JP3436152B2 - GaN-based semiconductor devices - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明はGaN系の半導体
素子に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a GaN-based semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】GaN系の半導体は例えば青色発光素子
として利用できることが知られている。かかる発光素子
では、基板として一般的にサファイアが用いられる。2. Description of the Related Art It is known that a GaN-based semiconductor can be used as, for example, a blue light emitting device. In such a light emitting device, sapphire is generally used as the substrate.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このサファイア製の基
板において解決すべき課題の一つとして次のものがあ
る。即ちサファイア基板は透明であるため、本来素子の
上面から取り出したい発光素子の光が素子下面のサファ
イア基板を透過してしまう。そのため、発光素子で発光
させた光が有効に利用できない。One of the problems to be solved in this sapphire substrate is as follows. That is, since the sapphire substrate is transparent, the light of the light emitting element that is originally desired to be extracted from the upper surface of the element passes through the sapphire substrate on the lower surface of the element. Therefore, the light emitted by the light emitting element cannot be effectively used.
【0004】サファイア基板はまた高価である。更に
は、サファイア基板は絶縁体であるため同一面側に電極
を形成する必要があり、半導体層の一部をエッチングし
なければならず、それに応じてボンディングの工程も2
倍となる。また、同一面側にn、p両電極を形成するた
め、素子サイズの小型化にも制限があった、加えて、チ
ャージアップの問題もあった。Sapphire substrates are also expensive. Furthermore, since the sapphire substrate is an insulator, it is necessary to form electrodes on the same surface side, and it is necessary to etch a part of the semiconductor layer, and accordingly, the bonding process also requires 2 steps.
Doubled. Further, since both the n and p electrodes are formed on the same surface side, there is a limitation in reducing the size of the element, and there is also a problem of charge-up.
【0005】また、サファイア基板の代わりにSi(シ
リコン)基板の使用が考えられるが、本発明者の検討に
よれば、Si基板の上にGaN系の半導体層を成長させ
ることは非常に困難であった。その原因の一つとして、
SiとGaN系の半導体の熱膨張率の差がある。Siの
線膨張係数が4.7 X 10−6/Kであるのに対しG
aNの線膨張係数は5.59 X 10−6/Kであり、
前者が後者より小さい。従って、GaN系の半導体層を
成長させる際に加熱をすると、Si基板が伸長されGa
N系の半導体層側が圧縮するように素子が変形する。こ
のとき、GaN系の半導体層内に引っ張り応力が生じ、
その結果クラックの発生するおそれがある。また、クラ
ックが生じないまでも格子に歪みが生じる。従って、G
aN系の半導体素子がその本来の機能を発揮できなくな
る。Further, it is conceivable to use a Si (silicon) substrate instead of the sapphire substrate, but according to the study by the present inventors, it is very difficult to grow a GaN-based semiconductor layer on the Si substrate. there were. As one of the causes,
There is a difference in the coefficient of thermal expansion between Si and GaN-based semiconductors. The linear expansion coefficient of Si is 4.7 X 10-6 / K, while G
The linear expansion coefficient of aN is 5.59 × 10 −6 / K,
The former is smaller than the latter. Therefore, when the GaN-based semiconductor layer is heated during growth, the Si substrate is expanded and Ga
The element is deformed so that the N-type semiconductor layer side is compressed. At this time, tensile stress is generated in the GaN-based semiconductor layer,
As a result, cracks may occur. In addition, strain occurs in the lattice even if cracks do not occur. Therefore, G
The aN-based semiconductor element cannot exhibit its original function.
