. However, the present invention is not limited to this, and a silicon substrate can also be used as an inexpensive base substrate. Since a silicon substrate has a higher melting point and softening point temperature than a glass substrate (specifically, about 1400 ° C.), it is possible to form a film at a higher substrate temperature. There is an advantage that a good GaN layer and an InGaN layer can be easily obtained (generally, the higher the film formation temperature, the better the crystallinity of the film formed). However, even in this case, the substrate temperature at the time of film formation needs to be kept below 900 ° C. This is because the substrate temperature is 900 ° C
This is because ZnO, which is the buffer layer, starts to sublime from the vicinity of over. As the sublimation of ZnO proceeds, its function as a buffer layer is reduced, so that the film quality (crystallinity) of the GaN layer formed thereon is deteriorated. in addition,
The sublimated active O and Zn combine with the film forming material, and there is a possibility that a large amount of impurities are taken into the GaN layer. From these viewpoints, it is necessary to keep the substrate temperature during film formation at less than 900 ° C. When a silicon substrate is used as the base substrate, another advantage is that another semiconductor device can be integrated and formed on the same substrate as the substrate on which the GaN layer is formed.

【0034】また、上述の各実施例の成膜材料にAlを
混合して、青色域で発光する半導体発光素子を形成する
ことも可能である。
Further, it is also possible to form a semiconductor light emitting device which emits light in the blue region by mixing Al with the film forming material of each of the above embodiments.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の半導体発光素子によった場合、以下の優れた効果が
得られる。すなわち、GaN層、あるいはInGaN層
の形成にECR−MBE法を用いるので、原料となる窒
素ガスをECRによってプラズマ化して供給することが
可能となり、その励起エネルギー分だけ基板温度を下げ
ることができる。
As is clear from the above description, according to the semiconductor light emitting device of the present invention, the following excellent effects can be obtained. That is, since the ECR-MBE method is used to form the GaN layer or the InGaN layer, it becomes possible to supply a nitrogen gas as a raw material into plasma by ECR and to supply the same, and it is possible to lower the substrate temperature by the amount of the excitation energy.

【0036】このように、成膜時の基板温度を下げるこ
とにより、融点の低い材料を下地基板として用いること
が可能となり、幅広い基板材料の選択が可能となる。例
えば、従来においてはその使用が困難であった、安価な
ほう硅酸ガラスを基板材料として使用することが可能と
なり、半導体発光素子の製造コストを下げることができ
る。
As described above, by lowering the substrate temperature during film formation, a material having a low melting point can be used as the base substrate, and a wide range of substrate materials can be selected. For example, inexpensive borosilicate glass, which was conventionally difficult to use, can be used as a substrate material, and the manufacturing cost of a semiconductor light emitting device can be reduced.

【0037】また、基板温度を下げることにより、下地
基板とGaNとの熱膨張係数の差による悪影響を抑制す
ることができる。また、GaNとガラス基板とは熱膨張
係数が比較的近く(具体的には、GaNとガラスとの熱
膨張係数の差は約10%である。なお、GaNとサファ
イア基板との熱膨張係数の差は約34%である)さらに
延性にも富むことから、成長したGaN膜にクラックが
入ることもなく、結晶品質が良好で十分な発光効率を有
するGaN膜が得られる。
Further, by lowering the substrate temperature, it is possible to suppress an adverse effect due to a difference in thermal expansion coefficient between the underlying substrate and GaN. The coefficient of thermal expansion between GaN and the glass substrate is relatively close (specifically, the difference between the coefficient of thermal expansion between GaN and glass is about 10%. Note that the coefficient of thermal expansion between GaN and the sapphire substrate (The difference is about 34%.) Further, since the grown GaN film is free from cracks, a GaN film having good crystal quality and sufficient luminous efficiency can be obtained without cracking.

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

【図1】 本発明の半導体発光素子の製造に用いるEC
R−MBE装置の概略図である。
FIG. 1 is an EC used for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention.
It is a schematic diagram of an R-MBE apparatus.

【図2】 第1実施例の半導体発光素子の、膜構造を示
す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a film structure of the semiconductor light emitting device of the first embodiment.

【図3】 第1実施例の半導体発光素子を構成する、G
aN膜の成膜手順を示すタイムチャート図である。
FIG. 3 shows a structure of a semiconductor light emitting device of the first embodiment, G
FIG. 3 is a time chart illustrating a procedure for forming an aN film.

【図4】 第1実施例の半導体発光素子の、フォトルミ
ネッセンススペクトル測定の結果を示す測定図である。
FIG. 4 is a measurement diagram showing a result of photoluminescence spectrum measurement of the semiconductor light emitting device of the first embodiment.

【図5】 第2実施例の半導体発光素子の、膜構造を示
す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a film structure of a semiconductor light emitting device of a second embodiment.

