JP2005203605A - Organic metal vapor phase epitaxy method, and nitride-based iii group compound semiconductor light element formed thereby - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はIII族窒化物系化合物半導体の有機金属気相成長法及びそれにより形成したIII族窒化物系化合物半導体光素子に関する。本発明は特に紫外線領域発光又は受光のIII族窒化物系化合物半導体光素子に特に有効である。 The present invention relates to a metal organic vapor phase epitaxy method for a group III nitride compound semiconductor and a group III nitride compound semiconductor optical device formed thereby. The present invention is particularly effective for a group III nitride compound semiconductor optical device that emits or receives light in the ultraviolet region.
紫外線領域発光のIII族窒化物系化合物半導体発光素子においては、アルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体層が多用される。アルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体層は下記のような文献を基に形成される。
ところで、窒化ガリウム(GaN)は、n型の層とするためにシリコン(Si)をドープすると、より多く紫外線領域の光を吸収してしまう。例えばシリコン(Si)を3×1019/cm3の濃度でドープした窒化ガリウム(GaN:Si)を、波長が354.3nmの紫外線が1μmの厚さを通過する際、強度が1/e40程度にまで落ち込む。このことからも、発光波長が紫外線領域であるIII族窒化物系化合物半導体発光素子のn側の層に窒化ガリウム(GaN)を用いることは適当でないことが理解できる。同様に、p側の層に窒化ガリウム(GaN)を用いることも適当でない。 By the way, when gallium nitride (GaN) is doped with silicon (Si) to form an n-type layer, it absorbs more light in the ultraviolet region. For example, gallium nitride (GaN: Si) doped with silicon (Si) at a concentration of 3 × 10 19 / cm 3 has an intensity of about 1 / e 40 when UV light having a wavelength of 354.3 nm passes through a thickness of 1 μm. Depressed to. From this, it can be understood that it is not appropriate to use gallium nitride (GaN) for the n-side layer of the group III nitride compound semiconductor light emitting device whose emission wavelength is in the ultraviolet region. Similarly, it is not appropriate to use gallium nitride (GaN) for the p-side layer.
しかし一般に、III族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長において、アルミニウム組成は制御しにくい。有機金属気相成長法において、アルミニウム原料であるTMAとガリウム原料であるTMGの供給量の比と、実際に形成される半導体層の組成比は一致せず、且つ1枚のウエハ上でも組成の差が大きい。例えばTMAとTMGの供給量を1:4としても、実際に形成される半導体層の組成はAl0.2Ga0.8Nとはならず、1枚のウエハ上でAl0.1Ga0.9NからAl0.15Ga0.85Nぐらいまで組成がばらつくことが多かった。このように、アルミニウムの組成が0.1を超えると、組成の制御が困難であった。 However, in general, the aluminum composition is difficult to control in the epitaxial growth of group III nitride compound semiconductors. In the metal organic chemical vapor deposition method, the ratio of the supply amount of TMA, which is an aluminum raw material, to the amount of TMG, which is a gallium raw material, does not match the composition ratio of an actually formed semiconductor layer, and the composition of one semiconductor wafer is also the same. The difference is big. For example, even if the supply amount of TMA and TMG is 1: 4, the composition of the actually formed semiconductor layer is not Al 0.2 Ga 0.8 N, but Al 0.1 Ga 0.9 N to Al 0.15 Ga 0.85 on one wafer. The composition often varied up to N. Thus, when the aluminum composition exceeds 0.1, it is difficult to control the composition.
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、アルミニウムの組成が高いIII族窒化物系化合物半導体の有機金属気相成長法において、アルミニウムの組成の制御を容易とすることを目的とする。更には、発光層の発する紫外線領域の光を吸収する層、受光層の受光すべき紫外線領域の光を吸収する他の層を有しないIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供可能とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and facilitates control of the aluminum composition in a metal-organic vapor phase epitaxy method of a group III nitride compound semiconductor having a high aluminum composition. Objective. Furthermore, it is possible to provide a group III nitride compound semiconductor light emitting device that does not have a layer that absorbs light in the ultraviolet region emitted by the light emitting layer and another layer that absorbs light in the ultraviolet region that should be received by the light receiving layer. It is.