【0006】この発明はこのような課題に鑑みて、新規
な構成のGaN系の半導体素子を提供することを目的と
する。この発明の他の目的はGaN系の半導体素子の中
間体となる新規な構成の積層体を提供することにある。In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a GaN-based semiconductor device having a novel structure. Another object of the present invention is to provide a laminate having a novel structure which is an intermediate of a GaN-based semiconductor device.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らはG
aN系の半導体層を成長させるのに適した新規な基板を
見いだすべく鋭意検討した。その結果、特願平9−29
3465号(出願人整理番号970152/代理人整理
番号P0060)において、以下の事項に想到し、これ
を開示した。即ち、基板の上にGaN系の半導体をヘテ
ロエピタキシャル成長させるには、基板は下記の要件
〜のうちの少なくとも2つを満足する必要があると考
るに至った。
GaN系の半導体と基板との密着性が良好なこと
GaN系の半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数
とが近いこと
基板の弾性率が低いこと
基板の結晶構造がGaN系の半導体と同じであるこ
と
|基板の格子定数−GaN系の半導体の格子定数|
/GaN系の半導体の格子定数 ≦ 0.05である
(即ち、基板の格子定数とGaN系の半導体層の格子定
数との差が±5%以下である)こと、
勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、
更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そし
て、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。Therefore, the present inventors
The inventors have made extensive studies to find a new substrate suitable for growing an aN-based semiconductor layer. As a result, Japanese Patent Application No. 9-29
No. 3465 (Applicant's reference number 970152 / Agent's reference number P0060), the following matters were conceived and disclosed. That is, it has been considered that the substrate must satisfy at least two of the following requirements (1) to heteroepitaxially grow a GaN-based semiconductor on the substrate. Adhesion between GaN-based semiconductor and substrate is good. Coefficient of thermal expansion of GaN-based semiconductor is close to that of substrate. Low elastic modulus of substrate. Crystal structure of substrate is the same as that of GaN-based semiconductor. | Substrate lattice constant-Lattice constant of GaN-based semiconductor |
/ GaN-based semiconductor lattice constant ≦ 0.05 (that is, the difference between the substrate lattice constant and the GaN-based semiconductor layer lattice constant is ± 5% or less), of course, preferably the above requirements are satisfied. At least three of the
More preferably, at least four of the above requirements and most preferably all of the five requirements are met.
【0008】このような条件を満足する材料として、既
述の先の出願特願平9−293465号ではいくつかの
金属材料に注目している。その中の一つとしてTiが開
示されている。また、当該先の出願によれば基板は少な
くともその表面、即ちGaN系の半導体層に接する面に
おいて上記の要件を満足しておればよい。従って、基板
の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上
記の要件を満足する材料で形成することもできる。サフ
ァイア基板の場合と同様に、半導体層と基板との間にA
lNやGaNのようなAlaInbGa1−a−bN
(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)からなる
バッファ層を介在させることができる。As the materials satisfying such conditions, some of the metallic materials are noted in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 9-293465. Ti is disclosed as one of them. Further, according to the previous application, the substrate may satisfy the above requirements at least on its surface, that is, on the surface in contact with the GaN-based semiconductor layer. Therefore, the base portion of the substrate can be formed of any material and the surface portion of the substrate can be formed of a material that satisfies the above requirements. As in the case of the sapphire substrate, A between the semiconductor layer and the substrate
Al a In b Ga 1-a-b N such as 1N and GaN
A buffer layer composed of (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1) can be interposed.
【0009】一方、特願平9−293463号(出願人
整理番号970136/代理人整理番号P0057)に
よれば、Si基板とGaN系の半導体層との間に応力緩
衝用の為のバッファ層が介在される構成の半導体素子が
開示されている。この応力緩衝用バッファ層を構成する
材料として当該先の出願特願平9−293465号では
いくつかの金属材料に注目しているが、その中の一つと
してTiが開示されている。即ち、Si基板上にTi層
が形成され、その上にGaN系の半導体層が形成される
構成の半導体素子が開示されている。On the other hand, according to Japanese Patent Application No. 9-293463 (Applicant's reference number 970136 / Agent's reference number P0057), a buffer layer for buffering stress is provided between the Si substrate and the GaN-based semiconductor layer. A semiconductor device having an intervening structure is disclosed. As the material for forming the buffer layer for stress buffering, some attention is paid to some metallic materials in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 9-293465, and Ti is disclosed as one of them. That is, a semiconductor element having a structure in which a Ti layer is formed on a Si substrate and a GaN-based semiconductor layer is formed thereon is disclosed.
【0010】この発明は、上記2つの先の出願で開示し
た事項に基づいてなされた。そしてそれを更に改良及び
発展させたものである。即ち、Si製の基板と、該Si
製の基板上に形成されたGaN系の半導体からなる第1
の層と、該第1の層の上に形成されたTiからなる第2
の層と、該第2の層の上に形成されたGaN系の半導体
層と、を備えてなるGaN系の半導体素子。The present invention was made based on the matters disclosed in the above two prior applications. And it is a further improvement and development. That is, the Si substrate and the Si
Made of GaN-based semiconductor formed on a metal substrate
And a second layer of Ti formed on the first layer.
And a GaN-based semiconductor layer formed on the second layer.