【図6】 第2実施例の半導体発光素子の、フォトルミ
ネッセンススペクトル測定の結果を示す測定図である。
FIG. 6 is a measurement diagram showing a result of a photoluminescence spectrum measurement of the semiconductor light emitting device of the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ・・・ ECR−MBE装置 2 ・・・ プラズマ生成室 3 ・・・ 成長室 4 ・・・ 基板交換室 11 ・・・ 基板 12 ・・・ 基板ホルダ 13 ・・・ 電圧印加手段 14 ・・・ クヌーセンセル(Ga) 15 ・・・ クヌーセンセル(In) 16 ・・・ RHEED電子銃 17 ・・・ スクリーン 18 ・・・ 基板搬入棒 19 ・・・ ゲートバルブ 20、30 ・・・ 半導体発光素子 21、31 ・・・ ほう硅酸ガラス基板 22、32 ・・・ ZnOバッファ層 23 ・・・ 低温成長GaNバッファ層 24 ・・・ GaN層 33 ・・・ 低温成長InGaNバッファ層 34 ・・・ InGaN層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... ECR-MBE apparatus 2 ... Plasma generation chamber 3 ... Growth chamber 4 ... Substrate exchange chamber 11 ... Substrate 12 ... Substrate holder 13 ... Voltage applying means 14 ... Knudsen cell (Ga) 15 ··· Knudsen cell (In) 16 ··· RHEED electron gun 17 ··· Screen 18 ··· Substrate carrying rod 19 ··· Gate valve 20 and 30 ··· Semiconductor light emitting element 21 31 ... borosilicate glass substrate 22, 32 ... ZnO buffer layer 23 ... low-temperature growth GaN buffer layer 24 ... GaN layer 33 ... low-temperature growth InGaN buffer layer 34 ... InGaN layer

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガラス基板またはシリコン基板上に、E
CR−MBE法によって、GaN層が形成されているこ
とを特徴とする半導体発光素子。
1. A method according to claim 1, wherein a glass substrate or a silicon substrate is provided with E
A semiconductor light emitting device, wherein a GaN layer is formed by a CR-MBE method.
【請求項2】 前記ガラス基板またはシリコン基板の表
面に、ZnOバッファ層が形成されていることを特徴と
する請求項1記載の半導体発光素子。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a ZnO buffer layer is formed on a surface of said glass substrate or silicon substrate.
【請求項3】 前記GaN層は、低温成長GaNバッフ
ァ層上に形成されていることを特徴とする請求項1また
は請求項2記載の半導体発光素子。
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the GaN layer is formed on a low-temperature-grown GaN buffer layer.
【請求項4】 ガラス基板またはシリコン基板上に、E
CR−MBE法によって、GaN層を形成することを特
徴とする半導体発光素子の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the glass substrate or the silicon substrate has
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein a GaN layer is formed by a CR-MBE method.
【請求項5】 ガラス基板またはシリコン基板を準備す
る工程と、ガラス基板またはシリコン基板の表面にZn
Oバッファ層を積層する工程と、ZnOバッファ層上に
低温成長GaNバッファ層を積層する工程と、低温成長
GaNバッファ層上にECR−MBE法によってGaN
層を積層する工程とを有することを特徴とする半導体発
光素子の製造方法。
5. A step of preparing a glass substrate or a silicon substrate, and forming Zn on a surface of the glass substrate or the silicon substrate.
Laminating an O buffer layer, laminating a low-temperature grown GaN buffer layer on the ZnO buffer layer, and forming a GaN layer on the low-temperature grown GaN buffer layer by ECR-MBE.
And laminating the layers.
【請求項6】 ガラス基板またはシリコン基板上に、E
CR−MBE法によって、InGaN層が形成されてい
ることを特徴とする半導体発光素子。
6. A method according to claim 1, wherein the glass substrate or the silicon substrate has
A semiconductor light emitting device, wherein an InGaN layer is formed by a CR-MBE method.
【請求項7】 前記ガラス基板またはシリコン基板の表
面に、ZnOバッファ層が形成されていることを特徴と
する請求項6記載の半導体発光素子。
7. The semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein a ZnO buffer layer is formed on a surface of said glass substrate or silicon substrate.
【請求項8】 前記InGaN層は、低温成長InGa
Nバッファ層上に形成されていることを特徴とする請求
項6または請求項7記載の半導体発光素子。
8. The InGaN layer is formed by low-temperature grown InGa.
8. The semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the semiconductor light emitting device is formed on an N buffer layer.
【請求項9】 ガラス基板またはシリコン基板上に、E
CR−MBE法によって、InGaN層を形成すること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。
9. A glass substrate or a silicon substrate, wherein E
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein an InGaN layer is formed by a CR-MBE method.
【請求項10】 ガラス基板またはシリコン基板を準備
する工程と、ガラス基板またはシリコン基板の表面にZ
nOバッファ層を積層する工程と、ZnOバッファ層上
に低温成長InGaNバッファ層を積層する工程と、低
温成長InGaNバッファ層上にECR−MBE法によ
ってInGaN層を積層する工程とを有することを特徴
とする半導体発光素子の製造方法。
10. A step of preparing a glass substrate or a silicon substrate, and forming Z on the surface of the glass substrate or the silicon substrate.
laminating an nO buffer layer, laminating a low-temperature grown InGaN buffer layer on the ZnO buffer layer, and laminating an InGaN layer on the low-temperature grown InGaN buffer layer by ECR-MBE. Of manufacturing a semiconductor light emitting device.
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