上記の課題を解決するため請求項1に記載の手段によれば、トリメチルアルミニウムとトリメチルガリウムを少なくとも含むIII族金属有機化合物と、アンモニアとを供給してAlxGayIn1-x-yN(0<x<1, 0<y<1)をエピタキシャル成長させる有機金属気相成長法において、III族金属有機化合物は第1のキャリアガス中に拡散されてエピタキシャル成長工程に運ばれ、アンモニアは第2のキャリアガス中に拡散されてエピタキシャル成長工程に運ばれ、エピタキシャル成長面の面積を単位をcm2としてS、III族金属有機化合物の供給量を単位をμmol/minとしてp、アンモニアの供給量を単位をSLM(Standard Litter per minute)としてq、第1のキャリアガス及び第2のキャリアガスの流量を単位をSLMとして各々r1及びr2としたとき、p/r1が4以下若しくはq/r2が0.65以下であり、p/qが40以下であり、q/Sが0.06以上であることを特徴とする。
According to the measures of
また、請求項2に記載の手段は、p/qが8以下であり、p/r1が3.5以下であることを特徴とする。また、請求項3に記載の手段は、p/qが8以下であり、q/r2が0.5以下であることを特徴とする。また、請求項4に記載の手段は、q/Sが0.25以上であることを特徴とする。
The means described in
また請求項5に記載の手段は基板上にIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層したIII族窒化物系化合物半導体光素子において、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の有機金属気相成長法により少なくとも1層のAlxGayIn1-x-yN(0<x<1)から成る層を形成したことを特徴とする。更に請求項6に記載の手段は基板はサファイア基板であり、当該サファイア基板に予めAlzGa1-zN(0<z≦1)から成るバッファ層を形成したのちにエピタキシャル成長させるものであって、当該AlzGa1-zN(0<z≦1)から成るバッファ層はサファイア基板を450〜600℃として形成されることを特徴とする。
The means of
また、請求項7に記載の手段は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)を積層したIII族窒化物系化合物半導体光素子の製造方法において、窒化ガリウムから成る層を有機金属気相成長法により形成する工程と、窒化アルミニウムガリウムから成る層を有機金属気相成長法により形成する工程を少なくとも1つずつ有し、窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスの方が流量が大きい、及び/又は、窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスの方が流量が大きい、ことを特徴とする。 A unit according to claim 7, III-group on the substrate a nitride-based compound semiconductor Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) III nitride obtained by laminating At least one step of forming a layer made of gallium nitride by metal organic vapor phase epitaxy and a step of forming a layer of aluminum gallium nitride by metal organic vapor phase epitaxy And having the first group III metal organic compound dispersed in the step of forming the layer of aluminum gallium nitride rather than the first carrier gas in which the group III metal organic compound of the step of forming the layer of gallium nitride is dispersed. The carrier gas has a higher flow rate and / or is formed of aluminum gallium nitride than the second carrier gas in which ammonia is dispersed in the step of forming a layer of gallium nitride. Towards the second carrier gas flow rate is large to disperse the ammonia in the step of forming the layer, characterized in that.
また、請求項8に記載の手段は、窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスの方が1.5倍以上流量が大きいことを特徴とする。更に請求項9に記載の手段は、窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスの方が2.0倍以上流量が大きいことを特徴とする。
The means according to
本発明者は以下に示す通り、単にアンモニアの供給量を減らす等ではなく、供給量を保ったままキャリアガスの量を多くし、原料ガスの濃度を減らすことで、アルミニウムの組成が高いIII族窒化物系化合物半導体の有機金属気相成長法において、アルミニウムの組成の制御を容易とすることが可能であることを見出した。この時、ウエハ内での組成のばらつきも小さくすることができた。また、サファイア基板上に比較的低温で形成されたバッファ層を用いることで、その上の層にアルミニウムの組成が高いIII族窒化物系化合物半導体を形成する際、ピットを低減させることが可能となった。 As shown below, the inventor does not simply reduce the supply amount of ammonia, but increases the amount of the carrier gas while maintaining the supply amount, and reduces the concentration of the raw material gas, thereby reducing the concentration of the source group III. It has been found that it is possible to easily control the aluminum composition in the metal-organic vapor phase epitaxy of nitride compound semiconductors. At this time, the variation in composition within the wafer could be reduced. Also, by using a buffer layer formed at a relatively low temperature on a sapphire substrate, it is possible to reduce pits when forming a group III nitride compound semiconductor with a high aluminum composition on the layer above it. became.