【0011】このように構成された半導体素子によれ
ば、Si基板の熱膨張係数とGaN系の半導体層の熱膨
張係数との差に起因する内部応力がTi製の第2の層で
緩衝されるので、GaN系の半導体層にクラックの入る
ことが防止される。更に、このように構成された半導体
素子によれば、GaN系の半導体層が発光素子構造を採
る場合、この基板自体が反射層の役目をする。従って、
素子で発光された光を有効に利用できる。よって、透明
なサファイア基板を用いた発光素子若しくは受光素子で
必要とされていた別個の反射層の形成が不要となる。ま
た、GaAsのように光を吸収する材料で基板を形成し
た場合における当該基板の除去作業が不要になる。According to the semiconductor element having such a structure, the internal stress caused by the difference between the coefficient of thermal expansion of the Si substrate and the coefficient of thermal expansion of the GaN-based semiconductor layer is buffered by the second layer made of Ti. Therefore, it is possible to prevent the GaN-based semiconductor layer from being cracked. Further, according to the semiconductor device configured as described above, when the GaN-based semiconductor layer has a light emitting device structure, the substrate itself serves as a reflective layer. Therefore,
The light emitted from the device can be effectively used. Therefore, it is not necessary to form a separate reflection layer, which is required for a light emitting element or a light receiving element using a transparent sapphire substrate. Further, when the substrate is made of a light absorbing material such as GaAs, the work of removing the substrate becomes unnecessary.
【0012】以下、本発明の要素について更に詳細に説
明する。
(基板について)Si製の基板は導電性を有し、その結
果半導体素子の両面に電極を形成することができ、アー
スを取ることによりチャージアップの問題も容易に解決
される。また、Si製の基板は安価に入手できる。Si
製の基板の(111)面を使い、その上に第1の層を成
長させることが好ましい。The elements of the present invention will be described in more detail below. (Regarding Substrate) The substrate made of Si has conductivity, and as a result, electrodes can be formed on both sides of the semiconductor element, and the problem of charge-up can be easily solved by grounding. Further, the Si substrate can be obtained at low cost. Si
It is preferred to use the (111) plane of the substrate made of and to grow the first layer on it.
【0013】(第1の層について)Si製の基板の上に
形成されるGaN系の半導体からなる第1の層は、クラ
ックの発生を防止するためにその厚さを500〜100
00Åとする。更に好ましくは、1000〜8000Å
である。 ここにGaN系の半導体とはIII族窒化物半導
体であって、一般的にはAlXGaYIn1−X−YN
(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され
る。また、任意のドーパントを含むものであっても良
い。第1の層の形成方法は特に限定されないが、例え
ば、周知の有機金属化合物気相成長法(以下、「MOC
VD法」という。)により形成される。また、周知の分
子線結晶成長法(MBE法)によっても形成することが
できる。(Regarding the first layer) On a substrate made of Si
The first layer formed of a GaN-based semiconductor is a crystal layer.
The thickness is 500 to 100 to prevent the occurrence of
00 Å. More preferably, 1000 to 8000Å
Is. Here, a GaN-based semiconductor is a group III nitride semiconductor
The body, typically AlXGaYIn1-XYN
(0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1)
It Further, it may contain any dopant.
Yes. Although the method for forming the first layer is not particularly limited, for example,
For example, the well-known metal organic compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “MOC
VD method ". ). In addition, well-known
It can also be formed by the sagittal crystal growth method (MBE method).
it can.
【0014】第1の層とSi製の基板との間にAlxG
a1−xN(0≦x≦1)製のバッファ層を介在させる
ことが好ましい。Journal of Crystal Growth 128(199
3), pp 391-396を参照されたい。Al x G between the first layer and the Si substrate
It is preferable to interpose a buffer layer made of a1 -xN (0≤x≤1). Journal of Crystal Growth 128 (199
3), pp 391-396.
【0015】このようにGaN系の第1の層を形成する
ことにより、その上にc軸配向したTiの単結晶を得る
ことが容易になる。なお、Si製の基板の上に直接Ti
層を形成することも可能である。しかしその場合、Ti
層の上に更に所望の機能を有するGaN系の半導体層を
成長させることに鑑みると、Ti層に好ましい結晶性を
得るにはその成長条件の制御が困難である。 By thus forming the GaN-based first layer, it becomes easy to obtain a c-axis oriented Ti single crystal thereon. It should be noted that Ti is directly applied onto the Si substrate.
It is also possible to form layers. But in that case, Ti
Considering that a GaN-based semiconductor layer having a desired function is further grown on the layer, it is difficult to control the growth condition of the Ti layer in order to obtain preferable crystallinity.
【0016】(第2の層について)第2の層は実質的に
単結晶のTi製とする。Tiは先の出願で開示したよう
に、GaN系の半導体をその上に成長させるのに好まし
い結晶構造を有する。それとともに、Si基板とGaN
系の半導体層の熱膨張率の差に起因する内部応力を緩衝
するのに好適な物理特性を有する。従って、このような
結晶構造や物理特性が維持されている条件の下であれ
ば、TiをTi合金に代えることもできる。(Regarding the Second Layer) The second layer is made of substantially single crystal Ti. Ti has a preferred crystal structure for growing GaN-based semiconductors thereon, as disclosed in the previous application. At the same time, Si substrate and GaN
It has physical properties suitable for buffering the internal stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion of the semiconductor layers of the system. Therefore, Ti may be replaced with a Ti alloy under the condition that such a crystal structure and physical properties are maintained.
【0017】第2の層は、GaN系の半導体からなる第
1の層の上に形成される。形成方法は特に限定されない
が、プラズマCVD、熱CVD、光CVD等のCVD
(Chemical Vapour Depositi
on)、スパッタ、蒸着等の(Physical Va
pour Deposition)等の方法を利用でき
る。The second layer is formed on the first layer made of a GaN-based semiconductor. The formation method is not particularly limited, but CVD such as plasma CVD, thermal CVD, or photo CVD is used.
(Chemical Vapor Deposity
on), sputtering, vapor deposition, etc. (Physical Va
A method such as “Pour Deposition” can be used.
【0018】Ti製の第2の層の膜厚は1000〜30
000Åとすることが好ましい。更に好ましくは500
0〜20000Åである。The thickness of the second layer made of Ti is 1000 to 30.
It is preferably 000Å. More preferably 500
It is 0 to 20000Å.
【0019】(GaN系の半導体層について)発光素子
及び受光素子では、周知のように、発光層が異なる導電
型のGaN系の半導体層(クラッド層)で挟まれる構成
であり、発光層には超格子構造やダブルヘテロ構造等が
採用される。FET構造に代表される電子デバイスをG
aN系の半導体で形成することもできる。このように、
第2の層の上に形成されるGaN系の半導体層は複数の
層が相互に作用して所望の機能を奏するものとなる。G
aN系の半導体層は周知のMOCVD法若しくはMBE
法によって形成される。ここに、GaN系の半導体の定
義は第1の層の場合と同じである。(Regarding GaN-based semiconductor layer) As is well known, the light-emitting element and the light-receiving element have a structure in which the light-emitting layers are sandwiched by GaN-based semiconductor layers (cladding layers) of different conductivity types. A superlattice structure or a double hetero structure is adopted. The electronic device represented by the FET structure is G
It can also be formed of an aN-based semiconductor. in this way,
The GaN-based semiconductor layer formed on the second layer has a plurality of layers interacting with each other to achieve a desired function. G
The aN-based semiconductor layer is formed by the well-known MOCVD method or MBE.
Formed by the method. Here, the definition of the GaN-based semiconductor is the same as that of the first layer.
【0020】当該GaN系の半導体層とTi製の第2の
層との間にAlaInbGa1−a −bN(0≦a≦
1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)からなる第2のバッ
ファ層を形成することが好ましい。この第2のバッファ
層も周知のMOCVD法若しくはMBE法により形成さ
れる。本発明者らの検討によれば、第2のバッファ層と
してAlaGa1−aN(0<a<1)が好ましい。a
の値については、0.85〜0.95が好ましく、更に
好ましくは、aがほぼ0.9の場合である。[0020] Al a In b Ga 1-a -b N (0 ≦ a ≦ between the semiconductor layer and the Ti of the second layer of the GaN-based
It is preferable to form a second buffer layer of 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). This second buffer layer is also formed by the well-known MOCVD method or MBE method. According to the studies of the present inventors, Al a Ga 1-a N a second buffer layer (0 <a <1) is preferable. a
The value of is preferably 0.85 to 0.95, and more preferably a is approximately 0.9.
【0021】[0021]
【実施例】次に、この発明の実施例について説明する。
(第1実施例)この実施例は発光ダイオード1であり、
その構成を図1に示す。EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described. (First Embodiment) This embodiment is a light emitting diode 1,
The structure is shown in FIG.