エピタキシャル成長面の面積とは、1枚のウエハの片側表面全体を用いる際は当該ウエハの片面の面積、複数枚のウエハを用いるときはウエハの面積の合計を意味する。エピタキシャル成長面の面積を単位をcm2としてSとすると、直径約5cmのウエハについてはS=20となる。III族金属有機化合物の供給量を単位をμmol/minとしてpとすると、例えばpは5〜200とすることができる。アンモニアの供給量を単位をSLM(Standard Litter per minute)としてqとすると、例えばqは1〜30とすることができる。第1のキャリアガス及び第2のキャリアガスの流量を単位をSLMとして各々r1及びr2とすると、r1及びr2は各々1〜30とすることができる。 The area of the epitaxial growth surface means the total area of one side of the wafer when using the entire surface of one side of one wafer, and the total area of the wafers when using a plurality of wafers. Assuming that the area of the epitaxial growth surface is S and the unit is cm 2 , S = 20 for a wafer having a diameter of about 5 cm. When the supply amount of the group III metal organic compound is p with the unit of μmol / min, p can be set to 5 to 200, for example. If the supply amount of ammonia is q with the unit being SLM (Standard Litter per minute), for example, q can be 1-30. If the flow rates of the first carrier gas and the second carrier gas are r 1 and r 2 , respectively, where the unit is SLM, r 1 and r 2 can each be 1-30.
この時、p/qが40以下とすると良い。アンモニアの量qは大過剰であることが好ましい。p/qが40以下とはV/III比が1116以上であることを意味する。p/qが8以下とはV/III比が5580以上であることを意味する。p/qは1を下回るとアンモニアを大量に消費することとなって、好ましくない。 At this time, p / q is preferably 40 or less. The amount q of ammonia is preferably large excess. p / q of 40 or less means that the V / III ratio is 1116 or more. p / q of 8 or less means that the V / III ratio is 5580 or more. If p / q is less than 1, a large amount of ammonia is consumed, which is not preferable.
p/r1が4以下、更には3.5以下とすること、或いはq/r2が0.65以下更には0.5以下として、薄い濃度で高速にウエハに吹きつけることで、ウエハの位置による組成のばらつきを防止すると共にAl組成を十分高くすることができた。これは望まない気相反応を抑制できたことによる。尚、p/r1又はq/r2が0.01を下回ると、非常に反応速度が遅くなり、好ましくない。q/Sが0.06以上、更には0.25以上とすることで、エピタキシャル成長速度を損なうことなくアルミニウム組成ばらつきを抑えてアルミニウムの組成が高いIII族窒化物系化合物半導体を成長可能となる。q/Sが10を超えると、アンモニアを大量に消費することとなって、好ましくない。 When p / r 1 is set to 4 or less, further 3.5 or less, or q / r 2 is set to 0.65 or less and further 0.5 or less, the wafer is sprayed onto the wafer at a low concentration at a high speed, so that variations in composition depending on the position of the wafer can be obtained. In addition to preventing it, the Al composition could be made sufficiently high. This is because unwanted gas phase reactions can be suppressed. Incidentally, when p / r 1 or q / r 2 is less than 0.01, the reaction rate becomes very slow, which is not preferable. By setting q / S to 0.06 or more, and further to 0.25 or more, it is possible to grow a group III nitride compound semiconductor having a high aluminum composition while suppressing variation in aluminum composition without impairing the epitaxial growth rate. When q / S exceeds 10, a large amount of ammonia is consumed, which is not preferable.
低温バッファ層はTMAの供給量をTMGの供給量の1/10〜1/3として、アルミニウム組成zが0.05〜0.2のものを形成すると良い。 The low-temperature buffer layer is preferably formed so that the supply amount of TMA is 1/10 to 1/3 of the supply amount of TMG and the aluminum composition z is 0.05 to 0.2.
製造工程にGaNを製造する工程と、AlGaN(ただし、アルミニウムもガリウムも組成に含まれる、純粋に3元系のもの)を製造する工程とを有する場合は、GaNを製造する工程におけるIII族原料を分散させる第1のキャリアガスの流量及びNH3を分散させる第2のキャリアガスの流量に対して、AlGaNを製造する工程におけるIII族原料を分散させる第1のキャリアガス及び/又はNH3を分散させる第2のキャリアガスの流量を大きくする。これはGaNを製造する工程において最適とされる条件と一部異なる条件でAlGaNを製造するものである。この時、第1のキャリアガスについては、AlGaNを製造する工程においてはGaNを製造する工程における流量の1.2倍以上、更には1.5倍以上とする。第2のキャリアガスについては、AlGaNを製造する工程においてはGaNを製造する工程における流量の1.5倍以上、更には2.0倍以上とする。いずれの場合も5倍以上にすると、どのような製造装置を用いていてもAlGaN膜の結晶性が悪くなり、好ましくない。 If the manufacturing process includes a process for manufacturing GaN and a process for manufacturing AlGaN (which is a pure ternary system in which aluminum and gallium are included in the composition), the Group III raw material in the process of manufacturing GaN The first carrier gas and / or NH 3 for dispersing the group III raw material in the step of manufacturing AlGaN with respect to the flow rate of the first carrier gas for dispersing NH 3 and the flow rate of the second carrier gas for dispersing NH 3 The flow rate of the second carrier gas to be dispersed is increased. This is to manufacture AlGaN under conditions that are partly different from the conditions that are optimal in the process of manufacturing GaN. At this time, the first carrier gas is set to be 1.2 times or more, more preferably 1.5 times or more the flow rate in the process of manufacturing GaN in the process of manufacturing AlGaN. The second carrier gas is set to 1.5 times or more, more preferably 2.0 times or more of the flow rate in the process of manufacturing GaN in the process of manufacturing AlGaN. In any case, it is not preferable to increase it to 5 times or more, because the crystallinity of the AlGaN film is deteriorated regardless of which manufacturing apparatus is used.