【0022】各層のスペックは次の通りである。 層 : 組成:ドーパント (膜厚) pクラッド層 9 : p−GaN:Mg (0.3μm) 発光層 8 : 超格子構造 量子井戸層 : In0.15Ga0.85N (3.5nm) バリア層 : GaN (3.5nm) 量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10 nクラッド層 7 : n−GaN:Si (4μm) 第2のバッファ層 6 : Al0.9Ga0.1N:Si (15nm) 第2の層 5 : Ti単結晶 (300nm) 第1の層 4 : GaN:Si (800nm) 第1のバッファ層 3 : AlN:Si (100nm) 基板 2 : Si(n型) (300μm)The specifications of each layer are as follows. Layer: Composition: Dopant (film thickness) p-clad layer 9: p-GaN: Mg (0.3 μm) light-emitting layer 8: superlattice structure quantum well layer: In 0.15 Ga 0.85 N (3.5 nm) barrier layer: GaN (3.5 nm) Number of repetitions of quantum well layer and barrier layer: 1 to 10 n Clad layer 7: n-GaN: Si (4 μm) Second buffer layer 6: Al 0.9 Ga 0.1 N: Si ( 15 nm) Second layer 5: Ti single crystal (300 nm) First layer 4: GaN: Si (800 nm) First buffer layer 3: AlN: Si (100 nm) Substrate 2: Si (n type) (300 μm)
【0023】nクラッド層7は発光層8側の低電子濃度
n−層と第2のバッファ層6側の高電子濃度n+層とか
らなる2層構造とすることができる。発光層8は超格子
構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへ
テロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができ
る。発光層8とpクラッド層9との間にマグネシウム等
のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いAlX
InYGa1−X−YN(0<X≦1、0≦Y<1)層
を介在させることができる。これは発光層8中に注入さ
れた電子がpクラッド層9に拡散するのを防止するため
である。pクラッド層9を発光層8側の低ホール濃度p
−層と電極10側の高ホール濃度p+層とからなる2層
構造とすることができる。The n-clad layer 7 may have a two-layer structure composed of a low electron concentration n − layer on the light emitting layer 8 side and a high electron concentration n + layer on the second buffer layer 6 side. The light emitting layer 8 is not limited to a superlattice structure, and may be a single hetero type, a double hetero type, a homojunction type, or the like. A wide band gap Al X doped with an acceptor such as magnesium between the light emitting layer 8 and the p-clad layer 9
In Y Ga 1-X-Y N (0 <X ≦ 1,0 ≦ Y <1) layer may be interposed. This is to prevent the electrons injected into the light emitting layer 8 from diffusing into the p-clad layer 9. The p-clad layer 9 is a low hole concentration p on the light emitting layer 8 side.
A two-layer structure including a − layer and a high hole concentration p + layer on the electrode 10 side can be formed.
【0024】このように構成された実施例の半導体素子
では、先の出願である特願平9−293463号に記載
の通りTi層が応力緩衝用のバッファ層となるので、S
i基板とGaN系の半導体層との熱膨張率の差に起因す
るクラックはGaN系の半導体層に殆ど入らなくなる。In the semiconductor device of the embodiment thus constructed, the Ti layer serves as a buffer layer for stress buffering as described in Japanese Patent Application No. 9-293463, which is a prior application.
Cracks due to the difference in thermal expansion coefficient between the i substrate and the GaN-based semiconductor layer hardly enter the GaN-based semiconductor layer.
【0025】実施例の発光ダイオード1は次の様にして
形成される。
(Si基板上へのGaN層の成長)Si基板2の(11
1)面上に、MOCVD法により第1のバッファ層3を
成長させる。成長温度は1000℃〜1200℃の間で
ある。その後、成長温度を1000℃〜1150℃の間
にして、再度MOCVD法によりGaN層4をエピタキ
シャル成長させる。The light emitting diode 1 of the embodiment is formed as follows. (Growth of GaN Layer on Si Substrate) (11 of Si substrate 2
1) The first buffer layer 3 is grown on the surface by MOCVD. The growth temperature is between 1000 ° C and 1200 ° C. After that, the growth temperature is set between 1000 ° C. and 1150 ° C., and the GaN layer 4 is epitaxially grown again by the MOCVD method.
【0026】(GaN層上へのTi層の成長)チャンバ
内へGaN層4/第1のバッファ層3/Si基板2をセ
ットし、工業的に汎用される真空ポンプで3×10−5
Torrまで真空引きしその後窒素ガスでチャンバ内を
充満する。この作業を3回繰り返す。これは、チャンバ
内の酸素を減らしTiが酸化されるのを未然に防止する
ためである。従って、チャンバ内の酸素を充分に排出で
きれば他の方法を採ることも可能である。なお、本発明
者らの検討によれば、現在工業的に汎用される蒸着装置
に付設の真空装置の能力では真空度に限度(通常:〜1
0−7Torr)があるので、かかる窒素パージを繰り
返すことが不可欠であった。勿論、窒素ガスの代わりに
他の不活性ガスを用いることができる。次に、窒素ガス
を拡散ポンプで8×10−7Torr程度まで真空引き
する。 (Growth of Ti layer on GaN layer) The GaN layer 4 / first buffer layer 3 / Si substrate 2 is set in the chamber and 3 × 10 −5 with a vacuum pump which is industrially widely used.
The chamber is evacuated to Torr and then filled with nitrogen gas. Repeat this work 3 times. This is to reduce oxygen in the chamber and prevent Ti from being oxidized. Therefore, another method can be adopted as long as oxygen in the chamber can be sufficiently discharged. In addition, according to the study by the present inventors, the capacity of a vacuum device attached to a vapor deposition device which is currently used industrially is limited to the degree of vacuum (usually: ~ 1).
0-7 Torr), it was essential to repeat such nitrogen purging. Of course, other inert gas can be used instead of nitrogen gas. Next, nitrogen gas is evacuated to about 8 × 10 −7 Torr by a diffusion pump.
【0027】かかる前処理の終了後、当該基板をランプ
ヒータで所定の温度(150℃)に加熱するとともに、
Tiのバルクに電子ビームを照射してこれを融解し、G
aN層4に単結晶Ti層を蒸着させる。蒸着のレートは
10Å/sである。そして、膜厚が3000Å(300
nm)になった時点で蒸着を終了させる。Ti層の蒸着に
は真空蒸着法の他に、スパッタ法、イオンプレーティン
グ法等が利用できる。After the completion of such pretreatment, the substrate is heated to a predetermined temperature (150 ° C.) by a lamp heater, and
The bulk of Ti is irradiated with an electron beam to melt it, and G
A single crystal Ti layer is deposited on the aN layer 4. The deposition rate is 10Å / s. And the film thickness is 3000Å (300
nm), the vapor deposition is terminated. In addition to the vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, or the like can be used for vapor deposition of the Ti layer.
【0028】MOCVD装置のチャンバ内へTi層5/
GaN層4/第1のバッファ層3/Si基板2をセット
し、2×10−4Torr以下に真空引きする。その
後、チャンバ内を600℃まで昇温して5分間維持し、
もってTi層5の表面をクリーニングする。その後、3
00℃の成長温度でAl0.9Ga0.1N製の第2の
バッファ層6を成長させ、更に温度を1000℃まで昇
温してnクラッド層7以降を常法に従い形成する。この
成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアル
キル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム(TM
G)、トリメチルアルミニウム(TMA)やトリメチル
インジウム(TMI)とを適当な温度に加熱された基板
上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板
の上に成長させる。上下方向の導電性を維持するため
に、積極的にドーピングをすることはいうまでもない。Ti layer 5 / into the chamber of the MOCVD apparatus
The GaN layer 4 / first buffer layer 3 / Si substrate 2 is set and vacuumed to 2 × 10 −4 Torr or less. After that, the temperature inside the chamber is raised to 600 ° C. and maintained for 5 minutes,
Therefore, the surface of the Ti layer 5 is cleaned. Then 3
The second buffer layer 6 made of Al 0.9 Ga 0.1 N is grown at a growth temperature of 00 ° C., and the temperature is further raised to 1000 ° C. to form the n-clad layer 7 and the subsequent layers according to a conventional method. In this growth method, ammonia gas and an alkyl compound gas of a Group III element, such as trimethylgallium (TM
G), trimethylaluminum (TMA) and trimethylindium (TMI) are supplied onto the substrate heated to an appropriate temperature to cause a thermal decomposition reaction, thereby growing a desired crystal on the substrate. It goes without saying that doping is positively performed in order to maintain the vertical conductivity.
【0029】透光性電極10は金を含む薄膜であり、p
クラッド層9の上面の実質的な全面を覆って積層され
る。p電極11も金を含む材料で構成されており、蒸着
により透光性電極10の上に形成される。そしてその所
望の位置にワイヤーがボンディングされる。なお、Si
基板2がn電極となる。また、Si基板2の半導体層と
は反対の面にAu、Al等の金属材料を形成し、n電極
とすることもできる。The translucent electrode 10 is a thin film containing gold, and p
The clad layer 9 is laminated so as to cover substantially the entire upper surface. The p-electrode 11 is also made of a material containing gold, and is formed on the transparent electrode 10 by vapor deposition. Then, the wire is bonded to the desired position. Note that Si
The substrate 2 serves as an n electrode. Further, a metal material such as Au or Al may be formed on the surface of the Si substrate 2 opposite to the semiconductor layer to form an n-electrode.