本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、光素子は発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、フォトダイオード、フォトカプラその他の任意の光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。 The group III nitride compound semiconductor optical device according to the present invention can have any configuration other than the limitation related to the main configuration of the present invention. The optical element may be a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a photodiode, a photocoupler, or any other optical element. In particular, any manufacturing method can be used as a manufacturing method of the group III nitride compound semiconductor optical device according to the present invention.
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、有機金属気相成長法(MOVPE)が好ましいが、分子線気相成長法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いても良い。 Specifically, sapphire, spinel, Si, SiC, ZnO, MgO, a group III nitride compound single crystal, or the like can be used as a substrate for crystal growth. As a method for crystal growth of the group III nitride compound semiconductor layer, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is preferable, but molecular beam vapor phase epitaxy (MBE) and hydride vapor phase epitaxy (HVPE) are used. Also good.
電極形成層その他のIII族窒化物半導体層は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。 Electrode forming layer other Group III nitride semiconductor layer is expressed by at least Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) 2 A group III nitride compound semiconductor made of a ternary, ternary, or quaternary semiconductor can be used. Some of these group III elements may be replaced by boron (B) and thallium (Tl), and part of nitrogen (N) may be phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb ) Or bismuth (Bi).
更に、これらの半導体を用いてn型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、p型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。 Further, when an n-type group III nitride compound semiconductor layer is formed using these semiconductors, Si, Ge, Se, Te, C, etc. are added as n-type impurities, and p-type impurities are used as p-type impurities. Zn, Mg, Be, Ca, Sr, Ba and the like can be added.
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。 By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.
本実施例では、アルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体を形成するための有機金属気相成長法の条件を検討した。まず、直径5cm(面積S=20)の主面をC面とするサファイア基板に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約25nmのAlNバッファ層を介して膜厚1μmのGaN層を形成した。この際、GaN層は、サファイア基板の温度を1075℃として、第1のキャリアガス10SLM中にTMGを40μmol/minで分散させて供給し、第2のキャリアガス10SLM中にNH3を10SLMで分散させて供給した。
In this example, the conditions of the metal organic chemical vapor deposition method for forming a group III nitride compound semiconductor having a high aluminum composition were examined. First, a 1 μm-thick GaN layer was formed on an approximately 25 nm-thick AlN buffer layer made of aluminum nitride (AlN) on a sapphire substrate having a 5 cm diameter (area S = 20) main surface as a C-plane. At this time, the temperature of the sapphire substrate is set to 1075 ° C., and TMG is dispersed and supplied at 40 μmol / min in the
次にサファイア基板の温度を1075℃に保持したまま、TMGを40μmol/min、TMAを10μmol/minの合計50μmol/min(p=50)として、図1のように、TMGとTMAを分散させる第1のキャリアガスの流量(r1)、NH3の流量(q)、NH3を分散させる第2のキャリアガスの流量(r2)を変化させて、9つのサンプルを作製した。AlGaN層の膜厚は約3μmとした。
Next, while maintaining the temperature of the sapphire substrate at 1075 ° C., TMG is 40 μmol / min, TMA is 10 μmol / min, 50 μmol / min (p = 50), and TMG and TMA are dispersed as shown in FIG.
図1の「中心からの位置におけるXRDによるAl組成(%)」は、XRDスペクトルがAl組成(%)に対し線形に変化するものとして算定された「組成」であって、絶対値を示すものではない。 The “Al composition (%) by XRD at the position from the center” in FIG. 1 is the “composition” calculated as the XRD spectrum changes linearly with respect to the Al composition (%), and shows an absolute value. is not.
図1のサンプル1、2、3は、TMGとTMAを分散させる第1のキャリアガスの流量(r1)のみを変化させたものである。このサンプル1、2、3について、第1のキャリアガスの流量r1と、Al組成(%)の関係を図2に示す。第1のキャリアガスの流量r1が、10、12.7、15.4SLMと増えるに従い、ウエハ中央及び中央から15mmのいずれの場所でもAl組成が増加し、且つそれらの差が小さくなっている。このことから、III族原料の供給量pを同じとしながらキャリアガスの流量を大きくすること、即ちIII族原料のキャリアガス中の濃度を薄くすることで、アルミニウム組成が高くなり、且つウエハの位置によるアルミニウム組成ばらつきが小さくなることが分かった。
図1のサンプル1、4、5は、NH3を分散させる第2のキャリアガスの流量(r2)のみを変化させたものである。このサンプル1、4、5について、第2のキャリアガスの流量r2と、Al組成(%)の関係を図3に示す。第2のキャリアガスの流量r2が、10、15.6、21.1SLMと増えるに従い、ウエハ中央及び中央から15mmのいずれの場所でもAl組成が増加し、且つそれらの差が小さくなっている。このことから、NH3の供給量qを同じとしながらキャリアガスの流量を大きくすること、即ちNH3のキャリアガス中の濃度を薄くすることで、アルミニウム組成が高くなり、且つウエハの位置によるアルミニウム組成ばらつきが小さくなることが分かった。
ところで、NH3の供給量自体を落とすと、このようなことにはならない。図1のサンプル1、7、8、9は、NH3の供給量q自体を変化させ、不足分をNH3を分散させる第2のキャリアガスの流量r2で補充したものである。q+r2は20(単位はSLM)で一定である。このサンプル1、7、8、9について、NH3の供給量q、Al組成(%)の関係を図4に示す。NH3の供給量qが、10、5、2.5、1.25SLMと減るに従い、ウエハ中央及び中央から15mmのいずれの場所でもAl組成が増加するが、それらの差は小さくならない。このことから、NH3の供給量q自体を変えて、即ちNH3のキャリアガス中の濃度を薄くすると、アルミニウム組成は高くなるが、ウエハの位置によるアルミニウム組成ばらつきを小さくすることができないことが分かった。
By the way, this is not the case when the supply amount of NH 3 itself is reduced.
図5は、図1のサンプル1〜6について、TMGとTMAを分散させる第1のキャリアガスの流量r1とNH3を分散させる第2のキャリアガスの流量r2と、図1の「組成差(%)」との関係を示したグラフである。組成差(%)は、ウエハ中央から15mmでのAl組成(%)とウエハ中央(0mm)でのAl組成(%)の差である。図5では当該組成差(%)を円の大きさで示した。図5のように、TMGとTMA、及びNH3の供給量(p及びq)を変えずに、それらを分散させるキャリアガスの流量(r1、r2)を変化させることで、ウエハ内でのアルミニウム組成のばらつきを抑制することができる。 Figure 5, for example 1 to 6 of FIG. 1, and the flow rate r 2 of the second carrier gas to disperse the flow r 1 and NH 3 of the first carrier gas to disperse the TMG and TMA, "the composition of FIG. 1 It is the graph which showed the relationship with "difference (%)". The composition difference (%) is the difference between the Al composition (%) at 15 mm from the wafer center and the Al composition (%) at the wafer center (0 mm). In FIG. 5, the composition difference (%) is indicated by the size of a circle. As shown in FIG. 5, by changing the flow rate (r 1 , r 2 ) of the carrier gas for dispersing them without changing the supply amounts (p and q) of TMG, TMA, and NH 3 , Variations in the aluminum composition can be suppressed.