【0030】(第2実施例)図2にこの発明の第2の実
施例の半導体素子を示す。この実施例の半導体素子は発
光ダイオード21である。なお、図1と同一の要素には
同一の符号を付してその説明を省略する。各層のスペッ
クは次の通りである。
層 : 組成:ドーパント (膜厚)
nクラッド層 29 : n−GaN:Si (4μm)
発光層 8 : 超格子構造
量子井戸層 : In0.15Ga0.85N (3.5nm)
バリア層 : GaN (3.5nm)
量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10
pクラッド層 27 : p−GaN:Mg (0.3μm)
第2のバッファ層 26 : Al0.9Ga0.1N:Mg (15nm)
第2の層 5 : Ti単結晶 (300nm)
第1の層 4 : GaN:Mg (800nm)
第1のバッファ層 3 : AlN:Mg (100nm)
基板 2 : Si(p型) (300μm)(Second Embodiment) FIG. 2 shows a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. The semiconductor device of this embodiment is a light emitting diode 21. The same elements as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The specifications of each layer are as follows. Layer: Composition: dopant (film thickness) n-clad layer 29: n-GaN: Si (4 μm) light-emitting layer 8: superlattice structure quantum well layer: In 0.15 Ga 0.85 N (3.5 nm) barrier layer: GaN (3.5 nm) Number of repetitions of quantum well layer and barrier layer: 1 to 10 p Clad layer 27: p-GaN: Mg (0.3 μm) Second buffer layer 26: Al 0.9 Ga 0.1 N: Mg ( 15 nm) Second layer 5: Ti single crystal (300 nm) First layer 4: GaN: Mg (800 nm) First buffer layer 3: AlN: Mg (100 nm) Substrate 2: Si (p type) (300 μm)
【0031】図2に示すように、第2のバッファ層26
の上にpクラッド層27、発光層8及びnクラッド層2
9を順に成長させて発光ダイオード21が構成される。
この素子21の場合、抵抗値の低いnクラッド層29が
最上面となるのでここの透光性電極(図1の符号10参
照)を省略することが可能となる。図の符号31はn電
極である。Si基板2はそのままp電極として利用でき
る。また、Si基板2の半導体層とは反対の面にAu、
Al等の金属材料を形成し、p電極とすることもでき
る。第2の実施例の素子においても、Ti層5の存在に
より、GaN系の半導体層27、8、29にクラックが
発生しなくなる。As shown in FIG. 2, the second buffer layer 26
On the p-clad layer 27, the light-emitting layer 8 and the n-clad layer 2
The light emitting diode 21 is formed by growing 9 in order.
In the case of this element 21, since the n-clad layer 29 having a low resistance value is the uppermost surface, it is possible to omit the transparent electrode (see reference numeral 10 in FIG. 1) here. Reference numeral 31 in the figure is an n-electrode. The Si substrate 2 can be used as it is as a p-electrode. In addition, on the surface of the Si substrate 2 opposite to the semiconductor layer, Au,
It is also possible to form a p-electrode by forming a metal material such as Al. Also in the element of the second embodiment, the presence of the Ti layer 5 prevents the GaN-based semiconductor layers 27, 8, 29 from cracking.
【0032】なお、本発明が適用される素子は上記の発
光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオー
ド、レーザダイオード等の光素子の他、FET構造の電
子デバイスにも適用できる。また、これらの素子の中間
体としての積層体にも本発明は適用されるものである。The element to which the present invention is applied is not limited to the above-mentioned light emitting diode, but may be applied to an optical device such as a light receiving diode and a laser diode, as well as an electronic device having an FET structure. The present invention is also applied to a laminated body as an intermediate body of these elements.
【0033】この発明は上記発明の実施の形態及び実施
例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範
囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態
様を包含する。The present invention is not limited to the above description of the embodiments and examples of the invention, and includes various modifications which can be conceived by those skilled in the art without departing from the scope of the claims.
【0034】以下、次の事項を開示する。
(10) 請求項1〜6のいずれかにおいて、前記Ti
からなる第2の層の膜厚が、1000〜30000Åで
ある。
(11) 請求項1〜6のいずれかにおいて、前記Ti
からなる第2の層の膜厚が、5000〜20000Åで
ある。
(12) 請求項1〜6、(10)及び(11)のいず
れかにおいて、前記GaN系の半導体層と前記Tiから
なる第2の層との間に、AlaInbGa1− a−bN
(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)からなる
バッファ層が介在される。
(13) (12)において、前記バッファ層はAla
Ga1−aN(a=0.85〜0.95)である。
(14) (12)において、前記バッファ層はAla
Ga1−aN(aはほぼ0.9)である。
(20) 請求項1〜6及び(10)〜(14)のいず
れかにおいて、前記第2の層は単結晶Tiもしくは単結
晶に近いTiからなる。
(30) Si製の基板と、該Si製の基板上に形成さ
れたGaN系の半導体からなる第1の層と、該第1の層
の上に形成された実質的にTiからなる第2の層と、該
第2の層の上に形成されたGaN系の半導体層と、を備
えてなるGaN系の半導体素子。
(31) Si製の基板と、該Si製の基板上に形成さ
れたGaN系の半導体からなる第1の層と、該第1の層
の上に形成された実質的にTiからなる第2の層と、該
第2の層の上に形成されたGaN系の半導体層と、を備
えてなる積層体。The following items will be disclosed below. (10) The Ti according to any one of claims 1 to 6.