本実施例では、アルミニウム組成の高いIII族窒化物系化合物半導体を形成するために、バッファ層として形成するAlGaNの形成条件を検討した。まず、直径5cm(面積S=20)の主面をC面とするサファイア基板に、膜厚約25nmのAlGaNバッファ層を形成した。この時、基板温度を500℃とした場合と750℃とした場合で検討した。基板温度を500℃とした場合、AlGaNバッファ層の表面は平坦であったが、基板温度を750℃とした場合は凹凸が多かった。この上にサファイア基板の温度を1075℃として、第1のキャリアガス10SLM中にTMGを40μmol/min、TMAを10μmol/minで分散させて供給し、第2のキャリアガス10SLM中にNH3を10SLMで分散させて供給した。こうして厚さ1μmにAlGaN層をエピタキシャル成長させて形成し、その表面のピットを算出した。500℃で形成したAlGaNバッファ層の上に形成したAlGaNでは109/cm2程度であったが、750℃で形成したAlGaNバッファ層の上に形成したAlGaNでは1010/cm2以上あった。
In this example, in order to form a group III nitride compound semiconductor having a high aluminum composition, the formation conditions of AlGaN formed as a buffer layer were examined. First, an AlGaN buffer layer having a thickness of about 25 nm was formed on a sapphire substrate having a C-plane main surface with a diameter of 5 cm (area S = 20). At this time, the case where the substrate temperature was 500 ° C. and the case where the substrate temperature was 750 ° C. was examined. When the substrate temperature was 500 ° C., the surface of the AlGaN buffer layer was flat, but when the substrate temperature was 750 ° C., there were many irregularities. On top of this, the temperature of the sapphire substrate is 1075 ° C., TMG is dispersed at 40 μmol / min and TMA is dispersed at 10 μmol / min in the
図6に本発明の具体的な実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体光素子(LED)1000の断面図である。半導体光素子(LED)1000では、図6に示す様に、厚さ約100μmのサファイヤ基板100の上に、膜厚約25nmのAlGaNバッファ層101が成膜され、その上にシリコン(Si)をドープして電子濃度5×1018/cm3としたAl0.12Ga0.88Nから成る膜厚約1.5μmのn型AlGaN層(n型コンタクト層)102が形成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a group III nitride compound semiconductor optical device (LED) 1000 according to a specific embodiment of the present invention. In the semiconductor optical device (LED) 1000, as shown in FIG. 6, an
また、このn型コンタクト層102の上には、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nから成る層1031と膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nから成る層1032とを38周期積層した、シリコン(Si)をドープして電子濃度5×1019/cm3とした総膜厚約100nmの多重層から成るnクラッド層103が形成されている。
On this n-
nクラッド層103の上には、単一量子井戸構造(SQW)の発光層104が形成されている。単一量子井戸構造(SQW)の発光層104は、膜厚約25nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層1041と、膜厚約2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層1042と、膜厚約15nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層1043とを積層して形成される。 A light emitting layer 104 having a single quantum well structure (SQW) is formed on the n-clad layer 103. The light emitting layer 104 having a single quantum well structure (SQW) includes a barrier layer 1041 made of non-doped Al 0.13 Ga 0.87 N having a thickness of about 25 nm and a well made of non-doped Al 0.005 In 0.045 Ga 0.95 N having a thickness of about 2 nm. The layer 1042 and a barrier layer 1043 made of non-doped Al 0.13 Ga 0.87 N having a thickness of about 15 nm are stacked.
単一量子井戸構造(SQW)の発光層104の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3としたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚約40nmのブロック層105が形成されている。ブロック層105の上には、膜厚約1.5nmのAl0.12Ga0.88Nから成る層1061と膜厚約1.5nmのAl0.03Ga0.97Nから成る層1062とを30周期積層した、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3とした総膜厚約90nmの多重層から成るpクラッド層106が形成されている。pクラッド層106の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度1×1018/cm3としたAlGaNから成る膜厚約30nmのp型コンタクト層107を形成した。
On the light emitting layer 104 having a single quantum well structure (SQW), a block layer having a thickness of about 40 nm made of Al 0.16 Ga 0.84 N doped with magnesium (Mg) to have a hole concentration of 5 × 10 17 /
又、p型コンタクト層107の上には金属蒸着による透光性薄膜p電極110が、n型コンタクト層102上にはn電極140が形成されている。透光性薄膜p電極110は、p型コンタクト層107に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第1層111と、このコバルト膜に接合する膜厚約6nmの金(Au)より成る第2層112とで構成されている。
Further, a light-transmitting thin film p-
厚膜p電極120は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層121と、膜厚約15μmの金(Au)より成る第2層122と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第3層123とを透光性薄膜p電極110の上から順次積層させることにより構成されている。
The thick p-
多層構造のn電極140は、n型コンタクト層102の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第1層141と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第2層142とを積層させることにより構成されている。
The n-
また、最上部には、SiO2膜より成る保護膜130が形成されている。一方、サファイヤ基板100の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム(Al)より成る反射金属層150が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層150は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。
A
上記の構成の光素子(LED)1000は次のように製造された。光素子(LED)1000は、有機金属気相成長法(以下「MOVPE」と略す)にり製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)、キャリアガス(H2及びN2)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG」と記す)、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA」と記す)、トリメチルインジウム(In(CH3)3)(以下「TMI」と記す)、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg」と記す)である。キャリアガスは、III族とNH3で2系統に分けて使用し、各々15SLM使用した。これはGaNを主体とする素子製造で用いられる2系統各々10SLMよりも多い量である。 The optical element (LED) 1000 having the above-described configuration was manufactured as follows. The optical element (LED) 1000 was manufactured by metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter abbreviated as “MOVPE”). The gases used were ammonia (NH 3 ), carrier gas (H 2 and N 2 ), trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMG”), trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) (Hereinafter referred to as “TMA”), trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMI”), silane (SiH 4 ) and cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) (Hereinafter referred to as “CP 2 Mg”). The carrier gas used was divided into two systems, group III and NH 3 , each using 15 SLM. This is an amount larger than 10 SLM for each of the two systems used in the manufacture of elements mainly composed of GaN.
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したC面を主面とした単結晶の基板100をMOVPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度1100℃で基板100をベーキングした。
次に、基板100の温度を1075℃に保持し、H2、NH3、TMG及びTMAを供給してAlGaNバッファ層101を約25nmの膜厚に形成した。
First, a
Next, the temperature of the
次に、H2、NH3、TMG、TMA、シランを供給して、その上に電子濃度5×1018/cm3のAl0.12Ga0.88Nから成るn型コンタクト層102を形成した。この後、H2、NH3、TMG、TMA、シランの供給量を制御しながら、膜厚約1.5nmのAl0.15Ga0.85Nから成る層1031と膜厚約1.5nmのAl0.04Ga0.96Nから成る層1032とを38周期積層した、シリコン(Si)をドープして電子濃度5×1019/cm3とした総膜厚約100nmの多重層から成るnクラッド層103を形成した。
Next, H 2 , NH 3 , TMG, TMA, and silane were supplied, and an n-
次に、基板100の温度を825℃にまで低下させて、N2又はH2、NH3、TMG及びTMIを供給して、膜厚約25nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層1041と、膜厚約2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層1042と、膜厚約15nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層1063とを順次積層し、単一量子井戸構造の発光層104を形成した。
Next, the temperature of the
次に、基板100の温度を1025℃に保持し、N2又はH2、NH3、TMG、TMA及びCP2Mgを制御しながら供給して、マグネシウム(Mg)をドープしたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚約40nmのブロック層105、膜厚約1.5nmのAl0.12Ga0.88Nから成る層1061と膜厚約1.5nmのAl0.03Ga0.97Nから成る層1062とを30周期積層した、マグネシウム(Mg)をドープした総膜厚約90nmの多重層から成るpクラッド層106、マグネシウム(Mg)をドープしたAlGaNから成る膜厚約30nmのp型コンタクト層107を順次形成した。
Next, the temperature of the
この後、p側層であるブロック層105、pクラッド層106及びp型コンタクト層107をp型化して、各々ホール濃度を5×1017/cm3、5×1017/cm3、5×1018/cm3のp型層としたのち、各電極(110、120、140)及び保護膜130及び反射金属層150を形成した。
Thereafter, the
上記構成により、発光層から下に向かった波長350nmの光がn型のGaN層で吸収されることが無くなり、nコンタクト層としてn型のGaNを用いたときと比較して、発光強度が2倍となった。 With the above configuration, light having a wavelength of 350 nm downward from the light emitting layer is not absorbed by the n-type GaN layer, and the light emission intensity is 2 as compared with the case where n-type GaN is used as the n contact layer. Doubled.
本発明は、紫外線領域に発光波長が存在するような短波長の光素子に好適である。短波長の光素子の用途としては、光励起触媒を用いる光化学分野、蛍光体を励起させるために用いる照明分野、誘蛾灯に代表されるバイオ関連分野の他、蛍光ランプに用いてブラックライトに用いることができる。 The present invention is suitable for an optical element having a short wavelength in which an emission wavelength exists in the ultraviolet region. Applications of short-wavelength optical elements include photochemistry using a photoexcitation catalyst, illumination used to excite phosphors, bio-related fields such as kidnapping lights, and black lights used in fluorescent lamps. it can.