The film thickness of the second layer made of is 1000 to 30000Å. (11) The Ti according to any one of claims 1 to 6,
The film thickness of the second layer made of is 5000 to 20000Å. (12) according to claim 6, in any one of (10) and (11), between the second layer of the semiconductor layer of the GaN-based Ti, Al a In b Ga 1- a- b N
A buffer layer of (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1) is interposed. (13) In (12), the buffer layer is Al a
Ga 1-a N (a = 0.85 to 0.95). (14) In (12), the buffer layer is Al a
Ga 1-a N (a is approximately 0.9). (20) In any one of (1) to (6) and (10) to (14), the second layer is made of single crystal Ti or Ti close to single crystal. (30) Substrate made of Si, first layer made of GaN-based semiconductor formed on the substrate made of Si, and second layer made of substantially Ti formed on the first layer And a GaN-based semiconductor layer formed on the second layer. (31) Substrate made of Si, first layer made of GaN-based semiconductor formed on the substrate made of Si, and second layer made of substantially Ti formed on the first layer And a GaN-based semiconductor layer formed on the second layer.
【図1】図1はこの発明の第1の実施例の発光ダイオー
ドの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図2はこの発明の第2の実施例の発光ダイオー
ドの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
1、21 発光ダイオード 2 Si基板 3 第1のバッファ層 4 GaN系の半導体からなる第1の層 5 Tiからなる第2の層 6 第2のバッファ層 7、8、9、27、29 GaN系の半導体層 1,21 Light emitting diode 2 Si substrate 3 First buffer layer 4 First layer made of GaN-based semiconductor 5 Second layer of Ti 6 Second buffer layer 7, 8, 9, 27, 29 GaN-based semiconductor layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野杁 静代 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 米津 宏雄 愛知県豊橋市大清水町字大清水3−914 (56)参考文献 特開 昭63−114237(JP,A) 特開 昭63−110751(JP,A) 特開 昭61−179589(JP,A) 特開 平11−176758(JP,A) 特開 平11−177141(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01L 21/205 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shizuyo Nobashi No. 1 Nagahata, Ochiai, Kasuga-cho, Nishikasugai-gun, Aichi Prefecture, Toyoda Gosei Co., Ltd. (72) Hiroo Yonezu Oshimizu, Oshimizu-cho, Aichi Prefecture -914 (56) Reference JP 63-114237 (JP, A) JP 63-110751 (JP, A) JP 61-179589 (JP, A) JP 11-176758 (JP, A) ) JP-A-11-177141 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01L 21/205
Claims (6)
る第1の層と、 該第1の層の上に形成されたTiからなる第2の層と、 該第2の層の上に形成されたGaN系の半導体層と、を
備えてなるGaN系の半導体素子。1. A substrate made of Si, a first layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate made of Si, and a second layer made of Ti formed on the first layer. A GaN-based semiconductor device comprising a layer and a GaN-based semiconductor layer formed on the second layer.
0Åである、ことを特徴とする請求項1に記載のGaN
系の半導体素子。2. The thickness of the first layer is 500 to 1000.
The GaN according to claim 1, wherein the GaN is 0Å.
Semiconductor devices.
1の層がエピタキシャル成長されている、ことを特徴と
する請求項1ないし2に記載のGaN系の半導体素子。3. The GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer is epitaxially grown on the (111) plane of the Si substrate.
る第1の層と、 該第1の層の上に形成されたTiからなる第2の層と、 該第2の層の上に形成されたGaN系の半導体層と、を
備えてなる積層体。4. A substrate made of Si, a first layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate made of Si, and a second layer made of Ti formed on the first layer. A laminated body comprising a layer and a GaN-based semiconductor layer formed on the second layer.
0Åである、ことを特徴とする請求項4に記載の積層
体。5. The thickness of the first layer is 500 to 1000.
It is 0Å, The laminated body of Claim 4 characterized by the above-mentioned.
1の層がエピタキシャル成長されている、ことを特徴と
する請求項4ないし5に記載の積層体。6. The laminated body according to claim 4, wherein the first layer is epitaxially grown on the (111) plane of the Si substrate.
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