1000:半導体光素子(LED)
100:サファイヤ基板
101:AlGaNバッファ層
102:n型AlGaN層
103:nクラッド層(多重層)
104:単一量子井戸発光層(SQW)
105:ブロック層
106:pクラッド層(多重層)
107:p型コンタクト層
110:透光性薄膜p電極
120:p電極
130:保護膜
140:n電極
150:反射金属層
1000: Semiconductor optical device (LED)
100: Sapphire substrate 101: AlGaN buffer layer 102: n-type AlGaN layer 103: n clad layer (multilayer)
104: Single quantum well light emitting layer (SQW)
105: Block layer 106: p-clad layer (multilayer)
107: p-type contact layer 110: translucent thin film p-electrode 120: p-electrode 130: protective film 140: n-electrode 150: reflective metal layer
Claims (9)
前記III族金属有機化合物は第1のキャリアガス中に拡散されてエピタキシャル成長工程に運ばれ、
アンモニアは第2のキャリアガス中に拡散されてエピタキシャル成長工程に運ばれ、
エピタキシャル成長面の面積を単位をcm2としてS、前記III族金属有機化合物の供給量を単位をμmol/minとしてp、アンモニアの供給量を単位をSLM(Standard Litter per minute)としてq、第1のキャリアガス及び第2のキャリアガスの流量を単位をSLMとして各々r1及びr2としたとき、
p/r1が4以下若しくはq/r2が0.65以下であり、
p/qが40以下であり、
q/Sが0.06以上であること
を特徴とする有機金属気相成長法。 A group III metal organic compounds containing at least a trimethyl aluminum and trimethyl gallium, Al x Ga y In 1- xy N by supplying ammonia (0 <x <1, 0 <y <1) and the organic metal vapor phase epitaxial growth In the growth method,
The Group III metal organic compound is diffused in the first carrier gas and carried to the epitaxial growth process,
Ammonia is diffused into the second carrier gas and carried to the epitaxial growth process,
The area of the epitaxial growth surface is S with the unit of cm 2 , the supply amount of the group III metal organic compound is p with the unit of μmol / min, the supply amount of ammonia is q with the unit of SLM (Standard Litter per minute) as q, the first When the flow rates of the carrier gas and the second carrier gas are S 1 and r 1 and r 2 respectively,
p / r 1 is 4 or less or q / r 2 is 0.65 or less,
p / q is 40 or less,
An organometallic vapor phase growth method characterized in that q / S is 0.06 or more.
p/r1が3.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の有機金属気相成長法。 p / q is 8 or less,
metal organic chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein the p / r 1 is 3.5 or less.
q/r2が0.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の有機金属気相成長法。 p / q is 8 or less,
2. The metal organic chemical vapor deposition method according to claim 1, wherein q / r 2 is 0.5 or less.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の有機金属気相成長法により少なくとも1層のAlxGayIn1-x-yN(0<x<1)から成る層を形成したことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体光素子。 Group III nitride compound on a substrate in a semiconductor Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) was laminated III nitride compound semiconductor optical device,
5. A layer comprising at least one layer of Al x Ga y In 1-xy N (0 <x <1) is formed by metal organic vapor phase epitaxy according to claim 1. Group III nitride compound semiconductor optical device.
当該サファイア基板に予めAlzGa1-zN(0<z≦1)から成るバッファ層を形成したのちにエピタキシャル成長させるものであって、
当該AlzGa1-zN(0<z≦1)から成るバッファ層はサファイア基板を450〜600℃として形成されること
を特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物系化合物半導体光素子。 The substrate is a sapphire substrate;
The sapphire substrate is epitaxially grown after a buffer layer made of Al z Ga 1-z N (0 <z ≦ 1) is formed in advance,
6. The group III nitride compound semiconductor light according to claim 5, wherein the buffer layer made of Al z Ga 1-z N (0 <z ≦ 1) is formed at a sapphire substrate of 450 to 600 ° C. element.
窒化ガリウムから成る層を有機金属気相成長法により形成する工程と、窒化アルミニウムガリウムから成る層を有機金属気相成長法により形成する工程を少なくとも1つずつ有し、
窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるIII族金属有機化合物を分散させる第1のキャリアガスの方が流量が大きい、
及び/又は
窒化ガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスよりも窒化アルミニウムガリウムから成る層を形成する工程におけるアンモニアを分散させる第2のキャリアガスの方が流量が大きい、
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体光素子の製造方法。 In the manufacturing method of a group III nitride compound semiconductor Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) was laminated III nitride compound semiconductor optical device on a substrate,
At least one step of forming a layer made of gallium nitride by metal organic vapor phase epitaxy and a step of forming a layer of aluminum gallium nitride by metal organic vapor phase epitaxy,
The first carrier gas for dispersing the group III metal organic compound in the step of forming the layer made of aluminum gallium nitride rather than the first carrier gas for dispersing the group III metal organic compound in the step of forming the layer made of gallium nitride. The flow rate is larger,
And / or the second carrier gas for dispersing ammonia in the step of forming the layer made of aluminum gallium nitride has a larger flow rate than the second carrier gas for dispersing the ammonia in the step of forming the layer made of gallium nitride. ,
A method for producing a group III nitride compound semiconductor optical device.
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